DE102022203351A1

DE102022203351A1 - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktbaugruppe sowie elektrische Kontaktbaugruppe

Info

Publication number: DE102022203351A1
Application number: DE102022203351.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Aicher; Andreas Eismann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2022-04-05
Filing date: 2022-04-05
Publication date: 2023-10-05
Also published as: CN116895478A; US20230317319A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktbaugruppe (40) mit folgenden Schritten. Erfindungsgemäß wird ein Kontaktträger (10) aus einem ersten leitfähigen Material bereitgestellt, wobei der Kontaktträger mindestens eine Vertiefung oder einen Durchbruch (11) aufweist. Ferner wird eine Kontaktmaterialauflage (20) aus einem zweiten leitfähigen Material bereitgestellt. Dieser wird in der Vertiefung bzw. dem Durchbruch (11) bei gleichzeitigem Beaufschlagen der Kontaktmaterialauflage (20) und des Kontaktträgers (10) mit einer elektrischen Schweißspannung verpresst, wobei ein Presskraft-Schweißstrom-Zeit Profil so gewählt wird, dass der Kontaktträger und der Kontaktmaterialauflage in einem Arbeitsgang eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung (42, 43) und eine stoffschlüssige Verbindung (41) ausbilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktbaugruppe sowie eine elektrische Kontaktbaugruppe.
In elektrischen Anlagen bestehen häufig besondere Anforderungen an elektrische Kontakte, insbesondere an solche Kontakte, die in schaltenden Elementen einen Schaltpol bilden. Diese Anforderungen können beispielsweise sein: eine hohe Leitfähigkeit, eine bestimmte Härte, eine hohe Resistenz gegenüber Abbrand bei Schaltvorgängen und/oder eine bestimmte Temperaturbeständigkeit.
Geeignete Materialien erfüllen dabei häufig nicht alle Anforderungen gleichermaßen gut. Beispielsweise gibt es Materialien, die eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, allerdings relativ weich sind. Viele Materialien, die sich für die Kontaktierung gut eignen, sind nicht gleichzeitig zur Ausbildung des den Kontakt mechanisch tragenden Elements geeignet, und/oder vergleichsweise teuer. Typische Kontaktmaterialien sind dabei Silberbasiswerkstoffe mit einem hohen Silberanteil wie beispielsweise Silbergraphit, insbesondere mit Graphitgehalten von 2 bis 5 Gewichtsprozent (Gew.-%) und Härten von 35 bis 60 HV 10.
Es ist üblich, aus derartigen Kontaktmaterialien gebildete Kontaktmaterialauflagen mit einem Träger zu einer Kontaktbaugruppe zu verbinden. Dabei ist bekannt, das Kontaktmaterial mittels Löten oder Schweißen auf dem Träger aufzubringen oder als Kontaktniet in eine Öffnung des Trägers einzubringen.
Nachteilig an den stoffschlüssigen Herstellungsverfahren Löten und Schweißen ist, dass im Laufe der Zeit und/oder durch mechanische und/oder thermische Beanspruchung des Kontakts eine Delamination in der Verbindungszone zwischen Kontakt und Träger eintreten kann, wodurch der Kontakt unbrauchbar oder unsicher wird. Insbesondere im letzteren Fall kann es zu deutlich erhöhten elektrischen Widerständen im Kontaktbereich kommen, die eine unerwünschte Erwärmung bis hin zu Bränden nach sich ziehen kann.
Nachteilig an den Kontaktnieten ist, dass ebenfalls durch mechanische und/oder thermische Beanspruchung im Bereich des Kontakts Setzungen innerhalb der Nietverbindung eintreten können, die zum Verlust des Kraft- und/oder Formschlusses der Nietverbindung führen können, mit den vorstehend beschriebenen negativen Auswirkungen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktbaugruppe sowie eine neuartige elektrische Kontaktbaugruppe anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie die Kontaktbaugruppe gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass in einem Arbeitsschritt eine sowohl stoffschlüssige als auch kraft- oder formschlüssige Verbindung, bevorzugt eine kraft- und formschlüssige Verbindung, zwischen dem Kontakt und dem Kontaktträger hergestellt wird. Damit ist das Verfahren nur wenig aufwendiger als herkömmliche Verfahren, erzeugt aber eine deutlich robustere Verbindung, die gegenüber Nietverbindungen zusätzlich stoffschlüssig ist und gegenüber Löt- oder Schweißverbindungen zusätzlich form- und/oder kraftschlüssig ist. Auf diese Weise vermeidet die vorliegende Erfindung die eingangs genannten Nachteile.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche vorstehend und nachfolgend offenbarten Varianten, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele uneingeschränkt miteinander kombinierbar sind.
Es zeigen:

1A in schematischer Darstellung einen Kontaktträger und einen zur Verbindung mit diesem vorgesehene Kontaktmaterialauflage;
1B in schematischer Darstellung den Beginn des Fügeprozesses zwischen Kontaktträger und Kontaktmaterialauflage;
1C die fertige Kontaktbaugruppe.

1A zeigt in schematischer Darstellung einen Kontaktträger 10 mit einer Durchgangsöffnung 11. Auf diesen wurde vorbereitend bereits eine Kontaktmaterialauflage 20 aufgelegt.
Der Kontaktträger 10 ist zumindest im Bereich der Durchgangsöffnung 11 stoffschluss- und nietgeeignet, d.h. er besteht zumindest in diesem Bereich mindestens partiell aus einem Material oder ist mindestens partiell mit einem Material überzogen, das einen Stoffschluss mit dem Material der Kontaktmaterialauflage 20 eingehen kann. Umgekehrt besteht die Kontaktmaterialauflage 20 aus einem Material, das mit dem (Oberflächen-)Material des Kontaktträgers 10 im Bereich der Fügestelle einen Stoffschluss eingehen kann.
Geeignete Materialien für die Kontaktmaterialauflage 20 sind beispielsweise Silbergraphit, insbesondere in der Ausprägung AgC4 sowie andere silber- oder kupferbasierte Materialien, in Ausführungsbeispielen aufweisend organische oder anorganische Bestandteile wie beispielsweise Kohlenstoff C, Wolfram W, Wolframkarbid WC und/oder Zinnoxid SnO2.
Geeignete Materialien für den Kontaktträger 10 und/oder dessen Oberflächenbeschichtung im Bereich der Fügestelle mit der Kontaktmaterialauflage sind beispielsweise Kupfer, Messing oder Stahl. Besteht der Träger, beispielsweise aus Gründen der Festigkeit, aus einem Material, das einen Stoffschluss mit dem beispielsweise aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften gewählten Kontaktstück-Material nicht oder nur in geringem Maße eingehen kann, ist es beispielsweise möglich, eine stoffschlussfähige Dünnschicht durch Plattieren oder chemisch auf den Träger 10 aufzubringen. Dabei kann die Dünnschicht auf den Bereich des herzustellenden Stoffschlusses 41 (siehe 1C), also das Innere der Öffnung 11 sowie sonstige nach Fügung mit dem Kontaktkörper in Kontakt stehende Bereiche beschränkt werden.
1B zeigt in schematischer Darstellung den Beginn des Fügevorgangs zwischen der das spätere Kontaktstück bildenden Kontaktmaterialauflage 20 und Kontaktträger 10. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist ein Widerstandsschweißgerät eine kontaktstückseitige Elektrode 31 und eine trägerseitige Elektrode 32 auf. Die kontaktstückseitige Elektrode 31 weist eine kontaktstückseitige Form auf, die im Wesentlichen der Zielform des Kontaktstücks 21 (siehe 1C) entspricht. Im dargestellten Beispiel ist die Form im Wesentlichen kegelstumpfförmig. Vorteilhaft kann dabei ein herkömmliches Widerstandsschweißgerät mit einer geeignet geformten Elektrode genutzt werden, d.h. eine Spezialmaschine ist für dieses Fertigungsverfahren nicht erforderlich.
Nach dem Ausrichten der Werkstücke 10, 20 sowie der Elektroden 31, 32, bevorzugt zentrisch zur Öffnung 11, wird an den Elektroden eine Spannung angelegt sowie eine Fügekraft, angedeutet durch Pfeile A und B, ausgeübt. Die Spannung, genauer gesagt der Spannungs-Zeit-Verlauf, wird dabei so gewählt, dass ein durch die Kontaktmaterialauflage 20 und den Kontaktträger 10 fließender Strom einen zeitlichen Verlauf aufweist, der zusammen mit dem zeitlichen Verlauf der Kräfte A und/oder B eine stoffschlüssige Verbindung des entstehenden Kontakts 21 (1C) insbesondere mit den Innenflächen der Öffnung 11 des Kontaktträgers 10 ermöglicht.
Dabei kann beispielsweise die Spannung bzw. der Strom zunächst hoch gewählt werden, um die Kontaktmaterialauflage 20 und den Fügebereich des Kontaktträgers 10 vom festen Zustand durch Erhitzen in einen verformbaren Zustand zu bringen. Dabei muss das Material nicht bis zum Schmelzpunkt erhitzt werden, es genügt, wenn eine Verformung unter Krafteinwirkung ohne Reißen ermöglicht wird. In diesem Zustand wird durch Krafteinwirkung A, B die Kontaktmaterialauflage 20 in der Öffnung 10 zum Kontakt 21 verpresst. Anschließend oder während dieses Vorgangs können die Prozessparameter wie beispielsweise die Stromstärke und deren Zeitverlauf sowie die Kräfte A und/oder B und deren Zeitverlauf gewählt werden, dass im Kontaktbereich 41 zwischen Kontaktmaterialauflage 20 bzw. Kontakt 21 und Öffnung 10 vorzugsweise eine Verschwei-ßung, d.h. eine stoffschlüssige Vereinigung von Kontakt 21 und Träger 10 im Bereich der Berührungsflächen bewirkt wird.
In 1C ist das Ergebnis dieses Vorgangs gezeigt. Die Kontaktmaterialauflage 20 wurde umgeformt zu einem Kontakt 21 mit einer Kontaktfläche 22, der mit dem Träger 10 verbunden ist. Die entstandene Verbindung ist dabei entlang der Berührungsflächen von Kontakt 21 und Träger 10 stoffschlüssig und zusätzlich form- und/oder kraftschlüssig. Im dargestellten Beispiel weist die Verbindung sowohl einen überwiegend formschlüssigen Bereich 42 als auch einen überwiegend kraftschlüssigen Bereich 43 auf. Wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt kann eine besonders robuste Verbindung erreicht werden, wenn der Fertigungsprozess und seine Parameter, insbesondere beispielsweise der Strom-Zeitverlauf und der Kraft-Zeitverlauf so gewählt werden, dass sich auch das Trägermaterial im Bereich der Fügestelle verformbar wird und im Bereich 43 die Ausbildung einer Art Nietkopf des Kontaktes 21 ermöglicht.
Für die Ausbildung dieses Nietkopfes, oder allgemeiner ausgedrückt einer Verbreiterung des Kontaktmaterials im Bereich 43, kann es genügen, die Eigenschaften des Trägers 10 auszunutzen. Nämlich wird bei einer Erwärmung des Trägers durch den fließenden Strom diese von außen zum Kern hin eine Aufweichung des Trägermaterials bewirken und zusammen mit der Krafteinwirkung A, B somit die Ausbildung der in 1C dargestellten Form begünstigen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Verformung des Trägers an den jeweiligen Oberflächen stärker ist als im Kern (ungefähr entsprechend dem Bereich 42) des Trägers.
Die Ausbildung der Verbreiterung des Kontakts 21 im Bereich 43 kann begünstigt werden, indem auf der der Kontaktfläche 22 abgewandten Seite des Trägers 10 der Durchbruch mit einem größeren Querschnitt versehen wird als auf der der Kontaktfläche 22 zugewandten Seite.
In anderen Ausführungsbeispielen kann eine stoff- und überwiegend formschlüssige Verbindung genügen, die erreicht werden kann, ohne dass sich das Material des Trägers 10 im Bereich der Fügestelle nennenswert verformt.
In weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können zwei Kontaktmaterialauflagen vorgesehen werden (nicht dargestellt), wobei eine zweite Kontaktmaterialauflage auf der der ersten Kontaktmaterialauflage abgewandten Seite des Trägers vor Beginn des Fügeprozesses in die Elektrode 32 ein- oder auf diese aufgelegt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise auch ein zweiseitiger Kontakt hergestellt werden, indem die untere Elektrode 32 analog zur Elektrode 31 gestaltet wird und während des Fügevorgangs die (gegenüber dem Trägermaterial in der Regel weicheren) Kontaktmaterialauflagen in der Öffnung 11 miteinander verschweißt bzw. verschmolzen werden.
Die Öffnung 11 kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Durchgangsöffnung sein, beispielsweise zylindrisch, oder auch andere Konturen aufweisen, beispielsweise als Langloch oder oval oder tropfenförmig ausgebildet sein. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Öffnung 11 eine Vertiefung, d.h. beispielsweise ein Sackloch, mit einer der vorgenannten Konturen bzw. Querschnitte.
Dabei ist es möglich, einen entsprechend größeren Kontakt mittels zweier oder mehrerer Öffnungen oder Vertiefungen mit dem Träger zu verbinden.
Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Kontaktbaugruppe (40) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Kontaktträgers (10) aus einem ersten leitfähigen Material, wobei der Kontaktträger mindestens eine Vertiefung oder einen Durchbruch (11) aufweist; b) Bereitstellen einer Kontaktmaterialauflage (20) aus einem zweiten leitfähigen Material; c) Verpressen der Kontaktmaterialauflage (20) in der Vertiefung bzw. dem Durchbruch (11) bei gleichzeitigem Beaufschlagen der Kontaktmaterialauflage (20) und des Kontaktträgers (10) mit einer elektrischen Schweißspannung, wobei ein Presskraft-Schweißstrom-Zeit Profil so gewählt wird, dass der Kontaktträger und die Kontaktmaterialauflage in einem Arbeitsgang eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung (42, 43) und eine stoffschlüssige Verbindung (41) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vertiefung des Kontaktträgers ein Sackloch mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Durchbruch (11) im Kontaktträger zylindrisch oder ein Langloch oder ein ovaler Durchbruch oder ein Durchbruch in Tropfenform ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite leitfähige Material einen oder mehrere der folgenden Bestandteile aufweist: Kupfer, Silber, organische oder anorganische Bestandteile.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mindestens ein organischer oder anorganischer Bestandteil gewählt ist aus der Gruppe umfassend: Kohlenstoff C, Wolfram W, Wolframcarbid WC, Zinnoxid SnO2.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste leitfähige Material einen oder mehrere der folgenden Bestandteile aufweist: Kupfer, Messing, Stahl.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der aus dem ersten leitfähigen Material bestehende Kontaktträger (10) mit einer Schicht versehen ist, welche die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung mit der Kontaktmaterialauflage (20) ermöglicht oder verbessert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Presskraft-Schweißstrom-Zeit Profil so gewählt wird, dass eine Erwärmung des Kontaktträgers (10) durch den fließenden Strom eine Verformbarkeit des Kontaktträgers (10) im Oberflächenbereich bewirkt, so dass die Verformung des Kontaktträgers (10) durch eine Presskrafteinwirkung (A, B) beim Einpressen der Kontaktmaterialauflage (20) in den Kontaktträger (10) an den Oberflächen des Kontaktträgers stärker ist als in einem Kernbereich des Kontaktträgers und im Bereich der Oberflächen des Kontaktträgers (10) eine größere Verdrängung des ersten leitfähigen Materials durch das zweite leitfähige Material bewirkt wird.
Elektrische Kontaktbaugruppe (40) aufweisend einen Kontaktträger (10) aus einem ersten leitfähigen Material sowie ein Kontaktstück (21) aus einem zweiten leitfähigen Material, wobei Kontaktstück und Kontaktträger nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche form- und/oder kraftschlüssig (42, 43) sowie stoffschlüssig (41) verbunden sind.