Prozessanalyse der thermo-mechanischen Vorgänge während der Verbindungsbildung beim Metall-Ultraschallschweißen

Balz, Isabel; Vorländer, Michael; Reisgen, Uwe Kaspar

doi:10.18154/RWTH-2020-08744

Prozessanalyse der thermo-mechanischen Vorgänge während der Verbindungsbildung beim Metall-Ultraschallschweißen = Analysis of thermo-mechanical processes during the bond formation in ultrasonic metal welding

Balz, Isabel^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeIsabel Balz

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2020

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 117, xi Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-7537-3

ReiheAachener Berichte Fügetechnik ; 3/2020

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Reisgen, Uwe Kaspar (Thesis advisor)^RWTH* ; Vorländer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08744
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/796060/files/796060.pdf

Einrichtungen

Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren (417610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Einflüsse (frei) ; Hochgeschwindigkeitskamera (frei) ; Kupfer (frei) ; Laser-Doppler-Vibrometer (frei) ; Prozessphasenmodell (frei) ; Prozesssignale (frei) ; Prozessverständnis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Metall-Ultraschallschweißen (Ultrasonic Metal Welding, kurz: „USMW“) eignet sich besonders zum Verbinden von elektrotechnischen Bauteilen und rückt aufgrund der steigenden Komplexität elektronischer Systeme immer mehr in den industriellen Fokus. Trotz der industriellen Verbreitung können Prozessschwankungen beim USMW auftreten. Diese sind häufig nicht erklärbar, da bezüglich der komplexen Wirkzusammenhänge von Schweißwerkzeugen und Fügeteilen während des Schweißprozesses wissenschaftlich fundierte Kenntnisse fehlen. Das Ziel der Dissertation ist daher die Beschreibung von thermo-mechanischen Vorgängen im mechanischen Gesamtsystem, bestehend aus Sonotrode, Amboss und Fügeteilen, die während der Verbindungsbildung beim Metall-Ultraschallschweißen von artgleichen Kupfer-Blech-Verbindungen auftreten. Neben einleitenden und abschließenden Kapiteln gliedert sich die Arbeit in drei Hauptteile: In den Kapiteln 4 und 5 wird der Versuchsaufbau mit dem verwendeten Prozess-Datenerfassungssystem vorgestellt, die gewonnenen Messsignale aufbereitet sowie hinsichtlich ihrer Eignung für die Prozessanalyse bewertet. Dazu wird neben den maschinen-internen Sensorsignalen das Schwingungsverhalten im mechanischen Gesamtsystem während des USMW Prozess durch eine Hochgeschwindigkeitskamera und zwei Laser-Doppler-Vibrometer extern erfasst. Die aufbereiteten Messsignale werden in Kapitel 6 ausgewertet, um charakteristische, transiente Prozesssignale zu identifizieren. Um diesen Signalen später konkrete Zustände der Verbindungsbildung zuordnen zu können, wird der Schweißprozess nach definierten Zeiten abgebrochen und die Verbindungsbildung unter mikrostrukturellen und bruchmechanischen Gesichtspunkten umfassend charakterisiert. Abschließend werden in Kapitel 7 die während der Verbindungsbildung ablaufenden thermo-mechanischen Vorgänge durch ein empirisch basiertes Prozessphasenmodell beschrieben, indem charakteristische Prozesssignale mit den Mechanismen der Verbindungsbildung korreliert werden. Die abschließende Überprüfung des Modells unter veränderten Prozessbedingungen gibt außerdem Aufschluss über dessen Übertragbarkeit. Bezugnehmend auf den aktuellen Stand der Forschung erlauben die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit tiefergehende Einblicke zu den stattfindenden thermo-mechanischen Vorgängen beim USMW. Die in-situ Prozessanalyse ist somit der Schlüssel für ein umfassenderes Prozessverständnis und damit auch für eine verbesserte Prozessfähigkeit des USMW.

Ultrasonic Metal Welding (USMW) is a particularly suitable process for joining electric components and its use is growing due to the increasing complexity of electronic systems. Despite its widespread application, USMW suffers from quality variations. These are often unclear due to a lack of deep scientific knowledge regarding the complex interactions between tools and joining parts during welding process. Therefore, the aim of this doctoral thesis is to describe thermo-mechanical processes in the mechanical overall-system, consisting of horn, anvil and joining parts, which occur during bonding formation in USMW of similar sheet metal joints of copper. This work is divided in three main parts: Chapters 4 and 5 present the experimental setup with process data acquisition system, the processing of the measured signals and an evaluation concerning their suitability for process analysis. For this purpose, in addition to the machine internal sensors, the oscillation behavior of the mechanical overall-system during the USMW process is recorded externally by a high-speed camera and two laser Doppler vibrometers. The processed measurement signals are used in chapter 6 to identify characteristic transient process signals. In order to be able to assign concrete states of bonding formation to these signals later on, the welding process is stopped after defined times and the bonding formation is characterized under microstructural and fracture-mechanical aspects. Finally, in Chapter 7, the thermo-mechanical processes taking place during bonding formation are described by a process phase model by correlating characteristic process signals with the mechanisms of bond formation. The final verification under changed process conditions also provides information about the interchangeability of the model. Regarding the current state of research, the results of the present work allow deeper insight into the thermo-mechanical processes taking place in USMW. Thus, the in-situ process analysis is helpful to a more profound understanding and leads to an improved process capability of the USMW.

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