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Friday, September 17, 2021, Konferenzraum D/E 12:00 PM Fügetechnik für Wasserstofftechnologien |
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Fügetechnik für Wasserstofftechnologien - Laserstrahlschweißen im Vakuum von Bipolarplatten für Brennstoffzellen |
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Christian Otten* / LaVa-X GmbH, Deutschland Markus Schleser / FH Aachen, Deutschland Simon Kohberg/ LaVa-X GmbH, Deutschland |
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Aufgrund der globalen Herausforderung die Nutzung von fossilen Ressourcen zu begrenzen, existieren verschiedene Konzepte um regenerative Energie zu Speichern und für den Einsatz in Elektroautomobilen nutzbar zu machen. Neben Lithium-Ionen-Batterien gelten Brennstoffzellen als eine Schlüsseltechnologie der Energiewende. Nach dem Stand der Technik wird die jährliche Produktion der Bipolarplatten bei ca. 21 Millionen liegen. Daher werden hohe Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit des Schweißprozesses gestellt. Bei der Verwendung konventioneller Singlemode Faserlaser tritt aber ab einer Schweißgeschwindigkeit von ca. 700 mm/s Humping auf. Das Laserstrahlschweißen im Vakuum hat gegenüber dem konventionellen Laserstrahlschweißen den Vorteil, dass die zum Schweißen benötigte Energie um bis zu 60 % reduziert werden kann. Dies ermöglicht praktisch verzugsfreies Schweißen, was besonders bei den für Bipolarplatten üblicherweise verwendeten 80 µm dicken Edelstahlfolien von großem Vorteil ist. Darüber hinaus ist die Anfälligkeit für die Bildung von Poren und Spritzern deutlich reduziert. Die definierte Atmosphäre bei einem Druck von ca. 100 bar ermöglicht zudem oxidfreies Schweißen sowie eine gezielte Einflussnahme auf die Schmelze durch Variation der Schutzgaszusammensetzung. Ziel der Untersuchungen war es die produktionstechnischen Grenzen des Laserstrahlschweißens zu höheren Schweißgeschwindigkeiten zu erweitern. Diese werden durch sogenannte Humping Effekte limitiert. Einen signifikanten Einfluss auf die Reduktion dieser Effekte besitzt der Partialdruck sowie die chemische Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre. Neben den inerten Gasen Argon und Helium wurden weitere Mischgase untersucht. Der Partialdruck wurde im Bereich von 1000-0,1 mbar untersucht. Weitere Größen, die in dieser Studie variiert wurden, ist der Strahldurchmesser und das Intensitätsprofil. Dies erfolgte mit der Verwendung von Faserlaser und Scheibenlaser mit verschiedenen Abbildungsverhältnissen. Der Spotdurchmesser am Werkstück variierten hierbei zwischen 40µm -600µm. Die Analyse der einzelnen Prozessparameter auf das Schweißergebnis erfolgte durch High-Speed Aufnahmen, Mikroskopie und anschließende Schweißnahtqualifizierung nach DIN 13919-1. Als Ergebnis können mit Leistungen von < 400 W Schweißgeschwindigkeiten von ? 800 mm/s realisiert werden, dabei können Humpingeffekte unterdrückt werden. |