DE10357048A1

DE10357048A1 - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement

Info

Publication number: DE10357048A1
Application number: DE10357048A
Authority: DE
Inventors: Franf Dr. Beuscher; Matthias Ebert
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Current assignee: LEONI BORDNETZ-SYSTEME GMBH, 90402 NUERNBERG, DE
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-07-21
Also published as: ES2318369T3; WO2005055371A1; CN100405663C; BRPI0407953A; DE502004008930D1; PT1817819E; ATE421784T1; JP2007513475A; US20060208838A1; EP1817819A1; EP1817819B1; CN1748343A

Abstract

Um eine sichere und dauerhafte elektrische sowie mechanische Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter (4) und einem Kontaktelement (2) zu erzielen, ist vorgesehen, dass ein Vorrat eines Kontaktierungsmittels (8) aufgeschmolzen wird und dass durch das anschließende Erstarren zur Ausbildung der elektrischen Verbindung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter (4) und dem Kontaktelement (2) ausgebildet wird. Um zu gewährleisten, dass die Funktionen elektrisches Kontaktieren und Ausbildung einer Zugentlastung sich nicht in nachteiliger Weise wechselseitig beeinflussen, erfolgt im Anschluss an die Ausbildung der elektrischen Kontaktierung ein Umformen des Kontaktelements (2) zur Ausbildung der mechanischen Zugentlastung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement, bei dem ein abisoliertes Ende des Aluminiumleiters in das Kontaktelement eingelegt und mit diesem elektrisch kontaktiert wird und bei dem zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter durch Umformen des Kontaktelements in diesem geklemmt wird.
Aus der DE 199 02 405 A1 sowie der DE 33 16 563 A1 ist ein derartiges Verfahren jeweils zu entnehmen. Hierbei ist vorgesehen, dass ein aus mehreren verzinnten Litzendrähten bestehender Aluminiumleiter zunächst in einer Crimphülse mechanisch geklemmt wird. Nach dem mechanischen Klemmen, welches durch Umformen der Crimphülse erfolgt, wird die Crimphülse mit dem verzinnten Aluminiumleiter verlötet oder verschweißt.
Insbesondere im Automobilbereich werden erhebliche Anstrengungen zur Gewichtseinsparung unternommen. Ein Mittel hierzu ist die Verwendung von Aluminiumleitern anstelle der ansonsten üblicherweise vorgesehenen Kupferleiter. Soweit hier von Aluminium- oder Kupferleitern gesprochen wird, wird hierunter verstanden, dass die Leiter zu einem großen Teil aus Aluminium/Kupfer oder einer Aluminium-/Kupferlegierung bestehen. Aufgrund des deutlich geringeren spezifischen Gewichts von Aluminium lässt sich eine Gewichtseinsparung erzielen.
Da Aluminium in Verbindung mit dem Luftsauerstoff eine Oxidschicht ausbildet, die den Aluminiumleiter überzieht und die eine nur geringe Leitfähigkeit aufweist, ist die Kontaktierung eines Aluminiumleiters problematisch. Beim Kontaktieren des Aluminiumleiters mit einem Kontaktelement muss für einen möglichst geringen Kontaktwiderstand sichergestellt sein, dass im Bereich der Kontaktfläche zwi schen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement die Oxidschicht zumindest weitgehend entfernt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende und sichere sowie langzeitbeständige Kontaktierung zwischen einem Aluminiumleiter und einem Kontaktelement mit geringem Kontaktwiderstand zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1. Danach wird ein abisoliertes Endstück des Aluminiumleiters in das Kontaktelement eingelegt und mit diesem elektrisch kontaktiert. Zur Ausbildung der elektrischen Kontaktienrung ist ein Vorrat eines Kontaktierungsmittels vorgesehen, wobei das Kontaktierungsmittel zumindest bis zum Bereich seiner Schmelztemperatur erwärmt wird, so dass es vorzugsweise in schmelzflüssiger Form vorliegt. Mit dem anschließenden Erkalten und Aushärten des Kontaktierungsmittels, insbesondere Zinn oder eine Zinnlegierung, wird eine stoffliche Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement hergestellt. Zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierung wird daher der Alumiumleiter insbesondere in ein im Kontaktelement aufgenommenes Schmelzbad des Kontaktienrungsmittels eingetaucht. Die Erwärmung des Kontaktierungsmittels geschieht hierbei beispielsweise durch Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes, durch Einstrahlung von hochenergetischem Licht (Laserlicht) oder auch direkt durch eine Flamme oder durch ein sonstiges Heizelement.
Weiterhin wird während oder im Anschluss an die Ausbildung der elektrischen Kontaktierung das Kontaktelement mechanisch umgeformt, so dass zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter im Kontaktelement geklemmt wird.
Durch die Bereitstellung des Vorrats an verflüssigtem Kontaktierungsmittel und das „Eintauchen" der üblicherweise verzinnten Litzendrähte des Aluminiumleiters wird ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement mit geringem Kontaktwiderstand hergestellt. Das Kontaktelement ist hierbei üblicherweise ebenfalls an seiner Innenoberfläche verzinnt. Durch die Wahl der Menge an Kontaktierungsmittel wird dabei in vorteilhafter Weise die Eindringtiefe des Kontaktierungsmittels zwischen die einzelnen Litzendrähte und somit die Kontaktfläche zu den Litzendrähten eingestellt.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist in der gleichzeitigen oder anschließenden Umformung des Kontaktelements zu sehen. Denn zum einen ist aufgrund des erwärmten Kontaktierungsmittels auch das Kontaktelement erwärmt, so dass ein prozesssicheres Umformen ohne Materialschädigung und insbesondere ohne Rissbildung erfolgen kann. Auch ist ein besonderer Vorteil darin zu sehen, dass das Kontaktieren über die Ausbildung der stofflichen Verbindung, die das Erwärmen des Kontaktierungsmittels erfordert, nicht nach dem Umformen stattfindet. Denn die zur Verflüssigung des Kontaktierungsmittels benötigte Wärme würde in diesem Fall beim bereits umgeformten Kontaktelement möglicherweise zu Relaxationen im Materialgefüge des umgeformten Bereiches führen, so dass die mechanische Klemmkraft geschwächt wird. Dadurch wäre insbesondere die Langzeitbeständigkeit der Zugentlastung gefährdet. Bei dem hier beschriebenen Verfahren sind demnach die Funktionen der Ausbildung der mechanischen Zugentlastung einerseits und der Ausbildung der elektrischen Kontaktierung andererseits voneinander getrennt und beeinflussen sich nicht in nachteiliger Weise.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird das Kontaktelement in einer Umformzone umgeformt, die von einer Kontaktierungszone, in der die elektrische Kontaktierung erfolgt, beabstandet ist. Diese Maßnahme dient wiederum zum Trennen der mechanischen von der elektrischen Funktion. Insbesondere ist damit der Vorteil verbunden, dass die vor dem Umformen ausgebildete Kontaktierung, insbesondere über Zinn oder eine Zinnlegierung, nicht durch die Ausübung des für die Umformung notwendigen Drucks beeinträchtigt wird. Die Kontaktierungszone ist keiner Druckeinwirkung ausgesetzt, so dass keine Gefahr eines nachträglichen Fließens des Kontaktierungsmittels besteht, wodurch sich die elektrische Kontaktierung verschlechtern könnte.
Bevorzugt wird das Kontaktelement in der Umformzone zusätzlich erwärmt, um eine Material schonende Umformung mit im Vergleich zu einer Kaltumformung verbessertem Fließverhalten ohne Rissbildung zu ermöglichen. Zweckdienlicherweise wird das Kontaktierungsmittel maximal auf etwa 280°C erwärmt. Durch diese Maßnahme wird eine Schädigung einer Isolation des Aluminiumleiters vermieden. Zusätzlich kann die Isolation durch besondere Klemmen oder sonstige Schutzmechanismen geschützt werden. Bei einer Temperatur von 280° ist bei der Verwendung von Zinn oder einer Zinnlegierung ein Aufschmelzen sicher gewährleistet, da die Schmelztemperatur von Zinn bei etwa 232°C liegt und die Schmelztemperatur einer Zinnlegierung mit 10% Zink bei 198°C liegt.
Alternativ zu der Verwendung einer Zinnlegierung kann als Kontaktierungsmittel prinzipiell auch eine Lötpaste verwendet werden, die bei 280°C in schmelzflüssiger Form vorliegt. Allerdings besteht hierbei die Anforderung, dass die Lötpaste halogenfreie, nicht korrosive Flussmittel aufweist, um eine anschließende Korrosion der Lötverbindung zu vermeiden.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird zumindest ein Teilbereich des abisolierten Endstück des Aluminiumleiters insbesondere vor der Ausbildung der elektrischen Kontaktierung verzinnt. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird hierzu der zu verzinnende Teilbereich schockerwärmt und anschließend in ein Zinnbad eingetaucht. Bevorzugt wird dabei das Teilstück auf etwa 400°C oder mehr erwärmt. Von Vorteil ist hierbei, wenn das Teilstück in einer Zeit < 1 Sekunde schockerwärmt wird. Dieses schnelle Erwärmen kann induktiv durch Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes oder auch durch die Verwendung eines hochenergetischen Laserlichts erfolgen. Die Schockerwärmung führt zu einem unterschiedlichen Dehnungsverhalten des Aluminiums und der Oxidschicht. Hierdurch bilden sich in der Oxidschicht zumindest Mikrorisse, in die beim anschließenden Eintauchen in das Bad Zinn eindringt und die Oxidschicht unterwandert, so dass diese abplatzt und das reine Aluminium weitgehend vollflächig mit dem Kontaktierungsmittel überzogen ist. Um die Ausbildung einer erneuten Oxidschicht nach der Schockerwärmung und bis zum Eintauchen in das Bad zu verhindern, ist vorzugsweise ein Schutzgasatmosphäre vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung erfolgt das Verzinnen des Teilstücks durch ein Ultraschallverzinnen in einem Zinnbad. Hierunter wird verstanden, dass das Teilstück in ein Zinnbad eingetaucht ist und dass geeignete Ultraschallwellen, die insbesondere eine Amplitude > 10 μm aufweisen, eingekoppelt werden. Hierfür sind geeignet ausgebildete Ultraschallerzeuger eingesetzt. Diese Art der Verzinnung nutzt die Tatsache aus, dass durch die Einstrahlung von Ultraschall im Zinnbad kleine Hohlräume, so genannte Kavitationen, entstehen, die explosionsartig in sich zusammenfallen. Dabei entstehen lokal erhebliche Druckkräfte, die zu einer Beschädigung und zu einem Abplatzen der Oxidschicht führen, so dass das reine Aluminium wiederum weitgehend vollflächig vom Zinn benetzt wird.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung zum Verzinnen wird der Aluminiumleiter in ein Zinnbad eingetaucht und ein Teil des Aluminiumleiters wird im Zinnbad abgetrennt oder abgeschnitten. Entscheidend hierbei ist, dass durch das Abtrennen im Zinnbad eine „frische" Trenn- oder Schneidfläche gebildet wird, die unmittelbar und ohne Kontakt mit Luftsauerstoff mit Zinn benetzt wird. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die Schnittfläche vollflächig verzinnt wird. Bei einer Trennrichtung senkrecht zur Längsausbreitung der einzelnen Litzendrähte entspricht die Trennfläche dem Querschnitt, so dass im Kontaktierungsbereich im Hinblick auf die elektrische Kontaktfläche keine Reduzierung der Querschnittsfläche erfolgt. Zweckdienlicherweise kann hierbei vorgesehen sein, dass die einzelnen Litzen schräg zu ihrer Längsausrichtung geschnitten werden, so dass die Schnittfläche größer als die Querschnittsfläche ist.
Im Hinblick auf das Umformen des Kontaktelements ist in einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der Umformprozess innerhalb einer sehr kurzen Umformzeit erfolgt, die im μs -Bereich insbesondere im Bereich, bis etwa 10 μs liegt.
Der entscheidende Vorteil bei einem derartig schnellen Umformen ist darin zu sehen, dass die einzelnen Litzendrähte des Aluminiumleiters sich weniger wie feste Litzendrähte als vielmehr wie eine Flüssigkeit verhalten, so dass die einzelnen Litzendrähte miteinander verbacken oder verschmelzen. Dieser Effekt ist vergleichbar mit einem Projektil, welches mit hoher Geschwindigkeit eine Metallplatte durchstößt. Im Bezugssystem des Projektils erscheint die Metallplatte nicht als Feststoff. Vielmehr durchdringt das Projektil die Metallplatte wie eine Flüssigkeit.
Mit dem schlagartigen Umformen des Kontaktelements besteht die besonders vorteilhafte Möglichkeit, gleichzeitig mit der Ausbildung der mechanischen Zugentlastung auch die elektrische Kontaktierung herbeizuführen. Hierbei wird vorteilhafterweise sogar auf die Verwendung des Kontaktierungsmittels als auch auf das Verzinnen des Aluminiumleiters verzichtet. Maßgebend hierfür ist wiederum die hohe Geschwindigkeit beim Umformprozess und die damit verbundenen sehr hohen Drücke, die dazu führen, dass die Oxidschicht aufplatzt und eine sowohl kraftschlüssige Verbindung als auch eine unmittelbare elektrische Kontaktverbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Aluminiumleiter erfolgt. Dieses schlagartige Umformen kann an Stelle eines langsamen, herkömmlichen in Kombination mit dem Kontaktierungsmittel eingesetzt werden. Unabhängig hiervon kann dieses schlagartige Umformen aber auch als eigenständige Möglichkeit zur Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Aluminiumleiter mit der gleichzeitigen Ausbildung einer mechanischen und elektrischen Verbindung eingesetzt werden.
Zur Ausbildung einer guten elektrischen Kontaktverbindung ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass die Innenoberfläche des Kontaktelements aufgeraut oder strukturiert ist. Durch diese Aufrauung oder Strukturierung wird beim Umformen und Klemmen des Aluminiumleiters dessen Oxidationsschicht zusätzlich verletzt und durchdrungen, so dass eine Kontaktierung im Umformbereich zwischen dem Kontaktelement und dem Aluminiumleiter erfolgt. Die Innenoberfläche des Kontaktelements ist hierbei beispielsweise mit Rillen oder mit Gewindegängen, die vorzugsweise scharfkantig sind, versehen. Beim Umformen schneiden daher die se Rillen oder Gewindegänge quasi in die einzelnen Litzendrähte ein. Durch das Einschneiden wird zugleich eine zusätzliche mechanische Zugentlastung ausgebildet. Diese Kontaktierung kann zusätzlich zu der Kontaktierung über das Kontaktierungsmittel oder auch als eigenständige Kontaktierung erfolgen. Insbesondere bei der eigenständigen Ausgestaltung ohne Verwendung des Kontaktierungsmittels lässt sich durch das schlagartige Umformen und der gleichzeitigen Ausbildung der elektrischen und der mechanischen Verbindung problemlos ein automatisiertes Verfahren, also ein automatisiertes Anschlagen des Kontaktelements am Aluminiumleiter mit sehr hohen Taktraten verwirklichen.
Für das schlagartige Umformen ist gemäß einer bevorzugten ersten Ausführung vorgesehen, dass das Umformen durch Magnetokompression schnelle magnetische Umformung erfolgt. Bei der Magnetokompression werden am umzuformenden Kontaktelement sehr hohe Magnetfelder erzeugt, so dass im Kontaktelement hohe Ströme induziert werden, die wiederum ein Magnetfeld ausbilden, so dass aufgrund der Lorenzkraft das Kontaktelement abgestoßen und dadurch umgeformt wird. Das Kontaktelement ist hierzu beispielsweise nach Art einer Hülse oder geschlitzten Hülse vorgeformt, in die der Aluminiumleiter eingelegt wird. Das außen angelegte Magnetfeld führt hierbei zu einem radial nach innen gerichteten Umformen der Hülse, so dass der einliegende Aluminiumleiter geklemmt wird. Durch die Magnetokompression können bei der Wahl geeigneter Magnetfelder Drücke bis in den Bereich von beispielsweise 2000 bar erreicht werden. Da hierbei keine mechanischen Umformelemente notwendig sind, wird das Kontaktelement trotz dieser hohen Drücke nicht beschädigt.
In einer vorteilhaften zweiten Ausführungsvariante erfolgt das schlagartige Umformen mithilfe eines Umformelements durch mechanisches Schlagpressen. Zweckdienlicherweise trifft hierbei das Umformelement mit einer Geschwindigkeit > 5 m/sec, insbesondere > 10 m/sec, auf das Kontaktelement auf. Herkömmliche hydraulische Pressen erreichen diese Geschwindigkeiten nicht und sind daher nicht für das schlagartige Umformen geeignet. Die Geschwindigkeiten für das Umformelement werden hierbei vorzugsweise allein durch die Gewichtskraft er zeugt, das heißt, das beispielsweise als Dorn oder Klaue ausgebildete Umformelement trifft nach Art eines Fallbeils auf das umzuformende Kontaktelement auf.
Bevorzugt wird weiterhin die Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kontaktelement gegen Feuchtigkeit isoliert. Hierbei wird insbesondere ein Schrumpfschlauch aufgezogen oder die Verbindung wird mit einem Isolationslack oder Isolationskleber überzogen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
1 eine Verbindung zwischen einem Kontaktelement und einem Aluminiumleiter,
2 eine ausschnittsweise Darstellung des Kontaktelements mit dem Aluminiumleiter zur Illustration der Magnetokompression,
3 eine ausschnittsweise Darstellung des Kontaktelements und des Aluminiumleiters zur Illustration des Umformens mittels Schlagpressens und
4 bis 6 beispielhafte Flussdiagramme für unterschiedliche Verfahrensabläufe.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine bereits fertige Verbindung zwischen einem insbesondere aus Kupfer bestehenden und als Kabelschuh ausgebildeten Kontaktelement und einem Aluminiumleiter 4 dargestellt. Das Kontaktelement 2 ist hierbei nach Art einer Hülse ausgebildet und weist einen Aufnahmeraum auf, in den ein abisoliertes Endstück 6 des Aluminiumleiters 4 eingeführt ist. Im Endstück 6 liegen einzelne Litzendrähte des Aluminiumleiters 4 frei. Die Litzendrähte sind zumindest an ihrem stirnseitigen Teilbereich verzinnt. Zwischen dem stirnseitigen Ende der Litzen drähte und der Rückwand oder dem Grund des Kontaktelements 2 ist ein Vorrat oder Reservoir eines Kontaktierungsmittels 8 vorgesehen. Insbesondere ist hierbei Zinn oder eine Zinnlegierung vorgesehen. Über die Zinnlegierung erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen dem Aluminiumleiter 4 und dem Kontaktelement 2. Die Innenoberfläche des Kontaktelements 2 ist hierbei vorzugsweise ebenfalls vorverzinnt.
Zur Ausbildung der Kontaktierung wird die Zinnlegierung in das Kontaktelement 2 eingebracht und aufgeschmolzen. Anschließend oder auch bereits vor dem Aufschmelzen wird der Aluminiumleiter 4 mit dem abisolierten Endstück 6 in das Kontaktelement 2 eingeführt. Insbesondere werden die stirnseitigen Enden der Litzendrähte in die aufgeschmolzene Zinnlegierung 8 eingetaucht. Nach dem Erkalten besteht daher eine stoffschlüssige Materialverbindung zwischen dem Kontaktelement 2 und den einzelnen Litzendrähten des Aluminiumleiters 4. Es ist im Bereich des Kontaktierungsmittels 8 und der stirnseitigen Enden der Litzendrähte eine Kontaktierungszone 10 gebildet.
Beabstandet von der Kontaktierungszone 10 ist eine Umformzone 12 vorgesehen, innerhalb derer eine Umformung des Kontaktelements 2 erfolgt. Die 1 zeigt hierbei bereits den umgeformten Zustand, bei dem ein umgeformtes Teilstück 14 des Kontaktelements 2 in das abisolierte Endstück 6 eingedrungen ist. Durch diese Maßnahme wird der Aluminiumleiter 4 im Kontaktelement 2 geklemmt, wodurch eine wirksame mechanische Zugentlastung ausgebildet ist. Nach Ausbildung der elektrischen sowie der mechanischen Verbindung zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Aluminiumleiter 4 wird der Verbindungsbereich im Ausführungsbeispiel noch von einem Schrumpfschlauch 16 als Isolierung gegen Feuchtigkeit umgeben.
Für den Umformprozess ist vorgesehen, dass das Kontaktelement 2 zumindest in der Umformzone 12 erwärmt wird. Hierzu ist ein Heizelement 18 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel zweiteilig aufgebaut ist und zugleich auch zur Erwärmung des Kontaktierungsmittels 8 bis in den Bereich seiner Schmelztemperatur dient.
Das Heizelement 18 ist im Ausführungsbeispiel in zwei Funktionszonen unterteilt, die für die unterschiedlichen Anforderungen, nämlich der Erwärmung des Vorrats 8 und der Erwärmung des Kontaktelements 2 ausgebildet sind. Alternativ hierzu kann auch lediglich ein Heizelement 18 für die Erwärmung des Kontaktierungsmittels 8 vorgesehen sein. Hierbei erfolgt zwangsläufig auch eine Erwärmung des Kontaktelements 2. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist weiterhin ein Ultraschallerzeuger 20 vorgesehen. Dieser dient zur Ausbildung der elektrischen Funktion durch die Verzinnung von unverzinnten Litzendrähten mittels der Einstrahlung von Ultraschall, wenn die Litzendrähte im schmelzflüssigen Vorrat eingetaucht sind. Das Kotaktelement ist hierbei geeignet an eine Ultraschallsonodrote mechanisch fixiert oder durch ein Übertragungsmedium schalltechnisch angekoppelt zur Übertragung der erforderlichen Ultraschallenergien.
Durch die insbesondere in zeitlicher Abfolge stattfindende elektrische Kontaktierung und das Umformen des Kontaktelements 2 sowie weiterhin durch die räumliche Trennung der Kontaktierungszone 10 von der Umformzone 12 werden die Funktionen des elektrisches Kontaktierens einerseits und der Bereitstellung einer mechanischen Zugentlastung andererseits in wirksamer Weise voneinander getrennt. Hierdurch beeinflussen sich diese beiden Funktionen nicht in nachteiliger Weise. Denn durch die nach dem Erwärmen des Kontaktierungsmittels 8 erfolgende Umformung ist die Gefahr ausgeschlossen, dass der umgeformte Bereich des Kontaktelements 2 durch einen Wärmeeintrag relaxiert und geschwächt wird. Durch die räumliche Trennung der Umformzone ist weiterhin sichergestellt, dass das erkaltete Zinn durch die beim Umformprozess erfolgende Druckeinwirkung nicht fließt, was zu einer unerwünschten Schwächung der elektrischen Kontaktierung und zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands führen kann.
Der Umformprozess kann in herkömmlicher Art und Weise durch mechanisches oder hydraulisches Pressen von Umformelementen gegen das Kontaktelement 2 erfolgen. Alternativ zu diesem herkömmlichen Umformen ist im Ausführungsbeispiel nach 2 ein Umformen mittels Magnetokompression vorgesehen. Und zwar wird hierbei durch Magnetspulen 22 im unmittelbaren Außenbereich des Kontaktelements 2 ein sehr starkes Magnetfeld erzeugt, so dass in dem leitfähigen Kontaktelement 2 Ströme induziert werden und sich die Lorenzkraft ausbildet. Diese wirkt in Richtung der in der 2 dargestellten Pfeile auf das Kontaktelement 2 und ruft dadurch das Umformen des Kontaktelements 2 hervor.
Alternativ hierzu ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 zum Umformen ein so genanntes mechanisches Schlagpressen vorgesehen. Bei diesem wird ein Umformelement 24 mit sehr hoher Geschwindigkeit gegen das Kontaktelement geschlagen. Im Ausführungsbeispiel ist das Umformelement 24 dornförmig ausgebildet. An der gegenüberliegenden Seite des Kontaktelements 2 ist ein Gegenelement 26 angeordnet, das insbesondere auch Form gebend für den Umformprozess wirken kann. Die hohe Geschwindigkeit des Umformelements 24 in Richtung der in der 3 gezeigten Pfeilrichtung wird vorzugsweise allein durch Beschleunigung aufgrund der Gravitation erreicht. Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, das Umformelement 24 druckluftgetrieben mit Hilfe eines Hammerschlagwerks oder pyrotechnisch zu beschleunigen.
Bei den in den 2 und 3 dargestellten Umformprozessen erfolgt eine sehr schnelle Umformung mit einer Zeitdauer im μs-Bereich. Durch die schlagartige Umformung wird der besondere Effekt erzielt, dass die einzelnen Litzendrähte sich miteinander stoffschlüssig verbinden.
Die schlagartigen Umformprozesse entsprechend den 2 und 3 können daher neben der mechanischen Verbindung auch zur elektrischen Kontaktierung zusätzlich oder alternativ zu der elektrischen Kontaktierung über das Kontaktierungsmittel 8 erfolgen. Hierzu ist die Innenoberfläche des Kontaktierungselements 2 zumindest in der Umformzone 12 aufgeraut oder strukturiert ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist in das hülsenartig ausgebildete Kontaktelement 2 ein Gewinde 28 eingeschnitten. Die 2 und 3 zeigen die Situation vor dem Umformvorgang. Nach dem Umformen schneiden die insbesondere scharfkantig ausgebildeten Gewindegänge des Gewindes 28 in die Litzendrähte ein und durchstoßen hierbei insbesondere die Oxidschicht.
Anhand der in den 4 bis 6 dargestellten Flussdiagramme werden nachfolgend unterschiedliche Verfahrensvarianten zur Ausbildung der sowohl elektrischen als auch mechanischen Verbindung zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Aluminiumleiter 4 erläutert. Dabei sind die einzelnen Verfahrensschritte wie folgt gekennzeichnet:

I: Verzinnen der Litzendrähte des Aluminiumleiters 4,
II: Elektrisches Kontaktieren zwischen dem Aluminiumleiter 4 und dem Kontaktelement 2,
III: Ausbildung der mechanischen Verbindung/der Zugentlastung.

Der Verfahrensschritt "I: Verzinnen des Aluminiumleiters 4" kann alternativ durch eines der folgenden Teilverfahren erfolgen:

A: herkömmliches Verzinnen oder Verwenden eines Aluminiumleiters mit vorverzinnten Litzendrähten,
B: Verzinnen durch Schockerwärmung und Eintauchen in ein Zinnbad,
C: Verzinnen durch Ultraschallbehandlung in einem Zinnbad und
D: Trennen oder Schneiden der Litzendrähte in einem Zinnbad.

Der Verfahrensschritt "III: Ausbildung der Zugentlastung" wird durch eines der folgenden Teilverfahren vorgenommen:

i: herkömmliches Umformen,
ii: Umformung durch Magnetokompression
iii: Umformung durch Schlagpressen.

Gemäß dem Verfahrensablauf nach 4 wird zunächst der Aluminiumleiter 4 im abisolierten Teilbereich 6 durch eines der Teilverfahren A, B, C oder D vorverzinnt.
Insbesondere die Teilverfahren B, C und D zeichnen sich durch ein sehr gutes Verzinnungsergebnis aus, so dass diese Teilverfahren auch unabhängig von der elektrischen Kontaktierung des Aluminiumleiters 4 mit dem Kontaktelement 2 als eigenständige Verzinnungsverfahren eingesetzt werden können. Nachfolgend zum Verzinnen erfolgt die elektrische Kontaktierung, wie sie zu 1 beschrieben wurde. Die einzelnen Litzendrähte werden hierbei in ein aufgeschmolzenes Reservoir des Zinns oder der Zinnlegierung eingetaucht, so dass über das Zinn nach dem Erstarren eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Litzendrähten und dem Kontaktelement 2 ausgebildet ist. Anschließend erfolgt im Verfahrensschritt III das Umformen, insbesondere nach einem der zu den 2 oder 3 beschriebenen Verfahren (ii, iii).
In Abwandlung zu dem Verfahrensablauf gemäß 4 können die Verfahrensschritte II und III auch gleichzeitig erfolgen, das heißt, die Umformung muss nicht zwingend nach dem Erkalten der Schmelze erfolgen. Entscheidend ist lediglich, dass das Aufschmelzen nicht nach dem Umformvorgang erfolgt.
Gemäß dem Verfahrensablauf nach 5 sind die Verfahrensschritte I und II in einem gemeinsamen Arbeitsgang miteinander kombiniert, erfolgen also gleichzeitig. Und zwar ist hierbei vorgesehen, dass die Verzinnung der Litzendrähte mithilfe des Ultraschallverzinnens nach dem Teilverfahren C erfolgt, wie dies zu 1 beschrieben wurde.
Der Verfahrensablauf gemäß 6 ist insgesamt durch einen einstufigen Vorgang gekennzeichnet, bei dem auf den Verfahrensschritt I, nämlich das Verzinnen der Litzendrähte verzichtet werden kann. Die elektrische Kontaktierung (II) sowie die mechanische Verbindung (III) erfolgen innerhalb eines einzigen Prozessschrittes gemäß den Teilverfahren ii oder iii. Dieses anhand der 6 illustrierte einstufige Verfahren zur Herstellung der elektrischen sowie mechanischen Verbindung bietet sich insbesondere für eine Automatisierung mit hoher Taktrate an.

2: Kontaktelement
4: Aluminiumleiter
6: Endstück
8: Kontaktierungsmittel
10: Kontaktierungszone
12: Umformzone
14: umgeformtes Teilstück
16: Schrumpfschlauch
18: Heizelement
20: Ultraschallerzeuger
22: Magnetspulen
24: Umformelement
26: Gegenelement
28: Gewinde

Claims

Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter (4) und einem Kontaktelement (2), bei dem ein abisoliertes Endstück (6) des Aluminiumleiters (4) in das Kontaktelement (2) eingelegt und mit diesem elektrisch kontaktiert wird und bei dem zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter (4) durch Umformen des Kontaktelements (2) in diesem geklemmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorrat eines Kontaktierungsmittels (8) vorgesehen ist und das Kontaktierungsmittel (8) zumindest bis in den Bereich seiner Schmelztemperatur erwärmt wird, so dass über das Kontaktierungsmittel (8) zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierung eine stoffliche Verbindung zwischen dem abisolierten Endstück (6) und dem Kontaktelement (2) hergestellt wird, und dass gleichzeitig oder anschließend das Kontaktelment (2) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (2) in einer Umformzone (12) umgeformt wird, die von einer Kontaktierungszone (12), in der die elektrische Kontaktierung erfolgt, beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (2) in der Umformzone (12) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungsmittel (8) maximal auf etwa 280°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktierungsmittel (8) Zinn oder eine Zinnlegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich des abisolierten Endstücks (6) des Aluminiumleiters (4) verzinnt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verzinnende Teilbereich schockerwärmt wird und anschließend in ein Zinnbad eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich auf etwa 400°C oder mehr erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich in einer Zeit < 1 s schockerwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schockerwärmung und das anschließende Eintauchen unter Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzinnen des Teilbereich durch Ultraschall-Verzinnen in einem Zinnbad erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Verzinnen und das Kontaktieren des Aluminiumleiters (4) mit dem Kontaktelement (2) in einem Arbeitsgang erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verzinnen ein Teil des in einem Zinnbad eingetauchten Aluminiumleiters abgetrennt wird.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Aluminiumleiter (4) und einem Kontaktelement (2), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein abisoliertes Endstück (6) des Aluminiumleiters (4) in das Kontaktelement (2) eingelegt und mit diesem elektrisch kontaktiert wird, und bei dem zur Ausbildung einer mechanischen Zugentlastung der Aluminiumleiter (4) durch Umformen des Kontaktelements (2) in diesem geklemmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Kontaktelements (2) innerhalb einer Umformzeit im μs-Bereich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Kontaktelements (2) aufgeraut oder strukturiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen durch Magnetokompression erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen mit Hilfe eines Umformelements (24) durch mechanisches Schlagpressen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformelement (24) mit einer Geschwindigkeit > 5 m/s, insbesondere > 10 m/s, auf das Kontaktelement (2) auftrifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Aluminiumleiter (4) und dem Kontaktelement (2) gegen Feuchtigkeit isoliert wird.