JP4397395B2 - 絶縁被覆線の接合方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁被覆を有する複数の金属線どうし、またはこれらと板材を絶縁被覆を剥離することなく高品質、高効率に接合する絶縁被覆線の接合方法及び接合装置に関する。

従来、絶縁被覆を有する複数の金属線同士を接合する場合、種々の方法が提案されている。例えば、絶縁皮膜を化学的、機械的に剥離した後、はんだ付け、あるいはレーザ、ＴＩＧ等で溶融する方法がとられている。又、抵抗溶接機を用いて絶縁被覆線を加熱、炭化、除去して接合する方法もとられている。無剥離で接合する方法の一つとして、摩擦攪拌を用いる方法が提示されている。摩擦攪拌接合による被覆金属線の利点の一つは金属線の種類によらず、ブローホール等の欠陥のない接合が得られることにある。銅系の絶縁被覆線の場合、酸素の含有量の多い銅線では、レーザ、ＴＩＧなどの溶融接合方法をとった場合にはブローホールが多く発生し、信頼性の高い接合は得られないことがある。また、被覆金属線を無剥離で溶融接合すると、被覆が有機物で酸素、水素を含有することから巨大なブローホールが多数発生し、実用に供することが不可能であった。摩擦攪拌接合は、塑性流動を用いた接合であり、ブローホールなどの材料欠陥を少なくすることが可能である。摩擦攪拌を用いた被覆線材の接合方法として、次の技術がある。特開２００３−７１５７６には被覆材を固定材の中に挿入し、被覆線に対して側面方向より摩擦攪拌接合してターミナルを形成する方法が開示されている。又、特開２００３−１２６９７２には複数の金属線を接着剤等で一体化後、摩擦攪拌接合する方法が開示されている。これらの特徴は特に耐熱性の高い絶縁被覆を有する金属線を、絶縁被覆の剥離作業なしに接合できるところにある。又、摩擦攪拌接合するための固定、拘束を確実に実施するために金属線の側面より接合することが特徴となっている。
特開２００３−７１５７６ 特開２００３−１２６９７２

側面方向からの接合においては、被覆金属線と摩擦攪拌接合のツールとの距離を相対的に一定に保つように整列させる必要があった。固定材に挿入固定する場合には整列が容易であるが挿入が困難なことが多く、接着材で固定する場合には固定後の形状の制御が困難であるという問題があった。又、整列させた金属線同士を側面から接合するにはツールを金属線と直角の方向に線移動させる必要があった。さらに側面方向からの接合においては接合部内に分散される絶縁被覆量の割合が大きくなり、接合部の抵抗が大きくなるという欠点を有していた。
複数の被覆金属線同士を無剥離で安定に接合するには、金属線同士を密着させて金属線の側面より金属線を固定拘束し、端面からツールを挿入して摩擦攪拌接合をする。
摩擦攪拌接合は、ピン部とこのピン部より太いショルダー部からなる回転ツールの回転作用により接合材を攪拌して接合する方法である。ピン部が材料を攪拌し、ショルダーは攪拌された材料をツール外にあふれ出させずにツール内に閉じ込める作用をする。複数の部材を摩擦攪拌接合する場合、部材間の隙間が大きいと接合部に巣状の欠陥が生じる。このため、密着性を上げることが信頼性の高い接合を得るための要件となる。又、摩擦攪拌接合は回転するピン部を接合材に挿入して攪拌するときに、攪拌された金属がツール外に押し出されないため、回転ツールを接合材に強固な力で押付ける必要がある。
複数の被覆金属線の端面からの接合は、側面から治具を用いて強固な力で固定し、金属線同士の隙間を小さくするとともに、回転ツールの押付け力を側面の拘束治具で受けて接合することにより達成される。側面からの金属線への押し圧力を大きくし、圧着成形をすればより隙間のない好ましい密着を得ることができる。また、圧着成形後、切断加工を施し、最も密着性の良い断面を端部とすることでより信頼性の高い接合を得ることができる。さらに圧着成形をする際に端面より押し圧力を加え、金属線端面の断面積を大きくするように成形加工すれば、信頼性はさらに大きく向上する。
成形加工においては被覆金属線を隙間無く密着させるよう成形することが好ましい。例えば端部を圧縮成形して複数の被覆金属線を略円、楕円、多角形状に成形して後に摩擦攪拌をすれば、信頼性の高い接合が得られる。また、摩擦攪拌される領域を大きくするために端部側よりの圧縮成形を加え端部を略釘状に成形すれば、摩擦攪拌する領域を増大することができ、接合強度が向上し、信頼性を向上することが可能となる。この成形工程は一回の工程でする必要はなく、摩擦攪拌に適する形状に成形するために複数の成形工程を設定しても良い。また、摩擦攪拌に好適な形状に成形するために、加圧成形後、切断工程を入れて最も密着性が良い断面を端部の摩擦攪拌面とするとより信頼性の高い接合が得られる。
上記のように、治具にて金属線の側面を拘束または成形して端面を摩擦攪拌接合すれば、信頼性の高い接合が得られるが、金属線の側面部周囲に固定材を設置して接合することも可能である。リング状の固定金属材に複数の金属線を挿入後、かしめするなどして隙間をなくしても良いし、板状の金属板で複数の金属線を巻いてかしめしても良い。リング又は板状の固定材を設置して金属線の端面を摩擦攪拌接合する場合には、固定材の回転ツールが挿入される反対側の端面に治具を設置して回転ツールの押し圧力の受けとすることができる。リング状、板状の固定材については、金属線と同類の材質であることが必要である。特に融点については金属線の融点より極端に高い融点の材料は選定しないほうが好ましい。
本発明の摩擦攪拌接合では回転ツールのショルダ径とピン径を適正化することにより回転ツールを隣接する金属線の方向へ移動させず、金属線の端面方向への移動だけで接合することが可能となる。金属線の治具等による拘束の仕方により隣接する金属線方向への移動を必要とする場合もあるが、移動距離は最小化できる。このため、本発明の摩擦攪拌接合を実施する装置においては、構造を簡略化することができる。接合装置は、複数の金属線を側面部より一工程又は多数工程により成形拘束する拘束装置と回転ツールに回転と金属線の端面方向への相対移動を付与する駆動部、及び制御部から構成されるが、駆動部については隣接する金属線方向への移動機能を付加しても良い。
被覆金属線同士を摩擦攪拌接合で接合する場合、被覆は機械的に破壊されて攪拌部に分散し、かつ熱的に分解されるため金属線同士の接合ができる。被覆金属線の被覆には、多種類の材料があり、それぞれに耐熱性が異なる。最も耐熱性の良い被覆はポリイミド系の被覆である。本発明の接合方法は被覆の種類によらずに無剥離での接合が可能であるが、特に耐熱性の高い銅被覆線の接合に好適である。被覆線の接合には一般に電気的導通を得るために実施されるので、接合部内に分散される被覆は量的に少ないほうが好ましい。本発明の接合は、被覆が存在しない端面を接合することで、分散される被覆を最小限にしたものである。特に接合部の導電率が小さいことを要求される場合の接合として好適である。

第１図は、本発明の実施例を示す斜視図である。
第２図は、本発明の実施例のプロセスを示す断面図と接合後の外観の斜視図である。
第３図は、本発明の実施例のプロセスを示す断面図と各プロセスにおける外観の斜視図である。
第４図は、本発明の実施例のプロセスを示す断面図と各プロセスにおける外観の斜視図である。
第５図は、本発明の実施例のプロセスを示す断面図と各プロセスにおける外観の斜視図である。
第６図は、本発明の実施例のプロセスを示す断面図と接合部の外観図である
第７図は、本発明の実施例のプロセスを示す断面図と接合部の外観図である
第８図は、本発明の接合方法を適用した車両用交流発電機の外観、断面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
第１図は複数の被覆金属線同士を摩擦攪拌接合によって接合する実施例を示す図である。φ１．６のポリアミド系エナメル被覆線（ＡＩＷ線）２本（１ａ、１ｂ）を一対の拘束治具５ａ、５ｂでクランプし、２本のＡＩＷ線の接触部を回転ツール４で摩擦攪拌接合した。回転ツール４はピン部２とピン部より大きな径を有するショルダ部３からなっている。回転ツール４は回転軸を通して回転駆動モータに連結されている。ピン部の直径を０．８ｍｍ、長さを１．２ｍｍとし、ショルダ部の直径を１．６ｍｍとした。回転ツール４を１００００ｒｐｍで回転し、ＡＩＷ線の端部方向よりショルダ部３がＡＩＷ線端部に食い込む位置になるまで移動した。移動完了後、１ｓ摩擦攪拌をして接合を完了させた。
第２図は上記のプロセスを表した断面図と接合後の外観の斜視図である。エナメル被覆は摩擦攪拌により炭化して破砕され、接合部６内に分散する。接合部６の抵抗はほぼエナメル線の芯線の銅と同じ抵抗値となることが確認された。なお、芯線の銅はタフピッチ銅である。接合後、接合部の断面を切断研磨して観察した。ブローホール等の欠陥は認められず、良好な接合部が得られた。
拘束治具形状を第３図に示す７ａ、７ｂのものとし、２本のＡＩＷ線（１ａ、１ｂ）の摩擦攪拌接合をした。第３図は拘束治具形状をＡＩＷ線の端面方向よりみた形状とＡＩＷ線の状態を示したものである。成形治具７ａ、７ｂによりＡＩＷ線の端部を略６角形状に塑性変形させて接合部をあらかじめ密着させている。これにより密着部の面積を増大させることができ、また、実質的に摩擦攪拌できる領域を増大することができる。ここで、２本のＡＩＷ線は実施例１と同様のφ１．６のものである。成形治具７ａ、７ｂとしては密着部の長さが約２．２ｍｍとなる形状のものを用いた。摩擦攪拌に用いた回転ツールのピン径は１ｍｍ、ピン長さ１．５ｍｍ、ショルダ径は２ｍｍである。ツールの回転数を８０００ｒｐｍとして摩擦攪拌を実施し接合部９を得た。摩擦攪拌後の接合部９の断面を切断、研磨して観察した結果、欠陥のない良好な接合部が得られることを確認した。
φ１．６のポリアミド系エナメル被覆線（ＡＩＷ線）２本（１ａ、１ｂ）を摩擦攪拌接合した。第４図に接合プロセスとＡＩＷ線の外観の変化を示す。まず、２本のＡＩＷ線１ａ、１ｂの側面部を圧縮成形し、その後、最密着部が端面となるよう端部を切断した。密着部の長さが約２．２ｍｍとなる圧縮成形型（１０ａ、１０ｂ）を用いた。切断治具１１を退避させた後、回転ツール１２をＡＩＷ線の端部に挿入して摩擦攪拌接合を実施した。ツールの形状は実施例２と同様である。又、回転数も実施例２と同様とした。良好な接合部１３が得られた。
φ１．６のポリアミド系エナメル被覆線（ＡＩＷ線）２本（１ａ、１ｂ）を摩擦攪拌接合した。第５図に接合プロセスとＡＩＷ線の外観の変化を示す。まず、２本のＡＩＷ線の側面部を成形治具１４ａ、１４ｂを用いて圧縮成形し、その後、成形治具１５を用いて端部を断面積が大きくなるように成形した。成形後の端部の断面を約２．２ｍｍ×３ｍｍの楕円状となるようにした。成形治具１５を退避させた後、回転ツール１６をＡＩＷ線の端部に挿入して摩擦攪拌接合を実施した。ツールの形状は実施例２と同様である。又、回転数も実施例２と同様とした。良好な接合部１７が得られた。
φ１．６のポリアミド系エナメル被覆線（ＡＩＷ線）１を８本、摩擦攪拌により接合した。第６図は接合プロセスを示した図である。８本のＡＩＷ線を銅製のリング１８に挿入した。リング１８の肉厚は１ｍｍ、内径は６ｍｍである。その後、リング１８を成形治具２２ａ、２２ｂにより加圧成形して長径約６ｍｍ、短径約３ｍｍの略楕円状にした。このリング１８の端部に回転ツール２０を挿入して摩擦攪拌した。回転ツールのピン径、長さはそれぞれ１．３ｍｍ、２ｍｍであり、ショルダ径は２．６ｍｍである。回転数は６０００ｒｐｍとした。端部の形状が略楕円状であるため、摩擦攪拌を２回実施してＡＩＷ線１ａ、１ｂとリング１８との接合を完了した。接合部２１ａ、２１ｂの断面を観察した結果、リングと８本のＡＩＷ線が一体となっていることを確認した。各々のＡＩＷ線間、及びリングの導通も良好であることを確認した。
実施例４において、摩擦攪拌する際に回転ツール２０を回転、挿入した後、楕円形状の長径方向に移動させた。移動速度は１０ｍｍ／ｓｅｃであり、移動距離は６ｍｍである。略楕円状の接合外観が得られた。接合状態及び導通状態は実施例４と同様であった。
実施例４のリングの加圧成形時の治具形状を第７図に示す形状（２２ａ、２２ｂ）として、摩擦攪拌した。加圧成形後のＡＩＷ線同士がより密着し、成形後の各々のＡＩＷ線の形状がほぼ均一となるよう成形治具の形状を波型としたもので、各ＡＩＷ線に成形時に負荷される力が均等となることにより、密着性が向上した。第７図に示す形状に加圧成形した端部を摩擦攪拌したところ、良好な接合部２３ａ、２３ｂが得られた。
第８図は車両用交流発電機２４のステータコア２７に本発明の摩擦攪拌接合を適用した例である。ステータコア２７はスロットが形成された鉄製のコア２６にＡＩＷ線で形成されたコイル２５から構成されている。発電機の出力効率を上げるにはコアのスロットに挿入されているＡＩＷ線のスロット内での隙間をできるだけ少なくすることが良い。このため、本実施例においては、ＡＩＷ線として平角線２８を用いている。なお、ＡＩＷ線の芯線の材料はタフピッチ銅である。コア２６にはスロットが９０箇所設けてある。通常のＡＩＷの丸線を用いた場合には巻線をしてコイル２５を形成することができるが、平角線では巻線が困難なため、折り曲げた平角線をスロットに挿入して他のスロットに挿入した平角線の端部と接合することにより、コイルを形成する必要がある。各スロットには２対の平角線を挿入し、他のスロットに挿入の平角線と接合した。平角線は１．６×２ｍｍの断面形状を有するものである。平角線を挿入、整列後、接合する端部を加圧成形して約１．８ｍｍ角の形状にした。各々の接合部を摩擦攪拌接合した。回転ツールはピン径０．９ｍｍ、ピン長さ１．４ｍｍ、ショルダ径１．８ｍｍである。回転数８０００ｒｐｍにて端部に回転ツールを挿入して摩擦攪拌接合をした。接合箇所は１８０箇所である。その後、コイルのもう一方の端部において、ＡＩＷ線７本を摩擦攪拌で接合した。この場合には、四角形のリング（内周側寸法４ｍｍ×７ｍｍ、板厚１ｍｍ、銅製）にＡＩＷ線を挿入して加締め、リングとＡＩＷ線同士の隙間をなくしてから摩擦攪拌した。回転ツールは、ピン径２．５ｍｍ、ピン長さ３．８ｍｍ、ショルダ径５ｍｍであり、５０００ｒｐｍで摩擦攪拌した。このようにして製造したステータコアを用い、車両用交流発電機を製作した。ステータコアの出力線のターミナルへの接合にも摩擦攪拌接合を用いた。ターミナルにて出力線をかしめ、加圧成形後ターミナルと出力線端部を摩擦攪拌接合した。所定の出力が得られることを確認した。
ハイブリッド電気自動車用モータのステータコアにおいて、コイルの製作に摩擦攪拌接合を用いた。コイルはφ０．８のタフピッチ銅を芯線とするＡＩＷ線よりなり、コアに巻線後、出力線同士を６箇所接合した。各々の接合部における接合本数は６本である。内径２．５ｍｍ、外径４．５ｍｍのリングに６本のＡＩＷ線を挿入し、外周形状が約３．５ｍｍ×４ｍｍになるよう加圧成形した。ピン径１．５ｍｍ、ピン長さ２．３ｍｍ、ショルダ径３ｍｍの回転ツールを用いてＡＩＷ線の端部を摩擦攪拌接合した。接合時の回転ツールの回転数は６０００ｒｐｍである。又、中性線の接合を同様の方法で実施した。ＡＩＷ線の接合本数は２１本である。内径５ｍｍ、外径７ｍｍの銅製リングにＡＩＷ線を挿入して加圧成形し、外周形状が約４．５ｍｍ×６ｍｍの形状にした。ビン径２．３ｍｍ、ピン長さ３．５ｍｍ、ショルダ径４．６ｍｍの回転ツールを用いて加圧成形したリングとＡＩＷ線の端部を摩擦攪拌接合した。ツール回転数は４０００ｒｐｍとし、リングの長手方向にツールを５ｍｍ／ｓｅｃで移動させて接合した。このようにして作製したコイルを用いて、モータを作製したところ、目的とした出力が得られた。

上述するように、本発明の摩擦攪拌接合を用いて絶縁被覆線を接合すれば絶縁被覆を剥離することなく被覆線同士の接合が可能となる。特に酸素含有量の多い銅材料を芯線に用いた場合には、信頼性の高い接合を得ることが可能となる。

Claims (4)

1. 絶縁被覆を有する複数の金属線同士を接合する接合方法において、
   金属線同士を束ね、端部を押圧成形して一体化し、その後金属線の端面をピン部と前記ピン部より太いショルダ部からなる回転ツールの回転作用と金属線の相対移動によって摩擦攪拌接合することを特徴とする絶縁被覆線の接合方法。
2. 絶縁被覆を有する複数の金属線同士を接合する接合方法において、
   金属線同士を束ね、端部を端部断面積が大きくなるように押圧成形して一体化し、その後金属線の端面をピン部と前記ピン部より太いショルダ部からなる回転ツールの回転作用と金属線の相対移動によって摩擦攪拌接合することを特徴とする絶縁被覆線の接合方法。
3. 絶縁被覆を有する複数の金属線の端部を押圧拘束し、略円状に密着させる拘束装置と、ピン部と前記ピン部より太いショルダ部からなる回転ツールを保持する装置と、回転ツールが該金属線の端面方向に相対的に移動する装置とを備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 請求の範囲第３項において、
   端部拘束装置に加圧成形装置が付加されたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

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