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L'invention concerne des raccords destinés à être utilisés avec des fils d'aluminium. Elle concerre plus particulièrement des bornes et des raccords qui sont fixés à du fil d'aluminium, par serrage. Ce genre de raccords peut être utilisé par exemple pour réaliser une liaison forte- ment conductrice résistant à la corrosion entre des conducteurs d'aluminium et de cuivre ou entre deux conducteurs d'aluminium, Ces raccords peuvent avoir la forme d'embouts du genre de ceux qui relient l'extrémité d'un fil à une borne ou à tout autre moyen de fixation ou bien ils peuvent être con- struits de manière à relier ensemble deux ou plusieurs fils d'un même métal ou de métaux différents.
TJn certain nombre de conditions doivent être remplies pour réa- liser un raccord satisfaisant pour du fil d'aluminium. Le raccord doit réaliser une capacité adéquate conductrice de courant et une bonne conducti- bilité électrique entre le fil d'aluminium et l'autre conducteur. Cette conductibilité doit être maintenue pendant une :Longue durée et dans des con - ditions défavorables, par exemple lorsque la connexion est exposée à l'humi- dité, à une atmosphère corrosive, à des variations répétées de température etc. Le raccord doit pouvoir être appliqué facilement et rapidement sur le fil d'aluminium., de préférence, par une simple opération de serrage suppri- mant le besoin de soudage, ou de brasage.
Le raccord ne doit pas être trop grand et le prix de fabrication du raccord et celui de sa fixation au con- ducteur doivent être minimes pour permettre son utilisation commerciale maximum.
De nombreux essais ont été faits pour résoudre les problèmes qui. se posent dans la conception d'un raccord possédant les caractéristiques ci-dessus, mais, pour les raisons indiquées ci-après, on n'a pas fabriqué jusqu'à présent, de raccord donnant complètement satisfaction au point de vue commercial. Ceci est vrai même bien que plusieurs des différents problèmes relatifs à la fabrication d'une bonne connexion aient été résolus ou partiellement résolus antérieurement par les techniciens, car aucune solution n'a été trouvée ou introduite dans ces connexions pour d'autres problèmes, de sorte qu'il n'en est pas résulté de raccord satisfaisant.
En raison de ce qu'aucun raccord complètement satisfaisant n'a été imaginé jusqu'à présent, il ne s'est pas trouvé de guide dont les soi-disant solutions pourraient être utilisées dans la construction d'un raccord satisfaisant. Il est évident, d'après la considération précédente des problèmes spécifiques que, dans la construction d'une connexion, la solution d'un des problèmes dépend de la solution d'un autre des problèmes, de sorte qu' une connexion satisfaisante ne peut pas être réalisée seulement en assemblant des caractéristiques Individuelles connues sans qu'on tienne compte de leurs relations réciproques telles qu'elles s'appliquent à la connexion particuliers.
Il est probable que la difficulté la plus sérieuse qui s'est présentée avec les raccords construits jusqu'à présent réside dans l'impossibilité de pouvoir les reproduire et dans leur manque de sécurité. Si l'on se base sur la technologie passée, la construction d'un raccord pour fil d'aluminium qui satisfait apparemment à toutes les exigences ci-dessus ne constitue pas une difficulté particulière, mais si l'on fabrique une grande quantité de raccords qui ressemblent le plus possible au raccord-type, on trouve de grandes différences dans les caractéristiques des connexions fabriquées lorsque les raccords doivent être fixés à du fil d'alu- minium. Un certain nombre de raccords peuvent sembler réaliser des connexions acceptables,
d'autres réalisent des connexions moins satisfaisantes et d' autres encore réalisent des connexions complètement défectueuses. Par conséquent, la faculté de pouvoir reproduire le raccord à un grand nombre d' exemplaires est réduite et n'est pas satisfaisante pour une production normale considérable.
En outre, si les raccords particuliers, qui semblent réaliser des raccords initiaux satisfaisants, sont soumis à des essais de durée, on trouve que certaines des connexions sont prématurément défectueuses,
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ce qui indique un manque de sûreté.
Pour être acceptable au point de vue commercial, un raccord doit pouvoir être reproduit en grandes quantités et chaque connexion résultante doit être exempte de la possibilité d'une déficience prématurée. Mème une seule déficience électrique parmi des centaines de connexions rendrait ce genre de connexions peu satisfaisant même si toutes les autres connexions fonctionnent de façon satisfaisante.
La présente invention concerne la réalisation d'un raccord complètement satisfaisant et acceptable commercialement pour du fil d'aluminium et est représentée par une connexion formée par la combinaison de certaines caractéristiques originales connues jusqu'à présent, mais qui n'ont jamais été utilisées dans une telle combinaison pour produire un raccord complètement satisfaisant.
La combinaison particulière d'éléments et d'opérations dans le système de connexion en aluminium décrit ci-après réalise un raccord qui satisfait à toutes les exigences ci-dessus concernant la conductibilité la résistance mécanique, la résistance à la corrosion, les dimensions, et qui peut être reproduit en grande quantité sans qu'on ait à craindre un certain nombre de raccords défectueux,, éliminant ainsi toutes les connexions défectueuses dès le début et les déficiences prématurées, électriques ou mécaniques.
Ces aspects, ces avantages et ces objets ressortiront de la des- cription qui va suivre d'une forme de réalisation de l'invention choisie à titre d'exemple non limitatif, en regard des figures du dessin annexé.
La figure 1 est une vue développée en perspective des organes d'un raccord et représente le fil d'aluminium auquel ils doivent être fixés.
La figure 2 est une vue en perspective du raccord de la figure 1 après qu'il a été assemblé et placé sur le fil mais avant qu'il ait été serré.
La figure 3 représente une vue en perspective de la connexion résultant du serrage de l'ensemble représenté sur la figure 2.
La figure 4 est un graphique aidant à expliquer les principes de l'invention.
La figure 5 représente une section transversale à plusgrande échelle le long de la ligne 5-5 de la figure 3 et montrant la forme de la virole et du fil après serrage.
La figure 6 représente une coupe à plus grande échelle le long de la ligne 6-6 de la figure 3 et montrant la forme du support d'isolement après serrage.
La figure 7 est un graphique représentant la relation entre la grandeur du serrage et la résistance de la connexion.
La figure 8 est un graphique-représentant la relation entre la grandeur du serrage et la résistance de la connexion après un essai de durée
La figure 9 représente une coupe longitudinale à plus grande échelle de la connexion représentée sur la figure 3.
La figure 10 est une vue en perspective du dé de la figure 1 représentant le capuchon plastique destiné à recevoir le gel d'inhibition de corrosion à l'intérieur du dé.
Un problème important qui se présente lors de l'application de connexions sur des conducteurs d'aluminium réside dans la présence du mince revêtement d'oxyde qui recouvre les surfaces exposées de l'aluminium
Ce revêtement d'oxyde, très mince et très dur, adhère d'une façon tenace à la surface de l'aluminium. Si le revêtement est enlevé par meulage ou par un autre moyen, un nouveau revêtement d'oxyde se forme immé-
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diatement si l'aluminium est exposé à l'atmosphère et continue à se former en épaisseur en très peu de temps, après quoi l'épaisseur de la pellicule n'augmente plus dans les conditions usuelles. Une augmentation de la tem- pérature produit cependant une nouvelle augmentation de l'épaisseur de la pellicule.
Afin de réaliser une connexion électrique satisfaisante sur l'aluminium, il est nécessaire d'enlever ce revêtement d'oxyde de manière que le contact puisse être établi avec le métal vierge exposé et, pour main- tenir une bonne conductibilité électrique, il est nécessaire d'empêcher le revêtement d'oxyde de se reformer et d'augmenter la résistance de la con- nexion. Même un petit revêtement d'oxyde est une source de troubles, puis- que l'accroissement de résistance qu'il produit fait qu'une plus grande quantité de chaleur est engendrée dans la connexion; l'accroissement ré- sultant de température produit même une formation plus rapide du revêtement d'oxyde.
Ce revêtement d'oxyde peut être éliminé chimiquement, par exem- ple par l'action de l'acide fluorhydrique ou mécaniquement, par exemple par meulage. Ce revêtement semble ne pas être élastique de sorte que si la surface de l'aluminium est étirée, la couche d'oxyde se fendille en formant de nouvelles zones de métal exposé.
Une fois que l'oxyde a été enlevé, l'aluminium peut être recouvert d'un métal résistant aux oxydes ou d'un métal dont l'oxyde est conducteur électriquement, en réduisant ainsi efficacement ou en empêchant la formation d'oxyde d'aluminium. Un tel procédé peut être suivi pour tenter de résoudre le problème de l'oxyde sur le raccord lui-même, mais un tel revêtement n'existe pas sur les fils d'aluminium auxquels le raccord doit être fixé.
De façon correspondante, l'oxyde doit être enlevé du fil par un moyen mécanique, tel que le meulage, le décapage, l'étirage au moment où le raccord est fixé sur le fil. En outre, cet enlèvement d'oxyde doit être total à tous points de vue de manière qu'il ne se forme pas "de points chauds" accélérant une nouvelle formation d'oxyde et produisant une déficience prématurée de la connexion.
Une des opérations permettant de réaliser cette élimination de l'oxyde consiste à serrer le fil d'aluminium nu dans la partie en forme de virole du raccord d'une quantité suffisante pour produire un étirage ou une extrusion substantielle du fil accompagnée d'une action de décapage produite par une différence d'extrusion en longueur entre la virole et le fil. Ce serrage et cette extrusion doivent être réalisés de manière à maintenir une résistance mécanique suffisante et à permettre en même temps les variations nécessaires qui se produisent dans le domaine d'utilisation sans que cellesci produisent de déficiences électriques ou mécaniques.
La figure 1 représente un raccord 1 comprenant une virole tubulaire 2 et une partie de languette 4 qui en est solidaire. Dans cet exempl e la virole et la languette sont en aluminium avec toutes les surfaces exposées y compris l'intérieur de la virole tubulaire 2, recouvertes d'une couche ad- hérente d'étain, comme on le décrira ci-après.
Un dé à mince paroi 6, en aluminium recouvert d'étain comprend une partie cylindrique à introduire au canon 8 ayant une extrémité fermée 10 et une partie 12 plus grande, ouverte à son extrémité et supportant l'isolement. Le canon 6 du dé 6 est rempli d'une graisse résistant à l'humidité dans laquelle sont dispersées des particules abrasives, comme on le décrira ci-après, et ce canon est destiné à recevoir la partie extrême dénudée 14 d'un câble d'aluminium isolé 16. La surface du dé 6 est recouverte d'étain. Il n'est pas toujours essentiel que la surface intérieure soit complètement étamée, notamment sur les surfaces où il n'est pas nécessaire de faire une connexion électrique. La partie plus grande 12 supportant 1' isolement du dé s'étend sur le revêtement isolant 18 du câble.
Le canon 8
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du dé est ensuite placé à l'intérieur de la virole 2 de sorte que l'ensemble se présente comme on l'a représenté sur la figure 2. La partie de virole 2 et le support d'isolement 12 du dé sont ensuite serrés dans une matrice de serrage pour former le raccord de la manière indiquée sur la figure 3.
Pendant cette opération de serrage, la virole 2 et le fil 14 sont soumis tous deux à un allongement de sorte que, par l'action d'étirage de nouvelles surfaces exemptes d'oxyde, sont exposées sur le fil d'aluminium 14 et sur la surface intérieure du dé 6 s'il n'est pas recouvert ou s'il est seulement partiellement recouvert. Cette nouvelle surface apparaît non seulement sur le pourtour extérieur du fil adjacent au pourtour intérieur du dé, mais aussi le long de chacun des torons du fil 14, qui formeront un faisceau compact où les torons sont en contact électrique intime.
En plus, il existe une différence d'allongement entre le fil 14 et le dé 6 qui est extrudé avec la virole 2. Pour les buts du présent exposé, on peut supposer que le canon 3 du dé et la virole 2 se comportent comme un tout pendant l'extrusion et que le métal du dé et celui de la virole se déplacent en unisson sur leurs surfaces en contact.
Au début de l'action de serrage, la virole est extrudée plus rapidement que le fil; il s'ensuit que, lorsque l'action de serrage conti- nue, le fil est extrudé plus rapidement que la virole. Les proportions relatives de l'extrusion sont indiquées sur la figure 4 pour un raccord et une combinaison de fil particuliers. La ligne pleine 20 représente la réduction de la surface de la section transversale de la virole, dans la partie de surface à laquelle la force de serrage est appliquée, comme fonction de la réduction de toute la surface de la section transversale de la virole et du fil. La ligne en traits interrompus 22 représente la réduction de la surface de la section transversale du fil en fonction de la réduction de toute la surface de la section transversale de la virole et du fil.
On voit que, pour une réduction totale de la surface de la section transversale inférieure à dix-sept pour cent, une réduction plus grande se produit; dans la section transversale de la virole que dans celle du fil pour une réduction totale de dix-sept pour cent, le fil et la virole sont réduits d'une même proportion et au-delà de dix-sept pour cent, une réduction plus grande se produit dans la section transversale du fil que dans celle de la virole.
Le mouvement différentiel longitudinal du fil et de la surface environnante produit par ces taux différents d'extrusion produit une action de décapage qui facilite l'enlèvement et la rupture du revêtement d'oxyde sur le fil d'aluminium 14.
Il semble qu'il soit avantageux de réaliser un bon contact initial et de maintenir une bonne conductibilité pour la surface d'oxyde à interrompre ou à séparer, dans les zones où cet oxyde n'est pas entièrement supprimé, - sous la forme d'un dessin du genre d'une mosaïque avec les par- ticules individuelles d'oxyde de petite surface sur la zone de métal vierge exposé. Cette action est favorisée par la présence de granules abrasives à l'intérieur de la virole autour du fil lorsque l'opération de serrage a lieu.
Ces granules qui sont dures et ont, de préférer.ce, des pintes, des angles ou des arêtes aigus sont apparemment poussées dans la pellicule d' oxyde et y pénètrent ou tout au moins y produisent une zone plus faible formant un3 concentration des efforts et réalisant une zone dans laquelle une déchirure ou une rupture de la pellicule d'oxyde peur avoir lieu facilement. La présence d'un grand monber de ces particules fait que la pellicule est brisée en un grand nombre de zones séparées pour réaliser la surface de con tact la plus désirable.
Ces granules peuvent être conductrices de l'électricité et être par exemple formées de particules de nickel ou d'un autre métal ou bien elles peuvent être non conductrices par exemple lorsqu'on utilise des particules de l'alliage connu sous le nom d'alundum. Afin de réaliser un support pour ces particules et pour d'autres buts qui seront discutés ci-après, les par-
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ticules sont dispersées dans une graisse résistant à l'eau relie que du pétrolatum.
Un composé qui a été trouvé satisfaisant est celui qui est con- stitué par un mélange de parties égales en poids de gel de pétrolatum et de poudre de nickel ayant une dimension moyenne des particules passant au tra- vers d'un tamis d'environ 0,05 mm. Ces particules sont pointues ou à arê- tes vives, de préférence, de manière à réaliser l'action tranchante dési- rée. Comme on l'a indiqué ci-dessus, on peut utiliser des particules de matériaux tels que le corindon, qui n'est pas conducteur de l'électricité en indiquant ainsi que la fonction principale de ces particules n'est pas de former des contacts de liaison entre le fil 14 et le dé 6.
L'action de serrage par laquelle le fil et la virole sont ser- rés ensemble doit être suffisante pour produire une extrusion suffisante de manière à obtenir, par les actions décrites ci-dessus, un contact élec- trique intime entre le fil d'aluminium et le dé, et entre les torons eux- mêmes et, en même temps, il ne doit pas être assez défectueux pour rompre ou affaiblir de façon excessive les fils d'aluminimu et produire ainsi une connexion mécanique trop faible. La Demanderesse a trouvé qu'avec des dis- positifs de serrage du genre à indentation, on ne peut pas réaliser une action suffisante d'extrusion tout en maintenant une résistance mécanique adéquate.
Ceci ne veut pas dire que des raccords individuels passant pour être entièrement satisfaisants ne peuvent pas être munis de dispositifs de serrage du genre à indentation, mais ceci signifie qu'un certain nombre de ces raccors, lorsqu'ils sont fabriqués en grandes quantités, présentent des contacts déficients ou de courte durée, ce qui rend les raccords indésirables pour une utilisation commerciale. Cependant, en utilisant un dispositif de serrage ramassé, on obtient un certain nombre d'avantages, notamment si le serrage est tel qu'il augmente, par déformation, la zone de contact-entre le fil 14 et le dé 6. Un tel serrage est représenté sur la vue en perspective de la figure 3 et la coupe transversale est représentée sur la figure 5.
Il y a lieu de noter que l'aplatissement de la virole et du fil pendant l'opération de serrage augmente matériellement la surface de contact entre le dé 6 et le fil 14.
En utilisant un dispositif de serrage de ce genre, on a trouvé qu'il est possible d'amener l'extrusion à une valeur qui assure que toute connexion fonctionne de façon satisfaisante. Pour obtenir ce résultat, il faut que l'extrusion soit plus étendue que celle qui produit la résistance maximum à la traction (arrachement). Dans la plupart des constructions de raccords, on estime qu'il est dangereux de serrer la connexion au-delà du point de résistance maximum à la traction, mais un certain nombre d' avantages ressortent de cette grande compression inusitée.
La courbe 24 de la figure 4 représente les résistances maxima à la traction de raccords avec différentes compressions appliquées au raccord pendant l'opération de serrage. Il y a lieu de noter qu'avec une réduction croissante de la surface de section transversale, la résistance à la traction augmente rapidement jusqu'à ce qu'elle atteigne la résistance maximum à la traction (arrachement) pour une diminution de la section transversale égale à dix-huit pour cent environ. Au-delà de ce point, la résistance à la traction diminue à une allure lente, c'est-à-dire que la pente de la courbe au-delà du point de résistance maximum à la traction est inférieure à la pente de la courbe pour des réductions de section transversale inférieures à celle qui produit la résistance maximum à la traction.
Même avec une réduction de quarante pour cent de la surface totale de section transversale, on obtient une résistance maximum à la traction adéquate.
Il est clair qu'en serrant le raccord au-delà du point de résistance maximum à la traction, on obtient des connexions ayant des caractéristiques de résistance mécanique plus uniformes. Par exemple, si le raccord est serré de manière à produire une réduction de la surface de section transversale égale à quatorze pour cent, la courbe 24 indique qu'une résistance à la traction
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relative égale à six est atteinte. Cette même résistance à la traction peut être atteinte avec une réduction d'environ vingt-six pour cent.
Cependant, on voit qu'une variation quelconque dans la grandeur du serrage - et il est probable qu'il se produise une variation considérable dans les conditions d'utilisation en plein air-, produit une variation plus grande dans la résistance à l'arrachement lorsqu- la section transversale du raccord est réduite seulement de quatorze pour cent.
Les caractéristiques électriques de la connexion sont influencées aussi par la grandeur du serrage. La zone ombrée du graphique de la figure 7 indique la résistance relative initiale des connexions en fonction de la réduction de la surface de la section transversale. Les limites supérieure et inférieure de la zone ombrée représentent respectivement les mesures de la résistance maximum et minimum d'un nombre relativement grand de raccords semblables à celui représenté sur les figures 1 à 3. Toutes les variations opératoires, telles que les tolérances de fabrication et le mode de serrage, ont été contrôlées dans les limites les plus étroites praticables.
Si on admet une résistance relative égale à sept (figure 7) comme valeur minimum acceptable de la conductibilité initiale, on voit qu' avec une réduction de toute la surface de la section transversale égale à onze pour cent seulement, une certaine proportion de connexions est en- tièrement satisfaisante du point de vue de la conductibilité électrique mais que d'autres ont une résistance telle qu'elle soit complètement insuffisante.
Une augmentation de la grandeur du serrage de manière à obtenir une réduction dans la section transversale d'environ dix-sept pour cent, ne produit que peu de changement dans la résistance des meilleures connexions mais l'intervalle entre la résistance la meilleure et la plus défectueuse des résistances du groupe augmente rapidement; le plus mauvais des raccords possède une résistance meilleure que celle des autres raccords serrés sur une surface moindre. D'après les courbes 20 et 22 de la figure 4, on voit qu'au-dessous de cette réduction de dix-sept pour cent, la virole a été extrudée plus que le fil mais que, pour de grandes extrusions, le fil est plus extrudé que la virole.
Avec des réductions de section transversale comprises entre dix-sept et ving-six pour cent, il existe peu de variations dans l'extension entre les valeurs de résistance maximum et minimum mais la résistance décroît constamment dans cette zone. Cependant avec une réduction de vingtsix pour cent, la conductibilité d'un nombre important de raccords est toujours inférieure à la limite acceptable. Avec une réduction plus grande en section transversale, de vingt-six à vingt-huit pour cent environ, il se produit une augmentation continue dans la résistance des meilleurs raccords et même une augmentation plus rapide se produit dans la résistance du raccord le plus défectueux de sorte que l'étendue ou la série de conductibilités entre les plus défectueux et les meilleurs raccords du groupe est diminuée de façon notable.
Avec une réduction de vingt-huit pour cent, chaque raccord du groupe présente une mesure acceptable de résistance.
Une extrusion continue par laquelle la section transversale est réduite entre trente-six et trente-sept pour cent produit une nouvelle augmentation de la conductibilité avec une petite variation dans l'étendue entre le meilleur et le plus déficient des raccords. Avec une réduction de trente-six pour cent, les meilleurs raccords ont sensiblement la conduc- tibilité théorique, c'est-à-dire la même conductibilité que l'ensemble au- rait si le raccord et le fil n'étaient qu'un seul morceau de métal.
Il est évident que les résultats et les avantages ci-dessus sont atteints seulement si tous les facteurs influençant la qualité de la connexion sont soigneusement contrôlés avec l'application de tous les principes et de toutes les techniques discutés dans les présentes.
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L'augmentation de la conductibilité dans les connexions les plus déficientes du groupe produite par cette grande extrusion est pro- bablement due au moins partiellement à l'action de décapage entre le fil et le dé produite par les différences de grandeur de .L'extrusion longi- tudinale. Cependant, l'étirage du métal constitue aussi un facteur puis- qu'il rompt la pellicule d'oxyde et expose le métal vierge. Il est évi- dent que la relation entre l'action de décapage et l'étirage des surfaces en contact en fonction de la surface de la section transversale dépend, dans une certaine mesure, des surfaces relatives initiales de la virole et du fil.
En conséquence, une mesure plus précise mais plus difficile à utiliser pratiquement réside dans le taux de réduction des surfaces des sections transversales du fil et de la virole dans la position serrée de la connexion. Avec la plupart des raccords utilisant un dispositif de serrage réduit l'opération de serrage doit être continuée jusqu'à ce que la section transversale du fil soit diminuée de manière à être égale à au moins 1,37 fois celle de la virole; la diminution peut atteindre 1,54 fois mais la grandeur préférée est comprise entre 1,48 et 1,54.
Dans la forme de réalisation préférée du raccord décrit ci- dessus, les seules surfaces dont l'oxyde d'aluminium doit être enlevé par l'opération d'extrusion sont celles du fil; en conséquence, la réduction de la section transversale du fil est d'importance. La Demanderesse a trouvé qu'avec les procédés et les constructions spécifiés cï- dessus, une réduction de 35 à 50 pour cent est satisfaisante et la zone préférée de fonctionnement est comprise entre 42 et 50 pour cent.
Il est important que le bon contact électrique qui a été réalisé soit maintenu pendant longtemps. Par exemple, le contact peut être détruit par relâchement du serrage, par corrosion ou par une nouvelle formation du revêtement d'oxyde sur l'aluminium. La Demanderesse a trouvé qu'il est important de sceller le raccord pour empêcher la pénétration des vapeurs ou liquides corrosifs et aussi pour empêcher la pénétration d'air et de vapeur d'eau qui accélérerait une action galvanique corrosive et accélérerait la nouvelle formation de revêtement d'oxyde.
En plus de ce scellement qui sera décrit plus complètement ciaprès, les surfaces de métal vierge doivent être maintenues en contact sous pression avec la surface intérieure du dé de manière à préserver la grande conductibilité électrique et à continuer d'empêcher la formation d'oxyde sur la surface d'aluminium.
Cependant, lorsque l'aluminium est maintenu sous pression, il tend à "glisser" ou à fluer à froid de sorte que la pression par laquelle les surfaces sont maintenues ensemble est diminuée.
Ce "glissement" peut être seulement une action de fluage à froid dans laquelle l'aluminium change de forme de manière à diminuer la concentration des efforts ou bien il peut être une action de "respiration" (ou d'oscillation) dans laquelle le fil d'aluminium, après qu'il a été comprimé initialement, continue à se déplacer, en s'écartant, par rétrécissement, des surfaces adjacentes. Ce mouvement produit dans le sens opposé des efforts qui obligent le fil à renverser subséquemment son mouvement, le cycle se renouvelant avec des amplitudes de mouvement diminuant graduellement jusqu'à ce qu'un équilibre pratiquement stable soit établi.
La pression entre surfaces peut cependant avoir diminué, tout en augmentant maté- riellement la résistance de la connexion et en favorisant la formation plus rapide de la couche d'oxyde.
La Demanderesse a trouvé que les effets nuisibles du glissement de l'aluminium peuvent être réduits à un minimum en étalant l'action de serrage sur une zone relativement large de manière que la pression unitaire soit diminuée et que la surface de contact soit accrue de manière à réduire la densité de courant et à diminuer la possibilité d'un accroissement de température comme résultat d'une grandeur limitée de glissement par l'alu-
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minium.
L'importance du dé d'aluminium 6 ne se volt pas facilement puisqu'elle semble ajouter deux surfaces supplémentaires d'aluminium dont on doit enlever l'oxyde et introduire dans le circuit électrique une série additionnelle de surfaces de contact opposées. Je pendante les avantages de cette connexion dépassent de loin les inconvénients apparents. Le problëme de la pellicule d'oxyde est résolu en partie en enlevant l'oxyde et en recouvrant d'étain le raccord, et la présence du mince dé d'aluminium augmente la conductibilité de la connexion de sorte que la zone de contact de la série de contacts additionnels ne constitue pas, en fait, un désavantage.
Les avantages dus au dé 6 ne sont complètement réalisés que lorsque l'action de serrage est effectuée dans les proportions recommandées ci-dessus. Ceci est du partiellement au fait que le dé avec son extrémité fermée est utilisé comme un cylindre dans lequel on introduit le gel de pétrole et les particules abrasives et dans lequel la pression est augmentée pendant l'opération de serrage jusqu'à ce que le gel de pétrole - qui est réparti entre les différents torons par l'effet de piston lorsque le fil est introduit dans le dé - produise des lignes de séparation plus faibles dans la pellicule d'oxyde.
Une pression suffisante pour obtenir ce résultat n'est atteinte que pendant la dernière partie de l'opération d'extrusion et ensuite seulement si le dé ou virole est fermé à une extrémité ; à l'extrémité opposée, le dé supportant l'isolement est serré étroitement autour de 1'isolement 18 pour empêcher le gel d'être chassé hors de l'extérieur de l'isolement. La forme de ce dispositif de serrage qui est, de préférence, semblable au serrage sur la virole est représentée en perspective sur la figure 3 et en coupe sur la figure 6.
La présence de ce dé ne produit sensiblement pas de changement dans les résultats de résistance minimum, c'est-à-dire que, si le dé est supprimé, un certain nombre de raccords du groupe possèdent les caractéristi- ques de faible résistance indiquées par la limite inférieure de la zone om brée de la figure 6.
Cependant, d'autres raccords du groupe présentent un accroissement marqué de la résistance dans la région correspondant à une réduction totale de la section transversale comprise entre vingt-huit et trente-sept pour cent; ceci est indiqué par la ligne à traits interrompus 30, de la figure 7. Par conséquent, la différence entre le meilleur et le plus dé- ficient du groupe de raccords est augmentée de façon notable, avec quelques-uns des raccords ayant une résistance plus grande que la résistance minimum acceptable.
D'après ce qui précède, il est clair que, sans le dé, il serait désavantageux de serrer les raccords de manière à diminuer la surface de la section transversale de plus de vingt-nuit pour cent. Ceci constitue indubitablement un facteur avantageux en masquant le besoin de taux extraordinairement grands de compression et en rendant erronés des essais faits sans la présence du dé à extrémité scellée.
En plus, le dé 6 constitue un support de l'isolement 18 adjacent à l'extrémité de la virole 2 et empêche la concentration de forces en ce point. Cette répartition des efforts rend la connexion plus résistante aux forces latérales ou de flexion et augmente son endurance lorsqu'elle est soumise à des essais aux vibrations.
En outre, le dé 6 qui est fermé à une de ses extrémités et qui est serré étroitement autour de l'isolement à l'autre extrémité, scelle la région où les contacts de pression sont réalisés en rendant la pénétration de l'air, de l'humidité, des fumées ou liquides corrosifs, etc., beaucoup plus difficile et en augmentant matériellement la durée de la connexion.
Ce scellement est aidé aussi par la présence du gel de pétrole
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dans le raccord et par le fait que, pendant la dernière partie de l'opéra- tion de serrage, le gel est soumis à une forte pression et est chassé dans chaque petite crevasse interne et entre les torons du fil 14 et vers l'ar- rière le long du. fil dans la partie couverte par l'isolement en retardant ainsi la pénétration des gaz ou des liquides dans la virole par avancement le long des interstices entre les torons.
L'importance de l'extension de l'action de serrage - pour pro- duire une réduction de la surface de la section transversale au-delà de vingt-huit pour cent lorsqu'on utilise un dé fermé -se voit sur la figure
8 qui représente les mesures de la résistance faites sur un groupe de raccords fabriqués et serrés de la même manière que ceux qui ont servi pour les mesures de la zone ombrée du graphique de la figure 7, mais qui ont été soumis à un essais accéléré de durée dans une atmosphère cor- rosive. La limite inférieure de la zone ombrée de la figure 8 indique la résistance résultante des meilleurs raccords du groupe tandis que la limite supérieure indique la résistance des raccords les plus défectueux du groupe.
On voit, d'après la limite supérieure de la zone ombrée de la figure 8, qu'avec une réduction quelconque de la section transversale com- prise entre onze et trente-sept pour cent, un certain nombre des raccords du groupe sont entirement satisfaisants en ce qui concerne la résistance à la corrosion. D'autres connexions, cependant, ont présenté une augmenta- tion excessive de la résistance, comme on l'a indiqué par la limite supérieure de la zone ombrée.
Il y a lieu de noter que lorsque l'extrusion produit une réduction de la surface de section transversale supérieure à vingt-huit pour cent la différence - entre les meilleures connexions et les connexions les plus déficientes, aprs l'essai de durée à la corrosion, - est diminuée de façon importante, et que les connexions continuent à s'améliorer avec une conti- nuation de la réduction de la surface de section transversale, au moins jusqu'à la limite d'environ trente-six pour cent. Par conséquent, il est avantageux d'augmenter l'action de serrage pour produire la réduction maximum de la surface de section transversale. La série préférée des serrages limités est comprise entre une réduction de trente-quatre à trentesept pour cent dans toute la surface de section transversale au centre de la partie serrée.
Gomme on l'a indiqué ci-dessus, il est préférable que la virole 2 et le dé ó soient revêtus d'un métal résistant à la corrosion. On a trouvé que l'etamage est le plus avantageux. Si la virole 2 est en cuivre elle peut être facilement étamée de la manière usuelle. Le dé d'aluminium ó (et la virole 2 si elle est en aluminium) peut être revêtu par l'un des procédés quelconques connus, pour autant qu'on obtienne un revêtement d' étain adhérent. On connait de nombreux procédés de revêtements par aluminium, voir par exemple le brevet des Etats-Unis 1.147.718 ou les procédés de revêtement décrits dans la revue "PLATTNG" de Juillet 1952, pages 755 et suivantes.
Dans un procédé préféré, l'aluminium est décapé avec un mélange de trois parties concentrées d'acide nitrique et d'une partie d'acide fluorhydrique concentré pendant une minute environ pour enlever le revêtement d'oxyde. On lave ensuite l'aluminium et on lui donne un revêtement brillant de zinc en l'immergeant dans une solution de zincate comprenant une partie d'oxyde de zinc, six parties de soude et douze parties d'eau en poids, après quoi on le lave, on lui applique un revêtement brillant avec du cuivre dans un bain formé d'une partie de carbonate de sodium, d'une partie et demie de cuivre et de deux parties un quart de cyanure de sodium on rince à nouveau et revêt par voie électrolytique avec de l'étain à la manière usuelle.
Apres que le revêtement d'étain a été appliqué, on l'oblige à fluer à nouveau en chauffant l'objet revêtu à une température suffisamment
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élevée pour fondre l'étain et, si on le désire, en le soumettant une- agitation ou à une vibration mécanique pendant qu'il se trouve à cette température. Ce fluage renouvelé est classique et les techniques et l'appareillage pour sa réalisation sont bien connus. Cependant on a trouvé avantageux, après que le nouveau fluage de l'étain a eu lieu, de déposer une couche additionnelle d'étain par voie electrolytique sur la surface de l'étain qui a été flué à nouveau.
Le fluage renouvelé de l'étain tend à boucher les trous d'épingle et à mieux répartir l'étain sur ou autour des imperfectione minimes.
Les effets exacts du revêtement électrolytique subséquent ne sont pas connus, mais des mesures effectuées indiquent une augmentation de la conductibilité des connexions, c'est-à-dire que la limite supérieure de la résistance est diminuée en réduisant par conséquent l'intervalle de qualité entre les connexions les meilleures et les connexions les plus défectueuses.
Le revêtement en étain peut être appliqué aussi par laminage sur la feuille plate dont le raccord est formé. Par conséquente en formant les raccords à partir d'aluminium commercial étamé, on peut éviter la nécessité d'une opération séparée de revêtement. Cet effet est parti- culièrement important lorsque le serrage est effectué au-delà d'une réduction de surface de section transversale égale à vingt-huit pour cent.
Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le raccord représenté sur les figures 1 à 3 est en aluminium. La languette 4 et la partie de virole 2 sont en aluminium de la qualité 3S et le dé est étiré à partir d'une feuille mince d'aluminium de qualité 2S.
La virole 2 et le dé 6 sont recouverts de zinc, puis d'étain que l'on flue à nouveau et qu'on dépose à nouveau, comme on l'a décrit cidessus.
Lorsqu'on l'utilise avec du fil d'aluminium toronné ayant une surface de section transversale égale à 21,3 mm2, la virole 2 a une surface de section transversale égale à 54,4 mm2 avant serrage.
Le dé ó est rempli à moitié environ de gel, tel qu'un mélange de pétrolatum et de poudre de métal. D'autres graisses ou composés de gel, tels que la graisse de silicone, la graisse de coupelle., les cires, les résines; etc... peuvent être utilisées avec un genre quelconque désiré de particules abrasives, mais le mélange de vaseline et de poudre de nickel a été trouvé complètement approprié. En pratique, le gel est placé dans le dé qui est scellé avec une capsule de cellulose 32, comme on le voit sur la figure 10, pour faciliter l'embarquement et la manipulation.
La capsule 32 est enlevée ou pointillée par le fil dénudé 14 du câble 16 qui est introduit dans la partie plus petite 6 du dé ó et s'étend sensiblement vers son extrémité 10. Le revêtement isolant s'étend à l'intérieur et sensiblement jusqu'à l'extrémité de la partie agrandie 12 du dé
La partie plus petite C du dé a environ la même longueur que la virole 2 de sorte que, lorsqu'elle est introduite dans la virole 2, 1' extrémité fermée 10 se trouve à une extrémité de la virole et le manchpn 12 supportant l'isolement est adjacent à l'autre extrémité.
L'ensemble du fil et du raccord est ensuite placé dans une matrice appropriée de serrage, telle que cella décrite dans le brevet anglais 673.198 du 30 Janvier 1950. Cette matrice doit serrer à la fois la virole et le manchon de support d'isolement et les parties serrées doivent être du genre compact et posséder de préférence la forme générale indiquée sur les figures 3, 5, 7 et 5.
La virole 2 et le support isolant 12 peuvent être serrés simul- tanément aussi longtemps que le support isolant 12 est solidement scellé autour de l'isolement avant le mouvement de serrage final de la virole. Si on le désire, le support 12 peut être serré en premier lieu, puis la virole 2 peut l'être ensuite.
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On continue le serrage jusqu'à ce que, par extrusion, la sur- face de la section transversale a@@ été diminuée entre trente-quatre à trente-sept pour cent de sa valeur primitive à l'intérieur de la surface de la partie serrée, e'est-à-dire que la différence dans la surface totale de la section transversale du fil et de la virole avant et apres serrage, divisée par la surface totale avant serrage est exprimée en pourcentage.
Cette réduction peut varier entre vingt-huit et trente-sept pour cent, mais la zone préférée, pour des raisons déjà précisées, est comprise entre trente-quatre et trente-sept pour cent.
Si on le désire, la virole 2 peut Pire en cuivre. Le cuivre doit être recouvert d'étain de la manière usuelle et le reste du procédé est identique à celui que l'on applique à la virole d'aluminium.
D'après ce qui précède, on voit que le raccord décrit est bien approprié au montage de connexions électriques et mécaniques sur du fil d' aluminium et qu'il tire tous les avantages des relations entre les diffé- ren-Ls organes du raccord; en tenant compte des deux phases formant la con- nexion électrique finale, les principes de l'invention sont décrits de telle manière que le raccord puisse être fabriqué et appliqué facilement et qu'il puisse être modifié suivant besoin pour l'adapter à chaque utilisation particulière.
REVENDICATIONS.
1.- Connexion électrique caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison ; un câble formé d'une ame en fil d'aluminium à plusieurs torons et d'une gaine de matière isolante pliable, une partie dénudée de l'ame d'aluminium s'étendant au-delà de l'extrémité de l'isolement, un raccord muni d'une partie de virole tubulaire, un capuchon d'aluminium à paroi mince munid'une extrémité ouverte et d'une partie élargie qui y est adjacente, un gel inhibiteur dans lequel sont dispersées des particules abrasives, le gel se trouvant à l'intérieur de ce capuchon,
la connexion étant assemblée à l'extrémité agrandie du capuchon s'étendant sur la gaine isolante du fil et sur le reste du capuchon autour de l'extrémité dénudée avec les extrémités du fil situées pròs de l'extrémité fermée du capuchon, la partie en forme de virole du raccord s'étendant sur la partie plus petite du capuchon et étant serrée alentour en un serrage compact, la surface de section transversale de la connexion, qui comprend la virole et le fil étant, dans la région serrée, environ trente-trois à trente-sept pour cent inférieure à celle de la même section transversale assemblée mais non serrée, le fil ayant une surface de section transversale dans la région serrée au moins inférieure de trente-cinq pour cent à celle des surfaces adjacentes non serrées,
et la partie agrandie du capu- étant comprimée étroitement autour de la gaine isolante et en coopération sensiblement étanche à l'eau avec elle, le gel étant réparti dans tout l'intérieur du capuchon et y remplissant chaque interstice entre des torons adjacents de l'âme du fil et entre l'âme et le capuchon.
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The present invention relates to fittings for use with aluminum wires. It concerns more particularly terminals and connectors which are fixed to aluminum wire, by clamping. This type of connector can be used, for example, to make a highly conductive, corrosion-resistant connection between aluminum and copper conductors or between two aluminum conductors. These connections can be in the form of end caps of the type those which connect the end of a wire to a terminal or to any other fixing means or they may be constructed so as to connect together two or more wires of the same metal or of different metals.
There are a number of conditions that must be fulfilled in order to make a satisfactory connection for aluminum wire. The fitting must achieve adequate current carrying capacity and good electrical conductivity between the aluminum wire and the other conductor. This conductivity must be maintained for a: Long time and under unfavorable conditions, for example when the connection is exposed to humidity, a corrosive atmosphere, repeated temperature variations etc. The fitting should be able to be applied easily and quickly to the aluminum wire, preferably by a simple clamping operation eliminating the need for welding or brazing.
The fitting should not be too large, and the cost of manufacturing the fitting and attaching it to the conductor should be minimal to allow for maximum commercial use.
Much attempt has been made to resolve which issues. arise in the design of a fitting having the above characteristics, but, for the reasons indicated below, no fitting has been produced so far which is completely satisfactory from the commercial point of view. This is true even though many of the various problems relating to making a good connection have been solved or partially solved previously by technicians, as no solution has been found or introduced into these connections for other problems, such as so that a satisfactory connection did not result.
Due to the fact that no completely satisfactory connection has heretofore been imagined, no guide has been found whose so-called solutions could be used in the construction of a satisfactory connection. It is evident from the foregoing consideration of the specific problems that, in the construction of a connection, the solution of one of the problems depends on the solution of another of the problems, so that a satisfactory connection cannot not be achieved only by assembling known Individual characteristics without taking into account their reciprocal relationships as they apply to the particular connection.
It is probable that the most serious difficulty which has arisen with the fittings constructed so far lies in the impossibility of being able to reproduce them and in their lack of safety. Based on past technology, the construction of an aluminum wire fitting which apparently meets all of the above requirements is not a particular difficulty, but if one manufactures a large quantity of fittings. which resemble the typical fitting as closely as possible, there are large differences in the characteristics of the connections made when the fittings are to be attached to aluminum wire. A number of fittings may appear to make acceptable connections,
others make less satisfactory connections and still others make completely faulty connections. Therefore, the ability to be able to reproduce the fitting in a large number of copies is reduced and is not satisfactory for a large normal production.
Furthermore, if the particular fittings, which appear to achieve satisfactory initial fittings, are subjected to life tests, some of the connections are found to be prematurely defective,
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which indicates a lack of safety.
To be commercially acceptable, a fitting must be capable of being reproduced in large quantities and each resulting connection must be free from the possibility of premature failure. Even a single electrical deficiency among hundreds of connections would make such connections unsatisfactory even if all other connections are functioning satisfactorily.
The present invention relates to the making of a completely satisfactory and commercially acceptable connection for aluminum wire and is represented by a connection formed by the combination of certain original features known heretofore, but which have never been used in such a combination to produce a completely satisfactory connection.
The particular combination of elements and operations in the aluminum connection system described below achieves a connection which meets all of the above requirements regarding conductivity, mechanical strength, corrosion resistance, dimensions, and which can be reproduced in large quantities without having to fear a number of faulty fittings, thus eliminating all faulty connections early on and premature, electrical or mechanical deficiencies.
These aspects, advantages and objects will emerge from the description which follows of an embodiment of the invention chosen by way of non-limiting example, with reference to the figures of the appended drawing.
Figure 1 is a developed perspective view of the members of a connector and shows the aluminum wire to which they are to be attached.
Figure 2 is a perspective view of the connector of Figure 1 after it has been assembled and placed on the wire but before it has been tightened.
FIG. 3 represents a perspective view of the connection resulting from the tightening of the assembly shown in FIG. 2.
Figure 4 is a graph to help explain the principles of the invention.
Figure 5 is a larger scale cross section taken along line 5-5 of Figure 3 and showing the shape of the ferrule and wire after tightening.
Figure 6 is a section on a larger scale taken along line 6-6 of Figure 3 and showing the shape of the isolation bracket after tightening.
Fig. 7 is a graph showing the relationship between the amount of clamping and the resistance of the connection.
Figure 8 is a graph showing the relationship between the size of the clamping and the resistance of the connection after a duration test
Figure 9 shows a longitudinal section on a larger scale of the connection shown in Figure 3.
Figure 10 is a perspective view of the die of Figure 1 showing the plastic cap for receiving the corrosion inhibiting gel inside the die.
A significant problem that arises when applying connections to aluminum conductors is the presence of the thin oxide coating that covers the exposed surfaces of the aluminum.
This very thin and very hard oxide coating adheres tenaciously to the surface of the aluminum. If the coating is removed by grinding or other means, a new oxide coating will form immediately.
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immediately if the aluminum is exposed to the atmosphere and continues to form in thickness in a very short time, after which the film thickness does not increase further under usual conditions. An increase in temperature, however, produces a further increase in the thickness of the film.
In order to make a satisfactory electrical connection to the aluminum, it is necessary to remove this oxide coating so that contact can be made with the exposed virgin metal and, to maintain good electrical conductivity, it is necessary. prevent the oxide coating from reforming and increase the strength of the connection. Even a small oxide coating is a source of trouble, since the increase in resistance it produces causes more heat to be generated in the connection; the resulting increase in temperature produces even more rapid formation of the oxide coating.
This oxide coating can be removed chemically, for example by the action of hydrofluoric acid or mechanically, for example by grinding. This coating appears not to be elastic so that if the surface of the aluminum is stretched, the oxide layer cracks forming new areas of exposed metal.
Once the oxide has been removed, the aluminum can be coated with an oxide resistant metal or a metal whose oxide is electrically conductive, thereby effectively reducing or preventing the formation of oxide. aluminum. Such a method can be followed in an attempt to solve the problem of oxide on the fitting itself, but such a coating does not exist on the aluminum wires to which the fitting is to be attached.
Correspondingly, the oxide must be removed from the wire by mechanical means, such as grinding, pickling, stretching at the time when the fitting is attached to the wire. Furthermore, this oxide removal should be complete in all respects so that no "hot spots" form which accelerate new oxide formation and produce premature connection failure.
One of the operations to achieve this oxide removal is to clamp the bare aluminum wire into the ferrule-shaped portion of the fitting in an amount sufficient to produce substantial stretching or extrusion of the wire accompanied by action. stripping produced by a difference in length extrusion between the ferrule and the wire. This tightening and this extrusion must be carried out in such a way as to maintain sufficient mechanical strength and at the same time to allow the necessary variations which occur in the field of use without these producing electrical or mechanical deficiencies.
FIG. 1 shows a connector 1 comprising a tubular ferrule 2 and a portion of tongue 4 which is integral with it. In this example the ferrule and the tongue are of aluminum with all exposed surfaces including the interior of the tubular ferrule 2, covered with an adherent layer of tin, as will be described below.
A thin-walled thimble 6, made of aluminum covered with tin, comprises a cylindrical part to be inserted into the barrel 8 having a closed end 10 and a larger part 12, open at its end and supporting the isolation. The barrel 6 of die 6 is filled with a moisture resistant grease in which abrasive particles are dispersed, as will be described below, and this barrel is intended to receive the stripped end part 14 of a cable of dice. insulated aluminum 16. The surface of die 6 is coated with tin. It is not always essential that the interior surface be fully tinned, especially on surfaces where it is not necessary to make an electrical connection. The larger portion 12 supporting the insulation of the die extends over the insulating coating 18 of the cable.
Canon 8
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of the thimble is then placed inside the shell 2 so that the assembly is presented as shown in FIG. 2. The shell part 2 and the isolation support 12 of the thimble are then clamped in a tightening die to form the fitting as shown in Figure 3.
During this tightening operation the ferrule 2 and the wire 14 are both subjected to an elongation so that by the drawing action new oxide-free surfaces are exposed on the aluminum wire 14 and on the inner surface of the die 6 if it is not covered or if it is only partially covered. This new surface appears not only on the outer perimeter of the wire adjacent to the inner perimeter of the thimble, but also along each of the strands of the wire 14, which will form a compact bundle where the strands are in intimate electrical contact.
In addition, there is a difference in elongation between the wire 14 and the die 6 which is extruded with the ferrule 2. For the purposes of the present disclosure, it can be assumed that the barrel 3 of the die and the ferrule 2 behave like one. all during extrusion and the die metal and the ferrule metal move in unison on their contacting surfaces.
At the start of the clamping action, the ferrule is extruded faster than the wire; as a result, when the clamping action is continued, the wire is extruded faster than the ferrule. The relative proportions of the extrusion are shown in Figure 4 for a particular fitting and wire combination. The solid line 20 represents the reduction in the area of the cross-sectional area of the ferrule, in the part of the area to which the clamping force is applied, as a function of the reduction in the entire area of the cross-section of the ferrule and the wire. The dashed line 22 represents the reduction in the cross-sectional area of the wire as a function of the reduction in the entire cross-sectional area of the ferrule and the wire.
It is seen that for a total reduction in the cross-sectional area of less than seventeen percent, a greater reduction occurs; in the cross section of the ferrule than in that of the wire for a total reduction of seventeen percent, the wire and the ferrule are reduced by the same proportion and beyond seventeen percent, a greater reduction occurs in the cross section of the wire than in that of the ferrule.
The longitudinal differential movement of the wire and the surrounding surface produced by these different rates of extrusion produces a stripping action which facilitates the removal and breakage of the oxide coating on the aluminum wire 14.
It seems that it is advantageous to make a good initial contact and to maintain good conductivity for the oxide surface to be interrupted or to be separated, in the zones where this oxide is not entirely removed, - in the form of a mosaic-like design with the individual small surface oxide particles on the exposed virgin metal area. This action is favored by the presence of abrasive granules inside the ferrule around the wire when the tightening operation takes place.
These granules which are hard and preferably have sharp pints, angles or ridges are apparently pushed into the oxide film and penetrate therein or at least produce a weaker area therein forming a concentration of stress and strain. providing an area in which tearing or breakage of the oxide film can easily occur. The presence of a large monber of these particles causes the film to be broken up into a large number of separate areas to provide the most desirable contact surface.
These granules can be electrically conductive and for example be formed of particles of nickel or another metal or they can be non-conductive for example when using particles of the alloy known as alundum . In order to provide a support for these particles and for other purposes which will be discussed below, the par-
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ticles are dispersed in a water-resistant grease binds as petrolatum.
One compound which has been found satisfactory is that which is constituted by a mixture of equal parts by weight of petrolatum gel and nickel powder having an average particle size passing through a sieve of about 0. , 05 mm. These particles are preferably pointed or sharp-edged so as to achieve the desired cutting action. As indicated above, it is possible to use particles of materials such as corundum, which is not electrically conductive, thus indicating that the main function of these particles is not to form contacts. connection between wire 14 and thimble 6.
The clamping action by which the wire and the ferrule are clamped together must be sufficient to produce a sufficient extrusion so as to obtain, by the actions described above, an intimate electrical contact between the aluminum wire. and the thimble, and between the strands themselves and, at the same time, it must not be so defective as to sever or excessively weaken the aluminimu wires and thus produce too weak a mechanical connection. We have found that with clamping devices of the indentation type, it is not possible to achieve sufficient extrusion action while maintaining adequate mechanical strength.
This is not to say that individual fittings which pass to be fully satisfactory cannot be provided with indentation-type clamps, but it does mean that a number of such fittings, when manufactured in large quantities, exhibit poor or short-lived contacts, making fittings undesirable for commercial use. However, by using a picked-up clamping device, a certain number of advantages are obtained, in particular if the clamping is such that it increases, by deformation, the zone of contact between the wire 14 and the die 6. Such clamping is shown in the perspective view of Figure 3 and the cross section is shown in Figure 5.
It should be noted that the flattening of the ferrule and of the wire during the tightening operation materially increases the contact surface between the die 6 and the wire 14.
By using such a clamping device, it has been found that it is possible to bring the extrusion to a value which ensures that any connection works satisfactorily. To obtain this result, the extrusion must be more extensive than that which produces the maximum tensile strength (pullout). In most fitting constructions it is considered dangerous to tighten the connection beyond the point of maximum tensile strength, but a number of advantages arise from this unusual high compression.
Curve 24 in Figure 4 shows the maximum tensile strengths of fittings with different compressions applied to the fitting during the tightening operation. It should be noted that with increasing reduction in cross-sectional area, the tensile strength increases rapidly until it reaches the maximum tensile strength (pullout) for a decrease in cross-section. equal to about eighteen percent. Beyond this point, the tensile strength decreases at a slow rate, i.e. the slope of the curve beyond the point of maximum tensile strength is less than the slope of the curve. for cross-sectional reductions less than that which produces maximum tensile strength.
Even with a forty percent reduction in the total cross-sectional area, adequate maximum tensile strength is obtained.
It is clear that by tightening the connection beyond the point of maximum tensile strength, connections with more uniform strength characteristics are obtained. For example, if the fitting is tightened to produce a reduction in cross-sectional area equal to fourteen percent, curve 24 indicates that a tensile strength
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relative equal to six is reached. This same tensile strength can be achieved with a reduction of about twenty-six percent.
However, it is seen that any variation in the magnitude of the clamping - and it is likely that considerable variation will occur under outdoor use conditions - will produce a greater variation in the pullout resistance. when the cross section of the fitting is reduced by only fourteen percent.
The electrical characteristics of the connection are also influenced by the size of the clamping. The shaded area of the graph in Figure 7 indicates the initial relative resistance of the connections as a function of the reduction in cross-sectional area. The upper and lower limits of the shaded area respectively represent the maximum and minimum resistance measurements of a relatively large number of fittings similar to that shown in Figures 1 to 3. All operating variations, such as manufacturing tolerances and the tightening mode, were checked within the narrowest practicable limits.
If we admit a relative resistance equal to seven (figure 7) as the minimum acceptable value of the initial conductivity, we see that with a reduction of the entire cross-sectional area equal to only eleven percent, a certain proportion of connections is fully satisfactory from the point of view of electrical conductivity but others have such resistance as completely insufficient.
An increase in the size of the clamping so as to obtain a reduction in the cross-section of about seventeen percent, produces little change in the resistance of the best connections but the interval between the best and the most resistance. defective group resistances increase rapidly; the worst fitting has better strength than other fittings tightened to a lesser area. From curves 20 and 22 in Figure 4, it can be seen that below this seventeen percent reduction the ferrule has been extruded more than the wire, but for large extrusions the wire is more extruded than the ferrule.
With cross-sectional reductions of between seventeen and twenty-six percent, there is little variation in the extension between the maximum and minimum resistance values but the resistance constantly decreases in this area. However, with a reduction of twenty-six percent, the conductivity of a significant number of fittings is still below the acceptable limit. With a greater reduction in cross-section, from about twenty-six to twenty-eight percent, there occurs a continuous increase in the strength of the best fittings and even a faster increase occurs in the strength of the most defective fitting of so that the range or series of conductivities between the most defective and the best fittings of the group is significantly reduced.
With a twenty-eight percent reduction, each fitting in the group has an acceptable measurement of resistance.
Continuous extrusion whereby the cross section is reduced to between thirty-six and thirty-seven percent produces a further increase in conductivity with a small variation in the extent between the best and the most deficient of the fittings. With a reduction of thirty-six percent, the best fittings have substantially the theoretical conductivity, that is, the same conductivity as the assembly would have if the fitting and wire were one. single piece of metal.
It is evident that the above results and advantages are achieved only if all the factors influencing the quality of the connection are carefully controlled with the application of all the principles and techniques discussed herein.
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The increase in conductivity in the most deficient connections of the group produced by this large extrusion is probably due at least in part to the stripping action between the wire and the die produced by the differences in size of the extrusion. longitudinal. However, the stretching of the metal is also a factor since it breaks the oxide film and exposes the virgin metal. It is evident that the relationship between the pickling action and the stretching of the contacting surfaces as a function of the cross-sectional area depends, to some extent, on the initial relative areas of the ferrule and the wire.
Accordingly, a more accurate but more difficult to use measure in practice is the rate of reduction of the areas of the cross sections of the wire and the ferrule in the tight position of the connection. With most fittings using a reduced clamping device the clamping operation must be continued until the cross section of the wire is reduced to be at least 1.37 times that of the ferrule; the decrease can reach 1.54 times but the preferred magnitude is between 1.48 and 1.54.
In the preferred embodiment of the connector described above, the only surfaces from which the aluminum oxide needs to be removed by the extrusion operation are those of the wire; therefore, reduction of the cross section of the wire is of importance. We have found that with the methods and constructions specified above, a reduction of 35 to 50 percent is satisfactory and the preferred area of operation is between 42 and 50 percent.
It is important that the good electrical contact that has been made is maintained for a long time. For example, the contact can be destroyed by loosening of the clamp, corrosion, or re-formation of the oxide coating on the aluminum. We have found that it is important to seal the fitting to prevent the penetration of corrosive vapors or liquids and also to prevent the ingress of air and water vapor which would accelerate corrosive galvanic action and accelerate the new coating formation. oxide.
In addition to this sealing which will be described more fully below, the virgin metal surfaces must be kept in contact under pressure with the inner surface of the die so as to preserve the high electrical conductivity and to continue to prevent oxide formation on the die. the aluminum surface.
However, when aluminum is kept under pressure, it tends to "slip" or cold creep so that the pressure by which the surfaces are held together is decreased.
This "sliding" may be only a cold creep action in which the aluminum changes shape so as to decrease the concentration of forces or it may be a "breathing" (or oscillation) action in which the wire Aluminum, after it has been initially compressed, continues to move, shrinking away from adjacent surfaces. This movement produces forces in the opposite direction which cause the wire to subsequently reverse its movement, the cycle renewing itself with gradually decreasing ranges of movement until a practically stable equilibrium is established.
The pressure between surfaces may, however, have decreased, while materially increasing the strength of the connection and promoting more rapid formation of the oxide layer.
We have found that the deleterious effects of aluminum sliding can be minimized by spreading the clamping action over a relatively large area so that the unit pressure is decreased and the contact area is increased significantly. to reduce the current density and to decrease the possibility of an increase in temperature as a result of a limited amount of slip by the aluminum
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minimum.
The importance of the aluminum die 6 is not readily apparent since it seems to add two additional aluminum surfaces from which the oxide must be removed and to introduce into the electrical circuit an additional series of opposite contact surfaces. However, the advantages of this connection far outweigh the apparent disadvantages. The oxide film problem is solved in part by removing the oxide and coating the fitting with tin, and the presence of the thin aluminum die increases the conductivity of the connection so that the contact area of the connection. series of additional contacts does not in fact constitute a disadvantage.
The advantages due to die 6 are only fully realized when the clamping action is carried out in the proportions recommended above. This is partly due to the fact that the die with its closed end is used as a cylinder into which the petroleum gel and abrasive particles are introduced and in which the pressure is increased during the clamping operation until the gel Oil - which is distributed among the different strands by the piston effect as the wire is fed into the de - produces weaker separation lines in the oxide film.
Sufficient pressure to obtain this result is only achieved during the last part of the extrusion operation and then only if the die or ferrule is closed at one end; at the opposite end, the isolation supporting thimble is clamped tightly around the isolation 18 to prevent the gel from being forced out of the exterior of the isolation. The shape of this clamping device which is preferably similar to the clamping on the ferrule is shown in perspective in Figure 3 and in section in Figure 6.
The presence of this die produces substantially no change in the minimum resistance results, that is, if the die is removed a number of fittings in the group have the low resistance characteristics indicated by the lower limit of the shaded area in figure 6.
However, other fittings in the group show a marked increase in strength in the region corresponding to a total reduction in cross-section of between twenty-eight and thirty-seven percent; this is indicated by dashed line 30 in Fig. 7. Therefore, the difference between the best and the worst of the group of fittings is significantly increased, with some of the fittings having higher strength. greater than the minimum acceptable resistance.
From the above it is clear that without the thimble it would be disadvantageous to tighten the fittings so as to decrease the cross sectional area by more than twenty-night percent. This is undoubtedly a beneficial factor in obscuring the need for extraordinarily large compression ratios and in rendering erroneous tests made without the presence of the sealed end die.
In addition, the die 6 constitutes a support for the insulation 18 adjacent to the end of the ferrule 2 and prevents the concentration of forces at this point. This distribution of forces makes the connection more resistant to lateral or bending forces and increases its endurance when subjected to vibration tests.
Furthermore, the die 6 which is closed at one end and which is tightly clamped around the insulation at the other end, seals the region where the pressure contacts are made by making the penetration of air, of humidity, corrosive fumes or liquids, etc., much more difficult and materially increasing the duration of the connection.
This sealing is also helped by the presence of petroleum gel
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in the fitting and by the fact that during the last part of the tightening opera- tion the gel is subjected to a strong pressure and is forced into each small internal crevice and between the strands of the wire 14 and towards the back - laughing along the. wire in the part covered by the insulation, thus delaying the penetration of gases or liquids into the shell by advancing along the interstices between the strands.
The importance of extending the clamping action - to produce a reduction in cross-sectional area beyond twenty-eight percent when using a closed die - is seen in the figure
8 which represents the resistance measurements made on a group of fittings manufactured and tightened in the same way as those which were used for the measurements of the shaded area of the graph of figure 7, but which were subjected to an accelerated testing of duration in a corrosive atmosphere. The lower limit of the shaded area in Figure 8 indicates the resulting resistance of the best fittings in the group while the upper limit indicates the resistance of the most defective fittings in the group.
It can be seen from the upper limit of the shaded area in Figure 8 that with any reduction in cross-section between eleven and thirty-seven percent, a number of the fittings in the group are fully satisfactory. regarding corrosion resistance. Other connections, however, exhibited an excessive increase in resistance, as indicated by the upper limit of the shaded area.
It should be noted that when extrusion produces a reduction in cross-sectional area greater than twenty-eight percent the difference - between the best connections and the most deficient connections, after the corrosion duration test - is significantly reduced, and the connections continue to improve with continued reduction in cross-sectional area, at least to the limit of about thirty-six percent. Therefore, it is advantageous to increase the clamping action to produce the maximum reduction in cross-sectional area. The preferred series of limited tightenings is between a thirty-four to thirty-seven percent reduction in the entire cross-sectional area at the center of the clamped portion.
As indicated above, it is preferable that the ferrule 2 and the die ó are coated with a corrosion resistant metal. It has been found that tinning is the most advantageous. If the ferrule 2 is made of copper, it can be easily tinned in the usual way. The aluminum die ó (and the shell 2 if it is aluminum) can be coated by any of the known methods, provided that an adherent tin coating is obtained. Numerous aluminum coating processes are known, see, for example, United States Patent 1,147,718 or the coating processes described in the journal "PLATTNG" of July 1952, pages 755 et seq.
In a preferred process, the aluminum is pickled with a mixture of three parts concentrated nitric acid and one part concentrated hydrofluoric acid for about one minute to remove the oxide coating. The aluminum is then washed and given a shiny zinc coating by immersing it in a zincate solution comprising one part of zinc oxide, six parts of soda and twelve parts of water by weight, after which it is washed, a shiny coating is applied to it with copper in a bath formed of one part of sodium carbonate, one and a half parts of copper and two parts a quarter of sodium cyanide is rinsed again and coated by electrolytic with tin in the usual manner.
After the tin coating has been applied, it is forced to flow again by heating the coated object to a sufficiently high temperature.
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high to melt the tin and, if desired, subject it to agitation or mechanical vibration while at that temperature. This renewed creep is conventional and the techniques and the equipment for its production are well known. However, it has been found advantageous, after the re-creep of the tin has taken place, to deposit an additional layer of tin electrolytically on the surface of the tin which has been re-creeped.
The renewed flow of the tin tends to plug the pinholes and to better distribute the tin on or around the minor imperfections.
The exact effects of the subsequent electrolytic coating are not known, but measurements taken indicate an increase in the conductivity of the connections, i.e. the upper limit of the resistance is lowered thereby reducing the quality interval. between the best connections and the most faulty connections.
The tin coating can also be applied by rolling onto the flat sheet from which the joint is formed. Therefore, by forming the fittings from commercial tinned aluminum, the need for a separate coating operation can be avoided. This effect is particularly important when the clamping is effected beyond a reduction in cross-sectional area equal to twenty-eight percent.
In a preferred embodiment of the invention, the connector shown in Figures 1 to 3 is made of aluminum. The tongue 4 and ferrule part 2 are made of 3S grade aluminum and the die is drawn from a thin sheet of 2S grade aluminum.
The ferrule 2 and the die 6 are covered with zinc, then with tin which is flowed again and which is deposited again, as described above.
When used with stranded aluminum wire having a cross-sectional area of 21.3 mm2, the ferrule 2 has a cross-sectional area of 54.4 mm2 before clamping.
The die is about half full with gel, such as a mixture of petrolatum and metal powder. Other greases or gel compounds, such as silicone grease, cup grease, waxes, resins; etc. can be used with any desired kind of abrasive particles, but the mixture of petrolatum and nickel powder has been found to be completely suitable. In practice, the gel is placed in the die which is sealed with a cellulose capsule 32, as seen in Figure 10, to facilitate loading and handling.
The capsule 32 is removed or dotted by the stripped wire 14 of the cable 16 which is introduced into the smaller part 6 of the die ó and extends substantially towards its end 10. The insulating coating extends inwardly and substantially to the end. 'at the end of the enlarged part 12 of the die
The smaller part C of the die has about the same length as the ferrule 2 so that, when introduced into the ferrule 2, the closed end 10 is at one end of the ferrule and the sleeve 12 supporting the ferrule. isolation is adjacent to the other end.
The wire and fitting assembly is then placed in a suitable clamping die, as described in UK Patent 673,198 of January 30, 1950. This die must clamp both the ferrule and the isolation support sleeve and the clamped parts should be of the compact kind and preferably have the general shape shown in Figures 3, 5, 7 and 5.
Ferrule 2 and insulating support 12 can be tightened simultaneously as long as insulating support 12 is securely sealed around the insulation prior to the final tightening movement of the ferrule. If desired, the support 12 can be tightened first, then the ferrule 2 can then be tightened.
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Tightening is continued until, by extrusion, the area of the cross-section has been reduced to between thirty-four to thirty-seven percent of its original value within the area of the part. tight, that is, the difference in the total area of the cross section of the wire and the ferrule before and after tightening divided by the total area before tightening is expressed as a percentage.
This reduction can vary between twenty-eight and thirty-seven percent, but the preferred area, for reasons already specified, is between thirty-four and thirty-seven percent.
If desired, ferrule 2 can be worse in copper. The copper should be coated with tin in the usual manner and the rest of the process is the same as that applied to the aluminum ferrule.
From the foregoing, it can be seen that the connector described is well suited for mounting electrical and mechanical connections on aluminum wire and that it derives all the advantages of the relationships between the various members of the connector; taking into account the two phases forming the final electrical connection, the principles of the invention are described in such a way that the coupling can be manufactured and applied easily and that it can be modified as necessary to adapt it to each use particular.
CLAIMS.
1.- Electrical connection characterized in that it comprises in combination; a cable formed of a core of multi-strand aluminum wire and a sheath of pliable insulating material, with a stripped portion of the aluminum core extending beyond the end of the insulation, a fitting with a tubular ferrule portion, a thin-walled aluminum cap with an open end and an enlarged portion adjacent thereto, an inhibitor gel in which abrasive particles are dispersed, the gel being inside this cap,
with the connection assembled at the enlarged end of the cap extending over the insulating sheath of the wire and the remainder of the cap around the stripped end with the ends of the wire located near the closed end of the cap, the ferrule shape of the fitting extending over the smaller portion of the cap and being clamped around it in a compact clamping, the cross-sectional area of the connection, which includes the ferrule and wire being, in the clamped region, about thirty- three to thirty-seven percent less than that of the same assembled cross-section but not clamped, the wire having a cross-sectional area in the clamped region at least thirty-five percent less than that of the adjacent non-clamped surfaces,
and the enlarged portion of the cap being compressed tightly around the insulating sleeve and in substantially watertight cooperation therewith, the gel being distributed throughout the interior of the cap and filling therein each gap between adjacent strands of the cap. wire core and between core and cap.