DE2517347C2

DE2517347C2 - Kontaktkörper und Herstellungsverfahren hierzu

Info

Publication number: DE2517347C2
Application number: DE2517347A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Ing.(grad.) 7531 Keltern Oberg; Dieter Dr.rer.nat. 7530 Pforzheim Stöckel
Original assignee: G Rau & Co 7530 Pforzheim De GmbH
Current assignee: G Rau & Co 7530 Pforzheim De GmbH
Priority date: 1975-04-19
Filing date: 1975-04-19
Publication date: 1981-10-15
Also published as: GB1527796A; US4019876A; FR2308181B1; DE2517347A1; FR2308181A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Da Kontaktstücke in vielen Fällen aus Kontaktwerkstoffen mit hoher Schweißbeständigkeit hergestellt werden müssen, lassen sich diese Kontaktstücke mit dem Träger durch Löten oder Schweißen nur schwer verbinden. Dies betrifft insbesondere die als Kontaktwerkstoffe gebräuchlichen Verbundwerkstoffe des Silbers mit nichtmetallischen Einschlüssen, beispielsweise AgCdO, AgSnO2, AgMgO, AgC u. a. Diese Kontaktwerkstoffe enthalten eingebettet in das Silbsrgrundmaterial nichtmetallische Partikel, beispielsweise aus Kadmiumoxid, Zinnoxid oder Magnesiumoxid, wobei die nichtmetallischen Einschlüsse auch als senkrecht zur Kontaktfläche orientierte faserartige Bahnen ausgebildet sein können. Zwar bewirken die nichtmetallischen Einschlüsse eine erwünschte hohe Schweißbeständigkeit beim Schaltvorgang, beim Verbinden der Kontaktwerkstoffe mit Trägerwerkstoffen führen sie jedoch zu erheblichen Fertigungsschwierigkeiten, wenn herkömmliche Schweiß- bzw. Lötverfahren angewendet werden.

Zur Befestigung von Kontaktstücken aus schweißbeständigem Kontaktmaterial an einem Träger ist es bereits bekannt, an dem Kontaktstück eine schweiß- oder lötfähige Rückseite vorzusehen. Derartige Zwischenschichten werden nach verschiedenen bekannten Verfahren erzeugt. Bei innenoxidiertem Material läßt sich beispielsweise die schweiß- bzw. lötfähige Schicht durch einseitige Oxidation oder durch vorheriges Unterplattieren einer Silberschicht erzeugen. Es besteht ferner die Möglichkeit der pulvermetallurgischen Herstellung einer löt- bzw. schweißfähigen Zwischenschicht durch mehrschichtiges Pressen bzw. Umformung mehrschichtiger Blöcke. Die Herstellung derartiger mit einer schweiß- oder lötfähigen Rückseite ausgerüsteter Kontaktstücke erfordert einen hohen Fertigungsaufwand.

Bekannt ist ferner die Verbindung von schweißbaren Kontaktwerkstoffen direkt mit einem Träger durch Ultraschall-Schweißen (CH-PS 4 58 560). Das Ultraschall-Schweißverfahren bietet Vorteile hinsichtlich der s geringen Wärmebelastung des Kontaktwerkstoffes, erzielt aber in der angegebenen direkten Verbindung in vielen Fällen keine ausreichende Scherfestigkeit Bestimmte günstige Materialkombinationen, z. B. AgCdO und Messing, lassen sich durch Ultraschall-Schweißung

ίο überhaupt nicht hinreichend fest verbinden.

Zum Stande der Technik unter Verwendung des Ultraschall-Schweißverfahrens gehört ein Kontaktieren von Stromträgern aus Aluminium, bei dem die Anschlußstellen zunächst mit einer Kontaktfolie durch Ultraschall-Punktschweißen oder Ultraschall-Rollschweißen überzogen werden (vgl. DE-OS 17 65 048). An den so vorbereiteten Anschlußstellen läßt sich dann eine Löt-, Schraub- oder Klemmverbindung herkömmlicher Art anbringen. Als Kontaktfolien sollen dabei auch Verbundfolien aus Kupfer und Aluminium oder Goldbzw. Silberfolien verwendet werden. Die Verbindung von Kontaktstücken mit dem bereits vorher im Ultraschall-Schweißverfahren plattierten Träger gestaltet sich wegen der zusätzlich erforderlichen Arbeitsgänge aufwendig und in der Massenherstellung kostspielig. In gleicher Weise nachteilig erscheint ein durch die DE-AS 17 66 344 vorbekanntes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Baugruppe in Hybridtechnik, bei dem die Lötstützpunkte aus Stücken aluminiumplattierter Kup.^rerfolie bestehen, die mittels Ultraschall direkt auf Tantalschichten aufgeschweißt werden. Hierbei ist vor der Herstellung der Lötstützpunkte ebenfalls ein zusätzlicher Arbeitsgang, nämlich die Herstellung der aluminiumplattierten Kupferfolie, erforderlich. Außerdem handelt es sich um eine sehr spezielle Verfahrenstechnik, bei der durch die im Dünnschichtverfahren erzeugte Oxidschicht hindurch eine Schweißverbindung mit den nicht oxidierten Tantalschichten erzeugt wird. Die Anschluß- bzw. Kontaktelemente müssen in üblicher Weichlottechnik mit den vorbereiteten Anschlußstellen verbunden werden.

Haftungsvermittelnde Zwischenschichten aus einem gut kaltschweißbaren Material, nämlich aus Aluminium, sind beim Löten, beispielsweise durch die DE-AS 12 68 472 bereits bekannt. Dabei wird von der physikalischen Eigenschaft der Bildung eines niedrig schmelzenden Eutektikums zwischen Silber bzw. Kupfer und Aluminium Gebrauch gemacht. Auf diese Weise können Silberkontakte mit Kontaktträgorn aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Lötung bei Temperaturen um 560° verbunden werden, ohne daß die beim Herstellen der Silberkontakte erzielte Verformungshärte des Silbers verloren geht. Bei der beschriebenen Lötung entsteht an der Grenfläche zwischen Silberkontakt und Kontaktträger jeweils aus der Schmelze ein niedrig schmelzendes Eutektikum. Bei der Ultraschall-Schweißung als Kaltschweißung erfolgt dagegen ein Aufreißen und gegenseitiges Verzahnen der Oberflächenbereiche durch die im wesentlichen parallel zu den zu verbindenden Oberflächen liegende Schwingungsamplitude des Ultraschall-Schwingers. Für die Bildung derartiger Verzahnungen ohne schmelzflüssige Phase sind andere Materialeigenschaften wesentlich als bei der Legierungsbildung.

Ein flußmittelfreies, thermisches Hartlötverfahren unter Mitwirkung von Ultraschall ist in der US-PS 10 55 098 beschrieben. Dort werden Schallschwingungen dazu benutzt, um an Schwingungsknoten Kavitäten

zu erzeugen, durch die eine verbesserte Lötverbindung erreicht werden solL Die eigentliche Verbindung zwischen den Werkstoffen kommt auch hier durch einen Legierungsprozeß zustande, welcher eine zusätzliche Wärmeeinwirkung mit Temperaturen über der Schmelztemperatur des Lotes erfordert.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß auf kostengünstigem Wege, insbesondere unter Vermeidung der Herstellung von plattierten Zwischenfolien, auch solche Kontaktmaterialien mit Trägerwerkstoffen verbindbar sind, die bei der direkten Anwendung des Kaltschweißverfahrens mit Ultraschall keine hinreichende Haftung ergeben. Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt mit den Mitteln des Patentanspruchs 1. Beim Ultraschall-Schweißvorgang tritt hierbei eine überraschend feste Verbindung zwischen Kontaktstück und Träger auf. Ein-s mögliche Erklärung kann darin gesehen werden, daß gut kaltschweißbare, metallene Werks'.offe nach ihrer Oberflächenstruktur die Bildung von Verzahnungen und Einlagerungen gegenüber den zu verbindenden Materialien begünstigen. Die Zwischenschicht kann entweder aus einem Reinmetall, wie Aluminium, gegebenenfalls aber auch aus Silber, Kupfer oder Titan bzw. aus einer Metallegierung mit entsprechenden Eigenschaften, beispielsweise aus einer Aluminium-Kupferlegierung, bestehen.

Nützliche Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Bei Verwendung eines Folienzuschnitts, auf den das Kontaktstück bzw. mehrere Kontaktstücke aufgelegt werden und der größer ist als die Bandkontur der Kontaktstücke wird beim Schweißvorgang durch den hohen Druck und die Reibebewegung unter dem Einfluß js der Ultraschall-Amplitude ein genau passendes Stück entsprechend der Größe der Verbindungsfläche des Kontaktstücks aus der zusammenhängenden Folie herausgetrennt. Das überschüssige Folienmaterial läßt sich besonders einfach als Restgitter entfernen. Die Folie kann aber gegebenenfalls auch aus Zuschnitten entsprechend der Größe der Verbindungsfläche bestehen.

In einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren lassen sich Träger und Folie gemeinsam streifenförmig kontinuierlich zuführen, und nach Auflage der Kontaktstücke kann die Ultraschall-Schweißung fortschreitend durchgeführt werden, wobei das überschüssige Folienmaterial anschließend als Restgitter vom streifenförmigen Träger abgehoben wird. Gegebenenfalls kann auch so eine zusätzliche kontinuierliche Zufuhr des Kontaktwerkstoffes zur Bildung der Kontaktstücke in Drahtoder Streifenform vorgesehen sein.

Unter Verwendung des angegebenen Verfahrens wurde u. a. ein neuartiger Kontaktkörper hergestellt, bei dem zwischen einem Kontaktstück aus AgCdO und einem Träger aus Messing unter Verwendung einer Aluminiumfolie eine Verbindung hoher Scherfestigkeit eintrat

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Kontaktkörper zeigen in vielen Anwendungsfällen vorteilhafte Eigenschaften, sie sind kostengünstig als Massenartikel herstellbar und ermöglichen die Verwendung von hochschweißfesten Kontaktwerkstoffen. Da bei der Ultraschall-Schweißung die zu verbindenden Teile nur unwesentlich erwärmt werden, bleiben die häufig zusätzlich geforderten mechanischen Eigenschaften des Trägers und des Kontaktstückes erhalten.

Ausführungsbeispiel

Ein Kontaktplättchen aus AgCdO, bei dem in ein Silbergrundmaterial nichtmetallische Einschlüsse von Kadmiumoxyd eingebracht waren, wies einen Durchmesser von 4,5 mm und eine Dicke von 1,5 mm auf. Nach Zwischenlage einer Aluminiumfolie aus Reinaluminium von 0,1 mm Dicke wurde dieses Kontaktstück mit einem als Träger dienenden Messingstreifen von 8 mm Brei'e und 0,7 mm Dicke durch Ultraschall-Schweißung verbunden.

Die Aufnahmeleistung des Ultraschall-Schwingers betrug 1200 V/, die Frequenz 20 kHz. Im Schweißvorgang wurde eine Druckkraft von etwa 75 kp ausgeübt. Die Schweißzeit betrug 1,5 see. Während der Schweißung löste sich der Restteil der Aluminiumfolie am Rande der Verbindungsfläche und wurde als Restgitter abgehoben.

Die Scherfestigkeit der Schweißverbindung betrug etwa 80 N/mm². Der Versuch, eine direkte Verbindung zwischen dem Kontaktplättchen aus AgCdO und dem Träger aus Messing durch Ultraschall-Schweißung herbeizuführen, blieb erfolglos und ergab überhaupt keine Haftung.

In der Abbildung ist ein Ultraschall-Schwinger 1 dargestellt, wobei die Pfeilrichtung die Hauptrichtung der Schwingungsamplitude angibt Kontaktplättchen 2 werden nacheinanderfolgend unter Zwischenlage einer Aluminiumfolie 3 mit einem Trägerstreifen 4 aus Messing verbunden. Der erforderliche Schweißdruck wird über einen Amboßteil 5 ausgeübt. Die einzelnen Kontaktplättchen 2 gelangen aus einem Vorratsbehälter über eine entsprechende, in der Zeichnung nicht dargestellte Zuführungsrutsche auf die Oberfläche der Aluminiumfolie 3. Die Vorschubrichtung der Aluminiumfolie 3 und des Trägers 4 ist durch parallele Pfeile angedeutet.

Hierr.u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers, bei dem mindestens ein Kontaktstück aus einem Kontaktmaterial hoher Schweißbeständigkeit durch Anwendung von Druck und Ultraschall durch Kaltschweißung mit einem metallenen Träger verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst zwischen das Kontaktstück und den Träger eine Folie aus einem gut kaltschweißbaren metallenen Werkstoff mit einer Dicke unterhalb von 1 mm lose eingelegt und anschließend die Ultraschall-Schweißung unter Druckanwendung ausgeführt wird.

2. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienstärke unterhalb 0,2 mm liegt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie wenigstens zum überwiegenden Anteil aus Aluminium besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktstück aus Silber-Kadmiumoxyd und der Träger aus Messing bestehen.