DE102023101351A1

DE102023101351A1 - Stirnseitige aluminiumleiterverbindung mit kupferkontaktelementen

Info

Publication number: DE102023101351A1
Application number: DE102023101351.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Battisti; Jan-Patrick Schulz; Simon Dünser
Original assignee: Hirschmann Automotive GmbH
Current assignee: Hirschmann Automotive GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2023-01-19
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023139181A1

Abstract

Kontaktelement (1), das einen Kontaktierungsbereich (2) für ein korrespondierendes Gegenkontaktelement und das weiterhin einen Kontaktierungsbereich (3) für einen elektrischen Leiter (4) aufweist, wobei es im letztgenannten Kontaktierungsbereich (3) eine Hülse (5) aufweist, in die der elektrische Leiter (4) eingeschoben wird oder der letztgenannte Kontaktierungsbereich (3) mit dem freigelegten elektrischen Leiter (4) zusammengebracht und anschließend um das Ende des freigelegten elektrischen Leiters (4) eine Hülse (5) geformt wird, die dieses Ende nahezu vollständig oder vollständig umgibt, wobei nach diesem Schritt das stirnseitige Ende des elektrischen Leiters (4) einer Wärmebehandlung unterzogen wird, so dass dieses stirnseitige Ende (7) aufschmilzt und dabei auch der den elektrischen Leiter (4) umgebende Stirnbereich (7) der Hülse (5) dieser Wärmebehandlung mit unterzogen und aufgeschmolzen werden kann, wodurch insbesondere das stirnseitige Ende (7) des elektrischen Leiters (4) und das stirnseitige Ende der Hülse (5) zusammen infolge der Wärmebehandlung in einem Bereich (8) verschmelzen.

Description

Die Erfindung betrifft die elektrische Kontaktierung eines elektrischen Leiters mit einem Kontaktelement.
Solche Kontaktierungen, zum Beispiel als Löt- oder Crimp-Verbindung oder dergleichen ausgeführt, sind bekannt.
Kontaktelemente, die an einem Ende eines elektrischen Leiters eines Kabels angeordnet sind, werden in ebenfalls bekannter Weise in ein Gehäuse eines Steckverbinders eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine derartige Kontaktierung eines elektrischen Leiters mit einem Kontaktelement zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Allgemein ist vorgesehen, dass das Kontaktelement, das einen Kontaktierungsbereich für ein korrespondierendes Gegenkontaktelement und das weiterhin einen Kontaktierungsbereich für einen elektrischen Leiter aufweist, im letztgenannten Kontaktierungsbereich eine Hülse aufweist, in die der elektrische Leiter, der insbesondere vorher von einer Ummantelung freigelegt worden ist, eingeschoben wird oder der letztgenannte Kontaktierungsbereich mit dem freigelegten elektrischen Leiter zusammengebracht und anschließend um das Ende des freigelegten elektrischen Leiters eine Hülse geformt wird, die dieses Ende nahezu vollständig oder vollständig umgibt. Nachdem sich der freigelegte Endbereich des elektrischen Leiters in der fertigen Hülse befindet, kann diese zusätzlich noch verpresst werden.
Nach diesem Schritt wird das stirnseitige Ende des elektrischen Leiters einer Wärmebehandlung unterzogen, so dass dieses stirnseitige Ende aufschmilzt. Dabei kann auch der den elektrischen Leiter umgebende Stirnbereich der Hülse dieser Wärmebehandlung mit unterzogen und aufgeschmolzen werden, insbesondere verschmelzen das stirnseitige Ende des elektrischen Leiters und das stirnseitige Ende der Hülse zusammen infolge der Wärmebehandlung. Vorher ist vorzugsweise ein Freiraum zwischen der Stirnseite der Hülse und der Stirnseite des Leiters vorhanden (das heißt, dass das stirnseitige Ende des Leiters etwas gegenüber dem stirnseitigen Ende der Hülse zurückgesetzt ist), um eine Art „Wanne“ für die Schmelze (aufgeschmolzenes Material des Endes des Leiters) zu erstellen.
Die Wärmebehandlung erfolgt in bevorzugter Weise durch den Kontaktierungsbereich des Kontaktelementes in axialer Richtung in der Längsachse des elektrischen Leiters. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Wärmebehandlung schräg zu der Längsachse des Kontaktelementes beziehungsweise des elektrischen Leiters derart erfolgen, dass das stirnseitige Ende des elektrischen Leiters (und gegebenenfalls des stirnseitigen Endes der Kontakthülse) aufgeschmolzen wird.
Insgesamt ergibt sich durch den vorstehend beschriebenen Prozess sowohl eine stabile elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem elektrischen Leiter als auch eine entsprechende stabile mechanische Verbindung.
Die Wärmebehandlung kann eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung sein. Handelt es sich um eine Schweißverbindung, wird diese vorzugsweise mittels eines Laserstrahles ausgeführt.
In besonders vorteilhafter Weise besteht das Kontaktelement aus einem Kupferwerkstoff, beispielsweise einer Kupferlegierung, und der elektrische Leiter ist ein Aluminiumleiter aus Vollmaterial oder besteht aus mehreren Litzen aus einem Aluminiumwerkstoff. Andere Materialpaarungen (wie zum Beispiel Kupfer/Kupfer, Aluminium/Aluminium oder andere Werkstoffe und deren Paarungen) können auch zur Anwendung kommen. Die Materialpaarung (Kontaktelement aus einem Kupferwerkstoff und elektrischer Leiter aus Vollmaterial oder als Litze aus einem Aluminiumwerkstoff) hat den besonderen Vorteil, dass eine stabile elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem elektrischen Leiter sowie gleichzeitig auch eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem elektrischen Leiter besteht. Über diese Verbindung können in besonders vorteilhafter Weise hohe Ströme übertragen werden bei gleichzeitig gewünschter Reduzierung des Gewichtes aufgrund des Leichtmetallwerkstoffes des elektrischen Leiters. Das Kontaktelement hingegen besteht aus einem Kupferwerkstoff, der die erforderliche mechanische Stabilität aufweist, wenn das Kontaktelement mit seinem Gegenkontaktelement zusammengebracht, insbesondere zusammengesteckt wird. Außerdem lassen sich durch die Materialpaarung Kupfer (Kontaktelement) und ebenfalls Kupfer (Gegenkontaktelement) möglichst geringe Übergangswiderstände erzielen.
Für den Fall, dass der elektrische Leiter aus Aluminiumlitzen besteht, ist es von besonderem Vorteil, wenn diese einzelnen Litzen sehr dicht aneinander anliegen (möglichst ohne Zwischenraum) und die Wärmebehandlung nur in dem stirnseitigen Endbereich der Litzen erfolgt, so dass eine Art „Deckel“ entsteht. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die elektrischen Eigenschaften dieses Kontaktelementes aus, da mit der Kombination des Materials Aluminium/Kupfer (wie vorstehend beschrieben) ein sehr geringer Übergangswiderstand in diesem Kontaktierungsbereich erzielt wird. Es sollte kein bzw. nur ein geringer Zwischenraum zwischen den Litzen zueinander sein, ansonsten würde es die Schmelze durch die Litzen an undefinierte Positionen ziehen.
Ein Kontaktelement nach der Erfindung sowie ein Verfahren, nach dem dieses Kontaktelement hergestellt und fertig konfektionierte wird, ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:

1: eine Anordnung mit einem an einem elektrischen Leiter angeordneten Kontaktelement vor einer Wärmebehandlung,
2: die Anordnung gemäß 1 nach der Wärmebehandlung
3: die Anordnung gemäß 2 im Endzustand.

In 1 ist eine Anordnung mit einem an einem elektrischen Leiter angeordneten Kontaktelement vor einer Wärmebehandlung gezeigt. Das Kontaktelement 1 weist einen ersten Kontaktierungsbereich 2 für ein Gegenkontaktelement auf, wobei das Gegenkontaktelement in diesen Kontaktierungsbereich 2 eingeführt, beispielsweise eingesteckt werden kann. Dem Kontaktierungsbereich 2 gegenüberliegend ist ein weiterer Kontaktierungsbereich 3 an dem Kontaktelement 1 angeordnet. In diesem Kontaktierungsbereich 3 wird das Kontaktelement 1 mit einem freigelegten Ende eines elektrischen Leiters 4 verbunden, d. h., dieser wird dort mechanisch angeordnet und festgelegt sowie elektrisch kontaktiert. Zu diesem Zweck weist das Kontaktelement 1 in diesem Kontaktierungsbereich 3 eine Hülse 5 auf. Zur Realisierung der Hülse 5 bestehen mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann die Hülse 5 zusammen mit dem Kontaktelement 1 hergestellt, d. h. geformt werden. Beispielsweise kann das Kontaktelement 1 aus einem flachen elektrisch leitfähigen Werkstoff bestehen, der in einem entsprechenden Verfahren, zum Beispiel ein Stanz-Biege- und/oder Stanz-Roll-Verfahren in die gewünschte Form des Kontaktelementes 1 gebracht wird. In diesem Fall entstehen mit Ausführung dieses Verfahrens sowohl der Kontaktierungsbereich 2 als auch der Kontaktierungsbereich 3 zusammen mit der Hülse 5. Alternativ dazu ist es denkbar, dass das Kontaktelement 1 ebenfalls mit den vorstehend genannten Verfahren hergestellt wird, wobei allerdings zunächst nur der Kontaktierungsbereich 2 geformt wird und die Hülse 5 in dem Kontaktierungsbereich 3 noch nicht geformt wird, sondern in diesem Kontaktierungsbereich 3 abstehende Flügel verbleiben, die nach Anordnung des freigelegten Endes des elektrischen Leiters 4 in diesem Kontaktierungsbereich 3 um das freigelegte Ende umgebogen werden, sodass um dieses freigelegte Ende herum die Hülse 5 entsteht. Die Endbereiche der Flügel können aneinander stoßen, sich überlappen oder nach dem Umformen beabstandet zueinander sein. Ebenfalls alternativ ist es denkbar, dass die Hülse 5 ein separates Bauteil ist, welches an dem Kontaktierungsbereich 3 (flaches Ende des Kontaktelementes 1) angeordnet und festgelegt (zum Beispiel durch Verlöten, Verschweißen, Verpressen oder dergleichen) wird und erst danach das freigelegte Ende des elektrischen Leiters 4 in diesem hülsenförmigen Kontaktierungsbereich 3 angeordnet und festgelegt wird.
Das freigelegte Ende des elektrischen Leiters 4, bei dem zwecks Freilegung eine Kabelisolierung 6 entfernt wird, weist eine Stirnfläche 7 auf. Diese Stirnfläche 7 schließt in etwa mit der umlaufenden Stirnfläche der Hülse 5, die in Richtung des Kontaktierungsbereich 2 für das Gegenkontaktelement zeigt, ab. Die Stirnfläche 7 kann auch etwas hinter der umlaufenden Stirnfläche der Hülse 5 zurückgesetzt angeordnet werden oder über diese hinaus überstehen. Zur Optimierung des Verbindungsverfahrens des elektrischen Leiters 4 mit dem Kontaktierungsbereich 3 des Kontaktelementes 11 wird die Stirnfläche 7 des elektrischen Leiters 4 etwas hinter der umlaufenden Stirnfläche der Hülse 5 zurück angeordnet, wie dies in 1 sehr gut erkennbar ist.
In 1 ist somit die Prüflingsvorbereitung dargestellt, bevor eine Wärmebehandlung der Stirnfläche 7 des elektrischen Leiters 4 erfolgt. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise aus 2 verschiedenen Richtungen erfolgen. In 1 ist eine erste Wärmeeinbringungsrichtung dargestellt, die schräg von oberhalb des Kontaktelementes 1 auf die Stirnfläche 7 des elektrischen Leiters 4 erfolgt. Alternativ oder zeitlich versetzt oder gleichzeitig kann eine Wärmebehandlung aus einer zweiten Wärmeeinbringungsrichtung erfolgen. Diese zweite Wärmeeinbringungsrichtung verläuft in etwa parallel zu der Längsachse des Kontaktelementes 1 und erfolgt vorzugsweise je nach Geometrie des Kontaktelementes 1 durch dessen Kontaktierungsbereich 2. Die Wärmebehandlung, beispielsweise mittels eines Laserstrahles oder vergleichbarer geeigneter Wärmequellen, bewirkt, dass die Stirnfläche 7 des elektrischen Leiters aufgeschmolzen wird. Insbesondere verschmelzen die einzelnen Litzen des elektrischen Leiters 4, wenn dieser als Litzenleiter ausgeführt ist. Gleichzeitig wird auch die umlaufende Stirnseite der Hülse 5 mit aufgeschmolzen, sodass sich insgesamt ein Verschmelzungsbereich ergibt, der sich aus dem verschmolzenen Bereich der Stirnfläche 7 (bis etwas in den elektrischen Leiter 4 hinein) und der umlaufenden Stirnseite der Hülse 5 zusammensetzt. Alternativ zu der Wärmebehandlung, die zu einem überwiegenden oder vollständigen Verschmelzen der wärmebehandelten Bereich (und etwas darunter) führt, kann auch eine Wärmebehandlung unter Zugabe von zusätzlichem Material (zum Beispiel in Drahtform) erfolgen, wobei die Parameter für die Wärmebehandlung derart gewählt sind, dass zwar das zusätzliche Material (wie beispielsweise Lotmaterial aus einem Leichtmetallwerkstoff) aufschmilzt und sich zwischen den Bereichen der Litzen des elektrischen Leiters 4 und der Innenkontur der Hülse 5 verteilt, wobei die Litzen des elektrischen Leiters 4 und die Hülse 5 dabei nicht oder nur geringfügig mit aufgeschmolzen werden. Zur Sicherstellung einer stabilen elektrischen Verbindung zwischen dem Kontaktelement 1 und dem elektrischen Leiter 4 in Form eines Litzenleiters ist es von besonderem Vorteil, wenn sich das zusätzliche Material ausgehend von der Stirnfläche 7 des elektrischen Leiters 4 nur bis in eine Tiefe von maximal 10 % der axialen Länge der Hülse 5 in das freigelegte Ende des elektrischen Leiters 4 verteilt.
2 zeigt den Endzustand nach der erfolgten Wärmebehandlung. Dabei ist ein Verschmelzungsbereich 8 erkennbar, der aus dem verschmolzenen Bereich der Stirnfläche 7 des elektrischen Leiters 4 und der umlaufenden Stirnfläche der Hülse 5 beziehungsweise dem zugeführten aufgeschmolzenen, etwas zwischen die Litzen eingedrungenen und anschließend erstarrtem Zusatzmaterial besteht. Idealerweise beträgt die Tiefe des Verschmelzungsbereiches 8 maximal 10% der Längserstreckung der Hülse 5.
3 schließlich zeigt die Anordnung gemäß 2 im Endzustand. Es steht damit eine Anordnung zur Verfügung, bei der ein Kontaktelement 1 an dem Ende einer Leitung angeordnet ist, wobei das freigelegte Ende eines elektrischen Leiters 4 der Leitung mechanisch und elektrisch festgelegt ist, nachdem das Ende des elektrischen Leiters 4 von einer Kabelisolation 6 (auch als Kabelmantel oder Außenmantel zu bezeichnen) befreit worden ist.
Die in 3 gezeigte Anordnung wird in ein Gehäuse zur Bildung eines Steckverbinders eingesetzt. Hierzu wird das Kontaktelement 1 in eine Kontaktkammer in dem Gehäuse des Steckverbinders eingeschoben und auf geeignete Weise, zum Beispiel rastend, festgelegt. Das Gehäuse des Steckverbinders weist auf seiner einen Seite eine Öffnung auf, über die der Kontaktierungsbereich 2 des Kontaktelementes 1 zugänglich ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Öffnung wird das Kabel (umfassend den elektrischen Leiter 4 und die Kabelisolation 6) aus dem Gehäuse des Steckverbinders herausgeführt. Im Regelfall wird das Gehäuse mehrere Kontaktkammern aufweisen, in welche jeweils eine Anordnung gemäß 3 eingesetzt ist.

Claims

Kontaktelement (1), das einen Kontaktierungsbereich (2) für ein korrespondierendes Gegenkontaktelement und das weiterhin einen Kontaktierungsbereich (3) für einen elektrischen Leiter (4) aufweist, wobei es im letztgenannten Kontaktierungsbereich (3) eine Hülse (5) aufweist, in die der elektrische Leiter (4) eingeschoben wird oder der letztgenannte Kontaktierungsbereich (3) mit dem freigelegten elektrischen Leiter (4) zusammengebracht und anschließend um das Ende des freigelegten elektrischen Leiters (4) eine Hülse (5) geformt wird, die dieses Ende nahezu vollständig oder vollständig umgibt, wobei nach diesem Schritt das stirnseitige Ende des elektrischen Leiters (4) einer Wärmebehandlung unterzogen wird, so dass dieses stirnseitige Ende (7) aufschmilzt und dabei auch der den elektrischen Leiter (4) umgebende Stirnbereich (7) der Hülse (5) dieser Wärmebehandlung mit unterzogen und aufgeschmolzen werden kann, wodurch insbesondere das stirnseitige Ende (7) des elektrischen Leiters (4) und das stirnseitige Ende der Hülse (5) zusammen infolge der Wärmebehandlung in einem Bereich (8) verschmelzen.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (4) ein Litzenleiter ist.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (4) aus einem Leichtmetallwerkstoff, vorzugsweise einem Aluminiumwerkstoff, besteht.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (1) aus einem Kupferwerkstoff, insbesondere einer Kupferlegierung, besteht.
Steckverbinder, aufweisend zumindest ein Kontaktelement nach Anspruch 1.