DE102022100187A1

DE102022100187A1 - Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, mit einem mit mehreren Laserspots erzeugten Schmelzbad

Info

Publication number: DE102022100187A1
Application number: DE102022100187.3A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Oliver Bocksrocker; Philipp Scheible
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-07-06
Also published as: CN118541233A; WO2023131468A1

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 entlang der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b,2c) mit einem Laserstrahlenensemble (34) umfassend wenigstens drei Einzelstrahlen (33) erfolgt, wobei die Einzelstrahlen (33) auf einer Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) jeweils einen Laserspot (5a-5e, 5a'-5c') erzeugen,und dass die wenigstens drei Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein gemeinsames Schmelzbad (9) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugen. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, mit dem mit hoher Zuverlässigkeit eine gute Fluiddichtigkeit von Schweißnähten einer Bipolarplatte erreicht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden.
Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2021 113 834.5 bekannt geworden.
Bipolarplatten dienen bei Brennstoffzellen mit mehreren zu einem Stack geschichteten Zellen der Verteilung von Gasen, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, der Abfuhr von Wasser (Reaktionswasser), der gasdichten Trennung zwischen aneinander angrenzenden Zellen sowie der Dichtung nach außen und der Kühlung. Zudem nimmt die Bipolarplatte auf der Wasserstoffseite die abgegebenen Elektronen auf und führt sie der Sauerstoffseite wieder zu.
Solche Bipolarplatten können zwei metallische Plattenteile aufweisen, die miteinander verschweißt sind. Einerseits sind hierbei Schweißnähte fluiddicht auszuführen, um Gase und Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Andererseits dienen Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden Plattenteile.
Aus der nachveröffentlichte deutschen Patentanmeldung 10 2021 113 834.5 ist es bekannt geworden, beim Laserschweißen von Plattenteilen einer Bipolarplatte wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite und wenigstens eine zweite Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite zu fertigen, wobei die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite.
Beim herkömmlichen Laserschweißen der Schweißnähte einer Bipolarplatte mit einem Laserstrahl kann es zu merklichen Schwankungen in der Nahtqualität kommen, beispielsweise bezüglich der Einschweißtiefe und der Nahtbreite, wobei diese Schwankungen auch die Dichtigkeit der Verschweißung beeinträchtigen können. In der Schweißnaht können Mikrorisse auftreten, die die mechanische und elektrische Verbindung der Verschweißung schwächen können, und auch die Gasdichtigkeit kann dadurch verschlechtert sein. Die mechanische und elektrische Verbindung der Verschweißung sowie deren Dichtigkeit kann grundsätzlich durch eine breitere Schweißnaht, die mit einem größeren Laserspot gefertigt wird, verbessert werden; jedoch kann es bei der Anwendung von großen Laserspots zu zusätzlicher Porenbildung in der Schweißnaht kommen, was dann wieder die Qualität der Schweißnaht verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem mit hoher Zuverlässigkeit eine gute Fluiddichtigkeit von Schweißnähten einer Bipolarplatte erreicht werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Laserschweißen entlang der wenigstens einen Schweißnaht mit einem Laserstrahlenensemble umfassend wenigstens drei Einzelstrahlen erfolgt, wobei die Einzelstrahlen auf einer Oberfläche der Plattenteile jeweils einen Laserspot erzeugen,
und dass die wenigstens drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles ein gemeinsames Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugen.
Gemäß der Erfindung wird ein Schmelzbad, mit dem die wenigstens eine Schweißnaht der Plattenteile der Bipolarplatte erzeugt wird, nicht mit einem einzelnen Laserstrahl, sondern mit einem Laserstrahlenensemble umfassend mehrere Einzelstrahlen (Einzellaserstrahlen) erzeugt. Diese Einzelstrahlen sind auf die Oberfläche der Plattenteile (mit anderen Worten, auf die den Einzelstrahlen zugewandte Werkstückoberfläche) gerichtet. Die von den Einzelstrahlen erzeugten Laserspots liegen nahe genug beisammen, sodass sie ein gemeinsames (zusammenhängendes) Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugen. Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Laserspots gemeinsam ein einziges, gemeinsames Schmelzbad erzeugen, wird das erfindungsgemäße Vorgehen auch als Multispot-Schweißen mit Mono-Schmelzbad bezeichnet.
Die Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles werden zeitgleich angewandt, und im Rahmen eines Vorschubs gemeinsam (synchron) entlang der Schweißnaht relativ zu den Plattenteilen geführt.
Durch die gleichzeitige Einwirkung der mehreren Einzelstrahlen bzw. der mehreren Laserspots gleichzeitig auf die Oberfläche der Plattenteile bzw. das Schmelzbad kann eine qualitativ bessere und vor allem präzisere Verschweißung erreicht werden, insbesondere im Einschweiß-Regime. Die Schweißnaht kann mit weniger Defekten gefertigt werden, insbesondere kann eine deutliche Verringerung von Mikrorissen in der Schweißnaht erreicht werden, insbesondere auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten, beispielsweise von 1500 mm/s oder mehr, oder sogar 2000 mm/s oder mehr.
Zudem ist es möglich, auch vergleichsweise breite Schweißnähte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu fertigen, ohne dass es zu einer relevanten Erhöhung der Porosität oder anderen Defekten käme. Durch eine breitere Schweißnaht kann zu einer verbesserten mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen den Plattenteilen und vor allem einer erhöhten Fluiddichtigkeit beigetragen werden. Typischerweise sind zumindest einige der Laserspots der Einzelstrahlen zumindest teilweise in der Richtung quer zur Schweißrichtung gegeneinander versetzt, und die Breite B der mit dem Laserstrahlenensemble (in einer Überfahrt des Laserstrahlenensembles) gefertigten Schweißnaht ist typischerweise wenigstens 2 Mal so groß, bevorzugt wenigstens 3 Mal so groß, wie der größte Laserspot-Durchmesser GDL im Laserstrahlenensemble (also B≥2*GDL oder bevorzugt B≥3*GDL), in der Richtung quer zur (lokalen) Schweißrichtung.
Insgesamt kann ein unter dem angewandten Vorschub ruhiges Schmelzbad erreicht werden, das in gleichförmiger Weise erstarrt, so dass die erhaltene Schweißnaht über ihre Länge nur wenig Schwankungen in der Nahtqualität (insbesondere in der Nahtbreite oder auch der Einschweißtiefe) hat. Das Laserschweißen erfolgt mit hoher Präzision, insbesondere im Einschweißregime. Entsprechend kann eine gute (Mindest-)Fluiddichtigkeit, und insbesondere Gasdichtigkeit, der Schweißnähte der Bipolarplatte mit hoher Zuverlässigkeit gewährleistet werden.
Die wenigstens eine Schweißnaht wird von den Laserspots des Laserstrahlenensembles (zumindest) einmal vollständig überfahren. Falls gewünscht, können zusätzlich weitere Überfahrten der Schweißnaht mit einem oder mehreren Laserstrahlen erfolgen, insbesondere auch wieder mit einem Laserstrahlenensemble, beispielsweise mit dem gleichen Laserstrahlenensemble. Man beachte, dass Schweißkurven verschiedener Überfahrten, auf denen der oder die Laserstrahlen der einzelnen Überfahrten bei den jeweiligen Überfahrten geführt werden, übereinander liegen können (ohne lateralen Versatz), oder in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zueinander versetzt sein können (mit lateralem Versatz), und dabei auf einer Mittellinie der Schweißnaht liegen können, oder auch in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zu einer Mittellinie der Schweißnaht versetzt sein können. Der Ort eines oder mehrerer Laserstrahlen (insbesondere eines Laserstrahlenensembles) einer Überfahrt kann anhand des Schwerpunkts der (auf der Werkstückoberfläche) angewandten Laserleistung ermittelt werden. Wenn zum Laserschweißen der Schweißnaht nur eine einzige Überfahrt angewandt wird, liegt die zugehörige Schweißkurve des Laserstrahlenensembles typischerweise auf der Mittellinie der Schweißnaht. Bevorzugt erfolgen beim Fertigen einer Schweißnaht im Rahmen der Erfindung alle Überfahrten der Schweißnaht mit einem Laserstrahlenensemble.
Die mehreren Einzellaserstrahlen des Laserstrahlenensembles können 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).

Das Laserschweißen erfolgt im Rahmen der Erfindung typischerweise als Tiefschweißen (also mit wenigstens einer Dampfkapillare; typischerweise gehen die durch die Einzelstrahlen erzeugten Dampfkapillaren zumindest in einem oberen Bereich ineinander über); damit kann insbesondere eine hohe Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Das Laserschweißen der überlappend angeordneten Plattenteile kann als Einschweißen oder Durchschweißen erfolgen. Bevorzugt hat die mit dem Laserstrahlenensemble gefertigte Schweißnaht (in einer Ebene senkrecht zur Schweißrichtung) ein Aspektverhältnis AV=T/B mit AV≥1,5, besonders bevorzugt AV≥2,0, und in manchen Fällen sogar AV≥3, mit T: Einschweißtiefe und B: Breite der einzelnen Schweißnaht (an der Werkstückoberfläche). Im Falle von mehreren Überfahrten der Schweißnaht liegen die zuvor genannten Aspektverhältnisse bei der Schweißnaht einer jeweiligen einzelnen Überfahrt (mit dem Laserstrahlenensemble) vor.
Bevorzugt sind die Laserspots des Laserstrahlenensembles so ausgerichtet, dass die Orientierung der Laserspots in Bezug zur Vorschubrichtung beliebig sein kann, ohne das Laserschweißen merklich zu beeinflussen (insbesondere bei einer gleichen Leistungsverteilung zwischen den Laserspots); dann sind Kurvenfahrten entlang der Schweißnaht besonders einfach. Alternativ kann auch eine bestimmte Orientierung der Laserspots zur Vorschubrichtung vorgegeben sein (insbesondere auch mit einer ungleichen Leistungsverteilung der Laserspots); bei Kurvenfahrten entlang der Schweißnaht muss dann das Laserstrahlenensemble mitgedreht werden (beispielsweise durch Mitdrehen eines entsprechenden optischen Elements zur Strahlaufteilung auf die Einzelstrahlen).
Die Laserspots der Einzelstrahlen der Einzelstrahlen auf der Werkstückoberfläche sind bevorzugt voneinander separat, wodurch Intensitätsspitzen durch eine Überlagerung von Laserspots im Schmelzbad vermieden werden, und die Schmelzbaddynamik beruhigt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass Laserspots von Einzelstrahlen sich überlagern, insbesondere teilweise überlagern, wodurch in manchen Anwendungsfällen die (gemeinsame) Dampfkapillare stabilisiert werden kann. Allgemein erzeugen die Einzelstrahlen auf der Werkstückoberfläche (bezüglich ihrer Laserspot-Zentren) nebeneinander liegende Laserspots.
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.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles ein Strahlenset bilden,
und dass Laserspot-Zentren der Laserspots des Strahlensets in einer Ringformation angeordnet sind. Das Strahlenset kann beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs Laserspots umfassen. Die Laserspot-Zentren auf der Werkstückoberfläche in Ringformation tragen zu einem ruhigen Schmelzbad bei; zudem kann eine Richtungsabhängigkeit des Laserschweißens mit dem Laserstrahlenensemble reduziert werden. Man beachte, dass das Strahlenset alle Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles umfassen kann, oder alternativ zusätzlich zu dem Strahlenset das Laserstrahlenensemble ein oder mehrere weitere Einzelstrahlen umfassen kann.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Laserspot-Zentren des Strahlensets auf der Oberfläche der Plattenteile ein regelmäßiges Polygon bilden. Dadurch kann das Schmelzbad weiter beruhigt werden, und die Richtungsabhängigkeit weiter reduziert werden.
Vorteilhaft ist zudem eine Weiterentwicklung, bei der die Laserspots des Strahlensets auf der Oberfläche der Plattenteile voneinander separat sind. Die Laserspots des Strahlsets überlagern sich also nicht. Dies vermeidet lokale Spitzen der Laserintensität, wodurch das Schmelzbad besonders ruhig gehalten werden kann.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei die Laserspots des Strahlensets einen gleichen Durchmesser aufweisen und/oder die Einzelstrahlen des Strahlensets eine gleiche Laserleistung aufweisen. Dies trägt ebenfalls zu einer Beruhigung des Schmelzbades und einer weiteren Reduzierung der Richtungsabhängigkeit bei.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass für einen Abstand a der Laserspot-Zentren von in der Ringformation benachbarten Laserspots gilt:

a≤10*GDR, mit GDR: größter Laserspot-Durchmesser in der Ringformation. Dies stabilisiert die Dampfkapillare und somit den Energieeintrag in das Schmelzbad. Die gewünschte Einschweißtiefe kann besonders präzise über den gesamten Schweißnahtverlauf gesetzt werden, so dass eine hohe Gasdichtigkeit erreicht wird. Ein gemeinsames, zusammenhängendes Schmelzbad kann leicht sichergestellt werden, und die Schmelzbaddynamik wird gering gehalten. In vielen Fällen gilt auch a≤5*GDR.

In einer anderen, bevorzugten Weiterentwicklung der obigen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Laserstrahlenensemble einen weiteren Einzelstrahl aufweist, wobei ein Laserspot-Zentrum des weiteren Laserspots in einem Zentrum der Ringanordnung des Strahlensets angeordnet ist. Durch dieses Vorgehen kann ein Intensitätsminimum in der Mitte des Strahlensets minimiert werden, was zur Stabilisierung der (gemeinsamen) Dampfkapillare beitragen kann. Man beachte, dass der weitere Einzelstrahl einen anderen Laserspot-Durchmesser (insbesondere kleineren Laserspotdurchmesser) haben kann als die Laserspots des Strahlensets, und/oder der der weitere Einzelstrahl eine andere Laserleistung (insbesondere eine kleinere Laserleistung) haben kann als die Einzelstrahlen des Strahlensets.
Bei einer alternativen, besonders bevorzugten Weiterbildung der obigen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass wenigstens drei weitere Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles ein Zusatz-Strahlenset bilden,
und dass Laserspot-Zentren der Laserspots des Zusatz-Strahlensets in einer Zusatz-Ringformation angeordnet sind,
wobei die Zusatz-Ringformation konzentrisch mit der Ringformation angeordnet ist, und wobei ein jeweiliger Abstand der Laserspot-Zentren der Laserspots der Zusatz-Ringformation zu einem Zentrum der Ringformation kleiner ist als ein Abstand der Laserspot-Zentren der Laserspots der Ringformation zu dem Zentrum der Ringformation. Durch dieses Vorgehen kann eine geringe Laserintensität im Bereich des Zentrums der Ringformation des Strahlensets minimiert werden, was zur Stabilisierung der (gemeinsamen) Dampfkapillare beitragen kann. Man beachte, dass die weiteren Einzelstrahlen eine andere Laserleistung (insbesondere eine kleinere Laserleistung) haben können als die Einzelstrahlen des Strahlensets. Die Laserspot-Zentren der Zusatz-Ringformation bilden typischerweise ein regelmäßiges Polygon. Typischerweise sind die Durchmesser der Laserspots und die Laserleistungen für die weiteren Einzelstrahlen des Zusatz-Strahlensets alle gleich. Die Laserspots des Zusatz-Strahlensets überlappen bevorzugt untereinander nicht, aber bevorzugt überlappen sie mit den Laserspots des Strahlensets.
Bevorzugt ist eine Untervariante dieser Weiterentwicklung, bei der für einen maximalen Durchmesser DZ der Laserspots des Zusatz-Strahlensets und für einen maximalen Durchmesser DS der Laserspots des Strahlensets gilt: DZ<DS. Typischerweise gilt auch DZ≤0,5*DS oder DZ≤0,3*DS. Die zusätzliche Laserleistung des Zusatz-Strahlensets kann dann besser auf den oder die Bereiche niedriger Laserintensität des Strahlensets konzentriert werden, und das Laserschweißen kann mit besonders hoher Präzision erfolgen.
Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei für einen größten Laserspot-Durchmesser GDL im Laserstrahlenensemble und für einen kleinsten Laserspot-Durchmesser KDL im Laserstrahlenensemble gilt: KDL≥1/10*GDL. Dies hat sich in der Praxis bewährt, insbesondere um den apparativen Aufwand gering zu halten und um auch bei kleinen Laserspots noch einen merklichen Beitrag zur Schmelzbaderwärmung zu haben, ohne starke Intensitätsspitzen zu erzeugen.
Im Rahmen der Erfindung können allgemein Durchmesser von Laserspots mit dem 86%-Kriterium bestimmt werden, wonach der Durchmesser eines Laserspots so bestimmt ist, dass 86% der Gesamt-Laserleistung des zugehörigen Einzelstrahls (auf der Werkstückoberfläche) innerhalb eines Kreises mit diesem Durchmesser liegt, wobei der Kreis seinen Mittelpunkt an der Mittelachse des Einzelstrahls hat.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die Laserspots der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche der Plattenteile eine Anordnung bilden, die eine N-zählige Rotationssymmetrie aufweist, mit N≥3. Dadurch kann die Richtungsabhängigkeit des Laserschweißens mit dem Laserstrahlenensemble minimiert werden. Ein optisches Element zum Aufteilen eines Urlaserstrahls auf die Einzelstrahlen braucht dann in der Regel bei Kurvenfahrten des Laserstrahlenensembles entlang der Schweißnaht nicht mitgedreht zu werden, was die Verfahrensführung erheblich erleichtert. Man beachte, dass mit größeren N die Richtungsabhängigkeit abnimmt. Bevorzugt ist insbesondere N≥5 und besonders bevorzugt N=5 oder N=6. Man beachte, dass bei einem Laserstrahlenensemble die Zähligkeit N so bestimmt wird, dass das N die höchste Zähligkeit (größtes N) angibt, die mit dem Laserstrahlenensemble gegeben ist; sind beispielsweise sechs Laserspots in einem regelmäßigen Hexagon angeordnet, wird die Zähligkeit zu N=6 (sechszählige Rotationssymmetrie/Drehsymmetrie) bestimmt, obwohl gleichzeitig auch eine 2-zählige und eine 3-zählige Rotationssymmetrie vorliegen. Bei einer N-zähligen Rotationssymmetrie wird die Laserspot-Anordnung bei einer Drehung um jeweils 360°/N in sich selbst überführt.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, bei der das Laserstrahlenensemble durch wenigstens ein optisches Element zum Aufteilen mindestens eines Urlaserstrahls erzeugt wird. Dies ist eine apparativ einfache Möglichkeit, das Laserstrahlenensemble bzw. dessen Einzelstrahlen zu erzeugen.
Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Einzelstrahlen als Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet sind, jeweils umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Oberfläche ineinander liegen. Typischerweise wird in einem radial äußeren Teil des Überlagerungs-Einzellaserstrahls eine geringere lokale Laserleistungsdichte und in einem radial inneren Teil des Überlagerungs-Einzellaserstrahls eine lokal höhere Leistungsdichte eingerichtet. Dadurch kann beim Tiefschweißen eine (lokale) Dampfkapillare im Bereich des Überlagerungs-Einzellaserstrahls stabilisiert und die Schmelzbaddynamik verringert werden. Der Überlagerungs-Einzellaserstrahl hat typischerweise auf der Werkstückoberfläche konzentrische Teilstrahlen. Für die (äußeren) Durchmesser dwinnen (z.B. bei einem Kernstrahl mit Kerndurchmesser KD) und dwaußen (z.B. bei einem Ringstrahl mit Ringdurchmesser RD) der zwei ineinander liegenden Teilstrahlen liegt das Verhältnis dwinnen:dwaußen (bzw. KD:RD) typischerweise in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:6, bevorzugt bei 1:3 bis 1:5, besonders bevorzugt bei 1:4.
Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht,
dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst,
oder dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst. Dieses Vorgehen ist besonders einfach und in der Praxis bewährt. Ein Überlagerungs-Einzellaserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-1-Faser erzeugt, und der Kernstrahl und der Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung der obigen Variante, die vorsieht, dass ein Urlaserstrahl in einer Multiclad-Faser geführt wird, umfassend eine Kernfaser und eine die Kernfaser umgebende Ringfaser, und dass ein aus der Multiclad-Faser austretender Urlaserstrahl mittels eines optischen Elements auf zumindest den Teil der Einzelstrahlen aufgeteilt wird. Dies ist ein apparativ einfaches Vorgehen, um einen Kernstrahl und einen Ringstrahl in mehreren Einzelstrahlen einzurichten.
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die Plattenteile jeweils eine Blechdicke BLD zwischen 50 µm und 150 µm aufweisen. Die Plattenteile sind bevorzugt aus Edelstahl gefertigt, z.B. vom Typ 1.4404. Bevorzugt beträgt die Blechdicke BLD=75 µm. Entsprechende metallische Plattenteile sind kostengünstig herzustellen und sind für die Anforderungen in einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle besonders gut geeignet, insbesondere bezüglich Korrosionsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit beim Laserschweißen. Blechdicken zwischen 50µm und 150 µm vereinigen eine ausreichende Robustheit mit leichtem und materialsparendem Bau.
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei gilt:

- Die Einzelstrahlen 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 Einzelstrahlen 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 Einzelstrahlen liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP≤0,6 mm*mrad, besonders bevorzugt mit SPP≤0,4 mm*mrad; und/oder
- Der Strahldurchmesser dw1 des in Schweißrichtung zuerst eingesetzten Einzelstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 µm und 300 µm, bevorzugt mit 30µm≤5dw1≤50µm im Single Mode oder 50µm≤dw1≤170µm im Multi-Mode, und der Strahldurchmesser dwx aller anderen Einzelstrahlen ist gewählt mit 0,1*dw1≤dwx≤10*dw1, bevorzugt mit dw1=dwx; und/oder
- Die Laserleistung P pro Einzelstrahl liegt zwischen 10W und 2000W, bevorzugt mit 50W≤P≤700W; und/oder
- Ein Vorschub VS des Laserstrahlenensembles 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 Einzelstrahlen auf das Werkstück abgebildet werden, liegt zwischen 1:1 und 5:1, bevorzugt mit 1,5:1 ≤ AV ≤ 2:1.

Diese Parameter haben sich in der Praxis für die Fertigung der erfindungsgemäßen Bipolarplatten besonders bewährt.
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte dienen in der Regel der Abdichtung gegenüber Fluiden in der Brennstoffzelle (Kühlwasser, Reaktionswasser, Reaktionsgase, z.B. Wasserstoff, Sauerstoff). Im Rahmen der Erfindung können geschlossene Schweißnähte mit verbesserter Dichtigkeit gefertigt werden, wodurch hier die Erfindung besonders vorteilhaft ist.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht umfasst. Die an der Außenseite umlaufende, geschlossene Schweißnaht stellt insbesondere sicher, dass kein Kühlmittel (Kühlwasser) in die Reaktionsräume eines Brennstoffzellenstacks austritt, und auch keine Reaktionsgase (wie Wasserstoff und Sauerstoff) zwischen die Plattenteile gelangen oder sich gar unkontrolliert vermischen können. Entsprechend ist die mit der Erfindung erreichbare, verbesserte Dichtigkeit hier von besonderem Vorteil.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt zudem eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren. Solchermaßen gefertigte Bipolarplatten zeichnen sich durch eine gute Fluiddichtigkeit an der wenigstens einen Schweißnaht aus, sowie durch eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen.
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 beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen, die durch mehrere umlaufend geschlossene Schweißnähte sowie mehrere sich geradlinig erstreckende Schweißnähte miteinander verbunden sind;
2 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Variante der Erfindung, mit einem Laserstrahlenensemble umfassend drei Einzelstrahlen, die ein Strahlenset mit drei Laserspots bilden;
3 zeigt drei Laserspots eines Strahlensets eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten Variante der Erfindung;
4 zeigt drei Laserspots eines Strahlensets und drei weitere Laserspots eines Zusatz-Strahlensets eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer dritten Variante der Erfindung;
5 zeigt fünf Laserspots eines Strahlensets eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer vierten Variante der Erfindung;
6 zeigt drei Laserspots, die durch drei Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles erzeugt werden, wobei die Einzelstrahlen als Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet sind, zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer fünften Variante der Erfindung;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Umformanordnung für die Erfindung im Querschnitt, mit der ein austretender Urlaserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt werden kann;
8 zeigt eine beispielhafte Schweißoptik zur Aufteilung eines Urlaserstrahls in ein Laserstrahlenensemble für das erfindungsgemäße Verfahren.

1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 für eine hier nicht näher dargestellte Brennstoffzelle; die dargestellte Bipolarplatte 1 wurde im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
Die Bipolarplatte 1 ist aus einem oberen Plattenteil 1a und einem unteren Plattenteil 1b gefertigt. Die zwei Plattenteile 1a, 1b der Bipolarplatte 1 sind übereinander liegend angeordnet. Die zwei Plattenteile 1a, 1b weisen eine Profilierung (nicht dargestellt) auf. Die Profilierung bildet ein System (beispielsweise ein mäandrisches oder doppelmäandrisches System) von unterschiedlichen Kanälen aus. Die Kanäle zwischen den zwei Plattenteilen 1a, 1b sind Kühlfluidkanäle (typischerweise für Kühlwasser). Die Kanäle an den Außenflächen der zwei Plattenteile 1a, 1b sind Führungskanäle für Gas (wie Sauerstoff oder Wasserstoff) und Wasser (welches als Reaktionswasser in der Brennstoffzelle anfällt). Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind aus einem metallischen Material hergestellt, z. B. rostfreiem Edelstahl. Eine Blechdicke BLD der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75µm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 µm und 150 µm.
Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind (nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) durch eine Vielzahl von Schweißnähten 2 miteinander verbunden. Die Schweißnähte 2 sind schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien dargestellt. An der Außenseite der zwei Plattenteile 1a, 1b verläuft eine umlaufend geschlossene Schweißnaht 2a. Um zwei Durchbrüche 3, die durch die Bipolarplatte 1 hindurchreichen, verlaufen zwei geschlossene Schweißnähte 2b herum. Mehrere offene (hier geradlinige) Schweißnähte 2c verlaufen ebenfalls auf der Bipolarplatte 1. Die Schweißnähte 2a, 2b sind fluiddicht, insbesondere gasdicht, ausgebildet. Die Schweißnähte 2c dienen der mechanischen und elektrisch gut leitenden Verbindung zwischen den zwei Plattenteilen 1a, 1b. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren wurde auf alle Schweißnähte 2a, 2b, 2c angewendet.
2 zeigt eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf die Plattenteile 1a, 1b einer Bipolarplatte 1 (wie in 1 erläutert) angewendet wird. Die erste Variante wird beispielhaft an der Schweißnaht 2a erläutert. Die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2a ist schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinie an einer Oberfläche 4 („Werkstückoberfläche“; Oberseite des Plattenteils 1a) dargestellt. Die Schweißnähte 2b, 2c sind ebenfalls schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien dargestellt.
Die Fertigung der Schweißnaht 2a erfolgt in der in 2 dargestellten Variante mittels eines Laserstrahlenensembles mit drei Einzelstrahlen, die von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil 1a gerichtet sind. Die drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles bilden gemeinsam ein Strahlenset aus. Die drei Einzelstrahlen des Strahlensets erzeugen auf der Oberfläche 4 der zwei Plattenteile 1a, 1b drei Laserspots 5a, 5b, 5c. Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c weisen jeweils ein Laserspot-Zentrum 6a, 6b, 6c auf. Die Laserspots 5a, 5b, 5c überlappen in der gezeigten Variante geringfügig in ihren Randbereichen.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c des Strahlensets werden im Rahmen eines Vorschubs (bezüglich eines gemeinsamen Schwerpunkts 7 der Laserspots 5a, 5b, 5c) auf einer Schweißkurve 8 bewegt. Die Schweißkurve 8 verläuft entlang der Schweißnaht 2a (hier auf der Mittellinie der Schweißnaht 2a, die Schweißkurve 8 ist hier identisch mit der Mittellinie der Schweißnaht 2a). Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet; der Vorschub verläuft entlang einer (lokalen) Schweißrichtung SR.
Um die Laserspots 5a, 5b, 5c herum erzeugen die Einzelstrahlen ein gemeinsames Schmelzbad 9 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich der Laserspots 5a, 5b, 5c ist das gemeinsame Schmelzbad 9 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR wird das gemeinsame Schmelzbad 9 allmählich schmäler.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die zum Fertigen der Schweißnaht 2a eingesetzten, wenigstens drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles (bzw. die einzelnen Laserspots 5a, 5b, 5c) ein gemeinsames Schmelzbad 9 erzeugen. Mit anderen Worten, zu keinem Zeitpunkt des Verfahrens erzeugen die Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles separate Schmelzbäder 9, die durch nicht aufgeschmolzenes Plattenmaterial voneinander getrennt sind.
Nach einem vollständigen Umlauf des Laserstrahlenensembles und damit des gemeinsamen Schmelzbads 9 ist in der gezeigten Variante die Schweißnaht 2a vollständig gefertigt. Die gleichzeitige Einwirkung der drei Einzelstrahlen ermöglicht eine qualitativ bessere Verschweißung und eine präzisere Verschweißung; die gefertigte Schweißnaht 2a kann mit weniger Defekten gefertigt werden und insbesondere kann die Schweißnaht 2a mit wenigen Mikrorissen (verglichen zur Verwendung lediglich eines einzelnen Einzelstrahls) erhalten werden. Außerdem wird eine vergleichsweise breite Schweißnaht 2a gefertigt, durch die eine verbesserte mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen 1a, 1b erhalten werden kann und eine gute Fluiddichtigkeit erhalten werden kann.
Die Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles können mit einem optischen Element aus einem gemeinsamen Urlaserstrahl erzeugt werden (siehe hierzu 8); bevorzugt werden die drei Einzelstrahlen zudem über eine gemeinsame Scanvorrichtung geführt. Um die Orientierung des Laserstrahlenensembles zur lokalen Schweißrichtung konstant zu halten, kann in Kurven der Schweißnaht 2a das optische Element entsprechend der Kurve mitverschwenkt werden, was einen sehr kompakten Bau ermöglicht (nicht näher dargestellt). In der gezeigten Variante läuft der Laserspot 5a voraus, und die Laserspots 5b, 5c laufen nach.
3 zeigt eine schematische Darstellung von drei Laserspots 5a, 5b, 5c eines Strahlensets aus drei Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Mit den drei Laserspots 5a, 5b, 5c können gemäß einer zweiten Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a, 5b, 5c auf dem Werkstück betragen hier jeweils 100 µm. Im Zentrum der drei Laserspots 5a, 5b, 5c liegen die drei Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c. Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier voneinander separat; sie berühren oder überlappen einander nicht. Die Laserleistung der Einzelstrahlen ist hier gleich gewählt. Entsprechend ist eine mittlere Leistungsdichte der drei Laserspots 5a, 5b, 5c auf der Oberfläche hier ebenfalls gleich. Auf diese Weise kann ein durch die Laser 5a, 5b, 5c auf der Oberfläche erzeugtes Schmelzbad besonders ruhig gehalten werden, da lokale Spitzen der Laserintensität des Laserstrahlenensembles vermieden werden.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind in einer Ringformation 10 angeordnet, die eine Innenfläche einschließt. Durch die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c können in der gezeigten Variante die Eckpunkte eines regelmäßigen Polygons 11, hier eines regelmäßigen Dreiecks 11a (gepunktet dargestellt), definiert werden. Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a, 6b, 6c von nebeneinander liegenden, d. h. in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c betragen hier jeweils 108 µm. In der hier gezeigten Variante mit drei Laserspots 5a, 5b, 5c in der Ringformation 10 sind alle Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c nebeneinander liegend.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine dreizählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 durch die drei Laserspots 5a, 5b, 5c ausgebildet wird, die durch Drehung um 360°/3=120° um ein Zentrum 12 (Schwerpunkt) der Ringformation 10 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12.
Durch die Ringanordnung 10 kann die Schmelzbaddynamik beruhigt und die Richtungsabhängigkeit reduziert werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung von drei Laserspots 5a, 5b, 5c eines Strahlensets aus drei Einzelstrahlen und drei Laserspots 5a', 5b', 5c' eines Zusatz-Strahlensets aus drei weiteren Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Mit den drei Laserspots 5a, 5b, 5c und den drei Laserspots 5a', 5b', 5c' können gemäß einer dritten Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c des Strahlensets sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a, 5b, 5c auf dem Werkstück betragen hier jeweils 100 µm. Beim Durchmesser dw handelt es sich zugleich um den maximalen Durchmesser DS der Laserspots 5a, 5b, 5c des Strahlensets. Im Zentrum der drei Laserspots 5a, 5b, 5c liegen die drei Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c. Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier voneinander separat; sie berühren oder überlappen einander nicht.
Die drei Laserspots 5a', 5b', 5c' des Zusatz-Strahlensets sind hier ebenfalls alle gleich groß, und die Durchmesser dw' der Laserspots 5a', 5b', 5c' auf dem Werkstück betragen hier jeweils 20 µm. Beim Durchmesser dw' handelt es sich zugleich um den maximalen Durchmesser DZ der Laserspots 5a', 5b', 5c' des Zusatz-Strahlensets. Im Zentrum der drei Laserspots 5a', 5b', 5c' liegen drei Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c'. Die Laserspots 5a', 5b', 5c' berühren hier einander genau. Außerdem überlappt Laserspot 5a teilweise mit Laserspot 5a', Laserspot 5b teilweise mit Laserspot 5b' und Laserspot 5c teilweise mit Laserspot 5c'. Mit dem gezeigten Laserstrahlenensemble kann die geringe Laserintensität im Bereich des Zentrums 12 der Ringformation 10 der Laserspots 5a, 5b, 5c ausgeglichen werden.
Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a, 6b, 6c der nebeneinander liegenden, in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c sind alle gleich groß und betragen hier jeweils 108 µm.
Die Laserspots 5a', 5b', 5c' sind in einer Zusatz-Ringformation 10' angeordnet. Die Zusatz-Ringformation 10' ist konzentrisch zur Ringformation 10 angeordnet. Die Abstände a' zwischen den Laserspotzentren 6a', 6b', 6c' von den nebeneinander liegenden, d. h. in der Zusatz-Ringformation 10' benachbarten Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' sind alle gleich groß und betragen hier jeweils 20 µm. Die Abstände a' der Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' der in der Zusatz-Ringformation 10' benachbarten Laserspots 5a', 5b', 5c' entsprechen also der Summe der jeweils halben Durchmesser dw' der Laserspots 5a', 5b', 5c'.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c, 5a', 5b', 5c' der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine dreizählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 und die Zusatz-Ringformation 10' insgesamt durch Drehung um 360°/3=120° um das Zentrum 12 ineinander überführt werden können.
Die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12, entsprechend einem regelmäßigen Polygon. Die Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' der Laserspots 5a', 5b', 5c' der Zusatz-Ringformation 10' liegen hier ebenfalls auf einer Kreislinie (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12, und entsprechen den Ecken eines regelmäßigen Polygons.
Die Abstände az der Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 zum Zentrum 12 der Ringformation 10 sind alle gleich groß und betragen hier jeweils 70 µm. Die Abstände az' der Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' der Laserspots 5a', 5b', 5c' der Zusatz-Ringformation 10' zum Zentrum 12 der Ringformation 10 sind ebenfalls alle gleich groß und betragen jeweils 12,5 µm.
5 zeigt eine schematische Darstellung von fünf Laserspots 5a, 5b, 5c, 5d, 5e eines Strahlensets aus fünf Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Mit den fünf Laserspots 5a-5e können gemäß einer vierten Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden.
Die fünf Laserspots 5a-5e sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a-5e auf dem Werkstück betragen hier jeweils 100 µm. Im Zentrum der fünf Laserspots 5a-5e liegen die fünf Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c, 6d, 6e.
Die Laserspots 5a-5e sind hier voneinander separat; sie berühren oder überlappen einander nicht.
Die Laserspots 5a-5e sind in der Ringformation 10 angeordnet, die eine Innenfläche einschließt. Durch die Laserspot-Zentren 6a-6e können in der gezeigten Variante die Eckpunkte des regelmäßigen Polygons 11, hier eines regelmäßigen Fünfecks 11b (gepunktet dargestellt), definiert werden. Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a-6e der nebeneinander liegenden, d. h. in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a-6e (z. B. der Laserspotzentren 6a und 6b oder 6d und 6e) betragen hier jeweils 140 µm.
Die Laserspots 5a-5e der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine fünfzählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 durch die fünf Laserspots 5a-5e ausgebildet wird, die durch Drehung um 360°/5=72° um das Zentrum 12 der Ringformation 10 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 6a-6e der Laserspots 5a-5e der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12. Mit dieser Variante wird die Richtungsabhängigkeit noch weiter verringert verglichen zu Varianten mit weniger Laserspots 5a-5e. Typischerweise wird das Laserstrahlenensemble in dieser Variante bei Kurvenfahrten entlang der Schweißnaht nicht mitgedreht. Weiterhin kann besonders einfach eine große Breite der Schweißnaht gefertigt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung von drei Laserspots 5a, 5b, 5c eines Strahlensets aus drei Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Die drei Einzelstrahlen sind hier als drei Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet. Mit den drei Laserspots 5a, 5b, 5c können gemäß einer fünften Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden.
Die Überlagerungs-Einzellaserstrahlen umfassen hier einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl (nicht näher dargestellt). Der erste Teilstrahl ist als ein Kernstrahl ausgebildet und der zweite Teilstrahl ist als ein Ringstrahl ausgebildet; Kernstrahl und Ringstrahl können beispielsweise mittels einer Multiclad-Faser erzeugt werden. Der Ringstrahl umgibt den Kernstrahl ringförmig.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c, die durch die Überlagerungs-Einzellaserstrahlen auf der Oberfläche erzeugt werden, weisen jeweils einen Kernanteil 13a, 13b, 13c und einen Ringanteil 14a, 14b, 14c auf. Die Ringanteile 14a, 14b, 14c umgeben die Kernanteile 13a, 13b, 13c ringförmig. Die Kernanteile 13a, 13b, 13c sind alle gleich groß und haben hier einen Kerndurchmesser KD von hier jeweils 100 µm. Die Ringanteile 14a, 14b, 14c sind ebenfalls alle gleich groß und haben hier einen Ringdurchmesser RD von hier jeweils 400 µm. Ein jeweiliger Ringdurchmesser RD ist hier also viermal so groß wie ein jeweiliger Kerndurchmesser KD.
Für einen jeweiligen Leistungsanteil LK der Kernanteile 13a, 13b, 13c der einzelnen Laserspots 5a, 5b, 5c von der Gesamtleistung der einzelnen Laserspots 5a, 5b, 5c kann beispielsweise LK = 50% gewählt werden. In der hier gezeigten Variante weist der jeweilige Ringanteil 14a, 14b, 14c eine ca. 15-fach größere Fläche auf als der jeweilige Kernanteil 13a, 13b, 13c. Eine mittlere Leistungsdichte im jeweiligen Kernanteil 13a, 13b, 13c ist dann hier etwa 15 mal größer als eine mittlere Leistungsdichte im jeweiligen Ringanteil 14a, 14b, 14c. Auf diese Weise kann im Tiefschweißregime eine (lokale) Dampfkapillare, die durch die Überlagerungs-Einzellaserstrahlen erzeugt wird, stabilisiert werden, und die Dynamik des Schmelzbades reduziert werden.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a, 5b, 5c (die hier gleich den Ringdurchmessern RD sind) auf dem Werkstück betragen hier jeweils 400 µm. Im Zentrum der drei Laserspots 5a, 5b, 5c liegen die drei Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c. Die Laserspots 5a, 5b, 5c berühren hier einander. Die Laserleistung der Einzelstrahlen ist hier gleich gewählt.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind in einer Ringformation 10 angeordnet. Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a, 6b, 6c von den nebeneinander liegenden, d. h. in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c (in der hier gezeigten Variante sind alle Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c nebeneinander liegend) betragen hier jeweils 400 µm.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine dreizählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 durch die drei Laserspots 5a, 5b, 5c ausgebildet wird, die durch Drehung um 360°/3=120° um das Zentrum 12 der Ringformation 10 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12, und entsprechen den Eckpunkten eines regelmäßigen Polygons.
7 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Umformanordnung 37 für die Erfindung, umfassend eine Aufteilungsvorrichtung 15 und eine Multiclad-Faser 16, welche hier als eine 2-in-1-Faser 16a ausgebildet ist. Mit der Umformanordnung 37 wird ein Urlaserstrahl 17 umgeformt. Der Urlaserstrahl 17 propagiert entlang einer Achse Z.
Die Multiclad-Faser 16 weist eine Kernfaser 18 (innerer gepunkteter Bereich) sowie eine die Kernfaser 18 umgebende Mantelschicht 19 (innere zwei gestrichelte Bereiche) auf. An die Mantelschicht 19 schließt sich nach radial außen hin eine Ringfaser 20 (äußere zwei gepunktete Bereiche) an, die von einer weiteren Mantelschicht 21 (äußere zwei gestrichelte Bereiche) umgeben ist.
Der Urlaserstrahl 17 wird von einer Laserquelle (nicht näher dargestellt) erzeugt. Der Urlaserstrahl 17 breitet sich hier entlang der Achse Z kollimiert aus und wird auf die Aufteilungsvorrichtung 15 gerichtet. Die Aufteilungsvorrichtung 15 umfass hier einen optischen Keil 15a und eine Fokussierlinse 15b. Mit dem optischen Keil 15a wird ein Teil des Urlaserstrahls 17 abgelenkt und mit der Fokussierlinse 15b auf die Ringfaser 20 an einem Fasereingang 22 der Multiclad-Faser 16 fokussiert. Ein weiterer Teil des Urlaserstrahl 17 wird am optischen Keil 15a vorbeigeführt und mit der Fokussierlinse 15b auf die Kernfaser 18 am Fasereingang 22 der Multiclad-Faser 16 fokussiert.
Am Fasereingang 22 wird entsprechend der Urlaserstrahl 17 in die Multiclad-Faser 16 eingekoppelt und an einem Faserende 23 der Multiclad-Faser 16 wird dann ein austretender Urlaserstrahl 17' mit einem Urlaser-Kernstrahl 24 (durchgehende Linie am Faserende 23) und einem Urlaser-Ringstrahl 25 (gestrichelte Linie am Faserende 23) für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt. Der austretende, umgeformte Urlaserstrahl 17' kann nun auf Einzelstrahlen aufgeteilt werden (vgl. 8).
8 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine beispielhafte Schweißoptik 26, mit welcher eine Aufteilung eines Urlaserstrahls 17 (auch eines umgeformten Urlaserstrahls, vgl. 7) auf Einzelstrahlen 33 für das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Die Schweißoptik 26 umfasst hier ein Laserlichtkabel 27 (beispielsweise eine Multiclad-Faser wie in 7 beschrieben), eine Kollimationslinse 28, ein optisches Element 29, welches hier mit zwei Bifokaleinsätzen 30a, 30b ausgebildet ist, und eine Fokussierlinse 31. Die Bifokaleinsätze 30a, 30b, welche hier als Glaskeile ausgebildet sind, sind hintereinander und um 90° zueinander gedreht angeordnet.
Über das Laserlichtkabel 27 wird der Urlaserstrahl 17 bereitgestellt, der an einem Faserende des Laserlichtkabels 27 austritt. Das Faserende liegt im Fokus der Kollimationslinse 28, und der austretende Urlaserstrahl 17 wird von der Kollimationslinse 28 kollimiert, wodurch der Urlaserstrahl 17 zu einem kollimierten Laserstrahl 32 wird. Der kollimierte Laserstrahl 32 wird zu den Bifokaleinsätzen 30a, 30b geführt. Die Bifokaleinsätze 30a, 30b nehmen hier jeweils etwa die Hälfte eines Querschnitts des kollimierten Laserstrahls 32 ein. Hierdurch kann der kollimierte Laserstrahl 32 in der hier gezeigten beispielhaften Schweißoptik 26 in vier Einzelstrahlen 33 aufgeteilt werden (in der hier gezeigten Perspektive sind zwei der vier Einzelstrahlen 33 zu erkennen). Die vier Einzelstrahlen 33 bilden ein Laserstrahlenensemble 34 für das Laserschweißen einer Bipolarplatte gemäß der Erfindung. Die vier Einzelstrahlen 33 bilden in der gezeigten Variante gemeinsam ein Strahlenset 35 des Laserstrahlenensembles 34. Die Einzelstrahlen 33 werden durch die Fokussierlinse 31 auf die Oberfläche der Plattenteile der Bipolarplatte (nicht näher dargestellt) fokussiert, wodurch auf der Oberfläche hier vier gleich große Laserspots erzeugt werden. Je nach eingesetztem optischen Element 29 können auch weniger oder mehr Laserspots auf der Oberfläche erzeugt werden (nicht näher dargestellt).
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1a: oberer Plattenteil
1b: unterer Plattenteil
2: Schweißnaht
2a: umlaufend, geschlossene Schweißnaht
2b: geschlossene Schweißnaht
2c: offene (geradlinige) Schweißnaht
3: Durchbruch
4: Oberfläche
5a-5e: Laserspot (Einzelstrahlen des Strahlensets)
5a'-5c': Laserspot (weitere Einzelstrahlen des Zusatz-Strahlensets)
6a-6e: Laserspot-Zentrum (des Laserspots)
6a'-6c': Laserspot-Zentrum (des Zusatz-Strahlensets)
7: gemeinsamer Schwerpunkt
8: Schweißkurve
9: gemeinsames Schmelzbad
10: Ringformation
10': Zusatz-Ringformation
11: regelmäßiges Polygon
11a: gleichseitiges Dreieck
11b: gleichseitiges Fünfeck
12: Zentrum (der Ringformation)
13a-13c: Kernanteil
14a-14c: Ringanteil
15: Aufteilungsvorrichtung
15a: optischer Keil
15b: Fokussierlinse
16: Multiclad-Faser
16a: 2-in-1-Faser
17: Urlaserstrahl
17': austretender, umgeformter Urlaserstrahl
18: Kernfaser
19: Mantelschicht
20: Ringfaser
21: weitere Mantelschicht
22: Fasereingang
23: Faserende
24: Urlaser-Kernstrahl
25: Urlaser-Ringstrahl
26: Schweißoptik
27: Laserlichtkabel
28: Kollimationslinse
29: optisches Element
30a, b: Bifokaleinsatz
31: Fokussierlinse
32: kollimierter Laserstrahl
33: Einzelstrahl
34: Laserstrahlenensemble
35: Strahlenset
36: Kreislinie (Strahlenset)
36': Kreislinie (Zusatz-Strahlenset)
37: Umformanordnung
a: Abstand von nebeneinander liegenden, benachbarten Laserspot-Zentren (der Laserspots des Strahlensets)
a': Abstand von nebeneinander liegenden, benachbarten Laserspot-Zentren (der Laserspots des Zusatz-Strahlensets)
az: Abstand des Laserspot-Zentrums aus der Ringformation zum Zentrum der Ringformation
az': Abstand des Laserspot-Zentrums aus der Zusatz-Ringformation zum Zentrum der Ringformation
BLD: Blechdicke
DS: maximaler Durchmesser der Laserspots des Strahlensets
DZ: maximaler Durchmesser der Laserspots des Zusatz-Strahlensets
dw: Durchmesser des Laserspots (des Strahlensets) auf dem Werkstück
dw': Durchmesser des Laserspots (des Zusatz-Strahlensets) auf dem Werkstück
KD: Kerndurchmesser
RD: Ringdurchmesser
SR: Schweißrichtung
Z: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021113834 [0005]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile (1a, 1b) entlang wenigstens einer Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen entlang der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) mit einem Laserstrahlenensemble (34) umfassend wenigstens drei Einzelstrahlen (33) erfolgt, wobei die Einzelstrahlen (33) auf einer Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) jeweils einen Laserspot (5a-5e, 5a'-5c') erzeugen, und dass die wenigstens drei Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein gemeinsames Schmelzbad (9) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein Strahlenset (35) bilden, und dass Laserspot-Zentren (6a-6e) der Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) in einer Ringformation (10) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspot-Zentren (6a-6e) des Strahlensets (35) auf der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) ein regelmäßiges Polygon (11) bilden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) auf der Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) voneinander separat sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) einen gleichen Durchmesser (dw) aufweisen und/oder die Einzelstrahlen (33) des Strahlensets (35) eine gleiche Laserleistung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei weitere Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein Zusatz-Strahlenset bilden, und dass Laserspot-Zentren (6a'-6c') der Laserspots (5a'-5c') des Zusatz-Strahlensets in einer Zusatz-Ringformation (10') angeordnet sind, wobei die Zusatz-Ringformation (10') konzentrisch mit der Ringformation (10) angeordnet ist, und wobei ein jeweiliger Abstand (az') der Laserspot-Zentren (6a'-6c') der Laserspots (5a'-5c') der Zusatz-Ringformation (10') zu einem Zentrum (12) der Ringformation (10) kleiner ist als ein Abstand (az) der Laserspot-Zentren (6a-6c) der Laserspots (5a-5c) der Ringformation (10) zu dem Zentrum (12) der Ringformation (10).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen maximalen Durchmesser DZ der Laserspots (5a'-5c') des Zusatz-Strahlensets und für einen maximalen Durchmesser DS der Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) gilt: DZ<DS.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots (5a-5e, 5a'-5c') der Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) auf einer Oberfläche (4) der Plattenteile (1a, 1b) eine Anordnung bilden, die eine N-zählige Rotationssymmetrie aufweist, mit N≥3.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Einzelstrahlen (33) als Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet sind, jeweils umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Oberfläche ineinander liegen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst, oder dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche (4) innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Urlaserstrahl (17) in einer Multiclad-Faser (16) geführt wird, umfassend eine Kernfaser (18) und eine die Kernfaser (18) umgebende Ringfaser (20), und dass ein aus der Multiclad-Faser (16) austretender Urlaserstrahl (17') mittels eines optischen Elements (29) auf zumindest den Teil der Einzelstrahlen (33) aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenteile (1a, 1b) jeweils eine Blechdicke BLD zwischen 50 µm und 150 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte (2a, 2b) umfasst
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile (1a, 1b) umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht (2a) umfasst.
Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen (1a, 1b) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.