DE2726107A1

DE2726107A1 - Verfahren zum herstellen eines pressverbundenen erzeugnisses aus mindestens zwei metallteilen

Info

Publication number: DE2726107A1
Application number: DE19772726107
Authority: DE
Inventors: Jun Harry Day Frueauff
Original assignee: FRUEAUFF JUN
Current assignee: FRUEAUFF JUN
Priority date: 1976-06-10
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1977-12-22
Also published as: FR2354473B1; JPS6036353B2; DE2726107C2; JPS52151653A; FR2354473A1; GB1559029A; US4047658A; CA1062052A

Description

Harry Day FRUEAUFF jr., Tallahassee, Florida (USA)

Verfahren zum Herstellen eines preßverbundenen Erzeugnisses aus mindestens zwei Metallteilen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines preßverbundenen Erzeugnisses aus mindestens zwei Metallteilen, wobei das erste Metallteil sowie das zweite Metallteil in ein geschlossenes Gesenk eingelegt sowie hoher Druck auf das äußere Ende von zumindest einem der in dem geschlossenen Gesenk befindlichen Metallteile ausgeübt wird.

Es ist bekannt, zwei Metalle unter Druckanwendung derart miteinander zu verbinden, daß im Fließzustand in der Berührungsebene der beiden Metalle Metallpartikel von dem einen Metall in das andere einwandern und umgekehrt, daß ferner hierbei Verunreinigungen an den Metalloberflächen beseitigt werden, so daß schließlich eine feste Verbindung zwischen den beiden Metallen hergestellt wird.

Es treten jedoch bei der Verbindung von Bestandteilen eines Erzeugnisses, wie z.B. einem Verbinder für elektrische An-

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lagen, der aus verschiedenen Metallen, wie z.B. Aluminium oder Kupfer hergestellt wird, Schwierigkeiten derart auf, daß bei einer derartigen Anwendung Kriechströme in der Verbindung auftreten können. Dadurch biegt sich die Verbindung unter Umständen und öffnet sich gar, wodurch ein Widerstand sowie Wärme entsteht, was dazu führt, daß die elektrische Verbindung zwischen den Metallteilen gestört ist.

Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, die bekannte Verbindung von zwei Metallteilen unter Druck in der Richtung weiterzuentwiekeln, daß die seitherigen mechanischen und elektrischen Probleme einer derartigen Verbindung ausgeschaltet werden.

Die Lösung besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß in einem Ende des ersten Metallteils eine Vertiefung eingeformt wird, die groß genug ist, um ein Ende des zweiten Metallteils fest aufzunehmen und daß das eine Ende des zweiten Metallteils fest in die Vertiefung in dem ersten Metallteil eingelegt wird, daß sodann Druck ausgeübt wird und daß dadurch eine Relativbewegung der Metallteile aufeinanderzu eingeleitet, daß dadurch ein Fließen der Metalle mit Wandern des einen Metalls in das andere sowie umgekehrt an den Berührungspunkten bewirkt, daß zugleich Oberflächenunreinheiten von der Zwischenfläche der zusammengefügten Abschnitte der Metallteile entfernt werden und daß letztendlich

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eine Metall-in-Metall-Verbindung zwischen den Metallen bewirkt ist.

In vorteilhafter Weise wird in dem einen Ende des ersten der zu verbindenden Metallteile eine Vertiefung geschaffen, die so groß ist, daß sie ein Ende des zweiten Metallteils fest aufnimmt. Das erste Metallteil sowie das zweite Metallteil werden in ein geschlossenes Gesenk gelegt, wobei das eine Ende des zweiten Metallteils fest in die Vertiefung des ersten Metallteils hineinragt. Auf das äußere Ende von mindestens einem der Metallteile wird sodann hoher Druck ausgeübt. Hierdurch wird in dem geschlossenen Gesenk eine Relativbewegung der beiden Metallteile zueinander bewirkt, wodurch die Metallteile zusammenfließen und ein gegenseitiges Wandern von Metallpartikeln an der Berührungsfläche von einem in das andere Metallteil erfolgt. Bei diesem Prozeß werden auch Unreinheiten der Oberfläche an der Verbindungsfläche entfernt. Es wird somit zwischen den beiden Metallen eine elektrisch sowie mechanisch einwandfreie Verbindung erhalten.

Nach einer Ausgestaltung besitzt die Vertiefung in dem ersten Metallteil einen im allgemeinen konischen Boden, wobei sich dessen mittleres Teil zu dem offenen Ende der Vertiefung hin hervorragt. Des weiteren kann mindestens ein Schlitz in dem einen Ende des zweiten Metallteils gebildet werden,

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wobei sich der Schlitz zu dem einen Ende des zweiten Metallteils hin erstreckt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Metallteile an ihrer Verbindungsfläche genügend verformt, um alle Unreinheiten der Oberfläche an dieser Verbindungsstelle möglichst weitgehend zu entfernen. Derart wird zwischen den verbundenen Teilen eine Art Kaltschweißung bewirkt, die sich dadurch auszeichnet, daß das Erzeugnis eine gute elektrische Leitfähigkeit ohne merklichen Widerstand oder die Neigung zu Korrosion besitzt. Gleichzeitig kann das stärkere Metall derart in dem anderen verankert werden, daß das Produkt beträchtlichen Zugkräften widersteht.

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung beispielsweise beschrieben; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein geschlossenes Gesenk mit den Stempeln in Ruhestellung vor der Druckanwendung sowie mit eingelegten Metallteilen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Anordnung entsprechend Fig. 1, jedoch nach Anwenden von Druck zur Bildung des fertigen Erzeugnisses,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein geschlossenes Gesenk vor dem Ausüben von Druck mit den zu verbindenden

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Metallteilen, wobei jedoch das eine Metallteil die Form eines Litzendrahtes besitzt und

Fig. 4 einen Längsschnitt entsprechend Fig. 3, jedoch nachdem Druck zur Bildung des fertigen Erzeugnisses ausgeübt wurde.

In der Zeichnung ist das geschlossene Gesenk im allgemeinen mit 10 bezeichnet. Zur leichteren Entnahme des fertigen Erzeugnisses kann ein geteiltes Gesenk verwendet werden. Sofern lediglich kleine Produkte erzeugt werden sollen, kann auch ein einteiliges Gesenk angewandt werden. Das Gesenk 10 ist mit einer sich axial erstreckenden durchgehenden öffnung 11 versehen, welche die Metallteile 12 und 13 (gemäß Fig. 1 und 2) oder 12a und 13a (gemäß Fig. 3 und 4) aufnimmt, die zu einem fertigen Erzeugnis, wie z.B. einem elektrischen Verbinder, auf die nachstehhnd beschriebene Weise verbunden werden sollen.

In dem oberen Ende der öffnung 11 ist axial beweglich ein Stempel 14 angebracht. In dem unteren Ende der öffnung 11 ist, ebenfalls axial beweglich, ein Gegenstempel 16 eingebaut. Das geschlossene Gesenk 10 und die Stempel 14 und 16 sind an sich bekannt und beispielsweise in der US-PS 2 978 vom 11. April 1961 erläutert.

Nach Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist in dem Ende des Metall-

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teils 12 gegenüber dem Metallteil 13 eine Aufηahme-Vertiefung 17 eingearbeitet, die das Metallteil 13 aufnimmt. Das Metallteil 12 kann aus Aluminium gefertigt sein, während das Metallteil 13 aus Kupfer bestehen kann. Das Ende des Metallteils 13, das in die öffnung 17 ragt, ist mit querverlaufenden Schlitzen 18 versehen, wodurch das Ende des Metallteils

13 sich nach außen in die in Fig. 2 dargestellte Stellung erweitert, nachdem auf die äußeren Enden der Metallteile 12 und 13 durch die Stempel 14 und 16 Druck ausgeübt wurde. Vorzugsweise sind zwei querverlaufende Schlitze 18 derart eingearbeitet, daß sich jeder Schlitz senkrecht zum anderen erstreckt, um das anliegende Ende des Metallteils 13 in vier einzelne gleich große Teile 19 zu teilen.

Fig. 1 und 2 zeigen außerdem, daß der Stempel 14 mit einem Teil 21 verringerten Durchmessers versehen ist, welches das benachbarte Metallteil 12 in die in Fig. 2 gezeigte Form verformen kann, um dadurch in dem Metallteil 12 eine längliche Vertiefung 22 zu schaffen, die groß genug ist, um ein herkömmliches elektrisches Verbindungsstück (Verbinder) aufzunehmen. Das dem Stempel 14 gegenüberliegende Ende des Gegenstempels 16 ist mit einer sich nach oben öffnenden Vertiefung 23 (Fig. 1 und 2) versehen, die das Metallteil 13 aufnimmt, wobei die Metallteile 13 und 12 von dem Gegenstempel 16 vor der Anwendung von Druck getragen werden. Jeder Stempel

14 und 16 ist wirkungsmäßig mit Druckmitteln verbunden, wel-

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ehe die Stempel 14 und 16 aufeinanderzu bewegen, wobei äußerst hohe Druckkräfte auf die äußeren Enden der Metallteile 12 und 13 ausgeübt werden· Dadurch verformen sich die Metallteile 12 und 13, wenn also die gegenüberliegenden Stempel 14 und 16 unter äußerst hohen Druckkräften mit oder ohne Wärme-Zufuhr aufeinanderzu bewegt werden, von der in Fig. 1 dargestellten in die in Fig. 2 dargestellte Form. Da die Metallteile 12 und 13 innerhalb der geschlossenen Form gehalten werden, ist eine seitliche Bewegung des Metalls ausgeschlossen. Dadurch wird erreicht, daß die benachbarten Metalle 12 und 13 an ihren jeweiligen Berührungspunkten zusammenfließen, wobei an der Fließgrenze ein Metall in das andere molekular eindringt. Als weitere Folge werden Oberflächenverunreinigungen von der Berührungsfläche der zu verbindenden Metallteile entfernt und eine echte Metallverbindung zwischen ihnen hergestellt.

Die sich in dem innersten Ende des Metallteils 13 befindlichen Querschlitze 18 erleichtern eine Bewegung der Teile 19 nach außen und zwar von der in Fig. 1 dargestellten in die in Fig. 2 dargestellte Lage. Um die Teile 19 weiter nach außen zu zwingen, ist der Boden der Aufnahme 17 in dem Metallteil 12 im allgemeinen von konischer Form, wie bei 20 angedeutet, wobei sich dessen mittlerer Teil zu dem offenen Ende der Vertiefung 17 erstreckt, wie in Fig. 1 dargestellt wurde.

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Nach den Fig. 1 und 2 besitzt das Metallteil 13 die Form eines festen Teiles, wie z.B. eines Drahtes oder eines stangenähnlichen Teiles. Aus Fig. 3 und 4 ist ein Metallteil 12a, z.B. aus Aluminium ersichtlich, das mit einer Vertiefung 17a zur Aufnahme eines gelitzten Drahtes 13a versehen ist. Der Boden der Aufnahme 17a besitzt eine im allgemeinen konische Form, wie bei 20a angedeutet wurde, deren mittlerer Teil zu dem offenen Ende der Vertiefung 17a hin in eine Stellung ragt, in welcher der Konus mit dem inneren Ende des gelitzten Drahtes 13a so zusammenwirkt, daß die einzelnen Litzen 19a des gelitzten Drahtes 13a nach außen in die in Fig. 4 dargestellte Stellung gezwungen werden.

Die Metallteile 12a und 13a befinden sich in einem geschlossenen Gesenk 10, wie oben beschrieben, das mit sich gegenüberliegenden Stempeln 14 bzw. 16 versehen ist. Der Stempel 14 ist mit einem Teil 21 von verringertem Durchmesser versehen, daß das Metallteil 12a verformt, so daß in ihm eine sich nach außen öffnende Vertiefung 22 gebildet wird, die geeignet ist, ein herkömmliches elektrisches Verbindungsstück (Verbinder) in einer dem Fachmann bekannten Weise aufzunehmen. Das Ende des dem Stempel 14 gegenüberliegenden Gegenstempel 16 ist mit einer Vertiefung 23 versehen, welcher den gelitzten Draht 13a, wie in Fig. 3 dargestellt wurde, aufnimmt. Sobald sich die Stempel 14 und 16 nach innen aufeinanderzu bewegen, werden die Metallteile 12a und 13a

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verformt, wobei sie sich von der in Fig. 3 gezeigten in die in Fig. 4 dargestellte Form verformen. Wenn sich das Metallteil 12a auf das benachbarte Ende des gelitzten Drahtes 13a zubewegt, wirkt die konische Vertiefung 20a mit der Mitte der Drahtlitzen zusammen und zwingt die einzelnen Litzen 19a an dem inneren Ende des gelitzten Drahtes 13a in die in Fig. 4 dargestellte äußere Lage.

Die Metallteile 12 und 12a können vorzugsweise aus Aluminium und die Metallteile 13 und 13a können aus Kupfer bestehen, es können jedoch auch andere Metalle verwendet werden. So könnten z.B. die Metallteile 12 und 12a aus schmiedbarem Stahl bestehen, während die Metallteile 13 und 13a entweder aus Aluminium oder aus Kupfer gebildet werden können.

Um höchste elektrische Leitfähigkeit des fertigen Verbindungsstückes zu erzielen, kann eines oder auch beide der miteinander zu verbindenden Metallteile mit Indium oder Zinn überzogen werden. Vorzugsweise wird das feste Kupferteil 13 mit Indium und das gelitzte Drahtteil 13a mit Zinn überzogen. Da die Metallteile in einem geschlossenen Gesenk aufeinanderzu bewegt werden, fließen die Metalle an ihren Berührungsflächen unter Verformung ineinander und es werden im wesentlichen alle Oberflächenunreinheiten von der Berührungsfläche entfernt und dadurch eine reine Metall-inMetall-Verbindung geschaffen. Dadurch ergibt sich praktisch

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eine Kaltschwelßung zwischen den verbundenen Teilen. Ferner wird eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen den verbundenen Teilen ohne merklichen Widerstand oder Korrsosionsmöglichkeit geschaffen. Bei der Verformung der Metallteile fließen sie in eine Form, die sowohl eine gute mechanische Verbindung bewirkt, als auch gegenüber hohen mechanischen Kräften widerstandsfähig ist. Somit besitzen die fertigen Teile ausreichende elektrische Leitfähigkeit und es können an ihren verbundenen Flächen keine Kriechströme auftreten. Dies beruht auf der Tatsache, daß die beiden Metalle ineinander-fließen und sich molekular ineinander verhaken, nachdem von den Enden des geschlossenen Gesenkes durch die Formstempel Druck angewandt wurde. Die so erhaltene enge Metall-Metall-Berührung schafft die erwähnte gute elektrische sowie mechanische Verbindung. Wenn eines oder beide der zu verbindenden Metalle beispielsweise mit Zinn oder Indium überzogen ist, wird zwischen den verbundenen Metallteilen eine noch bessere elektrische Verbindung hergestellt.

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Claims

Harry Day FRUEAUFF jr., Tallahassee, Florida (USA) Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines preßverbundenen Erzeugnisses aus mindestens zwei Metallteilen, wobei das erste Metallteil sowie das zweite Metallteil in ein geschlossenes Gesenk eingelegt sowie hoher Druck auf das äußere Ende von zumindest einem der in dem geschlossenen Gesenk befindlichen Metallteile ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ende des ersten Metallteils (12,12a) eine Vertiefung (17,17a) eingeformt wird, die groß genug ist, um ein Ende des zweiten Metallteils (13,13a) fest aufzunehmen und daß das eine Ende des zweiten Metallteils (13,13a) fest in die Vertiefung (17,17a) in dem ersten Metallteil (12, 12a) eingelegt wird, daß sodann Druck ausgeübt wird und daß dadurch eine Relativbewegung der Metallteile aufeinanderzu eingeleitet, daß dadurch ein Fließen der Metalle mit Wandern des einen Metalls in das andere sowie umgekehrt an den Berührungspunkten bewirkt, daß zugleich Oberflächen-Unreinhei-

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Hefnersplatz 3 Telefon (09 ti) Telex Telegramme Bayer. Vereinsbank Stadtsparkasee Postscheckkonto

ORIGINAL INSPECTED

ten von der Zwischenfläche der zusammengefügten Abschnitte der Metallteile entfernt werden und daß letztendlich eine Metallin-Metall-Verbindung zwischen den Metallen bewirkt ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (17,17a) des ersten Metallteils (12,12a) an ihrem inneren Ende (20,2Oa) konusförmig derart ausgeformt wird, daß das mittlere Teil des Konus zum offenen Ende der Vertiefung hinweist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das eine Ende des zweiten Metallteils (13,13a) mindestens ein Schlitz (18) eingeformt wird, der sich zu dem einen Ende des zweiten Metallteils (13,13a) hin öffnet.

4. Verfahren gemäß einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metallteil (13, 13a) ein im wesentlichen festes Teil ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metallteil (13,13a) ein gelitzter Draht ist.

6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Metallteile (12,13,12a,13a) bei der Druckanwendung erwärmt werden.

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7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metallteile (12,12a, 13,13a) vor der Druckanwendung mit einem anderen Metall überzogen wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als anderes Metall Indium oder Zinn aufgetragen wird.

9. Verfahren gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbaustoff für die Metallteile (12,12a,13,13a) unterschiedliche Metalle in das Gesenk eingelegt werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbaustoff die Metalle Aluminium und Kupfer eingelegt werden.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbaustoff die Metalle schmiedbarer Stahl und Aluminium eingelegt werden.

12. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbaustoff die Metalle schmiedbarer Stahl und Kupfer eingelegt werden.

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