燃料電池316L 不銹鋼極板的激光焊接工藝可靠性研究

王思偲，楊華，王陽，劉智亮

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

燃料電池金屬雙極板是利用激光焊接將兩塊超薄的不銹鋼板焊接在一起，以此形成反應(yīng)氣體和冷卻水的密封通道。有學(xué)者對于薄板激光焊接進(jìn)行了大量的實驗研究。

如杜祥永針對激光焊接時的單模和雙模模式進(jìn)行了實驗分析，證明了單模激光焊接器更加適用于0.1 mm 不銹鋼板的激光焊接[1]。王金鳳通過對激光焊接的影響因素進(jìn)行了正交分析，得出了激光焊接的優(yōu)化參數(shù)[2]。周學(xué)凱等針對0.3 mm 厚度的304 不銹鋼板進(jìn)行了連續(xù)激光搭接焊，研究了焊接接口處的金相組織，指出了0.3 mm厚度下的304 不銹鋼板的焊接參數(shù)[3]。王琪珉針對0.1 mm 厚度304 不銹鋼采用連續(xù)激光焊接試驗，得出超薄板焊接需要正離焦量的結(jié)論[4]。劉西霞針對鈦合金薄板激光焊接中的冷卻方法進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明，相同工藝參數(shù)條件下，基于隨焊氣體動態(tài)冷卻方法得到的焊接試件撓曲變形明顯小于常規(guī)激光焊接的變形[5]。

以上研究主要針對激光焊接在實驗室下的狀態(tài)進(jìn)行了各種研究，但并未對激光焊接在316L 金屬極板工作中的問題進(jìn)行分析。

本文通過對0.1 mm 厚度的316L 不銹鋼金屬板在激光焊接時的狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，并通過實際應(yīng)用測試，針對工程焊接過程中遇到的問題進(jìn)行分析，以期對燃料電池金屬極板的工程焊接提供技術(shù)參考。

1 激光焊接原理及仿真分析

激光焊接的原理是由激光發(fā)生器發(fā)出的單色光，通過光纖傳導(dǎo)到特質(zhì)透鏡上進(jìn)行聚焦，使光束聚焦到一點，并且集中對該點輸入熱量，投射到金屬板上使光能變?yōu)闊崮苋刍饘伲怪附釉谝黄餥6]。其熱量高度集中，焊接時間短，熱影響區(qū)小，熔深淺，能量可控制，光熱轉(zhuǎn)換效率低，設(shè)備功率小，可焊厚度有小，特別適用于精密微型器件的焊接。

在此過程中需要保證上下極板的焊接區(qū)域無間隙緊密貼合，以保證熱量的正常傳輸，如果出現(xiàn)間隙產(chǎn)生空氣層阻隔，則容易出現(xiàn)虛焊問題。目前所用的金屬雙極板厚度一般為0.1～0.15 mm 厚的316L 不銹鋼金屬板，在現(xiàn)有技術(shù)和專利中，對超薄金屬雙極板的焊接夾具多采用剛性壓合和卡扣扣合，而在此種焊接技術(shù)下，由于雙極板非常薄，容易出現(xiàn)雙極板在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力下會造成貼合不嚴(yán)的情況，同時導(dǎo)致雙極板焊接過程中廢品率高、平整度差、變形厲害等缺陷。并且由于當(dāng)前雙極板的加工工藝不成熟，沖壓成型的雙極板本身平整度不夠，加工的夾具表面粗糙度和平整度也精度不夠，因為裝配間隙很難做到真正的完全貼合，極易出現(xiàn)點接觸而導(dǎo)致許多焊接區(qū)域沒有完全貼合出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。

極板的平面度也可稱為平整度，是從宏觀方面來說明極板平面與理想平面之間的偏差，區(qū)別于粗糙粗的微觀幾何形狀誤差。使用Auto Form 對單極板進(jìn)行成型仿真分析可得，由于在成型過程中，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致極板加工制造后存在一定的彎曲曲翹情況。焊接時使陰陽極板分離，無法熔接。

微觀上，燃料電池雙極板由于制造、加工、運(yùn)輸、儲存等原因，表面存在粗糙度將進(jìn)一步導(dǎo)致陰陽極板在焊接過程中出現(xiàn)離形，影響焊接有效率。

焊接后的整體焊縫熔深應(yīng)能將下板材進(jìn)行有效熔融。結(jié)合316L 不銹鋼金屬極板成型情況及表面粗糙度，需要在不焊穿雙極板的前提下有更深的熔深。激光焊接時主要參數(shù)選擇有以下三個：激光焊接速度、離焦量以及激光功率。

為了分析激光焊接過程中的極板受熱后的狀態(tài)變化情況，以下利用ANSYS 軟件和高斯熱源模型，進(jìn)行激光平板焊接的仿真分析。

根據(jù)仿真模擬結(jié)果來看，當(dāng)激光在極板上焊接時，極板熱影響區(qū)主要集中于激光光斑周圍，激光光斑處的溫度累積5S 內(nèi)從最開始的1 600 ℃多到2 400 ℃多，越靠近光斑處的極板溫度越高，由此引起的熱變形也在逐步增大。當(dāng)焊接接近極板末端時，由于極板與空氣的熱對流，極板初始焊接部位的溫度開始下降，板材累積熱量的變化導(dǎo)致極板不同位置存在不同數(shù)值的變形現(xiàn)象。

圖2 燃料電池陽極板成型沖壓仿真

在焊接過程中，焊接路徑、焊接功率、焊接速度、離焦量對焊接效果和成品率都有一定的影響。在現(xiàn)有技術(shù)下，通常將焊接參數(shù)調(diào)至合適參數(shù)，采用在外圍密封區(qū)域進(jìn)行連續(xù)焊接，焊縫一體成型，但是此種焊接方式由于焊接機(jī)器本身的原因，容易在焊縫圓弧處出現(xiàn)速度不均勻的問題，連續(xù)長激光焊接導(dǎo)致熱量累積，從而出現(xiàn)虛焊或者變形。這種情況要求制作焊接工裝，將兩個單極板壓實的同時，需要減少激光累計熱量引起極板的累積變形曲翹，導(dǎo)致貼合不良引起的虛焊。

由于在閉環(huán)焊接路徑中，通過圓弧時的線性路徑較長，導(dǎo)致熱量累計極易發(fā)生在焊接路徑的轉(zhuǎn)角處，這就需要對焊接路徑進(jìn)行拆解，降低局部區(qū)域的熱量累積。

圖3 激光焊接溫度變化圖

將雙極板上原先的圓弧焊縫，拆解為橫豎兩種焊縫，在兩種焊縫之前加上一段距離的引入和引出線。焊接路徑拆解示意圖如圖5 所示。

圖4 激光焊接應(yīng)力變化圖

圖5 焊接路徑拆解示意圖

燃料電池在組裝和使用過程中，需要根據(jù)膜電極的活化面積設(shè)定一定的壓裝力，通常大型燃料電池的壓裝力需要1 噸或者更高，這就導(dǎo)致焊接后的極板焊縫受到壓裝力F 的一個分力，當(dāng)F0達(dá)到一定時，將會破壞焊縫，導(dǎo)致焊點崩開，焊接失效。

2 激光焊接工程問題及實驗分析

實驗采用的設(shè)備為準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器KDW150QC，一體化整體結(jié)構(gòu)，小巧緊湊，風(fēng)冷，具有其他激光器不具備的高效率和可靠性，主要用于焊接、切割和釬焊。本機(jī)型采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，脈沖寬度為0.2～25 ms，單脈沖能量可從0.1 焦到15 焦，輸出光纖由KDW150QC 準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器配置。主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 激光焊接機(jī)參數(shù)

光斑直徑指照射到焊接表面的光斑尺寸大小。本文取e-2束徑。在激光器一定的條件下，光斑大小跟透鏡的焦距f 和離焦量△f 有關(guān)，根據(jù)光的衍射理論，最小光斑直徑d0為式（1）：

式中：

d0—最小光斑直徑（mm）；

f—透鏡的焦距（mm）；

λ—激光波長（mm）；

D—聚焦前光束的直徑（mm）；

m—激光振動膜的階數(shù)（mm）。

試驗參數(shù)采用模擬光斑直徑0.3 mm 的激光熱源，激光功率100 W，焊接速度40 mm/s，平板材質(zhì)316L 不銹鋼，0 離焦量，在平板上模擬激光焊接熱累積導(dǎo)致的平板溫度聚集和熱變形過程。焊接具體流程如圖6 所示。

圖6 焊接流程圖

為了保證雙極板焊接受熱變形后的有效壓緊，雙極板焊接必須通過壓緊工裝將上下極板緊密貼合壓緊。利用電磁力和壓板將焊接樣件壓緊，為了抵消加工的公差和極板受熱后的變形，保證樣件焊接中的有效壓緊，工裝壓板下方應(yīng)設(shè)置軟介質(zhì)，例如硅橡膠等。激光焊接應(yīng)設(shè)置隨激光束同步運(yùn)動的吹氣保護(hù)裝置，用于防止焊接污染和焊接散熱。

現(xiàn)有研究指出激光焊接時主要控制的參數(shù)是激光功率、焊接速度以及離焦量。除已有參數(shù)外，還需首先匹配激光焊接圖元的信息。激光焊接是在極短的時間內(nèi)進(jìn)行焊接圖元繪制。圖元的直徑大小決定了激光光斑的熱影響區(qū)域。

對焊接好的燃料電池金屬雙極板進(jìn)行氣密性撿漏測試及拉力測試，隨著撿漏的氣壓增加逐漸出現(xiàn)泄漏。測試標(biāo)準(zhǔn)為：對焊接好的316L 金屬雙極板進(jìn)行拉力測試，當(dāng)拉力計顯示130 N 時，目測檢查雙極板焊縫未被拉開；再進(jìn)行撿漏，當(dāng)工裝壓力為700 kg，氣壓增加至150 kPa，系統(tǒng)不允許出現(xiàn)泄漏情況。

結(jié)合仿真結(jié)果預(yù)判及實際測試結(jié)果，對焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整及失效分析。仿真模擬可以清楚地看到激光焊接過程中，由于激光能量的持續(xù)輸入，焊接樣件因為熱應(yīng)力的影響，會產(chǎn)生明顯熱變形，如果焊接中的兩塊極板中間存在空氣層，不能有效的貼合在一起，這而導(dǎo)致上層板材吸收的熱量無法及時熱傳導(dǎo)至下板材，由此會出現(xiàn)兩塊板材焊縫的虛焊或焊穿。

圖7為X 光探傷檢測極板虛焊和焊穿的圖像。根據(jù)測試結(jié)果顯示，激光焊接應(yīng)用于燃料電池金屬雙極板的焊接，熔接力滿足系統(tǒng)要求，但是，由于焊接時，陰陽極板的配合不良，焊縫處沒有閉合，存在間隙，或者熔深不足，導(dǎo)致雙極板密封失效。通過調(diào)整不同的焊接參數(shù)，并分析其關(guān)系，由實驗可得：

圖7 焊縫探傷圖

根據(jù)圖8 可知，隨著激光焊接速度的提升，90 W 和100 W 焊接功率的熔深和熔寬都開始下降，焊接速度在60 mm/S 及以上時，熔深和熔寬下降的速度較快，主要因為激光在焊接板上停留的時間較短，無法將板材有效熔融；相同焊接速度下，由于受到單位面積熱輸入較大的影響，100 W 的熔深和熔寬均比90 W 的熔深和熔寬大；選擇相同的焊接速度和功率，隨著焊接圖元直徑的增大，板材的熔寬開始增大，但是熔深開始下降，原因是激光輸入在板材的單位面積上的能量降低，無法有效將金屬板熔穿；通過觀察不同焊接圖元的焊縫放大圖像，根據(jù)圖9 可知，隨著焊接圖元的增大，焊縫開始出現(xiàn)明顯的毛刺和發(fā)散，整體的焊縫變得粗糙。

圖8 熔深及熔寬隨焊接速度的變化趨勢

圖9 熔深及熔寬隨焊接圖元的變化趨勢

根據(jù)上述測試可知，對于0.1 mm 厚度的燃料電池極板焊接，首先應(yīng)保證極板整體的熔深滿足焊接密封需求，為了達(dá)到相同的熔深效果，90 W 的適用于焊接速度較慢的工況，100 W 適用于較快的工況；根據(jù)圖10可知，0.1 mm 厚度的金屬板焊接宜采用0.3 mm 的直徑圖元，焊縫整體飽滿無毛刺，在相同焊接功率下比大直徑的圖元更好地熔融板材，減少極板焊接的熱應(yīng)力。

圖1 燃料電池陰極板成型沖壓仿真

圖10 不同直徑圖元的焊縫圖像

3 結(jié)論

本文針對0.1 mm 厚度的316L 不銹鋼金屬板的激光焊接進(jìn)行了仿真模擬及工程問題分析，指出了燃料電池金屬極板在工程焊接中的問題并提供了解決辦法，研究了激光焊接速度、激光功率以及焊接圖元大小對于激光焊接的影響，有效的解決了雙極板在激光焊接中出現(xiàn)的虛焊和圓弧處的熱累積問題，焊接后檢測雙極板的密封性，檢測完的雙極板密封性良好，焊接成品率由原先硬接觸和圓弧焊縫方法的40 %提升至90 %，焊接成品雙極板變形量小，平整度高，可用于燃料電池電堆。得到的主要結(jié)論如下：

1）金屬極板焊接時由于激光持續(xù)的熱輸入和熱累積，會導(dǎo)致極板出現(xiàn)不同數(shù)值的變形，越靠近激光熱源的位置變形越大，因此需要針對極板焊接制作可靠壓緊及散熱效果的壓緊工裝；

2）隨著焊接功率的增加，焊縫的熔深和熔寬會逐步增大；相同焊接功率下，隨著焊接速度的增大，熔深和熔寬會逐步減小，對于0.1 mm厚度的316L不銹鋼板焊接，推薦使用90 W 左右，50～70 mm 的焊接速度；

3）焊接圖元越大，焊縫整體成型效果較差，0.1 mm厚度的不銹鋼板焊接優(yōu)先推薦使用直徑較小的焊接圖元。