金屬雙極板激光焊接質(zhì)量的影響因素分析

摘 要：金屬雙極板是氫燃料電池堆的關(guān)鍵組件之一，本文針對(duì)金屬雙極板的激光焊接，從設(shè)備選型、工藝參數(shù)和工裝夾具等影響因素進(jìn)行分析，闡述了適合超薄型金屬雙極板激光焊接的工藝條件和工裝要求，以期提高金屬雙極板的焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：金屬雙極板;激光焊接;工藝參數(shù);工裝夾具

本文針對(duì)不銹鋼316L在激光焊接過程中，對(duì)焊接質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分析，以提高金屬雙極板的焊接質(zhì)量。本文所述的單極板，是以厚度0.1mm的不銹鋼316L為基材，先經(jīng)過表面處理，再經(jīng)沖壓成型而得。激光焊接時(shí)是以兩片金屬單極板為材料，用激光進(jìn)行疊焊。要求焊接后的焊縫光潔、無氧化，雙極板無形變且密封良好。

1 焊接設(shè)備

1.1 設(shè)備選型

焊接設(shè)備是影響焊接質(zhì)量和效率的重要因素。通常由激光器、冷水機(jī)、焊接工作臺(tái)、顯示器、控制柜、電動(dòng)平移臺(tái)組成。對(duì)于厚度0.1mm的超薄型板材，較為適宜的是波長(zhǎng)為1064nm近紅外激光，也就是YAG：Nd型固體激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光。依據(jù)對(duì)工件的作用方式，可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接設(shè)備。脈沖激光焊，輸入到工件上的能量是斷續(xù)的、脈沖的，簡(jiǎn)單來說只能實(shí)現(xiàn)脈沖式點(diǎn)焊，依靠焊點(diǎn)的重疊來實(shí)現(xiàn)焊接。連續(xù)性激光焊，輸入到工件上的能量是連續(xù)的，可實(shí)現(xiàn)線性焊接。

1.1.1 脈沖型激光焊接設(shè)備

這類激光焊接設(shè)備是利用高能量的脈沖激光對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，能量通過熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池，從而將待焊接的部位熔為一體。脈沖型激光設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品熱影響區(qū)小、變形小，設(shè)備價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是：能耗高、生產(chǎn)效率低，穩(wěn)定性相對(duì)較差。

1.1.2 連續(xù)型光纖激光焊接設(shè)備

這類型激光焊接設(shè)備是將激光束耦合至光纖，經(jīng)過遠(yuǎn)距離的傳輸后，處理為平行的光線聚焦于待焊接工件表面實(shí)施連續(xù)焊接。設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是：光束質(zhì)量好，焊接速度快，生產(chǎn)效率高，電光轉(zhuǎn)化率高、能耗低;缺點(diǎn)是：設(shè)備價(jià)格較高。從穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率看，推薦使用連續(xù)型光纖焊接設(shè)備。

1.2 激光器功率的選擇

依據(jù)所需焊接的材料材質(zhì)和厚度，以及焊接方式等綜合選擇激光器的功率。若激光器功率太大，設(shè)備造價(jià)相對(duì)較高;若功率太小，又難滿足焊接要求。針對(duì)0.1mm的不銹鋼金屬單極板做兩層疊焊，焊接時(shí)使用的功率范圍為150-200W，激光器功率選擇在300-500W較為適宜。

1.3 焊接工作臺(tái)

焊接工作臺(tái)運(yùn)行要平整，工作時(shí)無晃動(dòng)。焊接工裝夾固定在工作臺(tái)上，在伺服電機(jī)的配合下做移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向的可移動(dòng)，行程要滿足工件焊接的要求，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)定位精度不低于±0.02mm。

2 焊接工藝參數(shù)

2.1 離焦量

激光焦點(diǎn)處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。離開激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面與焊接平面距離相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池形狀不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關(guān)。對(duì)于0.1mm厚度金屬雙極板的疊焊通常采用負(fù)離焦方式。

2.2 激光器的輸出功率

輸出功率太大，會(huì)造成焊接工件穿孔，輸出功率太小會(huì)使上、下兩層單極板焊接不實(shí)，容易出現(xiàn)兩層未完全焊接在一起。焊接時(shí)使用的功率范圍控制在150-200W之間。

2.3 焊接速度

焊接速度過快，氣體來不及逸出，且熔深淺，焊接不牢固，焊接速度太慢，生產(chǎn)率低，成本高，熱影響區(qū)常因過熱晶粒粗大而脆斷，工件變形也大。當(dāng)激光功率一定時(shí)，激光焊接速度成為影響焊縫強(qiáng)度的主要因素。激光深熔焊時(shí)，焊縫熔深幾乎與焊接速度成反比，焊縫熔深及寬度隨焊接速度的加快而減小。針對(duì)0.1mm厚度的不銹鋼推薦使用的焊接速度為8-20m/min。

2.4 保護(hù)氣體

可選氮?dú)?、氬氣等惰性氣體，濃度：≥99.9%;流量：10-20L/min;壓力：0.1-0.5MPa。

3 工裝夾具

工裝夾具是影響焊接質(zhì)量的又一個(gè)關(guān)鍵因素，常用于制作工裝夾具的材料是紫銅、不銹鋼、電木等。工裝夾具應(yīng)滿足以下要求：①足夠的承載或夾持力度，以保證工件在工裝夾具上夾緊壓實(shí)，運(yùn)行過程要平穩(wěn)，要便于固定在焊接工作臺(tái)上;②裝、卡工件操作簡(jiǎn)單，靈活快速;③工裝底座上與工件焊線相對(duì)應(yīng)的位置要留有通氣槽。此通氣槽一是為了減少物質(zhì)氣化對(duì)熔池的破壞;二是可以充入保護(hù)氣體對(duì)焊接部位進(jìn)行冷卻和保護(hù)，防止形變和氧化;④工件的待焊接部位，在焊接過程中要實(shí)現(xiàn)有保護(hù)氣體從上下兩側(cè)對(duì)焊接的部位進(jìn)行防護(hù)，防止工件形變和氧化;⑤壓板與底座要能夠保證兩片單極板需焊接的部位貼緊壓實(shí)。通過選擇適宜的激光焊接設(shè)備、調(diào)節(jié)工藝參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)工裝，金屬雙極板激光焊接的一次合格率可達(dá)98%以上。

參考文獻(xiàn)：

[1] Frano Barbir.PEM Fuel Cells：Throey and Practice second edition.

[2] Bei Gou，Woon Ki Na，Bill Diong.FUEL CELLS Modeling，Control and Applications.

作者簡(jiǎn)介：

王金波（1978- ），男，民族：滿，籍貫：河北省遵化市，工作單位：氫電能源科技（固安）有限公司，職稱：化工工程師，研究方向：氫燃料電池研發(fā)。