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        激光焊接機在焊接雙極板的技術

        時間:2022-09-14 13:23  閱讀:64
        燃料電池技術是一種很有前途的在汽車內部發電的方法,每個燃料電池由數百個雙極板組成,這些雙極板將膜電極組件隔開,并形成冷卻通道。雙極板本身由兩個焊接在一起的金屬板組成,每個金屬板的厚度為70~100μm。下面介紹激光焊接機在焊接雙極板的技術。

        在雙極板的焊接中,對焊接質量有著非常明確的要求:冷卻通道需要對氦氣具有良好的氣密性,焊接頭要具備低電阻。為了將這種薄金屬板無缺陷地焊接在一起,需要使用單模激光和適當的焊接光學元件,將非常小的光斑聚焦到工件上。對于當前的應用而言,已經有比較成熟的工藝參數設置;但是若要適應未來的應用需求,則必須要重新調整參數設置。

        通常,單個雙極板上會有1.5米甚至更長的焊縫。假設一個燃料電池中有200塊雙極板,燃料電池每年的產能為100萬塊,那么一條在生產線上每年要產生30萬公里的焊縫長度。這個數字比汽車行業的傳統激光焊接量要高出幾個數量級,這為雙極板的制造帶來了一個巨大挑戰:如何通過提高焊接速度和減少輔助工藝時間,以最大限度地提高生產能力。

        基于掃描振鏡的遠程激光焊接,使用2D或3D掃描系統以給定角度偏轉光束,能夠實現遠超過100m/min的焊接速度。但美中不足的是,焊接過程中的穩定性不盡人意:當焊接速度超過45~50m/min時,焊縫中就會出現無法容忍的缺陷,這導致掃描振鏡和可用的激光功率無法充分發揮作用。

        高速焊接箔材時,最嚴重的焊接缺陷是駝峰效應(humping effect)。熔化的材料被噴射到熔池的后側,會對焊縫中已經凝固的材料形成撞擊。液相材料并不是沿表面均勻分布,而是由于其自身的表面張力而形成球形聚積,這會導致焊縫中形成一個個明顯的隆起,就像駝峰一樣。

        激光焊接機在焊接雙極板時研發人員選擇了一種科學的方法,通過有限元法(FEM)模擬駝峰的形成和預防,該方法涉及多個參數,包括:激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和熱傳導特性。首先,駝峰的形成得到了驗證。隨后,對熔池后端輔助熱源的多種光束特性進行了評估。最終找到了一組參數,在這組參數下形成的溫度場能夠完全阻止駝峰效應。光束整形是一項相關技術,它有助于充分發揮激光與材料相互作用所提供的所有潛能。

        最后,通過試驗證明在70m/min的焊接速度下,不會出現明顯的駝峰現象。將功率增加到820W、焊接速度依然為70m/min,使用未整形的標準光斑和整形后的環形光斑,分別獲得的焊接結果;使用整形后的環形光束能獲得較高的焊縫質量,

        以上就是激光焊接機在焊接雙極板的技術,雙極板焊接的工藝改進并不限于光束整形。未來的工作將包括實施動態焊接和多重疊掃描場,以實現更高的焊接速度。激光焊接是一種涉及諸多層面的技術,需要跨學科團隊的不斷努力。

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