CN108115277B - 一种金属双极板活性区激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属双极板活性区激光焊接方法，对金属双极板定位后，来自激光光源的激光对双极板的活性区的焊接区域进行焊接。采用双极板激光定位夹具对双极板进行定位，双极板和定位夹具上都设有相对应的可嵌合的定位点，定位夹具上设有焊接双极板的焊接孔；来自激光光源的激光通过焊接孔对双极板的焊接区进行焊接。本发明创造性的采用焊接技术对双极板活性区进行焊接，焊接后活性区双极板完全贴合，无夹持形变、应力变形等问题，同时废品率低，也提高氢燃料电池的发电效率。使用本发明方法先进行焊接活性区，便于检测双极板是否出现错位和变形，然后再进行密封区的焊接。通过试验表明，双极板的焊接成品率率能提高15%，双极板的综合性能提高20%。

Description

一种金属双极板活性区激光焊接方法

技术领域

本发明涉及新能源电池领域，更具体的，涉及一种金属双极板活性区激光焊接方法。

背景技术

双极板是氢燃料电池的重要部件，起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用。双极板的制造流程一般是先用金属薄板(厚度0.1mm)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。双极板的密封性要求很高，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作用。目前连接阳、阴极的加工方法均采用焊接方式，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。

现有技术中金属双极板焊接都为双极板外围密封区而并未在活性区进行焊接。（见图5的黑色粗实线部分），而此种焊接技术会出现双极板在热应力和机械应力下会造成贴合不严的情况（见附图7），同时导致双极板焊接过程废品率高、平面度超差、内阻大、变形厉害等缺陷，在电堆组装后，会造成电堆的内阻增加，不利于流场的气体均匀分布和扩散，并可能会造成气体扩散层的碳纤维断裂；也有可能因为阴、阳两块极板贴合不好，导致电堆组装后金属双极板产生变形，造成密封不良或是经过一段时间的使用后密封不良。另外还会因为阴、阳两块极板定位不准确，造成焊接错位（见附图8），影响焊接质量，导致双极板的性能下降。目前国内的金属双极板没有在活性区进行焊接，因此需要研究一种定位快速、准确生产效率高的，适于金属双极板激光焊接的方法。

同时，为提高燃料电池的功率密度，可供连接的焊接区域宽度较窄，因此在焊接过程中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，影响双极板性能和装配；因此，金属双极板焊接过程中的装夹的工艺需要满足夹持精准、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。

当前激光焊接方法中，一般采用夹具在底板上设置安装双极板的槽，双极板放置在槽中定位，将上盖板压在上面，进行焊接。为了保持夹持紧固、在焊接时不发生位移，需要一定作用力加紧，这会使双极板焊接后因为应力产生变形，造成产品成品率下降，装配困难。另外，也有可能因为阴、阳两块极板装夹过程中产生相对位移而造成错位焊接，而双极板是否出现错位焊接和贴合是否良好又无法检测（极板发生了热变形）导致产品报废或组装后存在气体泄漏的风险。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种金属双极板活性区激光焊接方法，该焊接方法焊接定位精准，无夹持形变、应力变形等问题。

采用的技术方案如下：

一种金属双极板活性区激光焊接方法，对双极板进行定位后，来自激光光源的激光对双极板的活性区的焊接区域进行焊接，所述激光光源的发射功率为90~105w，所述激光相对于待焊接的双极板以80~120mm/s的速度移动。

进一步地，所述激光光源按照预定的路线移动以进行焊接。阳极板和阴极板的流场的优化设计，保证了双极板活性区焊接时的预留空间。

进一步优选地，所述激光光源在移动过程中，保持激光发射功率和线速度恒定。

进一步地，所述激光光源为连续激光，所述发射功率为90~105w，优选为95w。

进一步地，所述激光相对移动速度为100mm/s。

进一步地，采用夹具对双极板进行定位。

进一步地，所述夹具为双极板激光定位夹具，包括上盖板和定位底板，中间放置双极板，所述上盖板、定位底板和双极板各设至少两个可嵌合的定位点，上盖板、定位底板和双极板的定位点位置对应；

所述定位点为凸台或凹陷，所述上盖板为凸台或凹陷时，定位底板的定位点为凹陷或凸台；

所述双极板上设有与上盖板和定位底板位置、形状相同的定位点，上盖板、双极板和定位底板上的凸台或凹陷依次嵌入，实现对双极板的定位；

上盖板、双极板、定位底板三者依次相接的凸台或凹陷为过盈配合。

进一步地，所述定位点在夹具上呈对角线分布；优选所述上盖板、定位底板上的定位凸台或凹陷为2~4个，进一步优选设置为对角两个定位点或者四个角各设一个定位点。

进一步地，所述凸台或凹陷为圆形。

进一步地，所述焊接孔覆盖全部的活性焊接区。

进一步地，所述凸台的高度/凹陷的深度为0.4~1mm，所述上盖板、双极板、定位底板三者的最大过盈量为0.01mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供一种金属双极板活性区激光焊接方法，创造性的采用激光焊接技术对双极板活性区进行焊接，焊接后活性区双极板完全贴合，无夹持形变、应力变形等问题，同时废品率低，也提高双极板使用过程中的效率。

（2）本发明提供一种金属双极板活性区激光焊接方法，提供了对双极板进行定位的夹具，使用该夹具定位精准，夹具与双极板的定位点设置在双极板活性区外部，所述定位夹具上设有焊接双极板的多个焊接孔；多个焊接孔覆盖全部的活性焊接区，即：采用本发明焊接方法，对双极板定位之后，可在焊接孔内实现对双极板的激光焊接，焊接孔覆盖全部活性区的焊接区域，本发明焊接方法中使用脉冲激光焊接，在合适的脉冲频率下，本发明焊接方法能够一次激光焊接即可实现对双极板活性区的的焊接，装夹效率高。

（3）本发明采用凸台或凹陷进行定位，上盖板、双极板、定位底板依次相接的凸台或凹陷为过盈配合，三者需要一定压力进行扣合，扣合后配合紧固，不会发生位移；凸台或凹陷的高度或深度与双极板的厚度相同，有凸台的阻挡，不会发生过量的形变，因此，在焊接过程中，只需上盖板自身施加的重力，即可保证上盖板、双极板和定位底板的紧密配合，不会产生应力变形，定位快速、准确，以保证双极板能达到最佳的激光焊接效果。

（4）使用本发明方法先进行焊接活性区，便于检测双极板是否出现错位和变形，然后再进行密封区的焊接。通过试验表明，双极板的焊接成品率率能提高15%，双极板的综合性能提高20%。

附图说明

图1为本发明金属双极板激光定位夹具定位点剖面结构图。

图2为本发明金属双极板激光定位夹具定位示意结构图。

图3为本发明金属双极板激光定位夹具盖板图。

图4为本发明金属双极板激光定位夹具定位底板图。

图5为本发明金属双极板激光焊接线路图。

图6为本发明金属双极板激光焊接后效果示意图。

图7为双极板焊接过程变形缺陷示意图。

图8为双极板焊接过程错位缺陷示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

本实施例提供一种金属双极板活性区的激光焊接方法。

该方法采用双极板激光定位夹具对双极板进行定位，其中双极板和所述定位夹具上都设有相对应的可嵌合的定位点，所述双极板上的定位点设置在双极板活性区外部，所述定位夹具上设有焊接双极板的焊接孔；来自激光光源的激光通过焊接孔对双极板的焊接区进行焊接，所述激光光源的发射功率为90~105w，所述激光相对于待焊接的双极板及其夹具以80~120mm/s的速度移动。

作为实施例优选地，激光光源按照预定的路线移动以进行焊接。参见图5，为本发明焊接方法的焊接线路图，图中外围粗实线为密封区的焊接线路，使用现有焊接工艺即可，其中密封区里面为双极板活性区的焊接线路，图5中为5*18段式焊接方式，本实施例图5中焊接线路仅为示例，实际焊接的线路更多。

作为实施例优选地，激光光源在移动过程中，保持激光发射功率和线速度恒定。

作为实施例优选地，所述激光光源为连续激光，发射功率为90~120w，优选为95w。

作为实施例优选地，激光相对移动速度为100mm/s。

参见图1至图4，为本实施例中双极板激光定位夹具结构图，双极板激光定位夹具包括上盖板1、定位底板2，上盖板1上设有不少于2个定位点，本实施例中上盖板1上优选设有为三个定位凹陷11及定位凹陷11背部相对形成的定位凸台，定位底板2上设有与相对应的三个定位凸台21。定位凸台向上凸起，向下则是凹陷。上盖板1与定位底板2上的定位凸台或定位凹陷位置相同，两者扣合后，定位凸台均能重合并嵌入与之对应的凹陷内。

双极板有板一3和板二4组成，其中一个为阳极，另一个为阴极。板一3上设有对应的三个定位凸台31，板二4上设有对应的三个定位凸台41。定位时，上盖板1上的凸台11下面的凹陷嵌入板一3的凸台31上，板一3凸台31下面的凹陷嵌入板二4的凸台31，板二4凸台41下面的凹陷嵌入定位底板2的凸台21上。定位凸台均为圆形，为了保证定位的精准，在定位后不发生位移，各个定位凸台与其嵌合的凹陷均为过盈配合，过盈量为0.01mm。

进一步地，凸台的高度为0.4~1mm ，本实施例优选为0.6mm。

上盖板1上设有焊接孔12，焊接孔12覆盖了双极板边缘的焊接区，激光光源通过焊接孔12对双极板活性区焊接。

在定位时，上盖板1，双极板3、4，定位底板2的定位凸台依次重合，稍用力即可嵌入，嵌入后不用外力作用即可实现对双极板的紧密夹持，激光焊头通过焊接孔对双极板焊接，由于没有外力作用，双极板没有发生弹性形变，双极板焊接后没有应力变形。

图6为本发明金属双极板激光焊接后效果示意图，可见焊接后活性区双极板完全贴合，达到最佳的激光焊接效果。

使用本发明方法先进行焊接活性区，便于检测双极板是否出现错位和变形，然后再进行密封区的焊接。通过试验表明，双极板的焊接成品率率能提高15%，双极板的综合性能提高20%。

Claims (13)

1.一种金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，对双极板进行定位后，来自激光光源的激光对双极板的活性区的焊接区域进行焊接，所述激光光源的发射功率为90~105w，所述激光相对于待焊接的双极板以80~120mm/s的速度移动。

2.根据权利要求1所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述激光光源按照预定的路线移动以进行焊接。

3.根据权利要求2所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述激光光源在移动过程中，保持激光发射功率和线速度恒定。

4.根据权利要求1~3任一项所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述激光光源为连续激光，所述发射功率为95w。

5.根据权利要求1所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述激光相对移动速度为100mm/s。

6.根据权利要求1、2、5任一项所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，采用夹具对双极板进行定位。

7.根据权利要求6所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述夹具为双极板激光定位夹具，包括上盖板和定位底板，中间放置双极板，所述双极板激光定位夹具上设有焊接双极板的焊接孔，所述上盖板、定位底板和双极板各设至少两个可嵌合的定位点，上盖板、定位底板和双极板的定位点位置对应；

所述定位点为凸台或凹陷，所述上盖板为凸台或凹陷时，定位底板的定位点为凹陷或凸台；

所述双极板上设有与上盖板和定位底板位置、形状相同的定位点，上盖板、双极板和定位底板上的凸台或凹陷依次嵌入，实现对双极板的定位；

上盖板、双极板、定位底板三者依次相接的凸台或凹陷为过盈配合。

8.根据权利要求7所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述定位点在夹具上呈对角线分布。

9.根据权利要求8所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述上盖板、定位底板上的定位凸台或凹陷为2~4个。

10.根据权利要求9所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述上盖板、定位底板上的定位凸台或凹陷为2或者4个。

11.根据权利要求7所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述凸台或凹陷为圆形。

12.根据权利要求7所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述焊接孔覆盖全部的活性焊接区。

13.根据权利要求7所述金属双极板活性区激光焊接方法，其特征在于，所述凸台的高度/凹陷的深度为0.4~1mm，所述上盖板、双极板、定位底板三者的最大过盈量为0.01mm。

Images