JP2014161862A

JP2014161862A - 銅合金板材のレーザ溶接方法および該溶接方法を用いて成形した銅合金端子

Info

Publication number: JP2014161862A
Application number: JP2013033913A
Authority: JP
Inventors: Akira Tachibana; 昭頼橘; Saburo Yagi; 三郎八木
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】レーザ溶接性の優れた、端子用銅合金のレーザ溶接方法を提供する。また、該レーザ溶接を用いて管状かしめ部を有する端子を提供する。
【解決手段】銅合金板材を打ち抜いて曲げ加工することにより成形された管状かしめ部３０のレーザ溶接方法であって、前記管状かしめ部３０の長手方向に設けた被溶接部にわたって、５００〜５５０ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームＦＬ１と１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームＦＬ２とを同時に照射して溶接することを特徴とする銅合金端子のレーザ溶接方法。また、該レーザ溶接方法を用いてレーザ溶接を施し、管状かしめ部を成型したことを特徴とする、銅合金端子。
【選択図】図３

Description

本発明は、銅合金板材のレーザ溶接方法および該溶接方法を用いて溶接した銅合金端子に関する。より詳しくは、電線を接続する銅合金端子に関する。

従来、自動車用組み電線における電線接続部では、電線導体を端子により圧着する形式が一般的である。通常、組み電線には銅電線が用いられるが、軽量化目的でアルミニウム電線（以下、アルミ電線ともいう）が使われることがある。圧着部では、一般に、電線導体が露出する構造となるため、アルミニウム電線を用いた場合には、導体のアルミニウムが腐食を起こし、電気な導通を確保できなくなる恐れがあった。

これを防止するためにはアルミニウム導体を環境から遮断することが考えられる。例えばアルミニウム表面が空気などに触れないように覆ってしまうことが望ましい。腐食を防止するという観点では、圧着部全体を樹脂によりモールドする方式（例えば、特許文献１参照）が確実であるが、モールド部が肥大してしまい、コネクタハウジングのサイズを上げる必要が生じ、コネクタが肥大してしまうこととなり、組み電線全体を高密小型に成形することができなかった。また、モールド成形は、圧着後に個々の圧着部に対して処理するため、組み電線製造の工程が大きく増すこと、および作業が煩雑である事、等の問題があった。

これに対し、金属缶を電線導体に被せた後に圧着する手法により、アルミニウム導体を外界から遮断する技術が提案された（例えば、特許文献２参照）が、圧着前に個々の導体へ缶を装着する工程が煩雑であること、また、圧着時、ワイヤバレルにより缶を破壊してしまい浸水経路が生じてしまうこと、等の問題があった。

上記のような問題は、電線との接続部が管状（袋状）の端子に電線を挿入して圧着する構造を採用することで、圧着部を肥大させずに電線導体を外界から遮断することにより解決することができる。管の形成法はいくつかあるが、溶接部の幅を狭くすることができるのに加えて、処理速度とコストの観点で、レーザ溶接法（例えば、特許文献３参照）を用いるのが好適である。

しかし、銅及び銅合金のレーザ反射率は高い（すなわち、レーザ吸収率は低い）ので、銅及び銅合金をレーザ溶接する場合には大出力のレーザ照射が必要となり、レーザ照射部で爆飛が生じやすい。この問題に対し、表面にニッケル−リン（Ｎｉ−Ｐ）皮膜を有する黄銅材にレーザ照射すると、ニッケル−リン皮膜と黄銅のレーザ反射率が略同じであることと、ニッケル−リン皮膜の融点が黄銅材の融点より高いこととの相乗作用でニッケル−リン皮膜を溶融するのにレーザによる熱量が消費され、黄銅材の急激な溶融の進行を制動するように働くために、黄銅材の爆飛が防止されることが示唆されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２０１１−２２２２４３号公報特開２００４−２０７１７２号公報特開２００３−１９１０８５号公報特許第３１７７９８２号公報

しかしながら、特許文献４に示唆されているニッケル−リン皮膜は無電解めっきによって形成されるので工程が煩雑であり、コストアップの要因となる。さらに、銅合金端子には、端子としての諸特性を担保するために一般にＳｎめっきやＡｇめっきが施されるが、ニッケル−リン皮膜が特に必要とされるわけではない。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、レーザ溶接性の優れた、端子用銅合金のレーザ溶接方法を提供することを目的とする。また、該レーザ溶接方法で溶接を施すことによって、管状かしめ部を有する端子を提供することを目的とする。

本発明の銅合金端子のレーザ溶接方法の特徴は、銅合金板材を打ち抜いて曲げ加工することにより成形された端子の管状かしめ部のレーザ溶接方法であって、管状かしめ部の長手方向に設けた被溶接部にわたって、５００〜５５０ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームと１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームとを同時に照射して溶接することを要旨とする。

５００〜５５０ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームと１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームとを銅合金板材に同時に照射すると、まず５００〜５５０ｎｍの波長のレーザにより銅合金板の表層が溶融して溶融池が形成される。銅合金板に一旦溶融池が形成されると、５００〜５５０ｎｍの波長のレーザより高いエネルギを持つ１０３０〜１１００ｎｍの波長のレーザのエネルギはその溶融池に吸収されやすくなり、貫通溶接が可能となる。

５００〜５５０ｎｍの範囲の波長のレーザビームは、波長変換素子を用いて和周波を発生させて合成することができる。

また、本発明の銅合金端子は、上述したレーザ溶接を施すことによって、管状かしめ部が設けられたことを要旨とする。

本発明によれば、レーザ溶接性の優れた、端子用銅合金板材のレーザ溶接方法を提供することができる。また、管状かしめ部を有する銅合金端子を提供することができる。

本発明の実施形態に係る端子を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る端子と電線の終端の接続構造を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る端子の溶接方法の１例を模式的に示す斜視図である。表１に示した端子用銅合金のレーザ吸収率の波長依存性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）について詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る端子１を示したものである。端子１は、雌型端子のボックス部２０と管状かしめ部３０を有し、これらの橋渡しとしてトランジション部４０を有する。さらに、端子１は管状かしめ部３０内に溶接部５０（図中、斜線で示す部分）を有する。端子１は、導電性と強度を確保するために銅合金基材で製造されている。また、溶接部の形状は特に制限はない。図示した溶接部５０のように管状かしめ部３０の長手方向に帯状形状に形成するのがよいが、波線形状や螺旋形状に形成してもよい。

（ボックス部）
雌型端子のボックス部２０は、例えば雄型端子等の挿入タブの挿入を許容するボックス部である。このボックス部の細部の形状は特に限定されない。すなわち、ボックス部を有さなくてもよく、例えば雄型端子の挿入タブであっても良い。また他の端子の端部であっても良い。本実施形態では、本発明の端子を説明するために便宜的に雌型端子の例を示したのであって、どのような接続端部を有する端子であっても、トランジション部４０を介して管状かしめ部３０を有し、その管状かしめ部３０は、溶接によって成形されているのである。

（管状かしめ部）
管状かしめ部３０は、端子１とアルミニウム又はアルミニウム合金電線（図示せず）とを圧着接合する部位である。その一端はアルミニウム電線を挿入することができる電線挿入口３１を有し、他端はトランジション部４０に接続されている。管状かしめ部３０のトランジション部４０側は、閉口しているのが好ましい。端子１の黄銅とアルミニウム又はアルミニウム合金電線の接点に水分が付着すると、両金属の起電力の差からいずれかの金属（合金）が腐食してしまうので、かしめ部は外部より水分等が侵入しないように管状となっている。端子のかしめ部は、管状であれば腐食に対して一定の効果を得られるため、必ずしも長手方向に対して円筒である必要はなく、場合によっては楕円や矩形の管であっても良い。また、径が一定である必要はなく、長手方向で半径が変化していてもよい。

管状かしめ部３０では、管状かしめ部を構成する銅合金とアルミニウム又はアルミニウム合金電線とが機械的に圧着接合されることにより、同時に電気的な接合を確保する。銅合金基材と電線（芯線）は、かしめによって塑性変形し、接合がされる。従って、管状かしめ部３０は、かしめ接合をすることができるように肉厚を設計される必要があるが、人力加工や機械加工等で接合を自由に行うことができるので、特に限定されるものではない。

なお、本願では図示しないが、管状かしめ部３０内に、電線の接続のための溝や突起（セレーション）が設けられていても良い。

（電線の終端接続構造）
次に、図２に本発明の電線の終端接続構造１０を示す。終端接続構造１０は、本発明の端子１と、アルミニウム又はアルミニウム合金電線（電線６０）とが接続された構造を有している。終端接続構造１０は、端子１と電線６０が管状かしめ部３０によって圧着接合されている。圧着の様態は特に限定されないが、図２では、第１の圧着縮径部３５および第２の圧着縮径部３６からなっている。通常、圧着接合すると、管状かしめ部３０は塑性変形を起こして、元の径よりも縮径されることで、電線６０との圧着接合をなす。図２に示した例では、第１の圧着縮径部３５が、縮径率が一番高くなっている部分である。このように、圧着接合を２段階の縮径で行ってもよい。

電線６０は、絶縁被覆６１と図示しないアルミニウム又はアルミニウム合金の芯線とからなっている。電線６０は裸線であっても良いが、防食の観点から通常は絶縁被覆された電線を用いる。

なお、アルミニウム電線の芯線としては、例えば鉄（Ｆｅ）を約０．２質量％、銅（Ｃｕ）を約０．２質量％、マグネシウム（Ｍｇ）を約０．１質量％、シリコン（Ｓｉ）を約０．０４質量％、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物かなるアルミニウム芯線を用いることができる。他の合金組成として、Ｆｅを約１．０５質量％、Ｍｇを約０．１５質量％、Ｓｉを約０．０４質量％、残部がＡｌおよび不可避不純物のもの、あるいは、Ｆｅを約１．０質量％、Ｓｉを約０．０４質量％、残部がＡｌおよび不可避不純物のもの、Ｆｅを約０．２質量％、マＭｇを約０．７質量％、Ｓｉを約０．７質量％、残部がＡｌおよび不可避不純物のものなどを用いることができる。これらは、さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｍｎ等の合金元素を含んでいてもよい。このようなアルミニウム芯線を用い、例えば０．５〜２．５ｓｑ（ｍｍ^２）、７〜１９本撚りの芯線にして用いることができる。芯線の被覆材としては、例えばＰＥ、ＰＰなどのポリエレフィンを主成分としたものやＰＶＣを主成分としたもの等を用いることができる。

本実施形態においては、絶縁被覆された電線６０を用いて、先端部の絶縁被覆６１を所定の長さだけ除去した電線６０を、残った絶縁被覆６１の端部が電線挿入口３１から所定の長さだけ管状かしめ部３０と重なるように、管状かしめ部３０に挿入し、専用の治具やプレス加工機等でなかしめ工程を実施する。

（端子の製造方法）
まず、銅合金基材からなる条材を、平面展開した端子形状に打ち抜き、曲げ加工によってボックス部やかしめ部を設ける。この時、かしめ部は平面からの曲げ加工ではＣ字型断面となっているので、この開放部分を溶接によって接合することで、管状かしめ部となる。本実施形態においては、管状かしめ部３０を、ファイバレーザ溶接を行って製造する。

銅及び銅合金はレーザ吸収率が低く、熱伝導率が高いため、溶接幅を細くできなかったり、熱影響部の幅を狭くできなかったりする場合があるが、ファイバレーザを用いることで、溶接性が改善される。ファイバレーザによるレーザビームは、集光径が小さい、エネルギ密度が高い、集光距離が長い、モジュールの並列接続で出力を増加させることができるといった特徴がある。さらに、レンズやミラーを使うことで、ファイバレーザ本体機器と加工対象物（被溶接部）との距離が離れていても、直接ファイバで加工対象近くまで伝送することができるという利点がある。

図３は、本実施形態に係る端子１の溶接方法の１例を模式的に示した図である。図中のＦＬ１、ＦＬ２はファイバレーザ溶接装置を表している。ファイバレーザ溶接装置ＦＬ１は周波数変換素子（図示せず）を備えており、５００〜５５０ｎｍの波長のレーザビームＬ１を発振する。ファイバレーザ溶接装置ＦＬ２は周波数変換素子を備えておらず、光ファイバによって増幅された１０３０〜１１００ｎｍの波長のレーザビームＬ２をそのまま発振する。ファイバレーザ溶接装置ＦＬ１から発せられたレーザビームＬ１と、ファイバレーザ溶接装置ＦＬ２から発せられたレーザビームＬ２とは、管状かしめ部３０の被溶接部３７（突合せ部）を溶接するように同時に照射される。ＦＬ１、ＦＬ２は、ＹＡＧレーザを用いることもできる。

なお、本願の被溶接部３７は、基材の端部同士の突合せとしているが、被溶接部はこれに限られない。例えば、基材の端部同士を重ね合わせた態様であっても良い。突合せと重ねあわせを複合的にした態様であっても良い。

表１は、本実施形態において端子１に用いることのできる銅合金の化学組成を示したものである。

表１に示した端子用銅合金を基材として、管状かしめ部３０をファイバレーザ溶接して端子１を製造する場合、ファイバレーザの波長域１０３０〜１１００ｎｍにおける基材のレーザ吸収率は、固体状態で約１０％と低い。ＹＡＧレーザの波長は１０６４ｎｍであるので、ＹＡＧレーザを用いた場合も同様である。このため、貫通溶接するためにはエネルギの高いレーザを照射する必要があるが、レーザのエネルギが高すぎると、基材の溶融が急激に開始するために、溶接部にブローホールが発生しやすくなる。図４に示したように、表１に示した銅合金のレーザ吸収率は、レーザの波長に依存し、レーザの波長を増していくと、５５０ｎｍを超えた波長で急激に低下を開始し、６００ｎｍを超えた波長で約１０％に低下する。従って、銅合金のレーザ吸収率の観点では、５５０ｎｍ以下の波長のレーザを照射すればよいことになるが、波長が短すぎると、レーザのエネルギが低くなりすぎてしまう。

本発明の実施形態においては、５００〜５５０ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームＬ１と、１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームＬ２と、を同時に照射して端子用銅合金基材を溶接する。そうした場合、銅合金に対する吸収率が高い５００〜５５０ｎｍの波長のレーザビームＬ１によって銅合金基材の表層が溶融して溶融池が形成され、レーザのエネルギの高い１０３０〜１１００ｎｍの波長のレーザビームＬ２によって貫通溶接がなされる。液体状態の銅合金のレーザ吸収率は約３０％と高くなるからである。これにより、基材が厚い場合でも効率よく貫通溶接を実現することが可能になる。

レーザビームの波長が５００ｎｍ未満であるとレーザのエネルギが低くなりすぎて、銅合金基材表面に溶融池が形成され難くなる。

ファイバレーザでは、光ファイバのコアにドープする元素（例えば、Ｙｂ、Ｅｒ等）によって、１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長のレーザビームが発振される。また、ＹＡＧレーザの波長は１０６４ｎｍである。この波長域における銅合金の固体状態におけるレーザ吸収率は約１０％と低いので、この波長域のファイバレーザ又はＹＡＧレーザのみを用いて銅合金を溶接するのは、エネルギ効率上得策ではない。

５００〜５５０ｎｍの波長を有するレーザビームは、その波長をそのまま出せる光源でもよいが、特殊な装置を用いなければならず、波長も限定されてしまうので、波長変換素子を用いて合成するのが好ましい。

５００〜５５０ｎｍの波長を有するレーザは、１０３０〜１１００ｎｍの波長のファイバレーザや、１０６４ｎｍの波長のＹＡＧレーザをＳＨＧ（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ、第二次高調波発生）素子や、さらに高次の高調波発生素子を波長変換素子として用いて和周波を発生することにより、波長変換して得ることができる。

（実施例１〜７）
実施例１〜４ではＦＡＳ−６８０（古河電気工業（株）製商品名）、実施例５ではＦＡＳ−８２０（古河電気工業（株）製商品名）、実施例６ではＭＡＸ３７５（三菱伸銅（株）製商品名）、実施例７ではＭＡＸ２５１（三菱伸銅（株）製商品名）の四角い形状の銅合金板を基材に用い、これを突合せて１ｃｍにわたり、表２に示した波長を有する２つのレーザビームを同時に照射することにより溶接して試験片とし、溶接性評価を行った。基材厚さはいずれも０．２５ｍｍである。レーザは、ファイバレーザ又はＹＡＧレーザを用いた。

＜ファイバレーザ溶接条件＞
レーザ溶接装置：ＡＳＦ１Ｊ２３（古河電気工業（株）製商品名）、５００Ｗ、ＣＷファイバレーザ
レーザビーム出力：４００Ｗ
波長：１０８４ｎｍ（シングルモード発振レーザ光）
掃引速度：１３５ｍｍ／ｓｅｃ．
掃引距離：９ｍｍ（突合せ部約７ｍｍ）
全条件ジャストフォーカス

＜ＹＡＧレーザ溶接条件＞
レーザー溶接装置：ＳＬ−１２５（ＮＥＣ製）
波長：１０６４ｎｍ（パルス発振、パルス幅：２．０ｍｓ）
掃引速度：１ｍｍ／ｓeｃ.
掃引居地：９ｍｍ（突合せ部約７ｍｍ）
全条件焦点はずし量：０〜±１ｍｍ

＜溶接性評価＞
溶接性は、ブローホールを溶接欠陥として、透過Ｘ線で写真を取り、ブローホールの数をカウントし、以下の基準で評価した。
◎：１０個以下
○：１０個超、２０個以下
×：２０個超〜溶接不可

（比較例１）
厚さ０．２５ｍｍの四角い形状のＦＡＳ−６８０の銅合金板を基材に用い、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザのみで溶接を行ったこと以外は、実施例１〜７と同様である。

表２に評価結果を示す。表２からわかるように、波長５３２ｎｍ又は５４２ｎｍのレーザと、波長１０６４ｎｍ又は１０８４ｎｍのレーザの２本のレーザビームを同時に照射して溶接を行った実施例１〜７ではいずれも良好な溶接性を示したのに対し、波長１０６４ｎｍのレーザビームのみ照射した比較例１では、溶接性は悪いという結果となった。以上から、５００〜５５０ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームと１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームとを基材の突合せ部に同時に照射することにより、溶接欠陥の少ない管状かしめ部を備えた端子を製造できることが確認された。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。特に、本発明は雌型端子について述べてきたが、当然雄型端子についても適用可能である。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１端子
１０終端接続構造
２０雌型端子のボックス部
３０管状かしめ部
３１電線挿入口
３５第１の圧着縮径部
３６第２の圧着縮径部
３７被溶接部
４０トランジション部
５０溶接部
６０電線
６１絶縁被覆
ＦＬ１、ＦＬ２ファイバレーザ溶接装置
Ｌ１、Ｌ２レーザビーム

Claims

銅合金板材を打ち抜いて曲げ加工することにより成形された管状かしめ部のレーザ溶接方法であって、
前記管状かしめ部の長手方向に設けた被溶接部にわたって、５００〜５５０ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームと１０３０〜１１００ｎｍの範囲の波長を有するレーザビームとを同時に照射して溶接することを特徴とする銅合金端子のレーザ溶接方法。
前記５００〜５５０ｎｍの範囲の波長のレーザビームは、波長変換素子を用いて和周波を発生させて合成することを特徴とする請求項１に記載の銅合金端子のレーザ溶接方法。
請求項１または２に記載のレーザ溶接方法を用いてレーザ溶接が施されることによって、管状かしめ部が設けられた銅合金端子。