JP2002316271A

JP2002316271A - 金属薄板をシーム溶接する電磁溶接装置および方法

Info

Publication number: JP2002316271A
Application number: JP2001118864A
Authority: JP
Inventors: Tomokatsu Aizawa; 友勝相澤
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2002-10-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】本発明者が開発した新たなシーム溶接法であ
る電磁溶接法用の磁束発生装置を提供する。【解決手段】重ねた金属薄板に磁束発生用コイルを用
いて高密度の磁束を急激に加え、そこに発生するうず電
流と電磁力を利用して金属薄板５、をシーム溶接する装
置において、磁束発生用コイルが溶接用トランスの２次
側コイル１０、からなるようする。また、溶接用トラン
スの２次側コイル１０、を２分割し、各２次側コイルは
一方の金属薄板側の磁束発生用コイルと他方の金属薄板
側の磁束発生用コイルにそれぞれ独立して接続する。こ
のような装置を用いて、重ねた同種または異種の金属薄
板１０、をシーム溶接する際に、重ねた金属薄板のそれ
ぞれに発生する磁束密度の大きさを変えることができる
事を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属薄板（薄片を
含む、以下同じ）、特に、アルミニウムおよび銅薄板の
電磁溶接装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属薄板の電気的なシーム溶接法とし
て、図１０に示すような抵抗シーム溶接法がある。主な
構成要素は、電源１、スイッチ２、溶接トランス３、回
転電極４である。重ねた金属薄板５の上下に円板状の回
転電極４を置き、回転電極４を加圧および回転させなが
ら、回転電極４に電流を流せば、金属薄板５の回転電極
４で挟まれた箇所はジュール熱で溶融し、回転電極４の
走行した後が線状にシーム溶接される。このシーム溶接
法は、加熱が容易な鋼鉄系の板材の溶接に向いている。

【０００３】アルミニウムや銅薄板をシーム溶接する場
合、金属板の溶融温度は低いが、電気導電率、熱伝導度
が高いため、加熱の効率が悪く、大電流を流す必要があ
る。また、溶接の際、電極先端部へアルミニウムまたは
銅が溶着し易いなどの難点もある。よって、アルミニウ
ムや銅薄板に対する抵抗シーム溶接法は非効率的であ
り、多量生産向きではない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の欠点を改良した
シーム溶接法として、本発明者が開発したアルミニウム
等の薄板を容易にシーム溶接できる電磁溶接法がある
（特開平１１−１９２５６２号公報）。これらのシーム
溶接法において、溶接トランスは、必ずしも必要でない
が、電源を流れる電流（１次側電流）に比べ、従来のシ
ーム溶接の回転電極または電磁溶接法の磁束発生用コイ
ルに流れる電流（２次側電流）を大きくさせたい場合に
必要となる。

【０００５】溶接用トランスについては、各種のものが
以前から使用されてきた。技術的にはほぼ完成されてい
ると言える。しかし、対象とする溶接機が電極を使用す
る抵抗スポット溶接機（シーム溶接機を含む）であっ
た。現在、各種の溶接トランスが単体として使用されて
いる。しかし、電磁溶接用のトランスとして開発された
ものは見あたらない。電磁溶接法自体が、現在開発中の
ためである。本発明は、本発明者が先に開発した新たな
シーム溶接法である電磁溶接法用の磁束発生装置の提供
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、電極を使用せ
ず、重ねた金属薄板に電磁誘導作用により、うず電流を
流し、同時に働く電磁力を利用してシーム溶接する電磁
溶接法において、溶接用トランスの２次側巻線を磁束発
生に利用すること、さらに磁束密度の大きさの調整に利
用することを特徴としている。本発明において、溶接対
象は、自動車部品、電気製品、電子部品、リード端子な
どの金属製品に及ぶ。

【０００７】すなわち、本発明は、重ねた金属薄板に磁
束発生用コイルを用いて高密度の磁束を急激に加え、そ
こに発生するうず電流と電磁力を利用して金属薄板をシ
ーム溶接する装置において、磁束発生用コイルが溶接用
トランスの２次側コイルからなることを特徴とする金属
薄板の電磁溶接装置である。

【０００８】また、本発明は、溶接用トランスの１次側
コイルの内側に２次側コイルが配置されていることを特
徴とする上記の金属薄板の電磁溶接装置である。

【０００９】また、本発明は、２次側コイルは重ねた金
属薄板の一方の金属薄板側の磁束発生用コイルと他方の
金属薄板側の磁束発生用コイルにそれぞれ独立して設置
されていることを特徴とする上記の金属薄板の電磁溶接
装置である。

【００１０】また、本発明は、重ねた金属薄板に磁束発
生用コイルを用いて高密度の磁束を急激に加え、そこに
発生するうず電流と電磁力を利用して金属薄板をシーム
溶接する装置において、溶接用トランスの２次側コイル
を２分割し、各２次側コイルは一方の金属薄板側の磁束
発生用コイルと他方の金属薄板側の磁束発生用コイルに
それぞれ独立して接続されていることを特徴とする金属
薄板の電磁溶接装置である。

【００１１】また、本発明は、２次側コイルは、その一
部が金属薄板のシーム溶接部に対応する細長い導体板を
有していることを特徴とする上記の金属薄板の電磁溶接
装置である。

【００１２】また、本発明は、上記の各装置を用いて、
重ねた同種または異種の金属薄板をシーム溶接する方法
において、重ねた金属薄板のそれぞれに発生する磁束密
度の大きさを変えることを特徴とする金属薄板の電磁溶
接方法である。

【００１３】

【作用】本発明の電磁溶接方法および装置の原理を以下
に説明する。図９の（ａ）は、従来の電磁溶接法により
重ねた金属薄板をシーム溶接する場合の概略回路構成図
であり、（ｂ）は、コイル部分および金属薄板の平面
図、（ｃ）は、電流に垂直なコイル部分および金属薄板
の断面拡大図である。

【００１４】図９の（ａ）に示すように、電磁溶接方法
および装置の主な構成要素は、電源１、スイッチ２、溶
接トランス３、磁束発生用の一巻コイル６である。一巻
コイル６は電気的に接続した細長い２枚の導体板７から
なっている。この導体板７の間に２枚の金属薄板５を重
ねて挿入する。各部分を絶縁し、全体を絶縁シート、絶
縁厚板、締付け金具などを利用して固定する。スイッチ
２を閉じて溶接トランス３の１次側コイルＣ１に電流を
急激に流すと、２次側コイルＣ２を介して導体板７に電
流が流れ、一巻コイル６には、磁束が発生する。この磁
束の一部は、金属薄板５に交差する。

【００１５】この結果、電磁誘導作用によって金属薄板
５にうず電流（電流密度ｉ）が流れる。また、単位体積
あたり電磁力ｆが金属薄板５の重ねた部分を押圧する方
向に働く。これらの関係は次式で与えられる。ただし、
κは金属薄板５の導電率である。

【００１６】

【式１】

【００１７】うず電流が流れる部分には、ジュール熱ｉ
²／κが発生し、金属薄板５の重なった部分は、軟化温
度以上に加熱される。電磁力の大きさ、接合面の状態な
どが適当であれば、金属薄板５の重ねた部分は、導体板
７とほぼ同じ幅で、導体板７に沿ってシーム溶接され
る。

【００１８】図９に示した回路構成図において、溶接ト
ランスを使用せず、板厚０．５〜１ｍｍのアルミニウム
薄板５を、厚さ１０ｍｍ、幅５ｍｍのクロム銅製導体板
７からなる一巻コイル６の間に入れ、長さ１００ｍｍを
シーム溶接するのに必要パルス電流の最大値は、１５０
〜２００ｋＡ、電源のエネルギーは２〜４ｋＪ程度であ
る。溶接トランスを使わない場合、このようなパルス大
電流を、電源１からスイッチ２を通して直接的にコイル
６に流す必要がある。このとき、大電流のスイッチング
などの制御技術が比較的に困難となる。

【００１９】巻数比１０：１の溶接トランス３を使用す
れば、電源側（溶接トランス１次巻線側）の電流値は１
／１０の１５〜２０ｋＡになる。電流値がこの程度に下
がれば、電源側の制御は容易となる。コイル側（溶接ト
ランス２次巻線側）に流れる電流値は、１５０〜２００
ｋＡとなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】実施形態１図１の（ａ）は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、溶接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイ
ルを配置し、かつ２次側コイルを金属薄板毎にそれぞれ
独立に設けた場合の概略回路構成図であり、（ｂ）は、
２次側コイルの斜視図、（ｃ）は、２次側コイルの導体
部分および金属薄板の電流に垂直な断面の拡大図であ
る。

【００２１】図１の（ａ）に示すように、電源１、スイ
ッチ２、複数巻の外側の１次側コイル８を配線し、１次
側コイル８の内側に２次側コイル９、９を上下２ヶ所に
配置する。１次側コイル８は溶接用トランスの１次側巻
線、２次側コイル９、９は溶接用トランスの２次側巻線
になっている。図１の（ｂ）に示すように、２次側コイ
ル９、９は、細い導体板７の部分を有する一巻コイルの
形状である。材料としてはクロム銅合金などの機械的強
度と導電性の良好なものが好ましい。１次側コイル８
は、厚さ０．５〜１ｍｍ、幅１０〜２０ｍｍ程度の平た
い矩形断面の銅板などを用いる。平たい銅板を巻くと同
じ断面積の円形銅線を巻く場合に比べて電磁結合が良く
なる。また、直径１ｍｍ程度の円形銅線１０本を横に並
べて全体を１つの巻線としてもよい。この場合、平たい
銅板と同様に電磁結合が良くなる。２次側コイル９、９
の導体板７、７の間に２枚の金属薄板５を重ねて挿入す
る。そして、各部分を絶縁し、全体を絶縁厚板、締付け
金具などを利用して固定する。

【００２２】この回路において、スイッチ２を閉じて１
次側コイル８に図１に示す矢印方向に電流を急激に流す
と、１次側コイル８の内側に磁束が発生し、２次側コイ
ル９、９に交差する。電磁誘導作用により、２次側コイ
ル９、９に図１に示す方向に大きな２次電流が流れる。
この２次電流によっても磁束が発生する。この磁束の一
部は、金属薄板５に交差する。再び、電磁誘導作用によ
り、金属薄板５にうず電流が流れ、同時に電磁力が金属
薄板５を重ねた部分を押圧する方向に働く。この結果、
金属薄板５の重ねた部分はシーム溶接される。

【００２３】図１の（ｂ）に示すように、２次側コイル
９の金属薄板５の近くに対向した導体板７の幅について
は、電流を集中させ、シーム溶接できるように細く選ぶ
必要がある。２次側コイル９の他の断面コ字状の部分
は、導体板７のように細くする必要はない。導体板７を
含む一巻の２次側コイル９自身にも電磁力が働く。この
電磁力による変形を防ぐため、一巻コイルの板厚を厚く
する。必要なら２次側コイル９の内側に強固な絶縁材ま
たは磁性体を入れる。適当な磁性体を入れれば、１次側
コイル８と２次側コイル９間の磁気的結合を強くするこ
とができる。

【００２４】このように、溶接用トランスを電磁溶接用
コイルとして利用すると、図９に示す従来法に比べ、巻
線間に生じる漏れ磁束が少なくなり、効率的にシーム溶
接できる。１次側コイル８の作る磁束の一部も、金属薄
板５に直接に交差する。この磁束の向きは、導体板７に
流れる電流の作る磁束と同じである。図の上側と下側の
一巻の２次側コイル９、９の断面積を変えれば、そこに
流れる電流の大きさも上下で変る。

【００２５】この特徴は、前述したように、異種金属薄
板を重ねてシーム溶接するとき有効である。また、一巻
の２次側コイル９の各部分の板厚を厚くしても、ここに
流れる電流は、外側表面部分に集中して流れる利点もあ
る。なお、１次側コイル８の断面形状を円形にし、２次
側コイル９の断面形状を半円にすることもできる。

【００２６】実施形態２図２の（ａ）は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、溶接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイ
ルを配置し、かつ２次側コイルを金属薄板毎にそれぞれ
独立に設けた場合の概略回路構成図であり、（ｂ）は、
２次側コイルの斜視図、（ｃ）は、２次側コイルおよび
金属薄板部分の側面図である。１次側コイル８および２
次側コイル９の長さを横長にし、横長の金属薄板の一部
分をシーム溶接する場合には、図２に示すようにすれ
ば、図１に示す態様と同様に一部分だけシーム溶接でき
る。２次側コイル９の導体板７は他の部分に比べ幅が極
端に狭くなっている。この部分に電流が集中して流れる
ので、この部分に対応する金属薄板の部分だけがシーム
溶接される。

【００２７】実施形態３図３は、本発明の電磁溶接方法および装置において、溶
接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイルを配置
し、かつ２次側コイルの巻数を複数巻にした場合の概略
回路構成図（断面図、一部配線図）である。図１に示し
た複数巻の外側の一次側コイル８の内側に、図３に示す
ように、複数巻の内側の２次側コイル１０を上下２ケ所
に配置する。２次側コイル１０、１０は溶接用トランス
の２次側巻線になっている。そして、２次側コイル１０
の導体板７、７の間に金属薄板５を重ねて挿入すること
により、図１に示す態様と同様にシーム溶接できる。２
次側巻線には１次側巻線に比べて大きな電流が流れるの
で、厚さ１〜２ｍｍ、幅５０〜６０ｍｍ程度の平たい矩
形断面の銅板を用いることが好ましい。また、直径２ｍ
ｍ程度の円形銅線２５〜３０本を横に並列に並べて１つ
の巻線としてもよい。２次側コイル１０を複数巻にする
ことで、巻数比を上下で変えることにより重ねた金属薄
板のそれぞれに発生する磁束密度を変えたり、磁気的結
合状態を改良することができる。また、２次側コイル１
０を複数巻にすれば、導体板７、７を９０度だけ回転さ
せても、同様に溶接できる。導体板７、７より長い金属
薄板５を挿入して溶接するとき便利である。

【００２８】実施形態４図４は、本発明の電磁溶接方法および装置において、溶
接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイルを配置
し、かつ２次側内側コイルに流れる電流の大きさを同一
にした場合の概略回路構成図（断面図、一部配線図）で
ある。図１に示した複数巻の１次側コイル８の内側に、
図４に示すように、適当な巻数の２次側コイル１１を配
置する。２次側コイル１１は溶接用トランスの２次側巻
線になっている。そして、コイル１１の２つの導体板
７、７の間に金属薄板５を重ねて挿入することにより、
図１に示す態様と同様にシーム溶接できる。導体板７、
７に同一の大きさの電流を流したい場合に有効である。

【００２９】実施形態５図５は、本発明の電磁溶接方法および装置において、溶
接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイルを配置
し、かつ２次側コイルを数カ所に配置した場合の概略回
路構成図（断面図、一部配線図）である。図１に示した
複数巻の１次側コイル８の内側に、図５に示すように、
一巻の２次側コイル９、９、９、９を数カ所（図では４
カ所）に配置する。２次側コイル９は溶接用トランスの
２次側巻線になっている。そして、各導体板７，７，
７，７の間に金属薄板５を重ねて挿入することにより、
図１に示す態様と同様にシーム溶接できる。一巻の２次
側コイル９の巻数を複数巻にしてもよい。シーム溶接す
る長さの途中の一部分を溶接せずにシーム溶接する場合
などに便利である。

【００３０】実施形態６図６は、本発明の電磁溶接方法および装置において、溶
接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイルを配置
し、かつ横長の金属薄板の一部分をシーム溶接する場合
の概略回路構成図（断面図、一部配線図）である。横長
の金属薄板の一部分をシーム溶接する場合には、２次側
コイル９の導体板７、７を図６に示すようにその他のコ
イル部分から離れて配置しても、図１に示す態様と同様
に溶接できる。ただし、２次側コイル９が電磁力で変形
しないように巻線部分の板厚を厚くするなどの工夫が必
要である。

【００３１】実施形態７図７は、本発明の電磁溶接方法および装置において、溶
接トランスの１次側コイルの内側に２次側コイルを配置
し、かつ２次側コイルの導体板を複数並べて配置した場
合の概略回路構成図（概略図、一部配線図）である。各
導体板７，７，７，７を図７に示すように、上下または
横方向の近くに複数並べた２次側コイル１２を、１次側
コイル８の内側に配置することによって、図１に示す態
様と同様に溶接できる。導体板７の厚さを薄くして上下
方向に２本並べれば、導体板７に流れる電流の大きさを
半分にしても、同じ程度の磁束密度を発生できる。導体
板７の幅を狭くして横方向に２本並べても、同様であ
る。また、横方向に並べる間隔を広げれば、シーム溶接
を横方向に２本線で行うこともできる。

【００３２】実施形態８図示していないが、曲面状の金属薄板を重ねてシーム溶
接する場合、２次側コイルの導体板を金属薄板の曲面に
沿うように作って配置して、同様に電流を流せば、上記
の各実施形態と同様に溶接できる。

【００３３】実施形態９図８は、電磁溶接方法および装置において、溶接トラン
スの２次側コイルを二分割した場合の配線図である。図
８に示すように、溶接トランス３の２次側コイルＣ２を
二分割し、上下２枚の導体板７、７にそれぞれ独立して
接続する。このように、溶接トランス３の２次側コイル
Ｃ２を二分割し、２次側巻線の巻数を選べば、上下２枚
の導体板７、７に、それぞれ異なる大きさの電流を流す
ことができる。これは、異種の金属薄板をシーム溶接す
る場合に有効となる。各導体板に流れる電流の大きさを
各金属薄板に応じて選べば、融点などの異なる異種金属
薄板を同じ軟化状態にしてシーム溶接できる。

【００３４】溶接トランス３の２次側回路を図８に示す
ように２並列にすると、図９に示す回路の場合に比べ、
２次側回路のインピーダンスが小さくなり、大電流を流
す回路として適する。シーム溶接する長さが長い場合、
２次側回路のインピーダンスが大きくなるので、図８に
示すように２並列にするのが効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の電磁溶接方法および装置の電
流回路および金属薄板の配置の一実施形態を示す概略説
明図である。

【図２】図２は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、横長の金属薄板の一部分をシーム溶接する実施形
態を示す概略説明図である。

【図３】図３は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、溶接トランスの２次側コイルの巻数を複数巻にし
た実施形態を示す概略説明図である。

【図４】図４は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、溶接トランスの２次側コイルに流れる電流を同一
にした実施形態を示す概略説明図である。

【図５】図５は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、溶接トランスの２次側コイルを数カ所に配置した
実施形態を示す概略説明図である。

【図６】図６は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、横長の金属薄板の一部分をシーム溶接する実施形
態を示す概略説明図である。

【図７】図７は、本発明の電磁溶接方法および装置にお
いて、溶接トランスの２次側コイルの導体板を複数並べ
て配置した実施形態を示す概略説明図である。

【図８】図８は、電磁溶接法において、溶接トランスの
２次側コイルを二分割した場合の電流回路および金属薄
板の配置を示す概略説明図である。

【図９】図９は、従来の電磁溶接法によりシーム溶接す
る場合の電流回路および金属薄板の配置を示す概略説明
図である。

【図１０】図１０は、従来のシーム溶接法の電流回路お
よび金属薄板の配置を示す概略説明図である。

【符号の説明】

１：電源２：スイッチ３：溶接トランス４：回転電極５：金属薄板６：磁束発生用コイル７：コイル導体板８：複数巻の１次側コイル９：一巻の２次側コイル１０：複数巻の２次側コイル１１：同一電流を流す場合の２次側コイル１２：複数の導体板を有する２次側コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重ねた金属薄板に磁束発生用コイルを用
いて高密度の磁束を急激に加え、そこに発生するうず電
流と電磁力を利用して金属薄板をシーム溶接する装置に
おいて、磁束発生用コイルが溶接用トランスの２次側コ
イルからなることを特徴とする金属薄板の電磁溶接装
置。
【請求項２】溶接用トランスの１次側コイルの内側に
２次側コイルが配置されていることを特徴とする請求項
１記載の金属薄板の電磁溶接装置。
【請求項３】２次側コイルは重ねた金属薄板の一方の
金属薄板側の磁束発生用コイルと他方の金属薄板側の磁
束発生用コイルにそれぞれ独立して設置されていること
を特徴とする請求項１記載の金属薄板の電磁溶接装置。
【請求項４】重ねた金属薄板に磁束発生用コイルを用
いて高密度の磁束を急激に加え、そこに発生するうず電
流と電磁力を利用して金属薄板をシーム溶接する装置に
おいて、溶接用トランスの２次側コイルを２分割し、各
２次側コイルは一方の金属薄板側の磁束発生用コイルと
他方の金属薄板側の磁束発生用コイルにそれぞれ独立し
て接続されていることを特徴とする金属薄板の電磁溶接
装置。
【請求項５】２次側コイルは、その一部が金属薄板の
シーム溶接部に対応する細長い導体板を有していること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属薄
板の電磁溶接装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の装置
を用いて、重ねた同種または異種の金属薄板をシーム溶
接する方法において、重ねた金属薄板のそれぞれに発生
する磁束密度の大きさを変えることを特徴とする金属薄
板の電磁溶接方法。