DE2514563A1 - Verfahren zur anbringung von duennen schichten aus kupfer auf sammelschienen aus aluminium - Google Patents

Description

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 3. f$li {375 T 2058

LA. TELEMEGANIQUE ELEO'IRIQÜE

3jbis et 33ter, avenue Marechal Joffre, 92000 Nanterre,

Frankreich

Verfahren zur Anbringung von dünnen Schichten aus Kupfer auf Sammelschiene!! aus Aluminium

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anbringung von dünnen Schichten aus Kupfer und/oder Zinn auf Sammelschienen aus Aluminium, und zwar im Hinblick darauf, abnehmbare Stromanschlüsse anbringen zu können, deren Kontaktwiderstand gering ist.

Ein solches Verfahren ist insbesondere für die entsprechende Ausbildung eines Energietransports dort geeignet, wo die Sammelschienen in Schutzhüllen oder Schutzgehäusen angeordnet sind.

Es sind bereits Verfahren bekannt, welche dazu dienen, eine dünne Kupferschicht auf einer Sammelschiene aus Aluminium unter Verwendung eines Streifens bzw. eines Blechs aus Aluminium aufzubringen, wobei auf dessen einer Seite bereits'eine Kupferschicht aufgebracht ist, wobei dieser Streifen bzw. dieses Blech dann mit seiner anderen Seite auf der Sammelschiene angebracht wird.

DR. G. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIP L. -ING. W. GRÄMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270 TEL. (089) 22-4211. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-805

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Bei diesem bekannten Verfahren dienen als Befestigungselemente Schrauben oder Nieten, welche dazu bestimmt sind, eine wirksame Befestigung des Streifens bzw. des Blechs an der Sammelschiene zu gewährleisten, wobei eine Schicht aus Leitungsfett zuvor zwischen die Oberflächen des Kontaktes gebracht wird.

Dieses Verfahren weist zahlreiche Nachteile auf. Zunächst ist es erforderlich, in dem Streifen bzw. in dem Blech und in der Sammelschiene Bohrungen mit identischem Mittelabstand anzubringen, was einen kostspieligen Vorgang darstellt. Dann ist es erforderlich, Schrauben oder Nieten auszuwählen, deren Form und deren Material mit den Elementen benachbart zu dem Stromanschluß kompatibel sind. Schließlich hängt die Qualität des Kontaktwiderstandes zwischen dem Blech bzw. dem Streifen und der Sammelschiene in weitern Umfang von der Regelmäßigkeit der Anbringung bzw. des Anpressdruckes, weiterhin von der Dicke der Fettschicht, von deren Alterung und insbesondere von deren Verhalten bei hohen Temperaturen ab, so daß auf der Leitung wiederholt Kurzschlüsse auftreten können.

Dieses Verfahren behält jedoch einen Teil seines Interesses in dem Maß, in welchem die gegenwärtige Technik des direkten Aufbringens von Kupfer auf das Aluminium im übrigen andere Nachteile auf v/eist, welche entweder von dem komplizierten Vorgang der elektrolytischen Verkupferung oder von der praktisch vorhandenen Unmöglichkeit herrühren, Kupfer auf Aluminium aufzuschweißen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Anbringung einer dünnen Schicht aus Kupfer auf Sammelschienen aus Aluminium mit erheblichem Querschnitt zu schaffen, indem ein Aluminiumband bzw. ein Aluminiumstreifen verwendet wird, welcher schon auf einer seiner Seiten verkupfert ist, wobei jedoch ein besonders preiswertes Befestigungssystem und ein System mit außerordentlich gutem Wirkungsgrad erreicht werden sollen.

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Es ist hierzu noch, zu bemerken, daß dann, wenn ein verkuüferter Aluminiumstreifen lokal einem Wärmeschock ausgesetzt wird, welcher dazu geeignet ist, das Aluminium zum Schmelzen zu bringen, ohne daß das Kupfer schmilzt, daß dann eine Verminderung des Anhaftens der Kupferschicht auf dem Aluminium zu beobachten ist. Diese Feststellung ist für den Fall von Bedeutung, in welchem zu befürchten ist, daß eine Änderung des Anhaftens zu einem weniger guten Kontaktwiderstand zwischen der Kupferschicht und dem Aluminiumstreifen oder dem Aluminiumband führen könnte. Es ist der Erkenntnis zu verdanken, daß dieses Phänomen lokalisiert bleibt, daß seitens der Anmelderin andere Befestigungsmittel des Streifens bzw. des Bandes auf der Schiene entwickelt werden konnten.

Weiterhin bedient sich die Erfindung der Erkenntnis, daß die Anteile von Kupfer und Aluminium, welche das Band bzw. den Streifen bilden, und zwar ebenso wie die Dicke desselben derart gewählt sein müssen, daß ein gutes thermisches, mechanisches und elektrisches Verhalten des Streifens bzw. Bandes gewährleistet sein muß, wenn er an der Schiene angebracht wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß die Reibungseigenschaften und die Kontaktwiderstandseigenschaften von Zinn ausgezeichnet sind und daß sich Kupfer ausgezeichnet zum Verzinnen eignet, um zu erreichen, daß die Anschlußzone zumindest lokal verzinnt ist.

Weiterhin eignet sich die Erfindung auch dazu, die Befestigung eines zusammengesetzten Kupfer-Aluminium-Streifens durchzuführen, und zwar selbst dann, wenn die Oberfläche des Kupfers vollständig verzinnt ist.

Gemäß der Erfindung wird das gewünschte Ergebnis aufgrund der Tatsache erreicht, daß der Streifen bzw. das Band auf der Schiene mit Hilfe einer elektrischen Punktschweißung angebracht wird, bei welcher die Schweißpunkte praktisch in einem Bereich der Oberfläche des Kupfers liegen, welcher nicht mit einem elektrischen Anschlußorgan in Kontakt gebracht wird, sondern in dessen Umgebung .

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- Zf. _

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Ji¹Ig. 1 und 2 im Schnitt das Zusammenfügen eines Blechs und einer Sammelschiene,

ig. 3 den Stromverlauf im Bereich eines Lötpunktes bzw. Schweißpunktes,

Fig. 4- das Verfahren des Lötens bzw. Schweißens eines verkupferten und verzinnten Blechs,

J¹Xg. 5 und 6 den Vorgang des selektiven Verzinnens eines Kupfer-Aluminium-Blechs mit Hilfe einer im Schnitt dargestellten Maske.

Die Sammelschiene aus massivem Aluminium ist in der Fig 1 mit dem Bezugszeichen Λ bezeichnet, während das Blech 2 durch eine Kupferschicht gebildet wird, welche auf einem Aluminiumträger 4-angeordnet ist. Das mit 2 bezeichnete Blech kann auch ein Streifen, eine Lamelle oder ein Band sein. Die Dicke h + e dieses Blechs ist gering gegenüber der Dicke 1 der Sammelschiene 1. Im allgemeinen wird die Kupferschicht durch Elektrolyse oder durch Walzen auf den Träger aufgebracht. Die Schweißelektroden in den Punkten 5 und 6 sind vor dem Anlegen und dem Schweißen dargestellt. Die Fig. 2 stellt einen Schnitt durch einen Schweißpunkt dar, und zwar in dem Zustand, in welchem er sich nach dem Schweißen befindet. Der Bereich A der Kupferschicht, in welchem die Schweißung ausgeführt wurde, weist in bezug auf die Nachbarbereiche B und G Deformationen und Veränderungen in der Struktur auf, welche seine Verwendbarkeit als Kontaktoberfläche, welche dazu bestimmt ist, ein Anschlußorgan wie 17 gemäß Fig. 3 aufzunehmen, mehr oder weniger dem Zufall überlassen. Nur die Bereiche B und G, welche zu dem Bereich A benachbart sind, werden folglich dazu verwendet, solche Anschlußorgane aufzunehmen.

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Die Möglichkeiten, welche sich dem Konstrukteur anbieten, um eine Befestigung der oben beschriebenen Art durchzuführen, werden in der Praxis durch die zwei folgenden Voraussetzungen festgelegt: einerseits darf die Dicke e der Kupferschicht nicht zu gering sein, wenn die Eigenschaften des mechanischen Bandes 2 dazu ausreichend sein sollen, eine gute mechanische Festigkeit zn liefern, wenn das Anschlußorgan angesetzt wird oder wenn Kurzschlüsse auftreten. Wenn in der Praxis das Bimetallband bzw. der Bimetallstreifen durch Walzen hergestellt wird, so ist es nicht möglich, ein Verhältnis von Kuofer zu Aluminium zu finden, welches beliebig sein könnte, und zwar derart, daß für eine bestimmte gewünschte Dicke der Kuoferschient eine vorgegebene iluminiumschicht zu verwenden wäre. Das Verhältnis schwankt praktisch zwischen 10 und 15 ;«·

Wenn andererseits eine Dicke h des Trägers 4 gewählt wird, welche zu gering oder zu groß ist, so führt dies dazu, daß im Bereich des Schweißpunktes eine entweder zu große oder zu kleine Stromdichte herbeigeführt wird.

Die Bedeutung dieses -Phänomens wird aus der J¹Ig. ■) deutlich, welche den Schnitt einer Sammelschiene 1 darstellt, welche mit einem Bimetallstreifen 2 an einem Schweißpunkt 7 verschweißt ist. Der Schweißvorgang, welcher in derjenigen Zone ausgeführt wurde, die durch gestrichelte Linien markiert ist, weist beispielsweise einen bestimmten Durchmesser d auf, da die Elektroden im allgemeinen zylindrisch sind. Im Bereich 3 des Schweißpunktes, welcher durch kleine Kreuze (x) markiert ist, führen die Wärmespannungen dazu, daß eine solche Art des Anhaftens erzeugt wird, daß die Stromlinien wie i derart ausgebildet sind, den größten Teil des Stroms beinhalten, während die Stromlinien, welche gestrichelt dargestellt sind, für die ^uerschnittsberechnung praktisch nicht in Betracht zu ziehen sind. Wenn mit h die Dicke des Trägers aus Aluminium 4 bezeichnet ist, wäre die Befestigungsmethode vorteilhafter, wenn diese

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Höhe zwischen einem Drittel und einem Fünftel des Durchmessers d des Punktes liegen würde und vorzugsweise zwischen einem Viertel und einem Fünftel.

Wenn erreicht werden soll, daß die Befestigungsmethode mit der Eigenfestigkeit der Sammelschienen kompatibel bzw.verträglich ist, und zwar unter Berücksichtigung der Ströme, welche durch die Kupferschicht fließen sollen, wenn zahlreiche Anschlußorgane auf der Leitung angeschlossen sind, so ergibt sich ein experimentelles Ergebnis, welches ein gutes thermisches und mechanisches Verhalten zeigt, wenn die Dicke h des Trägers aus Aluminium kleiner ist als oder genauso groß ist wie ein Sechstel der Dicke 1 der Sammelschiene 1.

Die Verteilung der Schweißpunkte entlang der Schiene wird als Funktion der möglichen Verteilung der A.nschlußorgane und weiterhin in der Weise gewählt, daß der Bimetallstreifen keine Tendenz zeigt, sich zwischen den Schweißpunkten von der Schiene zu lösen.

Es ist festzustellen, daß die Stromzirkulation zwischen der Kupferschicht und der Sammelschiene nur über die Schweißpunkte erfolgt. Es ist folglich überflüssig, eine besonders kostspielige Behandlung zwischen den miteinander in Berührung stehenden Aluminiumflächen durchzuführen oder ein als guter Leiter wirkendes Fluid dazwischen anzuordnen.

Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß der Querschnitt des Schweißpunktes kreisförmig ist. Es ist jedoch ersichtlich, daß das Verfahren und die Abmessungen, welche bei der Durchführung des Verfahrens gewählt werden, lediglich von der Oberfläche des Schweißpunktes in der V/eise abhängen, daß dann, wenn dieser beispielsweise quadratisch oder rechteckig ist, der Durchmesser entsprechend dimensioniert sein muß, um einen äquivalenten Querschnitt zu haben. Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens und die Maßnahmen, welche seine

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gute Durchführung ermöglichen, sind für den Fall interessant, in welchem eine Zinnschicht vor dem Schweißen auf die Kuoferschicht aufgebracht wurde. Eine derartige Aufbringung einer solchen Schicht ist wegen der guten Leitungseigenschaften sowie der guten Reibungseigenschaften von Zinn interessant, welche direkt auf dem Aluminium nicht zu erreichen sind, ohne außerordentlich kostspielige Bearbeitungen vorzunehmen, um die Porosität der Schicht zu eliminieren.

Es sei darauf hingewiesen, daß für den Fall, daß die Kupferschicht bereits verzinnt ist, die Grundverfahrensweise im Prinzip dieselbe bleibt.

Wenn ein zusammengesetztes Band bzw. ein zusammengesetzter Streifen verwendet wird, welcher dann einen aluminium trag er 4-, eine Kupferschicht 3 und eine Zinnschicht 9 aufweist, so stellt man bei einem Befestigungsverfahren durch Schweißung eine geringe Diffusion des Zinns in das Elektrodenmaterial hinein fest. Wenn solche Vorgänge bei denselben Elektroden sehr häufig wiederholt werden, so wird dadurch eine fortschreitende Umwandlung des Materials in eine Bronze gefördert, wodurch die guten Kontakteigenschaften derart beeinträchtigt werden, daß Phänomene wie Verschweißen und Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem verzinnten Streifen auftreten.

Um diesen schädlichen Effekt zu vermeiden, ist das beschriebene Verfahren dahin weitergebildet worden, daß ein Streifen bzw. ein Band 10 aus Kupfer geringer Dicke dazwischengeschaltet wurde, beispielsweise mit einer Stärke von einem Zehntel Millimeter, und zwar zwischen die Elektrode^ind die Zinnschicht, wie es aus der Fig. 4- ersichtlich ist.

Dieses Kupferband wird einer schrittweisen Bewegung F unterzogen, welche dazu führt, daß an .jedem Schweißüunkt ein neuer metallischer Abschnitt angeboten wird, außer an der Stelle des vorher-

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gehenden Kontaktes.

Da die Aufbringung von Zinn nur in den Zonen erwünscht ist, an denen ein Anschluß angebracht"werden soll, läßt sich auch eine selektive Verzinnung in dem Bereich durchführen, welcher für die Kupferschicht bestimmt ist.

Gemäß Fig. 5 ist durch eine Maske 11 aus Plastikmaterial ein Kupfer-Aluminium-Band 3» 4- geschützt, welches in seiner Schiene 12 läuft, wenn darauf eine Zinnschicht 9 aufgebracht wird, beispielsweise auf elektrolytischem Weg. Die durch die Ablagerung geschützten Bereiche wie 13 könnten eventuell dazu verwendet werden-, Schweißelektroden anzuwenden. Im übrigen verhindert die Maske jegliche überflüssige Ablagerung auf anderen Teilen des Streifens oder Bandes.

Die in der Fig. 6 dargestellte Art der Verzinnung unterscheidet sich von der Art der oben beschriebenen Verzinnung nur durch die Form der Maske 14, welche einen Bereich 15 aufweist, der .jegliche Ablagerung von Zinn in dem mittleren Bereich 16 des verkupferten Bandes verhindert.

- Patentansprüche -

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Claims (6)

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   Patentansprüche

   <■ 1 ./verfahren zur Anbringung von dünnen Schichten aus Kupfer
   und/oder Zinn an Sammelschienen aus Aluminium im Hinblick
   auf die Anbringung von abnehmbaren Stromanschlüssen mit
   geringem Kontaktwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifen (2), welcher aus einem Aluminiumträger (4-) und aus einer Kupferschicht (3) gebildet ist, durch elektrisches Punktschweißen an der Sammelschiene (i) befestigt wird, wobei die Punkte (7) /jeweils in einem Bereich ο bzw. G der Kupferoberfläche angeordnet sind, welcher jeweils verzinnt ist, welcher nicht mit einem elektrischen Anschlußorgan (17) in Berührung kommt, sondern dessen Umgebung, und daß der
   ochweißpunkt zwischen den Aluminiumoberflächen angeordnet
   ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (h) des Trägers im wesentlichen zwischen einem Drittel und einem Sechstel des Durchmessers (d) des Schweißpunktes liegt.
3. -). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (h) zwischen einem Viertel und einem JTünftel des Durchmessers (d) des Schweißpunktes liegt.
4. 4-. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Dicke
   (h + e) des Streifens und der Dicke (1) der Schiene im
   wesentlichen eins zu sechs ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf die frirof erschicht eine Zinnschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektrode (5)» welche auf der Seite der verzinnten Oberfläche (9) angeordnet ist und derselben
   im Augenblick der Schweißung ein dünnes Band (10) aus Kupfer zwischengelegt wird, welches nach jedem Schweißvorgang verschoben wird.

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   ■25H563

   - ίο -
6. 6. Verfallren nach Anspruch 1, bei welchem auf die Kupferschicht eine Zinnschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in bestimmten Bereichen der Kupferschicht durch ein Schutzverfahren begrenzt ist, bei welchem eine Maske (11 , bzw. 14, 16) während des Beschichtungsvorganges mit Zinn auf elektrolytischem Weg dazwischen angeordnet wird.

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