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EP3138160A1 - Crimp-schweissverbindung - Google Patents

Crimp-schweissverbindung

Info

Publication number
EP3138160A1
EP3138160A1 EP15718771.7A EP15718771A EP3138160A1 EP 3138160 A1 EP3138160 A1 EP 3138160A1 EP 15718771 A EP15718771 A EP 15718771A EP 3138160 A1 EP3138160 A1 EP 3138160A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
crimp
welded
stranded
stranded wire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP15718771.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3138160B1 (de
Inventor
Walter Baldauf
Martin Hundseder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG filed Critical Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3138160A1 publication Critical patent/EP3138160A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3138160B1 publication Critical patent/EP3138160B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/10—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation
    • H01R4/18—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping
    • H01R4/187—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping combined with soldering or welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H01R4/625—Soldered or welded connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • 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
    • H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/10—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation
    • H01R4/18—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping
    • H01R4/20—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping using a crimping sleeve

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a permanent mechanical and electrical connection between a stranded conductor and a connection element. In this case, one end of the stranded wire is welded to the connection element. Furthermore, the invention relates to a connection between a connection element and a stranded conductor produced according to the method according to the invention.
  • a stranded conductor or strand is a conductor consisting of a plurality of thin individual wires.
  • the individual wires can be coaxially circulated by a common insulating sleeve and possibly additionally by a common outer conductor.
  • Several such stranded wires can run side by side in a cable.
  • Litz wires generally have the advantage of a particularly high degree of flexibility and only a low susceptibility to conductor breaks, even under mechanical loads such as vibrations or shearing and bending forces acting on the stranded conductor.
  • connection element such as a connector or a terminal
  • a connection element such as a connector or a terminal
  • a connection element such as a connector or a terminal
  • ferrule can, for example, be crimped with the end of the stranded wire.
  • solder the strand it is known to solder the strand to a connection element.
  • Litz wires or strands that are used for high current transmission for example, in automobiles, however, regularly have a large line cross-section and a large number of individual wires, whereby the connection of the strand to the connection element is difficult. Furthermore, the joints are regularly exposed to high force effects such as vibrations, so that a particularly stable and durable attachment of the strand to the connection element is required.
  • connection element a durable cohesive connection can be made quickly and comparatively inexpensive.
  • the strand is placed on a flat contact surface of the connection element, flattened so that as many individual wires of the strand are in direct contact with the contact surface, and then the individual wires are welded to the contact surface.
  • welds are not produced with consistent resistance and durability due to the partially disordered aligned individual wires during welding, so that welded joints not always withstand the vibrations that may be exposed to the joint, permanently.
  • connection element is crimped both with the stranded wire and also welded to the stranded wire.
  • the connecting element has a Crimpverianaung, in which one end of the stranded wire is introduced before crimping or before welding.
  • the stranded conductor is not welded to a flat contact surface, but is attached to a circumferential circumferential side wall of the crimping recess.
  • the invention is based on the knowledge that in the case of a single-sided installation of the stranded conductor to a contact surface of the connection element numerous individual wires are not connected directly to the connection element during welding, which affects the attachment strength.
  • the stranded conductor according to the invention circumferential side wall of the crimping recess, the fastening strength can be improved.
  • the contact resistance can be reduced by the comparatively large-scale system.
  • the fact that the stranded wire is received during welding in a crimp prevents unwanted flow of conductive material to the contact surface before the individual wires of the stranded wire sufficiently adhere to the contact surface.
  • the invention is based on the knowledge that for a purely frictional connection such as a crimp on a large number of individual wires of the stranded wire to be crimped considerable pressing forces are spent in order to achieve a desired plastic deformation of the individual wires over the entire pipe diameter. For this reason, pure crimp connections in stranded conductors with a large cross section are expensive to produce and not sufficiently reliable.
  • the frictionally acting crimp connection and the cohesive welded connection complement each other in an optimal manner, since the individual wires already pressed against each other after the crimping process merge without considerable welding effort with only short welding time to provide a material connection without line material emerging from the crimping recess during welding.
  • the stranded conductor has a diameter of more than 0.5 cm, in particular 1 cm or more and / or a strand cross-sectional area of more than 20 mm 2 , preferably more than 40 mm 2 , in particular 50 mm 2 or more.
  • the stranded wire is not necessarily round and can also be formed as an oval or flat stranded wire.
  • the stranded conductor can have more than 100, preferably more than 200, in particular 250 or more individual wires running side by side.
  • Such a stranded wire can be designed for currents of more than 50 A, in particular 100 A or more, as they occur in automotive applications.
  • the Crimpverianaung is preferably substantially circular cylindrical and adapted to the diameter of the Litzen Arthur. It may be surrounded by a thin, preferably substantially circular cylindrical jacket-shaped side wall, so that molding of the side wall onto the individual wires of the stranded conductor arranged in the recess is possible by a pressing force from outside.
  • the connecting element is crimped to provide a crimp connection with the stranded line and then the finished crimp connection is welded to provide a crimp welded connection.
  • the crimped connection is welded by means of ultrasound.
  • the energy required for welding is generated by a high-frequency mechanical vibration, which is formed by friction between the components to be welded. This friction simultaneously breaks up an oxide layer on the surfaces of the components to be joined.
  • Ultrasonic welding is characterized by a comparatively shorter welding time. Furthermore, the ultrasonic waves can be applied in a simple manner from the outside to the connection element and thus introduced into the Crimpvertiefung.
  • the connecting element is crimped gas-tight with the stranded wire.
  • the stranded wire is crimped so firmly with the connecting element that neither a liquid nor a gaseous medium can penetrate from the outside into the crimp, so that an oxidation between the pressed individual wires and an associated increase in the contact resistance can be imposed.
  • the remaining between the crimped strands individual cavities are therefore not in fluid communication with the environment.
  • a gas-tight crimp can be ensured by a sufficiently high pressing force acting on the cylindrical side wall of the crimping recess from many sides from the outside. As a result, the individual wires are uniformly pressed against each other and compacted.
  • the end of the stranded wire is preferably stripped and then inserted into a preferably substantially cylindrical blind hole of the connecting element.
  • the stranded wire is inserted so far into the blind hole that strike the front ends of the individual wires at the bottom of the blind hole.
  • the blind hole has only one opening when using a blind hole.
  • the junction can also be sealed off from environmental influences.
  • the invention relates to a crimp welded connection produced according to the method according to the invention.
  • Such a crimp welded joint is characterized by an end of a stranded wire engaging in a crimping recess of a connecting element, such as a connector, wherein the stranded wire and the connecting element are crimped together and welded together.
  • the crimp welded joint according to the invention is first crimped during its manufacture and then welded.
  • Such a crimp welded joint is characterized by virtually no voids between the individual wires and a particularly uniform compression.
  • the stranded conductor is arranged for transmitting high currents and may have a cross-sectional area of more than 20 mm 2 , preferably more than 40 mm 2 , in particular 50 mm 2 or more and / or more than 100, in particular 200 or more individual wires ,
  • the individual wires of the stranded wire are preferably formed of aluminum.
  • the connection element in particular the side wall of the crimping recess, against which the stranded conductor rests, is formed at least partially from copper.
  • connection can be sealed by means of an (optionally additional) insulation crimp in the input region of the crimping recess (liquid-tight and / or gastight).
  • insulation crimp in the input region of the crimping recess (liquid-tight and / or gastight).
  • at least a part of a jacket of the stranded conductor and / or a different sealing element attached to the stranded conductor may be introduced in sections into the crimping recess and crimped together.
  • connection element may be formed as a connector for electrically connecting the stranded conductor with a mating connector, wherein the connector on one side of the Crimpvertiefung and / or on the opposite side has a preferred socket-shaped insertion geometry.
  • the crimp-welded connection according to the invention is characterized in particular by the following properties: uniform strand compaction, gas-tight connection preferably without cavities in the crimp, improved contact resistance and / or improved surface structure of the contact.
  • Fig. 2a is a perspective view of a crimp before the
  • 2b is a sectional view of a stranded wire after crimping, but before welding
  • Fig. 3a is a side view of a crimp welded joint according to the invention.
  • 3b shows a sectional view through a crimp welded connection produced according to the method according to the invention.
  • a substantially rotationally symmetrical formed connecting element 100 is shown in the form of a connector, wherein the connecting element 100 has a Crimpverianaung 22, in which engages an end 12 of a stranded wire 10.
  • the crimp recess 22 is formed on a side facing the stranded conductor 10 in the form of a substantially cylindrical blind hole 24 in the connection element 100.
  • the connection element 100 On the side facing away from the blind hole 24, the connection element 100 has a socket-shaped plug-in geometry 28 for connecting the connection element 100 to a mating connector (not shown).
  • the blind hole 24 is surrounded by a relatively thin side wall 26, on the at Crimping radially inwardly acting pressing forces F can be applied.
  • a thin side wall offers the further advantage that a better vibration introduction into the blind hole 24 is possible during welding.
  • the Crimpvertiefung is not necessarily formed as a cylindrical blind hole, and it may alternatively not be rotationally symmetrical and / or formed as a through hole.
  • a round cross-sectional geometry facilitates the crimping process and leads to a particularly uniform compaction of the stranded conductor. Unlike a through hole, leakage of molten conduit material during welding is prevented in a blind hole.
  • An outer boundary surface of the connection element 100 may be shaped crimp-optimized.
  • the outer boundary surface has a subsequent to the side wall 26 of the blind hole 24 and flared intermediate portion which merges into a transition region 29 with an enlarged diameter.
  • the transition region 29 provides sufficient volume of material to permit deformation of the sidewall 26 when crimping radially inwardly.
  • the conical intermediate section minimizes cracks and other damage to the material during crimping and / or welding.
  • the plug-in geometry 28 is shown by way of example only as a socket.
  • the plug geometry can also be formed in the form of a plug.
  • the connection element may not be formed as a connector, but represent a part of a housing or another contact element.
  • the stranded conductor 10 shown in FIG. 1 has a large number of conducting individual wires 14, which are surrounded by a common jacket.
  • the jacket is stripped, so that the individual wires abut against the inner surface of the side wall 26 of the blind hole 24.
  • at least some of the jacket and / or another sealing element can be introduced at least in sections into the blind hole and crimped in, so that an insulation crimp is formed.
  • the insulation crimp can also be used in an additional crimping process additional cable-side crimp connection can be created. As a result, the connection is sealed on the cable side by the crimp and at the front end by the blind hole.
  • the stranded wire 10 has about 250 individual wires.
  • the cross-sectional area formed jointly by the individual wires (referred to herein as the cross-section of the stranded conductor) is approximately 50 mm 2 .
  • the stranded conductor can be surrounded by a common shield and / or an outer sheath.
  • the individual wires can each have an insulating coating.
  • connection element 20 consists essentially of copper.
  • Other, not necessarily different conductive materials are also conceivable.
  • the exposed end 12 of the stranded wire 10 is inserted into the blind hole 24 until the front ends of the individual wires abut against the bottom of the blind hole 24.
  • a pressing force F is radially applied from outside to the side wall 26 of the blind hole.
  • the pressing force F acts on the side wall 26 from several sides, in particular peripherally, in order to achieve the most uniform possible compression of the individual wires 14 and pressing against the side wall 26.
  • the individual wires 14 are deformed such that only a few cavities between the individual wires within the blind hole 24 are present.
  • the pressing force F is dimensioned such that a gas-tight crimp is formed.
  • FIG. 2 b particularly clearly shows the single wires 14 of the stranded conductor 10 pressed together closely.
  • ultrasonic waves are introduced from the outside into the finished crimp connection.
  • the individual wires 14 already close to one another merge with each other and with the inner surface of the side wall 26 of the blind hole.
  • a positive connection practically without cavities between the individual wires 14 of the stranded conductor is formed, as shown in cross section in Fig. 3b and in a side view in Fig. 3a.
  • a comparatively low welding energy is sufficient for this because the connection is already "pre-compressed" by the crimping.
  • FIGS. 2b and 3b show particularly clearly that a mere crimp connection differs significantly from the crimp welded connection according to the invention.
  • a welding method other than ultrasonic welding may be used.
  • connection can easily absorb tensile forces on the stranded wire of 3 kN, while conventional welded joints are designed regularly to a maximum tensile force of about 1, 8 kN.
  • the crimp weld approximately reaches the tensile strength of the remainder of the stranded wire or cable. In a pure welded joint, the pull-out force is significantly lower. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einer Litzenleitung und einem Anschlusselement, bei dem ein Ende der Litzenleitung mit dem Anschlusselement verschweißt wird, wobei das Ende der Litzenleitung vor dem Verschweißen in eine Crimpvertiefung des Anschlusselements eingeführt wird, und wobei das Anschlusselement zusätzlich mit der Litzenleitung vercrimpt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellte Crimp- Schweißverbindung.

Description

Crimp-Schweißverbindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einer Litzenleitung und einem Anschlusselement. Dabei wird ein Ende der Litzenleitung mit dem Anschlusselement verschweißt. Ferner betrifft die Erfindung eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung zwischen einem Anschlusselement und einer Litzenleitung.
Eine Litzenleitung oder Litze ist ein aus einer Mehrzahl von dünnen Einzeldrähten bestehender Leiter. Die Einzeldrähte können von einer gemeinsamen Isolierhülle und ggf. zusätzlich von einem gemeinsamen Außenleiter koaxial umlaufen werden. Mehrere solche Litzenleitungen können nebeneinander in einem Kabel verlaufen.
Litzenleitungen haben allgemein den Vorteil einer besonders hohen Biegsamkeit und einer nur geringen Anfälligkeit für Leiterbrüche auch unter mechanischen Belastungen wie etwa Vibrationen oder auf die Litzenleitung einwirkenden Scher- und Biegekräften.
Zum Verbinden der Litzenleitung mit einem Anschlusselement wie etwa einem Steckverbinder oder einer Klemme ist es bekannt, ein abisoliertes Ende der Litzenleitung mit einer Aderendhülse zu versehen, die die Einzeldrähte der Litze fest zusammenhält und eine Beschädigung der Einzeldrähte durch eine Klemmschraube o.dgl. verhindert. Die Aderendhülse kann bspw. mit dem Ende der Litzenleitung vercrimpt werden. Als Alternative ist es bekannt, die Litze an einem Anschlusselement anzulöten.
Litzenleitungen bzw. Litzen, die zur Hochstromübertragung bspw. in Automobilen eingesetzt werden, haben allerdings regelmäßig einen großen Leitungsquerschnitt und eine große Anzahl an Einzeldrähten, wodurch das Verbinden der Litze mit dem Anschlusselement erschwert wird. Ferner sind die Verbindungsstellen regelmäßig hohen Krafteinwirkungen wie etwa Vibrationen ausgesetzt, so dass eine besonders stabile und haltbare Befestigung der Litze an dem Anschlusselement erforderlich ist.
Derzeit werden Litzenleitungen mit einem großen Querschnitt bzw. mit einer großen Anzahl von Einzeldrähten regelmäßig an das Anschlusselement angeschweißt. Durch Schweißen kann nämlich schnell und vergleichsweise kostengünstig eine dauerhafte stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Dazu wird die Litze auf eine flache Kontaktfläche des Anschlusselements aufgelegt, derart plattgedrückt, dass möglichst viele Einzeldrähte der Litze in direktem Kontakt mit der Kontaktfläche stehen, und anschließend werden die Einzeldrähte mit der Kontaktfläche verschweißt. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass solche Schweißverbindungen aufgrund der beim Schweißen teilweise ungeordnet ausgerichteten Einzeldrähte nicht mit gleichbleibender Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit herstellbar sind, so dass Schweißverbindungen den Vibrationen, denen die Verbindungsstelle ausgesetzt sein kann, nicht immer dauerhaft standhalten.
In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer unlösbaren mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einer Litzenleitung und einem Anschlusselement bereitzustellen, mit dem Litzenleitungen mit einer großen Anzahl von Einzeldrähten auch unter hohen Belastungen der Verbindungsstelle zuverlässig und haltbar an dem Anschlusselement befestigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß wird das Anschlusselement sowohl mit der Litzenleitung vercrimpt als auch zusätzlich mit der Litzenleitung verschweißt. Dazu weist das Anschlusselement eine Crimpvertiefung auf, in die ein Ende der Litzenleitung vor dem Vercrimpen bzw. vor dem Verschweißen eingeführt wird. Mit anderen Worten wird die Litzenleitung erfindungsgemäß nicht an eine flache Kontaktfläche angeschweißt, sondern sie wird an einer sie in Umfangsrichtung umlaufenden Seitenwand der Crimpvertiefung angebracht.
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass im Fall einer nur einseitigen Anlage der Litzenleitung an einer Kontaktfläche des Anschlusselements zahlreiche Einzeldrähte beim Schweißen nicht unmittelbar an das Anschlusselement angebunden werden, was die Befestigungsstärke beeinträchtigt. Durch die die Litzenleitung erfindungsgemäß umlaufende Seitenwand der Crimpvertiefung kann die Befestigungsstärke verbessert werden. Ferner kann der Übergangswiderstand durch die vergleichsweise großflächige Anlage verringert werden. Schließlich wird dadurch, dass die Litzenleitung beim Schweißen in einer Crimpvertiefung aufgenommen ist, ein ungewünschtes Fließen von Leitungsmaterial auf die Kontaktfläche verhindert, bevor die Einzeldrähte der Litzenleitung ausreichend an der Kontaktfläche anhaften.
Ferner geht die Erfindung auf die Erkenntnis zurück, dass für eine rein kraftschlüssige Verbindung wie etwa eine Crimpverbindung bei einer großen Anzahl von Einzeldrähten der zu vercrimpenden Litzenleitung erhebliche Presskräfte aufzuwenden sind, um über den gesamten Leitungsdurchmesser eine gewünschte plastische Verformung der Einzeldrähte zu erreichen. Aus diesem Grund sind reine Crimpverbindungen bei Litzenleitungen mit großem Querschnitt aufwändig in der Herstellung und nicht ausreichend zuverlässig. Dagegen ergänzen sich die kraftschlüssig wirkende Crimpverbindung und die stoffschlüssig wirkende Schweißverbindung erfindungsgemäß auf optimale Weise, da die nach dem Crimpvorgang bereits aneinander angepressten Einzeldrähte ohne erheblichen Schweißaufwand bei nur kurzer Schweißdauer zur Bereitstellung einer stoffschlüssigen Verbindung verschmelzen, ohne dass Leitungsmaterial beim Schweißen aus der Crimpvertiefung austritt.
Vorzugsweise weist die Litzenleitung einen Durchmesser von mehr als 0,5 cm, insbesondere 1 cm oder mehr und/oder eine Litzen-Querschnittsfläche von mehr als 20 mm2, bevorzugt mehr als 40 mm2, insbesondere 50 mm2 oder mehr auf. Die Litzenleitung ist allerdings nicht notwendigerweise rund und kann auch als ovale bzw. flache Litzenleitung ausgebildet sein. Dabei kann die Litzenleitung mehr als 100, bevorzugt mehr als 200, insbesondere 250 oder mehr nebeneinander verlaufende Einzeldrähte aufweisen. Eine solche Litzenleitung kann für Stromstärken von mehr als 50 A, insbesondere 100 A oder mehr ausgelegt sein, wie sie beim Einsatz im Automobilbereich auftreten.
Die Crimpvertiefung ist vorzugsweise im Wesentlichen kreiszylindrisch und an den Durchmesser der Litzenleitung angepasst. Sie kann von einer dünnen, vorzugsweise im Wesentlichen kreiszylindermantelförmigen Seitenwand umgeben sein, so dass durch eine Presskraft von außen darauf eine Anformung der Seitenwand an die in der Vertiefung angeordneten Einzeldrähte der Litzenleitung möglich ist.
Im Hinblick auf eine Erhöhung der Prozesssicherheit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass zunächst das Anschlusselement zum Bereitstellen einer Crimpverbindung mit der Litzenleitung vercrimpt wird und anschließend die fertige Crimpverbindung zum Bereitstellen einer Crimp-Schweißverbindung verschweißt wird.
Mit anderen Worten wird zunächst gecrimpt und anschließend geschweißt. Durch den Crimpvorgang, bei dem das in der Crimpvertiefung aufgenommene Ende der Litzenleitung durch Einwirkung einer vorgegebenen radialen Presskraft verpresst und dadurch die Einzeldrähte plastisch verformt werden, kann nämlich in Abhängigkeit von der einwirkenden Presskraft eine vorgegebene Ausgangslage für den sich anschließenden Schweißvorgang bereitgestellt werden. Mit anderen Worten sind die Einzeldrähte der Litzenleitung nach dem Crimpen nicht mehr beliebig und vergleichsweise ungeordnet in der Crimpvertiefung angeordnet, sondern mit einer definierten und vorgegebenen Pressmaßhöhe. Dies führt zu einer wiederholbar herstellbaren Festigkeit von erfindungsgemäßen Crimp-Schweißverbindungen.
Ferner sind zum Verschweißen einer bereits erstellten Crimpverbindung aufgrund der dann bereits vorliegenden „Vorpressung" ein geringerer Schweißaufwand bzw. ein geringerer Energieeintrag und/oder eine kürzere Schweißdauer erforderlich, so dass der Crimpkontakt durch den Schweißvorgang nicht übermäßig stark beansprucht wird. Vorzugsweise wird die Crimpverbindung mittels Ultraschall verschweißt. Dabei wird die zum Schweißen erforderliche Energie durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erzeugt, die zwischen den zu verschweißenden Bauteilen durch Reibung gebildet wird. Durch diese Reibung wird gleichzeitig eine Oxidschicht an den Oberflächen der zu verbindenden Bauteile aufgebrochen. Ultraschallschweißen zeichnet sich durch eine vergleichsweise geringere Schweißzeit auf. Ferner können die Ultraschallwellen auf einfache Weise von außen an das Anschlusselement angelegt und damit in die Crimpvertiefung eingebracht werden.
Im Hinblick auf eine haltbare und dauerhafte Verbindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass das Anschlusselement mit der Litzenleitung gasdicht vercrimpt wird. Dazu wird die Litzenleitung so fest mit dem Anschlusselement vercrimpt, dass weder ein flüssiges noch ein gasförmiges Medium von außen in den Crimp eindringen kann, so dass eine Oxidation zwischen den verpressten Einzeldrähten und eine damit verbundene Erhöhung des Übergangswiderstands ausgeschossen werden können. Die zwischen den vercrimpten Einzeldrähten noch vorhandenen Hohlräume stehen also nicht in Fluidverbindung mit der Umgebung. Ein gasdichter Crimp kann durch eine ausreichend hohe und von mehreren Seiten von außen auf die zylindrische Seitenwand der Crimpvertiefung einwirkende Presskraft sichergestellt werden. Dadurch werden die Einzeldrähte gleichmäßig aneinander angepresst und verdichtet.
Vor dem Crimpen wird das Ende der Litzenleitung vorzugsweise abisoliert und dann in ein bevorzugt im Wesentlichen zylindrisches Sackloch des Anschlusselements eingeführt. Vorteilhafterweise wird die Litzenleitung so weit in das Sackloch eingeführt, dass die vorderen Enden der Einzeldrähte an dem Boden des Sacklochs anschlagen. Anders als bei Verwendung eines hülsenförmigen Anschlussteils mit Durchgangsöffnung besteht bei Verwendung eines Sacklochs nicht die Gefahr eines Austretens von Leitungsmaterial oder eines Anhaftens von Leitungsmaterial an der Sonotrode des Schweißgeräts beim Verschweißen, da das Sackloch nur eine einzige Öffnung hat. Durch das Sackloch kann die Verbindungsstelle ferner von Umwelteinflüssen abgeschottet werden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Crimp-Schweißverbindung. Eine solche Crimp-Schweißverbindung zeichnet sich durch ein in eine Crimpvertiefung eines Anschlusselements wie etwa eines Steckverbinders eingreifendes Ende einer Litzenleitung aus, wobei die Litzenleitung und das Anschlusselement miteinander vercrimpt und miteinander verschweißt sind.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Crimp-Schweißverbindung bei ihrer Herstellung zuerst gecrimpt und anschließend geschweißt. Eine solche Crimp- Schweißverbindung zeichnet sich durch praktisch keine Hohlräume zwischen den Einzeldrähten und eine besonders gleichmäßige Verpressung aus.
Wie bereits vorstehend erläutert, ist die Litzenleitung zur Übertragung hoher Stromstärken eingerichtet und kann eine Querschnittsfläche von mehr als 20 mm2, bevorzugt mehr als 40 mm2, insbesondere 50 mm2 oder mehr und/oder mehr als 100, insbesondere 200 oder mehr Einzeldrähte aufweisen.
Die Einzeldrähte der Litzenleitung sind vorzugsweise aus Aluminium gebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das Anschlusselement, insbesondere die Seitenwand der Crimpvertiefung, an der die Litzenleitung anliegt, zumindest teilweise aus Kupfer gebildet. Bei aus unterschiedlichen Metallen gebildeten Bauteilen, die miteinander zu verbinden sind, ist eine sowohl kraft- als auch stoffschlüssige Crimp- Schweißverbindung zum Erhöhen der Befestigungsstärke besonders vorteilhaft.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindung mittels eines (ggf. zusätzlichen) Isolationscrimps im Eingangsbereich der Crimpvertiefung (flüssigkeitsdicht und/oder gasdicht) abgedichtet werden. Dazu kann zumindest ein Teil eines Mantels der Litzenleitung und/oder ein an der Litzenleitung angebrachtes anderes Dichtungselement abschnittsweise in die Crimpvertiefung eingeführt sein und mit eingecrimpt werden.
Das Anschlusselement kann als ein Steckverbinder zum elektrischen Verbinden der Litzenleitung mit einem Gegensteckverbinder gebildet sein, wobei der Steckverbinder auf der einen Seite die Crimpvertiefung und/oder auf der entgegengesetzten Seite eine bevorzugt buchsenförmige Steckgeometrie aufweist. Die erfindungsgemäße Crimp-Schweißverbindung zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Eigenschaften aus: gleichmäßige Litzenverdichtung, gasdichte Verbindung bevorzugt ohne Hohlräume im Crimp, verbesserte Übergangswiderstände und/oder verbesserte Oberflächenstruktur des Kontakts.
In der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Crimp-Schweißverbindung in einer schematischen Schnittansicht,
Fig. 2a eine perspektivische Ansicht einer Crimpverbindung vor dem
Schweißvorgang,
Fig. 2b eine Schnittansicht einer Litzenleitung nach dem Vercrimpen, aber vor dem Verschweißen,
Fig. 3a eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Crimp-Schweißverbindung, und
Fig. 3b eine Schnittansicht durch eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Crimp-Schweißverbindung.
In Fig. 1 ist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisch gebildetes Anschlusselement 100 in Form eines Steckverbinders dargestellt, wobei das Anschlusselement 100 eine Crimpvertiefung 22 aufweist, in die ein Ende 12 einer Litzenleitung 10 eingreift. Die Crimpvertiefung 22 ist an einer der Litzenleitung 10 zugewandten Seite in Form eines im Wesentlichen zylindrischen Sacklochs 24 in dem Anschlusselement 100 gebildet. Auf der dem Sackloch 24 abgewandten Seite weist das Anschlusselement 100 eine buchsenförmige Steckgeometrie 28 zum Verbinden des Anschlusselements 100 mit einem Gegensteckverbinder (nicht gezeigt) auf.
Das Sackloch 24 ist von einer relativ dünnen Seitenwand 26 umgeben, auf die beim Crimpen radial nach innen wirkende Presskräfte F aufgebracht werden können. Eine dünne Seitenwand bietet den weiteren Vorteil, dass beim Schweißen eine bessere Schwingungseinbringung in das Sackloch 24 möglich ist.
Die Crimpvertiefung ist nicht notwendigerweise als zylindrisches Sackloch gebildet, und sie kann alternativ auch nicht rotationssymmetrisch und/oder als Durchgangsloch gebildet sein. Eine runde Querschnittsgeometrie erleichtert allerdings den Crimpvergang und führt zu einer besonders gleichmäßigen Verdichtung der Litzenleitung. Anders als bei einem Durchgangsloch wird bei einem Sackloch ein Auslaufen von geschmolzenem Leitungsmaterial beim Schweißen verhindert.
Eine äußere Begrenzungsfläche des Anschlusselements 100 kann crimpoptimiert ausgeformt sein. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist die äußere Begrenzungsfläche einen sich an die Seitenwand 26 des Sacklochs 24 anschließenden und sich konisch erweiternden Zwischenabschnitt auf, der in einen Übergangsbereich 29 mit erweitertem Durchmesser übergeht. Der Übergangsbereich 29 stellt ausreichend Materialvolumen zur Verfügung, um eine Verformung der Seitenwand 26 beim Crimpen radial nach innen zu erlauben. Durch den konisch geformten Zwischenabschnitt werden Risse und andere Beschädigungen des Materials beim Crimpen und/oder beim Schweißen minimiert.
Die Steckgeometrie 28 ist lediglich beispielhaft als Buchse dargestellt. Alternativ kann die Steckgeometrie auch in Form eines Steckers gebildet sein. Weiter alternativ kann das Anschlusselement nicht als Steckverbinder gebildet sein, sondern einen Teil eines Gehäuses oder eines anderen Kontaktelements darstellen.
Die in Fig. 1 dargestellte Litzenleitung 10 weist eine große Anzahl von leitenden Einzeldrähten 14 auf, die von einem gemeinsamen Mantel umgeben sind. An dem Ende der Litzenleitung 10, das in der Crimpvertiefung 22 aufgenommen ist, ist der Mantel abisoliert, so dass die Einzeldrähte an der Innenfläche der Seitenwand 26 des Sacklochs 24 anliegen. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Teil des Mantels und/oder eines anderen Dichtungselements zumindest abschnittsweise mit in das Sackloch eingeführt werden und mit eingecrimpt werden, so dass ein Isolationscrimp entsteht. Der Isolationscrimp kann auch in einem zusätzlichen Crimpvorgang als weitere kabelseitige Crimpverbindung erstellt werden. Dadurch ist die Verbindung kabelseitig durch den Crimp und am vorderen Ende durch das Sackloch abgedichtet.
Insgesamt weist die Litzenleitung 10 etwa 250 Einzeldrähte auf. Die von den Einzeldrähten gemeinsam gebildete Querschnittsfläche (vorliegend als Querschnitt der Litzenleitung bezeichnet) beträgt etwa 50 mm2.
Alternativ oder zusätzlich kann die Litzenleitung von einer gemeinsamen Abschirmung und/oder einem Außenmantel umgeben sein. Alternativ oder zusätzlich können die Einzeldrähte jeweils eine isolierende Beschichtung aufweisen.
Die Einzeldrähte 14 der Litzenleitung sind im Wesentlichen aus Aluminium gebildet und das Anschlusselement 20 besteht im Wesentlichen aus Kupfer. Andere, nicht notwendigerweise unterschiedliche leitende Materialien sind ebenfalls vorstellbar.
Im Folgenden sollen die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen der dargestellten Crimp-Schweißverbindung erläutert werden:
Zunächst wird das freigelegte Ende 12 der Litzenleitung 10 in das Sackloch 24 eingeführt, bis die vorderen Enden der Einzeldrähte an dem Boden des Sacklochs 24 anliegen.
Dann wird zum Vercrimpen eine Presskraft F radial von außen auf die Seitenwand 26 des Sacklochs aufgebracht. Die Presskraft F wirkt von mehreren Seiten, insbesondere umlaufend, auf die Seitenwand 26, um ein möglichst gleichmäßiges Verpressen der Einzeldrähte 14 und ein Anpressen an die Seitenwand 26 zu erreichen. Dabei werden die Einzeldrähte 14 derart verformt, dass nur noch wenige Hohlräume zwischen den Einzeldrähten innerhalb des Sacklochs 24 vorhanden sind. Die Presskraft F ist derart dimensioniert, dass ein gasdichter Crimp entsteht.
In Fig. 2a und Fig. 2b ist die sich ergebende Crimpverbindung in einer perspektivischen Ansicht und in einer Schnittansicht dargestellt. Fig. 2b zeigt besonders deutlich die eng miteinander verpressten Einzeldrähte 14 der Litzenleitung 10. Anschließend werden zum Verschweißen Ultraschallwellen von außen in die fertige Crimpverbindung eingebracht. Dadurch verschmelzen die bereits eng aneinander anliegenden Einzeldrähte 14 miteinander und mit der Innenfläche der Seitenwand 26 des Sacklochs. Eine formschlüssige Verbindung praktisch ohne Hohlräume zwischen den Einzeldrähten 14 der Litzenleitung entsteht, wie sie im Querschnitt in Fig. 3b und in einer Seitenansicht in Fig. 3a gezeigt ist. Eine vergleichsweise geringe Schweißenergie reicht hierfür aus, da die Verbindung durch das Crimpen bereits„vorverpresst" ist.
Da das Sackloch 24 nach unten hin verschlossen ist, besteht keine Gefahr eines Austritts von Leitungsmaterial.
Eine gegenüberstellende Betrachtung der Figuren 2b und 3b zeigt besonders klar, dass sich eine bloße Crimpverbindung deutlich von der erfindungsgemäßen Crimp- Schweißverbindung unterscheidet.
Alternativ kann ein anderes Schweißverfahren als Ultraschallschweißen verwendet werden.
Versuche haben ergeben, dass die Übergangswiderstände der erfindungsgemäßen Verbindung deutlich geringer sind als bei einer bloßen Schweißverbindung ohne vorheriges Crimpen.
Ferner hat sich herausgestellt, dass die Verbindung problemlos Zugkräfte auf die Litzenleitung von 3 kN aufnehmen kann, während herkömmliche Schweißverbindungen regelmäßig auf eine maximale Zugkraft von etwa 1 ,8 kN ausgelegt sind.
Die Crimp-Schweißverbindung erreicht annähernd die Zugfestigkeit des übrigen Teils der Litzenleitung bzw. des Kabels. Bei einer reinen Schweißverbindung ist die Ausreißkraft deutlich geringer. Bezugszeichenliste
Litzenleitung
Ende der Litzenleitung
Einzeldrähte der Litzenleitung
Anschlusselement
Crimpvertiefung
Sackloch
Seitenwand des Sacklochs
Steckgeomentrie
Übergangsbereich
Crimp-Schweißverbindung
Presskraft

Claims

Patentansprüche:
Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften mechanischen und elektrischen Verbindung (100) zwischen einer Litzenleitung (10) und einem Anschlusselement (20),
bei dem ein Ende (12) der Litzenleitung mit dem Anschlusselement (20) verschweißt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Ende (12) der Litzenleitung (10) vor dem Verschweißen in eine Crimpvertiefung (22) des Anschlusselements (20) eingeführt wird, und dass das Anschlusselement (20) mit der Litzenleitung (10) vercrimpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Anschlusselement (20) zum Bereitstellen einer Crimpverbindung mit der Litzenleitung (10) vercrimpt und anschließend die fertige Crimpverbindung zum Bereitstellen einer Crimp-Schweißverbindung (100) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Crimpverbindung mittels Ultraschall verschweißt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (20) mit der Litzenleitung (10) gasdicht vercrimpt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (12) der Litzenleitung (10) in ein bevorzugt im Wesentlichen zylindrisches Sackloch (24) des Anschlusselements (20) eingeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Crimpen von außen eine umlaufende Druckkraft (F) auf eine Seitenwand (26) des Sacklochs (24) aufgebracht wird, so dass die Einzeldrähte (14) der Litzenleitung (10) gleichmäßig verdichtet werden.
Crimp-Schweißverbindung (100), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Crimp-Schweißverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzenleitung (10) Einzeldrähte (14) aus Aluminium aufweist und/oder das Anschlusselement (20) zumindest teilweise aus Kupfer gebildet ist oder umgekehrt.
Crimp-Schweißverbindung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (10) ein Steckverbinder zum elektrischen Verbinden der Litzenleitung (10) mit einem Gegensteckverbinder ist, wobei der Steckverbinder auf der einen Seite die Crimpvertiefung (22) und/oder auf der entgegengesetzten Seite eine bevorzugt buchsenförmige Steckgeometrie (28) aufweist.
Crimp-Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzenleitung (10) eine Querschnittsfläche von mehr als 20 mm2, bevorzugt mehr als 40 mm2, insbesondere 50 mm2 oder mehr aufweist und/oder mehr als 100, insbesondere 200 oder mehr Einzeldrähte (14) aufweist.
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