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EP3138160B1 - Crimp-schweissverbindung - Google Patents

Crimp-schweissverbindung Download PDF

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Publication number
EP3138160B1
EP3138160B1 EP15718771.7A EP15718771A EP3138160B1 EP 3138160 B1 EP3138160 B1 EP 3138160B1 EP 15718771 A EP15718771 A EP 15718771A EP 3138160 B1 EP3138160 B1 EP 3138160B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stranded wire
connection
crimp
crimping
stranded
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP15718771.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3138160A1 (de
Inventor
Walter Baldauf
Martin Hundseder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
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 Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG filed Critical Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3138160A1 publication Critical patent/EP3138160A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3138160B1 publication Critical patent/EP3138160B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01R4/10—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 effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation
    • H01R4/18—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 effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping
    • H01R4/187—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 effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping combined with soldering or welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • 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
    • H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • H01R4/18—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 effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping
    • H01R4/20—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 effected solely by twisting, wrapping, bending, crimping, or other permanent deformation by crimping using a crimping sleeve

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a permanent mechanical and electrical connection between a stranded wire and a connection element. One end of the stranded cable is welded to the connection element. Furthermore, the invention relates to a connection produced according to the method according to the invention between a connection element and a stranded wire.
  • a stranded wire or litz wire is a conductor consisting of a number of thin individual wires.
  • the individual wires can be encircled coaxially by a common insulating sleeve and, if necessary, additionally by a common outer conductor. Several such stranded wires can run next to each other in a cable.
  • Stranded lines generally have the advantage of particularly high flexibility and only a low susceptibility to conductor breakage, even under mechanical loads such as vibrations or shearing and bending forces acting on the stranded line.
  • connection element such as a connector or a terminal
  • a connection element such as a connector or a terminal
  • ferrule that holds the individual wires of the stranded wire together and prevents damage to the individual wires by a clamping screw or the like. prevented.
  • the ferrule can, for example, be crimped to the end of the stranded wire.
  • solder the stranded wire to a connection element it is known to solder the stranded wire to a connection element.
  • connection points are regularly exposed to high forces such as vibrations, so that a particularly stable and durable attachment of the stranded wire to the connecting element is required.
  • connection element At present, stranded cables with a large cross section or with a large number of individual wires are regularly welded to the connection element. This is because a permanent material-to-material connection can be produced quickly and comparatively inexpensively by welding.
  • the stranded wire is placed on a flat contact surface of the connection element, pressed flat in such a way that as many individual wires of the stranded wire as possible are in direct contact with the contact surface, and then the individual wires are welded to the contact surface.
  • welded connections cannot be produced with the same resistance and durability due to the individual wires, which are sometimes randomly aligned during welding, so that welded connections do not always permanently withstand the vibrations to which the connection point can be exposed.
  • the connecting element is both crimped to the stranded wire and additionally welded to the stranded wire.
  • the connection element has a crimping depression in the form of a substantially cylindrical blind hole, into which one end of the stranded wire is inserted before crimping or before welding.
  • the stranded wire is not welded to a flat contact surface, but rather it is attached to a side wall of the crimping depression that runs around it in the circumferential direction.
  • the invention is based on the finding that if the stranded wire is only in contact with a contact surface of the connection element on one side, numerous individual wires are not directly connected to the connection element during welding, which impairs the fastening strength.
  • the attachment strength can be improved by the side wall of the crimping recess surrounding the stranded wire according to the invention.
  • the contact resistance can be reduced by the comparatively large-area system.
  • the stranded wire is received in a crimping recess during welding, an undesired flow of line material onto the contact surface is prevented before the individual wires of the stranded line sufficiently adhere to the contact surface.
  • the invention is also based on the finding that for a purely non-positive connection such as a crimp connection with a large number of individual wires of the stranded cable to be crimped, considerable pressing forces must be applied in order to achieve a desired plastic deformation of the individual wires over the entire cable diameter. For this reason, pure crimp connections for stranded cables with a large cross section are complex to produce and not sufficiently reliable.
  • the force-locking crimp connection and the material-locking welded connection complement each other in an optimal way according to the invention, since the individual wires already pressed against one another after the crimping process can be welded without significant welding effort and with only a short welding time Provide a material-to-material connection without the cable material escaping from the crimping recess during welding.
  • the stranded cable preferably has a diameter of more than 0.5 cm, in particular 1 cm or more and/or a stranded cross-sectional area of more than 20 mm 2 , preferably more than 40 mm 2 , in particular 50 mm 2 or more.
  • the stranded wire is not necessarily round and can also be in the form of an oval or flat stranded wire.
  • the stranded line can have more than 100, preferably more than 200, in particular 250 or more individual wires running alongside one another.
  • Such a stranded wire can be designed for currents of more than 50 A, in particular 100 A or more, as occur when used in the automotive sector.
  • the crimping depression is essentially circular-cylindrical and adapted to the diameter of the stranded wire. It is surrounded by a thin side wall, preferably essentially in the shape of a circular cylinder, so that a pressing force from the outside allows the side wall to be molded onto the individual wires of the stranded cable arranged in the recess.
  • connection element is first crimped to the stranded wire to provide a crimp connection and then the finished crimp connection is welded to provide a crimp-welded connection.
  • the crimping process in which the end of the stranded wire received in the crimping recess is pressed by the action of a predetermined radial pressing force and the individual wires are thereby plastically deformed, can namely provide a predetermined starting position for the subsequent welding process depending on the pressing force acting.
  • the individual wires of the stranded wire are no longer arranged randomly and comparatively disorderly in the crimping recess after crimping, but with a defined and predetermined crimping height. This leads to a reproducible strength of crimp-weld connections according to the invention.
  • the crimped connection is preferably welded using ultrasound.
  • the energy required for welding is generated by a high-frequency mechanical vibration, which is generated by friction between the components to be welded. At the same time, this friction breaks up an oxide layer on the surfaces of the components to be connected.
  • Ultrasonic welding is characterized by a comparatively shorter welding time. Furthermore, the ultrasonic waves can be applied to the connection element from the outside in a simple manner and thus introduced into the crimping recess.
  • connection element is crimped gas-tight with the stranded cable.
  • the stranded wire is crimped so tightly with the connection element that neither a liquid nor a gaseous medium can penetrate the crimp from the outside, so that oxidation between the pressed individual wires and an associated increase in the contact resistance can be ruled out.
  • the cavities still present between the crimped individual wires are therefore not in fluid connection with the environment.
  • a gas-tight crimp is ensured by a sufficiently high pressing force acting from several sides from the outside on the cylindrical side wall of the crimping recess. As a result, the individual wires are evenly pressed against each other and compressed.
  • the end of the stranded wire is preferably stripped and then inserted into the essentially cylindrical blind hole of the connection element.
  • the stranded wire is inserted so far into the blind hole that the front ends of the individual wires hit the bottom of the blind hole.
  • connection point can also be sealed off from environmental influences by the blind hole.
  • the invention relates to a crimp welded connection produced according to the method according to the invention.
  • a crimp-welded connection is characterized by an end of a stranded wire engaging in a crimping recess of a connecting element such as a plug connector, the stranded wire and the connecting element being crimped and welded to one another.
  • the crimp-welded connection according to the invention is first crimped and then welded.
  • Such a crimp-weld connection is characterized by practically no cavities between the individual wires and particularly uniform compression.
  • the stranded wire is designed to transmit high currents and can have a cross-sectional area of more than 20 mm 2 , preferably more than 40 mm 2 , in particular 50 mm 2 or more and/or more than 100, in particular 200 or more individual wires .
  • the individual wires of the stranded cable are made of aluminum.
  • the side wall of the crimping recess, against which the stranded wire rests, is formed at least partially from copper.
  • the force-locking as well as material-locking crimp-weld connection is particularly advantageous for increasing the fastening strength.
  • connection is sealed (liquid-tight and/or gas-tight) by means of a (possibly additional) insulation crimp in the entry area of the crimping recess.
  • a (possibly additional) insulation crimp in the entry area of the crimping recess.
  • at least a part of a jacket of the stranded wire and/or another sealing element attached to the stranded wire is inserted in sections into the crimping depression and crimped in as well.
  • connection element can be formed as a connector for electrically connecting the stranded wire with a mating connector, the connector has the crimping depression on one side and/or a preferably socket-shaped plug-in geometry on the opposite side.
  • the crimp-welded connection according to the invention is characterized in particular by the following properties: uniform strand compaction, gas-tight connection preferably without cavities in the crimp, improved contact resistance and/or improved surface structure of the contact.
  • connection element 100 in the form of a plug connector, the connection element 100 having a crimping depression 22 into which one end 12 of a stranded wire 10 engages.
  • the crimping recess 22 is formed in the connection element 100 on a side facing the stranded wire 10 in the form of a substantially cylindrical blind hole 24 .
  • the connection element 100 On the side facing away from the blind hole 24, the connection element 100 has a socket-shaped plug-in geometry 28 for connecting the connection element 100 to a mating connector (not shown).
  • the blind hole 24 is surrounded by a relatively thin side wall 26 onto which compressive forces F acting radially inwards can be applied during crimping.
  • a thin side wall offers the further advantage that better introduction of vibrations into the blind hole 24 is possible during welding.
  • a round cross-sectional geometry of the blind hole facilitates the crimping process and leads to a particularly even compression of the stranded wire. Unlike a through hole, a blind hole prevents leakage of molten wire during welding.
  • connection element 100 An outer boundary surface of the connection element 100 is formed in a crimp-optimized manner.
  • the outer boundary surface has an intermediate section which adjoins the side wall 26 of the blind hole 24 and widens conically and which merges into a transition area 29 with an enlarged diameter (see FIG 1 ).
  • the transition area 29 provides sufficient material volume to allow a radial inward deformation of the side wall 26 during crimping.
  • the tapered intermediate section minimizes cracking and other material damage during crimping and/or welding.
  • the plug-in geometry 28 is only shown as an example as a socket.
  • the plug-in geometry can also be in the form of a plug.
  • the connection element may not be formed as a plug connector, but instead represent part of a housing or another contact element.
  • the stranded wire 10 shown has a large number of conductive individual wires 14 which are surrounded by a common sheath.
  • the jacket is stripped so that the individual wires rest against the inner surface of the side wall 26 of the blind hole 24.
  • a part of the jacket and/or another sealing element is introduced at least in sections into the blind hole and is crimped in, so that an insulation crimp is produced.
  • the insulation crimp can also be created in an additional crimping process as a further crimp connection on the cable side become. As a result, the connection is sealed on the cable side by the crimp and on the front end by the blind hole.
  • the stranded line 10 has about 250 individual wires.
  • the cross-sectional area formed jointly by the individual wires (here referred to as the cross-section of the stranded wire) is approximately 50 mm 2 .
  • the stranded line can be surrounded by a common shield and/or an outer sheath.
  • the individual wires can each have an insulating coating.
  • the individual wires 14 of the stranded line are essentially made of aluminum and the connecting element 20 is essentially made of copper.
  • a pressing force F is applied radially from the outside to the side wall 26 of the blind hole.
  • the pressing force F acts circumferentially on the side wall 26 in order to achieve the most uniform possible pressing of the individual wires 14 and pressing against the side wall 26 .
  • the individual wires 14 are deformed in such a way that there are only a few cavities between the individual wires within the blind hole 24 .
  • the pressing force F is dimensioned in such a way that a gas-tight crimp is created.
  • Figures 2a and 2b the resulting crimp connection is shown in a perspective view and in a sectional view.
  • Figure 2b shows particularly clearly the individual wires 14 of the stranded cable 10 that are pressed tightly together.
  • connection can easily absorb tensile forces of 3 kN on the stranded cable, while conventional welded connections are regularly designed for a maximum tensile force of around 1.8 kN.
  • the crimp-weld connection almost achieves the tensile strength of the rest of the stranded wire or cable. With a purely welded connection, the pull-out force is significantly lower.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Manufacturing Of Electrical Connectors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einer Litzenleitung und einem Anschlusselement. Dabei wird ein Ende der Litzenleitung mit dem Anschlusselement verschweißt. Ferner betrifft die Erfindung eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung zwischen einem Anschlusselement und einer Litzenleitung.
  • Eine Litzenleitung oder Litze ist ein aus einer Mehrzahl von dünnen Einzeldrähten bestehender Leiter. Die Einzeldrähte können von einer gemeinsamen Isolierhülle und ggf. zusätzlich von einem gemeinsamen Außenleiter koaxial umlaufen werden. Mehrere solche Litzenleitungen können nebeneinander in einem Kabel verlaufen.
  • Litzenleitungen haben allgemein den Vorteil einer besonders hohen Biegsamkeit und einer nur geringen Anfälligkeit für Leiterbrüche auch unter mechanischen Belastungen wie etwa Vibrationen oder auf die Litzenleitung einwirkenden Scher- und Biegekräften.
  • Zum Verbinden der Litzenleitung mit einem Anschlusselement wie etwa einem Steckverbinder oder einer Klemme ist es bekannt, ein abisoliertes Ende der Litzenleitung mit einer Aderendhülse zu versehen, die die Einzeldrähte der Litze fest zusammenhält und eine Beschädigung der Einzeldrähte durch eine Klemmschraube o.dgl. verhindert. Die Aderendhülse kann bspw. mit dem Ende der Litzenleitung vercrimpt werden. Als Alternative ist es bekannt, die Litze an einem Anschlusselement anzulöten.
  • Litzenleitungen bzw. Litzen, die zur Hochstromübertragung bspw. in Automobilen eingesetzt werden, haben allerdings regelmäßig einen großen Leitungsquerschnitt und eine große Anzahl an Einzeldrähten, wodurch das Verbinden der Litze mit dem Anschlusselement erschwert wird. Ferner sind die Verbindungsstellen regelmäßig hohen Krafteinwirkungen wie etwa Vibrationen ausgesetzt, so dass eine besonders stabile und haltbare Befestigung der Litze an dem Anschlusselement erforderlich ist.
  • Derzeit werden Litzenleitungen mit einem großen Querschnitt bzw. mit einer großen Anzahl von Einzeldrähten regelmäßig an das Anschlusselement angeschweißt. Durch Schweißen kann nämlich schnell und vergleichsweise kostengünstig eine dauerhafte stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Dazu wird die Litze auf eine flache Kontaktfläche des Anschlusselements aufgelegt, derart plattgedrückt, dass möglichst viele Einzeldrähte der Litze in direktem Kontakt mit der Kontaktfläche stehen, und anschließend werden die Einzeldrähte mit der Kontaktfläche verschweißt. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass solche Schweißverbindungen aufgrund der beim Schweißen teilweise ungeordnet ausgerichteten Einzeldrähte nicht mit gleichbleibender Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit herstellbar sind, so dass Schweißverbindungen den Vibrationen, denen die Verbindungsstelle ausgesetzt sein kann, nicht immer dauerhaft standhalten.
  • Aus der EP 2 362 491 A1 , US 3,717,842 und DE 10 2013 105 669 A1 ist es jeweils bekannt, eine dauerhafte mechanische und elektrische Verbindung zwischen einer Litzenleitung und einem Anschlusselement herzustellen, in dem ein Ende der Litzenleitung mit dem Anschlusselement verschweißt wird, wobei das Ende der Litzenleitung vor dem Verschweißen in eine Crimpvertiefung des Anschlusselements eingeführt und das Anschlusselement mit der Litzenleitung vercrimpt wird.
  • In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer unlösbaren mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen einer Litzenleitung und einem Anschlusselement bereitzustellen, mit dem Litzenleitungen mit einer großen Anzahl von Einzeldrähten auch unter hohen Belastungen der Verbindungsstelle zuverlässig und haltbar an dem Anschlusselement befestigt werden können. Ebenso ist es eine Aufgabe der Erfindung eine solche Verbindung bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Verbindung gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Verbindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Erfindungsgemäß wird das Anschlusselement sowohl mit der Litzenleitung vercrimpt als auch zusätzlich mit der Litzenleitung verschweißt. Dazu weist das Anschlusselement eine Crimpvertiefung in Form eines im Wesentlichen zylindrischen Sacklochs auf, in die ein Ende der Litzenleitung vor dem Vercrimpen bzw. vor dem Verschweißen eingeführt wird. Mit anderen Worten wird die Litzenleitung erfindungsgemäß nicht an eine flache Kontaktfläche angeschweißt, sondern sie wird an einer sie in Umfangsrichtung umlaufenden Seitenwand der Crimpvertiefung angebracht.
  • Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass im Fall einer nur einseitigen Anlage der Litzenleitung an einer Kontaktfläche des Anschlusselements zahlreiche Einzeldrähte beim Schweißen nicht unmittelbar an das Anschlusselement angebunden werden, was die Befestigungsstärke beeinträchtigt. Durch die die Litzenleitung erfindungsgemäß umlaufende Seitenwand der Crimpvertiefung kann die Befestigungsstärke verbessert werden. Ferner kann der Übergangswiderstand durch die vergleichsweise großflächige Anlage verringert werden. Schließlich wird dadurch, dass die Litzenleitung beim Schweißen in einer Crimpvertiefung aufgenommen ist, ein ungewünschtes Fließen von Leitungsmaterial auf die Kontaktfläche verhindert, bevor die Einzeldrähte der Litzenleitung ausreichend an der Kontaktfläche anhaften.
  • Ferner geht die Erfindung auf die Erkenntnis zurück, dass für eine rein kraftschlüssige Verbindung wie etwa eine Crimpverbindung bei einer großen Anzahl von Einzeldrähten der zu vercrimpenden Litzenleitung erhebliche Presskräfte aufzuwenden sind, um über den gesamten Leitungsdurchmesser eine gewünschte plastische Verformung der Einzeldrähte zu erreichen. Aus diesem Grund sind reine Crimpverbindungen bei Litzenleitungen mit großem Querschnitt aufwändig in der Herstellung und nicht ausreichend zuverlässig. Dagegen ergänzen sich die kraftschlüssig wirkende Crimpverbindung und die stoffschlüssig wirkende Schweißverbindung erfindungsgemäß auf optimale Weise, da die nach dem Crimpvorgang bereits aneinander angepressten Einzeldrähte ohne erheblichen Schweißaufwand bei nur kurzer Schweißdauer zur Bereitstellung einer stoffschlüssigen Verbindung verschmelzen, ohne dass Leitungsmaterial beim Schweißen aus der Crimpvertiefung austritt.
  • Vorzugsweise weist die Litzenleitung einen Durchmesser von mehr als 0,5 cm, insbesondere 1 cm oder mehr und/oder eine Litzen-Querschnittsfläche von mehr als 20 mm2, bevorzugt mehr als 40 mm2, insbesondere 50 mm2 oder mehr auf. Die Litzenleitung ist allerdings nicht notwendigerweise rund und kann auch als ovale bzw. flache Litzenleitung ausgebildet sein. Dabei kann die Litzenleitung mehr als 100, bevorzugt mehr als 200, insbesondere 250 oder mehr nebeneinander verlaufende Einzeldrähte aufweisen. Eine solche Litzenleitung kann für Stromstärken von mehr als 50 A, insbesondere 100 A oder mehr ausgelegt sein, wie sie beim Einsatz im Automobilbereich auftreten.
  • Die Crimpvertiefung ist im Wesentlichen kreiszylindrisch und an den Durchmesser der Litzenleitung angepasst. Sie ist von einer dünnen, vorzugsweise im Wesentlichen kreiszylindermantelförmigen Seitenwand umgeben, so dass durch eine Presskraft von außen darauf eine Anformung der Seitenwand an die in der Vertiefung angeordneten Einzeldrähte der Litzenleitung möglich ist.
  • Im Hinblick auf eine Erhöhung der Prozesssicherheit wird zunächst das Anschlusselement zum Bereitstellen einer Crimpverbindung mit der Litzenleitung vercrimpt und anschließend die fertige Crimpverbindung zum Bereitstellen einer Crimp-Schweißverbindung verschweißt.
  • Mit anderen Worten wird zunächst gecrimpt und anschließend geschweißt. Durch den Crimpvorgang, bei dem das in der Crimpvertiefung aufgenommene Ende der Litzenleitung durch Einwirkung einer vorgegebenen radialen Presskraft verpresst und dadurch die Einzeldrähte plastisch verformt werden, kann nämlich in Abhängigkeit von der einwirkenden Presskraft eine vorgegebene Ausgangslage für den sich anschließenden Schweißvorgang bereitgestellt werden. Mit anderen Worten sind die Einzeldrähte der Litzenleitung nach dem Crimpen nicht mehr beliebig und vergleichsweise ungeordnet in der Crimpvertiefung angeordnet, sondern mit einer definierten und vorgegebenen Pressmaßhöhe. Dies führt zu einer wiederholbar herstellbaren Festigkeit von erfindungsgemäßen Crimp-Schweißverbindungen.
  • Ferner sind zum Verschweißen einer bereits erstellten Crimpverbindung aufgrund der dann bereits vorliegenden "Vorpressung" ein geringerer Schweißaufwand bzw. ein geringerer Energieeintrag und/oder eine kürzere Schweißdauer erforderlich, so dass der Crimpkontakt durch den Schweißvorgang nicht übermäßig stark beansprucht wird.
  • Vorzugsweise wird die Crimpverbindung mittels Ultraschall verschweißt. Dabei wird die zum Schweißen erforderliche Energie durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erzeugt, die zwischen den zu verschweißenden Bauteilen durch Reibung gebildet wird. Durch diese Reibung wird gleichzeitig eine Oxidschicht an den Oberflächen der zu verbindenden Bauteile aufgebrochen. Ultraschallschweißen zeichnet sich durch eine vergleichsweise geringere Schweißzeit auf. Ferner können die Ultraschallwellen auf einfache Weise von außen an das Anschlusselement angelegt und damit in die Crimpvertiefung eingebracht werden.
  • Das Anschlusselement wird mit der Litzenleitung gasdicht vercrimpt. Dazu wird die Litzenleitung so fest mit dem Anschlusselement vercrimpt, dass weder ein flüssiges noch ein gasförmiges Medium von außen in den Crimp eindringen kann, so dass eine Oxidation zwischen den verpressten Einzeldrähten und eine damit verbundene Erhöhung des Übergangswiderstands ausgeschlossen werden können. Die zwischen den vercrimpten Einzeldrähten noch vorhandenen Hohlräume stehen also nicht in Fluidverbindung mit der Umgebung. Ein gasdichter Crimp wird durch eine ausreichend hohe und von mehreren Seiten von außen auf die zylindrische Seitenwand der Crimpvertiefung einwirkende Presskraft sichergestellt. Dadurch werden die Einzeldrähte gleichmäßig aneinander angepresst und verdichtet.
  • Vor dem Crimpen wird das Ende der Litzenleitung vorzugsweise abisoliert und dann in das im Wesentlichen zylindrische Sackloch des Anschlusselements eingeführt. Vorteilhafterweise wird die Litzenleitung so weit in das Sackloch eingeführt, dass die vorderen Enden der Einzeldrähte an dem Boden des Sacklochs anschlagen. Anders als bei Verwendung eines hülsenförmigen Anschlussteils mit Durchgangsöffnung besteht bei Verwendung eines Sacklochs nicht die Gefahr eines Austretens von Leitungsmaterial oder eines Anhaftens von Leitungsmaterial an der Sonotrode des Schweißgeräts beim Verschweißen, da das Sackloch nur eine einzige Öffnung hat.
  • Durch das Sackloch kann die Verbindungsstelle ferner von Umwelteinflüssen abgeschottet werden.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Crimp-Schweißverbindung. Eine solche Crimp-Schweißverbindung zeichnet sich durch ein in eine Crimpvertiefung eines Anschlusselements wie etwa eines Steckverbinders eingreifendes Ende einer Litzenleitung aus, wobei die Litzenleitung und das Anschlusselement miteinander vercrimpt und miteinander verschweißt sind.
  • Die erfindungsgemäße Crimp-Schweißverbindung wird bei ihrer Herstellung zuerst gecrimpt und anschließend geschweißt. Eine solche Crimp-Schweißverbindung zeichnet sich durch praktisch keine Hohlräume zwischen den Einzeldrähten und eine besonders gleichmäßige Verpressung aus.
  • Wie bereits vorstehend erläutert, ist die Litzenleitung zur Übertragung hoher Stromstärken eingerichtet und kann eine Querschnittsfläche von mehr als 20 mm2, bevorzugt mehr als 40 mm2, insbesondere 50 mm2 oder mehr und/oder mehr als 100, insbesondere 200 oder mehr Einzeldrähte aufweisen.
  • Die Einzeldrähte der Litzenleitung sind aus Aluminium gebildet. Die Seitenwand der Crimpvertiefung, an der die Litzenleitung anliegt, ist zumindest teilweise aus Kupfer gebildet. Bei den aus unterschiedlichen Metallen gebildeten Bauteilen, die miteinander zu verbinden sind, ist die sowohl kraft- als auch stoffschlüssige Crimp-Schweißverbindung zum Erhöhen der Befestigungsstärke besonders vorteilhaft.
  • Die Verbindung wird mittels eines (ggf. zusätzlichen) Isolationscrimps im Eingangsbereich der Crimpvertiefung (flüssigkeitsdicht und/oder gasdicht) abgedichtet. Dazu wird zumindest ein Teil eines Mantels der Litzenleitung und/oder ein an der Litzenleitung angebrachtes anderes Dichtungselement abschnittsweise in die Crimpvertiefung eingeführt und mit eingecrimpt.
  • Das Anschlusselement kann als ein Steckverbinder zum elektrischen Verbinden der Litzenleitung mit einem Gegensteckverbinder gebildet sein, wobei der Steckverbinder auf der einen Seite die Crimpvertiefung und/oder auf der entgegengesetzten Seite eine bevorzugt buchsenförmige Steckgeometrie aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Crimp-Schweißverbindung zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Eigenschaften aus: gleichmäßige Litzenverdichtung, gasdichte Verbindung bevorzugt ohne Hohlräume im Crimp, verbesserte Übergangswiderstände und/oder verbesserte Oberflächenstruktur des Kontakts.
  • in der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Crimp-Schweißverbindung in einer schematischen Schnittansicht,
    Fig. 2a
    eine perspektivische Ansicht einer Crimpverbindung vor dem Schweißvorgang,
    Fig. 2b
    eine Schnittansicht einer Litzenleitung nach dem Vercrimpen, aber vor dem Verschweißen,
    Fig. 3a
    eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Crimp-Schweißverbindung, und
    Fig. 3b
    eine Schnittansicht durch eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Crimp-Schweißverbindung.
  • In Fig. 1 ist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisch gebildetes Anschlusselement 100 in Form eines Steckverbinders dargestellt, wobei das Anschlusselement 100 eine Crimpvertiefung 22 aufweist, in die ein Ende 12 einer Litzenleitung 10 eingreift. Die Crimpvertiefung 22 ist an einer der Litzenleitung 10 zugewandten Seite in Form eines im Wesentlichen zylindrischen Sacklochs 24 in dem Anschlusselement 100 gebildet. Auf der dem Sackloch 24 abgewandten Seite weist das Anschlusselement 100 eine buchsenförmige Steckgeometrie 28 zum Verbinden des Anschlusselements 100 mit einem Gegensteckverbinder (nicht gezeigt) auf.
  • Das Sackloch 24 ist von einer relativ dünnen Seitenwand 26 umgeben, auf die beim Crimpen radial nach innen wirkende Presskräfte F aufgebracht werden können. Eine dünne Seitenwand bietet den weiteren Vorteil, dass beim Schweißen eine bessere Schwingungseinbringung in das Sackloch 24 möglich ist.
  • Eine runde Querschnittsgeometrie des Sacklochs erleichtert den Crimpvergang und führt zu einer besonders gleichmäßigen Verdichtung der Litzenleitung. Anders als bei einem Durchgangsloch wird bei einem Sackloch ein Auslaufen von geschmolzenem Leitungsmaterial beim Schweißen verhindert.
  • Eine äußere Begrenzungsfläche des Anschlusselements 100 ist crimpoptimiert ausgeformt. Erfindungsgemäß weist die äußere Begrenzungsfläche einen sich an die Seitenwand 26 des Sacklochs 24 anschließenden und sich konisch erweiternden Zwischenabschnitt auf, der in einen Übergangsbereich 29 mit erweitertem Durchmesser übergeht (siehe Fig. 1). Der Übergangsbereich 29 stellt ausreichend Materialvolumen zur Verfügung, um eine Verformung der Seitenwand 26 beim Crimpen radial nach innen zu erlauben. Durch den konisch geformten Zwischenabschnitt werden Risse und andere Beschädigungen des Materials beim Crimpen und/oder beim Schweißen minimiert.
  • Die Steckgeometrie 28 ist lediglich beispielhaft als Buchse dargestellt. Alternativ kann die Steckgeometrie auch in Form eines Steckers gebildet sein. Weiter alternativ kann das Anschlusselement nicht als Steckverbinder gebildet sein, sondern einen Teil eines Gehäuses oder eines anderen Kontaktelements darstellen.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Litzenleitung 10 weist eine große Anzahl von leitenden Einzeldrähten 14 auf, die von einem gemeinsamen Mantel umgeben sind. An dem Ende der Litzenleitung 10, das in der Crimpvertiefung 22 aufgenommen ist, ist der Mantel abisoliert, so dass die Einzeldrähte an der Innenfläche der Seitenwand 26 des Sacklochs 24 anliegen. Ein Teil des Mantels und/oder eines anderen Dichtungselements wird zumindest abschnittsweise mit in das Sackloch eingeführt und mit eingecrimpt, so dass ein Isolationscrimp entsteht. Der Isolationscrimp kann auch in einem zusätzlichen Crimpvorgang als weitere kabelseitige Crimpverbindung erstellt werden. Dadurch ist die Verbindung kabelseitig durch den Crimp und am vorderen Ende durch das Sackloch abgedichtet.
  • Insgesamt weist die Litzenleitung 10 etwa 250 Einzeldrähte auf. Die von den Einzeldrähten gemeinsam gebildete Querschnittsfläche (vorliegend als Querschnitt der Litzenleitung bezeichnet) beträgt etwa 50 mm2.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Litzenleitung von einer gemeinsamen Abschirmung und/oder einem Außenmantel umgeben sein. Alternativ oder zusätzlich können die Einzeldrähte jeweils eine isolierende Beschichtung aufweisen.
  • Die Einzeldrähte 14 der Litzenleitung sind im Wesentlichen aus Aluminium gebildet und das Anschlusselement 20 besteht im Wesentlichen aus Kupfer.
  • Im Folgenden sollen die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen der dargestellten Crimp-Schweißverbindung erläutert werden:
    Zunächst wird das freigelegte Ende 12 der Litzenleitung 10 in das Sackloch 24 eingeführt, bis die vorderen Enden der Einzeldrähte an dem Boden des Sacklochs 24 anliegen.
  • Dann wird zum Vercrimpen eine Presskraft F radial von außen auf die Seitenwand 26 des Sacklochs aufgebracht. Die Presskraft F wirkt umlaufend auf die Seitenwand 26, um ein möglichst gleichmäßiges Verpressen der Einzeldrähte 14 und ein Anpressen an die Seitenwand 26 zu erreichen. Dabei werden die Einzeldrähte 14 derart verformt, dass nur noch wenige Hohlräume zwischen den Einzeldrähten innerhalb des Sacklochs 24 vorhanden sind. Die Presskraft F ist derart dimensioniert, dass ein gasdichter Crimp entsteht.
  • In Fig. 2a und Fig. 2b ist die sich ergebende Crimpverbindung in einer perspektivischen Ansicht und in einer Schnittansicht dargestellt. Fig. 2b zeigt besonders deutlich die eng miteinander verpressten Einzeldrähte 14 der Litzenleitung 10.
  • Anschließend werden zum Verschweißen Ultraschallwellen von außen in die fertige Crimpverbindung eingebracht. Dadurch verschmelzen die bereits eng aneinander anliegenden Einzeldrähte 14 miteinander und mit der Innenfläche der Seitenwand 26 des Sacklochs. Eine formschlüssige Verbindung praktisch ohne Hohlräume zwischen den Einzeldrähten 14 der Litzenleitung entsteht, wie sie im Querschnitt in Fig. 3b und in einer Seitenansicht in Fig. 3a gezeigt ist. Eine vergleichsweise geringe Schweißenergie reicht hierfür aus, da die Verbindung durch das Crimpen bereits "vorverpresst" ist.
  • Da das Sackloch 24 nach unten hin verschlossen ist, besteht keine Gefahr eines Austritts von Leitungsmaterial.
  • Eine gegenüberstellende Betrachtung der Figuren 2b und 3b zeigt besonders klar, dass sich eine bloße Crimpverbindung deutlich von der erfindungsgemäßen Crimp-Schweißverbindung unterscheidet.
  • Alternativ kann ein anderes Schweißverfahren als Ultraschallschweißen verwendet werden.
  • Versuche haben ergeben, dass die Übergangswiderstände der erfindungsgemäßen Verbindung deutlich geringer sind als bei einer bloßen Schweißverbindung ohne vorheriges Crimpen.
  • Ferner hat sich herausgestellt, dass die Verbindung problemlos Zugkräfte auf die Litzenleitung von 3 kN aufnehmen kann, während herkömmliche Schweißverbindungen regelmäßig auf eine maximale Zugkraft von etwa 1,8 kN ausgelegt sind.
  • Die Crimp-Schweißverbindung erreicht annähernd die Zugfestigkeit des übrigen Teils der Litzenleitung bzw. des Kabels. Bei einer reinen Schweißverbindung ist die Ausreißkraft deutlich geringer.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Litzenleitung
    12
    Ende der Litzenleitung
    14
    Einzeldrähte der Litzenleitung
    20
    Anschlusselement
    22
    Crimpvertiefung
    24
    Sackloch
    26
    Seitenwand des Sacklochs
    28
    Steckgeomentrie
    29
    Übergangsbereich
    100
    Crimp-Schweißverbindung
    F
    Presskraft

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen einer dauerhaften mechanischen und elektrischen Verbindung (100) zwischen einer Litzenleitung (10) und einem Anschlusselement (20),
    bei dem ein Ende (12) der Litzenleitung mit dem Anschlusselement (20) verschweißt wird,
    wobei das Ende (12) der Litzenleitung (10) vor dem Verschweißen in eine Crimpvertiefung (22) des Anschlusselements (20) in Form eines im Wesentlichen zylindrischen Sacklochs eingeführt wird und das Anschlusselement (20) mit der Litzenleitung (10) vercrimpt wird,
    wobei die Litzenleitung (10) Einzeldrähte (14) aus Aluminium aufweist, und eine Seitenwand der Crimpvertiefung, an der die Litzenleitung anliegt, zumindest teilweise aus Kupfer gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
    dass beim Crimpen von außen eine umlaufende Druckkraft (F) auf eine Seitenwand (26) des Sacklochs (24) aufgebracht wird, so dass die Einzeldrähte (14) der Litzenleitung (10) gleichmäßig verdichtet werden, und das Anschlusselement (20) mit der Litzenleitung (10) mittels eines Isolationcrimps gasdicht vercrimpt wird,
    wobei eine äußere Begrenzungsfläche des Anschlusselements (20) einen Übergangsbereich (29) und einen konisch geformten Zwischenabschnitt aufweist, der konisch geformte Zwischenabschnitt sich an die Seitenwand (26) des Sacklochs (24) anschließt und sich konisch erweitert, und der konisch geformte Zwischenabschnitt zwischen der Seitenwand (26) und dem Übergangsbereich (29) angeordnet ist, um Risse beim Crimpen oder Schweißen zu minimieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Anschlusselement (20) zum Bereitstellen einer Crimpverbindung mit der Litzenleitung (10) vercrimpt und anschließend die fertige Crimpverbindung zum Bereitstellen einer Crimp-Schweißverbindung (100) verschweißt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Crimpverbindung mittels Ultraschall verschweißt wird.
  4. Verbindung (100), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindung (100) eine Litzenleitung (10) und ein Anschlusselement (20) aufweist, wobei ein Ende (12) der Litzenleitung (10) mit dem Anschlusselement (20) verschweißt ist, wobei das Ende (12) der Litzenleitung (10) in eine Crimpvertiefung (22) des Anschlusselements (20) in Form eines im Wesentlichen zylindrischen Sacklochs eingeführt ist, und das Anschlusselement (20) mit der Litzenleitung (10) vercrimpt ist, wobei die Litzenleitung (10) Einzeldrähte (14) aus Aluminium aufweist, und eine Seitenwand der Crimpvertiefung, an der die Litzenleitung anliegt, zumindest teilweise aus Kupfer gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Einzeldrähte (14) der Litzenleitung (10) gleichmäßig verdichtet sind, und das Anschlusselement (20) mit der Litzenleitung (10) mittels eines Isolationscrimps gasdicht vercrimpt ist,
    wobei eine äußere Begrenzungsfläche des Anschlusselements (20) einen Übergangsbereich (29) und einen konisch geformten Zwischenabschnitt aufweist, der konisch geformte Zwischenabschnitt sich an die Seitenwand (26) des Sacklochs (24) anschließt und sich konisch erweitert, und der konisch geformte Zwischenabschnitt zwischen der Seitenwand (26) und dem Übergangsbereich (29) angeordnet ist, um Risse beim Crimpen oder Schweißen zu minimieren.
  5. Verbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (20) ein Steckverbinder zum elektrischen Verbinden der Litzenleitung (10) mit einem Gegensteckverbinder ist, wobei der Steckverbinder auf der einen Seite die Crimpvertiefung (22) und/oder auf der entgegengesetzten Seite eine bevorzugt buchsenförmige Steckgeometrie (28) aufweist.
  6. Verbindung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzenleitung (10) eine Querschnittsfläche von mehr als 20 mm2, bevorzugt mehr als 40 mm2, insbesondere 50 mm2 oder mehr aufweist.
  7. Verbindung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Litzenleitung (10) mehr als 100, insbesondere 200 oder mehr Einzeldrähte (14) aufweist.
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