JP2011161512A - Electromagnetic welding coil and method for fixing the same - Google Patents
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Description
本発明は、電極板、プリント配線基板など電気・電子部品の組立て分野において使用されるアルミニウム、銅などの板,箔を電磁力によって溶接する電磁溶接用コイルおよび固定法に関する。 The present invention relates to an electromagnetic welding coil and a fixing method for welding plates and foils of aluminum, copper, and the like, which are used in the field of assembling electric and electronic components such as electrode plates and printed wiring boards, by electromagnetic force.
溶接しにくいアルミニウム板などを容易に溶接する方法として、本発明者らが開発した電磁溶接法がある(特許文献1〜3)。この電磁溶接法は、アルミニウム板などを電磁力で溶接する電磁溶接装置において、電流集中部分を設けた平板状ワンターンコイル、または平角電線を往復させてたコの字形状のワンターンコイルを用い、コンデンサ電源からコイルに放電大電流を流し、平板状ワンターンコイルの上、またはコの字形状のコイルの内側に重ね置かれたアルミニウム板などを電磁力でシーム(線)状に重ね溶接する方法である。
図1は、従来から使われている代表的な平板状ワンターンコイル1の斜視(一部断面)図である。コイルの材質は電流が流れやすい銅または銅合金である。電流は、幅の狭いコイル中央の電流集中部分1aに流入し、折り返し部分1bで向きを変え、幅の広い周辺部分1cから流出する.コイル巻数は1でワンターンコイルと呼ばれる。図1の断面部分に描かれた記号(○印の中に×または・)は電流の方向を示す記号である。 FIG. 1 is a perspective view (partial cross-sectional view) of a typical flat plate-shaped one-
図2は、平板状ワンターンコイル1(1a、1b、1c)を用いて、アルミニウム板2を溶接する状態を示す断面図である。このコイル1は、図示されてない薄いポリイミド製シートなどで電気的に絶縁され、上に重ね置かれたアルミニウム板2とともに、上下の固定板3で加圧、固定される。加圧装置は省略されている。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the
平板状ワンターンコイル1の板厚および電流集中部分1aの断面横幅は、大きな電磁力を効率的に発生させるため、できるだけ薄く、狭いほうがよい。しかし、溶接時に、電流集中部分1aに放電大電流が流れ、この部分にも大きな電磁力が反作用として働く。このため、コイル板厚は2〜3mm、電流集中部分1aの断面横幅は、3〜5mmに選ばれている。電磁力(反作用)で電流集中部分1aが変形するのを防ぐため、平板状ワンターンコイル1の下側には強固な固定板3が配置される。 The plate thickness of the flat one-
電流集中部分1aの断面横幅を狭くすると、電磁力(反作用)の圧力が大きくなり、下側の固定板3がへこみ、電流集中部分1aは変形しやすくなる。通常、電流集中部分1aの断面横幅を板厚に比べ大きくして、電流集中部分1aに生じる電磁力の圧力を減らし(分散し)、この部分の変形を防いでいる。電流集中部分1aの断面横幅を板厚に比べ小さくしたこの種のコイルは見あたらない。 When the cross-sectional width of the current concentration portion 1a is narrowed, the pressure of the electromagnetic force (reaction) increases, the
平角電線を往復させてたコの字形状ワンターンコイルでは、平角電線が図1の電流集中部分1aに相当する。コイルの構造は異なるが、平角電線の電流に垂直方向断面の横幅、縦幅は、それぞれ2〜5mmであり、平板状ワンターンコイル1の電流集中部分1aの断面横幅、縦幅(板厚)にほぼ等しい。このため、平板状ワンターンコイルの場合に生じる断面形状の問題、解決手段などは、コの字形状ワンターンコイルの場合も、ほぼ同様に考えられる。 In the U-shaped one-turn coil obtained by reciprocating the flat electric wire, the flat electric wire corresponds to the current concentration portion 1a in FIG. Although the structure of the coil is different, the horizontal width and vertical width of the cross section in the direction perpendicular to the current of the rectangular electric wire are 2 to 5 mm, respectively, and the cross-sectional horizontal width and vertical width (plate thickness) of the current concentrated portion 1a of the flat plate-shaped one-
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10〜400μF、充電エネルギーは1〜数kJである。コンデンサ電源から前記平板状ワンターンコイル1へ放電電流を流すと、コイルには最大値100kA以上の大電流が、100μs以下の短時間流れる。コイルの電流集中部分1a(幅3〜5mm)には、高密度の磁束が急激に発生し、アルミニウム板(被溶接材)2に交差する。アルミニウム板2には渦電流と呼ばれる誘導電流が流れ、加熱されるとともに電磁力が働く。この結果、アルミニウム板2は電流集中部分1aに沿ってシーム溶接(圧接)される(非特許文献1〜3)。
図1に示した従来の平板状ワンターンコイル1などを用いた溶接装置では、シーム溶接される部分の幅は、コイルの電流集中部分1aの断面横幅3〜5mmとなる。このシーム溶接幅を1mm以下とすることは困難である。その理由は、コイル電流集中部分1aの断面横幅を1mm以下にすると、放電大電流を流したとき、変形または溶融しやすくなるからである(非特許文献4)。
コイル電流集中部分1aの断面横幅を1mm以下とし、この部分の周囲を絶縁材で固定して、この部分の変形を防ぐ方法が考えられる。しかし、平板状コイルの板厚が2〜3mmと薄いため、十分な固定ができなかった。また、電流集中部分1aの側面を絶縁材で固定すると、この部分の放熱が困難となり、溶融しやすくなる。 A method is conceivable in which the cross-sectional width of the coil current concentration portion 1a is set to 1 mm or less and the periphery of this portion is fixed with an insulating material to prevent deformation of this portion. However, since the thickness of the flat coil was as thin as 2 to 3 mm, it could not be fixed sufficiently. Moreover, if the side surface of the current concentration portion 1a is fixed with an insulating material, it is difficult to dissipate heat at this portion, and it is easy to melt.
これらの理由で、コイル電流集中部分1aの断面横幅を1mm以下とし、シーム溶接幅を1mm以下とする考えは、これまでなかった。シーム溶接幅を1mm以下とすることは、細狭化が進むプリント配線基板、電子部品の組立て分野で特に必要である。シーム溶接幅を狭くして電磁溶接することは、解決すべき課題になっている。本発明の目的は、これを解決し、シーム溶接幅を狭くできる電磁溶接用コイルおよび固定法を提供することである。 For these reasons, there has been no idea so far that the cross-sectional width of the coil current concentration portion 1a is 1 mm or less and the seam weld width is 1 mm or less. The seam weld width of 1 mm or less is particularly necessary in the field of assembling printed wiring boards and electronic components that are becoming narrower. Narrowing the seam welding width to perform electromagnetic welding is a problem to be solved. An object of the present invention is to provide an electromagnetic welding coil and a fixing method that can solve this problem and reduce the seam welding width.
平板状ワンターンコイル1(図1、図2)の電流集中部分1aの断面横幅を1mm以下とし、前述の問題を解決する方法を順に示す。 A method for solving the above-described problems will be described in order by setting the cross-sectional width of the current concentrated portion 1a of the flat one-turn coil 1 (FIGS. 1 and 2) to 1 mm or less.
(1)電流集中部1aの断面形状を長方形とし、この横幅を1mm以下とし、平板状ワンターンコイル1の板厚を10mm〜20mmとする。(1) The cross-sectional shape of the current concentration portion 1a is rectangular, the lateral width is 1 mm or less, and the plate thickness of the flat one-
(2)幅1mm以下とした電流集中部1aの変形を防ぐため、コイルの電流集中部1aと幅の広い周辺部分1cの間に、コイル板厚と同じ厚さの強固な絶縁材を新たに入れる。(2) In order to prevent deformation of the current concentration portion 1a having a width of 1 mm or less, a strong insulating material having the same thickness as the coil plate thickness is newly provided between the current concentration portion 1a of the coil and the wide
(3)絶縁材を入れたコイル全体をコイル側面から加圧、固定する。電流集中部分の表面積が大きいので加圧、固定しやすく、変形を防げる。(3) The entire coil containing the insulating material is pressurized and fixed from the side of the coil. Since the surface area of the current concentration part is large, it is easy to press and fix and prevent deformation.
(4)コイル電流方向に垂直で水平な方向に、絶縁材を含めたコイルの内部を貫通する冷却用通路を数カ所に設ける。これにより、電流集中部分1aを絶縁材で固定しても、電流集中部分の放熱が行われ、電流集中部分が溶融しにくくなる。(4) Several cooling passages penetrating the inside of the coil including the insulating material are provided in a direction perpendicular to the coil current direction and horizontal. Thereby, even if the current concentration portion 1a is fixed with an insulating material, the current concentration portion is radiated and the current concentration portion is hardly melted.
本発明は、以上の手段を基に、実験を繰り返し、電流集中部分1aの断面形状を検討し、放電大電流を流し、シーム溶接幅が1mm以下で溶接しても、変形または溶融しない電磁溶接用コイルおよび固定法を考案した。 Based on the above means, the present invention repeats the experiment, examines the cross-sectional shape of the current concentration portion 1a, applies a large discharge current, and does not deform or melt even if the seam weld width is 1 mm or less. Coil and fixing method were devised.
請求項1〜3記載の発明による電磁溶接用平板状ワンターンコイルを使用すると、アルミニウム、銅などの板,箔を重ね、この部分をシーム溶接幅1mm以下で電磁溶接することができる。細狭化、軽薄化が進むプリント配線基板、電気・電子部品の組立て分野、特に、使用環境が厳しい車載用回路部品で、はんだ付けや超音波接合に替わる信頼性の高い接続法として、利用できる。また、コイルの内部を貫通する冷却用通路を設けると、電流集中部分の放熱が容易となり、連続した溶接が可能となる。 When the flat plate-shaped one-turn coil for electromagnetic welding according to the first to third aspects of the present invention is used, plates and foils such as aluminum and copper can be stacked, and this portion can be electromagnetically welded with a seam weld width of 1 mm or less. It can be used as a highly reliable connection method to replace soldering and ultrasonic bonding in the field of assembly of printed wiring boards and electrical / electronic components that are becoming thinner and lighter, especially in automotive circuit parts where the usage environment is severe. . In addition, if a cooling passage that penetrates the inside of the coil is provided, heat radiation at the current concentration portion is facilitated, and continuous welding is possible.
なお、請求項4〜6記載の発明による電磁溶接用コの字形状ワンターンコイルを使用しても、平板状ワンターンコイルと同様にシーム溶接幅が1mm以下で電磁溶接することができる。 In addition, even if the U-shaped one-turn coil for electromagnetic welding according to the inventions of
以下に本発明の実施の形態を添付図面(図3〜図12)に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings (FIGS. 3 to 12).
図3は、本発明に係る電磁溶接用平板状ワンターンコイル1だけを示す斜視(一部断面)図である。電流は、図1と同様に、幅の狭いコイル中央の電流集中部分1aに流入し,折り返し部分1bで向きを変え、幅の広い周辺部分1cから流出する.図4は電流に垂直方向の断面図であり、コイル1の電流集中部分1aを固定する絶縁材4の配置を示す。 FIG. 3 is a perspective view (partial cross section) showing only the flat plate-shaped one-
図3、図4に示す平板状ワンターンコイル1の材質は、銅または銅合金である。板厚は約15mmである。このコイルの電流集中部分1aの断面横幅は約1mmである。この電流集中部分1aの両側に置かれる絶縁材4の材質はポリアセタール、ポリカーボネートなどが望ましい。この絶縁材4の横幅は10mm程度が望ましい。 The material of the flat one-
この平板状ワンターンコイル1の板厚は、薄すぎると絶縁材4の固定が困難となり、厚すぎると流れる電流の電流密度が小さくなる。電流密度が小さくなると、溶接するための電磁力が十分でなくなる。 このため、コイル1の板厚は、10〜20mmの範囲が望ましい。 If the plate-like one-
図5は、前記の平板状ワンターンコイル1(1a、1c)を用いて実際に重ねたアルミニウム板(被溶接材)2を溶接する状態を示す断面図(電流に垂直方向)である。この平板状コイル1に最大値100kA以上の放電電流を短時間流す。電流集中部分1aには、高密度の磁束(図示されていない)が急激に発生し、アルミニウム板2に交差する。この板2には渦電流と呼ばれる誘導電流が流れ、加熱されるとともに電磁力が働く。この結果、アルミニウム板2は電流集中部分1aに沿って、シーム溶接幅、約1mmでシーム溶接される。 FIG. 5 is a cross-sectional view (in a direction perpendicular to the current) showing a state in which the aluminum plate (material to be welded) 2 actually stacked using the flat plate-shaped one-turn coil 1 (1a, 1c) is welded. A discharge current having a maximum value of 100 kA or more is passed through the
幅約1mmの電流集中部分1aを固定する方法を図5を用いて説明する。電流集中部分1aおよび絶縁材4を図5の水平方向から機械的な方法(例えば、油圧シリンダ機構など)で締め付ける。図5には、締め付け力(方向)5が矢印で示されている。締め付ける電流集中部分1aの面積が広いので、通常の締め付け力で電流集中部分1aの変形は防げる。 A method of fixing the current concentration portion 1a having a width of about 1 mm will be described with reference to FIG. The current concentration portion 1a and the insulating
溶接条件、実験結果の一例を示す。コンデンサ電源の容量は24μF、充電エネルギーは1〜2kJである。この電源から前述のような平板状ワンターンコイル1へ放電電流を流すと、コイルには最大値200kA程度の大電流が、30μs程度の短時間流れる。アルミニウム板(被溶接材)2の板厚は0.3mm、大きさ50mm×50mmである。アルミニウム板2の重ね幅は5〜20mmである。このときコイル1とアルミニウム板2の間に発生する最大磁束密度は、約30T、発生する電磁力に相当する磁気圧力は、最大で約260MPaと概算される(非特許文献5)。 An example of welding conditions and experimental results is shown. The capacity of the capacitor power supply is 24 μF, and the charging energy is 1 to 2 kJ. When a discharge current is supplied from the power source to the flat plate-shaped one-
アルミニウム板2は、長さ50mmにわたり幅約1mmでシーム溶接された。充電エネルギー約1kJ以上で溶接すと、引張せん断試験で母材破断する接合強度が得られた。この値は約130MPaであった。コイルの電流集中部分1aに変形は見られなかった。絶縁材を入れたコイル全体をコイル側面から加圧、固定した効果によると予想される(非特許文献5)。
前記平板状ワンターンコイル1を使用して繰り返し溶接中に、電流集中部分1aの放熱が必要な場合には、電流集中部分1a、周辺部分1cおよび絶縁材4の内部を貫通する冷却用通路6を図6に示すように設ける。通路6の断面は円形などで、その直径は4mm程度、通路の数は、電流集中部分1aの電流が流れる方向の長さ10〜15mmあたり1ヶ所が望ましい。この通路には、冷却用の空気が流される。 When it is necessary to dissipate the current concentration portion 1a during repeated welding using the flat plate-shaped one-
図7は、平板状ワンターンコイルの折り返し部分1bで、電流が遠回りして流れるように、幅1mm、深さ10mm程度の切り込み7を設けた平板状ワンターンコイル1の平面図である。コイル電流が、折り返し部分1bで近回りして(電流集中部分1aの一部に集中して)流れ、電流集中部分1aの一部が溶融するのを防いでいる。 FIG. 7 is a plan view of the flat plate one-
図8は、電流集中部分1aだけをコイルの他の部分から分離できる構造の平板状ワンターンコイル1の平面図である。このコイル1を用いて多数回、連続して溶接する場合、表面が回数とともに損傷する。このような場合、電流集中部分1aだけ交換できて便利である。電流集中部分1aとコイルの他の部分との電気的接続は、図8の水平方向から機械的に締め付けて得られる。 FIG. 8 is a plan view of the flat one-
図9は、本発明に係る電磁溶接用コの字形状ワンターンコイル8の斜視図である。電流は、平行して配置された平角電線9に往復して流れる。平角電線の端には、短絡用銅板10が電気的に接続される。図10はこのコイル8を用いて重ねたアルミニウム板(被溶接材)2を溶接する状態を示す断面図である。 FIG. 9 is a perspective view of the U-shaped one-turn coil 8 for electromagnetic welding according to the present invention. The electric current flows back and forth in the flat
コの字形状ワンターンコイル8の材質は、銅または銅合金である。二本の平角電線9断面の横幅(水平方向)は約1mm、縦幅(図10の縦方向)は約15mmである。この平角電線9の両側には、ポリアセタール、ポリカーボネートなど絶縁材4が置かれ、固定板3とともに平角電線9を固定する。この絶縁材4の横幅は50mm以上、縦幅(鉛直方向)は約15mmである。 The material of the U-shaped one-turn coil 8 is copper or a copper alloy. The width (horizontal direction) of the cross section of the two flat
なお、平角電線8の放熱が必要な場合には、絶縁材4を含めた平角電線8の内部に冷却用通路を電流が流れる方向に垂直方向に設ける(図6参照)。 When heat radiation of the flat electric wire 8 is necessary, a cooling passage is provided in the flat electric wire 8 including the insulating
図11は、本発明に係る別の電磁溶接用コの字形状ワンターンコイル8を用いて重ねたアルミニウム板(被溶接材)2を溶接する状態を示す断面図である。実施例5と比較すると、一本の平角電線9だけが同じ配置であり、同様に固定されている。他方の平角電線9は、横幅(水平方向)を長くし固定板3で固定される。材質や板厚が異なる2枚のアルミニウム板を溶接する場合などに使用される。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state in which stacked aluminum plates (materials to be welded) 2 are welded using another U-shaped one-turn coil 8 for electromagnetic welding according to the present invention. Compared with Example 5, only one flat
図12は、本発明に係る三本の平角電線9aおよび9bから構成されるワンターンコイルを用いて重ねたアルミニウム板(被溶接材)2を溶接する状態を示す断面図である。中央の平角電線9a(長方形断面)の断面横幅(水平方向)は1mm以下、縦幅は10mm〜20mm、残りの両側の平角電線9bの断面横幅は30mm以上、縦幅は1mm〜5mmである。中央の平角電線9aの両側には絶縁材4が置かれ、固定板3とともに三本の平角電線9a、9bを固定するのに使われる。 FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state where an aluminum plate (material to be welded) 2 is welded using a one-turn coil composed of three flat electric wires 9a and 9b according to the present invention. The central flat electric wire 9a (rectangular cross section) has a cross-sectional width (horizontal direction) of 1 mm or less, a vertical width of 10 mm to 20 mm, and the remaining flat electric wires 9b on both sides have a cross-sectional width of 30 mm or more and a vertical width of 1 mm to 5 mm. The insulating
構造上、図12の中央の平角電線9aに流れる電流は、その上部に集中して流れやすい。このため、図3〜図5に示した平板状ワンターンコイル1に比べエネルギー効率よく溶接できる。 Due to the structure, the current flowing through the central flat wire 9a in FIG. For this reason, welding can be performed with higher energy efficiency than the flat plate-like one-
1 平板状ワンターンコイル
1a 平板状ワンターンコイルの電流集中部分
1b 平板状ワンターンコイルの折り返し部分
1c 平板状ワンターンコイルの周辺部分
2 アルミニウム板(被溶接材)
3 固定板
4 絶縁材
5 締め付け力(方向)
6 冷却用通路
7 切り込み
8 コの字形状ワンターンコイル
9 平角電線
9a 中央の平角電線
9b 両側の平角電線
10 短絡用銅板DESCRIPTION OF
3 Fixing
6 Cooling
Claims (6)
電流集中部分の電流に垂直方向の断面形状を長方形とし、この電流集中部分の断面横幅(水平方向)をコイル板厚に比べ1/10以下とし、この電流集中部分と残りの部分の間に、断面横幅が電流集中部分の断面横幅以上でコイル板厚と同じ厚さの絶縁材を入れ、この電流集中部分を固定することを特徴とする平板状ワンターンコイルおよび固定法。An electrically isolated metal plate with a narrow current-concentrating part for processing current from the power source by processing a highly conductive metal plate and a wide remaining part for supplying return current. An electromagnetic welding apparatus for horizontally placing a thin metal plate on a flat one-turn coil surface composed of a single plate, energizing the coil from a power source to generate electromagnetic force, and welding the thin metal plate by this electromagnetic force In
The cross-sectional shape in the direction perpendicular to the current of the current concentration portion is rectangular, the cross-sectional width (horizontal direction) of this current concentration portion is 1/10 or less than the coil plate thickness, and between this current concentration portion and the remaining portion, A flat plate one-turn coil and a fixing method characterized in that an insulating material having a cross-sectional width equal to or larger than a cross-sectional width of a current concentration portion and having the same thickness as a coil plate is inserted and the current concentration portion is fixed.
平角電線の断面形状を長方形とし、少なくとも一本の平角電線の断面横幅(水平方向)を断面縦幅(鉛直方向)に比べ1/10以下とし、この平角電線の水平方向両側に絶縁材を置き、平角電線を固定することを特徴とするコの字形状ワンターンコイルおよび固定法。A U-shaped one-turn coil, in which two highly conductive flat rectangular wires are reciprocated in parallel, is electrically insulated, and a thin metal plate is placed horizontally between these coils (flat electric wires), and this coil is turned off from the power source. In an electromagnetic welding device for generating an electromagnetic force by energizing the metal plate and welding the metal thin plate by this electromagnetic force,
The cross-sectional shape of the flat electric wire is rectangular, the cross-sectional width (horizontal direction) of at least one flat electric wire is 1/10 or less than the vertical cross-sectional width (vertical direction), and insulation is placed on both sides of the flat electric wire in the horizontal direction. A U-shaped one-turn coil and a fixing method characterized by fixing a flat electric wire.
中央の平角電線の断面横幅(水平方向)を1mm以下、断面縦幅を10mm〜20mm、残りの平角電線の断面横幅30mm以上、断面縦幅を1mm〜5mmとし、中央の平角電線の水平方向両側に絶縁材を置き、中央の平角電線を固定することを特徴とする三本の平角電線から構成されるワンターンコイルおよび固定法。A one-turn coil with a structure in which one surface of three rectangular cross-sectionally well-conducting rectangular wires is aligned with the same horizontal plane, arranged in parallel, and the current going to the central rectangular wire is sent to the rest of the rectangular wires. Electromagnetically insulates and places the stacked thin metal plates horizontally on the matching surface of the coil, energizes the coil from a power source to generate electromagnetic force, and this electromagnetic force welds the thin metal plate. In welding equipment,
The horizontal width of the central flat electric wire is 1 mm or less, the vertical width of the cross section is 10 mm to 20 mm, the horizontal width of the remaining flat electric wire is 30 mm or more, and the vertical width of the cross section is 1 mm to 5 mm. A one-turn coil composed of three rectangular electric wires and a fixing method, characterized in that an insulating material is placed on the middle and the central rectangular electric wire is fixed.
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