Elektrischer Verbinder für einen Aluminiumleiter Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verbin der für einen Aluminiumleiter, besonders für einen Litzenleiter, mit einer einseitig offenen Kappe zur Aufnahme des Leiterendes, die nach Einführung des Leiters zusammengepresst werden kann, und kenn zeichnet sich dadurch, dass die Kappe mindestens teil weise mit einem korrosionsverhindernden Schmier mittel gefüllt ist, in welchem feines, vorzugsweise elektrisch leitendes Schleifpulver verteilt ist, wobei die Kappe an dem offenen Ende mit einem Ver schluss zur Zurückhaltung der Füllung in der Kappe versehen ist.
Die Erfindung ist im besonderen geeignet für sol che dieser Verbinder, die an dem Aluminiumdraht durch Eindrücken befestigt werden. Solche Verbin der können beispielsweise zur Herstellung einer kor rosionsfesten, hochleitenden Verbindungsstelle zwi schen einem Aluminium- und einem Kupferleiter oder zwischen zwei Aluminiumleitern verwendet wer den. Diese Verbinder können als Anschlussorgane derjenigen Bauart ausgebildet sein, bei der das Ende eines Drahtes mit einem Kontaktbolzen oder einem andern Befestigungsmittel verbunden wird, oder sie können so gebaut sein, dass sie zwei oder mehrere Drähte aus demselben Metall oder aus verschiedenen Metallen miteinander verbinden.
Zur Schaffung eines zufriedenstellenden Verbin ders für Aluminiumdraht soll eine Anzahl Anfor derungen erfüllt sein. Der Verbinder soll ausreichende Stromführungsfähigkeit und gute elektrische Leit fähigkeit zwischen dem Aluminiumdraht und dem andern Leiter herstellen. Diese Leitfähigkeit soll über eine lange Zeitdauer und unter ungünstigen Bedin gungen, z. B. wenn die Verbindung Feuchtigkeit, korrodierender Atmosphäre, wiederholten Tempera turänderungen usw., ausgesetzt ist, aufrechterhalten werden.
Der Verbinder soll so geartet sein, dass er leicht und schnell an dem Aluminiumdraht ange bracht werden kann, und zwar vorzugsweise durch einen einfachen Eindrückarbeitsgang, bei dem Weich- oder Hartlöten oder Schweissen nicht erforderlich ist. Der Verbinder soll nicht übermässig gross sein, und die Kosten für seine Herstellung sowie für die Be festigung an dem Leiter sollen zur Erzielung maxi maler industrieller Verwertbarkeit niedrig sein.
Viele Versuche sind zur Lösung der Probleme unternommen worden, die sich bei der Entwicklung eines Verbinders mit den obenerwähnten Merkmalen ergeben. Aus den unten dargelegten Gründen wurde bisher jedoch noch kein vollständig zufriedenstellen der Verbinder für den Handel hergestellt. Dies trifft zu, obgleich mehrere der bei der Herstellung einer guten Verbindung vorhandenen Einzelprobleme von früheren Bearbeitern ganz oder teilweise gelöst wur den, da bei diesen Verbindungen für andere Probleme keine Lösung gefunden wurde oder darin enthalten war, so dass sich kein einziger vollständig einwand freier Verbinder ergab. Da bisher kein völlig zufrie denstellender Verbinder erfunden wurde, ist keine Richtlinie vorhanden, welche bei der Konstruktion eines zufriedenstellenden Verbinders benutzt werden könnte.
Aus der folgenden Betrachtung wird deutlich erkennbar werden, dass die Lösung eines jeden Pro blems bei der Herstellung der Verbindung von der Lösung anderer Probleme abhängt, so dass eine ein wandfreie Verbindung nicht durch Vereinigen ein zelner bekannter Merkmale erzielt werden kann, ohne ihre Wechselbeziehung bei Anwendung in der beson deren Verbindung zu berücksichtigen.
Wahrscheinlich ist die gewichtigste Schwierigkeit bei den bisher gebauten Verbindern der Mangel an Zuverlässigkeit gewesen. Auf der Grundlage der bis herigen Technologie ist es keine besonders schwie rige Aufgabe, einen Verbinder für Aluminiumdraht zu bauen, der anscheinend alle oben aufgestellten Bedingungen erfüllt. Wenn aber eine grosse Anzahl Verbinder hergestellt wird, findet man einen weiten Anderungsbereich in den Kennwerten oder Eigen schaften der hergestellten Verbindungen, wenn die Verbinder an Aluminiumdraht befestigt werden.
Eine gewisse Anzahl Verbinder kann annehmbare Ver bindungen herstellen, andere bewirken weniger ein wandfreie Verbindungen, und ein weiterer Teil ergibt Verbindungen, die vollständig unzureichend sind. Somit ist ein solcher Verbinder für ausgedehnte indu strielle Erzeugung unverwendbar.
Wenn die einzelnen Verbinder, die zufriedenstel lende Anfangsverbindungen hergestellt zu haben scheinen, Lebensdauerprüfungen unterworfen werden, wird ausserdem gefunden, dass ein gewisser Teil der Verbindungen vorzeitig versagt, was einen Mangel an Zuverlässigkeit anzeigt.
Ein für den Handel oder für die Industrie an nehmbarer Verbinder soll von jeder Möglichkeit eines vorzeitigen Versagens befreit sein. Bereits ein elek trischer Versager unter vielen hunderten Verbindun gen würde diesen Verbindertyp für kommerziellen Gebrauch, im besonderen in der Flugzeugtechnik, ungeeignet machen, trotzdem alle andern Verbindun gen zufriedenstellend ausgeführt sein können.
Die anliegende Zeichnung erläutert die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel. Es zeigen: Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Teile eines Verbinders sowie des Alu miniumdrahtes, an dem diese befestigt werden sollen; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Verbinders nach dem Zusammenbau und der Anordnung auf dem Draht, jedoch vor dem Eindrücken; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Verbin dung, die durch das Sicken der in Fig. 2 dargestell ten zusammengebauten Einheit entsteht;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die zur Unter stützung bei der Erklärung der Grundsätze der Er findung dient; Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 3 (in gegenüber demjenigen der Fig. 3 grösserem Massstab), der die Form der Zwinge und des Drah tes nach dem Eindrücken zeigt; Fig. 6 einen Querschnitt im Massstab der Fig. 5 nach der Linie 6-6 der Fig. 3, der die Form des Isolationshalters nach dem Pressen zeigt; Fig. 7 eine graphische Darstellung, die das Ver hältnis zwischen dem Ausmass des Eindrückens und dem Widerstand der Verbindung veranschaulicht;
Fig.8 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Grad des Zusammendrük- kens und dem elektrischen Widerstand der Verbin dung nach einem Lebensdauerversuch darstellt; Fig. 9 einen Längsschnitt der in Fig. 3 gezeigten Verbindung und Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Kabel schuheinsatzes nach Fig. 1, wobei die Figur auch die Kunststoffkappe zum Zurückhalten des korrosions hemmenden Schmiermittels in dem Kabelschuh zeigt.
Ein wichtiges Problem bei der Herstellung einer Verbindung mit Aluminiumleitern ergibt sich auf Grund des dünnen Oxydüberzuges, der die exponier ten Oberflächen des Aluminiums bedeckt. Dieser Oxydüberzug ist sehr dünn und hart und haftet zäh an der Aluminiumoberfläche. Wenn der Überzug durch Abnutzung oder auf andere Art entfernt wird, bildet sich sogleich ein neuer Oxydüberzug, falls das Aluminium der Atmosphäre ausgesetzt ist, und ver stärkt sich kurzzeitig weiter, wonach die Stärke des Films unter normalen Bedingungen nicht mehr zu nimmt. Eine Temperaturerhöhung bewirkt jedoch eine weitere Vergrösserung der Filmdicke.
Zur Herstellung einer zufriedenstellenden elek trischen Verbindung mit dem Aluminium ist es erforderlich, diesen Oxydüberzug zu entfernen, damit Kontakt mit dem exponierten gediegenen Metall er folgen kann. Zur Beibehaltung guter elektrischer Leit fähigkeit muss verhindert werden, dass sich der Oxyd überzug wieder bildet und den Widerstand der Ver bindung erhöht. Sogar ein schwacher Oxydüberzug ist nicht angängig, da die dadurch hervorgerufene Vergrösserung des Widerstandes eine stärkere Wärme erzeugung in der Verbindung bewirkt und der sich daraus ergebende Temperaturanstieg eine noch schnellere Weiterentwicklung des Oxydüberzuges ver anlasst.
Dieser Oxydüberzug kann chemisch, z. B. durch die Wirkung der Flusssäure, oder mechanisch, z. B. durch Abrieb oder Abschleifen, entfernt werden. Dieser Überzug ist anscheinend auch verhältnismässig unelastisch, so dass die Oxydschicht bei Dehnung der Aluminiumoberfläche auseinanderbricht, wobei sich neue Flächen des exponierten Metalles bilden.
Wenn das Oxyd entfernt worden ist, kann das Aluminium mit einem oxydbeständigen Metall oder mit einem Metall plattiert oder galvanisiert werden, dessen Oxyd elektrisch leitend ist, so dass die Bildung von Aluminiumoxyd wirksam verringert oder ver hindert wird.
Infolgedessen muss dass Oxyd von dem Draht durch mechanische Mittel, wie z. B. durch Abschlei fen, Abscheuern oder Strecken, in dem Zeitpunkt entfernt werden, in dem der Verbinder an dem Draht befestigt wird. Ausserdem soll diese Oxydentfernung in jeder Verbindung so vollständig geschehen, dass sich keine Stellen entwickeln, welche die Rückbil dung des Oxydes beschleunigen und vorzeitiges Ver sagen der Verbindung bewirken können.
Eine Stufe bei der Erzielung dieser Oxydentfer- nung besteht darin, den blanken Aluminiumdraht in dem Zwingenteil des Verbinders in solchem Ausmass einzudrücken, dass eine wesentliche Streckung oder Auspressung des Drahtes bewirkt wird, die von einer durch die unterschiedliche Längsauspressung der Zwinge gegenüber dem Draht erzeugten Abscheuer- wirkung begleitet ist.
Eine solche Eindrückwirkung oder Auspressung muss in solcher Weise erfolgen, dass zufriedenstellende mechanische Festigkeit er haltenbleibt und gleichzeitig die Beanspruchungen aufgenommen werden, die beim Gebrauch des Lei ters mit dem aufgepressten Verbinder auftreten, ohne dass irgendwelche elektrische oder mechanische Män gel eintreten.
Fig.l zeigt einen Verbindungsteil 1, der aus einer röhrenförmigen Zwinge 2 und einem in einem Stück damit ausgebildeten Zungenteil 4 besteht. Die Zwinge und die Zunge sind in diesem Beispiel aus Aluminium hergestellt, wobei alle exponierten Ober flächen einschliesslich der Innenseite der röhrenför migen Zwinge 2 mit einer anhaftenden Zinnschicht plattiert oder galvanisiert sind, wie später beschrie ben wird.
Eine aus galvanisch verzinntem Aluminium her gestellte dünnwandige Kappe 6 weist einen zylindri schen Einsatzteil 8 auf, der ein geschlossenes Ende 10 und einen weiteren zylindrischen Isolationstrag- teil 12 mit offenem Ende hat. Der Einsatzteil 8 der Kappe 6 ist mit einem korrosionsverbindenden Schmiermittel gefüllt, in dem Schleifmittelteilchen dispergiert sind, wie später beschrieben wird, und ist zur Aufnahme des blanken Endteils 14 eines isolier ten Aluminiumkabels 16 eingerichtet. Die Ober fläche der Kappe 6 ist galvanisch verzinnt.
Es ist nicht immer wesentlich, dass die Innenfläche voll ständig galvanisiert ist, im besonderen über den Flächenbereichen, wo die Herstellung einer elektri schen Verbindung nicht erforderlich ist. Der erwei terte Teil 12 der Kappe greift über den Isolations mantel 18 des Kabels und bildet einen Isolations halter. Der Einsatzteil 8 der Kappe wird dann in der Zwinge 2 angeordnet, so dass die zusammen gebaute Einheit das in Fig. 2 dargestellte Aussehen hat. Der Zwingenteil 2 und der Teil 12 der Kappe werden dann in einem Gesenk eingedrückt, so dass der in Fig. 3 dargestellte Verbinder entsteht.
Während dieses Eindrückvorganges werden die Zwinge 2 und der Litzendraht 14 beide ausgepresst, so dass durch die Streckwirkung neue, oxydfreie Oberflächen auf dem Aluminiumdraht 14 sowie auch auf der Innenfläche des Einsatzteils 8 entstehen, falls dieser nicht oder nur teilweise galvanisiert ist. Diese neue Oberfläche entsteht nicht nur auf der Aussenfläche des Drahtes, angrenzend an die Innen fläche der Kappe, sondern auch längs der Litzenleiter des Drahtes 14, die ein gedrängtes Bündel bilden, wo die Litzenleiter innigen elektrischen Kontakt mit einander haben.
Ausserdem ist eine unterschiedliche Längung zwi schen dem Draht 14 und der Kappe 6 vorhanden, der zusammen mit der Zwinge 2 ausgepresst wird. Für die Zwecke dieser Erörterung kann angenom men werden, dass der Einsatzteil 8 der Kappe und die Zwinge 2 während der Pressung als Einheit wir ken und dass sich das Metall der Kappe und das Metall der Zwinge an ihrer Grenzfläche in überein stimmung bewegen.
Am Anfang des Eindrückvorganges presst sich die Zwinge mit grösserer Geschwindigkeit als der Draht aus, während sich bei weiterer Fortsetzung des Eindrückvorganges später der Draht mit grösserer Geschwindigkeit als die Zwinge auspresst. Die rela tiven Geschwindigkeiten der Auspressung sind in Fig.4 für einen Verbinder und einen Leiter dar gestellt.
Auf der Abszisse ist die Verminderung der Querschnittsfläche während des Pressvorganges in Prozenten der anfänglich vorhandenen Fläche an gegeben, während die Ordinate die Ausziehfestib keit in relativen Werten darstellt. Die ausgezogene Linie 20 zeigt die Verminderung der Querschnitts fläche der Zwinge in dem Bereich, in dem die Ein- drückkraft ausgeübt wird, als Funktion der Vermin derung der gesamten Querschnittsfläche der Zwinge und des Drahtes.
Die gestrichelte Linie 22 veran schaulicht die Verminderung der Querschnittsfläche des Drahtes als Funktion der Verminderung der gesamten Querschnittsfläche der Zwinge und des Drahtes. Man bemerkt, dass bei einer Gesamtver minderung der Querschnittsfläche von weniger als ungefähr 17 % eine grössere Reduktion (20) des Zwingenquerschnittes als des Drahtquerschnittes (22)
auftritt. Bei 17 % Gesamtverminderung sind der Draht und die Zwinge in gleicher Weise reduziert worden, und über 17 % entsteht eine grössere Quer- schnittsverminderung in dem Draht als in der Zwinge.
Die unterschiedliche Längsbewegung des Drahtes und der diesen umgebenden Oberfläche, die durch die verschiedenen Auspressgeschwindigkeiten bewirkt wird, erzeugt eine Scheuerwirkung, welche die Ent fernung und das Aufbrechen des Oxydüberzuges des Aluminiumdrahtes 14 unterstützt.
Zur Herstellung eines guten Anfangskontaktes und zur Aufrechterhaltung der hohen Leitfähigkeit ist es anscheinend vorteilhaft, wenn die Oxydfläche in den Bereichen, wo sie nicht vollständig entfernt wird, in ein mosaikartiges Muster aufgebrochen oder aufgetrennt wird, wobei die einzelnen Oxydteilchen von kleiner Fläche über den Flächenbereich des exponierten gediegenen Metalles dispergiert werden. Diese Wirkung wird durch das Vorhandensein von Schleifmittelkörnern in der Zwinge rings um den Draht unterstützt, wenn der Eindrückvorgang statt findet.
Diese Körner, die hart sind und vorteilhaft scharfe Spitzen, Ecken oder Kanten haben, werden offenbar in den Oxydfilm gepresst und dringen in diesen ein oder bewirken wenigstens eine geschwächte Stelle, die eine Konzentration der Spannungen er zeugt und eine Stelle ausbildet, an der ein Riss oder Bruch in dem Oxydfilm leicht auftreten kann. Das Vorhandensein einer grossen Anzahl solcher Teil chen gewährleistet, dass das Oxyd in eine grosse An zahl getrennter Flächenbereiche aufgebrochen wird, so dass die in höchstem Masse erwünschte Kontakt fläche entsteht.
Diese Körner können elektrisch leitend sein, wenn sie zum Beispiel aus Teilchen aus Nickel oder einem andern Metall gebildet sind, oder sie können nichtleitend sein, wenn zum Beispiel Teil- chen aus dem als Alundum (eingetragene Marke) bezeichneten A1203 verwendet werden. Zur Schaf fung eines Trägers für diese Teilchen und für andere, später darzulegende Zwecke werden die Teilchen in einem wasserbeständigen korrosionsverhindernden Schmiermittel, wie z. B. Vaseline, dispergiert.
Eine besondere Verbindung, die sich als zufrie denstellend erwiesen hat, ist ein Gemisch von glei chen Gewichtsteilen Vaseline und Nickelpulver, dessen Teilchen durchschnittlich etwa eine solche Grösse haben, dass sie durch ein 300-Maschen-Sieb hindurchgehen. Diese Teilchen sind zweckmässiger weise spitz oder scharfkantig ausgebildet, um die gewünschte Schnittwirkung zu erzielen. Wie oben erwähnt wurde, können Teilchen von Materialien, wie z. B. Korund, die elektrisch nichtleitend sind, verwendet werden.
Dies zeigt, dass die Hauptfunktion dieser Teilchen nicht darin besteht, Kontakte zwi- -schen dem Draht 14 und der Kappe 6 zu schaffen.
Die Eindrückwirkung, durch die der Draht und die Zwinge miteinander fest verbunden werden, muss so geartet sein, dass ausreichende Auspressung er zeugt wird, um durch die oben beschriebenen Wir kungen innigen elektrischen Kontakt zwischen dem Aluminiumdraht und der Kappe sowie zwischen den Einzeldrähten des Litzendrahtes selbst zu erhalten. Gleichzeitig darf die Eindrückwirkung aber nicht so stark sein, dass ein Bruch oder übermässige Schwä chung der Aluminiumdrähte entsteht und eine schwache mechanische Verbindung hergestellt wird.
Es ist gefunden worden, dass bei punktweisem Ein drücken keine ausreichende Auspresswirkung er reicht werden kann, obgleich die erforderliche me chanische Festigkeit erhalten bleibt. Dies bedeutet nicht, dass man einzelne, anscheinend vollständig einwandfreie Verbinder mit zackenförmigen Press- stempeln nicht herstellen kann, sondern dass solche Verbinder bei Fertigung in grossen Mengen eine ge wisse Anzahl mangelhafter oder kurzlebiger Kon takte ergeben, wodurch die Verbinder für kommer ziellen Gebrauch unzweckmässig werden.
Bei Ver wendung eines flachen Pressstempels wird jedoch eine Anzahl Vorteile erreicht, im besonderen, wenn er so ausgebildet ist, dass durch die Verformung die Kontaktfläche zwischen dem Draht 14 und der Kappe 6 vergrössert wird. Eine solche Verbindung ist per spektivisch in Fig. 3 und ihre Querschnittsform in Fig. 5 dargestellt. Man bemerkt, dass die Abflachung der Zwinge und des Drahtes während des Eindrück- vorganges die Kontaktfläche zwischen der Kappe 6 und dem Draht 14 wesentlich vergrössert.
Bei Benützung eines Stempels dieses Typs hat es sich als möglich erwiesen, die Auspressung bis zu einem Punkt zu erstrecken, der gewährleistet, dass jede Verbindung zufriedenstellend ausgeführt wird. Um dies zu erreichen, soll die Aussparung grösser sein als die Verformung, welche bloss maximale Zu- festigkeit ergibt. Bei den meisten Verbinderkonstruk- tionen wurde es für gefährlich gehalten, die Verbin dung über den Punkt maximaler Zugfestigkeit hinaus einzudrücken. Es hat sich aber gezeigt, dass sich eine Anzahl Vorteile aus dieser ungewöhnlich grossen Zu sammenpressung ergeben.
Die Kurve 24 der Fig. 4 zeigt die relativen Aus- ziehfestigkeiten der Verbinder, wenn während des Pressvorganges verschiedene Drücke auf den Verbin der ausgeübt werden. Man bemerkt, dass die Zug festigkeit mit wachsender Verminderung der Quer schnittsfläche sehr schnell anwächst, bis sie die maxi male Ausziehfestigkeit bei einer Querschnittvermin derung von ungefähr 18 % erreicht. Jenseits dieses Punktes nimmt die Ausziehfestigkeit langsamer ab, das heisst der Abfallwinkel der Kurve jenseits des Punktes maximaler Ausziehfestigkeit ist geringer als der Anstiegwinkel der Kurve bei den anfänglichen Querschnittverminderungen bis zu dem Punkt der maximalen Ausziehfestigkeit.
Aber sogar noch bei 40 % Verminderung der Gesamtquerschnittfläche wird ausreichende Ausziehfestigkeit erhalten. Es ist klar, dass durch Eindrücken der Zwinge über den Punkt maximaler Ausziehfestigkeit hinaus Verbin dungen mit gleichmässigeren mechanischen Festig keitsnennwerten erhalten werden.
Wenn der Verbin der beispielsweise so eingedrückt wird, dass eine Ver- minderung der Querschnittfläche von 14 % ent- steht, zeigt die Kurve 24 an, dass eine relative Aus ziehfestigkeit vom Wert 6,0 erzielt wird.
Dieselbe Ausziehfestigkeit kann bei einer Verminderung von ungefähr 26 % erreicht werden. Man erkennt je- doch, dass jede Änderung des Ausmasses des Ein- drückens eine grössere Variation der Ausziehfestig keit bewirkt, wenn der Verbinderquerschnitt nur auf den 14 11/o-Bereich reduziert wird, als wenn der Punkt der maximalen Ausziehfestigkeit überschritten wird.
Die elektrischen Kennwerte der Verbindung wer den ebenfalls durch den Grad des Eindrückens be einflusst. Der schraffierte Teil des Diagrammes der Fig. 7 zeigt den relativen Anfangswiderstand der Ver bindungen als Funktion der Verringerung der Ge- samtquerschnittfläche. Die obern und untern Grenzen der schraffierten Fläche stellen in entsprechender Weise die maximalen und minimalen Widerstands messwerte einer verhältnismässig grossen Anzahl von Verbindern dar, die so ausgebildet sind wie der in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichte Verbinder.
Alle Verfahrensschwankungen, wie beispielsweise Ferti gungstoleranzen und die Art und Weise des Ein- drückens, wurden innerhalb der engsten, praktisch anwendbaren Grenzen kontrolliert.
Wenn man einen relativen Ausziehwiderstand von 7 als Ausgangspunkt nimmt, kann man feststellen, dass bei einer Verminderung der Gesamtquerschnitt- fläche von nur 11 % ein bestimmter Prozentsatz der Verbindungen vom Standpunkt der elektrischen Leit fähigkeit vollständig einwandfrei ist, gleichzeitig aber andere Verbindungen einen so hohen Widerstand aufweisen, dass sie vollständig unzureichend sind.
Eine Erhöhung des Eindrückgrades auf eine Quer- schnittverminderung von etwa 17 % bewirkt nur eine geringe Änderung des Widerstandes der besten Ver- Bindungen. Aber die Streuung des Widerstandes zwi schen dem besten und dem schlechtesten Verbinder der Gruppe nimmt sehr schnell zu, das heisst der schlechteste Verbinder hat einen höheren Widerstand als andere Verbinder, die in geringerem Masse ge presst werden.
Aus den Kurven 20 und 22 der Fig. 4 erkennt man, dass die Zwinge unterhalb dieser Re- duktion von 17 % mehr als der Draht zusammen- gepresst worden ist, dass aber der Draht bei grösseren Pressungen mehr als die Zwinge zusammengepresst wird.
Bei Querschnittverminderungen zwischen unge- fähr 17 oder 26 %- ist wenig Änderung der Streuung zwischen maximalen und minimalen Widerstands werten vorhanden, wobei sich aber der Widerstand über diesen Bereich stetig verkleinert. Bei einer Re duktion von 26 0/0 liegt jedoch die Leitfähigkeit einer wesentlichen Anzahl von Verbindern noch unterhalb der annehmbaren Grenze.
Bei grösserer Querschnittverengung von 26 % auf ungefähr 28 /0 wird eine weitere Verbesserung des Widerstandes der besten Verbinder erzielt. Aber eine noch schnellere Verbesserung erfährt der Widerstand der schlechtesten Verbinder, so dass die Streuung der Leitfähigkeit zwischen dem schlechtesten und dem besten Verbinder der Gruppe merklich reduziert wird. Bei 28 0/0 Verringerung zeigt jeder Verbinder der Gruppe einen annehmbaren Widerstandsmess- wert.
Weitere Pressung auf eine Querschnittverminde- rung von 36 bis 37 % führt zu einer weiteren Ver- besserung der Leitfähigkeit bei kleiner Änderung der Streuung zwischen dem besten und dem schlechtesten Verbinder.
Bei 36 0/0 Querschnittverminderung haben die besten Verbinder praktisch die theoretische Leit fähigkeit, das heisst dieselbe Leitfähigkeit, welche die Konstruktion haben würde, wenn der Verbinder und der Draht als Ganzes aus einem einzigen Metallstück hergestellt wären.
Es ist klar, dass die obigen Ergebnisse und Vor teile nur erreicht werden, wenn alle die Qualität der Verbindung beeinflussenden Faktoren bei der An wendung aller hier erörterten Grundsätze und Ver fahrensweisen sorgfältig geregelt oder kontrolliert werden.
Die Verbesserung der Leitfähigkeit der schlech testen Verbindungen der Gruppe durch diese grosse Pressung ist wahrscheinlich wenigstens zum Teil auf die Abscheuerwirkung zwischen dem Draht und der Kappe zurückzuführen, die durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der Längsauspressung bewirkt wird. Aber auch die Streckung des Metalles ist ein Faktor, da diese den Oxydfilm bricht und das gedie gene Metall exponiert.
Die Beziehung zwischen der Abscheuerwirkung und der Streckung der Grenzflä- chen als eine Funktion der Querschnittfläche ist in gewissem Grade von den ursprünglich vorhandenen, relativen Flächen der Zwinge und des Drahtes ab hängig. Infolgedessen stellt das Verhältnis der Ver minderung der Querschnittflächen des Drahtes und der Zwinge in dem eingedrückten Teil der Verbin dung ein genaueres Mass dar, dessen Anwendung sich aber in der Praxis schwierig gestaltet. Bei den meisten Verbindern, die eine begrenzte Pressung benutzen, muss der Eindrückarbeitsgang fortgesetzt werden, bis der Drahtquerschnitt wenigstens um das 1,37fache reduziert worden ist.
Die Verminderung kann so gross wie 1,54 sein, wobei der bevorzugte Arbeitsbereich zwischen 1,48 und 1,54 liegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des oben beschriebenen Verbinders braucht das Aluminium oxyd durch den Auspressvorgang nur von den Draht oberflächen entfernt zu werden. Infolgedessen ist die Querschnittverminderung des Drahtes eine Sache der praktischen Ermittlung. Bei den hier beschriebenen Arbeitsverfahren und Konstruktionen findet man, dass eine Verminderung der Querschnittfläche des Drah tes von 35 bis 50 0/m zufriedenstellend ist, wobei der bevorzugte Arbeitsbereich zwischen 42 und 50 0/0 liegt.
Es ist wichtig, dass der gute elektrische Kontakt, der hergestellt worden ist, über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten bleibt. Der Kontakt kann beispiels weise durch Lockerung, durch Korrosion oder durch Rückbildung des Oxydüberzuges auf dem Alumi nium zerstört werden. Es hat sich daher als vorteil haft herausgestellt, die Zwinge abzudichten, um den Eintritt korrodierender Dämpfe oder Flüssigkeiten sowie auch den Eintritt von Luft und Wasserdampf zu verhindern, die sonst die korrodierende galvanische Wirkung und die Rückbildung des Oxydüberzuges beschleunigen würden.
Ausser dieser Abdichtung, die noch ausführlicher beschrieben wird, sollen die gediegenen Metallflä chen in Druckberührung mit der Innenfläche der Kappe 6 gehalten werden, um auf diese Weise die hohe elektrische Leitfähigkeit beizubehalten und wei terhin die Oxydbildung auf der Aluminiumoberfläche zu erschweren.
Wenn jedoch Aluminium unter Druck gehalten wird, neigt es zum Kriechen oder Kaltfliessen, so dass der Druck, mit dem die Oberflächen zusammen gehalten werden, abnimmt.
Dieses Kriechen kann lediglich ein Kaltfliessvor- gang sein, bei dem das Aluminium seine äussere Form ändert, um auf diese Weise die Spannungen herabzusetzen, oder es kann einen Atmungs -Vor- gang einschliessen, bei dem sich der Aluminiumdraht nach anfänglicher Zusammenpressung weiterbewegt, indem er sich durch Schrumpfung von den angren zenden Oberflächen entfernt. Diese Bewegung er zeugt umgekehrte Spannungen, die dann eine ent gegengesetzte Bewegung des Drahtes bewirken, wobei sich der Kreislauf mit allmählich abnehmenden Be wegungsamplituden wiederholt, bis ein ziemlich sta biles Gleichgewicht hergestellt ist.
Der Grenzflächen- druck kann sich jedoch wesentlich verringert haben, wobei der Widerstand der Verbindung erhöht und eine schnellere Bildung der Oxydschicht gefördert wird. Es ist gefunden worden, dass die nachteiligen Wirkungen des Kriechens des Aluminiums durch Ausbreitung der Eindrückwirkung über einen ver hältnismässig grossen Flächenbereich auf einen Kleinst wert vermindert werden können, so dass der Einheits druck verkleinert und die Berührungsfläche vergrö ssert wird. Dadurch wird die Stromdichte sowie die Möglichkeit des Temperaturanstieges verringert.
Die wesentliche Bedeutung der Aluminiumkappe 6 mag nicht ohne weiteres einleuchtend sein, da sie zwei zusätzliche Aluminiumoberflächen hinzufügt, von denen das Oxyd entfernt werden muss, und da sie eine zusätzliche Reihengrenzkontaktfläche in den elektrischen Stromkreis einfügt. Jedoch wiegen die Vorzüge einer solchen Ausbildung diese offensicht lichen Nachteile bei weitem auf. Das Oxydfilmpro- blem kann zum Teil dadurch gelöst werden, dass das Oxyd entfernt und die Kappe galvanisch verzinnt wird. Das Vorhandensein der dünnen Aluminiumkappe verbessert die Leitfähigkeit der Verbindung in sol chem Masse, dass die zusätzliche Reihenkontaktfläche praktisch keinen Nachteil darstellt.
Die Vorteile der Kappe 6 werden nur vollständig verwirklicht, wenn der Eindrückarbeitsgang in dem oben empfohlenen Ausmass durchgeführt wird. Dies beruht zum Teil darauf, weil die Kappe mit ihrem geschlossenen Ende als Zylinder verwendet wird, in dem sich die Vaseline und Schleifmittelteilchen befin den und in dem der Druck während des Eindrück- arbeitsganges auf einen solchen Wert erhöht wird, dass das Gemisch aus Schleifmittel und Schmiermit tel,
das zwischen den einzelnen Litzenleitern durch die kolbenartige Wirkung beim Einsetzen des Drah tes in der Kappe verteilt wird, Risse in dem Oxyd film hervorruft. Ausreichender Druck zur Erzielung dieses Zweckes wird nur während des letzten Teils des Pressarbeitsganges erreicht, und zwar nur., wenn die Kappe an einem Ende geschlossen ist und an dem entgegengesetzten Ende dicht rings um die Iso lation 18 eingedrückt wird, so dass verhindert wird, dass das Schmiermittel rings um die Aussenseite der Isolation herausgepresst wird.
Die Form dieser Ein- drückung, die vorteilhaft der Eindrückung auf der Zwinge entspricht, ist in der perspektivischen Ansicht der Fig. 3 dargestellt.
Das Vorhandensein der Kappe bringt im all gemeinen keine Änderung der kleinsten Widerstands messwerte mit sich, das heisst, wenn die Kappe weg gelassen wird, erhät eine gewisse Anzahl Verbinder einer Gruppe die niedrigen Widerstandsmesswerte.
Dagegen würden andere Verbinder in der Gruppe eine merkliche Widerstandsvergrösserung in dem Be reich zeigen, der einer Gesamtverminderung der Querschnittfläche von 28 bis 37<B>Oh,</B> entspricht. Somit wird die Streuung zwischen den besten und den schlechtesten Verbindern der Gruppe beträchtlich vergrössert, wobei einige Verbinder einen höheren Widerstand als das annehmbare Minimum haben.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich deut lich, dass es ohne die Kappe nachteilig sein würde, die Verbinder so einzudrücken, dass die Querschnitt- fläche um mehr als 28% vermindert wird. Dies war zweifellos einer der Gründe, aus denen man unge wöhnlich grosse Drucke vermieden hat, und zur Durch führung irreführender Untersuchungen, die ohne die Kappe mit dem abgedichteten Ende vorgenommen wurden.
Ausserdem bildet die Kappe 6 den Anschluss an die Isolation 18 an dem Ende des Verbindungsteils 1 und verhindert die Konzentration von Kräften an die sem Punkt. Diese Verteilung der Spannungen macht die Verbindung widerstandsfähiger gegen seitliche Biegekräfte und erhöht ihre Nutzdauer, wenn sie Vi- brationsversuchen ausgesetzt wird.
Die Kappe 6, die an einem Ende geschlossen und an dem andern Ende dicht rings um die Isolation zusammengepresst ist, dichtet überdies den Bereicn ab, in dem die Druckkontakte hergestellt werden, wodurch der Eintritt von Luft, Feuchtigkeit, korro dierenden Dämpfen oder Flüssigkeiten usw. beträcht lich erschwert und die Lebensdauer der Verbindung wesentlich erhöht wird.
Diese Abdichtung wird auch durch die Vaseline in dem Verbinder sowie dadurch unterstützt, dass das korrosionsverhindernde Schmiermittel während des letzten Teils des Eindrückvorganges unter hohen Druck gesetzt und in jeden sehr kleinen innern Riss sowie zwischen die Einzellitzenleiter des Drahtes 14 und wieder zurück längs des Drahtes in den von der Isolation bedeckten Teil gepresst wird, so dass der Eintritt von Gasen oder Flüssigkeiten in die Zwinge in die Zwischenräume zwischen den Einzellitzenlei- tern verzögert wird.
Die wesentliche Bedeutung der Erweiterung der Eindrückwirkung zur Erzeugung einer über 28 o/a hin ausgehenden Querschnittsflächenverminderung, wenn eine geschlossene Kappe verwendet wird, ist in Fig. 8 veranschaulicht.
Diese zeigt Widerstandsmesswerte von einer Verbindergruppe, die so hergestellt und ein gedrückt wurde wie die Verbinder, welche die Mess- werte für die schraffierte Fläche des Diagrammes der Fig. 7 lieferten, die aber einem beschleunigten Le- bensdauerversuch in einem korrodierenden Milieu un terworfen wurden. Die untere Begrenzung der schraf fierten Fläche in Fig. 8 kennzeichnet den entstehen den Widerstand der besten Verbinder der Gruppe, während die obere Begrenzung den Widerstand der schlechtesten Verbinder der Gruppe markiert.
Aus der obern Begrenzung der schraffierten Flä che der Fig.8 erkennt man, dass bei einer Quer schnittverminderung zwischen 11 und 37 0/a eine be stimmte Anzahl Verbinder der Gruppe vollständig einwandfrei war, soweit es die Korrosionsbeständig keit betrifft. Andere Verbindungen zeigten jedoch ein übermässiges Anwachsen des Widerstandes, wie durch die obere Begrenzung der schraffierten Fläche zum Ausdruck kommt.
Man erkennt, dass bei einer Pressung von mehr als 28 1/o Querschnittverminderung die Streuung zwi schen den besten und schlechtesten Verbindungen nach dem Korrosionslebensdauerversuch merklich verringert wird und dass sich die Verbindungen bei weiterer Querschnittverminderung, wenigstens bis zu der Grenze von etwa 36 %-, noch immer verbessern. Infolgedessen ist es vorteilhaft, die Eindrückwirkung zu erweitern,
um die maximale Verminderung der Querschnittfläche zu erzeugen. Bei einer solchen Pressung liegt der bevorzugte Bereich zwischen 34 und 37 % Verminderung der Gesamtquerschnittfläche des verpressten Teils.
Wie oben erwähnt wurde, ist es zweckmässig, die Zwinge 2 und die Kappe 6 mit einem korrosions beständigen Metall zu galvanisieren. Galvanische Ver- zinnung hat sich als am vorteilhaftesten erwiesen. Wenn die Zwinge 2 aus Kupfer hergestellt ist, kann sie leicht in der üblichen Weise galvanisch verzinnt werden. Die Aluminiumkappe 6 (und die Zwinge 2, falls sie aus Aluminium besteht) kann mit jedem bekannten Verfahren so lange plattiert oder galvani siert werden, bis ein anhaftender Zinnüberzug er halten wird.
In einem bevorzugten Verfahren wird das Alu minium mit einem Gemisch von drei Teilen konzen trierter Salpetersäure zu einem Teil konzentrierter Flusssäure ungefähr 1 Minute geätzt, um den Oxyd überzug zu entfernen. Das Aluminium wird dann gewaschen, worauf ihm ein Plattierüberzug aus Zink dadurch gegeben wird, dass es in eine Lösung ge taucht wird, die aus einem Teil Zinkoxyd., sechs Tei len Natriumhydroxyd und zwölf Teilen Wasser (ins gesamt auf das Gewicht bezogen) besteht. Danach wird es gewaschen und durch Plattierung mit Kup fer in einem Bad überzogen, das aus einem Teil Natriumkarbonat, einundeinhalb Teilen Kupfer und zweieinviertel Teilen Natriumcyanid zusammengesetzt ist.
Danach wird es wieder gespült und in üblicher Weise galvanisch verzinnt.
Nach Anwendung der galvanischen Verzinnung wird ein Wiederfliessen durch Erwärmung des gal vanisierten Gegenstandes auf eine zum Schmelzen des Zinnes ausreichend hohe Temperatur bewirkt. Ge gebenenfalls wird es einer mechanischen Hin- und Herbewegung oder einer Vibration unterworfen, wäh rend es sich auf dieser Temperatur befindet. Dieses Wiederfliessen des Zinnes gehört zu der üblichen Praxis, und die technischen Verfahren und Vorrich tungen zur Durchführung sind allgemein bekannt.
Jedoch hat es sich nach dem Wiederfliessen des Zin- nes als vorteilhaft erwiesen, eine zusätzliche Zinn schicht auf der Zinnoberfläche, die zum Wiederflie ssen gebracht wurde, galvanisch niederzuschlagen.
Das Wiederfliessen des Zinnes sucht die feinen Löcher oder Risse abzudichten -und das Zinn besser über oder rings um sehr kleine Fehlerstellen zu ver teilen. Die genauen Wirkungen der aufeinanderfol genden galvanischen Verzinnung sind nicht bekannt. Messungen zeigen aber eine Verbesserung der Leit fähigkeit der Verbindungen an, das heisst die obere Grenze des Widerstandes ist verringert, so dass die Streuung hinsichtlich der Qualität zwischen den besten und den schlechtesten Verbindungen verkleinert wird.
Die Zinnplattierung kann auch durch Walzver- fahren auf dem Flachblech vorgenommen werden, aus dem der Verbinder hergestellt ist. Somit kann durch Fertigung der Verbinder aus handelsüblichem zinn- plattiertem Aluminium die Notwendigkeit eines ge sonderten Plattier- oder Galvanisierarbeitsganges ver mieden werden. Diese Wirkung ist besonders wichtig, wenn das Eindrücken so durchgeführt wird, dass eine Querschnittverminderung von 28 %. überschritten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung wurde der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Verbinder aus Aluminium hergestellt. Die Zunge 4 und der Zwingenteil 2 wurden aus Aluminium ge fertigt, und die Kappe wurde aus einem dünnen Aluminiumblech gezogen.
Die Zwinge 2 und die Kappe 6 wurden mit Zink und dann mit Zinn plattiert, das zum Wiederfliessen gebracht und wiederplattiert wurde, wie es insgesamt oben beschrieben ist.
Zur Verwendung bei verlitztem Aluminiumdraht mit einer Querschnittfläche von 0,213 cm2 hatte die Zwinge 2 eine Querschnittfläche von 0,546 cm2 vor dem Verpressen.
Die Kappe 6 wurde ungefähr zur Hälfte mit Gelee, beispielsweise einem Gemisch aus Vaseline und Nickelpulver, gefüllt. Andere Fett- oder Gelee- bzw. Gallertverbindungen, wie z. B. Staufferfett , Wachse, Harze usw., können mit jeder gewünschten Art von Schleifmittelteilchen verwendet werden, wo bei sich aber das Gemisch aus Vaseline und Nickel pulver als vollständig geeignet erwiesen hat.
In der Praxis wird die Gelee in der Kappe untergebracht, die mit einem Celluloseverschluss 32 aus Zweckmässig keitsgründen für den Versand und Transport ab gedichtet ist, wie in Fig. 10 dargestellt ist.
Der Verschluss 32 wird entfernt oder von dem blanken Litzendraht 14 des Kabels 16 durchbohrt, der in den engeren Teil 8 der Kappe 6 eingefügt wird und praktisch zu dessen Ende 10 verläuft. Die Isolationsumhüllung 18 erstreckt sich innerhalb des erweiterten Teils 12 der Kappe im wesentlichen bis zu dessen Ende.
Der engere Teil 8 der Kappe hat ungefähr die selbe Länge wie die Zwinge 2, so dass sich sein geschlossenes Ende 10 nach dem Einsetzen in die Zwinge 2 an dem einen Ende der Zwinge und die Isolationshülse 12 an dem andern Ende befinden.
Die zusammengefügte Einheit des Drahtes und des Verbinders wird dann in eine geeignete Matrize gebracht. Dieses Gesenk soll die Zwinge und den Isolationshalter (Isolationstraghülse) eindrücken, und die Eindrückungen sollen vorteilhafterweise die all gemeine Form haben, die in den Fig.3, 5 und 9 dar gestellt ist.
Die Zwinge 2 und der Isolationsteil 12 können gleichzeitig so lange eingedrückt werden, bis der Iso lationsteil vor der endgültigen Eindrückbewegung der Zwinge rings um die Isolierung fest abgedichtet ist. Erforderlichenfalls kann zuerst der Tragteil 12 und danach die Zwinge 2 eingedrückt werden.
Der Eindrückarbeitsgang wird fortgesetzt, bis die Querschnittfläche durch Pressung von 34 auf 37 /a innerhalb des gepressten Teils vermindert worden ist, das ist die Differenz der Gesamtquerschnittfläche des Drahtes und der Zwinge vor und nach dem Eindrük- ken geteilt durch die Gesamtfläche vor dem Ein drücken und als Prozentsatz ausgedrückt.
Diese Re duktion kann von 28 bis 37 11/o reichen, wobei abei der bevorzugte Bereich aus den bereits dargelegten Gründen zwischen 34 und 37 /o liegt.
Fall gewünscht, kann die Zwinge 2 aus Kupfer hergestellt werden. Das Kupfer soll in der üblichen Weise zinnplattiert werden, und das übrige Verfah ren ist das gleiche wie bei der Aluminiumzwinge.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich deutlich, dass der hier beschriebene Verbinder zur Herstellung von elektrischen und mechanischen Ver bindungen mit Aluminiumdraht gut geeignet ist und dass er den vollen Vorteil der Wechselbeziehung zwi schen den verschiedenen Verbinderteilen ausnutzt.
Electrical connector for an aluminum conductor The invention relates to an electrical connector for an aluminum conductor, especially for a stranded conductor, with a cap open on one side for receiving the conductor end, which can be compressed after the conductor has been inserted, and is characterized in that the cap is at least is partially filled with a corrosion-preventing lubricant in which fine, preferably electrically conductive abrasive powder is distributed, the cap being provided at the open end with a closure to hold back the filling in the cap.
The invention is particularly suitable for those connectors that are crimped onto the aluminum wire. Such connectors can be used, for example, to produce a corrosion-resistant, highly conductive connection point between an aluminum and a copper conductor or between two aluminum conductors. These connectors can be designed as connecting members of the type in which the end of a wire is connected to a contact bolt or other fastening means, or they can be constructed so that they connect two or more wires made of the same metal or of different metals.
To create a satisfactory connector for aluminum wire, a number of requirements should be met. The connector should produce sufficient current carrying capacity and good electrical conductivity between the aluminum wire and the other conductor. This conductivity should conditions over a long period of time and under unfavorable conditions, for. B. when the connection is exposed to moisture, corrosive atmosphere, repeated temperature changes, etc., are maintained.
The connector should be designed so that it can be easily and quickly attached to the aluminum wire, preferably by a simple push-in operation that does not require soft or hard soldering or welding. The connector should not be excessively large, and the costs for its manufacture and for the attachment to the conductor should be low to achieve maximum industrial usability.
Many attempts have been made to solve the problems which arise in developing a connector having the above-mentioned features. However, for the reasons set out below, the connector for commercial use has not yet been completely satisfactorily manufactured. This is true even though several of the individual problems that existed in the production of a good connection were completely or partially solved by previous workers, since no solution was found or contained in these connections for other problems, so that not a single completely correct connector can be found revealed. Since a fully satisfactory connector has not been invented, there is no guideline which could be used in the construction of a satisfactory connector.
From the following consideration it will become clear that the solution of every problem in the production of the connection depends on the solution of other problems, so that a perfect connection cannot be achieved by combining individual known features without their interdependence in application to be considered in the particular connection.
Probably the most serious difficulty with the connectors built to date has been the lack of reliability. Based on the technology to date, it is not a particularly difficult task to build a connector for aluminum wire which appears to meet all of the above conditions. However, when a large number of connectors are made, there will be a wide range of changes in the characteristics or properties of the connections made when the connectors are attached to aluminum wire.
A certain number of connectors can make acceptable connections, others produce less than perfect connections, and a further part results in connections which are completely inadequate. Thus, such a connector is unusable for extensive industrial generation.
In addition, when the individual connectors that appear to have made satisfactory initial connections are subjected to life tests, it is found that some of the connections fail prematurely, indicating a lack of reliability.
A commercially or industrially acceptable connector should be free from any possibility of premature failure. Even one electrical failure among many hundreds of connections would make this type of connector unsuitable for commercial use, especially in aircraft technology, although all other connections can be carried out satisfactorily.
The attached drawing explains the invention using an exemplary embodiment. 1 shows an exploded perspective view of the parts of a connector and of the aluminum wire to which they are to be attached; Figure 2 is a perspective view of the connector illustrated in Figure 1 after assembly and placement on the wire but prior to being crimped; Fig. 3 is a perspective view of the connec tion formed by the beading of the assembled unit dargestell th in Fig. 2;
Fig. 4 is a diagram used to assist in explaining the principles of the invention; Fig. 5 is a cross-section along the line 5-5 of Fig. 3 (on a larger scale compared to that of Fig. 3), which shows the shape of the ferrule and the Drah tes after pressing; Fig. 6 is a cross-sectional view on the scale of Fig. 5 along line 6-6 of Fig. 3 showing the shape of the insulation retainer after pressing; Fig. 7 is a graph illustrating the relationship between the amount of indentation and the resistance of the connection;
Fig. 8 is a graph showing the relationship between the degree of compression and the electrical resistance of the joint after a life test; 9 shows a longitudinal section of the connection shown in FIG. 3 and FIG. 10 shows a perspective view of a cable shoe insert according to FIG. 1, the figure also showing the plastic cap for retaining the corrosion-inhibiting lubricant in the cable shoe.
An important problem in making a connection with aluminum conductors arises from the thin oxide coating that covers the exposed surfaces of the aluminum. This oxide coating is very thin and hard and adheres tenaciously to the aluminum surface. If the coating is removed by wear or in some other way, a new oxide coating forms immediately if the aluminum is exposed to the atmosphere, and ver strengthens briefly further, after which the strength of the film no longer increases under normal conditions. However, an increase in temperature causes a further increase in the film thickness.
In order to produce a satisfactory electrical connection with the aluminum, it is necessary to remove this oxide coating so that contact with the exposed native metal can follow. To maintain good electrical conductivity, the oxide coating must be prevented from re-forming and increasing the resistance of the connection. Even a weak oxide coating is not acceptable, since the resulting increase in resistance causes more heat to be generated in the connection and the resulting rise in temperature causes the oxide coating to develop even more quickly.
This oxide coating can be chemically, e.g. B. by the action of hydrofluoric acid, or mechanically, e.g. B. by abrasion or grinding removed. This coating is apparently also relatively inelastic, so that the oxide layer breaks apart when the aluminum surface expands, with new areas of the exposed metal being formed.
When the oxide has been removed, the aluminum can be plated or galvanized with an oxide-resistant metal or with a metal whose oxide is electrically conductive, so that the formation of aluminum oxide is effectively reduced or prevented.
As a result, the oxide must be removed from the wire by mechanical means, e.g. By abrasion, scouring, or stretching, at the time the connector is attached to the wire. In addition, this removal of oxide should take place so completely in every connection that no areas develop which accelerate the regression of the oxide and cause the connection to fail prematurely.
One step in achieving this oxide removal is to press the bare aluminum wire into the ferrule portion of the connector to such an extent that substantial stretching or extrusion of the wire is caused by abrasion created by the different lengthwise extrusion of the ferrule versus the wire - the effect is accompanied.
Such a pressing action or pressing out must be carried out in such a way that satisfactory mechanical strength is maintained and at the same time the stresses that occur when using the conductor with the pressed-on connector are absorbed without any electrical or mechanical defects occurring.
Fig.l shows a connecting part 1, which consists of a tubular clamp 2 and a tongue part 4 formed in one piece therewith. The ferrule and the tongue are made of aluminum in this example, with all exposed surfaces including the inside of the tubular ferrule 2 being plated or galvanized with an adhesive layer of tin, as will be described later.
A thin-walled cap 6 made of tin-plated aluminum has a cylindri's insert part 8 which has a closed end 10 and a further cylindrical insulation support part 12 with an open end. The insert part 8 of the cap 6 is filled with a corrosion-bonding lubricant in which abrasive particles are dispersed, as will be described later, and is adapted to receive the bare end part 14 of an aluminum cable 16 insulated. The upper surface of the cap 6 is tin-plated.
It is not always essential that the interior surface is fully galvanized, especially over the surface areas where electrical connection is not required. The widened part 12 of the cap engages over the insulation jacket 18 of the cable and forms an insulation holder. The insert part 8 of the cap is then arranged in the ferrule 2 so that the assembled unit has the appearance shown in FIG. The ferrule part 2 and the part 12 of the cap are then pressed into a die so that the connector shown in FIG. 3 is produced.
During this pressing process, the ferrule 2 and the stranded wire 14 are both pressed out, so that the stretching effect creates new, oxide-free surfaces on the aluminum wire 14 as well as on the inner surface of the insert part 8 if it is not or only partially galvanized. This new surface is created not only on the outer surface of the wire, adjacent to the inner surface of the cap, but also along the stranded conductors of the wire 14, which form a compressed bundle where the stranded conductors have intimate electrical contact with each other.
In addition, there is a different elongation between the wire 14 and the cap 6, which is pressed out together with the clamp 2. For the purposes of this discussion, it can be assumed that the insert part 8 of the cap and the ferrule 2 act as a unit during pressing and that the metal of the cap and the metal of the ferrule move in unison at their interface.
At the beginning of the pressing process, the clamp is pressed out at greater speed than the wire, while if the pressing process is continued, the wire is later pressed out at greater speed than the clamp. The relative speeds of the extrusion are shown in Figure 4 for a connector and a conductor.
The abscissa shows the reduction in cross-sectional area during the pressing process as a percentage of the area initially available, while the ordinate shows the pull-out strength in relative values. The solid line 20 shows the reduction in the cross-sectional area of the clamp in the area in which the pressing force is exerted as a function of the reduction in the total cross-sectional area of the clamp and the wire.
The dashed line 22 illustrates the reduction in cross-sectional area of the wire as a function of the reduction in the total cross-sectional area of the ferrule and wire. It is noted that with a total reduction in cross-sectional area of less than approximately 17%, a greater reduction (20) in the ferrule cross-section than the wire cross-section (22)
occurs. With a total reduction of 17%, the wire and the ferrule have been reduced in the same way, and above 17% there is a greater reduction in cross-section in the wire than in the ferrule.
The different longitudinal movement of the wire and the surface surrounding it, which is caused by the different extrusion speeds, generates a scrubbing effect which supports the removal and breaking of the oxide coating of the aluminum wire 14.
In order to establish a good initial contact and to maintain the high conductivity, it is apparently advantageous if the oxide surface is broken up or separated into a mosaic-like pattern in the areas where it is not completely removed, with the individual oxide particles from a small area over the surface area of the exposed solid metal can be dispersed. This effect is aided by the presence of abrasive grains in the ferrule around the wire when the crimping process takes place.
These grains, which are hard and advantageously have sharp points, corners or edges, are evidently pressed into the oxide film and penetrate into this or at least cause a weakened point that creates a concentration of the stresses and forms a point where a crack is formed or breakage in the oxide film can easily occur. The presence of a large number of such particles ensures that the oxide is broken up into a large number of separate surface areas, so that the contact surface that is extremely desired is created.
These grains can be electrically conductive if, for example, they are formed from particles of nickel or another metal, or they can be non-conductive if, for example, particles made from A1203 referred to as Alundum (registered trademark) are used. To create a carrier for these particles and for other purposes to be set out later, the particles are in a water-resistant corrosion preventive lubricant such. B. Vaseline, dispersed.
A special compound that has proven to be satisfactory is a mixture of equal parts by weight of petroleum jelly and nickel powder, the particles of which are on average about such a size that they can pass through a 300-mesh sieve. These particles are expediently pointed or sharp-edged in order to achieve the desired cutting effect. As mentioned above, particles of materials such as e.g. B. corundum, which are electrically non-conductive, can be used.
This shows that the main function of these particles is not to create contacts between the wire 14 and the cap 6.
The pressing effect, by which the wire and the clamp are firmly connected to one another, must be such that sufficient compression is generated to ensure intimate electrical contact between the aluminum wire and the cap and between the individual wires of the stranded wire itself through the effects described above to obtain. At the same time, however, the indentation effect must not be so strong that a break or excessive weakening of the aluminum wires occurs and a weak mechanical connection is established.
It has been found that in the case of a point-wise pressing in, a sufficient squeezing effect can not be achieved, although the required mechanical strength is retained. This does not mean that individual, apparently completely flawless connectors cannot be produced with serrated press dies, but that such connectors, when produced in large quantities, result in a certain number of defective or short-lived contacts, making the connectors unsuitable for commercial use .
When using a flat ram, however, a number of advantages are achieved, in particular when it is designed so that the contact area between the wire 14 and the cap 6 is enlarged by the deformation. Such a connection is shown in perspective in FIG. 3 and its cross-sectional shape in FIG. It can be seen that the flattening of the ferrule and the wire during the pressing-in process significantly increases the contact area between the cap 6 and the wire 14.
Using a punch of this type it has been found possible to extend the extrusion to a point which ensures that every connection is made satisfactorily. In order to achieve this, the recess should be larger than the deformation, which only results in maximum strength. For most connector designs, it was considered dangerous to indent the connection beyond the point of maximum tensile strength. It has been shown, however, that a number of advantages result from this unusually large compression.
The curve 24 of FIG. 4 shows the relative pull-out strengths of the connectors when different pressures are exerted on the connector during the pressing process. It is noticeable that the tensile strength increases very quickly with a growing reduction in the cross-sectional area, until it reaches the maximum pull-out strength at a cross-sectional reduction of approximately 18%. Beyond this point, the pull-out strength decreases more slowly, i.e. the angle of fall of the curve beyond the point of maximum pull-out strength is less than the angle of rise of the curve at the initial cross-sectional reductions up to the point of maximum pull-out strength.
But even with a 40% reduction in the total cross-sectional area, sufficient pull-out strength is obtained. It is clear that by pushing the clamp in beyond the point of maximum pull-out strength, connections with more uniform mechanical strength ratings are obtained.
If, for example, the connector is pressed in such that the cross-sectional area is reduced by 14%, the curve 24 indicates that a relative pull-out strength of 6.0 is achieved.
The same pull-out strength can be achieved with a reduction of approximately 26%. It can be seen, however, that every change in the extent of the depression causes a greater variation in the pull-out strength if the connector cross-section is only reduced to the 14/11 range than if the point of maximum pull-out strength is exceeded.
The electrical characteristics of the connection are also influenced by the degree of indentation. The hatched part of the diagram in FIG. 7 shows the relative initial resistance of the connections as a function of the reduction in the total cross-sectional area. The upper and lower limits of the hatched area correspondingly represent the maximum and minimum resistance measurements of a relatively large number of connectors which are designed like the connector illustrated in FIGS. 1 to 3.
All process fluctuations, such as manufacturing tolerances and the type and manner of pressing, were controlled within the narrowest, practically applicable limits.
If you take a relative pull-out resistance of 7 as a starting point, you can see that with a reduction in the total cross-sectional area of only 11%, a certain percentage of the connections are completely correct from the point of view of electrical conductivity, while other connections have such a high resistance show that they are completely insufficient.
An increase in the degree of indentation to a reduction in cross-section of around 17% causes only a slight change in the resistance of the best connections. But the spread of the resistance between the best and the worst connector of the group increases very quickly, that is, the worst connector has a higher resistance than other connectors that are pressed to a lesser extent.
It can be seen from curves 20 and 22 in FIG. 4 that the clamp has been compressed more than the wire below this reduction of 17%, but that the wire is compressed more than the clamp at greater pressures.
With cross-section reductions between approximately 17 and 26% - there is little change in the scatter between maximum and minimum resistance values, although the resistance is steadily decreasing over this range. With a reduction of 26 0/0, however, the conductivity of a substantial number of connectors is still below the acceptable limit.
With a larger cross-section narrowing of 26% to approximately 28/0, a further improvement in the resistance of the best connectors is achieved. But the resistance of the worst connector experiences an even faster improvement, so that the dispersion of the conductivity between the worst and the best connector of the group is markedly reduced. At a 28% decrease, each connector in the group shows an acceptable resistance reading.
Further compression to a cross-section reduction of 36 to 37% leads to a further improvement in conductivity with a small change in the scatter between the best and the worst connector.
With a 36% reduction in cross-section, the best connectors have practically the theoretical conductivity, i.e. the same conductivity that the construction would have if the connector and the wire were made as a whole from a single piece of metal.
It is clear that the above results and advantages can only be achieved if all factors influencing the quality of the connection are carefully regulated or controlled when applying all of the principles and procedures discussed here.
The improvement in the conductivity of the poorest joints in the group from this high compression is probably due, at least in part, to the abrasive action between the wire and the cap caused by the various longitudinal compression rates. But the stretching of the metal is also a factor, as this breaks the oxide film and exposes the dignified metal.
The relationship between the abrasive action and the elongation of the interfaces as a function of the cross-sectional area is dependent to some extent on the originally existing relative areas of the ferrule and the wire. As a result, the ratio of the reduction in the cross-sectional areas of the wire and the ferrule in the indented part of the connec tion is a more accurate measure, but its application is difficult in practice. For most connectors that use limited compression, the crimping operation must be continued until the wire cross section has been reduced at least 1.37 times.
The reduction can be as great as 1.54, with the preferred working range between 1.48 and 1.54.
In the preferred embodiment of the connector described above, the aluminum oxide only needs to be removed from the wire surfaces by the extrusion process. As a result, the downsizing of the wire is a matter of practical determination. In the working methods and constructions described here, it is found that a reduction in the cross-sectional area of the wire of 35 to 50 0 / m is satisfactory, with the preferred working range being between 42 and 50 0/0.
It is important that the good electrical contact that has been made is maintained over a long period of time. The contact can be destroyed, for example, by loosening, by corrosion or by regression of the oxide coating on the aluminum. It has therefore been found to be advantageous to seal the clamp in order to prevent the entry of corrosive vapors or liquids as well as the entry of air and water vapor, which would otherwise accelerate the corrosive galvanic effect and the regression of the oxide coating.
Besides this seal, which will be described in more detail, the solid Metallflä surfaces are to be kept in pressure contact with the inner surface of the cap 6 in order to maintain the high electrical conductivity and further aggravate oxide formation on the aluminum surface.
However, when aluminum is held under pressure, it tends to creep or cold flow so that the pressure used to hold the surfaces together decreases.
This creep can only be a cold flow process in which the aluminum changes its external shape in order to reduce the stresses in this way, or it can include a breathing process in which the aluminum wire continues to move after it has been initially compressed by shrinks away from the adjacent surfaces. This movement he testifies to reverse tensions, which then cause an opposite movement of the wire, the cycle with gradually decreasing movement amplitudes Be repeated until a fairly stable equilibrium is established.
However, the interfacial pressure may have decreased significantly, increasing the resistance of the connection and promoting faster formation of the oxide layer. It has been found that the adverse effects of aluminum creep can be reduced to a minimum by spreading the indentation effect over a relatively large area, so that the unit pressure is reduced and the contact area is enlarged. This reduces the current density as well as the possibility of temperature rise.
The essential importance of the aluminum cap 6 may not be readily apparent since it adds two additional aluminum surfaces from which the oxide must be removed and since it adds an additional series interface pad to the electrical circuit. However, the benefits of such a design far outweigh these obvious drawbacks. The oxide film problem can be partially solved by removing the oxide and electroplating the cap. The presence of the thin aluminum cap improves the conductivity of the connection to such an extent that the additional row contact area is practically no disadvantage.
The advantages of the cap 6 are only fully realized if the pressing operation is carried out to the extent recommended above. This is partly because the closed end of the cap is used as a cylinder in which the petroleum jelly and abrasive particles reside and in which the pressure during the indenting operation is increased to such a level that the mixture of abrasive and Lubricant,
which is distributed between the individual stranded conductors due to the piston-like effect when the wire is inserted into the cap, causing cracks in the oxide film. Sufficient pressure to achieve this purpose is only achieved during the last part of the pressing operation, and only if the cap is closed at one end and is pressed tightly around the insulation 18 at the opposite end, so that it is prevented that the lubricant is squeezed out around the outside of the insulation.
The shape of this indentation, which advantageously corresponds to the indentation on the clamp, is shown in the perspective view of FIG.
The presence of the cap generally does not result in any change in the smallest resistance measured values, that is, if the cap is left off, a certain number of connectors in a group receive the low resistance measured values.
In contrast, other connectors in the group would show a noticeable increase in resistance in the area corresponding to an overall reduction in cross-sectional area of 28 to 37. Thus, the spread between the best and worst connectors of the group is considerably increased, with some connectors having a resistance greater than the minimum acceptable.
From the above statements it clearly emerges that without the cap it would be disadvantageous to press in the connector in such a way that the cross-sectional area is reduced by more than 28%. This was undoubtedly one of the reasons why unusually large prints were avoided and misleading tests carried out without the sealed end cap.
In addition, the cap 6 forms the connection to the insulation 18 at the end of the connecting part 1 and prevents the concentration of forces at this point. This distribution of stresses makes the connection more resistant to lateral bending forces and increases its useful life if it is subjected to vibration tests.
The cap 6, which is closed at one end and tightly compressed around the insulation at the other end, moreover seals the area in which the pressure contacts are made, whereby the entry of air, moisture, corrosive vapors or liquids, etc. considerably difficult and the life of the connection is significantly increased.
This seal is also supported by the Vaseline in the connector and by the fact that the corrosion-preventing lubricant is put under high pressure during the last part of the pressing process and into every very small internal crack and between the individual stranded conductors of the wire 14 and back along the wire the part covered by the insulation is pressed, so that the entry of gases or liquids into the clamp into the spaces between the individual stranded conductors is delayed.
The essential importance of the expansion of the indentation effect to produce a cross-sectional area reduction going beyond 28 o / a when a closed cap is used is illustrated in FIG.
This shows resistance measured values from a connector group which was produced and pressed in like the connectors which provided the measured values for the hatched area of the diagram in FIG. 7, but which were subjected to an accelerated service life test in a corrosive environment. The lower limit of the hatched area in FIG. 8 indicates the resistance of the best connectors in the group, while the upper limit marks the resistance of the worst connectors in the group.
From the upper limit of the hatched area in FIG. 8, it can be seen that with a cross-section reduction between 11 and 37 0 / a, a certain number of connectors in the group were completely correct as far as the corrosion resistance is concerned. However, other compounds showed an excessive increase in resistance, as indicated by the upper limit of the hatched area.
It can be seen that with a compression of more than 28 1 / o cross-section reduction, the scatter between the best and worst connections is noticeably reduced after the corrosion service life test and that the connections decrease with further cross-section reduction, at least up to the limit of about 36% -, still improving. As a result, it is beneficial to extend the indentation effect,
to produce the maximum reduction in cross-sectional area. In the case of such a pressing, the preferred range is between 34 and 37% reduction in the total cross-sectional area of the pressed part.
As mentioned above, it is expedient to galvanize the ferrule 2 and the cap 6 with a corrosion-resistant metal. Galvanic tinning has proven to be the most advantageous. If the ferrule 2 is made of copper, it can easily be tin-plated in the usual way. The aluminum cap 6 (and the ferrule 2, if it is made of aluminum) can be plated or electroplated using any known method until an adherent tin coating is retained.
In a preferred method, the aluminum is etched with a mixture of three parts of concentrated nitric acid to one part of concentrated hydrofluoric acid for about 1 minute to remove the oxide coating. The aluminum is then washed, after which it is given a zinc plating coating by dipping it in a solution consisting of one part of zinc oxide, six parts of sodium hydroxide and twelve parts of water (in total by weight). It is then washed and plated by plating with copper in a bath composed of one part sodium carbonate, one and a half parts copper and two and a quarter parts sodium cyanide.
Then it is rinsed again and tin-plated in the usual way.
After galvanic tinning has been used, re-flow is brought about by heating the galvanized object to a temperature high enough to melt the tin. If necessary, it is subjected to a mechanical reciprocating motion or vibration while it is at this temperature. This reflowing of the tin is a common practice and the technical procedures and devices for carrying it out are well known.
However, after the tin has flowed again, it has proven to be advantageous to galvanically deposit an additional tin layer on the tin surface, which has been made to flow again.
The reflow of the tin tries to seal the fine holes or cracks - and to distribute the tin better over or around very small flaws. The exact effects of successive tin plating are not known. Measurements, however, indicate an improvement in the conductivity of the connections, that is to say the upper limit of the resistance is reduced, so that the variation in quality between the best and the worst connections is reduced.
The tin plating can also be done by rolling on the flat sheet from which the connector is made. Thus, by manufacturing the connectors from commercially available tin-plated aluminum, the need for a separate plating or electroplating operation can be avoided. This effect is particularly important if the indentation is carried out in such a way that a reduction in cross-section of 28%. is exceeded.
In a preferred embodiment of the invention, the connector shown in FIGS. 1 to 3 was made of aluminum. The tongue 4 and the ferrule part 2 were made of aluminum and the cap was drawn from a thin aluminum sheet.
The ferrule 2 and cap 6 were plated with zinc and then with tin, which was reflowed and re-plated, as generally described above.
For use with stranded aluminum wire with a cross-sectional area of 0.213 cm2, the clamp 2 had a cross-sectional area of 0.546 cm2 before pressing.
The cap 6 was filled approximately halfway with jelly, for example a mixture of vaseline and nickel powder. Other fat or jelly or gelatinous compounds, such as. B. Staufferfett, waxes, resins, etc., can be used with any desired type of abrasive particles, but where the mixture of petroleum jelly and nickel powder has proven to be completely suitable.
In practice, the jelly is housed in the cap, which is sealed with a cellulose closure 32 for expedient reasons for shipping and transport, as shown in FIG.
The closure 32 is removed or pierced by the bare stranded wire 14 of the cable 16, which is inserted into the narrower part 8 of the cap 6 and practically runs to the end 10 thereof. The insulation jacket 18 extends within the enlarged portion 12 of the cap substantially to the end thereof.
The narrower part 8 of the cap has approximately the same length as the ferrule 2, so that its closed end 10, after being inserted into the ferrule 2, is at one end of the ferrule and the insulating sleeve 12 is at the other end.
The assembled unit of wire and connector is then placed in a suitable die. This die is intended to press in the ferrule and the insulation holder (Isolationstraghülse), and the indentations should advantageously have the general shape that is shown in FIGS. 3, 5 and 9.
The clamp 2 and the insulation part 12 can be pressed in at the same time until the Iso lation part is tightly sealed around the insulation before the final pressing movement of the clamp. If necessary, the support part 12 and then the clamp 2 can be pressed in first.
The pressing operation is continued until the cross-sectional area has been reduced by pressing from 34 to 37 / a within the pressed part, that is the difference between the total cross-sectional area of the wire and the clamp before and after pressing divided by the total area before pressing and expressed as a percentage.
This reduction can range from 28 to 37 11 / o, the preferred range being between 34 and 37 / o for the reasons already explained.
If desired, the ferrule 2 can be made of copper. The copper should be tin-plated in the usual manner and the rest of the procedure is the same as for the aluminum ferrule.
From the foregoing it is clear that the connector described here is well suited for making electrical and mechanical connections with aluminum wire and that it takes full advantage of the interrelationship between the various connector parts.