JP2014161863A - 銅合金板材の溶接方法、および該溶接方法によって製造された端子 - Google Patents

Abstract

【課題】防水性（止水性）に優れた、溶け落ちやキーホールのない、均一な肉厚の銅合金溶接管を備えた端子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ファイバレーザＦＬ１、ＦＬ２等による銅合金板材の溶接方法であって、同じ集光ビーム径を有する２つ以上のファイバレーザビームＬ１、Ｌ２等を各々のファイバレーザビームの照射部における中心間距離が集光ビーム径の０．７以下となるように端子用銅合金板の突合せ部に照射する端子用銅合金板の溶接方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、銅合金板材の溶接方法および銅合金端子に関する。より詳しくは、主に自動車等の端子用途に用いられる銅合金板材の溶接方法および、自動車用の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、アルミ電線とも言う）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、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。

特開２０１１−２２２２４３号公報 特開２００４−２０７１７２号公報 特開２００７−２０３３３０号公報

しかしながら、特許文献３に開示されているレーザ溶接方法は、対象が鋼板の溶接に限定されており、熱伝導が高く一般に溶接性が悪いとされている銅及び銅合金のレーザ溶接に関しては開示や示唆がない。

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、銅合金板材に対してファイバレーザによる溶接を健全に行う方法を提供することを目的とする。またこの溶接方法を用いて溶接を施すことで、防水性（止水性）に優れた銅合金溶接管を備えた端子を提供することを目的とする。

本発明のレーザ溶接方法の特徴は、ファイバレーザ溶接による銅合金板材の溶接方法であって、同じ集光ビーム径を有する２つ以上のファイバレーザビームを、各々のファイバレーザビームの照射部における中心間距離（各々のビームのずれ）が集光ビーム径の０．７以下となるように銅合金板材の被溶接部に照射することを要旨とする。

上記各々のレーザビームの中心位置のずれ量がレーザビームのビーム径の０．７を超えると、エネルギ密度が低くなり、溶接速度が遅くなって生産性が悪くなる。

上記レーザ溶接方法におけるレーザビームの出力は、いずれも０．８ｋＷ以下とすることが好ましい。

いずれかのレーザビームの出力が０．８ｋＷを超えると、その中心でエネルギ密度が高くなりすぎ、溶接部が不健全となりやすく、安定した溶接スピードが得られなくなる。

上記レーザ溶接方法で用いる銅合金板材の板厚は０．１５〜０．８ｍｍの範囲とすることが好ましい。

銅合金板の板厚が０．１５ｍｍ未満であると強度、剛性が不足し、０．８ｍｍを超えると、貫通溶接するのに時間がかかって、溶接速度を上げられず、かしめ工程と同期した製造が難しくなる。

また、本発明の端子は、上述した溶接方法によって溶接されたことを要旨とする。

本発明によれば、銅合金板材に対してファイバレーザによる溶接を健全に行うことができる。またこの溶接方法を用いて溶接を施すことで、防水性（止水性）に優れた、溶け落ちやキーホールの少ない管状かしめ部を有する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。

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基本的に銅合金の基材で製造されている。ただし、端子１の種々の特性を担保するために、例えば端子１の一部あるいは全部にスズめっきや銀めっき等が施されていてもよい。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又はアルミニウム合金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の銅合金もしくはすずめっき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為、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、図示しないが、管状かしめ部３０内には、電線と電気的接続をとる為や電線を抜けにくくする為に、係止溝（セレーション）や突起を設けても良い。

（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、アルミ又はアルミ合金電線（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またはアルミニウム系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％、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）
本発明の端子１は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を複数のファイバレーザにより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。

表１は、端子１に用いることのできる銅合金の組成を示したものである。

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とが管状かしめ部３０の被溶接部３７（突合せ部）を溶接するように照射される。図３では、２つのファイバレーザ溶接装置を並列接続して２方向からレーザビームを照射する例を示したが、並列接続の数をさらに増やしてもよい。各々のビームは、同じ出力でも、異なる出力の組合せとしてもよい。

管状かしめ部３０に電線６０を挿入してかしめた図２の状態で、管状かしめ部３０の内周面が全周にわたって電線６０の絶縁被覆６１に密着するためには、溶接部５０の肉厚は銅合金基材の肉厚と同等で均一になっている必要がある。溶け落ち部やキーホール部が生じて溶接部５０の肉厚が銅合金基材の肉厚より薄く、不均一であると、かしめ後に管状かしめ部３０の内周面と電線６０の絶縁被覆６１の間に隙間ができて、内部に水の浸入を許す結果となりやすい。

さらに、管状かしめ部３０の溶接工程と、管状かしめ部３０への電線挿入、かしめ工程を同期して連続的に行うために、１００ｍｍ／ｓ以上の溶接スピードで溶接できることが好ましい。溶接スピードは３００ｍｍ／ｓを超えればより好ましい。

実施例１〜５、比較例１〜３においては、同じ０．５ｋＷの出力の２つファイバレーザビームを、ビーム中心をずらして照射し、溶接性を評価した。実施例６〜１４、比較例４〜６においては、ビーム中心のずらしの比を０．１に固定し、０．３ｋＷ、０．５ｋＷ、０．８ｋＷの３つの出力から選択した２つファイバレーザビームの組合せを変えて照射して、溶接性を評価した。実施例１５〜１８、比較例７においては、同じ０．５ｋＷの出力の２つファイバレーザビームを、ビーム中心のずらしの比を０．３に固定し、材料の板厚、レーザーム集光径、溶接速度を変えて照射して、溶接性を評価した。評価は、ＦＡＳ−６８０（古河電気工業（株）製商品名）、ＣＡＣ６０（（株）神戸製鋼所製商品名）、ＮＢＩ１０９（日本ベルパーツ（株）製商品名）の端子用銅合金板を用いて行ったが、以下ＦＡＳ−６８０に関する結果を示す。

溶接性は、アンダーフィル、溶け落ち及びキーホールのない溶接部が得られる溶接速度に関し、表２に示した基準で評価した。

（実施例１〜５）及び（比較例１〜３）
ファイバレーザビームの集光ビーム径をφ２０μｍにし、２方向から照射部におけるそれぞれの中心位置を表３に示したようにずらして端子用銅合金板の突合せ部に照射し、溶接性を評価した。表２中の「ビーム中心のずらしの比」は、集光ビーム径に対する照射部における２つのレーザビームの中心間距離をいう。

＜ファイバレーザ溶接条件＞
ファイバレーザ溶接装置：ＡＳＦ１Ｊ２３３（古河電気工業（株）製、商品名）
集光ビーム径：φ２０μｍ
レーザ出力：０．５ｋＷ
レーザビーム入射角度：管状かしめ部の断面で見て、円スポット中の法線方向
溶接速度：０．１５ｍ／秒

＜端子用銅合金板＞
材質：ＦＡＳ６８０
板厚：０．２５ｍｍ
Ｓｎめっき厚：０．２〜２μｍ

表３に溶接性評価結果を示す。表３からわかるように、ビーム中心のずらしの比が０．７を超えるとエネルギ密度が低くなり、溶接速度が遅くなって生産性が悪くなる。これに対し、レーザの出力を上げると、ビーム中心ではエネルギ密度が高くなりすぎ、安定したビードが得られなくなる。実施例１では、ビーム中心のずらしの比が０（ゼロ）であり、２つのレーザとして認識されなくなってしまうとともにレーザースポット中心のエネルギー密度が周辺部のエネルギー密度に比べて大きくなり、スポット周辺部の溶接条件を良好とした際に、中心部で溶け落ちの危険性が生じる。現実のレーザはシングルモード発信でも、線幅が有限なために溶接性評価は○となった。実施例５では、ビーム中心のずらしの比が０．５であり、集光ビーム径φ２０μｍに対するビーム中心のずらし量は１０μｍと良好なビームプロファイルとなっている。ビームが重なりすぎると、加熱の程度が均一でなくなるので好ましくない。

（実施例６〜１４）及び（比較例４〜６）
ファイバレーザビームの集光ビーム径をφ２０μｍに、ビーム中心のずらしの比を０．１にし、０．３ｋＷ、０．５ｋＷ、０．８ｋＷ、１ｋＷの４つの出力から選択した２つファイバレーザビームの組合せを表３に示したように変えて銅合金板の被溶接部（突合せ部）に照射し、溶接速度０．２ｍ／ｓの場合の溶接性を評価した。ファイバレーザ溶接装置、銅合金板材は、実施例１〜５と同様である。

表４に溶接性評価結果を示す。表４からわかるように、２つのファイバレーザのうちの１方のレーザ出力が１ｋＷになると、溶接性が悪くなる。レーザ出力が１ｋＷになると、ビーム中心ではエネルギ密度が高くなりすぎ、安定した溶接ビードが得られなくなる。

（実施例１５〜１８）及び（比較例７）
出力０．５ｋＷの２つファイバレーザをビーム中心のずらしの比を０．３に固定して端子用銅合金板の突合せ部に照射し、表５に示したような銅合金板材の板厚、ファイバレーザの集光ビーム径、ファイバレーザ溶接速度での溶接性を評価した。ファイバレーザ溶接装置は実施例１〜５と同様である。銅合金板材は、板厚を除いて、実施例１〜５と同様である。

表５に溶接性評価結果を示す。表５からわかるように、銅合金板材の板厚が０．８ｍｍを超えると、貫通溶接するのに時間がかかり、溶接速度を速くすることができず、端子のかしめ工程と同期した製造が難しくなる。

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 (4)

1. ファイバレーザ溶接による銅合金板材の溶接方法であって、
   同じ集光ビーム径を有する２つ以上のファイバレーザビームを、各々の前記ファイバレーザビームの照射部における中心間距離が前記集光ビーム径の０．７以下となるように被溶接部に照射することを特徴とする銅合金板材の溶接方法。
2. 前記ファイバレーザビームの出力は、いずれも０．８ｋＷ以下であることを特徴とする請求項１に記載の銅合金板材の溶接方法。
3. 前記銅合金板材の板厚は０．１５〜０．８ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の銅合金板の溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれかの溶接方法によって溶接が施された銅合金端子。

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