JP2014041781A - 電線溶接方法及び電線溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 芯線を溶解することなく酸化被膜を除去して、アルミ電線の溶接部分同士を確実に接合できる電線溶接方法及び及びこれに用いられる電線溶接装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る電線溶接方法は、アルミニウム又はその合金からなる芯線２を絶縁材３により被覆してなる複数のアルミ電線１における端末で絶縁材３が露出された溶接部分４を一対の電極２１，３１間で挟圧する挟圧工程と、一対の電極２１，３１間を通電することによって、一対の電極２１，３１間で挟圧された溶接部分４を溶接する。挟圧工程では、銅又はその合金によって形成された一対の電極２１，３１間で前記溶接部分を挟圧する。溶接工程では、所定の大電流を流す第１次通電工程と、第１次通電工程の後に大電流よりも小さい小電流を流す第２次通電工程とが行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のアルミ電線の溶接部分を接合する電線溶接方法及びこれに用いられる電線溶接装置に関する。

従来から、自動車等の車両に配索される電線には、導電性や強度等の特性に優れる銅又はその合金を含む銅電線が使用されている。この銅電線は、銅又はその合金からなる芯線に絶縁材が被覆されることによって形成されている。

一般的に、複数の銅電線を接合する場合、電線溶接装置が用いられる（例えば、特許文献１，２参照）。電線溶接装置では、複数の銅電線の絶縁材を剥がされた溶接部分のそれぞれを一対の電極間で挟圧し、該電極間を通電することによって電極自体の発熱で溶接部分を溶接させる。電極の材質としては、例えば、タングステンやモリブデン、タンタル等の特殊耐熱合金材が使用されている。

特開平７−５７８４６号公報 特開平８−１２４６４９号公報

ところで、近年の車両においては、電気自動車や燃料電池自動車等が普及の傾向にあり、車載されるバッテリーや燃料電池等が重いため、可能な限り車両の軽量化が望まれている。そこで、軽量化の一環から密度が銅に対して低いアルミニウム又はその合金からなる芯線を含むアルミ電線が注目されている。

ところが、アルミニウム又はその合金は、銅又はその合金と比較して融点が低く、表面に酸化被膜が生成されやすい。このため、アルミ電線同士の接合する場合に、芯線を溶解させずに酸化被膜を除去することが要求される。

そこで、アルミ電線同士の接合に、上述した銅電線同士の接合に用いられる電線溶接装置を使用する場合、電極へ通電させる電流値、及び一対の電極の圧力（挟圧力）を増大する必要がある。しかし、上記電流値及び圧力が増大してしまうと、アルミニウム又はその合金からなる芯線が溶解するおそれがある。この場合、溶解した芯線が電極に貼り付いてしまい、アルミ電線の溶接部分同士の接合が難しい。

そこで、本発明は、芯線を溶解することなく酸化被膜を除去して、アルミ電線の溶接部分同士を確実に接合できる電線溶接方法及び及びこれに用いられる電線溶接装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、アルミニウム又はその合金からなる芯線（芯線２）を絶縁材（絶縁材３）により被覆してなる複数のアルミ電線（アルミ電線１）における端末で前記絶縁材が露出された溶接部分（溶接部分４）を一対の電極（電極２１，３１）間で挟圧する挟圧工程と、一対の前記電極間を通電することによって、一対の前記電極間で挟圧された前記溶接部分を溶接する溶接工程とを含む電線溶接方法であって、前記挟圧工程では、銅又はその合金によって形成された一対の前記電極間で前記溶接部分を挟圧し、前記溶接工程では、所定の電流を流す第１次通電工程と、前記第１次通電工程の後に、前記所定の電流よりも小さい小電流を流す第２次通電工程とが行われることを要旨とする。

かかる特徴によれば、挟圧工程では、銅又はその合金によって形成された一対の電極間で溶接部分を挟圧する。これにより、上述した従来のタングステンやモリブデン、タンタル等の特殊耐熱合金材からなる電極と比較して、電極のコストを低減できるとともに、電極の蓄熱を抑制できる。従って、電極の余熱による芯線が溶解することを防止できるため、溶解した芯線が電極に貼り付いてしまうことなく、アルミ電線の溶接部分同士を確実に接合できる。

加えて、溶接工程では、所定の電流（例えば、１００００アンペア以上の大電流）を流す第１次通電工程と、第１次通電工程の後に、所定の電流よりも小さい小電流を流す第２次通電工程とが行われる。これにより、第１次通電工程において、アルミニウム又はその合金からなる芯線に生成された酸化被膜を除去して、アルミ電線の溶接部分同士を確実に接合できる。一方、第２次通電工程において、電極に接触した溶接部分を含む芯線が急速に冷却されることなく、ブローホール（球状の気孔）の発生を抑制できる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係る電線溶接方法であって、前記第１次通電工程では、約１０ｍｓｅｃの間、前記所定の電流を一対の前記電極に流すことを要旨とする。

かかる特徴によれば、第１次通電工程では、約１０ｍｓｅｃの間、所定の電流を一対の電極に流す。つまり、所定の電流を流す時間（すなわち、第１次通電工程の時間）が短時間である。これにより、所定の電流による芯線が溶解することを防止でき、溶解した芯線が電極に貼り付いてしまうことをより確実に防止できる。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１又は第２の特徴に係る電線溶接方法であって、前記第２次通電工程では、前記所定の電流の半分以下の小電流を一対の前記電極に流すことを要旨とする。

かかる特徴によれば、第２次通電工程では、所定の電流の半分以下の小電流を一対の電極に流す。これにより、芯線の溶解を防止しつつ、第１次通電工程で生じたブローホールを小型化することができる。

本発明の第４の特徴は、本発明の第１乃至第３の何れかの特徴に係る電線溶接方法であって、前記挟圧工程では、一対の前記電極間で前記芯線が変形しない程度に挟圧することを要旨とする。

かかる特徴によれば、挟圧工程では、一対の前記電極間で芯線が変形しない程度に挟圧する。これにより、芯線が切れにくくなるとともに、必要以上に芯線が圧縮することないため、芯線が溶解することをさらに防止できる。

本発明の第５の特徴は、本発明の第１乃至第４の特徴の何れかに記載の電線溶接方法に用いられる電線溶接装置であることを要旨とする。

本発明の特徴によれば、芯線を溶解することなく酸化被膜を除去して、アルミ電線の溶接部分同士を確実に接合できる電線溶接方法及び及びこれに用いられる電線溶接装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る電線溶接装置を示す要部斜視図である。 図２（ａ）は、本実施形態に係る電線溶接装置の溶接前後を示す側面図であり、図２（ｂ）は、本実施形態に係る電線溶接装置の溶接中を示す側面図である。 図３は、本実施形態に係る一対の電線の溶接部分の接合工程を示す模式図である。 図４は、各電極への電流値（Ａ）及び通電時間（ｍｓｅｃ）を示すグラフである。 図５は、比較例における各電極への電流値（Ａ）及び通電時間（ｍｓｅｃ）を示すグラフである。 図６（ａ）は、実施例に係る電線の溶接部分を示す顕微鏡写真であり（その１）、図６（ｂ）は、比較例に係る電線の溶接部分を示す顕微鏡写真である（その１）。 図７は、比較例に係る電線の溶接部分を示す顕微鏡写真である（その２）。 図８は、実施例に係る電線の溶接部分を示す顕微鏡写真である（その２）。 図９は、実施例に係る電線の溶接部分の引っ張り強度を示すグラフである。 図１０は、実施例に係る電線の溶接部分を示す顕微鏡写真である（その３）

次に、本発明に係る電線溶接装置及び電線溶接方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。

（電線溶接装置の構成）
まず、本実施形態に係る電線溶接装置１０の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る電線溶接装置１０を示す要部斜視図である。図２は、本実施形態に係る電線溶接装置１０を示す側面図である。

図１及び図２に示すように、電線溶接装置１０は、アルミニウム又はその合金が複数撚られた芯線２を絶縁材３により被覆してなる複数のアルミ電線１における端末で絶縁材３が露出された溶接部分４（すなわち、芯線２の先端）同士を接合するものである。電線溶接装置１０では、溶接部分４を挟圧する一対の電極２１，３１間に通電することによって、複数の芯線２の接触抵抗により発熱させ、その熱によって芯線２を軟化させて加圧接合している。

具体的には、電線溶接装置１０は、下側ベース２０と、下側ベース２０に対して昇降可能な上側ベース３０とによって大略構成されている。

下側ベース２０には、一方の電極２１が固定されている。一方、上側ベース３０には、電極２１に対向する他方の電極３１が固定されている。本実施形態では、これら一対の電極２１，３１は、銅又はその合金によって形成されている。

電極２１の一方の側面には、下側ベース２０と一体に形成された固定ガイド２５が設けられており、他方の側面には、下側ベース２０に摺動可能に保持され、エアシリンダ４０により昇降可能なスライドガイド２６が摺接した状態で設けられている。

（電線溶接装置の動作）
次に、上述した電線溶接装置１０の動作について、図面を参照しながら説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、複数のアルミ電線１をセットする前の電線溶接装置１０では、電極３１が上昇位置に設けられており、スライドガイド２６がエアシリンダ４０によって下降されている。つまり、スライドガイド２６の上端面は、電極２１の上端面と略同じ高さに位置している。

次いで、溶接時の電線溶接装置１０では、図２（ｂ）に示すように、複数のアルミ電線１の溶接部分４を電極２１の上端面にセットするとともに、エアシリンダ４０を駆動させてスライドガイド２６を上昇させる。これにより、アルミ電線１の溶接部分４は、電極２１の上端面を底面として、固定ガイド２５及びスライドガイド２６で３方を囲まれた空間が形成される。

次いで、上側ベース３０が下降して、電極２１と対をなす電極３１が上記空間内に進入する。そして、この一対の電極２１，３１によりアルミ電線１の溶接部分４が挟圧される（後述する挟圧工程）。その後、電極２１，３１間の通電によって発生する電極２１，３１自体の発熱により溶接部分４が軟化して互いに接合される（後述する溶接工程）。

なお、アルミ電線１の溶接部分４の接合が終了すると、電極２１，３１間の加圧作動は解除され、上側ベース３０が電極３１と共に上昇し、スライドガイド２６はエアシリンダ４０によって元の位置に下降される。これにより、電線溶接装置１０から溶接部分４が接合されたアルミ電線１を取り出すことができる。

（電線溶接方法）
次に、上述した電線溶接装置１０を用いて一対のアルミ電線１の溶接部分４を接合する方法について、図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係る一対のアルミ電線１の溶接部分４の接合工程を示す模式図である。図４は、各電極２１，３１への電流値（Ａ）及び通電時間（ｍｓｅｃ）を示すグラフである。

まず、図２に示すように、アルミ電線１の絶縁材３が露出された溶接部分４を、銅又はその合金によって形成された電極２１，３１間で挟圧する挟圧工程を行う。具体的には、挟圧工程では、図３（ａ）に示すように、上述した電極２１，３１間で芯線２が変形しない程度に溶接部分４を含む芯線２を挟圧する。なお、芯線２（アルミニウム又はその合金）が変形しない程度とは、１２００Ｎ〜１３００Ｎを示している。

次いで、電極２１，３１間で溶接部分４を含む芯線２を挟圧した状態で、一対の電極２１，３１間を通電することによって、一対の電極２１，３１間で挟圧された溶接部分４を溶接する溶接工程を行う。具体的には、溶接工程では、図３（ｂ）に示すように、所定の電流（例えば、１００００アンペア以上の大電流）を流す第１次通電工程と、図３（ｃ）に示すように、第１次通電工程の後に、大電流よりも小さい小電流を流す第２次通電工程とが行われる。

つまり、図４に示すように、第１次通電工程では、所定の通電時間（例えば、約１０ｍｓｅｃの間）、大電流を一対の電極２１，３１に流している。一方で、第２次通電工程では、第１次通電工程における所定の通電時間よりも長い通電時間（例えば、約４０ｍｓｅｃの間）、大電流の半分以下（例えば、５ｋＡ〜１０ｋＡ）の小電流を流している。

（比較評価）
次に、比較例と実施例（本発明を適用した例）との比較評価について、表及び図面を参照しながら説明する。図５は、比較例における各電極への電流値（Ａ）及び通電時間（ｍｓｅｃ）を示すグラフである。図６（ａ）、図８及び図１０は、実施例に係るアルミ電線１の溶接部分４を示す顕微鏡写真である。図６（ｂ）及び図７は、比較例に係る電線１００の溶接部分１０１を示す顕微鏡写真である。図９は、実施例に係るアルミ電線１の溶接部分４の引っ張り強度を示すグラフである。

ここで、比較例としては、電線溶接装置の各電極にタングステンを使用している。一方、実施例としては、上述した実施形態のように、電線溶接装置１０の各電極に銅合金を使用している。また、それぞれの電流値（Ａ）や通電時間（ｍｓｅｃ）、圧力（Ｎ）、芯線強度については、表１及び図４，５に示す通りである。なお、図４には、上述した実施形態（すなわち、実施例）における各電極への電流値（Ａ）及び通電時間（ｍｓｅｃ）を示しており、図５には、比較例における各電極への電流値（Ａ）及び通電時間（ｍｓｅｃ）を示している。

実施例の条件にて製造されたアルミ電線１の溶接部分４は、図６（ａ）に示すように、芯線２の溶解が少ないことが分かる。一方、比較例の条件にて製造されたアルミ電線１００の溶接部分１０１は、図６（ｂ）に示すように、芯線１０２の溶解が生じていることが分かる。

具体的には、比較例の条件にて、電流値や圧力を変えて製造されたアルミ電線１００では、図７に示すように、全てに芯線１０２の溶解が生じている。

一方、実施例の条件にて、電流値（１２ｋＡ，１４ｋＡ，１６ｋＡ）を変えて製造されたアルミ電線１では、図８及に示すように、比較例に係るアルミ電線１００と比較して、芯線２の溶解が生じにくい。特に、実施例の条件にて、電流値が１０ｋＡ〜１６ｋＡの範囲で製造されたアルミ電線１では、溶接部分４の引っ張り強度が増大し、すなわち、溶接部分４の破壊強度に優れている。

また、実施例の条件にて、第２次通電工程を変えて製造されたアルミ電線１では、表２及び図１０に示すように、除々に冷却する時間（すなわち、第２次通電工程）を設けている。このため、第１次通電工程の後に第２次通電工程を行うことで、ブローホール（球状の気孔；いわゆるボイド）の発生を抑制できることも分かった。特に、芯線２が急速に冷却されることなく、芯線２が除々に冷却されることで、ブローホールを小型化できた。

（作用・効果）
以上説明した実施形態では、挟圧工程では、銅又はその合金によって形成された一対の電極２１，３１間で溶接部分４を挟圧する。これにより、上述した従来のタングステンやモリブデン、タンタル等の特殊耐熱合金材からなる電極と比較して、電極２１，３１のコストを低減できるとともに、電極２１，３１の蓄熱を抑制できる。従って、電極２１，３１の余熱による芯線２が溶解することを防止できるため、溶解した芯線２が電極２１，３１に貼り付いてしまうことなく、アルミ電線１の溶接部分４同士を確実に接合できる。

加えて、溶接工程では、１００００アンペア以上の大電流を流す第１次通電工程と、第１次通電工程の後に大電流よりも小さい小電流を流す第２次通電工程とが行われる。これにより、第１次通電工程において、アルミニウム又はその合金からなる芯線２に生成された酸化被膜を除去して、アルミ電線１の溶接部分４同士を確実に接合できる。一方、第２次通電工程において、電極２１，３１に接触した溶接部分４を含む芯線２が急速に冷却されることなく、ブローホール（球状の気孔）の発生を抑制できる。

本実施形態では、第１次通電工程では、約１０ｍｓｅｃの間、大電流を一対の電極２１，３１に流す。つまり、大電流を流す時間（すなわち、第１次通電工程の時間）が短時間である。これにより、大電流による芯線２が溶解することを防止でき、溶解した芯線２が電極２１，３１に貼り付いてしまうことをより確実に防止できる。

本実施形態では、第２次通電工程では、大電流の半分以下の小電流を一対の電極２１，３１に流す。これにより、芯線２の溶解を防止しつつ、第１次通電工程で生じたブローホールを小型化することができる。

本実施形態では、挟圧工程では、一対の電極２１，３１間で芯線２が変形しない程度に挟圧する。これにより、芯線２が切れにくくなるとともに、必要以上に芯線２が圧縮することないため、芯線２が溶解することをさらに防止できる。

（その他の実施形態）
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。

例えば、本発明の実施形態は、次のように変更することができる。具体的には、電線溶接装置１０では、上下２組の電極２１及び電極３１が設けられるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、上下１組の電極であってもよく、また、上下３組以上の電極であってもよく、必要に応じて電極の種類及び組数については適宜設定できる。

また、第１次通電工程では、約１０ｍｓｅｃの間、大電流を流すものとして説明したが、これに限定されるものではなく、芯線２が溶解しない程度に大電流を流すものであればよい。

また、第２次通電工程では、大電流の半分以下の小電流を流すものとして説明したが、これに限定されるものではなく、大電流の半分よりも多少大きい小電流を流すものであってもよく、芯線２が溶解しなければよい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められる。

１…アルミ電線
２…芯線
３…絶縁材
４…溶接部分
１０…電線溶接装置
２０…下側ベース
２１…電極
２５…固定ガイド
２６…スライドガイド
３０…上側ベース
３１…電極
４０…エアシリンダ

Claims (5)

1. アルミニウム又はその合金からなる芯線を絶縁材により被覆してなる複数のアルミ電線における端末で前記絶縁材が露出された溶接部分を一対の電極間で挟圧する挟圧工程と、
   一対の前記電極間を通電することによって、一対の前記電極間で挟圧された前記溶接部分を溶接する溶接工程と
   を含む電線溶接方法であって、
   前記挟圧工程では、銅又はその合金によって形成された一対の前記電極間で前記溶接部分を挟圧し、
   前記溶接工程では、
   所定の電流を流す第１次通電工程と、
   前記第１次通電工程の後に、前記所定の電流よりも小さい小電流を流す第２次通電工程と
   が行われることを特徴とする電線溶接方法。
2. 請求項１に記載の電線溶接方法であって、
   前記第１次通電工程では、約１０ｍｓｅｃの間、前記所定の電流を一対の前記電極に流すことを特徴とする電線溶接方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電線溶接方法であって、
   前記第２次通電工程では、前記所定の電流の半分以下の前記小電流を一対の前記電極に流すことを特徴とする電線溶接方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電線溶接方法であって、
   前記挟圧工程では、一対の前記電極間で前記芯線が変形しない程度に挟圧することを特徴とする電線溶接方法。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電線溶接方法に用いられることを特徴とする電線溶接装置。