DE10002703B4

DE10002703B4 - Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10002703B4
Application number: DE10002703A
Authority: DE
Inventors: Robert Schwemmer; Manfred Frank
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-01-22
Filing date: 2000-01-22
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-01-23
Also published as: US6531676B2; JP2001229985A; DE10002703A1; US20010011418A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels Laserstrahlung, bei dem ein Anschlußdraht aus einem Material mit einer höheren Schmelztemperatur mit einem Anschlußträger aus einem Material mit einer niedrigeren Schmelztemperatur durch Fügen ohne Zusatzwerkstoff verschweißt wird und der Anschlußdraht in einen Fügespalt zwischen zwei Zungen des Anschlußträgers eingelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung auf die Stirnfläche der beiden Zungen des Anschlußträgers gerichtet wird, derart, dass der Anschlußträger mit der niedrigeren Schmelztemperatur aufgeschmolzen und der Anschlußdraht mit der höheren Schmelztemperatur lediglich an der Oberfläche angeschmolzen wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung nach der Gattung des Anspruchs 1.

Aus dem Aufsatz „Das Schweißen von Kupfer mit dem Laserstrahl" in Fertigungstechnik und Meßtechnik 90 (1982) 5, Seite 239 bis Seite 241, ist bekannt, einen Draht mit einer Kuperplatine bzw. einem Kupferträger mittels eines Laserstrahls zu verschweißen. Dabei wurde festgestellt, dass Werkstoffe mit gutem Reflektionsvermögen und damit schlechter Absorption nicht immer und nicht ohne Weiteres mit jedem Laser schweißbar sind. Ein gutes Ergebnis erbrachte eine Schweissung von einem blanken Draht auf einer Kupferplatte mit einem Winkel von 28° zwischen Laserstrahl und Platte. Dabei wurde die Mehrfachreflexion ausgenutzt und die Energie des Laserstrahls reichte aus, um eine anormale Absorption auszulösen und die Platte mit dem Draht zu verbinden. Bei den durchgeführten Versuchen wurden Fügepartner aus gleichem Werkstoff, nämlich Kupfer, verwendet.

Aus der US 4,774,394 geht ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung mittels Laserstrahlung hervor, bei dem ein Anschlußdraht in einen Fügespalt zwischen zwei Zungen eines Anschlußträgers eingelegt wird und die Laserstrahlung anschließend auf die Stirnfläche des Anschlußdrahtes gerichtet wird. Dabei findet eine Verschmelzung des Materials des Anschlußdrahtes und des Materials des Anschlußträgers statt.

Eine weitere, mittels Laserschweißen hergestellte elektrisch leitende Verbindung geht aus der JP 11-21 41 13 hervor. Hierbei wird die Laserstrahlung auf die Mantelfläche des Anschlußdrahtes gerichtet, der sich in einer Vertiefung eine Anschlußträgers befindet.

Bei dem in der DE-196 12 169 A1 beschriebenen Verfahren zum Verbindung von Glühwendeln und Stromzuführungen bei elektrischen Lampen wird ein verkupferte Eisen-Nickel-Draht der Stromzuführung mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Die Enden des Wolframdrahtes der Glühwendel werden in die Schmelze der Stromzuführungen eingedrückt, so dass nach dem Erstarren der Schmelze der Wolframdraht darin eingebettet ist.

In der US 4,966,565 wird ferner vorgeschlagen, eine mittels einer Crimpverbindung hergestellte elektrische Verbindung zwischen einem Anschlußdraht und einem Anschlußträger zusätzlich mit einer Laserschweißverbindung zu verstärken.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass eine mechanische und elektrisch leitende Verbindung eines Fe-Drahtes mit einem Anschlußträger aus Kupfer ohne eine mechanische Krafteinwirkung, d.h. berührungslos mittels Laserstrahl herstellbar ist. Für den Fügeprozess sind somit keine mechanischen Einwirkungen durch Werkzeuge erforderlich, so dass das Produkt, an dem die elektrisch leitende Verbindung herzustellen ist, platzsparender konstruiert werden kann. Ein Fügen an bisher unzugänglichen Stellen wird insofern ermöglicht. Ferner konnte überraschenderweise festgestellt werden, dass durch das Laserschweißen keine Heißrisse im Gefüge entstehen und dass der Anteil an spröden Phasen im Gefüge sehr gering ist, so dass die Dauerfestigkeit der elektrischen Verbindung gegeben ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist, die Laserstrahlung mittels eines Bifocaleinschusses zuzuführen, wobei die Laserstrahlung auf die beiden Metallzungen aus Kupfer gerichtet ist. Als zweckmässig hat sich außerdem erwiesen, den Anschlußträger mit einer entsprechenden Fügeteilgeometrie zu versehen und außerdem den Fe-Draht im Berührungsbereich mit dem Anschlußträger mit einer Abflachung zu versehen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Frontalansicht eines Anschlußträgers, 2 eine perspektivische Ansicht des Anschlußträgers gemäß 1, 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Verbindung mit dem Anschlußträger gemäß 1 in Seitenansicht, 4 eine vergrößerte Darstellung des Anschlußträgers gemäß 1 in Frontalansicht, 5 eine vergrößerte Schnittdarstellung nach der Linie V–V in 2 und 6 einen Querschnitt durch einen Anschlußdraht.
Ausführungsbeispiel
Ein Anschlußträger 10 für eine elektrische Verbindung gemäß 1 bis 5 besteht aus einem flachen Kupferband, das an einem anschlußseitigen Ende eine linke Metallzunge 11 mit einer ersten Stirnfläche 18 und eine rechte Metallzunge 12 mit einer zweiten Stirnfläche 19 aufweist. Zwischen den Metallzungen 11, 12 ist ein Aufnahmespalt 13 ausgebildet. Die beiden Metallzungen 11, 12 sind mit einem Winkel α von beispielsweise 100° gekröpft angeordnet. Der Spalt 13 besitzt einen vorderen Einführabschnitt 15 mit einer Spaltbreite X und einem Aufnahmeabschnitt 16, wobei der Aufnahmeabschnitt 16 geringfügig breiter ist als der Einführabschnitt 15 (4).
Der Anschlußträger 10 dient zur Aufnahme eines Drahtes 20 aus beispielsweise einem Eisenwerkstoff oder einer Eisenlegierung, der mit dem aus Kupfer ausgeführten Anschlußträger 10 mittels Laserstrahlung ohne einem Zusatzwerkstoff verschweißt wird. Zur Vorbereitung der Schweißverbindung wird der runde Draht 20 gegenüberliegend und im wesentlichen parallel verlaufend jeweils mit einer Abflachung 24 in einem Abstand Y versehen, wobei der Abstand Y 0,0 bis 0,03 mm größer ist als die Spaltbreite X des Einführabschnitts 15 (5). Dadurch wird gewährleistet, daß beim Positionieren des Drahts 20 in dem Anschlußträger 10 im Einführabschnitt 15 einen leichten Presssitz erzielt wird und dass der Draht 20 den Anschlußträger 10 an beiden Metallzungen 11, 12 berührt. Der Draht 20 ist gemäß 3 schräg in einem Winkel β von 40° bis 50° in dem Einführabschnitt 15 positioniert.
Anschließend wird die Laserstrahlung beispielsweise mit einer Energie von 45 Joule, einer Leistung von 2,4 kW, einer Pulsdauer von 20 ms und einem Focus von 0,5 mm mittels eines Bifocaleinschusses gegen die beiden Stirnflächen 18, 19 der Metallzungen 11, 12 gerichtet. Der Bifocaleinschuß weist zwei Laserstrahlen 22 auf, die gemäß 3 im wesentlichen rechtwinklig (γ = 90°) gegen die beiden Stirnflächen 18, 19 der Metallzungen 11, 12 gerichtet sind.
Durch die bifocale Laserstrahlung auf die Stirnflächen 18, 19 des Anschlußträgers 10 wird das niedriger schmelzende Material des Anschlußträgers 10 im Wesentlichen aufgeschmolzen. An den Berührungsflächen zwischen Draht 20 und den Metallzungen 11, 12 des Anschlußträgers 10 wird das Material des höherschmelzenden Drahtes 20 an der Oberfläche angeschmolzen. Dadurch entsteht an den Berührungsstellen zwischen Draht 20 und den Metallzungen 11, 12 eine Berührungsschmelze, in der der Eisenanteil im Bereich von 10 bis 20% liegt. Nach dem Erstarren entsteht eine mechanisch feste, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Draht 20 aus dem Eisenwerkstof und dem Anschlußträger 10 aus Kupfer, die keine Heißrisse aufweist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mittels Laserstrahlung, bei dem ein Anschlußdraht aus einem Material mit einer höheren Schmelztemperatur mit einem Anschlußträger aus einem Material mit einer niedrigeren Schmelztemperatur durch Fügen ohne Zusatzwerkstoff verschweißt wird und der Anschlußdraht in einen Fügespalt zwischen zwei Zungen des Anschlußträgers eingelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung auf die Stirnfläche der beiden Zungen des Anschlußträgers gerichtet wird, derart, dass der Anschlußträger mit der niedrigeren Schmelztemperatur aufgeschmolzen und der Anschlußdraht mit der höheren Schmelztemperatur lediglich an der Oberfläche angeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlußdraht in den Fügespalt mittels eines Presssitzes eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mittels eines Bifocaleinschusses zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bifocaleinschuß im Wesentlichen jeweils rechtwinklig auf die Stirnfläche der Zungen des Anschlußträgers gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mit einer Energie von 45 bis 50 Joule, einer Leistung von 2 bis 4 kW, einer Pulsdauer von 15 bis 25 ms und einem Fokus von 0,3 bis 0,7 mm erfolgt.