特表 2023-525217 レーザ溶接のための溶接バンプおよび溶接バンプを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-15

(54)【発明の名称】レーザ溶接のための溶接バンプおよび溶接バンプを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20230608BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 N

B23K26/21 G

B23K26/21 W

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022561137

(86)(22)【出願日】2021-04-01

(85)【翻訳文提出日】2022-11-29

(86)【国際出願番号】 EP2021058642

(87)【国際公開番号】W WO2021204681

(87)【国際公開日】2021-10-14

(31)【優先権主張番号】2025282

(32)【優先日】2020-04-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】NL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522393103

【氏名又は名称】ボリット・エヌ・フェー

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ロニー・マルテンス

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA02

4E168BA56

4E168CA06

4E168CB23

(57)【要約】

第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための方法であって、第１の金属プレートは溶接バンプを含む、方法。第１に、第１の金属プレートの溶接バンプが第２の金属プレートに向かって突出しているように、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に配置される。第２に、少なくとも１つの溶接治具を使用すること、および／または第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させることによって、第１の金属プレートと第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に固定される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための方法であって、
前記第１の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンと、第１のチャネル構造を有する第１の表面および第１の反対チャネル構造を有する第１の反対表面と、を含み、
前記第２の金属プレートは、第２のプレート溶接ゾーンと、第２のチャネル構造を有する第２の表面および第２の反対チャネル構造を有する第２の反対表面と、を含み、前記第２の金属プレートは溶接バンプを含まず、
前記第１のチャネル構造および前記第２のチャネル構造は、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合され、
前記第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含み、
前記方法は、次のステップ、すなわち、
前記第１のチャネル構造および前記第２のチャネル構造が、前記流れ場チャネルパターンを形成するように位置決めされ、
前記第１の金属プレートの前記溶接バンプが前記第２の金属プレートの前記第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出している
ように、前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に配置するステップと、
前記第１のプレート溶接ゾーンに隣接して前記第１の金属プレートを、および／もしくは前記第２のプレート溶接ゾーンに隣接して前記第２の金属プレートを係合する少なくとも１つの溶接治具を使用すること、ならびに／または
前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させ、これによって吸引力を提供すること
によって、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートを前記レーザビーム溶接位置に固定するステップと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記溶接バンプは、曲率半径を有する湾曲形状を有し、前記溶接バンプの外側点が前記溶接バンプの高さだけ前記第１の金属プレートの面外に位置し、
前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートを固定するステップ中、前記溶接バンプは部分的に平坦化され、前記第１の金属プレートと第２の金属プレートが互いの固定距離に位置決めされるようになり、前記固定距離は前記高さより小さい、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記少なくとも１つの溶接治具は前記第１の溶接ゾーンおよび／または前記第２の溶接ゾーンに隣接して係合する、請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項4】

前記少なくとも１つの溶接治具は、前記溶接バンプの中心から少なくとも０．３ｍｍ、好ましくは０．５～０．８ｍｍの距離で前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートを係合する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の金属プレートおよび／または前記第２の金属プレートによって含まれる少なくとも１つの位置決め機構が、前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートが前記レーザビーム溶接位置に配置されるステップ中、前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートを位置決めするために使用される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートとをレーザビーム溶接によって接合するステップであって、レーザビームが前記溶接バンプにおいて集束する、ステップをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記溶接バンプは細長形状および長さを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記溶接バンプの高さが５μｍ～５０μｍ、好ましくは１０μｍ～３０μｍ、より好ましくは１５μｍ～２５μｍである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記溶接バンプの幅が０．２ｍｍ～２ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ～１．５ｍｍ、より好ましくは０．４ｍｍ～１ｍｍである、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記方法は、前記第１の金属プレートおよび／または前記第２の金属プレートの寸法に、および／または前記流れ場チャネルパターンに、および／または前記第１の金属プレート上の前記溶接バンプの場所に基づいて、少なくとも１つの溶接治具を作製するステップをさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記方法は、これらのプレートを設計するステップであって、前記溶接バンプの寸法が、前記第１の金属プレートおよび／または前記第２の金属プレートの寸法の公差に、および／または前記レーザビーム溶接中、前記溶接バンプ上に集束するべき前記レーザビームの寸法に基づいて決定される、ステップをさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

レーザビーム溶接によって一緒に接合されるように適合された第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートであって、
前記第１の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンと、第１のチャネル構造を有する第１の表面および第１の反対チャネル構造を有する第１の反対表面と、を含み、
前記第２の金属プレートは、第２のプレート溶接ゾーンと、第２のチャネル構造を有する第２の表面および第２の反対チャネル構造を有する第２の反対表面と、を含み、前記第２の金属プレートは溶接バンプを含まず、
前記第１のチャネル構造および前記第２のチャネル構造は、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合され、
前記第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含み、
前記溶接バンプは、レーザビームが前記溶接バンプにおいて集束する溶接プロセス中、前記第２の金属プレートの前記第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出するように適合されている、
第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項13】

前記溶接バンプは、曲率半径を有する湾曲形状を有し、前記溶接バンプの外側点がある高さだけ前記第１の金属プレートの面外に位置し、
前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートを固定するステップ中、前記溶接バンプは部分的に平坦化され、前記第１の金属プレートと第２の金属プレートが互いの固定距離に位置決めされるようになり、前記固定距離は前記高さより小さい、請求項１２に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項14】

前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートはハイドロフォーミングによって形成される、請求項１２または１３に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項15】

前記溶接バンプは細長形状および長さを有する、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項16】

前記溶接バンプの高さが５μｍ～５０μｍ、好ましくは１０μｍ～３０μｍ、より好ましくは１５μｍ～２５μｍである、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項17】

前記溶接バンプの幅が０．２ｍｍ～２ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ～１．５ｍｍ、より好ましくは０．４ｍｍ～１ｍｍである、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項18】

前記第１の金属プレートおよび／または前記第２の金属プレートは少なくとも１つの位置決め機構を含み、この少なくとも１つの位置決め機構は、前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に位置決めするように適合されている、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項19】

前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートは、前記第１のプレート溶接ゾーンおよび前記第２のプレート溶接ゾーンにおいて互いにレーザビーム溶接され、レーザビーム溶接が前記溶接バンプに提供される、請求項１２から１８のいずれか一項に記載の第１の金属プレートおよび前記第１の金属プレートに関連する第２の金属プレート。

【請求項20】

第１の金属プレートと第２の金属プレートとを互いに接続するための方法であって、
前記第１の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンと、第１のチャネル構造を有する第１の表面および第１の反対チャネル構造を有する第１の反対表面と、を含み、
前記第２の金属プレートは、第２のプレート溶接ゾーンと、第２のチャネル構造を有する第２の表面および第２の反対チャネル構造を有する第２の反対表面と、を含み、第２のプレート溶接ゾーンは、前記第１のプレートの前記第１のプレート溶接ゾーンに接続されるべき前記第２の金属プレートの部分によって形成され、
前記第１のチャネル構造および前記第２のチャネル構造は、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合され、
前記第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含み、前記第２のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含まず、
前記方法は、次のステップ、すなわち、
前記第１のチャネル構造および前記第２のチャネル構造が、前記流れ場チャネルパターンを形成するように位置決めされ、
前記第１の金属プレートの前記溶接バンプが前記第２の金属プレートの前記第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出している
ように、前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に配置するステップと、
前記第１のプレート溶接ゾーンに隣接して前記第１の金属プレートおよび／もしくは前記第２のプレート溶接ゾーンに隣接して前記第２の金属プレートを係合する少なくとも１つの溶接治具を使用すること、ならびに／または
前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させ、これによって吸引力を提供すること
によって、前記第１の金属プレートと前記第２の金属プレートを前記レーザビーム溶接位置に固定するステップと、
前記第１のプレート溶接ゾーンと前記第２のプレート溶接ゾーンを溶接によって互いに接続するステップと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池の技術分野、特に燃料電池用の金属バイポーラプレートの製造に関する。

【0002】

本発明は、第１の金属プレートが溶接バンプを含む、第１の金属プレートおよび第２の金属プレート、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを位置決めするための方法、ならびに第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

レーザ溶接は、たとえば高い生産性および自動化の容易さのような、際立った利点を備えた頻繁に使用される溶接技術である。レーザ溶接を使用して２つの金属プレートを一緒に溶接するため、２つのプレートを互いに接触させて溶接部における穴を回避すべきである。レーザ溶接ツールは、両プレートを一緒にプレスするように適合されている。

【0004】

これらのプレートをレーザ溶接によって接合するとき、これらのプレート間の機械的接触が重要である。したがって、レーザ溶接ツールを溶接の場所に比較的近く配置することが重要である。信頼できる適切な溶接を達成するために、レーザ溶接ツールを適切に配置する必要がある。この要件を金属プレートバイポーラ上のあらゆる場所で満たすことを保証するのは困難である。従来のレーザ溶接ツールは厳重な精度要件の影響を受けやすい。

【0005】

金属プレートとレーザ溶接ツールについての公差は厳しいが、実際には金属プレートは、一緒に溶接する前に完全には揃わない。これにより、溶接プロセスが成功したときでも、溶接後の金属プレート間の距離が一方の側で他方より大きくなる状況につながることがある。このような設計のずれが一緒に溶接された２つのプレートごとに繰り返されるため、このずれは金属プレートのスタックについて蓄積する。

【0006】

さらに、レーザ溶接中の外的要因も、たとえばレーザ溶接ツールおよびプレートへの焼結物の付着のような、有害な影響につながる可能性がある。これはプレートの品質問題またはツールの寿命の短縮につながることになる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上の問題の１つまたは複数を軽減する解決策を提供すること、または少なくとも既存の装置のための代替手段を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様によれば、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法が提供され、
第１の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンと、第１のチャネル構造を有する第１の表面および第１の反対チャネル構造を有する第１の反対表面と、を含み、
第２の金属プレートは、第２のプレート溶接ゾーンと、第２のチャネル構造を有する第２の表面および第２の反対チャネル構造を有する第２の反対表面と、を含み、第２の金属プレートは溶接バンプを含まず、
第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合され、
第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含み、
第１の方法は、次のステップ、すなわち、
第１のチャネル構造および第２のチャネル構造が、流れ場チャネルパターンを形成するように位置決めされ、
第１の金属プレートの溶接バンプが第２の金属プレートの第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出している
ように、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に配置するステップと、
第１のプレート溶接ゾーンに隣接して第１の金属プレートを、および／もしくは第２のプレート溶接ゾーンに隣接して第２の金属プレートを係合する少なくとも１つの溶接治具を使用すること、ならびに／または
第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させ、これによって吸引力を提供すること
によって、第１の金属プレートと第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に固定するステップと、
を含む。

【0009】

本発明による第１の方法において第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めされる。これらのプレートを一緒に接合すると、これらのプレートは、特に車両用の、たとえば燃料電池スタック用のバイポーラプレートとして使用することができる。説明全体を通して、「これらのプレート」という用語は第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを指すことに留意されたい。

【0010】

両プレートは２つの表面を有する。第１の金属プレートの第１の表面が第１のチャネル構造を有し、第１の金属プレートの第１の反対表面が第１の反対チャネル構造を有する。

【0011】

同様に、第２の金属プレートの第２の表面が第２のチャネル構造を有し、第２の金属プレートの第２の反対表面が第２の反対チャネル構造を有する。

【0012】

第１の金属プレートと第２の金属プレートとを一緒に接合することによって、第１の金属プレートの第１の表面が第２の金属プレートの第２の表面と接続される。第１の金属プレートと第２の金属が接合されたとき、第１の表面は第２の表面に面している。結果として、位置決めされた第１のチャネル構造および第２のチャネル構造によって流れ場チャネルパターンが形成される。好ましくは、これらのプレートが燃料電池スタックにおいて使用されるとき、流れ場チャネルパターンは冷却剤の流れに役立ち、冷却剤はたとえば水、グリコール、または混合物とすることができる。しかしながら、流れ場チャネルパターンが、ガス流、たとえば酸素または水素を案内および分割するのに役立つことも可能である。

【0013】

たとえば、一般に両プレートを一緒に溶接するためにレーザ溶接機が使用される。レーザ溶接機は一般に、レーザビームを放射するレーザビーム源、レーザビームを正しいスポットで集束させるレンズシステム、およびレンズシステムを移動させる２Ｄ位置決めテーブルを含む。溶接する前に、両プレートを所定の位置に位置決めおよび固定する。これはたとえばレーザ溶接ツールによって実行される位置決めステップおよび固定ステップで行う。レーザ溶接ツールはたとえば、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対しておよびレーザ溶接機に対して位置決めする位置決めシステムを含むことができる。位置決めシステムはたとえば溶接保持ツールを含む。レーザ溶接ツールは、両プレートをレーザビーム溶接位置に固定する固定システムをさらに含む。固定システムはたとえば少なくとも１つの溶接治具および／または吸引力システムを含み、これはたとえば、第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させるように構成された真空ポンプ、ベンチュリ、またはコンプレッサのようなポンプを含む。好ましい一実施形態において、吸引力システムまたは少なくとも１つの溶接治具の１つのみを使用して両プレートをレーザビーム溶接位置に固定する。しかしながら、実際には、これらのプレートはこれらの全表面にわたって完全に滑らかではなく、これらのプレートの完璧な位置決めに達することは困難である。したがって、好ましくは、吸引力システムと少なくとも１つの溶接治具の両方を使用して既知のシステムおよび方法においてこれらのプレートを固定する。これらのプレートをレーザビーム溶接位置に位置決めおよび固定した後、レーザ溶接機のレーザビーム源を使用して、溶接プロセス中にレーザビームを放射することによって両プレートを一緒に溶接することができる。加えて、処理中アルゴンガスを任意選択でこれらのプレート上に分配してこれらのプレートの酸化を軽減することができる。

【0014】

好ましくは、第１の金属プレートの第１の反対チャネル構造の機能は、ガス流、たとえば水素または酸素を第１の反対表面にわたって案内および分割することである。好ましくは、第２の金属プレートの第２の反対チャネル構造は、ガス流、たとえば酸素または水素を第２の反対表面にわたって案内および分割するためのものである。このように、これら３つの異なるチャネル（流れ場チャネルパターン、第１の反対チャネル構造および第２の反対側チャネル構造）を使用して燃料電池の内側の動作を調節することができ、各チャネルの形態は、用途の要件を満たすように最適化することができる。

【0015】

明確性の理由のため、流れ場チャネルパターンを、これらのプレートの内側では、すなわち第１の金属プレートと第２の金属プレートとが接続されているとき、チャネルと呼ぶ。「接合された」および「接続された」という用語は説明全体を通して交換可能に使用されることに留意されたい。しかしながら、流れ場チャネルパターンはこれらのプレートの外側に配置することもできる。さらに、第１の表面および第１の反対表面は交換可能であり、これは、第１の表面または第１の反対表面をこれらのプレートの外側または内側に配置することができるということを意味することに留意されたい。同じ理由が第２の金属プレートの第２の表面および第２の反対表面にも当てはまる。

【0016】

さらに、第１の金属プレートは第１のプレート溶接ゾーンを含み、第２の金属プレートは第２のプレート溶接ゾーンを含む。第１のプレート溶接ゾーンおよび第２のプレート溶接ゾーンは画定された領域である。レーザビームがプレートのこの領域内に集束し、両プレートが溶接されているとき、この上にレーザビームが放射される。レーザビームはレーザビーム源によって放射される。レーザビーム源はたとえばレーザ溶接機の一部である。一実施形態において、第１の金属プレートと第２の金属プレートとが一緒に接合されるとき、第１のプレート溶接ゾーンと第２のプレート溶接ゾーンは重なり合っている。

【0017】

本発明によれば、第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含む。第１の金属プレート上の溶接バンプは第１のプレート溶接ゾーンでの第１の金属プレートの局所的な変形である。第２の金属プレートは溶接バンプを含まない。これらのプレートが互いに対してずれることがあるという事実にもかかわらず、溶接バンプにより、レーザビーム溶接位置でのプレートの配置、ならびにレーザビーム溶接の品質が向上する。これは以下でさらに説明する。

【0018】

本発明による第１の方法は、第１のチャネル構造および第２のチャネル構造が流れ場チャネルパターンを形成するように位置決めされるように、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に配置するステップを含む。第１のチャネル構造および／または第２のチャネル構造は突起を含むことができ、平坦部分およびチャネル壁を交互に含む。好ましくは、両プレートがプレカットされ、第１の平面内でこれらのプレートについて寸法（幅および長さ）を同一にする。第１の平面は突起および／または溶接バンプに垂直である。さらに、レーザビーム溶接位置において、第１の金属プレートの溶接バンプは第２の金属プレートの第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出している。

【0019】

溶接する前に、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは、少なくとも１つの溶接治具を使用して、および／または第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させ、これによって吸引力を提供して、レーザビーム溶接位置に固定される。少なくとも１つの溶接治具は第１のプレート溶接ゾーンに隣接して第１の金属プレートを、および／または第２のプレート溶接ゾーンに隣接して第２の金属プレートを係合する。一実施形態において、少なくとも１つの溶接治具は、溶接バンプの中心から少なくとも０．３ｍｍ、好ましくは０．５～０．８ｍｍの距離で第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを係合する。従来の機械と比較して、溶接バンプにより、溶接治具を溶接部からより大きな距離で位置決めすることが可能になり、これによりレーザビーム溶接中の溶接ツールおよび／またはプレート上の飛沫または破片の量が確実に減る。これは、これらのプレートの再加工の減少およびレーザ溶接ツールの寿命の増加につながる。一実施形態において、吸引力システムのみを使用して第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に固定する。

【0020】

少なくとも１つの溶接治具はたとえば、少なくとも１つの開口を含む構造とすることができ、この構造は第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートにプレスされる。少なくとも１つの開口により、第１のプレート溶接ゾーンおよび／または第２のプレート溶接ゾーンをレーザビーム溶接中、レーザビームに曝露することができるように、少なくとも１つの溶接治具は第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートを係合する。

【0021】

第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させることはたとえば、第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の領域に接続された入口を有する、たとえば真空ポンプ、ベンチュリまたはコンプレッサのようなポンプを含む吸引力システムを使用して行うことができる。この領域から空気が除去されると、空気の圧力が減少する。第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力が周囲の空気より低くなると、吸引力が提供される。吸引力により、第１および第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に固定される。

【0022】

本発明の溶接バンプのため、溶接治具および吸引力の両方を使用することも可能であるが、１つのみを使用して、第１および第２の金属プレートを適切に固定することが可能であり得る。いずれにせよ、溶接バンプにより、溶接治具および／または吸引力の要件を低減することが可能である。これには、動作コストの削減および保守コストの削減を含む利点がある。

【0023】

一実施形態において、溶接バンプは、曲率半径を有する湾曲形状を有する。一実施形態において、溶接バンプの曲率半径は、０．５～２．５ｍｍ、好ましくは０．７～１．５ｍｍ、より好ましくは０．８～１．２ｍｍである。溶接バンプの湾曲形状のため、溶接バンプの外側点が溶接バンプの高さだけ第１の金属プレートの面外に位置する。溶接バンプの湾曲形状のため、本発明による方法の位置決めステップ中、溶接バンプの外側点が確実に第２の金属プレートに接触する。これらのプレートを一緒に溶接するために、これらのプレート間の機械的接触が好ましい。目標は、これらのプレート間の距離またはギャップを減らすことである。しかしながら、溶接バンプを適用することによって、溶接ゾーンに近接するプレート間のギャップが最初に作成されることになる。好ましくは、曲率半径は、溶接バンプの外側点の曲率が急勾配を有することを回避するように選択される。好ましくは、勾配はおよそ１～５％の傾斜を有する。これは比較的緩やかな勾配と見なすことができる。本実施形態による勾配により、両プレート間の広い接触が確保される。広い接触により満足な溶接が実現され、これはこれらのプレートの平坦さに有益である。たとえば、曲率半径は溶接バンプの高さより大きい。

【0024】

本実施形態による第１の金属プレートと第２の金属プレートの固定ステップ中、溶接バンプは部分的に平坦化される。溶接バンプは第２の金属プレートに対してプレスされる。溶接バンプは固定ステップの結果として変形し、溶接バンプの高さの減少につながる。このように、第１の金属プレートと第２の金属プレートが互いの固定距離に位置決めされる。固定距離は溶接バンプの高さより小さい。

【0025】

さらなる一実施形態において、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートは少なくとも１つの位置決め機構を含む。少なくとも１つの位置決め機構は、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に配置されるとき、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを位置決めするために使用される。少なくとも１つの位置決め機構は、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートが適切に揃えられるように適合されている。位置決め機構はたとえば局所的な溝および／または位置決め突起とすることができ、これはこれらのプレート上の所定の場所に、たとえばこれらのプレートの角に製造される。

【0026】

さらなる一実施形態において、本発明による方法は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとをレーザビーム溶接によって接合するステップをさらに含む。このステップ中、レーザビーム源からのレーザビームは第１の金属プレートの溶接バンプにおいて集束する。これは、レーザビーム源が、第１の反対表面または第２の反対表面上へ溶接バンプと対応する位置上に放射されることを含むことができる。溶接バンプにより、レーザビーム溶接中の第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間のより良好な接触が保証される。これは溶接の品質の向上につながる。加えて、溶接バンプは、品質に関するさらなる利点を提供し、すなわち溶接部およびプレートからより遠くに位置決めすることができるレーザ溶接ツール上の焼結物または破片の付着が少なくなる。

【0027】

一実施形態において、溶接バンプは湾曲形状を有する。本発明による方法の固定ステップ中、溶接バンプは第２の金属プレートの第２のプレート溶接ゾーンに対してプレスされる。その結果、線または面接触が作成される。さらに、少なくとも１つの溶接治具により、固定ステップ中、両プレートにクランプ力が誘発される。結果として、反力が生成される。溶接バンプのばね様挙動のため、溶接バンプの形状が変形し、たとえば溶接バンプが部分的に平坦化する。

【0028】

一実施形態において、第１の金属プレートと第２の金属プレートとを接合するステップの前に、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは互いの固定距離に位置決めされる。第１の金属プレートと第２の金属プレートとを接合するステップ中、溶接バンプはレーザビームによって少なくとも部分的に溶融する。第１の金属プレートと第２の金属プレートとを接合するステップの後、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは互いの接合距離に位置決めされ、この接合距離は固定距離より小さい。

【0029】

レーザビーム溶接中、溶接バンプはレーザビームに曝露される。これにより熱が生成される。溶接バンプは融点を超えて加熱される。その結果、これらのプレートは局所的に、すなわち溶接バンプにおいて溶融することになる。溶接バンプの高さは減ることになる。その効果は、これらのプレート間の距離が減少することである。結果として、両プレートはこれらのプレート間のギャップがより小さい状態で溶接バンプによって互いに溶接される。さらに、たとえばこれらのプレートの接触不良または位置ずれによるずれが、プレートを積み重ねることによって溜まらない。たとえば、バイポーラプレートのスタッキング中、何百ものプレートが積み重ねられる。これは、数μｍの誤差でも、たとえば燃料電池に使用するためのスタックの品質が低下するという結果になることを意味する。たとえば、望ましくない沈み溶接が本発明による方法によって軽減される。

【0030】

一実施形態において、溶接バンプは細長形状および長さを有する。溶接バンプの細長形状は、少なくとも二次元形状を有すると説明することができる。さらなる一実施形態において、溶接バンプは第１の金属プレート上に閉ループとして形成することができる。たとえば、溶接バンプは、第１の金属プレートの縁に沿った距離で、たとえば縁の１０ｍｍにおいて生成される。

【0031】

一実施形態において、溶接バンプの高さは、５～５０μｍ、好ましくは１～３０μｍ、より好ましくは１５～２５μｍである。溶接バンプの幅は、０．２～２ｍｍ、好ましくは０．３～１．５ｍｍ、より好ましくは０．４～１ｍｍである。溶接バンプの幅および高さを考慮すると、溶接バンプは、幅の方向に見たとき、勾配を含む。この勾配はおよそ１～５％の傾斜を有する。これは比較的緩やかな勾配と見なすことができる。本実施形態による勾配により、両プレート間の広い接触が確保される。広い接触により満足な溶接が実現され、これはこれらのプレートの平坦さに有益である。

【0032】

一実施形態において、第１のプレート溶接ゾーンの長さおよび／または幅は、第１の金属プレートの溶接バンプの長さおよび／または幅と少なくとも同じくらいの大きさである。第１のプレート溶接ゾーンの面積は、少なくとも１つの溶接治具が溶接バンプを係合するのを防止するのに十分に大きい。好ましい一実施形態において、第１のプレート溶接ゾーンの長さおよび／または幅は、第１の金属プレート上の溶接バンプの長さおよび／または幅に等しい。

【0033】

一実施形態において、第２のプレート溶接ゾーンの長さおよび／または幅は、第１の金属プレート上の溶接バンプの長さおよび／または幅と少なくとも同じくらいの大きさである。第２のプレート溶接ゾーンの面積は、少なくとも１つの溶接治具が溶接バンプを係合するのを防止するのに十分に大きい。一実施形態において、第２のプレート溶接ゾーンの長さおよび／または幅は、第１の金属プレート上の溶接バンプの長さおよび／または幅に等しい。好ましくは、第２のプレート溶接ゾーンの長さおよび／または幅は、第１の金属プレート上の溶接バンプの長さおよび／または幅より大きい。好ましくは、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に位置決めされたとき、第２のプレート溶接ゾーンは第１のプレート溶接ゾーンと完全に重なる。この重なりは、溶接バンプの高さに垂直な平面で、たとえば水平面で起こる。

【0034】

一実施形態において、これらのプレートのそれぞれの厚さは、２０～５００μｍ、好ましくは２５～２５０μｍ、より好ましくは５０～１００μｍである。溶接の場所での漏れを防止するため、２つのプレート間のギャップはできるだけ小さいことが好ましい。数μｍの中断、破損または欠陥のある溶接でもすでに漏れを引き起こすのに十分なことがある。任意選択で、第１の金属プレートと第２の金属プレートが固定されるステップの後、およびこれらのプレートが接合される前、第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間のギャップは、溶接バンプの場所でのこれらのプレートのそれぞれの厚さの５パーセント、より好ましくは３パーセントより小さい。

【0035】

一実施形態において、第１の方法は少なくとも１つの溶接治具を作製するステップを含む。これはたとえば、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートの寸法、および／または流れ場チャネルパターン、および／または第１の金属プレート上の溶接バンプの場所に基づき得る。たとえば、少なくとも１つの溶接治具は、所定の形状に切断された構造とすることができる。少なくとも１つの溶接治具はたとえば、これらのプレート上に配置されるように適合することができ、たとえば第１および第２のプレートは互いの上に配置され、プレートを係合する少なくとも１つの溶接治具は他方の上に配置される。この構造の重量および／または重力のため、この構造が２つのプレートの１つを係合すると、両プレートが固定される。これらのプレートが固定されているとき、溶接バンプは、レーザビームのために、たとえばこの構造の所定の形状における開口によってアクセス可能なままである。

【0036】

さらなる一実施形態において、第１の方法は、これらのプレートを設計するステップを含む。このステップ中、溶接バンプの寸法が、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートの寸法の公差に、および／またはレーザビーム溶接中、溶接バンプ上に集束するべきレーザビームの寸法に基づいて決定される。

【0037】

本発明の第２の態様によれば、第２の方法が提供される。第２の方法は、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを製造するための方法である。第２の方法は、次のステップ、すなわち、
内面に第１の所定の形状を備えた第１の金型の内側に第１の金属プレートを配置するステップと、
内面に第２の所定の形状を備えた第２の金型の内側に第２の金属プレートを配置するステップと、
第１の金型内へ第１の射出圧力で第１の流体を射出するステップと、
第２の金型内へ第２の射出圧力で第２の流体を射出するステップと、
射出流体を使用することによって第１の金型の内面において第１の金属プレートを第１の所定の形状にプレスするステップであって、第１の所定の形状は第１の金属プレートを変形させ、第１の金属プレート上に第１のチャネル構造、第１の反対チャネル構造、および溶接バンプを生じさせる、ステップと、
射出流体を使用することによって第２の金型の内面において第２の金属プレートを第２の所定の形状にプレスするステップであって、第２の所定の形状は第２の金属プレートを変形させ、第２のチャネル構造および第２の反対チャネル構造を生じさせ、第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合されている、ステップと、
第１の金属プレートを第１の金型から除去するステップと、
第２の金属プレートを第２の金型から除去するステップと、
を含む。

【0038】

本発明による第２の方法において、ハイドロフォーミングプロセスが使用される。実際、ハイドロフォーミングは、溶接バンプを第１のプレート上に正確に形成する信頼できる方法である。本発明によれば、金型を使用してこれらのプレートを変形させる。金型はたとえば、内面に、たとえば底に所定の形状を備えたチャンバとすることができる。第１の可能な実施形態において、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは、２つの区画を含む単一の金型構造にこれらを同時に配置することによって製造される。これによって、区画の一方が第１の金型と呼ばれ、他方の区画は第２の金型と呼ばれる。各プレートは異なる区画に配置される。これらの区画は互いに平行に配置することができる。

【0039】

別の可能な実施形態において、２つのプレートは異なる金型において、および／または同時にではなく、たとえば異なる時間および／または場所で製造される。たとえば、第１の金属プレートは、内面に第１の所定の形状を備えた第１の金型の内側に第１の金属プレートを配置することによって製造される。加えて、第２の金属プレートは、内面に第２の所定の形状を備えた第２の金型の内側に第２の金属プレートを配置することによって製造される。

【0040】

これらのプレートの１つが金型に配置されているとき、本発明による第２の方法は、金型内へ圧力下で流体を射出することをさらに含む。これらのプレートのタイプ、寸法および材料に応じて、第１および／または第２の金型の内側の流体の射出圧力は、５００～５０００バールの間、好ましくは１０００～３０００バールの間、より好ましくは１２００～２０００バールの間とすることができる。

【0041】

本発明による第２の方法は、第１の射出流体によって第１の金型の内面において第１の所定の形状に第１の金属プレートをプレスするステップをさらに含む。第１の流体の第１の射出圧力のため、第１の所定の形状は第１の金属プレートを変形させる。この変形により、第１の金属プレートの第１の表面上に第１のチャネル構造が、そして第１の金属プレートの第１の反対表面上に第１の反対チャネル構造が生じる。さらに、第１の金属プレートに溶接バンプが形成される。一実施形態において、溶接バンプは、曲率半径を有する湾曲形状を有する。溶接バンプの湾曲形状のため、バンプの外側点が溶接バンプの高さだけ第１の金属プレートの面外に位置する。好ましくは、曲率半径は、溶接バンプの外側点の曲率が急勾配を有することを回避するように選択される。好ましくは、勾配はおよそ１～５％の傾斜を有する。たとえば、曲率半径は溶接バンプの高さより大きい。同様に、第２の金属プレートは、第２の射出流体によって第２の金型の内面において第２の所定の形状にプレスされる。好ましくは、第１の射出流体と第２の射出流体は同じである。第２の流体の第２の射出圧力のため、第２の所定の形状は第２の金属プレートを変形させる。好ましくは、第１の射出圧力は第２の射出圧力に等しい。この変形ステップにより、第２の金属プレートの第２の表面上に第２のチャネル構造が、そして第２の金属プレートの第２の反対表面上に第２の反対チャネル構造が生じる。溶接バンプは第２の金属プレート上に製造されない。

【0042】

第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合されている。これらのプレートが一緒に接合されれば、これらのプレートはバイポーラプレートとして使用することができる。バイポーラプレートが燃料電池において使用されると、水素と酸素との間の電気化学反応により熱が発生する。したがって、流れ場チャネルパターンはたとえば、たとえば水とすることができる冷却剤の流れによってこれらのプレートを冷却するために使用することができる。しかしながら、反応物、たとえば水素または酸素の流れを案内するために流れ場チャネルパターンを使用することも可能である。

【0043】

本発明による第２の方法の実施形態のさらなるステップにおいて、これらのプレートが金型から除去される。一実施形態において、第１のプレートが第１の金型から除去され、第２の金属プレートが第２の金型から除去される。

【0044】

一実施形態において、少なくとも１つの位置決め機構が第１の金属プレート上および／または第２の金属プレート上に形成される。第１の金属プレート上の少なくとも１つの位置決め機構は、第１の金属プレートが第１の金型の内面において第１の所定の形状にプレスされるプレスステップ中に形成される。

【0045】

同様に、一実施形態において、第２の金属プレート上の少なくとも１つの位置決め機構は、第２の金属プレートが第２の金型の内面において第２の所定の形状にプレスされるプレスステップ中に形成される。少なくとも１つの位置決め機構は、第１および／または第２の金型の内面に、それぞれ第１および／または第２の所定の形状で設けられる。

【0046】

これらのプレートが第１および第２の金型から除去された後、少なくとも１つの位置決め機構は、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを位置決めするために使用することができる。少なくとも１つの位置決め機構は、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを溶接保持ツールの内側のレーザビーム溶接位置に適切に配置することができるように適合されている。少なくとも１つの位置決め機構はたとえば局所的な溝および／または位置決め突起とすることができ、これらはこれらのプレート上の所定の場所に、たとえばこれらのプレートの角に製造される。

【0047】

さらに、一実施形態において、第２の方法にしたがって製造された第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは、本発明による第１の方法にしたがって位置決めされる。したがって、これらのプレートが第２の方法にしたがって製造されるとき、これらのプレートはレーザ溶接ツールに移送される。可能な追加のステップは、これらのプレートを所望の寸法へとプレカットすることである。これらのプレートのプレカットは第２の方法の前および／または後に実行することができる。プレカット中、これらのプレートはたとえばカッティング治具に配置することができる。

【0048】

レーザ溶接ツールにおいて、これらのプレートは位置決めシステムによって互いに対しておよびレーザ溶接機に対して位置決めされる。まず、位置決めシステムは溶接保持ツールを含み、これらのプレートはレーザビーム溶接位置に配置される。この配置ステップは、たとえば多軸ロボットアームによって手動または自動で実行することができる。レーザ溶接ツールは、これらのプレートがレーザビーム位置にあるとき、両プレートを溶接保持ツールにおいて互いに対して固定する少なくとも１つの溶接治具および／または吸引力システムをさらに含む。レーザ溶接機はレーザ源を含む。これらのプレートが溶接保持ツールに固定されているとき、レーザ源は第１の金属プレート上の溶接バンプにレーザビームを照射する。レーザビームにより両プレート間に溶接が生じる。

【0049】

本発明はさらに、以下に記載するような第１の金属プレートおよび第２の金属プレートに関する。本発明による方法は、上記第１および第２の金属プレートで、および／または上記第１および第２の金属プレートを製造するために実行することができる。しかしながら、これらの方法も第１および第２の金属プレートもこれに限定されない。それにもかかわらず、本発明による方法を参照して説明した特徴および定義は、第１および第２の金属プレートに関して言及されたとき、同様に解釈することができ、逆もまた同様である。さらに、本発明による方法を参照して説明した特徴および／または実施形態を、本発明による第１および第２の金属プレートに追加して、同様の利点を達成することができ、逆もまた同様である。

【0050】

第３の態様において、本発明はさらに、第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートに関する。第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは、レーザビーム溶接によって一緒に接合されるように適合され、
第１の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンと、第１のチャネル構造を有する第１の表面および第１の反対チャネル構造を有する第１の反対表面と、を含み、
第２の金属プレートは、第２のプレート溶接ゾーンと、第２のチャネル構造を有する第２の表面および第２の反対チャネル構造を有する第２の反対表面と、を含み、第２の金属プレートは溶接バンプを含まず、
第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合され、
第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含み、
溶接バンプは、レーザビームが溶接バンプにおいて集束する溶接プロセス中、第２の金属プレートの第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出するように適合されている。

【0051】

第１の金属プレートの第１の表面が第１のチャネル構造を有し、第１の金属プレートの第１の反対表面が第１の反対チャネル構造を有する。同様に、第２の金属プレートの第２の表面が第２のチャネル構造を有し、第２の金属プレートの第２の反対表面が第２の反対チャネル構造を有する。

【0052】

第１の金属プレートの第１の表面を第２の金属プレートの第２の表面に接合することによって、第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は流れ場チャネルパターンを形成する。好ましくは、流れ場チャネルパターンは冷却剤の流れに役立ち、冷却剤はたとえば水、グリコール、または混合物とすることができる。しかしながら、流れ場チャネルパターンが、反応物、たとえば水素または酸素の流れに役立つことも可能である。

【0053】

明確性の理由のため、すでに上で説明したように、流れ場チャネルパターンを、これらのプレートの内側では、すなわち第１の金属プレートと第２の金属プレートとが接続されているとき、チャネルと呼ぶ。しかしながら、流れ場チャネルパターンはこれらのプレートの外側に配置することもできる。さらに、第１の表面および第１の反対表面は交換可能であり、これは、第１の表面または第１の反対表面をこれらのプレートの外側または内側に配置することができるということを意味することに留意されたい。同じ理由が第２の金属プレートの第２の表面および第２の反対表面にも当てはまる。

【0054】

たとえば吸引力システムおよび／または少なくとも１つの溶接治具によって、第１の金属プレートと第２の金属プレートが固定されるとき、溶接バンプは第２の金属プレートの第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出している。一実施形態において、溶接バンプは、曲率半径を有する湾曲形状を有する。一実施形態において、溶接バンプの曲率半径は、０．５～２．５ｍｍ、好ましくは０．７５～１．５ｍｍ、より好ましくは０．８～１．２ｍｍである。溶接バンプの湾曲形状のため、溶接バンプの外側点が溶接バンプの高さだけ第１の金属プレートの面外に位置する。溶接バンプの湾曲形状のため、溶接バンプの外側点が確実に第２の金属プレートに接触する。好ましくは、曲率半径は、溶接バンプの外側点の曲率が急勾配を有することを回避するように選択される。好ましくは、勾配はおよそ１～５％の傾斜を有する。これは比較的緩やかな勾配と見なすことができる。本実施形態による勾配により、両プレート間の広い接触が確保される。広い接触により満足な溶接が実現され、これはこれらのプレートの平坦さに有益である。たとえば、曲率半径は溶接バンプの高さより大きい。

【0055】

一実施形態において、溶接バンプは、第２の金属プレートに対してプレスされることによって変形可能であり、溶接バンプの外側点が固定距離だけ第１の金属プレートの面外に位置するようになり、この固定距離は変形前のバンプの高さより小さい。

【0056】

２つのプレートを一緒に接合するため、レーザビーム源からのレーザビームを溶接バンプにおいて集束させることができる。溶接ステップ中、溶接バンプにより、第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の接触が確実に改善される。

【0057】

一実施形態において、溶接バンプは、第１のプレートと第２のプレートとが接合されているとき、たとえばレーザビームによって、融点を超えて加熱されることによって変形可能であり、溶接バンプの外側点が接合距離だけ第１の金属プレートの面外に位置するようになり、この接合距離は固定距離よりおよび／または変形前のバンプの高さより小さい。このような接合ステップ中、溶接バンプはレーザビームに曝露される。これにより熱が生成される。溶接バンプは融点を超えて加熱される。その結果、これらのプレートは局所的に、すなわち溶接バンプにおいて溶融することになる。溶接バンプの高さは減ることになる。その効果は、これらのプレート間の距離が減少することである。結果として、両プレートはこれらのプレート間のギャップが最小で溶接バンプによって互いに溶接される。さらに、たとえばこれらのプレートの接触不良または位置ずれによるずれが、プレートを積み重ねることによって溜まらない。たとえば、バイポーラプレートのスタッキング中、何百ものプレートが積み重ねられる。これは、数μｍの誤差でも、たとえば燃料電池に使用するためのスタックの品質が低下するという結果になることを意味する。たとえば、望ましくない沈み溶接が本発明によって軽減される。

【0058】

加えて、従来の機械と比較して、溶接バンプにより、少なくとも１つの溶接治具を溶接部からより大きな距離で位置決めすることが可能になり、これにより溶接ツールおよび／またはプレート上の飛沫または破片の量が確実に減る。これは、これらのプレートの再加工の減少およびレーザ溶接ツールの寿命の増加につながる。

【0059】

２つのプレートを製造するプロセスは、いくつかの側面、たとえばプレートの材料、プレートの大きさなどに依存する。一実施形態において、第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートは、変形プロセス、たとえばハイドロフォーミング、スタンピングまたはエンボス加工によって製造される。実際、ハイドロフォーミングは、溶接バンプを第１の金属プレート上に正確に形成する信頼できる方法である。

【0060】

一実施形態において、溶接バンプの高さは５０μｍ未満である。一実施形態において、溶接バンプの高さは、５～５０μｍ、好ましくは１０～３０μｍ、より好ましくは１５～２５μｍである。

【0061】

一実施形態において、溶接バンプの幅は、０．２～２ｍｍ、好ましくは０．３～１．５ｍｍ、より好ましくは０．４～１ｍｍである。

【0062】

一実施形態において、第１の金属プレートの溶接バンプは細長形状および長さを有する。好ましくは、溶接バンプは第１の金属プレート上に閉ループとして形成される。

【0063】

さらに、第１の金属プレートは第１のプレート溶接ゾーンを含み、第２の金属プレートは第２のプレート溶接ゾーンを含む。一実施形態において、第１のプレート溶接ゾーンの寸法は、第１の金属プレートの溶接バンプの寸法と少なくとも同じくらいの大きさである。一実施形態において、第１のプレート溶接ゾーンの寸法は、第１の金属プレート上の溶接バンプの寸法に等しい。

【0064】

一実施形態において、第２のプレート溶接ゾーンの寸法は、第１の金属プレート上の溶接バンプの寸法と少なくとも同じくらいの大きさである。一実施形態において、第２のプレート溶接ゾーンの寸法は、第１の金属プレート上の溶接バンプの寸法に等しい。好ましくは、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に位置決めされたとき、第２のプレート溶接ゾーンは第１のプレート溶接ゾーンと完全に重なる。この重なりは、溶接バンプの高さに垂直な平面で、たとえば水平面で起こる。

【0065】

一実施形態において、これらのプレートのそれぞれの厚さは、２０～５００μｍ、好ましくは２５～２５０μｍ、より好ましくは５０～１００μｍである。溶接の場所での漏れを防止するため、２つのプレート間のギャップはできるだけ小さいことが好ましい。数μｍの中断、破損または欠陥のある溶接でもすでに漏れを引き起こすのに十分なことがある。

【0066】

さらなる一実施形態において、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートは少なくとも１つの位置決め機構を含む。少なくとも１つの位置決め機構は、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に配置されるとき、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを位置決めするように適合されている。

【0067】

位置決め機構はたとえば局所的な溝および／または位置決め突起とすることができ、これはこれらのプレート上の所定の場所に、たとえばこれらのプレートの角に製造される。

【0068】

一実施形態において、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンおよび第２のプレート溶接ゾーンにおいて互いにレーザビーム溶接されるように適合されている。溶接プロセス中、レーザビームが溶接バンプにおいて提供される。

【0069】

一実施形態において、これらのプレートは本発明の第２の方法にしたがって製造される。

【0070】

第４の態様において、本発明は、第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートに関し、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートは本発明の第２の態様の方法にしたがって製造される。

【0071】

第５の態様において、本発明は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとを互いに接続するための方法に関し、
第１の金属プレートは、第１のプレート溶接ゾーンと、第１のチャネル構造を有する第１の表面および第１の反対チャネル構造を有する第１の反対表面と、を含み、
第２の金属プレートは、第２のプレート溶接ゾーンと、第２のチャネル構造を有する第２の表面および第２の反対チャネル構造を有する第２の反対表面と、を含み、第２のプレート溶接ゾーンは、第１のプレートの第１のプレート溶接ゾーンに接続されるべき第２の金属プレートの部分によって形成され、
第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合され、
第１のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含み、第２のプレート溶接ゾーンは溶接バンプを含まず、
この方法は、次のステップ、すなわち、
第１のチャネル構造および第２のチャネル構造が、流れ場チャネルパターンを形成するように位置決めされ、
第１の金属プレートの溶接バンプが第２の金属プレートの第２のプレート溶接ゾーンに向かって突出している
ように、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に配置するステップと、
第１のプレート溶接ゾーンに隣接して第１の金属プレートを、および／もしくは第２のプレート溶接ゾーンに隣接して第２の金属プレートを係合する少なくとも１つの溶接治具を使用すること、ならびに／または
第１の金属プレートと第２の金属プレートとの間の空気の圧力を減少させ、これによって吸引力を提供すること
によって、第１の金属プレートと第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置に固定するステップと、
第１のプレート溶接ゾーンと第２のプレート溶接ゾーンとを溶接によって互いに接続するステップと、
を含む。

【0072】

任意選択で、第１のプレート溶接ゾーンと第２のプレート溶接ゾーンとはレーザビーム溶接によって互いに接続される。

【0073】

任意選択で、第２のプレート溶接ゾーンは平坦係合面であり、またはこれを含み、平坦係合面は、第１の金属プレートと第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置で固定されるとき、第１のプレート溶接ゾーンの溶接バンプを係合するように配置されている。任意選択で、溶接バンプは幅を有し、平坦係合面は、溶接バンプの幅より大きい幅を有する。任意選択で、溶接バンプは長さを有し、平坦係合面は、溶接バンプの長さより大きい長さを有する。

【0074】

本発明の第５の態様の一実施形態において、溶接バンプは、曲率半径を有する湾曲形状を有し、溶接バンプの外側点が溶接バンプの高さだけ第１の金属プレートの面外に位置する。第１の金属プレートと第２の金属プレートを固定するステップ中、溶接バンプは部分的に平坦化され、上記第１の金属プレートと第２の金属プレートが互いの固定距離に位置決めされるようになり、この固定距離は高さより小さい。

【0075】

本発明の第５の態様の一実施形態において、少なくとも１つの溶接治具は第１の溶接ゾーンおよび／または第２の溶接ゾーンに隣接して係合する。

【0076】

本発明の第５の態様の一実施形態において、少なくとも１つの溶接治具は、溶接バンプの中心から少なくとも０．３ｍｍ、好ましくは０．５～０．８ｍｍの距離で、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを係合する。

【0077】

本発明の第５の態様の一実施形態において、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートによって含まれる少なくとも１つの位置決め機構が、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートがレーザビーム溶接位置に配置されるステップ中、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートを位置決めするために使用される。

【0078】

本発明の第５の態様の一実施形態において、この方法は、第１の金属プレートと第２の金属プレートとをレーザビーム溶接によって接合するステップをさらに含み、レーザビームが溶接バンプにおいて集束する。

【0079】

本発明の第５の態様の一実施形態において、溶接バンプは細長形状および長さを有する。

【0080】

本発明の第５の態様の一実施形態において、溶接バンプの高さは、５～５０μｍ、好ましくは１０～３０μｍ、より好ましくは１５～２５μｍである。

【0081】

本発明の第５の態様の一実施形態において、溶接バンプの幅は、０．２～２ｍｍ、好ましくは０．３～１．５ｍｍ、より好ましくは０．４～１ｍｍである。

【0082】

本発明の第５の態様の一実施形態において、この方法は、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートの寸法に、および／または流れ場チャネルパターンに、および／または第１の金属プレート上の溶接バンプの場所に基づいて、少なくとも１つの溶接治具を作製するステップをさらに含む。

【0083】

本発明の第５の態様の一実施形態において、この方法は、これらのプレートを設計するステップをさらに含み、溶接バンプの寸法が、第１の金属プレートおよび／または第２の金属プレートの寸法の公差に、および／またはレーザビーム溶接中、溶接バンプ上に集束するべきレーザビームの寸法に基づいて決定される。

【0084】

本発明の第５の態様はさらに、本発明の第５の態様による方法によって互いに接続された第１の金属プレートと第２の金属プレートとの組合せに関する。

【0085】

図を参照して以下に、より詳細に本発明を説明し、非限定的な方法で本発明の例示的な実施形態を示す。異なる図における同じ参照番号は、異なる図における同じ特徴を示す。

【図面の簡単な説明】

【0086】

【図1a】本発明による第１の金属プレートの一例を概略的に示す図である。

【図1b】本発明による第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートの一例を概略的に示す図である。

【図1c】本発明による第２の金属プレートの上の溶接バンプを備えた第１の金属プレートの上面図を概略的に示す図である。

【図2a】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2a(i)】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2b】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2c】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2d】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2e】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2f】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図2g】本発明による第１の金属プレートおよび第２の金属プレートをレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図3a】本発明による第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートを製造するための第２の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図3b】本発明による第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートを製造するための第２の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図3c】本発明による第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートを製造するための第２の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図3d】本発明による第１の金属プレートおよび第１の金属プレートに関連する第２の金属プレートを製造するための第２の方法による一実施形態を概略的に示す図である。

【図4a】本発明による溶接バンプを備えた一実施形態と溶接バンプのない状況との間の比較を概略的に示す図である。

【図4b】本発明による溶接バンプを備えた一実施形態と溶接バンプのない状況との間の比較を概略的に示す図である。

【図4c】本発明による溶接バンプを備えた一実施形態と溶接バンプのない状況との間の比較を概略的に示す図である。

【図4d】本発明による溶接バンプを備えた一実施形態と溶接バンプのない状況との間の比較を概略的に示す図である。

【図4e】本発明による溶接バンプを備えた一実施形態と溶接バンプのない状況との間の比較を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0087】

図１ａ、図１ｂは、本発明による第１の金属プレート１の断面および第１の金属プレート１に関連する第２の金属プレート２の断面の一例を概略的に示す。

【0088】

図１ａにおける第１の金属プレート１は第１の表面１ａおよび第１の反対表面１ｂを含む。第１の金属プレート１の第１の表面１ａは第１のチャネル構造３を有し、第１の金属プレート１の第１の反対表面１ｂは第１の反対チャネル構造を有する。

【0089】

同様に、図１ｂにおける第２の金属プレート２の第２の表面２ａは第２のチャネル構造４を有し、第２の金属プレート２の第２の反対表面２ｂは第２の反対チャネル構造を有する。

【0090】

第１の金属プレート１の第１のチャネル構造３を第２の金属プレート２の第２のチャネル構造４に配置することによって、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートが位置決めされ、流れ場チャネルパターンが形成されるようになる（図１ａ、図１ｂには示さず）。好ましくは、流れ場チャネルパターンは冷却剤の流れに役立ち、冷却剤はたとえば水、グリコールまたは混合物とすることができる。

【0091】

好ましくは、第１の金属プレート１の第１の反対チャネル構造は、ガス流、たとえば水素または酸素を第１の反対表面１ｂにわたって案内および分割するように適合されている。好ましくは、第２の金属プレート２の第２の反対チャネル構造は、ガス流、たとえば酸素または水素を第２の反対表面２ｂにわたって案内および分割するためのものである。

【0092】

この例において、第１のチャネル構造３および第２のチャネル構造４は、平坦部分３ａ、４ａおよびチャネル壁３ｂ、４ｂを交互に含む突起を含む。第１のチャネル構造３は任意選択で第２のチャネル構造４と同じ設計を有する。

【0093】

さらに、第１の金属プレート１には第１の溶接ゾーン６が設けられている。図１ａにおいて、第１の金属プレート１は２つの溶接バンプ５およびしたがって２つの第１の溶接ゾーン６を有し、これらの溶接ゾーン６は両側矢印によって示されている。溶接ゾーン６、７、溶接バンプ５およびチャネル構造３、４は縮尺どおりに描かれておらず、例示を目的としていることに留意されたい。同様に、第２の金属プレート２は２つの第２の溶接ゾーン７を含む。各第１のプレート溶接ゾーン６は溶接バンプ５を含む。第２の金属プレート２は溶接バンプを有さない。この例において図１ａの断面における第１の金属プレートの２つの溶接バンプ５は実際には、第１の金属プレート１上の１つの閉じた溶接バンプ５に由来し、これは図１ｃにおける第１の金属プレート１の上面図において視覚化されていることに留意されたい。図１ａはｙ軸に沿った横断Ａ－Ａ’を示す。

【0094】

第１の金属プレート１の溶接バンプ５は、レーザビーム源からのレーザビームが溶接バンプ５において集束する溶接プロセス中、第２の金属プレート２の第２のプレート溶接ゾーン７に向かって突出するように適合されている。

【0095】

図示の実施形態において、溶接バンプ５の幅Ｗは１ｍｍであり、高さＨは２５μｍである。しかしながら、他の寸法も可能である。溶接バンプ５の寸法を考慮すると、溶接バンプ５は、幅の方向、すなわちｙ方向に見たとき、勾配を含む。この勾配はおよそ５％の傾斜を有する。これは比較的緩やかな勾配と見なすことができる。この勾配により、両プレート間の広い接触が確保される（図２ｂ参照）。広い接触により満足な溶接が実現され、これは接合されたプレートの平坦さに有益である。

【0096】

図１ｃは、本発明による第２の金属プレートの上の第１の金属プレート１の可能な上面図を示す。チャネルパターンは明確性の理由のために示していない。この実施形態において、溶接バンプ５は破線領域によって示され、溶接バンプ５は細長形状および長さを有する。図１ｃにおいて、溶接バンプ５は第１の金属プレート１上の閉ループとして形成される。たとえば、第１の金属プレート１の縁８から１ｃｍの距離にある。また、多くの他の構成が可能である。図１ｃにおいて、溶接バンプ５は下にある第２の金属プレートに向かって突出しており、すなわち溶接バンプは負のｚ方向に突出している。

【0097】

図１ａに見られるように、第１のプレート溶接ゾーン６の長さおよび／または幅（両側矢印６によって示される）は、第１の金属プレート１の溶接バンプ５の長さおよび／または幅Ｗと少なくとも同じくらいの大きさである。特に、第１のプレート溶接ゾーン６の長さおよび／または幅は、第１の金属プレート１上の溶接バンプ５の長さおよび／または幅Ｗに等しい。図１ｃにおいて第１のプレート溶接ゾーン６は破線領域と重なっている。

【0098】

図１ｂにさらに見られるように、第２のプレート溶接ゾーン７の長さおよび／または幅（両側矢印７によって示される）は、第１の金属プレート１上の溶接バンプ５の長さおよび／または幅Ｗと少なくとも同じくらいの大きさである。特に、第２のプレート溶接ゾーン７の長さおよび／または幅は、第１の金属プレート１上の溶接バンプ５の長さおよび／または幅Ｗに等しい。好ましくは、第１の金属プレート１および第２の金属プレート２がレーザビーム溶接位置にあるとき、第２のプレート溶接ゾーン７は第１のプレート溶接ゾーン６と一致する。

【0099】

加えて、これらのプレートのそれぞれの厚さは、２０～２００μｍ、より好ましくは５０～１００μｍである。たとえば、図１ａ、図１ｂにおいて、第１の金属プレート１の厚さｔ１は１００μｍであり、第２の金属プレート２の厚さｔ２は５０μｍである。あるいは、両方の厚さは等しい。溶接の場所での漏れを防止するため、２つのプレート間のギャップはできるだけ小さいことが重要である。数μｍの中断、破損または欠陥のある溶接でもすでに漏れを有するのに十分なことがある。

【0100】

図１ａ～図１ｃの実施形態はたとえば、本発明による第１の方法にしたがって位置決めすること、および／または本発明による第２の方法にしたがって製造することができる。これらの方法を以下に説明する。一実施形態において、第１の金属プレートおよび第２の金属プレートはハイドロフォーミングによって形成される。

【0101】

加えて、第１の金属プレート１および／または第２の金属プレート２は、図１ｃに見られる、少なくとも１つの任意選択の位置決め機構９、１０を含む。少なくとも１つの位置決め機構９、１０はたとえば、２つのプレートを機械的に接続するこれらのプレートにおける突起またはアパーチャとすることができ、たとえば図１ｃにおける第１の金属プレート１のアパーチャ１０を参照されたい。下にある第２の金属プレート２が第１の金属プレートと同一のアパーチャ１０を有し得ることに留意されたい。別の例はたとえば第１の金属プレート１の２つの角の生成パターン９とすることができる。位置決め機構９、１０は、測定信号１２を放出および受領する位置決めセンサ１１、たとえば感知カメラによって検出することができる。同様に、追加の第２の生成パターンを第２の金属プレート２上に生成することができる（図示せず）。パターンに応じて、位置決めセンサ１１は第１の金属プレート１および／または第２の金属プレート２の位置を決定してこれらのプレートをレーザビーム溶接位置に配置することができる。

【0102】

図２ａは、本発明による第１の金属プレート２１および第２の金属プレート２２をレーザビーム溶接位置で互いに対して位置決めするための第１の方法による一実施形態を示す。

【0103】

まず、第１の金属プレート２１および第２の金属プレート２２をレーザビーム溶接位置に配置する。このステップは、たとえばピックアンドプレースロボットまたは多軸ロボットアームによって手動または自動で実行することができる。たとえば、図２ａ（ｉ）における上面図に示すように、多軸ロボットアーム２６が２つのプレートの１つ、たとえば第２の金属プレート２２をグリッパ２６ａで取り、第２の金属プレート２２を溶接保持ツール２０に置く。その後、少なくとも１つの位置決めセンサ（図２ａには示さず）が第２の金属プレート２２を走査して溶接保持ツール２０の内側で第２の金属プレート２２の位置を決定する。溶接保持ツール２０の内側の第２の金属プレート２２の位置に応じて、ロボットアーム２６は、他のプレート、たとえば第１の金属プレート２１を溶接保持ツール２０の内側の第２の金属プレート２２の上の正しい場所に配置することができる。たとえば、第１の金属プレート２１および第２の金属プレート２２は位置決め機構を含む。図２ａにおける第１の金属プレート２１の位置決め機構２１ａは突起である。第２の金属プレート２２はアパーチャ２２ａを有し、第１の金属プレート２１の突起２１ａは第２の金属プレート２２のアパーチャ２２ａの内側に嵌合することができる。位置決め機構２１ａ、２２ａにより、これらのプレートが機械的に接続されることが保証される。しかしながら、他の構成も可能である。これらのプレートは溶接保持ツール２０の内側に一緒にまたは同時に置くこともできる。

【0104】

溶接保持ツール２０はレーザ溶接ツールの位置決めシステム２７の一部である。第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２とをレーザビーム溶接位置で互いに固定するため、位置決めシステム２７は少なくとも１つの溶接治具３１および／または吸引力システムをさらに含む。これは以下で説明する。

【0105】

第１のプレート溶接ゾーン２３および第２のプレート溶接ゾーン２４は図２ａにおいて破線領域によって示されている。第１のプレート溶接ゾーン２３は溶接バンプ２５を含み、これは第２の金属プレート２２の第２のプレート溶接ゾーン２４に向かって突出している。第１のプレート溶接ゾーン２３の長さおよび／または幅Ｗ１は、第１の金属プレート２１の溶接バンプ２５の長さおよび／または幅Ｗと少なくとも同じくらいの大きさである。図示の実施形態において、第１の溶接ゾーン２３の長さおよび／または幅Ｗ１は、第１の金属プレート２１上の溶接バンプ２５の長さおよび／または幅Ｗより大きい。好ましくは、第１の溶接ゾーン２３の長さおよび／または幅は、溶接バンプ２５の長さおよび／または幅に等しい。長さはｘ軸に沿って配向されていることに留意されたい（示されているｘｙｚ座標系を参照）。

【0106】

さらに、第２のプレート溶接ゾーン２４の長さおよび／または幅Ｗ２は、第１の金属プレート２１上の溶接バンプ２５の長さおよび／または幅Ｗと少なくとも同じくらいの大きさである。図示の実施形態において、第１の溶接ゾーン２３および第２の溶接ゾーン２４は長さおよび／または幅が等しい。第１の溶接ゾーン２３および第２の溶接ゾーン２４は、レーザビーム溶接位置において、溶接バンプの高さに垂直な平面、すなわちｘｙ平面で重なっている。

【0107】

溶接バンプ２５は、曲率半径を有する湾曲形状を有する。溶接バンプ２５の湾曲形状のため、溶接バンプの外側点２５ａが溶接バンプ２５の高さＨだけ第１の金属プレート２１の面外に位置する。曲率半径は溶接バンプ２５の高さＨより大きい。

【0108】

配置ステップ中、第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、流れ場チャネルパターンを形成するように位置決めされる。上記流れ場チャネルパターン２８は図２ｂに示されている。加えて、第１の金属プレート２１の溶接バンプ２５は第２の金属プレート２２の第２のプレート溶接ゾーン２４に向かって突出している。

【0109】

加えて、これらのプレートは、これらの機能性および材料特性を考慮して設計されている。第１の金属プレート２１上の溶接バンプ２５の寸法は、第１の金属プレート２１および／または第２の金属プレート２２の寸法の公差に、および／またはレーザビーム溶接中、溶接バンプ２５上に集束するべきレーザビームの寸法に基づいて決定される。

【0110】

図２ｂにおける次のステップにおいて、２つの溶接治具３１ａ、３１ｂが、第１のプレート溶接ゾーン２３に隣接して第１の金属プレート２１を係合する一方、２つの溶接治具３１ｃ、３１ｄが、第２のプレート溶接ゾーン２４に隣接して第２の金属プレート２２に接触する。位置決め機構２１ａ、２２ａは明確にするために省略されていることに留意されたい。加えて、これらのプレートの固定を、吸引力を提供することによって補助することができる。吸引力は、たとえばコンプレッサを含む吸引力システム３０によって提供される。吸引力システム３０は、第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２との間の入口３０ａで空気の圧力を減少させるように構成されている。少なくとも１つの溶接治具による、および吸引力による固定は互いに補完的であることに留意されたい。たとえば、これらのプレートが平坦な表面を有し、これらのプレートが非常に良好に位置決めされているとき、これらのプレートを固定するために、吸引力または少なくとも１つの溶接治具のいずれか一方で十分であり得る。しかしながら、次の図において真空と少なくとも１つの溶接治具の両方が適用されると仮定する。

【0111】

本実施形態による第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２の固定ステップ中、溶接バンプ２５は部分的に平坦化される。溶接バンプ２５は第２の金属プレート２２の第２のプレート溶接ゾーン２４に対してプレスされる。溶接バンプ２５は固定ステップの結果として変形し、溶接バンプ２５の高さの減少につながる。このように、第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２は互いの固定距離Ｆに配置される。固定距離Ｆは溶接バンプ２５の高さより小さい。

【0112】

図２ｂにおける４つの溶接治具３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、第１の金属プレート２１および／または第２の金属プレート２２の寸法に、および／または流れ場チャネルパターン２８に、および／または第１の金属プレート２１上の溶接バンプ２５の場所に基づいて作製される。図２ｂにおいて、２つの溶接治具３１ａ、３１ｂが第１の溶接ゾーン２３に隣接して第１の金属プレート２１を係合し、２つの溶接治具３１ｃ、３１ｄが第２の溶接ゾーン２４に隣接して第２の金属プレート２２を係合する。

【0113】

たとえば、少なくとも１つの溶接治具はたとえば、図２ｂに示すように、固定クランプとすることができる。図２ｂにおいて、４つの固定クランプが両プレートを一緒にクランプしている。第１の固定クランプ３１ａおよび第２の固定クランプ３１ｂが、第１の金属プレート２１の第１の反対表面２１ａ、したがって溶接バンプ２５の反対側に配置される。第３の固定クランプ３１ｃおよび第４の固定クランプ３１ｄが第２の金属プレート２２の第２の反対表面２２ａに配置される。好ましくは、第１の固定クランプ３１ａは、第２および第３の固定クランプ３１ｂ、３１ｃに対して平行に位置決めされる。同様に、第４の固定クランプ３１ｄは、第２および第３の固定クランプ３１ｂ、３１ｃに対して平行に位置決めされる。

【0114】

図２ｂに見られるように、両プレートが溶接保持ツール２０に配置され、第１の溶接治具３１ａおよび第２の溶接治具３１ｂが第１の金属プレート２１を係合する。レーザ溶接機のレーザビーム源（図２ｇに示す）からのレーザビームは、溶接中、２つの固定クランプ３１ａ、３１ｂの一方から２つの固定クランプ３１ａ、３１ｂの他方に向かう方向に移動している（図２ｃの上面図を参照）。別の可能な実施形態において、レーザビームは、溶接プロセス中、２つの固定クランプ３１ａ、３１ｂ間を移動している（図２ｄの上面図を参照）。

【0115】

両プレート２１、２２を固定する別の例は、少なくとも１つの溶接治具３１ｅ、３１ｆがたとえば、所定の形状に切断された構造であり得ることである。構造３１ｅ、３１ｆの重量および／または重力のため、構造３１ｅ、３１ｆが２つのプレート２１、２２の１つを係合すると、両プレート２１、２２が固定される。プレート２１、２２が固定されているとき、溶接バンプ２５は、レーザビームのために、たとえば構造３１ｅの所定の形状における開口２９によってアクセス可能なままである。したがって、レーザビーム源からのレーザビームは、正しい場所、すなわち第１の金属プレート２１上の溶接バンプ２５に放射することができる。さらに、少なくとも第１の金属プレート２１の溶接バンプ２５は第２の溶接ゾーン２４と接触する。溶接治具の所定の形状の例を図２ｅ～図２ｆの上面図に示す。溶接治具が第１の金属プレート２１の上に置かれ、第１の金属プレート２１は溶接バンプ２５を含む。

【0116】

図２ｅにおいて、溶接治具３１ｅ（破線領域）の所定の形状はプレート３１ｅであり、このプレート３１ｅは中央に矩形開口２９を含む。したがって、溶接バンプ２５はレーザビームのためにアクセス可能なままである。図２ｆは２つの溶接治具３１ｆを示し、これらは第１の金属プレート２１の角に配置されている。

【0117】

また、溶接治具の異なる組合せを適用することができる。

【0118】

溶接治具３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆは、第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２との間の接触を、これらを一緒にプレスすることによって保証する。加えて、吸引力によりこれらのプレート間の接触が補助される。本発明によれば、溶接バンプ２５は、第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２との間の接触を保証することに寄与する。本発明によるプレート２１、２２を係合する溶接治具３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆの正確な位置は、従来の機械／システムに比べてあまり重要でなく、これにより動作中の柔軟性が向上し、より低精度の溶接ツールを作製することが許容され、全体のコストが削減される。さらに、第１の金属プレート２１上の溶接バンプ２５により、溶接治具３１ａ、３１ｂ、３１ｅ、３１ｆを、溶接プロセス中、レーザビームが投射される場所からより大きな距離に位置決めすることが可能になる。したがって、溶接バンプ２５に対する溶接治具３１ａ、３１ｂ、３１ｅ、３１ｆの距離により、レーザ溶接中のレーザ溶接ツールおよび／またはプレート２１、２２上の飛沫または破片の量が確実に減る。これは、プレート２１、２２の再加工の減少およびレーザ溶接ツールの寿命の増加につながる。

【0119】

加えて、固定されたプレート間のギャップは、溶接バンプ２５の場所でのこれらのプレートのそれぞれの厚さの５パーセントより小さく、好ましくは５パーセント、より好ましくは３パーセント、たとえば０パーセントである。たとえば、これらのプレートのそれぞれの厚さは、２０～５００μｍ、好ましくは２５～２５０μｍ、より好ましくは５０～１００μｍである。２つのプレートを溶接するため、ギャップは最小でなければならない。ずれが大きすぎると、レーザ溶接ではなくこれらのプレートのレーザ切断につながることになる。各プレートが１００μｍの厚さを有すると仮定すると、２つのプレート間のギャップは好ましくは溶接の場所で５μｍ以下である。溶接バンプ２５により、２つのプレート間の接触が確実に改善される。したがって、これは溶接の精度の向上につながることになる。

【0120】

図２ｇにおいて、第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２とが真空および第１、第２、第３および第４の溶接治具３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄによって固定された後、２つのプレート２１、２２は、レーザビーム３３が溶接バンプ２５に集束するレーザビーム溶接によって接合される。レーザビーム３３はレーザビーム源３４によって放射されて溶接部３２を生成する。レーザビーム源３４はたとえばレーザ溶接ツールの一部である。溶接部３２は破線領域によって視覚化されている。溶接部３２は溶接バンプ（図２ｇでは見えない）の全長にわたって延在する。図２ｇはレーザ溶接ツールの概略簡略図を示すことが留意される。実際には、レーザビーム３３をレーザビーム源３４から２つのプレート２１、２２上へ向けるためにレンズシステムを設けることができる。レンズシステムを移動させるために２Ｄ位置決めテーブルを設けることができる。

【0121】

第１の金属プレート２１と第２の金属プレート２２とを接合するステップ中、溶接バンプ２５はレーザビーム３３によって少なくとも部分的に溶融する。第１の金属プレートと第２の金属プレートとを接合するステップの後、第１の金属プレート２１および第２の金属プレート２２は互いの接合距離Ｊに位置決めされ、この接合距離Ｊは固定距離Ｆより小さい。結果として、両プレート２１、２２は、プレート２１、２２間のより小さなギャップ、すなわち接合距離Ｊで溶接バンプ２５によって互いに溶接される。

【0122】

図３ａ～図３ｄは、本発明による第２の方法にしたがって第１の金属プレート４１および第２の金属プレート４２を製造するための一実施形態を概略的に示す。再度、図および特徴は縮尺通りに描かれておらず、説明を目的としていることに留意されたい。本発明による第２の方法において、第１の金型４３および第２の金型４４を使用して、プレート４１、４２を変形させる。変形プロセスはたとえばハイドロフォーミング、スタンピングまたはエンボス加工とすることができる。実際には、ハイドロフォーミングが適用されるが、それはこのプロセスにより溶接バンプ４５を第１の金属プレート４１上に正確に形成することが保証されるからである。第１の金型４３および第２の金型４４はたとえば内面に、たとえば底に所定の形状４３ａ、４４ａを備えたチャンバとすることができる。所定の形状４３ａ、４４ａは、いくつかの要因、たとえば第１の金属プレート４１上の溶接バンプ４５の場所および／または２つのプレートの寸法に依存する。

【0123】

図３ａ～図３ｄにおいて、第１の金属プレート４１（図３ａ～図３ｂ）および第２の金属プレート４２（図３ｃ～図３ｄ）は、異なる金型４３、４４、それぞれ第１の金型４３および第２の金型４４の内側に配置される。２つのプレート４１、４２は、同時に配置することもそうしないこともできる。また、たとえば第１の金属プレート４１と第２の金属プレート４２が単一の金型構造に同時に配置され、この単一の金型構造が２つの分離された区画を含む、他の構成も可能である。各プレート４１、４２はこのとき異なる区画に配置される。これらの区画は互いに平行とすることができる。

【0124】

図３ａ～図３ｄによる実施形態において、２つのプレートは異なる金型４３、４４で同時にではなく、たとえば異なる時間および／または場所で製造される。第１の金属プレート４１は第１の金型４３の内側に配置される。第１の金型４３は、内面に、たとえば底に第１の所定の形状４３ａを有する。第１の所定の形状４３ａは溶接バンプ４５と、第１のチャネル構造４６ａおよび第１の反対チャネル構造４６ｂとの構造を含む。加えて、第１の所定の形状４３ａは、少なくとも１つの位置決め機構４６ｃ、たとえば突起の構造をさらに含む。

【0125】

第１の金属プレート４１が第１の金型４３に配置されているとき、本発明による第２の方法は、第１の金型４３内へ第１の射出圧力で第１の流体４７を射出することをさらに含む（図３ｂ参照）。第１の流体４７は第１の金型４３の入口４８を介して射出される。第１の金属プレート４１のタイプ、寸法および材料に応じて、第１の金型４３の内側の第１の射出圧力は、５００～５０００バールの間、好ましくは１０００～３０００バールの間、より好ましくは１２００～２０００バールの間とすることができる。

【0126】

図３ｂにおいて、第１の射出圧力により、第１の流体４７が第１の金型４３の内面において第１の金属プレート４１を第１の所定の形状４３ａにプレスする（矢印５２によって示す）。このプレス力により、第１の所定の形状４３ａが第１の金属プレート４１を変形させる。これにより第１の金属プレート上に第１のチャネル構造４６ａおよび第１の反対チャネル構造４６ｂと、溶接バンプ４５とが生じる。たとえば、その結果が図１ａによる変形した第１の金属プレート１であり得る。加えて、少なくとも１つの位置決め機構４６ｃを、プレスステップ中、第１の金属プレート４１上に形成することができる。

【0127】

プレスステップ後、第１の金型４３の内側の圧力を大気圧まで減少させる。その後、第１の金属プレート４１を第１の金型４３から除去し、水槽に浸漬してプレートを冷却および水洗する。

【0128】

同様に、内面に第２の所定の形状を備えた第２の金型４４の内側に第２の金属プレート４２を配置する（図３ｃ参照）。第２の所定の形状４４ａは第２のチャネル構造４９ａおよび第２の反対チャネル構造４９ｂの構造を含む。加えて、第２の所定の形状４４ａは、少なくとも１つの位置決め機構４９ｃ、たとえば開口の構造をさらに含む。一実施形態において、第１のチャネル構造４６ａと第２のチャネル構造４９ａは同じである。

【0129】

同様に、第２の金属プレート４２は、第２の流体５０、たとえば水を金型内へ第２の射出圧力で射出することによって、第２の金型４４の内面において第２の所定の形状４４ａにプレスされる（図３ｄ参照）。第２の流体５０は第２の金型４４の入口５１を介して射出される。第２の金属プレート４２のタイプ、寸法および材料に応じて、第２の金型４４の内側の第２の射出圧力は、５００～５０００バールの間、好ましくは１０００～３０００バールの間、より好ましくは１２００～２０００バールの間とすることができる。

【0130】

プレス力（図３ｄにおいて矢印５３によって示す）により、第２の所定の形状４４ａが第２の金属プレート４２を変形させる。このステップにより第２の金属プレート４２上に第２のチャネル構造４９ａおよび第２の反対チャネル構造４９ｂが生じる。第２の金属プレート４２上には溶接バンプが製造されない。たとえば、その結果が図１ｂによる変形した第２の金属プレート２であり得る。加えて、第２の金属プレート４２が第２の金型４４の内面において第２の所定の形状４４ａにプレスされるプレスステップ中、第２の金属プレート４２上の少なくとも１つの位置決め機構４９ｃが形成される。

【0131】

プレスステップ後、第２の金型４４の内側の圧力を大気圧まで減少させる。同様に、第２の金属プレート４２を第２の金型４４から除去し、水槽に浸漬してプレートを冷却および水洗する。

【0132】

製造された第１のチャネル構造および第２のチャネル構造は、第１の金属プレート４１と第２の金属プレート４２とが一緒に接合されると、流れ場チャネルパターンを形成するように適合されている。接合されたプレートは、たとえば燃料電池用途、特に車両用のバイポーラプレートとして役立つことができる。バイポーラプレートが燃料電池において使用されると、水素と酸素との間の化学反応により熱が発生する。したがって、好ましくは、流れ場チャネルパターンは、たとえば水、グリコールまたは混合物とすることができる冷却剤の流れによってこれらのプレートを冷却するために使用される。

【0133】

製造された位置決め機構４６ｃ、４９ｃは、第１の金属プレート４１および第２の金属プレート４２がレーザビーム溶接位置に配置されるとき、第１の金属プレート４１および第２の金属プレート４２を位置決めするために使用される。位置決め機構４６ｃ、４９ｃは、第１の金属プレート４１と第２の金属プレート４２とが適切に揃うように設計されている。位置決め機構４６ｃ、４９ｃはたとえば局所的な溝および／または位置決め突起とすることができ、これらはこれらのプレート上の所定の場所に、たとえばこれらのプレートの角に製造される。

【0134】

さらに、一実施形態において、第２の方法にしたがって製造された第１の金属プレート４１および第２の金属プレート４２は、本発明による第１の方法にしたがって位置決めされる。

【0135】

図４ａ～図４ｅは溶接バンプの効果を示す。図４ａ～図４ｂにおいて、第１の金属プレート６１が溶接バンプを含まない、先行技術による状況が示されている。実際に、第１の金属プレート６１および第２の金属プレート６２は、たとえばプレート６１、６２の厚さが製造公差内で変動するため、これらが一緒に溶接される前、完全には揃わない。これにより、これらのプレートのいくつかの部分は接触するが他は接触しないことが起こり得る。図４ａは、接触がないプレート６１、６２の一部を示す。これらのプレートの剛性により、溶接治具６３によって加えられる力Ｆが、これらのプレート間の接触を引き起こすのに十分にプレートを変形させることが妨げられ得る。したがって、反力Ｒは実質的にゼロである。固定ステップ中、溶接の場所においてこれらのプレート間に局所的な接触がない。その結果が、プレート６１、６２間の固定距離Ｘである。

【0136】

結果として、これらのプレートの溶接は溶接品質の低下または漏れの問題につながる。たとえば、固定距離Ｘが大きすぎれば、これらのプレート間の溶接を行うことができない。溶接を行うことができても、これは粗末な溶接、たとえば図４ｂに示すような沈み溶接６４になることがある。さらに、固定距離Ｘは、同じ金型で製造されたすべての２つのプレートについて同じになることになる。この誤差はしたがって、多数のこれらのプレートが燃料スタックに配置されると累積することになる。

【0137】

先行技術のこれらの問題を少なくとも軽減するため、図４ｃ～図４ｄにおいて本発明による溶接バンプ６５を備えた一実施形態が示されている。図４ｃにおいて、溶接バンプ６５は、曲率半径６６を有する湾曲形状を有する。溶接バンプ６５の湾曲形状のため、溶接バンプ６５の外側点６７が溶接バンプ６５の高さだけ第１の金属プレート６８の面外に位置する。溶接バンプ６５の湾曲形状により、本発明による方法の位置決めステップ中、溶接バンプ６５の外側点６７が第２の金属プレート６９に確実に接触する。溶接バンプ６５を提供することによって、溶接ゾーン７０、７１に近接してプレート６８、６９間にギャップＧが最初に作成されることになる。プレート６８、６９の溶接ゾーン７０、７１は、垂直の点線間で区切られている。好ましくは、曲率半径６６は、溶接バンプ６５の外側点６７の曲率が急勾配を有することを回避するように選択される。好ましくは、勾配はおよそ１～５％の傾斜を有する。これは比較的緩やかな勾配と見なすことができる。本実施形態による傾斜により両プレート間の広い接触が確保される。広い接触により満足な溶接が実現され、これはプレートの平坦さに有益である。たとえば、曲率半径６６は溶接バンプ６５の高さｈより大きい。

【0138】

本発明による方法による溶接治具７０による第１の金属プレート６８と第２の金属プレート６９の図４ｄにおける固定ステップ中、溶接バンプ６５は第２の金属プレート６９に対してプレスされる。その結果、線または面接触が作成される。溶接治具７０は、固定ステップ中、両プレート６８、６９にクランプ力Ｆを加える。結果として、反力Ｒが生成される。溶接バンプ６５のばね様挙動のため、溶接バンプ６５の形状が変形する。溶接バンプ６５は部分的に平坦化する。このように、第１の金属プレート６８および第２の金属プレート６９が互いの固定距離Ｘ’に位置決めされる。固定距離Ｘ’は高さｈより小さい。

【0139】

図４ｅにおいて、レーザ溶接中、溶接バンプ６５の中心がレーザビームに曝露される。これにより熱が生成される。溶接バンプ６５は融点の上方に加熱される。その結果、プレート６８、６９は局所的に、すなわち溶接バンプ６５において溶融することになる。溶接バンプ６５は変形する。その効果は、プレート６８、６９間の距離が接合距離Ｊに減少することである。結果として、両プレート６８、６９は、プレート６８、６９間の小さな接合距離Ｊで溶接バンプ６５の接触によって互いに溶接される。さらに、たとえばこれらのプレートの接触不良または位置ずれによるずれが、これらのプレートを積み重ねることによって溜まらない。たとえば、バイポーラプレートのスタッキング中、何百ものプレートが積み重ねられる。これは、数μｍの誤差でも、たとえば燃料電池に使用するためのスタックの品質が低下するという結果になることを意味する。

【0140】

要求される通り、本書は本発明の詳細な実施形態を説明している。しかしながら、開示された実施形態はもっぱら例として役立つこと、および本発明は他の形態で実施することもできることが理解されなければならない。したがって本明細書に開示された具体的な構成的態様を、本発明を限定するものとしてではなく、単に特許請求の範囲のための根拠として、および平均的な当業者によって本発明を実施可能にするための根拠として見なすべきである。

【0141】

さらに、この説明で使用されるさまざまな用語は、限定的なものとしてではなく、本発明の包括的な説明として解釈されるべきである。

【0142】

本明細書で使用される「ａ」という単語は、別段の指定がない限り、１つまたは１つより多いことを意味する。「複数の」という語句は２つまたは２つよりも多いことを意味する。「含む」および「有する」という言葉はオープンな文言を構成するものであり、より多くの要素の存在を排除するものではない。

【0143】

特許請求の範囲における参照数字は本発明を限定するものと解釈されるべきではない。特定の実施形態は、記載されたすべての目的を達成する必要はない。

【0144】

いくつかの技術的尺度が異なる従属請求項に指定されていることは単なる事実であり、これらの技術的尺度の組合せを有利に適用することができる可能性は依然としてある。

【符号の説明】

【0145】

１ 第１の金属プレート
２ 第２の金属プレート
３ 第１のチャネル構造
４ 第２のチャネル構造
５ 溶接バンプ
６ 第１のプレート溶接ゾーン
７ 第２のプレート溶接ゾーン
９，１０ 位置決め機構
１１ 位置決めセンサ
１２ 測定信号
２０ 溶接保持ツール
２１ 第１の金属プレート
２１ａ 位置決め機構、突起
２２ 第２の金属プレート
２２ａ 位置決め機構、アパーチャ
２３ 第１のプレート溶接ゾーン
２４ 第２のプレート溶接ゾーン
２５ 溶接バンプ
２６ 多軸ロボットアーム、ロボットアーム
２６ａ グリッパ
２７ 位置決めシステム
２８ 流れ場チャネルパターン
２９ 開口
３０ 吸引力システム
３１ 溶接治具
３２ 溶接部
３３ レーザビーム
３４ レーザビーム源
４１ 第１の金属プレート
４２ 第２の金属プレート
４３ 第１の金型
４４ 第２の金型
４５ 溶接バンプ
４６ａ 第１のチャネル構造
４６ｂ 第１の反対チャネル構造
４６ｃ 位置決め機構
４９ａ 第２のチャネル構造
４９ｂ 第２の反対チャネル構造
４９ｃ 位置決め機構
５０ 第２の流体
６１ 第１の金属プレート
６２ 第２の金属プレート
６３ 溶接治具
６４ 沈み溶接
６５ 溶接バンプ
６６ 曲率半径
６８ 第１の金属プレート、プレート
６９ 第２の金属プレート、プレート
７０ 溶接治具
７０，７１ 溶接ゾーン

【図1a-1b】

【図1c】

【図2a】

【図2a(i)】

【図2b】

【図2c-2f】

【図2g】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図3d】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図4d】

【図4e】

【国際調査報告】