Verfahren zur Herstellung einer Schweissverbindung zwischen einem Aluminiumelement und einem Kupferelement und nach diesem Verfahren hergestellte Schweissverbindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweissverbindung zwischen einem Aluminiumelement und einem Kupferelement und eine nach diesem Verfahren hergestellte Schweiss verbindung. Insbesondere soll eine solche Verbindung für jenen Fall geschaffen werden, in welchem elek trische Leitfähigkeit und Festigkeit Hauptforderun gen darstellen, wie dies z. B. bei der Verbindung zwischen einer Aluminium-Sammelschiene und einem Kupferleiter eines elektrischen Schmelzofens zur Er zeugung von Aluminium der Fall ist.
Es ist bekannt, dass das einwandfreie Verbinden von Aluminium- und Kupferelementen durch Schwei ssung mit besonderen Schwierigkeiten verbunden ist. Aluminium oxydiert augenblicklich, wenn es mit Luft in Berührung kommt, wobei die sich bildende Oxydschicht eine wirksame Isolierschicht bildet, so dass gut leitende Verbindungen zwischen Aluminium und Kupfer praktisch unmöglich sind. Die bisher bekannten Aluminium-Kupfer-Verbindungen zeigen alle einen grösseren elektrischen Widerstand als ein gleich langes Stück aus dem einen oder andern der beiden Metalle allein. Ausserdem besitzen die bisher bekanntgewordenen Verbindungen der genannten Art äusserst schlechte physikalische Eigenschaften, so dass sie für viele Verwendungszwecke völlig ungeeignet sind.
Bei der Aluminiumerzeugung, bei welcher Alu miniumoxyd in einem Schmelzofen unter Verwen dung einer Kohlenanode einer Elektrolyse ausgesetzt wird, war es üblich, zur Zufuhr der elektrischen Energie zur Anode massive Kupfer-Sammelschienen zu verwenden, wobei biegsame Kupferleiter mit ihrem einen Ende an die Sammelschiene und mit ihrem andern Ende an die Anode angeschlossen sind. Zu folge des Mangels und des hohen Preises von Kupfer suchte die Industrie nach Ersatzmaterialien für das Kupfer. Man wählte Aluminium, da dieses eine hohe Leitfähigkeit aufweist; seine Verwendung zur Her stellung von Sammelschienen, speziell im Hinblick auf die Verbindung zwischen dieser Sammelschiene und den Kupferleitern, zeitigte aber keine günstigen Resultate.
Bei einem heute üblichen Verfahren wird eine Aluminiumklammer an die Aluminium-Sammel schiene angeschweisst, worauf an der Klammer das eine Ende eines flexiblen Kupferleiters angeschraubt wird. Das andere Ende des Kupferleiters wird in diesem Fall an einer massiven Kupferschiene be festigt, die ihrerseits an den Anodenzapfen des Alu minium-Schmelztiegels befestigt wird; die genannte Kupfer-Sammelschiene wird üblicherweise als Kup fer-Anodenschiene bezeichnet. Der elektrische Wider stand dieser Aluminium-Kupfer-Verbindung ist bei der Erzeugung von Aluminium besonders wichtig, da hier normalerweise grosse Stromstärken angewen det werden. Wo Verbindungen der fraglichen Art bisher verwendet wurden, zeigte es sich, dass sie hohe Kontaktwiderstände aufweisen, welche den die Verbindung durchfliessenden elektrischen Strom er heblich herabsetzen.
Der Hauptgrund für diese un genügenden Ergebnisse liegt im Kriechen der Alu miniumklammer, was eine Folge der während des Betriebes des Schmelztiegels auftretenden Tempe raturwechsel ist. Unter Kriechen wird hier ein plastisches Fliessen oder eine Änderung der Ab messungen des Materials verstanden, das durch den Zug der Zugbolzenverbindung entsteht, und zwar während der Aufheizperiode des oben genannten Temperaturwechselzyklus. Zufolge dieses Fliessens des Aluminiums löst sich die Bolzenverbindung wäh rend der Abkühlperiode des Temperaturwechsel zyklus, was den hohen Kontaktwiderstand hervor- ruft.
Während bei Normalbetrieb die Arbeitstempe raturen der Aluminium-Schmelztiegel nicht unzu lässig hoch sind, treten doch oft Verhältnisse auf, welche eine für die genannte Verbindung übermässige Temperaturzunahme bringen, z. B. wenn die an - der Oberfläche des Schmelzgutes im Tiegel sich bildende Kruste aufgebrochen wird, um die Zugabe weiteren Aluminiumoxyds zu ermöglichen, oder wenn der Rauchabzug des Tiegels nicht richtig funktioniert, oder wenn sonst abnormale Betriebszustände auf treten.
Das genannte Kriechen wird noch durch die Lichtbogen unterstützt, welche in den Luftspalten zufolge des Lösens der Verbindung auftreten. Diese Lichtbogen heizen das Metallelement noch weiter auf und verstärken somit den genannten Kriecheffekt. Somit ist bei losen Verbindungen, die eine Folge des durch die Lichtbogenbildung noch unterstützten Kriechens sind, nicht nur die Leistungszufuhr zum Schmelztiegel beträchtlich herabgesetzt, sondern es tritt auch ein Verbrennen der dünnen Kupferlitzen der flexiblen Kupferleiter auf, was zum vorzeitigen Verschleiss dieser Leiter führt. Diese völlig unbefrie digenden Verhältnisse machen auch die dauernde Überwachung und periodisches Nachziehen der frag lichen Verbindungen notwendig.
Ferner ist es bekannt, den Kupferleiter dadurch an der Aluminium-Sammelschiene zu befestigen, dass auf die Aluminiumklammer eine Kupferschicht auf gebracht wird, worauf das Ende des Kupferleiters derart an der Aluminiumklammer festgeschraubt wird, dass die Endfläche des Leiters gegen die Ober fläche der genannten Kupferschicht anliegt. Eine solche Verbindung war aber ebenfalls unbefriedigend, da auch hier der erwähnte Kriecheffekt auftritt und da die auf die Klammer aufgetragene Kupferschicht sehr empfindlich ist und nur schlecht an der Alu miniumklammer haftet.
Verschiedene andere Verfah ren wurden schon vorgeschlagen, um eine einwand freie Verbindung zwischen den Kupferleitern und den Sammelschienen zu erhalten; alle so erzielten Verbindungen sind aber aus dem einen oder andern Grunde unbefriedigend.
Demgegenüber kann mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass die erzielte Verbindung geringen elektrischen Widerstand und hohe mechanische Festigkeit aufweist, und ausserdem diese Eigenschaften auch dann beibehält, wenn die Verbindung Temperaturwechseln ausge setzt wird. Solche Verbindungen eignen sich beson ders zur Verwendung zwischen Kupferleitern und Aluminium-Sammelschienen, wobei Kupferklammern mit den Sammelschienen verbunden sind, während ein Ende der Kupferleiter an den Klammern befestigt ist, und zwar in irgendeiner geeigneten Weise, wo durch die Unzulänglichkeit der bekannten und vor angehend erwähnten Schraubverbindungen zwischen dem Kupferleiter und den Aluminiumklammern ver mieden werden können.
Das direkte Anschweissen von Aluminium auf Kupfer ergibt eine Verbindung, welche eine sehr geringe mechanische Festigkeit aufweist; dies ist eine Folge der Bildung von spröden Zwischenmetallver bindungen an der Oberfläche. Es wurden verschie dene andere Verfahren zum materialschlüssigen Ver binden ähnlicher Metalle vorgeschlagen; z. B. wurde versucht, das Kupferelement mit einer Schicht von Lötmaterial, z. B. Zinn, oder einer Mischung aus Zinn und Blei, zu überziehen, worauf dann das Aluminiumelement durch Punktschweissen mit dem derart überzogenen Kupferelement verbunden wurde. Es wurde ferner vorgeschlagen, die beiden Metall elemente durch Silberlötung miteinander zu verbin den.
Aber alle diese älteren Vorschläge ergeben Ver bindungen, welche einen relativ grossen elektrischen Widerstand oder geringe mechanische Festigkeit oder eine Kombination, dieser beiden nachteiligen Eigen schaften aufweisen. So besitzt eine durch Silberlot hergestellte Verbindung z. B. den Nachteil, dass die Silberlegierung eine Metallegierung mit niederem Schmelzpunkt ist und mit Aluminium eine sehr spröde und mechanische schwache Verbindung ein geht.
Die erfindungsgemässe Verbindung kann z. B. die Verbindung zwischen einer Aluminium-Sammel schiene und Kupferleitern an einem Aluminium- Schmelztiegel sein; es ergeben sich hier geringere In- stallations- und Unterhaltungskosten sowie geringere Leitungsverluste zu den Schmelztiegeln, verbunden mit grösserem Produktionsausstoss.
Ferner können gemäss der vorliegenden Erfindung Verbindungen zwischen Aluminium-Sammelschienen und Kupferleitern hergestellt werden, bei welchen das Kriechen des Aluminiums vermieden wird.
Die Erfindung ermöglicht ferner die Schaffung von Aluminium-Kupfer-Schweissverbindungen, deren mechanische Festigkeit besonders hoch ist.
Das genannte erfindungsgemässe Verfahren ge stattet es ferner, Aluminium-Sammelschienen mit Kupferleitern zu verbinden, bei welchen der elek trische Widerstand der Aluminium-Kupfer-Schweiss- verbindung gleich oder kleiner ist, als derjenige eines gleich langen Aluminiumstückes, und wobei die me chanische Festigkeit der Schweissverbindung beson ders hoch ist.
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren ist da durch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche des Kupferelementes mit einem Puffermetall über zogen wird, worauf das mit dem Überzug versehene Element in die zum Zusammenschweissen mit dem Aluminiumelement erforderliche Lage gebracht wird, und dass anschliessend mittels Lichtbogenschweissung in einer inerten Gasatmosphäre der Puffermetallüber- zug des Kupferelementes unter Verwendung eines aluminiumhaltigen Schweissmetalles mit dem Alumi niumelement verschweisst wird.
Um eine befrie digende materialschlüssige Verbindung zwischen dem Puffermetall und dem Kupferelement zu gewähr leisten, wird die Oberfläche des Kupferelementes zweckmässig zuerst mit einem geeigneten Mittel ge reinigt; so können diese Flächen z. B. entfettet und mit einer Drahtbürste behandelt werden. Das Puffer metall kann in irgendeiner geeigneten Weise auf das Kupferelement aufgebracht werden, z. B. durch Ein tauchen des Elementes in das geschmolzene Metall, durch Auftragen von Hand mittels eines Pinsels usw. Nach diesem Verfahren hergestellte Aluminium-Kup fer-Schweissverbindungen besitzen, wie die Versuche zeigen, einen geringen elektrischen Widerstand und grosse mechanische Festigkeit.
Das heisst, die so ge schaffene Verbindung besitzt Widerstands- und Festig keitseigenschaften, die annähernd denjenigen des Aluminiums sind, und zwar auch "dann, wenn beson ders reines, für elektrische Leiter bestimmtes Alu minium verwendet wird.
Als Puffermetall zum Überziehen des Kupfer elementes eignen sich verschiedene Silberlegierungen wie sie zum Löten bei hohen Temperaturen verwen det werden. Als Beispiele von geeigneten Legierun gen seien jene genannt, welche 50% Ag, 15,5% Zn, 15,5 % Cu, 16% Cd, 3 % Ni besitzen, oder 75% Ag, 25% Zn, oder 85% Ag, 15% Mn, oder 45% Ag, 15% Cu, 16% Zn, 24% Cd, oder 50% Ag, 15% Cu, 16,5% Zn, 18% Cd, oder 30% Ag, 38% Cu, 32% Zn. Bei der Auswahl des Puffer metalles zum Überziehen des Kupferelementes wird zweckmässig darauf geachtet, dass das Puffermetall einen Schmelzpunkt besitzt, der annähernd gleich dem Schmelzpunkt des Aluminiums ist und z. B. 650 C beträgt, wenn es sich um besonders reines Aluminium handelt.
Als Puffermetall kann auch äusserst reines Silber verwendet werden, aber es ist dabei zu bemerken, dass es zufolge des hohen Schmelzpunktes von etwa 950 C sehr schwierig ist, eine befriedigende materialschlüssige Verbindung zwischen dem Aluminium und der Silberschicht zu erhalten, wenn eine für das Aluminium "geeignete Schweisstemperatur angewendet wird; in diesem Fall muss das Kupferelement auf eine ziemlich hohe Tem peratur von z. B. 260' C vorgewärmt werden. Der Ausdruck silberhaltiges Metall , wie er im folgen den verwendet wird, soll sowohl reines Silber als auch Silberlegierungen einschliessen. Bei gewissen Anwendungen der vorliegenden Erfindung, bei wel chen die Temperatur, welcher die zu schaffende Ver bindung im Betrieb ausgesetzt ist, relativ niedrig ist, d. h. annähernd 150 C beträgt, können Niedertem peratur-Puffermetalle verwendet werden.
Für diesen Fall geeignete Legierungen enthalten z. B. 5 % Ag, 95% Cd oder 20% Ag, 80% Cd. Es muss aber darauf geachtet werden, dass bei der Verwendung solcher Puffermetalle zufolge der Anwesenheit des Cadmiums giftige Dämpfe entstehen. Als allgemeine Regel kann gelten, dass wo immer möglich hoch schmelzende Silberlegierungen, wie sie oben erwähnt wurden, verwendet werden sollten.
Wie vorangehend erwähnt, wird zum Verbinden der beiden Elemente ein Lichtbogenschweissverfah ren in einer inerten Gasatmosphäre verwendet. Es hat sich als wichtig herausgestellt zur Erzielung guter Resultate, dass ein solches Verfahren angewendet wird. Zweckmässig wird eine sich beim Schweiss vorgang verbrauchende Elektrode aus dem Schweiss metall verwendet, obwohl auch sich nicht verbrau chende Elektroden verwendet werden können. Bei Anwendung eines solchen Schweissverfahrens braucht kein Flussmittel verwendet zu werden. Die Verwen dung von Flussmitteln beim Schweissen von Alu minium ist unerwünscht, da sie korrodierend wirken und ein Waschen der Schweissstelle unmittelbar nach dem Schweissen notwendig machen.
Ferner genügt ein solches Waschen der Schweissstelle oft nicht, besonders wenn es nicht möglich ist, das zwischen das Schweissmetall und das Aluminiumelement ein gedrungene Flussmittel zu entfernen, so dass sich am Aluminium bald Korrosionserscheinungen zeigen und die Verbindung unter Umständen zerstört wird.
Das beim Schweissen verwendete Schweissmetall kann je nach der Zusammensetzung des Aluminium elementes verschieden sein. Wenn z. B. das Alu miniumelement Aluminium-Leitermaterial (EC) ist, wie dies für Sammelschienen verwendet wird, wer den besonders gute Schweissnähte erzielt, wenn als Schweissmetall das gleiche Material verwendet wird oder ein solches aus einer Aluminiumbasis-Legierung mit einem Legierungsgehalt an Silizium oder Magne sium, wie z. B. die Legierung 43 S (4,5-6,00/o Si, Rest Al und normale Verunreinigungen) oder die Legierung 56S (4,9-5,60/o Mg, 0,05-0,200/o Cr, Rest A1 und normale Verunreinigungen).
Bei diesem Beispiel eignen sich als Schweissmetall auch Alu miniumlegierungen mit einem kleineren oder grösse ren Gehalt an Silizium oder Magnesium sowie ver schiedene Aluminiumlegierungen. Der Ausdruck aluminiumhaltiges Schweissmetall , schliesst eben falls hochgradig reines Aluminium sowie Aluminium legierungen ein. Es liegt nahe, ein Schweissmetall zu verwenden, dessen mechanische Eigenschaften min destens gleich jenen des Aluminiumelementes sind, und das eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt.
Wird ein Schweissmetall verwendet, das von der Art des Materials des Aluminiumelementes ist, muss beim Schweissen darauf geachtet werden, dass die Spannungen, welche beim Abkühlen der ge schweissten Verbindung im Schweissmetall auftreten, nicht so gross werden, dass sie eine Rissbildung im Schweissmetall bewirken.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Aus führungsbeispiele von erfindungsgemässen Schweiss verbindungen dargestellt; an Hand dieser Zeichnung soll auch das Verfahren zur Herstellung der er wähnten Schweissverbindungen näher erläutert wer den, wobei es sich bei den gezeichneten Beispielen um Schweissverbindungen zwischen einer Aluminium- Sammelschiene und Kupferleitern von Aluminium- Erzeugungsöfen handelt.
Es zeigt: Fig. 1 im Querschnitt eine geschweisste T-Ver- bindung zwischen einem Kupferelement und einem Aluminium-Leiterelement, wobei der Quersteg der T-Verbindung durch das Aluminium-Leiterelement gebildet wird, während der Kupferleiter in der Schweisszone ein V-förmiges Ende aufweist, Fig. 2 eine der in Fig. 1 gezeigten Verbindung ähnliche Verbindung, wobei aber hier das Kupfer element in der Schweisszone flach ist und sägezahn- förmige Seitenflächen aufweist, Fig. 3 eine der in Fig.
2 gezeigten Verbindung ähnliche Verbindung, wobei aber hier anstelle der sägezahnförmigen Seitenflächen des Kupferelementes in diesen Flächen je eine Nut vorgesehen ist, Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung zur Bestim mung des elektrischen Widerstandes der Verbindun gen nach der Erfindung, Fig. 5 eine Verbindung, bei welcher eine Kupfer- Anodenschiene mittels eines Kupferleiters mit einer Aluminium-Sammelschiene verbunden ist, und wobei eine Kupferklemme an die Aluminium-Sammel schiene angeschweisst ist, während der Kupferleiter an der Kupferklemme festgeschraubt ist, Fig.
6 eine weitere Schweissverbindung nach der Erfindung, bei welcher eine Kupfer-Anodenschiene mittels eines Kupferleiters mit einer Aluminium- Sammelschiene verbunden ist, wobei eine Aluminium klemme an die Aluminium-Sammelschiene ange schweisst ist, während der Kupferleiter mittels je einer (auf beide Seiten der Aluminiumklemme auf gebrachten) dünnen Kupferplatte mit der Klemme verbunden ist, und wobei zum Verbinden der Klemme mit den Kupferplatten das erfindungsgemässe Ver fahren angewendet wurde, Fig. 7 einen Teilquerschnitt durch die in Fig. 6 gezeigte Verbindung nach der Linie 7-7, den Silber belag an den Rändern der Kupferplatte und das Schweissmetall zeigend, und Fig.
8 einen Querschnitt durch eine weitere Schweissverbindung nach der Erfindung, bei welcher ein Kupferleiter mit einer Aluminium-Sammelschiene verbunden ist, wobei es sich um eine reine Schweiss verbindung handelt, da anstelle einer Verschraubung zwischen dem Kupferleiter und der mit der Sammel schiene verbundenen Klemme ebenfalls eine Schweiss naht verwendet wurde.
Die in Fig. 1 gezeigte Aluminium-Kupfer-Schweiss Verbindung besitzt eine Aluminiumschiene 1 und eine Kupferschiene 2, wobei die Kupferschiene 2 mit einer Schicht 3 aus geeignetem Puffermetall über zogen ist, und zwar in der ganzen voraussichtlichen Schweisszone. Als Füllmetall zum Vervollständigen der Schweissnaht in Form einer Füllung 4 kann Alu minium oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Die in Fig. 1 gezeigte Schweissnaht besitzt T- Form; es versteht sich aber, dass dies nur eine bei spielsweise Ausführungsform ist und dass auch an dere Schweissnähte, z. B. durch Stumpfschweissung erzielte Nähte, vorgesehen sein können.
Im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Her stellung der in Fig. 1 gezeigten Verbindung beschrie ben: Ein geeignetes Kupferstück mit den Abmessun gen von etwa 21/76 mm im Querschnitt wird durch Entfetten und Bürsten mittels einer Drahtbürste ge reinigt und in der Verbindungszone mit einer Schicht eines Puffermetalles überzogen. Als Puffermetall wird eine Silberlegierung verwendet, welche 50% Ag, 15,5% Cu, 15,5% Zn, 16% Cd und 3% Ni ent hält. Die Dicke der Puffermetallschicht beträgt an nähernd 0,75 mm. Nach erfolgtem Erhärten dieser Metallschicht wird das Kupferstück wieder mit einer Drahtbürste behandelt. Das verwendete Aluminium element besteht aus Leitermetall (EC) und sein Quer schnitt beträgt etwa 25/300 mm. Wie beim Kupfer element, erfolgt auch beim Aluminiumelement vor der Schweissung ein Reinigen mittels der Drahtbürste.
Dann werden die beiden zu verbindenden Elemente in die zur Vornahme der Schweissung erforderliche Lage gebracht. Der beim Schweissen als Füllmaterial verwendete Metallstab besteht aus einer 43 S-Legie- rung (5% Si, Rest Aluminium). Das Füllen der Schweissstelle erfolgt durch mehrmaliges Bewegen des Füllstabes über die Schweissstelle, und zwar in sym metrischer Kreisbewegung, um die Spannungen aus zugleichen und um ein Verziehen zu verhindern. Jede neue Lage Schweissmetall wird gebürstet und abge kühlt, bevor mit dem Auftragen von Schweissmetall fortgefahren wird. Beim Schweissen wird möglichst kein direkter Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Silberschicht erzeugt. Es wird ein in eine inerten Gasatmosphäre durchgeführtes Abschirmmetall-Bo genschweissverfahren angewendet.
Als inertes Gas wird Argon verwendet, wobei ein Gasstrom von etwa 1,7-2,2 m3 pro Stunde aufrechterhalten wird. Wenn als inertes Gas Helium verwendet wird, wird ein Gasstrom von etwa 30-45 m3 pro Stunde aufrecht erhalten. Zum Schweissen wird ein Strom von 250 bis 300 Ampere bei einer Spannung von 22-24 Volt verwendet. Die Lichtbogenlänge variiert zwischen 4,5 und 6,5 mm.
Versuche haben gezeigt, dass bei Verbindungen der beschriebenen Art ein vollständiges Legieren des gesamten Silbermetallüberzuges mit dem Aluminium schweissmetall vermieden werden kann. Metallogra- phische Untersuchungen zeigten, dass eine deutlich feststellbare Silberschicht zwischen dem Füllmetall und dem Kupferelement verbleibt. Es ist anzuneh men, dass dies eine Folge des raschen Erstarrens des Füllmetalles nach den einzelnen Metallaufträgen ist, wodurch ein Auflösen des Silbermetallüberzuges und so die Bildung einer spröden und schwachen Ver bindung verhindert wird.
Ausserdem verhindert die Tatsache des Vorhandenseins einer dünnen Silber schicht ein Diffundieren von Kupfer des Kupfer elementes in das Aluminium hinein, wodurch spröde Aluminium-Kupfer-Legierungen gebildet würden.
Die Schweissverbindung kann auch in der in Fig. 2 gezeigten Ausführung hergestellt werden. Da bei wird ein Flachstück 1 verwendet, während die Seitenflächen 6 des Kupferelementes 7, an welchen die Schweissnaht 8 erzeugt werden soll, mit einer Zahnung versehen werden. Diese Flächen werden dann mit einer Silbermetallschicht 9 überzogen, wor auf mittels eines aluminiumhaltigen Füllmaterials analog dem erstbeschriebenen Beispiel das Schweissen erfolgt. Bei diesem Vorgehen wird die Silberver bindungsfläche und damit die Festigkeit der Verbin dung vergrössert. Die Festigkeit der Verbindung hängt aber nicht allein von der Festigkeit der Alumi nium-Silberverbindung ab, da auch die Festigkeits erhöhung, welche durch die gezahnte Ausführung der Seitenflächen des Kupferelementes erreicht wird, zu berücksichtigen ist.
Ferner ergibt die flache Ausbil dung des Endes des Elementes 7 einen zusätzlichen Widerstand gegen Biegungsbruch gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführung. Eine weitere Variante des in Fig. 1 gezeigten Beispiels ist in Fig. 3 dar gestellt. Hier ist in jeder Seitenfläche des Kupfer elementes 11 eine Nut 10 anstelle der beim Beispiel nach Fig. 2 vorgesehenen Zahnung 6 vorgesehen. Dies erreicht man durch Aneinanderlegen zweier Kupferelemente, wobei man zwischen den beiden Elementen eine Bohrung anbringt, worauf die von einander abgekehrten Seiten der Elemente zusam mengelegt werden, zwischen welchen nun ebenfalls eine Bohrung angebracht wird. Anderseits können die Nuten in den Seitenflächen der Klemmen auch einzeln durch Fräsen angebracht werden.
Die Vor teile einer Verbindung nach Fig. 3 gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind annähernd die glei chen wie sie beim Beispiel nach Fg. 2 erwähnt wur den, bei welchem an dem Kupferelement eine Zah- nung vorgesehen war.
Versuchsausführungen der Aluminium-Kupfer Schweissverbindungen nach den Fig. 1-3 wurden Versuchen zur Bestimmung der elektrischen Leitfähig keit, der Zugfestigkeit und der Biegefestigkeit unter worfen, nach dem die Proben eine Wärmewechsel behandlung und eine Dauerwärmebehandlung erfah ren hatten; die gefundenen Resultate waren ausge zeichnet. Die elektrische Leitfähigkeit der einer Wärmebehandlung unterworfenen Proben wurde mit tels normalen Apparaten zur Messung des Span nungsabfalles bestimmt, wovon in Fig. 4 eine schema tische Darstellung gegeben ist. Der gezeichnete Appa rat besitzt einen Generator 12, einen Spannungsteiler- Brückenstromkreis 13, einen Shuntstromkreis 14, Potentiometerzuführleitungen 15, 16, 17 und 18 und Schalter 19 und 20.
Jeder Zyklus der Wärme wechselbehandlung bestand im Erwärmen der Probe auf 204 C gefolgt von einem raschen Abschrecken in Wasser und Abkühlen mittels eines Luftstrahls bis auf eine unterhalb 65 C liegende Temperatur; die Dauer dieses Zyklus betrug etwa vier Minuten (diese Verhältnisse liegen eher etwas unter jenen, wie sie in einem Aluminium-Reduktionsschmelzofen normalerweise auftreten). Leitfähigkeitsmessungen mit einer Stromdichte von der Grössenordnung 180 amp/cm2-Kupferquerschnitt wurden für jede Probe nach 0, 100, 200, 300, 400 und 500 Wärme wechselzyklen vorgenommen.
Die Versuche zeigten, dass der Spannungsabfall an der Aluminium-Kupfer-Schweissverbindung von der Grössenordnung 0-5 mV war, also vom Span nungsabfall, wie er bei gleich langen Stücken von Aluminium-Sammelschienen allein erhalten wird, nicht sehr verschieden. Diese Resultate zeigen, dass die Wärmewechselbehandlung der genannten Art praktisch ohne Einfluss auf die elektrische Leitfähig keit der Verbindung blieb. Eine Dauerwärmebehand lung der Verbindung bei Temperaturen bis zu 240 C während zweier Wochen ergab ebenfalls keine merk liche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung.
Die Zugfestigkeit der fraglichen Verbindungen liegt, wenn sie vor der Wärmebehandlung bei Zim mertemperatur gemessen wird, in der Grössenord nung von 1000 kg/cm2 oder höher und ändert sich auch durch die genannte Wärmebehandlung nicht wesentlich. Verbindungsproben der fraglichen Art wurden auch praktisch erprobt in Aluminium-Erzeu gungsöfen, wo sie während vier Monaten ähnlichen Verhältnissen unterworfen waren und ähnliche Eigen schaften zeigten. Ferner wurden Zugversuche mit solchen Verbindungsproben bei Temperaturen von etwa 204 C durchgeführt, und es ergaben sich ähn liche Festigkeitswerte. Somit ist ersichtlich, dass die Verbindungen der beschriebenen Art eine Zugfestig keit aufweisen, die gleich oder grösser ist als die jenige eines entsprechenden Aluminiumelementes.
Es wurden mit Verbindungen der fraglichen Art auch Biegeversuche durchgeführt, wobei das Alumi niumelement in eine geeignete Klemmvorrichtung eingespannt und das Kupferelement entweder par allel oder rechtwinklig zum Aluminiumelement ab gebogen wurde. Alle Verbindungen, die so geprüft wurden, zeigten ausgezeichnete Biegeeigenschaften und können um etwa 90 aus der Vertikalaxe heraus gebogen werden, ohne zu brechen.
Es ist somit ersichtlich, dass eine nach dem be schriebenen Verfahren hergestellte Aluminium-Kup- fer-Schweissverbindungausgezeichnete elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist, und zwar auch unter extremen Temperatur- und Belastungsbedin gungen.
Fig. 5 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel einer weiteren Verbindung, und zwar handelt es sich um eine Verbindung zwischen einer Aluminium- Sammelschiene und einem Kupferleiter für Reduk tionsschmelzöfen. Bei diesem Beispiel ist eine L-för- mige Kupferklemme 21 am einen Ende mit einem Belag 22 aus einer geeigneten Silberlegierung ver sehen. Als Füllmaterial beim Schweissen wird ein aluminiumhaltiges Material verwendet, wobei eine Schweissnaht 23 gebildet wird und dadurch die mit dem Belag 22 versehene Kupferklemme 21 an der Alu minium-Sammelschiene 25 befestigt wird.
Zu diesem Zweck wird elektrische Lichtbogenschweissung in einer inerten Atmosphäre angewendet, wobei eine sich selbst verbrauchende Füllmaterialelektrode ver wendet wird. Anschliessend wird ein Ende eines Kupferleiters 26 mittels der Bolzen 27 am andern Ende der Kupferklemme 21 befestigt, während das andere Ende des Kupferleiters 26 an der nicht ge zeichneten Kupfer-Anodenschiene befestigt wird.
Wo das Kriechen des Aluminiumelementes nicht besonders zu berücksichtigen ist und wo auch keine kritische Wärmewechselbeanspruchung auftritt, kann eine andere Verbindungsart gewählt werden, wie sie beispielsweise in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Es handelt sich hier um die Verbindung einer Alumi nium-Sammelschiene mit einem Kupferleiter für Alu minium-Schmelzöfen. Beim gezeichneten Beispiel ist die übliche Aluminiumklemme 28 an die Aluminium- Sammelschiene 29 angeschweisst, während das mit dem Kupferleiter zu verbindende Ende der Klemme 28 mit zwei dünnen Kupferstreifen 30 von 5-6 mm Dicke bedeckt ist.
Die Kupferstreifen 30 sind an ihren Rändern mit einem als Puffermetall dienenden Überzug 31 aus einer geeigneten Silberlegierung überzogen und sind auf beide Seiten des Endteils der Aluminiumklemme aufgelegt. Dann werden diese überzogenen Ränder durch Schmelzschweissung an der Aluminiumklemme befestigt, wobei ein Kanten schweissverfahren angewendet wird, bei welchem ein aluminiumhaltiges Füllmaterial verwendet wird; dabei werden Schweissraupen 32 gebildet, in welchen der versilberte Teil 31 der Kupferstreifen 30 mit dem Füllmaterial in- Berührung ist.
Dann werden durch die mit Kupferstreifen überzogene Aluminiumklemme 28 Bolzenlöcher 33 gebohrt und der ebenfalls mit Bolzenlöchern versehene Kupferleiter 34 wird ge schlitzt und beidseits der mit Kupfer überzogenen Aluminiumklemme 28 mittels der Bolzen 35 an der Klemme so befestigt, dass der Kupferleiter 34 nur mit den Kupferstreifen 30 in Berührung ist. Beim Betrieb des Apparates wird Strom von der Alumi niumklemme 28 über die Kupferstreifen 30 zur Ober fläche des Kupferleiters 34 geleitet.
Die fragliche Verbindung besitzt äusserst günstige elektrische Cha rakteristiken, da in diesem Fall die mechanischen Beanspruchungen der Aluminium-Kupfer-Verbin dung nur gering sind, zeigt sie auch ähnliche Festig- keitscharakteristiken wie die üblichen nicht mit Kup ferplatten belegten Aluminiumklemmen.
Die guten elektrischen und mechanischen Eigen schaften der im vorangehenden beschriebenen Alu minium-Kupfer-Schweissverbindungen ermöglichen es, ausschliesslich geschweisste Verbindungen zwischen Aluminium-Sammelschienen und Kupferleitern von Reduktionsschmelzöfen zu verwenden. Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vollständig durch Schweissen hergestellten Verbindung, bei welcher eine Aluminium-Sammelschiene 36 mittels des Füllmate rials 38 mit einem Aluminium-Leiterschutz 37 ver bunden ist. Ein Kupferanschlussstück 39, das an den Verbindungsrändern mit einem Überzug 40 aus ge eignetem Puffermetall versehen ist, ist unter Ver wendung eines aluminiumhaltigen Füllmaterials 41 an den Leiterschutz 37 angeschweisst. Der Kupfer leiter 42 ist an seinem einen Ende an einer nicht gezeichneten Kupferanodenschiene befestigt.
Der Leiterschutz 37 verhindert ein zu scharfes Biegen des Leiters, das den Bruch einzelner Leiterteile be wirken könnte. Bei solchen Verbindungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Kupferanschlussstück 39 vorerst mit einem Puffermetallüberzug zu versehen, dann das eine Ende des Kupferleiters an das An schlussstück anzuschweissen und anschliessend das so geschaffene Gebilde durch Anschweissen des Leiter schutzes an die Aluminium-Sammelschiene mit der letzteren zu verbinden. Es ist in bezug auf das An schlussstück 39 zu bemerken, dass dieses Stück Trapezquerschnitt aufweisen kann, wobei jene Fläche, deren Querschnitt die grössere der beiden zueinander parallelen Trapezseiten bildet, gegen den Endteil des Kupferleiters 42 anliegt und an diesen angeschweisst ist.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, das Anschlussstück 39 mit abgeschrägten Front- und Sei tenflächen (in Fig. 8 ist die Frontseite sichtbar) zu versehen und das Füllmaterial den Front- und Seiten rändern derselben zuzuführen, um das Verbleiben des Anschlussstückes in elektrischer Verbindung mit dem Leiterschutz zu gewährleisten. Eine in der be schriebenen Weise ausschliesslich durch Schweissung hergestellte Verbindung besitzt den Vorteil, dass die Installationskosten zufolge der Vermeidung von Bol zen gering sind, dass nur relativ kurze Kupferleiter erfoderlich sind, dass die Unterhaltskosten gering sind und dass ausser der kurzen Herstellungszeit auch nur geringe Energieverluste in Kauf genommen werden müssen.
Es ist somit ohne weiteres ersichtlich, dass bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens Alumi nium-Kupfer-Schweissverbindungen hergestellt werden können, die elektrische und mechanische Eigenschaf ten besitzen, wie sie bei Verbindungen bekannter Art nicht erreichbar sind. Obwohl im vorangehen den hauptsächlich Verbindungen zwischen Alumi- nium-Sammelschienen und Kupferleitern von Alu minium-Reduktionsschmelzöfen beschrieben sind, eignet sich das beschriebene Verfahren natürlich auch zur Herstellung von allen andern Aluminium Kupfer-Schweissverbindungen, bei welchen gute elek trische und mechanische Eigenschaften verlangt wer den. So können solche Verbindungen in den ver schiedensten Elektroöfen verwendet werden und ebenso in allen andern Anwendungsgebieten, in wel chen z. B.
Aluminium- und Kupferkabel miteinander zu verbinden sind.