DE10341490A1

DE10341490A1 - Verfahren zur Verbindung von Bauteilen untereinander

Info

Publication number: DE10341490A1
Application number: DE2003141490
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr.-Ing. Gentsch
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Bauteilen untereinander sowie die Verwendung einer solchen Verbindung bei Schaltanlagen, insbesondere bei Niederspannungs- und Mittelspannungsschaltanlagen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um hierbei ein Verfahren der gattungsgemäßen Art auch auf andere Materialkombinationen auszuweiten und eine geeignete Anwendung bei Schaltanlagen zu erzielen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Bauteil (A) feststehend gehalten oder zumindest mit einer geringen Rotation läuft und ein weiteres Bauteil (B) in dazu relativ höhere Rotation versetzt und derart an Bauteil (A) angenähert wird, dass Reibungswärme bis in den Bereich der Schmelztemperatur zumindest eines Bauteils entsteht und dass sodann die Bauteile (A) und (B) noch mit der vorhandenen bis zur Abkühlung der Schmelze in Endabmessungsposition zueinander gebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Bauteilen untereinander, sowie die Verwendung einer solchen Verbindung bei Schaltanlagen, insbesondere bei Niederspannungs- Mittelspannungs- und Hochspannungsschaltanlagen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus dem Stand der Technik, DE 69205991 T2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die zu verbindenden Bauteile nicht bewegt werden und stattdessen die Reibungswärme zum Verschweißen der Bauteile durch eine auf den oder zwischen den Bauteilen zwangsbewegte Sonde während des Schweißprozesses erzeugt wird.

Aus der DE 39 06 582 ist die Anwendung des Reibschweißverfahrens in Vakuum- Gas,- oder Flüssigkeitsbehältern bekannt, bei dem während des Schweißvorgangs entweder Umgebungseinflüsse ferngehalten, oder aber die Bauteiloberflächen während des Vorganges gezielt beeinflusst werden können.

Bekannt sind somit Verfahren bei denen gleiche oder zumindest ähnliche Werkstoffe miteinander verbunden werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der gattungsgemäßen Art auch auf andere Materialkombinationen auszuweiten und ein geeignete Anwendung bei Schaltanlagen zu erzielen.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Im Hinblick auf eine Anwendung sind die erfindungsgemäßen Merkmale aus Anspruch 6 zu entnehmen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie erfindungsgemäße Anwendungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Kern der Erfindung ist hierbei, dass ein Bauteil (A) feststehend gehalten oder zumindest mit einer geringen Rotation läuft und ein weiteres Bauteil (B) in dazu relativ höhere Rotation versetzt und derart an Bauteil (A) angenähert wird, dass Reibungswärme bis in den Bereich der Schmelztemperatur zumindest eines Bauteils entsteht, und dass sodann die Bauteile (A) und (B) noch mit der vorhandenen bis zur Abkühlung der Schmelze in Endabmessungsposition zueinander gebracht werden.

D.h. mit anderen Worten, dass die Reibungshitze dabei also bis max. zur Schmelztemperatur eines Werkstoffes der zu verschweissenden Werkstoffverbindung entstehen soll, und dass sodann die Bauteile im Bereich der noch heißen Grenzzone bis zur Abkühlung in Endabmessungsposition zueinander gebracht werden.

Durch diese Verfahrenschritte entsteht in der Grenzzone der Materialberührung ein Konzentrationsgradient von Bauteil A zu Bauteil B. Das hat besondere Bedeutung dann, wenn die Materialen von A und B verschieden sind. Somit lassen sich sogar Materialverschweissungen zwischen unterschiedlichen Materialien, wie z.B. Aluminium und Kupfer und stark unterschiedlichen Materialien, wie z.B. elektrisch leitfähige Materialien einerseits und Isolatoren andererseits. Also Werkstoffe, die normalerweise keine direkte stoffschlüssige Verbindung zulassen.

Wenn sich aber wie im vorliegenden Fall der Konzentrationsgradient von Material A zu Material B fließend ändert, so entsteht ein Übergang, wie man ihn von Metall-Glas-Übergängen kennt. Beim vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren hingegen erreicht man dies im Reibschweissverfahren, was besonders vorteilhaft ist, da nur lokale Hitze und nur so viel erzeugt wird, wie gerade notwendig. Die Formteile werden dabei im Ganzen nicht thermisch belastet. Thermische Oxidationen auf elektrischen Kontaktflächen, die weit von der Verbindungsstelle entfernt liegen, werden vermieden, da nur an der mechanischen Kontaktstelle Hitze erzeugt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eines der Bauteile aus metallischem Werkstoff und das andere Bauteil aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht. So lassen sich Materialverbundteile herstellen, die ansonsten erheblich schwieriger herzustellen sind. So zum Beispiel Kupfer-Aluminium-Verbunde, oder Kupfer-Keramik-Verbunde. Wegen der auf diese Weise nur extrem lokal erzeugten Hitze können hier ausreichend hohe Schmelztemperaturen im Kontaktbereich erzeugt werden, ohne die Formtreue der Bauteile während des Schweissvorganges in Frage zu stellen.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der keramische Werkstoff eine Aluminiumoxidkeramik ist.

Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Größen: Rotationsgeschwindigkeit, Temperatur in der Interfacezone und in der Steuerung der Anpresskräfte der Bauteile zueinander, mitberücksichtigt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten Bauteilverbindungen zur Herstellung von Bauteilen im Bereich der Nieder-, Mittel- und Hochspannungsvakuumschaltkammer-Technik bzw. anderer zur Stromübertragung beitragender Bauteile innerhalb eines Schalters oder einer Schaltanlage. Dort hat man Bauteile unterschiedlicher Materialien, die auf diese Weise zweckmäßig miteinander verbunden werden können.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigt:
1: Bauteile A und B vor der Verschweißung
2: Das fertige Ergebnis
1 zeigt schematisch die Vorgehensweise beim Verfahren zur Herstellung einer mechanischen und/oder elektrischen nichtlösbaren stoffschlüssigen Verbindung von metallischen und nichtmetallischen elektrischen Bauteilen durch Anschmelzen der Interfacezone zweier Bauteile durch Reibschweißen beschrieben und schematisch dargestellt. Dabei wird ein Bauteil A mit seiner Verbindungsfläche 1 in einer Vorrichtung fixiert und justiert und das an diesem Bauteil A an der Verbindungsfläche 1 zu befestigende Bauteil B mit seiner Verbindungsfläche 2 durch eine hier nicht weiter dargestellte Vorrichtung derart gegenüber der Verbindungsfläche 1 von Bauteil A in Stellung und in Rotation um die Rotationsachse X gebracht, dass die Verbindungsflächen 1 und 2 mit einer Kraft F aufeinander gedrückt werden und sich durch die während der Rotation des Bauteils B entstehende Reibungswärme aufheizen.
2 zeigt die Verbindung der Bauteile miteinander. Wenn sich durch die Gleitreibung die Verbindungsstelle 3 bestehend aus den Verbindungsflächen 1 und 2 im Bereich der Schmelztemperaturen der oder eines Werkstoffes der beteiligten Bauteile A und B aufgeheizt hat, bildet sich an der Verbindungsstelle 3 eine Interface-Zone C aus den Werkstoffen der Bauteile A und B, die je nach Beschaffenheit und Art der beteiligten Bauteile in der Schichtdicke variieren kann. Ist eine in Bezug auf die von der Verbindungsstelle 3 geforderten Eigenschaften ausreichende Dicke der Interface-Zone C erreicht, wird die Rotation von Bauteil B gestoppt und Bauteil B noch vor Erstarren der Interface-Zone D durch die Vorrichtung derart an Bauteil A gedrückt und fixiert, dass während der Abkühlung und nach Erstarren der Interface-Zone C die Gesamtbaugruppe bestehend aus den Bauteilen A und B die geforderten Endmaße aufweist. Die Werkstoffe der Bauteile A und B können metallischer Natur und gleich oder verschieden sein, oder auch von nichtmetallischer Natur und gleich oder verschieden sein, oder aber es kann der Werkstoff eines Bauteils nichtmetallischer Natur und der Werkstoff des anderen Bauteils nichtmetallischer Natur sein.
Einmal in die Vorrichtung eingespannt, kann nach Abschluss des Reibschweiß-Vorganges bzw. nach Abkühlung und Erstarrung der Interface-Zone C der Anpressdruck über die Gesamtbaugruppe kurzzeitig erhöht werden, um etwaige Verspannungen der Interface-Zone zu lösen, oder die Gesamtbaugruppe einer gezielten Formierung oder Stauchung zu unterziehen.
Es ergeben sich insgesamt folgende Wirkungen und Vorteile:

• Durch das Herstellen einer direkten Verbindung der Bauteile durch Reibschweißen der Bauteilwerkstoffe selbst kann eine Veränderung der Eigenschaften der Verbindungsstelle 3 durch andere Materialien oder Umgebungseinflüsse vermieden werden
• Durch die direkte stoffschlüssige Verbindung der Werkstoffe der Bauteile A und B untereinander ergibt sich ein geringerer elektrischer Widerstand und eine besserer Wärmeübergang über die Verbindungsstelle 3 im Vergleich zu herkömmlichen Schraub- oder Klemmverbindungen
• Die nach dem Verfahren geschweißte Verbindungsstelle 3 kann eine höhere mechanische Festigkeit gegenüber einer geschraubten / geklemmten Verbindung oder durch Nahtschweißung hergestellten Verbindung aufweisen. Ein Lockern der durch Reibschweißung hergestellten Verbindung z.B. durch mechanische Schwingungsbeabspruchung oder Wärmeausdehnung tritt nicht auf
• Im Vergleich zu einer Klemmverbindung ergibt sich eine wesentlich höhere Sicherheit der Verbindungsstelle 3 in Bezug auf eine Verringerung der Vorspannkraft der mechanischen Verbindung und in Bezug auf eine Veränderung des elektrischen Widerstandes und in Bezug auf eine Veränderung des Wärmeübergangswiderstandes
• Die zu verbindenden Bauteile A und B können an der Verbindungsstelle 3 einfacher gestaltet werden, d.h. eine aufwendige spanabhebende Bearbeitung oder gießtechnische Gestaltung der Verbindungsflächen 1 und 2 (Gewinde, Passungen, Verschraubungen, Verzahnungen etc.) kann entfallen, und der Materialeinsatz an den Verbindungsstellen 1 und 2 der Bauteile A und B kann verringert werden. Darüber hinaus können bisher benötigte Befestigungselemente zur Gestaltung der Verbindungsstelle 3 ( Schraube, Mutter und/oder Federring etc.) entfallen. Als Folge des Einsatzes des Reibschweißverfahrens zur Herstellung der Verbindungsstelle 3 kann sich nicht nur eine Verringerung der Herstellkosten bezüglich der Verbindungsstelle 3 ergeben, sondern es erschließen sich auch weitere Kostenvorteile durch eine Verringerung der durch den Prozess zu führenden Bauteile je Verbindungsstelle 3 und durch vereinfachte Montageprozesse der Gesamtbaugruppe bestehend aus den Bauteilen A und B.

Im Hinblick auf eine erfindungsgemäße Anwendung kann Bauteil B z.B der Festkontakt-Anschluss einer fertig produzierten Standard-Vakuumschaltkammer sein, und Bauteil A kann beispielsweise eine speziell dem späteren Anwendungszweck angepasste Armatur sein, welches die Verbindung des Festkontakt-Anschlusses der Vakuumschaltkammer zur jeweiligen Anwendung herstellt.

• Weiterhin kann das Bauteil B z.B der bewegliche Anschluss einer fertig produzierten Standard-Vakuumschaltkammer sein, und Bauteil A kann beispielsweise eine speziell dem späteren Anwendungszweck angepasste Armatur sein, welches die Verbindung des beweglichen Anschlusses der Vakuumschaltkammer zur jeweiligen Anwendung herstellt
• Bauteil A kann z.B. ein metallischer Leiter, Bauteil B ein Isolator (z.B eine Aluminiumoxid-Keramik) und Bauteil C wieder ein metallischer Leiter sein, d.h. eine direkte Integration von Isolationsfunktionen in die Stromleiter-Baugruppe wird ermöglicht.

Claims

Verfahren zur Verbindung von Bauteilen untereinander, durch Reibschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (A) feststehend gehalten oder zumindest mit einer geringen Rotation läuft und ein weiteres Bauteil (B) in dazu relativ höhere Rotation versetzt und derart an Bauteil (A) angenähert wird, dass Reibungswärme bis in den Bereich der Schmelztemperatur zumindest eines Bauteils entsteht, und dass sodann die Bauteile (A) und (B) noch mit der vorhandenen bis zur Abkühlung der Schmelze in Endabmessungsposition zueinander gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauteile (A, B) aus einem metallischen Werkstoff und das andere Bauteil aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht.
Verfahren nach Anpruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Werkstoff eine Keramik oder eine Metalloxidkeramik ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff eine Aluminiumoxid- oder Silizumnitridkeramik ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen Rotationsgeschwindigkeit, Temperatur in der Interfacezone und in der Steuerung der Anpresskräfte der Bauteile (A) und (B) zueinander, mitberücksichtigt werden.
Verwendung von nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten Bauteilverbindungen zur Herstellung von Bauteilen bei Nieder-, Mittel- und Hochspannungsschaltgeräten und Anlagen.