DVS 2950-2010 Resistance welding in electronics and fine mechanics - Overview and fundamentals.pdf

1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Widerstandsschweien“Nachdruck und Kopie, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11)

2、15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vor

3、liegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Beurteilung von Oberflchenzustnden an Halbzeugen aus Kupfer und Kupferlegierungen auf der Basis gemessener bergangswider-stnde im Hinblick auf die Eignung fr das Widersta

4、ndsschweien.This document describes the valuation of surface conditions of copper and copper alloy semi-finished products by measuring the transition resistance with regard to the suitability for resistance welding. Inhalt:1 Zweck des Merkblatts2 Geltungsbereich3 Grundlagen3.1 Einfluss der Oberflche

5、nvorbehandlung bzw. Oberflchen-veredelung3.2 Einfluss der Stromanstiegsgeschwindigkeit3.3 Einfluss von Elektrodengeometrie, Elektrodenkraft, Elektrodenwerkstoff, Blechdicke und Blechwerkstoff3.4 Einfluss von Setzvorgngen und zeitliche Vernderung des Widerstands4 Messverfahren und Messeinrichtungen4.

6、1 Messung an Buckelblechen und Kontaktprofilen4.2 Messung bei konstantem Messstrom5 Anwendungsbeispiele5.1 Messung bei konstantem Messstrom (Methode 1)5.2 Messung bei ansteigendem Strom (Stromrampe Methode 2)6 Ergnzende Hinweise7 Schrifttum1 Zweck des MerkblattsIn diesem Merkblatt werden Mglichkeite

7、n der praktischen An-wendung der in Merkblatt DVS 2929-1 und DIN EN ISO 18594 beschriebenen Verfahren und Prfumfnge fr das Ermitteln des bergangswiderstands an Kupfer und Kupferlegierungen aufge-zeigt.Zweck des Merkblatts ist die Beurteilung von Oberflchenzustn-den im Hinblick auf die Eignung von Ha

8、lbzeugen aus Kupfer und Kupferlegierungen fr das Widerstandsschweien. Ein vernder-ter bergangswiderstand lsst auf vernderte Materialeigen-schaften bzw. auf vernderte Herstellungsparameter schlieen, welche Einfluss auf die Schweieignung und somit auf die Ferti-gung haben knnen. Das Messverfahren ist

9、fr den Halbzeughersteller (Kontrolle des Oberflchenzustands oder der Wirksamkeit einer durchgefhrten Oberflchenbehandlung an Stichproben) und fr den Anwender (Anlieferungszustand, Zustand nach Lagerung, Zustand nach Beizen oder Brsten vor dem Schweien) bestimmt. 2 GeltungsbereichDieses Merkblatt gil

10、t fr Messungen des bergangswiderstands am Einzelblech, an zwei berlappenden Blechen oder an mit pla-nen Blechen berlappenden Buckelblechen oder Kontaktprofilen (s. Merkblatt DVS 2813) mit oder ohne Oberflchenveredelung (s. DIN EN 14436 und DIN EN 13148) sowie mit oder ohne Ober-flchenvorbehandlung b

11、ei einer Blechdicke von 0,1 bis 2,0 mm. 3 GrundlagenFr die Anwendung dieses Merkblatts gelten die in Merkblatt DVS 2929-1 und DIN EN ISO 18594 festgelegten Begriffe.3.1 Einfluss der Oberflchenvorbehandlung bzw. Oberflchenveredelung Oberflchen von Blechen weisen eine von der Art der Herstellungabhngi

12、ge unebene, raue Oberflchenstruktur auf. Bei unbe-schichteten metallischen Werkstoffen bildet unter idealen Bedin-gungen eine Oxidhaut die uere Oberflchenschicht. Bei tech-nischen Werkstoffen, wie Blechhalbzeugen knnen gezielte Ober-flchenmodifikationen hinzukommen. Fr Kupfer und Kupferlegierungen w

13、urden eine Reihe von Ober-flchenveredelungen entwickelt. Dazu gehren u. a.: elektrolytisch veredelt elektrolytisch reflow veredelt schmelztauchveredelt.Die Art und Ausfhrung der Blechoberflche (u. a. berzugswerk-stoff(e), einseitige/beidseitige Beschichtung, Texturierung, Reini-gungsprozess, Vorbeha

14、ndlung, Applikation von Schmierstoffen) knnen einen signifikanten Einfluss auf die Kontaktwiderstnde der Blechteile haben und sind somit beim Widerstandsschweien von groer Bedeutung fr die Gre des Schweibereichs, die Elektrodenstandmenge und das Schweiergebnis.Widerstandsmessungen bei konstantem Mes

15、sstrom an unbeschich-teten und beschichteten Einzelblechen zeigen deutlich die grund-stzlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Beschichtungs-systemen im Neuzustand, Bild 1. Whrend eine Verzinnung oder Versilberung zu einer generellen Absenkung des bergangswider-stands fhrt, wird bei einer Nickel

16、phosphor-Beschichtung ein hherer bergangswiderstand als beim unbeschichteten Blech gemessen.Beim Widerstandspunktschweien ergeben sich charakteristischezeitliche Verlufe fr die aus dem Schweistrom und den Span-nungen zwischen den Abgriffen an Elektroden und Blechenden ermittelten Widerstandsanteilen

17、 des Gesamtbergangswiderstands.Beim Punktschweien unbeschichteter Bleche nehmen alle Wider-standsanteile mit zunehmender Stromzeit rasch ab, Bild 2. Im Gegensatz dazu bleibt der bergangswiderstand zwischen Elek-trode und Blech bei elektrolytisch verzinnten Blechen bei fort-schreitendem Schweiprozess

18、 nahezu konstant.Messung des bergangswiderstands Anwendung bei Kupfer und KupferlegierungenMethod for determining the transition resistance Application for copper and copper alloysMrz 2015MerkblattDVS 2929-4B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929B

19、EST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 2929-4Der bergangswiderstand zwischen Elektrode und unbeschich-tetem Blech unterschreitet in dem Beispiel aus Bild 2b nach etwa 17 ms Stromzeit das Widerstandsniveau zwischen Elektrode und elektrolytisch verzinntem Blech. Der bergangswiderst

20、and zwi-schen den elektrolytisch verzinnten Blechen ist hingegen whrendder gesamten Schweizeit niedriger als zwischen den Blechen ohne Oberflchenbeschichtung, Bild 2c. Der Punktschweiprozessder elektrolytisch verzinnten Bleche aus CuSn6 wird vorwiegend durch deren Stoffwiderstnde geprgt. Entsprechen

21、d zeigt sich bei fortschreitendem Schweiprozess die Erwrmung der Bleche in einem leichten Ansteigen der Widerstnde. Die Schweistrmewurden fr diese elektrolytisch verzinnten Bleche im Vergleich zum unbeschichteten Blech kleiner gewhlt, um ein Aufschmelzendes Blechwerkstoffs zu vermeiden.Bild 1. berga

22、ngswiderstand von unbeschichteten und beschichteten Einzelblechen bei konstantem Messstrom (Mittelwerte aus jeweils zehn Messungen Standardabweichung, Messstrom: 1 A, Elektrodenkraft: 300 N, Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius der Elektroden: 50 mm).Bild 2. Abhngigkeit des Schweistroms a), de

23、s Widerstands zwischen Elektrode und Blech b) und des Widerstands zwischen den Ble-chen c) von der Schweizeit beim Punktschweien von Blechen aus CuSn8 und CuSn6 mit unterschiedlichen Oberflchen (Blech-dicke: 0,4 mm, Stromzeit: 50 ms, Elektrodenkraft: 300 N, Elekt-rodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradiu

24、s der Elektroden: 50 mm).Schweistroma)Strom/Ab)c)B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 2929-43.2 Einfluss der Stromanstiegsgeschwindigkeit Die Widerstandsnderung zu Beginn der Stromfluss

25、zeit ist ab-hngig von der Stromanstiegsgeschwindigkeit. An der Schwei-steuerung lassen sich ber die Stromanstiegszeit Stromanstiegs-geschwindigkeiten einstellen. Die maximal erreichbare Stroman-stiegsgeschwindigkeit einer Schweieinrichtung ist im Wesent-lichen abhngig von der Induktivitt des Sekundr

26、stromkreises (Schweifenster). Bild 3 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der bergangswiderstandsanteile in Abhngigkeit von der einge-stellten Stromanstiegsgeschwindigkeit fr unbeschichtete und elektrolytisch verzinnte Bleche aus CuSn6 (Widerstand zwischen Elektrode und Blech und zwischen den B

27、lechen).3.3 Einfluss von Elektrodengeometrie, Elektrodenkraft, Elektrodenwerkstoff, Blechdicke und BlechwerkstoffBeim Widerstandspunktschweien fhren wechselnde Ballenradiender Elektroden ebenso wie Elektrodenwerkstoffe unterschiedlicherFestigkeit und variierende Blechdicken zu verschiedenen elastisc

28、h-plastischen Verformungen im Bereich der Kontaktstellen. Bild 4 gibt die mittels Finite-Elemente-Methode berechnete Flchen-pressungsverteilung (axiale Spannung bzw. Kontaktdruck) im Be-reich der Kontaktflche Elektrode/Blech fr Einzelblechanordnungwieder. Hierbei wird der Zuwachs der Kontaktflche mi

29、t steigen-der Elektrodenkraft deutlich. Der Kontaktradius r“ ist in dem ge-zeigten Beispiel definiert als der halbe Durchmesser der Kontakt-flche A am bergang Elektrode/Blech bei Draufsicht (projizierte Flche). Die Gre der Kontaktflche A ergibt sich fr den jeweilsermittelten Kontaktradius zu A = r2.

30、Fr Elektroden mit 50 mm Ballenradius ist der Flchenzuwachs in Abhngigkeit von der Elektrodenkraft erwartungsgem gr-er als bei Elektroden mit 20 mm Ballenradius. Bei kleinerem Ballenradius stellt sich geometrisch bedingt eine hhere maxima-le Flchenpressung zwischen Elektrode und Blech ein. So wer-den

31、 fr eine Elektrodenkraft von 300 N bei Verwendung von Elektroden mit 20 mm Ballenradius eine maximale Flchenpres-sung (Kontaktdruck) von 600 MPa in der FE-Berechnung er-reicht, whrend mit 50 mm Ballenradius bei gleicher Elektroden-kraft Werte von etwa 470 MPa vorliegen. Im ersten Fall liegt der Kont

32、aktdruck deutlich oberhalb der Streckgrenze der verwende-ten CuCr1Zr-Elektroden (Rp0,2= 450 MPa) und fhrt somit zu ei-ner bleibenden plastischen Verformung in den Kontaktbereichen (Abplatten der Elektrodenarbeitsflchen).Bild 3. Widerstandsverlauf zwischen Elektrode und Blech (links) und zwischen den

33、 Blechen (rechts) in Abhngigkeit von der Stromanstiegsgeschwin-digkeit Messungen an je zwei sich berlappenden unbeschichteten (oben) bzw. elektrolytisch verzinnten Blechen aus CuSn6 (unten) (Blech-dicke: 0,4 mm, Ausschnitt: 0 t 5 ms, Prfkraft: 300 N, Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Ballenradius der El

34、ektroden: 50 mm).B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 4 zu DVS 2929-4Bild 4. Finite-Elemente(FE)-Berechnung Einfluss der Elektrodengeometrie (des Ballenradius) auf die Flchenpressung im Bereich

35、der Kontaktflche Elektrode/Blech fr unterschiedliche Elektrodenkrfte (Elektrodenwerkstoff: CuCr1Zr, Blechwerkstoff: Cu-ETP, R290; Blechdicke: 0,4 mm). Bild 5. Mittels Finite-Elemente(FE)-Berechnung ermittelte Kontaktflche am bergang Elektrode/Blech in Abhngigkeit von der Elektrodenkraft Einflussvon

36、Elektrodengeometrie (Ballenradius: 50 mm; 20 mm) und Elektrodenwerkstoff (CuCr1Zr; Wolfram).Bild 6. Mittels Finite-Elemente(FE)-Berechnung ermittelte Kontaktflche am bergang Elektrode/Blech in Abhngigkeit von der Elektrodenkraft Einflussvon Blechdicke (0,2 mm; 0,4 mm; 0,6 mm) und Blechwerkstoff (Cu-

37、ETP, R290; CuSn8, R685).Ballenradius 50 mm Ballenradius 20 mmVergleich: Ballenradius 50 mm 20 mm Vergleich: CuCr1Zr WolframVergleich: Blechdicke 0,2 mm 0,6 mm Vergleich: Cu-ETP CuSn8B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollect

38、ion - Stand 2016-11Seite 5 zu DVS 2929-4Wolfram-Elektroden zeigen wegen des greren Elastizitts-moduls und der hheren Streckgrenze fr den Werkstoff Wolfram (E = 410 GPa, Rp0,2= 600 MPa) eine geringere elastisch-plasti-sche Verformung als Elektroden aus CuCr1Zr (E = 110 130 GPa)und erzielen deshalb be

39、i gleichem Ballenradius und gleicher Elektrodenkraft eine kleinere Kontaktflche, Bild 5 rechts.Auch in Abhngigkeit von der Blechdicke ergibt sich eine unter-schiedliche Verteilung der Druckspannung im Blech zwischen den Elektroden 4. Ein Vergleich von Blechen unterschiedlicher Dicke (t = 0,2; 0,4 un

40、d 0,6 mm) aus dem Werkstoff CuZn37 zeigt fr dickere Bleche bei gleicher Elektrodenkraft eine grere Kon-taktflche, Bild 6 links.Ein Vergleich von Blechen gleicher Blechdicke (t = 0,4 mm) aus Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeit und Flieeigenschaften (Rp0,2(Cu-ETP, R290) = 300 MPa, Rp0,2(CuSn8, R6

41、85) = 710 MPa)zeigt entsprechend der Fliegrenze fr den Werkstoff Cu-ETP eine frher einsetzende plastische Verformung und damit bei gleicher Elektrodenkraft eine vergleichsweise grere Kontaktfl-che, Bild 6 rechts.Die signifikante geometrische Wirkung des Ballenradius ist nebender Blechdicke von mageb

42、lichem Einfluss auf die Gre der Kontaktflche in Abhngigkeit von der Elektrodenkraft. Entspre-chend ndert sich abhngig von der Elektrodenkraft der gesamte elektrische Widerstand der Struktur (Anordnung bestehend aus Elektroden und Blech). Dieser Sachverhalt wird in Bild 7 deutlich. Das Ergebnis zeigt

43、, dass der Widerstand der gesamten Struktur mit wachsender Kontaktflche entsprechend abnimmt.Mit zunehmendem Verschlei der Elektroden steigt der Kontakt-widerstand am bergang Elektrode/Blech und damit auch der bergangswiderstand. Daher sollten fr bergangswiderstands-messungen neue oder spanabhebend

44、bearbeitete (geschliffen und poliert) Elektroden verwendet werden.Bild 7. Berechneter Widerstand der Finite-Elemente-Struktur in Abhn-gigkeit von Elektrodengeometrie (Ballenradius) und Prfkraft (Einzelblechanordnung, Randbedingungen fr das Rechenmodell:keine Kontaktwiderstnde, lediglich Geometrieein

45、fluss und Stoff-widerstand). 3.4 Einfluss von Setzvorgngen und zeitliche Vernderung des WiderstandsBei der Messung mit konstantem Messstrom zeigt sich abhngig von den untersuchten Blechsystemen eine zeitliche Vernderung des Widerstandswertes bei konstanter Prfkraft. Bild 8 zeigt dies exemplarisch fr

46、 Einzelblechmessungen an unbeschichteten bzw.vergoldeten Blechen aus dem Werkstoff Cu-ETP, R220.Bild 8. Zeitliche Vernderung des bergangswiderstands Zwei Kurvenscharen aus jeweils zehn Messungen an Blechen aus dem Werkstoff Cu-ETP, R220, links unbeschichtet, rechts elektrolytisch vergoldet (Blechdic

47、ke: 0,4 mm, Ballenradius der Elektroden: 50 mm, Prfkraft: 300 N, Strom: 1 A konstant).An den in Tabelle 1 aufgefhrten Kupferwerkstoffen wurden Unter-suchungen zum Lagereinfluss durchgefhrt. Nach erfolgter Rei-nigung durch geeignete tzung wurden bergangswiderstands-messungen (Einzelblechmessungen) na

48、ch verschiedenen Zeitab-stnden whrend der Lagerung in ruhender Luft/Raumtemperaturdurchgefhrt. Die Prfbedingungen entsprachen den Vorgaben aus Abschnitt 4.2, Tabelle 2 (Prfkraft: 300 N, Elektrode CuCr1Zr,Ballenradius 50 mm, Messstrom 1 A).B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65

49、CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 6 zu DVS 2929-4Die Ergebnisse der bergangswiderstandsmessung, jeweils Mittel-werte aus sieben Messungen, zeigen innerhalb des Messzeitrau-mes einen stetigen Anstieg des bergangswiderstandes mit der Dauer der Lagerung. Beispielsweise stieg bei Proben aus Mate