Autor: Jörg Kundrat Vice President Entwicklung, Produktion, Technischer Kundendienst

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1 Miyachi Europe GmbH Lindberghstraße 1 DE Puchheim Tel.: Fax: contact@mec.miyachi.com Autor: Jörg Kundrat Vice President Entwicklung, Produktion, Technischer Kundendienst Datum: Juni 2011 Widerstandsschweißanwendungen in der Steckverbindertechnik Kurzfassung Widerstandsschweißen ist ein in der Industrie vielseitig eingesetztes und robustes Verfahren. In der Steckverbindertechnik lassen sich mit diesem Fügeverfahren hoch beanspruchbare stoffschlüssige Fügeverbindungen realisieren. Der Prozess des Widerstandsschweißens ist durch modernste Steuer und Regeltechnik sehr gut beherrschbar. Eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Prozessüberwachung und Analyse sowie kurze Zykluszeiten sind Stand der Technik.. 1. Einleitung Der ständig steigende Einsatz hoch beanspruchter Steckverbinder und Komponenten speziell im Kraftfahrzeug erfordert immer häufiger den Einsatz bisher nicht oder nur selten angewandter Kontaktierverfahren [1]. Waren bis vor einigen Jahren die am häufigsten eingesetzten Verfahren das Weichlöten und Crimpen, so stoßen diese Verfahren auf Grund stetig steigender Leistungsdichte in den Geräten heute an ihre Grenzen. Weichlötverbindungen sind zuverlässig bis ca. 125 C einzusetzen, Crimpverbindungen unterliegen der Gefahr der Alterung mit über die Lebensdauer steigendem Übergangswiderstand. Ähnliches gilt auch für zahlreiche elektronische Geräte mit zunehmender Funktionsdichte bei gleichzeitiger Reduzierung von Raum und Gewicht z.b. Portable elektronische Geräte. Ausgehend von diesen Randbedingungen werden in den letzten Jahren immer häufiger Kontaktierverfahren eingesetzt, die folgende Anforderungen an die Kontaktstelle erfüllen: geringer elektrischer Widerstand, hohe Temperaturbelastbarkeit, hohe mechanische Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit. Die Eigenschaften dürfen sich über den gesamten Produktlebenszyklus nur in engen Toleranzen ändern. Diese Anforderungen werden vom Widerstandsschweißen in hohem Maße erfüllt.

2 2. Werkstoffe und Querschnittsbereiche Die Anforderungen an die Bauteile Kabel und Verbinder schränken die möglichen einzusetzenden Werkstoffe zwangsläufig stark ein. In Frage kommen in erster Linie Kupfer oder Kupfer-Basis- Legierungen. Sie stellen in vielen Fällen einen guten Kompromiss zwischen hoher elektrischer Leitfähigkeit und ausreichender mechanischer Festigkeit dar. Die elektrische Leitfähigkeit (λel.) technisch reinen Kupfers (z.b. E-Cu58) beträgt etwa 58 MS/m. Somit stellt E-Cu58 den zweitbesten elektrischen Leiter dar, nur übertroffen von Silber, mit 62 MS/m. Mittels Widerstandschweißen lassen sich Kabelquerschnitte von 0,14 mm² bis zu 100 mm² prozesssicher verbinden. Bei eingeschränktem Platzangebot bei sehr großen Querschnitten wird in aller Regel Widerstandshartlöten verwendet. Dabei wird ein Lotdepot in Form eines Lotbandabschnittes zwischen die zu verbindenden Teile gebracht. Durch den Prozess der Widerstandserwärmung entsteht dann eine Hartlotverbindung mit sehr hoher Zähigkeit und geringer Deformation der Bauteile. Die Oberflächenaktivierung der Fügeteile wird ebenfalls durch das Lotbandmaterial gewährleistet. 3. Anlagentechnik und Prozessregelung Der 3-dimensionale Prozess Widerstandsschweißen Beim Widerstandsschweißen handelt es sich um einen Fertigungsprozess, der durch die elektrische, mechanische und zeitliche Dimension beschrieben wird. Die vierte Dimension stellt das Material dar, auf das die Schweißanlage aber bis dato keinen Einfluss nehmen kann. Das bedeutet für die Reproduzierbarkeit des Prozesses, dass die dynamische Stabilität der einzelnen elektrischen und mechanischen Prozessparameter sehr wichtig ist. Unkontrollierte elektrische wie auch mechanische Schwingungen während des Prozesses verändern die Wärmeentstehung und auch die Wärmeleitung und sind aus diesem Grund durch Prozessregelung zu vermeiden oder durch Monitoring zumindest zu erkennen. Aktive Regelung der mechanischen Achse des Schweißprozesses Während die elektrische Dimension nur relevant ist, solange der Schweißstrom fließt ist, haben die mechanischen Parameter vor, während und nach dem Fließen des Schweißstromes Einfluss auf die Verbindungsqualität. Sie beeinflussen die Kontaktbedingungen, die für die Wärmeentstehung und die Wärmeableitung verantwortlich sind. Im ersten Prozessschritt müssen die Schweißelektroden schnellstmöglich die Bauteile konstant miteinander kontaktieren, um reproduzierbare elektrische und thermische Bedingungen herzustellen. Besonders bei den meist weichen Werkstoffen ist die Anfangsdeformation nach Applikation der Schweißkraft erheblich. Danach wird der Schweißstrom freigegeben, was zu einem mechanischen Störimpuls führt. Schwingt nun das mechanische System aufgrund ungünstiger Feder-Masse-Verhältnisse, können reproduzierbare Startbedingungen des Prozesses negativ beeinflusst werden. Ebenfalls können durch den elektromechanischen Einfluss des Schweißstromes Schwingungen am Elektrodensystem auftreten. Letzter Prozessschritt ist das Zurückfahren der Elektroden. Die Nachhaltezeit hat Einfluss auf die Abkühlgeschwindigkeit der Fügepartner und somit auf die metallurgischen Eigenschaften der Verbindung. Bei allen Prozessschritten wird deutlich, dass schnelle geregelte Geräte unbestreitbaren Vorteil gegenüber passiven, ungeregelten Schweißanlagen haben, besonders unter Berücksichtigung der kurzen Prozesszeit wegen der meist schnellen indirekten Abkühlung der Bauteile. Inverterstromquellen für die schnelle Regelung der elektrischen Parameter sowie servoelektrische Schweißzangen (Bild 1) als steife, aktive mechanische Achse sind in der Praxis bestens bewährt und Stand der Technik [2, 3].

3 Bild 1: Servoschweißzange. Prozessüberwachung und -beurteilung Besonders bei Verbindungen in der Steckverbindertechnik ist die Prozessanalyse und Prozessüberwachung ein wichtiger Bestandteil der Qualitätsbewertung, denn jede Schlechtschweißung hat einen möglichen Komplettausfall einer ganzen Baugruppe zur Folge. Für die Bewertung wird für jede Prozessdimension mindestens ein variabler Prozessparameter überwacht. Die Wärmeeinbringung soll durch Monitoring der elektrischen Parameter wie Strom, Spannung oder abgeleitete Größen sichergestellt werden. Der mechanische Prozessparameter Kraft beschreibt die thermische und elektrische Kontaktierung. Die Differenz aus Wärmeeinbringung und Wärmeableitung an der Schweißstelle wird über den Einsinkweg indirekt abgeleitet und stellt bei dynamischer Reproduzierbarkeit eine 100%-ige Prozessüberwachung dar. Grafische Auswertung und Analyse Unterschiedliche grafische Darstellungen der Prozessparameter ergeben detaillierte Informationen: Dynamischer Prozessverlauf (Prozesseinzelbewertung) (Bild 2), Verlaufsanzeige SPC-Runchart (Trend) (Bild 3), Histogramm (Stabilität, Analyse systematischer Fehler) (Bild 4). Beispielsweise können zu progressive Einsinkwegverläufe als beschleunigte Bewegungen während des Schweißvorganges erkannt werden und das Profil des Schweißstromes daraufhin angepasst werden. Andererseits können Nebenmaxima in der Normalverteilung der Energie einen störenden Nebenschluss an der Schweißstelle aufdecken. Hilfreich ist auch die Möglichkeit, durch sichtbare Veränderung der Prozessparameter auf dem SPC-Runchart rechtzeitig Gegenmaßnahmen einzuleiten, bevor es zu fehlerhaften Teilen kommt.

4 Bild 2: Kurvenverläufe. Bild 3: SPC-Runchart. Bild 4: Histogramm.

5 Statische und dynamische Prozessüberwachung Bei der Prozessüberwachung wird nach statisch und dynamisch unterschieden. Statisches Monitoring ist das Vergleichen der gemessenen numerischen Prozessparameter mit den eingestellten Limits. Hingegen ist das dynamische Monitoring das Vergleichen jedes einzelnen Punktes eines Kurvenverlaufs. Diese Hüllkurvenüberwachung stellt somit die Kombination aus quantitativer und qualitativer Überwachung dar. Hauptziel ist das Finden und Markieren von Teilen deren Prozessparameter ungewünschte Schwingungen oder Schwankungen während des kurzen Prozesses aufweisen und somit nicht dem definierten Prozessverlauf entsprechen (Bild 5). Bild 5: Schlechtschweißung Wegverlauf außerhalb Hüllkurve. Adaptive Prozessregelung Zusätzlich zur Regelung der elektrischen und mechanischen Parameter auf gewisse Sollwertkurven hin sind Regelungen sinnvoll, die interaktiv auf das Erreichen von eingestellten Vorgabewerten reagieren. Dabei kann bei Erreichen eines Wertes der Prozessablauf verändert oder gestoppt werden. Zu einem regelrechten Qualitätssprung hat vor einiger Zeit die wegabhängige Stromabschaltung verholfen. Neueste adaptive Regelungen wie zum Beispiel APC zielen auf die Stabilisierung der Anfangsbedingungen des Prozesses [4] und erhöhen somit maßgeblich die Prozessstabilität. 4. Anwendungen In der Steckverbindertechnik erhöht sich ständig die Forderung nach langen Produktlebenszyklen. Hinzu kommt die Forderung nach geringem Bauraum bei gleich hoher Integration, was unmittelbar zur Temperaturzunahme durch höhere Leistungsdichte führt. Abhängig von der Funktion des Gerätes, finden sich höchst unterschiedliche Randbedingungen für die Ausführung der Kontaktstellen. Prinzipiell lassen sich 5 unterschiedliche Kombinationen mittels Widerstandsschweißen realisieren (Bild 6).

6 Bild 6: Kombinationsmöglichkeiten der Verbindungen. Hauptanwendung in der Steckverbindertechnik ist sicher die Verbindung der Litze mit dem Steckverbinder. Problem bei dieser Verbindung ist die geometrische Positionierung und Fixierung der Litze innerhalb der Fügeverbindung. Beim Widerstandschweißprozess gibt es hierbei verschiedene Lösungsmöglichkeiten. Zum einen ist es möglich, die Litze in einem Formteil, ähnlich wie beim Crimpen, zu positionieren. Wegen der meist hohen Anforderungen an eine kompakte Bauform wird auf ein zusätzliches Anschlusselement verzichtet. Die Positionierung und Fixierung der Litze während des Prozesses übernimmt in diesem Fall eine Vorrichtung zum Kompaktieren der Einzeladern (Bild 7). Die dann verdichtete Litze kann in einem Folgearbeitsgang als nun festes Bauteil mit eindeutiger Geometrie geschweißt werden (Bild 8). Es ist ebenfalls möglich, die Einzeladerlitzen mit dem zu verbindenden Steckverbinder direkt in einer solchen Kompaktiervorrichtung in einem Arbeitsschritt zu schweißen, wenn die Geometrieverhältnisse das erlauben. Für Kleinserienfertigung an Handarbeitsplätzen ist es ebenfalls möglich, die Litze in einer speziell geformten Schweißelektrode zu positionieren. Die Litze wird dann während des Prozesses verdichtet und gleichzeitig auf den Stecker geschweißt (Bild 9). Bild 7: Kompaktierte Litze. Bild 8: Kompaktierte Litze an Steckerpin. Bild 9: Litze an Stecker mittels Formelektrode.

7 Weitere Möglichkeiten der Verbindungskombinationen sind Steckverbinder an Flachbandleitungen (Bild 10) und an Stanzgitter (Bild 11). Handelt es sich bei den zu verbindenden Leitungen um lackisolierte Kupferdrähte können diese mittels Widerstandsschweißen in einem Arbeitsschritt abisoliert und geschweißt werden [5]. Bei der elektrischen Kontaktierung von Phasenabgängen von Elektromotoren, Spulen und bei der Anbindung von HF-Litze an Steckverbinder wird dieses Verfahren angewendet (Bild 12). Bild 10: Flachbandleiter an Stecker. Bild 11: Stanzgitter an Steckverbinder. Bild 12: HF-Litze an Steckverbinder. 5. Prozesstechnische Unterschiede der Fügeverfahren Crimpen und Widerstandschweißen Die durch die Fügeverfahren Crimpen und Widerstandsschweißen hergestellten Verbindungen unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der elektrischen Kontaktierung. Beim Widerstandsschweißen wird somit durch eine Diffusionsschweißverbindung ein Stoffschluss hergestellt, der die Übergangswiderstände eliminiert (Bild 13). Beim Crimpen hingegen wird mittels Anschlusselement Crimp ein Anpressdruck auf die Litzen erzeugt, der die elektrische Kontaktierung über die Übergangswiderstände gewährleisten soll (Bild 14). Bild 13: Litze kompaktiert an Steckverbinder - Schliffbild. Bild 14: Litze gecrimpt an Steckverbinder - Schliffbild.

8 Dem Vorteil des Stoffschlusses der widerstandsgeschweißten Verbindung steht eine weniger komplexe Prozessführung bei der Herstellung der Crimpverbindung gegenüber. Bei der Crimpverbindung handelt es sich um eine Umformverbindung. Das bedeutet, dass beim Crimpprozess nur die dynamischen mechanischen Prozessgrößen relevant sind. Beim Widerstandsschweißen hingegen wirken zusätzlich zu den dynamischen mechanischen Prozessgrößen noch die dynamischen elektrischen Prozessgrößen, die für die Erwärmung des Widerstandes verantwortlich sind. Das ergibt für den Widerstandsschweißprozess natürlich höhere Anforderungen an die Anlagentechnik, wobei je nach Ausführung auch Zykluszeiten von weniger als 0,5 s erreichbar sind. 6. Zusammenfassung Mittels Widerstandsschweißen können hochwertige Verbindungen ohne zusätzliche Verbindungselemente und in einer hohen Kombinationsvielfalt zu Steckverbindern erzeugt werden. Diese Verbindungen sind gekennzeichnet durch: hohe zulässige Leistungsdichte, hohe Lebensdauer, kompakter Bauraum, großer Bereich der zulässigen Betriebstemperatur, Einsatz in aggressiver Umgebung. Literatur [1] Schmitz G. und Lindner, K.: Mikrofügetechnik Stand und Ausblick. DVS-Berichte Band 225, S. 1. Düsseldorf 2003 [2] Greitmann, M., Volz, O., Stamm, R., Kundrat, J., Böhmert, E. und Mittler, B.: Untersuchung zur Eignung von piezoelektrischen Aktoren als Nachsetzelemente für die Widerstandsschweißtechnik. Schweißen und Schneiden, 53 (1), S Düsseldorf [3] Schmid-Dörnte, J., Kundrat, J. und Böhmert, E.: Der Servoschweißkopf Dynamik im Schweißprozess, Regelbarkeit der Servoantriebes. DVS-Berichte Band 189, S Düsseldorf [4] Putting Active Part Conditioner (APC) to Work. Unitek Newsletter, Volume 4/No.2. Monrovia, CA [5] DVS Merkblatt 2921: Widerstandsschweißen von lackisolierten Drähten. DVS-Verlag. Düsseldorf Miyachi Europe GmbH Lindberghstraße 1 DE Puchheim Tel.: Fax: contact@mec.miyachi.com