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Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitungsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, wie zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Leitungsvorrichtung. Demnach betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, welches ein Bordnetz oder ein zentrales Energieversorgungssystem aufweist, welche die elektrische Leitungsvorrichtung aufweist. Mithin wird die elektrische Leitungsvorrichtung in einem Bordnetz oder einem zentralen Energieversorgungssystem eines Fahrzeugs verwendet. Die elektrische Leitungsvorrichtung kann Teil eines Multi- oder Mehrschichtleiters für ein Fahrzeug sein.
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Als zentrale Energieversorgungssysteme oder Bordnetze sind Kabelbäume in Form von Rundleitern bekannt, die große Kabellängen mit zum Teil starken Durchmessern und hohen Gewichten aufweisen. Die Leiter sind in der Regel aus Kupfer, das aufgrund seiner hohen Dichte zu hohen Gewichten des Kabelbaums beiträgt.
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Nicht zuletzt aufgrund von Ressourcen-, Kosten- und Gewichtsproblemen bei der Verwendung von Kupfer in automotiven Elektroniksystemen wird versucht, Kupfer durch Aluminium zu ersetzen. Obwohl die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium im Vergleich zu Kupfer deutlich niedriger liegt, ist bei Verwendung von Aluminium eine beträchtliche Kosten- und Gewichtseinsparung zu erzielen, selbst wenn dabei größere Leitungsquerschnitte verwendet werden müssen.
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Durch die Anwendung von Flachleitern, insbesondere aus Aluminium, können der Einbauraum und das Leitergewicht stark reduziert werden. Der Flachleiter wird hierbei an der Bodengruppenstruktur vom Hinterraum, wie zum Beispiel Kofferraum, bis zum Vorderraum, wie zum Beispiel Motorraum, des Fahrzeugs verlegt.
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Ferner hat die geometrische Form der Flachleiter elektrotechnische Vorteile gegenüber Rundleitern. Durch einen mehrschichtigen Flachleiter kann neben der Energie- und Signalversorgung auch die Masserückführung unabhängig von den Karosseriewerkstoffen im Kraftfahrzeug erfolgen. Durch den geschichteten, flachen Aufbau werden zusätzlich die elektromagnetischen Felder außerhalb des mehrschichtigen Leiters, insbesondere Multischiene, eliminiert.
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Um die Verbraucher im Fahrzeug mit elektrischer Energie oder elektrischen Signalen versorgen zu können, muss die Multischiene mit zu dem oder den Verbrauchern führenden Leitungen kontaktiert werden.
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Allerdings ist es technisch herausfordernd, wenn Kontaktierungen an Aluminiumleitern erforderlich sind. Herkömmliche Kontaktierungssysteme, wie zum Beispiel Schraubanschlüsse mittels Kabelschuhen, Steckverbindungen, Lötverbindungen, TOX®-Verbindungen, sind für die Kontaktierung von Kupfer oder kupferhaltigen Werkstoffen entwickelt worden und stoßen bei Aluminium schnell an ihre Grenzen.
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Gegenüber der Kontaktierung von Kupfer treten bei Aluminium im Wesentlichen zwei Schwächen auf, nämlich das Setzverhalten und das Korrosionsverhalten. Bei flächigen Pressverbindungen, wie zum Beispiel bei Schraubverbindungen, neigt Aluminium zum Setzen. Dadurch sinkt die Presskraft innerhalb des verschraubten Bereichs ab, was in weiterer Folge zu Korrosion und/oder höheren Übergangswiderständen führt. Schließlich kann dies zum Versagen der elektrischen Verbindung führen. Ungeschützte Aluminiumflächen sind stark korrosionsgefährdet und somit im automotiven Umfeld als sehr kritisch zu betrachten. Zusätzlich zu umfeldbedingten Korrosionsproblemen treten auch elektrochemische Reaktionen auf, aufgrund der elektrochemischen Spannungsreihe verschiedenartiger Metalle, welche zum Abbau des unedleren Metalls führen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Leitungsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, anzugeben, welche eine verbesserte Kontaktierung eines Leiters an einen Hauptleiter erlaubt. Ferner ist es eine Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Leitungsvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Die Erfindung geht von einer elektrischen Leitungsvorrichtung aus, die einen Hauptleiter und einen Anschlusskontakt an dem Hauptleiter aufweist. Eine weitgefasste Idee der Erfindung ist, dass der Anschlusskontakt einen Adapter zwischen dem Leiter, der zumindest zu einem Verbraucher führt, und dem Hauptleiter, von dem dieser Leiter elektrisch abzweigen soll, bildet. Der Anschlusskontakt erlaubt die Kontaktierung dieses Leiters an den Hauptleiter auf eine einfache Weise, wobei eine direkte Kontaktierung des Hauptleiters an den Hauptleiter nicht oder nur mit erheblichem fertigungstechnischen Aufwand möglich wäre, insbesondere deshalb, weil das Material des Hauptleiters ein anderes ist als das Material des weiteren Leiters.
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Der Hauptleiter kann zum Beispiel ein Rundleiter oder vorzugsweise ein Flachleiter oder eine Stromschiene sein. Der Flachleiter oder die Stromschiene können im Querschnitt eine größere Breite als Höhe aufweisen.
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Der Hauptleiter kann einer von mehreren Leitern sein, die zu einem Hauptleitungsstrang, insbesondere einem Mehrschichtleiter, zusammengefasst sind. Dieser Mehrschichtleiter kann zum Beispiel den eingangs genannten Multi- oder Mehrschichtleiter bilden.
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Der Hauptleitungsstrang kann zum Beispiel zwei Hauptleiter aufweisen, wovon einer einen Pluspol und der andere einen Minuspol bildet. Diese beiden Hauptleiter können somit ein Hauptleiterpaar bilden. Der Hauptleitungsstrang kann auch mehr als zwei Hauptleitungen, wie zum Beispiel drei, oder vorzugsweise mehrere Hauptleiterpaare aufweisen. Zum Beispiel kann der Hauptleitungsstrang mehrere Hauptleiterpaare aufweisen, die unterschiedlichen Stromkreisen zugeordnet sind. Zum Beispiel kann ein Stromkreis für die Energie- und Signalübertragung an Geräten vorgesehen sein, die hinsichtlich der Signalqualität unempfindlich sind, wie zum Beispiel Fensterheber, Servomotoren, Beleuchtung usw. Ein davon getrennter Stromkreis kann zum Beispiel zur Energie- und Signalübertragung für Geräte vorgesehen sein, die hinsichtlich der Signalqualität hohe Anforderungen stellen, wie zum Beispiel Steuergeräte.
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Umfasst der Hauptleitungsstrang mehrere Hauptleiter, können diese zum Beispiel in Breitenrichtung nebeneinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Hauptleiter jedoch in Dickenrichtung übereinander angeordnet. Der oder die Hauptleiter können jeweils eine Dicke von wenigen Zehntel mm, wie zum Beispiel 0,3 mm, bis mehrere mm, wie zum Beispiel 3 mm, vorzugsweise jedoch 1 mm, aufweisen.
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Die mehreren Leiter eines Hauptleitungsstrangs sind vorzugsweise zueinander elektrisch isoliert. Ferner ist es bevorzugt, dass der mehrschichtige Hauptleitungsstrang zur Umgehung des Hauptleiterstrangs hin isoliert ist, abgesehen von der oder den Stellen, an denen ein elektrischer Anschlusskontakt vorgesehen ist, um eine Kontaktierung mit einem Verbraucher oder eine Abzweigung zu dem Verbraucher zu ermöglichen.
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Der Hauptleiter, insbesondere der Hauptleitungsstrang, kann sich vom vorderen Bereich, insbesondere vom Motorraum, bis in den hinteren Bereich, insbesondere den Kofferraum des Fahrzeugs erstrecken. Bevorzugt ist der als Flachleiter ausgebildete Hauptleiter mit einem oder mehreren seitlichen Anschlüssen versehen, die jeweils einen Abzweig bilden. Die seitlichen Anschlüsse werden durch den hierin beschriebenen Anschlusskontakt vorzugsweise gebildet. Der Anschlusskontakt ragt vorzugsweise in Breitenrichtung des Flachleiters von dem Flachleiter ab.
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Der erfindungsgemäße elektrische Anschlusskontakt weist ein Verbindungsstück aus einem ersten Werkstoff und ein Anschlussstück aus einem zweiten Werkstoff auf. Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff sind voneinander verschieden. Das Verbindungsstück ist stoffschlüssig mit dem Anschlussstück und stoffschlüssig mit dem Hauptleiter verbunden.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Hauptleiter und dem Verbindungsstück kann zum Beispiel mittels Schweißen erfolgen. Zwischen Verbindungsstück und Hauptleiter kann eine Schweißnaht angeordnet sein. Die Herstellung der Schweißnaht kann zum Beispiel mittels Laser- oder Ultraschallschweißen erfolgen.
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Das Verbindungsstück kann zum Beispiel mit der Flanke des Hauptleiters, welche den Hauptleiter in Breitenrichtung begrenzt, verbunden sein. Alternativ kann das Verbindungsstück mit der Stirnfläche, welche den Flachleiter in Dickenrichtung begrenzt, verbunden sein. Ist der Hauptleiter ein Rundleiter, kann das Verbindungsstück mit dem Umfang des Rundleiters verbunden sein.
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Der Hauptleiter und das Verbindungsstück können zum Beispiel zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung zusätzlich noch formschlüssig ineinander greifen. Zum Beispiel kann das Verbindungsstück in eine Ausklinkung, insbesondere V-förmige Ausklinkung des Hauptleiters eingreifen, oder umgekehrt.
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Der erste Werkstoff kann zum Beispiel ein – abgesehen von üblichen Verunreinigungen – reines Metall oder eine Metalllegierung sein. Gleiches gilt für den zweiten Werkstoff, unabhängig vom ersten Werkstoff. Allgemein ausgedrückt kann der Hauptbestandteil des ersten Werkstoffs ein erstes Metall und der Hauptbestandteil des zweiten Werkstoffs ein zweites Metall sein. Das erste Metall und das zweite Metall sind verschiedene Metalle. Zum Beispiel kann der Hauptbestandteil des ersten Werkstoffs ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium sein. Bewährt haben sich Aluminiumwerkstoffe mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,5%. Der Hauptbestandteil des zweiten Werkstoffs kann ein Schwermetall, insbesondere Kupfer, Silber, Gold, Zink, oder aber auch Eisen, sein. Ein Leichtmetall ist ein Metall, das eine Dichte geringer als 5 g/cm3 aufweist. Alle anderen Metalle sind Schwermetalle.
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Um die unterschiedlichen Werkstoffe des Verbindungsstücks und des Anschlussstücks zusammenfügen zu können, wird Walzplattieren verwendet. Das Verbindungsstück und das Anschlussstück besitzen dabei an ihren zueinander weisenden Stirnseiten jeweils zumindest ein keilförmiges Element, wobei die keilförmigen Elemente einander überlappen.
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Bevorzugt wird der Hauptleiter aus einem dritten Werkstoff gebildet, dessen Hauptbestandteil das gleiche Metall ist, wie der Hauptbestandteil des ersten Werkstoffs. Ist zum Beispiel der Hauptleiter aus einem Werkstoff, dessen Hauptbestandteil Aluminium ist, können das Verbindungsstück und der Hauptleiter mit fertigungstechnisch einfachen Verfahren miteinander gefügt werden, da der Hauptbestandteil des Werkstoffs des Verbindungsstücks ebenfalls Aluminium ist.
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An dem Anschlussstück kann ein weiterer Leiter, der zum Beispiel zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher führt, befestigt sein oder werden. Der weitere Leiter kann zum Beispiel aus einem Werkstoff gebildet werden, dessen Hauptbestandteil gleich dem Hauptbestandteil des zweiten Werkstoffs des Anschlussstücks ist. Hierdurch lassen sich der weitere Leiter und das Anschlussstück mit den üblichen fertigungstechnisch weniger aufwendigen Verfahren zusammenfügen. Der weitere Leiter kann zum Beispiel einen geringeren Querschnitt aufweisen als der Hauptleiter, insbesondere dann, wenn der weitere Leiter eine Abzweigung von dem Hauptleiter ist, da zum Beispiel lediglich ein Teil der Energie, welche durch den Hauptleiter übertragen wird, durch den weiteren Leiter fließt.
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Die Befestigung zwischen dem weiteren Leiter und dem Anschlussstück kann auf mindestens einer der folgenden Verbindungen beruhen: eine Steckverbindung, eine Schraubverbindung, eine Durchsetzfügeverbindung, die insbesondere auch als TOX®-Verbindung bezeichnet wird, eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Crimpverbindung oder Klebeverbindung mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs.
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Um eine Kontaktkorrosion zwischen dem Anschlussstück und dem Verbindungsstück, d. h. im Fügebereich, insbesondere im Fügespalt, der zwischen dem Verbindungsstück und dem Anschlussstück gebildet ist, zu verhindern, ist es bevorzugt, dass der Anschlusskontakt eine Beschichtung aufweist oder mit einer Beschichtung beschichtet wird, die so ausgestaltet ist, dass sie zumindest dessen zur Umgebung weisenden Fügebereich in Bezug auf die Umgebung mediendicht, insbesondere gas- und flüssigkeitsdicht, abdichtet. Dies verhindert das Eindringen von zum Beispiel Wasserdampf oder flüssigem Wasser, insbesondere Salzwasser, was möglicherweise eine Kontaktkorrosion in Gang setzen würde. Zum Beispiel kann die Beschichtung eine von dem Hauptleiter oder dem Hauptleitungsstrang separat aufgebrachte Beschichtung sein. Alternativ kann die Beschichtung des Hauptleiters oder des Hauptleitungsstrangs zusammen mit der Beschichtung des Anschlusskontakts aufgebracht werden. Zum Beispiel kann der Anschlusskontakt so beschichtet werden, dass lediglich ein Bereich frei bleibt, an dem die weitere Leitung befestigt wird.
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Die Beschichtung kann zum Beispiel in Form einer Umgießung, Umspritzung, Lackierung, thermoplastischen Umspritzung, usw. erfolgen.
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Um die Haltbarkeit gegen korrosive Einflüsse zu verbessern, können das Anschlussstück und/oder das Verbindungsstück mittels Galvanisierung, wie zum Beispiel Verzinnung oder Versilberung oder Vergoldung geschützt werden. Ist der Hauptbestandteil des Materials des Verbindungsstücks Aluminium, kann das Verbindungsstück optional eloxiert sein oder werden.
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Wird das Anschlussstück, dessen Hauptbestandteil seines Materials vorzugsweise Kupfer ist, mittels Verzinnung oder Versilberung, oder allgemein ausgedrückt mittels einer Galvanotechnik mit einer Beschichtung versehen bevor das Anschlussstück mit dem Verbindungsstück zusammengefügt wird, ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungsstelle des Anschlussstücks, die zur Verbindung mit dem Verbindungsstück vorgesehen ist, von der galvanotechnischen Beschichtung frei bleibt oder von der galvanotechnischen Beschichtung befreit wird. Bevorzugt gilt gleiches sinngemäß für das Verbindungsstück.
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Zwischen dem Verbindungsstück und dem Anschlussstück ist ein Fügebereich, insbesondere ein Fügespalt, angeordnet, über welchen das Anschlussstück mit dem Verbindungsstück verbunden ist. In bevorzugten Ausführungen kann der Fügebereich, insbesondere der zwischen Verbindungsstück und Anschlussstück gebildete Fügespalt, ausgefüllt, insbesondere vollständig ausgefüllt sein. Hierdurch kann verhindert werden, dass z. B. Salzwasser in den Fügespalt eindringt und eine Kontaktkorrosion in Gang setzt.
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Der Fügespalt kann zumindest teilweise von mindestens einer Stirnseite des Verbindungsstücks oder/und des Anschlussstücks begrenzt oder umgeben, insbesondere umrahmt sein, wobei der Fügespalt bis an die Mündung zu der mindestens einen Stirnseite ausgefüllt ist, insbesondere mittels einer direkten Verbindung des Anschlussstücks mit dem Verbindungsstück oder mittels eines, z. B. bei Raumtemperatur festen, Zwischenmaterials. Zum Beispiel kann der Fügespalt von mehreren Stirnseiten des Verbindungsstücks und/oder des Anschlussstücks begrenzt sein.
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In dem Fügebereich, insbesondere in dem Fügespalt, kann das insbesondere den Fügebereich oder den Fügespalt ausfüllende Zwischenmaterial angeordnet sein, welches verschieden von dem Material des Verbindungsstücks und des Anschlussstücks ist. Das Zwischenmaterial kann z. B. elektrisch leitend sein. Insbesondere kann das Zwischenmaterial ein Metall oder eine Metalllegierung sein, wobei das Metall oder der Hauptbestandteil der Metalllegierung zum Beispiel Zinn, Silber oder Gold sein kann. Insbesondere kann das Verbindungsstück eine Legierungsschicht, insbesondere eine Diffusionsschicht, welche das Material des Verbindungsstücks und das Zwischenmaterial umfasst, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Anschlussstück eine Legierungsschicht, insbesondere eine Diffusionsschicht, welche das Material des Anschlussstücks und das Zwischenmaterial umfasst, aufweisen.
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Dem Zwischenmaterial kann z. B. ein Flussmittel zugesetzt sein, welches ein chemisches Aufbrechen einer etwaig vorhandenen Oxidschicht an der zum Fügebereich weisenden Fläche des Verbindungsstücks und/oder des Anschlussstücks bewirkt. Hierdurch kann das Zwischenmaterial mit dem Material des Verbindungsstück und/oder des Anschlussstücks eine stoffschlüssige Verbindung eingehen, insbesondere eine Diffusionsschicht bilden.
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Bevorzugt können das Anschlussstück und/oder das Verbindungsstück jeweils aus einem plattenförmigen Halbzeug, wie zum Beispiel einem Blech hergestellt sein. Allgemein können das Anschlussstück und/oder Verbindungsstück platten- oder plättchenförmig sein. Das Anschlussstück und/oder das Verbindungsstück können jeweils ein Stanzteil oder ein Stanzbiegeteil sein.
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Die erfindungsgemäße Leitungsvorrichtung kann zum Beispiel dadurch hergestellt werden, dass ein erstes Teil aus einem ersten Werkstoff und ein zweites Teil aus einem zweiten Werkstoff, der von dem ersten Werkstoff verschieden ist, bereitgestellt werden. Das erste Teil und das zweite Teil sind oder werden stoffschlüssig mittels Walzplattierens verbunden. Hierdurch wird ein Verbundkörper bereitgestellt. Das erste Teil kann über den Fügebereich, insbesondere Fügespalt, direkt oder über das Zwischenmaterial mit dem zweiten Teil verbunden werden.
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Der Anschlusskontakt kann zumindest aus einem Abschnitt des Verbundkörpers gebildet sein oder werden. Zum Beispiel kann der Verbundkörper den Anschlusskontakt bilden, ohne dass eine Nachbearbeitung notwendig ist. Allerdings kann der Verbundkörper auch weiter bearbeitet werden, um den Anschlusskontakt zu bilden. Zum Beispiel können aus dem Verbundkörper mehrere Anschlusskontakte ausgetrennt, insbesondere ausgestanzt werden. Alternativ können das Verbindungsstück und das Anschlussstück fertig hergestellt sein und anschließend zusammengefügt werden.
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Das Verbindungsstück ist aus dem ersten Werkstoff des Verbundkörpers und das Anschlussstück aus dem zweiten Werkstoff des Verbundkörpers gebildet.
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Vor oder nach dem Verbinden des ersten Teils oder des zweiten Teils, insbesondere des Verbindungstücks und des Anschlussstücks wird das Verbindungsstück mit dem Hauptleiter stoffschlüssig verbunden, insbesondere mittels Schweißen. Somit können das Anschlussstück und das Verbindungsstück zusammengefügt werden, wenn das Verbindungsstück bereits stoffschlüssig mit dem Hauptleiter verbunden ist oder wenn das Verbindungsstück noch nicht mit dem Hauptleiter verbunden ist. Letzteres erleichtert eine einfachere Handhabung des dadurch gebildeten Verbundkörpers oder Anschlusskontakts.
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Der Verbundkörper oder der Anschlusskontakt können in bevorzugten Verfahren so wärmebehandelt werden, dass zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff eine Diffusion stattfindet oder eine Diffusionsschweißverbindung entsteht. Der Anschlusskontakt kann somit zwischen dem Verbindungsstück und dem Anschlussstück eine dünne Legierungsschicht aufweisen, die aus den ersten und zweiten Werkstoffen gebildet wird. Die Legierungsschicht kann zum Beispiel eine Dicke von 0,5 μm bis 10 μm, insbesondere eine submikroskopische Dicke aufweisen. Eine derart geringe Dicke hat den Vorteil, dass sie die elektrischen Eigenschaften zwischen Anschlussstück und Verbindungsstück nicht oder nur kaum beeinflusst. Durch Begrenzung von Glühzeit und Glühtemperatur kann eine unkontrollierte Legierungsschichtbildung zwischen dem Anschlussstück und dem Verbindungsstück unterdrückt werden.
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Der Anschlusskontakt oder Verbundkörper lassen sich durch Kaltformgebung vorteilhaft weiterverarbeiten, wie zum Beispiel durch Falzen, Bördeln, Abkanten, Biegen, Profilieren, Streck- oder Tiefziehen. Bei einem zu starken Festigkeitsanstieg in Folge von Kaltumformung, kann durch eine Wärmebehandlung wieder das ursprüngliche Umformvermögen eingestellt werden. Die Wärmebehandlung sollte jedoch eine Temperatur von 260°C und eine Dauer von 4 Stunden nicht überschreiten.
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Bevor das erste Teil mit dem zweiten Teil stoffschlüssig verbunden oder gefügt wird, können die zu verbindenden Oberflächen jeweils mit einer für den jeweiligen Werkstoff geeigneten Oberflächenbehandlung vorbehandelt werden, um einen optimalen Fügevorgang zwischen diesen Teilen zu bewirken. Beispielsweise können die zu verbindenden Oberflächen chemisch vorbehandelt werden, insbesondere mittels eines Flussmittels, um die Oxidschicht an den Oberflächen aufzubrechen.
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Beispielsweise kann das Zwischenmaterial vor dem Zusammenfügen des Verbindungsstücks mit dem Anschlussstück an dem Fügebereich angebracht werden. Beispielsweise kann das Zwischenmaterial granulat- oder platten- bzw. folienförmig sein, wenn es an dem Anschlussstück oder dem Verbindungsstück angebracht wird. Ein granulatförmiges Zwischenmaterial kann vorteilhaft dazu beitragen, die Oxidschicht an dem Verbindungsstück und/oder dem Anschlussstück mechanisch aufzubrechen, um eine stoffschlüssige Verbindung zu ermöglichen. Dem Zwischenmaterial kann beispielsweise ein Flussmittel zugesetzt sein.
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In Ausführungen mit einem Zwischenmaterial kann das Zwischenmaterial über seinen Schmelzpunkt erwärmt werden, wodurch es sich in dem Fügespalt verteilt und den Fügespalt vorzugsweise vollständig auffüllt, so dass bei der fertiggestellten Verbindung später kein flüssiges Medium, wie z. B. Salzwasser, in den Fügespalt eindringen kann.
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Der weitere Leiter kann in vorteilhaften Weiterbildungen zum Beispiel ein Litzenleiter oder ein Vollleiter sein, der an dem Anschlussstück befestigt wird. Der Leiter kann zum Beispiel elektrisch isoliert umhüllt sein, d. h. von einem Kabel gebildet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf elektrische Leitungsvorrichtungen für ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug beschränkt. Vielmehr kann die elektrische Leitungsvorrichtung allgemein im Bereich von Schienenleiteranwendungen, im Automobilbereich, Transportbereich, Anlagenbau, in der Luftfahrt, im Maschinenbau, im Möbelbau, in der Elektrik und Elektrotechnik, im Unterhaltungselektronikbereich, in der Medizintechnik, in der Haustechnik oder im Aftersales-Markt eingesetzt werden.
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Die Erfindung wurde anhand mehrerer bevorzugter Ausführungen beschrieben. Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungen anhand von Figuren beschrieben. Die dabei offenbarten Merkmale bilden den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche, insbesondere auch mit den Merkmalen aus der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung in jeglicher Merkmalskombination vorteilhaft weiter. Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer elektrischen Leitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2–4 die Schritte für die Herstellung einer Leitungsvorrichtung,
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5–7 die Schritte für die Herstellung einer weiteren Leitungsvorrichtung,
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8 die Ausgestaltung einer Schweißnaht zwischen einem Hauptleiter und einem Verbindungsstück,
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9 eine alternative Ausgestaltung der Schweißnaht,
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10 eine weitere alternative Ausgestaltung der Schweißnaht,
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11 eine erfindungsgemäße Leitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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12 eine erfindungsgemäße Leitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform und
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13 weitere Möglichkeiten den Anschlusskontakt auf dem Hauptleiter anzuordnen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitungsvorrichtung 100, die einen Hauptleiter 3 und einen Anschlusskontakt 1, 2 an dem Hauptleiter 3 aufweist. Der elektrische Anschlusskontakt 1, 2 weist ein Verbindungsstück 1 aus einem Werkstoff auf, dessen Hauptbestandteil Aluminium ist, und ein Anschlussstück 2 aus einem Werkstoff auf, dessen Hauptbestandteil Kupfer ist. Besonders vorteilhaft sind ein Aluminiumwerkstoff mit 99,5% Reinheitsgrad und ein Elektrolyt-Kupferwerkstoff, insbesondere E-Cu 58.
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Der Hauptleiter 3 ist ein Flachleiter und kann zum Beispiel ein Leiter eines Mehrschichtleiters sein. An der die Breite begrenzenden Flanke des Hauptleiters 3 ist das Verbindungsstück 1 angeschweißt, insbesondere mittels Laserschweißens. Das Verbindungsstück 1 ist plattenförmig oder aus einem plattenförmigen Halbzeug hergestellt.
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Das Anschlussstück 2, welches plattenförmig oder aus einem plattenförmigen Halbzeug hergestellt ist, ist stoffschlüssig mit dem Verbindungsstück 1 verbunden. In 1 werden exemplarisch mehrere Ausführungsformen eines Anschlussstücks 2, nämlich die Anschlussstücke 2a bis 2f dargestellt, von denen jedes an dem Verbindungsstück 1 optional befestigt sein kann.
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Das Anschlussstück 2 ist mittels Walzplattierens mit dem Verbindungsstück 1 zusammengefügt und bildet eine stoffschlüssige Verbindung. Das Verbindungsstück 1 und das Anschlussstück 2 überlappen sich teilweise, so dass das Verbindungsstück 1 einen von dem Anschlussstück 2 frei abragenden Abschnitt und das Anschlussstück 2 einen von dem Verbindungsstück 1 frei abragenden Abschnitt aufweisen.
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Das Verbindungsstück 1 kann an den Hauptleiter 3 angeschweißt werden, bevor das Anschlussstück 2 an das Verbindungsstück 1 angefügt wird. Allerdings ist es bevorzugt, dass das Anschlussstück 2 mit dem Verbindungsstück 1 verbunden wird, bevor das Verbindungsstück 1 mit dem Hauptleiter 3 verbunden wird. Dadurch, dass sich der Anschlusskontakt 1, 2 und das Verbindungsstück 1 nur teilweise überlappen, ist vorteilhaft ausreichend Platz, um eine Schweißnaht zwischen den Verbindungsstück 1 und dem Hauptleiter 3 herzustellen, ohne dass der Werkstoff des Anschlussstücks 2 aufgeschmolzen wird und die Schweißnaht in einer unerwünschten Weise verunreinigt.
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Obwohl in den 1 und 13 nicht dargestellt, kann an dem Anschlussstück 2 ein zu einem elektrischen Verbraucher führender Leiter (wie zum Beispiel Leiter 4 in den 2 bis 10) angeordnet sein, der mit dem Anschlussstück 2 zum Beispiel stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden sein kann. Der zu dem Verbraucher führende Leiter kann zum Beispiel ein flexibler Leiter, insbesondere ein Litzenleiter sein. Der Leiter kann selbstverständlich von einer Isolierung ummantelt bzw. ein Kabel sein. Der Hauptbestandteil des Leiters kann Kupfer sein. Somit lassen sich das Anschlussstück 2 und der Leiter mit einer einfachen Fertigungstechnik zusammenfügen. Ferner wird die Gefahr von Kontaktkorrosion zwischen dem Leiter und dem Anschlussstück 2 verringert.
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Das Anschlussstück 2a ist ein abgewinkeltes Anschlussstück, welches einen Durchbruch, insbesondere einen kreisrunden Durchbruch für die Herstellung einer Schraubverbindung aufweist. Der Durchbruch befindet sich in dem abgewinkelten Abschnitt des Anschlussstücks 2a.
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Das Anschlussstück 2b ist gerade, insbesondere nicht abgewinkelt, wobei das Anschlussstück 2b einen kreisrunden Durchbruch für die Herstellung einer Schraubverbindung aufweist.
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Das Anschlussstück 2c ist als Steckverbinder ausgestaltet, wobei an das Anschlussstück 2c mittels einer Steckverbindung angesteckt werden kann.
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Die Anschlussstücke 2d und 2e sind wie das Anschlussstück 2b ausgestaltet, weisen jedoch einen viereckigen, insbesondere rechteckigen Durchbruch auf, dessen längere Seite quer zu der Längsrichtung des Anschlussstücks 2e oder entlang der Längsrichtung des Anschlussstücks 2d weist.
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Das Anschlussstück 2f ist wie die Anschlussstücke 2b, 2d und 2e ausgestaltet, allerdings ohne Durchbruch.
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Das Anschlussstück 2 und das Verbindungsstück 1 überlappen sich soweit und bilden einen so großen Fügespalt, das dessen Querschnitt mindestens das x-fache des Querschnitts des anzubringenden Leiters entspricht, wobei x durch das Verhältnis aus der Leitfähigkeit des besser leitenden Materials zu der Leitfähigkeit des schlechter leitenden Materials, wie zum Beispiel Kupfer zu Aluminium, gebildet wird. Zum Beispiel sollten sich bei der Paarung Kupfer und Aluminium das Anschlussstück 2 und das Verbindungsstück 1 zumindest mit dem 1,6-fachen des Querschnitts des besser leitenden oder anzubringenden Leiters überlappen. Hierdurch wird verhindert, dass sich die Verbindung zwischen Anschlussstück 2 und Verbindungsstück 1 unzulässig hoch erwärmt.
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Der Leiter kann an das Anschlussstück 2 befestigt werden, bevor oder nachdem das Verbindungsstück 1 an den Hauptleiter 3 angebracht wird.
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Der Anschlusskontakt 1, 2 ist mit einer Beschichtung 8 beschichtet, die so ausgestaltet ist, dass sie zumindest den zur Umgebung weisenden Fügebereich 5 in Bezug auf die Umgebung mediendicht abdichtet. Hierdurch wird das Auftreten von Kontaktkorrosion verhindert. In dem gezeigten Beispiel ist das Verbindungsstück 1 vollständig und das Anschlussstück 2 teilweise von der Beschichtung 8 umgeben. Die Beschichtung 8 bildet in dem gezeigten Beispiel auch die Isolierung des Hauptleiters 3, kann alternativ aber auch separat von der Isolierung des Hauptleiters 3 sein.
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Die in den 2 bis 13 gezeigten Ausführungsformen zeigen einen Anschlusskontakt 1, 2, der mittels Walzplattierens des Anschlussstücks 2 auf das Verbindungsstück 1 befestigt wird.
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Auch in diesen Ausführungsformen ist der Hauptbestandteil des Werkstoffs des Verbindungsstücks 1 Aluminium, wobei der Hauptbestandteil des Werkstoffs des Anschlussstücks 2 Kupfer ist. Der so gebildete Verbundkörper ist auch unter der Bezeichnung CUPAL bekannt. Der Fügebereich 5 zwischen dem Verbindungsstück 1 und dem Anschlussstück 2 umfasst eine Legierung aus dem Werkstoff des Verbindungsstücks 1 und des Werkstoffs des Anschlussstücks 2. Die Dicke dieser Legierungsschicht kann zum Beispiel durch eine Wärmebehandlung vergrößert oder beeinflusst werden. Zum Beispiel kann durch Wärmebehandlung eine Diffusion zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff angestoßen werden, welche das Anschlussstück 2 zusätzlich mit dem Verbindungsstück 1 verschweißt.
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Wie aus den 2 und 5 erkennbar ist, wird der flexible Leiter 4, der einen von einer Isolierung freigelegten Bereich 4a aufweist, mit dem Bereich 4a an das Anschlussstück 2 angelötet, wobei hierbei die erforderliche Wärme in das Anschlussstück 2 und den abisolierten Bereich 4a eingebracht wird und ein Lötzusatzwerkstoff 7, wie zum Beispiel Lötzinn, an die Verbindungsstelle zwischen dem Leiter 4 und dem Anschlussstück 2 angebracht wird. Das Anlöten des Leiters 4 an den Anschlusskontakt 1, 2 geschieht, bevor der Anschlusskontakt 1, 2 mit dem Hauptleiter 3 verschweißt wird.
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Anschließend wird, wie in den 3 und 6 dargestellt, das Verbindungsstück 1 an dem Hauptleiter 3 angeschweißt, insbesondere mittels Laserschweißen. Der Energieeintrag, der für das Schweißen erforderlich ist, erfolgt zum Beispiel mittels eines Laserstrahls oder eines Lichtbogens, die stilisiert durch den Blitz 6 dargestellt werden.
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Wie aus den 3 und 4 erkennbar ist, ist die Dicke des plattenförmigen Verbindungsstücks 1 geringer als die Dicke des als Flachleiter ausgestalteten Hauptleiters 3. Um eine Verunreinigung der Schweißnaht zwischen Verbindungsstück 1 und Hauptleiter 3 durch den Werkstoff des Anschlussstücks 2 zu verhindern, wird, da das Anschlussstück 2 und das Verbindungsstück 1 eine gemeinsame, zu dem Hauptleiter 3 weisende Stirnseite bilden (3), das Verbindungsstück 1 mit dem Hauptleiter 3 von unten her, d. h. von der Seite, die der Seite gegenüberliegt an dem Anschlussstück 2 gebildet ist, verschweißt. Hierdurch ergibt sich die in 4 gezeigte Schweißnaht, die als V-Naht dargestellt ist, wobei dies nur eine beispielhafte Ausführung einer Schweißnaht ist. Die Schweißnaht erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung des Hauptleiters 3, d. h. in den 3 bis 11 in und aus der Zeichenebene.
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Um eine Verunreinigung der Schweißnaht mit dem Material des Anschlussstücks 2 zu vermeiden, kann von dem Anschlussstück 2 zumindest so viel entfernt werden, dass ein Verschweißen des Verbindungsstücks 1 von der Oberseite und/oder der Unterseite her möglich ist (6). Hierdurch wird eine Doppel-V-Naht oder eine V-Naht gebildet, wie sie zum Beispiel in 7 dargestellt ist.
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In 8 wird eine Alternative zu der Ausführung aus den 2 bis 4 gezeigt, wobei das Verbindungsstück 1 etwa die gleiche Dicke aufweist, wie der Flachleiter 3, wobei das Verbindungsstück 1 ebenfalls von der Unterseite her mit dem Hauptleiter 3 verschweißt wird.
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In 9 ist die Dicke des Verbindungsstücks 1 größer als die Dicke des Hauptleiters 3. Hierdurch wird erreicht, dass das Verbindungsstück 1 mit dem Hauptleiter 3 von der Oberseite und der Unterseite her verschweißt werden können.
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In 10 überlappt das Verbindungsstück 1 den Hauptleiter 3, wobei zwischen der die Dicke des Hauptleiters 3 begrenzenden Stirnfläche und der Unterseite des Verbindungsstücks 1 ein Fügespalt gebildet wird. Der so gebildete Überlappstoß wird entlang der Längsrichtung des Hauptleiters mittels Kehlnähten verschweißt.
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Alternativ (nicht dargestellt) kann der zwischen Verbindungsstück 1 und Hauptleiter 3 gebildete Überlappstoß durch Energieeintrag durch den Hauptleiter 3 hindurch erfolgen, insbesondere von der Seite her, die der Seite, an der das Verbindungsstück 1 anliegt, gegenüberliegt.
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Obwohl in den 2 bis 13 nicht gezeigt, ist es selbstverständlich, dass auch hier die Beschichtung 8 wie beschrieben angebracht werden kann.
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Bei der Ausführung aus 11 sind die zueinander weisenden Stirnseiten des Verbindungsstücks 1 und des Anschlussstücks 2 jeweils keilförmig ausgestaltet und überlappen einander. Das Verbindungsstück 1 und das Anschlussstück 2 weisen jeweils eine in Bezug auf die Flächen, welche die Dicke des Verbindungsstücks 1 oder des Anschlussstücks 2 vorgeben (Oberseite und Unterseite), spitzwinklig angeordnete Keilfläche auf. Die Keilfläche des Verbindungsstücks 1 liegt flächig an der Keilfläche des Anschlussstücks 2 an. Die beiden Keilflächen können zum Beispiel direkt oder über ein Zwischenmaterial, wie z. B. eine auf Zinn basierende Metalllegierung, stoffschlüssig durch Walzplattieren verbunden werden. In diesem Beispiel weisen das Verbindungsstück 1 und das Anschlussstück 2 die gleiche, zwischen Oberseite und Unterseite gemessene Dicke auf. Die Mittelebenen des flachen Anschlussstücks 2 und des flachen Verbindungsstücks 1 befinden sich in einer gemeinsamen Ebene und sind parallel zueinander. Bevorzugt rollt beim Walzplattieren mindestens eine Walze oder Rolle auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Anschlussstücks 2 bzw. des Verbindungsstücks 1 ab, so dass die beiden Keilflächen gegeneinander gepresst werden. Für die Verbindung des Verbindungsstücks 1 mit dem Hauptleiter 3 und die Ausgestaltung des Anschlussstücks wird sinngemäß auf die 1 bis 10 verwiesen, wenngleich lediglich beispielhaft für das Anschlussstück 2 ein Durchbruch und für die Verbindung zwischen Hauptleiter 3 und Verbindungsstück 1 eine Stumpfschweißnaht gezeigt werden. Die in 11 gezeigte Verbindung zwischen Anschlussstück 2 und Verbindungsstück 1 kann z. B. als geschäftete Verbindung bezeichnet werden.
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Die 12 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitungsvorrichtung. Das Verbindungsstück 1 weist an seiner Stirnseite zwei keilförmige Elemente und das Anschlussstück 2 an seiner Stirnseite drei keilförmige Element auf, die in einander greifen und einander überlappen. Das Verbindungsstück 1 und das Anschlussstück 2 sind mittels Walzplattieren miteinander verbunden. Darüber hinaus ist das Verbindungsstück 1 an den Hauptleiter 3 angeschweißt.
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Beispielsweise können das Verbindungsstück 1 und das Anschlussstück 2 aus den 1 bis 12 mit oder ohne ein Zwischenmaterial im Fügespalt 5 zusammengefügt werden oder sein.
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Die 13 illustriert weitere Möglichkeiten, wie ein Anschlusskontakt aus einem Verbindungsstück 1 und einem Anschlussstück 2 auf dem Hauptleiter 3 angeordnet sein kann. Es ist also nicht zwingend notwendig, dass der Anschlusskontakt seitlich an den Hauptleiter 3 angeschweißt wird. Vielmehr kann auch eine Kontaktierung über eine Hauptfläche des Hauptleiters 3 erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungsstück
- 2
- Anschlussstück
- 2a–2f
- Varianten des Anschlussstücks 2
- 3
- Hauptleiter
- 4
- Leiter, der zu einem Verbraucher führt/Litzenleiter
- 4a
- von einer Isolierung freigelegter Abschnitt des Leiters 4
- 5
- Fügebereich/Fügespalt
- 6
- Energiestrahl/Laser
- 7
- Lötzusatzwerkstoff/Lötzinn
- 8
- Beschichtung/Isolierung
- 1, 2
- Anschlusskontakt
- 100
- Leitungsvorrichtung
