DE102015103003B3 - Electrical contact element - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere eine Schaltfeder, vorzugsweise eine Schaltfeder für einen thermischen Temperaturregler oder eine thermische Sicherung. Das Kontaktelement umfasst einen bandförmigen Träger (2) aus einem federnden, elektrisch leitfähigen Material, sowie eine elektrisch leitende Kontaktschicht (3), die sich auf einer Flachseite des bandförmigen Trägers (2) befindet und mit Letzterem verbunden ist. Ferner ist vorgesehen, dass der bandförmige Träger (2) und die Kontaktschicht (3) mittels einer flächigen Laserschweißverbindung miteinander verbunden sind, die Laserschweißverbindung eine Laserschweißnaht (4) oder Laserschweißkegel (4a) aufweist, die sich jeweils vollständig durch die Querschnittsfläche des bandförmigen Trägers (2) hindurch in einen Teilbereich der Querschnittsfläche der benachbarten Kontaktschicht (3) hinein erstrecken, und zur Erzielung der flächigen Laserschweißverbindung jeweils entlang der Oberfläche des bandförmigen Trägers (2) (a) mehrere längliche Laserschweißnähte (4) angeordnet sind, (b) eine Laserschweißnaht (4) zweidimensional orientiert verläuft und/oder (c) eine Vielzahl von Laserschweißkegeln (4a) flächig verteilt angeordnet sind.The present invention relates to an electrical contact element, in particular a switching spring, preferably a switching spring for a thermal temperature controller or a thermal fuse. The contact element comprises a band-shaped carrier (2) made of a resilient, electrically conductive material, and an electrically conductive contact layer (3) which is located on a flat side of the band-shaped carrier (2) and connected to the latter. Furthermore, it is provided that the band-shaped carrier (2) and the contact layer (3) are connected to one another by means of a planar laser welding connection, the laser welding connection has a laser welding seam (4) or laser welding cone (4a), which in each case is completely defined by the cross-sectional area of the band-shaped carrier (FIG. 2) through into a partial region of the cross-sectional area of the adjacent contact layer (3), and to achieve the planar laser welding connection along the surface of the band-shaped carrier (2) (a) a plurality of elongated laser welds (4) are arranged, (b) a laser weld (4) is oriented in two dimensions and / or (c) a plurality of laser welding cones (4a) are distributed over a surface.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere eine Schaltfeder, vorzugsweise eine Schaltfeder für einen thermischen Temperaturregler oder eine thermische Sicherung.The present invention relates to an electrical contact element, in particular a switching spring, preferably a switching spring for a thermal temperature controller or a thermal fuse.
Technologischer HintergrundTechnological background
Federnde elektrische Kontaktelemente umfassen einen bandförmigen Träger aus einem federnden, elektrisch gut leitfähigen Material sowie eine flächig begrenzte Kontaktschicht aus einem Material mit niedrigem elektrischen Durchgangswiderstand (z. B. Ag oder eine Ag-Legierung), die sich auf einer Flachseite des bandförmigen Trägers befindet und mit Letzterem fest verbunden ist. Derartige Kontaktelemente werden üblicherweise in thermischen Temperaturreglern sowie thermischen Sicherungen als Schaltfedern eingesetzt. Bei einem thermischen Temperaturregler wird die Schaltfeder über ein Halteelement, welches wiederum mit einer thermoreaktiven Komponente (z. B. Bimetall) in Verbindung steht, unter Vorspannung am Gegenkontakt gehalten. Bei Erreichen einer vorgegebenen Temperaturschaltschwelle verändert sich die Form bzw. Lageposition der thermischen Komponente, worauf die Haltefunktion der Schaltfeder entfällt und Letztere aufgrund ihrer Eigenvorspannung den elektrischen Kontakt öffnet. Der Kontakt wird wieder geschlossen, sofern die thermische Komponente temperaturbedingt sich wieder in die Ausgangsposition zurückbewegt und die Schaltfeder hierdurch wieder in die Schließposition des elektrischen Kontaktes gedrückt wird. Bei einer thermischen Sicherung entfällt beim Auslösen der Sicherung die Haltefunktion der Schaltfeder unwiederbringlich. Spring-loaded electrical contact elements comprise a band-shaped carrier made of a resilient, electrically highly conductive material and an areal limited contact layer of a material with low electrical resistance (eg Ag or an Ag alloy), which is located on a flat side of the band-shaped carrier and is firmly connected to the latter. Such contact elements are commonly used in thermal temperature controllers and thermal fuses as switching springs. In a thermal temperature controller, the switching spring is held under pretension on the mating contact via a holding element, which in turn is connected to a thermo-reactive component (eg bimetal). Upon reaching a predetermined temperature switching threshold, the shape or position of the thermal component changes, whereupon the holding function of the switching spring is eliminated and the latter opens the electrical contact due to its inherent bias. The contact is closed again, provided that the thermal component due to temperature moves back to the starting position and the switching spring is thereby pressed back into the closed position of the electrical contact. When a thermal fuse is released when releasing the fuse, the holding function of the switching spring irretrievably.
Eine elektrisch leitende Kontaktschicht wird auf einen bandförmigen Träger aus einem federnden, elektrisch leitfähigen Material üblicherweise durch Widerstandschweißen aufgebracht. Hierzu muss die elektrisch leitende Kontaktschicht vorher mit einer weiteren, schlechter elektrisch leitenden Schicht versehen werden, die als Schweißhilfe dient (z. B. eine Cu-Legierung). Diese zusätzliche Schicht dient als notwendiges thermisches Reservoir für den Widerstandsschweißvorgang. An der Kontaktfläche der Schweißhilfe sind emporstehende, längs verlaufende Schweißstege vorgesehen, die dazu dienen, den Schweißvorgang durch eine dort stattfindende Spitzenzündung einzuleiten. Zur Gewährleistung eines Stromflusses muss bei dem Widerstandschweißen an der Oberseite der elektrisch leitenden Kontaktschicht ein elektrisch leitender Anschlusskontakt angebracht werden. Das Verfahren hat den Nachteil, dass aufgrund der an der Unterseite der Schweißhilfe emporstehenden Schweißstege es oftmals zu einer bleibenden Spaltbildung zwischen dem bandförmigen Träger und der elektrisch leitenden Kontaktschicht kommen kann. Darüber hinaus kann aufgrund des oberseitigen elektrischen Anschlusskontakts während des Schweißens die Oberseite der elektrisch leitenden Kontaktschicht verunreinigt werden. Spaltbildungen sowie Verunreinigungen der Kontaktschicht als auch der schlechter elektrisch leitenden Zwischenschicht führen zu einer unerwünschten Erhöhung des Kontaktwiderstandes. Es besteht daher ein Bedürfnis, die Qualität der Verbindung eines bandförmigen Trägers aus federndem, elektrisch leitfähigen Material mit einer elektrisch leitenden Kontaktschicht zu verbessern.An electrically conductive contact layer is applied to a band-shaped carrier made of a resilient, electrically conductive material usually by resistance welding. For this purpose, the electrically conductive contact layer must first be provided with a further, less electrically conductive layer which serves as a welding aid (eg a Cu alloy). This additional layer serves as a necessary thermal reservoir for the resistance welding process. At the contact surface of the welding aid upstanding, longitudinal welding webs are provided, which serve to initiate the welding process by a held there peak ignition. In order to ensure a current flow, an electrically conductive connection contact has to be attached to the upper side of the electrically conductive contact layer during resistance welding. The method has the disadvantage that due to the upstanding on the underside of the welding aid welding webs it can often lead to a permanent gap formation between the band-shaped carrier and the electrically conductive contact layer. Moreover, due to the top electrical connection contact during welding, the top of the electrically conductive contact layer may be contaminated. Gaps as well as impurities of the contact layer and the less electrically conductive intermediate layer lead to an undesirable increase in the contact resistance. There is therefore a need to improve the quality of the connection of a band-shaped carrier made of resilient, electrically conductive material with an electrically conductive contact layer.
Nächstliegender Stand der TechnikNearest prior art
Aus der
Aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektrisches Kontaktelement mit reduziertem Kontaktwiderstand bei vereinfachter Herstellung zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide an electrical contact element with reduced contact resistance with simplified manufacture.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein elektrisches Kontaktelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.The above object is achieved by an electrical contact element according to the features of
Die Erfindung ermöglicht es, ein elektrisches Kontaktelement mit einem bandförmigen Träger aus einem federnden, elektrisch leitfähigen Material geringer Stärke mit einer Kissen- oder Pad-förmigen elektrisch leitenden Kontaktschicht ebenfalls geringer Stärke, die sich auf einer Flachseite des bandförmigen Trägers befindet, auf apparativ einfache Art und Weise zuverlässig zu verbinden. Gleichzeitig kann ein im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren reduzierter Kontaktwiderstand erreicht werden. Der Laserstrahl wird senkrecht auf die Rückseite des Trägers gerichtet positioniert, durchstrahlt den Träger und dringt lediglich in einer geringfügigen, definierten Tiefe in die dem Träger zugewandte Oberfläche des elektrischen Kontaktmaterials ein. Die erfindungsgemäße Art der Laserschweißverbindung begründet durch den großflächigen, jedoch vergleichsweise sanften, Energieeintrag in die Kontaktschicht, dass dünne Schichten miteinander ohne einer (den Kontaktwiderstand erhöhenden) zusätzliche Schweißhilfe, wie zum Beispiel einer Cu-Legierung, wirkungsvoll verbunden werden können.The invention makes it possible, an electrical contact element with a band-shaped carrier made of a resilient, electrically conductive material of low thickness with a pad or pad-shaped electrically conductive contact layer also low strength, which is located on a flat side of the band-shaped carrier, on a simple apparatus and reliably connect. At the same time, a reduced contact resistance compared with the conventional method can be achieved. The laser beam is positioned perpendicular to the back of the carrier, radiating through the carrier and penetrates only in a slight, defined depth in the carrier-facing surface of the electrical contact material. The type of laser welding connection according to the invention is due to the large-area, but comparatively gentle, energy input into the contact layer that thin layers can be effectively connected to each other without an additional (such as a contact resistance increasing) welding aid, such as a Cu alloy.
Dadurch, dass der Außenkantenbereich des bandförmigen Trägers und/oder der Kontaktschicht Laserschweißnaht- oder Laserschweißkegel-frei bleibt, bleibt die elektrisch leitende Kontaktschicht, insbesondere bei dünnen Kontaktschichten, in ihrer Ausgangsgeometrie unverändert. Vorteilhaft ist, dass die obere Kontaktfläche unbeschädigt bleibt. Daraus resultieren verbesserte Kontakteigenschaften.Because the outer edge region of the band-shaped carrier and / or the contact layer remains laser-welded or laser-welding cone-free, the electrically conductive contact layer, in particular in the case of thin contact layers, remains unchanged in its starting geometry. It is advantageous that the upper contact surface remains undamaged. This results in improved contact properties.
Dadurch, dass das Größenverhältnis der geschweißten Fläche zur ungeschweißten Fläche der Kontaktschicht von der Schaltfederwurzel zum Schaltfederende zunimmt, kann eine abrupte Veränderung der Federeigenschaften des bandförmigen Trägers sowie daraus resultierende Nachteile vermieden werden. Diese Art und Weise der Laserschweißverbindung resultiert daher in einer graduellen Veränderung der Federeigenschaften des bandförmigen Trägers von der Schaltfederwurzel zum Schaltfederende hin, dergestalt, dass die nachlassende Federeigenschaft in diese Richtung lediglich graduell, aber nicht sprunghaft, zunimmt. Zur Erzielung der flächigen Laserschweißverbindung können mehrere längliche Laserschweißnähte beispielsweise parallel zueinander verlaufend in dem Träger angeordnet sein.By increasing the size ratio of the welded surface to the unwelded surface of the contact layer from the switching spring root to the switching spring end, an abrupt change in the spring properties of the band-shaped carrier and resulting disadvantages can be avoided. This manner of laser welding therefore results in a gradual change in the spring characteristics of the band-shaped carrier from the shift spring root to the shift spring end, such that the decreasing spring characteristic in that direction increases only gradually, but not abruptly. To achieve the planar laser welding connection, a plurality of elongate laser weld seams can be arranged, for example, running parallel to one another in the carrier.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verlauf der jeweiligen Laserschweißnaht auch kreisförmig, gekrümmt, rechteckig und/oder mäanderförmig sein. Hierdurch wird ein großflächiger Verbund bei vergleichsweise niedrigem Energieeintrag sowie Eindringtiefe des aufgeschmolzenen Bereichs in die Kontaktschicht gewährleistet.Alternatively or additionally, the profile of the respective laser weld seam can also be circular, curved, rectangular and / or meander-shaped. This ensures a large-area bond with a comparatively low energy input and penetration depth of the melted area into the contact layer.
Alternativ kann zur Gewährleistung eines flächigen Verbunds auch ein aus einer Vielzahl einzelner Schweißkegel gebildetes Flächenmuster vorgesehen sein. Auch hierdurch wird eine großflächige Verbindung bei vergleichsweise geringem Energieeintrag sowie reduzierter Eindringtiefe der Schweißkegel in die Kontaktschicht ermöglicht.Alternatively, a surface pattern formed from a multiplicity of individual welding cones can be provided to ensure a laminar bond. This also makes possible a large-area connection with a comparatively low energy input as well as a reduced penetration depth of the welding cone into the contact layer.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung erstreckt sich die Laserschweißnaht bzw. der Laserschweißkegel vom bandförmigen Träger ausgehend jeweils bis maximal nur zu einem Viertel, vorzugsweise bis maximal nur zu einem Fünftel der Schichtdicke H1 der Kontaktschicht in Letztere hinein. Dieser unübliche, sehr geringfügige Schweißeintrag wird durch die großflächige Laserschweißverbindung ermöglicht und führt gleichzeitig dazu, dass eine ausreichende reale Nutzschicht in der Kontaktschicht verbleibt, also laserschweißbedingte Fehlstellen lediglich auf einen sehr geringen Schichtbereich der Kontaktschicht, d.h. Nutzschicht, begrenzt bleiben.According to an expedient embodiment, the laser welding seam or the laser welding cone extends from the band-shaped support in each case up to a maximum of only a quarter, preferably up to a maximum of only one fifth of the layer thickness H1 of the contact layer into the latter. This unusual, very slight welding entry is made possible by the large-area laser welding connection and at the same time leads to a sufficient real wear layer remaining in the contact layer, ie laser welding defects only on a very small layer area of the contact layer, i. Wear layer, remain limited.
Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Laserschweißnaht bzw. der Laserschweißkegel vom bandförmigen Träger ausgehend jeweils bis maximal 0,08 mm, vorzugsweise bis maximal 0,06 mm in die Kontaktschicht hinein.Expediently, the laser welding seam or the laser welding cone extends from the band-shaped carrier, in each case up to a maximum of 0.08 mm, preferably up to a maximum of 0.06 mm, into the contact layer.
Dadurch, dass die extrapolierte Querschnittskontur der Laserschweißnaht oder des Schweißkegels jeweils einen Öffnungswinkel von mindestens 60°, vorzugsweise von mindestens 80°, aufweist, wird bei sehr geringer Eindringtiefe der Laserschweißung in die Kontaktschicht nichtsdestotrotz ein über die flächige Laserschweißverbindung betrachtet ausreichender Halt gewährleistet.Due to the fact that the extrapolated cross-sectional contour of the laser weld seam or of the weld cone each has an opening angle of at least 60 °, preferably of at least 80 °, a sufficient hold is ensured with a very small penetration depth of the laser welding into the contact layer, nevertheless considered sufficient over the areal laser welding connection.
Zweckmäßigerweise liegt die Dicke des bandförmigen Trägers im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm.Conveniently, the thickness of the band-shaped carrier is in the range of 0.1 to 0.3 mm.
Zweckmäßigerweise liegt die Dicke der Kontaktschicht im Bereich von 0,1 bis 0,4 mm. Conveniently, the thickness of the contact layer is in the range of 0.1 to 0.4 mm.
Bei dem elektrisch leitfähigen Material des bandförmigen Trägers handelt es sich zweckmäßigerweise um eine Cu-Legierung, vorzugsweise um eine CuCoBe-Legierung oder um eine CuBe-Legierung oder um eine NiBe-Legierung.The electrically conductive material of the band-shaped carrier is expediently a Cu alloy, preferably a CuCoBe alloy or a CuBe alloy or a NiBe alloy.
Alternativ kann es sich erfindungsgemäß bei dem Material des bandförmigen Trägers auch um ein mit einer leitfähigen Schicht versehenes Metall, wie zum Beispiel ein Stahlband, handeln.Alternatively, according to the invention, the material of the band-shaped carrier can also be a metal provided with a conductive layer, for example a steel strip.
Zweckmäßigerweise können der bandförmige Träger und die Kontaktschicht ebenflächig ohne Spaltbildung sowie ohne Zwischenschicht, die als Schweißhilfe dient (d.h. vorzugsweise ohne eine Cu-Legierung), aneinander liegend miteinander verschweißt sein. Hierdurch kann ein besonders niedriger Kontaktwiderstand erreicht werden.Conveniently, the belt-shaped carrier and the contact layer may be welded to each other in a planar manner without gap formation and without an intermediate layer serving as a welding aid (i.e., preferably without a Cu alloy). As a result, a particularly low contact resistance can be achieved.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann sich bei Bedarf zwischen dem bandförmigen Träger und der Kontaktschicht auch eine Phosphorbronzeschicht befinden, die als zusätzliches Lot eine besonders innige Verbindung zwischen Träger und Kontaktschicht gewährleistet. Diese Phosphorbronzeschicht eignet sich ganz besonders bei einem bandförmigen Träger aus einer Kupfer-Legierung bzw. bei einem Träger aus Metall, der mit einer leitfähigen Schicht (zum Beispiel Silber oder einer Silberlegierung) versehen ist.According to an alternative embodiment, if required, a phosphor bronze layer can also be present between the strip-shaped carrier and the contact layer, which as an additional solder ensures a particularly intimate connection between carrier and contact layer. This phosphor bronze layer is particularly suitable in the case of a band-shaped support of a copper alloy or of a support of metal provided with a conductive layer (for example silver or a silver alloy).
Beschreibung der Erfindung anhand von AusführungsbeispielenDescription of the invention with reference to embodiments
Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungen nachstehend näher erläutert. Es zeigen:Advantageous embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:
Die Bezugsziffer
Sofern sich aufgrund einer Temperaturänderung die Bimetallscheibe
In ähnlicher Weise funktioniert die in
Bei der in
Es ist erwünscht, dass die an der Schaltfeder
Die
Auf dem dem gekrümmten Ende der Schaltfeder
Die Dicke der Kontaktschicht ist maximal 0,5 mm. Sie liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1–0,4 mm.The thickness of the contact layer is a maximum of 0.5 mm. It is preferably in a range of 0.1-0.4 mm.
Die Kontaktschicht
Die
Zweckmäßigerweise besitzt der Öffnungswinkel der extrapolierten Querschnittskontur der Schweißnaht
Zur Herstellung der Laserschweißung wird ein Laser in einer Einstrahlrichtung senkrecht auf die Unterseite des Trägers
Zweckmäßigerweise ist der Außenkantenbereich der Kontaktschicht
Obwohl die Eindringtiefe der Laserschweißnaht
Die Darstellungen gemäß
Ebenso kann eine einzige Laserschweißnaht
Alternativ können auch unterschiedliche geometrische Figuren, wie mindestens eine, vorzugsweise eine Mehrzahl ineinander geschachtelter, rechteckiger Laserschweißnähte
Alternativ kann auch eine Vielzahl einzelner punktförmiger Laserschweißkegel
Alternativ kann die Laserschweißnaht
Bei den in
Wichtig ist es jeweils, dass eine großflächige Schweißverbindung zwischen dem Träger
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann im Verbindungsbereich des Trägers
Die vorliegende Erfindung gewährleistet eine apparativ einfach durchzuführende Verbindung eines bandförmigen elastischen Trägers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schaltfeder switching spring
- 1a1a
- Federwurzel spring root
- 1b1b
- Schaltfederende Switching spring end
- 22
- Träger carrier
- 33
- Kontaktschicht contact layer
- 44
- Laserschweißnaht laser weld
- 4a4a
- Laserschweißkegel Laser weld nipples
- 55
- Flächenmuster surface pattern
- 66
- Phosphorbronzeschicht Phosphor bronze layer
- 77
- Temperaturregler thermostat
- 88th
- Anschlussstecker connector
- 99
- Gehäuse casing
- 1010
- Bimetallscheibe bimetal disc
- 1111
- Betätigungselement actuator
- 1212
- Gegenkontakt countercontact
- 1313
- Sicherung fuse
- 1414
- Anschlussstecker connector
- 1515
- Gehäuse casing
- 1616
- Betätigungselement actuator
- 1717
- Schmelzpille melting pill
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