DE102022100186A1

DE102022100186A1 - Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, mit mehreren Überfahrten der Schweißnaht

Info

Publication number: DE102022100186A1
Application number: DE102022100186.5A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Oliver Bocksrocker; Philipp Scheible
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-07-06

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, ist dadurch gekennzeichnet,dass das Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) mit wenigstens zwei Überfahrten der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) erfolgt,dass in jeder Überfahrt wenigstens ein Laserstrahl (22) entlang einer Schweißkurve (6) geführt wird, die entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft,wobei der wenigstens eine Laserstrahl (22) wenigstens ein Schmelzbad (7, 7a, 7b) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugt,wobei mit einer jeweiligen Überfahrt eine Teilschweißnaht (8, 8a, 8b, 8c) erzeugt wird,und wobei die Schmelzbäder (7, 7a, 7b) der Laserstrahlen (22) verschiedener Überfahrten voneinander separat sind,und dass die Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c) der verschiedenen Überfahrten in einer Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) zumindest teilweise überlappen. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, durch welches eine bessere Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, von Schweißnähten einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle,
wobei zwei Plattenteile entlang wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden.
Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 113 834.5 bekannt geworden.
Brennstoffzellen, wie etwa Wasserstoff-Brennstoffzellen oder Direktmethanol-Brennstoffzellen, gewinnen aktuell eine immer größere Bedeutung im Bereich der nachhaltigen Technologien und können beispielsweise zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen werden zu einem Stapel (auch als Stack bezeichnet) geschichtet und bilden so ein Brennstoffzellensystem.
Das Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten, die im Stack angeordnet sind und deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Einheiten des Stacks des Brennstoffzellensystems ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet.
Bipolarplatten erfüllen als integrierte Bauteile der Brennstoffzellen unterschiedliche Aufgaben. Sie stellen den elektrischen Kontakt zwischen der Anode und der Kathode benachbarter Zellen her. Weiterhin sorgt die Bipolarplatte dafür, dass die Reaktionsgase (typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff) in die Reaktionszone (also zu den Elektroden) geführt werden. Hierfür besitzen die Bipolarplatten Strömungsprofile, durch die auf der einen Seite der Bipolarplatten Wasserstoff strömt und auf der anderen Seite der Bipolarplatten Sauerstoff strömt. Bipolarplatten dienen auch zur Abfuhr von Wasserdampf und thermischer Energie. Bipolarplatten erfüllen eine Abdichtfunktionen, insbesondere bei der gasdichten Trennung zwischen angrenzenden Brennstoffzellen, bei der Abdichtung nach au-ßen hin und der Abdichtung der Kühlkanäle, die innerhalb der Bipolarplatten verlaufen.
Solche Bipolarplatten können aus zwei metallischen Plattenteilen gefertigt sein, die miteinander verschweißt sind. Die Schweißnähte sollten fluiddicht, insbesondere gasdicht, ausgeführt sein, um die Gase und das Wasser in definierten Bahnen zu lenken. Weiterhin dienen die Schweißnähte der elektrischen und mechanischen Verbindung der beiden metallischen Plattenteile.
Die eingangs erwähnte, nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 113 834.5 schlägt ein Verfahren vor, bei dem zwei metallische Plattenteile durch Laserschweißen zu einer Bipolarplatte miteinander verbunden werden. Hierzu wird wenigstens eine umlaufend geschlossene, gasdichte erste Schweißnaht erzeugt. Weiterhin wird wenigstens eine zweite Schweißnaht erzeugt. Die zweite Schweißnaht hat eine größere Nahtbreite als die erste Schweißnaht.
Beim Schweißen einer Bipolarplatte aus den zwei Plattenteilen kann es beim Schweißprozess vereinzelt zu Defekten kommen, insbesondere zu Mikrorisse und Poren in der Schweißnaht, oder auch zu Auswürfen. Dadurch kann die Schweißnaht undicht und unregelmäßig werden. Weiterhin kann eine Schweißnaht oberflächlich betrachtet gut aussehen, die Anbindung kann im Bereich der Fügezone zwischen den zwei Fügepartnern jedoch lokal unterbrochen sein (so genannte „Falsche Freunde“). Dadurch kann die Schweißnaht ebenfalls undicht sein, und die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen ist geschwächt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, durch welches eine bessere Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, von Schweißnähten einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen ermöglicht wird.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht mit wenigstens zwei Überfahrten der wenigstens einen Schweißnaht erfolgt,
dass in jeder Überfahrt wenigstens ein Laserstrahl entlang einer Schweißkurve geführt wird, die entlang der Schweißnaht verläuft,
wobei der wenigstens eine Laserstrahl wenigstens ein Schmelzbad in den Plattenteilen erzeugt,
wobei mit einer jeweiligen Überfahrt eine Teilschweißnaht erzeugt wird,
und wobei die Schmelzbäder der Laserstrahlen verschiedener Überfahrten voneinander separat sind,
und dass die Teilschweißnähte der verschiedenen Überfahrten in einer Richtung quer zur Schweißrichtung zumindest teilweise überlappen.
Die Erfindung schlägt vor, die wenigstens eine Schweißnaht, mit der die zwei Plattenteile (Fügepartner) zur Bipolarplatte für die Brennstoffzelle verbunden werden, beim Laserschweißen wenigstens zwei Mal mit einem Laserstrahl zu überfahren. Bei einer einzelnen Überfahrt der Schweißnaht mit einem Laserstrahl kann es vereinzelt zu Fehlstellen, insbesondere Mikrorissen, Poren, Auswürfen oder von außen nicht erkennbaren Anbindungsfehlern im Bereich der Fügezone („falsche Freunde“) kommen. Durch wenigstens eine weitere Überfahrt über die Schweißnaht können solche Fehlstellen in der Schweißnaht aus einer vorherigen Überfahrt ausgebessert oder komplett beseitigt werden. Hierdurch kann eine Schweißnaht mit verbesserter Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, und auch verbesserter mechanischer und elektrischer Verbindung zwischen den Plattenteilen erzeugt werden.
In jeder Überfahrt fährt wenigstens ein Laserstrahl (mit seiner Mittelachse) eine Schweißkurve ab. Die Schweißkurve verläuft entlang der wenigstens einen Schweißnaht. Die Schweißkurve kann auf einer Mittellinie der Schweißnaht verlaufen, oder auch parallel zur Mittellinie der Schweißnaht verlaufen. Die Schweißkurven der Laserstrahlen verschiedener Überfahrten können auf identischen oder auch verschiedenen Schweißkurven erfolgen. Die Schweißkurven der Laserstrahlen der verschiedenen Überfahrten können also in einer Richtung quer zur Schweißrichtung voneinander abweichen.
Durch den wenigstens einen Laserstrahl wird während einer jeweiligen Überfahrt wenigstens ein Schmelzbad in den zwei Plattenteilen erzeugt. Beim Erstarren des wenigstens einen Schmelzbads verbleibt eine Teilschweißnaht, die der jeweiligen Überfahrt zugeordnet ist. Mit jeder weiteren Überfährt wird eine weitere Teilschweißnaht erzeugt. Die Schmelzbäder von unterschiedlichen Überfahrten der Laserstrahlen sind voneinander separat. Entsprechend der Schweißsituation können sowohl der Verlauf der Schweißkurven als auch die Schweißbedingungen angepasst und präzise kontrolliert werden.
Die Teilschweißnähte überlappen in der Richtung quer zur Schweißrichtung zumindest teilweise. Entsprechend wird eine zuerst gefertigte Teilschweißnaht im Rahmen der Fertigung einer später gefertigten Teilschweißnaht zumindest teilweise nochmals aufgeschmolzen, wobei Fehlstellen der zuerst gefertigten Teilschweißnaht ausgebessert werden können. Zudem kann durch teilweise nicht überlappende Teilschweißnähte eine Schweißnaht, die durch zumindest zwei Teilschweißnähte aus zwei Überfahrten gebildet wird, gegenüber einer Schweißnaht aus einer einzigen Überfahrt mit einem Laserstrahl verbreitert werden. Durch die verbreiterte Schweißnaht kann die Abdichtung zwischen den Plattenteilen sowie die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen verbessert werden.
Das Laserschweißen erfolgt bevorzugt als Tiefschweißen. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden. Das Laserschwei-ßen der Plattenteile kann als Einschweißen oder Durchschweißen erfolgen. Bevorzugt hat die einzelne Teilschweißnaht (in einer Ebene senkrecht zur Schweißrichtung) ein Aspektverhältnis AV=T/B mit AV≥1,5, bevorzugt AV≥2, besonders bevorzugt AV≥3, mit T: Einschweißtiefe und B: Breite der einzelnen Teilschweißnaht an der Werkstückoberfläche.
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.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Überfahrten zeitlich einzeln nacheinander erfolgen. Die Überfahrten sind zeitlich voneinander getrennt und eine weitere Überfahrt erfolgt erst dann, wenn eine vorherige Überfahrt abgeschlossen ist. Die Überfahrten können dann mit einem einzelnen, für alle Überfahrten gleichen Laserstrahl erfolgen; eine entsprechende Schweißanordnung braucht nur einen einzigen Laserstrahl zu erzeugen und ist dann besonders einfach und kostengünstig.
Bei einer alternativen bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Überfahrten zeitlich zumindest teilweise überlappend erfolgen. Die Überfahrten fallen zeitlich zumindest teilweise zusammen. Eine weitere Überfahrt kann beginnen, wenn eine vorherige Überfahrt noch nicht abgeschlossen ist. Hierzu werden wenigstens zwei Laserstrahlen zeitgleich eingesetzt. Durch die zeitliche Überlappung der Überfahrten kann die Gesamtteilezeit für die Fertigung einer Bipolarplatte verkürzt werden, was die Fertigungskosten senken kann.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der die Teilschweißnähte der verschiedenen Überfahrten in der Richtung quer zur Schweißrichtung zumindest teilweise nicht überlappen, so dass die Schweißnaht, die durch die Gesamtheit der Teilschweißnähte gebildet wird, in der Richtung quer zur Schweißrichtung eine Gesamtbreite GB aufweist, die größer ist als eine Breite B jeder der Teilschweißnähte. Durch die teilweise Nicht-Überlappung der Teilschweißnähte in Querrichtung wird eine Verbreiterung der Schweißnaht gegenüber der Breite einer einzelnen Teilschweißnaht erreicht. Durch die Verbreiterung der Schweißnaht kann wiederum die Dichtigkeit der Schweißnaht und auch die mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Plattenteilen verbessert werden. Typischerweise gilt für die Gesamtbreite GB der Schweißnaht: GB≥1,1*Bmax, bevorzugt auch GB≥1,5*Bmax oder auch GB≥N*Bmax*0,66, mit N: Anzahl der Teilschweißnähte, die die Schweißnaht bilden, und Bmax: Breite der Teilschweißnaht mit der größten Breite (jeweils gemessen an der Werkstückoberfläche, quer zur Schweißrichtung). Für einen lateralen Versatz b von benachbarten Teilschweißnähten gilt b<(B1+B2)/2, mit B1, B2: Breiten der benachbarten Teilschweißnähte (jeweils gemessen im Querschnitt senkrecht zur Schweißrichtung bezüglich der Mittelachsen der Teilschweißnähte, und die Breite bestimmt an der Werkstückoberfläche), meist mit b≤0,5*[(B1+B2)/2]. Bevorzugt werden in der Richtung quer zur Schweißrichtung aufeinanderfolgende Teilschweißnähte in entsprechend aufeinanderfolgenden Überfahrten gefertigt.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, in der die Breite der Teilschweißnaht von zumindest einer späteren Überfahrt größer ist als die Breite der Teilschweißnaht von zumindest einer früheren Überfahrt. Typischerweise liegt dabei die Teilschweißnaht der früheren Überfahrt vollständig innerhalb der Teilschweißnaht der späteren Überfahrt; durch die zumindest eine spätere Überfahrt kann eine breitere Teilschweißnaht über eine weniger breite Teilschweißnaht der früheren Überfahrt gelegt werden. Dadurch wird eine besonders zuverlässige und umfassende Ausbesserung von Fehlstellen aus einer jeweiligen früheren Überfahrt mit der späteren Überfahrt ermöglicht. Auf diese Weise können insbesondere falsche Freunde besonders einfach ausgebessert und die Dichtigkeit der Schweißnaht verbessert werden. Bevorzugt nimmt die Breite der Teilschweißnähte über alle Überfahrten von Überfahrt zu Überfahrt zu. Typischerweise liegen die Schweißkurven der Überfahrten übereinander (d.h. sie sind quer zur Schweißrichtung ohne lateralen Versatz).
Weiterhin bevorzugt ist eine alternative Variante, in der die Breiten der Teilschweißnähte aller Überfahrten gleich groß sind. Dies ist in der Praxis besonders einfach umzusetzen, insbesondere mit dem gleichen wenigstens einen Laserstrahl in jeder Überfahrt. Insbesondere entfällt ein etwaiges umständliches Verstellen einer Laseroptik zwischen den Überfahrten, mit der die Laserstrahlen auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden, um damit eine Anpassung der Durchmesser der in einer jeweiligen Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen (und damit der Breiten der Teilschweißnähte) vorzunehmen. Alternativ können sich die Breiten der Teilschweißnähte (und entsprechend die Durchmesser der in einer jeweiligen Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen) auch unterscheiden, typischerweise wobei für die Breite B3 der Teilschweißnaht einer ersten Überfahrt und die Breite B4 der Teilschweißnaht einer nachfolgenden Überfahrt gilt: 0,1*B4≤B3≤10*B4.
Auch bevorzugt ist eine Variante, bei der je Überfahrt lediglich ein Laserstrahl eingesetzt wird. Dies ist besonders kostengünstig und unter geringem Aufwand umzusetzen.
Auch bevorzugt ist eine alternative Variante, bei der je Überfahrt wenigstens zwei Laserstrahlen zeitgleich eingesetzt werden. Hierdurch kann gegebenenfalls die Gesamtteilezeit verkürzt werden oder auch die Qualität der Teilschweißnaht der entsprechenden Überfahrt verbessert werden. Liegen die wenigstens zwei Laserstrahlen zueinander transversal (in Schweißrichtung) versetzt, können in der entsprechenden Überfährt bereits durch den wenigstens zweiten Laserstrahl Fehlstellen (z.B. Risse, Poren, Auswürfe oder falsche Freunde) repariert werden. Liegen die wenigstens zwei Laserstrahlen zueinander lateral (quer zur Schweißrichtung), kann in der entsprechenden Überfahrt bereits durch die wenigstens zwei Laserstrahlen dieser Überfahrt die Teilschweißnaht gegenüber einer Teilschweißnaht basierend auf nur einem Laserstrahl verbreitert und somit die Dichtigkeit verbessert werden. Es kann vorgesehen sein, dass die je Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen zueinander transversal (in Schweißrichtung) versetzt sind, nicht aber lateral (quer zur Schweißrichtung). Typischerweise werden zwei Laserstrahlen je Überfahrt eingesetzt. Die in einer Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen werden typischerweise zeitgleich eingesetzt und haben einen konstanten gegenseitigen Abstand entlang der Schweißnaht. Bevorzugt haben die je Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen einen gleichen Strahldurchmesser auf der Werkstückoberfläche, typischerweise wobei auch die Laserleistung der Laserstrahlen gleich ist. Alternativ können sich die Strahldurchmesser auch unterscheiden, typischerweise wobei für den Strahldurchmesser dw1 eines in Schweißrichtung vordersten Laserstrahls und den Strahldurchmesser dwx eines nachfolgenden Laserstrahls gilt: 0,1*dwx≤dw1≤10*dwx. Im Allgemeinen haben die je Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen in der Regel eine gleiche Vorschubgeschwindigkeit. Die mehreren Laserstrahlen können (insbesondere für eine zeitgleiche Anwendung) erzeugt werden

- mittels mehrerer Laserquellen und mehrerer Laseroptiken, oder
- mittels mehrerer Laserquellen und einer Laseroptik, oder
- mittels einer Laserquelle und mehreren Laseroptiken (beispielsweise unter Verwendung einer Laserquelle mit mehreren Lichtwegen, unter denen der Laserstrahl geschaltet werden kann, wobei an jedem Lichtweg via Lichtleitkabel eine andere Laseroptik angeschlossen ist), oder
- mittels einer Laserquelle und einer Laseroptik und einem optischen Element zum Aufteilen eines Urlaserstrahls auf mehrere Laserstrahlen, z. B. Multifokallinse, optische Keilplatte, diffraktives optisches Element (DOE) oder refraktives optisches Element (ROE).

Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen in Schweißrichtung teilweise überlappen.
Im Überlappungsbereich der zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen kann eine besonders hohe Laserintensität erreicht werden. Auf diese Weise kann mit einer hohen Effizienz und Geschwindigkeit geschweißt werden.
Für einen Abstand a in Schweißrichtung der je Überfahrt zeitgleich eingesetzten (benachbarten) Laserstrahlen gilt dann a<(dw1+dwx)/2; der Abstand a wird gemessen bezüglich der Strahlachsen auf der Werkstückoberfläche. Die zeitgleich eingesetzten, überlappenden Laserstrahlen erzeugen ein gemeinsames Schmelzbad.
Vorteilhaft ist auch eine alternative Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen in Schweißrichtung nicht überlappen. Hierdurch können hohe Laserintensitäten vermieden werden, und mit einer hohen Effizienz und Präzision geschweißt werden.
Für einen Abstand a in Schweißrichtung der je Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen gilt dann a≥(dw1+dwx)/2. Die zeitgleich eingesetzten, nicht überlappenden Laserstrahlen können ein gemeinsames Schmelzbad erzeugen oder alternativ separate Schmelzbäder erzeugen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schmelzbäder der in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen einander nicht überlappen. Auf diese Weise können die separaten Schmelzbäder besser kontrolliert werden und mögliche Effekte, die durch ein gemeinsames Schmelzbad entstehen und beispielsweise die Schmelzbaddynamik so verändern, dass sich Poren oder Risse beim Erstarren des gemeinsamen Schmelzbads bilden, umgangen werden. Es kann eine gute Kontrolle über den Schweißprozess gewonnen werden.
Ebenso bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, die vorsieht, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen auf identischen Schweißkurven geführt werden. Mit anderen Worten, die Schweißkurven haben keinen lateralen Versatz. Dadurch ist sichergestellt, dass die in der Überfahrt eingesetzten Laserstrahlen (zumindest in einem zentralen Anteil) dasselbe Plattenmaterial bearbeiten. Dadurch können Fehlstellen in der Teilschweißnaht reduziert werden. Zudem ist die Verfahrensführung besonders einfach.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, bei der die wenigstens eine Schweißnaht eine oder mehrere in sich geschlossene Schweißnähte umfasst. Geschlossene Schweißnähte in Bipolarplatten benötigen eine hohe Fluiddichtigkeit, die mit der Erfindung auf einfache und zuverlässige Weise bereitgestellt werden kann, so dass die Erfindung hier besonders vorteilhaft ist. Durch die geschlossenen Schweißnähte können insbesondere Teilbereiche zwischen den Plattenteilen fluiddicht, und insbesondere gasdicht, abgeschlossen werden.
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, in der die wenigstens eine Schweißnaht wenigstens eine an einer Außenseite der Plattenteile umlaufende, in sich geschlossene Schweißnaht umfasst. Auf diese Weise kann ein Innenbereich zwischen den zwei Plattenteilen fluiddicht (insbesondere dicht für Kühlwasser und dicht für Reaktionsgase wie Sauerstoff und Wasserstoff). Die Abdichtung der an der Außenseite der Plattenteile umlaufenden Schweißnaht ist bei Bipolarplatten besonders wichtig und kann mit der Erfindung einfach und zuverlässig bereitgestellt werden; mit dieser Schweißnaht kann insbesondere verhindert werden, dass ein Kühlmittel in die Reaktionsräume eines Stacks von Brennstoffzellen fließt.
In einer bevorzugten Variante ist ein jeweiliger Laserstrahl als Multifokal-Laserstrahl ausgebildet, umfassend mehrere auf der Werkstückoberfläche nebeneinander liegende Teilstrahlen, die gemeinsam das Schmelzbad des Laserstrahls erzeugen. Mit einem Multifokal-Laserstrahl kann bereits bei einer Überfahrt eine vergleichsweise defektarme und breite Teilschweißnaht erhalten werden. Durch die weiteren Überfahrten kann dann die Qualität der Schweißnaht und damit die Dichtigkeit und Verbindung der Plattenteile weiter verbessert werden. Die Teilstrahlen liegen auf der Werkstückoberfläche mit ihren Mittelachsen nebeneinander; die zugehörigen Teillaserspots können dabei (bevorzugt) voneinander separat sein oder auch sich überschneiden. Mit steigender Anzahl der Teilstrahlen und bei entsprechender Anordnung (insbesondere auf den Ecken eines regelmäßigen Polygons) kann die Richtungsabhängigkeit verringert werden.
In einer bevorzugten alternativen Variante ist ein jeweiliger Laserstrahl als Überlagerungs-Laserstrahl ausgebildet, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Werkstückoberfläche ineinander liegen, und die gemeinsam das Schmelzbad des Laserstrahls erzeugen. Typischerweise wird in einem radial äußeren Teil des Überlagerungs-Laserstrahls eine geringere lokale Laserleistungsdichte und in einem radial inneren Teil des Überlagerungslaserstrahls eine lokal höhere Leistungsdichte eingerichtet. Dadurch kann beim Tiefschweißen die Dampfkapillare stabilisiert und die Schmelzbaddynamik verringert werden. Der Überlagerungs-Laserstrahl hat typischerweise auf der Werkstückoberfläche konzentrische Teilstrahlen.
Eine bevorzugte Weiterentwicklung dieser alternativen Variante ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl, der den Kernstrahl umgibt, umfasst,
oder dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst. Dies hat sich in der Praxis besonders bewährt und führt zu einer guten Qualität der Schweißnaht. Ein Überlagerungs-Laserstrahl mit Kernstrahl und Ringstrahl wird typischerweise mit einer 2-in-1-Faser erzeugt, und Kernstrahl und Ringstrahl haben eine gemeinsame optische Achse.
Auch bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass die Plattenteile jeweils eine Blechdicke BLD zwischen 50 µm und 150 µm aufweisen. Die Plattenteile sind bevorzugt aus Edelstahl gefertigt, z. B. vom Typ 1.4404. Bevorzugt beträgt die Blechdicke BLD=75 µm. Solche Plattenteile eignen sich besonders gut für die Fertigung von Bipolarplatten. Die Blechdicken BLD ermöglichen einen geringen Materialeinsatz bei einer gleichzeitig guten mechanischen Stabilität. Die metallischen Plattenteile sind günstig in der Herstellung und gut für die Anforderungen geeignet, die an eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gestellt werden (beispielsweise Verarbeitungsfähigkeit beim Laserschweißen oder Beständigkeit gegenüber Korrosion).
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass gilt:

- Die Laserstrahlen werden mit einem Infrarotlaser erzeugt und weisen eine mittlere Wellenlänge zwischen 800 nm und 1200 nm, bevorzugt 1030 nm oder 1070 nm, auf, oder die Laserstrahlen werden mit einem VIS-Laser mit einer mittleren Wellenlänge zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 500 nm und 550 nm erzeugt; und/oder
- Das jeweilige Strahlparameterprodukt SPP der Laserstrahlen liegt zwischen 0,38 mm*mrad und 16 mm*mrad, bevorzugt mit SPP≤0,6 mm*mrad; und/oder
- Der Strahldurchmesser dw1 des in Schweißrichtung zuerst eingesetzten Laserstrahls auf dem Werkstück liegt zwischen 10 µm und 300 µm, bevorzugt mit 30µm≤dw1≤70µm im Single Mode oder 50µm≤dw1≤170pm im Mulit-Mode, und der Strahldurchmesser dwx aller anderen Laserstrahlen ist gewählt mit 0,1*dw1≤dwx≤10*dw1, bevorzugt mit dw1=dwx; und/oder

- Die Laserleistung P pro Laserstrahl liegt zwischen 10W und 2000W , bevorzugt mit 50W≤P≤700W; und/oder
- Ein Vorschub VS der Laserstrahlen 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 die Laserstrahlen auf das Werkstück abgebildet werden, liegt zwischen 1:1 und 5:1, bevorzugt mit 1,5:1 ≤ AV ≤ 2:1.

Diese Parameter haben sich für die Fertigung der Bipolarplatten in der Praxis bewährt.
Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung Bipolarplatten für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen gemäß einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Bipolarplatten, die gemäß der Erfindung gefertigt werden, weisen eine gute Fluiddichtigkeit, insbesondere Gasdichtigkeit, der wenigstens einen Schweißnaht auf, und erreichen eine gute mechanische und elektrische Verbindung der Plattenteile.
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.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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;
2 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Variante der Erfindung, mit einem Laserstrahl;
3 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, mit zwei Laserstrahlen und zeitlich teilweise überlappenden Überfahrten;
4 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer dritten Variante der Erfindung, mit zwei in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen, deren Schmelzbäder einander nicht überlappen;
5 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer vierten Variante der Erfindung, mit zwei in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen, die teilweise überlappen;
6 zeigt in einer schematischen Aufsicht das Verschweißen von zwei Plattenteilen einer Bipolarplatte gemäß einer fünften Variante der Erfindung, mit einem Überlagerungs-Laserstrahl;
7 zeigt in schematischen Ansichten Querschnitte durch mittels Laserschweißen gefertigte Schweißnähte einer Bipolarplatte, mit den Teilbildern a) gemäß einem fiktiven Stand der Technik mit einer Überfahrt eines einzelnen Laserstrahls und einer fehlerhaften Anbindung, b) gemäß der Erfindung mit zwei Überfahrten wenigstens eines Laserstrahls, wobei der wenigstens eine Laserstrahl bei der zweiten Überfahrt eine breitere Teilschweißnaht erzeugt hat als in der ersten Überfahrt, c) gemäß einem fiktiven Stand der Technik mit einer Überfahrt eines einzelnen Laserstrahls und Rissen und Poren in der Schweißnaht, d) gemäß der Erfindung mit zwei Überfahrten wenigstens eines Laserstrahls mit überlappenden Teilschweißnähten, und e) gemäß der Erfindung mit drei Überfahrten wenigstens eines Laserstrahls mit überlappenden Teilschweißnähten.

Die 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 1a und einem unteren Plattenteil 1b gefertigt. Die zwei Plattenteile 1a, 1b der Bipolarplatte 1 sind übereinander liegend angeordnet. Die zwei Plattenteile 1a, 1b 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 1a, 1b sind Kühlfluidkanäle (typischerweise für Kühlwasser). Die Kanäle an den Außenflächen der zwei Plattenteile 1a, 1b sind Führungskanäle für Gas (wie Sauerstoff oder Wasserstoff) und Wasser (welches als Reaktionswasser in der Brennstoffzelle anfällt). Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind aus einem metallischen Material hergestellt, z. B. rostfreiem Edelstahl. Eine Blechdicke der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75µm; allgemein bevorzugt sind Blechdicken zwischen 50 µm und 150 µm.
Die zwei Plattenteile 1a, 1b sind (nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens) durch eine Vielzahl von Schweißnähten 2 miteinander verbunden. Die Schweißnähte 2 sind schematisch strichpunktiert anhand ihrer Mittellinien dargestellt. An der Außenseite der zwei Plattenteile 1a, 1b 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 1a, 1b. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren wurde auf alle Schweißnähte 2a, 2b, 2c angewendet. Für die Schweißnähte 2a, 2b ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders von Vorteil, da eine besonders hohe Dichtigkeit erreicht wird.
2 zeigt eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf Plattenteile 1a, 1b einer Bipolarplatte 1 (wie in 1 erläutert) angewendet wird. Die erste Variante wird beispielhaft an der Schweißnaht 2a erläutert. Die in der Fertigung befindliche Schweißnaht 2a ist schematisch gestrichelt anhand ihrer Randlinien an der Werkstückoberfläche 4 (Oberseite des Plattenteils 1a) dargestellt. Die Schweißnähte 2b, 2c sind schematisch strichpunktiert anhand ihrer Mittellinien dargestellt.
Die Fertigung der Schweißnaht 2a erfolgt in der in 2 dargestellten Variante mittels eines einzelnen Laserstrahls, der von oben (zur Zeichenebene senkrecht) auf den oberen Plattenteil 1a gerichtet ist. Der Laserstrahl erzeugt auf der Werkstückoberfläche 4 der zwei Plattenteile 1a, 1b einen Laserspot 5. Der Laserspot 5 wird im Rahmen eines Vorschubs (bezüglich seines Zentrums/der zugehörigen Mittelachse des Laserstrahls) auf einer hier gepunktet dargestellten Schweißkurve 6 bewegt. Die Schweißkurve 6 verläuft entlang der Schweißnaht 2a (hier auf der Mittellinie der Schweißnaht 2a). Die Richtung des Vorschubs ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Der Vorschub verläuft entlang einer (lokalen) Schweißrichtung SR.
Um den Laserspot 5 herum erzeugt der Laserstrahl ein Schmelzbad 7 von aufgeschmolzenem Plattenmaterial. Im Bereich des Laserspots 5 ist das Schmelzbad 7 am breitesten. Entgegen der Schweißrichtung SR wird das Schmelzbad 7 schmäler.
In der gezeigten Variante überfährt der zum Fertigen der Schweißnaht 2a eingesetzte Laserstrahl die Schweißnaht 2a insgesamt zwei Mal (zwei „Überfahrten“). Der Laserstrahl fährt die Schweißkontur 6 zwei Mal vollständig ab; die Schweißkontur 6 ist hier in der ersten und zweiten Überfahrt gleich. Jede Überfahrt erzeugt eine Teilschweißnaht 8. In 2 befindet sich der Laserstrahl bereits in der zweiten Überfahrt. In der ersten Überfährt wurde eine erste Teilschweißnaht 8a erzeugt (Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a). In der zweiten Überfahrt wurde bereits ein Teil einer zweiten Teilschweißnaht 8b erzeugt (schraffierter Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a). Die Teilschweißnähte 8a, 8b überlappen hier komplett und bilden (nach Abschluss der zweiten Überfahrt) in ihrer Gesamtheit die Schweißnaht 2a aus. Man beachte, dass hier die zweite Teilschweißnaht 8b die erste Teilschweißnaht 8a im Rahmen der zweiten Überfahrt im Wesentlichen ersetzt (deren Platz einnimmt). Die erste und die zweite Überfahrt erfolgen zeitlich voneinander getrennt (d.h. ohne zeitlichen Überlapp), hier zeitlich direkt nacheinander.
Nach der vollständigen zweiten Überfahrt des Laserstrahls entlang der Schweißkurve 6 ist die Schweißnaht 2a vollständig gefertigt (näheres hierzu in 7). Die zweite Überfahrt verläuft hier wie die erste Überfahrt auf der Schweißkurve 6. Die zweite Überfahrt kann alternativ auch auf einer weiteren Schweißkurve erfolgen, die leicht versetzt in einer Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung SR liegt (nicht näher dargestellt). In analoger Weise zur Variante von 2 können auch drei oder mehr Überfahrten vorgenommen werden.
In den folgenden Figuren werden weitere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgestellt. Dabei werden nur die wesentlichen Unterschiede erläutert.
3 zeigt eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dieser Variante werden ein erster Laserstrahl und ein zweiter Laserstrahl eingesetzt, die einen ersten Laserspot 5a und einen zweiten Laserspot 5b und ein erstes Schmelzbad 7a und ein zweites Schmelzbad 7b, die voneinander separat sind, erzeugen.
Der erste Laserstrahl führt die erste Überfahrt entlang der Schweißkurve 6 aus und erzeugt dabei die erste Teilschweißnaht 8a (weißer Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a). Bevor die erste Überfahrt komplett abgeschlossen ist wird mit dem zweiten Laserstrahl bereits die zweite Überfahrt entlang der Schweißkurve 6 begonnen und dabei die zweite Teilschweißnaht 8b (schraffierter Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a) erzeugt. Durch den Laserspot 5b wird die erste Teilschweißnaht 8a im Wesentlichen wieder aufgeschmolzen. Die erste und die zweite Überfahrt erfolgen für einen gewissen Zeitraum zeitgleich. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren beschleunigt werden.
4 zeigt eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dieser Variante werden erneut zwei Laserstrahlen eingesetzt, die zwei Laserspots 5a, 5b und zwei Schmelzbäder 7a, 7b, die voneinander separat sind, erzeugen.
Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Variante, werden hier die erste Überfahrt und die zweite Überfahrt jeweils mit beiden Laserstrahlen durchgeführt und die zwei Laserstrahlen werden zeitgleich eingesetzt. Die Laserstrahlen werden während der Überfahrten beide auf der identischen Schweißkurve 6 entlang geführt. In dem Bereich auf der Schweißkurve 6, der bereits von beiden Laserstrahlen und den dazugehörigen Schmelzbädern 7a, 7b in der ersten Überfahrt überfahren worden ist, wurde die erste Teilschweißnaht 8a (weißer Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a) erzeugt. In der zweiten Überfahrt wird die zweite Teilschweißnaht mit den Laserspots 5a, 5b und den Schmelzbädern 7a, 7b erzeugt, die die erste Teilschweißnaht 8a im Wesentlichen ersetzt. Mit jeder Überfahrt wird die Schweißnaht 2a also jeweils mit den zwei Laserspots 5a, 5b und den dazugehörigen zwei Schmelzbädern 7a, 7b überfahren. Im Rahmen der hier zwei vorgesehenen Überfahrten wird also das Plattenmaterial der Schweißnähte insgesamt vier Mal aufgeschmolzen. Hierdurch können Defekte bereits bei der Erzeugung der Teilschweißnähte ausgebessert und damit eine besonders gute Qualität der Schweißnaht 2a erreicht werden.
5 zeigt eine vierte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch in dieser Variante werden zwei Laserstrahlen zeitgleich eingesetzt. Die Laserspots 5a, 5b der zwei Laserstrahlen überlappen in Schweißrichtung SR in einem Überlappungsbereich 9 und erzeugen ein gemeinsames Schmelzbad 7. Ein Abstand a der Laserspots 5a, 5b bezogen auf deren Mittelachsen ist also so gewählt, dass a<(dw1+dw2)/2, mit dw1: Spotdurchmesser des vorderen Laserspots 5a, und dwx: Spotdurchmesser des zweiten Laserspots 5b.
Die Laserstrahlen werden während der Überfahrten beide auf der identischen Schweißkurve 6 entlang geführt. In dem Bereich auf der Schweißkurve 6, der von beiden Laserstrahlen und dem dazugehörigen Schmelzbad 7 in der ersten Überfahrt überfahren worden ist, wurde die erste Teilschweißnaht 8a (weißer Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a) erzeugt. Mit jeder Überfahrt wird die Schweißnaht 2a also von den zwei Laserstrahlen mit den zwei Laserspots 5a, 5b und dem Schmelzbad 7 überfahren. Im Überlappungsbereich 9 der Laserspots 5a, 5b ist die Intensität der zwei Laserstrahlen, verglichen zu den überlappungsfreien Bereichen der Laserspots 5a, 5b, besonders groß. Eine im Schmelzbad 7 erzeugte Dampfkapillare in diesem Überlappungsbereich ist besonders stabil und ermöglicht hierdurch eine größere Schweißgeschwindigkeit.
6 zeigt eine fünfte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es wird ein einzelner Laserstrahl eingesetzt, der als Überlagerungs-Laserstrahl ausgebildet ist. Der Überlagerungs-Laserstrahl erzeugt einen Überlagerungs-Laserspot 10. Um den Überlagerungs-Laserspot 10 herum erzeugt der Überlagerungs-Laserstrahl das Schmelzbad 7. Der Überlagerungs-Laserstrahl weist einen Kernstrahl und einen Ringstrahl auf. Der Ringstrahl umgibt den Kernstrahl ringförmig. Der Kernstrahl und der Ringstrahl haben beide eine gemeinsame optische Achse.
Dementsprechend weist auch der Überlagerungs-Laserspot 10 einen Kernanteil 11 (schraffierter Kreis) und einen Ringanteil 12 (weißer Ring) auf. Der Ringanteil 12 umgibt den Kernanteil 11 ringförmig.
Der Überlagerungs-Laserstrahl befindet sich in 6 in der ersten Überfahrt. In dem Bereich auf der Schweißkurve 6, der vom Überlagerungs-Laserstrahl und dem dazugehörigen Schmelzbad 7 in der ersten Überfahrt überfahren worden ist, wurde die erste Teilschweißnaht 8a (weißer Bereich innerhalb der gestrichelten Linien von Schweißnaht 2a) erzeugt.
Typischerweise wird ein Überlagerungs-Laserstrahl mittels einer 2-in-1-Faser (nicht näher dargestellt) erzeugt. Die 2-in-1-Faser hat eine Kernfaser und eine Ringfaser. Die Ringfaser umgibt die Kernfaser ringförmig.
Mit Hilfe des Überlagerungs-Laserstrahls kann die Dampfkapillare beim Überlagerungs-Laserspot 10 stabilisiert werden. Auf diese Weise kann die Schmelzbaddynamik verringert werden. Hierdurch kann beispielsweise die Bildung von Spritzern verringert werden.
7 zeigt in schematischen Querschnittsansichten (mit der Schnittebene senkrecht zur Schweißrichtung) verschiedene Schweißnähte von Bipolarplatten, die gemäß dem Stand der Technik (Teilbilder a, c) oder gemäß der Erfindung (Teilbilder b, c, und d) gefertigt sind. Von der Bipolarplatte ist jeweils nur ein kleiner Ausschnitt gezeigt.
Teilbild a) zeigt beispielhaft eine schmale Schweißnaht 13 nach einem fiktiven Stand der Technik, mit der der obere Plattenteil 1a und der untere Plattenteil 1b miteinander durch Einschweißen augenscheinlich verschweißt wurden. Das Verschweißen erfolgte mit einem einzelnen Laserstrahl im Tiefschweißregime. Die Schweißnaht 13 stellt das aufgeschmolzene und wieder erstarrte Material der Plattenteile 1a, 1b dar. Wird lediglich eine Überfahrt beim Verschweißen durchgeführt, kann es im Bereich einer Fügezone 14 (zwischen den Plattenteilen 1a, 1b) zu einer unvollständigen oder fehlenden Anbindung kommen (auch als „falsche Freunde“ bezeichnet). Die Schweißnaht 13 besteht aus einem oberen Schweißnahtteil 13a im oberen Plattenteil 1a und aus einem unteren Schweißnahtteil 13b im unteren Plattenteil 1b, die nicht miteinander verbunden sind. Betrachtet man die Schweißnaht 13 jedoch nur von einer Oberseite 15 des oberen Plattenteils 1a könnte man fälschlicherweise zu dem Schluss gelangen, dass die Plattenteile 1a, 1b ordnungsgemäß miteinander verschweißt wären. Durch die unvollständige oder fehlende Anbindung gibt es eine nur geringe oder fehlende mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Verschweißung. Ebenfalls ist eine Fluiddichtigkeit nicht gegeben. Man beachte, dass in Teilbild a) und in Teilbild b) die Lücke zwischen den Plattenteilen 1a, 1b zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt ist.
Teilbild b) zeigt die Schweißnaht 2 durch die Plattenteile 1a, 1b, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Die gesamte Schweißnaht 2 setzt sich hier aus den zwei Teilschweißnähten 8a, 8b zusammen. Die Teilschweißnähte 8a, 8b liegen übereinander, wobei die zuerst gefertigte Teilschweißnaht 8a tiefer und schlanker ist als die als zweites gefertigte Teilschweißnaht 8b. Eine Tiefe T₁ der Teilschweißnaht 8a ist hier ungefähr doppelt so groß wie eine Breite B₁ der Teilschweißnaht 8a. Ein Aspektverhältnis AV=T/B der Teilschweißnaht 8a ist daher ungefähr 2. Teilschweißnaht 8a wurde in einer ersten Überfahrt erzeugt und reicht bis in den unteren Plattenteil 1a hinein, hier bis an dessen Unterseite.
Wie in Teilbild a) bereits angedeutet, kann es bei einer einzelnen Überfahrt zu „falschen Freunden“ kommen. Um eine gute mechanische und elektrische, sowie fluiddichte und insbesondere gasdichte Anbindung der Plattenteile 1a, 1b zu erreichen, wird die Teilschweißnaht 8a in einer zweiten Überfahrt nochmals überfahren. Bei der zweiten Überfahrt wird ein Laserstrahl gewählt, der einen größeren Laserspot auf der Oberseite 15 von Plattenteil 1a erzeugt. Auf diese Weise wird bei der zweiten Überfahrt die zweite Teilschweißnaht 8b erzeugt. Die zweite Teilschweißnaht 8b weist hier eine Tiefe T₂, auf, die ungefähr eineinhalb mal so groß ist wie eine Breite B₂. Das Aspektverhältnis AV der Teilschweißnaht 8b ist daher ungefähr 1,5. Die Tiefe T₂ reicht aus, um das Plattenmaterial durch die Fügezone hindurch nochmals bis in den Bereich des unteren Plattenteils 1b aufzuschmelzen. Durch die zweite Überfahrt kann eine fehlerhafte Anbindung der Plattenteile 1a, 1b repariert werden.
Die Schweißnaht 2 in Teilbild b) kann mit allen oben präsentierten Varianten gefertigt werden. Hierzu nötig ist, dass die zweite Überfahrt jeweils eine breitere Teilschweißnaht 8b erzeugt, indem beispielsweise zwei Laserstrahlen eingesetzt werden, die Laserspots unterschiedlicher Größe auf der Oberseite 15 erzeugen oder indem ein einzelner Laserstrahl bei einer zweiten Überfahrt so eingestellt wird, dass er einen größeren Laserspot auf der Oberseite 15 erzeugt, etwa durch Ändern der Fokuslage des Laserstrahls.
Die Blechdicke BLD der Plattenteile 1a, 1b beträgt hier jeweils 75 µm.
Teilbild c) zeigt beispielhaft eine breite Schweißnaht 16 nach einem fiktiven Stand der Technik, mit der der obere Plattenteil 1a und der untere Plattenteil 1b miteinander durch Einschweißen verschweißt wurden. Das Verschweißen erfolgte mit einem einzelnen Laserstrahl im Tiefschweißregime. Die Schweißnaht 16 stellt das aufgeschmolzene und wieder erstarrte Material der Plattenteile 1a, 1b dar. Eine Breite B der Schweißnaht 16 ist ungefähr gleich groß wie eine Tiefe T der Schweißnaht 16. Das Aspektverhältnis AV=T/B beträgt hier ungefähr 1. Bei einer solchen breiten Schweißnaht 16 können zahlreiche Poren 17 und andere Defekte, wie Mikrorisse 18, in der Schweißnaht 16 auftreten. Hierdurch wird möglicherweise die verbindende Wirkung der Schweißnaht 16 in Bezug auf die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Verbindung beeinträchtigt. Poren 17 und Mikrorisse 18 können außerdem die Fluiddichtigkeit, insbesondere die Gasdichtigkeit, der Schweißnaht 16 beeinträchtigen.
Teilbild d) zeigt die Schweißnaht 2 durch die Plattenteile 1a, 1b, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Die gesamte Schweißnaht 2 setzt sich hier aus den zwei Teilschweißnähten 8a, 8b zusammen. Die Teilschweißnähte 8a, 8b überlappen teilweise in der Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung. Die Schweißrichtung verläuft hier senkrecht zur Zeichenebene. Die Richtung QR verläuft außerdem parallel zur Oberseite 15 von Plattenteil 1a.
Die Fertigung der Teilschweißnähte 8a, 8b erfolgte hier im Tiefschweißregime in Einschweißung. Die Teilschweißnähte 8a, 8b haben die gleiche Breite B und die gleiche Tiefe T. Die einzelnen Teilschweißnähte 8a, 8b haben jeweils ein Aspektverhältnis von hier ca. AV=1. Bei solch einem Aspektverhältnis können sich unter anderem Poren 17 und Mikrorisse 18 in der Schweißnaht 2 bilden. Durch die mehrfache Überfahrt der Laserstrahlen über in die Richtung QR versetzte Schweißkurven überlappen die Teilschweißnähte 8a, 8b teilweise. Weiterhin gibt es Bereiche der Teilschweißnähte 8a, 8b, die nicht überlappen. In einem Schweißnahtüberlappungsbereich 21 werden durch die weitere Überfahrt Schweißfehler ausgebessert. Durch die Verringerung von Poren 17 und Mikrorissen 18 kann Fluiddichtigkeit, insbesondere die Gasdichtigkeit, der Schweißnaht 2 verbessert werden.
Eine Gesamtbreite GB der Schweißnaht 2 ist größere als die jeweiligen einzelnen Breiten B der Teilschweißnähte 8a, 8b. Im hier gezeigten Beispiel hat GB einen Wert von ungefähr GB=1,3*B.
Die Schweißnaht 2 in Teilbild d) kann mit allen oben präsentierten Varianten gefertigt werden. Hierzu nötig ist, dass die zweite Überfahrt entlang einer zweiten Schweißkurve ausgeführt wird, die zur ersten Schweißkurve versetzt liegt.
Teilbild e) zeigt die Schweißnaht 2 durch die Plattenteile 1a, 1b, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde. Die gesamte Schweißnaht 2 setzt sich hier aus den zwei Teilschweißnähten 8a, 8b und einer dritten Teilschweißnaht 8c zusammen. Die Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c überlappen teilweise in der Richtung QR quer zur (lokalen) Schweißrichtung. Die Schweißrichtung verläuft hier senkrecht zur Zeichenebene. Die Richtung QR verläuft außerdem parallel zur Oberseite 15 von Plattenteil 1a..
Die Fertigung der Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c erfolgte hier im Tiefschweißregime in Einschweißung. Die Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c haben die gleiche Breite B und die gleiche Tiefe T. Die einzelnen Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c haben jeweils ein Aspektverhältnis von hier ca. AV=1,75. Durch die mehrfache Überfahrt der Laserstrahlen über in die Richtung QR versetzte Schweißkurven überlappen die Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c teilweise. Weiterhin gibt es Bereiche der Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c die nicht überlappen.
Die Gesamtbreite GB der Schweißnaht 2 ist größere als die einzelnen Breiten B der Teilschweißnähte 8a, 8b, 8c. Im hier gezeigten Beispiel hat GB einen Wert von ungefähr GB=1,6*B. Jeweils benachbarte Teilschweißnähte (z.B. die Teilschweißnähte 8b, 8c) haben hier einen Abstand b in Querrichtung QR (bezogen auf die Mittelachsen der Teilschweißnähte im Querschnitt), für den hier gilt b=0 ,3* [(B+B)/2].
Die Schweißnaht 2 in Teilbild d) kann mit allen oben präsentierten Varianten gefertigt werden. Hierzu nötig ist, dass die zweite Überfahrt entlang einer Schweißkurve ausgeführt wird, die zur ersten schweißen Kurve versetzt ist und das eine dritte Überfahrt entlang einer Schweißkurve ausgeführt wird, die zur ersten Schweißkurve und zur zweiten Schweißkurve versetzt ist. Über Teilschweißnaht 8c ist schematisch ein Laserstrahl 22 angedeutet, der die Teilschweißnaht 8c erzeugt hat. Der Durchmesser des Laserstrahls 22 entspricht im Wesentlichen der Breite B der zugehörigen Teilschweißnaht 8c, oder ist etwas kleiner als diese.
Bezugszeichenliste

1: Bipolarplatte
1a: oberer Plattenteil
1b: unterer Plattenteil
2: Schweißnaht
2a: geschlossene Schweißnaht (an der Außenseite)
2b: geschlossene Schweißnaht (bei den Durchbrüchen)
2c: offene Schweißnaht
3: Durchbruch
4: Werkstückoberfläche (dem wenigstens einen Laserstrahl zugewandt)
5: Laserspot
5a: erster Laserspot
5b: zweiter Laserspot
6: Schweißkurve
7: Schmelzbad
7a: erstes Schmelzbad
7b: zweites Schmelzbad
8: Teilschweißnaht
8a: erste Teilschweißnaht
8b: zweite Teilschweißnaht
8c: dritte Teilschweißnaht
9: Überlappungsbereich
10: Überlagerungs-Laserspot
11: Kernanteil
12: Ringanteil
13: (schmale) Schweißnaht
13a: oberer Schweißnahtteil
13b: unterer Schweißnahtteil
14: Fügezone
15: Oberseite (des oberen Plattenteils)
16: (breite) Schweißnaht
17: Poren
18: Mikrorisse
21: Schweißnahtüberlappungsbereich
22: Laserstrahl
b: Abstand benachbarter Teilschweißnähte (in Querrichtung)
B: Breite der Schweißnaht
B1: Breite der Schweißnaht
B2: Breite der Schweißnaht
BLD: Blechdicke
GB: Gesamtbreite
SR: Schweißrichtung
QR: Querrichtung / Richtung quer zur Schweißrichtung
T: Tiefe der Schweißnaht
T1: Tiefe der Schweißnaht
T2: Tiefe der Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1020211138345 [0002, 0007]

Claims

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, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) mit wenigstens zwei Überfahrten der wenigstens einen Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) erfolgt, dass in jeder Überfahrt wenigstens ein Laserstrahl (22) entlang einer Schweißkurve (6) geführt wird, die entlang der Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c) verläuft, wobei der wenigstens eine Laserstrahl (22) wenigstens ein Schmelzbad (7, 7a, 7b) in den Plattenteilen (1a, 1b) erzeugt, wobei mit einer jeweiligen Überfahrt eine Teilschweißnaht (8, 8a, 8b, 8c) erzeugt wird, und wobei die Schmelzbäder (7, 7a, 7b) der Laserstrahlen (22) verschiedener Überfahrten voneinander separat sind, und dass die Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c) der verschiedenen Überfahrten in einer Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) zumindest teilweise überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überfahrten zeitlich einzeln nacheinander erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überfahrten zeitlich zumindest teilweise überlappend erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c) der verschiedenen Überfahrten in der Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) zumindest teilweise nicht überlappen, so dass die Schweißnaht (2, 2a, 2b, 2c), die durch die Gesamtheit der Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c) gebildet wird, in der Richtung (QR) quer zur Schweißrichtung (SR) eine Gesamtbreite GB aufweist, die größer ist als eine Breite B jeder der Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B, B₁, B₂) der Teilschweißnaht (8, 8a, 8b, 8c) von zumindest einer späteren Überfahrt größer ist als die Breite (B, B₁, B₂) der Teilschweißnaht (8, 8a, 8b, 8c) von zumindest einer früheren Überfahrt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breiten (B, B₁, B₂) der Teilschweißnähte (8, 8a, 8b, 8c) aller Überfahrten gleich groß sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass je Überfahrt lediglich ein Laserstrahl (22) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass je Überfahrt wenigstens zwei Laserstrahlen (22) zeitgleich eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen (22) in Schweißrichtung (SR) teilweise überlappen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbäder (7, 7a, 7b) der in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen (22) einander nicht überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Überfahrt zeitgleich eingesetzten Laserstrahlen (22) auf identischen Schweißkurven (6) geführt werden.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Laserstrahl (22) als Überlagerungs-Laserstrahl ausgebildet ist, umfassend zumindest zwei Teilstrahlen, die an der Werkstückoberfläche (4) ineinander liegen, und die gemeinsam das Schmelzbad (7, 7a, 7b) des Laserstrahls (22) erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen Kernstrahl und einen Ringstrahl , der den Kernstrahl umgibt, umfasst, oder dass der Überlagerungs-Laserstrahl einen größeren Teilstrahl und einen kleineren Teilstrahl, der an der Werkstückoberfläche (4) innerhalb des größeren Teilstrahls liegt, umfasst.
Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle, hergestellt durch Verschweißen von zwei Plattenteilen (1a, 1b) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.