DE3785140T2

DE3785140T2 - Verfahren zur herstellung einer verschweissten elektrischen kontaktanordnung.

Info

Publication number: DE3785140T2
Application number: DE8787115630T
Authority: DE
Inventors: Akbar Saffari
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1986-10-27
Filing date: 1987-10-24
Publication date: 1993-08-05
Anticipated expiration: 2007-10-25
Also published as: EP0265878A2; US4706383A; JPS63124314A; EP0265878B1; CA1291864C; DE3785140D1; EP0265878A3; JPH0736298B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschweißten Kontaktanordnung mit einer nichtschweißenden elektrischen Kontaktoberfläche.
Es ist notwendig und in Verbindung mit elektrischen Schaltern für Anwendung bei hohen Strömen und hohen Spannungen bekannt, ein Kontaktmaterial zu verwenden, welches einer Verschweißung wiedersteht, um ein Verschweißen der elektrischen Kontakte infolge Lichtbogenbildung beim Öffnen und/oder Schließen der Kontakte zu verhindern. Die gleichen Eigenschaften, welche das Material für nicht verschweißende Kontakte geeignet machen, begrenzt jedoch auch die Zusammenbau- und Herstellungsverfahren, welche benutzt werden können. Mit solchen Materialien sind auf Wärme beruhende Verbindungsmethoden wie Löten, Hartlöten oder Schweißen schlecht zu verwenden, und die Haftung des Kontakts am Kontaktträger kann strukturell ungünstig sein. Darüber hinaus können die elektrischen Eigenschaften einer solchen Anordnung negativ beeinflußt werden. Kontaktwerkstoffe aus Silber- und Metalloxyd- Verbindungen, die hocherwünschte, nicht schweißende Eigenschaften haben, können jedoch praktisch nicht durch Widerstandsschweißmethoden verschweißt werden. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar, weil Widerstandsschweißen eines der billigsten, einfachsten und zuverlässigsten Verfahren ist, um einen Kontakt an einem Kontaktträger zu befestigen.
Man hat mit verschiedenen Techniken versucht, das Schweißen zum Anbringen von Kontakten mit nichtschweißenden Eigenschaften an Kontaktträgern anzuwenden. Ein Versuch bestand in der Bildung einer Schicht eines Metalloxyds auf einem Basismaterial mit guten Schweißeigenschaften. Das Basismaterial kann dann mit dem Kontaktträger verschweißt werden, und die Oxydschicht auf dem Basismaterial bildet die elektrische Kontaktoberfläche. Ein anderer Versuch bestand darin, auf einem nichtschweißenden Material, welches die elektrische Kontaktoberfläche bildet, eine Schicht aus einem Material mit guten Schweißeigenschaften zu bilden oder zu befestigen. Beispielsweise zeigen US-A 2 425 053 und 2 468 888 elektrische Kontakte, welche einzeln dadurch hergestellt sind, daß man eine Schicht aus Silber oder einem Silberlegierungspulver in eine geeignete Gießform gibt und die Schicht dann mit einer Schicht aus einem geeigneten Metalloxydpulver bedeckt. Hernach wird das Pulver in der Form unter hohem Druck einem Schmelz- und Wärmesintervorgang unterworfen. Der sich ergebende Kontakt hat eine nicht schweißende Metalloxyd- Kontaktoberfläche und eine Metallrückseite mit guten Schweißeigenschaften. Ein Nachteil dieses Verfahrens, bei dem die Kontakte einzeln hergestellt werden, liegt darin, daß es langsam und teuer ist.
Eine andere Technik ist in US-A 4 342 893 beschrieben. Hierbei wird ein Band aus zusammengesetztem Kontaktmaterial durch einen Rollprozeß hergestellt, bei dem ein Draht aus einem Metalloxyd zusammen mit einem oder mehreren Metalldrähten, beispielsweise einem Silber- Kupferlegierungslot, zu einem Band ausgerollt werden, welches eine nichtschweißende elektrische Kontaktoberfläche und ein oder mehrere Sicken oder Rippen aus einem Material mit guten Schweißeigenschaften auf der Rückseite aufweist, um das Verschweißen von Segmenten des Bandes mit einem Kontaktträger zu ermöglichen. Einer der Nachteile eines Rollverfahrens besteht darin, daß es nicht bei hinreichend hohen Temperaturen durchgeführt werden kann, um eine metallurgische Verbindung zwischen der Metallegierung und dem Metalloxydwerkstoff zu erreichen. Für die hiesigen Zwecke wird eine metallurgische Verbindung dahingehend definiert, daß es eine Verbindung ist, bei der die beiden Materialien an ihren Berührungsflächen merklich ineinander diffundieren. Eine metallurgische Verbindung zwischen dem Metall und den Metalloxydwerkstoffen ist erwünscht und/oder notwendig, um die erforderlichen strukturellen Eigenschaften des zusammengesetzten Kontaktmaterials und der Kontakt/Kontaktträger-Baugruppe zu erzielen. Wenn bei der Technik gemäß US-A 4 342 893 zwecks Erzielung einer metallurgischen Verbindung eine hinreichend hohe Temperatur benutzt würde, würden das Metall und/oder der Metalloxydwerkstoff dazu neigen, an den Verformungsrollen zu haften.
DE-U 77 33 326 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung elektrischer Kontaktteile, bei dem das Kontaktmaterial in Form eines elektrisch leitenden und gut schweißbaren Werkstoffs, beispielsweise Silberkadmium, zunächst durch eine Oxydationskammer bewegt wird, wo es einem Gas mit Sauerstoffgehalt ausgesetzt ist, so daß ein Mantel aus Silberkadmiumoxyd auf dem äußeren Umfang des Drahtes gebildet wird. Silberkadmiumoxyd ist nicht schweißbar. Die Dicke des Oxydmantels kann über die Sauerstoffzuführ, die Temperatur sowie die Behandlungszeit innerhalb der Oxydationsapparatur reguliert werden.
Der Draht mit dem Oxydmantel wird dann einer Schneide- oder Schälvorrichtung zugeleitet, wo der Oxydmantel von einer Längsseite des Drahtes entfernt wird, so daß an dieser Seite das elektrisch leitende Kernmaterial des Drahtes zugängig wird. Danach werden von der den Oxydmantel tragenden Seite her in regelmäßigen Abständen Kerben in den Draht gedrückt. An den Stellen der Kerben wird das Kontaktmaterial mit dem Oxydmantel geschnitten, und jedes einzelne, hierdurch gebildete Kontaktstück wird mit seiner oxydfreien Oberfläche gegen einen Kontaktträger gedrückt und mit ihm durch Elektroschweißen verbunden, wobei eine Elektrode den Kontaktträger und die Gegenelektrode das Kontaktstück an seiner den Oxydmantel tragenden Seite berührt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontaktanordnungen zu finden, bei dem eine wirkliche metallurgische Verbindung zwischen einem nichtschweißenden Metalloxydwerkstoff und einer Schicht mit guten Schweißeigenschaften hergestellt wird. Diese und andere Ziele werden durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung erreicht. Das neue Verfahren vermeidet die erwähnten Probleme durch Verwendung eines heiß stranggepreßten Verbindungs-Kontaktwerkstoffes. Der Verbindungskontaktwerkstoff ist in Drahtform wirtschaftlich herstellbar und für eine hochintegrierte automatische Schalterherstellung und entsprechende Maschinen geeignet. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten elektrischen Kontaktwerkstoffes (Komposit-Werkstoff) und eine verschweißte Kontaktanordnung mit solchem Material. Die Kontaktanordnung hat nichtschweißende Eigenschaft an ihren elektrischen Kontaktoberflächen. Das Kompositmaterial wird durch Bilden eines zylindrischen Kerns aus einem ersten metallischen Material mit nichtschweißenden Eigenschaften und einer rohrförmigen Hülse aus einem zweiten metallischen Material mit guten Schweißeigenschaften hergestellt. Der Kern befindet sich innerhalb der Hülse, so daß ein Rohling entsteht, der bei hohen Temperaturen in einen Draht mit einem Kern aus einem ersten Material und einer Deckschicht aus einem zweiten Material stranggepreßt wird, welche metallurgisch miteinander verbunden sind. Die Kontaktanordnung wird durch Bilden eines Kontaktträgers, Verschweißen eines Segments des Drahtes mit genügend Material zwecks Bildung des gewünschten Kontaktes auf dem Kontaktträger sowie durch Prägen des Segments in die gewünschte Kontaktform hergestellt. Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 im Teilschnitt eine schematische Darstellung eines Teils der Strangpreßvorrichtung mit einem Rohling aus Kompositmaterial in der Kammer der Vorrichtung und zwar vor Beginn des Strangpreßvorgangs;
Fig. 2 eine Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Figur 1 während des Strangpressens, währenddessen der Rohling zu einem Draht verformt wird;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Draht gemäß Figur 2;
Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht eines Kontaktträgers mit einem daran angeschweißten Stück des Drahtes gemäß Figur 2 und 3; sowie
Fig. 5 eine Ansicht des Kontaktträgers gemäß Figur 4 nach dem Prägen des Drahtstückes in die gewünschte Kontaktform.
In den Figuren 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Strangpreßvorrichtung mit einer Form 11 mit zylindrischem Hohlraum 12, der in eine Düse 13 übergeht. Ein Stempel 14 wird durch eine nicht dargestellte Vorrichtung angetrieben und gleitet im Hohlraum 12 und preßt das darin enthaltene Material durch die Düse 13.
Innerhalb der Kammer 12 befindet sich ein Komposit- Rohling aus elektrisch leitfähigen Werkstoffen mit einem zylindrischen Kern 20 aus Metalloxyd, beispielsweise Silberkadmiumoxyd oder Silberzinnoxyd mit nichtschweißenden Eigenschaften. Der Kern ist von einem Mantel oder einer Hülse aus einer Metallverbindung mit guten Schweißeigenschaften umgeben, beispielsweise aus Feinsilber, Silberkadmium oder Silberzinn. Die Hülse 21 kann durch Gießen eines Rohrstückes aus geeignetem Material sowie durch anschließendes Bearbeiten hergestellt werden, wie dies zur Erzielung eines geeigneten Innendurchmessers für die Aufnahme des Kerns 20 erforderlich ist und zwar mit einer Wandstärke, welche nach dem Strangpressen oder einem anderen Verfahren eine Schicht geeigneter Dicke auf dem Kernmaterial 20 entstehen läßt.
Der Strangpreßvorgang wird bei einer Temperatur durchgeführt, welche hinreichend hoch ist, um den gewünschten Grad von Plastizität der Werkstoffe von Kern 20 und Hülse 21 zu erzielen. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, ergibt sich ein Draht 22 mit einem Kern 23 aus Metalloxyd gebildet aus dem Kern 20, der von einer Außenschicht 24 aus dem Metall der Hülse 21 umgeben ist. Der beim Strangpreßvorgang angewandte Druck und die Temperatur erzielt eine metallurgische Verbindung an der Grenzfläche 25 zwischen Kern 23 und Außenschicht 24. Folglich bewirkt die Verbindung eine ausgezeichnete Haftung zwischen den beiden Werkstoffen.
Nach dem Strangpressen wird der Draht 22 kaltgezogen und ein oder mehrere Male geglüht, um die gewünschten Drahtabmessungen zu erzielen, und anschließend getempert. Wegen der Härte und Sprödigkeit des hier in Betracht kommenden Oxydmaterials beträgt die maximale, während eines Kaltziehvorgangs mit annehmbaren Ergebnissen erzielbare Durchmesserverringerung etwa 20%. Es soll jedoch erwähnt werden, daß bei Einschluß des Kernmaterials in eine Schicht aus besser verformbarem Material eine größere Verarbeitungsbreite für das Kernmaterial sowohl während des Strangpreß- als auch während des Kaltziehvorgangs erzielbar ist.
Die Figuren 4 und 5 zeigen, wie Stücke des Drahtes 22 zur Herstellung eines elektrischen Kontakts in einer Schaltkontaktanordnung benutzt werden können. Ein Kontaktträger 30 wird üblicherweise aus einem Kupfer- oder einem Kupferlegierungsblech oder -Streifen ausgestanzt. Ein Drahtstück oder Segment 31 wird von dem, wie zuvor erwähnt, hergestellten Draht abgeschnitten. Da die Außenschicht des Drahtes 31 aus einem Material mit guten Schweißeigenschaften besteht, kann es leicht und sicher durch herkömmliches Widerstandsschweißen mit dem Träger 30 verschweißt werden. Anschließend an das Verschweißen des Drahtsegments 31 mit dem Träger 30 wird das Drahtsegment in eine gewünschte Kontaktform 32 oder Kontaktgestalt geprägt, wie dies in Figur 5 wiedergegeben ist. Das Prägen hinterläßt eine dünne Schicht aus Metall oder der Metallverbindung der Hülse 21 auf der elektrischen Kontaktoberfläche 33. Obwohl dieses Material gute Schweißeigenschaften hat und normalerweise für elektrische Kontaktoberflächen eines Hochspannungs- oder Hochstromschalters geeignet wäre, hat sich gezeigt, daß wenn die Schicht in der Größenordnung von 0,0762 mm gehalten wird, dieses Material während weniger Schaltvorgänge oxydiert und ein Material bildet mit Eigenschaften ähnlich den nichtverschweißenden Eigenschaften des darunterliegenden Metalloxyds.
Die Herstellung der Kontaktanordnung wurde in mehreren einzelnen Schritten beschrieben. In einer modernen integrierten Hochgeschwindigkeits-Produktionsmaschine erfolgt jedoch das Abschneiden eines Drahtsegments 31, sein Widerstands-Verschweißen mit einem Kontaktträger und das Prägen in eine gewünschte Kontaktgestalt fast gleichzeitig in einer einzigen Arbeitsstation. Der Draht zur Bildung der Segmente 31 und ein Streifen aus Kontaktträgern 30 können kontinuierlich der Station zugeführt werden, wodurch sich eine sehr hohe Produktionsgeschwindigkeit ergibt. Man sieht folglich, daß das vom Anmelder entwickelte Komposit-Kontaktmaterial für einen modernen Hochgeschwindigkeits-Produktionsprozeß gut geeignet ist. Weiterhin läßt sich das Komposit- Kontaktmaterial relativ preisgünstig herstellen, durch herkömmliches Widerstandsschweißen leicht an einem Kontaktträger befestigen und führt zu einem hochleistungsfähigen elektrischen Schalter mit einer ausgezeichneten Resistenz gegen Kontaktfussion.
Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung zwecks Erläuterung in einer bestimmten Form beschrieben wurde, sind zahlreiche Abwandlungen des offenbarten Verfahrens möglich. Die Oberflächenschicht 33 auf dem Kontakt 32 ist vorzugsweise zwischen 0,0508 bis 0,1016 mm dick. Falls erforderlich können Kontakte 32 gleichzeitig auf beiden Seiten des Trägers 30 angebracht werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer verschweißten elektrischen Kontaktanordnung mit einem Kontakt, der auf seiner elektrischen Kontaktoberfläche nicht- schweißende Eigenschaften hat, mit folgenden Schritten:

a) Herstellen eines Rohlings mit einem Kern (20) aus einem ersten metallischen Material (23) mit nicht-schweißenden Eigenschaften und einer Deckschicht (21) aus einem zweiten metallischen Material (24) mit gut schweißenden Eigenschaften;

b) Strangpressen des Rohlings zwecks Bildung eines Drahtes (22) aus dem ersten metallischen Material (32) mit einer daran haftenden Schicht des zweiten metallischen Materials (24), wobei der Strangpreßvorgang und die Abmessungen des Kerns und der Deckschicht so gewählt sind, daß eine metallurgische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Material entsteht;

c) Formen eines elektrischen Kontaktträgers (30) aus einem Metall mit guten Schweißeigenschaften;

d) Anschweißen eines Segments (31) des Drahtes mit genügend Material an den Kontaktträger zwecks Bildung einer gewünschten Kontaktanordnung; und

e) Prägen des an den Kontaktträger angeschweißten Drahtsegments zwecks Bildung eines elektrischen Kontakts (32); wobei

f) die Abmessungen des Kerns (20) und der Deckschicht (21) sowie die Betriebsgrößen des Prägeprozesses derart gewählt sind, daß eine Schicht des zweiten Materials (24) mit einer Dicke zwischen 0,0508 und 0,1016 mm auf der elektrischen Kontaktoberfläche (23) des Kontaktes (23) entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Herstellung des Rohlings besteht aus

g) Formen eines zylindrischen Knüppels (20) aus einem ersten nicht-schweißbaren metallischen Material (23);

h) Formen eines rohrförmigen Teils (21) aus einem zweiten metallischen Material (24) mit guten Schweißeigenschaften derart, daß das rohrförmige Teil über den zylindrischen Knüppel paßt;

i) Einsetzen des zylindrischen Knüppels in das rohrförmige Teil zwecks Bildung eines Rohlings mit einem Kern aus dem ersten Material und einer Deckschicht aus dem zweiten Material.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Teil (21) durch Gießen eines Rohrs aus dem zweiten metallischen Material (24) hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, daddurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Strangpressens des Rohlings bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Strangpressens des Rohlings zur Bildung eines Drahtes bei einer erhöhten Temperatur ausgeführt wird und sich als weitere Schritte ein Kaltziehen und ein Glühen des Drahtes zur Erzielung gewünschter Enddimensionen sowie ein Tempern anschließen.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste metallische Material (23) Silberkadmiumoxyd ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Material (24) eine Silberkadmiumlegierung ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste metallische Material (23) Silberzinnoxyd ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Material (24) eine Silberzinnlegierung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Material (24) Feinsilber ist.