SB_21956LP

2024
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Elektrische
Quantifizierung von
Schweißverbindungseigenschaften
für
Hochstrom- und
Hochspannungsanwendungen

Elektrische Quantifizierung von
Schweißverbindungseigenscha
ften für Hochstrom- und
Hochspannungsanwendungen
Abschlussbericht zum
Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.956
DVS-Nr.: 05.3427
RWTH Aachen Institut für
Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.956 N / DVS-Nr.: 05.3427 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
© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 602
Bestell-Nr.: 170712
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Schlussbericht vom 14.04.2025
zum IGF-Vorhaben 21956 N
Thema
Elektrische Quantifizierung von Schweißverbindungseigenschaften für Hochstrom- und
Hochspannungsanwendungen
Berichtszeitraum
01.08.2021 bis 31.10.2024
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Aachener Straße 172
40223 Düsseldorf
Forschungseinrichtung(en)
RWTH Aachen - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)
Pontstraße 49
52062 Aachen
IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Inhaltsverzeichnis
1 Kurzzusammenfassung.................................................................................................................... 3
2 Danksagung .................................................................................................................................... 5
3 Einleitung ....................................................................................................................................... 6
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung ................................................................................ 6
3.2 Forschungsziel ................................................................................................................................. 7
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ........................................................................ 9
4.1 Auswahl Probengeometrien und Schweißen von Stichversuchen (AP1)........................................ 9
4.2 Aufbau und Inbetriebnahme der Prüfmethodik (AP2).................................................................. 16
4.3 Einsatz und Validierung der Prüfmethodik (AP3).......................................................................... 34
4.4 Korrelationsanalyse und zerstörungsfreie Prüfvariante (AP4 & AP5) ........................................... 37
4.5 Prüfstandard (AP6) ........................................................................................................................ 42
4.6 Sonstige Anlagentechnik ............................................................................................................... 42
5 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ..................... 44
6 Verwendung der Zuwendung ........................................................................................................ 47
7 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ........................................................... 48
8 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten Ergebnisse
insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ........................................................................................................... 48
9 Wissenstransfer in die Wirtschaft .................................................................................................. 49
9.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen ............................................................................................ 49
9.2 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit ........................................... 51
10 Durchführende Forschungseinrichtung .......................................................................................... 52
11 Literaturverzeichnis ...................................................................................................................... 52
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 21956 N

2 Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21956 N der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS)
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.
Der vorliegende Bericht ist der Schlussbericht des Forschungsvorhabens.
Die Ergebnisse wurden von wissenschaftlichen Mitarbeitern und von Studierenden der RWTH Aachen
University in Zusammenarbeit mit einem projektbegleitenden Ausschuss von Industrieunternehmen
erarbeitet.
Dem Deutschen Bundestag, dem BMWK und den Arbeitsgruppen der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. gilt unser Dank.
Darüber hinaus danken wir den Firmen des projektbegleitenden Ausschusses und ihren Mitarbeitern für die
Beteiligung, konstruktive Diskussion und inhaltliche Teilnahme.
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 21956 N

3 Einleitung
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung
Für die schweißtechnische Verbindung von elektrisch stark belasteten Bauteilen gibt es eine Reihe von
industriell etablierten stoffschlüssigen Fügeverfahren. Diese Verfahren unterscheiden sich nicht nur in
wesentlichen Aspekten der Prozessführung, sondern weichen auch in den erzielbaren Fügestellengeometrien
und deren mikrostrukturellem Aufbau (z.B. intermetallische Phasensäume) stark voneinander ab. Größere
Querschnitte von Al-Cu Mischverbindungen lassen sich unter anderem mit dem Laserstrahlschweißen (LBW)
[1–3], Elektronenstrahlschweißen [4, 5], Rührreibschweißen (FSW) [6–8], Ultraschallschweißen (USMW) [2,
9, 10], Widerstandsbuckelschweißen [11] sowie Magnetpulsschweißverfahren [12] und verschiedene
jeweilige Verfahrensvarianten fügen. Der verbreitete Einsatz von Pressschweißverfahren ergibt sich aus den
verwendeten „weichen“ Werkstoffen wie (Rein-)Aluminium und (Rein-)Kupfer, auch und insbesondere in
Mischbauweise. Ein Ausschnitt typischer Anwendungsfelder ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Einsatzgebiete und Beispiele von Fügestellen zur elektrischen Leistungsübertragung
Bordnetz
Elektrische Komponenten
und Geräte:
Batterietechnik
Leistungselektronik
• Litzenschweißen bzw.
-kompaktieren,
• Verbindungen Litze /
Flachleiter - Terminal
• Massivleiter
• Kupfer-
Lackdrahtschweißen
• Kontaktieren von
Kondensatoren
• Fertigung von
Röhrenkollektoren in
der Solartechnik
• Verbindung von Zellpolen
und Elektrodenfolien
• Verschaltung (Seriell,
Parallel) von
Batteriezellen
• Verschweißen von
elektrotechnischen
Bau- und
Anschlusselementen
auf
Leistungshalbleitern
Wesentliches Gütekriterium einer elektrischen Verbindung ist, neben der grundlegenden mechanischen
Festigkeit, die dauerhafte Sicherstellung eines ausreichend dimensionierten elektrischen Kontaktes, also
eines niedrigen Übergangswiderstandes. Die elektrische Widerstandsmessung einer solchen
Schweißverbindung nach gängigen Methoden, wie bspw. der 4-Punkt Messung, ist bezüglich der Bewertung
der Verbindungstechnologie und insbesondere der Verbindungsgüte jedoch nur eingeschränkt
aussagekräftig [2, 13]:
• Ausreichend ausgelegte Fügestellen haben im Vergleich zum Leiterwiderstand einen oft
vernachlässigbaren Anteil am Gesamtbauteilwiderstand.
• Schweißungen mit Fehlstellen, ausgeprägten intermetallischen Phasen (LBW) oder unregelmäßigen
Anbindungen zeigen keine signifikanten Unterschiede zu Proben ohne Fehlstellen. Besonders kritisch
sind hier Fehlerbilder von Pressschweißverfahren wie kurzlebige Mikroverschweißungen (USMW) und
großflächige „Kissing Bonds“ (FSW / USMW).
• Trotz ausreichender Leitfähigkeit im unbelasteten „Neu“-Zustand führen thermische oder mechanische
Belastungen zum vorzeitigen Versagen einer fehlerhaften Verbindung (die hier bezeichneten Fehler sind
in mechanischen Prüfungen oder in Verbindung mit Alterungstests nachweisbar).
Für die relevanten Materialquerschnitte und Fügeverfahren gibt es keine geeignete und übergreifend
standardisierte Kurzzeitprüfung der elektrischen Güte analog zu gängigen mechanischen Prüfungen (bspw.
Scherzugprüfung nach DIN EN ISO 14273:2016 [14]). Die Güte der Verbindung wird im Hinblick auf die
tatsächliche Belastung in Form eines elektrischen Stroms also nur indirekt durch andere Messmethoden
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 21956 N

bestimmt. Hierzu zählen verschiedene mechanische Prüfungen und Alterungstest. Damit ergibt sich für
Anwender, Hersteller und Entwickler der Verbindungsstellen eine Vielzahl an notwendigen Prüfungen und
Langzeituntersuchungen. Die schiere Anzahl und schlechte Vergleichbarkeit der Prüfungen führt zu
umfangreichen Tests, für deren Interpretation erhebliches Know-How erforderlich ist. Bei der Qualifikation
einer einzelnen Fügeverbindung können so immense Kosten entstehen. Beides erschwert insbesondere KMU
den Zugang zum Markt und hemmt Produktinnovationen. Dem produzierenden KMU fehlt die Kapazität, um
selbstständig ein Prüfverfahren zu wählen bzw. zu adaptieren. Diese Probleme werden durch die aktuellen
industriellen Umwälzungen in den Bereichen E-Mobilität und Autonomes Fahren verstärkt, die mit
verkürzten Entwicklungszeiten und kompetitiven Parallelentwicklungen einhergehen. Trotz des
Innovationsdrucks steigen die Erwartungen der OEMs hinsichtlich der Verbindungsqualität in den Bereichen
Antriebsstrang und funktionale Sicherheit (Wachsende Anwendung der Normenreihe ISO 26262 und
entsprechender Risikoeinstufung (ASIL – Automotive Safety Integrity Level) [15]). Vor dem Hintergrund der
zunehmenden Elektrifizierung [16, 17] und aktueller Produktentwicklungen besteht für KMU ein akuter
Bedarf an einer geeigneten Prüfmethodik, welche in kurzer Zeit fehlersensitive und aussagekräftige
Qualitätskennwerte für elektrische Verbindungen liefert. Die Prüfung muss sensitiv genug sein, um
Unterschiede in Phasensaumdicken, metallurgischen Unregelmäßigkeiten sowie Anbindungsprobleme als
einen statistisch signifikanten Unterschied im Qualitätswert zurückzugeben. Das Ziel des
Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer solchen geeigneten Kurzzeitprüfmethodik und der
dazugehörigen anwenderfreundlichen Auswertemethodik.
Konkret soll während einer kurzzeitigen, sehr hohen, definierten elektrischen Bestromung die
Systemantwort der Verbindung in Form von elektrischem Widerstand und Wärmebildung mit hoher
zeitlicher Auflösung erfasst werden. Die Systemantwort wird anschließend mit in dem Forschungsprojekt
ermittelten Datensätzen abgeglichen. Durch eine Auswerteroutine, z.B. in Form eines neuronalen Netzes,
kann resultierend eine Aussage zur Qualität der Verbindung abgegeben werden. Die Datensätze enthalten
Informationen zur mechanischen Festigkeit, etwaig vorliegenden Verbindungsfehlern und der
Alterungsbeständigkeit der Verbindung.
3.2 Forschungsziel
Damit die Prozessfähigkeit und Parameteroptimierung des jeweiligen Fügeverfahrens durch eine belastungsund
bauteilgeometriegerechte Prüfmethodik verbessert werden kann, ist eine verfahrens- und geometrieübergreifende
Standardisierung einer Prüfmethodik für Schweißverfahren notwendig. Das sich daraus
ergebende Forschungsziel des Vorhabens ist die Entwicklung, Validierung und Standardisierung einer
sensitiven elektrischen Kurzzeit-Prüfmethodik zur Bestimmung der Güte von Press- und
Schmelzschweißverfahren für Hochstrom- bzw. Hochvoltanwendungen.
Als sekundäre Ziele können die verfahrens- und geometrie-übergreifende Standardisierung einer
Prüfmethodik für Schweißverfahren sowie die Evaluierung der elektrischen Prüfmethodik als serientaugliche,
zerstörungsfreie Prüfung aufgeführt werden.
Die hierauf basierenden Arbeitshypothesen konnten im Projektverlauf validiert werden:
1. Es gibt ein kurzzeitiges elektrisches Prüfverfahren, mit dem die Auswirkungen einer übermäßigen
elektrischen Belastung innerhalb der Fügezone erfasst werden können. Mit dem Verfahren können
quantitative Vergleiche zwischen verschiedenen Fügetechnologien und quantitative Aussagen zur jeweils
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 21956 N