DE102014012489A1

DE102014012489A1 - Anschlussteil für Aluminiumleitungen

Info

Publication number: DE102014012489A1
Application number: DE102014012489.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lorenz; Sebastian Martens; Martin Schloms
Original assignee: Auto Kabel Management GmbH
Current assignee: Auto Kabel Management GmbH
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Anschlussteil für Aluminiumleitungen umfassend ein als Anschlussstück gebildetes Substrat. Eine gute Verarbeitbarkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Robustheit ist dann gegeben, wenn das Substrat aus eine Bruchdehnung Rp0,2 von zumindest 250 N/mm2 hat und insbesondere aus einer der Aluminiumlegierungen EN AW 2017A, EN AW 6082 oder EN AW 7075 gebildet ist.

Description

Der Gegenstand betrifft ein Anschlussteil für Aluminiumleitungen umfassend ein als Anschlussstück gebildetes Substrat. Darüber hinaus betrifft der Gegenstand eine Verbindung eines solchen Anschlussteils mit einer Aluminiumleitung sowie die Verwendung eines solchen Anschlussteils und einer solchen Verbindung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Automobil.
Insbesondere in automotiven Anwendungen nimmt die Anzahl an Aluminiumleitungen, sei es aus Vollmaterial oder Litzen, sei es rund oder flach, stetig zu. Aluminiumleitungen haben gegenüber herkömmlichen Kupferleitungen einen Gewichtsvorteil bei gleicher Stromtragfähigkeit. Außerdem ist Aluminium im Vergleich zu Kupfer erheblich kostengünstiger. Somit kann dem Kostendruck im Bereich der automotiven Anwendungen begegnet werden.
Aluminiumleitungen werden hauptsächlich als Hochstromleitungen, wie zum Beispiel Batterieleitungen eingesetzt. Jedoch auch Steuerleitungen werden zunehmend aus Aluminium gebildet. Das Problem an Aluminiumleitungen ist jedoch, dass diese mit der Fahrzeugelektrik und Elektronik elektrisch leitend verbunden werden müssen. Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Aluminium bildet sich auf dessen Oberfläche ein Aluminiumoxid, welches isolierend wirkt. Verbindungen mit Leitungen aus anderen Metallen sind darüber hinaus aufgrund von Kontaktkorrosion schwierig herzustellen.
Bisherige Lösungen schlagen vor, an die Aluminiumleitung Kontaktlaschen aus Kupfer oder Kupferlegierungen zu schweißen. Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 032 077 A1 ist beispielsweise die Verbindung einer Aluminiumleitung mit einem Kabelschuh aus Kupfer bekannt, wobei eine Aluminiumhülse die Litzen der Aluminiumleitung verpresst.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 035 863 A1 ist ein Kraftfahrzeugleiteranschlusselement bekannt, bei dem auf der Oberfläche eines Flachteils aus Aluminium eine Einlage angeordnet ist. Die Einlage dient zum Verbinden des Anschlusselements mit einem weiteren elektrischen Kontaktelement.
Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Metalle, insbesondere Kupfer bzw. Kupferlegierungen mit Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen kommt es jedoch zu einem erhöhten Korrosionspotential an der Kontaktstelle. Um das Korrosionspotential so gering wie möglich auszugestalten, ist die Verbindung entlang der Nahtstelle zwischen den Metallen geschützt auszuführen und ggf. vor Umwelteinflüssen, insbesondere Flüssigkeit und Feuchtigkeit zu schützen.
Insbesondere im Fall eines Schmelzschweißverfahrens ist zusätzlich bei verschiedenartigen Metallen, insbesondere Aluminium und Kupfer, darauf zu achten, dass spröde Al₂CU Phasen sowie interkristalline Korrosion möglichst vermieden werden.
Darüber hinaus ist ein Verzinnen in einem Zinnbad, wie es bei Kupferkontakten üblich ist, bei der Verwendung von Aluminiumanschlussstücken nur mit erheblichem Aufwand möglich. Insbesondere bei einem Zinnbad ist darauf zu achten, dass das Aluminium zunächst von der Aluminiumoxidschicht befreit ist. Dies ist prozesstechnisch erheblich aufwendiger als bei kupferbasierten Werkstoffen und führt zu hohen Prozesskosten.
Ausgehend von diesen Nachteilen lag dem Gegenstand die Aufgabe zugrunde, ein das Anschlussstück zur Verfügung zu stellen, welche neben guten Übergangswiderständen den mechanischen Anforderungen während der Montage und des Lebenszyklus standhält.
Diese Aufgabe wird durch ein Anschlussteil nach Anspruch 1, eine Verbindung nach Anspruch 8 sowie eine Verwendung nach Anspruch 11 gelöst.
Während des Lebenszyklus eines Anschlussteils mit einem Anschlussstück ist dieses chemisch als auch mechanisch stark belastet. Eine chemische Belastung ergibt sich insbesondere im Fahrzeugbau durch Spritzwasser, insbesondere in den Wintermonaten. Solches Spritzwasser kann mit Streusalz versetzt sein und stark korrosionsfördernd sein.
Um einer Kontaktkorrosion an einem Kontakt zwischen einer Aluminiumleitung und dem Anschlussteil entgegen zu wirken, hat sich herausgestellt, dass das Substrat der Anschlusslasche vorzugsweise ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist, so dass aufgrund der Materialgleichheit zwischen dem Anschlussteil und der Leitung die Korrosionsgefährdung zumindest herabgesetzt, bestenfalls ausgeschlossen ist. Dies ist zunächst nachteilig, weil Aluminium dazu neigt, unter Druckbelastung zu fließen. Kraftschlüssige Verbindungen, insbesondere Verschraubungen aus Aluminium neigen daher dazu, während des Lebenszyklusses bei mechanischer Belastung zu versagen.
Um den mechanischen Anforderungen bei der Montage als auch während des Lebenszyklus der Anschlussteils gerecht zu werden, hat sich jedoch herausgestellt, dass ein Substrat mit einem Rp0,2 Wert von zumindest 250 N/mm² dennoch geeignet ist, den mechanischen Belastungen stand zu halten. Dieser Rp0,2 Wert wird vorzugsweise nach DEN ISO 6892-1, ISO 6892 bestimmt. Ein Rp0,2 Wert von zumindest 250 N/mm², vorzugsweise zumindest 270 N/mm², insbesondere mehr als 300 N/mm² bietet Kriecheigenschaften des Substrats, die auch unter mechanischen Belastungen eine dauerhafte kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung ermöglichen.
Insbesondere haben sich die Materialien EN AW 2017A, EN AW 6056, EN AW 6082 und EN AW 7075 entsprechend den Angaben des internationalen Legierungsregisters („registration record of international alloy designations and chemical composition limits for wrought aluminium and wrought aluminium alloys”) als geeignet herausgestellt.
Unter der Auswahl der Vielzahl verschiedenster Aluminiumlegierungen haben die Erfinder überraschenderweise festgestellt, dass diejenigen Aluminiumlegierungen mit einem der genannten Rp0,2 Werte, insbesondere die genannten Aluminiumlegierungen für die mechanische Beanspruchung von Anschlussteilen besonders geeignet sind. Insbesondere lassen sich diese Legierungen gut verschrauben und führen nicht zu einem nicht gewünschten Fließen des Materials bei mechanischer Beanspruchung. Außerdem wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich diese Legierungen zusätzlich besonders einfach stromlos oder elektrochemisch metallisch beschichten lassen, sodass oxidfreie, dichte Oberflächen zum Schweißen auf gerade diesen Legierungen hergestellt werden können.
Der genannten Rp0,2 Wert und insbesondere die genannten vier Legierungen aus der Vielzahl möglicher Legierungen stellen sowohl mechanische als auch chemische Eigenschaften zur Verfügung, die sich insbesondere im Automobilbau anbieten. Neben der mechanischen Festigkeit ist auch die Oberfläche dieser Werkstoffe geeignet, bei Bedarf beschichtet zu werden.
Die Aufgabe einer Beschichtung liegt darin, das Substrat des Anschlussstücks Anschlusslasche für einen Schweißprozess, insbesondere einen Reibschweißprozess, ein Widerstandsschweißprozess oder einem Ultraschallschweißprozess vorzubereiten. Hierzu ist es notwendig, eine oxidfreie, dichte Oberfläche zu erstellen. Die genannten Legierungen eignen sich in besonderer Weise hierzu, da hierauf eine Beschichtung besonders einfach und prozesssicher möglich ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat das Anschlussstück einen rechteckigen Querschnitt. Insbesondere bei der Verbindung zwischen einem Flachleiter und der Anschlusslasche, wobei der Flachleiter auch einen rechteckigen Querschnitt hat und aus Vollmaterial gebildet ist, kann die Anschlusslasche ebenfalls aus einem rechteckigen Querschnitt gebildet sein. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Flachleiter” bzw. „Leitung” so zu verstehen ist, dass ein Leiter bzw. eine Leitung den stromführenden Teil, die Seele, eines Kabels darstellt. Ein Kabel ist gebildet aus einem Leiter und einer Isolation.
Auch kann das Anschlussstück als Bolzen gebildet sein. Diese Bolzen kann unmittelbar auf einen Aluminiumleiter, insbesondere einen Flachleiter, insbesondere stirnseitig geschweißt werden. Auch kann der Bolzen insbesondere an einem stirnseitigen Ende ein Gewinde aufweist. Darüber kann eine Verschraubung mit einem weiteren Kontaktstück erfolgen.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist das Anschlussstück besonders geeignet, da es den mechanischen Anforderungen während der Montage sowie während des Lebenszyklus genügt. Bei der Montage muss z. B. ein Anschrauben einer Schraube möglich sein, ohne dass diese das Gewinde abscheren. Auch darf das Anschlussstück bei mechanischer Belastung, insbesondere durch eine Schraube oder Mutter, durch die hierdurch bewirkte Presskraft nicht fließen. Außerdem muss während des Betriebs z. B. eine Schraubverbindung stabil bleiben und insbesondere Vibrationen, Temperatur bedingten Ausdehnungen des Materials und Biegungen des Anschlussteils gewachsen sein. Das gegenständliche Anschlussstück bietet all diese Vorteile gegenüber sonstigen Aluminiumlegierungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Anschlussstück eine Bohrung aufweist. Die Bohrung kann dabei als Durchgangsbohrung gebildet sein. Auch ist es möglich, dass die Bohrung als Sacklochbohrung, insbesondere mit Innengewinde (Buchse) gebildet ist. Auch ist es möglich, dass ein Kontaktteil, insbesondere ein Anschlussbolzen, beispielsweise ein Gewindebolzen mit dem Anschlussstück verschraubt ist. Hierbei kann das Kontaktteil unmittelbar mit dem Anschlussstück verschraubt sein, indem in das Anschlussstück bzw. der Bohrung ein Gewinde vorgesehen ist. Auch ist es möglich, dass das Kontaktteil über zumindest eine Mutter an dem Anschlussstück befestigt ist.
Durch die Beschichtung des Anschlussstücks soll vermieden werden, dass im Anschlussbereich eine Reaktion, zum Beispiel eine Diffusion mit dem Kontaktteil stattfindet. Hierzu Ist es notwendig, dass die Beschichtung eine dichte Oberfläche aufweist. Neben der Reaktion mit dem Kontaktteil muss vermieden werden, dass sich auf dem Aluminium eine Aluminiumoxidschicht bildet, deren Bildung durch Elektrolyte gefördert wird.
Es hat sich gezeigt, dass eine chemische, insbesondere stromlose oder elektrolytische Beschichtung mit Nickel gerade diesen Anforderungen genügt. Durch das nasschemische Aufbringen der Nickellegierung auf das Anschlussstück bzw. das Substrat zumindest in Teilen ist es möglich, die Beschichtung unmittelbar auf dem Material der Aluminiumlegierung unter Umgehung der Oxidschicht aufzubringen. Die Beschichtung schützt das Substrat des Anschlussstücks vor einem unmittelbaren Kontakt mit einem Kontaktteil und somit vor Kontaktkorrosion beim Fügen mit dem Kontaktteil, insbesondere wenn dieses aus einem anderen Metall, beispielsweise einer Kupferlegierung, gebildet ist. Beim Beschichten kann z. B. zunächst die Oxidschicht weggeätzt werden. Anschließend kann eine Zinkbeize aufgebracht werden, um danach eine Nickelschicht aufzubringen. Auf diese dann oxidfreie Oberfläche kann z. B. eine Nickel Phospor Schicht abgeschieden werden
Zur Erstellung einer besonders dichten, schweißbaren Oberfläche hat sich die Verwendung einer Nickel-Phosphor Legierung als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere ist die Nickel-Phosphor Legierung derart, dass der Phosphor Anteil zwischen 5 und 15%, insbesondere zwischen 8 und 12%, Gewichtsprozent liegt. Diese Beschichtung mit dem genannten Phosphoranteil führt zu einer besonders dichten Oberfläche.
Möglichen Alterungsrissen in der Beschichtung kann dadurch entgegengewirkt werden, dass eine zusätzliche Zinnbeschichtung erfolgt. Insbesondere erfolgt die Zinnbeschichtung auf einer ersten Beschichtung, insbesondere auf einer ersten Nickelbeschichtung. Die Beschichtung erfolgt insbesondere derart, dass die Zinnschicht zumindest in Teilen auf der Nickelschicht aufgebracht ist.
Es ist nicht notwendig, dass das gesamte Substrat beschichtet ist. Vielmehr reicht es aus wenn ein Teil des Substrats, insbesondere der Teil, der dem Kontaktteil zugewandt ist, beschichtet ist. Auch ist es möglich, dass eine Beschichtung mit der Nickellegierung zumindest eine Oberfläche vollständig beschichtet und eine zusätzliche Zinnlegierung nur in Teilen erfolgt.
Durch die Beschichtung mit einer Zinnschicht auf der Nickelschicht werden kapillare Effekte wie Feuchtigkeitsanbindungen an dem Substrat durch Risse in der Nickelschicht verhindert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Anschlussstück mit einem Flachteil oder einem Bolzen verschweißt ist. Insbesondere kann ein Ultraschallschweißen, ein Reibschweißen, ein Rotationsreibschweißen oder ein Widerstandspressstumpfschweißen verwendet werden, um das Anschlussstück, insbesondere im Bereich der Beschichtung mit einem Bolzen zu verschweißen. Auch ist es möglich, dass anstelle eines Bolzens ein anderes Kontaktteil mit dem Anschlussstück im Bereich der Beschichtung verschweißt wird. Durch das genannte Verschweißen entsteht eine intermetallische Verbindung zwischen dem Kontaktteil, insbesondere dem Bolzen und der Beschichtung. Die Beschichtung dient somit als Schweißvorbereitung und das Schweißen kann unmittelbar auf der Beschichtung erfolgen.
Ein Abdrehen des Reibschweißkontaktes des Kontaktteils bzw. des Bolzens ist nicht mehr notwendig. Gerade beim Ultraschallschweißen erfolgt die intermetallische Verbindung unmittelbar zwischen der Beschichtung und dem Kontaktteil, so dass eine Maskierung des Schweißbereichs bei der Beschichtung nicht mehr notwendig ist. Es ist nicht notwendig, dass Schweißen unmittelbar auf der Aluminiumoberfläche vorzunehmen, was eine Maskierung notwendig machen würde.
Ein weiterer Aspekt ist die Verbindung eines beschriebenen Anschlussteils mit einer Aluminiumleitung. Die Aluminiumleitung ist vorzugsweise aus E-Aluminium gebildet. E-Aluminium hat gute elektrische Eigenschaften, da es besonders rein ist. Insbesondere Reinheiten von über 98%, vorzugsweise über 99%, insbesondere über 99,5% haben sich elektrisch als vorteilhaft herausgestellt. Diese Aluminiumlegierungen sind jedoch nicht geeignet für die Verwendung als Anschlusslasche, da sie mechanisch zu weich und nicht leicht zu beschichten sind.
Durch die Verbindung des Anschlussteils mit der Leitung ist es jedoch möglich, einen intermetallischen Kontakt des Anschlussstücks mit einer Leitung zu erstellen, der sortenrein ist. Kontaktkorrosion ist somit erheblich verringert. Insbesondere kann ein Verschweißen auf dem blanken Aluminium der Aluminiumleitung mit dem blanken Aluminium des Anschlussteils erfolgen und es entsteht eine Aluminium-Aluminiumverbindung zwischen dem Anschlussteil und der Aluminiumleitung.
Das Verschweißen wird vorzugsweise mittels Reibschweißen durchgeführt. Die Schweißnaht ist somit vorzugsweise eine Reibschweißnaht.
Aluminiumleitungen können aus Vollmaterial gebildet sein und das Verschweißen kann somit unmittelbar zwischen der Aluminiumleitung und dem Anschlussteil erfolgen. Wenn die Aluminiumleitung als Litzenleitung gebildet ist, kann es notwendig sein, die Litzen an ihrem stirnseitigen Ende mechanisch zu fixieren, um den Reibschweißvorgang zu ermöglichen. Hierzu ist es beispielsweise möglich, mittels einer Hülse die Litzen zu fixieren, insbesondere zu kompaktieren und die Litze zusammen mit der Hülse an dem Anschlussteil zu verschweißen. Die Hülse ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Litzen.
Die Verbindung zwischen dem Anschlussteil und der Aluminiumleitung erfolgt vorzugsweise stirnseitig. Insbesondere ist eine Stirnseite des Anschlussstücks mit der Aluminiumleitung verbunden. Insbesondere ist das stirnseitige Ende der Aluminiumleitung stoffschlüssig mit einer Stirnseite des Anschlussstücks verbunden. Vorzugsweise haben das Anschlussstück und die Aluminiumleitung, bzw. die Aluminiumleitung zusammen mit einer stirnseitigen Hülse gleiche Querschnitte, so dass an der Anschlussstelle keine Querschnittssprünge auftreten und ein gleichmäßiger Stromfluss zu erwarten ist.
Die gegenständlichen Anschlussteile als auch die gegenständlichen Verbindungen lassen sich insbesondere in einem Kraftfahrzeug anwenden. Insbesondere das gegenständliche Anschlussteil ist geeignet, den mechanischen Belastungen im Automobilbau zu widerstehen und haben eine ausreichende Festigkeit, um Vibrationen, die im Kraftfahrzeug nicht auszuschließen sind, temperaturbedingten Ausdehnungen und Biegungen über den Lebenszyklus hinweg zu widerstehen.
Insbesondere lassen sich die Anschlussteile bzw. die Verbindungen in Batterieleitungen einsetzen, welche aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit große Leiterquerschnitte aufweisen müssen. Es eignen sich insbesondere die Starter-Batterie-Leitung, die Generator-Batterie-Leitungen oder die Starter-Generator-Leitungen. Gerade in diesen Bereichen ist, insbesondere durch eine Unterbodenverlegung oder auch eine Verlegung im Motorraum, eine hohe Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse gefordert, da in diesen Bereichen Spritzwasser nicht verhindert werden kann.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1a eine Schnittansicht eines Anschlussteils;
1b eine Draufsicht auf ein Anschlussteil nach 1a;
1c eine Schnittansicht eines Anschlussteils mit einer Schraube als Kontaktteil;
1d eine Schnittansicht eines Anschlussteils mit einer Schraube und einer Mutter als Kontaktteile;
1e eine Schnittansicht zweier Anschlussteile mit einem Gewindebolzen;
2 eine Ansicht eines möglichen Anschlussteils;
3 eine Ansicht eines möglichen Anschlussteils;
4a–c Schnittansichten von beschichteten Anschlussteilen;
5a–d Schnittansichten von teilweise beschichteten Anschlussteilen.;
6a eine Schnittansicht einer ersten Verbindung nach einem Ausführungsbeispiel;
6b eine Schnittansicht einer zweiten Verbindung nach einem Ausführungsbeispiel;
7a eine Ansicht eines Anschlussteils mit einem Bolzen als Anschlusstück;
7b eine Schnittansicht des Anschlussteils nach 7a.
Die gegenständlichen Anschlussteile sind für Aluminiumleitungen gedacht.
Die Anschlussteile nach den 1 bis 6 sind als Flachteile gebildet, das Anschlussteil nach 7a, b als Bolzen. Das Substrat des Anschlussstücks hat einen Rp0,2 Wert von mehr als 250 N/mm² und ist insbesondere aus einer Aluminiumlegierung nach EN AW 2017A, EN AW 6056, EN AW 6082 oder EN AW 7075 gebildet. Diese Legierungen entsprechend den Angaben des internationalen Legierungsregisters („registration record of international alloy designations and chemical composition limits for wrought aluminium and wrought aluminium alloys”). Diese vier Legierungen haben sich unter der Auswahl der Vielzahl möglicher Aluminiumlegierungen als besonders geeignet herausgestellt. Gerade diese Legierungen sind oberflächenchemisch als auch mechanisch geeignet, in automotiven Bereichen eingesetzt zu werden.
Sie verfügen über eine ausreichende mechanische Festigkeit, um Vibrationen, temperaturbedingten Ausdehnungen und Biegungen bei automotiven Anwendungen gewachsen zu sein. Mechanische Verbindungen können mit dem gegenständlichen Anschlussteil während der Montage insbesondere auch durch Schrauben hergestellt werden, ohne dass der Werkstoff des Substrats derart fließt, dass keine dauerhafte Fixierung möglich wäre. Die genannten Aluminiumlegierungen lassen sich darüber hinaus nasschemisch, stromlos oder elektrolytisch mit einer Nickelschicht beschichten, insbesondere mit einer Nickelschicht aus einer Nickel-Phosphor Legierung.
Die in den Figuren gezeigten Formen der Anschlussstücke 4 sind rein beispielhaft. Wesentlich ist, dass die Anschlussstücke 4 einen Rp0,2 Wert von zumindest 250 N/mm² haben. Vorzugsweise sind sie aus den genannten Aluminiumlegierungen gebildet ist.
1a zeigt ein Anschlussteil 2, das als Flachteil (Anschlusslasche) 4 gebildet ist. Die Anschlusslasche 4 ist aus einem Substrat 6 gebildet. Beispielhaft ist in der Anschlusslasche 4 eine Bohrung 7 vorgesehen. Diese Bohrung 7 ist vorliegend als Durchgangsbohrung gezeigt, kann jedoch auch als Sacklochbohrung gebildet sein. Auch ist eine Langlochbohrung möglich.
Eine Draufsicht auf die Anschlusslasche 4 gemäß der 1b zeigt, dass die Bohrung 7 auf der als Flachteil gebildeten Anschlusslasche 4 gebildet ist.
Die Anschlusslasche 4 kann jedoch auch wie in der 2 dargestellt ist, als Anschlussbolzen gebildet sein. Hierbei hat die Anschlusslasche 4 beispielsweise ein rundes Querschnittsprofil, wohingegen die Anschlusslasche 4 gemäß den 1a und b ein rechteckiges Querschnittsprofil hat. Der Anschlussbolzen kann z. B. auch ein Gewinde aufweisen und ggf. als Gewindestange gebildet sein.
Die Anschlusslasche 4 kann auch, wie in der 3 dargestellt ist, als gebogenes Anschlussteil gebildet sein, insbesondere für Sonderanwendungen und für eine bessere Verschweißbarkeit mit Leitungen.
1c zeigt die Verschraubung der Anschlusslasche 4 mit einer Schraube 8. Zu erkennen ist, dass in der Bohrung 6 ein Gewinde vorgesehen ist, in das die Schraube 8 eingeschraubt ist. Durch die Verwendung der genannten Legierung als Substrat 6 ist es möglich, die Verschraubung mittels der Schraube 8 vorzusehen. Das Substrat 6 hat eine ausreichende mechanische Festigkeit, um verschraubt zu werden.
1d zeigt eine weitere Möglichkeit der Verschraubung. Hierbei ist die Schraube 8 mit einer Mutter 10 an der Anschlusslasche 4 verschraubt. Das Substrat 6 der Anschlusslasche 4 ist geeignet, den Kräften, welche die Mutter 10 und die Schraube 8 auf die Oberfläche der Anschlusslasche 4 ausüben, zu widerstehen und nicht zu fließen, sodass eine dauerhafte mechanische Verbindung möglich ist.
Ein Verschrauben der Anschlusslasche 4 mit einem weiteren Kontaktteil 12 über eine Schraube 8 und einer Mutter 10 wie in der 1e gezeigt, ist ebenfalls möglich. Das Kontaktteil 12 ist vorzugsweise aus Kupfer, insbesondere ein verzinntes Kupfer. Um Kontaktkorrosion zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass das Anschlussteil bzw. die Anschlusslasche 4 zumindest in Teilen beschichtet ist.
Eine solche Beschichtung ist in den 4a–c und 5a–d gezeigt. Die Beschichtung lässt sich insbesondere auch bei den Verbindungen gemäß den 1c–e verwenden. Durch die Beschichtung wird ein Unterwandern einer Phasengrenze zwischen Aluminium und der Beschichtung durch Korrosion verhindert. Außerdem kann durch eine Beschichtung eine hochfeste Oberfläche zur Verfügung gestellt werden, welche sich unmittelbar zum Verschweißen, insbesondere zum Ultraschallschweißen, zum Reibschweißen oder zum Widerstandsstumpfschweißen eignet.
4a zeigt das Substrat 6 der Anschlusslasche 4. Auf dem Substrat 6 ist entlang zumindest einer Oberfläche eine Nickel-Phosphor Schicht 14 (Nickelbeschichtung) aufgebracht. Die Nickel-Phosphor Schicht 14 hat vorzugsweise einen Phosphoranteil zwischen 8 und 12%. In den Figuren ist die Beschichtung nur einseitig dargestellt. Es versteht sich, dass die Beschichtung als auch die nachfolgend genannten mehrlagigen Beschichtungen sowohl teilweise als auch vollständig erfolgen können, insbesondere kann eine ein oder mehrlagige Beschichtung der gesamten Oberfläche der Anschlusslasche 4 erfolgen.
Auch ist es möglich, dass eine mehrlagige Beschichtung erfolgt. Hierbei können beispielsweise auch zwei Nickelschichten (Nickel-Phosphor Schichten) übereinander aufgebracht werden, wie dies in der 4b gezeigt ist. Das Substrat 6 ist mit einer ersten Nickelschicht 14a und einer zweiten Nickelschicht 14b beschichtet. Die Nickelschichten sind vorzugsweise aus ein und derselben Nickellegierung, vorzugsweise NiP_x, gebildet, mit eine Phosphoranteil zwischen 5 und 15%, insbesondere zwischen 8 und 12%. Durch die Beschichtung wird erreicht, dass sich auf dieser Oberfläche des Substrats 6 kein Aluminiumoxid bilden kann und der Übergangswiderstand zwischen dem Substrat 6 und einem Kontaktteil, beispielsweise der Schraube 8, gering gehalten wird.
Ein weiteres mehrlagiges Schichtsystem ist in der 4c gezeigt. Hier ist auf dem Substrat 6 eine erste Nickelschicht 14a aufgebracht. Darüber ist eine Zinnschicht 16 aufgebracht. Die Zinnschicht 16 versiegelt die Nickelschicht 14a. Alterungsrisse in der Nickelschicht 14a werden durch die Zinnschicht 16 versiegelt, sodass kapillare Effekte wie die Feuchtigkeitsanbindung an den Substrat 6 verhindert werden.
Die 5a bis d zeigen eine teilweise Beschichtung des Anschlussteils 4.
Wie in der 5a zu erkennen ist, ist ein Teil einer Oberfläche der Anschlusslasche 4 mit einer Nickelschicht 14 beschichtet. Die Beschichtung mit der Nickelschicht 14 kann in einem Bereich vorgesehen werden, in dem die Anschlusslasche 4 mit einem Kontaktteil 8 verbunden werden soll. Auf der Oberfläche der Beschichtung kann unmittelbar ein Schweißen erfolgen, wie dies nachfolgend noch dargestellt werden wird.
5b zeigt eine mehrschichtige Beschichtung, bei der eine erste Nickelschicht 14a das Substrat 6 an einer Oberfläche vollständig beschichtet und eine zweite Nickelschicht 14b die erste Nickelschicht 14a nur teilweise beschichtet. In dem Bereich der Beschichtung 14b ist eine besonders gute Schweißbarkeit gegeben, da die Stärke der Nickelschichten 14a und 14b ausreichend ist, dass eine intermetallische Verbindung zwischen einem Kontaktteil und den Nickelschichten 14a und 14b hergestellt werden kann, ohne in das Substrat 6 einzudringen.
5c zeigt eine weitere mehrschichtige Beschichtung, bei der eine erste Nickelschicht 14a eine Oberfläche des Substrats 6 vollständig bedeckt. Eine zweite Schicht kann eine Zinnschicht 16 sein, die die Nickelschicht 14a nur teilweise bedeckt. Es kann ein Flächenausschnitt der Beschichtung 14a ausgewählt werden.
5d zeigt eine weitere teilweise Beschichtung, bei der eine erste Nickelschicht 14a bereits nur in Teilen auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht ist und auf dieser ersten Nickelschicht 14a eine Zinnschicht 16 aufgebracht ist.
Die verschiedenen Kombinationen der Beschichtungen gemäß den 4a bis 4c und 5a bis d lassen sich miteinander kombinieren. Insbesondere kann eine erste Lage eine Nickelschicht sein und eine Toplage, das heißt eine obere Beschichtung entweder aus einer Zinn- oder Nickellegierung gebildet sein.
Das Anschlussteil 2 lässt sich mit einer Aluminiumleitung unmittelbar verbinden, insbesondere verschweißen. Dies ist in den 6a und 6b gezeigt. Die 6a zeigt ein Anschlussteil 4 aus einem Substrat 6. Das Anschlussteil 4 ist teilweise beschichtet mit einer ersten Nickelschicht 14a und einer Zinnschicht 16 gemäß der 5c. Zumindest eine der Beschichtungen 14a, 16 kann stromlos oder elektrolytisch aufgebracht worden sein. Zwischen der Beschichtung 14a und dem Substrat 6 ist kein Aluminiumoxid gebildet und der Übergangswiderstand zwischen der Schicht 16 und dem Substrat 6 ist nahezu 0 Ohm.
Auf der Schicht 16 kann ein Kontaktteil 18, beispielsweise eine Kupferkontaktlasche aufgeschweißt werden. Hierzu wird das Kontaktteil 18, welches aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist mit einem Ende an die Oberfläche der Zinnschicht 16 angelegt. Das zu verschweißende Ende des Kontaktteils 18 kann ebenfalls verzinnt sein. Eine Schweißnaht 20 kann z. B. durch Ultraschallschweißen, Reibschweißen oder Widerstandsstumpfschweißen gebildet werden. Es entsteht eine intermetallische Verbindung zwischen der Beschichtung des Kontaktteils 18 und der Beschichtung 16.
Darüber hinaus kann die Anschlusslasche 4 unmittelbar mit einer Aluminiumleitung 22 verbunden werden. Die Aluminiumleitung 22 ist vorzugsweise aus hochreinem Aluminium gebildet und hat hervorragende elektrische Eigenschaften. Zwischen der Anschlusslasche 4 und dem Aluminiumleiter 22 kann eine Schweißnaht 24 gebildet sein. Diese Schweißnaht 24 kann durch stumpfes Verschweißen der stirnseitigen Enden der Aluminiumleitung 22 und der Anschlusslasche 4 erfolgen. Hier eignet sich insbesondere ein Reibschweißverfahren. Diese Schweißverbindung 24 ist eine intermetallische Verbindung, welche sortenrein ist, da beide Fügepartner aus Aluminiumlegierungen gebildet sind. Kontaktkorrosionen sind somit auf ein Minimum reduziert. Die Aluminiumleitung 22 kann mit einem Isolator 26 beschichtet sein und so als Aluminiumkabel gebildet sein.
Eine weitere mögliche Verbindung ist in der 6b gezeigt. Die Anschlusslasche 4 ist, wie in der 4b gezeigt, mit einer doppellagigen Nickelschicht aus einer ersten Nickelschicht 14a und einer zweiten Nickelschicht 14b beschichtet. Auf dieser Nickelschicht 14b kann beispielsweise ein Kontaktteil 18, welches ein Anschlussbolzen ist, stumpf aufgeschweißt werden. Hierbei kann ein Flansch des Kontaktteils 18 stirnseitig auf die Nickelschicht 14b aufgelegt werden und beispielsweise mittels Ultraschallschweißen mit der Zinnschicht 14b verschweißt werden. Die Schweißnaht 20 bildet sich zwischen der Zinnschicht 14 und dem Material des Kontaktteils 18, welches vorzugsweise eine Kupferlegierung ist. Das stirnseitige Ende des Flansches kann ebenfalls verzinnt sein, so dass eine Kontaktkorrosion in diesem Bereich vermieden ist.
Ein Kabel aus Aluminiumlitzen 22 und einer Isolierung 26 kann stirnseitig stumpf mit der Anschlusslasche 4 verschweißt werden. Hierzu kann eine Hülse 28 um die Litzen 22 gelegt werden und diese an ihren stirnseitigen Enden kompaktiert werden. Anschließend kann die Schweißnaht 24 gebildet werden, in dem das stirnseitige Ende der Litzen 22 mittels beispielsweise Reibschweißen mit der Anschlusslasche 4 verbunden werden. Beim Reibschweißen gemäß der 6a und 6b wird eine eventuell vorhandene Aluminiumoxidschicht auf der Anschlusslasche 4 an der Stirnseite beim Reibschweißen aufgebrochen, sodass der Übergangswiderstand zwischen der Anschlusslasche 4 und der Leitung 22 ebenfalls gering ist.
7a zeigt eine Ansicht eines Flachkabels 30 mit einer Isolation 26 und einem aus Aluminium-Vollmaterial gebildeter Seele 32. Hierauf aufgeschweißt, insbesondere mittels einem der genannten Schweißverfahren, ist ein als Bolzen 34 gebildetes Anschlussstück. Der Bolzen 34 hat an seinem einen Ende 34a ein Gewinde und ist an einem anderen Ende 34b stirnseitig mit der Seele 32 verschweißt.
7b zeigt den Bolzen 34 mit dem Kabel 30 im Schnitt. Zu erkennen ist, dass der Bolzen 34 vorzugsweise vollumfänglich mit einer ersten Schicht 14 und einer zweiten Schicht 16, entsprechend der oben beschriebenen Beschichtung, beschichtet ist. Die Beschichtung 14, 16 wird beim Verschweißen entlang der Schweißnaht 40 aufgebrochen.
Verschiedene Kombinationen der gezeigten Ausführungsbeispiele lassen sich realisieren. Die Verwendung der genannten Substrate ist im Bereich der automotiven Anwendung vorteilhaft und es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass gerade das beanspruchte Substrat den Anforderungen im automotiven Bereich gewachsen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1032077 A1 [0004]
DE 102008035863 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 6892-1 [0013]
ISO 6892 [0013]
EN AW 2017A [0014]
EN AW 6056 [0014]
EN AW 6082 [0014]
EN AW 7075 [0014]
EN AW 2017A [0052]
EN AW 6056 [0052]
EN AW 6082 [0052]
EN AW 7075 [0052]

Claims

Anschlussteil für Aluminiumleitungen umfassend – ein als Anschlussstück, insbesondere eine Lasche, ein Flachteil oder ein Bolzen gebildetes Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einer der Aluminiumlegierungen mit einem Rp0,2 Wert von zumindest 250 N/mm^2 gebildet ist.
Anschlussteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das Substrat aus einer der Aluminiumlegierungen EN AW 2017A, EN AW 6056, EN AW 6082 oder EN AW 7075 gebildet ist.
Anschlussteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück einen rechteckigen Querschnitt aufweist oder dass das Anschlussstück als Bolzen gebildet ist, wobei der Bolzen insbesondere an einem stirnseitigen Ende ein Gewinde aufweist.
Anschlussteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück eine Bohrung, insbesondere eine Durchgangsbohrung oder eine Sacklochbohrung aufweist und/oder ein Kontaktteil, insbesondere ein Anschlussbolzen, mit dem Anschlussstück verschraubt ist und/oder dass das als Bolzen gebildete Anschlussstück mit einer Aluminiumleitung stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere dass eine Stirnfläche des Bolzens einer Aluminiumleitung stoffschlüssig verbunden ist.
Anschlussteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück zumindest in Teilen chemisch, insbesondere stromlos oder elektrolytisch, insbesondere galvanisch mit zumindest einer Beschichtung aus einer Nickellegierung beschichtet ist.
Anschlussteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück zumindest in Teilen stromlos mit zumindest einer Beschichtung aus phosphorlegiertem Nickel NiP_x beschichtet ist, wobei X zwischen 5–15, insbesondere zwischen 8–12 Gewichtsprozent liegt.
Anschlussteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück zumindest in Teilen mit zumindest einer Beschichtung aus Zinn beschichtet ist, wobei insbesondere die Zinnschicht auf einer Nickelschicht aufgebracht ist.
Anschlussteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück im Bereich der Beschichtung mit einem Bolzen verschweißt ist, wobei der Bolzen insbesondere mittels Reibschweißen, Widerstandsstumpfschweißen oder Ultraschallschweißen zumindest mit der Beschichtung intermetallisch verbunden ist.
Verbindung eines Anschlussteils nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Aluminiumleitung, insbesondere aus E-Aluminium, insbesondere mit einer Reinheit von mehr als 98%, wobei die Aluminiumleitung mit dem Anschlussteil verschweißt ist, wobei die Schweißnaht insbesondere eine Reibschweißnaht oder Ultraschallschweißnaht ist.
Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumleitung aus einem Vollmaterial oder als Litzenleitung gebildet ist.
Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück stirnseitig mit der Aluminiumleitung, insbesondere einem stirnseitigen Ende der Aluminiumleitung stoffschlüssig verbunden ist.
Verwendung eines Anschlussteils nach Anspruch 1 oder einer Verbindung nach Anspruch 8 in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Automobil, insbesondere an einer Hochstromleitung, insbesondere einer Batterieleitung, insbesondere an einer Starter-Batterie-Leitung, einer Generator-Batterie-Leitung, einer Starter-Generator-Leitung.