DE102008025585A1 - Verfahren zur elektrischen Kontaktierung und eine nach einem solchen Verfahren hergestellte Kontaktfahne - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kontaktfahne (1) und ein Verfahren zu ihrer elektrischen Kontaktierung mit einem Draht (3). Hierzu ist die Kontaktfahne (1) mit einer schlitzförmigen Ausnehmung (2) ausgestattet, welche den Draht (3) einschließlich einer umhüllenden Isolierung (4) einschließt. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Kontaktfahne (1) mit einem Stromfluss beaufschlagt, der ausreicht, um die Isolierung (4) partiell aufzuschmelzen. Der Stromfluss erfolgt dabei ausschließlich durch die Kontaktfahne (1). Aufgrund der durch das Aufschmelzen entfernten Isolierung (4) des Drahtes (3) kommt es im zweiten Verfahrensschritt durch den Stromfluss zu einer Verschweißung mit der Folge der erwünschten elektrischen Kontaktierung. Die Elektroden (6) übertragen zugleich auch eine Andruckkraft (F), um so den Stromfluss ebenso wie den Wärmeübergang zu optimieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines eine Isolierung aufweisenden Drahtes, insbesondere Flachdrahtes, mit einer Kontaktfahne. Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach einem solchen Verfahren hergestellte, mit einem Flachdraht elektrisch verbundene Kontaktfahne, wie sie in der Praxis beispielsweise zum Anschluss elektrischer Bauteile erforderlich ist.
  • Die elektrische Kontaktierung durch eine Lötverbindung ist einerseits wegen ihrer relativ zuverlässigen hohen Haftfestigkeit üblich, jedoch andererseits nicht unproblematisch, da die Lötwärme den Isolierstoff zerstört. Weiterhin ist die Festigkeit des Lotes bei hohen Temperaturen verringert, was zu der Schwierigkeit führt, dass das Lot erweicht, wenn die Kontaktfahne im Bereich hoher Umgebungstemperaturen eingesetzt wird.
  • Das WIG-Schweißen führt nicht nur zu einer Zerstörung von Isoliereigenschaften zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten, sondern auch zu einer Verkohlung oder Karbonisation von Formmaterial bei einem Form-Kommutator, was eine Verschlechterung in der Zuverlässigkeit des Kommutators bewirkt.
  • Der elektrische Widerstand der thermischen Metallbindung ist zum Verbinden von dünnen Ankerspulen mit Kommutatorsegmenten geeignet. Dabei erfolgt die elektrische Kontaktierung mittels thermischer Metallbindung aufgrund der Wärme, die durch Leiten eines relativ großen Stromes für eine vorbestimmte Zeitdauer erzeugt wird.
  • Die DE 27 23 893 A1 bezieht sich bereits auf eine Vorrichtung zum Verbinden von Ankerspulen mit Kommutatorsegmenten, insbesondere zum Verbinden von Ankerspulen mit relativ großer Querschnittsfläche, wie beispielsweise von Ankerspulen eines Startermotors für eine Brennkraftmaschine, mit Kommutatorsegmenten. Um eine Schmelze und Deformation eines dicken Drahtes mit großer Querschnittsfläche von mehreren mm2 zu erzielen, wird ein relativ kleiner gepulster Strom an das Kommutatorsegment abgegeben, um die Ankerspule und das Kommutatorsegment schrittweise und ansteigend so zu erwärmen, dass eine thermische Metallbindung zwischen der Ankerspule und dem Kommutatorsegment schrittweise eintritt. Wenn die thermische Metallbindung ein vorbestimmtes Ausmaß erreicht, wird die Einspeisung des gepulsten Stromes unmittelbar unterbrochen, wodurch unerwünschte lokale Überhitzung im Kommutatorsegment vermieden wird. Gepulster Strom wird zum Kommutatorsegment über eine Hauptelektrode, die im Betrieb gegen den Ansatz über die Nut angepresst ist, und eine Hilfselektrode gespeist, die in Berührung mit dem Kommutatorsegment in einer vorbestimmten Stellung ist, sodass der Kommutator schrittweise erwärmt werden kann. Mit fortschreitender Erwärmung des Kommutatorsegments wird die Hauptelektrode zur Achse des Kommutators verschoben, um die Ankerspule mit dem Ansatz des Kommutatorsegments mit thermischer Metallbindung zu verbinden. Die Verschiebung der Hauptelektrode von ihrer Ausgangsstellung wird erfasst und die Einspeisung des gepulsten Stromes wird unterbrochen, wenn die Verschiebung einen vorbestimmten Wert erreicht.
  • Die in der Praxis eingesetzten Verfahren haben darüber hinaus den Nachteil, dass in einem ersten Schritt die Isolierung des Drahtes entfernt werden muss, um anschließend den blanken Draht mit der Kontaktfahne zu verbinden. Anschließend erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt die elektrische Kontaktierung mittels eines geeigneten Verfahrens.
  • Zur Vermeidung dieses Nachteils sind auch bereits Versuche unternommen worden, die Isolierung durch Laserenergie zu entfernen, wobei der Laser anschließend auch zum Löten eingesetzt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch kostenintensiv, unzuverlässig und führt zu erheblichen Emissionen. Zudem können nur im eingeschränkten Umfang Prozessdaten abgerufen werden, die Rückschlüsse auf die Qualität der Schweißung zulassen.
  • Die DE 33 07 773 A1 beschreibt ein Verfahren, um dünne Drähte an Kontaktfedern und Folien an Trägern anzuschweißen. Hierzu wird auf den Draht bzw. die Folie ein Plättchen aufgelegt und anschließend durch dieses Plättchen die Schweißung vorgenommen. Das Schweißen erfolgt mit einem in seiner Intensität und seinem zeitlichen Auftreten dosierten Laserstrahl.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kontaktierung des Drahtes wesentlich zu vereinfachen. Zugleich soll eine Verbesserung der Qualität der Kontaktierung sowie der Überprüfbarkeit der so geschaffenen elektrischen Verbindung erreicht werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine nach einem solchen Verfahren hergestellte, mit einem Flachdraht elektrisch verbundene Kontaktfahne zu schaffen.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen 2 bis 9 zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt der Draht mit seiner Isolierung in eine durch einen Randbereich der Kontaktfahne begrenzte Ausnehmung eingelegt und mittels Elektroden ein die Kontaktfahne erwärmender, gegenüber dem Draht elektrisch isolierter Stromfluss durch die Kontaktfahne erzeugt und dadurch die Isolierung im Bereich der Kontaktfahne aufgeschmolzen wird, und in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt ein Stromfluss zwischen der Kontaktfahne und dem Draht erzeugt wird, sodass die elektrische Kontaktierung insbesondere durch eine elektrische Widerstandsschweißverbindung zwischen dem Randbereich der Kontaktfahne und dem Draht erzeugt wird.
  • Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass der zunächst noch mit einer Isolierung ausgestattete Draht dann mit geringem Aufwand, insbesondere ohne eine vorhergehende Entfernung der Isolierung, mit der Kontaktfahne elektrisch leitend verbunden werden kann, wenn durch einen gezielt eingebrachten Stromfluss zunächst die Isolierung durch Aufschmelzen entfernt und anschließend durch einen weiteren Stromfluss eine Widerstandverschweißung zur elektrischen Kontaktierung erzeugt wird. Hierzu ist die Kontaktfahne mit einem Schlitz oder einer Kerbe ausgestattet, welche den mit der Isolierung umschlossenen Draht aufnimmt. In dem ersten Verfahrensschritt wird die Kontaktfahne mit einem Stromfluss beaufschlagt, wobei aufgrund der zunächst noch vorhandenen Isolierung des Drahtes der Stromfluss nicht durch die Kontaktfahne und den Draht, sondern ausschließlich durch die Kontaktfahne erfolgt. Hierdurch wird die Kontaktfahne in sehr kurzer Zeit auf eine zum Aufzuschmelzen der Isolierung ausreichende Temperatur gebracht. Die Isolierung wird dadurch im Bereich der Ausnehmung zumindest nahezu vollständig entfernt. Im zweiten Verfahrensschritt erfolgt ein erneuter hoher Stromfluss, diesmal durch die Kontaktfahne und den Draht, wobei es zu einer Verschweißung kommt, die somit zu der erwünschten elektrischen Kontaktierung führt.
  • Dabei erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn die jeweilige Stromstärke und/oder die Dauer des Stromflusses in dem zweiten Verfahrensschritt gegenüber dem ersten Verfahrensschritt abweichend eingestellt wird. Hierdurch wird die jeweils optimale Erwärmung sowohl hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs als auch der maximalen Temperatur mit geringem Aufwand mittels des steuerbaren bzw. regelbaren Stromflusses eingestellt. Dabei wird der Stromfluss im ersten Verfahrensschritt hinsichtlich der Schmelztemperatur der Isolierung und der Stromfluss im zweiten Verfahrensschritt hinsichtlich der Widerstandsschweißverbindung optimiert und insbesondere die jeweilige maximale Temperatur entsprechend eingestellt.
  • Der Übergang zwischen den beiden Verfahrenschritten kann sprunghaft oder kontinuierlich erfolgen. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn zwischen den Verfahrensschritten der Stromfluss kurzzeitig unterbrochen wird, sodass die zugeführte elektrische Energie optimal ist und die dadurch erreichte hohe Temperatur auch noch kurzzeitig nach der Unterbrechung des Stromflusses nutzbar ist. Die Dauer der Unterbrechung, die vorzugsweise kurz vor dem vollständigen Entfernen der Isolierung beginnt, beträgt dabei vorzugsweise weniger als 1 Sekunde.
  • Eine besonders effiziente Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass in dem ersten Verfahrensschritt der Draht frei von dem elektrischen Stromfluss ist, um so in dem ersten Verfahrensschritt die Stromzuführung allein zum Aufschmelzen der Isolierung zu nutzen und eine anderenfalls beginnende Verschweißung der bereits frei von Isoliermaterial gegen die Elektroden anliegenden Drahtbereiche zu vermeiden.
  • Eine andere, ebenfalls besonders sinnvoll Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn mittels der Elektroden zugleich eine Andruckkraft auf die Kontaktfahne übertragen wird. Hierdurch wird in dem ersten Verfahrensschritt der Wärmeübergang und in dem zweiten Verfahrensschritt der elektrische Stromfluss wesentlich verbessert, indem aufgrund der Andruckkraft eine flächige Anlage des Drahtes bzw. seiner Isolierung an die Elektroden sichergestellt wird. Die Elektroden können hierzu an Hebelarmen mittels eines Stellmittels beweglich angeordnet sein und ähnlich einer Schweißzange die Kontaktfahne zwischen sich einschließen.
  • Dabei ist es besonders hilfreich, wenn aufgrund der Erwärmung der Kontaktfahne zumindest in einem Verfahrensschritt eine die Ausnehmung reduzierende Verformung erzeugt wird, sodass nicht lediglich aufgrund einer mittels der Elektroden eingebrachten Verformungskraft, sondern aufgrund der Erwärmung eine plastische Verformung eintritt, welche die Ausnehmung verringert, sodass der Draht zwischen den Randbereichen der Ausnehmung kraftschlüssig eingeschlossen wird. Die plastische Verformung kann durch den Stromfluss, insbesondere also durch die Dauer der Erwärmung sowie die maximale Temperatur, bestimmt werden. Dabei kann die Verformung sowohl auf einen einzigen Verfahrensschritt beschränkt werden oder aber in beiden Verfahrensschritten erfolgen.
  • Im zweiten Verfahrensschritt erfolgt die elektrische Kontaktierung durch eine Erwärmung des Drahtes auf seine Schmelz-, Plastifizierungs- und/oder Erweichungstemperatur, sodass es zu einer Schweißverbindung durch Aufschmelzen des Drahtes in der Kontaktzone zu der Kontaktfahne kommt. Denkbar ist auch eine elektrische Kontaktierung entsprechend dem an sich bekannten Warmschmieden, wobei der Draht plastifiziert wird, sich durch dieses Erwärmen die Kristallitstruktur des Werkstoffs verändert und Materalbestandteile der Kontaktfahne sowie des Drahtes in das jeweils andere Element, insbesondere in die Korngrenzen, hinein diffundieren.
  • In besonders zweckmäßiger Weise werden zur Durchführung des Verfahrens wesentliche Parameter und/oder Messwerte, insbesondere der Schweißstrom und die Elektrodenposition erfasst, um so insbesondere eine mit reproduzierbarer Genauigkeit erzielbare Qualität sicherzustellen.
  • Der Draht weist dabei als einen wesentlichen Materialbestandteil Kupfer auf, wobei eine oberflächennahe Schicht des Drahtes, die eine Schichtstärke von wenigen μm aufweist, als einen wesentlichen Materialbestandteil Zinn enthält. Hierdurch kann das Verfahren ohne eine Zufuhr von Zusatzwerkstoffen durchgeführt werden.
  • Die zweitgenannte Aufgabe, eine nach einem solchen Verfahren hergestellte, mit einem Flachdraht elektrisch verbundene Kontaktfahne zu schaffen, wird durch eine Ausnehmung der Kontaktfahne für den Draht erreicht, sodass mittels der Elektroden ein Stromfluss zum Schmelzen der Isolierung und ein Stromfluss zur Widerstandsschweißverbindung zwischen der Kontaktfahne und dem Draht übertragbar ist.
  • Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Prinzipdarstellung eine mit einem Draht 3 elektrisch verbundene Kontaktfahne 1. Hierzu ist die Kontaktfahne 1 als eine Gabelfahne mit einer schlitzförmigen Ausnehmung 2 ausgestattet, welche den Draht 3 sowie die den Draht 3 umhüllende Isolierung 4 mit ihrem Randbereich 5 formschlüssig einschließt. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Kontaktfahne 1 mit einem Stromfluss beaufschlagt, der ausreicht, um die Isolierung 4 partiell aufzuschmelzen, wobei der Stromfluss kurz vor dem vollständigen Abschmelzen der Isolierung 4 und damit zeitlich vor der elektrischen Kontaktierung des Drahtes 3 mit der Kontaktfahne 1 unterbrochen wird. Der Stromfluss erfolgt somit in dem ersten Verfahrensschritt ausschließlich durch die Kontaktfahne 1. Im zweiten Verfahrensschritt, der nach einer kurzzeitigen Unterbrechung durchgeführt wird, erfolgt ein erneuter hoher Stromfluss. In diesem Zeitraum der Unterbrechung wird die Isolierung 4 vollständig aufgeschmolzen und dadurch die elektrisch leitfähige Verbindung zu der Kontaktfahne 1 hergestellt. Aufgrund der nunmehr fehlenden Isolierung 4 des Drahtes 3 gegenüber der Kontaktfahne 1 kommt es im zweiten Verfahrensschritt zu einer Verschweißung, die somit die erwünschte elektrische Kontaktierung erzeugt. Beim ersten Schweißimpuls im ersten Verfahrensschritt wird zugleich eine Verformung der Kontaktfahne 1 erzeugt, die einen Oberflächenkontakt und damit eine gute Temperaturübertragung auf den Draht 3 bewirkt. Beim zweiten Schweißimpuls in dem zweiten Verfahrensschritt findet eine weitere Verformung der Kontaktfahne 1 infolge der weiteren Erwärmung auf eine höhere Temperatur statt. Die jeweiligen unterschiedlichen Temperaturen werden durch das Einleiten von unterschiedlichen Strömen über zwei Elektroden 6 erzeugt, die zugleich auch eine Andruckkraft F auf die Kontaktfahne 1 übertragen, um so den Stromfluss ebenso wie den Wärmeübergang zu optimieren. Die Kontaktfahne 1 weist beiderseits der Ausnehmung 2 Einschnürungen 7 auf, die im Bereich eines Nutengrundes der Ausnehmung 2 den Querschnitt der Kontaktfahne 1 vermindern. Hierdurch wird der elektrische Widerstand der Kontaktfahne 1 erhöht und in Abhängigkeit der verbleibenden Querschnittsfläche einstellbar. Zugleich wird aber auch die Verformung der Kontaktfahne 1 begünstigt, indem insbesondere eine Rissbildung vermieden wird. Außerdem begünstig die Andruckkraft F die Verformung der Kontaktfahne 1 und die elektrische Verbindung, die auch analog zum Warmschmiedeprozess durch Diffundieren von Materialbestandteilen anstelle der Vereinigung von Schmelzeströmen erfolgen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 2723893 A1 [0005]
    • - DE 3307773 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines eine Isolierung aufweisenden Drahtes, insbesondere Flachdrahtes, mit einer Kontaktfahne, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt der Draht mit seiner Isolierung in eine durch einen Randbereich der Kontaktfahne begrenzte Ausnehmung eingelegt und mittels Elektroden ein die Kontaktfahne erwärmender, gegenüber dem Draht elektrisch isolierter Stromfluss durch die Kontaktfahne erzeugt und dadurch die Isolierung im Bereich der Kontaktfahne aufgeschmolzen wird, und in einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt ein Stromfluss zwischen der Kontaktfahne und dem Draht erzeugt wird, sodass die elektrische Kontaktierung insbesondere durch eine elektrische Widerstandsschweißverbindung zwischen dem Randbereich der Kontaktfahne und dem Draht erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stromstärke und/oder die Dauer des Stromflusses in dem zweiten Verfahrensschritt gegenüber dem ersten Verfahrensschritt abweichend eingestellt wird.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt der Stromfluss kurzzeitig unterbrochen wird.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Verfahrensschritt der Draht frei von dem elektrischen Stromfluss ist.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Elektroden zugleich eine Andruckkraft auf die Kontaktfahne übertragen wird.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Erwärmung der Kontaktfahne zumindest in einem Verfahrensschritt eine die Ausnehmung reduzierende Verformung erzeugt wird.
  7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der elektrischen Verbindung zwischen dem Draht und der Kontaktfahne auch eine kraftschlüssige Verbindung erzeugt wird.
  8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht im zweiten Verfahrensschritt auf seine Schmelz-, Plastifizierungs- und/oder Erweichungstemperatur gebracht wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens wesentliche Parameter und/oder Messwerte, insbesondere der Schweißstrom und die Elektrodenposition erfasst werden.
  10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ohne eine Zuführung von Zusatzwerkstoffen durchgeführt wird.
  11. Eine nach dem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellte, mit einem Flachdraht elektrisch verbundene Kontaktfahne, mit einer Ausnehmung der Kontaktfahne für den Draht, wobei eine elektrische Kontaktierung durch Aufschmelzen einer Isolierung des Drahtes und eine Widerstandsschweißverbindung hergestellt ist.
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