CN111230315B - 一种异形截面复杂流场双极板的加工装置及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异形截面复杂流场双极板的加工装置及复合加工工艺，所述加工装置包括激光器、转动机构、密封舱、用于固定双极板的固定平台机构，所述复合加工工艺包括在所述加工装置上采用激光精密刻蚀技术和激光抛光工艺对双极板进行加工及后处理，通过采用上述技术方案，可以解决任意复杂结构流场的加工，该加工装置改变激光与双极板之间的夹角，然后采用激光精密刻蚀技术从而实现异形截面形状的流道加工，采用激光抛光工艺作为后处理工艺，解决刻蚀后流道内氧化物、夹杂等清除以及提高流场表面光洁度，进而提升双极板性能。

Description

一种异形截面复杂流场双极板的加工装置及加工方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种异形截面复杂流场双极板的加工装置加工方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现 90% 转化的高效率。
燃料电池的核心是膜电极和双极板。膜电极是电化学反应的场所；双极板提供气体分配和收集电流，为了完成气体分配和收集电流这两项任务，双极板通常是导电的，其表面有凹凸两个部分，其中凸出部分(收集电流脊梁)用来与电极接触，收集电流；凹下部分(流场)为气体向电极表面传递提供通道，双极板的这一含有凹凸结构的部分称流场。
实际上，燃料电池的产能效率很大程度上取决于双极板流场的结构，优质的流场结构可以改善反应物和生成物的流动状态，使电极各处都能及时得到反应物，并且能及时排除冷却水，提高燃料电池的发电效率。
制备这些流道最常用是数铣、冲压、化学腐蚀等传统加工方法。传统工艺成形的流道截面形状单一，且成形成本高，工艺复杂，耗材大，环境不友好。伴随着双极板流道结构复杂化、高尺寸精度、高加工质量的趋势，传统加工方法逐渐不能满足上述要求。同时原料利用率低、加工成本高、生产效率低、加工产生噪音、对环境不友好等是上述传统加工方法的缺点。
激光刻蚀的基本原理是将高光束质量的小功率激光束(一般为紫外激光、光纤激光)聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使材料在瞬间汽化蒸发，形成孔、逢、槽。该工艺利用激光具有的无接触加工、柔性化程度高、加工速度快、无噪声、热影响区小、可聚焦到激光波长级的极小光斑等优越的加工性能，可突破传统方法无法制备复杂结构流场的技术壁垒，特别适合变宽流场、仿生学流场等复杂流场的加工，且相较于传统方法还有速度快、效率高等优势。
激光刻蚀实现复杂结构流场双极板制备的同时，形成流道截面较为单一，通常为U、V型流道。针对异形截面流道的加工还存在一定的技术难点，限制了激光刻蚀技术在燃料电池技术领域的应用。因此，如何高效率的实现异形截面复杂流场双极板的加工仍是待解决的问题。
采用激光刻蚀技术后，如何解决刻蚀后流道内氧化物、夹杂等残余物也是仍待解决的问题，而激光抛光是一种非接触抛光，同样具有激光特性，不受流场结构复杂程度的限制。无污染，可以实现局部抛光，特别适用于超硬材料和脆性材料的精抛。该工艺能够有效提高双极板流场表面光洁度，提升双极板性能。
发明内容
综上所述，为克服现有技术的不足，本发明提供一种异形截面复杂流场双极板的加工装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种异形截面复杂流场双极板的加工装置，包括激光器、密封舱、用于固定双极板的固定平台机构和用于带动所述固定平台机构转动的转动机构，所述激光器设置于所述固定平台机构上方，所述转动机构设置于所述密封舱内，所述固定平台机构设置于所述转动机构上，所述转动机构与控制装置电连接。
通过采用上述技术方案，设置固定平台机构不仅用于双极板的定位，还用于防止转动机构转动时双极板发生滑移，同时通过控制装置转动转动机构，改变激光与双极板之间的夹角，从而实现异形截面形状的流道加工，通过设置密封舱，提高双极板成形质量，该加工装置采用超快激光精密刻蚀，在一定程度上提高加工效率。
本发明进一步设置：所述转动机构包括支撑件、移动圆盘、圆盘齿轮、转动齿轮和万向节，所述圆盘齿轮一端与所述移动圆盘相连，另一端与所述转动齿轮相连，所述支撑件下端与所述转动齿轮相连，所述支撑件上端与所述固定平台机构相连，所述万向节与所述支撑件相连。
通过采用上述技术方案，固定平台机构的旋转由底部的转动机构带动，移动圆盘在XY平面移动，带动圆盘齿轮也在发生平移；然后，在齿轮传动与万向节的作用下，与之啮合的转动齿轮在XY平面“摆动”，通过支撑件驱使整个平台高精度的旋转，且该旋转以X/Y为轴线，旋转于X-Y平面。
本发明进一步设置：所述激光器包括转换机构，所述转换机构包括一个以上的激光头和用于切换激光头的转换组件。
通过采用上述技术方案，方便刻蚀用激光头和抛光用激光头的转换，有利于提高加工效率。
本发明进一步设置：所述固定平台机构包括电磁吸盘。
通过采用上述技术方案，设置电磁吸盘不仅用于金属双极板的定位，还其起到吸附固定的作用，相较于其他夹具式固定机构，不会损害双极板表面，同时稳定性更强。
一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法：该方法将双极板放置于加工装置上，然后按如下步骤进行加工：第一步，将双极板置于可旋转固定平台机构，完成定位与固定；第二步，预先向平台上方的密封舱通入惰性气体，排除舱内氧气后关闭惰性气体进出口；第三步，将刻蚀用的激光头移动至双极板上方，聚焦光斑自动对焦双极板表面，程序读取刻蚀用激光头的高度位置后，激光头复位，刻蚀用激光头等待刻蚀命令；第四步，每完成一次刻蚀后，转动机构则会转动一个软件拟合的补偿转动角；第五步，转换激光头，转动机构复位至加工前初始状态，抛光用激光头移动到程序记忆高度，等待抛光命令；第六步，完成一个方向的抛光后，转动机构就会转动一个软件拟合的补偿转动角；第七步，采用超声波清洗机对零件进行超声波清洗。
本发明进一步设置：密封舱内氧气浓度低于0.05%，舱内气压维持在1.2-2.0MPa。
本发明进一步设置：刻蚀工序采用波长为532nm超快激光，刻蚀速度为0.3-0.5m/s，激光重复频率为400kHz。
本发明进一步设置：抛光工序采用光纤红外连续中功率激光，功率为300-1000W。
本发明进一步设置：抛光工序采用多波段脉冲低功率激光，功率小于50W。
本发明进一步设置：光斑在抛光路线中的搭接率为80-100%。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
1）可以解决任意复杂结构流道的加工，如：复杂仿生学结构流道等。
2）金属双极板适合耐冲击的环境，激光精密刻蚀工艺适用于金属材料及其他材料的加工，如薄的金属极板，高分子复合材料等。
3）在实现任意复杂结构流场及异形截面流道加工的前提下，复合后处理激光抛光工艺作为后处理工艺，可解决刻蚀后流道内氧化物、夹杂等清除，可有效提高流道表面质量及流道性能。
4）通过用于加工异形截面复杂流场双极板的加工装置进行加工，成形的流道截面形状多样，不再限于u、v型。
5）成形成本低，工艺简单，耗材小，更环保。
6）流道表面光洁度高，提高加工成形质量。
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例的局部结构图；
图2为本发明实施例转换组件的局部结构图一；
图3为本发明实施例转换组件的局部结构图二；
图4为本发明实施例转动机构的局部结构图；
图5为本发明实施例的平面结构示意图；
图6为本发明实施例异型流道截面示意图；
附图标记：1.激光器，11.激光头，12.转换组件，2.转动机构， 21.支撑件，22.移动圆盘，23.圆盘齿轮，24.转动齿轮，25.万向节，3.密封舱，4.固定平台机构，41.电磁吸盘，5.控制装置，6.双极板。
具体实施方式
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
参见附图1-6，本发明技术方案公开的一种异形截面复杂流场双极板的加工装置，包括激光器1、密封舱3、用于固定双极板的固定平台机构4和用于带动所述固定平台机构4转动的转动机构2，所述激光器1设置于所述固定平台机构4上方，所述转动机构2设置于所述密封舱3内，所述固定平台机构4设置于所述转动机构2上，所述转动机构2与控制装置5电连接。
本实施例进一步设置：所述转动机构2包括支撑件21、移动圆盘22、圆盘齿轮23、转动齿轮24和万向节25，所述圆盘齿轮23一端与所述移动圆盘22相连，另一端与所述转动齿轮24相连，所述支撑件21下端与所述转动齿轮24相连，所述支撑件21上端与所述固定平台机构4相连，所述万向节25与所述支撑件21相连。
本发明技术方案中，优选采用该结构实现平台的转动，但不仅限于该结构，还可采用Stewart平台并联机构、球面并联结构等结构。
本发明技术方案中，通过伺服电机或丝杆传动等方式实现移动圆盘22的移动。
本实施例进一步设置：所述激光器1包括转换机构，所述转换机构包括一个以上的激光头11和用于切换激光头11的转换组件12。
本实施例进一步设置：所述固定平台机构4包括电磁吸盘41。
本发明技术方案中，固定平台机构4包括电磁吸盘41，还包括其他金属底座的夹具式固定机构，当双极板本身为金属材质时，直接使用电磁吸盘41进行固定，当双极板本身为非金属材质时，在电磁吸盘41上放置其他金属底座的夹具式固定机构，再将双极板放入该夹具式固定机构上，电磁吸盘41间接固定该双极板。
一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法：该方法将双极板放置于加工装置上，然后按如下步骤进行加工：第一步，将双极板置于可旋转固定平台机构4，完成定位与固定；第二步，预先向平台上方的密封舱3通入惰性气体，排除舱内氧气后关闭惰性气体进出口；第三步，将刻蚀用的激光头11移动至双极板上方，聚焦光斑自动对焦双极板表面，程序读取刻蚀用激光头11的高度位置后，激光头11复位，刻蚀用激光头11等待刻蚀命令；第四步，每完成一次刻蚀后，转动机构2则会转动一个软件拟合的补偿转动角；第五步，转换激光头11，转动机构2复位至加工前初始状态，抛光用激光头11移动到程序记忆高度，等待抛光命令；第六步，完成一个方向的抛光后，转动机构2就会转动一个软件拟合的补偿转动角；第七步，采用超声波清洗机对零件进行超声波清洗。
参考附图6，本发明技术方案中，采用该方法进行加工，成形的流道截面形状多样，不再限于u型或v型，同时可加工的流道截面不局限于附图所举例的几种类型，仅仅是为了更方便地描述和解释异型流道截面。
本实施例进一步设置：密封舱3内氧气浓度低于0.05%，舱内气压维持在1.2-2.0MPa。
本实施例进一步设置：刻蚀工序采用波长为532nm超快激光，刻蚀速度为0.3-0.5m/s，激光重复频率为400kHz。
本实施例进一步设置：抛光工序采用光纤红外连续中功率激光，功率为300-1000W。
本实施例进一步设置：抛光工序采用多波段脉冲低功率激光，功率小于50W。
本实施例进一步设置：光斑在抛光路线中的搭接率为80-100%。
尽管本文较多地使用了：激光器1，激光头11，转换组件12，转动机构2，支撑件21，移动圆盘22，圆盘齿轮23.转动齿轮24，万向节25，密封舱3，固定平台机构4，电磁吸盘41，控制装置5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种异形截面复杂流场双极板的加工装置，其特征在于：包括激光器、密封舱、用于固定双极板的固定平台机构和用于带动所述固定平台机构转动的转动机构，所述激光器设置于所述固定平台机构上方，所述转动机构设置于所述密封舱内，所述固定平台机构设置于所述转动机构上，所述转动机构与控制装置电连接，所述转动机构包括支撑件、移动圆盘、圆盘齿轮、转动齿轮和万向节，所述圆盘齿轮一端与所述移动圆盘相连，另一端与所述转动齿轮相连，所述支撑件下端与所述转动齿轮相连，所述支撑件上端与所述固定平台机构相连，所述万向节与所述支撑件相连，所述激光器包括转换机构，所述转换机构包括一个以上的激光头和用于切换激光头的转换组件，所述固定平台机构包括电磁吸盘。
2.一种根据权利要求1所述异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法，其特征在于：该方法将双极板放置于加工装置上，然后按如下步骤进行加工：第一步，将双极板置于可旋转固定平台机构，完成定位与固定；第二步，预先向平台上方的密封舱通入惰性气体，排除舱内氧气后关闭惰性气体进出口；第三步，将刻蚀用的激光头移动至双极板上方，聚焦光斑自动对焦双极板表面，程序读取刻蚀用激光头的高度位置后，激光头复位，刻蚀用激光头等待刻蚀命令；第四步，每完成一次刻蚀后，转动机构就会转动一个软件拟合的补偿转动角；第五步，转换激光头，转动机构复位至加工前初始状态，抛光用激光头移动到程序记忆高度，等待抛光命令；第六步，完成一个方向的抛光后，转动机构就会转动一个软件拟合的补偿转动角；第七步，采用超声波清洗机对零件进行超声波清洗。
3.根据权利要求2所述的一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法，其特征在于：密封舱内氧气浓度低于0.05%，舱内气压维持在1.2-2.0MPa。
4.根据权利要求2所述的一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法，其特征在于：刻蚀工序采用波长为532nm超快激光，刻蚀速度为0.3-0.5m/s，激光重复频率为400kHz。
5.根据权利要求2所述的一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法，其特征在于：抛光工序采用光纤红外连续中功率激光，功率为300-1000W。
6.根据权利要求2所述的一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法，其特征在于：抛光工序采用多波段脉冲低功率激光，功率小于50W。
7.根据权利要求2所述的一种异形截面复杂流场双极板的加工装置的加工方法，其特征在于：光斑在抛光路线中的搭接率为80-100%。
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