EP1817819B1 - Method for production of an electrical connection between an aluminium conductor and a contact element - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement, bei dem ein abisoliertes Ende des Aluminiumleiters in das Kontaktelement eingelegt und mit diesem elektrisch kontaktiert wird und bei dem zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter durch Umformen des Kontaktelements in diesem geklemmt wird.The invention relates to a method for producing an electrical connection between an aluminum conductor and a contact element, in which a stripped end of the aluminum conductor is inserted into the contact element and electrically contacted with this and in which to form a mechanical strain relief of the aluminum conductor by forming the contact element in this is clamped.
Aus der
Insbesondere im Automobilbereich werden erhebliche Anstrengungen zur Gewichtseinsparung unternommen. Ein Mittel hierzu ist die Verwendung von Aluminiumleitern anstelle der ansonsten üblicherweise vorgesehenen Kupferleiter. Soweit hier von Aluminium- oder Kupferleitern gesprochen wird, wird hierunter verstanden, dass die Leiter zu einem großen Teil aus Aluminium/Kupfer oder einer Aluminium-/Kupferlegierung bestehen. Aufgrund des deutlich geringeren spezifischen Gewichts von Aluminium lässt sich eine Gewichtseinsparung erzielen.Significant weight-saving efforts are being made, especially in the automotive sector. One means of doing so is to use aluminum conductors instead of the otherwise commonly provided copper conductors. As far as aluminum or copper conductors are concerned, it is understood here that the conductors consist to a large extent of aluminum / copper or an aluminum / copper alloy. Due to the significantly lower specific weight of aluminum, a weight saving can be achieved.
Da Aluminium in Verbindung mit dem Luftsauerstoff eine Oxidschicht ausbildet, die den Aluminiumleiter überzieht und die eine nur geringe Leitfähigkeit aufweist, ist die Kontaktierung eines Aluminiumleiters problematisch. Beim Kontaktieren des Aluminiumleiters mit einem Kontaktelement muss für einen möglichst geringen Kontaktwiderstand sichergestellt sein, dass im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement die Oxidschicht zumindest weitgehend entfernt ist.Since aluminum in conjunction with atmospheric oxygen forms an oxide layer that covers the aluminum conductor and that has only low conductivity, the contacting of an aluminum conductor is problematic. When contacting the aluminum conductor with a contact element must be ensured for the lowest possible contact resistance, that in the region of the contact surface between the aluminum conductor and the contact element, the oxide layer is at least largely removed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende und sichere sowie langzeitbeständige Kontaktierung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement mit geringem Kontaktwiderstand zu ermöglichen.The invention has for its object to provide an easy to manufacture and safe and long-term stable contact between an aluminum conductor and a contact element with low contact resistance.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Danach wird ein abisoliertes Endstück des Aluminiumleiters in das Kontaktelement eingelegt und mit diesem elektrisch kontaktiert. Zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierung ist ein Vorrat eines Kontaktierungsmittels vorgesehen, wobei das Kontaktierungsmittel zumindest bis zum Bereich seiner Schmelztemperatur erwärmt wird, so dass es vorzugsweise in schmelzflüssiger Form vorliegt. Mit dem anschließenden Erkalten und Aushärten des Kontaktierungsmittels, insbesondere Zinn oder eine Zinnlegierung, wird eine stoffliche Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement hergestellt. Zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierung wird daher der Alumiumleiter insbesondere in ein im Kontaktelement aufgenommenes Schmelzbad des Kontaktierungsmittels eingetaucht. Die Erwärmung des Kontaktierungsmittels geschieht hierbei beispielsweise durch Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes, durch Einstrahlung von hochenergetischem Licht (Laserlicht) oder auch direkt durch eine Flamme oder durch ein sonstiges Heizelement.The object is achieved according to the invention by the method according to
Weiterhin wird während oder im Anschluss an die Ausbildung der elektrischen Kontaktierung das Kontaktelement mechanisch umgeformt, so dass zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter im Kontaktelement geklemmt wird.Furthermore, the contact element is mechanically deformed during or after the formation of the electrical contact, so that the aluminum conductor is clamped in the contact element to form a mechanical strain relief.
Durch die Bereitstellung des Vorrats an verflüssigtem Kontaktierungsmittel und das "Eintauchen" der üblicherweise verzinnten Litzendrähte des Aluminiumleiters wird ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement mit geringem Kontaktwiderstand hergestellt. Das Kontaktelement ist hierbei üblicherweise ebenfalls an seiner Innenoberfläche verzinnt. Durch die Wahl der Menge an Kontaktierungsmittel wird dabei in vorteilhafter Weise die Eindringtiefe des Kontaktierungsmittels zwischen die einzelnen Litzendrähte und somit die Kontaktfläche zu den Litzendrähten eingestellt.By providing the supply of liquefied contacting agent and "dipping" the commonly tinned stranded wires of the aluminum conductor, good electrical contact is made between the aluminum conductor and the contact element with low contact resistance. The contact element is usually also tinned on its inner surface. By choosing the amount of contacting agent is thereby advantageously set the penetration depth of the contacting between the individual stranded wires and thus the contact surface to the stranded wires.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist in der gleichzeitigen oder anschließenden Umformung des Kontaktelements zu sehen. Denn zum einen ist aufgrund des erwärmten Kontaktierungsmittels auch das Kontaktelement erwärmt, so dass ein prozesssicheres Umformen ohne Materialschädigung und insbesondere ohne Rissbildung erfolgen kann. Auch ist ein besonderer Vorteil darin zu sehen, dass das Kontaktieren über die Ausbildung der stofflichen Verbindung, die das Erwärmen des Kontaktierungsmittels erfordert, nicht nach dem Umformen stattfindet. Denn die zur Verflüssigung des Kontaktierungsmittels benötigte Wärme würde in diesem Fall beim bereits umgeformten Kontaktelement möglicherweise zu Relaxationen im Materialgefüge des umgeformten Bereiches führen, so dass die mechanische Klemmkraft geschwächt wird. Dadurch wäre insbesondere die Langzeitbeständigkeit der Zugentlastung gefährdet. Bei dem hier beschriebenen Verfahren sind demnach die Funktionen der Ausbildung der mechanischen Zugentlastung einerseits und der Ausbildung der elektrischen Kontaktierung andererseits voneinander getrennt und beeinflussen sich nicht in nachteiliger Weise.Another decisive advantage can be seen in the simultaneous or subsequent deformation of the contact element. For one thing, due to the heated contacting agent and the contact element is heated, so that a process-safe forming without material damage and in particular can be done without cracking. Also, a particular advantage is the fact that the contacting on the formation of the material compound, which requires the heating of the contacting agent, does not take place after the forming. Because the heat required for liquefaction of the contacting agent in this case would possibly lead to relaxations in the material structure of the reshaped region in the already formed contact element, so that the mechanical clamping force is weakened. As a result, in particular the long-term stability of the strain relief would be endangered. In the method described here, therefore, the functions of the formation of the mechanical strain relief on the one hand and the formation of the electrical contact on the other hand are separated from each other and do not adversely affect.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird das Kontaktelement in einer Umformzone umgeformt, die von einer Kontaktierungszone, in der die elektrische Kontaktierung erfolgt, beabstandet ist. Diese Maßnahme dient wiederum zum Trennen der mechanischen von der elektrischen Funktion. Insbesondere ist damit der Vorteil verbunden, dass die vor dem Umformen ausgebildete Kontaktierung, insbesondere über Zinn oder eine Zinnlegierung, nicht durch die Ausübung des für die Umformung notwendigen Drucks beeinträchtigt wird. Die Kontaktierungszone ist keiner Druckeinwirkung ausgesetzt, so dass keine Gefahr eines nachträglichen Fließens des Kontaktierungsmittels besteht, wodurch sich die elektrische Kontaktierung verschlechtern könnte.According to an expedient development, the contact element is formed in a forming zone, which is spaced from a contacting zone in which the electrical contacting takes place. This measure again serves to separate the mechanical from the electrical function. In particular, this has the advantage that the formed prior to forming contact, in particular via tin or a tin alloy, is not affected by the exercise of the pressure necessary for the forming. The contacting zone is not exposed to pressure, so that there is no risk of subsequent flow of the contacting agent, which could worsen the electrical contact.
Bevorzugt wird das Kontaktelement in der Umformzone zusätzlich erwärmt, um eine Material schonende Umformung mit im Vergleich zu einer Kaltumformung verbessertem Fließverhalten ohne Rissbildung zu ermöglichen. Zweckdienlicherweise wird das Kontaktierungsmittel maximal auf etwa 280°C erwärmt. Durch diese Maßnahme wird eine Schädigung einer Isolation des Aluminiumleiters vermieden.Preferably, the contact element is additionally heated in the forming zone in order to allow material-saving forming with improved flow behavior without cracking compared to cold forming. Conveniently, the contacting agent is heated to a maximum of about 280 ° C. By this measure, damage to an insulation of the aluminum conductor is avoided.
Zusätzlich kann die Isolation durch besondere Klemmen oder sonstige Schutzmechanismen geschützt werden. Bei einer Temperatur von 280° ist bei der Verwendung von Zinn oder einer Zinnlegierung ein Aufschmelzen sicher gewährleistet, da die Schmelztemperatur von Zinn bei etwa 232°C liegt und die Schmelztemperatur einer Zinnlegierung mit 10% Zink bei 198°C liegt.In addition, the insulation can be protected by special terminals or other protective mechanisms. At a temperature of 280 °, smelting is assured with the use of tin or a tin alloy because the melting temperature of tin is about 232 ° C and the melting temperature of a tin alloy with 10% zinc is 198 ° C.
Alternativ zu der Verwendung einer Zinnlegierung kann als Kontaktierungsmittel prinzipiell auch eine Lötpaste verwendet werden, die bei 280°C in schmelzflüssiger Form vorliegt. Allerdings besteht hierbei die Anforderung, dass die Lötpaste halogenfreie, nicht korrosive Flussmittel aufweist, um eine anschließende Korrosion der Lötverbindung zu vermeiden.As an alternative to the use of a tin alloy, a solder paste which is in molten form at 280.degree. C. can in principle also be used as the contacting agent. However, there is a requirement that the solder paste halogen-free, non-corrosive flux to avoid subsequent corrosion of the solder joint.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird zumindest ein Teilbereich des abisolierten Endstück des Aluminiumleiters insbesondere vor der Ausbildung der elektrischen Kontaktierung verzinnt. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird hierzu der zu verzinnende Teilbereich schockerwärmt und anschließend in ein Zinnbad eingetaucht. Bevorzugt wird dabei das Teilstück auf etwa 400°C oder mehr erwärmt. Von Vorteil ist hierbei, wenn das Teilstück in einer Zeit < 1 Sekunde schockerwärmt wird. Dieses schnelle Erwärmen kann induktiv durch Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes oder auch durch die Verwendung eines hochenergetischen Laserlichts erfolgen. Die Schockerwärmung führt zu einem unterschiedlichen Dehnungsverhalten des Aluminiums und der Oxidschicht. Hierdurch bilden sich in der Oxidschicht zumindest Mikrorisse, in die beim anschließenden Eintauchen in das Bad Zinn eindringt und die Oxidschicht unterwandert, so dass diese abplatzt und das reine Aluminium weitgehend vollflächig mit dem Kontaktierungsmittel überzogen ist. Um die Ausbildung einer erneuten Oxidschicht nach der Schockerwärmung und bis zum Eintauchen in das Bad zu verhindern, ist vorzugsweise ein Schutzgasatmosphäre vorgesehen.According to an expedient development, at least a portion of the stripped end piece of the aluminum conductor is tinned in particular prior to the formation of the electrical contact. According to a first advantageous embodiment, the portion to be tinned is shock-heated for this purpose and then immersed in a tin bath. Preferably, the section is heated to about 400 ° C or more. The advantage here is that the section is shock-heated in a time <1 second. This rapid heating can be done inductively by irradiation of a high-frequency field or by the use of a high-energy laser light. The shock heating leads to a different elongation behavior of the aluminum and the oxide layer. As a result, at least microcracks form in the oxide layer, into which tin then penetrates during the subsequent immersion in the bath and infiltrates the oxide layer, so that it flakes off and the pure aluminum is largely coated over the whole area with the contacting agent. In order to prevent the formation of a renewed oxide layer after the shock heating and until immersion in the bath, a protective gas atmosphere is preferably provided.
Gemäß einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung erfolgt das Verzinnen des Teilstücks durch ein Ultraschallverzinnen in einem Zinnbad. Hierunter wird verstanden, dass das Teilstück in ein Zinnbad eingetaucht ist und dass geeignete Ultraschallwellen, die insbesondere eine Amplitude > 10 µm aufweisen, eingekoppelt werden. Hierfür sind geeignet ausgebildete Ultraschallerzeuger eingesetzt. Diese Art der Verzinnung nutzt die Tatsache aus, dass durch die Einstrahlung von Ultraschall im Zinnbad kleine Hohlräume, so genannte Kavitationen, entstehen, die explosionsartig in sich zusammenfallen. Dabei entstehen lokal erhebliche Druckkräfte, die zu einer Beschädigung und zu einem Abplatzen der Oxidschicht führen, so dass das reine Aluminium wiederum weitgehend vollflächig vom Zinn benetzt wird.According to a preferred second embodiment, the tinning of the section is carried out by ultrasonic tinning in a tin bath. This is understood to mean that the section is immersed in a tin bath and that suitable ultrasonic waves, which in particular have an amplitude of> 10 μm, are coupled in. For this are suitably trained ultrasonic generator used. This type of tinning takes advantage of the fact that the irradiation of ultrasound in the tin bath creates small cavities, so-called cavitations, which collapse explosively. This results in locally significant pressure forces, which lead to damage and spalling of the oxide layer, so that the pure aluminum is in turn largely wetted over the entire surface of the tin.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung zum Verzinnen wird der Aluminiumleiter in ein Zinnbad eingetaucht und ein Teil des Aluminiumleiters wird im Zinnbad abgetrennt oder abgeschnitten. Entscheidend hierbei ist, dass durch das Abtrennen im Zinnbad eine "frische" Trenn- oder Schneidfläche gebildet wird, die unmittelbar und ohne Kontakt mit Luftsauerstoff mit Zinn benetzt wird. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die Schnittfläche vollflächig verzinnt wird. Bei einer Trennrichtung senkrecht zur Längsausbreitung der einzelnen Litzendrähte entspricht die Trennfläche dem Querschnitt, so dass im Kontaktierungsbereich im Hinblick auf die elektrische Kontaktfläche keine Reduzierung der Querschnittsfläche erfolgt. Zweckdienlicherweise kann hierbei vorgesehen sein, dass die einzelnen Litzen schräg zu ihrer Längsausrichtung geschnitten werden, so dass die Schnittfläche größer als die Querschnittsfläche ist.According to a third preferred embodiment for tinning, the aluminum conductor is immersed in a tin bath and a part of the aluminum conductor is separated or cut in the tin bath. Decisive here is that the separation in the tin bath, a "fresh" separation or cutting surface is formed, which is wetted directly and without contact with atmospheric oxygen with tin. This measure ensures that the cut surface is tinned over the entire surface. In the case of a separating direction perpendicular to the longitudinal propagation of the individual stranded wires, the separating surface corresponds to the cross-section, so that no reduction in the cross-sectional area takes place in the contacting region with regard to the electrical contact surface. Conveniently, it can be provided in this case that the individual strands are cut obliquely to their longitudinal orientation, so that the sectional area is greater than the cross-sectional area.
Im Hinblick auf das Umformen des Kontaktelements ist in einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der Umformprozess innerhalb einer sehr kurzen Umformzeit erfolgt, die im µs -Bereich insbesondere im Bereich, bis etwa 10 µs liegt. Der entscheidende Vorteil bei einem derartig schnellen Umformen ist darin zu sehen, dass die einzelnen Litzendrähte des Aluminiumleiters sich weniger wie feste Litzendrähte als vielmehr wie eine Flüssigkeit verhalten, so dass die einzelnen Litzendrähte miteinander verbacken oder verschmelzen. Dieser Effekt ist vergleichbar mit einem Projektil, welches mit hoher Geschwindigkeit eine Metallplatte durchstößt. Im Bezugssystem des Projektils erscheint die Metallplatte nicht als Feststoff. Vielmehr durchdringt das Projektil die Metallplatte wie eine Flüssigkeit.With regard to the forming of the contact element is provided in a preferred development that the forming process takes place within a very short forming time, which is in the μs range in particular in the range to about 10 microseconds. The decisive advantage of such a rapid forming process is the fact that the individual stranded wires of the aluminum conductor behave less like solid stranded wires than rather like a liquid, so that the individual stranded wires are caked or melted together. This effect is similar to a projectile piercing a metal plate at high speed. In the reference system of the projectile, the metal plate does not appear as a solid. Rather, the projectile penetrates the metal plate like a liquid.
Mit dem schlagartigen Umformen des Kontaktelements besteht die besonders vorteilhafte Möglichkeit, gleichzeitig mit der Ausbildung der mechanischen Zugentlastung auch die elektrische Kontaktierung herbeizuführen. Hierbei wird vorteilhafterweise sogar auf die Verwendung des Kontaktierungsmittels als auch auf das Verzinnen des Aluminiumleiters verzichtet. Maßgebend hierfür ist wiederum die hohe Geschwindigkeit beim Umformprozess und die damit verbundenen sehr hohen Drücke, die dazu führen, dass die Oxidschicht aufplatzt und eine sowohl kraftschlüssige Verbindung als auch eine unmittelbare elektrische Kontaktverbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Aluminiumleiter erfolgt. Dieses schlagartige Umformen kann an Stelle eines langsamen, herkömmlichen in Kombination mit dem Kontaktierungsmittel eingesetzt werden. Unabhängig hiervon kann dieses schlagartige Umformen aber auch als eigenständige Möglichkeit zur Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Aluminiumleiter mit der gleichzeitigen Ausbildung einer mechanischen und elektrischen Verbindung eingesetzt werden.With the sudden forming of the contact element is the particularly advantageous possibility, simultaneously with the formation of the mechanical Strain relief and bring about the electrical contact. In this case, advantageously even dispensed with the use of the contacting means as well as on the tinning of the aluminum conductor. Decisive for this in turn is the high speed of the forming process and the associated very high pressures, which cause the oxide layer bursts and both a positive connection and a direct electrical contact connection between the contact element and the aluminum conductor takes place. This sudden reshaping can be used in place of a slow, conventional one in combination with the contacting agent. Independently of this, however, this abrupt reshaping can also be used as an independent possibility for configuring the connection between the contact element and the aluminum conductor with the simultaneous formation of a mechanical and electrical connection.
Zur Ausbildung einer guten elektrischen Kontaktverbindung ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass die Innenoberfläche des Kontaktelements aufgeraut oder strukturiert ist. Durch diese Aufrauung oder Strukturierung wird beim Umformen und Klemmen des Aluminiumleiters dessen Oxidationsschicht zusätzlich verletzt und durchdrungen, so dass eine Kontaktierung im Umformbereich zwischen dem Kontaktelement und dem Aluminiumleiter erfolgt. Die Innenoberfläche des Kontaktelements ist hierbei beispielsweise mit Rillen oder mit Gewindegängen, die vorzugsweise scharfkantig sind, versehen. Beim Umformen schneiden daher diese Rillen oder Gewindegänge quasi in die einzelnen Litzendrähte ein. Durch das Einschneiden wird zugleich eine zusätzliche mechanische Zugentlastung ausgebildet. Diese Kontaktierung kann zusätzlich zu der Kontaktierung über das Kontaktierungsmittel oder auch als eigenständige Kontaktierung erfolgen. Insbesondere bei der eigenständigen Ausgestaltung ohne Verwendung des Kontaktierungsmittels lässt sich durch das schlagartige Umformen und der gleichzeitigen Ausbildung der elektrischen und der mechanischen Verbindung problemlos ein automatisiertes Verfahren, also ein automatisiertes Anschlagen des Kontaktelements am Aluminiumleiter mit sehr hohen Taktraten verwirklichen.To form a good electrical contact connection is expediently provided that the inner surface of the contact element is roughened or structured. As a result of this roughening or structuring, when the aluminum conductor is deformed and clamped, its oxidation layer is additionally injured and penetrated so that a contacting takes place in the deformation area between the contact element and the aluminum conductor. The inner surface of the contact element is in this case provided, for example, with grooves or with threads which are preferably sharp-edged. When forming, therefore, these grooves or threads virtually intersect in the individual stranded wires. By cutting an additional mechanical strain relief is formed at the same time. This contacting can be done in addition to the contact via the contacting or as an independent contact. In particular, in the independent design without the use of the contacting can be realized by the sudden reshaping and the simultaneous formation of electrical and mechanical connection easily an automated process, so an automated striking the contact element on the aluminum conductor with very high clock rates.
Für das schlagartige Umformen ist gemäß einer bevorzugten ersten Ausführung vorgesehen, dass das Umformen durch Magnetokompression schnelle magnetische Umformung erfolgt. Bei der Magnetokompression werden am umzuformenden Kontaktelement sehr hohe Magnetfelder erzeugt, so dass im Kontaktelement hohe Ströme induziert werden, die wiederum ein Magnetfeld ausbilden, so dass aufgrund der Lorenzkraft das Kontaktelement abgestoßen und dadurch umgeformt wird. Das Kontaktelement ist hierzu beispielsweise nach Art einer Hülse oder geschlitzten Hülse vorgeformt, in die der Aluminiumleiter eingelegt wird. Das außen angelegte Magnetfeld führt hierbei zu einem radial nach innen gerichteten Umformen der Hülse, so dass der einliegende Aluminiumleiter geklemmt wird. Durch die Magnetokompression können bei der Wahl geeigneter Magnetfelder Drücke bis in den Bereich von beispielsweise 2000 bar erreicht werden. Da hierbei keine mechanischen Umformelemente notwendig sind, wird das Kontaktelement trotz dieser hohen Drücke nicht beschädigt.For the abrupt reshaping, it is provided according to a preferred first embodiment that the shaping takes place by magnetocompression rapid magnetic forming. In magnetocompression are to be reshaped Contact element generates very high magnetic fields, so that high currents are induced in the contact element, which in turn form a magnetic field, so that due to the Lorentine force the contact element is repelled and thereby reshaped. The contact element is preformed for this purpose, for example, in the manner of a sleeve or slotted sleeve, in which the aluminum conductor is inserted. The externally applied magnetic field in this case leads to a radially inwardly directed forming of the sleeve, so that the inserted aluminum conductor is clamped. By magnetocompression pressures can be achieved in the range of, for example, 2000 bar in the choice of suitable magnetic fields. Since no mechanical forming elements are necessary in this case, the contact element is not damaged despite these high pressures.
In einer vorteilhaften zweiten Ausführungsvariante erfolgt das schlagartige Umformen mithilfe eines Umformelements durch mechanisches Schlagpressen. Zweckdienlicherweise trifft hierbei das Umformelement mit einer Geschwindigkeit > 5m/sec, insbesondere > 10m/sec, auf das Kontaktelement auf. Herkömmliche hydraulische Pressen erreichen diese Geschwindigkeiten nicht und sind daher nicht für das schlagartige Umformen geeignet. Die Geschwindigkeiten für das Umformelement werden hierbei vorzugsweise allein durch die Gewichtskraft erzeugt, das heißt, das beispielsweise als Dorn oder Klaue ausgebildete Umformelement trifft nach Art eines Fallbeils auf das umzuformende Kontaktelement auf.In an advantageous second embodiment, the abrupt reshaping takes place by means of a forming element by mechanical impact pressing. Conveniently, this applies to the forming element at a speed> 5m / sec, in particular> 10m / sec, on the contact element. Conventional hydraulic presses do not reach these speeds and are therefore not suitable for abrupt reshaping. The speeds for the forming element are in this case preferably generated solely by the weight, that is, for example, formed as a mandrel or claw forming element applies in the manner of a Fallbeils on the reshaped contact element.
Bevorzugt wird weiterhin die Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement gegen Feuchtigkeit isoliert. Hierbei wird insbesondere ein Schrumpfschlauch aufgezogen oder die Verbindung wird mit einem Isolationslack oder Isolationskleber überzogen.Preferably, furthermore, the connection between the aluminum conductor and the contact element is isolated from moisture. In this case, in particular, a shrink tube is mounted or the compound is coated with an insulating varnish or insulation adhesive.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
- Fig. 1
- eine Verbindung zwischen einem Kontaktelement und einem Aluminiumleiter,
- Fig. 2
- eine ausschnittsweise Darstellung des Kontaktelements mit dem Aluminiumleiter zur Illustration der Magnetokompression,
- Fig. 3
- eine ausschnittsweise Darstellung des Kontaktelements und des Aluminiumleiters zur Illustration des Umformens mittels Schlagpressens und
- Fig. 4 bis 6
- beispielhafte Flussdiagramme für unterschiedliche Verfahrensabläufe.
- Fig. 1
- a connection between a contact element and an aluminum conductor,
- Fig. 2
- a partial representation of the contact element with the aluminum conductor to illustrate the magnetocompression,
- Fig. 3
- a partial view of the contact element and the aluminum conductor to illustrate the forming by means of impact pressing and
- 4 to 6
- exemplary flowcharts for different procedures.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, like-acting parts are provided with the same reference numerals.
In
Zur Ausbildung der Kontaktierung wird die Zinnlegierung in das Kontaktelement 2 eingebracht und aufgeschmolzen. Anschließend oder auch bereits vor dem Aufschmelzen wird der Aluminiumleiter 4 mit dem abisolierten Endstück 6 in das Kontaktelement 2 eingeführt. Insbesondere werden die stirnseitigen Enden der Litzendrähte in die aufgeschmolzene Zinnlegierung 8 eingetaucht. Nach dem Erkalten besteht daher eine stoffschlüssige Materialverbindung zwischen dem Kontaktelement 2 und den einzelnen Litzendrähten des Aluminiumleiters 4. Es ist im Bereich des Kontaktierungsmittels 8 und der stirnseitigen Enden der Litzendrähte eine Kontaktierungszone 10 gebildet.To form the contact, the tin alloy is introduced into the
Beabstandet von der Kontaktierungszone 10 ist eine Umformzone 12 vorgesehen, innerhalb derer eine Umformung des Kontaktelements 2 erfolgt. Die
Für den Umformprozess ist vorgesehen, dass das Kontaktelement 2 zumindest in der Umformzone 12 erwärmt wird. Hierzu ist ein Heizelement 18 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel zweiteilig aufgebaut ist und zugleich auch zur Erwärmung des Kontaktierungsmittels 8 bis in den Bereich seiner Schmelztemperatur dient. Das Heizelement 18 ist im Ausführungsbeispiel in zwei Funktionszonen unterteilt, die für die unterschiedlichen Anforderungen, nämlich der Erwärmung des Vorrats 8 und der Erwärmung des Kontaktelements 2 ausgebildet sind. Alternativ hierzu kann auch lediglich ein Heizelement 18 für die Erwärmung des Kontaktierungsmittels 8 vorgesehen sein. Hierbei erfolgt zwangsläufig auch eine Erwärmung des Kontaktelements 2. Im Ausführungsbeispiel der
Durch die insbesondere in zeitlicher Abfolge stattfindende elektrische Kontaktierung und das Umformen des Kontaktelements 2 sowie weiterhin durch die räumliche Trennung der Kontaktierungszone 10 von der Umformzone 12 werden die Funktionen des elektrisches Kontaktierens einerseits und der Bereitstellung einer mechanischen Zugentlastung andererseits in wirksamer Weise voneinander getrennt. Hierdurch beeinflussen sich diese beiden Funktionen nicht in nachteiliger Weise. Denn durch die nach dem Erwärmen des Kontaktierungsmittels 8 erfolgende Umformung ist die Gefahr ausgeschlossen, dass der umgeformte Bereich des Kontaktelements 2 durch einen Wärmeeintrag relaxiert und geschwächt wird. Durch die räumliche Trennung der Umformzone ist weiterhin sichergestellt, dass das erkaltete Zinn durch die beim Umformprozess erfolgende Druckeinwirkung nicht fließt, was zu einer unerwünschten Schwächung der elektrischen Kontaktierung und zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands führen kann.By taking place in particular in chronological order electrical contacting and reshaping of the
Der Umformprozess kann in herkömmlicher Art und Weise durch mechanisches oder hydraulisches Pressen von Umformelementen gegen das Kontaktelement 2 erfolgen. Alternativ zu diesem herkömmlichen Umformen ist im Ausführungsbeispiel nach
Alternativ hierzu ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach
Bei den in den
Die schlagartigen Umformprozesse entsprechend den
Anhand der in den
- I: Verzinnen der Litzendrähte des
Aluminiumleiters 4, - II: Elektrisches Kontaktieren
zwischen dem Aluminiumleiter 4und dem Kontaktelement 2, - III: Ausbildung der mechanischen Verbindung / der Zugentlastung.
- I: tinning the stranded wires of the
aluminum conductor 4, - II: electrical contact between the
aluminum conductor 4 and thecontact element 2, - III: Formation of the mechanical connection / strain relief.
Der Verfahrensschritt "I: Verzinnen des Aluminiumleiters 4" kann alternativ durch eines der folgenden Teilverfahren erfolgen:
- A: herkömmliches Verzinnen oder Verwenden eines Aluminiumleiters mit vorverzinnten Litzendrähten,
- B: Verzinnen durch Schockerwärmung und Eintauchen in ein Zinnbad,
- C: Verzinnen durch Ultraschallbehandlung in einem Zinnbad und
- D: Trennen oder Schneiden der Litzendrähte in einem Zinnbad.
- A: conventional tinning or using an aluminum conductor with pre-tinned stranded wires,
- B: tinning by shock heating and immersion in a tin bath,
- C: Tinning by sonication in a tin bath and
- D: cutting or cutting the stranded wires in a tin bath.
Der Verfahrensschritt "III: Ausbildung der Zugentlastung" wird durch eines der folgenden Teilverfahren vorgenommen:
- i: herkömmliches Umformen,
- ii: Umformung durch Magnetokompression
- iii: Umformung durch Schlagpressen.
- i: conventional forming,
- ii: transformation by magnetocompression
- iii: Forming by impact pressing.
Gemäß dem Verfahrensablauf nach
Insbesondere die Teilverfahren B, C und D zeichnen sich durch ein sehr gutes Verzinnungsergebnis aus, so dass diese Teilverfahren auch unabhängig von der elektrischen Kontaktierung des Aluminiumleiters 4 mit dem Kontaktelement 2 als eigenständige Verzinnungsverfahren eingesetzt werden können. Nachfolgend zum Verzinnen erfolgt die elektrische Kontaktierung, wie sie zu
In Abwandlung zu dem Verfahrensablauf gemäß
Gemäß dem Verfahrensablauf nach
Der Verfahrensablauf gemäß
- 22
- Kontaktelementcontact element
- 44
- Aluminiumleiteraluminum ladder
- 66
- Endstücktail
- 88th
- Kontaktierungsmittelcontacting
- 1010
- Kontaktierungszonecontacting zone
- 1212
- Umformzoneforming zone
- 1414
- umgeformtes Teilstückreshaped section
- 1616
- Schrumpfschlauchshrinkable tubing
- 1818
- Heizelementheating element
- 2020
- Ultraschallerzeugerultrasonic generator
- 2222
- Magnetspulensolenoids
- 2424
- Umformelementdeforming
- 2626
- Gegenelementcounter-element
- 2828
- Gewindethread
Claims (19)
- Method for production of an electrical connection between an aluminum conductor (4) and a contact element (2), in which a stripped end piece (6) of the aluminum conductor (4) is inserted into the contact element (2) and makes electrical contact with it, and in which, in order to form mechanical strain relief, the aluminum conductor (4) is clamped in the contact element (2) by shaping said contact element (2),
wherein a supply of a contact-making means (8) is provided, and the contact-making means (8) is heated at least up to the region of its melting temperature, so that a cohesive connection is produced between the stripped end piece (6) and the contact element (2) via the contact-making means (8) in order to form the electrical contact, characterized in that the contact element (2) is shaped at the same time or subsequently. - Method according to Claim 1,
characterized
in that the contact element (2) is shaped in a shaping zone (12) which is at a distance from a contact-making zone (12) in which the electrical contact is made. - Method according to Claim 2,
characterized
in that the contact element (2) is heated in the shaping zone (12). - Method according to one of the preceding claims,
characterized
in that the contact-making means (8) is heated to a maximum of about 280°C. - Method according to one of the preceding claims,
characterized
in that tin or a tin alloy is used as the contact-making means (8). - Method according to one of the preceding claims,
characterized
in that at least one subarea of the stripped end piece (6) of the aluminum conductor (4) is tinned. - Method according to Claim 6,
characterized
in that the subarea to be tinned is shock-heated and is then immersed in a tin bath. - Method according to Claim 7,
characterized
in that the subarea is heated to about 400°C or more. - Method according to Claim 7 or 8,
characterized
in that the subarea is shock-heated in a time of less than 1 s. - Method according to one of Claims 7 to 9,
characterized
in that the shock heating and the subsequent immersion are carried out in an inert gas atmosphere. - Method according to Claim 6,
characterized
in that the tinning of the subarea is carried out by ultrasound tinning in a tin bath. - Method according to Claim 11,
characterized
in that the ultrasound tinning and the making of the contact between the aluminum conductor (4) and the contact element (2) are carried out in one process. - Method according to Claim 6,
characterized
in that a part of the aluminum conductor which is immersed in a tin bath is cut off for tinning. - Method according to one of the preceding claims,
characterized
in that the shaping of the contact element (2) is carried out within a shaping time in the µs range. - Method according to Claim 14,
characterized
in that the inner surface of the contact element (2) is roughened or structured. - Method according to Claim 14 or 15,
characterized
in that the shaping is carried out by magneto compression. - Method according to Claim 14 or 15,
characterized
in that the shaping is carried out with the aid of a shaping element (24) by mechanical impact molding. - Method according to Claim 17,
characterized
in that the shaping element (24) strikes the contact element (2) at a speed of more than 5 m/s, in particular of more than 10 m/s. - Method according to one of the preceding claims,
characterized
in that the connection between the aluminum conductor (4) and the contact element (2) is insulated against moisture.
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