COHERENT ARM激光器为打造无污染汽车解决一项挑战

时间： 2024-10-26 来源：COHERENT官网

技术问答

想象一下，如果一款高燃油效率汽车发动机只产生纯水排放物，将会是怎样。氢燃料电池即可助力实现这种想象。这种电池已经问世。不过，我们还没有准备好大规模使用氢燃料电池为汽车提供动力。要实现这个目标，将需要开发相当多的技术和基础设施，使它们与其他技术相比具有实用性和成本竞争力。COHERENT 高意已经在开发光纤激光工艺来为实现这个目标做出努力。

卓越电池技术

从技术上来说，氢燃料电池被称为质子交换膜燃料电池（PEMFC），或聚合物电解质膜燃料电池。它包含由电解质（导电的液体）隔开的正极和负极。氢燃料从负极进入，空气（含氧）从正极进入。

单个燃料电池（称为膜电极组件或 MEA）产生的电压不到 1V。这对于大多数用途来说都太少了。为了达到有用的功率水平，数百个 MEA 在单个燃料电池中用电连接在一起。 MEA 在电池外壳内部以物理方式堆叠在一起。

但首先，每个 MEA 都密封在两个“双极板”之间。这是一个冲压箔部件，厚度一般在 50 微米到 100 微米之间，通常由不锈钢或钛制成。双极板允许单独的 MEA 进行电气连接，赋予组件一定的机械强度和刚度，并且还包含一组允许气体和冷却液流过的通道。

双极板通过焊接密封在一起。这需要非常高质量的焊接，必须要通过氢泄漏测试。而且，双极板的形状较为复杂，具有多个切口，这使得焊接路径较长，并且有许多曲线。

传统光纤激光器无法达到理想的焊接密封效果

由于每个燃料电池中使用大量双极板，因此密封过程需要十分快速。否则，可能会造成生产瓶颈。目前估计，用于汽车应用的经济实用的 PEMFC 生产需要 MEA 密封过程的焊接速度超过 1 米/秒。

通过扫描振镜传送能量的光纤激光器能够以这种速度进行焊接，甚至更快。此外，这些激光器还可以形成所需的复杂形状的焊缝。但是，它们在这些进给速度下提供的焊接质量并不好。

尤其是传统的光纤激光器在高速焊接双极板时往往会产生“驼峰”。这些“驼峰”是当熔池中的湍流区域重新凝固时在焊缝中形成的小凸起。这种湍流是由非常快速的光束运动直接引起的。

“驼峰”之所以会成为问题，是因为它们会造成突起。这会妨碍 MEA 在组装过程中实现紧密堆叠。

HighLight FL-ARM 解决了“驼峰”问题

Coherent 高意实验室的测试表明，正确配置的可调环模 (ARM) 光纤激光器可以解决“驼峰”问题。具体来说，Coherent HighLight FL4000CSM-ARM（具有单模中心光束的 4 kW 激光器）能够以至少 1.2 米/秒的速度焊接不锈钢双极板，而不会产生任何“驼峰”。这比以前使用光纤激光器的速度快 50%。在这些测试中，激光是通过 Coherent HIGHmotion 2D 远程激光焊接头提供的。

ARM 光纤激光器通过消除快速移动的焊接熔池周围的湍流来避免“驼峰”问题。这是通过利用可调环模架构来实现的。

具体来说，将中心光束功率设置得足够高，以在目标速度下产生全熔透小孔焊接。但是环形光束只承载足够的能量来熔化材料以使其能够流动，而不足以形成焊接锁孔。

这在中心光束周围提供了一个区域，熔化的材料可以在该区域中减速并以层流（非混沌）方式流动。此外，无论 ARM 激光束朝哪个方向前进，对称的圆形激光束总是以相同的方式进行焊接。因此，在通过曲线或改变方向时，焊接特性不会发生变化。与其他不具有对称光斑的多光束光纤激光器相比，这种激光器具有更多优势。

当然，部署燃料电池还有许多其他挑战。这些挑战包括其他电池制造问题，以及氢和铂（铂用作催化剂，将氢原子分离成质子和电子）的来源。我们还需要打造一个氢“加气站”网络，以方便消费者获取燃料。但是，凭借 HighLight FL-ARM 激光器，以及 Coherent 高意实验室拥有的关于将其有效用于双极板焊接的广泛工艺知识，我们已经避开了这一过程中的一个重要障碍。

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