DD240975A1 - Verfahren zur herstellung eines abbrandfesten kontaktes in einer kontaktanordnung fuer elektrische schalter, insbesondere fuer leistungsschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar bei elektrischen Schaltern, insbesondere von als Druckgasschalter ausgebildeten Leistungsschaltern und bezieht sich auf die Herstellung von Tulpenkontakten dieser Schalter. Es soll ein technologisch einfaches Verfahren angegeben werden, das im wesentlichen eine sichere Verbindung zwischen Traegermaterial und Kontaktwerkstoff und einen Kontakt mit erheblich kleineren Abmessungen ermoeglicht. Die Loesung sieht vor, dass in einen einseitig offenen, den spaeteren Kontakttraeger bildenden Zylinder an seinem offenen Ende ein ringfoermiges Kontaktstueck mit seinem Bund eingesetzt wird, in einer vorbestimmten Schrittfolge mit vorbestimmten Parametern ein Verschweissen beider Teile mittels Elektronenstrahl erfolgt und schliesslich Kontaktstueck und Zylinder mit Laengsschlitzen versehen werden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar bei der Herstellung eines in der Kontaktanordnung enthaltenen abbrandfest ausgebildeten Kontaktes für elektrische Schalter, insbesondere für als Druckgasschalter ausgebildete Leistungsschalter.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, bei Schaltern für große elektrische Ströme die Aufgabe der Übertragung des Dauerstromes und die Aufgabe des Schaltens großer Ströme je einem zweckentsprechend ausgeführten Kontaktsystem — dem Dauerstromkontaktsystem und dem Schalt- oder Abbrandkontaktsystem — zuzuordnen. Hierbei können die beiden Kontaktsysteme als Tastkontakte, als Einlaufkontakte und kombiniert als Tast- und Einlaufkontakte ausgebildet sein. Allen diesen Ausführungen haftet der Nachteil an, daß durch die Aufgabenteilung der Kontakte die gesamte Kontaktanordnung einen großen Platzbedarf erfordert und wesentlich die Abmessungen einer Schaltkammer beeinflußt. Bei den meist koaxial angeordneten Kontaktsystemen werden die Abmessungen der Kontaktanordnung primär von dem radial innen angeordneten Abbrandkontaktsystem bestimmt. Abbrandkontakte werden bekanntermaßen aus einem Kontaktstück aus hochschmelzendem, abbrandfesten Werkstoff und aus einem Kontaktträger aus niedrigerschmelzendem, kostengünstigeren Werkstoff zusammengesetzt, wobei die Verbindung des ersten hochschmelzenden, abbrandfesten Werkstoffes mit dem zweiten niedrigerschmelzenden, kostengünstigeren Werkstoff wegen der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften große Schwierigkeiten bereitet, die einen großen technologischen Aufwand und eine große Dimensionierung des Kontaktsystems erfordern, um die Verbindung sicher und qualitätsgerecht herzustellen. Zur Beseitigung dieser Mängel sind verschiedene Lösungen bekanntgeworden.

So ist bekannt, den hochschmelzenden, abbrandfesten Werkstoff als Sinterwerkstoff—z.B. WCu, WAg, Mo — herzustellen und nachfolgend durch spanende Bearbeitung ein Befestigungselement — z.B. Gewinde, Bolzen, Bohrung, Lasche — anzuformen. Diese Lösung erfordert einen großen Verbrauch an hochwertigem Sinterwerkstoff und ist unökonomisch. Hinzu kommt, daß der Sinterwerkstoff sehr kerbempfindlich ist und sich für eine mechanische Befestigung, besonders bei schnellbewegten Abbrandkontakten, wenig eignet. Zur Gewährleistung einer sicheren Verbindung des hochschmelzenden, abbrandfesten Sinterwerkstoff mit dem Werkstoff des Kontaktträgers muß die Verbindungsstelle somit sehr groß dimensioniert werden.

Eine andere bekannte Lösung verwendet ein Sinterwerkstoff-Gerüst—z. B. W, Mo, Re—in das ein Tränkwerkstoff—z. B. Cu, Ag oder Legierungen dieser Werkstoffe — in schmelzflüssigem Zustand durch Kapillarwirkung in das zuerst erzeugte Sintergerüst einseigert. Durch eine Überschußtränkung kann an den Sinter-Verbundwerkstoff ein Befestigungselement oder Kontaktträger aus dem verwendeten Tränkwerkstoff angegossen werden. Das angegossene Befestigungselement hat infolge seines Gußgefüges nur geringe mechanische Festigkeit, die durch entsprechend große Dimensionierung berücksichtigt werden muß. Es ist auch bekannt, den hochschmelzenden, abbrandfesten Werkstoff durch Hartlöten mit dem niedrigschmelzenden Kontaktträgerwerkstoff zu verbinden. Hierbei ist von Nachteil, daß die Kontakte verunreinigende und die Korrosion fördernde Flußmittel sowie teure silberhaltige Lotwerkstoffe verwendet werden müssen und die in die zu verbindenden Werkstoffe eingebrachte Wärmemenge sehr groß ist. Durch diese große Wärmemenge tritt eine Entfestigung der Werkstoffe, vor allem des niedrigschmelzenden Kontaktträgerwerkstoffes ein. Trotz der Flußmittel ist nicht immer eine 100%ige Bindung infolge der unvollkommenen Oxidbeseitigung über den gesamten Lötquerschnitt zu erreichen. Auch hat der Lotwerkstoff eine geringere Festigkeit und Leitfähigkeit als der Grundwerkstoff. Alle nachteiligen Eigenschaften der durch Hartlöten hergestellten Verbindung müssen durch entsprechend große Dimensionierung des Kontaktes ausgeglichen werden.

Andere bekannte Lösungen verwenden zur Herstellung der Verbindung des hochschmelzenden, abbrandfesten Kontaktstückes mit einem Kontaktträger aus Kupfer die Verfahren Widerstandsschweißen und Preßschweißen. Auch bei diesen Verbindungsverfahren ist die eingebrachte Wärmemenge sehr groß, wodurch die Werkstoffe, insbesondere der niedrigschmelzende Kontaktträgerwerkstoff entfestigt werden. Zusätzlich ist bei diesen Verfahren von Nachteil, daß die Gefahr der Sauerstoffaufnahme, die zu einem unerwünschten Abfall der Leitfähigkeit und der Bruchdehnung führt, außerordentlich groß ist. Die nachteiligen Einflüsse auf die Eigenschaften der Verbindung können auch bei diesen Verfahren nicht beseitigt oder gemindert werden und müssen durch entsprechend große Dimensionierung ausgeglichen werden.

Aus der DE-OS 1940436(21 c, 40/52) ist ein Verfahren zum Befestigen eines Kontaktes aus höher schmelzenden Material auf einen Tragkörper aus niedriger schmelzenden Material mittels Elektronenstrahlerwärmung bekannt. Hierbei wird der Kontakt im Stirneingriff mit dem Tragkörper gehalten und der Elektronenstrahl derart durchgeleitet, daß er den Tragkörper durchquert, wobei der Teil des Tragkörpers, der vom Strahl getroffen wird, schmilzt und ein Bereich des Kontaktes direkt an den geschmolzenen Teil des Tragkörpers auf eine Temperatur erhitzt wird, die zwischen den Schmelzpunkten des Kontaktes und des Tragkörpers liegt, so daß nur der Tragkörper abschmilzt und die erforderliche Verbindung bildet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Verfahrens ist der Tragkörper mit einer Öffnung versehen, auf der der Kontakt, dessen Abmessungen größer sind als die der Öffnung im Tragkörper, aufliegt. Der Elektronenstrahl wird nun so geführt, daß ein Teil des Tragkörpers rund um die Öffnung abgeschmolzen und auf diese Weise die Verbindung zwischen beiden Teilen hergestellt wird. Diese Lösung ist geeignet für Kontaktverbindungen, bei denen der Kontakt und der Tragkörper mit ihren flachen Seiten miteinander verbunden werden. Es wird eine relativ großflächige Verbindung erreicht. Bei Kontaktanordnungen für elektrische Leistungsschalter mit Tulpenkontakten versagt jedoch dieses Verfahren, da je Kontaktfinger nur eine relativ kleine,für die Verbindung zur Verfügung stehende Berührungsfläche vorhanden ist.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren zur Herstellung eines abbrandfesten Kontaktes einer Kontaktanordnung für elektrische Leistungsschalter, insbesondere Druckgasschalter zu schaffen, das einen geringen technologischen Aufwand erfordert und eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen Trägermaterial und abbrandfesten Kontaktwerkstoff garantiert.

Wesen der Erfindung

Die technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines abbrandfesten Kontaktes für einen Tulpenkontakt einer derartigen Kontaktanordnung zu finden, mit dem optimale physikalische Eigenschaften der Verbindungsstelle zwischen dem hochschmelzenden abbrandfesten Kontaktstück und dem niedriger schmelzenden Kontaktträger und der an diese Verbindungsstelle angrenzenden Teile des Kontaktträgers erreicht werden, und das es ermöglicht, diesen Kontakt mit erheblich kleineren Abmessungen herzustellen, wobei die Verbindung mittels Elektronenstrahlerwärmung erfolgen soll.

Merkmale der Erfindung

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kontaktträger zunächst als einseitig offener Zylinder gefertigt wird, in dessen offenen Rand ein ringförmiges Kontaktstück mit seinem Bund zentrierend eingesetzt wird, daß darauf beide Teile im Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen im Bereich der äußeren Grenzflächen verbunden werden, wobei der Kontaktträger soweit aufgeschmolzen und das Kontaktstück soweit erhitzt wird, daß eine gemeinsame relativ breite Schmelz- und Bindezone entsteht, in der Werkstoffpartikel beider Teile eine enge Verbindung eingehen, worauf in einem vorbestimmten axialen Abstand von dem offenen Rand des Kontaktträgers eine Durchdringungsschweißnaht an der Berührungsstelle Innendurchmesser des Zylinders — Außendurchmesser des Bundes des Kontaktstückes gezogen wird, wobei der Elektronenstrahl den Zylinder durchdringt, und daß abschließend Kontaktstück und Zylinder in vorbestimmter Anzahl mit Längsschlitzen versehen werden, derart, daß die Kontaktfinger des selbstfedernden Tulpenkontaktes entstehen. Dabei steht der Elektronenstrahlerzeugerfest, während die zu verbindenden Teile um ihre gemeinsame Achse für die Zeit des Schweißens eine Drehbewegung ausführen. In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein. Kontaktstück und Kontaktträger nur durch die erste Schweißnaht im Bereich ihrer äußeren Grenzflächen zu verbinden bzw. nur die Durchdringungsnaht zur Anwendung zu bringen. Es hat sich gezeigt, daß auch beim Elektronenstrahlverbinden von Kontaktteilen für Tu I pen kontakte aus hochschmelzendem, abbrandfesten Werkstoff und niedrigerschmelzendem Werkstoff die für das Elektronenstrahlschweißen bekannte typische hohe Energiedichte wirksam wird und zu einer geringen, auf einen kleinen Volumenteil begrenzten, Wärmeeinbringung führt. Infolgedessen treten nachteilige Gefügeänderungen und Entfestigungen nicht ein; selbst in der äußerst schmalen aufgeschmolzenen Zone wird infolge des

hohen Temperaturgradienten beim Erstarren ein feinkörniges, duktiles Gefüge gebildet. In der Verbindungsstelle werden hohe mechanische Festigkeiten und elektrische Leitfähigkeiten erreicht, die eine kleine Dimensionierung erlauben, auch im Hinblick auf dynamische Belastungen. Die Kontakte werden nicht von Flußmitteln verschmutzt und erfahren keinen Wärmeverzug, so daß eine Nachbearbeitung in der Regel nicht erforderlich ist.

Eine besonders kleine Wärmeeinbringung wird erreicht, wenn das Elektronenstrahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff erfolgt, da hierbei nur die für die Verbindungsstelle benötigten Werkstoffanteile aus dem hochschmelzenden, abbrandfesten Kontaktstückwerkstoff und aus dem niedrigerschmelzenden Kontaktträgerwerkstoff geschmolzen werden. Auch ist im Interesse minimaler Wärmeeinbringung von Vorteil, wenn die Verbindungsflächen der zu verbindenden Werkstoffe parallel zueinander und in Richtung des Elektronenstrahls angeordnet werden. Der Spalt zwischen den parallelen Verbindungsflächen soll vorteilhafterweise möglichst klein ausgeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß die besten Ergebnisse bei einem Spalt von 5μιτι bis 200 μιη, vorzugsweise 10μηι bis 50 μηη erreicht werden. Durch die Erschmelzung unter Vakuum wird eine Entgasung und Reduktion der zu verbindenden Werkstoffe von schädlichen Gasen — wie z. B. Sauerstoff, Wasserstoff — erreicht und eine Absorption von schädlichen Gasen während des schmelzflüssigen Zustandes verhindert, was zu einer weiteren Verbesserung der Qualität der Verbindungsstelle führt. Für das Elektronenstrahlschweißen hochschmelzender, abbrandfester, wolframhaltiger Werkstoffe mit anderen niedrigerschmelzenden Werkstoffen zeigte sich ein Vakuum von 10"²Pa bis 10⁰Pa besonders geeignet.

Bei der Ausbildung des Verfahrens für die Herstellung eines Abbrandkontaktes aus einem hochschmelzenden, abbrandfesten Kontaktstück und aus einem niedrigerschmelzenden Kontaktträger konnte die Wärmeeinbringung weiter gesenkt werden, indem in an sich bekannter Weise die Energie des Elektronenstrahls zweckentsprechend gemäß den physikalischen Eigenschaften derzu verbindenden Werkstoffe auf diese durch einseitige Fokussierung des Elektronenstrahles, durch Pendelung des Elektronenstrahles oder durch eine zusätzliche Blindnaht auf einem der beiden Werkstoffe, aufgeteilt wird.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine Kontaktanordnung für elektrische Leistungsschalter, vorzugsweise Druckgasschalter mit Tulpenkontakt im ausgeschalteten Zustand.

Derfeste Kontakt 1 und der bewegliche Kontakt 2 bilden das Dauerstromkontaktsystem der Kontaktanordnung. Das Schalten der großen Ströme übernimmt das Abbrandkontaktsystem, das aus dem festen Kontakt 3 und dem beweglichen Kontakt 4 besteht. Bei der Ein-Schaltung wird der Stromkreis zuerst von dem Abbrandkontaktsystem 3; 4 und nachfolgend von dem Dauerstromkontaktsystem 1; 2 geschlossen. Bei der Ausschaltung hingegen öffnet zuerst das Dauerstromkontaktsystem 1; 2 und nachfolgend das Abbrandkontaktsystem 3; 4 den Stromkreis, wobei das Löschmittel nach Durchströmen des Kanals 5 durch die Düse 6 auf den zwischen den Abbrandkontakten 3; 4 brennenden Lichtbogen gelenkt wird und diesen löscht. Abbrandkontaktsystem 3; 4 und Dauerstromkontaktsystem 1; 2 sind koaxial angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist der feste Kontakt 3 des Abbrandkontaktsystems bogenförmig ausgeführt und besteht aus dem hochschmelzenden, abbrandfesten. Kontaktstück 8 — z.B. einem Sinterwerkstoff des Typs WCu, WAg, Mo — und dem Kontaktträger? aus einem niedrigerschmelzenden Werkstoff—z.B. Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen —, die durch Elektronenstrahlschweißen mit senkrecht zur Achse 12 des festen Kontaktes 3 und parallel zu den, einen Spalt bildenden, Grenzflächen 9; 10 gerichtetem Elektronenstrahl 13 einer Elektronenstrahlschweißanlage miteinander verbunden werden, wobei der Elektronenstrahlerzeuger feststeht und die zu verbindenden Teile 7; 8 um ihre gemeinsame Achse 12 eine Drehbewegung ausführen, so daß die Schweißnaht 11 entsteht.

In dem Ausführungsbeispiel ist der bewegliche Kontakt 4 des Abbrandkontaktsystems in der Art eines selbstfedernden Tulpenkontaktes, bestehend aus dem Kontaktträger 14 aus einem relativ niedrig schmelzendem Werkstoff mit federelastischen Eigenschaften — z.B. Stahl, hochlegierter Stahl, Kupferlegierung — und dem Kontaktstück 15 aus hochschmelzendem, abbrandfesten Werkstoff — z.B. einem Sinterwerkstoff des Typs WCu, WAg, Mo — ausgebildet, die durch ein erstes Elektronenstrahlschweißen mit senkrecht zur Achse 12 des beweglichen Kontaktes 4 und parallel zu den, den Spalt bildenden Grenzflächen 16; 17 gerichtetem Elektronenstrahl 13, miteinander verbunden werden, wobei der Elektronenstrahlerzeuger feststeht und die zu verbindenden Kontaktteile 14; 15 um ihre gemeinsame Achse 12 eine Drehbewegung ausführen, so daß die Schweißnaht 18 entsteht. Darauf wird in einem vorbestimmten Abstand von der Grenzfläche 17 an der Berührungsstelle 19 eine weitere Schweißnaht 20 gezogen. Abschließend werden Kontaktträger 14 und Kontaktstück 15 in vorbestimmter Anzahl mit Längsschlitzen versehen, so daß die Kontaktfinger 21 des selbstfedernden Tulpenkontaktes entstehen.

Die vordem Elektronenstrahlschweißen in einer nicht weiter dargestellten Vorrichtung gespannten Teile 7; 8 bzw. 14; 15 sollen zwischen ihren angrenzenden Flächen 9; 10 bzw. 16; 17 einen Spalt von 5μηη bis 200 μπι — vorzugsweise 10 μηη bis 50μιη — aufweisen, wobei die Flächen 9; 10 bzw. 16; 17 parallel zueinander und in Richtung des Elektronenstrahles liegen. Natürlich läßt sich das Verfahren auch anwenden, wenn die Abbrandkontakte 3; 4 anders ausgebildet sind. So ist z. B. das Verfahren auch anwendbar, wenn die Schweißnaht 11; 18 koaxial zur Achse 12 angeordnet ist und die angrenzenden Flächen 9; 10 bzw. 16; 17 Mantelflächen koaxialer Zylinder sind.

Claims (8)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung eines abbrandfesten Kontaktes in einer Kontaktanordnung für elektrische Schalter, insbesondere für als Druckgasschalter ausgebildete Leistungsschalter, wobei der Kontakt als selbstfedernder Tulpenkontakt, bestehend aus einem Kontaktstück aus hochschmelzenden metallischen Werkstoff und einem Kontaktträger aus einem niedriger schmelzenden metallischen Werkstoff, ausgebildet ist und die Verbindung zwischen Kontaktstück und Kontaktträger durch Elektronenstrahlschweißen im Vakuum erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß der Kontaktträger (14) zunächst als einseitig offener Zylinder gefertigt wird, in dessen offenen Rand das ringförmige Kontaktstück (15) mit seinem Bund zentrierend eingesetzt wird, daß darauf beide Teile (14; 15) im Bereich der äußeren Grenzflächen (16; 17) verschweißt werden, wobei der Kontaktträger (14) durch den Elektronenstrahl (13) soweit aufgeschmolzen und das Kontaktstück (15) soweit erhitzt wird, daß eine gemeinsame relativ breite Schmelz- und Bindezone entsteht, in der Werkstoffpartikel beider Teile eine enge Vermischung eingehen, worauf in einem vorbestimmten aixalen Abstand von dem offenen Rand des Kontaktträgers (14) eine Durchdringungsschweißnaht (20) an der Berührungsstelle (19) Innendurchmesser des Zylinders/Außendurchmesser des Bundes des Kontaktstückes (15) gezogen wird, wobei der Elektronenstrahl (13) den Kontaktträger (14) durchdringt und daß abschließend Kontaktstück (15) und Zylinder in vorbestimmter Zahl mit Längsschlitzen versehen werden, derart, daß die Kontaktfinger (21) des Tulpenkontaktes gebildet werden.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektronenstrahlerzeuger feststeht, während die zu verbindenden Teile (14; 15) um die Achse (12) für die Zeit des Schweißens eine Drehbewegung ausführen.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Elektronenstrahlschweißen ohne Schweißzusatzwerkstoff erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß vordem Schweißen zwischen den Grenzflächen (16; 17) der zu verbindenden Teile (14; 15) ein Spalt von einer Größe von 5 μπ\ bis 200 [im vorzugsweise 10 μπι bis 50 μππ gehalten wird.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Elektronenstrahlschweißen bei einem Druck von 10°bis 10"²Pa, vorzugsweise von 10"¹ bis 10"²Pa durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Energie des Elektronenstrahles gemäß den physikalischen Eigenschaften der zu verbindenden Teile (14; 15) durch einseitige Ausrichtung des Elektronenstrahles, durch Pendelung des Elektronenstrahles oder durch Ziehen einer Blindnaht auf einem der beiden Teile gewählt wird. *
7. 7. Verfahren nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß beide Teile (14; 15) nur durch die erste Schweißnaht (18) miteinander verbunden werden.
8. 8. Verfahren nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß beide Teile (14; 15) nur durch die Durchdringungsnaht (20) miteinander verbunden werden.