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Kontaktkörper und Herstellungsverfahren hierzu
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Die Erfindung betrifft einen Kontaktkörper, bei dem mindestens ein
Kontaktstück durch Schweißung mit einem Träger verbunden ist. Außerdem wird die
vorteilhafte Dwrchführung des Schweißverfahrens zur Herstellung derartiger Kontaktkörper
beschrieben.
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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 Silbergrundmaterial nichtmetallische Partikel, beispielsweise
aus Kadmiumoxid, Zinnoxid oder Magnesiumoxid, wobei die nichtmetallschen Einschlüsse
auch
als senkrecht zur Kontaktfläche orientierte faserartige Bahnen ausgebildet sein
können. Zwar bewirken die nichtmetallischen Einschlüsse eine erwünschte hohe Schweißbeständigkeit
beim Schaltvorgang; diese führt jedoch beim Verbinden der Kontaktwerkstoffe zu erheblichen
Fertigungsscwierigkeiten bei der Anwendung herkömmlicher Schweiß- oder Lötverfahren.
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Zur Befestigung von Kontaktstücken aus schweißbeständigem Kontaktmaterial
an einem Träger ist es bereits bekannt, an dem Kontaktstück eine schweiß- oder lötfähige
Rückseite votzusehen. 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 außerdem die bekannte Möglichkeit der pulvermetallurgischen
Herstellung einer löt- bzw. schweißfähigen Zwischenschicht durch mehrschichtiges
Pressen bzw. durch Umformung mehrschichtiger Blöcke. Die Herstellung derartiger
mit einer schweiB- oder lötfähigen Rückseite ausgerüsteter Kontaktstücke erfordert
einen erheblichen Fertigungsaufwand.
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Es ist ferner bekannt, schechl schweißbare Kontaktwerkstoffe durch
Ültraschall-Schweißen direkt mit einen Trager zu verbinden. Das Ültraschall-Schweißverfahren
bietet Vorteile hinschtlich der geringen Wärmebelastung des Kontaktwerkstoffes,
erzielt jedoch in der angegebenen direkten
Verbindung in vielen
Fallen keine ausreichende Scherfestigkeit. Bestimmte günstige Materialkombinationen,
z.b. AgOdO und Messing lasten sich durch die herkömmliche Ultraschall-Schweißung
überhaupt nicht hinreichend fest verbinden.
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Zum Stande der Technik unter Verwendung des Ültraschall-Schweiß-verfahrens
gehört auch ein Kontaktieren von Stromleitern aus Aluminium, bei aem die Anschlußstellen
zunächst mit einer Kontaktfolie durch Ültraschall-Punktschweißen oder Ültraschall-Rollschweißen
überzogen werden. n den so vorbereiteten Anschlußstellen läßt sich eine Löt-, Schraub-oder
Klemmverbindung anbringen. Als Kontaktfolien sollen dabei auch Verbundfolien aus
Kupfer und Aluminium oder Gold-bzw. Silberfolien verwendet werden. Die werbindung
von Kontaktstücken mit dem bereits vorner im Ultraschall-Schweißverfahren plattierten
Träger gestaltet sich ebenfalls aufwendig und in der Massenherstellung kostspielig.
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Die Erfindung geht von er Aufgabenstellung aus, einen Kontaktkörper
zu schaffen, bei dem mindestens ein Kontaktstück durch Schweißung mit einem Träger
verbunden ist, wobei zwischen dem Kontaktstück und dem Träger eine einwandfreie
Verbindung hoher Festigkeit vorliegen soll. Das Sennzeichnende der erfindung ist
darin zu sehen, daß zwischen m Kontaktstück und dem Träger eine Zwischenschicht
aus einem vor der Schweißung lose eingelegten, kaltschweißbaren metallenen werkstoff
angeordnet ist, und daß die Schweißung als Schall-Schweißung ausgeführt wird. Bei
einer derartigen Schall-Schweissung mit Frequenzen im Hörbereich etwa zwischen 20
kHz und 50Hz,
insbesondere bei gut kaltschweißbaren Zwischenschichten,
tritt eine überraschend feste Verbindung zwischen Kontaktstück und Träger auf. Gegenüber
einem Ültraschall-Schweißvorgang bietet die Schall-Schweißung insbesondere bei niederen
Frequenzen die Möglichke lt, im Schweißvorgang höhere Energien anzuwenden.
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Die Zwischenschicht kann entweder aus einem Reinmetall, vorteilhaft
aus Aluminium, gegebenenfalls aber auch aus Silber, Kupfer oder Titan bzw. aus einer
Metall-Legierung mit entsprechenden Eigenschaften, beispielsweise aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung,
bestehen. Es hat sich gezeigt, daß die Dicke der Zwischenschicht bei üblichen Abmessungen
von =Sontaktkörpern unterhalb von 1 mm, vorzugsweise unterhalb von 0,2 mm liegen
soll.
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Ein weiterer erheblicher Vorteil kann unter Umstanden dadurch erzielt
werden, daß die Zwischenschicht eine Pulverschicht ist. Die Schichtdicke liegt zweckmäßig
unterhalb 100 µm. Das Pulver kann dabei aus einer oder mehreren Komponenten mit
guten Kaltschweißeigenschaften bestehen.
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Ein besonders vorteilhafter Kontaktkörper läßt sich in der eise herstellen,
daß ein Kontaktstück aus Silber-Kadmiumoxid über eine aus Folie oder Pulver erzeugte
Zwischenschicht aus Aluminium mit einem Trager aus Messing verbunden ist.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kontaktkörpers kann
in der Weise ausgeführt werden, daß zur Bildung der Zwischenschicht zwischen das
Kontaktstück und den träger
eine metallene Folie, vorzugsweise lose
eingelegt wird, und daß eine Schall-Schweißung unter Druckanwendung durchgeführt
wird. Dabei 1Lann das Kontaktstück vorteilhaft auf einen Felienzuschnltt aufgelegt
werden, welcher großer ist als die handkontur des Kontaktstückes. Bei der Schall-Schweißung
wird dann ein Stück von der Größe des Kontaktstückes aus dem Folienmaterial herausgetrennt,
und die nicht benötigte Folie kann in Form eines Restgitters abgelöst werden. Die
Dicke der Folie liegt in der Größenordnung der Dicke der Zwischenschicht, d. h.
vorteilhaft unterhalb von 1mm, vorzugsweise unterhalb von 0,2 mm. Beim Schweißvorgang
wird durch den hohen Druck und die Reibebewegung uater dem Einfluß der Schallamplitude
ein genau passendes Stück entsprechend der Größe der Verbindungsfläche des Kontaktstückes
aus der zusammenhängenden Folie herausgerieben, und das überschüssige Folienmaterial
läßt sich besonders einfach entfernen. Die Folie kann gegebenenfalls auch zweckmäßig
aus Zuschnitten entsprechend der Größe der Verbindungsfläche bestehen.
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Ein weiterer Vorteil kann u. U. dadurch erreicht werden, daß in einem
kontinuierlichen Iferstellungsverfahren Träger und Folie gemeinsam, streifenförmig
kontinuierlich zugeführt werden, daß nach Auflage der Wontaktstücke die Schall-Schweißung
nacheinanderfolgend ausgeführt wird, und daß das überschüssige Folienmaterial anschließend
vom streifenförmigen Träger abgehoben wird. Es erscheint ferner gegebenenfalls auch
eine zusätzliche kontinuierliche Zufuhr des Lontaktwerkstoffes in Draht- oder Streifenform
zweckmäßig. Unter
Verwendung des angegebenen Verfahrens wurde u.
a. ein neuartiger Kontaktkörper erzeugt, bei dem zwischen einem Kontaktstück aus
AgCdO und einer von einer Aluminiumfolie herrührenden Zwischenschicht an einem Träger
aus Messing eine Verbindung hoher Scherfestigkeit eintrat.
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Ein anderes zweckmäßiges Verfahren kann in der Weise ausge-Eührt werden,
daß die pulverförmigen 3estandteile der Zwischenschicht entweder lose auf den Träger
aufgebracht, aufgestäubt oder mit einem Bindemittel auf das Kontaktstück und/oder
den Träger aufgestrichen werden. Zweckmäßig erwies sich beispielsweise die Verwendung
der bekannten Aluminiumbronze, welche ein teilweise flüchtiges Bindemittel enthalt.
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Bei der losen Häufung des zur Bildung der Zwischenschicht vorgesehenen
Pulvers ergibt sich beim Schall-Schweißvorgang meist ein seitliches Auspressen der
überschüssigen Pulvermenge, so daß die Bildung der beltrünschten, die Haftung vermittelnden
Zwischenschicht durch geringe Dosierungsunterschiede der Pulvermenge nicht gestört
wird. Die Schichtdicke der Pulverschicht liegt vorteilhaft vor der Schweißung bereits
unterhalb von 100/um. In manchen Fällen ist der direkte Zusammenhang in einer homogenen
Schicht nicht erforderlich und es genügen Pulverinseln mit unregelmäßigen Zwischenräumen.
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Die gemäß der Erfindung hergestellten Kontaktkörper zeigen in vielen
Anwendungsfällen vorteilhafte Eigenschaften. Sie sind kostengünstig als Massenartikel
herstellbar und ermöglichen
die Verwendung von hochschweißfesten
Kontaktwerkstoffen. Da bei der Schallschweißun, die zu verbindenden Teile ebenfalls
nur unwesentlich erwärmt werden, bleiben die ursprünglich vorhandenen mechanischen
Eigenschaften des Trägers und des Kontaktstückes in erwünschter Weise weitgehend
erhalten.
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Ausführungsbeispiel I: Ein xontaktplättchen aus AgCdO, bei dem in
ein Silbergrundmaterial nichtmetallische Einschlüsse von Kadmiumoxid 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 Breite und 0,7 mm Dicke
durch Schall-Schweißung verbunden. Die Aufnahmeleistung des Schall-Schwingers betrug
1200 W, die Frequenz 1C' kIIz. Im Schweißvorgang wurde eine Druckkraft von etwa
75 g ausgeübt. Die Schweißzeit betrug 1,5 sec. Wcihrend 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.
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Der Versuch, eine direkte Verbindung zwischen dem Kontaktplättchen
aus AgCdO und dem Träger aus Messing durch Schall-Schweißung herbeizuführen, blieb
erfolglos und ergab keinerlei Haftung.
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Ausführungsbeispiel II: Ein Kontaktplättchen aus AgCdO, bei dem in
ein Silbergrundmaterial nichtmetallische Einschlüsse aus Kadmiumoxid eingebracht
waren, wies einen Durchmesser von ' mm und eine Dicke von 1,5 mm auf. Nach dem hufhäufen
einer Pulverschicht aus Reinaluminium, bei der die Korngröße unterhalb 10zum lag,
wurde dieses Kontaktstück mit einem als Trager dienenden Messingstreifen von 10
mm Breite und 2 mm Dicke durch Schall-Schweißung verbunden.
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Die Aufnahmeleistung des Schallschwingers betrug 4000 W, die Frequenz
10 kIIz. Im Schweißvorgang wurde eine Druckkraft von etwa 1000 N ausgeübt. Die Schweißzeit
betrug 0,1 sec.
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Die Scherfestigkeit der Schweißverbindung betrug etwa 100 N/mm2.
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In der Abbildung ist ein Schallschwinger 1 dargestellt, wobei die
Pfeilrichtung F die llauptrichtung der Schwingungsamplitude angibt. Kontaktplättchen
2 wurden nacheinanderfolgend unter Zwischenlage einer Aluminiumfolie 3 bzw. unter
Einstäuben von Aluminiumpulver zur Bildung der Zwischenschicht 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.
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Die Vorschubrichtung der Aluminiumfolie 3 und des Trägers 4 ist durch
parallele Pfeile angedeutet.
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L e e r s e i t e