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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer elektrischen Leiter und einem elektrischen Kontaktteil durch ein Ultraschallschweißverfahren. Ferner betrifft die Erfindung ein zum Ultraschallschweißen geeignetes elektrisches Kontaktteil sowie eine elektrische Leitungsanordnung mit einem elektrischen Leiter und einem Kontaktteil.
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Stand der Technik
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Beispielsweise aus der
DE 10 2013 209 314 B3 ist ein Ultraschallschweißverfahren zum Verbinden eines elektrischen Litzenleiters mit einem elektrischen Kontaktteil bekannt. Dabei werden die Einzeldrähte der Litze mit einer Anbindungsfläche des Kontaktteils stoffschlüssig verbunden. Die Litze kann aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder auch aus Kupfer gefertigt sein. Das Kontaktteil kann aus dem gleichen oder einem ähnlichen Werkstoff wie die Litze oder vorzugsweise aus einem Kupferwerkstoff gefertigt sein. Das darin beschriebene Verfahren bewirkt zwar bereits eine gute Verbindung zwischen diesen beiden Kontaktpartnern.
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Allerdings hat sich in Versuchen gezeigt, dass die Prozessstabilität dieses Verbindungsverfahrens verbesserungswürdig ist. So unterliegt das Verbindungsverfahren Werkzeugschwankungen und ist in Bezug auf das Kontaktteil auch chargenabhängig, da die Oberflächengüte einer Anbindungsfläche des Kontaktteils ebenfalls insbesondere toleranzbedingten Schwankungen unterliegt. Dadurch ist regelmäßig nur an den Rändern der mit dem Kontaktteil verschweißten Einzeldrähte eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet, wohingegen innerhalb der Litzenränder nur eine teilweise oder unter Umständen überhaupt keine stoffschlüssige Verbindung im Bereich zwischen den Drahträndern besteht.
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1 zeigt ein schematisch dargestelltes Bruchbild nach einer Schälprüfung einer (nicht näher bezeichneten) Leitungsanordnung gemäß dem Stand der Technik. Für die Schälprüfung wurde ein (nicht dargestellter) Leiter, der zum Beispiel eine Litze aus Aluminium mit einer Vielzahl von Einzeldrähten aufweist, mit einer Anbindungsfläche 100 eines Kontaktteils 110 verschweißt, danach der Schälprüfung unterzogen und anschließend mikroskopisch ausgewertet.
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In dem Bruchbild ist also die Anbindungsfläche 100 des Kontaktteils 110 nach der Schälprüfung dargestellt. Dabei veranschaulichen die helleren, einfach schraffierten Bereiche 120 Aluminiumrückstände, die im Wesentlichen einen Abdruck der Einzeldrähte der Litze ohne eine vollständig ausgebildete stoffschlüssige Verbindung zum Kontaktteil darstellen. Zur besseren Übersichtlichkeit der 1 sind nur einige der einfach schraffierten Bereiche 120 bezeichnet. Die dunkleren, gekreuzt schraffierten Bereiche 130 veranschaulichen dagegen Schweißzonen, also Bereiche, in denen jeweils eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem jeweiligen Einzeldraht und dem Kontaktteil 110 ausgebildet ist. Zur besseren Übersichtlichkeit der 1 sind nur einige der gekreuzt schraffierten Bereiche 130 bezeichnet. Im Bruchbild sind die Bereiche 130 mit stoffschlüssiger Verbindung aufgrund der dort auftretenden duktilen Brüche nachweisbar.
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Es ist erkennbar, dass die Bereiche 130 mit den stoffschlüssigen Verbindungen in Position, Größe und Form unkontrolliert und unregelmäßig verteilt sind, wobei diese meist am Rand der Einzeldrähte auftreten. Es kann deshalb kaum vorhergesagt werden, wo, in welcher Größe und Form die Bereiche 130 auftreten.
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Die Güte der Verbindung gemäß dem Stand der Technik lässt sich zum Beispiel dadurch verbessern, dass die Werkzeugparameter zeitlich aufwändig sowie ggf. auch noch chargenabhängig äußerst genau eingestellt und ggf. nachgestellt werden. Demgegenüber besteht aber der Wunsch nach einer Vereinfachung des Verbindungsverfahrens.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Möglichkeit zu schaffen, einen elektrischen Leiter mit einer verbesserten Prozessstabilität mit einem Kontaktteil zu verschweißen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Anbindungsfläche eines Kontaktteils (hin zu einem Fügepartner) mit einer Oberflächenstrukturierung zu versehen, die als Schweißrichtungsgeber funktioniert. Schweißrichtungsgeber sind aus den Bereichen Widerstandsbuckelschweißen und Kunststoff-Ultraschallschweißen bekannt. In beiden Fällen wird durch eine entsprechende konstruktive Ausgestaltung der Fügepartner, z.B. durch eine lokale Zuspitzung, die für ein Aufschmelzen benötigte Energie auf einen erwünschten, definierten räumlichen Bereich fokussiert. Im ersten Fall findet eine Fokussierung der elektrischen Stromdichte, im zweiten Fall der Ultraschallschwingungen statt.
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Im Unterschied dazu wird im hier vorliegenden Zusammenhang der Begriff Schweißrichtungsgeber nicht im engeren Sinne eines Energierichtungsgebers definiert. Unter einem Schweißrichtungsgeber kann im erweiterten Sinne im Folgenden eine Oberflächenstrukturierung verstanden werden, welche in definierten Bereichen einer Fügezone zwischen den Fügepartnern zielgerichtet erwünschte, fügeoptimale physikalische Bedingungen bewirkt. Beim Metall-Ultraschallschweißen sind diese physikalischen Bedingungen bestimmte Spannungs-, Druck- und Verformungsverhältnisse in der Fügezone, deren Auftreten durch die Oberflächenstrukturierung nicht mehr dem Zufall überlassen, sondern auf definierte Bereiche fokussiert werden sollen. In diesem Sinne kann eine regelmäßige Oberflächenstrukturierung auch als Matrix von Schweißrichtungsgebern bezeichnet werden. Damit wird eine gegenüber dem Stand der Technik idealerweise großflächigere, zumindest aber regelmäßiger verteilte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktpartnern erreicht.
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Dementsprechend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und dem elektrischen Kontaktteil. Der Leiter, zum Beispiel eine Leitung oder auch ein Kabel, kann insbesondere ein Litzenleiter mit einer Litze sowie einer Vielzahl von Einzeldrähten sein, wobei sich das Verfahren für unterschiedliche Leiterquerschnitte eignet. Das Kontaktteil kann zum Beispiel ein Blechteil, ein Kabelschuh, Stecker oder ein anderes elektrisches Kontaktelement sein. Das Verfahren sieht im Wesentlichen die folgenden Schritte vor:
- – Zunächst wird der abisolierte oder freigelegte Leiter bereitgestellt, bei dem also beispielsweise die Litze bzw. die Einzeldrähte freigelegt sind. Die Litze kann zum Beispiel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.
- – Des Weiteren wird das aus einem Metallwerkstoff, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigte Kontaktteil mit einer Anbindungsfläche bereitgestellt. Dabei kann die Anbindungsfläche hinsichtlich ihrer Oberflächengüte chargenabhängige Toleranzen aufweisen.
- – Auf der Anbindungsfläche wird eine durch ein oder mehrere geometrische Höhenprofile, ggf. auch überlagerte Höhenprofile, definierte Oberflächenstrukturierung als Schweißrichtungsgeber ausgebildet. Das Kontaktteil ist also nicht plan ausgebildet, sondern weist eine definierte, bewusst erzeugte Oberflächenstrukturierung, vorzugsweise im makroskopischen Bereich, auf.
- – Der Leiter, zum Beispiel dessen Litze oder Einzeldrähte, wird dann mit der oberflächenstrukturierten Anbindungsfläche mittels eines Ultraschallschweißverfahrens verschweißt.
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Vorteilhafterweise wird durch die Oberflächenstrukturierung der Anbindungsfläche, die hervorragend als Schweißrichtungsgeber dient, eine Stabilisierung des Schweißprozesses erreicht. Denn die Oberflächenstrukturierung wirkt toleranzausgleichend und schafft eine hinsichtlich der fügeoptimalen physikalischen Bedingungen selbstfindende Anbindungsfläche. Dadurch ergibt sich eine Reduktion einer im Stand der Technik festgestellten Streuung von statistischen Bruchparametern der Verbindung. Hinsichtlich der Prozessstabilität ergibt sich eine verringerte Sensibilität gegenüber Werkzeugparametern sowie eine verbesserte Chargenunabhängigkeit in Bezug auf die zu verschweißenden Fügepartner. Insgesamt lässt sich die Prozessstabilität bei der Verbindung eines Leiters, Leitung oder Kabels bzw. einer Litze mit einem Kontaktteil signifikant verbessern.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch das Höhenprofil ein über die Anbindungsfläche variierender Neigungswinkel ausgebildet wird. Diese Matrix von Schweißrichtungsgebern bewirkt uneinheitliche, inhomogene Spannungs-, Druck- und Verformungsverhältnisse im Verbindungsbereich der Kontaktpartner.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Höhenprofil durch das Einbringen von Erhebungen und Vertiefungen in die Anbindungsfläche ausgebildet wird. Hier sind verschiedene geometrische Ausgestaltungen des Höhenprofils möglich. Zwischen den Übergängen der Erhebungen und Vertiefungen ergibt sich wiederum ein sich wiederholt ändernder Neigungswinkel mit den oben erwähnten Vorteilen.
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Für eine besonders durchgängig gute Schweißverbindung kann das Höhenprofil regelmäßig, insbesondere periodisch, ausgebildet werden. Durch das regelmäßige Höhenprofil ergeben sich auch entsprechend regelmäßig verteilte stoffschlüssige Verbindungen, so dass die Vorhersagbarkeit von stoffschlüssig verbundenen Schweißzonen verbessert wird.
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FEM-Simulationen legen nahe, dass hinsichtlich einer Prozessstabilisierung ein in Richtung der Leitungsachse sinusförmiges Höhenprofil von Vorteil ist. Mathematisch ausgedrückt ist die Höhe h in Abhängigkeit der in der Ebene der Anbindungsfläche liegenden Raumrichtungen x und y dann gegeben durch h(x, y) = h0 sin(kx x), wobei h0 die Amplitude und kx die Kreiswellenzahl bezeichnet. x ist dabei die Koordinate parallel zur Leiterlängsachse. Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht aneinander gereihte, kreis- oder ellipsenförmige Erhebungen vor. Dieses Höhenprofil lässt sich mathematisch zum Beispiel als Überlagerung zweier Sinusfunktionen in den Raumrichtungen x und y generieren. Das resultierende Höhenprofil ist dann h(x, y) = h0 sin(kx x) sin(ky y), mit ky als Kreiswellenzahl der Sinusfunktion in y-Richtung.
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Das Höhenprofil kann durch eine Laserstrukturierung oder eine Plasmastrukturierung, wie etwa eine Plasma-Elektro-Strukturierung, ausgebildet werden.
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Alternativ dazu kann das Höhenprofil auch durch ein mechanisches Zerspanungsverfahren, wie etwa Fräsen, oder ein mechanisches Umformverfahren, wie etwa Fließpressen, ausgebildet werden.
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Besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren für den Fall eines Litzenleiters erwiesen. Denn besonders hier ist es aufgrund der übereinanderliegenden Einzeldrähte der Litze schwierig, dass die filigranen Einzeldrähte an der Anbindungsfläche eine ausreichend großflächige stoffschlüssige Verbindung mit dem Kontaktteil, insbesondere mit seiner Anbindungsfläche, eingehen.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein elektrisches Kontaktteil zum Verbinden mit einem elektrischen Leiter, insbesondere einem Litzenleiter, wobei das Kontaktteil gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren weitergebildet werden kann. Das Kontaktteil weist eine Anbindungsfläche auf, an der eine durch ein Höhenprofil definierte Oberflächenstrukturierung als Schweißrichtungsgeber ausgebildet ist.
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Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auch auf eine elektrische Leitungsanordnung, mit einem elektrischen Leiter, insbesondere einem Litzenleiter, und einem elektrischen Kontaktteil mit einer Anbindungsfläche, an der eine durch ein Höhenprofil definierte Oberflächenstrukturierung als Schweißrichtungsgeber ausgebildet ist und der Leiter mittels Ultraschallschweißens angebunden ist.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Bruchbild einer ultraschallverschweißten Leitungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Leitungsanordnung mit einem Kontaktteil, an dessen oberflächenstrukturierter Anbindungsfläche ein Litzenleiter angeschweißt ist, und
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3 ein schematisches Bruchbild einer erfindungsgemäß oberflächenstrukturierten und ultraschallverschweißten Leitungsanordnung.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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2 zeigt eine elektrische Leitungsanordnung 1, die sich insbesondere zur Verwendung in einem Leitungssatz eines Fahrzeugs eignet. Die Leitungsanordnung 1 umfasst einen elektrischen Leiter 2, der hier als Litzenleiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist. Dementsprechend weist der Leiter 2 eine Litze 3 mit einer Vielzahl von Einzeldrähten 4 auf. Die Litze 3 ist von einer elektrischen Isolierung 5 umgeben, die in einem Verbindungsabschnitt 6 des Leiters 2 zum Freilegen der Litze 3 bzw. der Einzeldrähte 4 entfernt worden ist.
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Die Leitungsanordnung 1 umfasst gemäß 2 ferner ein elektrisches Kontaktteil 7, das hier grobschematisch dargestellt ist und zum Beispiel als Kabelschuh, Steckzunge, Stecker oder ein anderes elektrisches Kontaktteil ausgeführt ist. Das Kontaktteil 7 weist eine Anbindungsfläche 8 zur direkten Kontaktierung der Litze 3 bzw. der Einzeldrähte 4 auf. In 2 ist die Anbindungsfläche 8 bereits mit der Litze 3 direktkontaktiert und mittels eines Ultraschallschweißverfahrens, das hier durch den Pfeil S angedeutet ist, stoffschlüssig verbunden bzw. verschweißt.
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Die Anbindungsfläche 8 des Kontaktteils 7 weist außerdem eine definierte Oberflächenstrukturierung 9 auf, die durch ein in die Anbindungsfläche 8 eingebrachtes Höhenprofil 10 ausgebildet ist. Das Höhenprofil 10 ist hier beispielsweise durch Laserstrukturierung in die Anbindungsfläche 8 eingebracht und im makroskopischen Bereich ausgebildet. Zudem ist das Höhenprofil 10 periodisch, nämlich hier exemplarisch als sinusförmiges Wellenprofil, ausgebildet, das sich über einen Teilabschnitt der Anbindungsfläche 8 in eine x-Richtung und eine y-Richtung erstreckt. Es ist in 2 erkennbar, dass das Höhenprofil 10 durch seine Sinusform eine Vielzahl von Erhebungen und dazwischen liegenden Vertiefungen aufweist, die sich entlang einer z-Richtung erstrecken. Dadurch ist das Höhenprofil 10 mit einem sich in Bezug auf die Anbindungsfläche 8 wiederholt ändernden Neigungswinkel ausgeführt. Die Oberflächenstrukturierung 9 dient als Schweißrichtungsgeber für das Ultraschallschweißen.
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3 zeigt ein schematisch dargestelltes Bruchbild nach einer Schälprüfung der Leitungsanordnung 1. Dabei veranschaulichen die helleren, einfach schraffierten Bereiche 11 Aluminiumrückstände, die im Wesentlichen einen Abdruck der Einzeldrähte der Litze ohne eine vollständig ausgebildete stoffschlüssige Verbindung zum Kontaktteil darstellen. Zur besseren Übersichtlichkeit der 3 sind nur einige der einfach schraffierten Bereiche 11 bezeichnet. Die dunkleren, gekreuzt schraffierten Bereiche 12 veranschaulichen dagegen Schweißzonen, also Bereiche, in denen jeweils eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem jeweiligen Einzeldraht 4 und dem Kontaktteil 7 ausgebildet ist. Zur besseren Übersichtlichkeit der 3 sind nur einige der gekreuzt schraffierten Bereiche 12 bezeichnet.
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Es ist aber zu erkennen, dass die Bereiche 12 gegenüber dem Stand der Technik (vergleiche "Bereiche 130" in 1) in Position, Größe und Form vergleichsweise regelmäßig verteilt und darüber hinaus auch regelmäßig innerhalb der Drahtränder ausgebildet sind. Die Bereiche 12 sind signifikant regelmäßiger angeordnet und treten zahlenmäßig auch häufiger auf. Die Erfindung ermöglicht also eine verbesserte Prozessstabilität des Ultraschallschweißens, da die Oberflächenstrukturierung 9 als Schweißrichtungsgeber eine regelmäßigere Verteilung der Bereiche 12 gewährleistet. Die Oberflächenstrukturierung 9 schafft eine selbstfindende Anbindungsfläche für die Einzeldrähte 4 der Litze 3. Dadurch müssen die Maschinenparameter für das Ultraschallschweißen nicht mehr so genau ermittelt und eingestellt werden, um eine hohe Güte der Verbindung zwischen den Kontaktpartnern – dem Leiter 2 und dem Kontaktteil 7 – zu erreichen.
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Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erfindung in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden. Zum Beispiel muss das Höhenprofil 10 nicht zwingend sinusförmig, sondern kann auch durch mehrere aneinander gereihte, kreis- oder ellipsenförmige Erhebungen mit ggf. dazwischen angeordneten Vertiefungen ausgebildet sein. Außerdem kann das Höhenprofil 10 ein überlagertes Profil aus den vorstehend beschriebenen geometrischen Formen sein. Es ist auch denkbar, dass das Höhenprofil 10 nicht durch eine Laserstrukturierung, sondern durch eine Plasma-Elektro-Strukturierung oder mechanisch zum Beispiel durch Fräsen oder Fließpressen ausgebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitungsanordnung
- 2
- Elektrische Leiter (z.B. Litzenleiter)
- 3
- Litze
- 4
- Vielzahl von Einzeldrähten
- 5
- Elektrische Isolierung
- 6
- Verbindungsabschnitt
- 7
- Elektrisches Kontaktteil
- 8
- Anbindungsfläche
- 9
- Oberflächenstrukturierung
- 10
- Profil
- 11
- Bereich(e) mit geringer oder ohne stoffschlüssiger Verbindung
- 12
- Bereich(e) mit stoffschlüssiger Verbindung
- 100
- Anbindungsfläche (Stand der Technik)
- 110
- Kontaktteil (Stand der Technik)
- 120
- Bereich(e) mit geringer oder ohne stoffschlüssiger Verbindung (Stand der Technik)
- 130
- Bereich(e) mit stoffschlüssiger Verbindung (Stand der Technik)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013209314 B3 [0002]
