Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen von Kupferwerkstoffen : experimentelle und numerische Untersuchungen zu dauerhaften elektrischen Kontakten

Abstract

Im Zeitalter der Elektrifizierung und E-Mobilität muss ein besonderes Augenmerk auf die dauerhaften elektrischen Kontakte gelegt werden. Durch unzureichend alterungsbeständige Fügeverbindungen sind elektrische Kontakte die Schwachstelle im Gesamtsystem. Deshalb liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Verbesserung des Kontaktes durch die Entwicklung eines alterungsbeständigen, unlöslichen, elektrischen Kontakts. Gute elektrische Leiter sind auch gute Wärmeleiter. Die gute Wärmeleitfähigkeit lässt Schmelzschweißverfahren an ihre Grenzen stoßen und alternativ gebräuchliche Verfahren sind nicht ausreichend alterungsbeständig. Fügen durch plastische Deformation stellt einen innovativen Ansatz für alterungsbeständige Fügeverbindungen dar, deren Qualität nicht durch die gute Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt wird. Ein zukunftsweisendes Fügeverfahren für plastische Deformation ist das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen, was auch als ImpAcT oder Rivtac ® bekannt ist. Dieses Verfahren hat kurze Prozesszeiten und ist einfach in der Durchführung und daher wirtschaftlich. Das Verfahren wird allerdings aktuell nicht für elektrische Kontakte eingesetzt und ist bis jetzt nicht auf andere Fügegeometrien und Bauteile übertragbar. Um dieses vielversprechende Verfahren auch für den elektrischen Kontakt in die Anwendbarkeit zu bringen, wurde in dieser Arbeit zunächst experimentell eine alterungsbeständige Fügeverbindung entwickelt. Die anschließend durchgeführten Finite-Elemente-Rechnungen beschreiben den Fügevorgang qualitativ und ermöglichen es das Verfahren auf anderen Fügegeometrien und Bauteile zu übertragen. In der aktuellen Anwendung des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens werden die Einstellungen der Fügeparameter (Fügedruck und Tiefeneinstellung) anhand einer Vielzahl von Versuchen bestimmt. Dies macht das Verfahren schlecht berechenbar und benötigt viele Versuche bis zur idealen endgültigen Einstellung, die von Bauteil zu Bauteil variiert. In dieser Arbeit gelang es die Fügeparameter auf eine analytische Beschreibung zurück zu führen. Hierdurch ist es nun möglich eine gewünschte Fügeposition zu wählen und die notwendigen Fügeparameter zu berechnen. Die Bestimmung der Qualität der Fügeverbindung erfolgt bislang durch zerstörende Prüfung der Festigkeit. Eine zerstörende Prüfung hat den Nachteil, dass das Bauteil danach nicht mehr verwendet werden kann. Die Festigkeit der Fügeverbindung ist darüber hinaus für den elektrischen Kontakt von untergeordneter Bedeutung. Durch die Entwicklung einer zerstörungsfreien Kontaktwiderstandsmessung in dieser Arbeit, ist nun nicht nur die Überprüfung jeder Fügeverbindung möglich, sondern sie bildet auch die Qualität des elektrischen Kontaktes besser ab. Das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen in der Automobilindustrie dient nicht zur elektrischen Kontaktierung. Es ist daher schwierig, optimale Einflussgrößen für eine erfolgreiche elektrische Kontaktierung auszuwählen, insbesondere für die artgleichen Kupferfügeverbindungen oder Mischverbindungen aus Aluminium und Kupfer. Die Innovation dieser Arbeit stellt nun die erfolgreiche Kombination aus experimenteller Variation und Finite-Elemente-Rechnung zur Entwicklung der alterungsbeständigen elektrischen Kontaktierung dar. Dadurch konnte ein besseres Verständnis von Zusammenhängen und sich daraus ergebenden Optimierungsmöglichkeiten gewonnen werden. Bei den artgleichen Kupferfügeverbindungen konnten so Kaltpressschweißungen nachgewiesen werden. Experimentell konnte ebenso nachgewiesen werden, dass die artgleichen Kupferfügeverbindungen alterungsbeständig sind. Auch für die Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen konnte die Alterungsbeständigkeit nachgewiesen werden. Die zum Erzeugen von Kaltpressschweißungen relevanten Grenzwerte Flächenpressung und plastische Deformation sind aus der Literatur bekannt. Diese Grenzwerte können im Fügebereich nicht experimentell ermittelt werden. Sie sind jedoch wichtig, um eine Übertragbarkeit auf andere Fügegeometrien und Bauteile zu gewährleisten. Um diese Lücke zu schließen, wurde in dieser Arbeit mittels Finite-Elemente-Rechnungen unter Anwendung der bekannten Literaturwerte für Flächenpressung und plastische Deformation von Kaltpressschweißungen ein Simulationsmodell zur Berechnung des Fügeniveaus von elektrischen Kontakten entwickelt und experimentell bestätigt. Das so ermittelte Fügeniveau gibt Aufschluss über die elektrisch kontaktierte und alterungsbeständige Fläche. Das Fügen durch plastische Deformation ist ein vielversprechender Ansatz für alterungsbeständige elektrische Kontakte im Zeitalter der Elektrifizierung und E-Mobilität. Ein rein experimenteller oder rein simulativer Zugang lässt Fragen in beiden Bereichen offen. Durch die in dieser Arbeit geschaffene Verbindung von experimenteller Grundlage und simulativer Ergänzung ist es gelungen ein tieferes Verständnis für den Prozess zu erlangen. Darüber hinaus wurden ein zerstörungsfreies Prüfverfahren sowie eine analytische Beschreibung des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens (Rivtac, ImpAcT) entwickelt, welche die Weiterentwicklung nachhaltig erleichtern werden.

In the age of electrification and e-mobility special attention is needed concerning the development of a permanent electrical contact. Electrical contacts are a major weakness in the overall system because of insufficient aging resistant joints. Hence the focus of this thesis lies in the improvement of the joint and development of an aging resistant, non-detachable joint. Good electrical conductors are good heat conductors. Being a good heat conductor limits the usage of conventional fusion welding processes and alternate used processes are not sufficiently aging resistant. Joining by plastic deformation is an innovative approach to the aging resistant joint not limited by a good heat conductivity of the material. A forward-looking joining process in joining by plastic deformation is highspeed-bolt-joining, also known as ImpAcT or Rivtac ®. This process is characterized by short process-times and simplicity in the performance and is thus very economical. The process is currently not used for electrical contacts and cannot be used for other joining geometries or components. To make use of this promising process for electrical contacts as well, in this thesis an aging resistant joint was developed experimentally. Finite-element-analysis were performed to describe the joining process qualitatively and to create the possibility to transfer the process on other joining geometries and components. In the current use of highspeed-bolt-joining, the settings of the joining parameters (pressure and setting distance) are determined by a multitude of attempts. This makes the process poorly predictable and many attempts are needed to find the ideal final setting, which differs between different components as well. In this thesis joining parameters could be traced back to analytical descriptions. Through this it was possible to choose a desired joining position and to calculate the necessary settings of the joining parameters. Up till now determining the quality of the joint was performed by destructive testing. The disadvantage of destructive testing is that the component cannot be used afterwards. Moreover, the strength of the joint is of subsidiary importance for the electrical contact. By the development of a non-destructive contact resistance measurement in this work, now it is not only possible to examine every joint, but it also represents the quality of the electrical contact better. Highspeed-bolt-joining in the automotive industry is not used for electrical contacts. Therefore, it is difficult to pick ideal influencing variables for successful electrical contacting, especially concerning similar materials copper-copper combinations or dissimilar materials copper-alu-minum combinations. The innovation of this thesis lies in the successful combination of experimental variations and finite-element-analysis for the development of an aging-resistant electrical contact. Thus, a better understanding for relationships and consequent optimization possibilities were gained. Cold pressure welding could be seen in similar materials copper-copper combinations. Aging-resistance could be seen in similar materials copper-copper combinations in the experimental studies. Aging-resistance could be seen in dissimilar materials copper-alu-minum combinations as well. Relevant thresholds of surface pressure and plastic deformation to achieve cold pressure welding are well known from the available literature. These thresholds cannot be determined experimentally in the joining area. However, they are important to transfer the process to different joining procedures and components. To close this gap, in this thesis, a simulation model for the calculation of the joining level of electrical contacts was developed and confirmed experimentally. This was achieved by using finite-element-analysis with regard to known bibliography for surface pressure and plastic deformation of cold pressure welding. The thus determined joining levels provide information of the electrical contacted and aging resistant area. Joining by plastic deformation is a promising approach for the creation of an aging-resistant electrical contact in the age of electrification and e-mobility. Mere experimental or mere simulative approaches tend to leave questions in both areas unanswered. Through the connection between experimental foundation and simulative addition created in this work, it is possible to gain a deeper understanding of the whole process. Furthermore, a non-destructive test procedure as well as an analytical description of highspeed-bolt-joining (Rivtac, ImpAcT) was developed which will facilitate further development sustainably.