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

Von:

Isabel Balz

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Das Metall-Ultraschallschweißen (kurz: USMW) eignet sich zum Verbinden von elektrotechnischen Bauteilen. Trotz der industriellen Verbreitung können Prozessschwankungen auftreten. Diese sind häufig nicht erklärbar, da bezüglich der komplexen Wirkzusammenhänge von Schweißwerkzeugen und Fügeteilen 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 USMW von artgleichen Kupfer-Blech-Verbindungen auftreten. Zu Beginn wird der Versuchsaufbau, das Prozess-Datenerfassungssystem vorgestellt und die Messsignale hinsichtlich ihrer Eignung für die Prozessanalyse bewertet. Dazu wird neben den maschineninternen Signalen das Schwingungsverhalten durch eine Hochgeschwindigkeitskamera und zwei Laser-Doppler-Vibrometer extern erfasst. Die Signale werden anschließend ausgewertet, um charakteristische, transiente Prozesssignale zu identifizieren. Um diesen Signalen konkrete Zustände der Verbindungsbildung zuzuordnen, wird der Prozess nach definierten Zeiten abgebrochen und die Verbindungsbildung mikrostrukturell und bruchmechanisch charakterisiert. Abschließend wird die Verbindungsbildung durch ein empirisch basiertes Prozessphasenmodell beschrieben. Die Überprüfung des Modells unter veränderten Prozessbedingungen belegt außerdem dessen Übertragbarkeit. Bezugnehmend auf den aktuellen Stand der Forschung erlauben die Ergebnisse tiefergehende Einblicke zu den stattfindenden thermo-mechanischen Vorgängen beim USMW. Damit kann die in-situ Prozessanalyse als ein wichtiger Schlüssel für ein umfassenderes Prozessverständnis sowie eine verbesserte Prozessfähigkeit des USMW angesehen werden.