DE102014210175A1

DE102014210175A1 - Fügeelement, korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung von metallischen Werkstücken und Verfahren zum Herstellen einer korrosionsresistenten elektrisch leitfähigen Verbindung

Info

Publication number: DE102014210175A1
Application number: DE102014210175.1A
Authority: DE
Inventors: Anette Sedlmaier-Fuchs; Johannes Grasmeier; Michael Wortberg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügeelement zum Verbinden von mindestens zwei Metallwerkstücken (7, 8) mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential. Durch Verwendung des Fügeelements (1) wird über das Fügeelement (1) eine korrosionsresistente elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Metallwerkstücken (7, 8) hergestellt. Das Fügeelement (1) umfasst erfindungsgemäß ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fügeelement zum Verbinden von mindestens zwei Metallwerkstücken mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential unter Herstellung einer korrosionsresistenten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Metallwerkstücken über das Fügeelement, eine korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung von entsprechenden metallischen Werkstücken und einem Fügeelement sowie ein Verfahren zum Herstellen einer korrosionsresistenten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen mindestens zwei Metallwerkstücken mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential.
Aus DE 10 2006 013 529 A1 ist ein Fügeverfahren zum Fügen von artfremden Metallwerkstücken, beispielsweise von Aluminium und Stahl, bekannt, wobei als Fügeelement ein Stahl- oder Metallelement verwendet wird. Nachteilig an diesem Fügeverfahren ist, dass es aufgrund der unterschiedlichen Stellung der Metallelemente in der elektrochemischen Spannungsreihe, bei unzureichendem Ausschluss von Feuchtigkeit, zu Kontaktkorrosion zwischen den Metallelementen kommt. Eine dauerhaft gute elektrische Verbindung ist zwischen den Metallelementen folglich nicht möglich. Dies ist insbesondere bei stromführenden Bauteilen, die aus den gefügten Metallwerkstücken bestehen, nachteilig.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fügeelement bereitzustellen, mittels dessen zwei Metallwerkstücke mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential dauerhaft stabil miteinander verbunden werden können, wobei die Verbindung elektrisch leitfähig aber korrosionsstabil ist. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung eine dauerhaft stabile, korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung aus mindestens zwei Metallwerkstücken mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential und einem Fügeelement bereitzustellen sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem eine korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen mindestens zwei Metallwerkstücken mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fügeelement gelöst, das ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial umfasst. Durch das elektrisch leitfähige Kunststoffmaterial wird zum Einen eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den zu verbindenden Metallwerkstücken erzeugt und zum Anderen einer Kontaktkorrosion zwischen den Metallwerkstücken auf der einen Seite und zwischen dem Fügeelement und den Metallwerkstücken auf der anderen Seite, verhindert. Die Verbindung der Metallwerkstücke findet ausschließlich über das Fügeelement statt. Mit anderen Worten sind die Metallwerkstücke durch das Fügeelement voneinander beabstandet. Erfindungswesentlich ist dabei, dass das Fügeelement frei ist von metallischen Werkstoffen, da ansonsten, je nach Stellung der zu verbindenden metallischen Werkstücke in der elektrochemischen Spannungsreihe, ein Abbau der unedleren metallischen Werkstücke durch Korrosion erfolgt. Das Fügeelement ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann eine stoffschlüssige Verbindung oder aber eine form- oder kraftschlüssige Verbindung mit den Metallwerkstücken eingehen. Auch Mischformen zwischen den Fügearten sind möglich. Das Fügeelement ist einfach strukturiert und kann kostengünstig in gewünschter Form und Dimension bereitgestellt werden.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das leitfähige Kunststoffmaterial mindestens einen polymeren Kunststoff und mindestens einen elektrisch leitfähigen Zusatzstoff. Als polymerer Kunststoff ist jegliches, über ein gewünschtes Eigenschaftsspektrum verfügendes polymeres Material, wie beispielsweise ein Thermoplast, Duroplast oder Elastomer, geeignet. Soll das Fügeelement mit den Metallwerkstücken eine stoffschlüssige Verbindung eingehen, wird ein Thermoplast bevorzugt sein. Ist eine hohe Temperaturbeständigkeit der Verbindung erforderlich, kommen vorzugsweise Duroplaste zur Anwendung, die durch Härtung polymerisiert werden. Ein im Sinne der Erfindung geeigneter elektrisch leitfähiger Zusatzstoff ist metallfrei und beugt damit einer Kontaktkorrosion vor.
Aufgrund der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit ist der elektrisch leitfähige Zusatzstoff vorzugsweise aus Kohlenstoff haltigen Materialien ausgewählt, die in unterschiedlichen Ausführungen kostengünstig erhältlich sind. Insbesondere Rußpartikel, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstofffasern, Graphen, Graphit und Mischungen daraus sind besonders gut geeignet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das leitfähige Kunststoffmaterial ein elektrisch leitfähiges Polymer umfasst. Das leitfähige Kunststoffmaterial kann auch nur aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Polymeren bestehen, was den Vorteil bietet, dass eine Herstellung des Fügeelements vereinfacht und beispielsweise sehr gut durch Spritzguss möglich ist, da kein separates leitfähiges Material eingemischt werden muss. Elektrisch leitfähige Polymere weisen zumeist einen leitfähigen Backbone und das Polymergerüst stabilisierende Seitengruppen auf. Beispielhaft seinen Polyaniline, Poly-para-phenylene und Polypyrrole genannt.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung beschrieben. Die Anordnung umfasst mindestens zwei Metallwerkstücke mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential und mindestens ein wie vorstehend beschriebenes Fügeelement, über das die Metallwerkstücke miteinander verbunden aber auch voneinander beabstandet sind. Der Verbindungstyp ist dabei im Einzelnen nicht beschränkt. Sofern eine lösbare Verbindung gewünscht ist, sind kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen bevorzugt. Sind verformungsresistente Verbindungen gewünschte, kommen insbesondere stoffschlüssige Verbindungen in Frage. Die erfindungsgemäße Anordnung verhindert Kontaktkorrosionen zwischen den leitfähig zu verbindenden Metallwerkstücken, ermöglicht aber eben eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit von einem Werkstück zum anderen und ist daher dauerhaft stabil und selbst in Feuchtigkeit haltiger Umgebungen gut haltbar.
Aus Stabilitätsgründen, insbesondere unter Einwirkung von mechanischen Deformationskräften, ist das Fügeelement mit den Metallwerkstücken vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindungen können den Stoffschluss ergänzen.
Die chemische Natur der Metallwerkstücke ist im Einzelnen nicht beschränkt und umfasst gängige Metalle, wie z. B. Aluminium, Kupfer und Eisen, aber auch Legierungen und Stähle. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass ein Metallwerkstück aus Kupfer und ein weiteres Metallwerkstück aus Aluminium gebildet ist. Eine Verbindung dieser Metalle hat besonders großen praxisrelevanten Bezug, beispielsweise bei der Verbindung eines Kupfer-Rohrleiters mit einer Energieschiene oder Stromschiene aus Aluminium. Energieschienen sind zumeist große, quadratische Bauteile mit hohem Querschnitt und damit geringem elektrischen Widerstand. Aufgrund der großen Dimensionen werden sie üblicherweise aus Aluminium gefertigt, um den Gewichtseintrag zu minimieren. Übliche Rohrleiter sind aus Kupfer gefertigt. Eine herkömmliche Verbindungstechnik sieht ein Walzplattieren des Aluminiumwerkstückes und des Kupferwerkstückes vor. In feuchter Umgebung kommt es daher unweigerlich zu Kontaktkorrosion aufgrund der unterschiedlichen Standardpotentiale der Metalle. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung effektiv verhindert.
Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer korrosionsresistenten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen mindestens zwei Metallwerkstücken mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential beschrieben. Das Verfahren umfasst dabei den Schritt des Einbringens eines wie oben dargestellten Fügeelements zwischen die Metallwerkstücke. Eine direkte Verbindung zwischen den Metallwerkstücken wird verhindert. Die Verbindung zwischen den Metallwerkstücken kommt ausschließlich über das Fügeelement zu Stande. Das Verfahren ist einfach durch Anwendung von Standardprozessen kostengünstig umsetzbar und erfordert weder einen hohen technischen oder logistischen Aufwand. Das Fügeelement kann in gewünschter Form bereitgestellt werden, beispielsweise zur Ausführung einer formschlüssigen Verbindung mit einer oder mehreren kann. Alternativ dazu kann das Fügeelement auch direkt stoffschlüssig mit den Metallwerkstücken verbunden werden. Jegliche Art von Verbindungstechnik, die eine gute elektrische Leitfähigkeit ermöglicht, ist denkbar. Beispielhafte Fügeverfahren sind in DE 10 2012 001 779 A1 , DE 10 2012 001 778 A1 und DE 10 2010 054 453 A1 dargestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses ein stoffschlüssiges Fügen des Fügeelements mit mindestens einem der zu verbindenden Metallwerkstücke, da auf diese einfache Weise eine biegeresistente und torsionsstabile Verbindungsbildung erhalten werden kann. Die stoffschlüssige Verbindung kann auf jegliche erdenkliche Art und Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Laserschweißverfahren, Reibschweißverfahren oder dergleichen.
Für eine besonders stabile Verbindungsbildung kommt vorzugsweise ein Reibschweißverfahren zur Anwendung.
Die für das erfindungsgemäße Fügeelement beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Eigenschaften und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Anordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:

– Das Fügeelement bietet eine hohe elektrische Leitfähigkeit.
– Das Fügeelement verhindert Kontaktkorrosionen.
– Das Fügeelement ist einfach strukturiert und hat damit auch eine günstige Kostenstruktur.
– Die erfindungsgemäße Anordnung ist dauerhaft stabil und gegenüber Kontaktkorrosion, selbst in feuchter Umgebung, geschützt.
– Das Verfahren ist ohne hohen technischen Aufwand mittels Standardprozessen kostengünstig umsetzbar und ermöglicht die
– Das Verfahren ist ohne hohen technischen Aufwand mittels Standardprozessen kostengünstig umsetzbar und ermöglicht die Herstellung einer stabilen korrosionsresistenten aber elektrisch leitfähigen Verbindung von Metallwerkstücken.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
1 ein Fügeelement gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung,
2 ein Fügeelement gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung und
3 eine Anordnung mit einem Fügeelement.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des erfindungsgemäßen Fügeelements bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Im Detail zeigt 1 ein im Wesentlichen quadratisches Fügeelement 1. Das Fügeelement 1 umfasst ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial, das einen polymeren Kunststoff 2, beispielsweise einen thermoplastischen Kunststoff, und einen elektrisch leitfähigen Zusatzstoff 3, z. B. in Form von Partikeln, enthält.
Der elektrisch leitfähige Zusatzstoff 3 ist vorzugsweise Kohlenstoff haltig und umfasst insbesondere Rußpartikel, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstofffasern, Graphen, Graphit und Mischungen daraus.
Das Fügeelement 1 ist zum Verbinden von mindestens zwei Metallwerkstücken mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential vorgesehen, wobei zwischen den Metallwerkstücken über das Fügeelement eine korrosionsresistente elektrisch leitfähige Verbindung herstellbar ist.
2 zeigt eine alternative Weiterbildung eines Fügeelements 1. Das Fügeelement 1 ist aus einem leitfähigen Polymer 4 gebildet, so dass auf elektrisch leitfähige Zusatzstoffe verzichtet werden kann. Dies vereinfacht die Herstellung des Fügeelements 1. So können z. B. sehr einfach, beispielsweise im Spritzgussverfahren, Verbindungsstellen für die zu verbindenden Werkstücke, integriert werden. Dies ist anhand einer Lasche 5 und einer Einbuchtung 6 beispielhaft veranschaulicht. Die Lasche 5 kann z. B. sehr gut zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung genutzt werden. Dagegen dient die Einbuchtung 6 vornehmlich der formschlüssigen Verbindung eines Werkstückes.
3 zeigt eine korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung 10. Sie umfasst mindestens zwei Metallwerkstücke 7, 8. Die Metallwerkstücke 7 und 8 haben unterschiedliche elektrochemische Standardpotentiale und haben daher in der elektrochemischen Spannungsreihe unterschiedliche Positionen. Eine direkte Verbindung zwischen diesen Metallwerkstücken 7, 8 würde unweigerlich, insbesondere in feuchter Umgebung, zu Kontaktkorrosion und zum Auflösen des unedleren Metallwerkstücks führen.
Die Metallwerkstücke 7, 8, sind daher erfindungsgemäß voneinander beabstandet und über ein Fügeelement 1 miteinander verbunden. Eine elektrische Verbindung zwischen den Metallwerkstoffen 7 und 8 wird über das Fügeelement 1 hergestellt. Eine Kontaktkorrosion wird somit effektiv vermieden.
Das Metallwerkstück 7 ist beispielsweise als Kupfer-Rohrleiter ausgebildet und das Metallwerkstück 8 ist in Form einer Energieschiene aus Aluminium gebildet.
Das Fügeelement 1 weist zur formschlüssigen und ggf. auch stoffschlüssigen Verbindung des Werkstückes 7 auf einer Seite eine Einbuchtung auf, in die das Werkstück 7 passgenau eingefügt ist. Das Fügeelement 1 weist auf einer weiteren Seite ferner weitere Einbuchtungen auf, in die das Werkstück 8 eingebracht ist. Dies ermöglicht eine besonders gute, dauerhaft stabile elektrische Verbindung der beiden Werkstücke 7, 8 über das Fügeelement 1. Zudem wird durch die Beabstandung der beiden Werkstücke 7, 8 durch das eingeschobene Fügeelement 1 eine Kontaktkorrosion der beiden metallischen Werkstücke 7, 8, die ein unterschiedliches elektrochemisches Standardpotential aufweisen, verhindert.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Fügeelement
2: polymerer Kunststoff
3: elektrisch leitfähiger Zusatzstoff
4: leitfähiges Polymer
5: Lasche
6: Einbuchtung
7: Metallwerkstück
8: Metallwerkstück
10: korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006013529 A1 [0002]
DE 102012001779 A1 [0012]
DE 102012001778 A1 [0012]
DE 102010054453 A1 [0012]

Claims

Fügeelement zum Verbinden von mindestens zwei Metallwerkstücken (7, 8) mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential unter Herstellung einer korrosionsresistenten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Metallwerkstücken (7, 8) über das Fügeelement (1), wobei das Fügeelement (1) ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial umfasst.
Fügeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Kunststoffmaterial mindestens einen polymeren Kunststoff (2) und mindestens einen elektrisch leitfähigen Zusatzstoff (3) umfasst.
Fügeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Zusatzstoff (3) ausgewählt ist aus Kohlenstoff haltigen Materialien und insbesondere Rußpartikel, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstofffasern, Graphen, Graphit und Mischungen daraus, umfasst.
Fügeelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Kunststoffmaterial ein elektrisch leitfähiges Polymer (4) umfasst.
Korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung aus mindestens zwei Metallwerkstücken (7, 8) mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential, die durch ein Fügeelement (1) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) ein Fügeelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1) mit den Metallwerkstücken (7, 8) stoffschlüssig verbunden ist.
Korrosionsresistente, elektrisch leitfähige Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallwerkstück (7) aus Kupfer und ein weiteres Metallwerkstück (8) aus Aluminium ist.
Verfahren zum Herstellen einer korrosionsresistenten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen mindestens zwei Metallwerkstücken (7, 8) mit unterschiedlichem elektrochemischem Standardpotential durch Einbringen eines Fügeelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zwischen die Metallwerkstücke (7, 8).
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des stoffschlüssigen Fügens des Fügeelements (1) mit mindestens einem der zu verbindenden Metallwerkstücke (7, 8).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch ein Schweißverfahren, insbesondere durch ein Reibschweißverfahren, hergestellt wird.