DE19902405A1 - Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung zwischen einem Leiter aus im wesentlichen Aluminium und einer Kontaktklemme aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Auf den verzinnten Leiter wird die Kontaktklemme aufgepreßt und anschließend beide Kontaktteile miteinander, vorzugsweise durch Widerstandsschweißen, verlötet oder verschweißt. Es wird dadurch eine dauerhafte mechanische Verbindung mit gleichbleibendem Übergangswiderstand an der Kontaktstelle geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung zwischen einem Leiter aus im wesentlichen Aluminium und einer Kontaktklemme aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik besteht insbesondere auf dem Gebiet der Automobiltechnik, ohne jedoch auf jedes Gebiet beschränkt zu sein. Bei der Entwicklung neuer Automobile besteht die zwingende Forderung der Gewichtseinsparung. Die heute im Automobil verwendeten Verkabelungen sind inzwischen so umfangreich geworden, daß deren Gewicht eine nicht zu vernach­ lässigende Größe darstellt. Die bisher in einem Fahrzeug verwendeten Leitungen haben ein Gewicht von etwa 8 bis 10 kg.

Um zu einer relevanten Gewichtseinsparung zu gelangen, wäre die Verwendung von Aluminium wegen seines geringen Gewichts, welches nur etwa ein Drittel des Gewichts von Kupfer aufweist, wünschenswert. Wegen der schlechteren Leitfähig­ keit von Aluminium gegenüber Kupfer erfordert dessen Verwendung jedoch einen größeren Querschnitt der Leitungen und damit ein größeres Gewicht. Insgesamt ist daher bei Verwendung von Aluminium eine praktische Einsparung von etwa 50% des Gewichts bei gleichem elektrischen Widerstand realisierbar.

Der Verwendung von Aluminium stehen jedoch einige Schwierigkeiten gegenüber, welche vor allem bei der Kontaktierung der Aluminiumdrähte zu berücksichtigen sind.

Auf Aluminium bildet sich bei Hinzutritt von Luftsauerstoff sofort eine Alumini­ umoxydschicht Al₂O₃. Diese Schicht stellt einen Isolator dar und führt zu erhebli­ cher Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstandes. Nachdem die auf dem Aluminiumleiter anzubringende Kontaktklemme überlicherweise einen Preßsitz aufweist, wird auf das Aluminium ein Druck ausgeübt, welcher mit der Zeit zu einem sog. "Setzen" des Aluminium führt, welches sich durch den langsamen Ab­ bau der Druckspannungen im Aluminiummaterial ergibt. Dies führt dazu, daß die Klemmverbindung locker wird und auf diese Weise ebenfalls der Übergangswider­ stand an der Kontaktstelle steigt.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß zwischen dem unedlen Material Alumini­ um des Leiters und dem edleren Material der Kontaktklemme, welche üblicherwei­ se aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, eine galvanische Korrosion, eine sog. Kontaktkorrosion, auftritt, welche längerfristig zu einer Zerstörung des Alu­ miniumleiters führen kann.

Die nach den DIN-Normen durchzuführenden Temperaturwechseltests zur Quali­ fizierung der Kontaktstellen, welche eine mehrfache Beaufschlagung der Kontakt­ stelle abwechselnd mit Temperaturen von -40°C und +120°C beinhalten, führen wegen des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium gegenüber Kupfer zu einer Aufdehnung der Kontaktverbindung und damit ebenfalls zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes.

Hinzu kommt, daß die zu verwendenden Kabel in aller Regel keine Vollmaterialka­ bel darstellen, sondern aus einem Bündel einzelner Drähte, einer sog. Litze, beste­ hen. Aufgrund der Verwendung von Litzen wird daher die Problematik des Über­ gangswiderstandes, wie sie vorstehend erläutert wurde, noch vergrößert.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile bei Nutzung von Aluminium als Leitermaterial dauerhafte Kontakverbin­ dungen zu schaffen, bei welchen ein möglichst geringer und sich nicht ändernder Übergangswiderstand besteht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß auf den verzinn­ ten Leiter die Kontaktklemme aufgepreßt wird und anschließend beide Kontaktteile miteinander verlötet oder verschweißt werden.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, neben einem mechanischen Kontakt zwischen Leiter und Kontaktklemme eine unlösbare Verbindung zwischen diesen beiden Kontaktteilen durch Materialverschmelzung herzustellen. Damit kann keine Isolationsschicht zwischen den beiden Kontaktteilen auftreten und es kann mit der Zeit keine Erhöhung des Übergangswiderstandes durch Lockern der me­ chanischen Verbindung der Kontaktteile auftreten.

Der elektrische Leiter ist vorzugsweise aus einem Bündel von Drähten (Litze) aus­ gebildet. Diese Drähte werden vorverzinnt und dann mit einer Isolierung überzo­ gen. Im Bereich des Kontaktendes werden die Drähte zu gegebener Zeit dann abisoliert.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die ebenfalls verzinnte Kontaktklemme auf den Leiter aufgecrimpt wird. Es handelt sich hier um eine be­ sonders einfache Kontaktverbindung, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art der Kontaktklemmen beschränkt. Es eignen sich grundsätzlich alle Arten von Kontaktklemmen, welche vorverzinnbar sind und einem Löt- oder Schweißverfah­ ren unterworfen werden können.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß an die beiden Kontaktteile vermittels Elektroden Strom angelegt wird und die Verbindung durch Widerstandsschweißen erfolgt. Durch einen kurzen Stromimpuls wird die Verzin­ nung auf dem Leiter und der Kontaktklemme zum Schmelzen gebracht, das Lot verfließt und bildet zwischen dem Leiter und der Kontaktklemme eine durch me­ chanische Funktionsbeanspruchung nicht lösbare Schmelzverbindung.

Im Sinne der Erfindung kann der Leiter grundsätzlich aus Reinaluminium bestehen. Im Sinne der Erfindung bevorzugt ist jedoch wegen der besseren mechanischen Eigenschaften eine Aluminiumlegierung. Es wird deshalb in Weiterbildung der Er­ findung vorgeschlagen, daß der Leiter aus einer Aluminiumlegierung AlFeMg mit 0,5 bis 0,8% Fe, 0,08 bis 0,25% Mg, Rest Al besteht. Alle Angaben sind Ge­ wichtsprozent.

Alternativ kann im Sinne der Erfindung auch vorgeschlagen werden, daß der Leiter aus einer Seele aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und einer Beschichtung mit Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Schichtdicke von 10 bis 30 µm besteht.

In diesem Falle kann die Vorverzinnung des gesamten Leiters entfallen und die Kontaktenden können nach Abisolierung in üblicher Weise verzinnt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Leiter mit reinem Zinn oder einer Zinn-Blei-Legierung mit einer Schichtdicke von 1 bis 6 µm verzinnt sein.

Die Kontaktklemme kann gemäß der Erfindung aus reinem Kupfer sein, bevorzugt ist, daß eine Kupferlegierung aus Messing oder Bronze verwendet wird.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbei­ spiels noch näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 das Kontaktende eines Leiters mit noch offener Kontaktklemme;

Fig. 2 das Kontaktende des Leiters mit gecrimpter Kontaktklemme und angelegten Elektroden;

Fig. 3 die fertige Verbindung nach dem Schmelzvorgang.

In Fig. 1 ist ein Leiter 1 aus Aluminiumlegierung dargestellt, welcher aus einer Anzahl von Leitungsdrähten 2 besteht, wobei an dem Kontaktende die Isolierung 3 von den Drähten entfernt ist. Das Kontaktende dieser Drähte ist verzinnt. Mit 4 ist eine Kontaktklemme bezeichnet, welche vermittels Lappen 5 auf die Isolierung 3 des Leiters 1 aufgepreßt ist. Lappen 6 der Kontaktklemme 4 sind im noch nicht umgebördelten Zustand dargestellt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Lappen 6 auf die Drähte 2 gecrimpt sind. Es sind zwei Elektroden 7 und 8 an die Kontaktklemme angelegt, durch die ein kurz­ zeitiger Stromimpuls angelegt wird. Dieser erwärmt die Kontaktstellen kurzzeitig auf etwa 400°C und erzielt damit ein Aufschmelzen der Verzinnung der Drähte sowie der Lappen 6 der Kontaktklemme. Das flüssig gewordene Zinn verfließt ineinander und führt zu einer Materialverbindung zwischen den Drähten und den Lappen 6. Diese Verbindung ist bei einer normalen mechanischen Funktionsbean­ spruchung der Kontaktstelle unlösbar. Wie Versuche gezeigt haben, ist die Kon­ taktstelle in ihrem Übergangswiderstand auch bei Alterung konstant.

In Fig. 3 ist die fertige Kontaktverbindung dargestellt. Man erkennt, daß zwi­ schen den Lappen 6 und den Drähten 2 eine Zinnschicht 9 vorhanden ist, welche die erwähnte Materialverbindung zwischen diesen beiden Kontaktteilen darstellt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbin­ dung zwischen einem Leiter aus im wesentlichen Aluminium und einer Kon­ taktklemme aus Kupfer oder einer Kupferlegierung dadurch gekennzeichnet, daß auf den verzinnten Leiter die Kontaktklemme aufgepreßt und anschließend beide Kontaktteile miteinander verlötet oder verschweißt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem Bündel von Drähten (Litze) besteht, die an dem Kontaktende verzinnt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenfalls verzinnte Kontaktklemme auf den Leiter aufgecrimpt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Kontaktteile vermittels Elektroden Strom angelegt wird und die Verbindung durch Widerstandsschweißen erfolgt.

5. Leiter zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einer Aluminiumlegierung AlFeMg mit 0,5 bis 0,8% Fe, 0,08 bis 0,25% Mg, Rest Al besteht.

6. Leiter zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einer Seele aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und einer Beschichtung mit Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Schichtdicke von 10-30 µm besteht.

7. Leiter zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit reinem Zinn oder einer Zinn-Blei-Legierung mit einer Schichtdicke von 1-6 µm verzinnt ist.

8. Kontaktklemme zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Kupferlegierung Messing oder Bronze ist.