WO2023152015A1 - VERFAHREN ZUM LASERSCHWEIßEN EINER BIPOLARPLATTE FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE, MIT ZEITLICH ZYKLISCH VARIIERENDER LEISTUNGSDICHTEVERTEILUNG IM BEREICH DES SCHMELZBADS - Google Patents

VERFAHREN ZUM LASERSCHWEIßEN EINER BIPOLARPLATTE FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE, MIT ZEITLICH ZYKLISCH VARIIERENDER LEISTUNGSDICHTEVERTEILUNG IM BEREICH DES SCHMELZBADS Download PDF

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Oliver BOCKSROCKER
Nicolai Speker
Tim Hesse
Philipp Scheible
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    • Y02E60/50—Fuel cells

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, the laser welding being carried out with a laser beam, the laser beam having a basic movement component with a feed rate in a plane of a surface of the two plate parts VS in a welding direction SR. along a welding curve relative to the plate parts, and the welding curve runs along the weld seam, the laser beam generating a molten pool in the plate parts, and the laser beam in the plane of the surface of the two plate parts in the region of the molten pool effects a power density distribution of laser radiation, and wherein the laser beam comprises one or more sub-beams.
  • Such a method has become known from the subsequently published German patent application DE 10 2021 113 834.5.
  • 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.
  • bipolar plates can have two metallic plate parts that are welded together.
  • weld seams must be fluid-tight in order to direct gases and water in defined paths.
  • weld seams serve to connect the two plate parts electrically and mechanically.
  • Vc ° determined from a test measurement with the laser beam without modulation of the laser power, with fco test : measured characteristic oscillation frequency in the test measurement; df,co test : diameter of the laser beam focal spot in the test measurement; v co test : Feed speed of the laser beam relative to the workpiece during the test measurement.
  • US 2004/00262381 A1 proposes to produce a high-quality weld seam when laser welding steel plates, when carrying out the laser welding with a laser beam whose power is pulse-modulated, the power with a frequency which corresponds to a natural frequency of a molten pool generated by the laser beam , to vary periodically.
  • melt accumulations can occur in the wake of the weld seam behind the weld pool.
  • This process of formation of lumps of melt is also referred to as humping, and the lumps of melt are also referred to as humps.
  • the humping is caused by a movement of the melt pool generated during laser welding against the welding direction SR and rapid solidification of the melt. The melt accumulations occur periodically in the solidified weld.
  • the present invention proposes a temporally cyclical variation of the power density distribution in the plane of the surface (facing the laser beam) of the two plate parts in the region of the melt pool.
  • welding can be carried out with a high feed rate VS and a solidified weld seam can be produced with only weakly pronounced or even completely no melt accumulations.
  • the production speed for the bipolar plates can therefore be increased in comparison to laser welding with a power density distribution that is constant over time in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool.
  • weld spatter also referred to as splatter for short
  • ejections during welding are reduced.
  • the cyclical variation of the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the molten pool can take place in particular in that at least one partial beam of the laser beam undergoes a temporally cyclical power change and/or that at least one partial beam of the laser beam changes the basic movement component a time-cyclical additional movement component ("pendulum movement component") is superimposed.
  • a pendulum movement component typically has a much higher mean speed in terms of absolute value than the basic movement component, usually by a factor of at least 10 or a factor of 50.
  • the (cyclically changing) power density distribution of the laser radiation is observed in the area of the molten pool (i.e. relative to the molten pool), with the molten pool progressing essentially with the basic movement component along the welding curve.
  • the frame of reference for observing the (cyclically changing) power density distribution moves with the basic motion component.
  • the power density distribution is observed in the plane of the workpiece surface (plane of the upper side of the upper plate part facing the laser), i.e. essentially on the surface of the melt pool, and in the area of the melt pool, i.e. within the extent of the surface of the melt pool.
  • the time-cyclic variation of the power density distribution in the plane of the surface of the plate parts in the area of the melt pool is basically accompanied by a variation of a power density distribution in the volume of the melt pool (and in particular over the depth of the melt pool), which can also be observed if desired.
  • the variation of the power density distribution in the volume of the melt pool is not discussed in detail below.
  • the temporally cyclical change in the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool preferably includes at least one portion that changes over time in the direction and counter to the direction of the basic movement component.
  • the metallic plate parts of the bipolar plate are arranged to overlap 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, on the outside, ducts for reaction water and/or gases, in particular hydrogen and oxygen, are formed between the plate parts.
  • the bipolar plates typically have one or more openings with which gas can be transported in the stack direction in the fuel cell stack.
  • closed welds are typically made at the outer edge of the plate parts and around all openings, and non-closed welds are also made distributed over the surface 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 used for both closed welds and non-closed welds.
  • the fluid mechanics in the area of the melt pool can be specifically influenced via the inventive cyclical variation of the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts, and the local welding depth can also be influenced if necessary, and humping can be suppressed.
  • a laser power of at least one partial beam of the laser beam is varied cyclically over time in order to vary the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the region of the melt pool.
  • the instantaneous size or depth of a vapor capillary can be influenced by varying the power density.
  • the entire laser beam, or only a partial beam of the laser beam, or several partial beams of the laser beam can be cyclically varied over time.
  • a temporally cyclical variation of the laser power of the at least one partial beam can be combined with a spatial oscillation of the at least one partial beam (or its partial laser spots) (e.g. with a transverse movement component, see below, in particular in the area of the reversal points a reduced laser power is applied to the transverse movement component in order to avoid a molar tooth profile of the weld seam).
  • a further development of this variant provides that the laser power of the at least one partial beam is varied sinusoidally or rectangularly or triangularly or as a combination thereof. All of these variation options are suitable for optimizing the melt flow in the melt pool, which enables fast processing of the plate parts.
  • a further development of this variant is also preferred, in which the laser power of the at least one partial beam is varied sinusoidally in areas of power troughs and triangularly in areas of power peaks, and a power jump is set up at transitions from sinusoidal and triangular variations.
  • a further development is also preferred in which a laser power of the laser beam is varied cyclically overall over time in order to vary the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the region of the melt pool.
  • the time-cyclical variation of the laser power of the laser beam as a whole is technically particularly easy to implement. If necessary, an instantaneous size or depth of a vapor capillary can be influenced by varying the laser power.
  • a further development characterized in that, in order to vary the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool, a power distribution between at least two partial beams is varied cyclically over time, with the total power of the laser beam being kept constant over time.
  • a particularly uniform weld seam can be welded with the same overall performance.
  • the melt flow in the melt bathroom can be specifically influenced and optimized.
  • the at least two partial beams can, for example, be partial beams lying next to one another or partial beams lying one inside the other.
  • a transverse movement component is superimposed on at least one partial beam in the plane of the surface of the plate parts, so that at least one partial laser spot of the at least one partial beam is moved back and forth cyclically in time transversely to the welding curve.
  • the movement in the melt pool can be influenced by the temporally cyclic transverse movement component of the at least one partial beam, in particular in order to suppress the formation of melt accumulations.
  • the seam width or the welding depth can also be influenced if necessary.
  • the entire laser beam, or only a partial beam of the laser beam, or several partial beams of the laser beam can be cyclically moved back and forth in time.
  • a further development of this variant provides that, in order to vary the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool, a transverse movement component is superimposed on the entire laser beam, so that a laser spot of the laser beam moves back and forth cyclically transverse to the welding curve becomes.
  • the time-cyclic back and forth movement of the entire laser beam is technically easy to implement.
  • a variant is particularly preferred in which, in order to vary the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool, a longitudinal movement component is superimposed on at least one partial beam in the plane of the surface of the plate parts, so that at least one partial laser spot of the at least a partial beam parallel to the welding curve borrowed is moved back and forth cyclically.
  • the movement in the melt pool can be influenced particularly efficiently by the chronologically cyclic longitudinal movement component of the at least one partial beam, in particular in order to suppress the formation of melt accumulations.
  • the melt pool length or the welding depth can also be influenced if necessary.
  • the entire laser beam, only a partial beam of the laser beam, or several partial beams of the laser beam can be cyclically moved back and forth in time.
  • a longitudinal movement component is superimposed on the entire laser beam, so that a laser spot of the laser beam parallel to the welding curve cyclically backwards in time and is moved.
  • the time-cyclic back and forth movement of the entire laser beam is technically easy to implement.
  • the same frequencies fQ and fL can be implemented particularly easily in practice.
  • the laser welding can be performed particularly smoothly.
  • a sub-variant of this further development is also preferred, in which the at least one partial laser spot of the at least one partial beam rotates cyclically in time around a circle center by superimposing the transverse movement component and the longitudinal movement component of the at least one partial beam in the plane of the surface of the plate parts is moved, whereby the center of the circle is moved along the welding curve with the feed rate VS.
  • the time cyclical circular movement around the center of the circle is easy to apply and enables uniform welding while optimizing the melt flow and the dynamics of the weld pool.
  • An alternative further development in which a frequency fQ of the transverse movement component and a frequency fL of the longitudinal movement component are unequal is also advantageous.
  • fQ/fL N/M
  • N a natural number
  • M a natural number, in particular one of the numbers M or N being one.
  • the at least one partial laser spot of the at least one partial beam is chronologically cyclic by superimposing the transverse movement component and the longitudinal movement component of the at least one partial beam in the plane of the surface of the plate parts
  • connection point of the two circles that form the figure of eight and the points of the two circles opposite this connection point are on the welding curve.
  • Equally advantageous is a variant which provides that, in order to vary the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool, at least one partial laser spot of at least one partial beam in the plane of the surface of the plate parts is cyclically enlarged and reduced over time. This allows the movement in the melt pool to be easily influenced in order to avoid humping. If necessary, also the seam width or an instantaneous size of a vapor capillary can be influenced.
  • a further development of this variant is preferred, in which, in order to enlarge and reduce at least the partial laser spot, a focus position of at least the partial beam is changed cyclically in time perpendicular to the plane of the surface of the plate parts. This is particularly easy to carry out in practice and leads to good results.
  • a laser spot of the entire laser beam in the plane of the surface of the plate parts is cyclically enlarged and reduced over time.
  • the temporal enlargement and reduction of the laser spot of the entire laser beam is technically particularly easy to implement.
  • a focus position of the entire laser beam can then be changed cyclically in time perpendicularly to the plane of the surface of the plate parts.
  • test plate is laser welded with a test laser beam at the feed rate VS in a preliminary measurement, with two test plate parts for the test plate at least in their material type and mate rial strength correspond to the type of material and the material thickness of the plate parts and the test laser beam corresponds to the laser beam in the time average, but does not apply any time-cyclic variation of the power density distribution in the plane of the surface of the two test plate parts in the area of the melt pool, and that the average distance laverage from melt accumulations is determined in a solidified test weld seam of the test plate. In this way, the humping frequency can be easily and accurately determined experimentally.
  • the test plate or the test plate parts
  • the test plate parts is structurally identical to the bipolar plate (or the plate parts).
  • fM frequency distribution in the plane of the surface of the two plate parts in the area of the melt pool
  • a correspondingly selected (modulation) frequency fM also results in a very efficient suppression of melt accumulations.
  • the laser beam is in the form of a superimposed laser beam, comprising at least two partial beams that represent superimposed partial laser beams, the superimposed partial laser beams lying one inside the other on the surface.
  • a lower local laser power density is established in a radially outer part of the heterodyne laser beam and a locally higher laser power density is established in a radially inner part of the heterodyne laser beam. This allows the vapor capillary to be stabilized during deep penetration welding and the weld pool dynamics to be reduced.
  • the superimposed laser beam typically has concentric superimposed partial laser beams on the workpiece surface.
  • the superimposed laser beam comprises a core beam and a ring beam that surrounds the core beam as superimposed partial laser beams, or that the superimposed laser beam has a larger superimposed partial laser beam and a smaller superimposed partial laser beam on the workpiece surface lies within the larger superimposed partial laser beam.
  • This procedure is particularly simple and has proven itself in practice.
  • a heterodyne 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.
  • 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, for example 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 ⁇ m and 150 ⁇ m combine sufficient robustness with a light and material-saving construction.
  • the at least one weld seam comprises one or more self-contained weld seams.
  • Closed weld seams are generally used to seal off fluids in the fuel cell (cooling water, reaction water, reaction gases such as hydrogen, oxygen).
  • closed weld seams can be manufactured with improved tightness, which makes the invention particularly advantageous here.
  • 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.
  • the laser beam is generated with an infrared laser and has a mean wavelength between 800 nm and 1200 nm, preferably 1030 nm or 1070 nm, or the laser beam is generated with a VIS laser with a mean wavelength between 400 nm and 450 nm or between 500 nm and 550 nm generated; and or
  • the beam parameter product SPP of the laser beam is between 0.38 mm*mrad and 16 mm*mrad, preferably with SPP ⁇ 0.6 mm*mrad in single mode or with SP ⁇ 3mm*rad in multi mode; and or
  • the beam parameter product SPP of the laser beam is between 0.38 mm*mrad and 16 mm*mrad, preferably with SPP ⁇ 0.6 mm*mrad in single mode or with SP ⁇ 3mm*rad in multi mode; and or
  • the laser power P of the laser beam is between 10W and 2000W, preferably with 50W ⁇ P ⁇ 700W; and or
  • the feed rate VS of the laser beam 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 a laser lens with which the laser beam is imaged onto the workpiece is between 1:1 and 5:1, preferably with 1.5:1 ⁇ AV ⁇ 2:1.
  • bipolar plate for a fuel cell produced by welding two plate parts together according to a method according to the invention as described above.
  • Bipolar plates manufactured in this way are characterized by good fluid tightness at the at least one weld seam and achieve a good mechanical and electrical connection between the plate parts.
  • the bipolar plates can be manufactured particularly quickly.
  • FIG. 1 shows a schematic top 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 around and a plurality of welded seams which extend in a straight line;
  • FIG. 2a shows a schematic top view of a molten pool that is produced with a laser beam according to a first variant of the invention and an associated diagram in which the power density distribution on the surface of the molten pool along axis A at different points in time is plotted;
  • FIG. 2b shows a diagram of the time-varying laser power of the laser beam from FIG. 2a for carrying out the method according to the invention in accordance with the first variant
  • 3a shows a diagram of the time-varying laser power of a laser beam for carrying out the method according to the invention according to a second variant
  • 3b shows a diagram of the time-varying laser power of a laser beam for carrying out the method according to the invention according to a third variant
  • 4 shows a diagram of the time-varying laser power of a laser beam for carrying out the method according to the invention according to a fourth variant
  • 5 shows a diagram of the time-varying laser power of two partial beams of a laser beam with the total power of the laser beam remaining the same for carrying out the method according to the invention according to a fifth variant
  • FIG. 6a shows a schematic plan view of a molten bath that is produced with a laser beam according to a sixth variant of the invention, with a time-cyclic shift of the laser beam along the welding direction SR. according to a longitudinal movement component and an associated diagram in which the power density distribution on the surface of the molten pool along the axis A is plotted at different points in time;
  • FIG. 6b shows a diagram of the time-varying position of the laser beam from FIG. 2a for carrying out the method according to the invention in accordance with the sixth variant;
  • FIG. 7a shows a schematic top view of a molten pool that is produced with a laser beam according to a seventh variant of the invention, with a time-cyclic displacement of the laser beam transverse to the welding direction SR according to a transverse movement component;
  • FIG. 7b shows a schematic plan view of a molten bath that is produced with a laser beam according to an eighth variant of the invention, with a time-cyclic displacement of the laser beam parallel and transverse to the welding direction SR according to a longitudinal movement component and a transverse movement component;
  • FIG. 8a shows a schematic plan view of a molten bath that is produced with a laser beam according to a ninth variant of the invention, with the laser beam being shifted along it cyclically over time a circular path according to a transverse component of movement and a longitudinal component of movement having an equal frequency;
  • Fig. 8b shows a schematic plan view of a molten bath that is produced with a laser beam according to a tenth variant of the invention, with a time-cyclical displacement of the laser beam along an 8-shaped path according to a transverse movement component and a longitudinal movement component, which is an unequal have frequency;
  • FIG. 9 shows a schematic plan view of a molten bath that is produced with a laser beam according to an eleventh variant of the invention, with different sizes of the laser spot produced by the laser beam at different points in time;
  • FIG. 10 shows a schematic longitudinal section of two plate parts which are welded by means of a laser beam as shown in FIG. 9 according to the eleventh variant, the laser beam having different focus positions in the direction perpendicular to the workpiece surface at different points in time;
  • FIG. 11 shows a schematic plan view of a molten bath that is produced with a laser beam according to the invention, and the laser spot produced by the laser beam to explain parameters for determining the frequency fM;
  • 12 shows a schematic longitudinal section of two test plate parts which, within the scope of the invention, are processed in a preliminary measurement with a test laser beam and in which accumulations of melt form on the surface of the solidified weld seam, for determining the frequency fM; 13 shows a schematic longitudinal section of two plate parts which are welded to one another with a laser beam according to the method according to the invention;
  • FIG. 14 shows a schematic view of a melt pool that is produced with a laser beam according to a twelfth variant of the invention, the laser beam being designed as a superimposed laser beam with two partial beams;
  • 15a shows a schematic cross section through a welded seam of a bipolar plate produced according to the method according to the invention, produced with a laser beam with a transverse movement component;
  • 15b shows a schematic cross section through a welded seam of a bipolar plate produced according to the method according to the invention, produced with a laser beam with a transverse movement component and synchronous power modulation.
  • FIG. 1 shows, in a schematic top view, 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 such. B. stainless steel.
  • a sheet metal thickness BLD of the plate parts 1a, 1b is 75 ⁇ m here in each case; Sheet thicknesses 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 rectilinear) weld seams 2c also run on the bipolar plate 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. 2a and 2b show a first variant of the method according to the invention, which is applied to the plate parts of a bipolar plate (as explained in FIG. 1).
  • the upper partial figure of FIG. 2a shows a section of a surface 4 on the upper side of the plate part 1a, on which a laser beam 5 illuminates a laser spot 6 and a molten pool 7 is produced.
  • the lower partial figure of FIG. 2a shows a diagram of a power density distribution LDV of laser power in the area of the melt pool 7 along an axis A on the surface 4, which is caused by the laser beam 5 at different points in time.
  • 2b shows a diagram of the change over time in the laser power P of the laser beam 5.
  • the weld seam 2 being produced is shown schematically in dashed lines on the surface 4 using its center lines.
  • the weld seam 2 is produced by means of the laser beam 5, which is directed from above (perpendicular to the plane of the drawing) onto the upper plate part 1a.
  • the laser beam 5 generates on the surface 4 of the plate part la the laser spot 6.
  • the laser beam 5 generates the melt pool 7 of melted plate material around the laser spot 6.
  • the melt pool 7 is widest in the area of the laser spot 6 . Contrary to the welding direction SR. the molten pool 7 gradually becomes narrower.
  • the melt pool 7 extends between a front end VE and a rear end HE.
  • the laser spot 6 is moved along a welding curve 8 as part of a welding feed.
  • the welding curve 8 is identical to the center line of the weld seam 2.
  • the laser beam 5 (and thus the laser spot 6) is moved along the welding curve 8 with a basic movement component GBK and a feed rate VS.
  • the direction of feed is marked with an arrow; the feed is along a welding direction SR. In the variant shown, no further movement components are used.
  • FIG. 2a and 2b illustrate a first possibility of how the power density distribution LDV in the plane of the laser-facing surface 4 of the plate part la in the area of the melt pool 7 can be varied cyclically over time, with the laser power of the laser beam 5 at a constant size of the laser spot 6 is varied.
  • the diagram of the power density distribution LDV in the region of the molten pool 7 along the axis A on the surface 4 is shown in the lower partial figure of FIG. 2a.
  • the diagram shows the local power density LD in % as a function of the position along the axis A in the plane of the surface 4.
  • the power density LD is greatest at the position where the center 9 of the laser spot 6 lies and falls from the center 9 of the laser spot 6 to the edge 10 of the laser spot 6 down.
  • Power density distributions LDV are entered in the diagram at three different points in time t1, t2, t3.
  • the power density distribution LDV solid line
  • the power density distribution LDV (dotted line) in the area of Melt pool 7 smaller values compared to the time tl and at the position in the center 9 of the laser spot 6, a power density LD of about 85% is achieved here.
  • the power density distribution LDV (dashed line) in the area of the melt pool 7 has its lowest values compared to the times t1 and t2 and at the position in the center 9 of the laser spot 6 a power density LD of around 70% is reached here.
  • These power densities LD at the different points in time t1, t2, t3 correlate with the (total) laser power P of the laser beam 5; the laser power P is plotted in the diagram of FIG. 2b as a function of time t.
  • the laser power P of the laser beam 5 is varied sinusoidally in the variant shown here.
  • the laser power P of the laser beam 5 reaches its maximum of 100%.
  • the power density distribution LDV in the area of the melt pool 7 also has its greatest values at the time t1.
  • the laser power P of the laser beam 5 is approximately 85% and at the time t3 the laser power P of the laser beam 5 is approximately 70%.
  • the power density distribution LDV in the area of the melt pool 7 at the times t2 and t3 also changes in accordance with the laser power P at the times t2 and t3.
  • the power density distribution LDV in the area of the melt pool 7 can be varied in a simple manner and the formation of humps can be suppressed.
  • the laser beam 5 includes only a partial beam.
  • the laser beam 5 can comprise a partial beam (as shown here) or several partial beams (not shown in detail, but see FIG. 5 or FIG. 14).
  • 3a shows a second variant of the method according to the invention, in which the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts facing the laser in the area of the melt pool is varied by a time-cyclic variation of the laser power P of the laser beam 5.
  • the (total) laser power P of the laser beam 5 is plotted as a function of time t.
  • the laser power P of the laser beam 5 is varied in the form of a rectangle in the variant shown here. There are periods when the laser power P is 100% and periods when the laser power P is about 30% here. At the transition between the laser powers P, there is a jump in the laser power P of the laser beam 5 in each case.
  • 3b shows a third variant of the method according to the invention, in which the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts facing the laser in the area of the melt pool is varied by a time-cyclic variation of the laser power P of the laser beam 5.
  • the laser power P is plotted as a function of time t.
  • the laser power P is varied triangularly in the variant shown here.
  • the maximum laser power P is 100% and the lowest laser power P is about 40% here. In between, the laser power P is changed linearly with time t.
  • FIG. 4 shows a fourth variant of the method according to the invention, in which the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts facing the laser in the area of the melt pool is varied by a time-cyclic variation of the laser power P of the laser beam 5 .
  • the laser power P is plotted as a function of time t.
  • the variation of the laser power P of the laser beam 5 in the variant shown here takes place as a combination of sinusoidal and triangular changes in the laser power P as a function of the time t.
  • the laser power P varies triangularly (with a linear increase and a linear drop in laser power)
  • the laser power P varies sinusoidally and power jumps are set up at transition times tue between the triangular and sinusoidal variation (jump in the laser power P from approx. 60% to approx. 80% and vice versa).
  • FIG. 5 shows a fifth variant of the method according to the invention, in which the power density distribution in the plane of the laser-facing surface of the two plate parts in the area of the melt pool is varied by a time-cyclic variation of a power distribution between two partial beams of a laser beam.
  • the partial beams can be set up, for example, as a core beam and ring beam of a superimposed laser beam (cf. FIG. 14 with partial beams 11a, 11b).
  • the laser power is plotted as a function of time t.
  • a total power Pges of the laser beam is kept constant at 100%.
  • the first partial beam 11a (cf. FIG. 14) of the laser beam has a partial beam power Plla and the second partial beam 11b (cf. FIG. 14b) of the laser beam has a partial beam power Pllb.
  • the partial beam powers Plla, Pllb of the partial beams of the laser beam result in the total power Pges of the laser beam.
  • the power distribution between the two partial beams is varied by varying the partial beam powers P11a, P1lb in a triangular manner over time.
  • the changes in the partial beam powers P11a, P1lb are of the same magnitude at all times with opposite signs.
  • the partial beam power Plla is 75% and the partial beam power Pllb is 25%
  • the partial beam powers Plla, Pllb are each 50% and at time t3 the partial beam power Plla is 25% and the partial beam power Pllb is 75% .
  • the partial beams are partial beams lying one inside the other with a core beam and a core beam Ring beam that were generated, for example, by means of a multiclad fiber (not shown in detail).
  • a core beam and a core beam Ring beam that were generated, for example, by means of a multiclad fiber (not shown in detail).
  • partial beams lying next to one another can also be involved (not shown in more detail).
  • 6a and 6b shows a sixth variant of the method according to the invention, which is applied to the plate parts of a bipolar plate.
  • the upper partial figure of FIG. 6a shows a section of the surface 4 on the upper side of the plate part 1a, on which the laser beam 5 illuminates the laser spot 6 and the molten pool 7 is produced.
  • the lower partial figure of FIG. 6a shows a diagram of the power density distribution LDV of laser power in the area of the melt pool 7 along the axis A on the surface 4, which is caused by the laser beam 5.
  • 6b shows a diagram of the change over time in a position of the center 9 of the laser spot 6 on the axis A in the reference system of the molten pool 7 advancing with the basic movement component.
  • the molten pool shows a sixth variant of the method according to the invention, which is applied to the plate parts of a bipolar plate.
  • the upper partial figure of FIG. 6a shows a section of the surface 4 on the upper side of the plate part 1a, on which the laser
  • the weld seam 2 being produced is shown schematically in dashed lines using its center lines on the surface 4.
  • the weld seam 2 is produced by means of the laser beam 5, which is directed from above (perpendicular to the plane of the drawing) onto the upper plate part 1a.
  • the laser beam 5 generates the laser spot 6 on the surface 4 of the plate part 1a.
  • the laser beam 5 generates the molten bath 7 of melted plate material around the laser spot 6.
  • the melt pool 7 is widest in the area of the laser spot 6 . Contrary to the welding direction SR. the molten pool 7 gradually becomes narrower.
  • the laser spot 6 is within the scope of a welding feed on the welding curve
  • the welding curve 8 moves.
  • the welding curve 8 is identical to the center line of the weld seam 2.
  • the laser beam 5, and thus also the laser spot 6, are moved along the welding curve 8 with the basic movement components GBK and the feed rate VS.
  • the direction of feed is marked with an arrow; the feed runs along the welding direction SR.
  • Fig. 6a and Fig. 6b illustrate a further possibility of subjecting the power density distribution LDV in the plane of the surface 4 of the plate part 1a facing the laser in the area of the melt pool 7 to a temporally cyclical variation, the basic movement component GBK of the laser beam 5 being a longitudinal Be - Movement component LBK is superimposed with a frequency fL; the laser beam 5 is reciprocated along the welding direction SR.
  • the laser spot 6 is shown in the region of the melt pool 7 at three different positions PI, P2, P3.
  • the marked positions PI, P2, P3 each correspond to the center 9 of the laser spot 6 at different points in time t1, t2, t3.
  • the positions PI, P2, P3 are specified in the reference system of the melt pool 7 moving with the basic movement component GBK.
  • the melt pool 7 extends between the front end VE and the rear end HE.
  • the positions PI, P2, P3 are all on the welding curve 8.
  • the laser spot 6 is shown as a broken line at position PI, as a continuous line at position P2 and as a dot at position 3.
  • the diagram of the power density distribution LDV in the region of the molten pool 7 along the axis A on the surface 4 is shown in the lower partial figure of FIG. 6a.
  • the diagram shows the local power density LD in % as a function of the position along the axis A in the plane of the surface 4.
  • the power density LD is greatest at the position where the center 9 of the laser spot 6 lies and falls from the center 9 of the laser spot 6 to the edge 10 of the laser spot 6 down.
  • Power density distributions LDV are entered in the diagram at four different points in time t1, t2, t3, t4.
  • the power density distribution LDV in the area of the melt pool 7 (solid line) has its greatest values at position P2.
  • the power density distribution LDV in the area of the melt pool 7 (dashed line) has its greatest values at position PI.
  • the power density distribution in the area of the melt pool 7 (solid line) their largest values again at position P2.
  • the power density distribution in the area of the melt pool 7 (dotted line) has its greatest values at position P3.
  • the diagram of FIG. 6b shows the position of the center 9 of the laser spot 6 on the axis A as a function of the time t.
  • the position of the center 9 is varied sinusoidally in the variant shown here.
  • the center 9 of the laser spot 6 is in position P2.
  • the center 9 of the laser spot 6 is in position PI.
  • the center 9 of the laser spot 6 is back in position P2.
  • the center 9 of laser spot 6 is in position 3.
  • the power density distribution LDV in the area of the melt pool 7 at times t1, t2, t3, t4 also changes according to the position at times t1, t2, t3, t4.
  • the power density distribution LDV in the region of the melt pool 7 can be varied in a simple manner and the formation of humps can be suppressed by the time-cyclic variation of the location of the laser spot according to the longitudinal movement components LBK.
  • the laser beam 5 is with the basic movement components GBK with the feed rate VS along the welding curve 8 in the welding direction SR. emotional.
  • a transverse movement component QBK with a frequency fQ is superimposed on the laser beam 5; the transverse movement of the laser beam 5 takes place perpendicularly to the welding curve 8 back and forth.
  • the laser spot 6 is shown in the area of the melt pool 7 at the three positions P1, P2, P3.
  • the marked positions PI, P2, P3 correspond to the center 9 of the laser spot 6 at different points in time.
  • Position P2 is on Welding curve 8
  • the positions PI and P3 are each shifted transversely to the welding curve 8.
  • the laser spot is shown as a dotted circle at position PI, as a solid circle at position P2 and as a dashed circle at position P3 .
  • the laser beam 5 is with the basic movement components GBK with the feed rate VS along the welding curve 8 in the welding direction SR. emotional.
  • the transverse movement component QBK with the frequency fQ and the longitudinal movement component LBK with the frequency fL are superimposed on the laser beam 5; the transverse movement of the laser beam 5 takes place perpendicular to the welding curve 8 back and forth and the longitudinal movement of the laser beam 5 takes place parallel to the welding curve 8 back and forth.
  • the laser spot 6 is shown in the area of the melt pool 7 at the three positions PI, P2, P3.
  • the marked positions PI, P2, P3 correspond to the center 9 of the laser spot 6 at different points in time.
  • Position P2 is on welding curve 8
  • positions PI and P3 are shifted transversely and longitudinally to welding curve 8, respectively.
  • the laser spot is shown as a dotted circle at position PI, as a solid circle at position P2 and as a dashed circle at position P3 shown.
  • FIG. 8a shows a ninth variant of the method according to the invention, in which, similar to the eighth variant from FIG. 7b, both a longitudinal movement component and a transverse movement component are used.
  • the basic movement component GBK with the feed rate VS is applied to the laser beam 5 .
  • the longitudinal movement components and the transverse movement components are each sinusoidal with the same amplitude and are phase-shifted by 90° with respect to one another. This results in a circle (circular path) 12, which the laser beam 5 or the associated laser spot 6 travels cyclically over time with its center (spot center) on the surface.
  • the circle 12 has a circle center 13.
  • the circle center 13 is guided along the welding curve 8 at the feed rate VS.
  • FIG. 8b shows a tenth variant of the method according to the invention, in which, similar to the eighth variant from FIG. 7b, both a longitudinal movement component and a transverse movement component are used.
  • the basic movement component GBK with the feed rate VS is applied to the laser beam 5 .
  • the transverse movement component with the frequency fQ and the longitudinal movement component with the frequency fL are superimposed on the laser beam 5, which are unequal here (fL ⁇ fQ).
  • the frequency fQ of the transverse movement component is twice the frequency fL of the longitudinal movement component.
  • the amplitude of the longitudinal sinusoidal motion component is twice the amplitude of the transverse sinusoidal motion components; the phase shift is zero. This results in two circles 12a, 12b lying next to one another (in the direction of the basic movement components GBK), which form a figure eight (8-shaped path) 14 and which the laser spot 6 with its spot center on the surface cyclically runs through in terms of time.
  • the movement of the laser spot 6 along the lying eight (8-shaped path) 14 is indicated by a directional arrow RP.
  • the horizontal eight 14 moves overall with the feed speed VS along the welding curve 8.
  • the laser beam 5 is moved along the welding curve 8 with the basic movement component GBK at the feed rate VS.
  • the laser spot 6 of the laser beam 5 is cyclically enlarged and reduced over time.
  • the laser spot 6 is shown here once with a solid line (at time t1) and once with a dotted line (at time t2).
  • This cyclical enlargement and reduction of the laser spot 6 over time also varies the power density distribution in the plane of the laser-facing surface of the two plate parts in the area of the melt pool 7 cyclically, which means that the formation of humps can be suppressed.
  • the (entire) laser power of the laser beam 5 remains constant.
  • the plate parts la, lb are arranged one above the other.
  • the laser beam 5 generates the laser spot 6 in a plane E of the surface 4 of the first plate part la. emotional.
  • the laser beam 5 generates the molten pool 7 of melted plate material around the laser spot 6 .
  • the melted plate material solidifies and forms the finished weld seam 2.
  • the laser spot 6 in the plane E is cyclically reduced and enlarged over time.
  • the reduction and enlargement is brought about by a focus position (focus plane/location of the smallest beam diameter) FP1, FP2 of the laser beam 5 being chronologically shifted perpendicularly to the plane E.
  • the laser beam 5 is shown in FIG. 10 at the time t1 (solid lines of the laser beam 5) and at the time t2 (dotted lines of the laser beam 5).
  • the focus position FP1 is in the plane E.
  • the laser spot 6 on the melt pool 7 has a diameter dl.
  • the focus position FP2 of the laser beam 5 was shifted by a height H perpendicular to the plane E in the direction of the plate parts 1a, 1b.
  • the laser spot 6 on the molten bath then has a diameter d2 that is larger than the diameter dl of the laser spot 6 at the time t1.
  • Possibilities are shown in FIG. 11 with which the frequency fM of a temporally cyclical variation of the power density distribution in the plane of the surface of the two plate parts facing the laser in the area of the melt pool 7 can be selected.
  • the melt pool 7, which is generated with the laser beam 5 and its laser spot 6, is shown in a schematic top view.
  • the (here circular) laser spot 6 has a (largest) diameter dw of 50 pm here.
  • the size of the laser spot 6 can be determined using the 86% criterion.
  • a circular area is placed around the center of the intensity profile of the laser beam with a diameter such that 86% of the laser power lies within the circular area.
  • the laser beam 5 is with the basic movement components GBK are moved along the welding curve 8 with the feed rate VS of 1000mm/s here.
  • the molten pool 7 has a length L along the welding direction SR, L being approximately 60 ⁇ m in the selected example
  • NF a value of 0.1 and 5.
  • fM NF*VS/dw.
  • the required frequency fM (or a required interval for fM) can be estimated.
  • fM can be selected in an interval of 2kHz to 100kHz.
  • a natural melt pool frequency fnat can be determined.
  • the frequency fM should be in a range of 0.8*fnat and 1.2*fnat.
  • the power density distribution in the plane of the laser-facing surface of the two plate parts in the area of the melt pool 7 should therefore be varied cyclically over time with a frequency fM with a value between 6.67 kHz and 10 kHz.
  • FIG. 12 shows how the frequency fM can be selected with the aid of a test plate 15 and a preliminary measurement.
  • the test panel 15 is shown in a schematic longitudinal section.
  • test plate 15 is structurally identical to the bipolar plate, or the test plate parts 15a, 15b are structurally identical to the plate parts for the bipolar plate;
  • the test plate (“test bipolar plate”) 15 is made of the same material as the finished bipolar plate is to be made of, and the material thicknesses (plate thicknesses) 26a, 26b of the test plate parts 15a, 15b correspond to the material thicknesses (plate thicknesses ) of the plate parts of the bipolar plate to be manufactured (cf. Bzz. 27a, 27b in Fig. 13).
  • the test laser beam 16 generates a test laser spot 17 in the plane E of the surface 4 of the first test plate part 15a Test laser beam 16 is moved with the basic movement component GBK at the feed rate VS, here 1000 mm/s.
  • the test laser beam 16 generates the molten pool 7 of melted plate material around the test laser spot 17 .
  • the finished test weld seam 25 forms in the wake of the molten bath 7.
  • Melt accumulations ("humps") 18 form on the test weld seam 25. These melt accumulations 18 occur at regular intervals II, 12, 13 at constant feed rate VS. Off From these distances II, 12, 13 an average distance laverage can then be determined from melt accumulations 18. Here the melt accumulations 18 are all spaced apart by approximately 50 pm, the average distance laverage is then approximately 50 pm.
  • the frequency fM can be determined based on the preliminary measurement of the test plate 15 as follows:
  • a humping frequency fH can be determined with the preliminary measurement.
  • the frequency fM should be in a range of 0.9*k*fH and 1.1*k*fH, where k is a natural number.
  • the humping frequency fH and, as a result, the frequency fM can be determined.
  • FIG. 13 shows a schematic longitudinal section of a bipolar plate 1 which is processed according to the first variant (FIGS. 2a, 2b) of the method according to the invention.
  • a preliminary measurement was made as described in Fig. 12 and a humping frequency fH was determined, which in turn can be used to determine the frequency fM with which the power density distribution in the plane of the laser-facing surface 4 of the plate part la in the area of the melt pool 7 over time must be varied cyclically in order to suppress the formation of melt accumulations.
  • the plate parts la, lb are arranged one above the other.
  • the laser beam 5 is moved with the basic movement component GBK at the feed rate VS.
  • the laser beam 5 generates the melt pool 7 of melted plate material. Its power density distribution on the surface 4 in the area of the melt pool 7 is varied cyclically over time with the frequency fM, whereby melt accumulations are suppressed. In the wake of the molten bath 7, the finished weld seam 2 is formed without any accumulations of melt.
  • FIG. 14 shows an alternative laser beam 5 in a schematic plan view of a molten bath 7, as can be used for the method according to the invention.
  • Laser beam 5 is designed here as a superimposed laser beam 19 with the two partial beams 11a, 11b.
  • the partial beams 11a, 11b lie in one another here as superimposed partial laser beams 19a, 19b.
  • the superimposed partial laser beam 19a is designed as a core beam 20 here.
  • the core beam 20 is surrounded in the form of a ring by a superimposed partial laser beam 19b which is in the form of a ring beam 21 .
  • the superimposed laser beam 19 can be generated, for example, by a multiclad fiber (such as a 2in1 fiber).
  • the core beam 20 and the ring beam 21 produce a laser spot 6 which has a core portion 22 and a ring portion 23 .
  • the ring portion 23 is to Core portion 22 arranged.
  • the superimposed laser beam 19 generates the melt pool 7 and is moved along the welding curve 8 with the basic movement component GBK at the feed rate VS.
  • a temporally cyclical variation of the power density distribution in the plane of the laser-facing surface of the two plate parts in the area of the melt pool 7 can take place, for example, by redistributing the power between the core part 22 and the ring part 23 (distributed back and forth).
  • Core portion 22 and ring portion 23 are circular here.
  • FIG. 15a shows a schematic cross section of a bipolar plate 1 which was manufactured according to the seventh variant of the method according to the invention (see FIG. 7a).
  • the cross section is perpendicular to the direction of welding.
  • the plate parts 1a, 1b are connected to one another by the weld seam 2 and no accumulations of melt have formed on the surface 4.
  • the power density distribution on the surface 4 in the area of the molten pool was varied cyclically over time by superimposing a transverse movement component (the left and right back and forth in Fig. 15a) on the basic movement component of the laser beam.
  • a transverse movement component the left and right back and forth in Fig. 15a
  • deformations 24 are formed in the solidified melt in the weld seam 2 at the lateral edges; in other words, the weld seam 2 is deeper at the lateral edges in the transverse direction in the region of the deformations 24 than in the middle.
  • the laser power can also be varied cyclically over time in order to avoid locally stronger heating at the edges of the melt pool and thus the deformations 24 in the weld seam 2.
  • the laser power can be reduced in the times when the laser spot is approaching the lateral edges compared to times when where the laser spot is near the center of the weld pool, or near the weld curve (center line of the weld).
  • a correspondingly welded weld seam is shown in the schematic cross section of a bipolar plate 1 in FIG. 15b.
  • the weld seam 2 has a substantially constant depth in the transverse direction.

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Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile (1a, 1b) entlang wenigstens einer Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) miteinander verschweißt werden, wobei das Laserschweißen mit einem Laserstrahl (5) erfolgt, wobei der Laserstrahl (5) in einer Ebene (E) einer Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) eine Grund-Bewegungskomponente (GBK) mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS in einer Schweißrichtung (SR) entlang einer Schweißkurve (8) relativ zu den Plattenteilen (1a, 1b) aufweist, und die Schweißkurve (8) entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft, wobei der Laserstrahl (5) ein Schmelzbad (7) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugt, und der Laserstrahl (5) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Leistungsdichteverteilung (LDV) von Laserstrahlung bewirkt, und wobei der Laserstrahl (5) einen oder mehrere Teilstrahlen (11a, 11b) umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (1a, 1b) im Bereich des Schmelzbads (7) zeitlich zyklisch variiert wird. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, mit dem defektarme Schweißnähte mit hoher Fluiddichtigkeit bei einer Bipolarplatte mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit gefertigt werden können.

Description

Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, mit zeitlich zyklisch variierender Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden, wobei das Laserschweißen mit einem Laserstrahl erfolgt, wobei der Laserstrahl in einer Ebene einer Oberfläche der zwei Plattenteile eine Grund-Bewegungskomponente mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS in einer Schweißrichtung SR. entlang einer Schweißkurve relativ zu den Plattenteilen auf- weist, und die Schweißkurve entlang der Schweißnaht verläuft, wobei der Laserstrahl ein Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugt, und der Laserstrahl in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung bewirkt, und wobei der Laserstrahl einen oder mehrere Teilstrahlen umfasst. Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 113 834.5 bekannt geworden.
Bipolarplatten dienen bei Brennstoffzellen mit mehreren zu einem Stack geschichteten Zellen der Verteilung von Gasen, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, der Abfuhr von Wasser (Reaktionswasser), der gasdichten Trennung zwischen aneinander angrenzenden Zellen sowie der Dichtung nach außen und der Kühlung. Zudem nimmt die Bipolarplatte auf der Wasserstoffseite die abgegebenen Elektronen auf und führt sie der Sauerstoffseite wieder zu.
Solche Bipolarplatten können zwei metallische Plattenteile aufweisen, die miteinander verschweißt sind. Einerseits sind hierbei Schweißnähte fluiddicht auszuführen, um Gase und Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Andererseits dienen Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden Plattenteile.
Aus der nachveröffentlichte deutschen Patentanmeldung 10 2021 113 834.5 ist es bekannt geworden, beim Laserschweißen von Plattenteilen einer Bipolarplatte wenigstens eine umlaufend geschlossene erste Schweißnaht mit einer ersten Nahtbreite und wenigstens eine zweite Schweißnaht mit einer zweiten Nahtbreite zu fertigen, wobei die zweite Nahtbreite größer ist als die erste Nahtbreite.
Für eine wirtschaftliche Nutzung von Bipolarplatten ist es gewünscht, die Plattenteile der Bipolarplatten in möglichst kurzer Zeit miteinander zu verschweißen. Hierzu werden hohe Vorschubgeschwindigkeiten der Laserstrahlen, mit denen das Laserschweißen erfolgt, benötigt. Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten können sich jedoch Schmelzeanhäufungen (auch als Humps bezeichnet) im Nachlauf der Schweißnaht bilden („Humping"). Die Schmelzeanhäufungen können zu einer fehlerhaften Anbindung der Plattenteile und zu einer Undichtheit der Schweißnaht führen. Im Ergebnis limitiert das Humping die maximal erreichbare Vorschubgeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit). Die DE 10 2016 204 578 B3 schlägt vor, beim Laserstrahlschweißen eines Werkstücks aus Stahl zur Vermeidung von Heißrissen eine Leistungsmodulation auf den Laserstrahl anzuwenden. Eine Modulationsfrequenz f der Leistungsmodulation wird so gewählt, dass für eine normierte, charakteristische Oszillationsfrequenz Aco des Schmelzbades und eine normierte Modulationsfrequenz A gilt:
Figure imgf000005_0001
A > 2,2*Aco, und A < 8,5*Aco, mit v , mit v: Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück, und d Durchmesser eines Laserstrahl-
Figure imgf000005_0002
Brennflecks des Laserstrahls, und Vc° bestimmt aus einer Testmessung mit dem Laserstrahl ohne Modulation der Laserleistung, mit fcotest: gemessene charakteristische Oszillationsfrequenz bei der Testmessung; df,cotest: Durchmesser des Laserstrahl-Brennflecks bei der Testmessung; vco test : Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück bei der Testmessung.
Aus A. Heider et al., „Power modulation to stabilize laser welding of copper", Journal of Laser Applications 27, 022003 (2015); doi : 10.2351/1.4906127, ist es bekannt geworden, den Schweißprozess beim Schweißen von Kupfer zu stabilisieren, indem die Laserleistung des Lasers, der zum Schweißen verwendet wird, moduliert wird. Es wird der Einfluss der durchschnittlichen Leistung, der Modulationsamplitude, der Schweißgeschwindigkeit, des Fokusdurchmessers und der Modulationsfrequenz auf die Qualität beim Schweißen näher untersucht.
In A. Jahn et al., „High dynamic beam shaping by piezo driven modules for efficient and high quality laser beam cutting and welding", Tagungsbeitrag „Lasers in Manufactoring Conference 2019", Wissenschaftliches Gesellschaft Lasertechnik e. V. (WLT), wird ein Konzept für Strahlformungsoptiken von Laserstrahlen für Laserschweiß- und Laserschneidprozessen beschrieben, bei dem Piezoaktoren für eine schnelle Fokusmodulation des Laserstrahls in z-Richtung mit Arbeitsfrequenzen über 2,5kHz genutzt werden. Weiterhin werden erste experimentelle Ergebnisse präsentiert, die den Einfluss der Modulation in z-Richtung auf das Prozessverhalten für typische Laserschweiß- und Laserschneidprozesse zeigen. Die US 2004/00262381 Al schlägt zur Fertigung einer Schweißnaht hoher Qualität beim Laserschweißen von Stahlplatten vor, bei der Durchführung des Laserschweißens mit einem Laserstrahl, dessen Leistung pulsmoduliert ist, die Leistung mit einer Frequenz, welche einer natürlichen Frequenz eines durch den Laserstrahl erzeugten Schmelzbads entspricht, periodisch zu variieren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem defektarme Schweißnähte mit hoher Fluiddichtigkeit bei einer Bipolarplatte mit einer hohen Schweißgeschwindigkeit gefertigt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zeitlich zyklisch variiert wird.
Wird beim Laserschweißen mit einem Laserstrahl eine hohe Vorschubgeschwindigkeit VS in Schweißrichtung SR. auf den Laserstrahl angewendet, können (wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden) im Nachlauf der Schweißnaht hinter dem Schmelzbad Schmelzeanhäufungen entstehen. Dieser Prozess der Bildung von Schmelzeanhäufungen wird auch als Humping bezeichnet, und die Schmelzeanhäufungen werden auch als Humps bezeichnet. Das Humping wird durch eine Bewegung des beim Laserschweißen erzeugten Schmelzbades entgegen der Schweißrichtung SR und eine schnelle Erstarrung der Schmelze verursacht. Die Schmelzeanhäufungen treten periodisch in der erstarrten Schweißnaht auf.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, eine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der (dem Laserstrahl zugewandten) Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads vorzunehmen. Durch die Variation der Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads kann die Strömung der Schmelze im Schmelzbad entgegen der Vorschubrichtung VS verändert werden, und insbesondere die Bildung von Wellenbergen und -tälern vermindert werden. Dadurch kann das Humping reduziert oder sogar beseitigt werden. Die Schmelzbaddynamik kann beruhigt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit VS geschweißt werden und eine erstarrte Schweißnaht mit nur schwach ausgeprägten oder sogar ganz ohne Schmelzeanhäufungen gefertigt werden. Die Produktionsgeschwindigkeit für die Bipolarplatten kann also im Vergleich zu einem Laserschweißen mit in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zeitlich konstanter Leistungsdichteverteilung erhöht werden. Weiterhin können durch das Unterdrücken der Schmelzeanhäufungen zuverlässig fluiddichte Schweißnähte erzeugt werden. Zudem sind Schweißspritzer (auch kurz als Spritzer bezeichnet) und Auswürfe während des Schweißens reduziert.
Das zeitlich zyklische Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads kann insbesondere dadurch erfolgen, dass zumindest bei einem Teilstrahl des Laserstrahls eine zeitlich zyklische Leistungsänderung erfolgt, und/oder dass zumindest bei einem Teilstrahl des Laserstrahls der Grund-Bewegungskomponente eine zeitlich zyklische Zusatzbewegungs-Komponente („Pendel-Bewegungskomponente") überlagert wird. Man beachte, dass eine Pendel-Bewegungskomponente betragsmäßig typischerweise eine sehr viel höhere mittlere Geschwindigkeit hat als die Grund- Bewegungskomponente, meist um wenigstens einen Faktor 10 oder einen Faktor 50.
Die (sich zeitlich zyklisch ändernde) Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlung wird im Bereich des Schmelzbads (also relativ zum Schmelzbad) beobachtet, wobei das Schmelzbad im Wesentlichen mit der Grund-Bewegungskomponente entlang der Schweißkurve voran sch reitet. Mit anderen Worten, das Bezugssystem für die Beobachtung der (sich zeitlich zyklisch ändernden) Leistungsdichteverteilung bewegt sich mit der Grund-Bewegungskomponente. Die Leistungsdichteverteilung wird beobachtet in der Ebene der Werkstückoberfläche (Ebene der laserzugewandten Oberseite des oberen Plattenteils), also im Wesentlichen auf der Oberfläche des Schmelzbads, und im Bereich des Schmelzbads, also innerhalb der Erstreckung der Oberfläche des Schmelzbades.
Man beachte, dass die zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile im Bereich des Schmelzbades grundsätzlich einher geht mit einer Variation einer Leistungsdichteverteilung im Volumen des Schmelzbades (und insbesondere über die Tiefe des Schmelzbads), die zusätzlich beobachtet werden kann, falls gewünscht. Auf die Variation der Leistungsdichteverteilung im Volumen des Schmelzbades wird jedoch nachfolgend nicht näher eingegangen.
Bevorzugt umfasst die zeitlich zyklische Änderung der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest einen Anteil, der sich zeitlich in der Richtung und entgegen der Richtung der Grund-Bewegungskomponente verändert.
Die metallischen Plattenteile der Bipolarplatte werden zum Verschweißen überlappend angeordnet (typischerweise mit kongruenter, fluchtender Randkontur). Die Plattenteile der Bipolarplatten weisen typischerweise eine Profilierung auf, durch die zwischen den Plattenteilen Kanäle für Kühlwasser und außenseitig Führungen für Reaktionswasser und/oder Gase, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, ausgebildet werden. Zudem weisen die Bipolarplatten typischerweise einen oder mehrere Durchbrüche auf, mit denen im Brennstoffzellenstack ein Gastransport in Stapelrichtung erfolgen kann. Im Rahmen der Erfindung werden typischerweise geschlossene Schweißnähte am äußeren Rand der Plattenteile und um alle Durchbrüche herum gefertigt, und zudem werden nicht-geschlossene Schweißnähte über die Fläche der Bipolarplatten verteilt gesetzt. Für die geschlossenen Schweißnähte ist die Fluiddichtigkeit, insbesondere die Gasdichtigkeit, besonders wichtig, und für die nicht-geschlossenen Schweißnähte ist die mechanische und elektrische Verbindung besonders wichtig. Die Erfindung kann sowohl für geschlossene Schweißnähte als auch nicht-geschlossene Schweißnähte angewandt werden.
Allgemein kann über die erfindungsgemäße zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile die Fluidmechanik im Bereich des Schmelzbads gezielt beeinflusst werden, und gegebenenfalls auch die lokale Einschweißtiefe beeinflusst werden, und eine Unterdrückung des Humping erreicht werden.
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Variation der Leistung
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Laserleistung zumindest eines Teilstrahls des Laserstrahls zeitlich zyklisch variiert wird.
Dadurch kann auf einfache Weise auf die Schmelzebewegung im Schmelzbad eingewirkt werden, und dem Humping entgegen gewirkt werden. Über die Variation der Leistungsdichte kann gegebenenfalls auf die momentane Größe oder Tiefe einer Dampfkapillare eingewirkt werden. Entsprechend den Anforderungen beim Schweißen können der gesamte Laserstrahl, oder lediglich ein Teilstrahl des Laserstrahls oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zeitlich zyklisch variiert werden. Typischerweise beträgt die Modulationstiefe MT=l-(Pmin/Pmax) zwischen 5% und 95%, mit Pmin: minimale Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls während eines Zyklus und Pmax: maximale Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls während eines Zyklus. Eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls kann zusammen mit einer räumlichen Oszillation des zumindest einen Teilstrahls (bzw. dessen Teil-Laserspots) kombiniert werden (z. B. mit einer Quer-Bewegungskomponente, siehe unten, insbesondere wobei im Bereich der Umkehrpunkte der Quer-Bewegungskomponente eine reduzierte Laserleistung angewandt wird, um ein Backenzahnprofil der Schweißnaht zu vermeiden). Eine Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass die Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls sinusförmig oder rechteckförmig oder dreieckförmig oder als eine Kombination davon variiert wird. Diese Möglichkeiten der Variation sind alle geeignet, den Schmelzefluss im Schmelzbad zu optimieren, wodurch eine schnelle Bearbeitung der Plattenteile ermöglicht wird.
Ebenso bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Laserleistung des zumindest einen Teilstrahls in Bereichen von Leistungstälern sinusförmig und in Bereichen von Leistungsbergen dreieckförmig variiert wird, und an Übergängen von sinusförmiger und dreieckförmiger Variation jeweils ein Leistungssprung eingerichtet ist. Durch diese Kombination der unterschiedlichen Schwingungsformen kann der Schmelzefluss im Schmelzbad besonders gut optimiert und eine schnelle Bearbeitung der Plattenteile erreicht werden.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei welcher zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Laserleistung des Laserstrahls insgesamt zeitlich zyklisch variiert wird. Die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung des Laserstrahls insgesamt ist technisch besonders einfach umsetzbar. Gegebenenfalls kann über die Variation der Laserleistung auf eine momentane Größe oder Tiefe einer Dampfkapillare Einfluss genommen werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads eine Leistungsverteilung zwischen wenigstens zwei Teilstrahlen zeitlich zyklisch variiert wird, wobei eine Gesamtleistung des Laserstrahls zeitlich konstant gehalten wird. Mit gleichbleibender Gesamtleistung kann eine besonders gleichförmige Schweißnaht geschweißt werden. Gleichzeitig kann durch die zeitlich zyklische Variation der Leistungsverteilung zwischen den wenigstens zwei Teilstrahlen der Schmelzefluss im Schmelz- bad gezielt beeinflusst und optimiert werden. Bei den wenigstens zwei Teilstrahlen kann es sich beispielsweise um nebeneinander liegende Teilstrahlen oder um ineinander liegende Teilstrahlen handeln.
Variation des Ortes ( Wöbbel n)
Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest einem Teilstrahl in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile eine Quer-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls quer zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Durch die zeitlich zyklische Quer-Bewegungskomponente des zumindest einen Teilstrahls kann die Bewegung im Schmelzbad beeinflusst werden, insbesondere um die Bildung von Schmelzeanhäufungen zu unterdrücken. Zudem können gegebenenfalls auch die Nahtbreite oder die Einschweißtiefe beeinflusst werden. Entsprechend der Anforderungen beim Schweißen können der gesamte Laserstrahl, oder lediglich ein Teilstrahl des Laserstrahls oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zeitlich zyklisch hin- und her bewegt werden.
Eine Weiterentwicklung dieser Variante sieht vor, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads dem gesamten Laserstrahl eine Quer-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass ein Laserspot des Laserstrahls quer zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Die zeitlich zyklische Hin- und Herbewegung des gesamten Laserstrahls ist technisch einfach umsetzbar.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest einem Teilstrahl in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile eine Längs-Bewegungskomponente überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls parallel zur Schweißkurve zeit- lieh zyklisch hin- und her bewegt wird. Durch die zeitlich zyklische Längs-Bewe- gungskomponente des zumindest einen Teilstrahls kann die Bewegung im Schmelzbad besonders effizient beeinflusst werden, insbesondere um die Bildung von Schmelzeanhäufungen zu unterdrücken. Zudem können gegebenenfalls auch die Schmelzbadlänge oder die Einschweißtiefe beeinflusst werden. Entsprechend der Anforderungen beim Schweißen können der gesamte Laserstrahl, lediglich ein Teilstrahl des Laserstrahls oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zeitlich zyklisch hin- und her bewegt werden.
Bei einer Weiterentwicklung dieser Variante ist vorgesehen, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads dem gesamten Laserstrahl eine Längs-Bewegungs- komponente überlagert wird, so dass ein Laserspot des Laserstrahls parallel zur Schweißkurve zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird. Die zeitlich zyklische Hin- und Herbewegung des gesamten Laserstrahls ist technisch einfach umsetzbar.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der für eine mittlere Vorwärtsbewegungs-Geschwindigkeit vvor der Längs-Bewegungskomponente in Schweißrichtung SR. und für eine mittlere Rückwärtsbewegungs-Geschwindigkeit vrück der Längs-Bewegungskomponente entgegen der Schweißrichtung SR gilt: | vrück| > |vvor| . Auf diese Weise kann die Schmelze entgegen der Schweißrichtung SR abgebremst werden bzw. in Schweißrichtung SR beschleunigt werden. Durch dieses Vorgehen kann der Schmelzefluss im Schmelzbad besonders wirkungsvoll beruhigt werden, und die Bildung von Schmelzeanhäufungen gut unterdrückt werden. Oft gilt weiterhin |vrück| >l,5*|vvor| oder auch |vrück| >2*|vvor| oder auch 0,2*|vrück| < |vvor| <0,8*|vrück|, bevorzugt |vvor| =0,5*| vrück| . Durch die betragsmäßig größere mittlere Rückbewegungsgeschwindigkeit kann die Relativgeschwindigkeit zwischen dem zumindest einen Teilstrahl und der Bipolarplatte auf der Werkstückoberfläche reduziert werden, insbesondere während der Vorwärtsbewegung der Längs-Bewegungskomponen- ten. Man beachte, dass alternativ auch |vrück| < |vvor| oder |vrück| = |vvor| gewählt sein kann. Weiterhin bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der zumindest eine Teilstrahl, dem die Längs-Bewegungskomponente überlagert wird, bei Bewegung in Schweißrichtung SR. eine mittlere Vorwärtsbewegungs-Laserleistung Pvor und bei Bewegung entgegen der Schweißrichtung SR eine mittlere Rückwärtsbewegungs-Laserleistung Prück aufweist, wobei gilt: Pvor<Prück. Auf diese Weise kann die Schmelze ebenfalls entgegen der Schweißrichtung SR abgebremst werden bzw. in Schweißrichtung SR beschleunigt werden. Durch dieses Vorgehen kann ebenfalls sehr wirkungsvoll der Schmelzefluss im Schmelzbad beruhigt werden, und die Bildung von Schmelzeanhäufungen gut unterdrückt werden. Oft gilt weiterhin Pvor<l,5*Prück oder auch Pvor<2*Prück oder auch 0,2*Prück<Pvor<0,8*Prück, bevorzugt Pvor=0,5*Prück. Während der Rückwärtsbewegung wird typischerweise die maximale Laserleistung während der zyklischen Längs-Bewegung zumindest des Teil-Laserspots erreicht. Man beachte, dass alternativ auch Pvor>Prück oder Pvor=Prück gewählt werden kann.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung, bei der eine Frequenz fQ der Quer- Bewegungskomponente und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente gleich sind. Es gilt also fQ/fL = 1. Gleiche Frequenzen fQ und fL lassen sich besonders einfach in der Praxis umsetzen. Außerdem kann das Laserschweißen besonders gleichmäßig durchgeführt werden.
Bevorzugt ist auch eine Untervariante dieser Weiterentwicklung, bei der durch Überlagerung der Quer-Bewegungskomponente und der Längs-Bewegungskomponente des zumindest einen Teilstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile der zumindest eine Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls zeitlich zyklisch kreisförmig um ein Kreis-Zentrum bewegt wird, wobei das Kreis-Zentrum mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve bewegt wird. Die zeitlich zyklische kreisförmige Bewegung um das Kreis-Zentrum kann einfach angewendet werden und ermöglicht ein gleichmäßiges Schweißen bei gleichzeitiger Optimierung des Schmelzeflusses und der Dynamik des Schmelzbades. Ebenso vorteilhaft ist auch eine alternative Weiterentwicklung, bei der eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente und eine Frequenz fL der Längs-Be- wegungskomponente ungleich sind. Hierdurch können eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten für unterschiedliche Schweißsituationen genutzt werden und der Schmelzefluss und die Schmelzbaddynamik entsprechend der Schweißsituation optimiert werden. Bevorzugt gilt für fQ/fL=N/M, mit N : eine natürliche Zahl und M : eine natürliche Zahl, insbesondere wobei eine der Zahlen M oder N eins ist.
Weiterhin bevorzugt ist eine Untervariante dieser Weiterentwicklung, bei der durch Überlagerung der Quer-Bewegungskomponente und der Längs-Bewe- gungskomponente des zumindest einen Teilstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile der zumindest eine Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls zeitlich zyklisch
- zickzack-förmig um ein Zickzack-Zentrum bewegt wird, wobei das Zickzack- Zentrum mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve bewegt wird, oder
- entlang einer liegenden Acht bewegt wird, die mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve bewegt wird.
Diese Bewegungsmuster haben sich in der Praxis zur Unterdrückung der Bildung von Schmelzeanhäufungen bewährt. Typischerweise liegen bei der liegenden Acht der Verbindungspunkt der beiden Kreise, die die liegende Acht bilden, und die diesem Verbindungspunkt jeweils gegenüberliegenden Punkte der beiden Kreise auf der Schweißkurve.
Atmende Laserspots
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, die vorsieht, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads zumindest ein Teil-Laserspot zumindest eines Teilstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird. Dadurch kann die Bewegung im Schmelzbad auf einfache Weise beeinflusst werden, um das Humping zu vermeiden. Gegebenenfalls kann auch die Nahtbreite oder eine momentane Größe einer Dampfkapillare beeinflusst werden.
Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der zum Vergrößern und Verkleinern zumindest des Teil-Laserspots eine Fokusposition zumindest des Teilstrahls senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch verändert wird. Dies ist besonders einfach in der Praxis durchzuführen und führt zu guten Ergebnissen.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der vorgesehen ist, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads ein Laserspot des gesamten Laserstrahls in der Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird. Die zeitliche Vergrößerung und Verkleinerung des Laserspots des gesamten Laserstrahls ist technisch besonders einfach umsetzbar. Zum Vergrößern und Verkleinern des Laserspots kann dann eine Fokusposition des gesamten Laserstrahls senkrecht zur Ebene der Oberfläche der Plattenteile zeitlich zyklisch verändert werden.
Wahl der Variationsfrequenz
Vorteilhaft ist auch eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass für eine normierte Frequenz NF gilt: NF=fM*dw/VS mit 0,l<NF<5, mit dw: größter Durchmesser des Laserstrahls auf der Oberfläche. Wird fM so gewählt, dass der angegebene Bereich für NF eingehalten wird, kann in der Regel eine gute Unterdrückung von Schmelzeanhäufungen erreicht werden.
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass k*0,9*fH<fM<k*l,l*fH, mit fH: Humpingfrequenz, mit fH= VS/laverage, mit laverage: mittlerer Abstand von Schmelzeanhäufungen in der erstarrten Schweißnaht, wenn das Laserschweißen ohne die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung erfolgen würde, und k: natürliche Zahl. Wird die Frequenz fM ähnlich oder gleich zur Humpingfrequenz fH gewählt, kann die Bildung von Schmelzeanhäufungen besonders effizient unterdrückt werden. Bevorzugt ist k=l.
Eine Weiterentwicklung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Laserschweißen der Bipolarplatte in einer Vorabmessung ein Laserschweißen einer Test-Platte mit einem Test- Laserstrahl mit der Vorschubgeschwindigkeit VS erfolgt, wobei zwei Test-Plattenteile für die Test-Platte zumindest in ihrer Materialsorte und Mate rial stärke mit der Materialsorte und der Mate rial stärke der Plattenteile übereinstimmen und der Test-Laserstrahl im zeitlichen Mittel dem Laserstrahl entspricht, jedoch keine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Test-Plattenteile im Bereich des Schmelzbads anwendet, und dass in einer erstarrten Test-Schweißnaht der Test- Platte der mittlere Abstand laverage von Schmelzeanhäufungen bestimmt wird. Auf diese Weise kann die Humpingfrequenz experimentell einfach und genau bestimmt werden. Typischerweise ist die Test-Platte (bzw. sind die Test-Plattenteile) baugleich zur Bipolarplatte (bzw. zu den Plattenteilen).
Weiterhin vorteilhaft ist eine Variante, bei der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass 0,8*fnat<fM<l,2*fnat, mit fnat: natürliche Schmelzbadfrequenz, mit fnat= VS/(2*L), mit L: Schmelzbadlänge in Schweißrichtung SR. Mit einer entsprechend gewählten (Modulations-)Frequenz fM ergibt sich ebenfalls eine sehr effiziente Unterdrückung von Schmelzeanhäufungen.
Diverse Varianten, insbesondere Strahlformung In einer vorteilhaften Variante ist weiterhin vorgesehen, dass der Laserstrahl als Überlagerungs-Laserstrahl ausgebildet ist, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die Überlagerungs-Teillaserstrahlen darstellen, wobei die Überlagerungs-Teillaserstrahlen an der Oberfläche ineinander liegen. Typischerweise wird in einem radial äußeren Teil des Überlagerungs-Laserstrahls eine geringere lokale Laserleistungsdichte und in einem radial inneren Teil des Überlagerungs-Laserstrahls eine lokal höhere Laserleistungsdichte eingerichtet. Dadurch kann beim Tiefschweißen die Dampfkapillare stabilisiert und die Schmelzbaddynamik verringert werden. Der Überlagerungs-Laserstrahl hat typischerweise auf der Werkstückoberfläche konzentrische Überlagerungs-Teillaserstrahlen.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungs-Laserstrahl als Überlagerungs-Teillaserstrahlen einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst, oder dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen größeren Überlagerungs-Teillaserstrahl und einen kleineren Überlagerungs-Teillaserstrahl, der an der Werkstückoberfläche innerhalb des größeren Überlagerungs-Teillaserstrahls liegt, umfasst. Dieses Vorgehen ist besonders einfach und in der Praxis bewährt. Ein Überlagerungs-Laserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-l-Faser erzeugt, und der Kernstrahl und der Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass 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 50 pm und 150 pm vereinigen eine ausreichende Robustheit mit leichtem und materialsparendem Bau. Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte dienen in der Regel der Abdichtung gegenüber Fluiden in der Brennstoffzelle (Kühlwasser, Reaktionswasser, Reaktionsgase wie z. B. Wasserstoff, Sauerstoff). Im Rahmen der Erfindung können geschlossene Schweißnähte mit verbesserter Dichtigkeit gefertigt werden, wodurch hier die Erfindung besonders vorteilhaft ist.
Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass die wenigstens eine Schweißnaht wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht umfasst. Die an der Außenseite umlaufende, geschlossene Schweißnaht stellt insbesondere sicher, dass kein Kühlmittel (Kühlwasser) in die Reaktionsräume eines Brennstoffzellenstacks austritt, und auch keine Reaktionsgase (wie Wasserstoff und Sauerstoff) zwischen die Plattenteile gelangen oder sich gar unkontrolliert vermischen können. Entsprechend ist die mit der Erfindung erreichbare, verbesserte Dichtigkeit von besonderem Vorteil.
Vorteilhaft ist auch eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass gilt:
- Der Laserstrahl wird mit einem Infrarotlaser erzeugt und weist eine mittlere Wellenlänge zwischen 800 nm und 1200 nm, bevorzugt 1030 nm oder 1070 nm, auf, oder der Laserstrahl wird mit einem VIS-Laser mit einer mittleren Wellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 500 nm und 550 nm erzeugt; und/oder
- Das Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP<0,6 mm*mrad im Single Mode oder mit SP<3mm*rad im Multi Mode; und/oder
- Das Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP<0,6 mm*mrad im Single Mode oder mit SP<3mm*rad im Multi Mode; und/oder
- Der Strahldurchmesser dwl des in Schweißrichtung zuerst eingesetzten Teilstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 pm und 300 pm, bevorzugt mit 30pm<dwl<70pm im Single Mode oder 50pm<dwl<170pm im Multi Mode, und der Strahldurchmesser dwx aller etwaigen anderen Teilstrahlen ist gewählt mit 0,l*dwl<dwx<10*dwl, bevorzugt mit dwl=dwx; und/oder
- Die Laserleistung P des Laserstrahls liegt zwischen 10W und 2000W , bevorzugt mit 50W<P<700W; und/oder
- Die Vorschubgeschwindigkeit VS des Laserstrahls liegt zwischen 100 mm/s und 5000 mm/s, bevorzugt mit 300 mm/s < VS < 2000 mm/s; und/oder
- Ein Abbildungsverhältnis AV einer Laseroptik, mit der der Laserstrahl auf das Werkstück abgebildet wird, liegt zwischen 1 : 1 und 5: 1, bevorzugt mit 1,5: 1 < AV < 2: 1.
Diese Parameter haben sich für die erfindungsgemäße Fertigung der Bipolarplatten in der Praxis bewährt.
Weiterhin fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Solchermaßen gefertigte Bipolarplatten zeichnen sich durch eine gute Fluiddichtigkeit an der wenigstens einen Schweißnaht aus, und erreichen eine gute mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen. Zudem können die Bipolarplatten besonders schnell gefertigt werden.
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 beliebiger Kombination Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte
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der und
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine erfindungsgemäße Bipolarplatte mit zwei Plattenteilen, die durch mehrere umlaufend geschlossene Schweißnähte sowie mehrere sich geradlinig erstreckende Schweißnähte miteinander verbunden sind;
Fig. 2a zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer ersten Variante der Erfindung erzeugt wird und ein dazugehöriges Diagramm, in dem die Leistungsdichteverteilung an der Oberfläche des Schmelzbads entlang der Achse A zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingezeichnet ist;
Fig. 2b zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung des Laserstrahls aus Fig. 2a zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der ersten Variante;
Fig. 3a zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung eines Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Variante;
Fig. 3b zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung eines Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Variante;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung eines Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vierten Variante; Fig. 5 zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Laserleistung zweier Teilstrahlen eines Laserstrahls bei gleichbleibender Gesamtleistung des Laserstrahls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer fünften Variante;
Fig. 6a zeigt in einer schematischen Aufsicht ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer sechsten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls längs zur Schweißrichtung SR. gemäß einer Längs-Bewegungskom- ponente und ein dazugehöriges Diagramm, in dem die Leistungsdichteverteilung an der Oberfläche des Schmelzbads entlang der Achse A zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingezeichnet ist;
Fig. 6b zeigt ein Diagramm der sich zeitlich verändernden Position des Laserstrahls aus Fig. 2a zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der sechsten Variante;
Fig. 7a zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer siebten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls quer zur Schweißrichtung SR gemäß einer Quer-Bewegungskomponente;
Fig. 7b zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer achten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls parallel und quer zur Schweißrichtung SR gemäß einer Längs-Bewegungskompo- nente und einer Quer-Bewegungskomponente;
Fig. 8a zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer neunten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls entlang einer Kreisbahn gemäß einer Quer-Bewegungskomponente und einer Längs-Bewegungskomponente, die eine gleiche Frequenz aufweisen;
Fig. 8b zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer zehnten Variante der Erfindung erzeugt wird, mit zeitlich zyklischer Verschiebung des Laserstrahls entlang einer 8-förmigen Bahn gemäß einer Quer-Bewegungskomponente und einer Längs-Bewegungskomponente, die eine ungleiche Frequenz aufweisen;
Fig. 9 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer elften Variante der Erfindung erzeugt wird, mit unterschiedlichen Größen des durch den Laserstrahl erzeugten Laserspots zu unterschiedlichen Zeitpunkten;
Fig. 10 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Plattenteile, die mittels eines Laserstrahls wie in Fig. 9 gezeigt gemäß der elften Variante verschweißt werden, wobei der Laserstrahl zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Fokuspositionen in Richtung senkrecht zur Werkstückoberfläche aufweist;
Fig. 11 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß der Erfindung erzeugt wird, sowie den durch den Laserstrahl erzeugten Laserspot zur Erläuterung von Parametern zur Bestimmung der Frequenz fM;
Fig. 12 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Test-Plattenteile, die im Rahmen der Erfindung in einer Vorabmessung mit einem Test-Laserstrahl bearbeitet werden und bei denen sich auf der Oberfläche der erstarrten Schweißnaht Schmelzeanhäufungen bilden, zur Bestimmung der Frequenz fM; Fig. 13 zeigt einen schematischen Längsschnitt zweier Plattenteile, die mit einem Laserstrahl gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verschweißt werden;
Fig. 14 zeigt eine schematische Ansicht auf ein Schmelzbad, das mit einem Laserstrahl gemäß einer zwölften Variante der Erfindung erzeugt wird, wobei der Laserstrahl als Überlagerungs-Laserstrahl mit zwei Teilstrahlen ausgebildet ist;
Fig. 15a zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Schweißnaht einer Bipolarplatte, gefertigt mit einem Laserstrahl mit Quer-Bewegungskomponente;
Fig. 15b zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Schweißnaht einer Bipolarplatte, gefertigt mit einem Laserstrahl mit Quer-Bewegungskomponente und synchroner Leistungsmodulation.
Die 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.
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 75|jm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 |jm und 150 |jm.
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 Bipolarplatte 1. Die Schweißnähte 2a, 2b sind fluiddicht, insbesondere gasdicht, ausgebildet. Die Schweißnähte 2c dienen der mechanischen und elektrisch gut leitenden Verbindung zwischen den zwei Plattenteilen la, lb. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren wurde auf alle Schweißnähte 2a, 2b, 2c angewendet.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf die Plattenteile einer Bipolarplatte (wie in Fig. 1 erläutert) angewendet wird. Die obere Teilfigur von Fig. 2a zeigt einen Ausschnitt einer Oberfläche 4 an der Oberseite des Plattenteils la, auf der ein Laserstrahl 5 einen Laserspot 6 ausleuchtet und ein Schmelzbad 7 erzeugt. Die untere Teilfigur von Fig. 2a zeigt ein Diagramm einer Leistungsdichteverteilung LDV von Laserleistung im Bereich des Schmelzbads 7 entlang einer Achse A auf der Oberfläche 4, die durch den Laserstrahl 5 bewirkt wird zu verschiedenen Zeitpunkten. Fig. 2b zeigt ein Diagramm der zeitlichen Veränderung der Laserleistung P des Laserstrahls 5.
In der oberen Teilfigur von Fig. 2a ist die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2 schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien auf der Oberfläche 4 dargestellt.
Die Fertigung der Schweißnaht 2 erfolgt in der in Fig. 2a dargestellten Variante mittels des Laserstrahls 5, der von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil la gerichtet ist. Der Laserstrahl 5 erzeugt auf der Oberfläche 4 des Plattenteils la den Laserspot 6. Um den Laserspot 6 herum erzeugt der Laserstrahl 5 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich des Laserspots 6 ist das Schmelzbad 7 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR. wird das Schmelzbad 7 allmählich schmäler. Das Schmelzbad 7 erstreckt sich zwischen einem vorderen Ende VE und einem hinteren Ende HE.
Der Laserspot 6 wird im Rahmen eines Schweißvorschubs auf einer Schweißkurve 8 bewegt. Die Schweißkurve 8 ist in der hier gezeigten Figur identisch mit der Mittellinie der Schweißnaht 2. Der Laserstrahl 5 (und damit der Laserspot 6) wird mit einer Grund-Bewegungskomponenten GBK mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet; der Vorschub verläuft entlang einer Schweißrichtung SR. In der gezeigten Variante werden keine weiteren Bewegungskomponenten angewandt.
Die Fig. 2a und Fig. 2b illustrieren eine erste Möglichkeit, wie die Leistungsdichteverteilung LDV in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche 4 des Plattenteils la im Bereich des Schmelzbads 7 zeitlich zyklisch variiert werden kann, wobei die Laserleistung des Laserstrahls 5 bei konstanter Größe des Laserspots 6 variiert wird. In der unteren Teilfigur von Fig. 2a ist das Diagramm der Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche 4 gezeigt. Das Diagramm zeigt die lokale Leistungsdichte LD in % in Abhängigkeit der Position entlang der Achse A in der Ebene der Oberfläche 4. Die Leistungsdichte LD ist an der Position am größten, an der das Zentrum 9 des Laserspots 6 liegt und fällt vom Zentrum 9 des Laserspots 6 zum Rand 10 des Laserspots 6 hin ab.
Es sind Leistungsdichteverteilungen LDV im Diagramm zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten tl, t2, t3 eingetragen. Zum Zeitpunkt tl hat die Leistungsdichteverteilung LDV (durchgezogene Linie) im Bereich des Schmelzbads 7 ihre größten Werte und an der Position im Zentrum 9 des Laserspots 6 wird die größte Leistungsdichte LD, welche hier auf 100% normiert ist, erreicht. Zum Zeitpunkt t2 hat die Leistungsdichteverteilung LDV (gepunktete Linie) im Bereich des Schmelzbads 7 kleinere Werte verglichen zum Zeitpunkt tl und an der Position im Zentrum 9 des Laserspots 6 wird eine Leistungsdichte LD von hier ungefähr 85% erreicht. Zum Zeitpunkt t3 hat die Leistungsdichteverteilung LDV (gestrichelte Linie) im Bereich des Schmelzbads 7 ihre kleinsten Werte verglichen zu den Zeitpunkten tl und t2 und an der Position im Zentrum 9 des Laserspots 6 wird eine Leistungsdichte LD von hier ungefähr 70% erreicht.
Diese Leistungsdichten LD zu den unterschiedlichen Zeitpunkten tl, t2, t3 korrelieren mit der (gesamten) Laserleistung P des Laserstrahls 5; die Laserleistung P ist im Diagramm von Fig. 2b in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Die Laserleistung P des Laserstrahls 5 wird in der hier gezeigten Variante sinusförmig variiert. Zum Zeitpunkt tl erreicht die Laserleistung P des Laserstrahls 5 ihr Maximum von 100%. Zum Zeitpunkt tl hat auch die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 ihre größten Werte. Zum Zeitpunkt t2 liegt die Laserleistung P des Laserstrahls 5 bei ungefähr 85% und zum Zeitpunkt t3 liegt die Laserleistung P des Laserstrahls 5 bei ungefähr 70%. Entsprechend der Laserleistung P zu den Zeitpunkten t2 und t3 verändert sich auch die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 zu den Zeitpunkten t2 und t3.
Durch die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 kann die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 auf einfache Weise variiert werden und die Bildung von Humps unterdrückt werden.
In der hier gezeigten Variante umfasst der Laserstrahl 5 lediglich einen Teilstrahl. Erfindungsgemäß kann der Laserstrahl 5 einen Teilstrahl umfassen (wie hier gezeigt) oder mehrere Teilstrahlen umfassen (nicht näher dargestellt, siehe aber Fig. 5 oder Fig. 14).
Fig. 3a zeigt eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 variiert wird. Im gezeigten Diagramm ist die (gesamte) Laserleistung P des Laserstrahls 5 in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
Die Laserleistung P des Laserstrahls 5 wird in der hier gezeigten Variante rechteckförmig variiert. Es gibt Zeiträume, in denen die Laserleistung P 100% beträgt und Zeiträume, in denen die Laserleistung P hier ungefähr 30% beträgt. Beim Übergang zwischen den Laserleistungen P liegt jeweils ein Sprung der Laserleistung P des Laserstrahls 5 vor.
Fig. 3b zeigt eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 variiert wird. Im gezeigten Diagramm ist die Laserleistung P in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
Die Laserleistung P wird in der hier gezeigten Variante dreieckförmig variiert. Die maximale Laserleistung P beträgt 100% und die geringste Laserleistung P beträgt hier etwa 40%. Dazwischen wird die Laserleistung P linear mit der Zeit t geändert.
Fig. 4 zeigt eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 variiert wird. Im gezeigten Diagramm ist die Laserleistung P in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
Die Variation der Laserleistung P des Laserstrahls 5 in der hier gezeigten Variante erfolgt als eine Kombination sinusförmiger und dreieckförmiger Änderungen der Laserleistung P in Abhängigkeit der Zeit t. Im Bereich von Leistungsbergen (Laserleistung P zwischen ca. 80% und 100%) erfolgt die Variation der Laserleistung P dreieckförmig (mit einem linearen Anstieg und einem linearen Abfall der Laserleistung), im Bereich von Leistungstälern (Laserleistung P zwischen ca. 40% und ca. 60%) erfolgt die Variation der Laserleistung P sinusförmig und an Übergangszeitpunkten tue zwischen der dreieckförmigen und sinusförmigen Variation sind Leistungssprünge eingerichtet (Sprung der Laserleistung P von ca. 60% auf ca. 80% und umgekehrt).
Fig. 5 zeigt eine fünfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads durch eine zeitlich zyklische Variation einer Leistungsverteilung zwischen zwei Teilstrahlen eines Laserstrahls variiert wird. Die Teilstrahlen können beispielsweise als Kernstrahl und Ringstrahl eines Überlagerungs-Laserstrahls eingerichtet sein (vgl. Fig. 14 hierzu mit Teilstrahlen 11a, 11b). Im gezeigten Diagramm ist die Laserleistung in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen.
In der hier gezeigten Variante wird eine Gesamtleistung Pges des Laserstrahls konstant bei 100% gehalten. Der erste Teilstrahl 11a (vgl. Fig. 14) des Laserstrahls hat eine Teilstrahlleistung Plla und der zweite Teilstrahl 11b (vgl. Fig. 14b) des Laserstrahls hat eine Teilstrahlleistung Pllb. Die Teilstrahlleistungen Plla, Pllb der Teilstrahlen des Laserstrahls ergeben zusammen die Gesamtleistung Pges des Laserstrahls. Die Leistungsverteilung zwischen den zwei Teilstrahlen wird variiert, indem die Teilstrahlleistungen Plla, Pllb dreieckförmig mit der Zeit variiert werden. Die Änderungen der Teilstrahlleistungen Plla, Pllb sind betragsmäßig zu allen Zeiten gleich groß mit entgegengesetztem Vorzeichen.
Jeweils auf die Gesamtleistung Pges bezogen beträgt zum Zeitpunkt tl die Teilstrahlleistung Plla 75% und die Teilstrahlleistung Pllb 25%, zum Zeitpunkt t2 betragen die Teilstrahlleistungen Plla, Pllb jeweils 50% und zum Zeitpunkt t3 beträgt die Teilstrahlleistung Plla 25% und die Teilstrahlleistung Pllb 75%.
Bei den Teilstrahlen handelt es sich in der gezeigten Variante (siehe auch Fig. 14 hierzu) um ineinander liegende Teilstrahlen mit einem Kernstrahl und einem Ringstrahl, die beispielsweise mittels einer Multiclad-Faser (nicht näher dargestellt) erzeugt wurden. Alternativ kann es sich beispielswiese auch um nebeneinander liegende Teilstrahlen handeln (nicht näher dargestellt).
Fig. 6a und Fig. 6b zeigt eine sechste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf die Plattenteile einer Bipolarplatte angewendet wird. Die obere Teilfigur von Fig. 6a zeigt einen Ausschnitt der Oberfläche 4 an der Oberseite des Plattenteils la, auf der der Laserstrahl 5 den Laserspot 6 ausleuchtet und das Schmelzbad 7 erzeugt. Die untere Teilfigur von Fig. 6a zeigt ein Diagramm der Leistungsdichteverteilung LDV von Laserleistung im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche 4, die durch den Laserstrahl 5 bewirkt wird. Fig. 6b zeigt ein Diagramm der zeitlichen Veränderung einer Position des Zentrums 9 des Laserspots 6 auf der Achse A im Bezugssystem des mit der Grund-Bewegungskomponente fortschreitenden Schmelzbads 7. Das Schmelzbad
7 erstreckt sich zwischen dem vorderen Ende VE und dem hinteren Ende HE.
In der oberen Teilfigur von Fig. 6a ist die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2 schematisch gestrichelt anhand ihrer Mittellinien an der Oberfläche 4 dargestellt.
Die Fertigung der Schweißnaht 2 erfolgt in der in Fig. 6 dargestellten Variante mittels des Laserstrahls 5, der von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil la gerichtet ist. Der Laserstrahl 5 erzeugt auf der Oberfläche 4 des Plattenteils la den Laserspot 6. Um den Laserspot 6 herum erzeugt der Laserstrahl 5 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich des Laserspots 6 ist das Schmelzbad 7 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR. wird das Schmelzbad 7 allmählich schmäler.
Der Laserspot 6 wird im Rahmen eines Schweißvorschubs auf der Schweißkurve
8 bewegt. Die Schweißkurve 8 ist in der hier gezeigten Figur identisch mit der Mittellinie der Schweißnaht 2. Der Laserstrahl 5, und damit auch der Laserspot 6, werden mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet; der Vorschub verläuft entlang der Schweißrichtung SR.
Fig. 6a und Fig. 6b illustrieren eine weitere Möglichkeit, die Leistungsdichteverteilung LDV in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche 4 des Plattenteils la im Bereich des Schmelzbads 7 einer zeitlich zyklischen Variation zu unterziehen, wobei der Grund-Bewegungskomponente GBK des Laserstrahls 5 eine Längs-Be- wegungskomponente LBK mit einer Frequenz fL überlagert wird; der Laserstrahl 5 wird längs zur Schweißrichtung SR hin- und herbewegt. In der oberen Teilfigur von Fig. 6a wird der Laserspot 6 im Bereich des Schmelzbads 7 an drei unterschiedlichen Positionen PI, P2, P3 gezeigt. Die markierten Positionen PI, P2, P3 entsprechen jeweils dem Zentrum 9 des Laserspots 6 zu verschiedenen Zeitpunkten tl, t2, t3. Die Positionen PI, P2, P3 werden im mit der Grund-Bewegungskomponente GBK wandernden Bezugssystem des Schmelzbads 7 angegeben. Das Schmelzbad 7 erstreckt sich zwischen dem vorderen Ende VE und dem hinteren Ende HE. Die Positionen PI, P2, P3 liegen alle auf der Schweißkurve 8. Zur Verdeutlichung der Längs-Bewegung ist der Laserspot 6 an Position PI gestrichelt, an Position P2 durchgehend und an Position 3 gepunktet dargestellt.
In der unteren Teilfigur von Fig. 6a ist das Diagramm der Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche 4 gezeigt. Das Diagramm zeigt die lokale Leistungsdichte LD in % in Abhängigkeit der Position entlang der Achse A in der Ebene der Oberfläche 4. Die Leistungsdichte LD ist an der Position am größten, an der das Zentrum 9 des Laserspots 6 liegt und fällt vom Zentrum 9 des Laserspots 6 zum Rand 10 des Laserspots 6 hin ab.
Es sind Leistungsdichteverteilungen LDV im Diagramm zu vier unterschiedlichen Zeitpunkten tl, t2, t3, t4 eingetragen. Zum Zeitpunkt tl hat die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 (durchgezogene Linie) ihre größten Werte an Position P2. Zum Zeitpunkt t2 hat die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 (gestrichelte Linie) ihre größten Werte an Position PI. Zum Zeitpunkt t3 hat die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 (durchgezogene Linie) ihre größten Werte wieder an Position P2. Zum Zeitpunkt t4 hat die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 (gepunktete Linie) ihre größten Werte an Position P3.
Das Diagramm von Fig. 6b zeigt die Position des Zentrums 9 von Laserspot 6 auf der Achse A in Abhängigkeit der Zeit t. Die Position des Zentrums 9 wird in der hier gezeigten Variante sinusförmig variiert. Zum Zeitpunkt tl befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 auf Position P2. Zum Zeitpunkt t2 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 auf Position PI. Zum Zeitpunkt t3 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 wieder auf Position P2. Zum Zeitpunkt t4 befindet sich das Zentrum 9 von Laserspot 6 auf Position 3. Entsprechend der Position zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4 verändert sich auch die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4.
Durch die zeitlich zyklische Variation des Ortes des Laserspots gemäß der Längs- Bewegungskomponenten LBK kann die Leistungsdichteverteilung LDV im Bereich des Schmelzbads 7 auf einfache Weise variiert werden und die Bildung von Humps unterdrückt werden.
In Fig. 7a wird eine siebte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 durch eine zeitlich zyklische Variation der Position des Laserstrahls 5 variiert wird.
Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 in Schweißrichtung SR. bewegt. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 eine Quer-Bewegungskomponente QBK mit einer Frequenz fQ überlagert; die Quer-Bewegung des Laserstrahls 5 erfolgt senkrecht zur Schweißkurve 8 hin und her.
In Fig. 7a wird der Laserspot 6 im Bereich des Schmelzbads 7 an den drei Positionen PI, P2, P3 gezeigt. Die markierten Positionen PI, P2, P3 entsprechend dem Zentrum 9 des Laserspots 6 zu verschiedenen Zeitpunkten. Position P2 liegt auf Schweißkurve 8, die Positionen PI und P3 sind jeweils quer zur Schweißkurve 8 verschoben. Zur Verdeutlichung der Quer-Bewegung und der unterschiedlichen Positionen PI, P2, P3, an die das Zentrum 9 des Laserspots 6 verschoben wird, ist der Laserspot an Position PI als gepunkteter Kreis, an Position P2 als durchgezogener Kreis und an Position P3 gestrichelter Kreis dargestellt.
In Fig. 7b wird eine achte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 durch eine zeitlich zyklische Variation der Position des Laserstrahls 5 variiert wird.
Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 in Schweißrichtung SR. bewegt. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 die Quer-Bewegungskomponente QBK mit der Frequenz fQ und die Längs-Bewegungskomponente LBK mit der Frequenz fL überlagert; die Quer-Bewegung des Laserstrahls 5 erfolgt senkrecht zur Schweißkurve 8 hin und her und die Längs-Bewegung des Laserstrahls 5 erfolgt parallel zur Schweißkurve 8 hin und her.
In Fig. 7b wird der Laserspot 6 im Bereich des Schmelzbads 7 an den drei Positionen PI, P2, P3 gezeigt. Die markierten Positionen PI, P2, P3 entsprechen dem Zentrum 9 des Laserspots 6 zu verschiedenen Zeitpunkten. Position P2 liegt auf Schweißkurve 8, die Positionen PI und P3 sind jeweils quer und längs zur Schweißkurve 8 verschoben. Zur Verdeutlichung der Quer-Bewegung und der unterschiedlichen Positionen PI, P2, P3, an die das Zentrum 9 des Laserspots 6 verschoben wird, ist der Laserspot an Position PI als gepunkteter Kreis, an Position P2 als durchgezogener Kreis und an Position P3 als gestrichelter Kreis dargestellt.
Fig. 8a zeigt eine neunte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der ähnlich der achten Variante aus Fig. 7b sowohl eine Längs-Bewegungskomponente als auch eine Quer-Bewegungskomponente angewandt werden. Auf den Laserstrahl 5 wird die Grund-Bewegungskomponente GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS angewendet. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 die Quer-Bewegungskomponente mit der Frequenz fQ und die Längs-Bewegungs- komponente mit der Frequenz fL überlagert, die hier gleich sind (fL=fQ). Die Längs-Bewegungskomponenten und die Quer-Bewegungskomponenten sind jeweils sinusförmig mit gleicher Amplitude und um 90° in der Phase zueinander verschoben. Damit ergibt sich ein Kreis (Kreisbahn) 12, welchen der Laserstrahl 5 bzw. der zugehörige Laserspot 6 mit seinem Zentrum (Spotzentrum) auf der Oberfläche zeitlich zyklisch abfährt. Der Kreis 12 hat ein Kreis-Zentrum 13. Das Kreis-Zentrum 13 wird mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 geführt.
Fig. 8b zeigte eine zehnte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der ähnlich der achten Variante aus Fig. 7b sowohl eine Längs-Bewegungskompo- nente als auch eine Quer-Bewegungskomponente angewandt werden.
Auf den Laserstrahl 5 wird die Grund-Bewegungskomponente GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS angewendet. Zusätzlich wird dem Laserstrahl 5 die Quer-Bewegungskomponente mit der Frequenz fQ und die Längs-Bewegungs- komponente mit der Frequenz fL überlagert, die hier ungleich sind (fL^fQ). Die Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente ist hier doppelt so groß wie die Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente. Weiterhin ist die Amplitude der sinusförmigen Längs-Bewegungskomponente doppelt so groß wie die Amplitude der sinusförmigen Quer-Bewegungskomponenten; der Phasenversatz beträgt null. Auf diese Weise ergeben sich zwei (in Richtung der Grundbewegungskomponenten GBK) nebeneinander liegende Kreise 12a, 12b, die eine liegende Acht (8-förmige Bahn) 14 bilden und vom Laserspot 6 mit dessen Spotzentrum auf der Oberfläche zeitlich zyklisch durchlaufen wird. Die Bewegung des Laserspots 6 entlang der liegenden Acht (8-förmigen Bahn) 14 ist durch einen Richtungspfeil RP angegeben. Die liegende Acht 14 bewegt sich insgesamt mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8. In Fig. 9 wird eine elfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, in der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 durch eine zeitlich zyklische Variation der Größe des Laserspots 6 des Laserstrahls 5 variiert wird.
Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Zusätzlich wird der Laserspot 6 des Laserstrahls 5 zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert. Der Laserspot 6 ist hier einmal mit einer durchgezogenen Linie (zum Zeitpunkt tl) und einmal mit einer gepunkteten Linie (zum Zeitpunkt t2) gezeigt. Durch diese zeitlich zyklische Vergrößerung und Verkleinerung des Laserspots 6 wird die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 ebenfalls zeitlich zyklisch variiert, wodurch die Bildung von Humps unterdrückt werden kann. In der hier vorgestellten elften Variante bleibt die (gesamte) Laserleistung des Laserstrahls 5 konstant. Betrachtet man in diesem Beispiel die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 entlang der Achse A auf der Oberfläche (entsprechend Fig. 2a oder Fig. 6a), so ist zum Zeitpunkt tl die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 schmaler mit höheren Werten für die Leistungsdichte und zum Zeitpunkt t2 ist die Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 breiter mit niedrigeren Werten für die Leistungsdichten (nicht näher dargestellt).
In Fig. 10 wird die elfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens aus Fig. 9 anhand eines schematischen Längsschnitts einer Bipolarplatte 1, die mit einem Laserstrahl 5 bearbeitet wird, weiter erläutert.
Die Plattenteile la, lb sind übereinander angeordnet. Der Laserstrahl 5 erzeugt in einer Ebene E der Oberfläche 4 des ersten Plattenteils la den Laserspot 6. Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS in Schweißrichtung SR. bewegt. Um den Laserspot 6 herum erzeugt der Laserstrahl 5 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Nachlauf des Schmelzbades 7 erstarrt das aufgeschmolzene Plattenmaterial und bildet die fertige Schweißnaht 2. Um die Bildung von Humps zu unterdrücken wird (wie bereits in Fig. 9 in Aufsicht auf das Schmelzbad 7 erläutert) der Laserspot 6 in der Ebene E zeitlich zyklisch verkleinert und vergrößert. In der hier gezeigten Variante wird die Verkleinerung und Vergrößerung dadurch bewirkt, dass eine Fokusposition (Fokusebene / Ort des kleinsten Strahldurchmessers) FP1, FP2 des Laserstrahls 5 zeitlich zyklisch senkrecht zur Ebene E verschoben wird. Der Laserstrahl 5 ist in Fig. 10 zum Zeitpunkt tl (durchgezogene Linien des Laserstrahls 5) und zum Zeitpunkt t2 (gepunktete Linien des Laserstrahls 5) gezeigt.
Zum Zeitpunkt tl befindet sich die Fokusposition FP1 in der Ebene E. Der Laserspot 6 auf dem Schmelzbad 7 hat einen Durchmesser dl. Zum Zeitpunkt t2 wurde die Fokusposition FP2 des Laserstrahls 5 um eine Höhe H senkrecht zur Ebene E in Richtung in die Plattenteile la, lb hinein verschoben. Der Laserspot 6 auf dem Schmelzbad hat dann einen Durchmesser d2, der größer ist als der Durchmesser dl des Laserspots 6 zum Zeitpunkt tl.
Man beachte, dass in Fig. 10 zur Vereinfachung eine sich bildende Dampfkapillare nicht näher dargestellt ist.
In Fig. 11 werden Möglichkeiten gezeigt, mit denen die Frequenz fM einer zeitlich zyklischen Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 ausgewählt werden kann. Es ist in einer schematischen Aufsicht das Schmelzbad 7 gezeigt, das mit dem Laserstrahl 5 und dessen Laserspot 6 erzeugt wird.
Der (hier kreisrunde) Laserspot 6 hat einen (größten) Durchmesser dw von hier 50pm. Die Größe des Laserspots 6 kann über das 86%-Kriterium bestimmt werden. Hierzu wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils des Laserstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung innerhalb der Kreisfläche liegen. Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungs- komponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS von hier 1000mm/s entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Das Schmelzbad 7 besitzt eine Länge L entlang der Schweißrichtung SR, wobei L im gewählten Beispiel ca. 60pm beträgt
Zum einen gilt für eine normierte Frequenz NF:
NF = fM*dw/VS.
Typischerweise liegt die normierte Frequenz NF zwischen einem Wert von 0,1 und 5. Durch Umstellen der obigen Gleichung nach fM ergibt sich folgender Ausdruck: fM = NF*VS/dw.
Bei Vorgabe der gewünschten normierten Frequenz NF (oder eines gewünschten Intervalls für NF) und Kenntnis des größten Durchmessers dw sowie der Vorschubgeschwindigkeit VS kann die benötigte Frequenz fM (oder ein benötigtes Intervall für fM) abgeschätzt werden.
Nimmt man beispielsweise an, dass NF = 1 sein soll, sieht im vorliegenden Beispiel die umgestellte Gleichung für fM folgendermaßen aus: fM = l*(1000mm/s)/(50pm) = 20kHz.
Lässt man für NF ein Intervall von 0,1 bis 5 zu, so kann im gewählten Beispiel fM in einem Intervall von 2kHz bis 100kHz gewählt werden.
Zum anderen kann eine natürliche Schmelzbadfrequenz fnat bestimmt werden. Typischerweise sollte die Frequenz fM in einem Bereich von 0,8*fnat und l,2*fnat liegen. Die natürliche Schmelzbadfrequenz fnat kann gemäß folgender Gleichung ermittelt werden: fnat = VS/(2*L). Bei Kenntnis der Vorschubgeschwindigkeit VS und der Schweißbadlänge L kann die natürliche Schmelzbadfrequenz fnat und im Zuge dessen die Frequenz fM bestimmt werden. Im gewählten Beispiel ergibt obige Gleichung für fnat: fnat = (1000mm/s)/(2*60pm) = 8,33kHz.
Die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 sollte also hier mit einer Frequenz fM mit einen Wert zwischen 6,67kHz und 10kHz zeitlich zyklisch variiert werden.
In Fig. 12 wird gezeigt, wie mit Hilfe einer Test-Platte 15 und einer Vorabmessung die Frequenz fM ausgewählt werden kann. Die Test-Platte 15 ist in einem schematischen Längsschnitt gezeigt.
Zur Fertigung der Test-Platte 15 werden zwei Test-Plattenteile 15a, 15b übereinander angeordnet. Die Test-Platte 15 ist in der gezeigten Variante baugleich zur Bipolarplatte, bzw. die Test-Plattenteile 15a, 15b sind baugleich zu den Plattenteilen für die Bipolarplatte; insbesondere ist die Test-Platte („Test-Bipolarplatte") 15 aus dem gleichen Material gefertigt, aus welchem auch die fertige Bipolarplatte bestehen soll, und die Materialstärken (Plattendicken) 26a, 26b der Test- Plattenteile 15a, 15b entsprechen den Materialstärken (Plattendicken) der Plattenteile der zu fertigenden Bipolarplatte (vgl. Bzz. 27a, 27b in Fig. 13). Die Test- Plattenteile 15a, 15b werden mit einem Test- Laserstrahl 16 bearbeitet. Der Test- Laserstrahl 16 entspricht im zeitlichen Mittel dem Laserstrahl, welcher für die Fertigung der Bipolarplatten eingesetzt werden soll, ohne jedoch eine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung im Bereich des Schmelzbads 7 anzuwenden. Der Test- Laserstrahl 16 erzeugt in der Ebene E der Oberfläche 4 des ersten Test-Plattenteils 15a einen Test-Laserspot 17. Der Test-Laserstrahl 16 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS von hier 1000mm/s bewegt. Um den Test- Laserspot 17 herum erzeugt der Test- Laserstrahl 16 das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Nachlauf des Schmelzbades 7 bildet sich die fertige Test-Schweißnaht 25. Auf der Test-Schweißnaht 25 bilden sich Schmelzeanhäufungen („Humps") 18 aus. Diese Schmelzeanhäufungen 18 treten bei gleichbleibender Vorschubgeschwindigkeit VS in regelmäßigen Abständen II, 12, 13 auf. Aus diesen Abständen II, 12, 13 kann dann ein mittlerer Abstand laverage von Schmelzeanhäufungen 18 bestimmt werden. Hier sind die Schmelzeanhäufungen 18 alle ungefähr 50pm voneinander beabstandet; der mittlere Abstand laverage ist dann ca. 50pm.
Die Frequenz fM kann basierend auf der Vorabmessung der Test-Platte 15 wie folgt bestimmt werden:
Mit der Vorabmessung kann eine Humpingfrequenz fH bestimmt werden. Typischerweise sollte die Frequenz fM in einem Bereich von 0,9*k*fH und l,l*k*fH liegen, wobei k eine natürliche Zahl ist. Die Humpingfrequenz fH kann gemäß folgender Gleichung ermittelt werden: fH = VS/laverage.
Bei Kenntnis der Vorschubgeschwindigkeit VS und des mittleren Abstands laverage kann die Humpingfrequenz fH und im Zuge dessen die Frequenz fM bestimmt werden. Im gewählten Beispiel erfüllt die obige Gleichung für fH : fH = (1000mm/s)/(50pm) = 20kHz.
Die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 der zu fertigenden Bipolarplatte sollte also hier mit einer Frequenz fM mit einen Wert zwischen k*18kHz und k*22kHz zeitlich zyklisch variiert werden. Mit beispielsweise k=l sollte dann fM zwischen 18kHz und 22kHz gewählt werden. Fig. 13 zeigt eine Bipolarplatte 1, die gemäß der ersten Variante (Fig. 2a, 2b) des erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitet wird, in einem schematischen Längsschnitt.
Vor dem eigentlichen Verschweißen wurde eine Vorabmessung wie in Fig. 12 beschrieben vorgenommen und eine Humpingfrequenz fH bestimmt, mit der sich wiederum die Frequenz fM bestimmen lässt, mit der die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche 4 des Plattenteils la im Bereich des Schmelzbads 7 zeitlich zyklisch variiert werden muss, um die Bildung von Schmelzeanhäufungen zu unterdrücken.
Die Plattenteile la, lb sind übereinander angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mit der Grund-Bewegungskomponenten GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS bewegt. Der Laserstrahl 5 erzeugt das Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Seine Leistungsdichteverteilung an der Oberfläche 4 im Bereich des Schmelzbads 7 wird mit der Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert, wodurch Schmelzeanhäufungen unterdrückt werden. Im Nachlauf des Schmelzbades 7 bildet sich die fertige Schweißnaht 2 entsprechend ohne Schmelzeanhäufungen aus.
Fig. 14 zeigt in einer schematischen Aufsicht auf ein Schmelzbad 7 einen alternativen Laserstrahl 5, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Laserstrahl 5 ist hier als ein Überlagerungs-Laserstrahl 19 mit den zwei Teilstrahlen 11a, 11b ausgebildet. Die Teilstrahlen 11a, 11b liegen hier als Überlagerungs-Teillaserstrahlen 19a, 19b ineinander. Der Überlagerungs-Teillaserstrahl 19a ist hier als ein Kernstrahl 20 ausgebildet. Der Kernstrahl 20 wird ringförmig von Überlagerungs-Teillaserstrahl 19b umgeben, der als ein Ringstrahl 21 ausgebildet ist. Der Überlagerungs-Laserstrahl 19 kann beispielsweise durch eine Multiclad-Faser (etwa einer 2inl-Faser) erzeugt werden.
Der Kernstrahl 20 und der Ringstrahl 21 erzeugen einen Laserspot 6, der einen Kernanteil 22 und einen Ringanteil 23 aufweist. Der Ringanteil 23 ist um den Kernanteil 22 angeordnet. Der Überlagerungs-Laserstrahl 19 erzeugt das Schmelzbad 7 und wird mit der Grund-Bewegungskomponente GBK mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve 8 bewegt. Eine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung in der Ebene der laserzugewandten Oberfläche der zwei Plattenteile im Bereich des Schmelzbads 7 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Leistung zwischen dem Kernanteil 22 und dem Ringanteil 23 umverteilt (hin und her verteilt) wird.
Kernanteil 22 und Ringanteil 23 sind hier kreisrund ausgebildet.
In Fig. 15a ist ein schematischer Querschnitt einer Bipolarplatte 1 gezeigt, die gemäß der siebten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe Fig. 7a) gefertigt wurde. Der Querschnitt liegt senkrecht zur Schweißrichtung.
Die Plattenteile la, lb sind durch die Schweißnaht 2 miteinander verbunden und auf der Oberfläche 4 haben sich keine Schmelzeanhäufungen ausgebildet. In der hier gezeigten Variante wurde die Leistungsdichteverteilung auf der Oberfläche 4 im Bereich des Schmelzbads zeitlich zyklisch variiert, indem der Grund-Bewegungskomponente des Laserstrahls eine Quer-Bewegungskomponente (die in Fig. 15a nach links und rechts hin und her) überlagert wurde. Hierdurch kam es während des Schweißens an den bezüglich der Quer-Richtung seitlichen Rändern des Schmelzbads zu einer stärkeren Erwärmung bzw. einem tieferen Aufschmelzen des Plattenmaterials als in der Mitte. Dadurch werden in der Schweißnaht 2 an den seitlichen Rändern Verformungen 24 („Backenzähne") in der erstarrten Schmelze ausgebildet; mit anderen Worten die Schweißnaht 2 ist an den in Querrichtung seitlichen Rändern im Bereich der Verformungen 24 tiefer als in der Mitte.
Zur Optimierung der Form der Schweißnaht 2 kann zusätzlich eine zeitlich zyklische Variation der Laserleistung vorgenommen werden, um die lokal stärkere Erwärmung an den Rändern des Schmelzbads und damit die Verformungen 24 in der Schweißnaht 2 zu vermeiden. Die Laserleistung kann dafür in den Zeiten, in denen der Laserspot die seitlichen Ränder anfährt, reduziert werden gegenüber Zeiten, in denen der Laserspot nahe der Mitte des Schmelzbads, bzw. nahe der Schweißkurve (Mittellinie der Schweißnaht) ist. Eine entsprechend geschweißte Schweißnaht ist in dem schematischen Querschnitt einer Bipolarplatte 1 in Fig. 15b gezeigt. Die Schweißnaht 2 hat in Querrichtung eine im Wesentlichen konstante Tiefe.
Figure imgf000042_0001
1 Bipolarplatte la oberer Plattenteil lb unterer Plattenteil
2 Schweißnaht
2a umlaufend geschlossene Schweißnaht
2b geschlossene Schweißnaht
2c offene (geradlinige) Schweißnaht
3 Durchbruch
4 Oberfläche (des oberen Plattenteils)
5 Laserstrahl
6 Laserspot
7 Schmelzbad
8 Schweißkurve
9 Zentrum (des Laserspots)
10 Rand (des Laserspots)
11a, 11b Teilstrahl
12 Kreis
13 Kreis-Zentrum
14 liegende Acht
15 Test-Platte
15a oberer Test-Plattenteil
15b unterer Test-Plattenteil
16 Test-Laserstrahl
17 Test-Laserspot
18 Schmelzeanhäufungen / Humps
19 Überlagerungs-Laserstrahl
19a, 19b Überlagerungs-Teillaserstrahl
20 Kernstrahl
21 Ringstrahl
22 Kernanteil
23 Ringanteil 24 Verformung 25 Test-Schweißnaht 26a Mate rial stärke des oberen Test-Plattenteils 26b Mate rial stärke des unteren Test-Plattenteils 27a Mate rial stärke des oberen Plattenteils 27b Mate rial stärke des unteren Plattenteils A Achse BLD Blechdicke dl, d2 Durchmesser (Teil-)Laserspot dw größter Durchmesser E Ebene (der Oberfläche der Plattenteile) FP1, FP2 Fokusposition GBK Grund- Bewegungskomponente H Höhe (zwischen den Fokuspositionen des Laserstrahls zu unterschiedlichen Zeiten)
HE hinteres Ende des Schmelzbads L Schmelzbadlänge (in Schweißrichtung SR.)
II, 12, 13 Abstand zwischen zwei Schmelzeanhäfungen LBK Längs- Bewegungskomponente LDV Leistungsdichteverteilung P Laserleistung Pges Gesamtleistung des Laserstrahls
Plla, Pllb Teilstrahlleistung PI, P2, P3 Position (des Zentrums des Laserspots) QBK Quer- Bewegungskomponente RP Richtungspfeil SR Schweißrichtung t Zeit tl-t4 Zeitpunkt tue Übergangszeitpunkt VE vorderes Ende des Schmelzbads

Claims

Patentansprüche
1. 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, wobei das Laserschweißen mit einem Laserstrahl (5) erfolgt, wobei der Laserstrahl (5) in einer Ebene (E) einer Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) eine Grund-Bewegungskomponente (GBK) mit einer Vorschubgeschwindigkeit VS in einer Schweißrichtung (SR.) entlang einer Schweißkurve (8) relativ zu den Plattenteilen (la, lb) aufweist, und die Schweißkurve (8) entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft, wobei der Laserstrahl (5) ein Schmelzbad (7) in den Plattenteilen (la, lb) erzeugt, und der Laserstrahl (5) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Leistungsdichteverteilung (LDV) von Laserstrahlung bewirkt, und wobei der Laserstrahl (5) einen oder mehrere Teilstrahlen (11a, 11b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) zeitlich zyklisch variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Laserleistung zumindest eines Teilstrahls (11a, 11b) des Laserstrahls (5) zeitlich zyklisch variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) eine Leistungsverteilung zwischen wenigstens zwei Teilstrahlen (11a, 11b) zeitlich zyklisch variiert wird, wobei eine Gesamtleistung (Pges) des Laserstrahls (5) zeitlich konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) zumindest einem Teilstrahl (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) eine Quer-Bewegungskomponente (QBK) überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) quer zur Schweißkurve (8) zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) zumindest einem Teilstrahl (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) eine Längs-Bewegungskomponente (LBK) überlagert wird, so dass zumindest ein Teil-Laserspot des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) parallel zur Schweißkurve (8) zeitlich zyklisch hin- und her bewegt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente (QBK) und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente (LBK) gleich sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Überlagerung der Quer-Bewegungskomponente (QBK) und der Längs-Bewegungs- komponente (LBK) des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) der zumindest eine Teil- Laserspot des zumindest einen Teilstrahls (11a, 11b) zeitlich zyklisch kreisförmig um ein Kreis-Zentrum (13) bewegt wird, wobei das Kreis-Zentrum (13) mit der Vorschubgeschwindigkeit VS entlang der Schweißkurve (8) bewegt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz fQ der Quer-Bewegungskomponente (QBK) und eine Frequenz fL der Längs-Bewegungskomponente (LBK) ungleich sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) zumindest ein Teil-Laserspot zumindest eines Teilstrahls (11a, 11b) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergrößern und Verkleinern zumindest des Teil-Laserspots eine Fokusposition (FP) zumindest des Teilstrahls (11a, 11b) senkrecht zur Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) zeitlich zyklisch verändert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Variieren der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) ein Laserspot (6) des gesamten Laserstrahls (5) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der Plattenteile (la, lb) zeitlich zyklisch vergrößert und verkleinert wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass für eine normierte Frequenz NF gilt: NF=fM*dw/VS mit 0,l<NF<5, mit dw: größter Durchmesser des Laserstrahls (5) auf der Oberfläche (4).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass k*0,9*fH<fM<k*l,l*fH, mit fH: Humpingfre- quenz, mit fH= VS/laverage, mit laverage: mittlerer Abstand von Schmelzeanhäufungen (18) in der erstarrten Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c), wenn das Laserschweißen ohne die zeitlich zyklische Variation der Laserleistung erfolgen würde, und k: natürliche Zahl.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Laserschweißen der Bipolarplatte (1) in einer Vorabmessung ein Laserschweißen einer Test-Platte (15) mit einem Test- Laserstrahl (16) mit der Vorschubgeschwindigkeit VS erfolgt, wobei zwei Test-Plattenteile (15a, 15b) für die Test-Platte (15) zumindest in ihrer Materialsorte und Mate rial stärke (26a, 26b) mit der Materialsorte und der Mate rial stärke (27a, 27b) der Plattenteile (1, lb) übereinstimmen und der Test- Laserstrahl (16) im zeitlichen Mittel dem Laserstrahl (5) entspricht, jedoch keine zeitlich zyklische Variation der Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Test-Plattenteile (15a, 15b) im Bereich des Schmelzbads (7) anwendet, und dass in einer erstarrten Test-Schweißnaht (25) der Test-Platte (15) der mittlere Abstand laverage von Schmelzeanhäufungen (18) bestimmt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (LDV) in der Ebene (E) der Oberfläche (4) der zwei Plattenteile (la, lb) im Bereich des Schmelzbads (7) mit einer Frequenz fM zeitlich zyklisch variiert wird, wobei fM so gewählt ist, dass 0,8*fnat<fM<l,2*fnat, mit fnat: natürliche Schmelzbadfrequenz, mit fnat= VS/(2*L), mit L: Schmelzbadlänge in Schweißrichtung (SR).
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (5) als Überlagerungs-Laserstrahl (19) ausgebildet ist, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen (11a, 11b), die Überlagerungs-Teillaserstrahlen (19a, 19b) darstellen, wobei die Überlagerungs- Teillaserstrahlen (19a, 19b) an der Oberfläche (4) ineinander liegen.
17. 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.
18. Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen (la, lb) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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