Verbindungstechnik / Schweißtechnik

Schnelle Verbindung für leichte Kabel

| Autor / Redakteur: Alexander Dumpies, Tobias Broda, Steffen Keitel, Heiko Rudolf* / Ines Stotz

Widerstandsgeschweißte 59 mm2 Aluminium-Litze auf 2,0 mm Kupfer-Ableiter
Widerstandsgeschweißte 59 mm2 Aluminium-Litze auf 2,0 mm Kupfer-Ableiter (Bild: SLV Halle)

Firmen zum Thema

Mit dem sicheren und wirtschaftlichen Verfahren Widerstandsschweißen lassen sich auch Mischverbindungen an elektrischen Leitern erzeugen. Dies ermöglicht neue innovative Leichtbaukonzepte, stellt jedoch gleichzeitig hohe Anforderungen an die Fügetechnologie.

Innovative Leichtbaukonzepte finden zunehmend Einzug in allen technischen Bereichen. Angefangen bei der Produktion bis zum fertigen Produkt wird nach Lösungen zur Reduzierung des Bauteilgewichts gesucht, ohne dabei die Grundlegende Funktionalität einzuschränken. Durch die vorschreitende Elektrifizierung nimmt der Anteil elektrischer Komponenten zu. Somit steigt zwangsläufig ihr Anteil an der Bauteilgesamtmasse und es ist naheliegend, dass sich hier ein Einsparpotential verbirgt.

Kupfer vs Aluminium

Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften ist Kupfer das Standardmaterial in der kabelverarbeitenden Industrie. Jedoch hat Kupfer im Vergleich zu anderen Leiterwerkstoffen ein hohes spezifisches Gewicht. Hinzu kommt, dass sich die Kosten für Kupferwerkstoffe seit dem Jahr 2008 nahezu verdreifacht haben. Dies führt unweigerlich zu der Überlegung, eingesetztes Kupfer in den Kabelsträngen durch Aluminiumwerkstoffe zu ersetzen.

Zwar ist die Leitfähigkeit des Leichtmetalls Aluminium im Vergleich zum Kupfer um gut die Hälfte geringer, was durchaus zu einem höheren Materialeinsatz führt, jedoch hat Aluminium nur etwa ein Drittel der Dichte von Kupfer.

Einsatz in Luftfahrt, Elektromobilität, industrielle Fertigung

Das Einsparpotential durch den Austausch von Kupferleitungen wurde bereits erkannt und wird im Bereich der Luftfahrt realisiert. So verrichten im Airbus A380 Aluminiumkabel schon seit geraumer Zeit ihren Dienst.

Aufgrund des voranschreitenden Umbruchs in der Automobilindustrie hin zum vollelektrischen Fahrzeug, verbunden mit der Forderung nach Leichtbaukonzepten nimmt auch in diesem Bereich das Interesse an Aluminiumwerkstoffen als Leiter zunehmend Fahrt auf. So könnte an einem Mittelklassefahrzeug eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts von bis zu 60 kg im Vergleich zu einem konventionellen Bordnetz mit Kupferleitungen erreicht werden.

Zusätzlich zu den Bereichen der Mobilität lassen sich diese Konzepte auch auf Komponenten aus den Bereichen Fertigung und Produktion übertragen. So unterziehen sich auch Roboter einer stetigen Gewichtsreduzierung. Ein geringeres Gewicht bedeutet eine Reduzierung der auf die Antriebe wirkenden Kräfte wodurch die Antriebseinheiten kompakter ausgelegt werden könnten.

Die richtige Verbindung macht`s

So viele Vorteile Aluminium in Bezug auf die Gewichts- und Kostenreduzierung auch verspricht, der Anschluss solcher Kabel bringt einige Besonderheiten mit sich. Der aktuelle Stand der Technik zeigt ein bevorzugtes Fügeverfahren im Bereich von Steckverbindungen und Anschlüsse von Aluminiumkabel. Hier hat sich aktuell das Crimpen an die Spitze gesetzt. Unter Crimpen versteht sich das Verbinden zweier Komponenten durch plastischer Verformung.

Was bei Kabeln aus Kupfer gut funktioniert, führt bei Aluminiumkabeln aufgrund ihrer spezifischen Material Eigenschaften zu Verbindungproblemen. Aluminium neigt unter einwirkendem Druck zum sogenannten Langzeitfließen, was bedeutet es gibt mit der Zeit dem Druck nach. Dies führt dann dazu, dass eine anfangs feste Verbindung mit der Zeit an Festigkeit verliert und sich lockert, wodurch der Übergangswiderstand zunimmt, was zu einer unzulässigen Erwärmung der Fügeverbindung führen kann. Ein zusätzliches Problem liegt in einer Reaktion des Aluminiums mit der umgebenen Atmosphäre, die zu einer schnell wachsenden, harten sowie schlecht leitenden Oxidschicht führt.

Eine Alternative zum Crimpen bietet die Schweißtechnik. Auch hier stellt die Verbindung, im speziellen die Verbindung von Aluminiumlitze und Kupferableiter, besondere Anforderungen an den Schweißprozess. Idealerweise erfolgt die Verbindung über den gesamten Anschlussquerschnitt. Eine Verbindung zwischen Kupfer und Aluminium ist aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen technologischen wie metallurgischen Eigenschaften anspruchsvoll, weshalb klassische Schmelzschweißverfahren nicht anwendbar sind.

Aluminiumkabel und Kupferableiter durch kontrollierte Bildung eines Eutektikums verbinden

Zu den bereits etablierten Schweißverfahren zählt das Widerstandsschweißen. Durch den hohen Automatisierungsgrad wird es bereits flächendeckend in der Karosseriefertigung eingesetzt. Grundlage des Widerstandsschweißens ist es, dass ein Strom über eine gewisse Zeit durch ein Bauteil fließt. Dabei entsteht aufgrund der Stoff- und Übergangswiderstände eine Wärmemenge die zur örtlichen Aufschmelzung der Bauteile genutzt wird, um sie stoffschlüssig mit einander zu verbinden. Bezogen auf Litzen ist es notwendig die Litzen vor dem Widerstandsschweißen zu kompaktieren.

Dies erfolgt mit Hilfe des Ultraschallschweißens, einem reibungsbasierten Verfahren. Beim Widerstandsschweißen werden Kupfer und Aluminium in Kontakt gebracht und knapp über eine Temperatur von 550°C erwärmt, so entsteht eine eutektische Schmelze zwischen beiden Fügepartnern, welche beide Fügepartner benetzt. Auf zusätzliche Hilfsstoffe ist der Prozess nicht angewiesen.

Vorteilhaft an diesem Verfahren ist unteranderem, dass etwaige Zwischenräume zwischen Litzendrähten und Kupferableiter durch die Schmelze vollständig geschlossen werden und keine Feuchtigkeit in den Fügebereich eindringen kann. Unter Verwendung eines vorgeschalteten Ultraschallprozesses lassen sich somit Stoffschlüssige Verbindungen zwischen Kupfer und Aluminium mittels Widerstandsschweißen erzeugen, die geeignet mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen.

* Alexander Dumpies, Forschung und Entwicklung; Tobias Broda, Fachbereichsleiter Pressschweißen Forschung und Entwicklung; Prof. Steffen Keitel, Geschäftsführer SLV Halle GmbH; Prof. Heiko Rudolf, Spanlose Fertigung, Hochschule-Anhalt

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45396064 / Kabel & Leitungen)