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VERFAHREN ZUM VERBINDEN EINER ELEKTRISCHEN LEITUNG AUS ALUMINIUM MIT EINEM ROHR AUS KUPFER

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer elektrischen Leitung, die als Litze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist, mit einem Elektroanschluss aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welcher neben dem Anschlusselement ein Rohr zur Aufnahme des Endes der elektrischen Leitung aufweist. Dabei kann es sich um ein- oder beidseitig offene Rohre handeln.

Seit langem ist es bekannt, Kupfer oder Kupferlegierungen als Leiter für elektrischen Strom zu verwenden. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in E-Mobilen ist es angestrebt, diese aus Kuper oder Kupferlegierung bestehenden elektrischen Leiter aus Gewichtsgründen durch Leiter aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu ersetzen. Aus der EP 2 362 491 A1 oder der EP 2 621 022 A1 ist es bereits bekannt, Aluminiumleitungen zu verwenden, welche mit Anschlusselementen aus anderen Materialien zunächst vercrimpt und dann verschweißt werden.

Große Probleme bereiten derartige Verbindungen z. B. bei der Verwendung von Aluminiumleitungen und Kupferanschlusselementen bezüglich der Dauer der mechanischen Stabilität der Verbindung als auch deren elektrischen Leitfähigkeit. Kann in eine derartige Verbindung Feuchtigkeit eintreten, entsteht Kontaktkorrosion, welche den Übergangswiderstand vergrößert und die mechanische Haltbarkeit der Verbindung erheblich vermindert.

Die Hauptprobleme bei der Verbindung von elektrischen Aluminiumleitungen mit Anschlusselementen aus artfremdem Material sind jedoch darin zu sehen, dass Aluminium eine starke Affinität zu Sauerstoff aufweist und sich deshalb in sehr kurzer Zeit mit einer dichten, elektrisch isolierenden, sehr harten und sehr beständigen Oxydschicht überzieht. Der Schmelzpunkt dieser Oxydschicht, auch Korund bezeichnet, liegt bei ca. 2.050°C, d. h. erheblich höher als die Schmelztemperatur von Aluminium, die bei ca. 660°C oder Kupfer, die bei ca. 1.080°C liegt.

Durch die üblicherweise runde Form der Aluminiumdrähte der Litze, mit oder ohne nicht leitender Beschichtung, entstehen Hohlräume zwischen den Drähten. In diese kann Feuchtigkeit eindringen und zu lokaler Korrosion des Aluminiumdrahts führen. Dies führt zu einer mechanischen Schwächung und Erhöhung des Leitungswiderstandes. Aber auch bei Formdraht mit oder ohne Beschichtung sind die Hohlräume gegeben.

Hinzu kommt, dass bei der Aufschmelzung der beiden zu verbindenden Aluminium- und Kupfermaterialien intermetallische Phasen entstehen können, die sowohl spröde als auch höherohmig sind, so dass in diesem Bereich bei späterem Stromdurchfluss eine große Wärmeentwicklung entstehen kann. Diese erhöhte Temperatur bewirkt, dass sich die intermetallische Schicht im Laufe der Zeit noch verstärkt. Durch die Sprödigkeit der Verbindung kann es schon bei kleinen mechanischen Beanspruchungen leicht zum Bruch der Verbindung kommen. Nach der EP 2 621 022 A1 wird versucht, das Entstehen von intermetallischen Phasen durch die Verwendung aufwändiger CUPAL-Hülsen zu vermeiden.

Ein weiteres Problem liegt darin, dass die Schmelztemperaturen der beiden Verbindungspartner sehr weit auseinanderliegen. Daher besteht die Gefahr, dass Aluminium bereits in Schmelze übergeht, während das artfremde Material wie Kupfer noch nicht die Schmelzetemperatur erreicht hat. Dadurch entstehen unzureichende Schweißstellen, welche die geforderte Festigkeit nicht erreichen. Derartige unzureichende Schweißstellen sind in der Regel von außen nicht zu erkennen, so dass die Gefahr besteht, dass derartig mangelhaft mit dem Anschlusselement verbundene elektrische Leiter zum Einsatz kommen.

Auch der Zeitversatz nach dem Stand der Technik zwischen dem in einer ersten Stufe erfolgenden Crimpen, bei dem die Oxidschicht aufgebrochen wird, und einer örtlich getrennten zweiten Stufe, in der die Elemente miteinander verschweißt werden, kann bewirken, dass es zu einer erneuten Oxidation kommt, wodurch starke, nicht nachvollziehbare Schwankungen in der Verbindungsqualität resultieren können. Die Güte der Verbindung ist zudem stark abhängig von der Qualität der Aluminiumlitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile langzeitig stabile elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einem Elektroanschluss aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit weit möglichst ausgeschlossenen qualitativen Schwankungen herzustellen, die zudem schnell und kostengünstig erstellt werden können.

Zur Lösung der Aufgabe werden folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen: a) Beschichten der Innenflächen des Rohrs mit einem Hartlot oder Verwenden eines auf der Innenfläche mit einem Hartlot beschichteten Rohrs, b) nach Einbringen des Endes der elektrischen Leitung in das Rohr, plastisches Verformen des Rohrs im Bereich des anschlusselementseitigen Endes des Rohrs, wobei durch eine Überprägung die Einzeldrähte der Litze derart verformt werden, dass deren nichtleitende Oxydschichten aufgebrochen, und die Einzeldrähte spaltfrei aneinandergepresst werden, c) über Elektroden, in Abhängigkeit von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Rohrs und der Litze, ein Aufbringen einer vorgebbaren Anpresskraft und eines vorgebbaren Stroms für eine vorgebbare Zeit zum Erzeugen einer Joule'schen Erwärmung des Aluminium-Litzen-Bündels, wobei durch die Joule'sche Erwärmung das Hartlot schmilzt und eine Hartlotverbindung zwischen den Innenflächen des Rohrs und den mit diesen in Kontakt befindlichen Außenbereichen des Aluminium-Litzen-Bündels entsteht, d) durch Aufbringen ebenfalls in Abhängigkeit von der Geometrie und den Materialeigenschaften des Rohrs und der Litze einer weiteren vorgebbaren Anpresskraft und eines weiteren vorgebbaren Stroms für eine weitere vorgebbare Zeit das Erweichen des Aluminium-Litzen-Bündels derart, dass eine Diffusion des Aluminium-Litzen-Bündels und/oder ein zumindest partielles Aufschmelzen des Aluminium-Litzen-Bündels erfolgt. Unter Hartlot wird dabei ein Metall verstanden, das mit dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung eine eutektische Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung hat. Dabei wird vorzugsweise ein Hartlot gewählt, das als Diffusionssperre wirkt, um die Entstehung intermetallischer Phasen zwischen Aluminium und Kupfer zu unterbinden. Für weniger hochwertige, haltbare und stabile Verbindungen könnte auch auf eine Beschichtung mit Weichlot zurückgegriffen werden. Durch das Überprägen des Rohrs während der plastischen Verformung werden nicht nur die Oxidschichten auf den einzelnen Drähten der Litze aufgebrochen, sondern die Drähte werden so dicht aneinandergepresst, dass kein Spalt, in den Sauerstoff bzw. Gas eindringen oder verbleiben könnte, mehr zwischen den einzelnen Drähten verbleibt, so dass in diesem überprägten Bereich keine Re-Oxidation mehr stattfinden kann. Durch das engere Aneinander liegen der Litzendrähte und der damit verbundenen Vergrößerung der Kontaktfläche der Litze-Drähte untereinander verringert sich der Gesamtübergangswiderstand der Drähte. Durch die dann folgende Zweistufigkeit der Verbindung, d.h. das Anbinden der äußeren Aluminiumdrähte oder deren Legierungen an die Beschichtung durch ein Hartlöten verhindert, dass an der Oberfläche der Litze neue Oxidschichten entstehen können und vor allem wird der Übergangswiderstand zwischen Kupferrohr und der äußeren Oberfläche der Litze minimiert. Der daraufhin folgende Diffusions- und/oder partielle Schmelzvorgang für den Kem der Litze minimiert den Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Drähten der Litze. Hierbei können für den Verformungsvorgang andere Werkzeuge z.B. mit unterschiedlich großen Wirkflächen zu den Wirkflächen der Elektroden für den Hartlötvorgang verwendet werden. Für jede dieser beiden Stufen ist üblicherweise mindestens ein Satz unterschiedlicher Prozessparameter erforderlich. Die Stufen können auch in mehrere Intervalle bzw. Abschnitte mit verschiedenen Druck bzw. Kraft/Strom/Zeit-Vorgaben aufgegliedert werden. Dadurch ist die Energiezufuhr feiner dosierbar, um z.B. ein massives Aufschmelzen der Leitung zu verhindern.

Nachahmenswert ist aber auch, wenn die Verfahrensmerkmale b) und c) gleichzeitig bzw. unmittelbar aufeinander durchgeführt werden. Dabei werden dann zwar die Elektroden sowohl zur Herstellung der plastischen Verformung als auch zur Durchführung des Hartlötvorgangs verwendet, aber es lassen sich dadurch kürzere Zeiten zwischen dem Verform-Vorgang und dem Hartlötvorgang erreichen, so dass die Re-Oxidation der Litzenoberfläche weitestgehend unterbunden werden kann.

Beim unmittelbar aufeinander folgenden bzw. gleichzeitigen plastischen Verformen durch die Elektroden erzeugen diese zusätzlich die Umformung des Rohrs und die Kompaktierung der Litzendrähte. Die erforderlichen Kräfte können durch einen konstanten oder modulierten Vorwärmstrom, der über die Elektroden fließt, deutlich reduziert werden. Die Kompaktierungsphase, die Hartlötphase, die Diffusionsphase bzw. Schmelzphase und die Abkühlphase können durch verschiedene Anpresskräfte und/oder Energieeinträge bestimmt sein. Die Kompaktierungsphase kann teilweise aber auch in die Hartlötphase und/oder Diffusionsphase integriert sein. Letzteres beschreibt einen Vorgang, bei dem, während der Löt- und/oder Diffusionsphase, eine weitere kontinuierliche Kompaktierung stattfindet. Die Krafteinwirkungsdauer während der rampenförmigen Erwärmung zur Hartlöttemperatur, aber auch Weichlöttemperatur, kann auch zur Kompaktierung verwendet werden. Durch die räumlich unterschiedliche Temperaturverteilung innerhalb des Verbundes aus Rohr und Litze können sich die Hartlot- und Diffusions- bzw.

Schmelzvorgänge zeitlich überlagern.

Auch der Diffusionsvorgang wird über Anpresskraft, Temperatur und Zeit gesteuert. Dabei muss die Temperatur in der Verbindungszone zwischen der niedrigsten Schmelztemperatur und der höchsten Rekristallisationstemperatur der Verbindungspartner liegen.

Es hat sich bewährt, den Bereich des leitungsseitigen Endes des Rohrs derart plastisch zu verformen, dass sich das Rohr in Form einer Dichtmanschette an die elektrische Leitung anlegt. Dadurch ergibt sich, dass die Litze für den folgenden, oder gleichzeitigen Hartlötvorgang noch sicherer in dem Rohr gehalten wird. Der Übergangsbereich der Litze zwischen der anschlussseitigen und der leitungsseitigen plastischen Verformung soll dabei möglichst wenig belastet werden, um eine Schädigung der Litzendrähte durch Überdehnen zu vermeiden. Zudem muss der Übergangswiderstand der leitungsseitigen Dichtmanschette gegenüber der anschlussseitigen plastischen Verformung deutlich höherohmig sein, damit ein Nebenschluss für den zum Hartlöten, Diffundieren oder Schmelzen benötigten Strom vermieden wird.

Sollen die einzelnen Drähte der Litze nicht nur durch Diffusion fest miteinander verbunden werden, sondern der Litze-Kern partiell oder vollständig aufgeschmolzen werden, so ist es zweckmäßig, wenn zwischen der anschlusselementseitigen Verformung und der leitungsendseitigen Verformung ein Schmelze Depot ausgeformt wird.

Dadurch wird erreicht, dass Schmelze notfalls in das Schmelze Depot gelangen, aber nicht nach außen austreten kann. Die Größe des Schmelze Depots kann dabei vor dem Verform -Vorgang festgelegt werden, da Schmelze durchaus auch zwischen die nicht kompaktierten Bereiche der Litze gelangen kann und von dort nicht nach außen austreten muss.

Die plastische Verformung kann auch hier vor dem Hartlötvorgang oder aber gleichzeitig durchgeführt werden.

Vorteilhaft können während des Verformungs-Vorgangs und/oder während des Hartlötvorgangs und/oder des Diffusions- oder Schmelzvorgangs die Presswerkzeuge bzw. Elektroden geheizt werden oder sie bestehen aus einem Material, welches sich bei Stromdurchfluss aufheizt.

Grundsätzlich soll die notwendige Wärme für das Hartlöten, Diffundieren bzw.

Schmelzen mittels durch die zu verbindenden Elemente fließenden Stroms aufgrund der Joule’schen Eigenerwärmung erzeugt werden. Beim der Verdichtung dienenden Verformungs-Vorgang können beheizte Werkzeuge bzw. Elektroden dazu führen, dass die zu verbindenden Materialien geschmeidiger werden, so dass für das Überprägen kleinere Kräfte aufgewandt werden müssen. Die Reduzierung der Anpresskraft führt zu einer schonenderen Umformung, Dehnung und Stauchung des Rohrs sowie der Litze-Drähte und zu einer geringeren Druckbelastung der Elektroden. Beim Hartlöten würde, sofern die Elektroden beheizt werden, weniger Wärme, die für das Hartlöten benötigt wird über die Elektroden abfließen. Sind die Elektroden z.B. aus Wolfram-Werkstoffen gefertigt, würden sich diese beim Stromdurchfluss erwärmen, so dass sich eine zusätzliche Wärmequelle für den Lötvorgang und/oder den Diffusionsvorgang und/oder den Schmelzvorgang ergibt.

Nachahmenswert ist, wenn die Werkzeuge bzw. Elektroden der Presswerkzeug- und/oder Elektrodenpaare gleichzeitig bewegt werden.

Dadurch reduziert sich die Dehnung der oberen bzw. unteren außenseitigen Drähte der Litze neben dem Kompaktierungsbereich der Litze.

Zweckmäßig ist, wenn beim Hartlöten die Elektroden mit gegenüber der Wirkfläche der Verform Werkzeuge im Verdichtungs-Schritt kleinerer Wirkfläche Anwendung finden, und nichtleitende, seitliche Begrenzungen des Rohrs im Verformungs- und Bestromungsbereich eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form geben.

Durch die unterschiedliche Größe der Pressfläche der Verform-Werkzeuge zu den Elektroden entstehen an dem Rohr seitliche Abschlusszonen, die dazu dienen eine seitliche Berührung der Elektroden mit dem plastisch verformten Rohr zu vermeiden. Durch die Erwärmung während des verformenden Verdichtens und Hartlötens kann das Rohr entfestigt werden. Aber die an der Ober- und Unterseite sowie seitlich ganzflächig anliegenden Begrenzungen verhindern eine Aufweitung, wie es z.B. bei einer Hexagonal-Kontur gegeben wäre. Eine Auflösung der verdichteten Verbindung wird durch die Rundum-Klemmung verhindert. Die zusätzliche seitliche Klemmung verhindert also eine Aufweitung des Rohrs bzw. der kompaktierten Litze. Die Beschichtung der seitlichen Begrenzungs-Komponenten ist vorzugsweise weder elektrisch noch thermisch leitend. Hier sollte möglichst weder eine Wärmeableitung noch ein elektrischer Nebenschluss entstehen. Vorzugsweise kommt mit Keramik beschichteter Stahl oder direkt Keramik zum Einsatz. Die Kontur des Rohrs wird beim plastischen Verformen erzeugt. Beim nachfolgenden Hartlöten, Diffundieren bzw. Schmelzen schützt die seitliche Begrenzung davor, dass sich die verpresste Verbindung lockert.

Die Erfindung wird anhand von, diese darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Beispiel mit Vor-Verformung zum Hartlöten und anschließendem Diffundieren der Litze,

Fig. 2 ein weiteres Beispiel mit Vor-Verformung, Dichtmanschette und Schmelze Depot,

Fig. 3 ein drittes Beispiel mit Vor-Verformung, Dichtmanschette und kleinem Schmelze Depot,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Beispiel mit durch Elektroden durchgeführter plastischen Verformung,

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Beispiel nach Figur 4 mit zusätzlicher Dichtmanschette, und

Fig. 6 ein Beispiel für den Aufbau der Elektroden

Fig. 1 zeigt, geschnitten dargestellt, einen Elektroanschluss 1 , der aus einem Rohr 2 aus Kupfer sowie einem Anschlusselement 3 besteht, wobei in das Rohr 2 das Ende einer Litze 4 aus Aluminium eingeschoben ist. Das Rohr 2 ist innen mit einem Hartlot 5 beschichtet.

Das Rohr 2 wurde bereits anschlussseitig einer plastischen Verformung 6 unterzogen. Dabei war das nicht gezeigte Verform-Werkzeug in seiner wirksamen Fläche größer als die Fläche der Elektrode 7, wodurch in dem Rohr 2 Abschlusszonen 8 neben der mittig aufgesetzten Elektrode 7 gebildet sind, die gewährleisten, dass der Hartlöt-Strom und/oder Diffusions- bzw. Schmelz-Strom, angedeutet durch die Stromflusslinien 9 vorwiegend über die Litze 4 fließt. Unterhalb der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 ist angedeutet, dass die Litze 4 stark kompaktiert ist, wodurch einerseits die Oxydschichten der einzelnen Drähte der Litze 4 aufgebrochen worden sind, und die einzelnen Drähte der Litze 4 spaltfrei aneinander gepresst sind. Durch Bestromung der Elektroden entsteht zunächst im Bereich des höherohmigen Übergangswiderstandes zwischen Rohr 2, Hartlot 5 und Litze 4 Joule'sche Eigenerwärmung, die ein Verbinden der äußeren Schicht der Litze 4 mit dem Rohr 2 durch Schmelzen des Hartlotes erzeugt, wodurch sich der Übergangswiderstand in diesem Bereich vermindert. Bei weiterer Bestromung, mit in der Regel zum Hartlöten unterschiedlichen Prozessparametern, entsteht die Joule'sche Wärme nunmehr in dem, einen größeren Übergangswiderstand bietenden Bereich zwischen den einzelnen Drähten der Litze, so dass die einzelnen Drähte durch Diffusion oder durch einen Schmelzvorgang miteinander verbunden werden, wodurch der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Drähten wiederum vermindert wird. Unterstützen kann dabei der Wärmeeintrag durch eine Beheizung bzw. Eigenerwärmung der Elektroden.

Fig. 2 zeigt, dass im Zuge der Erstellung der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 leitungsseitig eine weitere Verformung als Dichtmanschette 10 ausgebildet wurde. Die Dichtmanschette 10 ist weniger stark in das Rohr 2 eingeprägt als die anschlussseitige plastische Verformung 6. Die Dichtmanschette 10 bewirkt jedoch, dass die in der Schmelze Zone 11 entstehenden Schmelze nur bis zu einem Schmelze Depot 12 und nicht nach außen gelangen kann.

In Fig. 3 ist ebenfalls neben der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 eine leitungsseitige Verformung zur Ausformung einer Dichtmanschette 10 gesetzt worden. Das Schmelze Depot 12 ist hier jedoch nur sehr klein oder gar nicht vorhanden. Eventuell entstehende Schmelze kann zwar zwischen die einzelnen Drähte der Litze 4 im Bereich einer Dehnungszone 13 gelangen, aber durch die Dichtmanschette 10 ebenfalls nicht austreten.

Fig. 4 zeigt nunmehr einen Elektroanschluss 1 , der mittels der Elektrode 7 verformt wurde und bei dem anschließend in der ersten Stufe der Hartlötvorgang und in der zweiten Stufe der Diffusions- bzw. Schweiß Vorgang erfolgt sind. Da die Elektrode 7 auch mit den Seitenwänden der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 teilweise in Verbindung stehen, sind hier größere Bereiche des aufgeschmolzenen Hartlots 14 zu erkennen.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung zu Figur 4. Hier wurde zusätzlich eine Dichtmanschette 10 geprägt, die wiederum ein Schmelze Depot 12 zwischen Dichtmanschette und der anschlussseitigen plastischen Verformung 6 zeigt.

Fig. 6 zeigt die Elektroden 7 und 7‘. Insbesondere zeigt sie, dass diese beiden Elektroden 7 aufeinander zubewegt werden können. Dadurch werden die Außendrähte der Litze 4 beim plastischen Verformungsvorgang ungefähr gleich gedehnt, was gegenüber einem Elektrodenpaar 7, 7‘, bei dem nur eine Elektrode 7 bewegt wird, die Litze weniger stark dehnt.

Weiterhin ist zu sehen, dass das Rohr 2 mit der darin befindlichen Litze 4 stark gequetscht ist, so dass das Rohr 2 eine im Wesentlichen rechteckige Form annimmt. Damit das Rohr 2 nicht zwischen den Elektroden 7, 7‘ an den Seiten austreten kann, ist eine seitliche Begrenzung 15 vorgesehen, die zusätzlich bewirkt, dass das Rohr 2 und Litze 4 ihre plastische Verformung beibehalten, ohne dass es zu eventuellen Aufweitungen kommt, so dass auch bei den folgenden Verbindungsschritten kein Gas an die Litze 4 gelangen kann.

Wesentlich ist somit, dass nach einem Kompaktierungsvorgang das Rohr in einem ersten Schritt mit den oberflächlichen Drähten der Litze verlötet wird und dass in einem zweiten Schritt die inneren Bereiche der Litze durch Diffusion und/oder Schmelzen fest miteinander verbunden werden.

Es ist bekannt, dass bei einer Al-Cu-Schmelze eine Al-Cu-Intermetallische Phase (IMP) aufwächst, die hochohmig und spröde ist. Dies stellt ein bekanntes Feld- Problem dar. Die Hochohmigkeit führt zu partieller Überhitzung in dem Crimp und die Sprödigkeit zu Rissen in der Verbindungsstelle bei von außen einwirkenden Kräften oder bei Temperaturwechsel, verbunden mit stark schwankenden Übergangswiderständen und partieller Überhitzung. In diesen Rissen kann sich auch eine Kontaktkorrosion zwischen diesen elektrochemisch sehr unterschiedlichen Werkstoffen ausbilden. Es gibt auch den Vorschlag, einen Oxidationsschutz, meist eine Zinnschicht, auf die Aluminiumdrähte und/oder das Kupfer- Rohr aufzubringen und diese zu verlöten. In diesem Falle entstehen CuSn-IMPs, die ebenfalls hochohmig und spröde sind. Auch hierdurch können Feldausfälle entstehen.

Um diese Feldrisiken zu vermeiden, wird eine Diffusionsbarriere vorgeschlagen, die zusätzlich ein Eutektikum mit dem Aluminium bildet. Die Temperatur des Eutektikums muss unterhalb der Schmelztemperatur der beiden Verbindungspartner AI und Cu liegen. Die Eigenschaft der Diffusionsbarriere verhindert die Entstehung von kritischen AI-Cu-IMP. Ein hierfür geeignetes Beschichtungsmaterial stellt neben dem Werkstoff Silber vor allem der Werkstoff Nickel und dessen Legierungen dar. Ein temperaturbedingter Festigkeitsverlust, wie bei Zinn- oder Zink-Lot, tritt bei Silber- oder Nickel-Lot nicht ein. Nickel wird als Diffusionsbarriere beim Drahtbonden (Vermeidung von Kirkendahl-Voids), beim Weichlöten (Vermeidung von Epsilon-Eta-Schichten) und beim Punktschweißen (Vermeidung von Zinn-Whiskern) erfolgreich eingesetzt. So entsteht während des ersten Schrittes eine Hartlotverbindung zwischen der auf dem Kupfer aufgebrachten Beschichtung und den angepressten von der Oxidhaut befreiten, noch nicht aufgeschmolzenen Al-Drähten. Die Beschichtung kann ebenfalls oxidiert sein, aber durch den vorgeschalteten Verformungsprozess wird auch dessen Oxidhaut gebrochen.

Nach Bildung der Hartlotverbindung zwischen Nickel und Aluminium erwärmt sich der Al-Verbund im zweiten Schritt weiter, bis die Al-Drähte zwischen den Elektrodenzonen in eine lokal begrenzte Schmelze oder Diffusionsverbindung übergehen. Dies ist kein Wderstandsschweißen der Aluminium-Litzendrähte, sondern ein vollständiges oder nur an den aneinander liegenden Kontaktflächen eintretendes partielles Aufschmelzen oder Andiffundieren. Der hierfür notwendige Erwärmungsprozess muss so geregelt/gesteuert werden, dass die Hartlot- Verbindung vor dem Aufschmelzen erfolgt. Diese Abfolge wird dadurch erreicht, dass der Verbindungs-Prozess in mindestens zwei verschiedene Abschnitte mit üblicherweise unterschiedlichen Einstellparametern aufgeteilt wird. In dem ersten Abschnitt wird, beginnend mit einer Vorwärmstufe (stufenförmiger und/oder rampenförmiger Stromanstieg) die für die Hartlötung erforderliche wohldosierte Energie eingeleitet. In dem zweiten Abschnitt wird die Energie, die für das Aufschmelzen oder Andiffundieren der Al-Drähte erforderlich ist, zugeführt. Hier sind in der Regel andere Einstellparameter erforderlich. Die wesentlichen Parameter, die abgeglichen werden müssen, sind der Strom, die Dauer und die Anpresskraft. Kommt eine plastische Verformung mit zusätzlicher Erwärmung der Formwerkzeuge zum Einsatz, kann die entsprechend eingesetzte Energie in die Gesamtenergie des Hartlot- Diffusions- Schmelzvorgangs einfließen. Abhängig von den mechanischen Abmessungen, der Elektrodengröße, dem Elektrodenmatenal, der Ausbildung der Verformungs-Zone, etc. können noch weitere Abschnitte mit unterschiedlichen Einstellungen erforderlich sein.

Hartlote können als Formteil eingelegt werden, werden jedoch bevorzugt auf galvanischem oder physikalischem (z.B. Aufspritzen, Sputtern) Weg auf das Rohr und ggf. auf die Litze aufgebracht. Durch die Beschichtung wird ein zusätzlicher Oxidationsschutz des Grundmaterials erlangt.

Der Stromfluss während des Verbindens erfolgt über die gegenüberliegenden ober- und unterseitig anliegenden Elektroden. Die Leitfähigkeit der Elektroden kann so gewählt werden, dass die Elektroden für den Verbindungsvorgang zusätzliche Wärme erzeugen. Ziel ist es, dass die notwendige Erwärmung durch Joule'sche Wärme in dem zu Verbindenden Material entsteht, die zusätzliche Elektroden-Wärme kann aber den Aufheizvorgang beschleunigen, und einen Wärmeabfluss über die Elektroden vermindern. Die für das Verbinden erforderliche Wärme wird somit nicht vorwiegend über die Eigenerwärmung der Elektroden zugeführt, sondern entsteht durch den Stromfluss in dem Verbundsystem Kupferrohr-Beschichtung-Aluminiumlitze. Auch hier wäre Nickel als schlecht leitender Werkstoff vorteilhaft, da die Joule'sche Wärme dann zusätzlich zum Aluminiumanteil direkt in der Kontaktzone generiert wird.

Eine geringfügige Zusatzerwärmung durch das Elektrodenmaterial kann hilfreich sein, da dies den Wärmeabfluss über die Elektroden reduziert. Die Wirkung des Elektrodenstrom kann auch durch die Kontaktfläche und die kontaktseitige Kontur beeinflusst werden. Dabei können die Elektroden planparallel, teilweise oder vollständig konvex oder konkav ausgebildet sein

Bezugszeichenliste

1 Elektroanschluss

2 Rohr

3 Anschlusselement

4 Litze

5 Hartlot

6 Anschlussseitige plastische Verformung

7 Elektrode

8 Abschlusszonen

9 Stromflusslinien

10 Dichtmanschette

11 Schmelze Zone

12 Schmelze Depot

13 Dehnungszone

14 Aufgeschmolzenes Hartlot

15 Seitliche Begrenzungen