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文/Thibault Bautze-Scherff，Daniel Reitemeyer，Natan Kaplan

汽車制造商正面臨向電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速轉(zhuǎn)型。這一發(fā)展要求集成新組件，同時(shí)要求創(chuàng)新的制造技術(shù)。

電動(dòng)汽車的一個(gè)關(guān)鍵部件是其儲(chǔ)能單元——電池。電池可以由外部電源供電，或是使用發(fā)電設(shè)備供電。燃料電池技術(shù)是一種很有前途的在汽車內(nèi)部發(fā)電的方法。燃料電池利用氫氣和氧氣產(chǎn)生電流，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量和水這兩種副產(chǎn)品。每個(gè)燃料電池由數(shù)百個(gè)雙極板組成，這些雙極板將膜電極組件隔開，并形成冷卻通道。雙極板本身由兩個(gè)焊接在一起的金屬板組成，每個(gè)金屬板的厚度為70~100μm。

在雙極板的焊接中，對(duì)焊接質(zhì)量有著非常明確的要求：冷卻通道需要對(duì)氦氣具有良好的氣密性，焊接頭要具備低電阻。為了將這種薄金屬板無缺陷地焊接在一起，需要使用單模激光和適當(dāng)?shù)暮附庸鈱W(xué)元件，將非常小的光斑聚焦到工件上。對(duì)于當(dāng)前的應(yīng)用而言，已經(jīng)有比較成熟的工藝參數(shù)設(shè)置；但是若要適應(yīng)未來的應(yīng)用需求，則必須要重新調(diào)整參數(shù)設(shè)置。

通常，單個(gè)雙極板上會(huì)有1.5米甚至更長(zhǎng)的焊縫。假設(shè)一個(gè)燃料電池中有200塊雙極板，燃料電池每年的產(chǎn)能為100萬塊，那么一條在生產(chǎn)線上每年要產(chǎn)生30萬公里的焊縫長(zhǎng)度。這個(gè)數(shù)字比汽車行業(yè)的傳統(tǒng)激光焊接量要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這為雙極板的制造帶來了一個(gè)巨大挑戰(zhàn)：如何通過提高焊接速度和減少輔助工藝時(shí)間，以最大限度地提高生產(chǎn)能力。

克服焊接缺陷

基于掃描振鏡的遠(yuǎn)程激光焊接，使用2D或3D掃描系統(tǒng)以給定角度偏轉(zhuǎn)光束，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超過100m/min的焊接速度。但美中不足的是，焊接過程中的穩(wěn)定性不盡人意：當(dāng)焊接速度超過45~50m/min時(shí)，焊縫中就會(huì)出現(xiàn)無法容忍的缺陷，這導(dǎo)致掃描振鏡和可用的激光功率無法充分發(fā)揮作用。Blackbird Robotersysteme公司及其姊妹公司Scanlab和Holo/Or發(fā)現(xiàn)了這一問題，并決定設(shè)計(jì)一套方案來解決這個(gè)問題。

高速焊接箔材時(shí)，最嚴(yán)重的焊接缺陷是駝峰效應(yīng)（humping effect）。熔化的材料被噴射到熔池的后側(cè)，會(huì)對(duì)焊縫中已經(jīng)凝固的材料形成撞擊。液相材料并不是沿表面均勻分布，而是由于其自身的表面張力而形成球形聚積，這會(huì)導(dǎo)致焊縫中形成一個(gè)個(gè)明顯的隆起，就像駝峰一樣。

這三家公司共同選擇了一種科學(xué)的方法，通過有限元法（FEM）模擬駝峰的形成和預(yù)防，該方法涉及多個(gè)參數(shù)，包括：激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和熱傳導(dǎo)特性。首先，駝峰的形成得到了驗(yàn)證。隨后，對(duì)熔池后端輔助熱源的多種光束特性進(jìn)行了評(píng)估。最終找到了一組參數(shù)，在這組參數(shù)下形成的溫度場(chǎng)能夠完全阻止駝峰效應(yīng)。

Holo/Or Flexishaper光束整形器，包括一對(duì)衍射光學(xué)元件（DOE），其能產(chǎn)生一個(gè)中心光斑和一個(gè)同心環(huán)形光斑。通過調(diào)整這兩個(gè)DOE之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度，可以自由地調(diào)整中心光斑和環(huán)形光斑之間的空間功率分布（見圖1）。環(huán)形光斑的直徑等特性可以由DOE的設(shè)計(jì)預(yù)先確定。

圖1：兩個(gè)衍射光學(xué)元件（DOE）相對(duì)旋轉(zhuǎn)不同的角度，在中心光斑和環(huán)形光斑之間形成的空間功率分布情況。

從有限元法以及掃描頭和DOE的組合積分光學(xué)模擬中獲得的專業(yè)知識(shí)，用于定義一對(duì)特定的DOE，從而將過程從模擬環(huán)境轉(zhuǎn)移到真實(shí)環(huán)境中。DOE模塊安裝在2D intelliSCAN FT掃描振鏡中，光學(xué)放大率為1:1.93。使用的激光源是IPG Photonics公司的單模激光器，能產(chǎn)生27μm的中心光斑。使用厚度為0.1mm的不銹鋼箔片作為雙極板的經(jīng)濟(jì)型替代工件，進(jìn)行無縫搭接焊。

系統(tǒng)試驗(yàn)和結(jié)果

首先，通過調(diào)整兩個(gè)DOE之間的相對(duì)角度，將所有功率都聚焦到中心光斑上，開始試驗(yàn)。要確定常規(guī)工藝的關(guān)鍵邊界條件，需要進(jìn)行如下試驗(yàn)：全熔透、部分熔透和焊接缺陷的出現(xiàn)，如何隨應(yīng)用的激光功率和焊接速度的變化而變化？圖2a中以圖形方式總結(jié)了試驗(yàn)結(jié)果。有兩點(diǎn)值得注意：激光功率越高，速度越低，焊縫咬邊缺陷和駝峰效應(yīng)越弱。

隨后，最佳工藝窗口由激光功率和速度的組合確定，速度使用允許的最大值。對(duì)于給定的設(shè)置，在400W激光功率下，最佳焊接速度為45m/min。

在第二次試驗(yàn)中，通過調(diào)整兩個(gè)DOE之間的相對(duì)角度，對(duì)光束整形，出現(xiàn)環(huán)形光斑。在不同的激光功率和焊接速度的組合下，進(jìn)行完全相同的試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果中觀察到兩個(gè)主要影響：正如預(yù)期的那樣，駝峰和咬邊缺陷的發(fā)生轉(zhuǎn)移到了更高的焊接速度下。與不使用DOE的焊接情況相比，在相同的激光功率和相同的焊接速度下，使用DOE后熔深減小了，這是因?yàn)榫劢沟街行墓獍叩募す夤β蕼p少了。

如圖2所示，在功率700W和60m/min的焊接速度下，獲得了無缺陷的全熔透焊縫。

圖2：（a）使用標(biāo)準(zhǔn)單模光斑實(shí)現(xiàn)的過程窗口和最大焊接速度（紅十字標(biāo)注的線，速度為45m/min）；（b）使用DOE整形后的光斑實(shí)現(xiàn)的過程窗口和最大焊接速度（紅十字標(biāo)注的線，速度為60m/min）。

最后，通過試驗(yàn)證明在70m/min的焊接速度下，不會(huì)出現(xiàn)明顯的駝峰現(xiàn)象。圖3a顯示了使用和不使用DOE時(shí)，在690W功率下獲得的初始結(jié)果。使用未經(jīng)DOE整形的標(biāo)準(zhǔn)光斑時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的駝峰現(xiàn)象；而使用DOE整形過的光束，能實(shí)現(xiàn)光滑的焊縫表面。中心光斑能量的缺失會(huì)導(dǎo)致焊接熔深減小。將功率增加到820W，可以實(shí)現(xiàn)完全熔透的穩(wěn)定焊接（見圖3b）?？傊?，相比于不整形時(shí)的最大焊接速度，用DOE整形后的最大焊接速度提高了55%。

圖3：（a）在功率690W、焊接速度70m/min的條件下，使用未整形的標(biāo)準(zhǔn)光斑和整形后的環(huán)形光斑，分別獲得的焊接結(jié)果；使用整形后的光束焊接，沒有看到明顯的駝峰缺陷，但是焊接的穿透能力不足。（b）將功率增加到820W、焊接速度依然為70m/min，使用未整形的標(biāo)準(zhǔn)光斑和整形后的環(huán)形光斑，分別獲得的焊接結(jié)果；使用整形后的環(huán)形光束能獲得較高的焊縫質(zhì)量，功率的增加也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的深熔焊。

工件吸收的總體能量越高，焊縫越寬。圖3a中，使用未整形的標(biāo)準(zhǔn)光斑時(shí)，焊縫寬度約為60μm，而使用整形后光斑的焊縫寬度為100μm。但是，與通過振蕩光束來減少駝峰的方法相比，光束整形方法帶來的焊縫寬度增加更小。

隨后，在一家汽車原始設(shè)備制造商指定的試驗(yàn)中，證實(shí)了DOE整形光束在改善雙極板箔片的高速焊接方面的適用性。汽車公司及其供應(yīng)商、系統(tǒng)制造商和研究機(jī)構(gòu)，需要為燃料電池汽車市場(chǎng)的爆發(fā)做好準(zhǔn)備。雙極板制造技術(shù)的早期研究和實(shí)施，對(duì)于技術(shù)可行性、投資和可擴(kuò)展性的初步評(píng)估至關(guān)重要。

光束整形是一項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，它有助于充分發(fā)揮激光與材料相互作用所提供的所有潛能。Blackbird、Scanlab和Holo/Or之間的聯(lián)合研究表明，傳統(tǒng)的單模激光器可以與特定工藝的光束整形方案結(jié)合使用，將工藝邊界拓展到更高的焊接速度。

當(dāng)然，雙極板焊接的工藝改進(jìn)并不限于光束整形。未來的工作將包括實(shí)施動(dòng)態(tài)焊接和多重疊掃描場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)更高的焊接速度。激光焊接是一種涉及諸多層面的技術(shù)，需要跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的不斷努力。