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

汽車製造商正麵臨(lin) 向電動汽車市場快速轉型。這一發展要求集成新組件，同時要求創新的製造技術。

電動汽車的一個(ge) 關(guan) 鍵部件是其儲(chu) 能單元——電池。電池可以由外部電源供電，或是使用發電設備供電。燃料電池技術是一種很有前途的在汽車內(nei) 部發電的方法。燃料電池利用氫氣和氧氣產(chan) 生電流，同時也會(hui) 產(chan) 生熱量和水這兩(liang) 種副產(chan) 品。每個(ge) 燃料電池由數百個(ge) 雙極板組成，這些雙極板將膜電極組件隔開，並形成冷卻通道。雙極板本身由兩(liang) 個(ge) 焊接在一起的金屬板組成，每個(ge) 金屬板的厚度為(wei) 70~100μm。

在雙極板的焊接中，對焊接質量有著非常明確的要求：冷卻通道需要對氦氣具有良好的氣密性，焊接頭要具備低電阻。為(wei) 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的焊接光學元件，將非常小的光斑聚焦到工件上。對於(yu) 當前的應用而言，已經有比較成熟的工藝參數設置；但是若要適應未來的應用需求，則必須要重新調整參數設置。

通常，單個(ge) 雙極板上會(hui) 有1.5米甚至更長的焊縫。假設一個(ge) 燃料電池中有200塊雙極板，燃料電池每年的產(chan) 能為(wei) 100萬(wan) 塊，那麽(me) 一條在生產(chan) 線上每年要產(chan) 生30萬(wan) 公裏的焊縫長度。這個(ge) 數字比汽車行業(ye) 的傳(chuan) 統激光焊接量要高出幾個(ge) 數量級，這為(wei) 雙極板的製造帶來了一個(ge) 巨大挑戰：如何通過提高焊接速度和減少輔助工藝時間，以最大限度地提高生產(chan) 能力。

克服焊接缺陷

基於(yu) 掃描振鏡的遠程激光焊接，使用2D或3D掃描係統以給定角度偏轉光束，能夠實現遠超過100m/min的焊接速度。但美中不足的是，焊接過程中的穩定性不盡人意：當焊接速度超過45~50m/min時，焊縫中就會(hui) 出現無法容忍的缺陷，這導致掃描振鏡和可用的激光功率無法充分發揮作用。Blackbird Robotersysteme公司及其姊妹公司Scanlab和Holo/Or發現了這一問題，並決(jue) 定設計一套方案來解決(jue) 這個(ge) 問題。

高速焊接箔材時，最嚴(yan) 重的焊接缺陷是駝峰效應（humping effect）。熔化的材料被噴射到熔池的後側(ce) ，會(hui) 對焊縫中已經凝固的材料形成撞擊。液相材料並不是沿表麵均勻分布，而是由於(yu) 其自身的表麵張力而形成球形聚積，這會(hui) 導致焊縫中形成一個(ge) 個(ge) 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的方法，通過有限元法（FEM）模擬駝峰的形成和預防，該方法涉及多個(ge) 參數，包括：激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和熱傳(chuan) 導特性。首先，駝峰的形成得到了驗證。隨後，對熔池後端輔助熱源的多種光束特性進行了評估。最終找到了一組參數，在這組參數下形成的溫度場能夠完全阻止駝峰效應。

Holo/Or Flexishaper光束整形器，包括一對衍射光學元件（DOE），其能產(chan) 生一個(ge) 中心光斑和一個(ge) 同心環形光斑。通過調整這兩(liang) 個(ge) DOE之間的相對旋轉角度，可以自由地調整中心光斑和環形光斑之間的空間功率分布（見圖1）。環形光斑的直徑等特性可以由DOE的設計預先確定。

圖1：兩(liang) 個(ge) 衍射光學元件（DOE）相對旋轉不同的角度，在中心光斑和環形光斑之間形成的空間功率分布情況。

從(cong) 有限元法以及掃描頭和DOE的組合積分光學模擬中獲得的專(zhuan) 業(ye) 知識，用於(yu) 定義(yi) 一對特定的DOE，從(cong) 而將過程從(cong) 模擬環境轉移到真實環境中。DOE模塊安裝在2D intelliSCAN FT掃描振鏡中，光學放大率為(wei) 1:1.93。使用的激光源是IPG Photonics公司的單模激光器，能產(chan) 生27μm的中心光斑。使用厚度為(wei) 0.1mm的不鏽鋼箔片作為(wei) 雙極板的經濟型替代工件，進行無縫搭接焊。

係統試驗和結果

首先，通過調整兩(liang) 個(ge) DOE之間的相對角度，將所有功率都聚焦到中心光斑上，開始試驗。要確定常規工藝的關(guan) 鍵邊界條件，需要進行如下試驗：全熔透、部分熔透和焊接缺陷的出現，如何隨應用的激光功率和焊接速度的變化而變化？圖2a中以圖形方式總結了試驗結果。有兩(liang) 點值得注意：激光功率越高，速度越低，焊縫咬邊缺陷和駝峰效應越弱。

隨後，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。對於(yu) 給定的設置，在400W激光功率下，最佳焊接速度為(wei) 45m/min。

在第二次試驗中，通過調整兩(liang) 個(ge) DOE之間的相對角度，對光束整形，出現環形光斑。在不同的激光功率和焊接速度的組合下，進行完全相同的試驗。從(cong) 試驗結果中觀察到兩(liang) 個(ge) 主要影響：正如預期的那樣，駝峰和咬邊缺陷的發生轉移到了更高的焊接速度下。與(yu) 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後熔深減小了，這是因為(wei) 聚焦到中心光斑的激光功率減少了。

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）使用標準單模光斑實現的過程窗口和最大焊接速度（紅十字標注的線，速度為(wei) 45m/min）；（b）使用DOE整形後的光斑實現的過程窗口和最大焊接速度（紅十字標注的線，速度為(wei) 60m/min）。

最後，通過試驗證明在70m/min的焊接速度下，不會(hui) 出現明顯的駝峰現象。圖3a顯示了使用和不使用DOE時，在690W功率下獲得的初始結果。使用未經DOE整形的標準光斑時會(hui) 產(chan) 生嚴(yan) 重的駝峰現象；而使用DOE整形過的光束，能實現光滑的焊縫表麵。中心光斑能量的缺失會(hui) 導致焊接熔深減小。將功率增加到820W，可以實現完全熔透的穩定焊接（見圖3b）。總之，相比於(yu) 不整形時的最大焊接速度，用DOE整形後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，使用未整形的標準光斑和整形後的環形光斑，分別獲得的焊接結果；使用整形後的光束焊接，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(wei) 70m/min，使用未整形的標準光斑和整形後的環形光斑，分別獲得的焊接結果；使用整形後的環形光束能獲得較高的焊縫質量，功率的增加也實現了穩定的深熔焊。

工件吸收的總體(ti) 能量越高，焊縫越寬。圖3a中，使用未整形的標準光斑時，焊縫寬度約為(wei) 60μm，而使用整形後光斑的焊縫寬度為(wei) 100μm。但是，與(yu) 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。

隨後，在一家汽車原始設備製造商指定的試驗中，證實了DOE整形光束在改善雙極板箔片的高速焊接方麵的適用性。汽車公司及其供應商、係統製造商和研究機構，需要為(wei) 燃料電池汽車市場的爆發做好準備。雙極板製造技術的早期研究和實施，對於(yu) 技術可行性、投資和可擴展性的初步評估至關(guan) 重要。

光束整形是一項相關(guan) 技術，它有助於(yu) 充分發揮激光與(yu) 材料相互作用所提供的所有潛能。Blackbird、Scanlab和Holo/Or之間的聯合研究表明，傳(chuan) 統的單模激光器可以與(yu) 特定工藝的光束整形方案結合使用，將工藝邊界拓展到更高的焊接速度。

當然，雙極板焊接的工藝改進並不限於(yu) 光束整形。未來的工作將包括實施動態焊接和多重疊掃描場，以實現更高的焊接速度。激光焊接是一種涉及諸多層麵的技術，需要跨學科團隊的不斷努力。