Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls, insbesondere ein Verfahren, bei dem der Laserstrahl und die zu verschweißenden Bauteile mit relativ hoher Geschwindigkeit zueinander bewegen. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Stand der Technik

Aus der DE 102011 004 116 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Verschweißen zweier Bauteile mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Laserstrahl entlang einer Fügezone der Bauteile bewegt, wobei das Material der Bauteile im Bereich der Fügezone aufgeschmolzen wird, und wobei die Schmelze in einer Entfernung bzw. einem Abstand zum Laserstrahl zu einer Schweißnaht erstarrt. Weiterhin ist es aus der Schrift bekannt, zur Qualitätssteigerung der Schweißnaht in einem Abstand bzw. im Nachlaufbereich zum Laserstrahl einen weiteren Laserstrahl zu verwenden, der das Material der Bauteile in der Fügezone erwärmt. Dadurch lassen sich in dem im Volumen vergrößerten Nachlaufbereich der Schmelze innerhalb der Schmelze stabilere Strömungsverhältnisse mit geringeren Strömungsgeschwindigkeiten erzielen, sodass es insbesondere zu keiner störenden Rückströmung im Bereich einer von dem Laserstrahl erzeugten Kapillaren kommt. Weiterhin ist es in der genannten Schrift offenbart, den Laserstrahl im Nachlaufbereich zusätzlich in der Bauteilebene zu bewegen, beispielsweise in einer quer oder längs zur Vorschubrichtung der beiden Laserstrahlen verlaufenden Richtung. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es insbesondere bei relativ hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen dem das Schmelzbad erzeugten Laserstrahl und den miteinander zu verschweißenden Bauteilen eine besonders hohe Qualität der Schweißnaht ermöglicht. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Abstand, in dem der dem vorauseilenden Laserstrahl nachfolgende (weitere) Laserstrahl nachfolgt, anhand einer Überwachung des Schmelzbads zu regeln, d.h. insbesondere auch einen variablen bzw. dem Schmelzbad angepassten Abstand zum vorauseilenden Laserstrahl zu ermöglichen.

Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen schlägt es daher das erfindungsgemäße Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls gemäß der Lehre des Anspruchs 1 vor, dass der Nachlaufbereich des Schmelzbads mittels einer Aufnahmeeinrichtung erfasst wird, dass die von der Aufnahmeeinrichtung erfassten Daten des Nachlaufbereichs ausgewertet werden, und dass in Abhängigkeit der Auswertung bei einer Abweichung der Daten von vorgegebenen Werten wenigstens ein Parameter des weiteren Laserstrahls verändert wird.

Die Erfindung umfasst somit auch Ausführungsformen, bei der in Abhängigkeit der erfassten Daten bzw. Abweichung der erfassten Daten von vorgegebenen Werten nicht nur der Abstand zum vorauseilenden Laserstrahl im Nachlaufbereich verändert wird, sondern beispielsweise auch die Laserleistung oder eine mögliche Bewegungsrichtung des nachlaufenden Laserstrahls zur Vorschubrichtung.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der wenigstens eine Parameter eine Änderung der Bewegung des weiteren Laserstrahls, insbesondere eine Änderung des Abstands zum Laserstrahl und/oder eine Laserleistung des weiteren Laserstrahls und/oder eine Fokuslage des weiteren Laserstrahls zur Oberfläche der Schmelze umfasst.

Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Aufnahmeeinrichtung eine bildaufnehmende Aufnahmeeinrichtung ist, wobei die erfassten Bilder des Nachlaufbereichs mittels eines Algorithmus auswertet werden.

In Weiterbildung einer derartigen Auswertung ist es vorgesehen, dass die erfassten Bilder kontinuierlich ausgewertet werden, um zur Qualitätssteigerung der Schweißnaht eine besonders schnelle Regelung des weiteren Laserstrahls zu ermöglichen.

Um insbesondere bei neuen Anwendungen bzw. Erstanwendungen auf die Durchführung umfangreicher Versuche verzichten zu können, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn der wenigstens eine Parameter des weiteren Laserstrahls vorab mittels einer numerischen Simulation ermittelt bzw. eingestellt wird.

Wie bereits erläutert, findet das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise Verwendung bei Anwendungen, bei denen eine hohe Produktivität bzw. eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und den miteinander zu verschweißenden Bauteilen erforderlich bzw. gewünscht ist. Gemeint sind hierbei insbesondere Anwendungen, bei denen der Laserstrahl im Bereich der Fügezone mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,1m/s bis 0,5m/s relativ zu den Bauteilen bewegt wird.

Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens besteht im Verschweißen zweier Bipolarplatten einer Brennstoffzelle, insbesondere zweier FCEV-Bipolarplatten (FCEV, fuel cell electric vehicle, Brennstoffzellenfahrzeug) im Rahmen der Brennstoffzellentechnologie.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls, insbesondere nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Laserstrahleinrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls und zum Aufschmelzen von Material der Bauteile in einer Fügezone sowie eines weiteren Laserstrahls umfasst. Weiterhin sind Mittel zum Bewegen des weiteren Laserstrahls im Bereich der Nachlaufzone des Laserstrahls vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist, die die Nachlaufzone des (vorauseilenden) Laserstrahls erfasst und mittels Auswertemitteln die von der Aufnahmeeinrichtung erfassten Daten auswertet sowie mittels einer Regeleinrichtung wenigstens einen Parameter des weiteren Laserstrahls beeinflusst.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aufnahmeeinrichtung als bildaufnehmende Einrichtung ausgebildet ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine von der Regeleinrichtung ansteuerbare Verstelleinrichtung zur Beeinflussung des Abstands zwischen dem Laserstrahl und dem weiteren Laserstrahl vorgesehen ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung zum

Verschweißen zweier Bauteile mittels eines Laserstrahls und eines dem Laserstrahl in einer Nachlaufzone folgenden weiteren Laserstrahls und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Bauteile in Richtung der Ebene ll-ll der Fig. 1.

Ausführungsformen der Erfindung

In der Fig. 1 sind stark vereinfacht die wesentlichen Bestandteile einer Vorrichtung 10 zum Verbinden zweier Bauteile 1, 2 mittels eines Laserstrahls 11 dargestellt. Die beiden Bauteile 1, 2 dienen als Bestandteile von (FCEV)- Bipolarplatten einer Brennstoffzelle und sind typischerweise in Form von dünnen Blechen ausgebildet. Insbesondere umfasst das Material der Bauteile 1, 2 Aluminium oder eine Aluminiumlegierung bzw. Kupfer oder eine Kupferlegierung. Das nachfolgend noch näher beschriebene Verfahren ist in einer Variante auch auf andere Materialien bzw. Werkstoffe anwendbar. Darüber hinaus wird der Laserstrahl 11 in Richtung des Pfeils 12 relativ zu den Bauteilen 1, 2 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v von typischerweise zwischen 0,1m/s und 0,5m/s bewegt.

Ergänzend wird erwähnt, dass es auch im Rahmen der Erfindung liegt, die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 11 und den Bauteilen 1, 2 durch eine Bewegung der Bauteile 1, 2 relativ zu einem ortsfest angeordneten Laserstrahl 11 zu erzeugen.

Die beiden Bauteile 1, 2 sind in der Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene angeordnet, sodass in der Darstellung der Fig. 1 das in der Zeichenebene hintere Bauteil 2 von dem vorderen Bauteil 1 verdeckt ist. Ferner ist zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 gegebenenfalls ein geringer Abstand senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 ausgebildet.

Der Laserstrahl 11 wird mittels einer Laserstrahleinrichtung 14 erzeugt, wie diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei bildet der Laserstrahl 11 im Bereich einer Fügezone 16 der beiden Bauteile 1, 2 eine Dampfkapillare 18 aus. Der Laserstrahl 11 erwärmt die beiden Bauteile 1 , 2 auf eine Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur des Materials der beiden Bauteile 1, 2 liegt. Ferner wird der Laserstrahl 11 mittels nicht dargestellter Mittel (Scanneroptik o.ä.) in Richtung des Pfeils 12 entlang der Bauteile 1, 2 bzw. entlang der Fügezone 16 bewegt.

Beim Entlangbewegen des Laserstrahls 11 in Richtung des Pfeils 12 bildet sich ein Nachlaufbereich 20 mit flüssiger Schmelze 22 aus dem Material der beiden Bauteile 1, 2 aus, wobei die Schmelze 22 im Abstand bzw. in einer Entfernung zum Laserstrahl 11 nach und nach zu einer Schweißnaht 24 erstarrt. Der Übergangsbereich zwischen der flüssigen Schmelze 22 und dem erstarrten Bereich der Schweißnaht 24 ist durch eine Grenzlinie 25 in der Fig. 1 bezeichnet. Weiterhin ist im Nachlaufbereich 20 des Laserstrahls 11 eine zusätzliche Wärmequelle in Form eines weiteren Laserstrahls 26 vorgesehen, der auf die Schmelze 22 im Nachlaufbereich 20 wirkt. Dadurch wird die Schmelze 22 im Nachlaufbereich 20 zusätzlich bzw. nochmals erwärmt, sodass sich ein in seiner Länge I sowie in seinem Volumen verlängerter bzw. vergrößerter Nachlaufbereich 20 mit flüssiger Schmelze 22 ausbildet.

Der zusätzliche bzw. weitere Laserstrahl 26 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine zusätzliche Laserstrahleinrichtung 28 erzeugt. Alternativ ist vorgesehen, den weiteren Laserstrahl 26 durch Auskoppeln von dem Laserstrahl 11 zu erzeugen. Im Falle einer zusätzlichen bzw. separaten Laserstrahleinrichtung 28 sind die Mittel zum Bewegen der beiden Laserstrahleinrichtungen 14 und 28 vorzugsweise miteinander gekoppelt bzw. als gemeinsame Mittel ausgebildet.

Wesentlich ist, dass der weitere Laserstrahl 26 in einem geregelten Abstand a zum Laserstrahl 11 nachgeführt wird bzw. den entsprechenden Abstand a zum Laserstrahl 11 aufweist. Ferner weist der zusätzliche Laserstrahl 26 eine derartige Leistung auf, dass die Temperatur im Nachlaufbereich 20 geringer ist als die Temperatur, die durch den Laserstrahl 11 erzeugt wird, um die beiden Bauteile 1, 2 miteinander zu verschweißen.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 eine Aufnahmeeinrichtung 30 in Form einer (bildaufnehmenden) Videokamera 32. Die Aufnahmeeinrichtung 30 bzw. Videokamera 32 erfasst dabei den Nachlaufbereich 20 der Fügezone 16. Die von der Aufnahmeeinrichtung 30 erfassten Daten D werden einer Steuervorrichtung 34 zugeführt, die einen Algorithmus 36 aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Daten D auszuwerten und insbesondere bei einer Abweichung von vorgegebenen Werten wenigstens einen Parameter des weiteren Laserstrahls 26 zu beeinflussen. Der Datenabgleich zwischen den Daten D und vorgegebenen Werten dient der Qualitätssteigerung der Schweißnaht 24, d.h. dass der Algorithmus 36 die Daten D mit Blick auf qualitätsbeeinflussende Merkmale untersucht.

Weiterhin ist die Steuereinrichtung 34 über ein Regelmodul 38 und eine Abstandsregeleinrichtung 42, zum Beispiel in Form einer Scanneroptik, mit der Laserstrahleinrichtung 28 gekoppelt, um insbesondere den Abstand a als die Qualität der Schweißnaht 24 beeinflussenden Parameter zwischen dem weiteren Laserstrahl 26 und dem Laserstrahl 11 zu verändern. Die Daten D werden mittels der Steuereinrichtung 34 kontinuierlich erfasst und ausgewertet, um eine möglichst zeitnahe Regelung des weiteren Laserstrahls 26 hinsichtlich des wenigstens einen Parameters, insbesondere hinsichtlich des Abstands a, zu ermöglichen.

Ergänzend wird erwähnt, dass der wenigstens eine Parameter zur Beeinflussung des weiteren Laserstrahls 26 auch eine Beeinflussung der Laserleistung des weiteren Laserstrahls 26, seiner Fokuslage, oder aber einer Bewegung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 umfassen kann, wie dies durch die Doppelpfeile 39 und 40 in der Fig. 2 verdeutlicht sein soll. Das soweit beschriebene Verfahren bzw. die Vorrichtung 10 können in vielfältiger

Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.