燃料電池金屬雙極板激光膠焊接頭性能優(yōu)化與焊接變形控制.pdf

1、金屬雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池的重要部件,不僅為電池工作過程中燃料及冷卻水提供流動空間,還對電池整體結(jié)構(gòu)起到支撐作用。燃料電池金屬雙極板是由具有復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的0.1mm超薄不銹鋼單極板連接而成,連接方式、工藝參數(shù)變化都會對雙極板的形狀誤差及接頭性能產(chǎn)生重要影響,因此,如何保證金屬雙極板連接接頭質(zhì)量是目前質(zhì)子交換膜燃料電池制造中需要解決的關(guān)鍵問題之一。
　　光纖激光焊接因其光束質(zhì)量高、焊接速度快,是目前燃料電池金屬雙極板的主要連接

2、工藝方法。然而,由于0.1mm超薄不銹鋼板激光焊接過程中的高熱量輸入,焊縫區(qū)域易發(fā)生翹曲變形,引起金屬雙極板出現(xiàn)間隙,出現(xiàn)焊穿等質(zhì)量問題,降低焊接接頭性能。同時,受單極板成形精度、復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)及焊接熱效應(yīng)等耦合作用,金屬雙極板局部及整體焊接變形顯著,將直接影響后續(xù)電池電堆的裝配工作,造成裝配壓力分配不均勻,降低電池整體性能。
　　針對燃料電池金屬雙極板光纖激光焊接接頭性能波動及焊接變形問題,本文首先提出膠接與激光焊接復(fù)合的激光膠焊

3、工藝方法,在接頭性能滿足質(zhì)量要求的同時,最大限度降低金屬雙極板焊接變形,并建立激光膠焊實驗系統(tǒng),獲取相應(yīng)的膠接工藝參數(shù)和焊接工藝參數(shù)。利用該實驗系統(tǒng),研究了激光功率、激光速度和保護(hù)氣流量等參數(shù)對焊縫表面形貌、焊縫截面尺寸、微觀組織硬度以及接頭抗腐蝕性能等接頭質(zhì)量的影響,確定適合于金屬雙極板激光膠焊的工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,實驗研究了熱輸入及裝夾力等參數(shù)對激光膠焊焊接接頭局部變形的影響規(guī)律。結(jié)合全息干涉測量與數(shù)學(xué)模型重構(gòu)方法,建立了金屬雙極

4、板焊接變形評價方法,獲取了激光工藝參數(shù)對極板整體變形的影響規(guī)律。
　　本文開展的研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)金屬雙極板光纖激光膠焊工藝方法及參數(shù)確定
　　建立了包括膠粘連接、激光焊接兩步工藝的金屬雙極板光纖激光膠焊工藝方法。選取3M瞬干型結(jié)構(gòu)膠作為膠粘劑,利用液壓式壓頭配合極板膠粘壓模機構(gòu),在預(yù)緊力為0.5T,保壓時間210s的條件下,控制膠層厚度為10μm±2μm。搭建激光膠焊工藝試驗系統(tǒng),穩(wěn)定控制激光輸出功率(

5、100W-220W)、焊接速度(30mm/s-50mm/s)、保護(hù)氣種類(Ar)及流量(0L/min-20L/min)等關(guān)鍵焊接參數(shù)。
　　(2)金屬雙極板激光膠焊接頭性能的實驗研究
　　基于建立的激光膠焊工藝試驗系統(tǒng),實驗研究了工藝參數(shù)對焊接接頭質(zhì)量的影響規(guī)律,分析膠層與激光熱輸入的耦合作用機制,制定滿足金屬雙極板焊接質(zhì)量要求的工藝參數(shù)范圍。研究結(jié)果表明:傳統(tǒng)激光焊接搭接接頭,上下層板間存在空氣層,焊縫截面熔合區(qū)呈現(xiàn)丁字形

6、。激光膠焊工藝的膠層取代了空氣層,促進(jìn)了熱量自上層板向下層板的傳遞,熔核區(qū)呈現(xiàn)完整的楔形。與激光焊接工藝相比,相同工藝參數(shù)下激光膠焊獲得的焊縫熔深最大增加100％、熔寬最大增加26%,焊縫表面光順性有所下降但滿足焊接質(zhì)量要求。在焊接功率130W—160W、焊接速度40mm/s、保護(hù)氣流量10L/min的焊接參數(shù)下,可以得到滿足燃料電池金屬雙極板焊接質(zhì)量要求的焊縫。
　　(3)金屬雙極板激光膠焊焊接變形評價與控制
　　實驗研究

7、了熱輸入量及裝夾力等工藝參數(shù)對光纖激光膠焊焊接接頭局部變形的影響規(guī)律。結(jié)合全息干涉測量與數(shù)學(xué)模型重構(gòu)方法,建立了針對燃料電池金屬雙極板整體焊接變形的評價方法,基于該評價方法,研究了激光膠焊工藝參數(shù)對極板整體變形的影響規(guī)律,確定最優(yōu)激光膠焊工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明:與激光焊接工藝相比,激光膠焊工藝中膠層的引入促進(jìn)了熱量自上層板向下層板的傳遞,減小了由于熱量橫向擴散引起的變形,膠層的連接力保證了上下層極板始終保持連接,裝夾約束小,焊接變形減小