江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

本文首次研究了用~450nm波長(zhǎng)的

藍(lán)光焊接

多層薄不銹鋼箔的可行性。表明

生產(chǎn)多層

(即20層25μm微箔到200μm單箔)

AISI316L不銹鋼接頭

是可能的。其顯微組織和機(jī)械可靠性可以通過(guò)

變化焊接速度

精確控制藍(lán)光能量輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。

▲

圖9

EBSD圖，包括(a)25μm多層微箔基材，(b)200μm下層基材，(c)熔合區(qū)晶界分布，以及(d)顯示晶界排列的反極圖三角形和顯示EBSD測(cè)量表面的幾何圖，(e)–(f)熔合區(qū)不同區(qū)域的增強(qiáng)視圖。

選擇焊接速度為7.5m/min的良焊中的一個(gè)，用于另外的顯微組織特征和顯微硬度分析。EBSD圖像提供了關(guān)于熔合區(qū)晶界分布和從基材到熔合區(qū)晶界形成的重要信息。圖9顯示了7.5m/min?；膱D像如圖9(a)和(b)所示。25μm和200μm箔的平均粒度分別為6μm和19.5μm。從EBSD獲得的晶界取向圖代表了晶粒尺寸分布的細(xì)節(jié)及其在焊接區(qū)(即從基材到熔合區(qū))的取向。在基材和熔合區(qū)之間觀察到明顯的邊界，在此處晶粒尺寸發(fā)生急劇變化。圖9(c)所示的反極圖顯示了從基材到焊縫中心的柱狀晶界形成，在中心產(chǎn)生等軸晶粒。圖9(e)–(g)顯示了熔合區(qū)的增強(qiáng)視圖，包括25μm薄箔向熔合區(qū)的過(guò)渡，200μm厚箔向熔合區(qū)的過(guò)渡，以及從兩個(gè)方向合并的柱狀晶粒中心的等軸晶粒。

這些晶粒取向和柱狀結(jié)構(gòu)是熔化區(qū)冷卻的結(jié)果，在熔化區(qū)熱量主要從熔融材料傳導(dǎo)到基體材料。柱狀晶粒尺寸通常從熔合區(qū)的底部向頂部增加。熔合區(qū)底部的晶粒為60μm，而熔合區(qū)中部和頂部的晶粒分別約為80μm和102μm。由于激光焊接過(guò)程中典型的高冷卻速率，這種類(lèi)型的晶粒形成和微觀結(jié)構(gòu)可以稱得上預(yù)料之中。這種晶粒形成是由凝固過(guò)程中溫度梯度(G)與晶粒生長(zhǎng)速率(R)之比決定的。當(dāng)G/R，柱狀晶粒生長(zhǎng)是可以預(yù)期的。在凝固過(guò)程中，晶粒生長(zhǎng)幾乎垂直于熔合區(qū)邊界。熔化邊界處的未熔化晶粒充當(dāng)熔化區(qū)柱狀晶粒(外延生長(zhǎng))的成核點(diǎn)。

3.2.接頭顯微硬度分布

本研究還進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試，以確定熔合區(qū)、熱影響區(qū)(HAZ)和基材中顯微結(jié)構(gòu)不均勻性的可能影響。為了繪制熔合區(qū)和基材內(nèi)的顯微硬度，明確以下三個(gè)顯微硬度圖——分布圖1:熔合區(qū)上側(cè)的顯微硬度分布，分布圖2:熔合區(qū)內(nèi)從上到下的顯微硬度變化以及分布圖3:從熔合區(qū)向基材任一側(cè)的0.2毫米下板的顯微硬度分布圖。從良焊條件(即以7.5m/min的速度焊接)獲得的顯微硬度分布如圖10所示，其測(cè)量位置顯示在焊接幾何形狀上。

▲

圖10

良焊條件(即以7.5m/min的速度焊接)熔合區(qū)和下部基材的顯微硬度分布(a)熔合區(qū)的上側(cè)，(b)熔合區(qū)內(nèi)的垂直分布，(c)下基材和熔合區(qū)，以及(d)硬度測(cè)量點(diǎn)的光學(xué)圖

熔合區(qū)內(nèi)的顯微硬度分布顯示，焊縫中心的平均硬度比兩側(cè)相對(duì)較低(約低10%)。眾所周知，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系原理，材料硬度與晶粒尺寸密切相關(guān)，其中較大的晶粒形成導(dǎo)致熔合區(qū)和鄰近區(qū)域的硬度減小。從光學(xué)圖像和EBSD圖可以觀察到，柱狀晶粒由熔合區(qū)界面兩側(cè)產(chǎn)生，并向焊縫中心生長(zhǎng)。然而，在柱狀晶之間的焊縫中心形成了等軸晶。此外，熔化的焊接熔池的冷卻從熔合區(qū)邊界開(kāi)始，逐漸向熔池中心擴(kuò)展。由于這些晶粒分布和冷卻速率存在差異，熔合區(qū)邊界區(qū)域的硬度相對(duì)高于中心。

▲

圖11

對(duì)(a)熔合區(qū)和(b)從7.5m/min焊接條件下獲得的基材的主要合金元素進(jìn)行EDS分析。

一般來(lái)說(shuō)，熔合區(qū)會(huì)顯示多種重要的合金元素，比如錳、鉻、鎳和鐵。從熔合區(qū)和基材中間獲得的EDS分析結(jié)果如圖11所示。焊縫金屬中鐵和鉻的濃度增加，而鎳和錳的濃度降低。在其他文獻(xiàn)中對(duì)不銹鋼316進(jìn)行紅外激光焊接后也進(jìn)行了類(lèi)似的觀察。然而，如圖10(b)所示，當(dāng)從熔合區(qū)的頂部，平均硬度增加。該垂直硬度分布圖顯示，熔合區(qū)頂部的平均顯微硬度為162.17HV

0.2

，并在熔合區(qū)-基底金屬界面底部緩慢增加至196.1。當(dāng)從熔合區(qū)中心，在0.2毫米底板中觀察到最大硬度變化。基材內(nèi)的平均顯微硬度為156.6HV

0.2

。熔合區(qū)-基材界面處的最大顯微硬度為196.1。這些都證實(shí)顯微硬度值從中心位置向基材下降，并在基材獲得穩(wěn)定的平均顯微硬度。熔合區(qū)附近顯微硬度的增加是由于熱影響區(qū)（HAZ）。這在我們意料之中，因?yàn)殇摰臋C(jī)械性能通?；谄湮⒂^結(jié)構(gòu)（其中可能存在一些晶間沉淀物）。

3.3.接頭強(qiáng)度和失效模式表征

▲

圖12

藍(lán)色激光焊接接頭強(qiáng)度特性(a)搭接剪切載荷，(b)T-剝離載荷，以及(c)相應(yīng)的載荷平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差

本研究使用最大搭接剪切和T-剝離載荷來(lái)評(píng)估接頭強(qiáng)度。搭接剪切載荷與焊接速度呈負(fù)相關(guān)。焊接速度的遞增降低了最大搭接剪切載荷。從金相檢驗(yàn)中，確認(rèn)下部薄板的完全熔透發(fā)生在6.5m/min，并且熔深隨著速度的增加而逐漸減小。當(dāng)焊接功率固定在500，較高的焊接速度意味著較少的激光-金。當(dāng)焊接速度從6.5m/min增加到9.5m/min，由于穿透深度低，觀察到搭接剪切載荷減少了約42%。在最大剝離載荷下，觀察到類(lèi)似的隨焊接速度降低的行為。當(dāng)焊接速度從6.5m/min移動(dòng)到7.5m/min，T-剝離載荷略有增加，但此后載荷逐漸減小。在9.5m/牛頓的最低剝離強(qiáng)度，這比在7.5m/牛頓的最大剝離強(qiáng)度約低51%。在搭接剪切和T-剝離試驗(yàn)中，由于熔合區(qū)的低熔深或不連續(xù)熔深，在9.5m/min的焊接速度下獲得了最低值。

與此類(lèi)似，在激光，Ventrella等人發(fā)現(xiàn)，由于脈沖能量的增加，搭接剪切強(qiáng)度隨著穿透深度而增加，然而，未焊滿下脈沖能量進(jìn)一步增加導(dǎo)致過(guò)焊，并隨后降低搭接剪切強(qiáng)度。相反，在連接薄/，Ventrella等人和Kim等人得出結(jié)論，拉伸強(qiáng)度與熔深成反比，因?yàn)槿凵畹脑黾訒?huì)產(chǎn)生過(guò)焊的情況。

從搭接剪切和T-剝離強(qiáng)度獲得的失效模式可分為兩個(gè)不同的類(lèi)別——其一是材料撕裂的部分周向斷裂，即失效發(fā)生在基材而不是接頭處，然后斷裂隨著較低材料撕裂而擴(kuò)展，保持接頭完好無(wú)損，其二是部分粘合的界面分離，即失效發(fā)生在焊縫熔合區(qū)內(nèi)部，較低材料部分粘合，隨后較低材料撕裂。從搭接剪切和T-剝離試驗(yàn)中獲得的失效模式如圖13所示，也突出了這兩種兩種失效模式。

一般來(lái)說(shuō)，失效從接頭周?chē)膬蓚€(gè)薄弱位置開(kāi)始——即熔合區(qū)和基材之間的邊界，以及上下材料之間的界面。接頭的失效模式和強(qiáng)度主要與這兩個(gè)位置的強(qiáng)度有關(guān)，而這兩個(gè)位置主要受熔深、界面寬度和顯微組織梯度的影響。由于良好的熔深，從較低的焊接速度范圍(即6.5m/min和7.5m/min)獲得了具有材料撕裂的部分周向斷裂，而由于較低的熔深和界面寬度，在高焊接速度(即8.5m/min和9.5m/min)獲得了具有部分粘結(jié)的界面分離。

▲

圖13

搭接剪切和T-剝離測(cè)試的失效模式

將接頭強(qiáng)度與失效模式進(jìn)行比較，可以得出結(jié)論，較高的強(qiáng)度、材料撕裂部分周向斷裂是優(yōu)選的接頭。在較高的焊接速度下，由于低能量輸入，獲得了具有部分粘結(jié)的界面分離，并導(dǎo)致焊接熔池向較低材料的不良擴(kuò)展。

4.結(jié)論

本文首次研究了用~450nm波長(zhǎng)的藍(lán)光焊接多層薄不銹鋼箔的可行性。從該研究中獲得的結(jié)果表明，生產(chǎn)多層(即20層25μm微箔到200μm單箔)AISI316L不銹鋼接頭是可能的。顯微組織和機(jī)械可靠性可以通過(guò)變化焊接速度精確控制藍(lán)光能量輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本研究中獲得的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

※

接頭熔合區(qū)表征證實(shí)，使用藍(lán)光焊接可以輕松控制孔隙的形成和熔深，根據(jù)關(guān)鍵幾何特征進(jìn)行過(guò)焊、良焊和欠焊等分類(lèi)。

※

根據(jù)工業(yè)高產(chǎn)要求，使用藍(lán)光可以實(shí)現(xiàn)高速焊接。

※

藍(lán)光焊接對(duì)于電微型連接具有適用性，在熔合區(qū)內(nèi)沒(méi)有焊接裂紋，幾乎沒(méi)有孔隙以及飛濺低。

※

由于高冷卻速率和定向冷卻，在熔合區(qū)內(nèi)獲得了細(xì)長(zhǎng)柱狀晶粒形式的外延晶粒生長(zhǎng)。

※

使用顯微硬度分布圖繪制了熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基材中微觀結(jié)構(gòu)不均勻性的影響。

※

此外，還確定了良好焊縫的接頭強(qiáng)度和首選失效模式(即材料撕裂的部分周向斷裂)。

總之，本文證明了藍(lán)光焊接在未來(lái)儲(chǔ)能應(yīng)用中用于連接多個(gè)薄箔層的適用性。此外，為了量化其相對(duì)于紅外激光的優(yōu)勢(shì)，本文還進(jìn)行了詳細(xì)的顯微組織評(píng)估。

本文完

江蘇激光聯(lián)盟激光紅歡迎您持續(xù)關(guān)注

AbhishekDasa,RobertFritzetal.,Bluelaserweldingofmulti-layeredAISI316Lstainlesssteelmicro-foils,

參考文章：Thackeray,C.Wolverton,Isaacs，Electricalenergystoragefortransportation—approachingthelimitsof,andgoingbeyond,lithium-ionbatteries，EnergyEnviron.Sci.,

A.Das,D.Li,D.Williams,D.Greenwood，Weldabilityandshearstrengthfeasibilitystudyforautomotiveelectricvehiclebatterytabinterconnects，J.Braz.Soc.Mech.Sci.Eng.

江蘇激光聯(lián)盟陳長(zhǎng)軍原創(chuàng)作品！