常用雙極板焊接工藝及其接頭組織性能對比研究

摘要：為研究適合于金屬雙極板的焊接方式，采用激光焊、真空擴散焊、釬焊、超聲波焊4種常見雙極板焊接方式對0.1 mm 316L不銹鋼進行了焊接。通過使用CHI-604E型電化學工作站測量了4種焊接接頭的動電位極化曲線，比較了4種接頭的電化學腐蝕性能，結合微觀組織、化學成分分析了電化學腐蝕行為。研究發現真空擴散焊接頭以及激光焊接頭的抗腐蝕能力較強，超聲波焊接頭與釬焊接頭抗腐蝕能力較弱。使用激光光譜共聚焦顯微鏡測量了4種焊接試樣的焊后變形量，在夾具作用下，激光焊試樣變形量相較于其他試樣變形量較小。將4種焊接方式在焊接過程中所使用的焊接時間、焊接工藝進行了比較。經過綜合對比分析，最終確定激光焊接為這4種常見金屬雙極板焊接方式的最佳選擇。

關鍵詞：激光焊接；釬焊；真空擴散焊；超聲波焊；316L不銹鋼；電化學腐蝕；焊后變形量

中圖分類號：TN249文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2024）06-0067-08

隨著經濟的迅速發展，我國乃至全球面臨日益嚴重的能源短缺和環境污染問題，迫切需要大力發展清潔、可再生的新能源[1]。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是將化學能轉換為電能的發電裝置，具有能量轉化率高、啟動快、運行溫度低、清潔等優點，是未來清潔能源的理想選擇[2]。

質子交換膜燃料電池由質子交換膜、催化層、氣體擴散層、雙極板等核心部件組成。雙極板的主要作用為收集傳導電流、分隔氣體、支撐電池堆以及串聯各單電池。雙極板占整個電池質量的70%～80%，其成本占燃料電池總成本的30%～45%。根據材料不同，大致可以將雙極板分為3類：石墨雙極板、金屬雙極板以及復合材料雙極板。其中金屬雙極板憑借著強度高、韌性好、導電導熱性能好、成本低等優點被廣泛使用。

金屬雙極板是由滿足質量要求的陰極、陽極單板通過焊接來固定在一起。質子交換膜燃料電池電堆是由許多個單電池串聯而成，而一個完整的單電池需要使用兩塊雙極板才可以實現功能。金屬雙極板在焊接后會出現焊后變形，這會使電阻增加從而降低電池性能。因為PEMFC工作環境惡劣，焊接后所得到的接頭難免發生腐蝕和鈍化，這也會對其性能產生不利影響，所以雙極板的焊接對整個燃料電池的性能有著重要的影響。翟長峰[3]使用錫銀釬料通過真空擴散焊爐將0.1 mm 316L不銹鋼陽極單板與陰極單板焊接在一起，并對釬焊接頭的抗腐蝕性能以及焊后變形量進行了研究，發現釬焊得到的雙極板焊后變形小但其耐腐蝕能力差，且所使用的釬料為錫銀釬料，會增加雙極板的生產成本。Peng[4]等提出了一種電輔助壓力焊接工藝，傳統的壓力焊不能實現不銹鋼板的連接。該工藝在母材上通入電流，電流可以加熱母材并產生電塑性效應，實現了0.1 mm 316L不銹鋼板的焊接，但該焊接方式的焊后變形量較大。胡唯[5]研究了激光焊接與膠粘的一種復合工藝，工藝過程首先是膠粘連接，隨后進行激光焊接，由于膠層的存在，減少了裝夾力并且幫助熱量向下極板傳導，從而使焊后變形小，但所得到的焊接接頭抗腐蝕能力有所下降。肖朝陽[6]使用光纖脈沖激光器對0.15 mm厚的304不銹鋼進行了激光疊焊試驗，找到了可靠的激光疊焊工藝參數，并設計了一種柔性焊接夾具，使用該夾具焊接的金屬雙極板焊后變形更小。

上文所提到的研究人員只對雙極板的一種焊接方式進行了研究，并未對目前常見的幾種雙極板焊接工藝以及其接頭組織性能進行研究比較，對于哪種焊接方式更適合于金屬雙極板值得研究。本文采用目前常見的超聲波焊接、激光焊接、真空擴散焊、釬焊4種雙極板焊接工藝對0.1 mm 316L不銹鋼實現焊接，研究了焊接接頭的抗電化學腐蝕能力、焊后變形量、金相組織、化學成分等。綜合對比4種焊接方式，發現激光焊接速度快，成本低，焊接所得到的試樣變形量較小，接頭抗腐蝕能力強且晶粒尺寸小。

1試驗材料與方法

1.1材料與試樣

本文采用0.1 mm厚316L不銹鋼板進行實驗研究，試樣尺寸為10.0 mm×15.0 mm×0.1 mm長方體薄片。表1所示為實驗所選用的316L不銹鋼板的化學成分，將試樣超聲波清洗后烘干備用。

為模擬PEMFC中焊接接頭的服役狀態，采用如下圖1所示的焊接接頭。

1.2試驗方法

激光焊接實驗采用MFSQ-150/1500W模塊化單模連續光纖激光器，設備如圖2（a）所示。焊接前先用夾具將試樣裝夾好，設置好焊接路線后讓激光頭移動確保焊接時沒有干涉，輸入焊接速度為60 mm/s、激光功率為50 W、離焦量為0 mm、焊接頻率為25 Hz，打開氬氣保護氣體進行焊接。激光焊接在使用夾具裝夾時只需要幾秒鐘，裝夾完成后進行焊接僅需要0.5 s。超聲波焊是先將試樣放在機器的焊接堆上，發電機將電能轉換成高頻電，之后換能器將高頻電轉換為超聲波，助推器放大振動，焊頭對準試樣，使用壓力機施加壓力。設備如圖2（b）所示，經過大量超聲波焊接試驗，在確定焊接氣壓0.3 MPa、振幅32 μm、振蕩頻率20 kHz下將試樣進行了焊接，焊接所用的時間為1.2 s。

釬焊與真空擴散焊所使用的為HIT-VB-1300真空多室表面連接復合設備，設備如圖2（c）所示。在進行釬焊實驗時，先將釬料均勻鋪展在母材上，隨后將試樣放入設備中進行抽真空、加熱、保溫和降溫，釬焊所用的釬料為20 μm的BNi-5a。真空擴散焊實驗需要對試樣進行加壓、加熱、保溫、降溫。釬焊、真空擴散焊、超聲波焊、激光焊接的焊接工藝參數如下表2所示。

1.3電化學腐蝕性能

通過CHI-604E型電化學工作站進行電化學腐蝕試驗，比較了上述4種焊接接頭的耐腐蝕性能。為模擬質子交換膜燃料電池陰極工作環境，電解液組成如下表3所示。使用常見的三電極系統、輔助電極為鉑電極、工作電極試樣表面、參比電極為飽和甘汞電極。實驗方案如下：先測量被測面的開路電位，將測量時間設置為60 s，待開路電位穩定后（跳動在10 mV之內），在-1.0～2.0 V的電壓范圍內設定掃描速度為0.5 mV/s，將工作站靈敏度設置為1×10-2進行動電位極化曲線的測量。

1.4測量與表征

使用MSD395金相顯微鏡觀察焊接接頭，分析不同工藝下接頭組織的均勻性以及晶粒大小。采用JSM-7610F型掃描電子顯微鏡及其自帶的能譜儀檢測焊縫區的元素成分。在試樣焊接完成后，使用KC-X1000激光光譜共聚焦顯微鏡觀察焊后變形，將焊接試樣置于其測量平臺上，選用KC-H040鏡頭進行測量，將掃描范圍設置為20 mm×15 mm（試樣尺寸為10 mm×15 mm×0.2 mm），采樣頻率設置為3 000 Hz，掃描速度設置為22.5 mm/s，采用快速掃描方式得出點云圖。

2試驗結果與分析

2.1電化學腐蝕性能

真空擴散焊接頭、激光焊接頭、超聲波焊接頭、釬焊接頭的動電位極化曲線如圖3所示。對極化曲線進行分析，得出了他們各自的開路電位、自腐蝕電流密度。因為燃料電池工作電壓在0.6 V，所以測量了當電位達到0.6 V時所對應的腐蝕電流。從圖3中可以看出4種試樣的動電位極化曲線具有較小差異，隨著電壓的增大，4種焊接接頭均出現了鈍化現象，在鈍化階段期間，電壓增大，腐蝕電流密度基本保持不變，在PEMFC工作電位為0.6 V時，真空擴散焊接頭、激光焊接頭、超聲波焊接頭接、釬焊接頭均處于鈍化階段。腐蝕電流密度的由小到大依次為真空擴散焊接頭、激光焊接頭、超聲波焊接頭、釬焊接頭，擬合圖3極化曲線得到極化參數（表4）。由表4可以看出真空擴散焊接頭的自腐蝕電位最高，隨后依次為激光焊接頭、超聲波焊接頭、釬焊接頭。自腐蝕電位和自腐蝕電流密度的高低代表著焊接接頭耐蝕性能的好壞，自腐蝕電位越高，自腐蝕電流密度越小，材料耐蝕性能越好。從自腐蝕電位和自腐蝕電流密度可以明顯看出抗腐蝕性能由大到小的順序為真空擴散焊接頭、激光焊接頭、超聲波焊接頭、釬焊接頭。在工作電位下真空擴散焊接頭抗腐蝕性能最優，激光焊接頭抗腐蝕性能略差于真空擴散焊接頭，超聲波焊接頭與釬焊接頭抗腐蝕性能較差。

在電化學實驗中得到了4條動電位極化曲線，其中釬焊接頭的抗腐蝕性能最差。這可能是因為釬焊所使用的釬料為BNi-5a，使釬焊接頭發生了電偶腐蝕。翟長峰等[7]在研究釬焊接頭電化學腐蝕行為時發現當兩種不同的金屬浸在電解液中，由于金屬的活性不同，與極性分子結合力有差異，導致金屬與溶液界面間的電荷遷移量不同。他們之間的電極電位有差別，如果他們相互接觸，電位差就驅動電子由電位較低的金屬流向電位較高的金屬，電位較低的金屬表面上發生的是以氧化為主的反應，該電極為陽極，而在電位較高的金屬表面上發生的是以還原為主的反應，該電極為陰極，電偶腐蝕主要發生在兩種不同金屬的邊線附近。釬焊使用的鎳基釬料經釬焊后主要形成鎳基固溶體，當不銹鋼釬焊接頭浸在電解液中，接頭附近兩種金屬會產生電位差，從而出現了電偶腐蝕。不同焊接接頭的抗腐蝕性能與焊縫區Cr元素質量分數、晶粒大小以及組織均勻性有關，且不同金屬之間也可能會發生電偶腐蝕。

2.2微觀組織表征

觀察不同焊接接頭組織發現，超聲波焊接試樣顯微組織為明顯的奧氏體組織。如圖4（a）所示，其中紅線線框內為接頭界面接觸區域，該區域晶粒尺寸明顯小于周圍區域晶粒尺寸。這可能是由于以下兩個原因：一是因為超聲波焊接中高頻振動和焊頭壓力的晶粒細化作用。二是FUJII等[8]研究發現可能是再結晶的原因，接頭界面接觸區域的所有晶粒都是細小的等軸晶粒，與母材的微觀組織形成鮮明對比，晶粒微觀結構清晰的顯示出焊接結合界面處大部分晶粒被細化，與母材處展示的晶粒形成鮮明對比，這可能是再結晶的結果。

圖4（b）為激光焊接試樣微觀組織，焊縫區由非常細小的等軸晶組成。這是因為0.1 mm厚的316L不銹鋼很薄，液態熔池金屬凝固時與周圍空氣和夾具傳熱極快，熔池金屬過冷度大，凝固沒有明顯方向性，造成液態熔池內部發生大范圍的均勻形核，從而使焊縫區與母材區、熱影響區相比，晶粒尺寸大幅度減小[9]。

釬焊接頭顯微組織如下圖4（c）所示，釬縫間隙為100 μm，接頭共分為3個區域，分別是等溫凝固區（ASZ）、非等溫凝固區（ISZ）和擴散區（DAZ）。等溫凝固區由金屬間化合物組成，非等溫凝固區主要由鎳-鐵基固溶體組成，在釬焊保溫過程中，熔融的共晶釬料填充滿釬焊間隙后，母材中的部分鐵、鉻溶解到釬料中，改變原釬料共晶成分，鎳-鐵固溶體首先沿母材界面非均勻形核，發生等溫凝固，隨著初生相的長大，剩余的液態釬料成分逐漸偏離共晶點并被排擠到釬縫中間，在隨后的冷卻過程中，剩余液態釬料開始凝固，固溶體相就在初晶相的枝晶上繼續長出，而金屬間化合物相單獨留在枝晶間，形成了離異共晶的釬縫組織[10]。另外，在母材元素向熔融釬料融解的同時，釬料的合金元素向母材擴散，從而形成了擴散區。

圖4（d）為真空擴散焊試樣微觀組織，可以看出接頭中沒有裂紋、孔洞等焊接缺陷。距離界面越近的組織晶粒尺寸越小，界面組織為細小的等軸晶。這可能是因為在壓力的作用下，316L不銹鋼的再結晶溫度降低，基體內部開始再結晶，晶粒尺寸變小。

316L不銹鋼焊接接頭晶粒尺寸越小，組織越均勻，接頭的抗腐蝕性能會越好。由晶粒尺寸的大小對金屬材料耐腐蝕性能影響規律可知，晶粒尺寸越小，組織越均勻，在電化學腐蝕過程中材料表面越容易形成保護性鈍化膜，阻止腐蝕介質中離子侵入材料內部，從而提高焊縫區耐腐蝕性能。圖4是不同焊接接頭的金相組織圖，真空擴散焊接頭與激光焊接接頭平均晶粒尺寸較小，且組織比較均勻，所以兩種接頭抗腐蝕性能較好。而超聲波焊接頭和釬焊接頭平均晶粒尺寸較大，組織均勻性較差，所以抗腐蝕性能較差一些。

為明晰不同焊接方法所焊接試樣表面Cr、Ni等元素變化與其耐電化學腐蝕性能之間的關系，觀測了真空擴散焊試樣、釬焊試樣、激光焊試樣、超聲波焊試樣的橫截面并選取焊縫區域進行EDS分析。如圖5所示，選定Cr、Ni、Ti、Mn、O等5種元素進行質量分數測定，焊接時Cr元素會揮發和流失，使焊接區域的耐腐蝕性能下降。通過線掃描得到的表5數據如下，從表5中可以看出真空擴散焊試樣Cr元素質量分數最高，這種焊接方式Cr元素流失最少。隨后為激光焊試樣、超聲波焊試樣，釬焊試樣中Cr元素質量分數最低，但其Ni元素質量分數較高，這是因為所使用的釬料為鎳基材料。因為真空擴散焊，釬焊在焊接時的焊接條件是接近于真空環境下的，所以其焊接區域氧元素含量很少，而在激光焊接時保護氣體可以阻擋氧氣進入焊接區域。

因為Cr元素的存在，在電化學腐蝕時可以形成一種以Cr2O3為主的穩定鈍化膜，隨著電位的升高，不銹鋼的腐蝕速度與鈍化膜的形成速度達到了一種平衡，從而出現了鈍化現象。研究發現在不銹鋼中，Cr質量分數越高，其耐腐蝕性會越好。Cr可以有效的提高不銹鋼的電極電位，使材料電位由負變正[11]。在使用掃描電鏡進行EDS分析時，可以發現Cr元素質量分數越多的焊接接頭，其抗腐蝕性能越好。

2.3焊后變形量

焊后變形是金屬雙極板焊接所面臨的主要問題之一。雙極板在完成焊接之后，其中間部分拱起，在電堆被螺栓夾緊后，夾緊力集中在氣體擴散層中間部分，而其他部分的壓力很小甚至沒有，這樣會增加電阻從而降低電池性能，所以選擇一種焊后變形量較小的焊接方式對提高燃料電池性能有著很重要的作用。

使用激光光譜共聚焦顯微鏡觀察焊后變形量，得到了圖6所示的點云圖。我們可以得出釬焊試樣焊后變形量最小，其最大變形量為0.15 mm。激光焊試樣、真空擴散焊試樣、超聲波焊試樣的最大變形量分別為0.20、0.23、0.36 mm。真空釬焊時雙極板整體加熱，受熱均勻，釬料與母材的熱膨脹系數差異較小，兩者之間熱應力小，所以接頭變形小。激光焊接[12]屬于局部加熱方式，熱源加載到試樣的焊道上后，加載位置處的材料迅速升溫熔化，又迅速冷卻凝固，形成橫向收縮力。在焊接夾具的作用下，試樣受到的載荷是不變的，當翹曲力小于載荷力時，材料就不會發生向上的位移變形。

而試樣焊道附近的材料由于受到的翹曲力大于載荷力，此處的材料產生輕微的向上位移變形。在載荷力合適的情況下，試樣的焊接變形缺陷可以減少到很小。真空擴散焊的最大焊后變形量略高于激光焊接焊后變形量，但其大部分區域的焊后變形量在0.17 mm左右。超聲波焊的焊后變形量最大，這主要是因為焊接試樣是超薄板，超聲波設備壓力較大，在焊接材料被加熱并冷卻時，殘留應力大會導致試樣變形量較大。3結論

本文主要探討了不同焊接方式對316L不銹鋼超薄板試樣微觀組織及化學成分的影響規律，分析了4種試樣的電化學腐蝕行為，綜合比較了4種焊接接頭的抗腐蝕性能，焊后變形量，焊接時間及工藝。

（1）0.1 mm 316L不銹鋼激光焊、真空擴散焊、釬焊、超聲波焊4種焊接方式所得到的焊接接頭組織和化學成分不同，抗腐蝕性能也不同。接頭的電化學抗腐蝕能力由大到小的順序為真空擴散焊接頭、激光焊接頭、超聲波焊接頭、釬焊接頭。

（2）對4種焊接方式焊接后的試樣變形量以及焊接時間進行了對比，焊后變形量由小到大的順序為釬焊、激光焊、真空擴散焊、超聲波焊。焊接時間由快到慢為激光焊、超聲波焊、釬焊、真空擴散焊。

（3）通過上述綜合比較，激光焊接焊后變形量小，最大變形量為0.2 mm。焊接成本低，焊接速度比其他焊接方式的速度快。其接頭抗腐蝕性能強，自腐蝕電流密度為18.49 μA/cm2，與抗腐蝕能力最強的真空擴散焊接頭相近，所以最終選擇激光焊接作為金屬雙極板的最佳焊接方式。

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