Kernthesen
- Zwischen thermischer, chemischer und mechanischer Belastung und der Alterung elektrischer Kontakte bestehen grundlegende Zusammenhänge
- Diese Zusammenhänge sind qualitativ und quantitativ über den elektrischen Widerstand, den Werkstoffzustand an der Fügestelle und das mechanische Verhalten charakterisierbar
- Durch Kurzschluss auftretende lokale Belastungen können sich auf das Kontakt- und Langzeitverhalten der Fügeverbindungen auswirken.
Zusammenfassung
Die Notwendigkeit, elektrische Leiter stromtragfähig miteinander zu verbinden, verstärkt sich im Zuge der Elektrifizierung des Individualverkehrs und der Energiewende stetig. Der Einsatz von Aluminium und Kupfer als Leiterwerkstoffe ist etabliert. Zunehmende Bedeutung erlangen Fügeverfahren, die stromtragfähige Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen ermöglichen.
Hierzu können das umformtechnische Fügeverfahren Clinchen und umformtechnisch eingebrachte Funktionselemente eingesetzt werden. Nach bisherigem Stand der Forschung wurde das elektrische Eigenschaftsprofil geclinchter Fügeverbindungen analysiert und die Fügeparameter optimiert. Neben dem Kontaktverhalten im Ausgangszustand wurde das Langzeitverhalten bei maximal zulässiger Temperatur betrachtet.
Eine Untersuchung des Verhaltens umformtechnischer Fügeverbindungen im elektrischen Fehlerfall erfolgte bisher nicht. Abhängig vom Einsatzgebiet können Kurzzeitströme um den Faktor 4 bis 15 größer als die Betriebsströme sein und im ms- bis s-Bereich auftreten, z. B. im Kurzschlussfall. Die mechanische und elektrische Funktionsfähigkeit der Fügeverbindung wird auch nach dem Auftreten des Fehlerfalls gefordert.
Der Einfluss einer Kurzzeitstrombelastung auf Clinchverbindungen wurde an Aluminium- und Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen unter Berücksichtigung einer thermischen Vorbelastung untersucht. Damit wird der Fehlerfall zu einem beliebigen Zeitpunkt der Produktlebensdauer simuliert.
Veränderungen des Kontaktverhaltens infolge der Kurzzeitbestromung werden anhand elektrischer und mechanischer Charakterisierungen detektiert.
Inhalt der Arbeit ist es, den maximal zulässigen Kurzzeitstrom von Clinchverbindungen unter besonderer Berücksichtigung der Temperatur zu ermitteln. Die Untersuchungsergebnisse sollen verallgemeinert und als Grundlage für das Weiterentwickeln von Prüfverfahren genutzt werden.
Darstellung des Nutzens für KMU
Durch das Qualifizieren von Fügeverbindungen im Kurzschlussfall können die Verfahren der umformtechnischen Fügetechnik für Fügeaufgaben aus dem Bereich der Elektroenergietechnik ertüchtigt werden. Es können neue Geschäftsfelder insbesondere für kleinere und mittelständische Unternehmen als Anbieter der Fügeverfahren und Fügeelemente erschlossen werden.
Somit wird auch dem in vielen Bereichen der Fertigung anhaltenden Trend zur multifunktionalen Ausgestaltung von Fügeverbindungen Rechnung getragen. Durch die wissenschaftlich fundierte Untersuchung der Problemstellung der Belastung mit hohen Kurzzeitströmen können Erkenntnisse erarbeitet werden, die zur Schaffung einer Vertrauensbasis zwischen Anbietern der Fügetechnologien und Anwendern führen.
Für die Anbieter der Fügetechnologien, entsteht so die Möglichkeit, ihr Leistungsspektrum auf den Bereich der Elektroenergietechnik zu erweitern, da hier das Führen von Fehlerströmen eine Grundvoraussetzung für den Einsatz der Fügeverfahren ist. Firmen aus dem Geschäftsbereich Elektroenergietechnik können abgesicherte Erkenntnisse und eine zuverlässige Fügetechnologie zunächst in die Konstruktion und danach in die Fertigung einführen.
Sichergestellt wird dies durch die umfangreichen, tiefgreifenden und anwendungsbezogenen Untersuchungen, sowie das vermittelte Verständnis von Anforderungen an elektrische Kontaktsysteme und deren Langzeitverhalten. Dabei baut das Verständnis auf wissenschaftlich abgesicherten Untersuchungen auf.
Projekt
IGF 21691BR - EFB 03/218 - Laufzeit 01.04.2021-31.12.2023
Referent: Dipl.-Ing. Jan Kalich, Professur Fügetechnik und Montage, Technische Universität Dresden
