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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung eines isolierten Kabels, das aus Einzelleitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, mit einem metallischen Kontaktteil, bei dem die Einzelleiter eines abisolierten Endes des Kabels mittels Ultraschall verzinnt werden und eine elektrische Verbindung zu dem Kontaktteil hergestellt wird. Die Erfindung betrifft weiter eine elektrische Kontaktverbindung zwischen einem isolierten Kabel und einem metallischen Kontaktteil.
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Insbesondere im Automobilbereich werden erhebliche Anstrengungen zur Gewichtseinsparung unternommen. Ein Mittel hierzu ist die Verwendung von Aluminiumleitern anstelle der ansonsten üblicherweise vorgesehenen Kupferleiter. Soweit hier von Aluminiumleitern gesprochen wird, wird hierunter verstanden, dass die Leiter zumindest zu einem großen Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Aufgrund des deutlich geringeren spezifischen Gewichts von Aluminium lässt sich eine Gewichtseinsparung erzielen.
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Über das Kontaktteil wird üblicherweise der mit diesem Kontaktteil vorkonfektionierte Aluminiumleiter (Aluminiumkabel) an ein elektrisches Bauteil angeschlossen. Das Kontaktteil ist hierbei insbesondere als ein sog. Kabelschuh beispielsweise nach Art eines Schraubkontaktelements oder eines Steckkontaktelements oder eines sonstigen Kontaktelements für eine mechanisch reversibel lösbare Kontaktverbindung ausgebildet.
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Da Aluminium in Verbindung mit dem Luftsauerstoff eine Oxidschicht ausbildet, die den Aluminiumleiter überzieht und die eine nur geringe Leitfähigkeit aufweist, ist die Kontaktierung eines Aluminiumleiters problematisch. Für eine zuverlässige Kontaktverbindung mit einem möglichst geringen Kontaktwiderstand ist daher im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement die Ausbildung der Oxidschicht zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 2008 061 186 A1 ist eine elektrische Kontaktverbindung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktverbindung zwischen einem abisolierten Aluminiumleiter und einem daran angeschlossenen Kontaktelement bekannt, bei denen der Aluminiumleiter mit einem Adapterelement, insbesondere einer Kupferfolie, zunächst stoffschlüssig verbunden wird. Anschließend wird das Adapterelement mit dem Kontaktelement mechanisch, z. B. durch Crimpen, verbunden, so dass der Aluminiumleiter mittelbar über das Adapterelement mit dem Kontaktelement elektrisch kontaktiert wird. Durch die Verwendung des Adapterelements und dessen stoffschlüssiger Verbindung mit dem Aluminiumleiter ist eine sichere und dauerhaft zuverlässige elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Kontaktpartnern gegeben. Da als Adapterelement ein herkömmlicher Kupferleiter für die Ausbildung der Kontaktverbindung mit dem Kontaktelement verwendet wird, kann auf herkömmliche Kontaktelemente und Kabelschuhe sowie herkömmliche Befestigungsarten in diesen Kontaktelementen zurückgegriffen werden. Ein Nachteil der Vorgehensweise besteht jedoch darin, dass durch das Vorsehen des Adapterelements zusätzliche Verarbeitungsschritte notwendig sind. Die Herstellung der elektrischen Kontaktverbindung ist damit mit höheren Herstellungskosten verbunden.
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Aus der
DE 103 57 048 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement bekannt. Zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierung wird der Aluminiumleiter in ein im Kontaktelement aufgenommenes Schmelzbad eines Kontaktierungsmittels eingetaucht. Während oder im Anschluss an die Ausbildung der elektrischen Kontaktierung wird das Kontaktelement mechanisch umgeformt, so dass zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter im Kontaktelement geklemmt wird. Zumindest ein Teilbereich eines abisolierten Endes des Aluminiumleiters wird dabei vor der Ausbildung der elektrischen Kontaktierung verzinnt, wobei das Verzinnen des Teilstücks durch ein Ultraschallverzinnen in einem Zinnbad erfolgt. Durch die Einstrahlung von Ultraschall im Zinnbad entstehen kleine Hohlräume, sog. Kavitationen, die explosionsartig in sich zusammenfallen. Dabei entstehen erhebliche Druckkräfte, die zu einer Beschädigung und einem Abplatzen der Oxidschicht führen, so dass das reine Aluminium wiederum weitgehend vollflächig von Zinn benetzt wird. Durch die Notwendigkeit, gleichzeitig eine Umformung des Kontaktelements und eine Erwärmung des Kontaktierungsmittels durchführen zu müssen, werden komplexe Herstellungswerkzeuge benötigt. Auch hierdurch lässt sich die elektrische Kontaktverbindung nur mit hohen Gestehungskosten herstellen.
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Ein weiteres Verfahren und eine Verbindung zur Kontaktierung eines isolierten Kabels, das aus Einzelleitern aus Aluminium oder Aluminiumlegierung besteht, mit einer metallischen, verzinnten Kontaktklemme, sind aus der
DE 102 23 397 B4 bekannt. Bei diesen wird das Aluminiumkabel in der Weise kontaktiert, dass ein Ende des Kabels abisoliert wird und über dieses Ende eine metallische, vorzugsweise kupferne und zumindest an seiner Innenseite verzinnte Hülse geschoben wird. Mittels Ultraschall-Verzinnung wird die Hülse mit den Einzelleitern am Ende des Kabels dauerhaft metallisch verbunden. Schließlich wird eine Kontaktklemme aus Kupfer, die vorzugsweise ebenfalls verzinnt ist, über das verzinnte Ende des Kabels geschoben und mit dem Kabel verpresst. Auch bei diesem Verfahren wird somit ein Adapterelement verwendet, um das aus Einzelleitern bestehende Aluminiumkabel mit dem Kontaktelement zu verbinden. Durch das zusätzliche Adapterelement sind aufwändige Verfahrensschritte notwendig, welche die Herstellung der elektrischen Kontaktierung verteuern.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kontaktierung eines isolierten Kabels und eine elektrische Kontaktierung anzugeben, welche eine sichere sowie langzeitbeständige Kontaktierung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement bei gleichzeitig verringerten Herstellungskosten ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine elektrische Kontaktierung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Kontaktierung eines isolierten Kabels, das aus Einzelleitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, mit einem metallischen Kontaktteil, bei dem die Einzelleiter eines abisolierten Endes des Kabels mittels Ultraschall verzinnt werden und eine elektrische Verbindung zu dem Kontaktteil hergestellt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das abisolierte Ende mit den verzinkten Einzelleitern auf eine ebene Anschlussfläche des Kontaktteils aufgelegt und unter Wärmezufuhr mechanisch an die ebene Anschlussfläche gepresst wird, wobei durch die Wärmezufuhr das Zinn aufgeschmolzen und eine Lötverbindung der durch den Druck kompaktierten Einzelleiter mit dem Kontaktteil hergestellt wird.
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Die Ultraschall-Vorverzinnung der Einzelleiter des abisolierten Endes des Aluminiumkabels sorgt einerseits dafür, dass eine an den Aluminium-Einzelleitern vorhandene Oxidschicht abplatzt, so dass das reine Aluminium weitgehend vollflächig vom Zinn benetzt wird. Durch das erneute Aufschmelzen und gleichzeitige Verpressen der Einzelleiter an der ebenen Anschlussfläche kann ohne weitere Adapterelemente eine Lötverbindung zu dem Kontaktteil hergestellt werden. Insbesondere ist es möglich, dass die verzinnten Einzelleiter unmittelbar auf die ebene Anschlussfläche aufgelegt werden. Das Kontaktteil selbst braucht dabei nach der Herstellung der Lötverbindung nicht weiter umgeformt werden. Dies bedeutet, die Einzelleiter werden ohne Zwischenschaltung eines Adapterelements, wie z. B. einer Hülse oder dergleichen, direkt auf die ebene Anschlussfläche des Kontaktelements aufgelegt und mit dieser verlötet. Dadurch lässt sich eine erfindungsgemäße Kontaktverbindung mit geringen Kosten bei einer geringen Anzahl an Fertigungsschritten herstellen.
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Durch die Druckbeaufschlagung der Einzelleiter während der Wärmezufuhr werden die Einzelleiter räumlich kompaktiert. Die Kompaktierung sorgt dafür, dass im Bereich der Lotstelle eine spätere Oxidation der aus Aluminium bestehenden Einzelleiter wirksam verhindert werden kann. Die Kompaktierung erfolgt mechanisch durch eine Verpressung bei gleichzeitiger Wärmezufuhr, um das zwischen den Einzelleitern vorhandene Zinn aufzuschmelzen und verdrängen zu können, während die Abstände zwischen den Einzelleitern verringert werden. Das verdrängte und aufgeschmolzene Zinn ist gleichzeitig das Lot zur Herstellung der Lotverbindung zu der Anschlussfläche des Kontaktteils. Aus der Kompaktierung resultiert eine Fehlstellenverminderung, so dass eine Oxidation mit Litzenpaket verhindert werden kann. Dies ist insbesondere beim Einsatz der Kabel in salzhaltigen Umgebunden, wie beispielsweise in Meeresnähe, von Bedeutung.
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Nicht nur aus Gründen der Lötbarkeit, sondern auch aufgrund seiner federnden Eigenschaften und damit der Herstellung der weiteren elektrischen Verbindung mit einem korrespondierenden Kontaktelement ist es zweckmäßig, wenn das Kontaktteil aus einer Kupfer-Legierung gebildet ist. Als besonders zweckmäßig hat sich eine Kupfer-Nickel-Silizium (CuNiSi)-Legierung herausgestellt, da diese eine einfache Herstellung des Kontaktteils, beispielsweise über einen Stanz-Biege-Prozess erlaubt.
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Zur Herstellung der Lotverbindung zwischen den Aluminium-Einzelleitern und der Anschlussfläche des Kontaktteils ist es prinzipiell nicht notwendig, dass ein zusätzliches Lot auf die Anschlussfläche des Kontaktteils aufgebracht wird. Wenn durch die Vorverzinnung jedoch zu wenig Zinn im Bereich der abisolierten Einzelleiter aufgebracht würde, kann ein zusätzliches Lot vorgesehen sein. Insbesondere besteht dieses zusätzliche Lot aus Zinn oder einer Zinn-Legierung.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn während der Durchführung des Lötvorganges an der Stirnseite der Einzelleiter ein erstes Abdichtelement, insbesondere ein Niederhalter, angeordnet wird, das während der Wärmezufuhr, d. h. dem Lötvorgang, die Verschmutzung einer Kontaktfläche des Kontaktteils mit dem aufgeschmolzenen Zinn verhindert. Durch eventuell in den Bereich der Kontaktfläche gelangendes Zinn könnte die weitere, an der Kontaktfläche hergestellte Verbindung nachteilig beeinträchtigt werden. Bei der Verbindung der Kontaktfläche des Kontaktteils mit einem anderen Kontaktpartner kann es sich um eine Schraub- oder auch um eine Steckverbindung handeln. Prinzipiell sind auch andere Verbindungsarten möglich.
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Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass während der Durchführung des Lötvorganges an den gegenüberliegenden Längsseiten der Einzelleiter zweite Abdichtelemente angeordnet werden, die während der parallelen Wärmezufuhr und Druckbeaufschlagung der Einzelleiter eine definierte Gestalt der kompaktierten und mit dem Kontaktteil verlöteten Einzelleiter während und nach dem Lötvorgang sicherstellen. Die definierte Formgebung der Einzelleiter (welche in ihrer Gesamtheit auch als Litzenpaket bezeichnet werden) ermöglicht vorteilhafterweise die Vermeidung von Fehlstellen. Somit kann auf wirksame Weise elektrolytische Korrosion verhindert werden.
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Vorzugsweise erfolgen die Druckbeaufschlagung der Einzelleiter und die Wärmezufuhr durch ein gemeinsames Bauteil, insbesondere eine Elektrode. Ebenso können Wärmebeaufschlagung und Druckbeaufschlagung durch unterschiedliche Bauteile erfolgen. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Wärme induktiv zugeführt wird.
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Die Erfindung schafft weiter eine elektrische Kontaktverbindung zwischen einem isolierten Kabel, das aus Einzelleitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, mit einem metallischen Kontaktteil, bei dem die Einzelleiter eines abisolierten Endes des Kabels mittels Ultraschall verzinnt sind und eine elektrische Verbindung zu dem Kontaktteil hergestellt ist. Erfindungsgemäß ist das abisolierte Ende mit den verzinnten und durch eine Druckbeaufschlagung kompaktierten Einzelleitern, insbesondere unmittelbar, auf eine ebene Anschlussfläche des Kontaktteils aufgelötet.
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Zweckmäßigerweise weist das Paket aus Einzelleitern des Kabels in einem Querschnitt zur Längsrichtung eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Kontaktverbindung, und
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2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße elektrische Kontaktverbindung gemäß 1.
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1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein isoliertes Kabel 10, das aus Einzelleitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. An einem Ende 11 ist das Kabel 10 abisoliert, so dass die Einzelleiter 12 erkennbar sind. Bevor die Einzelleiter 12 mit einer ebenen Anschlussfläche 21 eines Kontaktteils 20 verlötet werden, werden die Einzelleiter 12 in zumindest einem Teil des abisolierten Endes 11 des Kabels 10 mittels Ultraschall verzinnt.
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Die Ultraschall-Verzinnung der einzelnen Einzelleiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wird in einem flüssigen Zinnbad durchgeführt. Dabei wird das zu verzinnende Ende des Kabels 10 stirnseitig frontal gegenüber einer Ultraschall erzeugenden Sonotrode positioniert. Durch den erzeugten Schalldruck wird die Flüssigkeit des Zinnbades auf die Stirnseite des Kabels zu beschleunigt, und bewirkt, dass die Aluminiumoxid-Schicht aufgebrochen wird. Dies geschieht sowohl stirnseitig als auch im inneren Bereich des Kabels 10 zwischen den Einzelleitern 12. An den Stellen, wo die Oxidschicht aufgerissen wurde, lagert sich an freiliegendem, „reinem” Aluminium Material des Zinnbades an und baut so leitende Zinnverbindungen zwischen den Einzelleitern auf. Die auf diese Weise aufgebauten leitenden Zinnverbindungen werden durch eine mögliche Oxidation des Aluminiums der Einzelleiter nicht mehr beeinträchtigt.
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Die Ultraschall-Verzinnung bewirkt, dass sich stirnseitig am Ende des Kabels eine dauerhafte Zinnverbindung bildet, welche die Einzelleiter 12 untereinander leitend verbindet. Eine solche elektrisch leitende Zinnverbindung kann sich auch teilweise in die Tiefe des abisolierten Endes des Kabels erstrecken und dort die Einzelleiter miteinander verbinden.
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Das so vorbereitete Kabel wird mit seinem abisolierten Ende 11 mit den verzinnten Einzelleitern 12 auf die ebene Anschlussfläche 21 des Kontaktteils 20 aufgelegt. Mittels einer Elektrode 40 werden unter gleichzeitiger Wärmezufuhr die verzinnten Einzelleiter mechanisch an die ebene Anschlussfläche gepresst. Dadurch wird durch die Wärmezufuhr das Zinn aufgeschmolzen und eine Lötverbindung der durch den Druck kompaktierten Einzelleiter mit dem Kontaktteil hergestellt.
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Der Wärmeeintrag zum Aufschmelzen des Zinns der vorverzinnten Einzelleiter kann über die Elektrode 40 erfolgen, welche dann gleichzeitig den mechanischen Druck und die Wärme bereitstellt. Beispielsweise kann die Erwärmung auf induktive Weise geschehen, indem eine Werkzeugaufnahme 30, in der das Kontaktteil 20 in einer Ausnehmung 31 während des Lötvorganges eingelegt ist, ebenfalls als Elektrode ausgebildet ist. Durch den zwischen den Elektroden 30, 40 durch das Kontaktteil und die Einzelleiter 12 hindurchfliesenden Strom erfolgt eine schnelle Erwärmung, welche dann zum Aufschmelzen des Zinns führt. Alternativ könnte die Wärme auch auf andere Weise erzeugt sein.
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Die während des Verbindungsvorganges eingebrachte Wärme muss mindestens die Aufschmelztemperatur des Lots, d. h. des Zinns, der Vorverzinnung erreichen. Im Gegensatz zu einem Schweißvorgang ist es dabei jedoch nicht notwendig, dass das Material der Einzelleiter sowie das Material des Kontaktteils 20 sich verflüssigt.
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Durch die Kompression wird eine vollflächige Verbindungsstelle zwischen den Einzelleitern und der ebenen Anschlussfläche 21 des Kontaktteils erzeugt, welche keine Fehlstellen für korrosive Effekte zeigt.
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Sollte für die Herstellung der Lotverbindung das durch die Ultraschall-Vorverzinnung aufgebrachte Zinn im Bereich der abisolierten Einzelleiter nicht ausreichen, so kann vorgesehen sein, ein zusätzliches Lot auf der ebenen Anschlussfläche 21 des Kontaktteils 20 vorzusehen. Vorzugsweise wird entweder Zinn oder ein dem Kontaktteil entsprechendes Material, wie z. B. die genannte CuNiSi-Legierung, verwendet.
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Um zu verhindern, dass durch das Aufschmelzen des Zinns, und des optionalen zusätzlichen Lots, eine Kontaktfläche 22 des Kontaktteils 20 kontaminiert wird, wird zumindest an der Stirnseite 13 der Einzelleiter 12 ein erstes Abdichtelement 32, beispielsweise ein Niederhalter, angeordnet. Durch dessen Gestalt ist sichergestellt, dass keine Zinnspritzer sich auf der Kontaktfläche 22 ablegen können. Das Abdichtelement 32 drückt hierbei die Anschlussfläche 21 auf die Elektrode 30, wobei dieses unmittelbar zum Schutz der beispielhaften dickeren Kontaktfläche 22 grenzt.
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Wie aus der Draufsicht der 2 am Besten hervorgeht, werden vorzugsweise weitere Abdichtelemente 33, 34 an den gegenüberliegenden Längsseiten der Einzelleiter angeordnet. Während der gleichzeitigen Wärmezufuhr und Druckbeaufschlagung der Einzelleiter stellen diese eine definierte Gestalt der kompaktierten und mit dem Kontaktteil 20 kontaktierten Einzelleiter während und nach dem Lötvorgang sicher. Der Niederhalter 32 sowie die zwei Abdichtelemente 33, 34 werden nach Beendigung des Lötvorganges entfernt, wodurch das aus der Anzahl an Einzelleitern 12 gebildete Litzenpaket eine in etwa rechteckige Querschnittsgestalt in einem Schnitt quer zur Längsrichtung aufweist. Durch das Kompaktieren wird der Abstand zwischen den Einzelleitern 12 im Kontaktbereich der Elektrode 40 verringert. Gleichzeitig bleiben die Zwischenräume zumindest abschnittsweise mit Zinn gefüllt, so dass eine gute elektrische Anbindung der Aluminium-Leiter und ein guter Schutz vor elektrolytischer Korrosion gegeben ist.
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Die Ausgestaltung der Kontaktfläche 22 des Kontaktteils 20 hängt von der später erwünschten Verbindungstechnik ab. Beispielsweise kann die Kontaktfläche 22 mit einer Ausnehmung versehen sein, um eine Schraubverbindung mit einem korrespondierenden Kontaktpartner zu erlauben. Ebenso kann die Kontaktfläche vollflächig ausgebildet sein, so dass diese mit einem korrespondierenden Element gesteckt werden kann. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte, unterschiedliche Dicke von Kontaktfläche 22 und ebener Anschlussfläche 21 ist daher rein willkürlich gewählt.
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Um je nach verwendeter Verbindungstechnologie eine ausreichende Federeigenschaft des Kontaktteils zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Kontaktteil aus einer Kupfer-Legierung, insbesondere Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung, gebildet ist. Die Verwendung des Materials weist den Vorteil einer einfachen Verarbeitbarkeit auf. Insbesondere kann das Kontaktteil auf einfache Weise durch einen Stanz-/Biege-Prozess gefertigt werden.
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Die erfindungsgemäße elektrische Kontaktverbindung weist eine definierte Formgebung der zu einem Litzenpaket miteinander verbundenen Einzelleiter auf, wodurch Fehlstellen vermieden werden können, an welche eine elektrolytische Korrosion erfolgen könnte. Durch die Formgebung des Niederhalters sowie der an den gegenüberliegenden Längsseiten angeordneten Abdichtelemente wird eine Abdichtung der Kontaktfläche 22 gegen Kontamination des aufgeschmolzenen Zinns erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kabel
- 11
- abisoliertes Ende des Kabels 10
- 12
- Einzellleiter
- 13
- Stirnseite der Einzelleiter
- 20
- Kontaktteil
- 21
- ebene Anschlussfläche
- 22
- Kontaktfläche
- 30
- Werkzeugaufnahme, z. B. Elektrode
- 31
- Ausnehmung
- 32
- erstes, stirnseitiges Abdichtelement
- 33
- zweites, seitliches Abdichtelement
- 34
- zweites, seitliches Abdichtelement
- 40
- Elektrode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061186 A1 [0005]
- DE 10357048 A1 [0006]
- DE 10223397 B4 [0007]
