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    Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen von Kupferwerkstoffen : experimentelle und numerische Untersuchungen zu dauerhaften elektrischen Kontakten
    (2018) Skoda, Philipp; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)
    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.