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CN108637476B - 燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置及加工方法 - Google Patents

燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，包括焊接机架、焊接底座、焊接辅助盖板、焊接盖板和焊接固定板；焊接机架上设有导向输送装置，将放置在焊接底座上的双极板导向输送到焊接机架上的待焊接位置的下方；待焊接位置的下方设有升降装置，升降装置与焊接辅助盖板相配合来提供焊接路径外侧的机械夹持；焊接底座上设有第一电磁力发生装置，第一电磁力发生装置电磁吸附焊接盖板上的第一磁铁对焊接路径内侧电磁吸附夹持。本发明将传统双极板“一底板、两盖板”的夹持简化为“一底板、一盖板”夹持，同时将金属双极板“两次装夹、两次焊接”的工艺简化为“一次装夹、一步焊接”，实现了金属双极板一体化、高效率焊接制备。

Description

燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置及加工方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置及加工方法。
背景技术
燃料电池通过氢气与氧气发生电化学反应产生电能，最终产物是水，是当下无污染、零排放新能源构成的重要一环。与此同时，由于体积、质量限制，金属双极板正逐步取代石墨极板，承载氢气、氧气以及冷却液。现有金属双极板主要将阳极极板与阴极极板通过激光焊接的方式连接在一起，形成“两板三场”的结构。
为了实现金属双极板的激光焊接，需要焊接底板与焊接盖板相互配合，通过上压料筋1'和下压料筋3'压紧待焊接区域的两块金属薄板2'，然后激光4'由金属薄板2'上方的上盖板的狭缝中引入，完成双极板的连接，如图1中所示。但是为了有效的隔绝氢气场、氧气场以及冷却场，封闭式焊接路径5'是封闭的，如图2所示。封闭的焊接路线导致一块焊接上盖板无法承载所有焊接特征，因此，实际焊接过程中需要有两块焊接上盖板配合，如图3中所示，第一焊接上盖板6'和第二焊接上盖板7'将连续的焊接路线分段，并经过两次装夹完成一副金属双极板的激光焊接制备。由于焊接夹具的限制，使得现有金属双极板的焊接工艺复杂且效率低下，重复装夹也极易对金属双极板的表面质量带来影响，因此，该传统焊接工艺及设备无法满足燃料电池金属双极板大批量的制备要求。经过对现有技术的文献检索，发现针对金属双极板激光焊接一体化、高效率装夹装置及方法的研究报道极少，需要专门设计。
发明内容
本发明针对上述问题，提供燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置及加工方法。传统分布式激光焊接方案需要由两套焊接上盖板与焊接底座配合而成，并且一副金属双极板的激光焊接制备需要经过两次人工装夹来完成，无法满足燃料电池金属双极板大批量制备的需求。本发明通过电磁吸附将焊接上盖板的离散特征融合成一体，通过一次装夹完成焊接路径的整体固定，简化分步式焊接工艺为一步式焊接工艺，实现燃料电池双极板激光焊接的高效率制备。
本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置，包括焊接机架、焊接底座、焊接辅助盖板、焊接盖板和焊接固定板；所述焊接机架上设有导向输送装置，所述导向输送装置将放置在焊接底座上的双极板导向输送到焊接机架上的待焊接位置的下方；所述待焊接位置的下方设有升降装置，所述升降装置升起焊接底座至待焊接位置，升降装置与固定于焊接机架上的焊接辅助盖板相配合，来提供对双极板上的焊接路径外侧的机械夹持；所述焊接底座上设有第一电磁力发生装置，所述焊接盖板设置于待焊接位置的上方，焊接盖板上设有与第一电磁力发生装置相配合的第一磁铁，第一电磁力发生装置电磁吸附第一磁铁，使得焊接盖板固定于焊接辅助盖板上相匹配的孔内，从而提供对双极板上的焊接路径内侧的电磁吸附夹持；所述焊接固定板可转动地安装于焊接机架上且位于待焊接位置的旁侧，焊接固定板上设有第二电磁力发生装置，焊接盖板上设有与第二电磁力发生装置相配合的第二磁铁，第二电磁力发生装置电磁吸附第二磁铁，使得焊接盖板固定于焊接固定板上，从而提供对焊接盖板的电磁吸附夹持。
优选地，所述焊接底座上设有用于定位双极板轮廓的定位特征。
优选地，所述导向输送装置为动力导向轮。
优选地，所述升降装置为活塞杆竖直向上设置的电动缸或气缸。
优选地，所述焊接底座上开设有与第一磁铁相配合的第一凹坑，通过第一磁铁和第一凹坑相配合实现对焊接盖板的定位。进一步地，所述第一磁铁和第一凹坑均呈楔形。
优选地，所述焊接固定板上开设有与第二磁铁相配合的第二凹坑，通过第二磁铁和第二凹坑相配合实现对焊接盖板的定位。进一步地，所述第二磁铁和第二凹坑均呈楔形。
还提供一种燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置的加工方法，包括以下步骤：
（1）根据双极板的结构及双极板上要焊接的焊接路径，生成相匹配的焊接底座、焊接辅助盖板、焊接盖板以及焊接固定板的形面特征；
（2）将双极板定位至位于上料位置的焊接底座上，焊接底座和双极板经由焊接机架上的导向输送装置送至待焊接位置的下方，升降装置将焊接底座和双极板提升至待焊接位置，使焊接底座抵于焊接辅助盖板上，此时焊接底座上的第一电磁力发生装置的电磁吸附断开；
（3）焊接固定板翻转，使电磁吸附固定于焊接固定板上的焊接盖板同步翻转至待焊接位置的正上方，然后焊接固定板切断第二电磁力发生装置的电磁吸附而释放焊接盖板，焊接底座通过恢复第一电磁力发生装置的电磁吸附而固定焊接盖板，待激光通过焊接盖板来对双极板激光焊接；
（4）完成对双极板的激光焊接后，焊接底座通过切断第一电磁力发生装置的电磁吸附而释放焊接盖板，焊接固定板恢复第二电磁力发生装置的电磁吸附而固定焊接盖板，双极板和焊接底座再通过导向输送装置运动至下料位置。
优选地，所述步骤（2）中，当导向输送装置将焊接底座和双极板正好送至待焊接位置的下方时，导向输送装置停止动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明采用基于电磁吸附将分散的焊接夹持特征融合为一体，对焊接路径外侧电磁吸附夹持，对焊接路径内侧电磁吸附夹持，从而实现金属双极板一体化焊接夹持，有效简化了传统激光焊接夹持的工序；
2、部件上的焊接夹持特征能根据金属双极板构型变化而设计，可以满足多品种的燃料电池金属双极板的激光焊接夹持方案；
3、双极板由进料到完成激光焊接制备过程中由机构实现全自动流转，有别于传统人工装夹的随意性及不确定性，保证了激光制备的效率及质量；
4、能够在一次激光焊接制备中高效、高质完成燃料电池金属双极板封闭焊接路径的制备，为燃料电池金属双极板大批量激光制备提供了一种切实可行的方法。
附图说明
图1为传统燃料电池金属双极板焊接工艺中激光焊接金属薄板的装夹示意图。
图2为传统燃料电池金属双极板焊接工艺中双极板上的封闭式焊接路径示意图。
图3为传统燃料电池金属双极板焊接工艺中采用两块焊接上盖板并分步装夹完成激光焊接的示意图。
图4为本发明实施例1的整体结构示意图。
图5为本发明实施例1的侧面结构示意图。
图6为本发明实施例1中双极板定位于焊接底座上的示意图。
图7为本发明实施例1中焊接盖板固定于焊接固定板上的示意图。
图8为本发明实施例1中激光焊接夹持机构的一结构示意图。
图9为本发明实施例1中激光焊接夹持机构的另一结构示意图。
图10为本发明实施例1中机械夹持和电磁吸附夹持的局部示意图。
图11为本发明实施例2的整体结构示意图。
图中部件标号如下：
1'上压料筋、2'金属薄板、3'下压料筋、4'封闭式焊接路径、5'第一焊接上盖板、6'第二焊接上盖板；
1焊接机架、2焊接底座、3焊接辅助盖板、4焊接盖板、5焊接固定板、6双极板、7动力导向轮、8外定位特征、9电动缸、10固定螺栓、11第一电磁力发生装置、12第一磁铁、13第一凹坑、14第二电磁力发生装置、15第二磁铁、16第二凹坑、17焊接连续机架。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。
实施例1
参见图1，一种燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置，其总体布局如图4所示，其局部结构见图5至图10。具体来说，该夹持装置包括焊接机架1、焊接底座2、焊接辅助盖板3、焊接盖板4和焊接固定板5。其中，主要由焊接机架1和焊接底座2配合构成双极板6的上下料机构，主要由焊接机架1、焊接底座2、焊接辅助盖板3以及焊接盖板4配合构成激光焊接夹持机构；主要由焊接盖板4和焊接固定板5配合构成焊接部件自定位机构。
上下料机构：所述焊接机架1上的左右两侧分别安装有一排动力导向轮7，两排动力导向轮7上面设置焊接底座2，两排动力导向轮7前后导向且驱动焊接底座2前后移动；焊接底座2的下表面两侧置于两排动力导向轮7上，焊接底座2的上表面上形成外定位特征8，用于定位待激光焊接或焊接好的双极板6，具体地，由于双极板6呈矩形板状，外定位特征8为两个呈对角布置的L型凸起，参见图6；所述动力导向轮7的后部上方为待焊接位置，待焊接位置的正下方设置安装于焊接机架1上的电动缸9（或气缸），电动缸9的输出杆竖直向上设置。以双极板6上料为例说明，待激光焊接的双极板6通过外定位特征8放置于位于上料位置的焊接底座2上，动力导向轮7将焊接底座2和双极板6从前往后地传送至待焊接位置的下方，电动缸9竖直向上动作而将焊接底座2和双极板6提升至待焊接位置，等待后续激光焊接夹持机构的夹持。在具体实施时，焊接机架1上的上料位置设有用于挡住焊接底座2的挡块17，防止焊接底座2从焊接机架1上脱出。
激光焊接夹持机构：所述焊接辅助盖板3通过固定螺栓10固定于焊接机架1上的待焊接位置，焊接辅助盖板3上居中开有孔，所述孔与焊接盖板4的大小相匹配，参见图4，焊接辅助盖板3的下表面与电动缸9的输出杆端部相配合来夹持焊接底座2，实现对双极板6封闭式焊接路径的外侧机械夹持，参见图9和参见图10的左侧矩形虚线框；焊接底座2的下表面安装有第一电磁力发生装置11，所述待焊接位置的上方设置焊接盖板4，焊接盖板4的下表面连接有凸起的第一磁铁12，第一电磁力发生装置11产生电磁力来吸附第一磁铁12，实现对双极板6上待焊接处的内侧电磁吸附夹持，参见图10的右侧矩形虚线框，所述焊接底座2的上表面开设有与第一磁铁12相配合的第一凹坑13，通过第一磁铁12和第一凹坑13相配合实现对焊接盖板4的定位，参见图10。
焊接部件自定位机构：参见图6至图8，所述焊接固定板5安装于待焊接位置的后上方，焊接固定板5的一边安装于焊接机架1上，并且焊接固定板5以该边为轴而可前后翻转，所述焊接固定板5的背离焊接盖板4的面上安装有第二电磁力发生装置14，所述焊接盖板4的上表面连接有凸起的第二磁铁15，第二电磁力发生装置14产生电磁力来吸附第二磁铁15；所述焊接固定板5的靠近焊接盖板4的面上开设有与第二磁铁15相配合的第二凹坑16，通过第二磁铁15和第二凹坑16相配合实现对焊接盖板4的定位，为下道次焊接夹持做准备。
需要说明的是，焊接盖板4采用镶拼式结构设计，本实施例中的焊接盖板4上集成了现有第一焊接上盖板6'和第二焊接上盖板7'上的焊接路径，可以通过此焊接盖板4在双极板6上焊接出封闭式焊接路径5'，可以参见图2和图3。
上述燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置的加工方法，包括以下步骤：
（1）根据双极板6的结构及双极板上要焊接的焊接路径，生成相匹配的焊接底座2、焊接辅助盖板3、焊接盖板4以及焊接固定板5的形面特征；
（2）将双极板6定位至位于上料位置的焊接底座2上，焊接底座2和双极板6经由焊接机架1上的动力导向轮7送至待焊接位置的下方，电动缸9将焊接底座2和双极板6提升至待焊接位置，使焊接底座2抵于焊接辅助盖板3的下表面，此时焊接底座2上的第一电磁力发生装置11的电磁吸附断开；
（3）焊接固定板5翻转，使电磁吸附固定于焊接固定板5上的焊接盖板4同步翻转至待焊接位置的正上方，焊接固定板5通过切断第二电磁力发生装置14的电磁吸附而释放焊接盖板4，焊接底座2通过恢复第一电磁力发生装置11的电磁吸附而固定焊接盖板4，待激光通过焊接盖板来对双极板6激光焊接；
（4）完成对双极板6的激光焊接后，焊接底座2通过切断第一电磁力发生装置11的电磁吸附而释放焊接盖板4，焊接固定板5恢复第二电磁力发生装置14的电磁吸附而固定焊接盖板4，双极板6和焊接底座2再通过动力导向轮7运动至下料位置，完成一次激光焊接制备。
其中，步骤（2）中，当动力导向轮7将焊接底座2和双极板6正好送至待焊接位置的下方时，动力导向轮7停止动作。
本发明涉及的激光焊接夹持装置针对多种类金属双极板6，只需要针对焊接底座2、焊接辅助盖板3、焊接盖板4以及焊接固定板5的形面特征进行修改即可。
实施例2
参见图11，燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置应用于焊接流水线上，与上述实施例区别之处在于，其还包括焊接连续机架18，焊接连续机架18采用两侧设置动力导向轮7来导向输送多块焊接底座2和焊接底座2上的双极板6。本发明的焊接机架1上的上料位置和下料位置接入于焊接连续机架18上而构成完整的焊接流水线，焊接机架1上的动力导向轮7与焊接连续机架18上的动力导向轮7相配合来一起输送焊接底座2和双极板6。具体地，焊接流水线呈环状布置，焊接底座2和双极板6可以在焊接流水线上循环输送，整个焊接流水线节省了占地空间，提高了生产效率。
应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (7)

1.一种燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，其特征在于，包括焊接机架、焊接底座、焊接辅助盖板、焊接盖板和焊接固定板；
所述焊接机架上设有导向输送装置，所述导向输送装置将放置在焊接底座上的双极板导向输送到焊接机架上的待焊接位置的下方；
所述待焊接位置的下方设有升降装置，所述升降装置升起焊接底座至待焊接位置，升降装置与固定于焊接机架上的焊接辅助盖板相配合，来提供对双极板上的焊接路径外侧的机械夹持；
所述焊接底座上设有第一电磁力发生装置，所述焊接盖板设置于待焊接位置的上方，焊接盖板上设有与第一电磁力发生装置相配合的第一磁铁，第一电磁力发生装置电磁吸附第一磁铁，使得焊接盖板分别固定于焊接辅助盖板上相匹配的孔内，从而提供对双极板上的焊接路径内侧的电磁吸附夹持；
所述焊接固定板可转动地安装于焊接机架上且位于待焊接位置的旁侧，焊接固定板上设有第二电磁力发生装置，焊接盖板上设有与第二电磁力发生装置相配合的第二磁铁，第二电磁力发生装置电磁吸附第二磁铁，使得焊接盖板固定于焊接固定板上，从而提供对焊接盖板的电磁吸附夹持；
其中，所述焊接底座上设有用于定位双极板轮廓的定位特征；所述导向输送装置为动力导向轮；所述升降装置为活塞杆竖直向上设置的电动缸或气缸。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，其特征在于，所述焊接底座上开设有与第一磁铁相配合的第一凹坑，通过第一磁铁和第一凹坑相配合实现对焊接盖板的定位。
3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，其特征在于，所述第一磁铁和第一凹坑均呈楔形。
4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，其特征在于，所述焊接固定板上开设有与第二磁铁相配合的第二凹坑，通过第二磁铁和第二凹坑相配合实现对焊接盖板的定位。
5.根据权利要求4所述的燃料电池双极板的激光焊接电磁吸附夹持装置，其特征在于，所述第二磁铁和第二凹坑均呈楔形。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据双极板的结构及双极板上要焊接的焊接路径，生成相匹配的焊接底座、焊接辅助盖板、焊接盖板以及焊接固定板的形面特征；
（2）将双极板定位至位于上料位置的焊接底座上，焊接底座和双极板经由焊接机架上的导向输送装置送至待焊接位置的下方，升降装置将焊接底座和双极板提升至待焊接位置，使焊接底座抵于焊接辅助盖板上，此时焊接底座上的第一电磁力发生装置的电磁吸附断开；
（3）焊接固定板翻转，使电磁吸附固定于焊接固定板上的焊接盖板同步翻转至待焊接位置的正上方，然后焊接固定板切断第二电磁力发生装置的电磁吸附而释放焊接盖板，焊接底座通过恢复第一电磁力发生装置的电磁吸附而固定焊接盖板，待激光通过焊接盖板来对双极板激光焊接；
（4）完成对双极板的激光焊接后，焊接底座通过切断第一电磁力发生装置的电磁吸附而释放焊接盖板，焊接固定板恢复第二电磁力发生装置的电磁吸附而固定焊接盖板，双极板和焊接底座再通过导向输送装置运动至下料位置。
7.一种根据权利要求6所述的燃料电池双极板激光焊接电磁吸附夹持装置的加工方法，其特征在于，所述步骤（2）中，当导向输送装置将焊接底座和双极板正好送至待焊接位置的下方时，导向输送装置停止动作。
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