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Die Erfindung betrifft eine Scannerschweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bipolarplatten einer Brennstoffzelle mittels Laserschweißens miteinander zu verschweißen. Durch den Schweißprozess werden dabei typischerweise zwei Bipolarplatten im Überlapp miteinander gefügt. Für das Schweißen von Bipolarplatten werden dabei üblicherweise eine Scanneroptik und ein Singlemode-Laser eingesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Scannerschweißvorrichtung und ein verbessertes korrespondierendes Schweißverfahren zum Scannerschweißen von Werkstücken, insbesondere Bipolarplatten einer Brennstoffzelle, vorzuschlagen. Ganz besonders soll dabei die Geschwindigkeit des Fügeprozesses bei zumindest gleichbleibender Qualität bzw. Güte der erzeugten Schweißnähte erhöht werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Scannerschweißvorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird dementsprechend eine Scannerschweißvorrichtung zum Scannerschweißen von zumindest zwei Werkstücken, wobei die Scannerschweißvorrichtung eine Laserstrahleinrichtung zum Emittieren eines Laserstrahls und eine Scanneroptik zum Ausrichten des emittierten Laserstrahls auf zumindest eine Bearbeitungsoberfläche zumindest eines der zumindest zwei Werkstücke umfasst. Dabei weist die Scanneroptik eine Kollimationslinse und zumindest einen beweglichen, insbesondere drehbaren, Spiegel aufweist. Zwischen der Laserstrahleinrichtung, insbesondere einem Laserstrahlausgang der Laserstrahleinrichtung und der Kollimationslinse ist eine numerische Apertur NA aus dem Brechungsindex n eines Mediums zwischen der Laserstrahleinrichtung und der Kollimationslinse und dem Öffnungswinkel α des Laserstrahls zwischen der Laserstrahleinrichtung und der Kollimationslinse nach der Formel NA = n x sin(α/2) bestimmbar. Dabei ist die Scannerschweißvorrichtung, insbesondere die Laserstrahleinrichtung, derart eingerichtet, dass für die numerische Apertur NA > 0,08 gilt.
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Durch die erfindungsgemäß eingerichtete numerische Apertur wird ein Laserstrahlschweißen von Werkstücken mit einem großen Scanfeld der Scanneroptik bei möglichst kleinem Abbildungsverhältnis ermöglicht. Durch das große Scanfeld können dabei auch große Werkstücke, wie beispielsweise Bipolarplatten von Brennstoffzellen, vollständig gescannt werden und so schnell geschweißt werden. Ein kleines Abbildungsverhältnis ermöglicht es, einen kleinen Strahldurchmesser des Laserstrahls zu erzeugen, sodass möglichst kleine Schweißnahtbreiten bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten erreichbar sind und der Wärmeeintrag in die miteinander zu fügenden Werkstücke gering gehalten werden kann. Dadurch kann folglich die Geschwindigkeit des Laserscheißprozesses bei gleichbleibender oder verbesserter Güte der erzeugten Schweißnähte erzielt werden.
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Unter einer Scannerschweißvorrichtung wird dabei eine Schweißvorrichtung mit einer Scanneroptik, also einer Schweißoptik mit einem oder mehreren beweglichen Spiegeln zur Umlenkung des Laserstrahls, verstanden. Eine solche Scannerschweißvorrichtung bzw. ein solcher Scannerschweißer ermöglicht ein Scannerschweißen. Unter einem Scannerschweißen wird dabei ein Schweißverfahren verstanden, bei dem die Laserstrahlführung über den einen oder die mehreren beweglichen Spiegel innerhalb der Scanner-Optik des Scannerschweißers erfolgt. Durch Winkeländerungen des oder der Spiegel wird der Laserstrahl dabei geführt bzw. vorgeschoben. Es entsteht das besagte Scanfeld bzw. ein Bearbeitungsfeld, in dem hochdynamisch und präzise geschweißt werden kann. Entsprechend können Werkstücke ohne Bewegung eines entsprechenden Laserbearbeitungskopfes, der die Scanneroptik beinhalten kann, innerhalb des Scanfelds miteinander verschweißt werden. Entsprechend können aufwändige Maschinenachsen an dem Laserbearbeitungskopf und/oder an Werkstückhalterungen entfallen bzw. zumindest nicht für einen Schweißvorgang von Werkstücken eingesetzt werden, sondern beispielsweise nur für den Wechsel von Schweißvorgängen zwischen verschiedenen Paaren von Werkstücken. Dadurch lässt sich auch die Taktzeit erhöhen.
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Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn die Scannerschweißvorrichtung derart eingerichtet ist, dass für die numerische Apertur NA = 0,10 bis 0,13 gilt. Noch vorteilhafter hat sich gezeigt, wenn die Scannerschweißvorrichtung derart eingerichtet ist, dass für die numerische Apertur NA = 0,11 bis 0,12 gilt. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derart dimensionierten numerischen Apertur ein besonders großes Scanfeld bei gleichzeitig kleinem Abbildungsverhältnis bereitgestellt werden kann. Als Medium kann in besonders einfacher Art und Weise Luft genutzt werden, bei dem näherungsweise von einem Brechungsindex n von 1 ausgegangen werden kann. Für den Öffnungswinkel α gilt insbesondere α/2 = 0.11rad.
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Vorteilhafterweise kann die Scanneroptik dazu eingerichtet sein, ein Scanfeld mit einer Mindestlänge von 45 mm, insbesondere 50 mm, und einer Mindestbreite von 32 mm, insbesondere 36 mm, bei einem Abbildungsverhältnis im Bereich von 1:1 bis 10:1, insbesondere im Bereich von 1:1 bis 5:1, und ganz besonders im Bereich von 1,5:1 bis 3:1, abzudecken. Besonders vorteilhaft hat sich eine derartige Dimensionierung von Scanfeld und Abbildungsverhältnis beispielsweise in Bezug auf das Schweißen von Bipolarplatten gezeigt.
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Vorteilhaft ist außerdem, wenn die Scanneroptik mit einer Brennweite im Bereich von 300 bis 900 mm, insbesondere im Bereich von 450 bis 600 mm, und einer Kollimationsbrennweite im Bereich von 100 bis 400 mm, insbesondere im Bereich von 250 bis 350 mm, eingerichtet ist. Ganz besonders vorteilhaft haben sich die vorstehenden Brennweitenbereiche bei Einsatz eines Singlemode-Lasers, insbesondere mit einer Qualitätskennzahl M2 < 1,1, als Laserstrahleinrichtung gezeigt. Unter einem Singlemode-Laser wird dabei eine Laserstrahleinrichtung verstanden, bei welcher der emittierte Laserstrahl in einem einzigen Punkt bzw. Spot konzentriert wird.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Laserstrahleinrichtung zum Emittieren eines hochbrillanten Laserstrahls eingerichtet ist. Ein hochbrillanter Laserstrahl wird insbesondere mit den an späterer Stelle näher erwähnten Laserparametern erzielt, ganz besonders mit einem Strahlparameterprodukt im Bereich von 0,38 bis 16mm*mrad, insbesondere ≤ 0,6mm*mrad (insbesondere bei Single-Mode) oder ≤ 3mm*mrad (insbesondere bei Multi-Mode) und mit einer Laserleistung P pro Spot im Bereich von 10 bis 2,000 W, insbesondere P = 50 bis 700 W pro Spot.
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Auch vorteilhaft ist es, wenn die Laserstrahleinrichtung ein Lichtleitkabel aufweist. Entsprechend kann eine Laserstrahlquelle in der Laserstrahleinrichtung eingesetzt werden, welche mit einer innerhalb des Lichtleitkabels fasergeführten Wellenlänge arbeitet. Als Laserstrahlquellen können beispielsweise Scheiben-, Faser- und Diodenlaser zum Einsatz kommen.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Laserlichtkabel als ein 2in1-Laserlichtkabel mit einem inneren Faserkern bzw. einer inneren Faser und einem äußeren Faserkern bzw. einer äußeren Faser, insbesondere einer den inneren Faserkern umgebenden Ringfaser, ausgebildet ist. Der innere Faserkern kann beispielsweise einen Durchmesser von bis zu 50 pm aufweisen, während die Ringfaser beispielsweise einen Durchmesser von bis zu 200 pm aufweisen kann. Eine derartiges 2in1-Laserlichtkabel kann auch als Multiclad-Faser bezeichnet werden. Zur Erzeugung des Laserstrahls kann dabei ein Ausgangs-Laserstrahl in ein erstes Ende der Multiclad-Faser eingespeist werden. Dabei kann ein erster Teil der Laserleistung des Ausgangs-Laserstrahls in die Kernfaser und ein zweiter Teil der Laserleistung des Ausgangs-Laserstrahls in die Ringfaser eingespeist werden. Schließlich kann ein zweites Ende der Multiclad-Faser auf die Kollimationslinse bzw. die Bearbeitungsoberfläche der zu fügenden Werkstücke abgebildet werden. Das ermöglicht ein Herstellen einer glatten Oberfläche der erzeugten Schweißnaht.
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Dabei kann die Laserstrahleinrichtung voreilhafterweise zum Aufteilen des Laserstrahls des 2in1-Laserlichtkabels in mehrere Einzelstrahlen eingerichtet sein. Durch die Einzelstrahlen kann ganz besonders von der Kernfaser ein Gauß(ähnliches) oder Tophat-Profil und/oder von der Ringfaser ein Donut (ähnliches" Profil erzeugt werden. Dies erlaubt eine Stabilisierung des beim Laserschweißen entstehenden sog. Keyholes bzw. der tiefen Dampfkapillare, eine präzise Einschweißtiefe und eine hohe Dichtheit der Schweißnaht.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn die Laserstrahleinrichtung mit einem Modulationsmodul zur Leistungsmodulation zumindest eines Teils des Laserstrahls eingerichtet ist. Durch das Modulieren der Leistung eines Teils des Laserstrahls, beispielsweise einzelner Teilstrahlen, oder des gesamten Laserstrahls kann die Schmelzbaddynamik beim Laserstrahlschweißen optimiert werden.
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Bevorzugt ist ferner, wenn die Laserstrahleinrichtung eine Laserstrahlquelle in Form eines Infrarotlasers oder, alternativ, in Form eines VIS-Lasers aufweist. Unter einem VIS-Laser wird dabei ein Laser verstanden, der Laserstrahlen im sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) aussendet. Dabei kann der Infrarotlaser beispielsweise zum Emittieren von Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.200 nm, insbesondere für einen Bereich von 1.030 nm bis 1.070 nm, eingerichtet sein. Der VIS-Laser kann beispielsweise zum Emittieren von Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 450 nm (blaues Licht) und/oder bei einer Wellenlänge von 515 nm (grünes Licht) eingerichtet sein.
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Die Laserstrahleinrichtung kann zum Emittieren von zwei oder mehr Laserstrahlen eingerichtet sein, welche sich eine optische Achse teilen, insbesondere deckungsgleiche optische Achsen aufweisen, und insbesondere unterschiedliche Strahldurchmesser aufweisen. Auch dies erlaubt eine Stabilisierung des beim Laserschweißen entstehenden Keyholes, eine präzise Einschweißtiefe und eine hohe Dichtheit der Schweißnaht. Ein derartiger Multimode-Laser, also ein Laser, der zwei oder mehr Laserstrahlen emittiert, kann für Strahldurchmesser der Laserstrahlen im Bereich von 50 pm bis 170 pm eingerichtet sein. Einzelne Laserstrahlen können im Bereich des 0,1-fachen bis 10-fachen des Strahldurchmessers eines oder mehrerer anderer Laserstrahlen liegen. Die zwei oder mehr Laserstrahlen können aber auch denselben Strahldurchmesser aufweisen. Unabhängig davon, ob ein Singlemode-Laser, beispielsweise ein unter der Bezeichnung TruFiber 500-2000 von TRUMPF vertriebener Laser, oder Multimode-Laser, beispielsweise ein von TRUMPF unter der Bezeichnung TruDisk 2000-5000 vertriebener Scheibenlaser, eingesetzt wird, kann die Laserleistung P jeweils eines oder mehrerer Laserstrahlen, also pro Spot, beispielsweise im Bereich von P = 10 W bis 2.000 W, insbesondere im Bereich von 50 W bis 700 W, liegen.
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Zur Lösung der eingangs erwähnten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Scannerschweißen von zumindest zwei Werkstücken mittels der hierin vorgeschlagenen Scannerschweißvorrichtung vorgeschlagen. Dabei wird der von der Laserstrahleinrichtung emittierte Laserstrahl mittels der Scanneroptik innerhalb eines Scanfelds der Scanneroptik entlang einer Schweißtrajektorie auf der zumindest einen Bearbeitungsoberfläche des zumindest einen der zumindest zwei Werkstücke vorgeschoben.
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Dabei kann ganz besonders vorgesehen sein, dass die zumindest zwei Werkstücke metallische Bipolarplatten sind. Beim Schweißen von metallischen Bipolarplatten können die mit der Scannerschweißvorrichtung einhergehenden und in Bezug darauf erläuterten erfindungsgemäßen Vorteile in besonderem Maße genutzt werden, wobei neben der Anwendung bei metallischen Bipolarplatten von Brennstoffzellen selbstverständlich auch andere Anwendungsgebiete in Betracht kommen.
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Außerdem hat sich das erfindungsgemäße Schweißverfahren als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die zumindest zwei Werkstücke, insbesondere Bipolarplatten, aus Edelstahl ausgebildet sind.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest eines der beiden Werkstücke als ein Blech mit einer Blechdicke im Bereich von 50 pm bis 150 pm, insbesondere im Bereich von 60 pm bis 100 pm, ausgebildet ist. Beispielsweise sind Blechdicken von ca. 75 µm besonders gut mit dem erfindungsgemäßen Verfahren schweißbar.
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Auch hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn ein Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls im Bereich von 0,3 mm*mrad bis 18 mm*mrad, insbesondere im Bereich von 0,38 mm*mrad bis 16 mm*mrad, liegt. Bei Einsatz eines Singlemode-Lasers hat sich dabei ein SPP von 0,6 mm*rad oder weniger als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bei Einsatz eines Multimode-Lasers ist dabei ein SPP von 3 mm*rad oder weniger besonders vorteilhaft.
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Auch hat sich herausgestellt, dass es hinsichtlich der Prozessführung vorteilhaft ist, wenn ein Strahldurchmesser des Laserstrahls im Bereich von 10 pm bis 300 pm, insbesondere im Bereich von 30 pm bis 170 pm, liegt. Bei Einsatz eines Singlemode-Lasers hat sich dabei ein Strahldurchmesser im Bereich von 30 pm bis 70 pm und bei Einsatz eines Multimode-Lasers hat sich dabei ein Strahldurchmesser im Bereich von 50 pm bis 170 pm als vorteilhaft erwiesen.
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Bei Einsatz einer Laserstrahlquelle in Form eines Infrarotlasers in der Laserstrahleinrichtung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Wellenlänge des Laserstrahls im Bereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere im Bereich von 1030 nm bis 1070 nm, liegt.
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Wiederum hat sich bei Einsatz einer Laserstrahlquelle in Form eines VIS-Lasers in der Laserstrahleinrichtung als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Wellenlänge des Laserstrahls im Bereich von 380 nm bis 530 nm, ganz besonders im Bereich von 400 nm bis 515 nm oder im Bereich von 400 nm bis 450 nm (blaues Licht) einschließlich 515 nm (grünes Licht), liegt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhafterweise Vorschubgeschwindigkeiten des Laserstrahls im Bereich von 100 mm/s bis 5.000 mm/s, insbesondere im Bereich von 300 mm/s bis 2.000 mm/s, liegen bzw. erzielt werden, wodurch ein schnelles Schweißen bei dennoch hoher Schweißgüte erzielbar ist.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Scannerschweißvorrichtung;
- 2 einen Ausschnitt der Scannerschweißvorrichtung aus 1; und
- 3 ein Scanfeld der Scanneroptik der Scannerschweißvorrichtung aus 1.
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1 zeigt eine Scannerschweißvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Scannerschweißvorrichtung 100 ist zum Fügen der zwei gezeigten Werkstücke 7 mittels Scannerschweißens miteinander eingerichtet. Die beiden Werkstücken 7 sind dabei in dem vorliegenden Beispiel eines erfindungsgemäßen Scannerschweißverfahrens metallische Bipolarplatten 7 aus Aluminium.
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Für das Durchführen des Schweißvorgangs weist die Scannerschweißvorrichtung 100 die in 1 gezeigte Laserstrahleinrichtung 10 und eine Scanneroptik 20 auf. Diese können vollständig oder teilweise in einem nicht gezeigten Laserbearbeitungskopf der Scannerschweißvorrichtung 100 angeordnet sein, der wiederum mittels einer nicht gezeigten Bewegungseinrichtung, etwa eines Roboterarms, der Scannerschweißvorrichtung 100 verfahrbar sein kann. Grundsätzlich erlaubt allerdings die Scanneroptik 20 einen Vorschub des von der Laserstrahleinrichtung 10 erzeugten Laserstrahls 1 innerhalb des von diesem abgedeckten Bearbeitungsfeld bzw. Scanfeld 6, wie später näher erläutert wird.
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Die Laserstrahleinrichtung 10 umfasst eine Laserstrahlquelle 11, welche beispielsweise ein Infrarotlaser oder ein VIS-Laser sein kann. Von dieser Laserstrahlquelle 11 wird erzeugte Laserstrahlung in ein Kabel bzw. eine Faser gekoppelt, welche vorliegend durch ein 2in1-Lichtleiterkabel 12 gebildet ist, welche ihrerseits einen inneren Faserkern 13 und äußeren Faserkern 14 bzw. eine Ringfaser aufweist, welche um den inneren Faserkern 13 herum angeordnet ist. Aus dem Lichtleiterkabel 12 wird ein Laserstrahl 1 bzw. werden Laserstrahlen 1 auf eine Scanneroptik 20 emittiert.
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Die Scanneroptik 20 umfasst eine Kollimationslinse 21, einen drehbaren Spiegel 22 und eine Fokuslinse 23 auf. Durch Drehen des Spiegels 22 kann der Laserstrahl 1 dabei auf einer Bearbeitungsoberfläche 8 des oberen der beiden Werkstücke bzw. Bipolarplatten 7 vorgeschoben bzw. verschoben werden, um mittels des hochenergetischen Laserstrahls 1 ein Laserstrahlschweißen entlang einer vorgegebenen Schweißtrajektorie 5 (siehe 3) bereitzustellen. Dabei wird der Laserstrahl 1 entlang der x-y-Ebene der 3 bzw. des in 1 gezeigten x,y,z-Koordinatensystems verschoben.
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2 zeigt nun einen Ausschnitt der Scannerschweißvorrichtung 100 der 1 mit einem Ende des Lichtleitkabels 12, aus dem die Laserstrahlen 1 ausgekoppelt werden, und der Kollimationslinse 21 der Scanneroptik 20.
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Zu sehen ist dabei ein wie schon in der 1 eingezeichneter Laserstrahl 1. Zwischen dem Lichtleitkabel 12 und der Kollimationslinse 21 ist die Kollimationsbrennweite fc bestimmbar.
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Der Laserstrahl 1 wird unter einem Öffnungswinkel α aus dem Lichtleitkabel 12 emittiert. Abhängig von dem Brechungsindex n eines Mediums zwischen Laserlichtkabel 12 und Kollimationslinse 21, der beispielsweise bei Luft als Medium ungefähr 1 beträgt, bestimmt die numerische Apertur NA nach der Formel NA = n x sin(α/2) den Öffnungswinkel α.
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Vorliegend ist die numerische Apertur NA dabei auf beispielsweise 0,11, 0,12 oder einen Wert dazwischen eingestellt, wodurch ein großes Scanfeld 6 mit einer Fläche von 50 mm x 36 mm oder größer ermöglicht wird, welches die gesamte Bearbeitungsoberfläche 8 der Bipolarplatte 7 abdeckt, wie 3 zeigt.
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Möglich ist ferner, dass Abbildungsverhältnisse von 5:1 oder kleiner eingesetzt werden. dadurch kann zudem ein kleiner Strahldurchmesser 3 erzeugt werden, wie er in der 3 an dem Spot 2 des Laserstrahls 1 gezeigt ist. Zu sehen ist in der 3 zudem die Vorschubrichtung von links nach rechts entlang der Schweißtrajektorie 5 bzw. der vorgegebenen Schweißlinie, entlang derer die Schweißnaht zwischen den beiden Werkstücken 7 erzeugt werden soll, anhand der Form des gezeigten Keyholes 4.
