Verfahren zur Herstellung einer Schweissverbindung zwischen einem Aluminiumelement und einem Kupferelement und nach diesem Verfahren hergestellte Schweissverbindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweissverbindung zwischen einem Aluminiumelement und einem Kupferelement und eine nach diesem Verfahren hergestellte Schweiss verbindung. Insbesondere soll eine solche Verbindung für jenen Fall geschaffen werden, in welchem elek trische Leitfähigkeit und Festigkeit Hauptforderun gen darstellen, wie dies z. B. bei der Verbindung zwischen einer Aluminium-Sammelschiene und einem Kupferleiter eines elektrischen Schmelzofens zur Er zeugung von Aluminium der Fall ist.
Es ist bekannt, dass das einwandfreie Verbinden von Aluminium- und Kupferelementen durch Schwei ssung mit besonderen Schwierigkeiten verbunden ist. Aluminium oxydiert augenblicklich, wenn es mit Luft in Berührung kommt, wobei die sich bildende Oxydschicht eine wirksame Isolierschicht bildet, so dass gut leitende Verbindungen zwischen Aluminium und Kupfer praktisch unmöglich sind. Die bisher bekannten Aluminium-Kupfer-Verbindungen zeigen alle einen grösseren elektrischen Widerstand als ein gleich langes Stück aus dem einen oder andern der beiden Metalle allein. Ausserdem besitzen die bisher bekanntgewordenen Verbindungen der genannten Art äusserst schlechte physikalische Eigenschaften, so dass sie für viele Verwendungszwecke völlig ungeeignet sind.
Bei der Aluminiumerzeugung, bei welcher Alu miniumoxyd in einem Schmelzofen unter Verwen dung einer Kohlenanode einer Elektrolyse ausgesetzt wird, war es üblich, zur Zufuhr der elektrischen Energie zur Anode massive Kupfer-Sammelschienen zu verwenden, wobei biegsame Kupferleiter mit ihrem einen Ende an die Sammelschiene und mit ihrem andern Ende an die Anode angeschlossen sind. Zu folge des Mangels und des hohen Preises von Kupfer suchte die Industrie nach Ersatzmaterialien für das Kupfer. Man wählte Aluminium, da dieses eine hohe Leitfähigkeit aufweist; seine Verwendung zur Her stellung von Sammelschienen, speziell im Hinblick auf die Verbindung zwischen dieser Sammelschiene und den Kupferleitern, zeitigte aber keine günstigen Resultate.
Bei einem heute üblichen Verfahren wird eine Aluminiumklammer an die Aluminium-Sammel schiene angeschweisst, worauf an der Klammer das eine Ende eines flexiblen Kupferleiters angeschraubt wird. Das andere Ende des Kupferleiters wird in diesem Fall an einer massiven Kupferschiene be festigt, die ihrerseits an den Anodenzapfen des Alu minium-Schmelztiegels befestigt wird; die genannte Kupfer-Sammelschiene wird üblicherweise als Kup fer-Anodenschiene bezeichnet. Der elektrische Wider stand dieser Aluminium-Kupfer-Verbindung ist bei der Erzeugung von Aluminium besonders wichtig, da hier normalerweise grosse Stromstärken angewen det werden. Wo Verbindungen der fraglichen Art bisher verwendet wurden, zeigte es sich, dass sie hohe Kontaktwiderstände aufweisen, welche den die Verbindung durchfliessenden elektrischen Strom er heblich herabsetzen.
Der Hauptgrund für diese un genügenden Ergebnisse liegt im Kriechen der Alu miniumklammer, was eine Folge der während des Betriebes des Schmelztiegels auftretenden Tempe raturwechsel ist. Unter Kriechen wird hier ein plastisches Fliessen oder eine Änderung der Ab messungen des Materials verstanden, das durch den Zug der Zugbolzenverbindung entsteht, und zwar während der Aufheizperiode des oben genannten Temperaturwechselzyklus. Zufolge dieses Fliessens des Aluminiums löst sich die Bolzenverbindung wäh rend der Abkühlperiode des Temperaturwechsel zyklus, was den hohen Kontaktwiderstand hervor- ruft.
Während bei Normalbetrieb die Arbeitstempe raturen der Aluminium-Schmelztiegel nicht unzu lässig hoch sind, treten doch oft Verhältnisse auf, welche eine für die genannte Verbindung übermässige Temperaturzunahme bringen, z. B. wenn die an - der Oberfläche des Schmelzgutes im Tiegel sich bildende Kruste aufgebrochen wird, um die Zugabe weiteren Aluminiumoxyds zu ermöglichen, oder wenn der Rauchabzug des Tiegels nicht richtig funktioniert, oder wenn sonst abnormale Betriebszustände auf treten.
Das genannte Kriechen wird noch durch die Lichtbogen unterstützt, welche in den Luftspalten zufolge des Lösens der Verbindung auftreten. Diese Lichtbogen heizen das Metallelement noch weiter auf und verstärken somit den genannten Kriecheffekt. Somit ist bei losen Verbindungen, die eine Folge des durch die Lichtbogenbildung noch unterstützten Kriechens sind, nicht nur die Leistungszufuhr zum Schmelztiegel beträchtlich herabgesetzt, sondern es tritt auch ein Verbrennen der dünnen Kupferlitzen der flexiblen Kupferleiter auf, was zum vorzeitigen Verschleiss dieser Leiter führt. Diese völlig unbefrie digenden Verhältnisse machen auch die dauernde Überwachung und periodisches Nachziehen der frag lichen Verbindungen notwendig.
Ferner ist es bekannt, den Kupferleiter dadurch an der Aluminium-Sammelschiene zu befestigen, dass auf die Aluminiumklammer eine Kupferschicht auf gebracht wird, worauf das Ende des Kupferleiters derart an der Aluminiumklammer festgeschraubt wird, dass die Endfläche des Leiters gegen die Ober fläche der genannten Kupferschicht anliegt. Eine solche Verbindung war aber ebenfalls unbefriedigend, da auch hier der erwähnte Kriecheffekt auftritt und da die auf die Klammer aufgetragene Kupferschicht sehr empfindlich ist und nur schlecht an der Alu miniumklammer haftet.
Verschiedene andere Verfah ren wurden schon vorgeschlagen, um eine einwand freie Verbindung zwischen den Kupferleitern und den Sammelschienen zu erhalten; alle so erzielten Verbindungen sind aber aus dem einen oder andern Grunde unbefriedigend.
Demgegenüber kann mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass die erzielte Verbindung geringen elektrischen Widerstand und hohe mechanische Festigkeit aufweist, und ausserdem diese Eigenschaften auch dann beibehält, wenn die Verbindung Temperaturwechseln ausge setzt wird. Solche Verbindungen eignen sich beson ders zur Verwendung zwischen Kupferleitern und Aluminium-Sammelschienen, wobei Kupferklammern mit den Sammelschienen verbunden sind, während ein Ende der Kupferleiter an den Klammern befestigt ist, und zwar in irgendeiner geeigneten Weise, wo durch die Unzulänglichkeit der bekannten und vor angehend erwähnten Schraubverbindungen zwischen dem Kupferleiter und den Aluminiumklammern ver mieden werden können.
Das direkte Anschweissen von Aluminium auf Kupfer ergibt eine Verbindung, welche eine sehr geringe mechanische Festigkeit aufweist; dies ist eine Folge der Bildung von spröden Zwischenmetallver bindungen an der Oberfläche. Es wurden verschie dene andere Verfahren zum materialschlüssigen Ver binden ähnlicher Metalle vorgeschlagen; z. B. wurde versucht, das Kupferelement mit einer Schicht von Lötmaterial, z. B. Zinn, oder einer Mischung aus Zinn und Blei, zu überziehen, worauf dann das Aluminiumelement durch Punktschweissen mit dem derart überzogenen Kupferelement verbunden wurde. Es wurde ferner vorgeschlagen, die beiden Metall elemente durch Silberlötung miteinander zu verbin den.
Aber alle diese älteren Vorschläge ergeben Ver bindungen, welche einen relativ grossen elektrischen Widerstand oder geringe mechanische Festigkeit oder eine Kombination, dieser beiden nachteiligen Eigen schaften aufweisen. So besitzt eine durch Silberlot hergestellte Verbindung z. B. den Nachteil, dass die Silberlegierung eine Metallegierung mit niederem Schmelzpunkt ist und mit Aluminium eine sehr spröde und mechanische schwache Verbindung ein geht.
Die erfindungsgemässe Verbindung kann z. B. die Verbindung zwischen einer Aluminium-Sammel schiene und Kupferleitern an einem Aluminium- Schmelztiegel sein; es ergeben sich hier geringere In- stallations- und Unterhaltungskosten sowie geringere Leitungsverluste zu den Schmelztiegeln, verbunden mit grösserem Produktionsausstoss.
Ferner können gemäss der vorliegenden Erfindung Verbindungen zwischen Aluminium-Sammelschienen und Kupferleitern hergestellt werden, bei welchen das Kriechen des Aluminiums vermieden wird.
Die Erfindung ermöglicht ferner die Schaffung von Aluminium-Kupfer-Schweissverbindungen, deren mechanische Festigkeit besonders hoch ist.
Das genannte erfindungsgemässe Verfahren ge stattet es ferner, Aluminium-Sammelschienen mit Kupferleitern zu verbinden, bei welchen der elek trische Widerstand der Aluminium-Kupfer-Schweiss- verbindung gleich oder kleiner ist, als derjenige eines gleich langen Aluminiumstückes, und wobei die me chanische Festigkeit der Schweissverbindung beson ders hoch ist.
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren ist da durch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche des Kupferelementes mit einem Puffermetall über zogen wird, worauf das mit dem Überzug versehene Element in die zum Zusammenschweissen mit dem Aluminiumelement erforderliche Lage gebracht wird, und dass anschliessend mittels Lichtbogenschweissung in einer inerten Gasatmosphäre der Puffermetallüber- zug des Kupferelementes unter Verwendung eines aluminiumhaltigen Schweissmetalles mit dem Alumi niumelement verschweisst wird.
Um eine befrie digende materialschlüssige Verbindung zwischen dem Puffermetall und dem Kupferelement zu gewähr leisten, wird die Oberfläche des Kupferelementes zweckmässig zuerst mit einem geeigneten Mittel ge reinigt; so können diese Flächen z. B. entfettet und mit einer Drahtbürste behandelt werden. Das Puffer metall kann in irgendeiner geeigneten Weise auf das Kupferelement aufgebracht werden, z. B. durch Ein tauchen des Elementes in das geschmolzene Metall, durch Auftragen von Hand mittels eines Pinsels usw. Nach diesem Verfahren hergestellte Aluminium-Kup fer-Schweissverbindungen besitzen, wie die Versuche zeigen, einen geringen elektrischen Widerstand und grosse mechanische Festigkeit.
Das heisst, die so ge schaffene Verbindung besitzt Widerstands- und Festig keitseigenschaften, die annähernd denjenigen des Aluminiums sind, und zwar auch "dann, wenn beson ders reines, für elektrische Leiter bestimmtes Alu minium verwendet wird.
Als Puffermetall zum Überziehen des Kupfer elementes eignen sich verschiedene Silberlegierungen wie sie zum Löten bei hohen Temperaturen verwen det werden. Als Beispiele von geeigneten Legierun gen seien jene genannt, welche 50% Ag, 15,5% Zn, 15,5 % Cu, 16% Cd, 3 % Ni besitzen, oder 75% Ag, 25% Zn, oder 85% Ag, 15% Mn, oder 45% Ag, 15% Cu, 16% Zn, 24% Cd, oder 50% Ag, 15% Cu, 16,5% Zn, 18% Cd, oder 30% Ag, 38% Cu, 32% Zn. Bei der Auswahl des Puffer metalles zum Überziehen des Kupferelementes wird zweckmässig darauf geachtet, dass das Puffermetall einen Schmelzpunkt besitzt, der annähernd gleich dem Schmelzpunkt des Aluminiums ist und z. B. 650 C beträgt, wenn es sich um besonders reines Aluminium handelt.
Als Puffermetall kann auch äusserst reines Silber verwendet werden, aber es ist dabei zu bemerken, dass es zufolge des hohen Schmelzpunktes von etwa 950 C sehr schwierig ist, eine befriedigende materialschlüssige Verbindung zwischen dem Aluminium und der Silberschicht zu erhalten, wenn eine für das Aluminium "geeignete Schweisstemperatur angewendet wird; in diesem Fall muss das Kupferelement auf eine ziemlich hohe Tem peratur von z. B. 260' C vorgewärmt werden. Der Ausdruck silberhaltiges Metall , wie er im folgen den verwendet wird, soll sowohl reines Silber als auch Silberlegierungen einschliessen. Bei gewissen Anwendungen der vorliegenden Erfindung, bei wel chen die Temperatur, welcher die zu schaffende Ver bindung im Betrieb ausgesetzt ist, relativ niedrig ist, d. h. annähernd 150 C beträgt, können Niedertem peratur-Puffermetalle verwendet werden.
Für diesen Fall geeignete Legierungen enthalten z. B. 5 % Ag, 95% Cd oder 20% Ag, 80% Cd. Es muss aber darauf geachtet werden, dass bei der Verwendung solcher Puffermetalle zufolge der Anwesenheit des Cadmiums giftige Dämpfe entstehen. Als allgemeine Regel kann gelten, dass wo immer möglich hoch schmelzende Silberlegierungen, wie sie oben erwähnt wurden, verwendet werden sollten.
Wie vorangehend erwähnt, wird zum Verbinden der beiden Elemente ein Lichtbogenschweissverfah ren in einer inerten Gasatmosphäre verwendet. Es hat sich als wichtig herausgestellt zur Erzielung guter Resultate, dass ein solches Verfahren angewendet wird. Zweckmässig wird eine sich beim Schweiss vorgang verbrauchende Elektrode aus dem Schweiss metall verwendet, obwohl auch sich nicht verbrau chende Elektroden verwendet werden können. Bei Anwendung eines solchen Schweissverfahrens braucht kein Flussmittel verwendet zu werden. Die Verwen dung von Flussmitteln beim Schweissen von Alu minium ist unerwünscht, da sie korrodierend wirken und ein Waschen der Schweissstelle unmittelbar nach dem Schweissen notwendig machen.
Ferner genügt ein solches Waschen der Schweissstelle oft nicht, besonders wenn es nicht möglich ist, das zwischen das Schweissmetall und das Aluminiumelement ein gedrungene Flussmittel zu entfernen, so dass sich am Aluminium bald Korrosionserscheinungen zeigen und die Verbindung unter Umständen zerstört wird.
Das beim Schweissen verwendete Schweissmetall kann je nach der Zusammensetzung des Aluminium elementes verschieden sein. Wenn z. B. das Alu miniumelement Aluminium-Leitermaterial (EC) ist, wie dies für Sammelschienen verwendet wird, wer den besonders gute Schweissnähte erzielt, wenn als Schweissmetall das gleiche Material verwendet wird oder ein solches aus einer Aluminiumbasis-Legierung mit einem Legierungsgehalt an Silizium oder Magne sium, wie z. B. die Legierung 43 S (4,5-6,00/o Si, Rest Al und normale Verunreinigungen) oder die Legierung 56S (4,9-5,60/o Mg, 0,05-0,200/o Cr, Rest A1 und normale Verunreinigungen).
Bei diesem Beispiel eignen sich als Schweissmetall auch Alu miniumlegierungen mit einem kleineren oder grösse ren Gehalt an Silizium oder Magnesium sowie ver schiedene Aluminiumlegierungen. Der Ausdruck aluminiumhaltiges Schweissmetall , schliesst eben falls hochgradig reines Aluminium sowie Aluminium legierungen ein. Es liegt nahe, ein Schweissmetall zu verwenden, dessen mechanische Eigenschaften min destens gleich jenen des Aluminiumelementes sind, und das eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt.
Wird ein Schweissmetall verwendet, das von der Art des Materials des Aluminiumelementes ist, muss beim Schweissen darauf geachtet werden, dass die Spannungen, welche beim Abkühlen der ge schweissten Verbindung im Schweissmetall auftreten, nicht so gross werden, dass sie eine Rissbildung im Schweissmetall bewirken.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Aus führungsbeispiele von erfindungsgemässen Schweiss verbindungen dargestellt; an Hand dieser Zeichnung soll auch das Verfahren zur Herstellung der er wähnten Schweissverbindungen näher erläutert wer den, wobei es sich bei den gezeichneten Beispielen um Schweissverbindungen zwischen einer Aluminium- Sammelschiene und Kupferleitern von Aluminium- Erzeugungsöfen handelt.
Es zeigt: Fig. 1 im Querschnitt eine geschweisste T-Ver- bindung zwischen einem Kupferelement und einem Aluminium-Leiterelement, wobei der Quersteg der T-Verbindung durch das Aluminium-Leiterelement gebildet wird, während der Kupferleiter in der Schweisszone ein V-förmiges Ende aufweist, Fig. 2 eine der in Fig. 1 gezeigten Verbindung ähnliche Verbindung, wobei aber hier das Kupfer element in der Schweisszone flach ist und sägezahn- förmige Seitenflächen aufweist, Fig. 3 eine der in Fig.
2 gezeigten Verbindung ähnliche Verbindung, wobei aber hier anstelle der sägezahnförmigen Seitenflächen des Kupferelementes in diesen Flächen je eine Nut vorgesehen ist, Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung zur Bestim mung des elektrischen Widerstandes der Verbindun gen nach der Erfindung, Fig. 5 eine Verbindung, bei welcher eine Kupfer- Anodenschiene mittels eines Kupferleiters mit einer Aluminium-Sammelschiene verbunden ist, und wobei eine Kupferklemme an die Aluminium-Sammel schiene angeschweisst ist, während der Kupferleiter an der Kupferklemme festgeschraubt ist, Fig.
6 eine weitere Schweissverbindung nach der Erfindung, bei welcher eine Kupfer-Anodenschiene mittels eines Kupferleiters mit einer Aluminium- Sammelschiene verbunden ist, wobei eine Aluminium klemme an die Aluminium-Sammelschiene ange schweisst ist, während der Kupferleiter mittels je einer (auf beide Seiten der Aluminiumklemme auf gebrachten) dünnen Kupferplatte mit der Klemme verbunden ist, und wobei zum Verbinden der Klemme mit den Kupferplatten das erfindungsgemässe Ver fahren angewendet wurde, Fig. 7 einen Teilquerschnitt durch die in Fig. 6 gezeigte Verbindung nach der Linie 7-7, den Silber belag an den Rändern der Kupferplatte und das Schweissmetall zeigend, und Fig.
8 einen Querschnitt durch eine weitere Schweissverbindung nach der Erfindung, bei welcher ein Kupferleiter mit einer Aluminium-Sammelschiene verbunden ist, wobei es sich um eine reine Schweiss verbindung handelt, da anstelle einer Verschraubung zwischen dem Kupferleiter und der mit der Sammel schiene verbundenen Klemme ebenfalls eine Schweiss naht verwendet wurde.
Die in Fig. 1 gezeigte Aluminium-Kupfer-Schweiss Verbindung besitzt eine Aluminiumschiene 1 und eine Kupferschiene 2, wobei die Kupferschiene 2 mit einer Schicht 3 aus geeignetem Puffermetall über zogen ist, und zwar in der ganzen voraussichtlichen Schweisszone. Als Füllmetall zum Vervollständigen der Schweissnaht in Form einer Füllung 4 kann Alu minium oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Die in Fig. 1 gezeigte Schweissnaht besitzt T- Form; es versteht sich aber, dass dies nur eine bei spielsweise Ausführungsform ist und dass auch an dere Schweissnähte, z. B. durch Stumpfschweissung erzielte Nähte, vorgesehen sein können.
Im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Her stellung der in Fig. 1 gezeigten Verbindung beschrie ben: Ein geeignetes Kupferstück mit den Abmessun gen von etwa 21/76 mm im Querschnitt wird durch Entfetten und Bürsten mittels einer Drahtbürste ge reinigt und in der Verbindungszone mit einer Schicht eines Puffermetalles überzogen. Als Puffermetall wird eine Silberlegierung verwendet, welche 50% Ag, 15,5% Cu, 15,5% Zn, 16% Cd und 3% Ni ent hält. Die Dicke der Puffermetallschicht beträgt an nähernd 0,75 mm. Nach erfolgtem Erhärten dieser Metallschicht wird das Kupferstück wieder mit einer Drahtbürste behandelt. Das verwendete Aluminium element besteht aus Leitermetall (EC) und sein Quer schnitt beträgt etwa 25/300 mm. Wie beim Kupfer element, erfolgt auch beim Aluminiumelement vor der Schweissung ein Reinigen mittels der Drahtbürste.
Dann werden die beiden zu verbindenden Elemente in die zur Vornahme der Schweissung erforderliche Lage gebracht. Der beim Schweissen als Füllmaterial verwendete Metallstab besteht aus einer 43 S-Legie- rung (5% Si, Rest Aluminium). Das Füllen der Schweissstelle erfolgt durch mehrmaliges Bewegen des Füllstabes über die Schweissstelle, und zwar in sym metrischer Kreisbewegung, um die Spannungen aus zugleichen und um ein Verziehen zu verhindern. Jede neue Lage Schweissmetall wird gebürstet und abge kühlt, bevor mit dem Auftragen von Schweissmetall fortgefahren wird. Beim Schweissen wird möglichst kein direkter Lichtbogen zwischen der Elektrode und der Silberschicht erzeugt. Es wird ein in eine inerten Gasatmosphäre durchgeführtes Abschirmmetall-Bo genschweissverfahren angewendet.
Als inertes Gas wird Argon verwendet, wobei ein Gasstrom von etwa 1,7-2,2 m3 pro Stunde aufrechterhalten wird. Wenn als inertes Gas Helium verwendet wird, wird ein Gasstrom von etwa 30-45 m3 pro Stunde aufrecht erhalten. Zum Schweissen wird ein Strom von 250 bis 300 Ampere bei einer Spannung von 22-24 Volt verwendet. Die Lichtbogenlänge variiert zwischen 4,5 und 6,5 mm.
Versuche haben gezeigt, dass bei Verbindungen der beschriebenen Art ein vollständiges Legieren des gesamten Silbermetallüberzuges mit dem Aluminium schweissmetall vermieden werden kann. Metallogra- phische Untersuchungen zeigten, dass eine deutlich feststellbare Silberschicht zwischen dem Füllmetall und dem Kupferelement verbleibt. Es ist anzuneh men, dass dies eine Folge des raschen Erstarrens des Füllmetalles nach den einzelnen Metallaufträgen ist, wodurch ein Auflösen des Silbermetallüberzuges und so die Bildung einer spröden und schwachen Ver bindung verhindert wird.
Ausserdem verhindert die Tatsache des Vorhandenseins einer dünnen Silber schicht ein Diffundieren von Kupfer des Kupfer elementes in das Aluminium hinein, wodurch spröde Aluminium-Kupfer-Legierungen gebildet würden.
Die Schweissverbindung kann auch in der in Fig. 2 gezeigten Ausführung hergestellt werden. Da bei wird ein Flachstück 1 verwendet, während die Seitenflächen 6 des Kupferelementes 7, an welchen die Schweissnaht 8 erzeugt werden soll, mit einer Zahnung versehen werden. Diese Flächen werden dann mit einer Silbermetallschicht 9 überzogen, wor auf mittels eines aluminiumhaltigen Füllmaterials analog dem erstbeschriebenen Beispiel das Schweissen erfolgt. Bei diesem Vorgehen wird die Silberver bindungsfläche und damit die Festigkeit der Verbin dung vergrössert. Die Festigkeit der Verbindung hängt aber nicht allein von der Festigkeit der Alumi nium-Silberverbindung ab, da auch die Festigkeits erhöhung, welche durch die gezahnte Ausführung der Seitenflächen des Kupferelementes erreicht wird, zu berücksichtigen ist.
Ferner ergibt die flache Ausbil dung des Endes des Elementes 7 einen zusätzlichen Widerstand gegen Biegungsbruch gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführung. Eine weitere Variante des in Fig. 1 gezeigten Beispiels ist in Fig. 3 dar gestellt. Hier ist in jeder Seitenfläche des Kupfer elementes 11 eine Nut 10 anstelle der beim Beispiel nach Fig. 2 vorgesehenen Zahnung 6 vorgesehen. Dies erreicht man durch Aneinanderlegen zweier Kupferelemente, wobei man zwischen den beiden Elementen eine Bohrung anbringt, worauf die von einander abgekehrten Seiten der Elemente zusam mengelegt werden, zwischen welchen nun ebenfalls eine Bohrung angebracht wird. Anderseits können die Nuten in den Seitenflächen der Klemmen auch einzeln durch Fräsen angebracht werden.
Die Vor teile einer Verbindung nach Fig. 3 gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind annähernd die glei chen wie sie beim Beispiel nach Fg. 2 erwähnt wur den, bei welchem an dem Kupferelement eine Zah- nung vorgesehen war.
Versuchsausführungen der Aluminium-Kupfer Schweissverbindungen nach den Fig. 1-3 wurden Versuchen zur Bestimmung der elektrischen Leitfähig keit, der Zugfestigkeit und der Biegefestigkeit unter worfen, nach dem die Proben eine Wärmewechsel behandlung und eine Dauerwärmebehandlung erfah ren hatten; die gefundenen Resultate waren ausge zeichnet. Die elektrische Leitfähigkeit der einer Wärmebehandlung unterworfenen Proben wurde mit tels normalen Apparaten zur Messung des Span nungsabfalles bestimmt, wovon in Fig. 4 eine schema tische Darstellung gegeben ist. Der gezeichnete Appa rat besitzt einen Generator 12, einen Spannungsteiler- Brückenstromkreis 13, einen Shuntstromkreis 14, Potentiometerzuführleitungen 15, 16, 17 und 18 und Schalter 19 und 20.
Jeder Zyklus der Wärme wechselbehandlung bestand im Erwärmen der Probe auf 204 C gefolgt von einem raschen Abschrecken in Wasser und Abkühlen mittels eines Luftstrahls bis auf eine unterhalb 65 C liegende Temperatur; die Dauer dieses Zyklus betrug etwa vier Minuten (diese Verhältnisse liegen eher etwas unter jenen, wie sie in einem Aluminium-Reduktionsschmelzofen normalerweise auftreten). Leitfähigkeitsmessungen mit einer Stromdichte von der Grössenordnung 180 amp/cm2-Kupferquerschnitt wurden für jede Probe nach 0, 100, 200, 300, 400 und 500 Wärme wechselzyklen vorgenommen.
Die Versuche zeigten, dass der Spannungsabfall an der Aluminium-Kupfer-Schweissverbindung von der Grössenordnung 0-5 mV war, also vom Span nungsabfall, wie er bei gleich langen Stücken von Aluminium-Sammelschienen allein erhalten wird, nicht sehr verschieden. Diese Resultate zeigen, dass die Wärmewechselbehandlung der genannten Art praktisch ohne Einfluss auf die elektrische Leitfähig keit der Verbindung blieb. Eine Dauerwärmebehand lung der Verbindung bei Temperaturen bis zu 240 C während zweier Wochen ergab ebenfalls keine merk liche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung.
Die Zugfestigkeit der fraglichen Verbindungen liegt, wenn sie vor der Wärmebehandlung bei Zim mertemperatur gemessen wird, in der Grössenord nung von 1000 kg/cm2 oder höher und ändert sich auch durch die genannte Wärmebehandlung nicht wesentlich. Verbindungsproben der fraglichen Art wurden auch praktisch erprobt in Aluminium-Erzeu gungsöfen, wo sie während vier Monaten ähnlichen Verhältnissen unterworfen waren und ähnliche Eigen schaften zeigten. Ferner wurden Zugversuche mit solchen Verbindungsproben bei Temperaturen von etwa 204 C durchgeführt, und es ergaben sich ähn liche Festigkeitswerte. Somit ist ersichtlich, dass die Verbindungen der beschriebenen Art eine Zugfestig keit aufweisen, die gleich oder grösser ist als die jenige eines entsprechenden Aluminiumelementes.
Es wurden mit Verbindungen der fraglichen Art auch Biegeversuche durchgeführt, wobei das Alumi niumelement in eine geeignete Klemmvorrichtung eingespannt und das Kupferelement entweder par allel oder rechtwinklig zum Aluminiumelement ab gebogen wurde. Alle Verbindungen, die so geprüft wurden, zeigten ausgezeichnete Biegeeigenschaften und können um etwa 90 aus der Vertikalaxe heraus gebogen werden, ohne zu brechen.
Es ist somit ersichtlich, dass eine nach dem be schriebenen Verfahren hergestellte Aluminium-Kup- fer-Schweissverbindungausgezeichnete elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist, und zwar auch unter extremen Temperatur- und Belastungsbedin gungen.
Fig. 5 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel einer weiteren Verbindung, und zwar handelt es sich um eine Verbindung zwischen einer Aluminium- Sammelschiene und einem Kupferleiter für Reduk tionsschmelzöfen. Bei diesem Beispiel ist eine L-för- mige Kupferklemme 21 am einen Ende mit einem Belag 22 aus einer geeigneten Silberlegierung ver sehen. Als Füllmaterial beim Schweissen wird ein aluminiumhaltiges Material verwendet, wobei eine Schweissnaht 23 gebildet wird und dadurch die mit dem Belag 22 versehene Kupferklemme 21 an der Alu minium-Sammelschiene 25 befestigt wird.
Zu diesem Zweck wird elektrische Lichtbogenschweissung in einer inerten Atmosphäre angewendet, wobei eine sich selbst verbrauchende Füllmaterialelektrode ver wendet wird. Anschliessend wird ein Ende eines Kupferleiters 26 mittels der Bolzen 27 am andern Ende der Kupferklemme 21 befestigt, während das andere Ende des Kupferleiters 26 an der nicht ge zeichneten Kupfer-Anodenschiene befestigt wird.
Wo das Kriechen des Aluminiumelementes nicht besonders zu berücksichtigen ist und wo auch keine kritische Wärmewechselbeanspruchung auftritt, kann eine andere Verbindungsart gewählt werden, wie sie beispielsweise in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Es handelt sich hier um die Verbindung einer Alumi nium-Sammelschiene mit einem Kupferleiter für Alu minium-Schmelzöfen. Beim gezeichneten Beispiel ist die übliche Aluminiumklemme 28 an die Aluminium- Sammelschiene 29 angeschweisst, während das mit dem Kupferleiter zu verbindende Ende der Klemme 28 mit zwei dünnen Kupferstreifen 30 von 5-6 mm Dicke bedeckt ist.
Die Kupferstreifen 30 sind an ihren Rändern mit einem als Puffermetall dienenden Überzug 31 aus einer geeigneten Silberlegierung überzogen und sind auf beide Seiten des Endteils der Aluminiumklemme aufgelegt. Dann werden diese überzogenen Ränder durch Schmelzschweissung an der Aluminiumklemme befestigt, wobei ein Kanten schweissverfahren angewendet wird, bei welchem ein aluminiumhaltiges Füllmaterial verwendet wird; dabei werden Schweissraupen 32 gebildet, in welchen der versilberte Teil 31 der Kupferstreifen 30 mit dem Füllmaterial in- Berührung ist.
Dann werden durch die mit Kupferstreifen überzogene Aluminiumklemme 28 Bolzenlöcher 33 gebohrt und der ebenfalls mit Bolzenlöchern versehene Kupferleiter 34 wird ge schlitzt und beidseits der mit Kupfer überzogenen Aluminiumklemme 28 mittels der Bolzen 35 an der Klemme so befestigt, dass der Kupferleiter 34 nur mit den Kupferstreifen 30 in Berührung ist. Beim Betrieb des Apparates wird Strom von der Alumi niumklemme 28 über die Kupferstreifen 30 zur Ober fläche des Kupferleiters 34 geleitet.
Die fragliche Verbindung besitzt äusserst günstige elektrische Cha rakteristiken, da in diesem Fall die mechanischen Beanspruchungen der Aluminium-Kupfer-Verbin dung nur gering sind, zeigt sie auch ähnliche Festig- keitscharakteristiken wie die üblichen nicht mit Kup ferplatten belegten Aluminiumklemmen.
Die guten elektrischen und mechanischen Eigen schaften der im vorangehenden beschriebenen Alu minium-Kupfer-Schweissverbindungen ermöglichen es, ausschliesslich geschweisste Verbindungen zwischen Aluminium-Sammelschienen und Kupferleitern von Reduktionsschmelzöfen zu verwenden. Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vollständig durch Schweissen hergestellten Verbindung, bei welcher eine Aluminium-Sammelschiene 36 mittels des Füllmate rials 38 mit einem Aluminium-Leiterschutz 37 ver bunden ist. Ein Kupferanschlussstück 39, das an den Verbindungsrändern mit einem Überzug 40 aus ge eignetem Puffermetall versehen ist, ist unter Ver wendung eines aluminiumhaltigen Füllmaterials 41 an den Leiterschutz 37 angeschweisst. Der Kupfer leiter 42 ist an seinem einen Ende an einer nicht gezeichneten Kupferanodenschiene befestigt.
Der Leiterschutz 37 verhindert ein zu scharfes Biegen des Leiters, das den Bruch einzelner Leiterteile be wirken könnte. Bei solchen Verbindungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Kupferanschlussstück 39 vorerst mit einem Puffermetallüberzug zu versehen, dann das eine Ende des Kupferleiters an das An schlussstück anzuschweissen und anschliessend das so geschaffene Gebilde durch Anschweissen des Leiter schutzes an die Aluminium-Sammelschiene mit der letzteren zu verbinden. Es ist in bezug auf das An schlussstück 39 zu bemerken, dass dieses Stück Trapezquerschnitt aufweisen kann, wobei jene Fläche, deren Querschnitt die grössere der beiden zueinander parallelen Trapezseiten bildet, gegen den Endteil des Kupferleiters 42 anliegt und an diesen angeschweisst ist.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, das Anschlussstück 39 mit abgeschrägten Front- und Sei tenflächen (in Fig. 8 ist die Frontseite sichtbar) zu versehen und das Füllmaterial den Front- und Seiten rändern derselben zuzuführen, um das Verbleiben des Anschlussstückes in elektrischer Verbindung mit dem Leiterschutz zu gewährleisten. Eine in der be schriebenen Weise ausschliesslich durch Schweissung hergestellte Verbindung besitzt den Vorteil, dass die Installationskosten zufolge der Vermeidung von Bol zen gering sind, dass nur relativ kurze Kupferleiter erfoderlich sind, dass die Unterhaltskosten gering sind und dass ausser der kurzen Herstellungszeit auch nur geringe Energieverluste in Kauf genommen werden müssen.
Es ist somit ohne weiteres ersichtlich, dass bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens Alumi nium-Kupfer-Schweissverbindungen hergestellt werden können, die elektrische und mechanische Eigenschaf ten besitzen, wie sie bei Verbindungen bekannter Art nicht erreichbar sind. Obwohl im vorangehen den hauptsächlich Verbindungen zwischen Alumi- nium-Sammelschienen und Kupferleitern von Alu minium-Reduktionsschmelzöfen beschrieben sind, eignet sich das beschriebene Verfahren natürlich auch zur Herstellung von allen andern Aluminium Kupfer-Schweissverbindungen, bei welchen gute elek trische und mechanische Eigenschaften verlangt wer den. So können solche Verbindungen in den ver schiedensten Elektroöfen verwendet werden und ebenso in allen andern Anwendungsgebieten, in wel chen z. B.
Aluminium- und Kupferkabel miteinander zu verbinden sind.
Method for producing a welded connection between an aluminum element and a copper element and a welded connection produced by this method. The present invention relates to a method for producing a welded connection between an aluminum element and a copper element and a welded connection produced by this method. In particular, such a connection is to be created for the case in which elec tric conductivity and strength represent main requirements, as z. B. in the connection between an aluminum busbar and a copper conductor of an electric furnace to he generation of aluminum is the case.
It is known that the proper connection of aluminum and copper elements by welding is associated with particular difficulties. Aluminum oxidizes instantly when it comes into contact with air, whereby the oxide layer that forms forms an effective insulating layer, so that conductive connections between aluminum and copper are practically impossible. The previously known aluminum-copper connections all show a greater electrical resistance than a piece of equal length made from one or the other of the two metals alone. In addition, the previously known compounds of the type mentioned have extremely poor physical properties, so that they are completely unsuitable for many purposes.
In aluminum production, in which aluminum oxide is subjected to electrolysis in a smelting furnace using a carbon anode, it was customary to use solid copper busbars to supply the electrical energy to the anode, one end of which is flexible copper conductors to the busbar and are connected with their other end to the anode. As a result of the shortage and high price of copper, the industry looked for substitute materials for copper. Aluminum was chosen because it has a high conductivity; but its use for the manufacture of busbars, especially with regard to the connection between this busbar and the copper conductors, did not produce any favorable results.
In a process common today, an aluminum clamp is welded to the aluminum busbar, whereupon one end of a flexible copper conductor is screwed onto the clamp. The other end of the copper conductor is in this case fastened to a solid copper bar, which in turn is attached to the anode pin of the aluminum crucible; said copper busbar is usually referred to as Kup fer anode bar. The electrical resistance of this aluminum-copper compound is particularly important in the production of aluminum, since large currents are normally used here. Where connections of the type in question have hitherto been used, it has been found that they have high contact resistances, which considerably reduce the electrical current flowing through the connection.
The main reason for these unsatisfactory results is the creep of the aluminum clamp, which is a consequence of the temperature changes that occur during operation of the crucible. Creep is understood here as a plastic flow or a change in the dimensions of the material that is created by pulling the tension bolt connection during the heating period of the above-mentioned temperature change cycle. As a result of this flow of aluminum, the bolt connection loosens during the cooling period of the temperature change cycle, which causes the high contact resistance.
While in normal operation the working temperatures of the aluminum crucibles are not inappropriately high, conditions often occur which cause an excessive increase in temperature for the said compound, eg. B. when the crust that forms on the surface of the melting material in the crucible is broken up to enable the addition of further aluminum oxide, or when the smoke vent of the crucible does not work properly, or when abnormal operating conditions occur.
Said creep is also supported by the arcs which occur in the air gaps as a result of the loosening of the connection. These arcs heat the metal element even further and thus intensify the aforementioned creep effect. Thus, in the case of loose connections, which are a consequence of the creeping still supported by the arc formation, not only is the power supply to the crucible reduced considerably, but the thin copper strands of the flexible copper conductors also burn, which leads to premature wear of these conductors. These completely unsatisfactory conditions also make constant monitoring and periodic adjustment of the connections in question necessary.
Furthermore, it is known to fasten the copper conductor to the aluminum busbar in that a copper layer is applied to the aluminum bracket, whereupon the end of the copper conductor is screwed to the aluminum bracket in such a way that the end face of the conductor against the upper surface of the said copper layer is applied. However, such a connection was also unsatisfactory because the aforementioned creep effect also occurs here and because the copper layer applied to the clip is very sensitive and does not adhere well to the aluminum clip.
Various other procedural ren have been proposed to obtain a proper connection between the copper conductors and the busbars; but all the connections thus obtained are unsatisfactory for one reason or another.
In contrast, with the method according to the present invention it can be achieved that the connection achieved has low electrical resistance and high mechanical strength, and furthermore retains these properties even if the connection is exposed to temperature changes. Such connections are particularly suitable for use between copper conductors and aluminum busbars, with copper brackets connected to the busbars, while one end of the copper conductors is attached to the brackets, in any suitable manner, where by the inadequacy of the known and before budding mentioned screw connections between the copper conductor and the aluminum brackets can be avoided ver.
The direct welding of aluminum to copper results in a connection which has a very low mechanical strength; this is a consequence of the formation of brittle Zwischenmetallver bonds on the surface. There have been various other methods for material-locking Ver bind similar metals proposed; z. B. attempted to bond the copper element with a layer of solder, e.g. B. tin, or a mixture of tin and lead, to be coated, whereupon the aluminum element was connected by spot welding to the copper element so coated. It was also proposed to connect the two metal elements to each other by silver soldering.
But all of these older proposals result in connections that have a relatively high electrical resistance or low mechanical strength or a combination of these two disadvantageous properties. So has a connection made by silver solder z. B. the disadvantage that the silver alloy is a metal alloy with a low melting point and a very brittle and mechanically weak connection with aluminum.
The inventive compound can, for. B. the connection between an aluminum busbar and copper conductors in an aluminum crucible; This results in lower installation and maintenance costs as well as lower line losses to the crucibles, combined with greater production output.
Furthermore, according to the present invention, connections between aluminum busbars and copper conductors can be established in which the aluminum does not creep.
The invention also enables the creation of aluminum-copper welded joints, the mechanical strength of which is particularly high.
Said inventive method also enables aluminum busbars to be connected to copper conductors, in which the electrical resistance of the aluminum-copper welded connection is equal to or less than that of an aluminum piece of equal length, and the mechanical strength of the Welded joint is particularly high.
The welding process according to the invention is characterized in that the connecting surface of the copper element is drawn over with a buffer metal, whereupon the element provided with the coating is brought into the position required for welding together with the aluminum element, and that the buffer metal is then applied by means of arc welding in an inert gas atmosphere - Zug the copper element is welded to the aluminum element using an aluminum-containing welding metal.
In order to ensure a satisfactory material connection between the buffer metal and the copper element, the surface of the copper element is expediently first cleaned with a suitable agent; so these surfaces z. B. degreased and treated with a wire brush. The buffer metal can be applied to the copper element in any suitable manner, e.g. B. by immersing the element in the molten metal, by applying it by hand using a brush, etc. Aluminum-Kup fer-welded joints produced by this method have, as the experiments show, a low electrical resistance and high mechanical strength.
This means that the connection created in this way has resistance and strength properties that are close to those of aluminum, including "when particularly pure aluminum intended for electrical conductors is used.
Various silver alloys such as those used for soldering at high temperatures are suitable as buffer metal for coating the copper element. Examples of suitable alloys are those which have 50% Ag, 15.5% Zn, 15.5% Cu, 16% Cd, 3% Ni, or 75% Ag, 25% Zn, or 85% Ag, 15% Mn, or 45% Ag, 15% Cu, 16% Zn, 24% Cd, or 50% Ag, 15% Cu, 16.5% Zn, 18% Cd, or 30% Ag, 38% Cu, 32 % Zn. When choosing the buffer metal for coating the copper element, it is advisable to ensure that the buffer metal has a melting point that is approximately equal to the melting point of aluminum and, for example, B. 650 C if it is particularly pure aluminum.
Extremely pure silver can also be used as a buffer metal, but it should be noted that, due to the high melting point of around 950 C, it is very difficult to achieve a satisfactory material connection between the aluminum and the silver layer if one is suitable for the aluminum " In this case, the copper element must be preheated to a fairly high temperature, e.g. 260 ° C. The term silver-containing metal, as used below, is intended to include both pure silver and silver alloys. In certain applications of the present invention, where the temperature to which the connection to be created is exposed in operation is relatively low, ie approximately 150 ° C., low-temperature buffer metals can be used.
For this case, suitable alloys contain e.g. B. 5% Ag, 95% Cd or 20% Ag, 80% Cd. However, care must be taken that when using such buffer metals, toxic fumes are generated due to the presence of cadmium. As a general rule, high-melting silver alloys such as those mentioned above should be used wherever possible.
As mentioned above, an arc welding process is used to connect the two elements in an inert gas atmosphere. It has been found to be important for good results that such a method is used. It is expedient to use an electrode made of the welding metal which consumes itself during the welding process, although electrodes which do not consume themselves can also be used. When using such a welding process, no flux needs to be used. The use of fluxes when welding aluminum is undesirable because they have a corrosive effect and make it necessary to wash the welding point immediately after welding.
Furthermore, such washing of the welding point is often not sufficient, especially if it is not possible to remove the flux that has penetrated between the welding metal and the aluminum element, so that the aluminum soon shows signs of corrosion and the connection may be destroyed.
The welding metal used for welding can be different depending on the composition of the aluminum element. If z. B. the aluminum element aluminum conductor material (EC) is how it is used for busbars, who achieved the particularly good welds when the same material is used as the weld metal or one made of an aluminum-based alloy with an alloy content of silicon or Magne sium, such as B. the alloy 43 S (4.5-6.00 / o Si, remainder Al and normal impurities) or the alloy 56S (4.9-5.60 / o Mg, 0.05-0.200 / o Cr, remainder A1 and normal impurities).
In this example, aluminum alloys with a smaller or larger content of silicon or magnesium and various aluminum alloys are also suitable as welding metal. The expression aluminum-containing weld metal also includes high-grade aluminum and aluminum alloys. It makes sense to use a weld metal whose mechanical properties are at least the same as those of the aluminum element and which has a relatively high electrical conductivity.
If a weld metal is used that is of the same type as the material of the aluminum element, care must be taken during welding that the stresses that occur in the weld metal when the welded joint cools down do not become so great that they cause cracks to form in the weld metal.
In the accompanying drawing, some exemplary embodiments of welding connections according to the invention are shown; With reference to this drawing, the method for producing the welded connections he mentioned is to be explained in more detail, the examples shown being welded connections between an aluminum busbar and copper conductors of aluminum production furnaces.
1 shows in cross section a welded T-connection between a copper element and an aluminum conductor element, the transverse web of the T-connection being formed by the aluminum conductor element, while the copper conductor has a V-shaped end in the weld zone 2 shows a connection similar to the connection shown in FIG. 1, but here the copper element in the welding zone is flat and has sawtooth-shaped side surfaces, FIG. 3 shows one of the connections shown in FIG.
2 connection similar connection shown, but here instead of the sawtooth-shaped side surfaces of the copper element in each of these surfaces a groove is provided, Fig. 4 schematically shows a device for determining the electrical resistance of the connections according to the invention, Fig. 5 a connection at which a copper anode bar is connected to an aluminum busbar by means of a copper conductor, and wherein a copper terminal is welded to the aluminum busbar, while the copper conductor is screwed to the copper terminal, Fig.
6 shows another welded connection according to the invention, in which a copper anode bar is connected to an aluminum busbar by means of a copper conductor, an aluminum terminal being welded to the aluminum busbar, while the copper conductor is connected by means of one (on both sides of the aluminum terminal on brought) thin copper plate is connected to the terminal, and the inventive method was used to connect the terminal to the copper plates, Fig. 7 is a partial cross-section through the connection shown in Fig. 6 along the line 7-7, the silver coating at the edges of the copper plate and showing the weld metal, and Fig.
8 shows a cross section through a further welded connection according to the invention, in which a copper conductor is connected to an aluminum busbar, which is a pure welded connection, since instead of a screw connection between the copper conductor and the terminal connected to the busbar, there is also a Weld seam was used.
The aluminum-copper weld connection shown in Fig. 1 has an aluminum bar 1 and a copper bar 2, the copper bar 2 is coated with a layer 3 of suitable buffer metal over, in the entire prospective welding zone. Aluminum or an aluminum alloy can be provided as filler metal to complete the weld seam in the form of a filling 4. The weld seam shown in FIG. 1 has a T-shape; it goes without saying, however, that this is only an embodiment with example and that other welds such. B. achieved by butt welding seams can be provided.
In the following a preferred embodiment for establishing the connection shown in Fig. 1 is ben described: A suitable copper piece with the dimensions of about 21/76 mm in cross section is cleaned by degreasing and brushing with a wire brush and ge in the connection zone with a Layer of a buffer metal coated. A silver alloy containing 50% Ag, 15.5% Cu, 15.5% Zn, 16% Cd and 3% Ni is used as the buffer metal. The thickness of the buffer metal layer is approximately 0.75 mm. After this metal layer has hardened, the copper piece is treated again with a wire brush. The aluminum element used is made of conductor metal (EC) and its cross-section is around 25/300 mm. As with the copper element, the aluminum element is cleaned using a wire brush before welding.
Then the two elements to be connected are brought into the position required to carry out the welding. The metal rod used as filler material during welding consists of a 43 S alloy (5% Si, remainder aluminum). The welding point is filled by moving the filler rod over the welding point several times, in a symmetrical circular movement in order to equalize the stresses and to prevent warping. Each new layer of weld metal is brushed and cooled down before the weld metal is applied. When welding, as far as possible, no direct arc is created between the electrode and the silver layer. A shielding metal arc welding process carried out in an inert gas atmosphere is used.
Argon is used as the inert gas, with a gas flow of around 1.7-2.2 m3 per hour being maintained. If helium is used as the inert gas, a gas flow of around 30-45 m3 per hour is maintained. A current of 250 to 300 amperes at a voltage of 22-24 volts is used for welding. The arc length varies between 4.5 and 6.5 mm.
Tests have shown that with connections of the type described, a complete alloying of the entire silver metal coating with the aluminum weld metal can be avoided. Metallographic examinations showed that a clearly identifiable layer of silver remains between the filler metal and the copper element. It can be assumed that this is a consequence of the rapid solidification of the filler metal after the individual metal applications, which prevents the silver metal coating from dissolving and thus prevents the formation of a brittle and weak bond.
In addition, the presence of a thin silver layer prevents diffusion of copper of the copper element into the aluminum, which would result in the formation of brittle aluminum-copper alloys.
The welded connection can also be produced in the embodiment shown in FIG. Since a flat piece 1 is used, while the side surfaces 6 of the copper element 7, on which the weld 8 is to be produced, are provided with teeth. These surfaces are then coated with a silver metal layer 9, whereupon the welding is carried out by means of an aluminum-containing filler material in a manner analogous to the first example described. With this procedure, the silver connection area and thus the strength of the connection is increased. The strength of the connection does not depend solely on the strength of the aluminum-silver connection, since the increase in strength achieved by the serrated design of the side surfaces of the copper element must also be taken into account.
Furthermore, the flat formation of the end of the element 7 results in additional resistance to flexural fracture compared to the embodiment shown in FIG. Another variant of the example shown in FIG. 1 is shown in FIG. Here, a groove 10 is provided in each side surface of the copper element 11 instead of the toothing 6 provided in the example of FIG. This is achieved by placing two copper elements next to one another, a hole being made between the two elements, whereupon the sides of the elements facing away from each other are put together, between which a hole is now also made. On the other hand, the grooves in the side surfaces of the clamps can also be made individually by milling.
The advantages of a connection according to FIG. 3 compared to the example shown in FIG. 1 are approximately the same as those mentioned in the example according to FIG. 2, in which a toothing was provided on the copper element.
Experimental versions of the aluminum-copper welded connections according to FIGS. 1-3 were tests to determine the electrical conductivity, the tensile strength and the flexural strength, after which the samples had undergone thermal cycling and permanent heat treatment; the results found were excellent. The electrical conductivity of the samples subjected to a heat treatment was determined with means of normal apparatus for measuring the voltage drop, of which a schematic representation is given in FIG. 4. The drawn apparatus has a generator 12, a voltage divider bridge circuit 13, a shunt circuit 14, potentiometer supply lines 15, 16, 17 and 18 and switches 19 and 20.
Each cycle of heat exchange treatment consisted of heating the sample to 204 C followed by rapid quenching in water and cooling by means of an air jet to a temperature below 65 C; the duration of this cycle was about four minutes (these ratios are somewhat below those normally found in an aluminum reduction smelting furnace). Conductivity measurements with a current density of the order of magnitude of 180 amp / cm2 copper cross-section were made for each sample after 0, 100, 200, 300, 400 and 500 heat exchange cycles.
The tests showed that the voltage drop across the aluminum-copper welded joint was of the order of magnitude 0-5 mV, i.e. not very different from the voltage drop obtained with pieces of aluminum busbars of the same length alone. These results show that the heat exchange treatment of the type mentioned remained practically without any influence on the electrical conductivity of the connection. Continuous heat treatment of the connection at temperatures of up to 240 C for two weeks also did not result in any noticeable change in the electrical conductivity of the connection.
The tensile strength of the connections in question, if it is measured at room temperature before the heat treatment, is of the order of magnitude of 1000 kg / cm2 or higher and does not change significantly as a result of the heat treatment mentioned. Connection samples of the type in question were also tested in practice in aluminum production furnaces, where they were subjected to similar conditions for four months and showed similar properties. In addition, tensile tests were carried out with such joint samples at temperatures of about 204 ° C., and similar strength values were found. It can thus be seen that the connections of the type described have a tensile strength that is equal to or greater than that of a corresponding aluminum element.
Bending tests were also carried out with connections of the type in question, the aluminum element being clamped in a suitable clamping device and the copper element being bent either par allel or at right angles to the aluminum element. All the connections that were tested in this way showed excellent bending properties and can be bent about 90 ° out of the vertical axis without breaking.
It can thus be seen that an aluminum-copper welded connection produced according to the described method has excellent electrical and mechanical properties, even under extreme temperature and load conditions.
Fig. 5 shows a special embodiment of a further connection, namely a connection between an aluminum busbar and a copper conductor for reduction melting furnaces. In this example, an L-shaped copper clamp 21 is provided at one end with a covering 22 made of a suitable silver alloy. An aluminum-containing material is used as the filler material during welding, a weld seam 23 being formed and thereby the copper terminal 21 provided with the coating 22 being attached to the aluminum busbar 25.
For this purpose, electric arc welding is used in an inert atmosphere, using a self-consuming filler material electrode. Subsequently, one end of a copper conductor 26 is fastened by means of the bolts 27 at the other end of the copper terminal 21, while the other end of the copper conductor 26 is fastened to the copper anode bar not shown.
Wherever the creep of the aluminum element does not need to be taken into particular account and where no critical thermal cycling occurs, another type of connection can be selected, as shown in FIGS. 6 and 7, for example. This is a connection between an aluminum busbar and a copper conductor for aluminum melting furnaces. In the example shown, the usual aluminum terminal 28 is welded to the aluminum busbar 29, while the end of the terminal 28 to be connected to the copper conductor is covered with two thin copper strips 30 5-6 mm thick.
The copper strips 30 are covered at their edges with a coating 31 of a suitable silver alloy serving as a buffer metal and are placed on both sides of the end part of the aluminum clamp. Then these coated edges are attached to the aluminum clamp by fusion welding, an edge welding process being used in which an aluminum-containing filler material is used; welding beads 32 are thereby formed, in which the silver-plated part 31 of the copper strip 30 is in contact with the filler material.
Then bolt holes 33 are drilled through the aluminum terminal covered with copper strips 28 and the copper conductor 34, which is also provided with bolt holes, is slit and attached to the terminal on both sides of the copper-coated aluminum terminal 28 by means of bolts 35 so that the copper conductor 34 only with the copper strips 30 is in touch. During operation of the apparatus, current is passed from the aluminum clamp 28 via the copper strip 30 to the upper surface of the copper conductor 34.
The connection in question has extremely favorable electrical characteristics, since in this case the mechanical stresses on the aluminum-copper connection are only low, it also shows similar strength characteristics as the usual aluminum clamps not covered with copper plates.
The good electrical and mechanical properties of the aluminum-copper welded joints described above make it possible to use exclusively welded connections between aluminum busbars and copper conductors from reduction melting furnaces. Fig. 8 shows an embodiment of a connection made entirely by welding, in which an aluminum busbar 36 by means of the Füllmate rials 38 with an aluminum conductor protection 37 is connected ver. A copper connector 39, which is provided with a coating 40 of suitable buffer metal at the connecting edges, is welded to the conductor protection 37 using an aluminum-containing filler material 41. The copper conductor 42 is attached at one end to a copper anode bar, not shown.
The conductor protection 37 prevents the conductor from bending too sharply, which could cause individual conductor parts to break. With such connections it has proven to be advantageous to initially provide the copper connector 39 with a buffer metal coating, then to weld one end of the copper conductor to the connector and then to protect the structure created in this way by welding the conductor protection to the aluminum busbar with the latter connect to. It should be noted with regard to the connection piece 39 that this piece can have a trapezoidal cross-section, the surface whose cross-section forms the larger of the two parallel trapezoidal sides rests against the end part of the copper conductor 42 and is welded to it.
It has also proven advantageous to provide the connector 39 with beveled front and side surfaces (the front side is visible in FIG. 8) and to supply the filler material to the front and side edges of the same in order to keep the connector in electrical connection with the ladder protection. A connection made exclusively by welding in the manner described has the advantage that the installation costs are low due to the avoidance of bolts, that only relatively short copper conductors are required, that the maintenance costs are low and that, apart from the short production time, only low energy losses must be accepted.
It is thus readily apparent that when using the method described, aluminum-copper welded connections can be made which have electrical and mechanical properties that cannot be achieved with connections of a known type. Although the above mainly describes the connections between aluminum busbars and copper conductors of aluminum reduction melting furnaces, the process described is of course also suitable for the production of all other aluminum-copper welded connections that require good electrical and mechanical properties . Such compounds can be used in a wide variety of electric furnaces and also in all other areas of application, in wel chen z. B.
Aluminum and copper cables must be connected to one another.