CN109877457A - 一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光焊接领域，具体涉及一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，包括如下步骤：1）将两片待焊接极板上下对齐叠加在一起后通过治具固定于焊接平台上；2）根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的焊接区域的各边都分为若干段，相邻两段之间有间隙；3）调整激光光路，使激光器发出的激光光束聚焦到待焊接极板表面；4）设定激光扫描方式、激光器工艺参数以及每一段的焊接轨迹，逐段进行焊接，且相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠。本发明提供的燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，不仅能增大焊接区域，减少热输入量，而且有效地控制了因热变形产生的焊接不良，减少双极板的形变量，还可保证焊后的气密性。

Description

一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法。

背景技术

燃料电池是继原发电技术之后的新兴发电技术，同时也是一种无污染、高效率、无噪声和可连续工作的动力装置。燃料电池的原理是将化学能转化成电能，最终产物是水，是公认的最环保的技术，被称为终极清洁燃料。

氢氧燃料电池是以氧气作为氧化剂，以氢气作为燃料，然后通过燃料的各种化学反应，进而将产生的化学能转化为电能的一种电池。这类电池具有容量大、比能量高、转化效率高和功率范围广等多个优点，而双极板作为燃料电池中的重要组件之一，对电池的寿命和性能都有决定性的作用。目前，双极板一般有石墨板、金属板和复合板，石墨双极板具有导电率高、耐腐蚀等优点，但是石墨脆性大、机械加工难、效率低，难以大批量生产，成本高；复合双极板成型快、重量轻、耐腐蚀，但是导电效果差、机械性能差、组装难；而金属双极板是通过薄板冲压成型，具有良好的导电性、导热性、机械性能，强度高，阻气性好，加工成本低，易实现大规模生产，使金属双极板成为燃料电池双极板的发展方向。

金属双极板一般先用薄板制成阳极和阴极，然后将两者连接在一起，中间形成流道。目前双极板的连接方法一般有粘接、电阻焊接和激光焊接等等，相比于粘接和电阻焊，激光焊接具有焊缝小、强度高、气密性好、效率高、工艺成本低、易于自动化生产等优点，是工业生产中最具有潜力的工艺。

现有技术下，金属双极板都是超薄板，厚度一般小于0.3㎜，而对于焊接幅面大（幅面单边尺寸大于等于100㎜）、焊缝窄的金属双极板的焊接，在实际焊接过程中热输入量大，双极板容易发生热变形，导致上下双极板之间产生间隙，从而造成虚焊、过烧、点穿、裂纹和炸点等各种焊接不良，使得焊后的强度低、气密性差、背痕及外观的一致性差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，不仅可以用于大幅面双极板的密封焊接，而且焊接强度高、密封性好、外观良好，还能够大幅度提高生产效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，包括如下步骤：

1）将两片待焊接极板上下对齐叠加在一起后固定于治具上，并将治具固定于焊接平台上；

2）根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的焊接区域的各边都分为若干段，且相邻两段之间有间隙；

3）调整激光光路，使激光器发出的激光光束聚焦到待焊接极板的表面；

4）设定激光扫描方式、激光器工艺参数以及每一段的焊接轨迹，逐段进行焊接，且相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠。

进一步地，步骤4）中每一段的焊接轨迹包括弯曲部分和直线段部分，所述直线段部分的两端均连接有所述弯曲部分，每一段的焊接轨迹的弯曲部分与与其相邻的一段的焊接轨迹的相邻弯曲部分部分交叉重叠。

进一步地，步骤4）中位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹在待焊接极板的拐角处呈十字交叉或位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹在待焊接极板的拐角处通过圆角连接。

进一步地，步骤2）中根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的每一边分为2-5段。

进一步地，步骤4）中激光扫描方式为直线、螺旋线、正弦曲线或者椭圆曲线。

进一步地，所述长焦距场镜的焦距为250-500㎜，所述长焦距场镜的聚焦光斑为30-150μm。

进一步地，所述待焊接极板的单边尺寸为100-600㎜，所述待焊接极板的厚度为0.05-0.3㎜。

进一步地，步骤4）中焊接速度为100㎜/s至2000㎜/s，形成的焊缝宽度为0.1-0.5㎜。

进一步地，所述焊接平台上设有运动模块，治具与运动模块连接；当长焦距场镜无法一次性完成焊接时，通过运动模块带动治具移动，使待焊接极板移动，配合长焦距场镜完成焊接。

进一步地，焊接时增加保护气体，保护气体为氦气、氩气、二氧化碳、氮气、氢气中的任意一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供的燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法通过将燃料电池双极板的焊接区域的各边拆分成若干段，不仅能够增大焊接区域，减少热输入量，而且有效地控制了因热变形产生的焊接不良，减少双极板的形变量，可用于燃料电池大幅面双极板密封焊接的自动化生产工艺；

（2）本发明提供的燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法中相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠，可以保证焊后的气密性；

（3）本发明提供的燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法不仅焊接强度高、密封性好、外观良好，而且还能够大幅度提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的密封焊接方法中待焊接极板焊接区域进行拆分的示意图；

图2为本发明实施例一提供的密封焊接方法中相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠的示意图；

图3为本发明实施例一提供的密封焊接方法中激光扫描方式的示意图；

图4为本发明实施例二提供的密封焊接方法中位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹交叉的示意图；

图5为本发明实施例提供的密封焊接方法用于圆形金属薄板焊接时待焊接极板焊接区域进行拆分的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图2所示，本发明实施例提供一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，包括如下步骤：

1）将两片待焊接的燃料电池极板上下对齐叠加在一起水平固定于仿形治具上，使所述燃料电池双极板压紧并保证工件表面平整；将装有待焊接极板的仿形治具固定于焊接平台上；

2）根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的焊接区域的各边都分为若干段（大于等于两条），且相邻两段之间有间隙；

3）调整激光光路，通过长焦距场将激光器发出的激光光束聚焦到待焊接极板的表面；

4）设定激光扫描方式、激光器工艺参数以及每一段的焊接轨迹，逐段进行焊接，且相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠。

本实施例提供的燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法通过将燃料电池双极板的焊接区域的各边都拆分成若干段，不仅能够增大焊接区域，减少热输入量，而且有效地控制了因热变形产生的焊接不良，减少双极板的形变量，且相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠，可以保证焊后的气密性，可用于燃料电池大幅面双极板密封焊接的自动化生产工艺。

进一步地，步骤4）中每一段的焊接轨迹包括弯曲部分和直线段部分，所述直线段部分的两端均连接有所述弯曲部分，如图2所示，每一段的焊接轨迹的弯曲部分与与其相邻的一段的焊接轨迹的相邻弯曲部分部分交叉重叠。由于燃料电池双极板需要在一定的气压下检测密封性，因此段与段之间必须部分交叉重叠，而交叉重叠的区域太大，容易造成点穿的可能，无法保证气密性，采用如图2所示，不论拆分成几段，段与段之间必须采用交叉重叠的方式，即相邻两段的焊接轨迹的交点与直线段部分不在同一直线上，可以有效的解决因焊穿问题，从而保证双极板焊后的气密性。

进一步地，步骤2）中根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的每一边分为2-5段。如图1所示，焊接幅面单边尺寸通常为100-600㎜不等，焊接幅面较大时，如果不进行拆分，焊接时会有持续的热量输入，而燃料电池双极板的厚度为0.05-0.3㎜，这种大尺寸的薄板工件很容易发生热变形，导致上下薄板之间产生较大的间隙，从而造成虚焊、过烧、裂纹和炸点等焊接不良，因此达不到所需的焊接效果；本实施例根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小进行拆分，不同焦距场镜的有效焊接范围是固定的，当场镜无法满足焊接幅面时，就必须进行拆分；在场镜已经确定的前提下，产品越大，需要焊接幅面越大，需要拆分的线段条数越多；拆分成几段后，不仅能够增大焊接区域，减少热输入量，而且有效地控制了因热变形产生的焊接不良，并且减少了双极板的形变量；但拆分的线段太多会导致焊接效率降低。

进一步地，如图3所示，步骤4）中激光扫描方式为直线、螺旋线、正弦曲线或者椭圆曲线。根据不同的焊接要求采用不同的扫描方式，可以精确地控制焊缝宽度，形成的焊缝宽度为0.1-0.5㎜。

进一步地，所述长焦距场镜的焦距为250-500㎜。

进一步地，所述长焦距场镜的聚焦光斑为30-150μm。本实施例根据双极板的厚度以及客户要求的工艺效果（包括强度、焊缝宽度和密封性）进行选择，在满足工艺效果的前提下，焦距越长越好，即尽量选择大焦距场镜。场镜的焦距越长，聚焦光斑越大，焊缝宽度越大，能一次性焊接的幅面越大；但是聚焦光斑变大后会导致激光分布的能量密度变小了，焊接能力下降，达不到所需要的工艺效果，此时就需要分段然后采用合适的场镜来完成焊接工序。

进一步地，所述待焊接极板的单边尺寸为100-600㎜，即焊接幅面大小在100×100㎜-600×600㎜。

进一步地，步骤4）中焊接速度为100㎜/s至2000㎜/s，速度快，提高焊接效率。

进一步地，焊接时增加保护气体，保护气体为氦气、氩气、二氧化碳、氮气、氢气中的任意一种。

进一步地，所述焊接平台上设有运动模块，治具与运动模块连接；运动模块为二轴运动模块或者三轴运动模块。本实施例采用二轴运动模块或者三轴运动模块配合长焦距场镜进行焊接，当长焦距场镜无法一次性完成焊接时，通过运动模块带动治具移动，使待焊接极板，在水平面X、Y轴上移动，配合长焦距场镜完成焊接，满足大幅面的焊接需求。作为一种实现方式，运动模块一般是采用电机和丝杆结合。

进一步地，本实施例的激光器发射激光光束，通过准直镜将发散的激光光束整形成平行光束，然后通过45°反射镜进入振镜进行偏转，最后通过长焦距场镜进行聚焦。

实施例二

本实施例与实施例一的方法相同，不同之处仅在于待焊接极板的焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹的设计。

如图4所示，作为一种实现方式，位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹在待焊接极板的拐角处呈十字交叉；拐角处采用十字交叉的方式重叠，其余位置的焊接轨迹仍采用实施例一的方式重叠；

如图4所示，作为另一种实现方式，位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹在待焊接极板的拐角处通过圆角连接；拐角处采用圆角连接起来，其余位置的焊接轨迹仍采用实施例一的方式重叠。

实施例三

本实施例以0.15㎜厚度的燃料电池双极板叠焊为例，双极板的材质为不锈钢，焊接区域为310*390㎜的矩形，要求每毫米的焊接强度大于40N，焊缝宽度小于0.35㎜，在0.2Mpa的气压下保证10分钟无漏气，焊接效率高于1分钟/片，并且保证焊缝表面美观无飞溅；采用F330的场镜，聚焦光斑约为60μm，将310㎜的短边分成2段，390㎜的长边分成3段，线段与线段之间交叉重叠，扫描方式设置为正弦曲线，焊接功率设置为120W，焊接速度设置为500㎜/s，按照预设的路径进行焊接，并且吹入氮气作为保护气体。焊接效果如下：每毫米的焊接强度高达50N，焊缝宽度仅为0.25㎜，能在0.2Mpa的气压下保证10分钟无漏气，焊接效率约为55秒/片，并且焊缝表面美观无飞溅，符合焊接要求。

实施例四

本实施例以0.1㎜厚度的燃料电池双极板叠焊为例，双极板的材质为不锈钢，焊接区域为220*240㎜的矩形，要求每毫米的焊接强度大于30N，焊缝宽度小于0.25㎜，在0.2Mpa的气压下保证5分钟无漏气，焊接效率高于45秒/片，并且保证焊缝表面美观无飞溅；采用F254的场镜，聚焦光斑约为45μm，分别将220㎜的短边和240㎜的长边拆成2段，线段与线段之间交叉重叠，扫描方式设置为椭圆曲线，焊接功率设置为100W，焊接速度设置为800㎜/s，按照预设的路径进行焊接，并且吹入氩气作为保护气体。焊接效果如下：每毫米的焊接强度高达35N，焊缝宽度仅为0.2㎜，能在0.2Mpa的气压下保证5分钟无漏气，焊接效率约为42秒/片，并且焊缝表面美观无飞溅，符合焊接要求。

此外，本实施例一提供的密封焊接方法也可以用于其它领域有类似的大幅面两片金属薄板之间的焊接，不仅可以用于两块方形金属薄板的密封焊接，也可以用于两块圆形金属薄板的密封焊接，如图5所示。本实施例的拆分可以平均拆分，也可以不平均拆分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将两片待焊接极板上下对齐叠加在一起后固定于治具上，并将治具固定于焊接平台上；

2）根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的焊接区域的各边都分为若干段，且相邻两段之间有间隙；

3）调整激光光路，使激光器发出的激光光束聚焦到待焊接极板的表面；

4）设定激光扫描方式、激光器工艺参数以及每一段的焊接轨迹，逐段进行焊接，且相邻两段的焊接轨迹部分交叉重叠。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：步骤4）中每一段的焊接轨迹包括弯曲部分和直线段部分，所述直线段部分的两端均连接有所述弯曲部分，每一段的焊接轨迹的弯曲部分与与其相邻的一段的焊接轨迹的相邻弯曲部分部分交叉重叠。

3.如权利要求2所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：步骤4）中位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹在待焊接极板的拐角处呈十字交叉或位于焊接区域的拐角处的两段的焊接轨迹在待焊接极板的拐角处通过圆角连接。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：步骤2）中根据待焊接极板的幅面大小以及长焦距场镜的大小，将待焊接极板的每一边分为2-5段。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：步骤4）中激光扫描方式为直线、螺旋线、正弦曲线或者椭圆曲线。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：所述长焦距场镜的焦距为250-500㎜，所述长焦距场镜的聚焦光斑为30-150μm。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：所述待焊接极板的单边尺寸为100-600㎜，所述待焊接极板的厚度为0.05-0.3㎜。

8.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：步骤4）中焊接速度为100㎜/s至2000㎜/s，形成的焊缝宽度为0.1-0.5㎜。

9.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：所述焊接平台上设有运动模块，治具与运动模块连接；当长焦距场镜无法一次性完成焊接时，通过运动模块带动治具移动，使待焊接极板移动，配合长焦距场镜完成焊接。

10.如权利要求1所述的一种燃料电池的大幅面双极板的密封焊接方法，其特征在于：焊接时增加保护气体，保护气体为氦气、氩气、二氧化碳、氮气、氢气中的任意一种。