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EFB-Forschungsbericht Nr. 506

Optimierung umformtechnischer Fügeverfahren zur Kontaktierung elektrischer Leiter

efb506

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Füssel, Dipl.-Ing. Jan Kalich, Professur für Fügetechnik und Montage am Institut für Fertigungstechnik der Technischen Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. Steffen Großmann, Dr.-Ing. Stephan Schlegel, Dipl.-Ing. Alexander Ramonat, Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik am Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik derTechnischen Universität Dresden

118 Seiten (sw, 99 teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-559-6

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Das Ziel der Arbeiten bestand darin, ausgehend von einer mechanisch optimierten Fügeverbindung, diese in ihrer elektrischen Leitfähigkeit zu verbessern. Als Beeinflussungsgrößen von Kontakt- und Verbindungswiderstand wurden hierzu sowohl grundlegende herstellungsbedingte Parameter (geometrische Ausbildung, Kinematik des Fügevorganges, verfahrensspezifische Umformvorgänge) als auch anwendungsbezogene Belastungen betrachtet.

Für das Fügeverfahren Clinchen (mit geschlossenen und geteilten Matrizen) konnte die Optimierung zur Übertragung elektrischer Ströme durch Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Clinchpunktauslegung aufgezeigt werden.

Es wurde anhand einer Gegenüberstellung von elektrischem Verbindungswiderstand, Gefügezustand und Härtewerten des Neuzustandes (nach Clinchen) und des gealterten Zustandes durch Warmauslagerung bei 100 °C und 120 °C für 5000 h (nach Abschluss der Bestromung bzw. Auslagerung) die Grenzeinsatztemperatur für die verwendeten Aluminiumwerkstoffe (AlMg0,4Si1,2) erarbeitet.

In der Elektrotechnik übliche metallische Überzüge (Verzinnung) wurden ebenfalls betrachtet und deren Einfluss auf die Ausbildung der Fügeverbindung und das Langzeitverhalten dargestellt. So ist festzustellen, dass nach dem Clinchvorgang der Sn - Überzug (tSn = 10 ± 2 µm) aufgrund der Oberflächenvergrößerung in seiner Dicke verringert wird, aber vollständig erhalten bleibt.
Des Weiteren wurden anhand von Wärmenetzen die thermischen Grenzgütefaktoren und Übertemperaturen für die Leiterwerkstoffe (AlMg0,4Si1,2, Cu-ETP und CuFe2P) berechnet.

Als Funktionselemente wurden eine Nietmutter und ein Stanzbolzen, die in den Strompfad integriert bzw. als Verbindungselement genutzt werden können, in ihrem elektrischen Verhalten untersucht.

Bei der Nietmutter wurde der Einfluss der Vorlochtoleranz (Größt- und Kleinstmaß) bei der Verbindungsauslegung berücksichtigt, ebenso der Einfluss des Fertigungsverfahrens des Vorloches durch Bohren und Scherschneiden.

Neben den elektrischen Eigenschaften im neuen und gealterten Zustand nach einer Belastung mit:

  • Konstanter Temperatur über 1000 h bei 100 °C und 120 °C,
  • Konstanter Strombelastung über 4000 h bei Vergleichsleitertemperatur 120 °C,

wurden die mechanischen Eigenschaften ermittelt, um den Einfluss der Belastung auf das Festigkeitsprofil aufzuzeigen.

Bei den Arbeiten zum Halbhohlstanznieten erfolgte als Optimierung eine Anpassung der Nietlänge und darauf folgend des Matrizenwerkzeuges an die elektrischen Anforderungen (Reduzierung des Verbindungswiderstandes bei hinreichender mechanischer Festigkeit zur mechanischen Absicherung der fragilen metallischen Mikrokontakte). Es konnte ebenfalls eine signifikante Reduzierung der Streubänder für den Verbindungswiderstand erreicht werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Optimierung umformtechnischer Fügeverfahren zur Kontaktierung elektrischer Leiter" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18617BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 506 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The aim of the work was, starting from a mechanically optimized joint, the improvement of their electrical conductivity. As influencing variables of the contact and connection re-sistance, basic parameters relating to the production (geometrical shape, kinematics of the setting process, procedure-specific forming processes) as well as application oriented loads were considered for this purpose.

For the joining method clinching (with closed and divided dies) the optimization for the transmission of electrical currents could be demonstrated by adapting the tool geometry and the clinching point design. Based on a comparison of the electrical connection resistance, the microstructural state and the hardness of the mint condition (after clinching) and the aged state by artificial aging at 100 °C and 120 °C for 5000 h (after completion of energization or aging) the limit operating temperature was developed for the used aluminium materials (AlMg0,4Si1,2). Metallic coatings (tin plating) customary in electrical engineering were also considered and their influence on the formation of the joint connection and the long-term behaviour were shown. Thus, after the clinching process, the tin coating (tSn = 10 ± 2 µm) is reduced in thickness due to the increase in surface area, but is completely retained.

Furthermore, the thermal boundary quality factors and excessive temperatures for the conductor materials (AlMg0.4Si1.2, Cu - ETP and CuFe2P) were calculated by means of heat networks.
As functional elements, a riveting nut and a punching bolt, which can be integrated into the current path or used as a connecting element, are considered in terms of their electrical behaviour. Concerning the rivet nut, the influence of the pre-hole tolerance (minimum and maximum dimension) in the connection design was taken into account, as well as the influence of the production process of the pre-hole by drilling and shearing.

In addition to the electrical properties in mint and aged condition after exposure to:

  • Constant temperature over 1000 h at 100 °C and 120 °C,
  • Constant current load over 4000 h at conductor temperature 120 °C.

The mechanical properties were determined to show the influence of the load on the tenacity profile.

Regarding the semi-tubular self-piercing riveting, an adjustment of the rivet length and subsequently of the die tool to the electrical requirements (reduction of the connection resistance with sufficient mechanical strength for mechanical protection of the fragile metallic micro contacts) was carried out as an optimization. It could also be achieved a significant reduction the scattering bands for the connection resistance.
The aim of the project has been reached.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Formelzeichen und Abkürzungen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Vorbetrachtung zum Zusammenhang zwischen elektrischen und mechanischen Eigenschaften
4 Versuchsplan und Prüfverfahren
4.1 Werkstoffe
4.1.1 Aluminiumwerkstoffe
4.1.2 Kupferwerkstoffe
4.1.3 Stahlwerkstoff
4.1.4 Kennwertermittlung
4.2 Prüfverfahren
4.2.1 Bestimmen der elektrischen Eigenschaften der Verbindungen
4.2.2 Bestimmen des Grenzgütefaktors für Längsverbindungen
4.2.3 Untersuchen des Langzeitverhaltens
5 Clinchen
5.1 Einführung
5.2 Bemusterung
5.2.1 Clinchen einstufig Rundpunkt ohne Schneidanteil geschlossene Matrize
5.2.2 Clinchen einstufig Rundpunkt ohne Schneidanteil geteilte Matrize
5.2.3 Clinchen einstufig ohne Schneidanteil, ovale Geometrie, geteilte Matrize
5.2.4 Clinchen einstufig Rundpunkt ohne Schneidanteil geschlossene Matrize Doppelpunkt
5.2.5 Verfahrensauswahl für Langzeitverhalten
5.3 Metallographische Untersuchungen
5.3.1 Stromtragfähigkeit der Clinchverbindungen in Abhängigkeit eines Zinnüberzuges
5.3.2 Kupfer – Kupfer
5.3.3 Kupfer verzinnt – Kupfer
5.3.4 Kupfer – Kupfer verzinnt
5.3.5 Kupfer verzinnt – Kupfer verzinnt
5.4 Untersuchen des Kontakt- und Langzeitverhaltens
5.4.1 Versuche unter normaler Atmosphäre (80 °C, 100 °C, 120 °C)
5.4.2 Versuche unter Inertgas-Atmosphäre
6 Funktionselemente
6.1 Einführung
6.2 Nietmutter
6.3 Stanzbolzen
6.4 Untersuchen des Kontakt- und Langzeitverhaltens
6.4.1 Nietmutter
6.4.2 Stanzbolzen
7 Stanznieten
7.1 Einführung
7.2 Untersuchen des Kontakt- und Langzeitverhaltens
8 Mechanische Prüfung
8.1 Belastung und Probengeometrie
8.2 Clinchen
8.2.1 TOX®-Rund-Punkt 8 mm (Verfahren C3)
8.2.2 G-DF 8 (Verfahren C2)
8.2.3 Tog-L-Loc® (Verfahren C1G-G)
8.2.4 V-LocTM (Verfahren C1G-K)
8.2.5 R-DF 8 (Verfahren C2G)
8.3 Funktionselemente
8.3.1 Nietmutter
8.3.2 Stanzbolzen
8.4 Stanznieten
9 Ergebnisse und Ausblick
10 Literaturverzeichnis
11 Bildverzeichnis
12 Tabellenverzeichnis
13 Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende
14 Anlagen