金屬雙極板激光焊接質量的影響因素分析

摘 要：金屬雙極板是氫燃料電池堆的關鍵組件之一，本文針對金屬雙極板的激光焊接，從設備選型、工藝參數和工裝夾具等影響因素進行分析，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量。

關鍵詞：金屬雙極板;激光焊接;工藝參數;工裝夾具

本文針對不銹鋼316L在激光焊接過程中，對焊接質量的影響因素進行分析，以提高金屬雙極板的焊接質量。本文所述的單極板，是以厚度0.1mm的不銹鋼316L為基材，先經過表面處理，再經沖壓成型而得。激光焊接時是以兩片金屬單極板為材料，用激光進行疊焊。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 焊接設備

1.1 設備選型

焊接設備是影響焊接質量和效率的重要因素。通常由激光器、冷水機、焊接工作臺、顯示器、控制柜、電動平移臺組成。對于厚度0.1mm的超薄型板材，較為適宜的是波長為1064nm近紅外激光，也就是YAG：Nd型固體激光發射器產生的激光。依據對工件的作用方式，可分為脈沖激光焊接和連續激光焊接設備。脈沖激光焊，輸入到工件上的能量是斷續的、脈沖的，簡單來說只能實現脈沖式點焊，依靠焊點的重疊來實現焊接。連續性激光焊，輸入到工件上的能量是連續的，可實現線性焊接。

1.1.1 脈沖型激光焊接設備

這類激光焊接設備是利用高能量的脈沖激光對材料進行微小區域內的局部加熱，能量通過熱傳導向材料的內部擴散，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。脈沖型激光設備的優點是：產品熱影響區小、變形小，設備價格低廉。缺點是：能耗高、生產效率低，穩定性相對較差。

1.1.2 連續型光纖激光焊接設備

這類型激光焊接設備是將激光束耦合至光纖，經過遠距離的傳輸后，處理為平行的光線聚焦于待焊接工件表面實施連續焊接。設備的主要優點是：光束質量好，焊接速度快，生產效率高，電光轉化率高、能耗低;缺點是：設備價格較高。從穩定性和生產效率看，推薦使用連續型光纖焊接設備。

1.2 激光器功率的選擇

依據所需焊接的材料材質和厚度，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，設備造價相對較高;若功率太小，又難滿足焊接要求。針對0.1mm的不銹鋼金屬單極板做兩層疊焊，焊接時使用的功率范圍為150-200W，激光器功率選擇在300-500W較為適宜。

1.3 焊接工作臺

焊接工作臺運行要平整，工作時無晃動。焊接工裝夾固定在工作臺上，在伺服電機的配合下做移動，實現X、Y、Z方向的可移動，行程要滿足工件焊接的要求，運動平臺的重復定位精度不低于±0.02mm。

2 焊接工藝參數

2.1 離焦量

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

2.2 激光器的輸出功率

輸出功率太大，會造成焊接工件穿孔，輸出功率太小會使上、下兩層單極板焊接不實，容易出現兩層未完全焊接在一起。焊接時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，生產率低，成本高，熱影響區常因過熱晶粒粗大而脆斷，工件變形也大。當激光功率一定時，激光焊接速度成為影響焊縫強度的主要因素。激光深熔焊時，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 保護氣體

可選氮氣、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量的又一個關鍵因素，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，運行過程要平穩，要便于固定在焊接工作臺上;②裝、卡工件操作簡單，靈活快速;③工裝底座上與工件焊線相對應的位置要留有通氣槽。此通氣槽一是為了減少物質氣化對熔池的破壞;二是可以充入保護氣體對焊接部位進行冷卻和保護，防止形變和氧化;④工件的待焊接部位，在焊接過程中要實現有保護氣體從上下兩側對焊接的部位進行防護，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。通過選擇適宜的激光焊接設備、調節工藝參數、優化設計工裝，金屬雙極板激光焊接的一次合格率可達98%以上。

參考文獻：

[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。