燃料电池金属双极板激光胶焊接头性能优化与焊接变形控制

摘要

金属双极板作为质子交换膜燃料电池的重要部件,不仅为电池工作过程中燃料及冷却水提供流动空间,还对电池整体结构起到支撑作用。燃料电池金属双极板是由具有复杂流道结构的0.1mm超薄不锈钢单极板连接而成,连接方式、工艺参数变化都会对双极板的形状误差及接头性能产生重要影响,因此,如何保证金属双极板连接接头质量是目前质子交换膜燃料电池制造中需要解决的关键问题之一。
　　光纤激光焊接因其光束质量高、焊接速度快,是目前燃料电池金属双极板的主要连接工艺方法。然而,由于0.1mm超薄不锈钢板激光焊接过程中的高热量输入,焊缝区域易发生翘曲变形,引起金属双极板出现间隙,出现焊穿等质量问题,降低焊接接头性能。同时,受单极板成形精度、复杂流道结构及焊接热效应等耦合作用,金属双极板局部及整体焊接变形显著,将直接影响后续电池电堆的装配工作,造成装配压力分配不均匀,降低电池整体性能。
　　针对燃料电池金属双极板光纤激光焊接接头性能波动及焊接变形问题,本文首先提出胶接与激光焊接复合的激光胶焊工艺方法,在接头性能满足质量要求的同时,最大限度降低金属双极板焊接变形,并建立激光胶焊实验系统,获取相应的胶接工艺参数和焊接工艺参数。利用该实验系统,研究了激光功率、激光速度和保护气流量等参数对焊缝表面形貌、焊缝截面尺寸、微观组织硬度以及接头抗腐蚀性能等接头质量的影响,确定适合于金属双极板激光胶焊的工艺参数。在此基础上,实验研究了热输入及装夹力等参数对激光胶焊焊接接头局部变形的影响规律。结合全息干涉测量与数学模型重构方法,建立了金属双极板焊接变形评价方法,获取了激光工艺参数对极板整体变形的影响规律。
　　本文开展的研究内容及结论如下:
　　(1)金属双极板光纤激光胶焊工艺方法及参数确定
　　建立了包括胶粘连接、激光焊接两步工艺的金属双极板光纤激光胶焊工艺方法。选取3M瞬干型结构胶作为胶粘剂,利用液压式压头配合极板胶粘压模机构,在预紧力为0.5T,保压时间210s的条件下,控制胶层厚度为10μm±2μm。搭建激光胶焊工艺试验系统,稳定控制激光输出功率(100W-220W)、焊接速度(30mm/s-50mm/s)、保护气种类(Ar)及流量(0L/min-20L/min)等关键焊接参数。
　　(2)金属双极板激光胶焊接头性能的实验研究
　　基于建立的激光胶焊工艺试验系统,实验研究了工艺参数对焊接接头质量的影响规律,分析胶层与激光热输入的耦合作用机制,制定满足金属双极板焊接质量要求的工艺参数范围。研究结果表明:传统激光焊接搭接接头,上下层板间存在空气层,焊缝截面熔合区呈现丁字形。激光胶焊工艺的胶层取代了空气层,促进了热量自上层板向下层板的传递,熔核区呈现完整的楔形。与激光焊接工艺相比,相同工艺参数下激光胶焊获得的焊缝熔深最大增加100％、熔宽最大增加26%,焊缝表面光顺性有所下降但满足焊接质量要求。在焊接功率130W—160W、焊接速度40mm/s、保护气流量10L/min的焊接参数下,可以得到满足燃料电池金属双极板焊接质量要求的焊缝。
　　(3)金属双极板激光胶焊焊接变形评价与控制
　　实验研究了热输入量及装夹力等工艺参数对光纤激光胶焊焊接接头局部变形的影响规律。结合全息干涉测量与数学模型重构方法,建立了针对燃料电池金属双极板整体焊接变形的评价方法,基于该评价方法,研究了激光胶焊工艺参数对极板整体变形的影响规律,确定最优激光胶焊工艺参数。研究结果表明:与激光焊接工艺相比,激光胶焊工艺中胶层的引入促进了热量自上层板向下层板的传递,减小了由于热量横向扩散引起的变形,胶层的连接力保证了上下层极板始终保持连接,装夹约束小,焊接变形减小。通过实验发现,激光胶焊焊缝角变形比激光焊接焊缝变形角减小60%针对金属双极板的最优激光胶焊工艺参数为:焊接功率130W,焊接速度40mm/s,保护气流量10L/min,装夹压力1.1MPa。与激光焊接工艺相比,焊接变形拱曲量减小33%,变形更小;拱曲分散度指标 a,b分别增长53%和102%,变形更分散,趋势更平缓。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究方法及内容

第二章 金属双极板激光胶焊工艺方法及系统建立

2.1 引言

2.2 激光胶焊工艺方法的提出

2.3 激光胶焊实验系统及参数选择

2.4 本章小结

第三章金属双极板激光胶焊接头性能的实验研究

3.1 引言

3.2 激光胶焊接头性能的评价指标

3.3 激光胶焊工艺参数选择

3.4 工艺参数对接头性能的影响规律

3.5 燃料电池金属双极板激光胶焊工艺参数优化

3.6 本章小结

第四章 金属双极板激光胶焊焊接变形评价与控制

4.1 引言

4.2 激光胶焊接头局部变形评价方法

4.3面向接头局部变形控制的工艺参数选择

4.4金属双极板整体焊接变形评价及参数选择

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要研究内容和结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或已录用的论文