Kontaktierung von Aluminium mit Ultraschallschweißen
Aluminium wird in elektrischen Bordnetzen und anderen elektrischen Anwendungen zunehmend dort eingesetzt, wo Gewicht, Bauraum und Kosten eine wichtige Rolle spielen. Gleichzeitig stellt die Kontaktierung von Aluminium höhere Anforderungen an den Fügeprozess als die Verbindung von Kupfer.
Eine mögliche Lösung ist das Ultraschallschweißen. Dabei werden metallische Werkstoffe unter Anpresskraft und hochfrequenter mechanischer Schwingung miteinander verbunden. Der Prozess erfolgt ohne vollständiges Aufschmelzen der Fügepartner. Bei geeigneten Materialkombinationen und Prozessbedingungen lassen sich so reproduzierbare elektrische und mechanische Verbindungen herstellen. [4][5]
Entscheidend ist jedoch nicht allein das Schweißverfahren. Materialkombination, Leiterquerschnitt, Geometrie, Oberflächenzustand, Sonotrode, Amboss und Prozessparameter müssen aufeinander abgestimmt und für die jeweilige Anwendung validiert werden.
Aluminium im Bordnetz: Warum der Werkstoff interessant ist
Aluminium hat gegenüber Kupfer eine deutlich geringere Dichte. Typische Dichtewerte liegen bei Aluminiumlegierungen bei etwa 2,7 g/cm³, während Kupfer bei rund 8,9 g/cm³ liegt. [1][2]
Für elektrische Leitungen bedeutet das: Aluminium kann bei entsprechend ausgelegtem Leiterquerschnitt eine deutliche Gewichtseinsparung ermöglichen. Gleichzeitig besitzt Aluminium eine geringere elektrische Leitfähigkeit als Kupfer, sodass für die gleiche elektrische Aufgabe je nach Anwendung ein größerer Leiterquerschnitt erforderlich sein kann. [1][2][3]
Damit ist Aluminium nicht grundsätzlich ein Ersatz für Kupfer. Vielmehr hängt die geeignete Werkstoffwahl von den elektrischen, mechanischen, thermischen und konstruktiven Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.
Welche Herausforderungen bringt Aluminium bei der Kontaktierung mit sich?
Oxidschicht auf der Oberfläche
Aluminium bildet an der Luft sehr schnell eine dünne Oxidschicht. Diese Oberfläche unterscheidet sich hinsichtlich ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften deutlich vom darunterliegenden Metall.
Bei einer elektrischen Kontaktierung muss deshalb sichergestellt werden, dass im Fügebereich eine ausreichend belastbare metallische Verbindung entsteht.
Beim Ultraschallschweißen unterstützen die oszillierende Bewegung und die Anpresskraft die plastische Verformung der Kontaktflächen. Untersuchungen an Al-Cu-Verbindungen zeigen, dass die Oxidschicht dabei aufgebrochen und im Fügebereich verteilt werden kann. Sie wird also nicht einfach vollständig „entfernt“, sondern ihr Einfluss auf die Kontaktbildung wird durch die lokale Verformung und Materialbewegung reduziert. [4][5]
Mechanische Eigenschaften
Aluminium ist vergleichsweise weich und weist andere mechanische Eigenschaften als Kupfer auf. Deshalb müssen Kraft, Amplitude und Prozessdauer an die jeweilige Materialkombination angepasst werden.
Eine zu geringe Prozessenergie kann zu einer unzureichenden Kontaktfläche führen. Eine zu hohe mechanische Belastung kann dagegen den Leiter oder die Fügestelle unnötig verformen.
Kontaktkorrosion bei Aluminium und Kupfer
Werden Aluminium und Kupfer direkt miteinander verbunden, muss zusätzlich das unterschiedliche elektrochemische Verhalten der beiden Werkstoffe berücksichtigt werden.
Unter geeigneten Bedingungen kann eine galvanische Korrosion entstehen. Das Risiko hängt unter anderem von Feuchtigkeit, Elektrolyt, Geometrie, Oberflächenzustand und der konkreten Werkstoffkombination ab.
Deshalb sollte eine Cu-Al-Verbindung nicht allein anhand ihrer anfänglichen elektrischen Leitfähigkeit beurteilt werden. Für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen sind auch Langzeitverhalten, Umgebungsbedingungen und geeignete Schutzmaßnahmen zu berücksichtigen.
Jak działa spawanie ultradźwiękowe aluminium?
Das Ultraschallschweißen von Metallen ist ein Festkörperfügeverfahren. Die Fügepartner werden unter einer definierten Anpresskraft miteinander kontaktiert und gleichzeitig durch eine hochfrequente mechanische Schwingung relativ zueinander bewegt. [4][5]
Vereinfacht lässt sich der Prozess in mehrere Schritte unterteilen:
1.Die Werkstücke werden zwischen Sonotrode und Amboss positioniert.
2.Eine definierte Anpresskraft stellt den Kontakt zwischen den Fügepartnern her.
3.Die Sonotrode erzeugt eine mechanische Schwingung parallel zur Fügefläche.
4.Durch lokale plastische Verformung und Relativbewegung verändern sich die Oberflächenstrukturen.
5.Oxidschichten und Verunreinigungen können im Fügebereich aufgebrochen und verteilt werden.
6.Es entstehen immer größere metallische Kontaktbereiche und schließlich eine belastbare Verbindung. [4][5]
7.Das genaue Fügegeschehen hängt stark von Werkstoff, Geometrie und Prozessparametern ab. Deshalb sollte das Prinzip nicht als ein universell identischer Ablauf für alle Anwendungen verstanden werden.
Ultraschallschweißen im Vergleich zu thermischen Fügeverfahren
Ein wesentlicher Unterschied zu klassischen Schmelzschweißverfahren besteht darin, dass beim Ultraschallschweißen keine vollständige Aufschmelzung der Grundwerkstoffe erforderlich ist.
Dadurch können insbesondere dünne metallische Bauteile, Litzen, Folien und Leiter mit vergleichsweise geringer thermischer Belastung gefügt werden. Untersuchungen an Al-Cu-Verbindungen zeigen zudem eine ausgeprägte lokale plastische Verformung und Materialbewegung im Fügebereich. [4][5]
Das bedeutet jedoch nicht, dass Ultraschallschweißen für jede Anwendung automatisch die bessere Lösung ist. Die Eignung muss anhand der konkreten Werkstoffe, Geometrien, Anforderungen und Prozessziele bewertet werden.
| Kriterium | Zgrzewanie ultradźwiękowe | Thermisches Schweißen |
| Wydalanie ciepła | lokal begrenzt | häufig höher |
| Topnienie | nicht erforderlich | je nach Verfahren erforderlich |
| Prozesszeit | häufig kurz | verfahrensabhängig |
| Materialkombinationen | auch unterschiedliche Metalle möglich | stark verfahrensabhängig |
| Verformung | lokal | abhängig vom Wärmeeintrag |
| Monitorowanie procesu | gut über Prozessparameter möglich | abhängig vom Verfahren |
Aluminium mit Kupfer ultraschallschweißen
Besonders interessant ist die Verbindung von Aluminium und Kupfer. Sie kann beispielsweise dort relevant sein, wo Aluminiumleiter mit kupfernen Anschlusskomponenten verbunden werden müssen.
Al-Cu-Verbindungen sind allerdings technisch anspruchsvoller als Verbindungen gleicher Werkstoffe. Einer der Gründe ist die mögliche Bildung intermetallischer Phasen an der Grenzfläche.
Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass beim Ultraschallschweißen von Aluminium und Kupfer unter geeigneten Bedingungen eine metallische Verbindung hergestellt werden kann. Gleichzeitig wurden an der Grenzfläche unter bestimmten Prozessbedingungen intermetallische Verbindungen, unter anderem Al₂Cu, beobachtet. [4][5][6][7]
Durch die kurzen Prozesszeiten und die vergleichsweise begrenzte thermische Belastung kann das Ausmaß der intermetallischen Phasenbildung beeinflusst werden. Ob und in welchem Umfang solche Phasen entstehen, hängt jedoch von den konkreten Prozessbedingungen ab und muss für die jeweilige Anwendung untersucht werden. [6][7]
Welche Vorteile bietet Ultraschallschweißen?
Bei geeigneten Anwendungen kann das Ultraschallschweißen von Aluminium folgende Vorteile bieten:
- geringe thermische Belastung der Fügepartner
- keine vollständige Aufschmelzung erforderlich
- kurze Prozesszeiten möglich
- geeignet für unterschiedliche metallische Werkstoffe
- gute Automatisierbarkeit
- Möglichkeit zur kontinuierlichen Prozessüberwachung
- reproduzierbare Verbindung bei einem stabilen Prozessfenster
Besonders bei elektrischen Leitern ist neben der mechanischen Festigkeit auch der elektrische Übergangswiderstand ein wichtiger Qualitätsparameter.
Wo liegen die Grenzen?
Ultraschallschweißen ist kein universelles Verfahren für jede Aluminiumverbindung.
Die erreichbare Verbindungsqualität hängt unter anderem ab von:
- Aluminiumlegierung und Kupferwerkstoff
- Leiterquerschnitt und Geometrie
- Anzahl und Aufbau der Litzen
- Stan powierzchni
- Anpresskraft
- Schwingungsamplitude
- Prozessenergie
- Prozessdauer
- Sonotroden- und Ambossgeometrie
- Einspannung und Positionierung
Insbesondere bei unterschiedlichen Werkstoffen muss das Prozessfenster experimentell bestimmt und anschließend abgesichert werden.
Welche Prozessparameter sind entscheidend?
Für das Ultraschallschweißen sind mehrere Parameter miteinander gekoppelt.
Amplituda
Die Amplitude beschreibt die mechanische Schwingungsbewegung der Sonotrode. Eine Erhöhung der Amplitude kann die Relativbewegung und plastische Verformung im Fügebereich verstärken.
Sie darf jedoch nicht isoliert betrachtet werden. Eine hohe Amplitude ist nicht automatisch besser, da auch Materialverformung und Werkzeugbelastung zunehmen können.
Anpresskraft
Die Anpresskraft stellt den Kontakt zwischen den Fügepartnern her und beeinflusst die Reibungs- und Verformungsbedingungen.
Zu geringe Kraft kann eine unzureichende Kontaktbildung begünstigen. Eine zu hohe Kraft kann dagegen zu übermäßiger Verformung führen.
Prozessdauer
Mit zunehmender Prozessdauer verändert sich die Kontaktfläche und die lokale Mikrostruktur. Untersuchungen an Al-Cu-Verbindungen zeigen beispielsweise, dass eine längere Schweißzeit die Ausbildung und Entwicklung der Verbindungszone beeinflussen kann. [3][6]
Eine möglichst lange Schweißzeit ist deshalb nicht automatisch optimal. Entscheidend ist ein stabiler Prozess innerhalb eines geeigneten Prozessfensters.
Energia
Die eingebrachte Energie kann als zusätzlicher Prozessindikator genutzt werden. In automatisierten Anlagen können beispielsweise Zeit, Leistung, Energie und weitere Prozesssignale überwacht und dokumentiert werden.
Prozessüberwachung und Qualitätssicherung
Für die industrielle Fertigung reicht es nicht aus, nur eine einzelne Schweißverbindung erfolgreich herzustellen. Entscheidend ist die Reproduzierbarkeit des Prozesses.
Je nach Anlage und Anwendung können beispielsweise folgende Größen überwacht werden:
- Czas spawania
- Amplituda
- Kraft
- Energia
- Wydajność
- Generator- und Prozesssignale
- charakteristische Prozesskurven
Durch die Überwachung geeigneter Prozessgrößen können Abweichungen frühzeitig erkannt und auffällige Bauteile ausgesondert werden.
Welche Parameter tatsächlich überwacht werden sollten, hängt von der verwendeten Maschine und den Qualitätsanforderungen des jeweiligen Produkts ab.
Wie wird eine Ultraschallschweißverbindung geprüft?
Eine belastbare Qualifizierung sollte mehrere Aspekte berücksichtigen.
Mechanische Prüfung
Je nach Bauteilgeometrie kommen beispielsweise Zug-, Scher- oder Abzugstests zum Einsatz.
Dabei wird überprüft, welche mechanische Belastung die Verbindung aufnehmen kann und wie die Verbindung versagt.
Elektrische Prüfung
Bei elektrischen Leitern ist der elektrische Widerstand der Verbindung ein wichtiger Qualitätsindikator.
Ein niedriger und reproduzierbarer Übergangswiderstand ist insbesondere bei hohen Strömen relevant, da zusätzliche Verlustleistung zu einer lokalen Erwärmung führen kann.
Metallografische Untersuchung
Bei Entwicklungs- und Qualifizierungsarbeiten kann ein Querschliff zusätzliche Informationen über die Fügestelle liefern.
Dabei lassen sich beispielsweise Verformung, Kontaktzone, Materialfluss und mögliche intermetallische Phasen untersuchen. Gerade bei Al-Cu-Verbindungen kann eine solche mikrostrukturelle Untersuchung wichtige Informationen über den tatsächlichen Fügeprozess liefern. [4][6][7]
Crimpen oder Ultraschallschweißen?
Crimpen und Ultraschallschweißen verfolgen unterschiedliche Fügestrategien und können je nach Anwendung beide sinnvoll sein.
Beim Crimpen wird die Verbindung durch eine definierte mechanische Verformung von Leiter und Kontakt hergestellt. Das Verfahren ist seit vielen Jahren in elektrischen Bordnetzen etabliert.
Beim Ultraschallschweißen entsteht dagegen eine metallische Verbindung durch mechanische Schwingung und Druck.
Welches Verfahren besser geeignet ist, hängt unter anderem von Leiteraufbau, Kontaktgeometrie, elektrischen Anforderungen, Bauraum, Produktionskonzept und geforderter Prozessüberwachung ab.
Deshalb sollte Ultraschallschweißen nicht pauschal als Ersatz für Crimpen betrachtet werden. In bestimmten Anwendungen kann es jedoch eine technisch interessante Alternative oder Ergänzung darstellen.
Wie lange dauert das Ultraschallschweißen?
Die Prozesszeit ist abhängig von Werkstoff, Querschnitt, Geometrie, Schweißsystem und eingestellten Parametern.
In wissenschaftlichen Untersuchungen zu Al-Cu-Ultraschallschweißungen wurden beispielsweise Prozesszeiten im Bereich von unter einer Sekunde untersucht. [3][6]
Solche Werte dürfen jedoch nicht als allgemeiner Richtwert für jede industrielle Anwendung übernommen werden. Für eine konkrete Verbindung muss die erforderliche Prozesszeit experimentell bestimmt und validiert werden.
Czy połączenie spawane ultradźwiękowo jest odporne na gaz lub wodę?
Eine Ultraschallschweißverbindung kann je nach Bauteilgeometrie und Prozessauslegung eine sehr dichte Verbindung ermöglichen.
Wenn Dichtheit eine technische Anforderung ist, muss sie für die konkrete Bauteilgeometrie und den vorgesehenen Einsatzbereich geprüft und nach einem geeigneten Prüfverfahren nachgewiesen werden.
Was ist für die Serienproduktion entscheidend?
Eine im Labor funktionierende Verbindung ist noch kein serienreifer Prozess.
Vor dem Serieneinsatz sollten deshalb unter anderem folgende Punkte abgesichert werden:
- geeignete Werkstoffkombination
- reproduzierbare Bauteilgeometrie
- geeignetes Werkzeug
- stabiles Prozessfenster
- mechanische Festigkeit
- elektrischer Übergangswiderstand
- Alterungs- und Umwelteinflüsse
- mögliche Korrosion
- Monitorowanie procesu
- Prüf- und Dokumentationskonzept
Besonders bei Al-Cu-Verbindungen sollte die Langzeitstabilität unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen berücksichtigt werden.
Fazit
Aluminium bietet aufgrund seiner geringen Dichte interessante Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung elektrischer Leitungen und Komponenten. Gleichzeitig stellen Oxidschicht, mechanische Eigenschaften und – bei Verbindungen mit Kupfer – das unterschiedliche elektrochemische Verhalten besondere Anforderungen an die Kontaktierung.
Ultraschallschweißen ist ein Festkörperfügeverfahren, mit dem sich Aluminium und auch unterschiedliche Werkstoffkombinationen wie Aluminium und Kupfer verbinden lassen. Die Verbindung entsteht durch das Zusammenspiel von Anpresskraft, mechanischer Schwingung, plastischer Verformung und Materialkontakt. [4][5]
Für eine zuverlässige industrielle Anwendung ist jedoch nicht das Verfahren allein entscheidend. Erst die Kombination aus geeigneter Werkzeugtechnik, abgestimmten Prozessparametern, Prozessüberwachung und reproduzierbarer Qualitätsprüfung ermöglicht einen stabilen Serienprozess.
Gerade bei Al-Cu-Verbindungen müssen zudem mögliche intermetallische Phasen und das Langzeitverhalten berücksichtigt und durch geeignete Prüfungen abgesichert werden. [6][7]
Ultraschallschweißen für elektrische Leiter
Magntek entwickelt und liefert Lösungen für das industrielle Ultraschallschweißen. Je nach Anwendung stehen dabei die Auslegung des Schweißprozesses, die geeignete Werkzeugtechnik und eine reproduzierbare Prozessführung im Mittelpunkt.
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Quellen
[1] The Aluminum Association: International Alloy Designations / Teal Sheets.
[2] Copper Development Association: Copper Development Guide – Physical Properties.
[3] Liu, J.; Cao, B.; Yang, J.: “Texture and intermetallic compounds of the Cu/Al dissimilar joints by high power ultrasonic welding.” Journal of Manufacturing Processes, Vol. 76, 2022, pp. 34–45. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.02.001.
[4] Wu, X.; Liu, T.; Cai, W.: “Microstructure, welding mechanism, and failure of Al/Cu ultrasonic welds.” Journal of Manufacturing Processes, Vol. 20, 2015, pp. 321–331. DOI: 10.1016/j.jmapro.2015.06.002.
[5] Fujii, H. T.; Endo, H.; Sato, Y. S.; Kokawa, H.: “Interfacial microstructure evolution and weld formation during ultrasonic welding of Al alloy to Cu.” Materials Characterization, Vol. 139, 2018, pp. 233–240. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.03.010.
[6] Liu, J.; Cao, B.; Yang, J.: “Modelling intermetallic phase growth during high-power ultrasonic welding of copper and aluminum.” Journal of Manufacturing Processes, Vol. 35, 2018, pp. 595–603. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.09.008.
[7] “Microstructure evolution and mechanical properties analysis in dissimilar ultrasonic metal welding of aluminum to copper.” Journal of Materials Research and Technology, Vol. 30, 2024, pp. 2922–2935. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.04.037.