WO2015173165A1 - Anordnung mit zwei miteinander verschraubten kupferblechen und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Definitions

  • busbars In the field of automotive electrics and electronics, in particular in connection with the electrification of the motor vehicle consumers are increasingly used for the operation of high currents are required. In order to keep the losses as low as possible, the necessary electrical conductors may only have a low resistance. This can be achieved on the one hand by correspondingly large cross-sections, which, however, is expensive due to the correspondingly high material cost, or by a correspondingly high conductivity. Because of its properties, copper is still the first choice here. These conductors, often referred to as busbars, are usually made of sheet copper and must be connected to each other or to other copper objects such as press-fit pins.
  • Riveting, brazing or welding may be considered as connecting technique, whereby the high thermal conductivity of copper is disadvantageous during welding since the weld does not become warm enough thereby.
  • From DE 199 10 787 Al it is known to screw such copper sheets together, but holes are provided in a conventional manner in the parts to be joined the busbars possibly with pre-cut thread. However, this means an additional step and also these holes must be made with low tolerances, so that the connections of the copper sheets are accurate.
  • this connection technique is only used for aluminum-steel connections.
  • the problem is solved by an arrangement with two copper plates, which are connected to each other via a screw connection, wherein the screw was screwed directly into the copper sheets, without screw holes were provided.
  • the object is also achieved by a method for producing a connection of two copper sheets by means of a screw in which the screw is screwed directly into the copper sheets, without screw holes are provided.
  • the screw technology widely used in the backend production of motor vehicle electronics can be used, without having to use the disadvantages of screwing with nut and correspondingly provided holes in the copper sheets or threads to be provided in the holes.
  • a high current carrying capacity with low contact resistance at the connection point is achieved by the high heating of the copper at the screw-in point and the resulting flowability.
  • At least one of the copper sheets consists of Cu-ETP.
  • This highly conductive copper material is particularly soft and therefore poorly suited for conventional bonding techniques.
  • the screw has a matched to the copper material thread geometry.
  • the screwing is under Schutzgasatmo ⁇ sphere. As a result, an insulating oxide formation on the surface of the copper sheets can be prevented.
  • protective gases for example, argon or carbon dioxide come into question.
  • the screwing takes place on a resilient support.
  • the screw of Figure 1 shows a screw for connecting two copper sheets.
  • the screw of Figure 1 has a screw head 1 with preferably internal drive.
  • the screw head diameter must be adapted to the internal drive to be used, e.g. 2.5 mm for Torx plus.
  • the screw material as well as the internal drive must be designed for very short rotational speeds of 4000 revolutions per minute and higher.
  • the screw has at its screw head 1 with respect to ⁇ opposite end starting from the screw tip 6 up to a gauge section 4 is a flow punch forming zone 5, which is formed in the example illustrated as a square, tapering starting from the gauge section up to the screw tip.
  • a short Ge ⁇ windeformzone 3 followed by the supporting thread 2 follows.
  • Such a screw is pressed with high contact pressure according to the invention against a load-bearing support at high speed against the copper sheets to be joined, causing the screw-in heats and begins to flow and the screw can cut their own thread.
  • the thereby achievable positive connection there is a low current transfer resistance, which is of great advantage in high ⁇ current connections.
  • tolerances of the individual lead frames to each other are not as critical as in a through hole, since the screw forms the hole itself.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit zwei Kupferblechen, die über eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Schraube direkt in die Kupferbleche eingeschraubt wurde, ohne dass Schraublöcher vorgesehen waren, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Beschreibung
Anordnung mit zwei miteinander verschraubten Kupferblechen und Verfahren zu deren Herstellung
Im Bereich der Automobilelektrik und -elektronik, insbesondere im Zusammenhang mit der Elektrifizierung des Kraftfahrzeugs werden in zunehmendem Maße Verbraucher eingesetzt, zu deren Betrieb hohe Ströme erforderlich sind. Um die Verluste möglich gering zu halten, dürfen die dazu nötigen elektrischen Leiter nur einen geringen Widerstand aufweisen. Dies kann zum einen durch entsprechend große Querschnitte erreicht werden, was jedoch aufgrund des entsprechend hohen Materialaufwands teuer ist, oder aber durch eine entsprechend hohe Leitfähigkeit. Aufgrund seiner diesbezüglichen Eigenschaften ist hier nachwievor Kupfer die erste Wahl. Diese häufig als Stromschienen bezeichneten Leiter werden zumeist aus Kupferblech gefertigt und müssen miteinander oder auch mit anderen Gegenständen aus Kupfer, wie beispielsweise Einpresspins verbunden werden. Hierzu kommt als Verbindungs- technik beispielsweise Nieten, Hartlöten oder Schweißen in Frage, wobei beim Schweißen die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer nachteilig ist, da die Schweißstelle hierdurch nicht warm genug wird. Aus der DE 199 10 787 AI ist es bekannt, solche Kupferbleche miteinander zu verschrauben, wobei jedoch in herkömmlicher Weise in den zu verbindenden Teilen der Stromschienen Löcher ggf. mit vorgeschnittenem Gewinde vorgesehen sind. Dies bedeutet jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt und außerdem müssen diese Löcher mit geringen Toleranzen gefertigt werden, damit die Verbindungen der Kupferbleche passgenau sind.
Aus der DE 103 48 427 AI ist es andererseits bekannt, Bleche mittels einer Direktverschraubung zu verbinden, wobei durch eine entsprechende Ausbildung der Schraubenspitze und hohe Drehzahl die Einschraubstelle stark erwärmt wird, wodurch sie fließfähig wird, und die Schraube mit entsprechend hoher Kraft in die zu verbindenden Bleche eingedrückt werden kann, wodurch die Schraube sich selbst ein Gewinde schneidet.
Allerdings wird gemäß der dortigen Offenbarung diese Verbin- dungstechnik nur für Aluminium-Stahl-Verbindungen angewandt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung von zwei miteinander verbundenen Kupferblechen anzugeben, deren Herstellung partikelemissionsarm ist und einen guten Stromüber- gangswiderstand für Hochstromverbindungen liefert. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst, durch eine Anordnung mit zwei Kup- ferblechen, die über eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Schraube direkt in die Kupferbleche eingeschraubt wurde, ohne dass Schraublöcher vorgesehen waren. Die Aufgabe wird außerdem gelöst, durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier Kupferbleche mittels einer Schraube, bei dem die Schraube direkt in die Kupferbleche eingeschraubt wird, ohne dass Schraublöcher vorgesehen sind.
Hierdurch kann einerseits die in der Backendfertigung der Kraftfahrzeugelektronik weitverbreitete Schraubtechnik ange- wendet werden, ohne dass die Nachteile der Verschraubung mit Schraube und Mutter und entsprechend vorgesehenen Löchern in den Kupferblechen oder durch vorzusehende Gewinde in den Löchern verwendet werden muss. Außerdem wird durch die hohe Erwärmung des Kupfers an der Einschraubstelle und die dadurch erzielte Fließfähigkeit eine sehr gute Stromtragfähigkeit mit geringem Übergangswiderstand an der Verbindungsstelle erreicht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht zumindest eines der Kupferbleche aus Cu-ETP. Dieses hochleitfähige Kupfermaterial ist besonders weich und daher für herkömmliche Verbindungstechniken nur schlecht geeignet . In einer weiteren erfindungsgemäßen Aus- und Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung weist die Schraube eine an das Kupfermaterial angepasste Gewindegeometrie auf. Bei einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Schraubvorgang unter Schutzgasatmo¬ sphäre. Hierdurch kann eine isolierende Oxidbildung an der Oberfläche der Kupferbleche verhindert werden. Als Schutzgase kommen beispielsweise Argon oder Kohlendioxid in Frage.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Schraubvorgang auf einer belastbaren Abstützung . Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 eine Schraube zur Verbindung zweier Kupferbleche. Die Schraube der Figur 1 weist einen Schraubenkopf 1 mit vorzugsweise Innenantrieb auf. Dabei muss der Schraubenkopf- durchmesser an den zu verwendenden Innenantrieb angepasst sein, z.B. 2,5 mm für Torx plus. Das Schraubenmaterial und auch der Innenantrieb muss für kurzfristig sehr hohe Drehzahlen von 4000 Umdrehungen pro Minute und höher ausgelegt sein.
Die Schraube weist an ihrem dem Schraubenkopf 1 gegenüber¬ liegenden Ende ausgehend von der Schraubenspitze 6 bis zu einem Kalibrierabschnitt 4 eine Fließlochformzone 5 aus, die im dargestellten Beispiel als Vierkant ausgebildet ist, der ausgehend vom Kalibrierabschnitt sich bis zur Schraubenspitze verjüngt. Nach dem Kalibrierabschnitt 4 folgt eine kurze Ge¬ windeformzone 3, an die sich das tragende Gewinde 2 anschließt. Eine solche Schraube wird mit hoher Anpresskraft erfindungsgemäß gegen eine belastbare Abstützung mit hoher Drehzahl gegen die zu verbindenden Kupferbleche gedrückt, wodurch sich die Einschraubstelle erwärmt und zu fließen beginnt und die Schraube sich ihr eigenes Gewinde schneiden kann. Durch die dadurch zu erreichende formschlüssige Verbindung kommt es zu einem geringen Stromübergangswiderstand, was von großem Vorteil bei Hoch¬ stromverbindungen ist. Außerdem sind Toleranzen der einzelnen Stanzgitter zueinander nicht so kritisch wie bei einem Durchgangsloch, da die Schraube das Loch selbst formt.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung mit zwei Kupferblechen, die über eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Schraube direkt in die Kupferbleche eingeschraubt wurde, ohne dass Schraublöcher vorgesehen waren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kupferbleche aus Cu-ETP besteht.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube eine an das Kupfermaterial angepasste Gewindegeometrie (1-6) aufweist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zweier Kupferbleche mittels einer Schraube, bei dem die Schraube direkt in die Kupferbleche eingeschraubt wird, ohne dass Schraublöcher vorgesehen sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schraubvorgang unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der Schraubvorgang auf einer belastbaren Abstützung erfolgt.
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