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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement, ein Verbindungselement, das ein metallisches Kontaktelement und eine mit dem Kontaktelement verschweißte metallische Hülse umfasst, sowie eine Sonotrode zum Verschweißen einer metallischen Hülse einschließlich mindestens einer darin enthaltenen metallischen Ader einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2008 031 588 B4 ist ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement vorbekannt. Nach diesem Verfahren wird zunächst eine Metallhülse mit der elektrischen Leitung mittels Ultraschall kaltverschweißt. Anschließend wird die Metallhülse in das metallische Kontaktelement eingepresst und mit diesem über eine elektrisch leitfähige aushärtende Flüssigkeit, wie z. B. Lötzinn, verbunden. Anschließend kann noch ein Klebeschrumpfschlauch über das Verbindungselement geschoben und geschrumpft werden, um das Verbindungselement vor Umwelteinflüssen zu schützen.
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Beschreibung der Erfindung
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement sowie ein gemäß dem Verfahren resultierendes Verbindungselement vorzuschlagen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Sonotrode zur Durchführung von Ausführungsformen des Verfahrens anzugeben.
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Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Dementsprechend umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement. Gemäß dem Verfahren wird zunächst eine elektrische Leitung mit mindestens einer metallischen Ader bereitgestellt. Der Durchmesser der Ader kann beispielsweise zwischen 0,4 mm und 0,6 mm liegen und beträgt vorzugsweise 0,51 mm. Um einen nicht isolierten Teil der mindestens einen Ader wird eine metallische Hülse angeordnet. Anschließend wird die Hülse mit der darin enthaltenen mindestens einen Ader in das Kontaktelement eingelegt und die eingelegte Hülse wird einschließlich der darin enthaltenen mindestens einen Ader mit dem Kontaktelement verschweißt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Hülse und dem Kontaktelement sowie zwischen der mindestens einen Ader und der Hülse entsteht.
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In der Regel umfasst die elektrische Leitung mehrere metallische Adern. Beispielsweise kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung zum Einsatz kommen. Gängige Leiternennquerschnitte liegen bei 10 bis 59 mm2. Bei einem Durchmesser von 0,51 Millimeter pro Ader ergibt sich, dass eine Leitung mit einem Leiternennquerschnitt von 10 mm2 49 Adern umfasst. Eine Leitung mit einem Leiternennquerschnitt von 17 mm2 umfasst 84 Adern, eine Leitung mit einem Leiternennquerschnitt von 27 mm2 133 Adern, eine Leitung mit einem Leiternennquerschnitt von 42 mm2 210 Adern und eine Leitung mit einem Leiternennquerschnitt von 59 mm2 294 Adern. Die Adern sind in der Regel von einer Isolation umgeben, wobei die Adern an einem Ende der elektrischen Leitung abisoliert sind, so dass die Adern frei liegen. Eine Länge der Abisolierung kann beispielsweise zwischen 12 und 20 Millimetern liegen.
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Gegenüber dem Verfahren der
DE 10 2008 031 588 B4 kann aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens der Schritt des Einpressens der Hülse in das Kontaktelement entfallen. Dadurch kann ein Betriebsmittel eingespart werden und die Prozessdauer verringert sich. Darüber hinaus müssen die Leitung, die Hülse und das Kontaktteil nur einmal zueinander ausgerichtet werden, wodurch der Prozess schneller und sicherer wird. Zusätzlich kann die Verbindungsqualität verbessert sein, da die Hülse mit dem Kontaktelement nicht nur verlötet, sondern verschweißt wird.
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Das Verschweißen kann beispielsweise mittels Ultraschallschweißen erfolgen. Ultraschallschweißen ist recht kostengünstig und weist geringe Schweißzeiten auf. Gerade wenn die mindestens eine Ader aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht, besitzt Ultraschallschweißen den erheblichen Vorteil, dass eine auf der Oberfläche der mindestens einen Ader vorliegenden Oxidschicht aufgerieben wird, so dass eine elektrische Querverbindung innerhalb mehrerer Adern erreicht wird. Dadurch ist der Kontaktwiderstand besonders gering.
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In einer Ausführungsform wird die Hülse derartig um den nicht isolierten Teil der mindestens einen Ader angeordnet, dass ein vorderes Ende der Hülse über die mindestens eine Ader übersteht. Während des Verschweißens wird das vordere Ende der Hülse derartig zusammengepresst, dass eine erste Seite eines Randes der Hülse eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Randes der Hülse berührt. Das Zusammenpressen ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil am vorderen Ende der Hülse etwaige freiliegende Adern nicht ohne weiteres mit einem Überzug, wie z. B. einem Lötzinn, vor Korrosion geschützt werden können, da eine möglicherweise auf der Oberfläche vorliegende Oxidschicht eine vollständige Benetzung mit dem Lötzinn verhindert. Durch das Zusammenpressen ist die Hülse anschließend am vorderen Ende geschlossen. Dadurch wird die mindestens eine Ader vor Korrosionseinflüssen geschützt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die erste Seite des Randes mit der zweiten Seite des Randes am vorderen Ende der Hülse verschweißt. Dadurch wird die Hülse besonders sicher verschlossen. Im optimalen Falle ist der Verschluss gasdicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verbindungselement, das ein metallisches Kontaktelement und eine mit dem Kontaktelement verschweißte metallische Hülse umfasst, in der sich mindestens eine metallische Ader einer elektrischen Leitung befindet, die mit der Hülse verschweißt ist. Die Hülse kann beispielsweise mittels Ultraschallschweißen mit dem Kontaktelement verschweißt worden sein.
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Die mindestens eine Ader kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Das Verbindungselement sowie das Kontaktelement können Kupfer umfassen oder aus Kupfer bestehen. Beispielsweise kann Elektrolytkupfer zum Einsatz kommen, wobei sich weichgeglühtes Elektrolytkupfer als besonders geeignet erwiesen hat. Wenn die Hülse aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die mindestens eine Ader aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, ergibt sich ein besonders gutes Kaltverschweißungsergebnis zwischen der mindestens einen Ader und der Hülse.
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Vorzugsweise steht die Hülse an einem vorderen Ende über die mindestens eine Ader über und ist am vorderen Ende derartig zusammengepresst, dass eine erste Seite eines Randes der Hülse eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Randes der Hülse berührt. Gerade wenn die mindestens eine Ader aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die Hülse aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist, kann es zu Korrosion kommen, wenn elektrisch leitende Medien, sogenannte Elektrolyte, in die Hülse eindringen. Durch das Zusammenpressen der Hülse am vorderen Ende wird diese verschlossen, so dass das Eindringen von Elektrolyten weitgehend verhindert wird und die Korrosionsgefahr gemindert ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erste Seite des Randes mit der zweiten Seite des Randes am vorderen Ende der Hülse miteinander verschweißt. Dadurch ist die Hülse besonders dicht verschlossen.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine besonders geformte Sonotrode zum Verschweißen einer metallischen Hülse einschließlich mindestens einer darin enthaltenen metallischen Ader einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement vorgeschlagen. Die Sonotrode weist dabei einen Vorsprung auf zum Zusammenpressen eines vorderen Endes der Hülse, das über die mindestens eine Ader übersteht. Mit Hilfe des Vorsprungs wird während des Verschweißens eine erste Seite eines Randes der Hülse auf eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Randes gepresst. Anders ausgedrückt besitzt die Sonotrode zwei Wirkflächen auf unterschiedlichen Höhen. Diese können beispielsweise über einen konkaven Übergang miteinander verbunden sein.
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Der Vorsprung kann beispielsweise eine Höhe zwischen 3 und 5 Millimetern, insbesondere von im Wesentlichen 4 Millimetern, aufweisen. Die Breite kann z. B. zwischen 2 und 10 Millimetern, insbesondere zwischen 4 und 6 Millimetern, liegen. Mit diesen Abmessungen wird ein sicherer Verschluss der Hülse an dessen vorderem Ende erreicht.
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In einer Ausführungsform ist der Vorsprung starr mit einem Hauptkörper der Sonotrode verbunden. Der Vorsprung ist also einstückig mit dem Hauptkörper der Sonotrode ausgebildet. Dadurch bewegt sich der Vorsprung synchron mit dem Hauptkörper, so dass es ebenfalls zu einer Verschweißung der Hülse an ihrem vorderen Ende kommt. Es wird also die erste Seite des Randes der Hülse mit der zweiten Seite des Randes der Hülse verschweißt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Vorsprung vom Hauptkörper der Sonotrode akustisch entkoppelt. Dies kann beispielsweise durch eine schwimmende Lagerung des Vorsprungs auf dem Hauptkörper der Sonotrode erreicht werden. Bei dieser Ausführungsform führt der Vorsprung beim Verschweißen nicht dieselben Bewegungen durch wie der Hauptkörper der Sonotrode, so dass das vordere Ende der Hülse nur zusammengedrückt, aber nicht verschweißt wird.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Weitere Details und damit zusammenhängende Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei zeigen:
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1a eine elektrische Leitung mit einer metallischen Hülse nach dem Stand der Technik;
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1b die Leitung und Hülse aus 1a in einem kaltverschweißten Zustand;
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1c die mit der Hülse verschweißte Leitung aus 1b beim Einlegen in ein Kontaktelement;
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1d die Leitung mit Hülse und das Kontaktelement aus 1c in einem zusammengepressten Zustand;
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1e die Leitung mit Hülse sowie das Kontaktelement aus 1d nach dem Verlöten;
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2 eine elektrische Leitung mit einer metallischen Hülse beim Einlegen in ein metallisches Kontaktelement;
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3 eine Hülse mit Leitung, die in das Kontaktelement eingelegt ist, sowie eine Sonotrode;
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4 eine Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonotrode beim Verschweißen einer eingelegten Hülse einschließlich der darin enthaltenen Adern mit dem Kontaktelement;
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5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements sowie
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6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche und gleichwirkende Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit demselben Bezugszeichen benannt.
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Die
1a bis
1e illustrieren ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement nach dem Stand der Technik. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
DE 10 2008 031 588 B4 beschrieben. In der
1a ist eine elektrische Leitung
1 gezeigt mit einer Isolation
2 und einer Vielzahl von Adern
3 aus Aluminium. Über einen nicht isolierten Teil
4 der Adern
3 wird eine Hülse
5 mit einem trompetenförmig aufgeweiteten Kragen
6 geschoben. Anschließend wird die Hülse
5 mit den Adern
3 mittels Ultraschall verschweißt, so dass sich die in
1b dargestellte Situation ergibt. Nach dem Ultraschallschweißen ist die Hülse
5 platt gedrückt, wobei in den Seitenbereichen Einkragungen
7 entstanden sind, die in den Querschnitt der Adern
3 hineinragen. An einem vorderen Ende
8 steht die Hülse
5 über die Adern
3 über, so dass sich an dem vorderen Ende
8 keine Adern
3 in der Hülse befinden. Deswegen ist die Hülse
5 am vorderen Ende
8 flacher als beispielsweise in der Mitte der Hülse
5, weil am vorderen Ende
8 die Adern
3 kein Hindernis für das Zusammenpressen darstellen. Dennoch ist die Hülse
5 am vorderen Ende
8 geöffnet, so dass hier Elektrolyte ungehindert eindringen können.
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Nach dem Verschweißen wird die Hülse 5 in ein metallisches Kontaktelement 9 eingelegt, wie in 1c zu sehen ist, und mit diesem Kontaktelement 9 verpresst, so dass sich die in 1d dargestellte Situation ergibt. Anschließend wird die Hülse 5 mittels eines Lötzinns 10 abgedichtet und gleichzeitig noch stärker mit dem Kontaktelement 9 verbunden. Auf diese Weise entsteht das in 1e dargestellte Verbindungselement 11, das insbesondere die Hülse 5 und das Kontaktelement 9 umfasst.
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Anhand der 2 bis 5 soll im Folgenden eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden einer elektrischen Leitung 1 mit einem metallischen Kontaktelement 9 erläutert werden. In der 2 ist eine elektrische Leitung 1 mit mehreren Aluminiumadern 3 dargestellt. Um einen nicht isolierten Teil der Adern 3 ist eine metallische Hülse 5 angeordnet, deren vorderes Ende 8 über die Adern 3 übersteht. Die Hülse 5 wird mit den darin enthaltenen Adern 3 in das Kontaktelement 9 eingelegt.
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In der 3 ist dargestellt, wie die in das Kontaktelement 9 eingelegte Hülse einschließlich der darin enthaltenen Adern 3 mit dem Kontaktelement 9 mittels einer Sonotrode 12 verschweißt wird. Die abgebildete Ausführungsform einer Sonotrode 12 weist einen Hauptkörper 13 auf, mit dem ein Vorsprung 14 einstückig verbunden ist. Im gezeigten Beispiel hat der Vorsprung 14 eine Höhe h von 4 Millimetern und eine Breite b von 5 Millimetern. Die Sonotrode 12 wird entlang der durch den Pfeil 15 angeordneten Richtung auf die Hülse 5 gepresst, so dass die Hülse 5 zusammengedrückt und mit dem Kontaktelement 9 verschweißt wird. Gleichzeitig entsteht eine Verschweißung zwischen den Adern 3 und der Hülse 5.
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In der 4 ist die Sonotrode 12 während des Verschweißens in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die von der Isolation 2 umgebenen Adern 3 der Leitung 1 ragen in die Hülse 5 hinein. Die Hülse 5 wird hauptsächlich von dem Hauptkörper 13 der Sonotrode 12 zusammengepresst. Die hierfür nötige Auflagefläche wird durch einen Amboss 17 bereit gestellt. Der Vorsprung 14 der Sonotrode 12 verschweißt eine erste Seite 18 des Randes 16 der Hülse 5 mit einer zweiten Seite 19 des Randes 16 der Hülse 5. Gleichzeitig wird der Rand 16 mit dem Kontaktelement 9 verschweißt. Auf diese Weise ist die Hülse 5 an ihrem vorderen Ende 8 gasdicht geschlossen.
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Die resultierende Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements ist in 5 dargestellt. Das Verbindungselement 20 umfasst das Kontaktelement 9 und die mit dem Kontaktelement 9 verschweißte Hülse 5, in der sich die Adern 3 der Leitung 1 befinden, die ihrerseits mit der Hülse 5 verschweißt sind. Vorliegend bestehen die Adern 3 aus Aluminium, die Hülse 5 aus weichgeglühtem Elektrolytkupfer und das Kontaktelement 9 aus Kupfer. Die Hülse 5 ist an dem vorderen Ende 8 derartig zusammengepresst und verschweißt, dass die erste Seite 18 des Randes 16 der Hülse 5 mit der zweiten Seite 19 des Randes 16 der Hülse 5 stoffschlüssig verbunden ist.
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Die 6 illustriert zusammenfassend eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens V zum Verbinden einer elektrischen Leitung mit einem metallischen Kontaktelement. In Schritt S1 wird zunächst eine elektrische Leitung mit mindestens einer metallischen Ader bereit gestellt. Um einen nicht isolierten Teil der mindestens einen Ader wird in Schritt S2 eine metallische Hülse angeordnet. Anschließend wird in Schritt S3 die Hülse mit der darin enthaltenen mindestens einen Ader in das Kontaktelement eingelegt. In Schritt S4 wird dann die eingelegte Hülse einschließlich der darin enthaltenen mindestens einen Ader mit dem Kontaktelement verschweißt, so dass es zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Hülse und dem Kontaktelement sowie zwischen der mindestens einen Ader und der Hülse kommt. Vorzugsweise wird in Schritt S4 gleichzeitig, wie bereits dargestellt, ein vorderes Ende der Hülse zusammengedrückt und verschweißt. In Schritt S5 können weitere Maßnahmen durchgeführt werden, wie z. B. eine Verlötung der Hülse mit dem Kontaktelement sowie das Anbringen eines Schrumpfschlauches über das Verbindungselement, um die Sicherheit der Verbindung und den Schutz vor Korrosion weiter zu verbessern.
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Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen. An den dargestellten Ausführungsformen können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich, wie er in den beigefügten Patentansprüchen festgelegt ist, zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Leitung
- 2
- Isolation
- 3
- metallische Adern
- 4
- nicht isolierter Teil der Adern
- 5
- metallische Hülse
- 6
- aufgeweiteter Kragen
- 7
- Einkragung
- 8
- vorderes Ende der Hülse
- 9
- metallisches Kontaktelement
- 10
- Lötzinn
- 11
- Verbindungselement nach dem Stand der Technik
- 12
- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sonotrode
- 13
- Hauptkörper
- 14
- Vorsprung
- 15
- Pfeil
- 16
- Rand der Hülse
- 17
- Amboss
- 18
- erste Seite des Randes der Hülse
- 19
- zweite Seite des Randes der Hülse
- 20
- Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements
- b
- Breite des Vorsprungs
- h
- Höhe des Vorsprungs
- S1
- Bereitstellen einer elektrischen Leitung
- S2
- Anordnen einer metallischen Hülse um einen nicht isolierten Teil der mindestens einen Ader
- S3
- Einlegen der Hülse in das Kontaktelement
- S4
- Verschweißen der eingelegten Hülse einschließlich der darin enthaltenen mindestens einen Ader mit dem Kontaktelement
- S5
- weitere Maßnahmen
- V
- Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008031588 B4 [0002, 0007, 0031]
