Title:
Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Verbundkabels
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkabels aus einem Substrat (1) und einem in eine parallel zur Längsachse des Substrats (1) verlaufende Vertiefung (2) einzubringenden Kerndraht (3). Die Vorrichtung weist eine Zuführvorrichtung (4), die eingerichtet ist, den Kerndraht (3) auf das Substrat (1) zu führen, eine Wärmequelle (5), die eingerichtet ist, das Substrat (1) und/oder den Kerndraht (3) an seiner Oberfläche unmittelbar vor und/oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Kerndraht (3) und der Vertiefung (2) des Substrats (1) auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur zu erwärmen, und eine Fügevorrichtung (6) auf, die eingerichtet ist, den Kerndraht (3) in die Vertiefung (2) des erwärmten Substrats (1) zu pressen und hierbei mit dem Substrat (1) stoffschlüssig zu verbinden.





Inventors:
Porstmann, Sebastian (09130, Chemnitz, DE)
Puschmann, Markus (08289, Schneeberg, DE)
Application Number:
DE102016212355A
Publication Date:
01/11/2018
Filing Date:
07/06/2016
Assignee:
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 (DE)
International Classes:
H01B13/00; B23K13/01; B23K26/073; H01B12/06
Domestic Patent References:
DE102008036435B4N/A2010-08-12
DE102012218250A1N/A
DE69937628T2N/A
Foreign References:
20160125977
JP20118949A
Attorney, Agent or Firm:
Pfenning, Meinig & Partner mbB Patentanwälte, 01067, Dresden, DE
Claims:
1. Vorrichtung zum Herstellen eines Verbundkabels aus einem Substrat (1) und einem in eine parallel zur Längsachse des Substrats (1) verlaufende Vertiefung (2) einzubringenden Kerndraht (3), mit
einer Zuführvorrichtung (4), die eingerichtet ist, den Kerndraht (3) auf das Substrat (1) zu führen,
einer Wärmequelle (5), die eingerichtet ist, das Substrat (1) und/oder den Kerndraht (3) an seiner Oberfläche unmittelbar vor und/oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Kerndraht (3) und der Vertiefung (2) des Substrats (1) auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur zu erwärmen, und
einer Fügevorrichtung (6), die eingerichtet ist, den Kerndraht (3) in die Vertiefung (2) des erwärmten Substrats (1) zu pressen und hierbei mit dem Substrat (1) stoffschlüssig zu verbinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (5) als eine Laserstrahlungsquelle (7) und/oder als ein Hochfrequenzgenerator (8) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (5) eine Laserstrahlungsquelle (7) ist, die eingerichtet ist, einen Laserstrahl (9) mit linienförmigem oder rechteckförmigem Querschnitt zu emittieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (5) ein Hochfrequenzgenerator (8) ist, der ausgebildet ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 450 kHz zu generieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzgenerator (8) einen Induktor (9) zum berührungslosen Beaufschlagen des Substrats (1) und/oder des Kerndrahts (3) mit einem elektromagnetischen Wechselfeld und/oder mindestens zwei Schleifkontakte (10) zum berührenden Beaufschlagen des Substrats (1) und/oder des Kerndrahts (3) mit dem elektromagnetischen Wechselfeld aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (6) mindestens eine Walze (11) und/oder mindestens einen Ziehstein (12) zum Pressen des Kerndrahts (3) in die Vertiefung (2) des Substrats (1) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmvorrichtung (13) vorgesehen ist, mit der das Substrat (1) vor dem Auftreffen des zu fügenden Kerndrahts (3) vorwärmbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (14) vorgesehen ist, um das mit dem Kerndraht (3) stoffschlüssig verbundene Substrat (1) nach Durchlaufen der Fügevorrichtung (6) abzukühlen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerndraht (3) eine Kupfermatrix mit darin eingebrachten NbTi- und/oder NbS3-Filamenten aufweist und/oder das Substrat (1) Kupfer und/oder Aluminium aufweist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Verbundkabels aus einem Substrat (1) und einem in eine parallel zur Längsachse des Substrats (1) verlaufende Vertiefung (2) des Substrats (1) einzubringenden Kerndraht (3), bei dem
durch eine Zuführvorrichtung (4) der Kerndraht (3) auf das Substrat (1) geführt wird,
das Substrat (1) und/oder den Kerndraht (3) an seiner Oberfläche unmittelbar vor und/oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Kerndraht (3) und der Vertiefung (2) des Substrats (1) auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur durch eine Wärmequelle (5) erwärmt wird und
der Kerndraht (3) durch eine Fügevorrichtung (6) in die Vertiefung (2) des erwärmten Substrats (1) gepresst und hierbei mit dem Substrat (1) stoffschlüssig verbunden wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkabels.

Zur Herstellung von supraleitenden Verbundkabeln mit einem hohen Anteil an stabilisierendem Material (meist Kupfer) muss ein supraleitender Kerndraht mit einem Kupferprofil verbunden werden. Dies erfolgt bislang, indem der Kerndraht in einer kanalartigen Vertiefung des Kupferprofils positioniert und verlötet wird. Der resultierende supraleitende Drahttyp wird als Wire-in Channel bezeichnet (WiC).

Außerdem existieren Tauchlötverfahren, bei denen der supraleitende Kerndraht in dem Profil positioniert wird und durch ein Becken mit schmelzflüssigem Kupfer-Zinn-Lot oder einem vergleichbaren Lot gezogen und in der Folge verlötet wird. Beim Lötprozess wird auch eine Wärmebehandlung des Kupferprofils durchgeführt, was eine Überhitzung des Lotbads notwendig macht.

Diese Überhitzung führt zu einem erhöhten Eintrag an Verunreinigungen, durch die eine Konsistenz des Lotbads relativ schnell verschlechtert wird.

Zum Verbinden mehrerer Metallplatten sind überdies Plattierverfahren bekannt, die beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2008 036 435 B4 offenbart sind. Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch, dass eine flächige Verbindung zwischen einzelnen Platten oder Bändern angestrebt wird und infolge der großen Wärmeeinwirkung bzw. des großen Drucks eine massive plastische Verformung eintritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein Verbundkabel schnell und kostengünstig sowie ohne massive Verformung einzelner Komponenten des Verbundkabels herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine Vorrichtung zum Herstellen eines Verbundkabels aus einem Substrat und einem in eine parallel zur Längsachse des Substrats verlaufende Vertiefung einzubringenden Kerndraht weist eine Zuführvorrichtung, die eingerichtet ist, den Kerndraht auf das Substrat zu führen, eine Wärmequelle, die eingerichtet ist, das Substrat und bzw. oder den Kerndraht an seiner Oberfläche unmittelbar vor und bzw. oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Kerndraht und der Vertiefung des Substrats auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur zu erwärmen, und eine Fügevorrichtung auf, die eingerichtet ist, den Kerndraht in die Vertiefung des erwärmten Substrats zu pressen und hierbei mit dem Substrat stoffschlüssig zu verbinden.

Indem der Kerndraht in der Vertiefung des Substrats durch die Zuführvorrichtung platziert ist, kann eine definierte räumliche Verbindung erzielt werden. Die Wärmequelle erleichtert hierbei das Verbinden, indem vorzugsweise nur das Substrat erwähnt wird, um den allein aufgrund seiner Abmessungen wärmeempfindlicheren Kerndraht zu schonen. Für eine möglichst zuverlässige Verbindung können jedoch auch sowohl das Substrat als auch der Kerndraht erwärmt werden. Die endgültige stoffschlüssige Verbindung erfolgt schließlich durch einen von der Fügevorrichtung ausgeübten Druck, indem die vorerwärmten Teile des Substrats und des Kerndrahts aufeinander gepresst werden. Da der Kerndraht hierbei in der Vertiefung liegt, erfolgt keine Umformung des Kerndrahts hinsichtlich seiner Form und Abmessungen. Unter dem Begriff ”Draht” soll hierbei ein Werkstück verstanden werden, dessen Länge deutlich größer als seine Breite bzw. seine Tiefe ist. Typischerweise beträgt die Länge mindestens ein Fünffaches der Breite bzw. der Tiefe. Vorzugsweise ist ein Querschnitt dieses Werkstücks rund, sodass die Breite gleich der Tiefe ist.

Die Wärmequelle kann als eine Laserstrahlungsquelle, die auch als Laserlichtquelle bezeichnet wird, und bzw. oder als ein Hochfrequenzgenerator ausgebildet sein, um mit hoher Effizienz die zum Fügen benötigte Wärme zur Verfügung zu stellen.

Typischerweise ist die Wärmequelle eine Laserstrahlungsquelle, die eingerichtet ist, einen Laserstrahl mit linienförmigem oder rechteckförmigem Querschnitt zu emittieren. Hierdurch ist der Laserstrahl auf einen Spalt zwischen Substrat und Kerndraht richtbar und erwärmt diesen Spalt gleichmäßig. Der linienförmige oder rechteckförmige Querschnitt kann hierbei durch eine in der Laserstrahlungsquelle befindliche optische Anordnung oder eine außerhalb der Laserstrahlungsquelle befindliche optische Anordnung generiert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Laserstrahl eindimensional auslenkbar ist, also vorzugsweise in stetiger Wiederholung über den zu erwärmenden Bereich verfahren wird.

Die Wärmequelle kann auch ein Hochfrequenzgenerator sein, der ausgebildet ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 450 kHz zu generieren, um somit zu einer entsprechenden Erwärmung in dem Substrat bzw. dem Kerndraht zu sorgen.

Der Hochfrequenzgenerator kann hierzu einen Induktor zum berührungslosen Beaufschlagen des Substrats und bzw. der des Kerndrahts mit einem elektromagnetischen Wechselfeld und bzw. oder mindestens zwei Schleifkontakte zum berührenden Beaufschlagen des Substrats und bzw. oder des Kerndrahts mit dem elektromagnetischen Wechselfeld aufweisen, so dass je nach Anwendungsfall im direkten Kontakt oder berührungslos die Erwärmung durchgeführt wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung mindestens eine Walze und bzw. oder mindestens einen Ziehstein zum Pressen des Kerndrahts in die Vertiefung des Substrats aufweist. Dies erlaubt es, einen gleichmäßigen Druck zum stoffschlüssigen Verbinden des Substrats und des Kerndrahts bereitzustellen. Vorzugsweise werden zwei, typischerweise zueinander symmetrische Walzen oder zwei, typischerweise zueinander symmetrische Ziehsteine verwendet. Der Ziehstein ist typischerweise aus Keramik.

Hierbei kann bei einer nicht-elektrischen Erwärmung, beispielsweise mittels Laserstrahlung, der genannte Werkstoff verwendet werden bzw. können insbesondere elektrisch leitende Werkstoffe verwendet werden. Bei einer Erwärmung mittels eines Hochfrequenzstroms sollte ein elektrisch nichtleitender, also ein elektrisch isolierender Werkstoffverwendet werden, um eine ungewollte Erwärmung des Ziehsteins bzw. der Walzen, die ebenfalls aus Keramik sein können, zu vermeiden. Falls der Ziehstein gleichzeitig als Induktor fungiert, kann zumindest an Berührungspunkten zwischen beiden Halbzeugen eine elektrisch nichtleitende und verschleißfeste Schicht vorhanden sein. Bei einer konduktiven Einleitung des elektrischen Stroms kann der Ziehstein auch metallische Werkstoffe, beispielsweise Kupferlegierungen, aufweisen. Ein Einleitungspunkt des Kerndrahts und ein Einleitungspunkt des Substrats, die auch als ”Pole” bezeichnet werden, sind jedoch typischerweise zueinander elektrisch isoliert. Der Ziehstein selbst kann auch verschiedene Werkstoffe aufweisen, ebenso können auch bei Verwendung mehrerer Walzen diese aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut sein.

Alternativ oder zusätzlich sollte eine Vorwärmvorrichtung, typischerweise eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen, eine Vorrichtung zum konduktiven Erwärmen, eine Gasflamme, ein Lichtbogen, ein Heißgasofen und bzw. oder ein Infrarotstrahlungsofen, vorgesehen sein, mit der das Substrat vor dem Auftreffen des zu fügenden Kerndrahts vorwärmbar ist. Dies erlaubt es, an der Wärmequelle eine weniger starke Erwärmung vorzusehen, um den Kerndraht vor zu großer thermischer Beanspruchung zu schützen.

Außerdem kann nach der Fügevorrichtung eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, um das mit dem Kerndraht stoffschlüssig verbundene Substrat nach Durchlaufen der Fügevorrichtung abzukühlen.

Schließlich kann auch, typischerweise nach der Kühlvorrichtung, eine Kalibiervorrichtung vorgesehen sein, bei der durch eine Ziehstufe das durch das stoffschlüssige Verbinden generierte Verbundkabel hinsichtlich seiner Außengeometrie kalibriert wird.

Vorzugsweise wird die Fügevorrichtung mittels mindestens eines optischen Sensors überwacht, um während des Fügens Anpassungen vornehmen zu können. Typischerweise ist eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen zum Ansteuern der Zuführvorrichtung, der Fügevorrichtung und der Wärmequelle.

Der Kerndraht und das Substrat weisen typischerweise jeweils ein Metall auf, d. h. der Kerndraht und das Substrat sind aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, um eine einfache thermische Verarbeitung sicherzustellen. Vorzugsweise ist der Kerndraht aus einem supraleitenden Werkstoff. Es kann jedoch auch ein thermoplastischer Kunststoff verwendet werden.

Der Kerndraht kann als eine Kupfermatrix mit darin eingebrachten NbTi- und/oder NbS3-Filamenten ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich weist das Substrat Kupfer und bzw. oder Aluminium auf. Typischerweise können auch Werkstoffe für den Kerndraht verwendet werden, die mit Kupfer eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.

Die Vertiefung kann als nutförmige Vertiefung mit vorzugsweise U-förmigen oder V-förmigem Querschnitt ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind Ecken der Vertiefung gerundet. Abmessungen der Vertiefung können so gewählt sein, dass der Kerndraht im Querschnitt komplett darin aufgenommen ist, dass also eine Tiefe der Vertiefung gleich oder größer einem Durchmesser des Kerndrahts ist. Eine Oberfläche der Vertiefung kann hierbei derart geformt sein, dass eine Unterseite des Kerndrahts bündig auf dieser Oberfläche aufliegt.

Die Zuführvorrichtung verfügt typischerweise über eine Drahthaspel, von der der Kerndraht abgerollt wird, eine Substrathaspel, von der das Substrat abgerollt wird, und eine Endhaspel, die das hergestellte Verbundkabel mit dem mit dem Substrat stoffschlüssig verbundenen Kerndraht aufnimmt. Zusätzlich kann eine Führung für das Substrat und bzw. oder den Kerndraht vor der Fügevorrichtung vorgesehen sein, so dass das Substrat und der Kerndraht ohne Verdrehung zur Fügevorrichtung gelangen.

Es kann auch eine Reinigungsvorrichtung vor der Fügevorrichtung vorgesehen sein, um den Kerndraht und das Substrat von Schmutz zu reinigen und somit das Verbinden zu erleichtern.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkabels aus einem Substrat und einem in eine parallel zur Längsachse des Substrats verlaufende Vertiefung des Substrats einzubringenden Kerndraht weist einen Schritt auf, bei dem durch eine Zuführvorrichtung der Kerndraht auf das Substrat geführt wird. Das Substrat und bzw. oder der Kerndraht wird an seiner Oberfläche unmittelbar vor und bzw. oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Kerndraht und der Vertiefung des Substrats auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur durch eine Wärmequelle erwärmt. Schließlich wird der Kerndraht durch eine Fügevorrichtung in die Vertiefung des erwärmten Substrats gepresst und hierbei mit dem Substrat stoffschlüssig verbunden wird.

Das Verfahren wird typischerweise in einer Schutzgasatmosphäre ausgeführt, um eine Verschmutzung der Oberflächen und somit eine schlechtere Verbindung zu vermeiden.

Das beschriebene Verfahren ist vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchführbar bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens verwendbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 8 erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines Verbundkabels;

2 eine Laserstrahlungsquelle und eine Fügevorrichtung mit zwei Walzen in einer 1 entsprechenden Ansicht;

3 eine 2 entsprechende Ansicht mit zwei Ziehsteinen anstelle der Walzen;

4 eine 3 entsprechende Ansicht mit einem vor den Ziehsteinen anstelle der Laserstrahlungsquelle angeordneten Induktor;

5 eine 4 entsprechende Ansicht mit einem an den Ziehsteinen angeordneten Induktor;

6 eine 5 entsprechende Ansicht mit zwei vor dem Ziehstein anstelle des Induktors angeordneten Schleifkontakten;

7 eine 6 entsprechende Ansicht mit zwei an den Ziehsteinen angeordneten Schleifkontakten und

8 einen Querschnitt eine generierten Verbundkabels.

1 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht eine Vorrichtung zum Herstellen eines Verbundkabels aus einem Substrat 1 mit einer Vertiefung 2 und einem Kerndraht 3. Das stoffschlüssige Fügen bzw. Schweißen zum Verbinden des Substrats 1 mit dem Kerndraht 3 ist hierbei derart gestaltet, dass Berührungsflächen beider Fügepartner auf Schmelztemperatur erwärmt werden, aber gleichzeitig eine Erwärmung des Kerndrahts 3 auf ein Minimum beschränkt wird. Das Substrat 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kupfer, der Kerndraht 3 als Runddraht aus einer Kupfermatrix mit darin eingebrachten Filamenten aus NbTi- und NbS3.

Zum Einbringen der Schweißwärme wird daher eine Wärmequelle 5 verwendet, die es ermöglicht, den zum Schweißen erforderlichen Wärmeeintrag sehr genau und konzentriert im Verbindungsbereich bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch einen Laserstrahl 9, durch ein magnetisches Wechselfeld oder durch Einbringen eines hochfrequenten elektrischen Stroms erreicht werden.

Das Substrat 1 ist mit der im dargestellten Ausführungsbeispiel U-förmigen Vertiefung 2 versehen und auf einer Substrathaspel 4a aufgerollt. Der Kerndraht 3 ist auf einer Drahthaspel 4b aufgerollt. Der Kerndraht 3 und das Substrat 1 werden von ihren jeweiligen Haspeln abgerollt und durch eine Führungsvorrichtung 15 einer Fügevorrichtung 6 zugeführt, in der das stoffschlüssige Verbinden bzw. Schweißen erfolgt. Das Substrat 1 ist hierbei bandförmig ausgestaltet, d. h. dass eine Länge und eine Breite deutlich größer als eine Dicke ist, typischerweise mindestens ein Fünffaches der Dicke beträgt.

Ecken bzw. Kanten der Vertiefung 2 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gerundet und Abmessungen der Vertiefung 2 sind derart gewählt, dass der Kerndraht 3 im Querschnitt komplett in der Vertiefung 2 aufgenommen ist, dass also eine Tiefe der Vertiefung 2 gleich oder größer einem Durchmesser des Kerndrahts 3 ist und kein Teil des Kerndrahts 3 aus der Vertiefung 2 herausragt. Eine Oberfläche der Vertiefung 2 ist hierbei derart geformt sein, dass eine Unterseite des Kerndrahts 3 bündig auf dieser Oberfläche aufliegt.

Das Substrat 1 wird nach der Führungsvorrichtung 15 durch einen Ofen 13 als Vorwärmvorrichtung geführt, um es näher an die Fügetemperatur zu erwärmen und das Fügen, auch aufgrund eines verminderten elektrischen Widerstands des Kupferprofils, das als das Substrat 1 verwendet wird, zu erleichtern. Nach Durchlaufen der Fügevorrichtung 6 wird das hergestellte Verbundkabel in einem Wasserbad 14 als Kühlvorrichtung abgekühlt und in einer Kalibriervorrichtung 16 nach Durchlaufen des Wasserbads 14 hinsichtlich seiner Außengeometrie angepasst. Schließlich wird das Verbundkabel auf einer Endhaspel 17 aufgerollt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Substrathaspel 4a, die Drahthaspel 4b, die Führungsvorrichtung 15 und die Endhaspel 17 eine Zuführvorrichtung 4, die in einem kontinuierlichen Prozess die beiden Fügepartner, nämlich den Kerndraht 3 und das Substrat 1 der Fügevorrichtung 6 zuführt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Reinigungsvorrichtung vor der Fügevorrichtung 6 vorgesehen sein, um Schmutzpartikel von den Fügepartnern zu entfernen.

In der Fügevorrichtung 6 wird der Kerndraht 3 so positioniert, dass er in die kanalartige Vertiefung 2 einläuft und in dieser bündig anliegt. Unmittelbar bevor sich die beiden Fügepartner berühren, werden Berührungsflächen der Fügepartner durch die externe Wärmequelle 5 auf Schmelztemperatur erwärmt, so dass der Kerndraht 3 und das Substrat 1 an ihren Kontaktflächen miteinander verschweißt werden. Das Einpressen bzw. Positionieren des Kerndrahts 3 in das Profil des Substrats 1 und das Verschweißen bzw. stoffschlüssige Fügen kann durch eine Kraft quer zur Laufrichtung unterstützt werden. Die Kraft kann hierzu, wie in den folgenden Abbildungen noch beispielhaft gezeigt, durch Walzen 11, einen Ziehstein 12 oder eine Matrize aufgebracht werden. Die Kraft sollte dabei mindestens so groß sein, dass eine sichere Positionierung gewährleistet ist, aber keine bleibende Verformung des Kerndrahts 3 und des Substrats 1 als Halbzeuge eintritt.

Nach dem Verschweißen kann, wie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, eine unmittelbare Kühlung des Verbundkabels mittels des Wasserbads 14 erfolgen, um eine zu starke Erwärmung bzw. ein Durchwärmen des Kerndrahts 3 zu verhindern. Falls sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Außengeometrie des Verbundkabels gestellt werden, kann das Verbundkabel durch eine Ziehstufe in der Kalibriervorrichtung 16 kalibriert werden, bevor das Verbundkabel aufgehaspelt und weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt wird.

Je nach Art der Wärmequelle 5 sollte die Fügevorrichtung 6 an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden, was nachfolgend noch näher erläutert wird.

2 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht die Wärmequelle 5, die nun als Laserstrahlungsquelle 7 ausgeführt ist, und die Fügevorrichtung 6, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Walzen 11 aufweist, zwischen denen der Kerndraht 3 und das Substrat 1 geführt werden. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den weiteren Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden der Kerndraht 3 und das Substrat 1 durch eine der Walzen 11 um 180° gedreht, es sind aber natürlich auch andere Winkel zwischen einer Zuführrichtung und einer Abführrichtung möglich. Die beiden Fügepartner, also der Kerndraht 3 und das Substrat 1, werden kontinuierlich der Fügevorrichtung 6 zugeführt. Über eine geeignete Vorrichtung werden die Fügepartner entsprechend ihrer späteren Position im herzustellenden Verbundkabel bzw. Verbundleiter zueinander positioniert. Die Positionierung erfolgt hierbei derart, dass sich vor einem Berührungspunkt bzw. Auftreffpunkt oder Auftreffbereich ein möglichst schmal zulaufender Spalt ergibt. Bei der Breite der Spaltöffnung sollte eine Divergenz des von der Laserstrahlungsquelle 7 emittierten Laserstrahls 9 berücksichtigt werden, d. h. der Spalt darf je nach verwendeter Strahlform nicht zu schmal sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein linienförmiger oder rechteckförmiger Querschnitt eines von der Laserstrahlungsquelle 7 emittierten Laserstrahls 9 verwendet.

Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt ein Positionieren und Fügen über die Walzen 11 oder Rollen, durch die eine Führung und eine Anpresskraft der beiden Verbundpartner bzw. Fügepartner, also des Kerndrahts 3 und des Substrats 1, zueinander gewährleistet werden kann. Insbesondere bei einem Kerndraht mit sehr kleinem Querschnittsprofil, vorzugsweise zwischen 0,5 mm bis 2 mm, besonders vorzugsweise zwischen 1 mm und 1,5 mm, kann eine Positionierung über den Ziehstein 12, wie sie in 3 gezeigt ist, vorteilhafter sein.

Hinsichtlich des Ziehsteins 12 kann dieser bei einer nichtelektrischen Erwärmung wie durch den Laserstrahl 9 aus einem auch bei konventionellem Drahtziehen verwendeten Werkstoff ausgebildet sein, was auch elektrisch leitfähige Werkstoffe einschließt. Idealerweise findet beim Fügevorgang selbst keine plastische Verformung statt, so dass auch bezüglich einer Verschleißfestigkeit keine übermäßig hohen Anforderungen an den Werkstoff zu stellen sind.

Bei einer induktiven oder konduktiven Erwärmung sollte aufgrund geringer Abmessungen der Halbzeuge, also des Kerndrahts 3 und des Substrats 1, sowie einer thermischen Sensibilität des Kerndrahts 3 (insbesondere, wenn supraleitende Werkstoffe für den Kerndraht 3 zum Einsatz kommen) davon ausgegangen werden, dass ein räumlicher Abstand zwischen dem Ort, an dem eine Zuführung des elektrischen Stroms, d. h. Erwärmung, erfolgt und dem Ort, an dem das Fügen erfolgt, möglichst klein gehalten werden soll. Idealerweise erfolgt beides direkt, also zeitlich unmittelbar nacheinander oder gleichzeitig in der entsprechend gestalteten Fügevorrichtung, die typischerweise mehrteilig aufgebaut ist.

3 zeigt in einer 2 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im Gegensatz zu 2 jedoch der Ziehstein 12 anstelle der Walzen 11 für die Fügevorrichtung 6 verwendet wird. Die Zuführung des Kerndrahts 3 und des Substrats 1 zu der Fügevorrichtung 6 erfolgt nun unter einem Winkel von 45° zu dem Laserstrahl 9.

Bei jedem der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele ist, um die Belastung der Fügepartner gering zu halten und eine möglichst gute Endkontur bereits im Rahmen des Fügevorgangs zu erreichen, eine geringe Anpresskraft günstig, so dass eine plastische Verformung durch eine zu große Anpresskraft vermeiden wird.

In beiden Ausführungsbeispielen wird der Laserstrahl 9 derart positioniert, dass er direkt in einen Spaltgrund oder kurz vor dem entstehenden Fügespalt auf den Kerndraht 3 und das Substrat 1 auftrifft. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Laserstrahl 9 auch nur auf das Substrat 1 oder nur auf den Kerndraht 3 auftreffen. Durch Mehrfachreflexion im Spalt wird eine Steigerung der Absorption von emittierter Laserstrahlung erreicht und eine Selbstzentrierung des Laserstrahls 9 auf den Spaltgrund bewirkt.

Für verschiedene Anwendungen kann es notwendig sein, die Wärmeverteilung auf den beiden Verbundpartnern genau einzustellen, beispielsweise wegen einer Wärmeempfindlichkeit eines oder beider Verbundpartner über ihren Querschnitt. Eine passende Wärmeversteilung kann durch eine Form, einen Auftreffpunkt, eine Defokussierung und bzw. oder eine Bewegung des Laserstrahls 9 realisiert werden. Zudem ist es möglich, mittels optischer Sensoren 18, beispielsweise mittels CCD-Kameras (charge-coupled device-Kameras) den Spalt kontinuierlich zu überwachen. Diese Kameras stehen mit einer Auswerte- und Steuereinheit 19, beispielsweise einem Computer, in elektrischem Kontakt. Die Auswerte- und Steuereinheit 19 steuert sowohl die Wärmequelle 5 als auch die Haspeln 4a, 4b und 17 in Abhängigkeit der von den optischen Sensoren 18 ermittelten Informationen an. Insbesondere kann die Auswerte- und Steuereinheit 19 die Laserstrahlungsquelle 7 derart ansteuern, dass der Laserstrahl 9 in eindimensionaler Auslenkung über den Spalt verfahren wird.

4 zeigt in einer 3 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel mit dem Ziehstein 12, bei dem nun allerdings die Wärmequelle 5 durch einen Hochfrequenzgenerator 8 samt Induktor 20 realisiert ist. Durch ein Hochfrequenzschweißen der beiden Verbundpartner mit einer Erwärmung des Fügebereichs durch eine Widerstandserwärmung mittels eines induktiven Verfahrens (ohne Berührung, wie in 4 und 5 dargestellt) oder eines konduktiven Verfahrens (mit Berührung, wie in 6 und 7 dargestellte) über den erzeugten elektrischen Stromfluss und eine damit einhergehende Erwärmung ist ebenfalls ein stoffschlüssiges Fügen des Kendrahts 3 und des Substrats 1 möglich. Um den Stromfluss nur auf eine Bauteiloberfläche zu konzentrieren, werden typischerweise hohe Frequenzen zwischen 100 kHz und 450 kHz verwendet.

Für die in 4 dargestellte induktive Erwärmung sollte der Induktor 20, der mit dem Hochfrequenzgenerator 8 in elektrischem Kontakt steht, in der Nähe der Fügestelle, d. h. im Bereich des Berührungspunkts, installiert sein. Die Erwärmung erfolgt hierbei idealerweise ortsgleich, also am gleichen Ort. Bei den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen umschließt der Induktor 20 den Kerndraht 3 und das Substrat 1, um in beiden Fügepartnern einen elektrischen Strom zu induzieren, der sich im Berührungspunkt konzentriert und die Oberflächen beider Fügepartner aufschmilzt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann jedoch auch nur einer der beiden Fügepartner vom Induktor 20 umschlossen werden.

Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Induktor 20 nicht vor dem Ziehstein 12 oder entsprechenden Walzen 11 angeordnet, sondern in die Fügevorrichtung 6 integriert, d. h. bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Induktor 20 in direktem, also unmittelbar berührendem Kontakt mit dem Ziehstein 12. Die Integration in den Ziehstein 12 hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen dem Induktor 20 und den Fügepartnern sehr klein ist und konstant gehalten werden kann. Dies erhöht einen energetischen Wirkungsgrad und entsprechend die Prozesssicherheit. Der Ziehstein 12 sollte in diesem Fall aus einem Werkstoff sein, der durch den Induktor 20 nicht erwärmt wird, beispielsweise Keramik.

In den 6 und 7 ist jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine konduktive Stromerzeugung gezeigt. Der hochfrequente elektrische Strom kann auch über Schleifkontakte 10 konduktiv in den Kerndraht 3 und das Substrat 1 eingebracht werden. Typischerweise werden beide Fügepartner, also sowohl der Kerndraht 3 als auch das Substrat 1 mit dem elektrischen Strom beaufschlagt, es kann aber auch vorgesehen sein, lediglich einen der Fügepartner konduktiv mit dem elektrischen Strom zu beaufschlagen.

Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schleifkontakte 10 mit dem Hochfrequenzgenerator 8 elektrisch verbunden und vor der Fügevorrichtung 6, also vor dem Ziehstein 12 angeordnet. Die Fügevorrichtung 6 kann natürlich auch die Walzen 11 anstelle des Ziehsteins 12 aufweisen. Es kann aber auch das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel realisiert werden, bei dem die Schleifkontakte 10 natürlich ebenfalls mit dem Hochfrequenzgenerator 8 elektrisch verbunden sind, aber in die Fügevorrichtung 6 integriert sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schleifkontakte 10, die mit Kontaktfedern versehen sind, in den Ziehstein 12 integriert. Um eine zu große Erwärmung über einen elektrischen Strompfad von der Kontaktierung zur Schweißstelle bzw. Fügestelle zu verhindern, sollte die Kontaktierung so nah wie möglich an der Schweißstelle erfolgen und eine Kontaktfläche ausreichend groß sein. Typischerweise ist eine Kontaktfläche zum Einleiten des elektrischen Stroms größer als eine Kontaktfläche zum Fügen.

Schließlich ist in 8 eine Querschnittsansicht des hergestellten Verbundkabels zu sehen, bei dem in die Vertiefung 2 des Substrats 1 der Kerndraht 3 eingebracht und mit dem Substrat 1 stoffschlüssig verbunden wurde. Somit kann auf ein kostenintensives Lötverfahren verzichtet und die stoffschlüssige Verbindung ohne Zugabe eines Zusatzwerkstoffs erreicht werden. Außerdem kann, im Gegensatz beispielsweise zu Tauchlötverfahren, ein Kupferanteil, d. h. ein Querschnitt des Kupferprofils, nahezu beliebig vergrößert werden, da nur noch eine zu verschweißende Anbindungsbreite relevant ist.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102008036435 B4 [0005]