DE1752305A1

DE1752305A1 - Process for producing a welded joint between workpieces made of copper and aluminum

Info

Publication number: DE1752305A1
Application number: DE19681752305
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

Description

Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung ' zwischen Werkstücken aus. Kupfer und Aluminium Der in neuerer Zeit immer häufiger verwendete Werkstoff Aluminium findet inzwischen auch dort Eingang in die Technik, wo man ihn bislang für ungeeignet hielt. So werden beispielsweise Aluminium-Stromschienen bereits in Elektrolyseanlagen zur Übertragung der benötigten elektrischen Energie verwendet. Aber auch im Schaltanlagenbau hat sich Aluminium zur Herstellung einzelner Bauelemente als geeignet erwiesen. Schwierigkeiten jedoch bereitet die Verwen-dung von Aluminium noch immer dann, wenn es darum geht, zwischen diesem Werkstoff und z.8. Kupfer eine mechanisch¢ festeVerbindung herzustellen. So führen beispielsweise zwischen einem Aluminium-Werkstück und einem Werkstück aus Kupfer hergestellte Schraubverbindungen 7u ener nachträglichen Oxydschichtbildung, wodurch die Verwendung einer solchen Verbindung für elektrische Zwecke 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 dachgeführte Schmelzschweißverbindungen führten infolge der damit erzielten verhältnismäßig geringen Biegefestigkeit und mechanischen Festigkeit auch zu keiner befriedigenden Lösung. Eine Erhöhung der Biegefestigkeit einer Aluminium-Kupfer-Verbindnng 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 Druc4 in das dem Kupferwerkstück zugekehrte Ende des Aluminiumwerkstückes eingepreßt wird. In der Berührungszone der beiden zum Preßvorgang erwärmten Metalle bildet sich durch Diffusion eine Schmelze mit etwa 33% Kupfer, Rest Aluminium, die bei etwa 548°C zu dem bekannten Eutektikum-Aluminium-Mischkristall Al 2Cu 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 Oxydschichten, die eine Diffusion in der Berührung fläche der zu verbindenden Metalle verhindern, so daß die Voraussetznng der Bildungcbr eutektisehen Zwischenschicht nicht immer gegeben ist.Method for producing a welded joint ' between workpieces. Copper and aluminum The material aluminum, which has been used more and more frequently in recent times, has now also found its way into technology where it was previously thought to be unsuitable. For example, aluminum busbars are already used in electrolysis systems to transmit the required electrical energy. But aluminum has also proven to be suitable for manufacturing individual components in switchgear construction. However, difficulties are the appropriation of aluminum still when it comes between this material and Z.8. To establish a mechanically ¢ solid connection with copper. For example, screw connections 7u produced between an aluminum workpiece and a workpiece made of copper lead to subsequent oxide layer formation, which 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 welded joints that were already roofed also did not lead to a satisfactory solution due to the relatively low flexural strength and mechanical strength achieved with them. An increase in the flexural strength of an aluminum-copper connection can, however, be achieved with the so-called wedge pressure welding process, in which, in order to produce a welded connection between a workpiece made of copper and one made of aluminum, one end of the copper workpiece is pushed under pressure into the end of the aluminum workpiece facing the copper workpiece is pressed in. 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 548 ° C. to form the known eutectic aluminum mixed crystal Al 2Cu. 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 here, however, from the existing and difficult to remove oxide layers, which prevent diffusion in the contact surface of the metals to be joined, so that the prerequisite for the formation of an eutectic intermediate layer is not always given.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten hat man deshalb bereits vor-' geschlagen, das Aluminium-Werkstück mit einem Oberflächenschutz zu versehen, zu erwärmen und anschließend in das so vorbereitete Aluminium-Werkstück das Kupfer-Werkstück in noch kaltem Zustand einzupressen. Der Oberflächenschutz auf dem Aluminium-Werkstück, vorteilhaft eine Eloxalschicht von einigen /'m-Stärke, verhindert mit Sicherheit eine nachträgliche thermische Oxydschichtbildung. Sie bricht auf, sobald beim Preßvorgang das Ende des Kupferwerkstückes in das Aluminium eindrii#, so daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Kupfer und dem Aluminium und damit eine Diffusion beider Metalle ohne Schwierigkeiten möglich ist. Die Verwendung-ion noch kaltem Kupfer und erwärmtem Aluminium führt zu einer steuerbaren Herabsetzung der Diffusion der Metalle, so daß eine nur sehr dünne Zwischenschicht gebildet wird, die jedoch die Festigkeitswerte bei einer solchen Keilschweißverbindung wesentlich heraufsetzt.In order to avoid these difficulties, it has therefore already been proposed to provide the aluminum workpiece with surface protection, to heat it and then to press the copper workpiece into the thus prepared aluminum workpiece while it is still cold. The surface protection on the aluminum workpiece, advantageously an anodized layer a few / 'm thick, definitely prevents subsequent thermal oxide layer formation. It breaks open as soon as the end of the copper workpiece penetrates the aluminum during the pressing process, so that direct contact between the copper and the aluminum and thus diffusion of the two metals is possible without difficulty. The use of cold copper and heated aluminum leads to a controllable reduction in the diffusion of the metals, so that only a very thin intermediate layer is formed which, however, significantly increases the strength values of such a wedge welded joint.

Die Erfindung geht zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen einem Werks'fUCk aus Kupfer und einem solchen aus Aluminium,, bei.The invention goes to the production of a welded connection between one factory made of copper and one made of aluminum.

dem das eine Ende des Kupfer-Werkstückes unter Druc4 in das dem Kupfer-Werkstück zugekehrte Ende des Aluminium-Werkstückes eingepreßt wird, einen anderen Weg, Gemäß der Erfindung wird das Aluminium-Werkstück erwärmt und in das erwärmte Aluminium-Werkstück das Kupfer-Werkstück. in noch kaltem Zustand eingepreßt. Dieses- Verfahren er-. möglicht eine einwandfreie Verbindung cbr beiden Metalle unter vereinfachten Bedingungen, da ein Oberflächenschutz des Aluminiums beispielsweise in Form einer Eloxalschicht entfällt. Die dem Aluminium anhaftende natürliche Oxydsähcht, die sich beim Erwärmen des Aluminiumsteils noch verstärkt, wird vom entstehenden Eutektikum fortespültg Kupfer-Oxyde werden nicht gebildet, da das Kupfer nicht vor dem Verpressen,erwärmt wird# Andererseits wird durch das Verpress-er des Kupfers im kalten Zustand eine sehr dünne Übergangsschicht ge- bildet, die zur Erreichung hoher Festigkeitswerte erforderlich ist: Sollen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise Stromschienen aus Kupfer mit solchen aus Aluminium verbunden werden, dann wird man vorteilhaft kürze, vorfabrizierte Keilpreßverbindungen zwischen Kupfer- und Aluminiumschienenabschnitten 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 Aluminium-Stromscbiene verschweißt wird: 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 Kupfer-Werkstück zur Vergrößerung der Oberfläche an seinem dem Aluminium-Werkstück zugekehrten Ende, z.Bo mit einer Anzahl- von keil- oder kegelförmigen Erhebungen nach Art eines Waffeleisenmusters versehen. Als besonders vorteilhaft hat es sich in Durchführung der-Erfindung jedoch erwiesen, das Ende des Kupfer-Werkstückes keil- oder kegelförmig in einem spitzen Winkel auslaufen zu lassen. Die Erfindung sei an Hand des in den Figuren. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.one end of the copper workpiece is pressed under pressure into the end of the aluminum workpiece facing the copper workpiece, another way. According to the invention, the aluminum workpiece is heated and the copper workpiece is heated into the heated aluminum workpiece. Pressed in while it is still cold. This- method he. Enables a perfect connection between the two metals under simplified conditions, since there is no surface protection of the aluminum, for example in the form of an anodized layer. The natural oxide layer adhering to the aluminum, which is intensified when the aluminum part is heated, is flushed away by the eutectic that is formed.Copper oxides are not formed because the copper is not heated before pressing condition forms a very thin transition layer overall, the high to attain strength values is necessary: bE according to the inventive method, for example, copper bus bars with such aluminum connected, then one is advantageously shorter, produce prefabricated Keilpreßverbindungen between copper and aluminum rail sections, which then Can be installed as connecting pieces with the usual welding processes at the installation site by welding the copper half of the connecting piece to the copper busbar and the aluminum half to the aluminum busbar: To prevent the copper workpiece from penetrating the surface, for example of the aluminum workpiece on the one hand and on the other hand to achieve the largest possible contact surface between the two metals after the pressing process, the copper workpiece can be used to enlarge the surface at its end facing the aluminum workpiece, e.g. with a number of wedge-shaped or conical elevations provided in the manner of a waffle iron pattern. In carrying out the invention, however, it has proven to be particularly advantageous to allow the end of the copper workpiece to taper off in the shape of a wedge or cone at an acute angle. The invention is based on the in the figures. 1 and 2 illustrated embodiment explained in more detail.

Zur Herstellung eines kurzen Stromschienenverbindungsstückes aus* Kupfer und Leitaluminium geht man so vor, daß die rechteckförmige Aluminiumstange 1, deren Qugschnitt infolge der geringeren elektrischen Leitfähigkeit größer als der der Kupferstange 2 ist, in einem nicht dargestellten Ofen auf etwa 55o bis 64ooC erwärmt wird Die so vorbereitete Aluminiumstange 1 wird anschließend in die schematisch angedeutete Preßvorri.chtung 3 eingebracht. Auf die in den Raum der Preßvorrichtung 3 hineinragende Stirnseite der Aluminiumstange 1 wird die keilförmig angespitzte Kupferstange 2 aufgesetzt und in Pfeilrichtung unter Druck in die Aluminiumstange hineingepreßt.For the production of a short busbar connector from * Copper and conductive aluminum are done in such a way that the rectangular aluminum rod 1, the cross section of which is greater than that of the copper rod 2 is in a furnace, not shown, to about 55o to 64ooC The aluminum rod 1 prepared in this way is then inserted into the schematic indicated Preßvorri.chtung 3 introduced. On the in the room of the pressing device 3 protruding end face of the aluminum rod 1 becomes the wedge-shaped pointed one Put on copper rod 2 and push it in the direction of the arrow under pressure into the aluminum rod pressed into it.

Zur Aufnahme der gegebenenfalls hierbei aus dem Spalt zwischen den miteinander verpreßten Metallen austretenden überschüssigen eutektischen Schmelze dient die Aussparung 4 in der Innenwand der Preßvorrichtung 39.To accommodate the optionally here from the gap between the Excess eutectic melt escaping from metals pressed together the recess 4 in the inner wall of the pressing device 39 is used.

Nach Beendigung des Preßvorganges ergibt sich die in der Figur 2 dargestellte Anordnung, bei der die Alumini.za.mstange 1 mit der Kupferstange 2 mechanisch .fest verbunden ist. Gegenüber den durch die bekannten Schweißverfahren hergestellten Verbindungen weist eine solche Verbindung wesentlich höhere Festigkeitswerte auf, wobei bei entsprechender Querschnittsauslegung der Aluminiumstange gegenüber der Kupferstange eine Änderung der elektrischen Wertre an dieser Verbindungsstelle kaum festgestellt werden kann.After completion of the pressing process, that shown in FIG. 2 results Arrangement in which the aluminum gear rod 1 is mechanically .fixed with the copper rod 2 connected is. Compared to those produced by the known welding process Connections, such a connection has significantly higher strength values, with the appropriate cross-sectional design of the aluminum rod compared to the Copper bar hardly changes the electrical values at this junction can be determined.

Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch die Herstellung sogenannter Diodenhasen, bei denen auf dem -das Halbleiterelement -ragenden Kupfersockel ein dicht abschließendes Gehäuse für das Halbleiterelement befestigt wird. Hierbei kann man zum Beispiel so vorgehen, daß ein erwärmter Alu- miniumring in den kalten Kupfersockel eingepreßt und an diesem Ring dann durch Schweißen, Löten oder dergl. das Gehäuse befestigt wird. Es ist aber auch möglich, das Gehäuse.unmittelbar in den Kupfersockel mit seinem Rand einzupressen. -An advantageous application of the method according to the invention is also the production of so-called diode rabbits, in which a tightly sealing housing for the semiconductor element is attached to the copper base supporting the semiconductor element. One can proceed, for example, in such a way that a heated aluminum ring is pressed into the cold copper base and the housing is then attached to this ring by welding, soldering or the like. However, it is also possible to press the edge of the housing directly into the copper base. -

Claims

Claims 1. A method for producing a welded joint between a workpiece made of copper and such a piece of aluminum, in which the one end of the copper workpiece under pressure into the one facing the copper workpiece The end of the aluminum workpiece is pressed in, characterized in that the The aluminum workpiece is slightly heated - and the copper workpiece in the heated aluminum workpiece is pressed in while it is still cold.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the end of the copper workpiece penetrating into the aluminum workpiece during the pressing process is pointed in a wedge or cone shape.

3. The method according to claim 1, characterized in that the aluminum workpiece is heated to about 55o to 64ooC. 4. Use of a welded connection produced by the method according to one or more of claims 1 to 3, consisting of a rectangular aluminum molding and a likewise rectangular copper molding welded to it as an electrical connecting element between busbars made of aluminum and those made of copper, especially in electrolysis systems.