SB_18581NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zum
Widerstandsbuckelschweißen
zur Erzeugung
elektrischer Al-Cu-
Kontaktierungen

Untersuchungen zum
Widerstandsbuckelschweißen zur
Erzeugung elektrischer
Al-Cu-Kontaktierungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.581 N
DVS-Nr.: 04.071
RWTH Aachen University
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.581 N / DVS-Nr.: 04.071 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 398
Bestell-Nr.: 170507
ISBN: 978-3-96870-397-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.581 N
Inhaltsverzeichnis
Thema ................................................................................................................................. 2
Berichtszeitraum ............................................................................................................. 2
Forschungsvereinigung ................................................................................................. 2
Forschungseinrichtung(en)........................................................................................... 2
1 Kurzzusammenfassung .............................................................................................. 4
2 Danksagung ................................................................................................................ 5
3 Einleitung .................................................................................................................... 6
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung .......................................................... 6
3.2 Forschungsziel ......................................................................................................... 7
3.3 Angestrebte und erreichte Forschungsergebnisse ................................................... 8
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung .............................................. 9
4.1 Verwendete Anlagentechnik zum Schweißen ........................................................... 9
4.1.1 Widerstandsbuckelschweißen .................................................................................. 9
4.1.2 Ultraschallschweißen ............................................................................................. 13
4.2 Untersuchte Werkstoffe .......................................................................................... 16
4.2.1 Kupfer (Cu-OF) ...................................................................................................... 16
4.2.2 Aluminium (Al99,5) ................................................................................................. 18
4.2.3 Intermetallische Al-Cu Phasen ............................................................................... 19
4.3 Prüfung der Qualitätskennwerte ............................................................................. 21
4.3.1 Elektrischer Prüfung ............................................................................................... 24
4.3.2 Metallografische Untersuchungen (REM / EDX) ..................................................... 29
4.4 Ergebnisse zur Auswahl einer geeigneten Buckelgeometrie .................................. 30
4.5 Schweißen von unterschiedlichen Materialdickenkombinationen und deren
elektrische und mechanische Qualitätskennwerte .................................................. 33
4.5.1 Al-Cu Kombination „dünn-dünn“ ............................................................................. 34
4.5.2 Al-Cu Kombination „dünn-dünn“ mit Zinnbeschichtung ........................................... 38
4.5.3 Al-Cu Kombination „dick-dick“ ................................................................................ 42
4.5.4 Al-Cu Kombination „dünn-dick“ ............................................................................... 53
4.6 Strukturelle Bewertung der intermetallischen Verbindung ...................................... 57

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.581 N
4.7 Alterung und Vergleich mit Ultraschallschweißen ................................................... 64
4.8 Elektrodenverschleiß und Prozessfähigkeit ............................................................ 69
4.9 Herstellung und Prüfung von Funktionsmustern ..................................................... 73
4.10 Fazit und Ausblick .................................................................................................. 76
5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse insbesondere für kmU und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ..................................................................................... 81
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................ 83
7 Verwendung der Zuwendung ................................................................................... 84
8 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................. 85
9 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ........................................................................... 86
10 Durchführende Forschungseinrichtungen ............................................................. 90
11 Literaturverzeichnis .................................................................................................. 91
12 Anhang ...................................................................................................................... 92
12.1 Geometrie Scherzugproben / elektrische Prüfung .................................................. 92
12.2 Stempel und Matrize für Langbuckel ...................................................................... 92
12.3 Stempel und Matrize für Kreuzbuckel ..................................................................... 93
12.4 Stempel und Matrize für 4x Langbuckel ................................................................. 94

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.581 N
3 Einleitung
An der Bearbeitung des Projekts war ausschließlich das Institut für Schweißtechnik und
Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen University beteiligt.
Das Projekt war in mehreren aufeinander aufbauenden Arbeitspaketen gegliedert. AP 1 diente
der allgemeinen Vorbereitung wie Versuchsplanung, Auswahl Werkstoffe und Geometrien
sowie Inbetriebnahme der Schweißanlage und Prüfstände. AP 2 bildete das Kernstück der
schweißtechnischen Untersuchungen mit unter anderem der Entwicklung der
Buckelgeometrien, Schweißbereichsbestimmungen an unterschiedlichen Anlagen und
Parameteroptimierung. Innerhalb von AP 3 wurden die wichtigsten elektrischen und
mechanischen Qualitätswerte der Schweißproben bestimmt. Die Prozessstabilität wurde in
AP 4 untersucht. Das AP 5 hatte zum Ziel, geeignete Korrelationen zwischen Festigkeit,
metallurgischer Ausprägung und elektrischer Leitfähigkeit abzuleiten, um auf dieser Basis eine
weiterführende Prozessoptimierung durchzuführen. Abschließend wurden in AP 6 die in den
zuvor bearbeiten APs gewonnen Erkenntnisse genutzt, um Funktionsmuster geschweißter
Bauteile zu erstellen. Die Erstellung dieses Abschlussberichts ist Inhalt des AP 7.
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung
In verschiedenen Industriezweigen, wie beispielsweise der Automobilindustrie, der
Elektrotechnik und der Energietechnik wird aus Kosten- und Leichtbaugründen Kupfer (Cu)
zunehmend durch Aluminium (Al) als elektrischer Leiterwerkstoff substituiert, während die
Anschlusselemente, wie beispielsweise Endhülsen oder Stecker nach wie vor aus Kupfer
gefertigt werden müssen. Diese Entwicklung stellt die Fügetechnik vor neue
Herausforderungen, da die Erzeugung einer mechanisch und elektrisch störungsfreien und
langzeitstabilen Al-Cu-Mischverbindung unter fertigungsnahen und ökonomischen
Bedingungen durch diverse physikalische Eigenschaften der beiden Nichteisenmetalle
erschwert wird. Hierzu zählen beispielsweise die deutlichen Unterschiede in den
Werkstoffeigenschaften, wie Schmelztemperatur (T Cu ≈ 1083°C, T Al ≈ 660°C), Dichte (ρ Cu ≈ 8,9
kg/dm³, ρ Al ≈ 2,7 kg/dm³) und Wärmedehnung (α-Cu ≈ 17,7*10-6 K-1, α-Al ≈ 24,5*10-6 K-1)
[1]. Darüber hinaus erschweren die (elektro-)chemischen Werkstoffeigenschaften, wie das
Korrosionsverhalten, die Oxidschichtcharakteristik von Al (hoher elektrischer Widerstand;
hohe Härte) sowie die unterschiedlichen elektrochemischen Spannungspotentiale von Al und
Cu die Erzeugung qualitativ hochwertiger, langzeitstabiler Mischverbindungen. Bisherige kraftund
formschlüssige Al-Cu-Verbindungen (Schraub- und Quetschverbindungen) werden den
Anforderungen hinsichtlich mechanischer und elektrischer Langzeitbeständigkeit ohne die
Ergreifung entsprechender, meist aufwendiger und kostenintensiver Maßnahmen wie bspw.
der Einsatz von Silber- und Nickel-Beschichtungen [2] und die Einhaltung von
Wartungsintervallen (z.B. Überprüfung von Schraubenanzugsmomenten in Schaltanlagen) i.
d. R. nicht gerecht. Da Al zum Fließen neigt, werden bei kraftschlüssigen Verbindungen zur
Festigkeitssteigerung zudem oftmals Al-Legierungen eingesetzt, die deutlich höhere
elektrische Materialwiderstände aufweisen als Reinaluminium. Daher wird zurzeit verstärkt
nach alternativen, meist stoffschlüssigen Verbindungstechniken geforscht.
In diesem Zusammenhang sind beispielhaft die Verfahren Laserstrahlschweißen,
Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, Walzplattieren, Löten, Diffusionsschweißen,
Reibschweißen (inkl. FSW-verwandter Prozesse), Widerstandspress-

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.581 N
stumpfschweißen, Leitkleben, Fügen mittels reaktiver Nanofolien und elektromagnetische
Pulstechnologie (EMPT) zu nennen. Die meisten der zuvor genannten Prozesse sind
allerdings häufig nur für bestimmte Einzelanwendungen geeignet bzw. nur unter definierten
Randbedingungen einsetzbar [3] [4] [5] [6]. Die Prozessstabilität und die großserientechnische,
industrielle Anwendbarkeit sind oftmals fragwürdig und die Stückkosten hoch.
Darüber hinaus ist das stoffschlüssige Fügen der artungleichen Materialkombination Al-Cu,
vor allem über den schmelzflüssigen Zustand, aufgrund der komplexen intermetallischen
Phasenbildung mit diversen Problemstellungen verbunden, die sich nachteilig auf die
mechanischen und elektrischen Verbindungseigenschaften auswirken können. Aus diesem
Grund sind zur Erzeugung von Al-Cu-Mischverbindungen insbesondere so genannte
„Wärmearme Fügeprozesse“ vielversprechend, bei der die Bildung intermetallischer Phasen
auf ein Minimum reduziert werden kann. Diesbezüglich ist das Ultraschallschweißen die wohl
momentan industriell am weitesten verbreitete stoffschlüssige Verbindungstechnologie beim
Schweißen von Al-Kabeln mit Cu-Steckern. Die vorherrschende Problemstellung, die
allerdings beim Ultraschallschweißen besteht, ist die mangelnde Prozessrobustheit des
Verfahrens vor allem in der schweißtechnischen Verarbeitung größerer Leitungsquerschnitte.
Eine adäquate Verbindung könnte hier mittels der Widerstandsschweißtechnik realisiert
werden, die aufgrund Ihrer guten Automatisierbarkeit, ihrer Wirtschaftlichkeit und gewöhnlich
hohen Prozessrobustheit in vielen relevanten Industriebereichen Maßstäbe setzt. Zudem
besteht eine breite, innerhalb mehrerer Jahrzehnte entstandene Wissensbasis, die im
Wesentlichen zum fundierten, derzeit vorliegenden, Prozessverständnis beigetragen hat. Viele
Sonderverfahren und relativ neuartige Verbindungstechnologien haben diesen
Entwicklungsstand noch nicht erreicht, so dass hier auch vielfach das mangelnde
Prozessverständnis die Ursachenforschung bei der Fehleranalyse erschwert. Das
Ultraschallschweißen ist in diesem Zusammenhang ein oft in Fachkreisen genanntes Beispiel.
Folglich fehlt es derzeit, vor allem in den mittleren und größeren Leitungsquerschnittbereichen
(≥ 20 mm²), an einem industriell prozesssicher einsetzbaren, stoffschlüssigen und zugleich
wirtschaftlichen Fügeverfahren zur Herstellung von langzeitstabilen Al-Cu-Verbindungen. Als
potentielle Anwendungsfelder sind beispielhaft die Fahrzeugbordnetze, Batterietechnik,
Stecker und Aluminium-Stromschienen zu nennen.
3.2 Forschungsziel
Die Forschungshypothese ist, dass das Widerstandsbuckelschweißen (Englisch: Resistance
Projection Welding; RPW) die Herstellung robuster Al-Cu-Mischverbindungen ermöglicht. Die
technologischen Eigenschaften sind mit denen der ultraschallgeschweißten Bauteile
(Englisch: Ultrasonic Welding; USW) in diversen Eigenschaften (statische Festigkeit,
Schwingfestigkeit, Prozessstabilität, Langzeitbeständigkeit) vergleichbar. Darüber hinaus setzt
das Verfahren RPW bei Al-Cu Verbindungen Maßstäbe hinsichtlich Verarbeitbarkeit von
Zinnbeschichtungen, Wirtschaftlichkeit, Skalierbarkeit auf verschiedene Leiterquerschnitte
und Automatisierbarkeit.
Daraus ergibt sich folgendes Forschungsziel: Entwicklung eines industriell einsetzbaren,
stabilen Widerstandsbuckelschweißprozesses zur Generierung niederohmiger, mechanisch
und elektrisch langzeitstabiler sowie kostengünstiger Al-Cu-Verbindungen (Benchmark

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.581 N
Ultraschallschweißprozess). Hierzu gilt es im Rahmen der Untersuchungen die folgenden
Forschungsfragen zu beantworten:
• Welche Buckelgeometrie eignet sich besonders für elektrische Verbindungen?
• Welchen Leistungsbereich muss eine RPW Schweißanlage bereitstellen?
• Welche intermetallischen Phasen bilden sich in der Fügezone und in welcher
Ausprägung?
• Wie sind die elektrischen und mechanischen Qualitätseigenschaften der Verbindung?
• Ist die Prozessstabilität und Prozessfähigkeit gut genug für den Praxisfall?
• Können verzinnte Bauteile und Bauteile mit größeren Querschnitten geschweißt
werden?
• Welchen Einfluss hat eine beschleunigte Alterung auf die Verbindung?
• Wie verhalten sich widerstandsbuckelschweißte Verbindungen gemessen an
ultraschallgeschweißten?
• Wie ist der Elektrodenverschleiß zu bewerten?
3.3 Angestrebte und erreichte Forschungsergebnisse
Es wurden vier zentrale Forschungsergebnisse angestrebt und erreicht, um das oben
beschriebene Forschungsziel zu erfüllen:
1) Zunächst wurde eine Buckelgeometrie erarbeitet, die es erlaubt, Al mit Cu
prozesssicher zu verschweißen und eine hinreichenden mechanische und elektrische
Güte der Verbindung zu gewährleisten.
2) Als weiteres Ergebnis ist die Bewertung der intermetallischen Phasenbildung und
deren technische Interpretation bzw. Korrelation zu technischen Eigenschaften zu
nennen.
3) Ebenso wurde das Ultraschallschweißen genutzt, um durch den Vergleich der
erzeugten Bauteile das Qualitätsniveau der buckelgeschweißten Verbindungen zu
bestimmen.
4) Mit Hilfe statistischer Methoden wurde die Prozessrobustheit nachgewiesen.
Zur Validierung der entwickelten Methodik dienten einzelne Funktionsmuster, an denen der
Einsatz der Technologie für die Praxis gezeigt und in der Dokumentation für die
Industrialisierung durch kmU festgehalten wird.
Alle Untersuchungen innerhalb dieses Projektes wurden an industrieüblichen (weit
verbreiteten) Anlagen und Werkstoffen durchgeführt.
Alle Forschungsziele wurden erreicht.