(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁被覆電線を複数本束ねて接続したワイヤハーネス用電線接続構造体において、
銅系材料で構成された銅導体に絶縁被覆を被覆して、該絶縁被覆の先端側を所定長さだけ剥いで該銅導体を露出させた銅導体露出部を有する１以上の銅導体被覆電線と、
アルミニウム合金からなるアルミニウム系材料で構成されたアルミニウム導体に絶縁被覆を被覆して、該絶縁被覆の先端側を所定長さだけ剥いで該アルミニウム導体を露出させたアルミニウム導体露出部を有する１以上のアルミニウム導体被覆電線と、を備え、
前記アルミニウム導体は、Ｍｇ：０．１〜１．０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．２質量％、Ｆｅ：０．１００１〜１．４０質量％、Ｔｉ：０〜０．１００質量％、Ｂ：０〜０．０３０質量％、Ｃｕ：０〜１．００質量％、Ａｇ：０〜０．５０質量％、Ａｕ：０〜０．５０質量％、Ｍｎ：０〜１．００質量％、Ｃｒ：０〜１．００質量％、Ｚｒ：０〜０．５０質量％、Ｈｆ：０〜０．５０質量％、Ｖ：０〜０．５０質量％、Ｓｃ：０〜０．５０質量％、Ｃｏ：０〜０．５０質量％、残部：Ａｌ、Ｎｉおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金素材からなり、
前記アルミニウム導体には、前記残部であるＮｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されており、
前記銅導体露出部と前記アルミニウム導体露出部とが接合した超音波接合部を有し、
前記超音波接合部による前記銅導体露出部と前記アルミニウム導体露出部との接合界面に、Ｎｉを含んだ化合物相が形成される
ことを特徴とするワイヤハーネス用電線接続構造体。
【請求項２】
前記１以上の銅導体被覆電線と前記１以上のアルミニウム導体被覆電線とを束ねた電線束の外周に設けられたジョイント管を更に備え、
前記ジョイント管は、超音波振動が前記超音波接合部に伝搬可能に、前記電線束と当接した当接部を有することを特徴とする請求項１記載のワイヤハーネス用電線接続構造体。
【請求項３】
前記銅導体は、酸素量０．１〜１０ｐｐｍかつ銅が９９．９９質量％以上である無酸素銅であることを特徴とする請求項１又は２記載のワイヤハーネス用電線接続構造体。
【請求項４】
絶縁被覆電線を複数本束ねて接続したワイヤハーネス用電線接続構造体において、
アルミニウム合金からなるアルミニウム系材料で構成されたアルミニウム導体に絶縁被覆を被覆して、該絶縁被覆の先端側を所定長さだけ剥いで該アルミニウム導体を露出させたアルミニウム導体露出部を有する２以上のアルミニウム導体被覆電線と、を備え、
前記２以上のアルミニウム導体被覆電線のうち、前記アルミニウム導体がＭｇ：０．１〜１．０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．２質量％、Ｆｅ：０．１００１〜１．４０質量％、Ｔｉ：０〜０．１００質量％、Ｂ：０〜０．０３０質量％、Ｃｕ：０〜１．００質量％、Ａｇ：０〜０．５０質量％、Ａｕ：０〜０．５０質量％、Ｍｎ：０〜１．００質量％、Ｃｒ：０〜１．００質量％、Ｚｒ：０〜０．５０質量％、Ｈｆ：０〜０．５０質量％、Ｖ：０〜０．５０質量％、Ｓｃ：０〜０．５０質量％、Ｃｏ：０〜０．５０質量％、残部：Ａｌ、Ｎｉおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金素材からなるとともに前記残部であるＮｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されているアルミニウム導体被覆電線が１本以上存在し、
前記アルミニウム導体が前記アルミニウム合金素材からなるとともに前記残部であるＮｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されているアルミニウム導体被覆電線のアルミニウム導体露出部が、他のアルミニウム導体被覆電線のアルミニウム導体露出部と接合した超音波接合部を有し、
前記超音波接合部による前記アルミニウム導体露出部同士の接合界面に、Ｎｉを含んだ化合物相が形成される
ことを特徴とするワイヤハーネス用電線接続構造体。
【請求項５】
前記２以上のアルミニウム導体被覆電線を束ねた電線束の外周に設けられたジョイント管を更に備え、
前記ジョイント管は、超音波振動が前記超音波接合部に伝番可能に、前記電線束と当接した当接部を有することを特徴とする請求項４記載のワイヤハーネス用電線接続構造体。
【請求項６】
前記アルミニウム導体には、Ｎｉが０．１００〜０．１２５質量％添加されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のワイヤハーネス用電線接続構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁被覆電線を複数本束ねて接続した電線接続構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車には、操作性や快適性を向上させる様々な電気機器が装備されている。このような電気機器は、自動車に配索されるワイヤハーネスによって互いに接続され、信号の送受信や電力の供給を行っている。
【０００３】
上述のワイヤハーネスを構成する複数の被覆電線の中には、該被覆電線の導体露出部同士を接続部材によって導電可能に接続されるものがあり、例えば、特許文献１に記載のジョイント構造などが提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載のジョイント端子（接続部材）は、オープンバレル型の端子であり、被覆電線を圧着接続する圧着部に加締め片を有している。そして、この加締め片を導体露出部の方向へ折り返して、複数の被覆電線における導体露出部をまとめて加締めることで、導体露出部同士を導電可能に接続できるとされている。
【０００５】
また、電気機器に接続され配索されるワイヤハーネスは、操作性や快適性を向上させるために電気機器を増設すると、増設した電気機器まで新たなワイヤハーネスを配索しなければならず、ワイヤハーネスの重量が増加してしまうという問題がある。このような問題に関しワイヤハーネスを軽量化する対策として、銅系材料よりも軽いアルミニウム系材料で構成した導体を用いたワイヤハーネスが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２９２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アルミニウム系材料の被覆電線（以下、アルミニウム導体被覆電線という。）は、上述したように銅系材料と比べて軽いが、導体露出部（以下、アルミニウム導体露出部ともいう。）の表面に酸化被膜が形成される。このため、アルミニウム被覆電線を、アルミニウム系材料、銅系材料などからなる他の被覆電線と束ねて電気的に接続する場合、アルミニウム導体露出部は、他の被覆電線の導体露出部との導電性が著しく低下する。したがって、アルミニウム導体露出部は、他の被覆電線の導体露出部との導電性を確保するために、アルミニウム系材料に形成された酸化被膜を破壊しなければならない。
【０００８】
ここで、アルミニウム導体露出部は、他の被覆電線の導体露出部と超音波接合することで、上記の酸化皮膜を破壊して導電性を確保することができる。しかしながら、当該接合構造を、例えば自動車のような長期間苛酷な環境に晒される電線接続構造体に適用することを想定した場合、長期間にわたって導電性を確保することができなかった。
【０００９】
本発明の第１の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、アルミニウム系材料の被覆電線と銅系材料の被覆電線と強固に接合可能な電線接続構造体を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の第２の目的は、アルミニウム系材料の被覆電線同士を強固に接合可能な電線接続構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明の第１態様に係る電線接続構造体は、絶縁被覆電線を複数本束ねて接続した電線接続構造体であって、銅系材料で構成された銅導体に絶縁被覆を被覆して、該絶縁被覆の先端側を所定長さだけ剥いで該銅導体を露出させた銅導体露出部を有する１以上の銅導体被覆電線と、アルミニウム系材料で構成されたアルミニウム導体に絶縁被覆を被覆して、該絶縁被覆の先端側を所定長さだけ剥いで該アルミニウム導体を露出させたアルミニウム導体露出部を有する１以上のアルミニウム導体被覆電線と、を備え、前記アルミニウム導体には、Ｎｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されており、前記銅導体露出部と前記アルミニウム導体露出部とが接合した超音波接合部を有することを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、アルミニウム導体にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、酸化皮膜特性が変化して超音波接合時に酸化皮膜が破壊されやすくなる。また、超音波接合によるアルミニウム導体と銅導体との接合界面に、Ｎｉを多く含んだ化合物相が形成されることにより、ＣｕとＡｌの化合物による接合界面よりも強固に接合されることとなる。
【００１３】
ここで、ＣｕとＡｌの化合物層は、接合界面にコブの様な形で形成され、結晶粒界や不純物が起点になり成長し、その分布は不均一であるため、何らかの負荷がかかった場合、接合界面の破壊の起点に成りやすい。一方、本様態で形成される化合物層は、界面全体に渡り極薄く均一に成長しやすいため、破壊の起点に成り難い。加えて、Ｎｉのイオン化傾向がＣｕとＡｌの間にあることから、界面の耐腐食性も向上する。
【００１４】
このようにアルミニウム導体に適切な量のＮｉを添加して接合界面の特性を変化させることにより、アルミニウム材料の被覆電線と銅系材料の被覆電線とを強固に接合することができる。したがって、本態様によれば、例えば自動車のような長期間苛酷な環境に晒されるような場合でも、長期間に亘って導電性を確保することができる。
【００１５】
（２）本発明の第２態様に係る電線接続構造体は、第１態様において、前記１以上の銅導体被覆電線と前記１以上のアルミニウム導体被覆電線とを束ねた電線束の外周に設けられたジョイント管を更に備え、前記ジョイント管は、超音波振動が前記超音波接合部に伝搬可能に、前記電線束と当接した当接部を有することを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、ジョイント管により電線束が覆われているので、超音波接合時にアルミニウム導体が溶けて超音波接合装置のアンビルなどに貼りついてしまうことを防止することができる。
【００１７】
（３）本発明の第３態様に係る電線接続構造体は、第１又は第２態様において、前記銅導体は、酸素量０．１〜１０ｐｐｍかつ銅が９９．９９質量％以上である無酸素銅であることを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、酸素量と銅含有率が所定の条件を満たす無酸素銅、言い換えれば純度が高い銅系材料を、銅導体に使用することにより、超音波接合時にアルミニウム導体と銅導体との拡散速度が上昇して、超音波接合による接合界面をより強固に接合することができる。
【００１９】
（４）本発明の第４態様に係る電線接続構造体は、絶縁被覆電線を複数本束ねて接続した電線接続構造体であって、アルミニウム系材料で構成されたアルミニウム導体に絶縁被覆を被覆して、該絶縁被覆の先端側を所定長さだけ剥いで該アルミニウム導体を露出させたアルミニウム導体露出部を有する２以上のアルミニウム導体被覆電線と、を備え、前記２以上のアルミニウム導体被覆電線のうち、前記アルミニウム導体にＮｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されているアルミニウム導体被覆電線が１本以上存在し、前記アルミニウム導体にＮｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されているアルミニウム導体被覆電線のアルミニウム導体露出部が、他のアルミニウム導体被覆電線のアルミニウム導体露出部と接合した超音波接合部を有することを特徴とする。
【００２０】
本態様によれば、アルミニウム導体にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、酸化皮膜特性が変化して超音波接合時に酸化皮膜が破壊されやすくなる。また、超音波接合によるアルミニウム導体同士の接合界面に、Ｎｉを多く含んだ化合物相が形成される。具体的には、ＡｌとＡｌの接合界面において特定量のＮｉが存在することで、超音波接合印加時にアルミ二ウム導体同士での金属結合の形成が促進される。その結果、アルミニウム電線間の界面が消失し、強固な接合が形成される。このようにアルミニウム導体に適切な量のＮｉを添加して接合界面の特性を変化させることにより、アルミニウム材料の被覆電線同士とを強固に接合することができる。したがって、本態様によれば、例えば自動車のような長期間苛酷な環境に晒されるような場合でも、長期間に亘って導電性を確保することができる。
【００２１】
（５）本発明の第５態様に係る電線接続構造体は、第４態様において、前記２以上のアルミニウム導体被覆電線を束ねた電線束の外周に設けられたジョイント管を更に備え、前記ジョイント管は、超音波振動が前記超音波接合部に伝番可能に、前記電線束と当接した当接部を有することを特徴とする。
【００２２】
本態様によれば、ジョイント管により電線束が覆われているので、超音波接合時にアルミニウム導体が溶けて超音波接合装置のアンビルなどに貼りついてしまうことを防止することができる。
【００２３】
（６）本発明の第６態様に係る電線接続構造体は、第１乃至第５態様において、前記アルミニウム導体には、Ｎｉが０．１００〜０．１２５質量％添加されていることを特徴とする。
【００２４】
本態様によれば、アルミニウム導体に添加するＮｉ添加量を０．１００〜０．１２５質量％の範囲に限定することで、アルミニウム導体と銅導体との接合界面、又はアルミニウム導体同士の接合界面をより強固に接合することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、アルミニウム材料の被覆電線と銅系材料の被覆電線とを強固に接合可能な電線接続構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る電線接続構造体の分解斜視図である。
【図２】図２は、超音波接合装置を用いて、銅導体被覆電線とアルミニウム被覆電線とを束ねて超音波接合する工程を説明するための模式図である。
【図３】図３（Ａ）は超音波接合を行う前の界面の内部構造を示す断面図であり、図３（Ｂ）は超音波接合を行った後の超音波接合部の内部構造を示す断面図である。
【図４】図４は、ＣｕとＡｌとの接合界面の拡大図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係る電線接続構造体の分解斜視図である。
【図６】図６は、第２実施形態において、超音波接合装置を用いて、アルミニウム被覆電線を束ねて超音波接合する工程を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という。）について具体例を示して説明する。本実施形態は、絶縁被覆電線を複数本束ねて接続した電線接続構造体に関するものである。
【００２８】
＜１．第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の電線接続構造体１０の分解斜視図である。電線接続構造体１０は、図１に示すように、２本の銅導体被覆電線２１と、２本のアルミニウム導体被覆電線２２と、から構成される合計４本の被覆電線を束ねた電線束を、ジョイント管３０で被覆したものである。
【００２９】
このような構成からなる第１実施形態に係る電線接続構造体１０では、後述する超音波接合装置４０を用いることにより、銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２とを導通可能にすることができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、図１に示すとおり、銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２のそれぞれの長手方向Ｘにおける一方を先端側Ｘａとするとともに、他方を他端側Ｘｂとし、後述する超音波接合装置４０によって銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２とを加圧する方向を加圧方向Ｚとし、長手方向Ｘおよび加圧方向Ｚに直交する方向を幅方向Ｙとする。
【００３１】
＜１−１．銅導体被覆電線＞
銅導体被覆電線２１は、図２に示すように、銅または銅合金からなる銅系材料で構成した素線を複数束ねて構成した銅導体２１１を、絶縁性を有する合成樹脂で構成した絶縁被覆２１２で被覆した電線である。
【００３２】
銅導体２１１は、具体的には後述するとおり、酸素量０．１〜１０ｐｐｍかつ銅が９９．９９質量％以上である無酸素銅を用いることが好ましい。なお、銅導体２１１は、無酸素銅などの純銅のみに限らず、他の銅合金を用いてもよい。
【００３３】
また、銅導体被覆電線２１は、絶縁被覆２１２の先端側Ｘａを所定長さだけ剥いでアルミニウム導体２２１を露出させた部位（以下、銅導体露出部２１３という。）を有している。本実施形態では、銅導体被覆電線２１の具体例として、銅系材料で構成した素線を１１本拠りし、断面積が０．７５ｍｍ２となるように円形圧縮した拠線を用いる。
【００３４】
＜１−２．アルミニウム導体被覆電線＞
アルミニウム導体被覆電線２２は、図１に示すように、アルミニウム合金からなるアルミニウム系材料で構成した素線を複数束ねて構成したアルミニウム導体２２１を、絶縁性を有する合成樹脂で構成した絶縁被覆２２２で被覆した電線である。
【００３５】
アルミニウム導体２２１は、具体的には後述するとおり、銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２とを強固に接合するため、Ｎｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満、より好ましくは０．１００〜０．１２５質量％添加されている。
【００３６】
また、アルミニウム導体２２１は、高強度を実現するために、次のような組成からなるアルミニウム合金素材（以下、他のアルミニウム合金素材と区別するため、高強度アルミニウム合金素材と呼ぶ。）を用いることが好ましい。高強度アルミニウム合金素材は、Ｍｇ：０．１〜１．０質量％、Ｓｉ：０．１〜１．２質量％、Ｆｅ：０．１００１〜１．４０質量％、Ｔｉ：０〜０．１００質量％、Ｂ：０〜０．０３０質量％、Ｃｕ：０〜１．００質量％、Ａｇ：０〜０．５０質量％、Ａｕ：０〜０．５０質量％、Ｍｎ：０〜１．００質量％、Ｃｒ：０〜１．００質量％、Ｚｒ：０〜０．５０質量％、Ｈｆ：０〜０．５０質量％、Ｖ：０〜０．５０質量％、Ｓｃ：０〜０．５０質量％、Ｃｏ：０〜０．５０質量％、残部：Ａｌ、Ｎｉおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金素材である。ここで、残部であるＮｉは、上述の通り、０．０５０質量％以上０．５００質量％未満、より好ましくは０．１００〜０．１２５質量％である。
【００３７】
上記組成からなる高強度アルミニウム合金素材は、［１］溶解、［２］鋳造、［３］熱間加工（溝ロール加工など）、［４］第１伸線加工、［５］第１熱処理(中間熱処理)、［６］第２伸線加工、［７］第２熱処理（溶体化熱処理）、および［８］第３熱処理（時効熱処理）の各工程を順次行うことを含む製造方法によって製造することができる。なお、溶体化熱処理前後、または時効熱処理の後に、撚り線とする工程や電線に樹脂被覆を行う工程を設けてもよい。以下、［１］〜［８］の工程について説明する。
【００３８】
［１］溶解
溶解工程では、上述した高強度アルミニウム合金素材の組成になるように各成分の分量を調整した材料を用意し、それを溶解する。
【００３９】
［２］鋳造および［３］熱間加工（溝ロール加工など）
次いで、鋳造工程では冷却速度を大きくし、Ｆｅ系化合物の晶出を適度に減少、微細化する。好ましくは鋳造時における溶湯温度から４００℃までの平均冷却速度が２０〜５０℃／ｓで、鋳造輪とベルトを組み合わせたプロペルチ式の連続鋳造圧延機を用いれば、例えば直径５〜１５ｍｍの棒材を得ることができる。また、水中紡糸法を用いれば、３０℃／ｓ以上の平均冷却速度で、直径１〜１３ｍｍの棒材を得ることができる。鋳造及び熱間加工（圧延）は、ビレット鋳造及び押出法などにより行ってもよい。また、上記鋳造後や熱間加工後に再熱処理を施してもよく、本再熱処理を施す場合は、４００℃以上に保持される時間が３０分以下であることが好ましい。
【００４０】
［４］第１伸線加工
次いで、表面の皮むきを実施して、例えば直径５〜１２．５ｍｍφの適宜の太さの棒材とし、これを冷間で伸線加工する。加工度ηは、１〜６の範囲であることが好ましい。ここで「加工度η」は、伸線加工前の線材断面積をＡｒｅａ０、伸線加工後の線材断面積をＡｒｅａ１とすると、η＝ｌｎ（Ａｒｅａ０／Ａｒｅａ１）で表される。
【００４１】
［５］第１熱処理（中間熱処理）
次に、冷間伸線した被加工材に第１熱処理を施す。この第１熱処理は、被加工材の柔軟性を取り戻し、伸線加工性を高めるために行うものである。なお、伸線加工性が十分であり、断線が生じなければ第１熱処理は行わなくてもよい。
【００４２】
［６］第２伸線加工
上記第１熱処理の後、さらに冷間で伸線加工を施す。この際の加工度ηは１〜６の範囲が好ましい。加工度ηは、再結晶粒の形成及び成長に影響を及ぼす。なお、第１熱処理を行わない場合、第１伸線加工と第２伸線加工は連続で行ってもよい。
【００４３】
［７］第２熱処理（溶体化熱処理）
伸線加工した加工材に第２熱処理を施す。第２熱処理は、具体的には、４５０〜５８０℃の範囲内の所定温度で加熱し、所定時間保持し、その後、少なくとも１５０℃の温度までは１０℃／ｓ以上の平均冷却速度で冷却する熱処理である。
【００４４】
第２熱処理における加熱時の所定温度は４５０〜５８０℃の範囲とし、好ましくは４５０〜５４０℃、より好ましくは４８０〜５２０℃の範囲とする。また、第２熱処理における前記所定温度で保持する時間は、再熱処理や中間熱処理を行う場合には、再熱処理、中間熱処理と合わせて３０分以内にすることが好ましい。
【００４５】
第２熱処理を行う方法としては、例えば、バッチ焼鈍、ソルトバス（塩浴）でも、高周波加熱、通電加熱、走間加熱などの連続熱処理でもよい。
【００４６】
ただし、高周波加熱や通電加熱を用いた場合、通常は線材に電流を流し続ける構造になっているため、時間の経過と共に線材温度が上昇する。そのため、電流を流し続けると線材が溶融してしまう可能性があるので、適正な時間範囲にて熱処理を行う必要がある。走間加熱を用いた場合においても、短時間の焼鈍であるため、通常、走間焼鈍炉の温度は線材温度より高く設定される。長時間の熱処理では線材が溶融してしまう可能性があるため、適正な時間範囲にて熱処理を行う必要がある。以下、各方法による熱処理を説明する。
【００４７】
高周波加熱による連続熱処理は、高周波による磁場中を線材が連続的に通過することで、誘導電流によって線材自体から発生するジュール熱により熱処理するものである。急熱、急冷の工程を含み、線材温度と熱処理時間で制御し線材を熱処理することができる。冷却は、急熱後、水中又は窒素ガス雰囲気中に線材を連続的に通過させることによって行う。この熱処理における加熱保持時間は、０．０１〜２ｓｅｃとすることが好ましく、０．０５〜１ｓｅｃとすることがより好ましく、さらに好適には０．０５〜０．５ｓｅｃである。
【００４８】
連続通電熱処理は、２つの電極輪を連続的に通過する線材に電流を流すことによって線材自体から発生するジュール熱により熱処理するものである。急熱、急冷の工程を含み、線材温度と熱処理時間で制御し線材を熱処理することができる。冷却は、急熱後、水中、大気中又は窒素ガス雰囲気中に線材を連続的に通過させることによって行う。この熱処理における加熱保持時間は、０．０１〜２ｓとすることが好ましく、０．０５〜１ｓｅｃとすることがより好ましく、さらに好適には０．０５〜０．５ｓｅｃである。
【００４９】
連続走間熱処理は、高温に保持した熱処理炉中を線材が連続的に通過して熱処理させるものである。急熱、急冷の工程を含み、熱処理炉内温度と熱処理時間で制御し線材を熱処理することができる。冷却は、急熱後、水中、大気中又は窒素ガス雰囲気中に線材を連続的に通過させることによって行う。この熱処理における加熱保持時間は、０．５〜３０ｓｅｃであることが好ましい。
【００５０】
［８］第３熱処理（時効熱処理）
次いで、第３熱処理を施す。時効熱処理は、２０〜２５０℃の範囲内の所定温度で加熱する。
【００５１】
さらに、時効熱処理における加熱・保持時間は、温度によって最適な時間が変化する。低温では長時間、高温では短時間の加熱が引張強度、伸びを向上させる上で好ましい。長時間の加熱では、例えば１０日間以内であり、短時間での加熱では、好ましくは１５時間以下、更に好ましくは８時間以下である。なお、時効熱処理における冷却は、特性のバラつきを防止するために、可能な限り冷却速度を速くすることが好ましい。
【００５２】
また、追加の工程として、鋳造工程後や、熱間加工後に、従来法で行われているような均質化熱処理を行なうことも可能である。均質化熱処理は、加熱温度を４５０℃〜６００℃にて行なうことが好ましく、より好ましくは５００〜６００℃である。また、均質化加熱処理における冷却は、０．１〜１０℃／分の平均冷却速度で徐冷することが、均一な化合物が得られやすくなる点で好ましい。
【００５３】
なお、アルミニウム導体２２１は、上記［１］〜［８］の工程により製造される高強度アルミニウムに限らず、例えば、ＥＣＡＬ線などの純アルミニウム、ＭＳＡＬ等の希薄アルミニウム合金などの他のアルミニウム合金素材を用いてもよい。
【００５４】
また、アルミニウム導体被覆電線２２は、絶縁被覆２２２の先端側Ｘａを所定長さだけ剥いでアルミニウム導体２２１を露出させたアルミニウム導体露出部２２３を有している。ここで、本実施形態では、１本のアルミニウム導体被覆電線２２の具体例として、銅系材料で構成した素線を１１本拠りし円形圧縮した後に断面積０．７５ｍｍ２の拠線にしたものを用いるものとする。
【００５５】
＜１−３．ジョイント管＞
ジョイント管３０は、図１に示すように、２本の銅導体被覆電線２１と２本のアルミニウム導体被覆電線２２とを束ねた電線束の導体露出部の外周に設けられた銅製の管状体である。また、ジョイント管３０は、超音波振動が後述の界面２５０（超音波接合部２６０）に伝搬可能となる程度に、電線束と当接した当接部３１を有する。
【００５６】
＜１−４．超音波接合装置＞
図２は、超音波接合装置４０を用いて、銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２とを束ね、銅導体露出部２１３とアルミニウム導体露出部２２３との界面２５０を超音波接合し、超音波接合部２６０を形成する工程を説明するための模式図である。
【００５７】
超音波接合装置４０は、ホーン４１とアンビル４２とで、図２に示すような界面２５０が形成されるように、ジョイント管３０を挟持する。例えば図２に示すように、超音波接合装置４０は、ホーン４１でアルミニウム導体露出部２２３側のジョイント管３０の部分を挟持して、アンビル４２で銅導体露出部２１３側のジョイント管３０の部分を挟持する。そして、超音波接合装置４０は、ホーン４１により、長手方向Ｘ（図２中の矢印Ａ１）に振動する超音波振動を発振させると同時に、アンビル４２により銅導体露出部２１３側から加圧方向Ｚ（図２中の矢印Ａ２）に加圧してジョイント管３０がずれないように押さえ込む。本実施形態では、超音波エネルギー１５０Ｗｓ、加圧力１．２ｂａｒの条件で超音波接合を施すものとする。
【００５８】
このようにして超音波接合装置４０が動作することにより、ホーン４１から発振される超音波振動が、アルミニウム導体露出部２２３内部を加圧方向Ｚ（図２中の矢印Ａ３１、Ａ３２）に伝搬する結果、アルミニウム導体露出部２２３から界面２５０を介して銅導体露出部２１３内部を加圧方向Ｚ（図２中の矢印Ａ３２）に伝搬され、界面２５０周辺に超音波接合部２６０が形成されることになる。また、ジョイント管３０により電線束の導体露出部（銅導体露出部２１３、アルミニウム導体露出部２２３）が覆われているので、超音波接合中に、アルミニウム導体が溶けてアンビル４２に貼りついてしまうことを防止することができる。
【００５９】
図３（Ａ）は超音波接合を行う前の界面２５０の内部構造を示す断面図であり、図３（Ｂ）は超音波接合を行った後の超音波接合部２６０の内部構造を示す断面図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、超音波接合により、銅導体２１１とアルミニウム導体２２１の内部構造が変化して、銅導体２１１とアルミニウム導体２２１とが強固に結合した超音波接合部２６０が形成される。このようにして、超音波接合部２６０が形成されることで、銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２との間で導電可能となる。
【００６０】
以上のようにして銅導体被覆電線２１とアルミニウム導体被覆電線２２との間で導電可能となる電線接続構造体１０では、次に説明する引張強度の試験結果から明らかなとおり、アルミニウム導体にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、界面２５０を強固に接合して、超音波接合部２６０を形成することができる。
【００６１】
なお、銅導体被覆電線の本数、およびアルミニウム導体被覆電線の本数については、上述した本数、すなわち２本ずつである場合に限らない。つまり、Ｎｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加されたアルミニウム導体被覆電線と、そのほかの導線（銅導体被覆電線）の本数については、強度が十分に得られるように被覆電線同士が接触可能な配置であれば、適宜変更することが可能である。例えば、次に示す実施例では、１本の銅導体被覆電線と１本のアルミニウム導体被覆電線とを束ねた場合について説明する。
【００６２】
＜１−５．実施例＞
表１は、本実施形態に係る電線接続構造体１０について、各種材料の成分について異なる１２種類の条件を設定した実施例を示している。具体的には、実施例では、銅導体２１１として２種類の銅系材料を用いるとともに、アルミニウム導体２２１に添加するＮｉ添加量質量％を、０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲から６種類の条件を設定した。さらに、実施例では、１本の銅導体被覆電線と１本のアルミニウム導体被覆電線とを束ねて、超音波エネルギー１５０Ｗｓ、加圧力１．２ｂａｒの条件で超音波接合を施した。
【００６３】
また、表１では、上述した実施例の比較対象、つまり比較例を複数示している。比較例は、実施例と同様に、１本の銅導体被覆電線と１本のアルミニウム導体被覆電線とを束ねて、超音波エネルギー１５０Ｗｓ、加圧力１．２ｂａｒの条件で超音波接合を施したが、各種材料の成分条件が実施例と異なる。主として、比較例では、アルミニウム導体におけるＮｉ添加量質量％が、実施例の範囲外、つまり、０．０５０質量％未満、または０．５００質量％以上とした。
【００６４】
【表１】
0006706856.tif 000002
上記の表１の各項目について説明する。
【００６５】
「銅電線」の欄は、銅導体の成分を表している。「Ｃ１１００」は、ＪＩＳ銅合金番号であって、銅の純度が９９．９０質量％以上であるタフピッチ銅を表している。「無酸素銅」とは、具体的には、酸素量０．１〜１０ｐｐｍかつ銅が９９．９９質量％以上である無酸素銅を表している。
【００６６】
「アルミ電線」の欄は、Ｎｉを除いたアルミニウム導体の成分を表している。「高強度アルミ」は、上述した「高強度アルミニウム合金素材」の略称を表している。具体的に、「高強度アルミニウム合金素材」の組成として、Ｍｇ：０．５質量％、Ｓｉ：０．７質量％質量％、Ｆｅ：０．２０質量％、Ｍｎ：０．１５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％、Ｚｒ：０．１５質量％、残部：Ａｌ、Ｎｉおよび不可避不純物からなる組成を用いた。また、「１０５０」、「６０６０」、「６０６１」及び「７００３」は、それぞれＪＩＳアルミニウム合金番号がＡ１０５０、Ａ６０６０、Ａ６０６１及びＡ７００３であるアルミニウム合金を表している。
【００６７】
「Ｎｉ添加量質量％」の欄は、アルミニウム導体に添加されたＮｉの質量％を表している。なお、当該欄の「−」は、０．０５質量％未満であることを表している。
【００６８】
「引張強度」の「初期」の欄は、実施例および比較例それぞれの電線接続構造体に対して、後述する耐久試験前（初期）の強度特性であって、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１：２０１１に準じた引張試験で得られる強度特性を表している。具体的には、同一の条件の実施例及び比較例ごとに超音波接合したサンプルを５つ使用し、５つのサンプルにおける引っ張り強度の平均値により良否を判定した。評価指標としては、ワイヤハーネスの用途を想定し、車体への組み付け時や走行の振動などで断線することなく使用可能とするために、高い引張強度が求められていることから、５０Ｎ以上を合格レベルとした。合格レベルに到達した条件については、引張強度が５０Ｎでその良好な順に「◎」、「○」とした。合格レベルに到達しない条件、つまり引張強度が５０Ｎに到達しなかった場合については「×」とした。
【００６９】
「引張強度」の「耐久試験後」の欄は、実施例および比較例に係る電線接続構造体に対して、耐久試験後の強度特性を表している。具体的には、ＪＩＳ  Ｃ  ６００６８−２−２７に準じた温度衝撃試験として、超音波接合のサンプルに対して、１２０℃に１時間放置後、−４０℃に１時間放置を１０００回繰り返した。そして、温度衝撃試験後に「初期」と同様の引張試験を実施した。ワイヤハーネスの用途を想定し、環境による劣化後でも断線することなく使用可能とするために、「初期」の引張試験と同じ５０Ｎ以上を合格レベルとした。合格レベルに到達した条件については、良好な順に「◎」、「○」とした。合格レベルに到達しない条件については「×」とした。
【００７０】
次に、表１により得られた実施例および比較例の引張強度について、以下のとおり評価する。
【００７１】
まず、実施例については、第１〜第１２実施例のいずれについても、「初期」および「耐久試験後」の両方において、引張強度が合格レベルを満たしている。一方、比較例については、一部の比較例、具体的には第１比較例、第２比較例、第４比較例、および第５比較例で「初期」における引張強度が合格レベルを満たしたが、全ての比較例、つまり第１比較例〜第１０比較例で「耐久試験後」の引張強度が合格レベルを満たさなかった。
【００７２】
このように第１実施例〜第１２実施例の引張強度が良好な値を実現できたのは、アルミニウム導体にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、酸化皮膜特性が変化して超音波接合時に酸化皮膜が破壊されやすくなるからである。また、アルミニウム導体にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、超音波接合によるアルミニウム導体と銅導体との接合界面に、Ｎｉを多く含んだ化合物相が形成され、ＣｕとＡｌの化合物による接合界面よりも強固に接合されるからである。
【００７３】
具体的に、図４に、ＣｕとＡｌとの接合界面の拡大図を示す。ＣｕとＡｌの化合物層は、例えば図４（Ａ）に示すように、接合界面４００にコブの様な形が形成され、結晶粒界や不純物が起点になり成長し、その分布は不均一であるため、何らかの負荷がかかった場合、接合界面の破壊の起点に成りやすい。これに対して、第１実施例〜第１２実施例で形成される化合物層は、上述したようにＮｉを多く含んだ化合物相が形成されることから、図４（Ｂ）に示すように接合界面４５０全体に渡り極薄く均一に成長しやすく、破壊の起点に成り難い。加えて、Ｎｉのイオン化傾向がＣｕとＡｌの間にあることから、界面の耐腐食性も向上することとなる。
【００７４】
一方、第１比較例〜第１０比較例の引張強度が良好な値を実現できないのは、Ｎｉ添加量が０．０５０質量未満ではＮｉの添加による効果が低くなってしまうからである。また、Ｎｉ添加量が０．５００質量以上だと、アルミニウム導体に堅い化合物層が形成されてしまい、超音波接合に適さなくなってしまうからである。
【００７５】
次に、第１実施例〜第１２実施例を相互に比較して評価する。まず、アルミニウム導体にＮｉを０．１００〜０．１２５質量％の範囲で添加した実施例（第３、第４、第９、および第１０実施例）では、いずれも「初期」の引張強度が特に高く、より強固に界面を結合できた。また、銅導体が「無酸素銅」である実施例（第７〜第１２実施例）では、いずれも「初期」の引張強度が特に高く、より強固に界面を結合できた。特に、アルミニウム導体にＮｉを０．１００〜０．１２５質量％の範囲に限定し、かつ銅導体が「無酸素銅」である場合に該当する実施例（第９、第１０実施例）では、「初期」だけでなく「耐久試験後」においても引張強度が特に高く、合計１２種類の実施例の中でも最も強固に界面を結合できた。
【００７６】
このような試験結果から明らかなとおり、本実施形態に係る電線接続構造体１０によれば、アルミニウム導体にＮｉを０．１００〜０．１２５質量％添加することで、アルミニウム導体と銅導体との接合界面をより強固に接合することができる。また、本実施形態に係る電線接続構造体１０によれば、「タフピッチ銅」に比べて純度が高い銅系材料である「無酸素銅」を銅導体に用いることにより、超音波接合時にアルミニウム導体と銅導体との拡散速度が上昇して、超音波接合による接合界面をより強固に接合することができる。
【００７７】
＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る電線接続構造体について、図５を参照して説明する。図５は、第２実施形態の電線接続構造体５０の分解斜視図である。電線接続構造体５０は、図５に示すように、４本のアルミニウム導体被覆電線６１を束ねた電線束を、ジョイント管７０で被覆したものである。
【００７８】
このような構成からなる第２実施形態に係る電線接続構造体５０では、第１実施形態と同様に、超音波接合装置を用いることにより、アルミニウム導体被覆電線６１同士を導通可能にすることができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、第１実施形態と同様に、アルミニウム導体被覆電線６１の長手方向Ｘにおける一方を先端側Ｘａとするとともに、他方を他端側Ｘｂとし、超音波接合装置によってアルミニウム導体被覆電線６１を加圧する方向を加圧方向Ｚとし、長手方向Ｘおよび加圧方向Ｚに直交する方向を幅方向Ｙとする。
【００８０】
アルミニウム導体被覆電線６１は、図５に示すように、アルミニウム合金からなるアルミニウム系材料で構成した素線を複数束ねて構成したアルミニウム導体６１１を、絶縁性を有する合成樹脂で構成した絶縁被覆６１２で被覆した電線である。
【００８１】
４本のアルミニウム導体被覆電線６１のうち、１本以上のアルミニウム導体被覆電線６１のアルミニウム導体６１１は、第１実施形態に係るアルミニウム導体２２１と同様に、Ｎｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満、より好ましくは０．１００〜０．１２５質量％添加されている。また、アルミニウム導体６１１は、高強度を実現するために、第１実施形態に係るアルミニウム導体２２１と同様に、上述した高強度アルミニウム合金素材を用いることが好ましい。
【００８２】
また、アルミニウム導体被覆電線６１は、絶縁被覆６１２の先端側Ｘａを所定長さだけ剥いでアルミニウム導体６１１を露出させたアルミニウム導体露出部６１３を有している。ここで、本実施形態では、１本のアルミニウム導体被覆電線６１の具体例として、アルミニウム系材料で構成した素線を１１本拠りし円形圧縮した後に断面積０．７５ｍｍ２の拠線にしたものを用いるものとする。
【００８３】
ジョイント管７０は、図５に示すように、４本のアルミニウム導体被覆電線６１を束ねた電線束の外周に設けられた銅製の管状体である。また、ジョイント管７０は、超音波振動が後述の界面３５０（超音波接合部３６０）に伝搬可能となる程度に、電線束と当接した当接部７１を有する。
【００８４】
次に、図６を参照して、超音波接合装置を用いて超音波接合部３６０を形成する工程について説明する。
【００８５】
超音波接合装置４０は、ホーン４１とアンビル４２とで、図６に示すような界面６５０が形成されるように、ジョイント管７０を挟持する。例えば図６に示すように、超音波接合装置４０は、ホーン４１で加圧方向Ｚ下方のアルミニウム導体露出部６１３側のジョイント管７０の部分を挟持して、アンビル４２側で加圧方向Ｚ上方のアルミニウム導体露出部６１３側のジョイント管７０の部分を挟持する。そして、超音波接合装置４０は、ホーン４１により、長手方向Ｘ（図６中の矢印Ａ１）に振動する超音波振動を発振させると同時に、アンビル４２によりアルミニウム導体露出部６１３を加圧方向Ｚ（図６中の矢印Ａ２）に加圧してジョイント管７０がずれないように押さえ込む。本実施形態では、第１実施形態と同様に、超音波エネルギー１５０Ｗｓ、加圧力１．２ｂａｒの条件で超音波接合を施すものとする。
【００８６】
このようにして超音波接合装置４０が動作することにより、ホーン４１から発振される超音波振動が、アルミニウム導体露出部６１３内部を加圧方向Ｚ（図６中の矢印Ａ３１、Ａ３２）に伝搬する結果、アルミニウム導体露出部６１３から界面３５０を介してアルミニウム導体露出部６１３内部を加圧方向Ｚ（図６中の矢印Ａ３２）に伝搬され、界面３５０周辺に超音波接合部３６０が形成されることになる。つまり、超音波接合部３６０を介して、加圧方向Ｚに並んだアルミニウム導体被覆電線６１、６１同士で導電可能となる。また、ジョイント管７０により電線束が覆われているので、超音波接合中に、アルミニウム導体が溶けてアンビル４２に貼りついてしまうことを防止することができる。
【００８７】
以上のようにして加圧方向Ｚに並んだアルミニウム導体被覆電線６１、６１同士で導電可能となる電線接続構造体５０では、次に説明する引張強度の試験結果から明らかなとおり、１本以上のアルミニウム導体被覆電線６１のアルミニウム導体にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、界面３５０を強固に接合して、超音波接合部３６０を形成することができる。
【００８８】
なお、アルミニウム導体被覆電線の本数については、上述した本数、すなわち４本に限らず、Ｎｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲内で添加されたアルミニウム導体被覆電線が１本以上存在すればよい。つまり、当該範囲内でＮｉが添加されたアルミニウム導体被覆電線と、当該範囲外でＮｉが添加されたアルミニウム導体被覆電線の本数は、強度が得られるようにアルミニウム導体被覆電線同士が接触できるような配置にあれば、適宜変更することが可能である。例えば、次に示す実施例では、２本のアルミニウム導体被覆電線とを束ねるものとし、少なくとも１本のアルミニウム導体被覆電線についてはＮｉが０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲内で添加されているものとして説明する。
【００８９】
＜２−１．実施例＞
表２では、本実施形態に係る電線接続構造体５０の一つ実施例と、比較対象となる一つの比較例とを示している。
【００９０】
【表２】
0006706856.tif 000003
「一方のアルミ電線」と「他方のアルミ電線」は、それぞれ超音波接合される電線を表している。「電線材料」の欄は、Ｎｉを除いたアルミニウム導体の成分を表している。「高強度アルミ」は、上述した「高強度アルミニウム合金素材」の略称を表している。「１０５０」はＪＩＳアルミニウム合金番号がＡ１０５０であるアルミニウム合金を表している。ここで、本実施例では、接合対象となる加圧方向Ｚに並んだ２つのアルミニウム導体については、Ｎｉを除き、同一組成のものを用いた。
【００９１】
「Ｎｉ添加量質量％」の欄は、アルミニウム導体に添加されたＮｉの質量％を表している。なお、当該欄の「−」は、０．０５質量％未満であることを表している。
【００９２】
さらに、「引張強度」の「初期」および「耐久試験後」の欄は、第１実施形態と同様の評価試験を行ったときの評価指標を示している。
【００９３】
表２から明らかなとおり、実施例については、大きく２種類に分けることができる。まず、第１乃至６実施例は、「一方のアルミ電線」のＮｉ添加量を０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲内で変化させ、「他方のアルミ電線」のＮｉ添加量を０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲外である０．０１０質量％に固定したものである。また、第７乃至第９実施例は、「一方のアルミ電線」と「他方のアルミ電線」ともにＮｉ添加量を０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲内で変化させたものである。
【００９４】
これに対して、比較例では、「一方のアルミ電線」と「他方のアルミ電線」ともに、「高強度アルミ」以外のアルミニウム系材料として「１０５０」を用いて、Ｎｉ添加量を０．０５質量％未満とした。
【００９５】
表２により得られた実施例および比較例の引張強度から明らかなように、実施例では、「初期」および「耐久試験後」の両方において、引張強度が合格レベルを満たした。つまり、４本のアルミニウム導体被覆電線６１のうち、１本以上のアルミニウム導体被覆電線６１について、Ｎｉ添加量が０．０５０質量％以上０．５００質量％未満の範囲内にあることで、「初期」および「耐久試験後」の両方において、引張強度が合格レベルを満たした。一方、比較例では、「耐久試験後」の引張強度が合格レベルを満たさなかった。
【００９６】
上記の結果から明らかなとおり、電線接続構造体５０では、アルミニウム導体６１１にＮｉを０．０５０質量％以上０．５００質量％未満添加することで、酸化皮膜特性が変化して超音波接合時に酸化皮膜が破壊されやすくなり、強固な結合を形成することができる。これは、超音波接合によるアルミニウム導体同士の接合界面に、Ｎｉを多く含んだ化合物相が形成されるからである。具体的には、ＡｌとＡｌの接合界面において特定量のＮｉが存在することで、超音波接合印加時にアルミ二ウム導体同士での金属結合の形成が促進される結果、アルミニウム電線間の界面が消失し、強固な接合が形成されるからである。
【００９７】
このようにアルミニウム導体に適切な量のＮｉを添加して接合界面の特性を変化させることにより、アルミニウム材料の被覆電線同士とを強固に接合することができる。したがって、第２実施形態に係る電線接続構造体５０によれば、例えば自動車のような長期間苛酷な環境に晒されるような場合でも、長期間に亘って導電性を確保することができる。
【００９８】
＜３．その他＞
なお、本発明は、上述した実施形態ないし実施例に限定されず、種々の変形例が可能である。例えば、上述した実施形態では、銅導体被覆電線およびアルミニウム導体被覆電線のそれぞれについて、素線を１１本拠りし円形圧縮した後に断面積０．７５ｍｍ２の拠線にしたものを使用したが、この使用条件に限定されず、任意の電線径であっても、超音波接合による接合界面をより強固に接合することができる。
【００９９】
また、本発明が適用される電線接続構造体は、ワイヤハーネスの用途に限らず、苛酷な環境に晒されるような用途において、長期間に亘ってアルミニウム材料の被覆電線と銅系材料の被覆電線とを強固に接合し続けることができる。
【符号の説明】
【０１００】
１０、５０  電線接続構造体
２１  銅導体被覆電線
２１１  銅導体
２１２、２２２、６１２  絶縁被覆
２１３  銅導体露出部
２２、６１  アルミニウム導体被覆電線
２２１、６１１  アルミニウム導体
２２３、６１３  アルミニウム導体露出部
２５０、３５０、６５０  界面
２６０、３６０  超音波接合部
４０  超音波接合装置
４１  ホーン
４２  アンビル
【図１】
0006706856.tif 000004
【図２】
0006706856.tif 000005
【図３】
0006706856.tif 000006
【図４】
0006706856.tif 000007
【図５】
0006706856.tif 000008
【図６】
0006706856.tif 000009