Gas shielding fixture for laser welding of metallic bipolar plates

Abstract

A soldagem a laser tornou-se um método de união essencial na fabricação de placas bipolares utilizadas em células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs). Esses componentes exigem alta precisão, integridade mecânica e estabilidade química, mas a oxidação durante o processo de soldagem continua sendo um desafio recorrente que compromete a qualidade das juntas. Este trabalho apresenta o projeto, simulação e validação experimental de uma estrutura personalizada de proteção a gás desenvolvidas especificamente para mitigar a oxidação durante a soldagem a laser. Uma série de máscaras de proteção localizada foi desenvolvida iterativamente por meio de modelagem CAD e avaliada com simulações de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) no ANSYS Fluent, com o objetivo de otimizar a uniformidade do fluxo e reduzir zonas de estagnação. Três iterações do projeto foram fabricadas por manufatura aditiva e testadas sob condições controladas, com diferentes vazões de argônio. Microscopia óptica, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia por Dispersão de Energia (EDX) foram utilizadas para avaliar a oxidação superficial, a morfologia da solda e o conteúdo de oxigênio nas seções transversais. Os resultados demonstram que a iteração f inal do projeto (Máscara 2 V3) obteve melhorias significativas na retenção de gás e na integridade da solda, especialmente com uma vazão de 12 L/min. No entanto, o estudo também evidencia assimetrias persistentes associadas ao sistema externo de alimentação de gás, ressaltando a importância de uma abordagem integrada do sistema. Esta pesquisa contribui para a compreensão da relação entre dinâmica de fluidos e qualidade da solda em aplicações de manufatura de alta precisão.