DE102022100186A1 - Process for laser welding a bipolar plate for a fuel cell, with several passes over the weld seam - Google Patents
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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, ist dadurch gekennzeichnet,dass das Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) mit wenigstens zwei Überfahrten der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) erfolgt,dass in jeder Überfahrt wenigstens ein Laserstrahl (22) entlang einer Schweißkurve (6) geführt wird, die entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft,wobei der wenigstens eine Laserstrahl (22) wenigstens ein Schmelzbad (7, 7a, 7b) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugt,wobei mit einer jeweiligen Überfahrt eine Teilschweißnaht (8, 8a, 8b, 8c) erzeugt wird,und wobei die Schmelzbäder (7, 7a, 7b) der Laserstrahlen (22) verschiedener Überfahrten voneinander separat sind,und dass die Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c) der verschiedenen Überfahrten in einer Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) zumindest teilweise überlappen. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, durch welches eine bessere Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, von Schweißnähten einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen ermöglicht wird.A method for laser welding a bipolar plate (1) for a fuel cell, in which two plate parts (1a, 1b) are welded to one another along at least one weld seam (2, 2a, 2b, 2c), is characterized in that the laser welding of the at least one weld seam ( 2, 2a, 2b, 2c) with at least two passes of the at least one weld seam (2, 2a, 2b, 2c), that in each pass at least one laser beam (22) is guided along a welding curve (6) that runs along the weld seam (2, 2a, 2b, 2c), with the at least one laser beam (22) generating at least one molten pool (7, 7a, 7b) in the plate parts (1a, 1b), with a partial weld seam (8, 8a , 8b, 8c) is generated, and wherein the melt pools (7, 7a, 7b) of the laser beams (22) of different passes are separate from each other, and that the partial weld seams (8, 8a, 8b, 8c) of the different passes in one direction ( QR) transverse to the welding direction (SR) at least partially overlap. The invention provides a method by which better fluid tightness, in particular gas tightness, of weld seams of a bipolar plate for fuel cells is made possible.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle,
wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden.The invention relates to a method for laser welding a bipolar plate for a fuel cell,
two plate parts being welded to one another along at least one weld seam.
Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
Brennstoffzellen, wie etwa Wasserstoff-Brennstoffzellen oder Direktmethanol-Brennstoffzellen, gewinnen aktuell eine immer größere Bedeutung im Bereich der nachhaltigen Technologien und können beispielsweise zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen werden zu einem Stapel (auch als Stack bezeichnet) geschichtet und bilden so ein Brennstoffzellensystem.Fuel cells, such as hydrogen fuel cells or direct methanol fuel cells, are currently becoming increasingly important in the field of sustainable technologies and can be used to drive vehicles, for example. The individual fuel cells are layered to form a stack (also referred to as a stack) and thus form a fuel cell system.
Das Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten, die im Stack angeordnet sind und deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Einheiten des Stacks des Brennstoffzellensystems ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet.The fuel cell system typically includes a large number of membrane-electrode units that are arranged in a stack and whose electrical power is added up. A bipolar plate is arranged between each two membrane-electrode units of the stack of the fuel cell system.
Bipolarplatten erfüllen als integrierte Bauteile der Brennstoffzellen unterschiedliche Aufgaben. Sie stellen den elektrischen Kontakt zwischen der Anode und der Kathode benachbarter Zellen her. Weiterhin sorgt die Bipolarplatte dafür, dass die Reaktionsgase (typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff) in die Reaktionszone (also zu den Elektroden) geführt werden. Hierfür besitzen die Bipolarplatten Strömungsprofile, durch die auf der einen Seite der Bipolarplatten Wasserstoff strömt und auf der anderen Seite der Bipolarplatten Sauerstoff strömt. Bipolarplatten dienen auch zur Abfuhr von Wasserdampf und thermischer Energie. Bipolarplatten erfüllen eine Abdichtfunktionen, insbesondere bei der gasdichten Trennung zwischen angrenzenden Brennstoffzellen, bei der Abdichtung nach au-ßen hin und der Abdichtung der Kühlkanäle, die innerhalb der Bipolarplatten verlaufen.As integrated components of fuel cells, bipolar plates fulfill different tasks. They establish the electrical contact between the anode and the cathode of adjacent cells. Furthermore, the bipolar plate ensures that the reaction gases (typically hydrogen and oxygen) are fed into the reaction zone (i.e. to the electrodes). For this purpose, the bipolar plates have flow profiles through which hydrogen flows on one side of the bipolar plates and through which oxygen flows on the other side of the bipolar plates. Bipolar plates are also used to dissipate water vapor and thermal energy. Bipolar plates fulfill a sealing function, in particular in the gas-tight separation between adjacent fuel cells, in the sealing to the outside and the sealing of the cooling channels that run inside the bipolar plates.
Solche Bipolarplatten können aus zwei metallischen Plattenteilen gefertigt sein, die miteinander verschweißt sind. Die Schweißnähte sollten fluiddicht, insbesondere gasdicht, ausgeführt sein, um die Gase und das Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Weiterhin dienen die Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden metallischen Plattenteile.Such bipolar plates can be made from two metallic plate parts that are welded together. The weld seams should be fluid-tight, in particular gas-tight, in order to direct the gases and the water in defined paths. Furthermore, the weld seams are used for the electrical and mechanical connection of the two metal plate parts.
Die eingangs erwähnte, nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
Beim Schweißen einer Bipolarplatte aus den zwei Plattenteilen kann es beim Schweißprozess vereinzelt zu Defekten kommen, insbesondere zu Mikrorisse und Poren in der Schweißnaht, oder auch zu Auswürfen. Dadurch kann die Schweißnaht undicht und unregelmäßig werden. Weiterhin kann eine Schweißnaht oberflächlich betrachtet gut aussehen, die Anbindung kann im Bereich der Fügezone zwischen den zwei Fügepartnern jedoch lokal unterbrochen sein (so genannte „Falsche Freunde“). Dadurch kann die Schweißnaht ebenfalls undicht sein, und die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen ist geschwächt.When welding a bipolar plate from the two plate parts, isolated defects can occur during the welding process, in particular microcracks and pores in the weld seam, or also ejections. This can cause the weld to leak and become irregular. Furthermore, a weld seam can look good on the surface, but the connection can be locally interrupted in the area of the joining zone between the two joining partners (so-called "false friends"). As a result, the weld seam can also leak, and the mechanical and electrical connection between the plate parts is weakened.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch welches eine bessere Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, von Schweißnähten einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen ermöglicht wird.It is the object of the present invention to provide a method by which better fluid tightness, in particular gas tightness, of weld seams of a bipolar plate for fuel cells is made possible.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht mit wenigstens zwei Überfahrten der wenigstens einen Schweißnaht erfolgt,
dass in jeder Überfahrt wenigstens ein Laserstrahl entlang einer Schweißkurve geführt wird, die entlang der Schweißnaht verläuft,
wobei der wenigstens eine Laserstrahl wenigstens ein Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugt,
wobei mit einer jeweiligen Überfahrt eine Teilschweißnaht erzeugt wird,
und wobei die Schmelzbäder der Laserstrahlen verschiedener Überfahrten voneinander separat sind,
und dass die Teilschweißnähte der verschiedenen Überfahrten in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zumindest teilweise überlappen.This object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the outset, which is characterized in that
that the laser welding of the at least one weld seam takes place with at least two passes of the at least one weld seam,
that in each pass at least one laser beam is guided along a welding curve that runs along the weld seam,
wherein the at least one laser beam generates at least one melt pool in the plate parts,
whereby a partial weld seam is produced with each pass,
and wherein the melt pools of the laser beams of different passes are separate from each other,
and that the partial welds of the different passes at least partially overlap in a direction transverse to the welding direction.
Die Erfindung schlägt vor, die wenigstens eine Schweißnaht, mit der die zwei Plattenteile (Fügepartner) zur Bipolarplatte für die Brennstoffzelle verbunden werden, beim Laserschweißen wenigstens zwei Mal mit einem Laserstrahl zu überfahren. Bei einer einzelnen Überfahrt der Schweißnaht mit einem Laserstrahl kann es vereinzelt zu Fehlstellen, insbesondere Mikrorissen, Poren, Auswürfen oder von außen nicht erkennbaren Anbindungsfehlern im Bereich der Fügezone („falsche Freunde“) kommen. Durch wenigstens eine weitere Überfahrt über die Schweißnaht können solche Fehlstellen in der Schweißnaht aus einer vorherigen Überfahrt ausgebessert oder komplett beseitigt werden. Hierdurch kann eine Schweißnaht mit verbesserter Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, und auch verbesserter mechanischer und elektrischer Verbindung zwischen den Plattenteilen erzeugt werden.The invention proposes running a laser beam at least twice over the at least one weld seam, with which the two plate parts (joining partners) are connected to form the bipolar plate for the fuel cell, during laser welding. A single pass over the weld seam with a laser beam can lead to isolated defects, in particular microcracks, pores, defects throw or connection errors that are not visible from the outside in the area of the joining zone ("false friends"). Such flaws in the weld seam from a previous pass can be repaired or completely eliminated by at least one further pass over the weld seam. As a result, a weld seam with improved fluid tightness, in particular gas tightness, and also improved mechanical and electrical connection between the plate parts can be produced.
In jeder Überfahrt fährt wenigstens ein Laserstrahl (mit seiner Mittelachse) eine Schweißkurve ab. Die Schweißkurve verläuft entlang der wenigstens einen Schweißnaht. Die Schweißkurve kann auf einer Mittellinie der Schweißnaht verlaufen, oder auch parallel zur Mittellinie der Schweißnaht verlaufen. Die Schweißkurven der Laserstrahlen verschiedener Überfahrten können auf identischen oder auch verschiedenen Schweißkurven erfolgen. Die Schweißkurven der Laserstrahlen der verschiedenen Überfahrten können also in einer Richtung quer zur Schweißrichtung voneinander abweichen.In each pass, at least one laser beam (with its central axis) follows a welding curve. The weld curve runs along the at least one weld seam. The weld curve can run on a centerline of the weld, or it can run parallel to the centerline of the weld. The welding curves of the laser beams of different passes can be made on identical or different welding curves. The welding curves of the laser beams of the different passes can therefore deviate from one another in a direction transverse to the welding direction.
Durch den wenigstens einen Laserstrahl wird während einer jeweiligen Überfahrt wenigstens ein Schmelzbad in den zwei Plattenteilen erzeugt. Beim Erstarren des wenigstens einen Schmelzbads verbleibt eine Teilschweißnaht, die der jeweiligen Überfahrt zugeordnet ist. Mit jeder weiteren Überfährt wird eine weitere Teilschweißnaht erzeugt. Die Schmelzbäder von unterschiedlichen Überfahrten der Laserstrahlen sind voneinander separat. Entsprechend der Schweißsituation können sowohl der Verlauf der Schweißkurven als auch die Schweißbedingungen angepasst und präzise kontrolliert werden.At least one melt pool is generated in the two plate parts by the at least one laser beam during a respective pass. When the at least one molten bath solidifies, a partial weld seam that is associated with the respective crossing remains. With each additional pass, another partial weld is created. The weld pools from different passes of the laser beams are separate from each other. Depending on the welding situation, both the course of the welding curves and the welding conditions can be adjusted and precisely controlled.
Die Teilschweißnähte überlappen in der Richtung quer zur Schweißrichtung zumindest teilweise. Entsprechend wird eine zuerst gefertigte Teilschweißnaht im Rahmen der Fertigung einer später gefertigten Teilschweißnaht zumindest teilweise nochmals aufgeschmolzen, wobei Fehlstellen der zuerst gefertigten Teilschweißnaht ausgebessert werden können. Zudem kann durch teilweise nicht überlappende Teilschweißnähte eine Schweißnaht, die durch zumindest zwei Teilschweißnähte aus zwei Überfahrten gebildet wird, gegenüber einer Schweißnaht aus einer einzigen Überfahrt mit einem Laserstrahl verbreitert werden. Durch die verbreiterte Schweißnaht kann die Abdichtung zwischen den Plattenteilen sowie die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen verbessert werden.The partial weld seams at least partially overlap in the direction transverse to the welding direction. Correspondingly, a partial weld seam produced first is at least partially melted again as part of the production of a partial weld seam produced later, it being possible for defects in the partial weld seam produced first to be repaired. In addition, partially non-overlapping partial welds allow a weld seam formed by at least two partial welds from two passes to be widened compared to a weld seam from a single pass with a laser beam. The widened weld seam allows the sealing between the plate parts and the mechanical and electrical connection between the plate parts to be improved.
Das Laserschweißen erfolgt bevorzugt als Tiefschweißen. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Das Laserschwei-ßen der Plattenteile kann als Einschweißen oder Durchschweißen erfolgen. Bevorzugt hat die einzelne Teilschweißnaht (in einer Ebene senkrecht zur Schweißrichtung) ein Aspektverhältnis AV=T/B mit AV≥1,5, bevorzugt AV≥2, besonders bevorzugt AV≥3, mit T: Einschweißtiefe und B: Breite der einzelnen Teilschweißnaht an der Werkstückoberfläche.Laser welding is preferably carried out as deep welding. A particularly high feed rate can be achieved in this way. The laser welding of the plate parts can be done by welding in or welding through. The individual partial welds (in a plane perpendicular to the welding direction) preferably have an aspect ratio AV=T/B with AV≧1.5, preferably AV≧2, particularly preferably AV≧3, with T: welding depth and B: width of the individual partial welds the workpiece surface.
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.The metallic plate parts of the bipolar plate are arranged to overlap for welding (typically with a congruent, aligned edge contour). The plate parts of the bipolar plates typically have a profiling, through which channels for cooling water and, on the outside, ducts for reaction water and/or gases, in particular hydrogen and oxygen, are formed between the plate parts. In addition, the bipolar plates typically have one or more openings with which gas can be transported in the stack direction in the fuel cell stack. Within the scope of the invention, closed welds are typically made at the outer edge of the plate parts and around all openings, and non-closed welds are also made distributed over the surface of the bipolar plates. The fluid tightness, in particular the gas tightness, is particularly important for the closed weld seams, and the mechanical and electrical connection is particularly important for the open weld seams. The invention can be applied to both closed welds and non-closed welds.
Bevorzugte Varianten der ErfindungPreferred variants of the invention
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Überfahrten zeitlich einzeln nacheinander erfolgen. Die Überfahrten sind zeitlich voneinander getrennt und eine weitere Überfahrt erfolgt erst dann, wenn eine vorherige Überfahrt abgeschlossen ist. Die Überfahrten können dann mit einem einzelnen, für alle Überfahrten gleichen Laserstrahl erfolgen; eine entsprechende Schweißanordnung braucht nur einen einzigen Laserstrahl zu erzeugen und ist dann besonders einfach und kostengünstig.In a preferred variant of the method according to the invention, it is provided that the crossings take place individually one after the other. The crossings are separated in time and a further crossing only takes place when a previous crossing has been completed. The crossings can then be made with a single laser beam that is the same for all crossings; a corresponding welding arrangement only needs to generate a single laser beam and is then particularly simple and inexpensive.
Bei einer alternativen bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Überfahrten zeitlich zumindest teilweise überlappend erfolgen. Die Überfahrten fallen zeitlich zumindest teilweise zusammen. Eine weitere Überfahrt kann beginnen, wenn eine vorherige Überfahrt noch nicht abgeschlossen ist. Hierzu werden wenigstens zwei Laserstrahlen zeitgleich eingesetzt. Durch die zeitliche Überlappung der Überfahrten kann die Gesamtteilezeit für die Fertigung einer Bipolarplatte verkürzt werden, was die Fertigungskosten senken kann.In an alternative preferred variant of the method according to the invention, it is provided that the crossings take place at least partially overlapping in time. The crossings coincide at least partially in time. Another pass may begin if a previous pass has not yet completed. For this purpose, at least two laser beams are used at the same time. Due to the temporal overlapping of the crossings, the total part time for the production of a bipolar plate can be reduced, which can reduce the production costs.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die Teilschweißnähte der verschiedenen Überfahrten in der Richtung quer zur Schweißrichtung zumindest teilweise nicht überlappen, so dass die Schweißnaht, die durch die Gesamtheit der Teilschweißnähte gebildet wird, in der Richtung quer zur Schweißrichtung eine Gesamtbreite GB aufweist, die größer ist als eine Breite B jeder der Teilschweißnähte. Durch die teilweise Nicht-Überlappung der Teilschweißnähte in Querrichtung wird eine Verbreiterung der Schweißnaht gegenüber der Breite einer einzelnen Teilschweißnaht erreicht. Durch die Verbreiterung der Schweißnaht kann wiederum die Dichtigkeit der Schweißnaht und auch die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen verbessert werden. Typischerweise gilt für die Gesamtbreite GB der Schweißnaht: GB≥1,1*Bmax, bevorzugt auch GB≥1,5*Bmax oder auch GB≥N*Bmax*0,66, mit N: Anzahl der Teilschweißnähte, die die Schweißnaht bilden, und Bmax: Breite der Teilschweißnaht mit der größten Breite (jeweils gemessen an der Werkstückoberfläche, quer zur Schweißrichtung). Für einen lateralen Versatz b von benachbarten Teilschweißnähten gilt b<(B1+B2)/2, mit B1, B2: Breiten der benachbarten Teilschweißnähte (jeweils gemessen im Querschnitt senkrecht zur Schweißrichtung bezüglich der Mittelachsen der Teilschweißnähte, und die Breite bestimmt an der Werkstückoberfläche), meist mit b≤0,5*[(B1+B2)/2]. Bevorzugt werden in der Richtung quer zur Schweißrichtung aufeinanderfolgende Teilschweißnähte in entsprechend aufeinanderfolgenden Überfahrten gefertigt.Also preferred is a variant in which the partial welds of the different passes in the direction transverse to the welding direction at least partially do not overlap, so that the weld, which is formed by all of the partial welds, in the direction transverse to the welding direction has an overall width GB that is greater than a width B of each of the partial welds. Due to the partial non-overlapping of the partial welds in the transverse direction, the weld seam is widened compared to the width of a single partial weld. Widening the weld seam can in turn improve the tightness of the weld seam and also the mechanical and electrical connection between the plate parts. Typically, the following applies to the total width GB of the weld: GB≥1.1*Bmax, preferably also GB≥1.5*Bmax or also GB≥N*Bmax*0.66, with N: number of partial welds that form the weld, and Bmax: Width of the partial weld seam with the greatest width (each measured on the workpiece surface, perpendicular to the welding direction). For a lateral offset b of adjacent partial welds, b<(B1+B2)/2 applies, with B1, B2: widths of the adjacent partial welds (measured in each case in the cross section perpendicular to the welding direction with respect to the central axes of the partial welds, and the width is determined on the workpiece surface) , mostly with b≤0.5*[(B1+B2)/2]. Subsequent partial welds in the direction transverse to the welding direction are preferably produced in correspondingly successive passes.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, in der die Breite der Teilschweißnaht von zumindest einer späteren Überfahrt größer ist als die Breite der Teilschweißnaht von zumindest einer früheren Überfahrt. Typischerweise liegt dabei die Teilschweißnaht der früheren Überfahrt vollständig innerhalb der Teilschweißnaht der späteren Überfahrt; durch die zumindest eine spätere Überfahrt kann eine breitere Teilschweißnaht über eine weniger breite Teilschweißnaht der früheren Überfahrt gelegt werden. Dadurch wird eine besonders zuverlässige und umfassende Ausbesserung von Fehlstellen aus einer jeweiligen früheren Überfahrt mit der späteren Überfahrt ermöglicht. Auf diese Weise können insbesondere falsche Freunde besonders einfach ausgebessert und die Dichtigkeit der Schweißnaht verbessert werden. Bevorzugt nimmt die Breite der Teilschweißnähte über alle Überfahrten von Überfahrt zu Überfahrt zu. Typischerweise liegen die Schweißkurven der Überfahrten übereinander (d.h. sie sind quer zur Schweißrichtung ohne lateralen Versatz).Also preferred is a variant in which the width of the partial weld seam from at least one later pass is greater than the width of the partial weld seam from at least one earlier pass. Typically, the partial weld of the earlier pass is completely within the partial weld of the later pass; due to the at least one later pass, a wider partial weld seam can be placed over a less wide partial weld seam of the earlier pass. This enables a particularly reliable and comprehensive repair of defects from a respective earlier pass with the later pass. In this way, false friends in particular can be repaired particularly easily and the tightness of the weld seam can be improved. The width of the partial weld seams preferably increases from pass to pass over all passes. Typically, the welding curves of the passes are on top of each other (i.e. they are perpendicular to the welding direction without any lateral offset).
Weiterhin bevorzugt ist eine alternative Variante, in der die Breiten der Teilschweißnähte aller Überfahrten gleich groß sind. Dies ist in der Praxis besonders einfach umzusetzen, insbesondere mit dem gleichen wenigstens einen Laserstrahl in jeder Überfahrt. Insbesondere entfällt ein etwaiges umständliches Verstellen einer Laseroptik zwischen den Überfahrten, mit der die Laserstrahlen auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden, um damit eine Anpassung der Durchmesser der in einer jeweiligen Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen (und damit der Breiten der Teilschweißnähte) vorzunehmen. Alternativ können sich die Breiten der Teilschweißnähte (und entsprechend die Durchmesser der in einer jeweiligen Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen) auch unterscheiden, typischerweise wobei für die Breite B3 der Teilschweißnaht einer ersten Überfahrt und die Breite B4 der Teilschweißnaht einer nachfolgenden Überfahrt gilt: 0,1*B4≤B3≤10*B4.Also preferred is an alternative variant in which the widths of the partial weld seams of all passes are the same size. In practice, this is particularly easy to implement, in particular with the same at least one laser beam in each pass. In particular, any cumbersome adjustment of laser optics between the passes, with which the laser beams are directed onto the workpiece surface, in order to adjust the diameter of the laser beams used in a respective pass (and thus the width of the partial weld seams) is eliminated. Alternatively, the widths of the partial welds (and correspondingly the diameters of the laser beams used in a respective pass) can also differ, typically with the width B3 of the partial weld of a first pass and the width B4 of the partial weld of a subsequent pass being: 0.1*B4 ≤B3≤10*B4.
Auch bevorzugt ist eine Variante, bei der je Überfahrt lediglich ein Laserstrahl eingesetzt wird. Dies ist besonders kostengünstig und unter geringem Aufwand umzusetzen.Also preferred is a variant in which only one laser beam is used per pass. This can be implemented particularly cost-effectively and with little effort.
Auch bevorzugt ist eine alternative Variante, bei der je Überfahrt wenigstens zwei Laserstrahlen zeitgleich eingesetzt werden. Hierdurch kann gegebenenfalls die Gesamtteilezeit verkürzt werden oder auch die Qualität der Teilschweißnaht der entsprechenden Überfahrt verbessert werden. Liegen die wenigstens zwei Laserstrahlen zueinander transversal (in Schweißrichtung) versetzt, können in der entsprechenden Überfährt bereits durch den wenigstens zweiten Laserstrahl Fehlstellen (z.B. Risse, Poren, Auswürfe oder falsche Freunde) repariert werden. Liegen die wenigstens zwei Laserstrahlen zueinander lateral (quer zur Schweißrichtung), kann in der entsprechenden Überfahrt bereits durch die wenigstens zwei Laserstrahlen dieser Überfahrt die Teilschweißnaht gegenüber einer Teilschweißnaht basierend auf nur einem Laserstrahl verbreitert und somit die Dichtigkeit verbessert werden. Es kann vorgesehen sein, dass die je Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen zueinander transversal (in Schweißrichtung) versetzt sind, nicht aber lateral (quer zur Schweißrichtung). Typischerweise werden zwei Laserstrahlen je Überfahrt eingesetzt. Die in einer Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen werden typischerweise zeitgleich eingesetzt und haben einen konstanten gegenseitigen Abstand entlang der Schweißnaht. Bevorzugt haben die je Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen einen gleichen Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche, typischerweise wobei auch die Laserleistung der Laserstrahlen gleich ist. Alternativ können sich die Strahldurchmesser auch unterscheiden, typischerweise wobei für den Strahldurchmesser dw1 eines in Schweißrichtung vordersten Laserstrahls und den Strahldurchmesser dwx eines nachfolgenden Laserstrahls gilt: 0,1*dwx≤dw1≤10*dwx. Im Allgemeinen haben die je Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen in der Regel eine gleiche Vorschubgeschwindigkeit. Die mehreren Laserstrahlen können (insbesondere für eine zeitgleiche Anwendung) erzeugt werden
- - mittels mehrerer Laserquellen und mehrerer Laseroptiken, oder
- - mittels mehrerer Laserquellen und einer Laseroptik, oder
- - mittels einer Laserquelle und mehreren Laseroptiken (beispielsweise unter Verwendung einer Laserquelle mit mehreren Lichtwegen, unter denen der Laserstrahl geschaltet werden kann, wobei an jedem Lichtweg via Lichtleitkabel eine andere Laseroptik angeschlossen ist), oder
- - mittels einer Laserquelle und einer Laseroptik und einem optischen Element zum Aufteilen eines Urlaserstrahls auf mehrere Laserstrahlen, z. B. Multifokallinse, optische Keilplatte, diffraktives optisches Element (DOE) oder refraktives optisches Element (ROE).
- - by means of several laser sources and several laser optics, or
- - by means of several laser sources and laser optics, or
- - by means of a laser source and several laser optics (e.g. using a laser source with several light paths, among which the laser beam can be switched, with a different laser optic being connected to each light path via a fiber optic cable), or
- - By means of a laser source and a laser optics and an optical element for dividing a Urlaserstrahl to several laser beams, z. B. Multifocal lens, optical wedge plate, diffractive optical element (DOE) or refractive optical element (ROE).
Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen in Schweißrichtung teilweise überlappen.A further development of this variant is advantageous, which provides that the laser beams used simultaneously in one pass partially overlap in the welding direction.
Im Überlappungsbereich der zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen kann eine besonders hohe Laserintensität erreicht werden. Auf diese Weise kann mit einer hohen Effizienz und Geschwindigkeit geschweißt werden.A particularly high laser intensity can be achieved in the overlapping area of the laser beams used at the same time. In this way, welding can be carried out with high efficiency and speed.
Für einen Abstand a in Schweißrichtung der je Überfahrt zeitgleich eingesetzten (benachbarten) Laserstrahlen gilt dann a<(dw1+dwx)/2; der Abstand a wird gemessen bezüglich der Strahlachsen auf der Werkstückoberfläche. Die zeitgleich eingesetzten, überlappenden Laserstrahlen erzeugen ein gemeinsames Schmelzbad.A<(dw1+dwx)/2 then applies for a distance a in the welding direction of the (neighboring) laser beams used at the same time per pass; the distance a is measured with respect to the beam axes on the workpiece surface. The overlapping laser beams used at the same time create a common weld pool.
Vorteilhaft ist auch eine alternative Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen in Schweißrichtung nicht überlappen. Hierdurch können hohe Laserintensitäten vermieden werden, und mit einer hohen Effizienz und Präzision geschweißt werden. An alternative further development of this variant is also advantageous, which provides that the laser beams used simultaneously in one pass do not overlap in the welding direction. As a result, high laser intensities can be avoided and welding can be carried out with high efficiency and precision.
Für einen Abstand a in Schweißrichtung der je Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen gilt dann a≥(dw1+dwx)/2. Die zeitgleich eingesetzten, nicht überlappenden Laserstrahlen können ein gemeinsames Schmelzbad erzeugen oder alternativ separate Schmelzbäder erzeugen.A≥(dw1+dwx)/2 then applies for a distance a in the welding direction of the laser beams used simultaneously in each pass. The simultaneously used, non-overlapping laser beams can create a common melt pool or alternatively create separate melt pools.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schmelzbäder der in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen einander nicht überlappen. Auf diese Weise können die separaten Schmelzbäder besser kontrolliert werden und mögliche Effekte, die durch ein gemeinsames Schmelzbad entstehen und beispielsweise die Schmelzbaddynamik so verändern, dass sich Poren oder Risse beim Erstarren des gemeinsamen Schmelzbads bilden, umgangen werden. Es kann eine gute Kontrolle über den Schweißprozess gewonnen werden.It is preferably provided that the molten pools of the laser beams used simultaneously in one pass do not overlap one another. In this way, the separate melt pools can be better controlled and possible effects that arise from a common melt pool and, for example, change the melt pool dynamics in such a way that pores or cracks form when the common melt pool solidifies, can be avoided. Good control over the welding process can be gained.
Ebenso bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen auf identischen Schweißkurven geführt werden. Mit anderen Worten, die Schweißkurven haben keinen lateralen Versatz. Dadurch ist sichergestellt, dass die in der Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen (zumindest in einem zentralen Anteil) dasselbe Plattenmaterial bearbeiten. Dadurch können Fehlstellen in der Teilschweißnaht reduziert werden. Zudem ist die Verfahrensführung besonders einfach.Also preferred is a further development that provides for the laser beams used simultaneously in a pass to be guided on identical welding curves. In other words, the weld curves have no lateral offset. This ensures that the laser beams used in the passage (at least in a central portion) process the same panel material. This can reduce defects in the partial weld. In addition, the procedure is particularly simple.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte in Bipolarplatten benötigen eine hohe Fluiddichtigkeit, die mit der Erfindung auf einfache und zuverlässige Weise bereitgestellt werden kann, so dass die Erfindung hier besonders vorteilhaft ist. Durch die geschlossenen Schweißnähte können insbesondere Teilbereiche zwischen den Plattenteilen fluiddicht, und insbesondere gasdicht, abgeschlossen werden.Also preferred is a variant in which the at least one weld seam comprises one or more self-contained weld seams. Closed weld seams in bipolar plates require a high level of fluid tightness, which the invention can provide in a simple and reliable manner, so that the invention is particularly advantageous here. Due to the closed weld seams, in particular partial areas between the plate parts can be sealed in a fluid-tight and in particular gas-tight manner.
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, in der die wenigstens eine Schweißnaht wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht umfasst. Auf diese Weise kann ein Innenbereich zwischen den zwei Plattenteilen fluiddicht (insbesondere dicht für Kühlwasser und dicht für Reaktionsgase wie Sauerstoff und Wasserstoff). Die Abdichtung der an der Außenseite der Plattenteile umlaufenden Schweißnaht ist bei Bipolarplatten besonders wichtig und kann mit der Erfindung einfach und zuverlässig bereitgestellt werden; mit dieser Schweißnaht kann insbesondere verhindert werden, dass ein Kühlmittel in die Reaktionsräume eines Stacks von Brennstoffzellen fließt.Equally advantageous is a variant in which the at least one weld seam comprises at least one closed weld seam running around the outside of the plate parts. In this way, an interior area between the two plate parts can be fluid-tight (in particular tight for cooling water and tight for reaction gases such as oxygen and hydrogen). The sealing of the circumferential weld seam on the outside of the plate parts is particularly important in the case of bipolar plates and can be provided simply and reliably with the invention; This weld can be used in particular to prevent a coolant from flowing into the reaction chambers of a stack of fuel cells.
In einer bevorzugten Variante ist ein jeweiliger Laserstrahl als Multifokal-Laserstrahl ausgebildet, umfassend mehrere auf der Werkstückoberfläche nebeneinander liegende Teilstrahlen, die gemeinsam das Schmelzbad des Laserstrahls erzeugen. Mit einem Multifokal-Laserstrahl kann bereits bei einer Überfahrt eine vergleichsweise defektarme und breite Teilschweißnaht erhalten werden. Durch die weiteren Überfahrten kann dann die Qualität der Schweißnaht und damit die Dichtigkeit und Verbindung der Plattenteile weiter verbessert werden. Die Teilstrahlen liegen auf der Werkstückoberfläche mit ihren Mittelachsen nebeneinander; die zugehörigen Teillaserspots können dabei (bevorzugt) voneinander separat sein oder auch sich überschneiden. Mit steigender Anzahl der Teilstrahlen und bei entsprechender Anordnung (insbesondere auf den Ecken eines regelmäßigen Polygons) kann die Richtungsabhängigkeit verringert werden.In a preferred variant, a respective laser beam is designed as a multifocal laser beam, comprising a plurality of partial beams lying next to one another on the workpiece surface, which together generate the molten pool of the laser beam. With a multifocal laser beam, a comparatively low-defect and wide partial weld seam can be obtained in just one pass. The quality of the weld seam and thus the tightness and connection of the plate parts can then be further improved by the further passes. The partial beams lie side by side on the workpiece surface with their central axes; the associated partial laser spots can (preferably) be separate from one another or also overlap. With an increasing number of partial beams and with an appropriate arrangement (in particular on the corners of a regular polygon), the directional dependency can be reduced.
In einer bevorzugten alternativen Variante ist ein jeweiliger Laserstrahl als Überlagerungs-Laserstrahl ausgebildet, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Werkstückoberfläche ineinander liegen, und die gemeinsam das Schmelzbad des Laserstrahls erzeugen. Typischerweise wird in einem radial äußeren Teil des Überlagerungs-Laserstrahls eine geringere lokale Laserleistungsdichte und in einem radial inneren Teil des Überlagerungslaserstrahls eine lokal höhere Leistungsdichte eingerichtet. Dadurch kann beim Tiefschweißen die Dampfkapillare stabilisiert und die Schmelzbaddynamik verringert werden. Der Überlagerungs-Laserstrahl hat typischerweise auf der Werkstückoberfläche konzentrische Teilstrahlen.In a preferred alternative variant, a respective laser beam is in the form of a superimposed laser beam, comprising at least two partial beams which lie one inside the other on the workpiece surface and which together generate the molten pool of the laser beam. Typically, a lower local laser power density is established in a radially outer part of the heterodyne laser beam and a locally higher power density is established in a radially inner part of the heterodyne laser beam. This allows the vapor capillary to be stabilized during deep penetration welding and the weld pool dynamics to be reduced. The superimposed laser beam typically has concentric partial beams on the workpiece surface.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser alternativen Variante ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst,
oder dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst. Dies hat sich in der Praxis besonders bewährt und führt zu einer guten Qualität der Schweißnaht. Ein Überlagerungs-Laserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-1-Faser erzeugt, und Kernstrahl und Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse.A preferred further development of this alternative variant is characterized in that
that the superimposed laser beam comprises a core beam and a ring beam surrounding the core beam,
or that the superimposed laser beam comprises a larger sub-beam and a smaller sub-beam lying at the workpiece surface within the larger sub-beam. This has proven itself in practice and leads to a good quality of the weld. A heterodyne laser beam with core beam and ring beam is typically generated with a 2-in-1 fiber, and the core beam and ring beam have a common optical axis.
Auch 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. Solche Plattenteile eignen sich besonders gut für die Fertigung von Bipolarplatten. Die Blechdicken BLD ermöglichen einen geringen Materialeinsatz bei einer gleichzeitig guten mechanischen Stabilität. Die metallischen Plattenteile sind günstig in der Herstellung und gut für die Anforderungen geeignet, die an eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gestellt werden (beispielsweise Verarbeitungsfähigkeit beim Laserschweißen oder Beständigkeit gegenüber Korrosion).Also preferred is a variant which provides that the plate parts each have a sheet metal thickness BLD of between 50 μm and 150 μm. The plate parts are preferably made of stainless steel, z. B. type 1.4404. The sheet metal thickness is preferably BLD=75 μm. Such plate parts are particularly suitable for the production of bipolar plates. The sheet thicknesses BLD enable a small use of material with a good mechanical stability at the same time. The metallic plate parts are inexpensive to manufacture and well suited to the requirements placed on a bipolar plate of a fuel cell (e.g. laser welding processability or resistance to corrosion).
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass gilt:
- - Die Laserstrahlen werden mit einem Infrarotlaser erzeugt und weisen eine mittlere Wellenlänge zwischen 800 nm und 1200 nm, bevorzugt 1030 nm oder 1070 nm, auf, oder die Laserstrahlen werden 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 jeweilige Strahlparameterprodukt SPP der Laserstrahlen liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP≤0,6 mm*mrad; und/oder
- - Der Strahldurchmesser dw1 des in Schweißrichtung zuerst eingesetzten Laserstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 µm und 300 µm, bevorzugt mit 30µm≤dw1≤70µm im Single Mode oder 50µm≤dw1≤170pm im Mulit-Mode, und der Strahldurchmesser dwx aller anderen Laserstrahlen
ist gewählt mit 0,1*dw1≤dwx≤10*dw1, bevorzugt mit dw1=dwx; und/oder
- - Die Laserleistung P pro Laserstrahl liegt zwischen 10W und 2000W , bevorzugt mit 50W≤P≤700W; und/oder
- - Ein Vorschub VS der Laserstrahlen 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 die Laserstrahlen auf das Werkstück abgebildet werden, liegt zwischen 1:1 und 5:1,
bevorzugt mit 1,5:1 ≤ AV ≤ 2:1.
- - The laser beams are generated with an infrared laser and have a mean wavelength between 800 nm and 1200 nm, preferably 1030 nm or 1070 nm, or the laser beams are generated with a VIS laser with a mean wavelength between 400 nm and 450 nm or between 500 nm and 550 nm generated; and or
- - The respective beam parameter product SPP of the laser beams is between 0.38 mm*mrad and 16 mm*mrad, preferably with SPP≤0.6 mm*mrad; and or
- - The beam diameter dw1 of the laser beam used first in the welding direction on the workpiece is between 10 µm and 300 µm, preferably with 30 µm≤dw1≤70 µm in single mode or 50 µm≤dw1≤170 pm in multi-mode, and the beam diameter dwx of all other laser beams chosen with 0.1*dw1≤dwx≤10*dw1, preferably with dw1=dwx; and or
- - The laser power P per laser beam is between 10W and 2000W, preferably with 50W≤P≤700W; and or
- A feed VS of the laser beams is between 100 mm/s and 5000 mm/s, preferably with 300 mm/s≦VS≦2000 mm/s; and or
- - An imaging ratio AV of a laser optics, with which the laser beams are imaged onto the workpiece, is between 1:1 and 5:1, preferably with 1.5:1≦AV≦2:1.
Diese Parameter haben sich für die Fertigung der Bipolarplatten in der Praxis bewährt.These parameters have proven themselves in practice for the production of the bipolar plates.
Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Bipolarplatten, die gemäß der Erfindung gefertigt werden, weisen eine gute Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, der wenigstens einen Schweißnaht auf, und erreichen eine gute mechanische und elektrische Verbindung der Plattenteile.Furthermore, the present invention comprises bipolar plates for a fuel cell, produced by welding two plate parts according to a method according to the invention and described above. Bipolar plates that are manufactured according to the invention have good fluid tightness, in particular gas tightness, of the at least one weld seam, and achieve a good mechanical and electrical connection of the plate parts.
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.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those detailed below can be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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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; -
2 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Variante der Erfindung, mit einem Laserstrahl; -
3 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, mit zwei Laserstrahlen und zeitlich teilweise überlappenden Überfahrten; -
4 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer dritten Variante der Erfindung, mit zwei in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen, deren Schmelzbäder einander nicht überlappen; -
5 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer vierten Variante der Erfindung, mit zwei in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen, die teilweise überlappen; -
6 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer fünften Variante der Erfindung, mit einem Überlagerungs-Laserstrahl; -
7 zeigt in schematischen Ansichten Querschnitte durch mittels Laserschweißen gefertigte Schweißnähte einer Bipolarplatte, mit den Teilbildern a) gemäß einem fiktiven Stand der Technik mit einer Überfahrt eines einzelnen Laserstrahls und einer fehlerhaften Anbindung, b) gemäß der Erfindung mit zwei Überfahrten wenigstens eines Laserstrahls, wobei der wenigstens eine Laserstrahl bei der zweiten Überfahrt eine breitere Teilschweißnaht erzeugt hat als in der ersten Überfahrt, c) gemäß einem fiktiven Stand der Technik mit einer Überfahrt eines einzelnen Laserstrahls und Rissen und Poren in der Schweißnaht, d) gemäß der Erfindung mit zwei Überfahrten wenigstens eines Laserstrahls mit überlappenden Teilschweißnähten, und e) gemäß der Erfindung mit drei Überfahrten wenigstens eines Laserstrahls mit überlappenden Teilschweißnähten.
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1 shows a schematic top view of a bipolar plate according to the invention with two plate parts which are connected to one another by a plurality of circumferentially closed weld seams and a plurality of weld seams extending in a straight line; -
2 shows in a schematic top view the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a first variant of the invention, with a laser beam; -
3 shows in a schematic top view the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a second variant of the invention, with two laser beams and temporally partially overlapping passes; -
4 shows a schematic top view of the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a third variant of the invention, with two laser beams used simultaneously in one pass, the weld pools of which do not overlap; -
5 shows a schematic top view of the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a fourth variant of the invention, with two laser beams that are used simultaneously in one pass and partially overlap; -
6 shows in a schematic top view the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a fifth variant of the invention, with a superimposed laser beam; -
7 shows schematic views of cross sections through weld seams of a bipolar plate produced by means of laser welding, with the partial images a) according to a fictitious prior art with one pass of a single laser beam and a faulty connection, b) according to the invention with two passes of at least one laser beam, wherein the at least a laser beam produced a wider partial weld seam during the second pass than in the first pass, c) according to fictitious prior art with one pass of a single laser beam and cracks and pores in the weld seam, d) according to the invention with two passes of at least one laser beam with overlapping partial welds, and e) according to the invention with three passes of at least one laser beam with overlapping partial welds.
Die
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 der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75µm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 µm und 150 µm.The
Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind (nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) durch eine Vielzahl von Schweißnähten 2 miteinander verbunden. Die Schweißnähte 2 sind schematisch strichpunktiert 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. Für die Schweißnähte 2a, 2b ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders von Vorteil, da eine besonders hohe Dichtigkeit erreicht wird.The two
Die Fertigung der Schweißnaht 2a erfolgt in der in
Um den Laserspot 5 herum erzeugt der Laserstrahl ein Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich des Laserspots 5 ist das Schmelzbad 7 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR wird das Schmelzbad 7 schmäler.Around the
In der gezeigten Variante überfährt der zum Fertigen der Schweißnaht 2a eingesetzte Laserstrahl die Schweißnaht 2a insgesamt zwei Mal (zwei „Überfahrten“). Der Laserstrahl fährt die Schweißkontur 6 zwei Mal vollständig ab; die Schweißkontur 6 ist hier in der ersten und zweiten Überfahrt gleich. Jede Überfahrt erzeugt eine Teilschweißnaht 8. In
Nach der vollständigen zweiten Überfahrt des Laserstrahls entlang der Schweißkurve 6 ist die Schweißnaht 2a vollständig gefertigt (näheres hierzu in
In den folgenden Figuren werden weitere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt. Dabei werden nur die wesentlichen Unterschiede erläutert. Further variants of the method according to the invention are presented in the following figures. Only the essential differences are explained.
Der erste Laserstrahl führt die erste Überfahrt entlang der Schweißkurve 6 aus und erzeugt dabei die erste Teilschweißnaht 8a (weißer Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a). Bevor die erste Überfahrt komplett abgeschlossen ist wird mit dem zweiten Laserstrahl bereits die zweite Überfahrt entlang der Schweißkurve 6 begonnen und dabei die zweite Teilschweißnaht 8b (schraffierter Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a) erzeugt. Durch den Laserspot 5b wird die erste Teilschweißnaht 8a im Wesentlichen wieder aufgeschmolzen. Die erste und die zweite Überfahrt erfolgen für einen gewissen Zeitraum zeitgleich. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren beschleunigt werden.The first laser beam performs the first pass along the
Im Unterschied zu der in
Die Laserstrahlen werden während der Überfahrten beide auf der identischen Schweißkurve 6 entlang geführt. In dem Bereich auf der Schweißkurve 6, der von beiden Laserstrahlen und dem dazugehörigen Schmelzbad 7 in der ersten Überfahrt überfahren worden ist, wurde die erste Teilschweißnaht 8a (weißer Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a) erzeugt. Mit jeder Überfahrt wird die Schweißnaht 2a also von den zwei Laserstrahlen mit den zwei Laserspots 5a, 5b und dem Schmelzbad 7 überfahren. Im Überlappungsbereich 9 der Laserspots 5a, 5b ist die Intensität der zwei Laserstrahlen, verglichen zu den überlappungsfreien Bereichen der Laserspots 5a, 5b, besonders groß. Eine im Schmelzbad 7 erzeugte Dampfkapillare in diesem Überlappungsbereich ist besonders stabil und ermöglicht hierdurch eine größere Schweißgeschwindigkeit.The laser beams are both guided along the
Dementsprechend weist auch der Überlagerungs-Laserspot 10 einen Kernanteil 11 (schraffierter Kreis) und einen Ringanteil 12 (weißer Ring) auf. Der Ringanteil 12 umgibt den Kernanteil 11 ringförmig.Accordingly, the superimposed
Der Überlagerungs-Laserstrahl befindet sich in
Typischerweise wird ein Überlagerungs-Laserstrahl mittels einer 2-in-1-Faser (nicht näher dargestellt) erzeugt. Die 2-in-1-Faser hat eine Kernfaser und eine Ringfaser. Die Ringfaser umgibt die Kernfaser ringförmig.Typically, a heterodyne laser beam is generated using a 2-in-1 fiber (not shown). The 2-in-1 fiber has a core fiber and a ring fiber. The ring fiber surrounds the core fiber in a ring shape.
Mit Hilfe des Überlagerungs-Laserstrahls kann die Dampfkapillare beim Überlagerungs-Laserspot 10 stabilisiert werden. Auf diese Weise kann die Schmelzbaddynamik verringert werden. Hierdurch kann beispielsweise die Bildung von Spritzern verringert werden.The vapor capillary at the superimposed
Teilbild a) zeigt beispielhaft eine schmale Schweißnaht 13 nach einem fiktiven Stand der Technik, mit der der obere Plattenteil 1a und der untere Plattenteil 1b miteinander durch Einschweißen augenscheinlich verschweißt wurden. Das Verschweißen erfolgte mit einem einzelnen Laserstrahl im Tiefschweißregime. Die Schweißnaht 13 stellt das aufgeschmolzene und wieder erstarrte Material der Plattenteile 1a, 1b dar. Wird lediglich eine Überfahrt beim Verschweißen durchgeführt, kann es im Bereich einer Fügezone 14 (zwischen den Plattenteilen 1a, 1b) zu einer unvollständigen oder fehlenden Anbindung kommen (auch als „falsche Freunde“ bezeichnet). Die Schweißnaht 13 besteht aus einem oberen Schweißnahtteil 13a im oberen Plattenteil 1a und aus einem unteren Schweißnahtteil 13b im unteren Plattenteil 1b, die nicht miteinander verbunden sind. Betrachtet man die Schweißnaht 13 jedoch nur von einer Oberseite 15 des oberen Plattenteils 1a könnte man fälschlicherweise zu dem Schluss gelangen, dass die Plattenteile 1a, 1b ordnungsgemäß miteinander verschweißt wären. Durch die unvollständige oder fehlende Anbindung gibt es eine nur geringe oder fehlende mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Verschweißung. Ebenfalls ist eine Fluiddichtigkeit nicht gegeben. Man beachte, dass in Teilbild a) und in Teilbild b) die Lücke zwischen den Plattenteilen 1a, 1b zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt ist.Partial image a) shows an example of a
Teilbild b) zeigt die Schweißnaht 2 durch die Plattenteile 1a, 1b, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Die gesamte Schweißnaht 2 setzt sich hier aus den zwei Teilschweißnähten 8a, 8b zusammen. Die Teilschweißnähte 8a, 8b liegen übereinander, wobei die zuerst gefertigte Teilschweißnaht 8a tiefer und schlanker ist als die als zweites gefertigte Teilschweißnaht 8b. Eine Tiefe T1 der Teilschweißnaht 8a ist hier ungefähr doppelt so groß wie eine Breite B1 der Teilschweißnaht 8a. Ein Aspektverhältnis AV=T/B der Teilschweißnaht 8a ist daher ungefähr 2. Teilschweißnaht 8a wurde in einer ersten Überfahrt erzeugt und reicht bis in den unteren Plattenteil 1a hinein, hier bis an dessen Unterseite.Part b) shows the
Wie in Teilbild a) bereits angedeutet, kann es bei einer einzelnen Überfahrt zu „falschen Freunden“ kommen. Um eine gute mechanische und elektrische, sowie fluiddichte und insbesondere gasdichte Anbindung der Plattenteile 1a, 1b zu erreichen, wird die Teilschweißnaht 8a in einer zweiten Überfahrt nochmals überfahren. Bei der zweiten Überfahrt wird ein Laserstrahl gewählt, der einen größeren Laserspot auf der Oberseite 15 von Plattenteil 1a erzeugt. Auf diese Weise wird bei der zweiten Überfahrt die zweite Teilschweißnaht 8b erzeugt. Die zweite Teilschweißnaht 8b weist hier eine Tiefe T2, auf, die ungefähr eineinhalb mal so groß ist wie eine Breite B2. Das Aspektverhältnis AV der Teilschweißnaht 8b ist daher ungefähr 1,5. Die Tiefe T2 reicht aus, um das Plattenmaterial durch die Fügezone hindurch nochmals bis in den Bereich des unteren Plattenteils 1b aufzuschmelzen. Durch die zweite Überfahrt kann eine fehlerhafte Anbindung der Plattenteile 1a, 1b repariert werden.As already indicated in part a), “false friends” can occur during a single crossing. In order to achieve a good mechanical and electrical as well as fluid-tight and in particular gas-tight connection of the
Die Schweißnaht 2 in Teilbild b) kann mit allen oben präsentierten Varianten gefertigt werden. Hierzu nötig ist, dass die zweite Überfahrt jeweils eine breitere Teilschweißnaht 8b erzeugt, indem beispielsweise zwei Laserstrahlen eingesetzt werden, die Laserspots unterschiedlicher Größe auf der Oberseite 15 erzeugen oder indem ein einzelner Laserstrahl bei einer zweiten Überfahrt so eingestellt wird, dass er einen größeren Laserspot auf der Oberseite 15 erzeugt, etwa durch Ändern der Fokuslage des Laserstrahls.The
Die Blechdicke BLD der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75 µm.The sheet metal thickness BLD of the
Teilbild c) zeigt beispielhaft eine breite Schweißnaht 16 nach einem fiktiven Stand der Technik, mit der der obere Plattenteil 1a und der untere Plattenteil 1b miteinander durch Einschweißen verschweißt wurden. Das Verschweißen erfolgte mit einem einzelnen Laserstrahl im Tiefschweißregime. Die Schweißnaht 16 stellt das aufgeschmolzene und wieder erstarrte Material der Plattenteile 1a, 1b dar. Eine Breite B der Schweißnaht 16 ist ungefähr gleich groß wie eine Tiefe T der Schweißnaht 16. Das Aspektverhältnis AV=T/B beträgt hier ungefähr 1. Bei einer solchen breiten Schweißnaht 16 können zahlreiche Poren 17 und andere Defekte, wie Mikrorisse 18, in der Schweißnaht 16 auftreten. Hierdurch wird möglicherweise die verbindende Wirkung der Schweißnaht 16 in Bezug auf die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung beeinträchtigt. Poren 17 und Mikrorisse 18 können außerdem die Fluiddichtigkeit, insbesondere die Gasdichtigkeit, der Schweißnaht 16 beeinträchtigen.Part c) shows an example of a
Teilbild d) zeigt die Schweißnaht 2 durch die Plattenteile 1a, 1b, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Die gesamte Schweißnaht 2 setzt sich hier aus den zwei Teilschweißnähten 8a, 8b zusammen. Die Teilschweißnähte 8a, 8b überlappen teilweise in der Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung. Die Schweißrichtung verläuft hier senkrecht zur Zeichenebene. Die Richtung QR verläuft außerdem parallel zur Oberseite 15 von Plattenteil 1a.Partial image d) shows the
Die Fertigung der Teilschweißnähte 8a, 8b erfolgte hier im Tiefschweißregime in Einschweißung. Die Teilschweißnähte 8a, 8b haben die gleiche Breite B und die gleiche Tiefe T. Die einzelnen Teilschweißnähte 8a, 8b haben jeweils ein Aspektverhältnis von hier ca. AV=1. Bei solch einem Aspektverhältnis können sich unter anderem Poren 17 und Mikrorisse 18 in der Schweißnaht 2 bilden. Durch die mehrfache Überfahrt der Laserstrahlen über in die Richtung QR versetzte Schweißkurven überlappen die Teilschweißnähte 8a, 8b teilweise. Weiterhin gibt es Bereiche der Teilschweißnähte 8a, 8b, die nicht überlappen. In einem Schweißnahtüberlappungsbereich 21 werden durch die weitere Überfahrt Schweißfehler ausgebessert. Durch die Verringerung von Poren 17 und Mikrorissen 18 kann Fluiddichtigkeit, insbesondere die Gasdichtigkeit, der Schweißnaht 2 verbessert werden.The production of the
Eine Gesamtbreite GB der Schweißnaht 2 ist größere als die jeweiligen einzelnen Breiten B der Teilschweißnähte 8a, 8b. Im hier gezeigten Beispiel hat GB einen Wert von ungefähr GB=1,3*B.A total width GB of the
Die Schweißnaht 2 in Teilbild d) kann mit allen oben präsentierten Varianten gefertigt werden. Hierzu nötig ist, dass die zweite Überfahrt entlang einer zweiten Schweißkurve ausgeführt wird, die zur ersten Schweißkurve versetzt liegt.The
Teilbild e) zeigt die Schweißnaht 2 durch die Plattenteile 1a, 1b, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Die gesamte Schweißnaht 2 setzt sich hier aus den zwei Teilschweißnähten 8a, 8b und einer dritten Teilschweißnaht 8c zusammen. Die Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c überlappen teilweise in der Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung. Die Schweißrichtung verläuft hier senkrecht zur Zeichenebene. Die Richtung QR verläuft außerdem parallel zur Oberseite 15 von Plattenteil 1a..Partial image e) shows the
Die Fertigung der Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c erfolgte hier im Tiefschweißregime in Einschweißung. Die Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c haben die gleiche Breite B und die gleiche Tiefe T. Die einzelnen Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c haben jeweils ein Aspektverhältnis von hier ca. AV=1,75. Durch die mehrfache Überfahrt der Laserstrahlen über in die Richtung QR versetzte Schweißkurven überlappen die Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c teilweise. Weiterhin gibt es Bereiche der Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c die nicht überlappen.The production of the
Die Gesamtbreite GB der Schweißnaht 2 ist größere als die einzelnen Breiten B der Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c. Im hier gezeigten Beispiel hat GB einen Wert von ungefähr GB=1,6*B. Jeweils benachbarte Teilschweißnähte (z.B. die Teilschweißnähte 8b, 8c) haben hier einen Abstand b in Querrichtung QR (bezogen auf die Mittelachsen der Teilschweißnähte im Querschnitt), für den hier gilt b=0 ,3* [(B+B)/2].The overall width GB of the
Die Schweißnaht 2 in Teilbild d) kann mit allen oben präsentierten Varianten gefertigt werden. Hierzu nötig ist, dass die zweite Überfahrt entlang einer Schweißkurve ausgeführt wird, die zur ersten schweißen Kurve versetzt ist und das eine dritte Überfahrt entlang einer Schweißkurve ausgeführt wird, die zur ersten Schweißkurve und zur zweiten Schweißkurve versetzt ist. Über Teilschweißnaht 8c ist schematisch ein Laserstrahl 22 angedeutet, der die Teilschweißnaht 8c erzeugt hat. Der Durchmesser des Laserstrahls 22 entspricht im Wesentlichen der Breite B der zugehörigen Teilschweißnaht 8c, oder ist etwas kleiner als diese.The
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Bipolarplattebipolar plate
- 1a1a
- oberer Plattenteilupper part of the plate
- 1b1b
- unterer Plattenteillower part of the plate
- 22
- SchweißnahtWeld
- 2a2a
- geschlossene Schweißnaht (an der Außenseite)closed weld seam (on the outside)
- 2b2 B
- geschlossene Schweißnaht (bei den Durchbrüchen)closed weld seam (at the breakthroughs)
- 2c2c
- offene Schweißnahtopen weld
- 33
- Durchbruchbreakthrough
- 44
- Werkstückoberfläche (dem wenigstens einen Laserstrahl zugewandt)Workpiece surface (facing the at least one laser beam)
- 55
- Laserspotlaser spot
- 5a5a
- erster Laserspotfirst laser spot
- 5b5b
- zweiter Laserspotsecond laser spot
- 66
- Schweißkurvewelding curve
- 77
- Schmelzbadmelt pool
- 7a7a
- erstes Schmelzbadfirst melt pool
- 7b7b
- zweites Schmelzbadsecond weld pool
- 88th
- Teilschweißnahtpartial weld
- 8a8a
- erste Teilschweißnahtfirst partial weld
- 8b8b
- zweite Teilschweißnahtsecond partial weld
- 8c8c
- dritte Teilschweißnahtthird partial weld
- 99
- Überlappungsbereichoverlap area
- 1010
- Überlagerungs-LaserspotOverlay Laser Spot
- 1111
- Kernanteilcore portion
- 1212
- Ringanteilring share
- 1313
- (schmale) Schweißnaht(narrow) weld seam
- 13a13a
- oberer Schweißnahtteilupper part of the weld
- 13b13b
- unterer Schweißnahtteillower part of the weld
- 1414
- Fügezonejoining zone
- 1515
- Oberseite (des oberen Plattenteils)top (of the upper part of the plate)
- 1616
- (breite) Schweißnaht(wide) weld seam
- 1717
- Porenpores
- 1818
- Mikrorissemicrocracks
- 2121
- Schweißnahtüberlappungsbereichweld overlap area
- 2222
- Laserstrahl laser beam
- bb
- Abstand benachbarter Teilschweißnähte (in Querrichtung)Distance between adjacent partial welds (in the transverse direction)
- BB
- Breite der Schweißnahtwidth of the weld
- B1B1
- Breite der Schweißnahtwidth of the weld
- B2B2
- Breite der Schweißnahtwidth of the weld
- BLDBLD
- Blechdickesheet thickness
- GBGB
- Gesamtbreiteoverall width
- SRSR
- Schweißrichtungwelding direction
- QRQR
- Querrichtung / Richtung quer zur SchweißrichtungTransverse direction / direction transverse to the welding direction
- TT
- Tiefe der Schweißnahtdepth of the weld
- T1T1
- Tiefe der Schweißnahtdepth of the weld
- T2T2
- Tiefe der Schweißnahtdepth of the weld
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 1020211138345 [0002, 0007]DE 1020211138345 [0002, 0007]
Claims (15)
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DE102022100186.5A DE102022100186A1 (en) | 2022-01-05 | 2022-01-05 | Process for laser welding a bipolar plate for a fuel cell, with several passes over the weld seam |
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DE102022100186.5A DE102022100186A1 (en) | 2022-01-05 | 2022-01-05 | Process for laser welding a bipolar plate for a fuel cell, with several passes over the weld seam |
Publications (1)
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DE102022100186A1 true DE102022100186A1 (en) | 2023-07-06 |
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-
2022
- 2022-01-05 DE DE102022100186.5A patent/DE102022100186A1/en active Pending
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