DE102015012906A1 - Hülse, Kontaktier-Einrichtung und Verfahren zum Schweißen von dünnen strangförmigen Leitern mittels Ultraschall - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Verbindung zwischen einem strangförmigen Leiter und einem Träger-Objekt durch eine Hülse zur Aufnahme des Endstücks des strangförmigen Leiters, mit der das Endstück verpresst und die an das Träger-Objekt per Ultraschall angeschweißt oder mit diesem durch Verpressung verbunden werden kann.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kontaktierung, eine Hülse, eine elektrische Einrichtung und ein Fahrzeug, insbesondere nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Kupferleitungen können mittels Ultraschalltechnik an leitfähige Metalle angeschweißt werden. Insbesondere Querschnitte oberhalb von 0,5 mm2 lassen sich mit guten Abzugswerten verbinden. Durch die Verpressung beim Schweißen kommt es i. d. R. zu Materialschwächung und Sollbruchstellen die insbesondere das Anschweißen von Querschnitten von 0,35 mm2 und kleiner erschweren. Die reduzierten Abreißkräfte machen den Einsatz von solchen dünnen Leitungen nicht mehr praktikabel. Ein Kompaktieren vor dem Anschweißen hilft auch nur wenig.
  • Um einen größeren Querschnitt zu bekommen, behilft man sich oft mit dem Einsatz von offenen Crimphülsen. Der Nachteil ist hier, dass die Qualität der Verbindung von der Orientierung der gecrimpten Geometrie auf dem Verbindungsblech abhängt und die Festigkeit der Crimpung grundsätzlich durch die US Energie geschwächt wird, da die Crimpflanken nur eingerollt sind und sich beim Verpressen wieder öffnen können. Es kann zu Relativbewegungen innerhalb des Crimps kommen, wodurch der Crimp auch zerstört werden kann.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund wird ein technisches Konzept mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7, 10, 13 und 14 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
  • Figuren
  • Im Folgenden werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Diese Ausführungen sollen die Erfindung verständlich machen. Sie haben jedoch nur beispielhaften Charakter. Selbstverständlich lassen sich innerhalb des durch unabhängige Ansprüche definierten Rahmens der Erfindung einzelne oder mehrere beschriebene Merkmale auch weglassen, abwandeln oder ergänzen. Auch können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen selbstverständlich untereinander kombiniert werden. Entscheidend ist, dass das Konzept der Erfindung im Wesentlichen umgesetzt ist. Wenn ein Merkmal zumindest teilweise zu erfüllen ist, so schließt dies ein, dass dieses Merkmal auch vollständig ist oder im Wesentlichen vollständig erfüllt ist. „Im Wesentlichen” bedeutet dabei insbesondere, dass die Umsetzung eine Erzielung des erwünschten Nutzens in erkennbarem Ausmaß erlaubt. Dies kann insbesondere bedeuten, dass ein entsprechendes Merkmal zu mindestens 50%, 90%, 95% oder 99% erfüllt ist. Ist eine Mindestmenge angegeben, so kann selbstverständlich auch mehr als diese Mindestmenge verwendet werden. Wenn die Anzahl eines Bauteils mit mindestens einem angegeben ist, so beinhaltet dies insbesondere auch Ausführungsformen mit zwei, drei oder einer sonstigen Vielzahl von Bauteilen. Was für ein Objekt beschrieben ist, kann auch auf den überwiegenden Teil oder die Gesamtheit aller anderen artgleichen Objekte angewandt werden. Sofern nichts anderes angegeben ist, schließen Intervalle ihre Randpunkte mit ein. „Ein/e/s” ist nachfolgend als unbestimmter Artikel gemeint und bedeutet ”mindestens eines”. Nachfolgend wird Bezug genommen auf:
  • 1 Hülse zum Verpressen und Schweißen a) in Draufsicht b) im Querschnitt c) im Längsschnitt
  • 2 Träger-Objekt mit strangförmigem Leiter und erfindungsgemäßer Hülse in verschweißter Ansicht
  • 3 Strangförmiger Leiter mit einer Hülse gemäß 1 in teilweise verpresstem Zustand a) in Draufsicht b) und c) im Querschnitt
  • 4 Träger-Objekt mit strangförmigem Leiter und erfindungsgemäßer Hülse in verschweißter Ansicht in vergrößertem Längsschnitt
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug. Der Begriff ”Fahrzeug” meint insbesondere eine Einrichtung zum Transport von Personen und/oder Gütern. Denkbar sind zum Beispiel Land-, Wasser-, Schienen- und Luftfahrzeuge, insbesondere Flugzeuge, Schiffe und automobile Kraftfahrzeuge, insbesondere elektrische Kraftfahrzeuge.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Batterie, insbesondere für ein Fahrzeug und vorzugsweise für ein Elektrofahrzeug. Die Erfindung kann dabei insbesondere zur Kontaktierung von Teilen der Batterie aus einem Aluminiummaterial von Bedeutung sein, insbesondere zur Kontaktierung eines Kontaktblechs für eine Elementarzelle der Batterie. Dabei wird eine Hülse über einen strangförmigen Leiter gezogen. Die Hülse wird dann teilweise verpresst, um Leiter und Hülse miteinander zu verbinden. Anschließend wird die Hülse mit dem Leiter am Träger-Objekt angeschweißt und/oder damit verpresst.
  • Die vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung sind insbesondere:
    • 1. dass die Hülse geschlossen ist, wobei sie z. B. aus einem Blech gebogen und mit einer nicht geschlossenen schlitzartigen Naht versehen sein kann, aber auch ganz geschlossen (insbesondere verschweißt) oder völlig nahtlos aus Rohrmaterial gefertigt sein kann; sie kann sich dadurch nicht oder weniger öffnen, vor allem beim Verpressen;
    • 2. dass die Hülse rotationssymmetrisch ist und die Crimpung/Verpressung rotationssymmetrisch ausgeführt wird oder einen nicht verpressten Bereich rotationssymmetrisch erhält. Dadurch ist gewährleistet, dass die Hülse von der Ausrichtung um die Längsachse unabhängig auf dem Träger-Objekt platziert werden kann;
    • 3. dass die Crimpung/Verpressung nicht über die gesamte Länge sondern nur partiell ausgeführt wird. Dadurch bleibt die eigentliche Verpressung von Leitung und Hülse durch den Schweißvorgang unbeschädigt. Es kann zu einer Verbindung des unverpressten Hülsenbereichs mit dem Träger-Objekt, z. B. mittels Ultraschall kommen
    • 4. dass sich an der Hülse mindestens ein Einlauftrichter für die Leitung befindet, um keine scharfen Kanten zu bekommen die sie Leitung schwächen könnten
    • 5. dass sich an der Hülse zwei Einlauftrichter befinden, so dass sie automatisiert verarbeitet werden kann
    • 6. dass der Gesamtquerschnitt von Hülse und Leitung mindestens 0,35 mm2, vorzugsweise mindestens 0,5 mm2 ergibt. Denn Ultraschallverschweißen von Rundleitern ist technisch unterhalb 0,35 mm2 schwierig, da die mechanische Festigkeit (Robustheit der Verbindung) sehr gering wird.
  • Das vorliegende Konzept ist besonders für die Verschweißung von zwei metallischen Bauteilen geeignet, deren elektrochemisches Spannungspotential stark, das heißt mehr als 0,3 V, voneinander verschieden ist, und die deswegen zu Kontaktkorrosionsproblemen neigen. Wenn zweckmäßigerweise die Hülse aus einem Material ist, dessen elektrochemisches Spannungspotential zwischen den Spannungspotentialen der zu verschweißenden Bauteile liegt, kann die Potentialdifferenz in geschickter Weise aufgeteilt werden. Dadurch ist die Neigung zu Korrosion reduziert oder sogar ganz unterbunden.
  • Besonders geeignet ist eine Verschweißung von Aluminiumbauteilen (z. B. Kontaktblechen) mit Kupferkabeln/-drähten mittels Hülsen aus Messing oder einer anderen Kupfer und/oder Zink enthaltenden Legierung. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Hülsenmaterial zumindest in dem Bereich, in dem es ein anderes Bauteil kontaktiert, ein elektrochemisches Potential aufweist, das zwischen dem der beiden zu kontaktierenden Bauteile liegt. Vorzugsweise liegt es zwischen +0,52 V bis +0,34 V für Kupfer und ca. –1,66 V für Aluminium.
  • Es kann auch zweckmäßig sein, eine Hülse aus einem ”Hybrid-Material” herzustellen, also aus einem Material mit mindestens zwei verschiedenen Bestandteilen, die zumindest lokal nicht miteinander vermischt sind. Sie sind dabei jedoch hermetisch so dicht verbunden, dass an der Kontaktfläche keine Kontaktkorrosion entstehen kann. Dazu ist die Hülse vorzugsweise zweilagig ausgeführt, also aus einem Material mit zwei Schichten mit voneinander verschiedenen Eigenschaften. Herstellbar sind diese Materialien beispielsweise mittels Kaltwalzpattierverfahren. Eine erste Schicht ist vorzugsweise aus weichem elektrisch leitfähigem Material z. B. Kupfer. Weich bedeutet hier insbesondere weicher als Messing. Kupfer ist nicht an Kupferleitungen crimpbar, da es keine Haltekraft entwickeln kann. Kupfer ist aber gut mit weichem Aluminium verschweißbar. Eine zweite Schicht ist vorzugsweise aus härterem Material z. B. Messing. Dieses ist crimpbar, lässt sich aber nicht ausreichend gut auf weichem Aluminium schweißen.
  • Die Hülse weist somit vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine innere röhrenförmige Schicht aus Messing auf. Diese ist zumindest abschnittsweise umhüllt von einer äußeren röhrenförmigen Schicht aus Kupfer.
  • In 1 erkennt man die erfindungsgemäße Hülse 4, und zwar als Hohlzylinder mit konisch aufgeweiteten Mündungen, vgl. 1c). Dabei können die im Übergang zwischen den konischen Aufweitungen und dem zylindrischen Hohlraum gezeichneten Kanten verrundet sein, um die Belastung der durchgeführten Seele des Leiters 3 zu minimieren. Das kann auch für die Kanten am äußeren Ende der konischen Aufweitung gelten.
  • In 3 erkennt man, dass die Seele 5 eines Leiters 3 in die Hülse 4 eingesteckt wurde (3c)). In dieser Situation existiert noch eine Rotationssymmetrie (wobei die einzelnen Filamente der Seele 5 nicht zählen). Nachfolgend wird mit einer an sich bekannten Presszange hinsichtlich der Länge der Hülse 4 partiell verpresst, und zwar in den zwei in 3a) dargestellten Bereichen. Diese sind in 3b) im Schnitt erkennbar. Die Seele 5 ist komprimiert und in diesem verpressten Zustand mit 6 bezeichnet und der Außenumfang der Hülse 4 hat im verpressten Bereich eine ungefähr quadratische Form mit abgerundeten Ecken. Auch andere Verpressgeometrien (6-eckig, viermal punktuell, etc.) sind denkbar. In 3a) sieht man auf eine solche Ecke (mittig) und erkennt eine Kante des Quadrats darüber und eine andere darunter. Im Übrigen bleibt die Hülse vor und hinter den jeweiligen verpressten Bereichen rotationssymmetrisch.
  • Damit kann sie in beliebiger Lage auf ein Kontaktblech, nämlich das Träger-Stück 1 gemäß 2, aufgebracht werden, z. B. durch Ultraschallverschweißen oder einer weiteren Verpressung. Die Orientierung spielt keine Rolle, weil für diese Befestigung und Kontaktierung nur die unverpressten Teile der Hülse 4 wesentlich sind. 4 zeigt symbolisch einen ultraschallverschweißten Zustand, bei dem in Folge der Ultraschallverschweißung die Oberseite der Hülse 4 (mit 7 bezeichnet weil hier verschweißt) und die Unterseite des Träger-Stücks 1 in bekannter Weise verändert sind.
  • Bei dem Kontaktblech bzw. Träger-Stück 1 kann es sich z. B. um ein aus Aluminiummaterial bestehendes Kontaktblech einer Elementarzelle einer Fahrzeugbatterie, insbesondere eines Elektro-Kfz, handeln. Hier bestehen wegen der elektrochemischen Potentialdifferenzen insbesondere bei der Kontaktierung durch Kupfermaterial-Kabel Schwierigkeiten, denen durch geeignete Wahl des Hülsenmaterials begegnet werden kann.
  • Im Übrigen eignet sich die Erfindung wegen der Lageunempfindlichkeit bei dem Verbinden der Hülse 4 mit dem Träger-Stück 1 (Rotationssymmetrie), aber auch wegen der Spiegelsymmetrie der Hülse 4 hinsichtlich ihrer konischen Aufweitungen 1c)) sehr gut für eine automatisierte Montage.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Träger-Objekt als Verbindungspartner (Blech)
    2
    Hülse, verpresst
    3
    Elektrischer Leiter mit Isolationsmantel
    4
    Hülse, unverpresst
    5
    Kupferseele des Leiters, unverpresst
    6
    Kupferseele der Leiters, verpresst
    7
    Hülse, verpresst und ultraschallgeschweißt

Claims (17)

  1. Hülse (4) zur Aufnahme des Endstückes eines strangförmigen Leiters (3) um einen Kontakt zum Verschweißen mit einem Träger-Objekt (1) zu bilden.
  2. Hülse (4) nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) zumindest lokal 360° umlaufend um den Umfang des Leiters (5) herum geschlossen ist.
  3. Hülse (4) nach einem der beiden voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zum Einführen des strangförmigen Leiters (5) dienende Einstecköffnung einen Einführtrichter in Form eines sich trichterförmig verengenden Übergangs von ihrem Außen- zu ihrem Innen-Durchmesser aufweist, um die Stabilität des Leiters (5, 6) gefährdende scharfe Kanten zu vermeiden.
  4. Hülse (4) nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Einführtrichter Krümmungsradien unter 0,5 mm vermeidet.
  5. Hülse (4) nach einem der beiden voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (4) an ihren beiden Enden je einen Einführtrichter aufweist.
  6. Hülse (6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtquerschnitt von Hülse (4) und Leiter (5, 6) mindestens 0,5 mm2 beträgt.
  7. Kontaktier-Einrichtung mit einem Träger-Objekt (1) und einem strangförmigen Leiter (3), dadurch gekennzeichnet, dass der strangförmige Leiter (3) mit einer Hülse (4) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche daran befestigt ist, insbesondere ultraschallverschweißt oder verpresst ist, wobei der Leiter (3) mit der Hülse (4) vorzugsweise verpresst ist.
  8. Kontaktier-Einrichtung nach dem voranstehenden Anspruch, bei der die Verpressung nicht über die gesamte Länge der Hülse (4), sondern nur einen Teil der Länge ausgeführt ist und die Hülse (4) an dem Träger-Objekt (1) in einem unverpressten Teil der Länge befestigt ist.
  9. Kontaktier-Einrichtung nach einem der beiden voranstehenden Ansprüche, bei der das metallische Material der Seele des Leiters (3) und das metallische Material des Träger-Objekts (1) eine elektrochemische Potentialdifferenz von mehr als 0,3 V aufweisen und die Hülse (4) aus einem metallischen Material besteht, dessen elektrochemisches Potential zwischen denen der Seele des Leiters (3) und des Träger-Objekts (1) liegt, wobei vorzugsweise das Träger-Objekt (1) aus einem Aluminiummaterial, die Seele des Leiters (3) aus einem Kupfermaterial und die Hülse (4) aus einem Messingmaterial oder einem CuZn-Material besteht.
  10. Verfahren zum Verbinden eines strangförmigen elektrischen Leiters (3, 5, 6) mit einem Träger-Objekt (1) zur Herstellung einer Kontaktier-Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Einführen des strangförmigen elektrischen Leiters (5) in eine Hülse (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, b) erstes Verpressen der Hülse (4) mit dem Leiter (5), so dass der elektrische Leiter (6) in der Hülse (4) fixiert ist, c) Auflegen des Leiters (5) mit der Hülse (4) auf dem Träger-Objekt (1) d) Verbinden der den Leiter (5) umgebenden Hülse (4) und des Träger-Objekts (1) durch Verschweißen mittels Ultraschall und/oder durch zweites Verpressen.
  11. Verfahren nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verpressung nicht über die gesamte Länge, sondern nur partiell ausgeführt wird, dass die Verbindung zwischen Hülse (4) und Träger-Objekt (1) nur im unverpressten Hülsenbereich hergestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der beiden voranstehenden Ansprüche, bei dem die Hülse (4) in unverpressten Zustand einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist und zumindest abschnittsweise auch nach der Verpressung rotationssymmetrisch bleibt.
  13. Batterie mit einer Kontaktier-Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, insbesondere mit einem Träger-Objekt (1) aus einem Aluminiummaterial.
  14. Fahrzeug mit einer Kontaktier-Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, insbesondere einer Batterie nach Anspruch 13.
  15. Verwendung einer Hülse (4) nach einem Ansprüche 1 bis 6 für eine Kontaktier-Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 oder für eine Batterie nach Anspruch 13 oder für ein Fahrzeug nach Anspruch 14.
  16. Verwendung einer Kontaktier-Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 oder für eine Batterie nach Anspruch 13 oder für ein Fahrzeug nach Anspruch 14.
  17. Verwendung einer Batterie nach Anspruch 13 für ein Fahrzeug nach Anspruch 14.
DE102015012906.6A 2015-02-27 2015-10-07 Hülse, Kontaktier-Einrichtung und Verfahren zum Schweißen von dünnen strangförmigen Leitern mittels Ultraschall Pending DE102015012906A1 (de)

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