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EP2887459B1 - Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Leiters auf Basis von Aluminium mit einem Kontaktteil - Google Patents

Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Leiters auf Basis von Aluminium mit einem Kontaktteil Download PDF

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Publication number
EP2887459B1
EP2887459B1 EP13306745.4A EP13306745A EP2887459B1 EP 2887459 B1 EP2887459 B1 EP 2887459B1 EP 13306745 A EP13306745 A EP 13306745A EP 2887459 B1 EP2887459 B1 EP 2887459B1
Authority
EP
European Patent Office
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conductor
contact part
base
face
contact
Prior art date
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Active
Application number
EP13306745.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2887459A1 (de
Inventor
Helmut Steinberg
Udo Mayer
Gerhard Lindner
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Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nexans SA filed Critical Nexans SA
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Priority to EP13306745.4A priority patent/EP2887459B1/de
Publication of EP2887459A1 publication Critical patent/EP2887459A1/de
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Publication of EP2887459B1 publication Critical patent/EP2887459B1/de
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H01R4/625—Soldered or welded connections
    • H—ELECTRICITY
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    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0263—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections for positioning or holding parts during soldering or welding process

Definitions

  • the invention relates to a method for electrically connecting an aluminum-based conductor with a contact part, with which a cap-like contact part, which has a bottom and a connected thereto and projecting from this cylindrical sleeve, is plugged onto the conductor, that the end face of the conductor rests on the bottom of the contact part.
  • the electrical conductors are in most cases flexible aluminum insulated stranded conductors, i. consisting of aluminum or an aluminum alloy.
  • Aluminum is increasingly being used in automobiles and aircraft for cost and weight reasons, with the lower electrical conductivity of the aluminum to copper being irrelevant for most applications.
  • the contact parts based on copper are made of copper or a copper alloy, for example brass, wherein the contact parts coated, for example, tinned, can be.
  • the contact parts can be welded, for example, with a stripped conductor end.
  • the electrical conductor and the contact element are positively and / or cohesively connected to each other.
  • the EP 1 032 077 B1 describes a method for connecting an aluminum cable, in particular a stranded conductor, with a copper-based connector.
  • a sleeve made of aluminum is applied to the stripped end of the conductor, which compresses the individual wires and approaches each other to obtain a metallic surface on the front side of the cable.
  • the front side is then butt welded to the terminal part, wherein the oxide layer is removed at the end face.
  • the WO 2010/094005 A1 describes a sleeve-like cable lug whose inner wall is provided with projections. A stripped end of an aluminum cable is inserted into the cable lug and crimped with this for detection. The projections should break up the oxide layer on the conductor.
  • the US Pat. No. 3,831,132 describes a cable lug which is crimped to a stripped cable end.
  • the cable lug is partially designed on its inside with a metal sheet which is provided with surface irregularities. These surface irregularities are pressed into the aluminum conductors of the cable during crimping to break up the oxide film.
  • the invention has for its object to provide a method for electrically connecting an aluminum-based conductor with a contact part, through which an effective, at least the entire cross section of the aluminum conductor detected electrically conductive connection to the contact part can be achieved.
  • the inventive method allows a solid mechanical and electrical connection between the conductor and the contact part in simple, inexpensive work steps.
  • the voltage applied to the conductor sleeve of the contact part the projections of the sleeve are pressed into the outside of the conductor so that the outer oxide layer, which may have formed on the aluminum, is destroyed.
  • an electrical connection between the conductor and the contact part is ensured not only via the end face of the conductor but also via its side surface.
  • FIG. 1 shows the contact part 1 a first stable state in a perspective and a longitudinal sectional view.
  • the first stable state corresponds to an open state, in which the contact part 1 can be easily attached to the conductor.
  • Fig. 2 shows the contact part 1 in a second stable state in a perspective and a longitudinal sectional view.
  • the second stable state corresponds to a closed state in which the contact part 1 is fixedly connected on the conductor.
  • the cap-like contact part 1 has a bottom 2 and connected to the bottom 2 and projecting from this, cylindrical sleeve 3.
  • the cylindrical sleeve 3 consists of a plurality of individual, projecting from the bottom 2 flaps 4.
  • the flaps 4 each have at their opposite ends of the bottom on a radially inwardly facing projection 5.
  • the individual projections 5 form a closed ring, as in Fig. 2 shown.
  • the contact part 1 also has a connecting element 6, by means of which the conductor connected to the contact part 1 can be electrically connected to actuators, sensors, control elements, etc.
  • the contact part 1 is advantageously made of two different materials.
  • the connecting element 6 is preferably made of copper or of a copper alloy.
  • the bottom 2 and the sleeve 3 are advantageously made of a metal with suitable for the two stable states of the contact part 1 mechanical properties, such as spring steel.
  • the aluminum-based electrical conductor may be either a stranded conductor made up of a plurality of individual wires or a solid single conductor.
  • the conductor end of any existing layers, such as any existing insulation 8, must be exempted.
  • the cap-like contact part 1 is then placed so far on the conductor 7 until the end face 9 of the conductor 7 rests against the bottom 2 of the contact part 1.
  • this is in its first stable state (s. Fig. 1 ), so that the sleeve 3 is not applied to the conductor 7.
  • the bottom 2 of the contact part is curved inwards.
  • the contact part 1 in its second stable state (s. Fig. 2 ), so that the cylindrical sleeve 3 rests under tension on the outside of the conductor.
  • the projections 5 of the sleeve 3 are pressed into the outside of the conductor 7 and the end face 9 of the conductor 7 additionally pressed firmly against the bottom of the contact part. Any existing oxide layers on the conductor 7 are by in the Broken head outside pressed projections 5 so that they do not hinder the electrically conductive connection between the conductor and contact part.
  • the bottom 2 of the contact part 1 is now arched outwards. By the projections 5, the end face 9 of the conductor 7 is held in contact with the bottom 2 of the contact part 1. Finally, the bottom 2 of the contact part 1 and the end face 9 of the conductor 7 are firmly bonded together.
  • the transition between the first and the second stable state of the contact part 1 can for example be effected in that the flaps 4 of the sleeve 3 are compressed. This elastic deformation is reversed, for example, by pressing on the bottom 2 of the contact part 1.
  • the cohesive connection of the bottom of the contact part with the end face of the conductor can be effected by a suitable welding method, for example by friction stir welding.
  • friction stir welding the increased temperature required for welding the contact part and the conductor is generated by friction.
  • the aluminum or aluminum alloy of the conductor combines at a temperature below the melting temperature of the same temperature with the copper or copper alloy of the contact part cohesively.
  • the bottom of the contact part is not broken.
  • a tool 10 is applied to the contact part 1, which may be equipped on its end face with a pin-like projection 11.
  • the tool 10 is advantageously made of steel.
  • the tool 10 is moved in the direction of the arrow P and pressed with continued pressure against the bottom 2 of the contact part 1, so that the material thereof is heated by friction.
  • the heat is transferred from the contact part 1 to the front side of the conductor 7.
  • the material of the conductor 7 then connects cohesively with the contact part 1.
  • the protruding from the end face of the tool in the axial direction projection 11 presses the bottom 2 of the contact part 1 when it rests against the same, as it out Fig. 5 evident. This increases the contact surface between the conductor 7 and the contact part 1. Again, any existing oxide layers on the conductor 7 are broken during welding, so that they do not hinder the electrically conductive connection between the conductor 7 and contact part 1.

Landscapes

  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Leiters auf Basis von Aluminium mit einem Kontaktteil, mit welchem ein kappenartiges Kontaktteil, das einen Boden und eine mit diesem verbundene und von diesem abstehende zylindrische Hülse aufweist, so auf den Leiter aufgesteckt wird, daß die Stirnfläche des Leiters am Boden des Kontaktteils aufliegt.
  • In der Elektrotechnik und insbesondere in der Automobilelektronik kommen eine Vielzahl von elektrischen Einzelleitern und mit diesen verbundenen Kontaktelementen auf Kupferbasis zum Einsatz, um elektrische Verbindungen zu Aktuatoren, Sensoren, Steuerelementen, Batterien usw. herzustellen.
  • Bei den elektrischen Leitern handelt es sich in den meisten Fällen um flexible isolierte Litzenleiter auf Basis von Aluminium, d.h. bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Aluminium wird insbesondere in Kraftfahrzeugen und Flugzeugen aus Kosten- und Gewichtsgründen vermehrt verwendet, wobei die geringere elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums gegenüber Kupfer für die meisten Anwendungen keine Rolle spielt.
  • Die Kontaktteile auf Kupferbasis bestehen aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, beispielsweise Messing, wobei die Kontaktteile beschichtet, beispielsweise verzinnt, sein können. Die Kontaktteile können beispielsweise mit einem abisolierten Leiterende verschweißt werden. Der elektrische Leiter und das Kontaktelement werden dabei kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
  • An der Oberfläche von Aluminium entsteht unter Sauerstoffeinfluß eine elektrisch nicht gut leitende Oxidschicht, deren Dicke mit der Zeit zunimmt. Dieser Mangel macht sich insbesondere bei aus einer Vielzahl von Einzeldrähten bestehenden Litzenleitern bemerkbar, da jeder Einzeldraht, sofern er nicht einer Sonderbehandlung unterlegen ist, von einer solchen Oxidschicht umgeben ist. Um einen einwandfreien elektrischen Kontakt zu gewährleisten, muß die Oxidschicht entweder vor dem Verbinden des Leiters mit dem Kontaktteil entfernt oder während des Verbindens durchdrungen werden. Diese Problematik ist in zahlreichen Druckschriften beschrieben, von denen im Folgenden eine beispielhaft erwähnt wird.
  • Die EP 1 032 077 B1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden eines Aluminiumkabels, insbesondere eines Litzenleiters, mit einem Anschlußteil auf Kupferbasis. Dazu wird auf das abisolierte Ende des Leiters eine Hülse aus Aluminium aufgebracht, welche die einzelnen Drähte zusammendrückt und einander annähert, um eine metallische Fläche an der Stirnseite des Kabels zu erhalten. Die Stirnseite wird dann mit dem Anschlußteil stumpf verschweißt, wobei die Oxidschicht an der Stirnseite beseitigt wird.
  • Die WO 2010/094005 A1 beschreibt einen hülsenartigen Kabelschuh, dessen Innenwand mit Vorsprüngen versehen ist. Ein abisoliertes Ende eines Aluminiumkabels wird in den Kabelschuh gesteckt und mit diesem zur Feststellung vercrimpt. Die Vorsprünge sollen dabei die Oxidschicht am Leiter aufbrechen.
  • Die US 3 831 132 A beschreibt einen Kabelschuh, welcher an ein abisoliertes Kabelende gecrimpt wird. Der Kabelschuh ist an seiner Innenseite teilweise mit einem Metallblatt ausgelegt, welches mit Oberflächenunebenheiten versehen ist. Diese Oberflächenunebenheiten werden beim Crimpen in die Aluminiumleiter des Kabels hineingedrückt, um den Oxidfilm aufzubrechen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Leiters auf Aluminiumbasis mit einem Kontaktteil bereitzustellen, durch welches eine wirksame, mindestens den gesamten Querschnitt des Aluminiumleiters erfassende elektrisch leitende Verbindung zu dem Kontaktteil erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine solide mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Leiter und dem Kontaktteil in einfachen, kostengünstigen Arbeitsschritten. Durch die unter Spannung an dem Leiter anliegende Hülse des Kontaktteils werden die Vorsprünge der Hülse so in die Außenseite des Leiters gedrückt, daß die äußere Oxidschicht, welche sich auf dem Aluminium gebildet haben kann, zerstört wird. Dadurch ist eine elektrische Verbindung zwischen Leiter und Kontaktteil nicht nur über die Stirnseite des Leiters, sondern auch über dessen Seitenfläche gewährleistet.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine perspektivische und eine Längsschnittansicht eines Kontaktteils in einem ersten stabilen Zustand,
    • Fig. 2 eine perspektivische und eine Längsschnittansicht des Kontaktteils in einem zweiten stabilen Zustand,
    • Fig. 3 einen Leiter und das mit dem Leiter verbundene Kontaktteil im Längsschnitt und in Draufsicht,
    • Fig. 4, in schematischer Ansicht, das vom Kontaktteil umschlossene Ende des Leiters zusammen mit einem angedeuteten Werkzeug, und
    • Fig. 5 das Leiterende mit in das Kontaktteil eingedrungenem Werkzeug.
  • In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktteils schematisch dargestellt, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrisch mit einem Leiter auf Basis von Aluminium verbunden werden soll. Fig. 1 zeigt das Kontaktteil 1 ein einem ersten stabilen Zustand in einer perspektivischen und einer Längsschnittansicht. Der erste stabile Zustand entspricht einem offenen Zustand, in welchem das Kontaktteil 1 locker auf den Leiter aufgesteckt werden kann. Fig. 2 zeigt das Kontaktteil 1 in einem zweiten stabilen Zustand in einer perspektivischen und einer Längsschnittansicht. Der zweite stabile Zustand entspricht einem geschlossenen Zustand, in welchem das Kontaktteil 1 fest auf dem Leiter verbunden ist.
  • Das kappenartige Kontaktteil 1 weist einen Boden 2 und eine mit dem Boden 2 verbundene und von diesem abstehende, zylindrische Hülse 3 auf. Im gezeigten Beispiel besteht die zylindrische Hülse 3 aus mehreren einzelnen, vom Boden 2 abstehenden Klappen 4. Die Klappen 4 weisen jeweils an deren dem Boden gegenüberliegenden Enden einen in radialer Richtung nach innen zeigenden Vorsprung 5 auf. Im geschlossen Zustand des Kontaktteils 1 bilden die einzelnen Vorsprünge 5 einen geschlossenen Ring, wie in Fig. 2 gezeigt. Das Kontaktteil 1 hat außerdem ein Verbindungselement 6, mittels welchem der mit dem Kontaktteil 1 verbundene Leiter elektrisch mit Aktuatoren, Sensoren, Steuerelementen usw. verbunden werden kann. Das Kontaktteil 1 besteht mit Vorteil aus zwei verschiedenen Materialien. Das Verbindungselement 6 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung. Der Boden 2 sowie die Hülse 3 bestehen mit Vorteil aus einem Metall mit für die zwei stabilen Zustände des Kontaktteils 1 geeigneten mechanischen Eigenschaften, beispielsweise aus Federstahl.
  • Der elektrische Leiter auf Aluminiumbasis kann entweder ein aus einer Vielzahl von Einzeldrähten bestehender Litzenleiter oder ein massiver Einzelleiter sein.
  • Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Zunächst muß das Leiterende von gegebenenfalls vorhandenen Schichten, z.B. von einer eventuell vorhandenen Isolierung 8, befreit werden. Das kappenartige Kontaktteil 1 wird anschließend so weit auf den Leiter 7 aufgesteckt, bis die Stirnfläche 9 des Leiters 7 am Boden 2 des Kontaktteils 1 anliegt. Während des Aufsteckens des Kontaktteils 1 befindet sich dieses in seinem ersten stabilen Zustand (s. Fig. 1), so daß die Hülse 3 nicht an dem Leiter 7 anliegt. Der Boden 2 des Kontaktteils ist dabei nach innen gewölbt. Anschließend wird das Kontaktteil 1 in seinen zweiten stabilen Zustand (s. Fig. 2) gebracht, so daß die zylindrische Hülse 3 unter Spannung an der Außenseite des Leiters anliegt. Dabei werden die Vorsprünge 5 der Hülse 3 in die Außenseite des Leiters 7 gedrückt und die Stirnseite 9 des Leiters 7 zusätzlich fest an den Boden des Kontaktteils angedrückt. Eventuell vorhandene Oxidschichten auf dem Leiter 7 werden durch die in die Leiteraußenseite eingedrückten Vorsprünge 5 aufgebrochen, so daß sie die elektrisch leitende Verbindung zwischen Leiter und Kontaktteil nicht behindern. Der Boden 2 des Kontaktteils 1 ist nun nach außen gewölbt. Durch die Vorsprünge 5 wird die Stirnfläche 9 des Leiters 7 in Kontakt mit dem Boden 2 des Kontaktteils 1 gehalten. Abschließend werden der Boden 2 des Kontaktteils 1 und die Stirnfläche 9 des Leiters 7 stoffschlüssig miteinander verbunden.
  • Der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Zustand des Kontaktteils 1 kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Klappen 4 der Hülse 3 zusammengedrückt werden. Diese elastische Verformung ist rückgängig zu machen, indem beispielsweise auf den Boden 2 des Kontaktteils 1 gedrückt wird.
  • Das stoffschlüssige Verbinden des Bodens des Kontaktteils mit der Stirnfläche des Leiters kann durch ein geeignetes Schweißverfahren erfolgen, beispielsweise durch Rührreibschweißen. Beim Rührreibschweißen wird die für eine Verschweißung von Kontaktteil und Leiter benötigte erhöhte Temperatur durch Reibung erzeugt. Dabei verbindet sich das Aluminium oder die Aluminiumlegierung des Leiters bei einer unterhalb der Schmelztemperatur derselben liegenden Temperatur sich mit dem Kupfer oder Kupferlegierung des Kontaktteils stoffschlüssig. Bei diesem Verfahrensschritt wird der Boden des Kontaktteils nicht durchbrochen. Wie in Fig. 4 schematisch angedeutet, wird an das Kontaktteil 1 ein Werkzeug 10 angelegt, welches an seiner Stirnfläche mit einem stiftartigen Vorsprung 11 ausgerüstet sein kann. Das Werkzeug 10 besteht mit Vorteil aus Stahl. Durch die Drehung des Werkzeugs 10 um seine Achse A wird der Boden 2 des Kontaktteils 1 durch Reibung erwärmt. Das Werkzeug 10 wird in Richtung des Pfeiles P bewegt und mit anhaltendem Druck gegen den Boden 2 des Kontaktteils 1 gedrückt, so daß das Material desselben durch Reibung erwärmt wird. Die Wärme wird vom Kontaktteil 1 auf die Stirnseite des Leiters 7 übertragen. Das Material des Leiters 7 verbindet sich daraufhin stoffschlüssig mit dem Kontaktteil 1. Der von der Stirnseite des Werkzeugs in axialer Richtung abstehende Vorsprung 11 drückt den Boden 2 des Kontaktteils 1 bei Anlage an demselben ein, wie es aus Fig. 5 hervorgeht. Dadurch erhöht sich die Kontaktoberfläche zwischen dem Leiter 7 und dem Kontaktteil 1. Auch hier werden eventuell vorhandene Oxidschichten am Leiter 7 beim Verschweißen aufgebrochen, so daß sie die elektrisch leitende Verbindung zwischen Leiter 7 und Kontaktteil 1 nicht behindern.

Claims (5)

  1. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Leiters (7) auf Basis von Aluminium mit einem Kontaktteil (1), mit welchem ein kappenartiges Kontaktteil (1), das einen Boden (2) und eine mit diesem verbundene und von diesem abstehende zylindrische Hülse (3) aufweist, so auf den Leiter (7) aufgesteckt wird, daß die Stirnfläche (9) des Leiters (7) am Boden (2) des Kontaktteils (1) aufliegt, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Kontaktteil (1) einen ersten stabilen Zustand aufweist, in dem das Kontaktteil (1) auf den Leiter (7) aufgesteckt wird, ohne daß die Hülse (3) an dem Leiter (7) anliegt,
    - daß die zylindrische Hülse (3) aus mehreren einzelnen Klappen (4) besteht, welche an deren dem Boden gegenüberliegenden Enden in radialer Richtung nach innen weisende Vorsprünge (5) aufweisen, und in einem zweiten stabilen Zustand unter Spannung an der Außenseite des Leiters (7) anliegt, wobei die Klappen (4) zusammengedrückt, die Vorsprünge (5) in die Außenseite des Leiters (7) gedrückt und die Stirnseite (9) des Leiters (7) zusätzlich fest an den Boden (2) des Kontaktteils (1) angedrückt werden, und
    - daß der Boden (2) des Kontaktteils (1) und die Stirnfläche (9) des Leiters (7) anschließend miteinander verschweißt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (9) des Leiters (7) und der Boden (2) des Kontaktteils (1) mittels Rührreibschweißen miteinander verschweißt werden, wobei der Boden (2) des Kontaktteils (1) nicht durchbrochen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich drehendes Werkzeug an den Boden (2) des Kontaktteils (1) mit anhaltendem Druck angelegt wird, bis infolge von dabei durch Reibung erzeugter höherer Temperatur das Material des Leiters (7) so erweicht wird, daß es sich stoffschlüssig mit dem Kontaktteil (1) verbindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug an seiner zur Anlage am Kontaktteil (1) bestimmten Stirnfläche einen von derselben in axialer Richtung abstehenden Vorsprung aufweist, welcher den Boden (2) des Kontaktteils (1) bei Anlage an demselben eindrückt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (7) ein aus einer Vielzahl von Einzeldrähten bestehender Litzenleiter ist.
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