一种用于燃料电池金属双极板保护气焊工装及其工艺方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池金属双极板保护气焊工装及其工艺方法。

背景技术：

燃料电池通过氢氧燃料进行化学反应生成电子进而产生电能，其关键零部件包括金属双极板、膜电极等。由于氢氧反应最终产物是水，燃料电池技术可以实现无污染、零排放，已经成为目前国际广泛关注的新能源技术。与此同时，金属双极板由于其体积小、质量轻等优点正逐步取代石墨极板。

目前以焊接方式进行金属双极板的制备是比较常见的工艺方法，由于焊接过程中金属极板焊接区域表面暴露在空气中，极板表面会出现氧化现象，影响焊接表面质量。同时，在焊接过程中由于热量的输入，极板焊接区域表面会出现热变形，影响后续电堆的装配与使用。针对由焊接工艺带来的加工问题，设计一种保护气焊工装尤为重要。

气体保护气焊工装其优点在于结构简单、加工方便，使用的保护气范围较广，气体通入工装后可以吹出内部空气，为极板焊接区域提供冷却，能够有效的解决金属双极板在焊接过程中的氧化问题以及热变形问题，同时保护气焊工装上设计有定位结构以及压紧结构，保证极板在焊接过程中能够保持相对位置不发生变化，极板间的相互接触也可以更为紧密，提高焊接的质量。

现有技术中，申请号为cn201810812190的发明专利公开了一种燃料电池金属双极板焊接夹具方案，该方案将极板放置在仿形板上并使用电磁铁吸附极板，使极板紧密接触。该工装装置结构相对复杂，成本相对较高，且电磁铁非对称分布，极板受到一侧的吸力易变形，吸附力的大小需进行定期检查，不能对极板在焊接过程中的热变形进行防护。保护气气焊工装上、下固定板两侧都设计有夹紧结构，保证极板受力平衡，夹紧力可以满足极板能够紧密接触的需求，夹紧结构形状只需保持与焊接区域一致即可，方便加工，保护气的通入不仅可以减少极板表面氧化，同时也可提供冷却，减小极板热变形，提高焊接质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于燃料电池金属双极板保护气焊工装及其工艺方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于燃料电池金属双极板保护气焊工装，其特征在于，它包括上下依次设置的上固定板、金属极板和下固定板，所述上固定板、金属极板和下固定板沿左右方向的长度以及沿前后方向的宽度一致，所述上固定板的左右两侧设有两个保护气腔，所述保护气腔贯穿上固定板的上下两端，所述保护气腔左右对称设置，所述上固定板左右两端的外缘设有若干个进气口，所述进气口于上固定板的上端开口，所述进气口的下端与保护气腔通过气管连通，每一进气口对应设有一快插头，所述快插头安装于进气口的上部，快插头用于连接所述工装与保护气瓶，所述上固定板、金属极板和下固定板的四个角通过定位销钉连接，所述上固定板、金属极板和下固定板通过定位销钉以及外部夹持结构紧固，所述上固定板下端的左右两侧和下固定板上端的左右两侧设有相配合的内部夹紧结构，所述金属极板的左右两侧设有镂空，所述内部夹紧结构穿过镂空设置。

进一步地，所述外部夹持结构为肘夹式结构。

进一步地，所述保护气腔包括第一横向槽、第二横向槽、第一倾斜槽、第二倾斜槽和纵向槽，所述第一横向槽和第二横向槽前后依次设置且相互平行，所述第一横向槽的外端与第一倾斜槽的一端连接，所述第二横向槽的外端与第二倾斜槽的一端连接，所述第一倾斜槽与第二倾斜槽由一端至另一端倾斜向外侧延伸，所述第一倾斜槽和第二倾斜槽相向倾斜延伸且对称设置，所述第一倾斜槽的另一端和第二倾斜槽的另一端之间通过纵向槽连接。

进一步地，所述保护气腔还包括前后依次设置的第一支线槽和第二支线槽，所述第一支线槽和第二支线槽的一端与纵向槽的内侧连通，所述第一支线槽由一端至另一端倾斜向后设置，所述第二支线槽由一端至另一端倾斜向前设置。

进一步地，所述进气口为圆形口。

进一步地，所述内部夹紧结构为上下交错设置且多排平行的加强筋或凸条，使得上固定板和下固定板之间的凹凸部分互相嵌入。

进一步地，所述内部夹紧结构的外侧设有密封圈，所述密封圈固定于下固定板的上端，所述密封圈沿下固定板的外侧呈方框状布置。

进一步地，它还包括盖板，所述盖板位于上固定板的上端，所述盖板的左右两侧遮盖保护气腔，所述盖板的长度短于上固定板的长度。

进一步地，所述上固定板和下固定板的前后两侧设有若干个排气口，所述排气口与保护气腔连通。

一种采用如上所述工装的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据金属双极板板型及焊接区域分布，选择合适的焊接工装；

（2）将工装的下固定板放置焊接设备工作台上，将金属极板平放至下固定板的上表面，用内部夹紧结构配合镂空完成定位；

（3）完成金属极板初步的放置与定位后，将上固定板放置金属极板上表面，上固定板和下固定板通过定位销进行定位，并将工装的进气口与保护气瓶管路相连；

（4）使用外部夹紧结构对上固定板、金属极板和下固定板进行夹紧，运行焊接设备进行焊接，焊接过程通入合适气量的保护气，对金属极板表面进行保护并提供冷却；

（5）完成金属极板焊接过程后，关闭保护气的供给，打开外部夹紧结构并缓慢拉起上固定板，将金属极板取出进行下一副极板的焊接。

本发明提出的气体保护气焊工装，金属极板通过定位结构与工装上、下固定板进行精确定位，工装包含有与极板焊接区域相匹配的保护气腔，其外部设计有用于夹持固定板，保持其位置稳固的夹持结构，内部设计有形状与焊接路径完全相同的夹紧结构，保证极板可以保持紧密接触，避免虚焊，另外工装上设计有进气口，便于保护气瓶与工装连接，该工艺方法在不影响焊接效率的情况下能极大改善极板氧化问题以及热变形问题，提高金属极板焊接质量。

附图说明

图1为本发明实施例1气体保护气焊工装的总体布局示意图；

图2为本发明实施例1骨架支撑机构布局示意图；

图3为本发明实施例1保护机构布局布局示意图；

图4为本发明实施例1紧固机构布局布局示意图；

图5为本发明实施例1进气机构布局布局示意图；

图6为本发明实施例2气体保护气焊工装的总体布局示意图。

附图标记：

1上固定板、2下固定板、3保护气腔、4进气口、5外部夹持结构、

6内部夹紧结构、7定位销、8金属极板、9快插头、10限位块、

11排气口、12密封圈、13盖板、14限位槽、15镂空；

31第一横向槽、32第一倾斜槽、33纵向槽、34第二倾斜槽、35第二横向槽、

36第一支线槽、37第二支线槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本发明公开了一种用于燃料电池金属双极板保护气焊工装，其特征在于，如图1所示，它包括上下依次设置的上固定板1、金属极板8和下固定板2，所述上固定板1、金属极板8和下固定板2沿左右方向的长度以及沿前后方向的宽度一致，所述上固定板1的左右两侧设有两个保护气腔3，所述保护气腔3贯穿上固定板1的上下两端，所述保护气腔3左右对称设置，所述上固定板1左右两端的外缘设有若干个进气口4，所述进气口4于上固定板1的上端开口，所述进气口4的下端与保护气腔3通过气管连通，进气口4部分可采用多种进气形式，包括但不限于圆形、方形、三角形等进口形状，连接方式包括但不限于快插式连接、两端螺纹连接、卡箍式连接，具体实施时，所述进气口4优选为快插式的圆形口。

如图1和图2所示，每一所述进气口4对应设有一快插头9，所述快插头9安装于进气口4的上部，快插头9用于连接所述工装与保护气瓶，所述上固定板1、金属极板8和下固定板2的四个角通过定位销7钉连接，所述上固定板1、金属极板8和下固定板2通过定位销7钉以及外部夹持结构5紧固，具体实施时，所述上固定板1和下固定板2之间的固定方式可做调整，定位方式包括不限于定位销7定位、限位定位、凹凸结构配合定位等，定位位置可选择对角式定位、四角式定位、侧边定位等。

所述外部夹持结构5用于夹持上、下固定板2，夹持方式包括但不限于肘夹式、气动式、液压式、电动式、螺栓紧固式、外物压紧式等，夹持位置包括但不限于两端夹持、四周夹持、表面夹持、点夹持等；具体实施时，所述外部夹持结构5优选为肘夹式结构。

如图3所示，所述上固定板1下端的左右两侧和下固定板2上端的左右两侧设有相配合的内部夹紧结构6，所述金属极板8的左右两侧设有镂空15，所述内部夹紧结构6穿过镂空15设置，当内部夹紧结构6非连续状时，也可以在夹紧结构周围设计密封圈12保证密封，密封圈12材质包括但不限于丁氰橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等，粘接胶水可以选择硅胶、环氧树脂、丙烯酸结构胶等，如图5所示，所述内部夹紧结构6优选为上下交错设置且多排平行的加强筋或凸条，使得上固定板1和下固定板2之间的凹凸部分互相嵌入。

如图4所示，所述保护气腔3包括第一横向槽31、第二横向槽35、第一倾斜槽32、第二倾斜槽34和纵向槽33，所述第一横向槽31和第二横向槽35前后依次设置且相互平行，所述第一横向槽31的外端与第一倾斜槽32的一端连接，所述第二横向槽35的外端与第二倾斜槽34的一端连接，所述第一倾斜槽32与第二倾斜槽34由一端至另一端倾斜向外侧延伸，所述第一倾斜槽32和第二倾斜槽34相向倾斜延伸且对称设置，所述第一倾斜槽32的另一端和第二倾斜槽34的另一端之间通过纵向槽33连接。

如图4所示，所述保护气腔3还包括前后依次设置的第一支线槽36和第二支线槽37，所述第一支线槽36和第二支线槽37的一端与纵向槽33的内侧连通，所述第一支线槽36由一端至另一端倾斜向后设置，所述第二支线槽37由一端至另一端倾斜向前设置。

如图6所示，所述内部夹紧结构6的外侧可设有密封圈12，所述密封圈12固定于下固定板2的上端，所述密封圈12沿下固定板2的外侧呈方框状布置，密封圈12材质包括但不限于丁氰橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等，粘接胶水可以选择硅胶、环氧树脂、丙烯酸结构胶等。

如图6所示，上固定板1的上端还可以设有盖板13，所述盖板13的左右两侧遮盖保护气腔3，所述盖板13的长度短于上固定板1的长度，不影响上固定板1和下固定板2四个角的定位销7连接结构。

所述上固定板1和下固定板2的前后两侧设有若干个排气口11，所述排气口11与保护气腔3连通。

实施例1

本实施例提供了一种用于燃料电池金属双极板保护气焊工装及其工艺方法，结构详情见附图1，该保护气焊工装的结构包括上固定板1、下固定板2、保护气腔3、进气口4、外部夹持结构5、内部夹紧结构6、定位销7、金属极板8和快插头9，其中，上固定板1与下固定板2构成工装骨架支撑机构，保护气腔3与进气口4构成工装保护机构，外部夹持结构5、内部夹紧结构6与定位结构7构成工装紧固机构，所述上固定板1、下固定板2和金属极板8的中部设有位置对应的焊接区域。

骨架支撑机构如图2所示，上固定板1与下固定板2为工装主体部分，其上加工有保护气腔3、进气口4、外部夹持结构5等，承担着放置与稳固金属极板8的作用，本实施例中上固定板1、下固定板2优选使用铸铁材料。

工装保护机构如图3所示，保护气腔3位于焊接区域的左右两侧，且形状与金属极板8的焊接区域相匹配，保护气经过进气口4流入工装内部，通过保护气腔3到达金属极板8的表面，吹出空气并提供冷却，工装与保护气瓶使用快插头9进行连接，本实施例中保护气腔3分为两部分，进气口4的数量共计十个且都设计为圆形口，分别对金属极板8流场区域以及进出口区域进行保护，所使用的保护气优选为氮气。

如图3~图5所示，所述保护气腔3包括依次连接的多段槽体：第一横向槽31、第一倾斜槽32、纵向槽33、第二倾斜槽34和第二横向槽35，所述第一横向槽31和第二横向槽35前后依次设置且相互平行，所述第一横向槽31的外端与第一倾斜槽32的一端连接，所述第二横向槽35的外端与第二倾斜槽34的一端连接，所述第一倾斜槽32与第二倾斜槽34由一端至另一端倾斜向外侧延伸，所述第一倾斜槽32和第二倾斜槽34相向倾斜延伸且对称设置，所述第一倾斜槽32的另一端和第二倾斜槽34的另一端之间通过纵向槽33连接，第一倾斜槽32、纵向槽33和第二倾斜槽34构成梯形结构，槽体延伸呈梯形结构，减少了槽体的直角转弯，易于加工，且相较于矩形结构牢固度高。

如图3~图5所示，所述保护气腔3还包括前后依次设置的第一支线槽36和第二支线槽37，所述第一支线槽36和第二支线槽37的一端与纵向槽33的内侧连通，所述第一支线槽36由一端至另一端倾斜向后设置，所述第二支线槽37由一端至另一端倾斜向前设置，所述第一支线槽36和第二支线槽37扩大了保护气腔3中部的面积，使得进气均匀流入工装整体。

工装紧固机构如图4所示，本实施例中，外部夹持结构5优选采用肘夹式结构，将上固定板1与下固定板2进行锁定，保证上固定板1、下固定板2与金属极板8的相对位置不发生变化，焊接完成后对上固定板1起到提拉作用，采用定位销7定位，上固定板1、下固定板2的四个角加工销孔，通过上固定板1、下固定板2与金属极板8的销孔与定位销7配合，完成金属极板8的精确定位，上述定位结构的设计防止上固定板1、下固定板2错放和反放的问题，所述内部夹紧结构6为上下交错设置且多排平行的加强筋或凸条，使得上固定板1和下固定板2之间的凹凸部分互相嵌入，本实施例中，内部夹紧结构6优选采用片状加强筋结构，在焊接过程中将金属极板8压紧，保证金属极板8之间接触紧密，避免虚焊，提高焊接质量。

采用上述工装的工艺方法包括以下主要步骤：

（1）根据金属极板8选择合适的上固定板1、下固定板2；

（2）将金属极板8放至下固定板2，之后上固定板1扣放置金属极板8上，用内部夹紧结构配合镂空15完成定位；

（3）使用定位销7完成上固定板1、下固定板2与金属极板8的精确定位、粘接；

（4）使用外部肘夹式结构5夹持上固定板1、下固定板2，内部夹紧结构6同时完成对金属极板8的压紧；打开氮气瓶阀门，氮气通过进气口4流入上固定板1、下固定板2并充满保护气腔3，之后从上固定板1外表面流出，运行焊接设备，进行自动焊接；

（5）焊接完成后，打开外部肘夹式结构5，提起上固定板1，取出完成焊接的金属极板8。

具体实施时，本发明涉及的燃料电池金属极板气体保护气焊工装及其工艺方法针对多种金属极板8，不同的金属极板8需设计不同的固定板、保护气腔3以及内部夹紧结构6。

实施例2

本实施例提供了另一种燃料电池金属双极板保护气气焊工装及其工艺方法，其总体布局见图6，该工装包括：上固定板1、下固定板2、保护气腔3、进气口4、内部夹紧结构6、外部夹持结构5、快插头9、金属极板8、限位块10、排气口11、密封圈12和盖板13，其中，上固定板1与下固定板2构成工装骨架机构，气体保护腔3、进气口4、排气口11以及盖板13构成工装保护机构，所述盖板13优选为玻璃盖板，外部夹持结构5、内部夹紧结构6以及限位块10构成工装紧固机构，密封圈12构成工装密封机构。

该实施例中保护气腔3的排气口11设计位于工装整体的侧面，工装与保护气瓶使用快插头9进行连接，盖板13通过有机硅胶粘接于上固定板1外表面形成保护气腔，保护气经过进气口4流入工装内部，之后经过排气口11流出工装，保护气优选选择氩气。

该实施例外部夹持结构5选择气动压紧结构，压紧区域选择工装两端以及中部区域来保证工装受力均匀，工装设计有限位结构，通过非对称设计，防止工装错放、反放问题。

该实施例上固定板1与下固定板2的外围设计有密封槽用于放置密封圈14，密封圈14通过有机硅胶与工装进行粘接。

该实施例中上固定板1和下固定板2的前后两侧设有相对应的限位槽14，所述限位块10的上下两端嵌入上述限位槽14中，用于定位上固定板1和下固定板2。

本实施例中工装骨架机构与实例1相同，此处不再赘述。

采用上述工装的工艺方法包括以下主要步骤：

（1）根据金属极板8选择合适的上固定板1、下固定板2；

（2）金属极板8放至下固定板2，限位块10放至下固定板2限位槽14中，之后上固定板1扣放置金属极板8上，用内部夹紧结构6配合镂空15完成定位；

（3）使用定位销7完成上固定板1、下固定板2与金属极板8的精确定位；

（4）使用外部肘夹结构5夹持上固定板1、下固定板2，内部夹紧结构6同时完成对金属极板8的压紧，打开氩气瓶阀门，氩气通过进气口4流入上固定板1、下固定板2并充满保护气腔3，之后从排气口11排出，运行焊接设备进行自动焊接；

（5）焊接完成后，打开外部夹持结构5，提起上固定板1，取出完成焊接的金属极板8；

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。