WO2023016719A1 - SCHWEIßVERFAHREN UND SCHWEIßVORRICHTUNG ZUM SCHWEIßEN VON BAUTEILEN - Google Patents

SCHWEIßVERFAHREN UND SCHWEIßVORRICHTUNG ZUM SCHWEIßEN VON BAUTEILEN Download PDF

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WO2023016719A1
WO2023016719A1 PCT/EP2022/069044 EP2022069044W WO2023016719A1 WO 2023016719 A1 WO2023016719 A1 WO 2023016719A1 EP 2022069044 W EP2022069044 W EP 2022069044W WO 2023016719 A1 WO2023016719 A1 WO 2023016719A1
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WO
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laser beam
welding
laser
moved
trajectory
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PCT/EP2022/069044
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Inventor
Axel Bormann
Christoph Straubmeier
Dmitriy Mikhaylov
Johannes Hagen
Philipp Krueger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]

Definitions

  • the invention presented relates to a welding method and a welding device for welding components.
  • Laser welding devices are used when welding components, in particular sheet metal for the production of, for example, bipolar plates for fuel cell systems.
  • the invention presented is used to quickly weld two components together.
  • the presented invention serves to produce a bipolar plate for a fuel cell system.
  • a laser beam is to be understood as meaning a pattern of light beams.
  • a laser beam can have any intensity distribution.
  • a laser beam can be round or produce a round laser welding point.
  • a laser beam can generate a number of laser welding spots.
  • the presented invention is based on the use of a laser beam pattern, i.e. a spatial shaping of laser beams.
  • a laser beam pattern i.e. a spatial shaping of laser beams.
  • at least two laser beams i.e. a first laser beam and a further laser beam, are coordinated with one another, i.e. moved in a predetermined spatial and temporal relationship to one another.
  • a coordinated movement of the first laser beam and the second laser beam means that a component to be welded is heated and cooled in a controlled manner and the deflection of a material mixture of melt pool flow and subsequent solidification front out of a weld seam, which is typical for "humping", is minimized.
  • the combination of a first laser beam and a further laser beam provided according to the invention divides the energy required for a welded connection or a weld seam between at least two laser beams, so that a component to be welded is heated and cooled in a controlled manner and material escapes from a part, which is typical for "humping". weld pool is minimized.
  • the first laser beam can cause a preconditioning of a material to be welded and the second laser beam a postconditioning of a solidification front, so that a so-called "humping limit", i.e. a welding feed rate at which process instabilities occur in the welding process, is shifted upwards.
  • a so-called "humping limit” i.e. a welding feed rate at which process instabilities occur in the welding process.
  • the first laser beam and the further laser beam are moved in a predetermined spatial and temporal relation to one another.
  • the first laser beam and the second laser beam are moved in a choreography, for example by using a laser that generates the first laser beam as a master, the movement of which is followed by a laser that generates the second laser beam as a slave.
  • the second laser beam can of course be moved slightly offset, in particular laterally offset, to a path along which the first laser beam is moved.
  • the first laser beam and the second or further laser beam are moved at a distance from one another, with a distance between the laser beams corresponding, for example, to five, ten or fifteen times the cross section of the first laser beam.
  • a linear configuration in which several laser beams are moved along a common path, in particular along a straight line, an energy input that is provided by the first laser beam and another laser beam together can be controlled particularly effectively, so that a very narrow process window is maintained can be.
  • a subsequent laser beam can be adjusted in response to energy introduced into a component by a preceding laser beam, for example to achieve controlled cooling of a melt pool melted by the preceding laser beam and, as a result, to build up a solidification front gradually and in a correspondingly controlled manner.
  • a spatially offset arrangement of the first laser beam in relation to the other laser beam allows energy to be introduced into a molten pool melted by the first laser beam while the setting or energy of the additional laser beam remains the same be controlled, for example, to achieve controlled cooling of a molten bath melted by the laser beam running ahead and, as a result, to gradually build up a solidification front.
  • the additional laser beam can be arranged, for example, in such a way that a predetermined average energy input takes place over a predetermined period of time in the melt pool.
  • a first, leading laser can be set, e.g. with a small beam diameter, in such a way that it generates a molten pool and a second, trailing laser can be set with a large or larger beam diameter in such a way that it prevents or prevents the sudden formation of a solidification front over a large area. a gradual cooling of the molten pool.
  • a beam diameter of the further laser beam can correspond to twice, four times or six times a diameter of the first laser beam.
  • a first, leading laser can be set, for example, by means of a high power such that it generates a molten pool and a second, trailing laser can be set with a low or lower power in such a way that it prevents the sudden formation of a solidification front or causes a gradual cooling of the molten pool.
  • the trailing laser beam can cause an energy input into a component that corresponds to half or a quarter of the energy input of the preceding laser.
  • first or preceding laser beam and the at least one further or following laser beam require the same energy input or have the same power.
  • a distance between the first laser beam and the at least one second laser beam is between 300 pm and 1000 pm and a welding feed, with which the first laser beam and the second laser beam are moved, is between 1.25 m/s and 1.5 m/s. s, and a power with which the first laser beam and the at least one second laser beam are provided is between 700 W and 900 W in total for all laser beams.
  • a process window in which the distance between the first laser beam and the at least one second laser beam is between 300 pm and 1000 pm and a welding feed, with which the first laser beam and the second laser beam are moved, is between 1.25 m/ s and 1.5 m/s, and a power with which the first laser beam and the at least one second laser beam are provided is between 700 W and 900 W, is particularly advantageously suitable for producing bipolar plates for a fuel cell system with a thickness of less than 100 ⁇ m.
  • a particularly simple and correspondingly robust control can be achieved by a synchronous movement of several laser beams
  • Control parameters that are used to control a first laser beam can also be used to control a further laser beam.
  • a particularly large area can be heated by using a large number of further laser beams, which are provided in addition to a respective first laser beam, so that the formation of a solidification front in the large area is prevented or controlled and humping is avoided particularly effectively.
  • the other laser beams can be arranged in a pattern around a melt pool created by the respective first laser beam, i.e. on different sides of the melt pool, so that, for example, a "V-shape" results from the first laser beam and two on each side one through the first laser beam melted weld pool results.
  • the welding device is designed to carry out the welding method described above and has corresponding means.
  • the welding device for welding components has: a first laser, at least one second laser, a control device, the control device being configured to control the first laser as the master in such a way that it generates a first laser beam that is on a predetermined trajectory moves, and to control the at least one second laser as a slave in such a way that it generates at least one second laser beam, which moves along the specified trajectory, the control device being configured to control the first laser and the at least one second laser in such a way that the first laser beam and the at least one second laser beam are moved to one another in a predetermined spatial and temporal relationship, so that bulges in a weld seam produced by the first laser beam and the second laser beam are minimized.
  • the control device is configured to control the first laser and the at least one second laser in such a way that the first laser beam and the at least one second laser beam are moved along the trajectory with a welding feed rate of at least 1 m/s.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of the welding process according to the invention based on a pattern of laser beams
  • FIG. 2 shows an example of a further pattern of laser beams according to a possible embodiment of the welding method according to the invention
  • FIG. 3 shows a further example of a further pattern of laser beams according to a further possible embodiment of the welding method according to the invention
  • FIG. 4 shows a representation of a progression of a welding quality using the welding method according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of the welding device according to the invention.
  • a welding method 100 is shown in FIG.
  • the first laser beam 103 and the second laser beam 105 are moved in a fixed spatial and temporal relationship to one another, in this case at a distance “D”, so that energy is introduced into the component or components to be welded by the first laser beam 103 and the second laser beam 105 takes place together.
  • the joint energy input means that the sample 101 can be moved with a welding feed rate "V" greater than 1m/s, since processes that lead to so-called "humping" are minimized.
  • the second laser beam 105 causes a gradual cooling of a melt pool melted by the first laser beam 103, so that a sudden formation of a solidification front, which would lead to material being ejected from the melt pool, is avoided.
  • the welding method 100 enables a very rapid movement of the pattern 101 in a welding process, so that complex welding devices used in parallel, for example for the production of bipolar plates, can be dispensed with.
  • the pattern 101 according to FIG. 1 consists of laser beams 103 and 105 tracking one another along a line.
  • the second laser beam 105 is operated with the same process parameters or the same settings as the first laser beam 103 and the first laser beam 103 is tracked at the specified distance “D”.
  • the distance “D” may be five times, ten times, or fifteen times a cross section of the first laser beam 103 .
  • energy is introduced into the component in equal parts by the first laser beam 103 and the second laser beam 105 .
  • Figure 2 shows a pattern 201 made up of a first laser beam 203 and a second laser beam 205, with the first laser beam 203 having a smaller cross-section than the second laser beam 205.
  • a cross section of the second laser beam 205 is twice, four times or six times larger than the cross section of the first laser beam 203.
  • the larger cross section of the second laser beam 205 compared to the first laser beam 203 means that a solidification front that forms in a melt pool melted by the first laser beam 203 is only gradually heated, so that material is prevented from being ejected from the melt pool.
  • a distance between the first laser beam and the at least one second laser beam is between 300 pm and 1000 pm, in particular 1250 pm, and a welding feed, with which the first laser beam and the second laser beam are moved, is between 1.25 m/s and 1 5 m/s, in particular 1.35 m/s and a power with which the first laser beam and the at least one second laser beam are provided together, between 700 W and 900 W, in particular 800 W.
  • a pattern 301 made up of a first laser beam 303, a second laser beam 305 and a third laser beam 307 is shown in FIG.
  • the first laser beam 303 is used to melt a molten pool and the second laser beam 305 and the third laser beam 307 are used to control cooling of the molten pool melted by the first laser beam 303 .
  • the second laser beam 305 and the third laser beam 307 are laterally offset from a path on which the first laser beam 303 moves and correspondingly laterally offset by a predetermined distance from the path Molten pool arranged as indicated by arrow 309.
  • FIG. 4 shows a diagram 400 that spans a distance between a first laser beam and a second laser beam at laser beam spacings of 50 ⁇ m on its abscissa and a welding quality in a unit normalized to 1 on its ordinate.
  • a welding device 500 is shown in FIG.
  • the welding device 500 comprises a first laser 501, a second laser 503 and a control device 505.
  • the control device 505 is configured to control the first laser 501 as a master in such a way that it generates a first laser beam that moves on a predetermined trajectory, and to control the second laser 503 as a slave in such a way that it generates a second laser beam that moves moved along the specified trajectory.
  • the control device 505 is also configured to control the first laser 501 and the second laser 503 in such a way that the first laser beam and the second laser beam are moved in a predetermined spatial and temporal relationship to one another, so that bulges in one caused by the first laser beam and the second Laser beam generated weld can be minimized.
  • the control device 505 is also configured to control the first laser 501 and the second laser 503 in such a way that the first laser beam and the second laser beam are moved along the trajectory with a welding feed rate of at least 1 m/s.
  • Controller 505 may be a computer, controller, or any other programmable circuit.

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Schweißverfahren (100) zum Schweißen von Bauteilen, bei dem ein erster Laserstrahl (103, 203, 303) und mindestens ein zweiter Laserstrahl (105, 205, 305) an einer vorgegebenen Trajektorie entlang bewegt werden, wobei der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden, sodass Aufwölbungen in einer durch den ersten Laserstrahl (103, 203, 303) und den mindestens einen zweiten Laserstrahl (105, 205, 305) erzeugten Schweißnaht minimiert werden, und wobei der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl mit einem Schweißvorschub von mindestens 1m/s entlang der Trajektorie bewegt werden.

Description

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

Claims

Ansprüche
1. Schweißverfahren (100) zum Schweißen von Bauteilen, wobei ein erster Laserstrahl (103, 203, 303) und mindestens ein zweiter Laserstrahl (105, 205, 305) an einer vorgegebenen Trajektorie entlang bewegt werden, wobei der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden, sodass Aufwölbungen in einer durch den ersten Laserstrahl (103, 203, 303) und den mindestens einen zweiten Laserstrahl (105, 205, 305) erzeugten Schweißnaht minimiert werden, und wobei der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl mit einem Schweißvorschub von mindestens 1m/s entlang der Trajektorie bewegt werden.
2. Schweißverfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) linear hintereinander entlang der Trajektorie bewegt werden.
3. Schweißverfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) räumlich versetzt zueinander entlang der Trajektorie bewegt werden. Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) als Master an der Trajektorie entlanggeführt wird und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) als Slave dem ersten Laserstrahl (103, 203, 303) nachgeführt wird. Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) einen anderen Durchmesser hat als der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305). Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) eine andere Leistung hat als der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305). Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) eine gleiche Leistung hat wie der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305). Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem ersten Laserstrahl (103, 203, 303) und dem mindestens einen zweiten Laserstrahl (105, 205, 305) zwischen 300pm und 1000pm beträgt und ein Schweißvorschub, mit dem der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der zweite Laserstrahl (105, 205, 305) bewegt werden, zwischen 1,25m/s und 1,5m/s, und eine gemeinsame Leistung, mit der der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl bereitgestellt (105, 205, 305) werden, zwischen 700W und 900W beträgt. - 14 - Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) synchron zueinander bewegt werden. Schweißverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) einen zweiten Laserstrahl (305) und einen dritten Laserstrahl (307) umfasst. Schweißvorrichtung (500) zum Schweißen von Bauteilen, wobei die Schweißvorrichtung (500) umfasst:
- einen ersten Laser (501),
- mindestens einen zweiten Laser (503),
- ein Kontrollgerät (505), wobei das Kontrollgerät (505) dazu konfiguriert ist, den ersten Laser (501) als Master derart anzusteuern, dass dieser einen ersten Laserstrahl (103, 203, 303) erzeugt, der sich auf einer vorgegebenen Trajektorie bewegt, und den mindestens einen zweiten Laser (503) als Slave derart anzusteuern, dass diese mindestens einen zweiten Laserstrahl (105, 205, 305) erzeugt, der sich an der vorgegebenen Trajektorie entlang bewegt, wobei das Kontrollgerät (505) dazu konfiguriert ist, den ersten Laser (501) und den mindestens einen zweiten Laser (503) derart anzusteuern, dass der erste Laserstrahl (103, 203, 303) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (105, 205, 305) in einer vorgegebenen räumlichen und zeitlichen Relation zueinander bewegt werden, sodass Aufwölbungen in einer durch den ersten Laserstrahl (103, 203, 303) und den zweiten Laserstrahl (105, 205, 305) erzeugten Schweißnaht minimiert werden, und wobei das Kontrollgerät (505) dazu konfiguriert ist, den ersten Laser (501) und den mindestens einen zweiten Laser (503) derart anzusteuern, dass der erste Laserstrahl (501) und der mindestens eine zweite Laserstrahl (503) mit einem Schweißvorschub von mindestens 1m/s entlang der Trajektorie bewegt werden.
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