JP2020522872A - 銅端子とアルミ導線との継手及びそのプラズマ溶接方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は銅端子とアルミ導線との継手及びその製造方法を提供し、前記銅端子がコネクタ、及び銅端子のコネクタに接続される機能部品を含み、前記アルミ導線のコアが銅端子のコネクタに接続され、少なくとも前記アルミ導線のコアが遷移溶接層を介して銅端子のコネクタに接続される。前記遷移溶接層は半田から形成される。具体的には、前記遷移溶接層は半田が溶融してから、銅端子のコネクタとアルミ導線との接続隙間に充填されることで形成される。前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの3%〜100%を占め、好ましくは、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの30%〜100%を占める。
1)アルミ導線のコアと銅端子のコネクタを組み合わせ、
2)アルミ導線のコアと銅端子のコネクタとを圧着によって押し付けることで、圧着領域を形成し、
3)半田を銅端子に運び、好ましくは、半田を銅端子のコネクタに運び、好ましくは、半田をアルミ導線と銅端子との圧着領域に運び、プラズマアーク溶接によって溶接し、半田を溶融させ、毛細管作用によって銅端子とアルミ導線との接続隙間に充填することで遷移溶接層を形成する。
1)半田がアルミ導線のコア、または少なくとも銅端子のコネクタとアルミ導線のコアとの接続部分を包み、アルミ導線のコアと銅端子のコネクタを組み合わせ、
2)アルミ導線のコア、半田、及び銅端子のコネクタを圧着によって押し付けることで、圧着領域を形成し、
3)プラズマアーク溶接によって溶接し、半田を銅端子とアルミ導線との間に溶融させ、毛細管作用によって銅端子とアルミ導線との隙間に充填することで、遷移溶接層を形成する。
ステップ2)において、前記銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積が少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域の面積の1%を占め、好ましくは、前記銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積は少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域の面積の10%を占め、
ステップ2)において、圧着されたアルミ導線の圧縮率が70%〜90%の間、より好ましくは75%〜85%の間にある。アルミ導線の圧縮率が70%より低いと、アルミ導線が細糸に圧着され、耐えられる引張力が小さくなり、端子とアルミ導線との機械性能の不足を招致し、且つ、アルミ導線が圧密されると、半田がアルミ導線のスリットに入り難くなり、半田の端子とアルミ導線に対する切り離し作用を減少させ、圧縮率が90%より高いと、アルミ導線と銅端子との間の隙間が大きすぎて、接触が不十分になり、アルミ導線と銅端子との継手の機械性能及び電気性能の不足を招致する。
ステップ3)において、前記プラズマ溶接の溶接電流は5A〜100Aの間、より好ましくは20A〜80Aの間にあり、
ステップ3)において、電離ガスの流量は1〜5L/minであり、保護ガスの流量は3〜12L/minであり、より好ましくは、電離ガスの流量は2〜3L/minであり、保護ガスの流量は5〜10L/minであり、
ステップ3)において、前記プラズマ溶接の溶接ガンと銅端子との軸方向の夾角が45°より小さく、より好ましくは20°より小さく、
ステップ3)において、前記銅端子とアルミ導線との継手に対してプラズマ溶接を行った後、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの3%〜100%を占め、より好ましくは、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの30%〜100%を占め、実験の証明によって、溶込み深さの全体のコネクタの長さに占める比例が多いほど、コネクタの力学性能と電気性能がより優れて、熔接深さの全体のコネクタの長さに占める比例が3%より低いと、コネクタの力学性能及び電気性能が著しく低減する。
1、本発明は初めてプラズマアーク溶接と半田を結合して、遷移溶接層を形成することを、銅端子とアルミ導線との継手の製造に適用し、銅端子とアルミ導線との継手の機械性能及び電気性能を強化させた上に、銅端子とアルミ導線のコアとが直接的に接触することによる電気化学腐食を効果的に避け、遷移溶接層によって、銅とアルミとの間の電位差を減少させ、銅端子とアルミ導線との継手の寿命を向上させる。
図1及び図8に示すように、前記銅端子1はコネクタ1.2、及びその後端の機能部品1.1を含む。
実施例1と比べると、以下の相違点があり、即ち、前記継手は強化溶接層を具備していない。
実施例1と比べると、以下の相違点があり、即ち、図10に示すように、前記銅端子のコネクタの形状は扁平状であり、前記アルミ導線は治具または金型によって、事前に銅端子に圧着され、プラズマアーク溶接によって、半田を銅端子とアルミ導線との間に溶融させ、毛細管作用によって銅端子とアルミ導線との隙間に充填することで、遷移溶接層を形成する。
実施例1と比べると、以下の相違点があり、即ち、
図5に示すように、前記銅端子の表面にはさらにメッキ層5が含まれ、
好ましくは、前記メッキ層の厚さが3μm〜5000μmであり、より好ましくは、前記メッキ層の厚さが5μm〜1000μmであり、
好ましくは、前記メッキ層は電気メッキ、電磁溶接、アーク式溶射または圧接という方式で銅端子に付着され、
前記電気メッキ方法のステップは以下の通り、即ち、1、メッキ層金属が陽極にあり、2、メッキ対象である物質が陰極にあり、3、陰極陽極がメッキされた金属の陽イオンからなる電解液に接続され、4、直流電の電源が入ると、陽極の金属が酸化され(電子を喪失する)、溶液における陽イオンが陰極で (電子を得る)原子に還元されるとともに陰極の表層に蓄積される。
実施例1と比べると、図6に示すように、以下の相違点があり、即ち、前記アルミ導線は中実導線である。
図1に示すように、本発明の銅端子1は機能部品1.1、及び機能部品に接続されるコネクタ1.2を有する。本実施例において、コネクタは翼状であり、その端面がU字型構成である。
図3に示すように、アルミ導線から絶縁層を剥離し、銅端子の翼型コネクタに入れて、圧着金型によって、アルミ導線を銅端子の翼型コネクタに圧着させ、前記圧着領域の面積は少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域面積の1%を占め、好ましくは、前記銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積は少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域の面積の10%を占める。
溶接過程において、溶接温度の中心領域は400℃〜550℃に達して、半田を溶融さぜ、まず強化溶接層4を形成してから、溶接過程を続いて、半田を銅端子とアルミ導線との隙間に充填させることで、遷移溶接層3を形成し、銅端子とアルミ導線との継手の最終状態の縦断面図は図5に示され、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの3%〜100%を占め、より好ましくは、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの30%〜100%を占め、好ましくは、半田の溶込み深さは全体の圧着領域の長さの5%〜100%を占め、より好ましくは全体の圧着領域の35%〜100%を占める。
実施例6と比べると、以下の相違点があり、即ち、前記銅端子のコネクタの形状は扁平状、弧状構成であり、溶接するときに、まず半田を銅端子に運び、好ましくは、半田を銅端子のコネクタに運び、好ましくは、半田をアルミ導線と銅端子との圧着領域に運び、プラズマアーク溶接によって、半田を溶融させ、毛細管作用によって銅端子とアルミ導線との接続隙間に充填することで遷移溶接層を形成する。溶融した半田はただ銅端子のコネクタとアルミ導線との接続隙間に充填され、遷移溶接層を形成し、強化溶接領域を形成していない。
実施例6と比べると、以下の相違点があり、即ち、
1.アルミ導線から絶縁層を剥離してから、固体の薄層半田リングを絶縁層が剥離されたアルミ導線のコアに外嵌めて、そして、銅端子のコネクタを入れて、圧着する。
2.銅端子のコネクタは両端が開口された中空柱状の構成であり、その側面が閉鎖されまたは閉鎖されていない。
実施例6と比べると、以下の相違点があり、即ち、
アルミ導線から絶縁層を剥離してから、固体の薄層半田が少なくとも銅端子のコネクタとアルミ導線のコアとの接触部分を包み、そして、アルミ導線のコアを銅端子のコネクタ領域に入れて、圧着する。
同じ仕様と構成の銅端子とアルミ導線を利用して、以下の5つの方法で銅端子とアルミ導線との継手を製造し、方法のごとに10つのサンプルを製造し、合計50つのサンプルがある。
アルミ導線は直接的に金型によって銅端子に圧着される。
プラズマアーク溶接によって、銅端子とアルミ導線を直接的に溶接する。プラズマアーク溶接の溶接電流は40Aであり、電離ガスであるアルゴンガスの流量は2.5L/minであり、保護ガスであるアルゴンガスの流量は7.5L/minであり、プラズマ溶接の溶接ガンと銅端子との軸方向の夾角は15°である。
実施例6を参照し、アルミ導線は金型によって、銅端子に圧着され、そしてプラズマアーク溶接によって、圧着された銅端子とアルミ導線を溶接する。圧着された後、アルミ導線の圧縮率は80%であり、プラズマアーク溶接の溶接電流は40Aである。電離ガスであるアルゴンガスの流量は2.5L/minであり、保護ガスであるアルゴンガスの流量は7.5L/minであり、プラズマ溶接の溶接ガンの軸方向と銅端子の軸方向との夾角は15°である。
半田を銅端子のコネクタに運び、プラズマアーク溶接によって、銅端子とアルミ導線を溶接する。プラズマアーク溶接の溶接電流は40Aであり、
半田には90%の亜鉛と10%のアルミが含まれ、電離ガスであるアルゴンガスの流量は2.5L/minであり、保護ガスであるアルゴンガスの流量は7.5L/minであり、プラズマ溶接の溶接ガンと銅端子との軸方向の夾角は15°である。
アルミ導線は金型によって銅端子のコネクタに圧着される。半田を銅端子のコネクタに運び、プラズマアーク溶接によって、圧着された銅端子とアルミ導線をともに溶接する。プラズマアーク溶接の溶接電流は40Aであり、半田は90%の亜鉛と10%のアルミであり、圧着されてから、アルミ導線の圧縮率は80%であり、電離ガスであるアルゴンガスの流量は2.5L/minであり、保護ガスであるアルゴンガスの流量は7.5L/minであり、プラズマ溶接の溶接ガンと銅端子との軸方向の夾角は15°である。
溶接方法は実施例6を参照し、制御変数法を利用して、溶接電流は40Aであり、電離アルゴンガスの流量は3L/minであり、保護アルゴンガスの流量は8L/minであり、アルミ導線の圧縮率は80%であり、プラズマ溶接の溶接ガンと銅端子との軸方向の夾角は15°である。半田が異なる亜鉛基比例に応じて、実施例3の銅端子とアルミ導線との継手の製造方法で継手を製造する。製造された継手に対して、同じテスト方法で引抜き力と電圧降下のテストを行って、各種のサンプルについて100個を製造し、テストし、その平均を求める。テストの結果はテーブル2を参照すればよい。
異なるアルミ導線のコアの圧縮率の、銅端子とアルミ導線との継手性能に対する影響をテストするために、本実施例は制御変数法を利用して、実施例6の銅端子とアルミ導線との継手の製造方法でテーブル3に示される異なる継手を製造する。溶接電流は40Aであり、電離アルゴンガスの流量は3L/minであり、保護アルゴンガスの流量は8L/minであり、半田には90%の亜鉛と10%のアルミが含まれ、プラズマ溶接の溶接ガンと銅端子との軸方向の夾角は15°である。各方法による継手のサンプルは10個であり、テストし、その平均を求める。圧縮率及びテスト結果はテーブル3を参照すればよい。
異なる強化溶接層の厚さの、銅端子とアルミ導線との継手性能に対する影響を証明するために、17組の異なる強化溶接層の厚さのサンプルを製造し、各組のサンプルは10本であり、そして、銅端子とアルミ導線との継手の引抜き力及び電圧降下をテストし、各強化溶接層の厚さのテスト結果の平均をテーブルに記入し、詳細はテーブル4を参照すればよい。
溶込み深さの、銅端子とアルミ導線との継手の引抜き力及び電圧降下に対する影響を検証するために、44組の異なる溶込み深さの溶接サンプルを製造し、各組のサンプルは10本である。
銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積の、継手の引抜き力及び電圧降下に対する影響を検証するために、12組みの異なる圧着領域の面積の溶接サンプルを製造し、各組のサンプルは10本である。
1.1 ・・・機能部品;
1.2 ・・・コネクタ;
2 ・・・アルミ導線;
2.1 ・・・絶縁層;
2.2 ・・・アルミ芯線;
3 ・・・遷移溶接層;
4 ・・・強化溶接層;
5 ・・・端子メッキ層。
Claims (13)
- 銅端子とアルミ導線との継手であって、前記銅端子がコネクタ、及び銅端子のコネクタに接続される機能部品を含み、前記アルミ導線のコアが銅端子のコネクタに接続される銅端子とアルミ導線との継手において、
少なくとも前記アルミ導線のコアが遷移溶接層を介して銅端子のコネクタに接続されることを特徴とする銅端子とアルミ導線との継手。 - 前記銅端子とアルミ導線との継手は圧着領域を有し、前記圧着領域の面積は少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域面積の1%を占め、好ましくは、前記銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積は少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域の面積の10%を占めることを特徴とする請求項1に記載の銅端子とアルミ導線との継手。
- 前記遷移溶接層は半田から形成され、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの3%〜100%を占め、好ましくは、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの30%〜100%を占めることを特徴とする請求項1に記載の銅端子とアルミ導線との継手。
- 前記遷移溶接層は半田から形成され、前記半田の溶込み深さが全体の圧着領域の長さの5%〜100%を占め、好ましくは、前記半田の溶込み深さが全体の圧着領域の長さの35%〜100%を占めることを特徴とする請求項2に記載の銅端子とアルミ導線との継手。
- 前記半田の金属材質は融点がアルミの以下である金属または合金であり、好ましくは、前記半田の金属材質には亜鉛が含まれ、より好ましくは、前記亜鉛が半田の総重量の30%以上を占め、より好ましくは、前記亜鉛が半田の総重量の60%以上を占めることを特徴とする請求項3または4に記載の銅端子とアルミ導線との継手。
- 前記銅端子とアルミ導線との継手はさらに強化溶接層を有し、
好ましくは、前記強化溶接層はアルミ導線のコアの端面を覆い、
好ましくは、前記強化溶接層の厚さが0〜15mmであり、より好ましくは、前記強化溶接層の厚さが1.5〜5.5mmであることを特徴とする請求項1に記載の銅端子とアルミ導線との継手。 - 前記銅端子の材質は銅または銅合金であり、
好ましくは、前記銅端子のコネクタ形状は扁平状、弧状または両端が開口された中空柱状であり、中空柱状体の側面が閉鎖されまたは閉鎖されていないことを特徴とする請求項1に記載の銅端子とアルミ導線との継手。 - 前記銅端子の表面にはさらにメッキ層が含まれ、
好ましくは、前記メッキ層の厚さが3μm〜5000μmであり、より好ましくは、前記メッキ層の厚さは5μm〜1000μmであり、
好ましくは、前記メッキ層は電気メッキ、電磁溶接、アーク式溶射または圧接という方式で銅端子に付着され、
好ましくは、前記メッキ層の金属材質はクロムまたはクロム合金、亜鉛または亜鉛合金、錫または錫合金、チタンまたはチタン合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金、ニッケルまたはニッケル合金、銀または銀合金、金または金合金のうちの一つまたは複数の金属の組み合せであり、
より好ましくは、前記メッキ層の金属材質は亜鉛または亜鉛合金、錫または錫合金、ニッケルまたはニッケル合金のうちの一つまたは複数の金属の組み合せであることを特徴とする請求項1に記載の銅端子とアルミ導線との継手。 - 前記アルミ導線のコアの材質はアルミまたはアルミ合金であり、好ましくは、前記アルミ導線は中実導線または多芯導線であることを特徴とする請求項1に記載の銅端子とアルミ導線との継手。
- 請求項1〜9のいずれかの1項に記載の銅端子とアルミ導線との継手を製造するプラズマ溶接方法であって、以下のステップを含み、即ち、
1)アルミ導線のコアと銅端子のコネクタを組み合わせ、
2)アルミ導線のコアと銅端子のコネクタとを圧着によって押し付けることで、圧着領域を形成し、
3)半田を銅端子に運び、好ましくは、半田を銅端子のコネクタに運び、好ましくは、半田をアルミ導線と銅端子との圧着領域に運び、プラズマアーク溶接によって溶接し、半田を溶融させ、毛細管作用によって銅端子とアルミ導線との接続隙間に充填させることで遷移溶接層を形成することを特徴とする方法。 - 請求項1〜9のいずれかの1項に記載の銅端子とアルミ導線との継手を製造するプラズマ溶接方法であって、以下のステップを含み、即ち、
1)半田がアルミ導線のコア、または少なくとも銅端子のコネクタとアルミ導線のコアとの接続部分を包み、アルミ導線のコアと銅端子のコネクタを組み合わせ、
2)アルミ導線のコア、半田、及び銅端子のコネクタを圧着によって押し付けることで、圧着領域を形成し、
3)プラズマアーク溶接によって溶接し、半田を銅端子とアルミ導線との間に溶融させ、毛細管作用によって銅端子とアルミ導線との隙間に充填させることで、遷移溶接層を形成することを特徴とする方法。 - ステップ3)において、プラズマアーク溶接によって溶接し、半田を溶融させ、まず強化溶接層を形成してから、溶接過程を続いて、半田を銅端子とアルミ導線との隙間に充填させることで、遷移溶接層を形成し、
好ましくは、前記強化溶接層の厚さが0〜15mmであり、より好ましくは、前記強化溶接層の厚さが1.5〜5.5mmであることを特徴とする請求項10または11に記載の方法。 - ステップ2)において、前記銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積が少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域の面積の1%を占め、好ましくは、前記銅端子とアルミ導線との継手の圧着領域の面積は少なくともアルミ導線と銅端子との重畳領域の面積の10%を占め、
好ましくは、ステップ2)において、前記銅端子とアルミ導線との継手が圧着された後、アルミ導線のコアの圧縮率が70%〜90%の間にあり、より好ましくは、圧着されたアルミ導線のコアの圧縮率が75%〜85%の間にあり、
好ましくは、ステップ3)において、前記プラズマ溶接の電離と保護のガスは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガスまたはキセノンガスであり、より好ましくは、前記プラズマ溶接の電離と保護のガスはアルゴンガスであり、
好ましくは、ステップ3)において、前記プラズマ溶接の溶接電流は5A〜100Aの間にあり、より好ましくは、前記プラズマ溶接の溶接電流は20A〜80Aの間にあり、
好ましくは、ステップ3)において、前記プラズマ溶接の電離ガスの流量は1〜5L/minであり、保護ガスの流量は3〜12L/minであり、より好ましくは、電離ガスの流量は2〜3L/minであり、保護ガスの流量は5〜10L/minであり、
好ましくは、ステップ3)において、前記プラズマ溶接の溶接ガンの軸方向と銅端子の軸方向との夾角が45°より小さく、より好ましくは20°より小さく、
好ましくは、ステップ3)において、前記銅端子とアルミ導線との継手に対してプラズマ溶接を行った後、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの3%〜100%を占め、より好ましくは、前記半田の溶込み深さが銅端子のコネクタの長さの30%〜100%を占め、
好ましくは、ステップ3)において、前記銅端子とアルミ導線との継手に対してプラズマ溶接を行った後、前記半田の溶込み深さが全体の圧着領域の長さの5%〜100%を占め、より好ましくは、前記半田の溶込み深さが全体の圧着領域の長さの35%〜100%を占め、
好ましくは、ステップ3)において、前記半田の金属材質は融点がアルミの以下である金属または合金であり、より好ましくは、前記半田の金属材質には亜鉛が含まれ、より好ましくは、前記亜鉛が半田の総重量の30%以上を占め、より好ましくは、前記亜鉛が半田の総重量の60%以上を占めることを特徴とする請求項10または11に記載の方法。
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