CN105328328B - 一种金属双极板超塑性扩散连接工艺 - Google Patents

一种金属双极板超塑性扩散连接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种将具有超塑性能的材料制金属单极板扩散连接为双极板的夹具及工艺。本夹具由上压板、下压板、螺栓和螺母组成。用本夹具进行双极板超塑性连接的工艺是：(1)将两块金属单极板放置于上下压板之间，并通过紧固螺母使上下压板压紧金属双极板待连接部位；(2)将夹具及被固定好的两块金属单极板放入真空加热炉中，在扩散连接温度下保温一定时间，两块金属单极板即被连接成为一块金属双极板；(3)将夹具及金属双极板从真空加热炉中取出，冷却至炉内温度低于50℃后，卸开螺母，取出双极板。本技术通过一次加热和加压过程连接超塑性材料制金属双极板，接头质量高，连接区域平整。

Description

一种金属双极板超塑性扩散连接工艺
一、技术领域
本发明涉及金属单极板连接技术领域，具体是一种金属双极板超塑性扩散连接夹具及工艺。
二、背景技术
质子交换膜燃料电池是一种将氢能直接转化成电能的清洁能源技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点，可广泛应用于车用动力、移动电源及通信基站备用电源等领域。双极板又是其中的重要部件，它在电池内分配燃料与氧化剂、串联电池堆中的单个电池、收集电流和支撑膜电极。双极板是燃料电池的核心部件，占据电池堆重量和成本的绝大部分，其制作材料及加工费用是燃料电池成本高的主要原因之一。近年来金属材料由于其导电导热性能好、机械强度高等优点，已经成为了燃料电池双极板的主要材料。
相对于石墨双极板，金属双极板由两块冲压成形的金属单极板连接而成。双极板对密封性能要求很高，若密封性不好则反应物质和冷却液可能会渗漏，将使电池性能下降或失去工作能力。例如，质子交换膜燃料电池中的氢气渗漏还可能引发危险事故。
超塑性扩散连接技术是一种利用原子扩散实现连接的先进固相连接技术。它是指超塑性材料相互接触的表面，在高温和压力的作用下，被连接件表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散，最终实现接头的冶金结合。利用超塑性扩散特性连接而成的构件，残余应力和变形较小，加工精度较高。
经检索国内外发明专利，中国国家知识产权局于2007年12月26日公开了公开号为CN101094744A，名称为“带传导涂层的双极板的激光焊接”；该发明考虑将已经在其上具有传导涂层的单个金属板激光焊接在一起，以形成用于燃料电池的双极板。中国国家知识产权局于2012年07月18日公开了公开号为CN102581487A，名称为“一种燃料电池双极板的激光胶焊方法”；该技术是将胶粘工艺与激光焊接工艺相结合应用于燃料电池双极板连接。中国国家知识产权局于2012年10月03日公开了公开号为CN102699533A，名称为“燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具”；该发明提供了一种燃料电池超薄金属双极板自适应激光焊接夹具，保证了焊接质量。以上发明均采用激光焊接方法，在实际焊接过程中，会出现焊穿、虚焊现象，目前的焊接合格率仅为70％。此外，采用激光焊接，能量转换效率很低，通常低于10％。
又经检索，中国国家知识产权局于2011年05月11日公开了公开号为CN102049601A，名称 为“电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置及其方法”；该发明提供了一种电流辅助的燃料电池超薄金属双极板压焊装置及其方法，采用直接电流加热压焊，热效率高，焊接工艺简单，但是该技术在焊接过程中精密程度不高。
三、发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属双极板超塑性扩散连接夹具及加工工艺。
本发明的技术方案是：由上压板、下压板、螺栓和螺母构成。上压板和下压板结构相同，内侧为中空的矩形框，外侧为矩形薄板凸缘，压板矩形框的外侧边界与金属双极板的外侧边界重合，矩形框形状及大小与双极板待连接部位相同，压板凸缘的四角开有四个大小相同的圆孔，圆孔关于压板中心对称，上压板和下压板上下对称放置，上压板置于上极板上侧，下压板置于下极板下侧；四个螺栓放置于压板凸缘的四个圆孔中，通过螺母将上压板和下压板连接在一起。
本发明还提供了一种金属双极板超塑性扩散连接工艺，包括以下步骤：
(1)根据超塑性连接的表面平整度和粗糙度要求对上极板和下极板待连接面进行预处理；
(2)将上压板和下压板的矩形框对准上极板和下极板的待连接部位，通过螺栓和螺母将上下压板连接在一起，调节螺母的预紧力矩，使上极板和下极板的待连接部位达到超塑性扩散连接所需的压力；
(3)打开真空加热炉炉门，将夹具及固定好的上极板和下极板放入真空加热炉中，然后关闭炉门；根据超塑性扩散连接的条件要求，确定加热温度、保温时间和真空度，并将该加热温度、保温时间和真空度输入到真空加热炉的控制系统中；
(4)启动真空加热炉的抽真空装置，至炉内真空度达到设定的真空度时停止；
(5)启动加热系统，真空加热炉内达到设定的温度后，启动保温程序；达到预设保温时间后，停止保温；
(6)打开真空加热炉炉门，自然冷却至炉内温度低于50℃时，取出夹具及连接好的金属双极板上极板和下极板；松开夹具，即获得由超塑性扩散连接加工完毕的金属双极板。
本发明的优点在于：
(1)扩散连接接头的显微组织和性能与母材接近或相同，不存在气孔、宏观裂纹等融化焊特有的缺陷，也不存在具有过热组织的热影响区；
(2)可以对金属双极板进行内部及多点、大面积的连接；
(3)超塑性扩散连接作为一种高精密的连接方法，可以实现金属双极板的精密装配连接，且连接后不变形；
(4)同种材料接合时，可获得与母材性能相同的接头，几乎不存在残余应力；
(5)本发明利用了超塑性扩散连接技术，在保证双极板连接的强度、密封性能等要求的情况下解决了传统方法易发生翘曲变形，焊接接头性能低的技术问题，完成了双极板的连接工作，上下压板安装、拆卸方便，节约了加工成本。
四、附图说明
图1为本发明结构的主视图；
图2为本发明结构的俯视图；
图3为本发明的整体结构示意图；
图4为本发明结构的半剖视图；
图5为本发明结构的局部剖视图。
附图标记说明如下：
1、上压板 2、上极板 3、下极板 4、下压板 5、螺栓 6、螺母
五、具体实施方式
结合说明书附图，以5083铝合金双极板超塑性扩散连接为例，进一步说明本发明的具体实施过程。
如图1～5所示，一种金属双极板超塑性扩散连接夹具，由上压板1、下压板4、螺栓5和螺母6构成。
金属双极板由结构相同的上极板2和下极板3组成，上极板2和下极板3为矩形结构且上下对称放置；上压板1和下压板4结构相同，内侧为中空的矩形框，外侧为矩形薄板凸缘，压板矩形框的外侧边界与金属双极板的外侧边界重合，矩形框形状及大小与金属双极板待连接部位相同，压板凸缘的四角开有四个大小相同的圆孔，圆孔关于压板中心对称，上压板1和下压板4上下对称放置，上压板1置于上极板2上侧，下压板4置于下极板3下侧；四个螺栓5放置于压板凸缘的四个圆孔中，通过螺母6将上压板1和下压板4连接在一起。
加热炉由金属外壳、隔热层、电加热管和热电偶等部件组成，抽真空装置由真空室、机械泵、扩散泵、管路、切换阀门和真空计等部件组成，真空室开有出口并通过接管与加热炉 的开口相连，便于对加热炉抽真空处理。
5083铝合金双极板超塑性扩散连接的具体工艺包括以下步骤：
(1)根据预设表面平整度、表面粗糙度的要求对上极板2和下极板3待连接面使用钢刷打磨、机械打磨、喷砂或化学清洗等方法进行表面处理；
(2)将上极板2和下极板3叠合好，使上压板1和下压板4的矩形框对准上极板2和下极板3的待连接部位，以保证连接后的接头性能和密封要求；用螺栓5和螺母6将上压板1和下压板4连接在一起，调节螺母6使其预紧力矩为3.4N·m，进而使上极板2和下极板3的待连接部位达到扩散连接所需的压力3.5MPa；
(3)打开真空加热炉炉门，将夹具及固定好的上极板2和下极板3放入真空加热炉中，然后关闭炉门；根据超塑性扩散连接的条件要求，确定加热炉温度为540℃，保温时间为2.5h，真空度达到10-3Pa数量级，并将该加热温度、保温时间和真空度输入到真空加热炉的控制系统中；
(4)启动真空加热炉的抽真空装置，至炉内真空度达到设定的真空度时停止，这样才可以避免高温下金属双极板与空气中的氧气发生反应，影响连接处的接头性能；
(5)启动加热系统，加热方式为电加热管加热，升温速度为1℃/min～200℃/min，真空加热炉达到设定的温度540℃后，启动保温程序；保温时间达到2.5h后，停止保温；
(6)打开真空加热炉炉门，自然冷却至炉内温度低于50℃时，取出夹具及连接好的上极板2和下极板3；松开夹具，即获得由超塑性扩散连接加工完毕的金属双极板。
利用上述夹具和工艺对金属双极板进行连接，整个过程简单易行，金属双极板连接成形后密封效果好、残余应力小，并且节省原材料，降低成本，大幅度提高成品率。

Claims (1)

1.一种金属双极板的超塑性扩散连接工艺，通过金属双极板超塑性扩散连接夹具实施，所述的夹具包括上压板、下压板、螺栓和螺母，其特征包括以下工艺步骤：
(1)根据超塑性扩散连接的表面平整度和粗糙度要求对上极板和下极板待连接面进行预处理；
(2)将上压板和下压板的矩形框对准上极板和下极板的待连接部位，通过螺栓和螺母将上下压板连接在一起，调节螺母的预紧力矩，使上极板和下极板的待连接部位达到超塑性扩散连接所需的压力；
(3)打开真空加热炉炉门，将夹具及固定好的上极板和下极板放入真空加热炉中，然后关闭炉门；根据超塑性扩散连接的条件要求，确定加热温度、保温时间和真空度，并将该加热温度、保温时间和真空度输入到真空加热炉的控制系统中；
(4)启动真空加热炉的抽真空装置，至炉内真空度达到设定的真空度时停止；
(5)启动加热系统，真空加热炉内达到设定的温度后，启动保温程序；达到预设保温时间后，停止保温；
(6)打开真空加热炉炉门，自然冷却至炉内温度低于50℃时，取出夹具及连接好的上极板和下极板；松开夹具，即获得由超塑性扩散连接加工完毕的金属双极板。
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