Elektrisches Kontaktverhalten umformtechnischer Fügeverbindungen bei Fehlerströmen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hans Christian Schmale, Dipl.-Ing. Phuong Ly Diem, Dipl.-Ing. Jan Kalich, Professur für Fügetechnik und Montage am Institut für Fertigungstechnik der Technischen Universität Dresden - PD Dr.-Ing. habil. Stephan Schlegel, Dr.-Ing. Christian Hildmann, M. Sc. Jörg Kiefer, Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik am Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik der Technischen Universität Dresden
156 Seiten - 113,00 EUR (sw, 58 teils farbige Abb., 30Tab., Anhang)
ISBN 978-3-86776-683-8
Zusammenfassung
In diesem Projekt wurde das Verhalten von umformtechnischen Fügeverbindungen und von Fügeverbindungen mit unterschiedlichen Funktionselementen bei einer Belastung mit Kurzzeitstrom untersucht. Dabei wurden die umformtechnischen Fügeverbindungen zunächst im Ausgangszustand bemustert und anschließend Kurzzeitstromversuche an Verbindungen nach dem Fügen durchgeführt.
Dabei zeigte sich, dass ein gutes elektrisches Kontaktverhalten erforderlich ist, um die Kurzzeitstromtragfähigkeit von umformtechnischen Fügeverbindungen zu gewährleisten. Insbesondere bei Verbindungen mit bereits im Ausgangszustand gegenüber der weiteren Versuchsreihe erhöhten Gütefaktoren erfüllten die Anforderungen in den Versuchen mit Kurzzeitstrom nicht.
Weiter wurden die umformtechnischen Fügeverbindungen thermisch bzw. elektrisch-thermisch für 2000 h vorbelastet und die Verläufe der Verbindungswiderstände dabei ausgewertet. Es zeigte sich, dass sich bei nahezu allen Serien der untersuchten umformtechnischen Fügeverbindungen mit einem Kontaktpartner aus Aluminium und einem aus Kupfer der mittlere Gütefaktor auf über 1,5 erhöhte bzw. einzelne Verbindung teils deutlich höhere Gütefaktoren als 1,5 hatten.
Nur die Verbindungen der Serie C14 hatten nach der Voralterung einen mittleren Gütefaktor knapp über 1,5 mit einer sehr geringen Spannweite. Die Serie C14 war die einzige untersuchte Serie der Mischverbindungen, die in den darauffolgenden Belastungen mit Kurzzeitstrom die Anforderungen vollständig erfüllte.
Die umformtechnischen Fügeverbindungen mit zwei Kontaktpartnern aus Kupfer wurden bei 120 °C bzw. bei 150 °C vorgealtert. Das Widerstandsverhalten der bei 150 °C ausgelagerten umformtechnischen Fügeverbindungen war dabei bei den Serien C8 und C9 bereits nicht stabil.
In den nachfolgenden Kurzzeitstromversuchen erfüllten auch die bei 150 °C ausgelagerten Verbindungen der Serien C18, C19 und C20 nicht die Anforderungen. Teils erhöhten sich die Verbindungswiderstände nur durch die Handhabung zwischen Auslagerung und den Versuchen mit Kurzzeitstrom, so dass von einer erheblichen Entfestigung im Clinchbereich auszugehen ist.
Eine dauerhafte thermische Belastung von Clinchverbindungen mit zwei Kontaktpartnern aus Kupferwerkstoff bei 150 °C ist daher nicht zu empfehlen. Die bei 120 °C ausgelagerten Verbindungen mit zwei Kontaktpartnern aus Kupfer hatten ausnahmslos ein stabiles Widerstandsverhalten, auch wenn die Spannweite der Gütefaktoren bei einigen Serien mit Δku ≥ 0,5 hoch und der mittlere Gütefaktor "k" ̅"u" ≥ 1,5 war.
Die Verbindungen der betreffenden Serien C8, C10 und C12 hatten diese erhöhten Gütefaktoren dabei bereits nach dem Fügen. In den nachfolgenden Belastungen mit Kurzzeitstrom zeigte sich, dass solche Gütefaktoren nicht ausreichend sind, um die Anforderungen an die Kurzzeitstromtragfähigkeit zu erfüllen.
Die weiteren Serien der bei 120 °C vorbelasteten Verbindungen mit zwei Kontaktpartnern aus Kupfer erfüllten die Anforderungen nach Belastung mit Kurzzeitstrom, wobei die mittleren Gütefaktoren ausnahmslos im Bereich 1 ≤ "k" ̅"u" < 1,5 lagen und die Spannweite der Gütefaktoren sehr gering bis moderat war.
Die Serien der bei 100 °C vorgealterten Clinchverbindungen mit zwei Kontaktpartnern aus Aluminiumwerkstoff hatten in den Belastungen mit Kurzzeitstrom zwar unveränderte Verbindungswiderstände bzw. Gütefaktoren. Allerdings wurde die definierte Grenztemperatur in den Belastungen mit Kurzzeitstrom von mindestens einer vorgealterten Verbindung je Serie nicht eingehalten.
Umformtechnische Clinchverbindungen erfüllten die Anforderungen der Belastungen mit Kurzzeitstrom nicht, wenn deren Gütefaktor vor dem Versuch bereits höher als 1,75 war, unabhängig davon, ob dies bereits nach dem Fügen oder erst nach thermischer Vorbelastung der Fall war. Insgesamt drei der geprüften Verbindungen erfüllten die Anforderungen der Belastungen mit einem Kurzzeitstrom nicht, obwohl deren Gütefaktor vor dem Versuch geringer als 1,5 war.
Für die untersuchten Fügeverbindungen mit Stanzbolzen konnten experimentell 1-s-Kurzzeitstromstärken ermittelt werden, für die die Erwärmung am Funktionselement geringer war als die definierte Grenztemperatur von 200 °C. Da der mittlere Verbindungswiderstand an den untersuchten Verbindungen im Bereich weniger 100 µΩ war und dabei eine hohe Spannweite hatte, wird empfohlen die ermittelten Grenzstromstärken in der Praxis anwendungsspezifisch geringer anzusetzen.
Die durchgeführten Versuche mit Kurzzeitstrom mit den Fügeverbindungen mit Nietmutter ermöglichen keine Bewertung des Funktionselements, da die ermittelten hohen Gütefaktoren, und folglich hohen Verbindungstemperaturen in den Belastungen mit Kurzzeitstrom, vorrangig auf den Zustand der unvorbehandelten Kontaktflächen der Kontaktpartner aus Aluminiumwerkstoff zurückzuführen sind.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Elektrisches Kontaktverhalten umformtechnischer Fügeverbindungen bei Fehlerströmen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21691BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 614 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In this project, the behaviour of formed joints and joints with different functional elements was investigated under short-term current loading. The moulded joints were first sampled in their initial state and then short-time current tests were carried out on joints after joining.
This showed that good electrical contact behaviour is required to guarantee the short-term current carrying capacity of formed joints. Joints with higher quality factors in the initial state compared to the subsequent test series did not fulfil the requirements in the tests with short-time current. The formed joints were also subjected to thermal and electrical-thermal preloading for 2000 h and the joint resistance curves were analysed.
It was found that the average quality factor increased to over 1.5 for almost all the series of formed joints tested with one contact partner made of aluminium and one made of copper, and that some individual joints had quality factors significantly higher than 1.5. Only the joints of the C14 series had an average quality factor of just over 1.5 with a very small range after pre-aging.
The C14 series was the only series of mixed joints tested that fully met the requirements in the subsequent stresses with short-time current. The formed joints with two copper contact partners were pre-aged at 120 °C and 150 °C respectively. The resistance behaviour of the formed joints aged at 150 °C was already unstable in the C8 and C9 series. In the subsequent short-time current tests, the joints of the C18, C19 and C20 series aged at 150 °C did not fulfil the requirements either.
In some cases, the joint resistances only increased due to the handling between ageing and the tests with short-time current, so that considerable softening in the clinching area can be assumed. Permanent thermal loading of clinch connections with two contact partners made of copper material at 150 °C is therefore not recommended. The joints with two copper contact partners aged at 120 °C had stable resistance behaviour without exception, even if the range of quality factors for some series was high at Δku ≥ 0.5 and the average quality factor ku ≥ 1.5.
The joints of the C8, C10 and C12 series in question already had these increased quality factors after joining. The subsequent loads with short-term current showed that such quality factors are not sufficient to fulfil the requirements for short-term current carrying capacity. The other series of joints preloaded at 120 °C with two copper contact partners met the requirements after loading with short-time current, whereby the average quality factors were without exception in the range 1 ≤ ku < 1.5 and the range of quality factors was very low to moderate.
The series of clinch connections pre-aged at 100 °C with two contact partners made of aluminium material had unchanged connection resistances and quality factors in the loads with short-term current. However, the defined limit temperature was not met by at least one pre-aged joint per series in the loads with short-term current.
Forming clinch joints did not fulfil the requirements for loading with short-term current if their quality factor was already higher than 1.75 before the test, regardless of whether this was the case after joining or only after thermal pre-loading. A total of three of the joints tested did not fulfil the requirements for loading with a short-time current, although their quality factor was less than 1.5 before the test.
For the tested joints with punched studs, 1-s short-time currents could be determined experimentally for which the heating at the functional element was lower than the defined limit temperature of 200 °C. As the average joint resistance at the investigated joints was in the range of less than 100 µΩ and had a wide range, it is recommended to set the determined limit current strengths lower in practice depending on the application.
The tests carried out with short-time current with the joints with rivet nut do not allow an evaluation of the functional element, as the high-quality factors determined, and consequently high joint temperatures in the loads with short-time current, are primarily due to the condition of the untreated contact surfaces of the contact partners made of aluminum material.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
2 Einleitung
3 Stand der Technik
3.1 Umformtechnisches Fügen
3.1.1 Clinchen
3.1.2 Funktionselemente
3.2 Elektrische Kontakte
3.2.1 Kontaktverhalten im Normalbetrieb
3.2.2 Kontaktverhalten im Fehlerfall
4 Werkstoffe und Probenplan
4.1 Werkstoffe
4.1.1 Aluminiumwerkstoffe
4.1.2 Kupferwerkstoffe
4.2 Probenplan
4.2.1 Clinchpunkte
4.2.2 Funktionselemente
4.2.3 Probengeometrien
4.3 Prüfverfahren
4.3.1 Bestimmen der elektrischen Eigenschaften der Fügeverbindungen
4.3.2 Versuche mit Kurzzeitströmen
4.3.3 Thermische Vorbelastung
4.3.4 Elektrisch-thermische Vorbelastung
4.3.5 Mechanische Prüfung
5 Versuchsergebnisse
5.1 Clinchverbindungen im Neuzustand
5.1.1 Bemusterung
5.1.2 Anfangswerte der Gütefaktoren
5.1.3 Ergebnisse der Kurzzeitstromversuche
5.1.4 Mechanische Untersuchungen und Bewertung
5.2 Clinchverbindungen im gealterten Zustand
5.2.1 Ergebnisse der Versuche zur thermischen Vorbelastung
5.2.2 Ergebnisse der Kurzzeitstromversuche mit vorgealterten Verbindungen
5.2.3 Mechanische Untersuchungen und Bewertung
5.3 Funktionselemente
5.3.1 Anfangswerte der Verbindungswiderstände
5.3.2 Ergebnisse der Kurzzeitstromversuche
6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literaturverzeichnis
8 Anhang
