燃料电池不锈钢超薄双极板的激光叠焊工艺探讨

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:硕博论文网 点击次数:
论文字数:28544 论文编号:sb2022022115031643724 日期:2022-02-28 来源:硕博论文网
本文是一篇机械论文,本文从几个方面进行了创新研究:(1) 设计焊接夹具采用了弹簧对双极板进行柔性夹紧,且通过底座的凸起结构支撑下极板保证了焊接过程中上下极板的紧密贴合,防止虚焊的形成。(2) 研究了超薄金属双极板的激光未熔透焊接,既保证了双极板的连接强度,又能保持双极板背面的美观和平整,从而实现燃料电池的优良性能。(3) 从仿真和试验全面地研究了燃料电池金属双极板激光叠焊工艺。

第 1 章 绪论

1.1 燃料电池简介
1.1.1 燃料电池
由于人类过去对地球资源的消耗以及对环境的破会,使得能源匮乏和环境污染的问题越来越影响到人类的生存与发展[1-3]。面对这些问题,人们提出了许多解决方案,其中一条重要方案是开发先进的清洁能源技术[4-7]。而在众多清洁能源技术中,燃料电池技术由于其具有的能量转化率高、低污染、负荷响应快、运行质量高等优势,被称作 21 世纪最为环保的新型能源技术[8-12]。
我国的燃料电池技术是到二十世纪五十年代才刚刚起步的,相比于西方发达国家近两百年的燃料电池技术发展史,我国的燃料电池技术是开始得比较晚了的。因此,在燃料电池技术的许多领域内我国与西方发达国家还存在较大的差距,但随着国家对燃料电池技术越来越多的重视,我国燃料电池技术正在获得前所未有的快速发展[13-15]。
根据燃料电池电解质类型不同,燃料电池可以细分为如下五种[10-11]:
(1) 碱性燃料电池(AFC):碱性燃料电池的优点是电的转化率高、污染低以及维护少,其缺点是对燃料的要求较高、使用寿命较短且造价昂贵,因此这种燃料电池主要应用于国防和航天等对燃料电池要求较高的领域;
(2) 磷酸型燃料电池(PAFC):PAFC 的优点是污染较低和噪音少,其缺点是造价昂贵和电的转化率低,这种燃料电池主要在热电厂被使用;
(3) 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC):MCFC 的优点是电的转化率高、噪音低且具备内重整的能力,其缺点有启动慢、电解质具有腐蚀性,这种燃料电池主要在热电厂被使用;
(4) 固体氧化物燃料电池(SOFC):SOFC 的优点是电的转化率高、噪音低且具备内重整的能力,其缺点有启动慢、对燃料要求较高,这种燃料电池主要被用在热电厂和家用电源中;
........................

1.2 金属双极板的激光焊接
1.2.1 激光焊接简介
金属双极板的连接工艺是其制造工艺的重点。在目前,金属双极板采用的连接方法主要有微点焊接、胶接以及激光焊接等。其中激光焊接由于其焊接速度快、焊接密闭性好、热影响区小以及焊缝晶粒小等众多优点而成为金属双极板连接工艺的首要选择[33-36]。
激光焊接工艺是一种以激光束为热源使焊件熔化连接的高精密焊接方法。也是激光技术应用到材料加工方面的重要工艺。在上个世纪的 70 年代,用到激光焊接技术的场合通常是焊接速度较低或者是焊接材料比较薄的情况。由于激光焊接焊接变形小、热影响区小、焊接精度高以及可焊材料种类多等优点,其被广泛的应用于粉末冶金业、生产制造业以及电子工业等领域。
激光焊的工作原理是通过将高能量密度的激光束照射到焊件表面,从而使焊件升温熔化再凝固结晶而实现焊件连接。在激光焊接过程中,焊件材料的表面受到激光束的辐射快速升温汽化并形成匙孔[46]。匙孔的产生是因为快速汽化的气态金属将在激光的冲击力下对液态金属形成推力,从而形成匙孔。同时,汽化的金属将积聚在匙孔上方形成等离子云。过于密集的等离子云将对激光束造成较大的反射,影响激光效率[37-40]。根
据激光光斑上功率密度的不同划分,激光焊接可分为深熔焊和热导焊[41-43]。热导焊时,激光束作用到焊件表面使其温度升高并熔化,同时表面的热量通过热传导的方式传递到焊件内部,从而使焊件内部的材料熔化。热导焊的功率密度通常低于 105W/cm2。这种焊接的主要特点是光斑的功率密度低,大部分的激光将被焊件表面反射掉,焊件吸收的激光能量较少,形成的焊缝较浅,焊接速度不能太快。因此,这种焊接方法通常用于厚度小于1mm 的薄板的焊接,金属双极板的焊接即为热导焊[29]。另外,深熔焊是指激光在非常短的时间内使焊件表面的材料汽化,汽化的金属气体在熔融的金属液中膨胀而使熔池形成匙孔。深熔焊的功率密度通常高于 106W/cm2。当金属蒸汽的压力与金属液的重力和表面的张力形成平衡后,熔池中的匙孔将趋于稳定不会再加深。热导焊和深熔焊的基本焊接原理如图 1-5所示[44]。
.................................

第 2 章 金属双极板激光叠焊试验方法与试验平台

2.1 试验设备及材料
2.1.1 试验设备
本文对金属双极板的激光叠焊试验所选用的激光器为广东大族粤铭激光集团股份有限公司的 MF100-E-A 脉冲光纤激光器,该激光器能达到的最大激光功率为 100 W,设备如图 2-1 所示。
机械论文怎么写
机械论文怎么写
...................

2.2 金属双极板激光焊接试验方案
2.2.1 金属双极板激光焊接试验参数
本文试验研究的是厚度为 0.15mm 的 SUS304 不锈钢超薄双极板的激光叠焊工艺。为了保证激光焊接试验可靠,防止其他无关因素对焊接结果的干扰,在焊接试验开始之前需用砂纸对焊件的表面进行仔细打磨,然后用丙酮对焊件表面进行清洗以排除灰尘和油渍等对焊接的影响[60-65]。
整个焊接试验可分为两部分,即包括单因素试验和正交优化试验,其中单因素试验研究的是金属双极板激光叠焊的各焊接参数对焊缝成形的影响规律。正交优化试验用于获得各工艺参数的最佳组合,本文正交试验选用的是三水平四因素标准正交试验表。根据试验目的和试验要求,结合前人经验及现实条件确定试验参数,设定单因素试验参数如表 2-3所示,并根据单因素试验结果确定正交优化试验参数如表 2-4 所示[60]。
本文主要从焊缝的截面形貌、焊缝的表面形貌、焊接接头的力学性能以及焊接变形四个方面对焊接质量进行评价。其中,焊缝的表面形貌是判断焊接质量的重要依据。在本文金属双极板的激光焊接试验中,由于焊缝非常小,无法通过肉眼去看清楚焊缝的表面形貌,因此需要通过 VHX-5000 超景深三维显微镜观察和分析焊缝的表面形貌。通过显微镜具体观察表面塌陷、飞溅、咬边等缺陷,并从这几个方面及双极板的使用要求去分析评价表面形貌质量。
........................

第 3 章 金属双极板激光叠焊温度场和变形的仿真分析................... 23
3.1 金属双极板激光叠焊有限元模型的建立............................23
3.1.1 创建几何模型............................. 23
3.1.2 定义材料属性...................... 23
第 4 章 金属双极板激光焊接试验研究................................31
4.1 激光焊接工艺参数对焊缝的影响分析...............................31
4.1.1 激光功率对焊缝的影响..................................... 31
4.1.2 焊接速度对焊缝的影响.............................. 33
第 5 章 结论与展望........................ 41
5.1 结论..................................41
5.2 展望.........................................42

第 4 章 金属双极板激光叠焊工艺的试验研究

4.1 激光焊接工艺参数对焊缝的影响分析
4.1.1 激光功率对焊缝的影响
激光焊接与许多焊接方法一样是通过加热熔化材料来实现焊接的工艺,因此,焊接效果的好坏与材料的热输入密切相关。激光功率是激光焊中影响材料热输入的关键参数,当焊件表面的光斑直径一定的情况下,增加激光功率,则材料的热输入量也将增加,因此焊缝熔深将增大。
本文研究的是 0.15 mm 厚的燃料电池金属双极板的叠焊,由于双极板非常薄,且其热容量小,热敏感性高,极小热输入的变化都可能造成严重的焊接缺陷。因此,为了获得较好的焊接效果,对于激光功率参数的选择和控制是极其重要的[70]。
本焊接试验中,在其他参数一定的情况下,通过设置激光功率为 60W、70W、80W、90W 和 100W 分别进行一组焊接试验,得到激光功率与焊缝成形的关系如表 4-1 所示。
机械论文参考
机械论文参考
...........................

第 5 章 结论与展望

5.1 结论
本文利用脉冲光纤激光器对 0.15 mm 厚的不锈钢双极板进行了叠焊试验研究,通过单因素试验研究了各焊接参数对焊缝的影响规律。利用有限元分析软件对 PEMFC 不锈钢双极板的激光叠焊过程进行了仿真,分析了焊接的整体变形规律及焊接过程中温度场的变化规律。最后结合正交试验获得了金属双极板激光未熔透焊接工艺的最佳参数组合。本文从几个方面进行了创新研究:(1) 设计焊接夹具采用了弹簧对双极板进行柔性夹紧,且通过底座的凸起结构支撑下极板保证了焊接过程中上下极板的紧密贴合,防止虚焊的形成。(2) 研究了超薄金属双极板的激光未熔透焊接,既保证了双极板的连接强度,又能保持双极板背面的美观和平整,从而实现燃料电池的优良性能。(3) 从仿真和试验全面地研究了燃料电池金属双极板激光叠焊工艺。
最后,本文主要的研究结论如下:
(1) 通过有限元仿真分析发现:在任一脉冲加载时,不锈钢双极板激光焊接的温度场的分布基本为高斯热源的分布。双极板在焊缝处的焊接变形形式主要为角变形,表现为离焊缝距离越远的材料的变形位移量越大。而其整体变形趋势为焊缝内部的材料向上隆起,变形位移量大致为 0.36 mm~0.54 mm。焊缝外部的材料变形较大,最大变形位移量约为1.65 mm。此外,通过仿真夹具夹紧后双极板的变形分布,发现本文设计的焊接夹具可以较大程度的改善其变形,可实现最大变形位移量不超过 0.2 mm。通过将仿真获得的焊后变形结果与试验获得的焊后变形结果进行偏差分析,得出在设置公差范围为-0.005~0.005mm 时,两种方式获得的双极板变形结果的重合率高于 80%,由此可知仿真结果与试验结果基本一致,表明此仿真结果准确可靠,可以较真实的反映出实际焊接的变形情况。
(2) 分析单因素试验的结果可知:激光功率、焊接速度和脉冲宽度都对焊缝截面的熔深、表面凹陷、飞溅以及虚焊等缺陷的形成有影响。其中激光功率对这些缺陷的影响最大,具体为激光功率越大,熔深越深,表面凹陷、飞溅等缺陷越多。焊接速度主要影响表面飞溅和周期性虚焊的形成,焊接速度越大,表面飞溅和周期性虚焊越严重。脉冲宽度则主要影响周期性虚焊的形成,脉宽越大,周期性虚焊越不易形成。而离焦量主要影响表面熔宽和截面熔深的大小,在零离焦量时,焊缝的熔深和熔宽最大。此外,通过综合分析各参数对接头剪切强度的影响后发现,双极板叠焊接头的剪切强度与焊缝的熔深具有一致性,表现为熔深越深,接头的剪切强度就越大。
参考文献(略)

QQ 1429724474 电话 18964107217