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FORSCHUNGSVORHABEN AiF-Nr. 15710 N/1 DVS-Nr. 04.046

Grundlegende Untersuchung zur Kontaktsituation beim Widerstandsschweißen von Kupferwerkstoffen

Laufzeit: 01.07.2008 bis 31.10.2010

Abschlussbericht

02/2011

Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart

Hinweis:

Das Forschungsvorhaben AiF-Nr. 15710 N/1 wurde aus Haushaltsmitteln des Bun-desministeriums für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft indus-trieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) mit Unterstützung des Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS) gefördert.

Die Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart übernimmt keine Haftung für Schä-den, die aufgrund weiterführender oder fehlerhafter Anwendung der in diesem Bericht dargestellten Ergebnisse entstehen.

Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart

Kurzfassung Ausgehend von einer Beschreibung der Werkstoff- und Fügeteileigenschaften wurden an Halbzeugen aus Kupferwerkstoffen systematische Untersuchungen zur Darstellung der Kontaktverhältnisse beim Aufsetzen der Elektroden und beim Schweißen durchgeführt. Die gemeinsam mit den am Vorhaben beteiligten Industrie-unternehmen festgelegten Arbeitsschritte wurden von Studien mittels numerischer Simulation begleitet. Diese Arbeiten führten zur Entwicklung verfeinerter und effizienterer Prüfmethoden für die Übergangswiderstandsmessung und zur Erfassung und Beschreibung der Kontaktverhältnisse beim Widerstandspunktschweißen mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren. Die Untersuchungen wurden an gebräuchlichen 0,2 bis 1,0 mm dicken Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen unterschiedlicher Festigkeit (Messing- und Bronze-legierungen sowie niedriglegierte Kupferfederwerkstoffe) mit und ohne Schweiß-buckel sowie in den anwendungsspezifischen Oberflächenmodifikationen durch-geführt. Dabei wurde eine umfangreiche Datenbasis mit gemessenen Übergangs-widerstandswerten erstellt, die für Maßnahmen der Qualitätssicherung genutzt werden kann. Die zuverlässige Erfassung zeitlich veränderlicher Widerstandsverläufe durch eine dynamische Widerstandsmessung mit rampenförmigen Stromimpulsen oder bei Schweißversuchen wurde in Abhängigkeit unterschiedlicher Randbedingungen an ausgewählten Chargen untersucht. Dabei wurde erfolgreich eine neue Messmethode erprobt, welche die simultane Erfassung der Übergangswiderstände zwischen Elektroden und Fügeteilen sowie zwischen den Fügeteilen selbst ermöglicht und dadurch den experimentellen Aufwand deutlich reduziert. Die Verfahren zur numerischen Simulation des Widerstandspunktschweißprozesses wurden im Rahmen des Vorhabens weiterentwickelt und erfolgreich ein neues zeit-basiertes Kontaktwiderstandsmodell erprobt, das als Datenbasis die bei Referenz-Schweißversuchen gemessenen Widerstand-Zeitverläufe nutzt. Auf der Grundlage der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchung wurde als Basis für das zugehörige Regelwerk (z.B.: für ein neues DVS-Merkblatt 2929-Teil 4) eine detaillierte Prüfanweisung zur Durchführung von Übergangswiderstandsmessungen an Kupferwerkstoffen formuliert. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

An dieser Stelle möchten wir uns bei den an der Durchführung des Vorhabens betei-ligten Industrieunternehmen für die gute Zusammenarbeit und die materielle Unter-stützung bedanken. Unser Dank gilt:

AMI DODUCO GmbH Bachmann GmbH & Co. KG Bender & Wirth GmbH & Co. CADFEM GmbH Elektrisola Dr. Gerd Schildbach GmbH & Co. KG era-contact GmbH Harms & Wende GmbH & Co. KG IMO Oberflächentechnik GmbH Kleiner GmbH KME Germany AG & Co. KG Kumpf Schweißtechnik MIYACHI EUROPE GmbH PRETECH Predictive Design Technologies GmbH Prym Inovan GmbH & Co. KG Pulse GmbH Robert Bosch GmbH STRUNK WELDING SYSTEMS Tyco Electronics AMP GmbH Wieland-Werke AG Zwick GmbH & Co. KG

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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 Aa ..............................................................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

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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

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13 Zusammenfassung .......................................................................................148

14 Literatur .........................................................................................................149 Anhang A Untersuchte Blechhalbzeuge Anhang B Technische Daten des Widerstandsmessgeräts

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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 zu-nehmender Miniaturisierung bzw. höherer Leistungsdichte (Stichwort: 42V-Bordnetz) steigen dabei die Anforderungen an die Präzision sowie die mechanische und ther-mische Belastbarkeit der Bauteile. Dazu müssen innerhalb der Baugruppen unter-schiedliche, der Funktion und Belastung angepasste Werkstoffe verwendet werden /1/. Die weiter reduzierte Schweißeignung der zu fügenden hochleitenden Kupfer-werkstoffe (beschichtet, unbeschichtet) sowie die zunehmende Miniaturisierung er-fordern eine weiterführende Qualifizierung der Widerstandsschweißtechnologie für diese Anwendungsbereiche. Die Widerstandsschweißbarkeit von Halbzeugen aus Kupferwerkstoffen wird maß-geblich durch die Übergangswiderstände bestimmt /2-4/. In dem Merkblatt DVS 2929 (Ausgabe: 2001-09) /5/ wird die Vorgehensweise zur Messung von Übergangswider-ständen an Blechen aus Aluminiumwerkstoffen beschrieben. Auf der Basis der For-schungsergebnisse aus Vorhaben IGF-Nr. 12.617 N /6,7/ wurde die Norm ISO 18594 “Resistance spot-, projection- and seam-welding – Method for determining the transi-tion 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 fehl-te 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 Einflussgrö-ßen auf die Kontaktverhältnisse bzw. auf den Kontaktwiderstand beim Widerstands-schweißen von Kupferwerkstoffen.

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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 Ferti-gungsüberwachung) und für die numerische Prozesssimulation von Widerstands-schweißungen 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 so-wie zwischen den Fügeteilen selbst auf das für o. g. Qualitätssicherungsmaßnahmen bzw. für eine zuverlässige numerische Simulation von Widerstandsschweißungen er-forderliche Maß erreicht werden. Es galt die Prüftechnik im Bereich der Qualitätssicherung (Übergangswiderstands-messung) weiterzuentwickeln und falls möglich, neue Anwendungsbereiche für das Widerstandsschweißen zu eröffnen. Weiter sollten die Verfahren zur numerischen Simulation von Widerstandsschweißungen weiterentwickelt und hierfür eine zuver-lässige Datenbasis für den Übergangswiderstand geschaffen werden. Ausgehend von einer Beschreibung der Werkstoff- und Fügeteileigenschaften wur-den 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 Schwei-ßen führten, wurden von numerischer Simulation begleitet, Abb. 2.1.

FE-Netz

Abb. 2.1: Untersuchung der Kontaktsituation (Messung und numerische Simulation)

Für die Versuchsdurchführung standen geeignete Prüfeinrichtungen und Wider-standsschweißeinrichtungen zur Verfügung. Die Qualität der Fügeverbindungen wur-de an Hand mechanisch-technologischer Prüfungen, metallographischer Schliffunter-

0

40

80

120

160

0 5 10 15 20 25

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ µΩ

Gesamtwiderstand (gemessen Rs + Rk)

Strukturwiderstand Rs(FE-Simulation, Rk = 0)

Kontaktwiderstand Rk

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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 wur-den die erforderlichen Grundlagen für die Modellentwicklung (Kontaktmodell) und die Mess- und Prüfmethoden zur Erfassung von Kennwerten zur quantitativen Beschrei-bung 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 „Wider-standsschweißen in Elektrotechnik und Feinwerktechnik“ des DVS.

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3 Stand der Technik

Im Rahmen von Vorhaben IGF-Nr. 12.188 B /10,11/ zur Entstehung von Flüssigpha-sen beim Widerstandsbuckelschweißen von Kupferlegierungen hat sich gezeigt, dass die Übergangswiderstände an diesen gut leitenden Werkstoffen zu Beginn des Schweißprozesses ihre signifikante Wirkung in der schnellen Erwärmung der Kon-taktzone zeigen. Beim Widerstandsschweißen blanker Bronzeteile zeigt sich der An-teil des Übergangswiderstands als Ursache für den Wärmeeintrag während der ers-ten 5 ms Stromflusszeit, bei verzinnten Teilen in einem engen Zeitfenster von etwa t < 300 µs. Die Abnahme des Übergangswiderstands ist bei blanken und beschichte-ten Kupferwerkstoffen auch abhängig vom Stromanstieg und von der Stromflussrich-tung. Die elektrische Leitfähigkeit der Werkstoffe, Anordnung der Bleche, Beschaffenheit der Oberflächen (blank, beschichtet), die Buckelgeometrie (Krümmung) und die Elektrodenkraft bestimmen die Verhältnisse im Bereich der Kontaktstellen und damit die Wärmebilanz beim Widerstandsbuckelschweißen von Kupferwerkstoffen. Dabei verändern sich infolge der äußeren Parameter die Anteile am elektrischen Kontakt-widerstand ("Engewiderstand" und "Widerstand der oberflächennahen Grenzschicht" /12,13/) beim Schweißen, Tabelle 3.1. Tabelle 3.1: Einfluss von Geometrie, Belastung und Oberflächenmodifikation auf die

Kontaktwiderstandsanteile

Kontaktwiderstandsanteile

Engewiderstand Widerstand der oberflächen-nahen Grenzschicht

Parameter

Werkstoff (Härte, Festigkeit, Fließverhalten, Wärme-dehnung)

Blechdicken und -anordnung Buckelgeometrie Reibung

Werkstoff (chemische Zusam-mensetzung, elektrische Leit-fähigkeit)

Zustand der Oberfläche resul-tierend aus der technischen Herstellung (Rauheit, Rein-heitsgrad)

Belastung Kraft bzw. Verformung und Temperatur

Flächenpressung und Temperatur

Wirkungs-weise

Der jeweilige Spannungs-Dehnungs-Zustand in Abhängig-keit von der äußeren Belastung (Kraft bzw. Verformung und Temperatur) führt zu unter-schiedlicher Flächenpressung und Größe der Kontaktflächen

Unter variabler äußerer Belas-tung (Flächenpressung und Temperatur) wird die oberflä-chennahe Grenzschicht auch bei unveränderter Geometrie der Kontaktfläche unterschiedliche Widerstände zeigen.

Die fertigungsnahen Methoden der Übergangswiderstandsmessung an Aluminium- oder Stahlwerkstoffen basieren auf balligen Messelektroden. Nach den bisherigen

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Erfahrungen ist davon auszugehen, dass diese Messmethoden sich nicht auf die Messung des Übergangswiderstandes an Kupferwerkstoffen übertragen lassen. Dies liegt darin begründet, dass beim Widerstandsbuckelschweißen von Kupferwerk-stoffen geringere Elektrodenkräfte wirken, andere Oberflächenüberzüge zum Einsatz kommen (Ag, Sn, Ni) und die Flächenpressung im Bereich des Schweißbuckels abhängig von der Buckelgeometrie (Radius und Grad der Rückverformung) ist. Bislang fehlten den Halbzeugherstellern und den verarbeitenden Betrieben geeignete Prüfverfahren zur Erfassung der Übergangswiderstände, die dem Anspruch einer fertigungsnahen Messmethode für das Buckelschweißen von Kupferwerkstoffen gerecht werden. Entsprechend galt es eine geeignete Messmethode zu entwickeln, an Hand derer sich Schwankungen in der Bauteilqualität – insbesondere der Beschichtung – reproduzierbar erfassen lassen. 3.1 Numerische Simulation von Widerstandsschweißungen

Verfahren zur numerischen Prozesssimulation von Widerstandsschweißungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) sind zunehmend gefragt. Zur numerischen Si-mulation der mechanischen, elektrischen und thermischen Prozesse beim Wider-standsbuckelschweißen sind von einer Reihe von Autoren Arbeiten zur Modellent-wicklung veröffentlicht worden /14-19/. Wesentliche Fortschritte bei der Simulation der elektrisch-thermischen und mecha-nisch-dynamischen Vorgänge während der Schweißung machte die MPA Stuttgart. Mit Hilfe der Methode der Finiten Differenzen /19-21/ und der Finiten Elemente (FE) /4,10,11,22,23/ wurde der Verlauf des Schweißstroms, der elektrische Widerstand, die Temperaturverteilung in der Schweißverbindung und die mechanischen Verfor-mungen über der Prozesszeit simuliert. Hierbei wurden jedoch entsprechend dem bisherigen Stand von Wissenschaft und Forschung eine Reihe von Vereinfachungen insbesondere bei der Modellierung des Kontaktwiderstands vorgenommen (z. B. Kontaktwiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur in FE-Programm SPOTWELDER /23/ oder der Zeit in FE-Programm SYSWELD).

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20

40

60

80

100

120

140

µΩ

180el

ektri

sche

r Wid

erst

and

0 400 800 1200 °C 2000Temperatur

R2+R4 (AlMg0,4Si1,2, t = 2 x 1,25 mm)RK(MPA)Rges

Abb. 3.1: Elektrischer Stoffwiderstand und Kontaktwiderstand in Abhängigkeit von

der Temperatur (FE-Programm SPOTWELDER)

Die bisherigen Arbeiten stoßen bei den industriellen Anwendern, die in ihren Berei-chen FE-Simulationsverfahren einsetzen, auf großes Interesse. Eine Übertragung und Weiterentwicklung der bisherigen FE-Modelle erfordern jedoch die Formulierung eines von der FE-Softwareplattform (ANSYS, Abaqus u. a.) unabhängigen Modells für den Kontaktwiderstand und die Verfügbarkeit geeigneter und einfach anwendba-rer Messverfahren zur Bestimmung von Werkstoffkennwerten zur Beschreibung der Kontaktsituation an den Kontaktstellen Elektrode/Fügeteil und zwischen den Fügetei-len. 3.2 Elektrische Widerstände beim Widerstandsschweißen

Für die Stoffwiderstände der einzelnen elektrischen Leiter gilt unter Berücksichtigung der Temperaturverteilung in einem eindimensionalen elektrischen Leiter der Länge L und der Querschnittsfläche A:

∫=L

el dLLA

R ))((1)( ϑρϑ

Die wohl umfassendsten Untersuchungen zum Themenbereich des elektrischen Kon-takts zwischen elektrisch leitfähigen Körpern wurden zwischen 1930 und 1950 von Ragnar Holm /12/ durchgeführt. Nach Holm unterliegt der Kontaktwiderstand einer Reihe von Einflussgrößen, die nur zum Teil exakt bestimmt werden können. Wenn zwei Körper miteinander in Kontakt kommen, so erfolgt die tatsächliche Berüh-rung zunächst nur in einigen Punkten. Bei frei beweglichen Körpern sind mindestens

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drei Punkte in Berührung, bei gelagerten Körpern genügt ein einzelner Punkt, um die freie Bewegung zu hemmen. Diese Berührpunkte sind wahllos über die in Kontakt stehende Fläche verteilt. Sie entstehen, weil makroskopisch glatte Flächen immer ei-ne gewisse Rauigkeit aufweisen. An den Spitzen dieser Unebenheiten wird zuerst der mechanische Kontakt hergestellt, Abb. 3.2. Aus diesem Grund bezeichnet Holm die sichtbar in Kontakt stehende Fläche A als scheinbare Kontaktfläche Aa. Die tat-sächlich in Kontakt stehende Fläche wird als wirkliche Kontaktfläche Ab bezeichnet. Es gilt also:

ab AA <

Das Verhältnis zwischen scheinbarer und wirklicher Kontaktfläche ist zunächst unbe-kannt und von der mechanischen Belastung, der Oberflächenrauigkeit und den Mate-rialeigenschaften abhängig. Metallische Oberflächen, die der Atmosphäre ausgesetzt sind, reagieren mit dem Sauerstoff der Luft und überziehen sich mit einer Oxidhaut. Solche Oxide sind sehr gute elektrische Isolatoren. Darüber hinaus schlägt sich Feuchtigkeit auf der Oberflä-che nieder. Oft sind auch Reste von Ölen und Fetten vorhanden, die als Korrosions-schutz dienen oder aus vorangegangenen Tiefziehprozessen stammen. Die Schicht zwischen den elektrischen Leitern ist daher praktisch isolierend. Unter zunehmender mechanischer Last jedoch werden die Rauigkeiten der Oberfläche nach und nach plastifiziert. Die spröde Oxidschicht reißt und es bilden sich metallische Brücken aus, die eine Leitfähigkeit von der Größenordnung des Grundwerkstoffes besitzen. Diese metallisch leitenden Punkte werden als a-spots bezeichnet. Sie bilden in der Summe die elektrisch leitende Fläche Ac. Sie ist kleiner als die wirk-liche mechanische Kontaktfläche Ab, so dass gilt:

abc AAA <<

Abb. 3.2: Scheinbare und wirkliche Kontaktfläche zweier Kontaktpartner

Die Verteilung und die Größe von Ac sind abhängig von der Oberflächenbeschaffen-heit der einzelnen Kontaktpartner. Unter wachsender mechanischer Last und durch die Erwärmung der Kontaktfläche werden die elektrischen Kontaktflächen wachsen und neue Kontaktflächen hinzukommen. Damit wird der anfänglich große Einfluss des Engewiderstands aus drei Gründen geringer:

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1. Durch die Erweichung der Kontaktpartner aufgrund der Erwärmung durch den

elektrischen Strom wächst die mechanische Kontaktfläche Aa. 2. Durch die fortschreitende Plastifizierung der Oberflächenrauigkeiten vergrößern

sich die a-spots und es kommen neue elektrisch leitende Flächen hinzu. 3. Die Verteilung der a-spots wird gleichförmiger, da bei kleinen Lasten die Plastifi-

zierung der Rauigkeiten bevorzugt im Zentrum der mechanischen Kontaktfläche stattfindet. Mit dem Einsinken der Elektrode werden auch Rauigkeiten plastifiziert und egalisiert, die weiter außerhalb der Mitte liegen.

Die Anzahl und die Verteilung der elektrisch leitenden Flächen über der scheinbaren mechanischen Kontaktfläche sind im Allgemeinen unbekannt. Das Kontaktwider-standsmodell nach Holm liefert aber eine gute Erklärung für die starke Streuung der Messergebnisse bei Kontaktwiderständen, wie sie in /28-30/ beschrieben sind. Das gilt besonders im Bereich von kleinen mechanischen Lasten, wo sich bei nahezu identischen Versuchsbedingungen eine Streuung von über 100% ergeben kann. Auch für hohe mechanische Lasten stellt der Engewiderstand nur eine untere Schranke dar, da die Rauigkeiten in der Oberfläche auch bei einer vollständigen Plastifizierung der Oberfläche nicht völlig verschwinden. Greenwood /31/ hat in diesem Zusammenhang Rauigkeitsmessungen an kugelgestrahlten Goldproben vor und nach einer Härteprüfung nach Brinell durchgeführt. Die zu Anfang vorhandenen Rauigkeiten wurden nur an ihrer Spitze abgeflacht, obwohl die Oberfläche makro-skopisch voll plastifiziert wurde. Abb. 3.3 zeigt exemplarisch skizziert das Ergebnis einer solchen Rautiefenmessung. Damit wird deutlich, dass die scheinbare mechanische Kontaktfläche Aa nicht der wirklichen mechanischen Kontaktfläche Ab entspricht.

Abb. 3.3: Oberflächenrauheit einer kugelgestrahlten Goldprobe vor und nach

einer Brinell-Härteprüfung /31/.

Die Oberfläche metallischer Leiter ist in der Regel von einer Oxidhaut bedeckt, die als nahezu isolierend betrachtet werden kann. Sind diese Schichten jedoch sehr dünn, etwa im Bereich einiger Atomlagen, so kann diese Schicht aufgrund von physikalischen Effekten (Tunneleffekt) leitfähig werden. In diesem Fall besteht der Kontaktwiderstand aus einem Engewiderstand und einem Filmwiderstand, der sich aus der Resistivität der leitenden Schicht ergibt. Für den Filmwiderstand Rf gilt:

cf A

R σ=

σ ist dabei der flächenbezogene Widerstand des leitenden Filmes. Solche Filmwider-stände tragen vor allem bei sehr kleinen mechanischen Lasten und kleinen elektri-schen Stromdichten zum elektrischen Widerstand bei. Bei hohen mechanischen und elektrischen Lasten, wie sie beim Punktschweißen auftreten, wird der elektrisch lei-tende Film schnell zerstört und an seine Stelle tritt ein metallischer Kontakt /12/.

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3.3 Bestimmung der Kontaktfläche Aa

Die möglichst genaue Ermittlung der scheinbaren mechanischen Kontaktfläche Aa ist Voraussetzung zur Bestimmung des elektrischen Kontaktwiderstands. Bei flachen Elektroden ist diese Fläche gleichzusetzen mit der Stirnfläche der Elektrode unter Last. Wenn jedoch ballige Elektroden zum Einsatz kommen, so ist die Kontaktfläche keine konstante Größe mehr. Die Kontaktfläche ist dann abhängig von der Größe der mechanischen Last, dem Ballenradius und den Werkstoffeigenschaften. Da sich die Eigenschaften des Werkstoffs im Verlauf der Schweißung durch die fortschreitende Erwärmung verändern, wird auch die Größe der Kontaktfläche unterschiedliche Wer-te annehmen. 3.3.1. Elastisch-plastisches Werkstoffverhalten

Aus dem potentialtheoretischen Ansatz nach Hertz /32/ lassen sich auch die Span-nungs- und Verschiebungsverläufe innerhalb und außerhalb der Kontaktfläche sowie im halbunendlichen elastischen Körper bestimmen. Johnson /33/ zeigte die Zusam-menhänge der durch die Hertzsche Pressung entstehenden Spannungsverläufe. Aus den Spannungsverläufen lassen sich mit Hilfe der Schubspannungshypothese die mechanische Last F und der Ort bestimmen, an dem zuerst plastisches Fließen ein-setzt. Plastisches Fließen setzt ein, wenn die mittlere Flächenpressung den Wert

p Rm e= ⋅0 94.

erreicht. Nach Erreichen der Fließlast ist die Zone plastischer Deformation zunächst vollständig von elastischem Material umschlossen. Diese Phase wird daher nach Johnson /33/ als „eingeschlossene Deformation“ bezeichnet (im engl. Originaltext: „contained mode of plastic deformation“). Wird die Last weiter gesteigert, so vergrö-ßert sich die plastische Zone und erreicht schließlich die unbelastete Oberfläche. Diese Phase wird als „freie Deformation“ („free mode of plastic deformation“) be-zeichnet. Die im elastischen Bereich parabelförmige Druckverteilung über der me-chanischen Kontaktfläche wird bei fortschreitender Plastifizierung des Werkstoffs nach und nach abgeflacht, bis sich über der Kontaktfläche eine nahezu konstante Flächenpressung ergibt. Die Flächenpressung steigt dann unter zunehmender Last nicht weiter an, sondern nimmt einen konstanten Wert von etwa dem Dreifachen der Fließgrenze an /34/.

p Rm e≈ ⋅3

Eine Vergrößerung der äußeren Belastung führt dann zu einer entsprechenden Ver-größerung der Kontaktfläche, da die Flächenpressung nicht weiter ansteigt.

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Abb. 3.4: Entwicklung der plastischen Zone beim Eindringen der balligen Elektro-

de in einen elastisch-plastischen Halbraum

Für elastisch-plastisches Werkstoffverhalten sind die o.g. Gleichungen nicht länger gültig. Basierend auf experimentellen Ergebnissen von Norbury und Samnuel /35/ gibt Matthews /36/ eine Formel für die Beziehung zwischen Verschiebung und Kon-taktradius für elastisch-plastisches Werkstoffverhalten an. Für die numerische Simulation von elastisch-plastischem Werkstoffverhalten bieten FE-Programme eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Implementierung des Werkstoff-gesetzes an. Ein Werkstoffgesetz kann mit Hilfe von tabellarisch festgelegten Werk-stofffließkurven als linearelastisch-idealplastisch oder linearelastisch mit anschlie-ßender isotroper oder kinematischer Verfestigung festgelegt werden. Die experimentelle Bestätigung der numerisch berechneten Kontaktfläche ist nur mit hohem Aufwand möglich. Wenn die Kontaktfläche durch die Abtastung und Vermes-sung des resultierenden Abdruckes ermittelt wird, so sind einige Einflüsse zu beach-ten. Da die Berandung der Kontaktzone während der Belastung einsinkt und es zu plastischen Verformungen kommt, wird sich die Peripherie nicht wieder vollständig zurückverformen, wenn die Probe entlastet wird. Darüber hinaus ist nach Untersu-chungen von Tabor /38/ der nach der Entlastung verbleibende Radius RBL nicht iden-tisch mit dem Ballenradius R des Eindringkörpers. Nach Tabor ergibt sich für den verbleibenden Radius folgende implizite Gleichung (RBL negativ):

4 1 1 33aR R

FEBL

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ = *

Für große Ballenradien liegt die Tiefe des verbleibenden Eindrucks im Bereich von wenigen hundertstel Millimetern und damit im Bereich der Oberflächenrauheit techni-scher Oberflächen. Da diese Oberflächenrauheit auch bei vollständiger Plastifizie-rung nicht vollständig verschwindet, kann das Messergebnis auch dadurch beein-trächtigt werden.

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3.3.2. Elastisch-plastisches Werkstoffverhalten mit Reibung

In FE-Programmen lassen sich reibungsbehaftete Oberflächen mit Hilfe des Cou-lombschen Reibungsmodells /39/ beschreiben. Die Reibungskonstante µr wird dabei als Materialkonstante definiert. Die Oberflächen bleiben in Haftkontakt, solange die Scherspannung zwischen den Oberflächen folgende Bedingung erfüllt:

τ μ≤ r nF

Wird diese Scherspannung erreicht, so beginnen die Oberflächen zu gleiten. Ob Haft- oder Gleitreibung vorliegt, lässt sich anhand des Kontaktstatus der Kontaktele-mente im Postprocessing ermitteln.

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4 Untersuchte Werkstoffe und Halbzeuge

Für die vorliegenden Untersuchungen wurden von den Firmen KME Germany AG & Co. KG, Robert Bosch GmbH und Wieland-Werke AG Blechhalbzeuge aus Kupfer und unterschiedlichen Kupferlegierungen unbeschichtet sowie mit unterschiedlichen Überzügen, zum Teil auch mit geprägtem Buckel versehen, in verschiedenen Blech-dicken zur Verfügung gestellt, Tabelle 4.1 und Tabelle 4.2. Von der Firma Prym Inovan GmbH & Co. KG wurde für die Untersuchungen ein Kontaktprofil (Schweißrü-ckenwerkstoff: CuNi9Sn2, Kontaktwerkstoff: AgNi0,15) geliefert. Einen Gesamtüber-blick über alle untersuchten Halbzeuge und ihre Eigenschaften zeigt die Tabelle im Anhang A. Die Chargen wurden entsprechend ihrem Eingang durch die MPA Univer-sität Stuttgart fortlaufend mit der Kennzeichnung „Cu-xx“ versehen. Für eine objektive Untersuchung des Einflusses des Überzugs auf den Kontakt-widerstand wurden von den Blechherstellern nach Möglichkeit Blechwerkstoffe einer Herstellung (eines Bandes) mit unterschiedlichen Überzugsmodifikationen bereitge-stellt (z.B. Cu-ETP, R290, Band-Kennung I in den Oberflächenqualitäten elektroly-tisch verzinnt, elektrolytisch vernickelt, nickelphosphatiert oder elektrolytisch versil-bert; vgl. Chargen „Cu-80“, „Cu-82“, „Cu-84“ und „Cu-86“). Von Firma KME Germany AG & Co. KG wurden mit einem Röntgenfluoreszenz-Spektrometer die Dicken von Überzügen und intermetallischen Phasen gemessen und farbgeätzte Schliffbilder der Überzüge angefertigt, Abb. 4.1 und Abb. 4.2. Tabelle 4.1: Untersuchte Blechhalbzeuge aus Kupfer, Messing- und Bronzelegie-

rungen

Blechwerkstoffe Oberfläche Blechdicke Bemerkung

ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm

schmelztauchverzinnt (2-4µm) 0,8 mm

elektrolytisch verzinnt (1-3 µm) 0,8 mm auch mit Buckel

elektrolytisch vernickelt (0,5 -1 µm) 0,8 mm

nickelphosphatiert (9-12%; 0,85 µm) 0,8 mm

Kupfer:

Cu-ETP, R290

elektrolytisch versilbert (2-4 µm) 0,8 mm

Cu-ETP, R220 elektrolytisch vergoldet (1 µm) 0,4 mm Referenzblech

ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm Messinglegierung: CuZn37, R480 schmelztauchverzinnt (3-5 µm) 0,4 mm

ohne Überzug 0,4 mm Bronzelegierungen: CuSn6, R500 elektrolytisch verzinnt (1-3 µm) 0,4 mm

CuSn8, R685-R735 ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm

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Tabelle 4.2: Untersuchte Blechhalbzeuge aus niedriglegierten Kupferfederwerk-stoffen

Blechwerkstoffe Oberfläche Blechdicke Bemerkung

CuCrAgFeTiSi, R540 ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4 mm

CuCrAgFeTiSi, R480 elektrolytisch verzinnt (1-3 µm) 0,8 mm auch mit Buckel

CuNiCo1Si, TM04 ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4 mm

CuNi3Si1Mg, R650 ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4mm, 0,6 mm

CuNi1,5Si, R580 schmelztauchverzinnt (1-3 µm) 0,4 mm

ohne Überzug 0,4 mm CuMg0,6, R520-570

schmelztauchverzinnt (3-7 µm) 0,4 mm

CuFe2P, R420 ohne Überzug, gebürstet 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm

ohne Überzug 1,0 mm CuSn0,15, R460

elektrolytisch reflow-verzinnt (1-3 µm) 0,8 mm

CuSn0,15, R420 schmelztauchverzinnt (0,8-1,5 µm) 0,6 mm

CuSn0,15 elektrolytisch verzinnt (1-3 µm) 0,8 mm auch mit Buckel

elektrolytisch verzinnt

Cu-ETP, δ=2,83μm


Cu-ETP, δ=2,71μm

schmelztauchverzinnt

Cu-ETP, δ=2,0-3,0μm


Cu-ETP, δ=1,86μm


CuSn0,15, δ=1,5-2,0μm


CuSn0,15, δ=3,20μm


CuSn0,15, δ=2,23μm


CuSn0,15, δ=2,12μm

elektrolytisch mattverzinnt

CuSn6, δ=1,4-1,6μm


CuSn6, δ=2,0-2,2μm


CuCrAgFeTiSi, δ=2,47μm


CuCrAgFeTiSi, δ=2,02μm


CuNi1,5Si, δ=1,76μm


CuZn37, δ=3,7-4,6μm


CuMg0,6, δ=6,37μm

δ: Beschichtungsdicke Abb. 4.1: Farbgeätzte Schliffbilder und gemessene Dicke der Zinnüberzüge

- 14 -

E-Cu58, δ=2,91

elektrolytisch versilbert

nickelphosphatiert

E-Cu 58, δ=0,85μmE-Cu 58, δ=0,70μm

vernickelt

δ: Beschichtungsdicke Abb. 4.2: Farbgeätzte Schliffbilder und gemessene Dicke der übrigen Überzüge Zur Dickenmessung der intermetallischen Phase wurde der Überzug mit einem Elekt-rolyten und durch kontrollierte Zuführung von elektrischem Strom von der intermetal-lischen Phase abgelöst (coulometrisches Verfahren gemäß DIN EN ISO 2177). Zur Charakterisierung der untersuchten Blechhalbzeuge wurden von den Herstellern die Werkstoffparameter Härte, Festigkeit, Bruchdehnung, elektrische Leitfähigkeit und chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs sowie die Oberflächenrau-heit ermittelt. In Ergänzung zu den von den Halbzeugherstellern bereitgestellten Da-ten wurden an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart für alle untersuchten Grundwerkstoffe durch Zugversuche an Flachzugproben die Spannungs-Dehnungs-kurven bei Raumtemperatur erfasst, Abb. 4.3 und Abb. 4.4, sowie Härte- und Rauig-keitsmessungen durchgeführt. Für die Grundwerkstoffe Cu-ETP, CuZn37 und CuSn8 zeigt Abb. 4.5 die wahren Fließkurven mit den Stützwerten für die FE Simulation. Die Tabelle 4.3 fasst die zur Simulation des Aufsetzens der Elektroden verwendeten Werkstoffkennwerte bei Raumtemperatur zusammen. Diese Werte wurden z. T. den Werkstoffdatenblättern der Wieland-Werke AG /44/ bzw. des Deutschen Kupfer-Instituts e.V. (DKI) /45/ entnommen. Tabelle 4.3: Werkstoffkennwerte bei Raumtemperatur

Kennwert Einheit Cu-ETP R290

CuZn37 R480

CuSn8 R685

W CuCr1Zr

Elastizitätsmodul GPa 108,5 108 110 406 135

Querkontraktionszahl - 0,3 0,3 0.3 0,3 0,3

Wärmeausdehnungskoeffizient 1/K 17,7·10-6 20,2·10-6 18,5·10-6 4,5·10-6 16,3·10-6

Wärmeleitfähigkeit W/m·K 390 120 67 165 322

Spezifische Wärmekapazität J/kg·K 386 377 377 135 370

Dichte kg/m3 8940 8440 8800 19300 8910

Spezifischer elektr. Widerstand Ω·m 1,75·10-8 6,66·10-8 13,3·10-8 5,78·10-8 2,30·10-8

Cu-ETP, Cu-ETP,

Cu-ETP,

- 15 -

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20

Dehnung / %

Span

nung

/ M

PaCuNiCo1Si, t = 0,2 mm (Cu-72)CuNiCo1Si, t = 0,4 mm (Cu-73)CuSn8, t = 0,6 mm (Cu-71)CuSn8, t = 0,4 mm (Cu-70)CuSn8, t = 0,2 mm (Cu-69)CuNi3Si1Mg, t = 0,6 mm (Cu-76)CuNi3Si1Mg, t = 0,4 mm (Cu-75)CuNi3Si1Mg, t = 0,2 mm (Cu-74)CuCrAgFeTiSi, t = 0,4 mm (Cu-62)CuCrAgFeTiSi, t = 0,2 mm (Cu-61)CuZn37, t = 0,2 mm (Cu-66)CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-67)CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-67)CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-68)CuFe2P, t = 0,6 mm (Cu-79)CuFe2P, t = 0,4 mm (Cu-78)CuFe2P, t = 0,2 mm (Cu-77)Cu-ETP, t = 0,6 mm (Cu-65)Cu-ETP, t = 0,4 mm (Cu-64)Cu-ETP, t = 0,2 mm (Cu-63)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4Dehnung / %

Span

nung

/ M

Pa

CuNiCo1Si, t = 0,2 mm (Cu-72)CuNiCo1Si, t = 0,4 mm (Cu-73)CuSn8, t = 0,6 mm (Cu-71)CuSn8, t = 0,4 mm (Cu-70)CuSn8, t = 0,2 mm (Cu-69)CuNi3Si1Mg, t = 0,6 mm (Cu-76)CuNi3Si1Mg, t = 0,4 mm (Cu-75)CuNi3Si1Mg, t = 0,2 mm (Cu-74)CuCrAgFeTiSi, t = 0,4 mm (Cu-62)CuCrAgFeTiSi, t = 0,2 mm (Cu-61)CuZn37, t = 0,2 mm (Cu-66)CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-67)CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-67)CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-68)CuFe2P, t = 0,6 mm (Cu-79)CuFe2P, t = 0,4 mm (Cu-78)CuFe2P, t = 0,2 mm (Cu-77)Cu-ETP, t = 0,6 mm (Cu-65)Cu-ETP, t = 0,4 mm (Cu-64)Cu-ETP, t = 0,2 mm (Cu-63)

Abb. 4.3: Längs zur Walzrichtung gemessene Fließkurven

(Chargen Cu-61…Cu-79)

- 16 -

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30 35

Dehnung / %

Span

nung

/ M

PaCuCrAgFeTiSi, t = 0,8 mm (Cu-119)**

CuNi1,5Si, t = 0,4 mm (Cu-112)*

CuMg0,6, t = 0,4 mm (Cu-109)

CuMg0,6, t = 0,4 mm (Cu-111)*

CuSn6, t = 0,4 mm (Cu-115)**

CuSn0,15, t = 0,6 mm (Cu-114)*

CuSn0,15, t = 1,0 mm (Cu-105)

CuSn0,15, t = 0,8 mm (Cu-118)**

CuSn0,15, t = 0,8 mm (Cu-106)***

CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-104)*

Cu-ETP, t = 0,8 mm (Cu-113)*

Cu-ETP, t = 0,8 mm (Cu-117)**

Cu-ETP, t = 0,8 mm (Cu-117)**

* schmelztauchverzinnt** ohne Überzug oder elektrol. verzinnt*** elektrolytisch reflow-verzinnt

0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4

Dehnung / %

Span

nung

/ M

Pa

CuCrAgFeTiSi, t = 0,8 mm (Cu-119)**

CuNi1,5Si, t = 0,4 mm (Cu-112)*

CuMg0,6, t = 0,4 mm (Cu-109)

CuMg0,6, t = 0,4 mm (Cu-111)*

CuSn6, t = 0,4 mm (Cu-115)**

CuSn0,15, t = 0,6 mm (Cu-114)*

CuSn0,15, t = 1,0 mm (Cu-105)

CuSn0,15, t = 0,8 mm (Cu-118)**

CuSn0,15, t = 0,8 mm (Cu-106)***

CuZn37, t = 0,4 mm (Cu-104)*

Cu-ETP, t = 0,8 mm (Cu-113)*

Cu-ETP, t = 0,8 mm (Cu-117)**

Cu-ETP, t = 0,8 mm (Cu-117)**

* schmelztauchverzinnt** ohne Überzug oder elektrol. verzinnt*** elektrolytisch reflow-verzinnt

Abb. 4.4: Längs zur Walzrichtung gemessene Fließkurven

(Chargen Cu-104…Cu-119)

- 17 -

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

Wahre Dehnung

Wah

re S

pann

ung

/ M

Pa

CuSn8, t = 0,4 mm (Cu-70)CuSn8, Stützwerte für die FE-SimulationCuZn37, t = 0,4 mm (Cu-67)CuZn37, Stützwerte für die FE-SimulationCu-ETP, t = 0,4 mm (Cu-64)Cu-ETP, Stützwerte für die FE-Simulation

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

Wahre Dehnung

Wah

re S

pann

ung

/ M

Pa

CuSn8, t = 0,4 mm (Cu-70)CuSn8, Stützwerte für die FE-SimulationCuZn37, t = 0,4 mm (Cu-67)CuZn37, Stützwerte für die FE-SimulationCu-ETP, t = 0,4 mm (Cu-64)Cu-ETP, Stützwerte für die FE-Simulation

Abb. 4.5: Wahre Fließkurven mit Stützwerten für die FE-Simulation für die unter-

suchten Werkstoffe Cu-ETP, CuZn37 und CuSn8

Die für eine begleitende FE-Simulation des Schweißprozesses ausgewählter Werk-stoffe benötigten Warmfließkurven wurden gewonnen durch eine passend zu den bei Raumtemperatur ermittelten Fließkurven vorgenommene Skalierung der Warmfließ-kurven vergleichbarer Werkstoffe, die an der MPA Universität Stuttgart bereits aus früheren Vorhaben (z.B. AiF-Vorhaben Nr. 12.188 B, Werkstoff CuZn37, R550) zur Verfügung stehen, Abb. 4.6 und Abb. 4.7.

- 18 -

0

200

400

600

800

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

Wahre Dehnung

Wah

re S

pann

ung

/ MPa

RT 200°C 400°C 600°C 800°C

Abb. 4.6: Temperaturabhängige Fließkurven mit Stützwerten für die FE-Simulation

für den Werkstoff CuZn37, R480 (Prüfgeschwindigkeit 10 mm/s)

0

100

200

300

400

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2

Wahre Dehnung

Wah

re S

pann

ung

/ M

Pa

RT200°C400°C600°C800°C

Abb. 4.7: Temperaturabhängige Fließkurven mit Stützwerten für die FE-Simulation

für den Werkstoff Cu-ETP, R290 (Prüfgeschwindigkeit 3 mm/s)

CuZn37, R480

Cu-ETP, R290

- 19 -

4.1 Charakterisierung der Buckelbleche und des Kontaktprofils

Von den Firmen Robert Bosch GmbH und Wieland-Werke AG wurden für die Unter-suchungen bauteilnahe Proben mit geprägtem Buckel in vier verschiedenen Buckel-formen zur Verfügung gestellt, Tabelle 4.4. Zur Erfassung der Buckelprofile wurden senkrecht zur Blechebene und parallel zur Probenlängsrichtung metallographische Schliffe durch die Buckelmitte angefertigt, Abb. 4.8. Zur Charakterisierung der Bu-ckelsteifigkeit wurden die Buckel unter gleichzeitiger Messung von Kraft- und Weg-verlauf rückverformt:

a) gegen eine harte Platte aus Keramik, b) gegen ein planes Probenblech aus dem Werkstoff des Buckelblechs.

Abb. 4.9 und Abb. 4.10 zeigen die gemessenen Kraft-Weg-Verläufe beim Rückver-formen der Buckel für die untersuchten vier Buckelformen und Grundwerkstoffe.

Tabelle 4.4: Übersicht über die untersuchten Buckelbleche

Lieferant Robert Bosch GmbH Wieland-Werke AG *

Buckelform Rundbuckel A Spitzbuckel A Rundbuckel B Spitzbuckel B

Buckelhöhe /mm 0,5 0,55 0,45 0,4

Buckeldurchmesser /mm 1,8 1,6 1,5 1,85

Probenabmessungen /mm 60 x 3 x 0,8

Grundwerkstoff Cu-ETP, R290, CuSn0,15 oder CuCrAgFeTiSi, R480 bzw. R520

Metallischer Überzug elektrolytisch verzinnt

* Metallischer Überzug: Firma IMO Oberflächentechnik GmbH, Prägen der Buckel: Fa. Kleiner GmbH

Rundbuckel A Spitzbuckel A Rundbuckel B Spitzbuckel B

Abb. 4.8: Buckelformen: von oben (oben), im Profil (Mitte) und Schliffbilder (unten)

- 20 -

Cu-ETP, R290, elektrolytisch verzinnt, Spitzbuckel A

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

gegen Keramikplattegegen Keramikplattegegen Blech gleichen Werkstoffsgegen Blech gleichen Werkstoffs

Cu-ETP, R290, elektrolytisch verzinnt, Rundbuckel A

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

Cu-ETP, R290, elektrolytisch verzinnt, Spitzbuckel B

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

Cu-ETP, R290, elektrolytisch verzinnt, Rundbuckel B

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

CuCrAgFeTiSi, R480, elektrolytisch verzinnt, Spitzbuckel A

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

CuCrAgFeTiSi, R480, elektrolytisch verzinnt, Rundbuckel A

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

CuCrAgFeTSi, R520, elektrolytisch verzinnt, Spitzbuckel B

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

CuCrAgFeTSi, R520, elektrolytisch verzinnt, Rundbuckel B

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

Abb. 4.9: Kraft-Weg-Verläufe beim Rückverformen der Buckel

- 21 -

CuSn0,15, elektrolytisch verzinnt, Spitzbuckel A

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft / N

gegen Keramikplattegegen Keramikplattegegen Blech gleichen Werkstoffsgegen Blech gleichen Werkstoffs

CuSn0,15, elektrolytisch verzinnt, Rundbuckel A

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft / N

CuSn0,15, elektrolytisch verzinnt, Spitzbuckel B

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

CuSn0,15, elektrolytisch verzinnt, Rundbuckel B

0

200

400

600

800

1000

1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Weg / mm

Kra

ft /

N

Abb. 4.10: Kraft-Weg-Verläufe beim Rückverformen der Buckel

- 22 -

Profilbreite: 3,2 mm

Profildicke: 0,85 mm

Probenlänge: 60 mm

Kontaktwerkstoff: AgNi0,15 Schweißrückenwerkstoff: CuNi9Sn2

Abb. 4.11: Schliffbilder und Abmessungen des untersuchten Kontaktprofils Das untersuchte Kontaktprofil weist auf dem Schweißrücken drei Schweißstege pa-rallel zur Probenlängsrichtung auf. Zur Erfassung des Profils von Schweißrücken und Schweißstegen wurden senkrecht zur Probenlängsrichtung Schliffbilder des Kon-taktprofilquerschnitts angefertigt, Abb. 4.11. Zur Charakterisierung der Schweißstege (Buckel) wurden deren Härte- und Rauigkeitswerte messtechnisch erfasst (siehe Ta-belle im Anhang A).

- 23 -

5 Aufbau und Durchführung der Widerstandsmessung

5.1 Mechanischer Aufbau

5.1.1. Prüfeinrichtung zur Kraftaufbringung

Zur statischen Messung des Übergangswiderstands bei konstantem Strom wurden zylindrische Prüfelektroden mittels doppelkonischer Spannzangen (Typ ER40) elekt-risch isoliert in die Einspannköpfe einer kalibrierten Kleinlastuniversalprüfeinrichtung der Firma Zwick GmbH & Co. KG des Typs 1445 (servomotorischer Antrieb; Nenn-kraft 10 kN) implementiert, Abb. 5.1. Ein Kraftaufnehmer in der Traverse (Messbe-reich 10 kN) bzw. im oberen Prüfrahmen (Messbereich 100 N) diente zur Steuerung und Messung der aufgebrachten Elektrodenkraft (Prüfkraft).

Probenblech

Abb. 5.1: Versuchsaufbau zur Messung des Übergangswiderstands Zur dynamischen Widerstandsmessung bei ansteigendem Strom und bei Schweiß-versuchen erfolgte die Kraftaufbringung mittels eines kraftkalibrierten Widerstands-schweißkopfs für das Kleinteilschweißen (Kraftbereich: 20 bis 620 N). 5.1.2. Prüfelektroden

Für die Untersuchungen wurden ballige Elektroden aus dem Werkstoff CuCr1Zr so-wie ballige und plane Elektroden aus dem Werkstoff Wolfram verwendet. Zur nähe-ren Charakterisierung der Elektrodenarbeitsflächen wurden deren Härte- und Rauig-keitswerte messtechnisch erfasst, Tabelle 5.1.

- 24 -

Tabelle 5.1: Abmessungen der verwendeten Prüfelektroden sowie Härte und Rau-heit ihrer Arbeitsflächen

Elektrodentyp 1 2 3 4

Werkstoff CuCr1Zr CuCr1Zr Wolfram Wolfram

Durchmesser /mm 6 6 6 6

Länge /mm 50 50 40 40

Ballenradius /mm 50 20 50 plane Arbeitsfläche

Härte HV 1 142 482

Rz /µm 6,09 6,03 3,62 3,86

Ra /µm 0,78 0,70 0,98 0,56

Rmax /µm 4,30 5,21

Rauheit der Arbeits-fläche

RPc /1/cm 275 269 Rz..gemittelte Rautiefe, Ra..arithmetischer Mittenrauwert, Rpc..Spitzenzahl, Rmax..maximale Rautiefe 5.2 Messaufbau und Durchführung der Messung

Zur Messung der verschiedenen Übergangswiderstandsarten wurden drei Messver-fahren eingesetzt, Abb. 5.2: - Messung des Systemwiderstands der Elektroden mittels Referenzblech - Einzelblechmessung zur Erfassung des Kontaktwiderstands zwischen

Elektrode und Blech - Zweiblechmessung zur Erfassung des Kontaktwiderstands zwischen zwei

Blechen und mit Spannungsabgriff an den Blechenden auch der Kontakt-widerstände zwischen Elektroden und Blechen

Fe Fe Fe

Messung des

Systemwiderstands Einzelblech-

messung Zweiblech-messung

Abb. 5.2: Messverfahren zur Messung des Übergangswiderstands

Referenzblech

- 25 -

5.2.1. Widerstandsmessung mit Präzisionswiderstandsmessgerät

5.2.1.1 Messung an planen Blechen

Zur hochpräzisen statischen Messung des Übergangswiderstands bei konstantem Strom wurde ein kalibriertes Präzisionswiderstandsmessgerät vom Typ 2304 der Fir-ma Burster, Abb. 5.3, in Vierleitermesstechnik an die Prüfelektroden angeschlossen. Die Stromzufuhr erfolgte über die Elektrodeneinspannung während der Spannungs-abgriff im Interesse eines möglichst geringen Systemwiderstands durch mit einer Dis-tanz von 2 mm zur Elektrodenarbeitsfläche auf die Elektroden aufgesteckte Klemm-hülsen realisiert wurde, Abb. 5.1. Den Messaufbau zeigt schematisch Abb. 5.4.

Abb. 5.3: Präzisionswiderstandsmessgerät Typ Resistomat 2304 der Firma Burster

Legende 1 Prüfelektroden Fe Elektrodenkraft 2 Probenblech I Messstrom

Abb. 5.4: Messaufbau zur Messung des Übergangswiderstands mit dem Präzisi-onswiderstandsmessgerät (schematisch, Einzelblechmessung)

Präzisions-widerstands-messgerät

I = 1 A

- 26 -

Zur Durchführung einer Messung wurde ein Probenblech zwischen den Prüfelektro-den positioniert, die Elektrodenkraft prellfrei aufgebracht und bei konstanter Kraft der Widerstand gemessen. Der Messstrom betrug dabei 1A (siehe technische Daten des Widerstandsmessgeräts im Anhang B). Zur Erfassung des Widerstandszeitverhaltens bei konstanter Elektrodenkraft wurde bei Elektrodenkräften von 100 und 300 N je-weils über eine Dauer von 30 s der zeitliche Verlauf des Übergangswiderstands ge-messen und aufgezeichnet, Abb. 5.5.

0,070

0,075

0,080

0,085

0,090

0 5 10 15 20 25 30

Zeit / s

Wid

erst

and

/ mΩ

Abb. 5.5: Zeitverhalten des Übergangswiderstands bei konstanter Elektrodenkraft

am Beispiel einer Einzelblechmessung an einem Blech aus dem Werk-stoff Cu-ETP, ohne Überzug bei einer Elektrodenkraft von 300 N.

Je Blechcharge und Prüfvariante wurden im Rahmen einer Messreihe 10 Messungen an unterschiedlichen Stellen zweier Probenbleche durchgeführt. Die Messstellen wurden im Abstand von 10 mm auf der Mittellinie der Proben angeordnet, Abb. 5.6. Zur statistischen Auswertung einer Messreihe wurde je Messung der nach einer Messzeit von 15 s gemessene Widerstandswert herangezogen, Abb. 5.5.

80

10

1020

30

Messstelle

Abb. 5.6: Anordnung der Messstellen auf einem Probenblech mit den Abmessun-gen 80 x 10 x t mm

- 27 -

Vor jeder Messung wurden die Elektrodenarbeitsflächen mit Schleifvlies der Körnung 1000 leicht abgerieben und anschließend anhaftender Staub mit einem sauberen, mit Ethanol getränkten Zellstofftuch entfernt. Vor jeder Messreihe wurde – ebenfalls mit dem Präzisionswiderstandsmessgerät – der Systemwiderstand ermittelt. Dabei wurde anstelle eines Probenblechs ein 0,4 mm dickes Referenzblech aus weichem Elektrolytkupfer (Cu-ETP, R220) mit ei-nem beidseitigen, elektrolytisch aufgebrachten Überzug aus Feingold (99,9 % Au) zwischen den Prüfelektroden positioniert. Die Durchführung der Systemwider-standsmessung erfolgte im Übrigen wie die oben beschriebene Übergangswider-standsmessung an einem Probenblech. Da sich der Systemwiderstand während ei-ner Messreihe z. B. durch Fremdstoffe auf den Elektrodenarbeitsflächen verändern kann, wurde die Systemwiderstandsmessung nach jeder Messreihe wiederholt. 5.2.1.2 Messung an Buckelblechen

An den Buckelblechen wurden die Übergangswiderstandsmessungen in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss als Zweiblechmessungen durchgeführt (Bu-ckelblech gegen planes Blech) wobei der Spannungsabgriff für das Präzisionswider-standsmessgerät an den Probenblechenden vorgenommen wurde. Hierfür wurde an der unteren Prüfelektrode ein speziell angefertigter Probenhalter mit integrierten Kon-taktfedern für den Spannungsabgriff befestigt, Abb. 5.8.

U

planes Probenblech

F

F

Elektrodenkraft F

Messstrom Ι

Spannung U

Ι

Ι

Buckelblech

Elektroden

Abb. 5.7: Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswiderstands zwischen Bu-

ckelblech und planem Blech (schematisch) Abb. 5.7 zeigt schematisch den Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswider-stands zwischen Buckelblech und auf dem Buckel aufliegendem planem Blech. Zum Einsatz kamen aus Wolfram gefertigte Prüfelektroden mit planer Arbeitsfläche. Die Bleche wurden mit Hilfe des Probenhalters so positioniert, dass sie sich zwischen den Prüfelektroden im Bereich des Buckels um ca. 10 mm überlappen und der Bu-ckel mittig zur Elektrodenarbeitsfläche angeordnet ist, Abb. 5.8. Zur Durchführung einer Messung wurden programmgesteuert nacheinander mehrere Laststufen (20 bis 100 N) angefahren und jeweils bei konstanter Elektrodenkraft und einem Messstrom von 1 A der zeitliche Verlauf des Übergangswiderstands gemes-sen und aufgezeichnet, Abb. 5.9. Systemwiderstandsmessungen sowie die Reini-gung der Elektrodenarbeitsflächen vor jeder Messung sind bei dieser Messmethode nicht erforderlich, da Elektrodeneinflüsse weitgehend vermieden werden.

- 28 -

planes Probenblech

BuckelblechSpannungsabgriff

Elektroden

Buckelblech Abb. 5.8: Versuchsaufbau mit Probenhalter zur Messung des Übergangswider-

stands zwischen Buckelblech und planem Blech Je Prüfvariante wurden im Rahmen einer Messreihe 7 Messungen durchgeführt, wo-bei eine Messung je Blechpaar durchgeführt wurde. Zur statistischen Auswertung ei-ner Messreihe wurde je Laststufe der nach einer Messzeit von 15 s gemessene Wi-derstandswert herangezogen, Abb. 5.9.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 20 40 60 80 100

Zeit / s

Wid

erst

and

/ mΩ

F = 20 N F = 40 N F = 60 N F = 80 N F = 100 N

Abb. 5.9: Zeitverhalten des Übergangswiderstands zwischen Buckelblech und

planem Blech bei stufenweise ansteigender Elektrodenkraft F am Bei-spiel eines Blechs mit Spitzbuckel B aus Cu-ETP und einem planen Blech aus CuCrAgFeTiSi, beide elektrolytisch verzinnt.

5.2.1.3 Messung an Kontaktprofil

Auch am Kontaktprofil wurden die Übergangswiderstandsmessungen als Zweiblech-messungen durchgeführt (Kontaktprofilabschnitt gegen planes Blech) und der Span-nungsabgriff für das Präzisionswiderstandsmessgerät an den Probenenden vorge-

- 29 -

nommen. Hierfür wurde an der unteren Elektrode ein speziell angefertigter Proben-halter mit integrierten Kontaktfedern für den Spannungsabgriff befestigt, Abb. 5.11.

I

U

planes Probenblech

F

F

Elektrodenkraft F

Strom I

Spannung U

I

Kontaktprofil

Elektroden

Abb. 5.10: Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswiderstands zwischen Kon-

taktprofil und planem Blech (schematisch) Abb. 5.10 zeigt schematisch den Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswider-stands zwischen Kontaktprofil und auf dessen drei Schweißstegen (Längsbuckel) aufliegendem planem Blech. Zum Einsatz kamen Prüfelektroden aus Wolfram mit planer Arbeitsfläche. Kontaktprofilabschnitt und planes Blech wurden mit Hilfe des Probenhalters so positioniert, dass sie sich zwischen den Prüfelektroden kreuzen und so eine definierte Kontaktfläche erzielt wird, Abb. 5.11.

planes ProbenblechKontaktprofil

Prüfelektrode

Probenhalter

Abb. 5.11: Versuchsaufbau mit Probenhalter zur Messung des Übergangswider-

stands zwischen Kontaktprofil und planem Blech Zur Durchführung einer Messung wurden programmgesteuert nacheinander mehrere Laststufen (100 bis 600 N) angefahren und jeweils bei konstanter Elektrodenkraft und einem Messstrom von 1 A der zeitliche Verlauf des Übergangswiderstands ge-messen und aufgezeichnet. Systemwiderstandsmessungen sowie die Reinigung der Elektrodenarbeitsflächen vor jeder Messung sind bei dieser Messmethode nicht er-forderlich, da Elektrodeneinflüsse weitgehend vermieden werden. Je Prüfvariante wurden im Rahmen einer Messreihe 7 Messungen durchgeführt, wo-bei eine Messung je Probenpaar durchgeführt wurde. Zur statistischen Auswertung einer Messreihe wurde je Laststufe der nach einer Messzeit von 15 s gemessene Widerstandswert herangezogen.

- 30 -

5.2.2. Widerstandsmessung bei rampenförmigem Stromimpuls

Um den Einfluss von Stromstärke und Stromanstiegsgeschwindigkeit auf den Über-gangswiderstand durch dynamische Messung bei höheren Strömen zu erfassen, wurde bei rampenförmigen Stromimpulsen von 2, 5 und 10 ms Dauer die Spannung an den Elektroden bzw. an den Probenblechenden kontinuierlich gemessen und auf-gezeichnet. Der Maximalstrom betrug dabei jedes Mal 5000 A. Daraus ergeben sich Stromanstiegsgeschwindigkeiten von 2500, 1000 und 500 A/ms. Zur Stromerzeugung diente eine Schweißgleichstromquelle mit Transistorregelung vom Typ 5G35/9000 der Firma MIYACHI EUROPE GmbH. An dieser Schweißstrom-quelle sind Stromanstiegszeit, Stromhaltezeit und Stromabfallzeit jeweils auf Werte zwischen 0 und 99 ms einstellbar, Tabelle 5.2. Zur Strommessung wurde der Span-nungsabfall an einem in den Messstromkreis eingebauten kalibrierten, koaxialen Shunt-Widerstand (5 µΩ) gemessen und nach dem ohmschen Gesetz in Stromwerte umgerechnet. Tabelle 5.2: Technische Daten der Schweißstromquelle Typ 5G35/9000 der Firma

MIYACHI EUROPE GmbH

Maximaler Schweißstrom 9000 A

Klemmenspannung im Leerlauf ca. 8,5 V

Klemmenspannung bei maximalem Strom ca. 1,4 V

Minimaler Lastwiderstand im Schweißstromkreis 0,15 mΩ

Anzahl Stromimpulse 1 oder 2

Wählbare Anstiegs-, Halte-, Abfall- und Pausenzeit 0 bis 99 ms (0 bis 990 ms*)

Zulässige Gesamtstromzeit 1500 ms * eine der Zeiten umschaltbar auf 10-fache Werte Die Kraftaufbringung erfolgte mittels eines kraftkalibrierten Widerstandsschweißkopfs für das Kleinteilschweißen, Typ FP181 der Firma MIYACHI EUROPE GmbH, einem pneumatisch betätigten Automatenkopf mit einem Kraftbereich von 20 bis 620 N. 5.2.2.1 Messung an planen Blechen

An artgleich gepaarten Probenblechen ohne Buckel wurden die Widerstandsmes-sungen bei rampenförmigem Stromimpuls und konstanter Elektrodenkraft (100 N und 300 N) als Zweiblechmessungen durchgeführt. Zur Ermittlung der Widerstandsver-läufe zwischen Elektrode und Blech (REB) und zwischen den Blechen (RBB) wurden dabei zusätzlich zum Spannungsverlauf zwischen den Elektroden auch die elektri-schen Potentialverläufe an den Probenblechenden gemessen und aufgezeichnet. Hierfür wurde ein speziell angefertigter Probenhalter mit integrierten Kontaktfedern für den Spannungsabgriff an den Probenblechenden auf die untere Prüfelektrode aufgesteckt, Abb. 5.12.

- 31 -

ProbenblecheSpannungsabgriff

Abb. 5.12: Versuchsaufbau mit Widerstandsschweißkopf und Spannungsabgriffen

an den Probenblechenden zur Übergangswiderstandsmessung bei rampenförmigem Stromimpuls oder bei Schweißversuchen

U2

oberes Probenblech

F

F

Ι

Ι

unteres Probenblech

Elektroden FElektroden FElektroden

U1

U3

Elektrodenkraft F

Messstrom Ι

Spannungen U i

Abb. 5.13: Messaufbau zur Erfassung des Widerstandsverlaufs zwischen zwei

Blechen und zwischen Elektroden und Blechen bei der Zweiblech-messung (schematisch) oder bei Schweißversuchen

Abb. 5.13 zeigt schematisch den Messaufbau bei der Zweiblechmessung an planen Blechen. Die Probenbleche wurden mit Hilfe der Probenhalterung so positioniert, dass sie sich zwischen den Prüfelektroden um ca. 10 mm überlappen. Aus den ge-messenen Strom- und Spannungsverläufen wurden durch Quotientenbildung der Strom-Spannungswertepaare die zeit- und stromabhängigen dynamischen Wider-standsverläufe (Abb. 5.14) wie folgt berechnet:

- 32 -

U1

ΙREBu = REBo =

Ι

U3 – U2

RBB = Ι

U2 – U1

Dabei ist REBu Widerstand zwischen unterer Elektrode und unterem Blech, REBo Widerstand zwischen oberer Elektrode und oberem Blech, RBB Widerstand zwischen den Blechen, U1 Spannungsabfall zwischen unterem Blech und unterer Elektrode, U2 Spannungsabfall zwischen oberem Blech und unterer Elektrode, U3 Spannungsabfall zwischen oberer und unterer Elektrode, I Strom in Ampere.

Abb. 5.14: Zeitabhängiger dynamischer Verlauf des Widerstands zwischen den

Blechen (blaue Kurven) bei rampenförmigem Stromimpuls (rote Kurve) und konstanter Elektrodenkraft von 300 N am Beispiel einer Zweiblech-messung mit dem Werkstoff CuSn6 ohne Überzug zwischen Elektroden aus dem Werkstoff CuCr1Zr mit einem Ballenradius von 50 mm

Je Prüfvariante wurden im Rahmen einer Messreihe fünf Messungen durchgeführt, wobei eine Messung je Probenpaar durchgeführt wurde. Um etwaige Veränderungen im Messaufbau wie Elektrodenverschleiß zu erkennen, wurde vor und nach jeder Messreihe eine Messung des Systemwiderstands bei rampenförmigem Stromimpuls (500 A/ms auf Imax = 1000 A) durchgeführt, vgl. Abschnitt 5.2.1.1. Zur Überprüfung des Messaufbaus wurden die vor und nach jeder Messreihe, jeweils nach einer Stromzeit von 0,5 ms gemessenen Systemwiderstände auf Übereinstimmung ge-prüft.

- 33 -

5.2.2.2 Messung an Buckelblechen und Kontaktprofil

Die Widerstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls wurden auch an Pro-ben mit Buckel sowie an dem Kontaktprofil als Zweiblechmessungen bei konstanter Elektrodenkraft (50 N und 100 N sowie zusätzlich 300 N beim Kontaktprofil) durchge-führt. Dabei wurden plane Prüfelektroden aus Wolfram auf mit planen Blechen ge-paarte Buckelbleche bzw. Kontaktprofilabschnitte aufgesetzt. Den Messaufbau zeigt schematisch Abb. 5.7 bzw. Abb. 5.10. Die Positionierung der Probenbleche bzw. der Kontaktprofilabschnitte erfolgte entsprechend den Angaben in Abschnitt 5.2.1.2 bzw. 5.2.1.3. Aus dem gemessenen Stromverlauf und dem an den Probenblech- bzw. Kontaktprofilenden abgegriffenen Spannungsverlauf wurde durch Quotientenbildung der Strom-Spannungswertepaare der zeit- und stromabhängige dynamische Verlauf des Übergangswiderstands zwischen Buckelblech bzw. Kontaktprofil und planem Gegenblech (Abb. 5.15) berechnet. Die Messungen wurden bei ausgewählten Werk-stoffpaarungen und zur Untersuchung des Stromrichtungseinflusses bei unterschied-licher Polung der Elektroden durchgeführt.

Abb. 5.15: Zeitabhängiger dynamischer Verlauf des Widerstands zwischen Kon-

taktprofil und planem Blech (blaue Kurven) bei rampenförmigem Strom-impuls (rote Kurve) und konstanter Elektrodenkraft von 100 N am Bei-spiel einer Messung mit einem planen Blech aus dem Werkstoff Cu-ETP ohne Überzug

Je Prüfvariante wurden im Rahmen einer Messreihe fünf Messungen durchgeführt, wobei eine Messung je Probenpaar durchgeführt wurde. Da die Verläufe der Wider-stände zwischen Elektroden und Proben in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss bei den Widerstandsmessungen an Buckelblechen und Kontaktprofil nicht erfasst wurden, waren Systemwiderstandsmessungen sowie die Reinigung der Elekt-rodenarbeitsflächen vor jeder Messung bei dieser Messmethode nicht erforderlich.

- 34 -

5.2.3. Widerstandsmessung beim Schweißen

Von besonderer Bedeutung für die Beurteilung der Schweißbarkeit einer Blechchar-ge und für die Entwicklung eines Kontaktwiderstandsmodells für die numerische Si-mulation ist der dynamische Widerstandsverlauf während des Schweißprozesses. Daher wurden bei an ausgewählten Blechchargen mit und ohne Buckel sowie an dem Kontaktprofil durchgeführten Schweißversuchen Schweißstrom und elektrische Potentialverläufe an Probenblechenden und Elektroden kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet, Abb. 5.16. Messaufbau und Positionierung der Proben erfolgten wie bei den Widerstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls entsprechend den Angaben in Abschnitt 5.2.2. Aus den gemessenen Strom- und Spannungsverläu-fen wurde durch Quotientenbildung der Strom-Spannungswertepaare die zeitabhän-gigen dynamische Widerstandsverläufe berechnet, Abb. 5.17.

Abb. 5.16: Zeitabhängiger Verlauf von Schweißstrom (oben) und elektrischem Po-

tential an Probenblechenden und oberer Elektrode gegenüber der unte-ren Elektrode (unten) am Beispiel einer Schweißung von planen Ble-chen aus dem Werkstoff CuSn8 ohne Überzug mit Elektroden aus dem Werkstoff CuCr1Zr bei einem Ballenradius von 50 mm

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 10 20 30 40 50 60Zeit / ms

Span

nung

/ V

CuSn8, R685-R735, ohne Überzug, t = 0,6 mm

-- unteres Blech - untere Elektrode (U1)-- oberes Blech - untere Elektrode (U2)-- obere Elektrode - untere Elektrode (U3)

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Stro

m /

A

- 35 -

Abb. 5.17: Zeitabhängiger Verlauf des Widerstands zwischen den Blechen RBB

(oben) und zwischen Elektrode und Blech REB (unten) am Beispiel einer Schweißung von planen Blechen aus dem Werkstoff CuSn8 ohne Über-zug mit Elektroden aus dem Werkstoff CuCr1Zr bei einem Ballenradius von 50 mm

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ mΩ

CuSn8, R685-R735, ohne Überzug, t = 0,6 mm Übergangswiderstand Elektrode-Blech REB

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ mΩ

CuSn8, R685-R735, ohne Überzug, t = 0,6 mm Übergangswiderstand Blech-Blech RBB

- 36 -

6 Grundlegende Untersuchungen auf der Basis von FE-Simulation

Eine Reihe von Einflussgrößen auf den Kontaktwiderstand ist messtechnisch nicht oder nur sehr schwierig zu erfassen. Hierzu zählen die Größe der Kontaktflächen, die Temperaturverteilung, die Stromdichteverteilung und die Kontaktdruckverteilung auf den Kontaktflächen. Die numerische Simulation bietet die Möglichkeit, diese Pa-rameter zu ermitteln und kann somit wesentlich zum Verständnis des Kontaktwider-stands beim Widerstandspressschweißen beitragen. Ausgehend von früheren Arbei-ten an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart zur numerischen Simulation des Widerstandspressschweißens /19-24/ wurde zur Untersuchung der verschiede-nen Einflüsse auf den Kontaktwiderstand unter Zugrundelegung des FE-Soft-warepakets ANSYS® das numerisches Simulationsprogramm auf Finite-Elemente-Basis SPOTWELDER weiterentwickelt. Hier wird mit Hilfe eines zweidimensional-axialsymmetrischen, mechanischen Werkstoff- und Kontaktmodells die geometrische Verformung und der Kontaktzustand zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen berechnet. Die geometrische Verformung und mit ihr der Kontaktzu-stand werden dann auf das elektrisch-thermisch gekoppelte Modell übertragen und die Berechnung der elektrischen Stromdichteverteilung, des elektrischen Potenzial-feldes und der Temperaturverteilung durchgeführt. 6.1 Mechanisch-elektrisch-thermische Kopplung

Zur Berechnung des dynamischen Kontaktwiderstands während eines rampenför-migen Stromimpulses oder während des Widerstandspunktschweißprozesses ist ei-ne transiente FE-Simulation bei möglichst enger Kopplung der mechanischen, elekt-rischen und thermischen Berechnung erforderlich. In einem zweidimensional-axial-symmetrischen Modell werden in Programm SPOTWELDER die Berechnungsschritte der elektrisch-thermischen Berechnung und der mechanischen Berechnung getrennt und sequentiell abwechselnd durchgeführt. Zur Kopplung zwischen mechanischer und elektrisch-thermischer Berechnung werden nach jedem Zeitschritt der mechani-schen Berechnung die berechneten Verformungen auf das elektrisch-thermische Modell übertragen. Im Gegenzug wird nach jedem Zeitschritt der elektrisch-thermischen Berechnung die berechnete Temperaturverteilung auf das mechanische Modell übertragen, Abb. 6.1. Durch hinreichend kleine Wahl der Zeitschritte (hier 0,1 ms) wird auf diese Weise eine sequentielle mechanisch-elektrisch-thermische Kopplung erreicht. 6.2 Modellierung

Für die mechanische und die elektrisch-thermische Berechnung werden geometrisch identische, zweidimensional-axialsymmetrische Modelle aus Viereckelementen auf-gebaut. Zur Modellierung des mechanischen und des elektrisch-thermischen Kon-takts sind bei beiden Modellen entlang der potentiellen Kontaktflächen Elektrode-Blech und Blech-Blech Kontaktelemente eingefügt. Eine Übersicht über die verwen-deten Elementtypen zeigt Tabelle 6.1. Weitere Eigenschaften der Elementtypen sind der ANSYS Element Reference /46/ zu entnehmen.

- 37 -

Temperaturen T(x,y,t+Δt)

WerkstoffkennwerteSchweißparameter

Mechanisches Modell

Mechanisches Modell

Elektrisch-thermisches

Modell

Verschiebungen u(x,y,t)

Spannungσ(x,y,t)

Dehnungε(x,y,t)

TemperaturT(x,y,t)

Potentialφ(x,y,t)

geometrischeParameter

hier: Δt = 0,1 ms

Axialsymmetrisches Modell

FE-Netz

Transiente RechnungStatische Rechnung

Abb. 6.1: Ablauf der FE-Simulation mit sequentieller Kopplung zwischen

mechanischer und elektrisch-thermischer Rechnung Tabelle 6.1: Für die Modellierung verwendete Elementtypen

ANSYS-Elementtyp Dimension Knoten-

anzahl Freiheitsgrade Verwendung

PLANE182 2 4 Verschiebung Mechanische Struktur-berechnung

CONTA171 2 2 Verschiebung,

Elektrisches Potenzial, Temperatur

Mechanische und elektrisch-thermische Kontaktberechnung

TARGE169 2 2 Verschiebung,

Elektrisches Potenzial, Temperatur

Mechanische und elektrisch-thermische Kontaktberechnung

PLANE67 2 4 Elektrisches Potenzial, Temperatur

Elektrisch-thermische Berechnung

Bei der FE-Simulation der Kontaktwiderstandsmessung und des Widerstandspunkt-schweißprozesses wird lediglich der Abschnitt der Prüfelektroden zwischen Elektro-denarbeitsfläche und Spannungsabgriff in die Modellbildung einbezogen. Um die Verformung im Kontaktbereich besser zu erfassen, wird dort die Modellierung mit kleineren Elementen verfeinert, Abb. 6.2 und Abb. 6.3. Die Elementkantenlänge liegt im Kontaktbereich bei ca. 17 µm (variiert mit der Blechdicke).

- 38 -

Blech

Elektroden

PrüfkraftMessstrom

Abb. 6.2: Geometrisches, axialsymmetrisches FE-Modell der Übergangswider-

standsmessung an einem Blech (Blechdicke: 0,6 mm, Ballenradius: 50 mm), links: Gesamtdarstellung, rechts: Ausschnittvergrößerung

Bleche

Elektroden

ElektrodenkraftSchweißstrom

Abb. 6.3: Geometrisches, axialsymmetrisches FE-Modell des Widerstandspunkt-

schweißprozesses (Blechdicke: 0,6 mm, Ballenradius: 50 mm), links: Gesamtdarstellung, rechts: Ausschnittvergrößerung

- 39 -

6.3 Werkstoffkennwerte

Die elektrischen, thermischen und mechanischen Werkstoffkennwerte bei Raumtem-peratur wurden für mehrere Werkstoffe bereits in Kapitel 4 zusammengestellt. Für die mechanische Berechnung wurde ein elastisch-plastisches Werkstoffgesetz mit iso-troper Verfestigung gewählt, das durch multilinear angenäherte Spannungs-Dehnungs-Kurven vorgegeben wird. Zur Berechnung des dynamischen Kontakt-widerstands während eines rampenförmigen Stromimpulses oder während des Widerstandspunktschweißprozesses werden wegen der auftretenden höheren Tem-peraturen temperaturabhängige Werkstoffkennwerte benötigt. Tabelle 6.2 enthält eine Zusammenstellung des Bedarfs an Werkstoffkennwerten abhängig von der je-weiligen Simulationsaufgabe. Tabelle 6.2: Für die FE-Simulation benötigte Werkstoffkennwerte

Werkstoffkennwert

FE-Simulation

Übergangswiderstand bei einem Gleichstrom

von 1 A

FE-Simulation

Übergangswiderstand bei einem Stromimpuls

bis 5000 A

Spannungs-Dehnungs-Kurven bei RT* temperaturabhängig

Elastizitätsmodul bei RT* temperaturabhängig

Querkontraktionszahl bei RT* temperaturabhängig

Reibungskoeffizient bei RT* temperaturabhängig

Wärmeausdehnungskoeffizient bei RT* temperaturabhängig

Wärmeleitfähigkeit bei RT* temperaturabhängig

Wärmekapazität bei RT* entfällt

Enthalpie entfällt temperaturabhängig

Dichte bei RT* temperaturabhängig

Elektrischer Stoffwiderstand bei RT* temperaturabhängig

Elektrischer Kontaktwiderstand bei RT* temperaturabhängig * RT = Raumtemperatur Statt der Enthalpie kann prinzipiell auch die Wärmekapazität als Werkstoffkennwert vorgegeben werden. Die Vorgabe der Enthalpie bietet Vorteile bei der numerischen Berechnung, da der temperaturabhängige Enthalpieverlauf keine Extrema aufweist. Für die Blechwerkstoffe CuZn37 R480 und Cu-ETP R290 sowie für die Elektroden-werkstoffe CuCr1Zr und Wolfram wurden aus mehreren Quellen /10, 44-45, 47-51/ temperaturabhängige Werkstoffkennwerte zusammengestellt. Für Temperaturberei-che, in denen keine Werkstoffkennwerte vorliegen, wurden die Kennwerte unter Be-rücksichtigung vergleichbarer Werkstoffe extrapoliert.

- 40 -

6.4 Randbedingungen und Annahmen

Für die FE-Simulation der Übergangswiderstandsmessungen und des Widerstands-punktschweißprozesses wurden folgende Randbedingungen definiert und Annahmen getroffen:

• Der untere Modellrand der unteren Elektrode wird festgehalten. Die Kraft wirkt auf den oberen Modellrand der oberen Elektrode.

• Am unteren Modellrand der unteren Elektrode wird das elektrische Potenzial auf Null gesetzt. Der Strom wird über den oberen Modellrand der oberen E-lektrode eingeleitet.

• Zu Beginn der Rechnung beträgt die Temperatur der Elektroden und Bleche 20 °C. Die Temperatur am oberen Modellrand der oberen Elektrode und am unteren Modellrand der unteren Elektrode wird während der Rechnung kon-stant auf 20 °C gesetzt.

• Die Temperatur am äußeren Modellrand der Bleche wird während der Rech-nung konstant auf 20 °C gesetzt.

• Im Bereich der Schweißlinse tritt beim Vorliegen einer schmelzflüssigen Phase Konvektion auf, was zu einem höheren Energieaustausch führt. Diese Auswir-kung der Konvektion wird durch eine deutliche Erhöhung der Wärmeleitfähig-keit für Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur angenähert /49/.

• Die Reibung zwischen den Kontaktflächen bleibt unberücksichtigt. • Der Peltier- und der Thomson-Effekt bleiben unberücksichtigt. • Der Energieaustausch mit der Umgebung durch Strahlung und Konvektion

wird nicht berücksichtigt. 6.5 Kontaktwiderstandsmodell

Für die Simulation des Widerstandspressschweißens sind die Abbildung des Kon-taktwiderstands und seine Veränderung von entscheidender Bedeutung. Der zwi-schen den Spannungsabgriffen gemessene Übergangswiderstand, kann als Summe aus Strukturwiderstand (Stoffwiderstand) und Kontaktwiderstand (Enge- und Schicht-widerstand) dargestellt werden, Abb. 6.4. Zur Berechnung des nur von den geometri-schen Randbedingungen und dem spezifischen Widerstand der Elektroden und Ble-che abhängigen Strukturwiderstands wird den Kontaktelementen der Kontaktwider-stand Null zugewiesen.

Abb. 6.4: Strukturwiderstand plus Kontaktwiderstand ergeben den gemessenen

Gesamtwiderstand (Übergangswiderstand)

0

40

80

120

160

0 5 10 15 20 25

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ µΩ

Gesamtwiderstand (gemessen Rs + Rk)

Strukturwiderstand Rs(FE-Simulation, Rk = 0)

Kontaktwiderstand Rk

- 41 -

6.5.1. Kontaktwiderstand als Funktion von Kontaktdruck und Temperatur

Zur Modellierung des Kontaktwiderstands als Funktion des Kontaktdrucks p beim kal-ten Aufsetzen der Elektroden muss eine kontaktdruckabhängige, kontaktflächenspe-zifische Funktion des flächenbezogenen Kontaktwiderstands ρFK(p) vorgegeben wer-den. Der jedem Kontaktelement zuzuweisende flächenbezogene Kontaktwider-stand ρFK ergibt sich dann aus dem Kontaktdruck p am jeweiligen Kontaktelement. Durch Optimierung des für verschiedene Elektrodenkräfte auf diese Weise berechne-ten Übergangswiderstands auf gemessene Werte erhält man den kontaktdruckab-hängigen flächenbezogenen Kontaktwiderstand ρFK(p) für die gegebene Werkstoff-paarung und Elektrodengeometrie bei Raumtemperatur. Zur Modellierung der Kontaktwiderstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwi-schen den Blechen als Funktion von Kontaktdruck p und Temperatur T muss jeweils eine kontaktdruck- und temperaturabhängige, kontaktflächenspezifische Funktion des flächenbezogenen Kontaktwiderstands ρFK(p,T) vorgegeben werden. Entspre-chend ergibt sich der flächenbezogene Kontaktwiderstand ρFK jedes Kontaktelements dann aus Kontaktdruck p und Temperatur T am jeweiligen Kontaktelement. Durch Optimierung des für einen rampenförmigen Stromimpuls unter Berücksichtigung des jeweiligen kontaktdruckabhängigen Kontaktwiderstands ρFK(p) auf diese Weise be-rechneten zeitlichen Verlaufs der Übergangswiderstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen auf gemessene Werte erhält man für jede Kon-taktstelle den kontaktdruck- und temperaturabhängigen, flächenbezogenen Kontakt-widerstand ρFK(p,T) der gegebenen Werkstoffpaarung und Elektrodengeometrie. 6.5.2. Kontaktwiderstand als Funktion der Zeit

Hierbei wird der Kontaktwiderstand als von Stromanstieg und Elektrodenkraft abhän-gige Funktion der seit Stromflussbeginn verstrichenen Zeit in der numerischen Pro-zesssimulation berücksichtigt. Er wird hierzu in Form einer flächenbezogenen Kenn-größe den entsprechenden Kontaktstellen als zeitlich veränderliche Eigenschaft zu-gewiesen. Durch Anpassung des berechneten zeitlichen Verlaufs der Übergangswi-derstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen an gemesse-ne Werte (mittels Optimierung des den Kontaktelementen zugewiesenen Kontaktwi-derstands bei jedem Zeitschritt) erhält man als elektrisches Kontaktmodell die zeitab-hängigen, flächenbezogenen Kontaktwiderstände zwischen Elektrode und Blech so-wie zwischen den Blechen für die gegebenen Randbedingungen wie Werkstoffpaa-rung, Elektrodengeometrie, Elektrodenkraft und Stromverlauf. Im Rahmen des Vorhabens wurde das Programm SPOTWELDER so weiterentwi-ckelt, dass diese Optimierung des zeitlichen Verlaufs der Übergangswiderstände zur Bestimmung der zeitabhängigen, flächenbezogenen Kontaktwiderstände im gleichen Programmlauf mit der numerischen Prozesssimulation vorgenommen werden kann. Hierzu müssen neben dem gemessenen Strom-Zeitverlauf die gegenüber der unte-ren Elektrode gemessenen elektrischen Potential-Zeitverläufe an den Probenblech-enden und der oberen Elektrode in die Berechnung eingegeben werden. Mit experimentell aus Zweiblechmessungen mit Spannungsabgriffen an Elektroden und Blechrändern ermittelten Kennfeldern wird der numerischen Berechnung für die jeweilige Elektrodengeometrie und Werkstoffpaarung eine Datenbasis für unter-schiedliche Stromanstiege und Elektrodenkräfte bereitgestellt. Darüber hinaus kön-

- 42 -

nen für abweichende Stromanstiegsgeschwindigkeiten und Elektrodenkräfte die Da-ten durch Interpolation oder Extrapolation aus dem experimentell ermittelten Kenn-feld für die Rechnung zur Verfügung gestellt werden. Das hier beschriebene elektrische Kontaktmodell kann mit überschaubarem Aufwand zur Ermittlung einer Datenbasis für die Simulationsrechnung genutzt werden. Im Ge-gensatz zu dem in Absatz 6.5.1 beschriebenen Modellansatz werden die Irreversibili-tät der Widerstandsänderung sowie Einflüsse des elektrischen Potenzials und der Stromstärke implizit berücksichtigt. Auch sind vereinfachte – rein elektrisch-ther-mische – Simulationsrechnungen mit diesem Modellansatz möglich, da auf eine kon-taktdruckabhängige Modellierung verzichtet wird.

- 43 -

7 Grundlagen der Widerstandsmessung

7.1 Einfluss von Prüfkraft, Elektroden und Blechen auf die Kontaktfläche

In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt wurden die Grundlagen des mechani-schen Kontakts in Abhängigkeit von den grundsätzlichen Randbedingungen (Prüf-kraft (Elektrodenkraft), Elektrodengeometrie, Elektrodenwerkstoff, Blechdicke und Blechwerkstoff) untersucht. Durch FE-Simulation des kalten Aufsetzens der Elektroden wurde für unterschiedli-che Blechwerkstoffe und Blechdicken die Zunahme des Kontaktradius und der Kon-taktfläche in Abhängigkeit von der Elektrodenkraft berechnet. Der Kontaktradius ist hierbei definiert, als der halbe Durchmesser der kreisförmigen Kontaktfläche mit einer berechneten Flächenpressung größer Null. Die Kontaktfläche A wurde direkt aus dem Kontaktradius r berechnet (A = π·r2). Im Rahmen einer Parametervariation wur-den zur Untersuchung des Elektrodeneinflusses Berechnungen für zwei verschiede-ne Ballenradien (20 und 50 mm) und zwei unterschiedliche Elektrodenwerkstoffe (CuCr1Zr und Wolfram) durchgeführt. Zur Überprüfung der Berechnungsergebnisse wurden die bei den Übergangswider-standsmessungen (Abschnitt 5.2.1) auf der Probenblechoberfläche hinterlassenen Eindrücke der Prüfelektroden lichtmikroskopisch erfasst und vermessen. Die auf die-se Weise ermittelten Flächen stimmen mit den berechneten Kontaktflächen betrags-mäßig gut überein, Abb. 7.1 und Abb. 7.2. Die Ergebnisse der Untersuchungen mittels FE-Simulation lassen sich wie folgt zu-sammenfassen: - Mit zunehmender Elektrodenkraft nimmt die Größe der Kontaktfläche zu. - Ein Vergleich von Blechen gleicher Blechdicke aus Werkstoffen unterschiedlicher

Festigkeit und Fließeigenschaften (Rp0,2(Cu-ETP) = 300 MPa, Rp0,2(CuZn37) = 440 Mpa, Rp0,2(CuSn8) = 710 Mpa) zeigt für Werkstoffe mit geringerer Fließgrenze eine früher einsetzende plastische Verformung und damit bei gleicher Elektroden-kraft eine vergleichsweise größere Kontaktfläche, Abb. 7.3.

- Die Untersuchung zum Einfluss der Blechdicke (hier: 0,2 mm bis 0,6 mm) auf die Größe der Kontaktfläche zwischen Elektrode und Blech zeigt für Bleche größerer Dicke bei gleicher Elektrodenkraft eine vergleichsweise größere Kontaktfläche, Abb. 7.4. Dies lässt sich dadurch erklären, dass im untersuchten Blechdicken-bereich die geometrische Verteilung der axialen Lastspannungen innerhalb der einzelnen Bleche von deren Dicke abhängt, Abb. 7.5.

- Abb. 7.5 und Abb. 7.6 geben die berechnete Kontaktdruckverteilung (axiale Span-nung) im Bereich der Kontaktfläche zwischen Elektrode und Blech (Einzelblech-anordnung) wieder. Hierbei wird der Zuwachs der Kontaktfläche mit steigender Elektrodenkraft deutlich. Für Elektroden mit Ballenradius 50 mm ist der Flächen-zuwachs in Abhängigkeit von der Elektrodenkraft größer als für Elektroden mit Bal-lenradius 20 mm, Abb. 7.7, unter welchen sich geometrisch bedingt ein höherer maximaler Kontaktdruck einstellt. So werden für eine Elektrodenkraft von 300 N unter Elektroden mit Ballenradius 20 mm im Scheitelpunkt (Mitte der Elektroden-arbeitsfläche) mehr als 650 MPa maximale Flächenpressung (Kontaktdruck) er-reicht, während für Elektroden mit Ballenradius 50 mm bei gleicher Elektrodenkraft

- 44 -

Werte von etwa 550 MPa berechnet wurden. Diese Kontaktdrücke liegen oberhalb der Streckgrenze des betreffenden Elektrodenwerkstoffs CuCr1Zr (Rp0,2 = 450 MPa) und führen so zu einer bleibenden plastischen Verformung in den Kon-taktbereichen (Abplatten der Elektrodenarbeitsfläche).

- Die signifikante geometrische Wirkung des Ballenradius ist neben Blechdicke, Fließgrenze des Blechwerkstoffs und Elastizitätsmodul des Elektrodenwerkstoffs von maßgeblichem Einfluss auf die Größe der Kontaktfläche in Abhängigkeit von der Elektrodenkraft. Entsprechend ändert sich abhängig von der Elektrodenkraft der elektrische Widerstand der Struktur (Messanordnung bestehend aus Elektro-den und Blech). Dieser Sachverhalt wird in Abb. 7.9 deutlich. Zur FE-Berechnung des Strukturwiderstands wird den Kontaktelementen an den Kontaktstellen der Kontaktwiderstand Null zugewiesen. Bei den übrigen Elementen wird der jeweilige Stoffwiderstand durch Eingabe des spezifischen elektrischen Widerstands berück-sichtigt. Das Ergebnis zeigt, dass der Strukturwiderstand mit wachsender Elektro-denkraft entsprechend der wachsenden Kontaktfläche abnimmt. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss festge-legt, vergleichende Widerstandsmessungen in einem ersten Schritt bei Elektro-denkräften von 100 N und 300 N durchzuführen.

- Abb. 7.8 zeigt den Einfluss des Elektrodenwerkstoffs auf die Größe der Kontakt-fläche zwischen Elektrode und Blech. Unter Elektroden aus CuCr1Zr ist der Flä-chenzuwachs in Abhängigkeit von der Elektrodenkraft größer als unter Elektroden aus Wolfram, welche wegen des wesentlich größeren Elastizitätsmoduls und der höheren Streckgrenze von Wolfram (E = 410 GPa, Rp0,2 = 600 MPa) bei gleicher Elektrodenkraft eine geringere Verformung aufweisen als Elektroden aus CuCr1Zr (E = 135 GPa, Rp0,2 = 450 MPa).

- Die Messanordnung weist mit Wolfram-Elektroden entsprechend der kleineren Kontaktfläche und dem wesentlich größeren spezifischen Widerstand von Wolfram (ρW = 5,8·10-8 Ω·m) bei gleicher Elektrodenkraft einen deutlich größeren Struktur-widerstand auf als mit CuCr1Zr-Elektroden (ρCuCr1Zr = 2,3·10-8 Ω·m), Abb. 7.9.

- 45 -

Abb. 7.1: Elektrodeneindruck auf Probenblech aus dem Werkstoff Cu-ETP, R290, ohne Überzug, zum Vergleich ein Kreis gleichen Flächeninhalts mit dem Radius r = 401 µm. Der grün gezeichnete Kreis (r = 428 µm) entspricht der berechneten Kontaktfläche.

Abb. 7.2: Elektrodeneindruck auf Probenblech aus dem Werkstoff Cu-ETP, R290, elektrolytisch verzinnt, zum Vergleich ein Kreis gleichen Flächeninhalts mit dem Radius r = 424 µm. Der grün gezeichnete Kreis (r = 446 µm) entspricht der berechneten Kontaktfläche.

Prüfkraft: 300 N Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr Ballenradius: 20 mm Blechdicke: 0,4 mm

Prüfkraft: 300 N Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr Ballenradius: 20 mm Blechdicke: 0,8 mm

- 46 -

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

radi

us /

mm

Blechwerkstoff Cu-ETP, R290

Blechwerkstoff CuZn37, R480

Blechwerkstoff CuSn8, R685

Blechdicke: 0,4 mmElektrodenwerkstoff: CuCr1ZrBallenradius: 50 mm

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

fläch

e /

mm

²

Blechwerkstoff Cu-ETP, R290

Blechwerkstoff CuZn37, R480

Blechwerkstoff CuSn8, R685

Blechdicke: 0,4 mmElektrodenwerkstoff: CuCr1ZrBallenradius: 50 mm

Abb. 7.3: Mittels FE-Simulation berechnete Kontaktflächen zwischen Elektrode

und Blech für unterschiedliche Blechwerkstoffe in Abhängigkeit von der Prüfkraft (Einzelblechanordnung, Ballenradius 50 mm)

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

radi

us /

mm

Blechdicke 0,2 mmBlechdicke 0,4 mmBlechdicke 0,6 mm

Blechwerkstoff: CuZn37, R480Elektrodenwerkstoff: CuCr1ZrBallenradius: 50 mm

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

fläch

e /

mm

²

Blechdicke 0,2 mmBlechdicke 0,4 mmBlechdicke 0,6 mm

Blechwerkstoff: CuZn37, R480Elektrodenwerkstoff: CuCr1ZrBallenradius: 50 mm


und Blech für verschiedene Blechdicken in Abhängigkeit von der Prüf-kraft (Werkstoff CuZn37, Einzelblechanordnung, Ballenradius 50 mm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Abstand zur Elektrodenachse / mm

Kon

takt

druc

k / M

Pa

Kraft 50 NKraft 100 NKraft 300 NKraft 500 N

Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,2 mm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7


Kon

takt

druc

k /

MPa


Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,6 mmElektrodenwerkstoff: CuCr1ZrBallenradius: 50 mm

Blechdicke: 0,2 mm Blechdicke: 0,6 mm

Abb. 7.5: Mittels FE-Berechnung ermittelte Kontaktdruckverteilung - Einfluss der Blechdicke in Abhängigkeit von der Prüfkraft (Blechwerkstoff Cu-ETP, Einzelblechanordnung, Ballenradius 50 mm)

- 47 -

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7


Kon

takt

druc

k /

MPa


Ballenradius: 20 mm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7


Kon

takt

druc

k /

MPa


Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,4 mmElektrodenwerkstoff: CuCr1ZrBallenradius: 50 mm

Ballenradius: 20 mm Ballenradius: 50 mm

Abb. 7.6: Mittels FE-Berechnung ermittelte Kontaktdruckverteilung - Einfluss des Ballenradius in Abhängigkeit von der Prüfkraft (Blechwerkstoff Cu-ETP, Einzelblechanordnung, Elektrodenwerkstoff CuCr1Zr)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

radi

us /

mm

Ballenradius: 50 mmBallenradius: 20 mm

Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,4 mmElektrodenwerkstoff: CuCr1Zr

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

fläch

e /

mm

²

Ballenradius: 50 mmBallenradius: 20 mm

Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,4 mmElektrodenwerkstoff: CuCr1Zr


und Blech für unterschiedliche Ballenradien der Elektroden in Abhängig-keit von der Prüfkraft (Blechwerkstoff Cu-ETP, Einzelblechanordnung, Elektrodenwerkstoff CuCr1Zr)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

radi

us /

mm

Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr

Elektrodenwerkstoff: Wolfram

Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,4 mmBallenradius: 50 mm

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0 100 200 300 400 500

Elektrodenkraft / N

Kon

takt

fläch

e /

mm

²

Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr

Elektrodenwerkstoff: Wolfram

Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,4 mmBallenradius: 50 mm


und Blech für unterschiedliche Elektrodenwerkstoffe in Abhängigkeit von der Prüfkraft (Blechwerkstoff Cu-ETP, Einzelblechanordnung, Ballen-radius 50 mm)

- 48 -

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Elektrodenkraft / N

Stru

ktur

wid

erst

and

/ mΩ

Elektrodenwerkstoff: Wolfram, Ballenradius: 50 mm

Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 20 mm

Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm

Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290Blechdicke: 0,40 mm

Abb. 7.9: Mittels FE-Simulation berechneter Strukturwiderstand in Abhängigkeit

von der Elektrodenkraft (Einzelblechanordnung) – Einfluss von Ballen-radius und Werkstoff der Prüfelektroden, vgl. Abb. 7.7 und Abb. 7.8.

- 49 -

7.2 Messung des Systemwiderstands

Bei der Messung des Übergangswiderstands ist auch die Messung des Systemwi-derstands von Bedeutung und wurde daher in einem weiteren Schritt untersucht. Da bei der Systemwiderstandsmessung mit direktem Kontakt der balligen Elektroden der gemessene Widerstand bei den hier angewendeten niedrigen Elektrodenkräften auf-grund der geringen Kontaktflächen relativ hoch ist (ca. 0,5 mΩ bei 100 N /6/) und die hohe örtliche Flächenpressung zu einer bleibenden Verformung (Abplattung) der Elektrodenarbeitsflächen führt, stand die Frage nach einem geeigneten Referenz-blech für die Systemwiderstandsmessung im Vordergrund. Im Einzelnen wurden Versuchsreihen an zwei unterschiedlichen Referenzblechen durchgeführt:

1. Einzelblechmessungen an einem planen Referenzblech aus Cu-ETP, R220, ohne Überzug, Blechdicke 0,4 mm.

2. Einzelblechmessungen an einem planem Referenzblech aus Cu-ETP, R220, elektrolytisch vergoldet (99,9% Au), Überzugsdicke 1 µm, Blechdicke 0,4 mm.

Die Versuchsreihen bestanden jeweils aus 10 aufeinanderfolgenden Widerstands-messungen mit dem Präzisionswiderstandsmessgerät nach den Vorgaben in Ab-schnitt 5.2.1.1 unter Anwendung folgender Randbedingungen:

- Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr - Ballenradius: 50 mm - Prüfkraft: 300 N - Messstrom: 1 A

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Messungen

Wid

erst

and

/ mΩ

Cu-ETP, R220, ohne Überzug

Cu-ETP, R220, elektrolytisch vergoldet (1µm)

Abb. 7.10: Ergebnisse der Versuchsreihen zur Systemwiderstandsmessung mit

Referenzblech

- 50 -

Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Messung des Systemwiderstands, Abb. 7.10 lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Der an dem Referenzblech aus CU-ETP ohne Überzug bei der ersten Messung

gemessene Widerstand (0,096 mΩ) übersteigt den am vergoldeten Referenzblech gemessenen Widerstand (0,023 mΩ) um etwa das Dreifache und steigt bei den folgenden Messungen kontinuierlich an bis er bei der neunten Messung etwa den doppelten Wert der ersten Messung erreicht. Der Mittelwert der 10 Messwerte be-trägt 0,15 mΩ bei einer Standardabweichung von 0,033 mΩ (22%).

- Die an dem vergoldeten Referenzblech aus CU-ETP gemessenen Widerstands-werte weisen neben einem deutlich kleineren Mittelwert (0,022 mΩ) eine äußerst hohe Konstanz auf. Die Standardabweichung ist mit 0,2 µΩ (0,9%) kleiner als die Messunsicherheit. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss festgelegt, die Messung des Systemwiderstands im Rahmen des Vorhabens als Einzelblechmessung an vergoldetem Referenz-blech aus Cu-ETP der untersuchten Charge durchzuführen.

- 51 -

7.3 Reinigung der Prüfelektroden

Bei der Messung des Übergangswiderstands muss verhindert werden, dass das Messergebnis durch Oxidschichten und Fremdstoffe auf den Arbeitsflächen der Prüf-elektroden unzulässig verfälscht wird. Insbesondere dürfen keine Fremdstoffe, die an den Kontaktstellen zwischen Elektroden und Probenblech bei einer Widerstands-messung von den Probenoberflächen auf die Elektrodenarbeitsflächen gelangen können, die nachfolgenden Messungen verfälschen. Deshalb stand zunächst die Frage nach einer geeigneten Reinigungsmethode für die Arbeitsflächen der Prüf-elektroden sowie nach dem richtigen Reinigungsintervall im Vordergrund. Im Einzel-nen wurden Versuchsreihen mit drei unterschiedlichen Vorgehensweisen durchge-führt:

1. Ohne Reinigen: Zu Vergleichszwecken wurde bei dieser Versuchsreihe zwi-schen den einzelnen Messungen keine Reinigung der Prüfelektroden vorge-nommen.

2. Reinigen mit Zellstofftuch und Ethanol: Vor jeder Messung dieser Versuchs-reihe wurden die Elektrodenarbeitsflächen mit einem sauberen, mit 96%igem Ethanol getränkten Zellstofftuch abgerieben.

3. Reinigen mit Schleifvlies, Zellstofftuch und Ethanol: Vor jeder Messung dieser Versuchsreihe wurden die Elektrodenarbeitsflächen mit einem Schleifvlies Pad der Firma Holex mit Körnung 1000 leicht abgerieben (Anpresskraft ca. 1 bis 2 N) und anschließend anhaftender Staub durch Abreiben mit einem saube-ren, mit 96%igem Ethanol getränkten Zellstofftuch entfernt.

Die Versuchsreihen wurden als Einzelblechmessungen an 0,4 mm dicken Proben-blechen aus dem Werkstoff CuSn8, R685-R735, ohne Überzug durchgeführt. Es wurden je Versuchsreihe 10 aufeinanderfolgende Widerstandsmessungen mit dem Präzisionswiderstandsmessgerät nach den Vorgaben in Abschnitt 5.2.1.1 durchge-führt, wobei die Elektrodenarbeitsflächen zur Erzielung einheitlicher Anfangsbedin-gungen vor jeder Versuchsreihe durch Abreiben mit Schleifvlies und Zellstofftuch ge-reinigt wurden. Das Zeitintervall zwischen den Messungen einer Versuchsreihe lag bei ca. 1 bis 2 Minuten. Folgende Randbedingungen kamen zur Anwendung:

- Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr - Ballenradius: 50 mm - Prüfkraft: 300 N - Messstrom: 1 A

Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Reinigung der Prüfelektroden, Abb. 7.11 lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Bei den Vorgehensweisen 1 (ohne Reinigen) und 2 (Reinigen mit Zellstofftuch und

Ethanol) nehmen die gemessenen Widerstandswerte von Messung zu Messung tendenziell zu, wobei die Zunahme bei Vorgehensweise 2 besonders groß ist (von 0,34 mΩ auf 1,2 mΩ).

- Bei der Vorgehensweise 3 (Reinigen mit Schleifvlies, Zellstofftuch und Ethanol) bleiben die gemessenen Widerstandswerte relativ konstant (Mittelwert 0,28 mΩ, Standardabweichung: 0,03 mΩ). In Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde daher entschieden, die Reinigung der Prüfelektroden nach Vor-gehensweise 3 vorzunehmen.

- 52 -

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Messungen

Wid

erst

and

/ mΩ

Ohne ReinigenReinigen mit Zellstofftuch und EthanolReinigen mit Schleiffvlies, Zellstofftuch und Ethanol

Abb. 7.11: Ergebnisse der Versuchsreihen zur Reinigung der Prüfelektroden

(Einzelblechmessungen, Blechwerkstoff: CuSn8 ohne Überzug, Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm, Prüfkraft: 300 N)

- 53 -

8 Ergebnisse der Widerstandsmessungen

8.1 Widerstandsmessungen mit Präzisionswiderstandsmessgerät

Im Rahmen der Untersuchungen wurden mit dem Präzisionswiderstandsmessgerät vom Typ Resistomat 2304 der Firma Burster Widerstandsmessungen an den von den Industriepartnern bereitgestellten Blechchargen durchgeführt. In Abschnitt 5.2.1 ist die Messmethode beschrieben. In Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde nach Vorliegen der Ergebnisse zur mechanischen Kontaktsituation (vgl. Abschnitt 7.1) festgelegt, ver-gleichende Widerstandsmessungen bei Elektrodenkräften von 100 N und 300 N durchzuführen. Als Randbedingungen für die Messung sind vom Anwender folgende Basisgrößen zu definieren:

- Einzelblechmessung oder Zweiblechmessung - Elektrodenwerkstoff (z.B. CuCr1Zr oder Wolfram) - Elektrodengeometrie (z.B. Ballenradius von 20 mm oder 50 mm) - Prüfkraft (z.B. 100 N, 200 N oder 300 N) - Messzeit: 30 s (Abtastrate: ca. 1 Hz) - Referenzblech für die Systemwiderstandsmessung (z.B. Cu-ETP-Blech, vergoldet) - Wahl des Spannungsabgriffs (z.B. an den Elektroden oder an den Blechenden) Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen:

- Das im Rahmen der Untersuchung eingesetzte Präzisionswiderstandsmessgerät vom Typ Resistomat 2304 der Firma Burster hat sich für die Anwendung als sehr zuverlässige und robuste Messtechnik mit hohem Auflösungsvermögen erwiesen. Dem Anwender werden vom Messsystem Widerstandswerte als Ergebnis ange-zeigt bzw. in Dateien abgelegt. Der Messstrom betrug bei allen Messungen 1 A.

- Bei konstanter Prüfkraft und konstantem Messstrom zeigt sich unabhängig von den untersuchten Blechsystemen eine zeitliche Veränderung des Widerstandswer-tes (Zeitverhalten), Abb. 5.5 und Abb. 8.1.

- Kennfelder aus jeweils 10 Messungen des Übergangswiderstands (Einzelblech-messungen) an Blechen aus unterschiedlichen Chargen, zeigt Abb. 8.1. Solche Kennfelder können mit den gängigen Methoden der Statistik ausgewertet werden (z.B. Minima, Maxima, Mittelwerte, Standardabweichung u. a.). Zur statistischen Auswertung einer Kennfeld-Messreihe wurde je Messung der nach einer Messzeit von 15 s gemessene Widerstandswert herangezogen.

- Innerhalb eines Blechsystems - gekennzeichnet durch den Blechwerkstoff und die jeweilige Oberflächenmodifikation - lassen sich weniger geeignete Chargen an-hand der Kennfelder identifizieren.

- 54 -

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 5 10 15 20 25 30

Zeit / s

Wid

erst

and

/ mΩ

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 5 10 15 20 25 30

Zeit / s

Wid

erst

and

/ mΩ

Blechdicke 0,2 mm Blechdicke 0,4 mm

Abb. 8.1: Kurvenscharen aus jeweils 10 Messungen des Übergangswiderstands (Einzelblechmessung, Blechwerkstoff: Cu-ETP ohne Überzug, Elektro-denwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm, Prüfkraft: 300 N) an Ble-chen aus Chargen unterschiedlicher Dicke

8.1.1. Messungen an planen Blechen

Die in Abb. 8.2 bis Abb. 8.11 dargestellten Ergebnisse von vergleichenden Messun-gen an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe, Blechdicken und Ober-flächenqualitäten (Einzelblechmessungen) lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- Bei höherer Prüfkraft (300 N) wurden entsprechend der höheren Flächenpressung und der sich dann bildenden größeren Kontaktfläche (siehe Abschnitt 7.1) kleinere Widerstände als bei der geringeren Prüfkraft (100 N) gemessen. Auch die Streu-breite der gemessenen Widerstandswerte nimmt bei höherer Prüfkraft ab.

- Die unterschiedlichen Widerstandsniveaus der einzelnen Blechchargen zeigten sich in ihrer Relation zueinander bei den Messungen mit unterschiedlichen Ballen-radien (50 mm und 20 mm) als vergleichbar. Bei den Messungen mit dem kleine-ren Ballenradius lagen die Widerstandswerte meist in einem deutlich schmaleren Streuband. An Blechchargen mit Oberflächenveredelung wurden bei kleinerem Ballenradius entsprechend der kleineren Kontaktfläche größere Widerstände ge-messen während an Blechchargen ohne Überzug bei kleinerem Ballenradius meist kleinere Widerstände gemessen wurden. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die auf Blechen ohne Überzug vorhandene Oxidschicht unter einem kleine-ren Ballenradius wegen der höheren Flächenpressung stärker aufgebrochen wird und dadurch der Kontaktwiderstand trotz verringerter Kontaktfläche abnimmt.

- Bei den Messungen mit Wolfram-Elektroden (Ballenradius 50 mm) ergaben sich auch nach Abzug des Systemwiderstands entsprechend dem höheren spezifi-schen Widerstand von Wolfram generell deutlich höhere Übergangswiderstände als mit Elektroden aus CuCr1Zr. Nur bei den nickelphosphatierten Blechen aus Cu-ETP lagen die mit Wolfram-Elektroden gemessenen Widerstandswerte im Mit-tel unter den mit CuCr1Zr-Elektroden gemessenen.

- 55 -

- Bei den an Probenblechen ohne Überzug direkt anschließend an ein Beizen bei 40 bis 60°C mit 14%iger H2SO4 durchgeführten Messungen ergaben sich Wider-standswerte zwischen 0,025 mΩ und 0,07 mΩ und damit in der Größenordnung der an verzinnten Blechen gemessenen Werte.

- Entsprechend ihrem Widerstandsbereich unterscheiden sich die einzelnen Ober-flächenmodifikationen grundsätzlich voneinander, Tabelle 8.1 und Tabelle 8.2, Abb. 8.2 und Abb. 8.3.

Tabelle 8.1: Widerstandsmessungen* an Kupferwerkstoffen mit CuCr1Zr-Elektroden

Gruppe Grundwerkstoff Oberfläche Gemessene Widerstände

1 Kupfer (Cu-ETP, R290) und CuFe2P ohne Überzug 0,07 – 0,2 mΩ

2 Messing, Bronze, und niedriglegierte Kupferfederwerkstoffe ohne CuFe2P ohne Überzug 0,15 – 1,6 mΩ

3 Kupfer, Messing, Bronze, und niedrig-legierte Kupferfederwerkstoffe

schmelztauchverzinnt, elektrolytisch verzinnt, elektrolytisch versilbert

0,03 – 0,05 mΩ

4 Kupfer (Cu-ETP, R290) elektrolytisch vernickelt 0,06 – 0,08 mΩ

5 Kupfer (Cu-ETP, R290) nickelphosphatiert 2 – 10 mΩ

* Einzelblechmessungen, Ballenradius: 50 mm, Prüfkraft: 300 N, Messstrom: 1 A Tabelle 8.2: Widerstandsmessungen* an Kupferwerkstoffen mit Wolfram-Elektroden

Gruppe Grundwerkstoff Oberfläche Gemessene Widerstände

1 Kupfer (Cu-ETP, R290) und CuFe2P ohne Überzug 0,5 – 0,8 mΩ

2 Messing, Bronze, und niedriglegierte Kupferfederwerkstoffe ohne CuFe2P ohne Überzug 0,8 – 3,2 mΩ

3 Kupfer, Messing, Bronze, und niedrig-legierte Kupferfederwerkstoffe

schmelztauchverzinnt, elektrolytisch verzinnt, elektrolytisch versilbert

0,25 – 7,5 mΩ

4 Kupfer (Cu-ETP, R290) elektrolytisch vernickelt 0,12 – 0,15 mΩ

5 Kupfer (Cu-ETP, R290) nickelphosphatiert 0,6 – 6 mΩ

* Einzelblechmessungen, Ballenradius: 50 mm, Prüfkraft: 300 N, Messstrom: 1 A

- 56 -

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

CuSn8, ohne Überzug

CuSn6, elektrol. verzinnt

CuSn6, elektrol. mattverzinnt


CuZn37, schmelztauchverzinnt

CuZn37, ohne Überzug

Cu-ETP, elektrol. versilbert

Cu-ETP, nickelphosphatiert

Cu-ETP, elektrol. vernickelt

Cu-ETP, elektrol. verzinnt

Cu-ETP, schmelztauchverzinnt

Cu-ETP, ohne Überzug

Widerstand / mΩ

2,02 / 2,82 / 5,42 / 8,03 / 9,92

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0,248 / 0,253 / 0,283 / 0,313 / 0,341

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

0,176 / 0,180 / 0,260 / 0,341 / 0,410

Systemwiderstand

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm 0,467 / 0,430 / 0,769 / 1,109 / 1,615

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

CuSn0,15, elektrol. reflow-verzinnt

CuSn0,15, elektrol. verzinnt

CuSn0,15, schmelztauchverzinnt

CuSn0,15, ohne Überzug

CuFe2P, ohne Überzug

CuMg0,6, schmelztauchverzinnt

CuMg0,6, ohne Überzug

CuNi1,5Si, schmelztauchverzinnt

CuNi3Si1Mg, ohne Überzug

CuNiCo1Si, ohne Überzug

CuCrAgFeTiSi, elektrol. verzinnt

CuCrAgFeTiSi, ohne Überzug

Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

Systemwiderstand

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

Abb. 8.2: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Einzelblechmessungen

an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe und Oberflächen-qualitäten bei 300 N Prüfkraft im Bereich bis 0,1 mΩ (Elektrodenwerk-stoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm, t = Blechdicke)

- 57 -

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8













Widerstand / mΩ

Standardabweichung

MittelwertMinimum Maximum

2,02 / 2,82 / 5,42 / 8,03 / 9,92

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8













Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm



- 58 -

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30













Widerstand / mΩ

8,44 / 8,34 / 28,1 / 47,9 / 63,6

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

0,643 / 0,715 / 0,840 / 0,965 / 0,961

0,434 / 0,524 / 0,990 / 1,46 / 1,84

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

1,92 / 1,73 / 2,57 / 3,41 / 4,49

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30













Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm



- 59 -

0 1 2 3 4 5













Widerstand / mΩ

Standardabweichung

Mittelwert

8,44 / 8,34 / 28,1 / 47,9 / 63,6

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0 1 2 3 4 5













Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm


an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe und Oberflächen-qualitäten bei 100 N Prüfkraft im Bereich bis 5 mΩ (Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm, t = Blechdicke)

- 60 -

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10













Widerstand / mΩ

3,99 / 6,73 / 11,9 / 17,0 / 18,2

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

0,185 / 0,208 / 0,237 / 0,266 / 0,260

0,345 / 0,361 / 0,386 / 0,412 / 0,431

Systemwiderstand

0,384 / 0,419 / 0,573 / 0,727 / 0,799

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10













Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

Systemwiderstand

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm


an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe und Oberflächen-qualitäten bei einem Ballenradius von 20 mm im Bereich bis 0,1 mΩ (Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Prüfkraft: 300 N, t = Blechdicke)

- 61 -

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4













Widerstand / mΩ

3,99 / 6,73 / 11,9 / 17,0 / 18,2

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4













Widerstand / mΩ

Standardabweichung

Mittelwert

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm


an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe und Oberflächen-qualitäten bei einem Ballenradius von 20 mm im Bereich bis 1,4 mΩ (Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Prüfkraft: 300 N, t = Blechdicke)

- 62 -

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6













Widerstand / mΩ

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

Systemwiderstand

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6













Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

Systemwiderstand

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm


mit Prüfelektroden aus Wolfram an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe und Oberflächenqualitäten im Bereich bis 0,6 mΩ (Ballenradius: 50 mm, Prüfkraft: 300 N, t = Blechdicke)

- 63 -

0 1 2 3 4 5 6 7 8













Widerstand / mΩ

Standardabweichung

Mittelwert

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

0 1 2 3 4 5 6 7 8













Widerstand / mΩ

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,4 mm

t = 0,8 mm

t = 0,6 mm

t = 1,0 mm

t = 0,8 mm

t = 0,4 mm


mit Prüfelektroden aus Wolfram an planen Blechen unterschiedlicher Kupferwerkstoffe und Oberflächenqualitäten im Bereich bis 8 mΩ (Ballenradius: 50 mm, Prüfkraft: 300 N, t = Blechdicke)

- 64 -

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

CuFe2P, t = 0,6 mmCuFe2P, t = 0,4 mmCuFe2P, t = 0,2 mm

CuNi3Si1Mg, t = 0,6 mmCuNi3Si1Mg, t = 0,4 mmCuNi3Si1Mg, t = 0,2 mm

CuNiCo1Si, t = 0,4 mmCuNiCo1Si, t = 0,2 mm

CuCrAgFeTiSi, t = 0,4 mmCuCrAgFeTiSi, t = 0,2 mm

CuSn8, t = 0,6 mmCuSn8, t = 0,4 mmCuSn8, t = 0,2 mm

CuZn37, t = 0,6 mmCuZn37, t = 0,4 mmCuZn37, t = 0,2 mmCu-ETP, t = 0,6 mmCu-ETP, t = 0,4 mmCu-ETP, t = 0,2 mm

Widerstand / mΩ

Abb. 8.10: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Einzelblechmessungen an planen Blechen aus unterschiedlichen Kupferwerkstoffen ohne Über-zug in verschiedenen Blechdicken t (Prüfkraft: 300 N, Elektrodenwerk-stoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm)

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

CuFe2P, R430

CuNi3Si1Mg, R650

CuNiCo1Si, TM04

CuCrAgFeTiSi, R540

CuSn8, R685-R735

CuSn6, R500

CuZn37, R480

Cu-ETP, R290

Widerstand / mΩ

Abb. 8.11: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Einzelblechmessungen an mit 14%iger H2SO4 gebeizten planen Blechen aus unterschiedlichen Kupferwerkstoffen ohne Überzug (Prüfkraft: 300 N, Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius: 50 mm, Blechdicke: 0,4 mm)

- 65 -

8.1.2. Messungen an Buckelblechen

An elektrolytisch verzinnten Probenblechen mit Buckel aus ausgewählten Kupfer-werkstoffen (Cu-ETP und CuSn0,15) wurden Übergangswiderstandsmessungen mit Präzisionswiderstandsmessgerät als Zweiblechmessungen durchgeführt (Buckel-blech gegen planes Blech) wobei die Messspannung an den Probenblechenden ab-gegriffen wurde. Die Messmethode ist in Abschnitt 5.2.1.2 beschrieben. In Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Messungen bei sechs verschiedenen Werkstoffpaarungen (Werkstoff des planen Blechs: Cu-ETP, CuSn0,15 oder CuCrAgFeTiSi, jeweils elektrolytisch verzinnt) und zwei Buckelformen (Spitzbuckel B oder Rundbuckel B) sowie zur Untersuchung des Stromrichtungsein-flusses bei unterschiedlicher Polung der Elektroden durchgeführt. Die in Abb. 8.12 bis Abb. 8.14 dargestellten Ergebnisse der Messungen lassen sich wie folgt zusam-menfassen:

- Bei zunehmender Prüfkraft wurden entsprechend der zunehmenden Flächenpres-sung und Kontaktfläche abnehmende Widerstände gemessen.

- Die bei Prüfkräften unter 60 N abhängig von Blechpaarung, Buckelform und Stromrichtung zum Teil sehr hohen Streubreiten der gemessenen Widerstands-werte nehmen bei zunehmender Prüfkraft signifikant ab.

- Die Mittelwerte der je Prüfvariante gemessenen Widerstandswerte liegen unab-hängig von Blechpaarung, Buckelform und Stromrichtung bei gleicher Prüfkraft in der gleichen Größenordnung und gleichen sich bei zunehmender Prüfkraft immer mehr an.

Tabelle 8.3: Widerstandsmessungen an Buckelblechen: Mittelwerte und Standard-

abweichungen der Prüfvarianten in Abhängigkeit von der Prüfkraft

Prüfkraft Mittelwerte der gemessenen Widerstandswerte

Standardabweichungen der gemessenen Widerstandswerte

20 N 0,13 – 0,22 mΩ 0,003 – 0,17 mΩ (2,5 – 77%)

40 N 0,11 – 0,18 mΩ 0,004 – 0,16 mΩ (3,4 – 90%)

60 N 0,09 – 0,11 mΩ 0,003 – 0,033 mΩ (3,3 – 29%)

80 N 0,07 – 0,09 mΩ 0,002 – 0,015 mΩ (2,9 – 18%)

100 N 0,07 – 0,08 mΩ 0,002 – 0,011 mΩ (2,8 – 15%)

300 N 1) 0,03 – 0,05 mΩ 0,001– 0,002 mΩ (2,5 – 7%) 1) nur gleichartige Werkstoffpaarungen und abweichende Buckelformen (Typ A anstatt Typ B)

- 66 -

Minuspol am Buckelblech

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

Cu-ETP Rundbuckel - Cu-ETP

Cu-ETP Spitzbuckel - Cu-ETP

Cu-ETP Rundbuckel - CuSn0,15

Cu-ETP Spitzbuckel - CuSn0,15

Cu-ETP Rundbuckel - CuCrAgFeTiSi

Cu-ETP Spitzbuckel - CuCrAgFeTiSi

CuSn0,15 Rundbuckel - Cu-ETP

CuSn0,15 Spitzbuckel - Cu-ETP

CuSn0,15 Rundbuckel - CuSn0,15

CuSn0,15 Spitzbuckel - CuSn0,15

CuSn0,15 Rundbuckel - CuCrAgFeTiSi

CuSn0,15 Spitzbuckel - CuCrAgFeTiSi

Widerstand / mΩPrüfkraft: 20 N

Pluspol am Buckelblech

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

Widerstand / mΩ Minuspol am Buckelblech

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4















0,0 0,1 0,2 0,3 0,4


0,0 0,1 0,2 0,3 0,4















0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

Widerstand / mΩ

Abb. 8.12: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Zweiblechmessungen an Buckelblechen bei 20, 40 und 60 N Prüfkraft (Buckelformen Typ B, Blechdicke: 0,8 mm, alle Bleche elektrolytisch verzinnt)

- 67 -

Minuspol am Buckelblech

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20















0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

P

P

5

5

Si

Si

P

P

5

5

Si

Si


0,00 0,05 0,10 0,15 0,20















0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

P

P

5

5

Si

Si

P

P

5

5

Si

Si

Widerstand / mΩ

Abb. 8.13: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Zweiblechmessungen an Buckelblechen bei 80 und 100 N Prüfkraft (Buckelformen Typ B, Blechdicke: 0,8 mm, alle Bleche elektrolytisch verzinnt)

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

CuCrAgFeTiSi, Rundbuckel

CuCrAgFeTiSi, Spitzbuckel

CuSn0,15, Rundbuckel

CuSn0,15, Spitzbuckel

Cu-ETP, Rundbuckel

Cu-ETP, Spitzbuckel

Widerstand / mΩ

Abb. 8.14: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Zweiblechmessungen an Buckelblechen bei 300 N Prüfkraft (gleichartige Werkstoffpaarungen, Bleche elektrolytisch verzinnt, Buckelformen Typ A, Blechdicke: 0,8 mm)

- 68 -

8.1.3. Messungen an Kontaktprofil

Auch am ausgewählten Kontaktprofil wurden Übergangswiderstandsmessungen mit Präzisionswiderstandsmessgerät als Zweiblechmessungen durchgeführt (Kontaktpro-filabschnitt gegen planes Trägerblech) wobei die Messspannung an den Probenen-den abgegriffen wurde. Die Messmethode ist in Abschnitt 5.2.1.3 beschrieben. In Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Messungen bei verschiedenen Werkstoffen des planen Trägerblechs (Cu-ETP, CuZn37 oder CuSn6, jeweils ohne Überzug) bei stufenweise ansteigender Prüfkraft (100 N bis 600 N) und zur Untersuchung des Stromrichtungseinflusses bei unterschiedlicher Polung der Elektroden durchgeführt. Die in Abb. 8.15 und Abb. 8.16 dargestellten Ergebnisse der Messungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Bei zunehmender Prüfkraft wurden entsprechend der zunehmenden Flächenpres-

sung abnehmende Widerstände gemessen. - Die abhängig vom Werkstoff des planen Blechs und der Stromrichtung zum Teil

sehr hohen Streubreiten der gemessenen Widerstandswerte werden mit zuneh-mender Prüfkraft kleiner.

- Die Mittelwerte der je Prüfvariante gemessenen Widerstandswerte sind bei einer Stromrichtung vom Kontaktprofil zum planen Blech (Minuspol oben) bei gleicher Prüfkraft und gleichem Blechwerkstoff kleiner als bei umgekehrter Stromrichtung.

- Auch die Streubreiten der je Prüfvariante gemessenen Widerstandswerte sind bei einer Stromrichtung vom Kontaktprofil zum planen Blech bei gleicher Prüfkraft und gleichem Blechwerkstoff fast immer kleiner als bei umgekehrter Stromrichtung.

0 2 4 6 8 10

CuSn6, R500, Minuspol oben CuSn6, R500, Pluspol oben

CuZn37, R480, Minuspol oben CuZn37, R480, Pluspol oben

Cu-ETP, R290, Minuspol obenCu-ETP, R290, Pluspol oben

Prüfkraft 100 N

0 2 4 6 8 10




Widerstand / mΩ

Prüfkraft 200 N

Abb. 8.15: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Zweiblechmessungen

an Kontaktprofil und planem Blech abhängig von Blechwerkstoff und Stromrichtung bei 100 und 200 N Prüfkraft (Minuspol oben = Pluspol am Kontaktprofil, Blechdicke: 0,4 mm, alle Bleche ohne Überzug)

- 69 -

0 1 2 3 4




Prüfkraft 300 N

0 1 2 3 4




Prüfkraft 400 N

0 1 2 3 4




Prüfkraft 500 N

0 1 2 3 4




Widerstand / mΩ

Prüfkraft 600 N

Abb. 8.16: Mittelwerte und Streubreiten der Ergebnisse von Zweiblechmessungen

an Kontaktprofil und planem Blech abhängig von Blechwerkstoff und Stromrichtung bei 300 bis 600 N Prüfkraft (Minuspol oben = Pluspol am Kontaktprofil, Blechdicke: 0,4 mm, alle Bleche ohne Überzug)

- 70 -

8.2 Widerstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls

Im Rahmen der Untersuchungen wurden zur Darstellung der Strom- und Zeitabhän-gigkeit des Übergangswiderstands dynamische Messungen bei rampenförmigen Stromimpulsen und Elektrodenkräften bis 300 N durchgeführt. (In Abschnitt 5.2.2 wurde die Messmethode beschrieben.) Als Randbedingungen für die Messung sind vom Anwender folgende Basisgrößen zu definieren:

- Elektrodenwerkstoff (z.B. CuCr1Zr oder Wolfram) - Elektrodengeometrie (z.B. Ballenradius von 20 mm oder 50 mm), wobei auf eine

Veränderung der Elektrodenarbeitsflächen zu achten ist. Gegebenenfalls sind die Elektroden nachzuarbeiten oder zu erneuern.

- Prüfkraft (z.B. 50 N, 100 N oder 300 N) - Stromanstieg (z.B. 500 A/ms, 1000 A/ms oder 2500 A/ms) - Messunsicherheit bei der Strom- und Spannungsmessung (Einflussgrößen sind

Messgenauigkeit und Auflösung des Messsystems, Induktivität des Messaufbaus und Phasenverschiebung zwischen Strom- und Spannungssignal)

- Referenzblech für die Systemwiderstandsmessung (z.B. Cu-ETP-Blech, vergoldet) Aufgrund der elektrisch-thermischen Beanspruchung der Elektroden können sich – besonders bei hohen Übergangswiderständen – Veränderungen an deren Arbeitsflä-chen ergeben. Daher ist auf eine Veränderung der Elektrodenarbeitsflächen zu ach-ten. Sie sind gegebenenfalls nachzuarbeiten worauf der Systemwiderstand neu zu messen ist. 8.2.1. Messungen an planen Blechen

An artgleich gepaarten planen Probenblechen ausgewählter Blechchargen (CuZn37 ohne Überzug, CuSn6 ohne Überzug und CuSn6, elektrolytisch mattverzinnt, Blech-dicke 0,4 mm) wurden Widerstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls zur simultanen Ermittlung der Widerstandsverläufe zwischen Elektrode und Blech (REB) sowie zwischen den Blechen (RBB) mit Spannungsabgriffen an Elektroden und Pro-benblechenden durchgeführt. Die Messmethode ist in Abschnitt 5.2.2.1 beschrieben. Die Messungen wurden unter Variation von Elektrodenwerkstoff (CuCr1Zr oder Wolf-ram), Ballenradius (20 oder 50 mm), Prüfkraft (100 oder 300 N) und Stromanstieg (500, 1000 oder 2500 A/ms) durchgeführt (5 Messungen je Prüfvariante). Abb. 8.17 zeigt das Ergebnis einer Messreihe mit Stromrampe (500 A/ms) an Ble-chen aus CuZn37 ohne Überzug. Bei geringer Stromstärke (< 500 A) zu Beginn der Messung zeigt sich der Einfluss der elektromagnetischen Induktion am ermittelten zeitlichen Verlauf des Widerstands durch hohe im weiteren Verlauf schnell abfallende Anfangswerte. Um die das Messergebnis verfälschenden induzierten Spannungen möglichst gering zu halten, sollten die Leitungen von den Spannungsabgriffen zum Messsystem eine möglichst kleine Fläche umschließen (z.B. durch Verdrillen der Lei-tungen).

- 71 -

Grundsätzlich sind die zu Beginn eines rampenförmigem Stromimpulses (hier bei Stromflusszeiten < 0,5 ms) gemessenen Widerstandswerte mit einer hohen Messun-sicherheit behaftet und sollten daher bei der weiteren Bewertung des Widerstands-verlaufs unberücksichtigt bleiben. Der durch Einzelblechmessungen mit Präzisions-widerstandsmessgerät ermittelte Wertebereich für den Widerstand zwischen Elektro-de und Blech (0,09 bis 0,17 mΩ) wurde in Abb. 8.17 bei einer Stromflusszeit zwi-schen 0,5 und 1 ms auch von der dynamischen Widerstandsmessung annähernd er-reicht. Die in Abb. 8.17 bis Abb. 8.30 dargestellten Ergebnisse der Messungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Bei den Blechen ohne Überzug (CuZn37 und CuSn6) nimmt der dynamische Wi-

derstand mit zunehmendem Strom infolge einer Veränderung der Oberflächen ab. Bei den elektrolytisch verzinnten Blechen (CuSn6) zeigt sich nach Erreichen von etwa 1500 bis 2500 A Messstrom eine beginnende Erwärmung der Bleche in ei-nem ansteigenden Verlauf des Widerstands zwischen den Blechen und ab einem Strom von etwa 3000 bis 4000 A eine Vergrößerung der Kontaktfläche durch zu-nehmende plastische Verformung in einem wieder abfallenden Verlauf, Abb. 8.26.

- Ein Vergleich der durch Einzelblechmessungen mit dem Präzisionswiderstands-messgerät ermittelten Widerstandswerte mit den zu Beginn der dynamischen Wi-derstandsmessung erhaltenen Werten ist wegen der bis etwa 0,5 ms Stromfluss-zeit hohen Messunsicherheit schwierig. Bei einer Stromflusszeit von 0,5 ms lag zum Teil dennoch eine annähernde Übereinstimmung der Widerstandswerte aus den unterschiedlichen Messmethoden vor. (Für einen Vergleich mit den zwischen Elektrode und Blech dynamisch gemessenen Widerstandwerten sind die an Ein-zelblechen mit dem Präzisionswiderstandsmessgerät ermittelten Werte zu halbie-ren.)

- An den Blechen ohne Überzug (CuZn37 und CuSn6) wurde bei Verwendung von Elektroden aus CuCr1Zr zu Beginn der dynamischen Messung zwischen den Ble-chen ein höherer Widerstand gemessen als zwischen Elektrode und Blech. Der Widerstand zwischen den Blechen nimmt jedoch mit zunehmendem Strom schnel-ler ab als der Widerstand zwischen Elektrode und Blech, Abb. 8.19 und Abb. 8.20.

- Bei den elektrolytisch verzinnten Blechen (CuSn6) liegen die zwischen Elektrode und Blech gemessenen Widerstandsverläufe über die gesamte Messdauer deut-lich über den zwischen den Blechen gemessenen, Abb. 8.21.

- Bei Verwendung von Wolfram-Elektroden liegen die zwischen Elektrode und Blech gemessenen Widerstandsverläufe wegen des hohen spezifischen Widerstands von Wolfram auch bei Blechen ohne Überzug über den zwischen den Blechen gemessenen, Abb. 8.22.

- Bei den Blechen ohne Überzug (CuZn37 und CuSn6) zeigte sich ein Zusammen-hang zwischen der Stromanstiegsgeschwindigkeit und der Schnelligkeit der Wi-derstandsabnahme. Bei steilerem Stromanstieg nimmt der dynamische Wider-stand vergleichsweise schneller ab, Abb. 8.23 und Abb. 8.24.

Für eine zusammenfassende Dokumentation der Messergebnisse sind in Tabelle 8.4 bis Tabelle 8.6 die jeweils gemessenen Widerstandswerte für die Stromflusszeiten 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms vergleichend zusammengestellt.

- 72 -

Abb. 8.17: Dynamischer Widerstandsverlauf zwischen Elektrode und Blech bei Ble-

chen aus CuZn37 ohne Überzug und einem Stromanstieg von 500 A/ms (10 gemessene Verläufe (farbig) und mittlerer Verlauf (schwarz))

Abb. 8.18: Dynamischer Widerstandsverlauf zwischen den Blechen bei Blechen

aus CuZn37 ohne Überzug und bei einem Stromanstieg von 500 A/ms (5 gemessene Verläufe (farbig) und mittlerer Verlauf (schwarz))

- 73 -

Abb. 8.19: Mittlerer Verlauf und Streubandbreite (Mittelwert ± Standardabweichung)

der Widerstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen (CuZn37 ohne Überzug) bei einem Stromanstieg von 500 A/ms (das Streuband ist jeweils als passend gefärbte Fläche dargestellt)


der Widerstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen bei Blechen aus CuSn6 ohne Überzug und einem Stromanstieg von 500 A/ms (Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr)

- 74 -


der Widerstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen bei elektrolytisch verzinnten Blechen aus CuSn6 und einem Stromanstieg von 500 A/ms (Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr)


der Widerstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen (CuZn37 ohne Überzug) bei Anwendung von Wolfram-Elektroden und einem Stromanstieg von 500 A/ms

- 75 -


des Widerstands zwischen Elektrode und Blech (CuZn37 ohne Überzug) bei Stromanstiegsgeschwindigkeiten von 500, 1000 und 2500 A/ms


des Widerstands zwischen den Blechen (CuZn37 ohne Überzug) bei Stromanstiegsgeschwindigkeiten von 500, 1000 und 2500 A/ms

- 76 -

Abb. 8.25: Mittlerer Verlauf und Streubandbreite des Widerstands zwischen Elekt-

rode und Blech bei elektrolytisch verzinnten Blechen aus CuSn6 und Stromanstiegsgeschwindigkeiten von 500, 1000 und 2500 A/ms

Abb. 8.26: Mittlerer Verlauf und Streubandbreite des Widerstands zwischen den

Blechen bei elektrolytisch verzinnten Blechen aus CuSn6 und Stromanstiegsgeschwindigkeiten von 500, 1000 und 2500 A/ms

- 77 -


rode und Blech bei verschiedenen Blechwerkstoffen (CuZn37, CuSn6) und Oberflächenmodifikationen (ohne Überzug, elektrolytisch verzinnt) (Stromanstiegsgeschwindigkeit: 1000 A/ms)


Blechen bei verschiedenen Blechwerkstoffen (CuZn37, CuSn6) und Oberflächenmodifikationen (ohne Überzug, elektrolytisch verzinnt) (Stromanstiegsgeschwindigkeit: 1000 A/ms)

- 78 -


rode und Blech bei unterschiedlicher Prüfkraft (100 N und 300 N) (Blechwerkstoff: CuZn37 ohne Überzug, Stromanstieg: 500 A/ms)


Blechen bei unterschiedlicher Prüfkraft (100 N und 300 N) (Blechwerkstoff: CuZn37 ohne Überzug, Stromanstieg: 500 A/ms)

- 79 -

Tabelle 8.4: An artgleichen Blechen aus CuZn37 ohne Überzug bei rampenförmigen Stromimpulsen nach Stromflusszeiten von 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms gemessene Widerstandswerte (Mittelwerte u. Standardabweichungen)

Widerstand Blech – Blech / µΩ

Widerstand Elektrode – Blech / µΩ

nach einer Stromzeit von nach einer Stromzeit von

Elek

trod

en-

wer

ksto

ff

Bal

lenr

adiu

s /m

m

Elek

trod

enkr

aft /

N

Stro

man

stie

g

/A/m

s

Blechwerkstoff CuZn37, R480 ohne Überzug Dicke: 0,4mm

0,5ms 1ms 2ms 5ms 0,5ms 1ms 2ms 5ms

Mittelwert 348 237 140 101 164 151 113 91500

Standardabw. 149 53 9 6 54 47 9 4Mittelwert 281 152 83 45 240 164 116 76

1000 Standardabw. 76 18 16 8 149 78 50 13Mittelwert 128 65 62 -- 173 101 84 --

CuC

r1Zr

50 100

2500 Standardabw. 49 19 11 -- 45 16 17 --

Mittelwert 458 264 139 51 114 100 91 47500



CuC

r1Zr

50 300

2500 Standardabw. 56 30 19 -- 24 8 2 --

Mittelwert 294 217 97 49 128 114 94 57500



CuC

r1Zr

20 300

2500 Standardabw. 8 3 1 -- 34 6 2 --

Mittelwert 93 80 76 46 164 139 114 62500



Wol

fram

50 300

2500 Standardabw. 14 7 2 -- 36 10 7 --

- 80 -

Tabelle 8.5: An artgleichen Blechen aus CuSn6 ohne Überzug bei rampenförmigen Stromimpulsen nach Stromflusszeiten von 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms gemessene Widerstandswerte (Mittelwerte u. Standardabweichungen)




Elek

trod

en-

wer

ksto

ff

Bal

lenr

adiu

s /m

m

Elek

trod

enkr

aft /

N

Stro

man

stie

g

/A/m

s

Blechwerkstoff CuSn6, R500 ohne Überzug Dicke: 0,4mm


Mittelwert 610 296 159 88 174 145 125 92500



CuC

r1Zr

50 100

2500 Standardabw. 15 11 9 -- 33 9 3 --

Mittelwert 518 255 117 60 212 171 116 57500



CuC

r1Zr

50 300

2500 Standardabw. 7 5 3 -- 25 10 2 --

Mittelwert 619 298 136 69 124 108 98 68500



CuC

r1Zr

20 300

2500 Standardabw. 6 4 4 -- 25 6 2 --

Mittelwert 353 255 130 58 566 362 219 119500



Wol

fram

50 300

2500 Standardabw. 13 6 4 -- 28 14 10 --

- 81 -

Tabelle 8.6: An artgleichen Blechen aus CuSn6, elektrolytisch verzinnt, bei rampen-förmigen Stromimpulsen nach Stromflusszeiten von 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms gemessene Widerstandswerte (Mittelwerte und Standardab-weichungen)




Elek

trod

en-

wer

ksto

ff

Bal

lenr

adiu

s /m

m

Elek

trod

enkr

aft /

N

Stro

man

stie

g

/A/m

s

Blechwerkstoff CuSn6, R500 elektrolytisch mattverzinnt Dicke: 0,4mm


Mittelwert 12,9 6,0 4,6 19,3 73,3 60,5 57,8 61,9500

Standardabw. 2,3 2,2 2,8 6,7 9,2 8,1 8,2 10,7Mittelwert 15,8 9,2 9,8 14,9 75,4 63,1 64,0 61,5

1000 Standardabw. 4,9 3,9 3,5 4,2 7,5 6,8 8,2 6,4Mittelwert 13,9 8,5 9,9 -- 79,1 72,1 70,9 --

CuC

r1Zr

50 100

2500 Standardabw. 1,3 2,3 2,0 -- 5,3 5,4 5,6 --

Mittelwert 16,9 9,3 7,4 14,5 49,2 38,0 34,8 35,6500



CuC

r1Zr

50 300

2500 Standardabw. 3,3 3,5 3,1 -- 2,2 2,3 3,6 --

Mittelwert 20,2 12,9 10,8 21,5 73,4 61,1 58,0 60,5500



CuC

r1Zr

20 300

2500 Standardabw. 2,8 3,4 2,1 -- 4,5 3,9 5,3 --

Mittelwert 18,3 9,0 6,6 10,5 110,0 95,3 96,1 67,5500



Wol

fram

50 300

2500 Standardabw. 1,4 1,4 2,7 -- 13,4 5,1 4,8 --

- 82 -

8.2.2. Messungen an Buckelblechen

An elektrolytisch verzinnten Probenblechen mit Buckel aus ausgewählten Kupfer-werkstoffen (Cu-ETP und CuSn0,15) wurden Übergangswiderstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls als Zweiblechmessungen durchgeführt (Buckelblech gegen planes Blech) wobei die Messspannung an den Probenblechenden abgegrif-fen wurde. Die Messmethode ist in Abschnitt 5.2.2.2 beschrieben. In Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Messungen unter Variation von Prüfkraft (50 oder 100 N) und Stromanstieg (500 oder 1000 A/ms) bei sechs verschiedenen Werkstoffpaarungen (Werkstoff des planen Blechs: Cu-ETP, CuSn0,15 oder CuCrAgFeTiSi, jeweils elektrolytisch verzinnt) und zwei Buckelformen (Spitzbuckel B oder Rundbuckel B) sowie zur Untersuchung des Stromrichtungsein-flusses bei unterschiedlicher Polung der Elektroden durchgeführt (5 Messungen je Prüfvariante). Die in Abb. 8.31 bis Abb. 8.36 beispielhaft dargestellten Ergebnisse der Messungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- An den untersuchten Werkstoffpaarungen und Buckelformen wurde bei allen durchgeführten Prüfvarianten ein wellenförmiger Widerstands-Zeit-Verlauf gemes-sen. Dabei führt ab einem Strom von etwa 1000 A die beginnende Erwärmung der Bleche in der Umgebung der Kontaktstelle zu einem ansteigenden Widerstands-verlauf während die durch zunehmende plastische Verformung sich stufenweise vergrößernde Kontaktfläche alternierend einen fallenden Verlauf zur Folge hat.

- Bei größerer Stromanstiegsgeschwindigkeit verlagern sich die Maxima und Mini-ma des wellenförmigen Widerstandsverlaufs entsprechend der schnelleren Er-wärmung der Kontaktstelle zu kleineren Stromflusszeiten, Abb. 8.32.

- Bei größerer Prüfkraft verschiebt sich der Widerstandsverlauf entsprechend der größeren Flächenpressung und größeren Kontaktfläche zu kleineren Widerstands-werten, wobei die Maxima und Minima des Verlaufs sich zu kleineren Stromfluss-zeiten verschieben, Abb. 8.31.

- Der durch Zweiblechmessungen mit Präzisionswiderstandsmessgerät ermittelte Wertebereich für den Übergangswiderstand zwischen Buckelblech und planem Blech wurde bei einer Stromflusszeit von 0,5 ms auch von der dynamischen Wi-derstandsmessung annähernd erreicht.

- Die an den ausgewählten Werkstoffpaarungen und Buckelformen durchgeführten Widerstandsmessungen ergaben unabhängig von Blechpaarung, Buckelform und Stromrichtung bei gleicher Prüfkraft und gleichem Stromanstieg einen nahezu identischen Verlauf.

Für eine zusammenfassende Dokumentation der Messergebnisse sind in Tabelle 8.7 und Tabelle 8.8 die jeweils gemessenen Widerstandswerte für die Stromflusszeiten 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms vergleichend zusammengestellt.

- 83 -


des Widerstands zwischen Buckelblech und planem Blech bei unter-schiedlicher Elektrodenkraft (50 N und 100 N) (das Streuband ist jeweils als passend gefärbte Fläche dargestellt)


des Widerstands zwischen Buckelblech und planem Blech bei unter-schiedlicher Stromanstiegsgeschwindigkeit (500 A/ms und 1000 A/ms)

- 84 -


des Widerstands zwischen Buckelblech und planem Blech bei unter-schiedlichen Buckelblechwerkstoffen (Cu-ETP und CuSn0,15, jeweils elektrolytisch verzinnt)


des Widerstands zwischen Buckelblech und planem Blech bei unter-schiedlichen Werkstoffen des planen Blechs (Cu-ETP, CuSn0,15 und CuCrAgFeTiSi, jeweils elektrolytisch verzinnt)

- 85 -


des Widerstands zwischen Buckelblech und planem Blech bei unter-schiedlichen Buckelformen (Spitzbuckel B und Rundbuckel B)


des Widerstands zwischen Buckelblech und planem Blech bei unter-schiedlicher Stromrichtung

- 86 -

Tabelle 8.7: Zwischen Buckelblech (Cu-ETP, elektrolytisch verzinnt) und planem Blech bei rampenförmigen Stromimpulsen nach Stromflusszeiten von 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms gemessene Widerstandswerte (Mittelwer-te und Standardabweichungen)

Rundbuckel B Spitzbuckel B

Widerstand Buckelblech – Blech / µΩnach einer Stromzeit von

Widerstand Buckelblech – Blech / µΩ

nach einer Stromzeit von

Wer

ksto

ff de

s pl

anen

Ble

chs

Elek

trod

enkr

aft /

N

Elek

trod

enpo

larit

ät

am B

ucke

lble

ch

Stro

man

stie

g /A

/ms

Werkstoff des Buckelblechs: Cu-ETP, R290 elektrolytisch

verzinnt Dicke: 0,8mm


Mittelwert 73 66 69 78 83 74 76 86Plus 500


Minus 500 Standardabw. 5 4 5 6 4 4 3 2Mittelwert 75 67 75 100 82 74 82 106

50

Minus 1000 Standardabw. 13 13 10 14 7 7 4 3

Mittelwert 76 68 69 74 74 64 66 68Minus 500


Cu-

ETP

, R29

0 el

ektro

lytis

ch v

erzi

nnt

100 Minus 1000

Standardabw. 6 7 8 2 7 8 10 5

Mittelwert 85 77 79 95 86 78 81 100Plus 500



50




CuS

n0,1

5 el

ektro

lytis

ch v

erzi

nnt

100 Minus 1000

Standardabw. 5 6 8 7 10 11 13 8

Mittelwert 80 71 76 92 82 74 77 92Plus 500



50



Standardabw. 7 7 7 7 3 3 5 9Mittelwert 76 68 74 101 84 75 82 106C

uCrA

gFeT

iSi,

R52

0 - 6

20

elek

troly

tisch

ver

zinn

t

100 Minus 1000

Standardabw. 4 5 6 5 9 9 11 11

- 87 -

Tabelle 8.8: Zwischen Buckelblech (CuSn0,15, elektrolytisch verzinnt) und planem Blech bei rampenförmigen Stromimpulsen nach Stromflusszeiten von 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms gemessene Widerstandswerte (Mittelwer-te und Standardabweichungen)

Rundbuckel B Spitzbuckel B Stromanstieg: 1000 A/ms Minuspol am Buckelblech Widerstand

Buckelblech – Blech / µΩnach einer Stromzeit von

Widerstand Buckelblech – Blech / µΩ


Werkstoff des planen Blechs

Elektroden-

kraft /N

Werkstoff des Buckelblechs:

CuSn0,15 elektrolytisch

verzinnt Dicke: 0,8mm 0,5ms 1ms 2ms 5ms 0,5ms 1ms 2ms 5ms

Mittelwert 90 82 86 109 86 78 85 11150


Cu-ETP, R290 elektrolytisch

verzinnt 100 Standardabw. 5 5 8 2 7 7 7 2

Mittelwert 79 71 78 107 87 80 82 10750


CuSn0,15

elektrolytisch verzinnt 100

Standardabw. 7 6 5 5 7 8 10 5

Mittelwert 87 82 80 109 86 79 83 10850


CuCrAgFeTiSi R520 - 620

elektrolytisch verzinnt 100

Standardabw. 6 5 6 5 4 5 5 2

- 88 -

8.2.3. Messungen an Kontaktprofil

Auch am ausgewählten Kontaktprofil wurden Übergangswiderstandsmessungen bei rampenförmigem Stromimpuls als Zweiblechmessungen durchgeführt (Kontaktpro-filabschnitt gegen planes Trägerblech) wobei die Messspannung an den Probenen-den abgegriffen wurde. Die Messmethode ist in Abschnitt 5.2.2.2 beschrieben. In Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Messungen unter Variation von Prüfkraft (50, 100 oder 300 N) und Stromanstieg (500 oder 1000 A/ms) bei verschiedenen Werkstoffen des planen Trägerblechs (Cu-ETP, CuZn37 oder CuSn6, jeweils ohne Überzug) sowie zur Untersuchung des Stromrichtungseinflus-ses bei unterschiedlicher Polung der Elektroden durchgeführt (5 Messungen je Prüf-variante). Die in Abb. 8.37 bis Abb. 8.40 beispielhaft dargestellten Ergebnisse der Messungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

- Bei den ausgewählten Trägerblechen ohne Überzug zeigt der zwischen Kontakt-profil und Trägerblech gemessene dynamische Widerstand infolge einer Verände-rung der Oberflächen einen fallenden Verlauf, der sich mit zunehmendem Strom abflacht.

- Bei größerer Stromanstiegsgeschwindigkeit zeigt der gemessene dynamische Wi-derstand entsprechend der schnelleren Erwärmung der Kontaktstellen einen schneller abfallenden Verlauf, Abb. 8.37.

- Bei größerer Prüfkraft verschiebt sich der Widerstandsverlauf trotz größerer Flä-chenpressung zu nur geringfügig kleineren Widerstandswerten, Abb. 8.38.

- Ein Vergleich der bei unterschiedlichen Trägerblechwerkstoffen gemessenen Wi-derstandsverläufe zeigt im Zeitintervall von 0,5 bis 1 ms bei höherer Festigkeit des Trägerblechwerkstoffs ein höheres Niveau des Widerstandsverlaufs. Ab einem Strom von etwa 1000 A gehen die Widerstandsverläufe ineinander über.

- Bei einer Stromrichtung vom Kontaktprofil zum Trägerblech zeigt der gemessene Widerstandsverlauf einen ausgeprägt wellenförmig abfallenden Verlauf während bei umgekehrter Stromrichtung der Widerstandsverlauf monoton abfällt, Abb. 8.40.

Zur zusammenfassenden Dokumentation der Messergebnisse sind in Tabelle 8.9 die jeweils gemessenen Widerstandswerte für die Stromflusszeiten 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms vergleichend zusammengestellt.

- 89 -


des Widerstands zwischen Kontaktprofil und Trägerblech bei unter-schiedlicher Stromanstiegsgeschwindigkeit (500 A/ms und 1000 A/ms) und einem Trägerblech aus Cu-ETP ohne Überzug


des Widerstands zwischen Kontaktprofil und Trägerblech bei unter-schiedlicher Elektrodenkraft (100 N und 300 N) und einem Trägerblech aus CuSn6 ohne Überzug

- 90 -


des Widerstands zwischen Kontaktprofil und Trägerblech bei unter-schiedlichen Trägerblechwerkstoffen (CuSn6, CuZn37 und Cu-ETP, je-weils ohne Überzug)


des Widerstands zwischen Kontaktprofil und Trägerblech bei unter-schiedlicher Stromrichtung (Trägerblechwerkstoff CuSn6 ohne Überzug)

- 91 -

Tabelle 8.9: Zwischen Kontaktprofil und planem Trägerblech bei rampenförmigen Stromimpulsen nach Stromflusszeiten von 0,5 ms, 1 ms, 2 ms und 5 ms gemessene Widerstandswerte (Mittelwerte u. Standardabweichungen)

Stromanstieg 500 A/ms Stromanstieg 1000 A/ms

Widerstand Kontaktprofil – Träger-

blech / µΩ nach einer Stromzeit von

Widerstand Kontaktprofil – Träger-

blech / µΩ nach einer Stromzeit von

Wer

ksto

ff de

s Tr

äger

blec

hs

Elek

trod

enkr

aft /

N

Elek

trod

enpo

larit

ät

am K

onta

ktpr

ofil Werkstoff des

Kontaktprofils: CuNi9Sn2

Dicke: 0,85 mm


Mittelwert 271 231 170 121 Plus

Standardabw. 115 56 17 14 Mittelwert 211 209 153 118 296 194 133 102

50 Minus

Standardabw. 23 17 3 13 36 8 4 9



100

Minus Standardabw. 55 43 10 7 50 14 11 12

Mittelwert 311 251 170 69 Cu-

ETP

, R29

0, o

hne

Übe

rzug

D

icke

: 0,4

mm

300 Minus Standardabw. 123 35 5 6



50

Minus Standardabw. 13 11 18 16 18 9 16 9



100 Minus

Standardabw. 83 20 9 7 44 17 14 10

Mittelwert 486 293 163 84

CuZ

n37,

R48

0, o

hne

Übe

rzug

, D

icke

: 0,4

mm




50 Minus

Standardabw. 55 26 22 9 63 48 48 15



100 Minus

Standardabw. 75 32 23 22 31 20 13 4

Mittelwert 642 338 184 97 CuS

n6, R

500,

ohn

e Ü

berz

ug,

Dic

ke: 0

,4 m

m


- 92 -

8.3 Widerstandsmessungen bei Schweißversuchen

Zur Beurteilung der Kontaktsituation im Verlauf des realen Schweißprozesses wur-den im Rahmen der Vorhabensdurchführung Widerstandsmessungen bei Schweiß-versuchen an ausgewählten Blechchargen mit und ohne Buckel sowie an dem Kon-taktprofil durchgeführt. Die Messmethoden sind in Abschnitt 5.2.3 beschrieben. Zur Reduzierung des Versuchsumfangs wurde in Abstimmung mit dem projektbegleiten-den Ausschuss eine Einschränkung in der Werkstoffauswahl vorgenommen, Tabelle 8.10 bis Tabelle 8.12. Tabelle 8.10: Versuchsprogramm für die Schweißversuche an planen Blechen

– ausgewählte Werkstoffe, Oberflächen und Schweißparameter

Blechwerkstoff CuZn37, R480 CuSn8, R685 CuSn6, R500 Cu-ETP, R290

MPA-Bezeichnung Cu-68 Cu-71 Cu-97 Cu-65

Blechoberfläche ohne Überzug ohne Überzug elektrolytisch verzinnt ohne Überzug

Blechdicke 0,6 mm 0,6 mm 0,4 mm 0,6 mm

Schweißstrom 7,5 kA 7,5 kA 6 kA 5 kA

Elektrodenwerkstoff CuCr1Zr CuCr1Zr CuCr1Zr Wolfram

Elektrodenkraft 300 N

Ballenradius 50 mm

Stromanstiegszeit 10 ms

Stromhaltezeit 30 ms

Stromabfallzeit 10 ms

Von den ausgewählten Blechchargen wurden je 10 Bleche für die Herstellung von je 5 Scherzugproben als Einzelpunktproben ausgeführt. Für die Schweißversuche stand im Schweißlabor der Materialprüfungsanstalt Univer-sität Stuttgart ein speziell für das Kleinteilschweißen konzipierter Schweißkopf Typ FP181 der Firma MIYACHI EUROPE GmbH zur Verfügung, Abb. 5.12. Mit diesem Schweißkopf können durch eine Druckfeder Elektrodenkräfte in einem Bereich von 20 bis 620 N stufenlos wählbar aufgebracht werden. Die obere Arbeitselektrode kann über einen Druckluftzylinder zugestellt werden. Der Zustellhub wird über einen me-chanischen Anschlag eingestellt. Die Elektrodenkraft wurde vor den jeweiligen Schweißversuchen mit Hilfe eines kalibrierten piezoelektrischen Kraftsensors vom Typ 9213SP der Firma Kistler auf den gewünschten Wert eingestellt. Die Schweißversuche wurden bei Schweißströmen bis 6 kA mit einer Gleichstrom-quelle vom Typ 5G35/9000 der Firma MIYACHI EUROPE GmbH durchgeführt, Tabelle 5.2. Bei Schweißströmen über 6 kA kam eine Mittelfrequenzstromquelle, vom Typ IS-444B in Verbindung mit einem Transformator IT82D von MIYACHI EUROPE GmbH zum Einsatz. Die Arbeitsfrequenz der verwendeten Mittelfrequenzstromquelle beträgt 1 kHz, so dass die Stromflusszeiten in Intervallschritten von 1 ms eingestellt werden können.

- 93 -

Tabelle 8.11: Versuchsprogramm für die Schweißversuche mit Buckelblechen – Werkstoffe, Oberflächen, Buckelformen und Schweißparameter

Werkstoff, Dicke Cu-ETP, R290, elektrolytisch verzinnt, Dicke: 0,8 mm Buckel-blech Buckelform Rundbuckel B (Cu-124*) oder Spitzbuckel B (Cu-125*)

Werkstoff Cu-ETP, R290 CuSn0,15 CuCrAgFeTiSi

MPA-Bezeichnung Cu-120 Cu-121 Cu-122

Oberfläche elektrol. verzinnt elektrol. verzinnt elektrol. verzinnt

planes Blech

Dicke 0,8 mm 0,8 mm 0,8 mm

Schweißstrom 4,5 kA 4,5 kA 4,5 kA

Elektrodenkraft 50 N 50 N 100 N 50 N

Stromanstiegszeit 10 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms

Stromabfallzeit 10 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms


Stromrichtung vom planen Blech zum Buckelblech

Elektrodenwerkstoff Wolfram

Elektrodenarbeitsfläche plan

* MPA-Bezeichnung der Buckelblech-Charge Tabelle 8.12: Versuchsprogramm für die Schweißversuche mit Kontaktprofil

– Trägerblechwerkstoffe, -oberflächen und Schweißparameter

Werkstoff CuNi9Sn2 Kontakt-profil Abmessungen 60 x 3,2 x 0,85 mm

Werkstoff Cu-ETP, R290 CuZn37, R480 CuSn6, R500

MPA-Bezeichnung Cu-64 Cu-67 Cu-115

Oberfläche ohne Überzug ohne Überzug ohne Überzug

Träger-blech

Dicke 60 x 5 x 0,4 mm 60 x 5 x 0,4 mm 60 x 5 x 0,4 mm

Elektrodenkraft 500 N 500 N 500 N

Schweißstrom 8,5 kA 8,5 kA 8 kA

Stromanstiegszeit 10 ms 10 ms 10 ms

Stromhaltezeit 70 ms 60 ms 60 ms


Stromrichtung vom Trägerblech zum Kontaktprofil

Elektrodenwerkstoff Wolfram

Elektrodenarbeitsfläche plan

- 94 -

Zur Prozessüberwachung und -dokumentation wurden folgende Prozessgrößen wäh-rend des Schweißprozesses erfasst:

• Strom I(t) • Spannung zwischen unterem Blech und unterer Elektrode U1(t) • Spannung zwischen oberem Blech und unterer Elektrode U2(t) • Spannung zwischen oberer Elektrode und unterer Elektrode U3(t) • Elektrodenweg s(t) Hierfür wurden Messaufnehmer entsprechender Güteklassen eingesetzt, Tabelle 8.13. Die Aufzeichnung der Versuchsdaten erfolgte mit einem 16-kanaligen Messsys-tem vom Typ Saturn der Firma AMO GmbH. Tabelle 8.13: Messaufnehmer zur Aufzeichnung der mechanischen und elektrischen

Prozessparameter

Messgröße Messprinzip Hersteller und Gerätetyp Messbereich Messunsicherheit

Strom Spannungsabfall an Shunt-Widerstand

H.A.Schlatter AG Shunt-Widerstand: 5,01 µΩ DEWETRON Ges.m.b.H. Messverstärker DAQP-LV

20 kA ± 0,7 %

Spannung Spannungsabgriff DEWETRON Ges.m.b.H. Messverstärker DAQP-LV

± 10 V ± 0,5 %

Weg Berührungslose

Messung auf Wirbelstrombasis

Micro-Epsilon-Messtechnik GmbH & Co. KG

multiNCDT 300, Sensor S2

2 mm ± 0,2 %

8.3.1. Schweißversuche an planen Blechen

In den nachfolgenden Abb. 8.41 bis Abb. 8.44 sind die Stromkurven und die dy-namischen Widerstandsverläufe beim Widerstandspunktschweißen von planen Ble-chen in Strom-Zeit- bzw. Widerstand-Zeit-Diagrammen nach Werkstoffen zusam-mengefasst dokumentiert. Des Weiteren sind die Kraft-Verlängerungskurven beim Scherzugversuch und fotografische Dokumentationen der Blechoberflächen nach der Schweißung im Bereich der Elektrodenkontaktierung sowie metallografische Schliff-bilder der Schweißverbindungen beigefügt, Abb. 8.45 bis Abb. 8.48. Bei den Schweißungen von CuZn37 und CuSn8 wurden die Schweißparameter so gewählt, dass der Grundwerkstoff in der Fügezone aufschmilzt und eine Schweißlin-se ausbildet. Dies ermöglicht den Vergleich von Schweißlinsengröße und -form mit der durch numerische Prozesssimulation berechneten Temperaturverteilung. Bei den übrigen Schweißversuchen wurde auf Anregung durch den projektbegleitenden Aus-schuss in Anlehnung an die Industriepraxis durch eine geeignete Wahl des Schweiß-stroms ein Aufschmelzen des Grundwerkstoffs vermieden. Dementsprechend war bei den so geschweißten Proben die maximale Scherzugkraft deutlich geringer.

- 95 -

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Stro

m /

A

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ mΩ

CuZn37, R480, ohne Überzug, t = 0,6 mm Übergangswiderstand Elektrode-Blech REB

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ mΩ

CuZn37, R480, ohne Überzug, t = 0,6 mm Übergangswiderstand Blech-Blech RBB

Abb. 8.41: Strom- und Widerstandsverläufe beim Punktschweißen planer Bleche

aus CuZn37, R480, ohne Überzug

- 96 -

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Stro

m /

A

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ mΩ

CuSn8, R685-R735, ohne Überzug, t = 0,6 mm Übergangswiderstand Elektrode-Blech REB

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Wid

erst

and

/ mΩ

CuSn8, R685-R735, ohne Überzug, t = 0,6 mm Übergangswiderstand Blech-Blech RBB


aus CuSn8, R685-R735, ohne Überzug

- 97 -


aus CuSn6, R500, elektrolytisch verzinnt

- 98 -


aus Cu-ETP, R290, ohne Überzug

- 99 -

metallografischer Schliff

0

200

400

600

800

1000

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Verlängerung / mm

Kra

ft /

N

Mittlere Maximalkraft: 901 N, Standardabweichung: 38 N Mittlerer Weg bei Maximalkraft: 0,56 mm, Standardabweichung: 0,03 mm

CuZn37, R480, ohne Überzug, t = 0,6

Oberfläche oben unten

Abb. 8.45: Kraft-Verlängerungskurven beim Scherzugversuch sowie Oberflächen

und metallografischer Schliff eines Schweißpunkts, Blechwerkstoff: CuZn37, R480, ohne Überzug


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Verlängerung / mm

Kra

ft /

N


CuSn8, R685-R735, ohne Überzug, t = 0,6 mm Oberfläche oben unten

Abb. 8.46: Kraft-Verlängerungskurven beim Scherzugversuch sowie Oberflächen und metallografischer Schliff eines Schweißpunkts, Blechwerkstoff: CuSn8, R685-R735, ohne Überzug

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Verlängerung / mm

Kra

ft /

N


CuSn6, R500, elektrolytisch verzinnt, t = 0,4 mm


Abb. 8.47: Kraft-Verlängerungskurven beim Scherzugversuch sowie metallografi-scher Schliff eines Schweißpunkts, Blechwerkstoff: CuSn6, R500, elektrolytisch verzinnt

- 100 -

0

100

200

300

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

Verlängerung / mm

Kra

ft /

N

Mittlere Maximalkraft: 230 N, Standardabweichung: 4 N Mittlerer Weg bei Maximalkraft: 0,10 mm, Standardabweichung: 0,005

Cu-ETP, R290, ohne Überzug, t = 0,6 mm


Abb. 8.48: Kraft-Verlängerungskurven beim Scherzugversuch sowie metallografi-scher Schliff eines Schweißpunkts, Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290, ohne Überzug

Bei den Schweißversuchen zeigte sich, dass die Bleche aus CuSn8 und CuZn37 na-hezu dieselben Widerstandsverläufe aufweisen. Dies wurde auch bei den Wider-standsmessungen mit definierten Stromrampen festgestellt. Nach Erreichen von etwa 4000 A Schweißstrom steigen die Widerstandsverläufe wieder kurz an (ca. 2 ms) und fallen dann mit fortschreitendem Schweißprozess kontinuierlich ab. Die Streuband-breite der Verläufe ist wie bei den Messungen mit rampenförmigem Stromimpuls zu Beginn relativ groß, nimmt aber bis zum Ende des Stromanstiegs stark ab und bleibt während der restlichen Schweißzeit auffallend gering. Die elektrolytisch verzinnten Bleche aus CuSn6 zeigen zu Beginn des Schweißpro-zesses deutlich kleinere Widerstandswerte als die Bleche ohne Überzug. Der Über-gangswiderstand zwischen Elektrode und Blech bleibt mit fortschreitendem Schweiß-prozess jedoch nahezu konstant, so dass er nach etwa 15 ms größer ist als bei den Blechen ohne Überzug. Zwischen den elektrolytisch verzinnten Blechen ist der Wi-derstand während der gesamten Schweißzeit niedriger als zwischen den Blechen ohne Überzug. Der Punktschweißprozess dieser Blechqualitäten wird vorwiegend durch die Stoffwiderstände der Bleche geprägt. Nach Erreichen von etwa 2000 A Schweißstrom zeigt sich die Erwärmung der Bleche in einem kurzen Ansteigen der Widerstände (ca. 2 ms). Mit fortschreitendem Schweißprozess fallen sie durch die bei zunehmender plastischer Verformung sich vergrößernde Kontaktfläche wieder konti-nuierlich ab. Bei den Schweißversuchen mit Wolfram-Elektroden an Blechen aus Cu-ETP ist der Übergangswiderstand zwischen Elektrode und Blech entsprechend dem höheren spezifischen Widerstand von Wolfram während der gesamten Schweißzeit deutlich höher als bei den Schweißversuchen mit Elektroden aus CuCr1Zr. Der Widerstand zwischen den Blechen weist hingegen zu Beginn vergleichsweise kleine Werte auf. Er zeigt bei einem Strom von etwa 1000 bis 2000 A aus den gleichen Gründen wie bei den anderen Schweißungen ein kurzes Ansteigen gefolgt von einem zuerst schnell, ab dem Ende der Stromanstiegszeit langsamer fallenden Verlauf.

- 101 -

8.3.2. Schweißversuche an Buckelblechen

In den nachfolgenden Abb. 8.49 bis Abb. 8.52 sind exemplarisch für einige Werk-stoffpaarungen und Schweißparameter die Stromkurven, die dynamischen Wider-standsverläufe sowie die Elektrodenwegverläufe beim Widerstandsbuckelschweißen dargestellt. Außerdem sind metallografische Schliffbilder der Schweißverbindungen beigefügt. Zusammenfassend sind in Tabelle 8.14 die jeweils gemessenen Wider-standswerte für die Stromflusszeiten 1 ms, 2 ms, 5 ms und 10 ms sowie die bei der Scherzugprüfung erreichte maximale Prüfkraft dokumentiert. Bei den Schweißversuchen an Buckelblechen zeigen alle geschweißten Blechpaa-rungen und Buckelformen im Rahmen der Streubreite nahezu denselben Wider-standsverlauf. Die Verläufe weisen während der Stromanstiegszeit den gleichen wel-lenförmigen Anstieg auf wie bei den Messungen mit rampenförmigem Stromimpuls. Nach Erreichen von je nach Stromanstiegszeit etwa 3000 bis 4000 A Schweißstrom fallen die Widerstandsverläufe dann mit fortschreitendem Schweißprozess kontinuier-lich ab. Bei größerer Elektrodenkraft (100 N statt 50 N) wurden wegen der höheren Flächen-pressung und einer vergrößerten Kontaktfläche insgesamt etwas kleinere Wider-standswerte gemessen. Die Streubandbreite war dabei während der Stromhaltezeit ebenfalls kleiner. In den Elektrodenweg-Zeit-Diagrammen ist die Richtung von der Elektrodenarbeits-fläche zum Elektrodenhalter positiv dargestellt. Während der Stromanstiegszeit zeigt sich die zunehmende Wärmedehnung der Probenbleche im Bereich der Fügezone in einem ansteigenden Wegverlauf. Anschließend weist ein fallender Wegverlauf auf die plastische Verformung der Buckel während des Schweißprozesses hin. Die Ab-kühlung der Probenbleche im Bereich der Schweißverbindung während und nach der Stromabfallzeit führt zu einem Rückgang der Wärmedehnung und zeigt sich im Weg-Zeit-Diagramm in einem weiter fallenden Elektrodenwegverlauf. Bei größerer Elektrodenkraft weist der Elektrodenweg zwar einen stetigeren Verlauf auf, durch den kleineren Kontaktwiderstand wird jedoch weniger elektrische Energie in Wärme umgewandelt, so dass im metallografischen Schliff kein Aufschmelzen des Blechwerkstoffs erkennbar ist. Dementsprechend wurde bei der Scherzugprüfung ei-ne geringere maximale Prüfkraft erreicht.

- 102 -

Abb. 8.49: Verlauf von Strom, Widerstand zwischen den Blechen und Elektroden-

weg beim Buckelschweißen von Buckelblechen aus Cu-ETP, R290 auf plane Bleche aus CuSn0,15, beide elektrolytisch verzinnt (Elektrodenkraft: 50 N, Stromanstiegszeit: 10 ms)

- 103 -

Abb. 8.50: Verlauf von Strom, Widerstand zwischen den Blechen und Elektroden-weg beim Schweißen von Buckelblechen aus Cu-ETP auf plane Bleche aus CuSn0,15, beide elektrol. verzinnt sowie metallografischer Schliff einer Schweißung (Elektrodenkraft: 50 N, Stromanstiegszeit: 5 ms)

- 104 -

Abb. 8.51: Verlauf von Strom, Widerstand zwischen den Blechen und Elektroden-weg beim Schweißen von Buckelblechen aus Cu-ETP auf plane Bleche aus Cu-ETP, beide elektrolytisch verzinnt sowie metallografischer Schliff einer Schweißung (Elektrodenkraft: 50 N, Stromanstiegszeit:10 ms)

- 105 -

Abb. 8.52: Verlauf von Strom, Widerstand zwischen den Blechen und Elektroden-weg beim Schweißen von Buckelblechen aus Cu-ETP auf plane Bleche aus CuSn0,15, beide elektrol. verzinnt sowie metallografischer Schliff einer Schweißung (Elektrodenkraft: 100 N, Stromanstiegszeit:10 ms)

- 106 -

Tabelle 8.14: Zwischen Buckelblech und planem Blech beim Schweißen nach Stromflusszeiten von 1 ms, 2 ms, 5 ms und 10 ms gemessene Wider-standswerte (Mittelwerte u. Standardabweichungen) sowie die jeweils bei der Scherzugprüfung erreichte maximale Prüfkraft

Rundbuckel B Spitzbuckel B

Widerstand Buckelblech – Blech

/ µΩ nach einer Stromzeit

von

Widerstand Buckelblech – Blech

/ µΩ nach einer Stromzeit

von

Wer

ksto

ff de

s pl

anen

B

lech

s (D

icke

: 0,8

mm

)

Elek

trod

enkr

aft /

N

Stro

man

stie

g / A

/ms

Werkstoff des Buckelblechs: Cu-ETP, R290 elektrolytisch

verzinnt Dicke: 0,8mm

1ms 2ms 5ms 10 ms Max

. Prü

fkra

ft /N

1ms 2ms 5ms 10 ms Max

. Prü

fkra

ft /N

Mittelwert 73 73 77 105 228 81 84 84 108 276450 Standardabw. 9 10 14 10 36 7 8 7 2 10Mittelwert

50 900

Standardabw.

Mittelwert Cu-

ETP

, R29

0 el

ektro

lytis

ch v

er-

zinn

t

100 450 Standardabw.

Mittelwert 84 86 87 108 330 87 91 95 107 324450 Standardabw. 11 14 14 2 36 10 14 16 2 44Mittelwert 79 91 113 92 324 83 92 116 92 327

50 900

Standardabw. 6 4 3 1 31 9 5 5 2 13

Mittelwert 60 60 69 99 271 58 57 66 85 209CuS

n0,1

5 el

ektro

lytis

ch v

er-

zinn

t

100 450 Standardabw. 3 3 2 8 6 7 8 3 1 8

Mittelwert 81 81 87 110 366 86 84 85 108 388450 Standardabw. 7 7 9 5 35 6 6 9 1 48Mittelwert

900 Standardabw.

Mittelwert CuC

rAgF

eTiS

i, R

520

- 620

el

ektro

l. ve

rzin

nt

50

450 Standardabw.

- 107 -

8.3.3. Schweißversuche an Kontaktprofil

In Abb. 8.53 sind für die ausgewählten Trägerwerkstoffe die Stromkurven und die dy-namischen Widerstandsverläufe beim Schweißen dargestellt. Außerdem sind metal-lografische Schliffbilder der Schweißverbindungen beigefügt. Zusammenfassend sind in Tabelle 8.15 die jeweils gemessenen Widerstandswerte für die Stromflusszeiten 1 ms, 2 ms, 5 ms und 10 ms sowie die bei der Scherzugprüfung erreichte maximale Prüfkraft dokumentiert. Während der Stromanstiegszeit zeigt der zwischen Kontaktprofil und Trägerblech gemessene Widerstand bei allen ausgewählten Trägerblechwerkstoffen einen zu-nächst schnell abfallenden Verlauf, der durch eine Veränderung der Oberflächen und eine größer werdende Kontaktfläche beim Einsinken der Schweißstege in das durch konduktive Erwärmung erweichende Trägerblech verursacht wird. Er zeigt zu Beginn der Stromhaltezeit ein kurzes An- und Abschwellen und bleibt dann im weiteren Ver-lauf des Schweißprozesses nahezu konstant. Bei höherem spezifischem Widerstand des Trägerblechwerkstoffs liegt der Widerstandsverlauf insgesamt auf etwas höhe-rem Niveau. Die metallografischen Schliffe zeigen unabhängig vom Trägerblechwerkstoff ein voll-ständiges Eindringen der Schweißstege in das Trägerblech mit einer vollflächigen Verbindung zwischen dem Schweißrücken des Kontaktprofils und dem Trägerblech. Tabelle 8.15: Zwischen Kontaktprofil und Trägerblech beim Schweißen nach Strom-

flusszeiten von 1 ms, 2 ms, 5 ms und 10 ms gemessene Wider-standswerte (Mittelwerte u. Standardabweichungen) sowie die jeweils bei der Scherzugprüfung erreichte maximale Prüfkraft

Widerstand Kontaktprofil – Blech / µΩ


Wer

ksto

ff de

s Tr

äger

blec

hs

Schw

eißs

trom

/ kA

Stro

man

stie

g / A

/ms

Stro

mha

lteze

it / m

s

Werkstoff des Kontaktprofils:

CuNi9Sn2

1ms 2ms 5ms 10 ms

Max

. Prü

fkra

ft / N

Mittelwert 220 160 44 30 391

Cu-

ETP

R

290

8,5 850 70 Standardabw. 40 11 2 2 10

Mittelwert 243 156 51 36 703

CuZ

n37

R48

0

8,5 850 60 Standardabw. 21 4 2 3 22

Mittelwert 337 192 61 45 805

CuS

n6

R50

0

8 800 60 Standardabw. 65 15 3 7 19

- 108 -

Abb. 8.53: Verlauf von Strom und Widerstand zwischen Kontaktprofil und Träger-

blech beim Schweißen des Kontaktprofils auf Trägerbleche aus Cu-ETP, CuZn37 oder CuSn6 sowie metallografischer Schliff der jeweiligen Schweißung (Elektrodenkraft: 500 N, Stromanstiegszeit:10 ms)

- 109 -

9 Anwendung des zeitbasierten Kontaktwiderstandsmodells bei der FE-Simulation des Widerstandsschweißprozesses

Zur FE-Simulation des Widerstandsschweißprozesses unter Anwendung des Modell-ansatzes eines Kontaktwiderstands als zeitlich veränderliche Größe (Absatz 6.5.2) werden für die Datenbasis Kontaktwiderstand-Zeit-Kurven für die jeweiligen Randbe-dingungen wie Werkstoffpaarung, Elektrodengeometrie, Elektrodenkraft und Strom-verlauf benötigt. Hierzu werden unter diesen Randbedingungen Widerstandsmes-sungen bei Schweißversuchen durchgeführt. Der bei diesen Widerstandsmessungen gemessene Strom-Zeitverlauf sowie die gegenüber der unteren Elektrode gemesse-nen elektrischen Potential-Zeitverläufe an den Probenblechenden und der oberen Elektrode werden in die FE-Simulation des Schweißprozesses eingegeben. Während der FE-Simulation mit Programm SPOTWELDER werden nun nach jedem Zeitschritt der elektrisch-thermischen Berechnung (Absatz 6.1) die flächenbezogenen Kontakt-widerstände zwischen Elektrode und Blech sowie zwischen den Blechen für den nächsten Zeitschritt wie folgt berechnet:

( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( )n

n

nRnM

n

nFKnFK tA

tItUtU

tAt

t ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−Δ+=+

ρρ 1

Dabei ist

ρFK(tn) flächenbezogener Kontaktwiderstand beim aktuellen Zeitschritt

ρFK(tn+1) flächenbezogener Kontaktwiderstand beim nächsten Zeitschritt A(tn) für den aktuellen Zeitschritt berechnete Kontaktfläche ΔUM(tn) zum Zeitpunkt des aktuellen Zeitschritts gemessene el. Potenzialdifferenz

zwischen Elektrode und Blech bzw. zwischen den Blechen ΔUR(tn) beim aktuellen Zeitschritt berechnete el. Potenzialdifferenz zwischen Elekt-

rode und Blech bzw. zwischen den Blechen I(tn) zum Zeitpunkt des aktuellen Zeitschritts gemessener Schweißstrom

Beim ersten Zeitschritt wird ρFK(tn) = 0 gesetzt. Durch hinreichend kleine Wahl der Zeitschritte (hier 0,1 ms) wird auf diese Weise ei-ne gute Anpassung der berechneten el. Potenzialverläufe an die gemessenen Ver-läufe erreicht. Als Ergebnis der FE-Simulation erhält man so für die gegebenen Randbedingungen die zeitabhängigen, flächenbezogenen Kontaktwiderstandsverläu-fe und die auf Basis dieser Verläufe berechneten weiteren Ergebnisse wie die Größe der Kontaktflächen, die Temperaturverteilung, die Stromdichteverteilung und die Kon-taktdruckverteilung auf den Kontaktflächen jeweils in Abhängigkeit von der Zeit. Da eine solchermaßen auf Basis von gemessenen Strom- und Spannungsverläufen durchgeführte FE-Simulation nicht mehr Rechenzeit benötigt, als eine FE-Simulation auf Basis von Kontaktwiderstand-Zeit-Kurven, können auch die bei Schweißversu-chen gemessenen Strom- und Spannungsverläufe als Datenbasis für das zeitbasier-te Kontaktwiderstandsmodell angesehen werden. Mit experimentell bei Schweißver-suchen ermittelten Kennfeldern aus Strom- und Potenzialverläufen an Elektroden und Blechrändern kann der numerischen Berechnung für die jeweilige Elektrodenge-ometrie und Werkstoffpaarung eine Datenbasis für unterschiedliche Stromanstiege und Elektrodenkräfte bereitgestellt werden. Darüber hinaus können für abweichende

- 110 -

Stromanstiegsgeschwindigkeiten und Elektrodenkräfte die Daten durch Interpolation oder Extrapolation aus dem experimentell ermittelten Kennfeld für die Rechnung zur Verfügung gestellt werden. Zur Verifikation der Berechnungsergebnisse sollten Schliffe durch die bei den Schweißversuchen erzeugten Schweißverbindungen hergestellt werden. Dies ermög-licht den Vergleich von Schweißlinsengröße und -form mit der berechneten Tempera-turverteilung. Ergänzend können die Durchmesser der bei den Schweißversuchen auf den Blechoberflächen hinterlassenen Elektrodeneindrücke mit dem berechneten maximalen Durchmesser der Kontaktfläche zwischen Elektrode und Blech verglichen werden. In Anwendung des zeitbasierten Kontaktwiderstandsmodells wurde im Rahmen der Vorhabensdurchführung für die in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Aus-schuss ausgewählten Blechwerkstoffe CuZn37 und Cu-ETP jeweils auf Basis von gemessenen Strom- und Spannungsverläufen eine FE-Simulation des Widerstands-punktschweißprozesses entsprechend der oben beschriebenen Vorgehensweise durchgeführt. Als Datenbasis für das Kontaktwiderstandsmodell wurden bei den in Abschnitt 8.3 beschriebenen Schweißversuchen gemessene Strom- und Potenzial-verläufe verwendet. Dementsprechend wurden bei der FE- Simulation die gleiche Blechdicke, Elektrodengeometrie und Elektrodenkraft sowie der gleiche Elektroden-werkstoff wie bei diesen Schweißversuchen vorgegeben, Tabelle 8.10, Tabelle 9.1. Tabelle 9.1: Vorgaben für die FE-Simulation des Widerstandsschweißprozesses

– Werkstoffe, Oberflächen, Abmessungen und Schweißparameter

Blechwerkstoff CuZn37, R480 Cu-ETP, R290

Blechoberfläche ohne Überzug ohne Überzug

Blechdicke 0,6 mm 0,6 mm

Schweißstrom 7,5 kA 5 kA

Elektrodenwerkstoff CuCr1Zr Wolfram

Elektrodenkraft 300 N

Ballenradius 50 mm

Stromanstiegszeit 10 ms



9.1 FE-Simulation des Punktschweißprozesses für Bleche aus CuZn37

In Abb. 9.1 sind die im Rahmen des Vorhabens bei einem Referenz-Schweißversuch entsprechend Abschnitt 8.3 gemessenen Strom- und Spannungsverläufe dargestellt, die für die FE-Simulation des Widerstandspunktschweißprozesses von Blechen aus CuZn37 ohne Überzug als Datenbasis verwendet wurden. Abb. 9.2 zeigt eine gute Übereinstimmung der beim Referenz-Schweißversuch gemessenen Übergangswi-derstandsverläufe mit den bei der FE-Simulation durch Optimierung des Kontaktwi-derstands nach dem oben beschriebenen Verfahren berechneten Verläufen. Die bei

- 111 -

dieser Optimierung des Kontaktwiderstands gewonnenen flächenbezogenen Kon-taktwiderstand-Zeit-Kurven, Abb. 9.3, zeigen zu Beginn schnell fallende Verläufe, die nach etwa 5 ms Stromflusszeit zeitgleich mit den berechneten Kontaktflächen ein Mi-nimum erreichen, Abb. 9.4. Die anschließend wieder kurz ansteigenden Verläufe der flächenbezogenen Kontaktwiderstände können durch die mit zunehmender plasti-scher Verformung sich schnell wieder vergrößernden Kontaktflächen und den dabei abrupt von 500 bis 600 MPa auf etwa 200 MPa abnehmenden Kontaktdrücken er-klärt werden, Abb. 9.5. Abb. 9.7 verdeutlicht den Einfluss der Kontaktwiderstände auf den berechneten Tem-peraturverlauf in der Fügeebene. Bei der Berechnung des schwarz gezeichneten Verlaufs wurden alle Kontaktwiderstände im FE-Modell gleich Null gesetzt. Wie in Abb. 9.8 und Abb. 9.9 erkennbar, ist die Stromdichte beim Punktschweißen vor allem zu Beginn in den Kontaktflächen am größten mit jeweils dem Maximum am Kontaktflächenrand. Dementsprechend ist auch die konduktiv in den Blechen erzeug-te Wärme dort am größten. Da die im Bereich der Kontaktflächen zwischen Elektro-den und Blechen erzeugte Wärme sofort in die gut wärmeleitenden Elektroden ab-fließt, gehen der Temperaturanstieg und damit auch die Schweißlinsenentwicklung von der Kontaktfläche zwischen den Blechen aus, Abb. 9.10.

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 10 20 30 40 50 60

Stro

m /

A

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Span

nung

/ V

obere Elektrode - untere Elektrodeoberes Blech - untere Elektrodeunteres Blech - untere Elektrode

CuZn37, R480, ohne Überzug, t = 0,6 mm

Abb. 9.1: Bei einem Schweißversuch gemessene Strom- und Spannungsverläufe

als Datenbasis für die FE-Simulation des Punktschweißprozesses (Blechwerkstoff: CuZn37, Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr)

- 112 -

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 10 20 30 40 50 60

Wid

erst

and

/ mΩ

Messung Elektrode - Blech (unten)Messung Elektrode - Blech (oben)Mittelwert Messung Elektrode - BlechRechnung Elektrode - Blech

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 10 20 30 40 50 60

Zeit /ms

Wid

erst

and

/ mΩ

Messung Blech - Blech

Rechnung Blech - Blech

Abb. 9.2: Gemessene und berechnete Übergangswiderstandsverläufe beim

Punktschweißen von Blechen aus CuZn37

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Kon

takt

wid

erst

and

/ mΩ

mm

²

Blech - Blech

Elektrode - Blech

Abb. 9.3: Berechnete flächenbezogene Kontaktwiderstand-Zeit-Verläufe beim

Punktschweißen von Blechen aus CuZn37

- 113 -

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Kon

takt

fläch

e /

mm

²

Elektrode - BlechBlech - Blech

Abb. 9.4: Berechnete Kontaktflächen-Zeit-Verläufe beim Punktschweißen von Ble-

chen aus CuZn37

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Kon

takt

druc

k /

MPa

0

150

300

450

600

750

900

1050

Tem

pera

tur

/ °C

Kontaktdruck Elektrode - Blech

Kontaktdruck Blech - Blech

Temperatur Blech - Blech

Stromflusszeit: 4 ms

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,2 0,4 0,6 0,8


Kon

takt

druc

k /

MPa

0

150

300

450

600

750

900

1050

Tem

pera

tur

/ °C

KontaktdruckElektrode - Blech




Abb. 9.5: Berechnete Temperatur- und Kontaktdruckprofile nach 4 und 8 ms

Stromflusszeit beim Punktschweißen von Blechen aus CuZn37

- 114 -

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,5 1 1,5 2 2,5


Tem

pera

tur /

°C

Stromflusszeit: 40 msStromflusszeit: 20 msStromflusszeit: 10 msStromflusszeit: 5 ms

Abb. 9.6: Berechnete Temperaturprofile in der Fügeebene beim Punktschweißen

von Blechen aus CuZn37 nach 5, 10, 20 und 40 ms Stromflusszeit

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Tem

pera

tur /

°C

mit Kontaktwiderständenohne Kontaktwiderstände

Solidustemperatur 902°C

Liquidustemperatur 920°C

Schmelzbeginn: 7,2 ms

Schmelzbeginn: 9,4 ms

Abb. 9.7: Berechnete Temperatur-Zeitverläufe in der Mitte der Fügeebene beim

Punktschweißen von Blechen aus CuZn37 mit und ohne Kontaktwider-stände im FE-Modell

Zur Verifikation der bei der FE-Simulation des Schweißprozesses berechneten zeit-abhängigen Temperaturverteilung wurde die Schweißlinsenentwicklung durch weite-re bei schrittweise vergrößerter Stromzeit durchgeführte Schweißversuche experi-mentell untersucht. In Abb. 9.11 sind Schliffe durch die bei diesen Schweißversuchen erzeugten Schweißlinsen neben für entsprechende Stromflusszeiten berechneten Schmelztemperatur-Isothermen vergleichend dargestellt.

- 115 -

WärmeerzeugungsrateStromdichteverteilung

A/mm²J/mm³·s

Abb. 9.8: Berechnete Stromdichteverteilung und Wärmeerzeugungsrate im Längs-

schnitt der Fügegeometrie beim Punktschweißen von Blechen aus CuZn37 nach einer Stromflusszeit von 2 ms

5 ms

20 ms 40 ms

10 ms

A/mm²

Abb. 9.9: Berechnete Stromdichteverteilung im Längsschnitt der Fügegeometrie

beim Punktschweißen von Blechen aus CuZn37 nach 5, 10, 20 und 40 ms Stromflusszeit

- 116 -

°C

2 ms 5 ms

7 ms 8 ms

°C °C

°C °C

10 ms 20 ms

30 ms 40 ms

°C

Abb. 9.10: Berechnete Temperaturverteilung im Längsschnitt der Fügegeometrie beim Punktschweißen von Blechen aus CuZn37 bei zunehmender Stromflusszeit (nach 2, 5, 7, 8, 10, 20, 30 und 40 ms Stromflusszeit)

- 117 -

Stromzeit

10 ms

20 ms

30 ms

40 ms °C

Metallografischer Schliff

Berechnete Temperaturverteilung

Abb. 9.11: Metallografische Schliffe von mit 10, 20, 30 und 40 ms Stromzeit ge-

schweißten Punktschweißverbindungen (darüber die Stromprofile) neben berechneten Schweißlinsenprofilen (Blechwerkstoff: CuZn37)

9.2 FE-Simulation des Punktschweißprozesses für Bleche aus Cu-ETP

In Abb. 9.12 sind die im Rahmen des Vorhabens bei einem Referenz-Schweiß-versuch entsprechend Abschnitt 8.3 gemessenen Strom- und Spannungsverläufe dargestellt, die für die FE-Simulation des Widerstandspunktschweißprozesses von Blechen aus Cu-ETP ohne Überzug als Datenbasis verwendet wurden. Abb. 9.13 zeigt eine gute Übereinstimmung der beim Referenz-Schweißversuch gemessenen Übergangswiderstandsverläufe mit den bei der FE-Simulation durch Optimierung des Kontaktwiderstands nach dem oben beschriebenen Verfahren berechneten Verläu-fen. Die bei dieser Optimierung des Kontaktwiderstands gewonnenen flächenbezo-genen Kontaktwiderstand-Zeit-Kurven, Abb. 9.14, zeigen zu Beginn einen schnell fal-lenden Verlauf, der beim Kontaktwiderstand zwischen den Blechen jedoch erst nach

0

2

4

6

8

10

-10 0 10 20 30 40 50

Zeit / ms

Stro

m /

kA

Stromzeit: 10 msStromzeit: 20 msStromzeit: 30 msStromzeit: 40 ms

- 118 -

einem zeitgleich mit der betreffenden Kontaktfläche erreichten Maximum nach etwa 2 ms Stromflusszeit einsetzt, Abb. 9.15. Nach 10 bis 12 ms Stromflusszeit steigen die berechneten Verläufe der flächenbezogenen Kontaktwiderstände für etwa 10 ms leicht an, was bei der berechneten gleichzeitigen Vergrößerung der Kontaktflächen auf fast das Doppelte durch stark abnehmende Kontaktdrücke erklärt werden kann. Nach 4 ms Stromflusszeit zeigen die berechneten Kontaktdruckprofile bei Tempera-turen bis 200°C einen für vorwiegend elastische Verformungen typischen, parabel-förmigen Verlauf mit Maximalwerten von etwa 350 MPa (Blech-Blech) und 700 MPa (Elektrode-Blech), Abb. 9.16. Für 10 ms Stromflusszeit wurden hingegen Temperatu-ren bis 500°C und für vorwiegend plastische Verformungen typische, nahezu homo-gene Kontaktdrücke von etwa 200 MPa berechnet. Abb. 9.18 verdeutlicht den Einfluss der Kontaktwiderstände auf den berechneten Temperaturverlauf in der Fügeebene. Bei der Berechnung des schwarz gezeichneten Verlaufs wurden alle Kontaktwiderstände im FE-Modell gleich Null gesetzt.

Abb. 9.12: Bei einem Schweißversuch gemessene Strom- und Spannungsverläufe

als Datenbasis für die FE-Simulation des Punktschweißprozesses (Blechwerkstoff: Cu-ETP, Elektrodenwerkstoff: Wolfram)

- 119 -

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 10 20 30 40 50

Wid

erst

and

/ mΩ

Messung Elektrode - Blech (unten)Messung Elektrode - Blech (oben)Mittelwert Messung Elektrode - BlechRechnung Elektrode - Blech

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0 10 20 30 40 50

Zeit /ms

Wid

erst

and

/ mΩ

Messung Blech - Blech

Rechnung Blech - Blech

Abb. 9.13: Gemessene und berechnete Übergangswiderstandsverläufe beim

Punktschweißen von Blechen aus Cu-ETP

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 10 20 30 40 50

Zeit / ms

Kon

takt

wid

erst

and

/ m

Ωm

m²

Blech - Blech

Elektrode - Blech

Abb. 9.14: Berechnete flächenbezogene Kontaktwiderstand-Zeit-Verläufe beim

Punktschweißen von Blechen aus Cu-ETP

- 120 -

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Kon

takt

fläch

e /

mm

²

Elektrode - BlechBlech - Blech

Abb. 9.15: Berechnete Kontaktflächen-Zeit-Verläufe beim Punktschweißen von Ble-

chen aus Cu-ETP

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Kon

takt

druc

k /

MPa

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tem

pera

tur

/ °C





0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,2 0,4 0,6 0,8


Kon

takt

druc

k /

MPa

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tem

pera

tur

/ °C





Abb. 9.16: Berechnete Temperatur- und Kontaktdruckprofile nach 4 und 10 ms

Stromflusszeit beim Punktschweißen von Blechen aus Cu-ETP

- 121 -

0

200

400

600

800

0 0,5 1 1,5 2 2,5


Tem

pera

tur /

°C

Stromflusszeit: 40 msStromflusszeit: 20 msStromflusszeit: 10 msStromflusszeit: 5 ms

Abb. 9.17: Berechnete Temperaturprofile in der Fügeebene beim Punktschweißen

von Blechen aus Cu-ETP nach 5, 10, 20 und 40 ms Stromflusszeit

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / ms

Tem

pera

tur /

°C

mit Kontaktwiderständenohne Kontaktwiderstände

Liquidustemperatur 1083°C

Abb. 9.18: Berechnete Temperatur-Zeitverläufe in der Mitte der Fügeebene beim

Punktschweißen von Blechen aus Cu-ETP mit und ohne Kontaktwider-stände im FE-Modell

Wie in Abb. 9.19 und Abb. 9.20 erkennbar, ist die Stromdichte in den Kontaktflächen am größten mit dem jeweiligen Maximum am Kontaktflächenrand. Wegen der im Vergleich mit dem Blechwerkstoff Cu-ETP schlechteren elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenwerkstoffs Wolfram wird die Wärme vorwiegend in den Elektroden in der Nähe der Kontaktflächen zwischen Elektroden und Blechen erzeugt. Da die Wärme von dort durch die Kontaktflächen in die gut wärmeleitenden Bleche fließt, geht der Temperaturanstieg in den Blechen von den Kontaktflächen zwischen Elektroden und Blechen aus, Abb. 9.21.

- 122 -

Stromdichteverteilung

A/mm²

Wärmeerzeugungsrate J/mm³·s

Abb. 9.19: Berechnete Stromdichteverteilung und Wärmeerzeugungsrate im Längs-schnitt der Fügegeometrie beim Punktschweißen von Blechen aus Cu ETP nach einer Stromflusszeit von 2 ms

5 ms

20 ms 40 ms

10 ms

A/mm²

Abb. 9.20: Berechnete Stromdichteverteilung im Längsschnitt der Fügegeometrie

beim Punktschweißen von Blechen aus Cu-ETP nach 5, 10, 20 und 40 ms Stromflusszeit

- 123 -

2 ms 5 ms

7 ms 8 ms

°C

°C

°C °C

10 ms 20 ms

30 ms 40 ms

°C

Abb. 9.21: Berechnete Temperaturverteilung im Längsschnitt der Fügegeometrie

beim Punktschweißen von Blechen aus Cu-ETP bei zunehmender Stromflusszeit (nach 2, 5, 7, 8, 10, 20, 30 und 40 ms Stromflusszeit)

- 124 -

10 Prüfanweisung zur Durchführung von Übergangswiderstandsmessungen an Kupferwerkstoffen

Auf Basis der vorliegenden Ergebnisse und unter Einbeziehung der Ansätze aus dem DVS-Merkblatt 2929 sowie der Norm DIN EN ISO 18594 wurde eine Prüfan-weisung zur Durchführung von Übergangswiderstandsmessungen an Kupferwerk-stoffen formuliert. Es gelten die in Merkblatt DVS 2929 - Teil 1 /42/ und DIN EN ISO 18594 /9/ festgelegten Begriffe. 10.1 Geltungsbereich

Diese Prüfanweisung gilt für Messungen zur Bestimmung des Übergangswiderstands an Einzelblechen, an zwei sich überlappenden Blechen oder an mit planen Blechen überlappenden Buckelblechen oder Kontaktprofilen aus Kupferwerkstoffen mit oder ohne Oberflächenvorbehandlung sowie mit oder ohne Oberflächenveredelung bei ei-ner Blechdicke von 0,2 bis 1,0 mm. 10.2 Messaufbau und Durchführung der Messung

10.2.1. Messaufbau bei planen Blechen

Abb. 10.1 zeigt schematisch den Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswider-stands mit einem Blech zwischen den Prüfelektroden. Bei der Durchführung der Messung wird ein Probenblech bzw. werden zwei Probenbleche zwischen den Prüf-elektroden positioniert, die Elektrodenkraft aufgebracht und bei konstanter Elektro-denkraft ein Gleichstrom über die Elektroden durch die Bleche geleitet. Der Mess-strom und der Spannungsabfall zwischen den Abgriffen an den Elektroden werden gemessen und der Gesamtwiderstand R anhand des Ohmschen Gesetzes berech-net:

IUR =

Dabei ist R Gesamtwiderstand in Ohm, U Spannungsabfall in Volt, I Messstrom in Ampere. Der Widerstand der Messeinrichtung, der Systemwiderstand Rs, wird ebenfalls über den Spannungsabfall zwischen den Abgriffen an den Elektroden ermittelt. Dabei wird (abweichend von Merkblatt DVS 2929 - Teil 1 und der Norm DIN EN ISO 18594) ein 0,4 bis 0,6 mm dickes Referenzblech aus weichem Elektrolytkupfer (z.B. Cu-ETP, R220) mit einem beidseitigen, elektrolytisch aufgebrachten Überzug aus Feingold (99,9 % Au) zwischen den Prüfelektroden positioniert, siehe Abb.10.2a. Der System-widerstand Rs setzt sich dabei aus dem Stoffwiderstand der Elektroden zwischen den Abgriffen (R1, R7), den Kontaktwiderständen (R2, R6) und dem Stoffwiderstand des Referenzblechs (R3) zusammen.

- 125 -

Legende 1 Prüfelektroden 4 Gleichstromquelle mit Strommessgerät 2 Probenblech Fe Elektrodenkraft 3 Spannungsmessgerät I Messstrom Abb. 10.1: Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswiderstands (schematisch,

Einzelblechmessung)

Messung des Gesamtwiderstands R a) Messung des System-widerstands Rs b) Einzelblechmessung c) Zweiblechmessung

Legende F Elektrodenkraft I Messstrom R1; R3; R7 Stoffwiderstände R2; R6 Kontaktwiderstände

Legende F Elektrodenkraft I Messstrom R1; R3; R7 Stoffwiderstände R2; R6 Kontaktwiderstände

Legende F Elektrodenkraft I Messstrom R1; R3; R5; R7 Stoffwiderstände R2; R4; R6 Kontaktwiderstände

Abb.10.2: Widerstände bei der Messung des Systemwiderstands Rs (a) bzw. des

Gesamtwiderstands R bei Einzel- und Zweiblechmessung (b und c)

Referenz- blech

Proben- blech

Proben- bleche

- 126 -

10.2.2. Messaufbau zur Ermittlung der Gesamtwiderstandsanteile bei der Zweiblechmessung

Abb. 10.3 zeigt schematisch den Messaufbau zur Ermittlung der Gesamtwiderstands-anteile zwischen Elektrode und Blech (REB) und zwischen den Blechen (RBB) bei der Zweiblechmessung. Die Probenbleche werden mit Hilfe einer Probenhalterung so positioniert, dass sie sich zwischen den Prüfelektroden um ca. 10 mm überlappen. Der Messstrom und die Spannungen zwischen den Abgriffen an Elektroden und Ble-chenden werden gemessen und die Gesamtwiderstandsanteile wie folgt berechnet:

U1

ΙREBu = REBo =

Ι

U3 – U2

RBB = Ι

U2 – U1

Dabei ist REBu Widerstandsanteil zwischen unterer Elektrode und unterem Blech in Ohm, REBo Widerstandsanteil zwischen oberer Elektrode und oberem Blech in Ohm, RBB Widerstandsanteil zwischen den Blechen in Ohm, U1 Spannungsabfall zwischen unterem Blech und unterer Elektrode in Volt, U2 Spannungsabfall zwischen oberem Blech und unterer Elektrode in Volt, U3 Spannungsabfall zwischen oberer und unterer Elektrode in Volt, I Messstrom in Ampere. Die Gesamtwiderstandsanteile (REBu, REBo, RBB) setzen sich dabei aus den Stoffwi-derständen der Elektroden zwischen den Abgriffen (R1, R7), den Kontaktwider-ständen (R2, R4, R6) und den Stoffwiderständen der Probenbleche (R3, R5) gemäß Abb.10.2c wie folgt zusammen: REbo = R1 + R2 + ½ R3 REbu = R7 + R6 + ½ R5 RBB = ½ R3 + R4 + ½ R5

U2

oberes Probenblech

F

F

Ι

Ι

unteres Probenblech

Elektroden FElektroden FElektroden

U1

U3

Elektrodenkraft F

Messstrom Ι

Spannungen U i

Abb. 10.3: Messaufbau zur Ermittlung der Gesamtwiderstandsanteile bei der Zwei-

blechmessung (schematisch)

- 127 -

10.2.3. Messaufbau bei Buckelblechen und Kontaktprofilen

Abb. 10.4 zeigt schematisch den Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswider-stands zwischen einem Probenblech mit Buckel und einem auf dem Buckel auflie-genden planen Blech. Zum Einsatz kommen hier Prüfelektroden mit planer Arbeits-fläche. Die Bleche werden mit Hilfe einer Probenhalterung so positioniert, dass sie sich zwischen den Prüfelektroden im Bereich des Buckels um ca. 10 mm überlappen und der Buckel mittig zur Elektrodenarbeitsfläche angeordnet ist. Der Messstrom und der Spannungsabfall zwischen den Abgriffen an den Blechenden werden gemessen und der Übergangswiderstand R anhand des Ohmschen Gesetzes berechnet. Eine Systemwiderstandsmessung ist bei Anwendung dieses Messaufbaus nicht erforder-lich.

U

planes Probenblech

F

F

Elektrodenkraft F

Messstrom Ι

Spannung U

Ι

Ι

Buckelblech

Elektroden

Abb. 10.4: Messaufbau zur Ermittlung des Übergangswiderstands zwischen Bu-

ckelblech und planem Blech (schematisch) Der Messaufbau kann in modifizierter Form auch zur Übergangswiderstands-messung an einem Kontaktprofil mit einem oder mehreren Längsbuckeln eingesetzt werden. In diesem Fall ist das auf den Längsbuckeln des Kontaktprofils aufliegende plane Probenblech rechtwinklig zum Kontaktprofil anzuordnen, so dass sich planes Blech und Kontaktprofil zwischen den Prüfelektroden kreuzen und so eine definierte Kontaktfläche erzielt wird. 10.2.4. Probenentnahme und Vorbereitung der Messung

Von jeder zu untersuchenden Charge werden Proben (mögliche Probenab-messungen z. B. 10 mm × 80 mm) entnommen. Da der Kontaktwiderstand innerhalb eines Bandes lokal unterschiedlich sein kann, sollten für eine hinreichende Aussage mindestens 5 Proben an unterschiedlichen Stellen entnommen werden (z.B. am Bandanfang, am Bandende und verteilt über der Bandlänge und Bandbreite). Oberflächenzustände, die nicht mit dem Herstellungszustand übereinstimmen (z. B. Verunreinigungen, Kratzer, Fingerabdrücke) sind im Bereich der Messstelle (Ort der Messung) nicht zulässig. Übliche Oberflächenzustände (z. B. geölt, phosphatiert) sind im Prüfprotokoll festzuhalten. Bevor die Messungen vorgenommen werden können, müssen die Proben im Tempe-raturgleichgewicht mit der Umgebung sein.

- 128 -

Für die Zweiblechmessung müssen die Proben eben sein. Grate in der Blech-Blech-Ebene sind nicht zulässig. Für die Zweiblechmessungen wird empfohlen, die Ober- und Unterseite jedes Bleches mit „A“ bzw. mit „B“ zu kennzeichnen. 10.2.5. Durchführung der Messung bei konstantem Prüfstrom in Anlehnung

an DIN EN ISO 18594

10.2.5.1 Bestimmung des Systemwiderstands Rs

Verwendet wird der Messaufbau nach Abb. 10.1. Der Systemwiderstand wird ge-messen wie unter Abschnitt 10.2.1 beschrieben, nachdem das Referenzblech zwi-schen den Prüfelektroden positioniert und die Elektrodenkraft aufgebracht wurde, Abb.10.2a. Die Aufsetzgeschwindigkeit der Elektroden darf 15 mm/s nicht über-schreiten. Die Elektrodenkraft beim Aufsetzen darf nicht höher sein als die eingestell-te Sollprüfkraft. Vor der Messung werden die Elektrodenarbeitsflächen mit Schleifvlies der Körnung 1000 abgerieben. Anschließend wird anhaftender Staub mit einem sauberen, mit Ethanol getränkten Zellstofftuch entfernt, zuerst von der Arbeitsfläche der oberen und dann von der der unteren Elektrode. Danach wird der Systemwiderstand wie oben beschrieben gemessen. Da sich der Systemwiderstand während einer Messreihe durch Fremdstoffe auf den Elektrodenarbeitsflächen verändern kann, ist eine solche Messung vor und nach je-der Messreihe durchzuführen. Als Systemwiderstand für die Messreihe gilt der arith-metische Mittelwert dieser zwei Messwerte. 10.2.5.2 Messung des Gesamtwiderstands R

Je Messreihe müssen mindestens 7 Messungen an unterschiedlichen Stellen einer oder mehrerer Proben durchgeführt werden. Bei Messreihen zur Ermittlung der Ge-samtwiderstandsanteile wird je Blechpaar eine Messung durchgeführt. Vor jeder der 7 Messungen müssen die Elektrodenarbeitsflächen wie oben beschrieben gereinigt werden. Anschließend wird gemessen wie unter Abschnitt 10.2.1 bzw. 10.2.2 be-schrieben. Die Aufsetzgeschwindigkeit der Elektroden darf 15 mm/s nicht über-schreiten. Die Elektrodenkraft beim Aufsetzen darf nicht höher sein als die eingestell-te Sollprüfkraft. Nach Erreichen der Sollprüfkraft wird die Gleichstromquelle einge-schaltet und der Spannungsabfall nach (15 ± 1) s gemessen, Abb. 10.5.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 10 20 30 40 50 60

Zeit / s

Wid

erst

and

/ μΩ

Abb. 10.5: Zeitlicher Verlauf des Gesamtwiderstands R bei der Messung, Mess-

prinzip

- 129 -

Die Messstellen sind so zu wählen, dass ihr Abstand zueinander und ihr Abstand zu einer Kante 5 mm nicht unterschreitet, Abb. 10.6. Bei Messungen an Proben mit ei-ner Probenbreite unter 10 mm (z.B. an Bauteilen) müssen die Messstellen so ge-wählt werden, dass ihr Abstand zu den Probenkanten möglichst groß wird. Die Pro-benoberflächen müssen senkrecht zur Elektrodenachse ausgerichtet werden. Rela-tivbewegungen zwischen Elektrodenarbeitsflächen und Probenoberflächen oder Vib-rationen sind nicht zulässig.

80

10

1020

30

Messstelle

Abb. 10.6: Beispiel für die Anordnung der Messstellen auf einem Probenblech mit den Abmessungen 80 x 10 x t mm

10.2.5.3 Bestimmung des Übergangswiderstandes Rt

Der Übergangswiderstand wird bei den Messungen an planen Blechen aus der Diffe-renz von Gesamtwiderstand R und Systemwiderstand Rs ermittelt. Der arithmetische Mittelwert, die Standardabweichung und der Variationskoeffizient sind anhand der Ergebnisse von mindestens 7 Messungen zu berechnen. 10.2.5.4 Messung an Buckelblechen und Kontaktprofilen

Je Messreihe müssen mindestens 7 Messungen durchgeführt werden, wobei je Blechpaar eine Messung durchgeführt wird. Systemwiderstandsmessungen sowie die Reinigung der Elektrodenarbeitsflächen vor jeder Messung sind nicht erforderlich. Die Messungen werden wie unter Abschnitt 10.2.3 beschrieben durchgeführt. Für die Aufsetzgeschwindigkeit der Elektroden, die Elektrodenkraft und den Messzeitpunkt gelten die Vorgaben in Abschnitt 10.2.5.2. Die Kontaktstelle zwischen Buckel und aufliegendem Probenblech ist so zu wählen, dass ihr Abstand zu den Blechkanten 5 mm nicht unterschreitet. Bei Messungen an Bauteilen muss die Kontaktstelle des Buckels so gewählt werden, dass ihr Abstand zu den Probenkanten möglichst groß wird. Die elektrodenseitigen Probenoberflächen müssen parallel zu den Elektrodenarbeitsflächen ausgerichtet werden und auf diesen nach Aufbringung der Prüfkraft vollflächig aufliegen. Relativbewegungen zwischen den im Bereich des Buckels sich berührenden Oberflächen der beiden Probenbleche oder Vibrationen sind nicht zulässig.

- 130 -

10.2.5.5 Messeinrichtung

Benötigt wird ein Krafterzeugungssystem welches die erforderliche Prüfkraft prellfrei erzeugen kann. Das System muss so steif sein, dass ein Schieben der Elektroden vermieden wird. Die Exzentrizität der Elektrodenachsen darf einen Wert von 0,1 mm nicht überschreiten. Der Abstand zwischen Stromeinleitungsstelle und Spannungsabgriff an den Elektro-den muss größer sein als 15 mm. Der Abstand zwischen Spannungsabgriff an den Elektroden und Elektrodenarbeitsfläche muss möglichst klein sein und sollte 5 mm nicht überschreiten. Der Abstand zwischen Messstelle und Spannungsabgriff an den Probenblechenden muss größer sein als 50 mm. Statt einer Stromquelle und ge-trenntem Strom- und Spannungsmessgerät kann auch ein geeignetes Widerstands-messgerät in Vierleitermesstechnik verwendet werden. Tabelle 10.1: Prüf- und Messmittel

Einzelheiten zu den Prüf- und Messmitteln sind der Tabelle 10.1 zu entnehmen. Die Festlegungen für die Prüfkräfte und die Auswahl der Elektroden orientieren sich an den Gegebenheiten in der industriellen Praxis. Bei der Auswahl der Elektroden ist auf

Proben aus Kupferwerkstoffen mit oder ohne Oberflächenveredelung Prüf- und Messmittel

plane Bleche Buckelbleche Kontaktprofile

Krafterzeugungssystem

⎯ Kraft

⎯ Max. Fehler

300 N ± 1 %

100 N ± 1 %

300 N ± 1 %

Prüfelektroden

⎯ Werkstoff

⎯ Durchmesser

⎯ Ballenradius

CuCr1Zr ≥ 5 mm

50 mm ± 10% a)

CuCr1Zr, W ≥ 5 mm

plane Arbeitsflächen

CuCr1Zr, W

≥ 1,5 x Profilbreite plane Arbeitsflächen

Gleichstromquelle

⎯ Stromstärke

⎯ Max. Welligkeit

⎯ Max. Fehler

1 A

± 0,5 % ± 1 %

Spannungsmessgerät

⎯ Auflösung

⎯ Max. Fehler

≤ 0,1 μV ± 1 %

Widerstandsmessgerät

⎯ Messstrom

⎯ Auflösung

⎯ Max. Fehler

1 A b)

≤ 0,1 μΩ ± 1 %

a Ein Ballenradius von 20 mm ist auch zulässig. b geräteabhängig, abweichend von ISO 18594 anderer Strom bis max. 10 A (muss im Protokoll festgehalten werden)

- 131 -

eine achssymmetrische Ausführung und die Einhaltung der Vorgaben für den Ballen-radius zu achten. 10.2.6. Durchführung der Messung bei ansteigendem Prüfstrom (Stromrampe)

Messaufbau, Probenentnahme und Vorbereitung der Messung erfolgen entspre-chend den Vorgaben aus den Abschnitten 10.2.1 bis 10.2.4. Zur Vereinfachung der Auswertung erfolgt nur eine Bewertung des Gesamtwider-stands R bzw. dessen Widerstandsanteile. Die Bestimmung des Systemwiderstands dient lediglich zur Überprüfung des Messaufbaus. 10.2.6.1 Messung des Systemwiderstands Rs zur Überprüfung des

Messaufbaus

Um etwaige Veränderungen im Messaufbau wie Elektrodenverschleiß zu erkennen wird vor und nach jeder Messreihe eine Messung des Systemwiderstands Rs durch-geführt. Diese Messung erfolgt nachdem das Referenzblech zwischen den Prüf-elektroden positioniert und die Elektrodenkraft aufgebracht wurde, vgl. Abschnitt 10.2.1 und 10.2.5.1. Nach Erreichen der Prüfkraft wird die Gleichstromquelle einge-schaltet. Während des Stromanstiegs (500 A/ms auf Imax = 1000 A) werden Strom und Spannungsabfall kontinuierlich gemessen. Aus dem gemessenen Strom und dem Spannungsabfall an den Prüfelektroden wird der zeitliche Verlauf des System-widerstands ermittelt. Zur Überprüfung des Messaufbaus wird der gemessene Sys-temwiderstand Rs zum Zeitpunkt t = 0,5 ms herangezogen. Unterscheiden sich die vor und nach einer Messreihe gemessenen Systemwider-stände um mehr als 5 %, sind Prüfkraft und Messaufbau zu überprüfen, insbesonde-re der Einbau und Zustand der Elektroden (Ballenradius, Oberfläche). 10.2.6.2 Messung des Gesamtwiderstands R

Die Festlegung der Messstellen, das Einlegen der Probenbleche und die Kraftauf-bringung erfolgen entsprechend den Ausführungen in Abschnitt 10.2.5.2 bzw. 10.2.5.4. Nach Erreichen der Sollprüfkraft wird die Gleichstromquelle eingeschaltet. Während des Stromanstiegs (500 A/ms auf Imax = 5000 A) werden Strom und Span-nung(en) kontinuierlich gemessen und daraus der zeitliche Verlauf des Gesamtwi-derstands R bzw. dessen Widerstandsanteile ermittelt, vgl. Abschnitt 10.2.2. Die Ergebnisse der Einzelmessungen werden als Kurvenschar dokumentiert. Dabei besteht die Möglichkeit der grafischen Darstellung über der Zeit (R=f(t)), Abb. 10.7, oder – zur Kompensierung etwaiger Einflüsse der verwendeten Stromquelle – über der Stromstärke (R = f(I)).

- 132 -

Abb. 10.7: Beispiel - Darstellung des Widerstandsanteils zwischen den Blechen

über der Zeit für eine Zweiblechmessung an CuSn6 ohne Überzug (Blechdicke: 0,4 mm; oben: über gesamtes Messzeitintervall (10 ms), unten: Ausschnitt mit eingezeichneten Messwerten für die Zeitpunkte 1 ms, 2 ms und 5 ms)

- 133 -

Zur Auswertung der Kurvenschar können statistische Operationen herangezogen werden. Als mögliche Kriterien für eine vereinfachte Auswertung werden vorge-schlagen: - Mittelwert und Streuung für definierte Stützstellen (z.B. Zeitpunkte 1 ms, 2 ms und

5 ms oder bei Erreichen von Strömen 500 A, 1000 A und 2000 A), Abb. 10.7, - Widerstandsänderung (-abnahme) in einem Intervall (z.B. Zeitbereich 1 ms bis

2 ms oder Strombereich 500 A bis 1000 A), - Mittelwertbildung und Streubandbreite (Standardabweichung) in einem Intervall

(z.B. Zeitbereich 1 ms bis 2 ms oder Strombereich 500 A bis 1000 A). Tabelle 10.2: Beispiel für die Auswertung der Widerstand-Zeit-Kurven bei

Messungen mit ansteigendem Strom (Stromrampe)

Gesamtwiderstand zum Zeitpunkt t oder bei Erreichen eines

Stromwertes

R (t=1 ms) oder

R (I=500 A)

R (t=2 ms) oder

R (I=1000 A)

R (t=5 ms) oder

R (I=2000 A)

Differenz R(t=1 ms) – R(t=2ms)

oder R(I=500A) – R(I=1000A)

1. Messung

2. Messung

...

7. Messung

Mittelwert

Standardabweichung

10.2.6.3 Messeinrichtung

Für das Krafterzeugungssystem, die Prüfelektroden, die Stromeinleitung und die Spannungsabgriffe gelten die Vorgaben in Abschnitt 10.2.5.5. Statt getrenntem Strom- und Spannungsmessgerät kann auch ein geeignetes Pro-zessüberwachungsgerät zur Widerstandsmessung verwendet werden. Einzelheiten zu den Prüf- und Messmitteln sind Tabelle 10.3 zu entnehmen.

- 134 -

Tabelle 10.3 : Prüf- und Messmittel für Messung mit ansteigendem Strom (Stromrampe)

Proben aus Kupferwerkstoffen mit oder ohne Oberflächenveredelung Prüf- und Messmittel

plane Bleche Buckelbleche Kontaktprofile

Krafterzeugungssystem

Prüfelektroden siehe Tabelle 10.1

Gleichstromquelle handelsübliche Schweißstromquelle,

die einen Stromanstieg von 500 A/ms auf Imax = 5000 A ermöglicht

Strommessung *) Abtastrate: ≥ 100 kHz

Messbereich: ≥ 5000 A Messfehler: ≤ 1% des Messbereichs

Spannungsmessung *) Abtastrate: ≥ 100 kHz Messbereich: ≥ 10 V

Messfehler: ≤ 1% des Messbereichs

Prozessüberwachungsgerät zur Widerstandsmessung

Abtastrate: ≥ 100 kHz Auflösung: ≤ 0,1 μΩ

Messfehler: ≤ 1% des Messbereichs

*) Strom- und Spannungssignal müssen zeitlich synchron erfasst werden. (Die Phasenverschiebung zwischen gemessenem Strom und Spannung ist minimal zu hal-ten, da sonst daraus fehlerbehaftete Widerstandswerte ermittelt werden.)

- 135 -

11 Betrachtung zur Messunsicherheit

Die Ergebnisse der Übergangswiderstandsmessungen unterliegen wie jede Prüfung einer Unsicherheit, die von der Genauigkeit der eingesetzten Prüf- und Messmittel und vom jeweiligen Prüfer abhängen. Im Folgenden soll die erzielte Messgenauigkeit durch eine Betrachtung zur Messunsicherheit näher beschrieben werden. Die mit dem Messergebnis verbundene Messunsicherheit charakterisiert die Streuung der Werte, die der Messgröße vernünftigerweise zugeschrieben werden können. 11.1 Messunsicherheit bei der Messung mit konstantem Prüfstrom

Für eine Betrachtung zur Messunsicherheit sind bei der Messung des Übergangs-widerstands mit konstantem Prüfstrom neben der Genauigkeit des verwendeten Wi-derstandsmessgeräts folgende Parameter relevant: a) Abweichung bei der Krafteinstellung und Fehler bei der Kraftmessung:

- Genauigkeit der Kraftmessung (Kalibrierung der Prüfeinrichtung), - Abweichung bei der Kraftaufbringung, - Kraftänderungen während der Prüfung infolge von Spannungsrelaxation

und Kriechvorgängen. b) Zeitabweichungen:

- Beginn der Widerstandsmessung nach der Kraftaufbringung, - Zeitpunkt der Messwerterfassung nach 15 s Messdauer.

c) Geometrieabweichungen:

- Maßhaltigkeit der Elektroden (z.B. Ballenradius) - Maßhaltigkeit der Elektrodenaufnahmen (z.B. Exzentrizität)

- 136 -

11.2 Ermittlung der Messunsicherheit

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0,11

0 5 10 15 20 25 30

Zeit / s

Wid

erst

and

/ mΩ

Proben: Blechabschnitte aus Cu-ETP, ohne Überzug, Blechdicke: 0,4 mm Prüfbedingungen: Einzelblechmessung, Prüftemperatur: Raumtemperatur Elektrodenkraft: 300 N Prüfelektrode: CuCr1Zr, Ballenradius 50 mmMessstrom: 1 A Messzeit: 30 s, Abtastrate: 0,75 Hz Messwerterfassung nach 15 s Messdauer

Abb. 11.1: Ergebnis der Widerstandsmessung: a) Widerstands-Zeitverlauf als Messkurvenschar b) Gemessener Widerstand nach 15 s Messdauer (Mess-Zeitpunkt:15 s)

Modellgleichung zur Ermittlung der Messunsicherheit:

RE = RG + dk1 + dk2 + dt + dr Dabei ist: RE Messergebnis, RG gemessener Widerstand einschließlich Fehler durch die Kalibrierung des

Widerstandsmessgeräts, dk1 Fehler durch die Kraftkalibrierung der Kleinlastprüfeinrichtung, dk2 Fehler durch Abweichungen bei der Elektrodenkrafteinstellung, dt Fehler durch Messzeitabweichungen, dr Fehler durch eine Ballenradiusabweichung. 11.2.1. Gemessener Widerstand

Der gemessene Widerstand enthält einen Messfehler durch die Kalibrierung und Messunsicherheit des verwendeten Präzisionswiderstandsmessgeräts Burster Resistomat 2304.

Mess-Zeitpunkt gemessener Widerstand / µΩ Arithmetischer

Mittelwert / µΩ

15 s 95,3 83,9 76,3 73,9 68,6 73,0 80,6 78,6 79,1 75,9 78,5

- 137 -

Tabelle 11.1: Messfehlertabelle aus dem Datenblatt des verwendeten Präzisions-widerstandsmessgeräts Burster Resistomat 2304

Tabelle 11.2: Auflösung und Messstrom aus dem Datenblatt des verwendeten Präzisionswiderstandsmessgeräts Burster Resistomat 2304

* entspricht 2 Digits bei Einstellung „Mittel“ Für den Messbereich 2 mΩ ergibt sich bei Auflösungseinstellung „Mittel“ und bipola-rem Messablauf ein Messfehler ≤ 0,018% vom Messwert + 0,1 µΩ. Daraus ergibt sich für einen Messwert von 78,5 µΩ ein Messfehler ≤ 0,114 µΩ und damit eine Messunsicherheit von ± 0,114 µΩ. Bei unipolarem Messablauf und Auflösungseinstellung „Mittel“ ergibt sich für den Messbereich 2 mΩ gemäß den Angaben im Datenblatt des Widerstandsmessgeräts (Abb. 11.2) ein Messfehler ≤ 0,058% vom Messwert + Uth/Imess + 0,1 µΩ. Dabei ist Uth die Änderung der Thermospannungen im Messkreis während der Messzeit und Imess der Messstrom. Daraus ergibt sich für Uth ≤ 0,5 µV und Imess = 1 A für einen Messwert von 78,5 µΩ ein Messfehler ≤ 0,046 µΩ + 0,5 µΩ + 0,1 µΩ = 0,646 µΩ und damit eine Mess-unsicherheit von ± 0,646 µΩ.

Widerstandsmessbereich Auflösung* Messstrom

200,000 µΩ 0,01 μΩ 10 A

2,00000 mΩ 0,1 μΩ 10 A, 1 A

20,0000 mΩ 1 μΩ 10 A, 1 A, 100 mA

200,000 mΩ 10 μΩ 1 A, 100 mA, 10 mA

2,00000 Ω 100 μΩ 1 A, 100 mA, 10 mA, 1 mA

- 138 -

Abb. 11.2: Randbedingungen für die Messfehlertabelle (Tabelle 11.1) aus dem Da-

tenblatt des Präzisionswiderstandsmessgeräts Burster Resistomat 2304 11.2.2. Fehler durch eine Elektrodenkraftabweichung

Die Elektrodenkraft unterliegt Abweichungen durch - die Messunsicherheit bei der Kraftmessung (Kalibrierung der Prüfmaschine), - eine Abweichung bei der Kraftaufbringung, - Kraftänderungen während der Prüfung infolge von Spannungsrelaxation und

Kriechvorgängen. Diese Kraftabweichungen führen zu abweichenden Widerstandswerten und damit zu einer Messunsicherheit bei der Widerstandsmessung.

- 139 -

Abb. 11.3: Widerstand-Zeit-Verläufe bei stufenweisem Kraftanstieg (aus 6 Mess-

reihen einschließlich gemitteltem Verlauf, Einzelblechmessungen an Proben aus Cu-ETP ohne Überzug, Blechdicke: 0,4 mm, Elektroden-werkstoff: CuCr1Zr)

100

120

140

160

180

250 270 290 310 330 350

Elektrodenkraft / N

Wid

erst

and

/ µ Ω

R(F) = 3,077·10-3 µΩ/N2·F2 - 2,438 µΩ/N·F + 584,55 µΩ

Abb.11.4: Widerstand in Abhängigkeit von der Elektrodenkraft (Einzelblech-

messung) – Messpunkte mit Werten aus dem gemittelten Verlauf nach jeweils 15 s Krafteinwirkung (Abb. 11.3) und Approximationsfunktion

- 140 -

11.2.2.1 Fehler durch die Messunsicherheit bei der Kraftmessung

Der maximale Fehler bei der Kraftmessung setzt sich aus der relativen Anzeige-abweichung q und der erweiterten Messunsicherheit U der Kraftmesseinrichtung der Prüfmaschine zusammen. Aus dem Kalibrierschein der Kleinlastprüfeinrichtung, Tabelle 11.3, ergibt sich durch lineare Interpolation der Werte für die Kraftstufen 0,1 und 0,2 für einen Messwert von 300 N ein maximaler Fehler q ± U = - 0,05 ± 0,25 %. Dann gilt für den Messfehler ΔK bei der Messung einer Elektrodenkraft von 300 N: ΔK ≤ 0,3 % = 0,9 N. Obere Grenze der Messunsicherheit bei der Kraftmessung F1: 300,9 N Untere Grenze der Messunsicherheit bei der Kraftmessung F2: 299,1 N Tabelle 11.3: Relative Anzeigeabweichung q und erweiterte Messunsicherheit U

der Kraftmesseinrichtung der Prüfmaschine für Anzeigebereich FN = 2 kN, Druckkraft, Maschinenklasse 1 (aus Tafel 5 des Kalibrierscheins der Kleinlastprüfeinrichtung).

Kraftstufe q ± U

0,1 (entspricht Messwert 200 N) - 0,3 ± 0,2 %

0,2 (entspricht Messwert 400 N) + 0,2 ± 0,3 % Aus der Approximationsfunktion für die Abhängigkeit des Widerstands von der Elekt-rodenkraft (siehe Abb.11.4)

R(F) = a·F² + b·F + c = 3,077·10-3 µΩ/N2·F2 - 2,438 µΩ/N·F + 584,55 µΩ ergibt sich für den Fehler durch die Messunsicherheit bei der Kraftmessung dk1: dk1 ≤ ± 0,5 · (( a·F1² + b·F1 ) - ( a·F2² + b·F2 )) = ± 0,533 µΩ 11.2.2.2 Fehler durch Abweichungen bei der Krafteinstellung

Elektrodenkraftabweichungen, die sich ergeben aus einer Abweichung bei der Kraft-aufbringung und aus Kraftänderungen während der Messung führen zu abweichen-den Widerstandswerten und damit zu Fehlern bei der Widerstandsmessung. Für eine Prüfkraft von 300 N ergibt sich erfahrungsgemäß eine maximale Abweichung bei der Krafteinstellung von ± 0,6 N: Obere Grenze der eingestellten Elektrodenkraft F1: 300,6 N Untere Grenze der eingestellten Elektrodenkraft F2: 299,4 N Aus der Approximationsfunktion für die Abhängigkeit des Widerstands von der Elekt-rodenkraft (siehe Abb.11.4)

R(F) = a·F² + b·F + c = 3,077·10-3 µΩ/N2·F2 - 2,438 µΩ/N·F + 584,55 µΩ ergibt sich für den Fehler durch Abweichungen bei der Krafteinstellung dk2: dk2 ≤ ± 0,5 · (( a·F1² + b·F1 ) - ( a·F2² + b·F2 )) = ± 0,355 µΩ

- 141 -

11.2.3. Fehler durch Messzeitabweichungen

Die Messzeit unterliegt Abweichungen durch - einen abweichenden Beginn der Widerstandsmessung, - einen abweichenden Zeitpunkt der Messwerterfassung nach 15 s Sollmessdauer. Diese Messzeitabweichungen führen zu abweichenden Widerstandswerten und da-mit zu Fehlern bei der Widerstandsmessung. Zur Abschätzung des Zeiteinflusses auf den gemessenen Widerstand werden die Messwerte zu den Zeitpunkten t1=10 s und t2=20 s herangezogen, Tabelle 11.4. Tabelle 11.4: Zeitabhängigkeit der Widerstandsmessung

Für die Abtastrate f = 0,75 Hz bei der Messwerterfassung ergibt sich eine maximale Abweichung bei der Messzeit von Δt = ± 0,5·1/f = ± 0,667 s. Damit ergibt sich für den Fehler durch Messzeitabweichungen dt: dt ≤ (R(t1) - R(t2)) · Δt /(t2 - t1) = ± 2,064 · 0,0667 µΩ = ± 0,138 µΩ 11.2.4. Fehler durch eine Ballenradiusabweichung

Zur Abschätzung des Einflusses einer Ballenradiusabweichung der Prüfelektroden auf den gemessenen Widerstand werden die Ergebnisse von Messungen mit den Ballenradien r1= 50 mm und r2= 20 mm herangezogen, Tabelle 11.5. Tabelle 11.5: Abhängigkeit des Widerstands vom Ballenradius der Prüfelektroden

Für den Nennballenradius r = 50 mm ergibt sich bei einer maximal zulässigen Ballen-radiusabweichung Δr = ± 5 mm für den Fehler durch die Ballenradiusabweichung dr: dr ≤ (R(r1) - R(r2)) · Δr /(r1 - r2) = ± 10,1 · 0,1667 µΩ = ± 1,684 µΩ

Mess-Zeitpunkt gemessener Widerstand R / µΩ Arithmetischer

Mittelwert / µΩ

t1 = 10 s 97,4 85,5 77,4 75,2 69,7 74,3 82,2 80,0 80,6 77,3 t2 = 20 s 94,3 83,0 75,5 73,2 67,9 72,3 79,8 77,6 78,2 75,1

R(t1) - R(t2) 3,1 2,5 1,9 2,0 1,8 2,0 2,4 2,4 2,4 2,2 2,064

Ballen-radius gemessener Widerstand R / µΩ Arithmetischer

Mittelwert / µΩ

r1 = 50 mm 95,3 83,9 76,3 73,9 68,6 73,0 80,6 78,6 79,1 75,9 78,5 r2 = 20 mm 81,5 71,3 68 62,4 63,6 66,9 68,2 65,9 69,2 66,7 68,4 R(r1) - R(r2) 10,1

- 142 -

11.3 Ergebnis der Messunsicherheitsberechnung

Generiert mit GUM Workbench Version 1.3.6.142

Seite 1 von 2Datum: 24.02.2011

R290 Übergangswiderstandsmessung an Blechen aus dem Werkstoff Cu-ETP

Datei: Messunsicherheit-neu

Übergangswiderstandsmessung an Blechen aus dem WerkstoffCu-ETP R290

Modellgleichung:RE=RG+dk1+dk2+dt+dr

Liste der Größen:Größe Einheit Definition

RE µOhm MessergebnisRG µOhm Gemessener Widerstand einschl. Fehler durch die Kalibrierung des

Widerstandsmessgeräts dk1 µOhm Fehler durch die Messunsicherheit bei der Kraftmessungdk2 µOhm Fehler durch Abweichungen bei der Krafteinstellungdt µOhm Fehler durch Messzeitabweichungendr µOhm Fehler durch eine Ballenradiusabweichung

RE: Ergebnis

RG: Typ B RechteckverteilungWert: 78.5 µOhmHalbbreite der Grenzen: 0.114 µOhm

dk1: Typ B RechteckverteilungWert: 0 µOhmHalbbreite der Grenzen: 0.533 µOhm


dt: Typ B RechteckverteilungWert: 0 µOhmHalbbreite der Grenzen: 0.138 µOhm

dr: Typ B RechteckverteilungWert: 0 µOhmHalbbreite der Grenzen: 1.684 µOhm

Abb. 11.5: Beiträge zur Messunsicherheit bei bipolarer Messung mit dem

Präzisionswiderstandsmessgerät an Blechen aus Cu-ETP R290

- 143 -




Datei: Messunsicherheit-neu

Messunsicherheits-Budget:Größe Wert Std.-Mess-

unsicherheitFreiheits-

gradSensitivitäts- koeffizient

Unsicher-heitsbeitrag

Index

RG 78.5000 µOhm 0.0658 µOhm unendlich 1.0 0.066 µOhm 0.4 %dk1 0.0 µOhm 0.308 µOhm unendlich 1.0 0.31 µOhm 8.7 %dk2 0.0 µOhm 0.205 µOhm unendlich 1.0 0.20 µOhm 3.8 %dt 0.0 µOhm 0.0797 µOhm unendlich 1.0 0.080 µOhm 0.6 %dr 0.0 µOhm 0.972 µOhm unendlich 1.0 0.97 µOhm 86.5 %RE 78.50 µOhm 1.05 µOhm unendlich

Ergebnis: Messgröße: REWert: 78.5 µOhmErweiterte Messunsicherheit: ±2.1 µOhmErweiterungsfaktor: 2.00Überdeckung: manuell

Abb. 11.6: Ergebnis der Messunsicherheitsberechnung bei bipolarer Messung mit

dem Präzisionswiderstandsmessgerät an Blechen aus Cu-ETP R290

- 144 -




unipolar-neu_E-Cu58_Datei: Messunsicherheit

Übergangswiderstandsmessung an Blechen aus dem WerkstoffCu-ETP R290

Modellgleichung:RE=RG+dk1+dk2+dt+dr

Liste der Größen:Größe Einheit Definition

RE µOhm MessergebnisRG µOhm Gemessener Widerstand einschl. Fehler durch die Kalibrierung des

Widerstandsmessgeräts dk1 µOhm Fehler durch die Messunsicherheit bei der Kraftmessungdk2 µOhm Fehler durch Abweichungen bei der Krafteinstellungdt µOhm Fehler durch Messzeitabweichungendr µOhm Fehler durch eine Ballenradiusabweichung

RE: Ergebnis

RG: Typ B RechteckverteilungWert: 78.5 µOhmHalbbreite der Grenzen: 0.646 µOhm



dt: Typ B RechteckverteilungWert: 0 µOhmHalbbreite der Grenzen: 0.138 µOhm

dr: Typ B RechteckverteilungWert: 0 µOhmHalbbreite der Grenzen: 1.684 µOhm

Abb. 11.7: Beiträge zur Messunsicherheit bei unipolarer Messung mit dem

Präzisionswiderstandsmessgerät an Blechen aus Cu-ETP R290

- 145 -




unipolar-neu_E-Cu58_Datei: Messunsicherheit

Messunsicherheits-Budget:Größe Wert Std.-Mess-

unsicherheitFreiheits-

gradSensitivitäts- koeffizient

Unsicher-heitsbeitrag

Index

RG 78.500 µOhm 0.373 µOhm unendlich 1.0 0.37 µOhm 11.3 %dk1 0.0 µOhm 0.308 µOhm unendlich 1.0 0.31 µOhm 7.7 %dk2 0.0 µOhm 0.205 µOhm unendlich 1.0 0.20 µOhm 3.4 %dt 0.0 µOhm 0.0797 µOhm unendlich 1.0 0.080 µOhm 0.5 %dr 0.0 µOhm 0.972 µOhm unendlich 1.0 0.97 µOhm 77.0 %RE 78.50 µOhm 1.11 µOhm unendlich

Ergebnis: Messgröße: REWert: 78.5 µOhmErweiterte Messunsicherheit: ±2.2 µOhmErweiterungsfaktor: 2.00Überdeckung: manuell

Abb. 11.8: Ergebnis der Messunsicherheitsberechnung bei unipolarer Messung mit

dem Präzisionswiderstandsmessgerät an Blechen aus Cu-ETP R290

- 146 -

12 Voraussichtliche Nutzung und Umsetzung der Forschungsergebnisse

In vielen Bereichen der Industrie (Elektrotechnik, Büromaschinen, Feinmechanik, Fahrzeugbau) - insbesondere in den kleinen und mittleren Unternehmen - bestehen offene Fragen hinsichtlich der Widerstandsschweißeignung von Kupferwerkstoffen und damit zur Kontaktsituation beim Widerstandsschweißen dieser Werkstoffe. Durch Anwendung der entwickelten Messmethode und Prüfanweisung können kmU ihre diesbezüglichen Probleme besser lösen und u. U. einen deutlichen Beitrag zur Quali-tätssicherung leisten. Auch den Ingenieurbüros, die neben den kmU numerische Ver-fahren zur Simulation von Widerstandsschweißprozessen einsetzen wollen, fehlen zur Beschreibung der Kontaktverhältnisse gesicherte Werkstoffkennwerte. Die entwi-ckelten Methoden zur messtechnischen Erfassung einer Datenbasis für die FE-Simulation können diese Lücke schließen. Die erzielten Ergebnisse sind Voraussetzung für die Realisierbarkeit neuer Anwen-dungen. Sie steigern in den kmU die Effizienz bei der schweiß- und beanspruchungs-gerechten Entwicklung neuer Bauteile unter Berücksichtigung des Widerstands-pressschweißens. Sie erhöhen damit die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit der Fertigung. KmU können solche Untersuchungen nicht aus eigenen Mitteln durchfüh-ren. Durch die detaillierte Beschreibung von Anforderungsprofilen an die Oberflächenbe-schaffenheit von Blechen, können Grenzen für die in der Fertigung auftretenden Schwankungen angegeben werden, was zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit führt. Die Ergebnisse stellen daher auch eine Basis für die Konzeption und Realisie-rung neuer Produktentwicklungen sowie verbesserter bestehender Fertigungsvor-gänge dar. 12.1 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähig-

keit der kmU

Aufgrund der hohen Produktivität der Widerstandsschweißtechnik stellen viele kleine und mittlere Unternehmen widerstandsgeschweißte Bauteile her. Numerische Simu-lation von Widerstandsschweißprozessen und die Prüfmethoden zur Untersuchung der Kontaktsituation erbringen einen Beitrag zur Verkürzung der Entwicklungszeit und Erhöhung der Fertigungssicherheit in den kmU. Weiter ist zu erwarten, dass mit-telfristig mit Hilfe der FE-Simulation neue Anwendungsfelder für die Widerstands-schweißtechnik erschlossen werden können. Erarbeitete umfassende Kenntnisse z. B. zur Auswirkung von Fertigungseinflussgrö-ßen auf die Qualität der Schweißverbindungen führen zu einer Reduzierung des Ap-plikationsaufwandes für kmU und damit zu Kosteneinsparungen und zur Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit dieser Unternehmen. Es ist weiter zu erwarten, dass Kenntnisse über die aus der Kontaktsituation beim Widerstandsschweißen resultierenden Einflussgrößen auf die Schweißeignung von den Werkstoffherstellern, Oberflächenveredelungsbetrieben und den Endanwendern direkt umgesetzt werden können. Die Umsetzung der Ergebnisse führt für die An-wender sowohl zu Vereinfachungen bei der schweißgerechten Auslegung und Kon-struktion der Bauteile, als auch zu einer Reduktion des erforderlichen Applikations-aufwandes.

- 147 -

12.2 Beabsichtigte Umsetzung der Forschungsergebnisse

Die Umsetzung der Ergebnisse erfolgt durch:

• den unmittelbaren Transfer über die Firmen des projektbegleitenden Aus-schusses in die Praxis

• Beratung in der Umsetzung der erzielten Ergebnisse und begleitende Unter-suchungen bei interessierten Anwendern

• Darstellung der Ergebnisse in Vorträgen und Veröffentlichung in Fachorganen des Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. (DVS )

• Einbeziehung neuer Medien (Internet Homepage der Forschungsstelle)

• Übernahme der Erkenntnisse in die wissenschaftliche Ausbildung.

Kontakte zu Industriefirmen, die aus früher durchgeführten Untersuchungen bereits bestehen, sollen weiter intensiviert und genutzt werden, um die Ergebnisse des For-schungsvorhabens schnellstmöglich einer Anwendung zuzuführen. Die Ergebnisse werden auf Fachtagungen vorgetragen und in Fachzeitschriften veröffentlicht. Durch die enge Zusammenarbeit mit den beteiligten Firmen und durch Vorträge in den DVS-Gremien (Arbeitsgruppe V 3.3 „Widerstandsschweißen in Elektrotechnik und Feinwerktechnik“ im Ausschuss für Technik, Gemeinschaftskolloquium AG V3 / FA4 „Widerstandsschweißen“) wurde bereits bisher zum Kenntnistransfer der erarbeiteten Ergebnisse beigetragen. Darüber hinaus ist die Ausarbeitung von Regelwerken (Ergänzungen für die beste-hende ISO-Norm 18594 und ein neues DVS-Merkblatt 2929-Teil 4 „Messung des Übergangswiderstandes – Anwendung bei Kupferwerkstoffen“) vorgesehen. Das Wissen steht damit einem breiten Kreis von Anwendern zur Verfügung.

- 148 -

13 Zusammenfassung

Ausgehend von einer Beschreibung der Werkstoff- und Fügeteileigenschaften wur-den an Halbzeugen aus Kupferwerkstoffen systematische Untersuchungen zur Dar-stellung der Kontaktverhältnisse beim Aufsetzen der Elektroden („kalter Werkstoffzu-stand“) und beim Schweißen („warmer Werkstoffzustand“) durchgeführt. Die gemein-sam mit den am Vorhaben beteiligten Industrieunternehmen festgelegten Arbeits-schritte wurden von Studien mittels numerischer Simulation begleitet. Diese Arbeiten führten zur Entwicklung verfeinerter und effizienterer Prüfmethoden für die Über-gangswiderstandsmessung und zur Erfassung und Beschreibung der Kontaktver-hältnisse beim Widerstandspunktschweißen mit Hilfe numerischer Simulationsverfah-ren. Die Untersuchungen wurden an gebräuchlichen 0,2 bis 1,0 mm dicken Blechen aus Kupfer und Kupferlegierungen unterschiedlicher Festigkeit (Messing- und Bronzele-gierungen sowie niedriglegierte Kupferfederwerkstoffe) mit und ohne Schweißbuckel sowie in den anwendungsspezifischen Oberflächenmodifikationen durchgeführt. Im Einzelnen wurden die Oberflächenzustände blank, schmelztauchverzinnt, elektroly-tisch verzinnt, elektrolytisch vernickelt, elektrolytisch versilbert und nickelphosphatiert untersucht. Dabei wurde eine umfangreiche Datenbasis mit gemessenen Über-gangswiderstandswerten erstellt, die für Maßnahmen der Qualitätssicherung genutzt werden kann. Das im Rahmen der Untersuchungen eingesetzte Präzisionswiderstandsmessgerät hat sich bei der Übergangswiderstandsmessung als sehr zuverlässige und solide Messtechnik mit hohem Auflösungsvermögen bewährt. Mit diesem System konnten auf einfache Weise Messreihen durchgeführt und die Ergebnisse als „Widerstands-kennfelder“ zur Beschreibung einzelner Blechchargen dargestellt werden. Die zuverlässige Erfassung zeitlich veränderlicher Widerstandsverläufe durch eine dynamische Widerstandsmessung mit rampenförmigen Stromimpulsen oder bei Schweißversuchen wurde in Abhängigkeit von Blechwerkstoff, Blechoberfläche, Bu-ckelform, Stromanstiegsgeschwindigkeit, Stromrichtung, Elektrodenkraft, Elektroden-geometrie und Elektrodenwerkstoff an ausgewählten Chargen untersucht. Dabei wurde erfolgreich eine neue Messmethode mit Spannungsabgriffen an den Proben-blechkanten erprobt, welche die simultane Erfassung der Übergangswiderstände zwischen Elektroden und Fügeteilen sowie zwischen den Fügeteilen selbst ermög-licht und dadurch den experimentellen Aufwand deutlich reduziert. Die Verfahren zur numerischen Simulation des Widerstandspunktschweißprozesses wurden im Rahmen des Vorhabens weiterentwickelt und erfolgreich ein neues zeit-basiertes Kontaktwiderstandsmodell entwickelt und erprobt, das als Datenbasis die bei Referenz-Schweißversuchen gemessenen Widerstand-Zeitverläufe nutzt. Auf der Grundlage der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchung wurde als Basis für das zugehörige Regelwerk (z.B.: für ein neues DVS-Merkblatt 2929-Teil 4) eine detaillierte Prüfanweisung zur Durchführung von Übergangswiderstandsmessungen an Kupferwerkstoffen formuliert. Abschließend wurde exemplarisch eine ausführliche Betrachtung zur Messunsicherheit durchgeführt. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

- 149 -

14 Literatur

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Technische DatenAufbauDas Gerät ist modular aufgebaut und in einem stabilen Gehäu-se aus Stahlblech untergebracht. Leichte Zugänglichkeit dereinzelnen Baugruppen und optimaler Service sind damit eben-falls sichergestellt.Alle Bedienelemente, die LCD-Grafikanzeige und dieAnschlussbuchsen für Prüflinge sind klar und übersichtlich aufder Frontplatte untergebracht, die Ein- und Ausgänge derSchnittstellen, der Komparatoren sowie des Pt 100-Sensors zurTemperaturkompensation und der Steuerung auf der Rücksei-te des Gerätes.

Allgemeine DatenAnzeige:

240 x 64 Punkte transflektive LCD-Grafikanzeige mit indivi-duell einstellbarem Kontrast und Hintergrundbeleuchtung.

Anzeige Messbereichsüberschreitung: >>>

Darstellung des MesswertesWahlweise 3 1/2, 4 1/2, und 5 1/2 -stellig, LCD 15 mm hoch,Messwert-Anzeige absolut oder ∆%.

Versorgung:230 V + 6 % - 10 %; 115 V als Option möglich.

Netzfrequenz: 45 - 65 Hz

Leistungsaufnahme: max. 260 VA (Typ 2304)max. 65 VA (Typ 2305)

UmgebungsbedingungenBetrieb +5 ... 23 ... 40 °C, max. 90 % relative Feuchte,

nicht kondensierendLager 0 ... 60 °C

Potentialbindung: Messteil intern geerdet,umschaltbar auf externe Erdung

Uhrzeit: über eingebaute Batterie gepuffert

Parametereingabe: über Tasten oder Schnittstellen

Gewicht: 28 kg (Typ 2304)24 kg (Typ 2305)

Gehäusemaße (HxBxT) 255 x 520 x 480 [mm]

Gerätesicherheit: nach VDE 0411

Widerstands- Auflösung MessstromMessbereich200,000 µΩ 0,001µΩ 10 A

2,00000mΩ 0,01µΩ 10 A, 1A20,0000 mΩ 0,1 µΩ 10 A, 1 A, 100 mA

200,000 mΩ 1 µΩ 1 A, 100 mA, 10 mA2,00000 Ω 10 µΩ 1 A, 100 mA, 10 mA, 1mA

20,0000 Ω 0,1 mΩ 100 mA, 10 mA, 1mA,100 µA200,000 Ω 1 mΩ 10 mA, 1 mA, 100 µA

2,00000 kΩ 10 mΩ 1 mA, 100 µA20,0000 kΩ 0,1 Ω 100 µA

Technische Daten (Typ 2304)

Widerstands- Auflösung Messstrom

Messbereich

2,0000 mΩ 0,1 µΩ 1A

20,0000 mΩ 0,1 µΩ 1 A, 100 mA

200,000 mΩ 1 µΩ 1 A, 100 mA, 10 mA

2,00000 Ω 10 µΩ 1 A, 100 mA, 10 mA, 1mA

20,0000 Ω 0,1 mΩ 100 mA, 10 mA, 1mA,100 µA

200,000 Ω 1 mΩ 10 mA, 1 mA, 100 µA

2,00000 kΩ 10 mΩ 1 mA, 100 µA

20,0000 kΩ 0,1 Ω 100 µA

Technische Daten (Typ 2305)

Messmethode:Quotientenverfahren mit 4-Leiter-Kelvinmessungen

Messfehler(bei abgeschalteter Temperaturkompensation):bis zu ± 0,01 % v.M. ± 2 Digit, messbereichsabhängig (Typ 2304)bis zu ± 0,05 % v.M. ± 2 Digit, messbereichsabhängig (Typ 2305)

Max. Spannung an den offenen Klemmen: < ± 16 VMessanschluss:

4-Leiter-Technik für Strom-Spannungsmessung (Kelvin),erdfreier Schaltungsaufbau, Potentialbindung wahlweiseam Messobjekt oder am RESISTOMAT® möglich.

Max. Bürdenspannung:10 V bei Imeß= 100 µA bis 1 A (Typ 2304, 2305) 6 V bei Imeß= 10 A (Typ 2304)

Max. zulässige Überspannung am Messeingang: 100 V DC

Messzeit:einstellbar, Mittelwertbildung über mehrere (bis 255) Wertemöglich. Anzeige Messzeit bei rein ohmschem Prüfling3 1/2-stellig ≤ 300 ms4 1/2-stellig ≤ 500 ms5 1/2-stellig ≤ 5 s

Messart: Dauermessung, Einzelmessung, unipolar, bipolar

Bereichswahl: manuell, automatisch oder über Schnittstelle

Nullabgleich: per µP-Steuerung.

AnschlüsseAnschluss Prüfling: Frontseitig über 4 versenkte Sicherheits-

laborbuchsen, 4 mmRückseitig: 5 polige LEMO-Buchse EGG. 2B. 305

Über eine 37-poligen Subminiatur D-Buchse auf der Rückseitewerden folgende Signale vermittelt:

Optokoppler-Ausgang: "Messung läuft""Messung gestört"

Optokoppler-Eingang: für Start/Stop9 Relaisumschaltkontakte (Wechsler) für Sortiervorgänge:

max. Spannung 42 Vmax. Strom 0,5 A

Pt 100-Sensor für Temperaturkompensation: 6-polige LEMO-Buchse EGG. 1B. 306

Interface-Anschlüsse:IEEE488-Interface:24-polige Steckverbindung nach Norm open Collektor-Ausgang

SH1, AH1, T6, TEø, L4, LEø, SR1, RL1, PPø, DC1,DT1, Cø Befehlssprache SCPI, Version 1990.0

RS232C-Interface:Vollduplex mit RTS, CTS25-polige Subminiatur D-BuchseBaudrate 600 - 9600Protokoll ANSI X 3.28 Subcategory 2.5, A3/A4Befehlssprache SCPI, Version 1990.0

RS485-Interface:Vollduplex/Halbduplex ohne interne Abschlusswiderstände25-polige, Subminiatur D-BuchseProtokoll ANSI X 3.28 Subcategory 2.5, A3/A4Befehlssprache SCPI, Version 1990.0

Drucker:Anschluss an RS 232-Interface

Stand: 1.6.2002 2304 - 3

2304

burster präzisionsmeßtechnik gmbh & co kg . Talstr.1-5 D-76593 Gernsbach (Postfach 1432 D-76587 Gernsbach) . Tel. 07224-645-0 . Fax 645-88http://www.burster.de . e-mail: [email protected]

Grundlegende Untersuchung zur Kontaktsituation beim ... · taktzone zeigen. Beim...

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