DE10346160B3

DE10346160B3 - Verfahren und Verbindung zur Kontaktierung eines Aluminiumkabels

Info

Publication number: DE10346160B3
Application number: DE2003146160
Authority: DE
Inventors: Eckhard Fröhlich
Original assignee: Feindrahtwerk Adolf Edelhoff GmbH and Co
Current assignee: Feindrahtwerk Adolf Edelhoff GmbH and Co
Priority date: 2002-05-25
Filing date: 2003-10-04
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-10-05

Abstract

Zu einer dauerhaften und sicheren Kontaktierung eines aus Einzelleitern (11) aufgebauten Aluminiumkabels (10) mit einer Kontaktklemme (22), vorzugsweise aus Kupfer, wird über die Stirnseite des gegebenenfalls abisolierten Endes (13) des Kabels (10) die an der Innenseite verzinnte Kontaktklemme (22) geschoben und über eine Öffnung mit den Einzelleitern (11) dauerhaft entweder in einem flüssigen Zinnbad (18) mittels Ultraschall-Verzinnung oder in einer alternativen Ausführungsform durch Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), Metall-Inertgasschweißen (MIG) oder Laserschweißen verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8 sowie eine Verbindung zur Kontaktierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.

Auf den Gebieten des Flugzeugbaus und der Fahrzeugtechnik gewinnen im Zuge von Gewichtseinsparungen und damit einhergehend der Senkung des Kraftstoffverbrauchs elektrische Aluminiumleitungen eine größere Bedeutung und ersetzen zunehmend die relativ schweren Kabel aus Kupfer. Die intrinsischen Eigenschaften des Aluminiums erfordern jedoch, dass, um eine dauerhafte, leistungsstarke Kontaktierung der Aluminiumdrähte zu gewährleisten, bestimmte Vorkehrungen getroffen werden müssen. So wird Aluminium stets von einer isolierenden Aluminiumoxid-Schicht (Al₂O₃) umschlossen, die eine erhebliche Erhöhung des elektrischen Übergangswiderstandes bewirkt. Um Leitungsverluste und um die damit einhergehende unzulässige Erwärmung eines Aluminiumkabels aufgrund des Übergangswiderstandes der Oxidschicht zu reduzieren, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, die eine Kontaktierung des „reinen" Aluminiums ermöglichen und die isolierende Wirkung der Oxidschicht weitestgehend ausschließen. Dies insbesondere auch deshalb, weil zur Erzielung einer höheren Flexibilität solche Kabel verwendet werden, die aus mehreren Einzelleitern wie Litzen aufgebaut sind und ein jeder Einzelleiter von einer Oxidschicht umschlossen wird und dadurch der Übergangswiderstand weiter erhöht wird.

Unter Verwendung von Kupfertechnik werden Kontaktklemmen an Kabeln üblicherweise durch Verpressen befestigt. Dies ist im Zusammenhang mit Aluminiumkabeln nur bedingt geeignet, da ein auf Aluminium ausgeübter Druck mit der Zeit durch sog. „Setzen", also einem langsamen Abbau der Druckspannungen im Aluminium abgebaut wird. Dies führt dazu, dass eine Klemmverbindung locker wird und auf diese Weise der Übergangswiderstand an der Kontaktstelle ebenfalls steigt.

Ein weiteres Problem bei der Nutzung von Aluminium bei elektrisch leitenden Verbindungen stellt die Kontaktkorrosion dar. Eine solche galvanische Korrosion tritt immer dann auf, wenn Metalle mit stark unterschiedlichem Normalpotential in direktem Kontakt miteinander stehen. Kupfer, aus dem üblicherweise Kontaktklemmen gefertigt sind, ist ein „edles" Metall mit einem positiven Normalpotential, wogegen das „unedle" Aluminium ein stark negatives Normalpotential besitzt. An der Berührungsfläche von Aluminium und Kupfer kommt es infolge der großen Potentialdifferenz zu einem Potentialausgleich, was zur Folge hat, dass das unedlere Metall, also Aluminium, zerstört wird.

In der EP 0 966 061 A2 wird ein Verfahren offenbart, mit dem den oben beschriebenen Besonderheiten bei der Kontaktierung von Aluminiumkabeln Rechnung getragen werden soll. Hierfür wird ein die Litzen eines Aluminiumkabels umschließender Kabelschuh mittels eines elektrisch leitenden Klebers mit dem Kabel verklebt und verpresst. Durch das Verkleben wird die Auswirkung des „Setzens" vernachlässigbar.

Trotzdem ist dieses Verfahren zur Kontaktierung eines Aluminiumkabels nur bedingt geeignet. Um den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Litzen des Kabels zu verringern, wird der Kontakt zwischen benachbarten Litzen dadurch verbessert, dass diese aneinandergepresst und in dieser Position dauerhaft fixiert werden. Abhilfe gegen die isolierende Wirkung der Aluminiumoxid-Schicht und den hohen Übergangswiderstand wird hierdurch jedoch nicht geschaffen. Weiterhin trägt das offenbarte Verfahren dem elektrochemischen Verhalten zwischen den unterschiedlichen Materialien keine Rechnung und ermöglicht somit Kontaktkorrosion an Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Metallen, also beispielsweise am Übergang Kabel-Kabelschuh oder Kabelschuh-Anschlussstelle, sofern keine absolut luftdichte Abdichtung besteht, was in der Praxis nie gegeben ist. Weiterhin können keine verlässlichen Angaben über die Dauerhaftigkeit einer solchen Klebverbindung gemacht werden. Da handelsübliche Kleber altern, ist davon auszugehen, dass die auf den Kleber einwirkenden extremen Bedingungen bei der Nutzung eines Fahrzeuges, wie z.B. starke Temperaturschwankungen und hohe mechanische Beanspruchung durch Vibrationen, während der langen Lebensdauer eines Fahrzeugs nachteilig auf die Verbindung Einfluss nehmen.

Aus der DE 22 50 836 B ist weiter bekannt ein Verfahren zur Kontaktierung eines Kabels, das aus Einzelleitern wie Drähten oder Litzen aus Aluminium aufgebaut ist, mit einer kupferhaltigen Anschlussklemme, wobei zunächst die Einzelleiter am freien Ende des Kabels zusammengeschmolzen oder verschweißt werden, so dass ein fester Kopf entsteht. Die so zu einem Kopf verbundenen Einzelleiter werden mittels Ultraschall in einem Lötbad aus einer Zink-Zinn-Legierung verzinnt, wobei durch Ultraschall die Oxidschicht auf dem Aluminium entfernt wird. Über das so behandelte freie Ende des Kabels wird dann eine metallische, gegebenenfalls an der Innenseite verzinnte Kontaktklemme aus einer Kupferlegierung geschoben, die mit den Einzelleitern durch Löten oder Aufschrumpfen dauerhaft verbunden wird. Nachteiligerweise ist dieses Verfahren aufgrund der vielen unterschiedlichen Verfahrensschritte technisch relativ aufwendig und daher kostenintensiv. Weiter lässt sich kein gleichmäßg runder Durchmesser des festen Kopfes erzielen. Deshalb ist ein größerer Innendurchmesser der Bohrung der Kontaktklemme erforderlich, was sich nachteilig auf die Verbindung der Kontaktklemme mit dem festen Kopf auswirkt.

Eine Verbindung eines elektrischen Aluminiumkabels mit einem aus Kupfer bestehenden Anschlussteil wird auch in der EP 1 032 077 A2 offenbart. Hierbei wird auf das stirnseitige Ende eines Aluminiumkabels ein kupfernes Anschlussteil gesetzt, das mittels Reibschweißverfahren mit dem Kabel verbunden wird. Hierzu wird das Kabel mit einer mit ihm verpressten Stützhülse versehen, die die einzelnen Drähte an der Verbindungsstelle praktisch zu einer vollen Fläche fügt und selbst mit dem Anschlussteil mitverschweißt wird. Durch das Reibschweißen werden die Aluminiumlitzen mit dem Anschlussteil an der Kontaktfläche verschmolzen und dadurch eine Kupfer-Aluminium-Legierung gebildet, die als „Trennschicht" fungiert und somit den direkten Kontakt zwischen Kupfer und Aluminium unterbindet, wodurch keine Kontaktkorrosion entstehen kann. Beim Reibschweißen wird die Aluminiumoxid-Schicht an der Stirnfläche des Kabels zumindest aufgerissen und ermöglicht dadurch den direkten Kontakt bzw. ein Legieren zwischen „reinem" Aluminium und Kupfer. Durch die legierte Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer und einer damit einhergehenden, teilweisen Unterdrückung einer sich bildenden Oxidschicht wird der Übergangswiderstand zwischen Kabel und Anschlussteil verringert. Da für diese Verbindung Verpressen nicht erforderlich ist, stellt „Setzen" keine störende Erscheinung dar.

Obwohl der Stromtransport direkt von der Stirnseite des Kabels in das Anschlussteil erfolgt, stellt die offenbarte Verbindung keine befriedigende Lösung für das Verbinden von Aluminiumkabel mit Kupferanschlussteil dar. Denn ebenso wie der Stromtransport direkt über die Stirnseite des Kabels verläuft, wirken mechanische Belastungen beispielsweise durch Zug am Kabel, da keine Zugentlastung vorgesehen ist, auf die Verbindung an der Stirnseite des Kabels ein. Aus mechanischen Zusammenhängen ergibt sich, dass hier Zugkräfte direkt in Zugrichtung auftreten und nicht quer zur Zugrichtung verteilt und somit abgeschwächt werden. Infolgedessen hat die vorgeschlagene Verbindung nur eine unzureichende mechanische Festigkeit.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zur sicheren Kontaktierung eines Aluminiumkabels und eine sichere Verbindung zur Kontaktierung und Befestigung eines Aluminiumkabels anzugeben.

Diese Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens in einer ersten Alternative erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Aluminiumkabel, das aus Einzelleitern wie Drähten oder Litzen aufgebaut ist, in der Weise kontaktiert wird, dass über eine Stirnseite eines abisolierten Endes des Kabels eine metallische, an der Innenseite verzinnte Kontaktklemme, insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, geschoben wird und über eine Öffnung mittels Ultraschall – Verzinnung mit den Einzelleitern am Ende des Kabels dauerhaft metallisch verbunden wird.

Die Ultraschall-Verzinnung der einzelnen Al-Leiter wird in einem flüssigen Zinnbad durchgeführt, und zwar so, dass das zu verzinnende Ende des Kabels mit aufgeschobener Kontaktklemme stirnseitig frontal gegenüber einer Ultraschall erzeugenden Sonotrode positioniert wird. Durch den erzeugten Schalldruck wird die Flüssigkeit des Zinnbades auf die Stirnseite des Kabels zu beschleunigt und bewirkt, dass die Aluminiumoxid-Schicht aufgebrochen wird. Das geschieht sowohl stirnseitig als auch im Innenbereich des Kabels zwischen den Einzelleitern und zwischen den Einzelleitern und der Kontaktklemme. An den Stellen, wo die Oxidschicht aufgerissen wurde, lagert sich an freiliegendem, „reinem" Aluminium Material des Zinnbades an und baut so leitende Zinnverbindungen zwischen den Einzelleitern bzw. zwischen diesen und der Kontaktklemme auf. Die auf diese Weise aufgebauten leitenden Zinnverbindungen werden durch eine mögliche Oxidation des Aluminiums nicht beeinträchtigt.

Die Kontaktklemme weist sinnvoller Weise eine auf beiden Seiten offene Bohrung auf, in welche das Kabel eingeführt ist. Auf diese Weise ergibt sich auf der Seite des Kabelendes die benötigte Öffnung, über welche die Ultraschall- Verzinnung der Einzelleiter untereinander und mit der Kontaktklemme erfolgen kann. Es ist aber auch vorstellbar, die Öffnung anders auszugestalten. Auf jeden Fall muss genügend Freiraum bleiben, damit die Ultraschall-Verzinnung stirnseitig durchgeführt werden kann. Da die Kontaktklemme zum späteren Kontaktieren des Kabels an einer Anschlussstelle entsprechend ausgeformt ist, ist es vorstellbar, die Form der Sonotrode an die Form der Kontaktklemme anzupassen.

Von Vorteil ist es, wenn die Kontaktklemme unter Zwischenlage einer metallischen, insbesondere Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassenden, zumindest an der Innenseite verzinnten Hülse über die Stirnseite geschoben wird, und zusammen mit der Hülse und den Einzelleitern metallisch verzinnt wird. An dem der Stirnseite des Kabels abgewandten Seite der Hülse bewirkt diese bei einer nachfolgenden mechanischen Verpressung der Kontaktklemme mit dem Kabel oder einer nachfolgenden Verzinnung der Hülse mit der Kontaktklemme eine verbesserte und dauerhafte Kontaktierung, da dem Setzen des Aluminiums entgegengewirkt wird. Ebenso wird auf diese Art und Weise eine höhere Zugbelastung der Kontaktklemme ermöglicht.

Die Ultraschall-Verzinnung bewirkt, dass sich stirnseitig am Ende des Kabels eine deckelartige, dauerhafte Zinnverbindung bildet, welche die Einzelleiter untereinander, gegebenenfalls mit der Hülse, und mit der Kontaktklemme leitend verbindet. Eine solche elektrisch leitende Zinnverbindung kann sich auch teilweise in die Tiefe des abisolierten Endes des Kabels erstrecken und dort die Einzelleiter mit der Hülse oder der Kontaktklemme verbinden.

Als vorteilhafter Verfahrensschritt kann die Kontaktklemme, die sich beispielsweise in ihrer Endposition über die Hülse hinweg auf den anschließenden isolierten Teil des Kabels erstrecken kann, mit der Hülse und der anschließenden Isolierung formschlüssig verpresst werden. Dabei werden vorzugsweise Kontaktklemme und Hülse so miteinander verpresst, dass der Bereich, über den sich die Zinnverbindung in der Hülse erstreckt, von der Verpressung ausgenommen wird.

Die Verpressung der Kontaktklemme mit der gegebenenfalls vorhandenen Hülse und dem Kabel kann entfallen, wenn die Verzinnung oder Verlötung zwischen der Kontaktklemme, gegebenenfalls der Hülse, und den verzinnten Einzelleitern des Kabels bezüglich der auftretenden Zugkräfte ausreicht.

Damit die Kontaktierung zwischen der Kontaktklemme, der Hülse und den Einzelleitern des Kabels Zugkräften standhalten kann, ist es von Vorteil, wenn die Hülse und die Kontaktklemme alternativ oder anstelle einer Verpressung zumindest lokal derart erwärmt werden, dass die Verzindung an der Außenseite der Hülse und an der Innenseite der Kontaktklemme schmelzflüssig wird, so dass nach Erkalten die Hülse und die Kontaktklemme über eine metallische Zinnverbindung verbunden sind. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 199 02 405 A1 bekannt. Hierzu kann beispielsweise mittels Elektroden Strom an die Kontaktierung angelegt werden. Nach dem Prinzip des Widerstandsschweißens erwärmen sich dabei die metallischen Bauteile Kontaktklemme und Hülse sowie die verzinnten Einzelleiter des Kabels, so dass sich Zinn bei einer Schmelztemperatur von 232°C auf der Innenseite der Kontaktklemme und der Außenseite der Hülse verflüssigt und eine feste metallische Verbindung nach dem Erstarren zwischen Hülse und Kontaktklemme bildet. Alternativ zu dem Verfahren des Widerstandsschweißens ist auch eine induktive elektrische Erwärmung mittels einer Induktionsspule oder eine Erwärmung in einem flüssigen Bad aus z.B. Öl, Zinn oder Glyzerin vorstellbar.

In einer alternativen Lösung des Verfahrens zur Kontaktierung eines aus Einzelleitern wie Drähten oder Litzen aufgebauten Aluminiumkabels wird erfindungsgemäß eine verzinnte Kontaktklemme über das abisolierte Ende des Kabels geschoben und mit den Einzelleitern am Ende des Kabels stirnseitig mittels Wolfram-Inertgasschweißen oder Metall-Inertgasschweißen dauerhaft verschweißt. Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte entsprechen mit der Maßgabe, dass anstelle der Ultraschall-Verzindung ein Wolfram-Inertgasschweißen, ein Metall-Inertgasschweißen oder ein Laserschweißen angewendet wird, den Schritten, wie sie bereits im vorher beschriebenen Verfahren angegeben wurden.

Die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung wird erfindungsgemäß durch eine Verbindung zur Kontaktierung und Befestigung eines aus Einzelleitern wie Drähten oder Litzen aufgebauten Aluminiumkabels gelöst, welche eine an der Innenseite verzinnte Kontaktklemme, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist, die über eine Öffnung mit den Einzelleitern dauerhaft durch eine stirnseitige, deckelartige Zinn- oder Schweißverbindung verbunden ist, wobei sich die Zinn- oder Schweißverbindung zusätzlich oder ausschließlich teilweise in das Innere des Kabelendes erstrecken kann.

Vorteilhafterweise weist die Verbindung eine zumindest an der Innenseite verzinnte metallische Hülse, insbesondere aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung auf, die mit den Einzelleitern und der Kontaktklemme durch die stirnseitige deckelartige Zinn- oder Schweißverbindung und/oder durch eine innere Zinn- oder Schweißverbindung verbunden ist.

Dabei ist vorteilhafterweise die Kontaktklemme mit dem Kabel und gegebenenfalls mit der Hülse mechanisch verpresst. Dabei ist vorteilhafterweise der Teil der Hülse, in dem die Zinn- bzw. Schweißverbindung ausgebildet ist, von der Verpressung ausgenommen.

Zusätzliche Weiterbildungen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche abstrahiert und nicht ganz maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.
Dabei zeigt
1 das Kontaktende eines abisolierten Kabels mit aufgeschobener Hülse und Kontaktklemme bei der Ultraschall-Verzinnung im Zinnbad,
2 das Kontaktende eines abisolierten Kabels entsprechend 1, wobei die Kontaktklemme hinsichtlich ihrer Befestigungsbohrung alternativ ausgestaltet ist,
3 eine fertig verpresste Kontaktklemme mit innenliegendem Kabelende,
4 das Kontaktende eines abisolierten Kabels mit aufgeschobener Hülse und Kontaktklemme mit stirnseitiger, deckelartiger Zinnverbindung beim Widerstandsverschweißen, und
5 das Kontaktende eines abisolierten Kabels mit Hülse und Kontaktklemme bei der Verschweißung mittels WIG oder MIG.
In 1 ist ein Teillängsschnitt durch das Ende eines Aluminiumkabels 10 dargestellt. Das Kabel 10 ist aus Einzelleitern 11 wie Drähten oder Litzen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung sowie einer die Einzelleiter 11 umschließenden Isolierung 12 aufgebaut. Über ein abisoliertes Ende 13 des Kabels 10 ist eine metallische Kontaktklemme 22, deren Außendurchmesser in etwa dem Außendurchmesser des isolierten Kabels entspricht, geschoben. Die Kontaktklemme 22 besteht aus Kupfer und ist zumindest innen verzinnt. Die Kontaktklemme 22 ist bis zum Beginn der Isolierung 12 geschoben und weist eine durchgehende Bohrung 2 zur Aufnahme der Einzelleiter 11 des Kabels 10 auf. Am unteren Ende der Kontaktklemme 22 weist diese eine Verlängerung mit einer Befestigungsbohrung 3 zum Anschluss beispielsweise an eine Batterie auf.
Die Innenverzinnung der Kontaktklemme 22 vermeidet eine Kontaktkorrosion zwischen den Einzelleiter 11 aus Aluminium und der Kontaktklemme 22 aus Kupfer. Dadurch liegen die Einzelleiter 11 aus Aluminium an einer Zinnschicht an und werden räumlich von dem Kupfer der Kontaktklemme 22 getrennt. Diese trennende Zinnschicht bewirkt, dass die Potentialdifferenz zwischen den Normalpotentialen von Kupfer und Aluminium herabgesetzt wird, und somit die Triebkraft für eine mögliche Kontaktkorrosion reduziert wird.
Eine dauerhafte, leitende Verbindung zwischen der Kontaktklemme 22 und den Einzelleitern 11 des Kabels 10 wird durch Ultraschall-Verzinnung erzeugt. Die Ultraschall-Verzindung ist ein gängiges, in der Fachliteratur beschriebenes Verfahren und erfolgt, wie in 1 angedeutet, in einem Gefäß 17. In diesem Gefäß 17 wird ein flüssiges Zinnbad 18 von einer Ultraschall erzeugenden Sonotrode 19 angeregt. Die Verzinnung des abisolierten Endes 13 des Kabels 10 mit der übergeschobenen Kontaktklemme 22 in dem flüssigen Zinnbad 18 erfolgt so, dass die stirnseitige Fläche 16 in geringem Abstand gegenüber der Ultraschall aussendenden Sonotrode 19 angeordnet wird. Dabei ist die Sonotrode 19 unterhalb der stirnseitigen Fläche 16 positioniert. Von der Sonotrode 19 wird Schalldruck erzeugt, der sich näherungsweise in Pfeilrichtung in das Zinnbad hinein ausbreitet.
Durch die Wirkung des Schalldrucks wird zum einen die an der stirnseitigen Fläche 16 der Einzelleiter 11 befindliche Aluminiumoxid-Schicht aufgerissen. Zum anderen breitet sich der Schalldruck auch in zwischen den Einzelleitern 11 befindlichen Kapillaren aus, dringt sozusagen entlang der Einzelleiter 11 in das abisolierte Ende 13 des Kabels 10 ein. Dort entsteht Kavitation, die bewirkt, dass die Aluminiumoxid-Schicht entlang der Einzelleiter 13 ebenfalls zumindest teilweise aufgerissen wird.
Überall dort, wo die Aluminiumoxid-Schicht aufgerissen wurde, tritt „reines" Aluminium bzw. eine „reine" Aluminium-Legierung in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit des Zinnbades 18. Dort, wo „reines" Aluminium freigelegt wurde, scheidet sich die Flüssigkeit ab, versiegelt diese Flächen und schützt sie somit gegen erneute Oxidation. Auf solchen Schichten abgeschiedenen Zinns lagert sich weiteres Material des Zinnbades 18 an und führt so sukzessive zu einer leitenden Zinnverbindung zwischen den Einzelleitern 11. Ebenso wie an den Stellen, an denen die Oxidschicht an den Einzelleitern 11 aufgerissen wurde, lagert sich die Flüssigkeit des Zinnbades 18 auch an den verzinnten Flächen der Kontaktklemme 22 an. Dadurch wird erreicht, dass die Kontaktklemme 22 ebenfalls leitend mit allen Einzelleitern 11 verbunden wird.
Durch die Verzinnung wird eine dauerhafte, leitende Zinnverbindung zwischen allen Einzelleitern 11 untereinander sowie zwischen diesen und der umgebenden Kontaktklemme 22 geschaffen. Diese dauerhafte Zinnverbindung schließt deckelartig die stirnseitige Fläche 16 des Kabels 10 einschließlich des Endes der Kontaktklemme 22 ab. Zusätzlich oder alternativ zu einer solchen deckelartigen Zinnverbindung 20 kann sich eine dauerhafte innere Zinnverbindung 21 zwischen den Einzelleitern 11 und der Kontaktklemme 22 teilweise entlang des abisolierten Teils 13 des Kabels 10 im Inneren bilden.
2 zeigt wiederum einen Teillängsschnitt durch das Ende eines Aluminiumkabels 10, dessen abisoliertes Ende 13 mit einer Hülse 14 und einer Kontaktklemme 22 durch Ultraschall-Verzinnung leitend verbunden wird. Im Gegensatz zu 1 ist über das abisolierte Ende des Kabels 10 aus Einzelleitern 11 eine metallische Hülse 14 aus Kupfer geschoben, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser des isolierten Kabels entspricht. Die Hülse 14 ist an der gesamten Oberfläche verzinnt. Die Hülse 14 wird soweit über das abisolierte Ende 13 des Kabels 10 geschoben, dass ein der Isolation 12 abgewandtes Hülsenende bündig mit einer stirnseitigen Fläche 16 des Kabels 10 abschließt.
Über die Hülse 14 und über einen Teil der Isolierung 12 ist eine metallische Kontaktklemme 22 geschoben. Diese Kontaktklemme 22 besteht aus Kupfer und ist an der Innenseite verzinnt. Die Kontaktklemme 22, wie hier dargestellt, weist einen abgewinkelten Ansatz mit einer Befestigungsbohrung 3 zum Anschluss beispielsweise an eine Batterie auf.
Durch die Ultraschall-Verzinnung, wie bereits zu 1 beschrieben, entsteht eine deckelartige und innere Zinnverbindung 20, 21, die sowohl die Einzelleiter 11 untereinander, als auch diese mit der Hülse 14 und die Hülse 14 mit der Kontaktklemme 22 dauerhaft verbindet.
In 3 ist eine mittels des beschriebenen Verfahrens zur Kontaktierung hergestellte Verbindung zur Kontaktierung und Befestigung eines aus Einzelleitern 11 aufgebauten Aluminiumkabels 10 dargestellt. Die metallische Kontaktklemme 22 ist formschlüssig mit der Hülse 14 und dem daran anschließenden Teil der Isolierung 12 verpresst. Die Kontaktklemme 22 besteht aus Kupfer und ist an ihrer Innenseite verzinnt. Die Kontaktklemme 22 ist so dimensioniert, dass sie sowohl die Hülse 14 als auch einen Teil der anschließenden Isolation 12 umschließt. Gestrichelte Linien 24 deuten die ursprüngliche Form der Kontaktklemme 22 an, bevor diese verpreßt wird. Die äußere und innere deckelartige Zinnverbindung 20 verbindet elektrisch leitend und metallisch dauerhaft die Einzelleiter 11 untereinander wie auch diese mit der Hülse 14 und der Kontaktklemme 22.
Die Kontaktklemme 22 wird so mit der Hülse 14 und der Isolation 12 verpreßt, dass ein Bereich A, über den sich die mechanische sowie leitende Zinnverbindung 20, 21 in bzw. an der Hülse 14 erstreckt, von der Verpressung ausgenommen wird. Besonders vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass die dauerhafte Zinnverbindung 20, 21, die durch Ultraschall-Verzinnung hergestellt wurde, nicht einer unnötigen mechanischen Spannung bzw. Deformation ausgesetzt ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein sich über die Isolation 12 erstreckender Bereich C mit einem anderen Druck verpreßt wird als ein die Hülse 14 umfassender und zu verpressender Teil B. Durch die Verpressung der Kontaktklemme 22 mit der Isolierung 12 des Kabels 10 wird erreicht, dass zum einen eine Zugentlastung geschaffen wird und zum anderen die Verbindung zur Kontaktierung und Befestigung gegen Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet wird.
Bei der nach dem beanspruchten Verfahren hergestellten Verbindung zur Kontaktierung und Befestigung eines Aluminiumkabels 10 stellt das „Setzen" des Aluminiums keine nennenswerte Beeinträchtigung für die Leitung von Strom dar, denn sowohl die Kontaktklemme 22 als auch die Hülse 14 sind aus Kupfer bzw. aus einer Kupferlegierung gefertigt. Bei diesem Material tritt „Setzen" nicht auf. Gleiches gilt für Zinn, das die durch Ultraschall-Verzindung hergestellte Zinnverbindung 20 und 21 bildet. Lediglich die Einzelleiter 11 des Aluminiumkabels 10 können die durch Verpressen eingebrachten Druckspannungen abbauen und eine durch Berührungskontakt gegebene leitende Verbindung beeinträchtigen. Da die Einzelleiter 11 jedoch aufgrund der Kavitationswirkung bis in das Innere des abisolierten Endes 13 des Kabels 10 über die dauerhafte Zinnverbindungen 20, 21 einen gleichbleibenden Kontakt zur Hülse 14 haben, wirkt sich der Mechanismus des „Setzens" nicht störend auf die Leitungseigenschaften der Zinnverbindung 20, 21 aus.
In 4 ist in Längsschnitt ein gemäß 1 oder 2 durch Ultraschall-Verzinnung hergestelltes Ende eines Kabels 10 mit Einzelleitern 11 einer verzinnten Hülse 14 und einer über die Hülse 14 und einen Teil der Isolierung 12 geschobenen Kontaktklemme 22 dargestellt. Über eine deckelartige Zinnverbindung 20, 21 sind die Einzelleiter 11 mit der Hülse 14 und mit der Kontaktklemme 22 dauerhaft leitend metallisch verbunden. Anstelle der in 3 dargestellten Verpressung der Kontaktklemme 22 mit der Hülse 14 wird alternativ mittels Widerstandsschweißen über die Elektroden 4 und 5 ein Strom durch die Kontaktklemme 22, die Hülse 14 und die Einzelleiter 11 hindurch geleitet. An der Stelle des größten Widerstands, beispielsweise an der lockeren Verbindung zwischen der Hülse 14 und der Kontaktklemme 22 in Höhe der Elektroden 4, 5 entsteht ein sehr hoher Wärmeeintrag in das Material, so dass an dieser Stelle das an der Innenseite der Kontaktklemme 22 und an der Außenseite der Hülse 14 angebrachte Zinn schmelzflüssig wird und nach Erstarren eine dauerhafte metallische Verbindung 6 zwischen der Hülse 14 und der Kontaktklemme 22 schafft. Durch diese metallische Verbindung 6 kann auf das Verpressen verzichtet werden, da hierdurch ebenfalls eine feste Verbindung geschaffen wird, die einer Zugbelastung durch die Kontaktklemme 22 entgegenwirkt.
In einem alternativen Verfahren zur Kontaktierung eines aus Einzelleitern 11 wie Drähten oder Litzen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung aufgebauten Kabels 10 wird anstelle der Ultraschall-Verzindung eine dauerhafte Verbindung zwischen Einzelleitern 11 und Hülse 14 mittels Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), Metall-Inertgasschweißen (MIG) oder Laserschweißen hergestellt. Bei WIG und MIG handelt es sich um gängige, in der Fachliteratur beschriebene Lichtbogen-Schweißverfahren unter inertem Schutzgas, bei denen ein Schweißgut unter Zugabe von Schweißzusätzen aufgeschmolzen wird.
In 5 ist schematisch die Verwendung von WIG bzw. MIG für die Herstellung einer dauerhaften, mechanisch festen und elektrisch leitenden Schweißverbindung dargestellt. Aus einer Schutzgasdüse 26 wird inertes Schutzgas in Pfeilrichtung freigesetzt, das in Form eines Schutzgasschleiers 27 eine Elektrode 28 und ein als Schweißgut fungierendes Ende eines Kabels 10 umspült. Aufgrund einer angelegten Spannungsdifferenz wird zwischen der Elektrode 28 und dem Ende des Kabels 10 ein Lichtbogen 29 ausgebildet. Im Falle des MIG besteht die Elektrode 28 aus einem Aluminiumdraht, der beim Schweißen abgeschmolzen wird und auf Grund dessen kein weiterer Schweißzusatz erforderlich ist. Im Gegensatz dazu wird beim WIG eine Elektrode 28 aus Wolfram sowie ein zusätzlicher Schweißzusatz 30 verwendet.
Für die Anwendung von WIG oder MIG zur Kontaktierung eines Aluminiumkabels 10 ist die metallische Hülse 14 aus Aluminium bzw. aus einer Aluminiumlegierung gefertigt. Eine dauerhafte Schweißverbindung wird dadurch gebildet, dass die Einzelleiter 11 sowie der Bereich der Hülse 14, an dem der elektrisch leitende Kontakt mit den Einzelleitern 11 hergestellt wird, und die Kontaktklemme 22 über Aufschmelzen und Erstarren miteinander verschweißt werden. Dabei bildet sich über die stirnseitige Fläche 16 des Kabels 10, des Hülsenendes 15 und des Endes der Kontaktklemme 22 hinweg eine dauerhafte, deckelartige Schweißverbindung 31, welche alle Einzelleiter 11 untereinander, mit der Hülse 14 und der Kontaktklemme 22 leitend und mechanisch verbindet. Darüber hinaus oder alternativ dazu kann auch eine, sich tiefer in das abisolierte Ende 13 des Kabels 10 erstreckende innere Schweißverbindung 32 gebildet werden. Die übrigen Verfahrensschritte für die Kontaktierung des Aluminiumkabels 10 entsprechen in identischer Weise den beschriebenen Verfahrensschritten bei der Ultraschall-Verzinnung.

Claims

Verfahren zur Kontaktierung eines Kabels (10), das aus Einzelleitern (11) wie Drähten oder Litzen aus Aluminium oder aus einer Aluminium-Legierung aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Stirnseite eines abisolierten Endes (13) des Kabels (10) eine metallische, an der Innenseite verzinnte Kontaktklemme (22), insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, geschoben wird, die über eine Öffnung mit den Einzelleitern (11) am Ende des Kabels (10) stirnseitig mittels Ultraschall-Verzinnung metallisch verzinnt wird.
Verfahren zur Kontaktierung eines Kabels (10), das aus Einzelleitern (11) wie Drähten oder Litzen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Stirnseite eines abisolierten Endes (13) des Kabels (10) eine metallische, vorzugsweise verzinnte Kontaktklemme (22), insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, geschoben wird, die über eine Öffnung mit den Einzelleitern (11) am Ende des Kabels (10) stirnseitig mittels Wolfram-Inertgasschweißen (WIG), Metall-Inertgasschweißen (MIG) oder Laserschweißen metallisch verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22) unter Zwischenlage einer metallischen, insbesondere Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung umfassenden, zumindest an der Innenseite verzinnten Hülse (14) über die Stirnseite geschoben wird, und zusammen mit der Hülse (14) und den Einzelleitern (11) metallisch verzinnt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Verzinnung in einem flüssigen Zinnbad (18) durchgeführt wird, indem die stirnseitige Fläche (16) des zu verzinnenden Endes des Kabels (10) gegenüber einer Ultraschall aussendenden Sonotrode (19) positioniert wird, wobei durch den erzeugten Schalldruck und einer sich im Bereich zwischen den Einzelleitern (11) ausbildenden Kavitation eine die Einzelleiter (11) umschließende Oxidschicht stirnseitig sowie entlang der Einzelleiter (11) aufgebrochen wird, dort Material des Zinnbades (18) abgeschieden wird und die Einzelleiter (11) über das abgeschiedene Material dauerhaft miteinander und mit der Kontaktklemme (22) und gegebenenfalls mit der Hülse (14) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ultraschall-Verzinnung zwischen den Einzelleitern (11), der Kontaktklemme (22) und gegebenenfalls der Hülse (14) stirnseitig eine deckelartige Zinnverbindung (20) und/oder eine innere Zinnverbindung (21) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22), gegebenenfalls mit der Hülse (14), mit dem Kabel (10) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22) so verpresst wird, dass ein Bereich (A), über den sich die Zinnverbindung (20, 21) erstreckt, von der Verpressung ausgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (14) und die Kontaktklemme (22) zumindest lokal derart erwärmt werden, dass die Verzinnung an der Außenseite der Hülse (14) und an der Innenseite der Kontaktklemme (22) schmelzflüssig wird, so dass nach Erkalten die Hülse (14) und die Kontaktklemme (22) über eine metallische Zinnverbindung verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22) unter Zwischenlage einer metallischen, insbesondere Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung umfassenden, zumindest an der Innenseite verzinnten Hülse (14) über die Stirnseite geschoben wird, und zusammen mit der Hülse (14) und den Einzelleitern (11) mittels Ultraschallverschweißen metallisch verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das WIG, MIG oder Laserschweißen zwischen den Einzelleitern (11), der Kontaktklemme (22) und gegebenenfalls der Hülse (14) stirnseitig eine deckelartige Schweißverbindung (31) und/oder eine innere Schweißverbindung (32) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22), gegebenenfalls mit der Hülse (14), mit dem Kabel (10) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22) so verpresst wird, dass ein Bereich (A), über den sich die Schweißverbindung (31, 32) in der Hülse (14) erstreckt, von der Verpressung ausgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (14) und die Kontaktklemme (22) zumindest lokal derart erwärmt werden, dass die Verzinnung an der Außenseite der Hülse (14) und an der Innenseite der Kontaktklemme (22) schmelzflüssig wird, so dass nach Erkalten die Hülse (14) und die Kontaktklemme (22) über eine metallische Zinnverbindung verbunden sind.
Verbindung zur Kontaktierung und Befestigung eines isolierten aus Einzelleitern (11) wie Drähten oder Litzen aus Aluminium bzw. aus Aluminiumlegierung aufgebauten Kabels (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Innenseite verzinnte Kontaktklemme (22), insbesondere aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, das Kabelende umschließt, und über eine Öffnung mit den Einzelleitern (11) dauerhaft durch eine stirnseitig deckelartige Zinn- (20) oder Schweißverbindung (31) verbunden ist.
Verbindung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22) mit den Einzelleitern (11) dauerhaft durch eine innere Zinn- (21) oder Schweißverbindung (32) verbunden ist:
Verbindung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest an der Innenseite verzinnte metallische, insbesondere Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium oder Aluminiumlegierung umfassende Hülse (14) mit den Einzelleitern (11) und der Kontaktklemme (22) durch eine stirnseitig deckelartige Zinn- (20) oder Schweißverbindung (31) und/oder durch eine innere Zinn- (21) oder Schweißverbindung (32) verbunden ist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktklemme (22), gegebenenfalls mit der Hülse (14), mit dem Kabel (10) verpresst ist
Verbindung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (A), in dem die Zinn- (20, 21) bzw. Schweißverbindung (31, 32) ausgebildet ist, von der Verpressung ausgenommen ist.
Verbindung nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (14) mit der Kontaktklemme (22) über eine metallische Zinnverbindung verbunden ist.