CN108838240B - 一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置，其采用“点对点”电阻元件加热的方式去除金属双极板整形焊接区域的内应力，并通过保护气路提供保护气场，以此保证金属双极板在热处理过程中的表面质量。本发明提供了一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置，其适用于燃料电池所使用的金属双极板，其能在不改变焊接工艺的前提下，实现局部式、自动化焊接翘曲整形处理，实现燃料电池金属双极板焊接翘曲高效处理，从而能够满足燃料电池金属双极板大批量、高精度制备的需求。

Description

一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置

技术领域

本发明涉及激光焊接整形技术领域，尤其是，一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置，其特别适用于燃料电池的金属双极板的整形加工。

背景技术

已知，燃料电池是通过氢气与氧气发生电化学反应来产生电能的，由于其最终产物是水，因此，使其成为当下无污染、零排放新能源构成的重要一环。

其中，由于受到体积、质量等方面的限制，其中燃料电池中常用的石墨极板正逐步被金属双极板所取代，用于承载氢气、氧气以及冷却液。其中业界现在使用的金属双极板，其一般是将阳极极板与阴极极板通过激光焊接的方式连接在一起，形成“两板三场”的结构。

对于这种“两板三场”结构的金属双极板而言，其完成激光焊接的区域，由于会发生不均匀的热收缩，因此会使得完成激光焊接的金属双极板发生不规则翘曲。这种翘曲的程度，会随着金属双极板外围尺寸的增加而增加，严重时，甚至会影响后续金属双极板层叠式装配的可靠性。

对此，业界采取的处理激光焊接变形的方式主要有两种：

(1)通过降低激光功率从而降低焊接温度梯度来实现，但是该种方法使得金属双极板易于发生虚焊，严重制约其良品率。

(2)金属双极板整体去内应力热处理来实现，该方法将若干燃料电池先进行层叠式装配，继而放入热处理箱，通过消除整体内应力达到整形的目的。该方法在成形处理前需要进行金属双极板的装夹，效率低；整体加热将改变流道结构的强度，在热处理过程中，相互挤压的金属双极板容易产生特征变形的情况，使得金属双极板无法满足使用要求。

可见上述两种方法无法满足现有业界对于燃料电池金属双极板的大规模、高质量的制备要求。因此，确有必要来开发一种新型的针对金属双极板激光焊接翘曲的全自动、高效率整形加工方法及其整形加工装置，来克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，其适用于燃料电池所使用的金属双极板，但不限于。其能在不改变焊接工艺的前提下，实现局部式、自动化焊接翘曲整形处理，实现燃料电池金属双极板焊接翘曲高效处理，从而能够满足燃料电池金属双极板大批量、高精度制备的需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，其包括以下步骤：

根据待整形金属双极板的结构及其焊接路径，制备定位板、下固定板、上固定板及电阻加热触头这些加工设备件的形面特征，以使得这些设备件的外形与待整形金属双极板的外形匹配；

将处于待处理区域的所述待整形金属双极板通过一自适应定位平台完成定位校准，使其以规定位置位于所述定位板中；

将所述待整形金属双极板输送至所述下固定板，再将所述下固定板运送至所述上固定板下方，并完成所述上、下固定板的机械装夹；

在所述上、下固定板的机械装夹过程中，向所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合加热元件，提供热源，对所述待整形金属双极板的整形焊接区域进行去内应力热处理，同时通过置于所述上、下固定板的保护气路引入保护气并在所述整形焊接区域形成保护气场，以防止氧化产生从而保证所述待整形金属双极板的表面质量。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述自适应定位平台包括自适应定位平台和导向滑块，所述待整形金属双极板是通过所述自适应定位平台结合导向滑块的调整方式，完成其规定位置的调整。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述待整形金属双极板是通过一旋臂以电磁吸附的方式运送至所述下固定板上，然后通过一动力导向轮将所述下固定板输送至所述上固定板下，然后通过一动力缸完成所述待整形金属双极板在所述下固定板及上固定板之间的机械装夹。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述加热元件包括电阻加热触头，在所述上、下固定板的装夹过程中，向所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合所述电阻加热触头，通过一电阻加热接头将电流导入所述电阻加热触头中，通过接触传热的方式将热量导入所述待整形金属双极板的整形焊接区域，完成对所述焊接区域的去内应力整形过程；同时将保护气引入到所述上、下固定板的型腔内，防止所述待整形金属双极板在整形热处理过程中的表面氧化，实现对所述金属双极板表面质量的控制。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述待整形金属双极板在完成整形热处理后，所述下固定板会通过所述动力缸被放置于所述动力导向轮上，所述动力导向轮将所述下固定板运送至所述旋臂位置，所述旋臂通过电磁吸附的方式将完成整形后的所述金属双极板运送至预设区域。

进一步的，在不同实施方式中，其中在所述加热元件进行加热时，提供一温度传感器，采集所述上、下固定板内的温度数据，以便能实时、自主调整所述电阻加热触头的温度，使其在允许范围内变化。其中所述温度传感器包括但不限于高敏热电偶。

进一步的，在不同实施方式中，其中在所述加热元件进行加热时，提供一气流流量传感器用于采集所述上、下固定板内的保护气的气体流量，结合所述温度传感器采集到的温度信息，调整所述保护气的流量，从而保证待整形金属双极板的表面质量。其中所述气流流量传感器包括但不限于气体流量计。

进一步的，其中所述定位板可以包括上定位板和下定位板，所述待整形金属双极板是位于所述上、下定位板之间。

本发明涉及的所述金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，其可以适用于多种类的金属双极板，只需要针对所述待整形金属双极板的表面结构，对相关设备加工件包括但不限于上定位板、下定位板、下固定板、上固定板及电阻加热触头的表面结构进行修改即可，从而使其应用范围十分广泛。

进一步的，对于上述本发明涉及的所述金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，本发明还对应提供了一种能够实施所述整形加工方法的整形加工装置，其能够有效的实施本发明涉及的所述整形加工方法，但本发明涉及的所述整形加工方法，并不限于由本发明涉及的所述整形加工装置所实施。

其中在本发明涉及的一个实施方式中，其提供了一种金属双极板焊接翘曲的整形加工装置，其包括待整形金属双极板的自适应定位机构、输送机构、整形加工机构以及保护气路。其中所述自适应定位机构用于将放置于待处理区域的任意位置的所述待整形金属双极板调整至规定位置并最终将其放置在一定位板上；所述输送机构用于将所述调整好位置的待整形金属双极板运送到所述整形加工机构；所述整形加工机构采用加热元件对所述待整形金属双极板的整形焊接区域进行加热处理，以去除所述整形焊接区域的内在焊接应力，进而完成整形过程；所述保护气路则是用于保护热处理过程中的所述金属双极板的表面，使其不被氧化。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述整形加工机构包括上、下固定板，其中所述待整形金属双极板会经由所述输送机构送至所述上、下固定板中，并被两者机械夹持。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述加热元件是置于所述上、下固定板内，在所述上、下固定板机械夹持实现闭合的同时，所述加热元件会与所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合，进而通入其自身的热量对所述整形焊接区域进行去内应力整形热处理。

其中涉及使用的所述加热元件可以是电阻加热触头，由一电阻加热接头供电，但不限于。所述加热元件具体可以是通过弹性原件，例如，弹簧，但不限于，来实现其与所述整形焊接区域的贴合。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述输送机构包括旋臂、动力导向轮及动力缸，其中所述旋臂以电磁吸附的方式将所述待整形金属双极板放置到所述下固定板上，在由所述动力导向轮运送至所述上固定板的下方，通过所述动力缸完成上、下固定板的机械夹持。

其中所述输送机构不仅适用于三腔(氢气腔、空气/氧气腔、冷却液腔)布置于同一端的待整形金属双极板，同样适用于四周布置腔口的待整形金属双极板。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述自适应定位机构包括自适应定位平台和导向滑块，其通过所述导向滑块的运动，来推动位于所述自适应定位平台上的所述待整形金属双极板的外边缘移动，以实现待处理区域内任意姿态的金属双极板的规定位置调整。

进一步的，在不同实施方式中，其中所述保护气路是通过在所述上、下固定板的内部结构，将通入的保护气弥散于所述待整形金属双极板的整形焊接区域及整个所述金属双极板，从而保护金属双极板表面不发生氧化。

进一步的，在不同实施方式中，其还包括整形温度反馈机构，其包括温度传感器，用于采集所述上、下固定板构成的型腔内温度。采集到的温度数据会被反馈给一控制装置，以便所述控制装置能够实时、自主的调整所述加热元件的热处理温度。

进一步的，在不同实施方式中，其还包括气体流量反馈机构，其包括气体流量传感器，用于采集由所述保护气路引入的保护气流量，并反馈给所述控制装置，所述控制装置结合所述温度传感器反馈的温度数据，实时、自主调整保护气流量，从而更为有效的保证所述金属双极板表面质量。

进一步的，其中所述控制装置可以是所述整形加工装置的一个组成部分，也可以是外界装置来辅助所述整形加工装置进行更为有效的整形加工操作，具体可随需要而定，并无限制。

相对于现有技术，本发明涉及的一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置所具有的有益效果是：

1、本发明采用了金属双极板自适应定位机构，对金属双极板摆法无特定要求，简化了金属双极板的初始装夹过程；成形过程采用全自动流转，简化了整体工艺。

2、焊接翘曲整形相关特征根据金属双极板构型变化而变化，可以满足多品种燃料电池金属双极板的焊接翘曲整形处理。

3、通过分散式电阻加热元件，实现“点对点”焊接翘曲去内应力成形处理，保证了金属双极板其余区域结构的稳定性；通过保护气路设计，实现对金属双极板表面质量的严格控制。

4、能够全自动、局部式对金属双极板焊接翘曲进行整形处理，为燃料电池金属双极板焊接翘曲整形提供了一种切实可行的处理办法。

附图说明

图1是本发明涉及的一个实施方式提供的一种金属双极板焊接翘曲的整形加工装置的总体结构布局示意图；

图2为自适应定位机构示意图；

图3是图2所示的自适应定位机构的俯视图；

图4为输送机构的结构示意图；

图5为图4所示输送机构又一工作状态下的结构示意图；

图6为整形加工机构的结构示意图；

图7为保护气路的结构示意图；

图8为整形温度反馈机构以及气体流量反馈机构的结构示意图。

图1～8中的附图标记说明如下：

待整形金属双极板 1 下固定板 2

机架 3 上固定板 4

上定位板 5 自适应定位平台 6

定位滑块 7 下定位板 8

旋臂 9 电阻加热接头 10

保护气接头 11 动力缸 12

动力导向轮 13 电阻加热触头 14

保护气通入孔 15 保护气扩散孔 16

高敏热电偶 17 气体流量计 18。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明涉及的一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置的技术方案进行详细说明。本实施方式以本发明技术方案为前提进行实施，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具体实施方式。

本发明的一个实施方式提供了一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，其适用于燃料电池所使用的金属双极板，但不限于。其中所述金属双极板，其可以是三腔结构，即氢气腔、空气/氧气腔、冷却液腔布置于同一端。但在不同实施方式中，上述这些腔口也可以是布置在所述金属双极板的四周。对于这两种结构类型的金属双极板，本发明涉及的整形加工方法均可处理。

具体的，其包括以下步骤：

根据待整形金属双极板的结构及其焊接路径，制备定位板、下固定板、上固定板及电阻加热触头这些加工设备件的形面特征，以使得这些设备件的外形与所述待加工金属双极板的外形匹配；

通过一自适应定位平台及导向滑块调整所述待整形金属双极板的位置，使其最终以规定位置位于所述定位板中；

通过一旋臂以电磁吸附的方式运送所述定位板及其中的待整形金属双极板至所述下固定板上，然后通过一动力导向轮将所述下固定板输送至所述上固定板下，然后通过一动力缸完成所述待整形金属双极板在所述下固定板及上固定板之间的机械装夹；

在所述上、下固定板的装夹过程中，向所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合电阻加热触头，通过一电阻加热接头将电流导入所述电阻加热触头中，通过接触传热的方式将热量导入所述待整形金属双极板的整形焊接区域，完成对所述焊接区域的去内应力整形过程；同时将保护气引入到所述上、下固定板的型腔内，防止所述待整形金属双极板在整形热处理过程中的表面氧化，实现对所述金属双极板表面质量的控制。

进一步的，所述待整形的金属双极板在完成整形热处理后，所述下固定板会通过所述动力缸被放置于所述动力导向轮上，所述动力导向轮将所述下固定板运送至所述旋臂位置，所述旋臂通过电磁吸附将完成整形后的所述金属双极板运送至预设区域。

进一步的，为了获得更好的处理效果，本发明涉及的所述整形加工方法中，还可以引入高敏热电偶，但不限于，用于实时采集所述上、下固定板内的温度数据，以便能实时、自主调整所述电阻加热触头的温度，使其在允许范围内变化，进而保证焊接翘曲整形质量。而在其他实施方式中，所述高敏热电偶可以用其他能够实时采集温度的传感器所替代。

进一步的，为了获得更好的处理效果，本发明涉及的所述整形加工方法中，还可以引入气体流量计，但不限于，用于采集所述上、下固定板内的保护气的气体流量，结合所述热电偶反馈的温度信息实时调整所述保护气的流量，从而保证所述待整形金属双极板的表面质量。

进一步的，其中所述定位板可以包括上定位板和下定位板，所述待整形金属双极板是位于所述上、下定位板之间。

本发明涉及的所述金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，其可以适用于多种类的金属双极板，只需要针对待整形的金属双极板的表面结构，对相关设备加工件包括但不限于上定位板、下定位板、下固定板、上固定板及电阻加热触头的表面结构进行修改即可，从而使其应用范围十分广泛。

进一步的，对于上述本发明涉及的所述金属双极板焊接翘曲的整形加工方法，本发明还对应提供了能够实施所述整形加工方法的整形加工装置，其能够有效的实施本发明涉及的所述整形加工方法。

请参阅图1所示，其图示了本发明涉及的一个实施方式提供的一种金属双极板焊接翘曲的整形加工装置的总体布局。其中所述整形加工装置包括待整形金属双极板的自适应定位机构、输送机构、整形加工机构、保护气路、整形温度反馈机构以及气体流量反馈机构。

请参阅图2、3所示，其中所述待整形金属双极板的自适应定位机构，用于所述待整形金属双极板1的位置调整，使其能够从任意位置调整到规定位置。其包括上定位板5、自适应定位平台6、定位滑块7以及下定位板8。

其中所述上定位板5及下定位板8的连接部分通过待整形金属双极板1的三腔接口，所述上定位板5提供电磁吸附将金属双极板1夹在中间，然后以任意位置放置于所述自适应定位平台6上方，在通过所述定位滑块7的同步调整，使得所述待整形金属双极板1移动至规定位置，完成所述待整形金属双极板1的自适应定位。

请参阅图4、5所示，其中所述输送机构用于所述待整形金属双极板1的上料、下料输送，其包括机架3、旋臂9、动力缸12以及动力导向轮13。

其中位于所述机架3上的所述旋臂9旋转至所述自适应定位平台6上方，通过电磁吸附的方式将所述待整形金属双极板1、上定位板5及下定位板8带离所述自适应定位平台6，通过旋转运动将上述部件放置到待料的所述下固定板2上方。由所述动力导向轮13将所述下固定板传送至所述上固定板4下方，然后在通过所述动力缸12将下固定板2与上固定板4完成机械装夹配合。

请参阅图6所示，所述整形加工机构是基于电阻加热原理来实施功能的，其包括下固定板2、上固定板4、电阻加热接头10以及电阻加热触头14。

其中所述上固定板4与下固定板2完成机械装夹配合后，将所述电阻加热触头14通过弹簧压紧在所述待整形金属双极板1的整形焊接区域上，通过所述电阻加热接头10通入电流，对所述电阻加热触头14进行加热处理，继而将热量通过接触的方式传递给待整形金属双极板1的整形焊接区域，从而完成“点对点”式去内应力热处理。

请参阅图7并结合图6所示，其中所述保护气路包括保护气接头11，其需要与所述下固定板2和上固定板4配合使用。

在所述上固定板4与下固定板2完成机械装夹配合后，保护气从所述保护气接头11通过通入孔15进入所述上固定板4和下固定板2构成的型腔内，继而通过保护气扩散孔16进入到所述整形焊接区域，从而在实现热处理整形的同时对所述待整形金属双极板1表面质量的控制。

请参阅图8所示，其中所述整形温度反馈机构包括高敏热电偶17，其采集由所述上固定板4和下固定板2构成的型腔内温度，并反馈给控制装置，以便所述控制装置能够实时、自主的调整所述电阻加热触头14的热处理温度。

而所述气体流量反馈机构包括气体流量计18，其采集当前由所述保护气路引入的保护气流量，并反馈给控制装置。所述控制装置结合所述高敏热电偶17反馈的温度数据，实时、自主调整保护气流量，从而更为有效的保证所述金属双极板1表面质量。

进一步的，其中所述控制装置可以是所述整形加工装置的一个组成部分，也可以是外界装置来辅助所述整形加工装置进行更为有效的整形加工操作，具体可随需要而定，并无限定。

本发明涉及的一种用于燃料电池金属双极板焊接翘曲的整形加工方法及其整形加工装置，其采用“点对点”电阻元件加热去除内应力，并通过保护气路提供保护气场，以此保证金属双极板表面质量，使得本发明涉及的整形加工方法及其整形加工装置，能够有效的实现燃料电池金属双极板焊接翘曲的局部式、高效化整形制备。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种金属双极板焊接翘曲的整形加工方法；其特征在于，其包括以下步骤：

根据待整形金属双极板的结构及其焊接路径，制备定位板、下固定板、上固定板及加热元件这些加工设备件的形面特征，以使得这些设备件的外形与待整形金属双极板的外形匹配；

将处于待处理区域的所述待整形金属双极板通过一自适应定位平台完成定位校准，使其以规定位置置于所述定位板中；

将所述待整形金属双极板输送至所述下固定板，再将所述下固定板运送至所述上固定板下方，并完成所述上、下固定板的机械装夹；

在所述上、下固定板的机械装夹过程中，向所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合所述加热元件，向所述加热元件提供热源，使其发热进而对所述待整形金属双极板的整形焊接区域进行去内应力的热处理，同时通过置于所述上、下固定板的保护气路引入保护气并在所述整形焊接区域形成保护气场，以防止氧化产生从而保证所述待整形金属双极板的表面质量。

2.根据权利要求1所述的整形加工方法；其特征在于，其中所述待整形金属双极板是通过所述自适应定位平台结合导向滑块调整方式，完成其规定位置的调整。

3.根据权利要求1所述的整形加工方法；其特征在于，其中所述待整形金属双极板是通过一旋臂以电磁吸附的方式运送至所述下固定板上，然后通过一动力导向轮将所述下固定板输送至所述上固定板下，然后通过一动力缸完成所述待整形金属双极板在所述下固定板及上固定板之间的机械装夹。

4.根据权利要求1所述的整形加工方法；其特征在于，其中所述加热元件包括电阻加热触头，在所述上、下固定板的装夹过程中，向所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合所述电阻加热触头，通过一电阻加热接头将电流导入所述电阻加热触头中，通过接触传热的方式将热量导入所述待整形金属双极板的整形焊接区域，完成对所述焊接区域的去内应力整形过程。

5.根据权利要求3所述的整形加工方法；其特征在于，其中所述待整形金属双极板在完成整形热处理后，所述下固定板会通过所述动力缸被放置于所述动力导向轮上，所述动力导向轮将所述下固定板运送至所述旋臂位置，所述旋臂通过电磁吸附的方式将完成整形后的所述金属双极板运送至预设区域。

6.根据权利要求1所述的整形加工方法；其特征在于，其中在所述加热元件进行加热时，提供一温度传感器，用于采集所述上、下固定板内的温度数据，以便能实时、自主调整所述加热元件的温度，使其在允许范围内变化。

7.根据权利要求6所述的整形加工方法；其特征在于，其中在所述加热元件进行加热时，提供一气流流量传感器，用于采集所述上、下固定板内的保护气的气体流量，结合所述温度传感器采集到的温度信息，调整所述保护气的流量，从而保证待整形金属双极板的表面质量。

8.一种用于实施根据权利要求1所述的整形加工方法的整形加工装置，其特征在于，其包括待整形金属双极板的自适应定位机构、输送机构、整形加工机构以及保护气路；

所述整形加工机构包括上、下固定板，其中所述待整形金属双极板会经由所述输送机构送至所述上、下固定板中，并被两者机械夹持；

所述自适应定位机构包括自适应定位平台和导向滑块，通过所述导向滑块的运动，来推动位于所述自适应定位平台上的所述待整形的金属双极板的外边缘移动，以实现所述金属双极板的规定位置调整；

其中所述自适应定位机构用于将放置于待处理区域的任意位置的所述待整形金属双极板调整至规定位置并最终将其放置在一定位板上；所述输送机构用于将所述待整形金属双极板运送到所述整形加工机构；所述整形加工机构使用其加热元件对所述待整形金属双极板的整形焊接区域进行加热处理，以去除所述整形焊接区域的内在焊接应力，进而完成整形过程；所述保护气路则是用于保护热处理过程中的所述金属双极板的表面，使其不被氧化。

9.根据权利要求8所述的整形加工装置；其特征在于，其中所述加热元件是置于所述上、下固定板内，在所述上、下固定板机械持实现闭合的同时，所述加热元件会与所述待整形金属双极板的整形焊接区域贴合，进而通入其自身的热量对所述整形焊接区域进行去内应力整形热处理。

10.根据权利要求8所述的整形加工装置；其特征在于，其中所述输送机构包括旋臂、动力导向轮及动力缸，其中所述旋臂以电磁吸附的方式将所述待整形金属双极板放置到所述下固定板上，在由所述动力导向轮运送至所述上固定板的下方，通过所述动力缸完成上、下固定板的机械夹持。

11.根据权利要求8所述的整形加工装置；其特征在于，其中所述保护气路是通过在所述上、下固定板的内部结构，将通入的保护气弥散于所述待整形金属双极板的整形焊接区域及整个所述金属双极板，从而保护金属双极板表面不发生氧化。

12.根据权利要求8所述的整形加工装置；其特征在于，其还包括整形温度反馈机构，其包括温度传感器，用于采集所述上、下固定板构成的型腔内温度。

13.根据权利要求12所述的整形加工装置；其特征在于，其还包括气体流量反馈机构，其包括气体流量传感器，用于采集由所述保护气路引入的保护气流量。

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