激光焊接機在焊接雙極板的技術
時間：2022-09-14 13:23 閱讀：2578 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。
激光焊接機在鈦合金修補焊接技術的應用
激光焊接機在精密微小元件中的應用
激光焊接機在超薄材料焊接的應用
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。
相關推薦
有色金屬激光焊接機的技術工藝激光焊接機在鈦合金修補焊接技術的應用
激光焊接機在精密微小元件中的應用
激光焊接機在超薄材料焊接的應用
