DE102018203800A1

DE102018203800A1 - Kontaktstift und Anordung zur Verbindung von elektrischen Leitern aus Kupfer und Aluminium

Info

Publication number: DE102018203800A1
Application number: DE102018203800.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hauck; Helge Schmidt
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: US20190288434A1; US11121495B2; DE102018203800B4; CN110277668A; KR20190108067A; FR3079076A1; FR3079076B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kontaktstift (1) zur Verbindung eines elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (14) und einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20), umfassend einen Steckabschnitt (2) zum Koppeln mit dem auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter (14) und einen Verbindungsabschnitt (4) zum Verbinden mit dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter (20), wobei zumindest der Verbindungsabschnitt (4) mit einer mit Aluminium und Kupfer kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung (8) beschichtet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (14), einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20) und einen die beiden elektrischen Leiter (14, 20) miteinander verbindenden Kontaktstift (1), wobei der Kontaktstift (1) zumindest teilweise mit einer für Kupfer und Aluminium kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung (8) beschichtet ist.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Kontaktstift zur Verbindung eines elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung, umfassend einen auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter, einen auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter und einen Kontaktstift, der die beiden elektrischen Leiter miteinander verbindet.
Kontaktstifte dieser Art können verwendet werden, um Verbindungen zwischen Stromleitern, wie z.B. einer Leiterplatte und einer Sammelschiene für Autobatterien, herzustellen. Dabei kann der Kontaktstift aus Drähten hergestellt werden, die durch Löten an der Leiterplatte befestigt werden können oder eine Feder aufweisen mit der der Kontaktstift in die Leiterplatte eingepresst werden kann. Hierfür werden häufig Kontaktstifte aus einer Kupferlegierung verwendet, die eine entsprechende Festigkeit, Verformbarkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Es ist jedoch wünschenswert, Stromleiter aus preiswerterem Material mit geringerem Gewicht, wie Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, zu verwenden. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die mit geringem Aufwand eine wirtschaftlich rentable Verbindung zwischen einem auf Kupfer basierenden Stromleiter und einen auf Aluminium basierenden Stromleiter ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kontaktstift einen Steckabschnitt zum Koppeln mit dem auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter und einen Verbindungsabschnitt zum Verbinden mit dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter umfasst, wobei zumindest der Verbindungsabschnitt mit einer mit Aluminium und Kupfer kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung beschichtet ist.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, die einen elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einen Kontaktstift mit einem mit dem auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter gekoppelten Steckabschnitt und einen mit dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter verbundenen Verbindungsabschnitt umfasst, wobei zumindest der Verbindungsabschnitt mit einer mit Aluminium und Kupfer kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung beschichtet ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung können der Steckabschnitt und der Verbindungsabschnitt jeweils optimiert für ihre jeweilige Funktion sein. Der Steckabschnitt ermöglicht das Herstellen einer Verbindung mit einem auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter, wie eine Leiterplatte, ohne großen Aufwand. Dadurch, dass zumindest der Verbindungsabschnitt mit einer mit Kupfer und Aluminium kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung beschichtet ist, besteht die Möglichkeit, eine Verbindung mit einem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter herzustellen, der preiswert ist und ein geringes Gewicht aufweist. Die korrosionsresistente Beschichtung verhindert dabei einen direkten Kontakt zwischen dem Kupfer und dem Aluminium. Ein direkter Kontakt der beiden Materialien kann zu einer Kontaktkorrosion führen. Bei Vorhandensein eines Elektrolyten, z.B. bedingt durch Kondenswasser, setzt aufgrund der hohen elektrischen Potenzialdifferenz zwischen Kupfer und Aluminium eine elektrochemische Reaktion ein. Entsprechend der dabei auftretenden Stromstärke erfolgt eine Ablagerung bzw. Zersetzung des Aluminiums. Diese Korrosion wird durch die für Aluminium und Kupfer optimierte korrosionsresistente Beschichtung verhindert.
Die erfindungsgemäße Lösung kann mit folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen weiter verbessert werden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann sich das elektrochemische Potenzial der korrosionsresistenten Beschichtung zwischen dem elektrochemischen Potenzial von Kupfer und Aluminium befinden. Bevorzugt kann das elektrochemische Potenzial der Beschichtung näher an dem Potenzial des Aluminiums liegen. Durch diese Beschichtung wird eine Stromleitung zwischen dem Aluminium und dem Kupfer gewährleistet und die Gefahr der Kontaktkorrosion reduziert.
Um ein ideales Verhältnis zwischen Stromleitfähigkeit und Korrosionsschutzfähigkeit des Kontaktes zu gewährleisten, kann die korrisionsresistente Beschichtung etwa 0,5 bis 5 |jm dick sein.
Der Kontaktstift kann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung geformt sein, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit und Verformbarkeit zum Koppeln mit einem elektrischen Leiter aufzuweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die korrosionsresistente Beschichtung mehrlagig sein. Dadurch kann die innenliegende, zum Kontaktstift gewandte Seite der Beschichtung zur Verbindung mit dem Kupfer und die außenliegende, von der vom Kontaktstift abgewandten Seite der Beschichtung zur Verbindung mit dem Aluminium optimiert sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine erste Lage der Beschichtung aus Nickel, eine zweite Lage aus Zink und eine dritte Lage aus Zinn bestehen, wobei die Nickelschicht auf einer Grundlage des Kontaktstiftes abgeschieden ist und die Zinnschicht auf der vom Kontaktstift abgewandten Seite der Beschichtung angeordnet ist. Die Schichtdicke der gesamten Beschichtung kann bevorzugt maximal 5 µm dick sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Beschichtung aus einer Legierung bestehen. Dadurch ist es möglich, eine dünne einlagige Beschichtung aufzutragen, die sich mit dem Kupfer sowie mit dem Aluminium verbinden kann und dessen elektrochemisches Potenzial sich zwischen den elektrochemischen Potenzialen der beiden Metalle befindet, um eine Korrosion des Kupfers und/oder Aluminiums zu verhindern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Beschichtung aus einer Zinn-Zinklegierung bestehen, bei der der Massenanteil von Zink zwischen etwa 5 % bis etwa 75 %, bevorzugt bei 20 %, liegt. Diese Zinn-Zinklegierung ist für die Verbindung zwischen dem Kupfer des Kontaktstiftes und dem Aluminium eines elektrischen Leiters optimiert und verhindert eine Korrosion der Materialien.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kontaktstift zumindest einen Federabschnitt, der in radialer Richtung, quer zu einer Längs- oder Steckrichtung, elastisch verformbar ist, aufweisen. Der Federabschnitt kann insbesondere ein radial federndes Element aufweisen. Der Federabschnitt kann bevorzugt breiter sein als der Durchmesser einer Aufnahme eines elektrischen Leiters, um ein elastisches Einpressen in einen elektrischen Leiter zu ermöglichen. Solche Federabschnitte können beispielsweise schon bekannte Ausgestaltungen aufweisen, die z.B. als Actionpin, Multispring oder Nanospring bekannt sind.
Der Federabschnitt kann an dem Steckabschnitt und/oder an dem Verbindungsabschnitt angeordnet sein, um eine einfache Steckverbindung mit dem auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter bzw. dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter zu ermöglichen.
Der Steckabschnitt kann gemäß einer vorteilhaften Gestaltung beschichtet sein. Die Beschichtung des Steckabschnitts kann sich von der Beschichtung des Verbindungsabschnitts unterscheiden und erlaubt somit eine Optimierung der beiden Bereiche des Kontaktstiftes unabhängig voneinander.
Der Federabschnitt kann eine andere Materialzusammensetzung aufweisen als die Materialzusammensetzung des restlichen Kontaktstiftes, um stabil genug für eine Einsteckverbindung zwischen dem Federabschnitt und der Aufnahme des elektrischen Leiters zu sein.
Die korrosionsresistente Beschichtung kann durch eine galvanische Abscheidung auf den Kontaktstift aufgetragen sein.
Die korrosionsresistente Beschichtung kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung diffusionssperrend sein. Dies verhindert eine Interdiffusion zwischen den Atomen der Beschichtung und des Materials des Kontaktstiftes und/oder des Aluminiums des elektrischen Leiters. Eine Interdiffusion kann dazu führen, dass der Kontaktstift somit mit dem auf Aluminium basierenden Leiter verschweißt wird. Des Weiteren kann durch eine diffusionssperrende Schicht die Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen Kupfer und Aluminium verhindert werden. Eine intermetallische Cu-Al Phase führt zu einem sprunghaften Anstieg des elektrischen Widerstandes.
Zumindest der Verbindungsabschnitt des Kontaktstiftes kann mit Nickel überzogen sein. Die Nickelschicht trennt die korrosionsresistente Beschichtung von dem Material des Kontaktstiftes und verhindert eine Diffusion der korrosionsresistenten Beschichtung in den Kontaktstift und/oder eine Diffusion des Kupfers des Kontaktstiftes in die Beschichtung.
Die korrosionsresistente Beschichtung kann zumindest an der vom Kontaktstift abgewandten Seite nicht diffusionssperrend sein. Dadurch können die Atome der Beschichtung zumindest teilweise in das Aluminium des elektrischen Leiters hinein diffundieren. Dadurch können eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit sowie eine stabile Verbindung mit dem elektrischen Leiter erreicht werden.
Der Kontaktstift kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung aus zwei Modulen aufgebaut sein. Das erste Modul kann dabei ein Kontaktstift aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sein. Das erste Modul kann ein erfindungsgemäßer Kontaktstift sein mit allen beliebig miteinander kombinierbaren Ausgestaltungen. Das zweite Modul kann ein elektrischer Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sein. Die beiden Module können fest miteinander verbunden sein.
Das erste Modul kann für die Verbindung mit dem zweiten Modul einen Verbindungsabschnitt aufweisen, der mit einer mit Aluminium und Kupfer kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung beschichtet ist.
Das zweite Modul kann einen Kopplungsabschnitt aufweisen zum Koppeln mit dem Verbindungsabschnitt des ersten Moduls.
Der Kopplungsabschnitt und der Verbindungsabschnitt können zumindest teilweise komplementär zueinander sein, um eine möglichst einfache Verbindung zu gewährleisten.
Das zweite Modul kann ein elektrischer Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit allen beliebig miteinander kombinierbaren Ausgestaltungsformen aus der Anordnung, die im Folgenden beschrieben ist, sein.
Die Anordnung kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verbessert werden, indem der Kontaktstift mit einem Federabschnitt in den auf Kupfer und/oder auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter eingesteckt ist.
Der elektrische Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kann eine Leiterplatte sein mit einer Aufnahme, in die der Kontaktstift mit einem radialelastischen Federabschnitt eingesteckt ist.
Der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann eine Sammelschiene sein. Somit kann ein direkter Kontakt von einer auf Aluminium basierenden Sammelschiene mit einem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt werden. Diese Sammelschiene kann z.B. als Sammelschiene für einen Akkumulator fungieren.
Der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann als eine Verbindung zwischen dem Kontaktstift und einen weiteren auf Aluminium basierenden Stromleiter dienen. Dadurch kann bei einer Ausgestaltung, bei der der elektrische Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung von dem auf Aluminium basierenden Stromleiter beabstandet ist, der Abstand durch einen kostengünstigen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung überbrückt werden.
Der auf Aluminium basierende elektrische Leiter kann einen Kopplungsabschnitt zur Kopplung mit dem Verbindungsabschnitt des Kontaktstiftes aufweisen. Um eine möglichst einfache Kopplung des Kopplungsabschnittes und des Verbindungsabschnittes zu gewährleisten, können die beiden Abschnitte zumindest teilweise komplementär zueinander sein.
Das Zusammenstecken des Kontaktstiftes und des auf Aluminium basierenden elektrischen Leiters kann erleichtert werden, indem der Verbindungsabschnitt und der Kopplungsabschnitt einen entlang einer Kopplungsrichtung gleichbleibenden Querschnitt und/oder eine gleichbleibende lichte Öffnung bzw. äußere Form aufweisen.
Ein lichter Querschnitt des Verbindungsabschnittes oder Kopplungsabschnittes und die äußere Form des Kopplungsabschnittes bzw. Verbindungsabschnittes können rotationsymmetrisch sein, um ein Zusammenstecken in verschiedenen Rotationspositionen zueinander zu ermöglichen. Um ein Zusammenstecken in nur einer bestimmten Rotationposition zu ermöglichen, kann ein lichter Querschnitt bzw. eine äußere Form nicht rotationssymmetrisch angeordnet sein.
Der Aluminiumkörper des auf Aluminium basierenden elektrischen Leiters kann durch Tiefziehen, Pressen oder Stanzen hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Verbindungsabschnitt in den Kopplungsabschnitt eingesteckt sein, um eine besonders gute Verbindung zwischen dem Kontaktstift und dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter zu erhalten. Der Verbindungsabschnitt kann insbesondere ein Zapfen und der Kopplungsabschnitt eine komplementäre Buchse sein. Um eine Ausbuchtung in der Buchse zu erzeugen, kann ein Gelenk oder einen Nagel in die Buchse reingeschlagen werden.
Für eine besonders stabile Verbindung, kann der Kopplungsabschnitt um den Verbindungsabschnitt zusammengequetscht sein. Dabei sind der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und der Kontaktstift reib- und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Alternativ dazu oder zusätzlich können der Verbindungsabschnitt und der Kopplungsabschnitt durch krimpen miteinander verbunden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Module miteinander verschweißt und/oder verlötet sein, um dauerhaft eine dichte Verbindung der beiden Module zu erhalten. Eine Schweiß- und/oder Lötverbindung kann insbesondere zusätzlich zum Einpressen oder Einstecken vorhanden sein.
Die Anordnung kann einen polymerhaltigen Dichtkörper zwischen dem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und dem elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisen. Der polymerhaltige Dichtkörper verhindert dabei die Korrosion der elektrischen Leiter. Der polymerhaltige Dichtkörper kann z.B. ein Dichtring oder ein Verguss zwischen den elektrischen Leitern aus einem isolierenden Polymer sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Verbindungsabschnitt oder der Kopplungsabschnitt eine ösenförmige Öffnung aufweisen oder ösenförmig verformt sein, in die der Kopplungsabschnitt bzw. der Verbindungsabschnitt durchgesteckt ist. Diese Öffnung kann zusammengequetscht werden, sodass der sich in der Öffnung befindende Kopplungs- bzw. Verbindungsabschnitt reib- und/oder formschlüssig mit dem Verbindungs- bzw. Kopplungsabschnitt verbunden ist. Der durchgesteckte Abschnitt kann dabei von dem anderen Abschnitt zusammengequetscht bzw. plastisch verformt und fest verbunden sein. Dadurch kann sich der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung im Wesentlichen parallel zu dem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, beim in den auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter eingepressten Kontaktstift, erstrecken, um ein besonders platzsparendes paralleles Stecken zu ermöglichen.
Um eine möglichst einfache Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem weiteren Stromleiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu gewährleisten, kann das freie Ende des elektrischen Leiters geschlossen und pinförmig sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann das freie Ende des elektrischen Leiters einen lötbaren Abschnitt zum Löten an den Stromleiter oder einen Pressabschnitt zum Pressen an den Stromleiter aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die dabei dargestellten vorteilhaften Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind jeweils voneinander unabhängig und können beliebig miteinander kombiniert werden, je nachdem, wie dies im Anwendungsfall notwendig ist.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktstiftes;
2 eine schematische Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
3 eine schematische Schnittansicht durch einen Kopplungsbereich einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
4 eine schematische Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
5 eine schematische Schnittansicht durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung; und
6 eine schematische Schnittansicht durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.

In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktstift 1 dargestellt.
Der Kontaktstift 1 erstreckt sich entlang einer Längsachse L und umfasst einen Steckabschnitt 2 zum Koppeln mit einem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einen Verbindungsabschnitt 4 zum Verbinden mit einem elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Steckabschnitt 2 und der Verbindungsabschnitt 4 sind von den in Längsachse L gegenüberliegenden freien Enden 5, 5' geformt.
Der Steckabschnitt 2 ist durch einen radialelastischen Federabschnitt 6 gebildet, mit dem ein elastisches Einpressen in eine Aufnahme des elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung möglich ist. Der Federabschnitt 6 ist im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse L nach außen verbreitert und ist elastisch nach innen, im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse L verformbar. Solche Federabschnitte 6 sind aus dem Stand der Technik schon bekannt, z.B. unter dem Namen Actionspring, Multispring, Nanospring etc.
Der Verbindungsabschnitt 4 ist zapfenförmig ausgestaltet und dient zur Kopplung mit einem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter. Der Verbindungsabschnitt 4 erstreckt sich entlang der Längsachse L bis zum Steckabschnitt 2 und weist entlang der Längsachse L eine Konstante äußere Form 7 auf.
Der Kontaktstift 1 ist aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung geformt. Insbesondere der elastische Federabschnitt 6 ist aus einer Kupferlegierung, um eine elastische Verformbarkeit für das Einpressen in den elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zu ermöglichen.
Zumindest der Verbindungsabschnitt 4 ist mit einer für Aluminium und Kupfer korrosionsresistenten Beschichtung 8 beschichtet. Die Beschichtung 8 verhindert eine Kontaktkorrosion zwischen dem Aluminium vom elektrischen Leiter und dem Kupfer vom Kontaktstift. Da das Kupfer ein viel höheres elektrochemisches Potential besitzt als Aluminium kommt es beim Kontakt der beiden Stoffe zu einer Kontaktkorrosion, wenn ein Elektrolyt wie z.B. Kondenswasser vorhanden ist. Das elektrochemische Potential der Beschichtung 8 liegt zwischen dem elektrochemischen Potential von Kupfer und von Aluminium.
Die Beschichtung 8 kann dabei einlagig sein und insbesondere aus einer Zinn-Zink Legierung bestehen, wobei der Massenanteil von Zink zwischen etwa 5% bis etwa 75% vorzugsweise 20% beträgt. Die Beschichtung 8 ist galvanisch auf den Verbindungsabschnitt 4 abgeschieden und ist zwischen etwa 0,5 bis etwa 5 µm dick.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktstiftes 1 ist die für Aluminium und Kupfer korrosionsresistente Beschichtung 8 lediglich auf dem Verbindungsabschnitt 4 aufgetragen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kontaktstift 1 komplett mit der korrosionsresistenten Beschichtung 8 beschichtet sein.
Der Steckabschnitt 2 kann mit einer von der Beschichtung 8 unterschiedlichen Beschichtung beschichtet sein. Der Steckabschnitt kann z.B. verzinnt sein, um eine korrosionsresistente Verbindung mit dem auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter zu gewährleisten.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 10 mit dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kontaktstift 1 gezeigt.
Der Kontaktstift 1 ist mit seinem Steckabschnitt 2 in eine Aufnahme 12 eines elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 eingesteckt. Die Aufnahme 12 durchsetzt den elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 entlang der Längsachse L. Die Weite des Federabschnitts 6 ist im uneingesteckten Zustand größer als die Weite der Aufnahme 12. Beim Einpressen verformt sich der Federabschnitt 6 radial nach innen senkrecht zur Längsachse L, sodass hohe Antriebskräfte zwischen dem Federabschnitt 6 und der Aufnahme 12 entstehen. Dadurch entsteht eine gasdichte Zone und eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstift 1 und dem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14.
Der zapfenförmige Verbindungsabschnitt 4 ist in einem Kopplungsabschnitt 16, das die Form einer Buchse 18 aufweist, eines elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 eingeführt. Der Verbindungsabschnitt 4 und der Kopplungsabschnitt 16 sind dabei komplementär ausgestaltet, sodass eine gute Passform und ein guter Halt zwischen beiden erzielt werden kann. Der Verbindungsabschnitt 4 weist eine Konstante äußere Form 7 entlang der Längsachse L auf, während die Buchse 18 eine sich entlang der Längsachse erstreckende Öffnung 22 aufweist, die entlang der Längsachse eine konstante lichte Weite 24 hat. Dadurch wird das Zusammenstecken des Kontaktstiftes 1 und des auf Aluminium basierenden elektrischen Leiters 20 erleichtert.
Durch die Beschichtung 8 wird eine Korrosion des Aluminiums vom elektrischen Leiter 20 und des Kupfers vom Kontaktstift 1 verhindert. Dadurch ist eine einfache Verbindung eines elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 und eines elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 durch einen Kontaktstift 1 möglich.
Die Beschichtung 8 ist optimiert für eine Verbindung mit dem Aluminium und mit dem Kupfer.
Der Verbindungsabschnitt 4 ist in einer Einsteckrichtung E, die parallel zur Längsachse verläuft, in die Öffnung 22 des auf Aluminium basierenden elektrischen Leiters 20 eingeführt. Dies kann unter Kraftaufwand erfolgen, sodass der Kontaktstift 1 und der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 miteinander verpresst sind. Um den Zusammenhalt weiter zu stärken, kann der Kopplungsabschnitt 16 mit dem Verbindungsabschnitt 4 verschweißt, verlötet und/oder verkrimpt sein.
Der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 kann eine Verbindung zum Verbinden mit einem Stromleiter, wie z.B. eine Sammelschiene eines Akkumulators, sein. Je nach Anwendung kann die Länge des auf Aluminium basierenden elektrischen Leiters 20 angepasst sein. Der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 kann z.B. ein vom Kopplungsabschnitt abgewandtes, geschlossenes, pinförmiges freie Ende aufweisen, das durch Pressen, Löten oder andersartig mit dem Stromleiter verbunden werden kann. Des Weiteren kann der elektrische Leiter 20 nach außen durch eine elektrisch nicht leitende Ummantelung isoliert sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
Der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 weist an seiner Außenfläche 26 eine Einklemmzone 28 auf, die durch eine Einkerbung 30 gebildet ist. Durch eine mechanische Krafteinwirkung auf diese Einklemmzone 28 sind der Kontaktstift 1 und der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 zusammengequetscht.
Die elektrischen Leiter 14, 20 sind in Einsteckrichtung E voneinander beabstandet. Um einen Kontakt zwischen den elektrischen Leitern 14, 20 zu vermeiden weist die Anordnung 10 einen polymerhaltigen Dichtkörper 31 zwischen den beiden elektrischen Leitern 14, 20 auf. Der Dichtkörper 31 kann durch Kapillarvergießen gebildet sein. Durch den Dichtkörper 31 wird verhindert, dass Verschmutzungen und Kondenswasser zwischen die elektrischen Leiter gelangen.
In einer alternativen Ausgestaltung, die in 3 dargestellt ist, kann der Verbindungsabschnitt 4 zumindest einen seitlich zur Längsachse L hervorragenden Absatz 32 aufweisen. Dadurch bildet sich beim Zusammenquetschen des elektrischen Leiters 20 und des Kontaktstiftes 1 zumindest eine Hinterschneidung 34, um die Verbindung zwischen dem Kontaktstift 1 und dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter 20 formschlüssig zu verstärken.
Im ungequetschten Zustand 36 weist die Buchse 18 eine Öffnung 22 mit einer gleich bleibenden lichten Weite 24 auf. Die äußere Form 7 des Verbindungsabschnitts 4 weist an seiner von dem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 abgewandten Seite einen senkrecht zur Längsachse L seitlich hervorragenden Absatz 32 auf, der eine schneidenförmige Oberflächenstruktur aufweisen kann, um beim weiteren Verarbeiten ein Eindringen in Buchse 18 zu unterstützen. Die Breite des Absatzes 32 ist komplementär zur Öffnung 22 gestaltet, sodass der Verbindungsabschnitt einfach in die Buchse 18 eingeführt werden kann. Beim Zusammenquetschen verengt sich die Öffnung 22, bis die Innenfläche der Öffnung 22 an der äußeren Form 7 des Verbindungsabschnitts 4 anliegt. Dabei kommt es zu einer reibschlüssigen Verbindung aufgrund der Kontrolle und einer formschlüssigen Verbindung, aufgrund des sich in der entstehenden Hinterschneidung 34 befindlichen Absatzes 32. Der gequetschte Zustand 38 ist mit einer durchgezogene Linie in 3 dargestellt und der ungequetschte Zustand 36 mit einer gestrichelten Linie.
In 4 ist eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 dargestellt.
Der Kontaktstift 1 weist in der in 4 dargestellten Ausführung einen weiteren radialelastischen Federabschnitt 40 auf, der den Verbindungsabschnitt 4 bildet. Die Beschichtung 8 ist in drei Lagen 42, 44, 46 aufgetragen. Die erste Lage 42 besteht aus Nickel und ist auf der Außenfläche des Verbindungsabschnitts 4 aufgetragen. Die zweite Lage 44 besteht aus Zink und die dritte Lage 46 aus Zinn.
Das Nickel aus der ersten Lage 42 verbindet sich mit dem Kupfer des Kontaktstiftes 1 und dient als diffusionssperrende Schicht. Dabei verhindert die Schicht eine Interdiffusion zwischen den Kupferatomen und den Atomen der Beschichtung bzw. des Aluminiums von dem elektrischen Leiter 20. Die Bildung von intermetallischen Cu-Al Verbindungen mit hohen elektrischen Widerständen ist durch die diffusionssperrende Schicht gehemmt. Das Zinn aus der dritten Lage 46 kontaktiert das Aluminium des elektrischen Leiters 20. Dadurch kommt es zumindest zu einer partiellen Interdiffusion zwischen den Atomen der beiden Materialien und die Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter 20 und dem Kontaktstift 1 wird verstärkt.
Der Federabschnitt 40 ist in die Öffnung 22 des elektrischen Leiters 20 eingesteckt. Durch die Pressverbindung zwischen dem Kontaktstift 1 und dem elektrischen Leiter 20 ist eine Einklemmzone 28, wie sie in 2 dargestellt ist, nicht notwendig. Daher weist der elektrische Leiter 20 eine konstante Breite auf.
In 5 ist eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 mit dem in 1 dargestellten Kontaktstift 1, schematisch in einer Schnittansicht gezeigt.
Das freie Ende 5 des Verbindungsabschnitts 4 ist im Wesentlichen um 180° zurückgebogen, sodass sich eine Öffnung 22 zwischen dem freien Ende 5 des Verbindungsabschnitts 4 und dem zum Steckabschnitt 2 gerichteten Ende des Verbindungsabschnitts 4 ergibt. Der Verbindungsabschnitt 4 ist somit in einem nicht eingeklemmten Zustand 48 hakenförmig verformt. In die Öffnung 22 kann ein zapfenförmiger Kopplungsabschnitt 16 des elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 durchgesteckt werden, sodass der Kopplungsabschnitt 16 im Wesentlichen parallel zum elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 angeordnet ist. Um die Verbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt 4 und dem Kopplungsabschnitt 16 zu verstärken, wird das freie Ende 5 nach innen, zu dem zum Steckabschnitt 2 gerichteten Ende des Verbindungsabschnitts 4 in einen eingeklemmten Zustand 50 gebogen. In dem eingeklemmten Zustand 50 ist der auf Aluminium basierende elektrische Leiter 20 reibschlüssig mit dem Kontaktstift 1 verbunden.
Die Ausgestaltung nach 5 erlaubt es, einen Stromleiter parallel zur Ebene des elektrischen Leiters 14 zu kontaktieren und ist daher bei limitierten Platzverhältnissen vorteilhaft.
In 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 gezeigt.
Wie bereits in der in 4 dargestellten Ausführung, weist der Kontaktstift 1 einen ersten radialelastischen Federabschnitt 6 zum elastischen Einpressen in die Aufnahme 12 des elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 und einen zweiten radialelastischen Federabschnitt 40 zum elastischen Einpressen in eine Öffnung 22 des elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 auf. Die elektrischen Leiter 14, 20 sind hierbei als Flachleiter oder Sammelschiene ausgestaltet. Die Aufnahme 12 durchsetzt den auf Kupfer basierenden elektrischen Leiter 14 entlang der Längsachse L des Kontaktstiftes 1. Der Kontaktstift 1 wird entgegen der Einsteckrichtung E mit seinem Steckabschnitt 2 in die Aufnahme 12 eingesteckt.
Der zweite radialelastische Federabschnitt 40 bildet den Verbindungsabschnitt 4 und wird in die den elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 entlang der Einsteckrichtung E durchsetzenden Öffnung 22 eingesteckt.
Der Verbindungsabschnitt 4 ist hierbei mit einer dreilagigen Beschichtung 8 beschichtet. Die erste Lage 42 besteht aus Nickel und ist direkt auf den Verbindungsabschnitt 4 aufgetragen. Die zweite Lage 44 besteht aus Zink und die dritte Lage 46 aus Zinn, wobei die dritte Lage 46 vom Kontaktstift 1 nach außen weist und somit das Aluminium von dem auf Aluminium basierenden elektrischen Leiter 20 kontaktiert.
Die Weite der Federabschnitte 40, 6 sind im uneingesteckten Zustand größer als die Weite der Öffnung 22 bzw. der Aufnahme 12. Beim Einstecken in die Öffnung 22 bzw. Aufnahme 12 verformen sich die Federabschnitte 40, 6 radial nach innen senkrecht zur Längsachse L, sodass hohe Antriebskräfte zwischen den Federabschnitten 6, 40 und der Aufnahme 12 bzw. Öffnung 22 entstehen. Dies führt zu einer gasdichten Zone und eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstift 1 und den elektrischen Leitern 14, 20.
Die Beschichtung kann maximal 5 µm dick sein. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Dicke der einzelnen Lagen 42, 44, 46 unterschiedlich dick sein. Alternativ dazu können die einzelnen Lagen 42, 44, 46 die gleiche Dicke aufweisen. Dadurch kann die Beschichtung 8 je nach Anwendung für die Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung 14 und einem elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 optimiert sein. Durch die Beschichtung 8 wird verhindert, dass es zu einer Kontaktkorrosion zwischen dem Kupfer des Kontaktstifts 1 und dem Aluminium des elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 20 kommt.
Durch die in 6 dargestellte Anordnung 10 ist es möglich, eine einfache Verbindung zwischen zwei Flachleitern bzw. Sammelschienen zu schaffen, wobei ein Flachleiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und der andere Flachleiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktstift
2: Steckabschnitt
4: Verbindungsabschnitt
5, 5': freies Ende
6: Federabschnitt
7: äußere Form
8: Beschichtung
10: Anordnung
12: Aufnahme
14: elektrischer Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung
16: Kopplungsabschnitt
18: Buchse
20: elektrischer Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
22: Öffnung
24: lichte Weite
26: Außenfläche
28: Einklemmzone
30: Einkerbung
31: polymerhaltiger Dichtkörper
32: Absatz
34: Hinterschneidung
36: ungequetschter Zustand
38: gequetschter Zustand
40: Federabschnitt
42: erste Lage
44: zweite Lage
46: dritte Lage
48: nicht eingeklemmter Zustand
50: eingeklemmter Zustand
L: Längsachse
E: Einsteckrichtung

Claims

Kontaktstift (1) zur Verbindung eines elektrischen Leiters aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (14) und einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20), umfassend einen Steckabschnitt (2) zum Koppeln mit dem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (14) und einen Verbindungsabschnitt (4) zum Verbinden mit dem elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20), wobei zumindest der Verbindungsabschnitt (4) mit einer mit Aluminium und Kupfer kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung (8) beschichtet ist.
Kontaktstift (1) nach Anspruch 1, wobei die korrisionsresistente Beschichtung (8) 0, 5 bis 5 µm dick ist.
Kontaktstift (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die korrisionsresistente Beschichtung (8) mehrlagig ist.
Kontaktstift (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest der Verbindungsabschnitt (4) mit einer Legierung beschichtet ist.
Kontaktstift (1) nach Anspruch 4, wobei der Verbindungsabschnitt mit einer Zinn-Zink Legierung beschichtet ist.
Kontaktstift (1) nach Anspruch 5, wobei der Massenanteil von Zink in der Zinn-Zink Legierung zwischen etwa 5 % und etwa 75 % ist.
Kontaktstift (1) nach Anspruch 6, wobei der Massenanteil von Zink in der Zinn-Zink Legierung etwa 20 % ist.
Kontaktstift (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kontaktstift (1) zumindest einen radial elastischen Federabschnitt (6) zum Einpressen in einen elektrischen Leiter (14, 20) aufweist.
Kontaktstift (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die korrosionsfreie Beschichtung (8) diffusionsperrend ist.
Kontaktstift (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest der Verbindungsabschnitt (4) mit einer Lage aus Nickel (42) überzogen ist.
Anordnung (10), umfassend einen elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (14), einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20) und einen Kontaktstift (1) mit einem mit dem elektrischen Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (14) gekoppelten Steckabschnitt (2) und einen mit dem elektrischen Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20) verbundenen Verbindungsabschnitt (4), wobei zumindest der Verbindungsabschnitt (4) mit einer für Aluminium und Kupfer kompatiblen korrosionsresistenten Beschichtung (8) beschichtet ist.
Anordnung (10) nach Anspruch 11, wobei die Anordnung einen polymerhaltigen Dichtkörper (31) zwischen den elektrischen Leitern (14, 20) aufweist.
Anordnung (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Kontaktstift (1) in zumindest einen elektrischen Leiter (14, 20) eingepresst ist.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die elektrischen Leiter parallel zueinander, im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse L des Kontaktstifts (1) angeordnet sind.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der elektrische Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (20) eine Sammelschiene ist.