CN107743429A - 用于通过焊接将包括基本金属的导体连接到包括铜的端子元件的方法以及由此生产的端子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将包括基本金属的导体(1)连接到包括铜的端子元件(2)的方法，并且涉及一种端子组件(18)，其具有包括基本金属的导体(1)，以及具有包括铜并连接到所述导体(1)的端子元件(2)。为了将包括基本金属的导体(1)和包括铜的端子元件(2)机械地并以导电的方式彼此可靠地连接，根据本发明设想，在所述导体(1)和所述端子元件(2)焊接到彼此上之前，至少在焊接接头(5，10)处使用铜合金或者包括铜和至少一种基本金属的混合物涂覆所述导体(1)和/或所述端子元件(2)。以此方式，可以生产满足在汽车产业中对于使用的严格要求的端子组件(18)，并且其中所述导体(1)焊接到所述端子元件(2)，其中焊缝(19)具有铜合金的层或包括铜和至少一种基本金属的混合物的层。

Description

用于通过焊接将包括基本金属的导体连接到包括铜的端子元 件的方法以及由此生产的端子组件
技术领域
本发明涉及一种用于将包括基本金属(base metal)的导体连接到包括铜的端子元件的方法。
本发明还涉及一种端子组件，其具有包括基本金属的导体，以及具有连接到所述导体并包括铜的端子元件。
背景技术
由于重量和成本的原因，电缆线束和插入式连接器在汽车产业中日益小型化。电缆线束和插入式连接中的端子元件传统上由铜或铜合金制成。然而，铜非常重，并且相对昂贵。因此汽车产业中的焦点日益集中于比铜更轻、更经济的替代导体材料，例如由基本金属制成的导体。
然而，当将包括基本金属的导体连接到包括铜的端子元件时，难以在导体与端子元件之间产生可靠的机械和电气连接。一方面，机械连接由不同的金属或金属合金构成的导体和端子组件是有问题的，特别是鉴于为汽车产业中的插入式连接器设定的严格要求。这些都暴露于高的物理压力，因此必须承受高的力。另一方面，将包括铜的端子元件连接到包括基本金属的导体在电化学上是有问题的，因为铜与基本金属的接触的点存在腐蚀的风险。腐蚀不仅会削弱机械连接，而且如果形成的氧化层是绝缘的，则还使得难以传输电荷。
因此，本发明的问题在于，将包括基本金属的导体机械地并以导电的方式可靠地连接到包括铜的端子元件，使得由导体和连接到其的端子元件构成的端子组件满足在汽车产业中对于使用的严格要求。
发明内容
本发明通过一种用于将包括基本金属的导体连接到包括铜的端子元件的方法解决了该问题，在导体和端子元件被焊接到彼此之前，至少在焊接接头处利用铜合金或者包括铜和至少一种基本金属的混合物涂覆导体和/或端子元件。上文指定的端子组件解决了该问题，其原因在于，它包含包括基本金属的导体，以及焊接到导体并包括铜的端子元件，其中，焊缝具有铜合金的层或包括铜和至少一种基本金属的混合物的层。
根据本发明的解决方案改善了包括基本金属的导体与包括铜的端子元件的连接，既在机械方面又在导电方面。通过使用铜合金或使用包括铜和至少一种基本金属的混合物来涂覆，在焊接接头处(即，在其中焊接部分接合在一起的区域中，即，在焊缝中)施加了连接层。该连接层在机械上和在导电性方面改善了导体到端子元件的连接。涂层保护了导体的连接到端子元件的区域免于形成绝缘腐蚀层，所述绝缘腐蚀层阻碍电子作为从导体到端子元件上的导体电流跨越表面传输。基本金属与铜一起呈现在被施加的涂层中，在混合物或铜合金中，使得如果真的发生腐蚀的话，至多部分地发生腐蚀，而不是跨越表面发生腐蚀。此外，根据本发明的涂层改善了导体与端子元件之间的机械连接，因为它改善了焊接的适用性和焊接连接质量。
“基本金属”应当理解为在电化学电压序列(series)中，具有的标准电极电位小于氢的标准电极电位的所有金属。
“焊接接头”应当理解为其中焊接部分(在这种情况下为导体和端子元件)焊接在一起的区域。“焊接”应当理解为意指通过施加热量和/或压力将部件永久连接。“焊缝”是所述部分焊接在一起的位置。
根据本发明的解决方案可以通过以下单独有利的实施例进一步改进，所述实施例能够根据需要彼此组合。这些实施例和相关联的优点将在下文中探讨。实施例的以下特征可以利用根据本发明的方法和端子元件来实现。
在根据本发明的方法和根据本发明的端子组件的第一实施例中，导体包括作为基本金属的铝。在这种情况下，导体可以由铝或铝合金构成。铝具有非常轻的优点，使得利用铝线可以获得电缆线束的重量的显著减小。此外，铝可以很好地处理，并且相对便宜。
与铜线相比，包括铝或者由铝或铝合金构成的导体，或包括另外的基本金属或者由所述另外的基本金属或其合金构成的导体，具有较差的导电性。为了弥补这一点，导体可以具有5至120mm2的导体横截面。例如，导体可以具有6至80mm2的横截面，例如30至40mm2的导体横截面。在这样的导体横截面的情况下，保证了足够的导电性，同时也节省了重量。
在另一实施例中，端子元件被涂覆。端子元件可以例如是插入式连接器的接触元件。这种端子元件或接触元件通常以这种方式制成为冲压的弯曲部件。首先，端子元件的外轮廓由带状的接触材料冲压而成，其中若干端子元件由一个带制成，并且起初在预冲压的带中仍然彼此连接。在该阶段中，其中单个的端子元件(例如接触元件)被冲压出来，但是仍然经由预冲压的带彼此连接，设置在端子元件处的焊接接头可以特别容易地涂覆，例如通过将带的单个的端子元件接连地且连续地供给通过涂覆区。
根据另一实施例，根据根据本发明的方法作为涂层施加到焊接接头的混合物、或呈现在根据根据本发明的端子组件的焊缝处的混合物，具有至少一种基本金属，其选自包括锌、铝、锡、铁、镍、锰和上述金属的氧化物的组。在不同的实施例中，使用铜合金进行涂覆，或者焊缝具有铜合金，其选自包括CuSn、CuZnxSny、CuFe、CuNiSi、CuAlxy和黄铜的组。这样的混合物或铜合金可以作为涂覆材料很好地施加到包括基本金属的导体或包括铜的端子元件上。
根据一个实施例，铜合金可以是黄铜，并且黄铜的锌含量可以在10％和70％之间。例如，黄铜的锌含量可以在20％和40％之间，例如在28％和32％之间。这种黄铜涂层很好地附着到载体基板，例如附着到包括铜或铜合金的表面。此外，这些黄铜涂层显示出良好的塑性变形性，这提供了将它们涂覆在载体基板上的多种涂覆方法。
黄铜涂层可以包括铅和/或至少一种另外的合金元素。所述至少一种另外的合金元素可以选自铝、铁、锰、镍、硅和锡的组。以此方式，待施加的黄铜、或黄铜涂层，可以单独地适合于根据本发明的接触布置、或待涂覆的基板、和/或待连接的导体的材料和端子元件的要求。
根据另一实施例，施加固体(优选粉末)用于涂覆。通过这里的“涂覆”，我们通常意指将无定形材料的牢固附着的层施加到载体材料的表面上。出现的层为“涂层”。具有固体涂覆材料的涂层的优点在于，它通常可以连续地进行，其中将待涂覆的基板(例如端子元件)接连地供给通过涂覆区。
在另一实施例中，粉末可以具有高达60μm的颗粒尺寸。例如，粉末可以具有1至50μm的颗粒尺寸，例如1至35μm。这样的颗粒尺寸允许跨越表面施加足够厚度的均匀涂层。
根据另一实施例，可以通过热喷涂来施加涂层。热喷涂包括表面涂覆方法，其中涂覆材料以喷涂颗粒的形式被引入到气体射流中，在气体射流中被加速，并被投掷到待涂覆的部件的表面上。在该过程中，当喷涂颗粒碰撞在部件表面上并主要通过机械夹持(clamping)而保持附着时，通过喷涂颗粒被变平而形成层。在这种情况下，根据方法，气体射流通常被加热到气体射流中的喷涂颗粒可以熔融(fuse)、表面熔融或通过熔融而接合的温度。热喷涂具有的优点是，基板表面(即导体和/或端子元件)不是表面熔融的，并且仅受到非常小程度的热应力。
例如，可以通过冷气体喷涂来施加涂层。冷气体喷涂是一种涂覆方法，其中，高速地将涂覆材料施加到载体材料上。为此，加热的工艺气体通过在喷嘴中膨胀而被加速，并且涂覆材料被喷射到气体射流中。由于高速(其可以是音速)，即使当涂覆材料碰撞在基板上时没有涂覆材料的表面熔融或通过熔融的接合，也可以形成牢固附着的层。通过热喷涂(例如通过冷气体喷涂)的涂层具有的优点是，它可以通过将包括涂覆颗粒的气体射流引导到待涂覆的区域上来连续地执行。可以接连地引导待涂覆的部件(例如端子元件)通过静止的气体射流，或者可以在单个的导体和/或端子元件的待涂覆的焊接接头之上一个接一个地移动气体射流。
根据另一实施例，导体和端子元件可以被摩擦焊接。例如，导体和端子元件可以通过超声焊接来焊接在一起。这种类型的焊接提供了以下优点：它可以连续地执行，它允许不同的材料彼此良好地连接，并且焊接区域中的工具仅被稍微加热。另外，使用这些方法可以更快速地焊接，使得可以以更快的速率生产根据本发明的端子组件。
在下文中，参考附图、使用有利实施例以示例的方式更详细地解释根据本发明的解决方案。本文描述的改良和有利实施例分别是彼此独立的，并且可以根据需要彼此组合。
附图说明
图1：电线的示意性纵向截面(A)，电线的示意性截面(B)，以及在涂覆之前和涂覆期间的端子元件的示意性描绘(C)；
图2：在导体和端子组件焊接期间和焊接之后，根据本发明的端子组件的示意性截面；
图3：根据一个实施例的根据本发明的涂层的表面图片；以及
图4：根据另一实施例的根据本发明的涂层的表面图片。
具体实施方式
在下文中，参考图1和图2描述根据本发明的方法的实施例。
该方法用于将电导体1连接到端子元件2。
在附图中以纵向截面和横截面示意性地描绘了电导体1。导体1是电线3的一部分并且位于绝缘盖4中。在一个端部处，电线3的盖4被移除，使得导体1在该端部处暴露。暴露的导体1的随后被焊接到端子元件的区域为导体处的焊接接头5。
导体1可以包括铝。例如，导体1可以由铝或导电的铝合金构成。导体1可以具有的导体横截面6，其从5至120mm2，例如从6至80mm2，例如从30至40mm2。图1B示出了电线3的示意性横截面。在此可以看出，示例性实施例中的导体1具有圆形横截面6。然而，导体1也可以具有任何n个侧面的、椭圆形的或任何其他的横截面。
图1C进一步示意性地示出了端子元件2。在所示的实施例中，预冲压的带7被示出为具有端子元件2，端子元件2已经从金属片冲压成一个工件，使得它们能够被处理。
在附图中，端子元件2仅被示意性地描绘。端子元件具有接触区段8和端子区段9。接触区段8是端子元件2随后利用其来由配合插接元件电接触的区域，例如作为电插接连接器的一部分。端子区域9是端子元件2利用其来连接到导体1的部分。端子区域9包括在端子元件处的焊接接头10，在焊接接头10处，端子元件2焊接到电导体1。
包括铜的端子元件2可以例如是插入式连接器的接触元件。为了改善包括铜的端子元件2到包括基本金属的导体1的焊接，在导体1和端子元件2焊接在一起之前，根据本发明，至少在焊接接头5、10处施加由铜合金或包括铜和至少一种基本金属的混合物构成的层。在附图所示的示例性实施例中，端子元件2被涂覆。为此，在所示的实施例中，端子元件2的端子区段9至少部分地被涂覆，特别是在端子元件处的焊接接头10的区域中。
在图1的右侧示意性地描绘了涂覆工艺。在所示的实施例中，例如以粉末的形式施加固体涂覆材料14，该粉末具有的颗粒尺寸例如高达60μm，诸如颗粒尺寸为从1至50μm，例如颗粒尺寸为从1至35μm。
可以通过热喷涂施加涂层16。在所示的实施例中，涂层是通过冷气体喷涂施加的。为此，气体射流11被引入到喷涂喷嘴12中，在该喷涂喷嘴中被加热，通过喷嘴出口13被加速并压出。
涂覆材料14作为固体(例如粉末)喷射到气体射流11中。喷射的喷涂颗粒在气体射流11中被加速，并被施加到端子元件2的端子区段9上。以此方式，喷涂颗粒在其内被施加到基底上的涂覆区15可以被限制到端子元件2的期望的区域。
通过热喷涂(例如通过图1中所示的冷气体喷涂)进行的涂覆具有可以连续地执行的优点。为此，例如可以在预冲压的带7的端子元件2的端子区段9的焊接接头10(在端子元件处)之上接连地引导喷嘴12的涂覆区15。替代地，喷嘴12的处理区15可以是静止的，并且可以接连地引导带7内的单独的端子元件2，以其待涂覆的区域通过涂覆区15。
涂覆材料14可以具有包括铜和至少一种基本金属的混合物。混合物的基本金属例如可以选自包括锌、铝、锡、铁、镍、锰和上述金属的氧化物的组。
例如，混合物可以具有氧化铝粉末、锌粉末和铜粉末。这种混合物在作为载体材料的端子元件2上形成附着良好的涂层。例如，图3示出了由40％的锌粉末(纯度96％)、30％的氧化铝粉末(纯度99.4％)和30％的铜粉末(纯度99.5％)组成的混合物的涂层的扫描电子显微镜的图片。在图3中的扫描电子显微镜图片中，可以清楚地识别出，铜与基本金属锌和铝都被包含，均匀地分布，在涂层中。
在图4中的扫描电子显微镜图片中可以看到另一表面涂层。在这里，代替上述混合物，黄铜合金的粉末通过冷气体喷涂施加到具有CuSn0.15基本材料的端子元件上。该黄铜粉末具有70％的铜含量、30％的锌含量，并且具有小于32μm的颗粒尺寸。图4还清楚地表明，铜和锌都作为基本金属均匀地分布在涂层中，并以良好附着的方式施加在载体上。
代替黄铜，也可以使用任何所需的其他包含铜和基本金属的铜合金。例如，可以施加选自包括CuSn、CuZnxSny、CuFe、CuNiSi、CuAlxy的组的铜合金。如果使用黄铜进行涂覆，则施加的黄铜可以具有铅或至少一种另外的合金元素。该至少一种另外的合金元素可以选自铝、铁、锰、镍、硅和锡的组。
在铜合金或混合物作为涂层16至少被施加在导体处的焊接接头5处和/或端子元件处的焊接接头10处之后，导体处的焊接接头5和端子元件处的焊接接头10被带到一起，并且在此焊接导体1和端子元件2。在图2中通过箭头17示意性地描绘了焊接过程。
在焊接期间，创建了根据本发明的端子组件18，所述端子组件18的焊缝19具有铜合金的层或包括铜和至少一种基本金属的混合物的层。
导体1和端子元件2可以被摩擦焊接，例如通过超声波焊接来焊接。为此，在通常从20至35kHz的高频范围中产生机械超声振动，并且将机械超声振动引入到接合对象(在这种情况下为导体1和端子元件2)中。高频机械振动通过边界摩擦导致加热，并导致接合对象的锯齿(serration)和挂钩(hooking)。因此，可以在包括基本金属(例如铝)的导体1与包括铜的端子元件2之间产生机械地可靠的连接。相比在没有根据本发明的涂覆的情况下直接焊接的情况，根据本发明的焊接连接更可靠并且能够承受更高的牵引力和剥离力。
附图标记列表：
1 导体
2 端子元件
3 电线
4 盖
5 导体处的焊接接头
6 导体横截面
7 端子元件的预冲压的带
8 接触区段
9 端子区段
10 端子元件处的焊接接头
11 气体射流
12 喷嘴
13 喷嘴出口
14 涂覆材料
15 涂覆区
16 涂层
17 焊接过程
18 端子组件
19 焊缝

Claims (15)

1.一种用于将包括基本金属的导体(1)连接到包括铜的端子元件(2)的方法，在所述导体(1)和所述端子元件(2)被焊接到彼此上之前，至少在焊接接头(5，10)处利用铜合金或包括铜和至少一种基本金属的混合物涂覆所述导体(1)和/或所述端子元件(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述端子元件(2)被涂覆。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，施加固体(14)用于涂覆，所述固体(14)优选地为粉末。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述粉末具有高达60μm的颗粒尺寸，优选地为从1至50μm，特别优选地为从1至35μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过热喷涂来施加所述涂层(16)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过冷气体喷涂来施加涂层(16)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述导体(1)和所述端子元件(2)被摩擦焊接，优选地通过超声焊接来焊接。
8.一种端子组件(18)，其具有包括基本金属的导体(1)，以及具有焊接到所述导体(1)并包括铜的端子元件(2)，其中，焊缝(19)具有铜合金的层或包括铜和至少一种基本金属的混合物的层。
9.根据权利要求8所述的端子组件，其中，所述导体(1)包括铝，其中，所述导体优选地由铝或铝合金构成。
10.根据权利要求8或9所述的端子组件，其中，所述导体(1)的导体横截面(6)为5至120mm2，优选地为6至80mm2，并且特别优选地为30至40mm2。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的端子组件，其中，所述混合物具有至少一种基本金属，其选自包括锌、铝、锡、铁、镍、锰和上述金属的氧化物的组。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的端子组件，其中，所述铜合金选自包括CuSn、CuZnxSny、CuFe、CuNiSi、CuAlxy和黄铜的组。
13.根据权利要求12所述的端子组件，其中，所述铜合金为黄铜，并且所述黄铜的锌含量在10％和70％之间，优选地在20％和40％之间，特别优选地在28％和32％之间。
14.根据权利要求12或13所述的端子组件，其中，所述黄铜包括铅和/或至少一种另外的合金元素。
15.根据权利要求14所述的端子组件，其中，所述至少一种另外的合金元素选自铝、铁、锰、镍、硅和锡的组。
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