-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Element mittels Widerstandsschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei aufeinanderliegenden elektrisch leitfähigen Elementen wird das sog. wire ponding angewendet. Bei zusätzlichen hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit der Verbindung wird das Prinzip des Widerstandsschweißens angewendet. Bei einem bekannten Widerstandsschweißverfahren wird eine Elektrodenanordnung aus zwei voneinander beabstandeten Elektroden auf das obere Element aufgedrückt oder aufgepresst und ein zwischen den Elektroden fließender Schweißstrom erzeugt, der eine Widerstandsschweißung hervorruft. Durch Ungenauigkeiten in der Fertigungskette der Elemente, z.B. Geometrieabweichungen, Kontamination, oder durch Maschinenschaden beim Widerstandsschweißen kann der Schweißstrom von der einen Elektrode ohne Beteiligung des unteren Elements unmittelbar durch das obere Element zu der anderen Elektrode fließen, was zwar zu einer Lötstelle aber nicht zu einer Widerstandsschweißung führt. Die Folge ist eine mechanisch wenig belastbare elektrische Verbindung zwischen den Elementen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder den Merkmalen des Anspruchs 4 hat den Vorteil, dass der Schweißstrom ungeachtet von Fertigungsungenauigkeiten zuverlässig auch durch das zweite Element fließt, zwischen erstem und zweitem Element sich eine Diffusionszone ausbildet und so eine Widerstandsschweißung mit hoher mechanischer Abzugsfestigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit entsteht. Das Verfahren ist deutlich robuster gegen Fertigungsungenauigkeiten und ergibt eine elektrische Verbindung von hoher Standzeit. Die Beteiligung des zweiten Elements am Fluss des Schweißstroms wird in dem einen Verfahren durch Aufsetzen der ersten Elektrode auf das erste Element und der zweiten Elektrode auf das zweiten Element und in dem alternativen anderen Verfahren durch die Ausbildung einer Zone oder eines Abschnitts mit deutlich höherem elektrischen Widerstand im ersten Element in Verbindung mit dem Aufsetzen der beiden Elektroden auf das ersten Element vor und hinter der Zone oder des Abschnitts mit höherem elektrischen Widerstand erzielt. Durch den höheren elektrischen Widerstand in der zwischen der ersten und zweiten Elektrode gelegenen Zone des ersten Elements fließt der Schweißstrom von der ersten Elektrode zuerst in das erste Element, dann in das zweite Element und schließlich in die zweite Elektrode.
-
Die Kombination der Platzierung der zweiten Elektrode auf dem zweiten Element mit der Herstellung einer Zone mit vergrößertem elektrischen Widerstand in dem ersten Element ergibt eine effiziente Lösung zur Herstellung der Verbindung, wenn zwei aufeinanderfolgende Schweißvorgänge mit modifizierter Lage der ersten Elektrode durchgeführt werden, wobei die erste Elektrode bei Durchführung des ersten Schweißvorgangs vor der Zone und bei der nachfolgenden Durchführung des zweiten Schweißvorgangs hinter der Zone auf das erste Element mit Druckkraft aufgesetzt wird. Bei diesem Verfahren lassen sich zwei robuste Schweißstellen in der elektrischen Verbindung erzielen, die sich im Betrieb nicht gegenseitig belasten.
-
Durch die in den Ansprüchen 2, 3 und 6 bis 8 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 bzw. Anspruch 5 angegebenen Verfahrens möglich.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Platzierung der zweiten Elektrode auf dem zweiten Element in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode vorgenommen. Durch diese Maßnahme wird eine zu starke Erwärmung des zweiten Elements im Flächenbereich zwischen den Elektroden durch den fließenden Schweißstrom vermieden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das flächengrößere zweite Element z.B. als Sieb oder Gitter ausgebildet ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim Aufsetzen der zweiten Elektrode auf das zweite Element zwischen die zweite Elektrode und das zweite Element ein Stift aus leitfähigem Material eingelegt. Durch diesen Kontaktstift, auch Dummy-Pin genannt, wird eine Beschädigung des zweiten Elements in der Kontaktstelle zur zweiten Elektrode auch bei einem höheren Schweißstrom vermieden. Um sicherzustellen, dass bei dem höheren Schweißstrom eine stärkere Schweißung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element und nicht zwischen dem Dummy-Pin und der zweiten Elektrode stattfindet, wird die Stromzufuhr von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode durch Anpassung der Polarität beim Schweißen realisiert.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Zone mit deutlich höherem elektrischem Widerstand im ersten Element durch eine Querschnittsverengung im ersten Element hergestellt.
-
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Zone mit deutlich höherem elektrischem Widerstand im ersten Element durch Ausformung einer Mäanderstruktur im ersten Element hergestellt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als erstes Element ein drahtförmiger elektrischer Leiter und als flächengrößeres zweites Element ein auf einer Piezokeramik aufgebrachtes Pad oder Sieb eingesetzt, die z.B. in Dickfilmtechnik ausgeführt sein können. Eine solche mit einem Pad oder Sieb beschichtete Piezokeramik findet sich in Aktuatoren für Zumessventile von Fluid, insbesondere für Kraftstoffeinspritzventile in Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Illustrierung eines Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
-
2 eine schematische Illustrierung des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ersten Modifikation,
-
3 eine schematische Illustrierung des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Modifikation,
-
4 eine schematische Illustrierung eines Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
-
5 eine Draufsicht des ersten Elements in 3 oder 4 mit einer alternativ hergestellten Zone mit höherem elektrischen Widerstand.
-
6 eine Seitenansicht des ersten Elements in 3 oder 4 mit einer nach einer weiteren Alternative hergestellten Zone mit erhöhtem elektrischen Widerstand.
-
Bei den gemäß
1 bis
4 illustrierten Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem ersten elektrisch leitfähigen Element und einem flächengrößeren zweiten elektrisch leitfähigen Element mittels Widerstandsschweißen ist das erste Element
11 ein drahtförmiger elektrischer Leiter, der vorzugsweise ein steifer Anschlussstift ist, und das flächengrößere zweite elektrisch leitfähige Element
12 ein Kontaktpad oder ein Kontaktsieb, das auf einer Piezokeramik z.B. in Dickfilmtechnik aufgebracht ist. Kontaktstift und Piezokeramik sind z.B. Teil eines piezoelektrischen Aktuators eines Einspritzventils für Brennkraftmaschinen, der an einem im Ventilgehäuse ausgebildeten Steckanschluss angeschlossen ist. Ein solches Einspritzventil ist beispielsweise in der
DE 10 2011 006 202 A1 dargestellt und beschrieben.
-
Bei allen in 1 bis 4 illustrierten Verfahren wird das erste Element 11 auf das flächengrößere zweite Element 12 aufgelegt, auf diese dadurch gebildete Elementenanordnung mit obenliegendem ersten Element 11 und untenliegendem zweiten Element 12 eine aus einer ersten Elektrode 13 und einer zweiten Elektrode 14 bestehende Elektrodenanordnung von oben her, also in Richtung der Oberfläche des zweiten Elements 12 und des auf der Oberfläche aufliegenden ersten Elements 11, mit Druckkraft aufgesetzt und ein zwischen den Elektroden fließender Schweißstrom erzeugt. Die beiden Elektroden 13, 14 sind üblicherweise an einem Schweißarm einer Schweißmaschine angeordnet und haben eine feste, aber verstellbare Zuordnung zueinander.
-
Bei dem in 1 illustrierten Verfahren wird die erste Elektrode 13 auf dem ersten Element 11 und die zweite Elektrode 14 auf dem zweiten Element 12 platziert, wobei die Platzierung so vorgenommen wird, dass die zweite Elektrode 14 in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode 13 angeordnet ist.
-
Bei einer Modifikation dieses Verfahrens, die in 2 illustriert ist, wird beim Aufsetzen der zweiten Elektrode 14 auf das zweite Element 12 zwischen die zweite Elektrode 14 und das zweite Element 12 ein Stift 15 aus elektrisch leitfähigem Material eingelegt, der somit einerseits an dem zweiten Element 12 und andererseits an der zweiten Elektrode 14 anliegt. Der Stift 15 verhindert als sog. Dummy-Pin eine Beschädigung des zweiten Elements 12 an der Kontaktstelle zur zweiten Elektrode 14 bei einem zwischen der ersten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 14 fließenden höheren Schweißstrom. Dabei ist die Polarität der Elektroden 13, 14 so festgelegt, dass der Schweißstrom von der ersten Elektrode 13 zur zweiten Elektrode 14 fließt. Diese Fließrichtung des Schweißstroms gewährleistet, dass eine stärkere Schweißung zwischen dem ersten und zweiten Element 11, 12 stattfindet und nicht zwischen dem zweiten Element 12 und dem Stift 15.
-
In einer weiteren Verfahrensmodifikation, bei der das Verfahren in zwei aufeinanderfolgenden, in 3a und 3b skizzierten Verfahrensschritten durchgeführt wird, wird im ersten Element 11, und zwar in dessen Auflagebereich auf dem zweiten Element 12, eine Zone 16 mit erhöhtem elektrischen Widerstand hergestellt und die Platzierung der Elektrodenanordnung auf der Elementenanordnung so vorgenommen, dass die zweite Elektrode 14 stets auf dem zweiten Element 12 und die erste Elektrode 13 stets auf dem ersten Element 11, aber im ersten Verfahrensschritt (3a) vor der Zone 16 mit erhöhtem Widerstand und im nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt (3b) hinter der Zone 16 mit erhöhtem elektrischen Widerstand, aufgesetzt wird. In beiden Verfahrensschritten wird wiederum ein Schweißstrom zwischen der ersten Elektrode 13 und der zweiten Elektrode 14 erzeugt. Auf diese Weise wird durch Widerstandsschweißen im ersten Verfahrensschritt eine vor der Zone 16 liegende erste Schweißstelle 17 zwischen erstem Element 11 und zweitem Element 12 erzeugt, wie in 3b angedeutet ist, und im zweiten Verfahrensschritt eine hinter der Zone 16 liegende zweite Schweißstelle zwischen erstem Element 11 und zweitem Element 12 erzeugt.
-
Grundsätzlich kann bei beiden Verfahrensschritten die Lage der zweiten Elektrode 14 auf dem zweiten Element 12 unverändert bleiben. Will man aber die vorteilhafte Platzierung der beiden Elektroden 13, 14 nahe beieinander beibehalten, so wird im zweiten Verfahrensschritt auch die Lage der zweiten Elektrode 14 auf dem zweiten Element 12 verändert. Da die beiden Elektroden 13, 14 auf einem Schweißarm der Schweißmaschine in fester Zuordnung zueinander angeordnet sind, wird zur Durchführung des zweiten Verfahrensschritts gemäß 3b die Elementenanordnung relativ zu der unveränderten Elektrodenanordnung am Schweißarm so verschoben, bis die in 3b dargestellte Lage der beiden Elektroden 13, 14 erreicht ist.
-
Auch bei dem in 3 illustrierten modifizierten Verfahren kann zur Schonung des zweiten Elements 12 zwischen der zweite Elektrode 14 und dem zweiten Element 12 der in 2 skizzierte Stift 15 eingelegt werden.
-
In einem alternativen Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Element 11 und dem zweiten elektrisch leitfähigen Element 12, das in 4 skizziert ist, wird im ersten elektrisch leitfähigen Element 11, und zwar in dessen Auflagebereich auf dem zweiten elektrisch leitfähigen Element 12, wiederum die Zone 16 mit erhöhtem Widerstand hergestellt. Mit dem wiederum von oben her auf die Elementenanordnung mit obenliegendem ersten Element 11 und untenliegendem zweiten Element 12 unter Druckkraft erfolgenden Aufsetzen der Elektrodenanordnung werden die beiden Elektroden 13, 14 auf dem ersten Element 11 platziert, wobei die beiden Elektroden 13, 14 auf voneinander abgekehrten Seiten der Zone 16 liegen. Die Zone 16 mit erhöhtem elektrische Widerstand zwischen den beiden Elektroden 13, 14 bewirkt, dass der Fluss des Schweißstroms von der ersten Elektrode 13 zuerst in das erste Element 11, dann in das zweite Element 12 und schließlich in die zweite Elektrode 14 fließt und nicht unter Ausschluss des zweiten Elements 12 von der ersten Elektrode 13 direkt über das erste Element 11 zur zweiten Elektrode 14. Damit wird zwischen dem ersten Element 11 und dem zweiten Element 12 eine Diffusionszone erzeugt und eine hochfeste Widerstandschweißung mit guter elektrischer Leitfähigkeit erzielt.
-
Die Zone 16 mit erhöhtem elektrischen Widerstand wird in beiden Verfahren durch eine Querschnittsverengung 18 in einem Abschnitt des ersten Elements 11 hergestellt, wie dies in 3 und 4 skizziert ist. Alternativ kann die Zone 16 auch durch Ausbildung einer Mäanderstruktur 19 in einem Abschnitt des ersten Elements 11 gewonnen werden. Zwei Beispiele einer solchen Mäanderstruktur 19 sind in 5 und 6 dargestellt, wobei 5 das erste Element 11 gemäß dem ersten Beispiel in Draufsicht und 6 das erste Element 11 gemäß dem zweiten Beispiel in Seitenansicht zeigt. Im Beispiel der 6 hat somit der Elementabschnitt mit der Mäanderstruktur 19 keine Berührung zum zweiten Element 12 und liegt das erste Element 11 nur vor und hinter der Mäanderstruktur 19 auf dem zweiten Element 12 auf.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011006202 A1 [0018]
