EP1730813B1 - Verfahren zur verbindung eines anschlusselements mit einem aus aluminium bestehenden elektrischen leiter sowie nach diesem verfahren hergestellter elektrischer leiter - Google Patents

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EP1730813B1 EP04789548A EP04789548A EP1730813B1 EP 1730813 B1 EP1730813 B1 EP 1730813B1 EP 04789548 A EP04789548 A EP 04789548A EP 04789548 A EP04789548 A EP 04789548A EP 1730813 B1 EP1730813 B1 EP 1730813B1
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Gebauer and Griller
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Gebauer and Griller Kabelwerke GmbH
Gebauer and Griller
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Definitions

  • the subject invention relates to a method for connecting a copper or copper alloy connecting element for a cable, in particular a cable lug, with an electrical cable having a conductor made of aluminum.
  • the invention further relates to a manufactured according to this method, formed with a connection element electrical conductor.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method by which, using the above-mentioned difficulties, an existing conductor made of aluminum with a copper or a copper alloy connecting element is permanently connected.
  • This is inventively achieved in that the connection element, which is provided on its the head of aluminum facing surfaces with a coating of nickel, with the conductor made of aluminum by means of a layer of zinc is welded.
  • the zinc present between the connection element and the conductor made of aluminum is fused to the conductor made of aluminum, in particular by means of a plasma welding process.
  • the connecting element has a sleeve which is placed on the conductor made of aluminum and the zinc is applied to the inside of the sleeve located end face of the conductor made of aluminum and fused with the conductor made of aluminum and with the connecting element.
  • the sleeve and the conductor made of aluminum can also be connected to each other by mechanical deformation of the sleeve.
  • An inventive electrical conductor made of aluminum, which is formed with at least one of copper or a copper alloy connecting element is characterized in that the connecting element is formed on the head of the aluminum facing surfaces with a coating of nickel and that further between the coating made of nickel and the aluminum conductor is a layer of zinc, wherein the layer of zinc is preferably provided on the inside of the sleeve located end face of the aluminum conductor.
  • 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 enclosed by an insulation 12.
  • a connecting element 2 is applied to the electrical conductor 11, which is formed by a sleeve 21 and by a connecting lug 22.
  • the connection element 2 is provided on the surfaces facing the electrical conductor 11 with a coating 3 made of nickel.
  • a layer 4 of zinc is applied to the end face of the electrical conductor 11, which is connected to the conductor 11 by means of a plasma welding process by a reflow process.
  • the electrical connection of the connecting element 2 made of copper with the conductor 11 made of aluminum thus takes place via the coating 3 of nickel and the layer 4 of zinc.
  • the sleeve 21 may be connected to the conductor 11 by mechanical deformation of the sleeve 21.
  • Copper has a melting point of 1085 ° C
  • nickel has a melting point of 1453 ° C
  • zinc has a melting point of 419 ° C
  • aluminum has a melting point of 660 ° C.
  • connection of the connection element 2 to the cable 1 it is relevant that the existing conductor 11 of the aluminum cable 1 with the existing copper or a copper alloy connection element 2 is not directly connected, but that between these two components two layers 3 and 4, which are made of such metals, which lie in the electrochemical voltage series between aluminum and copper, whereby the risk of decomposition of the existing aluminum conductor 11 is greatly reduced.
  • connection element 2 In addition to this combination of metal, by which an electrolytic decomposition of the connection between the conductor 11 made of aluminum and the connection element 2 is largely the method for producing this compound is essential, which consists in that between the nickel existing coating 3 of the connecting element 2 and the conductor 11 made of aluminum layer 4 made of zinc, in particular by means of a plasma welding process with a large amount of energy is applied through which the zinc and the adjacent aluminum wires are melted and form an alloy together.
  • the connection element 2 provided with the coating 3 of nickel is connected in an optimum manner to the conductor 11 made of aluminum. Since the nickel coating 3 has a very high melting point compared with the layer 4 of zinc, the contact surfaces of the nickel coating 3 are not damaged or the surface quality of the nickel coating 3 on the connection element 2 is maintained.

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Description

  • 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.
  • Ein Verfahren bekannter Art ist in Dokument US 2002/0162683A offenbart
  • 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 einer Lage aus Zink verschweißt wird.
  • Vorzugsweise wird das zwischen dem Anschlusselement und dem Leiter aus Aluminium befindliche Zink mit dem Leiter aus Aluminium, insbesondere mittels eines Plasmaschweißverfahrens, 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.1
    zeigt ein mit einem Anschlusselement ausgebildetes elektrisches Kabel, in axialem Schnitt.
  • In Fig.1 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 (6)

  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, wobei das Anschlusselement (2) an seinen dem Leiter (11) aus Aluminium zugewandten Flächen mit einer Beschichtung (3) aus Nickel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (2) mit dem Leiter (11) aus Aluminium mittels einer Lage aus 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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