DE102021105063B4

DE102021105063B4 - Device and method for roller laser welding

Info

Publication number: DE102021105063B4
Application number: DE102021105063.4A
Authority: DE
Inventors: Simon Schlirf
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: DE102021105063A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Walzlaserschweißen, insbesondere von Bipolarplatten, umfasst eine Mehrzahl an Walzenpaaren (8), deren Achsen in Förderrichtung (FR) miteinander zu verschweißender Bleche (2, 3) gegeneinander versetzt sind, wobei eine Überlappung zwischen einzelnen Walzenpaaren (8) gegeben ist, sowie mindestens eine Laserstrahlquelle (18), welche orthogonal zur Förderrichtung (FR) der Bleche (2, 3) ausgerichtet ist. Die parallel zu den Rotationsachsen der Walzenpaare (8) ausgerichtete Laserstrahlquelle (18) ist in Förderrichtung (FR) verschiebbar..A device (1) for roller laser welding, in particular of bipolar plates, comprises a plurality of pairs of rollers (8), the axes of which are offset in the conveying direction (FR) of metal sheets (2, 3) to be welded to one another, with an overlap between individual pairs of rollers (8) is given, and at least one laser beam source (18) which is aligned orthogonally to the conveying direction (FR) of the metal sheets (2, 3). The laser beam source (18), which is aligned parallel to the axes of rotation of the pairs of rollers (8), can be displaced in the conveying direction (FR).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzlaserschweißen sowie eine zur Durchführung eines solchen Schweißverfahrens geeignete Vorrichtung.The invention relates to a process for roller laser welding and a device suitable for carrying out such a welding process.

Die DE 10 2018 133 676 A1 beschreibt einen Bearbeitungskopf, welcher zum Fügen von Werkstücken aus thermoplastischem kohlefaserverstärktem Kunststoff oder Teilen aus Faser-Metall-Laminat geeignet sein soll. Der Bearbeitungskopf umfasst ein aus einer Anpressrolle und einer Gegenanpressrolle aufgebautes Walzenpaar, durch welches ein Bearbeitungsspalt gebildet ist, durch den ein flächiges Werkstück sowie ein ebenfalls flächiger, bandförmiger Verbindungskörper geführt werden. Ein Laserstrahl wird mittels eines Spiegels auf die Bearbeitungszone zwischen dem Werkstück und dem Verbindungskörper gelenkt. Das Werkstück kann mehrere Lagen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial und eine oberste Werkstücklage aus einem Metallblech umfassen.the DE 10 2018 133 676 A1 describes a processing head which is said to be suitable for joining workpieces made of thermoplastic carbon fiber reinforced plastic or parts made of fiber-metal laminate. The processing head comprises a pair of rollers made up of a pressure roller and a counter-pressure roller, through which a processing gap is formed, through which a flat workpiece and also a flat, strip-shaped connecting body are guided. A laser beam is directed onto the processing zone between the workpiece and the connecting body by means of a mirror. The work piece can comprise several layers of fiber-reinforced plastic material and a top work piece layer made of sheet metal.

Die DE 10 2018 219 056 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Metallbänder durch mehrere Vorrichtungen geführt, die unter anderem der Feinreinigung und der Nitrierung dienen. Ferner wird eine Kohlenstoffschicht aufgebracht. Im Anschluss erfolgt eine Umformung der Metallbänder, bei der Kanäle ausgebildet werden. Die umgeformten Metallbänder werden so bewegt und positioniert, dass sie mit Hilfe eines Laserstrahls, der in einen Spalt zwischen aufeinander zu bewegten Metallbänder gerichtet wird, in einem kontinuierlichen Durchlaufprozess gefügt werden können.the DE 10 2018 219 056 A1 discloses a method of making bipolar plates for fuel cells. As part of this process, metal strips are guided through several devices that are used, among other things, for fine cleaning and nitration. A carbon layer is also applied. The metal strips are then reshaped, during which channels are formed. The formed metal strips are moved and positioned in such a way that they can be joined in a continuous flow process with the help of a laser beam, which is directed into a gap between metal strips that are moved towards one another.

Ein weiteres Verfahren zum Verschweißen von bandförmigen Verbundmaterialien, die Metall enthalten, ist in der CN 101 823 185 A beschrieben. Auch in diesem Fall werden Bänder durch Walzen gegeneinander gepresst, während zugleich ein Laserstrahl auf den zwischen den Bändern gebildeten Spalt gerichtet ist.Another method for welding strip-shaped composite materials containing metal is in CN 101 823 185 A described. In this case, too, belts are pressed against one another by rollers, while at the same time a laser beam is directed at the gap formed between the belts.

Eine in der WO 2009/073157 A1 beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung einer Schweißnaht umfasst zwei rollenförmige Elektroden, zwischen denen zu verschweißende plattenförmige Bauteile geführt werden, wobei zwischen den Elektroden wirkende Kräfte sowie elektrische Ströme, die durch die Elektroden geleitet werden, je nach Betriebsphase variiert werden.one in the WO 2009/073157 A1 The device described for producing a weld seam comprises two roller-shaped electrodes between which plate-shaped components to be welded are guided, with forces acting between the electrodes and electric currents conducted through the electrodes being varied depending on the operating phase.

Eine in der US 5,676,862 A beschriebene Widerstandsschweißanlage umfasst zwei Paare rollenförmiger Elektroden, wobei das erste Paar an Elektroden eine Schweißnaht erzeugt und das zweite Paar an Elektroden mindestens eine weitere Aufgabe übernimmt, beispielsweise die Dicke der Schweißnaht reduziert und/oder eine Wärmebehandlung durchführt.one in the US 5,676,862 A The resistance welding system described comprises two pairs of roller-shaped electrodes, with the first pair of electrodes producing a weld seam and the second pair of electrodes taking on at least one other task, for example reducing the thickness of the weld seam and/or carrying out a heat treatment.

Die DE 36 05 946 A1 beschreibt ein Verfahren zum Führen von auf Stoß zu verschweißenden, nebeneinander angeordneten Blechen mittels einer ortsfest angeordneten Schweißeinrichtung, insbesondere Laserschweißeinrichtung. Die Bleche werden über Rollgänge mit Rollen gefördert die in einem spitzen Winkel zueinander ausgerichtet sind.the DE 36 05 946 A1 describes a method for guiding metal sheets that are arranged next to one another and are to be butt-welded by means of a stationary welding device, in particular a laser welding device. The sheets are conveyed over roller tables with rollers that are aligned at an acute angle to one another.

Die CN 1 09 014 580 A offenbart ein Verfahren zum walzunterstützten Verschweißen von zwei Nichteisenmetallplatten. Dabei werden die Metallplatten teilweise überlappend angeordnet und eine Platte zur anderen Platte angewinkelt gehalten. Weiterhin wird Metallpulver in den Raum zwischen den Metallplatten gefüllt und ein Walzen und Laserschweißen gleichzeitig durchgeführt.the CN 1 09 014 580 A discloses a method of roll assisted welding two non-ferrous metal plates. The metal plates are arranged partially overlapping and one plate is held at an angle to the other plate. Furthermore, metal powder is filled in the space between the metal plates, and rolling and laser welding are performed at the same time.

Die GB 2 522 873 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Bändern mittels eines Stranggießprozesses. Das Band kann anschließend gewalzt werden, wobei zueinander versetzte Walzen zum Einsatz kommen können.the GB 2 522 873 A describes a method for producing strips by means of a continuous casting process. The strip can then be rolled using offset rolls.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, besonders flexible Möglichkeiten zum Verschweißen von übereinander liegenden Blechen in einem Durchlaufverfahren anzugeben.The invention is based on the object of specifying particularly flexible options for welding metal sheets lying one on top of the other in a continuous process that have been developed further than in the prior art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Walzlaserschweißen gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Walzlaserschweißen gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Schweißverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Laserschweißvorrichtung, welche zum Verschweißen von mindestens zwei übereinander liegenden Blechen ausgebildet ist, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a device for roller laser welding according to claim 1. The object is also achieved by a method for roller laser welding according to claim 7 Welding of at least two superimposed sheets is formed, and vice versa.

Die Vorrichtung zum Walzlaserschweißen umfasst eine Mehrzahl an Walzenpaaren, deren Rotationsachsen in Förderrichtung der miteinander zu verschweißenden Bleche gegeneinander versetzt sind, wobei eine Überlappung zwischen einzelnen Walzenpaaren gegeben ist. Ferner umfasst die Walzlaserschweißvorrichtung mindestens eine Laserstrahlquelle, welche orthogonal zur Förderrichtung der Bleche, das heißt parallel zu den Rotationsachsen der Walzen, ausgerichtet ist. Die parallel zu den Rotationsachsen der Walzenpaare ausgerichtete Laserstrahlquelle ist in Förderrichtung verschiebbar.The device for roller laser welding comprises a plurality of pairs of rollers, the axes of rotation of which are offset relative to one another in the conveying direction of the metal sheets to be welded to one another, with an overlap between the individual pairs of rollers. Furthermore, the roller laser welding device comprises at least one laser beam source, which is aligned orthogonally to the conveying direction of the metal sheets, ie parallel to the axes of rotation of the rollers. The laser beam source, which is aligned parallel to the axes of rotation of the pairs of rollers, can be shifted in the conveying direction.

Die Kombination aus gegeneinander versetzten, das heißt gestaffelt angeordneten Walzenpaaren und mindestens einer Laserstrahlquelle, welche quer zur Förderrichtung ausgerichtet ist, bringt eine besonders hohe Flexibilität, was die Lage von Schweißpunkten und/oder Schweißnähten betrifft, mit sich. Insbesondere sind Schweißnähte erzeugbar, welche quer zur Förderrichtung, das heißt parallel zu den Rotationsachsen der Walzen, verlaufen.The combination of offset, i.e. staggered, pairs of rollers ren and at least one laser beam source, which is aligned transversely to the conveying direction, brings with it a particularly high degree of flexibility with regard to the position of spot welds and/or weld seams. In particular, weld seams can be produced which run transversely to the conveying direction, ie parallel to the axes of rotation of the rollers.

Allgemein werden die miteinander zu verschweißenden Bleche derart Bearbeitungsspalten zwischen den Walzenpaaren zugeführt, dass zunächst mindestens eines der Bleche um die Längsachse verkippt ist und während des Durchlaufens der Bearbeitungsspalte eine parallele Lage der Bleche zu den Ebenen, in welchen die Rotationsachsen angeordnet sind, eingenommen wird.In general, the metal sheets to be welded together are fed into the processing gaps between the pairs of rollers in such a way that initially at least one of the metal sheets is tilted about the longitudinal axis and, while passing through the processing gaps, the metal sheets assume a position parallel to the planes in which the axes of rotation are arranged.

Eine sogenannte Quernaht, das heißt parallel zu den Rotationsachsen der Walzen verlaufende Schweißnaht, ist erzeugbar, indem die parallel zu den Rotationsachsen ausgerichtete Laserstrahlquelle in derselben Geschwindigkeit, in der die Bleche die Bearbeitungsspalte durchlaufen, in Förderrichtung der Bleche verfahren wird. Hierbei wird zunächst jeder Abschnitt der Quernaht erzeugt, welcher am weitesten von der Laserstrahlquelle entfernt ist. Simultan mit der Förderung der Bleche durch die zwischen den Walzen gebildeten Bearbeitungsspalte wird die Schweißnaht in Richtung zu derjenigen Kante der Bleche, welche am geringsten von der Laserstrahlquelle beabstandet ist, verlängert.A so-called transverse seam, i.e. a weld seam running parallel to the axes of rotation of the rollers, can be produced by moving the laser beam source, which is aligned parallel to the axes of rotation, in the conveying direction of the sheets at the same speed as the sheets pass through the processing gaps. First, each section of the transverse seam that is furthest away from the laser beam source is created. Simultaneously with the conveyance of the metal sheets through the processing gaps formed between the rollers, the weld seam is extended towards that edge of the metal sheets which is the smallest distance from the laser beam source.

Die Walzen der Laserschweißvorrichtung können eine einheitliche Form aufweisen. Im einfachsten Fall handelt es sich um zylindrische Walzen einheitlicher Breite sowie einheitlichen Durchmessers. Auch konische Walzen sind verwendbar. Möglich sind auch Ausführungsformen, in denen sich die Durchmesser der beiden Walzen eines jeden Walzenpaares voneinander unterscheiden. Ebenso ist eine Durchmesserstaffelung der Walzen, das heißt eine Zunahme des Walzendurchmessers von einer Längsseite der zu verschweißenden Bleche in Richtung zur anderen Längsseite, möglich.The rollers of the laser welder may have a unitary shape. In the simplest case, these are cylindrical rollers of a uniform width and diameter. Conical rollers can also be used. Embodiments are also possible in which the diameters of the two rollers of each roller pair differ from one another. It is also possible to stagger the diameter of the rolls, ie to increase the roll diameter from one long side of the metal sheets to be welded in the direction of the other long side.

Die Walzen weisen beispielsweise einzelne elektrische Antriebe auf. Theoretisch ist auch eine mechanische Synchronisation der Walzen möglich, sodass ein einziger elektrischer Antrieb mehrere Walzen antreiben kann. In beiden Fällen liegen die Mittelpunkte der oberhalb beziehungsweise unterhalb der miteinander zu verschweißenden Bleche angeordneten Walzen beispielsweise jeweils auf einer gemeinsamen Geraden. Diese beiden oberhalb beziehungsweise unterhalb der Bleche befindlichen, zueinander parallelen Geraden stellen virtuelle Achsen einer gedachten breiten, quer über die Bleche gelegten Walzenanordnung dar, welche aus einzelnen, jeweils gegeneinander verschobenen Teilwalzen gebildet ist. Die genannten Geraden sind beispielsweise in einem Winkel von 45° gegen die Förderrichtung, das heißt Längsrichtung der Bleche, schräggestellt.The rollers have individual electric drives, for example. Theoretically, mechanical synchronization of the rollers is also possible, so that a single electric drive can drive several rollers. In both cases, the center points of the rollers arranged above or below the metal sheets to be welded to one another lie, for example, in each case on a common straight line. These two parallel straight lines located above and below the metal sheets represent virtual axes of an imaginary wide roller arrangement placed transversely across the metal sheets, which is formed from individual partial rollers that are shifted relative to one another. The straight lines mentioned are inclined, for example, at an angle of 45° to the conveying direction, ie the longitudinal direction of the sheets.

Insgesamt sind beispielsweise mindestens drei und höchstens zwölf gestaffelt angeordnete Walzenpaare vorhanden, wobei durch diese ein insgesamt linienförmiger, schräg zur Förderrichtung ausgerichteter Verschweißungsbereich gebildet ist. Entsprechend der Schrägstellung der genannten Geraden ist auch der Verschweißungsbereich um einen bestimmten Winkel, beispielsweise 45° ± 15°, schräg zur Förderrichtung ausgerichtet. Die Rotationsachsen sämtlicher Einzelwalzen der Walzenpaare können sich in relativ zueinander unveränderlicher Position befinden. Den gestaffelt angeordneten Walzenpaaren, zwischen welchen jeweils eine Verschweißungszone in Form eines Bearbeitungsspaltes gebildet ist, können in Förderrichtung der Schweißvorrichtung Vorschubwalzen nachgeschaltet sein.Altogether there are, for example, at least three and at most twelve roller pairs arranged in a staggered manner, with these forming an overall linear welding area oriented obliquely to the conveying direction. Corresponding to the inclined position of the straight line mentioned, the welding area is also aligned at a certain angle, for example 45°±15°, at an angle to the conveying direction. The axes of rotation of all the individual rollers of the roller pairs can be in positions that cannot be changed relative to one another. The staggered pairs of rollers, between which a welding zone is formed in the form of a processing gap, can be followed by feed rollers in the conveying direction of the welding device.

Zusätzlich zu der Laserstrahlquelle, welche orthogonal zur Förderrichtung der Bleche ausgerichtet ist, kann eine weitere Laserstrahlquelle oder eine Mehrzahl an weiteren Laserstrahlquellen vorgesehen sein, welche einen Laserstrahl beziehungsweise mehrere Laserstrahlen in Förderrichtung auf die Werkstücke, das heißt Bleche, lenkt. Insgesamt existiert damit eine Mehrzahl an Laserstrahlquellen, welche in unterschiedlichen Winkeln auf Verschweißungszonen zwischen den Walzenpaaren gerichtet sind.In addition to the laser beam source, which is aligned orthogonally to the conveying direction of the sheets, another laser beam source or a plurality of further laser beam sources can be provided, which directs a laser beam or several laser beams in the conveying direction onto the workpieces, i.e. sheets. Overall, there is a plurality of laser beam sources, which are directed at different angles onto the welding zones between the pairs of rollers.

Die Laserschweißvorrichtung eignet sich auch zum Fügen von profilierten Blechen, wobei durch das Profil der Bleche beispielsweise Kühlkanäle zwischen den Blechen gebildet werden können. Dies gilt sowohl für Fälle, in denen ein profiliertes Blech mit einem glatten Blech verschweißt wird, als auch für das Fügen zweier profilierter Bleche. Im letztgenannten Fall können die beiden Bleche spiegelbildlich zueinander geformt sein. Die äußeren, das heißt den Kühlkanälen abgewandten Oberflächen der Bleche können mit einer Beschichtung versehen sein, welche auf das Schweißverfahren keinen Einfluss hat.The laser welding device is also suitable for joining profiled metal sheets, it being possible, for example, for cooling channels to be formed between the metal sheets due to the profile of the metal sheets. This applies both to cases where a profiled metal sheet is welded to a smooth metal sheet and to the joining of two profiled metal sheets. In the latter case, the two metal sheets can be shaped as mirror images of one another. The outer surfaces of the metal sheets, ie the surfaces facing away from the cooling channels, can be provided with a coating which has no influence on the welding process.

Handelt es sich bei den miteinander verschweißten Blechen um eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, beispielsweise Brennstoffzelle, so sind dank des Walzlaserschweißverfahrens keine Schweißbuchten im Aktivfeld der Bipolarplatte erforderlich. Dies ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine Optimierung des Gasflusses durch die fertig montierte elektrochemische Zelle, womit auch deren Effizienz steigt. Darüber hinaus ermöglicht die Walzlaserschweißvorrichtung das Setzen einer besonders hohen Zahl an Schweißpunkten im Aktivfeld, was zu einer Verbesserung des Stromflusses in der Bipolarplatte beiträgt. Nicht zuletzt reduziert der Entfall von Schweißbuchten den Strömungswiderstand einer Kühlflüssigkeit, was zu einer geringeren Verlustleistung der elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, beiträgt. Analoges gilt im Fall einer Ausbildung der elektrochemischen Zelle als Redox-Flow-Zelle oder als Zelle einer Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff.If the metal sheets that are welded together are a bipolar plate for an electrochemical cell, for example a fuel cell, no welding bays are required in the active field of the bipolar plate thanks to the roller laser welding process. Compared to conventional solutions, this enables the gas flow through the fully assembled electrochemical cell to be optimized, which also increases its efficiency. In addition, the rolling laser welding device enables a particularly high number of welding points to be set in the active field, which leads to an improvement in Current flow in the bipolar plate contributes. Last but not least, the elimination of welding bays reduces the flow resistance of a cooling liquid, which contributes to a lower power loss of the electrochemical cell, in particular the fuel cell. The same applies if the electrochemical cell is designed as a redox flow cell or as a cell of an electrolysis system for producing hydrogen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ausschnittsweise eine Vorrichtung zum Walzlaserschweißen in Draufsicht,
2 Komponenten der Vorrichtung zum Walzlaserschweißen in Seitenansicht,
3 in schematischer Darstellung ein in die Vorrichtung zum Walzlaserschweißen einlaufendes Blech,
4 bis 7 in schematischen überhöhten Schnittdarstellungen die Form des in die Laserschweißvorrichtung einlaufenden Bleches mit Blickrichtung in Förderrichtung des Bleches,
8 bis 11 eine Draufsicht auf die Laserschweißvorrichtung in verschiedenen Phasen der Bearbeitung.

An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:

1 detail of a device for roller laser welding in top view,
2 Components of the device for roller laser welding in side view,
3 a schematic representation of a metal sheet entering the device for roller laser welding,
4 until 7 in schematic exaggerated sectional views, the shape of the metal sheet entering the laser welding device, viewed in the conveying direction of the metal sheet,
8th until 11 a plan view of the laser welding device in different phases of processing.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Fertigungsanlage ist zum Verschweißen zweier Bleche 2, 3 im Walzlaserschweißverfahren ausgebildet. Die Bleche 2, 3 werden von nicht dargestellten Coils abgewickelt und zu Bipolarplatten 4 verschweißt. Schweißnähte unterschiedlicher Form auf den Bipolarplatten 4 sind mit 5, 6 bezeichnet.A production plant identified overall by the reference numeral 1 is designed for welding two metal sheets 2, 3 using the roller laser welding process. The metal sheets 2, 3 are unwound from coils (not shown) and welded to form bipolar plates 4. Welds of different shapes on the bipolar plates 4 are denoted by 5, 6.

Die Laserschweißvorrichtung 1 umfasst eine Walzenanordnung 7, die aus mehreren, im Ausführungsbeispiel sechs, Walzenpaaren 8 aufgebaut ist. Jedes Walzenpaar 8 ist aus zwei Einzelwalzen 9, 10 gebildet, wobei sämtliche Einzelwalzen 9, 10 der Walzenanordnung 7 identisch dimensioniert sind. Zusätzliche Vorschubwalzen 11, die einen geringeren Durchmesser als die Einzelwalzen 9, 10 haben, sind in Förderrichtung FR hinter den Walzenpaaren 8 angeordnet. Eine Einrichtung zum Vereinzeln der Bipolarplatten 4 ist nicht dargestellt. Jede fertiggestellte, verschweißte Bipolarplatte 4 weist Kanäle auf, die durch Schweißnähte 5, 6 abgedichtet sind und zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen sind. Die Schweißnaht 5 beschreibt im vorliegenden Fall eine Rahmenform und begrenzt ein mit 12 bezeichnetes Aktivfeld der Bipolarplatte 4.The laser welding device 1 comprises a roller arrangement 7, which is constructed from a plurality of roller pairs 8, six in the exemplary embodiment. Each pair of rollers 8 is formed from two individual rollers 9, 10, all of the individual rollers 9, 10 of the roller arrangement 7 having identical dimensions. Additional feed rollers 11, which have a smaller diameter than the individual rollers 9, 10, are arranged behind the pairs of rollers 8 in the conveying direction FR. A device for separating the bipolar plates 4 is not shown. Each finished, welded bipolar plate 4 has channels that are sealed by weld seams 5, 6 and are provided for the passage of a coolant. In the present case, the weld seam 5 describes a frame shape and delimits an active field, designated 12, of the bipolar plate 4.

Die Rotationsachse jeder Einzelwalze 9, 10 ist rechtwinklig zur Förderrichtung FR ausgerichtet. In Querrichtung QR der Vorrichtung 1, das heißt quer zur Förderrichtung FR, erstreckt sich die Walzenanordnung 7 über einen Bereich, der beidseitig etwas über die Seitenränder 13, 14 der Bleche 2, 3 hinausragt. Eine durch die Mittelpunkte sämtlicher Einzelwalzen 9, welche sich oberhalb des Werkstücks, das heißt der miteinander zu verschweißenden Bleche 2, 3, befinden, gelegte Gerade 15 stellt eine virtuelle Achse dar, die in einem Winkel a, im Ausführungsbeispiel 45°, schräg zur Förderrichtung FR gestellt ist. Entsprechendes gilt für die Einzelwalzen 10, welche sich unterhalb der Bleche 2, 3 befinden. Der in Längsrichtung der Bleche 2, 3, das heißt in Förderrichtung FR, zu messende Versatz zwischen dem am linken Seitenrand 13 angeordneten Walzenpaar 8 und dem am rechten Seitenrand 14 angeordneten Walzenpaar 8 entspricht im Ausführungsbeispiel dem mit DW bezeichneten Durchmesser einer jeden Einzelwalze 9, 10. Die Summe aller Breiten BW der Einzelwalzen 9 ist größer als die mit BB bezeichnete Breite des Bleches 2. Entsprechendes gilt für die Einzelwalzen 10.The axis of rotation of each individual roller 9, 10 is aligned at right angles to the conveying direction FR. In the transverse direction QR of the device 1, ie transversely to the conveying direction FR, the roller arrangement 7 extends over an area which protrudes somewhat beyond the side edges 13, 14 of the metal sheets 2, 3 on both sides. A straight line 15 drawn through the centers of all individual rollers 9, which are above the workpiece, i.e. the sheets 2, 3 to be welded together, represents a virtual axis which is at an angle a, in the exemplary embodiment 45°, obliquely to the conveying direction FR is set. The same applies to the individual rollers 10, which are located below the metal sheets 2, 3. The offset to be measured in the longitudinal direction of the sheets 2, 3, i.e. in the conveying direction FR, between the pair of rollers 8 arranged on the left side edge 13 and the pair of rollers 8 arranged on the right side edge 14 corresponds in the exemplary embodiment to the diameter designated DW of each individual roller 9, 10 The sum of all widths BW of the individual rolls 9 is greater than the width of the metal sheet 2 designated BB. The same applies to the individual rolls 10.

Während des Walzlaserschweißens wird durch die Walzenpaare 8 ein Druck auf die Bleche 2, 3 ausgeübt. Gleichzeitig wird durch eine Laseranlage 16 lokal Energie in das Werkstück, das heißt die in der Herstellung befindliche Bipolarplatte 4, eingetragen. Die Laseranlage 16 umfasst zwei Laserstrahlquellen 17 ersten Typs und eine Laserstrahlquelle 18 zweiten Typs. Die Laserstrahlquellen 17 sind hierbei, wie aus 1 hervorgeht, in Förderrichtung FR ausgerichtet und in Querrichtung QR verstellbar. Weitere Verstellmöglichkeiten der Laserstrahlquellen 17 sind in 1 durch Pfeile angedeutet. Die Laserstrahlquelle 18 ist dagegen in Querrichtung QR, das heißt mit Strahlrichtung parallel zu den Rotationsachsen der Walzen 9, 10, 11, ausgerichtet. Sowohl die Laserstrahlquellen 17 als auch die Laserstrahlquelle 18 sind auf einen Spalt 19 im Einzugsbereich zwischen den Einzelwalzen 9, 10 gerichtet. Der Spalt 19 stellt den Verschweißungsbereich der Schweißvorrichtung 1 dar. Die Laserstrahlquelle 18 ist mindestens um den Betrag DW in Förderrichtung FR verfahrbar.During the roller laser welding, pressure is exerted on the metal sheets 2, 3 by the pairs of rollers 8. At the same time, energy is applied locally by a laser system 16 to the workpiece, ie the bipolar plate 4 being manufactured. The laser system 16 comprises two laser beam sources 17 of the first type and one laser beam source 18 of the second type. The laser beam sources 17 are here, as from 1 shows aligned in the conveying direction FR and adjustable in the transverse direction QR. Further adjustment options for the laser beam sources 17 are in 1 indicated by arrows. The laser beam source 18, on the other hand, is aligned in the transverse direction QR, that is to say with the beam direction parallel to the axes of rotation of the rollers 9, 10, 11. Both the laser beam sources 17 and the laser beam source 18 are directed towards a gap 19 in the feed area between the individual rollers 9,10. The gap 19 represents the welding area of the welding device 1. The laser beam source 18 can be moved in the conveying direction FR by at least the amount DW.

Innerhalb des Spaltes 19 sind eine der Anzahl der Walzenpaare 8 entsprechende Anzahl an Bearbeitungsspalten 20 voneinander unterscheidbar. Der gesamte, näherungsweise linienförmige Verschweißungsbereich 19 ist aus den nebeneinander befindlichen Bearbeitungsspalten 20 gebildet. Entsprechend der Staffelung der Walzenpaare 8, das heißt der Schrägstellung der virtuellen Achse 15, sind die Bearbeitungsspalte 20 in Förderrichtung FR gestaffelt, wobei jeder Bearbeitungsspalt 20 einer Verschweißungszone entspricht. Die Laserstrahlquelle 18 ist in der Lage, Laserstrahlung nacheinander auf mehrere Bearbeitungsspalte 20 zu richten. Um die von der Laserstrahlquelle 18 aus hinten liegenden Bearbeitungsspalte 20 nicht zu verdecken, vollziehen die Bleche 2, 3 während ihrer Förderung zum Spalt 19 eine Bewegung um ihre Längsachse. Eine Draufsicht auf das in die Schweißvorrichtung 1 einlaufende Blech 2 ist in 3 skizziert.Within the gap 19, a number of processing gaps 20 corresponding to the number of pairs of rollers 8 can be distinguished from one another. The entire, approximately linear welding area 19 is formed from the processing gaps 20 located next to one another. Corresponding to the staggering of the pairs of rollers 8, ie the inclination of the virtual axis 15, the processing gaps 20 are staggered in the conveying direction FR, with each processing gap 20 corresponding to a welding zone. The laser beam source 18 is capable of directing laser radiation onto a number of processing gaps 20 in succession. In order not to cover the processing gaps 20 lying behind from the laser beam source 18, complete the sheets 2, 3 during their promotion to the gap 19 a movement about its longitudinal axis. A top view of the sheet metal 2 entering the welding device 1 is shown in FIG 3 sketched.

Eine in 3 gestrichelt angedeutete Biegelinie 21 ist entsprechend der Schrägstellung der Geraden 15 um 45° gegenüber der Förderrichtung FR schräggestellt. Kurz vor Erreichen des ersten Bearbeitungsspaltes 20 (Schnitt A-A) ist das Blech 2 insgesamt gegenüber der mit BE bezeichneten horizontalen Bearbeitungsebene, welche zwischen den Walzenpaaren 8 sowie zwischen den Vorschubwalzen 11 liegt, schräggestellt, wie in 4 veranschaulicht ist. Wird das Blech 2 weiter vorgeschoben (Schnitte B-B und C-C), so wird ein zunehmender Anteil des Bleches 2 horizontal ausgerichtet, bis schließlich mit dem Erreichen des in Förderrichtung FR am weitesten vorn liegenden Walzenpaares 8 (Schnitt D-D) das Blech 2 komplett in der Bearbeitungsebene BE liegt.one inside 3 The bending line 21 indicated by dashed lines is inclined by 45° relative to the conveying direction FR, corresponding to the inclination of the straight line 15 . Shortly before reaching the first processing gap 20 (section AA), the sheet metal 2 as a whole is inclined in relation to the horizontal processing plane designated BE, which lies between the pairs of rollers 8 and between the feed rollers 11, as shown in 4 is illustrated. If the metal sheet 2 is advanced further (sections BB and CC), an increasing proportion of the metal sheet 2 is aligned horizontally, until finally, when the pair of rollers 8 (section DD) that is furthest in front in the conveying direction FR is reached, the metal sheet 2 is completely in the processing plane BE lies.

Das Setzen von Schweißpunkten 22 innerhalb des Vorgangs, den die sich auf 3 beziehenden 4 bis 7 in einzelnen Schritten zeigen, ist in den 8 bis 11 veranschaulicht. Aus den einzelnen Schweißpunkten 22 wird mittels der Laserstrahlquelle 18, die sich mit der Geschwindigkeit der Bleche 2, 3 in Förderrichtung FR bewegt, ein in Querrichtung QR verlaufender Abschnitt der Schweißnaht 5 erzeugt. Eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit der Bleche 2, 3 ist nicht erforderlich, unabhängig davon, welche Lage eine Schweißnaht 5, 6 auf den im Walzschweißverfahren miteinander verschweißten Blechen 2, 3 hat.The setting of spot welds 22 within the process that is based on 3 relating 4 until 7 show in individual steps is in the 8th until 11 illustrated. From the individual spot welds 22, a section of the weld seam 5 running in the transverse direction QR is produced by means of the laser beam source 18, which moves at the speed of the metal sheets 2, 3 in the conveying direction FR. It is not necessary to vary the feed speed of the metal sheets 2, 3, regardless of which position a weld seam 5, 6 has on the metal sheets 2, 3 welded to one another in the roll welding process.

BezugszeichenlisteReference List

11: Fertigungsanlage, SchweißvorrichtungManufacturing plant, welding device
22: Blechsheet
33: Blechsheet
44: Bipolarplattebipolar plate
55: SchweißnahtWeld
66: SchweißnahtWeld
77: Walzenanordnungroller arrangement
88th: Walzenpaarpair of rollers
99: Einzelwalzesingle roll
1010: Einzelwalzesingle roll
1111: Vorschubwalzefeed roller
1212: Aktivfeldactive field
1313: Seitenrandmargin
1414: Seitenrandmargin
1515: Gerade, virtuelle AchseStraight, virtual axis
1616: Laseranlagelaser system
1717: Laserstrahlquelle ersten TypsLaser beam source of the first type
1818: Laserstrahlquelle zweiten TypsLaser beam source of the second type
1919: Spalt, VerschweißungsbereichGap, weld area
2020: Bearbeitungsspalt, VerschweißungszoneMachining gap, welding zone
2121: Biegeliniebending line
2222: Schweißpunkt spot weld
αa: Winkelangle
BEBE: Bearbeitungsebeneediting level
BBbb: Blechbreitesheet width
BWBW: Breite der EinzelwalzeWidth of single roll
DWDW: Durchmesser der EinzelwalzeSingle roll diameter
FRFR: Förderrichtungconveying direction
QRQR: Querrichtungtransverse direction

Claims

Device (1) for roller laser welding, comprising a plurality of pairs of rollers (8), the axes of rotation of which are offset relative to one another in the conveying direction (FR) of metal sheets (2, 3) to be welded to one another, with an overlap between individual pairs of rollers (8) being provided, and at least a laser beam source (18) which is aligned orthogonally to the conveying direction (FR) of the metal sheets (2, 3), characterized in that the laser beam source (18) which is aligned parallel to the axes of rotation of the roller pairs (8) can be displaced in the conveying direction (FR).

Device (1) after claim 1 , characterized in that the rollers (9, 10) of the individual roller pairs (8) have a uniform width (BW) and a uniform diameter (DW).

Device (1) after claim 1 or 2 characterized by a total of at least three and at most twelve pairs of rollers (8) arranged in a staggered manner, whereby an overall linear welding region (19) aligned obliquely to the conveying direction (FR) is formed.

Device (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that in addition to the laser beam source (18), which is aligned orthogonally to the conveying direction (FR), at least one further laser beam source (17) is provided, which is aligned in the conveying direction (FR).

Device (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized by a staggered arranged pairs of rollers (8) in the conveying direction (FR) downstream arrangement of feed rollers (11).

Use of a device (1) according to one of Claims 1 until 5 for welding bipolar plates (4) for electrochemical cells.

Process for roller laser welding by means of a welding device (1) which comprises a plurality of pairs of rollers (8) which are parallel to one another and offset from one another, the axes of rotation of which are aligned orthogonally to the longitudinal axis (FR) of the welding device (1), the metal sheets (2, 3) to be welded to one another being formed in such a way processing gaps (20) between the pairs of rollers (8) so that initially at least one of the metal sheets (2, 3) is tilted about the longitudinal axis (FR) and while passing through the processing gaps (20) a parallel position of the metal sheets (2, 3 ) to the planes in which the axes of rotation are arranged, with a laser beam source (18) aligned parallel to the axes of rotation at the same speed at which the metal sheets (2, 3) pass through the processing gaps (20), in the conveying direction (FR ) of the metal sheets (2, 3) is moved, a weld seam (5) running in the transverse direction (QR) of the metal sheets (2, 3) being produced.