DE102021122892A1

DE102021122892A1 - Mit einem Fenster zum Laserschweißen versehenes Halbfabrikat zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements sowie Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements und elektrisches Kontaktelement

Info

Publication number: DE102021122892A1
Application number: DE102021122892.1A
Authority: DE
Inventors: Willi Dietrich; Soenke Sachs
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-09
Also published as: JP2023037603A; KR20230034922A; EP4145648A1; CN115740744A; US20230076105A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbfabrikat (15) zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements (1), ein elektrisches Kontaktelement (1) und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Um eine sichere Verbindung zwischen mehreren Werkstücken, aus denen ein Kontaktelement (1) gefertigt werden soll, zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß ein Halbfabrikat (15) vorgesehen, wobei das Halbfabrikat (15) ein erstes metallisches Werkstück (17) und ein zweites metallisches Werkstück (19) umfasst, wobei das erste Werkstück (17) eine Vorderseite (25) und eine der Vorderseite (25) gegenüberliegende Rückseite (27) hat, und die Rückseite (27) näher am zweiten Werkstück (19) angeordnet ist, wobei das Halbfabrikat (15) wenigstes ein sich wenigstens durch das erste Werkstück erstreckendes Fenster (23) aufweist, durch das eine Oberfläche (29) des zweites Werkstücks (19) vom ersten Werkstück (17) her zugänglich ist, und wobei das Fenster (23) eine Grundfläche (33) aufweist, die sich, ausgehend vor der Vorderseite (25) des ersten Werkstücks (17), zum zweiten Werkstück (19) hin vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbfabrikat zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements und ein Verfahren zum Verbinden eines ersten metallischen Werkstücks mit einem zweiten metallischen Werkstück mittels Laserschweißen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein elektrisches Kontaktelement.
Elektrische Kontaktelemente sind bekannt. Sie können zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung in Steckverbindern genutzt werden. Ein elektrisches Kontaktelement kann beispielsweise einen Kontaktstift oder eine Aufnahme für einen Kontaktstift aufweisen. Häufig sind elektrische Kontaktelemente aus mehreren Teilen gefertigt. Dadurch können die einzelnen Teile entsprechend den erforderlichen Eigenschaften, beispielsweise elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Abriebsfestigkeit oder Elastizität, hergestellt werden. Die beiden Teile werden während der Herstellung des elektrischen Kontaktelements als Werkstücke bezeichnet. In der Regel werden die beiden Werkstücke bis zu einem gewissen Grad separat gefertigt und zu einem bestimmten Zeitpunkt der Fertigung an- oder ineinandergefügt. Die Anordnung der an- oder ineinandergefügten oder zu fügenden Werkstücke wird, unabhängig vom Grad der Fertigstellung der einzelnen Werkstücke als Halbfabrikat bezeichnet. Aus dem Halbfabrikat wird dann das elektrische Kontaktelement gefertigt. Je nach Einsatzbereich des elektrischen Kontaktelements kann es erforderlich sein, dass die beiden Teile des Kontaktelements elektrisch leitend und/oder mechanisch miteinander verbunden werden. Diese Verbindung kann, insbesondere bei der Massenproduktion, aufwändig und damit kostspielig sein.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Herstellung eines elektrischen Kontaktelements, welches aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, zu vereinfachen.
Diese Aufgabe ist gelöst durch ein Halbfabrikat, das ein erstes metallisches Werkstück und ein zweites metallisches Werkstück umfasst, wobei das erste Werkstück eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite hat und die Rückseite näher am zweiten Werkstück angeordnet ist, wobei das Halbfabrikat wenigstens ein sich wenigstens durch das erste Werkstück erstreckendes Fenster aufweist, durch das eine, insbesondere mittels Laserstrahl zu verschweißende, Oberfläche des zweiten Werkstücks vom ersten Werkstück her zugänglich ist, und wobei das Fenster eine Grundfläche aufweist, die sich, ausgehend von der Vorderseite des ersten Werkstücks, zum zweiten Werkstück hin vergrößert. Für das erfindungsgemäße elektrische Kontaktelement ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass das elektrische Kontaktelement aus einem erfindungsgemäßen Halbfabrikat und/oder durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt ist. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest das erste Werkstück eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite hat und die Rückseite näher am zweiten Werkstück angeordnet ist als die Vorderseite, wobei wenigstens ein Laserstrahl durch ein sich wenigstens durch erste Werkstück erstreckendes Fenster auf das zweite Werkstück gerichtet und vom zweiten Werkstück auf die Rückseite des ersten Werkstücks reflektiert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, die zwei miteinander zu verbindenden metallischen Werkstücke schnell und einfach mittels Laserschweißen zu verbinden. Durch das Fenster, welches sich zumindest durch das erste Werkstück hindurch erstreckt, kann ein Laserstrahl auf eine Oberfläche des zweiten Werkstücks gerichtet werden. An dieser Oberfläche wird der Laserstrahl reflektiert und trifft auf die Rückseite des ersten Werkstücks. Beim Halbfabrikat wird das dadurch erreicht, dass die Grundfläche des Fensters zum zweiten Werkstück hin größer als an der Vorderseite des ersten Werkstücks ist. Die Oberfläche des zweiten Werkstücks, welche durch das Fenster zugänglich ist, kann also größer als die Grundfläche des Fensters sein. Ein in das Fenster eingestrahlter und an der Oberfläche des zweiten Werkstücks reflektierter Laserstrahl wird nicht wieder aus dem Fenster heraus, sondern auf die Rückseite des ersten Werkstücks reflektiert. In diesem Bereich werden beide Werkstücke durch den Laserstrahl erhitzt, so dass sie an einem Rand des Fensters miteinander verschmelzen und eine Schweißstelle erzeugen können. Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein seitliches Einstrahlen in einen sich zwischen beiden Werkstücken befindenden Spalt aufgrund der Geometrie eines oder beider Werkstücke nicht möglich ist. Aufgrund der Schweißverbindung der beiden Werkstücke miteinander kann auf das vorherige Beschichten eines der Werkstücke oder beider Werkstücke verzichtet werden. Zumindest kann in dem Bereich, in dem die beiden Werkstücke aneinander liegen, auf eine Beschichtung verzichtet werden, die ansonsten nötig wäre, um eine dauerhaft gute elektrische Verbindung der beiden Werkstücke miteinander zu gewährleisten und um Korrosion zu verhindern. Dadurch können die Herstellung vereinfacht und Kosten reduziert werden.
Der Begriff „Fenster“ bezieht sich auf die Durchgangsöffnung, welche sich wenigstens durch das erste Werkstück hindurch erstreckt. Die Durchgangsöffnung, bzw. das Fenster, kann sich zumindest abschnittsweise auch in das Material des zweiten Werkstücks hinein erstrecken. Die Vergrößerung der Grundfläche des Fensters kann sprunghaft oder kontinuierlich erfolgen. Die Vergrößerung des Fensters zum zweiten Werkstück hin lässt sich auch dadurch beschreiben, dass eine lichte Weite des Fensters an einer von der Vorderseite des ersten Werkstücks beabstandeten Position größer ist als an der Vorderseite des ersten Werkstücks. Die von der Vorderseite beabstandete Position liegt näher am zweiten Werkstück als die Vorderseite des ersten Werkstücks, oder im zweiten Werkstück. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die beiden miteinander zu verbindenden Werkstücke bevorzugt die beiden Werkstücke eines erfindungsgemäßen Halbfabrikats. Bei dem erfindungsgemäßen Halbfabrikat und/oder während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Rückseite des ersten Werkstücks bevorzugt am zweiten Werkstück an, zumindest in der Umgebung des Fensters. Im folgenden Text sind die Begriffe Laserstrahl und Laserlicht synonym verwendet. Die durch das Fenster zugängliche Oberfläche des zweiten Werkstücks kann auch, zumindest in Abschnitten, als Reflektionsfläche für den Laserstrahl betrachtet werden.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Halbfabrikats erstreckt sich zwischen einer das Fenster an der Vorderseite des ersten Werkstücks umgebenden Begrenzung und der durch das Fenster zugänglichen Oberfläche des zweiten Werkstücks wenigstens eine Lichtfalle zum Einfangen von Laserlicht. Diese Lichtfalle, oder auch Lichtfangvolumen, ist ein sich zwischen zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen der Werkstücke befindliches Volumen, in dem ein Laserstrahl beim Laserschweißen eingefangen und absorbiert werden kann. Bevorzugt ist die Lichtfalle so ausgestaltet, dass Laserlicht mehrfach innerhalb der Lichtfalle zwischen beiden Werkstücken reflektiert werden kann. Die Lichtfalle kann zudem Platz für die Schmelze bieten, die durch das Erhitzen der beiden Werkstücke erzeugt wird. Die Lichtfalle ist ein Hohlraum, welcher Teil der das Fenster bildenden Durchgangsöffnung, bzw. Teil des Fensters ist. Mit anderen Worten öffnet sich das Fenster in die zwischen den beiden Werkstücken liegende Lichtfalle.
Die wenigstens eine Lichtfalle kann eine Nische zwischen den beiden Werkstücken bilden. Die Nische kann insbesondere die Form eines Spalts oder einer Aussparung haben. Die Lichtfalle lässt sich auch als eine sich vom Fenster aus erstreckende Hinterschneidung im Material des ersten und/oder des zweiten Werkstücks beschreiben. Bevorzugt ist eine Oberfläche der Rückseite des ersten Werkstücks im Bereich der Lichtfalle planparallel mit der Vorderseite des ersten Werkstücks. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Bevorzugt ist eines der beiden Werkstücke ein Blech und das andere Werkstück ein vorgeformtes Kontaktteil für das spätere Kontaktelement. Das Kontaktteil kann beispielsweise durch einen Pin, einen Flachkontakt oder eine Feder gebildet sein. Das Blech kann bereits vorgestanzt und optional auch zumindest abschnittsweise vorgeformt sein. Die Erfindung ermöglicht es, ein bereits vorgeformtes Teil mit einem zumindest noch nicht vollständig durch Umformung in eine gewünschte Form gebrachten Teil zu verbinden. Das noch nicht oder noch nicht vollständig vorgeformte Teil kann durch Biegen oder andere Umformungsverfahren in die gewünschte Form gebracht werden, nachdem beide Werkstücke durch Laserschweißen miteinander verbunden sind.
Alternativ zur oben beschriebenen Verbindung eines vorgeformten Teils mit einem noch nicht vorgeformten Teil können auch beide Werkstücke aus noch nicht vollständig vorgeformten Blechen oder aus anderen Rohlingen oder Halbzeugen bestehen. Eine weitere Alternative besteht darin, dass beide Teile, insbesondere durch Stanzbiegen, vorgeformt sind und an- und/oder ineinander gesetzt und anschließend durch Laserschweißen miteinander verbunden werden. In diesem Fall sind beide Werkstücke vorgeformte Teile, insbesondere Teile eines Kontaktelements.
Um die Effizienz des Laserschweißens weiter zu verbessern, kann wenigstens die durch das Fenster her zugängliche Oberfläche des zweiten Werkstücks mit einer Oberflächenstruktur versehen sein.
Die durch das Fenster zugängliche Oberfläche kann beispielsweise mit einer konvexen Wölbung versehen sein. Hierdurch kann die Tendenz versteckt werden, einen Laserstrahl in den Bereich zwischen den beiden Werkstücken zu reflektieren, insbesondere in eine Lichtfalle. Die Wölbung spring vorzugsweise mit ihrem Scheitelpunkt zum Fenster hin vor.
Die Oberfläche des zweiten Werkstücks kann alternativ oder zusätzlich zur konvexen Wölbung mit einer Mikrostrukturierung versehen sein. Eine Mikrostrukturierung kann beispielsweise durch Prägen, Ätzen, Elektronenstrahlbeschuss oder Gravieren erhalten werden.
Besonders bevorzugt ist eine die Lichtfalle begrenzende Oberfläche des ersten Werkstücks ebenfalls mit einer Mikrostrukturierung versehen. Durch Mikrostrukturierungen kann die Absorption an den Oberflächen der Werkstücke erhöht werden.
Das Fenster kann einen Kanal zum Laserschweißen bilden, der sich im Wesentlichen senkrecht zur durch das Fenster zugänglichen Oberfläche des zweiten Werkstücks erstreckt. Das Laserschweißen kann im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der beiden Werkstücke erfolgen. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormalen auf der durch das Fenster zugänglichen Oberfläche des zweiten Werkstücks gerichtet sein. Bevorzugt schließt der Laserstrahl mit dieser Flächennormalen einen Winkel von weniger als 45° ein.
Das wenigstens eine Fenster kann einen insgesamt rechteckigen Querschnitt aufweisen. Alternativ dazu sind auch andere, beispielsweise polygonale, kreisrunde, ellipsoide, dreieckige, schlitzförmige oder andere, hier nicht aufgeführte, Querschnitte möglich.
Das Fenster kann eine lichte Weite besitzen, die nur unwesentlich größer als ein Durchmesser des Laserstrahls beim Laserschweißen ist. Beispielsweise kann das Fenster eine lichte Weite aufweisen, die kleiner als der 1,5-fache, bevorzugt kleiner als der 1,3-fache, Durchmesser des Laserstrahls beim Laserschweißen ist.
Die metallischen Werkstücke können aus unterschiedlichen oder aus gleichen metallischen Materialien gefertigt sein. Mit metallischen Materialen sind reine Metalle sowie Legierungen aus unterschiedlichen Metallen gemeint. Beispielsweise kann eines der Werkstücke aus einem Stahl und das andere aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung bestehen.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft sein, um Werkstücke aus metallischen Materialien miteinander zu verbinden, deren elektrische Verbindung durch einen rein mechanischen Kontakt bekannter Weise schwierig herzustellen ist. Hierbei ist zum Beispiel Aluminium zu nennen, welches durch die Bildung von Oxidschichten seine Leitfähigkeit an der Oberfläche einbüßen kann. Durch die Schweißverbindung der beiden metallischen Werkstücke miteinander kann dieses Problem vermieden werden, auch wenn eines oder beide der Werkstücke aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung besteht.
Das wenigstens eine Fenster kann, zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen, auch der Qualitätssicherung dienen. Das Fenster kann vor der Verschweißung der Kontrolle der freigelegten Oberfläche des zweiten Werkstücks und/oder nach der Verschweißung der Kontrolle der erzeugten Schweißverbindung dienen.
Das elektrische Kontaktelement kann wenigstens eine Schweißstelle aufweisen, durch die die beiden Werkstücke des Kontaktelements an einem Rand des Fensters materialschlüssig miteinander verbunden sind. Die wenigstens eine Schweißstelle kann sich insbesondere dort befinden, wo sich zuvor eine Lichtfalle befunden hat. Durch das Aufschmelzen der Materialien beider Werkstücke kann die Lichtfalle gefüllt sein, so dass diese nicht mehr als Hohlraum existiert. Die materialschlüssige Verbindung der beiden Werkstücke bietet sowohl eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen beiden Werkstücken, als auch eine hohe mechanische Stabilität.
Das elektrische Kontaktelement umfasst vorzugsweise einen aus einem Blech durch Umformen gebildeten Kontaktkörper und wenigstens ein zumindest teilweise innerhalb des Kontaktkörpers angeordnetes Kontaktteil, das mit dem Kontaktkörper durch wenigstens eine Schweißstelle materialschlüssig verbunden ist.
Der Kontaktkörper kann insbesondere aus dem ersten Werkstück des Halbfabrikats gebildet sein. Der Kontaktkörper kann einen Käfig für das Kontaktteil bilden und beispielsweise eine Stützfunktion übernehmen. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Kontaktkörper mit einer Anschlussmöglichkeit zum Anschließen einer elektrischen Leitung, beispielsweise mit Crimpflügeln, versehen ist.
Das Kontaktteil ist vorzugsweise aus dem zweiten Werkstück des Halbfabrikats gebildet. Das Kontaktteil kann beispielsweise ein Kontaktpin, ein Flackontakt, eine Kontaktfeder zur Aufnahme eines Pins oder eines Flachkontakts, oder ein anderes Teil sein. Das Kontaktteil kann das Teil des Kontaktelements sein, welches indirekten Kontakt mit einem Gegenkontaktelement kommt, um eine elektrische Verbindung herzustellen.
Alternativ zur oben genannten Ausgestaltung kann der Kontaktkörper auch aus dem zweiten Werkstück und entsprechend das Kontaktteil aus dem ersten Werkstück gefertigt sein. Die jeweilige Zuordnung hängt von der Geometrie der Teile ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich dadurch weiter verbessern, dass das Fenster im ersten Werkstück und/oder im ersten und im zweiten Werkstück vor dem Laserschweißen erzeugt wird. Das Fenster kann beispielsweise durch Stanzen oder andere Verfahren erzeugt werden.
Ein weiterer Verfahrensschritt kann darin bestehen, dass beide Werkstücke als vorgeformte Teile zu einem Halbfabrikat an- oder ineinander gesetzt und anschließend durch Erzeugen wenigstens einer Schweißstelle mittels Laserschweißen miteinander verbunden werden.
Bevorzugt weist das Fenster an der Vorderseite des ersten Werkstücks eine Grundfläche und eine zu dieser Grundfläche senkrechte Flächennormale auf, wobei zwischen dem Laserstrahl beim Laserschweißen und der Flächennormalen ein Winkel von weniger als 45° eingeschlossen wird. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche des Fensters gerichtet sein. Dadurch können die beiden Werkstücke auch dann miteinander verschweißt werden, wenn eine komplizierte Struktur des zu erzeugenden Kontaktelements ein flaches Einstrahlen verhindert.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die bei den Ausführungsformen beispielhaft dargestellten Merkmalskombinationen können nach Maßgabe der obigen Ausführungen entsprechend den für einen bestimmten Anwendungsfall notwendigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtungen durch weitere Merkmale ergänzt werden.
Auch können, ebenfalls nach Maßgabe der obigen Ausführungen, einzelne Merkmale bei den beschriebenen Ausführungsformen weggelassen werden, wenn es auf die Wirkung dieses Merkmals in einem konkreten Anwendungsfall nicht ankommt. In den Zeichnungen werden für Elemente gleicher Funktion und/oder gleichen Aufbaus stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:

1 eine schematische, beispielhafte Darstellung eines elektrischen Kontaktelements;
2 einen Ausschnitt eines beispielhaften Halbfabrikats zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements;
3 einen Ausschnitt eines Halbfabrikats im Bereich des Fensters;
4 eine Aufsicht auf das Fenster aus 3;
5 das Fenster aus 3 mit eingebrachten Schweißstellen;
6 eine zweite Ausführungsform eines Fensters;
7 eine dritte Ausführungsform eines Fensters;
8 eine Aufsicht auf das Fenster aus 7;
9 eine dritte Ausführungsform eines Halbfabrikats; und
10 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Halbfabrikats.

1 zeigt lediglich beispielhaft und schematisch ein elektrisches Kontaktelement 1 in einem Längsschnitt. Das elektrische Kontaktelement besteht aus zwei Teilen, einem Kontaktkörper 3 und einem innerhalb des Kontaktkörpers 3 angeordneten Kontaktteil 5. Das Kontaktteil 5 ist lediglich beispielhaft als Feder 7 dargestellt, die dazu dienen kann, ein komplementär ausgestaltetes Kontaktteil 9 eines Gegenkontaktelements 11 (in 1 gestrichelt angedeutet) aufzunehmen, um eine elektrisch leitende Verbindung zu diesem herzustellen. Alternativ dazu kann das elektrische Kontaktelement 1 anstelle einer Feder 7 einen Pin, einen Flachkontakt, oder jedwede andere geeignete Struktur aufweisen.
Der Kontaktkörper 3 weist Crimpflügel 13 auf um das Kontaktelement 1 mit einer elektrischen Leitung zu verbinden. Der Kontaktkörper 3 dient folglich nicht nur zur Aufnahme des Kontaktteils 5, sondern auch der elektrischen Verbindung zwischen einer in den Crimpflügeln 13 aufgenommenen Leitung und dem Kontaktteil 5.
Um eine ausreichend gute elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktteil 5 und dem Kontaktkörper 3 herzustellen, die zudem dauerhaft ist und nicht von Korrosion bedroht ist, sind die beiden Teile durch wenigstens eine Schweißstelle miteinander verbunden. Hierauf ist weiter unten im Detail eingegangen.
2 zeigt einen Ausschnitt eines Halbfabrikats 15 in einem Längsschnitt. Das in 2 gezeigte Halbfabrikat 15 kann zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements 1 genutzt werden, welches ähnlich zu dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Kontaktelement 1 aufgebaut ist.
Das Halbfabrikat 15 weist ein erstes metallisches Werkstück 17 und ein zweites metallisches Werkstück 19 auf. Lediglich beispielhaft ist das erste metallische Werkstück 17 derart dargestellt, dass es einen Kontaktkörper 3 für das spätere Kontaktelement 1 bilden kann. Das zweite Werkstück 19 ist, ebenfalls lediglich beispielhaft derart dargestellt, dass es ein Kontaktteil 5 in Form einer Feder 7 bilden kann.
Das Halbfabrikat 15 zeichnet sich dadurch aus, dass es noch nicht vollständig zum Kontaktelement 1 gefertigt ist. Die beiden Werkstücke 17 und 19 sind in dem in 2 dargestellten Zustand bereits ineinander gesetzt, jedoch noch nicht durch wenigstens eine Schweißstelle miteinander verbunden.
Alternativ zu der in 2 dargestellten Form des Halbfabrikats 15, bei der die Teile 17 und 19 bereits weitestgehend vorgeformt sind, ist es ebenso denkbar, dass eines der beiden Werkstücke, insbesondere das erste Werkstück 17, ein Blech 21 (gestrichelt in 2 angedeutet) ist, welches, im Sinne des oben beschriebenen Beispiels, noch nicht zum Kontaktkörper 3 geformt ist. So kann beispielsweise ein vorgeformtes Teil, insbesondere das Kontaktteil 5, als zweites Werkstück 19 mit dem noch nicht umgeformten Blech 21 durch eine Schweißverbindung verbunden werden. Anschließend kann das erste Werkstück 17, bzw. das Blech 21 durch Umformen in die erforderliche Form, beispielsweise einen Kontaktkörper 3, gebracht werden.
Um die beiden Werkstücke 17 und 19 mittels einer Schweißverbindung zu verbinden, ist ein Fenster 23 vorgesehen, welches sich durch das erste Werkstück 17 hindurch in Richtung auf das zweite Werkstück 19 und ggf. in das zweite Werkstück 19 hinein erstreckt.
Eine vergrößerte Darstellung des mit A gekennzeichneten Bereichs aus 2 ist in 3 dargestellt. Das Fenster 23 ist im Folgenden mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
Das erste Werkstück 17 hat eine Vorderseite 25 und eine der Vorderseite 25 gegenüberliegende Rückseite 27. Beim Halbfabrikat 15 ist die Rückseite 27 des ersten Werkstücks 17 näher am zweiten Werkstück 19 angeordnet. Besonders bevorzugt liegt die Rückseite 27 am zweiten Werkstück 19 an, zumindest in einem das Fenster 23 umgebenden Bereich.
Der Begriff „Fenster“ 23 bezieht sich im Sinne dieser Beschreibung auf den gesamten Hohlraum, der sich, von der Vorderseite 25 des ersten Werkstücks 17 ausgehend, in das Halbfabrikat 15 hinein erstreckt.
Das Fenster erstreckt sich durchgängig durch das erste Werkstück 17. In dem in 3 dargestellten Beispiel erstreckt sich das Fenster 23 auch in das zweite Werkstück 19 hinein. Durch das Fenster 23 ist eine Oberfläche 29 des zweiten Werkstücks 19 nach außen freigelegt. Die Oberfläche 29 ist von außen durch das Fenster 23 zugänglich. Bevorzugt ist die Oberfläche 29 ausschließlich durch das Fenster 23 von außen zugänglich. Die Oberfläche 29 stellt eine Reflektionsfläche 31 für Laserlicht dar.
Das Fenster 23 weist eine Grundfläche 33 auf. Die Grundfläche 33 vergrößert sich zum zweiten Werkstück 19 hin. Mit anderen Worten ist eine lichte Weite 35 des Fensters 23 an der Vorderseite 25 größer als eine lichte Weite 37 an einer von der Vorderseite 25 beabstandeten Stelle.
Das Fenster 23 weist im zweiten Werkstück 19 die größere lichte Weite 37 auf. Die Vergrößerung der Grundfläche 33 erfolgt bei der beispielhaft dargestellten Ausführungsform sprunghaft, so dass eine Hinterschneidung 39 im zweiten Werkstück 19 gebildet ist.
Mit anderen Worten erstreckt sich zwischen einer das Fenster 23 an der Vorderseite 25 umgebenden Begrenzung 41 und der durch das Fenster 23 zugänglichen Oberfläche 29 ein Spalt 43. Der Spalt 43 kann auch als Nische oder Aussparung bezeichnet werden.
Der Spalt 43 kann als Lichtfalle 45 zum Einfangen von Laserlicht dienen. Die Lichtfalle 45 stellt einen Hohlraum zur Verfügung, in dem Laserlicht von der Oberfläche 29 auf die Rückseite 27 des ersten Werkstücks 17 reflektiert werden kann. Insbesondere kann das Laserlicht mehrfach zwischen der Oberfläche 29 und der Rückseite 27 reflektiert werden. Dabei wird das Laserlicht absorbiert, die Materialien beider Werkstücke 17 und 19 geschmolzen und miteinander verbunden. Hierdurch kann eine Schweißstelle erzeugt werden.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 ein Laserstrahl 47 gestrichelt eingezeichnet. Dieser wird an der als Reflektionsfläche 31 dienenden Oberfläche 29 auf die Rückseite 27 des ersten Werkstücks 17 reflektiert und von dieser wieder zur Oberfläche 29 reflektiert. Es können weitere Reflexionen zwischen beiden Oberflächen folgen.
Durch diese Mehrfachreflexionen wird ein großer Teil der eingestrahlten Energie absorbiert. Hierdurch heizen sich die Materialien beider Werkstücke 17 und 19 auf und es entsteht eine Schweißverbindung.
Der Laserstrahl kann nacheinander oder kontinuierlich auf verschiedene Positionen der Oberfläche 29 gerichtet werden. Ebenso ist es möglich, dass mehrere Laserstrahlen gleichzeitig auf verschiedene Positionen der Oberfläche 29 gerichtet werden. Der Übersichtlichkeit halber ist jedoch nur ein Laserstrahl 47 in 3 dargestellt.
Um die Absorption von Laserlicht 47 in den die Lichtfalle 45 begrenzenden Oberflächen zu erhöhen, können die Oberfläche 29 und/oder die Rückseite 27, zumindest im Bereich der Lichtfalle 45 strukturiert sein.
In 3 ist eine Mikrostrukturierung 49 angedeutet. Durch die Mikrostrukturierung 49 kann beispielsweise die Rauheit der Oberfläche wenigstens eines der Werkstücke 17 und 19 vergrößert und dadurch die Absorption des Laserlichts verbessert sein. Die Mikrostrukturierung 49 stellt eine Form einer Oberflächenstruktur 50 dar.
Bevorzugt erstreckt sich der Laserstrahl 47 senkrecht zu dem durch die Lichtfalle 45 aufgespannten Spalt 43. Mit anderen Worten erstreckt sich der Laserstrahl 47 bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormalen 51 der Grundfläche 33. Im Wesentlichen parallel soll in diesem Sinne bedeuten, unter einem Winkel 53 von weniger als 45°.
4 zeigt eine Aufsicht auf den Bereich des Fensters 23 entlang der Oberflächennormalen 51 gesehen.
Das Fenster 23 kann einen insgesamt rechteckigen Querschnitt aufweisen. Alternativ dazu sind auch andere, beispielsweise polygonale, kreisrunde, ellipsoide, dreieckige, schlitzförmige oder weitere Querschnitte möglich.
Die Lichtfalle 45 erstreckt entlang der Oberflächennormalen 51 gesehen hinter dem Material des ersten Werkstücks 17. Dies ist mit der gepunkteten Linie in 4 angedeutet.
5 zeigt das Fenster aus den 3 und 4 nach dem Laserschweißen.
In dem Bereich, in dem sich vormals die Lichtfalle 45 befunden hat, befindet sich nun wenigstens eine Schweißstelle 55. In 5 sind zwei Schweißstellen 55 angedeutet. Es können eine oder mehrere punktförmige Schweißstellen 55 gebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass durchgängige Schweißstellen 55, welche sich vollständig oder teilweise entlang der ursprünglichen Lichtfalle 45 um das Fenster 23 herum erstrecken, gebildet werden.
Die Schweißstellen 55 sind durch das Aufschmelzen der Materialien beider Werkstücke 17 und 19 und anschließendem Abkühlen entstanden. Durch die Schweißstellen 55 ist eine dauerhafte elektrisch leitende und mechanische Verbindung beider Werkstücke 17 und 19 gebildet. Die Schweißstellen 55 liegen an einem Rand des Fensters 57.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fensters 23 in einem Teil eins Halbfabrikats 15. Im Folgenden ist nur auf die Unterschiede zu der zuvor mit Bezug auf die 3 bis 5 beschriebenen Ausführungsform eingegangen.
Das Fenster 23 weist, quer zur Flächennormalen 51 gesehen, einen ähnlichen Querschnitt wie das mit der vorherigen Ausführungsform beschriebene Fenster 23 auf. Jedoch befindet sich das Fenster 23 ausschließlich im ersten Werkstück 17 und gibt die Oberfläche 29 des zweiten Werkstücks 19 frei. Mit anderen Worten ist das Fenster 23 als zweistufige Bohrung im ersten Werkstück 17 gebildet, bei der sich eine erste Stufe mit einem kleineren Durchmesser, der der lichten Weite 35 entspricht, von der Vorderseite 25 in das Werkstück 17 hinein erstreckt und eine zweite Stufe, ausgehend von der ersten Stufe, bis durch die Rückseite 27 erstreckt, wobei die zweite Stufe einen größeren Durchmesser aufweist, welcher der lichten Weite 37 entspricht. Bei dieser Ausführungsform kann auf die Formung einer Aussparung im zweiten Werkstück 19 verzichtet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Fensters 23 für ein Halbfabrikat 15 ist im Folgenden mit Bezug auf die 7 und 8 beschrieben. Auch hier ist, der Kürze halber, lediglich auf die Unterschiede zu der mit Bezug auf die 3 bis 5 beschriebenen Ausführungsform eingegangen.
Das Fenster 23 erstreckt sich im Wesentlichen ähnlich zur ersten Ausführungsform durch das erste Werkstück 17 bis in das zweite Werkstück 19 hinein. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht nun dahin, dass das zweite Werkstück 19 mit einer strukturierten Oberfläche 29 in Form einer konvexen Wölbung 59 versehen ist. Die konvexe Wölbung 59 stellt eine weitere Form einer Oberflächenstruktur 50 dar. Die konvexe Wölbung 50 kann mit einer Mikrostrukturierung 49, wie sie mit Bezug auf die 3 beschrieben ist, kombiniert sein.
Die konvexe Wölbung 59 springt in Richtung zur Vorderseite 25 des ersten Werkstücks 17 vor. Die konvexe Wölbung 29 kann es erleichtern, einen Laserstrahl 47 in die Lichtfalle 45 zu lenken. Ein Laserstrahl 47 mit Mehrfachreflektionen ist in 7 gestrichelt angedeutet.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform eines Halbfabrikats 15 dargestellt. Das Fenster 23 hat Ähnlichkeit zu der mit Bezug auf die 7 beschriebenen Ausführungsform. Das heißt, das Fenster 23 gibt die Oberfläche 29 des zweiten Werkstücks 19 frei, welches mit einer als konvexe Wölbung 59 gebildeten Oberflächenstruktur 50 versehen ist.
Im Unterschied zur mit Bezug auf die 7 beschriebenen Ausführungsform, bei der das zweite Werkstück 19 mit der Oberflächenstruktur 50 und mit der Lichtfalle 45 und der vergrößerten lichten Weite 37 versehen ist, ist bei der Ausführungsform der 9 das erste Werkstück 17 mit der vergrößerten lichten Weite 37 versehen.
Die konvexe Wölbung 59 der Oberfläche 29 kann dadurch erreicht werden, dass das Material des zweiten Werkstücks 19 zumindest im Bereich des Fensters 23 zum ersten Werkstück 17 hin durchgebogen, bzw. geprägt ist. Mit anderen Worten weist das zweite Werkstück 19 eine Prägung 60 auf, durch die die konvexe Wölbung 59 gebildet ist. Eine solche Prägung 60 kann beispielsweise durch einen Stempel 62 erzeugt sein, welcher in 9 schematisch dargestellt ist. Die Prägung 60 kann vor oder nach der zueinander relativen Positionierung der Werkstücke 17 und 19 erfolgen.
In 10 ist eine weitere Ausgestaltungsform für ein Halbfabrikat 15 in einem Querschnitt dargestellt.
Das Halbfabrikat 15 weist ein erstes Werkstück 17, welches einen Kontaktkörper 3 bildet, und ein zweites Werkstück 19, welches ein als Feder 7 geformtes Kontaktteil 5 bildet, auf. Die Feder 7 weist mehrere Lamellen 61 auf.
Das Kontaktteil 5 kann zur Verbindung mit einem Flachkontakt genutzt werden, der durch die Lamellen 61 kontaktiert wird, wenn der Flachkontakt im späteren Kontaktelement 1 eingesetzt ist. Ein Fenster 23 erstreckt sich durch das erste Werkstück 17 und legt die Oberfläche 29 von zwei benachbarten Lamellen 61 der Feder 7 frei.
Zwischen jeder Lamelle 61 und der Begrenzung 41 des Fensters 22 ist eine Lichtfalle 45 gebildet. Es können gleichzeitig zwei Laserstrahlen 47 durch das Fenster in die Lichtfallen 45 geschossen werden, um beide Lamellen 61 gleichzeitig am ersten Werkstück 17 zu verschweißen.
Alternativ dazu können die Laserstrahlen 47 auch nacheinander durch das Fenster 47 geschossen werden.
Um gleichzeitig zwei Laserstrahlen 47 zum Laserschweißen zu erzeugen, kann ein einzelner Laserstrahl durch eine bifokale Linse gestrahlt und so geteilt werden.
Bezugszeichenliste

1: elektrisches Kontaktelement
3: Kontaktkörper
5: Kontaktteil
7: Feder
9: Kontaktteil
11: Kontaktelement
13: Crimpflügel
15: Halbfabrikat
17: erstes Werkstück
19: zweites Werkstück
21: Blech
23: Fenster
25: Vorderseite
27: Rückseite
29: Oberfläche
31: Reflektionsfläche
33: Grundfläche
35: lichte Weite
37: lichte Weite
39: Hinterschneidung
41: Begrenzung
43: Spalt
45: Lichtfalle
47: Laserstrahl
49: Mikrostrukturierung
50: Oberflächenstruktur
51: Oberflächennormale
53: Winkel
55: Schweißstelle
57: Rand
59: konvexe Wölbung
60: Prägung
61: Lamelle
62: Stempel

Claims

Halbfabrikat (15) zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements (1), wobei das Halbfabrikat (15) ein erstes metallisches Werkstück (17) und ein zweites metallisches Werkstück (19) umfasst, wobei das erste Werkstück (17) eine Vorderseite (25) und eine der Vorderseite (25) gegenüberliegende Rückseite (27) hat und die Rückseite (27) näher am zweiten Werkstück (19) angeordnet ist, wobei das Halbfabrikat (15) wenigstes ein sich wenigstens durch das erste Werkstück erstreckendes Fenster (23) aufweist, durch das eine Oberfläche (29) des zweiten Werkstücks (19) vom ersten Werkstück (17) her zugänglich ist, und wobei das Fenster (23) eine Grundfläche (33) aufweist, die sich, ausgehend vor der Vorderseite (25) des ersten Werkstücks (17), zum zweiten Werkstück (19) hin vergrößert.
Halbfabrikat (15) nach Anspruch 1, wobei sich zwischen einer das Fenster (23) an der Vorderseite (25) des ersten Werkstücks (17) umgebenden Begrenzung (41) und der durch das Fenster (23) zugänglichen Oberfläche (29) des zweiten Werkstücks (19) wenigstens eine Lichtfalle (45) zum Einfangen von Laserlicht (47) erstreckt.
Halbfabrikat (15) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Lichtfalle (45) einen Spalt (43) zwischen den beiden Werkstücken (17, 19) bildet.
Halbfabrikat (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eines der Werkstücke (17, 19) ein Blech (21) und andere Werkstück (17, 19) ein Kontaktteil (5) für das Kontaktelement (1) ist.
Halbfabrikat (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest die durch das Fenster (23) zugängliche Oberfläche (29) des zweiten Werkstücks (19) mit einer Oberflächenstruktur (50) versehen ist.
Halbfabrikat (15) nach Anspruch 5, wobei die durch das Fenster (23) zugängliche Oberfläche (29) mit wenigstens einer konvexen Wölbung (59) versehen ist.
Halbfabrikat (15) nach Anspruch 5 oder 6, wobei zumindest die durch das Fenster (23) zugängliche Oberfläche (29) des zweiten Werkstücks (19) mit einer Mikrostrukturierung (49) versehen ist.
Halbfabrikat (15) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine die Lichtfalle (45) begrenzende Oberfläche (29) des ersten Werkstücks (17) mit einer Mikrostrukturierung (49) versehen ist.
Elektrisches Kontaktelement (1), das aus einem Halbfabrikat (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
Elektrisches Kontaktelement (1) nach Anspruch 9, wobei die beiden Werkstücke (17, 19) an einem Rand (57) des Fensters (23) durch wenigstes eine Schweißstelle (55) materialschlüssig miteinander verbunden sind.
Elektrisches Kontaktelement (1) nach Anspruch 9 oder 10, umfassend einen aus einem Blech (21) durch Umformen gebildeten Kontaktkörper (3) und wenigstes ein, zumindest teilweise innerhalb des Kontaktkörpers (3) angeordnetes Kontaktteil (5), das mit dem Kontaktkörper (3) durch wenigstens eine Schweißstelle (55) materialschlüssig verbunden ist.
Verfahren zum Verbinden eines ersten metallischen Werkstücks (17) mit einem zweiten metallischen Werkstück (19) mittels Laserschweißen, wobei zumindest das erste Werkstück (17) eine Vorderseite (25) und eine der Vorderseite (25) gegenüberliegende Rückseite (27) hat und die Rückseite (27) näher am zweiten Werkstück (19) angeordnet ist als die Vorderseite (25), und wobei wenigstens ein Laserstrahl (47) durch ein sich wenigstens durch das erste Werkstück (17) erstreckendes Fenster (23) auf das zweite Werkstück (19) gerichtet und vom zweiten Werkstück (19) auf die Rückseite (27) des ersten Werkstücks (17) reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eines der Werkstücke (17, 19) ein Blech (21) und das andere Werkstück (17, 19) ein vorgeformtes Kontaktteil (5) für ein elektrisches Kontaktelement (1) ist, wobei das vorgeformte Kontaktteil (5) an wenigstens einer Schweißstelle (55) mit dem Blech (21) mittels Laserschweißen verbunden und das Blech (21) um das vorgeformte Kontaktteil (5) herumgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei beide Werkstücke (17, 19) vorgeformte Teile (3, 5) sind und beide Teile (3, 5) zu einem Halbfabrikat (15) an- oder ineinander gesetzt und anschließend durch Erzeugen wenigstens einer Schweißstelle (55) mittels Laserschweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Fenster (23) an der Vorderseite (25) des ersten Werkstücks (17) eine Grundfläche (33) und eine zu dieser Grundfläche (33) senkrechte Flächennormale (51) besitzt, und wobei zwischen dem Laserstrahl (47) und der Flächennormalen (51) ein Winkel (53) von weniger als 45° eingeschlossen wird.