DE102004063056A1

DE102004063056A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verbindung einer Anschlusshülse mit einem Kabel

Info

Publication number: DE102004063056A1
Application number: DE200410063056
Authority: DE
Inventors: Jens Trimborn; Werner Bendisch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbindung der Einzeldrähte (3) eines Kabelendes mit der Hülse (2) eines Kontaktelementes, insbesondere eines Kontaktstiftes oder einer Kontaktbuchse nach DIN 43589-1. Dabei wird das abisolierte Kabelende in die Hülse (2) eingesteckt, die Hülse wird durch eine Formelektrode (1) und eine Gegenelektrode (4) zusammengequetscht, und das Kabelende wird über Widerstandsverschweißung mit der Hülse (2) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines Kontaktelementes, das eine Anschlusshülse aufweist, mit einem Kabel, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Kontaktelement.
Kontaktelemente mit einer zylindrischen Anschlusshülse, an welcher ein elektrisches Kabel angebracht werden kann, werden typischerweise als Kontaktbuchsen oder Kontaktstifte für elektrische Steckvorrichtungen verwendet. Bei den Steckvorrichtungen kann es sich insbesondere um Ladestecker von Industriebatterien handeln, mit welchen sich die Normen DIN 43589-1, DIN EN 1175-1 und DIN 450-1 befassen. Beim Stand der Technik wird die Verbindung zwischen einer Anschlusshülse und einem Kabel typischerweise durch Crimpen hergestellt, bei welchem ein abisoliertes Kabelende in die Hülse gesteckt und die Hülse dann zusammengequetscht wird. Des Weiteren ist es bekannt, das Kabelende unter Verwendung eines Weichlotes in der Hülse anzulöten. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass der Verbindungsbereich von Kabel und Hülse oft einen verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand aufweist, welcher bei der Leitung von Strom zu Problemen führen kann (z. B. durch Erwärmung). Der erhöhte Widerstand hat unter anderem seine Ursache darin, dass die Kabelquerschnitte herstellungsbedingt zum Teil erheblich schwanken, so dass die maschinell hergestellten Verbindungen nicht immer gleiche bzw. optimale Qualität haben.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Erzeugung einer besseren Verbindung zwischen einem Kontaktelement mit Anschlusshülse und einem Kabel bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Kontaktelement mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Verbindung eines Kontaktelementes, das eine dem Anschluss eines Kabels dienende Anschlusshülse aufweist, mit einem elektrischen Kabel. Bei dem Kontaktelement kann es sich beispielsweise um einen Kontaktstift oder eine Kontaktbuchse nach DIN 43589-1 handeln, ohne dass die Erfindung jedoch hierauf beschränkt wäre. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Das Einführen eines Kabelendes in die Anschlusshülse, wobei das Kabelende in der Regel vollständig abisoliert ist. Typischerweise besteht das Kabel aus einer Vielzahl von Einzeldrähten, welche am Kabelende frei aus einem Kunststoff-Kabelmantel hervortreten.
b) Das Zusammenpressen und damit Verformen der Anschlusshülse in mindestens einem Verformungsbereich. Der Verformungsbereich kann sich insbesondere in Axialrichtung der Hülse oder quer hierzu erstrecken.
c) Das Anlegen einer Elektrode an die Anschlusshülse im Verformungsbereich und das Anlegen einer Gegenelektrode an die Anschlusshülse gegenüber der Elektrode.
d) Die Erwärmung des Kabelendes in der Anschlusshülse über einen von der Elektrode zur Gegenelektrode geleiteten elektrischen Strom. Die Erwärmung kann dabei insbesondere so hohe Temperaturen erreichen, dass es zu einem Aufschmelzen des Kabelendes kommt, so dass das Kabelende mit der Anschlusshülse über ein Widerstandsschweißen verbunden wird.

Indem die Elektrode im Verformungsbereich der zusammengepressten Anschlusshülse angesetzt wird, wird bei dem Verfahren gewährleistet, dass sich der elektrische Strom durch das Innere der Anschlusshülse von der Elektrode zur Gegenelektrode ausbreitet. Durch den Stromfluss wird somit Wärme im Kabelende, das sich im Inneren der Anschlusshülse befindet, erzeugt. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich auf diese Weise Verbindungen mit deutlich niedrigeren Übergangswiderständen als üblich erzielen lassen.
Das Zusammenpressen der Anschlusshülse und das Anlegen von Elektrode und Gegenelektrode können zwei verschiedene Verfahrensschritte mit verschiedenen Werkzeugen sein. Vorteilhafterweise handelt es sich hierbei jedoch um denselben Verfahrensschritt, bei dem zunächst die Anschlusshülse durch die Elektrode und die Gegenelektrode zusammengepresst wird und anschließend über die Elektroden Strom durch die Anschlusshülse geleitet wird.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die durch den Strom erfolgende Erwärmung des Kabelendes in der Anschlusshülse für ein Widerstandsverschweißen des Kabelendes mit der Anschlusshülse (sowie der Einzeldrähte des Kabelendes untereinander) eingesetzt werden.
Des Weiteren kann optional ein metallischer Zusatzstoff im Verbindungsbereich zugegeben werden, welcher durch die Erwärmung in Schritt d) schmilzt und daher in Hohlräume zwischen Kabelende und Anschlusshülse bzw. zwischen Einzeldrähten des Kabelendes eindringen kann. Vorzugsweise wird in diesem Falle mit einer so geringen Erwärmung gearbeitet, dass es nicht zu einem vollständigen Aufschmelzen des Kabelendes kommt. Ein lokales Aufschmelzen, insbesondere von Einzeldrähten an ihren Berührungspunkten, ist dagegen zulässig. 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. Des Weiteren sind als Hartlot gebräuchliche Zusatzstoffe einsetzbar, welche typischerweise einen geringen Phosphorgehalt aufweisen (ca. 3%). 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.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird während des Zusammenpressens der Anschlusshülse eine Breitenverformung der Anschlusshülse (d. h. eine Ausdehnung quer zur Druckrichtung) begrenzt bzw. ganz verhindert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Anschlusshülse mit dem daran angebrachten Kabel später noch in hierfür vorgesehene Bauteile wie beispielsweise das Gehäuse eines Steckers hineinpasst.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kontaktelement, insbesondere einen Kontaktstift oder eine Kontaktbuchse nach DIN 43589-1, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es in einem Verfahren der oben beschriebenen Art hergestellt wurde.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der oben erläuterten Art, welche die folgenden Komponenten enthält:

a) Eine Formelektrode und eine Gegenelektrode, welche so angeordnet sind, dass sie aufeinander zu bewegt werden können und dabei die Anschlusshülse eines Kontaktelementes zusammenpressen können.
b) Eine Stromquelle zur Erzeugung eines Stromflusses zwischen der Formelektrode und der Gegenelektrode.

Die Vorrichtung kann dadurch weitergebildet sein, dass sie Begrenzungsbacken aufweist, die eine Verbreiterung einer Anschlusshülse während ihres Zusammen pressens zwischen Formelektrode und Gegenelektrode verhindern. Die Begrenzungsbacken können dabei insbesondere beweglich sein, so dass sie während eines Pressvorgangs an die Anschlusshülse herangeführt werden können.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigt:
1 eine Aufsicht auf ein unverpresstes Kontaktelement mit in die Anschlusshülse eingestecktem Kabelende;
2 einen schematischen Querschnitt durch eine Anschlusshülse entlang der Linie II-II von 1 mit in die verpresste Anschlusshülse eingestecktem Kabelende während des Widerstandsschweißens.
1 zeigt als beispielhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung ein Kontaktelement 10 mit einem Stift 11 und einer endseitig daran ausgebildeten Anschlusshülse 2. Die Anschlusshülse 2 kann beispielsweise durch eine Sackbohrung in einem Metallstift realisiert sein. Sie dient dazu, die Einzeldrähte 3 des abisolierten Kabelendes eines Kabels 6 aufzunehmen und eine mechanisch feste und elektrisch gut leitfähige Verbindung zwischen diesen und dem Stift 11 herzustellen. In 1 ist dabei der erste Schritt eines bevorzugtes Verfahrens zur Herstellung einer solchen Verbindung dargestellt, bei dem das Kabelende lose in die Anschlusshülse 2 eingesteckt wird.
2 zeigt in einem Querschnitt durch die Anschlusshülse 2 entlang der Linie II-II von 1 den nächsten Schritt des Verfahrens. Dabei wird die anfänglich zylindrische Anschlusshülse 2, in die die Einzeldrähte 3 des Kabelendes eingesteckt sind, zwischen einer von oben herangeführten Formelektrode 1 und einer an der Unterseite befindlichen Gegenelektrode 4 zusammengequetscht. Die Formelektrode 1 und die Gegenelektrode 4 könnten auch andere Formen haben, um dementsprechend andere Verformungen der Anschlusshülse 2 zu erzeugen.
In 2 sind ferner zwei Begrenzungsbacken 5a, 5b zu erkennen, welche von beiden Seiten an die Hülse 2 herangeführt worden sind, um deren Verbreiterung beim Zusammenquetschen zu verhindern. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch die zusammengepresste Hülse später noch in für unverpresste Hülsen vorgesehene Formteile passt.
Nach dem Zusammenpressen der Hülse 2 wird ein Stromfluss zwischen der Formelektrode 1 und der Gegenelektrode 4 erzeugt, welcher im Wesentlichen durch das Innere der Hülse 2 (d. h. quer durch die Einzeldrähte 3) fließt, da es sich hierbei um den kürzesten Weg handelt. Würden die Elektroden auf die unverpresste zylindrische Hülse gesetzt, so würde der Strom im Wesentlichen über die Hülse selbst fließen und daher keine effektive Erwärmung des Inneren bewirken.
Durch den Stromfluss kann ein Widerstandsverschweißen der Einzeldrähte 3 untereinander sowie mit der Hülse 2 bewirkt werden.
Des Weiteren kann optional ein Zusatzstoff hinzugegeben werden, welcher durch den Stromfluss geschmolzen wird und alle Hohlräume füllt. In diesem Fall muss es nicht unbedingt zu einem Aufschmelzen der Einzeldrähte 3 kommen. Vielmehr muss nur der Schmelzpunkt des Zusatzstoffes, z. B. einer Silberlegierung mit mindestens 40 Gew.-% Silber, erreicht werden, so dass der Zusatzstoff in flüssiger Form in die Hohlräume zwischen den Einzeldrähten 3 eindringt. Ein Flussmittel wie beim (Weich-)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 3 kommen ("Diffusionsschweißen"). Es zeigt sich, dass diese Verbindungstechnik, welche weder ein reines Schweißen noch ein reines Löten ist, zu äußerst guten mechanischen und elektrischen Verbindungen führt.

Claims

Verfahren zur Verbindung eines Kontaktelementes (10), das eine Anschlusshülse (2) aufweist, mit einem Kabel (6), gekennzeichnet durch die Schritte a) Einführen des Kabelendes in die Anschlusshülse (2); b) Zusammenpressen der Anschlusshülse (2) in mindestens einem Verformungsbereich; c) Anlegen einer Elektrode (1) an die Anschlusshülse (2) im Verformungsbereich und einer Gegenelektrode (4) gegenüber der Elektrode (1); d) Erwärmung des Kabelendes in der Anschlusshülse (2) über einen von der Elektrode (1) zur Gegenelektrode (4) geleiteten Strom.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Zusammenpressen der Anschlusshülse (2) durch die Elektrode (1) und die Gegenelektrode (4).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es in Schritt d) zu einem Aufschmelzen des Kabelendes kommt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallischer Zusatzstoff hinzugefügt wird, welcher in Schritt d) schmilzt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitenverformung der Anschlusshülse (2) während des Zusammenpressens begrenzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsbereich sich in Axialrichtung der Anschlusshülse (2) oder quer hierzu erstreckt.
Kontaktelement, insbesondere Kontaktstift und/oder Kontaktbuchse nach DIN 43589-1, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurde.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend a) eine Formelektrode (1) und eine Gegenelektrode (4), welche aufeinander zu beweglich sind, so dass sie die Anschlusshülse (2) eines Kontaktelementes (10) zusammenpressen können; b) eine Stromquelle zur Erzeugung eines Stromflusses zwischen den Elektroden (1, 4).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie Begrenzungsbacken (5a, 5b) aufweist, die vorzugsweise beweglich sind und eine Verbreiterung einer Anschlusshülse (2) während eines Zusammenpressens verhindern.