EP4434119A1 - Verfahren zum verbinden einer elektrischen leitung aus aluminium mit einem rohr aus kupfer - Google Patents

Verfahren zum verbinden einer elektrischen leitung aus aluminium mit einem rohr aus kupfer

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EP4434119A1
EP4434119A1 EP22813603.2A EP22813603A EP4434119A1 EP 4434119 A1 EP4434119 A1 EP 4434119A1 EP 22813603 A EP22813603 A EP 22813603A EP 4434119 A1 EP4434119 A1 EP 4434119A1
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EP
European Patent Office
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tube
aluminum
electrodes
connection
stranded wire
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EP22813603.2A
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EP4434119B1 (de
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Olaf Strunk
Jakob Schillinger
Uwe Keil
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Strunk Connect Automated Solutions GmbH and Co KG
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Strunk Connect Automated Solutions GmbH and Co KG
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    • H01R43/048—Crimping apparatus or processes
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    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0214—Resistance welding

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting an electrical line, which is designed as a stranded wire made of aluminum or an aluminum alloy, with an electrical connection made of copper or a copper alloy, which has a tube for receiving the end of the electrical line in addition to the connection element.
  • an electrical line which is designed as a stranded wire made of aluminum or an aluminum alloy
  • an electrical connection made of copper or a copper alloy
  • These can be tubes that are open on one or both sides.
  • Such connections e.g. B. when using aluminum lines and copper connection elements with regard to the duration of the mechanical stability of the connection as well as its electrical conductivity. If moisture can get into such a connection, contact corrosion occurs, which increases the contact resistance and considerably reduces the mechanical durability of the connection.
  • connection elements made of dissimilar material can be seen in the fact that aluminum has a strong affinity for oxygen and therefore quickly becomes dense, electrically insulating, very hard and very durable coated with an oxide layer.
  • the melting point of this oxide layer also known as corundum, is around 2,050°C, ie considerably higher than the melting point of aluminum, which is around 660°C, or copper, which is around 1,080°C.
  • intermetallic phases can form which are both brittle and have a high resistance, so that a large amount of heat can develop in this area when current flows later.
  • This increased temperature causes the intermetallic layer to become even thicker over time. Due to the brittleness of the connection, even small mechanical stresses can easily cause the connection to break.
  • EP 2 621 022 A1 an attempt is made to avoid the formation of intermetallic phases by using complex CUPAL sleeves.
  • the prior art time lag between a first stage crimping that breaks up the oxide layer and a locally separate second stage that welds the elements together can cause re-oxidation, which can result in strong, unaccountable fluctuations in the connection quality.
  • the quality of the connection is also heavily dependent on the quality of the aluminum strands.
  • the invention is based on the object of producing long-term, stable electrical connections between electrical conductors made of aluminum or an aluminum alloy and an electrical connection made of copper or a copper alloy with qualitative fluctuations that are as far as possible excluded, while avoiding the disadvantages described, which can also be created quickly and inexpensively.
  • the following process steps are proposed: a) coating the inner surfaces of the tube with a hard solder or using a tube coated on the inner surface with a hard solder, b) after introducing the end of the electrical line into the tube, plastic deformation of the tube in the area the end of the tube on the connection element side, whereby the individual wires of the stranded wire are deformed by overstamping in such a way that their non-conductive oxide layers are broken up and the individual wires are pressed together without a gap, c) via electrodes, depending on the geometry and the material properties of the tube and the stranded wire, applying a predeterminable contact pressure force and a predeterminable current for a predeterminable time to generate Joule heating of the aluminum stranded wire bundle, with Joule heating melting the hard solder and creating a hard solder connection between the inner surfaces of the pipe and the in Outer areas of the aluminum stranded wire bundle that are in contact arises, d) by applying a further predeterminable
  • Hard solder is understood to mean a metal which, together with the aluminum or the aluminum alloy, has a eutectic melting temperature below the melting temperature of the aluminum or the aluminum alloy.
  • a hard solder is preferably chosen that acts as a diffusion barrier in order to prevent the formation of intermetallic phases between aluminum and copper.
  • a coating with soft solder could also be used. The overstamping of the tube during the plastic deformation not only breaks up the oxide layers on the individual wires of the stranded wire, but also presses the wires so tightly together that there is no longer a gap between the individual wires into which oxygen or gas could penetrate or remain remains, so that no re-oxidation can take place in this overstamped area.
  • the overall contact resistance of the wires is reduced.
  • the subsequent two-stage connection ie the connection of the outer aluminum wires or their alloys to the coating by brazing prevents new oxide layers from forming on the surface of the stranded wire and, above all, the contact resistance between the copper tube and the outer surface of the stranded wire is minimized .
  • the subsequent diffusion and/or partial melting process for the core of the stranded wire minimizes the contact resistance between the individual wires of the stranded wire.
  • the deformation process for example with differently sized effective surfaces to the effective surfaces of the electrodes for the brazing process.
  • At least one set of different process parameters is usually required for each of these two stages.
  • the stages can also be divided into several intervals or sections with different pressure or force/current/time specifications. As a result, the energy supply can be dosed more precisely, for example to prevent massive melting of the line.
  • the process features b) and c) are carried out simultaneously or directly one after the other.
  • the electrodes are then used both to produce the plastic deformation and to carry out the brazing process, but shorter times can be achieved between the deformation process and the brazing process, so that the re-oxidation of the stranded wire surface can be largely prevented.
  • the compaction phase, the brazing phase, the diffusion phase or melting phase and the cooling phase can be determined by different contact forces and/or energy inputs.
  • the compaction phase can also be partially integrated into the brazing phase and/or the diffusion phase. The latter describes a process in which further continuous compaction takes place during the soldering and/or diffusion phase.
  • the duration of the force during the ramp-shaped heating to the brazing temperature, but also the soft-soldering temperature, can also be used for compaction. Due to the spatially different temperature distribution within the combination of tube and strand, the brazing and diffusion or
  • the diffusion process is also controlled via contact pressure, temperature and time.
  • the temperature in the connection zone must be between the lowest melting temperature and the highest recrystallization temperature of the connection partners.
  • the individual wires of the litz wire are not only to be firmly connected to one another by diffusion, but if the litz wire core is to be partially or completely melted, it is useful if a melt depot is formed between the deformation on the terminal element side and the deformation on the cable end.
  • melt depot can be determined before the deformation process, since melt can also get between the non-compacted areas of the strand and does not have to escape to the outside from there.
  • the plastic deformation can be carried out before the brazing process or at the same time.
  • the pressing tools or electrodes can be heated during the deformation process and/or during the brazing process and/or the diffusion or melting process, or they consist of a material that heats up when current flows through.
  • Melting are generated by means of current flowing through the elements to be connected due to Joule's self-heating.
  • heated tools or electrodes can cause the materials to be connected to become more supple, so that smaller forces have to be used for over-stamping.
  • the reduction in the contact pressure leads to gentler forming, stretching and compression of the tube and the stranded wires and to a lower pressure load on the electrodes. If the electrodes are heated during brazing, less heat that is required for brazing would flow away via the electrodes. If the electrodes are made of tungsten materials, for example, they would heat up when current flowed through, resulting in an additional heat source for the soldering process and/or the diffusion process and/or the melting process.
  • the electrodes are used with a smaller effective area compared to the effective area of the deformation tools in the compression step, and non-conductive, lateral boundaries of the tube in the deformation and energization area give an essentially rectangular or square shape.
  • lateral closure zones are created on the tube, which serve to avoid lateral contact of the electrodes with the plastically deformed tube.
  • the tube can be softened by the heating during deforming compacting and brazing.
  • the all-round clamping prevents the compacted connection from becoming loose.
  • the additional lateral clamping prevents the tube or the compacted strand from expanding.
  • the coating of the side boundary components is preferably neither electrical nor thermal conductive. If possible, neither heat dissipation nor an electrical shunt should occur here. Steel coated with ceramic or directly ceramic is preferably used.
  • the contour of the tube is created during plastic deformation. During the subsequent brazing, diffusing or melting, the lateral limitation protects the pressed connection from loosening.
  • FIG. 5 shows an example according to the invention according to FIG. 4 with an additional sealing collar
  • an electrical connection 1 which consists of a tube 2 made of copper and a connecting element 3 , the end of a stranded wire 4 made of aluminum being inserted into the tube 2 .
  • the tube 2 is coated with a hard solder 5 on the inside.
  • the pipe 2 has already been subjected to a plastic deformation 6 on the connection side.
  • the deforming tool (not shown) was larger in its effective area than the area of the electrode 7, as a result of which termination zones 8 are formed in the tube 2 next to the electrode 7 placed in the middle, which ensure that the brazing current and/or diffusion or The melting current, indicated by the current flow lines 9, flows predominantly over the stranded wire 4.
  • Below the plastic deformation 6 on the connection side it is indicated that the stranded wire 4 is highly compacted, which means that the oxide layers of the individual wires of the stranded wire 4 have been broken open and the individual wires of the stranded wire 4 are pressed together without a gap.
  • Joule self-heating first occurs in the area of the higher-impedance contact resistance between tube 2, hard solder 5 and stranded wire 4, which creates a connection between the outer layer of stranded wire 4 and tube 2 by melting the hard solder, which increases the contact resistance in this area decreased.
  • the Joule heat is now generated in the area between the individual wires of the stranded wire that offers a greater contact resistance, so that the individual wires are connected to one another by diffusion or by a melting process. which in turn reduces the contact resistance between the individual wires.
  • the heat input can be supported by heating or self-heating of the electrodes.
  • connection-side plastic deformation 6 shows that in the course of creating the connection-side plastic deformation 6 , a further deformation as a sealing collar 10 was formed on the line side.
  • the sealing collar 10 is less strongly embossed in the pipe 2 than the connection-side plastic deformation 6.
  • the sealing collar 10, however, has the effect that the melt produced in the melt zone 11 can only reach a melt depot 12 and not to the outside.
  • FIG. 3 also shows a deformation on the line side for forming a sealing sleeve 10 .
  • the melt depot 12 is very small or non-existent here. Any melt that occurs can get between the individual wires of the stranded wire 4 in the area of an expansion zone 13, but it cannot escape through the sealing sleeve 10 either.
  • FIG. 5 shows a modification to FIG. 4.
  • a sealing collar 10 was additionally embossed, which in turn shows a melt depot 12 between the sealing collar and the plastic deformation 6 on the connection side.
  • Fig. 6 shows the electrodes 7 and 7'. In particular, it shows that these two electrodes 7 can be moved towards one another. As a result, the outer wires of the stranded wire 4 are stretched approximately equally during the plastic deformation process, which stretches the stranded wire to a lesser extent than with a pair of electrodes 7, 7' in which only one electrode 7 is moved.
  • a lateral limitation 15 is provided which also ensures that the tube 2 and stranded wire 4 retain their plastic deformation without any widening occurring, see above that no gas can get to the stranded wire 4 during the following connection steps either.
  • the tube is soldered to the superficial wires of the stranded wire in a first step and that the inner areas of the stranded wire are firmly connected to one another by diffusion and/or melting in a second step.
  • a diffusion barrier which also forms a eutectic with the aluminum.
  • the temperature of the eutectic must be below the melting temperature of the two connection partners Al and Cu.
  • the property of the diffusion barrier prevents the formation of critical Al-Cu-IMP.
  • a suitable coating material for this is nickel and its alloys. A temperature-related loss of strength, as with tin or zinc solder, does not occur with silver or nickel solder.
  • Nickel is successfully used as a diffusion barrier in wire bonding (avoidance of Kirkendahl voids), soft soldering (avoidance of epsilon-eta layers) and spot welding (avoidance of tin whiskers).
  • a hard-soldered connection is created between the coating applied to the copper and the pressed-on Al wires, which have been freed from the oxide skin and not yet melted.
  • the coating can also be oxidized, but the upstream deformation process also breaks its oxide skin.
  • the Al composite continues to heat up in the second step until the Al wires between the electrode zones change into a locally limited melt or diffusion connection.
  • This is not resistance welding of the aluminum stranded wires, but complete melting or diffusion that occurs only on the contact surfaces that are adjacent to one another.
  • the heating process required for this must be regulated/controlled in such a way that the hard solder connection takes place before melting.
  • This sequence is achieved by dividing the connection process into at least two different sections, usually with different setting parameters. In the first section, starting with a preheating stage (stepped and/or ramp-shaped current increase) initiated the well-dosed energy required for the brazing. The energy required for melting or diffusing the Al wires is supplied in the second section.
  • the main parameters that need to be adjusted are the current, the duration and the contact pressure. If plastic deformation with additional heating of the mold tools is used, the energy used can flow into the total energy of the hard soldering diffusion melting process. Depending on the mechanical dimensions, the electrode size, the electrode material, the formation of the deformation zone, etc., further sections with different settings may be required.
  • Hard solders can be inserted as a molded part, but are preferably applied to the tube and, if necessary, to the stranded wire in a galvanic or physical way (e.g. spraying, sputtering).
  • the coating gives the base material additional protection against oxidation.
  • the current flow during the connection takes place via the opposite electrodes on the top and bottom.
  • the conductivity of the electrodes can be chosen so that the electrodes generate additional heat for the connection process.
  • the aim is that the necessary heating occurs through Joule heat in the material to be connected, but the additional electrode heat can accelerate the heating process and reduce heat dissipation via the electrodes.
  • the heat required for the connection is therefore not primarily supplied by the self-heating of the electrodes, but is created by the current flow in the composite system of copper pipe, coating and aluminum strands.
  • nickel would be advantageous as a poorly conducting material, since the Joule heat is then generated directly in the contact zone in addition to the aluminum content.
  • the effect of the electrode current can also be influenced by the contact area and the contact-side contour.
  • the electrodes can be designed to be plane-parallel, partially or completely convex or concave

Landscapes

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Manufacturing Of Electrical Connectors (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Aluminium Leitung mit einem Kupferanschluss soll derart verbessert werden, dass langzeitig stabile elektrische Verbindungen zwischen Leiter und dem Anschluss mit weit möglichst ausgeschlossenen qualitativen Schwankungen schnell und kostengünstig hergestellt werden können. Dazu wird vorgeschlagen, dass die Leitung mit dem Anschluss in einem ersten Schritt hartverlötet wird, und dass in einem zweiten Schritt durch Erweichen des Aluminium-Litzen-Bündels eine Diffusions- und/oder Schmelzverbindung mit der Hartlotschicht erfolgt.

Description

STRUNK CONNECT AUTOMATED SOLUTIONS GMBH & CO. KG, Siegtalstraße
20, 57548 Kirchen
VERFAHREN ZUM VERBINDEN EINER ELEKTRISCHEN LEITUNG AUS ALUMINIUM MIT EINEM ROHR AUS KUPFER
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung, die als Litze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, mit einem Elektroanschluss aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welcher neben dem Anschlusselement ein Rohr zur Aufnahme des Endes der elektrischen Leitung aufweist. Dabei kann es sich um ein- oder beidseitig offene Rohre handeln.
Seit langem ist es bekannt, Kupfer oder Kupferlegierungen als Leiter für elektrischen Strom zu verwenden. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in E-Mobilen ist es angestrebt, diese aus Kuper oder Kupferlegierung bestehenden elektrischen Leiter aus Gewichtsgründen durch Leiter aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu ersetzen. Aus der EP 2 362 491 A1 oder der EP 2 621 022 A1 ist es bereits bekannt, Aluminiumleitungen zu verwenden, welche mit Anschlusselementen aus anderen Materialien zunächst vercrimpt und dann verschweißt werden.
Große Probleme bereiten derartige Verbindungen z. B. bei der Verwendung von Aluminiumleitungen und Kupferanschlusselementen bezüglich der Dauer der mechanischen Stabilität der Verbindung als auch deren elektrischen Leitfähigkeit. Kann in eine derartige Verbindung Feuchtigkeit eintreten, entsteht Kontaktkorrosion, welche den Übergangswiderstand vergrößert und die mechanische Haltbarkeit der Verbindung erheblich vermindert.
Die Hauptprobleme bei der Verbindung von elektrischen Aluminiumleitungen mit Anschlusselementen aus artfremdem Material sind jedoch darin zu sehen, dass Aluminium eine starke Affinität zu Sauerstoff aufweist und sich deshalb in sehr kurzer Zeit mit einer dichten, elektrisch isolierenden, sehr harten und sehr beständigen Oxydschicht überzieht. Der Schmelzpunkt dieser Oxydschicht, auch Korund bezeichnet, liegt bei ca. 2.050°C, d. h. erheblich höher als die Schmelztemperatur von Aluminium, die bei ca. 660°C oder Kupfer, die bei ca. 1.080°C liegt.
Durch die üblicherweise runde Form der Aluminiumdrähte der Litze, mit oder ohne nicht leitender Beschichtung, entstehen Hohlräume zwischen den Drähten. In diese kann Feuchtigkeit eindringen und zu lokaler Korrosion des Aluminiumdrahts führen. Dies führt zu einer mechanischen Schwächung und Erhöhung des Leitungswiderstandes. Aber auch bei Formdraht mit oder ohne Beschichtung sind die Hohlräume gegeben.
Hinzu kommt, dass bei der Aufschmelzung der beiden zu verbindenden Aluminium- und Kupfermaterialien intermetallische Phasen entstehen können, die sowohl spröde als auch höherohmig sind, so dass in diesem Bereich bei späterem Stromdurchfluss eine große Wärmeentwicklung entstehen kann. Diese erhöhte Temperatur bewirkt, dass sich die intermetallische Schicht im Laufe der Zeit noch verstärkt. Durch die Sprödigkeit der Verbindung kann es schon bei kleinen mechanischen Beanspruchungen leicht zum Bruch der Verbindung kommen. Nach der EP 2 621 022 A1 wird versucht, das Entstehen von intermetallischen Phasen durch die Verwendung aufwändiger CUPAL-Hülsen zu vermeiden.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Schmelztemperaturen der beiden Verbindungspartner sehr weit auseinanderliegen. Daher besteht die Gefahr, dass Aluminium bereits in Schmelze übergeht, während das artfremde Material wie Kupfer noch nicht die Schmelzetemperatur erreicht hat. Dadurch entstehen unzureichende Schweißstellen, welche die geforderte Festigkeit nicht erreichen. Derartige unzureichende Schweißstellen sind in der Regel von außen nicht zu erkennen, so dass die Gefahr besteht, dass derartig mangelhaft mit dem Anschlusselement verbundene elektrische Leiter zum Einsatz kommen.
Auch der Zeitversatz nach dem Stand der Technik zwischen dem in einer ersten Stufe erfolgenden Crimpen, bei dem die Oxidschicht aufgebrochen wird, und einer örtlich getrennten zweiten Stufe, in der die Elemente miteinander verschweißt werden, kann bewirken, dass es zu einer erneuten Oxidation kommt, wodurch starke, nicht nachvollziehbare Schwankungen in der Verbindungsqualität resultieren können. Die Güte der Verbindung ist zudem stark abhängig von der Qualität der Aluminiumlitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile langzeitig stabile elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einem Elektroanschluss aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit weit möglichst ausgeschlossenen qualitativen Schwankungen herzustellen, die zudem schnell und kostengünstig erstellt werden können.
Zur Lösung der Aufgabe werden folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen: a) Beschichten der Innenflächen des Rohrs mit einem Hartlot oder Verwenden eines auf der Innenfläche mit einem Hartlot beschichteten Rohrs, b) nach Einbringen des Endes der elektrischen Leitung in das Rohr, plastisches Verformen des Rohrs im Bereich des anschlusselementseitigen Endes des Rohrs, wobei durch eine Überprägung die Einzeldrähte der Litze derart verformt werden, dass deren nichtleitende Oxydschichten aufgebrochen, und die Einzeldrähte spaltfrei aneinandergepresst werden, c) über Elektroden, in Abhängigkeit von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Rohrs und der Litze, ein Aufbringen einer vorgebbaren Anpresskraft und eines vorgebbaren Stroms für eine vorgebbare Zeit zum Erzeugen einer Joule'schen Erwärmung des Aluminium-Litzen-Bündels, wobei durch die Joule'sche Erwärmung das Hartlot schmilzt und eine Hartlotverbindung zwischen den Innenflächen des Rohrs und den mit diesen in Kontakt befindlichen Außenbereichen des Aluminium-Litzen-Bündels entsteht, d) durch Aufbringen ebenfalls in Abhängigkeit von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Rohrs und der Litze einer weiteren vorgebbaren Anpresskraft und eines weiteren vorgebbaren Stroms für eine weitere vorgebbare Zeit das Erweichen des Aluminium-Litzen-Bündels derart, dass eine Diffusion des Aluminium-Litzen-Bündels und/oder ein zumindest partielles Aufschmelzen des Aluminium-Litzen-Bündels erfolgt. Unter Hartlot wird dabei ein Metall verstanden, das mit dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung eine eutektische Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung hat. Dabei wird vorzugsweise ein Hartlot gewählt, das als Diffusionssperre wirkt, um die Entstehung intermetallischer Phasen zwischen Aluminium und Kupfer zu unterbinden. Für weniger hochwertige, haltbare und stabile Verbindungen könnte auch auf eine Beschichtung mit Weichlot zurückgegriffen werden. Durch das Überprägen des Rohrs während der plastischen Verformung werden nicht nur die Oxidschichten auf den einzelnen Drähten der Litze aufgebrochen, sondern die Drähte werden so dicht aneinandergepresst, dass kein Spalt, in den Sauerstoff bzw. Gas eindringen oder verbleiben könnte, mehr zwischen den einzelnen Drähten verbleibt, so dass in diesem überprägten Bereich keine Re-Oxidation mehr stattfinden kann. Durch das engere Aneinander liegen der Litzendrähte und der damit verbundenen Vergrößerung der Kontaktfläche der Litze-Drähte untereinander verringert sich der Gesamtübergangswiderstand der Drähte. Durch die dann folgende Zweistufigkeit der Verbindung, d.h. das Anbinden der äußeren Aluminiumdrähte oder deren Legierungen an die Beschichtung durch ein Hartlöten verhindert, dass an der Oberfläche der Litze neue Oxidschichten entstehen können und vor allem wird der Übergangswiderstand zwischen Kupferrohr und der äußeren Oberfläche der Litze minimiert. Der daraufhin folgende Diffusions- und/oder partielle Schmelzvorgang für den Kem der Litze minimiert den Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Drähten der Litze. Hierbei können für den Verformungsvorgang andere Werkzeuge z.B. mit unterschiedlich großen Wirkflächen zu den Wirkflächen der Elektroden für den Hartlötvorgang verwendet werden. Für jede dieser beiden Stufen ist üblicherweise mindestens ein Satz unterschiedlicher Prozessparameter erforderlich. Die Stufen können auch in mehrere Intervalle bzw. Abschnitte mit verschiedenen Druck bzw. Kraft/Strom/Zeit-Vorgaben aufgegliedert werden. Dadurch ist die Energiezufuhr feiner dosierbar, um z.B. ein massives Aufschmelzen der Leitung zu verhindern.
Nachahmenswert ist aber auch, wenn die Verfahrensmerkmale b) und c) gleichzeitig bzw. unmittelbar aufeinander durchgeführt werden. Dabei werden dann zwar die Elektroden sowohl zur Herstellung der plastischen Verformung als auch zur Durchführung des Hartlötvorgangs verwendet, aber es lassen sich dadurch kürzere Zeiten zwischen dem Verform-Vorgang und dem Hartlötvorgang erreichen, so dass die Re-Oxidation der Litzenoberfläche weitestgehend unterbunden werden kann.
Beim unmittelbar aufeinander folgenden bzw. gleichzeitigen plastischen Verformen durch die Elektroden erzeugen diese zusätzlich die Umformung des Rohrs und die Kompaktierung der Litzendrähte. Die erforderlichen Kräfte können durch einen konstanten oder modulierten Vorwärmstrom, der über die Elektroden fließt, deutlich reduziert werden. Die Kompaktierungsphase, die Hartlötphase, die Diffusionsphase bzw. Schmelzphase und die Abkühlphase können durch verschiedene Anpresskräfte und/oder Energieeinträge bestimmt sein. Die Kompaktierungsphase kann teilweise aber auch in die Hartlötphase und/oder Diffusionsphase integriert sein. Letzteres beschreibt einen Vorgang, bei dem, während der Löt- und/oder Diffusionsphase, eine weitere kontinuierliche Kompaktierung stattfindet. Die Krafteinwirkungsdauer während der rampenförmigen Erwärmung zur Hartlöttemperatur, aber auch Weichlöttemperatur, kann auch zur Kompaktierung verwendet werden. Durch die räumlich unterschiedliche Temperaturverteilung innerhalb des Verbundes aus Rohr und Litze können sich die Hartlot- und Diffusions- bzw.
Schmelzvorgänge zeitlich überlagern.
Auch der Diffusionsvorgang wird über Anpresskraft, Temperatur und Zeit gesteuert. Dabei muss die Temperatur in der Verbindungszone zwischen der niedrigsten Schmelztemperatur und der höchsten Rekristallisationstemperatur der Verbindungspartner liegen.
Es hat sich bewährt, den Bereich des leitungsseitigen Endes des Rohrs derart plastisch zu verformen, dass sich das Rohr in Form einer Dichtmanschette an die elektrische Leitung anlegt. Dadurch ergibt sich, dass die Litze für den folgenden, oder gleichzeitigen Hartlötvorgang noch sicherer in dem Rohr gehalten wird. Der Übergangsbereich der Litze zwischen der anschlussseitigen und der leitungsseitigen plastischen Verformung soll dabei möglichst wenig belastet werden, um eine Schädigung der Litzendrähte durch Überdehnen zu vermeiden. Zudem muss der Übergangswiderstand der leitungsseitigen Dichtmanschette gegenüber der anschlussseitigen plastischen Verformung deutlich höherohmig sein, damit ein Nebenschluss für den zum Hartlöten, Diffundieren oder Schmelzen benötigten Strom vermieden wird.
Sollen die einzelnen Drähte der Litze nicht nur durch Diffusion fest miteinander verbunden werden, sondern der Litze-Kern partiell oder vollständig aufgeschmolzen werden, so ist es zweckmäßig, wenn zwischen der anschlusselementseitigen Verformung und der leitungsendseitigen Verformung ein Schmelze Depot ausgeformt wird.
Dadurch wird erreicht, dass Schmelze notfalls in das Schmelze Depot gelangen, aber nicht nach außen austreten kann. Die Größe des Schmelze Depots kann dabei vor dem Verform -Vorgang festgelegt werden, da Schmelze durchaus auch zwischen die nicht kompaktierten Bereiche der Litze gelangen kann und von dort nicht nach außen austreten muss.
Die plastische Verformung kann auch hier vor dem Hartlötvorgang oder aber gleichzeitig durchgeführt werden.
Vorteilhaft können während des Verformungs-Vorgangs und/oder während des Hartlötvorgangs und/oder des Diffusions- oder Schmelzvorgangs die Presswerkzeuge bzw. Elektroden geheizt werden oder sie bestehen aus einem Material, welches sich bei Stromdurchfluss aufheizt.
Grundsätzlich soll die notwendige Wärme für das Hartlöten, Diffundieren bzw.
Schmelzen mittels durch die zu verbindenden Elemente fließenden Stroms aufgrund der Joule’schen Eigenerwärmung erzeugt werden. Beim der Verdichtung dienenden Verformungs-Vorgang können beheizte Werkzeuge bzw. Elektroden dazu führen, dass die zu verbindenden Materialien geschmeidiger werden, so dass für das Überprägen kleinere Kräfte aufgewandt werden müssen. Die Reduzierung der Anpresskraft führt zu einer schonenderen Umformung, Dehnung und Stauchung des Rohrs sowie der Litze-Drähte und zu einer geringeren Druckbelastung der Elektroden. Beim Hartlöten würde, sofern die Elektroden beheizt werden, weniger Wärme, die für das Hartlöten benötigt wird über die Elektroden abfließen. Sind die Elektroden z.B. aus Wolfram-Werkstoffen gefertigt, würden sich diese beim Stromdurchfluss erwärmen, so dass sich eine zusätzliche Wärmequelle für den Lötvorgang und/oder den Diffusionsvorgang und/oder den Schmelzvorgang ergibt.
Nachahmenswert ist, wenn die Werkzeuge bzw. Elektroden der Presswerkzeug- und/oder Elektrodenpaare gleichzeitig bewegt werden.
Dadurch reduziert sich die Dehnung der oberen bzw. unteren außenseitigen Drähte der Litze neben dem Kompaktierungsbereich der Litze.
Zweckmäßig ist, wenn beim Hartlöten die Elektroden mit gegenüber der Wirkfläche der Verform Werkzeuge im Verdichtungs-Schritt kleinerer Wirkfläche Anwendung finden, und nichtleitende, seitliche Begrenzungen des Rohrs im Verformungs- und Bestromungsbereich eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form geben.
Durch die unterschiedliche Größe der Pressfläche der Verform-Werkzeuge zu den Elektroden entstehen an dem Rohr seitliche Abschlusszonen, die dazu dienen eine seitliche Berührung der Elektroden mit dem plastisch verformten Rohr zu vermeiden. Durch die Erwärmung während des verformenden Verdichtens und Hartlötens kann das Rohr entfestigt werden. Aber die an der Ober- und Unterseite sowie seitlich ganzflächig anliegenden Begrenzungen verhindern eine Aufweitung, wie es z.B. bei einer Hexagonal-Kontur gegeben wäre. Eine Auflösung der verdichteten Verbindung wird durch die Rundum-Klemmung verhindert. Die zusätzliche seitliche Klemmung verhindert also eine Aufweitung des Rohrs bzw. der kompaktierten Litze. Die Beschichtung der seitlichen Begrenzungs-Komponenten ist vorzugsweise weder elektrisch noch thermisch leitend. Hier sollte möglichst weder eine Wärmeableitung noch ein elektrischer Nebenschluss entstehen. Vorzugsweise kommt mit Keramik beschichteter Stahl oder direkt Keramik zum Einsatz. Die Kontur des Rohrs wird beim plastischen Verformen erzeugt. Beim nachfolgenden Hartlöten, Diffundieren bzw. Schmelzen schützt die seitliche Begrenzung davor, dass sich die verpresste Verbindung lockert.
Die Erfindung wird anhand von, diese darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Beispiel mit Vor-Verformung zum Hartlöten und anschließendem Diffundieren der Litze,
Fig. 2 ein weiteres Beispiel mit Vor-Verformung, Dichtmanschette und Schmelze Depot,
Fig. 3 ein drittes Beispiel mit Vor-Verformung, Dichtmanschette und kleinem Schmelze Depot,
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Beispiel mit durch Elektroden durchgeführter plastischen Verformung,
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Beispiel nach Figur 4 mit zusätzlicher Dichtmanschette, und
Fig. 6 ein Beispiel für den Aufbau der Elektroden
Fig. 1 zeigt, geschnitten dargestellt, einen Elektroanschluss 1 , der aus einem Rohr 2 aus Kupfer sowie einem Anschlusselement 3 besteht, wobei in das Rohr 2 das Ende einer Litze 4 aus Aluminium eingeschoben ist. Das Rohr 2 ist innen mit einem Hartlot 5 beschichtet.
Das Rohr 2 wurde bereits anschlussseitig einer plastischen Verformung 6 unterzogen. Dabei war das nicht gezeigte Verform-Werkzeug in seiner wirksamen Fläche größer als die Fläche der Elektrode 7, wodurch in dem Rohr 2 Abschlusszonen 8 neben der mittig aufgesetzten Elektrode 7 gebildet sind, die gewährleisten, dass der Hartlöt-Strom und/oder Diffusions- bzw. Schmelz-Strom, angedeutet durch die Stromflusslinien 9 vorwiegend über die Litze 4 fließt. Unterhalb der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 ist angedeutet, dass die Litze 4 stark kompaktiert ist, wodurch einerseits die Oxydschichten der einzelnen Drähte der Litze 4 aufgebrochen worden sind, und die einzelnen Drähte der Litze 4 spaltfrei aneinander gepresst sind. Durch Bestromung der Elektroden entsteht zunächst im Bereich des höherohmigen Übergangswiderstandes zwischen Rohr 2, Hartlot 5 und Litze 4 Joule'sche Eigenerwärmung, die ein Verbinden der äußeren Schicht der Litze 4 mit dem Rohr 2 durch Schmelzen des Hartlotes erzeugt, wodurch sich der Übergangswiderstand in diesem Bereich vermindert. Bei weiterer Bestromung, mit in der Regel zum Hartlöten unterschiedlichen Prozessparametern, entsteht die Joule'sche Wärme nunmehr in dem, einen größeren Übergangswiderstand bietenden Bereich zwischen den einzelnen Drähten der Litze, so dass die einzelnen Drähte durch Diffusion oder durch einen Schmelzvorgang miteinander verbunden werden, wodurch der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Drähten wiederum vermindert wird. Unterstützen kann dabei der Wärmeeintrag durch eine Beheizung bzw. Eigenerwärmung der Elektroden.
Fig. 2 zeigt, dass im Zuge der Erstellung der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 leitungsseitig eine weitere Verformung als Dichtmanschette 10 ausgebildet wurde. Die Dichtmanschette 10 ist weniger stark in das Rohr 2 eingeprägt als die anschlussseitige plastische Verformung 6. Die Dichtmanschette 10 bewirkt jedoch, dass die in der Schmelze Zone 11 entstehenden Schmelze nur bis zu einem Schmelze Depot 12 und nicht nach außen gelangen kann.
In Fig. 3 ist ebenfalls neben der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 eine leitungsseitige Verformung zur Ausformung einer Dichtmanschette 10 gesetzt worden. Das Schmelze Depot 12 ist hier jedoch nur sehr klein oder gar nicht vorhanden. Eventuell entstehende Schmelze kann zwar zwischen die einzelnen Drähte der Litze 4 im Bereich einer Dehnungszone 13 gelangen, aber durch die Dichtmanschette 10 ebenfalls nicht austreten.
Fig. 4 zeigt nunmehr einen Elektroanschluss 1 , der mittels der Elektrode 7 verformt wurde und bei dem anschließend in der ersten Stufe der Hartlötvorgang und in der zweiten Stufe der Diffusions- bzw. Schweiß Vorgang erfolgt sind. Da die Elektrode 7 auch mit den Seitenwänden der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 teilweise in Verbindung stehen, sind hier größere Bereiche des aufgeschmolzenen Hartlots 14 zu erkennen.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung zu Figur 4. Hier wurde zusätzlich eine Dichtmanschette 10 geprägt, die wiederum ein Schmelze Depot 12 zwischen Dichtmanschette und der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 zeigt.
Fig. 6 zeigt die Elektroden 7 und 7‘. Insbesondere zeigt sie, dass diese beiden Elektroden 7 aufeinander zubewegt werden können. Dadurch werden die Außendrähte der Litze 4 beim plastischen Verformungsvorgang ungefähr gleich gedehnt, was gegenüber einem Elektrodenpaar 7, 7‘, bei dem nur eine Elektrode 7 bewegt wird, die Litze weniger stark dehnt.
Weiterhin ist zu sehen, dass das Rohr 2 mit der darin befindlichen Litze 4 stark gequetscht ist, so dass das Rohr 2 eine im Wesentlichen rechteckige Form annimmt. Damit das Rohr 2 nicht zwischen den Elektroden 7, 7‘ an den Seiten austreten kann, ist eine seitliche Begrenzung 15 vorgesehen, die zusätzlich bewirkt, dass das Rohr 2 und Litze 4 ihre plastische Verformung beibehalten, ohne dass es zu eventuellen Aufweitungen kommt, so dass auch bei den folgenden Verbindungsschritten kein Gas an die Litze 4 gelangen kann.
Wesentlich ist somit, dass nach einem Kompaktierungsvorgang das Rohr in einem ersten Schritt mit den oberflächlichen Drähten der Litze verlötet wird und dass in einem zweiten Schritt die inneren Bereiche der Litze durch Diffusion und/oder Schmelzen fest miteinander verbunden werden.
Es ist bekannt, dass bei einer Al-Cu-Schmelze eine Al-Cu-Intermetallische Phase (IMP) aufwächst, die hochohmig und spröde ist. Dies stellt ein bekanntes Feld- Problem dar. Die Hochohmigkeit führt zu partieller Überhitzung in dem Crimp und die Sprödigkeit zu Rissen in der Verbindungsstelle bei von außen einwirkenden Kräften oder bei Temperaturwechsel, verbunden mit stark schwankenden Übergangswiderständen und partieller Überhitzung. In diesen Rissen kann sich auch eine Kontaktkorrosion zwischen diesen elektrochemisch sehr unterschiedlichen Werkstoffen ausbilden. Es gibt auch den Vorschlag, einen Oxidationsschutz, meist eine Zinnschicht, auf die Aluminiumdrähte und/oder das Kupfer- Rohr aufzubringen und diese zu verlöten. In diesem Falle entstehen CuSn-IMPs, die ebenfalls hochohmig und spröde sind. Auch hierdurch können Feldausfälle entstehen.
Um diese Feldrisiken zu vermeiden, wird eine Diffusionsbarriere vorgeschlagen, die zusätzlich ein Eutektikum mit dem Aluminium bildet. Die Temperatur des Eutektikums muss unterhalb der Schmelztemperatur der beiden Verbindungspartner AI und Cu liegen. Die Eigenschaft der Diffusionsbarriere verhindert die Entstehung von kritischen AI-Cu-IMP. Ein hierfür geeignetes Beschichtungsmaterial stellt neben dem Werkstoff Silber vor allem der Werkstoff Nickel und dessen Legierungen dar. Ein temperaturbedingter Festigkeitsverlust, wie bei Zinn- oder Zink-Lot, tritt bei Silber- oder Nickel-Lot nicht ein. Nickel wird als Diffusionsbarriere beim Drahtbonden (Vermeidung von Kirkendahl-Voids), beim Weichlöten (Vermeidung von Epsilon-Eta-Schichten) und beim Punktschweißen (Vermeidung von Zinn-Whiskern) erfolgreich eingesetzt. So entsteht während des ersten Schrittes eine Hartlotverbindung zwischen der auf dem Kupfer aufgebrachten Beschichtung und den angepressten von der Oxidhaut befreiten, noch nicht aufgeschmolzenen Al-Drähten. Die Beschichtung kann ebenfalls oxidiert sein, aber durch den vorgeschalteten Verformungsprozess wird auch dessen Oxidhaut gebrochen.
Nach Bildung der Hartlotverbindung zwischen Nickel und Aluminium erwärmt sich der Al-Verbund im zweiten Schritt weiter, bis die Al-Drähte zwischen den Elektrodenzonen in eine lokal begrenzte Schmelze oder Diffusionsverbindung übergehen. Dies ist kein Wderstandsschweißen der Aluminium-Litzendrähte, sondern ein vollständiges oder nur an den aneinander liegenden Kontaktflächen eintretendes partielles Aufschmelzen oder Andiffundieren. Der hierfür notwendige Erwärmungsprozess muss so geregelt/gesteuert werden, dass die Hartlot- Verbindung vor dem Aufschmelzen erfolgt. Diese Abfolge wird dadurch erreicht, dass der Verbindungs-Prozess in mindestens zwei verschiedene Abschnitte mit üblicherweise unterschiedlichen Einstellparametern aufgeteilt wird. In dem ersten Abschnitt wird, beginnend mit einer Vorwärmstufe (stufenförmiger und/oder rampenförmiger Stromanstieg) die für die Hartlötung erforderliche wohldosierte Energie eingeleitet. In dem zweiten Abschnitt wird die Energie, die für das Aufschmelzen oder Andiffundieren der Al-Drähte erforderlich ist, zugeführt. Hier sind in der Regel andere Einstellparameter erforderlich. Die wesentlichen Parameter, die abgeglichen werden müssen, sind der Strom, die Dauer und die Anpresskraft. Kommt eine plastische Verformung mit zusätzlicher Erwärmung der Formwerkzeuge zum Einsatz, kann die entsprechend eingesetzte Energie in die Gesamtenergie des Hartlot- Diffusions- Schmelzvorgangs einfließen. Abhängig von den mechanischen Abmessungen, der Elektrodengröße, dem Elektrodenmatenal, der Ausbildung der Verformungs-Zone, etc. können noch weitere Abschnitte mit unterschiedlichen Einstellungen erforderlich sein.
Hartlote können als Formteil eingelegt werden, werden jedoch bevorzugt auf galvanischem oder physikalischem (z.B. Aufspritzen, Sputtern) Weg auf das Rohr und ggf. auf die Litze aufgebracht. Durch die Beschichtung wird ein zusätzlicher Oxidationsschutz des Grundmaterials erlangt.
Der Stromfluss während des Verbindens erfolgt über die gegenüberliegenden ober- und unterseitig anliegenden Elektroden. Die Leitfähigkeit der Elektroden kann so gewählt werden, dass die Elektroden für den Verbindungsvorgang zusätzliche Wärme erzeugen. Ziel ist es, dass die notwendige Erwärmung durch Joule'sche Wärme in dem zu Verbindenden Material entsteht, die zusätzliche Elektroden-Wärme kann aber den Aufheizvorgang beschleunigen, und einen Wärmeabfluss über die Elektroden vermindern. Die für das Verbinden erforderliche Wärme wird somit nicht vorwiegend über die Eigenerwärmung der Elektroden zugeführt, sondern entsteht durch den Stromfluss in dem Verbundsystem Kupferrohr-Beschichtung-Aluminiumlitze. Auch hier wäre Nickel als schlecht leitender Werkstoff vorteilhaft, da die Joule'sche Wärme dann zusätzlich zum Aluminiumanteil direkt in der Kontaktzone generiert wird.
Eine geringfügige Zusatzerwärmung durch das Elektrodenmaterial kann hilfreich sein, da dies den Wärmeabfluss über die Elektroden reduziert. Die Wirkung des Elektrodenstrom kann auch durch die Kontaktfläche und die kontaktseitige Kontur beeinflusst werden. Dabei können die Elektroden planparallel, teilweise oder vollständig konvex oder konkav ausgebildet sein
Bezugszeichenliste
1 Elektroanschluss
2 Rohr
3 Anschlusselement
4 Litze
5 Hartlot
6 Anschlussseitige plastische Verformung
7 Elektrode
8 Abschlusszonen
9 Stromflusslinien
10 Dichtmanschette
11 Schmelze Zone
12 Schmelze Depot
13 Dehnungszone
14 Aufgeschmolzenes Hartlot
15 Seitliche Begrenzungen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung, die als Litze (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, mit einem Elektroanschluss (1 ) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welcher neben dem Anschlusselement (3) ein Rohr (2) zur Aufnahme des Endes der elektrischen Leitung aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten a) Beschichten der Innenflächen des Rohrs (2) mit einem Hartlot (5) oder Verwenden eines auf der Innenfläche mit einem Hartlot (5) beschichteten Rohrs (2), b) nach Einbringen des Endes der elektrischen Leitung in das Rohr (2), plastisches Verformen des Rohrs (2) im Bereich des anschlusselementseitigen Endes des Rohrs (2), wobei durch eine Überprägung die Einzeldrähte der Litze (4) derart verformt werden, dass deren nichtleitenden Schichten aufgebrochen und die Einzeldrähte spaltfrei aneinandergepresst werden, c) über Elektroden (7, 7‘), in Abhängigkeit von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Rohrs (2) und der Litze (4), ein Aufbringen mindestens einer vorgebbaren Anpresskraft und mindestens eines vorgebbaren Stroms für mindestens eine vorgebbare Zeit zum Erzeugen einer Joule'schen Erwärmung des Aluminium-Litzen-Bündels, wobei durch die Joule'sche Erwärmung das Hartlot (5) schmilzt und eine Hartlotverbindung zwischen den Innenflächen des Rohrs (2) und den mit diesen in Kontakt befindlichen Außenbereichen des Aluminium-Litzen-Bündels entsteht, d) durch Aufbringen ebenfalls in Abhängigkeit von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Rohrs (2) und der Litze (4) mindestens einer weiteren vorgebbaren Anpresskraft und mindestens eines weiteren vorgebbaren Stroms für mindestens eine weitere vorgebbare Zeit das Erweichen des Aluminium-Litzen-Bündels derart, dass eine Diffusion des Aluminium-Litzen-Bündels und/oder ein zumindest partielles Aufschmelzen des Aluminium-Litzen-Bündels erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Verfahrensmerkmale b) und c) gleichzeitig bzw. unmittelbar aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei e) nach Einbringen des Endes der elektrischen Leitung in das Rohr (2), diese im Bereich ihres leitungsseitigen Endes derart plastisch verformt wird, dass sich das Rohr (2) in Form einer Dichtmanschette (10) an die elektrische Leitung anlegt. Verfahren nach Anspruch 3, wobei f) zwischen der anschlusselementseitigen Verformung und der leitungsendseitigen Verformung ein Schmelze Depot (12) ausgeformt wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Verfahrensschritte e) und f) gleichzeitig mit Verfahrensschritt b) oder bis spätestens vor Beginn von Verfahrensschritt d) durchgeführt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei während des Verfahrensschrittes b) und/oder c) und/oder d) die Presswerkzeuge bzw. Elektroden (7, 7‘) geheizt werden oder aus einem Material bestehen, welches sich bei Stromdurchfluss aufheizt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Werkzeuge bzw. Elektroden (7, 7‘) der Presswerkzeug- und/oder Elektrodenpaare gleichzeitig bewegt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Verfahrensschritt c) Elektroden (7, 7‘) mit gegenüber der Wirkfläche der Verform Werkzeuge im Verfahrensschritt b) kleinerer Wirkfläche Anwendung finden und wobei nichtleitende seitliche Begrenzungen (15) des Rohrs (2) im Verformungs- und Bestromungsbereich eine gewünschte Form geben.
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