Feasibility study of ultrasonic inspection of thin laser welds on fuel cell bipolar plates

Veit, Geoffrey (2019). Feasibility study of ultrasonic inspection of thin laser welds on fuel cell bipolar plates. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With a perspective of democratizing hydrogen-powered vehicles, the automotive industry is working on the improvement of the manufacturing processes with the aim to launch mass production. In order to optimize costs and weight, some hydrogen fuel cell components have been significantly reduced in thickness. This is especially true for the bipolar plates of the proton exchange membrane fuel cells. They consist of two thin stainless steel laser welded plates. However, laser welding may lead to internal defects, which can cause internal or external leaks. Thus, the development of a nondestructive and reliable evaluation method to assess the structural integrity of very thin laser welds on bipolar plates of hydrogen fuel cells is essential. The method must be able to identify the failed joints and describe the characteristics of the failure. Laser weld inspection methods are many and varied. However, none have been evaluated to inspect internal defects in such small welds (about 200 μm wide). This thesis focuses on ultrasonic solutions that could address this issue. Ultrasonic testing has the advantage over other nondestructive testing techniques of being able to inspect the internal structure of welds by locating and characterizing defects.

Two ultrasonic inspection methods were investigated in this thesis: ultrasonic guided waves and acoustic microscopy. The methods were first evaluated using finite element simulation of the emission and propagation of the ultrasonic waves through the various transverse media. These simulations demonstrated the feasibility and limitations of the methods. The analysis of defects that may be found in the welds was thus carried out. Subsequently, experiments were carried out on several samples with various geometries and defects. Based on the results obtained, a conclusion on the feasibility of ultrasonic inspection of fine laser welds on bipolar plates and possible improvements for future work were formulated.

Titre traduit

Étude de faisabilité sur l’inspection de fines soudures laser de piles à hydrogène

Résumé traduit

Dans une optique de démocratisation des véhicules à hydrogène, l’industrie automobile travaille sur le développement et le perfectionnement des procédés de fabrication afin de lancer une production de masse. Par soucis d’optimisation des couts et du poids, certains composants des piles à combustible hydrogène ont été fortement réduits en épaisseur. C’est notamment le cas des plaques bipolaires qui composent les piles à membrane échangeuse de protons. Les plaques bipolaires se composent de deux fines plaques d’acier inoxydable soudées par laser en de nombreux points. Cependant, les soudures laser montrent des défauts internes pouvant mener à des fuites internes ou externes. Ainsi, le développement d’une méthode d’évaluation non destructive et fiable pour évaluer l’intégrité structurelle des soudures laser de très petites dimensions sur les plaques bipolaires des piles à hydrogène est indispensable. La méthode doit pouvoir déterminer les joints défaillants et décrire les caractéristiques du défaut. Les méthodes d’inspection de soudures laser sont nombreuses et variées. Cependant, aucune n’a été évaluée pour inspecter des défauts internes dans des soudures de si faibles dimensions (environ 200 μm de largeur). Ce mémoire se concentre sur les solutions ultrasonores qui pourraient être apportées afin de répondre à cette problématique. Les ultrasons ont l’avantage sur les autres techniques de contrôle non destructif de pouvoir inspecter la structure interne des soudures, de pointer la position de défauts et pouvoir caractériser ceux-ci.

Deux méthodes de contrôle par ultrasons ont été menées dans ce mémoire : le contrôle par ondes guidées ainsi que la microscopie acoustique. Chacune de ces méthodes a été évaluée dans un premier temps par un modèle d’éléments finis afin de simuler l’émission et la propagation de l’onde ultrasonore au travers des divers milieux transverses. Ces simulations ont permis de démontrer la faisabilité et les limites des méthodes. L’analyse des défauts pouvant se trouver dans les soudures a ainsi été réalisée. Par la suite, des expérimentations ont été menées sur plusieurs échantillons présentant diverses géométries et défauts. À la lumière des résultats obtenus, une conclusion sur la faisabilité de l’inspection par ultrasons de fines soudures laser des plaques bipolaires ainsi que des pistes d’amélioration pour les travaux futurs ont été formulées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for a master’s degree with thesis in automated manufacturing engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 61-64).
Mots-clés libres:	ondes ultrasonores, plaque bipolaire, soudure laser, acier inoxydable
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:38
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2385

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