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Die Erfindung betrifft eine Crimpvorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Kontaktteil, das verformbare Schenkel aufweist.
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Für elektronische und elektrische Komponenten eines Kraftwagens, beispielsweise für dessen Bordnetz, erfolgt die Verbindung von elektrischen Leitungen mit elektrischen Kontaktteilen, wie beispielsweise Kabelschuhen, Steckern und Buchsen, in der Regel über eine mechanische, kraftschlüssige Verbindung, die so genannte Crimpverbindung. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Crimpverfahren werden wenigstens zwei Komponenten durch plastische Verformung wenigstens einer Komponente kraftschlüssig miteinander verbunden. Üblicherweise weist ein elektrisches Kontaktteil Schenkel oder sogenannte Crimpflanken oder Crimplaschen auf, die mit Hilfe eines geeignet geformten Biegestempels unter Krafteinwirkung mit einem elektrischen Leiter, insbesondere den Drähten eines Kabels, durch Quetschen verpresst werden. Hierbei wird in der Regel keine stoffschlüssige Verbindung erzielt. Nach dem Stand der Technik ist es üblich, über einen Verpressungsgrad von ca. 20 % eine wabenförmige Verpressung der Drähte im Kontaktteil zu erzielen. Zudem sollte eine Abstützung der Schenkel gegen ein eventuelles Zurückfedern erreicht werden.
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Die Qualitätssicherung solcher Crimpverbindungen erfolgt gewöhnlich durch die so genannte Crimpkraftüberwachung, bei der man die für das Crimpen beziehungsweise Verbiegen aufzuwendende Kraft in Abhängigkeit von dem Verbiegeweg misst.
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Die Automobilindustrie benötigt für Datenverbindungen zunehmend dünnere Leitungsquerschnitte, die kontaktsicher mit einem Kontaktteil verbunden werden müssen. Diese Anforderung ist durch die Verteuerung der für die Leiter verwendeten Rohstoffe, wie beispielsweise Aluminium und Kupfer, und durch das Streben nach Gewichtsreduzierung getrieben. Das aus dem Stand der Technik bekannte Crimpverfahren eignet sich hierzu jedoch nur bedingt, da es zwei wesentliche Nachteile hat.
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Zum einen ist bei sehr geringen Leitungsquerschnitten (kleiner als 0,35 mm2) oder großer Blechdicke der Schenkel des Kontaktteils im verformten Bereich der gemessene Arbeitsunterschied so gering, dass eine gute Überwachung des Crimpverfahrens nicht mehr möglich ist. Beispielsweise lassen sich dann fehlende Drähte eines Kabels nicht mehr identifizieren. Fehlen jedoch einzelne Drähte des Kabels im vercrimpten Bereich, so sinkt der Verpressungsgrad im Crimp und der elektrische Übergangswiderstand zwischen Leiter und Kontaktteil kann bis ins Unendliche ansteigen. Eine elektrische Funktionalität der Verbindung ist damit nicht mehr gegeben.
Zum anderen ist ein typischer Werkstoff für das zu deformierende Kontaktteil Metall oder eine Metalllegierung, und da jedes Metall elastische Eigenschaften aufweist, kann bei einer unzureichenden Abstützung der verformten Crimpschenkel ein unerwünschtes Zurückfedern dieser Schenkel auftreten. Hierdurch kann sich der Kontakt zwischen dem verformten Kontaktteil und dem Leiter verschlechtern und der elektrische Widerstand zwischen beiden Komponenten nimmt zu. Die Qualität der Crimpverbindung verschlechtert sich dann.
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Die
JP 2000-231 944 A beschreibt ein elektrisches Anschlussteil, mit dem ein Litzenleiter durch Crimpen verbunden werden kann. Das Anschlussteil umfasst dabei zwei Seitenelemente, die beim Crimpen umgebogen werden. In diesen Seitenelementen ist jeweils eine Durchgangsöffnung vorgesehen, durch die ein Laserstrahl auf den Litzenleiter eingestrahlt wird. Durch den Laserstrahl werden einige der Einzeldrähte des Litzenleiters miteinander verschweißt.
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Aus der
DE 10 2010 035 424 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Kontaktteil bekannt. Dabei werden verformbare Schenkel des Kontaktteils so verformt, dass sie den Leiter kraftschlüssig verpressen. Auf das Kontaktteil wird derart eingewirkt, dass zumindest die Schenkel stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Die
DE 103 58 153 A1 offenbart ein Verbindungsverfahren, bei dem ein Kabel mit einem Kontaktelement zunächst vercrimpt und anschließend mit diesem in drei einzelnen Schritten laserverschweißt wird. Das Vercrimpen und das Laserschweißen werden in zwei separaten Vorrichtungen und damit auch in getrennten Arbeitsschritten vorgenommen.
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Die
DE 10 2004 053 126 A1 offenbart eine Arbeitsstation, die eine Crimpeinrichtung und eine Schweißvorrichtung umfasst und in der sowohl die Aderhülle eines elektrischen Übertragungselements mit wenigstens einem Crimpelement eines Kontaktelements vercrimpt als auch im gleichen Arbeitsvorgang der elektrische Leiter des Übertragungselements mit einem Kontaktbereich des Kontaktelements verschweißt wird. Die Crimpelemente in Form von Crimplaschen werden hierbei mit einem speziellen Crimpwerkzeug verpresst. Der Quetschkontakt wird zwischen der Aderhülle und den Crimplaschen des Kontaktelements hergestellt, wohingegen das Verschweißen an örtlich anderer Stelle zwischen einem Leiterende und dem Kontaktbereich des Kontaktelements erfolgt. Beim Schweißen fließt ein elektrischer Strom über Schweißelektroden durch die zu verbindenden Elemente des Leiters und des Kontaktelements.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Crimpvorrichtung zu schaffen, die eine sichere Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem elektrischen Kontaktteil herzustellen vermag.
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Diese Aufgabe wird durch eine Crimpvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt eine Crimpvorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Kontaktteil, das verformbare Schenkel aufweist, vor, umfassend
- - einen Biegestempel, der eine Biegeseite aufweist und dazu ausgebildet ist, mit Hilfe der Biegeseite wenigstens zwei der Schenkel derart zu verformen, dass sie mit dem Leiter kraftschlüssig verpresst werden;
- - ein Laserschweißgerät, das eine Bearbeitungsoptik umfasst und dazu ausgebildet ist, mit Hilfe der Bearbeitungsoptik einen Laserstrahl auf das Kontaktteil zu lenken;
wobei - - die Bearbeitungsoptik mechanisch von dem Biegestempel entkoppelt ist.
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Diese Crimpvorrichtung kann durch das geeignete Einstrahlen des Laserstrahls zusätzlich zu der kraftschlüssigen auch eine stoffschlüssige Verbindung der Schenkel bewirken, falls beim Auftreffen auf die Schenkel genügend Energie eingebracht wird, um diese miteinander zu verschweißen, wodurch eine sichere Verbindung zwischen dem Leiter und dem Kontaktteil hergestellt wird.
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Das Laserschweißen ist eine etablierte und effektive Methode, um einen stoffschlüssigen Kontakt herzustellen. Bei hoher Laserleistung reichen bereits kurze Schweißzeiten aus, um eine optimale Verbindung im Schweißgut zu bewirken. Eine Laserquelle lässt sich zudem sehr flexibel und variabel positionieren, da die von ihr ausgesandte Laserstrahlung beispielsweise über Spiegel, Prismen, Glasfasern oder andere optische Komponenten sehr einfach geführt werden kann.
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Die vorgeschlagene Crimpvorrichtung erlaubt, eine besonders feste, sichere und dauerhafte Verbindung zwischen dem Leiter und dem Kontaktteil herzustellen. Durch die zusätzliche stoffschlüssige Verbindung wird vermieden, dass die kraftschlüssige Verbindung beispielsweise durch ein elastisches Zurückfedern der Schenkel geschwächt wird. Somit kann sichergestellt werden, dass zumindest die Schenkel stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die stoffschlüssige Verbindung wird insbesondere dadurch hergestellt, dass das Material der Schenkel aufgeschmolzen wird. Wenn das aufgeschmolzene Material wieder erstarrt, führt dies zu einer besonders innigen materiellen Verbindung der aufgeschmolzenen Bereiche. Vormals unabhängige Schenkel können so beispielsweise zu einem einzigen Metallteil verschmolzen werden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass auch das Kontaktteil mit dem Leiter stoffschlüssig verbunden wird. Hierzu kann nach Bedarf beispielsweise die Leistung und/oder Zeitdauer der Einwirkung, die den Stoffschluss bewirkt, angepasst werden. Es kann insbesondere eine stoffliche Verbindung der Schenkel mit den Drähten und/oder Litzen eines Kabels hergestellt werden. Hierdurch wird ein besonders intensiver Kontakt hergestellt, und der elektrische Widerstand kann gering gehalten werden.
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Die vorgeschlagene Crimpvorrichtung hat den Vorteil, dass auch dünne Leitungen mit dem Kontaktteil sicher verbunden werden können. Bei geringen Leitungsquerschnitten ist ein ausschließlich kraftschlüssiges Verpressen mit dem Kontaktteil meist nicht ausreichend. Die zusätzliche stoffschlüssige Verbindung erlaubt hier eine qualitative Verbesserung des elektrischen Kontakts. Ebenso lassen sich dünne Kabel mit einem vergleichsweise großen Kontaktteil sicher verbinden. Folglich wird auch der Einsatz dünner Leitungen möglich, was insgesamt zur Gewichtsreduzierung der elektrischen Komponenten beiträgt. Es können auch Verbindungen zwischen solchen Kontaktteilen und Leitungen hergestellt werden, bei denen nach dem Stand der Technik das Verhältnis von Leitungsquerschnitt zu Kontaktteilgröße ungünstig ist.
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Die vorgeschlagene Crimpvorrichtung ermöglicht, dass der Laserstrahl mit hoher Präzision auf das Kontaktteil gelenkt werden kann, da eine Bewegung und/oder Druckbeaufschlagung des Biegestempels mechanisch von der Bearbeitungsoptik entkoppelt ist und keine störenden Vibrationen übertragen werden können.
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Der Biegestempel wird auch als Crimper, der Vorgang des Verpressens auch als Crimpverfahren oder Crimpprozess oder Crimpen bezeichnet. Der Biegestempel ist insbesondere so ausgebildet, dass er Schenkel des Kontaktteils in vorgegebener und kontrollierter Art und Weise verformt. Verwendet werden können insbesondere Kontaktteile, die aus Metall gebildet sind und seitliche Flankenbereiche in Form von Metalllappen oder Metallschenkeln aufweisen, die umgebogen werden können. Die Schenkel eines Kontaktteils können paarweise einander gegenüber angeordnet sein. Falls sich zwischen den Schenkeln ein Leiter, beispielsweise in Form von Drähten oder Litzen eines Kabels, befindet, so kann dieser durch Verformen der Schenkel zwischen ihnen eingepresst und dadurch der Kraftschluss erreicht werden.
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Der Biegestempel ist insbesondere so ausgebildet, dass dieses Quetschen oder Pressen besonders effektiv durchgeführt werden kann. Hierzu kann er insbesondere einen Aufnahmeraum für das Kontaktteil und den Leiter aufweisen, wobei eine Krafteinwirkung zwischen Kontaktteil und Biegestempel dazu führt, dass das Kontaktteil durch den mechanischen Widerstand eines den Aufnahmeraum begrenzenden Wandbereichs des Biegestempels verformt wird. Dieser Wandbereich wird hier auch Biegeseite genannt. Zumindest diese mit dem Kontaktteil beziehungsweise dessen Schenkeln in mechanischem Kontakt stehende Biegeseite des Biegestempels ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich durch die verformende Krafteinwirkung eine spezifische Endform der deformierten Schenkel ergibt. Bevorzugt ist die Biegeseite hierfür passend geformt, beispielsweise teilkreisförmig.
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Die vorgeschlagene Crimpvorrichtung kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens einen weiteren Biegestempel und/oder wenigstens ein weiteres Laserschweißgerät umfassen. Jeder Biegestempel kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens eine weitere Biegeseite aufweisen. Jedes Laserschweißgerät kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens eine weitere Bearbeitungsoptik aufweisen und/oder dazu ausgebildet sein, mit Hilfe wenigstens einer der Bearbeitungsoptiken wenigstens einen weiteren Laserstrahl auf das Kontaktteil zu lenken. Jede Bearbeitungsoptik kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise dazu ausgebildet sein, wenigstens einen weiteren Laserstrahl auf das Kontaktteil zu lenken.
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Jeder Biegestempel kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- - der Biegestempel ein Durchgangsloch aufweist, das in die Biegeseite mündet;
- - die Bearbeitungsoptik dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl durch das Durchgangsloch in einen von der Biegeseite begrenzten Aufnahmeraum für das Kontaktteil und den Leiter zu lenken.
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Durch das Durchgangsloch kann mit dem Laserstrahl auf das Kontaktteil so eingewirkt werden, dass wenigstens die Schenkel des Kontaktteils stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das Durchgangsloch bildet somit eine Einstrahlöffnung für den Laserstrahl und gewährt einen Zugang zu dem Aufnahmeraum, in dem das Verpressen stattfindet. Damit kann während des Verpressens durch das Durchgangsloch hindurch zumindest auf das Kontaktteil Einfluss genommen werden. Durch das Durchgangsloch wird ein einfacher Zugang zum Aufnahmeraum geschaffen, so dass unkompliziert Einfluss auf das Kontaktteil genommen werden kann. Das Durchgangsloch erlaubt, dass an dem Kontaktteil eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden kann, während es noch vom Biegestempel umschlossen ist.
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Vorteilhafterweise kann dabei vorgesehen sein, dass die in der Biegeseite liegende Öffnung des Durchgangslochs im Hinblick auf den Strahldurchmesser des Laserstrahls an dieser Stelle gleich groß oder größer ist. Das Durchgangsloch ist vorzugsweise so bemessen, dass die Schenkel vollständig einrollen und sich nicht übereinander schieben können. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise der Durchmesser dieser Öffnung kleiner gleich 0,40 mm oder kleiner gleich 0,35 mm oder kleiner gleich 0,30 mm. Alternativ oder zusätzlich ist der Rand dieser Öffnung zumindest teilweise abgerundet und/oder abgefast. Hierdurch wird verhindert, dass eine Kante eines Schenkels, die beim Biegen des Schenkels über die Öffnung streicht, an dem Rand hängen bleibt und/oder sich die Schenkel übereinander schieben.
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Vorteilhafterweise kann die Crimpvorrichtung weiter umfassen
- - einen Pressenantrieb, der dazu ausgebildet ist, den Biegestempel in einer Pressrichtung vor und zurück zu bewegen;
- - einen Stößel mit einem Antriebsbereich, der an dem Pressenantrieb angreift, und einem Abtriebsbereich, der dem Antriebsbereich gegenüber liegt und an dem Biegestempel angreift;
wobei - - der Stößel einen Hohlraum mit einer Zugangsöffnung und einem Austrittsloch aufweist;
- - die Bearbeitungsoptik durch die Zugangsöffnung in den Hohlraum ragt, ohne den Stößel zu berühren;
- - das Austrittsloch mit dem Durchgangsloch fluchtet oder zumindest teilweise überlappt;
- - die Bearbeitungsoptik dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl durch das Austrittsloch in das Durchgangsloch zu lenken.
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Der Stößel überträgt somit die Presskraft von dem Pressenantrieb auf den Biegestempel und nimmt in seinem Hohlraum die Bearbeitungsoptik auf. Da die Bearbeitungsoptik den Stößel nicht berührt, ist sie von ihm mechanisch entkoppelt.
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Der Antriebsbereich kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise eine vorzugsweise an der Außenseite des Stößels liegende Antriebsfläche aufweisen, die an dem Pressenantrieb angreift. Der Abtriebsbereich kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise eine vorzugsweise an der Außenseite des Stößels liegende Abtriebsfläche aufweisen, die an dem Biegestempel angreift und in die das Austrittsloch mündet.
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Der Stößel kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Stößel einen Rahmen umfasst, der in einer Ebene verläuft, in der die Pressrichtung liegt.
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Der Rahmen kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise eine rechteckige Grundform mit zwei senkrechten Pfosten und zwei waagerechten Riegeln haben, die senkrecht steht, falls die Pressrichtung, wie es bei den meisten Pressen üblich ist, senkrecht nach unten weist. Der Antriebsbereich kann dann vorzugsweise durch eine Antriebsfläche gebildet werden, die zumindest einen Mittelabschnitt der Oberseite des oberen Riegels umfasst und mit dem Pressenantrieb verbunden ist. Und der Abtriebsbereich kann dann vorzugsweise durch eine Abtriebsfläche gebildet werden, die zumindest einen Mittelabschnitt der Unterseite des unteren Riegels umfasst und mit dem Biegestempel verbunden ist. Weiter kann dann vorzugsweise das Austrittsloch den unteren Riegel senkrecht durchdringen und zentral in die Abtriebsfläche münden.
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Alternativ kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Stößel ein Rohr umfasst, das parallel zur Pressrichtung verläuft und in dessen Mantel die Zugangsöffnung ausgebildet ist.
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Das Rohr kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise einen kreisrunden oder quadratischen Querschnitt aufweisen und senkrecht stehen, falls die Pressrichtung, wie es bei den meisten Pressen üblich ist, senkrecht nach unten weist. Der Antriebsbereich kann dann vorzugsweise durch eine Antriebsfläche gebildet werden, die zumindest einen Teilabschnitt der oberen Stirnfläche des Rohrs umfasst und mit dem Pressenantrieb verbunden ist. Und der Abtriebsbereich kann dann vorzugsweise durch eine Abtriebsfläche gebildet werden, die zumindest einen Teilabschnitt der unteren Stirnfläche des Rohrs umfasst und mit dem Biegestempel verbunden ist. Weiter kann dann vorzugsweise das Austrittsloch die untere Öffnung des Rohrs sein, die von der unteren Stirnfläche umschlossen ist und somit zentral in die Abtriebsfläche münden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Austrittsloch zum Durchgangsloch hin und/oder das Durchgangsloch zur Biegeseite hin kegelförmig verjüngt ist.
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Ein derartig geformtes Austrittsloch schwächt den Stößel minimal, und ein derartig geformtes Durchgangsloch schwächt den Biegestempel minimal.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Wand des Austrittslochs poliert oder beschichtet oder verspiegelt ist.
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Hierdurch wird die Standzeit des Stößels beziehungsweise des Biegestempels verlängert, da der Laserstrahl beim Auftreffen auf die entsprechende Wand dann reflektiert und nur minimal absorbiert wird.
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Es ist vorgesehen, dass die Wand des Durchgangslochs verspiegelt ist und/oder dass die Crimpvorrichtung weiter eine Düse für Schutzgas und/oder Kühlgas umfasst, die zwischen der Bearbeitungsoptik und dem Biegestempel koaxial zum Laserstrahl angeordnet ist.
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Diese Düse sorgt für eine koaxiale Führung des Schutzgases beziehungsweise Kühlgases, das bei bestimmten zu schweißenden Materialien des Kontaktteils, insbesondere unedlen Metallen wie Kupfer und Zinn, eine Oxidation der Schweißstelle verhindert. Außerdem verhindert oder verringert das durch diese Düse geführte Schutzgas beziehungsweise Kühlgas ein Verschmutzen und/oder Verstopfen des Austrittslochs und/oder des Durchgangslochs durch Schweißspritzer, indem diese Löcher freigeblasen werden können.
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Die Düse kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise kegelförmig zum Biegestempel hin verjüngt sein und/oder beispielsweise an der Bearbeitungsoptik angebracht sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Laserschweißgerät dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des Laserstrahls wenigstens zwei der Schenkel zumindest miteinander stoffschlüssig zu verbinden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Laserschweißgerät dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des Laserstrahls wenigstens zwei der Schenkel ausschließlich miteinander stoffschlüssig zu verbinden, oder dass das Laserschweißgerät dazu ausgebildet ist, mit Hilfe des Laserstrahls wenigstens einen der Schenkel mit wenigstens einer Litze des Leiters stoffschlüssig zu verbinden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Laserschweißgerät dazu ausgebildet ist, das stoffschlüssige Verbinden zu bewirken, nachdem oder sobald mittels des Biegestempels eine vorgegebene Sollverformung der Schenkel erzielt ist.
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Um eine ausreichende kraftschlüssige Verpressung zu erreichen, ist es notwendig, dass die Schenkel durch den Biegestempel angemessen verbogen worden sind. Eine solche Verbiegung kann dann als Sollverformung festgelegt werden. Insbesondere wird die Sollverformung der maximalen Verformung entsprechen, die im jeweiligen Crimpprozess erreicht wird. Die Sollverformung kann auch darin bestehen, dass einander gegenüber liegende Schenkel so verbogen sind, dass sie miteinander überlappen und/oder sich gegenseitig berühren.
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Bei dieser Ausführungsform ist sichergestellt, dass einerseits der Kraftschluss zwischen Kontaktteil und Leiter optimal ist, und andererseits bestmögliche Voraussetzungen für eine effektive stoffliche Verbindung gegeben sind. Berühren sich beispielsweise die Schenkel, muss gegebenenfalls nur wenig Material durch den Laserstrahl aufgeschmolzen werden, um eine stoffschlüssige Verbindung zu erreichen. Durch eine ausgeprägte Sollverformung kann zudem erreicht werden, dass das Schenkelmaterial nur noch geringe elastische Eigenschaften aufweist. Eine Beeinträchtigung der Qualität der Crimpverbindung durch ein Auffedern der Schenkel wird dann vermieden. Der Schritt des stoffschlüssigen Verbindens durch Laserschweißen erhöht die Taktzeit für den eigentlichen Crimpprozess nicht oder nur unwesentlich. Das Verfahren ist damit annähernd taktzeitneutral.
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Vorzugsweise ist das Laserschweißgerät dazu ausgebildet, das stoffschlüssige Verbinden zu bewirken oder zu beginnen oder zu beenden, wenn oder sobald der Biegestempel einen unteren Totpunkt relativ zu dem Kontaktteil erreicht hat, und/oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und/oder während einer vorgegebenen Zeitspanne vorher und/oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und/oder während einer vorgegebenen Zeitspanne nachher.
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Jede der vorgeschlagenen Crimpvorrichtungen kann bevorzugt weiter eine Messeinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, Größen zu messen, die den Laserstrahl und/oder das Einwirken des Laserstrahls auf das Kontaktteil und/oder den Leiter charakterisieren.
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Diese Größen liefern ein Maß für die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung. Die Überwachung dieser Größen erlaubt es, auf die Qualität der hergestellten Verbindung zu schließen. Mit einer solchen Messeinrichtung ist also eine Qualitätssicherung des Schweißprozesses und der mit ihm erzielten stofflichen Verbindung sichergestellt. Dann kann beispielsweise auf eine konventionelle Crimpkraftüberwachung verzichtet oder diese durch die Kontrolle der Schweißparameter ergänzt werden. Wie bereits dargestellt, versagt die Crimpkraftüberwachung häufig dann, wenn Leitungen mit geringen Querschnitten und/oder Kontaktteile mit großen Blechdicken miteinander verbunden werden sollen. Die Überwachung dieser Größen erlaubt festzustellen, ob eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung erzielt wurde. Aufwändige technische Zusatzmaßnahmen, um die Qualität der Crimpverbindung sicherzustellen, sind nicht mehr notwendig. Durch die Messung, Auswertung und Überwachung von Laserschweißparametern wird die erreichte Verbindung qualitätsgesichert.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der gemessenen Größe um eine Schweißdauer. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine eingestrahlte Intensität des Laserstrahls gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Wellenlänge mit der höchsten Strahlungsleistung derjenigen Strahlung gemessen werden, die derjenige Bereich aussendet, auf welchen der Laserstrahl einwirkt; dies wird auch als Rückreflexion bezeichnet. Im letztgenannten Fall kann beispielsweise eine Bestimmung der Temperatur nach dem wienschen Verschiebungsgesetz erfolgen, was wiederum die Qualitätskontrolle des Schweißvorgangs verbessert.
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Jede der vorgeschlagenen Crimpvorrichtungen kann bevorzugt weiter eine Positioniereinrichtung umfassen, welche in der Lage ist, das Laserschweißgerät und/oder das Kontaktteil in geeigneter Art und Weise zu positionieren und/oder die relative Lage von Laserschweißgerät und Kontaktteil zueinander zu steuern.
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Vorzugsweise kann das Laserschweißgerät weiter eine Kamera umfassen, die auf denjenigen Bereich des Kontaktteils blickt oder gerichtet ist, auf den der Laserstrahl einwirkt. Bevorzugt verläuft dabei ein objektseitiger Abschnitt des Strahlengangs der Kamera koaxial zu einem objektseitigen Abschnitt des Strahlengangs des Laserstrahls.
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Hierzu kann die Bearbeitungsoptik beispielsweise einen teildurchlässigen Umlenkspiegel und/oder einen Strahlteiler umfassen, womit auf an sich bekannte Weise die beiden Strahlengänge zusammengeführt beziehungsweise voneinander getrennt werden können.
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Die Kamera kann nach Bedarf an die Positioniereinrichtung gekoppelt oder Teil der Positioniereinrichtung sein und/oder an die Messeinrichtung gekoppelt oder Teil der Messeinrichtung sein.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die daraus hervorgehenden einzelnen Merkmale sind jedoch nicht auf die einzelnen Ausführungsformen beschränkt, sondern können mit weiter oben beschriebenen einzelnen Merkmalen und/oder mit einzelnen Merkmalen anderer Ausführungsformen verbunden werden. Die Einzelheiten in den Zeichnungen sind nur erläuternd, nicht aber beschränkend auszulegen. Die in den Ansprüchen enthaltenen Bezugszeichen sollen den Schutzbereich der Erfindung in keiner Weise beschränken, sondern verweisen lediglich auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Crimpvorrichtung zu einem ersten Zeitpunkt während des Verbindens eines elektrischen Leiters mit einem elektrischen Kontaktteil;
- 2 die Crimpvorrichtung der 1 zu einem zweiten Zeitpunkt während des Verbindens;
- 3 die Crimpvorrichtung der 1 zu einem dritten Zeitpunkt während des Verbindens;
- 4 die Crimpvorrichtung der 1 zu einem vierten Zeitpunkt während des Verbindens;
- 5 eine schematische Schnittdarstellung durch ein elektrisches Kontaktteil mit verformten Schenkeln und kraftschlüssig verpressten Drähten eines Kabels zu einem Zeitpunkt des Laserschweißens;
- 6 eine perspektivische Darstellung des Kontaktteils und Kabels der 5;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Crimpvorrichtung.
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In den 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform einer Crimpvorrichtung 10 zum Verbinden eines elektrischen Leiters 18 mit einem elektrischen Kontaktteil 16 zu vier aufeinanderfolgenden Zeitpunkten in vier unterschiedlichen, für das mit der Crimpvorrichtung 10 durchführbare Verbindungsverfahren charakteristischen Positionen schematisch dargestellt. Diese Crimpvorrichtung 10 umfasst einen Stößel 11, einen Biegestempel 12, einen Pressenantrieb 13, ein Laserschweißgerät 20 und einen Unterstempel oder Amboss 24.
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Das Kontaktteil 16 ist hier aus Metall gefertigt und weist paarweise einander gegenüberliegende Schenkel 26 auf. Das Kontaktteil 16 liegt auf dem Amboss 24 auf, und der Leiter 18 ist zwischen den Schenkeln 26 lose eingebracht. Er ist hier ein Kabel mit einer Vielzahl von Einzeldrähten 28, die hier aus einem elektrisch leitenden Metall, wie beispielsweise Kupfer, gefertigt sind. Zu dem in der 1 gezeigten ersten Zeitpunkt ist noch keine dauerhafte Verbindung zwischen dem Kontaktteil 16 und den Drähten 28 hergestellt.
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Der Biegestempel 12 weist eine Biegeseite 34 auf und ist dazu ausgebildet, mit Hilfe der Biegeseite 34 wenigstens zwei der Schenkel 26 derart zu verformen, dass sie mit dem Leiter 18 kraftschlüssig verpresst werden. Der Biegestempel 12 ist gegenstückig zum Amboss 24 ausgebildet. Dies ermöglicht, dass zumindest ein Teilbereich des Ambosses 24 in eine Ausnehmung 32 des Biegestempels 12 eingeführt werden kann. Amboss 24 und Biegestempel 12 wirken dabei als Stück und Gegenstück passgenau zusammen. Die Ausnehmung 32 ist als Längsschlitz ausgebildet, der in den 1 bis 4 rechtwinklig zur Bildebene, parallel zu dem zwischen den Schenkeln 26 befindlichen Teil des Leiters 18 verläuft und dessen in den 1 bis 4 oben liegende Endfläche die Biegeseite 34 bildet. Der Biegestempel 12 weist ein Durchgangsloch 14 auf, das in die Biegeseite 34 mündet.
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Das Laserschweißgerät 20 kann einen Laserstrahl 22 aussenden und dient als Schweißlaser, dessen hochintensive Laserstrahlung dazu geeignet ist, Metall aufzuschmelzen. Es umfasst eine Bearbeitungsoptik 15 und ist dazu ausgebildet, mit Hilfe der Bearbeitungsoptik 15 den Laserstrahl 22 auf das Kontaktteil 16 zu lenken. Hierzu ist die Bearbeitungsoptik 15 derart ausgebildet und angeordnet, dass sie den Laserstrahl 22 durch das Durchgangsloch 14 in die Ausnehmung 32 lenkt, die einen von der Biegeseite 34 begrenzten Aufnahmeraum für das Kontaktteil 16 und den Leiter 18 bildet.
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Die räumliche Anordnung des Laserschweißgeräts 20 gegenüber dem Biegestempel 12 ist in den 1 bis 4 nur sehr schematisch dargestellt. Das Laserschweißgerät 20 kann relativ zu dem Biegestempel 12 beliebig angeordnet sein, solange sein Laserstrahl 22 in geeigneter Weise durch die Öffnung 14 des Biegestempels 12 geführt werden kann. Dies lässt sich insbesondere auch über nicht dargestellte strahlumlenkende Elemente, wie beispielsweise Spiegel, Strahlteiler, Prismen oder andere optische Elemente, erreichen. Der Biegestempel 12 kann auch mehrere Durchgangslöcher 14 aufweisen, denen jeweils ein separater Laserstrahl 22 zugewiesen sein kann. Der Laserstrahl 22 kann auch sukzessive durch mehrere Durchgangslöcher 14 eingestrahlt werden.
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Der Pressenantrieb 13 ist dazu ausgebildet, den Biegestempel 12 in einer Pressrichtung, die in den 1 bis 4 vertikal nach unten verläuft, vor und wieder zurück zu bewegen. Bei dieser ersten Ausführungsform umfasst er einen Hydraulikzylinder, der durch Einziehen seines Kolbens den Biegestempel 12 in den oberen Totpunkt, der in der 1 dargestellt ist, heben und durch Ausfahren des Kolbens den Biegestempel 12 in den unteren Totpunkt, der in der 4 dargestellt ist, senken kann. Der Pressenantrieb 13 kann nach Bedarf aber auch auf beliebige andere Art und Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Exzenterantrieb.
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Bei dieser ersten Ausführungsform ist der Stößel 11 ein Rahmen, der in einer Vertikalebene, die in den 1 bis 4 die Zeichnungsebene ist, und somit in einer Ebene verläuft, in der die Pressrichtung liegt. Der Rahmen hat eine rechteckige Grundform mit zwei senkrechten Pfosten und zwei waagerechten Riegeln.
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Der Stößel 11 hat einen Antriebsbereich 17, der an dem Pressenantrieb 13 angreift, und einen Abtriebsbereich 19, der dem Antriebsbereich 17 gegenüber liegt und an dem Biegestempel 12 angreift. Die Antriebsfläche beziehungsweise der Antriebsbereich 17 umfasst einen Mittelabschnitt der Oberseite des oberen Riegels und ist an der Unterseite des Zylindergehäuses des Pressenantriebs 13 befestigt. Die Abtriebsfläche beziehungsweise der Abtriebsbereich 19 umfasst einen Mittelabschnitt der Unterseite des unteren Riegels und ist an der Oberseite des Biegestempels 12 befestigt. Der Stößel 11 weist weiter einen Hohlraum 21 mit einer Zugangsöffnung 23 und einem Austrittsloch 25 auf, der von den Innenseiten des Rahmens begrenzt wird. Die Zugangsöffnung 23 wird durch die in den 1 bis 4 nach hinten weisende Öffnung des Hohlraums 21 gebildet, und das Austrittsloch 25 durchdringt den unteren Riegel senkrecht und mündet zentral in die Abtriebsfläche beziehungsweise den Abtriebsbereich 19. Das Austrittsloch 25 fluchtet mit dem Durchgangsloch 14, und die Bearbeitungsoptik ist 15 dazu ausgebildet, den Laserstrahl 22 durch das Austrittsloch 25 und das Durchgangsloch 14 zu lenken.
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Das Laserschweißgerät 20 und damit auch die Bearbeitungsoptik 15 ragen durch die Zugangsöffnung 23 in den Hohlraum 21, ohne den Stößel 11 zu berühren, und sind somit mechanisch von dem Biegestempel 12 und dem Pressenantrieb 13 entkoppelt.
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Um das Kontaktteil 16 mit dem Leiter 18 zu verbinden, senkt der Pressenantrieb 13 den Stößel 11 mit dem daran befestigten Biegestempel 12 derart auf den Amboss 24 ab, dass zu dem in der 2 gezeigten zweiten Zeitpunkt der Amboss 24 passgenau in die Ausnehmung 32 vordringt. Der Amboss 24 stützt das auf ihm liegende Kontaktteil 16 mit dem Leiter 18, und der Pressenantrieb 13 senkt den Stößel 11 mit dem daran befestigten Biegestempel 12 weiter ab.
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Zu dem in der 3 gezeigten dritten Zeitpunkt ist der Amboss 24 so weit in die Ausnehmung 32 vorgedrungen, dass die Schenkel 26 des Kontaktteils 16 die Biegeseite 34 berühren. Einer weiteren Schließbewegung von Amboss 24 und Biegestempel 12 setzen dann zunächst die Schenkel 26 und später auch die Drähte 28 eine zunehmende Kraft entgegen.
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Wird nun auf den Amboss 24 und/oder den Biegestempel 12 weiter Kraft ausgeübt, kommt es zu einer Verformung der Schenkel 26. Je nach Dauer der Krafteinwirkung sowie Ausmaß der Verformung ist die sich ergebende Deformation der Schenkel 26 plastischer Natur. Durch eine geeignete Form der Biegeseite 34 wird erreicht, dass sich die Schenkel 26 in kontrollierter und vordefinierter Art und Weise verformen. Im Ausführungsbeispiel weist die Biegeseite 34 zwei teilkreisförmige Rundungen auf, denen die Schenkel 26 während des Verformens folgen, so dass sie sich quasi einrollen.
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In den 5 und 6 ist das Kontaktteil 16 mit verformten Schenkeln 26 dargestellt. Die auf gegenüber liegenden Seiten des Kontaktteils 16 ausgebildeten Schenkel 26 sind durch die definierte Krafteinwirkung spiralförmig eingebogen oder eingerollt und treffen mittig aufeinander. Die vormals lose in dem Kontaktteil 16 liegenden Drähte 28 des Leiters 18 sind mit dem Kontaktteil 16 kraftschlüssig verpresst. Es handelt sich also gewissermaßen um einen Presskontakt, der durch gezieltes Quetschen der Schenkel 26 hergestellt wurde. Durch das innige Aneinanderlagern der Drähte 28 untereinander und mit dem Kontaktteil 16 ist auch ein guter elektrischer Kontakt zwischen allen so verpressten Elementen hergestellt.
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Das rein kraftschlüssige Verpressen wird auch als Crimpen oder Bördeln bezeichnet. Die Schenkel 26 können teilweise elastisch in Richtung ihrer Ausgangslage zurückfedern, so dass die kraftschlüssige Verbindung mit den Drähten 28 gelöst wird. Hierdurch kann auch ein elektrischer Kontakt zwischen dem Leiter 18 und dem Kontaktteil 16 verschlechtert oder sogar unterbrochen werden.
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Deshalb ist ein weiterer Schritt vorgesehen, in dem zu dem in der 4 gezeigten vierten Zeitpunkt eine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung zumindest der Schenkel 26 untereinander hergestellt wird. Sobald der Pressenantrieb 13 und der Stößel 11 mit dem daran befestigten Biegestempel 12 den unteren Totpunkt erreicht haben und der Amboss 24 am tiefsten in die Ausnehmung 32 des Biegestempels 12 vorgedrungen ist, wird durch das Austrittsloch 25 und das Durchgangsloch 14 der Laserstrahl 22 auf die verformten Schenkel 26 eingestrahlt. Zu diesem vierten Zeitpunkt beziehungsweise am unteren Totpunkt der Crimpvorrichtung 10 sind die Schenkel 26 maximal verformt und um die Drähte 28 herum bestmöglich geschlossen. Da im unteren Totpunkt noch Kraft auf das Kontaktteil 16 ausgeübt wird, können die Schenkel 26 noch nicht elastisch zurückfedern. Der Laserstrahl 22 trifft auf die Schenkel 26, erhitzt diese und schmilzt sie auf. Hierdurch werden die Schenkel 26 miteinander verschweißt und so stoffschlüssig verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die Intensität und Applikationsdauer des Laserstrahls 22 so gewählt, dass nicht nur die Schenkel 26 miteinander verschweißt werden, sondern auch das Kontaktteil 16 mit den Drähten 28 und einige der Drähte 28 untereinander. Hierdurch wird eine besonders innige, dauerhafte, feste und sichere mechanische Verbindung geschaffen. Diese gute materielle Verbindung führt dann auch zu einer optimalen elektrischen Verbindung, also einer Verbindung mit geringen elektrischen Widerständen.
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Das Crimpen, also das Verbiegen der Schenkel 26, läuft in einer gewissen Zeitdauer ab: Ein bereits vercrimptes Kontaktteil 16 wird aus der Crimpvorrichtung 10 entnommen, und neu zu verbindende Elemente 16, 18 werden wiederum eingeführt. Die Zeitdauer für einen Zyklus des Crimpens wird auch von der Zeitspanne beeinflusst, die benötigt wird, um Leiter 18 und Kontaktteil 16 miteinander zu verpressen. Der Vorgang des Laserschweißens erhöht die Zykluszeit des Crimpprozesses dabei nicht oder nur unwesentlich. Das kombinierte Crimp-Schweißverfahren ist damit gegenüber dem reinen Crimpverfahren taktzeitneutral. Da pro Minute beispielsweise 100 Crimpverbindungen hergestellt werden können, ist dies ein erheblicher Vorteil. Obwohl die Crimpverbindung durch das zusätzliche Schweißen verbessert wird, wird die benötigte Zeitdauer für das gesamte Verfahren nicht oder nur unwesentlich verlängert.
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Das Kontaktteil 16 weist eine gewisse Längserstreckung und Quererstreckung auf. Aus der 5 kann lediglich die Quererstreckung entnommen werden. Die paarweise einander gegenüber angeordneten Schenkel 26 sind symmetrisch zueinander verformt und berühren einander in einem bezüglich der Quererstreckung mittigen Bereich. Wie schematisch durch die Einstrahlposition und Einstrahlrichtung des Laserstrahls 22 in der 5 angedeutet ist, erfolgt die stoffschlüssige Verbindung der Schenkel 26 genau in diesem Berührungsbereich. Dann ist eine besonders gute Verbindung sichergestellt und ein elastisches Zurückfedern der Schenkel 26 kann bestmöglich verhindert werden.
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In der 6 ist gut zu erkennen, dass der Schweißbereich 30 nicht nur mittig bezüglich der Quererstreckung des Kontaktteils 16 angeordnet ist, sondern auch mittig bezüglich dessen Längserstreckung. Hierdurch lässt sich eine sehr kontrollierte und stabile stoffschlüssige Verbindung erreichen.
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In der 7 ist eine zweite Ausführungsform einer Crimpvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Diese zweite Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich die Unterschiede ausführlicher beschrieben werden.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform umfasst die Crimpvorrichtung 10 weiter eine Düse 27 für Schutzgas, die zwischen der Bearbeitungsoptik 15 und dem Biegestempel 12 koaxial zum Laserstrahl 22 angeordnet ist. Die Düse 27 ist kegelförmig zum Biegestempel 12 hin verjüngt und an der zum Biegestempel 12 weisenden Unterseite der Bearbeitungsoptik 15 angebracht und kann das Schutzgas durch das Austrittsloch 25 und das Durchgangsloch 14 bis in die Ausnehmung 32 blasen.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform sind das Austrittsloch 25 zum Durchgangsloch 14 hin und das Durchgangsloch 14 zur Biegeseite 34 hin kegelförmig verjüngt. Sie bilden dabei eine fluchtende Kegelfläche, die parallel zu dem auf den Schweißbereich 30 fokussierten Strahlkegel des Laserstrahls 22 verläuft und geringfügig größer als dieser ist.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform umfasst das Laserschweißgerät 20 weiter einen Lichtleiter 29, eine Lichtauskoppeleinheit 31 und eine Kamera 33. Der Lichtleiter 29 ist an eine nicht dargestellte Laserquelle gekoppelt, und die Lichtauskoppeleinheit 31 ist an den Lichtleiter 29 gekoppelt.
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Die Kamera 33 blickt oder ist auf den Schweißbereich 30 des Kontaktteils 16 gerichtet, auf den der Laserstrahl 22 einwirkt. Dabei verläuft der objektseitige Abschnitt des Strahlengangs der Kamera 33 koaxial zu dem objektseitigen Abschnitt des Strahlengangs des Laserstrahls 22. Hierzu umfasst die Bearbeitungsoptik 15 weiter einen Umlenkspiegel 35 und einen Strahlteiler 36, der zwischen dem Umlenkspiegel 35 und einer objektseitigen Sammellinse 37 der Bearbeitungsoptik 15 liegt. Das von der Laserquelle erzeugte Laserlicht wird durch den Lichtleiter 29 zur Lichtauskoppeleinheit 31 geleitet und verlässt diese als aufgeweiteter Parallelstrahl. Dieser Parallelstrahl fällt auf die schräg nach unten zur Sammellinse 37 und zum Austrittsloch 25 weisenden Seite des Strahlteilers 36 und wird möglichst vollständig senkrecht nach unten umgelenkt. Die Sammellinse 37 fokussiert ihn dann derart durch das Austrittsloch 25 und das Durchgangsloch 14 hindurch, dass der Laserstrahl 22 beim Auftreffen auf die Schenkel 26 den gewünschten Durchmesser hat. Das vom Schweißbereich 30 reflektierte beziehungsweise emittierte Licht fällt nun in umgekehrter Richtung durch das Durchgangsloch 14 und das Austrittsloch 25 hindurch auf die Sammellinse 37 und durch diese weiter auf den Strahlteiler 36, der es teilweise weiter senkrecht durchlässt. Dieser transmittierte Lichtanteil wird dann von dem schräg nach links gestellten Umlenkspiegel 35 auf die Kamera 33 gelenkt.
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Somit können auf an sich bekannte Weise die beiden Strahlengänge zusammengeführt beziehungsweise voneinander getrennt werden.
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Die Kamera 33 ist an eine nicht dargestellte Positioniereinrichtung für den Laserstrahl 22, die an die Bearbeitungsoptik 15 gekoppelt ist, und an eine nicht dargestellte Messeinrichtung gekoppelt. Die Qualitätssicherung des kombinierten Crimp-Schweißverfahrens erfolgt mit Hilfe der Messeinrichtung durch Überwachung der Laserschweißparameter nach dem Stand der Technik. Die Qualität der kraftschlüssig hergestellten Crimpverbindung wird üblicherweise dadurch sichergestellt, dass die während des Verformens auftretenden Kräfte überwacht werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine solche Crimpkraftüberwachung durch die zusätzliche Überwachung der Laserschweißparameter ergänzt. Dieser zusätzliche qualitätssichernde Schritt garantiert dann, dass tatsächlich eine ausreichende Verbindung zwischen Kontaktteil 16 und Leiter 18 hergestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Crimpvorrichtung
- 11
- Stößel
- 12
- Biegestempel
- 13
- Pressenantrieb
- 14
- Durchgangsloch
- 15
- Bearbeitungsoptik
- 16
- Kontaktteil
- 17
- Antriebsbereich
- 18
- elektrischer Leiter
- 19
- Abtriebsbereich
- 20
- Laserschweißgerät
- 21
- Hohlraum
- 22
- Laserstrahl
- 23
- Zugangsöffnung
- 24
- Amboss
- 25
- Austrittsloch
- 26
- Schenkel
- 27
- Düse
- 28
- Einzeldrähte
- 29
- Lichtleiter
- 30
- Schweißbereich
- 31
- Lichtauskoppeleinheit
- 32
- Aufnahmeraum/Ausnehmung
- 33
- Kamera
- 34
- Biegeseite
- 35
- Umlenkspiegel
- 36
- Strahlteiler
- 37
- Sammellinse
