SB_21568NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Physikalische und
chemische
Charakterisierung der
Emissionen beim
Metall-
Ultraschallschweißen von
Litze-Terminal-
Verbindungen und ihre
toxikologische
Bewertung

Physikalische und chemische
Charakterisierung der
Emissionen beim Metall-
Ultraschallschweißen von Litze-
Terminal-Verbindungen und
ihre toxikologische Bewertung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.568 N
DVS-Nr.: Q6.3373
RWTH Aachen
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
(ISF)
Universitätsklinikum Aachen
AöR Institut für Arbeits-, Sozial- und
Umweltmedizin
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.568 N / DVS-Nr.: Q6.3373 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.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 588
Bestell-Nr.: 170698
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N
Inhaltsverzeichnis
1 Kurzzusammenfassung .................................................................................................. 4
2 Danksagung ................................................................................................................... 6
3 Einleitung ....................................................................................................................... 7
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung ........................................................ 7
3.2 Forschungsziel ....................................................................................................... 9
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ...................................................... 9
4.1 Anlagentechnik und Versuchsstand ....................................................................... 9
4.1.1 Schweißanlage .................................................................................................. 9
4.1.2 Handschuhkasten (Glovebox) ...........................................................................10
4.1.3 Versuchsaufbau zum Litze-Terminal-Schweißen ...............................................12
4.1.4 Prozessdaten & externe Prozesssensorik .........................................................13
4.1.5 Datenbank .........................................................................................................14
4.2 Einrichtungen und Verfahren zur Emissionsmessung ...........................................14
4.3 Versuchsplanung und Versuchswerkstoffe ............................................................17
4.3.1 Versuchsplanung ..............................................................................................17
4.3.2 Charakterisierung der Versuchswerkstoffe ........................................................18
4.4 Charakterisierung der Anlagentechnik und der Glovebox ......................................30
4.5 Versuchsablauf .....................................................................................................33
4.5.1 Parameterstudien / Schweißparameterauswahl ................................................35
4.6 Mechanisch-technologische Eigenschaften der Schweißverbindung .....................38
4.7 Ergebnisse externer Sensorik ...............................................................................52
4.7.1 Temperaturmessung .........................................................................................52
4.7.2 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (HS).............................................................55
4.8 Einfluss von Amplitude und Kraft auf das Schweißergebnis ..................................58
4.9 Charakterisierung von Werkzeugveränderungen ..................................................61
4.10 Ermittelte Emissionsdaten .....................................................................................62
4.11 Toxikologische Bewertung der Emissionen beim M-USS ......................................71
4.11.1 In-Vitro-Toxizitätstests ...................................................................................71
4.11.2 Zusammenfassende Bewertung der Emissionen ...........................................74
4.11.3 Vergleich mit anderen Schweißprozessen .....................................................76
4.12 Präventive Maßnahmen ........................................................................................77
5 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................80
6 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ..81

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse
insbesondere für KMU und industrielle Anwendungsmöglichkeiten ......................................83
8 Verwendung der Zuwendung.........................................................................................84
9 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...........................................85
10 Ergebnistransfer in die Wirtschaft .............................................................................86
11 Durchführende Forschungseinrichtungen .................................................................91
12 Literaturverzeichnis ...................................................................................................91

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N
3 Einleitung
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung
Das Metall-Ultraschallschweißen (M-USS) ist ein industriell weit verbreitetes Verfahren,
welches aufgrund seiner kurzen Schweißzeiten und guten Automatisierbarkeit sehr
wirtschaftlich ist. Durch den vergleichsweise geringen Energiebedarf sowie den Verzicht auf
spezielle Umgebungsmedien und Zusatzwerkstoffe arbeitet das Verfahren zudem
umweltfreundlich. Des Weiteren werden unzulässige Eigenschaftsänderungen geometrischer
und metallurgischer Natur innerhalb der Fügezone vermieden, da die Verbindungsbildung in
fester Phase erfolgt.
Abbildung 1: Industrielle Anwendungsbeispiele des Metall-Ultraschallschweißens [Bildquellen v.l.n.r.:
ISF der RWTH Aachen University, ISF der RWTH Aachen University, Schunk Sonosystems, Kulicke &
Soffa Industries]
Das M-USS eignet sich besonders für Mischverbindungen und für weiche Kupfer- und
Aluminiumlegierungen. Daher kommt das Verfahren vorwiegend im Bereich der Elektrotechnik
zum Einsatz. Typische Anwendungsfelder (siehe Abbildung 1) sind nachfolgend beschrieben:
• Bordnetz: Litzenschweißen bzw. -kompaktieren, Verbindungen Litze / Flachleiter -
Terminal im Kraftfahrzeugbau und sonstigen mobilen Anwendungen (Schienen- und
Luftfahrzeugbau)
• Elektrische Komponenten und Geräte: Kupfer-Lackdrahtschweißen in Elektromotoren,
Kontaktieren von Kondensatoren, Fertigung von Röhrenkollektoren in der Solartechnik
• Batterietechnik: Artgleiche Verbindung von Zellpol und Elektrodenfolien bei der Montage
von Li-Ionen-Pouchzellen (hier ist M-USS konkurrenzlos), Verschaltung (Seriell → Al-Cu-
Mischverbindung; Parallel → Cu-Cu- / Al-Al-Verbindung) von Li-Ionen-Batteriezellen für
Elektro- und Hybridfahrzeuge, Unterhaltungselektronik, etc.
• Leistungselektronik: Verschweißen von elektrotechnischen Bau- und Anschlusselementen
in Leistungshalbleitern (IGBT-Bauteile, Thyristoren, Leistungsdioden, etc.) im Bereich der
Energieerzeugung und -übertragung, Fahrzeug-, Hochfrequenz- u. Haushaltstechnik
Von Seiten der Industrie wird der M-USS Prozess überwiegend als ein umweltfreundliches
Fügeverfahren angesehen. Verfahrensmerkmale, wie der geringe Energiebedarf, der Verzicht
auf Zusatzwerkstoffe und Schutzgase sprechen aus ökologischer Sicht für diese
Einschätzung. Neben diesen Vorteilen, wird weiterhin in der Literatur behauptet, dass beim M-
USS keine Dämpfe (sowie Flammen und Funken) auftreten [WAG+12]. In der Praxis können
während des M-USS hingegen Schweißrauche, Gase und Stäube beobachtet werden, die in
Abhängigkeit der verwendeten Fügewerkstoffe, Schweißparameter und sonstigen
produktionsseitigen Randbedingungen (z.B. Taktrate, Schweißwerkzeuge, etc.)

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N
unterschiedlich ausgeprägt sind. Das Entstehen dieser Emissionen erfordert einen erhöhten
Reinigungs- und Wartungsaufwand, was nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht
ist. Für einen einwandfreien Betrieb müssen Führungen, Koppelflächen und beispielsweise
auch integrierte Anlagensensorik möglichst staubfrei gehalten werden. Hier erhöhen
insbesondere schwer zugängliche Stellen und schmale Spalte den Reinigungsaufwand, da
Anlagenkomponenten und Baugruppen zuvor demontiert werden müssen. Weiterhin
bestätigen Berichte seitens der Industrie (Firma Schunk Sonosystems), dass das Schweißen
von Polyvinylchlorid (PVC)-Leitungsmaterial im Bereich der Kabelkonfektion zu einem
erhöhten Anlagenverschleiß durch Korrosion von Anlagenkomponenten führt. Eine mögliche
Erklärung für diese Beobachtung ist die temperaturbedingte Zersetzung von PVC, bei der sich
gasförmige Salzsäure abspalten und Korrosion verursachen kann [MAI+16].
Neben erhöhten Ausfallzeiten der Schweißanlage durch aufwändige Wartungs- und Reinigungsarbeiten
ist ebenso das Fügen von elektronischen Systemen, die empfindlich auf
leitfähige Metallstäube reagieren, derzeit nicht bzw. nur durch einen zusätzlich nachgelagerten
Reinigungsschritt möglich. So wird Berichten der Industrie zufolge beim Ultraschallschweißen
von Leistungshalbleitern der Prozess gelegentlich in Überkopf-Position ausgeführt, um die
Ablagerung von Metallstäuben an den Produktoberflächen zu verhindern.
Auf der anderen Seite besteht durch die Emissionen eine potentielle Gesundheitsgefährdung
für den Anlagenbediener, die abhängig von Größe, Form und Konzentration der emittierten
Gase und Partikel sowie deren stofflichen Eigenschaften ist. Bei der Bewertung der
Gefährdung durch partikelförmige Emissionen spielt neben der chemischen
Zusammensetzung auch die Partikelgröße eine wichtige Rolle, da sie entscheidet, ob Partikel
respirierbar sind (< 10 µm) oder gar bis in die Alveolen vordringen können (< 5 µm) [BRA+13].
Die Zusammensetzung des Gases oder des Partikelmaterials entscheidet über die jeweilige
biologische Wirkung des Schweißrauches. Prinzipiell können drei verschiedene Typen von
Wirkungen beobachtet werden: Eine (1) kanzerogene Wirkung geht zum Beispiel von den
Metalloxiden (Chrom VI, Nickel) aus. Eine (2) toxische Wirkung wird bei den Gasen
Kohlenmonoxid und Ozon beobachtet und eine (3) inflammatorische, also entzündliche
Reaktion findet man bei kupfer- und zinkhaltigen Schweißrauchen [BRA+16, BRA+19,
GUB+14, HAR+14, MAR+16, KRA+18]. Daher ist für eine Risikobewertung von Emissionen
neben einer vollständigen chemischen Charakterisierung auch die Ermittlung der
Partikelgrößenverteilung von Bedeutung.
Gemäß Arbeitsschutzgesetz ArbSchG und der Berufsgenossenschaftlichen DGUV-Vorschrift
1 sind Unternehmen verpflichtet für Sicherheit und Gesundheit ihrer Beschäftigten am
Arbeitsplatz zu sorgen. So sind im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung nach GefStoffV der
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin potentielle Gefährdungen zu beurteilen
und ggf. Maßnahmen abzuleiten sowie umzusetzen. Eine wichtige Grundlage für die
Gefährdungsbeurteilung in Unternehmen bilden hier beispielsweise die
Arbeitsplatzgrenzwerte in der TRGS 900 [TRG+06] und der TRGS 910 [TRG+14]. Die TRGS
528 bietet darüber hinaus weitere spezifische Grundlagen zur Gefährdungsbeurteilung von
Schweißprozessen, in der das M-USS bisher nicht erwähnt wird. Aufgrund fehlender
arbeitsmedizinischer Studien über Emissionen beim M-USS und dem gleichzeitig
umweltfreundlichen Image des Prozesses werden Schweißanlagen in der Regel ohne
Absaugvorrichtungen betrieben. Ein Gefahrenbewusstsein, wie es bei anderen
Schweißprozessen heute schon weit verbreitet ist, ist daher kaum vorhanden. Die eigenen
Untersuchungen machen jedoch deutlich, dass die beim M-USS emittierten gas- und
partikelförmigen Stoffe eine potentielle Gesundheitsgefahr darstellen. Neben den erläuterten

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21568 N
wirtschaftlichen Problemstellungen ist das vorliegende Forschungsvorhaben daher
hauptsächlich aus arbeitssicherheitstechnischer Sicht von Bedeutung.
Aktuell werden mit Hilfe kommerziell verfügbarer M-USS Anlagentechnik (Generatorleistung
bis zu 10 kW) Leitungsquerschnitte von bis zu 95 mm² (Cu) und 120 mm² (Al) gefügt [FOR+20,
GAL+20]. Insbesondere im Bereich der HV-Leitungen und der Ladesysteme werden zukünftig
noch höhere Verbindungsquerschnitte seitens der Industrie gefordert. So lassen sich zunehmend
neue Generationen von HF-Generatoren mit noch höheren Ausgangsleistungen (bis zu
15 kW) auf dem Markt finden, die speziell auf Kundenanfrage neu entwickelt wurden
[GAL+20]. Aufgrund der zunehmenden thermischen und mechanischen Belastung des
Leitungs- bzw. des Isolationsmaterials, ist mit zunehmender Schweißleistung bzw. -energie
mit deutlich größeren Prozessemissionen zu rechnen.
3.2 Forschungsziel
Das Vorhaben soll erstmals die beim M-USS entstehenden Prozessemissionen analysieren,
um in Abhängigkeit von der Schweißapplikation mögliche Gesundheitsgefährdungen zu
identifizieren und durch geeignete präventive Maßnahmen zu verhindern. Das daraus
abgeleitete Forschungsziel liegt somit in der physikalischen und chemischen
Charakterisierung der Emissionen (gas- und partikelförmig) und deren toxikologische
Bewertung beim Metall-Ultraschallschweißen von Litze-Terminal-Verbindungen in
Abhängigkeit der gewählten Schweißkonfiguration (Schweißparameter & Werkstoffsystem).
Auf Basis der folgenden Arbeitshypothesen, die im Projektverlauf validiert werden konnten,
wurde das Forschungsprojekt durchgeführt:
1. Die physikalisch-chemische Zusammensetzung der Emissionen beim M-USS ist abhängig
von der Schweißkonfiguration (Schweißparameter & Werkstoffsystem). Insbesondere bei
Litze-Terminal-Verbindungen mit großen Querschnitten ist aufgrund der vielfältigen und
komplexen Werkstoffsysteme (Beschichtung Adern / Kabelschuh, Isolationsmaterial, etc.)
sowie des großen Wärmeeintrages mit erhöhten Emissionsraten unterschiedlicher
Substanzen zu rechnen.
2. Die in Abhängigkeit der jeweiligen Schweißapplikation entstehenden Emissionen können zu
arbeitsbedingten Gesundheitsgefährdungen führen und müssen, sofern
gesundheitsgefährdend, durch geeignete präventive Maßnahmen verhindert werden.
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung
4.1 Anlagentechnik und Versuchsstand
Im Folgenden werden sowohl die verwendete Ultraschallschweißanlage, der entwickelte
Versuchsstand und verwendete Methoden zur Emissionsmessung vorgestellt.
4.1.1 Schweißanlage
Die Schweißungen für dieses Projekt wurden an einer Metall-Ultraschallschweißanlage LS-C-
2D mit 6 kW/9 kW Generatorleistung der Firma Schunk Sonosystems durchgeführt. Abbildung
2 zeigt die Anlage mit Doppel-Amboss-System (Litzenschweißen bzw. Folienschweißen) des
ISF in Aachen im Ausgangszustand vor Projektbeginn sowie einen beispielhaften Aufbau zum
Litzenschweißen. In der industriellen Anwendung werden die Litzen und Terminals
üblicherweise teilautomatisiert pneumatisch bzw. elektrisch eingespannt. Im vorliegenden