CN116901453A - 一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及激光焊接领域，公开了一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，包括以下步骤：焊接选用半导体连续激光器、夹具采用气缸压紧装置，在无尘的环境中，将质子交换膜、焊接膜和电极框依次叠加在一起并使用焊接夹具压紧，最后通过激光焊接。通过将质子交换膜、焊接膜和红外透明材料依次叠加在一起，焊接膜通过激光温度加热温度升高，激发焊接膜的黏性，使得电极框和质子交换膜融为一体，焊缝精密、牢固，不透气且不漏水，密封性能好，极大地减小了塑料电极框和质子交换膜在焊接过程中产生的振动应力和热应力，延长的使用寿命，并且加工效率高。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法。
背景技术
液流电池储能技术具有环境友好、功率和能量可独立调节等特点，在大规模储能系统中具有广阔的应用前景，目前已成功开发了全钒液流电池、铁铬液流电池和锌溴液流电池等技术，一套完整的液流电池储能系统，主要是由功率单元（电堆）、能量单元（电解液和电解液储罐）、电解液输送单元（管路、泵阀、传感器等）、电池管理系统等部分组成，其中功率单元决定系统功率的大小，而能量单元决定系统储能容量的大小两者相互独立，而构成电堆的基本单元是单电池，每个单电池由双极板、电极、电极框、质子交换膜等多个部件串联在一起，为了保证电解液不发生渗漏，要求以上所有部件相接触的边缘之间不能有空隙，是密封良好的。
质子交换膜是电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。全质子交换膜主要用氟磺酸型质子交换膜。
质子交换膜比较轻薄，目前质子交换膜和电极框的固定方式主要是点胶工艺，但是胶水固化时间较长，而且液流电池使用寿命长至15年—25年，因此对胶水长时性，耐久性要求较高，导致成本较高。
激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性进行工作，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，解决了点胶工艺，但是胶水固化时间较长，对胶水长时性，耐久性要求较高的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：激光器焊接系统的选择，根据塑料对激光的投射与反射特性以及不同激光器的光束特点，焊接选用半导体连续激光器，波长在808～980nm，激光器为半导体连续焊接设备，使用PC控制三维工作台，被焊接工件作X,Y方向运动，焊接头作Z方向运动。
步骤二：焊接夹具的选择，夹具采用气缸压紧装置，上部为透明聚碳酸酯（PC）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）压板，可90%以上透过激光，厚度为8～10mm，底部使用与产品底部形状相匹配的金属模具进行支撑，同时，气缸实施的压力可以进行调节，以适应不同材质、强度制品的装夹。
步骤三：在无尘的环境中，将质子交换膜、焊接膜和红外透明材料依次叠加在一起并使用焊接夹具压紧，红外透明材料在上，质子交换膜在下，焊接膜置于两者之间。
步骤四：激光焊接机发出红外激光，激光透过电极框的红外透明材料把能量集中在焊接膜上，焊接膜通过激光温度加热温度升高，熔化，激发焊接膜的黏性，使得电极框和质子交换膜融为一体。
步骤五：激光器能量为连续激光器，在焊接开始及结束位置设置渐进渐出，具体工作由激光器和工作台配合完成，焊接开始段工作台加速，此时的能量逐渐升高至设定值，焊接结束段或焊接过程中拐角处工作台会减速，此时能量会降低到一设定数值，以此来保证能量和速度的协调，工作台何时加速何时减速是由加速度决定的，加速度可通过工作台控制软件设定。
步骤六：冷却处理，关闭激光器，并保持焊接夹具的夹紧力，使焊接膜冷却并凝固。
优选的，所述步骤三之前可以将电极框、焊接膜和质子交换膜做脱脂去污处理，首先用三氯乙烯溶剂擦拭电极框、质子交换膜和焊接膜表面，脱脂处理后，放入处理液中浸渍，然后取出用冷水冲洗，蒸馏水洗净后晾干；
优选的，所述处理液的质量比为Na2Cr2O7:H2SO4：H2O=1.7:30:20,H2SO4含量98%处理液温度控制在65～70℃，浸渍时间为0.1～2min。
优选的，所述步骤三中焊接膜采用SBS高弹性橡胶数树脂，所述红外透明材料的透光率为30%以上，所述质子交换膜的透光率在5%以下。
优选的，所述步骤五中电极框与焊接膜之间的焊接功率2～50W、焊接速度为2～20mm/s。
优选的，所述步骤五中材料的焊接情况取决于到达焊接膜的激光束的能量，因此电极框光线透射率越高对焊接就越有利。
优选的，所述质子交换膜是全氟磺酸薄膜。
优选的，所述电极框的四周与质子交换膜的四周采用激光焊接进行密闭连接。
本发明提供了一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法。具备以下有益效果：
1、本发明通过将质子交换膜、焊接膜和电极框依次叠加在一起并使用焊接夹具压紧，电极框的在上，质子交换膜在下，焊接膜置于两者之间，激光焊接机发出红外激光，激光透过电极框的红外透明材料把能量集中在焊接膜上，焊接膜通过激光温度加热温度升高，熔化，激发焊接膜的黏性，使得电极框和质子交换膜融为一体；焊缝精密、牢固，不透气且不漏水，密封性能好。
2、本发明作为一种非接触焊接，焊件表面无损伤，具有灵活的操控性，通过计算机软件控制激光、光纤输出激光，可焊接尺寸较小或外形复杂的制品，极大地减小了塑料电极框和质子交换膜在焊接过程中产生的振动应力和热应力，延长塑料电极框和质子交换膜的使用寿命，并且加工效率高。
附图说明
图1为本发明的材质叠加顺序示意图；
图2为本发明的焊接后效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅附图1－附图2，本发明实施例提供一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：激光器焊接系统的选择，根据塑料对激光的投射与反射特性以及不同激光器的光束特点，焊接选用半导体连续激光器，波长在808～980nm，激光器为半导体连续焊接设备，使用PC控制三维工作台，被焊接工件作X,Y方向运动，焊接头作Z方向运动。
步骤二：焊接夹具的选择，夹具采用气缸压紧装置，上部为透明聚碳酸酯（PC）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）压板，可90%以上透过激光，厚度为8～10mm，底部使用与产品底部形状相匹配的金属模具进行支撑，同时，气缸实施的压力可以进行调节，以适应不同材质、强度制品的装夹。
步骤三：电极框由红外透明材料制成，将电极框、质子交换膜和焊接膜做脱脂去污处理，首先用三氯乙烯溶剂擦拭外电极框、质子交换膜和焊接膜表面，脱脂处理后，放入处理液中浸渍，然后取出用冷水冲洗，蒸馏水洗净后晾干；
焊接膜采用SBS高弹性橡胶数树脂，所述红外透明材料的透光率为30%以上。
步骤四：在无尘的环境中，将质子交换膜、焊接膜和红外透明材料依次叠加在一起并使用焊接夹具压紧，红外透明材料在上，质子交换膜在下，焊接膜置于两者之间。
步骤五：激光焊接机发出红外激光，激光透过电极框的红外透明材料把能量集中在焊接膜上，焊接膜通过激光温度加热温度升高，熔化，激发焊接膜的黏性，使得电极框和质子交换膜融为一体；
与金属焊接不同，塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好，焊接激光功率越大，塑料件上的热作用区就越大、越深，将导致材料过热、变形，甚至损坏，应该根据需要熔化的深度来选择激光功率；
电极框与焊接膜之间的焊接功率50W、焊接速度为20mm/s，材料的焊接情况取决于到达焊接膜的激光束的能量，因此光线透射率越高对焊接就越有利。
步骤六：激光器能量为连续激光器，在焊接开始及结束位置设置渐进渐出，具体工作由激光器和工作台配合完成，焊接开始段工作台加速，此时的能量逐渐升高至设定值，焊接结束段或焊接过程中拐角处工作台会减速，此时能量会降低到一设定数值，以此来保证能量和速度的协调，工作台何时加速何时减速是由加速度决定的，加速度可通过工作台控制软件设定。
步骤七：冷却处理，关闭激光器，并保持焊接夹具的夹紧力，使焊接膜冷却并凝固。
本实施例中的激光焊接系统软件与传统激光加工中的软件控制并没有什么不同，但由于塑料激光焊接中吸收剂的特殊作用，在使用轮廓焊接方式进行塑料焊接时，由于工作台的机械运动存在加、减速，因此容易在起始、首位以及拐角阶段造成塑料过烧的现象，因此需要软件和工作台控制进行一些匹配和协调。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：激光器焊接系统的选择，根据塑料对激光的投射与反射特性以及不同激光器的光束特点，焊接选用半导体连续激光器，波长在808～980nm，激光器为半导体连续焊接设备，使用PC控制三维工作台，被焊接工件作X,Y方向运动，焊接头作Z方向运动；
步骤二：焊接夹具的选择，夹具采用气缸压紧装置，上部为透明聚碳酸酯（PC）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）压板，可90%以上透过激光，厚度为8～10mm，底部使用与质子交换膜形状相匹配的金属模具进行支撑，同时，气缸实施的压力可以进行调节，以适应不同材质、强度制品的装夹；
步骤三：在无尘的环境中，将质子交换膜、焊接膜和电极框依次叠加在一起并使用焊接夹具压紧，电极框在上，质子交换膜在下，焊接膜置于两者之间，所述的电极框是有红外透明材料制成的；
步骤四：激光焊接机发出红外激光，激光透过电极框的红外透明材料把能量集中在焊接膜上，焊接膜通过激光温度加热温度升高，熔化，激发焊接膜的黏性，使得电极框和质子交换膜融为一体；
步骤五：激光器能量为连续激光器，在焊接开始及结束位置设置渐进渐出，具体工作由激光器和工作台配合完成，焊接开始段工作台加速，此时的能量逐渐升高至设定值，焊接结束段或焊接过程中拐角处工作台会减速，此时能量会降低到一设定数值，以此来保证能量和速度的协调，工作台何时加速何时减速是由加速度决定的，加速度可通过工作台控制软件设定；
步骤六：冷却处理，关闭激光器，并保持焊接夹具的夹紧力，使焊接膜冷却并凝固。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤三之前可以将电极框、焊接膜和质子交换膜做脱脂去污处理，首先用三氯乙烯溶剂擦拭电极框、质子交换膜和焊接膜表面，脱脂处理后，放入处理液中浸渍，然后取出用冷水冲洗，蒸馏水洗净后晾干。
3.根据权利要求2所述的一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于：所述处理液的质量比为Na2Cr2O7:H2SO4：H2O=1.7:30:20,H2SO4含量98%处理液温度控制在65～70℃，浸渍时间为1～2min。
4.根据权利要求1所述的一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤三中焊接膜采用SBS高弹性橡胶数树脂，所述红外透明材料的透光率为30%以上。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤五中电极框与焊接膜之间的焊接功率2～50W、焊接速度为2～20mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤五中材料的焊接情况取决于到达焊接膜的激光束的能量，因此光线透射率越高对焊接就越有利，所述质子交换膜是全氟磺酸薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种液流电池塑料电极框和质子交换膜的激光焊接方法，其特征在于：所述电极框的四周与质子交换膜电极框的四周采用激光焊接进行密闭连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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