Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Elektrische Verbindungsstruktur und Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur

Bei der Verbindung voneinander getrennter Elemente zwischen einer elektri- sehen Energiequelle und einer elektrischen Energiesenke werden im Stand der Technik verschiedene Verbindungslösungen eingesetzt. Neben den traditionellen unlösbaren Verfahren, wie dem Löten oder Schweißen, gibt es so- genannte lösbare elektrische Verbindungen, wie Steckverbindungen, Schraubverbindungen, Clinchverbinder, Crimpverbinder, um nur einige davon aufzuzählen. In diversen Anwendungen, wie bei Batterieanschlüssen, Stromschienen und Stromverteiler kommt es immer wieder zu Materialmix von miteinander zu verbindenden Bauteilen und zu Korrosionsproblemen und entsprechenden Folgeproblemen. Speziell die Verbindung zu Aluminium als Leitungsmaterial ist im Stand der Technik unzureichend gelöst.

Um das Verbindungsproblem zum Beispiel im Karosseriebau zwischen verschiedenen Werkstoffen zu lösen, und dabei die existierenden Widerstands punktschweißanlagen insbesondere für Aluminium und Stahl beizubehalten, wurden viele Versuche unternommen. Nachfolgend werden einige bekannte Techniken vorgestellt. Im Patent DE 10015713 A1 wurde ein Verfahren offengelegt, bei dem ein Vollniet ins Al-Blech eingebracht wird. Dabei soll eine I- Form entstehen, die das Al-Blech einklemmt. Anschließend soll das Al- Blech über das Stahlnietelement mit einem anderen Stahlblechmittels Widerstandspunktschweißen verschweißt werden. Dieses Nietelement weist zwei ebene Oberflächen auf.

Es gibt weitere Verfahren, um metallische Materialien miteinander zu kombinieren. Beim Walzplattieren zum Beispiel werden zwei oder mehr unterschiedliche Materialien miteinander vereint, um die jeweils besten Eigen- schäften der einzelnen Werkstoffe optimal nutzen zu können. Selbst normalerweise nicht gut verschweißbare Werkstoffe können durch den Einbau von Zwischenschichten miteinander verbunden werden. Dies gilt sowohl für ganzflächige als auch für streifenförmige Ausführungen. Beim Plattieren werden daher mindestens zwei unterschiedlich metallische Bänder zu einem Ver- bundmaterial vereinigt. Die Werkstoffe laufen typischerweise parallel vom jeweiligen Coil in die Walzanlage und werden dort, je nach Metall und Mate rialeigenschaften, durch hohen Walzdruck miteinander verbunden.

Für die Beschichtung können Werkstoffe wie Edelmetalle oder Edelmetallle gierungen auf Gold-, Palladium- und Silber-Basis, sowie Kupfer und Kupfer- Legierungen, Nickel, Aluminium und Aluminium-Silizium eingesetzt werden. Das Verfahren ist aber insofern für die Anwendung bei einer Stromschiene oder einem Stromverteiler nicht geeignet, da die betroffenen Verbindungsstellen zum Beispiel Bolzen und oder Bohrungen aufweisen, um die Verbindungspartner mittels einem Schraubbolzen und einer Mutter zu verbinden. Dadurch treten weitere Materialkombinationen auf und werden diverse Oberflächenabschnitte an den Verbindungsstellen nicht durch die Walzplattierung abgedeckt.

Eine weitere Alternative stellt die galvanische Beschichtung dar, mit der die Materialen beschichtet werden können. Allerdings gibt es für diverse Lei- tungsmaterialien und Aluminium im Stand der Technik keine zufriedenstel lende Lösung, um wirtschaftlich und kostengünstig das vorbesagte Problem zu lösen und insbesondere die Folgen der Korrosion aufgrund der elektrochemischen Spannungspotentiale zwischen den Kontaktmaterialien ausrei chend zu reduzieren oder nahezu gänzlich zu vermeiden.

Aus dem Bereich der Verbindungstechnik wird eine Lösung zur Verbesse rung besagter Probleme für eine mechanische Verbindung, nämlich eine Schraube in der WO 2013083540 A1 vorgeschlagen. Eine derartige Schraube weist einerseits eine ausreichende Festigkeit und andererseits eine aus- reichende Korrosionsbeständigkeit auf. Vorteilhafterweise kann der Werkstoff der Schraube insbesondere gegen Kontaktkorrosion mit Kohlenstoff oder kohlenstoff verstärktenVerbundmaterialien beständig sein. Da Kohlenstoff aufgrund seines elektrochemischen Potentials ungünstig zu Eisen liegt, ist es für die dauerhafte Anwendung der Schraube besonders wichtig, dass diese Art der Korrosion vermieden wird, unabhängig davon, ob die Umgebung darüber hinaus noch korrosiv ist oder nicht. Vorteilhafterweise kann die Schraube aus einem hochwarmfesten Werkstoff entsprechend EN 10269 oder ähnliche, insbesondere aus einem austenitischen Werkstoff oder aus einer Nickel-Basislegierung bestehen.

Solche Werkstoffpaarungen sind für die Übertragung elektrischer Leistung und hoher Ströme nicht geeignet. Vielmehr hat die Kontaktkorrosion auch den nachteiligen Effekt, dass sich der Übergangswiderstand im Bereich der Kontaktflächen der Kontaktpartner ändert, insbesondere erhöht und es dann zunehmend zur Erhitzung an der Kontaktstelle kommt. Dies führt teilweise zu erheblichen Folgeschäden, wie zum Beispiel einem Brand.

Im Stand der Technik findet sich eine Vielzahl von Lösungen, die sich jedoch nicht auf elektrische Verbindungsmittel übertragen lassen. In der WO 1995000678A1 wird zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung korrosionsgeschützter metallischer Werkstoffe durch Passivierung beschrieben, bei dem man eine Schicht eines intrinsisch leitfähigen Polymeren auf den metallischen Werkstoff aufbringt und den beschichteten metallischen Werkstoff in Kontakt mit sauerstoffhaltigem Wasser bis zum Erreichen des Gleichge- Wichtspotentials bringt, wobei als leitfähiges Polymer insbesondere Polyanilin verwendet wird. Die erzielte Leitfähigkeit ist dabei nicht ausreichend für den elektrischen Energieübertrag und Aluminium lässt sich ebenfalls nicht entsprechend behandeln.

Ganz grundsätzlich bereiten Aluminiumoxidschichten erhebliche Probleme bei der Anbindung von aus Aluminimummaterial gefertigten Kontaktteilen bzw. Stromschienen. Es treten neben der zuvor genannten Problematik der Widerstandserhöhung noch die Probleme hinzu, dass in den Oberflächenkontaktbereichen, sozusagen Lücken und Lunker vorhanden sind, in die sich Fremdwerkstoffe einlagern können, die wiederum Korrosionskeime bilden und das Problem noch weiter erhöhen.

Im Bereich des Fahrzeugbaus werden aberzunehmend leichte Werkstoffe benötigt und zeigen jüngere renommierte Beispiele von Rückrufaktionen von Fahrzeugherstellern, dass das Problem weiterhin existiert und unzureichend gelöst ist. Auch die bekannten PVD und CVD Verfahren konnten bisher nicht die überzeugenden Ergebnisse für die Anwendungen bei elektrischen Verbindungsmaterialien, Stromschienen, Stromverteiler und Batterieklemmen liefern. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und eine kostengünstige, korrosionsbeständige Verbindungsstruktur und ein entsprechendes Verfahren zur Flerstel- lung einer solchen Struktur bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine spezifische Struktur auszubilden, bei der eine Verbindungszone zwischen einer ersten und zwei ten inneren Schicht zweier Verbindungspartner erfolgt, welche mittels Kaltgasspritzen hergestellt wurden. Erfindungsgemäß wird hierzu eine elektrische Verbindungsstruktur zur Verwendung als Übertragungsmittel elektrischer Energie zwischen einem ersten und zweiten elektrischen Bauteil, wobei die Verbindungsstruktur aus mehre ren in Serie zueinander angeordneten Schichten gebildet, wobei eine erste äußere Schicht aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung sowie eine zweite äußere Schicht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminium- Legierung bestehen und wobei ferner eine dritte und vorzugsweise vierte Schicht, nämlich eine oder zwei innere Schichten zwischen den äußeren Schichten vorgesehen sind, wobei die innere oder die inneren Schichten (30, jeweils durch Kaltgasspritzen hergestellt sind. Hierdurch erhält man einen Materialverbund, der besonders gute Korrosionseigenschaften aufweist. Al ternativ kann aber auch, wie angegeben nur eine Aluminium oder einer Alu- minium-Legierungs-Schicht vorgesehen werden und eine beliebige Kombina tion mit z. B. anderen Werkstoffen wie Cu-Al.

Gleiches gilt für die angegebenen Kaltgasschichten. Denkbar wäre es auch nur eine innere Kaltgasschicht auf der einen Aluminium oder einer Alumini- um-Legierungs-Schicht vorzusehen. Bei Applikationen, wie zum Beispiel An wendungen mit der Kombination Kupfer oder Kupferlegierungen als Verbin dungspartner, wäre demzufolge nur eine Kaltgasschicht erforderlich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die beiden inneren Schichten direkt miteinander kontaktierend (d. h. ohne weitere Schichten dazwischen) verbunden sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Verbindungsstruktur als eine mindestens zwischen zwei der vier Schichten lösbare Verbindungsstruktur ausgebildet ist, die sich von einer Verbindungsposition (verbundener Zustand) in eine Trennposition (vormon- tagezustand oder Trennzustand) trennen lässt und deren korrespondieren den Anlageflächen so ausgebildet sind, dass diese in der nicht getrennten Verbindungsposition eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbin dung ausbilden. Bei diesen Ausführen können demnach die beiden Verbindungspartner bestimmungsgemäß voneinander (gebildet aus einer Aluminium oder getrennt werden, ähnlich wie bei einem Steckverbinder, der zum Stecken und Trennen verbunden wird bzw. getrennt werden kann.

Zur Herstellung einer dauerhaft korrosionsgeschützten Verbindung können demnach die beiden Verbindungspartner mit ihren mittels Kaltgasspritzen hergestellten Korrosionsschutzschichten in kontaktierende Anlage gebracht werden, um dann als elektrische Verbindung zum Beispiel zwischen zwei Geräten oder einer elektrischen Energiequelle und einer elektrischen Energiesenke zu wirken.

Eine dazu alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Verbindungsstruktur als eine nicht- lösbare, insbesondere materialschlüssige Verbindungsstruktur ausgebildet ist, bei denen die beiden inne ren Korrosionsschutzschichten durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden.

In der zuvor beschriebenen alternativen Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen ist, ist vorgesehen, dass zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung, durch sämtliche Schichten (in Energieflussrichtung beim Stromfluss betrachtet) ein Verbindungsmittel hindurch verläuft, insbesondere ein Verbindungsbolzen und hierzu in jeder Schicht eine Öffnung vorgesehen ist, durch die der Verbindungsbolzen hindurchdringt.

Die Struktur der Anordnung ist dabei so ausgebildet, dass die zweite innere Schicht mittels Kaltgasspritzen auf die erste äußere Schicht aufgebracht wurde, insbesondere diese vollständig bis an den Randbereich bedeckt und dass die dritte innere Schicht mittels Kaltgasspritzen auf die zweite äußere Schicht aufgebracht wurde, insbesondere diese ebenfalls vollständig bis an den Randbereich bedeckt.

Die so gebildeten Verbindungspartner könne eine vollständig oder zumindest teilweise korrespondierende Anlagefläche zur elektrischen Verbindung aus bilden. Bevorzugt können die Flächen gleich groß sein, allerdings wäre auch eine partielle Kontaktanlage nur von einer Teilfläche möglich.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die beiden äußeren Schichten in ihrer Dickenrichtung (in Serienrichtung der seriell angeordneten Schichten) eine we- sentlich größer Dicke aufweist, als die inneren Schichten, insbesondere im Verhältnis größer 1:10. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass eine vergleichsweise dicke schichtartige Struktur jeweils von der Aluminium oder Aluminimum-Legierung gebildet wird, auf die eine vergleichsweise dünne Schicht, nämlich als funktionale Korrosionsschutzschicht aufgespritzt wird im Kaltgasspritzverfahren. Die jeweils optimale Material- und Dickenpaarung wird auf die jeweilige Anwendung abgestimmt. Wird zudem eine besonders hohe mechanische Festigkeit benötigt, so können die äußeren Schichten bzw. Strukturen entsprechend dick und massiv ausgebildet werden. Dies kann insbesondere auch Vorteile im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften der elektrischen Verbindungsstruktur mit sich bringen und den gewünschten Wärmetransport im Einsatz bei hohen Strömen.

Insofern eignet sich das Konzept der Erfindung ins besonders guter Weise zur Realisierung einer Stromschiene oder eines Stromverteiler zwischen we- nigstens zwei Leitungen, wobei jeder der beiden Verbindungspartner mit ei ner elektrischen Leitung verbunden ist, die zu einer Energiequelle oder Sen ke führt, wie zum Beispiel zu einer Batterie oder einem elektrischen Verbraucher.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft neben der Verbin- dungsstruktur als solcher auch das Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Verbindungsstruktur mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen von zwei äußeren Schichten oder schichtartigen Strukturen aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung (z. B. Al/Cu-Legierung); b) Aufbringen jeweils einer Korrosionsschutzschicht mittels Kaltgas spritzen auf die jeweilige Oberfläche der beiden äußeren Schichten oder Strukturen; c) Verbinden der beiden Korrosionsschutzschichten zum Herstellen einer Verbindungsstruktur, indem im verbundenen Zustand eine Serie hintereinander angeordneten Schichten gebildet wird.

Weiter vorteilhaft ist dieses Verfahren, wenn in Schritt c) eine kraftschlüssige Verbindung, formschlüssige Verbindung und/oder materialschlüssige Verbindung hergestellt wird.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Verbindungsstruktur in einem Vormontagezustand (Trennzustand);

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbindungsstruktur in einem kraftschlüssig verbundenen Zustand;

Fig. 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbin dungsstruktur in einem formschlüssig verbundenen Zustand und

Fig. 4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbindungsstruktur in einem materialschlüssig verbundenen Zustand.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funkti onale Merkmale hinweisen.

In der Fig. 1 ist eine beispielhafte schematische Darstellung einer elektri- sehen Verbindungsstruktur 10 in einem Vormontagezustand (Trennzustand) gezeigt. Die beiden dargestellten Verbindungspartner 10a, 10b bilden im verbundenen Zustand die Verbindungsstruktur 10 aus.

Die in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen jeweils eine schematische Ansicht einer elektrischen Verbindungsstruktur 10 zur Verwendung als Übertragungsmittel elektrischer Energie zwischen einem ersten und zweiten elektrischen Bauteil (welches hier nicht näher gezeigt ist).

Wie gut in den Figuren zu erkennen ist die Verbindungsstruktur 10 aus meh reren in Serie zueinander angeordneten Schichten 20,30,40,50 gebildet. Nachfolgend werden die Schichten 20,30,40,50 kurz erläutert.

Die unterste Schicht stellt eine erste äußere Schicht 20 dar, während die obere Schicht eine zweite äußere Schicht 50 darstellt. Die beiden äußeren Schichten 20, 50 könnten auch als schichtartige Strukturen ausgebildet sein.

Diese Schichten 20, 50 bzw. Strukturen 20, 50 sind aus Aluminium odereiner Aluminium-Legierung gebildet.

Wie in der Figur 1 ersichtlich, befindet sich auf der der beiden Schichten 20, 50 jeweils eine durch Kaltgasspritzen hergestellt Korrosionsschutzschicht 30, 40, die im jeweils gemäß den Figuren 2 bis 4 verbundenen Zustand aneinan der anliegen und dann innere Schichten 30, 40 ausbilden.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbindungsstruk tur 10 hergestellt über eine kraftschlüssige Verbindung, wozu durch sämtliche Schichten 20, 30, 40 ,50 ein Verbindungsmittel 60 hindurch verläuft, insbesondere ein Verbindungsbolzen 60, der mittels einer Mutter 61 jeweils an der oberen und unteren äußeren Struktur 20, 50 befestigt ist.

In jeder Schicht bzw. Struktur befindet sich eine entsprechende Öffnung durch die der Verbindungsbolzen 60 hindurchdringt. Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbindungsstruk tur 10 hergestellt über eine formschlüssige Verbindung, wozu ein Strukturelement 11 und ein korrespondierendes Strukturelement 51 an den jeweils äußeren Strukturen bzw. Schichten 20, 50 vorgesehen sind. Diese greifen formschlüssig ineinander.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Verbindungsstruktur 10 hergestellt über eine material- bzw. stoffschlüssige Verbindung, wozu die beiden inneren Schichten 30, 40 miteinander durch ein entsprechendes Stoffschlussverfahren verbunden wurden. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. So können die bei Anspruch 1 genannten Materialien auch anderen metallischen Mate- rialen umfassen, ohne dass diese in der Beschreibung in allen möglichen Kombinationsformen genannt sind. So sind insbesondere auch Kupfer und Kuperlegierungen umfasst.