摘要：金属双极板作为质子交换膜燃料电池的重要部件，不仅为电池工作历程中燃料及冷却水提供流动空间，还对电池整体结构起到支撑作用。燃料电池金属双极板是由具有复杂流道结构的0.1mm超薄不锈钢单极板连接而成，连接方式、工艺参数变化都会对双极板的形状误差及接头性能产生重要影响，由此，如何保证金属双极板连接接头质量是目前质子交换膜燃料电池制造中需要解决的关键不足之一。光纤激光焊接因其光束质量高、焊接速度快，是目前燃料电池金属双极板的主要连接工艺策略。然而，由于0.1mm超薄不锈钢板激光焊接历程中的高热量输入，焊缝区域易发生翘曲变形，引起金属双极板出现间隙，出现焊穿等质量不足，降低焊接接头性能。同时，受单极板成形精度、复杂流道结构及焊接热效应等耦合作用，金属双极板局部及整体焊接变形显著，将直接影响后续电池电堆的装配工作，造成装配压力分配不均匀，降低电池整体性能。针对燃料电池金属双极板光纤激光焊接接头性能波动及焊接变形不足，本论文首先提出胶接与激光焊接复合的激光胶焊工艺策略，在接头性能满足质量要求的同时，最大限度降低金属双极板焊接变形，并建立激光胶焊实验系统，获取相应的胶接工艺参数和焊接工艺参数。利用该实验系统，探讨了激光功率、激光速度和保护气流量等参数对焊缝表面形貌、焊缝截面尺寸、微观组织硬度以及接头抗腐蚀性能等接头质量的影响，确定适合于金属双极板激光胶焊的工艺参数。在此基础上，实验探讨了热输入及装夹力等参数对激光胶焊焊接接头局部变形的影响规律。结合全息干涉测量与数学模型重构策略，建立了金属双极板焊接变形评价策略，获取了激光工艺参数对极板整体变形的影响规律。本论文开展的探讨内容及结论如下：(1)金属双极板光纤激光胶焊工艺策略及参数确定建立了包括胶粘连接、激光焊接两步工艺的金属双极板光纤激光胶焊工艺策略。选取3M瞬干型结构胶作为胶粘剂，利用液压式压头配合极板胶粘压模机构，在预紧力为0.5T，保压时间210s的条件下，制约胶层厚度为10μ m±2μ m。搭建激光胶焊工艺试验系统，稳写作约激光输出功率（100W-220W）、焊接速度（30mm/s-50mm/s）、保护气种类（Ar）及流量（0L/min-20L/min）等关键焊接参数。(2)金属双极板激光胶焊接头性能的实验探讨基于建立的激光胶焊工艺试验系统，实验探讨了工艺参数对焊接接头质量的影响规律，浅析胶层与激光热输入的耦合作用机制，制定满足金属双极板焊接质量要求的工艺参数范围。探讨结果表明：传统激光焊接搭接接头，上下层板间有着空气层，焊缝截面熔合区呈现丁字形。激光胶焊工艺的胶层取代了空气层，推动了热量自上层板向下层板的传递，熔核区呈现完整的楔形。与激光焊接工艺相比，相同工艺参数下激光胶焊获得的焊缝熔深最大增加100%、熔宽最大增加26%，焊缝表面光顺性有所下降但满足焊接质量要求。在焊接功率130W—160W、焊接速度40mm/s、保护气流量10L/min的焊接参数下，可以得到满足燃料电池金属双极板焊接质量要求的焊缝。(3)金属双极板激光胶焊焊接变形评价与制约实验探讨了热输入量及装夹力等工艺参数对光纤激光胶焊焊接接头局部变形的影响规律。结合全息干涉测量与数学模型重构策略，建立了针对燃料电池金属双极板整体焊接变形的评价策略，基于该评价策略，探讨了激光胶焊工艺参数对极板整体变形的影响规律，确定最优激光胶焊工艺参数。探讨结果表明：与激光焊接工艺相比，激光胶焊工艺中胶层的引入推动了热量自上层板向下层板的传递，减小了由于热量横向扩散引起的变形，胶层的连接力保证了上下层极板始终保持连接，装夹约束小，焊接变形减小。通过实验发现，激光胶焊焊缝角变形比激光焊接焊缝变形角减小60%针对金属双极板的最优激光胶焊工艺参数为：焊接功率130W，焊接速度40mm/s，保护气流量10L/min，装夹压力1.1MPa。与激光焊接工艺相比，焊接变形拱曲量减小33%，变形更小；拱曲分散度指标a，b分别增加53%和102%，变形更分散，走势更平缓。关键词：金属双极板论文光纤激光胶焊论文焊接接头质量论文焊接变形论文
摘要5-8
ABSTRACT8-13
第一章 绪论13-21
1.1 探讨背景及作用13-15
1.2 国内外探讨近况15-20
1.2.1 激光焊接参数对不锈钢焊接接头性能影响16-17
1.2.2 激光焊接焊接变形预测及制约17-18
1.2.3 激光胶焊工艺参数及接头性能探讨18-19
1.2.4 燃料电池金属双极板焊接探讨19-20
1.3 探讨策略及内容20-21
1.3.1 探讨策略20
1.3.2 探讨内容20-21
第二章 金属双极板激光胶焊工艺策略及系统建立21-33
2.1 引言21
2.2 激光胶焊工艺策略的提出21-22
2.3 激光胶焊实验系统及参数选择22-31
2.3.1 材料选择22-25
2.3.2 胶接工序25-29
2.3.3 焊接工序29-31
2.4 本章小结31-33
第三章 金属双极板激光胶焊接头性能的实验探讨33-56
3.1 引言33
3.2 激光胶焊接头性能的评价指标33-35
3.3 激光胶焊工艺参数选择35-36
3.4 工艺参数对接头性能的影响规律36-51
3.4.1 焊缝表面形貌36-42
3.4.2 熔深与熔宽42-47
3.4.3 微观组织47-49
3.4.4 接头抗腐蚀性能49-51
3.5 燃料电池金属双极板激光胶焊工艺参数优化51-55
3.5.1 接头质量要求51-53
3.5.2 胶焊工艺参数确定53-55
3.6 本章小结55-56
第四章 金属双极板激光胶焊焊接变形评价与制约56-79
4.1 引言56
4.2 激光胶焊接头局部变形评价策略56-62
4.2.1 接头局部变形浅析57-58
4.2.2 局部变形评价策略58-62
4.3 面向接头局部变形制约的工艺参数选择62-68
4.3.1 热输入影响65-66
4.3.2 装夹力影响66-68
4.4 金属双极板整体焊接变形评价及参数选择68-78
4.5 本章小结78-79
第五章 总结与展望79-82
5.1 主要探讨内容和结论79-80
5.2 探讨展望80-82
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