Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontaktierung eines Leiters mit einer elektrischen Komponente.

Stand der Technik

Der Einsatz von Flachleitern aus Aluminium als Stromschiene bzw. Multischiene für die Übertragung von hohen Strömen und Spannungen im Bereich der Fahrzeugtechnik gewinnt stetig an Bedeutung. Diese Flachleiter werden an ihren Enden mit einer elektrischen Komponente, wie zum Beispiel einer Batterie oder einer Ladedose elektrisch verbunden. Wie es aus dem Stand der Technik jedoch hinlänglich bekannt ist, eignet sich Aluminium aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel seinem plastischem Fließverhalten unter Druck, nicht zur direkten Kontaktierung mit einer bestehenden elektrischen Komponente.

Die DE102014012489 A1 zeigt ein als Flansch ausgebildetes Anschlussteil für Aluminiumleitungen, der in einem gebohrten Flachleiter eingeschweißt und anschließend kontaktiert wird.

Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Vorrichtung und ein Verfahren zur direkten Kontaktierung eines Leiters, insbesondere aus Aluminium, mit einer elektrischen Komponente bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gelöst werden kann, bei welchem ein als sogenanntes Adapterelement ausgebildetes Kontaktierungselement an einem als Aluminium-Flachleiter ausgebildeten Stromschiene zur sicheren Kontaktierung der Stromschiene mit einer elektrischen Komponente aufgebracht wird. Das Kontaktierungselement kann dabei als eine mit Silber oder Kupfer beschichtete oder eine aus Kupfer bestehenden Scheibe ausgebildet sein, welche durch Anwendung eines gängigen Schwei ßverfahrens wie zum Beispiel dem Rotationsschweißen, dem Ultraschallschweißen oder dem Widerstandsschweißen auf eine abisolierte Oberfläche des Aluminium-Flachleiters aufgebracht wird. Die Kontaktierung der Stromschiene mit einer elektrischen Komponente kann dann mittels dem erfindungsgemäßen Adapterelement oder Kontaktierungselement über einen entsprechenden Kraft- oder Formschluss erfolgen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung zur Kontaktierung eines als Flachleiter ausgebildeten Leiters aus Aluminium mit einer elektrischen Komponente mittels eines Kontaktierungselements, welches mit dem Flachleiter stoffschlüssig verbindbar ist, wobei das Kontaktierungselement aus Kupfer besteht. Das Kontaktierungselement ist dabei als eine Scheibe ausgebildet, wobei die Scheibe einerseits eine als kegel- oder ringförmige Struktur ausgebildete Anreibhilfe auf einer als Fügeseite bezeichneten ersten Seite der Scheibe aufweist. Andererseits weist die Scheibe eine mit mindestens einer Aussparung versehenen Außenkontur auf einer gegenüber der Fügeseite der Scheibe liegenden zweiten Seite zur Aufnahme der Scheibe in einer einem Schweißwerkzeug korrespondierende Einlegekontur auf.

Durch die als eine kegel- oder ringförmige Struktur ausgebildete Anreibhilfe der Scheibe wird der Vorteil erreicht, dass beim Verbinden der Scheibe mit dem isolierten Flachleiter mittels eines geeigneten Schweißprozesses die Oxide der Aluminiumoberfläche des Flachleiters entweder ins Zentrum der Scheibe getrieben werden, wo die Oxide bzw. Grate durch eine dem Schweißvorgang nachfolgende Bearbeitung der Scheibe, insbesondere dem Durchbohren der auf den Flachleiter aufgeschweißten Scheibe, sicher entfernt werden können, oder nach Außen, wo diese durch einen umlaufenden Kragen eingefangen werden können. Ganz allgemein gesagt, die Oxide befinden sich also bereits auf der Aluminiumoberfläche des Flachleiters und werden durch die Kontur der Scheibe nach außen bzw. innen gefördert.

Die Anreibhilfe der Scheibe kann allgemein gesprochen auch eine schweißbuckelartige Form aufweisen, unter welcher die kegel- oder ringförmige Struktur der Scheibe fällt.

Die Scheibe selbst kann dabei gegenüber einem herkömmlichen, in der Regel zylindrisch ausgebildeten Flansch relativ flach ausgebildet sein. Auf diese Weise wird auf vorteilhafte Weise bei gleicher zur Verfügung gestellter Kontaktierungsfläche ein kleinerer Bauraum benötigt. Der Bauraum kann also durch die erfindungsgemäße Scheibe entsprechend der jeweiligen Anwendung optimiert werden. Auch erfordert eine relativ flache Scheibe einen wesentlich geringeren Materialbedarf.

In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Aussparung der Außenkontur der Scheibe als eine Einkerbung ausgebildet. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Scheibe auf einfache Weise formschlüssig in ein bestehendes Schweißwerkzeug zum Verbinden der Scheibe mit dem Flachleiter eingelegt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Schweißwerkzeug optimal an die Scheibe angesetzt werden kann. Zudem wird dadurch der Schweißvorgang prozesssicherer gemacht.

In einer Ausführungsform weist die mindestens eine Aussparung der Außenkontur der Scheibe mindestens einen eckig ausgebildeten Abschnitt oder mindestens einen länglich ausgebildeten Abschnitt auf. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Scheibe auf einfache Weise formschlüssig in ein bestehendes Schweißwerkzeug zum Verbinden der Scheibe mit dem Flachleiter eingelegt werden kann.

Durch diese besondere Ausprägung der Scheibe in ihrer Außenkontur, die hier auch als Formkontur der Scheibe bezeichnet wird, kann zudem ein winkelgenaues Aufschweißen der Scheibe auf den Flachleiter ermöglicht werden. Zudem kann durch die Formkontur der Scheibe eine sogenannte Codierung der Scheibe für einen Schraubpunkt oder einen möglichen Steckkontakt realisiert werden.

In einer Ausführungsform weist die Scheibe eine im Wesentlichen mittig ausgerichtete

Bohrung auf, wobei die Bohrung vorzugsweise als ein Langloch ausgebildet ist. „Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass ein flexibles Rastermaß zu einem Gegenstecker eingestellt werden kann, um auf einfache Weise einen Toleranzausgleich zu realisieren. Generell kann durch ein Bohrloch in der Scheibe auf vorteilhafte Weise die Kontaktfläche der Scheibe großflächig verschraubt werden. Das Bohren der Scheiben erfolgt in der Regel nach dem Fügen der Scheibe mit dem Flachleiter.

In einer Ausführungsform ist die Scheibe entweder teilweise versilbert, vernickelt oder partiell verzinnt. Dadurch wird der Vorteil einer besseren Kontaktierung zum Anschlusselement erreicht.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur stoffschlüssigen Kontaktierung eines Leiters mit einen Kontaktierungselement zur anschließenden kraftschlüssigen Kontaktierung mit einer elektrischen Komponente. In einem ersten Schritt wird ein Flachleiter aus Aluminium bereitgestellt. In einem zweiten Schritt wird der Flachleiter stoffschlüssig mit einem Kontaktierungselement verbunden, wobei das Kontaktierungselement aus Kupfer besteht und wobei das Kontaktierungselement als eine Scheibe ausgebildet ist, wobei die Scheibe eine als kegel- oder ringförmige Struktur ausgebildete Anreibhilfe auf einer als Fügeseite bezeichneten ersten Seite der Scheibe sowie eine mit mindestens einer Aussparung versehenen Außenkontur auf einer gegenüber der Fügeseite der Scheibe liegenden zweiten Seite zur Aufnahme der Scheibe in einer einem Schweißwerkzeug korrespondierende Einlegekontur aufweist.

In einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung erfolgt der Verfahrensschritt des stoffschlüssigen Verbindens mittels Rotationsreibschweißen, Ultraschallschweißen oder Widerstandsschweißen.

Kurze Figurenbeschreibung

Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Vorrichtung zur Kontaktierung eines Leiters in einer Ausführungsform; Figur 2a eine werkzeugseitige Formkontur eines Kontaktierungselements in einer Ausführungsform; Figur 2b eine werkzeugseitige Formkontur eines Kontaktierungselements in einer Ausführungsform;

Figur 2c eine werkzeugseitige Formkontur eines Kontaktierungselements in einer Ausführungsform;

Figur 3a eine Anreibhilfe eines Kontaktierungselements in einer Ausführungsform;

Figur 3b eine Anreibhilfe eines Kontaktierungselements in einer Ausführungsform;

Figur 4 ein Kontaktierungselement in einer Ausführungsform;

Figur 5 einen Bearbeitungsvorgang der Vorrichtung in einer Ausführungsform;

Figur 6 ein Kontaktierungselement in einer Ausführungsform; und

Figur 7 schematisch ein Verfahren zur Kontaktierung eines Leiters in einer Ausführungsform.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kontaktierung eines als Flachleiter 3 aus Aluminium ausgebildeten Leiter 2 in einer Ausführungsform. Das Kontaktierungselement 4, welches als eine Scheibe 4 aus vorzugweise Kupfer ausgebildet ist, umfasst ein mittig oder im Zentrum der Scheibe 4 angeordnetes Bohrloch 8 auf. Die kreisrunde Bohrung 8 wird nach erfolgter Schweißung, bei der die Scheibe 4 auf der Oberfläche des abisolierten Flachleiters 3 stoffschlüssig aufgebracht wird, gesetzt, und ermöglicht das Entfernen eines während des Schweißvorgangs entstandenen Grats.

Generell ist im Sinne der vorliegenden Erfindung zu sagen, dass die erfindungsgemäße Scheibe 4 eine als kegel- oder ringförmige Struktur ausgebildete Anreibhilfe 6 - siehe hierzu Fig. 3a und Fig. 3b - auf einer als Fügeseite bezeichneten ersten Seite (4a der Scheibe 4 aufweist.

Ferner weist die Scheibe 4 eine mit mindestens einer Aussparung 5 versehenen Außenkontur 7 auf einer gegenüber der Fügeseite (4a) der Scheibe liegenden zweiten Seite (4b) - siehe hierzu Figuren 2a, 2b, 2c sowie Figuren 3a und 3b - zur Aufnahme der Scheibe 4 in einer einem Schweißwerkzeug korrespondierende Einlegekontur (nicht dargestellt) auf, um mit einer elektrischen Komponente (nicht dargestellt), wie etwa einer Batterie oder einer Ladedose, verbunden zu werden.

Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen verschiedene Beispiele für werkzeugseitige Formkonturen des erfindungsgemäßen Kontaktierungselements 4 auf:

Die Figur 2a zeigt eine erste werkzeugseitige Formkontur des erfindungsgemäßen Kontaktierungselements 4 in einer ersten Ausführungsform. Dabei weist die Scheibe 4 an ihrer Außenkontur 7 eine als Aussparung 5 ausgebildete eine erste und eine zweite Einkerbung 5a auf.

Die Figur 2b zeigt eine weitere werkzeugseitige Formkontur des erfindungsgemäßen Kontaktierungselements 4 in einer zweiten Ausführungsform. Dabei weist die Scheibe 4 an ihrer Außenkontur 7 einen als Aussparung 5 ausgebildeten eckig ausgebildeten Abschnitt 5b auf, der die Form der Scheibe 4 als Sechskant prägt. Andere mehr- oder vielzahnige oder mehreckige und / oder zusätzlich mit wellen- oder kurvenförmigen Abschnitten versehene Ausprägungen der Aussparungen 5 der Außenkontur 7 der Scheibe 4, zum Beispiel in einer Fünfkantform oder einer Siebenkantform sind ebenso denkbar und nicht darauf beschränkt.

In der Figur 2c ist eine Ausführungsform der Scheibe 4 gezeigt, bei der die Aussparung 5 der Außenkontur 7 der Scheibe 4 mehrere länglich ausgebildete Abschnitte 5c aufweist.

Diese werkzeugseitigen Formkonturen 5a, 5b, 5c der Scheibe 4 ermöglichen auf vorteilhafte Weise ein einfacheres Einlegen der Scheibe 4 in ein Schweißwerkzeug (nicht dargestellt).

Die Figur 3a zeigt eine Anreibhilfe 6 eines Kontaktierungselements 4 in einer ersten Ausführungsform in Bezug auf einen Flachleiter 3, auf dessen Oberfläche das Kontaktierungselement 4 durch Schweißung aufgebacht wird. Dabei weist die Scheibe 4 eine als eine kegelförmige oder ringförmige Struktur 6a ausgebildete Anreibhilfe 6 auf einer gegenüber der Fügeseite 4a der Scheibe 4 liegenden zweiten Seite 4b auf.

Die Figur 3b zeigt eine Scheibe 4, welche eine als eine andere kegelförmige oder ringförmig ausgebildete Struktur 6b ausgebildete Anreibhilfe 6 auf einer gegenüber der Fügeseite 4a der Scheibe 4 liegenden zweiten Seite 4b aufweist. Grundsätzlich kann die zweite Seite 4b der Scheibe 4, also die Anreibhilfe 6 über eine schweißbuckelähnliche und / oder halbrunde Form aufweisen. Die Anreibhilfe 6 kann also in ihrer Form stets so gestaltet sein, das Oxid der Aluminiumoberfläche des Flachleiters, ins Zentrum der Scheibe getrieben wird, wo es dann als Grat leichter entfernt werden kann. Die schweißbuckelähnliche und / oder halbrunde Form der Anreibhilfe 6 ermöglicht es, dass der Schweißprozess an einer linien- oder kreisförmigen Kontur beginnt und die zur Verfügung stehende Schweißfläche größer wird und es dadurch zudem zu einer besseren Verdrängung der Oxidschicht kommt. Durch den Schweißvorgang wird also die aus Oxiden bestehende Schicht auf der Aluminiumoberfläche des Flachleiters beseitigt und abtransportiert.

Die Unterseite der Scheibe 4, also dessen Fügefläche 4a ist also mit einer flachen, kegelförmigen Fläche versehen, die entweder am äußeren Umfang überhöht ist und dann während des Schweißprozesses Oxid-Schichten nach innen verdrängt oder die Kegelfläche ist am Innendurchmesser der Scheibe 4 überhöht und Oxid-Schichten werden nach außen verdrängt. Im letzteren Fall wird das verdrängte Material durch einen umlaufenden Kragen abgefangen oder durch umlaufende Zähne abgeschert.

Wird das Material durch die Kegelgeometrie nach innen verdrängt, wird dieser Grat / Materialauswurf durch das anschließende Bohren der Flachleiters 3 entfernt. Da die Bohrung im Anschluss geschieht, wird der Schweißprozess auf Vollmaterial durchgeführt, was stabilere Prozessvoraussetzungen als bei einer schon gelochten Schiene darstellt. Denn bei Schweißprozessen von Aluminium gelangt das Aluminium in den plastischen Bereich und fließt schnell und unkontrolliert in Bereiche mit geringer, seitlichen Abstützung.

Die Figur 4 zeigt ein Kontaktierungselement 4 in einer Ausführungsform, wobei die Scheibe 4 eine Formkontur 9 zur Realisierung einer Codierung einer Kontaktierungsstelle 9a der Scheibe 4 aufweist. Dadurch wird ein winkelgenaues Positionieren der Scheibe vor dem Schweißvorgang ermöglicht bzw. erleichtert.

Bei geeigneter Gegenstelle kann die Oberfläche der Scheibe 4 auch mit einem oder mehreren Zapfen oder Vertiefungen ausgestattet sein um eine Codierung (PokeYoke) für die spätere Kontaktierung zu realisieren. Im Schweißwerkzeug kann diese Codierung ebenfalls aufgenommen werden und dann am Ende der Schweißung winkelgenau positioniert werden

- das Bauteil wird winkelgenau auf der Schiene stoffschlüssig angebunden.

Die Figur 5 zeigt einen Bearbeitungsvorgang der Vorrichtung 1 in einer Ausführungsform, bevor durch ein entsprechendes Werkzeug und nach einem bereits erfolgten Schweißvorgang zur stoffschlüssigen Befestigung der Scheibe 4 auf der abisolierten Oberfläche des Flachleiters 3 eine Bohrung - vorzugsweise mittig oder im Zentrum der Scheibe 4 - gesetzt wird. Dadurch wird eine Schraubkontaktierung ermöglicht. Der Aluminium- Flachleiter 3 hat vor dem Schweißvorgang noch keine Bohrung, die deckungsgleich zur Bohrung der Scheibe positioniert sein muss. Dadurch sind keine kritischen Positionstoleranzen für den Schweißprozess einzuhalten.

Die weiteren Vorteile einer Bohrung der Aluminiumschiene nach dem Schweißvorgang der Scheibe 4 auf den Flachleiter 3 sind:

- Geringere Anforderungen an die Positionstoleranzen während des Schweißprozesses -Keine hohen Toleranzanforderungen an die Bohrung.

Wird eine Buchse in eine gebohrte Schiene geschweißt muss der Außendurchmesser einer eingeschweißten Buchse /Flansch ein sehr enges Toleranzfenster haben. Die Spaltmaße müssen in so einem Fall sehr gering und konstant sein, damit einerseits ein Touchieren der Bohrungswand verhindert wird, andererseits darf das Spaltmaß nicht zu groß sein, da so Undefiniert Material abfließen kann und die Prozessüberwachung unscharf wird.

Weitere Vorteile einer Bohrung des Flachleiters 3 sind geringere Anforderungen an die Positionstoleranzen während des Schweißprozesses. Es werden zudem keine hohen Toleranzanforderungen an die Bohrung gestellt. Wird eine Buchse in eine gebohrte Schiene geschweißt, dann muss der Außendurchmesser einer eingeschweißten Buchse bzw. der Flansch ein sehr enges Toleranzfenster haben. Die Spaltmaße müssen in so einem Fall sehr gering und konstant sein, damit ein Touchieren der Bohrungswand verhindert wird.

Die Figur 6 zeigt ein Kontaktierungselement 4 in einer Ausführungsform, wobei die Scheibe 4 eine im Wesentlichen mittig ausgerichtete Bohrung 8 aufweist und wobei die Bohrung 8 in dieser speziellen Ausführungsform als ein Langloch 8a ausgebildet ist. Dadurch wird auf besonders einfache Weise ein Toleranzausgleich bzw. ein flexibles Rastermaß einstellbar. Die Scheibe 4 kann dabei ein Höhenprofil aufweisen, das je nach Ausführungsform unterschiedlich ausfällt - wie es exemplarisch mit der linken und rechten Ausführungsform der Scheibe 4 der Fig. 6 dargestellt ist.

Die Figur 7 zeigt schematisch ein Verfahren 100 zur Kontaktierung eines Leiters 2 in einer Ausführungsform. In einem ersten Verfahrensschritt 110 wird ein Flachleiter 3 aus Aluminium bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 120 wird der Flachleiter 3 stoffschlüssig mit einem Kontaktierungselement 4 verbunden, wobei das Kontaktierungselement 4 aus Kupfer besteht und wobei das Kontaktierungselement 4 als eine Scheibe 4 ausgebildet ist, wobei die Scheibe 4 eine als kegel- oder ringförmige Struktur ausgebildete Anreibhilfe 6 auf einer als Fügeseite bezeichneten ersten Seite 4a der Scheibe 4, sowie eine mit mindestens einer Aussparung 5 versehenen Außenkontur 7 auf einer gegenüber der Fügeseite 4a der Scheibe liegenden zweiten Seite 4b zur Aufnahme der Scheibe in einer einem Schweißwerkzeug korrespondierende Einlegekontur aufweist. Die Kontaktierung der elektrischen Komponente mit der Scheibe 4 kann dann zum Beispiel über einen Form- oder Kraftschluss erfolgen.

Der Verfahrensschritt 120 des stoffschlüssigen Verbindens kann dabei mittels Rotationsreibschweißen, Ultraschallschweißen oder Widerstandsschweißen erfolgen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Leiter

3 Flachleiter

4 Kontaktierungselement / Scheibe

4a Erste Seite der Scheibe (Fügeseite)

4b Zweite Seite der Scheibe

5 Aussparung der Scheibe

5a Einkerbung der Scheibe

5b Eckig ausgebildeter Abschnitt der Scheibe

5c Länglich ausgebildeter Abschnitt der Scheibe

6, 6a, 6b Anreibhilfe der Scheibe

7 Außenkontur der Scheibe

8 Bohrung / Bohrloch der Scheibe

8a Langloch der Scheibe

9 Formkontur der Scheibe

9a Kontaktierungsstelle der Scheibe

100 Verfahren

110 Schritt des Bereitstellens eines Flachleiters

120 Schritt des stoffschlüssigen Verbindens eines Flachleiters