Crimpen und Verarbeiten von Aluminium-Litzenleitern

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Mechanische Festigkeit von Aluminium

Aluminium besitzt eine deutlich geringere Festigkeit als Kupfer. Diese Eigenschaft grenzt den zu verwendenden Drahtgrößenbereich nach unten ab, wenn eine minimale Drahtausreißkraft spezifiziert ist.

Eine Reduktion unterhalb von Nennquerschnitten von 1 mm² ist mit den derzeitigen Forderungen nach Festigkeit bei Reinaluminiumleitern nicht möglich. Deshalb wurden in der asiatischen Region Entwicklungen vorangetrieben, spezielle Eisen-Magnesium-Aluminiumlegierungen AlFe1Mg0.15 mit erhöhten mechanischen Festigkeiten bei guter elektrischer Leitfähigkeit zu entwickeln [4,5]. Mit diesem Leitermaterial sind auch kleinere Querschnitte für Signalanwendungen bei 0,75 mm² möglich.

Möchte ein Anwender eine bestehende Verdrahtung auf Aluminium umstellen, muss neben der Mindestausreißkraft auch die Länge der betrachteten Leitungen geprüft werden. Kurze Leitungen (<~50cm) bringen aus heutiger Sicht kaum Vorteile in der Masse- und der Kostenreduktion.

Zuverlässige elektrische Kontaktierung

Neuere Simulationen im Bereich von Crimpvorgängen, wie sie heute beispielsweise mit LS-DYNA möglich sind, zeigen unter den Randbedingungen, dass zwischen den Leitern und der Crimphülse keine Adhäsion oder Verschweißung auftritt, eine überwiegende Rückfederung der Crimphülse im Vergleich zum Drahtleiter. Elastische Auflagen liegen nur anteilig im kleinen Rahmen vor. Betrachtet man die lokalen Flächenpressungen der verbleibenden Auflagen, so sind diese weit von denen der üblich in lösbaren Steckverbinderkontakten auftretenden Kontaktflächenpressungen entfernt.

Bei der Bewertung der Querschnitte durch die simulierte Verbindung, kann man in den Bereichen der nicht elastischen Auflage der Leiter zur Crimphülse kleine Luftspalte erkennen. Praktisch kann man die Simulation einfach nachstellen, indem man die beteiligten Partner vor dem Crimpvorgang bewusst mit Trennmittel behandelt [6]. Die reale Praxis zeigt hingegen im Schliffbild bei ordnungsgemäßer Verarbeitung keinerlei Luftspalte.

Würde man also die reinen Gegebenheiten, wie sie die Simulation ausweist, zu Grunde legen, käme man zu der Aussage, dass demnach generell im F-Crimp [2] keine zuverlässige Kontaktierung in Folge einer federnden Berührung vorliegt, wie sie z.B. bei deutlich höherer Flächenpressung in einem normalen Steckverbinderkontakt gegeben ist. Wird eine reine umfasste elastische Verbindung betrachtet, würden sich die Leiter/Litzenleiter in Folge von Verbiegen und Abwinkeln der Drähte leicht aus der Auflage bewegen und über die Zeit störanfällig werden. Die Crimpverbindung würde unter diesen Bedingungen (z.B. Sn/Cu) über Langzeit auch im Fall der Kupfer-Crimp-Kontaktierung nicht stabil funktionieren.

Im Umkehrschluss müssen wir nicht erst seit heute auf Grund der praktischen Erkenntnisse bzgl. des in allen Applikationen, Branchen und Regionen erprobten stabilen Langzeitbetriebsverhaltens davon ausgehen, dass in einer Crimpverbindung im großen Maße Kaltverschweißung auftritt. Diese ist in der Auflage der Drahtleiter zur Crimphülse mit partiellen Kaltverschweißungspunkten in jedem Fall gegeben. Die Festigkeit der Kaltverschweißung ist in Summe so groß, dass die überschüssigen Rückfederkräfte der Crimphülse aufgefangen werden und keine Luftspalte mehr in der Verbindung auftreten.

Die Häufigkeit bzw. die anteilige Kaltverschweißungsdichte zur Flächenauflage dieser Leiter ist von verschiedenen Parametern wie dem Verpressungsgrad, den beteiligten Materialien und den Oberflächengüten der beteiligten Partner abhängig. Deshalb ist bei der Dimensionierung einer Crimpverbindung mit dem Crimpdesign und der zugehörigen Verarbeitungsspezifikation nur eine geringe Bandbreite der möglichen Varianzen gegeben.

Betrachtet man die F-Crimpverbindung in Bezug auf die Kombination von Kupferlegierungen und Aluminium 99,5% als Leiterwerkstoff so ergeben sich bei der Simulation prinzipiell vergleichbare Verhältnisse (Bilder 1 und 2).

Der Hauptunterschied Kupferleiter und Aluminiumleiter zeigt sich im Verpressungsgrad, der bei gleicher Verpressungshöhe beim Aluminium größer ist. Dieses ist dadurch erklärbar, dass die Fließgrenze bei Aluminium deutlich kleiner ist und damit Aluminium bei der Verpressung unterhalb des Nennquerschnittes bevorzugt eine Längsdehnung erfährt, wohingegen die Kupfercrimphülse sich nur unwesentlich in die Länge dehnt. Somit ergibt sich beim Crimp-vorgang eine Relativbewegung Al/Cu ab einer Flächenpressung ca. der Festigkeitsgrenze des Aluminiums.

Beim Vergleich der Rückfederung und des sich damit ergebenen Luftspaltes sind die Werte mit dem des Kupferdrahtes vergleichbar. Die Flächenpressungskräfte in den verbleibenden Auflagen sind mit ~180 N/mm² bei Al im Vergleich zu Cu mit ~200 N/mm² nur unwesentlich kleiner. Ob ein guter elektrischer Kontakt mit Al unter diesen Bedingungen generell gegeben wäre, ist zweifelhaft. Des Weiteren stellt sich bei den Werten die Frage, ob die so oft zitierte Kriecheigenschaft des Aluminiums die Ursache für eine Degradation oder einen möglichen Ausfall einer Crimpverbindung ist. Dieses ist eher bei federnden oder Schraubverbindungen der Fall [7].

Aus Kenntnis dieser Untersuchungen und der Erfahrungen bei der Kupferleitercrimpverbindung ist bei der Aluminiumverarbeitung auf die Al/Cu-Kaltverschweißung ein weiterer, wichtiger Augenmerk zu richten. Als eine Referenz der industriellen Nutzung kommt dabei das Kalt-Press-Schweißen in Betracht. Dieses Verfahren wird sowohl bei der Verbindung von Al/Al-Werkstoffen [8] als auch bei der Verbindung von Cu/Al-Werkstoffen angewendet. Rahmenbedingung für eine ordnungsgemäße Verbindung ist ein hoher Verpressungsgrad (i.d. R. >50%) und saubere Oberflächen, die frei von Kontaminationen, wie dicke Oxidschichten, Fette und Öle, sind.

Die Anwendung dieser Erkenntnisse auf die Crimpverbindung bedeutet, dass man sich intensiv mit den Verarbeitungsparametern – insbesondere Verpressungsgrad und Design – beschäftigen muss. Da wie schon erläutert die Dehnung des Aluminiums entlang der Kupferhülse größer ist, muss erreicht werden, dass das beim Längsdehnen aufbrechende Aluminiumoxid ausreichend reines Aluminium freigibt. Dieses kann sich dann mit dem Gegenpartner intermetalllisch verbinden.

Demzufolge sollten sich im Optimum die beteiligten Partner miteinander legieren können. Da reines Aluminium eine sehr große Affinität zu Luftsauerstoff besitzt und in kürzester Zeit wieder oxidieren würde, spielen die Parameter Abdichtung und Verarbeitungsgeschwindigkeit eine weitere wichtige Rolle in diesem Verbindungssystem.

Um beim Verpressen die Längsdehnung der Al-Leiter zu maximieren haben sich scharfkantige Rillen – Serrations –bewährt.

Diese haben zum einem die Aufgabe die Auflagenfläche Al/Cu zu erweitern und zum anderen den mechanischen Halt der Leiter in der Kupferhülse zu verbessern. Beim Crimpvorgang kommt es damit zu einem Materialfluss des Al-Leiters entlang und in die Vertiefungen hinein. An den Kanten erfährt das Aluminium eine Scherung und zusammen mit dem Fließvorgang beim Crimpen zu einer erhöhten Oberflächenbeanspruchung auf der Kupferseite. Dieser Vorgang trägt dann zu einer erhöhten Kaltverschweißungsdichte bei

Die Verschweißungsdichte ist im Kantenbereich der Serrations erhöht und nimmt an den Bereichen der größten Relativausdehnung der Al-Litzenleiter zu.

Betrachtet man die Litzenleiter, die eine reine Al/Al-Kontaktierung bei einer Verpressung >50% erfahren haben, kann man bei einer Deassemblage rein subjektiv eine nur mindere Haftung der Leiter zueinander feststellen. Aus den Erkenntnissen des Kalt-Press-Schweißens hingegen müssten sich in diesem Fall jedoch schon deutliche Verschweißungsstellen ergeben haben. Eine mögliche Ursache dieser Beobachtung kann auf die Prozessierung der Al-Drähte zurückgeführt werden.

Nach heutigem Erkenntnisstand wirken sich die Betriebsstoffe bei der Drahtherstellung unterschiedlich auf die Oberflächenaktivität der einzelnen Aluminiumlitzenleiter aus. Dieses kann die Ankontaktierung der Litzenleiter sowohl zur Kupferhülse als auch untereinander un-terschiedlich beeinflussen.

Es ist deshalb notwendig, die Oberflächengüte der Aluminiumdrähte, die Ausbildung der üblichen Aluminiumoxidschichtdicke, die laut [9,10] mit einem Be-reich von ~4 bis 10 nm angenommen wird, zu definieren und entsprechende Tests zu erarbeiten. Das Gleiche gilt der Untersuchung eventuell verbleibender Rückstände, die aus den wärmebehandelten Schmierstoffen entstehen können [11].

Ein Vorteil des offenen Crimps im Vergleich zu einer geschlossen Crimphülse ist die Tatsache, dass mit einer steigenden Verpressung und damit Verformungsgrad die Auflagenfläche der Al-Litzenleiter zur Kupferhülse ansteigen. Damit sind zusätzliche Kaltverschweißungsstellen gegeben, die im Falle einer geschlossenen Crimpverbindung nicht möglich wären. Mit dem erhöhten Einrollen der Crimpflanken müssen beim F-Crimp die bisherigen geometrischen Qualitäts-Kennmaße des Schliffbildes, wie sie für Kupfer gelten, für Aluminium neu festgelegt und validiert werden (Bild 3).

Bezüglich des Überganges der Litzenleiter aus der Drahtcrimphülse ist zu beachten, dass die Aufweitung des Leiterquerschnitts nicht stufenartig geschieht. Um potenzielle Brüche zu vermeiden, sollte in diesem Bereich ein stetiger Übergang erfolgen.

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