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Stand der Technik
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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Schweißverfahren und eine Schweißvorrichtung zum Schweißen von Bauteilen.
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Beim Schweißen von Bauteilen, insbesondere von Blechen zur Herstellung von bspw. Bipolarplatten für Brennstoffzellensysteme, werden Laserschweißvorrichtungen eingesetzt.
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Beim Schweißen mit einem Schweißvorschub größer 0,75m/s tritt häufig sogenanntes „Humping“ auf, das ungleichmäßige Schweißnähte aufgrund von periodisch perlenartigen Strukturen an der Oberfläche einer Schweißnaht bedingt. Um derartiges „Humping“ bei einer schnellen Fertigung langer Schweißnähte zu vermeiden, werden meist mehrere Laserscheißvorrichtungen parallel eingesetzt, die jeweils mit einem Laser schweißen, der mit einem Schweißvorschub kleiner 0,75m/s bewegt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Schweißverfahren und eine Schweißvorrichtung vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient dazu, zwei Bauteile schnell zusammenzuschweißen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellensystem herzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung wird somit ein Schweißverfahren zum Schweißen von Bauteilen vorgestellt. Dazu werden ein erster Laserstrahl und mindestens ein zweiter Laserstrahl an einer vorgegebenen Trajektorie entlang bewegt, wobei der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden, sodass, insbesondere durch „Humping“ bedingte, Aufwölbungen in einer durch den ersten Laserstrahl und den mindestens einen zweiten Laserstrahl erzeugten Schweißnaht minimiert werden, und wobei der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl mit einem Schweißvorschub von mindestens 1m/s entlang der Trajektorie bewegt werden.
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Unter einem Laserstrahl ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Muster an Lichtstrahlen zu verstehen. Ein Laserstrahl kann jede beliebige Intensitätsverteilung haben. Bspw. kann ein Laserstrahl rund sein bzw. einen runden Laserschweißpunkt erzeugen. Insbesondere kann ein Laserstrahl mehrere Laserschweißpunkte erzeugen.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf der Verwendung eines Laserstrahlenmusters, d.h. einer räumlichen Formung von Laserstrahlen. Dazu werden mindestens zwei Laserstrahlen, also ein erster Laserstrahl und ein weiterer Laserstrahl, aufeinander abgestimmt, d.h. in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt.
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Eine aufeinander abgestimmte Bewegung des ersten Laserstrahls und des weiteren Laserstrahls bedingt, dass ein zu schweißendes Bauteil kontrolliert erwärmt und entwärmt wird und ein für „Humping“ typisches Ablenken einer Materialmixtur von Schmelzbadströmung und nachlaufender Erstarrungsfront aus einer Schweißnaht heraus minimiert wird.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Kombination aus erstem Laserstrahl und weiterem Laserstrahl wird eine für eine Schweißverbindung bzw. eine Schweißnaht erforderliche Energie auf mindestens zwei Laserstrahlen aufgeteilt, sodass ein zu schweißendes Bauteil kontrolliert erwärmt und entwärmt wird und ein für „Humping“ typisches Austreten von Material aus einem Schmelzbad einer Schweißnaht heraus minimiert wird.
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Bspw. kann der erste Laserstrahl eine Vorkonditionierung eines zu schweißenden Materials und der weitere Laserstrahl eine Nachkonditionierung einer Erstarrungsfront bedingen, sodass eine sogenannte „Humpinggrenze“, d.h. einen Schweißvorschub bei dem es zu Prozessinstabilitäten im Schweißprozess kommt, nach oben verschoben wird. Dies bedeutet, dass das Einbringen von Energie in ein Bauteil bzw. eine Schweißnaht mittels des ersten Laserstrahls in Kombination mit dem weiteren Laserstrahl eine besonders schnelle Bewegung bzw. einen besonders großen Schweißvorschub, insbesondere einen Schweißvorschub größer 1m/s, bspw. zum Schweißen von Blechen mit einer Wandstärke kleiner 100µm ermöglicht.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Laserstrahl und der weitere Laserstrahl in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden. Dies bedeutet, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl in einer Choreographie bewegt werden, indem bspw. ein den ersten Laserstrahl erzeugender Laser als Master verwendet wird, dessen Bewegung ein den zweiten Laserstrahl erzeugender Laser als Slave nachfährt. Dabei kann der zweite Laserstrahl selbstverständlich leicht versetzt, insbesondere seitlich versetzt zu einer Bahn bewegt werden, entlang derer der erste Laserstrahl bewegt wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der erste Laserstrahl und der zweite bzw. weitere Laserstrahl beabstandet voneinander bewegt werden, wobei ein Abstand zwischen den Laserstrahlen bspw. einem Fünffachen, einem Zehnfachen oder Fünfzehnfachen eines Querschnitts des ersten Laserstrahls entspricht.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl linear hintereinander entlang der Trajektorie bewegt werden.
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In einer linearen Konfiguration, bei der mehrere Laserstrahlen entlang eines gemeinsamen Pfades, insbesondere entlang einer geraden Linie bewegt werden, kann ein Energieeintrag, der durch den ersten Laserstrahl und einen weiteren Laserstrahl zusammen bereitgestellt wird, besonders effektiv kontrolliert werden, sodass ein sehr enges Prozessfenster eingehalten werden kann.
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Insbesondere kann ein nachfolgender Laserstrahl in Reaktion auf eine durch einen vorauslaufenden Laserstrahl in ein Bauteil eingebrachte Energie eingestellt werden, um bspw. ein kontrolliertes Entwärmen eines durch den vorauslaufenden Laserstrahl aufgeschmolzenen Schmelzbades zu erreichen und, dadurch bedingt, eine Erstarrungsfront graduell und entsprechend kontrolliert aufzubauen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl räumlich versetzt zueinander entlang der Trajektorie bewegt werden.
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Durch eine räumliche versetzte Anordnung des ersten Laserstrahls zu dem weiteren Laserstrahl, wie bspw. einem seitlich zu einem ersten Pfad des ersten Laserstrahls versetzten weiteren Pfad, kann bei gleichbleibender Einstellung bzw. gleichbleibender Energie des weiteren Laserstrahls ein Energieeintrag in ein durch den ersten Laserstrahl aufgeschmolzenes Schmelzbad kontrolliert werden, um bspw. ein kontrolliertes Entwärmen eines durch den vorauslaufenden Laserstrahl aufgeschmolzenen Schmelzbades zu erreichen und, dadurch bedingt, eine Erstarrungsfront graduell aufzubauen. Dazu kann der weitere Laserstrahl bspw. derart angeordnet werden, dass ein vorgegebener mittlerer Energieeintrag über einen vorgegebenen Zeitraum in das Schmelzbad erfolgt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl als Master an der Trajektorie entlanggeführt wird und der mindestens eine zweite Laserschweißunkt als Slave dem ersten Laserstrahl nachgeführt wird.
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Durch eine „Master und Slave“ Konfiguration, bei der ein nachfolgender Laserstrahl einem vorauslaufenden Laserstrahl nachgeführt wird bzw. in Reaktion auf den vorauslaufenden Laserstrahl gesteuert wird, kann ein automatischer und kontinuierlicher Ausgleich von thermischen Prozessen in einem Schmelzbad einer durch den vorauslaufenden Laserstrahl aufgeschmolzenen Schweißnaht erreicht werden. Dazu kann der nachlaufende bzw. als „Slave“ konfigurierte Laserstrahl derart ausgestaltet sein, dass durch den vorauslaufenden Laserstrahl und den nachlaufenden Laserstrahl gemeinsam ein vorgegebener mittlerer Energieeintrag in einem vorgegebenen Zeitfenster erfolgt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl einen anderen Strahldurchmesser hat als der mindestens eine zweite Laserstrahl.
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Durch Verwendung mehrerer Laserstrahlen mit unterschiedlichem Strahldurchmesser wird bei Verwendung gleicher Laservorrichtungen bzw. ansonsten gleicher Prozessparameter, ein Energieeintrag durch die verschiedenen Laserstrahlen variiert. Insbesondere kann ein erster, vorauslaufender Laser bspw. durch einen kleinen Strahldurchmesser derart eingestellt sein, dass dieser ein Schmelzbad erzeugt und ein zweiter, nachlaufender Laser durch einen großen bzw. größeren Strahldurchmesser derart eingestellt sein, dass dieser eine plötzliche Bildung einer Erstarrungsfront großflächig verhindert bzw. ein graduelles Entwärmen des Schmelzbades bedingt.
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Insbesondere kann ein Strahldurchmesser des weiteren Laserstrahls einem Zweifachen, Vierfachen oder Sechsfachen eines Durchmessers des ersten Laserstrahls entsprechen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl eine andere Leistung hat als der mindestens eine zweite Laserstrahl.
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Durch Verwendung mehrerer Laserstrahlen mit unterschiedlicher Leistung wird bei Verwendung gleicher Laservorrichtungen bzw. ansonsten gleicher Prozessparameter, ein Energieeintrag durch die verschiedenen Laserstrahlen variiert. Insbesondere kann ein erster, vorauslaufender Laser bspw. durch eine hohe Leistung derart eingestellt sein, dass dieser ein Schmelzbad erzeugt und ein zweiter, nachlaufender Laser durch eine geringe bzw. geringere Leistung derart eingestellt sein, dass dieser eine plötzliche Bildung einer Erstarrungsfront verhindert bzw. ein graduelles Entwärmen des Schmelzbades bedingt.
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Bspw. kann der nachlaufende Laserstrahl einen Energieeintrag in ein Bauteil bedingen, der einer Hälfte oder einem Viertel des Energieeintrags des vorauslaufenden Lasers entspricht.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste bzw. vorauslaufende Laserstrahl und der mindestens eine weitere bzw. nachlaufende Laserstrahl einen gleichen Energieeintrag bedingen bzw. die gleiche Leistung haben.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen dem ersten Laserstrahl und dem mindestens einen zweiten Laserstrahl zwischen 300µm und 1000µm beträgt und ein Schweißvorschub, mit dem erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl bewegt werden, zwischen 1,25m/s und 1,5m/s beträgt, und eine Leistung, mit der der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl bereitgestellt werden, zwischen 700W und 900W in Summe, für alle Laserstrahlenbeträgt.
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Es hat sich in Versuchen herausgestellt, dass ein Prozessfenster, bei dem ein Abstand zwischen dem ersten Laserstrahl und dem mindestens einen zweiten Laserstrahl zwischen 300µm und 1000µm beträgt und ein Schweißvorschub, mit dem erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl bewegt werden, zwischen 1,25m/s und 1,5m/s beträgt, und eine Leistung, mit der der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl bereitgestellt werden, zwischen 700W und 900W beträgt, sich besonders vorteilhaft zum Herstellen von Bipolarplatten für ein Brennstoffzellensystem mit einer Dicke kleiner 100µm eignet.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl synchron zueinander bewegt werden.
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Durch eine synchrone Bewegung mehrerer Laserstrahlen kann eine besonders einfache und entsprechend robuste Steuerung erreicht werden, indem Steuerungsparameter, die zum Steuern eines ersten Laserstrahls verwendet werden, auch zum Steuern eines weiteren Laserstrahls verwendet werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der mindestens eine zweite Laserstrahl einen zweiten Laserstrahl und einen dritten Laserstrahl umfasst.
Durch Verwendung einer Vielzahl weiterer Laserstrahlen, die zusätzlich zu einem jeweilig ersten Laserstrahl bereitgestellt werden, kann ein besonders großer Bereich erwärmt werden, sodass die Bildung einer Erstarrungsfront in dem großen Bereich verhindert bzw. kontrolliert wird und ein Humping besonders effektiv vermieden wird. Dabei können die weiteren Laserstrahlen in einem Muster um ein durch den jeweilig ersten Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad herum, d.h. zu verschiedenen Seiten des Schmelzbades angeordnet sein, sodass sich bspw. eine „V-Form“ aus dem ersten Laserstrahl und zwei zu jeweiligen Seiten eines durch den ersten Laserstrahl aufgeschmolzenen Schmelzbades ergibt.
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Die Schweißvorrichtung ist ausgebildet das zuvor beschriebene Schweißverfahren durchzuführen und weist entsprechend Mittel auf. Insbesondere weist die Schweißvorrichtung zum Schweißen von Bauteilen auf: einen ersten Laser, mindestens einen zweiten Laser, ein Kontrollgerät, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, den ersten Laser als Master derart anzusteuern, dass dieser einen ersten Laserstrahl erzeugt, der sich auf einer vorgegebenen Trajektorie bewegt, und den mindestens einen zweiten Laser als Slave derart anzusteuern, dass diese mindestens einen zweiten Laserstrahl erzeugt, der sich an der vorgegebenen Trajektorie entlang bewegt, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, den ersten Laser und den mindestens einen zweiten Laser derart anzusteuern, dass der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden, sodass Aufwölbungen in einer durch den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl erzeugten Schweißnaht minimiert werden. Das Kontrollgerät ist dazu konfiguriert, den ersten Laser und den mindestens einen zweiten Laser derart anzusteuern, dass der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl mit einem Schweißvorschub von mindestens 1m/s entlang der Trajektorie bewegt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schweißerfahrens anhand eines Musters an Laserstrahlen,
- 2 ein Beispiel für ein weiteres Muster an Laserstrahlen gemäß einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens,
- 3 ein weiteres Beispiel für ein noch weiteres Muster an Laserstrahlen gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwei ßverfah rens,
- 4 eine Darstellung eines Verlaufs einer Schweißqualität unter Verwendung des Schweißverfahrens gemäß 1,
- 5 eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung.
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In 1 ist ein Schweißverfahren 100 anhand eines Musters 101 aus einem ersten Laserstrahl 103 und einem zweiten Laserstrahl 105 dargestellt.
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Gemäß dem Schweißverfahren 100 werden der erste Laserstrahl 103 und der zweite Laserstrahl 105 in einer fest vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander, vorliegend mit einem Abstand „D“ bewegt, sodass ein Energieeintrag in zu schweißendes Bauteil bzw. in zu schweißende Bauteile durch den ersten Laserstrahl 103 und den zweiten Laserstrahl 105 gemeinsam erfolgt.
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Der gemeinsame Energieeintrag bedingt, dass das Muster 101 mit einem Schweißvorschub „V“ größer 1m/s bewegt werden kann, da Prozesse, die zu sogenanntem „Humping“ führen, minimiert werden.
Insbesondere bedingt der zweite Laserstrahl 105 ein graduelles Entwärmen eines durch den ersten Laserstrahl 103 aufgeschmolzenen Schmelzbades, sodass eine plötzliche Ausbildung einer Erstarrungsfront, die zu einem Auswurf von Material aus dem Schmelzbad führen würde, vermieden wird.
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Entsprechend ermöglicht das Schweißverfahren 100 eine sehr schnelle Bewegung des Musters 101 in einem Schweißprozess, sodass auf aufwendige parallel eingesetzte Schweißvorrichtungen, bspw. zur Herstellung von Bipolarplatten, verzichtet werden kann.
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Das Muster 101 gemäß 1 besteht aus entlang einer Linie einander nachgeführten Laserstrahlen 103 und 105. Entsprechend wird der zweite Laserstrahl 105 dem ersten Laserstrahl 103 nachgeführt. Dabei wird der zweite Laserstrahl 105 mit den gleichen Prozessparametern bzw. den gleichen Einstellungen betrieben wie der erste Laserstrahl 103 und dem ersten Laserstrahl 103 in dem vorgegebenen Abstand „D“ nachgeführt.
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Bspw. kann der Abstand „D“ ein Fünffaches, ein Zehnfaches oder ein Fünfzehnfaches eines Querschnitts des ersten Laserstrahls 103 betragen.
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Insbesondere wird ein Energieeintrag in das Bauteil zu gleichen Teilen durch den ersten Laserstrahl 103 und den zweiten Laserstrahl 105 erbracht.
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In 2 ist ein Muster 201 aus einem ersten Laserstrahl 203 und einem zweiten Laserstrahl 205 dargestellt, wobei der erste Laserstrahl 203 einen geringeren Querschnitt aufweist als der zweite Laserstrahl 205.
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Bspw. ist ein Querschnitt des zweiten Laserstrahls 205 um ein Zweifaches, ein Vierfaches oder ein Sechsfaches größer als der Querschnitt des ersten Laserstrahls 203.
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Der größere Querschnitt des zweiten Laserstrahls 205 gegenüber dem ersten Laserstrahl 203 bedingt, dass eine Erstarrungsfront, die sich ein einem durch den ersten Laserstrahl 203 aufgeschmolzenen Schmelzbad bildet, nur graduell entwärmt, sodass ein Auswurf von Material aus dem Schmelzbad vermieden wird.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel beträgt ein Abstand zwischen dem ersten Laserstrahl und dem mindestens einen zweiten Laserstrahl zwischen 300µm und 1000µm, insbesondere 1250µm und ein Schweißvorschub, mit dem erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl bewegt werden, zwischen 1,25m/s und 1,5m/s, insbesondere 1,35m/s und eine Leistung, mit der der erste Laserstrahl und der mindestens eine zweite Laserstrahl gemeinsam bereitgestellt werden, zwischen 700W und 900W, insbesondere 800W.
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In 3 ist ein Muster 301 aus einem ersten Laserstrahl 303, einem zweiten Laserstrahl 305 und einem dritten Laserstrahl 307 dargestellt. Dabei dient der erste Laserstrahl 303 zum Aufschmelzen eines Schmelzbades und der zweite Laserstrahl 305 sowie der dritte Laserstrahl 307 dienen zum Kontrollieren einer Entwärmung des durch den ersten Laserstrahl 303 aufgeschmolzenen Schmelzbades.
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Um ein Abkühlen des Schmelzbades zu ermöglichen und dennoch eine Entwärmung des Schmelzbades zu kontrollieren, sind der zweite Laserstrahl 305 und der dritte Laserstrahl 307 seitlich versetzt zu einer Bahn, auf der sich der erste Laserstrahl 303 bewegt und entsprechend seitlich um einen vorgegebenen Abstand versetzt zu dem Schmelzbad angeordnet, wie durch Pfeil 309 angedeutet.
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In 4 ist ein Diagramm 400 dargestellt, dass sich auf seiner Abszisse über einen Abstand zwischen einem ersten Laserstrahl und einem zweiten Laserstrahl in Laserstrahlabständen von 50µm und auf seiner Ordinate über eine Schweißqualität in einer auf 1 normierten Einheit aufspannt.
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Anhand eines Verlaufs 401, der Schweißprozesse bei einem Schweißvorschub von 1,5m/s und einer Leistung von 800W abbildet ist erkennbar, dass eine Zunahme eines Abstandes zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl ausgehend von ca. 600µm bzw. 12 Laserstrahlabständen zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Schweißqualität führt, wobei bei einem Abstand von ca. 1000µm bzw. 20 Laserstrahlabständen ein Optimum erreicht wird, sodass eine weitere Vergrößerung des Abstands nichtmehr zu einer Verbesserung der Schweißqualität führt.
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In 5 ist eine Schweißvorrichtung 500 dargestellt.
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Die Schweißvorrichtung 500 umfasst einen ersten Laser 501, einen zweiten Laser 503 und ein Kontrollgerät 505.
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Das Kontrollgerät 505 ist dazu konfiguriert, den ersten Laser 501 als Master derart anzusteuern, dass dieser einen ersten Laserstrahl erzeugt, der sich auf einer vorgegebenen Trajektorie bewegt, und den zweiten Laser 503 als Slave derart anzusteuern, dass dieser einen zweiten Laserstrahl erzeugt, der sich an der vorgegebenen Trajektorie entlang bewegt.
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Das Kontrollgerät 505 ist weiterhin dazu konfiguriert, den ersten Laser 501 und den zweiten Laser 503 derart anzusteuern, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden, sodass Aufwölbungen in einer durch den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl erzeugten Schweißnaht minimiert werden.
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Das Kontrollgerät 505 ist weiterhin dazu konfiguriert, den ersten Laser 501 und den zweiten Laser 503 derart anzusteuern, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl mit einem Schweißvorschub von mindestens 1m/s entlang der Trajektorie bewegt werden.
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Das Kontrollgerät 505 kann ein Computer, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis sein.
