CN110303246B - 一种密封焊接方法和双极板 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种密封焊接方法和双极板，涉及电池模组加工技术领域。其中，通过调整振镜式激光焊接设备与待焊接极板之间的相对位置，以及调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得由所述振镜式激光焊接设备发射出的激光束能够聚焦至所述待焊接极板；通过所述振镜式激光焊接设备按照同心圆式的激光扫描方式对所述待焊接极板进行焊接。本申请能够提高焊接效率，改善焊接后的双极板在使用过程中的气密性。

Description

一种密封焊接方法和双极板

技术领域

本申请涉及电池模组加工技术领域，具体而言，涉及一种密封焊接方法和双极板。

背景技术

燃料电池是继原发电技术之后的新兴发电技术，燃料电池的工作原理是将化学能转化成电能，其最终产物是水，因此，燃料电池也是一种无污染、高效率、无噪声、可连续工作的动力装置，被称为终极清洁燃料。

但是，对于现有的燃料电池中采用的金属双极板而言，一般先用金属薄板制成阳极和阴极，然后基于分段焊接的方式将阳极和阴极连接起来并在两者之间形成流道，经研究发现，分段焊接的方式不仅导致焊接效率低下，而且会使得焊接后的双极板在使用过程中存在气密性差的问题。

发明内容

本申请的目的包括，例如，提供了一种密封焊接方法和双极板，其能够提高焊接效率，改善焊接后的双极板在使用过程中的气密性。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请实施例提供一种密封焊接方法，包括：

调整振镜式激光焊接设备与待焊接极板之间的相对位置，以及调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得由所述振镜式激光焊接设备发射出的激光束能够聚焦至所述待焊接极板；

通过所述振镜式激光焊接设备按照同心圆式的激光扫描方式对所述待焊接极板进行焊接。

在可选的实施方式中，所述同心圆式的激光扫描方式中的同心圆为多个，相邻的各所述同心圆之间部分重叠。

在可选的实施方式中，相邻的各所述同心圆之间的重叠率为50％-90％。

在可选的实施方式中，所述振镜式激光焊接设备对所述待焊接极板进行焊接时的焊接轨迹包括直线、曲线和折线中的至少一种。

在可选的实施方式中，通过所述振镜式激光焊接设备按照同心圆式的激光扫描方式对所述待焊接极板进行焊接形成的焊缝宽度为0.1mm-0.8mm。

在可选的实施方式中，在可选的实施方式中，所述振镜式激光焊接设备包括控制装置、激光器、准直镜、全反块、CCD模块、振镜和聚焦镜，所述调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路的步骤，包括：

通过所述控制装置调整所述激光器以及所述CCD模块相对于所述全反块的位置，使得反射光能够经所述聚焦镜透射、所述振镜反射以及所述全反块透射后进入所述CCD模块，以实现对待焊接极板的监视或定位；以及

使得由所述激光器发射的激光束经所述准直镜整形后进入所述全反块，并经所述全反块反射后进入所述振镜，且入射至所述振镜的所述激光束经所述振镜偏转后进入所述聚焦镜，并经所述聚焦镜聚焦至所述待焊接极板。

在可选的实施方式中，所述振镜式激光焊接设备包括控制装置、激光器、准直镜、全反块、CCD模块、振镜和聚焦镜，所述调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路的步骤，包括：

通过所述控制装置调整所述激光器以及所述CCD模块相对于所述全反块的位置，使得反射光能够经所述聚焦镜透射以及所述振镜、所述全反块的两次反射后进入所述CCD模块，以实现对待焊接极板的监视或定位；以及

使得由所述激光器发射的激光束经所述准直镜整形后进入所述全反块，并经所述全反块透射后进入所述振镜，且入射至所述振镜的所述激光束经所述振镜偏转后进入所述聚焦镜，并经所述聚焦镜聚焦至所述待焊接极板。

在可选的实施方式中，所述待焊接极板放置于设置有运动模组的焊接平台上，所述运动模组与所述控制装置连接，所述密封焊接方法还包括：

通过所述控制装置控制所述运动模组运动，并带动位于所述焊接平台上的所述待焊接极板移动，以配合所述振镜式激光焊接设备对所述待焊接极板上的不同位置进行焊接。

第二方面，本申请实施例提供一种双极板，应用于燃料电池，所述双极板是基于上述实施方式中任一项所述的密封焊接方法焊接得到。

在可选的实施方式中，所述双极板上具有宽度为0.1mm-0.8mm的焊缝。

本申请实施例的有益效果包括，例如：

在本申请给出的密封焊接方法和双极板中，通过振镜式激光焊接设备采用同心圆式的扫描方式实现对待焊接极板的焊接，无需对待焊接极板的焊接区域进行分段，一方面能够大幅提高双极板尤其是大幅面的双极板的焊接效率，另一方面能够有效改善焊接后的双极板在使用过程中的气密性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的振镜式激光焊接设备的方框结构示意图；

图2为本申请实施例提供的密封焊接方法的流程示意图；

图3为本申请实施例给出的同心圆式扫描方式中同心圆的示意图；

图4为本申请实施例给出的同心圆式扫描方式中的相邻同心圆的重叠示意图；

图5为本申请实施例给出的同心圆式扫描方式中的多个相邻同心圆的另一重叠示意图；

图6为振镜式激光焊接设备中的CCD模块、全反块、激光器之间存在激光束与反射光时的光路示意图；

图7为振镜式激光焊接设备中的CCD模块、全反块、激光器之间存在激光束与反射光时的另一光路示意图；

图8为本申请实施例给出的焊接路径的示意图。

图标：10-振镜式激光焊接设备；11-激光器；12-准直镜；13-全反块；14-振镜；15-聚焦镜；16-CCD模块；17-控制装置；18-焊接平台。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

请参阅图1，为本实施例提供的一种振镜式激光焊接设备10的示意图，该振镜式激光焊接设备10用于对待焊接极板进行激光焊接。可选地，所述振镜式激光焊接设备10可包括，但不限于，图1所示的激光器11、准直镜12、全反块13、振镜14、聚焦镜15、CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)模块16和控制装置17。

其中，所述激光器11用于发射对待焊接极板进行焊接的激光束，本实施例中，所述激光器11可以是，但不限于，具备较好的光束质量的光纤激光器11，例如，光纤激光器11发射的激光束质量M²<1.8。

所述全反块13是一种激光光学器件，用于透射可视光、反射激光(或反射可视光、透射激光)等，以使得经该全反块13透射和反射的光束可同轴入射至其他器件(如振镜14等)。

所述振镜14用于将入射的光束(如平行光束)偏转至预设位置，且该振镜14可以由，但不限于，两个伺服电机带动镜片偏转以实现对入射光束的偏转。

所述CCD模块16用于实时监视待焊接极板上的焊接区域或者定位待焊接极板的位置。

所述控制装置17用于实现焊接参数、扫描方式、运动轴参数的设置，以及根据设置好的焊接参数、扫描方式、运动参数等控制激光器11、CCD模块16、振镜14以及焊接平台18等实现对待焊接极板的焊接。

实际实施时，所述激光器11在所述控制装置17的控制下发射激光束，该激光器11产生的激光束经光纤等传输介质传输至所述准直镜12，以通过该准直镜12将发散的激光束整形成平行光束，该平行光束通过所述全反块13的反射或透射至所述振镜14，经所述振镜14的偏转到预设位置，再通过所述聚焦镜15聚焦到待焊接极板的表面，以对待焊接极板进行激光焊接。

同时，经所述聚焦镜15透射、所述振镜14反射以及所述全反块13透射或反射的反射光能够进入所述CCD模块16，以实时监视待焊接极板上的焊接区域或者定位待焊接极板的位置。其中，所述反射光可以为焊接过程中，由所述激光束与待焊接极板相互作用时形成的自然光，或者，是当自然光的亮度不能满足焊接监视或定位需求时，所述反射光还可以由前述自然光与外设的光源共同构成，本实施例在此不做限制。

可选地，对于大幅面的待焊接极板而言，当聚焦镜15无法一次性完成焊接时，为了实现对待焊接极板的不同位置的焊接，提高焊接效率，本实施例中可采用运动模组配合聚焦镜15的方式实现对大幅面的待焊接极板的焊接。

例如，用于固定所述待焊接极板的焊接平台18上可设置有运动模组(如二维运动模组或者三维运动模组等)，通过控制装置17控制运动模组运动，以带动固定在焊接平台18上的待焊接极板运动(如在水平面X、Y轴上移动等)，并配合聚焦镜15完成焊接，以满足对于大幅面的待焊接极板焊接需求。作为一种实现方式，所述运动模组一般是可采用，但不限于，电机和丝杆结合实现。

另外，所述待焊接极板的材质可以为，但不限于，金属材质，如不锈钢等。

进一步地，基于对上述振镜式激光焊接设备10的描述，请结合参阅图2，为本申请实施例提供的密封焊接方法的流程示意图，该密封焊接方法基于所述振镜式激光焊接设备10实现，下面结合图2对本申请实施例提供的密封焊接方法进行详细说明。应注意的是，本申请实施例给出的密封焊接方法并不以图2以及以下的具体顺序为限制。应当理解，本申请给出的密封焊接方法中的部分步骤的顺序可以根据实际需要相互交换，或者其中的部分步骤也可以省略或删除。

步骤S11，调整振镜式激光焊接设备10与待焊接极板之间的相对位置，以及调整所述振镜式激光焊接设备10的激光光路，使得由所述振镜式激光焊接设备10发射出的激光束能够聚焦至所述待焊接极板。

其中，所述待焊接极板中的两个极板可以通过上下对齐的方式叠加并水平固定于仿形治具上，同时压紧两个极板以确保极板表面平整，然后将放置有待焊接极板的仿形治具固定于所述焊接平台18上。

在完成所述待焊接极板的放置后，调整所述振镜式激光焊接设备10与待焊接极板，使得所述振镜式激光焊接设备10中的激光器11发出的激光束能够聚焦至待焊接极板的表面，且经所述聚焦镜15透射、振镜14反射的反射光够入射至所述CCD模块16，其中，激光束用于对待焊接极板进行焊接，反射光用于对待焊接极板以及待焊接极板上的焊接位置进行定位等。

步骤S12，通过所述振镜式激光焊接设备10按照同心圆式的激光扫描方式对所述待焊接极板进行焊接。

其中，如图3、图4所示，所述同心圆式的激光扫描方式中的同心圆可以为一个或多个。可选地，根据不同的焊接要求，可采用不同直径、数目和间距的同心圆。在实际实施时，基于同心圆式的激光扫描方式能够精确地控制焊缝宽度，如焊接形成的焊缝宽度可以为0.1-0.8mm，确保焊接质量。

需要注意的是，所述同心圆式的激光扫描方式中的同心圆为多个时，不同的同心圆之间可以如图4所示大小相同，也可以如图5所示大小不同。另外，同一同心圆中的各相邻圆环之间的间距大小可以如图4所示相同，也可以不同，本实施例在此不做限制。

另外，根据密封(气密性)要求的不同，相邻的各所述同心圆之间可具有如图4所示的部分重叠，如相邻的各所述同心圆之间的重叠率为50％-90％。实际实施时，密封要求越高，相邻的各所述同心圆之间的重叠率越高。应注意，图4中所示的阴影部分为相邻的两个同心圆之间的重叠部分。

相对于现有技术中由于采用分段焊接方式导致焊接的双极板存在焊接交叉点多、焊接效率低、容易焊穿的问题之外，现有的密封焊接方法还不适用于超薄材料或者上厚下薄的材料的焊接。对此，本申请实施例给出的基于同心圆式的激光扫描方式实现的密封焊接方法在对大幅面等双极板进行焊接时，无需对焊接区域进行分段，减少了焊接交叉点，既能提高焊接效率，还可有效确保焊接后的双极板的质量，如能够精确控制焊缝大小，获得较高的焊接强度，保证气密性和外观良好，尤其对于0.2mm以下的燃料电池中的双极板的焊接。

另外，在本实施例中给出的密封焊接方法中，所述聚焦镜15无需具有长焦距的场镜，也可将激光束聚焦至待焊接极板的表面，以实现对待焊接极板的焊接，提高了密封焊接方法的适应性。

进一步地，根据实际需求的不同，上述步骤S11中所述的调整所述振镜式激光焊接设备10的激光光路的实现方式可以有多种。

例如，请结合参阅图6，通过所述控制装置17调整所述激光器11以及所述CCD模块16相对于所述全反块13的位置，使得入射的反射光能够经所述聚焦镜15透射、所述振镜14反射以及所述全反块13透射后进入所述CCD模块16，以实现对待焊接极板的定位或监视；以及使得由所述激光器11发射的激光束经所述准直镜12准直后进入所述全反块13，并经所述全反块13反射后进入所述振镜14，且入射至所述振镜14的所述激光束经所述振镜14偏转后进入所述聚焦镜15，并经所述聚焦镜15聚焦至所述待焊接极板以实现对该待焊接极板的焊接。

又例如，请结合参阅图7，通过所述控制装置17调整所述激光器11以及所述CCD模块16相对于所述全反块13的位置，使得入射的反射光能够经所述聚焦镜15以及所述振镜14、所述全反块13的两次反射后进入所述CCD模块16，以实现对待焊接极板的定位或监控；以及使得由所述激光器11发射的激光束经所述准直镜12整形后进入所述全反块13，并经所述全反块13透射后进入所述振镜14，且入射至所述振镜14的所述激光束经所述振镜14偏转后进入所述聚焦镜15，并经所述聚焦镜15聚焦至所述待焊接极板以实现对该待焊接极板的焊接。

在上述两种调整光路的实施方式中，所述反射光与所述激光束入射至所述全反块13时的入射角可以为，但不限于45度，即所述全反块13中的反射镜可以为但不限于45度反射镜。

需要说明的是，如图8所示，所述振镜式激光焊接设备10对所述待焊接极板进行焊接时的焊接轨迹可以包括，但不限于直线、曲线和折线中的至少一种，本实施例在此不做限制。

另外，对于上述的密封焊接方法，还可在实际焊接时增加保护气体，以降低焊接时的液体金属的氧化程度，减少金属因氧化产生的焊接缺陷，如热变形等问题发生。所述保护气体可以为，但不限于氦气、氩气、二氧化碳、氮气、氢气等气体中的任意一种。

进一步地，作为一种实施方式，针对不同幅面的待焊接极板，所述待焊接极板可放置于不同的焊接平台18上进行焊接，例如，对于大幅面待焊接极板，所述待焊接极板可放置于设置有运动模组的焊接平台18上，所述运动模组与所述控制装置17连接，所述密封焊接方法还可包括：通过所述控制装置17控制所述运动模组运动，并带动位于所述焊接平台18上的所述待焊接极板移动，以配合所述振镜式激光焊接设备10对所述待焊接极板上的不同位置进行焊接。

基于上述密封焊接方法的描述，下面以0.1mm厚度的燃料电池双极板(不锈钢材质)叠焊为例，对采用上述密封焊接方法实现待焊接极板的焊接过程进行说明，内容如下。其中，焊接要求是双极板的材质为不锈钢，焊接区域为300*380mm的矩形，要求每毫米的焊接强度大于40N(牛)，焊缝宽度小于0.4mm，在0.2Mpa的气压下保证10分钟无漏气，焊接效率大于1分钟/片，并且保证焊缝表面美观无飞溅。

(1)将待焊接极板中的两个极板上下对齐叠放在仿形治具上，并压紧极板确保表面平整，并将放置有待焊接极板的仿形治具固定在焊接平台18上。

(2)按照图1和图6所示振镜式激光焊接设备10的光路示意图调整所述振镜式激光焊接设备10使得激光束能够聚焦至待焊接极板的表面，且反射光能够进入所述CCD模块16。其中，可采用F160的场镜，扫描方式为图3所示的同心圆，该同心圆中各圆的尺寸分别为0.1、0.2和0.3mm，焊接功率设置为85W，焊接速度设置为1500mm/s，运动轴的速度设置为80mm/s，按照预设焊接路径(如直线等)进行焊接，焊接过程中可吹入氮气作为保护气体。

焊接效果如下：每毫米的焊接强度可高达45N，焊缝宽度仅为0.35mm，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，满足焊接要求。

进一步地，本申请实施例还提供一种双极板，该双极板可以是基于上述的密封焊接方法焊接得到。可选地，所述双极板上具有宽度为0.1mm-0.8mm的焊缝。另外，所述双极板可以是，但不限于，由金属材料制成的应用于燃料电池的极板。

需要注意的是，由于所述双极板是通过上述密封焊接方法焊接得到的，即所述双极板具有与上述密封焊接方法相同或相应的技术特征，因此，关于所述双极板的详细描述可参照前述密封焊接方法的详细描述，本实施例在此不做限制。

综上所述，在本申请给出的密封焊接方法和双极板中，通过振镜式激光焊接设备10采用同心圆式的扫描方式实现对待焊接极板的焊接，无需对待焊接极板的焊接区域进行分段，一方面能够大幅提高双极板的焊接效率，减少热变形，尤其是大幅面的双极板，另一方面能够有效改善焊接后的双极板在使用过程中的气密性。

此外，本申请给出的基于同心圆式的扫描方式实现的密封焊接，还能够精确控制焊缝大小，获得较高的焊接强度，保证气密性和外观良好，尤其对于0.2mm以下的燃料电池中的双极板的焊接。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种密封焊接方法，其特征在于，包括：

调整振镜式激光焊接设备与待焊接极板之间的相对位置，以及调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路，使得由所述振镜式激光焊接设备发射出的激光束能够聚焦至所述待焊接极板；

通过所述振镜式激光焊接设备按照同心圆式的激光扫描方式对所述待焊接极板进行焊接，无需对焊接区域进行分段；

所述同心圆式的激光扫描方式中的同心圆为多个，相邻的各所述同心圆之间部分重叠；相邻的各所述同心圆之间的重叠率为50％-90％；通过所述振镜式激光焊接设备按照同心圆式的激光扫描方式对所述待焊接极板进行焊接形成的焊缝宽度为0.1mm-0.8mm；

不同的所述同心圆的大小不同，同一所述同心圆中的各相邻圆环之间的间距大小不同。

2.根据权利要求1所述的密封焊接方法，其特征在于，所述振镜式激光焊接设备对所述待焊接极板进行焊接时的焊接轨迹包括直线、曲线和折线中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的密封焊接方法，其特征在于，所述振镜式激光焊接设备包括控制装置、激光器、准直镜、全反块、CCD模块、振镜和聚焦镜，所述调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路的步骤，包括：

通过所述控制装置调整所述激光器以及所述CCD模块相对于所述全反块的位置，使得反射光能够经所述聚焦镜透射、所述振镜反射以及所述全反块透射后进入所述CCD模块，以实现对待焊接极板的监视或定位；以及

使得由所述激光器发射的激光束经所述准直镜整形后进入所述全反块，并经所述全反块反射后进入所述振镜，且入射至所述振镜的所述激光束经所述振镜偏转后进入所述聚焦镜，并经所述聚焦镜聚焦至所述待焊接极板。

4.根据权利要求1所述的密封焊接方法，其特征在于，所述振镜式激光焊接设备包括控制装置、激光器、准直镜、全反块、CCD模块、振镜和聚焦镜，所述调整所述振镜式激光焊接设备的激光光路的步骤，包括：

通过所述控制装置调整所述激光器以及所述CCD模块相对于所述全反块的位置，使得反射光能够经所述聚焦镜透射以及所述振镜、所述全反块的两次反射后进入所述CCD模块，以实现对待焊接极板的监视或定位；以及

使得由所述激光器发射的激光束经所述准直镜整形后进入所述全反块，并经所述全反块透射后进入所述振镜，且入射至所述振镜的所述激光束经所述振镜偏转后进入所述聚焦镜，并经所述聚焦镜聚焦至所述待焊接极板。

5.根据权利要求3或4所述的密封焊接方法，其特征在于，所述待焊接极板放置于设置有运动模组的焊接平台上，所述运动模组与所述控制装置连接，所述密封焊接方法还包括：

通过所述控制装置控制所述运动模组运动，并带动位于所述焊接平台上的所述待焊接极板移动，以配合所述振镜式激光焊接设备对所述待焊接极板上的不同位置进行焊接。

6.一种双极板，其特征在于，应用于燃料电池，所述双极板是基于上述权利要求1-5中任一项所述的密封焊接方法焊接得到，所述双极板上具有宽度为0.1mm-0.8mm的焊缝。

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