JP2014164908A - 黄銅端子 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部のブローホール数が抑制された、かしめ加工の成形性に優れた黄銅端子を提供する。
【解決手段】一端側に電線を挿入し、圧接する管状かしめ部３０を備えた黄銅の端子であって、黄銅は、Ｎｉを０．５〜８．０質量％含み、管状かしめ部３０は長手方向にわたってファイバレーザ溶接による溶接部５０を有する黄銅端子１。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気導通を担う部品に関する。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、ワイヤー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、管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）。

ＺｎとＮｉを含有する銅合金としては、Ｚｎ:２０〜４１ｍａｓｓ％、Ｓｎ:０．１ 〜４．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ:０．１〜５．０ｍａｓｓ％、Ｐ:０．０１〜０．３ｍａｓｓ％の範囲で、かつ５．０≦Ｎｉ／Ｐ≦５０を満たす銅合金（例えば、特許文献５参照。なお、単位表示は同文献による。）、Ｃｕ５４〜５８重量％、Ｎｉ１６．５〜１９．５重量％、Ｚｎ２２．５〜２９．５重量％のＣｕ−Ｎｉ−Ｚｎが９０〜９９．５重量％及び残部がＡｕ、Ｐｔ、Ｒｕ及びＲｈの少なくとも一種を合計で０．５〜１０重量％含有する銅合金（例えば、特許文献６参照。なお、単位表示は同文献による。）、Ｎｉを７〜２６重量％、Ｚｎを５〜３０重量％含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金（例えば、特許文献７参照。なお、単位表示は同文献による。）等が開示されている。

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 特許第４１８６０９５号公報 特開昭５８−１１２２９１号公報 特開平１１−３２８９３９号公報

しかしながら、安価で生産性のよい黄銅板を基材として、溶接を含む製造工程で端子を製造する場合、黄銅に含有されるＺｎが気化して溶接部にブローホールが形成されて溶接欠陥となるというさらなる問題があるが、特許文献３〜７には、この問題を考慮した黄銅板のレーザ溶接に関しては開示も示唆もない。

特許文献６、７に開示されているようなＮｉ含有量が多い銅合金では、融点が高くなり、溶接性は悪くなる。また、Ｎｉ添加量が適切であっても、Ｓｉ、ＰなどＮｉの析出を促す元素が同時に添加されていると、溶接時にその元素とＮｉが優先的に化合物を形成してしまうために、Ｚｎの気化を防ぐ役割は果たさない。さらに、導電率を下げるような固溶元素が入っていると、通電材としては不適である

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、溶接部のブローホール数が抑制された、かしめ加工の成形性に優れた黄銅端子を提供することを目的とする。

本発明の黄銅端子の特徴は、一端側に電線を挿入し、圧接する管状かしめ部を備えた黄銅の端子であって、黄銅は、Ｎｉを０．５〜８．０質量％含み、管状かしめ部は長手方向にわたってファイバレーザ溶接による溶接部を有することを要旨とする。

Ｎｉが０．５質量％未満であるか、８．０質量％を超えると溶接部にブローホールが多発する。

黄銅は、Ｎｉを２．０〜４．０質量％含むことがより好ましい。

本発明によれば、溶接部のブローホール数が抑制された、かしめ加工の成形性に優れた黄銅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Ｎｉ添加黄銅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。また、管状かしめ部の内面には、ＳｎやＡｇなどのめっきが施されているのが好ましい。

管状かしめ部３０では、管状かしめ部を構成するＮｉ添加黄銅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。Ｎｉ添加黄銅基材と電線（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、溝や突起等の係止溝（セレーション）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、Ｎｉ添加黄銅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ＦＬ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ＦＬから発せられたレーザビームＬ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、１つのファイバレーザ溶接装置からレーザビームを照射する例を示したが、ファイバレーザ溶接装置を複数台並列接続して、複数本のレーザビームを照射してもよい。この場合、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。

表１は、本実施形態において端子１に用いるＮｉ添加黄銅のベースとなる黄銅の化学組成を示したものである。

すなわち、本発明に好適な黄銅材の組成は、Ｃｕ：６４．０〜７１．５質量％、Ｎｉ：０．５〜８．０質量％、残部がＺｎおよび不可避不純物（Ｐｂ、Ｆｅ、その他の元素）である。さらに、好ましくは、Ｎｉは、２．０〜４．０質量％である。

本実施形態においては、端子１の基材として、Ｎｉ添加黄銅板を用いる。１気圧下で、Ｃｕの沸点は２５６２℃であるのに対し、黄銅に含有されるＺｎの沸点は９０７℃である。また、１気圧下での蒸発温度（蒸気圧が１０^−２になる時の温度）は、Ｃｕの１２７３℃に対し、Ｚｎでは３４３℃と融点４１９℃より低い。このため、黄銅板を溶接するとＺｎが選択的に蒸発する脱亜鉛現象が起こって、大量のブローホール、溶接表面の荒れ、割れ、などの溶接欠陥が多発する。

この、黄銅板の溶接部に生じる、脱亜鉛現象に起因する溶接欠陥の発生の問題は、Ｎｉ添加黄銅板を基材として用いることで克服される。

本実施形態においては、端子１の基材として、０．５〜８．０質量％のＮｉを添加した黄銅板を用いる。基材の突合せ部をファイバレーザ溶接すると、まず、レーザービームが照射された部分の表面層近傍で溶融池が形成される。この時、Ｎｉが基材中に添加されていることにより、表面層近傍でＮｉ―Ｚｎ相が形成される。Ｎｉ−Ｚｎ相の沸点は黄銅の溶融温度を超えており、かつ、Ｎｉ−Ｚｎ相が形成された場合にはＺｎは単体で蒸発しなくなる。一旦、Ｎｉ−Ｚｎ相が形成された場合、ＮｉとＺｎはその相に取り込まれやすくなるため、基材内部に溶接が進んだ際にＮｉとＺｎで相分離する可能性が低くなる。そのため、溶接部全体においてブローホールの発生を低く抑えることが可能になる。溶接が終了し再凝固後、黄銅中にＮｉ−Ｚｎ相を含む溶接部が形成される。

Ｎｉ添加量が０．５質量％未満であるか、８．０質量％を超えると、溶接時にＮｉ−Ｚｎ相が安定して形成されなくなり、Ｚｎの蒸発は抑制され難くなる。Ｎｉ添加量は、２．０〜４．０質量％の範囲にあるのがより好ましい。

（実施例１〜８）
実施例１〜７では、ＪＩＳ Ｃ２６００相当のＣｕ−３０質量％Ｚｎに表２に示した添加量でＮｉを添加し、実施例８では、ＪＩＳ Ｃ２６８０相当のＣｕ−３５質量％Ｚｎに２．０質量％Ｎｉを添加した組成の、厚さ０．２５ｍｍの四角い形状のＮｉ添加黄銅板を基材に用い、これを突合せて１ｃｍにわたりファイバレーザで貫通溶接して試験片とし、溶接性評価を行った。

＜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
レーザー焦点径：φ２０μｍ
掃引速度：１４０ｍｍ／Ｓ
掃引距離：９ｍｍ（突合せ部約７ｍｍ）
全条件ジャストフォーカス

＜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、２）
Ｎｉを添加していない、ＪＩＳ ２６００、ＪＩＳ Ｃ２６８０相当の四角い形状の黄銅板を基材に用いたこと以外は、実施例１〜８と同様である。

（比較例３〜８）
比較例３〜６では、ＪＩＳ Ｃ２６００相当のＣｕ−３０質量％Ｚｎに表２に示した添加量でＮｉを添加し、比較例７では、ＪＩＳ
Ｃ２６８０相当のＣｕ−３５質量％Ｚｎに１０．０質量％Ｎｉを添加し、また比較例８では、実施例４の組成に微量のＰを加えた組成の、厚さ０．２５ｍｍの四角い形状のＮｉ添加黄銅板を基材に用いたこと以外は、実施例１〜８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、０．５〜８．０質量％のＮｉ添加量のＮｉ添加黄銅板を基材に用いた場合は良好なファイバレーザ溶接性を示したのに対し、Ｎｉ無添加の黄銅板を基材に用いた場合、溶接性は悪い結果となった。Ｎｉ添加量２．０質量％の実施例３、Ｎｉ添加量４．０質量％の実施例４は特に優れた溶接性を示したが、実施例４の組成に微量（０．１質量％）のＰを加えた比較例８では溶接性は悪くなった。０．５〜８．０質量％Ｎｉ添加黄銅板を基材とした端子の、ファイバレーザ溶接による溶接部を有する管状かしめ部は、良好なかしめ加工性を有す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
ＦＬ ファイバレーザ溶接装置
Ｌ レーザビーム

Claims (2)

1. 一端側に電線を挿入し、圧接する管状かしめ部を備えた黄銅の端子であって、
   前記黄銅は、Ｎｉを０．５〜８．０質量％含み、
   前記管状かしめ部は長手方向にわたってファイバレーザ溶接による溶接部を有することを特徴とする黄銅端子。
2. 前記黄銅は、Ｎｉを２．０〜４．０質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の黄銅端子。
   

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