JP6407501B1 - 接続構造体 - Google Patents

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Abstract

被接続体を構成する第2導体としてアルミニウム合金を用い、第2導体の圧縮部分と非圧縮部分の機械的特性の適正化を図ることにより、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体を提供する。本発明の接続構造体(1)は、接続部品(2)を構成する第1導体(20)の第1接続部(21)の圧縮によって、被接続体(3)を構成する第2導体(30)の第2接続部(31)に第1接続部(21)が直接連結されて電気接続構造を形成し、第1導体(20)が銅または銅合金からなり、第2導体(30)がアルミニウム合金からなり、第2導体(30)は、電気接続構造を形成した状態にて、第2接続部(31)の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、電気接続構造を形成しない第2導体(30)の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上である。

Description

本発明は、接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に第1接続部が直接連結され、第2導体として、又は第1及び第2導体の双方として、アルミニウム合金からなる導体を用いて電気接続構造を形成したものであって、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体に関する。
電線やケーブル(以下、これらを総称して「電線等」という場合がある。)の導体と端子、あるいは電線等の導体同士を電気接続するため相互連結することによって形成される接続構造体は、通常、電線等の導体として、又は導体及び端子の双方として、銅または銅合金からなる銅系材料を用いるのが一般的であるが、最近では、軽量化等の観点から、銅系材料に代わって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム系材料を導体として用いるための検討がなされている。
電線等の導体を銅系材料からアルミニウム系材料に変更すると、接続構造体の軽量化が図れるとともに、周辺の付帯設備を簡素にしたり、工事の安全性を高めることができる。また、アルミニウムは、銅よりも埋蔵量の多い金属であり、今後、更に電線等の導体を銅系材料からアルミニウム系材料に代替する必要性は高まっていくものと考えられる。
ここで、接続構造体の態様としては、アルミニウム系材料からなる電線等の導体接続部の外周面を包み込むように、例えば銅系材料からなる端子やスリーブの導体接続部を圧着などで加工変形させて、電線等の導体接続部を圧縮することによって、電線等の導体接続部に、端子等の導体接続部を連結して電気接続構造を形成する場合(例えば図1、図2等)、あるいは、電線等の導体接続部を、ボルトやねじなどの締結具で締め付けて圧縮することによって、電線等の導体接続部を他の導体接続部に連結して電気接続構造を形成する場合(例えば図3等)などが挙げられる。
ところで、電線等の導体接続部と端子等の導体接続部とが接触する部分である接点は、ミクロ形状で見ると、凹凸があるもの同士が接触していて、接触する多数の点が集まって(接触)面を形成していると考えることができる。また、アルミニウム系材料は、銅系材料に比べて強度が低いため、電線等の導体接続部にアルミニウム系材料を用いて形成した接続構造体は、電線等の導体接続部に銅系材料を用いて形成した接続構造体に比べると、接点の接触圧力(接圧)が低いという問題がある。
さらに、これらの接続構造体はいずれも、通電に伴う発熱等によって温度が上昇する傾向があるが、温度が上昇すると、接続構造体を形成する、電線等の導体接続部をアルミニウム系材料とし、端子等の接続部品の導体接続部を銅系材料とする場合、アルミニウム系材料と銅系材料の熱膨張率の差によって、接点のズレや解放が生じやすい。すなわち、銅の線膨張係数は17×10-6/℃であるのに対して、アルミニウムの線膨張係数は23×10-6/℃と高いため、温度上昇に伴って、電線等の導体接続部(アルミニウム系材料)と端子等(銅系材料)との接合(接触)界面に、空隙や接点位置の相対的なずれが生じやすくなるからである。そして、接続構造体を形成したときに接点位置(当初接点位置)であったアルミニウム系材料の表面(凹凸)部分が、温度上昇によって銅系材料の接点位置から相対的に移動してずれることによって、当初接点位置であったアルミニウム系材料の表面(凹凸)部分が、空気に曝されて酸化膜で覆われるようになるとともに、相対的にずれて新たに接点位置となったアルミニウム系材料の表面部分には、絶縁性が高くかつ安定した状態で存在する酸化膜が既に存在しているため、通電時における接点間の電気抵抗が上昇し、それに伴ってジュール熱によって発生する熱量が多くなり、局所的な温度上昇が発生する傾向がある。そして、それによってさらなる接点ずれを誘発し、更なる酸化膜の増加と電気抵抗の上昇をもたらすという悪循環の問題があり、最悪の場合には、火災事故に至るおそれもあった。
このような問題を解決するための手段としては、例えば、電線等の導体の断面積を増加させ、あるいは導体に流す電流の量を低減させることによって、接続構造体を形成する電線等の導体接続部(アルミニウム系材料)と端子等(銅系材料)との熱膨張差が大きくならないようにして、接続構造体の温度上昇を極力抑制する方法が挙げられる。
しかしながら、この方法は、電線やケーブルを設置するスペースの制約を受けたり、あるいは、設置する電線やケーブルの本数を増加させる必要があり、接続構造体が使用できる環境や用途等の適用範囲が制限されるという問題があり、汎用性に乏しかった。
また、上記のような問題を解決するための他の手段として、例えば、電線等の導体をアルミニウム系材料で構成するだけではなく、端子もアルミニウム系材料で構成することが考えられる。電線等の導体や端子をアルミニウム系材料で構成した場合、電線等の導体および端子を構成する材料間の熱膨張差は小さく、これに伴う接点のずれは生じにくいが、接点間の接触圧力(接圧)が低いため、この接続構造体を、例えば振動や外力が頻繁に作用する環境下で使用した場合には、接点のずれが生じやすく、接点のずれが生じると、ずれた表面に安定なアルミニウム酸化膜が形成されて、電気抵抗が増加しやくなるという問題があった。
一方、電線等の導体および端子の双方にアルミニウム系材料を用いて形成した接続構造体は、電線等の導体および端子の双方に銅系材料を用いて形成した従来の接続構造体に比べて、格段に軽量化を図ることができ、また、電線等の導体にアルミニウム系材料を用いて形成し、端子に銅系材料を用いて形成した接続構造体に比べて、異種金属腐食等の問題が解消されることから、開発されることが期待されている。
また、電線の導体接続部(アルミニウム系材料)の酸化抑制および端子の導通接続部(銅系材料)との導通パスを確保するための手段、又は、電線の導体および端子の接続部(双方がアルミニウム系材料)の酸化抑制および接点間の導通パスを確保するための手段として、導体接続部の表面に亜鉛粉末やシリコンカーバイト粉末などのコンパウンドを塗布し、電線の導体接続部(アルミニウム系材料)と端子の導通接続部(銅系材料)との間にコンパウンドを介在させる方法が知られている。
しかしながら、かかる方法もまた、コンパウンドを使用できる許容温度範囲の上限値が低いため、その許容温度範囲を超える環境での使用ができず、加えて、接続構造体の組立時や工事の際に、電線等の導体接続部の表面にコンパウンドをむらなく均一に塗布する作業が必要になるが、この作業は、時間とコストがかかるという問題があった。
さらに、接点のズレを防止するための手段としては、接続部品を構成する導体接続部の表面(内面)に、複数の溝や突部からなるセレーションを形成し、このセレーションを形成した接続部品を構成する導体接続部を、電線の導体接続部にかしめ圧着等することによって強固に連結する方法を採用することが有用である(例えば特許文献1および2等)。
しかしながら、接続部品を構成する導体接続部にセレーションを形成する方法は、接続部品の構造を複雑にするために、コストの増加を招き、加えて、接続強度を高めるためにセレーションの頂点を電線の導体接続部に食い込ませる必要があり、これは、電線の導体接続部を構成する素線が細径の場合にはネッキング断線の原因となり、適用範囲が制限されるという問題があった。
また、アルミニウム系材料からなる電線等の接続導体を、銅系材料からなる電線等の接続導体に接続した他の接続構造体としては、例えば特許文献3に、施工現場での布設前に、アルミニウム系材料からなる電線・ケーブルの導体を、銅系材料からなる電線・ケーブルの導体に予め接続しておき、接続した電線・ケーブルの(コイル)本体はアルミニウム系導体であり、端末のみが銅系導体としたものが提案されている。
しかしながら、特許文献3に記載された接続構造体は、アルミニウム系導体で構成される(コイル)本体の長さを、施工現場等で使用される範囲(距離)にわたって常に延在可能な長さであればよいが、施工現場で長さの変更が必要になった場合には、コイル本体の長さを施工現場等で自由に変更することができないため、施工現場等に延設する範囲(距離)等によっては、コイル本体(アルミニウム系導体)の長さが足りなくなったり、不必要に長くなったりすることになり、この結果、材料の取り回しが悪く、十分な軽量化が図れないといった問題があった。
このように、従来の技術では、昨今の大電流化や使用環境温度の高温化の流れに対応するべく、電線等に大電流を流したり、電線等を高温環境下で使用したりする場合が想定されるような用途であっても適用可能な接続構造体、特に軽量で、接続信頼性に優れ、ネッキング断線が生じにくい接続構造体は得られていない。これらの用途では、電線等の導体を銅系材料からアルミニウム系材料に置き換えた場合に、火災事故が生じる危険性があることから、電線等の導体としては、依然として銅系材料を使用し続けているのが現状であり、電線等の導体としてアルミニウム系材料を用いて形成した接続構造体を、上記用途で適用した事例は見当たらない。
このようにアルミニウム系材料を用いて形成し、軽量化を図った接続構造体は、大電流の用途や使用環境温度が高温化する用途、例えば、メガソーラー、電気自動車の急速充電、風力発電用の風車やパワーコンディショナー、電力用のケーブル、建設用のケーブル、自動車用のワイヤーハーネス、キャブタイヤケーブルなどの用途に適用することができ、施工現場等における電線等の取り回し性が格段に向上するなどの種々の利点が期待されることから、開発することが強く望まれている。
特開2003−249284号公報 国際公開第2015/194640号 特開2016−167335号公報
本発明の目的は、被接続体を構成する第2導体としてアルミニウム合金を用い、電気接続構造を形成した状態における第2導体の圧縮された部分(圧縮部分)と圧縮されていない部分(非圧縮部分)の機械的特性の適正化を図ることにより、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体を提供することにある。
本発明の他の目的は、接続部品の第1導体および被接続体の第2導体の双方にアルミニウム合金を用い、電気接続構造を形成した状態における第2導体の圧縮された部分(圧縮部分)と圧縮されていない部分(非圧縮部分)の機械的特性の適正化を図ることにより、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体を提供することにある。
本発明者は、銅とアルミニウムの熱膨張率の差によって、接点にズレや解放が起きてしまう本質的な原因を、アルミニウム系材料の強度が、銅系材料の強度に比べて概して半分以下と低く、銅とアルミニウムの間の接点の接触圧力(接圧)が小さいことにあると考えた。
また、第1導体の第1接続部および第2導体の第2接続部の双方をアルミニウム合金で構成した接続構造体において、接点にズレや解放が起きてしまう本質的な原因を、アルミニウム系材料の強度が、銅系材料の強度に比べて概して半分以下と低いため、第1接続部および第2接続部の双方をアルミニウム合金で構成した接続構造体は、第1接続部および第2接続部の双方を銅系材料で構成した従来の接続構造体に比べて、接点間の接触圧力(接圧)が小さいことにあると考えた。
そして、接触圧力が低いと、接点を構成する面(接面)に対して、平行方向の力や、垂直方向、すなわち接点同士を引き離す(解放する)方向の力が作用してしまったときに、接点のずれや解放が起きやすくなってしまうことを見出した。また、接圧が小さいことによって接点間にずれや解放が生じる原因は、上述したような温度上昇に伴う熱応力(接点間の熱膨張差)による影響だけではなく、周辺環境からの応力(例えば、外力)や、設置場所で発生する振動などの影響によっても生じることから、このような外的ストレスに対して影響を受けにくい接点を形成することが必要となる。ここで接触圧力とは、接点の表面に対して垂直に作用する応力のことである。
また、本発明者は、被接続体を構成する第2導体としてアルミニウム系材料を用いて接続構造体を形成すること、又は、第1および第2導体の双方にアルミニウム合金からなる導体を用いて接続構造体を形成することを前提として、接続信頼性を高めつつ、ネッキング断線を抑制するための鋭意検討を行なったところ、被接続体を構成する第2導体として、強度(より厳密には硬度)の高いアルミニウム系材料を用いること、より詳細には、電気接続構造を形成した状態における第2接続部のビッカース硬度HV1を高くし、かつ、電気接続構造を形成した状態における第2導体の圧縮部分(第2接続部)のビッカース硬度HV1を、電気接続構造を形成しない第2導体の非圧縮部分(第2接続部以外の第2導体の部分)のビッカース硬度HV2との関係で高くしすぎない(硬度段差が生じない)ように適正化を図ることによって、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体を提供することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
(1)接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に前記第1接続部が直接連結されて電気接続構造を形成してなる接続構造体において、前記第1導体が銅または銅合金からなり、前記第2導体がアルミニウム合金からなり、前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、前記電気接続構造を形成しない前記第2導体の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上であることを特徴とする接続構造体。
(2)前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が140以上である上記(1)に記載の接続構造体。
(3)前記第2導体は、6000系のアルミニウム合金からなる上記(1)または(2)に記載の接続構造体。
また、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
(4)接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に前記第1接続部が直接連結されて電気接続構造を形成してなる接続構造体において、前記第1および第2導体がいずれもアルミニウム合金からなり、前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、前記電気接続構造を形成しない前記第2導体の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上であることを特徴とする接続構造体。
(5)前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が140以上である上記(4)に記載の接続構造体。
(6)前記第2導体は、6000系のアルミニウム合金からなる上記(4)または(5)に記載の接続構造体。
本発明によれば、接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に第1接続部が直接連結されて電気接続構造を形成してなる接続構造体において、第1導体が銅または銅合金からなり、第2導体がアルミニウム合金からなり、第2導体は、電気接続構造を形成した状態にて、第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、電気接続構造を形成しない第2導体の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上であることによって、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体の提供が可能になった。
また、本発明によれば、接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に第1接続部が直接連結されて電気接続構造を形成してなる接続構造体において、第1導体および第2導体がいずれもアルミニウム合金からなり、第2導体は、電気接続構造を形成した状態にて、第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、電気接続構造を形成しない第2導体の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上であることによって、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体の提供が可能になった。
図1は、本発明に従う第1実施形態の接続構造体の概略斜視図である。 図2は、本発明に従う第2実施形態の接続構造体の概略斜視図である。 図3は、本発明に従う第3実施形態の接続構造体の概略断面図である。 図4は、各種の第2導体を用いて求めた引張強度とビッカース硬度のそれぞれの実測値を、引張強度を縦軸、ビッカース硬度を横軸としてプロットした図である。
以下、本発明に従う接続構造体の実施形態について、以下で詳細に説明する。
図1は、本発明に従う第1実施形態の接続構造体であって、接続構造体を、被接続体である被覆電線と、接続部品である圧着端子とで構成した場合の例を示したものである。
図示の接続構造体1は、接続部品2と被接続体3とで主に構成されている。
接続部品2は、第1導体20を有し、第1導体20の一部に、被接続体3に導体接続される第1接続部21が設けられている。
[接続部品]
図1に示す接続部品2は、オープンバレル型の圧着端子であり、一端側には、被接続体3の第2導体30の第2接続部31に圧着して導体接続され、ワイヤバレル部として構成される第1接続部21と、被接続体3の絶縁被覆部32を圧着して連結されるインシュレーションバレル部22を備え、接続部品2の他端(先端)側には、取付ねじ等の締結具(図示せず)を用いて他の被接続体(図示せず)に導通接続するための丸形(R形)の端子孔23を備えている場合を示しているが、本発明の接続部品2は、被接続体3の第2接続部31に対して圧縮によって導通接続できる第1接続部21を有してさえいれば、接続部品2の他の部分はどのように構成してもよく、また、図1に示す圧着端子以外にも、例えば図2に示すように電線またはケーブル同士3A、3Bの接続部の周りを圧縮して連結するために使用されるスリーブとして構成される接続部品2Aや、図3に示すように被接続体3Cを締め付けて圧縮するボルトやねじ等の締結具等として構成される接続部品2Bなどが挙げられる。
第1導体20は、例えば銅又は銅合金からなる。銅または銅合金の銅系材料としては、特に限定はしないが、例えば、タフピッチ銅、リン脱酸銅、黄銅系合金、リン青銅系合金、Cu−Sn−(Ni、Fe)−P系合金、Cu−Ni−Si系合金、Cu−Cr系合金等が挙げられる。
また、第1導体20は、アルミニウム合金からなっていてもよい。アルミニウム合金としては、接点間における十分な接触圧力を確保する観点から、第2導体30と同等程度以上のビッカース硬度を有することが好ましく、例えば、第2導体30を構成するアルミニウム合金と同じ組成系のものの他、高強度を有する他の組成系のアルミニウム合金であってもよく、特に限定はしない。一例を挙げておくと、2000系(Al−Cu系)、5000系(Al−Mg系)、6000系(Al−Mg−Si系)、7000系(Al−Zn−Mg(−Cu)系)のアルミニウム合金である。第1導体20のHVは110以上が好ましい。より好ましくは125以上、更に好ましくは140以上、最も好ましくは155以上である。高め過ぎると、成形性や耐応力腐食割れ性を低下させるため、第1導体20のHVは180以下であることが好ましい。
[被接続体]
被接続体3は、アルミニウム合金からなる第2導体30を有し、図1では、第2導体30が、7本の素線を撚り合せてなる5本の撚線33a〜33eを平行配列状態にして構成したものであって、被接続体3が、5本の撚線33a〜33eからなる第2導体30と、この第2導体30の外周を覆う絶縁被覆32とで構成した被覆電線である場合を示しているが、かかる場合だけには限定されず、1本の被覆電線、または複数本の被覆電線の束をシースと呼ばれる絶縁被覆で覆って形成したケーブルであってもよい。また、絶縁被覆で被覆されていない裸電線であってもよい。
[本発明の特徴構成]
そして、本発明の構成上の主な特徴は、接続部品2を構成する第1導体20の第1接続部21の圧縮によって、被接続体3を構成する第2導体30の第2接続部31に第1接続部21が直接連結されて電気接続構造を形成したものであって、第1導体20が、銅または銅合金からなるか、又はアルミニウム合金からなり、第2導体30がアルミニウム合金からなり、第2導体30は、電気接続構造を形成した状態にて、第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、電気接続構造を形成しない第2導体30の位置で測定したときのビッカース硬度HV2を、ビッカース硬度HV1の80%以上とすることにあり、この構成を採用することによって、軽量かつ接続信頼性に優れ、しかもネッキング断線も生じにくい接続構造体1を提供することができる。
(i)第2導体がアルミニウム合金からなること
本発明では、第2導体30はアルミニウム合金で構成されている。これによって、接続構造体の軽量化が図れる。アルミニウム合金としては、特に限定はしないが、第2導体30として、強度特性、導電性、成形加工性、耐食性などの全ての特性を満足することが必要である他、さらに本発明では、第2導体30として、従来のアルミニウム合金に比べてビッカース硬度が高いアルミニウム合金を用いることが必要である。この観点から、本発明では、第2導体30に用いるのに好適なアルミニウム合金として、例えば、5000系(Al−Mg系)、6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金を用いることが好ましく、特に高い導電率を具備する必要がある場合には、6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金を用いることが好ましい。接続構造体1の熱ストレスを低減するためには、第2導体30の通電中のジュール発熱を抑制することも有効である。従って、第2導体の導電率は、40%IACSであることが好ましく、より好ましくは45%IACS以上、更に好ましくは50%IACS以上である。
(ii)第2導体に関し、電気接続構造を形成した状態にて第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であること
本発明では、第2導体30に関し、電気接続構造を形成した状態にて、アルミニウム合金からなる第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1を110以上とし、これによって、接続部品2の第1接続部21を構成する銅系材料との硬度(強度)差、又は接続部品2の第1接続部21に用いた高強度のアルミニウム合金との硬度差を小さくすることができ、電気接続構造を形成する第1接続部21と第2接続部31との間の接点の接触圧力が高くなる結果、温度上昇に伴う熱応力(接点間の熱膨張差)や、周辺環境からの応力(例えば、外力)、および設置場所で発生する振動などの外的ストレスが接点に作用したとしても、接点のずれや解放が生じにくくなるため、優れた接続信頼性が得られる。
電気接続構造を形成した圧縮状態にて第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上未満だと、接続部品2の第1接続部21を構成する銅系材料との硬度(強度)差、又は接続部品2の第1接続部21に用いた高強度のアルミニウム合金との硬度差が大きくなって、電気接続構造を形成する第1接続部21と第2接続部31との間の接点の接触圧力が低くなる結果、優れた接続信頼性が得られない。このため、圧縮状態にて第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1は110以上とし、好ましくは125以上、更に好ましくは140以上、更により好ましくは155以上、最も好ましくは170以上とする。特に接続構造体が高温環境や振動が多い環境で使用される場合には、前記ビッカース硬度HV1は140以上とすることが好ましい。なお、ビッカース硬度HV1の上限は、特に限定はしないが、伸線加工を断線せずに行うことができる(非圧縮状態の)第2導体(線材)のビッカース硬度HV2は、現状の製造設備からすると、高くても240程度が限界であると考えられることから、(圧縮状態の)ビッカース硬度HV1の上限は300とすることが好ましい。
電気接続構造を形成した(圧縮)状態にて第2接続部31の位置でビッカース硬度HV1を測定する方法としては、例えば、電気接続構造を形成する第2接続部31の断面だしを行い、その長手方向に対して垂直な断面(横断面)を鏡面研磨することによって、電気接続構造を形成した圧縮された状態のままの第2接続部31のビッカース硬度を測定することができ、そのビッカース硬度HV1の値が高いほど、良好な接続信頼性が得られる。断面だしの方法は、例えば、帯鋸、ワイヤーソー、精密ディスクカッターなどによって、電気接続構造を維持したまま切断し、研磨布やバフ研磨によってその断面の凹凸を軽微にすることで行うことができる。なお、ビッカース硬度は、JIS Z 2244:2009に準拠して測定する。また、ビッカース硬度は、引張強度と比例関係にあり、ビッカース硬度が高いほど強度が高いことを意味する。例えば、6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金の場合、引張強度TSの概算値は、ビッカース硬度の測定値を、以下に示す(i)式に代入することによって換算することができる。
引張強度TS(MPa)=3.70×ビッカース硬度HV ・・・(i)
なお、上記(i)式の係数である3.70は、図4に示すとおり、種々の6000系アルミニウム合金線の引張強度とビッカース硬度の実測値に対して、最小二乗法により近似直線を解析し、求めた値である。
(iii)電気接続構造を形成しない(非圧縮状態における)第2導体30の位置で測定したときのビッカース硬度HV2を、電気接続構造を形成した(圧縮)状態にて第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1の80%以上とすること
本発明では、電気接続構造を形成せず、第1接続部21で圧縮されていない(非圧縮)状態にある第2導体30の位置(または部分)で測定したときのビッカース硬度HV2を、電気接続構造を形成し、第1接続部21で圧縮された(圧縮)状態にある第2接続部31の位置(または部分)で測定したときのビッカース硬度HV1の80%以上とする。これによって、第2導体30の、圧縮状態にある第2接続部31の硬度(強度)と、圧縮状態にない第2導体30の部分との硬度(強度)との差が小さく、顕著な剛性段差が生じない結果、第2導体30が強い力で引っ張られたときであっても、第2導体30全体が均一に伸びやすくなるため、ネッキング断線も生じにくくなる。
非圧縮状態にある第2導体30の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、圧縮状態にある第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1の80%未満だと、第2導体30の、圧縮状態にある第2接続部31の硬度(強度)と、圧縮状態にない第2導体の部分の硬度(強度)との差が大きくなり、顕著な剛性段差が生じる結果、第2導体30が強い力で引っ張られると、剛性段差がある第2導体30の境界部分で局部伸び(くびれ)が生じやすくなり、ネッキング断線を有効に抑制することができなくなるからである。このため、電気接続構造を形成しない(非圧縮状態における)第2導体30の位置で測定したときのビッカース硬度HV2は、電気接続構造を形成した(圧縮)状態にて第2接続部31の位置で測定したときのビッカース硬度HV1の80%以上とし、好ましくは80%以上、より好ましくは85%以上、更に好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上とする。なお、硬度比R(=(HV2/HV1)×100)の上限は、特に限定はしないが、ビッカース硬度HV1とビッカース硬度HV2とが同じである場合、すなわち100%である。
電気接続構造を形成する圧縮状態にて第2接続部31のビッカース硬度HV1を110以上と高くする手段としては、例えば、第2導体30として、予めビッカース硬度HV1が高いアルミニウム合金を用いる方法と、圧縮、圧着及び締結などの接続の工程において圧縮によって第2接続部31を加工硬化させる方法が想定される。しかし、後者の方法では、第2導体30において、第2接続部31の圧縮加工を受けた部分と、圧縮加工を受けていない無垢の導体部分との間で大きな硬度(強度)差が生じてしまう。その結果、第2導体において上記強度差(剛性段差)が生じた部分に応力が集中することになって、第2導体30に引っ張り、曲げ、捻りなどの外力が作用したときに、応力が集中する部分にネッキング(くびれ)が生じて断線しやすくなると考えられる。このため、電気接続構造を形成した圧縮状態にて、第2接続部31のビッカース硬度HV1を110以上と高くするには、第2導体30として、予めビッカース硬度HV1が高いアルミニウム合金を用い、圧縮によって第2接続部31を加工硬化したとしても、ビッカース硬度HV2がビッカース硬度HV1の80%未満とならない範囲内に硬度の上昇を制御すればよい。なお、上述したネッキングによる断線は、第2導体30の素線径が細い場合ほど起き易い。従って、本発明は、特に素線径が細い第2導体に適用するのが顕著な効果を奏する点で好ましい。例えば、第2導体の素線径は、1.5mm以下であることが好ましく、より好ましくは1.0mm以下、更に好ましくは0.5mm以下、最適には0.2mm以下である。
ビッカース硬度HV1が110以上と高いアルミニウム合金としては、特に限定はしないが、第2導体30に用いるアルミニウム合金としては、強度特性、導電性、成形加工性、耐食性などの全てを満足することが必要であることを考慮すると、例えば6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金を用いることが好ましい。なお、第2導体30は、導電性が比較的低くてもよい場合には、5000系(Al−Mg系)のアルミニウム合金を用いてもよい。
なお、従来の製造方法で製造した6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金は、通常、ビッカース硬度が小さいため、本発明の第2導体として用いても十分な特性を得ることができなかった。
このため、本発明では、例えばMgおよびSi等の合金組成および製造条件を適正に制御することによって、高ビッカース硬度の6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金が得られることを見出したため、第2導体として6000系のアルミニウム合金材料を用いる場合には、ビッカース硬度を高めた上述したような特定の6000系(Al−Mg−Si系)のアルミニウム合金材料を第2導体30として用いることが好ましい。
ビッカース硬度が高いアルミニウム合金の製造方法としては、例えばAl−Mg−Si系の6000系のアルミニウム合金素材に対し、時効析出熱処理を行わずに、加工度ηが4以上の冷間加工を行う方法が挙げられる。特に、大きな加工度ηで冷間加工を行うことにより、金属組織の変形に伴う金属結晶の分裂を促すことができ、アルミニウム合金材の内部に結晶粒界を高密度で導入でき、その結果、アルミニウム合金材(粒界)が強化されて、ビッカース硬度を大幅に向上させることができる。このような加工度ηは、好ましくは5以上、より好ましくは6以上、さらに好ましくは7以上とする。また、加工度ηは15を超えると、伸線加工時に断線が生じて電線(線材)を製造することが難しくなる傾向があることから、加工度ηは15以下とすることが好ましい。また、必要に応じて、冷間加工の後に、調質焼鈍を行ってもよい。
さらに、6000系のアルミニウム合金素材の好適な組成としては、例えば、0.2〜1.8質量%のMg(マグネシウム)、0.2〜1.8質量%のSi(珪素)、0.01〜0.26質量%のFe(鉄)を含有するアルミニウム合金が挙げられる。ネッキング断線を低減する観点からは、Feの含有量を少なくすることが好ましい。
なお、加工度ηは、冷間加工前の第2導体の断面積をS1、冷間加工後の第2導体の断面積をS2(S1>S2)とするとき、下記の(ii)式で表される。
加工度η(無次元)=ln(S1/S2) ・・・(ii)
また、加工方法は、目的とするアルミニウム系材料の形状(線棒材、板材、条、箔など)に応じて適宜選択すればよく、例えば、カセットローラーダイス、溝ロール圧延、丸線圧延、ダイス等による引抜き加工、スエージング等が挙げられる。また、上記のような加工における諸条件(潤滑油の種類、加工速度、加工発熱等)は、公知の範囲で適宜調整すればよい。
<本発明の接続構造体の用途>
本発明の接続構造体は、特に大電流の用途や使用環境温度が高温化する用途、例えば、メガソーラー、電気自動車の急速充電、風力発電用の風車やパワーコンディショナー、電力用のケーブル、建設用のケーブル、自動車用のワイヤーハーネス、キャブタイヤケーブルなどの用途に適用することが好適である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念および請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
次に、本発明の効果をさらに明確にするために、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1〜3および比較例1〜4)
下記に示す組成および直径サイズを有するアルミニウム系材料からなる各棒材又は線材を、下記に示す伸線加工を含む各製造方法によって、直径0.3mmの素線を製造し、製造した7本の素線を撚り合せて撚線とし、この撚線を第2導体とした。
・実施例1
直径10mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した。
・比較例1
直径1.4mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)に350℃で2時間保持する焼鈍を行い、その後、直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=3.09)した。
・実施例2
直径10mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した後に、200℃に10秒保持する焼鈍を行った。
・比較例2
直径1.4mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)に350℃で2時間保持する焼鈍を行い、その後、直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=3.09)した。その後に、540℃で15秒保持して焼き入れる溶体化処理と180℃で5時間の時効処理(T6処理)を施した。
・実施例3
直径6mmのAl-2.52質量%Mg-0.11質量%Si-0.25質量%Fe-0.19質量%Cr(A5052の成分)の線を350℃で2時間保持する焼鈍を行い、その後、直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=5.99)した。
・比較例3
直径10mmのEC-AL線(Al:99.6質量%以上の電気用アルミニウム線)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した。
・比較例4
直径10mmのAl-0.11質量%Mg-0.09質量%Si-0.24質量%Fe-0.21質量%Cu合金(A1120の成分)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した。
(比較例5および6)
・比較例5
直径10mmの0.12質量%Si-0.15質量%Fe-2.3質量%Cu-2.3質量%Mg-6.1質量%Zn-0.1質量%Zr合金(A7050の成分)を冷間伸線したが、直径7.8mm前後まで伸線した際に断線が多発し、線材を製造することが出来なかった。
・比較例6
直径10mmの1.1質量%Si-0.7質量%Fe-4.3質量%Cu-0.8質量%Mn-0.6質量%Mg-0.2質量%Zn合金(A2014の成分)を冷間伸線したが、直径8.5mm前後まで伸線した際に断線が多発し、線材を製造することが出来なかった。
[評価方法]
上記で作製した第2導体の第2接続部を、接続部品である銅製の圧着端子の第1接続部で圧着して接続構造体を形成し、下記の特性について評価した。
第2導体の圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度と接触圧力の関係は、以下の方法で調べた。まず、第2導体の圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1は、JIS Z 2244:2009に準じて、微小硬さ試験機 HM−125(株式会社アカシ(現株式会社ミツトヨ)製)を用い、精密ディスクカッターによって、電気接続構造を維持したまま切断し、研磨布やバフ研磨によってその断面(横断面)の凹凸を軽微にする鏡面研磨を行なうことによって測定した。また、電気接続構造を形成しない第2導体30の位置におけるビッカース硬度HV2もまた、HV1と同様に、第2導体の長手方向に対して垂直な断面から測定した。断面だしの方法もHV1と同様である。このとき、試験力は0.1kgf(0.98N)、保持時間は15秒とした。測定した(非圧縮状態にある)ビッカース硬度HV2を、圧縮状態にある第2接続部で測定したビッカース硬度HV1で割ったときの百分率を硬度比R(%)として求めた。また、電気接続構造を形成しているときの第2接続部の接触圧力は、実測することが難しいため、有限要素法のシミュレーションによって調べた。シミュレーションのソフトには、LS-DYNAを用いた。圧着解析の後に除荷解析を行った。接続部品の第1接続部によって圧縮された第2導体の第2接続部において、第1接続部に接している第2接続部の全面積に占める、100MPa以上の接圧で第1接続部と接している第2接続部の面積の百分率である面積率S(%)を求めた。なお、汎用のタフピッチ銅線の焼鈍材を銅合金製端子で圧着した場合、面積率Sのシミュレーション結果は5%であったため、本実施例では、面積率Sは、5%以上である場合を接続信頼性が合格レベルにあると評価した。
また、第1導体と第2導体の接圧を間接的に測定するために、JIS C 2805(2010)「導線用圧着端子」に基づいて引張強さ試験を行い、その応力(=PA)を測定した。また、第2導体に汎用のタフピッチ銅線の焼鈍材を用いて、同様に測定した応力をPCとし、応力比Q(=PA/PC)を算出した。応力比Qが1以上の場合に、接続信頼性が合格レベルと判断した。
さらに、圧着して接続構造体を形成した後に、圧着端子に対し第2導体を45°方向に引っ張り、このとき、ネッキング断線が発生するか否かについても調べた。引っ張り力は、用いる第2導体の抗張力の60〜80%の力で行った。この抗張力は、用いる第2導体の引張強度に、第2導体の非圧縮部の断面積を掛けた値を用いた。加えて、第2導体を構成する前の素線の状態で、導電率を室温にて4端子法により測定した。これらの評価結果を表1に示す。なお、表1に示すネッキング断線発生の有無は、断線の発生がない場合を良好「○」、断線の発生があった場合を不良「×」として記号で示してある。
Figure 0006407501
表1の結果から、実施例1〜3はいずれも、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が130以上であり、面積率Sが7%以上と大きいため、優れた接続信頼性を有しており、また、硬度比Rが90%以上であることから、ネッキング断線も生じなかった。また、引張強さ試験の応力比Qの値も高く、第1導体と第2導体の間に高い接圧が発生していた。特に、実施例1および2はいずれも導電率ECが50%IACS以上と高かった。
これに対し、比較例1は、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が100と小さく、面積率Sの数値が3%と小さいため、接続信頼性が劣っていた。また、比較例2は、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1は115と110以上であり、面積率Sの数値が8%と大きいため、優れた接続信頼性を有しているものの、硬度比Rが70%であることから、ネッキング断線が生じた。さらに、比較例3は、圧縮状態の第2接続部のビッカース硬度HV1が55と小さく、面積率Sの数値が1%と小さいため、接続信頼性が劣っていた。さらにまた、比較例4は、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が100と小さく、面積率Sが2%と小さいため、接続信頼性が劣っていた。尚、比較例5および6はいずれも、構造用のアルミニウム合金であって、高い強度が得られることで知られている7000系および2000系のアルミニウム合金であるが、第2導体を製造するための伸線加工中に断線が多発して製造することができず、上述した評価を行うことができなかった。また、比較例1,3,4はいずれも、引張強さ試験の応力比Qの値が低かった。
以上の結果から、第2導体は、電気接続構造を形成した圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が110以上であるときに良好な接続信頼性が得られ、また、上記硬度比Rが80%以上であるときにネッキング断線を防止できること、さらには、第2導体として6000系アルミニウム合金を用いた場合には、特に加工度が4以上の伸線加工を行なうことによって強度が高まり、導電率を含めた全ての特性が良好であることが解った。
(実施例4〜7および比較例5〜10)
下記に示す組成および直径サイズを有するアルミニウム系材料からなる各棒材又は線材を、下記に示す伸線加工を含む各製造方法によって、直径0.3mmの素線を製造し、製造した7本の素線を撚り合せて撚線とし、この撚線を第2導体とした。
・実施例4
直径10mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した。
・実施例5
直径10mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した後に、200℃に10秒保持する焼鈍を行った。
・実施例6
直径6mmのAl-2.52質量%Mg-0.11質量%Si-0.25質量%Fe-0.19質量%Cr(A5052の成分)の線を350℃で2時間保持する焼鈍を行い、その後、直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=5.99)した。
・実施例7
直径5mmのAl-0.75質量%Mg-0.53質量%Si-0.26質量%Fe-0.20質量%Cu-0.11質量%Cr(A6061の成分)の線を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=5.63)した。
・比較例5
直径10mmのAl-0.11質量%Mg-0.09質量%Si-0.24質量%Fe-0.21質量%Cu合金(A1120の成分)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した。
・比較例6
直径1.4mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)に350℃で2時間保持する焼鈍を行い、その後、直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=3.09)した。
・比較例7
直径1.4mmのAl-0.61質量%Mg-0.58質量%Si-0.26質量%Fe合金(A6201の成分)に350℃で2時間保持する焼鈍を行い、その後、直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=3.09)した。その後に、540℃で15秒保持して焼き入れる溶体化処理と180℃で5時間の時効処理(T6処理)を施した。
・比較例8
直径10mmのEC-AL線(Al:99.6質量%以上の電気用アルミニウム線)を直径0.3mmまで冷間伸線(加工度η=7.01)した。
(比較例5および6)
・比較例9
直径10mmの0.12質量%Si-0.15質量%Fe-2.3質量%Cu-2.3質量%Mg-6.1質量%Zn-0.1質量%Zr合金(A7050の成分)を冷間伸線したが、直径7.8mm前後まで伸線した際に断線が多発し、線材を製造することが出来なかった。
・比較例10
直径10mmの1.1質量%Si-0.7質量%Fe-4.3質量%Cu-0.8質量%Mn-0.6質量%Mg-0.2質量%Zn合金(A2014の成分)を冷間伸線したが、直径8.5mm前後まで伸線した際に断線が多発し、線材を製造することが出来なかった。
[評価方法]
上記で作製した第2導体の第2接続部を、接続部品である6000系アルミニウム合金製の圧着端子の第1接続部で圧着して接続構造体を形成し、各特性について評価した。評価のための各値の測定方法は、実施例1〜3及び比較例1〜4と同じとした。評価結果を表2に示す。
Figure 0006407501
表2の結果から、実施例4〜7はいずれも、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が132以上であり、面積率Sが6%以上と大きいため、優れた接続信頼性を有しており、また、硬度比Rが85%以上であることから、ネッキング断線も生じなかった。また、引張強さ試験の応力比Qの値も高く、第1導体と第2導体の間に高い接圧が発生していた。特に、実施例4および5はいずれも導電率ECが50%IACS以上と高かった。
これに対し、比較例5は、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が98と小さく、面積率Sが3%と小さいため、接続信頼性が劣っていた。また、比較例6は、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が102と小さく、面積率Sの数値が3%と小さいため、接続信頼性が劣っていた。さらに、比較例7は、圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1は115と110以上であり、面積率Sの数値が6%と大きいため、優れた接続信頼性を有しているものの、硬度比Rが65%であることから、ネッキング断線が生じた。加えて、比較例8は、圧縮状態の第2接続部のビッカース硬度HV1が55と小さく、面積率Sの数値が1%と小さいため、接続信頼性が劣っていた。尚、比較例9および10はいずれも、構造用のアルミニウム合金であって、高い強度が得られることで知られている7000系および2000系のアルミニウム合金であるが、第2導体を製造するための伸線加工中に断線が多発して製造することができず、上述した評価を行うことができなかった。また、比較例5,6,8はいずれも、引張強さ試験の応力比Qの値が低かった。
以上の結果から、第2導体は、電気接続構造を形成した圧縮状態にある第2接続部のビッカース硬度HV1が110以上であるときに良好な接続信頼性が得られ、また、上記硬度比Rが80%以上であるときにネッキング断線を防止できること、さらには、第2導体として6000系アルミニウム合金を用いた場合には、特に加工度が4以上の伸線加工を行なうことによって強度が高まり、導電率を含めた全ての特性が良好であることが解った。
なお、本発明では、接続部品である端子のワイヤバレル部を形成する(内面)部分に、セレーションをさらに設けてもよい。この場合、ビッカース硬度HV1が110以上という硬質な第2接続部に対してセレーションを良好な状態で食い込ませるため、端子の第1導体として、比較的強度が高い銅合金、例えばCu−Zn系の丹銅や黄銅、Cu−Sn−P系のリン青銅、Cu−Ni−Si系のコルソン銅などの銅合金を用いることが好ましい。また、本発明では、さらに従来技術であるコンパウンドを併用してもよい。
また、本発明では、第2導体にCu、Ni、Ag、Sn、Pd及びAuからなる群から選択された金属を被覆した構成としてもよい。また、上記金属には、上記金属を主たる構成元素とした合金や金属間化合物の状態も含まれる。第2導体を被覆する方法としては、例えば、置換めっき、電解めっき、クラッド、溶射などが挙げられる。軽量化の効果を最大限に引き出すためには、被覆は薄い方がよいことから、置換めっき或いは電解めっきが好ましい。また、中間線径を有する導体を上記金属で被覆し、その後に伸線加工を行う製法でもよい。また、第2導体への上記金属の被覆は、加工費の増加やリサイクル性の低下を招かない範囲で行うのが好ましい。
1、1A、1B 接続構造体
2、2A、2B 接続部品
20 第1導体
21 第1接続部(またはワイヤバレル部)
22 インシュレーションバレル部
23 端子孔
3、3A、3B、3C 被接続体
30 第2導体
31 第2接続部
32 絶縁被覆部
33a〜33e 撚線

Claims (6)

  1. 接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に前記第1接続部が直接連結されて電気接続構造を形成してなる接続構造体において、
    前記第1導体が銅または銅合金からなり、
    前記第2導体がアルミニウム合金からなり、
    前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、前記電気接続構造を形成しない前記第2導体の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上であることを特徴とする接続構造体。
  2. 前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が140以上である請求項1に記載の接続構造体。
  3. 前記第2導体は、6000系のアルミニウム合金からなる請求項1または2に記載の接続構造体。
  4. 接続部品を構成する第1導体の第1接続部の圧縮によって、被接続体を構成する第2導体の第2接続部に前記第1接続部が直接連結されて電気接続構造を形成してなる接続構造体において、
    前記第1および第2導体がいずれもアルミニウム合金からなり、
    前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が110以上であり、かつ、前記電気接続構造を形成しない前記第2導体の位置で測定したときのビッカース硬度HV2が、前記ビッカース硬度HV1の80%以上であることを特徴とする接続構造体。
  5. 前記第2導体は、前記電気接続構造を形成した状態にて、前記第2接続部の位置で測定したときのビッカース硬度HV1が140以上である請求項4に記載の接続構造体。
  6. 前記第2導体は、6000系のアルミニウム合金からなる請求項4または5に記載の接続構造体。
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