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EP3324493B1 - Verfahren zum anbringen eines kontaktelements am ende eines elektrischen leiters - Google Patents

Verfahren zum anbringen eines kontaktelements am ende eines elektrischen leiters Download PDF

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EP3324493B1
EP3324493B1 EP16306498.3A EP16306498A EP3324493B1 EP 3324493 B1 EP3324493 B1 EP 3324493B1 EP 16306498 A EP16306498 A EP 16306498A EP 3324493 B1 EP3324493 B1 EP 3324493B1
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EP
European Patent Office
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conductor
particles
contact element
composite body
electrically conductive
Prior art date
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EP16306498.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3324493A1 (de
Inventor
Helmut Steinberg
Rudolf Derntl
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HERMLE MASCHINENBAU GmbH
Nexans SA
Original Assignee
HERMLE MASCHINENBAU GmbH
Nexans SA
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Publication date
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Priority to EP16306498.3A priority patent/EP3324493B1/de
Priority to US15/813,805 priority patent/US10944228B2/en
Priority to CN201711145972.XA priority patent/CN108075340B/zh
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Definitions

  • the invention relates to a method for attaching a contact element to the end of an electrical conductor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a method is, for example, in DE 2 325 294 A described.
  • DE 2 325 294 A describes a method for producing a contact element at the end of an electrical conductor that does not require mechanical fastening elements.
  • the end of an electrical conductor is heated in such a way that the material of the same melts.
  • the molten metal of the conductor is prevented from dripping off the same. This forms a pear-shaped mass known as a "lump", which is an integral part of the conductor.
  • the nugget is then mechanically deformed into a contact element that can be designed in any number of different ways.
  • the material of the conductor itself is used to form a contact element. The method is thus limited to the material of the conductor.
  • the invention is based on the object of further developing the method described at the outset in such a way that it can be used for any materials of conductor and contact element.
  • composite body is thus electrically conductively connected to the material of the conductor, so that the entire conductive Cross-section of the conductor is detected.
  • the conductor is a multi-wire stranded conductor made, for example, of aluminum or an aluminum alloy.
  • particles continue to impinge on the composite body, gradually depositing a metal body on the composite body pointing away from the conductor. The method is terminated when the metal body has sufficient material to form an electrical contact element.
  • the conductor is advantageously arranged vertically, so that its end face is accessible from above.
  • the particles then advantageously hit the end face of the conductor normal to the surface. Small angular deviations from the surface normal can be permissible. Particles that do not hit the end face of the conductor but are moved past the conductor in its axial direction do not adhere to the surface of the conductor.
  • a tube acting as a nozzle is used to supply the particles, which can also be powder particles.
  • the tube has a constriction in its course, through which the gas flow loaded with the particles receives the required high speed.
  • a basically known "Laval nozzle" is used as the tube.
  • the method can be used for all metallic materials that are suitable as electrical conductors on the one hand and as electrical contact elements on the other. It is of particular advantage that different metals can also be used for the conductor and the contact element to be produced, which metals are firmly connected to form a unit. Influences of corrosion on a contact point can be ruled out when using this method. The electrical contact resistance between conductor and contact element is negligible, even if different metals are used for both parts.
  • the conductor can be made of aluminum, for example, and the contact element can be made of copper, or vice versa. This also applies to alloys these two materials. Brass can also be used, for example, with particular advantage for the contact element. However, it is also possible to use the same material for the conductor and the contact element.
  • In 1 shows the end of an insulated electrical conductor L, which is designed as a stranded conductor consisting of a large number of individual wires 1 .
  • the conductor L has no insulation 2 surrounding it.
  • particles of electrically conductive material are applied at high speed in its axial direction according to the arrow 3, which is higher than the speed of sound. The corresponding procedure is based on 3 explained in more detail below.
  • a compact structure is first produced at the end of the conductor L, which 2 indicated and shown as a shaded composite body 4, which consists of the material of the conductor L on the one hand and the metal applied with the particles on the other hand, which is metallurgically firmly connected to the material of the conductor L in the composite body 4.
  • metal body 5 On the composite body 4, due to the particles made of the electrically conductive material that continue to impinge on the same, an additional layer made only of the material of the particles is formed existing metal body 5 generated. It is metallurgically connected to the composite body 4 . The metal body 5 is in 2 drawn with compared to the composite body 4 different hatching.
  • the method according to the invention is carried out, for example, as follows: To feed particles, for example and advantageously made of copper - hereinafter referred to as "particles" for short - to a conductor L made of aluminum, for example, a tube 6 acting as a nozzle is used, which extends in the axial direction of the conductor L arranged with a vertical course the same is ordered. Gas coming from a gas source 7, advantageously an inert gas, is blown as a gas stream into the tube 6 at its end. Particles, which are contained in a supply 8 of particles, are added to the gas stream before it enters the pipe 6 . The gas stream can be passed through the particles. In any case, the particles are arranged in such a way that they are taken along and transported by the gas flow.
  • the conductor L is arranged in a tool 9 in such a way that only its tip protrudes from the same.
  • the individual wires 1 of the conductor L are held together by the tool 9 and, on the other hand, the insulation 2 of the conductor L is protected from the particles.
  • the tool 9 can advantageously be made in several parts.
  • the gas stream 10 loaded with the particles exits the free end of the tube 6 at a high speed, which is higher than the speed of sound. It hits the face of the conductor L.
  • the gas stream 10 thus has the function of a carrier for the particles, which thereby impinge on the end face of the conductor L at the same speed as the gas.
  • the metal body 5 that has already been described and encompasses the composite body 4 is produced by the particles.
  • the tube 6 is accordingly 3 positioned at a distance from the face of the conductor L. This distance can be changed. It depends on the material of the particles and is between 20 mm and 150 mm, for example.
  • the conductor L is metallurgically bonded at its end to the metal body 5, specifically in the transition area to the compact structure previously referred to as "composite body 4".
  • the metal body 5, which also includes the composite body 4 can then be mechanically formed into a contact element K with any shape for different applications.
  • six examples of possible contact elements K are shown schematically.
  • the contact element K after Figure 5a can be used, for example, as a connection to the pole of a battery as a so-called battery terminal.
  • a contact element K designed as a plug pin is shown.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen eines Kontaktelements am Ende eines elektrischen Leiters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 2 325 294 A beschrieben.
  • Verfahren zum Anbringen von Kontaktelementen an den Enden von elektrischen Leitern bzw. Leitungen sind seit langer Zeit bekannt. Zur Herstellung einer wirksamen elektrischen Verbindung zwischen einem Kontaktelement und einem Leiter wird zunächst der Leiter von denselben umgebenden isolierenden Schichten befreit. Danach kann ein Kontaktelement in bekannter Technik beispielsweise mittels Schrauben bzw. Klemmen oder durch Schweißen bzw. Löten oder durch Crimpen mit dem Leiter verbunden werden. In der Verbindungsstelle ist ein möglichst niedriger elektrischer Übergangswiderstand zwischen dem Kontaktelement und dem Leiter von Bedeutung. Außerdem soll ein fester Sitz des Kontaktelements auf dem Leiter auf Dauer sichergestellt sein.
  • In der US 2013/0072075 A1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem mittels einer Düse erhitztes Pulver auf eine Unterlage aufgetragen wird, und zwar mit einer über der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit. Die Düse wird bei diesem Verfahren horizontal angeordnet. Sie ist als Trichter ausgeführt, der sich in Richtung des zu beschichtenden Werkstücks erweitert. Es soll mit dem Verfahren eine dünne, als Film bezeichnete Schicht auf dem Werkstück aufgebracht werden. Dabei wird das Werkstück durch das Pulver erodiert und plastisch verformt, so dass das Pulver aufgrund seiner kinetischen oder thermischen Energie als Film an demselben haften bleibt. Wenn das zu beschichtende Werkstück ein elektrischer Draht ist, auf dessen Stirnseite eine Schicht mittels des Pulvers aufgetragen werden soll, dann wird zusätzlich eine Blende mit einer Öffnung eingesetzt, durch welche sichergestellt ist, dass das Pulver tatsächlich auf die Stirnseite des Leiters auftrifft.
  • Aus der eingangs erwähnten DE 2 325 294 A geht ein Verfahren zur Erzeugung eines Kontaktelements am Ende eines elektrischen Leiters hervor, das ohne mechanische Befestigungselemente auskommt. Mit diesem Verfahren wird das Ende eines elektrischen Leiters derart erwärmt, dass das Material desselben schmilzt. Dabei wird mit entsprechender Anordnung des Leiters verhindert, dass das geschmolzene Metall des Leiters von demselben abtropft. Es wird dadurch eine birnenförmige, als "Klümpchen" bezeichnete Masse gebildet, die fester Bestandteil des Leiters ist.
  • Das Klümpchen wird anschließend mechanisch zu einem Kontaktelement verformt, das in beliebiger Art und Weise unterschiedlich ausgeführt sein kann. Bei diesem bekannten Verfahren wird also das Material des Leiters selbst für die Bildung eines Kontaktelements verwendet. Das Verfahren ist dadurch auf das Material des Leiters beschränkt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Verfahren so weiterzubilden, dass es für beliebige Materialien von Leiter und Kontaktelement einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Dieses Verfahren, das in der Fachwelt auch als "Kaltgasspritzen" bezeichnet wird, arbeitet rein mechanisch, ohne Zuführung von Wärme an den Leiter. Die Partikel des elektrisch leitenden Materials - im Folgenden nur noch kurz "Partikel" genannt - werden der Stirnseite des Leiters über ein als Düse wirkendes Rohr zugeführt, und zwar mittels eines als Träger dienenden Gasstroms, der zusammen mit den darin enthaltenen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit auf die Stirnseite des Leiters auftrifft. Als Gas wird vorzugsweise ein inertes Gas eingesetzt. Die beispielsweise aus Kupfer bestehenden Partikel dringen wegen der hohen Geschwindigkeit, die über der Schallgeschwindigkeit liegt, in das Material des Leiters ein und verbinden sich mit demselben metallurgisch zu einem kompakten Gebilde, in dem das Material des Leiters und das Material der Partikel enthalten sind.
  • Dieses im Folgenden als "Verbundkörper" bezeichnete Gebilde ist dadurch elektrisch leitend mit dem Material des Leiters verbunden, so dass der gesamte leitende Querschnitt des Leiters erfaßt ist. Das ist von wesentlicher Bedeutung, weil es sich bei dem Leiter um einen aus mehreren Drähten bestehenden Litzenleiter handelt, die beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Da das Verfahren ohne Unterbrechung weitergeführt wird, treffen auf den Verbundkörper weiter Partikel auf, wodurch auf dem Verbundkörper nach und nach ein vom Leiter wegweisender Metallkörper aufgetragen wird. Das Verfahren wird dann beendet, wenn der Metallkörper genügend Material zur Formung eines elektrischen Kontaktelements aufweist.
  • Der Leiter wird zur Durchführung des Verfahrens mit Vorteil vertikal angeordnet, so dass seine Stirnseite von oben zugänglich ist. Die Partikel treffen dann mit Vorteil flächennormal auf die Stirnseite des Leiters auf. Dabei können geringe Winkelabweichungen von der Flächennormalen zulässig sein. Partikel, die nicht auf die Stirnseite des Leiters auftreffen, sondern in dessen Achsrichtung am Leiter vorbei bewegt werden, haften nicht an der Oberfläche des Leiters.
  • Zum Zuführen der Partikel, die auch Pulverpartikel sein können, wird - wie bereits erwähnt - ein als Düse wirkendes Rohr verwendet. Das Rohr hat in seinem Verlauf eine Verengung, durch welche der mit den Partikeln beladene Gasstrom die erforderliche hohe Geschwindigkeit erhält. In bevorzugter Ausführungsform wird als Rohr eine grundsätzlich bekannte "Lavaldüse" eingesetzt.
  • Das Verfahren kann für alle metallischen Materialien verwendet werden, die als elektrische Leiter einerseits und als elektrische Kontaktelemente andererseits geeignet sind. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass für den Leiter und das zu erzeugende Kontaktelement auch unterschiedliche Metalle eingesetzt werden können, die metallurgisch fest zu einer Einheit verbunden werden. Einflüsse von Korrosion auf eine Kontaktstelle können bei Einsatz dieses Verfahrens ausgeschlossen werden. Der elektrische Übergangswiderstand zwischen Leiter und Kontaktelement ist vernachlässigbar, auch wenn unterschiedliche Metalle für beide Teile eingesetzt werden.
  • Im geschilderten Sinne können der Leiter beispielsweise aus Aluminium und das Kontaktelement aus Kupfer bestehen oder umgekehrt. Das gilt auch für Legierungen dieser beiden Materialien. Auch Messing kann beispielsweise verwendet werden, mit Vorteil besonders für das Kontaktelement. Es ist aber auch möglich, für den Leiter und das Kontaktelement jeweils das gleiche Material einzusetzen.
  • Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 das Ende eines abisolierten elektrischen Leiters.
    • Fig. 2 das Ende des Leiters nach Fig. 1 nach einer Bearbeitung mit dem Verfahren nach der Erfindung.
    • Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
    • Fig. 4 ein bei dem Verfahren nach der Erfindung einsetzbares Rohr.
    • Fig. 5 unterschiedliche, mit dem Verfahren nach der Erfindung herstellbare Kontaktelemente.
  • In Fig. 1 ist das Ende eines isolierten elektrischen Leiters L dargestellt, der als aus einer Vielzahl von Einzeldrähten 1 bestehender Litzenleiter ausgeführt ist. An seinem Ende ist der Leiter L von einer denselben umgebenden Isolierung 2 befreit. Auf die Stirnseite des Leiters L werden in seiner Achsrichtung entsprechend dem Pfeil 3 Partikel aus elektrisch leitendem Material mit hoher Geschwindigkeit aufgebracht, die höher als die Schallgeschwindigkeit ist. Das entsprechende Verfahren wird anhand von Fig. 3 weiter unten genauer erläutert.
  • Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird am Ende des Leiters L zunächst ein kompaktes Gebilde erzeugt, das in Fig. 2 angedeutet und als schraffiert eingezeichneter Verbundkörper 4 dargestellt ist, der aus dem Material des Leiters L einerseits und aus dem mit den Partikeln aufgebrachten Metall andererseits besteht, das in dem Verbundkörper 4 metallurgisch fest mit dem Material des Leiters L verbunden ist.
  • Auf dem Verbundkörper 4 wird durch die weiter auf denselben auftreffenden Partikel aus dem elektrisch leitenden Material zusätzlich ein nur aus dem Material der Partikel bestehender Metallkörper 5 erzeugt. Er ist metallurgisch fest mit dem Verbundkörper 4 verbunden. Der Metallkörper 5 ist in Fig. 2 mit gegenüber dem Verbundkörper 4 anderer Schraffur eingezeichnet.
  • Das Verfahren nach der Erfindung wird beispielsweise wie folgt durchgeführt:
    Zum Zuführen von beispielsweise und mit Vorteil aus Kupfer bestehenden Partikeln - im Folgenden weiter kurz als "Partikel" bezeichnet - zu einem beispielsweise aus Aluminium bestehenden Leiter L wird ein als Düse wirkendes Rohr 6 verwendet, das in Achsrichtung des mit vertikalem Verlauf angeordneten Leiters L über demselben angeordnet wird. In das Rohr 6 wird an seinem Ende aus einer Gasquelle 7 kommendes Gas, mit Vorteil ein inertes Gas, als Gasstrom eingeblasen. Dem Gasstrom werden vor dem Eintritt in das Rohr 6 Partikel aufgegeben, die in einem Vorrat 8 von Partikeln enthalten sind. Der Gasstrom kann durch die Partikel hindurchgeleitet werden. Die Partikel werden aber auf jeden Fall so angeordnet, dass sie vom Gasstrom mitgenommen und transportiert werden.
  • Der Leiter L ist in einem Werkzeug 9 so angeordnet, dass nur seine Spitze aus demselben herausragt. Durch das Werkzeug 9 sind einerseits die Einzeldrähte 1 des Leiters L, zusammengehalten und die Isolierung 2 des Leiters L ist andererseits gegenüber den Partikeln geschützt. Das Werkzeug 9 kann mit Vorteil mehrteilig ausgeführt sein. Der mit den Partikeln beladene Gasstrom 10 tritt am freien Ende des Rohres 6 mit hoher Geschwindigkeit, die höher als die Schallgeschwindigkeit ist, aus demselben aus. Er trifft auf die Stirnseite des Leiters L auf. Der Gasstrom 10 hat damit die Funktion eines Trägers für die Partikel, die dadurch mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Gas auf die Stirnseite des Leiters L auftreffen. Durch die Partikel wird der bereits beschriebene, den Verbundkörper 4 mit umfassende Metallkörper 5 erzeugt.
  • Das Rohr 6 wird entsprechend Fig. 3 mit Abstand zur Stirnseite des Leiters L positioniert. Dieser Abstand ist veränderbar. Er hängt vom Material der Partikel ab und liegt beispielsweise zwischen 20 mm und 150 mm.
  • Das insgesamt einen kreisrunden Querschnitt aufweisende Rohr 6 hat in seinem Verlauf entsprechend der rein schematischen Darstellung in Fig. 4 eine Einengung 11 seines lichten Querschnitts, wodurch entsprechend der Funktion der erwähnten Lavaldüse die benötigte Geschwindigkeit des Gasstroms und damit die benötigte Geschwindigkeit der Partikel erreicht wird.
  • Nach Beendigung des Verfahrens ist der Leiter L an seinem Ende metallurgisch fest mit dem Metallkörper 5 verbunden, und zwar in dem Übergangsbereich mit dem kompakten Gebilde, das im Vorangehenden als "Verbundkörper 4" bezeichnet ist. Der auch den Verbundkörper 4 umfassende Metallkörper 5 kann danach mechanisch zu einem Kontaktelement K mit beliebiger Form für unterschiedliche Anwendungen umgeformt werden. In den Fig. 5a bis 5d sind sechs Beispiele für mögliche Kontaktelemente K schematisch dargestellt. Das Kontaktelement K nach Fig. 5a kann beispielsweise als Anschluß an den Pol einer Batterie als sogenannte Batterieklemme eingesetzt werden. In Fig. 5d ist beispielsweise ein als Steckerstift ausgeführtes Kontaktelement K wiedergegeben.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Anbringen eines Kontaktelements am Ende eines elektrischen Leiters, der als aus einer Vielzahl von Einzeldrähten bestehender Litzenleiter ausgeführt ist, mit welchem am Ende des Leiters vorhandenes, mit dem Leiter fest verbundenes elektrisch leitendes Material zu einem Kontaktelement mit variabler Form verformt wird, dadurch gekennzeichnet,
    - dass zunächst das Ende des blanken Leiters (L) in eine zumindest annähernd vertikale Position gebracht wird, in welcher er in einem die Einzeldrähte zusammenhaltenden Werkzeug (9) angeordnet wird,
    - dass danach auf das nach oben ragende, stirnseitige Ende des Leiters (L) in axialer Richtung desselben Partikel eines elektrisch leitenden Materials mit einer über der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit mittels eines in seinem Verlauf mit einer Einengung versehenen, als Düse wirkenden Rohrs, das über dem Leiter angeordnet wird, aufgebracht werden, wodurch sich das Material des Leiters (L) mit dem auf dessen Stirnseite aufgebrachten, elektrisch leitenden Material zu einem kompakten Verbundkörper (4) verbindet, das mechanisch fest und elektrisch leitend mit dem Material des Leiters (L) verbunden ist,
    - dass anschließend ohne Unterbrechung des Verfahrens weitere Partikel des elektrisch leitenden Materials auf den kompakten Verbundkörper (4) aufgebracht werden wodurch ein nur aus dem Material der Partikel bestehender Metallkörper (5) erzeugt wird, der metallurgisch fest mit dem Verbundkörper (4) verbunden ist, und
    - dass der auch den Verbundkörper (4) umfassende Metallkörper (5) abschließend mechanisch zu dem Kontaktelement (K) umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der blanke Leiter (L) mit vertikaler Position angeordnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leiter (L) verwendet wird, der aus einer Vielzahl von zu einer Einheit zusammengefaßten Drähten aufgebaut ist, welche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Partikel Kupfer oder eine Kupferlegierung eingesetzt wird.
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