CN107123866A - 一种铜端子和铝导线的接头及其等离子焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜端子和铝导线的接头，该接头的铜端子连接件与铝导线的导芯通过过渡焊接层连接，该接头还可设置有强化焊接层。本发明还提供了用等离子弧焊制备该接头的方法。本发明将铜端子和铝导线用等离子弧焊的方式在连接部分填充焊料，使铜铝之间通过焊料连接在一起。焊接过程破坏掉铝氧化层，增加导电率，又能隔离铜端子和铝导线，防止铜铝之间发生电化学反应，延长铜端子和铝导线接头的使用寿命，保证连接结构的机械、电气性能。

Description

一种铜端子和铝导线的接头及其等离子焊接方法
技术领域
本发明属于线束领域，涉及一种铜端子和铝导线的接头及其用等离子焊连接的方法。
背景技术
铜具有良好的导电性、导热、塑性而被广泛应用。然而，铜资源短缺，铜成本高。为此，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，因此，以铝代铜是目前发展的主要趋势，但是铝的某些性能还是不如铜优异，许多构件仍然不能完全以铝代铜，因此存在铝构件和铜构件之间接头焊接的情况。例如，由铝类材料构成的导线作为电缆使用，在将这种电缆连接在各种电气装置上的铜端子时，或者与铜电缆互相进行连接时，在铜铝接触端通过焊接而连接。现有技术中的铜端子一般包括连接件(或者称为连接端)，以及连接件后端的功能件(或者称为固定端)；连接件用于与铝导线连接；功能件用于与电气设备终端相连，如汽车发动机或者蓄电池等。
对于铝和铜的连接导电，有两个技术问题一直没有解决：1)铝是活泼金属，在干燥空气中铝的表面立即形成致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水，但同时也使铝导线的导电性能大大降低。2)铜跟铝属于不同的元素，铜的金属惰性要大于铝，铜与铝之间存在相对较大的电极电位差，这两种金属连接通电后易发生电化学反应，导致铝线逐渐被氧化，降低铝线的机械强度和导电性。
现有线束常用连接技术中，铜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。
因此，一种全新的低成本的解决铜端子和铝导线连接的方法急待推出。
发明内容
为了克服现有技术中，铜铝连接易发生电化学腐蚀、铝易氧化、接头强度随着时间推移而降低的问题，本发明提供了一种铜端子和铝导线的接头及其制作方法。该接头及其制作方法可以避免铜铝电化学腐蚀，提高铜铝接头的力学性能与电学性能，增加铜铝接头的使用寿命。
本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
一方面，本发明提供了一种铜端子和铝导线的接头及其制作方法，所述的铜端子含有连接件，以及与铜端子连接件相连的功能件，所述铝导线的导芯与铜端子连接件相连，至少所述的铝导线的导芯通过过渡焊接层与铜端子连接件相连。所述过渡焊接层由焊料组成。具体地，所述过渡焊接层是由焊料熔融后，填充到铜端子连接件与铝导线的连接间隙形成。所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的3％-100％；优选地，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的30％-100％。
在本发明中，所述铜端子和铝导线的接头具有压接区域。所述的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％；优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％。所述的过渡焊接层是由焊料组成。所述的过渡焊接层是由焊料熔融后，填充到铜端子与铝导线的连接间隙形成。所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的5％-100％；优选地，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的35％-100％。
在本发明的接头和焊接方法中，所述焊料的金属材质为熔点不高于铝的金属或合金。作为一种优选的实施方式，所述的焊料的金属材质含有锌，因为锌的熔点低于铜和铝，加工过程中，对焊料进行加热熔融时，温度可以控制在使锌熔融，但不会熔融所述铜端子和铝导线接头，从而影响所述接头的力学性能和电学性能，且锌相对价格低廉。更优选地，所述的锌占焊料总重量的30％以上；更优选地，所述的锌占焊料总重量的60％以上。
作为一种优选的实施方式，所述的铜端子和铝导线的接头还具有强化焊接层。优选地，所述的强化焊接层包裹铝导线导芯的端面；其中，所述的强化焊接层的厚度为0-15mm；更优选地，所述强化焊接层的厚度为1.5-5.5mm。
本发明的铜端子和铝导线的接头通过过渡焊接层，或者通过过渡焊接层和强化焊接层使铜端子和铝导线隔绝开来，有效地降低铜和铝的电化学腐蚀。且强化焊接层包裹铝导线端面，铜端子与导线的导芯不会接触到空气和水分，进一步减少腐蚀。此外，过渡焊接层和强化焊接层紧紧地固定住铜端子和铝导线接头，有效地增加了接头的拉拔力。
在本发明中，所述的铜端子的材质为铜或者铜合金；优选地，所述的铜端子的连接件为扁平状、弧状或者两端开口的中空柱状，其中，中空柱状体的侧面可以闭合或者不闭合。
作为一种优选的实施方式，所述的铜端子的连接件与功能件形成一体。其中，所述的连接件为铜端子与铝导线连接的部件；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。
作为一种优选的实施方式，所述的铜端子表面还含有镀层；优选地，所述的镀层厚度为3μm到5000μm；更优选地为5μm到1000μm。所述镀层可以通过电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊等方式附着在铜端子上。
其中，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，压接或焊接时，间隔金属层容易被铜端子和铝导线破坏，从而使铜铝接触导致间隔金属层没有起到间隔铜和铝的作用；当间隔金属层的厚度大于5000μm，由于大部分间隔金属层材质的导电性不如铜和铝，间隔金属层的厚度大导致铜端子和铝导线接头的电压降升高；另外，间隔金属的用量会增大，成本增加，但铜端子和铝导线接头的电学性能和力学性能没有明显增加。一般来说，当采用电镀或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设置在3μm到5000μm的厚度范围内。
所述镀层的金属材质为铬或铬合金，锌或锌合金，锡或锡合金，钛或钛合金，锆或锆合金，镍或镍合金，银或银合金,金或金合金中的一种或几种金属的组合；更优选的，所述镀层的金属材质为锌或锌合金，锡或锡合金，镍或镍合金中的一种或几种金属的组合。
在本发明中的接头和焊接方法中，所涉及的铝导线的导芯可以为铝或铝合金。所述的铝导线为实心导线或者多芯导线。
另一方面，本发明还公布了上述铜端子和铝导线的接头的等离子焊接方法，该焊接方法包括以下步骤：
1)将铝导线的导芯与铜端子的连接件装配好；
2)采用压接的方式将铝导线的导芯和铜端子的连接件压紧，形成压接区域；
3)将焊料送至铜端子上；优选地，将焊料送至铜端子的连接件上；优选地，将焊料送至铝导线与铜端子的压接区域上，然后使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的连接间隙形成过渡焊接层。
作为另一种实施方式，也可以先预填充焊料，再进行连接，具体地焊接方法包括以下步骤：
1)将焊料包裹铝导线导芯，或者是至少包覆铜端子连接件与铝导线导芯相接的部分，再将铝导线的导芯与铜端子连接件装配好；
2)采用压接的方式将铝导线的导芯、焊料、以及铜端子的连接件进行压紧，形成压接区域；
3)使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化在铜端子和铝导线之间，并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层。
作为上述两种方式的优选的实施方式，在步骤3)中，使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化先形成强化焊接层后，继续焊接过程，使焊料填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层；优选地，所述的强化焊接层的厚度为0-15mm；更优选地，所述的强化焊接层的厚度为1.5-5.5mm。
在以上的制备铜端子与铝导线的接头的方法中，还有以下的补充说明：
步骤2)中，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％；优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％；
步骤2)中，压接后的铝导线收缩率在70％-90％之间，更优选在75％-85％之间。当铝导线的压缩率低于70％时，铝导线被压成细丝，承受的拉力变小，导致端子和铝导线的机械性能不足，并且，铝导线压实后，焊料很难进入到铝导线的缝隙中，减少了焊料对端子和铝导线的隔绝作用；压缩率高于90％时，则铝导线与铜端子之间的间隙过大，接触不充分，导致铝导线与铜端子接头的机械性能和电学性能不足。
步骤3)中，所述的等离子焊的电离和保护气体可以为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气或氙气，更优选的为氩气；
步骤3)中，所述的等离子焊的焊接电流为5A-100A之间，更优选20A-80A之间；
步骤3)中，电离气体的流量为1-5升/分钟，保护气体的流量为3-12升/分钟；更优选的，电离气体的流量为2-3升/分钟，保护气体的流量为5-10升/分钟；
步骤3)中，所述的等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角小于45°，更优选小于20°；
步骤3)中，所述的铜端子和铝导线接头使用等离子焊接后，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的3％-100％；更优选地，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的30％-100％；经实验验证，熔深深度占整个连接件长度比例越多，连接件的力学性能和电学性能越好，当熔接深度占整个连接件长度比例低于3％时，连接件的力学性能和电学性能显著降低。
步骤3)中，等离子焊接后，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的5％-100％；优选地，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的35％-100％。经实验验证，熔深深度占整个压接区域比例越多，连接件的力学性能和电学性能越好，当熔接深度占整个压接区域比例低于5％时，连接件的力学性能和电学性能显著降低。
步骤3)中，所述的焊料材质为熔点不高于铝的金属或合金；优选地，所述的焊料的金属材质为熔点不高于铝的金属或合金；更优选地，所述的焊料的金属材质为锌；更优选地，所述的锌占焊料总重量的30％以上；更优选地，所述的锌占焊料总重量的60％以上。
本发明首次将等离子弧焊配合焊料，应用于铜端子和铝导线接头的制作。目前，铜端子和铝导线接头的制作主要采用压接的方式，即利用机械压接的方式实现铜端子和铝导线之间的连接。线束领域生产中，目前无人使用等离子弧焊进行铜端子与铝导线接头的制作。
首先，单纯的等离子弧焊很难保证铜端子和铝导线接头的焊接强度和稳定性，无法满足线束对铜端子和铝导线接头的机械强度的要求与使用稳定性的要求。如果单纯的铜端子和铝导线接触并焊接，铝和铜的熔点分别是660℃和1083℃，在焊接时不能同步熔化。焊缝内存在富铜金属之类的脆性金属化合物，焊接质量很差，不能满足线束领域对铜端子和铝导线接头的电学和力学的使用要求。
本发明通过焊料、等离子弧焊共同应用在铜端子和铝导线的连接中，确保了铜端子与铝导线接头的机械性能与电学性能。更重要的是，焊料熔化在铝导线与铜端子连接部分的连接间隙形成过渡焊接层；或者，所述的焊料熔化先形成强化焊接层后继续焊接过程，使焊料填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层。
过渡焊接层使铝导线导芯与铜端子隔绝，并大部分隔绝了铜端子与铝导线接头和外界空气、水的接触，有效地避免了铜端子与铝导线导芯直接接触产生电化学腐蚀，通过过渡焊接层减少了铜铝之间的电势差，提升了铜端子与铝导线接头的使用寿命，确保了铜端子与铝导线接头的机械性能和长期使用的电学性能。本发明中的强化焊接层可以进一步提升铜端子与铝导线接头的机械性能，并可以起到完全隔绝铝导线导芯与外界空气、水的接触，更进一步的延长了铜端子与铝导线接头的使用寿命。
此外，等离子弧焊的稳定性、发热量和温度都高于一般的电弧焊。相比一般的电弧焊，具有较大的熔透力和焊接速度。其焊接时间较普通电弧焊接时间缩短至少20％以上，耗电量至少降低30％及以上，显著降低了铜端子与铝导线接头的制作成本。
需要特别指出的是，用焊料和等离子弧焊对铜端子和铝导线的导芯进行焊接前，先压接铜端子和铝导线，可以增强铜铝连接端子的力学性能和电气性能。等离子弧焊和焊料的共同使用，虽然可以一定程度的提升力学性能和电气性能，然而，由于焊料仅仅是熔化后利用毛细作用在线材的表面分布并形成与铜端子的连接，对于性能的提升有限。作为优选的实施方式，将铜端子与铝线进行正常的机械压接，后进行等离子弧焊接，在增强机械性能的基础上，还利用焊料减小铜铝之间的电势差，从而保证电学性能。非显而易见地，焊料和压接协同增强了等离子弧焊后铜端子与铝导线接头的力学性能和电学性能。尤其突出的是，当采用60％以上锌作为焊料时，配合等离子弧焊以及压接，铜端子与铝导线接头的电压降最大降幅为15％左右，拉拔力最大增幅为20％左右。
本发明取得的优势：
1、本发明首次将等离子弧焊结合焊料形成过渡焊接层应用于铜端子与铝导线接头的制作，既加强了铜端子与铝导线接头的机械性能与电学性能，又能有效地避免了铜端子与铝导线导芯直接接触的电化学腐蚀，通过过渡焊接层减少了铜铝之间的电势差，提升了铜端子与铝导线接头的使用寿命。
2、本发明中的强化焊接层可以进一步提升铜端子与铝导线接头的机械性能，并可以起到完全隔绝铝导线导芯与外界空气和水的接触，更进一步的延长了铜端子与铝导线接头的使用寿命。
3、在使用等离子弧焊对铜端子和铝导线接头的焊接过程中，熔化的焊料、加热的铜端子与铝导线都处于等离子弧焊的惰性气体保护中，隔绝了空气中的氧与铝导线的进一步氧化，保证了焊接后铜端子和铝导线接头的电学性能和使用寿命；
4、用焊料和等离子弧焊对铜端子和铝导线的导芯进行焊接前，先压接铜端子和铝导线，可以增强铜铝连接端子的力学性能和电气性能。铜端子与铝导线接头的电压降最大降幅为15％左右，拉拔力最大增幅为20％左右。
5、等离子弧焊的稳定性、发热量和温度都高于一般的电弧焊。相比一般的电弧焊，具有较大的熔透力和焊接速度。其焊接时间较普通电弧焊接时间缩短至少20％以上，耗电量至少降低30％，显著降低了铜端子与铝导线接头的制作成本。且等离子弧焊加工过程稳定，有效的保证了铜端子和铝导线接头的质量。
6、传统压接方式制作铜端子与铝导线接头时要求铜端子的连接件必须为弧状或两端开口的中空柱状，而本发明适用于各种形状的铜端子与铝导线接头的制作，有效的解决了压接等方式制作铜端子与铝导线接头在铜端子形状选择方面的局限性。
附图说明
图1示意了铜端子的示例样式；
图2示意了铝导线的示例样式；
图3示意了铝导线与铜端子连接的示例样式；
图4示意了完成连接后的铜端子和铝导线俯视图的示例样式；
图5示意了完成焊接后的铜端子和多芯铝导线纵剖面的示例样式；
图6示意了完成焊接后的铜端子和实心铝导线纵剖面的示例样式；
图7示意了完成焊接后的铜端子和铝导线横剖面的示例样式；
图8示意了本发明中适用的连接件为圆桶状的铜端子；
图9示意了图8中的铜端子按照本发明方法焊接后的示例样示。
图10示意了完成连接后的扁平状铜端子和铝导线侧视图的示例样式；
并且，图1至10附图标记说明如下：
1、铜端子；1.1、功能件；1.2、连接件；
2、铝导线；2.1、绝缘层；2.2、铝芯线；
3、过渡焊接层；
4、强化焊接层；
5、端子镀层。
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。
实施例1一种铜端子和铝导线的接头
如图1和图8所示，所述铜端子1含有连接件1.2，以及其后端的功能件1.1。
如图2所示，所述铝导线2为多芯导线，其含有铝芯线2.2以及绝缘层2.1。
铝导线2的导芯与连接件1.2相连，具体地，如图5所示的接头的纵剖图。铝导线前端与连接件间隙，含有过渡焊接层3，在铝导线的前端，还含有强化焊接层4，强化焊接层4完全包裹铝导线前端端面，且与过渡焊接层形成一体。
如图3所示，所述的强化焊接层的厚度为0-15mm；优选地，所述强化焊接层的厚度为1.5-5.5mm。
如图5所示，所述铜端子和铝导线导芯间具有压接区域，所述的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％；优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％。
实施例2一种铜端子和铝导线的接头
重复实施例1，有以下不同点：所述的接头不具有强化焊接层。
实施例3一种铜端子和铝导线的接头
重复实施例1，有以下不同点：如图10所示，所述的铜端子的连接件形状为扁平状，所述铝导线通过工装或模具预压到铜端子上，使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化在铜端子和铝导线之间，并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层。
实施例4一种铜端子和铝导线的接头
重复实施例1，有如下不同点
如图5所示，所述铜端子的表面还含有镀层5；
优选地，所述的镀层厚度为3μm到5000μm；更优选地，所述的镀层厚度为5μm到1000μm；
优选地，所述镀层通过电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊的方式附着在铜端子上；
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、阴阳极与镀上去的金属正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)，溶液中的正离子则在阴极还原(得到电子)成原子并积聚在阴极表层。
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。
优选地，所述镀层的金属材质为铬或铬合金，锌或锌合金，锡或锡合金，钛或钛合金，锆或锆合金，镍或镍合金，银或银合金,金或金合金中的一种或几种金属的组合；更优选的，所述镀层的金属材质为锌或锌合金，锡或锡合金，镍或镍合金中的一种或几种金属的组合。
实施例5一种铜端子和铝导线的接头
重复实施例1，如图6，有如下不同点：所述铝导线为实心导线
实施例6一种铜端子和铝导线的等离子焊接方法
如图1所示，本发明的铜端子1具有功能件1.1，和与功能件相连的连接件1.2。在本实施例中，连接件为翼状，其端面为U型结构。
如图2所示，本发明的铝导线2具有多芯铝芯2.2和外层的绝缘层2.1，在压接前根据铜端子的尺寸剥除了部分绝缘层。
铜端子与铝导线接头制作步骤具体如下：
如图3所示，将铝导线剥除绝缘层，放入铜端子翼型连接件中，并使用压接模具将铝导线和铜端子翼型连接件进行压接，所述的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％；优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％。
经过压接后，铝导线导芯压缩率在70％-90％之间；优选地，铝导线导芯的压缩率在75％-85％之间，以保证铜端子与铝导线接头的机械性能和导电性，压接后的铜端子与铝导线接头如图4所示。
具体的，将焊料送至铜端子上，优选地，将焊料送至铜端子的连接件上；优选地，将焊料送至铝导线与铜端子的压接区域上，然后使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的连接间隙形成过渡焊接层。
等离子焊的电离和保护气体可以为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气或氙气，更优选的为氩气；电离气体的流量为1-5升/分钟，保护气体的流量为3-12升/分钟；更优选的，电离气体的流量为2-3升/分钟，保护气体的流量为5-10升/分钟；在焊接过程中，等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角小于45°，更优选小于20°；等离子焊焊接电流为5A-100A，更优选20A-80A；
焊接过程中，焊接温度中心区域可达到400℃～550℃，使焊料熔化先形成强化焊接层4后，继续焊接过程，使焊料填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层3；铜端子与铝导线接头最终状态的纵剖面图如图5所示；所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的3％-100％；更优选地，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的30％-100％；优选地，焊料的熔深深度占整个压接区域长度的5％-100％，更优选占整个压接区域的35％-100％。
上述焊料的金属材质为熔点不高于铝的金属或合金，这样在焊接熔融时铝导线的导芯不会熔化，从而使焊料可以通过毛细作用渗入到铝导线导芯与铜端子之间，形成过渡焊接层或在本实施例中，先形成强化焊接层，后形成过渡焊接层。
如图7所示，铜端子连接件和铝导线的压接部分的横剖视图，其中，焊料紧密的融合在铜端子连接件和铝导线之间，既保证了隔绝空气和水对铝导线导芯的腐蚀，有效避免空气和水对铜端子与铝导线接头的电化学腐蚀，也能与铜和铝进行良好的导电，保证了铜端子与铝导线接头的机械性能，电气性能和使用寿命。
实施例7一种铜端子和铝导线的等离子焊接方法
重复实施例6，有以下不同点，所述铜端子的连接件形状为扁平状、弧状结构，焊接时，先将焊料送至铜端子上，优选地，将焊料送至铜端子的连接件上；优选地，将焊料送至铝导线与铜端子的压接区域上，然后使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的连接间隙形成过渡焊接层。熔融的焊料仅填充到铜端子连接件与铝导线连接的间隙形成过渡焊接层，不形成强化焊接区。
实施例8一种铜端子和铝导线的等离子焊接方法
重复实施例6，有以下不同点：
1.铝导线剥除绝缘层后，将固体薄层焊料环套剥除绝缘层后的铝导线的导芯上，然后放入铜端子的连接件进行压接。
2.铜端子的连接件为两端开口的中空柱状结构，其侧面为闭合或不闭合。
实施例9一种铜端子和铝导线的连接方法
重复实施例6，有以下不同点：
将铝导线剥除绝缘层后，将固体薄层焊料包裹至少铜端子连接件与铝导线导芯接触的部分，然后将铝导线的导芯放入铜端子的连接件区域进行压接。
实施例10不同的连接方法对铜端子和铝导线的接头的电压降和拉拔力的影响
使用相同规格和结构的铜端子和铝导线，按以下5种方法制作铜端子和铝导线的接头，每种方法制作10件样件，共50件样件。
方法1：压接
铝导线直接使用模具压接到铜端子里。
方法2：等离子弧焊
使用等离子弧焊，直接将铜端子和铝导线焊接在一起。等离子弧焊的焊接电流为40A，电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。
焊接方法3：压接+等离子弧焊
参照实施例6，将铝导线使用模具压接到铜端子里，再使用等离子弧焊，将压接后的铜端子和铝导线焊接在一起。压接后，铝导线的压缩率为80％；等离子弧焊的焊接电流为40A。电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。
焊接方法4：等离子弧焊+焊料
将焊料送至铜端子的连接件上，使用等离子弧焊，将铜端子和铝导线焊接在一起。等离子弧焊的焊接电流为40A；
焊料含有90％的锌和10％的铝，电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。
焊接方法5：压接+等离子弧焊+焊料
将铝导线使用模具压接到铜端子的连接件中。将焊料送至铜端子的连接件上，使用等离子弧焊，将压接好的铜端子和铝导线焊接在一起。等离子弧焊的焊接电流为40A；焊料为90％的锌和10％的铝；压接后，铝导线的压缩率为80％,电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。
使用上述5种方法制作铜端子和铝导线的接头后，对5组共50个样件的电压降和拉拔力采用同种试验方法进行测试，每组样件的测试参数取平均值，测试结果见表1。
表1采用5种不同制作方法制作的铜端子和铝导线的接头的电压降与拉拔力对比
由表1可知，铜端子和铝导线的接头仅通过压接或者是仅通过等离子弧焊的方式(方法1与方法2)制作，接头的拉拔力较低，电压降较高，无法满足铜端子和铝导线接头在使用中应达到的力学和电学性能要求。采用方法3虽然可以提高铜端子和铝导线接头的拉拔力，但其电压降仍然较高，仍然无法满足铜端子和铝导线的接头在使用中应达到的电学性能要求。采用本发明所述的方法4和方法5所制作的铜端子和铝导线的接头满足铜端子和铝导线接头在使用中应达到的力学和电学性能要求。显而易见的是，采用本发明中压接+等离子弧焊+焊料的铜端子和铝导线接头的制作方法制作的接头的力学性能和电学性能是上述5种方法中最好的。
实施例11不同的锌基比例的焊料对铜端子和铝导线接头性能的影响
焊接方法参照实施例6，采用控制变量法，焊接电流为40A，电离氩气的流量为3升/分钟，保护氩气的流量为8升/分钟，铝导线的压缩率为80％，等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。焊料按不同的锌基比例，用实施例3的铜端子和铝导线接头的制作方法制作接头。将制作好的接头按照同种测试方法进行拉拔力和电压降测试，每种样件制作100件，测试取其平均值。测试结果见表2。
表2不同的锌基比例的焊料对接头性能的影响
编号 焊料的金属材质 电压降(mV) 拉拔力(N)
1 100％Zn 2.72 3238.3
2 90％Zn 10％Al 2.81 3236.7
3 80％Zn 20％Al 2.95 3229.5
4 70％Zn 30％Al 3.08 3224.6
5 60％Zn 40％Al 3.59 3012.7
6 50％Zn 50％Al 3.68 2956.3
7 40％Zn 60％Al 3.79 2875.3
8 30％Zn 70％Al 3.91 2765.1
9 20％Zn 80％Al 4.78 2497.6
10 10％Zn 90％Al 5.75 2401.2
由表2可知，当锌所占的重量比例越高时，铜端子和铝导线的电压降越低，即铜端子和铝导线接头的电学性能越好。
当采用锌基比例中锌占焊料总重量为30％以上的焊料制作铜端子和铝导线的接头时，其接头的拉拔力性能满足绝大部分铜端子和铝导线的接头的使用力学性能要求。当采用锌基比例中锌占焊料总重量为60％以上的焊料制作铜端子和铝导线的接头时，其接头的拉拔力性能能够完全达到铜端子和铝导线的接头的使用力学性能要求。
实施例12铝导线的导芯压缩率对于铜端子和铝导线接头性能的影响
为了测试不同的铝导线的导芯压缩率对于铜端子和铝导线接头性能的影响，本实施例采用控制变量法，采用实施例6的铜端子和铝导线接头的制作方法制作如表3所示的不同接头。其中，焊接电流为40A，电离氩气的流量为3升/分钟，保护氩气的流量为8升/分钟，焊料含有90％的锌和10％的铝，等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。每种方法所得的接头的样件为10件，测试取其平均值。压缩率及测试结果见表3。
表3不同的铝导线的导芯压缩率对于铜端子和铝导线接头性能的影响
编号 铝导线的压缩率 电压降(mV) 拉拔力(N)
1 65％ 3.96 2059.1
2 70％ 3.56 2638.4
3 75％ 3.27 2997.5
4 80％ 3.05 3261.2
5 85％ 3.19 2918.7
6 90％ 3.51 2575.4
7 95％ 4.36 2095.3
根据本表所测结果，压接后，铝导线的导芯压缩率在70％到90％之间，铜端子和铝导线接头的电学性能和力学性能较好。更优选地，压接后，铝导线的导芯压缩率在75％到85％之间，铜端子和铝导线接头的电学性能和力学性能更为突出。
实施例13不同的强化焊接层厚度对铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降的影响
为了证明不同的强化焊接层厚度对铜端子和铝导线接头性能的影响，制作17组不同的强化焊接层厚度的样件，每组样件10根，然后通过对铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降测试，将每种强化焊接层厚度的测试结果平均值填入表中，详见表4。
焊接方法参照实施例6，其中焊料为90％的锌和10％的铝，电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。
从表4数据可以看出，当铜端子和铝导线接头的强化焊接层厚度超过15mm后，铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降性能开始显著下降。因此，选择强化焊接层厚度为0-15mm，当强化焊接层的厚度为1.5mm-5.5mm时，铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降性能较优。
表4不同的强化焊接层厚度对铜端子和铝导线接头性能的影响
实施例14不同的焊料熔深深度对铜端子和铝导线接头性能的影响
为了验证熔深深度对铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降的影响，制作44组不同熔深深度的焊接样件，每组样件10根。
焊接方法参照实施例6，其中焊料为90％的锌和10％的铝，电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角15°。
从下表5可以看出，熔深深度占连接件长度比例或占压接区域长度比例越大，铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能越好，但是当熔接深度占压接区域长度比例低于5％时，或当熔接深度占连接件长度比例低于3％时，铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能显著降低。当所述的焊料的熔深深度占铜端子和铝导线接头的压接区域的35％-100％时，或当所述的焊料的熔深深度占连接件长度比例在30％-100％时，铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能较好。
表5不同的焊料熔融深度对铜端子和铝导线接头拉拔力和电压降的影响
实施例15不同的压接区域面积对铜端子和铝导线接头性能的影响
为了验证铜端子和铝导线接头的压接区域面积对接头的拉拔力和电压降的影响，制作12组不同压接区域面积的焊接样件，每组样件10根。
焊接方法参照实施例6，其中焊料为80％的锌和20％的铝，电离气体氩气的流量为2.5升/分钟，保护气体氩气的流量为7.5升/分钟；等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角20°。
表6不同的压接区域面积占铝导线与铜端子重叠区域面积的比例对铜端子和铝导线接头的拉拔力和电压降的影响
从上表6可以看出，铜端子和铝导线接头的压接区域面积占铝导线与铜端子重叠区域面积的比例越多，连接件的力学性能和电学性能越好，但是当压接区域面积占铝导线与铜端子重叠区域面积的比例低于1％时，连接件的力学性能和电学性能显著降低。因此，选择压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％，优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％。

Claims (13)

1.一种铜端子和铝导线的接头，所述的铜端子含有连接件，以及与铜端子连接件相连的功能件，所述铝导线的导芯与铜端子连接件相连，其特征在于，至少所述的铝导线的导芯通过过渡焊接层与铜端子连接件相连。
2.根据权利要求1所述的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接头具有压接区域，所述的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％；优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％。
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，所述的过渡焊接层由焊料组成，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的3％-100％；优选地，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的30％-100％。
4.根据权利要求2所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的过渡焊接层由焊料组成，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的5％-100％；优选地，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的35％-100％。
5.根据权利要求3或4所述铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的焊料的金属材质为熔点不高于铝的金属或合金；优选地，所述的焊料的金属材质含有锌；更优选地，所述的锌占焊料总重量的30％以上；更优选地，所述的锌占焊料总重量的60％以上。
6.根据权利要求1所述的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还具有强化焊接层；
优选地，所述的强化焊接层包裹铝导线导芯的端面；
优选地，所述的强化焊接层的厚度为0-15mm；更优选地，所述强化焊接层的厚度为1.5-5.5mm。
7.根据权利要求1所述的铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的铜端子的材质为铜或者铜合金；
优选地，所述铜端子的连接件形状为扁平状、弧状或者两端开口的中空柱状，中空柱状体的侧面为闭合或者不闭合。
8.根据权利要求1所述的铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的铜端子表面还含有镀层；
优选地，所述的镀层厚度为3μm到5000μm；更优选地，所述的镀层厚度为5μm到1000μm；
优选地，所述镀层通过电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊的方式附着在铜端子上；
优选地，所述镀层的金属材质为铬或铬合金，锌或锌合金，锡或锡合金，钛或钛合金，锆或锆合金，镍或镍合金，银或银合金,金或金合金中的一种或几种金属的组合；更优选的，所述镀层的金属材质为锌或锌合金，锡或锡合金，镍或镍合金中的一种或几种金属的组合。
9.根据权利要求1所述的铜端子和铝导线的接头，其特征在于，所述的铝导线导芯的材质为铝或铝合金；优选地，所述的铝导线为实心导线或者多芯导线。
10.制备权利要求1-9任一所述的铜端子和铝导线的接头的等离子焊接方法，其特征在于，所述的等离子焊接方法包括以下步骤：
1)将铝导线的导芯与铜端子的连接件装配好；
2)采用压接的方式将铝导线的导芯和铜端子的连接件压紧，形成压接区域；
3)将焊料送至铜端子上；优选地，将焊料送至铜端子的连接件上；优选地，将焊料送至铝导线与铜端子的压接区域上，然后使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的连接间隙形成过渡焊接层。
11.制备权利要求1-9任一所述的铜端子和铝导线的接头的等离子焊接方法，其特征在于，所述的等离子焊接方法包括以下步骤：
1)将焊料包裹铝导线导芯，或者是至少包覆铜端子连接件与铝导线导芯相连接的部分，再将铝导线的导芯与铜端子连接件装配好；
2)采用压接的方式将铝导线的导芯、焊料、以及铜端子的连接件进行压紧，形成压接区域；
3)使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化在铜端子和铝导线之间，并通过毛细作用填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
步骤3)中，使用等离子弧焊焊接，使焊料熔化先形成强化焊接层后，继续焊接过程，使焊料填充到铜端子与铝导线的间隙形成过渡焊接层；
优选地，所述的强化焊接层的厚度为0-15mm；更优选地，所述的强化焊接层的厚度为1.5-5.5mm。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
步骤2)中，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的1％；优选地，所述的铜端子和铝导线接头的压接区域面积至少占铝导线与铜端子重叠区域面积的10％；
优选地，步骤2)中，所述的铜端子和铝导线接头压接后，铝导线导芯压缩率在70％-90％之间；更优选地，压接后的铝导线导芯压缩率在75％-85％之间；
优选地，步骤3)中，所述的等离子焊的电离和保护气体为氮气、氩气、氦气、氖气、氪气或氙气；更优选地，所述的等离子焊的电离和保护气体为氩气；
优选地，步骤3)中，所述的等离子焊的焊接电流为5A-100A之间；更优选地，所述的等离子焊的焊接电流为20A-80A之间；
优选地，步骤3)中，所述的等离子焊的电离气体的流量为1-5升/分钟，保护气体的流量为3-12升/分钟；更优选地，电离气体的流量为2-3升/分钟，保护气体的流量为5-10升/分钟；
优选地，步骤3)中，所述的等离子焊的焊枪与铜端子轴向的夹角小于45°；更优选小于20°；
优选地，步骤3)中，所述的铜端子和铝导线接头使用等离子焊接后，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的3％-100％；更优选地，所述的焊料的熔深深度占铜端子连接件长度的30％-100％；
优选地，步骤3)中，所述的铜端子和铝导线接头使用等离子焊接后，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的5％-100％；更优选地，所述的焊料的熔深深度占整个压接区域长度的35％-100％；
优选地，步骤3)中，所述的焊料的金属材质为熔点不高于铝的金属或合金；更优选地，所述的焊料的金属材质含有锌；更优选地，所述的锌占焊料总重量的30％以上；更优选地，所述的锌占焊料总重量的60％以上。
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