DE102014225393A1

DE102014225393A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil

Info

Publication number: DE102014225393A1
Application number: DE102014225393.4A
Authority: DE
Inventors: Nico Weller; Andreas Topf; Jeihad Zeadan; Sarah Overmeier; Sebastian Stein; Gert Callies; Matthias Roepke; Rene Deponte
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN107005133A; US20170338611A1; BR112017011516A8; EP3230005A1; BR112017011516A2; WO2016091651A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil mittels Cold-Metal- Transfer-Schweißens wird ein Schweißdraht periodisch in Richtung auf den Werkstoff eines zu verschweißenden Bauteiles zu- bzw. von diesem wegbewegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium- Bauteil.
Stand der Technik
Bekannt sind elektrische Startermotoren, beispielsweise aus der WO 02/16763 A1 , die zum Starten von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden und mit einer Kommutierungseinrichtung zur Stromübertragung und -wendung auf einen im Starter rotierend gelagerten Anker versehen sind. Die Kommutierungseinrichtung umfasst einen ankerseitigen Kommutator bzw. Kollektor und mehrere, an dem Kollektor anliegende Kohlebürsten, die jeweils von einer Bürstenfeder radial auf die Mantelfläche des Kollektors kraftbeaufschlagt sind. Der Kollektor umfasst über den Umfang verteilt mehrere Lamellen, die bei Kontakt mit den Bürsten Strom auf Ankerwicklungen leiten. Die Lamellen bestehen üblicherweise aus Kupfer, die Verbindung zu den Ankerwicklungen erfolgt über Anschlusslitzen, welche mit den Lamellen verbunden sind.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dauerhafte, stromführende Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil einer elektrischen Maschine herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil eingesetzt. Die elektrisch leitende Verbindung kann in unterschiedlichen elektrischen Maschinen verwendet werden, zum Beispiel in Motoren oder Generatoren oder in elektromagnetischen Relais. Beispielsweise wird eine derartige Verbindung zwischen Kupferlamellen eines Kollektors in einer Kommutierungseinrichtung und einem Aluminiumdraht erzeugt, der mit einer Ankerwicklung verbunden oder Teil der Ankerwicklung ist. In Betracht kommt auch zum Beispiel die Verbindung in einem Generator zwischen einem Aluminiumdraht und einer Stromschiene aus Kupfer oder die Verbindung zwischen einem Kupfer-Crimp und einer oder mehreren Aluminiumdrähten, welche von dem Kupfer-Crimp umschlossen sind. Des Weiteren ist eine Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil in elektrischen Maschinen möglich, die Teil eines Hybridsystems sind, beispielsweise in Kombination mit einer Brennkraftmaschine. Die Aluminium- Kupfer-Verbindung kann bei Zellverbindern, Anschlussstücken, Stromschienenverbindungen, bei Batteriesystemen und bei der Integration von Batteriesystemen über stromleitende Systeme eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verbindung zwischen dem Kupfer-Bauteil und dem Aluminium-Bauteil mittels Cold-Metal-Transfer- Schweißens (CMT) hergestellt, bei dem ein Schweißdraht periodisch in Richtung auf den Werkstoff eines der zu verschweißenden Bauteile zu- bzw. von diesem wegbewegt wird. Das CMT-Schweißverfahren hat den Vorteil, dass beim Herstellen der Aluminium-Kupfer-Verbindung eine spröde, intermetallische Phase vermieden werden kann. Das CMT-Verfahren zeichnet sich durch eine präzise Prozesssteuerung aus bei einem verhältnismäßig geringen Energieeintrag in die Fügezone zwischen den Fügepartnern Aluminium und Kupfer. Dementsprechend ist die Temperatur – verglichen mit anderen Schweißverfahren – verhältnismäßig gering. Das CMT-Verfahren sorgt für eine dauerhafte, sichere Verbindung zwischen den Fügepartnern Aluminium und Kupfer mit hoher elektrischer Leitfähigkeit der Verbindung.
Bei dem CMT-Verfahren bewegt sich der Schweiß- bzw. Zusatzdraht periodisch vor und zurück in Richtung auf die Füge- bzw. Schweißstelle. Während des Schweißvorgangs bewegt sich der Schweißdraht so lange im Lichtbogen vor, bis ein Kurzschluss erfolgt und der Lichtbogen unterbrochen wird, woraufhin der Schweißdraht wieder zurückgezogen wird. In der Brennphase bringt der Lichtbogen nur über einen verhältnismäßigen kurzen Zeitraum Wärme ein. Nachdem der Schweißdraht wieder zurückgezogen ist, ist der Kurzschluss aufgehoben, und es wird der Lichtbogen von neuem erzeugt und auf die Fügestelle gerichtet. Während der Rückbewegung des Schweißdrahts wird die Tropfenablösung unterstützt, was zu einem spritzerfreien Schweißvorgang beiträgt.
Die Vor- und Zurückbewegung des Schweißdrahts erfolgt mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz von beispielsweise mindestens 50 Hz, zum Beispiel 70 Hz, wobei gegebenenfalls auch geringere oder höhere Frequenzen in Betracht kommen, beispielsweise 130 Hz.
Das Aluminium-Bauteil besteht zumindest überwiegend aus Aluminium, es weist somit einen Aluminium-Anteil von mindestens 50 %, vorteilhafterweise mindestens 80 % oder mindestens 90 % auf. Entsprechend kommen auch Legierungen in Betracht, soweit der Anteil an Aluminium im Werkstoff mindestens 50 % beträgt.
Das Kupfer-Bauteil besteht ebenfalls zumindest überwiegend aus Kupfer, so dass der Kupfer-Anteil mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80 % oder mindestens 90 % beträgt. Auch in diesem Fall kommen Legierungen in Betracht, soweit der Kupfer-Anteil bei mindestens 50 % liegt.
Der Schweißdraht besteht in bevorzugter Ausführung ebenfalls aus Aluminium oder weist einen Aluminiumanteil von mindestens 50% auf.
Das Aluminium-Bauteil ist beispielsweise ein Aluminiumdraht, der gegebenenfalls mit einer Isolierschicht, beispielsweise einem Isolierlack versehen sein kann, wobei im Bereich der Schweißstelle vorteilhafterweise die Isolierschicht entfernt ist. Der Aluminiumdraht kann für eine Wicklung eingesetzt werden, beispielsweise eine Ankerwicklung in einer elektrischen Maschine, wobei die Schweißverbindung mit dem Kupfer-Bauteil im Bereich der freien Enden des Aluminiumdrahts erfolgt.
Das Kupfer-Bauteil ist beispielsweise ein Kupferdraht oder eine Kupfer- Stromschiene. Im Falle einer Kommutierungseinrichtung handelt es sich bei dem Kupfer-Bauteil um eine Lamelle des Kollektors, die mittels des CMT-Verfahrens mit dem Aluminiumdraht der Ankerwicklung oder einer Aluminiumlitze verbunden wird, über die der elektrische Kontakt mit der Ankerwicklung hergestellt wird
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Kupfer-Bauteil zumindest im Bereich der Schweißstelle mit einer Zinnschicht überzogen. Die Zinnschicht verhindert nach dem Verschweißen eine Kontaktkorrosion zwischen dem Aluminium und dem Kupfer. Durch die Zinnschicht wird ein intermetallisches Phasenwachstum, hervorgerufen durch Temperatureinwirkung, vermieden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung können auch mehrlagig angeordnete Aluminium-Bauteile miteinander im Wege des CMT-Verfahrens verbunden werden. So ist es beispielsweise möglich, zwei Aluminium-Leiter mithilfe des CMT-Verfahrens miteinander zu verschweißen. Zeitlich vor oder nach dem Verschweißen der Aluminium-Bauteile können diese mit dem Kupfer- Bauteil im Wege des CMT-Verfahrens verschweißt werden.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden die Fügepartner vor der Durchführung des CMT-Verfahrens mechanisch miteinander verbunden, beispielsweise durch Crimpen. Es können zum Beispiel zwei Aluminium-Leiter mithilfe eines Crimps zusammengehalten werden, der vorzugsweise aus Kupfer besteht, wobei nach dem mechanischen Verbinden das CMT-Verfahren zum Verschweißen des Crimps mit den Aluminium-Leitern durchgeführt wird. Es ist somit zweckmäßig, für die mechanische Verbindung von zwei Aluminium- Bauteilen ein Kupfer-Bauteil einzusetzen, das mit einem oder mit beiden Aluminium-Bauteilen im Wege des CMT-Verfahrens verbunden wird.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine im Längsschnitt,
2 in perspektivischer Ansicht zwei Aluminium-Leiter, die im Wege des CMT-Schweißverfahrens mit einer verzinnten Kommutatorlamelle aus Kupfer verbunden werden,
3 eine schematisierte Schnittdarstellung mit der Schweißverbindung zwischen zwei Aluminium-Leitern und einer Kommutatorlamelle,
4 eine Kommutatorlamelle in Seitenansicht mit einer Fase im Bereich eines radial nach außen gebogenen Abschnittes, an die sich die Schweißverbindung zum Aluminium-Leiter anschließt,
5 eine 4 entsprechende Darstellung, jedoch mit abgerundetem Übergang am radial nach außen gerichteten Abschnitt der Lamelle,
6 eine Lamelle mit einem U-förmigen Einschnitt im Bereich des Teiles, welcher zur Verbindung mit dem Aluminium-Leiter dient, wobei die gesamte Lamelle in eine Ebene projiziert ist,
7 in perspektivischer Darstellung zwei Aluminiumdrähte in Verbindung mit einer Kupfer-Stromschiene eines Generators,
8 die Verbindung gemäß 7 in schematisierter Draufsicht,
9 in perspektivischer Ansicht zwei Aluminium-Leiter, welche mithilfe eines Crimps aus Kupfer verbunden werden,
10 ein Schweißwerkzeug für das Cold-Metal-Transfer-Verfahren.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, die in einem Gehäuse 2, welches einen vorne liegenden Lagerschild 3 aufweist, einen elektrischen Startermotor aufnimmt. Die Motorwelle 5 des Startermotors 4 treibt über ein Planetengetriebe 6 eine Antriebswelle 11 an, auf der ein Mitnehmer 8 einer Freilaufeinrichtung 7 axial verschieblich, jedoch in Drehrichtung mit der Antriebswelle 11 gekoppelt angeordnet ist. Der Mitnehmer 8 stützt sich über Stützrollen 9 an einem Rollenbund 10 ab, der einteilig mit einem Starterritzel 12 ausgebildet ist. Bei einer axialen Vorschubbewegung gelangt das Starterritzel 12 aus einer zurückgezogenen Außerbetriebsstellung in eine vorgerückte Eingriffsstellung mit dem Zahnkranz einer Brennkraftmaschine.
Die axiale Vorschubbewegung des Starterritzels 12 wird mithilfe eines elektromagnetischen Starterrelais 13 durchgeführt, das einen axial verstellbaren Hubanker 14 aufweist, welcher mit einem Gabelhebel gekoppelt ist. Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 14 wird der am Gehäuse gelagerte Gabelhebel 15 verschwenkt, wodurch der Mitnehmer 8 einschließlich Starterritzel 12 in Achsrichtung verstellt wird.
Der elektrische Startermotor 4 ist als Innenläufermotor ausgebildet und weist einen drehfest mit der Motorwelle 5 verbundenen Anker 16 auf, welcher elektrisch erregbare Ankerspulen bzw. -wicklungen enthält. Die Ankerwicklungen des Ankers 16 werden über eine Kommutierungseinrichtung 17 bestromt. Das von den elektrischen Ankerwicklungen erzeugte elektromagnetische Feld interagiert mit dem Magnetfeld von Permanentmagneten 18, die an der Innenseite des den Anker umgreifenden Stators angeordnet sind.
Die Kommutierungseinrichtung 17 weist mehrere Feder-Bürste-Einheiten 19 auf, die jeweils gehäuseseitig eine Kohlebürste 20 und eine Bürstenfeder 21 umfassen, sowie einen ankerseitigen Kollektor 22, der über den Umfang verteilt Lamellen aufweist, welche elektrisch voneinander separiert und mit den Ankerwicklungen verbunden sind. Die Kohlebürsten 20 werden von den Bürstenfedern 21 radial gegen die Mantelfläche des Kollektors 22 kraftbeaufschlagt. Kohlebürsten 20 und Bürstenfedern 21 sind zweckmäßigerweise in Bürstenhalterungen aufgenommen, die fest mit dem Gehäuse des Startermotors verbunden sind. Über den Umfang gleichmäßig verteilt sind insgesamt sechs Feder-Bürste-Einheiten 19 vorgesehen. Es können gegebenenfalls auch nur vier Feder-Bürste-Einheiten 19 über den Umfang verteilt angeordnet sein.
In 2 ist die Verbindung zwischen einer Lamelle 23 und zwei Aluminiumdrähten 24 dargestellt, die zu jeweils einer Ankerwicklung gehören. Die Lamelle 23 besteht aus Kupfer und weist einen sich in Achsrichtung der Motorlängsachse erstreckenden Abschnitt auf, an dessen Außenseite die Kohlebürsten anliegen. Einteilig mit dem axialen Abschnitt befindet sich an einer Stirnseite ein radialer Abschnitt 23a, an dessen radial außen liegender Stirnseite die Verbindung mit den Aluminiumdrähten 24 mithilfe des Cold-Metal-Transfer-Schweißverfahrens (CMT) erfolgt.
In 3 sind die verschiedenen Phasen während des CMT-Schweißverfahrens dargestellt. Das Zusatzmaterial, welches von einem Schweißdraht stammt, verbindet zunächst die Stirnseite des am nächsten an der Stirnseite des radialen Abschnittes 23a der Lamelle 23 gelegenen Aluminiumdrahtes 24 mit dem Abschnitt 23a. Anschließend wird weiteres Zusatzmaterial 25b auf das erste Zusatzmaterial 25a aufgehäuft, das auf Seite der Lamelle 23 mit der abgeschrägten Stirnseite des Abschnittes 23a der Lamelle verbunden wird. Schließlich wird weiteres Zusatzmaterial 25c zwischen der Stirnseite des zweiten, weiter entfernt liegenden Aluminiumdrahtes 24 und den beiden ersten Anhäufungen von Zusatzmaterial 25a und 25b aufgebracht.
Wie 2 und 3 des Weiteren zu entnehmen, ist der Aluminiumdraht 24 mit einer Isolierschicht versehen, insbesondere einem Isolierlack, wobei lediglich die Endabschnitte, die mittels des CMT-Schweißverfahrens mit der Lamelle verbunden werden, frei von der Isolierschicht sind.
In den 4 bis 6 sind in schematischer Weise verschiedene geometrische Ausführungen des radialen Abschnittes 23a einer Lamelle 23 dargestellt. Der radiale Abschnittes 23a der Lamelle 23 bildet eine Lamellenfahne. Gemäß 4 weist der radiale Abschnitt 23a eine Fase 26 zwischen der radial außen liegenden Stirnseite und der innen liegenden Seitenfläche auf, welche benachbart zu dem axialen Abschnitt der Lamelle verläuft. In 5 ist der Übergang zwischen der radial außen liegenden Stirnseite des radialen Abschnittes 23a und der dem axialen Abschnitt zugewandten Seitenfläche abgerundet ausgebildet. In 6 ist in den radialen Abschnitt 23a ein U-förmiger Einschnitt 28 eingebracht, in den das Ende eines Aluminiumdrahtes eingeführt werden kann.
In den 7 und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Verbindung zwischen einer Kupfer-Stromschiene 29 in einem Generator und zwei Aluminiumdrähten 24 dargestellt. Die Kupfer-Stromschiene 29 ist mit einer Zinnschicht 30 überzogen (8). Die beiden Aluminiumdrähte 24 und die Kupfer-Stromschiene 29 werden im Wege des CMT-Schweißverfahrens miteinander verbunden.
9 zeigt zwei Darstellungen der Verbindung von zwei parallel verlaufenden Aluminiumdrähten 24 mithilfe eines Kupfer-Crimps 31. Der Crimp 31 wird zunächst mechanisch um die Endabschnitte beider parallel liegender Aluminiumdrähte 24 gelegt und zusammengefügt, so dass eine mechanische Verbindung zwischen dem Crimp 31 und beiden Aluminiumdrähten 24 besteht. Anschließend erfolgt eine Schweißverbindung mithilfe des CMT-Verfahrens, bei dem der Kupfer-Crimp 31 und die Aluminiumdrähte 24 miteinander verschweißt werden.
10 zeigt ein Schweißwerkzeug 32, welches für das CMT-Schweißverfahren eingesetzt wird. Im Schweißwerkzeug 32 wird ein Schweißdraht 33 wie mit dem Doppelpfeil angedeutet periodisch in Richtung auf die Schweißstelle 35 zu- bzw. von der Schweißstelle 35 wegbewegt. Die Frequenz der Bewegung des Schweißdrahtes 33 liegt beispielsweise bei 70 Hz.
Das Schweißwerkzeug 32 erzeugt einen Lichtbogen 34, der auf die Schweißstelle 35 am Werkstück auftrifft. Mit dem Annähern des Schweißdrahtes 33, der beispielsweise aus Aluminium besteht, an die Schweißstelle 35 entsteht ein Kurzschluss, wodurch der Lichtbogen 34 unterbrochen wird. Bei der anschließenden Rückbewegung des Schweißdrahtes 33 erfolgt eine Tropfenablösung, zugleich wird der Kurzschluss aufgehoben und der Lichtbogen 34 erneut erzeugt. Aufgrund dieses sich periodisch wiederholenden Prozesses ist der Wärmeeintrag im Werkstück verhältnismäßig gering.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/16763 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil, beispielsweise zwischen einem Kollektor (22) mit Kupferlamellen (23) in einer Kommutierungseinrichtung (17) einer elektrischen Maschine und einer Ankerwicklung aus Aluminium, mittels Cold-Metal-Transfer-Schweißens (CMT), bei dem ein Schweißdraht (33) periodisch in Richtung auf den Werkstoff eines der zu verschweißenden Bauteile (23, 24) zu- bzw. von diesem wegbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer-Bauteil (23) zumindest im Bereich der Schweißstelle (35) mit einer Zinnschicht (30) überzogen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Aluminium-Bauteils (24) zumindest überwiegend aus Aluminium besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kupfer-Bauteils (23) zumindest überwiegend aus Kupfer besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Aluminium-Bauteil ein Aluminiumdraht (24) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kupfer-Bauteil ein Kupferdraht, eine Kupferlamelle (23) oder eine Kupfer-Stromschiene (29) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrlagige Aluminium-Bauteile (24) miteinander und mit dem Kupfer-Bauteil (23) jeweils im Wege des Cold-Metal-Transfer-Schweißens (CMT) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Cold-Metal-Transfer-Schweißen der verschiedenen Aluminium-Bauteile (24) zeitlich vor oder nach dem Verschweißen mit dem Kupfer-Bauteil (23) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Bauteile (23, 24) vor der Durchführung des Cold-Metal-Transfer-Schweißens (CMT) mechanisch miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Crimpen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißdraht (33) aus Aluminium besteht.
Elektrische Maschine, beispielsweise Startermotor (4) für einen Starter für eine Brennkraftmaschine oder Generator oder elektromagnetisches Relais, mit einer Verbindung zwischen einem Kupfer-Bauteil und einem Aluminium-Bauteil, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen einem Kollektor (22) mit Kupferlamellen in einer Kommutierungseinrichtung (17) und einer Ankerwicklung (24) aus Aluminium besteht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Lamellen (23) aus Kupfer am Kollektor (22) radial nach außen abstehende Lamellenfahnen aufweisen, die mit Aluminiumdraht (24) der Ankerwicklung verschweißt werden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenfahnen an ihrer radial außen liegenden Stirnseite eine Fase aufweisen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenfahnen an ihrer radial außen liegenden Stirnseite abgerundet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenfahnen an ihrer radial außen liegenden Stirnseite einen U-förmigen Einschnitt zur Aufnahme eines Aluminiumdrahts (24) aufweisen.
Elektromagnetisches Relais, insbesondere Starterrelais für einen Starter für eine Brennkraftmaschine, mit einer Verbindung zwischen einem Kollektor (22) mit Kupferlamellen in einer Kommutierungseinrichtung (17) und einer Ankerwicklung aus Aluminium, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Starter für eine Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Startermotor nach einem der Ansprüche 11 bis 16 und/oder einem Starterrelais nach Anspruch 17.