DE102021102088B3

DE102021102088B3 - Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Aluminiumleitung mit einem Anschlusselement aus einem artfremden Metallmaterial

Info

Publication number: DE102021102088B3
Application number: DE102021102088.3A
Authority: DE
Inventors: Jakob Schillinger; Uwe Keil; Olaf Strunk
Original assignee: Strunk Connect Automated Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Strunk Connect Automated Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2041-01-30
Also published as: EP4285446A1; WO2022161929A1

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung (8) mit einem Anschlusselement (9), das aus zur elektrischen Leitung (8) artfremden Metallmaterial besteht, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sollen so weitergebildet werden, dass langzeitig stabile elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Leitungen (8) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und Anschlusselementen (9) aus artfremdem Metallmaterial, z.B. Kupfer gewährleistet sind, die zudem schnell und kostengünstig erstellt werden können. Dazu wird vorgeschlagen, dass ein Verdichtungsvorgang mit Aufbrechen der Aluminiumoxidschichten sowie ein darauffolgender Schweißvorgang ohne Druckunterbrechung und ohne Positionsänderung zwischen den Elektroden (7, 10) einer Widerstands-Schweißvorrichtung durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mindestens einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung mit einem Anschlusselement, das aus zur elektrischen Leitung artfremden Metallmaterial besteht sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Seit langem ist es bekannt, Kupfer oder Kupferlegierungen als Leiter für elektrischen Strom zu verwenden. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in E-Mobilen werden diese aus Kuper oder Kupferlegierung bestehenden elektrischen Leiter aus Gewichtsgründen auch schon durch Leiter aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ersetzt. Aus der EP 2 362 491 B1 oder der DE 199 02 405 B4 ist es bereits bekannt, Aluminiumleitungen zu verwenden, welche mit Anschlusselementen aus anderen Materialien z.B. Kupfer zunächst vercrimpt und dann verschweißt werden.
Aus der DE 10 2017 106 742 B3 ist es auch schon bekannt, eine Litzenleitung aus einem metallischen Material über ein Anschlussteil mit einer Anschlussleitung aus einem anderen metallischen Material zu verschweißen.
Große Probleme bereiten derartige Verbindungen z. B. bei der Verwendung von Aluminiumleitungen und Kupferanschlusselementen bezüglich der Dauer der mechanischen Stabilität der Verbindung als auch deren elektrischen Leitfähigkeit. Kann in eine derartige Verbindung Feuchtigkeit eintreten entsteht Kontaktkorrosion, welche den Übergangswiderstand vergrößert und die mechanische Haltbarkeit der Verbindung erheblich vermindert.
Die Hauptprobleme bei der Verbindung von elektrischen Aluminiumleitungen mit Anschlusselementen aus artfremdem Material sind jedoch darin zu sehen, dass Aluminium eine starke Affinität zu Sauerstoff aufweist und sich deshalb in sehr kurzer Zeit mit einer dichten, elektrisch isolierenden, sehr harten und sehr beständigen Oxydschicht überzieht. Der Schmelzpunkt dieser Oxydschicht, auch Korund bezeichnet, liegt bei ca. 2.050°C, d. h. erheblich höher als die Schmelztemperatur von Aluminium, die bei ca. 660°C oder Kupfer, die bei ca. 1.080°C liegt.
Durch die üblicherweise runde Form der Aluminiumdrähte bzw. der Litzen entstehen Hohlräume zwischen den Drähten. In diese kann Feuchtigkeit eindringen und zu lokalen Korrosion des Aluminiumdrahts führen. Dies führt zu einer mechanischen Schwächung und Erhöhung des Leitungswiderstandes.
Hinzu kommt, dass bei der Aufschmelzung der beiden zu verbindenden Materialien Aluminium und Kupfer intermetallische Phasen entstehen können, die sowohl spröde als auch höherohmig sind, so dass in diesem Bereich bei späterem Stromdurchfluss eine große Wärmeentwicklung entstehen kann. Diese erhöhte Temperatur bewirkt, dass sich die intermetallische Schicht im Laufe der Zeit noch verstärkt. Durch die Sprödigkeit der Verbindung kann es schon bei kleinen mechanischen Beanspruchungen leicht zu deren Bruch kommen.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Schmelztemperaturen der beiden Verbindungspartner sehr weit auseinanderliegen. Daher besteht die Gefahr, dass Aluminium bereits in Schmelze übergeht, während das artfremde Material wie Kupfer noch nicht die Diffusions- oder Schmelzetemperatur erreicht hat. Dadurch entstehen unzureichende Schweißstellen, welche die geforderte Festigkeit nicht erreichen. Derartige unzureichende Schweißstellen sind in der Regel von außen nicht zu erkennen, so dass die Gefahr besteht, dass derartig mangelhaft verbundenen elektrischen Leiter mit dem Anschlusselement zum Einsatz kommen.
Auch der Zeitversatz nach dem Stand der Technik zwischen dem in einer ersten Stufe erfolgenden Crimpen bei dem die Oxidschicht aufgebrochen wird und einer örtlich getrennten zweiten Stufe, in der die Elemente miteinander verschweißt werden, kann bewirken, dass es zu einer erneuten Oxidation kommt, wodurch starke, nicht nachvollziehbare Schwankungen in der Verbindungsqualität resultieren können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile langzeitig stabile elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und Anschlusselementen aus artfremdem Metallmaterial, z.B. Kupfer herzustellen, die zudem schnell und kostengünstig erstellt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden verfahrensmäßig folgende Schritte vorgeschlagen:

a) Platzieren eines Endes der mindestens einen elektrischen Leitung und des Anschlusselements zwischen den Elektroden einer Widerstandsschweißvorrichtung,
b) Aufeinander zufahren mindestens einer der Elektroden auf die weitere Elektrode und Verdichten des Endes der elektrischen Leitung,
c) während des Verdichtens ein Verformen und Aufbrechen der Oxydschicht an der Oberfläche des Endes der elektrischen Leitung durch die Krafteinwirkung des Verdichtungsvorgangs,
d) ohne Öffnen der Elektroden anschließende Einstellung einer Schweißkraft und Beaufschlagen der Elektroden mit einem Schweißstrom unter Beibehaltung der Schweißkraft,
e) Erhitzen des Endes der elektrischen Leitung und des Anschlusselements unter Beibehaltung der Schweißkraft mit bezüglich der elektrischen Leitung geringerem Wärmestrom als bezüglich des Anschlusselements bis in den Bereich des Schmelzpunkts der elektrischen Leitung,
f) Eindiffundieren von Atomen der elektrischen Leitung in die erhitzte Oberfläche des Anschlusselements,
g) Abschalten des elektrischen Stroms,
h) Auseinanderfahren der Elektroden nach Verfestigung des Endes der elektrischen Leitung.

Durch das Verdichten, d.h. das aktive Verdichten des Drahtes wird erreicht, dass die Oxidschicht des Drahtes aufbricht. Werden Drahtlitzen verdichtet, so werden die Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzen minimiert bzw. sie verschwinden. Dabei kann es auch zu Diffusionsvorgängen zwischen den einzelnen Litzen kommen. Das Aufbrechen der Oxydschicht durch den Verdichtungsvorgang bewirkt, dass der elektrische Leiter nicht erst bei der hohen Schmelztemperatur der Oxydschicht, sondern bereits im Bereich der niedrigen Schmelztemperatur des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung verschweißt werden kann, wobei der Bereich z.B. bei ± 50 K um den Schmelzpunkt des verwendeten Materials des elektrischen Leiters liegen kann. Das unmittelbar darauf erfolgende Verschweißen unter Schweißkraft bewirkt, dass keine neuen Oxydschichten entstehen können und damit eine optimale Verbindung in einem Fertigungsgang, d. h. ohne das Herausnehmen des verdichteten elektrischen Leiters und Überführen in eine Schweißvorrichtung gewährleistet ist. Durch die Einstellung unterschiedlicher Wärmeströme wird erreicht, dass trotz unterschiedlicher Schmelzpunkte der zu verschweißenden Komponenten diese miteinander verschweißt werden können.
Nachahmenswert ist, dass der unterschiedliche Wärmestrom in Abhängigkeit von den Elektrodenabmessungen und/oder von der Elektrodenkühlung und/oder vom Elektrodenmaterial vorgebbar ist.
Größere Elektroden und/oder stärker gekühlte Elektroden für die elektrische Leitung bewirken einen geringeren Wärmestrom zur elektrischen Leitung hin als die kleinen Elektrodenflächen von z.B. nicht gekühlten Elektroden für das Anschlusselement, z.B. aus Kupfer. Dadurch wird die elektrische Leitung in der gleichen Zeit weniger stark erhitzt wird als das Anschlusselement.
Vorteilhaft ist, dass die elektrische Leitung aus einer mehrdrähtigen Aluminiumlitze besteht. Dadurch ist der elektrische Leiter flexibel und kann in seiner Verlegung an den späteren Gebrauchsort leicht angepasst werden.
Nachahmenswert ist, dass die Verdichtung mit einer gegenüber der Schweißkraft erhöhten Anpresskraft der Elektroden erfolgt. Dabei soll die Verdichtungs-Anpresskraft so gewählt werden, dass alle Zwischenräume zwischen den einzelnen Litzen minimiert werden bzw. verschwinden und dass zudem möglichst viele Oberflächenbereiche von der Oxidschicht befreit werden, bzw. die Oxidhaut großflächig aufbricht.
Bemerkenswert ist, dass die Verdichtungs- und/oder Schweiß-Anpresskraft zeitlich und/oder in ihrer Größe veränderlich vorgebbar ist. Dadurch lässt sich eine möglichst optimale Anpassung nicht nur der Oberflächenbeschaffenheit des elektrischen Leiters, sondern auch der Oberflächenbeschaffenheit des Anschlusselements für den folgenden Schweißvorgang herstellen.
Bedeutsam ist, dass mindestens eine Elektrode unter angelegter Anpresskraft zu einer translatorischen und/oder rotatorischen und/oder oszillierenden Bewegung in jede beliebige Richtung angeregt wird. Durch diese Bewegungen wird der Verdichtungs- und Oxidbrech-Vorgang verstärkt. Die Litzen werden gegeneinander verschoben, so dass sich die Lücken zwischen den Litzen noch besser verschließen.
Es hat sich bewährt, dass während des Verdichtungsvorgangs ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, der gegenüber dem Wärmeeintrag während des Schweißvorgangs niedrigerer ist. Der zusätzliche Wärmeeintrag kann mittels eines über die Elektroden fließenden Heizstroms erzeugt werden. Bei dem Heizstrom kann es sich um einen konstanten oder modulierten, gleichförmigen oder mittelfrequent pulsierenden, in seiner Amplitude einstellbaren Gleichstrom oder Wechselstrom handeln, während als Schweißstrom ein gleichförmiger oder mittelfrequent pulsierender in der Amplitude einstellbarer Gleichstrom oder Wechselstrom verwendet werden kann.
Durch die zusätzliche Erwärmung des elektrischen Aluminiumleiters während des Verdichtungsvorgangs durch einen elektrischen Strom, der über die Elektroden fließt, wird einerseits ein Erweichen des Aluminiums und zum anderen eine stärkere Wärmeausdehnung des Aluminiums in der sich in der Wärme nicht so stark ausdehnenden Oxidhaut jedes einzelnen Litzendrahtes bewirkt. Durch die Wärmeausdehnung der Litzendrähte entstehen innere Spannungen innerhalb von deren Oxidhaut, die neben der Krafteinwirkung von außen zu einem noch besseren Brechen der Oxidoberfläche führt, wodurch die Oxidhaut noch sicherer reißt, als wenn lediglich äußere Kräfte angewandt würden. Durch die innere Erwärmung kann gegebenenfalls sogar die äußere Verdichtungskraft abgesenkt werden, um dennoch ein optimales Reißen der Oxid Haut zu gewährleisten.
Zweckmäßig ist, wenn auf mindestens einer der beiden zu verschweißenden Komponenten eine partielle oder vollflächige ein- oder mehrseitige Sperrschicht mit höherem spezifischem Widerstand angeordnet ist. Durch die höherohmige Sperrschicht wird eine zusätzliche Erwärmung in der Schweißzone und damit ein schnelleres Verschweißen des elektrischen Leiters mit dem Anschlusselement erreicht. Hinzu kommt, dass durch die Sperrschicht kein direkter Kontakt zwischen dem Aluminiumleiter und dem Kupferanschlusselement entsteht, wodurch das Entstehen intermetallischer Phasen und damit das Entstehen spröder Bereich verringert wird. Dabei kann die Sperrschicht auch durch eine zwischengelegte Folie gebildet werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, vor Schließen der Elektroden ein Flussmittel auf die zu verbindenden Komponenten aufzutragen. Aus der Aluminiumlöttechnik ist bekannt, dass Flussmittel bei sehr stark oxidierten Oberflächen dennoch eine Lötung ermöglichen. Im Fall des Verschweißens des elektrischen Leiters aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Anschlusselement aus artfremdem Metallmaterial kann das Flussmittel eine noch bessere Verbindung bewirken.
Zudem ergeben sich Vorteile, wenn mindestens eine Oberfläche der zu verschweißenden Komponenten vor dem Verdichtungsvorgang mittels Plasma oder Laser reinigungsbeaufschlagt werden. Bevorzugt kann durch diesen Verfahrensschritt die Oberfläche des Anschlusselements von Kontaminationen befreit werden, so dass die spätere Schweißverbindung durch die Kontamination nicht negativ beeinflusst werden kann.
Von Vorteil ist, wenn das Anschlusselement im Bereich der mit ihm zu verbindenden elektrischen Leitung mindestens eine Erhöhung aufweist. Die Erhöhung kann beispielsweise von einer Sicke, einem Buckel oder dergleichen gebildet werden. Der elektrische Leiter wird beim Verdichten zumindest teilweise in diese Sicke eingepresst. Beim anschließenden Schweißvorgang fließt der Schweißstrom über die genau definierte Fläche der Sicke, wodurch die Erhitzung des elektrischen Leiters und des Anschlusselements optimal beeinflusst werden kann. Die Wirkung der Sicke kann aber auch durch eine eingelegte, entsprechend geformte Folie erreicht oder durch diese ergänzt werden, wobei die Folie auch gleichzeitig die Sperrschicht bilden kann.
Es empfiehlt sich, dass die jeweils vorgegebene Schweißkraft durch ein, mit degressiver Federkennlinie arbeitendes, zwischen einem Druckkraftsteller und der, diesem zugeordneten Elektrode angeordnetes Federelement möglichst konstant gehalten wird. Der Schmelzvorgang von Aluminium verläuft sehr schnell, und der Einsinkweg der Elektroden ist dabei deutlich größer, als wenn zwei artgleiche Materialien verschweißt werden. Da der gesamte Schweißvorgang typischerweise in weniger als 5/10tel Sekunden abgeschlossen ist, beginnt das Einsinken bereits im 1/100tel Sekundenbereich. Um konstante Stromflussflächen zu erhalten, muss die Anpresskraft während des gesamten Schweißvorgangs möglichst konstant bleiben. In der Praxis sind die üblichen Kraftsteller zu träge, so dass in der Folge das Aluminium zu stark erhitzt würde. Durch den hier vorgeschlagenen Verfahrensschritt lässt sich erreichen, dass ohne Zeitverzug ein Nachsetzen mit gleicher Anstell- und Anpresskraft möglich ist. Selbstverständlich kann das Federelement auch der unteren Elektrodenhalterung zugeordnet werden.
Ein besonderer Vorzug ergibt sich, wenn die fertiggestellte Schweißverbindung durch eine Schutzhülle oder eine mit Schutzgel gefüllte Schutzhülle ummantelt wird. Dadurch wird weitestgehend ausgeschlossen, dass Feuchtigkeit in eventuelle Hohlräume der Schweißverbindung eintreten können, so dass eine Korrosion, die zu Schädigung von Einzeldrähten oder der Schweißverbindung führt, noch besser ausgeschlossen wird. Schon eine vorgeformte Schutzkappe aus einen Schrumpfschlauchmaterial kann einen ersten Schutz bieten, der noch erhöht werden kann, wenn dieser Schrumpfschlauch mit einem Schutzgel wie z. B. Silikon gefüllt wird.
Vorrichtungsmäßig wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass die der elektrischen Leitung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zugeordnete Elektrode eine größere Kontaktfläche als die mit ihr zusammenwirkende, dem artfremden Metallmaterial zugeordnete Gegenelektrode aufweist, und/oder dass die Elektroden jeweils aus Materialien bestehen die sicherstellen, dass die der elektrischen Leitung zugeordnete Elektrode weniger Wärme erzeugt als die Gegenelektrode.
Beim Widerstandsschweißen zeigt sich, dass die in einem definierten Zeitintervall erzielbare Temperaturerhöhung quadratisch mit der reziproken Querschnittsfläche wächst. Durch die größere Kontaktfläche für die elektrische Aluminiumleitung wird erreicht, dass bei Anlegen des Schweißstroms die Temperaturerhöhung in der, dem Aluminiummaterial zugeordneten Elektrode deutlich langsamer erfolgt als in der dem artfremden Metallmaterial zugeordneten Elektrode. Dadurch wird den unterschiedlich hohen Schmelzpunkten für die unterschiedlichen Materialien Rechnung getragen. Das zum Beispiel aus Kupfer bestehende Anschlusselement hat zum Erreichen des Bereichs des Schmelzpunktes eine erheblich höhere Temperatur als das Aluminium anzunehmen, so dass durch die unterschiedlichen Größen der Elektroden ein gutes Eindiffundieren der Aluminiumatome in das heiße, noch nicht flüssige Kupfer oder in die Sperrschicht möglich ist, wodurch es ähnlich wie es z. B. bei einem Reibschweißvorgang zwischen Aluminium und Kupfer bzw. der Sperrschicht zu einer stoffschlüssigen elektrischen Verbindung kommt.
Nachahmenswert ist, dass die der elektrischen Leitung zugeordnete Elektrode eine ebene oder konvexe oder konkave Form aufweist. Durch die Auswahl der Form lässt sich ein optimales Oxidbrechen bei der Verdichtung und ein optimales, umgehend danach erfolgendes, Verschweißen erreichen.
Es hat sich bewährt, dass die der elektrischen Leitung zugeordnete Elektrode mit Seitenbegrenzungen zur Haltung des elektrischen Leiters ausgestattet ist. Insbesondere bei einer eben oder konvex gestalteten Elektrode können die z.B. keramischen Seitenbegrenzungen ein besseres Zusammenhalten der einzelnen Litzendrähte bewirken.
Nachahmenswert ist, dass mindestens eine der Elektroden in ihrer Leitfähigkeit senkrecht zur Stromflussrichtung in einem Gradienten abnimmt, die Festigkeit der Elektrode über den gesamten Temperaturbereich dennoch konstant bleibt. Dadurch kann erreicht werden, dass trotz unterschiedlicher Entfernung des elektrischen Drahtes zu dem kleineren, heißen Bereich des Anschlusselements über den Querschnitt des elektrischen Leiters gleiche Stromflüsse erreicht werden, so dass der elektrische Leiter möglichst gleichmäßig über seine ganze Fläche zu schmelzen beginnt.
Die Erfindung wird anhand von, diese darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 die Prinzipdarstellung eine Widerstandsschweißvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens,
2 einen Ausschnitt aus der Widerstandsschweißvorrichtung im Bereich der beiden Elektroden vor dem Verdichtungsvorgang,
3 einen Ausschnitt entsprechend 2 nach dem Verdichtungsvorgang,
4 einen Ausschnitt entsprechend 3 jedoch mit konkaver Elektrode,
5 einen ähnlichen Ausschnitt mit an dem Anschlusselement angeordneter Sicke vor dem Verdichtungsvorgang,
6 einen Ausschnitt gemäß 5 nach dem Verdichtungsvorgang,
7 einen Ausschnitt betreffend die Elektroden mit keramischer Seitenbegrenzung vor dem Verdichtungsvorgang,
8 einen Ausschnitt gemäß 7 nach dem Verdichtungsvorgang,
9 einen Ausschnitt im Bereich der Elektroden, wobei das Anschlusselement als Kabelschuh ausgebildet ist vor dem Verdichtungsvorgang,
10 einen Ausschnitt gemäß 9 nach dem Verdichtungsvorgang,
11 einen Ausschnitt ähnlich 9, jedoch mit zusätzlicher Sicke im Anschlusselement und oberer Gradientenelektrode vor dem Verdichtungsvorgang,
12 eine Ansicht gemäß 11 nach dem Verdichtungsvorgang,
13 ein Beispiel für das Aussehen einer Erhöhung bzw. Sicke,
14 Ein Beispiel für die vollflächige Beschichtung eines Anschlusselementes,
15 die Lagerung der unteren Elektrode, die über einem Generator mit Sonotrode als Verdichter aufgebaut ist,
16 eine untere Elektrode, die als Verdichter ein Kurbelgetriebe für laterale Bewegung der unteren Elektrode aufweist,
17 die untere Elektrode, mit einem Kurbelgetriebe, welches eine Wippbewegung der unteren Elektrode bewirkt, und
18 das Zeitdiagramm für die Anpresskraft sowie den Elektrodenstrom während des Verdichtungsvorgangs und des Schweißvorgangs.

1 zeigt eine Widerstandsschweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie besteht im Wesentlichen aus einem C-förmigen Rahmen 1, an dessen oberem Schenkel ein Druckkraftsteller 2 befestigt ist. Bei dem Druckkraftsteller 2 kann es sich um einen pneumatisch, hydraulisch oder elektromotorisch angetriebenen Zylinder 3 handeln, in dem sich ein Kolben 4 befindet. Der Kolben 4 arbeitet über ein Federelement 5, der vorzugsweise eine degressive Kennlinie aufweist, auf den oberen Elektrodenhalter 6. Der obere Elektrodenhalter 6 hält die obere Elektrode 7, deren große Fläche auf dem Ende eine elektrischen Leitung 8, die z. B. aus einer Aluminiumdrahtlitze besteht, aufliegt. Die elektrische Leitung 8 wiederum liegt auf dem Anschlusselement 9 auf, welches hier eine aus Kupfer bestehende Kontaktfläche bildet. Die untere Elektrode 10, die einen erheblich kleinere Oberfläche als die obere Elektrode 7 aufweist, ist von einem unteren Elektrodenhalter 11 gehalten, welcher über einen Verdichter 12 am unteren Schenkel des C-förmigen Rahmens 1 gehalten ist.
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1 im Bereich der oberen Elektrode 7 und der unteren Elektrode 10 vor dem Verdichtungsvorgang. Sowohl die untere Elektrodenhalterung 11 und gegebenenfalls die untere Elektrode 10 sowie die obere Elektrodenhalterung 6 und die obere Elektrode 7 sind mit einer Kühlung 13 für die untere Elektrode 10 sowie einer Kühlung 14 für die obere Elektrode 7 ausgestattet. Die elektrische Leitung 8 ist als oxidierter, runddrahtförmiger Litzenverbund dargestellt. Die obere Elektrode 7 ist ebenso plan ausgeführt wie das Anschlusselement 9.
Durch das Absenken der oberen Elektrode 7 nach 3 wird die elektrische Leitung 8 verdichtet. Dabei reißen die an der Oberfläche der einzelnen Litzen befindlichen Oxidschichten 15 auf und die Innenbereiche 16 der einzelnen Litzen der elektrischen Leitung 8 kommen sowohl mit der oberen Elektrode 7 als auch mit dem Anschlusselement 9 in Kontakt. Um die Verdichtung der Litzen der elektrischen Leitung 8 und den Kontakt der Innenbereiche der Litzen untereinander sowie mit der oberen Elektrode 7 als auch dem Anschlusselement 9 noch zu verbessern kann das Anschlusselement 9 über die untere Elektrode 10 durch den Verdichter 12 in Schwingungen versetzt werden.
4 zeigt einen Ausschnitt ähnlich der 3. Hier weist die obere Elektrode 7 in Richtung auf die elektrische Leitung 8 eine konkave Form auf, durch welche beim späteren Schweißvorgang die dann schmelzende elektrische Leitung 8, auch deren Randbereiche besser auf das Anschlusselement 9 ausrichtet werden.
5 zeigt eine obere Elektrode 7 sowie eine untere Elektrode 10 mit dazwischen angeordneter elektrischer Leitung 8 sowie dazwischen angeordnetem Anschlusselement 9 vor dem Verdichtungsvorgang. Das Anschlusselement 9 weist quer zur Längserstreckung der elektrischen Leitung 8 mindestens eine Sicke 17 auf. Die Kontaktfläche zwischen den Elektroden und der elektrischen Leitung 8 einerseits und dem Anschlusselement 9 andererseits ist durch das Design der Elektroden vorgegeben. Die Kontaktfläche zwischen der elektrischen Leitung 8 einerseits und dem Anschlusselement 9 andererseits kann jedoch starken Schwankungen unterworfen sein. Durch das Design der Elektroden wird auch versucht eine Stromkonzentration beim Schweißvorgang zu erreichen. Bei Komponenten mit sehr unterschiedlicher Festigkeit, wie hier einerseits Aluminium und andererseits Kuper, ist eine derartige Stromkonzentration nur schwer zu erreichen. Daher wird an dem Anschlusselement 9 eine Sicke 17 oder ein Buckel vorgesehen. Damit kann der Schweißstrom über die genau definierten Rücken des Buckels bzw. der Sicke 17 fließen. Die Abmessungen der Sicke 17 sind in Abhängigkeit der Schmelztemperaturen der jeweiligen Materialzusammensetzung der elektrischen Leitung 8 sowie des Anschlusselements 9 so zu wählen, dass die erforderliche Stromwärme (nach dem Stromwärmegesetz) im Schweißvorgang erzeugt wird.
6 zeigt die Elektrodenanordnung nach 5 nach dem Verdichtungsvorgang.
7 zeigt wieder eine plane obere Elektrode 7 sowie eine erheblich kleinere untere Elektrode 10. Auf der unteren Elektrode 10 ist das ebenfalls plane Anschlusselement 9 angeordnet. Weiterhin ist die elektrische Leitung 8 zu erkennen. Damit beim Verdichtungsvorgang und beim späteren Schweißvorgang nicht Teile der elektrischen Leitung 8 aus dem Bereich zwischen oberer Elektrode 7 und dem Anschlusselement 9 herausgedrückt werden, sind keramische Seitenbegrenzungen 18 vorgesehen, die, wie 8 zeigt, dafür sorgen, dass die verdichtete elektrische Leitung 8 nicht seitlich über die obere Elektrode 7 hinausquillt.
9 zeigt das Anschlusselement 9, welches in Form eines Kabelschuhs 19 gebogen ist. Die obere Elektrode 7 weist zur elektrischen Leitung 8 hin eine konvex geformte Fläche auf. Damit es beim Verdichtungsvorgang und späteren Schweißvorgang zwischen den Wangen des Kabelschuhs 19 und der oberen Elektrode 7 zu keinen Kurzschlüssen kommen kann, weist die obere Elektrode 7 Isolierschichten 20 auf.
10 zeigt den Ausschnitt gemäß 9 im verdichteten Zustand. Hier ist zu erkennen, dass nicht die obere Elektrode 7, sondern die Isolierschicht 20 dem nach oben stehenden Schenkel des Kabelschuhs 19 gegenübersteht.
Um eine noch bessere Verteilung des Stromflusses zu gewährleisten, zeigt 11 eine obere Elektrode 7, die Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit aufweist. Neben der Isolierschicht 20 ist eine Schicht 21 mit mittlerer Leitfähigkeit und in der Mitte der oberen Elektrode 7 eine Schicht mit hoher Leitfähigkeit dargestellt. Das Anschlusselement 9 ist auch hier als Kabelschuh 19 ausgebildet, der zusätzlich noch eine Sicke 17 aufweist.
Im verdichteten Zustand nach 12 ist zu erkennen, dass die obere Elektrode 7 mit der hohen Leitfähigkeit einen bestimmten Abstand zum Anschlusselement 9 aufweist. Die Schicht 21 mit mittlerer Leitfähigkeit ist zwar näher an dem aufstehenden Schenkel des Kabelschuhs 19 angeordnet, durch die geringere Leitfähigkeit wird jedoch zwischen dieser Schicht 21 und dem aufstehenden Schenkel des Kabelschuhs 19 ungefähr die gleiche Stromwärme erzeugt wie zwischen der weiter beabstandeten eine hohe Leitfähigkeit aufweisenden oberen Elektrode 7 und dem Anschlusselement 9.
13 zeigt ein Anschlusselement 9 mit einer einstückig aufgesetzten Sicke 17. Auf die Sicke 17 wird, nicht dargestellt, die elektrische Leitung verdichtet und anschließend verschweißt. Die Sicke 17 weist eine bestimmte, vorgebbare Fläche auf. Die Fläche muss groß genug sein, um eine ausreichende Verbindung mit dem elektrischen Leiter zu gewährleisten, sollte jedoch möglichst klein sein, da nur diese Fläche beim Schweißvorgang möglichst hoch erhitzt werden muss.
14 zeigt ein Anschlusselement 9' mit einer tiefgezogenen Sicke 17, welches eine Beschichtung 34 aufweist. Die Beschichtung besteht aus einem Material welches eine Sperrschicht zwischen der elektrischen Leitung und dem Anschlusselement darstellt. Die Sperrschicht weist einen höheren spezifischen Widerstand als das Anschlusselement auf, so dass bei Durchfluss des Schweißstroms genau im Verbindungsbereich zum elektrischen Leiter zusätzliche Wärme im Anschlusselement entsteht, die den Schweiß- bzw. Diffusionsvorgang positiv beeinflusst. Die Beschichtung 34 kann, wie gezeigt umlaufend sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Anschlusselement 9 nur einseitig oder nur im Bereich der Sicke 17 beschichtet ist. Anstelle der Beschichtung könnte auch eine Folie mit den entsprechenden Widerstandsdaten verwendet werden.
15 zeigt die untere Elektrode 10 und die untere Elektrodenhalterung 11, die über den Verdichter 12 auf dem C-förmigen Rahmen 1 abgestützt ist. Bei dem Verdichter 12 handelt sich es sich in diesem Fall um einen Generator mit Sonotrode, die bewirkt, dass die untere Elektrode 10 und damit das darauf angeordnete Anschlusselement 9 lineare Schwingbewegungen ausführt. Die Schwingbewegungen des Anschlusselements 9 bewirken, dass beim Verdichtungsvorgang ein besserer Kontakt zwischen der elektrischen Leitung 8 und dem Anschlusselement 9 erzeugt werden kann. Sie bewirkt aber auch, dass die Abstände der Litzen zueinander durch die Bewegung der einzelnen Litzendrähte gegeneinander beim Verdichtungsvorgang noch kleiner werden.
16 zeigt ebenfalls einen Verdichter 12, der hier über ein Pendellager 23 und einen Kurbelantrieb 24 auf den unteren Elektrodenhalter 11 wirkt. Wird der untere Elektrodenhalter 11 vom Kurbelgetriebe angetrieben, bewirkt die Ausgestaltung des hier gezeigten Pendellagers, dass die untere Elektrode 10 laterale und vertikale Bewegungen durchführt. Auch diese Bewegungen dienen der besseren Verdichtung der elektrischen Leitung 8 und der Herstellung eines besseren Kontakts zwischen der elektrischen Leitung 8 und dem Anschlusselement 9.
In 17 ist das Pendellager 23 geringfügig anders aufgebaut. Dieses bewirkt im Zusammenhang mit dem Antrieb über das Kurbelgetriebe 24, dass die untere Elektrode 10 und damit auch das Anschlusselement 9 Wipp- und Kippbewegungen ausführt. Auch diese Bewegungen dienen dazu, den Verdichtungsvorgang zu unterstützen und die Verbindung zwischen denen, am Stromfluss beteiligten Elementen zu verbessern.
18 zeigt zwei ineinander geschachtelte Diagramme. Sie zeigt einerseits die Anpresskraft 25 über die Zeit und andererseits den Elektrodenstrom 26 über die Zeit.
Die vom Druckkraftsteller 2 aufgebrachte Anpresskraft 25 liegt zunächst bei 0, da die obere Elektrode 7 zunächst auf die miteinander zu verbindenden Materialien, d. h. die elektrische Leitung 8 und das Anschlusselement 9 zugefahren werden muss, wobei, solange sich die Materialien noch nicht berühren, keine Kraft aufgewandt werden muss. Ist der Spalt zugefahren, beginnt eine gedämpfte Klemmung, wobei die gedämpfte Klemmkraft 27 stetig ansteigt bis die Verdichtungskraft 28 erreicht ist. Dabei kann die Verdichtungskraft 28 als konstante Verdichtungskraft gemäß der punktierten Linie oder als zeitveränderliche Verdichtungskraft gemäß durchgezogener Linie eingestellt werden.
Während des Anliegens der Verdichtungskraft 28 reißt die Oxidschicht 15 auf den Litzen der elektrischen Leitung 8 auf. Das geschieht sowohl bei konstanter Verdichtungskraft, noch besser jedoch bei zeitveränderlicher Verdichtungskraft.
Nach Erreichen der Verdichtungskraft 28 wird für die Zeit des Verdichtungsvorgangs ein steigender, ggf. stufenweise steigender Verdichtungsstrom 29 eingeschaltet. Dieser Verdichtungsstrom, der vorzugsweise als konstanter oder modulierter, gleichförmiger oder mittelfrequent pulsierender, in seiner Amplitude einstellbarer Gleichstrom oder Wechselstrom angelegt werden sollte, bewirkt eine Erwärmung, sowohl der elektrischen Leitung 8 als auch des Anschlusselements 9. Da die aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Innenbereiche 16 der elektrischen Leitung 8 eine andere Wärmeausdehnung als die auf der Oberfläche der Litzen gewachsenen Oxidschichten 15 aufweisen, d. h. sich der Innenbereich der Litze 16 stärker ausdehnt als die Oxidschicht 15 wird durch die Erwärmung der elektrischen Leitung 8 erreicht, dass die Oxidschicht 15 durch den sich stärker ausdehnenden Innenbereich der Litze aufplatzt.
Kurz vor Ende des Verdichtungsvorgangs, nach Erreichen eines bestimmten, vorgebbaren Verdichtungsweges wird der Verdichtungsstrom 29 abgeschaltet. Am Ende des Verdichtungsvorgangs wird die Verdichtungskraft 28 gesenkt bis auf die für den Schweißvorgang benötigte Schweißkraft 30. Nach Erreichen der Schweißkraft 30 wird ein vorzugsweiser gleichförmiger oder mittelfrequent pulsierender Gleichstrom als Schweißstrom 31 auf die Elektroden geschaltet. Damit beginnt die Aufschmelzphase 32 in der Verbindungszone.
Nach Erreichen eines bestimmten, vorgebbaren Schweißweges wird der Schweißstrom 31 abgeschaltet und es beginnt die Abkühlphase 33 der Schweißverbindung über die Kühlung der Elektroden. Am Ende der Abkühlphase 33 wird die Anpresskraft 25, in diesem Falle die Schweißkraft 30 aufgehoben. Anschließend kann das Anschlusselement 9 mit der verschweißten elektrischen Leitung 8 entnommen werden.
Ggf. kann hier umgehend ein zuvor über die elektrische Leitung 8 gezogener Schrumpfschlauch über die Schweißverbindung gezogen und durch eigene Wärme bzw. externe Wärme geschrumpft werden.
Bezugszeichenliste

1: C-förmiger Rahmen
2: Druckkraftsteller
3: Zylinder
4: Kolben
5: Federelement
6: obere Elektrodenhalter
7: obere Elektrode
8: elektrische Leitung
9: Anschlusselement
10: untere Elektrode
11: untere Elektrodenhalter
12: Verdichter
13: Kühlung
14: Kühlung
15: Oxydschicht
16: Innenbereich der Litze
17: Sicke
18: Seitenbegrenzungen
19: Kabelschuh
20: Isolierschichten
21: Schicht (mittlere Leitfähigkeit)
22: Generator mit Sonotrode
23: Pendellager
24: Kurbelgetriebe
25: Anpresskraft
26: Elektrodenstrom
27: gedämpfte Klemmkraft
28: Verdichtungskraft
29: Verdichtungsstrom
30: Schweißkraft
31: Schweißstrom
32: Aufschmelzphase
33: Abkühlphase
34: Beschichtung

Claims

Verfahren zum Verbinden mindestens einer mindestens einen Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweisenden elektrischen Leitung (8) mit einem Anschlusselement (9), das aus zur elektrischen Leitung (8) artfremden Metallmaterial besteht, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Platzieren eines Endes der mindestens einen elektrischen Leitung (8) und des Anschlusselements (9) zwischen den Elektroden (7, 10) einer Widerstandsschweißvorrichtung, b) Aufeinander zufahren mindestens einer der Elektroden (7; 10) auf die weitere Elektrode (10; 7) und Verdichten des Endes der elektrischen Leitung (8), c) während des Verdichtens ein Verformen und Aufbrechen der Oxidschicht (15) an der Oberfläche des Endes der elektrischen Leitung (8) durch die Krafteinwirkung des Verdichtungsvorgangs, d) ohne Öffnung der Elektroden (7, 10) anschließendes Einstellen einer Schweißkraft (30) und darauffolgende Beaufschlagen der Elektroden (7, 10) mit einem Schweißstrom (31) unter Beibehaltung der Schweißkraft (30), e) Erhitzen des Endes der elektrischen Leitung (8) und des Anschlusselements (9) unter Beibehaltung der Schweißkraft (30) mit bezüglich der elektrischen Leitung (8) geringerem Wärmestrom als bezüglich des Anschlusselements (9) bis in den Bereich des Schmelzpunkts der elektrischen Leitung (8), f) Eindiffundieren von Atomen der elektrischen Leitung (8) in die erhitzte Oberfläche des Anschlusselements (9), g) Abschalten des elektrischen Stroms, h) Auseinanderfahren der Elektroden (7, 10) nach Verfestigung des Endes der elektrischen Leitung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unterschiedliche Wärmestrom in Abhängigkeit von den Elektrodenabmessungen und/oder von der Elektrodenkühlung und/oder vom Elektrodenmaterial vorgebbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (8) aus einer mehrdrähtigen Aluminiumlitze besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsvorgang mit einer gegenüber der Schweißkraft (30) erhöhten Anpresskraft (25) der Elektroden (7, 10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungs- und/oder Schweiß-Anpresskraft zeitlich und/oder in ihrer Größe veränderlich vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (7; 10) unter angelegter Anpresskraft (25) zu einer translatorischen und/oder rotatorischen und/oder oszillierenden Bewegung in jede beliebige Raumrichtung angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verdichtungsvorgangs ein zusätzlicher Wärmeeintrag erfolgt, der gegenüber dem Wärmeeintrag während des Schweißvorgangs niedrigerer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer der beiden zu verschweißenden Komponenten eine partielle oder vollflächige, ein- oder mehrseitige Sperrschicht mit höherem spezifischen Widerstand angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht durch eine zwischengelegte Folie gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schließen der Elektroden (7, 10) ein Flussmittel auf die zu verbindenden Komponenten aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche der zu verschweißenden Komponenten vor dem Verdichtungsvorgang mittels Plasma oder Laser reinigungsbeaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (9) im Bereich der mit ihm zu verbindenden elektrischen Leitung (8) mindestens eine Erhöhung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Schweißkraft (30) durch ein, mit degressiver Federkennlinie arbeitendes, zwischen einem Druckkraftsteller (2) und der, diesem zugeordneten Elektrode (7) angeordnetes Federelement (5) möglichst konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die fertiggestellte Schweißverbindung durch eine Schutzhülle oder eine mit Schutzgel gefüllte Schutzhülle ummantelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aufweisend eine Widerstandsschweißvorrichtung mit mindestens zwei Elektroden (7, 10), von denen mindestens eine beweglich antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die, der elektrischen Leitung (8) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zugeordnete Elektrode (7) eine größere Kontaktfläche als die mit ihr zusammenwirkende, dem artfremden Metallmaterial zugeordnet Gegenelektrode (10) aufweist, und/oder dass die Elektroden (7, 10) jeweils aus Materialien bestehen die sicherstellen, dass die der elektrischen Leitung (8) zugeordnete Elektrode (7) weniger Wärme erzeugt als die Gegenelektrode (10).
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die der elektrischen Leitung (8) zugeordnete Elektrode (7) eine ebene oder konvexe oder konkave Form aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der, der elektrischen Leitung (8) zugeordneten Elektrode (7) Seitenbegrenzungen (18) zur Halterung der elektrischen Leitung (8) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (7; 10) in ihrer Leitfähigkeit senkrecht zur Stromflussrichtung in einem Gradienten abnimmt, die Festigkeit der Elektrode (7; 10) über den gesamten Temperaturbereich dennoch konstant bleibt.