Leiterwerkstoff Aluminium Crimpen und Verarbeiten von Aluminium-Litzenleitern

Autor / Redakteur: Helge Schmidt, Waldemar Stabroth, Tanja Hauswald und Uwe Blümmel * / Kristin Rinortner

Aluminium ist in großen Mengen verfügbar und in Elektrotechnik und Elektronik einer der wichtigsten Leiterwerkstoffe. Jedoch gibt es bei der Verarbeitung von Aluminium vieles zu beachten.

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Bild 1: Stressverteilung in einem Al/Cu- Crimp, links: im unteren Totpunkt (UT) des Crimpwerkzeuges, rechts: nach dem Crimpvorgang – erkennbare Luftspalte
Bild 1: Stressverteilung in einem Al/Cu- Crimp, links: im unteren Totpunkt (UT) des Crimpwerkzeuges, rechts: nach dem Crimpvorgang – erkennbare Luftspalte
(Bild: TE Connectivity)

Aluminium ist ein unedles Metall, welches als dritthäufigstes Element nach Sauerstoff und Silizium in der Erdkruste das verbreitetste Metall ist. Aluminium ist in Folge der dichten und harten Oxidschicht (Korund) sehr beständig gegenüber atmosphärischen Einflüssen.

Dagegen tritt beim Kontakt mit Schwermetallen, insbesondere mit Kupfer, starke elektrochemische Korrosion auf. Allgemein steigt die chemische Beständigkeit jedoch mit zunehmender Reinheit. Da die elektrische Leitfähigkeit etwa 2/3 der des Kupfers entspricht, zählt Aluminium zu den wichtigsten Leiterwerkstoffen in der Elektrotechnik und Elektronik (Bonddrähte).

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Für die Elektrotechnik wird Aluminium mit einem Reinheitsgrad von >99,5% und einer spezi-fischen Leitfähigkeit von >36,0 Sm/mm² eingesetzt [1].

Da Aluminium und -legierungen über viele Branchen vom Konstruktionswerkstoff, über optische Spiegel bis zum Einsatz in Verpackungen vielfältig eingesetzt wird, zeichnet sich auch für die Zukunft im Zusammenhang mit der weltweiten Verfügbarkeit ein stabiler Marktpreis ab.

Kupfer ist hingegen deutlichen Preisschwankungen unterworfen, die teils durch Schwankungen im Angebot und Nachfrage aber auch von spekulativem Handel herrühren.

Unabhängig davon ist bei einem gegebenen Leitwert Aluminium in Bezug auf die Masse nur etwa halb so schwer wie Kupfer, womit im Bereich der Leiterwerkstoffe bei größeren Querschnitten neben einer Gewichtseinsparung auch eine deutliche Kostenreduktion gegeben ist.

Die Aluminium-Crimp-Verbindung

In Folge der unedlen Eigenschaften, der geringen Festigkeit, der Neigung zur Relaxation und damit zum Kriechen und dem Vorhandensein einer festen, hochisolierenden Oxidschicht ist es technisch aufwendig langzeitstabile Verbindungen Al/Al oder Al/Cu herzustellen. Nicht-lösbare Verbindungen, wie sie als Anschlusskontaktierung an Kontaktelemente benötigt wer-den, können mit aufwendigen Löt- oder Schweißverfahren hergestellt werden. Bei der Ver-wendung von Litzenleitern (Kabel und Drähte) können auch diese Verfahren problematisch werden.

Als kostengünstigste Verbindung mit Zykluszeiten im oder unter dem Sekundenbereich hat sich an dieser Stelle im Fall von Kupferlitzenleitern die Crimpverbindung [2] bewährt. In der Automobilbranche werden jährlich milliardenfach Kontakte mit dieser Verbindungsart zuver-lässig verarbeitet. Es stellt sich hiermit die Frage, inwieweit die Crimpanschlusstechnik auch für Aluminiumdrähte geeignet ist bzw. was bei der Crimpverarbeitung von Aluminium zusätzlich abgedeckt werden muss. Die Crimptechnik für Aluminiumleiter ist nicht neu [3] und wird mit verschiedenen Produkten für die verschiedenen Leitergrößen schon angeboten.

Bei einer Verwendung beispielsweise im Kabelsatz eines Kfz müssen jedoch eine weitgehende Kompatibilität zu den verwendeten Baugruppen und Verarbeitungsmaschinen gegeben sein. Des Weiteren müssen auch Al-Verbindungen die geforderten Spezifikationen entsprechend denen der Cu-Drahtverbindugen erfüllen.

Deshalb muss bei der Entwicklung von Al-Drahtcrimps auf folgende Punkte tiefer eingegangen werden: Mechanische Festigkeit der Crimpverbindung (Draht-Ausreißkräfte, Biegewechselfestigkeit im Übergangsbereich des Leitungsanschlusses); permanente elektrische Kontaktierung des Al-Leiters zur Kupferhülse trotz Al-Oxid-Schicht; elektrochemische Korrosion des Aluminiums bei Anwesenheit von Kupfer, Feuchtigkeit und Elektrolyt; Verarbeitbarkeit der Kontaktteile.

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