JP2008055505A - 電磁シーム溶接用平板状コイル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、金属薄板を電磁溶接する平板状ワンターンコイルに関する。従来の平板状コイルには、溶接しにくいアルミニウム合金薄板を溶接する場合、大きな電源エネルギーを必要とする欠点があった。これを改良した電磁溶接用平板状ワンターンコイルを提供する。
【手段】平板状ワンターンコイル３を電源１およびスイッチ２に接続する。スイッチ２を閉じて、このコイルにパルス大電流を流す。電流が集中して流れる中央部分４Ａの幅が変化しているので、アルミニウム合金薄板５Ａ、５Ｂをエネルギー効率よく溶接できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム合金、銅など金属薄板の溶接を必要とする自動車部品、電子部品などの組立て分野において使用される電磁シーム溶接用コイルに関する。

技術背景

アルミニウム合金、銅などの金属薄板を容易にシーム溶接する方法として、本発明者が開発した電磁溶接法がある（特許文献１）。この電磁溶接法は、金属薄板をシーム溶接する電磁溶接装置において、例えば、一枚の金属板材に２本の溝を加えＥ字状の形態とした平板状ワンターンコイルを用い、板材の幅が狭く、細長い中央部分を往きの電流用、その両側の幅の広い周辺部分を戻りの電流用として、電源からパルス電流を往復して流し、幅が狭く、細長い中央部分を電流集中部とし、この上に重ね置かれた金属薄板に発生する渦電流による発熱と電磁力による押圧により金属薄板をシーム溶接する方法である。本発明者は、さらに、この電磁溶接法に使用するコイルについて改良したコイルの発明についても特許出願した（特許文献２）。
特許第３７５１１５３号（図４） 特開２００４−３４２５３５号

前記の平板状ワンターンコイルには、次のような優れた特徴がある。電線を巻いた平面的なコイルと異なり、コイルとしてのインダクタンスが小さく、大電流を流し易い。板状のため１００ｋＡ以上のパルス大電流が流れても損傷を受けにくい。コイル（板状）と被溶接材（金属薄板）との電磁結合が強い。コイルの片面（上）に置かれた金属薄板を溶接できる。

一般的に，電磁溶接装置の電源にはコンデンサ電源が使用される。コンデンサ電源の容量は５０〜２００μＦ、充電エネルギーは数ｋＪである。コイルには最大値１００ｋＡ以上のパルス大電流が、数１００μｓ以下の短時間流れる。金属薄板の厚さは１ｍｍ以下、溶接部分の長さは１００ｍｍ以下である。重ね置かれる金属薄板の間に１ｍｍ程度の間隙を設けて溶接すると、衝突の効果でエネルギー効率よく溶接される（特許文献２）。

先ず、公知である一枚板から作られた平板状ワンターンコイルを用いた電磁溶接装置の概略を説明する（非特許文献１）。次に、この平板状ワンターンコイルの問題点を述べる。
電子情報通信学会技術研究報告、１０４巻５７４号、ＥＭＤ−２００４−９４（２００５年）ｐ．７〜ｐ．１２

図９はこの平板状ワンターンコイルを用いた電磁溶接装置の概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は平板状ワンターンコイルの斜視図である。この装置の主な構成要素は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、コンデンサ電源１、スイッチ２、磁束発生用の平板状ワンターンコイル３である。平板状ワンターンコイル３は電気的に絶縁された一枚の平板からなっている。このコイル３は、幅が狭く、細長い中央部分４Ａ（電流の往路）、その両側の幅の広い周辺部分４Ｂ，４Ｃ（電流の復路）およびこれらを片端側で接続する部分４Ｄから構成されている。

コンデンサ電源１を充電し、スイッチ２を閉じて放電させると、平板状ワンターンコイル３にパルス大電流が往復して流れる。実際の装置では、電源１、スイッチ２および平板状ワンターンコイル３を接続している部分（図９（Ａ）に細い線で示されている）は、幅広い導体板で配線され回路のインダクタンスおよび抵抗を少なくしている。

図９に示す装置は、図１０に示すように平板状ワンターンコイル３の片側（上部）に被溶接材であるアルミニウム合金薄板５Ａ、５Ｂを重ね配置し、これらを溶接するものである。図１０で、平板状ワンターンコイル３、合金薄板５Ａ、５Ｂおよび固定具６は、締め付け器具（図示されていない）によって固定されている。

スイッチ２を閉じて平板状ワンターンコイル３に電流を急激に流すと、このコイル３の中央部分４Ａに高密度（磁束密度Ｂ）の磁束７が急激に発生する。この磁束７の一部は、アルミニウム合金薄板５Ａ、５Ｂに交差する。この結果、電磁誘導作用によって下側の合金薄板５Ａに渦電流（電流密度ｉ）が流れ、加熱される。また、単位体積あたり働く電磁力ｆが下側の合金薄板５Ａを上側の合金薄板５Ｂへ押圧する。この結果、合金薄板５Ａ、５Ｂはコイル３の中央部分４Ａに沿って溶接される。電磁力ｆは次のベクトル式で与えられる。

式１

ｆ＝ｉ×Ｂ

図１０に示した電磁シーム溶接装置（コンデンサ電源の容量２００μＦ、コイル中央部分４Ａの幅５ｍｍ）を用い、各種アルミニウム合金薄板（厚さ１ｍｍ）を間隙１ｍｍを設け２枚重ね、長さ１００ｍｍにわたりシーム溶接した結果の一部を以下に示す。

溶接するのに必要な電源のエネルギーは、アルミニウム合金の種類により１〜４ｋＪと大きく変化した。この値は、％導電率（銅の導電率１００に対する割合）６１のアルミニウム合金Ａ１０５０の場合、約１ｋＪであり、％導電率４２の合金Ａ３００４の場合、約２ｋＪであり，％導電率３１の合金Ａ５１８２の場合、約３ｋＪなどである（非特許文献１）。

溶接の際、間隙１ｍｍを設けて重ねられたアルミニウム合金薄板は、パルス電流が流れてから、５〜６μｓの短時間で衝突する。衝突するときの速度は２００〜３００ｍ／ｓと推定される（非特許文献１）。

次に、前述した平板状ワンターンコイルに関する問題点を示す。

この平板状コイルを使用した装置では、％導電率の比較的に小さいアルミニウム合金、またはマグネシウム合金などを溶接する場合、３ｋＪ以上と大きな電源エネルギーを必要とする。この場合、コイル３に流れるパルス電流の最大値は約２００ｋＡ以上となる。このようなパルス大電流を頻繁にコイル３へ流し続けると、コイル３は、自身に働く大きな電磁力で少しずつ変形および位置ずれする。また、コイル自身の温度が上昇し、電気絶縁性を劣化させる。このため、平板状コイルの連続使用には、構造および電気絶縁の両面から制限がある。

本発明者はこの問題を解決するため改良したコイルについて特許出願した（特許文献２）。この改良したコイルを使用すると以上の問題点はほぼ解決する。しかし、コイルの厚さが数倍に増加し、コイル構造が複雑になり、製作費が多額になる。本発明の目的は、コイル板厚を増加させず、低い電源エネルギーで、％導電率の小さいアルミニウム合金などを溶接できる平板状コイルを提供することにある。

課題を解決するための手段

平板状コイルの板厚を変えずに、％導電率の小さい金属薄板を、低い電源エネルギーで効率よくシーム溶接する手段として次のことが考えられる。

（１）コイル中央部分４Ａの幅を、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで、連続的に減少させる。長手方向中央からは、連続的に増加させ、コイル中央部分４Ａの他方の端部へ至る。この幅の変化は最大で２倍以下とする。このような平板状コイル３に、パルス電流が流れると、コイル中央部分４Ａに発生する磁束密度は、中央部分４Ａに沿って一様でなく、幅の狭い部分（長手方向中央）で大きくなる。幅の狭い部分で流れる電流密度が大きくなるからである。

（２）溶接の際、コイル中央部分４Ａに発生する磁束密度が大きい部分（長手方向中央）では、間隙を設けて重ねたアルミニウム合金薄板に働く電磁力が強く、この部分の合金薄板は他の部分に比べ時間的に早く衝突する。この結果、重ねた合金薄板はコイル中央部分４Ａに沿ってわずかに時間差をともなって衝突し、溶接される。

（３）重ねたアルミニウム合金薄板がわずかに時間差をもって衝突することは、時間とともに衝突する部分が高速で移動することになる。また、重ねた合金薄板は、互いに平行でなく、傾斜した状態で衝突する。

（４）重ねたアルミニウム合金薄板が前記（３）のように高速で傾斜衝突すると、金属ジェットが発生する。金属ジェットは、合金薄板の表面を清浄化する力が強い。このような金属ジェットの働きが加われば、低い電源エネルギーで効率よくシーム溶接できる（非特許文献２）。
日本塑性加工学会編「高エネルギー速度加工」、コロナ社（１９９３年４月版）ページ１８３

本発明は、以上の手段を基に、重ねた金属薄板を高速で傾斜衝突させ、エネルギー効率よく電磁シーム溶接を行うことのできる平板状ワンターンコイルを提供する。

発明の効果

請求項１〜４記載の発明による平板状ワンターンコイルを図１０の平板状ワンターンコイル３に替えて使用しても、間隙を設けて重ねたアルミニウム合金などの金属薄板を同様に電磁溶接できる。その際、いずれの平板状ワンターンコイルにおいても、細長い形状の電流集中部の断面形状（幅、厚さなど）が電流の流れる方向に沿って変化している。この結果、重ねた金属薄板はコイル中央部分４Ａに沿ってわずかに時間差をともなって傾斜衝突し、エネルギー効率よく溶接される。

間隙を設けて重ねた金属薄板の電磁溶接は、電磁力、渦電流加熱および衝突効果によって行われる。本発明の平板状ワンターンコイルを使用すれば、衝突効果を最大限に利用できる。この結果、渦電流の流れにくい、％導電率の比較的に小さい金属薄板などをエネルギー効率よく溶接できることになる。

重ねた金属薄板の電磁溶接は、一般的に空気中で行われることが多いが、水中での溶接も可能である。従来の平板状ワンターンコイルを使用した水中での溶接は、溶接部分に存在する水の膜が排除できず、非常に困難であった。しかし、本発明の平板状ワンターンコイルを使用すれば、傾斜衝突させるため、溶接部分の水が溶接部分から次々に外側へ押し出される。このため、水が押し出された部分が次々に溶接（シーム溶接）される。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１にコイル中央部分４Ａの幅を、電流の流れる方向に沿って、連続的に減少させた平板状ワンターンコイルの概略図を示す。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイルの斜視図である。コイル中央部分４Ａの断面は図２のように変化している。コイルの材質、寸法例を以下に示す。材質はクロム銅、板厚は４ｍｍである。中央部分４Ａの長さは約１００ｍｍ、幅は、最大５ｍｍ、最小２ｍｍである。この幅は長手方向の端部から電流の流れる方向に沿って連続的に減少している。

図１に示す平板状ワンターンコイル３を、図１０に示した電磁シーム溶接装置の平板状ワンターンコイル３に変えて使用すると、重ねたアルミニウム合金薄板はコイル中央部分４Ａに沿ってわずかに時間差をともなって傾斜衝突し、エネルギー効率よく溶接される。ただし、従来の平板状コイルと比較して１０％程度しかエネルギー効率がよくならなかった。１００回程度の実験後、コイル中央部分の幅の狭い部分（２ｍｍの位置）の断面に少し変形が見られた。

図３にコイル中央部分４Ａの幅を、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで、連続的に減少させ、長手方向中央からは、連続的に増加させた平板状ワンターンコイルの概略図を示す。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイル中央部分４Ａの電流方向に垂直な断面例である。コイルの材質はクロム銅、板厚は４ｍｍである。中央部分４Ａの長さは約１００ｍｍ、幅は最大４ｍｍ、最小２ｍｍである。この幅はコイル中央部分４Ａの長手方向中央で最小２ｍｍである。

図３に示す平板状ワンターンコイル３を使用した電磁シーム溶接装置の概略を図４に示す。スイッチ２を閉じて平板状ワンターンコイル３に電流を急激に流すと、このコイル３の中央部分４Ａの長手方向中央では、幅が狭いので、他より大きい磁束密度Ｂの磁束７が発生する。この部分では、間隙を設けて重ねたアルミニウム合金薄板５Ａに働く電磁力が強く、この部分の合金薄板５Ａ，５Ｂは他の部分に比べ時間的に早く衝突する。この結果、合金薄板５Ａ，５Ｂは高速で傾斜衝突し、エネルギー効率よく溶接される。

各種アルミニウム合金薄板（厚さ１ｍｍ）を間隙１ｍｍを設け２枚重ね、長さ１００ｍｍにわたりシーム溶接した結果の一部を以下に示す。溶接するのに必要な電源のエネルギーは、アルミニウム合金の種類により１〜３ｋＪと変化した。この値は、％導電率（銅の導電率１００に対する割合）６１のアルミニウム合金Ａ１０５０の場合、約０．８ｋＪであり、％導電率４２の合金Ａ３００４の場合、約１．５ｋＪであり，％導電率３１の合金Ａ５１８２の場合、約２．５ｋＪなどであった。従来の平板状コイルと比較して２０％程度エネルギー効率よく溶接できた。１００回程度の実験後、コイル中央部分の幅の狭い部分（２ｍｍの位置）の断面に少し変形が見られた。

また、アルミニウム合金Ａ１０５０板（厚さ０．５ｍｍ）を間隙０．５ｍｍを設けて重ね、薄いビニール袋に水とともに入れ、板の周囲に水を浸した状態にして、同様に溶接実験した。従来の平板状コイルでは、エネルギー４ｋＪで溶接できなかったが、図３の平板状コイルを使用すると、エネルギー３．５ｋＪで溶接できた。

図５にコイル中央部分４Ａの断面を、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで、連続的に減少させ、長手方向中央からは、連続的に増加させた平板状ワンターンコイルの概略図を示す。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイル中央部分４Ａの電流方向に垂直な断面例である。コイルの材質はクロム銅、板厚は４ｍｍである。中央部分４Ａの長さは約１００ｍｍである。コイル中央部分４Ａの断面は一部で台形となっている。この台形の底辺は長さ４ｍｍ（一定）、上辺は変化し最小長さ２ｍｍである。コイル中央部分４Ａの断面をこのように台形にすると、１００回程度の溶接実験では、断面に変形はほとんど見られなかった。

図６にコイル中央部分４Ａの厚さを、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで、連続的に減少させ、長手方向中央からは、連続的に増加させた平板状ワンターンコイルの概略図を示す。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイル中央部分４Ａの電流方向断面である。コイル中央部分４Ａの幅は５ｍｍ、板厚は２〜５ｍｍが適当である。

図６に示す平板状ワンターンコイル３を、図４、図１０に示した電磁シーム溶接装置に使用しても、前述のコイルと同様にエネルギー効率よく溶接できる。

図３に示した平板状コイル３を用い、％導電率（銅の導電率１００に対する割合）２〜３のステンレス薄板８Ａ，８Ｂを溶接する装置の概略を図７に示す。ステンレス薄板の厚さは０．５ｍｍである。ステンレス薄板８Ａ，８Ｂを間隙０．５ｍｍを設けて重ね、％導電率のよいアルミニウム合金薄板９（厚さ０．５ｍｍで両面が絶縁されている）とともに図７のように平板状コイル３の上に配置、固定する。ステンレス薄板は渦電流が流れにくいので、単独に使用した場合、溶接できない。このため、％導電率のよいアルミニウム合金薄板９（ドライバーと呼ばれている）がステンレス薄板とともに使われる。

スイッチ２を閉じて平板状コイル３に電流を急激に流すと、このコイル３の中央部分４Ａの幅の狭い部分により高密度の磁束７が急激に発生する。この磁束７の一部は、アルミニウム合金薄板９に交差する。合金薄板９は下側のステンレス薄板８Ａとともに上側のステンレス薄板８Ｂに傾斜衝突する。この結果、溶接しにくいステンレス薄板８Ａ，８Ｂをエネルギー効率よくシーム溶接できる。

図８に四角形状にシーム溶接する場合の平板状ワンターンコイルの平面図および放電回路を示す。電流が集中するコイル中央部分４Ａの一部分は、途中から約９０°の角度で二つに分かれ、再び合流して四角形状部分１０を形成している。コイル板厚は４ｍｍであり、四角形状部分１０の幅は２〜５ｍｍ、四角形の一辺の長さは約３０ｍｍである。四角形状部分１０の幅に相違があるので、これまでの直線状にシーム溶接するコイルと同様、エネルギー効率よく四角形状にシーム溶接できる。

本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルの概略図（１）である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイルの斜視図である。 本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルの概略図（２）である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）は中央部分の電流方向に垂直な断面図である。 本発明の実施例２を示す平板状ワンターンコイルの概略図である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）は中央部分の電流方向に垂直な断面図である。 本発明の実施例２を示す平板状ワンターンコイルを用いアルミニウム合金薄板をシーム溶接する電磁溶接装置の概略図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施例３を示す平板状ワンターンコイルの概略図である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）は中央部分の電流方向に垂直な断面図である。 本発明の実施例４を示す平板状ワンターンコイルの概略図である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）は中央部分の電流方向断面図である。 本発明の平板状ワンターンコイルを用いステンレス薄板をシーム溶接する電磁溶接装置の概略図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施例６を示す平板状ワンターンコイルの概略図である。 平板状ワンターンコイルを用いた典型的な電磁溶接装置の概略図である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイルの斜視図である。 図９に示すコイル上部にアルミニウム合金薄板と固定具を配置し、電磁溶接する方法を示す概略図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

１ 電源又はコンデンサ電源
２ スイッチ
３ 平板状ワンターンコイル
４Ａ 平板状ワンターンコイルの中央部分（電流集中部分）
４Ｂ，４Ｃ 平板状ワンターンコイルの周辺部分
４Ｄ 平板状ワンターンコイルの中央部分と周辺部分を接続する部分
５Ａ アルミニウム合金薄板（下側）
５Ｂ アルミニウム合金薄板（上側）
６ 固定具
７ 磁束
８Ａ ステンレス薄板（下側）
８Ｂ ステンレス薄板（上側）
９ アルミニウム合金薄板
１０ 四角形状にシーム溶接する平板状ワンターンコイルの四角形状部分

Claims (4)

1. 導電性金属板を加工して電源からの往きの電流を流すための幅が狭い電流集中部を設け、戻りの電流を流すための幅の広い部分を残りの部分に設けた、電気的に絶縁された一枚の板から構成される平板状ワンターンコイル上に金属薄板などを置き、電源からこのコイルに通電して電磁力を発生させ、この電磁力によって前記金属薄板を溶接する電磁溶接装置において、
   狭い幅の電流集中部の断面形状を、電流の流れる方向に沿って連続的に変化させた平板状ワンターンコイル。
2. 前記の平板状ワンターンコイルにおいて、電流集中部の断面形状を、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで連続的に減少させ、長手方向中央からは、連続的に増加させることを特徴とする請求項１記載の平板状ワンターンコイル。
3. 前記の平板状ワンターンコイルにおいて、電流集中部の幅を、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで連続的に減少させ、長手方向中央からは、連続的に増加させることを特徴とする請求項１記載の平板状ワンターンコイル。
4. 前記の平板状ワンターンコイルにおいて、電流集中部の厚さを、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで連続的に減少させ、長手方向中央からは、連続的に増加させることを特徴とする請求項１記載の平板状ワンターンコイル。

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