JP2011240402A

JP2011240402A - アルミニウム系板材と突き合わせ金属板材の電磁溶接方法

Info

Publication number: JP2011240402A
Application number: JP2010127284A
Authority: JP
Inventors: Tomokatsu Aizawa; 友勝相澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】電磁溶接方法では、これまで金属板の突き合わせ溶接ができなかった。本発明は、アルミニウム系板材と突き合わせ金属板材の電磁溶接方法であり、アルミニウム系板材を裏当て材とすることで金属板材の突き合わせ継手の製作を可能にする。
【手段】電磁溶接用の平板状ワンターンコイル中央部分１ａの電流に垂直方向の断面形状を長方形とし、この断面横幅を５〜１０ｍｍとする。このコイル中央部分１ａの中心線、アルミニウム板の中心線、金属板材３の突き合わせ部分（直線状）を断面横幅の±３０％以内の精度で一致させて電磁溶接すれば、金属板材の突き合わせ継手が得られる。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム系板材と突き合わせ金属板材の電磁溶接方法であり、アルミニウム系板材を裏当て材とする各種金属板材の突き合わせ継手の製作に関する。

溶接が困難なアルミニウムなどの板材を容易に電磁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）。この電磁溶接法では、例えば、図１のように一枚の銅板に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１を用い、銅板の幅が狭く細長い中央部分１ａを行きの電流用、その両側の幅の広い周辺部分１ｂを帰りの電流用として、電源からパルス電流を往復して流す。コイル中央部分１ａを電流集中部とし、ここに高密度の磁束を発生させる。この上に重ね置かれたアルミニウムなどの板材は、発生する渦電流による発熱と電磁力で加圧され、コイル中央部分１ａに沿って連続してシーム溶接される。
特許第３７５１１５３号

コイル中央部分の上に重ね置かれたアルミニウム板材などの間に約１ｍｍの間隙を設けて電磁溶接すると、板材は２００ｍ／ｓ以上の高速度で衝突する。このとき，板材の接合面がクリーニングされ，効率良く電磁溶接される（非特許文献１）。このため一般的に、アルミニウムなどの板材（被溶接材）は間隙を設けて重ね置かれる．
「溶接学会誌」７７巻８号（２００８）ｐ．７１８

図２は、平板状ワンターンコイル１を用いて、アルミニウム板２と金属板３を電磁溶接する直前の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、間隙４を設けて重ね置かれたアルミニウム板２、金属板３とともに、上下の固定板５で加圧、固定される。間隙４を設ける器具、固定板５の加圧装置は省略されている。

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１００〜４００μＦ、充電エネルギーは１〜数ｋＪである。コンデンサ電源から板厚２〜３ｍｍの前記コイル１へ放電電流を流すと、コイルには最大値１５０ｋＡ以上の大電流が、１００μｓ以下の短時間流れる。コイルの中央部分１ａ（幅５ｍｍ）には、高密度の磁束が急激に発生し、アルミニウム板（板厚０．５〜１．０ｍｍ）２に交差する。この結果、前述のようにアルミニウム板２はコイル中央部分１ａに沿ってシーム溶接（圧接）される。

前記の条件で長さ１００ｍｍにわたりシーム溶接された溶接部分の幾何学的な形態は、次のようにまとめられる（非特許文献１）。
（１）溶接部分の長さは、アルミニウム板および金属板のコイル中央部分に沿った長さ１００ｍｍである（コイル中央部分の長さは約１２０ｍｍである）。
（２）溶接部分は、板の端部数ｍｍを除き、平行な二本の直線状に溶接される。
（３）二本の直線状部分の間隔は、約４ｍｍである。
（４）直線状部分（一本）の幅は、約１ｍｍである。
（５）二本の直線状溶接部分の間は、溶接されない部分であり、この部分の長さ（幅）は約３ｍｍである。

電磁溶接は、アルミニウム板（または銅板）を他の同種または異種の金属板へ重ね溶接する技術として開発され、現在に至っている。比較的に容易しやすい板厚は０．５〜１．０ｍｍである。長さ１ｍにわたるシーム溶接のほかスポット溶接も可能である。しかし、アルミニウムを含めて金属板を突き合わせて電磁溶接する方法、技術は、まだ開発されていない。

金属板を突き合わせて溶接する技術は、電磁溶接にとって解決すべき課題になっている。板厚１ｍｍ以下の突き合わせ継手を直接に電磁溶接して得るのは不可能に近い。しかし、片面に当てがね（アルミニウム板）を溶接する方法で、金属板の突き合わせ継手を製作すること可能である。

本発明の目的は、図１のようなコイル１を用いて、コイルに電流を一度だけ通電して、アルミニウム板を金属板（二枚）の突き合わせ部分付近に電磁溶接し、金属板の突き合わせ継手を製作する方法を提供することである。

前記目的を達成する方法を順に示す。

（１）コイル１（図１）をポリイミド製シートで絶縁し、この上に長方形（または正方形、以下おなじ）のアルミニウム板を置く。

（２）アルミニウム板の上に間隙約１ｍｍを設けて、同じ板厚で長方形の金属板を突き合わせて置く。

（３）コイル１中央部分の中心線、アルミニウム板の中心線、金属板（二枚）の突き合わせ部分（直線状）を精度よく一致させ、これらをコイルとともに加圧、固定する。

（４）コイルに一度通電すれば、アルミニウム板は、金属板（二枚）の突き合わせ部分付近に電磁溶接される。

（４）アルミニウム板を二枚の金属板にそれぞれ溶接するためには、電磁溶接される二本の直線状部分を二枚の金属板にそれぞれ（別々に）溶接する必要がある。

本発明は、以上の手段を基に、実験を繰り返し、アルミニウム板を金属板（二枚）の突き合わせ部分にそれぞれ電磁溶接し、金属板の突き合わせ継手を製作する方法を考案した。

請求項１記載の発明による電磁溶接法を使用すると、これまで困難であった金属板（二枚）の突き合わせ継手を製作することができる。この突き合わせ継手の表面（片面）は、重ね溶接のような段差がなく、表面が平坦である。加工すれば、各種金属容器の突き合わせ表面として利用できる。

また、各種金属板（二枚）の突き合わせ溶接を短時間（１００μｓ以下）で行えるので、直接溶接が困難な異種金属材の突き合わせ継手を短時間で製作できる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面（図３〜図７）に基づいて説明する。

図３は、アルミニウム板２を金属板３（二枚）の突き合わせ部分付近に電磁溶接し、金属板の突き合わせ継手を製作する直前の状態を示す断面図である。アルミニウム板２と金属板３（二枚）の間には約１ｍｍの間隙４がある。これらの板は絶縁されたコイル１（１ａ、１ｂ）とともに、上下の固定板５で加圧、固定される。

静電容量４００μＦ、充電エネルギー２．５ｋＪのコンデンサ電源から板厚２ｍｍ、中央部分１ａの幅が５ｍｍのコイル１（１ａ、１ｂ）へ放電電流を流すと、コイルには最大値１６０ｋＡの大電流が、１００μｓ以下の短時間流れる。コイルの中央部分１ａには、高密度の磁束が急激に発生し、アルミニウム板（板厚０．５〜１．０ｍｍ）２に交差する。

この結果、アルミニウム板２はコイル中央部分１ａに沿って電磁力を受け、変形しながら、金属板３に衝突し、その突き合わせ部分付近でコイル中央部分１ａに沿って図４のように溶接される。

溶接された状態を上から見ると図５のようになる。二本の直線状溶接部分６は、二枚の金属板にそれぞれ溶接されている。二本の直線状溶接部分６が、右側（片方）の金属板３に溶接している場合には、アルミニウム板２は左側の金属板３には溶接されない（突き合わせ継手とならない）。

二本の直線状溶接部分６が二枚の金属板にそれぞれ溶接され、突き合わせ継手とするためには、コイル１中央部分の中心線７、アルミニウム板の中心線、金属板（二枚）の突き合わせ部分（直線状）を請求項１のように一致させて溶接する必要がある。

先のページにまとめた溶接部分の幾何学的な形態などから、コイル１中央部分の中心線７、アルミニウム板の中心線、金属板（二枚）の突き合わせ部分（直線状）を一致させる（以下、軸合わせと略す）精度は、コイル中央部分の幅ｄｍｍに対し、下記の式で与えられる。
式 ±（（１／２）（０．８ｄ）−０．５）／ｄ＝（（０．４−（０．５／ｄ））×１００％
ただし、ｄは５〜１０ｍｍの範囲、各板厚は０．５〜１．０ｍｍの範囲とする。

具体的には、ｄ＝５ｍｍ、７ｍｍ，１０ｍｍの場合、各ｄに対する軸合わせ精度は、±３０％、±３３％、±３５％となる。ｄ＝５ｍｍの場合、軸合わせ精度は±３０％であり、数値で示すと±１．５ｍｍになる。軸合わせは、この±１．５ｍｍの範囲で一致させる必要がある。記号±は、コイルの中心線７から右へ１．５ｍｍ、左へ１．５ｍｍの範囲であることを示す．

以上の結果、コイル中央部分の幅ｄが５〜１０ｍｍの範囲で、前記の軸合わせ精度を、±３０％以下にすれば、前記の突き合わせ継手を製作できる。

前記の突き合わせ継手を製作するとき、軸合わせ精度から、コイル中央部分の幅ｄは、５ｍｍより７〜１０ｍｍのほうが良い。ただし、幅ｄが大きくなると、コイルに流れる電流密度が低下し、働く電磁力が弱くなる。これを防ぐためには、コイル中央部分の中心軸近くの材質を部分的に図６のようにステンレス鋼８に換えると良い。コイル中央部分のステンレス鋼部分の電流密度が低下し、この外側（銅）部分の電流密度が増加し、溶接に必要な電磁力が強くなるからである。ステンレス鋼８の幅は３〜５ｍｍが望ましい。

幅ｄを７〜１０ｍｍとした図６のコイルを用いても前記と同様に金属板の突き合わせ継手を製作できる。

板厚の異なる金属板突き合わせ継手も製作できる。この場合、図７のように上側の固定板５に段差を設け、突き合わせた金属板の下面側を同一面上になるよう固定し、これまでと同様に電磁溶接すれば良い。望ましい板厚の組み合わせは、約１ｍｍと約０．５ｍｍなどである。

平板状ワンターンコイルの斜視（一部断面）概略図である。平板状ワンターンコイルを用いてアルミニウム板を金属板に電磁溶接する前の状態を示す断面概略図である。アルミニウム板を金属板（突き合わせた二枚）に電磁溶接する前の状態であり、本発明の実施例１を示す断面概略図である。アルミニウム板を金属板（突き合わせた二枚）に電磁溶接した後の状態であり、本発明の実施例１を示す断面概略図である。アルミニウム板を金属板（突き合わせた二枚）に電磁溶接した後の状態であり、本発明の実施例１を示す平面概略図である。本発明の実施例２を示す平板状ワンターンコイルの平面概略図である。アルミニウム板を金属板（突き合わせた二枚）に電磁溶接する前の状態であり、本発明の実施例３を示す断面概略図である。

１平板状ワンターンコイル（コイル）
１ａコイルの中央部分
１ｂコイルの周辺部分
２アルミニウム板（被溶接材）
３金属板
４間隙
５固定板
６直線状溶接部分
７コイル中央部分の中心線
８ステンレス鋼部分
ｄコイルの中央部分の横幅

Claims

銅板などを加工して電源から行きの電流を流すための幅が狭い中央部分と、帰りの電流を流すための幅の広い周辺部分を設けた、絶縁された平板状ワンターンコイル面上（水平方向）に、長方形のアルミニウム系板材（板厚０．５〜１．０ｍｍ）を置く。アルミニウム系板材の上に長方形の金属板材を置く。アルミニウム系板材と金属板材の間に間隙約１ｍｍを設けて前記コイルとともに固定する。電源から前記コイルに通電して電磁力を発生させ、アルミニウム系板材を金属板材に溶接する電磁溶接方法において、
（１）前記コイル中央部分の電流に垂直方向の断面形状を長方形とし、この断面横幅（水平方向）を５〜１０ｍｍとする。
（２）このコイル面上に前記アルミニウム系板材を置く。
（３）アルミニウム系板材の上に前記金属板材（二枚）を互いに突き合わせて置く。
（４）これらアルミニウム系板材と金属板材（二枚）の間に間隙約１ｍｍを設け、このコイルとともに固定する。
（５）このコイル中央部分の中心線と、アルミニウム系板材の中心線と、金属板材（二枚）の突き合わせ部分（直線状）を前記断面横幅の±３０％以内の精度で一致させる。
以上のようにして接合することを特徴とするアルミニウム系板材と突き合わせ金属板材の電磁溶接方法。
前記金属板材（二枚）の少なくとも一枚がアルミニウム系板材である請求項１に記載の電磁溶接方法。