CN100405663C - 用于在铝导线和接触元件之间建立电连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在铝导线和接触元件之间建立电连接的方法。为了在铝导线(4)和接触元件(2)之间实现可靠而持久的电连接和机械连接，将放入的接触介质(8)熔化，并通过随后的用于生成电连接的硬化在铝导线(4)和接触元件(2)之间形成材料的连接。为确保实现电接触的功能和避免张脱两者之间不会以不利的方式相互影响，在形成电接触之后随即实施接触元件(2)的变形以实现机械地避免张脱。

Description

用于在铝导线和接触元件之间建立电连接的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在铝导线和接触元件之间建立电连接的方法，在此方法中将该铝导线去掉绝缘层的端部置入到接触元件中，且与该接触元件电接触，为机械地减轻张脱力，该铝导线通过接触元件的变形被夹持在该接触元件中。

背景技术

由德国专利申请公开说明书DE 199 02 405 A1和DE 33 16 563 A1可分别获知这样一种方法。在那里规定，首先将由多股镀锡绞合线制成的铝导线机械夹持在一皱缩套筒中。在通过使皱缩套筒变形而完成机械夹紧后，将该皱缩套筒与镀锡的铝导线相焊接或熔接。

尤其在汽车领域力求节省重量。为此，一种措施是利用铝导线来代替通常所规定的铜导线。就此处所提到的铝导线或铜导线而言，是指主要由铝/铜或铝/铜合金制成的导线。由于铝的重量明显地小，可实现节省重量。由于铝在与空气中的氧相化合会生成一层包覆铝导线、且具有仅仅很小导电性的氧化层，因此使铝导线的电接触出现问题。铝导线与接触元件接触时为了得到尽可能小的接触电阻，必须确保在铝导线和接触元件之间的接触面区域至少在很大程度上将该氧化层去除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在铝导线和触头之间方便地建立可靠且持久的低接触电阻接通的可能性。

按照本发明，上述技术问题通过一种用于在一铝导线和一接触元件之间建立电连接的方法得以解决。按照此方法，将铝导线中去除了绝缘层的一端置入到接触元件中，与接触元件电接触。为形成电接触设置了一个接触介质的容腔，在那里将该接触介质至少加热到其熔点区，从而优选呈现熔融流体形式。利用随后将该接触介质、尤其是锡或锡合金冷却和硬化，在铝导线和接触元件之间建立材料的连接。因此，为形成电接触，将铝导线尤其浸没在容纳接触元件的接触介质熔池中。在此，对接触介质的加热例如通过高频场的射线、高能光(激光)照射或者还直接由火焰或由一种其他的加热件来实现。

此外，在形成电接触期间或之后随即使接触元件机械变形，从而将铝导线夹在该接触元件中，以机械地防止铝导线从该接触元件中张脱出。

通过向液化的接触介质提供容腔和将按常规方式镀锡的铝导线绞合线浸入，在铝导线和接触元件之间建立了一种具有低接触电阻的良好电接触。在此，接触元件通常同样在其内表面上也镀锡。在这种情况下，通过选择接触介质的量，以十分有利的方式调节该接触介质在各绞合线之间的透入深度，从而调节该绞合线的接触面。

在实现电接触的同时或随后使接触元件变形可产生另一个起决定作用的优点。因为一方面基于对接触介质的加热也加热了接触元件，从而可以完成工艺可靠的变形而不会损伤材料，尤其不会生成裂纹。此外，一个特殊的优点来自于：通过加热接触介质形成材料结合连接并进而实现电接触不是在变形后进行。因为否则使接触介质熔化所需要的热量在已变形的接触元件中可能会导致该变形区材料结构的张弛，从而减弱机械夹持力。这样一来，尤其减轻张脱力的耐久性会受到影响。因而，在此处所描述的本发明方法中将机械地避免张脱这一方面的功能和形成电接触的另一方面功能彼此分开，使它们之间不会出现不利的相互影响。

按照一种有效的改进，该接触元件的变形在一个与完成电接触的接触区相间隔的变形区内进行。此措施也用于将机械功能和电功能分开。尤其与此相关带来的优点是：在变形前形成的电接触、特别是通过锡或锡合金的接触不会受到为变形需要而施加的压力的影响。该接触区未处于压力作用之下，因而不存在会导致电接触变差的接触介质事后流失这种危险。

优选该接触元件在变形区作补充加热，从而该材料具有相对于冷变形而言改善的流动性能，可以使其较好地变形而不会出现裂纹。合适的方式是将该接触介质最高加热到约280℃。通过此措施避免损坏铝导线的绝缘。此外，可以通过特殊的夹子或其他的保护机构来保护绝缘。温度为280℃时，在利用锡或锡合金的情况下确保实现熔化，因为锡的熔点约232℃，具有10％锌的锡合金的熔点为198℃。

作为利用锡合金的替换方式，原则上以还可以利用一种在280℃时呈熔融液体状的焊膏来作为接触介质。然而在此时要求该焊膏具有不含卤素的非腐蚀性焊剂，以避免随后对焊接起腐蚀作用。

按照一种有效的改进方案，至少对铝导线去掉绝缘层的端部的一部分区域尤其在形成电接触之前进行镀锡。在此，按照第一种优选设计，对该待镀锡的部分区域进行急剧加热，接着将其浸没在一锡池中。在这种情况下，优选将此局部段加热到400℃或者更高。如果此局部段在小于1秒的时间内进行急剧加热，则是很有利的。这种快速加热可以通过高频场辐射以感应的方式完成，或者也通过利用高能激光来实现。急剧加热会导致铝和氧化层出现不同的膨胀率。这样一来，在氧化层中至少形成微小裂纹，随后浸入锡池时锡渗入到这些微裂纹中，行进到氧化层下方，从而使氧化层剥落，以及纯铝很大程度上在整个表面上被接触介质覆盖。为了阻止在急剧加热后直至浸入到池内这期间重新生成氧化层，优选置于保护气氛之下进行。

按照第二种优选设计，该局部段的镀锡是通过在一锡池中进行超声镀锡来完成的。对此理解为：将该局部段浸入一锡池，然后馈入合适的、尤其是具有振幅大于10μm的超声波。为此，采用合适结构的超声发生器。这种方式的镀锡利用的事实是：通过向锡池送入超声形成了爆炸式崩塌的小空腔，所谓的空化气蚀。此时形成局部明显的、会导致破坏和导致氧化层剥落的挤压力，从而纯铝又在很大程度上在整个表面上浸润着锡。

按照第三种优选的镀锡设计，将铝导线浸入在一锡池中，并将铝导线的一部分在锡池中割去或切掉。在此情况下，重要的是：通过在锡池中割开生成一“新鲜的”切开面或切割面，此切开面或切割面可直接地、且与空气中的氧不接触的方式被锡浸润。通过此措施确保该切割面在整个表面上被镀锡。在切割方向垂直于各绞合线的纵向时，该切割面相当于横截面，从而在所述接触区内并未减少用于电接触的横截面面积。在此，可相宜地规定以与其纵向斜交的方式割开各绞合线，从而使该切割面大于横截面。

就接触元件的变形而言，一种优选的改进方案规定：变形过程在很短的微秒(μs)级范围、尤其是直到约10μs范围的变形时间内完成。在这种快速变形中起决定作用的优点在于：铝导线的各根绞合线表现得不太象固体绞合线而更象液体，从而各绞合线彼此被烧结或熔化融合。这种效应可相当于一种高速贯穿一金属板的弹丸。在弹丸的参考系统中该金属板表现的不象固体。更确切地说，该弹丸如同贯穿液体那样贯穿金属板。

采用对接触元件作冲击式变形时产生了特别有利的可能性：在机械地减轻张力的同时可形成电接触。在这里，可有利地甚至放弃利用接触介质和对铝导线镀锡。对此，重要的是在变形过程中的高速和与此相关的很高的压力，此很高的压力导致氧化层开裂以及在接触元件和铝导线间实现力传递连接和直接的电接触连接。这种冲击式变形手段可代替缓慢的、传统的变形手段与所述接触介质相结合来应用。但也可与此无关地单独采用这种冲击式变形来作为独立的用于在接触元件和铝导线之间同时建立机械连接和电连接的可行手段。

为形成一种良好的电接触连接，合适的方式规定：将接触元件的内表面打毛或者使其具有一定纹理结构。通过这种打毛或者使其具有一定纹理结构，在将铝导线变形或夹住时附带破坏或贯穿了该铝导线的氧化层，从而完成了接触元件和铝导线之间变形区内的接触。在这种情况下，接触元件的内表面例如设有槽或螺纹，优选为带有尖锐的棱。于是，在变形时这些槽或螺纹就近乎切入到各绞合线中。通过此切入同时附带机械地减轻了张脱力。这种接触可以作为对通过接触介质的接触的补充或者作为独立的接触来完成。尤其在不采用接触介质地独立应用的扩展设计中，通过所述冲击式变形和由此同时形成电连接和机械连接可毫无困难地实现一种自动化方法，亦即使接触元件可以很高的工作节拍或速率自动被敲击到铝导线上。

对于冲击式变形，按照第一种优选方式，该变形由磁致压缩完成快速的磁变形。在磁致压缩时在待变形的接触元件上产生很高的磁场，从而在接触元件中感应生成大电流，该感应电流再生成一磁场，于是基于洛伦兹力使接触元件受到撞击，由此产生变形。为此，该接触元件例如按照可将铝导线置入其中的套筒或开缝套筒的方式预成形。此时，外部施加的磁场导致该套筒径向向内变形，从而夹住已置入的铝导线。选择合适的磁场，通过磁压缩可以达到例如2000巴的压力范围。由于在这种情况下不需要机械变形件，该接触元件即便在这么高的压力作用下也不会受到损害。

在第二种优选方式中，该冲击式变形借助一个变形件通过机械冲压来实现。在这种情况下，有效的方式是该变形件以大于5m/s、尤其大于10m/s的速度撞击在接触元件上。传统的气动压力机不能达到这样的速度，于是不适用于冲击式变形。在此，变形件的速度优选仅由重力产生，即例如设计成冲头或轧头的变形件按照一种断头台的方式撞击在待变形的接触元件上。

此外，还优选将铝导线和接触元件的连接部位防潮地加以绝缘。在此，尤其套上一收缩套管或在此连接部位覆盖上绝缘漆或绝缘粘合剂。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。各附图分别以示意简化图的方式示出。附图中：

图1示出了接触元件与铝导线之间的连接；

图2是表现磁致压缩过程中的接触元件和铝导线的概要示意图；

图3是用于说明借助冲压实现变形的接触元件和铝导线的概要示意图；

图4至图6以举例方式给出不同方法工艺过程的流程图。

具体实施方式

图1示出了在一尤其由铜制成的、作为电缆终端接头的接触元件2和一铝导线4之间已完成的连接。该接触元件2在此按照一套管的方式构成，且具有一个供该铝导线4被去除绝缘的端部6插入的接纳腔。该端部6内露出该铝导线的各单股绞合线。绞合线至少在其端侧的局部区域被镀锡。在该绞合线的端侧和该接触件2的后壁或底之间设置了一个接触介质8的容腔或存放腔。尤其在这里放入锡或锡合金。通过锡合金来实现铝导线4和接触元件2之间的电接触。接触元件2的内表面在此优选同样为预先镀锡的。

为了形成电接触接通，将锡合金置入该接触元件2中并使其熔化。接着或者早在熔化之前，就将铝导线4的已去除绝缘的端部6置入到接触元件2中。尤其是将绞合线的端侧浸没在熔化的锡合金8中。于是，在冷却后接触元件2和铝导线4的单股绞合线之间形成一种材料相连的连接。在该接触介质8和该绞合线端侧的区域形成一接触区10。

与该接触区10相间隔地设有一变形区12，在该变形区内部完成接触元件2的变形。图1在此示出已变形的状态，在此状态该接触元件2的已变形的部段14压入到已被去绝缘的端部6。通过此措施使该铝导线4被夹紧在该接触元件2中，由此有效地减轻机械张力。在接触元件2和铝导线4之间形成电连接和机械连接后，此实施方式中的连接区还用一个作为防潮绝缘件的收缩套管16包住。

对该变形过程规定，至少在该变形区12对该接触元件2进行加热。为此设置一个加热部件18，在本实施方式中在结构上分为两个部分，同时用于加热接触介质8直到进入其熔点温区。该加热部件18在本实施方式中分为两个对不同需求(即加热容腔8和加热接触元件2)形成的功能区。作为一种替换方式还可以仅仅设置一个用于加热接触介质8的加热件18。在此也必然完成了对接触元件2的加热。在图1的实施方式中还设置了一个超声发生器20。该超声发生器在绞合线浸没在熔融流体的容腔中时借助超声的入射使未镀锡的绞合线镀锡而用于形成导电功能。在此，该接触元件适当地机械固定在一超声探头(Ultraschallsonodrote)或者通过一传输介质与之进行声技术耦合以传输所要求的超声能量。

通过所述尤其按时间顺序发生的电接触和该接触元件的变形以及还通过将接触区10和变形区12分开，将一方面为电接触和另一方面为机械地减轻张力的功能彼此有效地分开。这样一来这两个功能不会以不利方式彼此影响。因为通过在对接触介质8加热后进行变形就排除了接触元件2已变形的区域因受热而出现松弛和减弱的危险。通过将变形区在空间上分开还确保冷却的锡不会受变形过程所产生的挤压作用而流走，锡的流失会导致所不希望的电接触减弱和导致电阻的加大。

该变形过程可以按传统方式通过对变形件向着接触元件2作机械加压或气动加压来实现。作为此传统变形的一种替换手段，在图2所示实施方式中利用磁致压缩来实现变形。也就是说，在此由电磁线圈直接在该接触元件的外部区域内产生很强的磁场，从而在导电的接触元件2中感生出电流，形成洛伦兹力。该力沿着图2所示箭头方向作用在接触元件2上，且由此引起接触元件2变形。

作为此变形的一种替换方式，按图3所示用于变形的实施方式中，采用一种所谓的机械冲压方式。在此冲压过程中一个变形件24以很高速度向着接触元件作冲击。在此实施方式中，该变形件24呈冲头形。在该接触元件2的对置侧设置了一个反向托件26，该反向托件尤其还可以起到为变形过程所提供的成形作用。变形件24沿着图3所示箭头方向的高速度优选单独由重力加速度来达到。作为此变形的一种替换方式，存在着用压缩空气驱动一个锤击工具或者以烟火爆燃技术使变形件加速的可能性。

在图2和图3所示的变形过程中，完成了持续时间为μs范围的极快速变形。通过冲击式变形可达到特殊的效果，从而各绞合线彼此以材料融合相连的方式相连接。

因此，图2和图3所示的冲击式变形过程可以除实现机械连接之外还附带实现电接触或者作为经由接触介质8实现电接触的替代方式。对此，至少在变形区将该接触元件2的内表面打毛或者设计成有一定纹理结构。本实施方式中，在呈套筒状的接触元件2中形成螺纹28。图2和图3示出了变形过程前的状态。在变形后该螺纹28上所形成特别尖锐的螺纹齿嵌入到绞合线中，并尤其穿过了氧化层。

下面结合图4至图6所示的流程图来说明既在接触元件2和铝导线4之间形成电连接又形成机械连接的方法的不同的变型方案。在此各方法步骤具有以下特征：

I：对铝导线4的绞合线镀锡，

II：在铝导线4和接触元件2之间形成电接触，

III：形成机械接触/减轻张力(避免张脱)。

方法步骤“I：对铝导线4镀锡”可以选择下述分步骤之一来实现：

A：传统的镀锡或者利用具有镀锡绞合线的铝导线，

B：通过急剧加热和浸没在锡池中来镀锡，

C：通过在锡池中作超声处理来镀锡，

D：将绞合线在锡池中切开或者割开。

方法步骤“III：减轻张力”由下述分步骤之一来实现：

i：传统的变形，

ii：磁致压缩变形，

iii：冲击挤压变形。

按照图4所示的方法工艺过程，首先用分步骤A、B、C、D之一对铝导线中去除绝缘层的分段6镀锡。

尤其分步骤B、C和D具有很好的镀锡效果，从而这些分步骤也可以与铝导线4和接触元件2的电接触无关地作为独立的镀锡方法采用。紧随着镀锡，完成如图1所描述的电接触。此时各绞合线被浸没在锡或锡合金的熔融容器中，从而通过硬化后的锡在各绞合线和接触元件2之间形成一材料相连的连接。接着在方法步骤III中完成变形，尤其如图2或3所描述的方法(ii，iii)完成变形。

在图4所示方法工艺过程的变化形式中，该方法步骤II和III同时完成，即变形不必强制在熔液冷却后进行。重要的仅仅是熔化不在变形过程之后进行。

按照图5所示的方法工艺过程，方法步骤I和II彼此结合成一个共同的工序，同时完成。也就是说，在此规定，借助如图1所描述的分步骤C那样的超声镀锡手段对绞合线完成镀锡。

按照图6所示的方法工艺过程总体上以一单级过程为特点，在此单级过程中省去了方法步骤I，即省去了对绞合线镀锡。电接触(II)以及机械连接(III)在一个惟一的如分步骤ii或iii那样的工艺步骤内完成。这一如图6说明的用于建立电连接和机械连接的单级方法尤其适用于具有高节拍速率的自动化过程。

附图标记清单

2    接触元件

4    铝导线

6    端部

8    接触介质

10   接触区

12   变形区

14   已变形的部件

16   收缩套管

18   加热部件

20   超声发生器

22   电磁线圈

24   变形部件

26   反向托件

28   螺纹

Claims (19)

1.一种用于在一铝导线(4)和一接触元件(2)之间建立电连接的方法，在此方法中将该铝导线(4)去掉绝缘层的一端部(6)置入到该接触元件(2)中，且与该接触元件(2)电接触，其中，为机械地减轻张力，所述铝导线(4)通过所述接触元件(2)的变形被夹持在该接触元件(2)中，其特征在于：设置了一个接触介质(8)的容腔，且将该接触介质(8)至少加热到其熔点温区，从而通过该接触介质(8)在所述去掉绝缘层的端部(6)和所述接触元件(2)之间建立材料的连接以形成电接触，并同时或随后使该接触元件(2)变形。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述接触元件(2)在与一个建立电接触的接触区(10)相间隔的一个变形区(12)内完成变形。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述接触元件(2)在所述变形区(12)中被加热。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述接触介质(8)最高被加热到280℃。

5.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：采用锡或一种锡合金作为接触介质(8)。

6.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：至少对所述铝导线(4)去掉绝缘层的端部(6)的一部分区域进行镀锡。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：对所述待镀锡的部分区域进行加热，接着将其浸没在一锡池中。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：将所述部分区域加热到400℃或者更高。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述部分区域在小于1秒的时间内被加热。

10.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述加热和所述接着的浸没在保护气体气氛中进行。

11.按照权利要求6所还的方法，其特征在于：对所述部分区域的镀锡是通过在一锡池中作超声镀锡来完成的。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述超声镀锡以及所述铝导线(4)和接触元件(2)的接触在一个工序中完成。

13.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：为进行镀锡，将所述浸没在一锡池中的铝导线的一部分割去。

14.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述接触元件(2)的变形在微秒级变形时间内完成。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：将所述接触元件(2)的内表面打毛或者使其结构化。

16.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：所述变形由磁压缩来完成。

17.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：所述变形借助一变形部件(24)通过机械冲压来完成。

18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于：所述变形部件(24)以大于5米/秒的速度撞击在所述接触元件(2)上。

19.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：在所述铝导线(4)和接触元件(2)之间的连接部位防潮地加以绝缘。

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