CN107104292A - 一种铜端子与铝导线的接头及其电阻焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于线束领域，具体涉及一种铜端子和铝导线之间的电阻焊接结构和方法。为了解决现有技术中，铜端子和铝导线之间焊接的电化学腐蚀和焊接接头力学性能差的问题，本发明在铜端子和铝导线之间加一个间隔金属层，先将间隔金属层通过电镀、压焊、电弧喷焊或者电磁焊等方式固定在其中一个母材的焊接端，然后再通过电阻焊的方式将三部分焊接在一起。本发明的电阻焊接方法不仅适合铜端子和铝导线的焊接，而且适合各种类型的接头焊接，可以有效降低铜与铝电极电位差所带来的电化学腐蚀，提高接头的力学性能。

Description

一种铜端子与铝导线的接头及其电阻焊接方法

技术领域

本发明属于线束领域，具体涉及一种线束中铜端子和铝导线连接的接头及其电阻焊接的方法。

背景技术

线束领域中，目前90％的线束都在使用铜导线，因为铜导线具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和机械强度。然而，随着铜的价格升高，人们开始寻找铜的替代品来降低成本。铝价格相对较低，且同样具有优良的导电性、导热和塑性加工性，并且，在导通相同电流的情况下，铝导线的重量约为铜导线的三分之一，因此，在传统汽车降重减排，以及新能源车要求降低车辆重量的前提下，以铝代铜是线束领域发展的主要趋势。

由于铝的材质硬度低，且易受到酸碱腐蚀，因此在与汽车用电装置连接的时候，还是要选用铜端子；目前铝导线的推广主要是要解决铜端子与铝导线连接的问题。而且，由于铜跟铝属于不同的元素，铜的金属惰性要大于铝，铜与铝之间的电极电位差为1.9997V，这两种金属连接通电后会发生电化学反应，导致铝导线逐渐被氧化，降低铝导线的机械强度和导电性能，减少铜端子和铝导线接头的使用寿命。

现有线束常用连接技术中，端子和导线的连接方式主要以压接为主，即导线的导芯放入端子的连接件中，使用端子压接模具将端子和导线采用机械的方式压接在一起。然而，对于铜端子和铝导线这种组合，传统的压接方法无法解决铝导线和铜端子随着时间的推移所发生的电化学反应，无法解决因而导致的铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能下降的问题。因而无法在工业生产中得到应用。

现有的电阻焊接技术，基本上都是建立在同种金属的焊接上，大多是钢材钣金件的焊接，而异种金属使用电阻焊技术最多的是在空调中的铜铝管的电阻焊接，例如实用新型专利CN203147094U，描述了铜铝管电阻焊接头，是将铜管缩口插入到铝管中，再通过电阻焊的方式，将铜铝焊接在一起，此方法只适用管类的焊接，并且，没有解决铜铝之间的电位腐蚀问题，当焊接接头接触空气和水的时候，就会使铝管发生腐蚀，降低焊接部位的使用寿命；发明专利CN104384698A,描述了一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，是通过在焊接区域施加磁场和超声波振动，活化金属晶粒，加强焊接效果，但是增加的磁场和超声波振动源，成本显著增加，稳定性显著降低，根本不利于推广使用，而且也没有解决铜铝之间的电位腐蚀问题。

综上，现有技术中，没有一种焊接方式能够制备出满足线束使用的多种形状的铜端子和铝导线接头的力学性能要求与电学性能要求。因此，一种低成本的，能够制备出满足线束使用要求的铜端子和铝导线接头的方法急待推出。

发明内容

本发明目的在于提供一种铜端子与铝导线的接头及其电阻焊接的方法。

本发明目的还在于提供一种减少铜端子和铝导线间电极电位差的接头及其电阻焊接方法，该结构和焊接方法有利于减少或避免铜端子与铝导线的接头的电化学腐蚀，显著提高接头的使用寿命。

本发明目的还在于提供一种能有效提升铜端子与铝导线接头的力学性能的结构及其焊接方法，相比于现有技术，可以使铜端子和铝导线接头在盐雾实验后的拉拔力提升至少20％。

本发明的目的还在于提供一种能有效降低成本的铜端子与铝导线的接头和焊接方法，其可以使成本降低20％。

本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

本发明提供了一种铜端子和铝导线的接头，所述的铜端子含有连接件，以及与连接件相连的功能件，所述的铝导线的导芯跟铜端子的连接件相连，其特征在于，所述的铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接。

本发明中，所述的铜端子可以为扁平端子、开口端子、圆筒端子，或者是实心铜导线的一端。所述的铜端子包含有连接件，以及与连接件相连的功能件，其中，所述的连接件为铜端子与铝导线连接的部件；扁平铜端子的连接件为扁平状，开口端子的连接件为翼状，圆筒端子的连接件为圆筒状；其中，所述的功能件为铜端子与用电装置相连接的固定区域，是线缆末端安装固定，以及实现铜端子和用电装置电气连接的主要区域。实心铜导线的连接件和功能件结构上无区别，只是连接件与铝导线相连，功能件部分与用电装置或其他端子相连接。

本发明中，所述的铝导线可以为实心铝导线或者是多芯铝导线。

本发明中，所述铝导线的导芯材质为铝或者铝合金，所述的铜端子的材质为铜或者铜合金。

本发明中，所述的铜端子和铝导线的接头具有焊接区域，所述的焊接区域面积至少为所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的1％；优选地，所述的铝导线与铜端子的焊接区域面积至少为所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的10％。

本发明中，所述间隔金属层的厚度是3μm到5000μm。作为优选的实施方式，间隔金属层的厚度为5μm到1000μm之间。如果间隔金属层的厚度小于3μm，电阻焊接时铜端子和铝导线通电生热，间隔金属层太薄容易被破坏，从而使铜铝接触导致间隔金属层没有起到间隔两种金属的作用；当间隔金属层的厚度大于5000μm，由于大部分间隔金属层的材质导电性不如铜铝金属，厚度大导致焊接接头的电压降升高；另外，间隔金属的用量会增大，成本增加，但性能没有明显提升。一般来说，当采用电镀、电弧喷涂的方式固定间隔金属层，间隔金属层的厚度可以达到3μm到1000μm；当采用电磁焊或压焊的方式，间隔金属层的厚度可以达到1000μm到5000μm；因此本发明中的间隔金属层的厚度设置在3μm到5000μm范围内。

本发明中，所述的间隔金属层材质的电极电位介于铜和铝的电极电位之间，或者是与铜或铝的电极电位相等，作为优选的实施方式，本发明中间隔金属层的材质选自镍、镉、锆、铬、锰、铝、锡、钛、锌、钴中的一种或其组合，更为优选的是铝、镍或锌一种或其组合。

除了电极电位介于铜和铝的电极电位之间(包含相等的情况)的金属可以作为本发明的间隔金属层，金或者银或其组合也可以作为间隔金属层，因为金、银的导电性好，而且化学特性稳定。

以上描述的间隔金属材质的组合，既包含间隔金属层材质为合金组成，也包括采用多层涂覆的形式形成间隔金属层，还包含不同金属材质用物理或化学方法混合形成的不同金属成份的间隔金属层。

本发明还提供了一种铜端子和铝导线接头的电阻焊接方法，具体地，包括以下步骤：

1)将间隔金属层通过电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊的方式，固定在待焊接的铜端子或者铝导线的至少包含焊接区域的位置；优选地，将间隔金属层通过电镀的方式固定在待焊接的铜端子或铝导线的至少包含焊接区域的位置；

2)将所述铜端子与铝导线接合，固定在电阻焊接设备的模具或工装上；

3)启动电阻焊接设备，电阻焊接设备产生电流经过电极，电极施加电流和压力到铜端子、铝导线及间隔金属层上，利用电阻热效应将焊接区域加热到熔融状态，并在压力的作用下完成焊接。

本发明将间隔金属层附在铜端子或者铝导线时，可以采用电镀、电磁焊、电弧喷涂、压焊或者其他可以使间隔金属层稳定的固定在其中一种母材上的其他现有技术。

所述的电镀的方法，其步骤是：1、镀层金属在阳极；2、待镀物质在阴极；3、阴阳极与镀层金属阳离子组成的电解质溶液相连；4、通以直流电的电源后，阳极的金属会氧化(失去电子)，溶液中的阳离子则在阴极还原(得到电子)成原子并积聚在待镀物质表层。

所述的电磁焊的方法，其步骤是：1、将需压焊的两种金属叠放；2、电磁焊设备在焊接区域形成高压磁场，使两种金属在电磁力的推动下发生原子能级的撞击，从而使两种金属焊接在一起。

所述的电弧喷涂的方法，是将间隔金属输送至电弧区域并雾化，并在压缩气体的作用下高速喷涂到工件表面，形成电弧喷涂层。

所述的压焊的方法，其步骤是：1、将需压焊的两种金属叠放；2、施加压力使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合；3、视金属不同和压力源不同，可以通过增加温度的方法提高焊接效果，缩短焊接时间。

作为优选的方式，采用电镀的方法。1、电镀技术比较成熟，从加工成本和时间成本考虑比较有优势；2、电镀的镀层一般比较薄，从间隔金属的用量与成本上比较有优势；3、电镀后的铜端子或铝导线，耐盐雾腐蚀和酸碱腐蚀的能力大大提高，延长接头的使用寿命。4、经试验证实，采用电镀的方法，最终得到的接头拉拔力和电压降具有显著的优势。

在本发明所述的接头的制作方法的步骤1)中，当铝导线外层附着绝缘层；在固定前，先剥除铝导线前端的绝缘层。

在本发明所述的接头的制作方法的步骤3)中，所述电阻焊接设备的电极压力为1KN～20KN，焊接电流为1KA～50KA，；优选地，所述电阻焊接设备的电极压力为3KN～10KN，焊接电流为5KA～30KA。

现有研究中，还没有对铜铝电阻焊接中添加间隔金属层的介绍，而且通过大量的实验和测试，添加间隔金属层后，不仅使铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性得以保证，而且铜端子和铝导线接头的耐电化学腐蚀和金属腐蚀的性能也大幅度提升，使用寿命得以显著提升。

本发明取得的有益效果：

1.本发明的铜端子的连接件与和铝导线导芯之间含有间隔金属层，通过大量的实验和测试，间隔金属层的存在，不仅使铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性得以保证，而且接头的耐电化学腐蚀和耐金属腐蚀的性能也大幅度提升。

2.相对于传统的直接电阻焊接异种金属的方法，电极电位差异较大的金属焊接在一起，由于铜铝之间存在电化学反应，在水和空气的作用下，电极电位较低的金属会丢失电子导致金属腐蚀，降低了铜端子和铝导线接头的寿命。本发明所述的铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接，可以大幅度的降低铜铝金属之间的电化学反应，减少金属腐蚀，延长使用寿命至少50％。

3.相比于现有技术CN104384698A，本发明所提供的铜端子和铝导线的接头及其电阻焊接方法由于无需控制其余物理场的相关参数，无需预先处理，可以显著提高接头制备方法的稳定性，显著降低设备投资，减少制备时间，减少制备辅助剂的成本，因而显著降低制备成本。

4.本发明中所述方法在焊接过程中不添加焊料、助焊剂和保护气体等成分，加工完成也不需要再处理，无废料，毛边，节省成本，降低污染，是一种环保清洁的制备铜端子和铝导线接头的方法。

附图说明

图1为本发明实施例1的铜端子和铝导线的接头示意图；

A：多芯铝导线和扁平铜端子的接头；

B：实心铝导线和扁平铜端子的接头；

C：图1A的侧面示意图；

图2为本发明实施例2的铜端子和铝导线的接头示意图；

A：焊接前的开口铜端子，

B：多芯铝导线；

C：实心铝导线；

D：实施例2焊接后的接头横切面；

图3为本发明实施例3的铜端子和铝导线的接头示意图；

A：多芯铝导线和圆筒铜端子的接头；

B：实心铝导线和圆筒端子的接头；

图4为本发明实施例4的铜端子和铝导线的接头示意图；

A：多芯铝导线和扁平铜导线的接头；

B：实心铝导线和扁平铜导线的接头；

C：图3A的侧面示意图。

图式说明：

1.铜端子、11.连接件、12.功能件

2.铝导线、21.导芯、22.绝缘层

3.间隔金属层

具体实施方式

以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，具体实施例不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明理念所做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。

本发明中，所述的“焊接区域”是指电阻焊设备的电极头将铜端子和铝导线焊接在一起的区域。

在本发明中，所述的“铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接/相连”，应当理解为直接相连或者间接相连均包括在本发明的保护范围内。直接相连为连接件与铝导线的导芯之间仅通过间隔金属层相连；间接相连为连接件与铝导线的导芯之间除了间隔金属层，还具有其他非金属材质结构，如石墨烯层或者其它成份形成的结构。

实施例1一种铜端子和铝导线的接头及其电阻焊的方法

如图1所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为扁平铜端子，铜端子1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图1A)或实心铝导线(图1B)。铝导线2的导芯21与铜端子1的连接件11连接，铝导线的导芯与铜端子的连接件之间，还含有间隔金属层3。

该接头具体焊接步骤如下：

1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为镍)，间隔金属层的厚度为8μm。

2)将铜端子放入电阻焊接设备的模具中，将铝导线放入电阻焊接设备的模具中，与铜端子叠放；

3)启动电阻焊接设备，焊头将三种金属压实后，开始施加电流焊接。所述的电阻焊接设备电极压力为5KN，焊接电流为20KA。

实施例2一种铜端子和铝导线的接头及其电阻焊的方法

如图2所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为开口端子，铜端子1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图2B)或实心铝导线(图2C)。铝导线2的导芯21与铜端子1的连接件11连接，铝导线的导芯与铜端子的连接件之间，还含有间隔金属层3。

该接头具体焊接步骤如下：

1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为锌)，间隔金属层的厚度为5μm。

2)将铜端子放入压接模具中，将铝导线的导芯放入到铜端子的开口中，启动压接机将导芯压接到铜端子中，使铜端子的开口包住铝导线的焊接部分；

3)将步骤2)压接后的三种金属放入电阻焊接模具中；

4)启动电阻焊接设备，焊头将三种金属压实后，开始施加电流焊接。所述的电阻焊接设备电极压力为3KN，焊接电流为15KA。

实施例3一种铜端子和铝导线的接头及其电阻焊的方法

如图3所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为圆筒端子，铜端子1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图3A)或实心铝导线(图3B)。铝导线2的导芯21与铜端子1的连接件11连接，铝导线的导芯与铜端子的连接件之间，还含有间隔金属层3。

该接头的具体焊接步骤如下：

1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为银)，间隔金属层的厚度为10μm。

2)将铝导线的导芯插入铜端子的圆筒中；

3)将步骤2)得到的插接后的三种金属放入电阻焊接机的模具中；

4)启动电阻焊接设备，焊头将三种金属压实后，开始施加电流焊接。所述的电阻焊接设备电极压力为6KN，焊接电流为23KA。

实施例4一种实心铜导线和铝导线的接头及其电阻焊的方法

如图4所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为实心铜导线。所述的实心铜导线1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图4A)或实心铝导线(图4B)。铝导线2的导芯21与实心铜导线11相连接，铝导线的导芯与实心铜导线的连接件之间还含有间隔金属层3。

铜端子是扁平实心导线，铝导线是实心导线或多芯导线，具体焊接步骤如下：

1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属(在本实施例中为铝)，间隔金属层的厚度为6μm。

2)将铜端子和铝导线放入电阻焊接机的模具中；将铝导线放入电阻焊接机的模具中，与铜端子叠放；

3)启动电阻焊接设备，焊头将三种金属压实后，开始施加大电流焊接。所述的电阻焊接设备电极压力为5KN，焊接电流为20KA。

实施例5不同的间隔金属层对焊接接头的性能影响

采用40套材质和结构的铜端子和铝导线，使用相同的电阻焊接机及工装，以及如实施例1中相同的焊接参数、镀层厚度和焊接方法；其中10套不含任何间隔金属层；10套采用镍(Ni)作为间隔金属层；10套采用锌(Zn)作为间隔金属层；10套采用镍(Ni)打底，表面镀锌(Zn)；分别测试焊接完成后，焊接接头的腐蚀前和腐蚀后的力学性能和电学性能对比。

表1不同的间隔金属层对拉拔力(N)的影响

表2不同的间隔金属层对电压降(mV)的影响

在表1和表2可知，无镀层的焊接结构，虽然在焊接初期，拉拔力和电压降性能与使用Ni镀层或Zn镀层或复合镀层的结构性能接近，但是经过盐雾实验后，由于铜铝之间在空气、水和盐雾的作用下，既产生电化学腐蚀，也产生金属腐蚀，因此拉拔力和电压降性能很大幅度的降低，无法保证铜端子和铝导线的接头的电学性能和力学性能。

实施例6不同的间隔金属层固定方式对焊接接头的性能影响

采用40套相同材质和结构的铜端子和铝导线，使用相同的电阻焊接机及工装，以及相同的间隔金属层材质锌，相同的间隔金属层厚度；其中10套采用通过压焊的方式将间隔金属层固定在铜端子上；10套通过电磁焊的方式将间隔金属层固定在铜端子上，10套采用电镀的方式将间隔金属层固定在铜端子上，剩余10套采用电弧喷涂的方式将间隔金属层固定在铜端子上，采用如实施例3中的焊接参数，对铜端子和铝导线接头进行焊接，焊接完成后，分别测试焊接完成后，焊接接头的腐蚀前和腐蚀后的力学性能和电性能对比。

盐雾腐蚀、电压降、和拉拔力的测试结果见表3和表4。

表3不同的间隔金属层固定方式对拉拔力(N)的影响

表4不同的间隔金属层固定方式对电压降(mV)的影响

从表3和表4中可以看出，不同的焊接方法，在焊接完成后力学性能和电学性能以电镀效果最好，电磁焊和电弧喷涂次之，压焊的效果较差；在四种间隔金属层相同厚度的情况下，以电镀的形式对铜端子和铝导线接头的性能比较突出。而且，电镀技术比较成熟，从加工成本和时间考虑比较有优势。

实施例7不同焊接区域面积对焊接接头的性能影响

采用120套相同材质和结构的铜端子和铝导线，分为12组，每组10套，使用相同的电阻焊接机及工装，以及相同的间隔金属锌，相同的间隔金属层厚度；在相同的铝导线与铜端子相重叠区域面积上，焊接不同的焊接区域面积，对比不同的焊接面积占所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的比例对电阻焊接接头的电学和力学性能的影响。

从下表5数据可以看出，焊接面积占所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的比例越大，相应的焊接接头的电压降性能和拉拔力性能越好，当比例小于1％的时候，接头的电学性能和力学性能明显下降，因此，所述接头的焊接区域面积至少为所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的1％；更优选的，所述接头的焊接区域面积至少为所述铝导线与铜端子相重叠区域面积的10％。

表5不同的焊接面积对电压降(mV)和拉拔力(N)的影响

编号	面积比例	电压降(mV)	拉拔力(N)
				1	100％	3.2	2160.4
2	90％	3.2	2015.5
				3	80％	3.3	1980.8
4	70％	3.3	1950.3
				5	60％	3.5	1918.9
6	50％	3.6	1905.8
				7	40％	3.7	1890.1
8	30％	3.8	1860.9
				9	20％	3.9	1848.3
10	10％	3.9	1828.6
				11	1％	4.0	1813.2
12	<1％	4.2	1621.1

实施例8不同过渡金属的厚度对焊接接头的性能影响

采用150套与实施例3相同材质和结构的铜端子和铝导线，分为15组，每组10套，分别在铜端子上用电镀的方式镀1μm到1000μm不同厚度的锌镀层，用压焊的方式固定1000μm到6000μm不同厚度的锌作为间隔金属层，再使用相同的电阻焊接设备及工装，将铝导线焊接到铜端子上，然后测试焊接后铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降。

从以下表6和表7的数据可以看出，当镀层厚度超过5000μm和小于3μm的时候，铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能突然下降，因此，间隔金属层的厚度选用3μm到5000μm；同时，优选地，间隔金属层的厚度为5μm到1000μm时，铜端子和铝导线的接头的力学性能和电学性能较佳。

表6不同的间隔金属层厚度对拉拔力(N)的影响

表7不同的间隔金属层厚度对电压降(mV)的影响

Claims (9)

1.一种铜端子和铝导线的接头，所述的铜端子含有连接件，以及与连接件相连的功能件，所述铝导线的导芯与铜端子的连接件相连，其特征在于，所述的铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接。

2.根据权利要求1所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的铜端子为扁平端子、开口端子、圆筒端子，或者是实心铜导线的一端；

优选地，所述的铝导线为实心铝导线或者多芯铝导线。

3.根据权利要求1所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的铝导线导芯材质为铝或者铝合金，所述的铜端子的材质为铜或者铜合金。

4.根据权利要求1所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的铜端子和铝导线的接头具有焊接区域，接头的焊接区域面积至少为铝导线与铜端子相重叠区域面积的1％；优选地，接头的焊接区域面积至少为铝导线与铜端子相重叠区域面积的10％。

5.根据权利要求1所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的间隔金属层的厚度为3μm到5000μm；优选地，所述的间隔金属层的厚度为5μm到1000μm。

6.根据权利要求1所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的间隔金属层材质的电极电位介于铜和铝的电极电位之间，或者与铜或铝的电极电位相等；优选地，所述的间隔金属层的材质为镍、镉、锆、铬、锰、铝、锡、钛、锌和钴中的一种或其组合；更优选地，所述的间隔金属层的材质为铝、镍和锌中的一种或其组合。

7.根据权利要求1所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的间隔金属层的材质为金或银或其组合。

8.一种制备权利要求1-7任一所述铜端子和铝导线的接头的电阻焊接方法，其特征在于，焊接方法包含以下步骤：

1)将间隔金属层通过电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊的方式，固定在待焊接的铜端子或者铝导线的至少包含焊接区域的位置；优选地，将间隔金属层通过电镀的方式固定在待焊接的铜端子或铝导线的至少包含焊接区域的位置；

2)将铜端子与铝导线接合，固定在电阻焊接设备的模具或工装上；

3)启动电阻焊接设备，电阻焊接设备产生电流经过电极，电极施加电流和压力到铜端子、铝导线及间隔金属层上，利用电阻热效应将焊接区域加热到熔融状态，并在压力的作用下完成焊接。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电阻焊接设备的电极压力为1KN～20KN，焊接电流为1KA～50KA；优选地，所述电阻焊接设备的电极压力为3KN～10KN，焊接电流为5KA～30KA。