JP2010110814A - 平板状コイル両面の金属薄板を同時に溶接する電磁溶接法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、平板状ワンターンコイルを用いてアルミニウム薄板などを溶接する電磁溶接法に関する。従来の方法では、コイルに溶接用の電磁力ｆが働くため、コイルの耐久性能が低下する欠点があった。これを改良し、コイルに電磁力ｆが実質的に働かない電磁溶接法を提供する。
【手段】平板状ワンターンコイル３の両面に二組のアルミニウム薄板５Ａ、５Ｂを、それぞれ配置、固定し、コイル３にパルス大電流を流して電磁溶接する。コイル３に働く二つの電磁力ｆが互いに反対向きとなり、コイル３には電磁力ｆが働かなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属薄板の溶接に関するもので、平板状のワンターンコイルを使用し、アルミニウム薄板などを電極を用いずに瞬間的に電磁溶接する方法に関する。

技術背景

アルミニウム（アルミニウム合金を含む、以下同じ）など良導電性の薄板は、一般的な方法での溶接が困難である。この種の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、アルミニウム薄板などをシーム溶接する電磁溶接装置において、例えば、１枚の銅板材に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アルミニウム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、アルミニウム薄板をシーム溶接する方法である。
特許第３７５１１５３号

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、１００μｓ以下の短時間流れる。アルミニウムなど金属薄板の厚さは２ｍｍ以下、溶接部分の長さは３００ｍｍ以下である。すでに、各種の電磁溶接装置が開発されている（特許文献２〜５）。
特許第３８５２８２３号 特許第３８５２８２４号 特許第３９４２０８１号 特許第３９４２０８３号

電磁溶接法または電磁溶接装置を製品の製造などに使用するとき、１００ｋＡ以上のパルス大電流が流れるコイルの耐久性能（寿命）が問題となる。このため、電磁溶接用コイルに関する開発も行われている（特許文献６〜８）。また、コイル形状について検討がなされている（非特許文献１）。
特開２００３−１２３９６０号 特開２００４−３４２５３５号 特開２００８−５５５０５号 相沢友勝ら，「電磁シーム溶接に及ぼすコイル形状の影響」，平成１９年度塑性加工春季講演会，社団法人日本塑性加工学会，２００７年５月，講演論文集，ｐ．２４１−２４２

前述した１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図４に示す。現在、電磁溶接実験で最もよく使用されているコイルであり、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。往きと戻りの電流間に働く電磁力が，幅の狭いコイル中央部分４Ａで互いに打消される構造になっている。図５はこの状態を模式的に示している。コイル中央部分４Ａに働く電磁力ｇが互いに反対向きで、同じ大きさなので、結果として中央部分４Ａには電磁力が働かない。この状態では、１００ｋＡ以上のパルス大電流が流れても、コイルは変形，損傷を受けにくい。

しかし、このコイルを使用してアルミニウム薄板などをシーム溶接すると、コイルの耐久性能（寿命）が問題となる。溶接時には、コイル中央部分４Ａに、打ち消されない別の電磁力が働くからである。この電磁力は、溶接に必要な電磁力としてコイル中央部分４Ａに働く。本発明者は、この電磁力について理論的および実験的に検討し、今回の発明に至った。

先ず、１枚の銅板材に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た従来の電磁溶接装置の概略を説明する（非特許文献２）。次に、この溶接法およびコイルの問題点を述べる。
相沢友勝ら，「各種アルミニウム合金薄板の電磁シーム溶接」，電子情報通信学会技術研究報告，社団法人電子情報通信学会，１０４巻５７４号，ＥＭＤ−２００４−９４，２００５年１月，ｐ．７〜１２

図４はこのコイルを用いた従来の電磁溶接装置の概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はコイルの斜視図である。この装置の主な構成要素は、図４（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。このコイル３は電気的に絶縁された一枚の銅平板からなっている。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、コイル３にパルス大電流が往復して流れる。コイル３の細長い中央部分４Ａには、電流が集中して流れ、この部分４Ａに沿って高密度磁束が発生する。図５は、コイル中央部分４Ａに働く電磁力ｇを模式的に示している。往復する電流間には電磁力が働き、コイル中央部分４Ａには、二つの電磁力ｇが働く。これらの電磁力ｇは、方向が反対向きで、大きさが同じなので、結果として中央部分４Ａには、電磁力が働かない。

図４に示す装置は、図６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薄板５Ａ、５Ｂを重ね配置し、これらを溶接するものである。図６で、コイル３、アルミニウム薄板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、コイル側のアルミニウム薄板５Ａに交差する。この結果、電磁誘導作用によって薄板５Ａに渦電流（電流密度ｉ）が急激に流れ、加熱される。また、単位体積あたり働く電磁力ｆがこの薄板５Ａを上側の薄板５Ｂへ押圧する。この結果、アルミニウム薄板５Ａ、５Ｂはコイル３の中央部分４Ａに沿って溶接（圧接）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

コイル側の薄板５Ａに流れるコイル近くの渦電流は、図７に示すように、コイルの横幅にほぼ等しい範囲のコイル側表面８に集中して流れると考えられる。この渦電流とコイル電流の間に電磁力ｆが働く。なお、急激に変化するコイル電流もコイル中央部分４Ａの表面に集中して流れる。コイル中央部分４Ａにも電磁力ｆが働く。この電磁力ｆは電磁反発力とも呼ばれる。

図６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できた。溶接するのに必要なコンデンサ電源の充電エネルギーは、アルミニウム合金の種類により１〜４ｋＪであった（非特許文献２）。

次に、前述した平板状ワンターンコイルを用いた従来の電磁溶接法の問題点を示す。

前述の溶接実験では、アルミニウム薄板５Ａに大きな電磁力ｆが働く。この電磁力ｆは、反作用としてコイル３の中央部分４Ａにも働く。この電磁反発力ｆの影響を減らすため、中央部分４Ａの電流方向に垂直な断面（縦断面）形状については、その垂直方向の長さａの水平方向長さｂに対する比（ａ／ｂ）を１に比べて小さくしてある（図７参照）。水平方向長さｂを比較的に大きくし、中央部分４Ａに働く電磁反発力ｆの圧力を分散し、変形を少なくするためである。

しかし、この力ｆはコイルの構造をいかに工夫しても避けることはできない。
従って、大きな充電エネルギーで大きな電流を流し、繰り返し使用することには、制限があり、問題点となっている。特に、コイル中央部分４Ａの縦断面で水平方向の長さｂを小さくして、狭い幅でシーム溶接したい場合、コイルを頻繁に交換するしか解決する手段がなかった。

本発明者はこの問題を解決するためコイル構造を改良した特許も出願した（特許文献７、８）。改良したコイルを使用すると以上の問題点は少し解決する。例えば、繰り返し使用できる充電エネルギーが２０〜４０％増加する。しかし、本質的な問題の解決には至っていない。本発明は、発想を変え、コイル中央部分４Ａに働く電磁反発力ｆを無くした電磁溶接法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

平板状ワンターンコイルの中央部分４Ａに働く電磁反発力ｆを無くし、これまでとほぼ同様な電源エネルギーで効率よくシーム溶接する方法を検討し、基礎実験を行い、次のことがわかった。順に示す。

（１）一組のアルミニウム薄板５Ａ、５Ｂを、水平に置かれた平板状ワンターンコイル中央部分４Ａの上下両側に、それぞれ重ね配置する。これらを締め付け器具で固定し、同様に溶接する。

（２）溶接の際、電磁反発力ｆは、中央に位置するコイル中央部分４Ａと上下に位置する２枚のアルミニウム薄板５Ａの間にそれぞれ働く。薄板５Ａに働く電磁力ｆは、図２に示す方向で逆向きである。これらの力の反発力がコイル中央部分４Ａにも働く（図２には図示されていない）。従って、コイル中央部分４Ａに働く二つの電磁反発力も方向は逆向きとなる。

（３）この結果、コイル中央部分４Ａ、詳しくは縦断面の中心には、電磁反発力が働かない。実際にはコイル中央部分４Ａの電流方向の中心線に沿って、電磁反発力が働かない。

（４）ただし、コイル中央部分４Ａの縦断面の垂直および水平方向の長さを選択することが重要である．従来のように、垂直方向の長さａの水平方向長さｂに対する比（ａ／ｂ）が１に比べて小さいままであると、エネルギー効率よく溶接できない．

（５）この理由は、コイルの上下に位置した２枚のアルミニウム薄板５Ａに、同方向で同じ大きさの渦電流が流れ、２枚のアルミニウム薄板５Ａの間に電磁吸引力ｈが、新たに発生するからである。この場合、アルミニウム薄板５Ａに単位体積あたり働く電磁力はｆ−ｈとなる。溶接に必要な電磁力が減少するので、エネルギー効率よく溶接できなくなる．

（６）コイル中央部分４Ａの縦断面の垂直方向および水平方向の長さを適切に選べば、これまでとほぼ同様な電源エネルギーで効率よく溶接できる。

本発明は、以上の新知識を基に、重ねたアルミニウムなど金属薄板を、平板状ワンターンコイルの両側に、それぞれ配置、溶接するとき、コイル中央部分４Ａの中心線に沿って、電磁反発力ｆが働かないことを特徴とする電磁溶接法を完成させた。

発明の効果

前記の特徴を有する電磁溶接法または電磁溶接機はこれまで見あたらない．その理由は，平板状ワンターンコイルが比較的に強固で，パルス大電流が流れても損傷を受けにくいからである．しかし，電磁反発力を無くした効果は以下のように大きい．

請求項１〜３記載の発明による電磁溶接法は，実際に製品の生産現場で使用されるとき，特に効果を発揮する．第一に，使用するコイルの寿命が長くなる．第二に，二組の製品が同時に溶接され、生産性が向上する．第三に，コイル中央部分４Ａの縦断面の水平方向長さｂを比較的に小さくして，端子板など電子部品を溶接する場合，コイル交換なしで，量産できる．

図１に本発明に係る電磁溶接法の概略構成を説明するための概念図を示す。
（Ａ）は平板状ワンターンコイル３、アルミニウム薄板５Ａ、５Ｂ、固定具６を上から見た平面図であり、コイル３には、電源１、スイッチ２を含む放電回路が接続されている。（Ｂ）は縦断面を示す。図１（Ｂ）に示すように、コイル３の上下に二組の薄板５Ａ、５Ｂが配置されている。これらは固定具６および締め付け器具（図示されていない）によって固定される。

スイッチ２を閉じてコイル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、コイル３の上下に置かれたアルミニウム薄板５Ａに交差する。この結果、電磁誘導作用によってコイル３に近い２枚の薄板５Ａに渦電流（電流密度ｉ）が急激に流れ、加熱される。また、これらの薄板５Ａには、単位体積あたり電磁力ｆが働き、薄板５Ａを薄板５Ｂへ押圧する。

コイル３の中央部分４Ａの縦断面（長方形）において、垂直方向の長さａの水平方向長さｂに対する比（ａ／ｂ）を１以上とすることで、二組のアルミニウム薄板５Ａ、５Ｂはコイル３の中央部分４Ａに沿って溶接される。このとき、溶接に必要な電源のエネルギーは、従来の方法（図６）とほぼ同じになる。

この理由を以下に順に示す。
（１）アルミニウム薄板５Ａに働く電磁力は、コイル電流からの電磁力ｆおよび渦電流どうしに働く電磁力ｈであり、図２のような方向である。従って、薄板５Ａに働く実際の電磁力はｆ−ｈとなり、減少する。

（２）アルミニウム薄板５Ａが一組だけの場合（従来の方法と同じ）、これに働く電磁力はｆである。ここでは、（ｆ−ｈ）／ｆの値を算出する。この値が１に近ければ、二組の薄板５Ａには、一組だけの場合とほぼ同じ電磁力が働く。従って、従来の方法（図６）とほぼ同じエネルギーで溶接される。

（３）電磁力ｆおよびｈの値は、電磁力と等価な磁気圧力から求まる。磁気圧力は磁束密度から概算される（非特許文献２の（６）式）。磁束密度は、電流が図２のようにコイル中央部分４Ａの表面に、渦電流が薄板５Ａの表面８にそれぞれ集中して流れると仮定して得られる（非特許文献２の（７）式）。

（４）前記の仮定のもと、（ｆ−ｈ）／ｆを計算した結果の例を表１および表２に示す。ここで、ａおよびｂは、コイル３の中央部分４Ａの縦断面（長方形）において、それぞれ、垂直方向の長さおよび水平方向長さである。また、コイル中央部分４Ａとアルミニウム薄板５Ａの距離を０．１ｍｍとした。この距離は、絶縁シートの厚さである。比（ａ／ｂ）が１以上になると、（ｆ−ｈ）／ｆの値は０．７０以上となる。

本発明の効果を確認するため、前記図１に示した電磁溶接法で実験した。溶接結果の一部を示す。表１のａ＝３ｍｍ，ｂ＝３ｍｍのコイルを使用し、二組のアルミニウム薄板５Ａ、５Ｂを図１のように配置して行った。板厚１．０ｍｍの工業用純アルミニウム板を長さ１００ｍｍにわたってシーム溶接するのに必要なエネルギーは、従来の場合に比べ、約３０％増加し、約１．７ｋＪであった。板厚１．５ｍｍの場合、必要なエネルギーは、約２．６ｋＪであった。

この実験における、コイル中央部分４Ａの変形状態について述べる。従来の溶接方法（ａ＝３ｍｍ，ｂ＝３ｍｍのコイルを使用）の場合、エネルギー２．６ｋＪで実験すると、コイル中央部分４Ａは、電磁反発力を受けて変形し、数回の実験で使用できなくなった。これに対し、今回の溶接法の場合（ａ＝３ｍｍ，ｂ＝３ｍｍ）、コイル中央部分４Ａに電磁反発力が働かないので、１００回以上の使用でも、変形など生じなかった．

コイル中央部分４Ａの長方形断面において、垂直方向の長さａおよび水平方向長さｂの好ましい値は、ａ＝４ｍｍ、ｂ＝２ｍｍ、またはａ＝４ｍｍ、ｂ＝３ｍｍ、またはａ＝３ｍｍ、ｂ＝３ｍｍなどである。本発明の溶接法は、ｂの値を小さくして、狭い幅でシーム溶接するのに適している。なお、従来の方法では、コイル中央部分４Ａが変形しやすく、狭い幅のシーム溶接は困難であった。

図３にコイル中央部分４Ａの断面形状を長方形から別の形状に変えた例を示す。（Ａ）は断面形状を八角形、（Ｂ）は長円形とした例である。コイル中央部分４Ａの中心線近くには、電磁反発力が作用しないが、中央部分４Ａの周辺部分には電磁反発力が少し働く。このため、中央部分４Ａの断面形状は、長方形より八角形または長円形の方がよい。従来の電磁溶接方法（図６）では、長円形などの場合、電磁反発力で断面が変形しやすかった。本発明の方法では、長円形としても変形が生じにくい。

図３のコイル中央部分４Ａの縦断面形状において、垂直方向の最大長さａおよび水平方向最大長さｂの好ましい値は、ａ＝４ｍｍ、ｂ＝２ｍｍ、またはａ＝４ｍｍ、ｂ＝３ｍｍ、またはａ＝５ｍｍ、ｂ＝３ｍｍなどである。

コイル中央部分４Ａの断面形状の以外について述べる。一般的なコイル３の平面形状は図１および図４に示すように、中央部分４Ａが直線的であるが、本発明の電磁溶接法は、中央部分４Ａが直線的でない場合（非特許文献３）についても適応できる。曲線状にシーム溶接する場合、コイルが比較的に変形しやすいので、本発明の電磁溶接法がより有効である。
相沢友勝，「アルミニウム薄板の周回電磁シーム溶接」，軽金属溶接，社団法人軽金属溶接構造協会，４４巻１号，２００６年１月，ｐ．２０〜２５

本発明に係る電磁溶接法を説明するための概念図である。（Ａ）は平面図および放電回路、（Ｂ）は縦断面図である。 本発明に係るアルミニウム薄板に働く電磁力を示す概略図である。 本発明に係るコイル中央部分縦断面の長方形以外の例である。 平板状ワンターンコイルおよび放電回路の概念図である。（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。 コイル中央部分に働くコイル電流間の電磁力を示す概念図である。 従来の電磁溶接法を説明するための概念図である。 従来の電磁溶接法のアルミニウム薄板に働く電磁力を示す概略図である。

符号の説明

１ 電源（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
４Ｂ，４Ｃ 平板状ワンターンコイルの周辺部分
５Ａ アルミニウム薄板（コイル側）
５Ｂ アルミニウム薄板（固定具側）
６ 固定具
７ 磁束
８ アルミニウム薄板（コイル側）の渦電流が流れる部分（表面）
ａ コイル中央部分縦断面の垂直方向の長さ（最大長さ）
ｂ コイル中央部分縦断面の水平方向の長さ（最大長さ）
ｆ アルミニウム薄板（コイル側）に働く電磁力
ｇ コイル中央部分に働くコイル電流間の電磁力
ｈ アルミニウム薄板（コイル側）の渦電流間に働く電磁力

Claims (3)

1. 銅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く電流が集中して流れる中央部分を設け、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と固定具との間に，一組の金属薄板を重ねて置き、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法において、
   重ねた二組の金属薄板を、平板状ワンターンコイルの、両面に一組ずつ置き、それぞれ固定具を用いて固定し、このコイルに通電し、二組の金属薄板を同時に溶接する電磁溶接法。
2. 前記の平板状ワンターンコイル中央部分の電流方向に垂直な断面形状において、コイル面に垂直方向の最大長さａのコイル面方向最大長さｂに対する比（ａ／ｂ）を１以上とすることを特徴とする請求項１記載の電磁溶接法。
3. 前記の平板状ワンターンコイル中央部分の電流方向に垂直な断面形状を、正方形または長方形または八角形または円形または長円形とすることを特徴とする請求項２記載の電磁溶接法。

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