WO2023131468A1 - Method for laser welding a flow field plate of a fuel cell, having a weld pool produced using a plurality of laser spots - Google Patents

Method for laser welding a flow field plate of a fuel cell, having a weld pool produced using a plurality of laser spots Download PDF

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WO2023131468A1
WO2023131468A1 PCT/EP2022/085024 EP2022085024W WO2023131468A1 WO 2023131468 A1 WO2023131468 A1 WO 2023131468A1 EP 2022085024 W EP2022085024 W EP 2022085024W WO 2023131468 A1 WO2023131468 A1 WO 2023131468A1
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WO
WIPO (PCT)
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laser
spots
individual beams
plate parts
ensemble
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/085024
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German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver BOCKSROCKER
Nicolai Speker
Tim Hesse
Philipp Scheible
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36Electric or electronic devices

Definitions

  • the invention relates to a method for laser welding a bipolar plate for a fuel cell, two plate parts being welded to one another along at least one weld seam.
  • bipolar plates are used for the distribution of gases, in particular hydrogen and oxygen, the removal of water (water of reaction), the gas-tight separation between adjacent cells and the seal to the outside and cooling.
  • gases in particular hydrogen and oxygen
  • water water of reaction
  • the bipolar plate on the hydrogen side absorbs the electrons that are released and feeds them back to the oxygen side.
  • Such bipolar plates can have two metallic plate parts that are welded together.
  • weld seams must be fluid-tight lead to guide gases and water in defined paths.
  • weld seams serve to connect the two plate parts electrically and mechanically. It has become known from the subsequently published German patent application 10 2021 113 834.5 to produce at least one peripherally closed first weld seam with a first seam width and at least one second weld seam with a second seam width when laser welding plate parts of a bipolar plate, the second seam width being larger than the first seam width.
  • a method of the type mentioned at the beginning which is characterized in that the laser welding takes place along the at least one weld seam with a laser beam ensemble comprising at least three individual beams, the individual beams each generating a laser spot on a surface of the plate parts, and that the at least three individual beams of the laser beam ensemble produce a common melt pool in the plate parts.
  • a molten bath, with which the at least one weld seam of the plate parts of the bipolar plate is produced is not produced with a single laser beam, but with a laser beam ensemble comprising several individual beams (individual laser beams).
  • the laser spots generated by the individual beams are close enough together to create a common (continuous) melt pool in the plate parts. Since, within the scope of the method according to the invention, a plurality of laser spots jointly produce a single, common molten pool, the procedure according to the invention is also referred to as multi-spot welding with a mono molten pool.
  • the individual beams of the laser beam ensemble are applied at the same time and are guided together (synchronously) along the weld seam relative to the plate parts as part of a feed.
  • the weld can be made with fewer defects, in particular a significant reduction in microcracks in the weld can be achieved, especially at high ones Feed speeds, for example 1500 mm/s or more, or even 2000 mm/s or more.
  • the width B of the weld seam produced with the laser beam ensemble is typically at least 2 times as large, preferably at least 3 times as large , such as the largest laser spot diameter GDL in the laser beam ensemble (i.e. B>2*GDL or preferably B>3*GDL), in the direction transverse to the (local) welding direction.
  • a molten pool that is stable under the applied feed can be achieved, which solidifies in a uniform manner, so that the weld seam obtained has only few fluctuations in the seam quality over its length (in particular in the seam width or the welding depth).
  • Laser welding is carried out with high precision, especially in the welding regime. Accordingly, good (minimum) fluid tightness, and in particular gas tightness, of the weld seams of the bipolar plate can be ensured with high reliability.
  • the laser spots of the laser beam ensemble pass over the at least one welding seam completely (at least) once. If desired, additional crossings of the weld seam can be carried out with one or more laser beams, in particular again with an ensemble of laser beams, for example with the same ensemble of laser beams. Note that
  • the location of one or more laser beams (in particular a laser beam ensemble) of a pass can be determined based on the center of gravity of the laser power applied (on the workpiece surface). If only a single pass is used for laser welding the weld seam, the associated welding curve of the laser beam ensemble typically lies on the center line of the weld seam.
  • all crossings of the weld seam are preferably carried out with an ensemble of laser beams when producing a weld seam.
  • the several individual laser beams of the laser beam ensemble can be generated.
  • a laser source and several laser optics e.g. using a laser source with several light paths, among which the laser beam can be switched, with a different laser optic being connected to each light path via a fiber optic cable), or
  • Element for dividing an original laser beam into several laser beams e.g. B. Multifocal lens, optical wedge plate, diffractive optical element (DOE) or refractive optical element (ROE).
  • DOE diffractive optical element
  • ROE refractive optical element
  • the laser welding typically takes place as deep welding (that is to say with at least one vapor capillary; the vapor capillaries produced by the individual beams typically merge into one another at least in an upper region); in this way, in particular, a high feed rate can be achieved.
  • the laser welding of the plate parts arranged in an overlapping manner can be carried out as welding in or through welding.
  • the laser spots of the laser beam ensemble are preferably aligned in such a way that the orientation of the laser spots in relation to the feed direction can be arbitrary without noticeably influencing the laser welding (in particular with an equal power distribution between the laser spots); then cornering along the weld seam is particularly easy.
  • a specific orientation of the laser spots to the feed direction can also be specified (in particular with an unequal power distribution of the laser spots); when cornering along the weld seam, the laser beam ensemble must then also be rotated (for example by rotating a corresponding optical element for beam splitting into the individual beams).
  • the laser spots of the individual beams of the individual beams on the workpiece surface are preferably separate from one another, as a result of which intensity peaks due to superimposition of laser spots in the melt pool are avoided and the melt pool dynamics can be calmed down.
  • the individual beams produce adjacent laser spots on the workpiece surface (with respect to their laser spot centers).
  • the metallic plate parts of the bipolar plate are arranged overlapping for welding (typically with a congruent, aligned edge contour).
  • the plate parts of the bipolar plates typically have a profiling through which channels for cooling water and external guides can be formed between the plate parts. ments for water of reaction and/or gases, in particular hydrogen and oxygen, are formed.
  • the bipolar plates typically have one or more openings with which gas can be transported in the stack direction in the fuel cell stack.
  • the laser spot centers of the laser spots of the beam set are arranged in a ring formation.
  • the beam set can include three, four, five or six laser spots, for example.
  • the laser spot centers on the workpiece surface in a ring formation contribute to a smooth weld pool;
  • a directional dependency of the laser welding can be reduced with the laser beam ensemble.
  • the beam set may include all of the individual beams of the laser beam ensemble, or alternatively in addition to that
  • the laser beam ensemble can include one or more other individual beams.
  • a further development of this variant is particularly preferred, in which the laser spot centers of the radiation set form a regular polygon on the surface of the plate parts. As a result, the molten pool can be calmed further and the directional dependency can be further reduced.
  • a further development in which the laser spots of the radiation set are separate from one another on the surface of the plate parts is also advantageous. The laser spots of the beam set therefore do not overlap. This avoids local peaks in laser intensity, which means that the weld pool can be kept particularly quiet.
  • a further development is also preferred in which the laser spots of the radiation set have the same diameter and/or the individual beams of the radiation set have the same laser power. This also contributes to calming the weld pool and further reducing the directional dependency.
  • a further development is also advantageous which provides that for a distance a between the laser spot centers of adjacent laser spots in the ring formation: a ⁇ 10*GDR, with GDR: largest laser spot diameter in the ring formation.
  • GDR largest laser spot diameter in the ring formation.
  • the laser beam ensemble has a further individual beam, with a laser spot center of the further laser spot being arranged in a center of the ring arrangement of the beam set.
  • a laser spot center of the further laser spot is arranged in a center of the ring arrangement of the beam set.
  • an intensity minimum in the middle of the radiation set can be minimized, which can contribute to the stabilization of the (common) vapor capillary.
  • the further individual beam can have a different laser spot diameter (in particular a smaller laser spot diameter) than the laser spots of the beam set, and/or that the further individual beam can have a different laser power (in particular a smaller laser power) than the individual beams of the beam set. sets.
  • At least three further individual beams of the laser beam ensemble form an additional beam set, and that the laser spot centers of the laser spots of the additional beam set are arranged in an additional ring formation, with the additional ring formation is arranged concentrically with the ring formation, and wherein a respective distance of the laser spot centers of the laser spots of the additional ring formation to a center of the ring formation is smaller than a distance of the laser spot centers of the laser spots of the ring formation to the center of the ring formation.
  • the other individual beams can have a different laser power (in particular a lower laser power) than the individual beams of the beam set.
  • the laser spot centers of the additional ring formation typically form a regular polygon.
  • the diameters of the laser spots and the laser powers for the other individual beams of the additional beam set are all the same.
  • the laser spots of the additional beam set preferably do not overlap one another, but preferably they overlap with the laser spots of the beam set.
  • DZ ⁇ DS a maximum diameter of the laser spots of the additional set of rays and for a maximum diameter DS of the laser spots of the set of rays.
  • DZ ⁇ DS a maximum diameter of the laser spots of the additional set of rays
  • DZ ⁇ 0.5*DS or DZ ⁇ 0.3*DS also applies.
  • the additional laser power of the additional beam set can then be better concentrated on the area or areas of the beam set with low laser intensity, and the laser welding can take place with particularly high precision.
  • a variant of the method according to the invention is preferred, in which case for a maximum laser spot diameter GDL in the laser beam ensemble and for a smallest laser spot diameter KDL in the laser beam ensemble applies: KDL>l/10*GDL. This has proven itself in practice, especially in order to keep the expenditure on equipment low and to make a noticeable contribution to the heating of the melt pool even with small laser spots, without generating strong intensity peaks.
  • diameters of laser spots can generally be determined using the 86% criterion, according to which the diameter of a laser spot is determined in such a way that 86% of the total laser power of the associated individual beam (on the workpiece surface) is within a circle with it
  • a variant is particularly preferred in which the laser spots of the individual beams of the laser beam ensemble form an arrangement on a surface of the plate parts which has an N-fold rotational symmetry, with N>3.
  • N-fold rotational symmetry the laser spot arrangement is converted into itself with a rotation of 360°/N in each case.
  • the laser beam ensemble is divided by at least one optical element for dividing at least one primary laser beam is produced. This is a simple possibility in terms of apparatus to generate the laser beam ensemble or its individual beams.
  • the individual beams are in the form of superimposed individual laser beams, each comprising at least two partial beams which lie one inside the other on the surface.
  • a lower local laser power density is set up in a radially outer part of the superimposed individual laser beam and a locally higher power density is set up in a radially inner part of the superimposed individual laser beam.
  • a (local) vapor capillary in the area of the superimposed single laser beam can be stabilized during deep-penetration welding and the weld pool dynamics can be reduced.
  • the superimposed single laser beam typically has concentric partial beams on the workpiece surface. For the (outer) diameters dwinner (e.g.
  • the ratio dwinnemdwoutside is typically in the range of 1:1.1 to 1:6, preferably 1:3 to 1:5, particularly preferably 1:4.
  • KD: RD dwinnemdwoutside
  • the superimposed individual laser beam comprises a core beam and a ring beam that surrounds the core beam, or that the superimposed individual laser beam has a larger partial beam and a smaller partial beam that is located on the workpiece surface within the larger partial beam lies, includes. This procedure is particularly simple and has proven itself in practice.
  • a heterodyne single laser beam with core beam and ring beam is typically generated with a 2-in-1 fiber, and the core beam and ring beam have a common optical axis.
  • an original laser beam is guided in a multiclad fiber, comprising a core fiber and a ring fiber surrounding the core fiber, and that one from the Multiclad fiber exiting original laser beam is divided by means of an optical element on at least part of the individual beams.
  • the plate parts each have a sheet metal thickness BLD of between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • the plate parts are preferably made of stainless steel, e.g. type 1.4404.
  • the sheet thickness BLD is preferably 75 ⁇ m.
  • Corresponding metallic plate parts can be produced inexpensively and are particularly well suited to the requirements in a bipolar plate of a fuel cell, in particular with regard to corrosion resistance, electrical conductivity and workability during laser welding. Sheet thicknesses between 50 pm and 150 pm combine sufficient robustness with a light and material-saving construction. 5
  • a variant of the method according to the invention is also preferred, where:
  • the individual beams are generated with an infrared laser and have a mean wavelength of between 800 nm and 1200 nm, preferably 1030 nm or 1070 nm, or the individual beams are produced with a VIS laser with a mean wavelength of between 400 nm and 450 nm or between 500 nm and 550 nm generated; and or
  • the respective beam parameter product SPP of the individual beams is between 0.38 mm*mrad and 16 mm*mrad, preferably with SPP ⁇ 0.6 mm*mrad, particularly preferably with SPP ⁇ 0.4 mm*mrad; and or
  • the laser power P per individual beam is between 10W and 2000W, preferably with 50W ⁇ P ⁇ 700W; and or
  • a feed VS of the laser beam ensemble is between 100 mm/s and 5000 mm/s, preferably with 300 mm/s ⁇ VS ⁇ 2000 mm/s; and or
  • An imaging ratio AV of laser optics, with which the individual beams are imaged onto the workpiece is between 1:1 and 5:1, preferably with 1.5:1 ⁇ AV ⁇ 2:1.
  • the at least one weld seam comprises one or more self-contained weld seams. Closed weld seams are usually used to seal off fluids in the fuel cell (cooling water, reaction water, reaction gases, e.g. hydrogen, oxygen). Within the scope of the invention, closed weld seams can be manufactured with improved tightness, which makes the invention particularly advantageous here. Also preferred is a variant in which the at least one weld seam comprises at least one closed weld seam running around the outside of the plate parts.
  • the closed weld seam running around the outside ensures in particular that no coolant (cooling water) escapes into the reaction chambers of a fuel cell stack, and no reaction gases (such as hydrogen and oxygen) can get between the plate parts or even mix in an uncontrolled manner. Accordingly, the improved tightness that can be achieved with the invention is of particular advantage here.
  • bipolar plate for a fuel cell produced by welding two plate parts according to the method according to the invention described above. manufactured in such a way Te bipolar plates are distinguished by good fluid tightness at the at least one weld seam, and by a good mechanical and electrical connection between the plate parts. Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those detailed below can be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention with two plate parts which are connected to one another by a plurality of welded seams which are closed all the way round and a plurality of welded seams which extend in a straight line;
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a first variant of the invention, with a laser beam ensemble comprising three individual beams that form a beam set with three laser spots;
  • FIG. 3 shows three laser spots of a radiation set of a laser beam ensemble on a surface for welding two plate parts of a bipolar plate according to a second variant of the invention
  • FIG. 4 shows three laser spots of a radiation set and three further laser spots of an additional radiation set of a laser beam ensemble on a surface for welding two plate parts of a bipolar plate according to a third variant of the invention
  • 5 shows five laser spots of a radiation set of a laser beam ensemble on a surface for welding two plate parts of a bipolar plate according to a fourth variant of the invention
  • 6 shows three laser spots that are generated by three individual beams of a laser beam ensemble, the individual beams being designed as superimposed individual laser beams, for welding two plate parts of a bipolar plate according to a fifth variant of the invention
  • 7 shows a schematic representation of a forming arrangement for the invention in cross section, with which an exiting original laser beam can be provided for the method according to the invention
  • FIG. 8 shows an exemplary welding optics for dividing a primary laser beam into a laser beam ensemble for the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a bipolar plate 1 according to the invention for a fuel cell not shown in detail here; the bipolar plate 1 shown was produced within the scope of a method according to the invention.
  • the bipolar plate 1 is made up of an upper plate part 1a and a lower plate part 1b.
  • the two plate parts la, lb of the bipolar plate 1 are arranged one above the other.
  • the two plate parts la, lb have a profile (not shown).
  • the profiling forms a system (e.g. a meandering or double meandering system) of different channels.
  • the channels between the two plate parts la, lb are cooling fluid channels (typically for cooling water).
  • the channels on the outer surfaces of the two plate parts la, lb are ducts for gas (such as oxygen or hydrogen) and water (which occurs as reaction water in the fuel cell).
  • the two plate parts la, lb are made of a metallic material, e.g. B. stainless steel.
  • a sheet thickness BLD of the plate parts 1a, 1b is 75 pm here; Sheet thicknesses of between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m are generally preferred.
  • the two plate parts 1 a , 1 b are connected to one another by a large number of weld seams 2 (after application of the method according to the invention).
  • the weld seams 2 are shown schematically in dashed lines based on their center lines.
  • a circumferentially closed weld seam 2a runs on the outside of the two plate parts 1a, 1b.
  • Two closed weld seams 2b run around two openings 3, which extend through the bipolar plate 1.
  • Several open (here straight) welds 2c also run on the bipolar plate te 1.
  • the weld seams 2a, 2b are designed to be fluid-tight, in particular gas-tight.
  • the weld seams 2c are used for the mechanical and electrically highly conductive connection between the two plate parts 1a, 1b.
  • the present inventive method was applied to all welds 2a, 2b, 2c.
  • FIG. 2 shows a first variant of the method according to the invention, which is applied to the plate parts 1a, 1b of a bipolar plate 1 (as explained in FIG. 1).
  • the first variant is explained using weld seam 2a as an example.
  • the weld seam 2a in production is shown schematically in broken lines using its center line on a surface 4 ("workpiece surface"; upper side of the plate part 1a).
  • the weld seams 2b, 2c are also shown schematically in broken lines using their center lines.
  • the welding seam 2a is produced in the variant shown in FIG. 2 by means of a laser beam ensemble with three individual beams which are directed from above (perpendicular to the plane of the drawing) onto the upper plate part 1a.
  • the three individual beams of the laser beam ensemble together form a beam set.
  • the three individual beams of the beam set generate three laser spots 5a, 5b, 5c on the surface 4 of the two plate parts 1a, 1b.
  • the three laser spots 5a, 5b, 5c each have a laser spot center 6a, 6b, 6c.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c overlap slightly in their edge regions.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c of the radiation set are moved along a welding curve 8 as part of a feed (relative to a common center of gravity 7 of the laser spots 5a, 5b, 5c).
  • the welding curve 8 runs along the welding seam 2a (here on the center line of the welding seam 2a, the welding curve 8 is here identical to the center line of the welding seam 2a).
  • the direction of feed is marked with an arrow; the feed runs along a (local) welding direction SR.
  • the individual beams produce a common melt pool 9 of melted plate material.
  • the common melt pool 9 is widest. In contrast to the welding direction SR. the common molten pool 9 gradually becomes narrower.
  • At least three individual beams of the laser beam ensemble (or the individual laser spots 5a, 5b, 5c) generate a common melt pool 9.
  • the individual beams of the laser beam ensemble produce separate molten pools 9 that are separated from one another by plate material that has not been melted.
  • the weld seam 2a is completely produced in the variant shown.
  • the simultaneous action of the three individual jets allows for a better quality weld and a more precise weld;
  • the finished weld 2a can be made with fewer defects, and in particular, the weld 2a with few microcracks (compared to using only a single beam) can be obtained.
  • a comparatively wide weld seam 2a is produced, through which an improved mechanical and electrical connection between the plate parts la, lb
  • the individual beams of the laser beam ensemble can be generated with an optical element from a common original laser beam (see FIG. 8); the three individual beams are preferably also guided via a common scanning device.
  • the optical element can also be pivoted in curves of the weld seam 2a according to the curve, which enables a very compact construction (not shown in detail).
  • the laser spot 5a runs ahead and the laser spots 5b, 5c run behind. 0
  • Fig. 3 shows a schematic representation of three laser spots 5a, 5b, 5c of a beam set of three individual beams of a laser beam ensemble on a surface.
  • two plate parts of a bipolar plate can be welded with the three laser spots 5a, 5b, 5c.
  • the three laser spots 5a, 5b, 5c are all the same size here, and the diameter dw of the laser spots 5a, 5b, 5c on the workpiece is 100 ⁇ m in each case.
  • the three laser spot centers 6a, 6b, 6c are in the center of the three laser spots 5a, 5b, 5c.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c are separate from one another here; they do not touch or overlap each other.
  • the laser power of the individual beams is chosen to be the same here.
  • an average power density of the three laser spots 5a, 5b, 5c on the surface is also the same here. In this way, a melt pool generated on the surface by the lasers 5a, 5b, 5c can be kept particularly still, since local peaks in the laser intensity of the laser beam ensemble are avoided.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c are arranged in a ring formation 10 which encloses an inner surface.
  • the corner points of a regular polygon 11, here a regular triangle 11a can be defined by the laser spot centers 6a, 6b, 6c.
  • the distances a between the laser spot centers 6a, 6b, 6c from adjacent, i. H. in the ring formation 10 adjacent laser spot centers 6a, 6b, 6c are here each 108 pm.
  • all the laser spot centers 6a, 6b, 6c are next to one another.
  • the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in dashed lines) around the common center 12.
  • the ring arrangement 10 can calm the melt pool dynamics and reduce the directional dependency.
  • 4 shows a schematic representation of three laser spots 5a, 5b, 5c of a set of three individual beams and three laser spots 5a', 5b', 5c' of an additional set of three additional individual beams of a laser beam ensemble on a surface. With the three laser spots 5a, 5b, 5c and the three laser spots
  • two plate parts of a bipolar plate can be welded 5 5a′, 5b′, 5c′.
  • the three laser spots 5a, 5b, 5c of the beam set are all the same size here, and the diameters dw of the laser spots 5a, 5b, 5c on the workpiece are each 100 ⁇ m here.
  • the diameter dw is also the maximum
  • Diameter DS of the laser spots 5a, 5b, 5c of the beam set Diameter DS of the laser spots 5a, 5b, 5c of the beam set.
  • the three laser spot centers 6a, 6b, 6c are in the center of the three laser spots 5a, 5b, 5c.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c are separate from one another here; they do not touch or overlap each other. 5
  • the three laser spots 5a', 5b', 5c' of the additional beam set are also all the same size here, and the diameter dw' of the laser spots 5a', 5b', 5c' on the workpiece is 20 ⁇ m here.
  • the diameter dw' is also the maximum diameter DZ of the laser spots 5a', 5b', 5c' of the
  • laser spots 5a', 5b', 5c' are three laser spot centers 6a', 6b', 6c'.
  • the laser spots 5a', 5b', 5c' touch each other exactly here.
  • laser spot 5a partially overlaps laser spot 5a'
  • laser spot 5b partially overlaps laser spot 5b'
  • laser spot 5c partially overlaps laser spot 5c'.
  • the distances a between the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the adjacent laser spot centers 6a, 6b, 6c in the ring formation 10 are all the same size and are each 108 ⁇ m here.
  • the laser spots 5a', 5b', 5c' are arranged in an additional ring formation 10'.
  • the additional ring formation 10 ′ is arranged concentrically with the ring formation 10 .
  • the distances a' between the laser spot centers 6a', 6b', 6c' from the adjacent The laser spot centers 6a', 6b', 6c' lying next to one another, ie neighboring in the additional ring formation 10', are all of the same size and are each 20 ⁇ m here.
  • the distances a′ of the laser spot centers 6a′, 6b′, 6c′ of the laser spots 5a′, 5b′, 5c′ adjacent in the additional ring formation 10′ therefore correspond to the sum of the respective half diameters dw′ of the laser spots 5a′, 5b ', 5c'.
  • the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in broken lines) around the common center 12, corresponding to a regular polygon.
  • the laser spot centers 6a′, 6b′, 6c′ of the laser spots 5a′, 5b′, 5c′ of the additional ring formation 10′ also lie on a circular line (shown in dashed lines) around the common center 12 and correspond to the corners of a regular polygons.
  • the distances az of the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 to the center 12 of the ring formation 10 are all the same size and are each 70 ⁇ m here.
  • the distances az′ of the laser spot centers 6a′, 6b′, 6c′ of the laser spots 5a′, 5b′, 5c′ of the additional ring formation 10′ to the center 12 of the ring formation 10 are also all the same and are each 12.5 ⁇ m .
  • FIG. 5 shows a schematic representation of five laser spots 5a, 5b, 5c, 5d, 5e of a beam set of five individual beams of a laser beam ensemble on a surface.
  • two plate parts of a bipolar plate can be welded with the five laser spots 5a-5e.
  • the five laser spots 5a-5e are all the same size here, and the diameter dw of the laser spots 5a-5e on the workpiece is 100 ⁇ m here.
  • the five laser spot centers 6a, 6b, 6c, 6d, 6e are located in the center of the five laser spots 5a-5e.
  • the laser spots 5a-5e are separate from each other here; they do not touch or overlap each other.
  • the laser spots 5a-5e are arranged in the ring formation 10, which includes an inner surface before.
  • the corner points of the regular polygon 11, here a regular pentagon 11b can be defined by the laser spot centers 6a-6e.
  • the distances a between the laser spot centers 6a-6e of the adjacent, i. H. in the ring formation 10 adjacent laser spot centers 6a-6e are each 140 pm here.
  • the laser spot centers 6a-6e of the laser spots 5a-5e of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in dashed lines) around the common center 12.
  • the directional dependency is reduced even further compared to variants with fewer laser spots 5a-5e.
  • the laser beam ensemble is typically not rotated when cornering along the weld seam. Furthermore, a large width of the weld seam can be produced particularly easily.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of three laser spots 5a, 5b, 5c of a beam set of three individual beams of a laser beam ensemble on a
  • the three individual beams are designed here as three superimposed individual laser beams.
  • two plate parts of a bipolar plate can be welded with the three laser spots 5a, 5b, 5c.
  • the superimposed individual laser beams here include a first partial beam and a second partial beam (not shown in detail).
  • the first sub-beam is designed as a core beam and the second sub-beam is designed as a ring beam; Core beam and ring beam can be generated by means of a multiclad fiber, for example.
  • the ring ray surrounds the core ray in a ring.
  • the three laser spots 5a, 5b, 5c which are generated on the surface by the superimposed individual laser beams, each have a core portion 13a, 13b, 13c and a ring portion 14a, 14b, 14c.
  • the ring portions 14a, 14b, 14c surround the core portions 13a, 13b, 13c in a ring shape.
  • the core parts 13a, 13b, 13c are all the same size and have a core diameter KD of 100 ⁇ m here.
  • the ring parts 14a, 14b, 14c are also all the same size and have a ring diameter RD of 400 ⁇ m here.
  • a respective ring diameter RD is four times larger than a respective core diameter KD.
  • the respective ring portion 14a, 14b, 14c has an area that is approximately 15 times larger than the respective core portion 13a, 13b, 13c.
  • An average power density in the respective core portion 13a, 13b, 13c is then about 15 times greater than an average power density in the respective ring portion 14a, 14b, 14c. In this way, a (local) vapor capillary generated by the superimposed individual laser beams can be stabilized in the deep welding regime and the dynamics of the melt pool can be reduced.
  • the three laser spots 5a, 5b, 5c are all the same size here, and the diameters dw of the laser spots 5a, 5b, 5c (which are equal to the ring diameters RD here) on the workpiece are each 400 ⁇ m here.
  • the three laser spot centers 6a, 6b, 6c are in the center of the three laser spots 5a, 5b, 5c.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c touch each other here.
  • the laser power of the individual beams is chosen to be the same here.
  • the laser spots 5a, 5b, 5c are arranged in a ring formation 10.
  • the distances a between the laser spot centers 6a, 6b, 6c from the laser spot centers 6a, 6b, 6c are 400 ⁇ m in each case.
  • the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in broken lines) around the common strand 12 and correspond to the corner points of a regular polygon.
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal sectional view of a forming arrangement 37 for the invention, comprising a splitting device 15 and a multiclad fiber 16, which is designed here as a 2-in-1 fiber 16a.
  • a primary laser beam 17 is reshaped with the reshaping arrangement 37 .
  • the original laser beam 17 propagates along an axis Z.
  • the multiclad fiber 16 has a core fiber 18 (inner dotted area) and a cladding layer 19 surrounding the core fiber 18 (inner two dotted areas). Adjoining the cladding layer 19 radially outward is a ring fiber 20 (two outer dotted areas), which is surrounded by a further cladding layer 21 (two outer dotted areas).
  • the original laser beam 17 is generated by a laser source (not shown in detail).
  • the original laser beam 17 propagates in a collimated manner along the Z axis and is directed onto the splitting device 15 .
  • the splitting device 15 here comprises an optical wedge 15a and a focusing lens 15b.
  • a part of the original laser beam 17 is deflected with the optical wedge 15a and focused on the ring fiber 20 at a fiber input 22 of the multiclad fiber 16 with the focusing lens 15b.
  • Another part of the original laser beam 17 is guided past the optical wedge 15a and focused onto the core fiber 18 at the fiber input 22 of the multiclad fiber 16 with the focusing lens 15b.
  • the original laser beam 17 is coupled into the multiclad fiber 16 and at a fiber end 23 of the multiclad fiber 16 there is then an emerging original laser beam 17' with an original laser core beam 24 (continuous line at the fiber end 23) and an original laser ring beam 25 (dashed line at fiber end 23) provided for the method according to the invention.
  • the exiting, reshaped original laser beam 17' can now be divided into individual beams (cf. FIG. 8).
  • FIG. 8 shows a schematic longitudinal sectional view of an exemplary welding optics 26, with which a division of a original laser beam 17 (also a shaped original laser beam, cf. FIG. 7) into individual beams 33 for the method according to the invention can be carried out.
  • the welding optics 26 here includes a laser light cable 27 (for example a multiclad fiber as described in Fig. 7), a collimating lens 28, an optical element 29, which is formed here with two bifocal inserts 30a, 30b, and a focusing lens 31.
  • the bifocal inserts 30a , 30b which are designed here as glass wedges, are arranged one behind the other and rotated by 90° to one another.
  • the original laser beam 17 is provided via the laser light cable 27 and exits at a fiber end of the laser light cable 27 .
  • the end of the fiber is in the focus of the collimating lens 28, and the exiting original laser beam 17 is collimated by the collimating lens 28, as a result of which the original laser beam 17 becomes a collimated laser beam 32.
  • the collimated laser beam 32 is directed to the bifocal inserts 30a, 30b.
  • the bifocal inserts 30a, 30b each take up about half of a cross section of the collimated laser beam 32 here.
  • the collimated laser beam 32 can be divided into four individual beams 33 in the exemplary welding optics 26 shown here (two of the four individual beams 33 can be seen in the perspective shown here).
  • the four individual beams 33 form a laser beam ensemble 34 for laser welding a bipolar plate according to the invention.
  • the four individual beams 33 together form a beam set 35 of the laser beam ensemble 34.
  • the individual beams 33 are directed through the focusing lens 31 onto the surface of the plate parts of the bi- polar plate (not shown in detail), whereby four laser spots of equal size are generated on the surface. Depending on the optical element 29 used, fewer or more laser spots can also be generated on the surface (not shown in detail).

Abstract

The invention relates to a method for laser welding a flow field plate (1) for a fuel cell, two plate parts (1a, 1b) being welded to one another along at least one weld seam (2, 2a, 2b, 2c). According to the invention, the laser welding is carried out along the at least one weld seam (2, 2a, 2b, 2c) using a laser beam ensemble (34) comprising at least three individual beams (33), the individual beams (33) each producing a laser spot (5a-5e, 5a'-5c') on a surface (4) of the plate parts (1a, 1b), and in that the at least three individual beams (33) of the laser beam ensemble (34) produce a common weld pool (9) in the plate parts (1a, 1b). The invention provides a method which can achieve good fluid-tightness of weld seams of a flow field plate with high reliability.

Description

Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, mit einem mit mehreren Laserspots erzeugten Schmelzbad Process for laser welding a bipolar plate of a fuel cell, with a weld pool generated with several laser spots
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden. The invention relates to a method for laser welding a bipolar plate for a fuel cell, two plate parts being welded to one another along at least one weld seam.
Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2021 113 834.5 bekannt geworden. Such a method has become known from the subsequently published German patent application 10 2021 113 834.5.
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. In fuel cells with several cells layered to form a stack, bipolar plates are used for the distribution of gases, in particular hydrogen and oxygen, the removal of water (water of reaction), the gas-tight separation between adjacent cells and the seal to the outside and cooling. In addition, the bipolar plate on the hydrogen side absorbs the electrons that are released and feeds them back to the oxygen side.
Solche Bipolarplatten können zwei metallische Plattenteile aufweisen, die miteinander verschweißt sind. Einerseits sind hierbei Schweißnähte fluiddicht auszu- führen, um Gase und Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Andererseits dienen Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden Plattenteile. Aus der nachveröffentlichte deutschen Patentanmeldung 10 2021 113 834.5 ist es bekannt geworden, beim Laserschweißen von Plattenteilen einer Bipolarplatte wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite und wenigstens eine zweite Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite zu fertigen, wobei die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite. Such bipolar plates can have two metallic plate parts that are welded together. On the one hand, weld seams must be fluid-tight lead to guide gases and water in defined paths. On the other hand, weld seams serve to connect the two plate parts electrically and mechanically. It has become known from the subsequently published German patent application 10 2021 113 834.5 to produce at least one peripherally closed first weld seam with a first seam width and at least one second weld seam with a second seam width when laser welding plate parts of a bipolar plate, the second seam width being larger than the first seam width.
Beim herkömmlichen Laserschweißen der Schweißnähte einer Bipolarplatte mit einem Laserstrahl kann es zu merklichen Schwankungen in der Nahtqualität kommen, beispielsweise bezüglich der Einschweißtiefe und der Nahtbreite, wobei diese Schwankungen auch die Dichtigkeit der Verschweißung beeinträchtigen können. In der Schweißnaht können Mikrorisse auftreten, die die mechanische und elektrische Verbindung der Verschweißung schwächen können, und auch die Gasdichtigkeit kann dadurch verschlechtert sein. Die mechanische und elektrische Verbindung der Verschweißung sowie deren Dichtigkeit kann grundsätzlich durch eine breitere Schweißnaht, die mit einem größeren Laserspot gefertigt wird, verbessert werden; jedoch kann es bei der Anwendung von großen Laserspots zu zusätzlicher Porenbildung in der Schweißnaht kommen, was dann wieder die Qualität der Schweißnaht verschlechtert. Aufgabe der Erfindung With conventional laser welding of the weld seams of a bipolar plate with a laser beam, there can be noticeable fluctuations in the seam quality, for example with regard to the welding depth and the seam width, and these fluctuations can also affect the tightness of the weld. Microcracks can appear in the weld seam, which can weaken the mechanical and electrical connection of the weld, and the gas-tightness can also be impaired as a result. The mechanical and electrical connection of the weld and its tightness can basically be improved by a wider weld seam that is made with a larger laser spot; however, the use of large laser spots can lead to additional pore formation in the weld seam, which in turn degrades the quality of the weld seam. object of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem mit hoher Zuverlässigkeit eine gute Fluiddichtigkeit von Schweißnähten einer Bipolarplatte erreicht werden kann. It is the object of the invention to provide a method with which a good fluid tightness of weld seams of a bipolar plate can be achieved with high reliability.
Beschreibung der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Laserschweißen entlang der wenigstens einen Schweißnaht mit einem Laserstrahlenensemble umfassend wenigstens drei Einzelstrahlen erfolgt, wobei die Einzelstrahlen auf einer Oberfläche der Plattenteile jeweils einen Laserspot erzeugen, und dass die wenigstens drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles ein gemeinsames Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugen. Gemäß der Erfindung wird ein Schmelzbad, mit dem die wenigstens eine Schweißnaht der Plattenteile der Bipolarplatte erzeugt wird, nicht mit einem einzelnen Laserstrahl, sondern mit einem Laserstrahlenensemble umfassend mehrere Einzelstrahlen (Einzellaserstrahlen) erzeugt. Diese Einzelstrahlen sind auf die Oberfläche der Plattenteile (mit anderen Worten, auf die den Einzelstrahlen zu- gewandte Werkstückoberfläche) gerichtet. Die von den Einzelstrahlen erzeugten Laserspots liegen nahe genug beisammen, sodass sie ein gemeinsames (zusammenhängendes) Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugen. Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Laserspots gemeinsam ein einziges, gemeinsames Schmelzbad erzeugen, wird das erfindungsgemäße Vorgehen auch als Multispot-Schweißen mit Mono-Schmelzbad bezeichnet. Description of the invention This object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned at the beginning, which is characterized in that the laser welding takes place along the at least one weld seam with a laser beam ensemble comprising at least three individual beams, the individual beams each generating a laser spot on a surface of the plate parts, and that the at least three individual beams of the laser beam ensemble produce a common melt pool in the plate parts. According to the invention, a molten bath, with which the at least one weld seam of the plate parts of the bipolar plate is produced, is not produced with a single laser beam, but with a laser beam ensemble comprising several individual beams (individual laser beams). These individual beams are directed onto the surface of the plate parts (in other words, onto the workpiece surface facing the individual beams). The laser spots generated by the individual beams are close enough together to create a common (continuous) melt pool in the plate parts. Since, within the scope of the method according to the invention, a plurality of laser spots jointly produce a single, common molten pool, the procedure according to the invention is also referred to as multi-spot welding with a mono molten pool.
Die Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles werden zeitgleich angewandt, und im Rahmen eines Vorschubs gemeinsam (synchron) entlang der Schweißnaht relativ zu den Plattenteilen geführt. The individual beams of the laser beam ensemble are applied at the same time and are guided together (synchronously) along the weld seam relative to the plate parts as part of a feed.
Durch die gleichzeitige Einwirkung der mehreren Einzelstrahlen bzw. der mehreren Laserspots gleichzeitig auf die Oberfläche der Plattenteile bzw. das Schmelzbad kann eine qualitativ bessere und vor allem präzisere Verschweißung erreicht werden, insbesondere im Einschweiß-Regime. Die Schweißnaht kann mit weniger Defekten gefertigt werden, insbesondere kann eine deutliche Verringerung von Mikrorissen in der Schweißnaht erreicht werden, insbesondere auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten, beispielsweise von 1500 mm/s oder mehr, oder sogar 2000 mm/s oder mehr. Due to the simultaneous action of the multiple individual beams or multiple laser spots simultaneously on the surface of the plate parts or the melt pool, a qualitatively better and, above all, more precise weld can be achieved, particularly in the weld-in regime. The weld can be made with fewer defects, in particular a significant reduction in microcracks in the weld can be achieved, especially at high ones Feed speeds, for example 1500 mm/s or more, or even 2000 mm/s or more.
Zudem ist es möglich, auch vergleichsweise breite Schweißnähte mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren zu fertigen, ohne dass es zu einer relevanten Erhöhung der Porosität oder anderen Defekten käme. Durch eine breitere Schweißnaht kann zu einer verbesserten mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen den Plattenteilen und vor allem einer erhöhten Fluiddichtigkeit beigetragen werden. Typischerweise sind zumindest einige der Laserspots der Einzelstrahlen zumindest teilweise in der Richtung quer zur Schweißrichtung gegeneinander versetzt, und die Breite B der mit dem Laserstrahlenensemble (in einer Überfahrt des Laserstrahlenensembles) gefertigten Schweißnaht ist typischerweise wenigstens 2 Mal so groß, bevorzugt wenigstens 3 Mal so groß, wie der größte Laserspot-Durchmesser GDL im Laserstrahlenensemble (also B>2*GDL oder bevorzugt B>3*GDL), in der Richtung quer zur (lokalen) Schweißrichtung. In addition, it is possible to also produce comparatively wide weld seams using the method according to the invention without a relevant increase in porosity or other defects occurring. A wider weld seam can contribute to an improved mechanical and electrical connection between the plate parts and, above all, to increased fluid tightness. Typically, at least some of the laser spots of the individual beams are at least partially offset from one another in the direction transverse to the welding direction, and the width B of the weld seam produced with the laser beam ensemble (in one pass of the laser beam ensemble) is typically at least 2 times as large, preferably at least 3 times as large , such as the largest laser spot diameter GDL in the laser beam ensemble (i.e. B>2*GDL or preferably B>3*GDL), in the direction transverse to the (local) welding direction.
Insgesamt kann ein unter dem angewandten Vorschub ruhiges Schmelzbad erreicht werden, das in gleichförmiger Weise erstarrt, so dass die erhaltene Schweißnaht über ihre Länge nur wenig Schwankungen in der Nahtqualität (ins- besondere in der Nahtbreite oder auch der Einschweißtiefe) hat. Das Laserschweißen erfolgt mit hoher Präzision, insbesondere im Einschweißregime. Entsprechend kann eine gute (Mindest-)Fluiddichtigkeit, und insbesondere Gasdichtigkeit, der Schweißnähte der Bipolarplatte mit hoher Zuverlässigkeit gewährleistet werden. Overall, a molten pool that is stable under the applied feed can be achieved, which solidifies in a uniform manner, so that the weld seam obtained has only few fluctuations in the seam quality over its length (in particular in the seam width or the welding depth). Laser welding is carried out with high precision, especially in the welding regime. Accordingly, good (minimum) fluid tightness, and in particular gas tightness, of the weld seams of the bipolar plate can be ensured with high reliability.
Die wenigstens eine Schweißnaht wird von den Laserspots des Laserstrahlenensembles (zumindest) einmal vollständig überfahren. Falls gewünscht, können zusätzlich weitere Überfahrten der Schweißnaht mit einem oder mehreren Laserstrahlen erfolgen, insbesondere auch wieder mit einem Laserstrahlenensemble, beispielsweise mit dem gleichen Laserstrahlenensemble. Man beachte, dassThe laser spots of the laser beam ensemble pass over the at least one welding seam completely (at least) once. If desired, additional crossings of the weld seam can be carried out with one or more laser beams, in particular again with an ensemble of laser beams, for example with the same ensemble of laser beams. Note that
Schweißkurven verschiedener Überfahrten, auf denen der oder die Laserstrahlen der einzelnen Überfahrten bei den jeweiligen Überfahrten geführt werden, über- einander liegen können (ohne lateralen Versatz), oder in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zueinander versetzt sein können (mit lateralem Versatz), und dabei auf einer Mittellinie der Schweißnaht liegen können, oder auch in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zu einer Mittellinie der Schweißnaht versetzt sein können. Der Ort eines oder mehrerer Laserstrahlen (insbesondere eines Laserstrahlenensembles) einer Überfahrt kann anhand des Schwerpunkts der (auf der Werkstückoberfläche) angewandten Laserleistung ermittelt werden. Wenn zum Laserschweißen der Schweißnaht nur eine einzige Überfahrt angewandt wird, liegt die zugehörige Schweißkurve des Laserstrahlenensembles typischer- weise auf der Mittellinie der Schweißnaht. Bevorzugt erfolgen beim Fertigen einer Schweißnaht im Rahmen der Erfindung alle Überfahrten der Schweißnaht mit einem Laserstrahlenensemble. Welding curves of different passes, on which the laser beam(s) of the individual passes are guided during the respective passes, one another (with no lateral offset), or offset from one another in a direction transverse to the direction of welding (with lateral offset), while lying on a centerline of the weld, or offset from a centerline of the weld in a direction transverse to the direction of welding could be. The location of one or more laser beams (in particular a laser beam ensemble) of a pass can be determined based on the center of gravity of the laser power applied (on the workpiece surface). If only a single pass is used for laser welding the weld seam, the associated welding curve of the laser beam ensemble typically lies on the center line of the weld seam. Within the scope of the invention, all crossings of the weld seam are preferably carried out with an ensemble of laser beams when producing a weld seam.
Die mehreren Einzellaserstrahlen des Laserstrahlenensembles können erzeugtden The several individual laser beams of the laser beam ensemble can be generated
- mittels mehrerer Laserquellen und mehrerer Laseroptiken, oder - by means of several laser sources and several laser optics, or
- mittels mehrerer Laserquellen und einer Laseroptik, oder - by means of several laser sources and laser optics, or
- 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- by means of a laser source and several laser optics (e.g. using a laser source with several light paths, among which the laser beam can be switched, with a different laser optic being connected to each light path via a fiber optic cable), or
- mittels einer Laserquelle und einer Laseroptik und einem optischen- by means of a laser source and a laser optics and an optical one
Element zum Aufteilen eines Urlaserstrahls auf mehrere Laserstrahlen, z. B. Multifokallinse, optische Keilplatte, diffraktives optisches Element (DOE) oder refraktives optisches Element (ROE). Element for dividing an original laser beam into several laser beams, e.g. B. Multifocal lens, optical wedge plate, diffractive optical element (DOE) or refractive optical element (ROE).
Das Laserschweißen erfolgt im Rahmen der Erfindung typischerweise als Tiefschweißen (also mit wenigstens einer Dampfkapillare; typischerweise gehen die durch die Einzelstrahlen erzeugten Dampfkapillaren zumindest in einem oberenreich ineinander über); damit kann insbesondere eine hohe Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Das Laserschweißen der überlappend angeordneten Plattenteile kann als Einschweißen oder Durchschweißen erfolgen. Bevorzugt hat die mit dem Laserstrahlenensemble gefertigte Schweißnaht (in einer Ebene senkrecht zur Schweißrichtung) ein Aspektverhältnis AV=T/B mit AV>1,5, besonders bevorzugt AV>2,0, und in manchen Fällen sogar AV>3, mit T: Einschweißtiefe und B: Breite der einzelnen Schweißnaht (an der Werkstückoberflä- ehe). Im Falle von mehreren Überfahrten der Schweißnaht liegen die zuvor genannten Aspektverhältnisse bei der Schweißnaht einer jeweiligen einzelnen Überfahrt (mit dem Laserstrahlenensemble) vor. Within the scope of the invention, the laser welding typically takes place as deep welding (that is to say with at least one vapor capillary; the vapor capillaries produced by the individual beams typically merge into one another at least in an upper region); in this way, in particular, a high feed rate can be achieved. The laser welding of the plate parts arranged in an overlapping manner can be carried out as welding in or through welding. Preferred the weld seam produced with the laser beam ensemble (in a plane perpendicular to the welding direction) has an aspect ratio AV=T/B with AV>1.5, particularly preferably AV>2.0, and in some cases even AV>3, with T: welding depth and B: width of the individual weld seam (on the workpiece surface). If the weld seam is passed several times, the previously mentioned aspect ratios are present for the weld seam of a respective individual pass (with the laser beam ensemble).
Bevorzugt sind die Laserspots des Laserstrahlenensembles so ausgerichtet, dass die Orientierung der Laserspots in Bezug zur Vorschubrichtung beliebig sein kann, ohne das Laserschweißen merklich zu beeinflussen (insbesondere bei einer gleichen Leistungsverteilung zwischen den Laserspots); dann sind Kurvenfahrten entlang der Schweißnaht besonders einfach. Alternativ kann auch eine bestimmte Orientierung der Laserspots zur Vorschubrichtung vorgegeben sein (insbeson- dere auch mit einer ungleichen Leistungsverteilung der Laserspots); bei Kurvenfahrten entlang der Schweißnaht muss dann das Laserstrahlenensemble mitgedreht werden (beispielsweise durch Mitdrehen eines entsprechenden optischen Elements zur Strahlaufteilung auf die Einzelstrahlen). Die Laserspots der Einzelstrahlen der Einzelstrahlen auf der Werkstückoberfläche sind bevorzugt voneinander separat, wodurch Intensitätsspitzen durch eine Überlagerung von Laserspots im Schmelzbad vermieden werden, und die Schmelzbaddynamik beruhigt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass Laserspots von Einzelstrahlen sich überlagern, insbesondere teilweise überlagern, wodurch in manchen Anwendungsfällen die (gemeinsame) Dampfkapillare stabilisiert werden kann. Allgemein erzeugen die Einzelstrahlen auf der Werkstückoberfläche (bezüglich ihrer Laserspot-Zentren) nebeneinander liegende Laserspots. The laser spots of the laser beam ensemble are preferably aligned in such a way that the orientation of the laser spots in relation to the feed direction can be arbitrary without noticeably influencing the laser welding (in particular with an equal power distribution between the laser spots); then cornering along the weld seam is particularly easy. Alternatively, a specific orientation of the laser spots to the feed direction can also be specified (in particular with an unequal power distribution of the laser spots); when cornering along the weld seam, the laser beam ensemble must then also be rotated (for example by rotating a corresponding optical element for beam splitting into the individual beams). The laser spots of the individual beams of the individual beams on the workpiece surface are preferably separate from one another, as a result of which intensity peaks due to superimposition of laser spots in the melt pool are avoided and the melt pool dynamics can be calmed down. However, it is also possible for laser spots of individual beams to overlap, in particular partially overlap, as a result of which the (common) vapor capillary can be stabilized in some applications. In general, the individual beams produce adjacent laser spots on the workpiece surface (with respect to their laser spot centers).
Die metallischen Plattenteile der Bipolarplatte werden zum Verschweißen über-30 lappend 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 Füh- rungen 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 ty-The metallic plate parts of the bipolar plate are arranged overlapping for welding (typically with a congruent, aligned edge contour). The plate parts of the bipolar plates typically have a profiling through which channels for cooling water and external guides can be formed between the plate parts. ments for water of reaction and/or gases, in particular hydrogen and oxygen, are formed. In addition, the bipolar plates typically have one or more openings with which gas can be transported in the stack direction in the fuel cell stack. Within the scope of the invention, ty-
5 pischerweise 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. 5 randomly closed welds are made on the outer edge of the plate parts and around all penetrations, and non-closed welds are also placed across the face of the bipolar plates. The fluid tightness, in particular the gas tightness, is particularly important for the closed weld seams, and the mechanical and electrical connection is particularly important for the open weld seams. The invention can be applied to both closed welds and non-closed welds.
Bevorzugte Varianten der Erfindung 5 Preferred variants of the invention 5
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass wenigstens drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles ein Strahlenset bilden, und dass Laserspot-Zentren der Laserspots des Strahlensets in einer Ringforma- tion angeordnet sind. Das Strahlenset kann beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs Laserspots umfassen. Die Laserspot-Zentren auf der Werkstückoberfläche in Ringformation tragen zu einem ruhigen Schmelzbad bei; zudem kann eine Richtungsabhängigkeit des Laserschweißens mit dem Laserstrahlenensemble reduziert werden. Man beachte, dass das Strahlenset alle Einzelstrahlen des Laser- Strahlenensembles umfassen kann, oder alternativ zusätzlich zu demIn a preferred variant of the method according to the invention, it is provided that at least three individual beams of the laser beam ensemble form a beam set, and that the laser spot centers of the laser spots of the beam set are arranged in a ring formation. The beam set can include three, four, five or six laser spots, for example. The laser spot centers on the workpiece surface in a ring formation contribute to a smooth weld pool; In addition, a directional dependency of the laser welding can be reduced with the laser beam ensemble. Note that the beam set may include all of the individual beams of the laser beam ensemble, or alternatively in addition to that
Strahlenset das Laserstrahlenensemble ein oder mehrere weitere Einzelstrahlen umfassen kann. Radiation set, the laser beam ensemble can include one or more other individual beams.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die La- serspot-Zentren des Strahlensets auf der Oberfläche der Plattenteile ein regelmäßiges Polygon bilden. Dadurch kann das Schmelzbad weiter beruhigt werden, und die Richtungsabhängigkeit weiter reduziert werden. Vorteilhaft ist zudem eine Weiterentwicklung, bei der die Laserspots des Strahlensets auf der Oberfläche der Plattenteile voneinander separat sind. Die Laserspots des Strahlsets überlagern sich also nicht. Dies vermeidet lokale Spitzen der Laserintensität, wodurch das Schmelzbad besonders ruhig gehalten werden kann. A further development of this variant is particularly preferred, in which the laser spot centers of the radiation set form a regular polygon on the surface of the plate parts. As a result, the molten pool can be calmed further and the directional dependency can be further reduced. A further development in which the laser spots of the radiation set are separate from one another on the surface of the plate parts is also advantageous. The laser spots of the beam set therefore do not overlap. This avoids local peaks in laser intensity, which means that the weld pool can be kept particularly quiet.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei die Laserspots des Strahlensets einen gleichen Durchmesser aufweisen und/oder die Einzelstrahlen des Strahlensets eine gleiche Laserleistung aufweisen. Dies trägt ebenfalls zu einer Beruhigung des Schmelzbades und einer weiteren Reduzierung der Richtungsabhängigkeit bei. A further development is also preferred in which the laser spots of the radiation set have the same diameter and/or the individual beams of the radiation set have the same laser power. This also contributes to calming the weld pool and further reducing the directional dependency.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass für einen Abstand a der Laserspot-Zentren von in der Ringformation benachbarten Laserspots gilt: a<10*GDR, mit GDR: größter Laserspot-Durchmesser in der Ringformation. Dies stabilisiert die Dampfkapillare und somit den Energieeintrag in das Schmelzbad. Die gewünschte Einschweißtiefe kann besonders präzise über den gesamten Schweißnahtverlauf gesetzt werden, so dass eine hohe Gasdichtigkeit erreicht wird. Ein gemeinsames, zusammenhängendes Schmelzbad kann leicht sichergestellt werden, und die Schmelzbaddynamik wird gering gehalten. In vielen Fällen gilt auch a<5*GDR. A further development is also advantageous which provides that for a distance a between the laser spot centers of adjacent laser spots in the ring formation: a<10*GDR, with GDR: largest laser spot diameter in the ring formation. This stabilizes the vapor capillary and thus the energy input into the weld pool. The desired welding depth can be set particularly precisely over the entire course of the weld seam, so that a high level of gas tightness is achieved. A common, continuous melt pool can be easily ensured and the melt pool dynamics are kept low. In many cases, a<5*GDR also applies.
In einer anderen, bevorzugten Weiterentwicklung der obigen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Laserstrahlenensemble einen weiteren Einzelstrahl aufweist, wobei ein Laserspot-Zentrum des weiteren Laserspots in einem Zentrum der Ringanordnung des Strahlensets angeordnet ist. Durch dieses Vorgehen kann ein Intensitätsminimum in der Mitte des Strahlensets minimiert werden, was zur Stabilisierung der (gemeinsamen) Dampfkapillare beitragen kann. Man beachte, dass der weitere Einzelstrahl einen anderen Laserspot-Durchmesser (insbesondere kleineren Laserspotdurchmesser) haben kann als die Laserspots des Strahlensets, und/oder der der weitere Einzelstrahl eine andere Laserleistung (insbesondere eine kleinere Laserleistung) haben kann als die Einzelstrahlen des Strahlen- sets. In another preferred further development of the above variant of the method, it is provided that the laser beam ensemble has a further individual beam, with a laser spot center of the further laser spot being arranged in a center of the ring arrangement of the beam set. By doing this, an intensity minimum in the middle of the radiation set can be minimized, which can contribute to the stabilization of the (common) vapor capillary. It should be noted that the further individual beam can have a different laser spot diameter (in particular a smaller laser spot diameter) than the laser spots of the beam set, and/or that the further individual beam can have a different laser power (in particular a smaller laser power) than the individual beams of the beam set. sets.
Bei einer alternativen, besonders bevorzugten Weiterbildung der obigen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass wenigstens drei weitere Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles ein Zusatz-Strahlenset bilden, und dass Laserspot-Zentren der Laserspots des Zusatz-Strahlensets in einer Zusatz-Ringformation angeordnet sind, wobei die Zusatz-Ringformation konzentrisch mit der Ringformation angeordnet ist, und wobei ein jeweiliger Abstand der Laserspot-Zentren der Laserspots der Zusatz-Ringformation zu einem Zentrum der Ringformation kleiner ist als ein Abstand der Laserspot-Zentren der Laserspots der Ringformation zu dem Zentrum der Ringformation. Durch dieses Vorgehen kann eine geringe Laserintensität im Bereich des Zentrums der Ringformation des Strahlensets minimiert werden, was zur Stabilisierung der (gemeinsamen) Dampfkapillare beitragen kann. Man beachte, dass die weiteren Einzelstrahlen eine andere Laserleistung (insbesondere eine kleinere Laserleistung) haben können als die Einzelstrahlen des Strahlensets. Die Laserspot-Zentren der Zusatz-Ringformation bilden typischerweise ein regelmäßiges Polygon. Typischerweise sind die Durchmesser der Laserspots und die Laserleistungen für die weiteren Einzelstrahlen des Zusatz-Strahlensets alle gleich. Die Laserspots des Zusatz-Strahlensets überlappen bevorzugt untereinander nicht, aber bevorzugt überlappen sie mit den Laserspots des Strahlensets. In an alternative, particularly preferred development of the above variant of the method, it is provided that at least three further individual beams of the laser beam ensemble form an additional beam set, and that the laser spot centers of the laser spots of the additional beam set are arranged in an additional ring formation, with the additional ring formation is arranged concentrically with the ring formation, and wherein a respective distance of the laser spot centers of the laser spots of the additional ring formation to a center of the ring formation is smaller than a distance of the laser spot centers of the laser spots of the ring formation to the center of the ring formation. With this procedure, a low laser intensity in the area of the center of the ring formation of the radiation set can be minimized, which can contribute to the stabilization of the (common) vapor capillary. It should be noted that the other individual beams can have a different laser power (in particular a lower laser power) than the individual beams of the beam set. The laser spot centers of the additional ring formation typically form a regular polygon. Typically, the diameters of the laser spots and the laser powers for the other individual beams of the additional beam set are all the same. The laser spots of the additional beam set preferably do not overlap one another, but preferably they overlap with the laser spots of the beam set.
Bevorzugt ist eine Untervariante dieser Weiterentwicklung, bei der für einen maximalen Durchmesser DZ der Laserspots des Zusatz-Strahlensets und für einen maximalen Durchmesser DS der Laserspots des Strahlensets gilt: DZ<DS. Typischerweise gilt auch DZ<0,5*DS oder DZ<0,3*DS. Die zusätzliche Laserleistung des Zusatz-Strahlensets kann dann besser auf den oder die Bereiche niedriger Laserintensität des Strahlensets konzentriert werden, und das Laserschweißen kann mit besonders hoher Präzision erfolgen. A sub-variant of this further development is preferred, in which the following applies for a maximum diameter DZ of the laser spots of the additional set of rays and for a maximum diameter DS of the laser spots of the set of rays: DZ<DS. Typically, DZ<0.5*DS or DZ<0.3*DS also applies. The additional laser power of the additional beam set can then be better concentrated on the area or areas of the beam set with low laser intensity, and the laser welding can take place with particularly high precision.
Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei für einen größten Laserspot-Durchmesser GDL im Laserstrahlenensemble und für einen kleinsten Laserspot-Durchmesser KDL im Laserstrahlenensemble gilt: KDL>l/10*GDL. Dies hat sich in der Praxis bewährt, insbesondere um den apparativen Aufwand gering zu halten und um auch bei kleinen Laserspots noch einen merklichen Beitrag zur Schmelzbaderwärmung zu haben, ohne starke Intensi-sspitzen zu erzeugen. A variant of the method according to the invention is preferred, in which case for a maximum laser spot diameter GDL in the laser beam ensemble and for a smallest laser spot diameter KDL in the laser beam ensemble applies: KDL>l/10*GDL. This has proven itself in practice, especially in order to keep the expenditure on equipment low and to make a noticeable contribution to the heating of the melt pool even with small laser spots, without generating strong intensity peaks.
Im Rahmen der Erfindung können allgemein Durchmesser von Laserspots mit dem 86%-Kriterium bestimmt werden, wonach der Durchmesser eines Laserspots so bestimmt ist, dass 86% der Gesamt-Laserleistung des zugehörigen Ein- zelstrahls (auf der Werkstückoberfläche) innerhalb eines Kreises mit diesemWithin the scope of the invention, diameters of laser spots can generally be determined using the 86% criterion, according to which the diameter of a laser spot is determined in such a way that 86% of the total laser power of the associated individual beam (on the workpiece surface) is within a circle with it
Durchmesser liegt, wobei der Kreis seinen Mittelpunkt an der Mittelachse des Einzelstrahls hat. diameter, with the circle having its center at the central axis of the single beam.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der die Laserspots der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche der Plattenteile eine Anordnung bilden, die eine N-zählige Rotationssymmetrie aufweist, mit N>3. Dadurch kann die Richtungsabhängigkeit des Laserschweißens mit dem Laserstrahlenensemble minimiert werden. Ein optisches Element zum Aufteilen eines Urlaserstrahls auf die Einzelstrahlen braucht dann in der Regel bei Kurvenfahrten des Laserstrahle- nensembles entlang der Schweißnaht nicht mitgedreht zu werden, was die Verfahrensführung erheblich erleichtert. Man beachte, dass mit größeren N die Richtungsabhängigkeit abnimmt. Bevorzugt ist insbesondere N>5 und besonders bevorzugt N=5 oder N=6. Man beachte, dass bei einem Laserstrahlenensemble die Zähligkeit N so bestimmt wird, dass das N die höchste Zähligkeit (größtes N) an- gibt, die mit dem Laserstrahlenensemble gegeben ist; sind beispielsweise sechsA variant is particularly preferred in which the laser spots of the individual beams of the laser beam ensemble form an arrangement on a surface of the plate parts which has an N-fold rotational symmetry, with N>3. As a result, the directional dependency of the laser welding with the laser beam ensemble can be minimized. An optical element for dividing a primary laser beam into the individual beams then generally does not need to be rotated along the weld seam when the laser beam ensemble travels around curves, which considerably simplifies the process. Note that as N increases, the directional dependence decreases. N>5 is particularly preferred and N=5 or N=6 is particularly preferred. Note that in the case of a laser beam ensemble, the number N is determined in such a way that the N indicates the highest number (largest N) that is given with the laser beam ensemble; are for example six
Laserspots in einem regelmäßigen Hexagon angeordnet, wird die Zähligkeit zu N=6 (sechszählige Rotationssymmetrie/Drehsymmetrie) bestimmt, obwohl gleichzeitig auch eine 2-zählige und eine 3-zählige Rotationssymmetrie vorliegen. Bei einer N-zähligen Rotationssymmetrie wird die Laserspot-Anordnung bei einer Drehung um jeweils 360°/N in sich selbst überführt. Laser spots arranged in a regular hexagon, the multiplicity is determined to be N=6 (six-fold rotational symmetry/rotary symmetry), although there is also a 2-fold and a 3-fold rotational symmetry at the same time. In the case of an N-fold rotational symmetry, the laser spot arrangement is converted into itself with a rotation of 360°/N in each case.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Variante, bei der das Laserstrahlenensemble durch wenigstens ein optisches Element zum Aufteilen mindestens eines Urlaserstrahls erzeugt wird. Dies ist eine apparativ einfache Möglichkeit, das Laserstrahlenensemble bzw. dessen Einzelstrahlen zu erzeugen. Also advantageous is a variant in which the laser beam ensemble is divided by at least one optical element for dividing at least one primary laser beam is produced. This is a simple possibility in terms of apparatus to generate the laser beam ensemble or its individual beams.
Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Ei n- zelstrahlen als Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet sind, jeweils umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Oberfläche ineinander liegen. Typischerweise wird in einem radial äußeren Teil des Überlagerungs- Einzellaserstrahls eine geringere lokale Laserleistungsdichte und in einem radial inneren Teil des Überlagerungs-Einzellaserstrahls eine lokal höhere Leistungs- dichte eingerichtet. Dadurch kann beim Tiefschweißen eine (lokale) Dampfkapillare im Bereich des Überlagerungs-Einzellaserstrahls stabilisiert und die Schmelzbaddynamik verringert werden. Der Überlagerungs-Einzellaserstrahl hat typischerweise auf der Werkstückoberfläche konzentrische Teilstrahlen. Für die (äußeren) Durchmesser dwinnen (z.B. bei einem Kernstrahl mit Kerndurchmes-ser KD) und dwaußen (z.B. bei einem Ringstrahl mit Ringdurchmesser RD) der zwei ineinander liegenden Teilstrahlen liegt das Verhältnis dwinnemdwaußen (bzw. KD: RD) typischerweise in einem Bereich von 1 : 1,1 bis 1 :6, bevorzugt bei 1 :3 bis 1 :5, besonders bevorzugt bei 1 :4. Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst, oder dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst. Dieses Vorgehen ist besonders einfach und in der Praxis bewährt. Ein Überlagerungs-Einzellaserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-l-Faser erzeugt, und der Kernstrahl und der Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse. In a preferred variant it is provided that at least some of the individual beams are in the form of superimposed individual laser beams, each comprising at least two partial beams which lie one inside the other on the surface. Typically, a lower local laser power density is set up in a radially outer part of the superimposed individual laser beam and a locally higher power density is set up in a radially inner part of the superimposed individual laser beam. As a result, a (local) vapor capillary in the area of the superimposed single laser beam can be stabilized during deep-penetration welding and the weld pool dynamics can be reduced. The superimposed single laser beam typically has concentric partial beams on the workpiece surface. For the (outer) diameters dwinner (e.g. in a core jet with core diameter KD) and dwoutside (e.g. in a ring ray with ring diameter RD) of the two partial jets lying inside one another, the ratio dwinnemdwoutside (or KD: RD) is typically in the range of 1:1.1 to 1:6, preferably 1:3 to 1:5, particularly preferably 1:4. A further development of this variant is preferred, which provides that the superimposed individual laser beam comprises a core beam and a ring beam that surrounds the core beam, or that the superimposed individual laser beam has a larger partial beam and a smaller partial beam that is located on the workpiece surface within the larger partial beam lies, includes. This procedure is particularly simple and has proven itself in practice. A heterodyne single laser beam with core beam and ring beam is typically generated with a 2-in-1 fiber, and the core beam and ring beam have a common optical axis.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung der obigen Variante, die vorsieht, dass ein Urlaserstrahl in einer Multiclad-Faser geführt wird, umfassend eine Kernfaser und eine die Kernfaser umgebende Ringfaser, und dass ein aus der Multiclad-Faser austretender Urlaserstrahl mittels eines optischen Elements auf zumindest den Teil der Einzelstrahlen aufgeteilt wird. Dies ist ein apparativ einfaches Vorgehen, um einen Kernstrahl und einen Ringstrahl in mehreren Einzelstrahlen einzurichten. Also advantageous is a further development of the above variant, which provides that an original laser beam is guided in a multiclad fiber, comprising a core fiber and a ring fiber surrounding the core fiber, and that one from the Multiclad fiber exiting original laser beam is divided by means of an optical element on at least part of the individual beams. This is a simple procedure in terms of equipment to set up a core beam and a ring beam in several individual beams.
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die Plattenteile jeweils eine Blechdicke BLD zwischen 50 pm und 150 pm aufweisen. Die Plattenteile sind bevorzugt aus Edelstahl gefertigt, z.B. vom Typ 1.4404. Bevorzugt beträgt die Blechdicke BLD=75 pm. 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 50pm und 150 pm vereinigen eine ausreichende Robustheit mit leichtem und materialsparendem Bau. 5 A variant is also preferred in which the plate parts each have a sheet metal thickness BLD of between 50 μm and 150 μm. The plate parts are preferably made of stainless steel, e.g. type 1.4404. The sheet thickness BLD is preferably 75 μm. Corresponding metallic plate parts can be produced inexpensively and are particularly well suited to the requirements in a bipolar plate of a fuel cell, in particular with regard to corrosion resistance, electrical conductivity and workability during laser welding. Sheet thicknesses between 50 pm and 150 pm combine sufficient robustness with a light and material-saving construction. 5
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei gilt: A variant of the method according to the invention is also preferred, where:
- Die Einzelstrahlen werden mit einem Infrarotlaser erzeugt und weisen eine mittlere Wellenlänge zwischen 800 nm und 1200 nm, bevorzugt 1030 nm oder 1070 nm, auf, oder die Einzelstrahlen werden mit einem VIS-Laser mit einer mittleren Wellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 500 nm und 550 nm erzeugt; und/oder- The individual beams are generated with an infrared laser and have a mean wavelength of between 800 nm and 1200 nm, preferably 1030 nm or 1070 nm, or the individual beams are produced with a VIS laser with a mean wavelength of between 400 nm and 450 nm or between 500 nm and 550 nm generated; and or
- Das jeweilige Strahlparameterprodukt SPP der Einzelstrahlen liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP<0,6 mm*mrad, besonders bevorzugt mit SPP<0,4 mm*mrad; und/oderThe respective beam parameter product SPP of the individual beams is between 0.38 mm*mrad and 16 mm*mrad, preferably with SPP<0.6 mm*mrad, particularly preferably with SPP<0.4 mm*mrad; and or
- Der Strahldurchmesser dwl des in Schweißrichtung zuerst eingesetzten- The beam diameter dwl of the first used in the welding direction
Einzelstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 pm und 300 pm, bevorzugt mit 30pm<dwl<50pm im Single Mode oder 50pm<dwl<170pm im Multi-Mode, und der Strahldurchmesser dwx aller anderen Einzelstrahlen ist gewählt mit 0,l*dwl<dwx<10*dwl, bevorzugt mit dwl=dwx; und/oder - Die Laserleistung P pro Einzelstrahl liegt zwischen 10W und 2000W, bevorzugt mit 50W<P<700W; und/oder The individual beam on the workpiece is between 10 pm and 300 pm, preferably with 30 pm<dwl<50 pm in single mode or 50 pm<dwl<170 pm in multi-mode, and the beam diameter dwx of all other individual jets is chosen to be 0.1*dwl<dwx <10*dwl, preferably with dwl=dwx; and or - The laser power P per individual beam is between 10W and 2000W, preferably with 50W<P<700W; and or
- Ein Vorschub VS des Laserstrahlenensembles liegt zwischen 100 mm/s und 5000 mm/s, bevorzugt mit 300 mm/s < VS < 2000 mm/s; und/oder - A feed VS of the laser beam ensemble is between 100 mm/s and 5000 mm/s, preferably with 300 mm/s<VS<2000 mm/s; and or
- Ein Abbildungsverhältnis AV einer Laseroptik, mit der die Einzelstrahlen auf das Werkstück abgebildet werden, liegt zwischen 1 : 1 und 5: 1, bevorzugt mit 1,5: 1 < AV < 2: 1. - An imaging ratio AV of laser optics, with which the individual beams are imaged onto the workpiece, is between 1:1 and 5:1, preferably with 1.5:1<AV<2:1.
Diese Parameter haben sich in der Praxis für die Fertigung der erfindungsgemä- ßen Bipolarplatten besonders bewährt. In practice, these parameters have proven particularly useful for the production of the bipolar plates according to the invention.
Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte dienen in der Regel der Abdichtung gegenüber Fluiden in der Brennstoffzelle (Kühlwasser, Reaktionswasser, Reaktionsgase, z.B. Wasserstoff, Sauerstoff). Im Rahmen der Erfindung können geschlossene Schweißnähte mit verbesserter Dichtigkeit gefertigt werden, wodurch hier die Erfindung besonders vorteilhaft ist. Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht umfasst. Die an der Außenseite umlaufende, geschlossene Schweißnaht stellt insbesondere sicher, dass kein Kühlmittel (Kühlwasser) in die Reaktionsräume eines Brennstoffzellenstacks austritt, und auch keine Re- aktionsgase (wie Wasserstoff und Sauerstoff) zwischen die Plattenteile gelangen oder sich gar unkontrolliert vermischen können. Entsprechend ist die mit der Erfindung erreichbare, verbesserte Dichtigkeit hier von besonderem Vorteil. A variant is also preferred in which the at least one weld seam comprises one or more self-contained weld seams. Closed weld seams are usually used to seal off fluids in the fuel cell (cooling water, reaction water, reaction gases, e.g. hydrogen, oxygen). Within the scope of the invention, closed weld seams can be manufactured with improved tightness, which makes the invention particularly advantageous here. Also preferred is a variant in which the at least one weld seam comprises at least one closed weld seam running around the outside of the plate parts. The closed weld seam running around the outside ensures in particular that no coolant (cooling water) escapes into the reaction chambers of a fuel cell stack, and no reaction gases (such as hydrogen and oxygen) can get between the plate parts or even mix in an uncontrolled manner. Accordingly, the improved tightness that can be achieved with the invention is of particular advantage here.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt zudem eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren. Solchermaßen gefertig- te Bipolarplatten zeichnen sich durch eine gute Fluiddichtigkeit an der wenigstens einen Schweißnaht aus, sowie durch eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son- dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Also within the scope of the present invention is a bipolar plate for a fuel cell, produced by welding two plate parts according to the method according to the invention described above. manufactured in such a way Te bipolar plates are distinguished by good fluid tightness at the at least one weld seam, and by a good mechanical and electrical connection between the plate parts. Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those detailed below can be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung Detailed description of the invention and drawing
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungs- beispielen näher erläutert. The invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail using exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen, die durch mehrere umlaufend geschlossene Schweißnähte sowie mehrere sich geradlinig erstrecken- de Schweißnähte miteinander verbunden sind; 1 shows a schematic plan view of a bipolar plate according to the invention with two plate parts which are connected to one another by a plurality of welded seams which are closed all the way round and a plurality of welded seams which extend in a straight line;
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Variante der Erfindung, mit einem Laserstrahlenensemble umfassend drei Einzel- strahlen, die ein Strahlenset mit drei Laserspots bilden; 2 shows a schematic top view of the welding of two plate parts of a bipolar plate according to a first variant of the invention, with a laser beam ensemble comprising three individual beams that form a beam set with three laser spots;
Fig. 3 zeigt drei Laserspots eines Strahlensets eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten Variante der Erfindung; 3 shows three laser spots of a radiation set of a laser beam ensemble on a surface for welding two plate parts of a bipolar plate according to a second variant of the invention;
Fig. 4 zeigt drei Laserspots eines Strahlensets und drei weitere Laserspots eines Zusatz-Strahlensets eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer dritten Variante der Erfindung; 4 shows three laser spots of a radiation set and three further laser spots of an additional radiation set of a laser beam ensemble on a surface for welding two plate parts of a bipolar plate according to a third variant of the invention;
Fig. 5 zeigt fünf Laserspots eines Strahlensets eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer vierten Variante der Erfindung; Fig. 6 zeigt drei Laserspots, die durch drei Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles erzeugt werden, wobei die Einzelstrahlen als Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet sind, zum Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer fünften Variante der Erfindung; Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Umformanordnung für die Erfindung im Querschnitt, mit der ein austretender Urlaserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt werden kann; 5 shows five laser spots of a radiation set of a laser beam ensemble on a surface for welding two plate parts of a bipolar plate according to a fourth variant of the invention; 6 shows three laser spots that are generated by three individual beams of a laser beam ensemble, the individual beams being designed as superimposed individual laser beams, for welding two plate parts of a bipolar plate according to a fifth variant of the invention; 7 shows a schematic representation of a forming arrangement for the invention in cross section, with which an exiting original laser beam can be provided for the method according to the invention;
Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Schweißoptik zur Aufteilung eines Urlaserstrahls in ein Laserstrahlenensemble für das erfindungsgemäße Verfahren. 0 FIG. 8 shows an exemplary welding optics for dividing a primary laser beam into a laser beam ensemble for the method according to the invention. 0
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 1 für eine hier nicht näher dargestellte Brennstoffzelle; die dargestellte Bipolarplatte 1 wurde im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. 1 shows a schematic top view of a bipolar plate 1 according to the invention for a fuel cell not shown in detail here; the bipolar plate 1 shown was produced within the scope of a method according to the invention.
Die Bipolarplatte 1 ist aus einem oberen Plattenteil la und einem unteren Plattenteil 1b gefertigt. Die zwei Plattenteile la, lb der Bipolarplatte 1 sind übereinander liegend angeordnet. Die zwei Plattenteile la, lb weisen eine Profilierung (nicht dargestellt) auf. Die Profilierung bildet ein System (beispielsweise ein mäandrisches oder doppelmäandrisches System) von unterschiedlichen Kanälen aus. Die Kanäle zwischen den zwei Plattenteilen la, lb sind Kühlfluidkanäle (typischerweise für Kühlwasser). Die Kanäle an den Außenflächen der zwei Plattenteile la, lb sind Führungskanäle für Gas (wie Sauerstoff oder Wasserstoff) und Wasser (welches als Reaktionswasser in der Brennstoffzelle anfällt). Die zwei Plattenteile la, lb sind aus einem metallischen Material hergestellt, z. B. rostfreiem Edelstahl. Eine Blechdicke BLD der Plattenteile la, lb beträgt hier jeweils 75pm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 pm und 150 pm. The bipolar plate 1 is made up of an upper plate part 1a and a lower plate part 1b. The two plate parts la, lb of the bipolar plate 1 are arranged one above the other. The two plate parts la, lb have a profile (not shown). The profiling forms a system (e.g. a meandering or double meandering system) of different channels. The channels between the two plate parts la, lb are cooling fluid channels (typically for cooling water). The channels on the outer surfaces of the two plate parts la, lb are ducts for gas (such as oxygen or hydrogen) and water (which occurs as reaction water in the fuel cell). The two plate parts la, lb are made of a metallic material, e.g. B. stainless steel. A sheet thickness BLD of the plate parts 1a, 1b is 75 pm here; Sheet thicknesses of between 50 μm and 150 μm are generally preferred.
Die zwei Plattenteile la, lb sind (nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) durch eine Vielzahl von Schweißnähten 2 miteinander verbunden. Die Schweißnähte 2 sind schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien dargestellt. An der Außenseite der zwei Plattenteile la, lb verläuft eine umlaufend geschlossene Schweißnaht 2a. Um zwei Durchbrüche 3, die durch die Bipolarplatte 1 hindurchreichen, verlaufen zwei geschlossene Schweißnähte 2b herum. Mehrere offene (hier geradlinige) Schweißnähte 2c verlaufen ebenfalls auf der Bipolarplat- te 1. Die Schweißnähte 2a, 2b sind fluiddicht, insbesondere gasdicht, ausgebildet. Die Schweißnähte 2c dienen der mechanischen und elektrisch gut leitenden Verbindung zwischen den zwei Plattenteilen la, lb. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren wurde auf alle Schweißnähte 2a, 2b, 2c angewendet. The two plate parts 1 a , 1 b are connected to one another by a large number of weld seams 2 (after application of the method according to the invention). The weld seams 2 are shown schematically in dashed lines based on their center lines. A circumferentially closed weld seam 2a runs on the outside of the two plate parts 1a, 1b. Two closed weld seams 2b run around two openings 3, which extend through the bipolar plate 1. Several open (here straight) welds 2c also run on the bipolar plate te 1. The weld seams 2a, 2b are designed to be fluid-tight, in particular gas-tight. The weld seams 2c are used for the mechanical and electrically highly conductive connection between the two plate parts 1a, 1b. The present inventive method was applied to all welds 2a, 2b, 2c.
Fig. 2 zeigt eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf die Plattenteile la, lb einer Bipolarplatte 1 (wie in Fig. 1 erläutert) angewendet wird. Die erste Variante wird beispielhaft an der Schweißnaht 2a erläutert. Die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2a ist schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinie an einer Oberfläche 4 („Werkstückoberfläche"; Oberseite des Plattenteils la) dargestellt. Die Schweißnähte 2b, 2c sind ebenfalls schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien dargestellt. FIG. 2 shows a first variant of the method according to the invention, which is applied to the plate parts 1a, 1b of a bipolar plate 1 (as explained in FIG. 1). The first variant is explained using weld seam 2a as an example. The weld seam 2a in production is shown schematically in broken lines using its center line on a surface 4 ("workpiece surface"; upper side of the plate part 1a). The weld seams 2b, 2c are also shown schematically in broken lines using their center lines.
Die Fertigung der Schweißnaht 2a erfolgt in der in Fig. 2 dargestellten Variante mittels eines Laserstrahlenensembles mit drei Einzelstrahlen, die von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil la gerichtet sind. Die drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles bilden gemeinsam ein Strahlenset aus. Die drei Einzelstrahlen des Strahlensets erzeugen auf der Oberfläche 4 der zwei Plattenteile la, lb drei Laserspots 5a, 5b, 5c. Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c weisen jeweils ein Laserspot-Zentrum 6a, 6b, 6c auf. Die Laserspots 5a, 5b, 5c überlappen in der gezeigten Variante geringfügig in ihren Randbereichen. The welding seam 2a is produced in the variant shown in FIG. 2 by means of a laser beam ensemble with three individual beams which are directed from above (perpendicular to the plane of the drawing) onto the upper plate part 1a. The three individual beams of the laser beam ensemble together form a beam set. The three individual beams of the beam set generate three laser spots 5a, 5b, 5c on the surface 4 of the two plate parts 1a, 1b. The three laser spots 5a, 5b, 5c each have a laser spot center 6a, 6b, 6c. In the variant shown, the laser spots 5a, 5b, 5c overlap slightly in their edge regions.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c des Strahlensets werden im Rahmen eines Vorschubs (bezüglich eines gemeinsamen Schwerpunkts 7 der Laserspots 5a, 5b, 5c) auf einer Schweißkurve 8 bewegt. Die Schweißkurve 8 verläuft entlang der Schweißnaht 2a (hier auf der Mittellinie der Schweißnaht 2a, die Schweißkurve 8 ist hier identisch mit der Mittellinie der Schweißnaht 2a). Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet; der Vorschub verläuft entlang einer (lokalen) Schweißrichtung SR. The laser spots 5a, 5b, 5c of the radiation set are moved along a welding curve 8 as part of a feed (relative to a common center of gravity 7 of the laser spots 5a, 5b, 5c). The welding curve 8 runs along the welding seam 2a (here on the center line of the welding seam 2a, the welding curve 8 is here identical to the center line of the welding seam 2a). The direction of feed is marked with an arrow; the feed runs along a (local) welding direction SR.
Um die Laserspots 5a, 5b, 5c herum erzeugen die Einzelstrahlen ein gemeinsames Schmelzbad 9 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich der Laserspots 5a, 5b, 5c ist das gemeinsame Schmelzbad 9 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR. wird das gemeinsame Schmelzbad 9 allmählich schmäler. Around the laser spots 5a, 5b, 5c, the individual beams produce a common melt pool 9 of melted plate material. In the area of the laser spots 5a, 5b, 5c, the common melt pool 9 is widest. In contrast to the welding direction SR. the common molten pool 9 gradually becomes narrower.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die zum Fertigen der Schweißnaht 2aAccording to the invention it is provided that for the production of the weld seam 2a
5 eingesetzten, wenigstens drei Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles (bzw. die einzelnen Laserspots 5a, 5b, 5c) ein gemeinsames Schmelzbad 9 erzeugen. Mit anderen Worten, zu keinem Zeitpunkt des Verfahrens erzeugen die Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles separate Schmelzbäder 9, die durch nicht aufgeschmolzenes Plattenmaterial voneinander getrennt sind. 0 5 used, at least three individual beams of the laser beam ensemble (or the individual laser spots 5a, 5b, 5c) generate a common melt pool 9. In other words, at no time during the process do the individual beams of the laser beam ensemble produce separate molten pools 9 that are separated from one another by plate material that has not been melted. 0
Nach einem vollständigen Umlauf des Laserstrahlenensembles und damit des gemeinsamen Schmelzbads 9 ist in der gezeigten Variante die Schweißnaht 2a vollständig gefertigt. Die gleichzeitige Einwirkung der drei Einzelstrahlen ermöglicht eine qualitativ bessere Verschweißung und eine präzisere Verschweißung;After a complete circuit of the laser beam ensemble and thus of the common melt pool 9, the weld seam 2a is completely produced in the variant shown. The simultaneous action of the three individual jets allows for a better quality weld and a more precise weld;
15 die gefertigte Schweißnaht 2a kann mit weniger Defekten gefertigt werden und insbesondere kann die Schweißnaht 2a mit wenigen Mikrorissen (verglichen zur Verwendung lediglich eines einzelnen Einzelstrahls) erhalten werden. Außerdem wird eine vergleichsweise breite Schweißnaht 2a gefertigt, durch die eine verbesserte mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen la, lbThe finished weld 2a can be made with fewer defects, and in particular, the weld 2a with few microcracks (compared to using only a single beam) can be obtained. In addition, a comparatively wide weld seam 2a is produced, through which an improved mechanical and electrical connection between the plate parts la, lb
20 erhalten werden kann und eine gute Fluiddichtigkeit erhalten werden kann. 20 can be obtained and good fluid tightness can be obtained.
Die Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles können mit einem optischen Element aus einem gemeinsamen Urlaserstrahl erzeugt werden (siehe hierzu Fig. 8); bevorzugt werden die drei Einzelstrahlen zudem über eine gemeinsame Scanvorrichtung geführt. Um die Orientierung des Laserstrahlenensembles zur lokalen Schweißrichtung konstant zu halten, kann in Kurven der Schweißnaht 2a das optische Element entsprechend der Kurve mitverschwenkt werden, was einen sehr kompakten Bau ermöglicht (nicht näher dargestellt). In der gezeigten Variante läuft der Laserspot 5a voraus, und die Laserspots 5b, 5c laufen nach. 0 The individual beams of the laser beam ensemble can be generated with an optical element from a common original laser beam (see FIG. 8); the three individual beams are preferably also guided via a common scanning device. In order to keep the orientation of the laser beam ensemble constant with respect to the local welding direction, the optical element can also be pivoted in curves of the weld seam 2a according to the curve, which enables a very compact construction (not shown in detail). In the variant shown, the laser spot 5a runs ahead and the laser spots 5b, 5c run behind. 0
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung von drei Laserspots 5a, 5b, 5c eines Strahlensets aus drei Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Mit den drei Laserspots 5a, 5b, 5c können gemäß einer zweiten Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden. Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a, 5b, 5c auf dem Werkstück betragen hier jeweils 100 pm. Im Zentrum der drei Laserspots 5a, 5b, 5c liegen die drei Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c. Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier voneinander separat; sie berühren oder überlappen einander nicht. Die Laserleistung der Einzelstrahlen ist hier gleich gewählt. Entsprechend ist eine mittlere Leistungsdichte der drei Laserspots 5a, 5b, 5c auf der Oberfläche hier ebenfalls gleich. Auf diese Weise kann ein durch die Laser 5a, 5b, 5c auf der Oberfläche erzeugtes Schmelzbad besonders ruhig gehalten werden, da lokale Spitzen der Laserintensität des Laserstrahlenensembles vermieden werden. Fig. 3 shows a schematic representation of three laser spots 5a, 5b, 5c of a beam set of three individual beams of a laser beam ensemble on a surface. According to a second variant of the invention, two plate parts of a bipolar plate can be welded with the three laser spots 5a, 5b, 5c. The three laser spots 5a, 5b, 5c are all the same size here, and the diameter dw of the laser spots 5a, 5b, 5c on the workpiece is 100 μm in each case. The three laser spot centers 6a, 6b, 6c are in the center of the three laser spots 5a, 5b, 5c. The laser spots 5a, 5b, 5c are separate from one another here; they do not touch or overlap each other. The laser power of the individual beams is chosen to be the same here. Correspondingly, an average power density of the three laser spots 5a, 5b, 5c on the surface is also the same here. In this way, a melt pool generated on the surface by the lasers 5a, 5b, 5c can be kept particularly still, since local peaks in the laser intensity of the laser beam ensemble are avoided.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind in einer Ringformation 10 angeordnet, die eine Innenfläche einschließt. Durch die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c können in der gezeigten Variante die Eckpunkte eines regelmäßigen Polygons 11, hier eines regelmäßigen Dreiecks 11a (gepunktet dargestellt), definiert werden. Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a, 6b, 6c von nebeneinander liegenden, d. h. in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c betragen hier jeweils 108 pm. In der hier gezeigten Variante mit drei Laserspots 5a, 5b, 5c in der Ringformation 10 sind alle Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c nebeneinander liegend. The laser spots 5a, 5b, 5c are arranged in a ring formation 10 which encloses an inner surface. In the variant shown, the corner points of a regular polygon 11, here a regular triangle 11a (shown as a dotted line), can be defined by the laser spot centers 6a, 6b, 6c. The distances a between the laser spot centers 6a, 6b, 6c from adjacent, i. H. in the ring formation 10 adjacent laser spot centers 6a, 6b, 6c are here each 108 pm. In the variant shown here with three laser spots 5a, 5b, 5c in the ring formation 10, all the laser spot centers 6a, 6b, 6c are next to one another.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine dreizählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 durch die drei Laserspots 5a, 5b, 5c ausgebildet wird, die durch Drehung um 360°/3 = 120° um ein Zentrum 12 (Schwerpunkt) der Ringformation 10 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12. The laser spots 5a, 5b, 5c of the individual beams of the laser beam ensemble have a three-fold rotational symmetry here, since the ring formation 10 is formed by the three laser spots 5a, 5b, 5c, which are formed by rotating through 360°/3=120° around a center 12 ( Focus) of the ring formation 10 can be converted into each other. The laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in dashed lines) around the common center 12.
Durch die Ringanordnung 10 kann die Schmelzbaddynamik beruhigt und die Richtungsabhängigkeit reduziert werden. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von drei Laserspots 5a, 5b, 5c eines Strahlensets aus drei Einzelstrahlen und drei Laserspots 5a', 5b', 5c' eines Zusatz-Strahlensets aus drei weiteren Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Mit den drei Laserspots 5a, 5b, 5c und den drei LaserspotsThe ring arrangement 10 can calm the melt pool dynamics and reduce the directional dependency. 4 shows a schematic representation of three laser spots 5a, 5b, 5c of a set of three individual beams and three laser spots 5a', 5b', 5c' of an additional set of three additional individual beams of a laser beam ensemble on a surface. With the three laser spots 5a, 5b, 5c and the three laser spots
5 5a', 5b', 5c' können gemäß einer dritten Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden. According to a third variant of the invention, two plate parts of a bipolar plate can be welded 5 5a′, 5b′, 5c′.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c des Strahlensets sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a, 5b, 5c auf dem Werkstück betragen hier je- io weils 100 pm. Beim Durchmesser dw handelt es sich zugleich um den maximalen The three laser spots 5a, 5b, 5c of the beam set are all the same size here, and the diameters dw of the laser spots 5a, 5b, 5c on the workpiece are each 100 μm here. The diameter dw is also the maximum
Durchmesser DS der Laserspots 5a, 5b, 5c des Strahlensets. Im Zentrum der drei Laserspots 5a, 5b, 5c liegen die drei Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c. Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier voneinander separat; sie berühren oder überlappen einander nicht. 5 Diameter DS of the laser spots 5a, 5b, 5c of the beam set. The three laser spot centers 6a, 6b, 6c are in the center of the three laser spots 5a, 5b, 5c. The laser spots 5a, 5b, 5c are separate from one another here; they do not touch or overlap each other. 5
Die drei Laserspots 5a', 5b', 5c' des Zusatz-Strahlensets sind hier ebenfalls alle gleich groß, und die Durchmesser dw' der Laserspots 5a', 5b', 5c' auf dem Werkstück betragen hier jeweils 20 pm. Beim Durchmesser dw' handelt es sich zugleich um den maximalen Durchmesser DZ der Laserspots 5a', 5b', 5c' desThe three laser spots 5a', 5b', 5c' of the additional beam set are also all the same size here, and the diameter dw' of the laser spots 5a', 5b', 5c' on the workpiece is 20 μm here. The diameter dw' is also the maximum diameter DZ of the laser spots 5a', 5b', 5c' of the
20 Zusatz-Strahlensets. Im Zentrum der drei Laserspots 5a', 5b', 5c' liegen drei Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c'. Die Laserspots 5a', 5b', 5c' berühren hier einander genau. Außerdem überlappt Laserspot 5a teilweise mit Laserspot 5a', Laserspot 5b teilweise mit Laserspot 5b' und Laserspot 5c teilweise mit Laserspot 5c'. Mit dem gezeigten Laserstrahlenensemble kann die geringe Laserintensität im Be-20 additional ray sets. In the center of the three laser spots 5a', 5b', 5c' are three laser spot centers 6a', 6b', 6c'. The laser spots 5a', 5b', 5c' touch each other exactly here. In addition, laser spot 5a partially overlaps laser spot 5a', laser spot 5b partially overlaps laser spot 5b', and laser spot 5c partially overlaps laser spot 5c'. With the laser beam ensemble shown, the low laser intensity in the
25 reich des Zentrums 12 der Ringformation 10 der Laserspots 5a, 5b, 5c ausgeglichen werden. 25 rich of the center 12 of the ring formation 10 of the laser spots 5a, 5b, 5c are compensated.
Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a, 6b, 6c der nebeneinander liegenden, in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c sind so alle gleich groß und betragen hier jeweils 108 pm. The distances a between the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the adjacent laser spot centers 6a, 6b, 6c in the ring formation 10 are all the same size and are each 108 μm here.
Die Laserspots 5a', 5b', 5c' sind in einer Zusatz-Ringformation 10' angeordnet.The laser spots 5a', 5b', 5c' are arranged in an additional ring formation 10'.
Die Zusatz-Ringformation 10' ist konzentrisch zur Ringformation 10 angeordnet.The additional ring formation 10 ′ is arranged concentrically with the ring formation 10 .
Die Abstände a' zwischen den Laserspotzentren 6a', 6b', 6c' von den nebenei- nander liegenden, d. h. in der Zusatz-Ringformation 10' benachbarten Laserspot- Zentren 6a', 6b', 6c' sind alle gleich groß und betragen hier jeweils 20 pm. Die Abstände a' der Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' der in der Zusatz-Ringformation 10' benachbarten Laserspots 5a', 5b', 5c' entsprechen also der Summe der jeweils halben Durchmesser dw' der Laserspots 5a', 5b', 5c'. The distances a' between the laser spot centers 6a', 6b', 6c' from the adjacent The laser spot centers 6a', 6b', 6c' lying next to one another, ie neighboring in the additional ring formation 10', are all of the same size and are each 20 μm here. The distances a′ of the laser spot centers 6a′, 6b′, 6c′ of the laser spots 5a′, 5b′, 5c′ adjacent in the additional ring formation 10′ therefore correspond to the sum of the respective half diameters dw′ of the laser spots 5a′, 5b ', 5c'.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c, 5a', 5b', 5c' der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine dreizählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 und die Zusatz-Ringformation 10' insgesamt durch Drehung um 360°/3 = 120° um das Zentrum 12 ineinander überführt werden können. The laser spots 5a, 5b, 5c, 5a', 5b', 5c' of the individual beams of the laser beam ensemble have a three-fold rotational symmetry here, since the ring formation 10 and the additional ring formation 10' are rotated by 360°/3=120° overall the center 12 can be converted into each other.
Die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12, entsprechend einem regelmäßigen Polygon. Die Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' der Laserspots 5a', 5b', 5c' der Zusatz-Ringformation 10' liegen hier ebenfalls auf einer Kreislinie (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12, und entsprechen den Ecken eines regelmäßigen Polygons. The laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in broken lines) around the common center 12, corresponding to a regular polygon. The laser spot centers 6a′, 6b′, 6c′ of the laser spots 5a′, 5b′, 5c′ of the additional ring formation 10′ also lie on a circular line (shown in dashed lines) around the common center 12 and correspond to the corners of a regular polygons.
Die Abstände az der Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 zum Zentrum 12 der Ringformation 10 sind alle gleich groß und betragen hier jeweils 70 pm. Die Abstände az' der Laserspot-Zentren 6a', 6b', 6c' der Laserspots 5a', 5b', 5c' der Zusatz-Ringformation 10' zum Zentrum 12 der Ringformation 10 sind ebenfalls alle gleich groß und betragen jeweils 12,5 pm. The distances az of the laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 to the center 12 of the ring formation 10 are all the same size and are each 70 μm here. The distances az′ of the laser spot centers 6a′, 6b′, 6c′ of the laser spots 5a′, 5b′, 5c′ of the additional ring formation 10′ to the center 12 of the ring formation 10 are also all the same and are each 12.5 μm .
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung von fünf Laserspots 5a, 5b, 5c, 5d, 5e eines Strahlensets aus fünf Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einer Oberfläche. Mit den fünf Laserspots 5a-5e können gemäß einer vierten Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden. FIG. 5 shows a schematic representation of five laser spots 5a, 5b, 5c, 5d, 5e of a beam set of five individual beams of a laser beam ensemble on a surface. According to a fourth variant of the invention, two plate parts of a bipolar plate can be welded with the five laser spots 5a-5e.
Die fünf Laserspots 5a-5e sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a-5e auf dem Werkstück betragen hier jeweils 100 pm. Im Zentrum der fünf Laserspots 5a-5e liegen die fünf Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c, 6d, 6e. Die Laserspots 5a-5e sind hier voneinander separat; sie berühren oder überlappen einander nicht. The five laser spots 5a-5e are all the same size here, and the diameter dw of the laser spots 5a-5e on the workpiece is 100 μm here. The five laser spot centers 6a, 6b, 6c, 6d, 6e are located in the center of the five laser spots 5a-5e. The laser spots 5a-5e are separate from each other here; they do not touch or overlap each other.
Die Laserspots 5a-5e sind in der Ringformation 10 angeordnet, die eine Innenflä- ehe einschließt. Durch die Laserspot-Zentren 6a-6e können in der gezeigten Variante die Eckpunkte des regelmäßigen Polygons 11, hier eines regelmäßigen Fünfecks 11b (gepunktet dargestellt), definiert werden. Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a-6e der nebeneinander liegenden, d. h. in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a-6e (z. B. der Laserspotzentren 6a und 6b oder 6d und 6e) betragen hier jeweils 140 pm. The laser spots 5a-5e are arranged in the ring formation 10, which includes an inner surface before. In the variant shown, the corner points of the regular polygon 11, here a regular pentagon 11b (shown as a dotted line), can be defined by the laser spot centers 6a-6e. The distances a between the laser spot centers 6a-6e of the adjacent, i. H. in the ring formation 10 adjacent laser spot centers 6a-6e (z. B. the laser spot centers 6a and 6b or 6d and 6e) are each 140 pm here.
Die Laserspots 5a-5e der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine fünfzählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 durch die fünf Laserspots 5a-5e ausgebildet wird, die durch Drehung um 360°/5=72° um das Zentrum 12 der Ringformation 10 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 6a-6e der Laserspots 5a-5e der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame Zentrum 12. Mit dieser Variante wird die Richtungsabhängigkeit noch weiter verringert verglichen zu Varianten mit weniger Laserspots 5a-5e. Typischerweise wird das Laserstrah- lenensemble in dieser Variante bei Kurvenfahrten entlang der Schweißnaht nicht mitgedreht. Weiterhin kann besonders einfach eine große Breite der Schweißnaht gefertigt werden. The laser spots 5a-5e of the individual beams of the laser beam ensemble have a five-fold rotational symmetry here, since the ring formation 10 is formed by the five laser spots 5a-5e, which are converted into one another by rotating through 360°/5=72° around the center 12 of the ring formation 10 can become. The laser spot centers 6a-6e of the laser spots 5a-5e of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in dashed lines) around the common center 12. With this variant, the directional dependency is reduced even further compared to variants with fewer laser spots 5a-5e. In this variant, the laser beam ensemble is typically not rotated when cornering along the weld seam. Furthermore, a large width of the weld seam can be produced particularly easily.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung von drei Laserspots 5a, 5b, 5c eines Strahlensets aus drei Einzelstrahlen eines Laserstrahlenensembles auf einerFig. 6 shows a schematic representation of three laser spots 5a, 5b, 5c of a beam set of three individual beams of a laser beam ensemble on a
Oberfläche. Die drei Einzelstrahlen sind hier als drei Überlagerungs- Einzellaserstrahlen ausgebildet. Mit den drei Laserspots 5a, 5b, 5c können gemäß einer fünften Variante der Erfindung zwei Plattenteile einer Bipolarplatte verschweißt werden. Surface. The three individual beams are designed here as three superimposed individual laser beams. According to a fifth variant of the invention, two plate parts of a bipolar plate can be welded with the three laser spots 5a, 5b, 5c.
Die Überlagerungs-Einzellaserstrahlen umfassen hier einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl (nicht näher dargestellt). Der erste Teilstrahl ist als ein Kernstrahl ausgebildet und der zweite Teilstrahl ist als ein Ringstrahl ausgebildet; Kernstrahl und Ringstrahl können beispielsweise mittels einer Multiclad-Faser erzeugt werden. Der Ringstrahl umgibt den Kernstrahl ringförmig. The superimposed individual laser beams here include a first partial beam and a second partial beam (not shown in detail). The first sub-beam is designed as a core beam and the second sub-beam is designed as a ring beam; Core beam and ring beam can be generated by means of a multiclad fiber, for example. The ring ray surrounds the core ray in a ring.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c, die durch die Überlagerungs-Einzellaserstrahlen auf der Oberfläche erzeugt werden, weisen jeweils einen Kernanteil 13a, 13b, 13c und einen Ringanteil 14a, 14b, 14c auf. Die Ringanteile 14a, 14b, 14c umgeben die Kernanteile 13a, 13b, 13c ringförmig. Die Kernanteile 13a, 13b, 13c sind alle gleich groß und haben hier einen Kerndurchmesser KD von hier jeweils 100 pm. Die Ringanteile 14a, 14b, 14c sind ebenfalls alle gleich groß und haben hier einen Ringdurchmesser RD von hier jeweils 400 pm. Ein jeweiliger Ringdurchmesser RD ist hier also viermal so groß wie ein jeweiliger Kerndurchmesser KD. The three laser spots 5a, 5b, 5c, which are generated on the surface by the superimposed individual laser beams, each have a core portion 13a, 13b, 13c and a ring portion 14a, 14b, 14c. The ring portions 14a, 14b, 14c surround the core portions 13a, 13b, 13c in a ring shape. The core parts 13a, 13b, 13c are all the same size and have a core diameter KD of 100 μm here. The ring parts 14a, 14b, 14c are also all the same size and have a ring diameter RD of 400 μm here. A respective ring diameter RD is four times larger than a respective core diameter KD.
Für einen jeweiligen Leistungsanteil LK der Kernanteile 13a, 13b, 13c der einzelnen Laserspots 5a, 5b, 5c von der Gesamtleistung der einzelnen Laserspots 5a, 5b, 5c kann beispielsweise LK = 50% gewählt werden. In der hier gezeigten Variante weist der jeweilige Ringanteil 14a, 14b, 14c eine ca. 15-fach größere Fläche auf als der jeweilige Kernanteil 13a, 13b, 13c. Eine mittlere Leistungsdichte im jeweiligen Kernanteil 13a, 13b, 13c ist dann hier etwa 15 mal größer als eine mittlere Leistungsdichte im jeweiligen Ringanteil 14a, 14b, 14c. Auf diese Weise kann im Tiefschweißregime eine (lokale) Dampfkapillare, die durch die Überlagerungs-Einzellaserstrahlen erzeugt wird, stabilisiert werden, und die Dynamik des Schmelzbades reduziert werden. For a respective power portion LK of the core portions 13a, 13b, 13c of the individual laser spots 5a, 5b, 5c of the total power of the individual laser spots 5a, 5b, 5c, LK=50% can be selected, for example. In the variant shown here, the respective ring portion 14a, 14b, 14c has an area that is approximately 15 times larger than the respective core portion 13a, 13b, 13c. An average power density in the respective core portion 13a, 13b, 13c is then about 15 times greater than an average power density in the respective ring portion 14a, 14b, 14c. In this way, a (local) vapor capillary generated by the superimposed individual laser beams can be stabilized in the deep welding regime and the dynamics of the melt pool can be reduced.
Die drei Laserspots 5a, 5b, 5c sind hier alle gleich groß, und die Durchmesser dw der Laserspots 5a, 5b, 5c (die hier gleich den Ringdurchmessern RD sind) auf dem Werkstück betragen hier jeweils 400 pm. Im Zentrum der drei Laserspots 5a, 5b, 5c liegen die drei Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c. Die Laserspots 5a, 5b, 5c berühren hier einander. Die Laserleistung der Einzelstrahlen ist hier gleich gewählt. The three laser spots 5a, 5b, 5c are all the same size here, and the diameters dw of the laser spots 5a, 5b, 5c (which are equal to the ring diameters RD here) on the workpiece are each 400 μm here. The three laser spot centers 6a, 6b, 6c are in the center of the three laser spots 5a, 5b, 5c. The laser spots 5a, 5b, 5c touch each other here. The laser power of the individual beams is chosen to be the same here.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c sind in einer Ringformation 10 angeordnet. Die Abstände a zwischen den Laserspotzentren 6a, 6b, 6c von den nebeneinander liegenden, d. h. in der Ringformation 10 benachbarten Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c (in der hier gezeigten Variante sind alle Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c nebeneinander liegend) betragen hier jeweils 400 pm. The laser spots 5a, 5b, 5c are arranged in a ring formation 10. The distances a between the laser spot centers 6a, 6b, 6c from the laser spot centers 6a, 6b, 6c (in the variant shown here, all laser spot centers 6a, 6b, 6c are next to each other) are 400 μm in each case.
Die Laserspots 5a, 5b, 5c der Einzelstrahlen des Laserstrahlenensembles weisen hier eine dreizählige Rotationssymmetrie auf, da die Ringformation 10 durch die drei Laserspots 5a, 5b, 5c ausgebildet wird, die durch Drehung um 360°/3=120° um das Zentrum 12 der Ringformation 10 ineinander überführt werden können. Die Laserspot-Zentren 6a, 6b, 6c der Laserspots 5a, 5b, 5c der Ringformation 10 liegen hier auf einer Kreislinie 36 (gestrichelt dargestellt) um das gemeinsame trum 12, und entsprechen den Eckpunkten eines regelmäßigen Polygons. The laser spots 5a, 5b, 5c of the individual beams of the laser beam ensemble have a three-fold rotational symmetry here, since the ring formation 10 is formed by the three laser spots 5a, 5b, 5c, which are formed by rotating 360°/3=120° around the center 12 of the Ring formation 10 can be converted into each other. The laser spot centers 6a, 6b, 6c of the laser spots 5a, 5b, 5c of the ring formation 10 lie here on a circular line 36 (shown in broken lines) around the common strand 12 and correspond to the corner points of a regular polygon.
Fig. 7 zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer Umformanordnung 37 für die Erfindung, umfassend eine Aufteilungsvorrichtung 15 und eine Multiclad- Faser 16, welche hier als eine 2-in-l-Faser 16a ausgebildet ist. Mit der Umfor- manordnung 37 wird ein Urlaserstrahl 17 umgeformt. Der Urlaserstrahl 17 propagiert entlang einer Achse Z. 7 shows a schematic longitudinal sectional view of a forming arrangement 37 for the invention, comprising a splitting device 15 and a multiclad fiber 16, which is designed here as a 2-in-1 fiber 16a. A primary laser beam 17 is reshaped with the reshaping arrangement 37 . The original laser beam 17 propagates along an axis Z.
Die Multiclad-Faser 16 weist eine Kernfaser 18 (innerer gepunkteter Bereich) sowie eine die Kernfaser 18 umgebende Mantelschicht 19 (innere zwei gestri- chelte Bereiche) auf. An die Mantelschicht 19 schließt sich nach radial außen hin eine Ringfaser 20 (äußere zwei gepunktete Bereiche) an, die von einer weiteren Mantelschicht 21 (äußere zwei gestrichelte Bereiche) umgeben ist. The multiclad fiber 16 has a core fiber 18 (inner dotted area) and a cladding layer 19 surrounding the core fiber 18 (inner two dotted areas). Adjoining the cladding layer 19 radially outward is a ring fiber 20 (two outer dotted areas), which is surrounded by a further cladding layer 21 (two outer dotted areas).
Der Urlaserstrahl 17 wird von einer Laserquelle (nicht näher dargestellt) erzeugt. Der Urlaserstrahl 17 breitet sich hier entlang der Achse Z kollimiert aus und wird auf die Aufteilungsvorrichtung 15 gerichtet. Die Aufteilungsvorrichtung 15 umfass hier einen optischen Keil 15a und eine Fokussierlinse 15b. Mit dem optischen Keil 15a wird ein Teil des Urlaserstrahls 17 abgelenkt und mit der Fokussierlinse 15b auf die Ringfaser 20 an einem Fasereingang 22 der Multiclad-Faser 16 fokussiert. Ein weiterer Teil des Urlaserstrahl 17 wird am optischen Keil 15a vorbeigeführt und mit der Fokussierlinse 15b auf die Kernfaser 18 am Fasereingang 22 der Multiclad-Faser 16 fokussiert. Am Fasereingang 22 wird entsprechend der Urlaserstrahl 17 in die Multiclad- Faser 16 eingekoppelt und an einem Faserende 23 der Multiclad-Faser 16 wird dann ein austretender Urlaserstrahl 17' mit einem Urlaser-Kernstrahl 24 (durchgehende Linie am Faserende 23) und einem Urlaser-Ringstrahl 25 (gestrichelte Linie am Faserende 23) für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt. Der austretende, umgeformte Urlaserstrahl 17' kann nun auf Einzelstrahlen aufgeteilt werden (vgl. Fig. 8). The original laser beam 17 is generated by a laser source (not shown in detail). Here, the original laser beam 17 propagates in a collimated manner along the Z axis and is directed onto the splitting device 15 . The splitting device 15 here comprises an optical wedge 15a and a focusing lens 15b. A part of the original laser beam 17 is deflected with the optical wedge 15a and focused on the ring fiber 20 at a fiber input 22 of the multiclad fiber 16 with the focusing lens 15b. Another part of the original laser beam 17 is guided past the optical wedge 15a and focused onto the core fiber 18 at the fiber input 22 of the multiclad fiber 16 with the focusing lens 15b. At the fiber input 22, the original laser beam 17 is coupled into the multiclad fiber 16 and at a fiber end 23 of the multiclad fiber 16 there is then an emerging original laser beam 17' with an original laser core beam 24 (continuous line at the fiber end 23) and an original laser ring beam 25 (dashed line at fiber end 23) provided for the method according to the invention. The exiting, reshaped original laser beam 17' can now be divided into individual beams (cf. FIG. 8).
Fig. 8 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine beispielhafte Schweißoptik 26, mit welcher eine Aufteilung eines Urlaserstrahls 17 (auch eines umgeformten Urlaserstrahls, vgl. Fig. 7) auf Einzelstrahlen 33 für das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. 8 shows a schematic longitudinal sectional view of an exemplary welding optics 26, with which a division of a original laser beam 17 (also a shaped original laser beam, cf. FIG. 7) into individual beams 33 for the method according to the invention can be carried out.
Die Schweißoptik 26 umfasst hier ein Laserlichtkabel 27 (beispielsweise eine Multiclad-Faser wie in Fig. 7 beschrieben), eine Kollimationslinse 28, ein optisches Element 29, welches hier mit zwei Bifokaleinsätzen 30a, 30b ausgebildet ist, und eine Fokussierlinse 31. Die Bifokaleinsätze 30a, 30b, welche hier als Glaskeile ausgebildet sind, sind hintereinander und um 90° zueinander gedreht angeordnet. The welding optics 26 here includes a laser light cable 27 (for example a multiclad fiber as described in Fig. 7), a collimating lens 28, an optical element 29, which is formed here with two bifocal inserts 30a, 30b, and a focusing lens 31. The bifocal inserts 30a , 30b, which are designed here as glass wedges, are arranged one behind the other and rotated by 90° to one another.
Über das Laserlichtkabel 27 wird der Urlaserstrahl 17 bereitgestellt, der an einem Faserende des Laserlichtkabels 27 austritt. Das Faserende liegt im Fokus der Kollimationslinse 28, und der austretende Urlaserstrahl 17 wird von der Kollimationslinse 28 kollimiert, wodurch der Urlaserstrahl 17 zu einem kollimierten Laser- strahl 32 wird. Der kollimierte Laserstrahl 32 wird zu den Bifokaleinsätzen 30a, 30b geführt. Die Bifokaleinsätze 30a, 30b nehmen hier jeweils etwa die Hälfte eines Querschnitts des kollimierten Laserstrahls 32 ein. Hierdurch kann der kollimierte Laserstrahl 32 in der hier gezeigten beispielhaften Schweißoptik 26 in vier Einzelstrahlen 33 aufgeteilt werden (in der hier gezeigten Perspektive sind zwei der vier Einzelstrahlen 33 zu erkennen). Die vier Einzelstrahlen 33 bilden ein Laserstrahlenensemble 34 für das Laserschweißen einer Bipolarplatte gemäß der Erfindung. Die vier Einzelstrahlen 33 bilden in der gezeigten Variante gemeinsam ein Strahlenset 35 des Laserstrahlenensembles 34. Die Einzelstrahlen 33 werden durch die Fokussierlinse 31 auf die Oberfläche der Plattenteile der Bi- polarplatte (nicht näher dargestellt) fokussiert, wodurch auf der Oberfläche hier vier gleich große Laserspots erzeugt werden. Je nach eingesetztem optischen Element 29 können auch weniger oder mehr Laserspots auf der Oberfläche erzeugt werden (nicht näher dargestellt). The original laser beam 17 is provided via the laser light cable 27 and exits at a fiber end of the laser light cable 27 . The end of the fiber is in the focus of the collimating lens 28, and the exiting original laser beam 17 is collimated by the collimating lens 28, as a result of which the original laser beam 17 becomes a collimated laser beam 32. The collimated laser beam 32 is directed to the bifocal inserts 30a, 30b. The bifocal inserts 30a, 30b each take up about half of a cross section of the collimated laser beam 32 here. As a result, the collimated laser beam 32 can be divided into four individual beams 33 in the exemplary welding optics 26 shown here (two of the four individual beams 33 can be seen in the perspective shown here). The four individual beams 33 form a laser beam ensemble 34 for laser welding a bipolar plate according to the invention. In the variant shown, the four individual beams 33 together form a beam set 35 of the laser beam ensemble 34. The individual beams 33 are directed through the focusing lens 31 onto the surface of the plate parts of the bi- polar plate (not shown in detail), whereby four laser spots of equal size are generated on the surface. Depending on the optical element 29 used, fewer or more laser spots can also be generated on the surface (not shown in detail).
Bezuoszeichenliste Reference List
1 Bipolarplatte la oberer Plattenteil lb unterer Plattenteil 1 bipolar plate la upper plate part lb lower plate part
2 Schweißnaht 2 weld
2a umlaufend, geschlossene Schweißnaht 2a circumferential, closed weld seam
2b geschlossene Schweißnaht 2b closed weld seam
2c offene (geradlinige) Schweißnaht 3 Durchbruch 2c open (straight line) weld 3 breakthrough
4 Oberfläche 4 surface
5a-5e Laserspot (Einzelstrahlen des Strahlensets) 5a-5e laser spot (individual beams of the beam set)
5a'-5c' Laserspot (weitere Einzelstrahlen des Zusatz-Strahlensets)5a'-5c' laser spot (additional individual beams of the additional beam set)
6a-6e Laserspot-Zentrum (des Laserspots) 6a'-6c' Laserspot-Zentrum (des Zusatz-Strahlensets) 6a-6e laser spot center (of the laser spot) 6a'-6c' laser spot center (of the additional beam set)
7 gemeinsamer Schwerpunkt 7 common focus
8 Schweißkurve 8 welding curve
9 gemeinsames Schmelzbad 9 common weld pool
10 Ringformation 10' Zusatz- ingformation 10 ring formation 10' additional information
11 regelmäßiges Polygon 11 regular polygon
11a gleichseitiges Dreieck lib gleichseitiges Fünfeck 11a equilateral triangle lib equilateral pentagon
12 Zentrum (der Ringformation) 13a-13c Kernanteil 12 center (of ring formation) 13a-13c core portion
14a-14c Ringanteil 14a-14c ring portion
15 Aufteilungsvorrichtung 15 dividing device
15a optischer Keil 15a optical wedge
15b Fokussierlinse 16 Multiclad-Faser 15b focusing lens 16 multiclad fiber
16a 2-in-l-Faser 16a 2-in-1 fiber
17 Urlaserstrahl 17 Primal Laser Beam
17' austretender, umgeformter Urlaserstrahl 17' Emerging, reshaped original laser beam
18 Kernfaser 19 Mantelschicht 18 core fiber 19 cladding layer
20 Ringfaser 20 ring fiber
21 weitere Mantelschicht 21 more coat layer
22 Fasereingang 22 fiber input
523 Faserende 523 fiber end
24 Urlaser-Kernstrahl 24 Primal Laser Core Beam
25 Urlaser-Ringstrahl 25 Primal Laser Ring Beam
26 Schweißoptik 26 welding optics
27 Laserlichtkabel io 28 Kollimationslinse 27 Laser light cable io 28 Collimation lens
29 optisches Element 29 optical element
30a, b Bifokaleinsatz 30a, b bifocal insert
31 Fokussierlinse 31 focusing lens
32 kollimierter Laserstrahl 32 collimated laser beam
1533 Einzelstrahl 1533 single beam
34 Laserstrahlenensemble 34 laser beam ensemble
35 Strahlenset 35 Ray Set
36 Kreislinie (Strahlenset) 36 circle line (ray set)
36' Kreislinie (Zusatz-Strahlenset) 36' circle line (additional radiation set)
2037 Umformanordnung a Abstand von nebeneinander liegenden, benachbarten Laserspot-2037 Forming arrangement a Distance from adjacent, adjacent laser spot
Zentren (der Laserspots des Strahlensets) a' Abstand von nebeneinander liegenden, benachbarten Laserspot-Centers (of the laser spots of the radiation set) a' Distance from adjacent, adjacent laser spots
25 Zentren (der Laserspots des Zusatz-Strahlensets) az Abstand des Laserspot-Zentrums aus der Ringformation zum Zentrum der Ringformation az' Abstand des Laserspot-Zentrums aus der Zusatz-Ringformation zum25 centers (of the laser spots of the additional beam set) az distance of the laser spot center from the ring formation to the center of the ring formation az' distance of the laser spot center from the additional ring formation to
Zentrum der Ringformation so BLD Blechdicke center of the ring formation so BLD sheet thickness
DS maximaler Durchmesser der Laserspots des Strahlensets DS maximum diameter of the laser spots of the beam set
DZ maximaler Durchmesser der Laserspots des Zusatz-Strahlensets dw Durchmesser des Laserspots (des Strahlensets) auf dem Werkstück dw' Durchmesser des Laserspots (des Zusatz-Strahlensets) auf dem DZ maximum diameter of the laser spot of the additional beam set dw diameter of the laser spot (of the beam set) on the workpiece dw' diameter of the laser spot (of the additional beam set) on the
Werkstück workpiece
KD Kerndurchmesser KD core diameter
RD Ringdurchmesser SR Schweißrichtung RD ring diameter SR welding direction
Z Achse Z axis

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile (la, lb) entlang wenigstens einer Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen entlang der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) mit einem Laserstrahlenensemble (34) umfassend wenigstens drei Einzelstrahlen (33) erfolgt, wobei die Einzelstrahlen (33) auf einer Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) jeweils einen Laserspot (Säße, 5a'-5c') erzeugen, und dass die wenigstens drei Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein gemeinsames Schmelzbad (9) in den Plattenteilen (la, lb) erzeugen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein Strahlenset (35) bilden, und dass Laserspot-Zentren (6a-6e) der Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) in einer Ringformation (10) angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspot- Zentren (6a-6e) des Strahlensets (35) auf der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) ein regelmäßiges Polygon (11) bilden. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) auf der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) voneinander separat sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) einen gleichen Durchmesser (dw) aufweisen und/oder die Einzelstrahlen (33) des Strahlensets (35) eine gleiche Laserleistung aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei weitere Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) ein Zusatz-Strahlenset bilden, und dass Laserspot-Zentren (6a'-6c') der Laserspots (5a'-5c') des Zusatz- Strahlensets in einer Zusatz-Ringformation (10') angeordnet sind, wobei die Zusatz-Ringformation (10') konzentrisch mit der Ringformation (10) angeordnet ist, und wobei ein jeweiliger Abstand (az') der Laserspot- Zentren (6a'-6c') der Laserspots (5a'-5c') der Zusatz-Ringformation (10') zu einem Zentrum (12) der Ringformation (10) kleiner ist als ein Abstand (az) der Laserspot-Zentren (6a-6c) der Laserspots (5a-5c) der Ringformation (10) zu dem Zentrum (12) der Ringformation (10). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen maximalen Durchmesser DZ der Laserspots (5a'-5c') des Zusatz-Strahlensets und für einen maximalen Durchmesser DS der Laserspots (5a-5e) des Strahlensets (35) gilt: DZ<DS. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserspots (5a-5e, 5a'-5c') der Einzelstrahlen (33) des Laserstrahlenensembles (34) auf einer Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) eine Anordnung bilden, die eine N-zählige Rotationssymmetrie aufweist, mit N>3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Einzelstrahlen (33) als Überlagerungs-Einzellaserstrahlen ausgebildet sind, jeweils umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Oberfläche ineinander liegen. Method for laser welding a bipolar plate (1) for a fuel cell, two plate parts (1a, 1b) being welded to one another along at least one weld seam (2, 2a, 2b, 2c), characterized in that the laser welding is carried out along the at least one weld seam ( 2, 2a, 2b, 2c) with a laser beam ensemble (34) comprising at least three individual beams (33), the individual beams (33) each having a laser spot (Säße, 5a') on a surface (4) of the plate parts (la, lb). -5c') generate, and that the at least three individual beams (33) of the laser beam ensemble (34) generate a common melt pool (9) in the plate parts (la, lb). Method according to Claim 1, characterized in that at least three individual beams (33) of the laser beam ensemble (34) form a beam set (35), and that laser spot centers (6a-6e) of the laser spots (5a-5e) of the beam set (35) in a ring formation (10) are arranged. Method according to Claim 2, characterized in that the laser spot centers (6a-6e) of the beam set (35) form a regular polygon (11) on the surface (4) of the plate parts (1a, 1b). Method according to Claim 2 or 3, characterized in that the laser spots (5a-5e) of the beam set (35) on the surface (4) of the plate parts (1a, 1b) are separate from one another. Method according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the laser spots (5a-5e) of the beam set (35) have the same diameter (dw) and/or the individual beams (33) of the beam set (35) have the same laser power. Method according to one of Claims 2 to 5, characterized in that at least three further individual beams (33) of the laser beam ensemble (34) form an additional beam set, and that laser spot centers (6a'-6c') of the laser spots (5a'-5c ') of the additional beam sets are arranged in an additional ring formation (10'), the additional ring formation (10') being arranged concentrically with the ring formation (10), and with a respective distance (az') of the laser spot centers (6a'-6c') of the laser spots (5a'-5c') of the additional ring formation (10') to a center (12) of the ring formation (10) is smaller than a distance (az) of the laser spot centers (6a- 6c) the laser spots (5a-5c) of the ring formation (10) to the center (12) of the ring formation (10). Method according to Claim 6, characterized in that the following applies for a maximum diameter DZ of the laser spots (5a'-5c') of the additional beam set and for a maximum diameter DS of the laser spots (5a-5e) of the beam set (35): DZ<DS . Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser spots (5a-5e, 5a'-5c') of the individual beams (33) of the laser beam ensemble (34) form an arrangement on a surface (4) of the plate parts (1a, 1b). , which has N-fold rotational symmetry, with N>3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the individual beams (33) are in the form of superimposed individual laser beams, each comprising at least two partial beams which lie one inside the other on the surface.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst, 10. The method according to claim 9, characterized in that the superimposed single laser beam comprises a core beam and a ring beam surrounding the core beam.
5 oder dass der Überlagerungs-Einzellaserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche (4) innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst. 5 or that the superimposed single laser beam comprises a larger sub-beam and a smaller sub-beam which lies on the workpiece surface (4) within the larger sub-beam.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Urlaserstrahl (17) in einer Multiclad-Faser (16) geführt wird, umfassend eine Kernfaser (18) und eine die Kernfaser (18) umgebende Ringfaser (20), und dass ein aus der Multiclad-Faser (16) austretender Urlaserstrahl (17') mittels eines optischen Elements (29) auf zumindest den Teil der Einzelstrahlen (33) aufgeteilt wird. 5 11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that a primary laser beam (17) is guided in a multiclad fiber (16), comprising a core fiber (18) and a ring fiber (20) surrounding the core fiber (18), and that a primary laser beam (17') emerging from the multiclad fiber (16) is split up into at least some of the individual beams (33) by means of an optical element (29). 5
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenteile (la, lb) jeweils eine Blechdicke BLD zwischen 50 pm und 150 pm aufweisen. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plate parts (1a, 1b) each have a sheet thickness BLD between 50 μm and 150 μm.
20 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte (2a, 2b) umfasst 20 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one weld seam (2, 2a, 2b, 2c) comprises one or more self-contained weld seams (2a, 2b).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile (la, lb) umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht (2a) umfasst. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one weld (2, 2a, 2b, 2c) comprises at least one on an outside of the plate parts (1a, 1b) circumferential, self-contained weld (2a).
15. Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen15. Bipolar plate (1) for a fuel cell, produced by welding
30 von zwei Plattenteilen (la, lb) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 30 of two plate parts (la, lb) according to a method according to any one of the preceding claims.
PCT/EP2022/085024 2022-01-05 2022-12-08 Method for laser welding a flow field plate of a fuel cell, having a weld pool produced using a plurality of laser spots WO2023131468A1 (en)

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