(57)【要約】【課題】信頼性の高い接合状態が効率良く得られる超音波溶接方法および超音波溶接に適したケーブルを提供する。【解決手段】被溶接部材同士５、１２の溶接界面に硬質粉末が混和された液状体（混和液状体）４を介在させて超音波溶接する方法。被溶接部材の金属撚線５に硬質粉末が混和された混和液状体４を含有させておき、超音波溶接の際、混和液状体４を金属撚線５から流出させて前記溶接界面に介在させる超音波溶接方法。混和液状体４が含有された金属撚線５を導体とするケーブル１。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材同士の溶接界面に硬質粉末が混和された液状体を介在させて超音波溶接することを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項２】
前記被溶接部材の一方が金属撚線であり、前記金属撚線に硬質粉末が混和された液状体を含有させておき、超音波溶接の際、前記液状体を前記金属撚線から流出させて前記溶接界面に介在させることを特徴とする請求項１記載の超音波溶接方法。
【請求項３】
前記被溶接部材の一方がアルミ撚線であり、他方が銅端子であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波溶接方法。
【請求項４】
前記硬質粉末がアルミニウムまたは銅の金属粉末であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波溶接方法。
【請求項５】
前記金属撚線の空隙率が１０〜３０％であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の超音波溶接方法。
【請求項６】
前記金属撚線が縮径加工されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の超音波溶接方法。
【請求項７】
前記硬質粉末が混和された液状体を含有する金属撚線を導体とすることを特徴とする超音波溶接に適したケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信頼性の高い接合状態が効率良く得られる超音波溶接方法および超音波溶接に適したケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境調和や資源エネルギーの節減などに高い関心が集まり、従来のガソリン自動車に代わって、電気自動車やハイブリッドカーが開発或いは実用化されている。そして、前記電気自動車などのバッテリーケーブルやワイヤハーネスには、軽量で、可撓性に優れ、リサイクルし易いアルミケーブルが採用される気運にある。
【０００３】
前記アルミケーブル２７は、図５に示すような、アルミ素線２を複数撚り合わせてアルミ撚線３とし、このアルミ撚線３をさらに複数撚り合わせて複合撚線２５とし、この複合撚線２５の外周に絶縁層６を被覆したものである。
なお、アルミケーブル２７に用いられるアルミ素線２の径は、通常、０．１５〜０．３５ｍｍ程度であり、アルミ素線２の総数は４０〜３００本程度である。
【０００４】
ところで、前記アルミケーブル２７にバッテリー端子１１を接続するには、図６に示すように、アルミケーブル２７の端部の絶縁層６を除去して複合撚線２５を露出させ、次にこの露出した複合撚線２５の周囲をバッテリー端子１１の圧着板２６で包囲し、これを複合撚線２５にプレス圧着して行われていた。
図６で、１３はバッテリーターミナル、１４はバッテリーターミナル１３を把持するためのリング状把持部、１５はリング状把持部１４をバッテリーターミナル１３に固定するためのボルトである。
【０００５】
しかし、このプレス圧着法では、使用中の熱膨張収縮、振動疲労、曲げ歪みなどにより圧着部が弛み、良好な電気的接合が得られなくなることがあり、その改善策として超音波溶接法が提案された。
この超音波溶接法は、図７に示すように、露出した複合撚線２５をバッテリー端子の断面凹状の板状基部１２内に配し、前記複合撚線２５の上面に超音波振動子（ホーン）１７の端面を押し当てて超音波振動を付与し、溶接界面を相互に擦り合わせて前記溶接界面の酸化膜を剥離するとともに、超音波振動で生じる摩擦熱と圧力により被溶接部材同士１２、２５を接合する方法である。
図７で、１８は固定台である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記超音波溶接法では、溶接界面に酸化膜が残っていると、そこを起点に溶接部が剥がれ出すことがあるので、溶接界面の酸化膜は十分に剥離しておく必要があり、そのため、実操業では、酸化膜剥離のために、超音波振動は安全を見て長時間付与しており、生産性に支障を来していた。
【０００７】
このような状況において、溶接界面に予め金属粉末を介在させて超音波振動を付与し、溶接界面の酸化膜の除去を促進する超音波溶接方法が提案された（特開平８−１３８８２２号公報）。
しかし、この方法は、超音波振動により、金属粉末が飛散したり局所に集積したりして酸化膜が溶接界面全体に渡って分布しなくなり、その結果、溶接界面に酸化膜が残存し、接合強度や接触抵抗が劣るという問題があった。
【０００８】
このようなことから、本発明者等は、溶接界面の酸化膜を溶接界面全体に渡って迅速に剥離し得る超音波溶接方法を検討し、その結果、溶接界面に金属粉末を液状体に混和させて介在させることにより、前記金属粉末の飛散および局所集積の問題は解決し得ることを見いだし、さらに検討を重ねて本発明を完成させるに至った。
本発明の目的は、信頼性の高い接合状態が効率良く得られる超音波溶接方法および超音波溶接に適したケーブルを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載発明は、被溶接部材同士の溶接界面に硬質粉末が混和された液状体を介在させて超音波溶接することを特徴とする超音波溶接方法である。
【００１０】
請求項２記載発明は、前記被溶接部材の一方が金属撚線であり、前記金属撚線に硬質粉末が混和された液状体を含有させておき、超音波溶接の際、前記液状体を前記金属撚線から流出させて前記溶接界面に介在させることを特徴とする請求項１記載の超音波溶接方法である。
【００１１】
請求項３記載発明は、前記被溶接部材の一方がアルミ撚線であり、他方が銅端子であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波溶接方法である。
【００１２】
請求項４記載発明は、前記硬質粉末がアルミニウムまたは銅の金属粉末であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波溶接方法である。
【００１３】
請求項５記載発明は、前記金属撚線の空隙率が１０〜３０％であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の超音波溶接方法である。
【００１４】
請求項６記載発明は、前記金属撚線が縮径加工されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の超音波溶接方法である。
【００１５】
請求項７記載発明は、前記硬質粉末が混和された液状体を含有する金属撚線を導体とすることを特徴とする超音波溶接に適したケーブルである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１記載発明は、溶接界面に硬質粉末が混和された液状体（以下、混和液状体と記す）を介在させて超音波溶接する方法であり、前記硬質粉末は超音波振動により溶接界面の酸化膜に衝突して前記酸化膜を迅速に研削し剥離する。また前記硬質粉末は液状体に混和されているため超音波振動によって飛散したり局所に集積したりせず酸化膜を溶接界面全体に渡って良好に研削し剥離する。従って超音波溶接が高い信頼性のもとで生産性良くなされる。
【００１７】
請求項２記載発明は、被溶接部材が金属撚線の場合、前記金属撚線に混和液状体を含有させておき、この混和液状体を超音波振動で溶接界面に流出させる方法であり、この方法は、混和液状体を溶接界面に塗布する方法に較べて、超音波溶接時の作業性が良く推奨される。
【００１８】
本発明では、金属撚線に混和液状体を含有させておくことにより、超音波溶接時の振動で素線表面の酸化膜も除去されて素線間の導通が良くなり、溶接部分の導電性が向上する。
【００１９】
被溶接部材の一方が軟質部材で他方が硬質部材の場合、軟質部材は、超音波振動で硬質部材の酸化膜を研削し剥離するのが困難であるが、本発明では、溶接界面に硬質粉末を含む混和液状体を介在させておくので、前記硬質粉末が硬質部材の酸化膜を研削し剥離する。従って、本発明はアルミ導体（軟質）と銅端子（硬質）の溶接などに適用してその効果が顕著に発現される。
【００２０】
本発明において、前記液状体に混和する硬質粉末には、金属粉末、炭素粉末、或いは酸化物、窒化物、炭化物などの粉末が適用できる。アルミニウム、銅、鉄などの金属粉末や炭素粉末などは導電性を有するため、溶接界面に残存しても接触抵抗に及ぼす影響が小さい。また硬質粉末の形状や大きさは、溶接界面の酸化膜を研削し剥離するものであれば、特に限定しない。
【００２１】
本発明において、前記液状体には、硬質粉末を均一に混和させ、また硬質粉末の酸化膜を研削し剥離する作用を阻害しない任意の液状体が使用できる。特にグリースなどの粘稠な液状体は溶接界面に滞留し易いため、硬質粉末の前記作用を溶接界面全体に渡って持続させる効果があり推奨される。
【００２２】
本発明において、硬質粉末を液状体に混和させる方法には、硬質粉末を添加し液状体を機械的に攪拌する方法、前記液状体に超音波振動を付与する方法などが挙げられる。
【００２３】
前記金属撚線に混和液状体を含有させるには、（１）混和液状体を素線に塗布して撚り合わせる方法、（２）金属撚線を混和液状体内に通す方法、（３）金属撚線表面に混和液状体を塗布する方法、などが挙げられる。
【００２４】
前記（２）、（３）の方法では、金属撚線は、ルーズ撚りしておくと混和液状体を含有させ易い。混和液状体を含有させたあとのルーズ撚線はダイスを通すなどして、通常のタイトな撚り合わせ状態に成形しておくのが良く、こうすることにより内部の余分な混和液状体が絞り出されてケーブルが軽量化し、また混和液状体の節減が図れる。
【００２５】
本発明において、金属撚線の空隙率は、１０％未満では混和液状体の含有量が少なくなって酸化膜を迅速に除去するのが困難になり、３０％を超えるとケーブルが太くなって配線作業性が低下する。従って前記空隙率は１０〜３０％、特には１５〜２５％が望ましい。
【００２６】
本発明において、被溶接部材となる金属撚線は、縮径加工することにより可撓性が向上して配線作業が容易になり、また省スペースも図れる。
特に導電率の低いアルミ撚線は、銅撚線と同量の電流を流すには線径が銅撚線より太くなるため、縮径加工による効果が大きい。
【００２７】
因みに、剛性（可撓性とは逆の性質）は外径Ｄの４乗（Ｄ４　）に比例することから、金属撚線の外径Ｄが１０％減少すると可撓性は約３４％向上する。
【００２８】
縮径加工した金属撚線は、空隙率が数％のため金属撚線内部に混和液状体を所定量含有させるのが困難であり、また素線間の隙間が狭いため混和液状体は外部に流出し難い。このため縮径加工した金属撚線では、混和液状体は金属撚線の表面に塗布して含有させる。
【００２９】
請求項７記載発明は、混和液状体を含有する金属撚線を導体とするケーブルである。このケーブルは、超音波溶接の際の振動で、混和液状体が溶接界面に流出し、前記混和液状体に含まれる硬質粉末は超音波振動により溶接界面の酸化膜に衝突して前記酸化膜を迅速に研削し剥離する。また前記硬質粉末は液状体に混和されているため超音波振動によって飛散したり局所に集積したりせず酸化膜を溶接界面全体に渡って良好に研削し剥離する。従って、このケーブルを被溶接部材とする超音波溶接では、信頼性の高い超音波溶接部が生産性良く形成される。さらにこのケーブルは、前記混和液状体により水密性が高まり、素線の耐食性が向上する。
【００３０】
以下に、本発明の超音波溶接方法を図を参照して具体的に説明する。
なお、本発明を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３１】
図１（イ）、（ロ）は本発明のアルミケーブル１の端部の絶縁層６を除去した状態のそれぞれ側面図および横断面図（ａ−ａ断面図）である。
このアルミケーブル１は、アルミ素線２を複数撚り合わせたアルミ撚線３の外周に混和液状体４を塗布し、この混和液状体４を塗布したアルミ撚線３を複数撚り合わせて複合撚線５とし、この複合撚線５に絶縁層６を被覆したものである。
【００３２】
図２（イ）〜（ハ）は、本発明のアルミケーブルの他の実施形態を示すそれぞれ横断面図である。
図２（イ）に示すアルミケーブルは、アルミ素線２を複数撚り合わせたアルミ撚線３を、さらに複数撚り合わせ、その外周に混和液状体４を塗布して複合撚線５とし、その外周に絶縁層６を被覆したものである。
【００３３】
図２（ロ）に示すアルミケーブルは、アルミ素線２を複数撚り合わせたアルミ撚線３の外周に混和液状体４を塗布し、その周囲にアルミ撚線３を複数撚り合わせて複合撚線５とし、さらにその外周に絶縁層６を被覆したものである。
【００３４】
図２（ハ）に示すアルミケーブルは、図５に示した複合撚線２５を縮径加工し、この縮径加工撚線７の外周に混和液状体４を塗布して複合撚糸線５とし、さらにその外周に絶縁層６を被覆したものである。
【００３５】
次に、本発明の超音波溶接方法を図を参照して具体的に説明する。
図３（イ）、（ロ）に示すように、アルミケーブル１の端部の絶縁層６を除去して露出させた複合撚線５をバッテリー端子１１の断面凹状の板状基部１２に配し、次いで板状基部１２内の露出した複合撚線５上面に超音波振動子１７の端面を押し当てて超音波振動を付与し、溶接界面を相互に擦り合わせて前記溶接界面の酸化膜を研削し剥離するとともに、超音波振動で生じる摩擦熱と圧力により被溶接部材同士５、１２を溶接する。
【００３６】
前記溶接界面には、複合撚線５に含有される混和液状体４が流出し、前記混和液状体に含まれる硬質粉末は超音波振動により溶接界面の酸化膜に衝突して前記酸化膜を迅速に研削し剥離する。また前記硬質粉末は液状体に混和されているため超音波振動によって飛散したり局所に集積したりせず酸化膜を溶接界面全体に渡って良好に研削し剥離する。従って超音波溶接が高い信頼性のもとで生産性良くなされる。
【００３７】
図４は、本発明のアルミケーブル１に、モーターやインバーターなどに用いられる機器端子２１を超音波溶接する方法の説明図であり、（イ）は側面図、（ロ）は横断面図（ｂ−ｂ断面図）である。
機器端子２１は、アルミケーブル１を固定するための固定片２２、混和液状体４を含有する複合撚線５を超音波溶接するための断面半円状の板状基部２３、機器ターミナル（図示せず）を接続するための接続穴部２４を備えている。
【００３８】
この機器端子２１では、固定片２２にアルミケーブル１の端部を固定し、断面半円状の板状基部２３に露出した複合撚線５を配し、この複合撚線５上面に超音波振動子１７の端面を押し当てて超音波振動を付与する。
図４（イ）、（ロ）で１８は固定台である。
【００３９】
前記板状基部２３と複合撚線５との溶接界面には、複合撚線５に含有される混和液状体４が流出し、混和液状体４に含まれる硬質粉末は超音波振動により溶接界面の酸化膜に衝突して前記酸化膜を迅速に研削し剥離する。また前記硬質粉末は液状体に混和されているため超音波振動によって飛散したり局所に集積したりせず酸化膜を溶接界面全体に渡って良好に研削し剥離する。従って複合撚線５と板状基部２２とは良好に超音波溶接される。
【００４０】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
図１（イ）、（ロ）に示したアルミケーブル１の端部の被覆層６を除去して露出した複合撚線５を、図３（イ）、（ロ）に示したように、バッテリー端子１１の断面凹状の板状基部１２内に配し、複合撚線５の上面に超音波振動子１７の端面を押し当てて超音波振動を所定時間付与し、複合撚線５に板状基部１２を超音波溶接した。
複合撚線５には、市販のグリースにアルミ合金粉末を混和した混和液状体４を含有させた。バッテリー端子１１には板状基部１２が銅製の銅端子を用いた。
超音波付与時間（溶接時間）は混和液状体を用いない従来の超音波溶接方法の半分の時間に設定した。
図２（イ）〜（ハ）に示したアルミケーブルについても、同様にして各々の複合撚線５にバッテリー端子１１の板状基部１２を超音波溶接した。
【００４１】
このようにして得られた各々の超音波溶接体を腐食環境下に置き、溶接部に最大応力が掛かるように所定の曲げ歪みを繰り返し負荷して車載模擬促進試験を１０日間行い、試験後の溶接部の接合強度および接触抵抗を調べた。
接合強度はアルミケーブル１を溶接部を挟んで両側から長さ方向に引張る剪断試験により調べた。接触抵抗は溶接部を挟んで電気抵抗を測定して調べた。
測定個数は接合強度および接触抵抗とも各３個づつとし、試験前の測定値を１００としたときの前記促進試験後の比較値が３個とも９５以上なら溶接状態または接触抵抗が良好（○）、９５未満のものが１個でもあれば不良（×）と評価した。可撓性は、配線作業者の感触により、優れる（○）か極めて優れる（◎）かで評価した。
【００４２】
（比較例１）
図５に示した従来のアルミケーブル２７を用い、図６に示したプレス圧着法により露出した複合撚線２５に圧着板２６をプレス圧着し、このプレス圧着体について実施例１と同じ方法により、車載模擬促進試験を行い、溶接部の接合強度および接触抵抗を調べ、溶接状態を評価した。
【００４３】
（比較例２）
図５に示した従来のアルミケーブル２７を用い、溶接界面にＡｌ合金粉末を介在させた他は、実施例１と同じ方法により超音波溶接し、実施例１と同じ方法により、車載模擬促進試験を行い、溶接部の接合強度および接触抵抗を調べ、溶接状態を評価した。
結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から明らかなように、実施例１のＮｏ．１〜４（本発明例）は、いずれも接合強度が高く、接触抵抗が低く、良好な溶接状態を示した。
これは、超音波溶接時にアルミ撚線から混和液状体が溶接界面に流出し、前記混和液状体に含まれる硬質粉末が超音波振動により溶接界面の酸化膜に衝突して前記酸化膜を迅速に研削し剥離したためであり、また前記硬質粉末は液状体に混和されているため超音波振動によって飛散したり局所に集積したりせず酸化膜を溶接界面全体に渡って良好に研削し剥離したためである。さらにＮｏ．４は複合撚線が縮径加工されているため可撓性が極めて優れた。
【００４６】
これに対し、比較例１のＮｏ．５はプレス圧着のため前記促進試験での曲げ歪みにより圧着部が弛み、また比較例２のＮｏ．６はＡｌ合金粉末を溶接界面にそのまま介在させたため超音波振動によりＡｌ合金粉末が飛散したり、局所に集積したりして、Ａｌ合金粉末の効果が十分に得られず、酸化膜が部分的に残存し、いずれも溶接部は接合強度および接触抵抗が劣った。
【００４７】
図１、図２に示した４種のアルミケーブルを図４に示した機器端子に、実施例１と同じ方法により超音波溶接し、実施例１と同じ方法により接合強度および接触抵抗を測定し、溶接状態を評価した。
その結果、いずれのアルミケーブルにおいても、実施例１の場合と同様の優れた溶接状態が得られた。
【００４８】
前記実施例では、複合撚線を導体とするケーブルについて説明したが、本発明は、素線を集合撚りした集合撚線を導体とするケーブルに適用しても同様の効果が得られる。また、超音波振動は、超音波振動子を２個用いて、１個の振動子の端面を複合撚線の上面に押し当て、他の振動子の端面を凹状基部１２の底部下面に押し当てて付与しても良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の超音波溶接方法では、被溶接部材同士の溶接界面に混和液状体を介在させるので、前記混和液状体中の硬質粉末は超音波振動により溶接界面の酸化膜に衝突して前記酸化膜を迅速に研削し剥離する。また前記硬質粉末は液状体に混和されているため超音波振動によって飛散したり局所に集積したりせず酸化膜を溶接界面全体に渡って良好に研削し剥離する。従って超音波溶接が高い信頼性のもとで生産性良くなされる。
【００５０】
被溶接部材が金属撚線の場合は、混和液状体を金属撚線に含有させておくことにより溶接界面への混和液状体の供給が効率良くなされる。
【００５１】
被溶接部材がアルミ撚線と銅製端子の場合は、銅製端子の酸化膜を比較的軟質なアルミ撚線によって研削し剥離するのが困難であるが、本発明では、硬質粉末が銅製端子の酸化膜を研削し剥離するため、良好な溶接状態が得られる。
【００５２】
硬質粉末に導電性に優れる金属粉末を用いると溶接界面に硬質粉末が残存しても接触抵抗に及ぼす影響が小さい。
【００５３】
被溶接部材となる金属撚線の空隙率を１０〜３０％に規定することにより、混和液状体が適量含有され、前記混和液状体内の金属粉末が酸化膜を良好に研削し剥離する。また金属撚線の径もそれほど太くならずケーブルが容易に扱える。
【００５４】
被溶接部材となる金属撚線を縮径加工しておくことにより、可撓性（配線作業性）が向上し、また省スペースが図れる。特に、銅撚線より導電率が低く太径となるアルミ撚線において、その効果が大きい。
【００５５】
本発明のケーブルは導体となる金属撚線に前記混和液状体を含有させたものなので超音波溶接性に優れるうえ、水密性および素線の耐食性に優れる。
依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルミケーブルの実施形態を示す（イ）は側面図、（ロ）は横断面図（ａ−ａ断面図）である。
【図２】（イ）〜（ハ）は本発明のアルミケーブルの他の実施形態を示すそれぞれ横断面図である。
【図３】本発明の超音波溶接方法の実施形態を示す説明図で、（イ）は側面図、（ロ）は横断面図である。
【図４】本発明の超音波溶接方法の他の実施形態を示す説明図で、（イ）は側面図、（ロ）は横断面図である。
【図５】従来のアルミケーブルの横断面図である。
【図６】プレス圧着法の側面説明図である。
【図７】従来の超音波溶接方法の横断面説明図である。
【符号の説明】
１　本発明のアルミケーブル
２　アルミ素線
３　アルミ撚線
４　混和液状体
５　混和液状体が含有された複合撚線（金属撚線）
６　絶縁層
７　縮径加工撚線
１１　超音波溶接用バッテリー端子
１２　断面凹状の板状基部
１３　バッテリーターミナル
１４　リング状把持部
１５　締付ボルト
１７　超音波振動子
１８　固定台
２１　超音波溶接用機器端子
２２　固定片
２３　断面半円状の板状基部
２４　接続穴
２５　複合撚線
２６　バッテリー端子の圧着板
２７　従来のアルミケーブル
３１　圧着用バッテリー端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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