SB_20813NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Dauerfeste Litze-Ableiter-
Verbindungen mit
verbesserten elektrischen
Eigenschaften mittels
Magnetimpulsschweißen

Dauerfeste Litze-Ableiter-
Verbindungen mit verbesserten
elektrischen Eigenschaften
mittels
Magnetimpulsschweißen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.813 N
DVS-Nr.: 05.3153
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und Fügende
Fertigungsverfahren
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.813 N / DVS-Nr.: 05.3153 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
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 568
Bestell-Nr.: 170678
ISBN: 978-3-96870-568-2
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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Schlussbericht vom 03.05.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 20.813 N
Thema
Dauerfeste Litze-Ableiter-Verbindungen mit verbesserten elektrischen Eigenschaften mittels
Magnetimpulsschweißen
Berichtszeitraum
01.02.2020 – 31.10.2022
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Forschungseinrichtung:
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren (tff)
Kurt-Wolters-Straße 3, 34125 Kassel

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.813 N
Inhaltsverzeichnis
Thema 1
Berichtszeitraum 1
Forschungsvereinigung 1
Forschungseinrichtung(en) 1
Förderhinweis und Danksagung 3
Kurzzusammenfassung des Forschungsvorhabens 4
Inhaltsverzeichnis 6
Abbildungsverzeichnis 8
Tabellenverzeichnis 13
Angaben zu den aus der Zuwendung finanzierten Ausgaben 14
Verwendung der Zuwendungen durch die Forschungseinrichtung 16
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit 18
Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse für kleine
und mittelständige Unternehmen 19
Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU und
Aussagen zur voraussichtlichen Umsetzung 19
Einschätzung der Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts 20
Einleitung und Motivation des Forschungsvorhabens 22
Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU 25
Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU 27
Stand der Forschung und Entwicklung 27
Vorarbeiten 31
Arbeitshypothesen 33
Lösungsweg 34
Bearbeitungsschritte 35
AP1: Erweiterung und Aktualisierung der Fügepartnerauswahl 35
AP2: Ermittlung der Prozessparameter und der Einflussgrößen 36
AP3: Analyse der Verbindungseigenschaften 37
AP4: Ermittlung der Betriebssicherheit und der Langzeiteigenschaften 38
AP5: Beurteilung der Einsetzbarkeit der aktiven Thermografie zur Qualitätssicherung 39
AP6: Fertigung und Untersuchung der Verbindungseigenschaften von Funktionsmustern
und Benchmark mit weiteren Schweißverfahren 40

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.813 N
AP7: Dokumentation und Berichterstattung 41
Bearbeitung von AP 1 42
Bearbeitung der AP 2 und 3 45
Entwicklung eines geeigneten Versuchsaufbaus für Litzenkabel-Ableiterverbindungen 45
Positionierung von Litzenkabel und Ableiter 47
Analyse der Kompaktierung der hergestellten Litze-Ableiter-Verbindungen 49
Mechanisch-technologische und elektrische Charakterisierung der Litzenkabel-Ableiter-
Verbindungen 56
Metallografische Charakterisierung der Litzenkabel-Ableiter-Verbindungen 75
Bearbeitung von AP 4 83
Methodisches Vorgehen 83
Prüfung Ofenauslagerung 83
Prüfung Spitzenströme 86
Fazit der Langzeituntersuchungen MPW geschweißter Litzenkabel-Ableiter-Verbindungen
90
Bearbeitung von AP 5 92
Thermogramme 12 mm 96
Thermogramme 2X mm 97
Fazit und Ausblick zum Einsatz der Thermografie für mittels MPW hergestellte Litze-
Ableiter-Verbindungen 98
Bearbeitung von AP 6 100
Herstellung der Demonstratoren 102
Charakterisierung der 25 mm² Verbindungen 105
Fazit und Ausblick der bewerteten Demonstratoren 112
Bearbeitung von AP 7 113
Geplante und durchgeführte Maßnahmen während der Projektlaufzeit 113
Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens 114
Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen 116
Literaturverzeichnis 118

Seite 22 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.813 N
Einleitung und Motivation des Forschungsvorhabens
Litze-Ableiter-Verbindungen elektrischer Kontaktierungen werden aktuell insbesondere durch
die Verfahren des Ultraschallschweißens (US) und des Widerstandspunktschweißens (RSW)
hergestellt. Dabei zeigt sich häufig, dass die im Bereich der Elektromobilität seitens der
Hersteller und deren Zuliefern geforderten artfremden Aluminium(Al)-Kupfer(Cu) -
Verbindungen, wie auch artgleiche Al-Al- und Cu-Cu-Verbindungen, die Fügetechnik vor große
Herausforderungen stellen. In der industriellen Praxis zeigen sich hier vor allem Probleme
bezüglich der Querleitfähigkeit (Al-Litzen), unvollständig angebundenen Litzenquerschnitten,
potentielle Korrosionsstellen durch nicht vorhandene Stoffschlüssigkeit der Fügeverbindung
oder die Notwendigkeit von Hilfsstoffen (Al-Al, RSW) (Abbildung 1).
Abbildung 1: Unterschiedliche Schweißverfahren zur Hestellung von Litze-Ableiter-Verbindungen:
a) Al-Al, US; b) Al-Cu, US; c) Cu-Cu, US; d) Al-Al mit Cu-Hilfswerkstoff, RSW
Bei den in der industriellen Praxis außerdem häufig verwendeten, klassischen Crimp-, Schraubund
Klemmverbindungen zeigt sich das Kriechverhalten des Al-Werkstoffes als problematisch,
das zu einem vorzeitigen Versagen der Verbindung führt und die Betriebssicherheit gefährdet.
Des Weiteren sorgt die Oxidschicht-Bildung bei Aluminium an Atmosphäre für eine
verschlechterte elektrische Leitfähigkeit und es kann (vor allem bei form- und kraftschlüssigen
Verbindungen) zu einem Ausfall in Folge von Reibkorrosion im Fügebereich kommen. Der
Aspekt der Querleitfähigkeit der einzelnen Litzen untereinander ist deshalb besonders bei Al-
Litzen zu beachten. Bei der Anwendung des RSW mit Al-Werkstoffen ist außerdem ein
Verkleben der Elektroden durch den zu fügenden Werkstoff zu beobachten. Im Bereich der
klassischen Verbindungstechnik wird diesen speziellen Anforderungen mit einem aufwendigen
Design und anspruchsvollen Montagevorschriften begegnet, zum Teil mit Zusatzwerkstoffen

Seite 23 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.813 N
und Hilfsmitteln zur Erhöhung der Prozessstabilität (vgl. Fronius Deltaspot, [FRO11]). Aus
diesem Grund und durch die Forderung der Industrie nach elektrischen Kontaktierungen, die die
Vorteile der jeweiligen Werkstoffe ausnutzen (z.B. Al: Gewichtsersparnis, Cu: Verringertes
Kriechvermögen), soll im Laufe des Projektes sowohl auf artgleiche Al-Al- und Cu-Cu-
Verbindungen sowie auf Al-Cu-Mischverbindungen eingegangen werden. [LIS06], [PFI17],
[ARO05]
Im Bereich von Al-Cu-Mischkontaktierungen kommen hierbei besondere Anforderungen an die
eingesetzten Fügeverfahren zum Tragen. Diese sind insbesondere:
niedrige Fügetemperaturen zur Begrenzung der Bildung intermetallischer Phasen
(spröde, schlechte Leitfähigkeit mech. Versagen, elektr. Verluste)
kurze Fügezeiten (hohe Ausbringung, kurze Taktzeiten, hohe Werkzeugstandzeiten)
keine / vernachlässigbare Beschädigung der Bauteiloberflächen (bereits isolierte
Bauteile)
Dauerfestigkeit der Verbindung (Beständigkeit gegen Vibrationen)
Hohe Querleitfähigkeit (insbesondere der Al-Litzen untereinander)
Diese Anforderungen werden von den aktuell eingesetzten Fügeverfahren nicht oder nur
unzureichend erfüllt. Bei der Anwendung des US kommt es zu verringerten mechanischen
Festigkeiten bei Temperaturwechseln und Langzeitbelastung. Außerdem sind Aussagen zur
Qualitätssicherung im Prozess kaum möglich. Im Bereich der Schmelzschweißverfahren und
der Lötverbindungen kommt es aufgrund der prozessbedingt hohen Temperaturen zur Bildung
spröder intermetallischer Phasen, die die Verbindungseigenschaften sowohl mechanisch als
auch elektrisch negativ beeinflussen. [RES15], [BRA15], [SOL14], [BRA16], [BRA94]
An dieser Stelle kann das Magnetimpulsschweißen (MPW) als wärmearmes und
stoffschlüssiges Fügeverfahren seine Vorteile ausspielen. Dabei ist zum einen der fehlende
Temperatureintrag in die Fügepartner zu nennen („wärmearmes Schweißverfahren“) wie auch
die berührungslose Wirkweise, die zu langen Standzeiten der Werkzeuge (vgl. z.B.
Elektrodenverschleiß beim RSW) führt. Als weiterer Vorteil kann der Verzicht auf Hilfs- und
Zusatzstoffe und die reduzierte Arbeitsplatzbelastung durch Rauche, Gase oder Verblendung
angeführt werden. Gleichzeitig können durch MPW stoffschlüssige Verbindungen erzielt
werden, die die geforderten mechanisch-technologischen Anforderungen erfüllen können (z.B.
Querleitfähigkeit der Al-Litzen, vollflächige Anbindung über den gesamten Querschnitt).
[KAP15]
Die Notwendigkeit dieser Verbindungen und der damit einhergehenden Fügeprozesse ergibt
sich durch die gesetzlich vorgeschriebenen CO 2-Reduzierungen im Automotive-Bereich, die die

Seite 24 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.813 N
Hersteller zum einen vermehrt zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten zur Gewichts- und
Kostenreduktion zwingen. Zum anderen wird durch den Einsatz von Hybrid- und
Elektrofahrzeugen versucht, den für die gesetzlichen Vorgaben maßgeblichen Flottenausstoß
zu senken. Die steigende Elektrifizierung der Fahrzeuge geht dabei mit einer Erhöhung des
Fahrzeuggewichtes einher, da zusätzliche Komponenten wie elektrische Speichertechnik und
Elektromotoren verbaut werden müssen. Dies wird beim Vergleich der Kupferanteile
unterschiedlicher Antriebskonzepte deutlich (Abbildung 2). Diese Entwicklung kommt besonders
bei Fahrzeugen mit hybriden Antriebskonzepten durch den Einsatz zweier Antriebstechnologien
zum Tragen und widerspricht dem eigentlichen Ziel der Leichtbaukonzepte. An dieser Stelle
wird durch die Substitution von Kupfer durch Aluminium versucht, eine Gewichtseinsparung (bis
50%) zu erzielen. [KAM13], [GUD15], [GUD18]
Abbildung 2: Kupferanteile unterschiedlicher PKW-Antriebssysteme [DEU18]
Um bei höheren Fahrzeuggewichten die durch den Kunden geforderten Fahrleistungen (wie
Geschwindigkeit und Beschleunigung) erfüllen zu können, werden hohe (elektrische)
Leistungen benötigt. Daraus ergeben sich hohe Spannungen (>400V) und elektrische Ströme
(>300A), die im Bereich der Elektrotraktion im Fahrzeug übertragen werden müssen. Durch die
hohen Betriebsspannungen und –ströme zeigt sich eine höhere Gefährdung im Bereich des
Hochvoltbordnetzes, der durch zuverlässige und ausfallsichere Kontaktierungen begegnet
werden muss. Die Erfüllung der gesteigerten Sicherheitsanforderungen, die an das
Gesamtsystem und seine Bauteile gestellt werden, führt gleichzeitig zu einer Steigerung der
Gebrauchstauglichkeit elektrisch angetriebener Fahrzeuge in der Gesellschaft [NAT17].
Angesichts der höheren Masse der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge ist es umso wichtiger,
die Effizienz des Antriebssystems zu verbessern. Hier kann seitens der elektrischen
Verbindungstechnik bei den Übergangswiderständen angesetzt werden.
Grundsätzlich stellt die Übertragung der für die Elektromobilität geforderten elektrischen
Leistungen kein Problem dar. Im Bereich stationärer Anwendungen und im Bereich des
öffentlichen Stromnetzes sind dies übliche Spannungshöhen und Stromstärken. Die
Übertragung der Ströme auf mobile Anwendung (elektrische Fahrzeuge) ruft jedoch besondere