JP2014164910A - 銅又は銅合金端子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧着性に優れた、接触抵抗の低い圧着部を形成することができる管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一端側に電線を挿入し、圧着するための、レーザ溶接によって形成された管状かしめ部３０を備えた端子１であって、前記管状かしめ部３０の、溶接部５０を除く内側表面にはＳｎ−Ｃｕ合金層又はＳｎ−Ｃｕ化合物層を介して厚さ０．２〜１０μｍの純Ｓｎ層が形成されていることを特徴とする銅又は銅合金端子。
【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。

一方、端子としての諸特性を担保するために、銅又は銅合金端子表面にはＳｎめっき層が形成されていることが多い。ＣｕまたはＣｕ合金から成る基材表面に形成したＳｎまたはＳｎ合金の電気めっき層に対してリフロー処理を行うと、はんだ付け性、耐熱性、耐摩耗性に優れたリフローめっき部材得られることが開示されている。（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３３７８７１７号公報

しかしながら、表面にＳｎ層を有する銅又は銅合金板を基材として、レーザ溶接を含む製造工程で端子を製造する場合、レーザビーム照射による発熱で、Ｓｎが銅又は銅合金の母材中に拡散して電気抵抗の高いＣｕ−Ｓｎ相が形成され、端子表面はＣｕ−Ｓｎ相に覆われた状態となる。この結果、端子にアルミニウム又はアルミニウム合金電線を挿入、圧着すると、圧着性が不十分なため、接触抵抗は高くなってしまうという問題がある。特許文献４には溶接に関連した記載はない。

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、圧着性に優れた、接触抵抗の低い圧着部を形成することができる管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の銅又は銅合金端子の特徴は、一端側に電線を挿入し、圧着するための、レーザ溶接によって形成された管状かしめ部を備えた端子であって、その管状かしめ部の、溶接部を除く内側表面にはＳｎ−Ｃｕ合金層又はＳｎ−Ｃｕ化合物層を介して厚さ０．２〜１０μｍの純Ｓｎ層が形成されていることを要旨とする。

管状かしめ部の内側表面に純Ｓｎ層が存在すると、電線を挿入、圧着した時の圧着性が良好となり、接触抵抗は低くなる。さらに、端子を製造した後、圧着せずに長期間保存し環境負荷を受けたとしても、その後の電線圧着では確実な導通を取ることができる。

本発明の銅又は銅合金端子の製造方法の特徴は、一端側に電線を挿入し、圧着するための管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子の製造方法であって、表面に純Ｓｎ層を有する１枚の銅又は銅合金板を、打ち抜いて曲げ加工し、リフロー熱処理を施した後、管状かしめ部の長手方向に設けた突合せ部にわたってレーザ溶接することを要旨とする。

もしくは、本発明の銅又は銅合金端子の製造方法は、一端側に電線を挿入し、圧着するための管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子の製造方法であって、表面に純Ｓｎ層を有する１枚の銅又は銅合金板にリフロー熱処理を施した後、打ち抜いて曲げ加工し、前記管状かしめ部の長手方向に設けた突合せ部にわたってレーザ溶接するものであっても良い。

リフロー熱処理を施した後の銅又は銅合金板の表面には、厚さ０．２〜１０μｍの純Ｓｎ層が残存しているのが望ましい。０．２μｍ未満だと、接圧を取りづらく、Ｓｎ層の効果を十分に得ることができない。１０μｍ超になるような厚さでＳｎ層を設けていると、溶接部の組織においてＣｕ−Ｓｎ層の割合が高くなり、圧着時に割れが生じやすくなってしまう。

銅又は銅合金板と純Ｓｎ層の界面には、リフロー熱処理によってＣｕ−Ｓｎ合金層又はＣｕ−Ｓｎ化合物層が形成されているので、リフロー熱処理後、基材を打ち抜いて曲げ加工し、管状かしめ部をレーザ溶接する場合に、レーザ溶接後にも表面に純Ｓｎ層が残存している端子を得ることができる。

本発明によれば、圧着性に優れた、接触抵抗の低い圧着部を形成することができる管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子、及びその製造方法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銅又は銅合金の基材で製造されており、基材表面にはＳｎめっきが施されている。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の銅又は銅合金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又は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％、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）
少なくとも管状かしめ部の内側表面にＳｎめっき層を施した端子を成形するためには、例えば、表面にＳｎめっきを施した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とができる。もしくは、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いた後、全体をＳｎめっきし、その後曲げ加工によってボックス部やかしめ部を設けることもできる。この時、両者において、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に用いることのできる銅合金の化学組成を示したものである。

本実施形態においては、端子１の基材として、表面にＳｎめっき層を有する銅又は銅合金を用いる。表面にＳｎめっきを施した銅又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、曲げ加工した材料に、Ｓｎの融点２３２℃よりやや低い温度に管理された加熱炉の中を走行させることにより、リフロー熱処理を施す。もしくは、表面にＳｎめっきを施した銅又は銅合金基材からなる条材に同様のリフロー処理を施し、その後平面展開した端子形状に打ち抜き、曲げ加工しても良い。なお、リフロー処理の走行速度は曲げ加工した材料の表面に純Ｓｎが残存するように調整する。すなわち、このリフロー熱処理により、Ｓｎめっき層と銅又は銅合金基材の界面にはＳｎ−Ｃｕ合金層又はＳｎ−Ｃｕ化合物層が形成され、未反応の純Ｓｎが表面に残存している状態となる。次いで、曲げ加工したかしめ部のＣ字型断面の開放部分を突合せ、ファイバレーザ溶接すると、レーザビーム照射部は基材の融点以上に加熱されるが、リフロー熱処理によって残存Ｓｎ層と基材の界面にはＳｎ−Ｃｕ合金層又はＳｎ−Ｃｕ化合物層が形成されているため、残存Ｓｎ層と基材中のＣｕとの更なる反応を抑制することができる。このようにして、管状かしめ部３０の表面にＳｎ−Ｃｕ合金層又はＳｎ−Ｃｕ化合物層を介して所定の厚さの純Ｓｎ層が形成されている、銅又は銅合金の端子１が得られる。

銅又は銅合金の端子１の管状かしめ部３０の少なくとも内側表面に純Ｓｎ層が形成されていると、管状かしめ部に電線６０を挿入、圧着するときの圧着性がよくなって、低い接触抵抗が得られる。ただし、溶接部については、Ｓｎが取り込まれてしまうため、この部分についてはＳｎ層はほぼ存在しない。Ｓｎは溶接時に、基材である銅中へ溶け込み、凝固時等に一部がＣｕ−Ｓｎ相となる。

また、残存純Ｓｎ層と基材の界面に存在するＳｎ−Ｃｕ相は耐摩耗性に優れるため、本実施形態に係る端子１は、電気導通を担う圧着部品としての耐微摺動性に優れる。しかし、溶接が施された溶接部の組織内のＣｕ−Ｓｎ相は、その割合が多いと、圧着加工時に割れの原因となりうる。従って、初期に基材に設けるＳｎ層は一定の厚みであることが好ましい。溶接後において、溶接部をのぞく管状かしめ部内の内表面のＳｎ層の厚さは、０．５〜１０μｍである。このような範囲であると、圧着時における割れが発生しづらく、また電線の芯線との接触も良好となる。

（実施例１〜９）及び（比較例１〜６）
実施例１〜６ではＦＡＳ−６８０（古河電気工業（株）製、商品名）を、実施例７ではＦＡＳ−８２０（古河電気工業（株）製、商品名）を、実施例８ではＭＡＸ３７５（三菱伸銅（株）製、商品名）を、実施例９ではＭＡＸ２５１（三菱伸銅（株）製、商品名）を銅合金板として使用した。比較例１〜６ではＦＡＳ−６８０（古河電気工業（株）製、商品名）を銅合金板として使用した。各板材の厚みは、全て０．２５ｍｍとした。

板材へ所望の厚みのリフローＳｎめっきを施した後、プレス成型とレーザ溶接を行って、管状かしめ部を備えた端子を作製した。溶接工程では、ファイバレーザにより、一対のバレルの端部を突き合せて溶接した。なお、溶接条件は後述する通りの条件とした。作製した端子が、電線圧着をしない状態で長期間放置された状況を加味し、８５℃湿度８５％の環境に、１００時間放置した。その後、端子に、下記に示すアルミニウム電線を挿入して圧着し、接続構造体を作製した。

＜電線＞
アルミニウム電線の芯線：Ｆｅ０．２、Ｃｕ０．２、Ｍｇ０．１、Ｓｉ０．０４、残部はＡｌおよび不可避不純物（線径０．４３ｍｍ、１９本撚り）

＜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
掃引距離：９ｍｍ（突合せ部約７ｍｍ）
全条件ジャストフォーカス

＜純Ｓｎ厚測定＞
圧着前の管構造圧着部の長手中央について断面を研磨し、ＳＥＭにより純Ｓｎ層の厚みを計測した。
＜接触抵抗評価＞
圧着部の接触抵抗を四端子法により測定し、以下の基準で評価した。
○：３ｍΩ未満
△：３ｍΩ以上、１０ｍΩ未満
×：１０ｍΩ以上

＜圧着部損傷観察＞
圧着部をマイクロスコープで観察し、クラックの有無を評価した。
○：存在しない
×：存在する
クラックの存在したものは、全て溶接部に存在しており、内部のアルミ電線にまで至る、大きなものであった。

表２に評価結果を示す。表２からわかるように、ファイバレーザ溶接後に０．２〜１０．０μｍの厚さの純Ｓｎ層が形成されている銅合金基材で、接触抵抗、圧着部損傷評価とも良好であった。０．２μｍを下回ると接触抵抗が不安定又は不良となり、１０．０μｍを上回ると圧着部損傷が見られた。

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 (4)

1. 一端側に電線を挿入し、圧着するための、レーザ溶接によって形成された管状かしめ部を備えた端子であって、
   前記管状かしめ部の、溶接部を除く内側表面にはＳｎ−Ｃｕ合金層又はＳｎ−Ｃｕ化合物層を介して厚さ０．２〜１０μｍの純Ｓｎ層が形成されていることを特徴とする銅又は銅合金端子。
2. 一端側に電線を挿入し、圧着するための管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子の製造方法であって、
   表面に純Ｓｎ層を有する１枚の銅又は銅合金板を、打ち抜いて曲げ加工しリフロー熱処理を施した後、前記管状かしめ部の長手方向に設けた突合せ部にわたってレーザ溶接することを特徴とする銅又は銅合金端子の製造方法。
3. 一端側に電線を挿入し、圧着するための管状かしめ部を備えた銅又は銅合金端子の製造方法であって、
   表面に純Ｓｎ層を有する１枚の銅又は銅合金板にリフロー熱処理を施した後、打ち抜いて曲げ加工し、前記管状かしめ部の長手方向に設けた突合せ部にわたってレーザ溶接することを特徴とする銅又は銅合金端子の製造方法。
4. 前記リフロー熱処理を施した後の前記銅又は銅合金板の表面に、厚さ０．２〜１０μｍの純Ｓｎ層が残存していることを特徴とする請求項１または２に記載の銅又は銅合金端子の製造方法。

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