DD240976B5 - Verfahren zur herstellung eines abbrandfesten kontaktes in einer kontaktanordnung fuer elektrische schalter, insbesondere leistungsschalter - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar bei der Herstellung eines in der Kontaktanordnung enthaltenen, abbrandfest ausgebildeten Kontaktes für elektrische Schalter, insbesondere für als Druckgasschalter ausgebildete Leistungsschalter.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, bei Schaltern für große elektrische Ströme die Aufgabe der Übertragung des Dauerstromes und die Aufgabe des Schaltens großer Ströme je einem zweckentsprechend ausgeführten Kontaktsystem-dem Dauerstromkontaktsystem und dem Schalt- oder Abbrandkontaktsystem - zuzuordnen. Hierbei können die beiden Kontaktsysteme als Tastkontakte, als Einlaufkontakte und kombiniert alsTast- und Einlaufkontakte ausgebildet sein. Allen diesen Ausführungen haftet der Nachteil an, daß durch die Aufgabenteilung der Kontakte die gesamte Kontaktanordnung einen großen Platzbedarf erfordert und wesentlich die Abmessungen einer Schaltkammer beeinflußt. Bei den meist koaxial angeordneten Kontaktsystemen werden die Abmessungen der Kontaktanordnung primär von dem radial innen angeordneten Abbrandkontaktsystem bestimmt. Abbrandkontakte werden bekanntermaßen aus einem Kontaktstück aus hochschmelzendem, abbrandfesten Werkstoff und aus einem Kontaktträger aus niedrigerschmelzendem, kostengünstigeren Werkstoff zusammengesetzt, wobei die Verbindung des ersten hochschmelzenden, abbrandfesten Werkstoffes mit dem zweiten niedrigerschmelzenden, kostengünstigeren Werkstoff wegen der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften große Schwierigkeiten bereitet, die einen großen technologischen Aufwand und eine große Dimensionierung des Kontaktsystems erfordern, um die Verbindung sicher und qualitätsgerecht herzustellen. Zur Beseitigung dieser Mängel sind verschiedene Lösungen bekanntgeworden. So ist bekannt, den hochschmelzenden, abbrandfesten Werkstoff als Sinterwerkstoff-z. B. WCu, WAg, WCuNi - herzustellen und nachfolgend durch spanende Bearbeitung ein Befestigungselement-z.B. Gewinde, Bolzen, Bohrung, Lasche-anzuformen. Diese Lösung erfordert einen großen Verbrauch an hochwertigem Sinterwerkstoff und ist unökonomisch. Hinzu kommt, daß der Sinterwerkstoff sehr kerbempfindlich ist und sich für eine mechanische Befestigung besonders bei schnellbewegten Abbrandkontakten wenig eignet. Zur Gewährleistung einer sicheren Verbindung des hochschmelzenden, abbrandfesten Sinterwerkstoffes mit dem Werkstoff des Kontaktträgers muß die Verbindungsstelle somit sehr groß dimensioniert werden. Eine andere bekannte Lösung verwendet ein Sinterwerkstoff-Gerüst - z. B. W, Mo, Re - in das ein Tränkwerkstoff - z. B. Cu, Ag oder Legierungen dieser Werkstoffe - in schmelzflüssigem Zustand durch Kapillarwirkung in das zuerst erzeugte Sintergerüst einseigert. Durch eine Überschußtränkung kann an den Sinter-Verbundwerkstoff ein Befestigungselement oder Kontaktträger aus dem verwendeten Tränkwerkstoff angegossen werden. Das angegossene Befestigungselement hat infolge seines Gußgefüges nur geringe mechanische Festigkeit, die durch entsprechend große Dimensionierung berücksichtigt werden muß. Es ist auch bekannt, den hochschmelzenden, abbrandfesten Werkstoff durch Hartlöten mit dem niedrigschmelzenden Kontaktträgerwerkstoff zu verbinden. Hierbei ist von Nachteil, daß die Kontakte verunreinigende und die Korrosion fördernde Flußmittel sowie teure silberhaltige Lötwerkstoffe verwendet werden müssen und die in die zu verbindenden Werkstoffe eingebrachte Wärmemenge sehr groß ist. Durch diese große Wärmemenge tritt eine Entfestigung der Werkstoffe, vor allem des niedrigschmelzenden Kontaktträgerwerkstoffes ein. Trotz der Flußmittel ist nicht immer eine 100%ige Bindung infolge der unvollkommenen Oxidbeseitigung über den gesamten Lötquerschnitt zu erreichen. Auch hat der Lötwerkstoff eine geringere Festigkeit und Leitfähigkeit als der Grundwerkstoff. Alle nachteiligen Eigenschaften der durch Hartlöten hergestellten Verbindung müssen durch entsprechend große Dimensionierung des Kontaktes ausgeglichen werden. Andere bekannte Lösungen verwenden zur Herstellung der Verbindung des hochschmelzenden, abbrandfesten Kontaktstückes mit einem Kontaktträger aus Kupfer die Verfahren Widerstandsschweißen und Preßschweißen. Auch bei diesen Verbindungsverfahren ist die eingebrachte Wärmemenge sehr groß, wodurch die Werkstoffe - besonders der niedrigschmelzende Kontaktträgerwerkstoff-entfestigt werden. Zusätzlich ist bei diesen Verfahren von Nachteil, daß die Gefahr der Sauerstoffaufnahme, die zu einem unerwünschten Abfall der Leitfähigkeit und der Bruchdehnung führt, außerordentlich groß ist. Die nachteiligen Einflüsse auf die Eigenschaften der Verbindung können auch bei diesen Verfahren nicht beseitigt oder gemindert werden und müssen durch entsprechend große Dimensionierung ausgeglichen werden.

Aus der DE-OS 1940436 (21 с, 40/52) ist ein Verfahren zum Befestigen eines Kontaktes aus höher schmelzendem Material auf einem Tragkörper aus niedriger schmelzendem Material mittels Elektronenstrahlerwärmung bekannt. Hierbei wird der Kontakt im Stirneingriff mit dem Tragkörper gehalten und der Elektronenstrahl derart durchgeleitet, daß er den Tragkörper durchquert, wobei der Teil des Tragkörpers, der vom Strahl getroffen wird, schmilzt und ein Bereich des Kontaktes dicht an dem geschmolzenen Teil des Tragkörpers auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen den Schmelzpunkten des Kontaktes und des Tragkörpers liegt, so daß nur der Tragkörper abschmilzt und die erforderliche Verbindung bildet. Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist der Tragkörper mit einer Öffnung versehen, auf der der Kontakt, dessen Abmessungen größer sind als die der Öffnung im Tragkörper, aufliegt. Der Elektronenstrahl wird nun so geführt, daß ein Teil des Tragkörpers rund um die Öffnung abgeschmolzen und auf diese Weise die Verbindung zwischen beiden Teilen hergestellt wird. Diese Lösung ist geeignet für Kontaktverbindungen, bei denen Kontakt und Tragkörper mit ihren flachen Seiten verbunden werden. Es wird eine relativ großflächige Verbindung erreicht. Bei elektrischen Kontaktanordnungen, z. B. mit Tulpenkontakten für elektrische Leistungsschalter versagt jedoch dieses Verfahren, da je Kontaktfinger nur eine relativ kleine für die Verbindung zur Verfügung stehende Berührungsfläche vorhanden ist.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren zur Herstellung eines abbrandfesten Kontaktes einer Kontaktanordnung für elektrische Leistungsschalter, insbesondere Druckgasschalterzu schaffen, das einen geringen technologischen Aufwand erfordert und eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen Trägermaterial und abbrandfestem Kontaktwerkstoff garantiert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines abbrandfesten Kontakts zu entwickeln, bei dem mittels Elektronenstrahllöten hochfeste Verbindungen mit optimalen physikalischen Eigenschaften zwischen einem niedrigschmelzenden Kontaktträger und einem Kontaktstück aus Verbundwerkstoff, bestehend aus einem sehr hochschmelzenden Werkstoffgerüst, in das eine niedrigschmelzende, gut leitfähige Werkstoffkomponente eingelagert ist, hergestellt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Für eine spezielle Ausführungsform eines Leistungsschalterkontakts ist die Erfindung in Anspruch 2 ausgeführt. Im Detail vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens enthalten die Ansprüche 3 bis 9 und 13, speziell nur für den Tulpenkontakt Ansprüche 10 bis 12.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, beidseitig eines Spaltes definierter Breite einmal den Kontaktträger und zum anderen die niedrigschmelzende Komponente des Kontaktstücks zunächst zu schmelzen und dann zu einem neuen Werkstoff zu mischen und so ein Brückenglied herzustellen. Dazu muß der Spalt eine Mindestbreite haben und darf nur eine Höchstbreite aufweisen.

Die Verbindungen Brückenwerkstoff-Kontaktstück bzw. Brückenwerkstoff-Kontaktträger garantieren bei Vorhandensein einer bestimmten Dicke der Brücke die mechanisch dauerhafte Festigkeit der Lötverbindung bei extremen Belastungen wie in Leistungsschaltern. Das hochschmelzende Gerüst des Kontaktstücks bleibt beim Löten unverändert stehen und sorgt so für eine Stabilität der Konturen im Spaltbereich. Der Spalt ist ein entscheidendes Erfordernis für den Erfolg des Verfahrens.

Mit dem Elektronenstrahllöten wird wegen der für dieses Verfahren typisch hohen Energiedichte nur ein sehr schmaler, eng begrenzter Bereich an der Stoßstelle des Kontakts erwärmt und aufgeschmolzen. Damit ist die insgesamt eingebrachte Wärmemenge gegenüber anderen bekannten Verfahren bedeutend geringer. Infolge der hohen Arbeitsgeschwindigkeit bzw. des sehr hohen Temperaturgefälles zu benachbarten Werkstoffteilen werden die physikalischen Eigenschaften letzterer kaum beeinträchtigt.

Mit dem Elektronenstrahllöten in einer Vakuumkammer tritt bei der Erschmelzung eine wirksame Desoxidation und Entgasung der Werkstoffe an der Verbindungsstelle ein. Hierdurch wird das Benetzungsvermögen der Schmelze so verbessert, daß kein Löt-Flußmittel mit all seinen Nachteilen infolge Verunreinigung der Verbindung eingesetzt werden muß.

Weiterhin kann insbesondere durch eine zweckmäßige Führung des Elektronenstrahls eine sehr hohe mechanische Festigkeit und eine unvermindert gute elektrische Leitfähigkeit der Verbindungsstelle erzielt werden. Eine solche zweckmäßige Führung des Elektronenstrahls stellt sowohl eine Verschiebung auf den niedriger schmelzenden Kontaktträger dar als auch eine Strahlpendelung oder die Ausführung einer Blindnaht als T-Stoßnaht auf einem der zu verbindenden Kontaktteile.

Von Vorteil für die Erzielung guter Eigenschaften der Brücke ist es, die Wärmemenge des Lötvorganges zu minimieren. Dazu trägt außer dem lotfreien Arbeiten eine Parallelanordnung der Verbindungsflächen und die Reduzierung deren Abstands auf den technologischen Mindestbereich zwischen 0,01 mm und 0,06mm bei.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine Kontaktanordnung für elektrische Leistungsschalter, vorzugsweise Druckgasschalter mit Tulpenkontakt, im ausgeschalteten Zustand.

Der feste Kontakt 1 und der bewegliche Kontakt 2 bilden das Dauerstromkontaktsystem der Kontaktanordnung. Das Abbrandkontaktsystem besteht aus dem festen Kontakt 3 und dem beweglichen Kontakt 4. Bei der Ein-Schaltung wird der Stromkreis zuerst von dem Abbrandkontaktsystem 3; 4 und anschließend von dem Dauerstromkontaktsystem 1; 2 geschlossen. Bei der Ausschaltung hingegen öffnet zuerst das Dauerstromkontaktsystem 1; 2 und nachfolgend das Abbrandkontaktsystem 3; 4 den Stromkreis, wobei das Löschmittel nach Durchströmen des Kanals 5 durch die Düse 6 auf den zwischen den Abbrandkontakten 3; 4 brennenden Lichtbogen gelenkt wird und diesen löscht. Abbrandkontaktsystem 3; 4 und Dauerstromkontaktsystem 1; 2 sind koaxial angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist der feste Kontakt 3 bolzenförmig

ausgeführt und besteht aus dem hochschmelzenden, abbrandfesten Kontaktstück 8-z.B. einem Sinterwerkstoff vom Typ WCu, WAg, WCuNi- und dem Kontaktträger 7 aus einem niedriger schmelzenden Werkstoff-z. B. Stahl, CrNi-Stahl, Cu, Cu-Legierung. Der Kontaktträger? und das Kontaktstück 8 haben die zu verbindenden parallelen Flächen 9; 10, die miteinander einen möglichst kleinen Spalt bilden und durch den Elektronenstrahl 13 eines Elektronenstrahlerzeugers miteinander verbunden werden. Bei der Durchführung des Verfahrens werden Kontaktträger 7 und Kontaktstück 8 in einer Vakuumkammer um ihre gemeinsame Achse 12 gedreht, so daß die Bindungszone gleichmäßig erwärmt wird und die Lötverbindung durch Bildung des Verbindungswerkstoffes in der Verbindungszone 11 (Lötnaht) entsteht.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung ist weiter der bewegliche Kontakt 4 des Abbrandkontaktsystems als selbstfedernder Tulpenkontakt ausgebildet, wobei das Kontaktstück 15 aus hochschmelzendem, abbrandfesten Werkstoff-z. B. einem Sinterwerkstoff vom Typ WCu, WAg, WCu Ni - und der Kontaktträger 14 aus einem niedriger schmelzenden Werkstoff mit federelastischen Eigenschaften - z. B. Stahl, CrNi-Stahl, Cu-Legierung - besteht. Die zueinander und zum Elektronenstrahl parallelen Grenzflächen 16; 17 des Kontaktstückes 15 und des Kontaktträgers 14 werden durch die Elektronenstrahllötung mittels der Verbindungszone (Lötnaht) 18 miteinander verbunden.

Darauf wird in einem vorbestimmten Abstand von der Grenzfläche 17 an der Berührungsstelle 19 eine weitere Lötnaht 20 gezogen. Abschließend werden Kontaktträger 14 und Kontaktstück 15 in vorbestimmter Zahl mit Längsschlitzen versehen, so daß die Kontaktfinger 21 des selbstfedernden Tulpenkontaktes entstehen. Die zum Elektronenstrahllöten vorbereiteten Teile 7; 8 und 14; 15 weisen vorteilhafterweise zwischen den parallelen Grenzflächen 9; 10 und 16; 17 einen Spalt von 0,01 bis 0,06mm auf. Bei der Herstellung der Verbindungszonen 11; 18 ist der Elektronenstrahl 13 gegenüber dem Spalteinseitig in Richtung des niedrigerschmelzenden Kontaktträgers 7; 14 verschoben und zwar bei einem Kontaktträger aus Cu oder Cu-Legierung um 0,1 bis 0,5 mm-vorzugsweise 0,2 mm-und bei einem Kontaktträger aus CuNi-Stahl um 0,1 bis 0,6 mm-vorzugsweise um 0,3mm bis 0,4mm.

Eine vorteilhafte Variante ergibt sich, wenn bei dem Abbrandkontakt 4 die Schlitze der federnden Kontakttulpe mindestens in den Kontaktträger 14 vor dem Elektronenstrahllöten eingebracht werden, womit der Wärmeeintrag bei der Durchführung des Verfahrens weiter gesenkt werden kann und die Schlitze wertvolle Strahlpositionierhilfen sind. Zum anderen kann vorteilhafterweise zur Schlitzfertigung in Kontaktträgern aus schwer spanbarem Cu-Ni-Stahl das hochproduktive Plasmaschneiden angewendet werden.

Natürlich läßt sich die Erfindung auch anwenden, wenn die Abbrandkontakte 3; 4 anders ausgebildet sind. So ist z. B. das Elektronenstrahllöten auch anwendbar, wenn die Grenzflächen 9; 10 und 16; 17 koaxiale Zylinder sind. Auch bei nicht rotationssymmetrischen Teilen ist das Verfahren anwendbar.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines abbrandfesten Kontakts in einer Kontaktanordnung für elektrische Schalter, insbesondere Leistungsschalter, bei dem

- der Kontakt aus einem Kontaktstück und einem Kontaktträger besteht,

- für das Kontaktstück ein metallischer Verbundwerkstoff mit einer niedrigschmelzenden Komponente in einem hochschmelzenden Gerüst verwendet wird,

- für den Kontaktträger ein niedrigschmelzender metallischer Werkstoff verwendet wird,

- die Verbindung zwischen Kontaktstück und Kontaktträger durch Elektronenstrahllöten im Vakuum hergestellt wird, gekennzeichnet dadurch, daß

- zunächst die Kontaktträger (7,14) und die zugehörigen Kontaktstücke (8,15) so gegeneinander ausgerichtet und gehalten werden, daß einander gegenüberliegende Grenzflächen (9,10,16,17) parallel zueinander verlaufende Spalten definierter Breite zwischen den Kontaktträgern (7,14) und Kontaktstücken (8,15) bilden,

- dann durch die Führung des Elektronenstrahles (13) beidseitig derSpalte in einem engen Bereich einmal der Werkstoff der Kontaktträger (7,14) und zum anderen die niedrigerschmelzende Komponente des Verbundwerkstoffs der Kontaktstücke (8,15) aufgeschmolzen werden,

- die schmelzflüssigen Werkstoffe in den Spalten zu neuen Werkstoffen gemischt werden und

- diese danach erkaltend schmale Verbindungszonen (11,18) bilden und

- abschließend der Kontakt durch mechanische Bearbeitung in seine endgültige Form gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

- für einen Tulpenkontakt

- in einem den Kontaktträger (14) bildenden einseitig offenen Zylinder ein ringförmiges Kontaktstück (15) mit seinem Bund zentrierend eingesetzt wird,

- dann Kontaktträger (14) und Kontaktstück (15) im Bereich ihrer äußeren Grenzflächen (16,17) durch die radiale Lötnaht (18) verbunden werden,

- danach in einem vorbestimmten axialen Abstand vom offenen Rand des Kontaktträgers (14) eine weitere Lötnaht (20) als Durchdringungsnaht zwischen Kontaktträger (14) und Bund des Kontaktstückes (15) gezogen wird,

- wobei der Kontaktträger (14) im Nahtbereich flüssig wiFd und der ihn durchdringende Elektronenstrahl (13) aus der Randzone des Kontaktstücks (15) wiederum die niedrigschmelzende Werkstoffkomponente erschmilzt,

- beide Schmelzen nach dem Erkalten eine sehr schmale Verbindungszone (20) zwischen Kontaktträger (14) und Kontaktstück (15) bilden und

- anschließend Kontaktstück (15) und Kontaktträger (14) in vorbestimmter Anzahl mit Längsschlitzen versehen werden, so daß die Kontaktfinger (21) des Tulpenkontaktes entstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenstrahlerzeuger feststeht und die zu verbindenden Teile für die Zeit des Lötens gegenüber dem Elektronenstrahlerzeuger eine Bewegung entsprechend der Form der zu bildenden Lötnaht ausführen, insbesondere bei rotationssymmetrischen Teilen eine Drehbewegung um deren Achse.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Elektronenstrahllöten ohne die Verwendung eines zusätzlichen Lötwerkstoffes und Löthilfsstoffes erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß vor dem Löten zwischen den Grenzflächen (9,10,16,17) der zu verbindenden Teile ein Spalt der Größe 0,01 bis 0,06 mm gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Elektronenstrahllöten bei einem Druck von < 1,33Pa erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenstrahl (13) gegenüber dem Spalt zwischen den Grenzflächen (9,10,16,17) der zu verbindenden Teile einseitig um 0,1 bis 0,6mm in Richtung des Kontaktträgers (7,14) verschoben ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenstrahl (13) bei einem Kontaktträger (7,14) aus CrNi-Stahl um 0,3 bis 0,4mm und bei einem Kontaktträger (7,14) aus Cu oder einer Cu-Legierung um 0,2 mm in Richtung des Kontaktträgers (7,14) verschoben ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Energie des Elektronenstrahles (13) gemäß den physikalischen Eigenschaften der zu verbindenden Teile durch Pendelung des Elektronenstrahles (13) oder durch Ziehen einer Blindnaht entweder auf dem Kontaktträger (7,14) oder auf dem Kontaktstück (8,15) gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Tulpenkontakt der Zylinder für den Kontaktträger (14) vor dem Elektronenstrahllöten entsprechend der Anzahl der geforderten Kontaktfinger (21) geschlitzt wird, so daß sich Hilfskanten für eine automatische Strahlpositionierung ergeben.

11. Verfahren nach Anspruch 2 oder 10, gekennzeichnet dadurch, daß Kontaktstück (15) und Kontaktträger (14) des Tulpenkontaktes nur durch die Durchdringungsnaht (20) miteinander verbunden werden.

12. Verfahren nach Anspruch 2 oder 10, gekennzeichnet dadurch, daß Kontaktstück (15) und Kontaktträger (14) des Tulpenkontaktes nur durch die Lötnaht (18) miteinander verbunden werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß für das Kontaktstück (8, 15) ein Verbundwerkstoff des Typs WCu, WAg oder WCuNi gewählt wird.