CN102699533B - 燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，包括：上夹具体、套筒轴承、滚珠、电磁铁以及下夹具体。夹紧力施加装置是激光焊接头的随动机构，夹紧力跟随焊接激光头运动且只施加于焊接局部，保证了焊接位置处于良好的接触，从根本上避免了现有激光焊接装夹装置的夹紧力不均匀问题。上夹具体与激光焊接头之间通过套筒结构连接，实现由激光焊接头对上夹具体在水平面内的运动轨迹控制，而垂直方向自由度不受到限制，实现夹紧力的自适应。当需要对工件进行夹紧时，对下夹具体中的电磁铁进行通电，上夹具体滚珠及滚珠固定部分受到磁力向下运动，从而夹紧工件。与现有技术相比，本发明电磁铁夹紧易于控制，提高了效率，保证了焊接质量。

Description

燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具

技术领域

本发明涉及的是一种金属燃料电池双极板连接技术领域的方法，具体是一种燃料电池超薄金属双极板激光焊接夹具。

背景技术

作为一种能量转换效率高、污染小、可靠性高的发电装置，燃料电池被业界认为是很有发展前景的新型发电技术。其独特优势如工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便使得它倍受研究青睐。质子交换膜燃料电池结构包括双极板、质子交换膜和催化剂等。现有的双极板一般由石墨或金属等材料制成。超薄金属双极板因为具有良好的导电性、导热性和加工性能，且加工成本低廉，适应于大规模生产要求，成为了燃料电池极板的发展方向。金属双极板首先由金属薄板制成阴极和阳极板，然后再将阴极板和阳极板连接在一起，而目前存在的连接方法一般有粘接、电阻焊接以及激光焊接等。

激光焊接是金属双极板连接的最有效的手段。相比其他焊接方式，激光焊接有许多优势。特别是由于其焊接精准度高，热影响区域小，它可用于焊接热敏感元件。而且由于激光焊接为非接触焊接，它避免了工具磨损，无需对工件施加机械载荷，因此避免因此而产生的变形。此外，激光焊接焊缝小，质量高。采用激光焊接工艺进行金属薄型双极板的连接，可以有效提高极板的焊接质量，改善焊接热变形。

激光焊接是利用能量集中的激光束给金属提供能量，使其迅速熔化并形成焊缝。在金属双极板的焊接过程中，只有上极板与激光束直接接触，下极板需要靠上极板传递过来的热量熔化金属才能实现焊接；要保证较高的焊接质量，就必须保证上下极板之间的热量传递过程畅通无阻，使上下极板之间尽量直接接触，中间不能有空气层的阻隔，否则各种焊接质量问题就会随之产生。现有夹具都是在金属双极板周围一次焊接一次装夹，这虽然能保证焊缝形成处都有夹紧力，但很难保证夹紧力处处均匀，而一旦出现夹紧力不均匀，就会导致金属双极板之间出现缝隙，从而导致薄板虚焊、焊穿等各种焊接问题。因此，在焊接过程中，保证激光焊接处上下极板之间无缝接触成为保证激光焊接质量的关键。

经文献检索，中国专利公开号：CN201399664Y，名称为：激光焊接用夹具，该发明提出了一种激光焊接用夹具。具体为：该夹具包含一基座和一遮盖板；其中，基座包括一工件容置面和工件定位部，遮盖板组合于基座的工件容置面上，上有透空部位和遮蔽部位，透空部位对应于工件需要焊机处。该发明虽然可以提升激光焊接作业质量，降低瑕疵产品出现几率，但是该机构无法保证激光焊接夹紧力处处均匀的要求。

经文献检索，中国专利公开号：CN1640612A，名称为：薄板激光切割焊接机工件夹紧装置，该发明提出一种用于激光薄板切割焊接的工件夹紧装置。具体为：首先用电磁铁对工件进行初夹紧，之后用气动夹紧机构夹紧工件并使电磁铁停止工作。该发明虽然夹持稳定快速并实现了自动化，但是该方明只适用于激光切割薄板的夹持，并且涉及复杂工件定位控制和图像处理，控制装置十分复杂，维护成本也高。

又经文献检索，中国专利公开号：CN101890576A，名称为：不锈钢或镍薄板激光拼焊对位装夹装置和方法，该发明提出了一套激光焊接对位装夹装置。其激光拼焊对位装夹装置采用XYZ三维平移RZ一维旋转运动机构和视频监测对位调整机构对薄板进行对位和定位，然后由磁铁气动装夹机构将不锈钢或镍薄板夹紧固定，实现拼焊。该发明可解决超薄板拼焊焊接时易变形的问题，提高了焊接质量，但是金属双极板的焊接为搭接焊，焊缝为封闭路径，不是简单的直线焊接。

又经文献检索，美国专利号：US5023427，名称为：对接焊板边自动对齐方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR AUTOMATICALLY ALLGNINGPROXIMAL EDGES OF SHEETS TO BE BUTT WELDED)。该发明提出了一套自动对齐待焊工件边缘并夹紧的装置与方法。该发明虽然能给焊接工件均匀的夹紧力，但是该发明主要用于对接激光焊接工艺，不适用于金属双极板的搭接焊工艺，而且该装置适用于对接焊中磁性工件的装夹对齐，而金属双极板材料一般采用不锈钢板，该方法难以适用。

燃料电池金属双极板的焊接工艺属于超薄板激光搭接焊，一旦在焊接过程中上下两层极板间出现缝隙，热量将无法有效的从上极板传递到下极板，就可能严重影响焊接质量。现有的金属双极板激光焊接夹具大多采用一次装夹的方式，依靠刚性夹具来保证有效夹持；但是由于夹具加工误差及装配误差，使得夹紧力难以均匀分布，导致上下金属极板之间存在接触间隙，无法保证高的焊接质量要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单，精确度高的燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，该夹具连接激光焊接头，与激光焊接头成随动机构，使夹紧力跟随激光焊接头运动且只施加于焊接局部。

所述的夹具包括上下相对设置的上夹具体和下夹具体，所述的上夹具体上端连接激光焊接头，并与激光焊接头之间形成套筒结构，限制水平面内自由度，保留垂直方向自由度，待焊接工件设置在下夹具体上。

所述的上夹具体包括上夹具体腔体、固定突起，上夹具体腔体与激光焊接头之间通过阶梯螺栓连接，固定突起固定设置在激光焊接头上，激光焊接头通过固定突起与上夹具体腔体形成密封套筒结构，上夹具体腔体下端设有侧壁设有进气孔，作为冷却气体通道入口，所述的上夹具体腔体底部设有滚珠结构，该滚珠结构由多个滚珠呈圆环状分布于上夹具体腔体底部并置于焊缝处；所述的下夹具体上设有夹紧沟槽，该夹紧沟槽置于焊缝下，待焊接工件通过定位销定位在下夹具体上。

所述的下夹具体包括垫板，该垫板中设有凹槽，凹槽内设有电磁铁，通过电磁铁通电产生的磁力吸引滚珠，使上夹具体下移夹紧待焊接工件。

所述的上夹具体腔体底部设有压力传感器，所述的上夹具体腔体与固定突起之间设有弹簧，该弹簧设置在阶梯螺栓上，并通过与阶梯螺栓匹配的螺母调节弹簧对上夹具体施加夹紧力，并通过压力传感器读数来精确控制夹紧力大小。

所述的滚珠及滚珠固定部件为磁性良好的材料，包括合金工具钢。

所述的密封套筒结构采用轻质量材料，包括铝材或塑料。

所述的夹具用于燃料电池金属双极板的焊接夹紧，或用于金属搭接焊和其它复杂表面形貌金属薄板焊接夹紧。

使用时，首先将上夹具体通过套筒结构和激光焊接头保持连接，使上夹具体随激光焊接头一起运动，下夹具体放置于工件下面，并保证预留沟槽在激光焊缝处之下，当需要将焊接工件夹紧时，对下夹具体通电以提供磁力，从而使上夹具体向下夹紧工件，从而实现夹紧工件的目的，或者通过螺栓调节上夹具体上的弹簧，使上夹具体可以上下运动，保证夹紧装置为柔性装夹，实现夹紧力的自适应，同时通过压力传感器读数来精确控制夹紧力大小。

与现有技术相比，本发明的特点在于：夹紧力施加与激光焊接随动，夹紧力只施加于焊接部位，避免了由夹紧力不均匀引起的上下极板接触存在间隙的问题；上夹具体与激光焊接头在水平面内同轨迹运动，不需要额外装置去实现其定位控制；上夹具体在垂直方向的自由度没有被限制，上夹具体可以上下运动，实现了夹紧力的自适应；上夹具体的滚珠结构设计使得夹紧装置不仅适用于简单直线焊接轨迹，还适用于其它复杂焊接轨迹；同时，由于上夹具体滚珠结构部分尺寸小，使得夹具适用于表面形状复杂的超薄金属板激光焊接的夹紧，特别是表面流道结构丰富的燃料电池金属双极板的焊接夹持；上下夹具体之间的夹紧采用的是在下夹具体中放置电磁铁的方式实现，省却了手动施加和卸载机械夹紧装置的繁琐操作，提高了工作效率。

附图说明

图1是实施例1的夹具，激光焊接头还有工件的整体示意图；

图2是滚珠部分仰视示意图；

图3是实施例1工件及与工件接触的上下夹具体局部示意图；

图4是实施例2的夹具，激光焊接头及待焊接工件的示意图；

图5是实施例2工件及与工件接触的上下夹具体局部示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的装置和实施过程做进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-3所示，本实例包括：激光焊接头1，螺母2，垫片3，固定突起4，上夹具体腔体5，阶梯螺栓6，滚珠结构7，电磁铁8，下夹具体9，金属单极板10a，金属单极板10b，冷却气体入口11。

所述的夹具包括上下相对设置的上夹具体和下夹具体9，上夹具体包括上夹具体腔体5、固定突起4，上夹具体腔体5与激光焊接头1之间通过阶梯螺栓6连接，阶梯螺栓6上配有螺母2和垫片3，固定突起4固定设置在激光焊接头1上，激光焊接头1通过固定突起4与上夹具体腔体5形成密封套筒结构，上夹具体腔体下端设有侧壁设有冷却气体入口11，作为冷却气体通道入口，所述的上夹具体腔体底部设有滚珠结构7，该滚珠结构由多个滚珠呈圆环状分布于上夹具体腔体底部并置于焊缝处；所述的下夹具体9上设有夹紧沟槽，该夹紧沟槽置于焊缝下，避免焊接时工件与下夹具体粘连。下夹具体包括垫板，该垫板中设有凹槽，凹槽内设有电磁铁8，通过电磁铁通电产生的磁力吸引滚珠，使上夹具体下移夹紧待焊接工件。待焊接工件金属单极板10a，金属单极板10b通过定位销定位在下夹具体9上。

所述的滚珠及滚珠固定部件为磁性良好的材料，如合金工具钢等。

所述的进气孔为冷却气体通道。

所述的套筒部件采用轻质量材料，如铝材或塑料等。

所述的阶梯螺栓限制了上夹具体在水平面内的自由度，但在z轴方向的自由度不限制，在焊接过程中，上夹具体可以上下运动，实现自适应。

本实施例的工作过程是：首先将待焊接工件与下夹具体之间通过定位销进行定位，将激光焊接头调好焦距后将上夹具体与激光焊接头之间进行连接；由于上夹具体滚珠结构尺寸很小，且与待焊接工件直接接触，可以利用滚珠结构来进行激光焊接头的辅助定位，这样可以提高定位效率。在实施焊接工艺开始时，对下夹具体中的电磁铁进行通电，通过其产生的磁力对上夹具体的滚珠及固定结构产生向下牵引力，实现对焊接工件的夹紧，当激光焊接头沿着焊接路径运动时，上夹具体随着激光焊接头在水平面内一起运动，而垂直方向自由度没有限制，上夹具体可以上下运动，实现夹紧力的自适应控制。

本实施例的优点是：焊接夹紧力与激光焊接形成随动机构，避免了夹紧力不均匀的问题，保证了上下金属极板之间的良好接触。上夹具体垂直方向自由度未被限制，可以上下运动，实现了夹紧力的自适应。上夹具体随激光焊接头轨迹运动，结构简单，控制精确；采用的六滚珠分布在圆环上，可以实现封闭复杂焊接路径的夹紧控制，同时滚珠结构细小，可以方便的用来定位。在上夹具体腔体上引入冷却气体通道，并通过封闭腔体和激光焊接头之间空隙使冷却气体以稳定工况从激光入口吹向工件，保证在封闭焊接路径上各个路径的冷却气体条件一致，防止引入其它影响参数，有利于工艺研究。并且，由于夹紧装置与工件之间的接触面积较小，可以实现对表面形貌复杂，焊缝周边平整区域小的金属薄板的夹紧，适用范围广泛。

实施例2

如图4-5所示，本实例包括：激光焊接头1，螺母2，垫片3，固定突起4，上夹具体腔体5，阶梯螺栓6，压力传感器8’，滚珠结构7，下夹具体9，金属单极板10a，金属单极板10b，冷却气体入口11，弹簧12。在本实例中，采用弹簧12和压力传感器8’替换电磁铁，压力传感器8’设置在上夹具体腔体5底部，所述的上夹具体腔体5与固定突起4之间设有弹簧12，该弹簧12设置在阶梯螺栓6上，并通过与阶梯螺栓匹配的螺母2调节弹簧对上夹具体施加夹紧力，并通过压力传感器读数来精确控制夹紧力大小。

上夹具体腔体5与激光焊接头1之间通过螺栓相连，激光焊接头通过固定突起4与上夹具腔体5形成密封套筒结构，滚珠放置于焊缝处。下夹具体与焊接工件之间通过定位销定位，下夹具体的夹紧沟槽置于焊缝以下，避免焊接时工件与下夹具体粘连。

所述的滚珠及滚珠固定部件为耐磨损的材料，如合金工具钢等。

所述的进气孔为通冷却气体的气体通道。

所述的套筒部件采用轻质量材料，如铝材或塑料。

所述的阶梯螺栓限制了上夹具体在水平面内的自由度，但在z轴方向的自由度不限制，在焊接过程中，上夹具体可以上下运动，实现自适应。本实施例的工作过程是：首先将待焊接工件与下夹具体之间通过定位销进行定位，然后调整好焊接激光头的焦点位置，并且将上夹具体与激光焊接头之间进行连接；由于上夹具体滚珠结构尺寸很小，且与待焊接工件直接接触，可以利用滚珠结构来进行激光焊接头的辅助定位，这样可以提高定位效率。然后调节螺母，通过弹簧对上夹具体施加夹紧力，通过观察压力传感器所显示的压力大小来调节螺纹拧紧程度，实现对焊接工件的夹紧，当激光焊接头沿着焊接路径运动时，上夹具体随着激光焊接头在水平面内一起运动，而垂直方向自由度没有彻底限制，上夹具体可以上下运动，实现夹紧力的自适应控制。

本实施例的优点是：焊接夹紧力可以通过压力传感器读取大小，从而保证夹紧力精确控制，同时焊接夹紧力与激光焊接形成随动机构，避免了夹紧力不均匀的问题，保证了上下金属极板之间的良好接触。上夹具体垂直方向自由度未被限制，可以上下运动，实现了夹紧力的自适应。上夹具体随激光焊接头轨迹运动，结构简单，控制精确；采用的六滚珠分布在圆环上，可以实现封闭复杂焊接路径的夹紧控制，同时滚珠结构细小，可以方便的用来定位。在上夹具体腔体上引入冷却气体通道，并通过封闭腔体和激光焊接头之间空隙使冷却气体以稳定工况从激光入口吹向工件，保证在封闭焊接路径上各个路径的冷却气体条件一致，防止引入其它影响参数，有利于工艺研究。并且，由于夹紧装置与工件之间的接触面积较小，可以实现对表面形貌复杂，焊缝周边平整区域小的金属薄板的夹紧，适用范围广泛。

Claims (6)

1.燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，该夹具连接激光焊接头，与激光焊接头成随动机构，使夹紧力跟随激光焊接头运动且只施加于焊接局部；

所述的夹具包括上下相对设置的上夹具体和下夹具体，所述的上夹具体上端连接激光焊接头，并与激光焊接头之间形成套筒结构，限制水平面内自由度，保留垂直方向自由度，待焊接工件设置在下夹具体上；

所述的上夹具体包括上夹具体腔体、固定突起，上夹具体腔体与激光焊接头之间通过阶梯螺栓连接，固定突起固定设置在激光焊接头上，激光焊接头通过固定突起与上夹具体腔体形成密封套筒结构，上夹具体腔体下端侧壁设有进气孔，作为冷却气体通道入口，所述的上夹具体腔体底部设有滚珠结构，该滚珠结构由多个滚珠呈圆环状分布于上夹具体腔体底部并置于焊缝处；所述的下夹具体上设有夹紧沟槽，该夹紧沟槽置于焊缝下，待焊接工件通过定位销定位在下夹具体上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的下夹具体包括垫板，该垫板中设有凹槽，凹槽内设有电磁铁，通过电磁铁通电产生的磁力吸引滚珠，使上夹具体下移夹紧待焊接工件。

3.根据权利要求1所述的燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的上夹具体腔体底部设有压力传感器，所述的上夹具体腔体与固定突起之间设有弹簧，该弹簧设置在阶梯螺栓上，并通过与阶梯螺栓匹配的螺母调节弹簧对上夹具体施加夹紧力，并通过压力传感器读数来精确控制夹紧力大小。

4.根据权利要求1所述的燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的滚珠及滚珠固定部件为磁性良好的材料，包括合金工具钢。

5.根据权利要求1所述的燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的密封套筒结构采用轻质量材料，包括铝材或塑料。

6.根据权利要求1所述的燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的夹具用于燃料电池金属双极板的焊接夹紧。