CN103878524A - 一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，包括上夹具体和下夹具体，所述的上夹具体为整体平面式夹具体，所述的下夹具体设有多个，位于上夹具体下方并与其对应夹持在双极板的两边，其中下夹具体由气缸驱动对双极板进行分段式夹持，使夹持力可控并均匀分布于焊接区域，保证焊接区域双极板紧密贴合无间隙。与现有技术相比，本发明避免了大尺寸平面夹具因夹紧力不均匀导致对工件夹持不紧的问题，保证两块薄板件焊接区域紧密贴合，从而提高工件焊接效果和质量，提升焊接效率。此外，可以更换式夹紧件，实现其他大面积复杂形貌表面的超薄板件搭接焊，应用范围广泛。

Description

一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具

技术领域

本发明涉及一种燃料电池金属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

燃料电池由于具有能量转换效率高，有害气体、噪音排放低，可靠性高等优点，是世界公认的有广泛应用前景的新型发电技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了一般燃料电池的优点外，还具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便、适合于实现产品微型化等优点，因而成为研究领域内倍受关注的焦点。

双极板作为质子交换膜燃料电池中的重要功能组件，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用。现有技术下，双极板一般由石墨或金属等材料制成。石墨双极板具有导电率高，耐腐蚀，密度低等优点，但是石墨脆性较大、机械加工性能较差，难以大批量生产，成本偏高。通过金属超薄板冲压成形工艺成形的金属极板具有良好的导电性、导热性和加工性能，从而大大降低双极板的体积和重量。此外，其加工成本低廉，易实现大规模生产，使金属双极板成为燃料电池双极板开发的发展方向。

金属双极板的制造流程一般是先用金属薄板(厚度小于0.2mm)分别制成阳极和阴极流场板，然后将二者连接在一起，两板中间形成冷却液流道。目前，双极板连接的方法一般有粘接、电阻焊接、激光搭接焊等。相比于其他连接工艺，激光焊接具有焊缝小、质量高、密封性好、效率高、工艺成本低、容易实现自动化等优点，是批量生产双极板过程中最具潜力的工艺。

激光搭接焊主要是通过激光束照射在金属薄板表面，将上层薄板材料熔化，热量通过热传导传递到下层材料，使之熔化后形成熔池，凝固形成焊缝，在此过程中需要保证上下双层极板的焊接区域无间隙紧密贴合，以保证热量的正常传输，如果出现间隙产生空气层阻隔，则容易造成虚焊问题，因此对双极板间良好的定位装夹十分关键。

由于金属双极板主要区域为流场区，可供连接的焊接区域宽度较窄(一般w在3～5mm)，因此可供夹具夹持空间很小，同时双极板连接区域分布在极板外周圈，焊接路径较长，需要夹持距离较长；另外金属双极板为超薄板，刚度较差，装夹不当容易引起薄板大变形，影响双极板工作性能；因此，金属双极板焊接过程中的装夹需要满足夹持精准、焊接区域极板间无缝隙、极板保持在同一平面、夹紧力适中等要求。

目前，对于类似金属双极板的薄板零件，激光焊接夹具主要采用整体装夹的方式或者随动机构局部依次夹紧的方式。

经文献检索，中国专利号：CN202374581U，名称为PCB薄板引导夹具板。该发明提出了一种PCB薄板引导夹具板，引导板一侧固定安装有多个弹性钢片，并在钢片上装置滚轮，以多个滚轮将薄板压紧在底板上，将对PCB薄板的夹持方式由面夹持改为多段多点夹持，弥补了刚性夹具体柔性不足的缺点，但该发明主要应用于印刷电路用的PCB板，燃料电池双极板相比于PCB薄板更薄，刚性较差，在两个滚轮中间的空白段，金属双极板无法保证板间无间隙贴合，反而容易因为两侧夹持导致中间鼓起变形。

又经文献搜索，中国专利号：CN202726323U，名称为一种薄板激光焊接工作台，该发明提出一种适用于宽幅薄板的激光焊接的工作台，通过两面对称夹持，利用弹簧压片和底座夹紧薄板，同时对薄板采用分段依次固定的思路进行夹紧。该发明解决了薄板拼接焊在长距离焊接定位中薄板易变形对不准的问题。但该工作台主要应用于单层薄板拼接焊，通过夹具与薄板大面积接触夹紧以保证薄板焊接路径附近区域的平面度，而双极板的焊接区域很窄(w≤4mm)，大部分面积是具有凸起结构的流场区，可供夹持的面积很小，因此这种夹具不适用于双极板激光焊接夹持。

此外，另一类采用间隙控制或局部依次夹紧的方式，来提高焊接质量。经文献搜索，美国专利号：US20090314750，名为间隙控制装置和激光搭焊方法(Gapcontrol device and laser lap welding method)，该发明提出一种间隙控制装置，包括激光引导、间隙保持器和加压部，激光引导将激光束引导至聚焦位置，而间隙保持器将所需搭接焊材料连续输送至激光束聚焦位置并保持材料间有适当的间隙，加压器则在激光搭接焊结束后对板料进行加压，该发明可以有效提升焊接焊缝质量，减少气孔和毛刺的产生，并可以实现连续工作，但金属双极板由于具有复杂表面结构，焊接后的双极板平整度要求较高，无法进行卷曲连续焊接，因此该方法也难以满足要求。

又经文件检索，中国专利号：CN102699533，名称为燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具。该发明提出了一种燃料电池超薄金属双极板激光焊接中使用的随动式自适应夹具，在激光焊接头上安装磁性上夹具体，上夹具体可自由上下运动，下夹具体固定，并在夹具体内放置电磁铁，通电后吸引上夹具体向下运动压紧金属双极板，上夹具体跟随激光焊接头沿焊接路径运动，夹紧力施加在焊接的局部区域，可以保证处处夹紧，达到良好的焊接效果，但该发明取消了传统意义上的上下夹具同时大面积夹紧双极板的方式，而以上夹具体小面积夹持对应下夹具体的大面积夹持，这样不利于焊接过程中控制双极板的整体变形，同时由于焊接区域较窄，随动的上夹具体机构包含滚珠、滚珠槽等结构，制造精度高、难度大，相应提升了连接工艺成本。

除了激光焊接工艺外，利用摩擦搅拌焊接工艺进行金属双极板连接的研究中，也同样应用到依次局部夹紧的工作方式，中国专利号：CN101342635B，名称为焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备。该发明提供了一种用于焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备，包括设置在设备主体下面的支撑单元，用于对金属双极板的定位与支撑，面对支撑单元设置有摩擦搅拌单元，在旋转的同时挤压在上部板上用摩擦搅拌焊接法焊接上部板和下部板，同时该设备设置了温度控制单元用以实时测量上下极板的温度，并作出反馈，控制摩擦搅拌单元的转速。该设备可以有效连接金属双极板，同时减小双极板焊接后的热变形。但该设备对于金属双极板的焊接部分要求必须有凹口结构，且结构尺寸需满足特定条件，导致应用范围较窄，不适用于连接区域要求为平面结构的薄板。

根据金属双极板的结构特点和工作特性要求，在激光焊接中装夹需要满足夹持位置准确、夹持后极板间无间隙、极板保持在同一平面、夹持力大小适中等条件，因此焊接夹具需要满足夹持连续、均匀以及夹持力可控的要求。目前整体式夹具长距离、面接触夹持方式最主要的问题是过定位、难以消除长距离焊缝夹持中加工误差导致的间隙；而局部焊接夹持只能保证局部区域的夹持效果，对双极板整体缺少面对面连续夹持，虽然避免了局部虚焊或焊接畸变问题，但对整体变形控制缺失。因此需要解决双极板焊接装夹中大面积装夹到位和局部区域实现柔性装夹的要求。

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方便、精确度高、夹紧效果好的超薄金属双极板多段夹持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：一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，包括上夹具体和下夹具体，所述的上夹具体为整体平面式夹具体，所述的下夹具体设有多个，位于上夹具体下方并与其对应夹持在双极板的两边，其中下夹具体由气缸驱动对双极板进行分段式夹持，使夹持力可控并均匀分布于焊接区域，保证焊接区域双极板紧密贴合无间隙。

所述的上夹具体的夹持面设有与焊接路径对应的凸起支撑结构，限制水平面内自由度和垂直方向自由度。

所述的下夹具体包括夹紧件、气缸、定位支承座和底座，定位支承座通过螺栓和定位销精确定位并装配在底座上，气缸固定在底座上，气缸上方连接夹紧件，夹紧件上有与焊接路径对应的凸起支撑结构，多段夹紧件的凸起支撑结构组合对应工件的完整焊接路径。

所述的夹紧件为可跟换式夹紧件，夹紧件底部设有梯形槽，所述的气缸顶部设有与所述梯形槽匹配的梯形凸起，夹紧件与气缸通过梯形槽和梯形凸起嵌套连接方式安装和固定；所述的夹紧件顶部为双边凸起结构，对双极板激光焊接区域的双边进行夹持。

所述的梯形槽内装有压力传感器原件，实时传输反应压力大小的信号。

所述的气缸通过螺钉或者磁性底座固定在底座上。

所述的定位支承座固定在底座上，双极板装配在定位支承座上，进行初定位，上夹具体设置在双极板上方，并通过其两侧设置的定位销对双极板的水平自由度进行限制，所述的下夹具体由气缸带动向上顶起双极板，配合上夹具体限制双极板垂直方向自由度。

所述的气缸连接气源，气源通过输气管将压缩空气传输至气缸，作为气缸的动力源，气源可以控制输出气压大小，从而定量控制夹具夹紧力。

所述的下夹具体设有至少2个，多个下夹具体分段夹持双极板时相互之间保持一定的安装配合间隙d，0<d≤0.05mm，以免引起夹紧件相互之间干涉。

与现有技术相比，本发明的特点在于：将对工件实施主动夹紧力的来源从上部改到下部，去除上夹具体上部的主动夹紧机构，为激光照入和激光头工作走位提供更大的工作空间；将下夹具体由传统整体大面积刚性夹持改为分段夹持，解决了刚性夹具体由于受力不均导致一端翘起的问题，改善了对薄板工件的夹紧效果；采用气压传动提供夹紧动力，实现对夹紧力的定量控制，有利于保证整体夹紧力均匀一致；在夹紧件与气缸间加入压力传感器，对压力进行实时监测和控制；夹紧件与气缸之间采用嵌套式连接，有利于快速更换和调整夹紧件，提高装夹效率。

整套夹具通过下夹具体定位底座实现双极板的初步定位，通过气缸带动下夹具体上顶，配合上夹具体实现对双极板的自适应定力夹紧，通过分段夹持方法实现对燃料电池金属极板焊接区域的均匀、定力夹紧和夹持夹平，避免了大尺寸平面夹具因夹紧力不均匀导致对工件夹持不紧的问题，保证两块薄板件焊接区域紧密贴合，从而提高工件焊接效果和质量，提升焊接效率。此外，可以更换式夹紧件，实现其他大面积复杂形貌表面的超薄板件搭接焊，应用范围广泛。

附图说明

图1为夹具整体示意图；

图2为实施例1夹具体夹持工件局部示意图；

图3为实施例1气缸在下夹具底座上分布示意图；

图4为图3中A-A剖面图；

图5为实施例1气缸底座与夹具底座连接示意图；

图6为实施例2气缸底座与夹具底座连接方式示意图。

图中标识：气源1，上夹具体2，定位销3，夹紧件4，梯形凸起5，气缸6，上极板7，下极板8，定位支承座9，底座10，螺栓11，螺孔12，焊接路径a13，焊接路径b14，连接螺钉15，定位孔17。

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1-4所示，一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，利用多个气缸定力驱动夹持件对双极板进行分段式夹持，使夹持力可控并均匀分布于焊接区域，保证焊接区域双极板紧密贴合无间隙。

所述的夹具包括上下相对设置的上夹具体和下夹具体，上夹具体2为整体平面式夹具体，夹持面有与焊接路径对应的凸起支撑结构，限制水平面内自由度和垂直方向自由度，上夹具体2以上为激光头工作区域，上夹具体通过定位销3穿过定位孔17定位。下夹具体包括夹紧件4、梯形凸起5、气缸6、定位支承座9、底座10，夹紧件4上有梯形槽与气缸6顶端固定的梯形凸起5构成嵌套结构进行连接，在梯形凸起5与梯形槽之间置入压力传感器。气缸5如图3所示，按照焊接路径a13，焊接路径b14的具体情况均匀分布在路径上。气源1为气缸提供压缩气体在气缸内产生压力；上极板7和下极板8贴合组成双极板，双极板设置在定位支承座9上，上夹具体2位于双极板上方，其两端通过定位销3进行水平面内的定位，通过定位支承座9限制垂直方向上的自由度，实现初定位；上夹具体2通过定位销3进行定位，限制极板垂直方向上的自由度。气缸在下夹具底座10上的固定方式如图4所示，利用螺钉15进行固定，螺孔12按照图3所示的焊接路径及气缸分布图进行设计和钻孔。

所述上夹具体2下表面有凸起结构，与双极板焊接路径吻合，夹具体材料为耐高温金属材料，夹持表面有精准平面度和较小粗糙度；

所述的夹紧件4为双凸起沟槽结构，如图2中所示，夹紧件为可跟换式夹紧件，夹紧件底部设有梯形槽，所述的气缸顶部设有与所述梯形槽匹配的梯形凸起5，夹紧件4与气缸6通过梯形槽和梯形凸起嵌套连接方式安装和固定；所述的夹紧件顶部为双边凸起结构，对双极板激光焊接区域的双边进行夹持，材料为耐高温金属材料，夹持面有精准的平面度和较小的粗糙度；

所述的气缸5为双向工作气缸，安装时保证较好的垂直度；

所述的定位销3表面光洁，不对极板定位孔周边产生刮擦和挤压；

所述的多个夹紧件和气缸按照实际情况设置，适当决定数量，不限于示意图中所示的数量；设备设置有气源，产生作为动力的压缩空气，压缩空气通过气管传输至气缸，气源可以控制输出气压大小，从而定量控制夹具夹紧力。分段夹持的夹紧件在安装时相互之间保持一定的安装配合间隙d(0<d≤0.05mm)，以免引起夹紧件相互之间干涉。

本实施例的工作过程是：首先根据需要焊接的极板焊接路径选取加工适当的夹紧件，安装在气缸顶端，然后将两块极板通过定位销安装到定位支承座上，定位支承座提供初定位，再将上夹具体通过定位销装到极板上方，装夹完毕后启动气源，气缸工作推动夹紧件上升与上夹具体共同作用将双极板夹紧，使双极板焊接路径区域紧密贴合无缝隙，进而进行焊接工作，焊接完成后气缸带动夹紧件快速落下，抬起上夹具体后取出双极板即可。

本实施例的优点是：对工件的夹紧力通过气压源进行定量控制，并通过压力传感器进行检测，保证对焊接区域的均匀夹紧；对夹紧力可以实时采集数据，对照焊接效果可进行焊接参数定量研究，有利于更快的得到最优化参数；上夹具体仍保持平面一体式夹具体，装入方便，下夹具夹紧件由双向工作气缸带动，快速进夹与复位，可以大大提高装夹效率；上夹具体上方无复杂定位和夹紧机构，为激光器工作让出空间，极大的提升了激光头走位和工作范围；夹紧件为细窄结构，适用于表面结构复杂、焊接区域面积小的薄板工件；

实施例2

如图1-3、5所示，本实例包括：气源1，上夹具体2，定位销3，下夹具体夹紧件4，梯形凸起5，气缸6，上极板7，下极板8，定位支承座9，下夹具体底座10，磁钢片16。

所述的夹具包括上下相对设置的上夹具体和下夹具体，上夹具体包括上夹具体2，上夹具体以上为激光头工作区域，上夹具体通过定位销3定位。下夹具体包括夹紧件4、气缸5、定位支承座9、底座10，夹紧件4上有梯形槽与气缸6顶端固定的梯形凸起结构5构成嵌套结构进行连接，在梯形凸起5与槽之间置入压力传感器。气源1为气缸提供压缩气体在气缸内产生压力；上下极板都通过定位销3进行水平面内的定位，通过定位支承座9限制垂直方向上的自由度，实现初定位；上夹具体2通过定位销3进行定位，限制极板垂直方向上的自由度。气缸在下夹具底座上的固定方式如图5所示，气缸底部装有磁钢片16，可以使气缸直接放置在底座上进行定位。

所述上夹具体下2表面有凸起结构，与极板焊接路径吻合，夹具体材料为耐高温金属材料，夹持表面有精准平面度和较小粗糙度；

所述的夹紧件4复杂焊道夹持槽结构，如图2中所示，材料为耐高温金属材料，夹持面有精准的平面度和较小的粗糙度；

所述的气缸6为双向工作气缸，安装时保证较好的垂直度；

所述的定位销3表面光洁，不对极板定位孔周边产生刮擦和挤压；

所述的下夹具体底座10为磁性材料，磁钢16可以吸附在上面。

本实施例的工作过程是：对于小范围区域的焊接，根据焊接路径设计夹紧件，将气缸快速放置到目标区域，气缸底部的磁钢吸附在底座上，在气缸上方安装夹紧件，然后将两块极板通过定位销安装到定位支承座上，定位支承座提供初定位，再将上夹具体通过定位销装到极板上方，装夹完毕后启动气源，气缸工作推动夹紧件上升与上夹具体共同作用将双极板夹紧，使双极板焊接路径区域紧密贴合无缝隙，进而进行焊接工作，焊接完成后气缸带动夹紧件快速落下，抬起上夹具体后取出双极板即可。

本实施例的优点是：对于只需要焊接小范围区域或者提供非标准焊接区域的情况下，采用磁性吸附式推动气缸可以快速进行任意位置定位和装夹，灵活处理随机产生的焊接装夹需求，使整套夹具适用性更强。

Claims (9)

1.一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，包括上夹具体和下夹具体，所述的上夹具体为整体平面式夹具体，所述的下夹具体设有多个，位于上夹具体下方并与其对应夹持在双极板的两边，其中下夹具体由气缸驱动对双极板进行分段式夹持，使夹持力可控并均匀分布于焊接区域，保证焊接区域双极板紧密贴合无间隙。

2.根据权利要求1所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的上夹具体的夹持面设有与焊接路径对应的凸起支撑结构，限制水平面内自由度和垂直方向自由度。

3.根据权利要求1所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的下夹具体包括夹紧件、气缸、定位支承座和底座，定位支承座通过螺栓和定位销精确定位并装配在底座上，气缸固定在底座上，气缸上方连接夹紧件，夹紧件上有与焊接路径对应的凸起支撑结构，多段夹紧件的凸起支撑结构组合对应工件的完整焊接路径。

4.根据权利要求3所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的夹紧件为可跟换式夹紧件，夹紧件底部设有梯形槽，所述的气缸顶部设有与所述梯形槽匹配的梯形凸起，夹紧件与气缸通过梯形槽和梯形凸起嵌套连接方式安装和固定；所述的夹紧件顶部为双边凸起结构，对双极板激光焊接区域的双边进行夹持。

5.根据权利要求4所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的梯形槽内装有压力传感器原件，实时传输反应压力大小的信号。

6.根据权利要求3所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的气缸通过螺钉或者磁性底座固定在底座上。

7.根据权利要求3所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的定位支承座固定在底座上，双极板装配在定位支承座上，进行初定位，上夹具体设置在双极板上方，并通过其两侧设置的定位销对双极板的水平自由度进行限制，所述的下夹具体由气缸带动向上顶起双极板，配合上夹具体限制双极板垂直方向自由度。

8.根据权利要求3所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的气缸连接气源，气源通过输气管将压缩空气传输至气缸，作为气缸的动力源，气源可以控制输出气压大小，从而定量控制夹具夹紧力。

9.根据权利要求3所述的一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具，其特征在于，所述的下夹具体设有至少2个，多个下夹具体分段夹持双极板时相互之间保持一定的安装配合间隙d，0<d≤0.05mm，以免引起夹紧件相互之间干涉。

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