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激光焊接机在焊接双极板的技术

时间:2022-09-14 13:23  阅读:201
燃料电池技术是一种很有前途的在汽车内部发电的方法,每个燃料电池由数百个双极板组成,这些双极板将膜电极组件隔开,并形成冷却通道。双极板本身由两个焊接在一起的金属板组成,每个金属板的厚度为70~100μm。下面介绍激光焊接机在焊接双极板的技术。

在双极板的焊接中,对焊接质量有着非常明确的要求:冷却通道需要对氦气具有良好的气密性,焊接头要具备低电阻。为了将这种薄金属板无缺陷地焊接在一起,需要使用单模激光和适当的焊接光学元件,将非常小的光斑聚焦到工件上。对于当前的应用而言,已经有比较成熟的工艺参数设置;但是若要适应未来的应用需求,则必须要重新调整参数设置。

通常,单个双极板上会有1.5米甚至更长的焊缝。假设一个燃料电池中有200块双极板,燃料电池每年的产能为100万块,那么一条在生产线上每年要产生30万公里的焊缝长度。这个数字比汽车行业的传统激光焊接量要高出几个数量级,这为双极板的制造带来了一个巨大挑战:如何通过提高焊接速度和减少辅助工艺时间,以最大限度地提高生产能力。

基于扫描振镜的远程激光焊接,使用2D或3D扫描系统以给定角度偏转光束,能够实现远超过100m/min的焊接速度。但美中不足的是,焊接过程中的稳定性不尽人意:当焊接速度超过45~50m/min时,焊缝中就会出现无法容忍的缺陷,这导致扫描振镜和可用的激光功率无法充分发挥作用。

高速焊接箔材时,最严重的焊接缺陷是驼峰效应(humping effect)。熔化的材料被喷射到熔池的后侧,会对焊缝中已经凝固的材料形成撞击。液相材料并不是沿表面均匀分布,而是由于其自身的表面张力而形成球形聚积,这会导致焊缝中形成一个个明显的隆起,就像驼峰一样。

激光焊接机在焊接双极板时研发人员选择了一种科学的方法,通过有限元法(FEM)模拟驼峰的形成和预防,该方法涉及多个参数,包括:激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和热传导特性。首先,驼峰的形成得到了验证。随后,对熔池后端辅助热源的多种光束特性进行了评估。最终找到了一组参数,在这组参数下形成的温度场能够完全阻止驼峰效应。光束整形是一项相关技术,它有助于充分发挥激光与材料相互作用所提供的所有潜能。

最后,通过试验证明在70m/min的焊接速度下,不会出现明显的驼峰现象。将功率增加到820W、焊接速度依然为70m/min,使用未整形的标准光斑和整形后的环形光斑,分别获得的焊接结果;使用整形后的环形光束能获得较高的焊缝质量,

以上就是激光焊接机在焊接双极板的技术,双极板焊接的工艺改进并不限于光束整形。未来的工作将包括实施动态焊接和多重叠扫描场,以实现更高的焊接速度。激光焊接是一种涉及诸多层面的技术,需要跨学科团队的不断努力。

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