Elektrische Verbindung und Verfahren zu ihrer Bierstellung Die vorliegende Erfindung betrifft eine elek trische Verbindung, bestehend aus einem Leiter aufnahmestück mit einem darin eingebetteten Alu miniumleiter, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Metall des Leiters und des Aufnahmestückes unter Verringerung der von Metall eingenommenen Querschnittsfläche über diejenige Querschnittsfläche hinaus, bei welcher die maximale Ausziehfestigkeit erreicht wird, zusammengepresst ist. Sie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung der Verbin dung.
Besonders vorteilhaft sind diejenigen Arten der Verbindung nach der Erfindung, bei welchen das Aufnahmestück am Aluminiumdraht durch Zusam menpressen, z. B. durch Eindrücken, Bördeln oder Sicken, befestigt wird. Solche Verbindungen können beispielsweise zur Herstellung einer korrosionsfesten, hochleitenden Verbindungsstelle zwischen einem Aluminium- und einem Kupferleiter oder zwischen zwei Aluminiumleitern verwendet werden. Verbin der dieser Verbindungen können als Klemmen der Bauart ausgebildet sein, bei der das Ende eines Drahtes mit einem Kontaktbolzen oder einem andern Befestigungsmittel verbunden wird, oder sie können so gebaut sein, dass sie zwei oder mehrere Drähte aus demselben Metall oder aus verschiedenen Me tallen miteinander verbinden.
Zur Schaffung eines zufriedenstellenden Verbin ders für Aluminiumdraht soll eine Anzahl Anforde rungen erfüllt sein. Der Verbinder soll ausreichende Stromführungsfähigkeit und gute elektrische Leit fähigkeit zwischen dem Aluminiumdraht und dem andern Leiter herstellen. Diese Leitfähigkeit soll über eine lange Zeitdauer und unter ungünstigen Be dingungen, z. B. wenn die Verbindung Feuchtigkeit, korrodierender Atmosphäre, wiederholten Tempera turänderungen usw. ausgesetzt ist, aufrechterhalten werden.
Der Verbinder soll so geartet sein, dass er leicht und schnell an dem Aluminiumdraht ange bracht werden kann, und zwar vorzugsweise durch einen einfachen Eindrück- oder Sickarbeitsgang, bei dem Weich- oder Hartlöten oder Schweissen nicht er forderlich ist. Der Verbinder soll nicht übermässig gross sein, und die Kosten für seine Herstellung sowie für die Befestigung an dem Leiter sollen zur Erzie lung maximaler industrieller Verwertbarkeit niedrig sein.
Viele Versuche sind zur Lösung der Probleme unternommen worden, die sich bei der Entwicklung eines Verbinders mit den oben erwähnten Merk malen ergeben. Aus den unten dargelegten Gründen wurde bisher-jedoch noch kein vollständig zufrieden stellender Verbinder für den Handel hergestellt. Dies trifft zu, obgleich mehrere der bei der Herstellung einer guten Verbindung vorhandenen Einzelprobleme von früheren Bearbeitern ganz oder teilweise gelöst wurden, da bei diesen Verbindungen für andere Probleme keine Lösung gefunden wurde oder darin enthalten war, so dass sich kein einziger vollständig einwandfreier Verbinder ergab. Da bisher kein völlig zufriedenstellender Verbinder erfunden wurde, ist keine Richtlinie vorhanden, welche bei der Kon struktion eines zufriedenstellenden Verbinders be nutzt werden könnte.
Aus der folgenden Betrach tung wird deutlich erkennbar werden, dass die Lö sung eines jeden Problems bei der Herstellung der Verbindung von der Lösung anderer Probleme ab hängt, so dass eine einwandfreie Verbindung nicht durch Vereinigen einzelner bekannter Merkmale er zielt werden kann, ohne ihre Wechselbeziehung bei Anwendung in der besonderen Verbindung zu be rücksichtigen.
Wahrscheinlich ist die gewichtigste Schwierig keit bei den bisher gebauten Verbindern der Mangel an wiederholter Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit gewesen. Auf der Grundlage der bisherigen Techno logie ist es keine besonders schwierige Aufgabe, einen Verbinder für Aluminiumdraht zu bauen, der anschei nend alle oben aufgestellten Bedingungen erfüllt. Wenn aber eine grosse Anzahl Verbinder in möglichst weit gehender Annäherung an das Muster hergestellt wird, findet man einen weiten Anderungsbereich in den Kennwerten oder Eigenschaften der hergestellten Ver bindungen, wenn die Verbinder an Aluminiumdraht befestigt werden.
Eine gewisse Anzahl Verbinder kann annehmbare Verbindungen herstellen, andere bewirken weniger einwandfreie Verbindungen und ein weiterer Teil ergibt Verbindungen, die vollständig unzureichend sind. Somit ist die Wiederholbarkeit der Herstellung eines guten Verbinders gering, und er ist für ausgedehnte industrielle Erzeugung unver- wendbar.
Wenn die einzelnen Verbinder, die zufriedenstel lende Anfangsverbindungen hergestellt zu haben scheinen, Lebensdauerprüfungen unterworfen wer den, wird ausserdem gefunden, dass ein gewisser Teil der Verbindungen vorzeitig versagt, was einen Mangel an Zuverlässigkeit anzeigt.
Ein für den Handel oder für die Industrie an nehmbarer Verbinder soll in grossen Mengen repro- duzierbar sein, und jede entstehende Verbindung soll von jeder Möglichkeit eines vorzeitigen Ver sagens befreit sein. Bereits ein elektrischer Versager unter vielen hunderten Verbindungen würde diesen Verbindertyp für kommerziellen Gebrauch, im be sonderen in der Flugzeugtechnik, ungeeignet machen, trotzdem alle andern Verbindungen zufriedenstellend ausgeführt sein können.
Die anliegende Zeichnung erläutert die Erfin dung an einem Ausführungsbeispiel. Es zeigen: Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Teile eines Verbinders sowie des Alu miniumdrahtes, an dem diese befestigt werden sollen, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Verbinders nach dem Zusammenbau und der Anordnung auf dem Draht, jedoch vor dem Eindrücken oder Sicken, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Verbin dung, die durch das Sicken der in Fig. 2 dargestell ten zusammengebauten Einheit entsteht, Fig. 4 eine graphische Darstellung,
die zur Unter stützung bei der Erklärung der Grundsätze der Er findung dient, Fig. 5 einen vergrössert dargestellten Quer schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 3, der die Form der Zwinge und des Drahtes nach dem Ein drücken zeigt, Fig. 6 eine graphische Darstellung, die das Ver hältnis zwischen dem Ausmass des Eindrückens und dem Widerstand der Verbindung veranschaulicht, Fig. 7 einen vergrössert dargestellten Querschnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 3, der die Form der Isolierstütze nach dem Sicken zeigt, Fig. 8 eine graphische Darstellung,
welche die Beziehung zwischen dem Grad des Sickens und dem Widerstand der Verbindung nach einem Lebens dauerversuch darstellt, Fig. 9 einen vergrössert dargestellten Längsschnitt der in Fig. 3 gezeigten Verbindung und Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Kabel schuhes nach Fig. 1, die auch die Kunststoffkappe zum Zurückhalten des korrosionshemmenden Gelees in dem Kabelschuh zeigt.
Ein wichtiges Problem bei der Herstellung einer Verbindung mit Aluminiumleitern ergibt sich auf Grund des dünnen Oxydüberzuges, der die exponier ten Oberflächen des Aluminiums bedeckt. Dieser Oxydüberzug ist sehr dünn und hart und haftet zäh an der Aluminiumoberfläche. Wenn der Über zug durch Abnutzung oder auf andere Art entfernt wird, bildet sich sogleich ein neuer Oxydüberzug, falls das Aluminium der Atmosphäre ausgesetzt ist, und verstärkt sich kurzzeitig weiter, wonach die Stärke des Films unter normalen Bedingungen nicht mehr zunimmt. Eine Temperaturerhöhung bewirkt jedoch eine weitere Vergrösserung der Filmdicke.
Zur Herstellung einer zufriedenstellenden elektri schen Verbindung mit dem Aluminium ist es erfor derlich, diesen Oxydüberzug zu entfernen, damit Kontakt mit dem exponierten gediegenen Metall er folgen kann. Zur Beibehaltung guter elektrischer Leitfähigkeit muss verhindert werden, dass sich der Oxydüberzug rückbildet und den Widerstand der Verbindung erhöht.
Sogar ein schwacher Oxydüber- zug ist nicht angängig, da die dadurch hervorgeru fene Vergrösserung des Widerstandes eine stärkere Wärmeerzeugung in der Verbindung bewirkt und der sich daraus ergebende Temperaturanstieg eine noch schnellere Weiterentwicklung des Oxydüberzuges veranlasst.
Dieser Oxydüberzug kann chemisch, z. B. durch die Wirkung der Flusssäure, oder mechanisch, z. B. durch Abrieb oder Abschleifen, entfernt werden. Dieser Überzug ist anscheinend auch verhältnis mässig unelastisch, so dass die Oxydschicht bei Dehnung der Aluminiumoberfläche auseinander bricht, wobei sich neue Flächen des exponierten Metalles bilden.
Wenn das Oxyd entfernt worden ist, kann da:, Aluminium mit einem oxydbeständigen Metall oder mit einem Metall plattiert oder galvanisiert werden, dessen Oxyd elektrisch leitend ist, so dass die Bildung von Aluminiumoxyd wirksam verringert oder ver hindert wird. Ein solches Verfahren kann verwendet werden, um das Oxydproblem auf dem Verbinder selbst abzuschwächen; eine solche Galvanisierung ist aber nicht auf den Aluminiumdrähten vorhanden, an denen der Verbinder befestigt werden soll.
Infolgedessen muss das Oxyd von dem Draht durch mechanische Mittel, wie z. B. durch Abschlei fen, Abscheuern oder Strecken zu dem Zeitpunkt entfernt werden, zu dem der Verbinder an dem Draht befestigt wird. Ausserdem muss diese Oxyd- entfernung in jeder Verbindung so vollständig ge schehen, dass sich keine Warmstellen entwickeln, welche die Rückbildung des Oxyds beschleunigen und vorzeitiges Versagen der Verbindung bewirken.
Eine Stufe bei der Erzielung dieser Oxydentfer- nung besteht darin, den blanken Aluminiumdraht in dem Zwingenteil des Verbinders in solchem Ausmass einzudrücken oder zu sicken, dass eine wesentliche Streckung oder Auspressung des Drahtes bewirkt wird, die von einer durch unterschiedliche Längs- auspressung zwischen der Zwinge und dem Draht erzeugten Abscheuerwirkung begleitet wird.
Eine solche Eindrückwirkung und Strang- oder Auspres- sung muss in solcher Weise erfolgen,--dass zufrieden stellende mechanische Festigkeit erhalten bleibt und gleichzeitig die notwendigen Massnahmen ermöglicht werden, die beim Gebrauch auf der Baustrecke vor genommen werden müssen, ohne dass irgendwelche elektrische oder mechanische Mängel bewirkt wer den.
Fig. 1 zeigt eine Klemme 1, die aus einer röhren förmigen Zwinge 2 und einem in einem Stück damit ausgebildeten Zungenteil 4 besteht. Die Zwinge und die Zunge sind in diesem Beispiel aus Aluminium hergestellt, wobei alle exponierten Oberflächen ein schliesslich der Innenseite der röhrenförmigen Zwinge 2 mit einer anhaftenden Zinnschicht plattiert oder galvanisiert sind, wie später beschrieben wird.
Ein aus galvanisch verzinntem Aluminium her gestellter dünnwandiger Kabelschuh (oder Kausche) 6 weist einen zylindrischen Einsatzteil 8 auf, der ein geschlossenes Ende 10 und einen weiteren zylindri schen Isolationstragteil 12 mit offenem Ende hat. Der Einsatzteil 8 des Kabelschuhes 6 ist mit einem feuchtigkeitsbeständigen Fett gefüllt, in dem Schleif mittelteilchen dispergiert sind, wie später beschrieben wird, und ist zur Aufnahme des blanken Endteils 14 eines isolierten Aluminiumkabels 16 eingerichtet. Die Oberfläche des Kabelschuhes 6 ist galvanisch verzinnt.
Es ist nicht immer wesentlich, dass die Innenfläche vollständig galvanisiert ist, im beson deren über den Flächenbereichen, wo die Herstel lung einer elektrischen Verbindung nicht erforderlich ist. Der erweiterte Isolationstragteil 12 des Kabel schuhes verläuft über den Isolationsmantel 18 des Kabels. Der Einsatzteil 8 des Kabelschuhes wird dann in der Zwinge 2 angeordnet, so dass die zusam mengebaute Einheit das in Fig. 2 dargestellte Aus sehen hat.
Der Zwingenteil 2 und der Isolationstrag- teil 12 des Kabelschuhes werden dann in einem Be- grenzungsgeserik eingedrückt oder gesickt, so dass der in Fig. 3 dargestellte Verbinder entsteht.
Während dieses Eindrückvorganges werden die Zwinge 2 und der Draht 14 beide stranb oder aus gepresst, so dass durch die Streckwirkung neue, oxyd- freie Oberflächen auf dem Aluminiumdraht 14 sowie auf der Innenfläche des Kabelschuhes 8 exponiert werden, falls diese nicht oder nur teilweise galvani siert ist. Diese neue Oberfläche entsteht nicht nur auf der Aussenfläche des Drahtes angrenzend an die Innenfläche des Kabelschuhes, sondern auch längs eines jeden der Einzellitzenleiter des Drahtes 14, die ein gedrängtes Bündel bilden, wo die Einzellitzen leiter innigen elektrischen Kontakt miteinander haben.
Ausserdem ist eine unterschiedliche Längung zwi schen dem Draht 14 und dem Kabelschuh 6 vor handen, der zusammen mit der Zwinge 2 ausge presst wird. Für die Zwecke dieser Erörterung kann angenommen werden, dass der Einsatzteil 8 des Ka belschuhes und die Zwinge 2 während der Strang pressung als Einheit wirken, und dass sich das Metall des Kabelschuhes und das Metall der Zwinge an ihrer Grenzfläche in L7bereinstimmung bewegen.
Am Anfang des Eindrück- oder Sickvorganges presst sich die Zwinge mit schnellerer Geschwindig keit als der Draht aus, während sich bei weiterer Fortsetzung des Eindrückvorganges später der Draht mit schnellerer Geschwindigkeit als die Zwinge aus presst. Die relativen Geschwindigkeiten der Auspres- sung oder Aufweitung sind in Fig. 4 für einen be sonderen Verbinder und eine Drahtkombination dar gestellt.
Die ausgezogene Linie 20 zeigt die Vermin derung der Querschnittsfläche der Zwinge in dem Bereich, in dem die Eindrück- oder Sickkraft aus geübt wird, als Funktion der Verminderung der ge samten Querschnittsfläche der Zwinge und des Drahtes. Die gestrichelte Linie 22 veranschaulicht die Verminderung der Querschnittsfläche des Drahtes als Funktion der Verminderung der gesamten Quer schnittsfläche der Zwinge und des Drahtes.
Man be merkt, dass bei einer Gesamtverminderung der Quer schnittsfläche von weniger als ungefähr 171/o eine grössere Reduktion des Zwingenquerschnittes als des Drahtquerschnittes auftritt. Bei 17% Gesamtvermin- derung sind der Draht und die Zwinge in gleicher Weise reduziert worden, und über 1711/o entsteht eine grössere Querschnittsverminderung in dem Draht als in der Zwinge.
Die unterschiedliche Längsbewegung des Drahtes und der diesen umgebenden Oberfläche, die durch die verschiedenen Auspressgeschwindigkeiten bewirkt wird, erzeugt eine Scheuerwirkung, welche die Ent fernung und das Aufbrechen des Oxydüberzuges des Aluminiumdrahtes 14 unterstützt.
Zur Herstellung eines guten Anfangskontaktes und zur Aufrechterhaltung der hohen Leitfähigkeit ist es anscheinend vorteilhaft, wenn die Oxydfläche in den Bereichen, wo sie nicht vollständig entfernt wird, in ein mosaikartiges Muster aufgebrochen oder aufgetrennt wird, wobei die einzelnen Oxydteilchen von kleiner Fläche über den Flächenbereich des exponierten gediegenen Metalles dispergiert werden. Diese Wirkung wird durch das Vorhandensein von Schleifmittelkörnern in der Zwinge rings um den Draht unterstützt, wenn der Eindrückvorgang statt findet.
Diese Körner, die hart sind und vorteilhaft scharfe Spitzen, Ecken oder Kanten haben, werden offenbar in den Oxydfihn gepresst und dringen in diesen ein oder bewirkenwenigstens eine geschwächte Stelle, die eine Konzentration der Spannungen er zeugt und eine Stelle ausbildet, an der ein Riss oder Bruch in dem Oxydfilm leicht auftreten kann. Das Vorhandensein einer grossen Anzahl solcher Teilchen gewährleistet, dass das Oxyd in eine grosse Anzahl getrennter Flächenbereiche aufgebrochen wird, so dass die in höchstem Masse erwünschte Kontaktfläche entsteht. Diese Körner können elektrisch leitend sein, wenn sie z.
B. aus Teilchen aus Nickel oder einem andern Metall gebildet sind, oder sie können nicht leitend sein, wenn z. B. Teilchen aus geschmolzenem Aluminiumoxyd verwendet werden. Zur Schaffung eines Trägers für diese Teilchen und für andere später darzulegende Zwecke werden die Teilchen in einem wasserbeständigen Fett, wie z. B. Vaseline, dispergiert.
Eine besondere Verbindung, die sich als zufrie denstellend erwiesen hat, ist ein Gemisch von glei chen Gewichtsteilen Vaselinegelee und Nickelpulver, dessen Teilchen durchschnittlich etwa eine solche Grösse haben, dass sie durch ein 300-Maschen-Sieb hindurchgehen. Diese Teilchen sind zweckmässiger weise spitz oder scharfkantig ausgebildet, um die ge wünschte Schnittwirkung zu erzielen. Wie oben er wähnt wurde, können Teilchen von Materialien, wie z. B. Korund, der elektrisch nichtleitend ist, verwen det werden. Dies zeigt, dass die Hauptfunktion dieser Teilchen nicht darin besteht, Kontaktorgane zwi schen dem Draht 14 und dem Kabelschuh 6 zu bilden.
Die Eindrück- oder Sickwirkung, durch die der Draht und die Zwinge miteinander fest ver bunden werden, muss so geartet sein, dass aus reichende Auspressung oder Strangpressung er zeugt wird, um durch die oben beschriebenen Wirkungen innigen elektrischen Kontakt zwischen dem Aluminiumdraht und dem Kabelschuh so wie zwischen den Einzellitzenleitern selbst zu er halten. Gleichzeitig darf die Eindrückwirkung aber nicht so stark sein, dass ein Bruch oder über mässige Schwächung der Aluminiumdrähte entsteht und eine schwache mechanische Verbindung herge stellt wird.
Bei Verwendung einer besonderen Zwinge wird jedoch eine Anzahl Vorteile erreicht, im besonderen, wenn sie so ausgebildet ist, dass durch Verformung die Kontaktfläche zwischen dem Draht 14 und dem Kabelschuh 6 vergrössert wird. Eine solche Zwinge ist perspektivisch in Fig. 3 und ihre Querschnittsform in Fig. 5 dargestellt. Man be merkt, dass die Abflachung der Zwinge und des Drahtes während des Eindrück- oder Sickvorganges die Kontaktfläche zwischen dem Kabelschuh 6 und dem Draht 14 wesentlich vergrössert.
Bei Benutzung einer Zwinge dieses Typs hat es sich als möglich erwiesen, die Auspressung bis zu einem Punkt zu erstrecken, der gewährleistet, dass jede Verbindung zufriedenstellend ausgeführt wird. Um dies zu erreichen, ist die Auspressung grösser als die Verformung, welche die maximale Zugfestigkeit ergibt. Bei den meisten Verbinderkonstruktionen wurde es für gefährlich gehalten, die Verbindung über den Punkt maximaler Zugfestigkeit hinaus ein zudrücken. Es hat sich aber gezeigt, dass sich eine Anzahl Vorteile aus dieser ungewöhnlich grossen Zusammenpressung ergeben.
Die Kurve 24 der Fig. 4 zeigt die relativen Aus- ziehfestigkeiten der Verbinder, wenn während des Sickvorganges verschiedene Druckwerte auf den Verbinder ausgeübt werden.
Man bemerkt, dass die Zugfestigkeit mit wachsender Verminderung der Querschnittsfläche sehr schnell anwächst, bis sie die maximale Ausziehfestigkeit bei einer Querschnitts- verminderung von ungefähr 18% erreicht. Jenseits dieses Punktes nimmt die Ausziehfestigkeit mit langsamerer Geschwindigkeit ab, das heisst der Abfall der Kurve jenseits des Punktes maximaler Auszieh festigkeit ist geringer als die Neigung der Kurve bei Querschnittsverminderungen, die kleiner sind als solche,
die eine maximale Ausziehfestigkeit hervor rufen. Sogar bei 401/o Verminderung der Gesamt querschnittsfläche wird ausreichende Ausziehfestig keit erhalten. Es ist klar, dass durch Eindrücken oder Sicken der Klemme über den Punkt maximaler Ausziehfestigkeit hinaus Verbindungen mit gleich- mässigeren mechanischen Festigkeitskennwerten er halten werden.
Wenn der Verbinder beispielsweise so eingedrückt wird, dass eine Verminderung der Querschnittsfläche von 14% entsteht, zeigt die Kurve 24 an, dass eine relative Ausziehfestigkeit vom Wert 6,0 erzielt wird. Dieselbe Ausziehfestig keit kann bei einer Vernünderung von ungefähr <B>260/a</B> erreicht werden.
Man erkennt jedoch, dass jede Änderung des Ausmasses des Eindrückens oder Sickens, die übrigens unter den Verwendungsbedin gungen auf der Baustrecke wahrscheinlich beträcht lich ist, eine grössere Variation der Ausziehfestig keit bewirkt, wenn der Verbinderquerschnitt nur auf den 14 0/a-Bereich reduziert wird.
Die elektrischen Kennwerte der Verbindung wer den ebenfalls durch den Grad des Eindrückens be einflusst. Der schraffierte Teil des Diagrammes der Fig. 6 zeigt den relativen Anfangswiderstand der Verbindungen als Funktion der Verringerung der Gesamtquerschnittsfläche. Die obern und untern Grenzen der schraffierten Fläche stellen in entspre chender Weise die maximalen und minimalen Wider standsmesswerte einer verhältnismässig grossen An zahl von Verbindern dar, die so ausgebildet sind, wie der in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichte Ver binder.
Alle Verfahrenschwankungen, wie beispiels weise Fertigungstoleranzen, und die Art und Weise des Eindrückens oder Sickens, wurden innerhalb der engsten, praktisch anwendbaren Grenzen kontrolliert.
Falls ein relativer Widerstand vom Wert 7 (Fig. 6) als annehmbarer Mindestwert der Anfangs leitfähigkeit genommen wird, erkennt man, dass bei einer Verminderung des Gesamtquerschnittsfläche von nur 11% ein bestimmter Prozentsatz der Ver- bindungen vom Standpunkt der elektrischen Leit fähigkeit vollständig einwandfrei ist, dass aber an- dere Verbindungen einen so hohen Widerstand haben, dass sie vollständig unzureichend sind.
Eine Erhöhung des Eindrück- oder Sickgrades auf eine Ouerschnittsverminderung von etwa 17% bewirkt nur eine geringe Änderung des Widerstandes der besten Verbindungen. Aber die Streuung des Widerstandes zwischen dem besten und dem schiech testen Verbinder der Gruppe nimmt sehr schnell zu, das heisst der schlechteste Verbinder hat einen höheren Widerstand als andere Verbinder, die in geringerem Masse gesickt sind.
Aus den Kurven 20 und 22 der Fig. 4 erkennt man, dass die Zwinge unterhalb dieser Reduktion von 17% mehr als der Draht ausgepresst worden ist. dass aber der Draht bei grösseren Strangpressungen mehr als die Zwinge. ausgepresst wird.
Bei Querschnittsverminderungen zwischen unge- fähr 17 oder 26% ist wenig Änderung der Streuung zwischen maximalen und minimalen Widerstandswer ten vorhanden, wobei sich aber der Widerstand über diesen Bereich stetig verkleinert.
Bei einer Reduk- tion von 26% liegt jedoch die Leitfähigkeit einer wesentlichen Anzahl von Verbindern noch unterhalb der annehmbaren Grenze.
Bei grösserer Querschnittsverengung von 26 ; o auf ungefähr 28% wird eine weitere Verbesserung des Widerstandes der besten Verbinder erzielt. Aber eine noch schnellere Verbesserung erfährt der Wider stand der schlechtesten Verbinder, so dass die Streuung oder der Bereich der Leitfähigkeit zwischen dem schlechtesten und dem besten Verbinder der Gruppe merklich reduziert wird. Bei 281/o Verrin gerung zeigt jeder Verbinder der Gruppe einen an nchmbaren Widerstandsmesswert.
Weitere Auspressung auf eine Querschnittsver- niinderung von 36 bis 37% führt zu einer weiteren Verbesserung der Leitfähigkeit bei kleiner Änderung Gier Streuung zwischen dem besten und dem schlech- testen Verbinder. Bei 36% Querschnittsverminde- rung
haben die besten Verbinder praktisch die theo retische Leitfähigkeit, das heisst dieselbe Leitfähig keit, welche die Konstruktion haben würde, wenn der Verbinder und der Draht als Ganzes aus einem einzigen Metallstück hergestellt wären.
Es ist klar, dass die obigen Ergebnisse und Vor teile nur erreicht werden, wenn alle die Qualität der Verbindung beeinflussenden Faktoren bei der An wendung aller hier erörterten Grundsätze und Ver fahrensweisen sorgfältig geregelt oder kontrolliert werden.
Die Verbesserung der Leitfähigkeit der schlech testen Verbindungen der Gruppe durch diese grosse Auspressung ist wahrscheinlich wenigstens zum Teil auf die Abscheuerwirkung zwischen dem Draht und dem Kabelschuh zurückzuführen, die durch die ver schiedenen Geschwindigkeiten der Längsauspressung oder Strangpressung bewirkt wird. Aber auch die Streckung des Metalles ist ein Faktor, da diese den Oxydfilm bricht und das gediegene Metall exponiert.
Es wird verständlich sein, dass die Beziehung zwi- schen der Abscheuerwirkung und der Streckung der Grenzflächen als eine Funktion der Querschnitts fläche in gewissem Grade von den ursprünglich vor handenen, relativen Flächen der Zwinge und des Drahtes abhängt. Infolgedessen stellt das Verhältnis der Verminderung der Querschnittsflächen des Drahtes und der Zwinge in dem eingedrückten oder gesickten Teil der Verbindung ein genaueres Mass dar, dessen Anwendung sich aber in der Praxis schwieriger gestaltet.
Bei den meisten Verbindern, die eine Zwinge gemäss Fig. 3 benutzen, muss der Eindrückarbeitsgang fortgesetzt werden, bis der Drahtquerschnitt wenigstens um das 1,37fache der Zwinge reduziert worden ist. Die Verminderung kann so gross wie 1,54 sein, wobei der bevorzugte Arbeitsbereich zwischen 1,48 und 1,54 liegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des oben beschriebenen Verbinders braucht das Aluminium oxyd durch den Auspressvorgang nur von den Draht oberflächen entfernt zu werden. Infolgedessen ist die Querschnittsverminderung des Drahtes eine wesentliche Erwägung.
Bei den hier beschriebenen Arbeitsverfahren und Konstruktionen findet man, dass eine Verminderung der Querschnittsfläche des Drahtes von 35 bis 50% zufriedenstellend ist, wobei der bevorzugte Arbeitsbereich zwischen 42 und 501/o liegt.
Es ist wichtig, dass der gute elektrische Kontakt, der hergestellt worden ist, über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten bleibt. Der Kontakt kann beispiels weise durch Lockerung der Sicke durch Korrosion oder durch Rückbildung des Oxydüberzuges auf dem Aluminium zerstört werden. Es hat sich als wichtig herausgestellt, die Klemme abzudichten, um den Eintritt korrodierender Dämpfe oder Flüssigkeiten sowie auch den Eintritt von Luft und Wasserdampf zu verhindern, die sonst die korrodierende galva nische Wirkung und die Rückbildung des Oxyd überzuges beschleunigen würden.
Ausser dieser Abdichtung, die noch ausführlicher beschrieben wird, müssen die gediegenen Metall flächen in Druckberührung mit der Innenfläche des Kabelschuhes 6 gehalten werden, um auf diese Weise die hohe elektrische Leitfähigkeit beizubehalten und weiterhin die Oxydbildung auf der Aluminiumober fläche zu erschweren.
Wenn jedoch Aluminium unter Druck gehalten wird, neigt es zum Kriechen oder Kaltfliessen, so dass der Druck, mit dem die Oberflächen zusammen gehalten werden, abnimmt.
Dieses Kriechen kann lediglich ein Kaltfliessvor- gang sein, bei dem das Aluminium seine äussere Form ändert, um auf diese Weise die Konzentration der Spannungen oder Beanspruchungen herabzu setzen, oder es kann einen Atmungs -Vorgang ein schliessen, bei dem sich der Aluminiumdraht nach anfänglicher Zusammenpressung weiterbewegt, indem er sich durch Schrumpfung von den angrenzenden Oberflächen entfernt. Diese Bewegung erzeugt um gekehrte Spannungen, die dann eine entgegengesetzte Bewegung des Drahtes bewirken, wobei sich der Kreislauf mit allmählich abnehmenden Bewegungs amplituden wiederholt, bis ein ziemlich stabiles Gleichgewicht hergestellt ist.
Der Grenzflächendruck kann sich jedoch wesentlich verringert haben, wobei der Widerstand der Verbindung erhöht und eine schnellere Bildung der Oxydschicht gefördert wird.
Es ist gefunden worden, dass die nachteiligen Wirkungen des Kriechens des Aluminiums durch Ausbreitung der Eindrück- oder Sickwirkung über einen verhältnismässig grossen Flächenbereich auf einen Kleinstwert vermindert werden können, so dass der Druck pro Flächeneinheit verkleinert und die Berührungsfläche vergrössert wird. Dadurch wird die Stromdichte sowie die Möglichkeit des Temperatur anstieges auf Grund eines begrenzten Kriechwertes durch das Aluminium verringert.
Die wesentliche Bedeutung des Aluminiumkabel schuhes 6 mag nicht ohne weiteres einleuchtend sein, da sie der Verbindung zwei zusätzliche Aluminium- oberflächen hinzufügt, von denen das Oxyd entfernt werden muss, und da sie eine zusätzliche Reihen- grenzkontaktfläche in den elektrischen Stromkreis einfügt. Jedoch wiegen die Vorzüge dieses Kabel schuhes 6 diese offensichtlichen Nachteile bei weitem auf. Das Oxydfilmproblem kann zum Teil dadurch gelöst werden, dass das Oxyd entfernt und die Zwinge galvanisch verzinnt wird.
Das Vorhanden sein des dünnen Aluminiumkabelschuhes verbessert die Leitfähigkeit der Verbindung in solchem Masse, dass die zusätzliche Reihenkontaktfläche praktisch keinen Nachteil darstellt.
Die Vorteile des Kabelschuhes 6 werden nur vollständig verwirklicht, wenn der Eindrück- oder Sickarbeitsgang in dem oben empfohlenen Ausmass durchgeführt wird. Dies beruht zum Teil darauf, weil der Kabelschuh mit seinem geschlossenen Ende als Zylinder verwendet wird, in dem sich das Vase linegelee und Schleifmittelteilchen befinden und in dem der Druck während des Eindrückarbeitsganges auf einen solchen Wert erhöht wird, dass das Schleif mittelgelee, das zwischen den einzelnen Litzenleitern durch die kolbenartige Wirkung beim Einsetzen des Drahtes in den Kabelschuh verteilt wird,
geschwächte Teilungslinien in dem Oxydfilm hervorruft. Aus reichender Druck zur Erzielung dieses Zweckes wird nur während des letzten Teils des Strangpressarbeits- ganges erreicht, und zwar nur, wenn der Kabelschuh oder die Zwinge an einem Ende geschlossen ist und an dem entgegengesetzten Ende der Isolationstrag- kabelschuh dicht rings um die Isolation 18 einge drückt oder gesickt wird, so dass verhindert wird, dass das Gelee rings um die Aussenseite der Isolation herausgepresst wird.
Die Form dieser Sicke, die vorteilhaft der Sicke auf der Zwinge entspricht, ist in der perspektivischen Ansicht der Fig. 3 und in dem Querschnitt der Fig. 7 dargestellt.
Das Vorhandensein des Kabelschuhes bringt im wesentlichen keine Änderung der kleinsten Wider standsmesswerte mit sich, das heisst, wenn der Ka- belschuh weggelassen wird, erhält eine gewisse An zahl Verbinder einer Gruppe die niedrigen Wider standswerte, die durch die untere Grenze der schraf fierten Fläche der Fig. 6 markiert sind.
Jedoch würden andere Verbinder in der Gruppe eine merkliche Widerstandsvergrösserung in dem Be reich zeigen, der einer Gesamtverminderung der Querschnittsfläche von 28 bis 371/o entspricht. Dies ist durch die gestrichelte Linie 30 in Fig. 6 gekenn zeichnet. Somit wird die Streuung zwischen den besten und den schlechtesten Verbindern der Gruppe beträchtlich vergrössert, wobei einige Verbinder einen höheren Widerstand als das annehmbare Mini mum haben.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich deut lich, dass es ohne den Kabelschuh nachteilig sein würde, die Verbinder so einzudrücken oder zu sicken, dass die Querschnittsfläche um mehr als 28% vermindert wird. Dies war zweifellos ein Faktor beim Verkennen der Notwendigkeit für ungewöhn lich grosse Druckwerte und bei der Durchführung irreführender Untersuchungen, die ohne den Kabel schuh mit dem abgedichteten Ende vorgenommen wurden.
Ausserdem bildet der Kabelschuh 6 den Tragteil der Isolation 18 an dem Ende der Zwinge 2 und ver hindert die Konzentration von Kräften an diesem Punkt. Diese Verteilung der Spannungen macht die Verbindung widerstandsfähiger gegen seitliche oder Biegekräfte und erhöht ihre Nutzdauer, wenn sie Vi- brationsversuchen ausgesetzt wird.
Der Kabelschuh 6, der an einem Ende geschlos sen und an dem andern Ende dicht rings um die Isolation zusammengepresst ist, dichtet überdies den Bereich ab, in dem die Druckkontakte hergestellt werden, wodurch der Eintritt von Luft, Feuchtigkeit, korrodierenden Dämpfen oder Flüssigkeiten usw. beträchtlich erschwert und die Lebensdauer der Ver bindung wesentlich erhöht wird.
Diese Abdichtung wird auch durch das Vaseline gelee in dem Verbinder sowie dadurch unterstützt, dass das Gelee während des letzten Teils des Sick- arbeitsganges unter hohen Druck gesetzt und in jeden sehr kleinen innern Riss sowie zwischen die Einzellitzenleiter des Drahtes 14 und wieder zurück längs des Drahtes in den von der Isolation bedeck ten Teil gepresst wird, so dass der Eintritt von Gasen oder Flüssigkeiten in die Zwinge durch den Längs verlauf in den Zwischenräumen zwischen den Einzel litzenleitern verzögert wird.
Die wesentliche Bedeutung der Erweiterung der Eindrück- oder Sickwirkung zur Erzeugung einer über 28% hinausgehenden Querschnittsflächenver- minderung, wenn ein geschlossener Kabelschuh ver wendet wird, ist in Fig. 8 veranschaulicht.
Diese zeigt Widerstandsmesswerte von einer V erbinder- gruppe, die so hergestellt und eingedrückt wurde wie die Verbinder, welche die Messwerte für die schraf fierte Fläche des Diagrammes der Fig. 6 lieferten, die aber einem beschleunigten Lebensdauerversuch in einem korrodierenden Milieu unterworfen wurden. Die untere Begrenzung der schraffierten Fläche in Fig. 8 kennzeichnet den entstehenden Widerstand der besten Verbinder der Gruppe, während die obere Begrenzung den Widerstand der schlechtesten Ver binder der Gruppe markiert.
Aus der obern Begrenzung der schraffierten Fläche der Fig. 8 erkennt man, dass bei einer Quer- schnittsverminderung zwischen 11 und 37% eine bestimmte Anzahl Verbinder der Gruppe voll ständig einwandfrei war, soweit es die Korrosions beständigkeit betrifft. Andere Verbindungen zeigten jedoch ein übermässiges Anwachsen des Wider standes, wie durch die obere Begrenzung der schraffierten Fläche zum Ausdruck kommt.
Man erkennt, dass bei einer Auspressung von mehr als 28% Querschnittsverminderung die Streuung zwischen den besten und schlechtesten Ver bindungen nach dem Korrosionslebensdauerversuch merklich verringert wird, und dass sich die Verbin dungen bei weiterer Querschnittverminderung, wenigstens bis zu der Grenze von etwa 36%,
noch immer verbessern. Infolgedessen ist es vorteilhaft, die Eindrückwirkung zu erweitern, um die maximale Verminderung der Querschnittsfläche zu erzeugen. Bei der Zwinge gemäss Fig. 3 liegt der bevorzugte Bereich zwischen 34 und 37% Verminderung der Gesamtquerschnittsfläche zu der Mitte des gesickten Teils.
Wie oben erwähnt wurde, ist es zweckmässig, die Zwinge 2 und den Kabelschuh 6 mit einem korro sionsbeständigen Metall zu galvanisieren. Galva nische Verzinnung hat sich als am vorteilhaftesten erwiesen. Wenn die Zwinge 2 aus Kupfer hergestellt ist, kann sie leicht in der üblichen Weise galvanisch verzinnt werden. Der Aluminiumkabelschuh 6 (und die Zwinge 2, falls sie aus Aluminium besteht) kann mit jedem bekannten Verfahren, mit dem ein anhaf tender Zinnüberzug erhalten wird, plattiert oder gal vanisiert werden.
In einem bevorzugten Verfahren wird das Ahi- minium mit einem Gemisch von drei Teilen konzen trierter Salpetersäure zu einem Teil konzentrierter Flusssäure ungefähr 1 Minute geätzt, um den Oxyd überzug zu entfernen. Das Aluminium wird dann ge waschen, worauf ihm ein Plattierüberzug aus Zink dadurch gegeben wird, dass es in eine Zinkatlösung getaucht wird, die aus einem Teil Zinkoxyd, sechs Teilen Natriumhydroxyd und zwölf Teilen Wasser (insgesamt auf das Gewicht bezogen) besteht.
Da nach wird es gewaschen und durch Niederschlag oder Plattierung mit Kupfer in einem Bad überzogen, das aus einem Teil Natriumkarbonat, einundeinhalb Teilen Kupfer und zweieinviertel Teilen Natrium- cyanid zusammengesetzt ist. Danach wird es wieder gespült und in üblicher Weise galvanisch verzinnt.
Nach Anwendung der galvanischen Verzinnung wird ein Wiederfliessen durch Erwärmung des galva nisierten Gegenstandes auf eine zum Schmelzen des Zinnes ausreichend hohe Temperatur bewirkt. Ge- gebenenfalls wird es einer mechanischen Hin- und Herbewegung oder einer Vibration unterworfen, während es sich auf dieser Temperatur befindet. Dieses Wiederfliessen des Zinnes gehört zu der üblichen Praxis, und die technischen Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung sind allgemein be kannt. Jedoch hat es sich nach dem Wiederfliessen des Zinnes als vorteilhaft erwiesen, eine zusätzliche Zinnschicht auf der Zinnoberfläche, die zum Wieder fliessen gebracht wurde, galvanisch niederzuschlagen.
Das Wiederfliessen des Zinnes sucht die feinen Löcher oder Risse abzudichten und das Zinn besser über oder rings um sehr kleine Fehlerstellen zu ver teilen. Die genauen Wirkungen der aufeinanderfol genden galvanischen Verzinnung sind nicht bekannt. Messungen zeigen aber eine Verbesserung der Leit fähigkeit der Verbindungen an, das heisst die obere Grenze des Widerstandes ist verringert, so dass die Streuung hinsichtlich der Qualität zwischen den besten und den schlechtesten Verbindungen ver kleinert wird.
Die Zinnplattierung kann auch durch Walz- verfahren auf das Flachblech vorgenommen werden, aus dem der Verbinder hergestellt ist. Somit kann durch Fertigung der Verbinder aus handelsüblichem, zinnplattiertem Aluminium die Notwendigkeit eines gesonderten Plattier- oder Galvanisierarbeitsganges vermieden werden. Diese Wirkung ist besonders wichtig, wenn das Eindrücken oder Sicken so durch geführt wird, dass eine Querschnittsverminderung von 281/o überschritten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung wurde der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Verbinder aus Aluminium hergestellt. Die Zunge 4 und der Zwingenteil 2 wurden aus Aluminium von 99,5% Reinheit gefertigt, und der Kabelschuh wurde aus einem dünnen Blech aus Aluminium von 99,
2% Reinheit gezogen.
Die Zwinge 2 und der Kabelschuh 6 wurden mit Zink und dann mit Zinn plattiert, das zum Wieder fliessen gebracht und wiederplattiert wurde, wie es insgesamt oben beschrieben ist.
Zur Verwendung mit verlitztem Aluminiumdraht mit einer Querschnittsfläche von 0,213 cm2 hatte die Zwinge 2 eine Querschnittsfläche von 0,546 cm2 vor dem Sicken.
Der Kabelschuh 6 wurde ungefähr zur Hälfte mit Gelee, beispielsweise einem Gemisch aus Vase line und Nickelpulver, gefüllt. Andere Fett- oder Gelee- bzw. Gallertverbindungen, wie z. B. Silizium fett, Staufferfett, Wachse, Harze usw., können mit jeder gewünschten Art von Schleifmittelteilchen ver wendet werden, wobei sich aber das Gemisch aus Vaseline und Nickelpulver als geeignet erwiesen hat. In der Praxis wird das Gelee in dem Kabelschuh untergebracht, der mit einer Cellulosekappe 32 aus Zweckmässigkeitsgründen für den Versand und Transport abgedichtet ist, wie in Fig. 10 dargestellt ist.
Die Kappe 32 wird entfernt oder von dem blanken Draht 14 des Kabels 16 durchbohrt, der in den engeren Teil 8 des Kabelschuhes 6 eingefügt wird und praktisch zu dessen Ende 10 verläuft. Die Isolationsumhüllung 18 erstreckt sich innerhalb des erweiterten Teils 12 des Kabelschuhes im wesent lichen bis zu dessen Ende.
Der engere Teil 8 des Kabelschuhes hat ungefähr dieselbe Länge wie die Zwinge 2, so dass sich sein geschlossenes Ende 10 nach dem Einsetzen in die Zwinge 2 an dem einen Ende der Zwinge und die Isolationstraghülse 12 an dem andern Ende befin den.
Die zusammengefügte Einheit des Drahtes und des Verbinders wird dann in einer geeigneten Sick- matrize oder -bake angeordnet. Dieses Gesenk oder diese Backe muss die Zwinge und die Isolationstrab hülse eindrücken oder sicken. Die Zwingen sollen vorteilhafterweise die allgemeine Form erhalten, die in den Fig. 3, 5, 7 und 9 dargestellt ist.
Die Zwinge 2 und der Isolationstragteil 12 kön nen gleichzeitig so lange eingedrückt werden, wie der Isolationstragteil vor der endgültigen Eindrück- bewegung der Zwinge rings um die Isolierung fest abgedichtet ist. Erforderlichenfalls kann zuerst der Tragteil 12 und danach die Zwinge 2 gesickt oder eingedrückt werden.
Der Eindrückarbeitsgang wird fortgesetzt, bis die Querschnittsfläche durch Auspressung oder Strang pressung von 34 auf 371/o innerhalb der Sickfläche vermindert worden ist, das ist die Differenz der Ge- samtquerschnittsfläche des Drahtes und der Zwinge vor und nach dem Eindrücken geteilt durch die Ge samtfläche vor dem Eindrücken und als Prozentsatz ausgedrückt. Diese Reduktion kann von 28 bis 371/o reichen, wobei aber der bevorzugte Bereich aus den bereits dargelegten Gründen zwischen 34 und 371/o liegt.
Falls gewünscht, kann die Zwinge 2 aus Kupfer hergestellt werden. Das Kupfer muss in der üblichen Weise zinnplattiert werden, und das übrige Verfahren ist das gleiche wie bei der Aluminiumzwinge.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich deutlich, dass der hier beschriebene Verbinder zur Herstellung von elektrischen und mechanischen Ver bindungen mit Aluminiumdraht gut geeignet ist, und dass er den vollen Vorteil der Wechselbeziehung zwi schen den verschiedenen Verbinderteilen ausnutzt.
Electrical connection and method for their beer production The present invention relates to an electrical connection, consisting of a conductor receiving piece with an embedded aluminum miniumleiter, which is characterized in that the metal of the conductor and the receiving piece while reducing the cross-sectional area occupied by metal over the Cross-sectional area at which the maximum pull-out strength is reached, is compressed. It also includes a method of making the connection.
Particularly advantageous are those types of connection according to the invention in which the receiving piece on the aluminum wire menpressen by together, for. B. is attached by pressing, flanging or beading. Such connections can be used, for example, to produce a corrosion-resistant, highly conductive connection point between an aluminum and a copper conductor or between two aluminum conductors. The connection of these connections can be designed as terminals of the type in which the end of a wire is connected to a contact bolt or other fastening means, or they can be constructed so that they connect two or more wires of the same metal or of different metals together connect.
To create a satisfactory connector for aluminum wire, a number of requirements should be met. The connector should produce sufficient current carrying capacity and good electrical conductivity between the aluminum wire and the other conductor. This conductivity should be used over a long period of time and under unfavorable conditions such. B. when the connection is exposed to moisture, corrosive atmosphere, repeated temperature changes, etc., can be maintained.
The connector should be designed so that it can be easily and quickly attached to the aluminum wire, preferably by a simple indentation or beading operation, in which soft or hard soldering or welding is not necessary. The connector should not be excessively large, and the costs for its manufacture and for attachment to the conductor should be low to achieve maximum industrial utility.
Many attempts have been made to solve the problems which arise in developing a connector having the above-mentioned characteristics. However, for the reasons set out below, a fully satisfactory connector has not yet been made for commercial use. This is true even though several of the individual problems that existed in establishing a good connection have been partially or completely solved by previous workers, since no solution was found or was contained in these connections for other problems, so that not a single completely correct connector resulted. Since a completely satisfactory connector has not yet been invented, there is no guideline which could be used in the construction of a satisfactory connector.
From the following consideration it becomes clear that the solution of every problem in the production of the connection depends on the solution of other problems, so that a perfect connection cannot be achieved by combining individual known features without their interrelation Application in the special connection to be considered.
Probably the most serious difficulty with the connectors built to date has been the lack of repeatability and reliability. Based on previous technology, it is not a particularly difficult task to build a connector for aluminum wire that apparently meets all of the above conditions. However, when a large number of connectors are made as closely as possible to the pattern, there is a wide range of changes in the characteristics or properties of the connections made when the connectors are attached to aluminum wire.
A certain number of connectors can make acceptable connections, others make connections that are less than perfect, and a further part results in connections that are completely inadequate. Thus, the repeatability of manufacturing a good connector is poor, and it is unusable for extensive industrial production.
In addition, when the individual connectors that appear to have made satisfactory initial connections are subjected to life tests, it is found that some of the connections fail prematurely, indicating a lack of reliability.
A connector that is acceptable for trade or industry should be reproducible in large quantities, and every connection that is created should be free of any possibility of premature failure. Even one electrical failure among many hundreds of connections would make this type of connector unsuitable for commercial use, especially in aircraft technology, despite the fact that all other connections can be carried out satisfactorily.
The accompanying drawing explains the inven tion using an exemplary embodiment. 1 is an exploded perspective view of the parts of a connector and of the aluminum wire to which they are to be attached, FIG. 2 is a perspective view of the connector shown in FIG. 1 after assembly and placement on the wire, however before pressing or beading, Fig. 3 is a perspective view of the connec tion formed by the beading of the assembled unit dargestell th in Fig. 2, Fig. 4 is a graphic representation,
which is used to assist in explaining the principles of the invention, Fig. 5 shows an enlarged cross-section along the line 5-5 of FIG. 3, which shows the shape of the ferrule and the wire after a press, Fig. 6 a graphical representation illustrating the relationship between the extent of the indentation and the resistance of the connection, FIG. 7 an enlarged cross-section along the line 6-6 in FIG. 3, which shows the shape of the insulating support after the beading, FIG. 8 a graphical representation
which shows the relationship between the degree of beading and the resistance of the connection after a life test, FIG. 9 is an enlarged longitudinal section of the connection shown in FIG. 3 and FIG. 10 is a perspective view of the cable shoe according to FIG. 1, which also shows the plastic cap for retaining the anti-corrosive jelly in the cable lug.
An important problem in making a connection with aluminum conductors arises from the thin oxide coating that covers the exposed surfaces of the aluminum. This oxide coating is very thin and hard and adheres tenaciously to the aluminum surface. If the coating is removed through wear and tear or in some other way, a new oxide coating forms immediately if the aluminum is exposed to the atmosphere, and continues to strengthen for a short time, after which the thickness of the film no longer increases under normal conditions. However, an increase in temperature causes a further increase in the film thickness.
To make a satisfactory electrical connection with the aluminum, it is necessary to remove this oxide coating so that contact with the exposed solid metal can be followed. To maintain good electrical conductivity, the oxide coating must be prevented from receding and the resistance of the connection increased.
Even a weak oxide coating is not acceptable, since the resulting increase in resistance causes more heat to be generated in the connection and the resulting temperature rise causes the oxide coating to develop even more quickly.
This oxide coating can be chemically, e.g. B. by the action of hydrofluoric acid, or mechanically, e.g. B. by abrasion or grinding removed. This coating is apparently also relatively inelastic, so that the oxide layer breaks apart when the aluminum surface expands, with new areas of the exposed metal being formed.
When the oxide has been removed, aluminum can be plated or galvanized with an oxide-resistant metal or with a metal whose oxide is electrically conductive, so that the formation of aluminum oxide is effectively reduced or prevented. Such a method can be used to alleviate the oxide problem on the connector itself; however, such electroplating is not present on the aluminum wires to which the connector is to be attached.
As a result, the oxide must be removed from the wire by mechanical means, e.g. Removed by abrading, scouring or stretching at the time the connector is attached to the wire. In addition, this oxide removal must be so complete in every connection that no hot spots develop, which would accelerate the regression of the oxide and cause premature failure of the connection.
One step in achieving this oxide removal is to indent or bead the bare aluminum wire in the ferrule portion of the connector to such an extent that there is substantial stretching or extrusion of the wire caused by a differential compression between the ferrule and the abrasion produced by the wire is accompanied.
Such an indentation effect and extrusion or extrusion must take place in such a way - that satisfactory mechanical strength is maintained and at the same time the necessary measures are made possible that must be taken during use on the construction route, without any electrical or mechanical Defects who cause.
Fig. 1 shows a clamp 1, which consists of a tubular ferrule 2 and a tongue part 4 formed in one piece therewith. The ferrule and tongue are made of aluminum in this example, with all exposed surfaces including the inside of the tubular ferrule 2 being plated or galvanized with an adherent layer of tin, as will be described later.
A thin-walled cable lug (or thimble) 6 made of tin-plated aluminum has a cylindrical insert part 8 which has a closed end 10 and a further cylindri's insulating support part 12 with an open end. The insert part 8 of the cable lug 6 is filled with a moisture-proof grease in which abrasive particles are dispersed, as will be described later, and is adapted to receive the bare end part 14 of an insulated aluminum cable 16. The surface of the cable lug 6 is tin-plated.
It is not always essential that the interior surface be fully electroplated, particularly over the surface areas where electrical connection is not required. The expanded insulation support part 12 of the cable shoe extends over the insulation jacket 18 of the cable. The insert part 8 of the cable lug is then arranged in the clamp 2, so that the assembled unit has what is shown in FIG. 2.
The clamp part 2 and the insulation support part 12 of the cable lug are then pressed in or beaded in a delimitation system, so that the connector shown in FIG. 3 is produced.
During this pressing process, the ferrule 2 and the wire 14 are both extruded or pressed out, so that the stretching action exposes new, oxide-free surfaces on the aluminum wire 14 and on the inner surface of the cable lug 8, if this is not or only partially galvanized is. This new surface arises not only on the outer surface of the wire adjacent to the inner surface of the cable lug, but also along each of the stranded conductors of the wire 14, which form a compact bundle where the stranded conductors have intimate electrical contact with one another.
In addition, there is a different elongation between the wire 14 and the cable lug 6, which is pressed out together with the clamp 2. For the purposes of this discussion it can be assumed that the insert part 8 of the cable shoe and the ferrule 2 act as a unit during extrusion, and that the metal of the cable shoe and the metal of the ferrule move in unison at their interface.
At the beginning of the indentation or beading process, the ferrule is pressed out at a faster speed than the wire, while if the indentation process is continued, the wire is later pressed out at a faster speed than the ferrule. The relative speeds of the extrusion or expansion are shown in FIG. 4 for a special connector and a wire combination.
The solid line 20 shows the reduction in the cross-sectional area of the ferrule in the area in which the indentation or beading force is exerted as a function of the reduction in the overall cross-sectional area of the ferrule and the wire. The dashed line 22 illustrates the reduction in cross-sectional area of the wire as a function of the reduction in the total cross-sectional area of the ferrule and wire.
One notices that with an overall reduction in the cross-sectional area of less than approximately 171 / o, a greater reduction in the ferrule cross-section than in the wire cross-section occurs. With a total reduction of 17%, the wire and the ferrule have been reduced in the same way, and above 1711 / o there is a greater reduction in cross-section in the wire than in the ferrule.
The different longitudinal movement of the wire and the surface surrounding it, which is caused by the different extrusion speeds, generates a scrubbing effect which supports the removal and breaking of the oxide coating of the aluminum wire 14.
In order to establish a good initial contact and to maintain the high conductivity, it is apparently advantageous if the oxide surface is broken up or separated into a mosaic-like pattern in the areas where it is not completely removed, with the individual oxide particles from a small area over the surface area of the exposed solid metal can be dispersed. This effect is aided by the presence of abrasive grains in the ferrule around the wire when the crimping process takes place.
These grains, which are hard and advantageously have sharp points, corners or edges, are evidently pressed into the oxide film and penetrate it or at least cause a weakened point that creates a concentration of stresses and forms a point where a crack or Breakage in the oxide film can easily occur. The presence of a large number of such particles ensures that the oxide is broken up into a large number of separate areas so that the most desirable contact area is created. These grains can be electrically conductive if they are e.g.
B. are formed from particles of nickel or other metal, or they may be non-conductive if, for. B. Particles of molten alumina can be used. To provide a carrier for these particles and for other purposes to be set forth below, the particles are soaked in a water resistant grease, such as. B. Vaseline, dispersed.
A special compound that has proven to be satisfactory is a mixture of equal parts by weight of petroleum jelly and nickel powder, the particles of which are on average about such a size that they can pass through a 300-mesh sieve. These particles are expediently pointed or sharp-edged in order to achieve the desired cutting effect. As mentioned above, particles of materials such as. B. corundum, which is electrically non-conductive, can be used. This shows that the main function of these particles is not to form contact organs between the wire 14 and the cable lug 6.
The indentation or beading effect, through which the wire and the clamp are firmly connected to each other, must be such that sufficient extrusion or extrusion is used to create intimate electrical contact between the aluminum wire and the cable lug through the effects described above how to keep it between the single stranded conductors themselves. At the same time, however, the indentation effect must not be so strong that a break or excessive weakening of the aluminum wires occurs and a weak mechanical connection is established.
When using a special clamp, however, a number of advantages are achieved, in particular when it is designed in such a way that the contact area between the wire 14 and the cable lug 6 is enlarged by deformation. Such a clamp is shown in perspective in FIG. 3 and its cross-sectional shape in FIG. One notices that the flattening of the ferrule and the wire during the pressing or beading process significantly increases the contact area between the cable lug 6 and the wire 14.
Using a ferrule of this type it has been found possible to extend the extrusion to a point which will ensure that any connection will be made satisfactorily. In order to achieve this, the compression is greater than the deformation, which gives the maximum tensile strength. With most connector designs, it has been considered dangerous to compress the connection beyond the point of maximum tensile strength. However, it has been shown that a number of advantages result from this unusually large compression.
The curve 24 of FIG. 4 shows the relative pull-out strengths of the connectors when different pressure values are exerted on the connector during the beading process.
It can be seen that the tensile strength increases very quickly as the cross-sectional area decreases, until it reaches the maximum pull-out strength at a cross-sectional reduction of approximately 18%. Beyond this point, the pull-out strength decreases at a slower rate, i.e. the slope of the curve beyond the point of maximum pull-out strength is less than the slope of the curve for cross-sectional reductions that are smaller than those,
which produce maximum pull-out strength. Even with a 401 / o reduction in the total cross-sectional area, sufficient pull-out strength is obtained. It is clear that by indenting or beading the clamp beyond the point of maximum pull-out strength, connections with more uniform mechanical strength parameters are obtained.
For example, if the connector is depressed to produce a 14% reduction in cross-sectional area, curve 24 indicates that a relative pull-out strength of 6.0 is achieved. The same pull-out strength can be achieved with a reduction of approximately <B> 260 / a </B>.
However, it can be seen that any change in the extent of the indentation or beading, which incidentally is likely to be considerable under the conditions of use on the construction route, causes a greater variation in pull-out strength if the connector cross-section is only reduced to the 140 / a range .
The electrical characteristics of the connection are also influenced by the degree of indentation. The hatched part of the diagram in FIG. 6 shows the relative initial resistance of the connections as a function of the reduction in the total cross-sectional area. The upper and lower limits of the hatched area represent in a corre sponding manner the maximum and minimum resistance measured values of a relatively large number of connectors that are designed as the connector illustrated in FIGS. 1 to 3.
All process fluctuations, such as manufacturing tolerances and the type and manner of indentation or beading, were controlled within the narrowest, practically applicable limits.
If a relative resistance of 7 (Fig. 6) is taken as the minimum acceptable value for the initial conductivity, it can be seen that with a reduction in the total cross-sectional area of only 11%, a certain percentage of the connections are completely correct from the standpoint of electrical conductivity but that other connections have such a high resistance that they are completely inadequate.
An increase in the degree of indentation or beading to a reduction in cross section of around 17% causes only a slight change in the resistance of the best connections. But the spread of the resistance between the best and the poorest connector in the group increases very quickly, that is, the worst connector has a higher resistance than other connectors that are beaded to a lesser extent.
It can be seen from curves 20 and 22 in FIG. 4 that the ferrule has been pressed out below this reduction of 17% more than the wire. but that the wire is more important than the ferrule with larger extrusions. is squeezed out.
With cross-sectional reductions between approximately 17 or 26%, there is little change in the scatter between maximum and minimum resistance values, although the resistance is steadily decreasing over this range.
With a reduction of 26%, however, the conductivity of a substantial number of connectors is still below the acceptable limit.
With a larger cross-sectional narrowing of 26; o A further improvement in the resistance of the best connectors is achieved to about 28%. But the resistance of the worst connector experiences an even faster improvement, so that the spread or range of conductivity between the worst and the best connector in the group is markedly reduced. With a 281 / o reduction, each connector in the group shows a measurable resistance reading.
Further compression to a cross-section reduction of 36 to 37% leads to a further improvement in conductivity with a small change in the yaw spread between the best and the worst connector. With a 36% reduction in cross section
the best connectors have practically the theoretical conductivity, i.e. the same conductivity that the construction would have if the connector and the wire were made as a whole from a single piece of metal.
It is clear that the above results and advantages can only be achieved if all factors influencing the quality of the connection are carefully regulated or controlled when applying all of the principles and procedures discussed here.
The improvement in the conductivity of the poor test compounds of the group by this large extrusion is probably due at least in part to the abrasive action between the wire and the cable lug caused by the various speeds of the longitudinal extrusion or extrusion. But the stretching of the metal is also a factor, as this breaks the oxide film and exposes the solid metal.
It will be understood that the relationship between the abrasive action and the elongation of the interfaces as a function of the cross-sectional area depends to some extent on the original relative areas of the ferrule and wire. As a result, the ratio of the reduction in the cross-sectional areas of the wire and the ferrule in the indented or corrugated part of the connection is a more precise measure, but its application is more difficult in practice.
For most connectors that use a ferrule according to FIG. 3, the pressing operation must be continued until the wire cross-section has been reduced by at least 1.37 times the ferrule. The reduction can be as great as 1.54, with the preferred working range between 1.48 and 1.54.
In the preferred embodiment of the connector described above, the aluminum oxide only needs to be removed from the wire surfaces by the extrusion process. As a result, the draft of the wire is an important consideration.
In the techniques and constructions described herein, it is found that a reduction in cross-sectional area of the wire of 35 to 50 percent is satisfactory, with the preferred operating range being 42 to 50 percent.
It is important that the good electrical contact that has been made is maintained over a long period of time. The contact can be destroyed, for example, by loosening the bead through corrosion or through regression of the oxide coating on the aluminum. It has been found to be important to seal the clamp to prevent the entry of corrosive vapors or liquids as well as the entry of air and water vapor, which would otherwise accelerate the corrosive galvanic effect and the regression of the oxide coating.
In addition to this seal, which will be described in more detail, the solid metal surfaces must be kept in pressure contact with the inner surface of the cable lug 6 in order to maintain the high electrical conductivity and continue to make the formation of oxide on the aluminum surface more difficult.
However, when aluminum is held under pressure, it tends to creep or cold flow so that the pressure used to hold the surfaces together decreases.
This creep can only be a cold flow process in which the aluminum changes its external shape in order to reduce the concentration of stresses or stresses, or it can include a breathing process in which the aluminum wire is initially compressed moves further by shrinking away from the adjacent surfaces. This movement creates reverse tensions which then cause the wire to move in opposite directions, the cycle repeating itself with gradually decreasing amplitudes of movement until a fairly stable equilibrium is established.
However, the interfacial pressure may have decreased significantly, increasing the resistance of the joint and promoting faster formation of the oxide layer.
It has been found that the adverse effects of aluminum creep can be reduced to a minimum by spreading the indentation or beading effect over a relatively large surface area, so that the pressure per unit area is reduced and the contact area is increased. This reduces the current density and the possibility of temperature rise due to a limited creep value through the aluminum.
The essential importance of the aluminum cable shoe 6 may not be readily apparent since it adds two additional aluminum surfaces to the connection from which the oxide must be removed and since it inserts an additional series interface into the electrical circuit. However, the advantages of this cable shoe 6 far outweigh these obvious disadvantages. The oxide film problem can be solved in part by removing the oxide and electroplating the ferrule.
The presence of the thin aluminum cable lug improves the conductivity of the connection to such an extent that the additional row contact area is practically no disadvantage.
The advantages of the cable lug 6 are only fully realized if the indentation or beading operation is carried out to the extent recommended above. This is partly because the cable lug, with its closed end, is used as a cylinder containing the vase line jelly and abrasive particles and in which the pressure is increased during the indenting operation to such a level that the abrasive jelly that is between the individual stranded conductors are distributed through the piston-like effect when the wire is inserted into the cable lug,
causes weakened dividing lines in the oxide film. Sufficient pressure to achieve this purpose is only achieved during the last part of the extrusion process, and only if the cable lug or the clamp is closed at one end and the insulation support cable lug is tightly fitted around the insulation 18 at the opposite end is pressed or beaded, so that the jelly is prevented from being squeezed out around the outside of the insulation.
The shape of this bead, which advantageously corresponds to the bead on the clamp, is shown in the perspective view of FIG. 3 and in the cross section of FIG.
The presence of the cable lug essentially does not change the smallest resistance measured values, that is, if the cable lug is omitted, a certain number of connectors in a group receives the low resistance values indicated by the lower limit of the hatched area of the Fig. 6 are marked.
However, other connectors in the group would show a significant increase in drag in the range corresponding to a total reduction in cross-sectional area of 28 to 371 / o. This is marked by the dashed line 30 in FIG. Thus, the spread between the best and worst connectors in the group is increased considerably, with some connectors having a resistance greater than the acceptable minimum.
From the above it is clear that without the cable lug it would be disadvantageous to press in or bead the connector in such a way that the cross-sectional area is reduced by more than 28%. This has undoubtedly been a factor in misunderstanding the need for unusually large pressures and in performing misleading studies without the sealed-end cable shoe.
In addition, the cable lug 6 forms the supporting part of the insulation 18 at the end of the clamp 2 and ver prevents the concentration of forces at this point. This distribution of stresses makes the joint more resistant to lateral or bending forces and increases its useful life when subjected to vibration tests.
The cable lug 6, which is closed at one end and tightly compressed around the insulation at the other end, moreover seals the area in which the pressure contacts are made, whereby the entry of air, moisture, corrosive vapors or liquids, etc. made considerably more difficult and the service life of the connection is increased significantly.
This seal is also supported by the Vaseline jelly in the connector and by the fact that the jelly is put under high pressure during the last part of the beading process and into every very small internal crack and between the individual stranded conductors of the wire 14 and back along the wire is pressed into the part covered by the insulation, so that the entry of gases or liquids into the clamp is delayed through the lengthwise extension in the spaces between the individual stranded conductors.
The essential importance of expanding the indentation or beading effect to produce a cross-sectional area reduction exceeding 28% when a closed cable lug is used is illustrated in FIG.
This shows resistance measured values from a connector group which was produced and pressed in like the connectors which provided the measured values for the hatched area of the diagram in FIG. 6, but which were subjected to an accelerated service life test in a corrosive environment. The lower limit of the hatched area in Fig. 8 indicates the resulting resistance of the best connector in the group, while the upper limit marks the resistance of the worst connector in the group.
From the upper limit of the hatched area in FIG. 8 it can be seen that with a cross-section reduction between 11 and 37% a certain number of connectors in the group were completely correct as far as the corrosion resistance is concerned. Other connections, however, showed an excessive increase in resistance, as shown by the upper limit of the hatched area.
It can be seen that with an extrusion of more than 28% reduction in cross-section, the scatter between the best and worst connections is noticeably reduced after the corrosion service life test, and that the connections decrease with further reduction in cross-section, at least up to the limit of about 36%,
still improving. As a result, it is advantageous to expand the indentation effect to produce the maximum reduction in cross-sectional area. In the case of the clamp according to FIG. 3, the preferred range is between 34 and 37% reduction in the total cross-sectional area towards the center of the beaded part.
As mentioned above, it is useful to galvanize the ferrule 2 and the cable lug 6 with a corrosion-resistant metal. Galvanic tinning has proven to be the most beneficial. If the ferrule 2 is made of copper, it can easily be tin-plated in the usual way. The aluminum cable lug 6 (and the ferrule 2 if it is made of aluminum) can be plated or galvanized by any known method with which an adhering tin coating is obtained.
In a preferred method, the aluminum is etched with a mixture of three parts concentrated nitric acid to one part concentrated hydrofluoric acid for about 1 minute to remove the oxide coating. The aluminum is then washed and then coated with zinc plating by immersing it in a zincate solution consisting of one part zinc oxide, six parts sodium hydroxide and twelve parts water (total by weight).
It is then washed and covered by precipitation or plating with copper in a bath composed of one part sodium carbonate, one and a half parts copper, and two and a quarter parts sodium cyanide. Then it is rinsed again and tin-plated in the usual way.
After the galvanic tin-plating has been used, re-flow is brought about by heating the galvanized object to a temperature high enough to melt the tin. If necessary, it is subjected to mechanical reciprocation or vibration while it is at this temperature. This reflow of the tin is part of normal practice, and the technical methods and devices for carrying it out are generally known. However, after the tin has flowed again, it has proven advantageous to galvanically deposit an additional tin layer on the tin surface that has been made to flow again.
The reflow of the tin tries to seal the fine holes or cracks and to distribute the tin better over or around very small imperfections. The exact effects of successive tin plating are not known. Measurements, however, show an improvement in the conductivity of the connections, that is to say the upper limit of the resistance is reduced, so that the scatter in terms of quality between the best and the worst connections is reduced.
The tin plating can also be done by rolling on the flat sheet from which the connector is made. Thus, by manufacturing the connectors from commercially available tin-plated aluminum, the need for a separate plating or electroplating operation can be avoided. This effect is particularly important if the indentation or beading is carried out in such a way that a cross-section reduction of 281 / o is exceeded.
In a preferred embodiment of the invention, the connector shown in FIGS. 1 to 3 was made of aluminum. The tongue 4 and the ferrule part 2 were made of aluminum of 99.5% purity, and the cable lug was made of a thin sheet of aluminum of 99,
Pulled 2% purity.
The ferrule 2 and lug 6 were plated with zinc and then with tin which was re-flowed and re-plated as described in its entirety above.
For use with stranded aluminum wire with a cross-sectional area of 0.213 cm2, the ferrule 2 had a cross-sectional area of 0.546 cm2 before beading.
The cable lug 6 was approximately half filled with jelly, for example a mixture of vase line and nickel powder. Other fat or jelly or gelatinous compounds, such as. B. silicon fat, Stauffer fat, waxes, resins, etc., can be used ver with any desired type of abrasive particles, but the mixture of petroleum jelly and nickel powder has been found to be suitable. In practice, the jelly is accommodated in the cable lug which is sealed with a cellulose cap 32 for reasons of convenience for shipping and transport, as shown in FIG.
The cap 32 is removed or pierced by the bare wire 14 of the cable 16, which is inserted into the narrower part 8 of the cable lug 6 and practically runs to the end 10 thereof. The insulation sheath 18 extends within the enlarged part 12 of the cable lug in wesent union to its end.
The narrower part 8 of the cable lug has approximately the same length as the clamp 2, so that its closed end 10 is located after being inserted into the clamp 2 at one end of the clamp and the insulating sleeve 12 at the other end.
The assembled unit of wire and connector is then placed in a suitable Sick die or beacon. This die or this jaw must press in or bead the ferrule and the insulating trab. The ferrules should advantageously be given the general shape shown in FIGS. 3, 5, 7 and 9.
The clamp 2 and the insulation support part 12 can be pressed in at the same time as long as the insulation support part is firmly sealed around the insulation before the final pushing-in movement of the clamp. If necessary, the support part 12 and then the clamp 2 can be beaded or pressed in first.
The indentation process is continued until the cross-sectional area has been reduced by extrusion or extrusion from 34 to 371 / o within the beaded area, that is, the difference between the total cross-sectional area of the wire and the clamp before and after the indentation divided by the total area before the impression and expressed as a percentage. This reduction can range from 28 to 371 / o, but the preferred range is between 34 and 371 / o for the reasons already explained.
If desired, the ferrule 2 can be made of copper. The copper must be tin plated in the normal way and the rest of the procedure is the same as for the aluminum ferrule.
From the foregoing it is clear that the connector described here is well suited for making electrical and mechanical connections with aluminum wire, and that it takes full advantage of the interrelationship between the various connector parts.