Programming and experimental evaluation of a pneumatic clamping system for laser welding of metallic bipolar plates.

Abstract

A soldagem a laser de placas bipolares metálicas finas para aplicações em células a combustível apresenta desafios significativos relacionados à estabilidade dimensional, formação de gaps e consistência do processo. Devido à reduzida espessura e à geometria microestruturada das placas bipolares, variações nas condições de fixação e na distribuição de pressão de contato podem influenciar diretamente a qualidade e a penetração da solda, bem como a deformação dos componentes. Embora a soldagem a laser seja amplamente utilizada na fabricação de placas bipolares metálicas, a disponibilidade de sistemas experimentais de fixação adaptáveis e configuráveis capazes de fornecer condições de fixação reproduzíveis ainda é limitada. Este trabalho apresenta a programação, implementação e investigação experimental de um sistema de fixação pneumática para soldagem a laser com controle de pressão aplicado a placas bipolares metálicas finas. O sistema proposto foi projetado para fornecer condições de fixação ajustáveis e reproduzíveis por meio da utilização de atuadores pneumáticos integrados a sistemas de monitoramento e controle de pressão. A programação do sistema permite diferentes estratégias de atuação pneumática e ajustes de parâmetros operacionais, possibilitando avaliações experimentais controladas do comportamento do sistema de fixação pneumática durante o processo de soldagem. A arquitetura do sistema de fixação incorpora suportes mecânicos modulares, unidades de atuação pneumática e componentes de controle de pressão destinados à investigação da influência da distribuição de pressão de contato nas condições de soldagem a laser. A avaliação experimental é baseada em medições utilizando filme sensível à pressão, permitindo a análise da distribuição de pressão sob diferentes condições operacionais. Os parâmetros investigados incluem sequência de ativação dos atuadores, pressão pneumática aplicada, tempo de prensagem, geometria de contato e configurações de atuação representativas da soldagem. Além disso, a plataforma proposta fornece flexibilidade para futuras investigações experimentais e abordagens de otimização de processo relacionadas à fabricação de placas bipolares. As investigações realizadas têm potencial para contribuir para uma melhor compreensão dos efeitos relacionados à pressão durante a soldagem a laser, apoiando futuros estudos sobre qualidade da solda, distorções induzidas pela soldagem e repetibilidade do processo em aplicações de células a combustível.

Laser welding of thin metallic bipolar plates for fuel cell applications presents significant challenges regarding dimensional stability, gap formation, and process consistency. Due to the reduced thickness and microstructured geometry of bipolar plates, variations in clamping conditions and contact pressure distribution may directly influence weld quality, penetration behavior, and component deformation. Although laser welding is widely applied in the manufacturing of metallic bipolar plates, the availability of adaptable and configurable experimental fixture systems capable of providing reproducible clamping conditions remains limited. This work presents the programming, implementation, and experimental investigation of a pneumatic fixture system for pressure-controlled laser welding of thin metallic bipolar plates. The proposed setup was designed to provide adjustable and reproducible clamping conditions through the use of pneumatic actuators integrated with pressure regulation and monitoring systems. The system programming enables different pneumatic actuation strategies and operational parameter adjustments, allowing controlled experimental evaluations of the fixture behavior during the welding process. The fixture architecture incorporates modular mechanical supports, pneumatic actuation units, and pressure-control components intended to investigate the influence of contact pressure distribution on laser welding conditions. The experimental evaluation is based on pressure-sensitive film measurements, enabling the analysis of pressure distribution under different operating conditions. The investigated parameters include actuator activation sequence, applied pneumatic pressure, holding time, contact geometry, and welding-representative actuator configurations. Additionally, the proposed platform provides flexibility for future experimental investigations and process optimization approaches related to bipolar plate manufacturing. The performed investigations are expected to contribute to a better understanding of pressure-related effects during laser welding, supporting future studies regarding weld quality, welding-induced distortion, and process repeatability in fuel cell applications.