EP2141771A1

EP2141771A1 - Kontaktierung von Leichtmetallleitungen

Info

Publication number: EP2141771A1
Application number: EP20090163591
Authority: EP
Inventors: Lutz Lehmann; Klaus Kalleé
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-01-06
Also published as: DE102008031588A1; DE102008031588B4; US7828610B2; US20100003867A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (1) für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung (2) und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, umfassend eine mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißte Metallhülse (3) sowie ein mit der Metallhülse (3) elektrisch leitend verbundenes Kontaktelement (4), welches mit dem Kontakt verbindbar ist, wobei eine aushärtbare Flüssigkeit eine kontaktelementseitige Öffnung (5) der mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißten Metallhülse (3) vorzugsweise gasdicht verschließt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements (1) für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung (2) und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, umfassend das Kaltverschweißen einer Metallhülse (3) mit der Leichtmetallleitung (2) sowie das Verbinden der Metallhülse (3) mit einem Kontaktelement (4), wobei das Kontaktelement (4) wiederum mit dem Kontakt verbindbar ist, und wobei eine kontaktelementseitige Öffnung (5) der kaltverschweißten Metallhülse (3) mit einer aushärtbaren Flüssigkeit vorzugsweise gasdicht verschlossen wird.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Kontaktierung von Leichtmetallleitungen, insbesondere Leichtmetaillitzen, wie Aluminiumlitzen, welche vor allem in Kraftfahrzeugen elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen. Ebenso werden derartige Leichtmetallleitungen für die Erdung von elektrischen Systemen verwendet. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbindungselements.

Stand der Technik

Vor allem in Kraftfahrzeugen besteht seit längerem bereits der Wunsch, aus Gründen der Gewichtsersparnis sowie der Substitution teurer Metalle mit kostengünstigeren Alternativen, elektrische Leitungen aus Leichtmetall, wie etwa Magnesium oder Aluminium sowie deren Legierungen, zu fertigen. Bei der elektrischen Kontaktierung dieser Leichtmetallleitungen, die insbesondere in Kraftfahrzeugen über einen langen Zeitraum von vielen Jahren einer dynamischen Belastung unterworfen sind, treten jedoch insbesondere aufgrund der Kaltfließneigung des Materials, d.h. der Neigung von Leichtmetallen, wie etwa Aluminium und Magnesium, mechanische Spannungen im Gefüge auch bei niedrigen Temperaturen abzubauen, sowie aufgrund einer vor allem bei Aluminiumlegierungen auf den Oberflächen der Aluminiumlegierung vorliegenden Oxidschicht und schließlich aufgrund der Gefahr elektrochemischer Korrosion im Verbindungsbereich der Leichtmetallleitungen mit den üblicherweise aus edleren Metallen wie etwa Kupfer gefertigten Kontakten in Anwesenheit von Elektrolyten Probleme hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Kontaktierung auf. Es besteht somit seit langem das Bedürfnis, eine dauerhaft beständige Kontaktierung einer Leichtmetalllitze mit den Kontakten auch unter den gegebenen Umständen bereitzustellen.
Die US 3,656,092 beschreibt zu diesem Zweck beispielhaft eine Aluminiumleitung, auf die eine Aluminiumhülse mit abgestuftem Innendurchmesser so aufgesetzt wird, dass das Führungsende der Aluminiumleitung an die Abstufung innerhalb der Aluminiumhülse anstößt. Auf diese Aluminiumhülse wird wiederum ein Kontaktelement aufgestülpt, das zumindest an seiner dem Draht zugewandten Seite eine Hülse mit komplementärem Innendurchmesser aufweist. Die Verbindung von Aluminiumhülse und Kupfer-Kontaktelement erfolgt dann mittels Verschweißung der beiden Bauelemente.
Darüber hinaus beschreibt die US 3,955,044 ein Anschlusselement, bei dem eine Aluminiumleitung mit einem aus Kupfer gefertigten Kontaktelement durch Aufstülpen des Kontaktelements sowie durch Vercrimpen des Kontaktelements mit der Aluminiumleitung verbunden wird. Beim Vercrimpen erfolgt zumindest im Bereich der größten Umformung eine Kaltverschweißung zwischen dem Kupfermaterial des Kontaktelements sowie der Aluminiumleitung, wobei die außen an der Leitung vorliegende Oxidschicht verdrängt wird.
Die US 2,806,215 beschreibt ebenfalls die elektrische Verbindung einer Aluminiumleitung mit einem beispielsweise aus Kupfer gefertigten Kontaktelement. Auch in diesem Fall wird eine aus Aluminium gefertigte Hülse mit abgestuftem Innendurchmesser auf das kontaktseitige Führungsende der Aluminiumleitung aufgeschoben und anschließend mit einer komplementär geformten und in einem Kontaktblech endenden Kupferhülse verschweißt.
Eine Kaltverschweißung eines Aluminiumdrahts mit einer auf das Führungsende des Drahts aufgeschobenen Kupferhülse wird zudem auch beispielhaft in der DE 19 908 031 A1 sowie der DE 29 903 301 Ul beschrieben.
Sämtlichen dieser Vorschläge aus dem Stand der Technik ist jedoch gemein, dass sie nicht in der Lage sind, die dauerhafte Beständigkeit der elektrischen Verbindung auch bei dynamischer Last und in Anwesenheit von Elektrolyten in der Umgebung des elektrischen Verbindungselements sicherzustellen. Dies ist darin begründet, dass keiner der Vorschläge aus dem Stand der Technik in der Lage ist, sämtlichen oben genannten Ursachen für das Lösen der elektrischen Verbindung bei dynamischer Last und in einer generell die Korrosion unterstützenden Umgebung mit geeigneten Mitteln zu begegnen.

Aufgabe der Erfindung

Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungselement für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, welche die Kontaktierung der Leichtmetallleitung zumindest kraft- und formschlüssig sowie mit einem effektiven Korrosionsschutz zur Verfügung stellt. Diese Aufgabe der Erfindung wird durch das Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte fiusgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verbindungselement sowie das erfindungsgemäße Verfahren zu dessen Herstellung stellen eine Möglichkeit zum effektiven Korrosionsschutz einer elektrischen Verbindung von Leichtmetallleitungen, insbesondere einer Aluminiumlitze, mit einem Kontaktelement auf Basis von Kaltverschweißung einer Leichtmetallleitung mit einer Metallhülse und Verbinden der Metallhülse mit einem Kontaktelement dar. Dabei erfolgt die elektrische Verbindung zwischen der Leitung und dem Kontakt mittelbar über eine Kaltverschweißung einer mit der Leitung verbundenen und anschließend mit einem Kontaktelement verbundenen Metallhülse. Dabei wird vorzugsweise eine im Vergleich zum Kontaktelement dünnwandige Kupferhülse mit niedriger Härte, beispielsweise weich geglühtes Elektrokupfer, über dem Ende der Leichtmetallleitung positioniert. Die Fügepartner werden anschließend in einer geeigneten Vorrichtung, vorzugsweise einer Ultraschall-Schweißanlage, miteinander verpresst und gleichzeitig zumindest partiell kaltverschweißt. Insbesondere bei Aluminiumleitungen besteht dabei der Vorteil, dass eine auf der Oberfläche des Aluminiums vorliegende Oxidschicht aufgerieben und zudem eine elektrische Querverbindung innerhalb der üblicherweise mehradrigen Leitung erreicht wird. Der Schweißraum der Anlage ist vorzugsweise so eingestellt, dass die Breite der entstehenden Aderendhülse der Innenbreite einer Verbindungsfahne des Kontaktelements entspricht. Die Aderendhülse wird schließlich auf der Verbindungsfahne des Kontaktelements positioniert und mit diesem beispielweise mittels Kaltverschweißung verbunden.
Die Verbindung zwischen Metallhülse und Kontaktelement erfolgt vorzugsweise über Kaltverschweißung, kann jedoch auch über die Auftragung einer elektrisch leitfähigen und aushärtbaren, vorzugsweise thermisch aushärtbaren Flüssigkeit, wie etwa einem Klebstoff oder ein Lötmittel verwirklicht werden. Es kann hierdurch eine form- und kraftschlüssige, bevorzugt auch stoffschlüssige Verbindung erreicht werden.
Eine kontaktelementseitige Öffnung der Metallhülse, die gegebenenfalls und bevorzugt bereits während der Kaltschweißung der Leichtmetallleitung mit der Metallhülse oder alternativ und ebenso bevorzugt bei der etwaigen Kaltverschweißung der Metallhülse mit dem Kontaktelement in ihrer Querschnittsfläche bereits auf ein Minimum reduziert wurde, wird mit einer aushärtbaren Flüssigkeit vorzugsweise gasdicht verschlossen, um so die erforderliche Korrosionsbeständigkeit des gesamten Verbindungselements sicherzustellen. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform wird durch die aushärtbare Flüssigkeit die Festigkeit der Verbindung zwischen Metallhülse und Kontaktelement zumindest erhöht.
Die mechanische Festigkeit der Verbindung aus Leichtmetallleitung, Metallhülse und Kontaktelement ergibt sich dabei generell unter Ausnutzung von einer Reihe hierdurch bewirkter Effekte: zum einen erfolgt durch die Kaltverschweißung zumindest ein Kraft- und Formschluss zwischen den aneinander reibenden Oberflächen der Leitung sowie der darauf aufgesetzten Metallhülse. Darüber hinaus ist ein derartiger Form- und Kraftschluss auch bei mehradrigen Leitungen bei den Andern untereinander festzustellen.
Hierbei ist anzumerken, dass insbesondere bei der Kaltverschweißung von Aluminium mit Kupfer ein Stoffschluss üblicherweise nicht beobachtet wird, die Kaltverschweißung vielmehr durch eine Verzahnung und ein Ineinandergreifen der einander gegenüberliegenden Oberflächen erfolgt. Ein Stoffschluss zumindest in Teilbereichen ist aber ebenfalls vorteilhaft und wird demnach als von der Erfindung umfasst angesehen.
Ein derartiger Stoffschluss ist insbesondere durch die Adhäsion der Fügepartner infolge von Abtragungen der Oberflächenunebenheiten gegeben. Darüber hinaus erfolgt der Formschluss auch durch Hinterschneidungen der Leichtmetallleitung und insbesondere von Litzendrähten mit Falten innerhalb der Hülse, wobei diese Falten vor allem infolge der Stauchung der Metallhülse während des Kaltverschweißungsvorgangs vorliegen.
Ein Formschluss erfolgt auch bezogen auf die Schälbeanspruchung durch die Stützwirkung der Hülse, welche bei einem direkten Kaltverschweißen einer Leichtmetallleitung mit einem Kontaktelement nicht zu erwarten ist. Schließlich erfolgt ein optimaler Form- und Stoffschluss der Verbindung durch aufeinander abgestimmte Geometrien von Metallhülse und Verbindungsfahne am Kontaktelement selbst.
Prinzipiell setzt das Kaltfließen bei Leichtmetallen sowohl durch ein Abgleiten von Körnern aneinander, insbesondere aber durch ein Wandern von Versetzungen und ein hierdurch bewirktes oftmaliges Aufheben entgegengesetzt orientiert angeordneter Versetzungen auch bereits bei Raumtemperatur ein und führt zu einem Abbau mechanischer Spannungen im Metallgefüge und somit ebenfalls zu einer Verringerung der Festigkeit des Materials.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Kaltverschweißens und insbesondere bei einer Ultraschall-Verschweißung werden die Fügepartner durch Reibungsenergie bis zum plastischen Zustand beansprucht, wodurch die beim Verpressen entstehende Spannung weitgehend abgebaut wird. Im erfindungsgemäßen Sinne erfolgt nach dieser Kaltverschweißung zudem eine Auftragung einer vorzugsweise elektrisch leitfähigen und aushärtbaren Flüssigkeit, beispielsweise eine Verlötung, wodurch vorzugsweise ein Wärmeeintrag in das Material erfolgt, über den die für die Wanderung von Versetzungen erforderliche Energie in das Material eingebracht wird. Dies führt gegebenenfalls zum Abbau noch vorhandener Restspannungen im Material, wodurch bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbindungselements nahezu keine durch den Herstellungsprozess bedingte Restspannungen im Material zurückbleiben und demnach ein Kaltfließen bei Gebrauch des erfindungsgemäßen Verbindungselements nahezu vollständig unterbleibt.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement soll zudem einen guten Schutz gegenüber Korrosion, insbesondere gegenüber elektrochemischer Korrosion, ermöglichen. Dieser Schutz ist insbesondere an zwei Stellen des erfindungsgemäßen Verbindungselements von besonderer Bedeutung, nämlich am stirn- oder kontaktelementseitigen Ende der verschweißten Leitung sowie am leitungsseitigen Ende der Metallhülse mit den hier einlaufenden Leichtmetalldrähten.
An der Stirnseite können die freiliegenden Leichtmetalldrähte nicht ohne weiteres mit einem Überzug, beispielsweise Zinn, vor Korrosion geschützt werden, da die auf der Oberfläche vorliegende Oxidschicht eine vollständige Benetzung mit der leitfähigen Flüssigkeit verhindert. Um dieses Problem zu lösen, wird die Metallhülse im erfindungsgemäßen Sinne an der dem Kontaktelement zugewandten Seite vorzugsweise gasdicht mit einer aushärtbaren Flüssigkeit bedeckt, bevorzugt verlötet.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Dimensionen der Metallhülse so eingestellt sind, dass sie nach dem Aufschieben auf das üblicherweise abisolierte Ende der Leichtmetallleitung über das Leitungsende hinausragt, so dass nach dem Kaltverschweißungsvorgang dieses vordere Ende der Metallhülse im Wesentlichen aufeinander gepresst vorliegt. Insbesondere wird bevorzugt, wenn durch diesen Verpressvorgang an der Unterseite der Metallhülse eine ebene Fläche entsteht, welche die Verbindung der Hülse mit dem Kontaktelement, üblicherweise einer flachen Kontakt- oder Verbindungsfahne, vorteilhaft unterstützt.
Zudem wird bevorzugt, wenn die Vorderkante der verpressten Metallhülse so ausgestaltet ist, dass sie nahezu spaltfrei ist, wodurch die bevorzugte Gasdichtigkeit nach dem Aufbringen der aushärtbaren Flüssigkeit einfacher erreicht werden kann. Bevorzugt wird zudem eine Vorgehensweise beim Aufbringen der Flüssigkeit, die ermöglicht, dass die Flüssigkeit diesen in der Hülse verbleibenden Restspalt überdeckt und vorzugsweise gasdicht verschließt. Bevorzugt wird bei der Verlötung von Metallhülse und Kontaktelement die Verwendung nicht-korrosiver, halogenfreier Flussmittel.
Der zweite Ort, der für die Erreichung eines effektiven Korrosionsschutzes von besonderer Bedeutung ist, ist das leitungsseitige Ende der Metallhülse mit der hier einlaufenden Leichtmetallleitung. Vorzugsweise wird der zwangsläufig zwischen der Isolationsschnittkante nach dem Abisolieren der Leichtmetallleitung und dem leitungsseitigen Metallhülsenende verbleibende Spalt mit besonderen Mitteln vor dem Zutritt korrosiver und elektrisch leitender Medien (Elektrolyte) geschützt.
Dies kann bevorzugt mit besonders einfachen Mitteln erfolgen, beispielsweise durch Aufsetzen eines Klebeschrumpfschlauchs, die Aufbringung einer Umspritzung oder Markierung der Metallteile, wobei besonders bevorzugt der Kapillareffekt der Drähte bei Verwendung hochviskoser Lacke ausgenutzt werden kann, oder aber das Eintauchen oder Umwickeln dieses Bereichs mit einem Material mit Isolationseigenschaften.
Ganz besonders vorteilhaft erscheint in diesem Zusammenhang aber die Verwendung eines Klebeschrumpfschlauchs, weil durch diesen eine Entlastung der Schweißstelle, die durch die Verpressung mit der Metallhülse gegenüber dem Restmaterial der Leichtmetallleitung geschwächt sein kann, gegenüber Torsionsbeanspruchung bewirkt werden kann. Ebenso kann hierdurch eine nahezu vollständige Wasserdichtigkeit des Systems aus Verbindungselement und isolierter Leichtmetallleitung erreicht werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verbindungselement zur Verfügung gestellt, das elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung und einem elektrischen Kontakt bewirken kann.
Derartige Leichtmetallleitungen werden heutzutage üblicherweise aus Aluminium gefertigt, bestehen in einigen wenigen Fällen aber auch aus Magnesium oder einer auf Magnesium basierenden Legierung. Bevorzugt wird jedoch, wenn die Leichtmetallleitung eine Aluminiumleitung ist, die in besonders bevorzugter Weise eine aus einer Vielzahl von Drähten bestehenden Aluminiumlitze ist. In derartigen Litzen werden die einzelnen Adern der Leitung üblicherweise um einen Kern herum parallel zueinander und spiralförmig gewickelt angeordnet. Bei der Verwendung von Aluminium als Material für die Leichtmetallleitung und insbesondere bei Verwendung mehradriger Leitungen werden die Effekte der Kaltverschweißung mit der Metallhülse besonders sicher und mit besonders gutem Erfolg erreicht.
Die Metallhülse kann generell aus jedem Material gefertigt sein, welches mit einem Leichtmetall über eine Kaltverschweißung verbindbar ist. Bevorzugt wird jedoch eine aus Kupfer, insbesondere Elektrolytkupfer und ganz besonders bevorzugt weich geglühtem Elektrolytkupfer, gefertigte Metallhülse. Hierbei kann insbesondere in Verbindung mit einer Aluminiumleitung ein besonders gutes Kaltverschweißungs-Ergebnis erzielt werden. Zudem ist auch darauf hinzuweisen, dass zumindest dann keine Korrosion des deutlich unedleren Aluminiums gegenüber dem Kupfer zu erwarten ist, wenn im Kontaktbereich beider Metalle sichergestellt ist, dass elektrisch leitende Medien, sogenannte Elektrolyte, nicht eindringen können.
Nach erfolgter Kaltverschweißung der Leichtmetallleitung mit der Metallhülse erfolgt im erfindungsgemäßen Sinne die Verbindung der Metallhülse mit dem Kontaktelement beispielsweise über eine Kaltverschweißung oder aber über eine elektrisch leitfähige und aushärtbare Flüssigkeit. Bevorzugt wird jedoch eine Kaltverschweißung oder aber, wenn eine Verlötung mit einer in ihrer Form auf die Form des Kontaktelements angepassten Metallhülse erfolgen kann. Dies wird ganz besonders vorteilhaft erreicht werden können, wenn die Kaltverschweißung zwischen Metallhülse und Leichtmetallleitung nur in einer Teillänge der Metallhülse erfolgt und demnach ein Anteil der Metallhülse über das Ende der Leichtmetallleitung hinausragt und hier gegebenenfalls ohne Beschränkung durch eine daran angeordnete Leichtmetallleitung nahezu beliebig umgeformt und demnach auch ohne Schwierigkeiten kaltverschweißt werden kann.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt die Verbindung der Leichtmetallleitung mit der Metallhülse, sowie die Verbindung der Metallhülse mit dem Kontaktelement in einem Arbeitsschritt, beispielsweise durch eine Kaltverschweißung.
Hierdurch wird eine Verbindung zwischen Kontaktelement und Metallhülse geschaffen, die besonders formstabil ist und den Verbindungsvorgang besonders vorteilhaft unterstützt. Somit kann in überaus bevorzugter Weise und nach Aufbringung der aushärtbaren Flüssigkeit eine vollständig gasdichte Verbindung zwischen Kontaktelement und Metallhülse mit besonders einfachen Mitteln und unter Verwendung leicht steuerbarer und auf dem Markt bereits in einer Vielzahl erhältlicher Vorrichtungen erfolgen.
Die Kaltverschweißung zwischen Metallhülse und Leichtmetallleitung sowie gegebenenfalls zwischen Metallhülse und Kontaktelement kann über die Form der Fügepartner und insbesondere durch eine aufeinander abgestimmte Form der einander zugewandten Fügeflächen der Fügepartner vorteilhaft unterstützt werden. So wird die Kaltverschweißung, insbesondere die Ultraschall-Kaltverschweißung, vorteilhaft unterstützt, wenn die Fügeflächen der Fügepartner im Wesentlichen komplementär zueinander ausgestaltet sind. Dies erleichtert auch das Aufsetzen der Metallhülse auf das hülsenseitige Ende der Leichtmetallleitung und gegebenenfalls deren Zentrierung innerhalb der Metallhülse, oder aber das Aufsetzen des üblicherweise verquetschten kontaktelementseitigen Endes der mit der Leichtmetallleitung kaltverschweißten Metallhülse auf die Verbindungsfahne des Kontaktelements.
Als besonders vorteilhaft angesehen wird jedoch eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei der ermöglicht wird, dass während des Kaltverschweiß-Vorgangs zumindest Teilbereiche der Metallhülse in den Querschnitt der Leichtmetallleitung hinein umgeformt werden. Dies kann in einer besonders einfachen und bevorzugten Weise dadurch erfolgen, dass der Innendurchmesser der Metallhülse in einem gewissen Maße von vorzugsweise 5 bis 30%, und besonders bevorzugt 10 bis 20%, größer als der Außendurchmesser der abisolierten Leichtmetallleitung ist.
Hierdurch wird ermöglicht, dass ausreichend Material der Metallhülse vorliegt, welches ohne die Wandstärke der Metallhülse zu verändern, beim Kaltverschweißungs-Vorgang in den Querschnitt der Leichtmetallleitung hinein umgeformt werden kann. Ganz besonders bevorzugt treten hierbei keine Risse oder scharfen Kanten innerhalb der umgeformten Metallhülse auf. Hierdurch kann in überaus bevorzugter Weise eine besonders feste und dauerhafte kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Metallhülse und Leichtmetallleitung erhalten werden. Zudem wird durch eine derartige Umformung der Metallhülse in den Querschnitt der Leichtmetallleitung hinein auch der Kontaktbereich zwischen beiden Fügepartnern erhöht, wodurch die elektrische Anbindung verbessert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung und einem elektrischen Kontakt zur Verfügung gestellt, bei dem in einem ersten Schritt die Kaltverschweißung einer Metallhülse mit der Leichtmetallleitung erfolgt und in einem anschließenden Schritt die Verbindung der Metallhülse mit einem Kontaktelement erfolgt, über das schließlich der Kontakt der Leichtmetallleitung mit dem elektrischen Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, hergestellt wird. Die Verbindung von Metallhülse und Kontaktelement erfolgt beispielsweise über Kaltverschweißung oder durch den Auftrag sowie die Aushärtung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, beispielsweise eines Klebstoffs oder Lötmittels. In jedem Fall aber wird eine aushärtbare Flüssigkeit dazu verwendet, eine Kontaktelementseitige Öffnung der mit der Leichtmetallleitung und gegebenenfalls auch dem Kontaktelement kaltverschweißten Metallhülse vorzugsweise gasdicht zu verschließen.
Bevorzugt wird insbesondere, wenn das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements gemäß dem ersten Aspekt dient.
Bevorzugt wird überdies, wenn die Kaltverschweißung der Metallhülse mit der Leichtmetallleitung, insbesondere einer Aluminiumlitze, und gegebenenfalls mit dem Kontaktelement mittels Ultraschall-Kaltverschweißung erfolgt. Prinzipiell wird durch Kaltverschweißen vorwiegend metallischer Werkstücke eine Verbindung der Fügepartner bereits bei Raumtemperatur erreicht, welche dem durch das normale Verschweißen hergestellten Stoffschluss der Fügepartner recht nahe kommt. Beim Reibschweißen werden zwei Fügepartner relativ zueinander bewegt, wobei sich die Fügepartner an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung, die jedoch deutlich unterhalb der Liquidustemperatur der Fügepartner liegt.
Das Ultraschallschweißen, das in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Anwendung findet, ist ein Verfahren, das sich insbesondere für Aluminiummaterialien eignet. Vorteilhaft ist hierbei, dass die auf der Oberfläche der Aluminiumkörner vorliegenden Oxidschichten großflächig aufreißen und somit eine innige Verbindung der Fügepartner erreicht wird. Beim Ultraschall-Schweißen wird eine hochfrequente mechanische Schwingung in zumindest einen Fügepartner eingebracht und die zum Schweißen erforderliche Wärme zwischen den Fügepartnern entsteht in den Bauteilen durch Molekular- und Grenzflächenreibung.
Die hierfür verwendeten Ultraschall-Schweißgeräte bestehen im Wesentlichen aus den Baugruppen Generator, Sonotrode und Amboss. Erzeugt wird die Ultraschallfrequenz mit Hilfe eines Hochfrequenz-Generators, wobei diese Frequenz über einen Ultraschallwandler in mechanische Schwingungen überführt werden, die auf die Sonotrode übertragen werden. Beim Ultraschallschweißen von insbesondere Aluminium entsteht aber keine Plastifizierung einer oder beider Grenzflächen der Fügepartner; vielmehr erfolgt, wie eingangs bereits beschrieben, die Verbindung nach Aufbrechen der Oxidschicht im Wesentlichen durch ein Ineinanderverzahnen der jeweiligen Fügepartner.
In jedem Fall aber wird hierdurch ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches die für die Kaltverschweißung erforderlichen Umformungen ohne nennenswerten Verschleiß der Werkzeuge und gut reproduzierbar in die Fügepartner einbringen kann. Zudem erfolgt die Kaltverschweißung der Metallhülse mit der Leichtmetallleitung im erfindungsgemäßen Sinne vorzugsweise in einem Zeitraum zwischen 0,5 und 1 Sekunde, wodurch die Anwendung dieses Verfahrens auch im großindustriellen Maßstab sinnvoll ist.
Wie im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verbindungselement gemäß dem ersten Aspekt bereits erwähnt, erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kaltverschweißung derart, dass eine Umformung zumindest von Teilen der Metallhülse in den Querschnitt der Leichtmetallleitung hinein erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Formgestaltung der Ultraschall-Schweißwerkzeuge, insbesondere des Amboss, erfolgen. Hierdurch wird mit besonders einfachen Mitteln ein gut reproduzierbares Kaltverschweißungs-Ergebnis erzielt werden können, wobei zudem die Vorteile in Bezug auf die Erhöhung der elektrischen Kontaktfläche und der mechanischen Anbindung der Fügepartner leicht und sicher erreicht werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von fünf Figuren näher erläutert, in denen die Erfindung beispielhaft dargestellt ist. Diese Figuren sind jedoch keinesfalls dazu geeignet, den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, in irgendeiner Weise einzuschränken.
In den Figuren ist

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Leichtmetallleitung und einer Metallhülse;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer mit der Leichtmetallleitung kaltverschweißten Metallhülse gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer mit einer Leichtmetallleitung kaltverschweißten Metallhülse gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der kaltverschweißten Leichtmetallleitung aus Fig. 3 vor dem Verlöten mit einem Kontaktelement;
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Verbindungselement.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf das hülsenseitige Ende einer Aluminiumleitung 2, wobei die Aluminiumleitung 2 aus einer Vielzahl spiralförmig um einen Kern herum gewickelter und parallel zueinander angeordneter Adern 6 sowie einer Isolierungsummantelung 7 besteht. Am kontaktseitigen Ende der Leichtmetallleitung 2 wurde diese Isolierungsummantelung 7 entfernt, um die Kaltverschweißung dieses Bereichs der Leichtmetallleitung 2 mit der Metallhülse 3, hier einer Leichtmetallhülse 3 aus weichgeglühtem Elektrolytkupfer, zu ermöglichen. Der Innendurchmesser der Kupferhülse 3 ist hier leicht größer als der Außendurchmesser des abisolierten Endes der Aluminiumleitung 2 gestaltet. Darüber hinaus weist die Kupferhülse 3 an ihrem leitungsseitigen Ende eine Aufweitung 8 in Trompetenform auf, um einen scharfkantigen Übergang von der mit der Aluminiumleitung 2 kaltverschweißten Kupferhülse 3 mit der Isolierummantelung 7 zu vermeiden.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer mit dem kontaktseitigen Ende einer Aluminiumleitung 2 kaltverschweißten Kupferhülse 3 gezeigt, wobei in diesem Fall die Kaltverschweißung so erfolgt ist, dass die Oberseite und Unterseite der Metallhülse 3 im Wesentlichen flach gestaltet sind und in den Seitenbereichen Einkragungen 9 in den Querschnitt der Aluminiumleitung 2 hinein ausgebildet sind. Die geometrische Form dieser Einkragungen 9 weist keine scharfen Übergänge oder Kanten auf, um ein Durchtrennen einzelner (nicht gezeigter) Adern der Aluminiumleitung innerhalb der umgeformten Kupferhülse 3 zu vermeiden. Vielmehr erfolgt die Einbringung der Einkragungen 9 während des Kaltverschweißungs-Vorgangs in einer Weise, dass die Einkragungen 9 die (nicht gezeigten) Adern der Aluminiumleitung entlang der Oberflächen der Einkragungen 9 abgleitend verschieben. Es verbleibt ein besonders inniger und dauerhafter Verbund aus Aluminiumleitung 2 und Kupferhülse 3.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer mit einer Aluminiumleitung 2 kaltverschweißten Kupferhülse 3. Auch in dieser zweiten Ausführungsform sind während des Kaltverschweißungs-Vorgangs Einkragungen 9 in die Seitenbereiche der im Wesentlichen flach verformten Kupferhülse 3 eingebracht. Die Dimensionen der Kupferhülse 3 sind jedoch so gestaltet, dass die abisolierten Adern 6 der Aluminiumleitung 2 nur in einer Teillänge der Kupferhülse 3 aufgenommen sind und dementsprechend das der Aluminiumleitung 2 abgewandte Ende der Kupferhülse 3 schnabelartig miteinander verpresst werden kann, wobei lediglich ein schmaler Restspalt 5 verbleibt, der besonders bevorzugt bereits im Wesentlichen flüssigkeits- und gasdicht ist.
Fig. 4 zeigt die Verbindung aus Kupferhülse 3 und Aluminiumleitung 2 aus Fig. 3 oberhalb eines Kontaktelements 4 angeordnet. Die Außenform der umgeformten Metallhülse 3 ist auf die Form des Verbindungsbereichs des Kontaktelements 4 (Verbindungsfahne) derart angepasst, dass ein Winkelversatz von Metallhülse 3 und Kontaktelement 4 bereits ohne weiteres unterbunden werden kann. Über das der Aluminiumleitung 2 abgewandte Ende des Kontaktelements 4 erfolgt dann die elektrische Verbindung mit dem Kontakt eines (nicht gezeigten) elektrischen Verbrauchers.
In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 1 dargestellt, das im Wesentlichen aus der Aluminiumleitung 2, der mit der Aluminiumleitung 2 kaltverschweißten Kupferhülse 3 sowie aus einem mit der Kupferhülse 3 verbundenen Kontaktelement 4 besteht. Die Aufbringung der aushärtbaren Flüssigkeit gegebenenfalls nach der Kaltverschweißung von Metallhülse 3 und Kontaktelement 4 erfolgt im Wesentlichen oberhalb des der Aluminiumleitung 2 abgewandten Endes der Kupferhülse 3 und deckt den schematisch dargestellten Bereich 11 in einer solchen Weise ab, dass die Kupferhülse 3 die Aluminiumleitung 2 zur Seite des Kontaktelements 4 hin gasdicht einhaust.
Die Erfindung wird nachfolgend in einer Reihe bevorzugter Ausführungsformen, wie sie in den nachfolgenden Abschnitten 1 bis 16 definiert sind, näher erläutert:

1. Verbindungselement (1) für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung (2) und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, umfassend eine mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißte Metallhülse (3) sowie ein mit der Metallhülse (3) elektrisch leitend über eine ausgehärtete Flüssigkeit verbundenes Kontaktelement (4), welches wiederum mit dem Kontakt verbindbar ist.
2. Verbindungselement (1) gemäß Abschnitt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetallleitung (2) eine Aluminiumleitung, vorzugsweise eine Aluminiumlitze, ist.
3. Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (3) eine Kupferhülse, vorzugsweise eine Kupferhülse aus Elektrolytkupfer, ist.
4. Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) mit der Metallhülse (3) vorzugsweise gasdicht verlötet ist.
5. Verbindungselement (1) gemäß einem der Abschnitte 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) vorzugsweise gasdicht mit der Metallhülse (3) mittels eines elektrisch leitenden und ausgehärteten Klebstoffs verbunden ist.
6. Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass die kaltverschweißte Verbindung von Metallhülse (3) und Leichtmetallleitung (2) in einer Teillänge der Metallhülse (3) vorliegt.
7. Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißten Metallhülse (3) auf die Form des Kontaktelements (4) abgestimmt ist.
8. Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche der mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißten Metallhülse (3) in den Querschnitt der Leichtmetallleitung (2) hinein umgeformt sind.
9. Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich von Leichtmetallleitung (2) und Metallhülse (3) gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert ist.
10. Verbindungselement (1) gemäß Abschnitt 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung über eine Kunststoffbeschichtung, vorzugsweise mittels eines auf dem Übergangsbereich aufgesetzten und aufgeschrumpften Kunststoffschlauchs, verwirklicht ist.
11. Verbindungselement (1) gemäß Abschnitt 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung über eine Umspritzung oder Lackierung des Übergangsbereichs verwirklicht ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements (1) für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung (2) und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, umfassend das Kaltverschweißen einer Metallhülse (3) mit der Leichtmetallleitung (2) sowie das anschließende Verbinden der Metallhülse (3) mit einem Kontaktelement (4), über eine elektrisch leitfähige ausgehärtete Flüssigkeit, wobei das Kontaktelement (4) wiederum mit dem Kontakt verbindbar ist.
13. Verfahren gemäß Abschnitt 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverschweißung der Metallhülse (3) mit der Leichtmetallleitung (2) mittels Ultraschall-Kaltverschweißung erfolgt.
14. Verfahren gemäß einem der Abschnitte 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kaltverschweißung eine Umformung zumindest von Teilen der Metallhülse (3) in den Querschnitt der Leichtmetallleitung (2) hinein erfolgt.
15. Verfahren gemäß einem der Abschnitte 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Metallhülse (3) und Kontaktelement (4) mittels Verlötung erfolgt und die Verlötung zwischen Metallhülse (3) und Kontaktelement (4) vorzugsweise derart erfolgt, dass eine gasdichte Verbindung zwischen der Metallhülse (3) und dem Kontaktelement (4) erzeugt wird.
16. Verfahren gemäß Abschnitt 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot bei der Verlötung der Metallhülse (3) und des Kontaktelements (4) in eine dem Kontaktelement (4) zugewandte Öffnung (5) der Metallhülse (3) eindringt.

Claims

Verbindungselement (1) für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung (2) und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, umfassend eine mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißte Metallhülse (3) sowie ein mit der Metallhülse (3) elektrisch leitend verbundenes Kontaktelement (4), welches mit dem Kontakt verbindbar ist, wobei eine aushärtbare Flüssigkeit eine kontaktelementseitige Öffnung (5) der mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißten Metallhülse (3) vorzugsweise gasdicht verschließt.
Verbindungselement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetallleitung (2) eine Aluminiumleitung, vorzugsweise einen Aluminiumlitze, ist und dass die Metallhülse (3) eine Kupferhülse, vorzugsweise eine Kupferhülse aus Elektrolytkupfer, ist.
Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) mit der Metallhülse (3) verlötet ist.
Verbindungselement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) mit der Metallhülse (3) kaltverschweißt ist.
Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülse (3) nach dem Aufschieben auf das abisolierte Ende der Leichtmetallleitung (2) hinausragt und das kontaktelementseitige Ende der mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißten Metallhülse (3) im wesentlichen aufeinander gepresst vorliegt.
Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche der mit der Leichtmetallleitung (2) kaltverschweißten Metallhülse (3) in den Querschnitt der Leichtmetallleitung (2) hinein umgeformt sind.
Verbindungselement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich von Leichtmetallleitung (2) und Metallhülse (3) gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert ist, vorzugsweise mittels eines auf dem Übergangsbereich aufgesetzten und aufgeschrumpften Kunststoffschlauchs oder über eine Umspritzung oder Lackierung des Übergangsbereichs.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements (1) für die elektrische Verbindung zwischen einer Leichtmetallleitung (2) und einem elektrischen Kontakt, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, umfassend das Kaltverschweißen einer Metallhülse (3) mit der Leichtmetallleitung (2) sowie das Verbinden der Metallhülse (3) mit einem Kontaktelement (4), wobei das Kontaktelement (4) wiederum mit dem Kontakt verbindbar ist, und wobei eine kontaktelementseitige Öffnung (5) der kaltverschweißten Metallhülse (3) mit einer aushärtbaren Flüssigkeit vorzugsweise gasdicht verschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverschweißung der Metallhülse (3) mit der Leichtmetallleitung (2) mittels Ultraschall-Kaltverschweißung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kaltverschweißung eine Umformung zumindest von Teilen der Metallhülse (3) in den Querschnitt der Leichtmetallleitung (2) hinein erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Metallhülse (3) mit dem Kontaktelement (4) mittels Kaltverschweißen, vorzugsweise Ultraschall-Kaltverschweißen, erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Flüssigkeit ein Lot ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Flüssigkeit ein vorzugsweise elektrisch leitender Klebstoff ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Flüssigkeit in eine kontaktelementseitige Öffnung (5) der Metallhülse (3) eindringt.