[发明专利]一种超薄金属双极板多段夹持自适应激光焊接夹具

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池金属双极板连接技术领域的方法，具体是一种燃料电池超薄金属双极板激光焊接夹具。

背景技术

燃料电池由于具有能量转换效率高，有害气体、噪音排放低，可靠性高等优点，是世界公认的有广泛应用前景的新型发电技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了一般燃料电池的优点外，还具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便、适合于实现产品微型化等优点，因而成为研究领域内倍受关注的焦点。

双极板作为质子交换膜燃料电池中的重要功能组件，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用。现有技术下，双极板一般由石墨或金属等材料制成。石墨双极板具有导电率高，耐腐蚀，密度低等优点，但是石墨脆性较大、机械加工性能较差，难以大批量生产，成本偏高。通过金属超薄板冲压成形工艺成形的金属极板具有良好的导电性、导热性和加工性能，从而大大降低双极板的体积和重量。此外，其加工成本低廉，易实现大规模生产，使金属双极板成为燃料电池双极板开发的发展方向。

金属双极板的制造流程一般是先用金属薄板(厚度小于0.2mm)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。目前，双极板连接的方法一般有粘接、电阻焊接、激光搭接焊等。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。

激光搭接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，因此对双极板间良好的定位装夹十分关键。

由于金属双极板主要区域为流场区，可供连接的焊接区域宽度较窄(一般w在3～5mm)，因此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，影响双极板工作性能；因此，金属双极板焊接过程中的装夹需要满足夹持精准、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。

目前，对于类似金属双极板的薄板零件，激光焊接夹具主要采用整体装夹的方式或者随动机构局部依次夹紧的方式。

经文献检索，中国专利号：CN202374581U，名称为PCB薄板引导夹具板。该发明提出了一种PCB薄板引导夹具板，引导板一侧固定安装有多个弹性钢片，并在钢片上装置滚轮，以多个滚轮将薄板压紧在底板上，将对PCB薄板的夹持方式由面夹持改为多段多点夹持，弥补了刚性夹具体柔性不足的缺点，但该发明主要应用于印刷电路用的PCB板，燃料电池双极板相比于PCB薄板更薄，刚性较差，在两个滚轮中间的空白段，金属双极板无法保证板间无间隙贴合，反而容易因为两侧夹持导致中间鼓起变形。

又经文献搜索，中国专利号：CN202726323U，名称为一种薄板激光焊接工作台，该发明提出一种适用于宽幅薄板的激光焊接的工作台，通过两面对称夹持，利用弹簧压片和底座夹紧薄板，同时对薄板采用分段依次固定的思路进行夹紧。该发明解决了薄板拼接焊在长距离焊接定位中薄板易变形对不准的问题。但该工作台主要应用于单层薄板拼接焊，通过夹具与薄板大面积接触夹紧以保证薄板焊接路径附近区域的平面度，而双极板的焊接区域很窄(w≤4mm)，大部分面积是具有凸起结构的流场区，可供夹持的面积很小，因此这种夹具不适用于双极板激光焊接夹持。

此外，另一类采用间隙控制或局部依次夹紧的方式，来提高焊接质量。经文献搜索，美国专利号：US20090314750，名为间隙控制装置和激光搭焊方法(Gap control device and laser lap welding method)，该发明提出一种间隙控制装置，包括激光引导、间隙保持器和加压部，激光引导将激光束引导至聚焦位置，而间隙保持器将所需搭接焊材料连续输送至激光束聚焦位置并保持材料间有适当的间隙，加压器则在激光搭接焊结束后对板料进行加压，该发明可以有效提升焊接焊缝质量，减少气孔和毛刺的产生，并可以实现连续工作，但金属双极板由于具有复杂表面结构，焊接后的双极板平整度要求较高，无法进行卷曲连续焊接，因此该方法也难以满足要求。