EP1186080B1 - Elektrisch leitende verbindung zwischen einer endelektrode und einem anschlussdraht - Google Patents

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EP1186080B1
EP1186080B1 EP00945607A EP00945607A EP1186080B1 EP 1186080 B1 EP1186080 B1 EP 1186080B1 EP 00945607 A EP00945607 A EP 00945607A EP 00945607 A EP00945607 A EP 00945607A EP 1186080 B1 EP1186080 B1 EP 1186080B1
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EP
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electrically conductive
conductive connection
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raised
blind hole
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Frank Bothe
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H—ELECTRICITY
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
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    • H01T1/22—Means for starting arc or facilitating ignition of spark gap by the shape or the composition of the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/02—Details

Definitions

  • the invention is in the field of electrically conductive Connections and is one in the design Welded connection between an end electrode of a gas-filled Discharge path - like a surge arrester or a switching spark gap - and a connecting wire.
  • connection technology is in the rest of connection wires with a diameter ⁇ 1 mm hardly applicable.
  • the invention is therefore based on the object, the integral Design the connection so that it is manufacturing technology Easier to manufacture and also for wire diameters under 1 mm can be used.
  • the raised connection area with an axial blind hole is provided and that the connecting wire with one end inserted into the blind hole and by means of laser welding is connected to the raised connection area. expedient several welding spots are evenly distributed around the circumference intended.
  • a cohesive connection formed in this way can be due to the known use of a laser beam for the supply of welding energy with very high reproducibility the welding parameter and consequently also with safer Establish connection quality.
  • the coaxiality between lead wire and the solder flange of the electrode is alone determined by the coaxiality of the blind hole to the solder flange.
  • the establishment of the connection brings only a small heat load of the arrester with itself.
  • the new connection can both for galvanically coated or uncoated Electrodes made of copper or of iron or non-ferrous alloys, especially iron-nickel alloys, as well used for bare or nickel-plated or tinned copper wires be, with a nickel or tin coating the Absorbance for the laser light improved.
  • a layer thickness of 6 ⁇ m has proven to be advantageous.
  • the laser beam is very accurate positioned and metered in terms of its thermal energy can be, with material initially during welding melted from the top of the raised connection area is that then with the subsequent melting material of the wire end connects.
  • connection area of the end electrode provided according to the invention can be cylindrical. It is advantageous however, a configuration as a truncated cone, because then the laser beam can be positioned so that it is preferred strikes the surface of the truncated cone at right angles; in this case there is an optimal heat absorption.
  • the dimensions of the frustoconical connection area should be within the following limits for wire diameters of 0.5 to 3 mm: Cone angle ⁇ 30 to 80 °, Height h 0.2 to 3 mm, Base diameter D 1 to 8 mm; Die diameter d 0.5 to 7 mm; Depth d of the blind hole 0.2 to 16 mm.
  • the blind hole should be cold extruded be slightly conical.
  • FIG. 1 An embodiment of the new welded connection is in Figure 1 shown.
  • Figures 2 to 6 also show several embodiments for an end electrode with raised Connection area and Figure 7 a variant for the design of the end of a connecting wire to be welded.
  • the 1 is a gas-filled surge arrester 1, that of a ceramic insulator 2 and the two end electrodes 11 and 12 is provided with two connecting wires 3, the each axially cohesive with the end electrodes 11 and 12 are connected.
  • Each end electrode has a solder flange 13 and is centered on this soldering flange within a calotte 15 provided with a raised connection area 14, in which is the welding point 5.
  • the sublime Connection area 14 provided with a blind hole 16, in the one end of the lead wire 3 is inserted.
  • the sublime Connection area 14 is designed as a truncated cone, wherein for welding this connection area to the connection wire a laser beam 4 incident at an angle ⁇ the lateral surface of the raised connection area directed has been.
  • the raised connection area according to FIG. 3 can be used for electrode bodies without dome one axially over the solder flange 13 protruding truncated cone 17, or one according to Figure 4 Cylinder stump 18.
  • the raised connection area can also be made in this way be designed so that the truncated cone 19 has a crown width of b has 0 mm.
  • the raised connection area can be designed as a hollow cylindrical socket-shaped insert 20 be formed, the inserted into a corresponding hole in the electrode body or is soldered.

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  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Manufacturing Of Electrical Connectors (AREA)
  • Connections Arranged To Contact A Plurality Of Conductors (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Insulated Conductors (AREA)
  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrische leitenden Verbindungen und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung einer Schweißverbindung zwischen einer Endelektrode einer gasgefüllten Entladungsstrecke - wie einem Überspannungsableiter oder einer Schaltfunkenstrecke - und einem Anschlußdraht anzuwenden.
Bei gasgefüllten Überspannungsableitern oder gasgefüllten Schaltfunkenstrecken mit napfartig ausgebildeten Endelektroden ist es bekannt, die aus Kupfer bestehenden Endelektroden bei deren Herstellung durch Fließpressen einstückig mit einem erhabenen, zapfenartigen Anschlußbereich zu versehen, der mittig zum Lötflansch der Endelektrode in deren napfartiger Vertiefung angeordnet ist. Aus US 4,266,260 A das als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, ist eine elektrisch leitende Verbindung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Um eine sichere stoffschlüssige Verbindung zwischen diesem Anschlußbereich und dem einen Ende des Anschlußdrahtes durch Widerstandsschweißung zu gewährleisten, ist es weiterhin bekannt, den erhabenen Anschlußbereich in Abhängigkeit vom Durchmesser des Anschlußdrahtes in bestimmter Weise zu dimensionieren (EP 0 034 360 B1 / US 4,362,962 A). - Bei der Herstellung derartiger Schweißverbindungen fließen relativ große Ströme, die eine erhebliche Erwärmung der Endelektrode bewirken und damit auch die angrenzende Lötstelle zum Isolator thermisch belasten. Diese Verbindungstechnik ist im übrigen bei Anschlußdrähten mit einem Durchmesser < 1 mm kaum noch anwendbar.
Ausgehend von einer elektrisch leitenden Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die stoffschlüssige Verbindung so auszugestalten, daß sie fertigungstechnisch einfacher hergestellt und auch für Drahtdurchmesser unter 1 mm eingesetzt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß Anspruch 1 der Erfindung vorgesehen, daß der erhabene Anschlußbereich mit einem axialen Sackloch versehen ist und daß der Anschlußdraht mit seinem einen Ende in das Sackloch eingeführt und mittels einer Laserschweißung mit dem erhabenen Anschlußbereich verbunden ist. Zweckmäßig werden mehrere Schweißpunkte gleichmäßig am Umfang verteilt vorgesehen.
Eine derart ausgebildete stoffschlüssige Verbindung läßt sich infolge der an sich bekannten Verwendung eines Laserstrahles zur Zufuhr der Schweißenergie mit sehr hoher Reproduzierbarkeit der Schweißparameter und demzufolge auch mit sicherer Verbindungsqualität herstellen. Die Koaxialität zwischen Anschlußdraht und Lötflansch der Elektrode ist dabei allein durch die Koaxialität des Sackloches zum Lötflansch bestimmt. Die Herstellung der Verbindung bringt eine nur geringe Wärmebelastung des Ableiters mit sich. Die neue Verbindung kann dabei sowohl für galvanisch beschichtete oder unbeschichtete Elektroden aus Kupfer oder aus Eisen- oder Nichteisen-Legierungen, insbesondere Eisen-Nickel-Legierungen, als auch für blanke oder vernickelte oder verzinnte Kupferdrähte eingesetzt werden, wobei eine Nickel- oder Zinnbeschichtung den Absorptionsgrad für das Laserlicht verbessert. Hierzu kommen Schichtdicken von 1 bis 100 µm in Betracht. Eine Schichtdicke von 6 µm hat sich als vorteilhaft erwiesen. Für den Schweißvorgang ist dabei von Vorteil, daß der Laserstrahl sehr genau positioniert und hinsichtlich seiner Wärmeenergie dosiert werden kann, wobei während der Schweißung zunächst Material von der Kuppe des erhabenen Anschlußbereiches aufgeschmolzen wird, daß sich dann mit dem anschließend aufschmelzenden Material des Drahtendes verbindet.
Der gemäß der Erfindung vorgesehene Anschlußbereich der Endelektrode kann zylindrisch ausgebildet sein. Vorteilhaft ist jedoch eine Ausgestaltung als Kegelstumpf, weil dann der Laserstrahl so positioniert werden kann, daß er vorzugsweise rechtwinklig auf die Mantelfläche des Kegelstumpfes auftrifft; in diesem Fall ist eine optimale Wärmeabsorption gegeben.
Die Abmessungen des kegelstumpfförmigen Anschlußbereiches sollten bei Drahtdurchmessern von 0,5 bis 3 mm innerhalb folgender Grenzen liegen:
Kegelwinkel α 30 bis 80 °,
Höhe h 0,2 bis 3 mm,
Basisdurchmesser D 1 bis 8 mm;
Stumpfdurchmesser d 0,5 bis 7 mm;
Tiefe d des Sackloches 0,2 bis 16 mm.
Mit Rücksicht auf eine einfache Herstellbarkeit der Endelektroden durch Kaltfließpressen sollte das Sackloch dabei leicht konisch ausgebildet sein.
Ein Ausführungsbeispiel der neuen Schweißverbindung ist in Figur 1 dargestellt. Die Figuren 2 bis 6 zeigen weiterhin mehrere Ausführungsbeispiele für eine Endelektrode mit erhabenen Anschlußbereich und Figur 7 eine Variante für die Ausgestaltung des zu verschweißenden Endes eines Anschlußdrahtes.
Gemäß Figur 1 ist ein gasgefüllter Überspannungsableiter 1, der aus einem Keramikisolator 2 und den beiden Endelektroden 11 und 12 besteht, mit zwei Anschlußdrähten 3 versehen, die jeweils axial mit den Endelektroden 11 und 12 stoffschlüssig verbunden sind. Jede Endelektrode weist einen Lötflansch 13 auf und ist mittig zu diesem Lötflansch innerhalb einer Kalotte 15 mit einem erhabenen Anschlußbereich 14 versehen, in dem sich die Schweißstelle 5 befindet. Hierzu ist der erhabene Anschlußbereich 14 mit einem Sackloch 16 versehen, in den das eine Ende des Anschlußdrahtes 3 eingeführt ist. Der erhabene Anschlußbereich 14 ist als Kegelstumpf gestaltet, wobei zum Verschweißen dieses Anschlußbereiches mit dem Anschlußdraht ein unter einem Winkel β einfallender Laserstrahl 4 auf die Mantelfläche des erhabenen Anschlußbereiches gerichtet wurde.
Gemäß Figur 2 ist der mittig und damit konzentrisch zum Lötflansch 13 der Endelektrode 12 liegende Anschlußbereich durch folgende Parameter gekennzeichnet:
  • Fußdurchmesser D,
  • Stumpfdurchmesser d,
  • Tiefe t des Sackloches,
  • Breite b der Kuppe des Kegelstumpfes,
  • Höhe h des erhabenen Anschlußbereiches,
    • wobei die Grundfläche des eigentlichen Elektrodenkörpers die Bezugsfläche bildet,
       Durchmesser e der Sacklochbohrung,
       Kegelwinkel α,
       Einfallswinkel β des Laserstrahles in Bezug auf die Mantelfläche des Kegelstumpfes.
    Für einen Durchmesser von 1 mm für den Anschlußdraht 3 haben sich folgende Werte für die verschiedenen Parameter als zweckmäßig erwiesen:
    Durchmesser D 3,3 mm
    Durchmesser d 2 mm
    Breite b 0,4 mm
    Höhe h 1,5 mm
    Tiefe t 3 mm
    Durchmesser e 1,05 mm
    Kegelwinkel α 55 °
    Einfallswinkel β 90 °
    Abweichend von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform kann der erhabene Anschlußbereich gemäß Figur 3 bei Elektrodenkörpern ohne Kalotte einen über den Lötflansch 13 axial hinausragenden Kegelstumpf 17 bilden, oder gemäß Figur 4 einen Zylinderstumpf 18.
    Gemäß Figur 5 kann der erhabene Anschlußbereich auch derart ausgebildet sein, daß der Kegelstumpf 19 eine Kuppenbreite von b gleich 0 mm hat.
    Gemäß Figur 6 kann der erhabene Anschlußbereich als hohlzylindrischer, buchsenförmiger Einsatz 20 ausgebildet sein, der in eine entsprechende Bohrung des Elektrodenkörpers eingesetzt oder eingelötet ist.
    Gemäß Figur 7 kann das mit dem erhabenen Abschlußbereich zu verlötende Drahtende des Drahtes 31 mit einem angestauchten Nagelkopf 32 und einem Zapfen 33 versehen sein, um den Draht mit einem Anschlußbereich zu verlöten, der gemäß Figur 4 zylindrisch gestaltet ist und eine relativ breite Kuppe aufweist.

    Claims (5)

    1. Elektrisch leitende Verbindung zwischen einer Endelektrode einer gasgefüllten Entladungsstrecke wie einem Überspannungsableiter oder einer Schaltfunkenstrecke und einem Anschlußdraht,
      bei der die Endelektrode einen Lötflansch aufweist und mittig zu diesem Lötflansch mit einem erhabenen Anschlußbereich versehen ist
      und bei der der Anschlußdraht mit seinem einen Ende mit dem erhabenen Anschlußbereich stoffschlüssig verbunden ist,
      dadurch gekennzeichnet, daß der erhabene Anschlußbereich (14) mit einem axialen Sackloch (16) versehen ist
      und daß der Anschlußdraht (3) mit seinem einen Ende in das Sackloch (16) eingeführt und mittels einer Laserschweißung (4) mit dem erhabenen Anschlußbereich (14) verbunden ist.
    2. Elektrisch leitende Verbindung nach Patentanspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß der erhabene Anschlußbereich (14) als Kegelstumpf ausgebildet ist.
    3. Elektrisch leitende Verbindung nach Patentanspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf (14) bei einem Durchmesser des Anschlußdrahtes (3) von 0,2 bis 3 mm
      einen Kegelwinkel α von 30 bis 80°,
      eine Höhe h von 0,2 bis 3 mm,
      einen Basisdurchmesser D von 1 bis 8 mm und
      einen Stumpfdurchmesser d von 0,5 bis 7 mm aufweist, während das axiale Sackloch (16) eine Tiefe t von 0,2 bis 16 mm aufweist.
    4. Elektrisch leitende Verbindung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Sackloch (16) leicht konisch ausgebildet ist.
    5. Elektrisch leitende Verbindung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Elektrode wenigstens im Anschlußbereich als auch der Anschlußdraht (3) mit einer galvanisch aufgebrachten Nickel- oder Zinn-Schicht versehen sind.
    EP00945607A 1999-06-16 2000-06-07 Elektrisch leitende verbindung zwischen einer endelektrode und einem anschlussdraht Expired - Lifetime EP1186080B1 (de)

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