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

汽车制造商正面临向电动汽车市场快速转型。这一发展要求集成新组件，同时要求创新的制造技术。

电动汽车的一个关键部件是其储能单元——电池。电池可以由外部电源供电，或是使用发电设备供电。燃料电池技术是一种很有前途的在汽车内部发电的方法。燃料电池利用氢气和氧气产生电流，同时也会产生热量和水这两种副产品。每个燃料电池由数百个双极板组成，这些双极板将膜电极组件隔开，并形成冷却通道。双极板本身由两个焊接在一起的金属板组成，每个金属板的厚度为70~100μm。

在双极板的焊接中，对焊接质量有着非常明确的要求：冷却通道需要对氦气具有良好的气密性，焊接头要具备低电阻。为了将这种薄金属板无缺陷地焊接在一起，需要使用单模激光和适当的焊接光学元件，将非常小的光斑聚焦到工件上。对于当前的应用而言，已经有比较成熟的工艺参数设置；但是若要适应未来的应用需求，则必须要重新调整参数设置。

通常，单个双极板上会有1.5米甚至更长的焊缝。假设一个燃料电池中有200块双极板，燃料电池每年的产能为100万块，那么一条在生产线上每年要产生30万公里的焊缝长度。这个数字比汽车行业的传统激光焊接量要高出几个数量级，这为双极板的制造带来了一个巨大挑战：如何通过提高焊接速度和减少辅助工艺时间，以最大限度地提高生产能力。

克服焊接缺陷

基于扫描振镜的远程激光焊接，使用2D或3D扫描系统以给定角度偏转光束，能够实现远超过100m/min的焊接速度。但美中不足的是，焊接过程中的稳定性不尽人意：当焊接速度超过45~50m/min时，焊缝中就会出现无法容忍的缺陷，这导致扫描振镜和可用的激光功率无法充分发挥作用。Blackbird Robotersysteme公司及其姊妹公司Scanlab和Holo/Or发现了这一问题，并决定设计一套方案来解决这个问题。

高速焊接箔材时，最严重的焊接缺陷是驼峰效应（humping effect）。熔化的材料被喷射到熔池的后侧，会对焊缝中已经凝固的材料形成撞击。液相材料并不是沿表面均匀分布，而是由于其自身的表面张力而形成球形聚积，这会导致焊缝中形成一个个明显的隆起，就像驼峰一样。

这三家公司共同选择了一种科学的方法，通过有限元法（FEM）模拟驼峰的形成和预防，该方法涉及多个参数，包括：激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和热传导特性。首先，驼峰的形成得到了验证。随后，对熔池后端辅助热源的多种光束特性进行了评估。最终找到了一组参数，在这组参数下形成的温度场能够完全阻止驼峰效应。

Holo/Or Flexishaper光束整形器，包括一对衍射光学元件（DOE），其能产生一个中心光斑和一个同心环形光斑。通过调整这两个DOE之间的相对旋转角度，可以自由地调整中心光斑和环形光斑之间的空间功率分布（见图1）。环形光斑的直径等特性可以由DOE的设计预先确定。

图1：两个衍射光学元件（DOE）相对旋转不同的角度，在中心光斑和环形光斑之间形成的空间功率分布情况。

从有限元法以及扫描头和DOE的组合积分光学模拟中获得的专业知识，用于定义一对特定的DOE，从而将过程从模拟环境转移到真实环境中。DOE模块安装在2D intelliSCAN FT扫描振镜中，光学放大率为1:1.93。使用的激光源是IPG Photonics公司的单模激光器，能产生27μm的中心光斑。使用厚度为0.1mm的不锈钢箔片作为双极板的经济型替代工件，进行无缝搭接焊。

系统试验和结果

首先，通过调整两个DOE之间的相对角度，将所有功率都聚焦到中心光斑上，开始试验。要确定常规工艺的关键边界条件，需要进行如下试验：全熔透、部分熔透和焊接缺陷的出现，如何随应用的激光功率和焊接速度的变化而变化？图2a中以图形方式总结了试验结果。有两点值得注意：激光功率越高，速度越低，焊缝咬边缺陷和驼峰效应越弱。

随后，最佳工艺窗口由激光功率和速度的组合确定，速度使用允许的最大值。对于给定的设置，在400W激光功率下，最佳焊接速度为45m/min。

在第二次试验中，通过调整两个DOE之间的相对角度，对光束整形，出现环形光斑。在不同的激光功率和焊接速度的组合下，进行完全相同的试验。从试验结果中观察到两个主要影响：正如预期的那样，驼峰和咬边缺陷的发生转移到了更高的焊接速度下。与不使用DOE的焊接情况相比，在相同的激光功率和相同的焊接速度下，使用DOE后熔深减小了，这是因为聚焦到中心光斑的激光功率减少了。

如图2所示，在功率700W和60m/min的焊接速度下，获得了无缺陷的全熔透焊缝。

图2：（a）使用标准单模光斑实现的过程窗口和最大焊接速度（红十字标注的线，速度为45m/min）；（b）使用DOE整形后的光斑实现的过程窗口和最大焊接速度（红十字标注的线，速度为60m/min）。

最后，通过试验证明在70m/min的焊接速度下，不会出现明显的驼峰现象。图3a显示了使用和不使用DOE时，在690W功率下获得的初始结果。使用未经DOE整形的标准光斑时会产生严重的驼峰现象；而使用DOE整形过的光束，能实现光滑的焊缝表面。中心光斑能量的缺失会导致焊接熔深减小。将功率增加到820W，可以实现完全熔透的稳定焊接（见图3b）。总之，相比于不整形时的最大焊接速度，用DOE整形后的最大焊接速度提高了55%。

图3：（a）在功率690W、焊接速度70m/min的条件下，使用未整形的标准光斑和整形后的环形光斑，分别获得的焊接结果；使用整形后的光束焊接，没有看到明显的驼峰缺陷，但是焊接的穿透能力不足。（b）将功率增加到820W、焊接速度依然为70m/min，使用未整形的标准光斑和整形后的环形光斑，分别获得的焊接结果；使用整形后的环形光束能获得较高的焊缝质量，功率的增加也实现了稳定的深熔焊。

工件吸收的总体能量越高，焊缝越宽。图3a中，使用未整形的标准光斑时，焊缝宽度约为60μm，而使用整形后光斑的焊缝宽度为100μm。但是，与通过振荡光束来减少驼峰的方法相比，光束整形方法带来的焊缝宽度增加更小。

随后，在一家汽车原始设备制造商指定的试验中，证实了DOE整形光束在改善双极板箔片的高速焊接方面的适用性。汽车公司及其供应商、系统制造商和研究机构，需要为燃料电池汽车市场的爆发做好准备。双极板制造技术的早期研究和实施，对于技术可行性、投资和可扩展性的初步评估至关重要。

光束整形是一项相关技术，它有助于充分发挥激光与材料相互作用所提供的所有潜能。Blackbird、Scanlab和Holo/Or之间的联合研究表明，传统的单模激光器可以与特定工艺的光束整形方案结合使用，将工艺边界拓展到更高的焊接速度。

当然，双极板焊接的工艺改进并不限于光束整形。未来的工作将包括实施动态焊接和多重叠扫描场，以实现更高的焊接速度。激光焊接是一种涉及诸多层面的技术，需要跨学科团队的不断努力。