不锈钢箔激光微焊接

        激光微焊接不同于宏焊接，因为焊缝至少有一个尺寸小于 100 μm。虽然激光微焊接的工艺研究最近取得了一些进展，但焊接模式对微观结构和耐腐蚀性的影响仍然未知，这已被证明对激光宏焊接有显著的影响。在这项工作中，配备扫描振镜的单模光纤激光器用于焊接厚度为 100 μm 的 AISI304 不锈钢箔。与激光宏焊接类似，锁孔形成用于描述两种焊接模式，即热传导焊接和渗透焊接。激光-材料相互作用经历一个瞬态阶段，其中焊接模式在传导焊接和渗透焊接之间交替，如先前研究报告的那样。然而，我们表明气体保护消除了瞬态阶段，证明瞬态阶段是由于焊接过程中的氧化导致渗透焊接不稳定性而产生的。由于焊接过程中传热行为的变化，传导焊缝和渗透焊缝之间的晶体织构和相组成有所不同。与渗透焊缝相比，传导焊缝具有更大的Σ3 CSL边界和更均匀的微观结构，从而具有更好的耐腐蚀性能。

        本研究使用的基材（BM）为AISI304不锈钢箔，尺寸为20 mm×100 mm×0.1 mm。激光焊接前，样品用丙酮超声清洗10 min，再用去离子水清洗，室温干燥。激光微焊接实验装置如图1所示。采用波长为1.07 μm、最大功率为3 kW的单模光纤激光器（IPG-YLS3000）作为激光源。单个模块的激光功率为500 W，功率调节范围为30 W至500 W。焊接系统配备振镜系统，焦距为354 mm，焦斑直径为70 μm。采用铜夹具夹持焊接样品，尺寸为20 mm×100 mm×0.1 mm。流量为20 L/min的氩气保护气通过夹具内部的气槽平行吹向样品表面。激光束聚焦在工件表面。选择激光功率为30~80 W、焊接速度为5~60 mm/s作为与工艺无关的输入变量，如表1所示。

        图1. 实验装置图。(a)激光微焊接过程，(b)焊接羽流观察。

        使用帧率为 4000 fps 的高速摄像机观察焊接羽流（图 1(b)）。焊接样品通过工位以 40 mm/s 的速度相对于激光束移动，激光源发射 1 秒，同时使用摄像机记录羽流。通过光学显微镜 (OM，OLYMPUS GX51) 和扫描电子显微镜 (SEM，HITACHI S-3400) 检查焊缝的表面和横截面微观结构。使用电子背散射衍射 (EBSD) 技术进行定量微观结构分析。使用标准抛光技术获得金相样品，然后用 10% 草酸溶液进行电蚀刻。对 EBSD 样品进行机械抛光，然后在 20 V 电压下在 40 ◦C 的 30% 高氯酸乙醇溶液中浸泡 8 秒进行电抛光。使用 TSL OIMTM EBSD 系统进行 EBSD 分析。以 0.3 μm 的步长收集数据。对于耐腐蚀试验，样品尺寸为 24 mm × 19 mm × 0.1 mm。所有样品抛光后，在超声波清洗器中用乙醇清洗 5 分钟。使用 Biologic VMP3 电化学工作站在三电极电池中进行电化学测量。所有实验均在 0.1 mol/L 盐酸溶液中进行。在每次实验开始时，工作电极阴极极化 3 分钟以去除表面氧化物。以 1 L/min 的流速向盐酸溶液中注入氮气以去除氧气。采用 EC-Lab 电化学测量系统测量极化曲线，扫描速率为 0.166 mV/s，范围为 -1 V 至 0.8 V。所有实验均使用三个不同的样品进行，以确认结果的可重复性。

       主要图表

       图 2. 焊缝表面和横截面形貌的 OM 图像，焊接速度为 40 mm/s，（a）有气体保护和（b）无气体保护，（c）焊接速度不同，激光功率为 50 W，无气体保护时的焊缝表面形貌

       图 3. (a) 焊接羽流和飞溅示意图，以及在焊接速度为 40 mm/s、激光功率为 (b) 30 W、(c) 80 W 和 (d)-(e) 50 W 时无气体保护激光焊接过程中相机记录的图像。

       图 4. 传导焊缝的微观结构：(a) 焊接过程中的横截面和三维传热示意图，(b) EBSD 相组成和 sigma 晶界，(c) {111} 和 {110} 的极图，以及 (d) 晶体织构。（注：δ-铁素体和奥氏体中最接近的相关取向在 (c) 中圈出）。

       图 5. 穿透焊缝的微观结构：(a) 焊接过程中一维传热的横截面和示意图，(b) 相组成和 σ 晶界，(c) {111} 和 {110} 的极图，以及 (d) 晶体织构。（注：(c) 中圈出了晶界铁素体和奥氏体中最密切相关的取向）。

       图 6. BM 和激光焊缝中 ΣCSL 边界的分布。

       图 7. 电化学腐蚀试验后试样表面：（a）传导焊缝，（b）渗透焊缝，（c）传导焊缝和渗透焊缝的极化曲线。

       主要结论

       采用配备扫描振镜的单模光纤激光器研究了激光微焊接的焊接模式，研究了传导焊缝和渗透焊缝的微观组织和耐腐蚀性能。研究结果总结如下。（1）激光微焊接有两种焊接模式，即传导焊缝和渗透焊缝。在激光微焊接中，氧化促使渗透焊接过程产生波动，从而产生瞬态阶段。（2）微观组织表征表明，传导焊缝和渗透焊缝均由奥氏体和铁素体组成。传导焊缝促进孪生，其Σ3 CSL 边界（21.5％）大于渗透焊缝（18.6％）。（3）传导焊缝的自腐蚀电流（1.37 μA）低于深渗透焊缝（2.53 μA），由于低 CSL 晶界较高，因此耐腐蚀性能更强。

来源：长三角激光联盟