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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.
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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.
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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.
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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.
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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 mm
2 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2723893
A1 [0005]
- - DE 3307773 A1 [0008]