JP2018524479A - 卑金属を含む導体と銅を含む端子要素とを溶接により接続する方法、およびこれにより製造される端子アセンブリ - Google Patents

卑金属を含む導体と銅を含む端子要素とを溶接により接続する方法、およびこれにより製造される端子アセンブリ Download PDF

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Abstract

本発明は、卑金属を含む導体（１）と、銅を含む端子要素（２）とを接続する方法に関する。また、本発明は、卑金属を含む導体（１）と、銅を含み、導体（１）に接続される端子要素（２）とを有する端子アセンブリ（１８）に関する。卑金属を含む導体（１）と銅を含む端子要素（２）とを機械的にかつ導電性を持って確実に接続するために、導体（１）と端子要素（２）とが互いに溶接される前に、導体（１）および／または端子要素（２）が、少なくとも溶接接合部（５、１０）において銅合金により被覆されるか、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物により被覆されることが、本発明により想定される。このようにして、自動車産業で使用される厳しい基準を満たし、導体（１）が端子要素（２）に溶接され、溶接線（１９）が銅合金の層、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物の層を有する端子アセンブリ（１８）が製造される。
【選択図】図２

Description

本発明は、卑金属を含む導体と銅を含む端子要素とを接続する方法に関する。
本発明はさらに、卑金属を含む導体と、導体に接続され、銅を含む端子要素とを有する端子アセンブリに関する。
重量および費用上の理由で、自動車産業においてケーブルハーネスおよびプラグインコネクタがますます小型化している。従来、プラグイン接続におけるケーブルハーネスおよび端子要素は銅または銅合金から製造されている。しかしながら、銅は非常に重く、かなり高価である。したがって、自動車産業では、銅よりも軽く経済的な代替導体材料、例えば卑金属から作られた導体がますます注目されている。
しかしながら、卑金属を含む導体と銅を含む端子要素とを接続するときに、導体と端子要素との確実な機械的接続および電気的接続を生じさせることは困難である。一方で、異なる金属または金属合金から構成される導体と端子アセンブリとを機械的に接続することは、特に自動車産業においてプラグインコネクタのために設定された厳しい基準を考慮すると問題となる。プラグインコネクタは高い物理的応力を受けるため、大きい力に耐えなければならない。他方で、銅を含む端子要素と卑金属を含む導体とを接続することは、銅と卑金属との接触点が腐食するおそれがあるため、電気化学的に問題となる。腐食により、機械的接続が弱まるだけでなく、形成される酸化物層が絶縁性である場合に電荷の搬送が困難になる。
したがって、本発明の問題は、卑金属を含む導体と銅を含む端子要素とを機械的にかつ導電性を持って確実に接続して、導体に接続された端子要素と導体とから構成される端子アセンブリが、自動車産業で使用される厳しい基準を満たすようにすることである。
本発明は、卑金属を含む導体と銅を含む端子要素とを接続する方法であって、導体と端子要素とが互いに溶接される前に、導体および／または端子要素が、少なくとも溶接接合部において銅合金により被覆される、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物により被覆される方法によってこの問題を解決する。上記の端子アセンブリは、卑金属を含む導体と、導体に溶接され、銅を含む端子要素とを含み、溶接線が銅合金の層または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物の層を有するという点で、問題を解決する。
本発明による解決法は、卑金属を含む導体と銅を含む端子要素との接続を、機械的な面および電気伝導の面の両方で向上させる。銅合金で被覆、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物で被覆することにより、接続層が溶接接合部、すなわち溶接部品が接合される領域、すなわち溶接線に施される。この接続層により、導体と端子要素との接続を、機械的にかつ導電性に関して向上させる。被覆は、端子要素に接続される導体の領域を絶縁腐食層の形成から保護する。この絶縁腐食層は、導体から端子要素への導体電流としての表面全体にわたる電子搬送を妨げる。卑金属は、施された被覆中の銅と共に混合物または銅合金中に存在し、腐食が生じるとしてもせいぜい部分的に、表面全体にではなく生じるようになっている。さらに、本発明による被覆は、溶接の適応性および溶接接続の質を向上させるため、導体と端子要素との機械的接続を向上させる。
「卑金属」とは、電気化学的電圧系列において、水素の標準電極電位よりも小さい標準電極電位を有するあらゆる金属であると理解されたい。
「溶接接合部」とは、溶接部品、この場合、導体と端子要素とが共に溶接される領域であると理解されたい。「溶接」とは、熱および／または圧力を加えることによる、部品の恒久的な接続を意味するものと理解されたい。「溶接線（weld seam）」とは、部品が共に溶接される位置である。
本発明による解決法を、要望に応じて互いに組み合わせ可能な以下の個々に有利な実施形態によってさらに改良することができる。これらの実施形態および関連する利点について以下で考察する。実施形態の以下の特徴を、本発明による方法および端子要素の両方によって実現することができる。
本発明による方法および本発明による端子アセンブリの第１の実施形態において、導体は卑金属としてのアルミニウムを含む。この場合、導体をアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成することができる。アルミニウムは、非常に軽く、アルミニウム線を用いると、ケーブルハーネスの重量をかなり低減させることが可能であるという利点を有する。さらに、アルミニウムは適切に加工することができ、比較的安価である。
銅線と比較すると、アルミニウムを含む、またはアルミニウムもしくはアルミニウム合金から構成される導体、または別の卑金属を含む、またはその卑金属もしくはその合金から構成される導体は、導電性が低い。これを補償するために、導体は５〜１２０ｍｍ２の導体断面を有することができる。例えば、導体は６〜８０ｍｍ２の断面、例えば３０〜４０ｍｍ２の導体断面を有することができる。そのような導体断面により、重量を抑えつつ十分な導電性が保証される。
さらなる実施形態において、端子要素は被覆される。端子要素は、例えば、プラグインコネクタのコンタクト素子であってよい。そのような端子要素またはコンタクト素子は、通常、打ち抜かれた屈曲部品として次のように製造される。まず、いくつかの端子要素が１つのストリップから製造され、予め打ち抜かれたストリップ内で最初は互いに接続されたままの状態で、端子要素の外側輪郭をストリップ状コンタクト材料から打ち抜く。個々の端子要素、例えばコンタクト素子が打ち抜かれたが、予め打ち抜かれたストリップを介して互いに接続されたままであるこの段階で、例えば、ストリップの個々の端子要素を次々に連続して被覆ゾーンを通して供給することにより、端子要素に設けられた溶接接合部を特に容易に被覆することができる。
さらなる実施形態によれば、本発明による方法によって被覆として溶接接合部に施される混合物、または本発明による端子アセンブリによって溶接線に存在する混合物は、亜鉛、アルミニウム、スズ、鉄、ニッケル、マンガン、および前記金属の酸化物を含む群から選択された少なくとも１種の卑金属を有する。異なる実施形態において、被覆は銅合金を用いて行われ、または溶接線は、ＣｕＳｎ、ＣｕＺｎｘＳｎｙ、ＣｕＦｅ、ＣｕＮｉＳｉ、ＣｕＡｌｘｙ、および黄銅を含む群から選択された銅合金を有する。そのような混合物または銅合金を、卑金属を含む導体または銅を含む端子要素に被覆材料として適切に施すことができる。
一実施形態によれば、銅合金は黄銅であってよく、黄銅の亜鉛含有量は１０％〜７０％であってよい。例えば、黄銅の亜鉛含有量は２０％〜４０％、例えば２８％〜３２％であってよい。そのような黄銅被覆は、キャリア基板、例えば銅または銅合金を含む表面に適切に付着する。さらに、これらの黄銅被覆は良好な塑性変形性を示し、これにより、キャリア基板を黄銅被覆で被覆するための複数の被覆方法を生み出す。
黄銅被覆は、鉛および／または少なくとも１種のさらなる合金元素を含むことができる。少なくとも１種のさらなる合金元素を、アルミニウム、鉄、マンガン、ニッケル、シリコン、およびスズからなる群から選択することができる。このようにして、施す黄銅または黄銅被覆を、本発明によるコンタクト配置または被覆する基板ならびに／または接続する導体および端子要素の材料の要件に個々に適応させることができる。
さらなる実施形態によれば、固体、好ましくは粉末が被覆として施される。ここでは「被覆」とは、一般に、形のない材料の、しっかりと付着する層をキャリア材料の表面に施すことを意味する。生じる層が「被覆」である。固体被覆材料による被覆は、一般に、被覆する基板、例えば端子要素が被覆ゾーンを通して次々に供給される状態で、連続して実施することができるという利点を有する。
さらなる実施形態において、粉末は最大６０μｍの粒径を有することができる。例えば、粉末は１〜５０μｍ、例えば１〜３５μｍの粒径を有することができる。そのような粒径により、十分な厚さの均一な被覆を表面全体にわたって施すことができる。
さらなる実施形態によれば、被覆を溶射により施してもよい。溶射は、被覆材料がスプレー粒子の形でガスジェットに導入され、ガスジェット中で加速され、被覆する部品の表面に放出される表面被覆方法を含む。このプロセスにおいて、スプレー粒子が部品表面に衝突して大部分が機械的締付けにより付着したままであるときに、スプレー粒子を平坦にすることによって層が形成される。この場合、一般にガスジェットは、方法に応じて、ガスジェット中のスプレー粒子を溶融、表面溶融、または溶融により接合できる温度まで加熱される。溶射は、基板表面、すなわち導体および／または端子要素が、表面溶融されず、非常にわずかな程度にのみ熱応力を加えられるという利点を有する。
例えば、被覆をコールドガススプレーにより施してもよい。コールドガススプレーは、被覆材料を高速でキャリア材料に施す被覆方法である。このために、加熱したプロセスガスをノズル内で膨張により加速させ、被覆材料をガスジェットに注入する。音速であり得る高速により、基板に衝突したときに被覆材料の表面溶融または溶融による接合がないときでも、しっかりと付着する層を形成することができる。溶射による被覆、例えばコールドガススプレーによる被覆は、被覆粒子を含むガスジェットを被覆するゾーンに向けることによって連続して行うことができるという利点を有する。被覆する部品、例えば端子要素を、固定されたガスジェットを通して次々に案内することができ、またはガスジェットを個々の導体および／または端子要素の被覆する溶接接合部上に順々に動かすことができる。
さらなる実施形態によれば、導体と端子要素とを摩擦溶接してもよい。例えば、導体と端子要素とを超音波溶接により溶接してもよい。このタイプの溶接は、連続して行うことができ、異なる材料を互いに適切に接続することができ、溶接領域内の工具をわずかにしか加熱しないという利点をもたらす。加えて、これらの方法によって、より高速な溶接が可能であるため、本発明による端子アセンブリをより高速で製造することができる。
以下で、図面を参照しながら、有利な実施形態を使用して、本発明による解決法について例としてより詳細に説明する。記載される発展および有利な実施形態は、それぞれ互いに独立し、希望に応じて互いに組み合わせることができる。
電線の概略縦断面図（図１Ａ）、電線の概略断面図（図１Ｂ）、被覆前および被覆中の端子要素の概略図（図１Ｃ）である。 導体と端子アセンブリとの溶接中および溶接後の本発明による端子アセンブリの概略断面図である。 一実施形態による本発明の被覆の表面写真である。 別の実施形態による本発明の被覆の表面写真である。
以下で、図１および図２を参照しながら、本発明による方法の実施形態について説明する。
この方法は、電気導体１と端子要素２とを接続する役割を果たす。
図中、電気導体１は縦断面図および断面図に概略的に示される。導体１は電線３の一部であり、絶縁カバー４内に位置する。電線３のカバー４は一端部で除去されて、この端部で導体１が露出している。後で端子要素に溶接される露出した導体１の領域は、導体の溶接接合部５である。
導体１はアルミニウムを含むことができる。例えば、導体１をアルミニウムまたは導電性アルミニウム合金から構成することができる。導体１は、５〜１２０ｍｍ２、例えば６〜８０ｍｍ２、例えば３０〜４０ｍｍ２の導体断面６を有することができる。図１Ｂは電線３の概略断面図である。ここでは、例示的な実施形態の導体１が円形断面６を有することがわかる。しかしながら、導体１は任意のｎ角形、長円形または他の断面を有してもよい。
図１Ｃは、端子要素２をさらに概略的に示す。図示した実施形態において、予め打ち抜かれたストリップ７が、扱うことができるように金属シートから一体に打ち抜かれた端子要素２と共に示される。
図では、端子要素２が概略的にのみ示される。端子要素はコンタクトセクション８と端子セクション９とを有する。コンタクトセクション８は、例えば電気プラグコネクタの一部としての相手側プラグ素子が後で端子要素２に電気的に接触する領域である。端子セクション９は、端子要素２が導体１に接続される部分である。端子セクション９は端子要素に溶接接合部１０を含み、溶接接合部１０で端子要素２は電気導体１に溶接される。
銅を含む端子要素２は、例えばプラグインコネクタのコンタクト素子であってよい。銅を含む端子要素２と卑金属を含む導体１との溶接を向上させるために、導体１と端子要素２とが共に溶接される前に、銅合金から構成される層または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物から構成される層を、本発明により少なくとも溶接接合部５、１０に施す。図示した例示的な実施形態において、端子要素２は被覆される。このために、図示した実施形態において、端子要素２の端子セクション９は、少なくとも部分的に、特に端子要素の溶接接合部１０の領域において被覆される。
図１の右側に被覆プロセスが概略的に示される。図示した実施形態において、例えば最大６０μｍの粒径、例えば１〜５０μｍの粒径、例えば１〜３５μｍの粒径を有する粉末状の固体被覆材料１４を施す。
被覆１６を溶射により施してもよい。図示した実施形態において、被覆をコールドガススプレーにより施す。このために、ガスジェット１１をスプレーノズル１２に導入し、スプレーノズル内で加熱し、加速させ、ノズル出口１３を通して押し出す。
被覆材料１４は固体、例えば粉末としてガスジェット１１に注入される。注入されたスプレー粒子はガスジェット１１中で加速され、端子要素２の端子セクション９に施される。このようにして、スプレー粒子が基板上に施される被覆ゾーン１５を、端子要素２の所望の領域に制限することができる。
図１に示す溶射による被覆、例えばコールドガススプレーによる被覆は、連続して行うことができるという利点を有する。そのために、例えば、ノズル１２の被覆ゾーン１５を、予め打ち抜かれたストリップ７の端子要素２の端子セクション９の（端子要素における）溶接接合部１０上に次々に案内することができる。あるいは、ノズル１２の被覆ゾーン１５は固定されていてもよく、ストリップ７内の個々の端子要素２を、被覆する領域により被覆ゾーン１５を通して次々に案内することができる。
被覆材料１４は銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物を有することができる。混合物の卑金属は、例えば、亜鉛、アルミニウム、スズ、鉄、ニッケル、マンガン、および前記金属の酸化物を含む群から選択することができる。
例えば、混合物はアルミナ粉末、亜鉛粉末、および銅粉末を有することができる。そのような混合物は、キャリア材料としての端子要素２に適切に付着する被覆を形成する。例えば、図３は、４０％の亜鉛粉末（純度９６％）、３０％のアルミナ粉末（純度９９．４％）、および３０％の銅粉末（純度９９．５％）から構成される混合物の被覆の走査型電子顕微鏡写真を示す。図３の走査型電子顕微鏡写真では、銅と亜鉛およびアルミニウムが含まれる卑金属との両方が被覆中に均一に分散されていることが明らかにわかる。
図４の走査型電子顕微鏡写真では、さらなる表面被覆が見られる。ここでは、前記混合物の代わりに、黄銅合金の粉末を、ＣｕＳｎ０．１５の基材を有する端子要素にコールドガススプレーにより施した。黄銅粉末は、７０％の銅含有量、３０％の亜鉛含有量を有し、３２μｍ未満の粒径を有する。図４でも、銅および亜鉛の両方が卑金属として被覆中に均一に分散され、適切に付着するようにキャリアに施されていることが明らかである。
黄銅の代わりに、銅と卑金属とを含む任意の所望の他の銅合金を使用することも可能である。例えば、ＣｕＳｎ、ＣｕＺｎｘＳｎｙ、ＣｕＦｅ、ＣｕＮｉＳｉ、ＣｕＡｌｘｙを含む群から選択された銅合金を施してもよい。被覆が黄銅を用いて行われる場合、施される黄銅は鉛または少なくとも１種のさらなる合金元素を有することができる。少なくとも１種のさらなる合金元素を、アルミニウム、鉄、マンガン、ニッケル、シリコン、およびスズからなる群から選択してもよい。
銅合金または混合物を少なくとも導体の溶接接合部５および／または端子要素の溶接接合部１０に被覆１６として施した後、導体の溶接接合部５と端子要素の溶接接合部１０とを接合し、導体１と端子要素２とをそこで溶接する。溶接プロセスは、図２に矢印１７で概略的に示される。
溶接中、本発明による端子アセンブリ１８が形成され、その溶接線１９は銅合金の層、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物の層を有する。
導体１と端子要素２とを摩擦溶接してもよく、例えば超音波溶接により溶接してもよい。このために、機械的超音波振動を高周波数範囲、一般に２０〜３５ｋＨｚで発生させ、被接合物同士、この場合、導体１および端子要素２に導入する。高周波数の機械的振動によって、境界摩擦による加熱が生じ、被接合物同士のセレーション（serration）およびフッキング（hooking）が作られる。その結果、卑金属、例えばアルミニウムを含む導体１と銅を含む端子要素２との間に確実な機械的接続を生じさせることができる。本発明による溶接接続は、より確実で、本発明による被覆のない直接溶接の場合よりも高い牽引力および剥離力に耐えることができる。
１ 導体
２ 端子要素
３ 電線
４ カバー
５ 導体の溶接接合部
６ 導体の断面
７ 予め打ち抜かれた端子要素のストリップ
８ コンタクトセクション
９ 端子セクション
１０ 端子要素の溶接接合部
１１ ガスジェット
１２ ノズル
１３ ノズル出口
１４ 被覆材料
１５ 被覆ゾーン
１６ 被覆
１７ 溶接プロセス
１８ 端子アセンブリ
１９ 溶接線

Claims (15)

  1. 卑金属を含む導体（１）と銅を含む端子要素（２）とを接続する方法であって、
    前記導体（１）と前記端子要素（２）とが互いに溶接される前に、前記導体（１）および／または前記端子要素（２）が、少なくとも溶接接合部（５、１０）において銅合金により被覆される、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物により被覆される方法。
  2. 前記端子要素（２）が被覆される、
    請求項１に記載の方法。
  3. 固体（１４）、好ましくは粉末が被覆として施される、
    請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記粉末は最大６０μｍ、好ましくは１〜５０μｍ、特に好ましくは１〜３５μｍの粒径を有する、
    請求項３に記載の方法。
  5. 前記被覆（１６）は溶射により施される、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記被覆（１６）はコールドガススプレーにより施される、
    請求項５に記載の方法。
  7. 前記導体（１）と前記端子要素（２）とは摩擦溶接され、好ましくは超音波溶接により溶接される、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 卑金属を含む導体（１）と、前記導体（１）に溶接され、銅を含む端子要素（２）とを有する端子アセンブリ（１８）であって、
    溶接線（１９）が銅合金の層、または銅および少なくとも１種の卑金属を含む混合物の層を有する端子アセンブリ。
  9. 前記導体（１）はアルミニウムを含み、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金から構成される、
    請求項８に記載の端子アセンブリ。
  10. 前記導体（１）は、５〜１２０ｍｍ２、好ましくは６〜８０ｍｍ２、特に好ましくは３０〜４０ｍｍ２の導体断面（６）を有する、
    請求項８または９に記載の端子アセンブリ。
  11. 前記混合物は、亜鉛、アルミニウム、スズ、鉄、ニッケル、マンガン、およびこれら金属の酸化物を含む群から選択された少なくとも１種の卑金属を有する、
    請求項８から１０のいずれか一項に記載の端子アセンブリ。
  12. 前記銅合金は、ＣｕＳｎ、ＣｕＺｎｘＳｎｙ、ＣｕＦｅ、ＣｕＮｉＳｉ、ＣｕＡｌｘｙ、および黄銅を含む群から選択される、
    請求項８から１０のいずれか一項に記載の端子アセンブリ。
  13. 前記銅合金は黄銅であり、前記黄銅の亜鉛含有量は１０％〜７０％、好ましくは２０％〜４０％、特に好ましくは２８〜３２％である、
    請求項１２に記載の端子アセンブリ。
  14. 前記黄銅は鉛および／または少なくとも１種のさらなる合金元素を含む、
    請求項１２または１３に記載の端子アセンブリ。
  15. 前記少なくとも１種のさらなる合金元素は、アルミニウム、鉄、マンガン、ニッケル、シリコン、およびスズからなる群から選択される、
    請求項１４に記載の端子アセンブリ。
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