Crimpen und Verarbeiten von Aluminium-Litzenleitern

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Elektrochemische Korrosion

Um eine Korrosion in Folge von ausgebildeten Lokalelementen zu unterbinden muss die Verbindung Al/Cu von der Außenwelt über die Lebenszeit abgedichtet vorliegen. Beim direk-ten Angriff z.B. von Chloridlösungen im Salzsprühtest DIN EN 60068-2-52 läuft die Korrosion rapid ab und das Aluminium zersetzt sich vollständig.

Ob nun die Crimpverbindung im Einzelnen gedichtet werden muss, hängt von der Ausführung des betrachteten Kontaktelements ab. Viele Ausführungsformen im Automobil, in der Industrie aber auch in der Hausinstallation sind einzeladergedichtet, d.h. gegen Eindringen von Feuchtigkeit, die zur Korrosion führt, abgeschirmt. Untersuchungen solcher Ausführungsformen zeigen im Salzsprühtest elektrische und mechanische Stabilität (Bild 4).

Schwieriger ist es, wenn der Crimpanschluss im Aufbau direkt betaut oder feucht mit Salzen aus der Umwelt in Berührung kommen kann. In diesem Fall ist eine Abdichtung der Verbindungsstelle unumgänglich. Prinzipiell kommt dafür die Verwendung eines Dichtungsmittels, dass vor oder nach dem Crimpvorgang in das System eingebracht wird, in Frage. Zusätzlich kann noch eine sekundäre Abdichtung mittels beispielsweise eines Schrumpfschlauches vorgenommen werden.

Die Abdichtung des Aluminiumkontaktierungsbereiches durch eine nachträgliche Versiegelung mit UV aushärtenden Lack oder mittels nachträglichem Overmolden werden in [4, 5] beschrieben.

Bei der Entwicklung der Aluminiumcrimpverbindung des Hauses TE Connectivity wurde hingegen Wert darauf gelegt, dass der Crimpanschluss beim Konfektionär mit maximaler Verar-beitungskompatibilität, Taktzeit-äquivalent und ohne zusätzliche Prozessschritte im Vergleich zum Kupferdraht verarbeitet werden kann. Um dieses zu realisieren, war es notwendig, eine selbstdichtende Lösung zu erstellen. Dabei muss abgesichert werden, dass der Bereich der Drahtcrimphülsen nach vorne und zur Isolierung abgedichtet wird.

Die vordere Abdichtung geschieht durch das Einrollen zusätzlichen Materials, das dem Querschnitt des verpressten Aluminiums in etwa entspricht. Die Abdichtung zur Isolation geschieht durch das querschnittsangepasste Miteincrimpen der Isolation. Der Übergang vom Drahtcrimp zu Isolation ist trapezförmig ausgelegt und dient damit gleichzeitig auch der gradientenförmigen Stres-sentlastung der Aluminiumleiterlitzen. Mit einer gezielt dosierten Einbringung eines Dichtmittels im Auslieferzustand des Crimps wird erreicht, dass während des Crimvorganges verbleibende Kapillaren verschlossen werden. Eine detaillierte Darstellung der beschriebenen Ausführung ist in Bild 5 dargestellt.

Verarbeitung der Al-Litzendesigns

Mit dem genauen Abgleich des Crimpdesigns zu dem Aluminiumdraht muss natürlich auch das Verarbeitungswerkzeug passgenau erstellt und angefertigt werden. In Folge des großen Verpressungsgrades und des Abgleichs auf die Isolation wird es nicht mehr möglich sein, mehrere Drahtgrößenbereiche mit einem Crimp abzufangen. Im Gegensatz zum zweiteiligen Kupferdraht-Crimpwerkzeug ist der Applicator für den Aluminiumcrimp dreiteilig aufgebaut. Damit eine optimale Anpassung auf die Funktionsbereiche erreicht wird, können die Bereiche für die Frontabdichtung, den Drahtcrimp und den Isolationsdichtcrimp in der Crimphöhe separat eingestellt werden (Bild 6).

Ergebnisse am Beispiel

Die beschriebene Crimpanschlusszone für Al-Litzenleiter von TE Connectivity wurde entsprechend den Anforderungen für die Verwendung im Automobilbereich optimiert und validiert. Als Beispiel der Abhängigkeiten, sowohl der Prozessierung als auch den Einfluss der geeigneten Abdichtung nach außen, werden die Werte für die Crimpübergangswiderstände unter Dry-Circuit-Bedingungen nach 500 Temperaturzyklen und anschließender Auslagerung in feuchter Wärme in Bild 7 dargestellt.

Wichtig ist, dass neben der Geometrie sowohl die Prozessparameter als auch die zusätzlichen Versiegelungen auf die Stabilität einen Einfluss ausüben. Mit der Optimierung dieser Parameter können die geforderten Spezifikationen sicher eingehalten werden. Nach erfolgter Optimierung und Festlegung der Verarbeitungsparameter konnten die Tests: Leiterabzugskräfte, Elektrischer Stresstest, Dynamische Beanspruchung, dreifache Salzsprühbeanspru-chung, Umweltsimulation, Langzeithochtemperaturlagerung und der Slow-Motion-Bending-Test bestanden werden.

Anschlusskontaktierung von Al-Drähten – ein Fazit

Wie dargestellt ist die Anschlusskontaktierung von Al-Drähten im Vergleich zu Cu-Drähten in Folge der Kostenentwicklung und einer möglichen Gewichtseinsparung aktuell. Da derzeitig bei der Kabelsatzfertigung Cu-Leitungen vorrangig mit der Crimpanschluss-Technologie hergestellt werden, bietet diese Technologie auch bei der Verarbeitung von Al-Drähten eine vergleichsweise hohe Produktivität und Flexibilität sowie nur geringfügigen Investitionsaufwand bei einer Umstellung. Der technisch und wirtschaftlich sinnvolle Mindestquerschnitt für Aluminium muss dabei vom Hersteller entschieden werden, inwieweit seine generellen Spezifikationen z.B. bzgl. Auszugskräften eingehalten werden.

Eine Absicherung einer auf Dauer zuverlässigen Crimpverbindung kann erzielt werden, wenn bei der Verarbeitung von Aluminium eine materialschlüssige Verbindung der Einzelleiter zur Cu-Crimphülse sicher gestellt wird. Das Kriechverhalten des Aluminiums wirkt sich einer ordnungsgemäßen Verarbeitung des Aluminiumlitzenleiterdrahtes untergeordnet aus. Es wurde nachgewiesen, dass im Crimp eine nur vergleichsweise geringe verbleibende mechanische Beanspruchung stattfindet.

Eine gute elektrische Verbindung ist so nur in Folge von partieller Kaltverschweißung des Aluminiums zum Kupfer gegeben. Deshalb müssen die dazu not-wendigen Rahmenbedingungen wie Oberflächeneigenschaften, Hülsengeometrie und Verpressung in die Entwicklung einer Al-Crimpverbindung mit einfließen. Dieses ist durch ein für Aluminium optimales Design der F-Crimphülse und deren Serrations mit den optimalen Verarbeitungsparametern wie z.B. Crimphöhe möglich.

Ein weiterer Aspekt ist die Abdichtung der Verbindungsstelle Al/Cu gegenüber Feuchtigkeit und damit elektrochemischer Korrosion. Dafür können verschiedene Varianten wie z.B. ein nachträgliches Abdichten der Crimphülse angewendet werden. Unter Beachtung dieser Aspekte ist eine zuverlässige Al-Crimpverbindung darstellbar.

Dieser Beitrag ist ein Auszug aus einem Vortrag zum Steckverbinderkongress 2012. Der vollständige Beitrag ist im Tagungsband enthalten.

Literatur

[1] Philippow, E.; Taschenbuch Elektrotechnik Band 1, 1976, S. 823ff.

[2] Horn, J.; Crimptechnik; VDE Seminar Kontaktverhalten und Schalten, Karlsruhe, 1997

[3] Jensvold, H,; Runde, M,; The Effect of Conductor Hardness on Aluminium Compression Joints, 17th International Conference on Electrical Contacts, Nagoya (Japan), 1994

[4] Yamano, J.; Hosokawa, T.; Hirai, H.; Ono, J.; Otsuka, T.; Tabata, M.; Otsuka, Y.; Nishi-kawa, T.; Kitamura, S.; Yoshimoto,J; Development of Aluminum Wiring Harness; SEI Technical Paper Nr. 73; 10/2011

[5] Otsuka, Y., Nishikawa, T., Yoshimoto, J., and Akasofu, Y., Development of Aluminum Wire for Low-Voltage Automotive Wiring Harnesses; SAE Technical Paper 2012-01-0925, 2012

[6] Zhmurkin, D.; Corman, N.E.; Copper, C.D.; 3-Dimensional Numerical Simulation of Open-Barrel Crimping Process, 54th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Orlando, 2008

[7] Schoft, S.; Zur Alterung von Aluminium-Hochstromverbindungen unter besonderer Be-rücksichtigung des Kriechens der Leitermaterialien; 18. Albert-Keil-Seminar, Karlsruhe, 2005

[8] Iordachescu, D.; Iordachescu, M.; Planas, J.; Ocana, J.L.; Blasco, M.; Strain-Hardness Correlation in Aluminium Butt Cold Welded Joints; Safety and Reliability of Welded Components in Energy and Processing Industry

[9] Dzekster, N.N.; Izmailov, V.V.; Some Methodes for Improving Aluminium Contacts, 36th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Montreal, 1990

[10] Naybour, R.D., Farrell, T.; Connectors for Aluminium Cables – A Study of the Degradation Mechanisms and Design Criteria for Reliable Connectors; Proceedings Holm Conference on Electrical Contacts 1972

[11] Mehrdraht-Horizontalziehmaschine mit Durchlauf-Widerstandsglühe MMH104/RMH201; Produktprospekt Maschinenfabrik Niehoff GmbH & Co. KG, 2010

* * Dr.-Ing. Helge Schmidt, Waldemar Stabroth, Tanja Hauswald und Uwe Blümmel arbeiten bei Tyco Electronics AMP / TE Connectivity in Bensheim.

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Leiterwerkstoff Aluminium