金属双极板激光焊接质量的影响因素分析

摘 要：金属双极板是氢燃料电池堆的关键组件之一，本文针对金属双极板的激光焊接，从设备选型、工艺参数和工装夹具等影响因素进行分析，阐述了适合超薄型金属双极板激光焊接的工艺条件和工装要求，以期提高金属双极板的焊接质量。

关键词：金属双极板;激光焊接;工艺参数;工装夹具

本文针对不锈钢316L在激光焊接过程中，对焊接质量的影响因素进行分析，以提高金属双极板的焊接质量。本文所述的单极板，是以厚度0.1mm的不锈钢316L为基材，先经过表面处理，再经冲压成型而得。激光焊接时是以两片金属单极板为材料，用激光进行叠焊。要求焊接后的焊缝光洁、无氧化，双极板无形变且密封良好。

1 焊接设备

1.1 设备选型

焊接设备是影响焊接质量和效率的重要因素。通常由激光器、冷水机、焊接工作台、显示器、控制柜、电动平移台组成。对于厚度0.1mm的超薄型板材，较为适宜的是波长为1064nm近红外激光，也就是YAG：Nd型固体激光发射器产生的激光。依据对工件的作用方式，可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接设备。脉冲激光焊，输入到工件上的能量是断续的、脉冲的，简单来说只能实现脉冲式点焊，依靠焊点的重叠来实现焊接。连续性激光焊，输入到工件上的能量是连续的，可实现线性焊接。

1.1.1 脉冲型激光焊接设备

这类激光焊接设备是利用高能量的脉冲激光对材料进行微小区域内的局部加热，能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池，从而将待焊接的部位熔为一体。脉冲型激光设备的优点是：产品热影响区小、变形小，设备价格低廉。缺点是：能耗高、生产效率低，稳定性相对较差。

1.1.2 连续型光纤激光焊接设备

这类型激光焊接设备是将激光束耦合至光纤，经过远距离的传输后，处理为平行的光线聚焦于待焊接工件表面实施连续焊接。设备的主要优点是：光束质量好，焊接速度快，生产效率高，电光转化率高、能耗低;缺点是：设备价格较高。从稳定性和生产效率看，推荐使用连续型光纤焊接设备。

1.2 激光器功率的选择

依据所需焊接的材料材质和厚度，以及焊接方式等综合选择激光器的功率。若激光器功率太大，设备造价相对较高;若功率太小，又难满足焊接要求。针对0.1mm的不锈钢金属单极板做两层叠焊，焊接时使用的功率范围为150-200W，激光器功率选择在300-500W较为适宜。

1.3 焊接工作台

焊接工作台运行要平整，工作时无晃动。焊接工装夹固定在工作台上，在伺服电机的配合下做移动，实现X、Y、Z方向的可移动，行程要满足工件焊接的要求，运动平台的重复定位精度不低于±0.02mm。

2 焊接工艺参数

2.1 离焦量

激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。对于0.1mm厚度金属双极板的叠焊通常采用负离焦方式。

2.2 激光器的输出功率

输出功率太大，会造成焊接工件穿孔，输出功率太小会使上、下两层单极板焊接不实，容易出现两层未完全焊接在一起。焊接时使用的功率范围控制在150-200W之間。

2.3 焊接速度

焊接速度过快，气体来不及逸出，且熔深浅，焊接不牢固，焊接速度太慢，生产率低，成本高，热影响区常因过热晶粒粗大而脆断，工件变形也大。当激光功率一定时，激光焊接速度成为影响焊缝强度的主要因素。激光深熔焊时，焊缝熔深几乎与焊接速度成反比，焊缝熔深及宽度随焊接速度的加快而减小。针对0.1mm厚度的不锈钢推荐使用的焊接速度为8-20m/min。

2.4 保护气体

可选氮气、氩气等惰性气体，浓度：≥99.9%;流量：10-20L/min;压力：0.1-0.5MPa。

3 工装夹具

工装夹具是影响焊接质量的又一个关键因素，常用于制作工装夹具的材料是紫铜、不锈钢、电木等。工装夹具应满足以下要求：①足够的承载或夹持力度，以保证工件在工装夹具上夹紧压实，运行过程要平稳，要便于固定在焊接工作台上;②装、卡工件操作简单，灵活快速;③工装底座上与工件焊线相对应的位置要留有通气槽。此通气槽一是为了减少物质气化对熔池的破坏;二是可以充入保护气体对焊接部位进行冷却和保护，防止形变和氧化;④工件的待焊接部位，在焊接过程中要实现有保护气体从上下两侧对焊接的部位进行防护，防止工件形变和氧化;⑤压板与底座要能够保证两片单极板需焊接的部位贴紧压实。通过选择适宜的激光焊接设备、调节工艺参数、优化设计工装，金属双极板激光焊接的一次合格率可达98%以上。

参考文献：

[1] Frano Barbir.PEM Fuel Cells：Throey and Practice second edition.

[2] Bei Gou，Woon Ki Na，Bill Diong.FUEL CELLS Modeling，Control and Applications.

作者简介：

王金波（1978- ），男，民族：满，籍贯：河北省遵化市，工作单位：氢电能源科技（固安）有限公司，职称：化工工程师，研究方向：氢燃料电池研发。