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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Leitern, wobei die Leiter mittels einer einen Verdichtungsraum aufweisenden Schweißeinrichtung zur Bildung eines Knotens miteinander verschweißt werden.
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Zur Herstellung einer Verbindung zweier oder mehrerer Leiter miteinander ist es bekannt, diese miteinander zu verschweißen. Bekannte Schweißverfahren sind zum einen das Ultraschallschweißen, wobei eine Sonotrode Schallschwingungen erzeugt, die auf das im Verdichtungsraum der Ultraschallschweißeinrichtung befindliche Kabelbündel einwirken, wobei der Verdichterraum über wenigstens einen als Gegenstück dienenden Amboss begrenzt respektive geschlossen ist. Ein anderes bekanntes Schweißverfahren ist das Widerstandsschweißen, wo die Verschweißung über einen über die Verschweißstelle geführten elektrischen Stroms erwirkt wird, wobei es zu einem Aufschmelzen der Schweißpartner kommt. Schließlich ist als Schweißmöglichkeit auch das Druck- oder Pressschweißen zu nennen.
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Ein Beispiel, das jedoch keinesfalls beschränkend ist, ist die Herstellung von Kabelbäumen von Fahrzeugbordnetzen. Hierbei ist es erforderlich, mehrere Leiter miteinander zu verbinden, wobei eine solche Verbindungsstelle üblicherweise „Knoten“ genannt wird. Bei einem solchen Knoten kann es sich um einen Durchgangs- oder einen Endknoten handeln. Zumeist kommt in diesem Bereich das Ultraschallschweißen zum Einsatz.
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Um das Verfahren - sei es zur Herstellung des Kabelbaums, sei es zu Herstellung anderer Leiterbündel - prozesssicher durchführen zu können, sind pro Verschweißung, häufig auch „Splice“ genannt, nur eine begrenzte Anzahl von Leitern miteinander zulässigerweise verbindbar. Auch dürfen nur bestimmte Verhältnisse von Leiterquerschnitten miteinander verbunden werden, das heißt, dass es zwar grundsätzlich möglich ist, unterschiedlich dicke, also verschiedene Querschnitte aufweisende Leiter miteinander zu verbinden, jedoch müssen der minimale und der maximale Leiterquerschnitt in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Dies liegt in der Arbeitsweise bekannter Ultraschallschweißanlagen begründet. Vor dem eigentlichen Schweißvorgang werden alle zwischen Elektrode und Amboss gelegten Leiter mit einem definierten Pressdruck in den Verdichtungsraum gepresst, wobei die Schweißanlage aus der Stellung der einzelnen Elektrodenschieber den zusammengepressten Gesamtleiterquerschnitt ermittelt. Dieser Ist-Wert wird nun mit einem vorbekannten, dieser Schweißstelle zugeordneten Soll-Querschnittswert verglichen. Weicht der Istwert um ein definiertes Maß vom Sollwert ab, so erfolgt kein Splice, falls nicht wird geschweißt. Hierbei wird eine gewisse Durchmessertoleranz der Einzelleiter berücksichtigt, da der Leiterquerschnitt nie über die ganze Länge absolut konstant ist. Die Toleranz beträgt ca. 7% des Gesamtleiterquerschnitts. Ist nun aber der Querschnitt eines einzuspleißenden Leiters derart klein, dass er sich im Toleranzbereich bewegt, besteht das Problem, dass die Schweißanlage das Fehlen eines solchen Leiters, der beispielsweise beim Einlegen herausgerutscht ist, wie auch ein zuviel eingelegter Leiter nicht erkannt wird. Erfolgt in einem solchen Fall der Splice, ist der gesamte Kabelbaum nicht verwendbar und muss nachbearbeitet werden. Da - nicht zuletzt aus Materialeinsparungsgründen - zunehmend immer dünnere Leiter eingesetzt werden, sinkt folglich der Spielraum, immer dünnere Leiter mit dickeren Leitern zu verbinden. Im Bereich der Fahrzeugbordnetze werden in Zukunft 0,13 mm2-Leitungen verwendet. Dies führt zwangsläufig zu einem deutlichen Anstieg der vorzunehmenden Schweißverbindungen respektive der im Fahrzeug verbauten Schweißverbindungen, was zu Mehrkosten und zu einem zusätzlichen Platzbedarf führt. Denn trotz Verringerung des Leiterquerschnitts, was beispielsweise für eine Signalübertragung ausreichend ist, sind immer noch hinreichend viele querschnittlich deutlich dickere Leiter zu verbauen, die beispielsweise Strom tragend sind, gleichwohl jedoch verschweißt werden müssen.
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Aus
DE 197 49 682 A1 ist ein Prüfverfahren zum störungsfreien Prüfen eines Schweißverbinders, der aus mehreren durch Ultraschallschweißen zu einem Bündel miteinander verbundenen Litzen elektrischer Leitungen besteht, bekannt. Diese Prüfvorrichtung kann Teil eines Ultraschallschweißgeräts sein.
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In
DE 33 38 757 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen nicht lösbarer elektrischer Verbindungen von Drähten und/oder Litzen untereinander sowie von Drähten und/oder Litzen mit Anschlusselementen oder dergleichen durch Ultraschallverschweißung bekannt, wobei zusätzliche Ultraschallverbinder zur Aufnahme der isolierten, abisolierten oder mit metallischen Oberflächen versehenen Enden der Drähte und/oder der Litzen und ggf. der Anschlusselemente verwendet werden.
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DE 31 51 151 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Verbinden zweier elektrischer Leiter vorzugsweise in Form von Litzen. Die Vorrichtung umfasst eine Schall- bzw. Ultraschallschwingungen erzeugende Sonotrode sowie zumindest eine als Amboss dienende Gegenelektrode. Die Sonotrode weist an der Umfangsfläche zumindest eine an die zu verbindenden Leiter angepasste Ausnehmung auf, die von einer Sonotrodenrandfläche ausgeht, entlang der eine einen der Ausnehmung angepassten Vorsprung aufweisende Fläche des Ambosses verschiebbar ist. Vorgesehen ist eine Vielzahl derartiger Ausnehmungen, die mit entsprechenden Vorsprüngen in Wechselwirkung treten, um Verdichtungsräume unterschiedlicher Abmessungen für Leiter unterschiedlicher Stärke zur Verfügung zu stellen, sodass ein paralleles Verschweißen mehrerer verschiedener Litzen mit einem Werkzeug möglich ist.
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In
DE 10 2005 048 368 B3 ist schließlich ein Verfahren zum Herstellen von zumindest einer Schweißverbindung zwischen zumindest einem ersten elektrischen Leiter und zumindest einem zweiten elektrischen Leiter bekannt, wobei die Leiter in einen von relativ zueinander verstellbaren Begrenzungselementen umgebenden Verdichtungsraum eingebracht und in diesem durch Ultraschallschweißen verschweißt werden. Damit im gewünschten Umfang ein erster Leiter mit zweiten Leitern verbunden werden kann, wobei der Gesamtquerschnitt der mit dem ersten elektrischen Leiter zu verbindenden zweiten elektrischen Leitern ggf. größer sein soll als der üblicherweise mit der zum Einsatz gelangenden Ultraschallschweißvorrichtung verschweißbare Querschnitt, wird der erste Leiter in dem Verdichtungsraum nacheinander mit zwei oder mehreren zweiten Leitern verschweißt.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das trotz zunehmend geringer werdendem Leiterquerschnitt die Verbindung derart dünner Leiter mit dickeren Leitern ermöglicht.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem ersten Schritt mehrere Leiter zu einem ersten Knoten verschweißt werden, wonach dieser Knoten oder die einzelnen in diesem Knoten gebündelten Leiter benachbart zum Knoten in einem zweiten Schritt mit einem oder mehreren weiteren Leitern zur Bildung eines zweiten Knotens verschweißt wird, wobei der Leiterquerschnitt der den ersten Knoten bildenden Leiter kleiner als der Leiterquerschnitt des oder der weiteren Leiter ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist folglich ein zweistufiges Verfahren umfassend zwei separate Schweißschritte. In einem ersten Schritt werden mehrere querschnittlich kleine Leiter, die allesamt den gleichen Leiterquerschnitt oder auch unterschiedlichen Leiterquerschnitt besitzen können, zu einem ersten Knoten verschweißt. Es wird folglich ein erster Splice gebildet, umfassend zwei oder mehr Leiter geringen Leiterquerschnitts. Sodann wird in einem zweiten Schweißvorgang dieser Knoten, der querschnittlich gesehen natürlich deutlich dicker ist als die einzelnen Leiterquerschnitte der ihn bildenden Leiter, mit wenigstens einem weiteren Leiter verschweißt, wobei dieser Leiter einen größeren Querschnitt besitzt als die den ersten Knoten bildenden Leiter. Alternativ können auch die im ersten Knoten bereits gebündelten, also nach Prüfung durch die Schweißanlage korrekt verschweißten einzelnen Leiter benachbart zum Knoten mit dem weiteren Leiter verschweißt werden. In jedem der beiden Alternativfälle ist auf jeden Fall sichergestellt, dass alle an dieser Stelle vorgegebener Maßen miteinander zu verbindenden Leiter auch tatsächlich miteinander verschweißt werden. Denn durch das zweitstufige Schweißen wird im ersten Schweißgang sichergestellt, dass alle Leiter erfasst sind, da keiner der Leiter im „Toleranzfenster“ liegt und bei der Prüfung gegebenenfalls nicht als fehlend erkannt wird. Denn die Querschnitte der einzelnen hierbei verschweißten Leiter sind hierbei so bemessen, dass sie dicker sind als der Toleranzquerschnitt. D.h., dass die zu bündelnden dünnen Leiter hierbei auch tatsächlich alle gebündelt werden. Für den zweiten Schweißvorgang besteht damit Sicherheit, dass kein dünner Leiter fehlt oder zuviel ist, so dass dann entweder der erste Knoten selbst oder die über ihn gebündelten einzelnen Leiter mit wenigstens einem weiteren, deutlich dickeren Leiter verschweißt werden können. D.h., dass im ersten Knoten dünne Leiter gebündelt werden, wobei der Gesamtquerschnitt des Leiterbündels aber so zu wählen ist, dass der dünnste Leiter dicker als der die Erfassbarkeit begrenzende Toleranzquerschnitt ist. Im zweiten Schweißschritt erfolgt dann die Verbindung mit den weiteren an dieser Stelle anzubindenden Leitern.
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In einem Anwendungsbeispiel werden exemplarisch in einem ersten Schritt z. B. die 0,13 mm2-Leitungen, zwei oder mehr an der Zahl, zu einem ersten Knoten zusammengeschweißt. Werden beispielsweise fünf solcher 0,13 mm2-Leitungen zu dem Knoten verschweißt, so ergibt sich ein Knotenquerschnitt von ca. 5 × 0,13 mm2 = 0,65 mm2. Dieser 0,65 mm2-Knoten kann oder seine einzelnen Leiter können nun z.B. mit einem weiteren Leiter von maximal 2,5 mm2 verschweißt werden. Es ergibt sich also die Möglichkeit, einen deutlich größeren Querschnittsbereich von Leitungen miteinander zu verschweißen, wenn erfindungsgemäß ein 2-stufiges Schweißverfahren unter Bildung eines ersten Schweißknotens, der sodann mit dem oder den weiteren Leitungen verschweißt wird, durchgeführt wird. Hieraus folgt, dass es also möglich ist, beispielsweise die sehr dünnen 0,13 mm2-Leiter im Bereich eines Kabelbaums eines Fahrzeugbordnetzes zu verwenden, ohne dass die Anzahl der Schweißknoten und der benötigte Baurahmen hierdurch geändert wird.
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Wie bereits beschrieben, ist es denkbar, den ersten Knoten oder die in ihm gebündelten einzelnen Leiter mit nur einem weiteren Leiter zur Bildung des zweiten Knotens zu verschweißen, gleichermaßen können aber selbstverständlich auch mehrere weitere Leiter mit dem ersten Knoten oder seinen einzelnen Leitern verschweißt werden.
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Den ersten Knoten selbst können Leiter gleichen Querschnitts bilden, das heißt, dass der erste Knoten beispielsweise ausschließlich durch 0,13 mm2-Leiter gebildet wird. Denkbar wäre es aber auch, den ersten Knoten beispielsweise durch einen oder mehrere 0,13 mm2-Leiter sowie durch einen oder mehrere der bis dato üblichen 0,35 mm2-Leiter zu bilden. Der Gesamtquerschnitt des Knotens ergibt sich rein rechnerisch aus der Summe der Einzelleiterquerschnitte. D.h., dass im ersten Knoten entweder untereinander gleiche Leiter oder verschieden starke Leiter gebündelt werden, wobei der Gesamtquerschnitt des Leiterbündels aber so zu wählen ist, dass der dünnste Leiter dicker als der die Erfassbarkeit begrenzende Toleranzquerschnitt ist. Im zweiten Schritt erfolgt dann die Verbindung mit den weiteren an dieser Stelle anzubindenden Leitern.
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Als Schweißvorrichtung wird bevorzugt eine Ultraschallschweißvorrichtung verwendet, umfassend die bereits beschriebene Sonotrode sowie den Amboss. Das Ultraschallschweißverfahren ist eine gängige und zu sehr guten Schweißergebnissen führende Methode. Alternativ ist auch das bereits beschriebene Widerstands- oder Pressschweißen mit Elektrode und Gegenelektrode denkbar.
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Erfindungsgemäß kann ein Kabelbaum eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Kabelbaum eines Fahrzeugbordnetzes, nach dem Verfahren der beschriebenen Art bereitgestellt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsvariante, und
- 2 eine Prinzipdarstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsvariante.
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1 zeigt als Prinzipdarstellung den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. Gezeigt ist exemplarisch eine Schweißvorrichtung 1, hier beispielsweise in Form einer Ultraschallschweißvorrichtung umfassend eine Sonotrode 2 sowie eine Gegenelektrode 3. In die Schweißvorrichtung eingelegt sind im gezeigten Ausführungsbeispiel exemplarisch fünf Leiter 4, die im Ausführungsbeispiel alle den gleichen Leiterquerschnitt Lq1 aufweisen. Beispielsweise handelt es sich um fünf Leitungen mit einem Leiterquerschnitt Lq1 = 0,13 mm2.
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In einem ersten Schweißschritt I werden nun diese fünf Leiter 4 miteinander verschweißt, so dass sich ein erster Knoten 6 bildet, im Bereich welchem alle fünf Leiter 4 miteinander verbunden sind und von welchem aus sie sich dann als einzelne Leiter 4 wieder wegerstrecken.
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Sodann wird der Knoten 6 zusammen mit einem weiteren Leiter 7 in die oder eine weitere Schweißvorrichtung 1, bevorzugt wiederum eine Ultraschallschweißvorrichtung, eingelegt. Wie 1 zu entnehmen ist, ist der Leiterquerschnitt Lq2 des weiteren Leiters 7 deutlich größer als der Knotenquerschnitt Kq1 des ersten Knotens 6. Ausgehend vom oben beschriebenen Beispiel der fünf 0,13 mm2-Leiter ist der Knotenquerschnitt Kq1 = 0,65 mm2. Der Leiterquerschnitt Lq2 des weiteren Leiters 7 kann nun wesentlich größer sein, als bei Verbindung dieses Leiters mit den einzelnen, nicht im ersten Knoten gebündelten Leitern, da bei einem solchen einstufigen Schweißverfahren wegen der gegebenen Toleranzen der Leiterquerschnitte nicht sichergestellt werden kann, dass bei dem einen Splice auch tatsächlich alle Leiter verbunden werden und nicht ein dünner Leiter, dessen Querschnitt im Bereich der Erfassungstoleranz der Schweißanlage liegt, nicht verbundne wurde. Dieser Leiterquerschnitt Lq2 ist um ein Vielfaches größer als der Leiterquerschnitt Lq1 der einzelnen Leiter 4, die ursprünglich zur Bildung des ersten Knotens 6 miteinander verschweißt wurden.
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In einem zweiten Schweißvorgang II werden zur Bildung eines Leiterbaums 9 nun der erste Knoten 6 und der weitere Leiter 7, letztlich also lediglich zwei „Leiter“, miteinander zur Bildung eines zweiten Knotens 8 verschweißt. Dieser Knoten 8 besitzt nun einen Querschnitt Kq2, der sich aus der Querschnittssumme des Knotenquerschnitts Kq1 und des Leiterquerschnitts Lq2 des weiteren Leiters 7 errechnet. Vom zweiten Knoten 8 erstrecken sich, wie 1 zeigt, zum einen die einzelnen, dünnen Leiter 4, zum anderen der querschnittlich vielfach dickere weitere Leiter 7 weg.
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Wenngleich in 1 die jeweiligen Knoten 6 und 8 als Endknoten gezeigt sind, können sie selbstverständlich auch als Durchgangsknoten gebildet sein. Denkbar ist es auch, die im Knoten 6 gebündelten einzelnen Leiter selbst mit dem weiteren Leiter 7 zu verschweißen, und zwar an einer Stelle benachbart zum Knoten 6. Denn infolge der anlagenseitigen Überprüfung vor den ersten Splice, also der Erzeugung des ersten Knotens 6, ob der zusammengepresste Gesamtquerschnitts-Ist-Wert dem Gesamtquerschnitts-SollWert unter Berücksichtigung der gegebenen Leitertoleranz entspricht, ist sichergestellt, dass - wenn der Splice erfolgt - im ersten Knoten tatsächlich alle Leiter verbunden sind, die verbunden sein sollen, es kann also keiner zu wenig oder zuviel sein.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das von dem gemäß 1 insoweit abweicht, als in den einzelnen Schweißschritten I und II jeweils Leiter verschiedenen Querschnitts verschweißt werden.
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Ausgangspunkt sind auch hier wiederum fünf dünne Leiter, die bereits in die Schweißvorrichtung 1 eingelegt sind. Dies sind zum einen beispielhaft wiederum drei Leiter 4 mit einem Leiterquerschnitt Lq1 von 0,13 mm2 sowie zwei Leiter 4' mit einem Leiterquerschnitt Lq1' von z. B. 0,35 mm2. Diese beiden, sehr dünnen Leitertypen können ohne weiteres miteinander verschweißt werden. Es wird nun im ersten Schweißschritt I wiederum ein erster Knoten 6' gebildet, in dem die drei 0,13 mm2-Leiter 4 sowie die beiden 0,35 mm2-Leiter 4' zusammenlaufen.
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Sodann wird der erste Knoten 6' zusammen mit zwei weiteren Leitern 7' und 7" in die Spleißvorrichtung 1 gegeben, wobei ersichtlich der Leiterquerschnitt Lq2' des weiteren Leiters 7' und der Leiterquerschnitt Lq2" des weiteren Leiters 7" deutlich größer sind als der Knotenquerschnitt Kq1' des Knotens 6'. Dieser Knotenquerschnitt Kq1' errechnet sich im beschriebenen Beispiel additiv zu 1,09 mm2. Das heißt, dass folglich die Leiterquerschnitte Lq2' und Lq2" deutlich größer sind, beispielsweise 2,5 mm2 oder mehr betragen, soweit eben aufgrund des definierten Leiterquerschnittverhältnisses der maximal zulässige Querschnitt begrenzt ist.
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Im Schritt II werden sodann der Knoten 6' sowie die weiteren Leiter 7' und 7" miteinander verschweißt, es bildet sich ein Knoten 8', der wiederum der Summe der Einzelquerschnitte entspricht. Von diesem gehen im gezeigten Beispiel Leiter mit vier unterschiedlichen Querschnitten ab, nämlich zum einen die Leiter 4, zum anderen die etwas dickeren Leiter 4', weiterhin der deutlich dickere Leiter 7' sowie der im gezeigten Beispiel dickste Leiter 7". Es ergibt sich ein Leiterbaum 9' mit vier verschieden dicken Leitern.
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Auch hier können natürlich anstelle des ersten Knotens 6'die ihn bildenden einzelnen Leiter 4 und 4'mit den weiteren Leitern 7'und 7" benachbart zu ersten Knoten 6'verschweißt werden.
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Allen Ausführungsbeispielen der Leiterbäume 9, 9' ist folglich gemein, dass von einem zulässigerweise gebildeten Knoten 8 beziehungsweise 8' unterschiedlich dicke Leiter abgehen, die in einem einzigen Schweißverfahren nicht in einen gemeinsamen Knoten hätten miteinander verbunden werden können.
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Abschließend ist festzuhalten, dass die beiden gezeigten Verfahrensvarianten selbstverständlich auch gemischt werden können, insoweit als selbstverständlich der Knoten 6 aus 1 mit mehreren weiteren Leitern verschweißt werden kann, wobei die weiteren Leiter entweder untereinander den gleichen oder unterschiedliche Leiterquerschnitte aufweisen können. Daneben ist natürlich auch denkbar, gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 den ersten Knoten wie gemäß Ausführungsbeispiel nach 1 nur mit querschnittlich gleichen Leitern zu bilden, diesen aber mit nur einem weiteren Leiter größeren Querschnitts zu verbinden.
