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Die
Erfindung betrifft Batterieverbinder für Akkumulatorbatterien und
Kontaktstücke
hierfür
sowie Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung solcher Batterieverbinder.
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Aus
der WO 00/08718 ist ein Batterieverbinder bekannt, bei dem an den
Enden eines isolierten Kupferdrahtkabels jeweils die Anschlussplatte
eines Kontaktstückes
aus Kupfer oder Messing befestigt ist. Die Kontaktplatten der Kontaktstücke weisen
Löcher
auf, durch welche eine Polschraube gesteckt und im Batteriepol einer
Akkumulatorbatterie festgeschraubt werden kann, um die Zellen der
Batterie elektrisch an den Batterieverbinder zu koppeln. Durch eine
Ultraschallverschweißung
wird eine gute Verbindung zwischen den Drähten des Batterieanschlusskabels
und dem Kontaktstück
erreicht, welche für
die elektrische Leitung der entnommenen, typischerweise hohen Ströme geeignet
ist. Die Kontaktstücke
des genannten Batterieverbinders werden aus einem bandförmigen Flachmaterial
gestanzt und haben in der Draufsicht eine im Wesentlichen rechteckige
Form.
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Vor
diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte
Batterieverbinder bereitzustellen, wobei insbesondere die Zuverlässigkeit
der Verbindung zwischen Kabel und Kontaktstück gesteigert und der Einsatzbereich
der Batterieverbinder erweitert werden soll.
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Diese
Aufgabe wird durch Batterieverbinder mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. 5, durch ein Kontaktstück
mit den Merkmalen des Anspruchs 4, durch eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 7 sowie durch Verfahren mit den Merkmalen der
Ansprüche
6 und 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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A. Kontaktstücke mit
auf den Kabelquerschnitt abgestimmten Dimensionen
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Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Batterieverbinder für Akkumulatorbatterien,
welcher ein Kontaktstück
mit einer Kontaktplatte und einer Anschlussplatte sowie mit einem
Kabel enthält.
Die Kontaktplatte dient in üblicher
Weise dazu, den elektrischen Kontakt zum Pol einer Akkumulatorbatterie
oder dergleichen herzustellen, wozu die Kontaktplatte in der Regel
ein Durchgangsloch zum Durchstecken einer Polschraube aufweist,
mit welcher das Kontaktstück
am Bleipol einer Batterie festgeschraubt werden kann. Das Kabel
des Batterieverbinders enthält
ferner eine Vielzahl von Einzeldrähten, welche als ein Bündel mit
im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt über die gesamte Breite der
Anschlussplatte ausgebreitet und mit der Anschlussplatte (z. B.
durch Schweißen
oder Löten)
verbunden sind.
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Gemäß einer
ersten Variante ist der vorstehend beschriebene Batterieverbinder
dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Anschlussplatte anders
(vorzugsweise kleiner) als die Breite der Kontaktplatte ist. Gemäß einer
zweiten Variante ist der Batterieverbinder dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis
von Breite der Anschlussplatte zur Höhe des ausgebreiteten Bündels der
Einzeldrähte
ca. 2:1 bis 10:1 beträgt.
Selbstverständlich
können
beide Varianten auch gleichzeitig bei einem Batterieverbinder verwirklicht
werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Breite
der Anschlussplatte ca. 12.5 bis 15.5 mm (d. h. 14 mm ± 10%)
und die Querschnittsfläche
des zugehörigen
Kabels ca. 25–35 mm2. Bei einer anderen bevorzugten Dimensionierung
beträgt
die Breite der Anschlussplatte 17 mm ± 10% bei einer Querschnittsfläche des
Kabels von 50–95
mm2.
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Bei
dem Batterieverbinder gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung ist die Breite der Anschlussplatte des Kontaktstückes auf
das anzuschließende Kabel
bzw. dessen Querschnitt abgestimmt. Hierdurch wird erreicht, dass
das zu einem rechteckigen Bündel
ausgebreitete Kabel im Verbindungsbereich auf der Anschlussplatte
eine bestimmte Dimension bzw. bestimmte Proportionen annimmt, die
sich einerseits günstig
auf die mechanische Verbindbarkeit mit der Anschlussplatte auswirken
und andererseits einen guten Stromübergang bewirken. Des Weiteren wird
die Entstehung von losen Einzeldrähten vermieden, welche bei
herkömmlichen
Verfahren an den Rändern
des Drahtbündels
oft zu beobachten ist.
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B. Reihenverbinder
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Kontaktstück für einen Batterieverbinder,
welcher mindestens einen Anschluss in der Kabelmitte aufweist, wobei
das Kontaktstück
eine Kontaktplatte und mindestens zwei Anschlussplatten zur Befestigung
der Enden zweier Kabel aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung
einen Batterieverbinder, welcher ein derartiges Kontaktstück enthält.
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Batterieverbinder
mit mindestens einem mittelständigen
Anschlusspunkt sind als "Reihenverbinder" an sich bekannt.
Sie werden üblicherweise
dadurch hergestellt, dass eine Kupferhülse über das Kabel des Batterieverbinders
geschoben und an einer abisolierten Stelle des Kabels flach gedrückt wird. Da
die Hülse über die
Isolierung des Kabels passen muss, weist sie eine Übergröße auf,
was sich bezüglich
des Pressverhältnisses
nachteilig auf das aus der flachgedrückten Hülse resultierende Kontaktstück auswirkt.
Derartige Nachteile werden bei dem oben beschriebenen Batterieverbinder
vermieden, da dort ein Kontaktstück
mit zwei Anschlussplatten verwendet wird, an welchen die Enden zweier
Einzelkabel befestigt sind. Das mittelständige Kontaktstück hat daher
die gleiche solide mechanische und elektrische Verbindung zum Kabel
wie die Kontaktstücke an
den Enden des Batterieverbinders. Anders als bei herkömmlichen
Reihenverbindern tritt keine Lockerung der Einzeldrähte durch
wechselnde Erwärmungsvorgänge auf.
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C. Gleichzeitiges Anbringen
von Kontaktstücken
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Gemäß einem
dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Batterieverbinders, wobei an zwei oder mehr Stellen eines
Kabels Kontaktstücke
in einem thermischen Verfahren (insbesondere Schweißen oder
Löten)
befestigt werden. Korrespondierend hierzu umfasst die Erfindung eine
Vorrichtung zur Herstellung eines Batterieverbinders, welche mindestens
zwei thermische Verbindungsstationen (insbesondere Schweiß- und/oder Lötstationen)
umfasst, welche parallel betätigt
werden können,
um mindestens zwei Kontaktstücke gleichzeitig
mit den Enden (mindestens) eines Kabels zu verbinden.
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Bei
Batterieverbindern mit jeweils einem Kontaktstück an den beiden Enden eines
Kabels werden die beiden Kontaktstücke üblicherweise nacheinander mit
dem Kabel durch Schweißen
oder Löten verbunden.
Dabei wird eine einzige Schweiß- oder Lötstation
verwendet, in welche die Kabelenden nacheinander eingeführt werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die so erhaltenen Verbindungen
zwischen den Kabelenden und den Kontaktstücken nicht optimal bzw. jedenfalls
von unterschiedlicher Qualität sein
können.
Ein Grund hierfür
scheint darin zu bestehen, dass das Kabel beim Anbringen des zweiten Kontaktstückes bereits
vorerwärmt
ist und der zweite Verbindungsprozess hierdurch anders abläuft. Dies macht
sich insbesondere bei kurzen Batterieverbindern bemerkbar. Mit dem
oben vorgeschlagenen Verfahren bzw. der zugehörigen Vorrichtung werden derartige
Probleme vermieden, da die mehreren Kontaktstücken gleichzeitig mit dem Kabel
(z. B. mit dessen Enden bzw. gegebenenfalls zusätzlich mit dem Mittelbereich
des Kabels) verbunden werden. Alle Verbindungsprozesse laufen hierdurch
gleichartig ab, so dass die Verbindungen alle von gleicher Qualität sind,
die einheitlich optimiert werden kann.
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D. Diffusionsschweißen mit
Zusatzstoff
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Gemäß einem
vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer elektrisch leitenden, dauerhaften Verbindung zwischen einem Kabel
mit einer Vielzahl von Einzeldrähten
und einem metallischem Anschlussstück, insbesondere zur Verbindung
der Kontaktstücke
eines Batterieverbinders mit dem zugehörigen Kabel. Das Verfahren
ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
- a)
Anpressen eines Bündels
der Einzeldrähte
an das Anschlussstück.
Hierbei können
unter Umständen
hohe Kräfte
von beispielsweise 4200–6500
Newton ausgeübt
werden.
- b) Erwärmen
des angepressten Bündels
der Einzeldrähte,
ohne dass es insgesamt zu einem Schmelzen der Einzeldrähte und/oder
des Anschlussstückes
kommt. Ein lokales Aufschmelzen, insbesondere der Einzeldrähte an ihren
Berührungspunkten,
ist dagegen zulässig.
Die Erwärmung
kann insbesondere dadurch erfolgen, dass ein elektrischer Strom
in Querrichtung durch die Einzeldrähte und das Anschlussstück geleitet wird.
- c) Hinzufügen
eines metallischen Zusatzstoffes, welcher während des vorangehenden Schrittes
b) schmilzt und in die Hohlräume
zwischen den Einzeldrähten
des Bündels
eindringt. Als metallischer Zusatzstoff können verschiedene Metalle bzw.
Legierungen in Frage kommen, welche bei den beteiligten Temperaturen
schmelzen. Insbesondere kann der metallische Zusatzstoff eine Silberlegierung
sein, deren Silbergehalt vorzugsweise mindestens 40 Gewichtsprozent
beträgt.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren können Verbindungen
hoher mechanischer Festigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit
erzielt werden. Im Unterschied zu (Weich-)Lötprozessen wird bei dem beschriebenen
Verfahren vorzugsweise kein Flussmittel verwendet, welches die Oberflächen der
beteiligten Metalle anätzen
würde.
Es handelt sich daher nicht um ein Lötverfahren im üblichen
Sinne. Des Weiteren erfolgt die Verbindung auch nicht durch ein konventionelles
Schweißen,
bei welchem die beteiligten Metalle im Verbindungsbereich komplett
in den Schmelzzustand überführt werden.
Durch die Kombination von Druck und Erwärmen kann es jedoch lokal zu
Schmelz- und/oder Diffusionsprozessen an den kontaktierenden Oberflächen kommen.
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E. Weitere Ausgestaltungen:
Verkröpfung,
Ausnehmung etc.
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Die
Merkmale der Kontaktstücke
bzw. Batterieverbinder, die gemäß den oben
erläuterten
verschiedenen Aspekten der Erfindung ausgestaltet bzw. hergestellt
sind, können
beliebig miteinander kombiniert und/oder durch weitere optionale
Merkmale ergänzt
werden. So können
beispielsweise bei den Kontaktstücken
die Kontaktplatte, welche den elektrischen Kontakt zur Batterie
herstellt, und die Anschlussplatte, an welcher das Kabel befestigt
ist, gegeneinander höhenversetzt
angeordnet sein. Durch eine solche "Verkröpfung" des Kontaktstückes kann erreicht werden,
dass die Anschlussplatte etwa auf Höhe der Mittelachse des Kabels
zu liegen kommt, so dass der Batterieverbinder insgesamt eine symmetrische
Form erhält.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung der Kontaktstücke bzw. Batterieverbinder
weist das Kontaktstück
an seiner Unterseite, welche definitionsgemäß im Benutzungszustand der
Batterie zugewandt ist, mindestens eine Ausnehmung auf, in welche
eine die Oberseite des Kontaktstückes
abdeckende Isolierumspritzung eingreift. Auch wenn die gesamte sonstige
Unterseite des Kontaktstückes
von der Isolierumspritzung frei bleibt, wird durch deren Eingreifen
in die Ausnehmungen ein Herausdrücken
des Kontaktstückes
aus der Umspritzung verhindert.
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Bei
anderer Weiterbildungen kann das Kontaktstück einschließlich seiner
Umspritzung und einer zugehörigen
Polschraube abgerundet ausgebildet sein, wobei diesbezüglich auf
die
DE 103 27 349.2 verwiesen
wird, in welcher weitere Ausgestaltungsvarianten beschrieben sind
und welche daher vollumfänglich
in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Ferner kann das Kontaktstück mit einer
Beschichtung aus einem weichen Material versehen sein (vgl. 103
02 270.8, welche ebenfalls vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung
aufgenommen wird).
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Aufsicht und einen Querschnitt des Anschlussbereiches eines Kabels
an ein Kontaktstück;
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2 eine
Seitenansicht eines Batterieverbinders (teilweise im Schnitt) mit
verkröpften
Kontaktstücken;
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3 einen
Schnitt durch und eine Aufsicht auf einen Batterieverbinder mit
einem Mittelanschluss;
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4 einen
Längsschnitt
und einen Querschnitt durch ein Einzeldrahtbündel auf einer Anschlussplatte
beim Diffusionsschweißen
unter Zugabe eines Zusatzwerkstoffes.
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Die
in den Figuren dargestellten Batterieverbinder werden insbesondere
zur Verbindung der Pole von Akkumulatorbatterien verwendet, wobei
diesbezüglich
zur näheren
Beschreibung auf die WO 00/08718 und die
DE 103 27 349 verwiesen wird. Grundsätzlich sind
jedoch auch andere Anwendungen der dargestellten Konstruktionen
und Verfahren möglich.
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In 1 sind
eine Aufsicht (links) und ein Querschnitt (rechts) entlang der gestrichelten
Linie A-A der Aufsicht durch den Endbereich eines Batterieverbinders 100 dargestellt,
wobei ein metallisches Kontaktstück 20 (z.
B. aus Kupfer oder Messing) sowie ein Kabel 10 zu erkennen
sind. Das Kabel 10 enthält
eine Vielzahl von Einzeldrähten 11 (z.
B. aus Kupfer), welche am Ende des Kabels von der äußeren Kabelisolierung
befreit und zu einem flachen Bündel
mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt ausgebreitet sind.
Das Bündel
erstreckt sich dabei mit einer Höhe
h über
die gesamte Breite d der Anschlussplatte 23 des Kontaktstückes 20,
wobei das Produkt aus Breite und Höhe den Querschnitt Q des Kabels
ergibt: Q = h·d.
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Bei üblichen
Batterieverbindern ist das Kontaktstück als rechteckiges Plättchen einheitlicher Breite
D ausgebildet, wobei diese Breite durch die Kontaktplatte 21 und
insbesondere das darin unterzubringende Durchgangsloch 22 vorgegeben
ist. Im Gegensatz hierzu sind bei dem in 1 dargestellten Kontaktstück 20 die
Breiten D der Kontaktplatte 21 und d der Anschlussplatte 23 voneinander
unabhängig
und (in der Regel) verschieden. So kann die Breite D der Kontaktplatte 21 wie üblich in
Hinblick auf den anzuschließenden
Batteriepol und die Polschraube bzw. das Durchgangsloch 22 optimal
gewählt
werden. Die Breite d der Anschlussplatte 23 richtet sich
dagegen nach dem Querschnitt Q des anzuschließenden Kabels 10 in
der Weise, dass zum einen das Bündel
der Einzeldrähte 11 über die
gesamte Breite d der Anschlussplatte 23 flach gedrückt werden
kann und dabei zum anderen eine in Hinblick auf die mechanische
und elektrische Verbindung optimale Höhe h aufweist bzw. behält. Dabei
zeigt es sich, dass das Verhältnis
von Breite d zu Höhe
h vorzugsweise in einem Bereich von d:h = 2:1 bis 10:1 liegt. Insbesondere
ist es bevorzugt, wenn an einer Anschlussplatte mit der Breite d
= 14 mm ein Kabel 10 mit dem Querschnitt Q = 25 bis 35
mm2 und an einer Anschlussplatte mit der
Breite d = 17 mm ein Kabel 10 mit dem Querschnitt Q = 50
bis 70 mm2 angeschlossen wird. Die Verbindung
zwischen dem Bündel
aus Einzeldrähten 11 und
der Anschlussplatte 23 kann dabei durch Schweißen, Löten oder
andere (s.u.) Techniken bewirkt werden.
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Des
Weiteren ist in 1 in der Kontaktplatte 21 des
Kontaktstückes 20 eine
Nase bzw. Ausnehmung 24 am äußeren Rand erkennbar, in welche eine
Kunststoffumspritzung (nicht dargestellt) eingreifen kann, welche
im fertigen Batterieverbinder das Kontaktstück und den Kabelanschluss schützend umgibt.
Durch diesen Eingriff wird verhindert, dass das Kontaktstück 20 nach
unten aus der Umspritzung herausgedrückt werden kann.
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2 zeigt
einen Batterieverbinder 200 in einer Seitenansicht (90° gedreht
relativ zum linken Teil von 1), wobei
die zueinander um 180° gedreht angebrachten
Kontaktstücke 20 und
die zugehörige Isolierungsspritzung 30 im
Schnitt entlang ihrer Mittellinie dargestellt sind. Zu erkennen
ist hierbei eine Verkröpfung
oder Stufe zwischen der Kontaktplatte 21 und der Anschlussplatte 23 des
Kontaktstückes 20.
Durch die Stufe, welche sich in einfacher Weise ohne spanabhebende
Verfahren durch Biegen herstellen lässt, kommt die Kontaktplatte 21 etwa
auf der Höhe
des Kabels 10 zu liegen. Der gesamte Batterieverbinder 200 kann
auf diese Weise mit passenden Höhen
der Kontaktstücke 20 in
Bezug auf Ober- und Unterseite ausgebildet werden.
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In 3 ist
ein Batterieverbinder 300 mit einem mittleren Anschlussstück dargestellt.
Dieser sogenannte "Reihenverbinder" besteht aus (mindestens)
zwei Kabelabschnitten 10a, 10b, welche an ihren äußeren Enden
einerseits mit endständigen
Kontaktstücken 20 und
andererseits mit einem mittleren Kontaktstück 120 verbunden sind.
Das mittlere Kontaktstück 120 weist
eine Kontaktplatte 121 mit einem Durchgangsloch für eine Polschraube
auf sowie zwei Anschlussplatten 123a, 123b, die
im dargestellten Beispiel an gegenüberliegenden Enden der Kontaktplatte 121 ansetzen.
Alternativ könnten
jedoch auch mehr als zwei derartige Anschlussplatten vorgesehen
sein und/oder die Anschlussplatten unter verschiedenen Winkeln an
der Kontaktplatte 121 ansetzen. Die Kabelenden können jeweils
in bekannter Weise mit den Anschlussplatten 123a, 123b verbunden
werden (z. B. Schweißen,
Löten).
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Bei
den in den 2 und 3 dargestellten Batterieverbindern 200, 300 werden
die mehreren Kontaktstücke 20, 120 mit
den Kabeln 10, 10a, 10b vorzugsweise
gleichzeitig verbunden, z. B. verscheißt oder verlötet. So
kann beispielsweise eine Vorrichtung vorgesehen sein, in welcher
das linke und rechte Kontaktstück 20 gemäß 2 parallel
in zwei sich gegenüberstehenden
Stationen gelagert werden, und wobei das aufgelegte Kabel 10 gleichzeitig
mit den Kontaktstücken
verbunden wird. Die Befestigung der Kontaktstücke erfolgt auf diese Weise
vollkommen symmetrisch, d. h. gegenüber einer nacheinander erfolgenden
Befestigung der Kontaktstücke
entstehen keine Asymmetrien durch Vorerwärmung einer Seite.
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In 4 ist
in einem Längsschnitt
(links) und einem Querschnitt entlang der Linie A-A (rechts) durch
den Verbindungsbereich zwischen einem Bündel von Einzeldrähten 11 und
einem Anschlussstück 23 ein
bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer mechanisch und elektrisch
guten Verbindung dargestellt. Das metallische Anschlussstück 23 liegt
auf einem Träger 42 (Unterelektrode)
auf und wird von beiden Seiten durch Backen 41, 43 (Keramikschieber) eingespannt.
Die Backen 41, 43 schließen zwischen sich gleichzeitig
das Bündel
der Einzeldrähte 11 ein, wobei
dieses Bündel
von oben her durch eine Pressbacke 44 (Oberelektrode) zusammengedrückt wird. In
einer vom Widerstandsschweißen
bekannten Weise kann von der Pressbacke 44 zum Träger 42 ein elektrischer
Strom durch die Einzeldrähte 11 und
das Anschlussstück 23 geleitet
werden, welcher zu einer Erwärmung
führt.
Anders als beim Widerstandsschweißen soll diese Erwärmung jedoch
nicht so groß sein,
dass die Einzeldrähte 11 bzw.
das Anschlussstück 23 mehr
oder weniger komplett aufschmelzen. Vielmehr soll nur der Schmelzpunkt
eines Zusatzstoffes 50, z. B. einer Silberlegierung mit mindestens
40 Gew.-% Silber erreicht werden, so dass der Zusatzstoff 50 in
flüssiger
Form in die Hohlräume
zwischen den Einzeldrähten 11 eindringt.
Im dargestellten Beispiel befindet sich der Zusatzstoff als Band 50 zwischen
dem Anschlussstück 23 und dem
Bündel
der Einzeldrähte 11.
Ein Flussmittel wie beim Löten
wird dabei nicht angewendet. Durch die Erwärmung, den Druck und den Stromfluss
kann es zu einer Diffusion von Atomen in den Kontaktpunkten zwischen
den Einzeldrähten 11 kommen
("Diffusionsschweißen"). Es zeigt sich,
dass die erläutere
Verbindungstechnik, welche weder ein reines Schweißen noch
ein reines Löten
ist, zu äußerst guten
mechanischen und elektrischen Verbindungen führt.