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Verfahren zum Verbinden der Enden von stumpf aneinanderstoßenden Stromleitern
in Form von Litzen oder Seilen Die feste Verbindung von Stromleitern kann bekanntlich
außer durch die mechanischen Verfahren des Klemmens und Spleißens auch durch Weich-
oder Hartlötung erfolgen. Wegen der bekannten Nachteile dieser Verfahren hat man
verschiedentlich versucht, die im Maschinenbau so erfolgreich angewandte Elektroschweißung
auch für die Verbindung von Stromleitern nutzbar zu machen. Während zur Verbindung
von Einzeldrähten bzw. Leitern mit vollem Querschnitt bereits Geräte verschiedener
Hersteller zur Verfügung stehen, wurde bisher noch kein Verfahren angegeben, das
sich vernehmlich zur elektrischen Stumpfschweißung von mehrdrähtigen Stromleitern
eignet. Bei einem der bekannten, hauptsächlich für Einzeldrähte vorgesehenen Verfahren
erfolgt die Verbindung der Stromleiter mittels der elektrischen Stumpfschweißung
derart, daß die auf Schweißwärme erhitzten Leiterenden durch Anwendung eines genügend
starken Stauchdruckes aneinandergeschweißt werden. Dieser Stauchdruck bedingt aber
eine ausreichend große Steifigkeit des Stromleiters, um eine Biegung oder ein Ausknicken
zwischen Einspann- und Schweißstelle zu vermeiden, so daß sich das Verfahren zur
Schweißung von mehrdrähtigen Leitern, wie z. B. Litzen, die aus vielen dünnen Einzeldrähten
bestehen, nicht eignet. Außerdem würden die dünnen Drähte bei der für den Gesamtquerschnitt
erforderlichen
höheren Stromstärke sofort abschmelzen oder verbrennen,
zumindest aber Oxydationserscheinungen zeigen, die bei der im Verhältnis zum Querschnitt
sehr großen Oberfläche der vielen dünnen Drähte besonders nachteilig wirken würden.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist der an der Stoßstelle entstehende Schweißwulst,
der in vielen Fällen eine Nachbearbeitung der Schweißstelle erforderlich macht.
Bei solchen Verfahren ist es auch bekannt, das eine Leiterende unter der Einwirkung
einer starken Feder ständig gegen das andere Leiterende anzupressen und den Schweißstrom
in Abhängigkeit eines vom Nachschubweg des axial verschiebbaren Leiterendes gesteuerten
Hilfskontaktes selbsttätig abzuschalten.
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Zur Vermeidung einiger dieser Nachteile wurde schon vorgeschlagen,
die Schweißung dünner Leitungsdrähte innerhalb eines die Drahtenden eng umschließenden
Hüllkörpers aus feuerfestem Isolierstoff durchzuführen. Aber da auch dieses Verfahren
nach der obenerwähnten Widerstands-Stumpfschweißung arbeitet, die stets einen gewissen
Stauchdruck zum Gegeneinanderdrücken der auf Schweißwärme erhitzten Leiterenden
erforderlich macht, sind hierbei besondere Maßnahmen, wie z. B. die Anbringung von
Stützhülsen zur Verhinderung des Ausknickens insbesondere dünner Drähte, nötig.
Eine Schweißung mehrdrähtiger Leiter läßt sich auch nach diesem Verfahren nicht
durchführen, da die Litze oder das Seil sich bei Anwendung eines auch schon geringen
Druckes vor dem Hüllkörper bzw. vor der Stützhülse aufbauschen würde, so daß der
Stauchdruck nicht bis zur Stoßstelle selbst übertragen werden könnte.
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Ein anderes bekanntes Verfahren erlaubt zwar die Verbindung von mehrdrähtigen
Kupferadern und Kabeln, jedoch unter Verwendung eines Lotes geringer Schmelztemperatur,
das zwischen die stumpf aneinanderstoßenden Aderenden eingelegt wird. Durch elektrische
Widerstandserhitzung wird das Lot zum Schmelzen gebracht, wobei eine die Verbindungsstelle
dicht umschließende Muffel aus feuerfestem Stoff ein Auslaufen des geschmolzenen
Lotes verhindert. Aber auch hierbei ist die Anwendung eines gewissen Stauchdruckes
erforderlich, um eine einwandfreie Verlötung zu erzielen, so daß auch dieses Verfahren
keine Anwendung auf feindrähtige Kabeladern, Litzen usw. erlaubt, die sich beim
Nachdrücken vor der Muffel stauchen würden. Schließlich bringt die Anwendung von
Loten und Flußmitteln stets eine erhöhte Korrosionsgefahr mit sich und bedingt gegenüber
der lötmittelfreien Schweißung einen größeren Arbeitsaufwand.
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Allen bekannten Verfahren gemeinsam ist die verhältnismäßig lange
Dauer der Schweißung bzw. Lötung, insbesondere bei größeren Querschnitten, so daß
in vielen Fällen besondere Maßnahmen zur Wärmeableitung erforderlich werden, um
die Isolation der Kabelenden durch übermäßige Erwärmung nicht zu beschädigen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden der Enden von stumpf
aneinanderstoßenden Stromleitern in Form von Litzen oder Seilen durch elektrisches
Widerstandserhitzen unter Verwendung einer die beiden Leiterenden an der Stoßstelle
umschließenden Kammer aus hitzebeständigem Stoff von geringer Strom- und Wärmeleitfähigkeit.
Gemäß der Erfindung umschließt die Kammer die beiden Leiterenden mit einer vorzugsweise
zylindrischen Öffnung von rund dem x,zfachen Nenndurchmesser des Leiters, und die
beiden Leiterenden werden ohne zusätzliche Löt- oder Flußmittel im Bereich der Stoßstelle
durch elektrisches Widerstandserhitzen zum Schmelzen gebracht; dabei wird das eine
Leiterende entsprechend dem fortschreitenden Schmelzvorgang unter dem Einfluß einer
einstellbaren, ständig auf dieses Leiterende wirkenden Feder nachgeführt, bis das
abgeschmolzene Stromleitermaterial den Querschnitt der Kammer ausfüllt, worauf der
Schmelzstrom in Abhängigkeit eines vom Nachschubweg_ des axial verschiebbaren Leiterendes
gesteuerten Hilfskontaktes selbsttätig abgeschaltet wird.
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Beim- Verfahren gemäß der Erfindung wird daher folgendermaßen vorgegangen:
Die zu verschweißenden Leiterenden werden so eingespannt, daß sie in der Mitte einer
kreisrunden, zweckmäßigerweise keramischen Kammer mit einer Bohrung vom etwa z,zfachen
des Leiterdurchmessers stumpf zusammenstoßen. Nach Anlegen einer geeigneten Wechselspannung
an die beiden Einspannklemmen bringt der nachfolgende Stromdurchgang, der wegen
der guten Wärmeleitfähigkeit der Stromleiter eine möglichst hohe Stromdichte aufweisen
muß, von der Stoßstelle ausgehend die beiderseitigen Leiterenden durch Widerstandserhitzung
zum Schmelzen. Bei fortschreitender Schmelzung würde die Verbindung an der Schweißstelle
bald abreißen, wenn nicht einer der Leiter in axialer Richtung beweglich angeordnet
wäre und durch eine in dieser Richtung wirkende Kraft ständig nachgeschoben würde.
Dadurch wird erreicht, daß der Kammerquerschnitt stets mit Schmelzgut voll ausgefüllt
bleibt und so eine Hohlraumbildung in der Schweißung vermieden wird. Nun muß weiterhin
dafür gesorgt werden, daß der Schmelzvorgang im richtigen Augenblick durch Abschalten
des Stromes beendet wird. Dies ist dann der Fall, wenn gerade so viel Leiterstoff
geschmolzen ist, daß der ganze Kammerquerschnitt auf einige mm Länge ausgefüllt
wird, so daß sämtliche Einzeldrähte beiderseits einwandfrei in der Schmelze eingebettet
sind. Am Schweißgerät ist ein elektrischer Kontakt angebracht, der von der beweglichen
Einspannvorrichtung nach Zurücklegen einer vorher einstellbaren Weglänge die Unterbrechung
des Stromes bewirkt.
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Wesentlich für das Verfahren gemäß der Erfindung ist demnach die elektrische
Widerstands-Schmelzschweißung in geschlossener Kammer in Verbindung mit der selbsttätigen
Steuerung durch den Schmelzvorgang, wodurch die aufgeführten Mängel der bekannten
Verfahren beseitigt werden. So wird bei der Schmelzschweißung kein Stauchdruck ausgeübt,
da ja das Leiterende beim Nachschieben in die flüssige Schmelze fast keinen Gegendruck
erfährt und somit die auf den Leiter über die Einspannklemmen ausgeübte Nachschubkraft
nur die an sich geringe Reibung am Eingang der Schmelzkammer zu überwinden hat.
Der Spielraum zwischen Leiterdurchmesser und Kammerbohrung kann nämlich so reichlich
gewählt
werden, daß sich Litzen oder Seile gleichen Querschnittes
bei den fertigungstechnisch bedingten Abweichungen vom Nenndurchmesser annähernd
reibungslos in ein und dieselbe Kammer einschieben lassen, was selbst bei hochflexiblen
Kupferlitzen ohne Stauchung vor der Kammer gelingt. Erfahrungsgemäß genügt hierfür
eine io°/oige Überschreitung des Leiternenndurchmessers, so daß keine fühlbare Verdickung
an der Verbindungsstelle auftritt und eine Nachbearbeitung entfällt.
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Die Energieumsetzung in geschlossener Kammer zusammen mit der selbsttätigen
Steuerung durch den Schmelzvorgang erlaubt die Anwendung hoher Stromdichten bei
entsprechend kurzer Schweißdauer. Die kurze Schweißzeit wirkt sich in folgender
Hinsicht günstig aus Die Glühdauer von Leiterteilen in den Wärmeeinflußzonen wird
auf ein Mindestmaß beschränkt. Eine fühlbare Erwärmung der Einspannklemmen oder
gar des Leiters außerhalb der Klemmen kann nicht auftreten. Oxydationserscheinungen
an den kurzzeitig erwärmten Leiterteilen neben der Kammer bleiben so geringfügig,
daß die Festigkeit der Verbindung hiervon nicht beeinträchtigt wird. An der Stoßstelle
selbst kann überhaupt keine Oxydation auftreten, da die Luft keinen Zutritt zur
inneren Schmelzzone hat, während sie über den nach den Kammerausgängen liegenden
Leiterteilen im wesentlichen durch den beim Schmelzvorgang entstehenden plötzlichen
Gasüberdruck nach außen verdrängt wird. Besondere Vorkehrungen zur Verhinderung
des Lufteintritts in die Kammer sind daher nicht erforderlich, wodurch der erwähnte
Spielraum von io °/o zwischen Leiterdurchmesser und Kammerbohrung möglich wird.
So werden auch an die Maßhaltigkeit der Kammerbohrung keine allzu hohen Anforderungen
gestellt, und die Schmelzkammer kann in beliebiger Gestaltung in ungeschliffener
Ausführung aus einem Stoff, der lediglich genügend feinkörnig, verschleißfest, hitze-
und temperaturwechselbeständig sein muß, preiswert hergestellt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung ist nachfolgend beschriebenes Gerät zur Stumpfschweißung von 1,5 mm2 Kupferlitze.
Das Gerät besteht aus folgenden Hauptteilen: Schaltschütz, Umspanner, Schweißgestänge
und Schmelzkammer.
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Das Schütz dient zum Schalten des Primärstromes, es wird über einen
Arbeitskontakt zum Ansprechen und über einen vom Leiternachschub gesteuerten Hilfskontakt
zum Abfallen gebracht. Der Sekundärkreis des Umspanners schließt sich über das Schaltgestänge
und die eingespannten Leiterenden. Mit Rücksicht auf die nur kurze Schweißdauer
ist die Verwendung eines Umspanners mit einer im Verhältnis zur Schweißleistung
sehr kleinen Nennleistung möglich, da die Verlustwärme bei Bemessung des Umspanners
vernachlässigt werden kann.
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Das Schweißgestänge dient zum Einspannen und Führen der Leiterenden
sowie zur Stromzuführung. Eine einstellbare Feder sorgt für leichten, stetigen Anpreßdruck
an der Stoßstelle vor der Schweißung und für den Leiternachschub während der Schweißung.
Das Schweißgestänge ist mit einem Hilfskontakt zur Beendigung des Schweißvorganges
versehen. Der Hilfskontakt ist einstellbar, um so die Länge der Schweißstelle bzw.
der Schmelzzone beliebig vorwählen zu können.
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Die Bedienung des zum Anschluß an 220 V, 5o Hz vorgesehenen Gerätes
ist sehr einfach und beschränkt sich im wesentlichen auf das Einspannen der vorher
abisolierten Leiterenden, das Niederdrücken eines Betätigungshandgriffes und das
Herausnehmen des geschweißten Leiters nach Lösen der beiden Einspannklemmen. Da
kein Schweißwulst entsteht, ist auch kein Nacharbeiten der Schweißstelle erforderlich.
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Die so erhaltenen Schweißungen zeigen ein stets gleichbleibendes Aussehen.
An eine -volle, zylindrische Schmelzzone von 1,8 mm Durchmesser und 2 bis q. mm
Länge schließt sich nach beiden Seiten eine mit Schmelze mehr oder weniger durchsetzte
Übergangszone von j e 2 bis 3 mm an, so daß die Gesamtlänge der starren Verbindung
etwa 6 bis io mm beträgt. In der Übergangszone sind die an sich ungeschmolzenen
Einzeldrähte des Leiters in das nach beiden Seiten eingedrungene Schmelzgut eingebettet.
Eine metallographische Untersuchung an geschweißten, verzinnten Kupferlitzen ergab,
daß auch in der Übergangszone eine vollkommene Diffusion des Cu-Grundgefüges mit
dem Gußgefüge an der Grenzschicht eingetreten ist. Damit ist bewiesen, daß selbst
bei einer Zinnauflage neben der Schmelzzone keine Oxydationserscheinungen auftreten
und in der Schmelzzone selbst eine einwandfreie Legierung des Grundmetalls mit der
Auflage erfolgt.
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Die Verschmelzung sämtlicher Einzeldrähte der beiden Leiterenden im
eigenen Werkstoff ergibt, zusammen mit der Querschnittsvergrößerung an der Schweißstelle,
eine bessere Leitfähigkeit als im Leiter selbst. Da weder Zusatzstoffe noch Flußmittel
verwendet werden, zeigt die Schweißverbindung die gleiche Dauerhaftigkeit und Korrosionsbeständigkeit
wie der unbehandelte Leiter.
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Die Festigkeit der Verbindung ist allein von der Beschaffenheit des
Leiterstoffes bzw. von der Art seiner Vorvergütung abhängig. Infolge der Querschnittsvergrößerung
in der eigentlichen Schmelzzone erfolgt bei Zerreißversuchen der Bruch stets in
den anschließenden, eben noch geglühten Leiterteilen, die nicht mehr mit der Schmelze
in Berührung gekommen sind. So kann z. B. bei Kupferlitzen als untere Grenze mit
der Festigkeit des Weichkupfers (23 kg/mm') gerechnet werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich zur Anwendung bei Stromleitern
jeder Art bei beliebigem Querschnitt und beliebiger Zahl der Einzeldrähte, sofern
der Stoff des Leiters überhaupt eine elektrische Schweißung erlaubt.