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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindung eines ersten elektrisch leitenden Bauteils und eines zweiten elektrisch leitenden Bauteils. Das erste und zweite elektrisch leitende Bauteil sind dabei in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden. Im Verbindungsbereich sind die Bauteile so geformt, dass das erste Bauteil das zweite Bauteil hintergreift und dadurch eine formschlüssige Verbindung entsteht.
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Stand der Technik
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Mechanische und elektrische Verbindungen zwischen zwei elektrisch leitenden Bauteilen sind hinlänglich bekannt. Die Bauteile können dabei unmittelbar, d. h. direkt oder mittelbar sowie lösbar als auch unlösbar miteinander verbunden werden. Unlösbare Verbindungen stellen häufig für die Produktion günstige und schnelle Fügemöglichkeiten dar.
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Eine Möglichkeit eine unlösbare mechanische Verbindung herzustellen ist das Verschweißen von zwei Fügepartnern. Hierzu ist zu erwähnen, dass die Fügepartner einer hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt sind, die sich sowohl auf die metallische Struktur der Fügepartner als auch auf benachbarte Bauteile negativ auswirken kann. Als Alternative zum Schweißen kommt beispielsweise das sogenannte Durchsetzfügen (auch TOX®-Verfahren oder Clinchen) in Betracht. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein Fügen mittels Umformen. Zwei miteinander zu verbindende Bauteile werden ähnlich dem Tiefziehen anhand eines Stempels und einer Matrize plastisch deformiert, so dass die Bauteile im Bereich der Verformung einen Hinterschnitt ausbilden und die Fügepartner miteinander form- und kraftschlüssig verbunden sind, insbesondere um eine bessere mechanische Festigkeit zu gewährleisten.
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So beschreibt beispielsweise die
DE 10 2009 000 827 A1 ein Verfahren zum Verbinden einer Polklemme mit einem Messelement.
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Vor allem in Kraftfahrzeugen besteht seit längerem bereits der Wunsch, aus Gründen der Gewichtsersparnis sowie der Substitution teurer Metalle mit kostengünstigeren Alternativen, elektrisch leitende Bauteile aus Leichtmetall, wie etwa Magnesium oder Aluminium sowie deren Legierungen, zu fertigen. Bei der elektrischen Kontaktierung dieser Bauteile, die insbesondere in Kraftfahrzeugen über einen langen Zeitraum von vielen Jahren einer dynamischen Belastung unterworfen sind, treten jedoch insbesondere aufgrund der Kaltfließneigung des Materials, d. h. der Neigung von Leichtmetallen, wie etwa Aluminium und Magnesium, mechanische Spannungen im Gefüge auch bei niedrigen Temperaturen abzubauen, sowie aufgrund einer vor allem bei Aluminiumlegierungen auf den Oberflächen der Aluminiumlegierung vorliegenden Oxidschicht und schließlich aufgrund der Gefahr elektrochemischer Korrosion im Verbindungsbereich der Leichtmetallleitungen mit den üblicherweise aus edleren Metallen, wie etwa Kupfer, gefertigten Kontakten in Anwesenheit von Elektrolyten, Probleme hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Kontaktierung auf. Insbesondere ist der Verbindungsprozess des Durchsetzfügens bei Aluminiumbauteilen aufgrund der Fließneigung und des Setzverhaltens von Aluminium nicht anwendbar.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2009 029 339 A1 eine elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen Leitern aus zueinander unterschiedlichen Metallen bekannt. Diese sind über einen Leitungsverbinder miteinander verbunden, dessen Verbindungskörper ein plattiertes Blech mit zwei Außenschichten ist. Das Material der Außenschichten ist entsprechend dem Material der zu verbindenden elektrischen Leiter gewählt, so dass eine sortenreine Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Verbindungskörper gewährleistet ist.
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Aus der
DE 20 2008 017 220 U1 ist ein Leiteranschlusselement bekannt, bei dem eine Einlage mit einer Oberfläche eines Flachteils bündig angeordnet wird. Das Flachteil ist vollständig mit einem Metall beschichtet. Die Einlage ist teilweise mit dem Metall beschichtet.
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Bei der
DE 1 010 600 A wird an ein zwei Aluminiumklemmbacken Kupferklemmbrechen ausgebildet. Diese dienen zum Verklemmen eines Kupferleiters und eines Aluminiumleiters. Umgesetzt wird dies durch kaltes oder warmes Aufpressen eines mit Kupfer plattierten Aluminiumblechs mit dessen Aluminiumfläche auf jede Klemmbacke.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung beruht folglich darin eine elektrische sowie zuverlässige mechanische Verbindung eines ersten elektrischen Bauteils mit einem zweiten elektrischen Bauteil zu realisieren, bei der zumindest das erste elektrische Bauteil ein Leichtmetall umfasst und bevorzugt mittels eines Durchsetzfügeverfahrens formschlüssig mit dem zweiten elektrischen Bauteil verbunden ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten elektrisch leitenden Bauteil und einem zweiten elektrisch leitenden Bauteil vorgeschlagen. Bei dem ersten und zweiten Bauteil kann es sich beispielsweise um Stromschienen in einer elektrischen Baugruppe handeln. Derartige Stromschienen können in ihrer Querschnittsfläche und Querschnittsform unterschiedlich sein. Um die Bauteile nicht nur elektrisch miteinander zu verbinden, sondern auch eine mechanische Verbindung zu realisieren, sind das erste und zweite Bauteil in einem Verbindungsbereich (vorzugsweise liegt in dem Verbindungsbereich zugleich die elektrische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen vor) zumindest formschlüssig, bevorzugt kraft- und formschlüssig, miteinander verbunden. Diese mechanische Verbindung wird vorteilhafter Weise dadurch erzielt, dass die beiden Bauteile im Verbindungsbereich durchsetzgefügt sind. Im Besonderen kommt hier ein Clinch- oder Tox
®-Verfahren zum Einsatz. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
DE 10 2012 202 999 A1 beschrieben, auf die für weitere Details zum Verfahren verwiesen wird. Probleme bestehen bei der Anwendung dieses Verfahrens insbesondere dann, wenn, wie erfindungsgemäß, wenigstens eines der beiden Bauteile primär aus Leichtmetall bzw. auf Leichtmetallbasis aufgebaut ist. Im Besonderen entstehen diese Probleme, wenn das Leichtmetall eine starke Neigung zum Setzen und Fließen aufweist, wie es beispielsweise bei Aluminium und vielen Aluminiumlegierungen der Fall ist. Um dieser Problematik entgegenzutreten, schlägt die vorliegende Erfindung vor zumindest eines der elektrisch leitenden Bauteile bzw. zumindest das erste elektrische Bauteil aus mindestens einer ersten und einer zweiten Schicht aufzubauen (bevorzugt besteht das erste elektrische Bauteil nur aus diesen zwei Schichten und gegebenenfalls einer Oberflächenveredelung, wie später erläutert). Dabei ist die erste Schicht aus Leichtmetall oder einem Material auf Leichtmetallbasis, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, bzw. auf Aluminiumbasis gebildet, während die zweite Schicht aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Material der ersten Schicht besteht. Die zweite Schicht ist hier zumindest in dem Verbindungsbereich auf der ersten Schicht vorgesehen, sie bedeckt also nur einen Teilbereich der ersten Schicht entsprechend dem Verbindungsbereich. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die erste und zweite Schicht im Wesentlichen deckungsgleich sind. Durch die zweite Schicht kann bei dem ersten elektrischen Bauteil ein anderes Setz- und Kriechverhalten im Vergleich zu einem rein aus Leichtmetall bestehenden Bauteil erzielt werden. Durch die erste Schicht aus Leichtmetall ist das erste elektrische Bauteil leichter als ein Bauteil bestehend nur aus der zweiten Schicht. Durch diesen Kompromiss wird eine elektrische Verbindung geschaffen, die bei zugleich zuverlässiger mechanischer, insbesondere formschlüssiger Verbindung, welche mittels Durchsetzfügen erzielbar ist, leicht und kostengünstig ist.
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Erfindungsgemäß weist das Material der zweiten Schicht eine geringere Neigung zum Setzen und Fließen auf als das Material der ersten Schicht. Somit wird das Setz- bzw. Fließverhalten der ersten Schicht positiv beeinflusst, so dass ein Fügeverfahren mit einem Formschluss realisierbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kommt dabei als Leichtmetall für die erste Schicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung zum Einsatz. Für die zweite Schicht ist Kupfer oder ein Material auf Kupferbasis bevorzugt. Durch die Kupferschicht liegt keine die elektrische Kontaktierung störende Oxidschicht vor, während durch das Aluminium ein leichtes bzw. kostengünstiges Material zur Anwendung kommt.
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Erfindungsgemäß ist die zweite Schicht dem zweiten elektrischen Bauteil zugewandt. Dadurch kann erzielt werden, dass im Bereich der Kontaktierung keine störende Oxidschicht vorliegt, die zu einem hohen elektrischen Widerstand führen würde.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die zweite Schicht und die erste Schicht untrennbar miteinander verbunden, wodurch eine leichte Handhabbarkeit beim formschlüssigen Verbinden, insbesondere Fügen erzielbar ist.
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Vorteilhafterweise wird die untrennbare Verbindung durch Walzen erzielt, wobei die zweite Schicht auf die erste Schicht auf gewalzt wird. Dadurch wird eine einfache und kostengünstige Herstellung realisiert. Alternativ ist es auch möglich die 2 Schichten miteinander zu Verschweißen.
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Ferner hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass für die Verbesserung der Setz- und Kriecheigenschaften lediglich eine relativ dünne zweite Schicht erforderlich ist. Um die Gewichtsvorteile der Leichtmetallschicht optimal auszunutzen, ist daher die zweite Schicht vorteilhafterweise dünner als die erste Schicht bzw. die erste Schicht stärker als die zweite Schicht. Bei der Materialpaarung Aluminium als Leichtmetall der ersten Schicht sowie Kupfer als Material der zweiten Schicht werden in der Regel zwischen 5% und 40%, bevorzugt 5 % und 20 % Kupfer auf ein Aluminiumblech aufgewalzt. Hierbei gilt, je mehr Kupfer desto teurer.
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Erfindungsgemäß wird die zweite Schicht bevorzugt vor oder nach dem formschlüssigen Verbinden der beiden Bauteile durch eine Oberflächenveredelung gegen elektrochemische Korrosion geschützt. Die Oberflächenveredelung ist dabei auch vom Einsatzgebiet der elektrischen Bauteile abhängig. Insbesondere kommen Verzinnen, Versilbern oder Vergolden in Frage. Wird für die zweite Schicht reines Kupfer verwendet, kann auch ein vorverzinntes bzw. ein vorbeschichtetes Blech auf die erste Schicht aufgewalzt werden.
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Das zweite elektrische Bauteil kann ebenfalls aus den erwähnten zwei Schichten aufgebaut sein. Bei dem zweiten elektrischen Bauteil kann es sich aber auch um ein einschichtiges Bauteil, aus zum Beispiel Kupfer oder einem Material auf Kupferbasis, handeln.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung, die in Kombination mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmalen umgesetzt werden können, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen, sind der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform zu entnehmen. Diese erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, in der
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1 einen Teilschnitt einer elektrischen Verbindung gemäß der Erfindung in dem Verbindungsbereich zeigt.
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Beschreibung einer Ausführungsform
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Die in 1 dargestellte elektrische Verbindung besteht aus einem ersten elektrisch leitenden Bauteil 10, hier einer ersten Stromschiene, und einem zweiten elektrischen Bauteil 20, hier einer zweiten Stromschiene. Bei dem zweiten elektrischen Bauteil 20 handelt es sich um ein Kupferblech. Das erste elektrische Bauteil 10 ist zweischichtig und besteht aus einem Aluminiumblech 11, auf das ein Kupferblech 12 aufgewalzt ist. Mit anderen Worten ist das Aluminiumblech 11 mit einem Kupferblech 12 plattiert bzw. untrennbar verbunden.
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In dem dargestellten Verbindungsbereich
13 sind die Bauteile
10,
20 mittels Durchsetzfügen formschlüssig verbunden, in dem das erste elektrische Bauteil
10 das zweiten elektrische Bauteil
20 hintergreift (siehe Hinterschnitte
14). Hierfür wird ein Stempel (nicht dargestellt) in die aufeinander platzierten Bauteile
10,
20 gedrückt, wie es in der
DE 10 2012 202 999 A1 beschrieben ist. Durch den Stempel entsteht die im Verbindungsbereich
13 dargestellte plastische Verformung
15, aus der die Hinterschnitte
14 resultieren und wodurch der Formschluss in einer Richtung senkrecht zur flächigen Erstreckung der Bauteile
10,
20 erzielt wird, so dass die Bauteile
10,
20 in eine Richtung voneinander weg aneinander fixiert sind.
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Durch das vorgesehene Kupferblech 12 (zweite Schicht) ist ein reproduzierbares Durchsetzfügen mit einer zuverlässigen mechanischen Verbindung (hier Form- und Kraftschluss) realisierbar, weil das Setz- und Kriechverhalten des Kupferblechs den Anforderungen für dieses Verfahren genügt. Gleichzeitig wird durch das Aluminiumblech 11 (erste Schicht) ein leichteres elektrisches Bauteil realisiert. Da das Kupferblech 12 dem zweiten elektrischen Bauteil 20, welches ebenfalls aus einem Kupferblech gebildet ist, zugewandt ist, gibt es ferner im Bereich der elektrischen Kontaktierung keine störende Oxidschicht mit einem hohen elektrischen Widerstand.
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Obwohl bei der dargestellten Ausführungsform die Bleche 11, 12 deckungsgleich sind, ist es denkbar das Kupferblech nur im Verbindungsbereich 13 vorzusehen, d. h. ein teilplattiertes Aluminiumblech zu verwenden. Ebenso ist es denkbar auch als zweites elektrisches Bauteil 20 ein teil- oder vollplattiertes Aluminiumblech zu verwenden. Zusätzlich ist es denkbar eine Oberflächenveredelung des Kupferblechs 12 gegen elektrochemische Korrosion vorzunehmen, zum Beispiel eine Zinn-, Silber- oder Goldbeschichtung vorzusehen. Bei reinem Kupferblech ist auch eine Vorverzinnung oder Vorversilberung des Kupferblechs denkbar.
