Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wächst das Bedürfnis nach zuverlässigen stromführenden Verbindungen. Im Elektroenergieversorgungsnetz sowie im Bordnetz von Elektrofahrzeugen treffen beim stromführenden Verbinden verschiedener Komponenten im Kontakt häufig unterschiedliche Leiter- oder Beschichtungswerkstoffe aufeinander. Dabei wird Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte und relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verfügbarkeit und des geringeren Preises gegen-über Kupfer bevorzugt eingesetzt. Für Anwender ist dieser Leichtbauwerkstoff hinsichtlich des Kontakt- und Langzeitverhaltens herausfordernd.
In der Vergangenheit wurden intermetallische Phasen zwischen Aluminium und Silber sowie zwischen Aluminium und Kupfer als vorrangige Ursache für auftretende Ausfälle von nicht stoffschlüssigen, stromführenden Verbindungen mit den entsprechenden Werkstoffkombinationen untersucht. Der dabei festgestellte Anstieg des Widerstands lässt sich jedoch nicht vollständig durch die wachsenden Phasen erklären. Das Ziel dieser Arbeit besteht deshalb darin, den Einfluss des Sauerstoffs auf die Alterung von stromführenden Bimetall-Verbindungen zu quantifizieren. Es wurden Schraubenverbindungen mit Stromschienen der Werkstoffkombinationen Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al und Ni-Al untersucht. Durch Versuchsreihen in atmosphärischer Luft und in einer N2-Atmosphäre konnten für die jeweilige Werkstoffkombination Unterschiede im Langzeitverhalten aufgezeigt werden, die durch den von außen in die Verbindung eindringenden Sauerstoff entstehen. Die ablaufenden Prozesse unterscheiden sich dabei je nach Werkstoffkombination. Sauerstoff, der nach dem Fügen in die Kontaktebene gelangt, ist bei den Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen ausschlaggebend für das Erhöhen des Verbindungswiderstands. Im Gegensatz dazu reagiert in den Verbindungen mit Kontakten zwischen Zinn und Aluminium der bereits vor dem Fügen auf den Kontaktpartnern vorhandene Sauerstoff zu Al2O3. An den Verbindungen mit Kontakten zwischen Nickel und Alumini-um konnte kein Einfluss des Sauerstoffs festgestellt werden.
Neben dem Flächenkontakt der Schraubenverbindung mit Stromschienen wurde der Punktkontakt in einer Modell-Verbindung untersucht. An diesem konnten aufgrund der nahezu konstanten Flächenpressung in der Kontaktebene Berechnungsmodelle für das Langzeitverhalten von Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen aufgestellt werden. Metallographische Untersuchungen wurden an Verbindungen mit Kontakten zwischen Silber und Aluminium sowie Zinn und Aluminium durchgeführt, um die elektrisch bestimmten Phänomene näher zu charakterisieren. Auf dem Kontaktpartner aus Aluminium einer gealterten Verbindung zwischen Zinn und Aluminium konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie eine Al2O3-Schicht sichtbar gemacht werden.
Ist eine stromführende Verbindung gasdicht, kann dies bei den untersuchten Werkstoffkombinationen einen großen Einfluss auf das Langzeitverhalten haben. Die Ergebnisse bestehender Berechnungsmodelle zur Gasdichtigkeit von Verbindungen wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Als Neuerung wurde ein zusätzliches Kriterium eingeführt, das es ermöglicht, nach 24 h bei Belastungstemperatur zu beurteilen, ob eine stromführende Verbindung gasdicht ist. Anwender aus der Elektroenergie-versorgung und der Automobilindustrie können so nach einer kurzen Belastungsdauer Aussagen zur Langzeitstabilität einer Verbindung ableiten.:1 Einleitung
2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen
2.1 Allgemeine Kontakttheorie
2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands
2.3 Alterung stromführender Verbindungen
2.3.1 Kraftabbau
2.3.2 Interdiffusion
2.3.3 Chemische Reaktionen
2.3.4 Weitere Einflüsse
3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik
3.1 Oxidation der Oberfläche
3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche
3.3 Innere Oxidation
3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen
3.4.1 Aluminium
3.4.2 Zinn
3.4.3 Nickel
3.4.4 Silber
3.4.5 Kupfer
3.5 Eindringen des Sauerstoffs
3.5.1 Diffusion von Sauerstoff
3.5.1.1 Modell nach Izmailov
3.5.1.2 Modell nach Dzektser
3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit
4 Präzisierung der Aufgabenstellung
5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen
5.1 Versuchsaufbau und Durchführung
5.1.1 Punktkontakt
5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen
5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al
5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen
5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium
5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium
5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium
5.2.5 Diskussion der Ergebnisse
5.2.5.1 Einfluss der IMP
5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs
5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al
5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium
5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium
5.3.3 Diskussion der Ergebnisse
5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung
5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft
5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht
5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al
5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium
5.4.2 Diskussion der Ergebnisse
5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu
5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium
5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer
5.5.3 Diskussion der Ergebnisse
5.5.3.1 Einfluss der IMP
5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft
5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung
5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter
6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten
6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation
6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium
6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium
6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen
7 Zusammenfassung
8 Ausblick
9 Verzeichnisse
10 Anhang / With the increasing electrification of vehicles, the demand for reliable current-carrying connections grows. In the electrical power grid as well as in the electric grid of an electric vehicle, different material combinations occur frequently, when current-carrying connections are joined. Aluminum is commonly applied due to its lightweight proper-ties and its price advantage compared to copper. For users, this lightweight material is challenging regarding its contact and long-term behavior.
In the past, intermetallic compounds between aluminum and silver as well as between aluminum and copper have been investigated as possible cause for the emerging failures of firmly bonded, force-fitted, and force-form-fitted current-carrying connections. The witnessed rise in resistance cannot be explained completely by the growing intermetallic phases. Therefore, the goal of this work is to quantify the influence of oxygen on the aging of bimetallic connections. Bolted joints with busbars of the material combinations Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al and Ni-Al were examined. Through test series in atmospheric air and in a N2-atmosphere, differences in the long-term behavior could be shown that result from oxygen entering into the contact interface from the outside. The processes taking place differ depending on the material combination. Oxygen entering into the connection after the joining is responsible for the rise in resistance in Ag-Al- and Al-Cu-connections. In contrast, the oxygen which is already present in the contact interface before the joining reacts to Al2O3 in connections between tin and aluminum. No influence of the oxygen was detected in connections between nickel and aluminum.
Beside the flat surface contacts of the bolted joints with busbars, a model geometry with a point contact was examined. Due to the uniform surface pressure over the entire contact surface, a calculation model of the long-term behavior for Ag-Al- and Al-Cu-connections was set up based on these connections. Metallographic investigations were performed on Ag-Al- and Sn-Al-connections for further analysis of the electrically measured phenomena. An Al2O3-layer was visualized by transmission electron microscopy on the aluminum contact member of an aged connection between tin and aluminum.
If a current-carrying connection of the examined material combinations is joined in a gas-tight manner, it can have a great effect on the long-term behavior. The results of existing calculation models on gas-tightness were compared to the experimental results. In addition, a novel criterion was introduced. It enables to evaluate after 24 h at loading temperature whether a current-carrying connections is gas-tight. Users in the electrical power system and the automotive industry can thereby derive predictions on a connection’s long-term stability after a short loading time.:1 Einleitung
2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen
2.1 Allgemeine Kontakttheorie
2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands
2.3 Alterung stromführender Verbindungen
2.3.1 Kraftabbau
2.3.2 Interdiffusion
2.3.3 Chemische Reaktionen
2.3.4 Weitere Einflüsse
3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik
3.1 Oxidation der Oberfläche
3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche
3.3 Innere Oxidation
3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen
3.4.1 Aluminium
3.4.2 Zinn
3.4.3 Nickel
3.4.4 Silber
3.4.5 Kupfer
3.5 Eindringen des Sauerstoffs
3.5.1 Diffusion von Sauerstoff
3.5.1.1 Modell nach Izmailov
3.5.1.2 Modell nach Dzektser
3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit
4 Präzisierung der Aufgabenstellung
5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen
5.1 Versuchsaufbau und Durchführung
5.1.1 Punktkontakt
5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen
5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al
5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen
5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium
5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium
5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium
5.2.5 Diskussion der Ergebnisse
5.2.5.1 Einfluss der IMP
5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs
5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al
5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium
5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium
5.3.3 Diskussion der Ergebnisse
5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung
5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft
5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht
5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al
5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium
5.4.2 Diskussion der Ergebnisse
5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu
5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium
5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer
5.5.3 Diskussion der Ergebnisse
5.5.3.1 Einfluss der IMP
5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft
5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung
5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter
6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten
6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation
6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium
6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium
6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen
7 Zusammenfassung
8 Ausblick
9 Verzeichnisse
10 Anhang
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74038 |
| Date | 24 February 2021 |
| Creators | Oberst, Marcella |
| Contributors | Großmann, Steffen, Göbel, Gunther, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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