Widerstandsschweißen von Aluminium und Kupfer

Innovative Lösungen für das verlässliche Fügen von Aluminiumlitzen und Kupferhülsen mit unserer Technologie für das Widerstandsschweißen

Während das Widerstandschweißen für Kupfer-Kupfer-Verbindungen im automobilen Bordnetz seit Jahrzehnten erfolgreich zum Einsatz kommt, wurde das Fügen von Aluminium und Kupfer im Leitungssatz bislang als schwierig angesehen. Dies lag daran, dass sich auf den einzelnen Litzen der Leitungen und auf der Oberfläche der Busbars Aluminiumoxid befindet. Zur Herstellung einer optimalen Verbindung in Bezug auf Leitfähigkeit (Übergangswiderstand) und mechanische Langzeitstabilität ergibt sich daraus folgende Herausforderung: Das Aluminiumoxid muss gebrochen werden und im Anschluss ist das unkontrollierte Schmelzen des Aluminiums auszuschließen. Hierzu müssen intermetallische Phasen und Sprödigkeiten vermieden werden.

Uns ist es erfolgreich gelungen, eine Aluminium-Kupfer-Verbindung mit extremer Haltbarkeit und minimalem Übergangswiderstand zu erzeugen. Diese kann nun in folgenden Bereichen der Bordnetze und Hochvoltanwendungen zum Einsatz kommen:

  1.  in Aluminiumbusbar-Systemen mit Kupferanschlussstücken oder Flex-Busbars zur Flexibilisierung der Schienensysteme und
  2. in Aluminiumleitungen (auch mit sehr hohen Querschnitten) zu Kupferkontakten oder HV-Kontakten in Hülsenform.

Mit unseren innovativen Verfahren ist es nun möglich, die Vorteile des Aluminiums (Gewichtseinsparung, Kostenreduktion im Vergleich zu Kupfer) mit den bekannten Eigenschaften von Kupfer im Kontakt- bzw. Anschlussbereich zu kombinieren. Nachfolgend erläutern wir Ihnen die Eigenschaften und Vorteile unserer Methoden.

 

Kupferverbindungen an Aluminiumbusbars – S2R-Verfahren

In der Stromschienenvernetzung des Bordnetzes wird aufgrund der Kosten- und Gewichtsersparnis vermehrt Aluminium verwendet. Hiervon sind insbesondere lange Pfade wie der Ladepfad betroffen. Für diese Anwendungen bieten wir ein Stumpfschweißverfahren an, durch das Kupferanschraubstücke (Terminals) präzise und prozesssicher mit den Enden der Aluminiumbusbars verbunden werden.

Der Vorteil einer Stumpfschweißung liegt hierbei in der Platzersparnis der Kontaktierung, speziell für eng verlegte Stromschienen wie im Ladepfad an der Steckdose. Zudem können durch eine Vergößerung der Kontaktfläche ein niedriger Übergangswiderstand (wenige µOhm) einhergehend mit einer hohen Haltekraft erreicht werden (abhängig von Querschnitt und Material; ca. 10 000 N bei 100 mm² Querschnitt des Aluminiumbusbars). Des Weiteren ergeben sich gegenüber dem Überlappschweißen Materialeinsparungen, die zu weiteren Kostenreduktionen führen.

Die Verbindung wird ohne zusätzliche Materialien wie Lot hergestellt. Mithilfe eines sehr schnellen STRUNK-Steuerungssystems wird die Oxidschicht aufgebrochen, sodass die Verbindung der Werkstoffe langzeitstabil und ohne Aluminiumspritzen erfolgt. Dieses Schweißverfahren für Busbars ist ebenfalls zur Herstellung von Verbindungen mit Kupferlitzen oder Kupferzopflitzen zur Flexibilisierung der Stromschienensätze geeignet.

 

Aluminium-Litzenverbindungen zu (HV-)Rundkontakten – STRUNK HC-L-Prozess:

Um Aluminiumleitungen prozesssicher per Widerstandsschweißverfahren mit Rundkontakten zu verbinden, haben wir ein neues Verfahren entwickelt, das sowohl die metallische Anbindung an den Rundkontakt (Innenbereich) als auch die metallische Verbindung der einzelnen Litzen (Adern) untereinander ermöglicht. Speziell für diese Anwendung angepasste Widerstandsschweißmaschinen sowie die zugehörige Applikationssoftware „ALUMINIUM“ sind ab sofort bei uns erhältlich.

Unsere Anlagen und die Software ermöglichen einen beherrschbaren und stabilen Schweißprozess der Litzen untereinander. Die hierfür verwendeten Kabelschuhe oder Rundkontakte sind beschichtet, um intermetallische Phasen zu vermeiden und Langzeitstabilität zu erreichen. Über eine Hartlotverbindung der jeweiligen Beschichtung wird die notwendige Anbindung zum Kontakt erreicht.

Auch diese Verbindung zeichnet sich durch hohe Haltekräfte und eine hervorragende Leitfähigkeit von der Aluminiumleitung zum Kupferkontakt aus. Das Aufbrechen der Oxide sowie die exakte Schmelztemperatur der Litzen werden über eine spezielle Applikation unserer Schweißstromsteuerung erreicht.

Der STRUNK HC-L-Prozess eignet sich für Querschnitte bis 160 mm² und bewirkt stabile Verbindungen der Litzen untereinander sowie zwischen Litzen und Hülsenmaterial (s. Abb. 1). Zu den Vorteilen dieses Verfahrens zählen zudem eine hohe Belastbarkeit mit sehr guten mechanischen Eigenschaften sowie eine hervorragende Leitfähigkeit der Aluminium-Kupfer-Verbindung (s. Abb. 2).

 

 

 

Abb. 1: Verbindung der Litzen untereinander

Abb. 2: Widerstand von 4,1 µOhm einer 50-mm²-Aluminiumlitze