JP2008183617A - Flat coil for electromagnetic seam welding - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a coil for electromagnetic seam welding used in the field of assembling automobile parts, electronic parts and the like that require welding of thin metal plates such as aluminum alloys and copper.
溶接が困難と言われているアルミニウム合金、銅などの金属薄板を容易にシーム溶接する方法として、本発明者が考え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),(特許文献3)。
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。一枚の板状のため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)に重ね置かれた金属薄板を溶接できる。 The flat one-turn coil has the following excellent features. Unlike a planar coil around which an electric wire is wound, the inductance as a coil is small, and a large current is likely to flow. Due to the single plate shape, it is not easily damaged even if a large pulse current of 100 kA or more flows. The electromagnetic coupling between the coil (plate shape) and the material to be welded (metal thin plate) is strong. A thin metal sheet placed on one side (top) of the coil can be welded.
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50〜400μF、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(被溶接材)の厚さは1mm以下、溶接部分の長さは200mm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、二枚の金属薄板が高速で衝突する効果でエネルギー効率よくシーム溶接できる(特許文献2)。また、高速で衝突させる際、傾斜衝突させると、さらにエネルギー効率よくシーム溶接できる(特許文献3)。 Generally, a capacitor power source is used as a power source for the electromagnetic welding apparatus. The capacity of the capacitor power supply is 50 to 400 μF, and the charging energy is several kJ. A large pulse current of 100 kA or more flows through the coil for a short time of several 100 μs or less. The thickness of the metal thin plate (material to be welded) is 1 mm or less, and the length of the welded portion is 200 mm or less. When welding is performed by providing a gap of about 1 mm between stacked metal sheets, seam welding can be performed with energy efficiency due to the effect of collision of the two metal sheets at high speed (Patent Document 2). Further, when the collision is performed at a high speed, seam welding can be performed more efficiently when the collision is performed at an inclined angle (Patent Document 3).
先に出願してある平板状ワンターンコイルおよびこのコイルを用いて高速で傾斜衝突させる電磁シーム溶接装置の概略を説明する(特許文献3)。次に、この平板状ワンターンコイルの問題点を述べる。 An outline of a flat one-turn coil that has been filed earlier and an electromagnetic seam welding apparatus that uses this coil to cause an oblique collision at high speed will be described (Patent Document 3). Next, problems of this flat plate one-turn coil will be described.
傾斜衝突させるために用いる典型的な平板状ワンターンコイルの概略図を図7に示す。(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。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。コイル中央部分4Aの幅は、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、連続的に減少し、長手方向中央からは、連続的に増加している。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。 FIG. 7 shows a schematic diagram of a typical flat one-turn coil used for the slant collision. (A) is a coil plan view and a discharge circuit, and (B) is a cross-sectional example perpendicular to the current direction of the coil
図7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8に示す。図(A)は平面図および放電回路、図(B)は図(A)のB−B部分の断面例である。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。磁束7が間隙を設けて重ねたアルミニウム合金薄板5A、5Bに交差すると、電磁誘導作用によって下側の合金薄板5Aに渦電流が流れ、加熱される。また、渦電流に電磁力が働くため、下側の合金薄板5Aは上側へ加速される。 FIG. 8 shows an outline of an electromagnetic seam welding apparatus using the flat plate-shaped one-turn coil 3 shown in FIG. FIG. 3A is a plan view and a discharge circuit, and FIG. 2B is a cross-sectional example of a BB portion in FIG. When the switch 2 is closed and a current is suddenly passed through the flat plate-shaped one-turn coil 3, the
大きい磁束密度Bが発生するコイル3の中央部分4Aの長手方向中央では、下側のアルミニウム合金薄板5Aに働く加速度が大きく、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、重ねたアルミニウム合金薄板の各部分は時間差を生じて衝突する。衝突する部分は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。このような衝突を傾斜衝突と呼んでいる。 At the center in the longitudinal direction of the
重ねたアルミニウム合金薄板が前記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1)。
例えば、アルミニウム合金A5182薄板(厚さ1mm)を間隙1mmを設け二枚重ね、傾斜衝突させ、長さ100mmにわたりシーム溶接するのに必要な電源のエネルギーは、約2.5kJであり、傾斜衝突させない場合に比べ20%程度低い電源エネルギーで溶接できる。 For example, when the aluminum alloy A5182 thin plate (thickness 1 mm) is overlapped with a gap of 1 mm, and collided with an inclination, and the energy of the power source required for seam welding over a length of 100 mm is about 2.5 kJ, It can be welded with about 20% lower power energy.
次に、前述した平板状ワンターンコイル3の問題点を示す。図7に示す平板状ワンターンコイル3では、コイル中央部分に幅の狭い(2mmの)部分が存在する。このため、100回程度の実験後、この狭い部分の断面に変形が見られた。その後も実験を続けると、変形が進み、コイルと被溶接材(アルミニウム合金薄板)との電磁結合が悪くなるため,電源エネルギー約2.5kJでは、シーム溶接できなくなる。現状では、この変形を解決するコイル材料が見つからないので、コイル中央部分の幅を狭くすることに問題がある。 Next, problems of the flat plate-shaped one-turn coil 3 will be described. In the flat plate-shaped one-turn coil 3 shown in FIG. 7, a narrow (2 mm) portion exists in the central portion of the coil. For this reason, after about 100 experiments, deformation was observed in the cross section of this narrow portion. If the experiment is continued thereafter, the deformation progresses and the electromagnetic coupling between the coil and the material to be welded (aluminum alloy thin plate) deteriorates, so that seam welding cannot be performed at a power source energy of about 2.5 kJ. At present, there is a problem in narrowing the width of the central portion of the coil because no coil material that can solve this deformation is found.
また、シーム溶接された部分の幅が一様でなくなる。この幅はコイル中央部分で狭く、コイル端部で広くなる。幅の広い部分では、接合強度が極端に弱くなる可能性もある。シーム溶接される部分の幅は、外見上からもできる限り一様にしたい。 Further, the width of the seam welded portion is not uniform. This width is narrow at the coil center and wide at the coil end. In a wide portion, the bonding strength may be extremely weak. The width of the seam welded portion is desired to be as uniform as possible from the appearance.
傾斜衝突させる他のコイル構造として、コイル中央部分の幅を狭くする代わりに、コイル中央部分の厚さを変化させる方法もある(特許文献3)。しかし、コイルに流れる電流が高周波数で変化することが多く、電流はコイル表面に集中して流れやすい。このため、コイル中央部分の厚さを変えて傾斜衝突させる効果が現れにくくなる。 As another coil structure that causes an oblique collision, there is a method in which the thickness of the coil central portion is changed instead of narrowing the width of the coil central portion (Patent Document 3). However, the current flowing through the coil often changes at a high frequency, and the current tends to flow concentrated on the coil surface. For this reason, the effect of changing the thickness of the coil central portion to cause an oblique collision is less likely to appear.
平板状ワンターンコイルの中央部分の幅を部分的に狭くする、または部分的に厚さを薄くすることなく、被溶接材を高速で傾斜衝突させ、エネルギー効率よくシーム溶接する手段を以下の順に示す。シーム溶接される部分の幅も比較的に一様になる。 Means for performing seam welding with high energy efficiency by making the welded material collide at a high speed without partially reducing the width of the central part of the flat one-turn coil or reducing the thickness of the coil in the following order. . The width of the seam welded portion is also relatively uniform.
(1)先ず、コイル中央部分4Aの幅および厚さを一定とし、その両側の幅の広い周辺部分4B、4Cの幅を部分的に3段階に変化させた平板状ワンターンコイル3(図1)を考える。コイル中央部分4Aと周辺部分4B、4Cの間の空間を、簡単のため「切り込み」と呼ぶことにする。この切り込み幅が3段階に変化している。数値例としては、中央部分4Aの幅5mm、長さ150mm、3段階の切り込みの幅3、5、7mm、長さ各50mmである。(1) First, a flat one-turn coil 3 in which the width and thickness of the coil
(2)このコイル3へ電流を流すと、切り込み幅の狭い(3mmの)部分では、往復する電流が比較的近くに存在するため、この部分では、コイル中央部分4Aの上部に発生する磁束密度が小さくなる。逆に、切り込み幅の広い(7mmの)部分では、コイル中央部分4Aの上部に発生する磁束密度が大きくなる。(2) When a current is supplied to the coil 3, a reciprocating current is present in a relatively close portion where the cut width is narrow (3 mm). Therefore, in this portion, the magnetic flux density generated in the upper portion of the coil
(3)次に、切り込み幅を連続的に変化させた平板状ワンターンコイル3(図2)を考える。切り込み幅の狭いコイル中央部分4Aの長手方向端部では発生する磁束密度が小さく、逆に、切り込み幅の広い長手方向中央部では発生する磁束密度が大きい。この結果、このコイルの上部に重ねたアルミニウム合金薄板を置いて、コイルにパルス大電流を急激に流すと、合金薄板は高速で傾斜衝突し、エネルギー効率よくシーム溶接され得る。(3) Next, consider the flat plate-shaped one-turn coil 3 (FIG. 2) in which the cutting width is continuously changed. The magnetic flux density generated at the longitudinal end of the coil
本発明は、以上のように、コイル中央部分の幅を部分的に狭くすることなく、重ねた金属薄板など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できる平板状ワンターンコイルを提供する。 As described above, the present invention provides a flat plate-shaped one-turn coil capable of causing energy-efficient electromagnetic seam welding by causing sloping collision of stacked metal thin plates at high speed without partially reducing the width of the coil central portion.
請求項1〜2記載の発明による平板状ワンターンコイルを図8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シーム溶接できる。その際、これらの平板状ワンターンコイルにおいて、コイル中央部分4A(電流集中部)上で発生する磁束密度の大きさ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。 Even when the flat one-turn coil according to the first and second aspects of the invention is used in place of the flat one-turn coil 3 of FIG. 8, electromagnetic seam welding can be similarly performed on a thin metal plate such as an aluminum alloy provided with a gap. At this time, in these flat plate-shaped one-turn coils, the magnitude of the magnetic flux density generated on the coil
請求項2記載の発明による平板状ワンターンコイルを使用すれば、シーム溶接される部分の幅がほぼ一定になる。溶接部分の接合強度が一部で極端に弱くなることはない。また、コイル中央部分4A(電流集中部)の幅を部分的に狭くすることがないので、この部分の変形が比較的に少なくなる。 If the flat plate-shaped one-turn coil according to the second aspect of the present invention is used, the width of the seam welded portion becomes substantially constant. The joint strength of the welded part does not become extremely weak in part. In addition, since the width of the coil
この種の平板状ワンターンコイルを使用すると、間隙を設けて重ねた金属薄板を水など液体中でシーム溶接できる。急激に傾斜衝突させることで、溶接部分の水が溶接部分から次々に外側へ押し出され、水のなくなった部分が連続して溶接(シーム溶接)される。 When this type of flat plate-shaped one-turn coil is used, it is possible to seam weld thin metal plates stacked with a gap in a liquid such as water. By causing the abrupt inclined collision, the water in the welded portion is pushed out from the welded portion to the outside one after another, and the portion where the water disappears is continuously welded (seam welding).
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図2にコイル中央部分4Aと周辺部分4B、4Cの間の空間(簡単のため「切り込み」と呼ぶ)幅を、コイル中央部分の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、連続的に増加させ、長手方向中央からは、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放電回路と共に示す。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3mmである。中央部分4Aの長さは約130mm、幅は5mmである。切り込み幅は最大7mm、最小3mmであり、連続的に変化している。 FIG. 2 shows the width of the space between the coil
図2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3に示す。図3(A)は平面図および放電回路、図3(B)は図(A)のB−B部分の断面例である。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の長手方向中央では、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。 FIG. 3 shows an outline of an electromagnetic seam welding apparatus using the flat plate-shaped one-turn coil 3 shown in FIG. 3A is a plan view and a discharge circuit, and FIG. 3B is a cross-sectional example of the BB portion of FIG. When the switch 2 is closed and a current is rapidly passed through the flat plate-shaped one-turn coil 3, a magnetic flux 7 having a magnetic flux density B larger than the others is generated at the center in the longitudinal direction of the
例えば、アルミニウム合金A5182薄板(厚さ1mm)を間隙1mmを設け2枚重ね、傾斜衝突させ、長さ100mmにわたりシーム溶接するのに必要な電源のエネルギーは、約2.7kJであり、傾斜衝突させない場合に比べ10%程度低い電源エネルギーで溶接できた。100回程度の実験後、コイルの切り込み先端部分に少し変形が見られた。この変形は切り込み部分先端を図4のように変えることで解決する(特許文献4)。
図5に切り込み幅をコイル中央部分の長手方向に沿って、部分的に変化させた平板状ワンターンコイルの概略図を放電回路と共に示す。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3mmである。中央部分4Aの長さは約130mm、幅は5mmである。切り込み幅の多くは3mmであが、片側5カ所で部分的に4、5、7mmと変化している。このようなコイルを使用しても、高速で傾斜衝突させ、エネルギー効率よく溶接できる。 FIG. 5 shows a schematic diagram of a flat plate-shaped one-turn coil in which the cut width is partially changed along the longitudinal direction of the central portion of the coil together with the discharge circuit. Examples of coil materials and dimensions are shown below. The material is chrome copper and the plate thickness is 3 mm. The
図6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8を形成している。コイル板厚は3mmであり、四角形状部分8の幅は5mm、四角形の一辺の長さは約30mmである。四角形状部分8と周辺部分4B、4Cの間隔が変化しているので、これまでの直線状にシーム溶接するコイルと同様、傾斜衝突させ、エネルギー効率よく四角形状にシーム溶接できる。 FIG. 6 shows a plan view and a discharge circuit of a flat plate-shaped one-turn coil in the case of seam welding in a square shape. A portion of the coil
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
8 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1 Power supply or capacitor power supply 2 Switch 3 Flat one-
4B, 4C Peripheral part of flat plate one-turn
5B Aluminum alloy sheet (upper)
6 Fixing tool 7 Magnetic flux 8 A rectangular part of a flat plate one-turn coil that is seam welded in a rectangular shape
Claims (2)
狭い幅の電流集中部と広い幅の周辺部分の間を、部分的に変化させた平板状ワンターンコイル。An electrically conductive metal plate is processed to provide a narrow current concentrator for flowing current from the power source, and a wide portion for supplying return current is provided in the remaining peripheral part. An electromagnetic welding apparatus that places a thin metal plate on a flat plate-shaped one-turn coil composed of a single insulated plate, energizes the coil from a power source to generate electromagnetic force, and welds the thin metal plate by this electromagnetic force. In
A flat one-turn coil in which the current is concentrated between a narrow width and a wide peripheral area.
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