SB_15.710NLP

2010
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Grundlegende Untersuchung
zur Kontaktsituation beim
Widerstandsschweißen von
Kupferwerkstoffen

Grundlegende Untersuchung zur
Kontaktsituation beim
Widerstandsschweißen von
Kupferwerkstoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 15.710 N
DVS-Nr.: 04.046
Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 15.710 N / DVS-Nr.: 04.046 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
© 2010 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 177
Bestell-Nr.: 170286
ISBN: 978-3-96870-176-9
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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- I -
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ............1
1.1 Beschreibung der Ausgangssituation .........................................................1
2 Vorhabensziele und Vorhabensdurchführung ...............................................2
3 Stand der Technik .............................................................................................4
3.1 Numerische Simulation von Widerstandsschweißungen ............................5
3.2 Elektrische Widerstände beim Widerstandsschweißen ..............................6
3.3 Bestimmung der Kontaktfläche A a ..............................................................9
3.3.1. Elastisch-plastisches Werkstoffverhalten....................................................9
3.3.2. Elastisch-plastisches Werkstoffverhalten mit Reibung..............................11
4 Untersuchte Werkstoffe und Halbzeuge .......................................................12
4.1 Charakterisierung der Buckelbleche und des Kontaktprofils.....................19
5 Aufbau und Durchführung der Widerstandsmessung.................................23
5.1 Mechanischer Aufbau ...............................................................................23
5.1.1. Prüfeinrichtung zur Kraftaufbringung ........................................................23
5.1.2. Prüfelektroden ..........................................................................................23
5.2 Messaufbau und Durchführung der Messung...........................................24
5.2.1. Widerstandsmessung mit Präzisionswiderstandsmessgerät ....................25
5.2.2. Widerstandsmessung bei rampenförmigem Stromimpuls.........................30
5.2.3. Widerstandsmessung beim Schweißen....................................................34
6 Grundlegende Untersuchungen auf der Basis von FE-Simulation.............36
6.1 Mechanisch-elektrisch-thermische Kopplung ...........................................36
6.2 Modellierung .............................................................................................36
6.3 Werkstoffkennwerte ..................................................................................39
6.4 Randbedingungen und Annahmen ...........................................................40
6.5 Kontaktwiderstandsmodell........................................................................40
6.5.1. Kontaktwiderstand als Funktion von Kontaktdruck und Temperatur.........41
6.5.2. Kontaktwiderstand als Funktion der Zeit...................................................41
7 Grundlagen der Widerstandsmessung .........................................................43
7.1 Einfluss von Prüfkraft, Elektroden und Blechen auf die Kontaktfläche......43
7.2 Messung des Systemwiderstands ............................................................49
7.3 Reinigung der Prüfelektroden ...................................................................51
8 Ergebnisse der Widerstandsmessungen......................................................53

- II -
8.1 Widerstandsmessungen mit Präzisionswiderstandsmessgerät ................53
8.1.1. Messungen an planen Blechen ................................................................54
8.1.2. Messungen an Buckelblechen..................................................................65
8.1.3. Messungen an Kontaktprofil .....................................................................68
8.2 Widerstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls.....................70
8.2.1. Messungen an planen Blechen ................................................................70
8.2.2. Messungen an Buckelblechen..................................................................82
8.2.3. Messungen an Kontaktprofil .....................................................................88
8.3 Widerstandsmessungen bei Schweißversuchen ......................................92
8.3.1. Schweißversuche an planen Blechen.......................................................94
8.3.2. Schweißversuche an Buckelblechen ......................................................101
8.3.3. Schweißversuche an Kontaktprofil..........................................................107
9 Anwendung des zeitbasierten Kontaktwiderstandsmodells bei der FE-
Simulation des Widerstandsschweißprozesses.........................................109
9.1 FE-Simulation des Punktschweißprozesses für Bleche aus CuZn37 .....110
9.2 FE-Simulation des Punktschweißprozesses für Bleche aus Cu-ETP .....117
10 Prüfanweisung zur Durchführung von
Übergangswiderstandsmessungen an Kupferwerkstoffen.......................124
10.1 Geltungsbereich......................................................................................124
10.2 Messaufbau und Durchführung der Messung.........................................124
10.2.1. Messaufbau bei planen Blechen.............................................................124
10.2.2. Messaufbau zur Ermittlung der Gesamtwiderstandsanteile bei der
Zweiblechmessung .................................................................................126
10.2.3. Messaufbau bei Buckelblechen und Kontaktprofilen ..............................127
10.2.4. Probenentnahme und Vorbereitung der Messung ..................................127
10.2.5. Durchführung der Messung bei konstantem Prüfstrom in Anlehnung
an DIN EN ISO 18594 ............................................................................128
10.2.6. Durchführung der Messung bei ansteigendem Prüfstrom (Stromrampe)131
11 Betrachtung zur Messunsicherheit .............................................................135
11.1 Messunsicherheit bei der Messung mit konstantem Prüfstrom...............135
11.2 Ermittlung der Messunsicherheit.............................................................136
11.2.1. Gemessener Widerstand ........................................................................136
11.2.2. Fehler durch eine Elektrodenkraftabweichung........................................138
11.2.3. Fehler durch Messzeitabweichungen .....................................................141
11.2.4. Fehler durch eine Ballenradiusabweichung ............................................141
11.3 Ergebnis der Messunsicherheitsberechnung..........................................142
12 Voraussichtliche Nutzung und Umsetzung der Forschungsergebnisse .146
12.1 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und
Wettbewerbsfähigkeit der kmU...............................................................146
12.2 Beabsichtigte Umsetzung der Forschungsergebnisse............................147

- III -
13 Zusammenfassung .......................................................................................148
14 Literatur .........................................................................................................149
Anhang A
Anhang B
Untersuchte Blechhalbzeuge
Technische Daten des Widerstandsmessgeräts

- IV -

- 1 -
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Beschreibung der Ausgangssituation
Der Trend in der Elektrotechnik, Sensorik und Informationstechnologie zu kleineren,
leichteren und nicht zuletzt kostengünstigeren Produkten ist ungebrochen. Bei zunehmender
Miniaturisierung bzw. höherer Leistungsdichte (Stichwort: 42V-Bordnetz)
steigen dabei die Anforderungen an die Präzision sowie die mechanische und thermische
Belastbarkeit der Bauteile. Dazu müssen innerhalb der Baugruppen unterschiedliche,
der Funktion und Belastung angepasste Werkstoffe verwendet werden
/1/. Die weiter reduzierte Schweißeignung der zu fügenden hochleitenden Kupferwerkstoffe
(beschichtet, unbeschichtet) sowie die zunehmende Miniaturisierung erfordern
eine weiterführende Qualifizierung der Widerstandsschweißtechnologie für
diese Anwendungsbereiche.
Die Widerstandsschweißbarkeit von Halbzeugen aus Kupferwerkstoffen wird maßgeblich
durch die Übergangswiderstände bestimmt /2-4/. In dem Merkblatt DVS 2929
(Ausgabe: 2001-09) /5/ wird die Vorgehensweise zur Messung von Übergangswiderständen
an Blechen aus Aluminiumwerkstoffen beschrieben. Auf der Basis der Forschungsergebnisse
aus Vorhaben IGF-Nr. 12.617 N /6,7/ wurde die Norm ISO 18594
“Resistance spot-, projection- and seam-welding – Method for determining the transition
resistance on aluminium and steel material” sowie die Merkblätter DVS 2929-1
und 2929-3 /42,43/ zur Messung des Übergangswiderstands an Halbzeugen aus
Stahl- und Aluminiumwerkstoffen erstellt. Zur Beschreibung der Kontaktsituation und
der Übergangswiderstände beim Widerstandsschweißen von Kupferwerkstoffen fehlte
bisher eine entsprechende Grundlage.
Vor diesem Hintergrund und um entsprechende Maßnahmen zur Qualitätssicherung
treffen zu können, bestand ein Bedarf für eine grundlegende Untersuchung zur
messtechnischen Erfassung und quantitativen Bewertung der einzelnen Einflussgrößen
auf die Kontaktverhältnisse bzw. auf den Kontaktwiderstand beim Widerstandsschweißen
von Kupferwerkstoffen.

- 2 -
2 Vorhabensziele und Vorhabensdurchführung
Von besonderer Bedeutung für das Vorhaben war die Erarbeitung einer geeigneten
Messmethode und des zugehörigen Regelwerks (Norm-, Merkblattentwurf), mit der
sich die Übergangswiderstände an Halbzeugen aus Kupferwerkstoffen mit oder ohne
Oberflächenveredelung für unterschiedliche Randbedingungen bestimmen lassen.
Diese Messmethode und die zu definierenden Kennwerte waren für Maßnahmen der
Qualitätssicherung (Bereiche: Wareneingangsprüfung, Arbeitsvorbereitung und Fertigungsüberwachung)
und für die numerische Prozesssimulation von Widerstandsschweißungen
an Kupferwerkstoffen im Bereich Forschung und Entwicklung nutzbar
zu machen.
Generell sollte eine Reduzierung des experimentellen Aufwands zur Beschreibung
der Kontaktsituation an den Kontaktstellen zwischen Elektroden und Fügeteilen sowie
zwischen den Fügeteilen selbst auf das für o. g. Qualitätssicherungsmaßnahmen
bzw. für eine zuverlässige numerische Simulation von Widerstandsschweißungen erforderliche
Maß erreicht werden.
Es galt die Prüftechnik im Bereich der Qualitätssicherung (Übergangswiderstandsmessung)
weiterzuentwickeln und falls möglich, neue Anwendungsbereiche für das
Widerstandsschweißen zu eröffnen. Weiter sollten die Verfahren zur numerischen
Simulation von Widerstandsschweißungen weiterentwickelt und hierfür eine zuverlässige
Datenbasis für den Übergangswiderstand geschaffen werden.
Ausgehend von einer Beschreibung der Werkstoff- und Fügeteileigenschaften wurden
systematische Untersuchungen zur Darstellung der Kontaktverhältnisse beim
Aufsetzen der Elektroden („kalter Werkstoffzustand“) und beim Schweißen („warmer
Werkstoffzustand“) durchgeführt. Ausgewählte Arbeitsschritte, die zur Entwicklung
verfeinerter Prüfmethoden und zur Erfassung der Kontaktverhältnisse beim Schweißen
führten, wurden von numerischer Simulation begleitet, Abb. 2.1.
Widerstand / µΩ
160
120
80
40
0
Gesamtwiderstand
(gemessen Rs + Rk)
Kontaktwiderstand Rk
Strukturwiderstand Rs
(FE-Simulation, Rk = 0)
0 5 10 15 20 25
Zeit / ms
FE-Netz
Abb. 2.1: Untersuchung der Kontaktsituation (Messung und numerische Simulation)
Für die Versuchsdurchführung standen geeignete Prüfeinrichtungen und Widerstandsschweißeinrichtungen
zur Verfügung. Die Qualität der Fügeverbindungen wurde
an Hand mechanisch-technologischer Prüfungen, metallographischer Schliffunter-

- 3 -
suchungen und Bruchflächenuntersuchungen dargestellt. Im Einzelnen wurden eine
Reihe seitens der beteiligten Industrie in das Vorhaben eingebrachter Werkstoffe und
Oberflächenmodifikationen untersucht.
Als Ergebnis der Synergie aus Experiment und numerischer Prozesssimulation wurden
die erforderlichen Grundlagen für die Modellentwicklung (Kontaktmodell) und die
Mess- und Prüfmethoden zur Erfassung von Kennwerten zur quantitativen Beschreibung
der Kontaktsituation beim Widerstandsschweißen erarbeitet.
Die Ergebnisse der Untersuchung sind Basis für die Erstellung eines DVS-Merkblatts
zur „Übergangswiderstandsmessung an Kupferwerkstoffen“ der AG V 3.3 „Widerstandsschweißen
in Elektrotechnik und Feinwerktechnik“ des DVS.