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2023<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Physikalische und<br />
chemische<br />
Charakterisierung der<br />
Emissionen beim<br />
Metall-<br />
Ultraschallschweißen von<br />
Litze-Terminal-<br />
Verbindungen und ihre<br />
toxikologische<br />
Bewertung
Physikalische und chemische<br />
Charakterisierung der<br />
Emissionen beim Metall-<br />
Ultraschallschweißen von Litze-<br />
Terminal-Verbindungen und<br />
ihre toxikologische Bewertung<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 21.568 N<br />
DVS-Nr.: Q6.3373<br />
RWTH Aachen<br />
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik<br />
(ISF)<br />
Universitätsklinikum Aachen<br />
AöR Institut für Arbeits-, Sozial- und<br />
Umweltmedizin<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.568 N / DVS-Nr.: Q6.3373 der Forschungsvereinigung<br />
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,<br />
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen<br />
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund<br />
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 588<br />
Bestell-Nr.: 170698<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Kurzzusammenfassung .................................................................................................. 4<br />
2 Danksagung ................................................................................................................... 6<br />
3 Einleitung ....................................................................................................................... 7<br />
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung ........................................................ 7<br />
3.2 Forschungsziel ....................................................................................................... 9<br />
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ...................................................... 9<br />
4.1 Anlagentechnik und Versuchsstand ....................................................................... 9<br />
4.1.1 Schweißanlage .................................................................................................. 9<br />
4.1.2 Handschuhkasten (Glovebox) ...........................................................................10<br />
4.1.3 Versuchsaufbau zum Litze-Terminal-Schweißen ...............................................12<br />
4.1.4 Prozessdaten & externe Prozesssensorik .........................................................13<br />
4.1.5 Datenbank .........................................................................................................14<br />
4.2 Einrichtungen und Verfahren zur Emissionsmessung ...........................................14<br />
4.3 Versuchsplanung und Versuchswerkstoffe ............................................................17<br />
4.3.1 Versuchsplanung ..............................................................................................17<br />
4.3.2 Charakterisierung der Versuchswerkstoffe ........................................................18<br />
4.4 Charakterisierung der Anlagentechnik und der Glovebox ......................................30<br />
4.5 Versuchsablauf .....................................................................................................33<br />
4.5.1 Parameterstudien / Schweißparameterauswahl ................................................35<br />
4.6 Mechanisch-technologische Eigenschaften der Schweißverbindung .....................38<br />
4.7 Ergebnisse externer Sensorik ...............................................................................52<br />
4.7.1 Temperaturmessung .........................................................................................52<br />
4.7.2 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HS).............................................................55<br />
4.8 Einfluss von Amplitude und Kraft auf das Schweißergebnis ..................................58<br />
4.9 Charakterisierung von Werkzeugveränderungen ..................................................61<br />
4.10 Ermittelte Emissionsdaten .....................................................................................62<br />
4.11 Toxikologische Bewertung der Emissionen beim M-USS ......................................71<br />
4.11.1 In-Vitro-Toxizitätstests ...................................................................................71<br />
4.11.2 Zusammenfassende Bewertung der Emissionen ...........................................74<br />
4.11.3 Vergleich mit anderen Schweißprozessen .....................................................76<br />
4.12 Präventive Maßnahmen ........................................................................................77<br />
5 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................80<br />
6 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ..81
Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N<br />
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse<br />
insbesondere für KMU und industrielle Anwendungsmöglichkeiten ......................................83<br />
8 Verwendung der Zuwendung.........................................................................................84<br />
9 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...........................................85<br />
10 Ergebnistransfer in die Wirtschaft .............................................................................86<br />
11 Durchführende Forschungseinrichtungen .................................................................91<br />
12 Literaturverzeichnis ...................................................................................................91
Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N<br />
3 Einleitung<br />
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung<br />
Das Metall-Ultraschallschweißen (M-USS) ist ein industriell weit verbreitetes Verfahren,<br />
welches aufgrund seiner kurzen Schweißzeiten und guten Automatisierbarkeit sehr<br />
wirtschaftlich ist. Durch den vergleichsweise geringen Energiebedarf sowie den Verzicht auf<br />
spezielle Umgebungsmedien und Zusatzwerkstoffe arbeitet das Verfahren zudem<br />
umweltfreundlich. Des Weiteren werden unzulässige Eigenschaftsänderungen geometrischer<br />
und metallurgischer Natur innerhalb der Fügezone vermieden, da die Verbindungsbildung in<br />
fester Phase erfolgt.<br />
Abbildung 1: Industrielle Anwendungsbeispiele des Metall-Ultraschallschweißens [Bildquellen v.l.n.r.:<br />
ISF der RWTH Aachen University, ISF der RWTH Aachen University, Schunk Sonosystems, Kulicke &<br />
Soffa Industries]<br />
Das M-USS eignet sich besonders für Mischverbindungen und für weiche Kupfer- und<br />
Aluminiumlegierungen. Daher kommt das Verfahren vorwiegend im Bereich der Elektrotechnik<br />
zum Einsatz. Typische Anwendungsfelder (siehe Abbildung 1) sind nachfolgend beschrieben:<br />
• Bordnetz: Litzenschweißen bzw. -kompaktieren, Verbindungen Litze / Flachleiter -<br />
Terminal im Kraftfahrzeugbau und sonstigen mobilen Anwendungen (Schienen- und<br />
Luftfahrzeugbau)<br />
• Elektrische Komponenten und Geräte: Kupfer-Lackdrahtschweißen in Elektromotoren,<br />
Kontaktieren von Kondensatoren, Fertigung von Röhrenkollektoren in der Solartechnik<br />
• Batterietechnik: Artgleiche Verbindung von Zellpol und Elektrodenfolien bei der Montage<br />
von Li-Ionen-Pouchzellen (hier ist M-USS konkurrenzlos), Verschaltung (Seriell → Al-Cu-<br />
Mischverbindung; Parallel → Cu-Cu- / Al-Al-Verbindung) von Li-Ionen-Batteriezellen für<br />
Elektro- und Hybridfahrzeuge, Unterhaltungselektronik, etc.<br />
• Leistungselektronik: Verschweißen von elektrotechnischen Bau- und Anschlusselementen<br />
in Leistungshalbleitern (IGBT-Bauteile, Thyristoren, Leistungsdioden, etc.) im Bereich der<br />
Energieerzeugung und -übertragung, Fahrzeug-, Hochfrequenz- u. Haushaltstechnik<br />
Von Seiten der Industrie wird der M-USS Prozess überwiegend als ein umweltfreundliches<br />
Fügeverfahren angesehen. Verfahrensmerkmale, wie der geringe Energiebedarf, der Verzicht<br />
auf Zusatzwerkstoffe und Schutzgase sprechen aus ökologischer Sicht für diese<br />
Einschätzung. Neben diesen Vorteilen, wird weiterhin in der Literatur behauptet, dass beim M-<br />
USS keine Dämpfe (sowie Flammen und Funken) auftreten [WAG+12]. In der Praxis können<br />
während des M-USS hingegen Schweißrauche, Gase und Stäube beobachtet werden, die in<br />
Abhängigkeit der verwendeten Fügewerkstoffe, Schweißparameter und sonstigen<br />
produktionsseitigen Randbedingungen (z.B. Taktrate, Schweißwerkzeuge, etc.)
Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N<br />
unterschiedlich ausgeprägt sind. Das Entstehen dieser Emissionen erfordert einen erhöhten<br />
Reinigungs- und Wartungsaufwand, was nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht<br />
ist. Für einen einwandfreien Betrieb müssen Führungen, Koppelflächen und beispielsweise<br />
auch integrierte Anlagensensorik möglichst staubfrei gehalten werden. Hier erhöhen<br />
insbesondere schwer zugängliche Stellen und schmale Spalte den Reinigungsaufwand, da<br />
Anlagenkomponenten und Baugruppen zuvor demontiert werden müssen. Weiterhin<br />
bestätigen Berichte seitens der Industrie (Firma Schunk Sonosystems), dass das Schweißen<br />
von Polyvinylchlorid (PVC)-Leitungsmaterial im Bereich der Kabelkonfektion zu einem<br />
erhöhten Anlagenverschleiß durch Korrosion von Anlagenkomponenten führt. Eine mögliche<br />
Erklärung für diese Beobachtung ist die temperaturbedingte Zersetzung von PVC, bei der sich<br />
gasförmige Salzsäure abspalten und Korrosion verursachen kann [MAI+16].<br />
Neben erhöhten Ausfallzeiten der Schweißanlage durch aufwändige Wartungs- und Reinigungsarbeiten<br />
ist ebenso das Fügen von elektronischen Systemen, die empfindlich auf<br />
leitfähige Metallstäube reagieren, derzeit nicht bzw. nur durch einen zusätzlich nachgelagerten<br />
Reinigungsschritt möglich. So wird Berichten der Industrie zufolge beim Ultraschallschweißen<br />
von Leistungshalbleitern der Prozess gelegentlich in Überkopf-Position ausgeführt, um die<br />
Ablagerung von Metallstäuben an den Produktoberflächen zu verhindern.<br />
Auf der anderen Seite besteht durch die Emissionen eine potentielle Gesundheitsgefährdung<br />
für den Anlagenbediener, die abhängig von Größe, Form und Konzentration der emittierten<br />
Gase und Partikel sowie deren stofflichen Eigenschaften ist. Bei der Bewertung der<br />
Gefährdung durch partikelförmige Emissionen spielt neben der chemischen<br />
Zusammensetzung auch die Partikelgröße eine wichtige Rolle, da sie entscheidet, ob Partikel<br />
respirierbar sind (< 10 µm) oder gar bis in die Alveolen vordringen können (< 5 µm) [BRA+13].<br />
Die Zusammensetzung des Gases oder des Partikelmaterials entscheidet über die jeweilige<br />
biologische Wirkung des Schweißrauches. Prinzipiell können drei verschiedene Typen von<br />
Wirkungen beobachtet werden: Eine (1) kanzerogene Wirkung geht zum Beispiel von den<br />
Metalloxiden (Chrom VI, Nickel) aus. Eine (2) toxische Wirkung wird bei den Gasen<br />
Kohlenmonoxid und Ozon beobachtet und eine (3) inflammatorische, also entzündliche<br />
Reaktion findet man bei kupfer- und zinkhaltigen Schweißrauchen [BRA+16, BRA+19,<br />
GUB+14, HAR+14, MAR+16, KRA+18]. Daher ist für eine Risikobewertung von Emissionen<br />
neben einer vollständigen chemischen Charakterisierung auch die Ermittlung der<br />
Partikelgrößenverteilung von Bedeutung.<br />
Gemäß Arbeitsschutzgesetz ArbSchG und der Berufsgenossenschaftlichen DGUV-Vorschrift<br />
1 sind Unternehmen verpflichtet für Sicherheit und Gesundheit ihrer Beschäftigten am<br />
Arbeitsplatz zu sorgen. So sind im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung nach GefStoffV der<br />
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin potentielle Gefährdungen zu beurteilen<br />
und ggf. Maßnahmen abzuleiten sowie umzusetzen. Eine wichtige Grundlage für die<br />
Gefährdungsbeurteilung in Unternehmen bilden hier beispielsweise die<br />
Arbeitsplatzgrenzwerte in der TRGS 900 [TRG+06] und der TRGS 910 [TRG+14]. Die TRGS<br />
528 bietet darüber hinaus weitere spezifische Grundlagen zur Gefährdungsbeurteilung von<br />
Schweißprozessen, in der das M-USS bisher nicht erwähnt wird. Aufgrund fehlender<br />
arbeitsmedizinischer Studien über Emissionen beim M-USS und dem gleichzeitig<br />
umweltfreundlichen Image des Prozesses werden Schweißanlagen in der Regel ohne<br />
Absaugvorrichtungen betrieben. Ein Gefahrenbewusstsein, wie es bei anderen<br />
Schweißprozessen heute schon weit verbreitet ist, ist daher kaum vorhanden. Die eigenen<br />
Untersuchungen machen jedoch deutlich, dass die beim M-USS emittierten gas- und<br />
partikelförmigen Stoffe eine potentielle Gesundheitsgefahr darstellen. Neben den erläuterten
Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N<br />
wirtschaftlichen Problemstellungen ist das vorliegende Forschungsvorhaben daher<br />
hauptsächlich aus arbeitssicherheitstechnischer Sicht von Bedeutung.<br />
Aktuell werden mit Hilfe kommerziell verfügbarer M-USS Anlagentechnik (Generatorleistung<br />
bis zu 10 kW) Leitungsquerschnitte von bis zu 95 mm² (Cu) und 120 mm² (Al) gefügt [FOR+20,<br />
GAL+20]. Insbesondere im Bereich der HV-Leitungen und der Ladesysteme werden zukünftig<br />
noch höhere Verbindungsquerschnitte seitens der Industrie gefordert. So lassen sich zunehmend<br />
neue Generationen von HF-Generatoren mit noch höheren Ausgangsleistungen (bis zu<br />
15 kW) auf dem Markt finden, die speziell auf Kundenanfrage neu entwickelt wurden<br />
[GAL+20]. Aufgrund der zunehmenden thermischen und mechanischen Belastung des<br />
Leitungs- bzw. des Isolationsmaterials, ist mit zunehmender Schweißleistung bzw. -energie<br />
mit deutlich größeren Prozessemissionen zu rechnen.<br />
3.2 Forschungsziel<br />
Das Vorhaben soll erstmals die beim M-USS entstehenden Prozessemissionen analysieren,<br />
um in Abhängigkeit von der Schweißapplikation mögliche Gesundheitsgefährdungen zu<br />
identifizieren und durch geeignete präventive Maßnahmen zu verhindern. Das daraus<br />
abgeleitete Forschungsziel liegt somit in der physikalischen und chemischen<br />
Charakterisierung der Emissionen (gas- und partikelförmig) und deren toxikologische<br />
Bewertung beim Metall-Ultraschallschweißen von Litze-Terminal-Verbindungen in<br />
Abhängigkeit der gewählten Schweißkonfiguration (Schweißparameter & Werkstoffsystem).<br />
Auf Basis der folgenden Arbeitshypothesen, die im Projektverlauf validiert werden konnten,<br />
wurde das Forschungsprojekt durchgeführt:<br />
1. Die physikalisch-chemische Zusammensetzung der Emissionen beim M-USS ist abhängig<br />
von der Schweißkonfiguration (Schweißparameter & Werkstoffsystem). Insbesondere bei<br />
Litze-Terminal-Verbindungen mit großen Querschnitten ist aufgrund der vielfältigen und<br />
komplexen Werkstoffsysteme (Beschichtung Adern / Kabelschuh, Isolationsmaterial, etc.)<br />
sowie des großen Wärmeeintrages mit erhöhten Emissionsraten unterschiedlicher<br />
Substanzen zu rechnen.<br />
2. Die in Abhängigkeit der jeweiligen Schweißapplikation entstehenden Emissionen können zu<br />
arbeitsbedingten Gesundheitsgefährdungen führen und müssen, sofern<br />
gesundheitsgefährdend, durch geeignete präventive Maßnahmen verhindert werden.<br />
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung<br />
4.1 Anlagentechnik und Versuchsstand<br />
Im Folgenden werden sowohl die verwendete Ultraschallschweißanlage, der entwickelte<br />
Versuchsstand und verwendete Methoden zur Emissionsmessung vorgestellt.<br />
4.1.1 Schweißanlage<br />
Die Schweißungen für dieses Projekt wurden an einer Metall-Ultraschallschweißanlage LS-C-<br />
2D mit 6 kW/9 kW Generatorleistung der Firma Schunk Sonosystems durchgeführt. Abbildung<br />
2 zeigt die Anlage mit Doppel-Amboss-System (Litzenschweißen bzw. Folienschweißen) des<br />
ISF in Aachen im Ausgangszustand vor Projektbeginn sowie einen beispielhaften Aufbau zum<br />
Litzenschweißen. In der industriellen Anwendung werden die Litzen und Terminals<br />
üblicherweise teilautomatisiert pneumatisch bzw. elektrisch eingespannt. Im vorliegenden