一种铜端子与铝导线的接头及其超声波焊接方法与流程

本发明属于线束领域，具体涉及一种线束中铜端子和铝导线连接的接头及其超声波焊接的方法。
背景技术：
：铜具有良好的导电性、导热性、塑性而被广泛应用。然而，铜资源短缺，铜成本高。为此，人们开始寻找铜的替代品来降低成本。铝价格相对较低，且同样具有优良的导电性、导热和塑性加工性，因此，以铝代铜是目前发展的主要趋势，但是铝的某些性能还是不如铜优异，许多构件仍然不能完全以铝代铜，因此存在铝构件和铜构件之间的接头焊接情况。例如，由铝类材料构成的导线作为电缆使用，在将这种电缆连接在各种电气装置上的铜构件时，或者与铜电缆互相进行连接时，在铜铝接触端通过焊接而连接。对于铝和铜的连接导电，有两个技术问题一直没有解决：1)铝是活泼金属，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约50埃(1埃＝0.1纳米)的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化，但同时也使铝导线的导电性能大大降低。2)铜跟铝属于不同的元素，铜的金属惰性要大于铝，铜与铝之间的电极电位差为1.9997v，这两种金属连接通电后会发生电化学反应，导致铝线逐渐被氧化，降低铝线的机械强度和导电性。现有技术中，线束的端子和导线的接头的制备方式主要有以下几种：压接、传统超声波焊和超声波钎焊等。现有线束常用连接技术中，端子和导线的连接方式主要以压接为主，即导线的导芯放入端子的连接件中，使用端子压接模具将端子和导线采用机械的方式压接在一起。然而，对于铜端子和铝导线这种组合，传统的压接方法无法解决铝导线和铜端子随着时间的推移所发生的电化学反应，因而导致铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能下降。所以针对铜端子和铝导线接头的连接，压接的方法难以在工业生产中得到应用。传统超声波焊，被焊金属表面的氧化膜或涂层对焊接质量影响较小，焊接不加外热源，不会出现铸态熔核或脆性金属间化合物，因此，是铜端子和铝导线接头制备的一种优选焊接方式。但是，直接使用超声波焊，铜铝直接接触，二者电极电位差大，随着时间的推移，铜端子和铝导线间会产生电化学腐蚀，导致电阻增加，电压降增大，力学性能减低，接头的使用寿命减低。为此，专利cn102216021b采用了一种密封剂隔绝在铜端子和铝导线之间，然后再用超声波焊接的方法，减轻铜铝之间发生电化学腐蚀，但是由于密封剂的存在，不仅使铜铝之间的焊接不充分，导致接头力学性能的降低，同时，由于密封剂导电性较差，影响接头的导电性能，从而使铜端子与铝导线接头的力学性能和电学性能都不能满足使用的性能要求与对使用稳定性的要求。同时，该专利主要针对扁平状端子，而端子与导线的接头在线束中大部分应用非扁平状端子，因此，专利cn102216021b具有很大的应用局限性。超声波钎焊，主要利用超声波的振动击碎焊接基体表面的氧化膜，然后通过钎焊的方式使两种基体结合。在连接铜端子和铝导线制备接头时，超声波钎焊所具有的显著问题导致其无法应用在铜端子和铝导线接头的工业制备中。具体的，超声波钎焊的焊料不易填满焊缝，易在铜端子和铝导线间形成未填满的不规则间隙。而此种间隙只能采用全部破坏性试验进行检验，无法保证每一个接头稳定地满足电学性能与力学性能要求。因此采用超声波钎焊制备铜端子和铝导线接头的方法无法在大批量的工业生产中得到应用。综上，现有技术中，没有一种焊接方式能够制备出满足线束使用的多种形状的铜端子和铝导线接头的力学性能要求与电学性能要求。因此，一种低成本的，能够制备出满足线束使用要求的铜端子和铝导线的接头及其制备方法急待推出。技术实现要素：本发明目的在于提供一种铜端子与铝导线的接头及其超声波焊接的方法。本发明目的还在于提供一种减少铜端子与铝导线间电极电位差的接头及其超声波焊接方法，该结构和焊接方法有利于减少或避免铜端子与铝导线的接头的电化学腐蚀，显著提高接头的使用寿命。本发明目的还在于提供一种能有效提升铜端子与铝导线接头的力学性能的结构及其焊接方法，相比于现有技术，可以使铜端子和铝导线接头在盐雾实验后的拉拔力提升至少20％。本发明目的还在于提供一种能有效降低成本的铜端子与铝导线的接头及其焊接方法，其可以使成本显著降低。本发明的上述目的通过以下技术手段实现：本发明提供了一种铜端子与铝导线的接头，所述的铜端子含有连接件，以及与连接件相连的功能件，所述的铝导线的导芯跟铜端子的连接件相连，其特征在于，所述的铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接。本发明中，所述的铜端子可以为扁平端子、开口端子、圆筒端子，或者是实心铜导线的一端。所述的铜端子包含有连接件，以及与连接件相连的功能件。其中，所述的连接件为铜端子与铝导线连接的部件；扁平铜端子的连接件为扁平状，开口端子的连接件为翼状，圆筒端子的连接件为圆筒状；其中，所述的功能件为铜端子与用电装置相连接的固定区域，是线缆末端安装固定，以及实现铜端子和用电装置电气连接的主要区域。实心铜导线的连接件和功能件结构上无区别，只是连接件与铝导线相连，功能件与用电装置或其它端子相连接。本发明中，所述的铝导线可以为实心铝导线或者是多芯铝导线。本发明中，所述铝导线导芯材质为铝或者铝合金，所述的铜端子的材质为铜或者铜合金。本发明中，所述的铜端子和铝导线的接头具有焊接区域，所述的焊接区域面积至少为所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的1％；优选地，所述的铝导线与铜端子的焊接区域面积至少为所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的10％。本发明中，所述间隔金属层的厚度是3μm到5000μm。作为优选的实施方式，间隔金属层的厚度为5μm到1000μm之间。如果间隔金属层的厚度小于3μm，超声波焊接时铜端子和铝导线摩擦，间隔金属层容易被铜端子和铝导线破坏，从而使铜铝接触导致间隔金属层没有起到间隔两种金属的作用；当间隔金属层的厚度大于5000μm，由于大部分间隔金属层材质的导电性不如铜铝金属，厚度大反而导致焊接接头的电压降升高；另外，间隔金属的用量增大，成本增加，但性能没有明显提升。一般来说，当采用电镀、电弧喷涂的方式固定间隔金属层，间隔金属层的厚度可以达到3μm到1000μm；当采用电磁焊或压焊的方式，间隔金属层的厚度可以达到1000μm到5000μm；因此本发明中的间隔金属层设置在3μm到5000μm的厚度范围内。本发明中，所述的间隔金属层材质的电极电位介于铜和铝的电极电位之间，或者是与铜或铝的电极电位相等，作为优选的实施方式，本发明中间隔金属层的材质选自镍、镉、锆、铬、锰、铝、锡、钛、锌、钴中的一种或其组合，更为优选的是铝、镍和锌中一种或其组合。除了电极电位介于铜和铝的电极电位之间(包含相等的情况)的金属可以作为本发明的间隔金属层，金或者银或其组合也可以作为间隔金属层，因为金、银的导电性好，而且化学特性稳定。以上描述的间隔金属层材质的组合，既包含间隔金属层材质为合金组成，也包括采用多层涂覆的形式形成间隔金属层，还包含不同金属材质用物理或化学方法混合形成的不同金属成分的间隔金属层。本发明还提供了一种铜端子和铝导线接头的超声波焊接方法，具体地，包括以下步骤：1)将间隔金属层通过电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊的方式，固定在待焊接的铜端子或者铝导线的至少包含焊接区域的位置；优选地，将间隔金属层通过电镀的方式固定在待焊接的铜端子或铝导线的至少包含焊接区域的位置；2)将所述铜端子与铝导线接合，固定在超声波焊接设备的模具或工装上；3)启动超声波焊接设备，将超声波焊接设备的振动能量传递到超声波模具或工装上进行焊接，使铜端子与铝导线高速摩擦生热熔融，并在压力的作用下完成焊接。本发明将间隔金属层附在铜端子或者铝导线时，可以采用电镀、电磁焊、电弧喷涂、压焊或者其他可以使间隔金属层稳定地固定在其中一种母材上的其他现有技术。所述的电镀的方法，其步骤是：1、镀层金属在阳极；2、待镀物质在阴极；3、阴阳极与镀层金属阳离子组成的电解质溶液相连；4、通以直流电的电源后，阳极的金属会氧化(失去电子)，溶液中的阳离子则在阴极还原(得到电子)成原子并积聚在待镀物质表层。所述的电磁焊的方法，其步骤是：1、将需焊接的两种金属叠放；2、电磁焊设备在焊接区域形成高压磁场，使两种金属在电磁力的推动下发生原子能级的撞击，从而使两种金属焊接在一起。所述的电弧喷涂的方法，是将间隔金属输送至电弧区域并雾化，并在压缩气体的作用下高速喷涂到工件表面，形成电弧喷涂层。所述的压焊的方法，其步骤是：1、将需压焊的两种金属叠放；2、施加压力使待焊表面充分进行扩散而实现原子间结合；3、视金属不同和压力源不同，可以通过增加温度的方法提高焊接效果，缩短焊接时间。作为优选的方式，采用电镀的方法。1、电镀技术比较成熟，从加工成本和时间成本考虑比较有优势；2、电镀的镀层一般比较薄，从间隔金属的用量与成本上比较有优势；3、电镀后的铜端子或铝导线，耐盐雾腐蚀和酸碱腐蚀的能力大大提高，延长接头的使用寿命。4、经试验证实，采用电镀的方法，最终得到的接头拉拔力和电压降具有显著的优势。在本发明所述的接头的制作方法的步骤1)中，当铝导线外层附着绝缘层时，在固定前，先剥除铝导线焊接端的绝缘层。在本发明所述的接头的制作方法中，超声波焊接设备的超声频率为5khz～40khz；根据焊接区域的截面积不同，超声波焊接设备的功率选用2kw～20kw，超声波焊接设备焊头的压力选用0.5kn～30kn，超声波焊接设备的振幅可以从0～100％调节；作为优选的实施方式，超声波焊接设备的超声波频率为15khz～25khz；超声波焊接设备的功率为5kw～15kw；超声波焊接设备的振幅为30～100％；超声波设备焊头的压力为3kn～20kn。在本发明中，由于采用固态的超声波焊，不会存在焊接温度过高，生成脆性金属间化合物的问题。本发明采用间隔金属层的材质例如锌、镍或铝中的一种或其组合，先使用电镀、电磁焊、电弧喷涂或压焊的方式将间隔金属固定到一种母材上，再进行超声波焊，其目的在于防止铜铝之间电化学腐蚀，且焊接过程中不需要其他焊料和焊剂。现有研究中，还没有对铜铝超声波焊接中添加间隔金属层的介绍，而且通过大量的实验和测试，添加间隔金属层后，不仅使铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能得以保证，而且使铜端子和铝导线接头的耐电化学腐蚀和金属腐蚀的性能大幅度提升，使用寿命得以显著提升。本发明取得的有益效果：1.本发明的铜端子的连接件与和铝导线导芯之间含有间隔金属层，通过大量的实验和测试，间隔金属层的存在，不仅使铜端子和铝导线接头的力学性能和电学性能得以保证，而且接头的耐电化学腐蚀和耐金属腐蚀的性能也大幅度提升。2.本发明的焊接方法，相比于超声波钎焊，无需加热，铜铝之间不会产生脆性金属，不会存在焊缝强度和可塑性降低，甚至晶格腐蚀的问题；同时，无需使用焊剂，不会对焊接接头产生腐蚀。3.相对于传统的超声波直接焊接异种金属的方法，电极电位差异较大的金属直接焊接在一起，由于铜铝之间存在电化学反应，在水和空气的作用下，电极电位较低的金属会丢失电子导致金属腐蚀，降低了铜铝接头的寿命。铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接，可以大幅度的降低金属之间的电化学反应，减少金属腐蚀，延长使用寿命至少50％。4.由于都是金属之间的焊接，避免了发明专利cn102216021b中使用密封剂焊接导致的力学性能降低的弊端，可以使铜端子和铝导线接头在盐雾实验后的拉拔力提升至少20％。5.相比于现有技术，本发明所提供的铜端子和铝导线的接头及其超声波焊接方法可以使用全自动设备，工装夹具进行生产，提高生产效率，减少人工，提高生产的稳定性，显著降低生产成本。6.焊接过程中不添加焊料、助焊剂和保护气体等，加工完成也不需要再处理，无废料，毛边，节省成本，降低污染。附图说明图1为本发明实施例1的铜端子和铝导线的接头示意图；a：多芯铝导线和扁平铜端子的接头；b：实心铝导线和扁平铜端子的接头；c：图1a的侧面示意图；图2为本发明实施例2的铜端子和铝导线的接头示意图；a：焊接前的开口铜端子；b：多芯铝导线；c：实心铝导线；d：实施例2焊接后的接头横切面；图3为本发明实施例3的铜端子和铝导线的接头示意图；a：多芯铝导线和圆筒铜端子的接头；b：实心铝导线和圆筒铜端子的接头；图4为本发明实施例4的铜端子和铝导线的接头示意图；a：多芯铝导线和扁平铜导线的接头；b：实心铝导线和扁平铜导线的接头；c：图3a的侧面示意图。图式说明：1.铜端子、11.连接件、12.功能件2.铝导线、21.导芯、22.绝缘层3.间隔金属层具体实施方式以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，具体实施例不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明理念所做出的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。本发明中，所述的“焊接区域”是指超声波设备的焊头将铜端子和铝导线焊接在一起的区域。在本发明中，所述的“铝导线的导芯与铜端子的连接件通过间隔金属层连接/相连”，应当理解为直接相连或者间接相连均包括在本发明的保护范围内。直接相连为连接件与铝导线的导芯之间仅通过间隔金属层相连；间接相连为连接件与铝导线的导芯之间除了间隔金属层，还具有其他非金属材质结构，如石墨烯层或者其它成份形成的结构。实施例1一种铜端子和铝导线的接头及其超声波焊的方法如图1所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为扁平铜端子，铜端子1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图1a)或实心铝导线(图1b)。铝导线2的导芯与铜端子1的连接件11连接，铝导线的导芯与铜端子的连接件之间，含有间隔金属层3。该接头具体焊接步骤如下：1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为镍)，间隔金属层的厚度为8μm。2)将铜端子放入超声波焊接设备的模具中，将铝导线放入超声波焊接设备的模具中，与铜端子叠放；3)启动超声波焊接设备，焊头将三种金属压实后，开始振动焊接。所述的超声波的频率为20khz；超声波焊接设备的功率为5kw；焊接振幅为80％；超声波焊头的压力为4.5kn。实施例2一种铜端子和铝导线的接头及其超声波焊的方法如图2所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为开口端子，铜端子1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图2b)或实心铝导线(图2c)。铝导线2的导芯21与铜端子1的连接件11连接，铝导线的导芯与铜端子的连接件之间，还含有间隔金属层3。该接头具体焊接步骤如下：1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为锌)，间隔金属层的厚度为5μm。2)将铜端子放入压接模具中，将铝导线的导芯放入到铜端子的开口中，启动压接机将铝导线压接到铜端子中，使铜端子的开口包住铝导线的焊接部分；3)将步骤2)压接后的三种金属放入超声波焊接模具中；4)启动超声波焊接机，焊头将三种金属压实后，开始振动焊接。所述的超声波的频率为20khz；超声波焊接设备的功率为9kw；焊接振幅为90％；超声波焊头的压力为15kn。实施例3一种铜端子和铝导线的接头及其超声波焊的方法如图3所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为圆筒端子，铜端子1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图3a)或实心铝导线(图3b)。铝导线2的导芯21与铜端子1的连接件11连接，铝导线的导芯与铜端子的连接件之间，还含有间隔金属层3。该接头的具体焊接步骤如下：1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为银)，间隔金属层的厚度为10μm。2)将铝导线的导芯焊接区插入铜端子的圆筒中；3)将步骤2)得到的插接后的三种金属放入超声波焊接机的模具中；4)启动超声波焊接机，焊头将三种金属压实后，开始振动焊接。所述的超声波的频率为25khz；超声波焊接设备的功率为7.5kw；焊接振幅为100％；超声波焊头的压力为10kn。实施例4一种实心铜导线和铝导线的接头及其超声波焊的方法如图4所示的铜端子和铝导线的接头，该铜端子1为实心铜导线。所述的实心铜导线1含有连接件11，以及功能件12，所述的铝导线2含有导芯21以及绝缘层22，铝导线是多芯铝导线(图4a)或实心铝导线(图4b)。铝导线2的导芯21与实心铜导线11相连接，铝导线的导芯与实心铜导线的连接件之间还含有间隔金属层3。铜端子是扁平实心导线，铝导线是实心铝导线或多芯铝导线，具体焊接步骤如下：1)铜端子在焊接区域电镀间隔金属层(在本实施例中为铝)，间隔金属层的厚度为6μm。2)将铜端子放入超声波焊接机的模具中；将铝导线放入超声波焊接机的模具中，与实心铜导线叠放；3)启动超声波焊接机，焊头将三种金属压实后，开始振动焊接。所述的超声波的频率为15khz；焊接振幅为80％；超声波焊接设备的功率为12kw；超声波焊头的压力为20kn。实施例5不同的间隔层对焊接接头的性能影响采用50套相同材质和结构的铜端子和铝导线，使用相同的超声波焊接机及工装，以及如实施例1中相同的焊接参数、镀层厚度(8μm)和焊接方法；其中10套不含任何间隔层；10套采用镍(ni)作为间隔金属层；10套采用锌(zn)作为间隔金属层；10套采用镍(ni)打底，表面镀锌(zn)；剩余10套采用一种防腐导电密封剂作为间隔层，分别测试焊接完成后，焊接接头腐蚀前和腐蚀后的力学性能和电性能对比。表1不同的间隔层对拉拔力(n)的影响表2不同的间隔层对电压降(mv)的影响由表1和表2可知，使用ni镀层或zn镀层或复合镀层的结构，拉拔力和电压降性能都优于使用密封剂的结构，而且，经过24小时盐雾实验后，使用ni镀层或zn镀层或复合镀层的结构的拉拔力和电压降性能的降低幅度都远远小于使用密封剂的结构。同样在表1和表2可知，无镀层的焊接结构，虽然在焊接初期，拉拔力和电压降性能与使用ni镀层或zn镀层或复合镀层的结构性能接近，但是经过盐雾实验后，由于铜铝之间在空气、水和盐雾的作用下，既产生电化学腐蚀，也产生金属腐蚀，因此拉拔力和电压降性能很大幅度的降低，无法保证铜端子和铝导线接头的电学和力学性能。实施例6不同的间隔金属层固定方式对焊接接头的性能影响采用40套相同材质和结构的铜端子和铝导线，使用相同的超声波焊接机及工装，以及相同的间隔金属zn，相同的间隔金属层厚度；其中10套采用通过压焊的方式将间隔金属zn固定在铜端子上；10套通过电磁焊的方式将间隔金属固定在铜端子上，10套采用电镀的方式将间隔金属zn层固定在铜端子上，剩余10套采用电弧喷涂的方式将间隔金属zn固定在铜端子上，对铜端子和铝导线进行焊接，焊接完成后，分别测试铜端子和铝导线接头的腐蚀前和腐蚀后的力学性能和电性能对比。盐雾腐蚀、电压降、和拉拔力的测试结果见表3和表4。表3不同的间隔金属层固定方式对拉拔力(n)的影响表4不同的间隔金属层固定方式对电压降(mv)的影响从表3和表4中可以看出，不同的焊接方法，在焊接完成后力学性能和电学性能以电镀效果最好，电磁焊和电弧喷涂次之，压焊的效果较差；在四种间隔金属层相同厚度的情况下，以电镀的形式对铜端子和铝导线接头的性能比较突出。而且，电镀技术比较成熟，从加工成本和时间考虑比较有优势。实施例7不同焊接区域面积对焊接接头的性能影响采用120套相同材质和结构的铜端子和铝导线，分为12组，每组10套，使用相同的超声波焊接机及工装，以及相同的间隔金属zn，相同的间隔金属厚度；在相同的铝导线与铜端子相重叠区域面积上，焊接不同的焊接区域面积，对比不同的焊接面积占所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的比例对超声波焊接接头的电学和力学性能的影响。从下表5数据可以看出，焊接面积占所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的比例越大，相应的焊接接头的电压降性能和拉拔力性能越好，当比例小于1％的时候，接头的电学性能和力学性能明显下降，因此，所述接头的焊接区域面积至少为所述的铝导线与铜端子相重叠区域面积的1％；优选的，所述接头的焊接区域面积至少为所述铝导线与铜端子相重叠区域面积的10％。表5不同的焊接面积对电压降(mv)和拉拔力(n)的影响编号面积比例电压降(mv)拉拔力(n)1100％3.12158.4290％3.12013.5380％3.21976.9470％3.21952.6560％3.41916.7650％3.41904.9740％3.51894.2830％3.61861.8920％3.61849.21010％3.71827.5111％3.81817.412<1％4.21628.9实施例8不同过渡金属层的厚度对焊接接头的性能影响采用150套与实施例3相同材质和结构的铜端子和铝导线，分为15组，每组10套，分别在铜端子上用电镀的方式镀1μm到1000μm不同厚度的锌镀层，用压焊的方式固定1000μm到6000μm不同厚度的锌作为间隔金属层，再使用相同的超声波焊接设备及工装，将铝导线焊接到铜端子上，然后测试焊接后铜铝接头的拉拔力和电压降。从以下表6和表7的数据可以看出，当镀层厚度超过5000μm和小于3μm的时候，铜端子和铝导线的接头的力学性能和电学性能明显下降，因此，选用间隔金属层的厚度为3μm到5000μm；同时，优选地，间隔金属层的厚度为5μm到1000μm时，铜端子和铝导线的接头的力学性能和电学性能较佳。表6不同的镀层厚度对拉拔力(n)的影响表7不同的镀层厚度对电压降(mv)的影响当前第1页12