DE102021125134B3

DE102021125134B3 - Verfahren zum Verschweißen einer elektrischen Aluminiumleitung mit einem Anschlusselement aus einem artfremden Metallmaterial

Info

Publication number: DE102021125134B3
Application number: DE102021125134.6A
Authority: DE
Inventors: Jakob Schillinger; Olaf Strunk
Original assignee: Strunk Connect Automated Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Strunk Connect Automated Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: EP4409700A2; WO2023052383A2; WO2023052383A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen mindestens einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung (8) mit einem Anschlusselement (9), das aus zur elektrischen Leitung (8) artfremden Metallmaterial, insbesondere Kupfer, besteht, wobei die Enden der mindestens einen elektrischen Leitung (8) und des Anschlusselements (9) zwischen zwei Elektroden (7) einer Widerstandsschweißvorrichtung angeordnet und miteinander verschweißt werden, wobei vor dem Verschweißen eine Abdeckkappe (14) aus einem metallischen Material, das einen Schmelzpunkt von zumindest 700 °C aufweist, zwischen die Leitungs-seitige Elektrode (7) und die elektrische Leitung (8) angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen mindestens einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung mit einem Anschlusselement, das aus einem zur elektrischen Leitung artfremden Metallmaterial, insbesondere Kupfer, besteht.
Seit langem ist es bekannt, Kupfer oder Kupferlegierungen als Leiter für elektrischen Strom zu verwenden. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in E-Mobilen werden diese aus Kupfer oder Kupferlegierung bestehenden elektrischen Leitern aus Gewichtsgründen auch schon durch Leiter aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ersetzt. Aus der EP 2 362 491 B1 ist es bereits bekannt, Aluminiumleitungen zu verwenden, welche mit Anschlusselementen aus anderen Materialien zunächst vercrimpt und dann verschweißt werden.
Große Probleme bereiten derartige Verbindungen z. B. bei der Verwendung von Aluminiumleitungen und Kupferanschlusselementen bezüglich der Dauer der mechanischen Stabilität der Verbindung als auch deren elektrischen Leitfähigkeit. Kann in eine derartige Verbindung Feuchtigkeit eintreten, so entsteht Kontaktkorrosion, welche den Übergangswiderstand vergrößert und die mechanische Haltbarkeit der Verbindung erheblich vermindert.
Die Hauptprobleme bei der Verbindung von elektrischen Aluminiumleitungen mit Anschlusselementen aus artfremdem Material sind jedoch darin zu sehen, dass Aluminium eine starke Affinität zu Sauerstoff aufweist und sich deshalb in sehr kurzer Zeit mit einer dichten, elektrisch isolierenden, sehr harten und sehr beständigen Oxydschicht überzieht. Der Schmelzpunkt dieser Oxydschicht, auch Korund bezeichnet, liegt bei ca. 2.050 °C, d. h. erheblich höher als die Schmelztemperatur von Aluminium, die bei ca. 660°C oder Kupfer, die bei ca. 1.080°C liegt.
Durch die üblicherweise runde Form der Aluminiumdrähte bzw. der Litzen entstehen Hohlräume zwischen den Drähten. In diese kann Feuchtigkeit eindringen und zu lokalen Korrosion des Aluminiumdrahts führen. Dies führt zu einer mechanischen Schwächung und Erhöhung des Leitungswiderstandes.
Hinzu kommt, dass bei der Aufschmelzung der beiden zu verbindenden Materialien Aluminium und Kupfer intermetallische Phasen entstehen können, die sowohl spröde als auch höherohmig sind, so dass in diesem Bereich bei späterem Stromdurchfluss eine große Wärmeentwicklung entstehen kann. Diese erhöhte Temperatur bewirkt, dass sich die intermetallische Schicht im Laufe der Zeit noch verstärkt. Durch die Sprödigkeit der Verbindung kann es schon bei einer kleinen mechanischen Beanspruchung leicht zu deren Bruch kommen.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Schmelztemperaturen der beiden Verbindungspartner sehr weit auseinanderliegen. Daher besteht die Gefahr, dass Aluminium bereits in Schmelze übergeht, während das artfremde Material, wie Kupfer, noch nicht die Diffusions- oder Schmelztemperatur erreicht hat. Dadurch entstehen unzureichende Schweißstellen, welche die geforderte Festigkeit nicht erreichen. Derartige unzureichende Schweißstellen sind in der Regel von außen nicht zu erkennen, so dass die Gefahr besteht, dass derartig mangelhaft verbundene elektrische Leiter mit dem Anschlusselement zum Einsatz kommen.
Auch der Zeitversatz nach dem Stand der Technik zwischen dem in einer ersten Stufe erfolgendem Kompaktieren bei dem die Oxidschicht aufgebrochen wird und einer örtlich getrennten zweiten Stufe, in der die Elemente miteinander verschweißt werden, kann bewirken, dass es zu einer erneuten Oxidation kommt, wodurch starke Schwankungen in der Verbindungsqualität resultieren können.
Weiterhin besteht bei der Herstellung einer solchen Schweißverbindung die Gefahr, dass beim Aufschmelzen der Aluminiumlitzen die Aluminium-seitige Elektrode an diesen anhaftet. Um dies zu verhindern, wird bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Stromfluss kurz gestoppt und die Schweißverbindung mit dem Restwärmefluss durchgeführt. Dieser Prozess birgt bezüglich seiner Stabilität ein Risiko für die Serienfertigung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile langzeitig stabile elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und Anschlusselementen aus artfremdem Metallmaterial, insbesondere Kupfer, herzustellen, ohne dass es zu Anhaftungen beim Aufschmelzen der Aluminiumlitzen an der Aluminium-seitigen Elektrode kommt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verschweißen mindestens einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung mit einem Anschlusselement, das aus zur elektrischen Leitung artfremden Metallmaterial, insbesondere Kupfer, besteht, werden die Enden der mindestens einen elektrischen Leitung und des Anschlusselements zwischen zwei Elektroden einer Widerstandsschweißvorrichtung angeordnet und miteinander verschweißt, wobei vor dem Verschweißen eine Abdeckkappe aus einem metallischen Material, welches einen Schmelzpunkt von zumindest 700 °C aufweist, zwischen die Leitungsseitige Elektrode und die elektrische Leitung angeordnet wird. Die Abdeckkappe kann dabei als separates Bauteil oder als integraler Bestandteil des Anschlusselements ausgebildet sein.
Durch die Anordnung der metallischen, hochschmelzenden Abdeckkappe, die im einfachsten Fall in Form eines Plättchens ausgebildet ist, zwischen die Leitungsseitige Elektrode und die elektrische Leitung wird ein direkter Kontakt zwischen dem aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung gebildeten elektrischen Leiter sowie der Leitungs-seitigen Elektrode verhindert, wodurch der elektrische Leiter ohne Anhaftungen an der Elektrode aufschmelzen und die stoffschlüssige Verbindung mit dem Kontaktelement ausbilden kann. Die Abdeckkappe verbleibt dabei vorteilhafterweise während des gesamten Schmelzprozesses zwischen den beiden Komponenten und bildet in einem späteren Verfahrensstadium mit dem bereits aufgeschmolzenen elektrischen Leiter eine gemeinsame Schmelzzone aus. Da es während des gesamten Schweißvorgangs zu keiner Anhaftung an der Elektrode kommt, kann diese, während der Schweißstrom fließt, die nötige Kraft aufbauen, die zur Ausbildung der stabilen stoffschlüssigen Verbindung erforderlich ist.
Die Abdeckkappe kann vorteilhafterweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, aus Nickel, oder aus einem metallischen Verbund, besonders bevorzugt aus einem Kupfer-Aluminium-Verbund, einem Kupfer-Nickel-Verbund oder einem Nickel-Aluminium-Verbund, bestehen. Wobei das Einzelmaterial, die Legierung oder das Verbundmaterial mit Hartloten für die Aluminiumverbindungstechnik wie Nickel, Silber, Zink oder Zinn beschichtet sein kann. Eine aus zumindest zwei unterschiedlichen Metallen gebildete Abdeckkappe wird vorzugsweise derart zwischen dem elektrischen Leiter sowie der Leitungs-seitigen Elektrode angeordnet, dass das höherschmelzende Material Elektroden-seitig, wohingegen das niedrigschmelzende Material Leitungs-seitig positioniert wird. In diesem Zusammenhang kann die beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehende Abdeckkappe mit einer Nickel- und/oder Aluminium-basierten Beschichtung, die beispielsweise galvanisch aufgetragen ist, versehen sein.
Vorteilhaft ist, wenn die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, aus Nickel, oder aus einem metallischen Verbund bestehende Abdeckkappe und/oder das Anschlusselement zumindest auf Bereichen seiner der elektrischen Leitung zugewandten Seite mit einer Beschichtung aus Aluminium, Zinn, Zink, Silber, Nickel oder Nickellegierung versehen ist. Aus der unterschiedlichen Materialwahl ergeben sich unterschiedliche Schmelztemperaturen des Aluminium-Leiters mit der beschichteten oder unbeschichteten Abdeckkappe. Um unterschiedliche Schmelztemperaturen des Aluminium-Leiters mit dem Anschlusselement vorgeben zu können kann auch das Anschlusselement zumindest bereichsweise entsprechend beschichtet werden.
Eine weitere Verbesserung der Schweißqualität kann erzielt werden, indem die aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung gebildeten elektrischen Leiter von der Abdeckkappe umschlossen werden und somit während des Schweißvorgangs möglichst gasdicht aneinandergepresst werden. Dies kann vorteilhafterweise dadurch erzielt werden, dass die Abdeckkappe in Form eines U-Profils, in Form eines C-Profils oder in Form eines Hut-Profils ausgebildet ist. Die Länge der Schenkel des jeweiligen U-Profils, C-Profils oder Hut-Profils ist von der gewünschten Zielsetzung abhängig und kann daher variieren. Insofern können die Schenkel in einer Ausführungsvariante eine kurze Länge, beispielsweise 3 mm, und in einer weiteren Ausführungsvariante eine längere Länge, beispielsweise 5 mm, aufweisen.
Bei den C-Profil- oder Hut-Profil-förmigen Abdeckkappen weisen die distalen Enden der Schenkel eine nach innen (C-Profil) oder eine nach außen (Hut-Profil) umgeformte Nase auf, die über das aufgeschmolzene Aluminium oder die aufgeschmolzene Aluminiumlegierung mit dem Anschlusselement eine lötartige Verbindung bildet. Dadurch wird der Übergangswiderstand verringert und die mechanische Festigkeit des Verbundes erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann die in Form eines U-Profils, in Form eines C-Profils oder in Form eines Hut-Profils ausgebildete Abdeckkappe stirnseitig eine angelenkte Lasche aufweisen. Diese kann beispielsweise schräg nach unten oder schräg nach oben bezogen auf die Basisplatte der Abdeckkappe ausgerichtet sein. Die Lasche kann vor Verletzungen beim Greifen dieser schützen, die beispielsweise durch dornartige Aufschmelzungen des Drahtendes entstehen, und/oder vor möglichen Kerb- oder Schälkräften schützen.
Beim Kompaktieren und/oder Verdichten der elektrischen Leitungen wird deren Querschnitt bei der Verwendung einer U-Profil-, C-Profil- oder Hut-Profil-förmigen Abdeckkappe in einem rechteckförmigen Querschnitt umgeformt. Dabei können die starken Verformungen der außenliegenden Leitungen zu einer Schädigung dieser führen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Abdeckkappe daher eine konisch aufweitende Ausformung aufweisen, die in Richtung des kabelseitigen Abgangs zu einem weichen Übergang von der Runddrahtzone zur Kompaktierungszone führt und einer deutlich reduzierten mechanischen Verformung unterliegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann das Verfahren nach dem Schritt des Anordnens der Abdeckkappe die weiteren nachfolgenden Schritte umfassen:

- Aufeinander zufahren mindestens einer der Elektroden auf die weitere Elektrode und Verdichten des Endes der elektrischen Leitung;
- während des Verdichtens ein Verformen und Aufbrechen der Oxidschicht an der Oberfläche des Endes der elektrischen Leitung durch die Krafteinwirkung des Verdichtungsvorgangs;
- ohne Öffnung der Elektroden anschließendes Einstellen einer Schweißkraft und darauffolgendes Beaufschlagen der Elektroden mit einem Schweißstrom unter Beibehaltung der Schweißkraft;
- Erhitzen des Endes der elektrischen Leitung und des Anschlusselements unter Beibehaltung der Schweißkraft mit bezüglich der elektrischen Leitung geringerem Wärmestrom als bezüglich des Anschlusselements () bis in den Bereich des Schmelzpunkts der elektrischen Leitung;
- Eindiffundieren von Atomen der elektrischen Leitung in die erhitzte Oberfläche des Anschlusselements;
- Abschalten des elektrischen Stroms; und
- Auseinanderfahren der Elektroden nach Verfestigung des Endes der elektrischen Leitung.

Durch das Verdichten, d.h. das aktive Verdichten des Drahtes wird erreicht, dass die Oxidschicht des Drahtes aufbricht. Werden Drahtlitzen verdichtet, so werden die Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzen minimiert bzw. sie verschwinden. Dabei kann es auch zu Diffusionsvorgängen zwischen den einzelnen Litzen kommen. Das Aufbrechen der Oxydschicht durch den Verdichtungsvorgang bewirkt, dass der elektrische Leiter nicht erst bei der hohen Schmelztemperatur der Oxydschicht, sondern bereits im Bereich der niedrigen Schmelztemperatur des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung verschweißt werden kann, wobei der Bereich z.B. bei ± 50 K um den Schmelzpunkt des verwendeten Materials des elektrischen Leiters liegen kann. Das unmittelbar darauf erfolgende Verschweißen unter Schweißkraft bewirkt, dass keine neuen Oxydschichten entstehen können und damit eine optimale Verbindung in einem Fertigungsgang, d. h. ohne das Herausnehmen des verdichteten elektrischen Leiters und Überführen in eine Schweißvorrichtung gewährleistet ist. Durch die Einstellung unterschiedlicher Wärmeströme wird erreicht, dass trotz unterschiedlicher Schmelzpunkte der zu verschweißenden Komponenten diese miteinander verschweißt werden können.
Nachahmenswert ist, dass der unterschiedliche Wärmestrom in Abhängigkeit von den Elektrodenabmessungen und/oder von der Elektrodenkühlung und/oder vom Elektrodenmaterial vorgebbar ist.
Größere Elektroden und/oder stärker gekühlte Elektroden für die elektrische Leitung bewirken einen geringeren Wärmestrom zur elektrischen Leitung hin als die kleinen Elektrodenflächen von z.B. nicht gekühlten Elektroden für das Anschlusselement, z.B. aus Kupfer. Dadurch wird die elektrische Leitung in der gleichen Zeit weniger stark erhitzt wird als das Anschlusselement.
Vorteilhaft ist, dass die elektrische Leitung aus einer mehrdrähtigen Aluminiumlitze besteht. Dadurch ist der elektrische Leiter flexibel und kann in seiner Verlegung an den späteren Gebrauchsort leicht angepasst werden.
Nachahmenswert ist, dass die Verdichtung mit einer gegenüber der Schweißkraft erhöhten Anpresskraft der Elektroden erfolgt. Dabei soll die Verdichtungs-Anpresskraft so gewählt werden, dass alle Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzen minimiert werden bzw. verschwinden und dass zudem möglichst viele Oberflächenbereiche von der Oxidschicht befreit werden, bzw. die Oxidhaut großflächig aufbricht.
Bemerkenswert ist, dass die Verdichtungs-und/oder Schweiß-Anpresskraft zeitlich und/oder in ihrer Größe veränderlich vorgebbar ist. Dadurch lässt sich eine möglichst optimale Anpassung nicht nur der Oberflächenbeschaffenheit des elektrischen Leiters, sondern auch der Oberflächenbeschaffenheit des Anschlusselements für den folgenden Schweißvorgang herstellen.
Bedeutsam ist, dass mindestens eine Elektrode unter angelegter Anpresskraft zu einer translatorischen und/oder rotatorischen und/oder oszillierenden Bewegung in jede beliebige Richtung angeregt wird. Durch diese Bewegungen wird der Verdichtungs- und Oxidbrech-Vorgang verstärkt. Die Litzen werden gegeneinander verschoben, so dass sich die Lücken zwischen den Litzen noch besser verschließen.
Es hat sich bewährt, dass während des Verdichtungsvorgangs ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, der gegenüber dem Wärmeeintrag während des Schweißvorgangs niedrigerer ist. Der zusätzliche Wärmeeintrag kann mittels eines über die Elektroden fließenden Heizstroms erzeugt werden. Bei dem Heizstrom kann es sich um einen konstanten oder modulierten, gleichförmigen oder mittelfrequent pulsierenden, in seiner Amplitude einstellbaren Gleichstrom oder Wechselstrom handeln, während als Schweißstrom ein gleichförmiger oder mittelfrequent pulsierender in der Amplitude einstellbarer Gleichstrom oder Wechselstrom verwendet werden kann.
Durch die zusätzliche Erwärmung des elektrischen Aluminiumleiters während des Verdichtungsvorgangs durch einen elektrischen Strom, der über die Elektroden fließt, wird einerseits ein Erweichen des Aluminiums und zum anderen eine stärkere Wärmeausdehnung des Aluminiums in der sich in der Wärme nicht so stark ausdehnenden Oxidhaut jedes einzelnen Litzendrahtes bewirkt. Durch die Wärmeausdehnung der Litzendrähte entstehen innere Spannungen innerhalb von deren Oxidhaut, die neben der Krafteinwirkung von außen zu einem noch besseren Brechen der Oxidoberfläche führt, wodurch die Oxidhaut noch sicherer reißt, als wenn lediglich äußere Kräfte angewandt würden. Durch die innere Erwärmung kann gegebenenfalls sogar die äußere Verdichtungskraft abgesenkt werden, um dennoch ein optimales Reißen der Oxid Haut zu gewährleisten.
Zweckmäßig ist, wenn auf mindestens einer der beiden zu verschweißenden Komponenten eine partielle oder vollflächige ein-oder mehrseitige Sperrschicht mit einem höheren spezifischen Widerstand angeordnet ist. Durch die höherohmige Sperrschicht wird eine zusätzliche Erwärmung in der Schweißzone und damit ein schnelleres Verschweißen des elektrischen Leiters mit dem Anschlusselement erreicht. Hinzu kommt, dass durch die Sperrschicht kein direkter Kontakt zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kupferanschlusselement entsteht, wodurch das Entstehen intermetallischer Phasen und damit das Entstehen spröder Bereich verringert wird. Dabei kann die Sperrschicht auch durch eine zwischengelegte Folie gebildet werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, vor Schließen der Elektroden ein Flussmittel auf die zu verbindenden Komponenten aufzutragen. Aus der Aluminiumlöttechnik ist bekannt, dass Flussmittel bei sehr stark oxidierten Oberflächen dennoch eine Lötung ermöglichen. Im Fall des Verschweißens des elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Anschlusselement aus artfremdem Metallmaterial kann das Flussmittel eine noch bessere Verbindung bewirken.
Zudem ergeben sich Vorteile, wenn mindestens eine Oberfläche der zu verschweißenden Komponenten vor dem Verdichtungsvorgang mittels Plasma oder Laser reinigungsbeaufschlagt werden. Bevorzugt kann durch diesen Verfahrensschritt die Oberfläche des Anschlusselements von Kontaminationen befreit werden, so dass die spätere Schweißverbindung durch die Kontamination nicht negativ beeinflusst werden kann.
Von Vorteil ist, wenn das Anschlusselement im Bereich der mit ihm zu verbindenden elektrischen Leitung mindestens eine Erhöhung aufweist. Die Erhöhung kann beispielsweise von einer Sicke, einem Buckel oder dergleichen gebildet werden. Der elektrische Leiter wird beim Verdichten zumindest teilweise in diese Sicke eingepresst. Beim anschließenden Schweißvorgang fließt der Schweißstrom über die genau definierte Fläche der Sicke, wodurch die Erhitzung des elektrischen Leiters und des Anschlusselements optimal beeinflusst werden kann. Die Wirkung der Sicke kann aber auch durch eine eingelegte, entsprechend geformte Folie erreicht oder durch diese ergänzt werden, wobei die Folie auch gleichzeitig die Sperrschicht bilden kann.
Es empfiehlt sich, dass die jeweils vorgegebene Schweißkraft durch mit degressiver Federkennlinie arbeitendem, zwischen einem Druckkraftsteller und der, diesem zugeordneten Elektrode angeordneten Federelement möglichst konstant gehalten wird. Der Schmelzvorgang von Aluminium verläuft sehr schnell und der Einsinkweg der Elektroden ist dabei deutlich größer als wenn zwei artgleiche Materialien verschweißt werden. Da der gesamte Schweißvorgang typischerweise in weniger als 5/10tel Sekunden abgeschlossen ist, beginnt das Einsinken bereits im 1/100tel Sekundenbereich. Um konstante Stromflussflächen zu erhalten, muss die Anpresskraft während des gesamten Schweißvorgangs möglichst konstant bleiben. In der Praxis sind die üblichen Kraftsteller zu träge, so dass in der Folge das Aluminium zu stark erhitzt würde. Durch den hier vorgeschlagenen Verfahrensschritt lässt sich erreichen, dass ohne Zeitverzug ein Nachsetzen mit gleicher Anstell- und Anpresskraft möglich ist. Selbstverständlich kann das Federelement auch der unteren Elektrodenhalterung zugeordnet werden.
Ein besonderer Vorzug ergibt sich, wenn die fertiggestellte Schweißverbindung durch eine Schutzhülle oder eine mit Schutzgel gefüllte Schutzhülle ummantelt wird. Dadurch wird weitestgehend ausgeschlossen, dass Feuchtigkeit in eventuelle Hohlräume der Schweißverbindung eintreten können, so dass eine Korrosion, die zu Schädigung von Einzeldrähten oder der Schweißverbindung führt, noch besser ausgeschlossen wird. Schon eine vorgeformte Schutzkappe aus einen Schrumpfschlauchmaterial kann einen ersten Schutz bieten, der noch erhöht werden kann, wenn dieser Schrumpfschlauch mit einem Schutzgel wie z. B. Silikon gefüllt wird.
Vorrichtungsmäßig wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die der elektrischen Leitung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zugeordnete Elektrode eine größere Kontaktfläche als die mit ihr zusammenwirkende, dem artfremden Metallmaterial zugeordnete Gegenelektrode aufweist, und/oder dass die Elektroden jeweils aus Materialien bestehen die sicherstellen, dass die der elektrischen Leitung zugeordnete Elektrode weniger Wärme erzeugt als die Gegenelektrode.
Beim Widerstandsschweißen zeigt sich, dass die in einem definierten Zeitintervall erzielbare Temperaturerhöhung quadratisch mit der reziproken Querschnittsfläche wächst. Durch die größere Kontaktfläche für die elektrische Aluminiumleitung wird erreicht, dass bei Anlegen des Schweißstroms die Temperaturerhöhung in der, dem Aluminiummaterial zugeordneten Elektrode deutlich langsamer erfolgt als in der dem artfremden Metallmaterial zugeordneten Elektrode. Dadurch wird den unterschiedlich hohen Schmelzpunkten für die unterschiedlichen Materialien Rechnung getragen. Das zum Beispiel aus Kupfer bestehende Anschlusselement hat zum Erreichen des Bereichs des Schmelzpunktes eine erheblich höhere Temperatur als das Aluminium anzunehmen, so dass durch die unterschiedlichen Größen der Elektroden ein gutes Eindiffundieren der Aluminiumatome in das heiße, noch nicht flüssige Kupfer oder in die Sperrschicht möglich ist, wodurch es ähnlich wie es z. B. bei einem Reibschweißvorgang zwischen Aluminium und Kupfer bzw. der Sperrschicht zu einer stoffschlüssigen elektrischen Verbindung kommt.
Nachahmenswert ist, dass die der elektrischen Leitung zugeordnete Elektrode eine ebene oder konvexe oder konkave Form aufweist. Durch die Auswahl der Form lässt sich ein optimales Oxidbrechen bei der Verdichtung und ein optimales, umgehend danach erfolgendes, Verschweißen erreichen.
Es hat sich bewährt, dass die der elektrischen Leitung zugeordnete Elektrode mit Seitenbegrenzungen zur Haltung des elektrischen Leiters ausgestattet ist. Insbesondere bei einer eben oder konvex gestalteten Elektrode können die z.B. keramischen Seitenbegrenzungen ein besseres Zusammenhalten der einzelnen Litzendrähte bewirken.
Nachahmenswert ist, dass mindestens eine der Elektroden in ihrer Leitfähigkeit senkrecht zur Stromflussrichtung in einem Gradienten abnimmt, die Festigkeit der Elektrode über den gesamten Temperaturbereich dennoch konstant bleibt. Dadurch kann erreicht werden, dass trotz unterschiedlicher Entfernung des elektrischen Drahtes zu dem kleineren, heißen Bereich des Anschlusselements über den Querschnitt des elektrischen Leiters gleiche Stromflüsse erreicht werden, so dass der elektrische Leiter möglichst gleichmäßig über seine ganze Fläche zu schmelzen beginnt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 die Prinzipdarstellung einer Widerstandsschweißvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens,
2 eine grafische Darstellung eines der Prozessschritte in einer Explosionsdarstellung,
3 eine grafische Darstellung eines weiteren Prozessschrittes in einer Explosionsdarstellung,
4 eine erste Ausführungsvariante der Abdeckkappe,
5 eine zweite Ausführungsvariante der Abdeckkappe,
6 eine dritte Ausführungsvariante der Abdeckkappe,
7 eine vierte Ausführungsvariante der Abdeckkappe,
8 eine fünfte Ausführungsvariante der Abdeckkappe,
9 eine sechste Ausführungsvariante der Abdeckkappe,
10 eine siebente Ausführungsvariante der Abdeckkappe, und
11 eine achte Ausführungsvariante der Abdeckkappe.

1 zeigt eine Widerstandsschweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie besteht im Wesentlichen aus einem C-förmigen Rahmen 1, an dessen oberem Schenkel ein Druckkraftsteller 2 befestigt ist. Bei dem Druckkraftsteller 2 kann es sich um einen pneumatisch, hydraulisch oder elektromotorisch angetriebenen Zylinder 3 handeln, in dem sich ein Kolben 4 befindet. Der Kolben 4 arbeitet über ein Federelement 5, das vorzugsweise eine degressive Kennlinie aufweist, auf den oberen Elektrodenhalter 6. Vereinfacht kann der Kolben 4 auch direkt auf den oberen Elektrodenhalter 6 arbeiten. Der obere Elektrodenhalter 6 hält die obere Elektrode 7, deren große Fläche auf einer Abdeckkappe 14 aufliegt, die wiederum auf dem Ende einer elektrischen Leitung 8, die z. B. aus einer Aluminiumdrahtlitze besteht, aufliegt. Die obere Elektrode 7 kann z.B. nicht gezeigte Saugöffnungen zur Fixierung der Abdeckkappe 14 aufweisen. Die elektrische Leitung 8 wiederum liegt auf dem Anschlusselement 9 auf, welches hier eine aus Kupfer bestehende Kontaktfläche bildet. Die untere Elektrode 10, die einen erheblich kleinere Oberfläche als die obere Elektrode 7 aufweist, ist von einem unteren Elektrodenhalter 11 gehalten, welcher über einen Verdichter 12 am unteren Schenkel des C-förmigen Rahmens 1 gehalten ist.
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1 im Bereich der oberen Elektrode 7 vor dem Verdichtungsvorgang. Die elektrische Leitung 8 ist vorliegend als oxidierter, runddrahtförmiger Litzenverbund dargestellt. Die obere Elektrode 7 ist ebenso plan ausgeführt wie das Anschlusselement 9, insbesondere dessen Sicke 13. Erfindungsgemäß wird vor dem Verschweißen eine Abdeckkappe 14 aus einem metallischen Material, das einen Schmelzpunkt von mindestens 50 °C höher als die Schmelztemperatur der Verbindungszone aufweist, zwischen die Leitungsseitige, vorliegend obere Elektrode 7 und die elektrische Leitung 8 angeordnet.
Durch das Absenken der oberen Elektrode 7 wird die elektrische Leitung 8 verdichtet. Dabei reißen die an der Oberfläche der einzelnen Litzen befindlichen Oxidschichten auf und die Innenbereiche 15 der einzelnen Litzen der elektrischen Leitung 8 kommen sowohl über die Abdeckkappe 14 mit der oberen Elektrode 7 als auch mit dem Anschlusselement 9 in Kontakt. Um die Verdichtung der Litzen der elektrischen Leitung 8 und den Kontakt der Innenbereiche 15 der Litzen untereinander sowie über die Abdeckkappe 14 mit der oberen Elektrode 7 als auch dem Anschlusselement 9 noch zu verbessern kann das Anschlusselement 9 über die untere Elektrode 10 durch den Verdichter 12 in Schwingungen versetzt werden.
Damit beim Verdichtungsvorgang und beim späteren Schweißvorgang nicht Teile der elektrischen Leitung 8 aus dem Bereich zwischen oberer Elektrode 7 und dem Anschlusselement 9 herausgedrückt werden, sind keramische Seitenbegrenzungen 16 vorgesehen.
3 zeigt eine Darstellung der elektrischen Leitung 8 nach dem Verdichtungsvorgang.
4 zeigt eine erste Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14, die vorliegend in Form eines Plättchens ausgebildet und somit von einer Basisplatte 17 gebildet wird.
Die Abdeckkappe 14 kann aus einem Einzelmaterial wie Kupfer, einer Kupferlegierung oder aus Nickel bestehen. Ferner kann die Abdeckkappe 14 aus einem metallischen Verbund bestehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen zweischichtigen Verbund handeln, wie einen Kupfer-Aluminium-Verbund, einen Kupfer-Nickel-Verbund oder einen Nickel-Aluminium-Verbund. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann auch die aus einem Einzelmaterial, einer Legierung oder einem Verbundmaterial bestehende Abdeckkappe 14 mit einem aus der Aluminiumverbindungstechnik bekannten Hartlot wie Silber, Zink oder Zinn beschichtet sein, wobei die Beschichtung beispielsweise galvanisch aufgetragen ist. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Schmelztemperaturen des Aluminium-Leiters mit der Abdeckkappe 14. Beispiele für die Schmelztemperaturen sind 548 °C bei Al-CU, 640 °C bei Al-Ni, 660°C bei Al-Al, 567 °C bei Al-Ag, 277 °C bei Al-Zn oder 232 °C bei Al-Sn.
In 5 ist eine zweite Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 gezeigt, die U-Profil-förmig ausgebildet ist. Die beiden sich von der Basisplatte 17 erstreckenden Schenkel 18 können eine Erstreckung von beispielsweise 3 mm aufweisen.
In 6 ist eine dritte Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 gezeigt, die ebenfalls U-Profil-förmig ausgebildet ist. Im Unterschied zu der in 5 gezeigten Ausführungsvariante weisen die beiden Schenkel 18 ein längeres Maß auf. Die Länge wird dabei so gewählt, dass sie der Höhe der kompaktierten AluminiumLeitung entspricht. Diese Abmessungen sind für den Schweiß- bzw. Abschaltvorgang wesentlich.
In 7 ist eine vierte Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 gezeigt, die Hut-Profil-förmig ausgebildet ist. Die beiden sich von der Basisplatte 17 erstreckenden Schenkel 18 weisen im Gegensatz zu der U-Profil-förmigen Ausgestaltung an ihren distalen Enden jeweils ein nach außen ausgebildetes flanschartiges Element 19 auf.
In 8 ist eine fünfte Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 gezeigt, die C-Profil-förmig ausgebildet ist. Im Gegensatz zu der Hut-Profil-förmigen Ausgestaltung weisen die beiden Schenkel 18 jeweils ein nach innen ausgebildetes flanschartiges Element 19 auf.
In 9 ist eine sechste Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 gezeigt, die wie bereits in den 5 und 6 im Wesentlichen U-Profil-förmig ausgebildet ist. Im Gegensatz hierzu weist die Basisplatte 17 jedoch stirnseitig eine angelenkte Lasche 20 auf, die in einem Winkel von beispielsweise 120° zur Basisplatte 17 angeordnet ist.
In 10 ist eine siebente Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 gezeigt, deren Lasche 20 im Gegensatz zu der in 9 gezeigten Ausführungsvariante um beispielsweise 225° zur Basisplatte 17 angeordnet ist.
In 11 ist eine achte Ausführungsvariante der Abdeckkappe 14 dargestellt, die im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsvarianten als integraler Bestandteil des Anschlusselements 9 ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: C-förmiger Rahmen
2: Druckkraftsteller
3: Zylinder
4: Kolben
5: Federelement
6: obere Elektrodenhalter
7: obere Elektrode
8: elektrische Leitung
9: Anschlusselement
10: untere Elektrode
11: untere Elektrodenhalter
12: Verdichter
13: Sicke / Erhöhung
14: Abdeckkappe
15: Innenbereiche
16: Seitenbegrenzung
17: Basisplatte
18: Schenkel
19: Nase / flanschartiges Element
20: Lasche

Claims

Verfahren zum Verschweißen mindestens einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung (8) mit einem Anschlusselement (9), das aus zur elektrischen Leitung (8) artfremden Metallmaterial, insbesondere Kupfer, besteht, wobei die Enden der mindestens einen elektrischen Leitung (8) und des Anschlusselements (9) zwischen zwei Elektroden (7, 10) einer Widerstandsschweißvorrichtung angeordnet und miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweißen eine Abdeckkappe (14) aus einem metallischen Material, das einen Schmelzpunkt von zumindest 700 °C aufweist, zwischen der leitungsseitigen Elektrode (7) und der elektrischen Leitung (8) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abdeckkappe (14) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, aus Nickel, oder aus einem metallischen Verbund, vorzugsweise aus einem Kupfer-Aluminium-Verbund, einem Kupfer-Nickel-Verbund oder einem Nickel-Aluminium-Verbund, besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, aus Nickel, oder aus einem metallischen Verbund bestehende Abdeckkappe (14) und/oder das Anschlusselement (9) zumindest auf Bereichen seiner der elektrischen Leitung (8) zugewandten Seite mit einer Beschichtung aus Aluminium, Zinn, Zink, Silber, Nickel oder Nickellegierung versehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckkappe (14) in Form eines Plättchens, in Form eines U-Profils, in Form eines C-Profils oder in Form eines Hut-Profils ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die in Form eines U-Profils, in Form eines C-Profils oder in Form eines Hut-Profils ausgebildete Abdeckkappe (14) eine stirnseitig angelenkte Lasche (20) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Leitung (8) aus einer mehrdrähtigen Aluminiumlitze besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt des Anordnens der Abdeckkappe (14) die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: - Aufeinander zufahren mindestens einer der Elektroden (7, 10) auf die weitere Elektrode (10, 7) und Verdichten des Endes der elektrischen Leitung (8); - während des Verdichtens ein Verformen und Aufbrechen der Oxidschicht an der Oberfläche des Endes der elektrischen Leitung (8) durch die Krafteinwirkung des Verdichtungsvorgangs; - ohne Öffnung der Elektroden (7, 10) anschließendes Einstellen einer Schweißkraft und darauffolgendes Beaufschlagen der Elektroden (7, 10) mit einem Schweißstrom unter Beibehaltung der Schweißkraft; - Erhitzen des Endes der elektrischen Leitung (8) und des Anschlusselements (9) unter Beibehaltung der Schweißkraft mit bezüglich der elektrischen Leitung geringerem Wärmestrom als bezüglich des Anschlusselements (9) bis in den Bereich des Schmelzpunkts der elektrischen Leitung (8); - Eindiffundieren von Atomen der elektrischen Leitung (8) in die erhitzte Oberfläche des Anschlusselements (9); - Abschalten des elektrischen Stroms; und - Auseinanderfahren der Elektroden (7, 10) nach Verfestigung des Endes der elektrischen Leitung (8).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der unterschiedliche Wärmestrom in Abhängigkeit von den Elektrodenabmessungen und/oder von der Elektrodenkühlung und/oder vom Elektrodenmaterial vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei der Verdichtungsvorgang mit einer gegenüber der Schweißkraft erhöhten Anpresskraft der Elektroden (7, 10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, wobei die Verdichtungs-und/oder Schweiß-Anpresskraft zeitlich und/oder in ihrer Größe veränderlich vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, wobei mindestens eine Elektrode (7, 10) unter angelegter Anpresskraft zu einer translatorischen und/oder rotatorischen und/oder oszillierenden Bewegung in jede beliebige Raumrichtung angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, wobei während des Verdichtungsvorgangs ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, der gegenüber dem Wärmeeintrag während des Schweißvorgangs niedrigerer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, wobei auf mindestens einer der beiden zu verschweißenden Komponenten und/oder die Abdeckkappe (14) eine partielle oder vollflächige ein- oder mehrseitige Sperrschicht mit einem höheren spezifischen Widerstand angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Sperrschicht durch eine zwischengelegte Folie gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, wobei vor Schließen der Elektroden (7, 10) ein Flussmittel auf die zu verbindenden Komponenten und/oder die Abdeckkappe (14) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, wobei mindestens eine Oberfläche der zu verschweißenden Komponenten und/oder der Abdeckkappe (14) vor dem Verdichtungsvorgang mittels Plasma oder Laser reinigungsbeaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 16, wobei das Anschlusselement (9) im Bereich der mit ihm zu verbindenden elektrischen Leitung (8) mindestens eine Erhöhung (13) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei die vorgegebene Schweißkraft durch mit degressiver Federkennlinie arbeitenden, zwischen einem Druckkraftsteller und der diesem zugeordneten Elektrode (7, 10) angeordneten, Federelement (5) möglichst konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, wobei die fertiggestellte Schweißverbindung durch eine Schutzhülle oder eine mit Schutzgel gefüllte Schutzhülle ummantelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Abdeckkappe 14 vor dem Zusammenfahren der Elektroden über, der oberen Elektrode 6 zugeordnete, mindestens eine mit Unterdruck beaufschlagbare Saugöffnung an der oberen Elektrode 6 fixierbar ist.