Das Metall-Ultraschallschweißen (M-USS) ist ein festphasenbasiertes Fügeverfahren, das durch hochfrequente Relativbewegungen unter gleichzeitigem Druck eine stoffschlüssige Verbindung ohne Aufschmelzen der Werkstoffe ermöglicht. Insbesondere beim Fügen von Aluminium- und Kupferwerkstoffen bietet das Verfahren entscheidende Vorteile. Es ermöglicht kurze Prozesszeiten, eine hohe Energieeffizienz, die Vermeidung von Sprödphasen durch geringe thermische Belastung sowie die Möglichkeit, unterschiedliche Werkstoffkombinationen prozesssicher miteinander zu verbinden. M-USS ist folglich eine Schlüsseltechnologie für die Herstellung elektrischer Kontakte in der Energie- und Elektromobilitätsbranche. Das Verfahren findet daher bevorzugt Anwendung bei der Verbindung von Aluminium-Litzen mit Kupfer-Terminals, da in diesem Kontext eine zuverlässige und dauerhaft leitfähige Verbindung gefordert wird, die sowohl elektrische als auch mechanische Anforderungen erfüllt.
Während des Schweißprozesses können werkstoffbedingte, anlagentechnische oder bedienerseitige Einflüsse zu fehlerhaften Verbindungen führen. Die etablierte Prozessüberwachung erlaubt jedoch nur eine eingeschränkte Identifikation solcher Abweichungen. Zerstörende Stichprobenprüfungen können zwar Hinweise auf die Gesamtqualität der Schweißverbindungen liefern, bergen jedoch das Risiko, einzelne Gut-Schweißungen fälschlicherweise als Ausschuss zu klassifizieren.
In dieser Untersuchung wird die in-situ erfasste Thermospannung während des Fügeprozesses als Indikator für die Qualität der Schweißverbindung herangezogen. Die artfremden Fügepartner Aluminium-Litze und Kupfer-Terminal bilden dabei einen geschlossenen Leiterkreis, in dem infolge des prozessbedingten Temperaturgradienten eine charakteristische Thermospannung entsteht. Diese wurde systematisch mit den mechanischen Eigenschaften der Verbindungen korreliert. Es konnte gezeigt werden, dass eine enge Beziehung zwischen beiden Größen besteht, wodurch die Verbundqualität jeder Einzelschweißung unmittelbar prognostiziert und Fehlausschuss vermieden werden kann. Zur Validierung des Systems wurden in Laborversuchen verschiedene praxisnahe Umwelteinflüsse nachgestellt. Hierbei wurden neben den thermoelektrischen und mechanischen Eigenschaften der Verbunde auch die anlagentechnische Prozessüberwachung bewertet sowie der hochfrequente M-USS-Prozess durch vibrometrische Messungen erfasst. Mittels des entwickelten Systems ist es nun möglich, unmittelbar verlässliche Prognosen über die Verbundqualität der Paarung Aluminium-Litze/Kupfer-Terminal zu treffen.