Isoliertes elektrisches Anschlussorgan zum Aufpressen auf elektrische Leiter und Verfahren zu seiner Herstellung Diese Erfindung bezieht sich auf isolierte elektrische Anschlussorgane, z. B. Anschlussklemmen und Kabel schuhe, die zum Aufpressen auf elektrische Leiter ge eignet sind. Weiter bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Anschluss- organe.
Metallische Anschlussorgane zum schnellen und einfachen Aufpressen mittels Druckverformung auf einen oder mehrere elektrische Leiter mit Hilfe von Hand- oder Kraft-Presswerkzeugen haben weitverbrei tete Verwendung gefunden.
Derartige Anschluss- organe, ob aus gezogenen Röhren, ob durch Zehen einer nahtlosen Zwinge aus einem ursprünglich flachen Streifen von Kupfer oder einem andern zieh baren Metall, oder ob durch Vereinigung von Stanz teilen oder durch Ausstanzen eines flachen Teils und Rollen wenigstens eines Teils davon in eine röhren förmige Gestalt mit oder ohne Hartlöten oder an derer Verstärkung ihrer Naht hergestellt, werden vor zugsweise mit Isolationen aus hartem plastischem Material versehen, das heisst mit einer isolierenden Schicht, die so zähe ist, dass die isolierte Zwinge unter schwerem Druck auf einen oder mehrere blanke Leiter gepresst werden kann.
Während des Pressvorganges unterliegen die Zwinge und die Leiter schweren Beanspruchungen, wobei sie in plastischem Fluss auf kaltem Wege zu einer ausgezeichneten elektrischen Verbindung mit stabilem niedrigem Übergangswiderstand zusammen geschmiedet werden.
Es ist bekannt, eine eng an liegende nahtlose Muffe aus Kupfer, Messing oder Bronze auf den Zwingenkörper aufzubringen und die Isolation an diese Muffe vor dem Pressvorgang anzukitten. Nylon, das in ausgedehntem Masse für diesen Zweck benutzt wird, entwickelt einen ausser ordentlichen Widerstand gegen Lösungsmittel und relativ hohe Temperaturen; doch hat es sich als schwierig erwiesen, es mit der Metallmuffe zu ver binden, ohne seine Eignung zum Pressen und zur Verwendung unter verschiedenen Bedingungen zu be einträchtigen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein isoliertes elektrisches Anschlussorgan zum Aufpres- sen auf elektrische Leiter, welches eine Metallmuffe enthält; das Anschlussorgan ist gekennzeichnet durch eine die Muffe umgebende Isolierhülse aus schmelz barem, organischem, plastischem Material, welche Hülse mit der Muffe durch einen die innere Hülsen oberfläche bedeckenden Film aus dem genannten, oberflächlich aufgeschmolzenen und wieder verfestig ten, plastischen Material verbunden ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Anschluss- organs. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeich net, dass man eine dicht anliegende, starre Isolier- hülse über die Metallmuffe zieht, dass man die Muffe über eine Zeitspanne erhitzt, welche ausreicht, um die Temperatur der an der innern Oberfläche der Isolierhülse anliegenden Muffe über den Schmelz punkt des Isolierhülsenmaterials zu steigern, und dass man unmittelbar anschliessend die Muffe auf eine Temperatur abkühlt, bei der das Isolierhülsenmaterial fest und chemisch stabil ist.
Eine beispielsweise Ausführungsform des An schlussorgans sowie Verfahren zu dessen Herstellung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bedeutet: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Aus führungsform des Anschlussorgans gemäss der Erfin dung, Fig. 2 ein Querschnitt durch die Ebene 2-2 der Verbindungszwinge des Organs nach der Fig. 1, Fig. 3 ein Querschnitt durch die Ebene 3-3 des Anschlussorgans der Fig. 1,
Fig. 4 eine zusammengefasste Darstellung der ein zelnen Herstellungsstufen einer Anschlussklemme nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 eine schematische Darstellung der Wider- standsheizungsanordnung.
Fig. 6 eine Zwingeneinheit, die über einen Heiz- dorn gelegt ist und Fig. 7 eine induktive Heizeinrichtung.
Eine Ausführungsform eines isolierten elektri schen Anschlussorgans zum Aufpressen auf einen oder mehrere Drähte oder andere elektrische Leiter wird in der Fig. 1 dargestellt. Dieses Organ besteht aus einer ringförmigen Zunge 10 zur Befestigung an einer Schraube, Steckerstift oder dergleichen und aus einer schichtweise zusammengesetzten Zwinge, die ganz allgemein mit 12 bezeichnet ist, in die die Leiter vor dem Pressvorgang eingeführt werden.
Diese Zwinge 12 enthält einen innern Metallteil 14, der als Drahthülse dient und der üblicherweise aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder deren Legierun gen besteht und mit der Zunge 10 eine Einheit bildet. An dem innern Hülsenteil 14 befestigt und diesen umschliessend ist eine Metallmuffe 16, die gewöhnlich aus Kupfer, Messing, Bronze, Nickel, Aluminium usw. besteht. Die äussere Schicht der Zwinge 12 besteht aus einer Plastikhülse 18, die auf der Muffe 16 befestigt ist und auf diese Weise die Muffe gegen aussen isoliert. Diese Hülse besteht vorzugsweise aus Nylon; doch kann sie auch aus Polyvinylchlorid bestehen, welches leicht weichgemacht ist z.
B. mit 2-5% copolymerisiertem Vinylacetat undloder mit einem kleinen Prozentsatz eines andern Weich machers. Im allgemeinen ist die plastische Hülsen masse fest und zäh, von hoher Zugfestigkeit und einem hohen Schmelzpunkt, chemisch stabil und gegen Lösungsmittel widerstandsfähig.
Die Fig. 2 und 3 zeigen diese Anschlussklemme in Schnitten nach den Ebenen 2-2 respektive 3-3 der Fig. 1. Diese Querschnitte zeigen die nahtlose Plastikhülse 18, die um die nahtlose Metallmuffe 16 herumgelegt ist und diese bedeckt, welche Muffe ihrerseits die innere Drahthülse 14 umschliesst. Wird die Muffe 16 fortgelassen und die Hülse 18 direkt auf die Hülse 14 gelegt, kann die letztere vorzugs weise eine Lötnaht 20 haben (s. Fig. 2), die am innern Teil der Hülse 14 entlangläuft, was auch verwendbar ist in dem Fall, wo die Zwinge die Muffe 16 enthält.
Die Fig. 4 ist eine Blockdarstellung des Herstel lungsverfahrens zur Herstellung einer nylonisolierten Anschlussklemme,.wobei eine nahtlos gezogene Kup fermuffe zuerst gereinigt und gründlich getrocknet wird (Stufe 1). Der Reinigungsvorgang kann z. B.
bestehen aus Ätzen der Muffenoberflächen mit Sal peter- oder Schwefelsäure oder Elektropolieren der Oberfläche durch umgekehrtes Plattieren in einem Phosphorsäurebad. Man hat gefunden, dass ein Sal- petersäurebad in vielen Fällen bessere Resultate er geben hat, da es nicht nur eine wesentlich sauberere Oberfläche hinterlässt, die von schädlichen Unrein heiten frei ist, sondern auch dazu neigt, die Kupfer oberfläche etwas aufzurauhen für die unten be schriebene weitere Behandlung. Nach dem Reinigen wird die Muffe gründlich getrocknet, z. B. durch Aus setzen der Muffe in einen Strom trockener Luft.
Nach der Fig. 3 wird diese Muffe 16 vorzugsweise mit einer Rundkerbe (bei 17) versehen, die einmal dazu dient, den Draht in die Hülse 14 zu führen, und anderseits die Muffe 16 gegen eine Längsver schiebung gegenüber der Hülse 14 zu sichern. Die Muffe besitzt eine solche Länge, dass das entgegen gesetzte Ende über das entsprechende Ende der Hülse 14 hinausreicht, so dass es nach innen verformt wer den kann, um das andere Ende der Muffe zu sichern.
Eine steife Nylonhülse, die z. B. aus hitzebestän digem Nylon besteht und durch Strangpressen vor geformt ist, wird danach als Mantel auf die Kupfer muffe gezogen oder im Spritzgussverfahren aufge bracht (Stufe 2). Der innere Durchmesser der Nylon- hülse soll etwas kleiner sein als der äussere Durch messer der Kupfermuffe zur Erzielung einer engen Passung zwischen beiden. Dies gewährleistet, dass die Muffe und die Isolierhülse während der nachfol genden Behandlung nicht auseinandergleiten und ver bessert auch den endgültigen Verband zwischen den beiden Materialien.
Obwohl nicht wesentlich für die Bildung einer befriedigenden Nylon-Kupfer-Verbindung, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die äussere Mantelfläche der Muffe vor ihrer Vereinigung mit der Nylonhülse mit einer relativ dünnen Kleberschicht zu überziehen, um die bestmögliche Haftung am Metall und die best mögliche Unterlage für die Haftung des geschmol zenen Nylons zu geben. Das bevorzugte Haftmittel für diesen Zweck ist teilpolymerisiertes Resorzin- Formaldehyd-Harz, in wässrigem Alkohol aufgelöst.
Dieser Phenollack wird vorzugsweise so angewendet, dass nach dem Trocknen ein Überzug von annähernd 1 Milligramm pro Quadratzentimeter auf der äussern Oberfläche der Muffe verbleibt. Nach dem Auf bringen des Haftmittels kann überschüssiger Lack durch Schleudern entfernt werden, und die über zogene Muffe wird vorzugsweise an der Luft ge trocknet und/oder eingebrannt, z. B. durch Einsetzen in einen Ofen bei etwa 160 C für eine Zeit von etwa 20 Minuten, um eine vollständige Trocknung und teilweise Härtung des Harzes herbeizuführen. Wird ein Haftüberzug benutzt, muss bei der Aus wahl des innern Durchmessers der Nylonhülse beson dere Sorgfalt verwendet werden, damit ein fester Sitz erzielt, aber nicht die haftende Harzschicht ver schoben wird, wenn die Hülse über die Muffe ge zogen wird.
Sitzt die Nylonhülse sicher über der Kupfermuffe, dann wird (Stufe 3) direkt an der Berührungsfläche der Nylonhülse mit der Kupferwand der Muffe Hitze angewendet. Diese Erhitzung wird vorzugsweise nur für einen kurzen Zeitabschnitt (z. B. weniger als eine Minute) durchgeführt, und soll genügend intensiv sein zur augenblicklichen Steigerung der Temperatur des Kupfers über den Schmelzpunkt des Nylons (z. B. auf ungefähr 260 C).
Die Dauer und Intensität der angewendeten Hitze ist so zu bemessen, dass der Wärmeübergang zum Nylon die Temperatur des Nylons in der unmittelbaren Umgebung der Kupfer muffe strahlenförmig in der obersten Schicht (das heisst in den ersten 2511()00-Millimetern) gerade knapp über den Schmelzpunkt steigert und dabei ein Schmel zen des Nylons und dessen Anbacken und Haften am Kupfer bewirkt. Sofort, nachdem die innere Schicht des Nylons zu schmelzen beginnt, wird die Hitzeeinwirkung unterbrochen, und wenn die Wärme kapazität der erhitzten Teile so hoch ist, dass das Schmelzen fortgesetzt würde, wird die Verbindung abgeschreckt (Stufe 4), z. B. durch ein Kaltwasserbad.
Auf diese Weise wird die geschmolzene innere Schicht des Nylons sofort gefestigt und stellt eine Verbin dung mit der äussern Oberfläche der Kupfermuffe her.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Nylonhülsen zu verwenden, die leicht dicker sind (z. B. einige "51100o eines Millimeters) als theoretisch für die Span- nungs-Durchschlagsfestigkeit erforderlich ist.
Es können verschiedene Einrichtungen zur Erzeu gung plötzlicher intensiver Hitze auf der Kupfermuffe Verwendung finden. Zum Beispiel kann, wie schema tisch in Fig. 5 dargestellt, die Muffeneinheit - all gemein mit 28 bezeichnet -, die aus einer Kupfer muffe 16 und einer Isolierhülse 18 besteht, zwischen zwei leitende Elektroden 30 und 32 gebracht wer den, die ihrerseits in Serie über einen Schalter 34 mit einer elektrischen Kraftquelle 36- verbunden sind. Wird der Schalter 34 geschlossen, fliesst ein starker elektrischer Strom durch die Kupfermuffe 16 und erzeugt durch den elektrischen Widerstand der Muffe Hitze.
Die verschiedenen Stromstärken können so gewählt werden, dass bei einem augenblicklichen Schliessen des Schalters 34 die Kupfermuffe genügend erhitzt wird, um die unmittelbar daran anstossende Fläche des Nylons zum Schmelzen zu bringen. Wird die Muffeneinheit abgekühlt, erzeugt dieses geschmol zene Material eine feste Verbindung zwischen dem Nylonmantel 18 und der Kupfermuffe 16.
Wo Kondensatoren mit grosser Kapazität vorhan den sind, kann der Kondensator geladen und durch einen Kurzschluss über die Muffe entladen werden, wobei die Energie gerade ausreicht, um das ge wünschte oberflächliche Schmelzen zu erzielen.
Andernfalls kann, wie in Fig. 6 dargestellt, die Muffeneinheit 28 über einen erhitzten Dorn 40 ge schoben werden, z. B. über einen Dorn, der durch ein in seinem Innern befindliches Widerstandselement ge heizt wird, und dann schnell wieder entfernt werden. Der äussere Durchmesser des Dornes soll so gross sein, dass er einen guten Wärmeübergang vom Dorn gleichmässig zu allen Teilen der Kupfermuffe 16 sichert. Der Dorn kann z. B. mit einem leichten Konus versehen werden, um der Muffeneinheit das Gleiten in die Behandlungslage zu erleichtern, und er kann auch mit einer Einrichtung versehen werden, die die Muffe anhält, wenn sie die geeignete Lage erreicht hat.
Es hat sich ferner auch ergeben, dass das Schmel zen vorzugsweise bewirkt werden kann durch ein- oder mehrmaliges Hindurchführen in axialer Rich tung der Muffeneinheit durch das magnetische Feld einer Wechselstrom- (vorzugsweise Hochfrequenz-)- Induktionsspule, wie z. B. in Fig. 7 dargestellt. Wie gezeigt, kann die Muffeneinheit 28 auf ein endloses Förderband 46 gelegt werden, das an zwei Stellen von zwei Rollen 48 und 50 getragen wird, von denen eine zur Erzeugung einer beständigen und gleich mässigen Bewegung in der Pfeilrichtung durch einen Motor M angetrieben wird.
Die Muffeneinheit 28 wird dabei in die Windungen der Induktionsspule 52, die einen Teil des obern Teils des Förderbandes 46 umgibt, hineingezogen, welche Induktionsspule 52 über zwei Zuleitungen 54 und 56 mit einer Wechsel stromquelle 58 verbunden ist.
In einem weiteren Falle kann eine Hochfrequenz- Induktionsheizungsspule mit ihrer Achse vertikal auf gestellt werden, wobei die Muffeneinheit hindurch fällt. In jedem Falle soll eine Einrichtung vorgesehen werden, um die Muffen, sofort nachdem sie die In duktionsheizungsspule verlassen haben, abzuschrek- ken, durch (wie z. B. in Fig. 7 gezeigt) Aufstellen eines Tanks 60 mit kaltem Wasser in dem Fallweg der Muffen.
Während die Muffeneinheit 28 durch die Induk tionsspule 52 hindurchgeht, wird ein Teil der Energie des magnetischen Feldes durch den Widerstand des Kupfers in Wärme umgewandelt, die die Kupfer muffe erhitzt. Die Feldstärke und die Einwirkungs dauer soll so bemessen werden (das heisst die Ge schwindigkeit des Förderbandes 46), dass die Gesamt hitzeeinwirkung auf die Kupfermuffe gerade genügt, dass die unmittelbar daran anstossende Nylonober- fläche ihren Schmelzpunkt erreicht, ohne ein Schmel zen des übrigen Teils der Isolationshülse zu ver ursachen.
Eine Einwirkungsdauer von 2-4 Sekun den wurde für die Erzielung befriedigender Ergeb nisse als genügend gefunden bei Induktionsheizungs- einrichtungen, wie hierin beschrieben. Steigt die Temperatur des Metalles zu hoch an, so wird, selbst wenn die Heizdauer für die Erzielung eines ge wünschten dünnen Schmelzfilms kurz genug ist, z. B. Phenollack schwammig und schwächt die endgültige Verbindung.
Ist anderseits die Heizdauer zu lang, wird das Nylon in zu tiefer Schicht schmelzen, und die Isolation wird bei sehr niedrigen Temperaturen spröde, so dass sie dazu neigt, abzubröckeln, wenn die Klemme im arktischen Winter oder auch bei weniger drastischen Temperaturen in sehr trockener Atmosphäre auf einen Leiter aufgepresst wird.
Weiterhin hat sich ergeben, dass die Zeitspanne zwischen der Entfernung der Muffeneinheit aus dem magnetischen Feld und dem Eintritt in das Kühlbad im allgemeinen nicht mehr als ungefähr eine Sekunde betragen soll.
Die Induktionsheizungseinheit, die in diesem Verfahren benutzt wird, kann eine handelsübliche Ausführung mit einer Leistung von 12,5 Kilowatt bei einer Frequenz von 1,4 Megahertz und einer Spule mit 13 Windungen von einer ungefähren Länge von 75 Zentimetern mit.einem Innendurchmesser von ungefähr 3 Zentimetern sein.
Nach dem Abschrecken im Kaltwasserbad wird die Muffeneinheit dann (Stufe 5) über eine Verbin dungshülse gezogen zur Herstellung eines fest ver bundenen nylonisolierten Anschlussorgans (wie in Fig. 1 dargestellt). Die Muffe 16 kann auf der Hülse 14 mittels Presssitz oder auf eine andere bekannte Weise befestigt werden.
Es wurde gefunden, dass die zwischen dem Kupfer und dem Nylon nach der oben beschriebenen Schmelzverbandmethode hergestellte Verbindung be sonders zähe und dauerhaft ist. Anschlussorgane mit Nylonhülse, die nach dem eben beschriebenen Ver fahren hergestellt werden, zeigen bei einer Unter suchung unter vielen gegensätzlichen Bedingungen eine bedeutende Überlegenheit über andere Arten von nylonisolierten Anschlussorganen. Zum Beispiel kann ein Anschlussorgan mit einer nach den oben beschriebenen Verfahren verbundenen Nylonhülse mit Erfolg bei so niedrigen Temperaturen wie z.
B. -2 C auf Stecker aufgepresst werden, und nach dem Ruf pressen kann das Anschlussorgan ohne Wertminde rung bei noch viel tieferen Temperaturen in Ge brauch genommen werden.
Das oben beschriebene Verfahren zur Herstel lung isolierter elektrischer Anschlussorgane ist auch, obgleich es besondere Vorzüge in Verbindung mit Nylon aufweist, mit andern Isolationsmaterialien als Nylon durchführbar. Zum Beispiel kann eine harte Isolationshülse aus einer gepressten harten Vinyl- plastikröhre aufgebracht und mit dem Metall nach demselben Verfahren verbunden werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Nylon- hülse bei der Verwendung von Nylon für Isolier- zwecke für kurze Zeit in Wasser zu tauchen, und zwar vor dem Aufziehen der Hülse über die Muffe. Das Eintauchen kann leicht mit einem Einfärben verbunden werden, um die Hülse mit einer Kennfarbe zu versehen, und es soll so lange fortgesetzt werden, bis eine wesentliche Menge Wasser in das Nylon ein gezogen ist. Das Wasser macht in diesem Falle das Nylon etwas weich und verringert so die Neigung des Nylons zu reissen, wenn es über die Metallmuffe gezogen wird oder wenn es gepresst wird.
Es ist wich tig, dass die Feuchtigkeit aus dem Nylonmantel voll ständig oder fast vollständig entfernt wird vor der Schmelzverbindungsstufe. Zu diesem Zweck hat es sich als wünschenswert erwiesen, zuerst etwas Wasser aus der Oberfläche des Nylonüberzuges und der Muffe z. B. durch Schleudern zu entfernen, und dann das absorbierte Wasser aus dem Nylon zu verdamp fen, das heisst durch Verbringen der Muffeneinheit in eine Atmosphäre mit niedrigerem Feuchtigkeitsgrad und besonders durch Aussetzen in einem Strom trockener warmer Luft für wenigstens 24 Stunden oder bis im wesentlichen die gesamte verbliebene Feuchtigkeit entfernt worden ist.
Diese Entfernung der Feuchtigkeit, bevor die Muffeneinheit durch das magnetische Induktionsfeld hindurchgeführt wird, verhindert nicht nur die Gefahr der Blasenbildung mit nachfolgender Schwächung der Nylonverbindung infolge der Einwirkung des entweichenden Feuchtigkeitsdampfes durch die In duktionshitze, sondern bewirkt auch ein leichtes Schrumpfen des Nylonmantels und damit einen engen Sitz auf der Metallmuffe, wobei die Haftverbindung wesentlich verbessert wird.
Im allgemeinen können für das Hülsenmaterial anstelle von oder zusätzlich zum Wasser noch andere Weichmacher verwendet werden, und es soll eine kleine Menge davon zugesetzt oder in der Hülse be lassen werden, nachdem die Klemme zusammen gesetzt und verkittet ist, so dass die Hülse, wenn sie gepresst wird, leicht weichgemacht ist. Für die Nylon- hülse besonders hat sich Wasser als am vorteilhaf testen erwiesen. Zu diesem Zweck kann die Mantel- und Muffeneinheit nach der Schmelzverbindung für kurze Zeit (das heisst zwei Stunden) in Wasser ge taucht werden, damit Feuchtigkeit von Nylon absor biert wird.
Durch die im Nylon zurückbleibende Feuchtigkeit bis zur schliesslichen Aufpressung auf elektrische Leiter wird die Güte der Isolation und das fertige Anschlussorgan wesentlich verbessert. Um den Feuchtigkeitsrückstand in der Nylonisolation zu sichern, können die angefeuchteten Anschlussorgane in feuchtigkeitsdichte Behälter gepackt und nur in genügend kleinen Mengen für die Verwendung ent nommen werden, bevor die absorbierte Feuchtigkeit verlorengeht.
Es sei darauf hingewiesen, dass die besonderen Beispiele dieser Erfindung Darstellungen von bevor zugten Ausführungsformen sind. Beispielsweise kann eine haftende Verbindung zwischen einer Nylonhülse und der Metallmuffe auch ohne Verwendung einer Klebschicht erreicht werden. Es ist möglich, nur eine sehr dünne Schicht des Nylons direkt auf dem Me tall zu schmelzen, um eine Haftung zu erreichen. Eine sichere und stabile Verbindung zwischen der Isolierhülse und dem Metallteil des Anschlussorgans kann durch Schmelzen der Isolierhülse mittels Hitze einwirkung auf dieselbe erzielt werden.
Diese Ver bindung ist genügend stark, um einem Brechen, Rei ssen, Verdrehen oder einer axialen Verschiebung und darauffolgender Verminderung der Isolation an der Pressstelle zu widerstehen, selbst wenn relativ grosse Kräfte angewendet werden, um das Anschlussorgan auf den Leiter aufzupressen.