DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Zerstörungsfreie Analyse ultraschallgeschweißter Werkstoffverbunde

H.-A. Crostack, A.Yanik, J. Nellesen, RIF e.V., Dortmund
D. Eifler, G. Wagner, Lehrstuhl für Werkstoffkunde, Universität Kaiserslautern
Kontakt: H.-A. Crostack

Kurzfassung

Beim Ultraschalltorsionsschweißen von Bauteilen wird eine hochfeste ringförmige Schweißzone innerhalb von wenigen Zehntel-Sekunden erzeugt, welche gleichmäßig über den Umfang ausgebildet sein sollte. Obgleich eine luftgelagerte Fügeteilauflage verwendet wird, die die Parallelität zwischen Schweißwerkzeug und Schweißteilen gewährleisten soll, ist diese Forderung nicht immer ausreichend erfüllt. Die Qualität der erzeugten Verbindungen konnte bisher lediglich durch zerstörende Prüftechniken zuverlässig bestimmt werden. Dies geschah zumeist über Zugscher-, Schäl- und Zugversuche. Diese zerstörenden Prüfungen führen bei qualitativ hochwertigen Bauteilen, beispielsweise Sensorkomponenten und Konstruktionselemente, in Verbindung mit metallischen Schäumen, zu unzulässig hohen Fertigungskosten und sie vermögen keine Aussage für den aktuellen Einzelfall zu liefern. Aus diesem Grunde wurde untersucht, ob sich alternativ auch zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Bewertung der Schweißzone eignen. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde daher die Ultraschall- und Röntgentechnik zur Charakterisierung der Schweißnähte von verschiedenen Werkstoffverbunden (Metall/Al/Keramik, Al-Blech/Al-Schaum und Metall/Al/Glas) eingesetzt. Die bisher vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass besonders die Ultraschallprüftechnik ein hohes Anwendungspotential besitzt und somit ein leistungsstarkes Qualitätssicherungssystem für anspruchsvolle ultraschallgeschweißte Verbindungen darstellen kann.

Keywords
Ultraschalltorsionsschweißen, Fügeprozess, Ultraschallprüftechnik, Röntgenprüftechnik, Werkstoffverbunde, Schweißnahtprüfung

1 Einleitung

Die Metall-Ultraschallschweißtechnik wird bisher überwiegend in der industriellen Massenfertigung z. B. für Litzen-Steckerverbindungen bei Kabelbäumen, der Herstellung von Airbag-Sprengkapseln sowie im Elektronikbereich wie bei der Produktion von Sicherungsautomaten eingesetzt. Die Einführung der Ultraschallschweißtechnik als Produktionsverfahren erfolgt zumeist erst nach umfangreiche Voruntersuchungen mit dem Ziel der Findung der optimalen Schweißparameter. Häufig ist lediglich eine gleichmäßige Fügeflächenausbildung gefordert, um eine ausreichende Verbindungsfestigkeit sowie eine gute Leitfähigkeit der Kontaktzone sicherzustellen. Anspruchsvollere Fügungen fordern zudem die Vakuumdichtigkeit der Verbindung. Für bereits realisierte Produkte werden bei Variation der Fügeteilgeometrien oder der verwendeten Werkstoffe zumeist wieder umfangreiche Untersuchungen erforderlich, bis ein in der industriellen Produktion nutzbares Schweißparameterfenster ermittelt ist. Für Kleinserien oder sehr kostenintensive Verbunde findet daher die Ultraschallschweißtechnik oftmals keine Anwendung, da diese Vorgehensweise den möglichen Kostenvorteil durch den Einsatz der Ultraschallschweißtechnik nicht aufwiegt. Ferner sind in den letzten Jahren neue Ultraschallschweißvarianten wie das Metall-Ultraschallrollnaht- sowie das Ultraschalltorsionsschweißen entwickelt worden. Um diese Techniken in die industrielle Fertigung zu integrieren, sind ebenfalls umfangreiche Vorversuche notwendig.

Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung bietet nun die Möglichkeit, den Aufwand an zerstörenden Prüfungen zu reduzieren und so die industrielle Fertigung von Kleinserien durch Ultraschallpunktschweißen sowie die zügigere Einführung der neuen Schweißvarianten zu unterstützen. Am Beispiel von Verbindungen zwischen Blechen und Metallschäumen sowie Keramiken und Glas soll das Potential in diesem Beitrag für das Metall-Ultraschalltorsionsschweißen verdeutlicht werden.

2 Fügeverfahren

Industriell einsetzbare Metall-Ultraschalltorsionsschweißanlagen wurden am Anfang der neunziger Jahren entwickelt. Mit ihnen ist es möglich, innerhalb von wenigen Zehntel-Sekunden hochfeste Ringschweißungen herzustellen. Die dabei auftretenden Fügetemperaturen übersteigen 450°C direkt in der Fügezone nicht. Wenige Millimeter außerhalb dieses Bereichs treten selten Temperaturen über 50 °C auf. Ferner sind Verbunde zwischen artfremden Werkstoffen wie Glas bzw. Keramik und Metall realisierbar. Weitere Vorteile des Ultraschallschweißverfahrens sind die gute Automatisierbarkeit sowie die hohe Umweltverträglichkeit, da auf Flussmittel oder Primer wie beim Löten bzw. Kleben verzichtet werden kann.

Abbildung 2.1: Prinzipielle Darstellung eines Metall-Ultraschalltorsionsschweißsystems. Abbildung 2.2: Prinzip des luftgelagerten Probentischs mit integrierter Temperaturmessmöglichkeit.

Die Hauptkomponenten der Metall-Ultraschalltorsionsschweißanlage sind in Abbildung 2.1 dargestellt. Der Ultraschallgenerator wandelt die anliegende Netzwechselspannung in eine Hochfrequenzwechselspannung von 20 kHz um. In den Konvertern wird die anliegende Hochfrequenzspannung in eine mechanische Schwingung gleicher Frequenz übertragen. Die Anordnung und die Phasenlage der Konverter ist dabei so aufeinander abgestimmt, dass am Booster, dem Amplitudenverstärker des Systems, eine gleichmäßige Schwingung in Umfangsrichtung erzeugt wird. Die dabei eingebrachte Leistung kann bis zu 10.000 W betragen. An den Booster schließt sich das eigentliche Schweißwerkzeug, die Sonotrode, an, das an seiner Stirnfläche über eine profilierte Koppelfläche zur verlustarmen Energieübertragung in die Schweißteile verfügt.

Die Amplitude kann durch eine elektronische Steuerung zwischen 10 und 40 µm variiert werden. Vor dem Auslösen des Schweißimpulses wird das Schweißwerkzeug mit einem statischen Fügedruck zwischen 20 und 60 MPa auf die Fügeteile aufgepresst. Dabei ist die Fügekomponente, die die höhere Duktilität aufweist, stets der Sonotrode zugewandt. Die Dicke des aufzubringenden Materials darf ca. 1 mm nicht überschreiten, da ansonsten die Schwingungen im Werkstoff zu stark absorbiert werden und es zu keiner für die Erzeugung einer Schweißung ausreichenden Relativbewegung zwischen den Fügeteilen kommt. Nachdem die Fügekraft aufgebracht worden ist, wird eine vorgegebene Energiemenge zwischen 100 und 500J in die Fügeteile eingeschallt. Dies entspricht ca. 4J/mm2 Schweißfläche. Die Schweißzeit liegt dabei bei maximal 1,2s. Um eine gleichmäßige Energieeinbringung über die gesamte ringförmige Schweißzone sicherzustellen, ist es erforderlich, dass die Fügeteile möglichst parallel zur Sonotrode ausgerichtet sind.

Da dies mit einem einfachen rein mechanischen Positioniersystem aufgrund der in der industriellen Fertigung von Massenteilen stets vorhandenen geometrischen Formungenauigkeiten der Fügeteile nicht ausreichend genau realisiert werden kann, wurde am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Universität Kaiserslautern ein luftgelagerter Amboss entwickelt, der eine selbstständige parallele Ausrichtungen aller Komponenten durch die Schweißkraftaufbringung ermöglicht und die Flächenpressung dadurch vergleichmäßigt (Abbildung 2.2). Dieser Amboss bildet die Voraussetzung für das Verschweißen von gegen starke Temperaturgradienten empfindlichen Materialien, da durch seine Verwendung eine örtlich begrenzte unzulässig hohe Energieeinbringung vermieden wird.

3 Werkstoffe und zerstörende Prüfverfahren

Im Folgenden sollen Metall/Al-Schaum-Verbunde sowie Metall/Keramik bzw. Glas/Keramik-Verbunde untersucht werden. Zur Durchführung der Zugscherversuche wird eine Einspannung gemäß Abbildung 3.1 verwendet [2].

Abbildung 3.1: Einspannung Zugscherversuch; rechts: geprüfte Zugscherprobe.

Diese ermöglicht eine weitestgehend biegemomentfreie Prüfung der Werkstoffverbunde, wobei gleichzeitig die bruchempfindliche Werkstoffkomponente einer günstigeren Druckbeanspruchung unterworfen wird.

Die Blech/Al-Schaumverbunde [3, 4] wurden durch Ultraschalltorsionsschweißen erzeugt. Dabei wurden Al-Schäume aus AlSi7 und aus AlMgSi0,5 sowie die Aluminiumlegierung AlZnMgCu0,5 und der Fahrzeugstahl DC01 als Deckblech eingesetzt. Die Verbindung wurde stets über eine weichgeglühte Reinaluminiumfolie realisiert, da diese eine ausreichende Duktilität zur großflächigen Kontaktzonenausbildung besitzt. Die erzielten maximalen Zugscherfestigkeiten für diese Verbunde sind in Tabelle 3.1 dargestellt.

Zugscherfestigkeit in MPa AISi7/AI AIMgSio, 5/AI
AIZnMgCuo,5 10,3 19,9
DC01 6,7 9,2
Tabelle 3.1: Mittlere Zugscherfestigkeiten bei Metall/Schaumverbunden

Die höchsten Zugscherfestigkeiten wurden für AlMgSi0,5-Schaum/Al/AlZnMgCu0,5-Blech-Verbund bei einer Amplitude von 30µm und einer Schweißkraft von 500N erzielt. Die geringeren Festigkeiten für die weiteren Paarungen lassen sich durch ein ungünstigeres Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verschweißenden Komponenten erklären. Betrachtet man die Fügezone eines ultraschallgeschweißten Schaum/Blech-Verbundes, so erkennt man die gleichmäßige Oberflächenanpassung. Der übergangsbereich ist nur sehr schmal ausgebildet. Oberflächenunebenheiten gleicht die Aluminiumzwischenfolie aus (Abbildung 3.2).

Abbildung 3.2: REM-Aufnahme eines ultraschallgeschweißten Blech/Zwischenfolie/Schaumverbundes

Bei Torsionsschweißungen an ZrO2/Al/NiCo2917-Verbunden konnten mittlere Zugscherfestigkeiten von 80 MPa realisiert werden. Betrachtet man die Fügezone am Beispiel eines Al2O3-Monokristallin/Al-Polykristallin-Verbund in einer TEM-Aufnahme, so wird deutlich, dass die Fügezone zwischen den Fügepartnern lediglich zwei bis zehn Nanometer stark ist (Abbildung 3.3).

Abbildung 3.3: TEM-Aufnahme der Fügezone eines ultraschallgeschweißten Al/Al2O3-Verbundes

Bei REM-Aufnahmen an polykristallinen Keramiken ist zudem zu erkennen, dass sich das Aluminium in die Unebenheiten der Keramik einpresst [5]. Festigkeitsuntersuchungen geben aber lediglich im Mittel die Qualität der Fügezone wieder. Mit metallographischen Methoden kann nur ein kleiner Bereich der Fügezone betrachtet werden. Die Auswahl hinsichtlich der Gesamtfläche ist dabei meist zufällig.

4 Ergebnisse der zerstörungsfreien Untersuchungen

Erstmalig kamen für derartige ultraschallgeschweißte Verbunde zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Anwendung. Sie haben zum Ziel, die Größe und Gleichmäßigkeit der nicht einsehbaren Schweißzone zu bestimmen sowie mögliche Schäden, verursacht durch den Schweißvorgang selbst oder durch die in den Werkstoffverbund thermisch induzierten Eigenspannungen, zu detektieren. Um das geeignetste Prüfverfahren zu selektieren, kamen verschiedene Prüfmethoden zum Einsatz. Hierzu zählen die Ultraschalltauchtechnik, das Wirbelstromverfahren, die Wärmewellenanalyse, die Radioskopie und die Mikro-CT. Das Wirbelstromverfahren und die Wärmewellenanalyse sind durch ihre geringere Eindringtiefe sowie die Begrenzung auf bestimmte Materialien (Wirbelstromprüfung nur an leitfähigen Materialien) bedingt einsetzbar. Da sich die Dicke der Fügezone im Nanometerbereich bewegt, erwies sich ihre Bewertung mittels Radioskopie aufgrund der geringen Absorptionsunterschiede zwischen guten und schlechten Schweißnahtbereichen als schwierig. Die für die genannten Verfahren geltenden Beschränkungen sind für die Ultraschallprüfung weniger bzw. nicht relevant.

Abbildung 4.1: C-Scan Befund eines Werkstoffverbundes Kalknatronglas/Al-Folie/Metall

Bei diesem Verfahren werden Ultraschallwellen mittels eines Prüfkopfes erzeugt und in das zu prüfende Bauteil geleitet. Befindet sich im Bauteil ein Fehler, z.B. eine Pore oder Riss, so wird der Ultraschall an diesem Fehler reflektiert. Der reflektierte Ultraschall kann vom Prüfkopf, der jetzt als Empfänger fungiert, aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Um die Ultraschallsignale aus der Schweißnaht vom Oberflächenecho zu trennen, benötigt man eine relativ hohe Prüffrequenz (mindestens 25MHz), da die verschweißten Platten sehr dünn sind. Bei dieser hohen Prüffrequenz ist die Auslenkung der Festkörperteilchen sehr klein. Sie beträgt bei einer Prüffrequenz von 25MHz in Stahl nur 0,5nm. Daher können mit dieser Prüfmethode auch Fehler nachgewiesen werden, die in axialer Richtung kleiner als die Schweißnahtbreite (10nm) sind. Die laterale Auflösung ist zudem vom verwendeten Prüfkopf abhängig. Die Prüfungen erfolgten ausschließlich mit sogenannten Fokusprüfköpfen. Diese besitzen in ihrem Fokuspunkt den kleinsten Schallfelddurchmesser. Im Fall des verwendeten 25-MHz-Prüfkopfes liegt der Fokuspunktdurchmesser bei 0,5mm.

Die Abbildung 4.1 zeigt den Ultraschallbefund einer mit einem Metallplättchen verschweißten Glasplatte. Die Einschallung erfolgte glasseitig. Die Dicke der Glasplatte betrug 4mm. Die grünen und die roten Flächen in dem Ultraschallbefund weisen darauf hin, dass an diesen Stellen eine intakte Schweißverbindung der beiden Komponenten vorliegt (geringe Amplitude). Jedoch ist deren Anteil bezogen auf die gesamt zu verschweißende Fläche (ringförmige Struktur in der oberen rechten Abbildung) sehr gering. Im Bereich der blauen Fläche wurde eine hohe Amplitude des reflektierten US-Signals festgestellt. Hier muss es zu einer starken Reflexion an der Grenzfläche Glas/Metall gekommen sein, was gleichbedeutend mit einer fehlerhaften Schweißnaht ist. Diese im C-Scan sichtbaren Strukturen sind auch visuell zu erahnen. Eine eindeutige Unterscheidung zwischen fehlerfreien und einem fehlerbehafteten Schweißnahtbereichen ist aber erst nach einer Ultraschalluntersuchung möglich.

Eine weitere Möglichkeit, sich einen Einblick in das Innere der Bauteile zu verschaffen, bietet die Computertomographie (Abbildung 4.2). Dies geschieht durch die Rekonstruktion der aus verschiedenen Winkeln aufgenommenen Durchstrahlungsbilder.

Abbildung 4.2: 3D-Darstellung von Mikro-CT Daten des Werkstoffverbundes Al-Blech/Al-Folie/Al-Schaum (links und rechts unten), 2D-Schnitt durch das 3D-Tomogramm (rechts oben).

Man erhält mit diesem Verfahren einen detaillierten Eindruck vom Aufbau des Verbundwerkstoffs (Al-Blech/Al-Folie/Al-Schaum). Die Tomogramme können dazu verwendet werden, den erreichbaren Flächentraganteil der Schweißnaht zu ermitteln. Dazu wird die Schweißnaht mittels einer Visualisierungssoftware freigelegt (siehe Abbildung 4.2 rechts unten). Hierbei handelt es sich um den für die Schweißung potentiell zur Verfügung stehenden Flächentraganteil. Mit der Computertomographie können allerdings der tatsächliche Traganteil der Schweißnaht nicht gemessen sowie mögliche Schweißnahtfehler im Nanometerbereich nicht detektiert werden. Dies gelingt nur mittels der Ultraschallprüfung (Abbildung 4.3).

Abbildung 4.3: C-Scan Befund eines Werkstoffverbundes Al-Blech/Al-Folie/Al-Schaum. Oben rechts: abgeschältes Al-Deckblech mit Al-Folie.

Eine an der gleichen Probe durchgeführte US-Prüfung mit einem fokussierenden 25-MHz-Prüfkopf ergab eindeutig, dass es in der Schweißnaht Bereiche guter (rot) und schlechter (Farbe blau) Anbindung zwischen dem Schaumwerkstoff und der 3mm dicken Deckblech gibt. Bei den blauen Bereichen handelt es sich um das Rückwandecho des Deckbleches. In den Bereichen der guten Anbindung ist die Al-Zwischenfolie eine stoffschlüssige Verbindung sowohl mit dem Schaum als auch mit dem Deckblech eingegangen, wie die lichtmikroskopische Aufnahme des abgeschälten Deckbleches in Abbildung 4.3 oben rechts belegt. Im Gegensatz dazu sind die im Ultraschallbefund als schlecht erachteten Zonen tatsächlich nicht oder unzureichend verschweißt.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Ausbildung einer US-torsionsgeschweißten Naht zwischen zwei opaken Fügepartnern zerstörungsfrei geprüft werden kann. Beispielweise können Ungleichmäßigkeiten und Lücken in der Ausbildung der ringförmigen Schweißflächen mit dem Ultraschall-Verfahren detektiert werden. Dadurch ist es möglich, gezielt Bereiche auszuwählen, in denen anschließend die Bindungsbildung mittels metallographischer Anschliffpräparation untersucht wird. Ferner besteht die Möglichkeit, mittels Ultraschallprüfung die Parallelität der Fügeteile während des Schweißvorgangs zu überprüfen und den tatsächlichen Traganteil der Schweissnahtfläche zu messen. Anhand dieses Messwerts können die Ultraschalltorsionsschweißparameter im Hinblick auf die volle Nutzung des erreichbaren Flächentraganteils der Schweißnaht optimiert werden.

Weiterhin können nach den zerstörenden Prüfungen die mechanisch-technologischen Kennwerte wie Zugfestigkeit und Zugscherfestigkeit unter Berücksichtigung des tatsächlichen Traganteils der Schweißnaht berechnet werden. Die dargestellten grundlegenden Untersuchungen zeigen deutlich die Eignung der Ultraschallprüfung für ultraschallgeschweißte Werkstoffverbunde. Ziel weiterer Forschungen wird es daher sein, die Anwendungspotentiale für derartige Verbunde genauer zu beschreiben um eine zügige industrielle Umsetzung des Prüfverfahrens zu ermöglichen.

6 Literatur

  1. Wagner, G.; Roeder, E.; Wagner, J.; Eifler, D.: Bedeutung der Fügeflächentemperatur bei der Herstellung von Keramik/Metall-Verbunden durch Ultraschallschweißen. DVS-Berichte 192 (1998), 325/328
  2. Kuckert, H.; Born, Ch.; Wagner, G.; Eifler, D.: Ultraschall-Torsionsschweißen teilspröder Werkstoffverbunde. Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Wiley-VCH, Weinheim (2001) 617-623
  3. Born, Ch.; Kuckert, H.; Wagner, G.; Eifler, D.: Ultrasonic spot welding of aluminium foams to sheet metal. International Conference on Cellular Metals and Metal Foaming Technology,18.-20. Juni 01, Bremen, Verlag Metall Innovation Technologie MIT, Bremen (2001) 485-488
  4. Born, Ch.; Kuckert, K.; Wagner, G.; Eifler, D.: Ultraschallschweißen metallischer Schäume mit Blechen. Metallschäume, Hrsg. H. P. Degischer, Wiley-VCH Weinheim, Sonderdruck Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31 (2000) 547-549
  5. Wagner, J.; Schlicker, U.; Eifler, D.: Bindungsbildung beim Ultraschallschweißen von Keramik mit Metall. Schweißen &Schneiden 50, Heft 10, (1998), 636/642

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