多层AISI 316L不锈钢微箔的蓝光焊接（上）

江苏激光联盟导读：

本文首次研究了用~ 450 nm波长的蓝光焊接多层薄不锈钢箔的可行性。表明生产多层(即20层25µm微箔到200µm单箔)AISI 316L不锈钢接头是可能的。其显微组织和机械可靠性可以通过变化焊接速度精确控制蓝光能量输入来实现。

摘要：

本文研究了波长约为450 nm的蓝光系统产生的搭接微接头的显微组织结构和力学行为。AISI 316L不锈钢被用于生产20层25微米的微箔组件，被焊接到一个200微米箔片上。焊接速度从6.5m/min变化到9.5m/min，每次增加1.0m/min，同时功率保持在500瓦的最大输出水平。

本文分析了接头的熔合区(fusion zone,FZ)显微结构、晶体晶界结构、显微硬度分布以及搭接剪切和T-撕裂强度。界面宽度和穿透深度（熔深）被用作表征熔合区显微结构的关键指标。焊接速度调制表明，在蓝光焊接过程中，熔深易于控制。通过进行搭接剪切和T-剥离试验来评估机械强度。结果表明，蓝光焊接可以对焊缝几何形状和接头强度产生相当大的影响，因为它可以减少焊接区域的不连续性并产生良好的机械性能。该研究首次证明了蓝光焊接可以成功地应用于不锈钢的多重堆叠连接。

1.介绍

在许多工业应用中，材料暴露在高温或腐蚀性环境中，需要选择合适的材料来防止化学降解。此外，还需要可成形性来锻造所需的形状。工业零部件通常覆盖有耐腐蚀材料，包括不锈钢薄片、钽或镍合金薄片，因此，对薄箔的微焊接需求越来越大。与其他工艺相比，激光焊接允许精确的热控制，并可减少热影响区(HAZ)的大小、残余应力和不连续性的存在，有望成为首选的微连接方法。

1.1.工业要求

我们现在面临的主要挑战之一是温室气体对全球气候的长期影响，这促使我们使用和储存替代能源以减少温室气体产生。使用化石燃料的汽车仍然是温室气体排放的主要来源之一。总二氧化碳(CO2)排放量的12%由机动车产生。在这种令人担忧的情况下，各种国家和国际立法机构正在制定严格的排放目标，以减少所有地面运输车辆，特别是机动车辆的温室气体排放量。然而，随着能源需求的不断增长，储能（包括高容量电池和超级电容器）的重要性和迫切性愈加凸显。储能装置被用作电动汽车或混合动力/插电式混合动力汽车以及电信和备用电源系统的替代电源。因此，各国非常重视储能技术的研究和开发，包括开发用于电池或电容器的新型电化学。

▲图1 双层超级电容器示意图

▲图2 不锈钢衬底上生长NiCo2O4纳米流薄膜的合成工艺。

铜和铝是用于电极的传统材料，而不锈钢正被研究用于新兴的电池/超级电容器技术，其中电池化学与铜、铝并不相容。作为这种新的电化学发展的一部分，一些活性材料的化学成分需要使用不锈钢作为电极载体（如图2）。由于这一变化，需要一种有效的连接技术将多个不锈钢箔连接在一起。目前，超声波焊接、超声楔焊、脉冲TIG点焊、电阻点焊/凸焊、微铆接、钎焊、激光焊接和机械组装等多种连接技术被用于焊接电池或超级电容器。对于软材的多片焊接，优选项是超声波焊接，可用于焊接由铜、铝或镍制成的接线片/母线。

然而，传统的连接方法（如机械或超声波焊接），已经不能满足现代电池更高的功率需求，现代电池需要使用不锈钢等更硬的材料。相比之下，激光焊接可以用于焊接多个不锈钢箔，并且具有非接触、高生产率、高柔性、轻质化、较低能量需求和较低成本等多种优势。常用的高功率工业激光器在红外波长(通常为1064nm)下工作，但对于电池焊接应用来说，其存在飞溅高、多孔和有缺陷等缺点，这可能带来较大的机械和电气可变性和不可控性。现已开发出来的蓝光激光器(波长约450nm)，在高反射表面上还具有高得多的能量吸收。J.P. Davim等人的文献中说明了各种金属的吸收率随波长的变化，比如铜、铝、镍和钢在蓝色波长下的吸收率分别比在红外波长下的吸收率高13、3、1.5和1.3倍。这减少了必须施加到焊缝中的能量、减少了飞溅的趋势和在匙孔焊接操作期间空隙的产生。这些发现拓宽了焊接操作性，通过增强高导电、反射性材料的可焊性可产生具有优化机械强度和较低电阻率的焊缝。蓝激焊接将被进一步研究用于储能应用。

1.2.研究空白和研究目标

▲图3 (a)示出封闭矩形中的EBSD扫描区域的SEM图像，(b)相位图和(c)反极图。

除了Abe、Ventrella、Kim、Pakmanesh等人研究过双层重叠连接，几乎没有人研究过蓝光焊接的双层重叠连接，现有研究中存在极大的研究空白。这也正是本文的研究价值之所在！

Kell等人使用1 kW CO2激光在1 mm厚的316L不锈钢板上进行焊道板焊接，以研究显微组织行为（图3）。他们发现，与20µm的基材相比，焊缝金属形成了明显更大的晶粒(约200µm)。Jandaghi等人研究了316不锈钢脉冲激光焊接过程中的合金元素损失，他们得出结论，焊缝金属中的锰和铬浓度降低，而铁、镍的百分比同时增加。使用不锈钢316对接结构以及研究不同厚度的薄板组合的理论研究比较少。

然而，在重叠连接结构中，关于不锈钢箔的研究工作主要集中在使用红外激光的单层焊接上。Abe等人使用直接二极管激光器进行不锈钢微焊接，焊接箔的抗拉强度几乎等于基材的标称值。类似地，Ventrella等人鉴于AISI 316L不锈钢的100 µm薄箔，研究了使用脉冲波掺钕钇铝石榴石激光器的单层搭接接头，探索了使用红外激光连接AISI 316不锈钢的可行性，发现焊缝几何质量（如焊道宽度、连接宽度和焊道深度）随着脉冲能量的增加而增加，最后由于烧穿而降低。随后，他们扩展了自身的研究——使用脉冲激光焊接将100µm薄箔焊接到3毫米厚的薄板上，发现熔深随着脉冲能量的增加而增加，搭接剪切强度随着脉冲能量的增加先增大后减小。初始脉冲能量的增加产生了更大的熔池，从而将焊缝质量从欠焊提升到良焊，然而，脉冲能量的进一步增加从良焊缓慢移动到过焊，降低了搭接剪切强度。

▲图4 左上：功率和脉冲持续时间对未焊满的相互作用:(a)表面图，(b)等高线图 右上：功率和频率对未焊满的相互作用:(a)表面图，(b)等高线图 左下：功率和脉冲持续时间对咬边的相互作用:(a)表面图，(b)等高线图 右上：功率和频率对咬边的相互作用:(a)表面图，(b)等高线图

Kim等人还研究了光束尺寸对1毫米厚不锈钢板上50μm厚不锈钢箔焊接性的影响，发现在超薄箔焊接中，光束直径的影响非常显著，他们还强烈建议使用更小的光斑尺寸。对于较大的光束而言，表面张力效应变得太大，无法维持稳定的焊接熔池。拉伸强度和硬度与熔深成反比。如图4，Pakmanesh和Shamanian研究了两个金属箔焊接在一起时316L不锈钢箔搭接接头上的激光焊接参数，研究称影响未焊满和咬边最重要的参数是激光功率，其影响比例高达65%。对不锈钢薄箔焊接的研究通常基于使用红外激光的两层搭接焊接。

但是，对于储能应用，它需要多个薄箔焊接。因此，本文首次探讨了20层25 μm不锈钢薄箔与另一个200 μm不锈钢箔焊接时蓝光连接的可焊性。现有文献中研究工作和研究空白可通过本文予以一定的解决——评估熔合区几何形状和关键特征、使用电子背散射衍射(EBSD)图研究熔合区显微结构、确定从基材到熔合区的显微硬度分布，以及对焊接搭接接头进行搭接剪切强度和T-剥离强度分析。

2.材料和实验程序

2.1.材料和接头配置

在这次蓝光焊接研究中，20层25µm的不锈钢箔与200µm的AISI 316L不锈钢片焊接在一起。将两种厚度的基材切割成100 mm × 25 mm的尺寸，然后，将20层25 µm薄箔片放置在单层200µm厚箔片上，重叠25mm。图5显示了具有长度15 mm的蓝光焊接接头的搭接剪切和T-剥离试样结构。测得的0.2%证明应力（屈服极限）、最大载荷下的拉伸应力和延伸率平均值分别为274兆帕、2732牛顿下的549兆帕和17.7%。

▲表1 本研究中使用的AISI 316L基材的化学成分

▲图5 多层接头配置示意图(a)搭接剪切接头的叠加视图，以及(b) T-剥离接头。

2.2.蓝光系统

▲图6 (a)用于制作接头的夹具示意图，以及(b)蓝色激光焊接设置。

用于这项研究的蓝光系统是Nuburu AO-500，可在~450 nm的蓝光波长下提供500瓦功率的连续波模式。激光光学系统安装在X-Y台架系统上，焦斑直径约为200µm。焦点固定在不锈钢箔的顶面上，激光束垂直于表面。如图6(b)所示的蓝色激光装置，连接试验在氩气保护气体环境中通过3毫米喷嘴以20升/分钟的流速进行。此研究中缺乏紧密接触可能导致咬边、多孔以及无接缝等。因此，固定对于激光焊接（特别是对于连接薄箔）很重要。为了确保所需的接头配合，严格保持公差，避免失配或间隙。开发了一套特殊的夹具，以确保零件之间的紧密接触，并避免焊接过程中过度变形，如图6(a)所示。

由于蓝色激光系统可获得的最大功率为500瓦，激光功率固定在最大水平，焊接速度从6.5米/分钟变化到9.5米/分钟，每次增加1.0米/分钟。根据焊接速度与熔合区关键几何特征（特别是熔深变化和机械强度之间的关系），对实验结果进行了分析。制备样品并用丙酮清洗，以确保所有样品呈现相同的表面状况，具有均匀的光洁度。

2.3.样品制备和测试条件

在进行蓝色激光焊接之后，将样品用于金相检验和随后的机械强度评估。为了研究熔合区，使用精密刀具垂直于焊接方向切割金相样品，然后使用环氧树脂固化剂和硬化剂冷安装它们。将安装好的样品研磨，使用9µm和3µm的金刚石悬浮液溶液抛光，然后使用0.02-0.06µm胶态二氧化硅溶液作最后的抛光。

为了获得基材和熔合区的显微结构，抛光的样品用50%的硝酸溶液电解蚀刻(5 V，10 s)。使用尼康Eclipse LV150N光学显微镜检查焊缝显微结构，并记录熔深和界面宽度。使用200克力负载和10 s的测试持续时间测量显微硬度分布。利用配有场发射枪扫描电子显微镜(SEM)来进行能量色散光谱(EDS)和EBSD分析。使用Instron3367静态测试架进行搭接剪切和丁字剥离测试，载荷能力为30千牛，十字头速度分别为2毫米/分钟和10毫米/分钟。记录从搭接剪切和T-剥离试验中获得的峰值载荷，以评估焊缝的机械强度，并进一步用作焊缝性能的评估。对于每个测试条件，准备三个样品用于检查焊缝几何形状和测量抗拉强度，以提升结果的可靠性和一致性。

3.结果和讨论

3.1.接头熔合区特征

▲图7 在不同焊接速度下焊接熔合区显微结构(a) 6.5米/分钟，(b) 7.5米/分钟，(c) 8.5米/分钟，(d) 9.5米/分钟，(e)从7.5米/分钟下部基材熔合区增强视图，(f)从6.5米/分钟薄箔熔合区增强视图，箭头显示熔合区晶粒取向。

图7绘出了不同焊接速度下搭接接头的焊接熔合区显微组织。使用光学显微镜，测量关键的几何特征(例如熔深和界面宽度)被绘制在图8中。从这些横截面显微照片可以明显看出，它们由两个不同的区域组成——熔合区(FZ)和基材(BM)区。由于施加蓝色波长的激光能量，在激光束施加点处的20层不锈钢箔和下板被熔化，然后一起再固化以形成熔合区。

▲图8 关键几何特征(a)熔深、(b)界面宽度与焊接速度的关系。

在研究里所有焊接条件下，观察到整体良好的表面外观，并且在焊缝的顶面或相邻区域没有发现缺陷。在任何焊缝中都没有观察到裂纹或不连续性，这可归因于基底金属良好的抗裂性、低飞溅的蓝色激光焊接和正确工艺参数下的适当固定。因此，它展示了蓝光焊接与保护气体在避免氧化、孔隙和杂质方面的综合优势。一般来说，由于氧化层的存在，没有保护气体的激光焊接会导致焊接脆化和较差的成形性。图7证实，对于所有焊接速度，蓝色激光焊接都是在匙孔模式下进行的，其中激光能量被顶部箔吸收，并且随着熔池的发展而转移到下部箔中。显微组织检查显示，由于匙孔焊接，从熔合边界(即BM到FZ的过渡)向熔合区中心有明显的柱状晶界生长。图7(c)显示了从基材和晶界生长方向向熔合区的转变。从图7可以明显看出，熔合区的形态关于激光束呈现轴对称。

如图8(a)所示，由于能量输入的减少，熔深随着焊接速度的增加呈下降趋势。例如，6.5米/分钟的焊接速度等于4.62焦耳/毫米的能量输入，当速度增加到9.5米/分钟时，逐渐降低到3.16焦耳/毫米。由于能量输入的减少以及激光-金属相互作用时间的变化，观察到熔深的重大变化。在更高的能量输入下，更大体积的材料被熔化，通过基底材料不断扩大，导致其被完全穿透。因此，在6.5米/分钟时观察到全焊透，可归类为“过焊”，而在9.5米/分钟时焊透仅为60.9米，归类为“欠焊”。为了避免全焊透或欠焊情况，7.5米/分钟和8.5米/分钟的焊接是优选的，并可归类为“良焊”。平均熔深分别为166.9米和132.4米，焊接速度分别为7.5米/分钟和8.5米/分钟。

这些结果表明，熔池特性，尤其是熔深，对焊接速度变化引起的能量输入变化很敏感。相反，如图8(b)所示，由于焊接速度的变化，没有获得晶界宽度的较大变化。例如，对于从6.5米/分钟到8.5米/分钟的焊接速度，平均界面宽度约为280米，并且由于焊接不足，在9.5米/分钟(即217.7米)时轻微减小。尽管焊缝熔合区的几何形状证实所有焊接都是在匙孔模式下进行的，在所有焊缝中没有观察到焊接裂纹，也没有或很少出现小于10µm的孔隙。这表明蓝光适用于AISI 316L不锈钢的多层微箔焊接。

未完待续

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文章来源：Abhishek Dasa,Robert Fritz et al., Blue laser welding of multi-layered AISI 316L stainless steel micro-foils,https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106498

参考文章：M.M. Thackeray, C. Wolverton, E.D. Isaacs，Electrical energy storage for transportation—approaching the limits of, and going beyond, lithium-ion batteries，Energy Environ. Sci.,

A. Das, D. Li, D. Williams, D. Greenwood，Weldability and shear strength feasibility study for automotive electric vehicle battery tab interconnects，J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng.