DE19902405B4

DE19902405B4 - Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung

Info

Publication number: DE19902405B4
Application number: DE1999102405
Authority: DE
Inventors: Eckhard Fröhlich
Original assignee: Feindrahtwerk Adolf Edelhoff GmbH and Co
Current assignee: Feindrahtwerk Adolf Edelhoff GmbH and Co
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: DE19902405A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung zwischen einem Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einer Kontaktklemme aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Kontaktklemme auf den Leiter aufgepreßt wird und anschließend beide Kontaktteile miteinander verschweißt oder verlötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter im Bereich unter der Kontaktklemme vor dem Aufpreßvorgang verzinnt wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung zwischen einem Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einer Kontaktklemme aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Kontaktklemme auf den Leiter aufgepreßt wird und anschließend beide Kontaktteile miteinander verschweißt oder verlötet werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik besteht insbesondere auf dem ^` Gebiet der Automobiltechnik, ohne jedoch auf jedes Gebiet beschränkt zu sein. Bei der Entwicklung neuer Automobile besteht die zwingende Forderung der Gewichtseinsparung. Die heute im Automobil verwendeten Verkabelungen sind inzwischen so umfangreich geworden, daß deren Gewicht eine nicht zu vernachlässigende Größe darstellt. Die bisher in einem Fahrzeug verwendeten Leitungen haben ein Gewicht von etwa 8 bis 10 kg.
Um zu einer relevanten Gewichtseinsparung zu gelangen, wäre die Verwendung von Aluminium wegen seines geringen Gewichts, welches nur etwa ein Drittel des Gewichts von Kupfer aufweist, wünschenswert. Wegen der schlechteren Leitfähigkeit von Aluminium gegenüber Kupfer erfordert dessen Verwendung jedoch einen größeren Querschnitt der Leitungen und damit ein größeres Gewicht. Insgesamt ist daher bei Verwendung von Aluminium eine praktische Einsparung von etwa 50% des Gewichts bei gleichem elektrischen Widerstand realisierbar.
Der Verwendung von Aluminium stehen jedoch einige Schwierigkeiten gegenüber, welche vor allem bei der Kontaktierung der Aluminiumdrähte zu berücksichtigen sind.
Auf Aluminium bildet sich bei Hinzutritt von Luftsauerstoff sofort eine Aluminiumoxydschicht Al₂O₃. Diese Schicht stellt einen Isolator dar und führt zu erheblicher Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstandes. Nachdem die auf dem Aluminiumleiter anzubringende Kontaktklemme überlicherweise einen Preßsitz aufweist, wird auf das Aluminium ein Druck ausgeübt, welcher mit der Zeit zu einem sog. „Setzen" des Aluminium führt, welches sich durch den langsamen Abbau der Druckspannungen im Aluminiummaterial ergibt. Dies führt dazu, daß die Klemmverbindung locker wird und auf diese Weise ebenfalls der Übergangswiderstand an der Kontaktstelle steigt.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß zwischen dem unedlen Material Aluminium des Leiters und dem edleren Material der Kontaktklemme, welche üblicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, eine galvanische Korrosion, eine sog. Kontaktkorrosion, auftritt, welche längerfristig zu einer Zerstörung des Aluminiumleiters führen kann.
Die nach den DIN-Normen durchzuführenden Temperaturwechseltests zur Qualifizierung der Kontaktstellen, welche eine mehrfache Beaufschlagung der Kontaktstelle abwechselnd mit Temperaturen von –40°C und +120°C beinhalten, führen wegen des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium gegenüber Kupfer zu einer Aufdehnung der Kontaktverbindung und damit ebenfalls zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes.
Hinzu kommt, daß die zu verwendenden Kabel in aller Regel keine Vollmaterialkabel darstellen, sondern aus einem Bündel einzelner Drähte, einer sog. Litze, bestehen. Aufgrund der Verwendung von Litzen wird daher die Problematik des Übergangswiderstandes, wie sie vorstehend erläutert wurde, noch vergrößert.

Aus der GB-PS 1 329634 ist bereits eine Kontaktverbindung bekannt, bei der ein Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Kontaktklemme versehen wird, die auf den Leiter aufgecrimpt wird und bei der anschließend beide Kontaktteile durch Löten miteinander verbunden werden.

Aus der US-PS 3 717 842 ist es auch bekannt, bei einer Kontaktklemme , die auf einen Leiter aus Aluminium aufgecrimpt wird, anschließend ein Verschweißen der beiden Kontaktteile vorzunehmen.

Aus der DE-OS 23 27 601 ist es ferner bekannt, bei der Verbindung von Leitern mit Kontaktklemmen, das eine Teil aus Kupfer, das andere Teil aus Aluminium herzustellen und beide Teile durch Reibungsschweißen miteinander zu verbinden.

Die US-PS 4 290 665 zeigt das Verschweißen von zwei Teilen eines Kontaktes, von denen der eine aus Aluminium und der andere aus Aluminium mit einer Kupferschicht besteht. Die beiden Teile werde Stoß auf Stoß miteinander verschweißt. Dies ist jedoch nicht das Problem der Erfindung, bei der eine Kontaktkiemme auf einen Leiter aufgepreßt wird und bei der in diesem Bereich ganz andere Gegenheiten vorliegen, denen es zu begegnen gilt.

Die gleiche technische Problematik ist auch bei der DE 33 16 563 A1 gegeben, wo ein Steckverbinder beschrieben ist, dessen beide Teile an der Stirnfläche verlötet werden. Auch diese Druckschrift führt in ihrem Offenbarungsgehalt von der Erfindung weg.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile und ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik bei Nutzung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Leitermaterial dauerhafte Kontaktverbindungen zu schaffen, bei welchen ein möglichst geringer und sich nicht ändernder Übergangswiderstand besteht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der Leiter im Bereich unter der Kontaktklemme vor dem Aufpreßvorgang verzinnt wurde.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, neben einem mechanischen Kontakt zwischen Leiter und Kontaktklemme eine unlösbare Verbindung zwischen diesen beiden Kontaktteilen durch Materialverschmelzung herzustellen. Damit kann keine Isolationsschicht zwischen den beiden Kontaktteilen auftreten und es kann mit der Zeit keine Erhöhung des Übergangswiderstandes durch Lockern der mechanischen Verbindung der Kontaktteile auftreten.

Der elektrische Leiter ist vorzugsweise aus einem Bündel von Drähten (Litze) ausgebildet. Diese Drähte werden vorverzinnt und dann mit einer Isolierung überzogen. Im Bereich des Kontaktendes werden die Drähte zu gegebener Zeit dann abisoliert.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die ebenfalls verzinnte Kontaktklemme auf den Leiter aufgecrimpt wird. Es handelt sich hier um eine besonders einfache Kontaktverbindung, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art der Kontaktklemmen beschränkt. Es eignen sich grundsätzlich alle Arten von Kontaktklemmen, welche vorverzinnbar sind und einem Löt- oder Schweißverfahren unterworfen werden können.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß an die beiden Kontaktteile vermittels Elektroden Strom angelegt wird und die Verbindung durch Widerstandsschweißen erfolgt. Durch einen kurzen Stromimpuls wird die Verzinnung auf dem Leiter und der Kontaktklemme zum Schmelzen gebracht, das Lot verfließt und bildet zwischen dem Leiter und der Kontaktklemme eine durch mechanische Funktionsbeanspruchung nicht lösbare Schmelzverbindung.

Im Sinne der Erfindung kann der Leiter grundsätzlich aus Reinaluminium bestehen. Im Sinne der Erfindung bevorzugt ist jedoch wegen der besseren mechanischen Eigenschaften eine Aluminiumlegierung. Es wird deshalb in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Leiter aus einer Aluminiumlegierung AlFeMg mit 0,5 bis 0,8% Fe, 0,08 bis 0,25% Mg, Rest Al besteht. Alle Angaben sind Gewichtsprozent.

Alternativ kann im Sinne der Erfindung auch vorgeschlagen werden, daß der Leiter aus einer Seele aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und einer Beschichtung mit Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Schichtdicke von 10 bis 30 μm besteht.

In diesem Falle kann die Vorverzinnung des gesamten Leiters entfallen und die Kontaktenden können nach Abisolierung in üblicher Weise verzinnt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Leiter mit reinem Zinn oder einer Zinn-Blei-Legierung mit einer Schichtdicke von 1 bis 6 μm verzinnt sein.

Die Kontaktklemme kann gemäß der Erfindung aus reinem Kupfer sein, bevorzugt ist, daß eine Kupferlegierung aus Messing oder Bronze verwendet wird.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 das Kontaktende eines Leiters mit noch offener Kontaktklemme;
2 das Kontaktende des Leiters mit gecrimpter Kontaktklemme und angelegten Elektroden;
3 die fertige Verbindung nach dem Schmelzvorgang.
In 1 ist ein Leiter 1 aus Aluminiumlegierung dargestellt, welcher aus einer Anzahl von Leitungsdrähten 2 besteht, wobei an dem Kontaktende die Isolierung 3 von den Drähten entfernt ist. Das Kontaktende dieser Drähte ist verzinnt. Mit 4 ist eine Kontaktklemme bezeichnet, welche vermittels Lappen 5 auf die Isolierung 3 des Leiters 1 aufgepreßt ist. Lappen 6 der Kontaktklemme 4 sind im noch nicht umgebördelten Zustand dargestellt.
Aus 2 ist ersichtlich, daß die Lappen 6 auf die Drähte 2 gecrimpt sind. Es sind zwei Elektroden 7 und 8 an die Kontaktklemme angelegt, durch die ein kurzzeitiger Stromimpuls angelegt wird. Dieser erwärmt die Kontaktstellen kurzzeitig auf etwa 400°C und erzielt damit ein Aufschmelzen der Verzinnung der Drähte sowie der Lappen 6 der Kontaktklemme. Das flüssig gewordene Zinn verfließt ineinander und führt zu einer Materialverbindung zwischen den Drähten und den Lappen 6. Diese Verbindung ist bei einer normalen mechanischen Funktionsbeanspruchung der Kontaktstelle unlösbar. Wie Versuche gezeigt haben, ist die Kontaktstelle in ihrem Übergangswiderstand auch bei Alterung konstant.
In 3 ist die fertige Kontaktverbindung dargestellt. Man erkennt, daß zwischen den Lappen 6 und den Drähten 2 eine Zinnschicht 9 vorhanden ist, welche die erwähnte Materialverbindung zwischen diesen beiden Kontaktteilen darstellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer korrosionsresistenten, elektrischen Verbindung zwischen einem Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einer Kontaktklemme aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Kontaktklemme auf den Leiter aufgepreßt wird und anschließend beide Kontaktteile miteinander verschweißt oder verlötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter im Bereich unter der Kontaktklemme vor dem Aufpreßvorgang verzinnt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem Bündel von Drähten (Litze) besteht, die im Bereich der aufzubringenden Kontaktklemme verzinnt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenfalls verzinnte Kontaktklemme auf den Leiter aufgecrimpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Kontaktteile vermittels Elektroden Strom angelegt wird und die Verbindung durch Widerstandsschweißen erfolgt.
Leiter zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einer Aluminiumlegierung AlFeMg mit 0,5 bis 0,8% Fe, 0,08 bis 0,25% Mg, Rest Al besteht.
Leiter zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einer Seele aus Aluminium oder Alumminiumlegierung und einer Beschichtung mit Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Schichtdicke von 10–30 μm besteht.
Leiter zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit reinem Zinn oder einer Zinn-Blei-Legierung mit einer Schichtdicke von 1–6 μm verzinnt ist.
Kontaktklemme zur Verwendung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Kupferlegierung Messing oder Bronze ist.