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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzlaserschweißen sowie eine zur Durchführung eines solchen Schweißverfahrens geeignete Vorrichtung.
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Die
DE 10 2018 133 676 A1 beschreibt einen Bearbeitungskopf, welcher zum Fügen von Werkstücken aus thermoplastischem kohlefaserverstärktem Kunststoff oder Teilen aus Faser-Metall-Laminat geeignet sein soll. Der Bearbeitungskopf umfasst ein aus einer Anpressrolle und einer Gegenanpressrolle aufgebautes Walzenpaar, durch welches ein Bearbeitungsspalt gebildet ist, durch den ein flächiges Werkstück sowie ein ebenfalls flächiger, bandförmiger Verbindungskörper geführt werden. Ein Laserstrahl wird mittels eines Spiegels auf die Bearbeitungszone zwischen dem Werkstück und dem Verbindungskörper gelenkt. Das Werkstück kann mehrere Lagen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial und eine oberste Werkstücklage aus einem Metallblech umfassen.
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Die
DE 10 2018 219 056 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Metallbänder durch mehrere Vorrichtungen geführt, die unter anderem der Feinreinigung und der Nitrierung dienen. Ferner wird eine Kohlenstoffschicht aufgebracht. Im Anschluss erfolgt eine Umformung der Metallbänder, bei der Kanäle ausgebildet werden. Die umgeformten Metallbänder werden so bewegt und positioniert, dass sie mit Hilfe eines Laserstrahls, der in einen Spalt zwischen aufeinander zu bewegten Metallbänder gerichtet wird, in einem kontinuierlichen Durchlaufprozess gefügt werden können.
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Ein weiteres Verfahren zum Verschweißen von bandförmigen Verbundmaterialien, die Metall enthalten, ist in der
CN 101 823 185 A beschrieben. Auch in diesem Fall werden Bänder durch Walzen gegeneinander gepresst, während zugleich ein Laserstrahl auf den zwischen den Bändern gebildeten Spalt gerichtet ist.
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Eine in der
WO 2009/073157 A1 beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung einer Schweißnaht umfasst zwei rollenförmige Elektroden, zwischen denen zu verschweißende plattenförmige Bauteile geführt werden, wobei zwischen den Elektroden wirkende Kräfte sowie elektrische Ströme, die durch die Elektroden geleitet werden, je nach Betriebsphase variiert werden.
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Eine in der
US 5,676,862 A beschriebene Widerstandsschweißanlage umfasst zwei Paare rollenförmiger Elektroden, wobei das erste Paar an Elektroden eine Schweißnaht erzeugt und das zweite Paar an Elektroden mindestens eine weitere Aufgabe übernimmt, beispielsweise die Dicke der Schweißnaht reduziert und/oder eine Wärmebehandlung durchführt.
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Die
DE 36 05 946 A1 beschreibt ein Verfahren zum Führen von auf Stoß zu verschweißenden, nebeneinander angeordneten Blechen mittels einer ortsfest angeordneten Schweißeinrichtung, insbesondere Laserschweißeinrichtung. Die Bleche werden über Rollgänge mit Rollen gefördert die in einem spitzen Winkel zueinander ausgerichtet sind.
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Die
CN 1 09 014 580 A offenbart ein Verfahren zum walzunterstützten Verschweißen von zwei Nichteisenmetallplatten. Dabei werden die Metallplatten teilweise überlappend angeordnet und eine Platte zur anderen Platte angewinkelt gehalten. Weiterhin wird Metallpulver in den Raum zwischen den Metallplatten gefüllt und ein Walzen und Laserschweißen gleichzeitig durchgeführt.
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Die
GB 2 522 873 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Bändern mittels eines Stranggießprozesses. Das Band kann anschließend gewalzt werden, wobei zueinander versetzte Walzen zum Einsatz kommen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, besonders flexible Möglichkeiten zum Verschweißen von übereinander liegenden Blechen in einem Durchlaufverfahren anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Walzlaserschweißen gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Walzlaserschweißen gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Schweißverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Laserschweißvorrichtung, welche zum Verschweißen von mindestens zwei übereinander liegenden Blechen ausgebildet ist, und umgekehrt.
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Die Vorrichtung zum Walzlaserschweißen umfasst eine Mehrzahl an Walzenpaaren, deren Rotationsachsen in Förderrichtung der miteinander zu verschweißenden Bleche gegeneinander versetzt sind, wobei eine Überlappung zwischen einzelnen Walzenpaaren gegeben ist. Ferner umfasst die Walzlaserschweißvorrichtung mindestens eine Laserstrahlquelle, welche orthogonal zur Förderrichtung der Bleche, das heißt parallel zu den Rotationsachsen der Walzen, ausgerichtet ist. Die parallel zu den Rotationsachsen der Walzenpaare ausgerichtete Laserstrahlquelle ist in Förderrichtung verschiebbar.
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Die Kombination aus gegeneinander versetzten, das heißt gestaffelt angeordneten Walzenpaaren und mindestens einer Laserstrahlquelle, welche quer zur Förderrichtung ausgerichtet ist, bringt eine besonders hohe Flexibilität, was die Lage von Schweißpunkten und/oder Schweißnähten betrifft, mit sich. Insbesondere sind Schweißnähte erzeugbar, welche quer zur Förderrichtung, das heißt parallel zu den Rotationsachsen der Walzen, verlaufen.
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Allgemein werden die miteinander zu verschweißenden Bleche derart Bearbeitungsspalten zwischen den Walzenpaaren zugeführt, dass zunächst mindestens eines der Bleche um die Längsachse verkippt ist und während des Durchlaufens der Bearbeitungsspalte eine parallele Lage der Bleche zu den Ebenen, in welchen die Rotationsachsen angeordnet sind, eingenommen wird.
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Eine sogenannte Quernaht, das heißt parallel zu den Rotationsachsen der Walzen verlaufende Schweißnaht, ist erzeugbar, indem die parallel zu den Rotationsachsen ausgerichtete Laserstrahlquelle in derselben Geschwindigkeit, in der die Bleche die Bearbeitungsspalte durchlaufen, in Förderrichtung der Bleche verfahren wird. Hierbei wird zunächst jeder Abschnitt der Quernaht erzeugt, welcher am weitesten von der Laserstrahlquelle entfernt ist. Simultan mit der Förderung der Bleche durch die zwischen den Walzen gebildeten Bearbeitungsspalte wird die Schweißnaht in Richtung zu derjenigen Kante der Bleche, welche am geringsten von der Laserstrahlquelle beabstandet ist, verlängert.
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Die Walzen der Laserschweißvorrichtung können eine einheitliche Form aufweisen. Im einfachsten Fall handelt es sich um zylindrische Walzen einheitlicher Breite sowie einheitlichen Durchmessers. Auch konische Walzen sind verwendbar. Möglich sind auch Ausführungsformen, in denen sich die Durchmesser der beiden Walzen eines jeden Walzenpaares voneinander unterscheiden. Ebenso ist eine Durchmesserstaffelung der Walzen, das heißt eine Zunahme des Walzendurchmessers von einer Längsseite der zu verschweißenden Bleche in Richtung zur anderen Längsseite, möglich.
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Die Walzen weisen beispielsweise einzelne elektrische Antriebe auf. Theoretisch ist auch eine mechanische Synchronisation der Walzen möglich, sodass ein einziger elektrischer Antrieb mehrere Walzen antreiben kann. In beiden Fällen liegen die Mittelpunkte der oberhalb beziehungsweise unterhalb der miteinander zu verschweißenden Bleche angeordneten Walzen beispielsweise jeweils auf einer gemeinsamen Geraden. Diese beiden oberhalb beziehungsweise unterhalb der Bleche befindlichen, zueinander parallelen Geraden stellen virtuelle Achsen einer gedachten breiten, quer über die Bleche gelegten Walzenanordnung dar, welche aus einzelnen, jeweils gegeneinander verschobenen Teilwalzen gebildet ist. Die genannten Geraden sind beispielsweise in einem Winkel von 45° gegen die Förderrichtung, das heißt Längsrichtung der Bleche, schräggestellt.
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Insgesamt sind beispielsweise mindestens drei und höchstens zwölf gestaffelt angeordnete Walzenpaare vorhanden, wobei durch diese ein insgesamt linienförmiger, schräg zur Förderrichtung ausgerichteter Verschweißungsbereich gebildet ist. Entsprechend der Schrägstellung der genannten Geraden ist auch der Verschweißungsbereich um einen bestimmten Winkel, beispielsweise 45° ± 15°, schräg zur Förderrichtung ausgerichtet. Die Rotationsachsen sämtlicher Einzelwalzen der Walzenpaare können sich in relativ zueinander unveränderlicher Position befinden. Den gestaffelt angeordneten Walzenpaaren, zwischen welchen jeweils eine Verschweißungszone in Form eines Bearbeitungsspaltes gebildet ist, können in Förderrichtung der Schweißvorrichtung Vorschubwalzen nachgeschaltet sein.
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Zusätzlich zu der Laserstrahlquelle, welche orthogonal zur Förderrichtung der Bleche ausgerichtet ist, kann eine weitere Laserstrahlquelle oder eine Mehrzahl an weiteren Laserstrahlquellen vorgesehen sein, welche einen Laserstrahl beziehungsweise mehrere Laserstrahlen in Förderrichtung auf die Werkstücke, das heißt Bleche, lenkt. Insgesamt existiert damit eine Mehrzahl an Laserstrahlquellen, welche in unterschiedlichen Winkeln auf Verschweißungszonen zwischen den Walzenpaaren gerichtet sind.
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Die Laserschweißvorrichtung eignet sich auch zum Fügen von profilierten Blechen, wobei durch das Profil der Bleche beispielsweise Kühlkanäle zwischen den Blechen gebildet werden können. Dies gilt sowohl für Fälle, in denen ein profiliertes Blech mit einem glatten Blech verschweißt wird, als auch für das Fügen zweier profilierter Bleche. Im letztgenannten Fall können die beiden Bleche spiegelbildlich zueinander geformt sein. Die äußeren, das heißt den Kühlkanälen abgewandten Oberflächen der Bleche können mit einer Beschichtung versehen sein, welche auf das Schweißverfahren keinen Einfluss hat.
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Handelt es sich bei den miteinander verschweißten Blechen um eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, beispielsweise Brennstoffzelle, so sind dank des Walzlaserschweißverfahrens keine Schweißbuchten im Aktivfeld der Bipolarplatte erforderlich. Dies ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine Optimierung des Gasflusses durch die fertig montierte elektrochemische Zelle, womit auch deren Effizienz steigt. Darüber hinaus ermöglicht die Walzlaserschweißvorrichtung das Setzen einer besonders hohen Zahl an Schweißpunkten im Aktivfeld, was zu einer Verbesserung des Stromflusses in der Bipolarplatte beiträgt. Nicht zuletzt reduziert der Entfall von Schweißbuchten den Strömungswiderstand einer Kühlflüssigkeit, was zu einer geringeren Verlustleistung der elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, beiträgt. Analoges gilt im Fall einer Ausbildung der elektrochemischen Zelle als Redox-Flow-Zelle oder als Zelle einer Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ausschnittsweise eine Vorrichtung zum Walzlaserschweißen in Draufsicht,
- 2 Komponenten der Vorrichtung zum Walzlaserschweißen in Seitenansicht,
- 3 in schematischer Darstellung ein in die Vorrichtung zum Walzlaserschweißen einlaufendes Blech,
- 4 bis 7 in schematischen überhöhten Schnittdarstellungen die Form des in die Laserschweißvorrichtung einlaufenden Bleches mit Blickrichtung in Förderrichtung des Bleches,
- 8 bis 11 eine Draufsicht auf die Laserschweißvorrichtung in verschiedenen Phasen der Bearbeitung.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Fertigungsanlage ist zum Verschweißen zweier Bleche 2, 3 im Walzlaserschweißverfahren ausgebildet. Die Bleche 2, 3 werden von nicht dargestellten Coils abgewickelt und zu Bipolarplatten 4 verschweißt. Schweißnähte unterschiedlicher Form auf den Bipolarplatten 4 sind mit 5, 6 bezeichnet.
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Die Laserschweißvorrichtung 1 umfasst eine Walzenanordnung 7, die aus mehreren, im Ausführungsbeispiel sechs, Walzenpaaren 8 aufgebaut ist. Jedes Walzenpaar 8 ist aus zwei Einzelwalzen 9, 10 gebildet, wobei sämtliche Einzelwalzen 9, 10 der Walzenanordnung 7 identisch dimensioniert sind. Zusätzliche Vorschubwalzen 11, die einen geringeren Durchmesser als die Einzelwalzen 9, 10 haben, sind in Förderrichtung FR hinter den Walzenpaaren 8 angeordnet. Eine Einrichtung zum Vereinzeln der Bipolarplatten 4 ist nicht dargestellt. Jede fertiggestellte, verschweißte Bipolarplatte 4 weist Kanäle auf, die durch Schweißnähte 5, 6 abgedichtet sind und zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen sind. Die Schweißnaht 5 beschreibt im vorliegenden Fall eine Rahmenform und begrenzt ein mit 12 bezeichnetes Aktivfeld der Bipolarplatte 4.
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Die Rotationsachse jeder Einzelwalze 9, 10 ist rechtwinklig zur Förderrichtung FR ausgerichtet. In Querrichtung QR der Vorrichtung 1, das heißt quer zur Förderrichtung FR, erstreckt sich die Walzenanordnung 7 über einen Bereich, der beidseitig etwas über die Seitenränder 13, 14 der Bleche 2, 3 hinausragt. Eine durch die Mittelpunkte sämtlicher Einzelwalzen 9, welche sich oberhalb des Werkstücks, das heißt der miteinander zu verschweißenden Bleche 2, 3, befinden, gelegte Gerade 15 stellt eine virtuelle Achse dar, die in einem Winkel a, im Ausführungsbeispiel 45°, schräg zur Förderrichtung FR gestellt ist. Entsprechendes gilt für die Einzelwalzen 10, welche sich unterhalb der Bleche 2, 3 befinden. Der in Längsrichtung der Bleche 2, 3, das heißt in Förderrichtung FR, zu messende Versatz zwischen dem am linken Seitenrand 13 angeordneten Walzenpaar 8 und dem am rechten Seitenrand 14 angeordneten Walzenpaar 8 entspricht im Ausführungsbeispiel dem mit DW bezeichneten Durchmesser einer jeden Einzelwalze 9, 10. Die Summe aller Breiten BW der Einzelwalzen 9 ist größer als die mit BB bezeichnete Breite des Bleches 2. Entsprechendes gilt für die Einzelwalzen 10.
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Während des Walzlaserschweißens wird durch die Walzenpaare 8 ein Druck auf die Bleche 2, 3 ausgeübt. Gleichzeitig wird durch eine Laseranlage 16 lokal Energie in das Werkstück, das heißt die in der Herstellung befindliche Bipolarplatte 4, eingetragen. Die Laseranlage 16 umfasst zwei Laserstrahlquellen 17 ersten Typs und eine Laserstrahlquelle 18 zweiten Typs. Die Laserstrahlquellen 17 sind hierbei, wie aus 1 hervorgeht, in Förderrichtung FR ausgerichtet und in Querrichtung QR verstellbar. Weitere Verstellmöglichkeiten der Laserstrahlquellen 17 sind in 1 durch Pfeile angedeutet. Die Laserstrahlquelle 18 ist dagegen in Querrichtung QR, das heißt mit Strahlrichtung parallel zu den Rotationsachsen der Walzen 9, 10, 11, ausgerichtet. Sowohl die Laserstrahlquellen 17 als auch die Laserstrahlquelle 18 sind auf einen Spalt 19 im Einzugsbereich zwischen den Einzelwalzen 9, 10 gerichtet. Der Spalt 19 stellt den Verschweißungsbereich der Schweißvorrichtung 1 dar. Die Laserstrahlquelle 18 ist mindestens um den Betrag DW in Förderrichtung FR verfahrbar.
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Innerhalb des Spaltes 19 sind eine der Anzahl der Walzenpaare 8 entsprechende Anzahl an Bearbeitungsspalten 20 voneinander unterscheidbar. Der gesamte, näherungsweise linienförmige Verschweißungsbereich 19 ist aus den nebeneinander befindlichen Bearbeitungsspalten 20 gebildet. Entsprechend der Staffelung der Walzenpaare 8, das heißt der Schrägstellung der virtuellen Achse 15, sind die Bearbeitungsspalte 20 in Förderrichtung FR gestaffelt, wobei jeder Bearbeitungsspalt 20 einer Verschweißungszone entspricht. Die Laserstrahlquelle 18 ist in der Lage, Laserstrahlung nacheinander auf mehrere Bearbeitungsspalte 20 zu richten. Um die von der Laserstrahlquelle 18 aus hinten liegenden Bearbeitungsspalte 20 nicht zu verdecken, vollziehen die Bleche 2, 3 während ihrer Förderung zum Spalt 19 eine Bewegung um ihre Längsachse. Eine Draufsicht auf das in die Schweißvorrichtung 1 einlaufende Blech 2 ist in 3 skizziert.
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Eine in 3 gestrichelt angedeutete Biegelinie 21 ist entsprechend der Schrägstellung der Geraden 15 um 45° gegenüber der Förderrichtung FR schräggestellt. Kurz vor Erreichen des ersten Bearbeitungsspaltes 20 (Schnitt A-A) ist das Blech 2 insgesamt gegenüber der mit BE bezeichneten horizontalen Bearbeitungsebene, welche zwischen den Walzenpaaren 8 sowie zwischen den Vorschubwalzen 11 liegt, schräggestellt, wie in 4 veranschaulicht ist. Wird das Blech 2 weiter vorgeschoben (Schnitte B-B und C-C), so wird ein zunehmender Anteil des Bleches 2 horizontal ausgerichtet, bis schließlich mit dem Erreichen des in Förderrichtung FR am weitesten vorn liegenden Walzenpaares 8 (Schnitt D-D) das Blech 2 komplett in der Bearbeitungsebene BE liegt.
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Das Setzen von Schweißpunkten 22 innerhalb des Vorgangs, den die sich auf 3 beziehenden 4 bis 7 in einzelnen Schritten zeigen, ist in den 8 bis 11 veranschaulicht. Aus den einzelnen Schweißpunkten 22 wird mittels der Laserstrahlquelle 18, die sich mit der Geschwindigkeit der Bleche 2, 3 in Förderrichtung FR bewegt, ein in Querrichtung QR verlaufender Abschnitt der Schweißnaht 5 erzeugt. Eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit der Bleche 2, 3 ist nicht erforderlich, unabhängig davon, welche Lage eine Schweißnaht 5, 6 auf den im Walzschweißverfahren miteinander verschweißten Blechen 2, 3 hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fertigungsanlage, Schweißvorrichtung
- 2
- Blech
- 3
- Blech
- 4
- Bipolarplatte
- 5
- Schweißnaht
- 6
- Schweißnaht
- 7
- Walzenanordnung
- 8
- Walzenpaar
- 9
- Einzelwalze
- 10
- Einzelwalze
- 11
- Vorschubwalze
- 12
- Aktivfeld
- 13
- Seitenrand
- 14
- Seitenrand
- 15
- Gerade, virtuelle Achse
- 16
- Laseranlage
- 17
- Laserstrahlquelle ersten Typs
- 18
- Laserstrahlquelle zweiten Typs
- 19
- Spalt, Verschweißungsbereich
- 20
- Bearbeitungsspalt, Verschweißungszone
- 21
- Biegelinie
- 22
- Schweißpunkt
- α
- Winkel
- BE
- Bearbeitungsebene
- BB
- Blechbreite
- BW
- Breite der Einzelwalze
- DW
- Durchmesser der Einzelwalze
- FR
- Förderrichtung
- QR
- Querrichtung
