激光焊接機在焊接雙極板的技術
時間：2022-09-14 13:23 閱讀：2799 次
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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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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