DE102016211296A1

DE102016211296A1 - Verfahren und Systeme zur Bestimmung der Anbindungsfläche zweier durch ein Pressschweissen verbundener Teile aus verschiedenen Metallen

Info

Publication number: DE102016211296A1
Application number: DE102016211296.1A
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre BERGMANN; Anna Regensburg
Original assignee: Telsonic Holding AG; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Telsonic Holding AG
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung der Anbindungsfläche (12) zweier durch ein Pressschweissen, insbesondere ein Ultraschallschweissen, in einem Kontaktbereich (13) verbundener Teile (10, 11) aus verschiedenen Metallen, enthaltend die folgenden Schritte: a) Erhitzen oder Abkühlen der Teile (10, 11) im Kontaktbereich (13) zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche (12); b) Trennen der verbundenen Teile (10, 11), wodurch an mindestens einer der Anbindungsflächen (12) eine Anhaftungsfläche (12) entsteht, an der Anhaftungen des jeweils anderen Teils (11, 10) vorliegen; c) Bestimmung der Anbindungsfläche (12) durch Bestimmung der Anhaftungsfläche (12). Weiterhin betrifft die Erfindung Systeme (20) zur Bestimmung der Anbindungsfläche (12) zweier durch ein Pressschweissen, insbesondere ein Ultraschallschweissen, in einem Kontaktbereich (13) verbundener Teile (10, 11) aus verschiedenen Metallen.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Verfahren und Systemen zur Bestimmung der Anbindungsfläche zweier durch ein Pressschweissen verbundener Teile aus verschiedenen Metallen. Bei dem Pressschweissen kann es sich insbesondere um ein Ultraschallschweissen handeln.
Die politisch und wirtschaftlich getriebenen Bestrebungen der Ressourcenschonung und Emissionsreduzierung haben sich in den letzten Jahren zu den Schlagwörtern in zahlreichen Industriebereichen entwickelt. Die dabei verfolgten Leichtbaukonzepte – gerade der werkstoffliche Leichtbau – erhöhen die Anforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien enorm. Bei Bauteilen für Elektroanwendungen wird in diesem Zusammenhang zunehmend Kupfer durch Aluminium substituiert, um die potenzielle Kosten- und Gewichtsersparnis zu nutzen.
Die Praxis zeigt allerdings, dass der Werkstoff Kupfer in technischen Anwendungen nur bedingt substituiert werden kann, insbesondere durch Aluminium, woraus in zahlreichen Anwendungen die Fügeaufgabe zwischen Aluminium und Kupfer resultiert. Eine Anwendung stellen z. B. Litze-Terminal-Verbindungen für den Einsatz im Automobil-Bordnetz dar, die durch Ultraschallschweissen, also ein spezielles Pressschweissen, gefügt werden. Derartige Anwendungen sind beispielsweise in DE 10 2004 028 788 B4 , DE 37 19 083 C1 , DE 10 2008 058 047 A1 und EP 2 227 347 B1 beschrieben. Dabei müssen die einzelnen Drähte in der Litze beim Fügen zum einen untereinander und zum anderen mit dem Terminal verbunden werden. Nur so kann im Praxisfall eine gleichmässige Stromeinleitung über den gesamten Leiterquerschnitt gewährleistet werden. Darüber hinaus bestimmt diese „Kompaktierung” der Litze ausserdem, inwiefern die durch den Ultraschallschweissprozess eingetragene Schwingungsenergie auch bis zur Fügestelle zum Kontaktelement übertragen wird, um eine entsprechende Mindestfläche anzubinden und den resultierenden Kontaktwiderstand somit möglichst gering zu halten. Gleichzeitig ist auch von einer Korrelation der Anbindungsfläche zwischen Litze und Terminal und den mechanischen Eigenschaften auszugehen.
Die Beurteilung derartiger Kenngrössen (Kompaktierung, Anbindungsfläche) stellt derzeit jedoch eine grosse Herausforderung dar, sodass die Verbindungsbewertung in der Praxis neben der Überwachung der Prozessparameter (wie beispielsweise in EP 0 208 310 B1 und WO 2008/031823 A1 offenbart) zurzeit lediglich über die mechanische Prüfung der Trennkraft im Schäl-/Scherzug oder durch anderweitige mechanische Prüfverfahren (wie etwa in EP 1 031 021 B1 offenbart) erfolgt. Diese Verfahren geben jedoch nur bedingt Aufschluss über den Anbindungszustand zwischen den einzelnen Drähten sowie an der Grenzfläche, insbesondere über die Anbindungsfläche, beispielsweise da sich die Teile beim Schäl-/Scherzug verformen.
Um zusätzlich die Kompaktierung der Litze zu bewerten, werden im Bereich der Prozessentwicklung beispielsweise metallografische Präparation oder Röntgenanalyse eingesetzt, welche jedoch auch nachteilbehaftet sind. Die metallografische Präparation zum einen bildet in Form von z. B. Querschliffen nur eine isolierte Schnittebene ab, da der Anbindungs- und Kompaktierungszustand über den Verlauf der typischen Sonotrodenprofile stark abweichen kann. Dies ist beispielhaft in den 1a und 1b dargestellt: 1a zeigt ein Foto eines mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Querschliffs einer Verbindung einer Litze 10 mit einem Terminal 11, die in einem Kontaktbereich 13 an einer Anbindungsfläche 12 verbunden sind. Die tatsächliche Anbindungsfläche 12 ist kleiner als der Kontaktbereich 13. In 1b ist ein Foto einer mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Profilansicht der Verbindung dargestellt, in der auch die Schnittebene S der 1a angegeben ist. Deutlich erkennbar ist in 1b das von der Sonotrode erzeugte Profil in der Litze 10. Offensichtlich hängt die Schnittansicht sensibel von der gewählten Schnittebene S ab, was die Bestimmung der Anbindungsfläche 12 deutlich erschwert, da hierfür eine grosse Anzahl von Schnitten erstellt werden müsste und hierüber summiert werden müsste.
Die Röntgenanalyse hingegen kann Aufschluss über die Kompaktierung des gesamten Litzenpakets geben, wird jedoch durch die Präsenz des Kupfer-Terminals und dessen schlechtes Durchdringungsvermögen für die Röntgenstrahlung begrenzt, so wie es beispielhaft in 2 zu erkennen ist. Da somit nur die Analyse in der Profilansicht möglich ist, kann auch hier keine ausreichende Aussage über die Anbindungsfläche getroffen werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und insbesondere ein Verfahren und ein System bereitzustellen, die eine präzise Bestimmung der Anbindungsfläche zweier durch ein Pressschweissen verbundener Teile aus verschiedenen Metallen erlauben. Bevorzugt sollen das Verfahren und das System auch eine Analyse der Kompaktierung mindestens eines der Teile, insbesondere einer Litze, ermöglichen, insbesondere über deren gesamten Querschnitt.
Diese und weitere Aufgaben werden in einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Anbindungsfläche zweier durch ein Pressschweissen in einem Kontaktbereich verbundener Teile aus verschiedenen Metallen. Wie eingangs erläutert wurde, kann das Pressschweissen beispielsweise ein Ultraschallschweissen sein. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte:

a) Erhitzen oder Abkühlen der Teile zumindest im Kontaktbereich zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche;
b) Trennen der verbundenen Teile, wodurch an mindestens einer der Anbindungsflächen eine Anhaftungsfläche entsteht, an der Anhaftungen des jeweils anderen Teils vorliegen;
c) Bestimmung der Anbindungsfläche durch Bestimmung der Anhaftungsfläche.

Wie sich überraschend gezeigt hat und im Folgenden noch näher erläutert wird, kann durch das Erhitzen oder Abkühlen der Teile im Schritt a) nach dem Trennen im Schritt b) eine gut erkennbare Anhaftungsfläche erreicht werden, die überdies mit der Anbindungsfläche übereinstimmt. Die Bestimmung der Anbindungsfläche im Schritt c) kann die Bestimmung der Form der Anbindungsfläche und/oder die Bestimmung der Grösse der Anbindungsfläche (beispielsweise in mm²) umfassen.
Die Paarung aus den Metallen des ersten und des zweitens Teil sollte zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche geeignet sein und kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus Aluminium/Kupfer, Aluminium/Nickel, Stahl/Aluminium, Aluminium/Eisen, Titan/Aluminium, oder umgekehrt. Mindestens eines der Teile kann eine metallische Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann ein Terminal aus Kupfer eine Beschichtung aus Nickel aufweisen. Die Paarung aus dem ersten Teil und dem zweiten Teil kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer Litze/einem Terminal, einer ersten Litze/einer zweiten Litze, einem ersten Terminal/einem zweiten Terminal, einem ersten Blech/einem zweiten Blech, oder umgekehrt. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Teil um eine Litze aus Aluminium handeln und bei dem zweiten Teil um ein Terminal aus Kupfer, oder beim ersten Teil kann es sich um eine erste Litze aus Aluminium handeln und beim zweiten Teil um eine zweite Litze aus Kupfer.
In einer ersten Variante des Verfahrens erfolgt im Schritt a) ein Erhitzen der Teile. Ohne dass die Erfindung darauf zu beschränken wäre, wird derzeit davon ausgegangen, dass das Verfahren aufgrund der folgenden beim Erhitzen stattfindenden Mechanismen eine präzise Bestimmung der Anbindungsfläche ermöglicht: Das Erhitzen beschleunigt Diffusionsvorgänge im Kontaktbereich. Hierbei kommt es für zahlreiche praxisrelevante Werkstoffpaarungen zur Ausbildung spröder, intermetallischer Phasen. Übersteigen diese Phasen eine kritische Schichtdicke, kommt es resultierend aus der metallurgischen Kerbwirkung schon bei geringer mechanischer Belastung, die beim Trennen der verbundenen Teile im Schritt b) entsteht, zu einem Versagen der Verbindung, wodurch an mindestens einer der Anbindungsflächen eine Anhaftungsfläche entsteht, an der Anhaftungen des jeweils anderen Teils vorliegen. Diese Anhaftungsfläche stellt gleichzeitig die ursprüngliche Anbindungsfläche zwischen den Teilen dar, da es nur im Bereich einer stoffschlüssigen Anbindung auf Atomebene zu derartigen Diffusionsmechanismen kommen kann.
Die Dauer des Erhitzens und die Temperatur hängen von der Metallpaarung und dem Grad der Diffusion ab. Mit möglichen Ausnahmen können in gewissem Rahmen niedrigere Temperaturen mit kürzeren Dauern kompensiert werden und umgekehrt.
In Abhängigkeit von der Metallpaarung und der Temperatur erfolgt das Erhitzen im Schritt a) in vielen Fällen für mindestens 15 min, in einigen Fällen mindestens 1 h, in einzelnen Fällen mindestens 24 h. Auch in Abhängigkeit von der Metallpaarung und der Temperatur erfolgt das Erhitzen im Schritt a) in vielen Fällen für höchstens 5 d, in einigen Fällen höchstens 60 h, in einzelnen Fällen höchstens 10 h, in besonderen Fällen höchstens 4 h. Beispielsweise kann das Erhitzen für eine Dauer im Bereich von 15 min bis 4 h, im Bereich von 15 min bis 10 h, im Bereich von 1 h bis 60 h oder im Bereich von 1 d bis 5 d erfolgen.
In Abhängigkeit von der Metallpaarung und der Dauer erfolgt das Erhitzen in vielen Fällen auf eine Temperatur von mindestens 120°C, in einigen Fällen von mindestens 300°C, in einzelnen Fällen von mindestens 350°C, in besonderen Fällen von mindestens 500°C. Auch in Abhängigkeit von der Metallpaarung und der Dauer erfolgt das Erhitzen in vielen Fällen auf eine Temperatur von höchstens 550°C, in einigen Fällen von höchstens 500°C, in einzelnen Fällen von höchstens 400°C, in besonderen Fällen von höchstens 250°C. Beispielsweise kann das Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 350°C bis 400°C, im Bereich von 300°C bis 400°C, im Bereich von 120°C bis 250°C, im Bereich von 350°C bis 500°C oder im Bereich von 500°C bis 550°C erfolgen.

Für einige spezielle Metallpaarungen haben sich die folgenden Dauern und Temperaturen als geeignet erwiesen:

Metallpaarung	Dauer	Temperatur
Stahl/Aluminium	15 min–10 h	350°C–400°C
Eisen/Aluminium	15 min–10 h	350°C–400°C
Nickel/Aluminium	1 h–60 h	300°C–400°C
Kupfer/Aluminium (Variante 1)	1 d–5 d	120°C–250°C
Kupfer/Aluminium (Variante 2)	1 h–60 h	350°C–500°C
Kupfer/Aluminium (Variante 3)	15 min–4 h	500°C–550°C

Wie sich in Versuchen gezeigt hat, können in vielen Fällen bei ausreichender Temperatur im Schritt a) die beiden Teile im Schritt b) per Hand voneinander getrennt werden und somit im mechanisch kaum belasteten bzw. unbelasteten Zustand vorliegen. Für Verbindungen aus einer Litze und einem Terminal ergibt sich hierbei zusätzlich der Vorteil, dass auch die kompaktierte Litze in vergleichsweise unbelastetem Zustand vorliegt und die Kompaktierung durch Röntgenanalyse bewertet werden kann, und zwar auch in einer Draufsicht. Es versteht sich, dass die Temperatur im Schritt a) unterhalb der Schmelztemperatur der Werkstoffe der beiden Teile liegen sollte.
Die Bestimmung der Anhaftungsfläche im Schritt c) kann beispielsweise durch das unterschiedliche farbliche Erscheinungsbild der Phasen erfolgen. Die Bestimmung der Anhaftungsfläche kann beispielsweise durch eine Sichtprüfung vollzogen werden.
Alternativ kann die Bestimmung der Anhaftungsfläche mithilfe eines an sich bekannten Bildverarbeitungssystems erfolgen, was in aller Regel präziser ist als eine reine Sichtprüfung. Das Bildverarbeitungssystem kann eine Kamera enthalten, mit der der Kontaktbereich optisch erfasst werden kann, sowie eine Auswerteeinheit, mit der der von der Kamera erfasste Kontaktbereich ausgewertet werden kann, um die Anhaftungsfläche und damit die Anbindungsfläche rechnerisch zu bestimmen. Das vom anderen Teil getrennte Teil, dessen Anhaftungsfläche bestimmt wird, kann von einer Halterung gehalten werden, während sein Kontaktbereich von der Kamera erfasst wird. Bei der Kamera kann es sich auch um eine Wärmebildkamera handeln.
Um einen höheren Kontrast und damit eine präzisere Bestimmung der Anbindungsfläche zu ermöglichen, können Leuchtmittel zum Beleuchten des Kontaktbereichs vorgesehen sein. Zum gleichen Zweck kann alternativ oder zusätzlich nach dem Trennen und vor der optischen Erfassung eine geeignete Substanz auf den Kontaktbereich aufgetragen werden, wie beispielsweise ein Ätzmittel.
Die Auswerteeinheit kann anhand von vorgegebenen Toleranzbereichen eine Einteilung der Verbindungen in zwei oder mehr Qualitätsstufen vornehmen, beispielsweise in gute Verbindungen und schlechte Verbindungen. Die Toleranzbereiche können beispielsweise durch Schwellenwerte der Grösse der Anbindungsfläche definiert sein. So können etwa Verbindungen mit einer vorgegebenen minimalen Grösse der Anbindungsfläche als gut beurteilt werden und Verbindungen mit geringerer Grösse der Anbindungsfläche als schlecht. Die Toleranzbereiche können von den verschweissten Teilen, insbesondere von deren Form und Material, abhängig sein.
In einer zweiten Variante des Verfahrens erfolgt im Schritt a) ein Abkühlen der Teile. Ohne dass die Erfindung darauf zu beschränken wäre, wird derzeit davon ausgegangen, dass das Verfahren aufgrund der folgenden beim Abkühlen stattfindenden Mechanismen eine präzise Bestimmung der Anbindungsfläche ermöglicht: Durch die Abkühlung wird die Duktilität der Teile reduziert und die Sprödheit der Teile erhöht. Beim nachfolgenden Trennen im Schritt b), welches bevorzugt durch eine Scherung erfolgt, ist die Verformbarkeit der Teile aufgrund der Abkühlung so stark reduziert, dass der Abbau der auftretenden Spannungen nicht über eine Verformung der Teile erfolgen kann. Auf diese Weise wird ein Aufbiegen vermieden. Die Verbindung versagt ohne nennenswerte Verformung in der Fügeebene. Anschliessend kann im Schritt c) die Anbindungsfläche durch Bestimmung der Anhaftungsfläche bestimmt werden, beispielsweise durch eine Sichtprüfung oder mithilfe eines Bildverarbeitungssystems, wie oben bereits ausgeführt wurde.
Um die genannten Effekte durch Kühlung zu erzielen, kann im Schritt a) beispielsweise ein Abkühlen für mindestens 0,5 min, bevorzugt mindestens 1 min erfolgen. Das Abkühlen kann auf eine Temperatur im Bereich von –20°C bis –80°C, bevorzugt im Bereich von –40°C bis –80°C erfolgen. Dies lässt sich beispielsweise durch Besprühen mit einem CO₂-Strahl oder durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff erreichen. Das Trennen der verbundenen Teile im Schritt b) sollte möglichst unmittelbar nach dem Abkühlen im Schritt a) erfolgen, damit die Temperatur beim Trennen möglichst noch immer in diesem Bereich liegt und die Sprödheit ausgenutzt werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Anbindungsfläche zweier durch ein Pressschweissen, insbesondere ein Ultraschallschweissen, in einem Kontaktbereich verbundener Teile aus verschiedenen Metallen. Das System enthält

– Mittel zum Erhitzen oder Abkühlen der Teile zumindest im Kontaktbereich zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche;
– Mittel zur Bestimmung einer Anhaftungsfläche, die beim Trennen an mindestens einer der Anbindungsflächen entsteht und an der Anhaftungen des jeweils anderen Teils vorliegen, wobei die Mittel zur Bestimmung der Anhaftungsfläche ein Bildverarbeitungssystem umfassen.

Mit einem solchen System können das oben beschrieben Verfahren durchgeführt und die im Zusammenhang damit erläuterten Vorteile erreicht werden.
Die Mittel zum Erhitzen können beispielsweise durch einen Ofen gebildet sein.
Wie oben bereits erläutert wurde, kann das Bildverarbeitungssystem eine Kamera enthalten, mit der der Kontaktbereich optisch erfasst werden kann, sowie eine Auswerteeinheit, mit der der von der Kamera erfasste Kontaktbereich ausgewertet werden kann, um die Anhaftungsfläche und damit die Anbindungsfläche rechnerisch zu bestimmen. Ferner kann das Bildverarbeitungssystem Leuchtmittel zum Beleuchten des Kontaktbereichs enthalten, die einen höheren Kontrast und damit eine präzisere Bestimmung der Anbindungsfläche ermöglichen. Weiterhin kann das System eine Halterung umfassen, von dem das vom anderen Teil getrennte Teil haltbar ist, während sein Kontaktbereich von der Kamera erfasst wird. Bei der Kamera kann es sich auch um eine Wärmebildkamera handeln.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
1a: ein Foto eines mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Querschliffs einer Litze-Terminal-Verbindung;
1b: ein Foto einer mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Profilansicht der Litze-Terminal-Verbindung;
2: eine mit einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Profilansicht einer Litze-Terminal-Verbindung in einem Röntgenbild;
3a: ein Foto einer Verbindung nach dem Ultraschallschweissen vor einer Erhitzung;
3b: ein Foto der nach der Erhitzung getrennten Verbindung;
4: eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens mit Erhitzung;
5a: Röntgenaufnahmen einer Litze nach Erhitzung und Trennung von einem Terminal und Darstellung zur Bestimmung der Anbindungsfläche;
5b: eine Darstellung zur Abhängigkeit der Anbindungsfläche und der Trennkraft von der Schweisszeit;
6: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Systems mit Mitteln zum Erhitzen und einem Bildverarbeitungssystem.
Die 1a, 1b und 2 zu den herkömmlichen Verfahren wurden bereits oben beschrieben.
In 3a ist eine durch ein Ultraschallschweissen in einem Kontaktbereich 13 entstandene Verbindung aus zwei Teilen 10, 11 dargestellt. Beim ersten Teil 10 handelt es sich um Litze aus Aluminium (Werkstoff EN AW-1070/EN AW-Al 99,5) mit einem Querschnitt von 50 mm² und beim zweiten Teil 11 um ein Terminal aus Kupfer (Werkstoff E-Cu) mit einer Dicke von 3 mm, einer Breite von 22 mm und einer Länge von 50 mm. Diese Verbindung wurde in einem Schritt a) für 45 h auf eine Temperatur von 350°C erhitzt. Anschliessend war in einem Schritt b) eine Trennung der Litze 10 vom Terminal 11 per Hand möglich. Es ergab sich die in 3b wiedergegebene getrennte Verbindung. Am Terminal 11 war im Kontaktbereich 13 eine Anhaftungsfläche 12 entstanden, an der Anhaftungen der Litze 10 vorlagen. Diese Anhaftungsfläche 12 ist identisch zur Anbindungsfläche 12.
4 enthält eine schematische Darstellung des Verfahrens. Im ganz links dargestellten ersten Bild erfolgt ein Ultraschallschweissen der beiden Teile 10, 11, welches nicht zwingend zum erfindungsgemässen Verfahren gehört. Im zweiten Bild ist visualisiert, wie sich bei der Erwärmung im Schritt a) eine intermetallische Phase bildet – allerdings nur in einer Anbindungsfläche 12, in dem die beiden Teile 10, 12 tatsächlich in Kontakt miteinander sind. Das Trennen der beiden Teile 10, 11 im Schritt b) ist im dritten Bild zu erkennen. Schliesslich zeigt das vierte Bild die Anhaftungsflächen 12 in einer Draufsicht, die durch eine Sichtprüfung oder mithilfe eines Bildverarbeitungssystems bestimmt werden kann.
5a zeigt in der unteren Bildhälfte Fotos von zwei Aluminium-Litzen 10 mit einem Querschnitt von 50 mm², die während einer Schweisszeit von 0,8 s (links) bzw. 1,2 s durch Ultraschallschweissen mit einem Kupfer-Terminal (Dicke 3 mm, Breite 22 mm, Länge 50 mm) verbunden und anschliessend erfindungsgemäss erhitzt und dann getrennt wurden. Das Ultraschallschweissen erfolgte mit einer Amplitude von 16 μm und einer Schweisskraft von 1,4 kN. Das Erhitzen wurde für 45 min bei 350°C in einem Ofen vollzogen. In der oberen Bildhälfte der 5a sind Röntgenaufnahmen der zugehörigen Kupfer-Terminals 11 gezeigt. Darin sind auch die mittels eines Bildverarbeitungssystems bestimmten Grössen der Anhaftungsflächen 12 dargestellt, also 62 mm² für eine Schweisszeit von 0,8 s und 78 mm² für eine Schweisszeit von 1,2 s.
In 5b sind für verschiedene Schweisszeiten (nämlich 0,6 s, 0,8 s, 1 s und 1,2 s) die zum Trennen der Teile erforderliche Trennkräfte (linke vertikale Achse) und die bestimmte Anbindungsfläche (rechte vertikale Achse) aufgetragen. Wie erwartet, steigen die Trennkraft und die Anbindungsfläche mit wachsender Schweisszeit. Entgegen den bisher eingesetzten Prüfmethoden kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren aber auch eine quantitative Korrelation von Kompaktierung, Anbindungsfläche und Trennkraft bestimmt werden, um für praktische Anwendungen einen optimierten Verbindungszustand und neue Erkenntnisse zu den Wechselwirkungen der Prozessparameter zu erlangen.
6 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes System 20 zur Bestimmung der Anbindungsfläche zweier durch ein Ultraschallschweissen in einem Kontaktbereich verbundener Teile 10, 11. Dieses System 20 enthält einen Ofen 21, der Mittel zum Erhitzen der Teile 10, 11 im Kontaktbereich 13 und dadurch zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche 12 darstellt. Weiterhin enthält das System 20 ein Bildverarbeitungssystem 22, mit dem eine durch das Erhitzen und Trennen entstandene Anhaftungsfläche 12 bestimmt werden kann. Hierzu umfasst das Bildverarbeitungssystem 22 eine Kamera 23, mit der der Kontaktbereich 13 optisch erfasst werden kann, sowie eine Auswerteeinheit 24, mit der der von der Kamera 23 erfasste Kontaktbereich 13 ausgewertet werden kann, um die Anhaftungsfläche 12 und damit die Anbindungsfläche 12 rechnerisch zu bestimmen. Während der Erfassung durch die Kamera 23 wird das vom anderen Teil 10 getrennte Teil 11 von einer Halterung 26 des Systems 20 gehalten. Ferner enthält das Bildverarbeitungssystem 22 Leuchtmittel 25 zum Beleuchten des Kontaktbereichs 13, die einen höheren Kontrast und damit eine präzisere Bestimmung der Anbindungsfläche 12 ermöglichen. Die Auswerteeinheit 24 kann anhand von vorgegebenen Toleranzbereichen eine Einteilung der Verbindungen in zwei oder mehr Qualitätsstufen vornehmen, beispielsweise in gute Verbindungen und schlechte Verbindungen. So können etwa Verbindungen mit einer vorgegebenen minimalen Grösse der Anbindungsfläche als gut beurteilt werden und Verbindungen mit geringerer Grösse der Anbindungsfläche als schlechte Verbindungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004028788 B4 [0003]
DE 3719083 C1 [0003]
DE 102008058047 A1 [0003]
EP 2227347 B1 [0003]
EP 0208310 B1 [0004]
WO 2008/031823 A1 [0004]
EP 1031021 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN AW-1070 [0038]
EN AW-Al 99,5 [0038]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Anbindungsfläche (12) zweier durch ein Pressschweissen, insbesondere ein Ultraschallschweissen, in einem Kontaktbereich (13) verbundener Teile (10, 11) aus verschiedenen Metallen, enthaltend die folgenden Schritte: a) Erhitzen oder Abkühlen der Teile (10, 11) zumindest im Kontaktbereich (13) zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche (12); b) Trennen der verbundenen Teile (10, 11), wodurch an mindestens einer der Anbindungsflächen (12) eine Anhaftungsfläche (12) entsteht, an der Anhaftungen des jeweils anderen Teils (11, 10) vorliegen; c) Bestimmung der Anbindungsfläche (12) durch Bestimmung der Anhaftungsfläche (12).
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein Erhitzen für eine Dauer im Bereich von 15 min bis 5 d erfolgt, beispielsweise im Bereich von 15 min bis 4 h, im Bereich von 15 min bis 10 h, im Bereich von 1 h bis 60 h oder im Bereich von 1 d bis 5 d.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 120°C bis 550°C erfolgt, beispielsweise im Bereich von 350°C bis 400°C, im Bereich von 300°C bis 400°C, im Bereich von 120°C bis 250°C, im Bereich von 350°C bis 500°C oder im Bereich von 500°C bis 550°C.
Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein Abkühlen für mindestens 0,5 min, bevorzugt mindestens 1 min erfolgt.
Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein Abkühlen auf eine Temperatur im Bereich von –20°C bis –80°C, bevorzugt im Bereich von –40°C bis –80°C erfolgt.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung im Schritt b) durch eine Scherung erfolgt.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Anhaftungsfläche (12) im Schritt c) durch eine Sichtprüfung erfolgt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Anhaftungsfläche (12) im Schritt c) mithilfe eines Bildverarbeitungssystems (22) erfolgt.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarung aus den Metallen des ersten Teils (10) und des zweitens Teils (11) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Aluminium/Kupfer, Aluminium/Nickel, Stahl/Aluminium, Aluminium/Eisen, Titan/Aluminium, oder umgekehrt.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paarung aus dem ersten Teil (10) und dem zweiten Teil (11) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer Litze/einem Terminal, einer ersten Litze/einer zweiten Litze, einem ersten Terminal/einem zweiten Termin, einem ersten Blech/einem zweiten Blech, oder umgekehrt.
Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten b) und c) zur Erhöhung des Kontrasts eine Substanz auf den Kontaktbereich (13) aufgetragen wird, insbesondere ein Ätzmittel.
System (20) zur Bestimmung der Anbindungsfläche (12) zweier durch ein Pressschweissen, insbesondere ein Ultraschallschweissen, in einem Kontaktbereich (13) verbundener Teile (10, 11) aus verschiedenen Metallen, enthaltend: – Mittel (21) zum Erhitzen oder Abkühlen der Teile (10, 11) zumindest im Kontaktbereich (13) zur Bildung einer spröden Phase an der Anbindungsfläche (12); – Mittel zur Bestimmung einer Anhaftungsfläche (12), die beim Trennen an mindestens einer der Anbindungsflächen (12) entsteht und an der Anhaftungen des jeweils anderen Teils (11, 10) vorliegen, wobei die Mittel zur Bestimmung der Anhaftungsfläche (12) ein Bildverarbeitungssystem (22) umfassen.
System (20) gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildverarbeitungssystem (22) eine Kamera (23) enthält, mit der der Kontaktbereich (13) optisch erfassbar ist, sowie eine Auswerteeinheit (24), mit der der von der Kamera (23) erfasste Kontaktbereich (13) auswertbar ist, um die Anhaftungsfläche (12) und damit die Anbindungsfläche (12) rechnerisch zu bestimmen.
System (20) gemäss Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (20) eine Halterung (26) umfasst, von dem das vom anderen Teil (11, 10) getrennte Teil (10, 11) haltbar ist, insbesondere eine Litze (10), ein Terminal (11) oder ein Blech, während der Kontaktbereich (13) des Teils (10) von der Kamera (23) erfasst wird.
System (20) gemäss einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildverarbeitungssystem (22) Leuchtmittel (25) zum Beleuchten des Kontaktbereichs (12) enthält.