Leitungsanordnung mit einer möglichst großflächigen stoffschlüssigen Verbindung zwischen einer elektrischen Leitung und einem daran angebrachten elektrischen Kontaktelement.

Stand der Technik

Beispielsweise aus der DE 10 2013 101 876 B3 ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden einer elektrischen Leitung bzw. eines Kabels an ein elektrisches Kontaktelement bekannt. Dabei wird ein Bündel von Einzelsträngen des Kabels über eine Eintrittsöffnung in eine Aufnahmehülse des Kontaktelements eingeführt, wobei die Aufnahmehülse ein von der Eintrittsöffnung abgewandtes Endstück aufweist. Mittels eines in das Bündel eingeführten Dorns im Bündel wird eine im Endstück angeordnete Eingriffskuhle geschaffen, wobei das die Eingriffskuhle aufweisende Endstück aufgeweitet ist. Zum Herstellen einer

stoffschlüssigen Fügeverbindung zumindest zwischen einer Teilanzahl der Einzelstränge mit der Innenwand des aufgeweiteten Endstückes mittels eines Schweiß-Werkzeugelements über die Eingriffskuhle Schweißenergie eines Schweißprozesses eingespeist wird. Obwohl mit diesem Verfahren eine großflächige stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kabel und dem Kontaktelement geschaffen wird, hat sich gezeigt, dass durch die einstückige

Ausführung von Aufnahmehülse und Kontaktelement die konstruktive Ausgestaltung des Kontaktelements eingeschränkt ist. Insbesondere lässt es die einstückige Ausführung nicht zu, dass Leitung und Aufnahmehülse durch stoffschlüssiges miteinander Verbinden vorkonfektioniert werden können. Ein anderes Verfahren zum Verbinden solcher Kontaktpartner ist z.B. aus der EP 1 032 077 A2 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein elektrischer, aus mehreren Aluminiumdrähten gebildeter und isolierter Aluminiumleiter mit einem aus Kupfer, einer Kupferlegierung und/oder Messing bestehenden Kontaktelement verbunden. Dazu wird die Isolierung des Aluminiumkabels an der Berührstelle mit dem Kontaktelement entfernt und darum eine

Stützhülse aufgebracht. Die Stützhülse umschließt zumindest den der endseitigen Stirnseite des abisolierten Teiles des Aluminiumleiters benachbarten Bereich und ist auf die

Aluminiumleitung aufgepresst und/oder darauf aufgeschrumpft, so dass die Aluminiumdrähte im Bereich der Stirnseite zusammengedrückt sind. Das Kontaktelement wird dann mit der aus den einzelnen Aluminiumdrähten gebildeten Stirnseite der Aluminiumleitung

verschweißt. Demgegenüber wäre es wünschenswert, eine großflächigere stoffschlüssige Verbindung zwischen der Stützhülse und der Aluminiumleitung zu erreichen.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine möglichst großflächige stoffschlüssige Verbindung zu schaffen, die zudem eine konstruktive Gestaltungsfreiheit für das anzubringende Kontaktelement erlaubt. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Leitungsanordnung mit einem elektrischen Leiter und einem damit zu verbindenden elektrischen Kontaktelement weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen des freigelegten Leiters. Der Leiter kann vorzugsweise von einem

Isolationsmantel umgeben sein und eine Vielzahl von Einzeldrähten aufweisen. Zum Freilegen des Leiters wird dann der Isolationsmantel abschnittsweise entfernt, so dass die Einzeldrähte freiliegen und entsprechend kontaktiert werden können. - Anbringen einer an ihren beiden Stirnseiten offenen, vorzugsweise hohlzylindrischen Hülse an dem freigelegten Leiter. Die Hülse kann z.B. aus einem elektrisch gut leitfähigen Werkstoff, wie etwa aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigt sein.

Ausbilden einer ersten stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem freigelegten Leiter und einem Innenumfangsabschnitt der Hülse mittels Rührreibschweißen. Zum

Rührreibschweißen wird ein Reibwerkzeug, z.B. ein Dorn, von einer dem

anzubringenden Kontaktelement zugewandten Stirnseite her zumindest

abschnittsweise in die Hülse eingeführt oder zumindest mit dem freien Ende des Leiters, also einer Stirnseite der Leitung, in Kontakt gebracht und relativ zur Hülse sowie dem Leiter rotierend angetrieben. Diese können hierzu in einem

Haltewerkzeug eingespannt werden.

- Ausbilden einer zweiten stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Hülse und dem Kontaktelement. Diese zweite stoffschlüssige Verbindung kann auch in der

Vorkonfektion der Hülse ausgebildet werden, so dass die Hülse dabei nicht zwingend bereits an dem Leiter angebracht sein muss. Das Kontaktelement kann z.B. ein Kabelschuh, ein Steckkontakt o. ä. sein. Die erfindungsgemäß hergestellte Leitungsanordnung bietet damit den Vorteil, dass die beiden stoffschlüssigen Verbindungen robust sind gegenüber mechanischer Beanspruchung, wie etwa der Wärmeausdehnung der Kontaktpartner, der Wirkung des Schalls beim

Ultraschallschweißen oder Vibrationen im späteren Einsatz der Leitungsanordnungen z.B. in einem Kraftfahrzeug. Mit diesem Verfahren können problemlos unterschiedliche

Metallpaarungen zusammengefügt werden, wie etwa Aluminium und Kupfer sowie

Legierungen davon.

Durch die beidseitig offene Ausgestaltung der Hülse ist es möglich, dass die erste

stoffschlüssige Verbindung durch die offene Stirnseite der Hülse vor oder nach dem

Anbringen der Hülse an dem Leiter optisch geprüft wird. Dies kann bei einer maschinellen Fertigung z.B. dadurch bewerkstelligt werden, dass ein Kamerasystem so angeordnet wird dass es durch die offene Stirnseite hindurch ein oder mehrere Bilder aufnimmt, die dann hinsichtlich der Qualität der ersten stoffschlüssigen Verbindung ausgewertet werden. Es ist möglich, dass die Leitungsanordnung teilweise vorkonfektioniert wird. Insbesondere kann die zweite stoffschlüssige Verbindung vor dem Anbringen der Hülse auf den Leiter ausgebildet werden. Hierzu kann ein geeignetes Schweißverfahren eingesetzt werden beispielsweise auch ein Ultraschallschweißverfahren oder ein Reibschweißverfahren. Die Vorkonfektionierung bietet logistische Vorteile, da z.B. eine Vielzahl dieser Halbzeuge unabhängig vom Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung vorgefertigt und bereitgestellt werden kann.

Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Kontaktelement mit einer Durchgangsöffnung zum Hindurchführen des Reibwerkzeugs bereitgestellt wird.

Dementsprechend sollte in diesem Fall die Durchgangsöffnung einen Durchmesser aufweisen, der ein problemloses Hindurchführen des Reibwerkzeugs erlaubt. Dies ermöglicht das Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung mittels Rührreibschweißen, und zwar auch dann noch, wenn das Kontaktelement bereits über die zweite stoffschlüssige Verbindung mit der Hülse verbunden ist. Das Rührreibschweißen hat sich für diese Art der Verbindung bewährt, da diese besonders gut mechanisch belastbar ist.

Alternativ dazu, kann die zweite stoffschlüssige Verbindung auch erst nach dem Anbringen der Hülse auf den Leiter ausgebildet werden. In diesem Fall wird also zuerst der Leiter mit der Hülse verschweißt und erst dann das Kontaktelement mit der Hülse verschweißt. Dies bietet den Vorteil, dass zumindest hinsichtlich des Kontaktelements Ausschuss vermieden werden kann, da die erste stoffschlüssige Verbindung insbesondere optisch geprüft werden kann, bevor überhaupt die zweite stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird. Zum Ausbilden der zweiten stoffschlüssigen Verbindung bzw. zum Verbessern der

Schweißgüte zwischen der Hülse und dem Kontaktelement hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung das Reibwerkzeug durch seine Werkzeugkontur eine dem anzubringenden Kontaktelement zugewandte ringförmige Stirnfläche plan bearbeitet bzw. gemacht wird. So kann das Reibwerkzeug, das zum Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung verwendet wird, gleichzeitig auch die Anbindungsfläche zum Ausbilden der zweiten stoffschlüssigen Verbindung vorbereiten. Im Idealfall wird so ein kompletter Prozessschritt eingespart. Das Reibwerkzeug kann hierfür einen mittig angeordneten Vorsprung aufweisen, dessen Durchmesser bzw. Weite so bemessen ist, dass er in die Hülse hinein geführt werden kann. Seitlich bzw. radial davon kann dann eine z.B. profilierte Fläche vorgesehen sein, die beim Einführen des Vorsprungs in die Hülse an der ringförmigen Stirnfläche anliegt und diese z.B. durch Reiben plan macht.

Um ein kostengünstige und qualitativ hochwertige Fügestelle auch bei schwer schweißbaren Materialpaarungen zu erreichen, kann die zweite stoffschlüssige Verbindung mittels

Rotationsreibschweißen ausgebildet werden. Hierzu können das Kontaktelement oder die Hülse mit dem Leiter in einem Haltewerkzeug eingespannt werden und der andere

Kontaktpartner relativ dazu rotierend angetrieben werden. Bedingt durch die Werkzeugkontur des Reibwerkzeugs zum Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung kann die erste stoffschlüssige Verbindung an der dem anzubringenden Kontaktelement zugewandten Stirnseite der Hülse eine nach innen gewölbte Topfform aufweisen. Hierfür ist es dann vorteilhaft, wenn die zweite stoffschlüssige Verbindung zwischen einer ringförmigen Stirnfläche der Hülse und einer Gegenfläche des Kontaktelements ausgebildet wird. Das Kontaktelement kann also auf die ringförmige Stirnfläche aufgerieben werden.

Um ein Litzenschieben, also ein Verschieben der Einzeldrähte gegenüber der Hülse zu vermeiden, kann die Hülse beim Anbringen auf den Leiter aufgepresst werden,

beispielsweise radial. Damit wird der Leiter in der Hülse eingespannt, so dass das

Reibwerkzeug zum Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung den Leiter nicht oder zumindest nicht zu weit in die Hülse hineinschiebt. Vor dem Ausbilden der ersten

stoffschlüssigen Verbindung ist das dem anzubringenden Kontaktelement zugewandte freie Ende im Wesentlichen bündig mit der entsprechenden Stirnseite der Hülse.

Das Verfahren hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Leiter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bereitgestellt wird. Das Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn zueinander unterschiedliche Metallwerkstoffe miteinander verschweißt werden. Das Kontaktelement kann dann aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, mit einer entsprechend guten elektrischen Leitfähigkeit, lässt sich durch das eingesetzte

Schweißverfahren aber dennoch mit einer hohen Schweißgüte an der Hülse und/oder dem Leiter befestigen. Kurze Figurenbeschreibung

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

Figur 1 eine elektrische Leitungsanordnung, die gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, und Figur 2 eine elektrische Leitungsanordnung, die gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.

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

Detaillierte Beschreibung

In den Figuren 1 A bis 1 D ist ein Herstellungsverfahren für eine Leitungsanordnung 1 schrittweise dargestellt. Die Leitungsanordnung 1 besteht im Wesentlichen aus einer elektrischen Leitung 2 mit einem innenliegenden elektrischen Leiter 3, der eine Vielzahl von Einzeldrähten 4 aufweist, sowie einem Isolationsmantel 5, einer den Leiter 3 umgebenden Hülse 6 und einem elektrischen Kontaktelement 7. In Figur 1 C sind der Leiter 3, die Hülse 6 und das Kontaktelement 7 stoffschlüssig miteinander verbunden, wodurch die

Leitungsanordnung 1 fertiggestellt ist.

Für das Verfahren gemäß den Figuren 1 A bis 1 D wird zunächst die Leitung 2 bereitgestellt, deren Leiter 3 bereits an einem freien Ende durch das Entfernen des Isolationsmantels 5 abschnittsweise freigelegt ist. Der Leiter 3 besteht hier beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dann wird, wie in Figur 1 A gezeigt, die Hülse 6 auf den freigelegten Leiter 3 aufgeschoben, wobei sich die Hülse 6 für eine robuste Befestigung an der Leitung 2 und ggf. zum Ausbilden einer Zugentlastung idealerweise bis über den Isolationsmantel 5 erstreckt. Wie in Figur 1 A durch zwei Pfeile angedeutet, wird die Hülse 6, die hier hohlzylindrisch mit zwei offenen Stirnseiten ausgeführt ist, in einem weiteren Schritt mit der hier beispielsweise radial gerichteten Kraft F zusammengepresst, also mit einem (nicht gezeigten)

Presswerkzeug auf den Leiter 3 und ggf. auf den Isolationsmantel 5 aufgepresst. Dadurch wird ein Litzenschieben bzw. ein Verschieben der Einzeldrähte 4 vermieden. Beim

Verpressen wird die Hülse 6 plastisch verformt und wird kraft- und ggf. formschlüssig an dem Leiter 3 gehalten.

Danach wird, wie in Figur 1 B dargestellt, ein stift- oder dornförmiges Reibwerkzeug 8 zum Rührreibschweißen bzw. Rührreibschweißen von einer der Leitung 2 abgewandten Stirnseite der Hülse 6 her an diese herangeführt. Das Reibwerkzeug 8 weist in diesem

Ausführungsbeispiel eine Werkzeugkontur auf, die einen mittig angeordneten Vorsprung 9 hat, der von einer profilierten, ringförmigen Reibfläche 10 umgeben ist. Mit oder nach dem Heranführen wird das Reibwerkzeug 8 relativ zu dem Leiter 3 sowie der Hülse 6 rotierend um seine Längsachse angetrieben, wie dies in Figur 1 B durch einen Pfeil angedeutet ist.

Insbesondere der Vorsprung 9 schmilzt dann das Material des Leiters 3 abschnittsweise auf, dessen plastifiziertes Material sich mit dem Innenumfang der Hülse 6 verbindet. Die

Reibfläche 10 bearbeitet gleichzeitig die ringförmige Stirnseite der Hülse 6 und macht diese plan. Durch dieses Rührreibschweißen wird eine erste stoffschlüssige Verbindung V1 ausgebildet, die zwischen dem Leiter 3 bzw. seinen Einzeldrähten 4 und der Hülse 6 besteht und diese fest miteinander verbindet.

In Figur 1 C ist die erste stoffschlüssige Verbindung V1 gekennzeichnet. Das Reibwerkzeug 8 ist wieder von dem Leiter 3 und der Hülse 6 entfernt. Dadurch lässt sich eine Prüfeinrichtung 13 so ausrichten, dass damit die erste stoffschlüssige Verbindung V1 z.B. optisch geprüft werden kann.

Nach dem Ausbilden der ersten stoffschlüssigen Verbindung V1 kann deren Schweißgüte nun durch die offene Stirnseite der Hülse 6 geprüft werden, wozu hier die als

Kameraeinrichtung ausgeführte Prüfeinrichtung 13 verwendet wird. Durch diese Prüfung kann eine hohe Qualität der Leitungsanordnung 1 sichergestellt werden, da die

stoffschlüssige Verbindung V1 genau geprüft werden kann. Wie in Figur 1 D gezeigt, wird erst nach dem Ausbilden der ersten stoffschlüssigen

Verbindung V1 und dem optischen Überprüfen der Verbindung wird das Kontaktelement 7 an der nun planen ringförmigen Stirnseite der Hülse 6 mittels einer zweiten stoffschlüssigen Verbindung V2 befestigt. Das Kontaktelement 7 besteht hier beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die zweite stoffschlüssige Verbindung V2 wird mittels eines

Reibschweißverfahrens ausgebildet, bei dem das Kontaktelement 7 relativ zur Hülse 6 gedreht wird, bis aufgrund einer Plastifizierung der Werkstoffe der ringförmigen Stirnseite der Hülse 6 und des Kontaktelements 7 eine Schweißverbindung gebildet ist. Das

Kontaktelement 7 ist hier exemplarisch als Kabelschuh dargestellt, kann jedoch auch eine andere konstruktive Ausgestaltung aufweisen. Somit ist in Figur 1 D die fertiggestellte Leitungsanordnung 1 dargestellt.

In den Figuren 2A bis 2D ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Herstellverfahrens für die Leitungsanordnung 1 dargestellt. Der Aufbau der damit hergestellten Leitungsanordnung 1 entspricht im Wesentlichen der des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels.

Allerdings unterscheidet sich das Herstellverfahren davon in seinen Verfahrensschritten.

In diesem Ausführungsbeispiel wird wiederum die Leitung 2 mit freigelegtem Leiter 3 bereitgestellt, die stirnseitig offene Hülse 6 darauf aufgeschoben und diese in einem (nicht gezeigten) Presswerkzeug mit der radial gerichteten Kraft F auf den Leiter 3 und ggf. auch den Isolationsmantel 5 aufgepresst (siehe Figur 2A).

Abweichend vom hervorgehenden Ausführungsbeispiel wird nun jedoch zuerst das

Kontaktelement 7 mit der Hülse 6 unter Ausbildung der zweiten stoffschlüssigen Verbindung V2 verschweißt (siehe Figur 2B). Hierfür weist das Kontaktelement 7, das hier exemplarisch als Kabelschuh ausgeformt ist, eine Durchgangsöffnung 1 1 auf, um auch hier ein optisches Überprüfen der nachfolgend ausgebildeten ersten stoffschlüssigen Verbindung V1 zu ermöglichen. Das Kontaktelement 7 wird um eine Längsachse der Leitungsanordnung 1 gedreht und so mittels Reibschweißen an der ringförmigen Stirnseite der Hülse 6, also an deren Stirnfläche, befestigt.

Nach dem Ausbilden der zweiten stoffschlüssigen Verbindung V2 wird dann erst die erste stoffschlüssige Verbindung V1 ausgebildet. Wie in Figur 2C angedeutet, wird hierzu ein stiftförmiges Reibwerkzeug 12 durch die Durchgangsöffnung 1 1 des Kontaktelements 7 hindurch geführt, dann weiter an den Leiter 3 herangeführt und relativ dazu um die

Längsachse der Leitungsanordnung 1 rotierend angetrieben. Somit wird die erste stoffschlüssige Verbindung V1 ebenfalls mittels Rührreibschweißen ausgebildet. In Figur 2D ist die fertiggestellte Leitungsanordnung 1 dargestellt. Mittels der Prüfeinrichtung 13 wird nun wieder die erste stoffschlüssige Verbindung V1 durch die Durchgangsöffnung 1 1 des Kontaktelements 7 hindurch optisch geprüft.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Elektrische Leitungsanordnung

2 Elektrische Leitung

3 Elektrischer Leiter

4 Einzeldrähte

5 Isolationsmantel

6 Hülse

7 Elektrisches Kontaktelement

8 Reibwerkzeug

9 Vorsprung

10 Reibfläche

1 1 Durchgangsöffnung

12 Weiteres Reibwerkzeug

13 Kameraeinrichtung

V1 Erste stoffschlüssige Verbindung

V2 Zweite stoffschlüssige Verbindung