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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strombandes gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zum Leiten von Strom ist es notwendig, dass ein entsprechendes Bauteil, ein Verbraucher oder aber auch eine Kabelleitung mit einer von der Stromquelle kommenden Zuführleitung gekoppelt wird. Hierzu sind insbesondere im Bereich der Hochstromtechnik sogenannte Strombänder bekannt. Dabei werden zwei voneinander beabstandete Kontaktstellen über das Stromband miteinander in elektrisch leitenden Kontakt gebracht. Um hier jedoch Ströme mit einer Amperezahl von mehr als 50 A zu leiten, weisen die in Rede stehenden Strombänder mitunter eine Querschnittsfläche von 100 × 20 mm auf. Häufige Einsatzgebiete sind Schaltanlagen, Industrieöfen, Trafos, Generatorstationen, Elektrolyseanwendungen, Elektrolokomotiven oder aber auch Vakuumanlagen.
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Damit zum einen an der jeweiligen Koppelungsstelle ein einwandfrei elektrischer Kontakt sichergestellt ist und das Stromband selbst elektrisch gut leitfähig ist, ist es zumeist aus Edelmetallen, insbesondere aus Kupfer ausgebildet.
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Um nunmehr beispielsweise zwischen zwei verschiedenen Bauteilen unterschiedliche Längenausdehnungen, Schaltwege, Produktionstoleranzen oder aber auch Vibrationen auszugleichen, sind aus dem Stand der Technik weiterhin flexible Strombänder bekannt. Ein solches Stromband ist zumeist als längliches Bauteil ausgebildet. An seinen Enden weist es dann jeweils ein festes Endstück auf, das zumeist massiv ausgebildet ist, um das Stromband an der jeweiligen Koppelungsstelle zu koppeln. Insbesondere erfolgt diese Koppelung durch die Montage mit einem Schraubbolzen. Zwischen den zwei massiven Endstücken erstreckt sich dann ein Lamellenpaket, bestehend aus mehreren übereinander geschichteten bzw. paketierten Folienbändern. Jede Folie und mithin der Lamellenverbund ermöglicht, gegenüber dem massiven und dadurch festen Endstück, eine flexible Ausgestaltung und somit beispielsweise ein Biegen oder aber auch ein Stauchen, ohne dabei eine mechanische Beschädigung oder aber eine Einbuße in der eklektischen Leitfähigkeit des Strombandes herbeizuführen.
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Derartige flexible Strombänder werden aus dem Stand der Technik auf zwei verschiedenen Wegen hergestellt. Zum einen werden Folien übereinander paketiert, die in ihrer Längenausdehnung eine Längserstreckung aufweisen, die der des späteren Strombandes gleicht. Die derart aufeinander paketierten Folien werden sodann an ihren Enden in einer Schweißvorrichtung durch ein Widerstandsschweißverfahren miteinander stoffschlüssig gekoppelt, so dass in den Endbereichen aufgrund des Widerstandsschweißen ein Aufschmelzen der einzelnen Folien erfolgt und diese zu einem festen massiven Endbereich miteinander stoffschlüssig gekoppelt werden. Nachteilig hierbei ist, dass in den Endbereichen Einschlüsse von Luft und/oder Schmierstoffen vorliegen können, die zwischen den einzelnen Folien vorliegend sind. Darüber hinaus muss um nunmehr den Endbereich mit einer Schraubverbindung an einem Gegenstand zu befestigen, anschließend der Endbereich nachbearbeitet werden, beispielsweise mit einem Bohrverfahren, um Montagelöcher in den durch das Widerstandsschweißen hergestellten Endbereich einzubringen. Hier leidet mitunter die Präzision der eingebrachten Löcher, wobei insbesondere in derart hergestelltes Stromband nur schwer in einer Bohrvorrichtung aufgrund der flexiblen Lamellen anordnenbar ist. Ein solches Herstellungsverfahren ist beispielsweise aus der
DE 197 34 968 A1 bekannt. Die Enden des dort beschriebenen Dehnungsbandes werden übereinander gelagert und durch Pressschweißen zu einem kompakten Paket verbunden.
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Ein zweites Herstellungsverfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei dem die einzelnen Folien zu einem Lamellenpaket übereinander gestapelt werden und sodann an ihren Stirnseiten mittels eines thermischen Fügeverfahrens verschweißt werden. Die dabei hergestellte Schweißnaht wird sodann mechanisch spanabhebend nachbehandelt, beispielsweise durch einen Schleif oder Fräsvorgang und im Anschluss daran wird das so hergestellte, an seinen Enden verschweißte Lamellenpaket jeweils an einer Endseite stirnseitig an ein Endstück gelegt und die Stirnseite des Endstückes und die zuvor hergestellte Schweißnaht des Lamellenpaketes werden beidseitig mit einer jeweiligen Kehlnaht miteinander verschweißt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist zum einen das Durchführen von mindestens zwei Schweißvorgängen, was zu erhöhen Produktionskosten führt sowie die Tatsache, dass beim Zusammenschweißen der einzelnen Folien zu dem Lamellenpaket eine Längenänderung erfolgt, die zu hohen Produktionstoleranzen in der Herstellung bei Strombändern mit diesem Verfahren führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem flexible Strombänder gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren kostengünstiger und zugleich mit höherer geometrischer Präzision, bei mindestens gleichbleibender elektrischer Leitfähigkeit herstellbar sind.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Herstellen eines Strombandes gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das Verfahren zum Herstellen eines Strombandes, wobei das Stromband mindestens ein massives Endstück aufweist, an das ein flexibles Lamellenpaket gekoppelt wird, ist erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Bereitstellen mindestens eines Endstückes und eines Lamellenpaketes, wobei das Lamellenpaket mindestens zwei übereinanderliegende Folien aufweist,
- – Anlegen einer Stirnseite des Lamellenpaketes an eine Stirnseite eines Endstückes, wobei zwischen den Stirnseiten ein Abstand von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,5 mm vorliegt und Fixieren der Lage zueinander,
- – Elektronenstrahlschweißen des Lamellenpaketes mit dem Endstück, so dass jede Folie mit Ihrer Folienstirnseite im Wesentlichen vollflächig mit dem Endstück stoffschlüssig gekoppelt wird.
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Der erfindungswesentliche Vorteil ist darin zu sehen, dass zum einen eine einfache und geometrisch hoch präzise Vorbehandlung eines jeweiligen Endstückes möglich ist. Dadurch können Löcher Ausnehmungen oder sonstige Bearbeitungen an den Endstücken, frei und unabhängig von dem Lamellenpaket vorgenommen werden. Durch das erfindungsgemäße Elektronenstrahlschweißen ist es weiterhin möglich in nur einem Schweißvorgang jede einzelne Folie des Lamellenpaketes mit ihrer Stirnseite vollständig an das Endstück zu koppeln. Aufgrund der Eindringtiefe von bis zu 200 mm der Elektronenstrahlen können somit nicht nur Bänder mit einer Dicke von ca. 5 mm, sondern auch Bänder mit einer Dicke von 50 oder gar 100 mm bei einem Schweißvorgang mit gleichbleibender Präzision hergestellt werden. Das Elektronenstrahlschweißen kann dabei unter Vakuum durchgeführt werden, aber auch unter einer entsprechenden Elektronenschweißatmosphäre.
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Gleichzeitig bietet jedoch die Möglichkeit des stirnseitigen Anlegens von Endstück und Lamellenpaket mit einem Abstand von weniger als 1 mm und insbesondere weniger als 0,5 mm, ganz besonders bevorzugt nahezu ein spaltfreies Anliegen von Lamellenpaket und Endstück die Möglichkeit, ein geometrisch hochpräzises Stromband herzustellen, und die auftretenden geometrischen Produktionstoleranzen zu minimalisieren. Bei dem bevorzugt spaltfreien Aneinanderliegen der Stirnseiten, sind gegebenenfalls Unebenheiten aufgrund der Einzelherstellung der Folien und/oder des Endstückes zu vernachlässigen.
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Bevorzugt weist das Stromband im Rahmen der Erfindung zwei massive Endstücke, jeweils an seinen Endseiten auf, wobei dann das Lamellenpaket zwischen den Endstücken angeordnet und mit jeweils den Endstücken gekoppelt wird.
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Im Rahmen der Erfindung werden bevorzugt Strombänder mit länglicher Konfiguration ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich Strombänder mit anderen geometrischen Konfigurationen, beispielsweise in U-Form, L-Form oder beliebigen Mischformen auszubilden. Mit dem erfindungsgemäßen Stromband ist es möglich Amperestärken von 50 bis zu 20.000 A zu leiten, wobei Strombelastungen von 0,2 A/mm2 bis zu 3 A/mm2 zu leiten.
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Insbesondere wird das Endstück selbst als quaderförmiges Bauteil bereitgestellt, wobei das Endstück bevorzugt aus einer Kupferlegierung ausgebildet ist. Das Endstück ist als quaderförmig flaches Bauteil ausgebildet und weist eine Dicke von insbesondere 2 bis 200 mm, bevorzugt 5 bis 150 mm auf. Die Aufbauhöhe bzw. Dicke des quaderförmigen Bauteils wird maßgeblich bestimmt durch zum einen den elektrisch zu leitenden Strom, zum anderen den zu erwartenden mechanischen Beanspruchungen. Insbesondere kann das quaderförmige Bauteil mit Montagelöchern versehen sein, um später das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stromband dann entsprechend montieren zu können. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass das Endstück selbst aus einer Aluminiumlegierung, aus einer Silberlegierung oder aber auch aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus Stahl hergestellt ist. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, dass das Endstück selbst beschichtet ist, und somit beispielsweise einen Kupferkern und eine silberne Oberflächenschicht aufweist.
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Weiterhin besonders bevorzugt weisen die Folien selbst eine Dicke von 0,01 bis 3 mm, insbesondere von 0,02 bis 2 mm auf, wobei die Folien insbesondere aus einer Kupferlegierung ausgebildet sind. Auch hier ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Folien selbst aus einer Aluminiumlegierung, aus einer Silberlegierung oder aber auch aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus Stahl ausgebildet sind. Die einzelnen Folien werden dann übereinander zu einem Lamellenpaket gestapelt bzw. paketiert, so dass ein Lamellenpaket entsteht, das im Wesentlichen eine gleiche Aufbauhöhe bzw. Dicke besitzt, die der des zuvor beschriebenen Endstückes gleicht.
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Bei einem Ineinanderlegen der Stirnseiten ist dann die Dicke des Lamellenpaketes und die Dicke des Endstückes im Wesentlichen gleich, wobei durch das Elektronenstrahlschweißen eine entsprechende Schweißnaht erzeugt werden kann.
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Ein weiterer erfindungswesentlicher Vorteil ist, dass die Materialauswahl von Endstück und Folien beliebig untereinander kombinierbar ist. So kann beispielsweise ein Endstück aus einer Kupferlegierung mit Silberfolien oder aber Aluminiumfolien verschweißt werden oder umgekehrt. Weiterhin besonders bevorzugt ist aufgrund des Elektronenstrahlschweißens nur eine geringe Wärmeeinflusszone an den Folien selbst, mithin eine nur geringe aufgrund des Schweißvorganges entstehende Gefügeänderung zu verzeichnen, so dass die Flexibilität der Folien auch im Anbindungsbereich nach dem Schweißen wesentlich erhalten ist.
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Damit die beiden Bauteile zueinander ausgerichtet und positioniert werden können, mithin die Stirnseite des Lamellenpakets an die Stirnseite des Endstückes angelegt werden kann und anschließend der Schweißvorgang durchführbar ist, sieht das erfindungsgemäße Verfahren verschiedene Positionierungsmöglichkeiten vor, die untereinander kombinierbar sind.
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So ist einerseits vorgesehen, dass das Endstück mit dem Lamellenpaket über eine Hilfsvorrichtung zueinander positioniert und anschließend in der Verschweißposition lagefixiert wird. Unter einer Hilfsvorrichtung ist beispielsweise eine Spannzange oder aber auch ein Funktionsprinzip nach Art einer Schraubzwinge zu verstehen.
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Eine weitere Möglichkeit sieht vor, dass das Lamellenpaket und das Endstück an den jeweiligen Stirnseiten formschlüssig und/oder kraftschlüssig zueinander fixiert werden. Hierunter ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass das Endstück besonders bevorzugt eine Lippe aufweist, wobei die Lippe gegenüber der Stirnseite des Endstückes vorsteht und das Lamellenpaket auf die Lippe selbst aufgelegt wird. Hier ist es nun möglich, das Lamellenpaket selber mit der Lippe beispielsweise durch einen Niet formschlüssig zu koppeln und so zu fixieren, dass anschließend an den Stirnseiten der Schweißvorgang durchführbar ist.
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Alternativ oder ergänzend dazu ist es möglich, dass das Endstück selbst zwei Lippen aufweist, wobei beide Lippen gegenüber der Stirnseite des Endstückes vorstehen und eine Tasche ausbilden, wobei das Lamellenpaket in der Tasche angeordnet wird und besonders bevorzugt zwischen den Lippen verpresst wird, so dass eine kraftschlüssige Verbindung entsteht. Im Anschluss daran wird durch eine der Lippen hindurch das Elektronenstrahlschweißverfahren auf die so zueinander positionierten Bauteile angewandt und die Stirnseiten miteinander verschweißt.
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Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere die unten liegende Lippe angeordnet, um gegebenenfalls einen aufschmelzenden Werkstoff während des Schweißens aufzunehmen und dient mithin als Badauflauf. Es läuft somit an der Unterseite kein Schweißgut aus der hergestellten Schweißnaht aus, wobei die Oberseite der Schweißnaht aufgrund des Elektronenstrahlschweißens eine optisch ansprechende Oberfläche bedingt durch das Elektronenstrahlschweißen selbst aufweist. Sollte die Ausgestaltungsvariante vorsehen, dass das Endstück keine Lippe aufweist, so ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass unterhalb der herzustellenden Schweißnaht eine Platte angeordnet ist, die eventuell austretendes Schweißgut aufnimmt und somit auch hier eine optisch ansprechende Schweißnaht erzeugt, die insbesondere auch eine hohe mechanische Festigkeit hat, da keine Poren oder Ausläufe vorhanden sind.
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Weitere Merkmale, Vorteile, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1a und b ein aus dem Stand der Technik bekanntes Herstellungsverfahren eines Strombandes,
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2 ein nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestelltes Stromband,
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3 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Stromband mit unten liegender Lippe am Endstück,
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4 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Stromband mit unten und oben liegender Lippe
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5 ein Stromband gemäß 4, welches zusätzlich vernietet ist,
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6a und b ein erfindungsgemäß hergestelltes Stromband gemäß 4, welches zusätzlich für den Fügevorgang verpresst ist.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1a und b zeigen ein Herstellungsverfahren für ein Stromband 1, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierzu wird zunächst ein Lamellenpaket 2, bestehend aus einzeln übereinander geschichteten Folien 3 an einer Stirnseite 4 verschweißt. Insbesondere handelt es sich dabei um ein WIG-Schweißvorgang. Die so hergestellte Schweißnaht 5 wird im Anschluss daran mechanisch nachbearbeitet insbesondere geschliffen und im Anschluss daran der Stirnseite 4 an ein Endstück 6 angelegt. Das Endstück 6 ist hier dargestellt als quaderförmiger Körper, mit zulaufender Spitze 7, wobei im Anschluss eine obere und eine untere Kehlnaht 8 angesetzt wird, um das Lamellenpaket 2 mit dem Endstück 6 stoffschlüssig zu koppeln.
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Dem gegenüber sieht das erfindungsgemäße Schweißverfahren gemäß 2 vor, dass das Lamellenpaket 2, bestehend aus den einzelnen Folien 3 zunächst extern paketiert wird und sodann die Stirnseite 4 des Lamellenpaketes 2 mit einer Stirnseite 9 des Endstückes 6 gegeneinander positioniert werden. Sodann wird eine Elektronenstrahlschweißung durchgeführt, die eine Elektronenstrahlschweißnaht 10 erzeugt und im Wesentlichen beide Stirnflächen 4, 9 vollständig stoffschlüssig miteinander koppelt. Mithin ist auch jede einzelne Folie 3 im Wesentlichen stoffschlüssig über ihre gesamte Breite mit der Stirnseite 9 des Endstückes 6 gekoppelt.
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3 zeigt eine dazu alternative Ausführungsvariante, wobei das Endstück 6 hier eine gegenüber seiner Unterseite 11 überstehende Lippe 12 aufweist, auf die das Lamellenpaket 2 aufgelegt wird und sodann ein Elektronenstrahlschweißen erfindungsgemäß durchgeführt wird. Die dabei entstehende Elektronenschweißnaht 10 kann optional wie in 3 dargestellt nicht nur an den Stirnseiten, sondern auch umlaufend an der unteren Lippe 12 mit ausgebildet werden.
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In Ergänzung dazu zeigt 4 eine alternative Ausführungsvariante, bei der das Endstück 6 eine untere Lippe 12 sowie eine obere Lippe 13 aufweist, wobei die obere und die untere Lippe 13 jeweils gegenüber der Stirnseite 9 des Endstückes 6 vorstehend ausgebildet ist und mithin eine Aufnahme für das Lamellenpaket 2 bilden. Bei Durchführung des Elektronenstrahlschweißens wird dann der Elektronenstrahl durch die obere Lippe 13 hindurch bis hin zu der untersten Folie 14 geleitet, so dass zum einen die Stirnseite 4 des Lamellenpaketes 2 mit der Stirnseite 9 des Endstückes 6 verschweißt wird, zum anderen die Lippe 12 zunächst durch den Elektronenstrahl getrennt und sodann durch den Schweißvorgang wieder mit dem Endstück 6 verbunden wird.
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5 zeigt eine dazu alternative Möglichkeit, wobei das Lamellenpaket 2 zusätzlich mit dem Endstück 6 durch Niete 15 formschlüssig mit dem Lamellenpaket 2 gekoppelt. Hier wird es insbesondere vermieden, dass das Lamellenpaket 2 in die dargestellte Richtung R von dem Endstück 6 wegbewegt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere vorgesehen, dass das Niet, beispielsweise auch nur in Form eines Rundstabes ausgebildet wird, der für die Zeit des Fügevorganges eingesteckt bleibt und im Anschluss an das Fügen entfernt wird, so dass die volle Flexibilität des Strombandes gegeben ist.
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6a und b zeigen eine alternative Ausführungsvariante zu der in 4 beschriebenen Möglichkeit, wobei auch hier eine obere Lippe 13 und auch eine untere Lippe 12 ausgebildet sind, wobei zwischen der oberen Lippe 13 und der unteren Lippe 12 das Lamellenpaket 2 mit seinen einzelnen Folien 3 angeordnet wird. Zusätzlich ist wie in 6b gut ersichtlich ein vorderes Ende 16 der oberen Lippe 13 derart gegen die untere Lippe 12 gepresst worden, dass die dazwischen befindlichen Folien 3 des Lamellenpaketes 2 kraftschlüssig in einem Aufnahmebereich 17 gehalten werden. So kann der Elektrodenschweißstrahlvorgang durchgeführt werden, und die Elektronenstrahlschweißnaht 10 von einer Oberfläche 18 des Endstückes 6 aus hindurch bis hin zur untersten Folie 14 eingebracht werden.
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Die untere Lippe verhindert dabei, hier gut dargestellt ein Austreten von aufschmelzendem Schweißgut auf der Unterseite 19 des Endstückes 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromband
- 2
- Lamellenpaket
- 3
- Folien
- 4
- Stirnseite zu 2
- 5
- Schweißnaht zu 4
- 6
- Endstück
- 7
- Spitze
- 8
- Kehlnaht
- 9
- Stirnseite zu 6
- 10
- Elektronenstrahlschweißnaht
- 11
- Unterseite zu 6
- 12
- Lippe
- 13
- obere Lippe
- 14
- unterste Folie
- 15
- Niet
- 16
- vorderes Ende
- 17
- Aufnahmebereich
- 18
- Oberfläche zu 6
- 19
- Unterseite zu 6
- R
- Richtung
