文/Thibault Bautze-Scherff，Daniel Reitemeyer，Natan Kaplan
汽車制造商正面臨向電動汽車市場快速轉型。這一發展要求集成新組件，同時要求創新的制造技術。
電動汽車的一個關鍵部件是其儲能單元——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部發電的方法。燃料電池利用氫氣和氧氣產生電流，同時也會產生熱量和水這兩種副產品。每個燃料電池由數百個雙極板組成，這些雙極板將膜電極組件隔開，并形成冷卻通道。雙極板本身由兩個焊接在一起的金屬板組成，每個金屬板的厚度為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。對于當前的應用而言，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，單個雙極板上會有1.5米甚至更長的焊縫。假設一個燃料電池中有200塊雙極板，燃料電池每年的產能為100萬塊，那么一條在生產線上每年要產生30萬公里的焊縫長度。這個數字比汽車行業的傳統激光焊接量要高出幾個數量級，這為雙極板的制造帶來了一個巨大挑戰：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能力。
克服焊接缺陷
基于掃描振鏡的遠程激光焊接，使用2D或3D掃描系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，并決定設計一套方案來解決這個問題。
高速焊接箔材時，最嚴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后側，會對焊縫中已經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，這會導致焊縫中形成一個個明顯的隆起，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，該方法涉及多個參數，包括：激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和熱傳導特性。首先，駝峰的形成得到了驗證。隨后，對熔池后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），其能產生一個中心光斑和一個同心環形光斑。通過調整這兩個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1：兩個衍射光學元件（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業知識，用于定義一對特定的DOE，從而將過程從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1:1.93。使用的激光源是IPG Photonics公司的單模激光器，能產生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濟型替代工件，進行無縫搭接焊。
系統試驗和結果
首先，通過調整兩個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。對于給定的設置，在400W激光功率下，最佳焊接速度為45m/min。
在第二次試驗中，通過調整兩個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。從試驗結果中觀察到兩個主要影響：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，這是因為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45m/min）；（b）使用DOE整形后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60m/min）。
最后，通過試驗證明在70m/min的焊接速度下，不會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產生嚴重的駝峰現象；而使用DOE整形過的光束，能實現光滑的焊縫表面。中心光斑能量的缺失會導致焊接熔深減小。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，相比于不整形時的最大焊接速度，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，使用未整形的標準光斑和整形后的環形光斑，分別獲得的焊接結果；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，使用未整形的標準光斑和整形后的環形光斑，分別獲得的焊接結果；使用整形后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，在一家汽車原始設備制造商指定的試驗中，證實了DOE整形光束在改善雙極板箔片的高速焊接方面的適用性。汽車公司及其供應商、系統制造商和研究機構，需要為燃料電池汽車市場的爆發做好準備。雙極板制造技術的早期研究和實施，對于技術可行性、投資和可擴展性的初步評估至關重要。
光束整形是一項相關技術，它有助于充分發揮激光與材料相互作用所提供的所有潛能。Blackbird、Scanlab和Holo/Or之間的聯合研究表明，傳統的單模激光器可以與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并不限于光束整形。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面的技術，需要跨學科團隊的不斷努力。
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