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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle,
wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden.
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Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichte deutschen Patentanmeldung
10 2021 113 834.5 bekannt geworden.
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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.
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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.
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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.
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Beim Laserschweißen der Bipolarplatten ist es von Vorteil, wenn die Schweißnähte eine große Nahtbreite aufweisen. Dadurch kann allgemein die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen verbessert werden. Zudem kann eine bessere Fluiddichtigkeit der Schweißnähte erreicht werden.
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Beim Schweißen der Schweißnähte der Bipolarplatte mit einem Laserstrahl können jedoch mit zunehmender Nahtbreite Poren und andere Defekte in der Schweißnaht auftreten, die die mechanische und elektrische Verbindung wieder verschlechtern können, und auch die Fluiddichtigkeit beeinträchtigen können.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine verbesserte mechanische und elektrische Verbindung und eine verbesserte Fluiddichtigkeit von Schweißnähten einer Bipolarplatte ermöglicht wird.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, dass dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht mit mehreren Laserstrahlen erfolgt,
dass die mehreren Laserstrahlen jeweils ein Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugen, wobei die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen voneinander separat sind,
dass die mehreren Laserstrahlen auf Schweißkurven geführt werden, die entlang der Schweißnaht verlaufen, aber in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zueinander versetzt sind,
und dass Teilschweißnähte, die jeweils durch die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen erzeugt werden, 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.
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Die Erfindung schlägt vor, die wenigstens eine Schweißnaht der Plattenteile der Bipolarplatten durch mehrere Laserstrahlen (und entsprechend mehrere Laserspots, auch „Multispots“ genannt) zu fertigen, die jeweils ein eigenes Schmelzbad erzeugen, und die jeweils (mit ihren Mittelachsen) auf einer Schweißkurve entlang der Schweißnaht geführt werden. Jeder dieser Laserstrahlen erzeugt somit eine Teilschweißnaht, und die Gesamtheit dieser Teilschweißnähte ergibt die (gesamte) Schweißnaht.
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Die einzelnen Laserstrahlen (bezogen auf deren Mittelachsen) bzw. die Schweißkurven der Laserstrahlen sind quer zur (lokalen) Schweißrichtung zueinander versetzt. Entsprechend sind dann auch die erzeugten Teilschweißnähte (bzw. deren Mittelebenen) zueinander versetzt. Durch in Richtung quer zur Schweißrichtung einander nicht überlappende Anteile der Teilschweißnähte wird erreicht, dass die Schweißnaht, die aus den Teilschweißnähten gebildet wird, eine Gesamtbreite GB aufweist, die größer ist als die Breite B jeder der Teilschweißnähte.
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Typischerweise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Gesamtbreite GB der Schweißnaht erreicht, mit GB≥1,5*Bmax , bevorzugt GB≥2,0*Bmax, mit Bmax: größte Breite der einzelnen Teilschweißnähte, jeweils in Richtung quer zur Schweißrichtung, oder auch GB>N*Bmax*0,66, mit N: Anzahl der zur Schweißnaht beitragenden Teilschweißnähte, mit N≥2. Die Gesamtbreite GB wird zwischen den äußeren Rändern der (bezüglich der Richtung quer zur Schweißrichtung) äußersten Teilschweißnähte, die zur Schweißnaht beitragen, bestimmt. Man beachte, dass die Teilschweißnähte in Richtung quer zur Schweißrichtung teilweise überlappend oder auch nicht überlappend sein können.
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Die einzelnen Teilschweißnähte, aus denen die (gesamte) Schweißnaht gefertigt wird, können mit einer geringen Nahtbreite gefertigt werden, und mit entsprechend geringer Porosität (und geringer Dichte anderer Defekte, wie Mikrorissen). Um die Porosität (und die Dichte anderer Defekte) der einzelnen Teilschweißnähte gering zu halten, ist es wichtig, dass die Schmelzbäder, aus denen die einzelnen Teilschweißnähte durch Erstarrung des Plattenmaterials entstehen, voneinander getrennt bleiben. Gleichzeitig kann aber insgesamt eine große Gesamtbreite der (gesamten) Schweißnaht erreicht werden, so dass eine gute mechanische und elektrische Verbindung sowie eine gute Fluiddichtigkeit erreichbar ist. Insgesamt ist eine defektarme Schweißnaht (insbesondere mit geringer Porosität und wenigen Mikrorissen) mit hoher Präzision (insbesondere im Einschweißen) erhältlich.
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Das Laserschweißen erfolgt im Rahmen der Erfindung typischerweise als Tiefschweißen (also mit einer Dampfkapillare); damit kann insbesondere eine hohe Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Das Laserschweißen der überlappend angeordneten 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, besonders bevorzugt AV≥2,0, und in manchen Fällen sogar AV≥3, mit T: Einschweißtiefe und B: Breite der einzelnen Teilschweißnaht (an der Werkstückoberfläche).
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Die Nahtbreite einer einzelnen Teilschweißnaht liegt typischerweise bei 50-135µm (Single mode) oder bei 100-200µm (Multi-Mode).
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Die Laserstrahlen werden typischerweise mit einem einheitlichen Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche gewählt, und bevorzugt auch mit einer einheitlichen Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit. Alternativ können auch unterschiedlich große Strahldurchmesser eingesetzt werden, wobei typischerweise der größte Strahldurchmesser nicht mehr als 10-mal so groß ist wie der kleinste Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche.
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Bevorzugt werden 2 oder 3 Laserstrahlen zum Laserschweißen der Schweißnaht eingesetzt. Die mehreren Laserstrahlen können (insbesondere für eine zeitgleiche Anwendung) beispielsweise 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).
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Die mehreren Laserstrahlen zum Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht werden typischerweise zeitgleich angewandt; alternativ können die mehreren Laserstrahlen auch zeitlich (kurz) nacheinander angewandt werden.
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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.
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Bevorzugte Varianten der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen entlang der Schweißrichtung nicht überlappen. Mit anderen Worten, zu jedem Zeitpunkt liegen die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen (soweit die Schmelzbäder zu diesem Zeitpunkt schon erzeugt und noch nicht erstarrt sind) in Schweißrichtung vollständig hintereinander. Die Schmelzbäder sind (ausreichend für eine Separierung) transversal versetzt. Dies ist eine einfache Maßnahme, mit der sichergestellt werden kann, dass (insbesondere zeitgleich angewandte) Laserstrahlen kein gemeinsames Schmelzbad erzeugen.
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Bevorzugt ist ebenfalls eine Variante, die vorsieht, dass die Teilschweißnähte der mehreren Laserstrahlen in der Richtung quer zur Schweißrichtung nicht überlappen. Mit anderen Worten, zu jedem Zeitpunkt liegen die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen (soweit die Schmelzbäder zu diesem Zeitpunkt schon erzeugt und noch nicht erstarrt sind) in Richtung quer zur (lokalen) Schweißrichtung vollständig hintereinander. Die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen sind (ausreichend für eine Separierung) lateral versetzt. Wenn die Teilschweißnähte an keinem Ort der Schweißnaht quer zur (lokalen) Schweißrichtung überlappen, ist ebenfalls auf einfache Weise sichergestellt, dass (insbesondere zeitgleich angewandte) Laserstrahlen kein gemeinsames Schmelzbad erzeugen.
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Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass die Teilschweißnähte der mehreren Laserstrahlen in der Richtung quer zur Schweißrichtung nicht überlappen, und dass die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen entlang der Schweißrichtung zumindest teilweise überlappen. Die Schmelzbäder sind (ausreichend für eine Separierung) lateral versetzt, nicht aber (ausreichend für eine Separierung) transversal versetzt. In dieser Variante werden die mehreren Laserstrahlen zeitgleich angewandt, wobei die Teilschweißnähte - und dadurch auch die Schmelzbäder zu jedem Zeitpunkt - quer zur Schweißrichtung vollständig hintereinander liegen (und dadurch voneinander separat sind), aber zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Betrachtung die Schmelzbäder bezüglich der Schweißrichtung überlappend angeordnet sind, d.h. zumindest Teile von zwei Schweißbädern erstrecken sich über eine gleiche Strecke entlang der Schweißrichtung. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die mehreren Laserstrahlen (bezüglich ihrer Strahlachsen) in Schweißrichtung auf gleicher Position liegen. Dies ist besonders einfach einzurichten, insbesondere mit einem auf die mehreren Laserstrahlen aufgeteilten Urlaserstrahl.
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Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, die vorsieht, dass die Teilschweißnähte der mehreren Laserstrahlen in der Richtung quer zur Schweißrichtung teilweise überlappen, und dass die Schmelzbäder der mehreren Laserstrahlen entlang der Schweißrichtung nicht überlappen. Die Schmelzbäder sind (ausreichend für eine Separierung) transversal versetzt, nicht aber (ausreichend für eine Separierung) lateral versetzt. In dieser Variante kann eine von einem vorauseilenden Laserstrahl erzeugte Teilschweißnaht von einem nacheilenden Laserstrahl nochmals teilweise aufgeschmolzen und nachbearbeitet werden. Dadurch können in der vom vorauseilenden Laserstrahl erzeugten Teilschweißnaht verbliebene Poren und andere Defekte wie Mikrorisse oder schlechte Verbindungsstellen zwischen den Plattenteilen („falsche Freunde“) ausgebessert werden.
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Bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte dienen in der Regel der Abdichtung gegenüber Fluiden in der Brennstoffzelle (Kühlwasser, Reaktionswasser, Reaktionsgase, z.B. Wasserstoff, Sauerstoff). Im Rahmen der Erfindung können geschlossene Schweißnähte mit verbesserter Dichtigkeit gefertigt werden, wodurch hier die Erfindung besonders vorteilhaft ist.
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Ebenso bevorzugt ist eine Ausführungsform, 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. Entsprechend ist die mit der Erfindung erreichbare, verbesserte Dichtigkeit hier von besonderem Vorteil.
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Bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der ein jeweiliger Laserstrahl der mehreren Laserstrahlen als Multifokal-Laserstrahl ausgebildet ist, umfassend mehrere auf der Werkstückoberfläche nebeneinander liegende Teilstrahlen, die gemeinsam das Schmelzbad des Laserstrahls erzeugen. Dieses Vorgehen hat sich zur Vermeidung von Mikrorissen und für eine hohe Präzision des Laserschweißens (insbesondere in Einschweißung) besonders bewährt. Zudem kann eine vergleichsweise breite Teilschweißnaht mit dem Multifokal-Laserstrahl bei guter Nahtqualität erhalten werden. Die Teilstrahlen liegen auf der Werkstückoberfläche mit ihren Mittelachsen nebeneinander; die zugehörigen Teillaserspots können dabei (bevorzugt) voneinander separat sein oder auch sich überschneiden.
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Bei einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein jeweiliger Laserstrahl der mehreren Laserstrahlen 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 ÜberlagerungsLaserstrahls 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.
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Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst, oder dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen grö-ßeren 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-Laserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-1-Faser erzeugt, und der Kernstrahl und der Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse.
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Bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der für einen Abstand A, um den in der Richtung quer zur Schweißrichtung benachbarte Laserstrahlen bezogen auf ihre Mittelachsen auf der Oberfläche der Plattenteile zueinander versetzt sind, gilt: 0,1*SD≤A≤4*SD, mit SD: größter Durchmesser der Laserstrahlen in Richtung quer zur Schweißrichtung. Dies hat sich in der Praxis bewährt. Meist gilt auch 0 ,33*SD ≤A≤1,33*SD.
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Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die mehreren Laserstrahlen gleichzeitig auf die Plattenteile einwirken. Dadurch kann die Bearbeitung der Bipolarplatte insgesamt besonders schnell erfolgen.
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Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die mehreren Laserstrahlen aus einem gemeinsamen Ursprungslaserstrahl erzeugt werden. Entsprechend ist für die gleichzeitige Erzeugung der mehreren Laserstrahlen nur eine Laserquelle nötig, was besonders kostengünstig ist. Die mehreren Laserstrahlen können insbesondere mit einem diffraktiven optischen Element (DOE) aus dem gemeinsamen Ursprungslaserstrahl erzeugt werden; bevorzugt wird das DOE beim Laserschweißen mitgedreht (also das DOE bleibt zur momentanen Schweißrichtung immer gleich ausgerichtet, und wird beim Durchfahren von Kurven entsprechend dem Kurvenverlauf mitgeschwenkt). Alternativ können auch andere Aufteilungselemente eingesetzt werden, z.B. ein ROE (refraktives optisches Element).
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Bevorzugt ist zudem 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.
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Bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der 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 vordersten Laserstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 µm und 300 µm, bevorzugt mit 30µm≤dw1≤70µm im Single Mode oder 50µ≤dw1≤170µm 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.
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Diese Parameter haben sich in der Praxis für die Fertigung der erfindungsgemä-ßen Bipolarplatten besonders bewährt.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Solchermaßen gefertigte Bipolarplatten zeichnen sich durch eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen aus, sowie durch eine gute Fluiddichtigkeit an der wenigstens einen Schweißnaht.
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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.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Variante der Erfindung, mit lateralem Versatz von zwei Schmelzbädern;
- 2 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, mit lateralem und transversalem Versatz von zwei Schmelzbädern;
- 3 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer dritten Variante der Erfindung, mit transversalem Versatz von drei Schmelzbädern, wobei die Schmelzbäder in einer Richtung quer zur Schweißrichtung überlappend angeordnet sind;
- 4 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer vierten Variante der Erfindung, mit lateralem und transversalem Versatz von zwei Schmelzbädern, die durch Überlagerungs-Laserstrahlen erzeugt werden;
- 5 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer fünften Variante der Erfindung, mit lateralem und transversalem Versatz von zwei Schmelzbädern, die durch Multifokal-Laserstrahlen erzeugt werden;
- 6 zeigt in schematischen Ansichten Querschnitte durch mittels Laserschweißen gefertigte Schweißnähte einer Bipolarplatte, mit den Teilbildern a) gemäß einem fiktiven Stand der Technik mit einem einzelnen Laserstrahl, b) gemäß der Erfindung mit drei Laserstrahlen mit überlappenden Teilschweißnähten, c) gemäß der Erfindung mit drei Laserstrahlen mit nicht-überlappenden Schweißnähten, in Einschweißung, und d) gemäß der Erfindung mit drei Laserstrahlen mit nicht-überlappenden Schweißnähten, in Durchschweißung;
- 7 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Anordnung zur Aufteilung eines Urlaserstrahls auf mehrere Laserstrahlen, für die Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine Bipolarplatte 1 bei der Fertigung, die aus zwei Plattenteilen 1a, 1b gefertigt wird. Die Bipolarplatte 1 soll in einem Brennstoffzellenstack (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Die beiden Plattenteile 1a, 1b sind übereinander liegend angeordnet. Die Plattenteile 1a, 1b weisen eine Profilierung (nicht näher dargestellt) auf, durch die ein System, insbesondere mäandrierendes oder doppelt mäandrierendes System, von Kühlwasserkanälen zwischen den Plattenteilen 1a, 1b und Führungskanälen für Gas (Wasserstoff, Sauerstoff) und Wasser (Reaktionswasser der Brennstoffzelle) an den Außenflächen der Plattenteile 1a, 1b im Brennstoffzellenstack ausgebildet wird. Die Plattenteile 1a, 1b sind aus einem metallischen Plattenmaterial gefertigt, beispielsweise Edelstahl.
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Die Plattenteile 1a, 1b sollen durch Laserschweißen entlang einer Vielzahl von Schweißnähten miteinander verschweißt werden. Die für die Bipolarplatte 1 vorgesehenen Schweißnähte sind schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien dargestellt. Insbesondere soll eine Verschweißung entlang einer an der Außenseite der Plattenteile 1a, 1b umlaufend geschlossenen Schweißnaht 4a geschweißt werden. Zudem sollen um Durchbrüche 5 durch die Bipolarplatte 1 herum geschlossene Schweißnähte 4b geschweißt werden. Schließlich sollen diverse nicht-geschlossene Schweißnähte 4c gefertigt werden. Die Schweißnähte 4a, 4b sollen insbesondere fluiddicht, insbesondere gasdicht und dicht für Kühlwasser, ausgebildet sein. Die Schweißnähte 4c sollen insbesondere eine mechanisch feste und elektrisch gut leitende Verbindung zwischen den Plattenteilen 1a, 1b herstellen. Die vorliegende Erfindung kann für alle diese Schweißnähte 4a-4c angewandt werden, wobei sie für die Schweißnähte 4a, 4b aufgrund der erreichbaren hohen Dichtigkeit besonders vorteilhaft ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden beispielhaft an der Schweißnaht 4a erläutert.
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Die Fertigung der Schweißnaht 4a erfolgt in der in 1 dargestellten Variante mittels zweier Laserstrahlen, die von oben (also senkrecht zur Zeichenebene) auf den oberen Plattenteil 1a gerichtet sind. Die beiden Laserstrahlen werden hier gleichzeitig angewandt. Die Laserstrahlen erzeugen jeweils einen Laserspot 2a, 2b auf einer Oberfläche 3 der Plattenteile 1a, 1b, hier auf der Oberseite des oberen Plattenteils 1a. Die Laserspots 2a, 2b werden im Rahmen eines Vorschubs (bezüglich ihrer Zentren bzw. der zugehörigen Mittelachsen der Laserstrahlen) auf gepunktet dargestellten Schweißkurven 6a, 6b geführt, die entlang der Schweißnaht 4a (hier mit ein wenig lateralem Abstand nach links bzw. rechts von der Mittellinie der Schweißnaht 4a) verlaufen. Man beachte, dass die Schweißkurven 6a, 6b der Laserstrahlen allgemein auf oder parallel zur (geplanten) Schweißnaht bzw. deren Mittellinie verlaufen. Die Richtung des jeweiligen Vorschubs ist mit Pfeilen eingezeichnet; der Vorschub verläuft entlang einer (lokalen) Schweißrichtung SR.
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Die Laserstrahlen erzeugen um die Laserspots 2a, 2b herum Schmelzbäder 7a, 7b von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Die Schmelzbäder 7a, 7b sind im Bereich der Laserspots 2a, 2b am breitesten, und verjüngen sich nach hinten hin (entgegen der Schweißrichtung SR) allmählich.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die zum Fertigen der Schweißnaht 4a eingesetzten, mehreren Laserstrahlen (bzw. die einzelnen Laserspots 2a, 2b) voneinander getrennte Schmelzbäder 7a, 7b erzeugen. Mit anderen Worten, die Schmelzbäder 7a, 7b sind zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens durch nichtaufgeschmolzenes Plattenmaterial voneinander getrennt, soweit sie zeitgleich existieren (Schmelzbäder, die nicht zeitgleich existieren, sind stets voneinander separat).
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In der in 1 gezeigten ersten Variante sind die Schmelzbäder 7a und 7b in einer Richtung (Querrichtung) QR quer zur lokalen Schweißrichtung SR zueinander soweit versetzt angeordnet, dass die Schmelzbäder bezüglich dieser Querrichtung QR nicht überlappen. Bezüglich der Querrichtung QR verbleibt zwischen den Schmelzbädern ein kleiner Steg 8 nicht-aufgeschmolzenen Plattenmaterials. Bezüglich der Schweißrichtung SR sind die Schmelzbäder 7a, 7b hier hingegen vollständig überlappend angeordnet; die Vorderfronten der Schmelzbäder 7a, 7b befinden sich bezüglich der Schweißrichtung SR auf gleicher Höhe, und die Schmelzbäder 7a, 7b erstrecken sich über den gleichen Abschnitt und gleich weit entlang der Schweißnaht 4a.
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Nach einem vollständigen Umlauf der beiden Schmelzbäder 7a, 7b entlang der Schweißkurven 6a, 6b ist die Schweißnaht 4a vollständig gefertigt (zur fertigen Schweißnaht siehe auch 6).
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Die beiden Laserstrahlen können mit einem DOE aus einem gemeinsamen Urlaserstrahl erzeugt werden; bevorzugt werden die beiden Laserstrahlen zudem über eine gemeinsame Scanvorrichtung geführt. In Kurven wird das DOE entsprechend der Kurve mitverschwenkt, was einen sehr kompakten Bau ermöglicht (nicht näher dargestellt).
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Im Folgenden werden weitere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt, die auf Plattenteile 1a, 1b einer Bipolarplatte wie in 1 erläutert angewandt werden. Es werden nur die wesentlichen Unterschiede erläutert.
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In der zweiten Variante von 2 erfolgt das Laserschweißen der Schweißnaht mit zwei Schmelzbädern 7a, 7b, die in Richtung QR quer zur Schweißrichtung SR (also lateral) soweit versetzt sind, dass zwischen ihnen bzw. deren Spuren (die Teilschweißnähten entsprechen) ein Steg 8 von unaufgeschmolzenem Material verbleibt. Zusätzlich sind die beiden Schmelzbänder 7a, 7b in Schweißrichtung SR (also transversal) soweit zueinander versetzt angeordnet, dass eine Vorderfront 9 des nachlaufenden Schmelzbades 7a bezüglich der Schweißrichtung SR hinter einem hinteren Ende 10 des vorauseilenden Schmelzbades 7b angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Schmelzbäder 7a, 7b überlappen bezüglich der Schweißrichtung SR nicht.
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Man beachte, dass hier der laterale Versatz oder auch der transversale Versatz hier jeweils für sich ausreichen würden, um sicherzustellen, dass die Schmelzbäder 7a, 7b voneinander separat sind.
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In der in 3 gezeigten dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden drei Laserstrahlen eingesetzt, die drei Laserspots 2a-2c und drei voneinander separate Schmelzbäder 7a-7c erzeugen.
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Die drei Schmelzbäder 7a, 7b, 7c sind bezüglich der lokalen Schweißrichtung SR vollständig hintereinander angeordnet, so dass eine jeweilige Vorderfront 9 eines nachlaufenden Schmelzbads (z.B. von Schmelzbad 7a) entlang der (lokalen) Schweißrichtung SR hinter dem hinteren Ende 10 des (unmittelbar) vorauseilenden Schmelzbades (z.B. Schmelzbad 7b) liegt. Dadurch wird hier eine Trennung der Schmelzbäder 7a, 7b, 7c sichergestellt.
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Bezüglich der Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung SR überlappen hier die Schmelzbäder 7a, 7b, 7c paarweise: Die Schmelzbäder 7a, 7b überlappen zu ca. 40% und die Schmelzbäder 7b, 7c überlappen zu ca. 40% bezüglich der Querrichtung QR. Entsprechend wird eine durch den Laserspot 2c geschaffene Teilschweißnaht durch den Laserspot 2b teilweise wiederaufgeschmolzen. Ebenso wird die durch den Laserspot 2b geschaffene Teilschweißnaht durch den Laserspot 2a teilweise wiederaufgeschmolzen. Die Teilschweißnähte ergeben sich als Spur der Schmelzbäder 7a-7c entlang der Schweißnaht 4a (Teilschweißnähte in 3 nicht näher dargestellt, vgl. aber 6 unten).
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Die in 4 dargestellte vierte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht weitgehend der in 2 dargestellten zweiten Variante. Abweichend werden jedoch zur Erzeugung der Schmelzbäder 7a, 7b Laserstrahlen eingesetzt, die als Überlagerungs-Laserstrahlen gewählt sind und entsprechend als Laserspots 2a, 2b Überlagerungs-Laserspots 11a, 11b erzeugen. Die Überlagerungs-Laserstrahlen weisen einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl ringförmig umgibt, auf; Kernstrahl und Ringstrahl haben eine gemeinsame Mittelachse/optische Achse. Entsprechend weisen auch die Überlagerungs-Laserspots 11a, 11b jeweils einen Kernanteil 12 (gepunktet gemustert) und einen Ringanteil 13 (schraffiert gemustert) auf, der den Kernanteil 12 ringförmig umgibt. Ein Überlagerungs-Laserstrahl wird typischerweise mittels einer 2-in-1-Faser mit einer Kernfaser und einer Ringfaser, die die Kernfaser umgibt, erzeugt (nicht näher dargestellt). Durch die Überlagerungs-Laserstrahlen kann die Dampfkapillare (keyhole) bei einem jeweiligen Laserspot 2a, 2b stabilisiert werden, und die Schmelzbaddynamik reduziert werden; dadurch kann beispielsweise die Spritzerbildung verringert werden.
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Die in 5 dargestellte fünfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht ebenfalls weitgehend der in 2 dargestellten zweiten Variante. Abweichend werden jedoch zur Erzeugung der Schmelzbäder 7a, 7b Laserstrahlen eingesetzt, die als Multifokal-Laserstrahlen gewählt sind und entsprechend als Laserspots 2a, 2b Multifokal-Laserspots 14a, 14b erzeugen. Die Überlagerungs-Laserstrahlen weisen hier jeweils drei Teilstrahlen auf, die auf der Oberfläche 3 der Plattenteile 1a, 1b im Bereich der Schmelzbäder 7a, 7b Teil-Laserspots 15a-15c erzeugen. Die Teil-Laserspots 15a-15c sind hier auf der Oberfläche 3 separat voneinander. Die Teil-Laserspots 15a, 15b, 15c eines jeweiligen Multifokal-Laserspots 14a, 14b erzeugen gemeinsam das jeweilige Schmelzbad 7a, 7b.
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In der gezeigten Variante weisen die jeweiligen Multifokal-Laserspots 14a, 14b jeweils drei Teil-Laserspots 15a-15c auf, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Allgemein bevorzugt sind Teil-Laserspots 15a-15c an den Ecken eines regelmäßigen Polygons angeordnet, sodass der Multifokal-Laserspot 14a-14b weitgehend richtungsunabhängig eingesetzt werden kann, was vor allem bei Schweißnähten mit Kurven von Vorteil ist. Die Multifokal-Laserstrahlen werden beispielsweise aus einem Ausgangslaserstrahl mittels eines diffraktiven optischen Elements (DOE, nicht näher dargestellt) erzeugt.
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Die 6 zeigt in schematischen Querschnittsansichten (mit der Schnittebene senkrecht zur Schweißrichtung) verschiedene Schweißnähte von Bipolarplatten, die gemäß dem Stand der Technik (Teilbild a) oder gemäß der Erfindung (Teilbilder b, c und d) gefertigt sind. Von der Bipolarplatte ist jeweils nur ein kleiner Ausschnitt zu sehen.
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Teilbild a) zeigt beispielhaft eine Schweißnaht 20 nach einem fiktiven Stand der Technik, mit der ein oberer Plattenteil 1a und ein unterer Plattenteil 1b miteinander in Einschweißung verschweißt wurden. Das Verschweißen erfolgte mit einem einzelnen Laserstrahl im Tiefschweißregime, wobei eine vergleichsweise breite Schweißnaht 20 gefertigt wurde. Die Schweißnaht 20 stellt das beim Laserschweißen aufgeschmolzene und wieder erstarrte Plattenmaterial dar. Die Breite B der Schweißnaht 20 ist fast so groß wie die Tiefe T der Schweißnaht; das Aspektverhältnis AV=T/B beträgt hier ca. 1,1. Bei einer solch breiten Schweißnaht 20 treten zahlreiche Poren 21 und andere Defekte (wie Mikrorisse) in der Schweißnaht 20 auf. Dies schwächt die verbindende Wirkung der Schweißnaht 20, insbesondere bezüglich der mechanischen Festigkeit, und möglicherweise auch bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung. Zudem können die Poren 21 und anderen Defekte die Fluiddichtigkeit der Schweißnaht 20 beeinträchtigen.
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Im Teilbild b) ist eine Schweißnaht 22 durch die Plattenteile 1a, 1b gezeigt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde, hier mit einer Variante wie in 3 dargestellt. Die gesamte Schweißnaht 22 setzt sich hier aus drei Teilschweißnähten 22a, 22b, 22c zusammen, die in der Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung (wobei die Schweißrichtung hier senkrecht zur Zeichenebene verläuft) überlappen; die Querrichtung QR verläuft zudem parallel zur lokalen Werkstückoberfläche 3. Entsprechend ist in einem oberen Teil 23 die Schweißnaht 22 in Querrichtung QR durchgehend; in einem unteren Teil 23 verbleibt eine kammartige Abfolge von Vorsprüngen und Rücksprüngen der Schweißnaht 22.
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Die Teilschweißnähte 22a-22c wurden im Tiefschweißregime in Einschweißung gefertigt. Das Aspektverhältnis AV=T/B der einzelnen Teilschweißnähte 22a-22c (die hier aufgrund der Anwendung von gleich großen Laserspots gleichartig ausgebildet sind) beträgt hier ca. AV=4; im Rahmen der Erfindung sind allgemein Aspektverhältnisse AV von 1,5 oder mehr, insbesondere 2 oder mehr oder auch 3 oder mehr bevorzugt. Die schmalen Teilschweißnähte 22a-22c können jeweils mit vergleichsweise geringer Porosität und wenig anderen Defekten gefertigt werden, so dass die erhaltene gesamte Schweißnaht 22 ebenfalls eine geringe Porosität und wenig andere Defekte aufweist.
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Man beachte, dass durch den Überlapp der Teilschweißnähte 22a-22c in der Querrichtung QR zuerst gefertigte Teilschweißnähte (hier 22a und 22b) durch nachfolgend gefertigte Teilschweißnähte (hier 22b und 22c) teilweise wiederaufgeschmolzen werden und dann erneut erstarren. Das kann die Dichte von Poren und anderen Defekten im Überlappbereich weiter reduzieren.
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Im gezeigten Beispiel wurde ein Abstand A von in Querrichtung QR benachbarten Teilschweißnähten 22a-22c (oder auch der zugehörigen Laserspots), bezogen auf die jeweilige Mittelachse MAT bzw. MAL, gewählt, der ca. dem 0,4-fachen der Breite B einer Teilschweißnaht 22a-22c (gemessen an der Oberfläche 3 des oberen, den Laserstrahlen zugewandten Plattenteils 1a) entspricht, also A=0,4*B. Dadurch beträgt die Gesamtbreite GB der Schweißnaht 22 ungefähr das 2,2-fache der Breite B, also GB=2,2*B. Zudem gilt hier ca. GB=N*B*0,73, mit N=3 (N: Anzahl der beteiligen Teilschweißnähte). Man beachte, dass hier alle Breiten B der Teilschweißnähte gleich groß sind, also B gleichzeitig die größte Breite Bmax der Breiten B aller Teilschweißnähte 22a-22c ist.
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Man beachte weiterhin, dass zur Erzeugung der Teilschweißnähte 22a-22c jeweils Laserstrahlen eingesetzt wurden, die (auf der Oberfläche 3 in Querrichtung QR) einen größten Strahldurchmesser SD aufweisen; beispielhaft ist der Laserstrahl 25 zur Teilschweißnaht 22c angedeutet. Der Strahldurchmesser SD ist typischerweise ungefähr so groß oder etwas kleiner als die erzeugte Breite B der Teilschweißnähte 22a-22c. Vorliegend ist hier ca. SD=0,8*B, und es gilt hier weiter ca. A=0,5*SD. Im Allgemeinen wird A≤10*SD gewählt, und meist mit 0,1 *SD≤A≤4*SD.
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Die Blechdicke BLD der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75µm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 µm und 150 µm. Die Plattenteile 1a, 1b sind hier aus Edelstahl gefertigt.
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Im Teilbild c) ist eine Schweißnaht 22 gezeigt, die gemäß der Erfindung mit drei Laserstrahlen gefertigt wurde, wobei die drei Teilschweißnähte 22a, 22b, 22c in Querrichtung QR nicht überlappen. Es bleibt also jeweils ein Steg 8 zwischen benachbarten Teilschweißnähten 22a-22c. Die einzelnen Teilschweißnähte 22a-22c weisen wiederum ein Aspektverhältnis AV von hier ca. AV=T/B=4 auf. Der Abstand A in Querrichtung QR benachbarter Teilschweißnähte 22a-22c beträgt hier ca. A=1,2*B, und die Gesamtbreite GB beträgt hier ca. GB=3,2*Bmax, und weiter ca. GB=N*Bmax*1,07, mit N=3.
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Die Teilschweißnähte 22a-22c reichen hier nicht bis zur Unterseite 26 des unteren Plattenteils 1b, es liegt also eine Einschweißung vor.
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Im Teilbild d) wurde ähnlich wie im Teilbild c) wiederum eine Schweißnaht 22 mit drei Laserstrahlen gefertigt, wobei sich die Schweißnaht 22 aus drei in Querrichtung QR nicht-überlappenden Teilschweißnähten 22a-22c zusammensetzt. Im Gegensatz zum Teilbild c) wurde das erfindungsgemäße Laserschweißen nunmehr so geführt, dass die Teilschweißnähte 22a-22c bis zur Unterseite 26 der unteren Teilplatte 1b reichen, es liegt also eine Durchschweißung vor.
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7 zeigt schematisch eine beispielhafte Anordnung 30 zur Aufteilung eines Urlaserstrahls 31 auf mehrere Laserstrahlen 25a, 25b. Der kollimierte Urlaserstrahl 31 ist auf ein optisches Element 32 zur Aufteilung gerichtet, das hier als Keilweiche 32a ausgebildet ist. Die dem Urlaserstrahl 31 zugewandte Vorderseite der Keilweiche 32a ist eben und senkrecht zur optischen Achse 33 ausgebildet. Die Rückseite der Keilweiche 32a ist in einem oberen Teil eben und ebenfalls senkrecht zur optischen Achse 33 ausgebildet, und in einem unteren Teil eben und schräg zur optischen Achse 33 ausgebildet. Dadurch wird der Urlaserstrahl 31 aufgeteilt, hier auf die zwei Laserstrahlen 25a, 25b. Die beiden Laserstrahlen 25, 25b werden von einer gemeinsamen Fokussierlinse 34 (ggf. unter Verwendung weiterer, nicht näher dargestellter optischer Bauteile) auf die Oberfläche der Plattenteile der Bipolarplatte 1 fokussiert, wo sie hier zeitgleich jeweils ein Schmelzbad erzeugen (nicht näher dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle
- 1a
- oberer Plattenteil
- 1b
- unterer Plattenteil
- 2a-2c
- Laserspots
- 3
- Oberfläche / Werkstückoberfläche (den Laserstrahlen zugewandt)
- 4a
- geschlossene Schweißnaht (an Außenseite umlaufend), repräsentiert durch Mittellinie
- 4b
- geschlossene Schweißnaht (an Durchbrüchen umlaufend), repräsentiert durch Mittellinie
- 4c
- nicht-geschlossene Schweißnaht, repräsentiert durch Mittellinie
- 5
- Durchbruch
- 6a, 6b
- Schweißkurven
- 7a-7c
- Schmelzbäder
- 8
- Steg (von nicht aufgeschmolzenem Plattenmaterial)
- 9
- Vorderfront
- 10
- hinteres Ende
- 11a-11b
- Überlagerungs-Laserspots
- 12
- Kernanteil
- 13
- Ringanteil
- 14a, 14b
- Multifokal-Laserspots
- 15a-15c
- Teillaserspots (des Multifokal-Laserspots)
- 20
- (breite) Schweißnaht (gefertigt durch einzelnen Laserstrahl)
- 21
- Poren
- 22
- Schweißnaht
- 22a-22b
- Teilschweißnähte
- 23
- oberer Teil
- 24
- unterer Teil
- 25
- Laserstrahl
- 25a, 25b
- Laserstrahlen
- 26
- Unterseite
- 30
- Anordnung zur Aufteilung eines Urlaserstrahls
- 31
- Urlaserstrahl
- 32
- optisches Element
- 32a
- Keilweiche
- 33
- optische Achse
- 34
- Fokussierlinse
- A
- Abstand
- B
- Breite einer Teilschweißnaht
- BLD
- Blechdicke
- Bmax
- maximale Breite aller Teilschweißnähte
- GB
- Gesamtbreite der Schweißnaht
- MAL
- Mittelachse (Laserstrahl)
- MAT
- Mittelachse (Teilschweißnaht)
- QR
- Richtung quer zur Schweißrichtung (auch genannt Querrichtung)
- SD
- größter Strahldurchmesser
- SR
- (lokale) Schweißrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021113834 [0002, 0005]
