DE102022103167A1

DE102022103167A1 - Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, mit zeitlich zyklisch variierender Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads

Info

Publication number: DE102022103167A1
Application number: DE102022103167.5A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Oliver Bocksrocker; Philipp Scheible
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2023-08-10
Also published as: WO2023152015A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile (1a, 1b) entlang wenigstens einer Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) miteinander verschweißt werden,wobei das Laserschweißen mit einem Laserstrahl (5) erfolgt,wobei der Laserstrahl (5) in einer Ebene (E) einer Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) eine Grund-Bewegungskomponente (GBK) mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS in einer Schweißrichtung (SR) entlang einer Schweißkurve (8) relativ zu den Plattenteilen (1a, 1b) aufweist, und die Schweißkurve (8) entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft,wobei der Laserstrahl (5) ein Schmelzbad (7) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugt,und der Laserstrahl (5) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Leistungsdichteverteilung (LDV) von Laserstrahlung bewirkt,und wobei der Laserstrahl (5) einen oder mehrere Teilstrahlen (11a, 11b) umfasst,ist dadurch gekennzeichnet,dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) zeitlich zyklisch variiert wird. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, mit dem defektarme Schweißnähte mit hoher Fluiddichtigkeit bei einer Bipolarplatte mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit gefertigt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden,
wobei das Laserschweißen mit einem Laserstrahl erfolgt,
wobei der Laserstrahl in einer Ebene einer Oberfläche der zwei Plattenteile eine Grund-Bewegungskomponente mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS in einer Schweißrichtung SR entlang einer Schweißkurve relativ zu den Plattenteilen aufweist, und die Schweißkurve entlang der Schweißnaht verläuft,
wobei der Laserstrahl ein Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugt,
und der Laserstrahl in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung bewirkt,
und wobei der Laserstrahl einen oder mehrere Teilstrahlen umfasst.
Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 113 834.5 bekannt geworden.
Bipolarplatten dienen bei Brennstoffzellen mit mehreren zu einem Stack geschichteten Zellen der Verteilung von Gasen, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, der Abfuhr von Wasser (Reaktionswasser), der gasdichten Trennung zwischen aneinander angrenzenden Zellen sowie der Dichtung nach außen und der Kühlung. Zudem nimmt die Bipolarplatte auf der Wasserstoffseite die abgegebenen Elektronen auf und führt sie der Sauerstoffseite wieder zu.
Solche Bipolarplatten können zwei metallische Plattenteile aufweisen, die miteinander verschweißt sind. Einerseits sind hierbei Schweißnähte fluiddicht auszuführen, um Gase und Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Andererseits dienen Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden Plattenteile.
Aus der nachveröffentlichte deutschen Patentanmeldung 10 2021 113 834.5 ist es bekannt geworden, beim Laserschweißen von Plattenteilen einer Bipolarplatte wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite und wenigstens eine zweite Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite zu fertigen, wobei die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite.
Für eine wirtschaftliche Nutzung von Bipolarplatten ist es gewünscht, die Plattenteile der Bipolarplatten in möglichst kurzer Zeit miteinander zu verschweißen. Hierzu werden hohe Vorschubgeschwindigkeiten der Laserstrahlen, mit denen das Laserschweißen erfolgt, benötigt. Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten können sich jedoch Schmelzeanhäufungen (auch als Humps bezeichnet) im Nachlauf der Schweißnaht bilden („Humping“). Die Schmelzeanhäufungen können zu einer fehlerhaften Anbindung der Plattenteile und zu einer Undichtheit der Schweißnaht führen. Im Ergebnis limitiert das Humping die maximal erreichbare Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit).
Die DE 10 2016 204 578 B3 schlägt vor, beim Laserstrahlschweißen eines Werkstücks aus Stahl zur Vermeidung von Heißrissen eine Leistungsmodulation auf den Laserstrahl anzuwenden. Eine Modulationsfrequenz f der Leistungsmodulation wird so gewählt, dass für eine normierte, charakteristische Oszillationsfrequenz Λ_CO des Schmelzbades und eine normierte Modulationsfrequenz Λ gilt: Λ ≥ 2,2*Λ_co, und Λ ≤ 8,5*Λ_co, mit $Λ = \frac{f \cdot d_{f}}{v},$
mit v: Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück, und df: Durchmesser eines Laserstrahl-Brennflecks des Laserstrahls, und $Λ_{c o} = \frac{f_{c o}^{t e s t} \cdot d_{f, c o}^{t e s t}}{v_{c o}^{t e s t}}$
bestimmt aus einer Testmessung mit dem Laserstrahl ohne Modulation der Laserleistung, mit f_co ^test: gemessene charakteristische Oszillationsfrequenz bei der Testmessung; d_f,co ^test: Durchmesser des Laserstrahl-Brennflecks bei der Testmessung; v_co ^test : Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück bei der Testmessung.
Aus A. Heider et al., „Power modulation to stabilize laser welding of copper", Journal of Laser Applications 27, 022003 (2015); doi: 10.2351/1.4906127, ist es bekannt geworden, den Schweißprozess beim Schweißen von Kupfer zu stabilisieren, indem die Laserleistung des Lasers, der zum Schweißen verwendet wird, moduliert wird. Es wird der Einfluss der durchschnittlichen Leistung, der Modulationsamplitude, der Schweißgeschwindigkeit, des Fokusdurchmessers und der Modulationsfrequenz auf die Qualität beim Schweißen näher untersucht.
In A. Jahn et al., „High dynamic beam shaping by piezo driven modules for efficient and high quality laser beam cutting and welding“, Tagungsbeitrag „Lasers in Manufactoring Conference 2019“, Wissenschaftliches Gesellschaft Lasertechnik e. V. (WLT), wird ein Konzept für Strahlformungsoptiken von Laserstrahlen für Laserschweiß- und Laserschneidprozessen beschrieben, bei dem Piezoaktoren für eine schnelle Fokusmodulation des Laserstrahls in z-Richtung mit Arbeitsfrequenzen über 2,5kHz genutzt werden. Weiterhin werden erste experimentelle Ergebnisse präsentiert, die den Einfluss der Modulation in z-Richtung auf das Prozessverhalten für typische Laserschweiß- und Laserschneidprozesse zeigen.
Die US 2004/00262381 A1 schlägt zur Fertigung einer Schweißnaht hoher Qualität beim Laserschweißen von Stahlplatten vor, bei der Durchführung des Laserschweißens mit einem Laserstrahl, dessen Leistung pulsmoduliert ist, die Leistung mit einer Frequenz, welche einer natürlichen Frequenz eines durch den Laserstrahl erzeugten Schmelzbads entspricht, periodisch zu variieren.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem defektarme Schweißnähte mit hoher Fluiddichtigkeit bei einer Bipolarplatte mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit gefertigt werden können.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zeitlich zyklisch variiert wird.
Wird beim Laserschweißen mit einem Laserstrahl eine hohe Vorschubgeschwindigkeit VS in Schweißrichtung SR auf den Laserstrahl angewendet, können (wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden) im Nachlauf der Schweißnaht hinter dem Schmelzbad Schmelzeanhäufungen entstehen. Dieser Prozess der Bildung von Schmelzeanhäufungen wird auch als Humping bezeichnet, und die Schmelzeanhäufungen werden auch als Humps bezeichnet. Das Humping wird durch eine Bewegung des beim Laserschweißen erzeugten Schmelzbades entgegen der Schweißrichtung SR und eine schnelle Erstarrung der Schmelze verursacht. Die Schmelzeanhäufungen treten periodisch in der erstarrten Schweißnaht auf.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, eine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der (dem Laserstrahl zugewandten) Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads vorzunehmen. Durch die Variation der Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads kann die Strömung der Schmelze im Schmelzbad entgegen der Vorschubrichtung VS verändert werden, und insbesondere die Bildung von Wellenbergen und -tälern vermindert werden. Dadurch kann das Humping reduziert oder sogar beseitigt werden. Die Schmelzbaddynamik kann beruhigt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit VS geschweißt werden und eine erstarrte Schweißnaht mit nur schwach ausgeprägten oder sogar ganz ohne Schmelzeanhäufungen gefertigt werden. Die Produktionsgeschwindigkeit für die Bipolarplatten kann also im Vergleich zu einem Laserschweißen mit in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zeitlich konstanter Leistungsdichteverteilung erhöht werden. Weiterhin können durch das Unterdrücken der Schmelzeanhäufungen zuverlässig fluiddichte Schweißnähte erzeugt werden. Zudem sind Schweißspritzer (auch kurz als Spritzer bezeichnet) und Auswürfe während des Schweißens reduziert.
Das zeitlich zyklische Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads kann insbesondere dadurch erfolgen, dass zumindest bei einem Teilstrahl des Laserstrahls eine zeitlich zyklische Leistungsänderung erfolgt, und/oder dass zumindest bei einem Teilstrahl des Laserstrahls der Grund-Bewegungskomponente eine zeitlich zyklische Zusatzbewegungs-Komponente („Pendel-Bewegungskomponente“) überlagert wird. Man beachte, dass eine Pendel-Bewegungskomponente betragsmäßig typischerweise eine sehr viel höhere mittlere Geschwindigkeit hat als die Grund-Bewegungskomponente, meist um wenigstens einen Faktor 10 oder einen Faktor 50.
Die (sich zeitlich zyklisch ändernde) Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlung wird im Bereich des Schmelzbads (also relativ zum Schmelzbad) beobachtet, wobei das Schmelzbad im Wesentlichen mit der Grund-Bewegungskomponente entlang der Schweißkurve voranschreitet. Mit anderen Worten, das Bezugssystem für die Beobachtung der (sich zeitlich zyklisch ändernden) Leistungsdichteverteilung bewegt sich mit der Grund-Bewegungskomponente.
Die Leistungsdichteverteilung wird beobachtet in der Ebene der Werkstückoberfläche (Ebene der laserzugewandten Oberseite des oberen Plattenteils), also im Wesentlichen auf der Oberfläche des Schmelzbads, und im Bereich des Schmelzbads, also innerhalb der Erstreckung der Oberfläche des Schmelzbades.
Man beachte, dass die zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile im Bereich des Schmelzbades grundsätzlich einher geht mit einer Variation einer Leistungsdichteverteilung im Volumen des Schmelzbades (und insbesondere über die Tiefe des Schmelzbads), die zusätzlich beobachtet werden kann, falls gewünscht. Auf die Variation der Leistungsdichteverteilung im Volumen des Schmelzbades wird jedoch nachfolgend nicht näher eingegangen.
Bevorzugt umfasst die zeitlich zyklische Änderung der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest einen Anteil, der sich zeitlich in der Richtung und entgegen der Richtung der Grund-Bewegungskomponente verändert.
Die metallischen Plattenteile der Bipolarplatte werden zum Verschweißen überlappend angeordnet (typischerweise mit kongruenter, fluchtender Randkontur). Die Plattenteile der Bipolarplatten weisen typischerweise eine Profilierung auf, durch die zwischen den Plattenteilen Kanäle für Kühlwasser und außenseitig Führungen für Reaktionswasser und/oder Gase, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, ausgebildet werden. Zudem weisen die Bipolarplatten typischerweise einen oder mehrere Durchbrüche auf, mit denen im Brennstoffzellenstack ein Gastransport in Stapelrichtung erfolgen kann. Im Rahmen der Erfindung werden typischerweise geschlossene Schweißnähte am äußeren Rand der Plattenteile und um alle Durchbrüche herum gefertigt, und zudem werden nicht-geschlossene Schweißnähte über die Fläche der Bipolarplatten verteilt gesetzt. Für die geschlossenen Schweißnähte ist die Fluiddichtigkeit, insbesondere die Gasdichtigkeit, besonders wichtig, und für die nicht-geschlossenen Schweißnähte ist die mechanische und elektrische Verbindung besonders wichtig. Die Erfindung kann sowohl für geschlossene Schweißnähte als auch nicht-geschlossene Schweißnähte angewandt werden.
Allgemein kann über die erfindungsgemäße zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile die Fluidmechanik im Bereich des Schmelzbads gezielt beeinflusst werden, und gegebenenfalls auch die lokale Einschweißtiefe beeinflusst werden, und eine Unterdrückung des Humping erreicht werden.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Variation der Leistung
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Laserleistung zumindest eines Teilstrahls des Laserstrahls zeitlich zyklisch variiert wird. Dadurch kann auf einfache Weise auf die Schmelzebewegung im Schmelzbad eingewirkt werden, und dem Humping entgegen gewirkt werden. Über die Variation der Leistungsdichte kann gegebenenfalls auf die momentane Größe oder Tiefe einer Dampfkapillare eingewirkt werden. Entsprechend den Anforderungen beim Schweißen können der gesamte Laserstrahl, oder lediglich ein Teilstrahl des Laserstrahls oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zeitlich zyklisch variiert werden. Typischerweise beträgt die Modulationstiefe MT=1-(Pmin/Pmax) zwischen 5% und 95%, mit Pmin: minimale Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls während eines Zyklus und Pmax: maximale Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls während eines Zyklus. Eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls kann zusammen mit einer räumlichen Oszillation des zumindest einen Teilstrahls (bzw. dessen Teil-Laserspots) kombiniert werden (z. B. mit einer Quer-Bewegungskomponente, siehe unten, insbesondere wobei im Bereich der Umkehrpunkte der Quer-Bewegungskomponente eine reduzierte Laserleistung angewandt wird, um ein Backenzahnprofil der Schweißnaht zu vermeiden).
Eine Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass die Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls sinusförmig oder rechteckförmig oder dreieckförmig oder als eine Kombination davon variiert wird. Diese Möglichkeiten der Variation sind alle geeignet, den Schmelzefluss im Schmelzbad zu optimieren, wodurch eine schnelle Bearbeitung der Plattenteile ermöglicht wird.
Ebenso bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls in Bereichen von Leistungstälern sinusförmig und in Bereichen von Leistungsbergen dreieckförmig variiert wird, und an Übergängen von sinusförmiger und dreieckförmiger Variation jeweils ein Leistungssprung eingerichtet ist. Durch diese Kombination der unterschiedlichen Schwingungsformen kann der Schmelzefluss im Schmelzbad besonders gut optimiert und eine schnelle Bearbeitung der Plattenteile erreicht werden.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei welcher zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Laserleistung des Laserstrahls insgesamt zeitlich zyklisch variiert wird. Die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung des Laserstrahls insgesamt ist technisch besonders einfach umsetzbar. Gegebenenfalls kann über die Variation der Laserleistung auf eine momentane Größe oder Tiefe einer Dampfkapillare Einfluss genommen werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Leistungsverteilung zwischen wenigstens zwei Teilstrahlen zeitlich zyklisch variiert wird, wobei eine Gesamtleistung des Laserstrahls zeitlich konstant gehalten wird. Mit gleichbleibender Gesamtleistung kann eine besonders gleichförmige Schweißnaht geschweißt werden. Gleichzeitig kann durch die zeitlich zyklische Variation der Leistungsverteilung zwischen den wenigstens zwei Teilstrahlen der Schmelzefluss im Schmelzbad gezielt beeinflusst und optimiert werden. Bei den wenigstens zwei Teilstrahlen kann es sich beispielsweise um nebeneinander liegende Teilstrahlen oder um ineinander liegende Teilstrahlen handeln.
Variation des Ortes (Wobbeln)
Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest einem Teilstrahl in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile eine Quer-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls quer zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Durch die zeitlich zyklische Quer-Bewegungskomponente des zumindest einen Teilstrahls kann die Bewegung im Schmelzbad beeinflusst werden, insbesondere um die Bildung von Schmelzeanhäufungen zu unterdrücken. Zudem können gegebenenfalls auch die Nahtbreite oder die Einschweißtiefe beeinflusst werden. Entsprechend der Anforderungen beim Schweißen können der gesamte Laserstrahl, oder lediglich ein Teilstrahl des Laserstrahls oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zeitlich zyklisch hin- und her bewegt werden.
Eine Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads dem gesamten Laserstrahl eine Quer-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass ein Laserspot des Laserstrahls quer zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Die zeitlich zyklische Hin- und Herbewegung des gesamten Laserstrahls ist technisch einfach umsetzbar.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest einem Teilstrahl in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile eine Längs-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls parallel zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Durch die zeitlich zyklische Längs-Bewegungskomponente des zumindest einen Teilstrahls kann die Bewegung im Schmelzbad besonders effizient beeinflusst werden, insbesondere um die Bildung von Schmelzeanhäufungen zu unterdrücken. Zudem können gegebenenfalls auch die Schmelzbadlänge oder die Einschweißtiefe beeinflusst werden. Entsprechend der Anforderungen beim Schweißen können der gesamte Laserstrahl, lediglich ein Teilstrahl des Laserstrahls oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zeitlich zyklisch hin- und her bewegt werden.
Bei einer Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads dem gesamten Laserstrahl eine Längs-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass ein Laserspot des Laserstrahls parallel zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Die zeitlich zyklische Hin- und Herbewegung des gesamten Laserstrahls ist technisch einfach umsetzbar.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der für eine mittlere Vorwärtsbewegungs-Geschwindigkeit vvor der Längs-Bewegungskomponente in Schweißrichtung SR und für eine mittlere Rückwärtsbewegungs-Geschwindigkeit vrück der Längs-Bewegungskomponente entgegen der Schweißrichtung SR gilt: |vrück| > |vvor|. Auf diese Weise kann die Schmelze entgegen der Schweißrichtung SR abgebremst werden bzw. in Schweißrichtung SR beschleunigt werden. Durch dieses Vorgehen kann der Schmelzefluss im Schmelzbad besonders wirkungsvoll beruhigt werden, und die Bildung von Schmelzeanhäufungen gut unterdrückt werden. Oft gilt weiterhin |vrück| ≥1,5*|vvor| oder auch |vrück| ≥2*|vvor| oder auch 0,2*|vrück| ≤|vvor| ≤0,8*|vrück|, bevorzugt |vvor| =0,5*|vrück| . Durch die betragsmäßig größere mittlere Rückbewegungsgeschwindigkeit kann die Relativgeschwindigkeit zwischen dem zumindest einen Teilstrahl und der Bipolarplatte auf der Werkstückoberfläche reduziert werden, insbesondere während der Vorwärtsbewegung der Längs-Bewegungskomponenten. Man beachte, dass alternativ auch |vrück| < |vvor| oder |vrück| = |vvor| gewählt sein kann.
Weiterhin bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der zumindest eine Teilstrahl, dem die Längs-Bewegungskomponente überlagert wird, bei Bewegung in Schweißrichtung SR eine mittlere Vorwärtsbewegungs-Laserleistung Pvor und bei Bewegung entgegen der Schweißrichtung SR eine mittlere Rückwärtsbewegungs-Laserleistung Prück aufweist, wobei gilt: Pvor<Prück. Auf diese Weise kann die Schmelze ebenfalls entgegen der Schweißrichtung SR abgebremst werden bzw. in Schweißrichtung SR beschleunigt werden. Durch dieses Vorgehen kann ebenfalls sehr wirkungsvoll der Schmelzefluss im Schmelzbad beruhigt werden, und die Bildung von Schmelzeanhäufungen gut unterdrückt werden. Oft gilt weiterhin Pvor≤1,5*Prück oder auch Pvor≤2*Prück oder auch 0,2*Prück≤Pvor≤0,8*Prück, bevorzugt Pvor=0,5*Prück. Während der Rückwärtsbewegung wird typischerweise die maximale Laserleistung während der zyklischen Längs-Bewegung zumindest des Teil-Laserspots erreicht. Man beachte, dass alternativ auch Pvor>Prück oder Pvor=Prück gewählt werden kann.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung, bei der eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente gleich sind. Es gilt also fQ/fL = 1. Gleiche Frequenzen fQ und fL lassen sich besonders einfach in der Praxis umsetzen. Außerdem kann das Laserschweißen besonders gleichmäßig durchgeführt werden.
Bevorzugt ist auch eine Untervariante dieser Weiterentwicklung, bei der durch Überlagerung der Quer-Bewegungskomponente und der Längs-Bewegungskomponente des zumindest einen Teilstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile der zumindest eine Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls zeitlich zyklisch kreisförmig um ein Kreis-Zentrum bewegt wird, wobei das Kreis-Zentrum mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve bewegt wird. Die zeitlich zyklische kreisförmige Bewegung um das Kreis-Zentrum kann einfach angewendet werden und ermöglicht ein gleichmäßiges Schweißen bei gleichzeitiger Optimierung des Schmelzeflusses und der Dynamik des Schmelzbades.
Ebenso vorteilhaft ist auch eine alternative Weiterentwicklung, bei der eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente ungleich sind. Hierdurch können eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten für unterschiedliche Schweißsituationen genutzt werden und der Schmelzefluss und die Schmelzbaddynamik entsprechend der Schweißsituation optimiert werden. Bevorzugt gilt für fQ/fL=N/M, mit N: eine natürliche Zahl und M: eine natürliche Zahl, insbesondere wobei eine der Zahlen M oder N eins ist.
Weiterhin bevorzugt ist eine Untervariante dieser Weiterentwicklung, bei der durch Überlagerung der Quer-Bewegungskomponente und der Längs-Bewegungskomponente des zumindest einen Teilstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile der zumindest eine Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls zeitlich zyklisch

- zickzack-förmig um ein Zickzack-Zentrum bewegt wird, wobei das Zickzack-Zentrum mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve bewegt wird, oder
- entlang einer liegenden Acht bewegt wird, die mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve bewegt wird.

Diese Bewegungsmuster haben sich in der Praxis zur Unterdrückung der Bildung von Schmelzeanhäufungen bewährt. Typischerweise liegen bei der liegenden Acht der Verbindungspunkt der beiden Kreise, die die liegende Acht bilden, und die diesem Verbindungspunkt jeweils gegenüberliegenden Punkte der beiden Kreise auf der Schweißkurve.
Atmende Laserspots
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, die vorsieht, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest ein Teil-Laserspot zumindest eines Teilstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird. Dadurch kann die Bewegung im Schmelzbad auf einfache Weise beeinflusst werden, um das Humping zu vermeiden. Gegebenenfalls kann auch die Nahtbreite oder eine momentane Größe einer Dampfkapillare beeinflusst werden.
Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der zum Vergrößern und Verkleinern zumindest des Teil-Laserspots eine Fokusposition zumindest des Teilstrahls senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch verändert wird. Dies ist besonders einfach in der Praxis durchzuführen und führt zu guten Ergebnissen.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der vorgesehen ist, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads ein Laserspot des gesamten Laserstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird. Die zeitliche Vergrößerung und Verkleinerung des Laserspots des gesamten Laserstrahls ist technisch besonders einfach umsetzbar. Zum Vergrößern und Verkleinern des Laserspots kann dann eine Fokusposition des gesamten Laserstrahls senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch verändert werden.
Wahl der Variationsfrequenz
Vorteilhaft ist auch eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass für eine normierte Frequenz NF gilt: NF=fM*dw/VS mit 0,1≤NF≤5, mit dw: größter Durchmesser des Laserstrahls auf der Oberfläche. Wird fM so gewählt, dass der angegebene Bereich für NF eingehalten wird, kann in der Regel eine gute Unterdrückung von Schmelzeanhäufungen erreicht werden.
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass k*0,9*fH≤fM≤k*1,1*fH, mit fH: Humpingfrequenz, mit fH= VS/laverage, mit laverage: mittlerer Abstand von Schmelzeanhäufungen in der erstarrten Schweißnaht, wenn das Laserschweißen ohne die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung erfolgen würde, und k: natürliche Zahl. Wird die Frequenz fM ähnlich oder gleich zur Humpingfrequenz fH gewählt, kann die Bildung von Schmelzeanhäufungen besonders effizient unterdrückt werden. Bevorzugt ist k=1.
Eine Weiterentwicklung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Laserschweißen der Bipolarplatte in einer Vorabmessung ein Laserschweißen einer Test-Platte mit einem Test-Laserstrahl mit der Vorschubgeschwindigkeit VS erfolgt, wobei zwei Test-Plattenteile für die Test-Platte zumindest in ihrer Materialsorte und Materialstärke mit der Materialsorte und der Materialstärke der Plattenteile übereinstimmen und der Test-Laserstrahl im zeitlichen Mittel dem Laserstrahl entspricht, jedoch keine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Test-Plattenteile im Bereich des Schmelzbads anwendet, und dass in einer erstarrten Test-Schweißnaht der Test-Platte der mittlere Abstand laverage von Schmelzeanhäufungen bestimmt wird. Auf diese Weise kann die Humpingfrequenz experimentell einfach und genau bestimmt werden. Typischerweise ist die Test-Platte (bzw. sind die Test-Plattenteile) baugleich zur Bipolarplatte (bzw. zu den Plattenteilen).
Weiterhin vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird,
wobei fM so gewählt ist, dass 0,8*fnat≤fM≤1,2*fnat, mit fnat: natürliche Schmelzbadfrequenz,
mit fnat= VS/(2*L), mit L: Schmelzbadlänge in Schweißrichtung SR. Mit einer entsprechend gewählten (Modulations-)Frequenz fM ergibt sich ebenfalls eine sehr effiziente Unterdrückung von Schmelzeanhäufungen.
Diverse Varianten, insbesondere Strahlformung
In einer vorteilhaften Variante ist weiterhin vorgesehen, dass der Laserstrahl als Überlagerungs-Laserstrahl ausgebildet ist, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die Überlagerungs-Teillaserstrahlen darstellen, wobei die Überlagerungs-Teillaserstrahlen an der Oberfläche ineinander liegen. Typischerweise wird in einem radial äußeren Teil des Überlagerungs-Laserstrahls eine geringere lokale Laserleistungsdichte und in einem radial inneren Teil des Überlagerungs-Laserstrahls eine lokal höhere Laserleistungsdichte eingerichtet. Dadurch kann beim Tiefschweißen die Dampfkapillare stabilisiert und die Schmelzbaddynamik verringert werden. Der Überlagerungs-Laserstrahl hat typischerweise auf der Werkstückoberfläche konzentrische Überlagerungs-Teillaserstrahlen.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungs-Laserstrahl als Überlagerungs-Teillaserstrahlen einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst, oder dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen größeren Überlagerungs-Teillaserstrahl und einen kleineren Überlagerungs-Teillaserstrahl, der an der Werkstückoberfläche innerhalb des größeren Überlagerungs-Teillaserstrahls liegt, umfasst. Dieses Vorgehen ist besonders einfach und in der Praxis bewährt. Ein Überlagerungs-Laserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-1-Faser erzeugt, und der Kernstrahl und der Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass die Plattenteile jeweils eine Blechdicke BLD zwischen 50 µm und 150 µm aufweisen. Die Plattenteile sind bevorzugt aus Edelstahl gefertigt, z B. vom Typ 1.4404. Bevorzugt beträgt die Blechdicke BLD=75 µm. Entsprechende metallische Plattenteile sind kostengünstig herzustellen und sind für die Anforderungen in einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle besonders gut geeignet, insbesondere bezüglich Korrosionsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit beim Laserschweißen. Blechdicken zwischen 50 µm und 150 µm vereinigen eine ausreichende Robustheit mit leichtem und materialsparendem Bau.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte dienen in der Regel der Abdichtung gegenüber Fluiden in der Brennstoffzelle (Kühlwasser, Reaktionswasser, Reaktionsgase wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff). Im Rahmen der Erfindung können geschlossene Schweißnähte mit verbesserter Dichtigkeit gefertigt werden, wodurch hier die Erfindung besonders vorteilhaft ist.
Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass die wenigstens eine Schweißnaht wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht umfasst. Die an der Außenseite umlaufende, geschlossene Schweißnaht stellt insbesondere sicher, dass kein Kühlmittel (Kühlwasser) in die Reaktionsräume eines Brennstoffzellenstacks austritt, und auch keine Reaktionsgase (wie Wasserstoff und Sauerstoff) zwischen die Plattenteile gelangen oder sich gar unkontrolliert vermischen können. Entsprechend ist die mit der Erfindung erreichbare, verbesserte Dichtigkeit von besonderem Vorteil.
Vorteilhaft ist auch eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass gilt:

- Der Laserstrahl wird mit einem Infrarotlaser erzeugt und weist eine mittlere Wellenlänge zwischen 800 nm und 1200 nm, bevorzugt 1030 nm oder 1070 nm, auf, oder der Laserstrahl wird mit einem VIS-Laser mit einer mittleren Wellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 500 nm und 550 nm erzeugt; und/oder
- Das Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP≤0,6 mm*mrad im Single Mode oder mit SP≤3mm*rad im Multi Mode; und/oder
- Das Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP≤0,6 mm*mrad im Single Mode oder mit SP≤3mm*rad im Multi Mode; und/oder
- Der Strahldurchmesser dw1 des in Schweißrichtung zuerst eingesetzten Teilstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 µm und 300 µm, bevorzugt mit 30µm≤dw1≤70µm im Single Mode oder 50µm≤dw1≤170µm im Multi Mode, und der Strahldurchmesser dwx aller etwaigen anderen Teilstrahlen ist gewählt mit 0,1*dw1≤dwx≤10*dw1, bevorzugt mit dw1=dwx; und/oder
- Die Laserleistung P des Laserstrahls liegt zwischen 10W und 2000W , bevorzugt mit 50W≤P≤700W; und/oder
- Die Vorschubgeschwindigkeit VS des Laserstrahls liegt zwischen 100 mm/s und 5000 mm/s, bevorzugt mit 300 mm/s ≤ VS ≤ 2000 mm/s; und/oder
- Ein Abbildungsverhältnis AV einer Laseroptik, mit der der Laserstrahl auf das Werkstück abgebildet wird, liegt zwischen 1:1 und 5:1, bevorzugt mit 1,5:1 ≤ AV ≤ 2:1.

Diese Parameter haben sich für die erfindungsgemäße Fertigung der Bipolarplatten in der Praxis bewährt.
Weiterhin fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Solchermaßen gefertigte Bipolarplatten zeichnen sich durch eine gute Fluiddichtigkeit an der wenigstens einen Schweißnaht aus, und erreichen eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen. Zudem können die Bipolarplatten besonders schnell gefertigt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen, die durch mehrere umlaufend geschlossene Schweißnähte sowie mehrere sich geradlinig erstreckende Schweißnähte miteinander verbunden sind;
2a zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer ersten Variante der Erfindung erzeugt wird und ein dazugehöriges Diagramm, in dem die Leistungsdichteverteilung an der Oberfläche des Schmelzbads entlang der Achse A zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingezeichnet ist;
2b zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung des Laserstrahls aus 2a zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der ersten Variante;
3a zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung eines Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Variante;
3b zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung eines Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Variante;
4 zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung eines Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vierten Variante;
5 zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung zweier Teilstrahlen eines Laserstrahls bei gleichbleibender Gesamtleistung des Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer fünften Variante;
6a zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer sechsten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls längs zur Schweißrichtung SR gemäß einer Längs-Bewegungskomponente und ein dazugehöriges Diagramm, in dem die Leistungsdichteverteilung an der Oberfläche des Schmelzbads entlang der Achse A zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingezeichnet ist;
6b zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Position des Laserstrahls aus 2a zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der sechsten Variante;
7a zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer siebten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls quer zur Schweißrichtung SR gemäß einer Quer-Bewegungskomponente;
7b zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer achten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls parallel und quer zur Schweißrichtung SR gemäß einer Längs-Bewegungskomponente und einer Quer-Bewegungskomponente;
8a zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer neunten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls entlang einer Kreisbahn gemäß einer Quer-Bewegungskomponente und einer Längs-Bewegungskomponente, die eine gleiche Frequenz aufweisen;
8b zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer zehnten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls entlang einer 8-förmigen Bahn gemäß einer Quer-Bewegungskomponente und einer Längs-Bewegungskomponente, die eine ungleiche Frequenz aufweisen;
9 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer elften Variante der Erfindung erzeugt wird, mit unterschiedlichen Größen des durch den Laserstrahl erzeugten Laserspots zu unterschiedlichen Zeitpunkten;
10 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Plattenteile, die mittels eines Laserstrahls wie in 9 gezeigt gemäß der elften Variante verschweißt werden, wobei der Laserstrahl zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Fokuspositionen in Richtung senkrecht zur Werkstückoberfläche aufweist;
11 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß der Erfindung erzeugt wird, sowie den durch den Laserstrahl erzeugten Laserspot zur Erläuterung von Parametern zur Bestimmung der Frequenz fM;
12 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Test-Plattenteile, die im Rahmen der Erfindung in einer Vorabmessung mit einem Test-Laserstrahl bearbeitet werden und bei denen sich auf der Oberfläche der erstarrten Schweißnaht Schmelzeanhäufungen bilden, zur Bestimmung der Frequenz fM;
13 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Plattenteile, die mit einem Laserstrahl gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verschweißt werden;
14 zeigt eine schematische Ansicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer zwölften Variante der Erfindung erzeugt wird, wobei der Laserstrahl als Überlagerungs-Laserstrahl mit zwei Teilstrahlen ausgebildet ist;
15a zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Schweißnaht einer Bipolarplatte, gefertigt mit einem Laserstrahl mit Quer-Bewegungskomponente;
15b zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Schweißnaht einer Bipolarplatte, gefertigt mit einem Laserstrahl mit Quer-Bewegungskomponente und synchroner Leistungsmodulation.

Die 1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 für eine hier nicht näher dargestellte Brennstoffzelle; die dargestellte Bipolarplatte 1 wurde im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
Die Bipolarplatte 1 ist aus einem oberen Plattenteil 1a und einem unteren Plattenteil 1b gefertigt. Die zwei Plattenteile 1a, 1b der Bipolarplatte 1 sind übereinander liegend angeordnet. Die zwei Plattenteile 1a, 1b weisen eine Profilierung (nicht dargestellt) auf. Die Profilierung bildet ein System (beispielsweise ein mäandrisches oder doppelmäandrisches System) von unterschiedlichen Kanälen aus. Die Kanäle zwischen den zwei Plattenteilen 1a, 1b sind Kühlfluidkanäle (typischerweise für Kühlwasser). Die Kanäle an den Außenflächen der zwei Plattenteile 1a, 1b sind Führungskanäle für Gas (wie Sauerstoff oder Wasserstoff) und Wasser (welches als Reaktionswasser in der Brennstoffzelle anfällt). Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind aus einem metallischen Material hergestellt, z. B. rostfreiem Edelstahl. Eine Blechdicke BLD der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75µm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 µm und 150 µm.
Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind (nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) durch eine Vielzahl von Schweißnähten 2 miteinander verbunden. Die Schweißnähte 2 sind schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien dargestellt. An der Außenseite der zwei Plattenteile 1a, 1b verläuft eine umlaufend geschlossene Schweißnaht 2a. Um zwei Durchbrüche 3, die durch die Bipolarplatte 1 hindurchreichen, verlaufen zwei geschlossene Schweißnähte 2b herum. Mehrere offene (hier geradlinige) Schweißnähte 2c verlaufen ebenfalls auf der Bipolarplatte 1. Die Schweißnähte 2a, 2b sind fluiddicht, insbesondere gasdicht, ausgebildet. Die Schweißnähte 2c dienen der mechanischen und elektrisch gut leitenden Verbindung zwischen den zwei Plattenteilen 1a, 1b. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren wurde auf alle Schweißnähte 2a, 2b, 2c angewendet.
2a und 2b zeigen eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf die Plattenteile einer Bipolarplatte (wie in 1 erläutert) angewendet wird. Die obere Teilfigur von 2a zeigt einen Ausschnitt einer Oberfläche 4 an der Oberseite des Plattenteils 1a, auf der ein Laserstrahl 5 einen Laserspot 6 ausleuchtet und ein Schmelzbad 7 erzeugt. Die untere Teilfigur von 2a zeigt ein Diagramm einer Leistungsdichteverteilung LDV von Laserleistung im Bereich des Schmelzbads 7 entlang einer Achse A auf der Oberfläche 4, die durch den Laserstrahl 5 bewirkt wird zu verschiedenen Zeitpunkten. 2b zeigt ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Laserleistung P des Laserstrahls 5.
In der oberen Teilfigur von 2a ist die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2 schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien auf der Oberfläche 4 dargestellt.
Die Fertigung der Schweißnaht 2 erfolgt in der in 2a dargestellten Variante mittels des Laserstrahls 5, der von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil 1a gerichtet ist. Der Laserstrahl 5 erzeugt auf der Oberfläche 4 des Plattenteils 1a den Laserspot 6. Um den Laserspot 6 herum erzeugt der Laserstrahl 5 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich des Laserspots 6 ist das Schmelzbad 7 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR wird das Schmelzbad 7 allmählich schmäler. Das Schmelzbad 7 erstreckt sich zwischen einem vorderen Ende VE und einem hinteren Ende HE.
Der Laserspot 6 wird im Rahmen eines Schweißvorschubs auf einer Schweißkurve 8 bewegt. Die Schweißkurve 8 ist in der hier gezeigten Figur identisch mit der Mittellinie der Schweißnaht 2. Der Laserstrahl 5 (und damit der Laserspot 6) wird mit einer Grund-Bewegungskomponenten GBK mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet; der Vorschub verläuft entlang einer Schweißrichtung SR. In der gezeigten Variante werden keine weiteren Bewegungskomponenten angewandt.
Die 2a und 2b illustrieren eine erste Möglichkeit, wie die Leistungsdichteverteilung LDV in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche 4 des Plattenteils 1a im Bereich des Schmelzbads 7 zeitlich zyklisch variiert werden kann, wobei die Laserleistung des Laserstrahls 5 bei konstanter Größe des Laserspots 6 variiert wird. In der unteren Teilfigur von 2a ist das Diagramm der Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche 4 gezeigt. Das Diagramm zeigt die lokale Leistungsdichte LD in % in Abhängigkeit der Position entlang der Achse A in der Ebene der Oberfläche 4. Die Leistungsdichte LD ist an der Position am größten, an der das Zentrum 9 des Laserspots 6 liegt und fällt vom Zentrum 9 des Laserspots 6 zum Rand 10 des Laserspots 6 hin ab.
Es sind Leistungsdichteverteilungen LDV im Diagramm zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2, t3 eingetragen. Zum Zeitpunkt t1 hat die Leistungsdichteverteilung LDV (durchgezogene Linie) im Bereich des Schmelzbads 7 ihre größten Werte und an der Position im Zentrum 9 des Laserspots 6 wird die größte Leistungsdichte LD, welche hier auf 100% normiert ist, erreicht. Zum Zeitpunkt t2 hat die Leistungsdichteverteilung LDV (gepunktete Linie) im Bereich des Schmelzbads 7 kleinere Werte verglichen zum Zeitpunkt t1 und an der Position im Zentrum 9 des Laserspots 6 wird eine Leistungsdichte LD von hier ungefähr 85% erreicht. Zum Zeitpunkt t3 hat die Leistungsdichteverteilung LDV (gestrichelte Linie) im Bereich des Schmelzbads 7 ihre kleinsten Werte verglichen zu den Zeitpunkten t1 und t2 und an der Position im Zentrum 9 des Laserspots 6 wird eine Leistungsdichte LD von hier ungefähr 70% erreicht.
Diese Leistungsdichten LD zu den unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2, t3 korrelieren mit der (gesamten) Laserleistung P des Laserstrahls 5; die Laserleistung P ist im Diagramm von 2b in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Die Laserleistung P des Laserstrahls 5 wird in der hier gezeigten Variante sinusförmig variiert. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die Laserleistung P des Laserstrahls 5 ihr Maximum von 100%. Zum Zeitpunkt t1 hat auch die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 ihre größten Werte. Zum Zeitpunkt t2 liegt die Laserleistung P des Laserstrahls 5 bei ungefähr 85% und zum Zeitpunkt t3 liegt die Laserleistung P des Laserstrahls 5 bei ungefähr 70%. Entsprechend der Laserleistung P zu den Zeitpunkten t2 und t3 verändert sich auch die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 zu den Zeitpunkten t2 und t3.
Durch die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 kann die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 auf einfache Weise variiert werden und die Bildung von Humps unterdrückt werden.
In der hier gezeigten Variante umfasst der Laserstrahl 5 lediglich einen Teilstrahl. Erfindungsgemäß kann der Laserstrahl 5 einen Teilstrahl umfassen (wie hier gezeigt) oder mehrere Teilstrahlen umfassen (nicht näher dargestellt, siehe aber 5 oder 14).
3a zeigt eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 variiert wird. Im gezeigten Diagramm ist die (gesamte) Laserleistung P des Laserstrahls 5 in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
Die Laserleistung P des Laserstrahls 5 wird in der hier gezeigten Variante rechteckförmig variiert. Es gibt Zeiträume, in denen die Laserleistung P 100% beträgt und Zeiträume, in denen die Laserleistung P hier ungefähr 30% beträgt. Beim Übergang zwischen den Laserleistungen P liegt jeweils ein Sprung der Laserleistung P des Laserstrahls 5 vor.
3b zeigt eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 variiert wird. Im gezeigten Diagramm ist die Laserleistung P in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
Die Laserleistung P wird in der hier gezeigten Variante dreieckförmig variiert. Die maximale Laserleistung P beträgt 100% und die geringste Laserleistung P beträgt hier etwa 40%. Dazwischen wird die Laserleistung P linear mit der Zeit t geändert.
4 zeigt eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 variiert wird. Im gezeigten Diagramm ist die Laserleistung P in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
Die Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 in der hier gezeigten Variante erfolgt als eine Kombination sinusförmiger und dreieckförmiger Änderungen der Laserleistung P in Abhängigkeit der Zeit t. Im Bereich von Leistungsbergen (Laserleistung P zwischen ca. 80% und 100%) erfolgt die Variation der Laserleistung P dreieckförmig (mit einem linearen Anstieg und einem linearen Abfall der Laserleistung), im Bereich von Leistungstälern (Laserleistung P zwischen ca. 40% und ca. 60%) erfolgt die Variation der Laserleistung P sinusförmig und an Übergangszeitpunkten tue zwischen der dreieckförmigen und sinusförmigen Variation sind Leistungssprünge eingerichtet (Sprung der Laserleistung P von ca. 60% auf ca. 80% und umgekehrt).
5 zeigt eine fünfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation einer Leistungsverteilung zwischen zwei Teilstrahlen eines Laserstrahls variiert wird. Die Teilstrahlen können beispielsweise als Kernstrahl und Ringstrahl eines Überlagerungs-Laserstrahls eingerichtet sein (vgl. 14 hierzu mit Teilstrahlen 11a, 11b). Im gezeigten Diagramm ist die Laserleistung in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
In der hier gezeigten Variante wird eine Gesamtleistung Pges des Laserstrahls konstant bei 100% gehalten. Der erste Teilstrahl 11a (vgl. 14) des Laserstrahls hat eine Teilstrahlleistung P11a und der zweite Teilstrahl 11b (vgl. 14b) des Laserstrahls hat eine Teilstrahlleistung P11b. Die Teilstrahlleistungen P11a, P11b der Teilstrahlen des Laserstrahls ergeben zusammen die Gesamtleistung Pges des Laserstrahls. Die Leistungsverteilung zwischen den zwei Teilstrahlen wird variiert, indem die Teilstrahlleistungen P11a, P11b dreieckförmig mit der Zeit variiert werden. Die Änderungen der Teilstrahlleistungen P11a, P11b sind betragsmäßig zu allen Zeiten gleich groß mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Jeweils auf die Gesamtleistung Pges bezogen beträgt zum Zeitpunkt t1 die Teilstrahlleistung Plla 75% und die Teilstrahlleistung P11b 25%, zum Zeitpunkt t2 betragen die Teilstrahlleistungen P11a, P11b jeweils 50% und zum Zeitpunkt t3 beträgt die Teilstrahlleistung Plla 25% und die Teilstrahlleistung P11b 75%.
Bei den Teilstrahlen handelt es sich in der gezeigten Variante (siehe auch 14 hierzu) um ineinander liegende Teilstrahlen mit einem Kernstrahl und einem Ringstrahl, die beispielsweise mittels einer Multiclad-Faser (nicht näher dargestellt) erzeugt wurden. Alternativ kann es sich beispielswiese auch um nebeneinander liegende Teilstrahlen handeln (nicht näher dargestellt).
6a und 6b zeigt eine sechste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf die Plattenteile einer Bipolarplatte angewendet wird. Die obere Teilfigur von 6a zeigt einen Ausschnitt der Oberfläche 4 an der Oberseite des Plattenteils 1a, auf der der Laserstrahl 5 den Laserspot 6 ausleuchtet und das Schmelzbad 7 erzeugt. Die untere Teilfigur von 6a zeigt ein Diagramm der Leistungsdichteverteilung LDV von Laserleistung im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche 4, die durch den Laserstrahl 5 bewirkt wird. 6b zeigt ein Diagramm der zeitlichen Veränderung einer Position des Zentrums 9 des Laserspots 6 auf der Achse A im Bezugssystem des mit der Grund-Bewegungskomponente fortschreitenden Schmelzbads 7. Das Schmelzbad 7 erstreckt sich zwischen dem vorderen Ende VE und dem hinteren Ende HE.
In der oberen Teilfigur von 6a ist die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2 schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien an der Oberfläche 4 dargestellt.
Die Fertigung der Schweißnaht 2 erfolgt in der in 6 dargestellten Variante mittels des Laserstrahls 5, der von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil 1a gerichtet ist. Der Laserstrahl 5 erzeugt auf der Oberfläche 4 des Plattenteils 1a den Laserspot 6. Um den Laserspot 6 herum erzeugt der Laserstrahl 5 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich des Laserspots 6 ist das Schmelzbad 7 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR wird das Schmelzbad 7 allmählich schmäler.
Der Laserspot 6 wird im Rahmen eines Schweißvorschubs auf der Schweißkurve 8 bewegt. Die Schweißkurve 8 ist in der hier gezeigten Figur identisch mit der Mittellinie der Schweißnaht 2. Der Laserstrahl 5, und damit auch der Laserspot 6, werden mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet; der Vorschub verläuft entlang der Schweißrichtung SR.
6a und 6b illustrieren eine weitere Möglichkeit, die Leistungsdichteverteilung LDV in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche 4 des Plattenteils 1a im Bereich des Schmelzbads 7 einer zeitlich zyklischen Variation zu unterziehen, wobei der Grund-Bewegungskomponente GBK des Laserstrahls 5 eine Längs-Bewegungskomponente LBK mit einer Frequenz fL überlagert wird; der Laserstrahl 5 wird längs zur Schweißrichtung SR hin- und herbewegt. In der oberen Teilfigur von 6a wird der Laserspot 6 im Bereich des Schmelzbads 7 an drei unterschiedlichen Positionen P1, P2, P3 gezeigt. Die markierten Positionen P1, P2, P3 entsprechen jeweils dem Zentrum 9 des Laserspots 6 zu verschiedenen Zeitpunkten t1, t2, t3. Die Positionen P1, P2, P3 werden im mit der Grund-Bewegungskomponente GBK wandernden Bezugssystem des Schmelzbads 7 angegeben. Das Schmelzbad 7 erstreckt sich zwischen dem vorderen Ende VE und dem hinteren Ende HE. Die Positionen P1, P2, P3 liegen alle auf der Schweißkurve 8. Zur Verdeutlichung der Längs-Bewegung ist der Laserspot 6 an Position P1 gestrichelt, an Position P2 durchgehend und an Position 3 gepunktet dargestellt.
In der unteren Teilfigur von 6a ist das Diagramm der Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche 4 gezeigt. Das Diagramm zeigt die lokale Leistungsdichte LD in % in Abhängigkeit der Position entlang der Achse A in der Ebene der Oberfläche 4. Die Leistungsdichte LD ist an der Position am größten, an der das Zentrum 9 des Laserspots 6 liegt und fällt vom Zentrum 9 des Laserspots 6 zum Rand 10 des Laserspots 6 hin ab.
Es sind Leistungsdichteverteilungen LDV im Diagramm zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 eingetragen. Zum Zeitpunkt t1 hat die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 (durchgezogene Linie) ihre größten Werte an Position P2. Zum Zeitpunkt t2 hat die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 (gestrichelte Linie) ihre größten Werte an Position P1. Zum Zeitpunkt t3 hat die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 (durchgezogene Linie) ihre größten Werte wieder an Position P2. Zum Zeitpunkt t4 hat die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 (gepunktete Linie) ihre größten Werte an Position P3.
Das Diagramm von 6b zeigt die Position des Zentrums 9 von Laserspot 6 auf der Achse A in Abhängigkeit der Zeit t. Die Position des Zentrums 9 wird in der hier gezeigten Variante sinusförmig variiert. Zum Zeitpunkt t1 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 auf Position P2. Zum Zeitpunkt t2 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 auf Position P1. Zum Zeitpunkt t3 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 wieder auf Position P2. Zum Zeitpunkt t4 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 auf Position 3. Entsprechend der Position zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 verändert sich auch die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, t4.
Durch die zeitlich zyklische Variation des Ortes des Laserspots gemäß der Längs-Bewegungskomponenten LBK kann die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 auf einfache Weise variiert werden und die Bildung von Humps unterdrückt werden.
In 7a wird eine siebte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 durch eine zeitlich zyklische Variation der Position des Laserstrahls 5 variiert wird.
Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 in Schweißrichtung SR bewegt. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 eine Quer-Bewegungskomponente QBK mit einer Frequenz fQ überlagert; die Quer-Bewegung des Laserstrahls 5 erfolgt senkrecht zur Schweißkurve 8 hin und her.
In 7a wird der Laserspot 6 im Bereich des Schmelzbads 7 an den drei Positionen P1, P2, P3 gezeigt. Die markierten Positionen P1, P2, P3 entsprechend dem Zentrum 9 des Laserspots 6 zu verschiedenen Zeitpunkten. Position P2 liegt auf Schweißkurve 8, die Positionen P1 und P3 sind jeweils quer zur Schweißkurve 8 verschoben. Zur Verdeutlichung der Quer-Bewegung und der unterschiedlichen Positionen P1, P2, P3, an die das Zentrum 9 des Laserspots 6 verschoben wird, ist der Laserspot an Position P1 als gepunkteter Kreis, an Position P2 als durchgezogener Kreis und an Position P3 gestrichelter Kreis dargestellt.
In 7b wird eine achte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 durch eine zeitlich zyklische Variation der Position des Laserstrahls 5 variiert wird.
Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 in Schweißrichtung SR bewegt. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 die Quer-Bewegungskomponente QBK mit der Frequenz fQ und die Längs-Bewegungskomponente LBK mit der Frequenz fL überlagert; die Quer-Bewegung des Laserstrahls 5 erfolgt senkrecht zur Schweißkurve 8 hin und her und die Längs-Bewegung des Laserstrahls 5 erfolgt parallel zur Schweißkurve 8 hin und her.
In 7b wird der Laserspot 6 im Bereich des Schmelzbads 7 an den drei Positionen P1, P2, P3 gezeigt. Die markierten Positionen P1, P2, P3 entsprechen dem Zentrum 9 des Laserspots 6 zu verschiedenen Zeitpunkten. Position P2 liegt auf Schweißkurve 8, die Positionen P1 und P3 sind jeweils quer und längs zur Schweißkurve 8 verschoben. Zur Verdeutlichung der Quer-Bewegung und der unterschiedlichen Positionen P1, P2, P3, an die das Zentrum 9 des Laserspots 6 verschoben wird, ist der Laserspot an Position P1 als gepunkteter Kreis, an Position P2 als durchgezogener Kreis und an Position P3 als gestrichelter Kreis dargestellt.
8a zeigt eine neunte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der ähnlich der achten Variante aus 7b sowohl eine Längs-Bewegungskomponente als auch eine Quer-Bewegungskomponente angewandt werden.
Auf den Laserstrahl 5 wird die Grund-Bewegungskomponente GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS angewendet. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 die Quer-Bewegungskomponente mit der Frequenz fQ und die Längs-Bewegungskomponente mit der Frequenz fL überlagert, die hier gleich sind (fL=fQ). Die Längs-Bewegungskomponenten und die Quer-Bewegungskomponenten sind jeweils sinusförmig mit gleicher Amplitude und um 90° in der Phase zueinander verschoben. Damit ergibt sich ein Kreis (Kreisbahn) 12, welchen der Laserstrahl 5 bzw. der zugehörige Laserspot 6 mit seinem Zentrum (Spotzentrum) auf der Oberfläche zeitlich zyklisch abfährt. Der Kreis 12 hat ein Kreis-Zentrum 13. Das Kreis-Zentrum 13 wird mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 geführt.
8b zeigte eine zehnte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der ähnlich der achten Variante aus 7b sowohl eine Längs-Bewegungskomponente als auch eine Quer-Bewegungskomponente angewandt werden.
Auf den Laserstrahl 5 wird die Grund-Bewegungskomponente GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS angewendet. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 die Quer-Bewegungskomponente mit der Frequenz fQ und die Längs-Bewegungskomponente mit der Frequenz fL überlagert, die hier ungleich sind (fL≠fQ). Die Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente ist hier doppelt so groß wie die Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente. Weiterhin ist die Amplitude der sinusförmigen Längs-Bewegungskomponente doppelt so groß wie die Amplitude der sinusförmigen Quer-Bewegungskomponenten; der Phasenversatz beträgt null. Auf diese Weise ergeben sich zwei (in Richtung der Grundbewegungskomponenten GBK) nebeneinander liegende Kreise 12a, 12b, die eine liegende Acht (8-förmige Bahn) 14 bilden und vom Laserspot 6 mit dessen Spotzentrum auf der Oberfläche zeitlich zyklisch durchlaufen wird. Die Bewegung des Laserspots 6 entlang der liegenden Acht (8-förmigen Bahn) 14 ist durch einen Richtungspfeil RP angegeben. Die liegende Acht 14 bewegt sich insgesamt mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8.
In 9 wird eine elfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 durch eine zeitlich zyklische Variation der Größe des Laserspots 6 des Laserstrahls 5 variiert wird.
Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Zusätzlich wird der Laserspot 6 des Laserstrahls 5 zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert. Der Laserspot 6 ist hier einmal mit einer durchgezogenen Linie (zum Zeitpunkt t1) und einmal mit einer gepunkteten Linie (zum Zeitpunkt t2) gezeigt. Durch diese zeitlich zyklische Vergrößerung und Verkleinerung des Laserspots 6 wird die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 ebenfalls zeitlich zyklisch variiert, wodurch die Bildung von Humps unterdrückt werden kann. In der hier vorgestellten elften Variante bleibt die (gesamte) Laserleistung des Laserstrahls 5 konstant. Betrachtet man in diesem Beispiel die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche (entsprechend 2a oder 6a), so ist zum Zeitpunkt t1 die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 schmaler mit höheren Werten für die Leistungsdichte und zum Zeitpunkt t2 ist die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 breiter mit niedrigeren Werten für die Leistungsdichten (nicht näher dargestellt).
In 10 wird die elfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 9 anhand eines schematischen Längsschnitts einer Bipolarplatte 1, die mit einem Laserstrahl 5 bearbeitet wird, weiter erläutert.
Die Plattenteile 1a, 1b sind übereinander angeordnet. Der Laserstrahl 5 erzeugt in einer Ebene E der Oberfläche 4 des ersten Plattenteils 1a den Laserspot 6. Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS in Schweißrichtung SR bewegt. Um den Laserspot 6 herum erzeugt der Laserstrahl 5 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Nachlauf des Schmelzbades 7 erstarrt das aufgeschmolzene Plattenmaterial und bildet die fertige Schweißnaht 2.
Um die Bildung von Humps zu unterdrücken wird (wie bereits in 9 in Aufsicht auf das Schmelzbad 7 erläutert) der Laserspot 6 in der Ebene E zeitlich zyklisch verkleinert und vergrößert. In der hier gezeigten Variante wird die Verkleinerung und Vergrößerung dadurch bewirkt, dass eine Fokusposition (Fokusebene / Ort des kleinsten Strahldurchmessers) FP1, FP2 des Laserstrahls 5 zeitlich zyklisch senkrecht zur Ebene E verschoben wird. Der Laserstrahl 5 ist in 10 zum Zeitpunkt t1 (durchgezogene Linien des Laserstrahls 5) und zum Zeitpunkt t2 (gepunktete Linien des Laserstrahls 5) gezeigt.
Zum Zeitpunkt t1 befindet sich die Fokusposition FP1 in der Ebene E. Der Laserspot 6 auf dem Schmelzbad 7 hat einen Durchmesser d1. Zum Zeitpunkt t2 wurde die Fokusposition FP2 des Laserstrahls 5 um eine Höhe H senkrecht zur Ebene E in Richtung in die Plattenteile 1a, 1b hinein verschoben. Der Laserspot 6 auf dem Schmelzbad hat dann einen Durchmesser d2, der größer ist als der Durchmesser d1 des Laserspots 6 zum Zeitpunkt t1.
Man beachte, dass in 10 zur Vereinfachung eine sich bildende Dampfkapillare nicht näher dargestellt ist.
In 11 werden Möglichkeiten gezeigt, mit denen die Frequenz fM einer zeitlich zyklischen Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 ausgewählt werden kann. Es ist in einer schematischen Aufsicht das Schmelzbad 7 gezeigt, das mit dem Laserstrahl 5 und dessen Laserspot 6 erzeugt wird.
Der (hier kreisrunde) Laserspot 6 hat einen (größten) Durchmesser dw von hier 50µm. Die Größe des Laserspots 6 kann über das 86%-Kriterium bestimmt werden. Hierzu wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils des Laserstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS von hier 1000mm/s entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Das Schmelzbad 7 besitzt eine Länge L entlang der Schweißrichtung SR, wobei L im gewählten Beispiel ca. 60µm beträgt
Zum einen gilt für eine normierte Frequenz NF: $NF = fM * dw / VS .$
Typischerweise liegt die normierte Frequenz NF zwischen einem Wert von 0,1 und 5. Durch Umstellen der obigen Gleichung nach fM ergibt sich folgender Ausdruck: $fM = NF * VS / dw .$
Bei Vorgabe der gewünschten normierten Frequenz NF (oder eines gewünschten Intervalls für NF) und Kenntnis des größten Durchmessers dw sowie der Vorschubgeschwindigkeit VS kann die benötigte Frequenz fM (oder ein benötigtes Intervall für fM) abgeschätzt werden.
Nimmt man beispielsweise an, dass NF = 1 sein soll, sieht im vorliegenden Beispiel die umgestellte Gleichung für fM folgendermaßen aus: $fM = 1 * (1000 mm / s) / (50 μ m) = 20 kHz .$
Lässt man für NF ein Intervall von 0,1 bis 5 zu, so kann im gewählten Beispiel fM in einem Intervall von 2kHz bis 100kHz gewählt werden.
Zum anderen kann eine natürliche Schmelzbadfrequenz fnat bestimmt werden. Typischerweise sollte die Frequenz fM in einem Bereich von 0,8*fnat und 1,2*fnat liegen. Die natürliche Schmelzbadfrequenz fnat kann gemäß folgender Gleichung ermittelt werden: $fnat = VS (2 * L) .$
Bei Kenntnis der Vorschubgeschwindigkeit VS und der Schweißbadlänge L kann die natürliche Schmelzbadfrequenz fnat und im Zuge dessen die Frequenz fM bestimmt werden. Im gewählten Beispiel ergibt obige Gleichung für fnat: $fnat = (1000 mm / s) / (2 * 60 μ m) = 8,33 kHz .$
Die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 sollte also hier mit einer Frequenz fM mit einen Wert zwischen 6,67kHz und 10kHz zeitlich zyklisch variiert werden.
In 12 wird gezeigt, wie mit Hilfe einer Test-Platte 15 und einer Vorabmessung die Frequenz fM ausgewählt werden kann. Die Test-Platte 15 ist in einem schematischen Längsschnitt gezeigt.
Zur Fertigung der Test-Platte 15 werden zwei Test-Plattenteile 15a, 15b übereinander angeordnet. Die Test-Platte 15 ist in der gezeigten Variante baugleich zur Bipolarplatte, bzw. die Test-Plattenteile 15a, 15b sind baugleich zu den Plattenteilen für die Bipolarplatte; insbesondere ist die Test-Platte („Test-Bipolarplatte“) 15 aus dem gleichen Material gefertigt, aus welchem auch die fertige Bipolarplatte bestehen soll, und die Materialstärken (Plattendicken) 26a, 26b der Test-Plattenteile 15a, 15b entsprechen den Materialstärken (Plattendicken) der Plattenteile der zu fertigenden Bipolarplatte (vgl. Bzz. 27a, 27b in 13). Die Test-Plattenteile 15a, 15b werden mit einem Test-Laserstrahl 16 bearbeitet. Der Test-Laserstrahl 16 entspricht im zeitlichen Mittel dem Laserstrahl, welcher für die Fertigung der Bipolarplatten eingesetzt werden soll, ohne jedoch eine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 anzuwenden. Der Test-Laserstrahl 16 erzeugt in der Ebene E der Oberfläche 4 des ersten Test-Plattenteils 15a einen Test-Laserspot 17. Der Test-Laserstrahl 16 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS von hier 1000mm/s bewegt.
Um den Test-Laserspot 17 herum erzeugt der Test-Laserstrahl 16 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Nachlauf des Schmelzbades 7 bildet sich die fertige Test-Schweißnaht 25. Auf der Test-Schweißnaht 25 bilden sich Schmelzeanhäufungen („Humps“) 18 aus. Diese Schmelzeanhäufungen 18 treten bei gleichbleibender Vorschubgeschwindigkeit VS in regelmäßigen Abständen I1, I2, I3 auf. Aus diesen Abständen I1, I2, I3 kann dann ein mittlerer Abstand laverage von Schmelzeanhäufungen 18 bestimmt werden. Hier sind die Schmelzeanhäufungen 18 alle ungefähr 50µm voneinander beabstandet; der mittlere Abstand laverage ist dann ca. 50µm.
Die Frequenz fM kann basierend auf der Vorabmessung der Test-Platte 15 wie folgt bestimmt werden:
Mit der Vorabmessung kann eine Humpingfrequenz fH bestimmt werden. Typischerweise sollte die Frequenz fM in einem Bereich von 0,9*k*fH und 1,1*k*fH liegen, wobei k eine natürliche Zahl ist. Die Humpingfrequenz fH kann gemäß folgender Gleichung ermittelt werden: $fH = VS / laverage .$
Bei Kenntnis der Vorschubgeschwindigkeit VS und des mittleren Abstands laverage kann die Humpingfrequenz fH und im Zuge dessen die Frequenz fM bestimmt werden. Im gewählten Beispiel erfüllt die obige Gleichung für fH: $fH = (1000 mm / s) / (50 μ m) = 20 kHz .$
Die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 der zu fertigenden Bipolarplatte sollte also hier mit einer Frequenz fM mit einen Wert zwischen k*18kHz und k*22kHz zeitlich zyklisch variiert werden. Mit beispielsweise k=1 sollte dann fM zwischen 18kHz und 22kHz gewählt werden.
13 zeigt eine Bipolarplatte 1, die gemäß der ersten Variante (2a, 2b) des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitet wird, in einem schematischen Längsschnitt.
Vor dem eigentlichen Verschweißen wurde eine Vorabmessung wie in 12 beschrieben vorgenommen und eine Humpingfrequenz fH bestimmt, mit der sich wiederum die Frequenz fM bestimmen lässt, mit der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche 4 des Plattenteils 1a im Bereich des Schmelzbads 7 zeitlich zyklisch variiert werden muss, um die Bildung von Schmelzeanhäufungen zu unterdrücken.
Die Plattenteile 1a, 1b sind übereinander angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS bewegt. Der Laserstrahl 5 erzeugt das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Seine Leistungsdichteverteilung an der Oberfläche 4 im Bereich des Schmelzbads 7 wird mit der Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert, wodurch Schmelzeanhäufungen unterdrückt werden. Im Nachlauf des Schmelzbades 7 bildet sich die fertige Schweißnaht 2 entsprechend ohne Schmelzeanhäufungen aus.
14 zeigt in einer schematischen Aufsicht auf ein Schmelzbad 7 einen alternativen Laserstrahl 5, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Laserstrahl 5 ist hier als ein Überlagerungs-Laserstrahl 19 mit den zwei Teilstrahlen 11a, 11b ausgebildet. Die Teilstrahlen 11a, 11b liegen hier als Überlagerungs-Teillaserstrahlen 19a, 19b ineinander. Der Überlagerungs-Teillaserstrahl 19a ist hier als ein Kernstrahl 20 ausgebildet. Der Kernstrahl 20 wird ringförmig von Überlagerungs-Teillaserstrahl 19b umgeben, der als ein Ringstrahl 21 ausgebildet ist. Der Überlagerungs-Laserstrahl 19 kann beispielsweise durch eine Multiclad-Faser (etwa einer 2in1-Faser) erzeugt werden.
Der Kernstrahl 20 und der Ringstrahl 21 erzeugen einen Laserspot 6, der einen Kernanteil 22 und einen Ringanteil 23 aufweist. Der Ringanteil 23 ist um den Kernanteil 22 angeordnet. Der Überlagerungs-Laserstrahl 19 erzeugt das Schmelzbad 7 und wird mit der Grund-Bewegungskomponente GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Eine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Leistung zwischen dem Kernanteil 22 und dem Ringanteil 23 umverteilt (hin und her verteilt) wird.
Kernanteil 22 und Ringanteil 23 sind hier kreisrund ausgebildet.
In 15a ist ein schematischer Querschnitt einer Bipolarplatte 1 gezeigt, die gemäß der siebten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe 7a) gefertigt wurde. Der Querschnitt liegt senkrecht zur Schweißrichtung.
Die Plattenteile 1a, 1b sind durch die Schweißnaht 2 miteinander verbunden und auf der Oberfläche 4 haben sich keine Schmelzeanhäufungen ausgebildet. In der hier gezeigten Variante wurde die Leistungsdichteverteilung auf der Oberfläche 4 im Bereich des Schmelzbads zeitlich zyklisch variiert, indem der Grund-Bewegungskomponente des Laserstrahls eine Quer-Bewegungskomponente (die in 15a nach links und rechts hin und her) überlagert wurde. Hierdurch kam es während des Schweißens an den bezüglich der Quer-Richtung seitlichen Rändern des Schmelzbads zu einer stärkeren Erwärmung bzw. einem tieferen Aufschmelzen des Plattenmaterials als in der Mitte. Dadurch werden in der Schweißnaht 2 an den seitlichen Rändern Verformungen 24 („Backenzähne“) in der erstarrten Schmelze ausgebildet; mit anderen Worten die Schweißnaht 2 ist an den in Querrichtung seitlichen Rändern im Bereich der Verformungen 24 tiefer als in der Mitte.
Zur Optimierung der Form der Schweißnaht 2 kann zusätzlich eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung vorgenommen werden, um die lokal stärkere Erwärmung an den Rändern des Schmelzbads und damit die Verformungen 24 in der Schweißnaht 2 zu vermeiden. Die Laserleistung kann dafür in den Zeiten, in denen der Laserspot die seitlichen Ränder anfährt, reduziert werden gegenüber Zeiten, in denen der Laserspot nahe der Mitte des Schmelzbads, bzw. nahe der Schweißkurve (Mittellinie der Schweißnaht) ist. Eine entsprechend geschweißte Schweißnaht ist in dem schematischen Querschnitt einer Bipolarplatte 1 in 15b gezeigt. Die Schweißnaht 2 hat in Querrichtung eine im Wesentlichen konstante Tiefe.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1a: oberer Plattenteil
1b: unterer Plattenteil
2: Schweißnaht
2a: umlaufend geschlossene Schweißnaht
2b: geschlossene Schweißnaht
2c: offene (geradlinige) Schweißnaht
3: Durchbruch
4: Oberfläche (des oberen Plattenteils)
5: Laserstrahl
6: Laserspot
7: Schmelzbad
8: Schweißkurve
9: Zentrum (des Laserspots)
10: Rand (des Laserspots)
11a, 11b: Teilstrahl
12: Kreis
13: Kreis-Zentrum
14: liegende Acht
15: Test-Platte
15a: oberer Test-Plattenteil
15b: unterer Test-Plattenteil
16: Test-Laserstrahl
17: Test-Laserspot
18: Schmelzeanhäufungen / Humps
19: Überlagerungs-Laserstrahl
19a, 19b: Überlagerungs-Teillaserstrahl
20: Kernstrahl
21: Ringstrahl
22: Kernanteil
23: Ringanteil
24: Verformung
25: Test-Schweißnaht
26a: Materialstärke des oberen Test-Plattenteils
26b: Materialstärke des unteren Test-Plattenteils
27a: Materialstärke des oberen Plattenteils
27b: Materialstärke des unteren Plattenteils
A: Achse
BLD: Blechdicke
d1, d2: Durchmesser (Teil-)Laserspot
dw: größter Durchmesser
E: Ebene (der Oberfläche der Plattenteile)
FP1, FP2: Fokusposition
GBK: Grund-Bewegungskomponente
H: Höhe (zwischen den Fokuspositionen des Laserstrahls zu unterschiedlichen Zeiten)
HE: hinteres Ende des Schmelzbads
L: Schmelzbadlänge (in Schweißrichtung SR)
I1, I2, I3: Abstand zwischen zwei Schmelzeanhäfungen
LBK: Längs-Bewegungskomponente
LDV: Leistungsdichteverteilung
P: Laserleistung
Pges: Gesamtleistung des Laserstrahls
P11a, P11b: Teilstrahlleistung
P1, P2, P3: Position (des Zentrums des Laserspots)
QBK: Quer-Bewegungskomponente
RP: Richtungspfeil
SR: Schweißrichtung
t: Zeit
t1-t4: Zeitpunkt
tue: Übergangszeitpunkt
VE: vorderes Ende des Schmelzbads

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1020211138345 [0002]
DE 102016204578 B3 [0007]
US 200400262381 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Heider et al., „Power modulation to stabilize laser welding of copper“, Journal of Laser Applications 27, 022003 [0008]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile (1a, 1b) entlang wenigstens einer Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) miteinander verschweißt werden, wobei das Laserschweißen mit einem Laserstrahl (5) erfolgt, wobei der Laserstrahl (5) in einer Ebene (E) einer Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) eine Grund-Bewegungskomponente (GBK) mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS in einer Schweißrichtung (SR) entlang einer Schweißkurve (8) relativ zu den Plattenteilen (1a, 1b) aufweist, und die Schweißkurve (8) entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft, wobei der Laserstrahl (5) ein Schmelzbad (7) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugt, und der Laserstrahl (5) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Leistungsdichteverteilung (LDV) von Laserstrahlung bewirkt, und wobei der Laserstrahl (5) einen oder mehrere Teilstrahlen (11a, 11b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) zeitlich zyklisch variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Laserleistung zumindest eines Teilstrahls (11a, 11b) des Laserstrahls (5) zeitlich zyklisch variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Leistungsverteilung zwischen wenigstens zwei Teilstrahlen (11a, 11b) zeitlich zyklisch variiert wird, wobei eine Gesamtleistung (Pges) des Laserstrahls (5) zeitlich konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) zumindest einem Teilstrahl (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) eine Quer-Bewegungskomponente (QBK) überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) quer zur Schweißkurve (8) zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) zumindest einem Teilstrahl (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) eine Längs-Bewegungskomponente (LBK) überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) parallel zur Schweißkurve (8) zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente (QBK) und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente (LBK) gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Überlagerung der Quer-Bewegungskomponente (QBK) und der Längs-Bewegungskomponente (LBK) des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) der zumindest eine Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) zeitlich zyklisch kreisförmig um ein Kreis-Zentrum (13) bewegt wird, wobei das Kreis-Zentrum (13) mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve (8) bewegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente (QBK) und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente (LBK) ungleich sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) zumindest ein Teil-Laserspot zumindest eines Teilstrahls (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergrößern und Verkleinern zumindest des Teil-Laserspots eine Fokusposition (FP) zumindest des Teilstrahls (11a, 11b) senkrecht zur Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) zeitlich zyklisch verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) ein Laserspot (6) des gesamten Laserstrahls (5) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass für eine normierte Frequenz NF gilt: NF=fM*dw/VS mit 0,1≤NF≤5, mit dw: größter Durchmesser des Laserstrahls (5) auf der Oberfläche (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass k*0,9*fH≤fM≤k*1,1*fH, mit fH: Humpingfrequenz, mit fH= VS/laverage, mit laverage: mittlerer Abstand von Schmelzeanhäufungen (18) in der erstarrten Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c), wenn das Laserschweißen ohne die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung erfolgen würde, und k: natürliche Zahl.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Laserschweißen der Bipolarplatte (1) in einer Vorabmessung ein Laserschweißen einer Test-Platte (15) mit einem Test-Laserstrahl (16) mit der Vorschubgeschwindigkeit VS erfolgt, wobei zwei Test-Plattenteile (15a, 15b) für die Test-Platte (15) zumindest in ihrer Materialsorte und Materialstärke (26a, 26b) mit der Materialsorte und der Materialstärke (27a, 27b) der Plattenteile (1, 1b) übereinstimmen und der Test-Laserstrahl (16) im zeitlichen Mittel dem Laserstrahl (5) entspricht, jedoch keine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Test-Plattenteile (15a, 15b) im Bereich des Schmelzbads (7) anwendet, und dass in einer erstarrten Test-Schweißnaht (25) der Test-Platte (15) der mittlere Abstand laverage von Schmelzeanhäufungen (18) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass 0,8*fnat≤fM≤1,2*fnat, mit fnat: natürliche Schmelzbadfrequenz, mit fnat= VS/(2*L), mit L: Schmelzbadlänge in Schweißrichtung (SR).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) als Überlagerungs-Laserstrahl (19) ausgebildet ist, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen (11a, 11b), die Überlagerungs-Teillaserstrahlen (19a, 19b) darstellen, wobei die Überlagerungs-Teillaserstrahlen (19a, 19b) an der Oberfläche (4) ineinander liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte (2a, 2b) umfasst.
Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen (1a, 1b) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.