Топливные элементы предлагают форму чистой энергии во многих секторах и представляют особый интерес для транспортных средств, где они не производят выбросов. Производство топливных элементов требует использования быстрого процесса лазерной сварки; однако сварка на слишком высокой скорости приводит к образованию горбов, отмеченных неровностями поверхности на сварном шве.
Группа под руководством исследователей из Penn State объединила наблюдение и аналитическое моделирование, чтобы определить условия, которые приводят к образованию горбов при высоких скоростях лазерной сварки, и скорректировать параметры процесса для увеличения скорости сварки без образования неровностей поверхности. Они опубликовали свои результаты в Nature Communications .
«Мы хотели увеличить скорость лазерной сварки, чтобы повысить производительность биполярных пластин топливных элементов, которые являются важным компонентом топливных элементов для генерации энергии», — сказал соавтор Цзинцзин Ли, профессор промышленной и производственной инженерии Университета штата Пенсильвания.
Биполярные пластины формируются путем сварки двух панелей вместе. Каналы, которые образуются в биполярных пластинах, являются необходимой инфраструктурой для генерации энергии в топливных элементах. Скорость производства биполярных пластин ранее была ограничена, поскольку скорость сварки была ограничена для предотвращения горбов.
«Раньше максимальная скорость сварки составляла 20 метров нержавеющей стали в минуту, прежде чем начиналось образование горбов», — сказал первый автор Зен-Хао Лай, докторант кафедры материаловедения и инженерии. «Благодаря нашей работе мы увеличили этот предел до 75 метров в минуту».
Лай сказал, что производительность 75 метров в минуту соответствует примерно 80 000 топливных элементов в год, причем каждый топливный элемент состоит из двух сварных биполярных пластин. Автомобильные биполярные пластины обычно имеют размер от восьми на восемь дюймов до 12 на 12 дюймов.
Чтобы увеличить предел, исследователям сначала нужно было лучше понять причины появления горбов. Используя высокоскоростную синхротронную рентгеновскую визуализацию, команда наблюдала процесс в реальном времени с беспрецедентной детализацией. Затем они разработали численное моделирование для корреляции с экспериментальным наблюдением и разработали уравнение для связи дефектов с параметрами процесса. Регулируя условия сварки, исследователи могли моделировать различные параметры процесса для создания сварного шва без горбов даже на высоких скоростях.
В частности, когда скорость сварки слишком высока, свариваемые материалы будут иметь большие ванны расплавленного жидкого металла, которые способствуют образованию горба. Исследователи поняли, что ванны расплава необходимо стабилизировать, что они могли сделать, применяя защитный газ или регулируя форму луча, который использует сварочный лазер. Простые корректировки, определенные с помощью их нового уравнения, увеличили производительность до 75 метров стали в минуту с 20 метров в минуту без горбов.
«Понимая уравнение горба, связанное с параметрами процесса, мы смогли изменить настройку параметров, чтобы уменьшить горб», — сказал Лай. «Влияние работы заключается не только в улучшении фундаментального понимания, но и в решении технической проблемы в процессе производства».
Исследователи заявили, что планируют продолжить совершенствование процесса, чтобы добиться еще более высоких скоростей сварки без образования неровностей.
По словам Ли, эта работа бросает вызов общепринятым представлениям о том, чем является и может быть промышленная и производственная инженерия.
«Для меня очень волнительно в этой работе то, что она показывает людям, что этот тип инженерии связан не только с практическим производством», — сказал Ли. «Эта работа — хороший пример объединения традиционного производства с фундаментальными исследованиями и демонстрация того, как фундаментальные знания могут улучшить процесс и реальную проблему».
