燃料电池316L 不锈钢极板的激光焊接工艺可靠性研究

王思偲，杨华，王阳，刘智亮

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

燃料电池金属双极板是利用激光焊接将两块超薄的不锈钢板焊接在一起，以此形成反应气体和冷却水的密封通道。有学者对于薄板激光焊接进行了大量的实验研究。

如杜祥永针对激光焊接时的单模和双模模式进行了实验分析，证明了单模激光焊接器更加适用于0.1 mm 不锈钢板的激光焊接[1]。王金凤通过对激光焊接的影响因素进行了正交分析，得出了激光焊接的优化参数[2]。周学凯等针对0.3 mm 厚度的304 不锈钢板进行了连续激光搭接焊，研究了焊接接口处的金相组织，指出了0.3 mm厚度下的304 不锈钢板的焊接参数[3]。王琪珉针对0.1 mm 厚度304 不锈钢采用连续激光焊接试验，得出超薄板焊接需要正离焦量的结论[4]。刘西霞针对钛合金薄板激光焊接中的冷却方法进行实验研究，结果表明，相同工艺参数条件下，基于随焊气体动态冷却方法得到的焊接试件挠曲变形明显小于常规激光焊接的变形[5]。

以上研究主要针对激光焊接在实验室下的状态进行了各种研究，但并未对激光焊接在316L 金属极板工作中的问题进行分析。

本文通过对0.1 mm 厚度的316L 不锈钢金属板在激光焊接时的状态进行仿真模拟，并通过实际应用测试，针对工程焊接过程中遇到的问题进行分析，以期对燃料电池金属极板的工程焊接提供技术参考。

1 激光焊接原理及仿真分析

激光焊接的原理是由激光发生器发出的单色光，通过光纤传导到特质透镜上进行聚焦，使光束聚焦到一点，并且集中对该点输入热量，投射到金属板上使光能变为热能熔化金属，使之焊接在一起[6]。其热量高度集中，焊接时间短，热影响区小，熔深浅，能量可控制，光热转换效率低，设备功率小，可焊厚度有小，特别适用于精密微型器件的焊接。

在此过程中需要保证上下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，则容易出现虚焊问题。目前所用的金属双极板厚度一般为0.1～0.15 mm 厚的316L 不锈钢金属板，在现有技术和专利中，对超薄金属双极板的焊接夹具多采用刚性压合和卡扣扣合，而在此种焊接技术下，由于双极板非常薄，容易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，同时导致双极板焊接过程中废品率高、平整度差、变形厉害等缺陷。并且由于当前双极板的加工工艺不成熟，冲压成型的双极板本身平整度不够，加工的夹具表面粗糙度和平整度也精度不够，因为装配间隙很难做到真正的完全贴合，极易出现点接触而导致许多焊接区域没有完全贴合出现虚焊现象。

极板的平面度也可称为平整度，是从宏观方面来说明极板平面与理想平面之间的偏差，区别于粗糙粗的微观几何形状误差。使用Auto Form 对单极板进行成型仿真分析可得，由于在成型过程中，出现局部应力集中，导致极板加工制造后存在一定的弯曲曲翘情况。焊接时使阴阳极板分离，无法熔接。

微观上，燃料电池双极板由于制造、加工、运输、储存等原因，表面存在粗糙度将进一步导致阴阳极板在焊接过程中出现离形，影响焊接有效率。

焊接后的整体焊缝熔深应能将下板材进行有效熔融。结合316L 不锈钢金属极板成型情况及表面粗糙度，需要在不焊穿双极板的前提下有更深的熔深。激光焊接时主要参数选择有以下三个：激光焊接速度、离焦量以及激光功率。

为了分析激光焊接过程中的极板受热后的状态变化情况，以下利用ANSYS 软件和高斯热源模型，进行激光平板焊接的仿真分析。

根据仿真模拟结果来看，当激光在极板上焊接时，极板热影响区主要集中于激光光斑周围，激光光斑处的温度累积5S 内从最开始的1 600 ℃多到2 400 ℃多，越靠近光斑处的极板温度越高，由此引起的热变形也在逐步增大。当焊接接近极板末端时，由于极板与空气的热对流，极板初始焊接部位的温度开始下降，板材累积热量的变化导致极板不同位置存在不同数值的变形现象。

图2 燃料电池阳极板成型冲压仿真

在焊接过程中，焊接路径、焊接功率、焊接速度、离焦量对焊接效果和成品率都有一定的影响。在现有技术下，通常将焊接参数调至合适参数，采用在外围密封区域进行连续焊接，焊缝一体成型，但是此种焊接方式由于焊接机器本身的原因，容易在焊缝圆弧处出现速度不均匀的问题，连续长激光焊接导致热量累积，从而出现虚焊或者变形。这种情况要求制作焊接工装，将两个单极板压实的同时，需要减少激光累计热量引起极板的累积变形曲翘，导致贴合不良引起的虚焊。

由于在闭环焊接路径中，通过圆弧时的线性路径较长，导致热量累计极易发生在焊接路径的转角处，这就需要对焊接路径进行拆解，降低局部区域的热量累积。

图3 激光焊接温度变化图

将双极板上原先的圆弧焊缝，拆解为横竖两种焊缝，在两种焊缝之前加上一段距离的引入和引出线。焊接路径拆解示意图如图5 所示。

图4 激光焊接应力变化图

图5 焊接路径拆解示意图

燃料电池在组装和使用过程中，需要根据膜电极的活化面积设定一定的压装力，通常大型燃料电池的压装力需要1 吨或者更高，这就导致焊接后的极板焊缝受到压装力F 的一个分力，当F0达到一定时，将会破坏焊缝，导致焊点崩开，焊接失效。

2 激光焊接工程问题及实验分析

实验采用的设备为准连续光纤激光器KDW150QC，一体化整体结构，小巧紧凑，风冷，具有其他激光器不具备的高效率和可靠性，主要用于焊接、切割和钎焊。本机型采用风冷结构，脉冲宽度为0.2～25 ms，单脉冲能量可从0.1 焦到15 焦，输出光纤由KDW150QC 准连续光纤激光器配置。主要技术指标如表1 所示。

表1 激光焊接机参数

光斑直径指照射到焊接表面的光斑尺寸大小。本文取e-2束径。在激光器一定的条件下，光斑大小跟透镜的焦距f 和离焦量△f 有关，根据光的衍射理论，最小光斑直径d0为式（1）：

式中：

d0—最小光斑直径（mm）；

f—透镜的焦距（mm）；

λ—激光波长（mm）；

D—聚焦前光束的直径（mm）；

m—激光振动膜的阶数（mm）。

试验参数采用模拟光斑直径0.3 mm 的激光热源，激光功率100 W，焊接速度40 mm/s，平板材质316L 不锈钢，0 离焦量，在平板上模拟激光焊接热累积导致的平板温度聚集和热变形过程。焊接具体流程如图6 所示。

图6 焊接流程图

为了保证双极板焊接受热变形后的有效压紧，双极板焊接必须通过压紧工装将上下极板紧密贴合压紧。利用电磁力和压板将焊接样件压紧，为了抵消加工的公差和极板受热后的变形，保证样件焊接中的有效压紧，工装压板下方应设置软介质，例如硅橡胶等。激光焊接应设置随激光束同步运动的吹气保护装置，用于防止焊接污染和焊接散热。

现有研究指出激光焊接时主要控制的参数是激光功率、焊接速度以及离焦量。除已有参数外，还需首先匹配激光焊接图元的信息。激光焊接是在极短的时间内进行焊接图元绘制。图元的直径大小决定了激光光斑的热影响区域。

对焊接好的燃料电池金属双极板进行气密性捡漏测试及拉力测试，随着捡漏的气压增加逐渐出现泄漏。测试标准为：对焊接好的316L 金属双极板进行拉力测试，当拉力计显示130 N 时，目测检查双极板焊缝未被拉开；再进行捡漏，当工装压力为700 kg，气压增加至150 kPa，系统不允许出现泄漏情况。

结合仿真结果预判及实际测试结果，对焊接参数进行调整及失效分析。仿真模拟可以清楚地看到激光焊接过程中，由于激光能量的持续输入，焊接样件因为热应力的影响，会产生明显热变形，如果焊接中的两块极板中间存在空气层，不能有效的贴合在一起，这而导致上层板材吸收的热量无法及时热传导至下板材，由此会出现两块板材焊缝的虚焊或焊穿。

图7为X 光探伤检测极板虚焊和焊穿的图像。根据测试结果显示，激光焊接应用于燃料电池金属双极板的焊接，熔接力满足系统要求，但是，由于焊接时，阴阳极板的配合不良，焊缝处没有闭合，存在间隙，或者熔深不足，导致双极板密封失效。通过调整不同的焊接参数，并分析其关系，由实验可得：

图7 焊缝探伤图

根据图8 可知，随着激光焊接速度的提升，90 W 和100 W 焊接功率的熔深和熔宽都开始下降，焊接速度在60 mm/S 及以上时，熔深和熔宽下降的速度较快，主要因为激光在焊接板上停留的时间较短，无法将板材有效熔融；相同焊接速度下，由于受到单位面积热输入较大的影响，100 W 的熔深和熔宽均比90 W 的熔深和熔宽大；选择相同的焊接速度和功率，随着焊接图元直径的增大，板材的熔宽开始增大，但是熔深开始下降，原因是激光输入在板材的单位面积上的能量降低，无法有效将金属板熔穿；通过观察不同焊接图元的焊缝放大图像，根据图9 可知，随着焊接图元的增大，焊缝开始出现明显的毛刺和发散，整体的焊缝变得粗糙。

图8 熔深及熔宽随焊接速度的变化趋势

图9 熔深及熔宽随焊接图元的变化趋势

根据上述测试可知，对于0.1 mm 厚度的燃料电池极板焊接，首先应保证极板整体的熔深满足焊接密封需求，为了达到相同的熔深效果，90 W 的适用于焊接速度较慢的工况，100 W 适用于较快的工况；根据图10可知，0.1 mm 厚度的金属板焊接宜采用0.3 mm 的直径图元，焊缝整体饱满无毛刺，在相同焊接功率下比大直径的图元更好地熔融板材，减少极板焊接的热应力。

图1 燃料电池阴极板成型冲压仿真

图10 不同直径图元的焊缝图像

3 结论

本文针对0.1 mm 厚度的316L 不锈钢金属板的激光焊接进行了仿真模拟及工程问题分析，指出了燃料电池金属极板在工程焊接中的问题并提供了解决办法，研究了激光焊接速度、激光功率以及焊接图元大小对于激光焊接的影响，有效的解决了双极板在激光焊接中出现的虚焊和圆弧处的热累积问题，焊接后检测双极板的密封性，检测完的双极板密封性良好，焊接成品率由原先硬接触和圆弧焊缝方法的40 %提升至90 %，焊接成品双极板变形量小，平整度高，可用于燃料电池电堆。得到的主要结论如下：

1）金属极板焊接时由于激光持续的热输入和热累积，会导致极板出现不同数值的变形，越靠近激光热源的位置变形越大，因此需要针对极板焊接制作可靠压紧及散热效果的压紧工装；

2）随着焊接功率的增加，焊缝的熔深和熔宽会逐步增大；相同焊接功率下，随着焊接速度的增大，熔深和熔宽会逐步减小，对于0.1 mm厚度的316L不锈钢板焊接，推荐使用90 W 左右，50～70 mm 的焊接速度；

3）焊接图元越大，焊缝整体成型效果较差，0.1 mm厚度的不锈钢板焊接优先推荐使用直径较小的焊接图元。