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Heißcrimpen von Lackdraht mit Kabelschuhen oder Anschlüssen
Das Heißcrimpen auf Kabelschuhen ist eine Metallfügetechnik, bei der elektrischer Strom und mechanischer Druck zum Verbinden von elektrisch leitenden Drähten verwendet wird. Das Heißcrimpen ist eine Art des Widerstandsschweißens. Heißcrimpen unterscheidet sich von anderen Arten des Widerstandsschweißens, da es eine leitende Metallhülse verwendet, um den Strom weiterzuleiten, die Wärme zu erzeugen und die Drähte zusammen zu halten. Diese Hülse verschweißt die Drähte und macht aus ihnen ein festes Metallteil. Die Hülse kann ein Kabelschuh, ein Anschluss oder eine einfache Rundhülse sein.
Die Verbindung wird durch ein Verfahren geformt, das als Diffusionsschweißen bezeichnet wird. Diffusionsschweißen heißt, dass das Kupfer aneinandergefügt wird, weil die Kupferdrähte und der Kupferverbinder kurz vor der Schmelztemperatur miteinander verschweißt werden. Das Material bleibt in der festen Phase und geht nie in die flüssige Phase über.
Heißcrimpen ist wie Widerstandsschweißen und ist von der Hitze, die vom elektrischen Widerstand des geschweißten Materials erzeugt wird, und von der verwendeten Kraft zum Zusammenhalten des Materials beim Schweißen, abhängig. Es erzeugt elektrische Verbindungen mit sehr hoher Leitfähigkeit und gegen Null gehendem Kontaktwiderstand und ohne bedeutenden Spannungsabfall. Die Heißcrimpverbindung hat eine sehr hohe Zugfestigkeit und wird im Verlauf der Zeit aufgrund von Schwingungen oder Temperatur nicht schwächer, da es sich um ein stabiles Teil aus Metall handelt. Aufgrund der Erwärmung glüht das Metall und die mechanische Spannung in der Verbindung wird entspannt, sodass die Spannung auf das Kupfer im Draht und im Anschluss nach dem Fügeprozess minimiert wird.
In vielen Fällen sind diese Magnetdrähte elektrisch isoliert. Die Isolierung kann aus Emaille oder einer Polymerschicht wie Polyurethan, Polyamid, Polyester oder Polyimid sein. Aufgrund der intensiven Wärme beim Heißcrimpen wird die Isolierung beim Crimpen verdampft. Durch Eliminierung des Produktionsschritts der Abisolierung wird die Produktivität bei der Herstellung elektrischer Verbindungen erhöht. Da es nicht zur Abisolierung kommt, wird auch kein Metall entfernt, also ist die Maximalstärke gewährleistet.
Anwendungsbeispiele für das Heißkrimpen
Das Heißcrimpen wird von großen europäischen Elektromotor-Herstellern wie Bosch, Siemens und Volkswagen seit 2011 verwendet. Es ist also eine relativ neue, aber sehr lohnende Technik. Jahrzehntelang verwendeten diese Unternehmen Maschinen oder Chemikalien zum Abisolieren der Emailleschicht von den Magnetdrahtenden, bevor sie sie mit Kupferkabelschuhen oder -hülsen vercrimpten. Wie oben beschrieben, verdampft im Gegensatz dazu beim Heißcrimpen die Isolierung während des Crimpens von Draht und Anschluss oder Hülse. Durch das Wegfallen des Abisolierungsschritts ermöglicht das Heißcrimpen diesen Herstellern eine Produktionssteigerung.
Lackdraht ist ein isolierter elektrischer Leiter aus Kupfer (oder Aluminium), der in elektromagnetischen Anlagen wie Motoren und Transformatoren eingesetzt wird. Der Draht wird in Spulen gewunden, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Ein Kupferanschluss, der mit Zinn, Nickel oder Silber beschichtet sein kann, wird an dem freien Drahtende befestigt, damit es an eine elektrische Stromquelle angeschlossen werden kann. Durch Heißcrimpen können Standardlackdrähte, Hochfrequenz-Lackdrähte (für Frequenzen über 10 Kilohertz) und unisolierte Kupferdrähte verbunden werden. Mit Heißcrimpen können einzelne, nur 30 AWG (0,05 mm²) dünne Lackdrähte oder ein bis zu 400 mm² (Litze oder Bänder) dickes Drahtbündel verschweißt werden.
Meistens besteht Lackdraht aus vollständig geglühtem, elektrolytisch veredeltem Kupfer. Aluminium-Lackdraht wird weniger verwendet. Das liegt daran, dass Aluminium-Lackdraht eine geringere elektrische Leitfähigkeit hat und seine Querschnittsfläche 1,6-mal größer als bei Kupferdraht sein muss, um einen vergleichbaren Gleichstromwiderstand zu erreichen.
Lackdraht mit kleinerem Durchmesser (20 AWG bis 36 AWG) hat eher einen runden Querschnitt. Dickerer Draht ist oft rechteckig (mit abgerundeten Ecken) oder quadratisch, um den verfügbaren Wickelraum maximal ausnutzen zu können. Solche Drähte werden auch "Haarclips" aufgrund ihrer gebogenen Form in Elektromotoren genannt.
Für das Heißcrimpen wurde aufgrund der Elektrifizierung des Antriebsstrangs ein starkes Wachstum im Automobilmarkt verzeichnet. Hochstromverbindungen von der Batterie zum Umrichter, vom Umrichter zum Elektromotor und in diesen Bauteilen können alle Heißcrimpen als Fügetechnik verwenden. Der niedrige elektrische Widerstand wird zu niedrigeren Temperaturen für die Teile im Betrieb, höherer Zuverlässigkeit und besserer elektrischer Effektivität der Teile im Vergleich zu herkömmlichen Fügetechniken führen.
Ein weiterer Wachstumsmarkt für das Heißcrimpen sind die erneuerbaren Energien, bei denen oft hohe elektrische Ströme generiert werden, z. B. in Windkraftanlagen, Wasserturbinen, Photovoltaikanlagen.
Verbesserung gegenüber herkömmlichem Kaltcrimpen von Kabelschuhen
Normales „kaltes“ Crimpen erzeugt nur durch den Einsatz von mechanischer Klemmkraft eine Verbindung mit dem Anschluss oder Kabelschuh. Das kann eine Verschlechterung des Kontakts hinsichtlich der Relaxationsbeständigkeit zur Folge haben. Bei “kaltem” Crimpen kann es auch zu Beeinträchtigungen durch Holhraumkorrosion kommen. Beide Probleme gibt es beim Heißcrimpen guter Qualität nicht.
Geräte und Ausführung der Arbeit
Der Arbeiter legt an einem Tischschweißgerät die Spulenwicklung mit Lackdraht in die Maschine, setzt die freien Drahtenden in den Anschluss ein und aktiviert den Schweißzyklus. Innerhalb von Millisekunden geben die Schweißköpfe genügend Strom ab, um eine Temperatur von etwa 700 °C am Anschluss zu erzeugen. Diese Temperatur ist heiß genug, um die Isolierung verdampfen zu lassen und um die Drahtenden miteinander und mit dem Anschluss zu verschweißen. Eine MIYACHI EAPRO-Rauchabsauganlage saugt die Dämpfe ab.
Nachdem das Schweißen beendet ist, beginnt zweistufiges Abkühlen des Anschlusses. Innerhalb weniger Sekunden kühlt sich der Anschluss auf etwa 100 °C ab. Nach einigen weiteren Sekunden kühlt er sich auf 50 °C ab und kann von Hand aus der Maschine entnommen werden.
Halbautomatische Systeme haben eine kleine Palette, mit der das Teil in die Heißcrimpmaschine hinein und wieder heraus bewegt wird. Die Bewegung kann linear oder mit einem Drehtisch erfolgen. Der Arbeiter setzt die Drahtenden in den Anschluss ein, aktiviert die Maschine und entfernt das Teil von der Palette, nachdem es abgekühlt ist. Alle Schweißdaten werden in der Maschine gespeichert und sind einfach zu konsultieren. Hersteller können diese Daten zum schnellen Überprüfen oder Ändern von Schweißparametern oder für die Rückverfolgbarkeit von Produkten verwenden.
