機械手激光焊接機哪里有賣的，多層AISI316L不銹鋼微箔的藍光焊接（下）

江蘇激光聯盟導讀：

本文首次研究了用~450nm波長的

藍光焊接

多層薄不銹鋼箔的可行性。表明

生產多層

(即20層25μm微箔到200μm單箔)

AISI316L不銹鋼接頭

是可能的。其顯微組織和機械可靠性可以通過

變化焊接速度

精確控制藍光能量輸入來實現。

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圖9

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

選擇焊接速度為7.5m/min的良焊中的一個，用于另外的顯微組織特征和顯微硬度分析。EBSD圖像提供了關于熔合區晶界分布和從基材到熔合區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節及其在焊接區(即從基材到熔合區)的取向。在基材和熔合區之間觀察到明顯的邊界，在此處晶粒尺寸發生急劇變化。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，在中心產生等軸晶粒。圖9(e)–(g)顯示了熔合區的增強視圖，包括25μm薄箔向熔合區的過渡，200μm厚箔向熔合區的過渡，以及從兩個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構是熔化區冷卻的結果，在熔化區熱量主要從熔融材料傳導到基體材料。柱狀晶粒尺寸通常從熔合區的底部向頂部增加。熔合區底部的晶粒為60μm，而熔合區中部和頂部的晶粒分別約為80μm和102μm。由于激光焊接過程中典型的高冷卻速率，這種類型的晶粒形成和微觀結構可以稱得上預料之中。這種晶粒形成是由凝固過程中溫度梯度(G)與晶粒生長速率(R)之比決定的。當G/R，柱狀晶粒生長是可以預期的。在凝固過程中，晶粒生長幾乎垂直于熔合區邊界。熔化邊界處的未熔化晶粒充當熔化區柱狀晶粒(外延生長)的成核點。

3.2.接頭顯微硬度分布

本研究還進行了顯微硬度測試，以確定熔合區、熱影響區(HAZ)和基材中顯微結構不均勻性的可能影響。為了繪制熔合區和基材內的顯微硬度，明確以下三個顯微硬度圖——分布圖1:熔合區上側的顯微硬度分布，分布圖2:熔合區內從上到下的顯微硬度變化以及分布圖3:從熔合區向基材任一側的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，其測量位置顯示在焊接幾何形狀上。

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圖10

良焊條件(即以7.5m/min的速度焊接)熔合區和下部基材的顯微硬度分布(a)熔合區的上側，(b)熔合區內的垂直分布，(c)下基材和熔合區，以及(d)硬度測量點的光學圖

熔合區內的顯微硬度分布顯示，焊縫中心的平均硬度比兩側相對較低(約低10%)。眾所周知，根據Hall-Petch關系原理，材料硬度與晶粒尺寸密切相關，其中較大的晶粒形成導致熔合區和鄰近區域的硬度減小。從光學圖像和EBSD圖可以觀察到，柱狀晶粒由熔合區界面兩側產生，并向焊縫中心生長。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邊界開始，逐漸向熔池中心擴展。由于這些晶粒分布和冷卻速率存在差異，熔合區邊界區域的硬度相對高于中心。

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圖11

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

一般來說，熔合區會顯示多種重要的合金元素，比如錳、鉻、鎳和鐵。從熔合區和基材中間獲得的EDS分析結果如圖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。在其他文獻中對不銹鋼316進行紅外激光焊接后也進行了類似的觀察。然而，如圖10(b)所示，當從熔合區的頂部，平均硬度增加。該垂直硬度分布圖顯示，熔合區頂部的平均顯微硬度為162.17HV

0.2

，并在熔合區-基底金屬界面底部緩慢增加至196.1。當從熔合區中心，在0.2毫米底板中觀察到最大硬度變化?；膬鹊钠骄@微硬度為156.6HV

0.2

。熔合區-基材界面處的最大顯微硬度為196.1。這些都證實顯微硬度值從中心位置向基材下降，并在基材獲得穩定的平均顯微硬度。熔合區附近顯微硬度的增加是由于熱影響區（HAZ）。這在我們意料之中，因為鋼的機械性能通?；谄湮⒂^結構（其中可能存在一些晶間沉淀物）。

3.3.接頭強度和失效模式表征

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圖12

藍色激光焊接接頭強度特性(a)搭接剪切載荷，(b)T-剝離載荷，以及(c)相應的載荷平均值和標準偏差

本研究使用最大搭接剪切和T-剝離載荷來評估接頭強度。搭接剪切載荷與焊接速度呈負相關。焊接速度的遞增降低了最大搭接剪切載荷。從金相檢驗中，確認下部薄板的完全熔透發生在6.5m/min，并且熔深隨著速度的增加而逐漸減小。當焊接功率固定在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，觀察到類似的隨焊接速度降低的行為。當焊接速度從6.5m/min移動到7.5m/min，T-剝離載荷略有增加，但此后載荷逐漸減小。在9.5m/牛頓的最低剝離強度，這比在7.5m/牛頓的最大剝離強度約低51%。在搭接剪切和T-剝離試驗中，由于熔合區的低熔深或不連續熔深，在9.5m/min的焊接速度下獲得了最低值。

與此類似，在激光，Ventrella等人發現，由于脈沖能量的增加，搭接剪切強度隨著穿透深度而增加，然而，未焊滿下脈沖能量進一步增加導致過焊，并隨后降低搭接剪切強度。相反，在連接薄/，Ventrella等人和Kim等人得出結論，拉伸強度與熔深成反比，因為熔深的增加會產生過焊的情況。

從搭接剪切和T-剝離強度獲得的失效模式可分為兩個不同的類別——其一是材料撕裂的部分周向斷裂，即失效發生在基材而不是接頭處，然后斷裂隨著較低材料撕裂而擴展，保持接頭完好無損，其二是部分粘合的界面分離，即失效發生在焊縫熔合區內部，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。

一般來說，失效從接頭周圍的兩個薄弱位置開始——即熔合區和基材之間的邊界，以及上下材料之間的界面。接頭的失效模式和強度主要與這兩個位置的強度有關，而這兩個位置主要受熔深、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的界面分離。

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圖13

搭接剪切和T-剝離測試的失效模式

將接頭強度與失效模式進行比較，可以得出結論，較高的強度、材料撕裂部分周向斷裂是優選的接頭。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的界面分離，并導致焊接熔池向較低材料的不良擴展。

4.結論

本文首次研究了用~450nm波長的藍光焊接多層薄不銹鋼箔的可行性。從該研究中獲得的結果表明，生產多層(即20層25μm微箔到200μm單箔)AISI316L不銹鋼接頭是可能的。顯微組織和機械可靠性可以通過變化焊接速度精確控制藍光能量輸入來實現。根據本研究中獲得的結果，可以得出以下結論:

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接頭熔合區表征證實，使用藍光焊接可以輕松控制孔隙的形成和熔深，根據關鍵幾何特征進行過焊、良焊和欠焊等分類。

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根據工業高產要求，使用藍光可以實現高速焊接。

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藍光焊接對于電微型連接具有適用性，在熔合區內沒有焊接裂紋，幾乎沒有孔隙以及飛濺低。

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由于高冷卻速率和定向冷卻，在熔合區內獲得了細長柱狀晶粒形式的外延晶粒生長。

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使用顯微硬度分布圖繪制了熔合區、熱影響區和基材中微觀結構不均勻性的影響。

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

總之，本文證明了藍光焊接在未來儲能應用中用于連接多個薄箔層的適用性。此外，為了量化其相對于紅外激光的優勢，本文還進行了詳細的顯微組織評估。

本文完

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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.

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