EP1730813A1 - Verfahren zur verbindung eines anschlusselements mit einem aus aluminium bestehenden elektrischen leiter sowie nach diesem verfahren hergestellter elektrischer leiter - Google Patents

Verfahren zur verbindung eines anschlusselements mit einem aus aluminium bestehenden elektrischen leiter sowie nach diesem verfahren hergestellter elektrischer leiter

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EP1730813A1
EP1730813A1 EP04789548A EP04789548A EP1730813A1 EP 1730813 A1 EP1730813 A1 EP 1730813A1 EP 04789548 A EP04789548 A EP 04789548A EP 04789548 A EP04789548 A EP 04789548A EP 1730813 A1 EP1730813 A1 EP 1730813A1
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Gebauer and Griller
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Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting a connection element made of copper or a copper alloy for a cable, in particular a cable lug, to an electrical cable which has a conductor made of aluminum.
  • the invention further relates to an electrical conductor produced by this method and formed with a connection element.
  • connection elements In order to connect conductors made of aluminum with connection elements, in particular with cable lugs, it is known to glue them together using an electrically conductive plastic material, to solder or weld them together, or to connect them to one another in a form-fitting manner by means of deformation or compression.
  • an electrically conductive plastic material In order to connect conductors made of aluminum with connection elements, in particular with cable lugs, it is known to glue them together using an electrically conductive plastic material, to solder or weld them together, or to connect them to one another in a form-fitting manner by means of deformation or compression.
  • existing connection element is not in direct contact, since otherwise, if a liquid acting as an electrolyte acts on this connection, an electrochemical process occurs, by which the conductor consisting of aluminum is decomposed, thereby destroying the electrical and mechanical connection.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method by which, using the difficulties explained above, an aluminum conductor is permanently connected to a connection element made of copper or a copper alloy.
  • a connection element made of copper or a copper alloy.
  • connection element has a sleeve which is placed on the aluminum conductor and the zinc is applied to the end face of the aluminum conductor located within the sleeve and fused to the aluminum conductor and to the connection element.
  • the sleeve and the aluminum conductor can also be connected to one another by mechanical deformation of the sleeve.
  • connection element consisting of copper or a copper alloy
  • connection element is formed on the surfaces facing the conductor made of aluminum with a coating of nickel and that there is also between the coating a layer of zinc is made of nickel and the aluminum conductor, the layer of zinc preferably being provided on the end face of the aluminum conductor located within the sleeve.
  • Fig.l shows an electrical cable formed with a connecting element, in axial section.
  • an electrical cable 1 which consists of an electrical conductor 11, which is preferably formed by a plurality of wires made of aluminum and which is surrounded by insulation 12.
  • a connection element 2 is applied to the electrical conductor 11, which is formed by a sleeve 21 and by a connection lug 22.
  • the connection element 2 is provided with a coating 3 made of nickel on the surfaces facing the electrical conductor 11.
  • a layer 4 of zinc is applied inside the sleeve 21 to the end face of the electrical conductor 11, which layer is connected to the conductor 11 by means of a plasma welding process by means of a melting process.
  • the electrical connection of the connection element 2 made of copper with the conductor 11 made of aluminum is thus made via the coating 3 made of nickel and the layer 4 made of zinc.
  • the sleeve 21 can be connected to the conductor 11 by mechanical deformation of the sleeve 21.
  • Copper has a melting point of 1,085 ° C
  • nickel has a melting point of 1,453 ° C
  • zinc has a melting point of 419 ° C
  • aluminum has a melting point of 660 ° C.
  • connection element 2 In this configuration of the connection of the connection element 2 with the cable 1, it is essential that the aluminum conductor 11 of the cable 1 is not directly connected to the connection element 2 made of copper or a copper alloy, but that there are two layers between these two components 3 and 4 are located, which consist of such metals, which are in the electrochemical series between aluminum and copper, whereby the risk of decomposition of the conductor 11 made of aluminum is very much reduced.
  • the decisive factor for this effect is that aluminum has a standard potential of -1,676 volts and copper has a standard potential of at least 0.337 volts, each measured against a normal hydrogen electrode.
  • the potential frequency between these two metals causes the aluminum to decompose in the presence of an electrolyte.
  • the standard potential of which is between that of aluminum and copper, the potential differences occurring between the metals are reduced, as a result of which the risk of electrochemical decomposition is greatly reduced.
  • the method for producing this connection is also essential, which consists in that the layer 4 made of zinc, which is between the nickel coating 3 of the connecting element 2 and the conductor 11, is made of zinc, in particular by means of a plasma welding method large amount of energy is applied, through which the zinc and the adjacent wires are melted from aluminum and form an alloy with one another.
  • the connection element 2 provided with the coating 3 made of nickel is optimally connected to the conductor 11 made of aluminum. Since the coating 3 made of nickel has a very high melting point compared to the layer 4 made of zinc, the contact surfaces of the coating 3 made of nickel are not damaged or the surface quality of the coating 3 made of nickel on the connecting element 2 is retained.

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Description

Verfahren zur Verbindung eines Anschlusselementes mit einem aus Aluminium bestehenden elektrischen Leiter sowie nach diesem Verfahren hergestellter elektrischer Leiter
Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung bestehenden Anschlusselementes für ein Kabel, insbesondere eines Kabelschuhs, mit einem elektrischen Kabel, welches einen aus Aluminium bestehenden Leiter aufweist. Die Erfindung betrifft weiters einen nach diesem Verfahren hergestellten, mit einem Anschlusselement ausgebildeten elektrischen Leiter.
Es ist bekannt, elektrische Leiter, insbesondere solche, welche in Kraftfahrzeugen verwendet werden, aus Aluminium herzustellen. Die Vorteile von aus Aluminium hergestellten elektrischen Leitern bestehen darin, dass Aluminium gegenüber anderen Metallen, insbesondere Kupfer, aus welchen gleichfalls elektrische Leiter hergestellt werden, wesentlich billiger ist, dass es ein geringes Gewicht aufweist, dass es leicht verarbeitbar ist und dass es sehr korrosionsbeständig ist. Der Grund dafür allerdings, dass ungeachtet seiner besonderen Vorteile Aluminium für die Herstellung von elektrischen Leitern nicht allgemein verwendet wird, liegt darin, dass es gegenüber anderen Metallen eine wesentlich geringere Festigkeit aufweist, weswegen die Anschlusselemente, insbesondere Kabelschuhe, aus anderen Metallen, insbesondere aus Kupferlegierungen, wie Messing, hergestellt werden müssen. Dabei besteht jedoch das Erfordernis, die insbesondere aus Kupferlegierungen hergestellten Anschlusselemente mit den Leitern aus Aluminium dauerhaft zu verbinden.
Um aus Aluminium hergestellte Leiter mit Anschlusselementen, insbesondere mit Kabelschuhen, zu verbinden, ist es bekannt, diese mittels eines elektrisch leitenden Kunststoffmaterials zu verkleben, diese miteinander zu verlöten oder zu verschweißen oder diese durch Verformung bzw. Verpressung miteinander formschlüssig zu verbinden. Dabei besteht jedoch weiters das Erfordernis zu gewährleisten, dass der aus Aluminium hergestellte Leiter mit dem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung od.dgl. bestehenden Anschlusselement nicht in direktem Kontakt steht, da andernfalls dann, soferne an dieser Verbindung eine als Elektrolyt wirkende Flüssigkeit zur Wirkung kommt, ein elektrochemischer Prozess auftritt, durch welchen der aus Aluminium bestehende Leiter zersetzt wird, wodurch die elektrische und mechanische Verbindung zerstört wird. Der gegenständlichen Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch welches unter Verwendung der vorstehend erläuterten Schwierigkeiten ein aus Aluminium bestehender Leiter mit einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Anschlusselement in dauerhafter Weise verbunden wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das Anschlusselement, welches an seinen dem Leiter aus Aluminium zugewandten Flächen mit einer Beschichtung aus Nickel versehen ist, mit dem Leiter aus Aluminium mittels Zink verschweißt wird.
Vorzugsweise wird das zwischen dem Anschlusselement und dem Leiter aus Aluminium befindliche Zink mit dem Leiter aus Aluminium, insbesondere mittels eines Plasmaschweiß Verfahrens, verschmolzen. Nach einer weiters bevorzugten Ausführungsform weist das Anschlusselement eine Hülse auf, welche auf den Leiter aus Aluminium aufgesetzt wird und wird das Zink auf die innerhalb der Hülse befindliche Stirnfläche des Leiters aus Aluminium aufgebracht und mit dem Leiter aus Aluminium sowie mit dem Anschlusselement verschmolzen. Weiters können die Hülse und der Leiter aus Aluminium miteinander auch durch mechanische Verformung der Hülse verbunden werden.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Leiter aus Aluminium, welcher mit mindestens einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Anschlusselement ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement an den dem Leiter aus Aluminium zugewandten Flächen mit einer Beschichtung aus Nickel ausgebildet ist und dass sich weiters zwischen der Beschichtung aus Nickel und dem Leiter aus Aluminium eine Lage von Zink befindet, wobei die Lage aus Zink vorzugsweise auf der innerhalb der Hülse befindlichen Stirnfläche des Leiters aus Aluminium vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Fig.l zeigt ein mit einem Anschlusselement ausgebildetes elektrisches Kabel, in axialem Schnitt.
In Fig.l ist ein elektrisches Kabel 1 dargestellt, welches aus einem elektrischen Leiter 11 besteht, welcher vorzugsweise durch eine Vielzahl von Drähten aus Aluminium gebildet ist und welcher von einer Isolierung 12 umschlossen ist. Am abisolierten Ende des Kabels 1 ist auf den elektrischen Leiter 11 ein Anschlusselement 2 aufgebracht, welches durch eine Hülse 21 und durch eine Anschlussfahne 22 gebildet ist. Das Anschlusselement 2 ist jedenfalls an den dem elektrischen Leiter 11 zugewandten Flächen mit einer aus Nickel bestehenden Beschichtung 3, versehen.
Innerhalb der Hülse 21 ist auf die Stirnfläche des elektrischen Leiters 11 eine Lage 4 aus Zink aufgebracht, welche mit dem Leiter 11 mittels eines Plasmaschweißverfahrens durch einen Aufschmelzvorgang verbunden ist. Die elektrische Verbindung des Anschlusselementes 2 aus Kupfer mit dem Leiter 11 aus Aluminium erfolgt somit über die Beschichtung 3 aus Nickel und die Lage 4 aus Zink. Zudem kann die Hülse 21 mit dem Leiter 11 durch mechanische Verformung der Hülse 21 verbunden sein.
Kupfer weist einen Schmelzpunkt von 1.085°C auf, Nickel weist einen Schmelzpunkt von 1.453°C auf, Zink weist einen Schmelzpunkt von 419 °C auf und Aluminium weist einen Schmelzpunkt von 660 ° C auf.
Bei dieser Ausbildung der Verbindung des Anschlusselementes 2 mit dem Kabel 1 ist es maßgeblich, dass der aus Aluminium bestehende Leiter 11 des Kabels 1 mit dem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Anschlusselement 2 nicht unmittelbar verbunden ist, sondern dass sich zwischen diesen beiden Bauteilen zwei Lagen 3 und 4 befinden, welche aus solchen Metallen bestehen, welche in der elektrochemischen Spannungsreihe zwischen Aluminium und Kupfer liegen, wodurch die Gefahr einer Zersetzung des aus Aluminium bestehenden Leiters 11 sehr stark verringert wird.
Maßgeblich für diesen Effekt ist es, dass Aluminium ein Normpotential von -1.676 Volt und Kupfer ein Normpotential von zumindest 0.337 Volt, jeweils gemessen gegen eine Wasserstoff-Normalelektrode, aufweisen. Die zwischen diesen beiden Metallen bestehende Potentialfrequenz verursacht bei Vorhandensein eines Elektrolyten eine Zersetzung des Aluminiums. Sofern sich jedoch zwischen diesen beiden Metallen mindestens ein solches Metall befindet, dessen Normpotential zwischen demjenigen von Aluminium und Kupfer liegt, tritt eine Verminderung der jeweils zwischen den Metallen auftretenden Potentialdifferenzen auf, wodurch die Gefahr einer elektrochemischen Zersetzung stark herabgesetzt wird.
Neben dieser Kombination von Metall, durch welche ein elektrolytisches Zersetzen der Verbindung zwischen dem Leiter 11 aus Aluminium und dem Anschlusselement 2 weitgehend vermieden wird, ist auch das Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung wesentlich, welches darin besteht, dass die zwischen der aus Nickel bestehenden Beschichtung 3 des Anschlusselementes 2 und dem Leiter 11 aus Aluminium befindliche Lage 4 aus Zink, insbesondere mittels eines Plasmaschweißverfahrens, mit einer großen Energiemenge beaufschlagt wird, durch welche das Zink und die anliegenden Drähte aus Aluminium geschmolzen werden und miteinander eine Legierung bilden. Hierdurch wird das mit der Beschichtung 3 aus Nickel versehene Anschlusselement 2 mit dem Leiter 11 aus Aluminium in optimaler Weise verbunden. Da die Beschichtung 3 aus Nickel einen gegenüber der Lage 4 aus Zink sehr hohen Schmelzpunkt aufweist, werden die Kontaktflächen der Beschichtung 3 aus Nickel nicht geschädigt bzw. bleibt die Oberflächengüte der Beschichtung 3 aus Nickel am Anschlusselement 2 erhalten.
Durch die erläuterte Kombination aus Metallen und das erläuterte Verfahren durch Verschweißung zur Verbindung des Anschlusselementes 2 aus Kupfer bzw. aus einer Kupferlegierung mit dem Leiter 11 aus Aluminium wird eine so hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Verbindung gewährleistet, dass auf Maßnahmen zu deren Abdichtung, z.B. durch Aufbringung von Fetten, verzichtet werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Verbindung eines aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung bestehenden Anschlusselementes (2) für ein Kabel (1), insbesondere eines Kabelschuhs, mit einem elektrischen Kabel (1), welches einen aus Aluminium bestehenden Leiter (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (2), welches an seinen dem Leiter (11) aus Aluminium zugewandten Flächen mit einer Beschichtung (3) aus Nickel versehen ist, mit dem Leiter (11) aus Aluminium mittels Zink (4) verschweißt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Anschlusselement (2) und dem Leiter (11) aus Aluminium befindliche Zink (4) mit dem Leiter (11) aus Aluminium, insbesondere mittels eines Plasmaschweißverfahrens, verschmolzen wird.
3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (2) eine Hülse (21) aufweist, welche auf den Leiter (11) aus Aluminium aufgesetzt wird und dass das Zink (4) auf die innerhalb der Hülse (21) befindliche Stirnfläche des Leiters (11) aus Aluminium aufgebracht und mit dem Leiter (11) aus Aluminium sowie mit dem Anschlusselement (2) verschmolzen wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (21) und der Leiter (11) aus Aluminium miteinander auch durch mechanische Verformung der Hülse (21) verbunden werden.
5. Elektrischer Leiter aus Aluminium, welcher mit mindestens einem aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Anschlusselement (2) ausgebildet ist und welcher nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (2) an den dem Leiter (11) aus Aluminium zugewandten Flächen mit einer Beschichtung (3) aus Nickel ausgebildet ist und dass sich weiters zwischen der Beschichtung (3) aus Nickel und dem Leiter (11) aus Aluminium eine Lage (4) von Zink befindet.
6. Elektrischer Leiter nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (2) mit einer Hülse (21) ausgebildet ist, welche den Leiter (11) aus Aluminium umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der innerhalb der Hülse (21) befindlichen Stirnfläche des Leiters (11) aus Aluminium eine Lage (4) aus Zink befindet.
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