Prozessdatenbasierte Qualitätsprädiktion und -regelung des Metall-Ultraschallschweißprozesses

Müller, Florian Werner; Reisgen, Uwe; Meisen, Tobias

doi:HT031536238

Prozessdatenbasierte Qualitätsprädiktion und -regelung des Metall-Ultraschallschweißprozesses = Process data based quality prediction and control of the ultrasonic metal welding process

Müller, Florian Werner^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeFlorian Werner Müller

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8191-0752-8

ReiheAachener Berichte Fügetechnik ; 2026,2

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Meisen, Tobias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-04-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06822
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1038886/files/1038886.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (417610)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)470052705 - Demonstration einer energieoptimierten Prozessregelung für das Metall-Ultraschallschweißen anhand von Prozesskenngrößen (470052705) (470052705)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Metall-Ultraschallschweißen (frei) ; Prozesseinflussgrößen (frei) ; Prozessoptimierung (frei) ; Prozessüberwachung (frei) ; Qualitätsprädiktion (frei) ; Qualitätsregelung (frei) ; Verbindungsbildung (frei) ; joint formation (frei) ; process monitoring (frei) ; process optimizitation (frei) ; process variables (frei) ; quality control (frei) ; quality prediction (frei) ; ultrasonic metal welding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Metall-Ultraschallschweißen (M-USS) ist ein entscheidendes Fügeverfahren für die industrielle Fertigung von Batteriezellen, Kabelbäumen und Leistungselektronikkomponenten. Zwar konnte die Verbindungsbildung beim M-USS mittels empirischer Modelle phänomenologisch erläutert werden, eine quantifizierte Beschreibung der Verbindungsbildung anhand von Prozessdaten ist bisher jedoch nicht erfolgt. Der Einfluss von Störgrößen auf den Prozessverlauf wurde kaum betrachtet, obwohl das M-USS gemeinhin als sensitiv gegenüber einer Vielzahl von veränderlichen Randbedingungen gilt. Ziel dieser Arbeit war es, die Eignung von Prozessdaten zur Bestimmung der erzielten Verbindungsqualität von Störungen unterliegenden Schweißungen aufzuzeigen und einen Lösungsansatz zur Qualitätsregelung zu entwickeln. Für die Untersuchungen zur Aussagekraft der Prozessdaten wurden für drei unterschiedliche Fügeteilgeometrien Schweißprozesse optimiert. Schweißversuche wurden gezielt durch Einbringung äußerer Einflüsse, wie die Materialhärte oder den Oberflächenzustand der Fügeteile, gestört, der Verlauf typischer Prozessgrößen messtechnisch aufgezeichnet und die erzielte Verbindungsqualität geprüft. Neben dem Eindringweg wurden unter anderem die Schwingungen von Sonotrode und Amboss sowie die elektrische Ansteuerung des Konverters erfasst und in Kennwerte überführt. Der M-USS-Prozess lässt sich anhand dieser Kennwerte so charakterisieren, dass datenbasierte Prädiktionsmodelle die erzielte Verbindungsgüte bestimmen können. Als Daten-grundlage ist die Kombination verschiedener Sensoren hier besonders geeignet. Für die Modellbildung ist zudem die Berücksichtigung der relevanten Störgrößen in den Trainingsdaten notwendig, eine Extrapolation ausgehend von einem ungestörten Referenzprozess ist nicht möglich. Wesentlich für die Verbindungsbildung sind die ersten Phasen des Schweißprozesses, in denen die Scherbelastbarkeit der Verbindung stark zunimmt. Basierend auf Messdaten dieser Phasen kann die entstehende Verbindungsgüte bereits gut abgeschätzt werden. Gleichzeitig kann anhand von Zeitschweißungen exemplarisch gezeigt werden, dass die Dauer der Schweißung als Parameter einen erheblichen Einfluss auf die Qualität hat. Entsprechend wurde ein Regelmodell entwickelt, bei dem auf Basis der initialen Prozesskennwerte der ersten 150 ms und der Vorgabe der zu erzielenden Schweißqualität die notwendige Restschweißdauer bestimmt wird. Modell und Regelansatz wurden für eine Versuchsreihe entwickelt und an einem dedizierten Testdatensatz und einer weiteren Versuchsreihe validiert.

Ultrasonic metal welding (USMW) plays a crucial role as a joining process for the industrial production of battery cells, cable harnesses and power electronics components. Although the joint formation during USMW is described phenomenologically using empirical models, a quantification of process data to describe the formation of joints has not yet been carried out. The influence of disturbance variables on the process has also hardly been considered, although USMW is generally described as sensitive to a variety of changing boundary conditions. The aim of this work was to demonstrate the suitability of process data for determining the achieved joint quality of disturbed welding processes and to develop an approach for closed-loop quality control of such welds. To examine the validity of the process data, welding processes were optimized for three different joining part geometries. These processes were deliberately disrupted by introducing external influences, such as the material hardness or the surface condition of the joining parts, the progression of typical process variables was recorded by measurement technology, and the achieved connection quality was tested. In addition to the penetration depth, the vibrations of the sonotrode and anvil, as well as the electrical control of the converter, were recorded and converted into characteristic values. These characteristic values allow the USMW process to be characterized to such an extent that databased prediction models can determine the achieved joint quality. A combination of different sensors as a data basis is particularly suitable here. For the model building, it is also necessary to consider the relevant disturbance variables in the training data; an extrapolation based on an undisturbed reference process is not possible. The initial phases of the welding process, in which the shear strength of the joint also increases significantly, are essential for joint formation. The quality of the joint that is created can be well estimated based on measurement data from these initial phases. Despite the importance of the initial process phases for the formation of the joint, it can be shown by means of the measurement of the growth of the joint formation in time welding experiments that the duration of the welding has a significant influence on the quality. Accordingly, a closed loop control model was developed in which the necessary remaining welding time is determined on the basis of the initial process characteristics of the first 150 ms and the specification of the joint quality to be achieved. The model and the control approach were developed for a series of experiments and successfully validated on a dedicated test data set and a further series of experiments.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)