特表 2023-547627 重なり領域において２つの薄肉のワークピースをレーザ溶接するための方法

(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】2023-11-13

(54)【発明の名称】重なり領域において２つの薄肉のワークピースをレーザ溶接するための方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/244 20140101AFI20231106BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20231106BHJP

【ＦＩ】

B23K26/244

H01M8/0206

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023525065

(86)(22)【出願日】2021-10-07

(85)【翻訳文提出日】2023-04-25

(86)【国際出願番号】 EP2021077776

(87)【国際公開番号】W WO2022089912

(87)【国際公開日】2022-05-05

(31)【優先権主張番号】102020128464.0

(32)【優先日】2020-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】506065105

【氏名又は名称】トルンプフ レーザー－ ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＴＲＵＭＰＦ Ｌａｓｅｒ－ ｕｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ－Ｍａｕｓ－Ｓｔｒａｓｓｅ ２， Ｄ－７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】オリバー ボックスロッカー

(72)【発明者】

【氏名】ティム ヘッセ

【テーマコード（参考）】

4E168

5H126

【Ｆターム（参考）】

4E168BA02

4E168BA13

4E168BA74

4E168BA81

4E168BA83

4E168CA06

4E168CB03

4E168CB04

4E168CB22

4E168DA02

4E168DA03

4E168DA32

4E168EA15

4E168KA07

5H126AA12

5H126DD05

5H126FF04

5H126HH01

5H126JJ03

5H126JJ06

(57)【要約】

本発明は、２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）を溶接シーム（４）に沿ってレーザ溶接するための方法であって、
厚さＤ１を有する第１のワークピース（Ｗ１）と厚さＤ２を有する第２のワークピース（Ｗ２）とが、少なくとも重なり領域（ＵｅＢ）において重なるように積み重なって構成され、
２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）の厚さＤ１、Ｄ２がそれぞれ４００μｍ以下であり、
溶接シーム（４）に沿って案内されるレーザビーム（２）によって、第１のワークピース（Ｗ１）の側から、重なり領域（ＵｅＢ）において、第１のワークピース（Ｗ１）の材料が厚さＤ１全体にわたって溶融され、第２のワークピース（Ｗ２）の材料が厚さＤ２全体のうち部分厚ＴＤのみにわたって溶融され、
レーザ溶接が、第１のワークピース（Ｗ１）内に、又は第１及び第２のワークピース（Ｗ１、Ｗ２）内にキャピラリ深さＫＴまで延びる蒸気キャピラリ（１）をレーザビーム（２）が発生させるように行われ、０．３３＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．６７＊ＥＳＴであり、溶接深さＥＳＴ＝Ｄ１＋ＴＤである、方法に関する。本発明によって、薄肉ワークピースの溶接の際に高速な送り速度で高いシーム品質を実現することが可能になる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）を溶接シーム（４）に沿ってレーザ溶接するための方法であって、
厚さＤ１を有する第１のワークピース（Ｗ１）と厚さＤ２を有する第２のワークピース（Ｗ２）とが、少なくとも重なり領域（ＵｅＢ）において重なるように積み重なって構成され、
前記２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）の前記厚さＤ１、Ｄ２がそれぞれ４００μｍ以下であり、
前記溶接シーム（４）に沿って案内されるレーザビーム（２）によって、前記第１のワークピース（Ｗ１）の側から、前記重なり領域（ＵｅＢ）において、前記第１のワークピース（Ｗ１）の材料が前記厚さＤ１全体にわたって溶融され、前記第２のワークピース（Ｗ２）の材料が前記厚さＤ２全体のうち部分厚ＴＤのみにわたって溶融され、
前記レーザ溶接が、前記第１のワークピース（Ｗ１）内に、又は前記第１及び第２のワークピース（Ｗ１、Ｗ２）内にキャピラリ深さＫＴまで延びる蒸気キャピラリ（１）を前記レーザビーム（２）が発生させるように行われ、０．３３＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．６７＊ＥＳＴであり、溶接深さＥＳＴ＝Ｄ１＋ＴＤである、方法。

【請求項2】

０．４０＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．６０＊ＥＳＴであり、
好ましくは、０．４５＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．５５＊ＥＳＴである、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

０．２５＊Ｄ２≦ＴＤ≦０．７５＊Ｄ２であり、
好ましくは、０．３３＊Ｄ２≦ＴＤ≦０．６７＊Ｄ２であり、
特に好ましくは、０．４０＊Ｄ２≦ＴＤ≦０．６０＊Ｄ２である、
請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記溶接シーム（４）の走行方向（ＶＬＲ）に直交して測定される、前記第１のワークピース（Ｗ１）の前記レーザビーム（２）に面する表面（３）における前記蒸気キャピラリ（１）の幅ＫＢについては、
０．５０≦ＫＴ／ＫＢ≦２．００であり、
好ましくは、０．７５≦ＫＴ／ＫＢ≦１．５０であることが適用され、
特に、前記第１のワークピース（Ｗ１）の前記表面（３）の前記レーザビーム（２）に面する平面でそれぞれ測定される、前記レーザビーム（２）の送り方向（ＶＲ）に直交する前記レーザビーム（２）の焦点径ＦＤＱ及び前記送り方向（ＶＲ）に沿った前記レーザビーム（２）の焦点径ＦＤＬについては、
０．８≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．２であり、
好ましくは、０．９≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．１であることが適用されるように、前記レーザ溶接が実施される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記レーザビーム（２）が平均波長λを有し、
λ≦１２００ｎｍであり、
好ましくは、
ａ）９００ｎｍ≦λ≦１１００ｎｍであり、特に、λ＝１０３０ｎｍ若しくは１０６４ｎｍ若しくは１０７０ｎｍである、又は
ｂ）５００ｎｍ≦λ≦６００ｎｍであり、特に、λ＝５１５ｎｍである、又は
ｃ）４００ｎｍ≦λ≦５００ｎｍであり、特に、λ＝４５０ｎｍである、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記レーザビーム（２）が平均レーザパワーＰを有し、
６０Ｗ≦Ｐ≦１２００Ｗであり、
好ましくは、１００Ｗ≦Ｐ≦５００Ｗである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記レーザビーム（２）が、前記第１のワークピース（Ｗ１）の前記レーザビーム（２）に面する表面（３）の平面において、焦点径ＦＤを有し、
１０μｍ≦ＦＤ≦１００μｍであり、
好ましくは、１４μｍ≦ＦＤ≦６０μｍであり、
特に好ましくは、２５μｍ≦ＦＤ≦３９μｍである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記溶接シーム（４）の走行方向（ＶＬＲ）に直交して測定される、前記第１のワークピース（Ｗ１）の前記レーザビーム（２）に面する表面（３）における前記第１のワークピース（Ｗ１）の前記溶融された材料の幅Ｂについて、
６０μｍ≦Ｂ≦６００μｍであり、
好ましくは、８０μｍ≦Ｂ≦４００μｍであり、
特に好ましくは、１００μｍ≦Ｂ≦２００μｍであることが適用される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

Ｄ１≦２５０μｍ且つＤ２≦２５０μｍであり、
好ましくは、５０μｍ≦Ｄ１≦２００μｍ且つ５０μｍ≦Ｄ２≦２００μｍであり、
特に好ましくは、７５μｍ≦Ｄ１≦１００μｍ且つ７５μｍ≦Ｄ２≦１００μｍである、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

５０μｍ≦ＥＳＴ≦６００μｍであり、
好ましくは、６０μｍ≦ＥＳＴ≦４００μｍであり、
特に好ましくは、７５μｍ≦ＥＳＴ≦２２５μｍである、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記レーザビーム（２）が前記ワークピース（Ｗ１、Ｗ２）に対して送り速度ｖで移動され、
ｖ≧５ｍ／分であり、
好ましくはｖ≧１０ｍ／分であり、
特に前記レーザビーム（２）がレーザスキャナによって偏向される、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）が、金属板が概ね平面が平行となるように向けられ、弾性変形により接触部（３５）において押し合うように、レーザ溶接中に凸状に湾曲した外側（３１、３２）によって互いに押し付けられる湾曲した金属板の形態であり、前記レーザビーム（２）が、前記接触部（３５）の領域において前記溶接シーム（４）に沿って２つの金属板を溶接し、
特に、２つの湾曲した金属板が鋼鉄製である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）が可撓性金属箔の形態である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）によって形成された導電体及び／又はガスシールを溶接するための、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法の使用。

【請求項15】

前記２つのワークピース（Ｗ１、Ｗ２）が燃料電池のバイポーラプレートである、請求項１４に記載の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２つのワークピースを溶接シームに沿ってレーザ溶接するための方法であって、厚さＤ１を有する第１のワークピースと厚さＤ２を有する第２のワークピースとが、少なくとも重なり領域において重なるように積み重なって構成され、２つのワークピースの厚さＤ１、Ｄ２がそれぞれ４００μｍ以下である、方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ溶接（レーザビーム溶接とも呼ばれる）は、溶融可能な、通常は金属製のワークピースを互いに永続的に接続するために使用される。この場合、レーザ溶接は、比較的高速、高精度（特に、幅狭の溶接シームで）、且つワークピースの熱変形が少ない状態で実現され得る。

【0003】

使用されるレーザビームのビーム強度に応じて、レーザ溶接は、熱伝導溶接として、又は深溶け込み溶接として実現され得る。

【0004】

深溶け込み溶接では、レーザビームがワークピース材料に顕著な蒸気キャピラリ（キーホール）を発生させ、上記蒸気キャピラリはワークピース材料内にビーム方向に沿って延びる。蒸気キャピラリの壁におけるレーザビームの多重反射の結果、ワークピース材料における吸収が増す。材料はまた、深さ方向に大きい体積で溶融され得る。深溶け込み溶接は、比較的高速な送り速度（溶接速度）で実現され得る。しかしながら、深溶け込み溶接中にはスパッタ及び気孔形成がしばしば発生し、溶接シーム沿いの溶接深さが不規則になることも頻繁に観測される（スパイク）。このため、薄肉のワークピースを溶接する場合、溶接シームが機械的に不安定になり得る、又は所望の気密性若しくは所望の電気接点接続品質が達成されないといった局所的な接続の問題が発生することがある。

【0005】

熱伝導溶接では、ワークピース材料は、表面に近づけたレーザビームによって、目立った蒸気キャピラリを発生させずに溶融される。溶接深さは、基本的にワークピース材料の熱伝導によって決まる。スパッタ又は気孔などの凹凸はほとんど発生せず、溶接シームは比較的平滑である。しかしながら、比較的送り速度が低速であり、溶接深さが浅く、熱変形が大きくなり得ることが欠点である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、薄肉ワークピースの溶接の際に高速な送り速度で高いシーム品質を達成することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的は、本発明によれば、２つのワークピースを溶接シームに沿ってレーザ溶接するための方法であって、厚さＤ１を有する第１のワークピースと厚さＤ２を有する第２のワークピースとが、少なくとも重なり領域において重なるように積み重なって構成され、２つのワークピースの厚さＤ１、Ｄ２がそれぞれ４００μｍ以下であり、溶接シームに沿って案内されるレーザビームによって、第１のワークピースの側から、重なり領域において、第１のワークピースの材料が厚さＤ１全体にわたって溶融され、第２のワークピースの材料が厚さＤ２全体のうち部分厚ＴＤのみにわたって溶融され、レーザ溶接が、第１のワークピース内に、又は第１及び第２のワークピース内にキャピラリ深さＫＴまで延びる蒸気キャピラリをレーザビームが発生させるように行われ、０．３３＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．６７＊ＥＳＴであり、溶接深さＥＳＴ＝Ｄ１＋ＴＤである、方法によって達成される。

【0008】

本発明は、２つの薄肉のワークピースの重ね継手レーザ溶接を熱伝導溶接と深溶け込み溶接との間の移行モードで実施すること（「移行モード溶接」）を提案する。これにより、両方のプロセスの利点を大きく活用し、両方のプロセスの欠点を大幅に回避することが可能になる。特に、高い精度で十分な溶接深さを観測することができるため、特に良好な電気伝導性を呈する気密接続もまた信頼性の高い仕方で確立され得る。同時に、比較的高速な送り速度で製造を行うことができる。

【0009】

本発明による、溶接深さＥＳＴ（ワークピース材料内への溶融池の広がり）に関連するキャピラリ深さＫＴ（ワークピース材料内への蒸気キャピラリの広がり）の条件下では、溶接は、熱伝導溶接と深溶け込み溶接との間の所望の移行領域で実現され、比較的高速な送り速度で高い溶接シーム品質を達成することができる。

【0010】

本発明による方法に関連して、蒸気キャピラリが発生されるが、蒸気キャピラリは、従来の深溶け込み溶接と比較して（ワークピース材料内への方向又はレーザビーム方向において）比較的短い。溶接深さは、基本的に熱伝導と蒸気キャピラリの深さとの両方で決まり、２つの比率は概ね等しい大きさである。これにより、特に金属板などの薄肉のワークピースの溶接に適する熱伝導溶接の場合よりも大きな溶接深さを達成することが可能になる。しかしながら、同時に、特に溶融される材料の総量も比較的少ないままであるため、溶融池のダイナミクスは低いままである。レーザビームからワークピース材料内へのエネルギー吸収は、キャピラリ深さが浅いことにより蒸気キャピラリ内でのレーザビームの反射がわずかであるため、深溶け込み溶接の場合よりも顕著ではない。加えて、対照的に、送り速度と実質的に同期するワークピース材料の熱伝導による溶融は、溶融池におけるより急速なダイナミックな動きを大きく補う。

【0011】

溶接深さＥＳＴは、例えば、液体ワークピース材料と固体ワークピース材料との界面において反射する超音波によって、溶接プロセス中に測定され得る。蒸気キャピラリのキャピラリ深さＫＴは、溶接プロセス中に、例えばキャピラリ底部における測定レーザビームの反射によって測定され得る。他のパラメータは、通常既知である（例えば、レーザビームの焦点径）、又は溶接プロセス中に他のセンサによって容易に確認される。例として、いくつかのパラメータ、特に溶接シーム／溶融領域の幅Ｂ、又は送り方向に直交する焦点径ＦＤＱに概ね対応する、送り方向に直交するワークピース表面におけるキャピラリ幅ＫＢが、溶接プロセス中にカメラによって光学的に測定され得る。したがって、本発明による条件の遵守を溶接プロセス中に所望により確認することができ、適切な場合には再調整することができる。

【0012】

溶融幅ＳＢの溶融領域が蒸気キャピラリの周囲に（送り方向に直交する面内で）全方向に概ね一様に生成される。レーザビームの溶接方向に直交する、第１のワークピースＷ１のレーザビームに面する（前側）表面における焦点径ＦＤＱが分かっており、上記焦点径が蒸気キャピラリＫＢの局所的な幅に概ね対応する場合、ワークピース前側表面の溶接シームの幅Ｂを用いて、溶融幅ＳＢを容易に求めることができ、ＳＢ＝（Ｂ－ＦＤＱ）／２を得ることができる。断面（横断面）において容易に確認され得る溶接深さＥＳＴと、このようにして求めた溶融幅ＳＢとの間の差分に基づいて、断面におけるキャピラリ深さＫＴを近似的に求めて、ＫＴ＝ＥＳＴ－ＳＢを得ることも可能である。したがって、本発明による条件の遵守はまた、溶接されたワークピースで後で容易に確認され得、適切な場合には、将来のワークピースで本発明による条件を遵守するためにプロセスパラメータを繰り返し使用することができる。

【0013】

本発明に関連する溶融幅ＳＢは、通常、好ましくは０．６７＊ＳＢ≦ＫＴ≦１．３３＊ＳＢであり、特に好ましくは０．８０＊ＳＢ≦ＫＴ≦１．２０＊ＳＢであるキャピラリ深さＫＴに概ね対応することに留意されたい。

【0014】

厚さ及び深さ（特に、ＫＴ、ＥＳＴ、Ｄ１、Ｄ２）は、第１のワークピースのレーザビームに面する表面に対して垂直にそれぞれ求められる。好ましくは、本発明に関連して、楕円状に拡がっていない（ｕｎｓｔｒｅｔｃｈｅｄ）レーザビーム（アスペクト比ＦＤＱ／ＦＤＬが約１であり、通常０．８≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．２であり、好ましくは０．９≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．１である）がレーザ溶接に使用される。ワークピース表面におけるレーザビームの焦点は、一般に円形（等方性レーザビーム）である。

【0015】

発明の好ましい変形形態
本発明による方法の好ましい変形形態では、０．４０＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．６０＊ＥＳＴであり、好ましくは、０．４５＊ＥＳＴ≦ＫＴ≦０．５５＊ＥＳＴである。このパラメータ範囲は、実際に特に良好であることが判明している。これにより、溶接深さにおける熱伝導とキャピラリ深さとの比率は、特に良好にバランスが取れる。

【0016】

また、好ましい変形形態では、０．２５＊Ｄ２≦ＴＤ≦０．７５＊Ｄ２であり、好ましくは、０．３３＊Ｄ２≦ＴＤ≦０．６７＊Ｄ２であり、特に好ましくは、０．４０＊Ｄ２≦ＴＤ≦０．６０＊Ｄ２である。これにより、第１のワークピースへの第２のワークピースの特に信頼できる接続を達成することが可能になる。一方で、第２のワークピースの十分な部分厚が、機械的に最小限の接続を確保するために溶融される。同時に、過度に大きな部分厚が溶融されることもなく、これにより貫通溶接のリスクが低減する。貫通溶接では、材料が失われることに起因して接続が機械的に弱まり得る。加えて、部分厚が大きい場合、特にＴＤ＞０．５＊Ｄ２である場合、機械的接続は通常それ以上改善されないが、溶接プロセスのエネルギー要件と、同時に、溶融池のダイナミクスが望ましくないほど高くなるリスクとが増加する。

【0017】

特に好ましい変形形態では、溶接シームの走行方向に直交して測定される、第１のワークピースのレーザビームに面する表面における蒸気キャピラリの幅ＫＢについては、０．５０≦ＫＴ／ＫＢ≦２．００であり、好ましくは、０．７５≦ＫＴ／ＫＢ≦１．５０であることが適用され、特に、第１のワークピースの表面のレーザビームに面する平面でそれぞれ測定される、レーザビームの送り方向に直交するレーザビームの焦点径ＦＤＱ及び送り方向に沿ったレーザビームの焦点径ＦＤＬについては、０．８≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．２であり、好ましくは、０．９≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．１であることが適用されるように、レーザ溶接が実施される。所望の移行溶接及びそれに伴う利点、特に、一様な溶接深さＥＳＴ及び可能な限り高速な送り速度は、ＫＴ／ＫＢの指定されたアスペクト比で最も良好に達成される。ＫＴ／ＫＢのこれらのアスペクト比は、ＦＤＬ≧ＦＤＱのときに特に適する。加えて、アスペクト比ＦＤＱ／ＦＤＬが約１である、例えば近似点焦点などの楕円状に拡がっていない焦点プロファイルを有するレーザの使用は、特に溶融池のダイナミクスを低く保つために、良好であることが判明している。また、しばしば、０．５０≦ＥＳＴ／Ｂ≦１．５０であり、好ましくは、０．７５≦ＥＳＴ／Ｂ≦１．２５であることも適用される。

【0018】

更に、好ましい変形形態では、レーザビームが平均波長λを有し、λ≦１２００ｎｍであり、好ましくは、
ａ）９００ｎｍ≦λ≦１１００ｎｍであり、特に、λ＝１０３０ｎｍ若しくは１０６４ｎｍ若しくは１０７０ｎｍである、又は
ｂ）５００ｎｍ≦λ≦６００ｎｍであり、特に、λ＝５１５ｎｍである、又は
ｃ）４００ｎｍ≦λ≦５００ｎｍであり、特に、λ＝４５０ｎｍである。これらの平均レーザ波長は、金属板などの薄肉のワークピースの溶接によく適する。

【0019】

更に、一変形形態では、レーザビームが平均レーザパワーＰを有し、６０Ｗ≦Ｐ≦１２００Ｗであり、好ましくは、１００Ｗ≦Ｐ≦５００Ｗであると有利である。これらのレーザパワーにより、本発明による移行モードレーザ溶接は、実際には、多くのタイプのワークピースに対して容易に実施され得る。

【0020】

更に、好ましい変形形態では、レーザビームが、第１のワークピースのレーザビームに面する表面の平面において、焦点径ＦＤを有し、１０μｍ≦ＦＤ≦１００μｍであり、好ましくは、１４μｍ≦ＦＤ≦６０μｍであり、特に好ましくは、２５μｍ≦ＦＤ≦３９μｍである。これらの直径は、本発明に関連して移行モードにおいて薄肉のワークピースを溶接するために実際に容易に使用され得る。ここで、焦点径ＦＤは最大焦点径と仮定され、一般に０．８≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．２であり、好ましくは０．９≦ＦＤＱ／ＦＤＬ≦１．１である。

【0021】

更に、好ましい変形形態では、溶接シームの走行方向に直交して測定される、第１のワークピースのレーザビームに面する表面における第１のワークピースの溶融された材料の幅Ｂについて、６０μｍ≦Ｂ≦６００μｍであり、好ましくは、８０μｍ≦Ｂ≦４００μｍであり、特に好ましくは、１００μｍ≦Ｂ≦２００μｍであることが適用される。この範囲では、薄肉のワークピースで良好な機械的接続が達成され得る。

【0022】

特に好ましい変形形態では、Ｄ１≦２５０μｍ且つＤ２≦２５０μｍであり、好ましくは、５０μｍ≦Ｄ１≦２００μｍ且つ５０μｍ≦Ｄ２≦２００μｍであり、特に好ましくは、７５μｍ≦Ｄ１≦１００μｍ且つ７５μｍ≦Ｄ２≦１００μｍである。これらのワークピース厚さで、実際に高速な溶接速度で極めて良好な溶接シーム品質が達成されている。多くのアプリケーションにおいて、少なくとも溶接シームの領域では、Ｄ１＝Ｄ２又は０．８＊Ｄ１≦Ｄ２≦１．２＊Ｄ１である。

【0023】

好ましい変形形態では、５０μｍ≦ＥＳＴ≦６００μｍであり、好ましくは、６０μｍ≦ＥＳＴ≦４００μｍであり、特に好ましくは、７５μｍ≦ＥＳＴ≦２２５μｍである。本発明に関連して、これらの溶接深さは、極めて容易に実現可能であり、また特に、溶接シームの長さにわたって極めて一定である。本発明による溶接部の場合、溶接深さＥＳＴは、その平均値から一般に２０％未満、通常１０％未満、しばしば５％未満変動する。

【0024】

一変形形態では、レーザビームがワークピースに対して送り速度ｖで移動され、ｖ≧５ｍ／分であり、好ましくはｖ≧１０ｍ／分であることが有利であり、特にレーザビームがレーザスキャナによって偏向される。本発明に関連して、指定された高速な送り速度（溶接速度）は、一般に、問題なく良好な溶接シーム品質を伴って確立され、高い製造効率を可能にし得る。

【0025】

また、好ましい変形形態では、２つのワークピースは、金属板が概ね平面が平行となるように向けられ、弾性変形により接触部において押し合うように、レーザ溶接中に凸状に湾曲した外側によって互いに押し付けられる湾曲した金属板の形態であり、レーザビームは、この接触部の領域において溶接シームに沿って２つの金属板を溶接し、特に、２つの湾曲した金属板は鋼鉄製である。この手順により、ワークピースの特に堅牢な接続が可能になる。弾性変形によって、溶接プロセス中のワークピース間のギャップ（空き空間）が回避又は最小化され、ワークピースが緩和状態で湾曲していても、平面ワークピースの場合と同じ幅にわたって溶接部が得られる。

【0026】

２つのワークピースが可撓性金属箔の形態である変形形態も有利である。可撓性金属箔を溶接する場合、本発明によって、極めて信頼性の高い、堅牢な機械的接続を形成することが可能になる。一般に、箔は、溶接中にラムによって互いに押し付けられる。

【0027】

本発明の範囲はまた、２つのワークピースによって形成される導電体及び／又はガスシールを溶接するための上記の方法の使用を含む。本発明により、気密性（又は液密性）に関する高度な要求を満たす２つのワークピースの極めて信頼性の高い溶接接続が可能になり、ワークピース間の低い電気（又は熱）接触抵抗を確保し得る。したがって、導電体及びガスシールにおける使用が特に有利である。

【0028】

本発明による使用の好ましい変形形態では、２つのワークピースは燃料電池のバイポーラプレートである。燃料電池のバイポーラプレートは、一般に気密（通常は酸素に関して気密）で接続されなければならず、且つ燃料電池が発生した電流を損失なく輸送できるように、良好な電気的接続を有さなければならない。加えて、バイポーラプレートは、本発明による方法で容易に接続され得る厚さを有する。

【0029】

本発明の更なる利点は、本明細書及び図面から明らかになる。同様に、本発明によれば、上述の特徴及びこれから詳述する特徴は、それぞれの場合に個別に使用され得る、又は任意の所望の組み合わせで一緒に使用され得る。図示及び説明される実施形態は、網羅的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明を概説するための例示的な正確の列挙である。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1a】レーザビームの送り方向に対して垂直に、蒸気キャピラリの高さにおいて、本発明による方法で溶接される２つのワークピースを通る概略断面図を示す。

【図1b】図１ａのワークピースの概略斜視図を示す。

【図2a】本発明から逸脱した仕方で熱伝導溶接により溶接される２つのワークピースを通る概略断面図を示す。

【図2b】熱伝導溶接と深溶け込み溶接との移行モードにおいて、本発明にしたがって溶接される２つのワークピースを通る概略断面図を示す。

【図2c】本発明から逸脱した仕方で深溶け込み溶接により溶接される２つのワークピースを通る概略断面図を示す。

【図3a】本発明にしたがって溶接されるように意図されている２つの凸状に湾曲したワークピースを通る概略断面図を示す。

【図3b】押し合わされ弾性変形した状態で本発明により溶接される図３ａのワークピースを通る概略断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明による、２つの薄肉のワークピースＷ１、Ｗ２をレーザ溶接するための方法の例示的な変形形態が、図１ａに（送り方向ＶＲに対して垂直に、且つ蒸気キャピラリ１の中央において）概略断面図で示され、図１ｂに概略斜視図で示されている。簡単のため、ワークピースＷ１、Ｗ２は部分領域でのみ示されている。ワークピースＷ１、Ｗ２は、例えば、可撓性の箔の形態であってもよい。

【0032】

第１のワークピースＷ１と第２のワークピースＷ２とは、重なり領域ＵｅＢで重なるように積み重なって構成され、この目的のために、適切な保持ツールが使用されてもよい（例えば、これ以上詳細に図示しないが、ロボットアーム又はラム）。ワークピースＷ１及びＷ２はそれぞれ重なり領域ＵｅＢにおいて厚さＤ１及びＤ２を有し、ここでは、厚さはＤ１＝Ｄ２＝１００μｍとなるように選択される。ワークピースＷ１、Ｗ２は、通常、金属材料から製造される。厚さＤ１、Ｄ２は、第１のワークピースＷ１の表面３に対して垂直に測定される。

【0033】

レーザビーム２が、ワークピースＷ１、Ｗ２を互いに重ね継手溶接するために、第１のワークピースＷ１の表面３に向けられる。この場合、レーザビーム２は、一般に、例えばピエゾ駆動により動かすことができるミラーを備えて構成されるレーザスキャナ（図示せず）によって、送り方向ＶＲに沿ってワークピースＷ１、Ｗ２に対して移動される。レーザビーム２は、例えば、１０３０ｎｍの波長を有するＩＲレーザによって発生される。結果として、レーザビーム２によって、送り方向ＶＲに対応する走行方向ＶＬＲを有する溶接シーム４が生成される。

【0034】

ここで、レーザビーム２は、第１のワークピースＷ１の材料において蒸気キャピラリ１を発生させる（図示しないが、第２のワークピースが第１のワークピースよりかなり厚い他の変形形態では、蒸気キャピラリは第２のワークピースにも到達し得ることに留意されたい）。蒸気キャピラリ１は、第１のワークピースＷ１の表面３において、レーザビーム２の（最大）焦点径ＦＤＱに極めて正確に対応する（最大）キャピラリ幅ＫＢを有し、上記焦点径は横断方向ＱＲに測定される。横断方向ＱＲは、送り方向ＶＲに垂直に、且つ第１のワークピースＷ１のレーザビーム２に面する表面３の面内で走行する。

【0035】

ここで、レーザビーム２は、送り方向ＶＲに沿った（最大）焦点径ＦＤＬ（長手方向焦点径とも呼ばれる）が横断方向ＱＲにおける焦点径ＦＤＱ（横断方向焦点径とも呼ばれる）に等しいような円形の点焦点の形態である。ここで、レーザビーム２は方向に依存しない均一な焦点径ＦＤを有し、このことは好ましい変形形態に相当する。

【0036】

この場合の蒸気キャピラリ１は、第１のワークピースＷ１の材料内のキャピラリ深さＫＴに到達する。図示の変形形態では、ＫＴは厚さＤ１の約３／４、つまり約７５μｍである。

【0037】

ワークピースＷ１、Ｗ２の材料は、蒸気キャピラリ１の周囲で溶融され、これにより溶融池５が形成される。蒸気キャピラリ１から始まって、材料は、（図１ａに示す送り方向ＶＲに垂直な断面平面において）概ね均一な溶融幅ＳＢにわたって全方向に一様に溶融される。この場合、溶融幅ＳＢは約６５μｍである。したがって、この場合、第２のワークピースＷ２の材料は約４０μｍの部分厚ＴＤにわたって溶融される。この場合、ワークピースＷ１、Ｗ２の材料が表面３から始まって全体的に溶融される溶接深さＥＳＴ＝Ｄ１＋ＴＤは約１４０μｍである。したがって、ここで、ＫＴ＝０．５４＊ＥＳＴが近似的に適用される。

【0038】

図示の変形形態では、蒸気キャピラリ１はまた、ワークピース表面３の平面において横断方向ＱＲに測定される約５０μｍのキャピラリ幅ＫＢを有する。キャピラリ幅ＫＢは、横断方向ＱＲにおける焦点径ＦＤＱに極めて正確に対応することに留意されたい。したがって、キャピラリ深さＫＴは、キャピラリ幅ＫＢの約１．５倍、つまり概ねＫＢ／ＫＴ＝１．５０である。この場合、溶接シーム４は、和ＫＢ＋２＊ＳＢに相当する（横断方向ＱＲに測定される）約１８０μｍの幅Ｂを有する。第２のワークピースＷ２内への溶接が行われる部分厚ＴＤは、この場合、総厚Ｄ２の約４０％、つまりＴＤ＝０．４０＊Ｄ２である。

【0039】

特に、ここに示す蒸気キャピラリ１、溶融池５、及びワークピースジオメトリの比率が、熱伝導溶接と深溶け込み溶接との間の移行モードでレーザ溶接を実施するために設定されるように、レーザビーム２のレーザパワー、ワークピース表面３におけるレーザビーム２の焦点径ＦＤ、及びレーザ溶接の送り速度（溶接速度）が選択されている。

【0040】

図２ａ、図２ｂ、及び図２ｃは、（図１ａと同様の）送り方向に垂直な断面における、異なる溶接モードでのレーザ溶接中のキャピラリ深さＫＴ及び溶接深さＥＳＴの比率、並びにキャピラリ幅ＫＢ及びキャピラリ深さＫＴの比率の概要を示している。図示の例では、レーザビーム２の焦点ジオメトリは楕円状に拡がっていないものと仮定されている（ＦＤＱ＝ＦＤＬであり、例えば円形の丸い点焦点／等方性レーザビームによる）。図２ａは典型的な熱伝導溶接動作を示し、図２ｂは本発明による典型的な移行モードレーザ溶接動作を示し、図２ｃは典型的な深溶け込みレーザ溶接動作を示している。

【0041】

熱伝導溶接動作では、図２ａに示すように、レーザビーム２は、極めて小さいものでしかなく、キャピラリ深さＫＴが浅い（又は、図示しないが、蒸気キャピラリが全く目立たない）浅い蒸気キャピラリ１を発生させる。生じた溶接深さＥＳＴは、溶融池５の幅すなわち溶融幅ＳＢに実質的に基づくものであり、ＥＳＴ＝ＫＴ＋ＳＢによれば、ＫＴはＳＢよりかなり小さい。実際には、蒸気キャピラリ１の最下点における溶融幅ＳＢ＊は、ワークピース表面３における溶融幅ＳＢ＊＊に極めて正確に対応するため、以下の文章では溶融幅が一律にＳＢと表記されることに留意されたい。図示の例では、概ねＫＴ＝０．２３＊ＥＳＴである。本発明に関連して、ＫＴ＜０．３３＊ＥＳＴの範囲は、望ましくない熱伝導モードに割り当てられる。溶接深さＥＳＴは、第２のワークピースＷ２内に最小限の範囲までしか到達せず、ここでは概ねＴＤ＝０．０８＊Ｄ２である。

【0042】

加えて、（等方性レーザビーム２が使用される）熱伝導モードでは、キャピラリ深さＫＴはまた追加的に、キャピラリ幅ＫＢよりもかなり小さくなる。図２ａでは、概ねＫＴ／ＫＢ＝０．３０である。本発明に関連して、ＫＴ／ＫＢ＜０．５０の範囲は、望ましくない熱伝導モードに割り当てられる。

【0043】

図２ｂは、本発明による移行モードレーザ溶接を示している。レーザビーム２は中程度の大きさの蒸気キャピラリ１を発生させる。溶接深さＥＳＴは、蒸気キャピラリ１のキャピラリ深さＫＴと、溶融池５の溶融幅ＳＢとに概ね同程度に基づく。図示の例では、概ねＫＴ＝０．５＊ＥＳＴである。本発明に関連して、０．３３≦ＫＴ／ＥＳＴ≦０．６７の範囲は、望ましい移行モードに割り当てられる。溶接深さＥＳＴは、第２のワークピースＷ２内に十分に到達し、ここでは概ねＴＤ＝０．６＊Ｄ２である。

【0044】

移行モードでは、キャピラリ深さＫＴはまた追加的に、キャピラリ幅ＫＢと同様の大きさである、又はキャピラリ幅ＫＢよりもわずかに大きいだけである。図２ｂでは、概ねＫＴ／ＫＢ＝１．０である。（等方性レーザビーム２が使用される、又は少なくともＦＤＱ≦ＦＤＬである場合の）本発明に関連して、０．５０≦ＫＴ／ＫＢ≦２．００の範囲は、望ましい移行モードレーザ溶接に割り当てられる。

【0045】

最後に、図２ｃは、深溶け込みレーザ溶接を示している。レーザビーム２は極めて大きく深い蒸気キャピラリ１を発生させる。溶接深さＥＳＴは、蒸気キャピラリ１のキャピラリ深さＫＴに実質的に基づく。図示の例では、概ねＫＴ＝０．８８＊ＥＳＴである。本発明に関連して、ＫＴ＞０．６７＊ＥＳＴの範囲は、望ましくない深溶け込み溶接モードに割り当てられる。この場合の溶接深さＥＳＴは、第２のワークピースＷ２全体をほとんど貫通するため、ここでは概ねＴＤ＝０．９６＊Ｄ２である（図示しないが、多くの場合、深溶け込み溶接モードは貫通溶接、つまりＴＤ＝Ｄ２になることさえある）。

【0046】

（等方性レーザビーム２が使用される）深溶け込み溶接モードでは、キャピラリ深さＫＴはまた追加的に、キャピラリ幅ＫＢよりもかなり大きくなる。図２ｃでは、概ねＫＴ／ＫＢ＝２．１である。本発明に関連して、ＫＴ／ＫＢ＞２．０の範囲は、望ましくない深溶け込みレーザ溶接に割り当てられる。

【0047】

横断方向ＱＲにおける焦点径ＦＤＱが既知（又はキャピラリ幅ＫＢが既知）である場合、キャピラリ深さＫＴは、溶接シームの幅Ｂ及び溶接深さＥＳＴから容易に確認され得る。Ｂ及びＥＳＴは、断面（図２ａ～図２ｃのような横断面）で容易に確認することもできるし、又はカメラ及び超音波でその場で容易に観測することもできる。Ｂ及びＦＤＱ（後者はＫＢに対応する）に基づいて、ＳＢは、
ＳＢ＝（Ｂ－ＦＤＱ）／２
のように求めることができ、更にＫＴ＝ＥＳＴ－ＳＢである。

【0048】

図２ａ～図２ｃの例では、Ｄ２はＤ１よりもいくらか大きいが、Ｄ１＝Ｄ２であることが多い。

【0049】

図３ａは、所望の溶接シームに対して垂直な概略断面図において、湾曲した金属板、特に鋼板の形態である２つのワークピースＷ１、Ｗ２を概略的に示している。この場合、２つのワークピースのＷ１、Ｗ２は、燃料電池のためのバイポーラプレートの形態である。図３ａは（図３ｂと同様に）、本発明による溶接が実現されるように意図されているワークピースＷ１、Ｗ２の部分領域のみを示していることに留意されたい。また、２つのワークピースＷ１、Ｗ２は、場合により、複数の溶接シーム（図示せず）を得てもよいことにも留意されたい。

【0050】

２つのワークピースＷ１、Ｗ２は、互いに向かい合う凸状に湾曲した外側３１、３２を有する。２つのワークピース（金属板）Ｗ１、Ｗ２が、これらの湾曲した外側によって互いに接触して配置される場合、幅狭の接触線３０に沿ってのみ接触が起こり、この接触線３０に垂直な図３ａに示す断面では、この接触線３０が点として見えている。

【0051】

この接触線３０に沿ってワークピースＷ１、Ｗ２を溶接することは極めて難しい。なぜなら、平面が平行に当接する場合に通常溶融される領域は、ワークピース外側３１、３２間の１つ又は複数のＶ字状の空き空間３３に部分的に存在するためである。その結果、ギャップ又は少なくとも弱い領域が溶接シームに容易に生じ得る。

【0052】

本発明によれば、溶接するために、ワークピースＷ１、Ｗ２は、その凸状の外側３１、３２によって互いに向かって押し付けられ（押し付け方向３４参照）、その結果、外側３１、３２の弾性変形が生じる（図３ｂを参照）。この場合、凸状の外側３１、３２がわずかに平坦となるように押し付けられ、押し付け方向に直交するように延び、ワークピースＷ１、Ｗ２又は金属板が互いに概ね平面が平行となるように向けられて押し合う接触部３５が元の接触線の周囲に形成される。

【0053】

ワークピースＷ１、Ｗ２のこの弾性変形状態において、本発明によるレーザ溶接は、第１のワークピースＷ１のワークピース表面３に向けられるレーザビーム２により実現される。この場合、レーザビーム２の送り方向は、図３ｂの紙面に対して垂直である。レーザビーム２は、第１のワークピースＷ１の材料をその総厚Ｄ１にわたって溶融させ、第２のワークピースＷ２の材料をその厚さＤ２の約半分にわたって溶融させる（例えば、本発明による移行モードの条件については、図２ｂを参照）。ワークピース材料の溶融は接触部３５内で行われ、接触部３５は同時にワークピースＷ１、Ｗ２が重なるように積み重なったワークピースＷ１、Ｗ２の重なり領域ＵｅＢを表す。

【0054】

ワークピースＷ１、Ｗ２の弾性変形又は押し付けの力は、接触部３５の接触幅ＫＯＢが溶接シーム４の幅Ｂよりも大きい顕著な程度に選択されることに留意されたい。これにより、（図１ａに示すような）平面状の２つのワークピースを積み重なった溶接部の品質に匹敵する、特に高品質の溶接シーム４を得ることが可能になる。図３ｂで得られる溶接シームは、特に気密に、且つワークピースＷ１、Ｗ２間の電気抵抗が低い状態で製造され得る。

【0055】

ワークピースＷ１、Ｗ２のレーザ溶接及び十分な冷却の後、押し付け力が再び解除され、ワークピースＷ１、Ｗ２は、図３ａに示す弾性的に緩和した状態に概ね跳ね戻る。しかしながら、ワークピースＷ１、Ｗ２は、幅Ｂにわたって良好なシーム品質で、互いに溶接されたままである。

【0056】

本発明による方法の好ましい変形形態では、溶接が、特に以下のパラメータで実現され得る。
－ワークピース厚さＤ１＝Ｄ２＝７５μｍ、
－溶接深さＥＳＴ＝１１２．５μｍ、
－ＦＤ＝ＫＢ＝３１．５μｍ、
－ＫＴ＝４７．５μｍ、
－ＳＢ＝６５．２５μｍ、
－Ｂ＝１６２μｍ。
この場合、ＫＴ／ＫＢ＝１．５且つＫＴ＝０．４２＊ＥＳＴであるため、ＴＤ＝０．５＊Ｄ２が適用される。

【0057】

本発明による方法の別の好ましい変形形態では、溶接が、特に以下のパラメータで実現され得る。
－ワークピース厚さＤ１＝Ｄ２＝７５μｍ、
－溶接深さＥＳＴ＝１１２．５μｍ、
－ＦＤ＝ＫＢ＝３１．５μｍ、
－ＫＴ＝６３μｍ、
－ＳＢ＝４９．５μｍ、
－Ｂ＝１３０．５μｍ。
この場合、ＫＴ／ＫＢ＝２．０且つＫＴ＝０．５６＊ＥＳＴであるため、ＴＤ＝０．５＊Ｄ２が適用される。

【符号の説明】

【0058】

１ 蒸気キャピラリ
２ レーザビーム
３ ワークピース表面
４ 溶接シーム
５ 溶融池
３０ 接触線
３１ 外側（第１のワークピース）
３２ 外側（第２のワークピース）
３３ 空き空間
３４ 押し付け方向
３５ 接触部
Ｂ 溶接シームの幅
Ｄ１ 第１のワークピースの厚さ
Ｄ２ 第２のワークピースの厚さ
ＥＳＴ 溶接深さ
ＦＤ （最大）焦点径
ＦＤＬ 送り方向における（最大）焦点径
ＦＤＱ 横断方向における（最大）焦点径
ＫＢ キャピラリ幅
ＫＯＢ 接触幅
ＫＴ キャピラリ深さ
ＱＲ 横断方向
ＳＢ 溶融幅
ＳＢ＊ （蒸気キャピラリ下の中央で測定された）溶融幅
ＳＢ＊＊ （ワークピース表面で測定された）溶融幅
ＴＤ 部分厚
ＵｅＢ 重なり領域
ＶＬＲ 溶接シームの走行方向
ＶＲ 送り方向
Ｗ１ 第１のワークピース
Ｗ２ 第２のワークピース

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3a】

【図3b】

【国際調査報告】