DE69906836T2

DE69906836T2 - Hochleistungssicherung

Info

Publication number: DE69906836T2
Application number: DE69906836T
Authority: DE
Inventors: Alain Bednarek
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-01-15
Also published as: DE69906836D1; JPH11260238A; JP4521842B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Sicherung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sicherung, insbesondere eine Sicherung; die für hohe Ströme ausgelegt ist, beispielsweise, um eine Stromleitung einer Kraftfahrzeugbatterie abzusichern.
Eine Hochleistungssicherung für eine Kraftfahrzeugbatterie wird in der Europäischen Anmeldung EP A 699565 beschrieben. Eine der Sicherungen, die in der letzteren Anmeldung beschrieben wird, weist einen Stab aus leichtschmelzender Legierung auf, der zwischen Halteschienen aus einem Material mit einem Schmelzpunkt bei höherer Temperatur als die Sicherungslegierung gehalten wird. Das Haltematerial ist beispielsweise eine Kupferlegierung, wie beispielsweise Messing (CnZn30), und der Sicherungsabschnitt besteht aus einer Zinnlegierung, beispielsweise einer Blei-Zinn-Legierung. Es wird darauf hingewiesen, daß der Sicherungsabschnitt mechanisch und elektrisch mit den Halteschienen durch Aufschmelzen (Schmelzen und anschließende Verfestigung des Sicherungsmaterials zwischen den Halteschienen) verbunden wird. Um die mechanische Belästigung des Sicherungsabschnittes zu verringern, werden die benachbarten Halteschienen sicher an einem isolierenden Halteelement befestigt. Die Bereitstellung eines Sicherungsabschnittes mit niedrigem Schmelzpunkt, wie im EP 699565 beschrieben wird, wurde als besonders wirksam bei der Bereitstellung der gewünschten Durchbrenneigenschaften ermittelt, wo hohe Ströme in der Größenordnung von zwischen 100 und 600 Ampere über vorgeschriebene Zeiten aufgenommen werden müssen. Sicherungen, die aus einem Hochtemperaturschmelzmaterial hergestellt werden, beispielsweise zusammenhängend mit benachbarten Halteschienen hergestellt, liefert oftmals nicht zuverlässige Durchbrenneigenschaften. Letztere sind einer Anzahl von Problemen ausgesetzt, wie beispielsweise dem Durchhängen der Sicherung, hohen Schmelztemperaturen oder dem Ausstoßen von geschmolzenen Zinnkügelchen, die auf dem Schmelzeinsatz angeordnet werden und die in das Hochtemperaturmaterial eindringen und seinen spezifischen Widerstand verändern. Im letzteren Fall schmelzen die Zinnkügelchen eine bestimmte Zeit vor dem Durchbrennen des Sicherungsabschnittes, und unter bestimmten Umständen, wie beispielsweise einem Trägheitsstoß, kann das geschmolzene Kügelchen von der Sicherung wegfliegen, bevor sie durchbrennt, wodurch die Durchbrenneigenschaften der Sicherung nachteilig beeinflußt werden.
Derartige Probleme werden überwunden, indem die Sicherung aus einem Tieftemperaturmaterial mit Bezugnahme auf die Halteabschnitte bereitgestellt wird. Eines der Probleme des Tieftemperaturschmelzeinsatzabschnittes liegt jedoch in seiner verringerten mechanischen Festigkeit. Die sich verändernde Wärmeausdehnung und -zusammenziehung der Sicherung mit Bezugnahme auf ihre isolierende Halterung erzeugt zyklische Spannungen in der Sicherung. Die Wärmezyklen ergeben sich aus sich verändernden elektrischen Strömen durch die Sicherung und sich ändernde Außentemperaturveränderungen.
Das US 4387073 steht mit Kontaktmaterialien auf Goldbasis in Beziehung, die für energiearme Schleifringe und Kontakte im allgemeinen geeignet sind, die durch eine gerichtete Verfestigung gefertigt werden und eine erhöhte Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und eine nicht herabgesetzte elektrische Leitfähigkeit zeigen. Kristallkörner mit einer Säulentextur sind im wesentlichen in der Richtung des Flusses des elektrischen Stromes in eutektischen Strukturen mit einem Grundmetall angeordnet, beispielsweise Gold, und einer zweiten hochwertigen Phase.
Der Erfinder vergegenwärtigte sich, daß die thermischen oder mechanischen Spannungen, insbesondere die Zugspannungen, die beim Sicherungsabschnitt mit niedrigem Schmelzpunkt zur Anwendung kommen, bewirken werden, daß Risse wachsen, wodurch der mechanische Widerstand des Schmelzeinsatzes verringert und außerdem die elektrische Leitfähigkeit des Schmelzeinsatzes verringert wird. Das beeinträchtigt nachteilig die Durchbrenneigenschaften der Sicherung mit der Zeit. Insbesondere hat die Bildung von Rissen, die quer zur Richtung des elektrischen Stromes wachsen, den nachteiligsten Einfluß auf die elektrische Leitfähigkeit, da derartige Risse am stärksten durch Zugspannungen beeinflußt werden, die in der Richtung des elektrischen Stromes angewandt werden, und die durch die relative Zusammenziehung und Ausdehnung der Sicherung mit Bezugnahme auf ihre Halterung gebildet werden. Der Erfinder hat sich außerdem vergegenwärtigt, daß, weil Kristallkorngrenzen und andere Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise Versetzungen in der Materialstruktur, das Wachstum von Rissen begünstigen, das Vorhandensein von kleinen Kristallkörnern und insbesondere von Kristallkörnern mit Grenzen, die sich quer zur richtung des elektrischen Stromflusses der Sicherung erstrecken, die Zuverlässigkeit des Schmelzeinsatzes mit der Zeit nachteilig beeinflussen werden.
Die Erfindung nach den Patentansprüchen berücksichtigt diese Betrachtungen angesichts des Bereitstellens einer Hochleistungssicherung, die zuverlässige Eigenschaften über eine längere Lebensdauer aufweist. Insbesondere wird eine Sicherung offenbart, die einen Schmelzeinsatzabschnitt aufweist, der sich zwischen Halteschienen erstreckt, wobei der Schmelzeinsatzabschnitt einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Halteschienen aufweist, wobei der Schmelzeinsatzabschnitt Kristallkörner mit einer Säulentextur aufweist, die in der Richtung des Flusses des elektrischen Stromes durch den Schmelzeinsatz angeordnet sind. Die säulenförmigen Kristallkörner werden durch eine gerichtete Verfestigung des Sicherungsabschnittes gebildet. Die gerichtete Verfestigung kann erreicht werden, indem eine Wärmequelle bereitgestellt wird, die auf die Sicherung fokussiert werden kann, und die mit Bezugnahme auf die Sicherung in der Richtung des elektrischen Stromflusses so bewegt werden kann, daß ein Temperatwgefälle von einem ersten Ende des Schmelzeinsatzes zum anderen Ende in der Richtung des elektrischen Stromflusses erzeugt wird. Die Keimbildung der Kristallkörner wird an einer Grenzfläche zwischen dem Halteabschnitt und dem geschmolzenen Schmelzeinsatzabschnitt auftreten, wobei derartige Kristallkörner in einer säulenförmigen Weise in der Richtung des elektrischen Stromflusses wachsen, während sich die Wärmequelle weg bewegt. Die Wärmequelle kann vorteilhafterweise durch einen Laserstrahl oder -strahlen bereitgestellt werden, die mit Bezugnahme auf die Sicherung von einem Halteabschnitt zum anderen Halteabschnitt in der Richtung des elektrischen Stromflusses bewegt werden. Durch Steuern der Geschwindigkeit der Wärmequelle kann ein bestimmtes Temperaturgefälle an der Fest-Flüssig-Grenzfläche der Schmelzeinsatzlegierung gesichert werden. Wenn das Temperaturgefälle größer als die Verfestigungskurve der Liquiduslösung gehalten wird, die vor der Flüssig-Fest-Grenzfläche gebildet wird, wird die Bildung von Kristallkörnern vor der Grenzfläche vermieden. Mit anderen Worten, durch Sichern eines ausreichenden Temperaturgefälles wird ein stabiles säulenförmiges Wachstum der Kristallkörner bei Bildung von wenigen Kristallkörnern bewirkt. Die verringerten Kristallkorngrenzen, die sich quer zur elektrischen Flußrichtung erstrecken, verbessern den mechanischen Widerstand und insbesondere die Kriecheigenschaften mit Bezugnahme auf die Zugkräfte, die in der Richtung des elektrischen Flusses wirken. Das Temperaturgefälle während der gerichteten Verfestigung kann verbessert werden, indem eine gesteuerte Kühlquelle am Keimbildungsende des Schmelzeinsatzes bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der Halteabschnitt am Keimbildungsende des Schmelzeinsatzes an eine leitende Halterung bei gesteuerter Abkühlung geklemmt werden.
Die schmelzbare Legierung ist vorteilhafterweise eine Zinn-Blei-Legierung PbSn mit einer Zusammensetzung von 60/40, die kommerziell ohne weiteres erhältlich ist. Andere Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt können jedoch ebenfalls in Betracht gezogen werden, beispielsweise Zinn-Silber AgSn 97,5/2,5.
Die Legierung des Schmelzeinsatzabschnittes kann in einem kontinuierlichen Streifen bereitgestellt werden, der auf Länge geschnitten und in den Schlitz zwischen den gegenüberliegenden Halteschienen der Sicherung eingesetzt wird, wobei die Halteschienen der Sicherung mit Bezugnahme zueinander durch integrierte Überbrückungsabschnitte in Position gehalten werden, wobei die Halteabschnitte und die integrierten Überbrückungsabschnitte aus einem einzelnen Metallstück gestanzt werden. Das Material des Schmelzeinsatzabschnittes kann danach durch eine Wärmequelle geschmolzen und anschließend mittels des vorangehend beschriebenen Verfahrens der gerichteten Verfestigung abgekühlt werden. Ein Vorwärmen des Schmelzeinsatzstreifens kann durch eine Wärmequelle bewirkt werden, die von der fokussierten Wärmequelle getrennt ist, die für die gerichtete Verfestigung benutzt wird, so daß die Herstellungstaktzeiten verringert werden können. Nach dem Vorgang der gerichteten Verfestigung werden die Überbrückungsabschnitte des Schmelzeinsatzes getrennt, und der Schmelzeinsatz wird anschließend auf die isolierende Halterung montiert. Um einen gesteuerten Querschnitt des Schmelzeinsatzabschnittes nach dem Schmelzen und der Verfestigung zu sichern, wird der Streifen der Legierung, der an die Halteschienen montiert wird, vorteilhafterweise mit einer Länge geliefert, die größer ist als die Breite zwischen den Halteschienen, wobei jegliches überschüssige Material nach der Verfestigung abgetrennt wird.
Weitere vorteilhafte Aspekte dieser Erfindung werden in den Patentansprüchen dargelegt oder aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
Ausführungen dieser Erfindung werden jetzt als Beispiel mit Bezugnahme auf die Fig. beschrieben, die zeigen:
1 eine isometrische Darstellung eines Schmelzeinsatzes, der auf ein leitendes Kabel gecrimpt ist, wobei der Schmelzeinsatz ohne Halteelement gezeigt wird;
2 eine isometrische Darstellung des Schmelzeinsatzes, der an ein isolierendes Halteelement montiert ist;
3 eine isometrische Darstellung einer weiteren Ausführung ohne Halteelement, die eine Vielzahl von Sicherungsabschnitten aufweist;
4 eine isometrische Darstellung einer fertigen Anordnung, die den Schmelzeinsatz aus 3 aufweist;
5 eine Darstellung gleich 3, wobei der Schmelzeinsatz nur teilweise vor dem Einsetzen und Hartlöten der Sicherungsabschnitte gefertigt wird;
6 eine Draufsicht einer Sicherungshaltebasis;
7 eine Darstellung gleich 6 mit einem Streifen der Schmelzeinsatzlegierung, der an eine Haltebasis in einem anschließenden Fertigungsschritt montiert wird;
8 eine Darstellung gleich 7, die schematisch eine Laserwärmequelle in einem anschließenden Fertigungsschritt zeigt;
9 eine Darstellung gleich 8, wobei Überbrückungsabschnitte und überschüssige Schmelzeinsatzabschnitte in einem anschließenden Fertigungsschritt abgetrennt wurden;
10 einen anschließenden Fertigungsschritt aus 9, wobei die Sicherungshaltebasis auf ein isolierendes Halteelement gecrimpt wird;
11 eine Draufsicht eines Abschnittes einer Sicherung, bei der die Verfestigung nicht gesteuert wurde, wobei Kristallkörner des Sicherungsabschnittes schematisch gezeigt und der Deutlichkeit halber vergrößert werden;
12 eine Darstellung gleich 11, wo aber die Verfestigung des Sicherungsabschnittes entsprechend dieser Erfindung gesteuert wird;
13 ein charakteristisches Phasendiagramm der Zinn-Blei-Legierung;
14 eine grafische Darstellung der Liquiduskurve an der Fest-Flüssig-Grenzfläche des PbSn 60/40;
15 eine schematische Schnittseitendarstellung des Sicherungsabschnittes, die den Laserstrahl in drei verschiedenen Positionen A, B', B und die Abkühlungsquelle auf einer ersten Seite der Sicherungsanordnung zeigt;
16 eine Teildraufsicht des Sicherungsabschnittes, die einen einzelnen Laserstrahl zeigt, der durch Linsen in einer ovalen Form fokussiert wird, und die außerdem den Wärmefluß aus dem Sicherungsabschnitt heraus zeigt;
17 eine Darstellung gleich 16; die aber einen Doppelstrahllaser zeigt;
18 eine detaillierte Schnittdarstellung eines Teils des Sicherungsabschnittes, die das Fortschreiten der Fest-Flüssig-Grenzfläche zeigt.
Mit Bezugnahme auf 1 und 2 weist eine Schmelzeinsatzanordnung 2 auf eine leitende Basis 4; einen Schmelzeinsatzabschnitt 6 mit einem Sicherungsabschnitt 8; Leiterverbindungsabschnitte 10, 12; und Montageabschnitte 14 in der Form von verformbaren Nasen für das Crimpen auf eine Halterung 16 (siehe 2) der Anordnung. Die Halterung 16 aus isolierendem Material ist außerdem mit einer Abdeckung 18 versehen, die über dem Schmelzeinsatzabschnitt 6 montiert ist. Einer der Verbindungsabschnitte 10 ist ein Batterieklemmenabschnitt für eine Verbindung mit einer Batterieklemme eines Kraftfahrzeuges, und der andere Verbindungsabschnitt 12 liegt in der Form einer Crimphülse für das Crimpen auf ein Kabel für die Stromversorgung zum Kraftfahrzeug vor. Die Verbindungsabschnite 10, 12 können mit vielen unterschiedlichen Formen und Ausführen für das Verbinden mit äußeren Leitern anders als Kraftfahrzeugbatterien und Kabeln geliefert werden. Die Leiterbasis 4 ist bei dieser Ausführung aus Blech gestanzt und geformt, wobei eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen und Austrittswinkeln für die Verbindungsabschnitte 10, 12 zusammenhängend mit der Basis 4 gebildet werden können. Beispielsweise, wie in 3 gezeigt wird, wird eine weitere Ausführung einer Schmelzeinsatzanordnung gezeigt, wo sich der Kabelverbindungsabschnitt 12' im wesentlichen orthogonal und zusammenhängend von der Leiterbasis 4' aus erstreckt, und die Schmelzeinsatzanordnung 2' mit zwei verschiedenen Schmelzeinsatzabschnitten 6', 6'' versehen ist. Ein erster Schmelzeinsatzabschnitt 6' liefert den Hauptteil des elektrischen Stromes vom Batterieklemmenabschnitt 10' zum Stromkabelabschnitt 12', und ein zweiter Schmelzeinsatzabschnitt 6'' ermöglicht eine Steckverbindung mittels der Nase 11' mit einem weiteren äußeren Leiter 13' (siehe 4), die anderen Funktionen des Kraftfahrzeuges dienen kann, wie beispielsweise den Sicherheitsfunktionen, die von der Hauptstromversorgung unabhängig bleiben sollten. Eher als daß der elektrische Strom dem Kraftfahrzeug mittels des Stromkabels 12' zugeführt wird, könnte ebenfalls eine Vielzahl von kleineren Stromkabeln über eine Vielzahl von Schmelzeinsatzabschnitten 6, die mit der Basis 4 verbunden sind, bereitgestellt werden.
Wie in 4 gezeigt wird, weist die Schmelzeinsatzanordnung 2' ebenfalls eine isolierende Halterung 16 auf, auf die die leitende Basis mittels verformbarer Nasen 14' gecrimpt wird, wobei die Anordnung außerdem eine Abdeckung 18' aufweist, die die Schmelzeinsatzabschnitte 6', 6'' bedeckt. Die isolierende Halterung 16' kann außerdem einen Gehäuseabschnitt 17' für das steckbare Aufnehmen des Verbinden 19' für einen Eingriff mit der sekundären Nase 11' aufweisen. Die isolierende Halterung oder das Gehäuse 16, 16' liefert daher eine mechanische Haltefunktion für die Schmelzeinsatzabschnitte 6, 6', 6'', so daß die äußeren Kräfte, die auf die Kabel 13, 13' oder die Verbindungsabschnitte 10, 10' wirken, nicht durch die Schmelzeinsatzabschnitte übertragen werden, sondern hauptsächlich durch die Halterungen 16, 16' aufgenommen werden. Diese Konstruktion ermöglicht, daß der Schmelzeinsatzabschnitt 8 zusammenhängend innerhalb der Anordnung und die Klemmenabschnitte 10, 12, 10', 12' verbindend gebildet werden.
Der Schmelzeinsatzabschnitt 6 weist Halteschienen 20 auf beiden Seiten des Sicherungsabschnittes 8 auf, die mit der Basis mittels Verbindungsabschnitten 22 mit einer Breite verbunden werden, die von der der Halteschienen abweicht, und insbesondere mit einer eingeschränkten Breite W1, die kleiner ist als die Breite W2 der Halteschienen 20. Die Breiten W1 und W2 werden geeicht, um den leitenden Wärmefluß der im Sicherungsabschnitt 6 erzeugten Wärme zu steuern, um die Durchbrenneigenschaften der Sicherung abzustimmen. Die Abstimmung berücksichtigt die Dicke des Basismaterials 4, die Eigenschaften des Sicherungsabschnittes 8 und die Länge (L) in der Richtung (I) des Flusses des elektrischen Stromes durch die Sicherung.
Der Sicherungsabschnitt 8 ist ein Leiter mit niedrigerem Schmelzpunkt als die angrenzenden Halteschienen 20, wobei eine bevorzugte Legierung Zinn-Blei mit einer annähernd eutektischen Zusammensetzung ist. Eine umfassend verfügbare Zinn-Blei-Legierung ist Zinn-Blei mit 60 Gew.-% Zinn und 40 Gew.-% Blei, was nahe an der eutektischen Zusammensetzung von 61,9 Gew.-% Zinn ist (siehe 13). Die Halteschienen können aus einer Kupferlegierung bestehen, beispielsweise CuZn30, die einen Schmelzpunkt weit höher als der Schmelzpunkt von 183°C des eutektischen SnPb aufweist. Weitere Legierungen für den Sicherungsabschnitt mit niedrigem Schmelzpunkt könnten ebenfalls in Betracht gezogen werden, beispielsweise SnAg 96,5/3,5, die einen Schmelzpunkt von 221°C aufweist. Noch weitere Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt können für den Sicherungsabschnitt in Abhängigkeit von den Durchbrenneigenschaften der Sicherung in Betracht gezogen werden. Die bevorzugten Legierungen sind SnPb 60/40 und SnAg 96,5/3,5 angesichts ihrer weitverbreiteten kommerziellen Verfügbarkeit, wobei entere am kostenwirksamsten ist. Beide dieser Legierungen sind mehrphasig mit kompakten kristallinen Strukturen, die Vorteile hinsichtlich des Verbesserns der Kriechfestigkeit gegenüber Materialien aufweisen, die einphasig sind, oder die weniger kompakte kristalline Strukturen aufweisen.
Der Sicherungsabschnitt 6 kann verschiedenen Beanspruchungen und Temperaturen während seiner Lebensdauer ausgesetzt werden. Die Beanspruchungen können einerseits mechanischer Art sein, was sich aus der Kraft ableitet; die auf die Verbindungsabschnitte 10, 12 angewandt wird. Obgleich die Halterung 16, 16' einen Hauptteil derartiger Kräfte aufnehmen wird, können die restlichen Kräfte dennoch auf den Sicherungsabschnitt 6 wirken. Weitere Beanspruchungen entstehen durch die Wärmeausdehnung und -zusammenziehung der Sicherungsanordnung und insbesondere der Sicherungsbasis 4 mit Bezugnahme auf die Halterungsbasis 16 infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien. Wärmeabweichungen ergeben sich aus elektrischen Leistungsverlusten in der Sicherungsanordnung oder den damit verbundenen Leitern und äußeren Temperaturveränderungen. Die Kraftfahrzeughersteller spezifizieren die Betriebsbereiche für Außentemperaturen zwischen –40°C und 70°C.
Die Beanspruchung und die Temperatur beim Sicherungsabschnitt werden die Geschwindigkeit des Wachstums von Rissen (Hohlräumen) beeinflussen, wobei die schlechteste Situation eine hohe Temperatur und hohe Zugkräfte sind, die in der Richtung (I) des elektrischen Stromflusses durch die Sicherung wirken. Der Sicherungsabschnitt mit niedrigerem Schmelzpunkt zeigt einen mechanischen Widerstand und eine Kriechfestigkeit, die kleiner sind als die des haltenden Basismaterials 4, und daher wird jegliches Kriechen oder jeglicher Bruch im Sicherungsabschnitt 8 oder in der Grenzfläche des Sicherungsabschnittes mit den Halteschienen 20 auftreten.
Die Bildung und das Wachstum der Risse im Sicherungsabschnitt 8 oder an der Grenzfläche mit den Halteabschnitten 20 vermindern die Durchbrenneigenschaften der Sicherung durch Verändern des wirksamen Querschnittsdurchganges für die Elektrizität, die durch die Sicherung fließt. Die Bildung und das Wachstum der Risse verringert ebenfalls den mechanischen Widerstand, was möglicherweise zum Bruch der Sicherung führen könnte. Es ist wünschenswert, beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen, daß zuverlässige Durchbrenneigenschaften der Sicherung über die Lebensdauer der Sicherung (die beispielsweise zehn Jahre übersteigen sollte) gesichert werden, wobei die mechanischen und thermischen Beanspruchungen berücksichtigt werden, denen die Sicherung in der Umgebung eines Kraftfahrzeugmotorraumes oder anderswo ausgesetzt werden können.
Der Sicherungsabschnitt entsprechend dieser Erfindung sichert zuverlässige Durchbrenneigenschaften über die erforderliche Lebensdauer der Sicherung durch Bereitstellen einer säulenförmigen Kristallkornstruktur, die sich im wesentlichen parallel zur Richtung des Stromflusses (I) erstreckt, wie später detaillierter beschrieben wird.
Mit Bezugnahme auf 6 bis 10 werden jetzt die Fertigungsschritte der Sicherungsanordnung beschrieben. Zuerst mit Bezugnahme auf 6 wird die leitende Basis 4 aus Blech ausgestanzt und geformt, die zusammenhängend die Leiterverbindungsabschnitte 10, 12, die Halteschienen 20 und die Verbindungsabschnitte 22 der Sicherungsabschnitte 6 aufweist. Die Halteschienen 20 weisen gegenüberliegende erste und bzw. zweite Seiten 24, 26 auf, die einen Spalt der Länge (L) (siehe 1) für das Aufnehmen des Sicherungsabschnittes 8 dazwischen bilden. Die Verbindungsabschnitte 10, 12 der Sicherungsbasis werden durch Überbrückungsabschnitte 28 zusammengehalten, die den Sicherungsabschnitt 6 seitlich begrenzen und davon durch Spalten 30 beabstandet sind. Die in 6 gezeigte gestanzte und geformte Basis 4 wird danach verzinnt, um die Bindung mit der Legierung des Sicherungsabschnittes zu verbessern, die auf die Halteschienen 20 hartgelötet wird. Das Überzugsmaterial könnte in Abhängigkeit von der für den Sicherungsabschnitt verwendeten Legierung unterschiedlich sein. Beim nächsten Fertigungsschritt, der in 7 gezeigt wird, wird ein Stab 7 aus vollem Sicherungsmaterial, wie beispielsweise SnPb 60/40, in einer Preßpassung zwischen die ersten und zweiten Seiten 24, 26 der Halteschienen 20 gepreßt. Der Stab 7 kann beispielsweise in der Form eines Drahtes vorgelegt werden, der auf einer kontinuierlichen Rolle geliefert und auf Länge für eine Anordnung auf der Basis 4 geschnitten wird. Der Stab 7 wird mit einer übermäßigen Länge 32 geliefert, die sich über die Querseiten 34 der Halteschienen 20 hinaus erstrecken und sogar die Überbrückungsabschnitte 28 queren können, wie in 7 gezeigt wird. Das überschüssige Material 32 dient dazu, eine Einschnürung des Sicherungsabschnittes 8 während des Hartlötvorganges zu verhindern. Die Verlängerungen, die die Überbrückungsabschnitte 28 queren, dienen ebenfalls als eine Halterung für die Verlängerungen während des Hartlötvorganges des Sicherungsabschnittes.
Beim nächsten Schritt wird der Sicherungsabschnitt zwischen den Halteschienen 20 durch Bereitstellen einer Wärmequelle geschmolzen. Bei dieser Ausführung wird die Wärmequelle durch einen Laser bereitgestellt. Der geschmolzene Sicherungsabschnitt verbleibt durch Kapillarwirkung zwischen den Halteschienenseiten 24, 26, wodurch ein gewisses Durchhängen des Sicherungsabschnittes erwartet werden soll. Die Verlängerungen 32 des Sicherungsstabes 7 unterstützen beim Halten des geschmolzenen Sicherungsabschnittes und verhindern ebenfalls eine Einschnürung des Sicherungsabschnittes zwischen den Halteschienen. Die Einschnürung des Sicherungsabschnittes am Ende 34 (d. h., eine konkave Fläche des Sicherungsabschnittes, die sich zwischen den Halteschienen 20 an den Enden 34 bildet) verringert eine zuverlässige Herstellung von Sicherungen mit vorgeschriebenen elektrischen Stromdurchgängen.
Vor dem Schmelzen des Sicherungsstabes kann eine Vorwärmstufe vorhanden sein, um die Temperatur der Halterungen 20 und des Sicherungsstabes 7 in die Nähe des Schmelzpunktes des Materials des Sicherungsstabes zu bringen. Dieses Vorwärmen könnte während einer verborgenen Zeit des Laserschmelzens und des anschließenden Verfestigungsvorganges auftreten, um die Herstellungstaktzeiten zu erhöhen. Das Vorwärmen könnte durch unterschiedliche Heizeinrichtungen bewirkt werden, wie beispielsweise mit einer heißen Platte oder durch Induktion oder andere konventionelle Heizeinrichtungen, die vorteilhafterweise im Verhältnis zur Lasertechnik niedrige Kosten zeigen.
Wie am besten in 8 gezeigt wird, wird nach dem Vorwärmen ein Laserstrahl auf den Sicherungsstab 7 fokussiert, wobei der schräge Verlauf 36 die Laserstrahlaufnahme in der Sicherung darstellt. Der Laserstrahl sollte in diesem Zusammenhang als ein oder mehrere Laserstrahlen betrachtet werden, die zusammengesetzt werden können, um eine ovale oder schräge Form zu bilden, so daß der Sicherungsabschnitt 8 im wesentlichen gleichmäßig über seine Breite W2 erwärmt werden kann. Die Form des Laserstrahles kann ebenfalls durch Verändern des Fokus des Strahles mit Linsen modifiziert werden – die Leistungsstärke und die Ausbreitung des Strahles können abgestimmt werden, wie es erforderlich ist. Bei der vorliegenden Ausführung kann ein schräges Strahl (siehe 16, 17) durch Bereitstellen von zwei Laserstrahlen 36', die in der Richtung der Halteschiene 7 aneinander angrenzend und etwas unfokussiert sind, um ihre Auftrefffläche auf die Sicherung zu vergrößern, oder durch einer einzelnen Strahl 36 bereitgestellt werden, der durch Linsen zu einer ovalen Form geformt wird. Der Laserstrahl wird über dem Sicherungsstab in einer Anfangsposition (A), wie in 15 gezeigt wird, über dem Sicherungsabschnitt 8 für das Schmelzen des schmelzbaren Materials positioniert, und anschließend wird der Laserstrahl relativ zur Sicherung in eine Richtung (D) der Verfestigung in eine zweite Position (B) weg vom Sicherungsabschnitt 8 über die Basis 4 bewegt. Die Richtung der Verfestigung (D) verläuft parallel zur Richtung (I) des Stromflusses durch die Sicherung. Durch eine geeignete Steuerung der gerichteten Verfestigung kann der Sicherungsabschnitt mit einer säulenförmigen Kristallkornstruktur ausgebildet werden, wie hierin nachfolgend detaillierter erklärt wird.
Die Verfestigung des Sicherungsabschnittes beginnt an der ersten Seite 24 und schreitet zur zweiten Seite 26 der Halteschienen 20 fort. Der Basisabschnitt 4 auf der ersten Seite ist mit einer Wärmereguliereinrichtung 37 (siehe 15) versehen, die die Temperatur des Basisabschnittes 4 auf der ersten Seite 5 in einem bestimmten Abstand vom Sicherungsabschnitt auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur hält. Das wird beispielsweise durch Festklemmen der ersten Seite 5 der Basis 4 an einem Block des leitenden Materials (beispielsweise Aluminium) zustande gebracht, der auf einer konstanten Temperatur durch Zwangskonvektion 40 gehalten wird, beispielsweise bei einem Zirkulieren von Wasser durch den Aluminiumblock. Das Abkühlen der zweiten Seite 3 der Sicherungsbasis 4 kann durch natürliche Konvektion 41 erfolgen, wie in 15 veranschaulicht wird. Nach der gerichteten Verfestigung, wie in 9 gezeigt wird, werden danach die Überbrückungsverlängerungen 28 und die Sicherungsstabverlängerungen 32 getrennt, um den in 10 gezeigten Sicherungsabschnitt zu bilden, und folglich kann die Basis 4 auf die Halterung 16 durch Crimpen der Montagenasen 14 darauf montiert werden.
Bei einem anschließenden Schritt wird die Abdeckung über den Sicherungsabschnitt 6 positioniert und beispielsweise thermisch mit dem Gehäuse 16 verbunden, um eine sichere Umhüllung für den Sicherungsabschnitt bereitzustellen. Die Anordnung 2 kann danach auf das Stromkabel 13 gecrimpt und an die Batterieklemme oder ein anderes leitendes Element montiert werden. Ein gleiches Herstellungsverfahren kann für Konstruktionen mit einer Vielzahl von Sicherungsabschnitten ausgelegt werden, wie es beispielsweise in 3 gezeigt wird, wo die Sicherungsabschnitte 8', 8'' gerichtet verfestigt, die Überbrückungsverlängerungen 28' anschließend getrennt werden, und die Sicherungsbasis 4' an einer Halterung montiert wird.
Mit Hilfe der 11 bis 16 wird jetzt der gerichtete Verfestigungsvorgang detaillierter erklärt. Der Erfinder hat sich vergegenwärtigt, daß, um eine Hochleistungssicherung mit zuverlässigen Eigenschaften über eine längere Lebensdauer, wie beispielsweise zehn Jahre oder mehr, in einer Kraftfahrzeugumgebung zu sichern, wobei die mechanische und die thermische Belästigung des Sicherungsabschnittes mit niedrigem Schmelzpunkt in Betracht gezogen werden, die Bildung und das Wachstum von Rissen im Sicherungsabschnitt vermieden werden sollten. Es ist vorteilhaft, die Kriechfestigkeit des Sicherungsabschnittes zu verbessern, insbesondere mit Bezugnahme auf die Kräfte, die in der Richtung (I) des Stromflusses wirken. Das wird bewirkt, indem der Sicherungsabschnitt mit einer säulenförmigen Kristallkornstruktur bereitgestellt wird. Die säulenförmige Kristallkornstruktur wird durch die gerichtete Verfestigung gebildet. Die säulenförmige Kristallkornstruktur, die sich in der Richtung (I) des Stromflusses erstreckt, verringert die Anzahl der Kristallkorngrenzen, Versetzungen, Hohlräume und Fremdatome, die sich quer zur Richtung (I) des Stromflusses erstrecken. Kristallkorngrenzen und Versetzungen, die sich quer zur Richtung des Stromflusses erstrecken, die ebenfalls die Richtung der Hauptzugkräfte auf den Sicherungsabschnitt ist, werden dazu neigen, daß Risse quer zur Richtung des Stromflusses gebildet werden und wachsen, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und der mechanische Widerstand der Sicherung verringert werden. Risse können sogar zum Bruch des Sicherungsabschnittes fuhren, aber auf jeden Fall ist die Veränderung des elektrischen Widerstandes des Sicherungsabschnittes unerwünscht, da sie die Durchbrenneigenschaften der Sicherung modifiziert.
In 11 wird die Kristallkornbildung eines Sicherungsabschnittes, der geschmolzen und so belassen wird, daß er sich ohne Steuerung verfestigt, schematisch dargestellt. Während sich der Sicherungsabschnitt mit natürlicher Konvektion und Leitung abkühlen darf sind vier hauptsächliche Abkühlungsfronten F1 bis F4 vorhanden: von den gegenüberliegenden Seiten 24, 26 des Sicherungsabschnittes und bzw. den gegenüberliegenden Querseiten 34. Nahe der Halteschienengrenzflächen 24, 26 werden kleine Kristallkörner infolge der schnellen Keimbildung und Abkühlung an dieser Grenzfläche angesichts des großen Wärmeflusses durch Leitung in die angrenzenden Halteschienen 20 gebildet. Die Keimbildung und die Bildung von vielen kleinen Kristallkörnern kann wie folgt erklärt werden:
Die Gleichung für die freie Enthalpie ΔG für die Bildung eines Keimes im Fall der homogenen Keimbildung lautet:

worin sind:
V: Volumen eines Keimes (m³) – S: Fläche eines Keimes (m²)
γ: Flüssig-Fest-Oberflächenenergie (J/m²)
L: latente Verfestigungswärme (J/m²)
ΔT: Unterkühlung (°C)
Tf: Schmelztemperatur (°C)
Für einen Keim mit dem Radius r gilt:
Damit ein Keim mit dem Radius r stabil und in der Lage bleibt zu wachsen, muß die freie Enthalpie ΔG kleiner werden, d. h.,

≤ 0. Der minimale Radius r* des ersten stabilen Keimes wird sein: r* = Konstante/ΔT.
Die Anzahl der Keime, die bei der Keimbildungstemperatur T_g = Tf – ΔT gebildet werden kann, ist:

worin N_o: Anzahl der anfänglichen Atome und K: Boltzmannsche Konstante.
Aus den Ergebnissen der Berechnung von r* und n kann abgeleitet werden, daß, je niedriger die Unterkühlung ist, desto weniger stabile Keime werden gebildet, und desto größer werden sie sein.
Umgekehrt, um die Keimbildung von vielen Kristallkörnern zu vermeiden, muß die Unterkühlungstemperatur sehr nahe an der Schmelztemperatur sein. Der Erfinder hat außerdem erkannt, daß die Bildung von vielen Kristallkörnern infolge der erhöhten Anzahl von Kristallkorngrenzen, die sich quer zur Richtung des Stromflusses erstrecken, nachteilig ist. Es wäre vorteilhaft, nicht nur eine Säulentextur der Kristallkörner zu bewirken, sondern die Keimbildung weniger aber größerer Kristallkörner, die durch Steuern (Verringern der Geschwindigkeit) der anfänglichen Verfestigung an der ersten Grenzfläche 24 zustande gebracht werden kann. Die Bildung weniger großer Keime wird daher die Kriechfestigkeit in der Querrichtung des Sicherungsabschnittes verbessern und die Bindungsfestigkeit des Sicherungsabschnittes an der Halteschiene 20 verbessern.
Aus der nicht gesteuerten Verfestigung des Sicherungsabschnittes in 11 kann außerdem gesehen werden, daß eine Schweißzone 38 in der Mitte der Sicherung auftritt, die viele kleine Kristallkörner aufweist, die wieder einmal eine Zone mit einer ungünstigen Kriechfestigkeit bilden. Die Abkühlungsfronten F3, F4 der Querseiten 34 erzeugen eine Zone 39 mit Kristallkörnern, die quer zur Richtung (I) des Stromflusses ausgerichtet sind, was mit Bezugnahme auf die Kriechfestigkeit für Beanspruchungen ungünstig ist, die in der Richtung (I) des Stromflusses wirken. Die Schweißlinie 38 kann durch eine gerichtete Verfestigung vermieden werden, beginnend an der ersten Seite 24 und endend an der zweiten Seite 26 der Halteschienen 20. Die säulenförmige Kristallkornstruktur, die durch die gerichtete Verfestigung erreicht wird, wird schematisch in 12 dargestellt.
Wie am besten in 15 zu sehen ist, wird der Laserstrahl anfangs in einer ersten Position (A) positioniert, wobei er auf den Sicherungsabschnitt 8 auftrifft, der dadurch geschmolzen wird. Die Wärme 40, 41 fließt aus dem Sicherungsabschnitt 8 durch den ersten und zweiten Abschnitt 5, 3 heraus, wobei der erste Abschnitt 5 mit Wärmereglern 37 versehen ist, die Kühlelemente sind, wobei der zweite Abschnitt 5 in einem bestimmten Abstand vom Sicherungsabschnitt 8 auf eine im wesentlichen konstante Temperatur gehalten wird. Das ermöglicht eine wirksame Steuerung der Temperatur auf der ersten Seite 24 der Halteschiene, wo die ersten Kristallkörner verfestigt werden. Die Basis 4 ist am Isolator 43 positioniert, an beiden Seiten des Sicherungsabschnittes für eine bessere Steuerung des Wärmeflusses aus dem Sicherungsabschnitt heraus. Die Leistung der Laserenergie wird durch Bereitstellen eines impulsgesteuerten Laserstrahles gesteuert, wobei die Frequenz verändert werden kann, um mehr oder weniger Wärme in die Sicherung einzubringen. Die Leistung wird abgestimmt, um den Sicherungsabschnitt zu schmelzen und den Sicherungsabschnitt während der Schmelzperiode in der Nähe des Schmelzpunktes der Legierung zu halten. Eine hohe Temperatur des geschmolzenen Materials verringert die Kapillarkräfte, was zu einem stärkeren Durchhängen des geschmolzenen Sicherungsabschnittes durch Graviation fuhrt. Außerdem ermöglicht eine Temperatur in der Nähe des Schmelzpunktes eine stärkere Kontrolle der anfänglichen Keimbildung der Kristallkörner an der ersten Grenzfläche 24. Die anfängliche Keimbildung wird bewirkt, indem der Laserstrahl aus der Position (A) in die Verfestigungsrichtung (D) bewegt wird, wodurch die Wärmeenergie 40, die aus der ersten Seite 5 entfernt wird, eine Abkühlungsfront an der Grenzfläche 24 liefert. Je langsamer die Bewegung des Strahles aus der Ausgangsposition (A) in die Verfestigungsrichtung (D) ist, desto geringer ist die Unterkühlung. Das führt zur Keimbildung von weniger Kristallkörnern an der Grenzfläche 24 mit einer größeren Abmessung, wie es vorangehend erklärt wird. Bei dieser speziellen Ausführung, weil die Zusammensetzung des PbSn untereutektisch ist, wird die anfängliche Keimbildung aus Pb19 proeutektischen Kristallkörnern zusammengesetzt sein (siehe Phasendiagramm in 13 für eine Flüssigkeit der Zusammensetzung C_o , während sie den Schmelzpunkt erreicht).
Nach der anfänglichen Keimbildung, um ein säulenförmiges (oder lamellares) Kristallkornwachstum zu erzeugen, ohne die Bildung von neuen Kristallkörnern vor der Fest-Flüssig-Grenzfläche, ist es erforderlich, die Flüssig-Fest-Grenzfläche im wesentlichen stabil oder eben zu halten. Das wird wie folgt erklärt. Vor der festen Grenzfläche ist eine Zurückweisung des gelösten Stoffes zu verzeichnen, die die Zusammensetzung der Flüssigkeit vor der festen Grenzfläche modifiziert. Diese Veränderung der Zusammensetzung zeigt die Wirkung der konstitutionellen (oder strukturellen) Unterkühlung. Mit anderen Worten, die Flüssigkeit der modifizierten Zusammensetzung zeigt eine Schmelztemperatur, die mit Bezugnahme auf die niedrigste Schmelztemperatur zunnimmt, die durch den eutektischen Schmelzpunkt definiert wird (siehe Phasendiagramm in 13). Die Zunahme der Schmelztemperatur der flüssigen Zusammensetzung vor der Fest-Flüssig-Grenzfläche bedeutet, daß sich Keime vor der Grenzfläche bilden (verfestigen) können, wenn die Flüssigkeit eine „niedrige" (d. h., unterkühlte) Temperatur aufweist. Das ist eine instabile Situation, die vermieden werden muß, wenn große säulenförmige Kristallkörner gebildet werden sollen. In 14 verkörpert die Liquiduskurve die Schmelztemperatur der Flüssigkeit vor der festen Grenzfläche als eine Funktion des Abstandes von der Grenzfläche über der Zusammensetzung der Flüssigkeit, die von der eutektischen Zusammensetzung an der Grenzfläche C_e zur Zusammensetzung C₀ der Legierung variiert. Um ein Unterkühlen ΔT infolge eines kleinen Temperaturgefälles T_L1 zu verhindern, muß das Temperaturgefälle in der Flüssigkeit größer als oder gleich T_L2 sein. Es kann gezeigt werden, daß, um diesen Zustand zu erfüllen, die folgende Beziehung erforderlich ist:

R: Grenzflächenverschiebungsgeschwindigkeit
G_L: Wärmegefälle in der Flüssigkeit
m: Neigung der Liquiduskurve bei X = 0
D_L: Diffusionskoeffizient des gelösten Stoffes in der Flüssigkeit
D_L und m sind Eigenschaften der Legierung. Für PbSn gilt:
D_L = 6,7 × 10^–6 cm²sec.^–1;
m = –2,326°C
Für einen Sicherungsabschnitt von 0,2 cm Länge (L) und eine gewünschte Geschwindigkeit der Verfestigung von R = 4 × 10^–2 cm sec^–1 (d. h., 5 Sekunden für die Verfestigung des Sicherungsabschnittes) ist das Temperaturgefälle G_L gleich 263°Ccm^–1, was einem Temperaturgefälle von 52°C zwischen den Seiten 24, 26 der Sicherung äquivalent ist.
Je höher das Wärmegefälle ist, desto höher kann die Verfestigungsgeschwindigkeit sein, wodurch die Dauer des Verfestigungszyklusses reduziert wird. Da der Einfluß der Zunahme des Temperaturgefälles jedoch die Erhöhung der mittleren Temperatur der geschmolzenen Legierung ist, wird die Viskosität dieser Legierung abnehmen, und ihr Volumen wird sich vergrößern. Da die flüssige Legierung nicht gehalten wird und nur an Ort und Stelle durch die Kapillarwirkung während des Lötens oder Hartlötens verbleibt, wird die Temperatur der geschmolzenen Legierung auf eine Temperatur reguliert, die gerade ausreichend ist, um das Mindestgefälle für eine stabile Ebene-Front-Verfestigung zuverlässig zu erfüllen.
Um das Temperaturgefälle zu steuern, werden die Geschwindigkeit der Verschiebung des Laserstrahles in der Richtung (D) und die Ausgangsleistung des Lasen gesteuert. Die Laserleistung kann ebenfalls gesteuert werden, indem die abweichenden Emissionsvermögensfaktoren ε der verschiedenen Metalle berücksichtigt werden; beispielsweise weist die PbSn-Legierung einen Emissionsvermögensfaktor von ε = 0,22 auf, was von dem des verzinnten Messingbasisabschnittes mit ε = 0,13 abweicht. Der Sicherungsabschnitt 8 absorbiert daher mehr Laserenergie als die Halterungen 20 bei der vorliegenden Ausführung. Indem beispielsweise ein Y.A.G.-Laser von 500 Watt in impulsgesteuerter Betriebsart bereitgestellt wird, kann die Frequenz zwischen 1 und 50000 Hertz variiert werden, um die Leistung zu steuern, die auf die Sicherung auftrifft. Die Forderungen nach einem niedrigen Temperaturgefälle für die anfängliche Kristallkornkeimbildung an der Grenzfläche 24 und einem hohen Temperaturgefälle für das anschließende säulenförmige Kristallkornwachstum stehen in gewissem Maß im Widerspruch. Außerdem muß für die Zwecke der Reduzierung der Herstellungszyklen eine vernünftige Geschwindigkeit der Verschiebung der Wärmequelle vorgesehen werden, beispielsweise 0,5 bis 1,0 mm pro Sekunde. Ein vorteilhafter Kompromiß kann gefunden werden, indem eine langsamere Geschwindigkeit der Verschiebung des Lasers in der anfänglichen Verfestigungsphase und eine schnellere Geschwindigkeit der Verschiebung nach der Periode der anfänglichen Keimbildung vorgesehen werden, wenn weniger aber größere Kristallkörner gewünscht werden.
Wie in 16 und 17 gezeigt wird, können einzelne oder mehrfache Strahlen 36, 36' bereitgestellt werden. Wie in 16, 17 gezeigt wird, bleiben die Sicherungsstabverlängerungen 32 nach dem Verfestigungsvorgang mit dem Sicherungsabschnitt 8 mittels der Einschnürungszonen 33 verbunden, die eine Beibehaltung der Querschnittsfläche des Sicherungsabschnittes 8 sichern. Die säulenförmigen Kristallkörner, die mittels des vorangehend erwähnten Vorganges gebildet werden, werden eine lamellare Struktur von aneinander gelagerten Pb- und Sn-Schichten mit einer Zusammensetzung aufweisen, die nahe der C_o (d. h., 60/40) ist, gleich der lamellaren Struktur einer eutektischen Zusammensetzung, die einer stabilen Ebene-Form-Verfestigung ausgesetzt ist.
Mit Bezugnahme auf 18 wird der Sicherungsabschnitt 8 im Querschnitt während des gerichteten Verfestigungsvorganges gezeigt. Während der Verfestigung befindet sich die Fest-Flüssig-Grenzfläche, die durch die Linie 50 verkörpert wird, unter einem schiefen Winkel mit Bezugnahme auf die Halteseiten 24, 26, was sich aus dem Temperaturgefälle zwischen den gegenüberliegenden Seiten 26, 24 in Verbindung mit dem Temperaturgefälle zwischen der oberen Seite 52, die den Laserstrahl 36 aufnimmt, und der gegenüberliegenden unteren Seite 54 der Sicherung, die nicht eine Wärmequelle aufnimmt, ergibt. Die schräge Weiterentwicklung der Fest-Flüssig-Grenzfläche 50 ist besonders während der letzten Stufen des Verfestigungsvorganges vorteilhaft, wo die Grenzfläche die zweite Seite 26 trifft, wie durch die gestrichelte Linie 50' gezeigt wird. Das Volumen der flüssigen Legierung ist größer als die feste Legierung, was zur Bildung von Oberflächenunebenheiten infolge der relativen Zusammenziehung während der Verfestigung führen würde, wenn die Fest-Flüssig-Grenzfläche auf die zweite Seite 26 parallel dazu treffen sollte. Infolge des schiefen Winkels der Fest-Flüssig-Grenzfläche 50', während sie die Seite 26 trifft, versorgt eine Tasche aus flüssiger Legierung 58 die feste Grenzfläche mit Material, so daß sich die Grenzfläche 50' nach oben längs der Seite 26 weiterentwickelt, ohne daß es zur Bildung von Oberflächenunebenheiten kommt. Erst wenn eine sehr kleine Tasche mit Flüssigkeit an der oberen Ecke 60 zwischen der Seite 26 und der Oberseite 52 verbleibt, können sich Oberflächenunebenheiten infolge der Zusammenziehung des Volumens bilden. Die obere ficke befindet sich jedoch in einer Zone von niedriger Spannung infolge der konvexen oberen Fläche 62 des Sicherungsabschnittes 8, die sich aus den Gravitationskräften auf die geschmolzene Legierung ergibt. Die relativ schlechte Bindung und Kristallkornstruktur in der oberen Ecke 60 ist daher aus der Zone der Zugspannungslinien 61 heraus vorteilhaft, die auf den Sicherungsabschnitt wirken und daher die mechanische Festigkeit oder die Kriechfestigkeit der Sicherung nicht nachteilig beeinflussen. Es ist daher vorteilhaft, die Wärmequelle auf der oberen Fläche 52 bereitzustellen oder ein Kühlelement 37 nur auf der unteren Fläche 54 auf der ersten Seite bereitzustellen oder sowohl die Wärmequelle als auch die Kühlelemente auf gegenüberliegenden Seiten bereitzustellen, wie in 18 gezeigt wird, so daß sich eine Fest-Flüssig-Grenzfläche 50 unter einem schiefen Winkel mit Bezugnahme auf die Sicherungsseiten 26, 24 weiterentwickelt.
Alternativ könnte ebenfalls in Betracht gezogen werden, daß die zweite Seite 26 des Sicherungsabschnittes unter einem schiefen Winkel mit Bezugnahme auf die vertikale. Richtung (V) bereitgestellt wird und die obere und untere Seite 52, 54 erwärmt werden, wobei sich die Fest-Flüssig-Grenzfläche 50 annähernd vertikal weiterentwickelt.
Es ist besonders vorteilhaft, die Verfestigung in der oberen Ecke 60 mit Bezugnahme auf die Gravitationskräfte (die in der Richtung V wirken) zu beenden, da diese Ecke geringen Spannungen angesichts der konkaven Form 62 der oberen Fläche des Sicherungsabschnittes ausgesetzt ist, wodurch die hauptsächlichen Kraftlinien 61, die den Sicherungsabschnitt queren, reduziert werden.
Zusammenfassend, die gerichtete Verfestigung des Sicherungsabschnittes, die leicht bei Verwendung einer impulsgesteuerten Laserwärmequelle gesteuert werden kann, vergrößert die Kriechfestigkeit in der Richtung quer zum Fluß des elektrischen Stromes durch: Eliminieren der mittleren Schweißlinie; Verringern der Bildung von kleinen Kristallkörnern an den Haltegrenzflächen 24, 26; und Verringern der Anzahl der Kristallkörner und insbesondere der Kristallkorngrenzen quer zum Fluß des elektrischen Stromes. Letzteres wird durch eine gesteuerte Verfestigung der anfänglichen Keime auf der ersten Seite 24 und eine Beibehaltung eines Temperturgefälles an der Fest-Flüssig-Grenzfläche durch Steuerung der Leistung der Wärmequelle und der Verschiebungsgeschwindigkeit der Wärmequelle in der Verfestigungsrichtung (D) zustande gebracht. Es kann bemerkt werden, wie in 8, 16 und 17 gezeigt wird, daß sich der Endpunkt des Laserstrahles 36, 36' durchaus im zweiten Abschnitt 3 der Basis 4 befindet, um zu sichern, daß das Temperatwgefälle an der festen Grenzfläche beibehalten wird, bis die Kristallkörner auf die zweite Grenzfläche 26 treffen. Um den Herstellungsvorgang zu steuern, können Temperaturmeßfühler 46, 48 (15) an der Sicherungsbasis positioniert werden. Die Temperaturveränderung während des gerichteten Verfestigungsvorganges kann daher gesteuert werden, und die resultierenden Kurven können mit den charakteristischen Kurven verglichen werden, um zu sichern, daß die richtigen Temperaturgefälle über die Zeit bereitgestellt wurden. Eine Verfestigungsfront unter einem Winkel mit Bezugnahme auf die Haltegrenzfläche, beispielsweie durch Wärmeregulierung über die Dicke der Sicherung hinweg, verbessert das Binden und die Kriechfestigkeit des Sicherungsabschnittes an der Halterung.

Claims

Sicherungsanordnung, die einen Schmelzeinsatzabschnitt (8, 8', 8'') aufweist, der sich zwischen Halteschienen (20) erstreckt, wobei der Schmelzeinsatzabschnitt einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Halteschienen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzeinsatzabschnitt Kristallkörner mit einer Säulentextur aufweist, die im wesentlichen in der Richtung (I) des Flusses des elektrischen Stromes durch den Schmelzeinsatz angeordnet sind.
Sicherungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die säulenförmigen Kristallkörner durch eine gesteuerte gerichtete Verfestigung gebildet werden.
Sicherungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzeinsatzabschnitt (8, 8', 8'') aus einer Zinnlegierung besteht.
Sicherungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnlegierung eine Zinn-Blei-Legierung mit einer im wesentlichen 60/40 gewichtsbezogenen Zusammensetzung ist.
Sicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzeinsatzabschnitt (8, 8', 8'') eine Breite (W2) aufweist, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Breite (W2) der benachbarten Halteschienen (20).
Sicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Schmelzeinsatzabschnitten (8', 8'') eine leitende Basis (4') verbindet, die aus einem integrierten Blech gebildet wird.
Sicherungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine leitende Basis (4, 4') aufweist, die die Halteschienen (20) umfaßt, wobei die Halteschienen aus Blech ausgestanzt und geformt werden, und die einen Batterieanschlußabschnitt (10) und einen Leiterverbindungsabschnitt (12) aufweist, wobei der Leiterverbindungsabschnitt (12) eine Crimphülse für das Crimpen auf ein Stromkabel (13) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Sicherungsanordnung, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer leitenden Basis mit Halteschienen (20), die gegenüberliegende erste und zweite Seiten (24, 26) aufweisen, die einen Spalt dazwischen bilden; Bereitstellen der Schmelzsicherungslegierung zwischen der ersten und zweiten Seite (24, 26); gerichtetes Verfestigen der Sicherungslegierung durch relatives Bewegen einer Wärmequelle (36) über den Sicherungslegierungsabschnitt (8) in einer Richtung der Verfestigung (D) im wesentlichen parallel zu einer Richtung (I) des elektrischen Stromflusses durch die Sicherung.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der gerichteten Verfestigung von der ersten Seite (24) zur zweiten Seite (26) des Sicherungsabschnittes (8) die Basis (4) auf der ersten Seite (5) mittels einer Kühleinrichtung (37) thermisch reguliert wird.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle durch einen Laser bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser impulsgesteuert wird, wobei die Ausgangsleistung des Lasers durch Verändern der Impulsfrequenz gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (4) mit Überbrückungsabschnitten (28) versehen ist, die die Halteschienen (20) mit Bezugnahme zueinander während der Fertigung halten, wobei die Überbrückungsabschnitte (28) nach der gerichteten Verfestigung des Sicherungsabschnittes (8) durchtrennt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherungsabschnitt in der Form eines Stabes oder Drahtes (7) bereitgestellt wird, der mit überschüssigen Verlängerungen (32) versehen ist, die sich über die seitlichen Enden (34) der Halteschienen (20) hinaus erstrecken, wobei die überschüssige Länge nach der gerichteten Verfestigung des Sicherungsabschnittes durchtrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung während des Verfestigungsvorganges thermisch reguliert wird (36, 37), um eine Fest-Flüssig-Grenzfläche (50, 50') bereitzustellen, die unter einem Winkel mit Bezugnahme auf die zweite Seite (26) angeordndet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmegradient zwischen einer oberen Seite (52) und unteren Seite (54) der Sicherung bereitgestellt wird, wobei oben und unten mit Bezugnahme auf die Graviationskraft definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient durch, Bereitstellen der Wärmequelle (36) auf der oberen Seite (52) gebildet wird.