Verbindetechnik Volle Kontrolle beim Kabelsatz: Schweißen mit Ultraschall

Autor / Redakteur: Ellen-Christine Reiff, Christian Huber* / Karin Pfeiffer

Jede Menge Sensoren und Kamerasysteme assistieren heute beim Fahren – wenn die Verbindung mit den Steuer- und Regeleinheiten funktioniert. Der Kabelsatz ist damit eine Schlüsselkomponente. Telsonic erklärt, warum Schweißen mit Ultraschall ein praxistaugliches Verfahren ist, um Litzen zu verbinden – und welche zusätzlichen Benefits diese Verbindetechnik bietet.

Nur so sicher wie der Kabelsatz: autonome Fahrzeuge.
Nur so sicher wie der Kabelsatz: autonome Fahrzeuge.
(Bild: 123RF-thelightwriter)

Autonomes Fahren – das klang mal wie Science Fiction. Inzwischen geht es eher darum, wann die Entwicklung den Menschen als Fahrer überflüssig macht. Experten haben den Weg dahin in fünf Autonomiestufen gegliedert: Von assistiertem bis zum vollständig autonomen Fahren wird dem Menschen dabei grob skizziert von der Technik mehr und mehr Verantwortung abgenommen. Dass dies neuen Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit einhergeht, liegt auf der Hand. Eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen und der anderen Verkehrsteilnehmer muss verhindert werden. Für das notwendige Sicherheitslevel setzen die Hersteller ähnlich wie in der Flugzeugtechnik auf zwei Ansätze: zuverlässige Technologie und Redundanz.

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Das entsprechende Vorgehen ist in der ISO 26262 definiert und soll die funktionale Sicherheit der elektrischen und elektronischen Systeme sowie Komponenten im Kraftfahrzeug gewährleisten. Allerdings: Die besten Sensoren und Kameras nutzen nichts, wenn sie nicht zuverlässig mit den Steuer- und Regeleinheiten verbunden sind. Automobilhersteller fordern deshalb auch Aussagen zur Technologie und Zuverlässigkeit des Kabelsatzes.

Und das macht Verbindetechnik auch hier zum Thema. Der Ultraschall-Spezialisten Telsonic mit Hauptsitz im schweizerischen Bronschhofen sieht im Metallschweißen eine passgenaue Lösung. Dabei kommt es für eine solche Automotive-Applikation von der Designphase bis zur Integration auf etliche Parameter an.

Litzen schweißen mit Ultraschallwellen

Sollen einzelne Litzen miteinander oder mit einem Terminal verbunden werden, gilt das Schweißen mit Ultraschall als bewährt und zuverlässig. Die rein metallische Verbindung kennt keine Alterung oder Ermüdung. Und OEMs und Kabelkonfektionierern sollen bis dato keine spontanen Ausfälle bekannt sein. Die stoffschlüssige Verbindung sorgt zudem für sehr geringe Übergangswiderstände. Es lassen sich sowohl gleiche als auch unterschiedliche Materialien miteinander verbinden, zum Beispiel Kupfer und Aluminium. Zusätzliche Verbrauchsmaterialien wie Hülsen, Lote oder Flussmittel sind nicht notwendig, weil die Metalle direkt miteinander verschweißt werden. Hinzu kommen kurze Prozesszeiten und eine geringe thermische Belastung der Fügepartner. Die Materialeigenschaften ändern sich nicht und auch angrenzende Materialien, z.B. Isolierungen, bleiben intakt. Zudem lässt sich eine durchgängige Prozesskontrolle einfach realisieren. Defekte Teile werden erkannt und aussortiert. Je nach Automatisierungsstufe der Anlage lassen sich schlechte Teile sofort entsorgen und Folgefehler vermeiden.

Trotz der Prozesskontrolle und Fehlererkennung sollte man beim Design der Verbindungsstellen und bei der Produktionsvorbereitung die richtige Vorgehensweise beachten. Grundlage sind zum einen die Branchennormen USCAR38 und USCAR45 des SAE international (Society of Automotive Engineers). Viele Automobilzulieferer und Kabelkonfektionierer haben zudem eigene Vorschriften und Richtlinien, die es zu berücksichtigen gilt.

Die Verbindungstelle muss so ausgelegt werden, dass sie den mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen beim Fahrzeugbetrieb ein Autoleben lang standhält. Dabei spielt beispielsweise die Anzahl der Litzen eine Rolle, denn ab einer gewissen Anzahl wird das Einlegen schwierig. Nicht korrekt eingelegte Litzen werden zwar von der Prozesskontrolle als Schlechtschweißung erkannt, aber um diesen Ausschuss zu vermeiden, hat sich in der Praxis eine maximale Anzahl von acht Leitungen bewährt. Der kleinste Leiterquerschnitt sollte dabei mindestens 7 % des Gesamtquerschnitts betragen, 9 % bei Abmessungen unter 5 mm², damit fehlende Litzen zuverlässig erkannt werden. Dabei soll der größte Querschnitt maximal dreimal so groß sein wie der kleinste.

Ein Spezialfall im Litzenschweißen, der sich zwar prinzipiell durch korrektes Einlegen oder Einlegehilfen vermeiden lässt, aber trotzdem bereits beim Design verhindert werden sollte, ist der symmetrische Knotenaufbau. Werden zwei oder vier Leiter mit gleichem Querschnitt nebeneinander statt überlappend verschweißt, kann es zu einem vertikal zweigeteilten Knoten kommen. Durch ein asymmetrisches Knotendesign lässt sich das einfach verhindern.

Leitfaden: Materialauswahl, Logistik und Konfektionierung

Großen Einfluss auf die Schweißqualität hat die Materialwahl. Am besten eignen sich Kupfer mit mindestens 99,9 % Reinheit (Cu-ETP, Cu-OFE) sowie Aluminium mit mindestens 99,5 Prozent Reinheit (1050A, 1350A, 1370A, jeweils mit Werkstoffzustand H112, respektive O oder F). Verunreinigungen mit Blei oder Beschichtungen mit Zinn wirken sich negativ aus. Gleiches gilt für größere Mengen an Extraktionsölen und Additiven auf und zwischen den Einzeldrähten. Werden Aluminiumleitungen auf Kupferterminals geschweißt, sorgt eine 3 bis 6 µm starke chemische Vernickelung der Terminals für eine hohe Festigkeit der Verbindungen.

Grundsätzlich müssen die zu verbindenden Stellen möglichst frei von Öl, Fett, Schutzmitteln und Verschmutzung sein. Auch die Lagerung des Materials muss also stimmen. Hohe Temperaturen und lange Lagerdauer führen zu stärkerer Oxidation, einer Ansammlung der in allen Leitungen vorhandenen Ziehöle am tiefsten Punkt sowie zu Ablagerungen der Weichmacher auf den Litzendrähten. Alle diese Effekte haben einen negativen Einfluss auf die Schweißqualität und führen zu vermeidbarem Ausschuss. Der ZVEI Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie bietet mit der TLF0100 einen technischen Leitfaden mit Verwendungshinweisen für automotive Leitungen. Darin empfehlen die beteiligten Kabelhersteller u.a. eine maximale Lagerung bis sechs Monate bei Temperaturen zwischen 15 und 35 °C an einem trockenen, vor Witterungseinflüssen geschützten Ort, ohne direkte Sonneneinstrahlung und UV-Einflüsse.

Die Fertigung der Kabelsätze ist ein halbautomatischer Prozess. Geschultes Personal be- und entlädt die Schweißanlagen und startet den Prozess. Terminals werden teilweise auch automatisch zugeführt, z. B. bei MAK Hochstromkontakten. Die vorbereiteten Leitungen sollten nur zum Teil abisoliert werden. Die Isolation wird erst kurz vor dem Einlegen in den Schweißbereich komplett abgezogen. Üblich sind auch Applikationsprüfungen zu Beginn eines neuen Produktionsloses sowie danach in regelmäßigen Stichproben. Auch Änderungen in der Lieferkette können veränderte Materialeigenschaften zur Folge haben und sollten ebenfalls in der Applikation überprüft werden. Ein Benutzer- und Rechtemanagement kann dabei sicherstellen, dass nur ausgebildetes Personal Änderungen an den Produktionsparametern vornimmt.

Für einen stabilen Prozess müssen die Fügepartner reproduzierbar eingelegt werden. Dafür gibt es entsprechende Masken und Anschläge. Und natürlich gehört auch die gute Wartung der Anlagen dazu, nur Originalersatzteile und technische Hilfsmittel wie beispielsweise Schlechtteilschneider und Einlegehilfen nicht manipuliert oder ausgeschaltet. Moderne Schweißanlagen ermöglichen eine Artikel- und Altersprüfung der zu verarbeitenden Fügepartner. Sie protokollieren sämtliche Schweißdaten und können sie auf ein Netzlaufwerk abspeichern. Auch die komplette Auftragsbearbeitung durch Einbindung an ein übergeordnetes MES-System wie das 4wire CAO von DiIT sind möglich.

Haben Anwender all diese Punkte bereits in der Designphase im Blick, lassen sich später Ausschuss und Probleme in der Produktion des Leitungssatzes vermeiden. [pf]

* *Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee; Christian Huber, Telsonic AG

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