DE1752304A1

DE1752304A1 - Process for producing a welded joint between workpieces made of copper and aluminum

Info

Publication number: DE1752304A1
Application number: DE19681752304
Authority: DE
Inventors: Slavko Dipl-Ing Luetic
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1968-05-04
Filing date: 1968-05-04
Publication date: 1971-05-19
Also published as: AT288118B; CH486287A; BE730119A; GB1222477A; FR2007825A1; NL6905911A

Description

Kabel- und M e t a 1 1 w e r k e Gutehoffnungshütte AktiengesellschaftCable and M e t a 1 1 w e r k e Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

2 038 2.5.19682 038 May 2, 1968

Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen Werkstücken aus Kupfer und Aluminium Process for producing a welded joint between workpieces made of copper and aluminum

Es ist bereits bekannt, Aluminium-Stromlschienen in Elektrolyseanlagen zur Übertragung der benötigten elektrischen Energie zu verwenden. Aber auch im Schaltanlagenbau hat sich Aluminium zur Herstellung einzelner Bauelemente als geeignet yerwiesen.It is already known to use aluminum busbars in electrolysis systems to use to transmit the required electrical energy. but Even in switchgear construction, aluminum has been used to manufacture individual Components proven to be suitable.

Schwierigkeiten bereitet jedoch die Verwendung von Aluminium noch immer dann, wenn es dareum geht, zwischen diesem Werkstoff und z.B.However, the use of aluminum still presents difficulties whenever it comes down to it, between this material and e.g.

Kupfer eine mechanisch feste Verbindung herzustellen. So führen beiKupfer spielsweise zwischen einem Aluminiumwerkstück und einem Werkstück aus hergestellte Schraubverbindungen zu einer nachträglichen Oxidschichtbildnng, wodurch die Verwendung einer solchen Verbindung für elektrische Zwecke bereits in Frage gestellt ist. Die Verwendung von Überzügen aus Lacken oder Kunststoffen brachte zwar Verbesserungen, eine zufriedenstellende Lösung des Problems konnte bisher jedoch nicht erreicht werden. Bereits ebenfalls· durchgeführte Schmelzschweißverbindungen führten infolge der damit erzielten verhältnismäßig geringen Biegefestigkeit und mechanischen Festigkeit auch zu keiner befriedigenden Lösung. Copper to create a mechanically strong connection. In the case of copper, for example, screw connections made between an aluminum workpiece and a workpiece lead to a subsequent oxide layer formation, which already calls into question the use of such a connection for electrical purposes. The use of coatings made of lacquers or plastics brought improvements, but a satisfactory solution to the problem has not yet been achieved. Fusion welds that have already been carried out have also not led to a satisfactory solution because of the relatively low flexural strength and mechanical strength achieved therewith.

Eine Erhöhung der Biegefestigkeit einer Aluminium-Kupfer-Verbindung läßt sich dagegen mit dem sogenannten Keilpreßschweißverfahren erreichen, bei dem zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Werkstück aus Kupfer und einem solchen aus Aluminium das eine Ende des Kupferwerkstückes unter Druck in das dem Kupferwerkstück zugelEehrte Ende des Aluminium~Werkstückes eingepreßt wird. In derAn increase in the flexural strength of an aluminum-copper connection can, however, be achieved with the so-called wedge pressure welding process, in the one for producing a welded joint between a workpiece made of copper and one made of aluminum End of the copper workpiece under pressure into the one assigned to the copper workpiece End of the aluminum workpiece is pressed in. In the

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Berührungszone der beiden zum Preßvorgang erwärmten Metalle bildet sich durch Diffusion eine Schmelze mit etwa 33% Kupfer, Rest Aluminium, die bei etwa 5hgC zu dem bekannten Eutektikum Aluminium-Mischkristall Ai₃Cu erstarrt. Ein Teil des sich bildenden flüssigen Eutektikums wird aus dem Spalt zwischen den verpreßten Metallen herausgedrückt. Die verbleibende eutektische Zwischenschicht, in der Regel o,2 bis o,4 mm stark, ist als Hartlot anzusprechen. Schwierigkeiten ergeben sich hierbei jedoch durch die vorhandenen und nur schwer entfernbaren Oxidschichten, die eine Diffusion in der Berührungsfläche der zu verbindenden Metalle verhindern, so daß die Voratissetzung zur Bildung der eutektischen Zwischenschicht nicht immer gegeben ist.In the contact zone of the two metals heated for the pressing process, a melt with about 33% copper, the remainder aluminum, is formed by diffusion, which solidifies at about 5hgC to form the known eutectic aluminum mixed crystal Ai ₃ Cu. Part of the liquid eutectic that forms is pressed out of the gap between the pressed metals. The remaining eutectic intermediate layer, usually 0.2 to 0.4 mm thick, is to be referred to as hard solder. Difficulties arise in this case, however, due to the existing and difficult to remove oxide layers, which prevent diffusion in the contact surface of the metals to be joined, so that the precondition for the formation of the eutectic intermediate layer is not always given.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten hat man deshalb bereits vorgeschlagen, das Aluminium-Werkstück mit einem Oberflächenschutz zu versehen, zu erwärmen un-d anschließend in das so vorbereitete Aluminium-Werkstück das Kupferwerkstück in noch kaltem Zustand einzupressen. Der Oberflächenschutz auf dem Aluminium-Werkstück, vorteilhaft eine Eloxalschicht von einigen Am Stärke, verhindert mit Sicherheit eine nachträgliche thermische Oxidschichtbildung. Sie bricht auf, sobald beim Preßvorgang das Ende des Kupfer-Werkstückes in das Aluminium eindringt, so daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Kupfer und dem Aluminium und damit eine Diffusion beider Metalle ohne Schwierigkeiten möglich ist.In order to avoid these difficulties, it has therefore already been suggested that to provide the aluminum workpiece with surface protection, to heat it and then to insert it into the aluminum workpiece prepared in this way pressing in the copper workpiece while it is still cold. The surface protection on the aluminum workpiece, advantageously an anodized layer of a few Am thickness, definitely prevents a subsequent thermal oxide layer formation. It breaks open as soon as the end of the copper workpiece enters the aluminum during the pressing process penetrates, so that a direct contact between the copper and the aluminum and thus a diffusion of both metals without Difficulty is possible.

Die Erfindung geht zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Werkstück aus Kupfer und einem solchen aus Aluminium, bei dem das eine Ende des Kupfer-Werkstückes unter Druck in das dem Kupfer-Werkstück zugekehrte Ende des Aluminium-Werkstückes eingepreßt wird, einen anderen Weg. Gemäß der Erfindung werden die beiden Werkstücke unter Druck bei Raumtemperatur mit den einander zugekehrten Stirnseiten ineinander gepreßt und daran anschließend die noch unter DruckThe invention goes to the production of a welded connection between a workpiece made of copper and one made of aluminum, in which one end of the copper workpiece is pushed into the copper workpiece under pressure facing end of the aluminum workpiece is pressed in a different way. According to the invention, the two workpieces pressed under pressure at room temperature with the end faces facing each other and then the still under pressure

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stehenden Werkstücke erwärmt. Durch das Ei^ärmen unter Druck ist eine Oxidschichtbildung an den Kontaktflächen der beiden Werkstücke vermiede^, so daß die vor dem Verpressen vorjthandene blanke Oberfläche auch nach dem Erwärmen bestehen bleibt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Menge des sich während des Erwärmens an den Stirnseiten der Metalle als Verbindungsdif fusionsschicht bildender? Eutektikumswegen des Fehlens von Oxidschichten nur verhältnismäßig gering zu sein braucht. Die eutektische Zwischenschicht kann also dünn gewählt und ihre Bildung -genauer gesteuert werden.standing workpieces are heated. By pooring eggs under pressure, there is one Avoid the formation of oxide layers on the contact surfaces of the two workpieces, so that the bare surface that existed before pressing persists even after heating. This method has the advantage that the amount of fusion layer forming as a connecting diffusion on the end faces of the metals during heating? Eutectic pathways the lack of oxide layers only needs to be relatively small. The eutectic intermediate layer can therefore be chosen to be thin and their formation can be controlled more precisely.

Darüber hinaus ermöglddit das gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verfahren, eine mechanisch feste und elektrisch einwandfreie Verbindung der beiden Metalle unter vereinfachten Bedingungen, da ein Oberflächenschutz des Aluminiums beispielsweise in Form einer Eloxalschicht entfällt.In addition, the method proposed according to the invention enables a mechanically strong and electrically perfect connection of the two metals under simplified conditions, since the aluminum is protected, for example, in the form of an anodized layer not applicable.

Sollen nach dem erfindnngsgemäßen Verfahren beispielsweise Stromschienen aus Kupfer mit solchen aus Aluminium verbunden werden, dann wird man vorteilsihft kurze, vorfabrizierte Preßschweißverbindungen zwischen Kupfer- und Aluminiumabschnitten herstellen, die dann als Verbindungsstücke mit üblichen Schweißverfahren am Montageort eingebaut werden können, indem die Kupferhälfte des Verbindungsstückes mit der Kupferstromschiene und die Aluminium-Hälfte mit der Aluminiumstromschiene verschweißt wird«.Should for example busbars according to the method according to the invention made of copper are connected to those made of aluminum, then one will advantageously use short, prefabricated pressure welded connections between copper and aluminum sections, which are then used as Connecting pieces can be installed at the installation site with the usual welding processes by using the copper half of the connecting piece the copper busbar and the aluminum half with the aluminum busbar is welded «.

Um das Eindringen beispielsweise des Kupfer-WerkStückes in die Oberfläche des Aluminium-Werkstückes einerseits zu erleichtern und andererseits zwischen den beiden Metallen nach dem Preßvorgang eine möglichst große Berührungsfläche zu erzielen, kann man das Kupferwerkstück zur Vergrößerung d?r Oberfläche an seinem dem Aluminum-Werkstück zugekehrten EndeK z.B. mit einer Anzahl von keil- oder kegelförmigen Erhebungen nach Art eines Waffeleisenmusters versehen. Als vorteilhaft hat es sich in Durchführung der Erfindung auch erwiesen,For example, about the penetration of the copper workpiece into the surface of the aluminum workpiece on the one hand to facilitate and on the other hand between the two metals after the pressing process a To achieve the largest possible contact area, you can use the copper workpiece to enlarge the surface of its aluminum workpiece facing end K e.g. with a number of wedge-shaped or conical Provided elevations in the manner of a waffle iron pattern. It has also proven advantageous in carrying out the invention to

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das Ende des Kupfer-Werkstückes keil» oder kegelförmig in einem spitzen Winkel auslaufen zu lassen. Vorteilhaft ist es auch bei der Kegel- oder Keilverbindung das dem Kupferwerkstück zugekehrte Aluminiumteil zur Vermeidung größerer Verformungsarbeit so auszuarbeiten, daß das Kupferstück mit geringem Druck an das Aluminiumgegenstück eingepaßt wird.the end of the copper workpiece wedge »or conical in one to run out at an acute angle. The aluminum part facing the copper workpiece is also advantageous in the case of the conical or wedge connection to avoid major deformation work to be worked out in such a way that the copper piece fits onto the aluminum counterpart with little pressure will.

In Durchführung der Erfindung wird der Druck, mit dem die beiden Werkstücke ineinander gepreßt und unter dem sie anschließend erwärmt werden, so hoch gewählt, daß die Kontaktflächen der beiden Werkstücke dicht beieinander liegen. Auf diese Weise wird der Zutritt von Luft bei der Erwärmung verhindert und Oxidschichtbildungen vermieden. Die Werkstücke warden zur Herstellung der Verbindung vorteilhaft auf Temperaturen von etwa 5^8 C erwärmt. Dabei hängt die Erwärmungsdauer von der gewählten Temperatur ab, d.h. bei niedrigen Temperaturen wählt man eine längere Zeit und bei höheren Temperaturen geht man zu kürzeren Zeiten über. Die Erwärmung wird zweckmäßig auf elektrischem Wege, z.B. induktiv, erfolgen. Aber auch andere an sich bekannte Erwärmungsmethoden sind anwandbar.In carrying out the invention, the pressure with which the two workpieces pressed into one another and under which they are then heated, selected so high that the contact surfaces of the two workpieces are tight lie together. In this way, the entry of air during heating is prevented and the formation of oxide layers is avoided. The work pieces are advantageous to produce the connection at temperatures of warmed about 5 ^ 8 C. The heating time depends on the selected Temperature, i.e. at low temperatures you choose a longer time and at higher temperatures you go to shorter times. The heating is expediently done electrically, e.g. inductively. But other heating methods known per se are also available applicable.

Die Erfindung sei an Hand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is based on that shown in FIGS Embodiments explained in more detail.

Zur Herstellung eines kurzen Stromschienenverbindungsstückes aus Kupfer und Leitaluminium geht man so vor, daß im Innern der in der Figur 1 schematisch angedeuteten Preßvorrichtung 1 die an ihrereinen Stirnseite mit dem Walleleisenmuster 2 versehene, beispielsweise rechteckförmige, Kupferstange 3 auf die ebenfalls rechteckförmige ebene Aluminiumstange k aufgesetzt und in Pfeilrichtung unter Druck in die Aluminumstange hineingepreßt wird. Der Preßdruck ist dabei so hoch gewählt, daß die Kontaktflächen dicht aneinander liegen, um den Zutritt von Luft zu verhindern. Mittels der ebenfalls schematisch angedeuteten, von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossenenFor producing a short current busbar connection piece of copper and Leitaluminium procedure is such that the provided at ihrereinen end face with the Walle Quiet pattern 2, for example rectangular, copper rod 3 k fitted to the likewise rectangular flat aluminum bar inside the schematically indicated in the Figure 1 press device 1 and is pressed into the aluminum rod under pressure in the direction of the arrow. The pressing pressure is chosen so high that the contact surfaces lie close to one another in order to prevent the entry of air. By means of the also schematically indicated, through which a high-frequency alternating current flows

1098? WCU19 ~ ⁵ "1098? WCU19 ~ ⁵ "

Spule 5 werden die ineinandergepreßten und noch unter Druck stehenden Kupfer- und Aluminiumstangen induktiv auf über 548⁰C erwärmt. Während der Erwärmung bildet sich auf beiden Stirnseiten der Metalle eine Verbindungsdiffusionsschicht. Da diese Verbindungsschicht sich schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen erreichen läßt, ist es möglich, die eutektische Zwischenschicht dünn und genau zu steuern, so daß hohe Festigkeitswerte der metallischen Verbindung erreichbar sind. ■Coil 5, the copper and aluminum rods, which are pressed into one another and are still under pressure, are inductively heated ^{to over 548 ° C.} During the heating process, a connecting diffusion layer forms on both end faces of the metals. Since this connection layer can already be reached at relatively low temperatures, it is possible to control the eutectic intermediate layer thinly and precisely, so that high strength values of the metallic connection can be achieved. ■

Nach Beendigung des Preßvorganges ergibt sich die in der Figur 2 dargestellte Anordnung, bei der die Aluminiumstange 4 mit der Kupferstange 3 mechanisch fest verbunden ist. Gegenüber den durch die bekannten Schweißverfahren hergestellten Verbindungen weist die eine solche Verbindung wesentlich höhere Festigkeitswerte auf, wobei bei entsprechender Querschnittsauslegung der Aluminiumstange gegenüber der Kupferstange eine Änderung der elektrischen Werte an dieser Verbindungsstelle kaum festgestellt werden konnte.After completion of the pressing process, the result shown in FIG illustrated arrangement in which the aluminum rod 4 with the copper rod 3 is mechanically firmly connected. Compared to the known Welding processes produced connections has one Such a connection has significantly higher strength values, with the aluminum rod opposite with a corresponding cross-sectional design of the copper rod, there is a change in the electrical values at this connection point could hardly be determined.

Abweichend von dem in den Figuen 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 3 und 4 eine Verbindung dargestellt, bei der das Ende der Kupferstange 6 in einem spitzen Winkel ausläuft. Zur Verringerung der Ver formung ssrrb ei t ist hierbei das der Kupferstange 6 zugekehrte Ende der Aluminiumstange 7 entsprechend der gewählten Keilform der Kupferstange ausgearbeitet.In contrast to the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2, FIGS. 3 and 4 show a connection at which the end of the copper rod 6 runs out at an acute angle. To reduce the deformation, the copper rod is required here 6 facing end of the aluminum rod 7 according to the selected The wedge shape of the copper rod is worked out.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch die Herstellung sog. Diodanbasen, beidenen auf dem das Halbleiterelement tragenden Kupfersockel ein dicht abschließendes Gehäuse für das Halbleiterelement befestigt wird. Hierbei kann man beispielsweise so-vorgehen, daß ein Aluminiumring in den Kupfersockel eingepreßt und während des Preßvorganges beide Teile erwärmt werden, um eine mechanisch^ feste Verbindung dieser Teile zu erzielen.Another advantageous application of the method according to the invention is also the production of so-called diode bases, both of which are tightly sealed on the copper base carrying the semiconductor element Housing for the semiconductor element is attached. Here you can for example, proceed so that an aluminum ring in the copper base pressed in and both parts are heated during the pressing process in order to achieve a mechanically fixed connection between these parts.

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An diesem Ring wird dann durch Schweißen, Löten oder dergl. das Gehäuse befestigt. Es ist aber auch möglich, das Gehäuse unmittelbar in den Kupfersockel mit seinem Rand einzupressen.The ring is then welded, soldered or the like Housing attached. But it is also possible to press the edge of the housing directly into the copper base.

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Claims

175230Λ Kab-e'X and M e t a 1 1 w e r k e Gutehoffnüngshütte Aktiengesellschaft 2 038 2.5.1968 Patent claims

1. A method for producing a welded joint between a Workpiece made of Kjfer and one made of aluminum, in which the one end of the copper workpiece under pressure into that of the copper workpiece facing end of the aluminum workpiece is pressed in or vice versa, thereby yftkernizeir.lipet that the two Workpieces under pressure at room temperature with the facing Front sides pressed into one another and then connected to it the workpieces that are still under pressure are heated.

2. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the mutually facing end faces of a workpiece is pointed in the shape of a wedge or a cone.

3. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the facing end faces of a workpiece is provided with a waffle iron pattern.

4. The method according to 2 or 3i, characterized in that the dem Wedge-shaped or conical-pointed or with a waffle iron pattern provided end facing end of the second workpiece is worked out accordingly.

5 · The method according to claim 1, characterized in that the with their facing end faces pressed into one another and under pressure workpieces to temperatures of about 5 ^ 8 C. and be heated over it.

■ '■■■ .. ■'. - 2.- ■ '.'.

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6. The method according to claim 1, characterized in that the contact surfaces of the workpieces pressed into one another are close together due to the pressure acting.

7 · The method according to claim 1, characterized in that the heating of the workpieces that are pressed into one another and are still under pressure takes place inductively.

8. Use one according to the method according to one or more of the Claims 1 to 7 produced welded joint, consisting of a preferably rectangular aluminum shaped piece and a preferably even rectangular, welded to this Copper shaped piece, as an electrical connection link between busbars made of aluminum with those made of copper, especially in electrolysis systems.

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