基于單模激光的燃料電池金屬雙極板焊接工藝研究.pdf

1、金屬雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池中的重要組件，在燃料電池中起到骨架支撐作用。兩塊具有復(fù)雜表面流道結(jié)構(gòu)的單極板通過連接工藝進行連接密封，為燃料電池燃料和冷卻水提供流場空間，因此金屬雙極板的連接接頭質(zhì)量和形貌特征對燃料電池堆性能有著重要意義。金屬雙極板通常通過激光焊接工藝進行連接，激光焊接具有速度快、焊縫窄等有優(yōu)點，同時激光焊接是非接觸式焊接，適用于焊接區(qū)域狹長的金屬雙極板組件。但由于金屬極板厚度很小，對熱輸入非常敏感，在激光焊接過程中出現(xiàn)了

2、焊穿、虛焊以及焊后變形嚴重等問題，影響極板性能。
　　針對激光焊接熱輸入導(dǎo)致的金屬雙極板變形、焊接裝夾參數(shù)對焊接變形規(guī)律不明確等問題，本文基于金屬雙極板的激光焊接工作平臺，通過引入光束更為集中的單模激光器，開展單模激光的金屬雙極板焊接工藝研究。首先針對0.1mm厚316L不銹鋼金屬薄板，探究單模激光焊接與多模激光在工藝特性上的區(qū)別和優(yōu)勢，研究了激光模式對焊縫特征尺寸、焊后變形程度、工藝窗口大小的影響規(guī)律；根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)了單模激光

3、的高速焊接特性，探究了單模激光高速焊接金屬超薄板的工藝窗口；建立了單模激光焊接金屬雙極板的焊接夾具仿真模型，探究了夾腳尺寸、夾緊壓力對焊接前夾持變形和焊接后變形的影響規(guī)律，提出了適用于單模激光焊接金屬雙極板的夾具參數(shù)設(shè)計方法，開發(fā)了金屬雙極板氣浮平臺夾具系統(tǒng)，減小了金屬雙極板的焊接變形。本文開展的研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　(1)激光模式對316L不銹鋼超薄板焊接工藝的影響規(guī)律研究
　　基于激光焊接不銹鋼超薄板試驗臺，對單模和

4、多模激光焊接316L不銹鋼超薄板工藝開展對比研究，從焊縫特征、焊接模式轉(zhuǎn)變、焊接工藝窗口、焊接變形程度、焊接接頭強度等方面對兩種模式的激光焊接工藝特性進行對比研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與多模激光相比，采用單模激光焊接，其焊縫熔寬更窄，一般在200μm以內(nèi)，熔寬降低了33％以上，同時焊縫熔深更大，在功率為60W時便可以熔透兩層薄板。單模激光焊接接頭在剪切強度方面與多模激光焊接接頭相差不大，焊后變形程度明顯減輕。在功率達到100W時，單模激光可行焊接

5、速度可以達到160mm/s以上，這將使金屬雙極板焊接效率大大提升。
　　(2)單模激光高速焊接316L不銹鋼薄板工藝參數(shù)分析
　　針對單模激光高速焊接過程中出現(xiàn)的收焊點虛焊、轉(zhuǎn)彎處焊穿問題，通過設(shè)計彎道組合路徑，研究了焊接功率、焊接速度、激光提前關(guān)閉時間、轉(zhuǎn)彎路徑過渡圓弧半徑等參數(shù)對單模激光高速焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)提前20ms關(guān)閉激光可以有效改善收焊點焊縫質(zhì)量，同時增大轉(zhuǎn)彎路徑過渡圓弧半徑可以有效避免轉(zhuǎn)彎路徑處焊縫焊

6、穿問題，較為合適的焊接功率范圍為80W~100W,焊接速度為80mm/s~120mm/s。
　　(3)金屬雙極板焊接夾具裝夾建模與分析
　　建立單模激光焊接金屬雙極板焊接夾具有限元仿真模型，探究夾具夾腳尺寸參數(shù)和夾緊壓力對夾具夾持金屬薄板夾持變形的影響規(guī)律以及對夾具夾持薄板焊后變形的影響規(guī)律，提出夾具設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)設(shè)計方法，并將優(yōu)化參數(shù)應(yīng)用到實際的氣浮平臺夾具開發(fā)中，制備了自適應(yīng)氣浮平臺夾具。實驗研究表明，基于優(yōu)化設(shè)計的自適