JP6046132B2 - ケーブルを端子に溶接する方法およびそれから得られる端子 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのレーザのパルスを用いてケーブルを端子に溶接する方法に関する。

例えば圧縮溶接といったいくつかの溶接技術を用いて、複数のファイバを有するケーブルを端子に溶接することができる。レーザ技法の進化により、端子にケーブルまたはワイヤをレーザ溶接するためのいくつかの解決策が開発されており、以下で論じられる。

特許文献１にはレーザ溶接技法が開示されており、単一の金属導体ワイヤがレーザを用いてＵ字型の金属固定具に溶接される。この方法では、単一ワイヤの終端部分が固定具の中に配置され、ワイヤの終端に向けられたレーザビームによってそれに溶接される。

特許文献２および特許文献３にはレーザ溶接方法が開示されており、単一のワイヤがレーザビームを用いてＵ字型の端子に溶接される。

特許文献４にはレーザ溶接方法が開示されており、単一のワイヤが銅製のＵ字型の担体または端子に溶接される。

特許文献５には、複数のファイバのケーブルを端子にレーザ溶接する方法が開示されている。複数のファイバが、圧縮され、成形されてから端子の溝に挿入される。

特許文献６号および特許文献７には、レーザ溶接方法が開示されており、ケーブルの複数のファイバが端子に圧着されてから端子に溶接される。これら２つの文献では、レーザビームの目標ポイントが違ったやり方で選択される。

上記の文献に開示された各方法にはいくつかの不都合がある。一方では、従来技術の方法は、単一ワイヤの最も単純な場合でさえ、レーザ溶接のために溝または窪みを必要とする。他方では、複数のファイバのケーブルをレーザ溶接する前に、それぞれのファイバを一緒に保持するために補助的な圧縮または圧着のステップを用いなければならない。

米国特許第４，７７４，３９４号明細書 米国特許第５，５４１，３６５号明細書 特開昭５９−１０７７８６号明細書 米国特許第６，５３１，６７６ Ｂ２号明細書 米国特許第７，１２８，６２０ Ｂ２号明細書 米国特許第４，９６６，５６５号明細書 米国特許第７，７０５，２６５ Ｂ２号明細書

上記の文献に開示された既知の方法に照らして、本発明は、ファイバの圧着またはファイバの他の整形もしくは圧縮を必要とすることなく複数のファイバのケーブルを端子にレーザ溶接する方法を提供することを目的とする。本発明は、従来技術の解決策の不都合を免れるレーザ溶接方法を提供することも目的とする。

本発明による目的は請求項１に記載の方法によって達成されている。本発明の好ましい実施形態は従属請求項で定義されている。

本発明の例示の好ましい実施形態を、以下で図面を参照しながら説明する。

本発明による溶接方法で使用される第１のタイプの端子の側面図である。 本発明による方法のステップを示す側面図である。 本発明による方法の処理ステップを示す３次元の概略図である。 本発明による方法の溶接ステップを示す３次元の概略図である。 溶接状態を示す３次元の概略図である。 方法の別の実施形態のさらなる溶接ステップを示す３次元の概略図である。 図６のステップによって得された溶接状態を示す３次元の概略図である。 本発明による溶接方法で使用される第２のタイプの端子の上面図である。 図８による端子の平面Ｂ−Ｂに沿って得られた断面図である。 図８による端子を有する図２に類似の上面図である。 本発明による方法の圧縮ステップを示す３次元の概略図である。 本発明による方法の溶接ステップを示す３次元の概略図である。 溶接状態を示す３次元の概略図である。 本発明による方法の別の実施形態のさらなる溶接ステップを示す３次元の概略図である。 図１４のステップによって得された溶接状態を示す３次元の概略図である。 本発明による溶接方法で使用される一連の第１のタイプの端子の上面図である。 本発明による溶接方法で使用される一連の第２のタイプの端子の上面図である。

本発明の方法は、複数のファイバを有する銅製の端子および銅ケーブル向けに特に開発されたものであるが、当業者なら、他の材料で製作された端子およびケーブルにこの方法を適用し得ることを知っている。本発明による方法で使用される端子およびケーブルは、任意選択で錫めっきされてよい。端子の目的は、ケーブルからの電流を端子の先端によってもたらされる接続に伝送することである。

本発明の方法に適用されるレーザはパルスモードで動作する。パルスモードでは、融解した材料が収縮するのを避けることができる。この収縮は、表面張力が存在することの結果であり得る。ケーブルのファイバの終端が球面状に拡大するのは、溶接方法においてレーザを連続モードで使用することの結果でもあり得て、溶接接合の製造方式の妨げになる恐れがある。

本発明の方法には、溶接するべきケーブルの複数のファイバに対して端子自体の材料を用いる圧着が適用されないという利点がある。複数のファイバには、圧着の代わりに押圧機構による一時的押圧のみが適用され、この押圧機構は溶接接合の後に取り外される。本発明の方法によって得られる溶接接合は、一方では複数のファイバの融解した材料を含み、他方では端子自体のいくらかの融解した材料を含むが、以下で詳述される本発明による方法では、端子の材料の過度の溶解が好ましく避けられる。

図１は、本発明による方法の好ましい実施形態で使用される端子１０を示す。端子１０は平坦な溶接面１２および端子先端部１４を有する。本発明の方法は、平坦な溶接面１２を有する端子１０を使用することができるので、多くの種類の既存端子に対して容易に一般化され得るが、本発明の方法の端子が満たさなければならない制限的な特徴はない。

図２は、溶接面１２を有する端子１０を使用する本発明によるレーザ溶接方法の一実施形態の第１のステップを示す。このステップでは、ケーブル１５が、端子１０上に、特に端子１０の溶接面１２上に位置決めされる。ケーブル１５は、複数のファイバ１６および複数のファイバ１６のまわりの絶縁シース１８を備える。方法の示されたステップの前に、ケーブル１５の終端部分１７から絶縁シース１８が除去され、終端部分１７のみが溶接面１２に位置決めされる。

図３は、例示的レーザ溶接方法の押圧するステップを示す。このステップでは、複数のファイバ１６が押圧機構２０で溶接面１２まで押し下げられる。押圧機構２０によって、溶接面１２上に複数のファイバ１６を並べることができ、好ましくはバラ繊維が出現するのを回避することができる。本発明の方法では、圧着機構が適用されない、すなわち複数のファイバ１６が端子自体の材料によって互いに押圧されないことが強調される。したがって、有利には、本発明の方法は、従来技術の解決策と比較して簡易化されており、その一方で本発明の方法には圧着または圧縮のステップがない。本発明の実施形態のすべてで、ある種の押圧機構が使用される。この実施形態では、押圧機構２０は、溶接面１２の上に積む複数のファイバ１６を整理するために湾曲した押圧面を有する。

図４は、好ましい方法の溶接ステップを示し、ケーブル１５の終端部分１７で複数のファイバ１６を融解するためにレーザ２６の第１のパルスが照射される。レーザ２６のパルスは、図４のレーザビーム２４によって示されている。レーザビーム２４は、複数のファイバ１６および端子１０の近くの部分に衝突領域（ｉｍｐａｃｔ ａｒｅａ）２２を有する。レーザ２６の第１のパルスの衝突領域２２の直径は、押し下げられた複数のファイバ１６の全幅より大きい。この場合、複数のファイバ１６のすべてが融解することが保証される。複数のファイバ１６が押し下げられると、複数のファイバ１６の全幅は、押圧機構なしの場合より大きくなる。衝突領域２２の直径が、押し下げられた複数のファイバ１６の全幅より大きくなるように調節すると、溶接が完成した後にバラ繊維１６が出現するのを回避するのにも役立つ。好ましくは、レーザ２６の第１のパルスの衝突領域２２がケーブル１５の終端を覆い、このこともバラ繊維が出現するのを回避するのに役立つ。ケーブル１５の終端が、ケーブル１５の押圧機構２０から最も遠い部分であるので、バラ繊維が出現する可能性が最も高いのはケーブル１５の終端である。衝突領域２２がケーブル１５の終端を覆い、さらに、衝突領域２２の直径が、押し下げられた複数のファイバ１６の全幅より大きければ、最後に結果として残るバラ繊維がレーザビーム２４によって融解され、溶接接合の一部分を形成することになる。

図５は溶接された状態を示す。ケーブル１５の終端部分１７にレーザ２６のパルスを照射することにより、レーザビーム２４がケーブル１５に照射された後には、複数のファイバ１６の材料および端子１０の断面の最大５０％が融解される。融解した材料が再び固体になったとき、すなわち冷却されたとき、端子１０と複数のファイバ１６との間に溶接接合２８が形成されている。溶接接合２８は、複数のファイバ１６をすべてバラ繊維のない端子１０に接続することが望まれる。前述のように、レーザ２６のパルスの衝突領域２２がケーブル１５の終端を覆い、しかも衝突領域２２の直径が押し下げられた複数のファイバ１６の幅より大きければ、この要件を満たすことができる。溶接接合２８が生成された後に押圧機構２０が取り外される。

本発明の別の実施形態では、端子１０と複数のファイバ１６との間に第２の溶接接合２８’を製作することにより、複数のファイバ１６と端子１０との間に生成された溶接接合２８を強化することができる。本発明のこの実施形態では、第２の溶接接合２８’は、図２から図５のステップの後に図６および図７に示された２つのさらなるステップを適用することによって生成することができる。

図６は追加の溶接ステップを示し、絶縁シース１８が除去されており、レーザ２６の第２のパルスがケーブル１５の終端部分１７に好適に照射される。レーザ２６の第２のパルスは図６のレーザビーム２４’によって示されている。レーザビーム２４’は複数のファイバ１６および端子１０の近くの部分に衝突領域２２’を有し、その直径は、衝突領域２２と同様に、押し下げられた複数のファイバ１６の全幅より大きい。第２のレーザビーム２４’の照射では２つの選択肢を識別することができる。

第１の選択肢の場合、レーザ２６の第２のパルスの衝突領域２２’は、レーザ２６の第１のパルスの衝突領域２２とのオーバーラップを有しない。この場合、ケーブル１５と端子１０との間に、分離した溶接接合が生成される。この場合、第１の溶接接合を生成した結果としてバラ繊維が生じたとしても、次いで第２の溶接接合を生成することにより、この溶接接合に融解され得るので、バラ繊維が出現するのを有利に回避することができる。

第２の選択肢の場合、衝突領域２２’が衝突領域２２とのオーバーラップを有する。複数のファイバ１６の材料を融解する結果として、その反射性が以前より強くなる。レーザビーム２４の衝突領域２２とレーザビーム２４’の衝突領域２２’とがオーバーラップを有すると、前もって生成された溶接接合２８の反射特性がより大きいので、第２のレーザパルスが、溶接接合２８の表面によって部分的に反射される可能性がある。反射性の強い既存の溶接接合２８によって反射されたパワーを補償するために、好ましくは、レーザ２６の第２のパルスのパワーがレーザ２６の第１のパルスのパワーより大きい。オーバーラップの場合には、第１の選択肢よりも全体的により小さな溶接接合を部分間に生成することができ、すなわち複数のファイバ１６および端子１０のより小さな部分が剛体になる。端子１０の断面が５０％を超えて融解されるのは避けるべきであり、したがって第１のレーザパルスおよび第２のレーザパルスのパワーを調節する必要がある。

本発明の方法の実施形態のすべてにおいて、レーザ２６の第１のパルスおよび第２のパルスは、どちらも、ケーブル１５の終端部分１７における複数のファイバ１６のすべてと端子１０の断面の最大５０％とを融解するようなパワーで照射するのが好ましい。本発明者の実験により、端子１０の断面の５０％超が融解して再び固体になると、端子１０が剛体なって壊れやすくなることが明らかになった。融解する断面が最大５０％であれば、端子１０の安定性および耐久性が許容範囲内にとどまる。

図７は溶接された状態を示し、第２のパルスを照射することにより、端子１０と複数のファイバ１６との間に第２の溶接接合２８’が生成されている。図６および図７では、複数のファイバ１６は、図３から図５に示されたステップと同様に押圧機構２０によって押圧されており、押圧機構２０は、溶接接合２８’が生成された後に取り外される。

図８は、本発明の方法のさらなる好ましい実施形態で使用することができる別の端子１０’を示す。端子１０’は溶接面１２’および端子先端部１４’を有する。図９は、平面Ｂ−Ｂ上に得られた溶接面１２’の断面を示す。図９では、溶接面１２’がＢ−Ｂ平面においてＵ字形の断面を有することが明瞭に見てとれる。Ｕ字形の断面の溶接面１２’を有する端子１０’を適用すると、バラ繊維が出現する可能性がさらに低下する。端子１０’には、複数のファイバ１６が端子１０’の材料によってより取り巻かれて、よりコンパクトな溶接結合がもたらされ、バラ繊維の出現がより優れた効率で回避されるという利点もある。

本発明の方法で使用される端子は、図１の平坦な溶接面を有する端子および図８のＵ字形の溶接面を有する端子のタイプに限定されることなく、任意のタイプの適切な端子を使用することができる。

図１０は、端子１０’を使用するレーザ溶接方法の第１のステップを示す。この実施形態では、端子１０’は、（図９に示されたように）Ｕ字形の断面の溶接面１２’を有する。この第１のステップでは、ケーブル１５の終端部分１７は端子１０’の溶接面１２’に位置決めされる。端子１０’を適用することの利点には、ケーブル１５の終端部分１７における複数のファイバ１６が溶接面１２’によって部分的に取り巻かれることがある。Ｕ字形の断面の溶接面１２’の湾曲した部分は壁と称される。Ｕ字形の断面の溶接面１２’を適用することは、バラ繊維が出現するのを回避するのに役立つ。

図１１は、この実施形態の押圧ステップを示しており、ケーブル１５の終端部分１７の複数のファイバ１６が、押圧機構２０’によって、端子１０’の、複数のファイバ１６を受け取る溝状の溶接面１２’の中へ押し下げられる。

図１２は、本発明のこの実施形態の溶接ステップを示し、レーザ２６の第１のパルスがケーブルの終端部分１７を融解するように照射される。レーザ２６のパルスは、レーザビーム２４’’によって示されており、複数のファイバ１６および端子１０’の近くの部分に衝突領域２２’’を有する。レーザ２６の第１のパルスの衝突領域２２’’の直径は、押し下げられた複数のファイバ１６の全幅より大きく、この全幅は溶接面１２’の幅によって制限される。レーザ２６の第１のパルスの衝突領域２２’’は、ケーブル１５の終端を覆う。

図１３は溶接された状態を示し、端子１０と複数のファイバ１６との間に溶接接合２８’’が生成されている。溶接面１２’の幅より大きなレーザビーム２４’’の衝突領域２２’’を適用することにより、溶接面１２’の壁が少なくとも部分的に融解されることになる。溶接面１２’の融解した壁は、壁の材料が再び固体になったとき溶接接合２８’’を強化する。したがって、溶接面１２’の壁を融解するのが望ましいが、ケーブル１５の複数のファイバ１６のすべて、および端子１０’の断面の最大５０％を融解するようなパワーのレーザパルスを照射する必要があることが強調される。壁すなわち端子の材料の断面が５０％を超えて融解されると、剛体の、したがって不安定な溶接接合がもたらされる可能性がある。

本発明の別の実施形態では、図６および図７に示された本発明の方法の実施形態と同様に、第２の溶接接合２８’’’を製作することにより、端子１０’と複数のファイバ１６との間に生成された溶接接合２８’’を強化することができる。本発明のこの実施形態では、第２の溶接接合２８’’’は、図１０から図１３のステップの後に図１４および図１５に示された２つのさらなるステップを適用することによって生成することができる。

図１４は溶接ステップを示し、レーザ２６の第２のパルスがケーブル１５の終端部分１７に照射される。レーザ２６の第２のパルスは、衝突領域２２’’’を有するレーザビーム２４’’’で示されている。衝突領域２２’’’は、複数のファイバ１６および端子１０’の近くの部分上にある。レーザ２６の第２のパルスの衝突領域２２’’’の直径は、押し下げられた複数のファイバ１６の全幅より大きい。

レーザ２６の第１のパルスの衝突領域２２’’は、レーザ２６の第２のパルスの衝突領域２２’’’とのオーバーラップを有することも可能であり、又はオーバーラップを有しないことも可能である。オーバーラップを有する場合には、レーザ２６の第２のパルスのパワーをレーザ２６の第１のパルスのパワーより大きくする必要がある。

図１５は溶接された状態を示し、端子１０と複数のファイバ１６との間に第２の溶接接合２８’’’が生成されている。図１１から図１５に示されたステップでは、押圧機構２０’によって複数のファイバ１６が押圧され、押圧機構２０’は溶接接合２８’’’が生成された後に取り外される。

一般に、すべての実施形態で、レーザ２６のパルスによってケーブル１５の終端部分１７におけるいくつかの（ポイント状の）位置でのみ複数のファイバ１６が融解され、ファイバの融解した材料が、ファイバ１６と溶接面１２、１２’との間に溶接接合２８、２８’、２８’’、２８’’’を構成するのが好ましい。上記の詳細な実施形態では、ケーブルのすべての部分を押し下げるために押圧機構２０、２０’が配置される位置から、１つまたは複数のレーザビームの照射が妨げられないように絶縁シース１８を除去しておく。レーザ２６の１つのパルスによって各溶接接合２８、２８’、２８’’、２８’’’が生成される。押圧機構２０、２０’は、レーザ２６の適切なパルスが照射される前に複数のファイバ１６の上に付けられ、溶接接合２８、２８’、２８’’、２８’’’が生成された後に取り外される。

図１６および図１７は、生産状態で、運搬リボン３０、３０’によって互いに接続された端子１０、１０’をそれぞれ示す。本発明による溶接方法を適用する前に、運搬リボン３０、３０’の繋ぎ部分を除去して、図１および図８に示された端子１０、１０’を得る。

本発明の方法の特定の実現が、以下で詳細な寸法を用いて適用され得る。０．１から０．８ｍｍ^２の断面のケーブルを使用することができる。溶接面の厚さは０．１から０．４ｍｍの範囲にあり得て、溶接面の幅は任意のサイズであり得る。レーザビームの衝突領域の直径は、０．７から２．５ｍｍの範囲で選択することができ、一般に、押し下げられた複数のファイバの全幅を上回るものである。レーザビームの衝突領域の直径に適切な値を選択することにより、レーザビームの熱が複数のファイバおよび端子に達するのを保証することができる。直径を適切に調節することにより、溶接面の全体の幅において、孔が出現しないことおよび融解が生じないことも保証され得る。これらは、導電率に対して有害であるばかりでなく、溶接接合の耐久性も低下させる恐れがある。

これらの寸法によって、本発明の方法で用いられるレーザの最大パワーは１２００から５４００Ｗの範囲から２０００Ｗの平均パワーで選択することができる。ファイバを覆う任意選択の錫の有無に依拠して８から４０ｍｓの周期のレーザパルスを用いるパルスモードの動作に、波長が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることができる。第１のレーザビームは、ビームの中心をケーブルの終端から０〜３ｍｍの距離で選択することができるように照射される。いずれにせよケーブルの終端が覆われるように、特定の値がこの範囲から選択される。第１のレーザビームの衝突領域の７０％がファイバ上にあり、３０％が溶接面上にあるのが好ましい。第２のパルスのレーザビームの中心は、第１のレーザビームの中心から１〜４ｍｍだけシフトすることができる。この方法の過程では、端子および複数のファイバのまわりに、何らかの不活性のガス、好ましくはアルゴンを与えるのも好ましいことである。不活性ガスを与えることは、溶接接合を構成する材料が酸化するのを回避するのに好適に役立つ。

本発明は、もちろん上記の好ましい実施形態の詳細に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義された範囲内で、さらなる変形形態、修正形態ならびにさらなる発展が可能である。

１０ 端子
１０’ 端子
１２ 溶接面
１２’ 溶接面
１４ 端子先端部
１４’ 端子先端部
１５ ケーブル
１６ 複数のファイバ
１７ 終端部分
１８ 絶縁シース
２０ 押圧機構
２０’ 押圧機構
２２ 衝突領域
２２’ 衝突領域
２２’’ 衝突領域
２２’’’ 衝突領域
２４ レーザビーム
２４’’ レーザビーム
２４’’’ レーザビーム
２６ レーザ
２８ 溶接接合
２８’ 溶接接合
２８’’ 溶接接合
２８’’’ 溶接接合
３０ 運搬リボン
３０’ 運搬リボン

Claims (13)

1. 複数のファイバ（１６）を備えるケーブル（１５）を端子（１０、１０’）に溶接するための溶接方法であって、押圧機構（２０、２０’）を用いて前記複数のファイバ（１６）を前記端子（１０、１０’）に押圧するステップを含み、
   前記溶接方法は、
   前記ケーブル（１５）の終端部分（１７）にレーザ（２６）の少なくとも１つのパルスを照射することにより、前記複数のファイバ（１６）と前記端子（１０、１０’）との間に少なくとも１つの溶接接合（２８、２８’、２８’’、２８’’’）を製作するステップ、および
   前記押圧機構（２０、２０’）を取り外すステップの、さらなるステップによって特徴づけられており、
   前記押圧機構（２０、２０’）が前記端子（１０、１０’）上に積む前記複数のファイバ（１６）を整理するために湾曲した押圧面を有する方法。
2. 前記レーザ（２６）の第１のパルスが照射され、前記レーザ（２６）の前記第１のパルスの衝突領域（２２、２２’’）の直径が、押し下げられた前記複数のファイバ（１６）の全幅より大きい請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ（２６）の前記第１のパルスの前記衝突領域（２２、２２’’）が、前記ケーブル（１５）の終端を覆う、請求項２に記載の方法。
4. 前記レーザ（２６）の前記第１のパルスが、前記ケーブル（１５）の前記終端部分（１７）における前記複数のファイバ（１６）のすべておよび前記端子（１０、１０’）の断面の最大５０％を融解するようなパワーで照射される、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記レーザ（２６）の第２のパルスが前記ケーブル（１５）の前記終端部分（１７）に照射され、前記レーザ（２６）の前記第２のパルスの衝突領域（２２’、２２’’’）の直径が、前記押し下げられた複数のファイバ（１６）の全幅より大きい、請求項２から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記レーザ（２６）の前記第２のパルスの前記衝突領域（２２’、２２’’’）が、前記レーザ（２６）の前記第１のパルスの前記衝突領域（２２、２２’’）とのオーバーラップを有しない、請求項５に記載の方法。
7. 前記レーザ（２６）の前記第２のパルスの前記衝突領域（２２’、２２’’’）が、前記レーザ（２６）の前記第１のパルスの前記衝突領域（２２、２２’’）とのオーバーラップを有する、請求項５に記載の方法。
8. 前記レーザ（２６）の前記第２のパルスのパワーが、前記レーザ（２６）の前記第１のパルスのパワーより大きい、請求項７に記載の方法。
9. 前記レーザ（２６）の前記第２のパルスが、前記ケーブル（１５）の前記終端部分（１７）における前記複数のファイバ（１６）のすべておよび前記端子（１０、１０’）の断面の最大５０％を融解するようなパワーで照射される、請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 平坦な溶接面を有する端子（１０）が適用される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. Ｕ字形断面の溶接面を有する端子（１０’）が適用される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記端子（１０、１０’）および／または前記複数のファイバ（１６）のすべてが銅製である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 溶接中に、前記端子（１０、１０’）および前記複数のファイバ（１６）のまわりに、不活性ガスが与えられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。

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