JP2014136237A - 溶接方法と溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で精密な大電流の溶接制御を可能に消費電力も節減する。
【解決手段】溶接トランスは、環状磁心と、分割巻きされた１次コイルと、１次コイルの各間隙に交互に１個ずつ挟み込まれた複数の正側コイルと複数の負側コイルとを備える。コイルは、接続基板の一方の面に固定される。接続基板の他方の面上で、正側コイルは第１連結極板を介して正側導体に電気接続される。負側コイルは第２連結極板を介して負側導体に電気接続される。この小型大容量の溶接トランスを使用し、溶接電流の立ち上げ制御期間Ｔ１を１０ミリ秒以下とし、立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２の和の（Ｔ１+Ｔ２）時間は１５ミリ秒以下とし、立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２と温度維持制御期間Ｔ３の和の（Ｔ１+Ｔ２+Ｔ３）時間は、５０ミリ秒以下とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、抵抗溶接機に使用され、高速で高品質での溶接を可能にする大容量の溶接トランスを用いた溶接方法と溶接装置に関する。

抵抗溶接は、自動車などの車両の製造ラインから一般産業に使われる制御装置の筐体接合などに広く使われている。それらの産業では、世界レベルでの競争に打ち勝つために、生産性の向上が必須条件とされる。さらに、地球環境保護の観点からＣＯ２ を削減する省エネルギー技術の開発も緊急な課題である。しかし、溶接性の悪い鋼板に対する、従来の抵抗溶接方法は、生産性や省エネルギーに逆行する様相を呈している。こうした各種用途に適する様々な抵抗溶接方法が開発されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
先に、本願発明者等は特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７を提案し、従来技術に対しての改善を試みて来た。

特開２００８−１０５０４１号公報 特開２００９−２９１８２７号公報 特開２０１１−５５４４号公報 特許第４６８７９３０号公報 特開２０１２−２１０６５４公報 特願２０１２−０３６１０１公報 特願２０１２−０４２８７３公報

大電流で短時間の溶接を可能にするには、高い周波数の１次電流制御が必要である。これに加えて高品質な溶接をするには、従来の数倍から数十倍の周波数で制御することが望まれる。しかしながら、従来の溶接装置では、１次電流制御のための周波数を数倍以上に上げていくと、目的とする溶接電流が得られないか、あるいは動作が不安定になるという問題かあった。また、大容量化のために２次コイルの電流を大きくすると、磁気飽和によって溶接トランスに障害を生じるおそれもあった。
本発明は、高い周波数の１次電流制御や磁気飽和の抑制により、精密で高速な溶接制御ができ、大電流の供給を可能にし、同時に消費電力も大幅に抑制できる溶接トランスとこれを使用した溶接方法と溶接装置を提供することを目的とする。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。
〈構成１〉
平行部２５ａと両端のＵ字状の湾曲部２５ｂにより構成される環状磁心２５と、前記環状磁心２５の平行部２５ａに、複数の部分に分けて間隙１２ａを空けて分割巻きされる１次コイル１２と、前記１次コイル１２と共に環状磁心２５の平行部２５ａに巻回され、前記１次コイル１２に設けられた前記各間隙１２ａに１個ずつ挟み込むように、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とを交互に配列した２次コイルと、前記複数の正側コイル１４は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記複数の負側コイル１６は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記接続された複数の正側コイル１４と前記複数の負側コイル１６とが互いに直列接続されるように、前記正側コイル１４と負側コイル１６の端子間を電気接続をする導体群を有し、かつ、前記導体群により、前記全ての正側コイル１４と負側コイル１６とを一方の面上に支持固定する接続基板６２を備え、前記複数の正側コイル１４の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面上で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第１連結極板４４に電気接続され、前記複数の負側コイル１６の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第２連結極板４６に電気接続され、前記正側コイル１４と負側コイル１６の他端は、共に、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第３連結極板４８に電気接続され、前記第１連結極板４４には、正側導体３０が連結され、前記第２連結極板４６には、負側導体３２が連結され、前記正側導体３０と負側導体３２とは、前記接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面に配置された絶縁層３１を介して重ね合わされた一対の導体板であって、前記正側導体３０と第１極板３４に挟まれて、前記正側導体３０に負極を接触させ前記第１極板３４に正極を接触させた整流素子１８と、前記負側導体３２と第２極板３６に挟まれて、前記負側導体３２に負極を接触させ前記第２極板３６に正極を接触させた整流素子２０と、前記第１極板３４と前記第２極板３６を支持し、両者を電気接続する第３極板３８とを備えていることを特徴とする溶接トランス１０を使用し、
溶接電流供給開始時刻ｔ０からその後の時刻ｔ１までの、電流増加率が最大の部分を立ち上げ制御期間Ｔ１と呼び、これに続く時刻ｔ１から時刻ｔ２までの、ピーク電流値Ｃ１に近い所定レベルの電流を維持する期間をピークレベル制御期間Ｔ２と呼び、その後の時刻ｔ２から電流遮断時刻ｔ３に至るまでの期間を、温度維持制御期間Ｔ３と呼ぶとき、前記立ち上げ制御期間Ｔ１は１０ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２の和の（Ｔ１＋Ｔ２）時間は１５ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２と温度維持制御期間Ｔ３の和の（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）時間は、５０ミリ秒以下としたことを特徴とする抵抗溶接方法。

〈構成２〉
構成１の溶接方法の溶接制御電源装置１１２、及び溶接トランス１０を備えた抵抗溶接装置。

本発明に係る溶接トランスは、下記の（１）から（４）の効果がある。
（１）正側導体３０と負側導体３２とを絶縁層を介して密着させ、正側コイル１４と負側コイル１６との間に１次コイル１２を挟むように配置したので、２次回路の転流時のインダクタンスを低減して、転流時間を短くし、高い周波数のインバータ制御が可能になる。
（２）複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６との間に分割巻きされた１次コイル１２の各部を挟むように配置したので、トランス全体の熱分布が均一になる。
（３）１次コイルと２次側の正側コイルと負側コイルとを分割巻きして、１次２次コイル間の結合を良くし、２次側の大電流による磁気飽和を防止できる。
（４）１次コイル１２と正側コイル１４と負側コイル１６との関係がどの場所でも均等で互いに密接して配置させることができる。
この効果を持つ溶接トランスを使用することで、構成１に記載した制御方法に示す極めて少ない通電時間での抵抗溶接が可能となり、従来と比較して大幅に消費電力を削減できる溶接方法であり、それを実施できる溶接装置である。

本発明で採用する溶接装置の電源回路の結線図である。 整流素子１８に順方向電流が流れたときの回路動作を示す結線図である。 整流素子２０に順方向電流が流れたときの回路動作を示す結線図である。 本発明に係る溶接装置のブロック図である。 （ａ）はトランスの１次側に供給される電流を制御するための制御パルス、（ｂ）は１次電流、（ｃ）は整流後の溶接電流を示す。 溶接トランスの実験例の分解斜視図と側面図である。 転流時間中における２次回路の電流を示す説明図である。 本発明で使用する溶接トランスの１次コイルと２次コイルおよび磁心の一例を示す斜視図である。 本発明で使用する溶接トランスの主要部実施例を示す分解斜視図である。 本発明で使用する溶接トランス１０の実施例を示す分解斜視図である。 溶接トランス１０の整流素子１８や整流素子２０を取り付ける直前の状態を示す分解斜視図である。 ほぼ組み立てを完了した溶接トランス１０の斜視図である。 プラス電極とマイナス電極を取り付けた状態の溶接トランス１０の斜視図である。 溶接電流制御方法の説明図である。

図１は、溶接装置の一般的な電源回路の結線図であり、本発明でもこれを採用している。
溶接トランス２６の１次コイル１２には、後で図５を用いて説明する１次電流が供給される。整流回路は、単相全波整流式を採用する。この回路自体は良く知られている。２次コイル自体に極性を考慮する必要はないが、便宜上、２次コイルを、正側コイル１４と負側コイル１６とを直列接続したものと呼ぶことにする。正側コイル１４の一端に整流素子１８の一端を接続し、負側コイル１６の一端に整流素子２０の一端を接続し、整流素子１８の他端と整流素子２０の他端をまとめてプラス電極２２に接続する。正側コイルの他端と負側コイルの他端は接続点を介して連結しているが、この接続点をマイナス電極２４に接続する。プラス電極２２とマイナス電極２４が溶接機２８に接続されている。

図２は、整流素子１８に順方向電流が流れたときの回路動作を示す。図３は整流素子２０に順方向電流が流れたときの回路動作を示す。
回路動作上問題になる等価的なインダクタンス成分を図２と３に書き加えた。即ち、正側コイル１４と整流素子１８を接続する正側導体３０と、負側コイル１６と整流素子２０を接続する負側導体３２、及び溶接機２８内部の導体のインダクタンスが、溶接装置の性能に影響を及ぼすと考えられる。その詳細は後で説明する。

溶接トランス２６や溶接機２８に発生する大量の熱の発生を抑制することができれば、溶接装置の省エネルギー化を図ることができる。従来よりも大電流を短時間溶接部に供給するように制御して、溶接時間を短縮すれば、大きな節電効果が期待できる。
図４は本発明に係る溶接装置のブロック図を示す。
先に記述した課題を解決するには、このブロック図の溶接トランス１０と溶接制御を指示する溶接制御電源装置１１２が各々に重要な課題がある。
従来、溶接される材料や構造等に最適な溶接電流を供給するために、溶接電流の供給時間をきわめて高精度に制御する手段として、溶接電流を供給するトランスの１次側にインバータを接続して、ＰＷＭ制御により溶接電流の大きさと供給時間とを制御することが行われている。

図５の（ａ）はトランスの１次側に供給される電流を制御するための制御パルス、（ｂ）は１次電流、（ｃ）は整流後の溶接電流を示す。
図示しないインバータにより制御された幅Ｗのパルスが、一定時間Ｈ内に一定回数、ここでは正方向のパルスと負方向のパルスとで合計１０回、１次コイルに供給される。その結果、トランスの１次コイル１２（図１）には、（ｂ）に示すような電流が流れる。トランスの２次側で全波整流をして、（ｃ）に示すような溶接電流を発生させる。

（ａ）に示したパルスの幅Ｗを増減すると溶接電流を調整できる。バルスの供給回数を増減すれば溶接時間を調整できる。このパルスの繰り返し周波数を高くすると、溶接時間をより細かく微調整できる。１次コイルに供給する電力を増やせば、２次コイルからより大きな溶接電流を取り出せる。

従来の溶接装置は、例えば、１万アンペアで２００ｍ秒〜７００ｍ秒の溶接電流を供給するようにしていたが、溶接電流をその２倍の２万アンペアにしてみる。溶接装置は、溶接部以外の場所で熱エネルギになって消費される電力損失がきわめて大きい。従って、溶接電流を２倍にして、溶接時間を１０分の１に短縮すると、消費電力を５分の１にすることができる。これで、従来の１万アンペアでの溶接と同等の溶接品質が可能になる。

一方、溶接電流を供給するためのインバータの制御パルスは、従来、繰り返し周波数が１ｋＨｚ程度のものを使用していた。しかしながら、大電流を短時間供給するには、もっと分解能の高い制御パルスが必要になる。望ましくは、繰り返し周波数が５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度のパルスを使用することが望ましい。

このように、従来の数倍から数十倍の高い繰り返し周波数のパルスを１次コイルに供給した場合に、従来構造の溶接トランスでは、予定した溶接電流が得られないことがわかった。即ち、このような制御で２次コイルから大電流を出力するためには、トランスの構造に様々な改善が要求される。
そこで、溶接トランス１０が、高度な制御方法に対応可能な手段を考え、先に提案記載する。

図１に示すような２個の整流素子１８、２０を使用した全波整流型の２次回路は、ブリッジを使用した回路に比べて整流素子数が少なく、小型化できて電力損失も少ないため、溶接装置に適することが知られている。

しかしながら、この回路では、１次コイル１２に流れる電流の極性反転によって、２次コイルに誘起される電圧が極性反転したとき、一方の整流素子を通じて供給されていた負荷電流が他方の整流素子側に流れを変える転流が生じる。

溶接電流が大電流になると、回路各部のインダクタンスに蓄積された電流エネルギは非常に大きくなる。この電流エネルギが一方の整流素子から他方の整流素子の側に移る転流時間は、図２や図３に示した２次コイルの各部のインダクタンスが大きいほど長くなる。

図５に示した１次コイルの電流の立ち下がり開始から反対極性の電流の立ち上がり終了までの時間Ｍの間に２次回路の転流が完了しないと、２次電流の立ち上がりが遅れて、図５の破線に示すように、予定した溶接電流が得られなくなる。

図６は実験例の分解斜視図と側面図である。
図６の（ａ）も（ｂ）も、左側に分解斜視図を示し、右側に組み立て後の側面図を示した。図５（ａ）の例では、１次コイル１２と正側コイル１４と負側コイル１６とが図示しない磁心に巻回されている。大電流を取り出し、内部に冷却水を供給する中空構造にするため、正側導体３０や負側導体３２は、厚い銅板で構成している。両者の間は薄い絶縁層３１で隔離されている。正側導体３０と負側導体３２の両側に整流素子１８、２０を配置して、第１極板３４と第２極板３６で挟むようにしている。第１極板３４と第２極板３６は第３極板３８により電気接続され、第３極板３８にプラス電極２２が固定される。正側コイル１４と負側コイル１６の接続点には図示しない銅板を接続してマイナス電極２４を取り付ける。

図６（ｂ）の例では、正側コイル１４と負側コイル１６の間に１次コイルを挟むように配置した。この構造では、正側導体３０と負側導体３２の間に第３極板３８を配置し、第３極板３８と正側導体３０の間に整流素子１８を挟んだ。また、負側導体３２と第３極板３８の間に整流素子２０を挟んだ。第３極板３８にプラス電極２２が固定される。正側コイル１４と負側コイル１６の接続点には図示しない銅板を接続してマイナス電極２４を取り付ける。

図７は、転流時間中における２次回路の電流を示す説明図である。
この図を用いて、上記の実験例の検証をする。図６は、２次コイルを構成する正側コイル１４と負側コイル１６の結線を立体的に表示したもので、両者の位置関係も意識して説明する。正側コイル１４と負側コイル１６とは連続した磁心（図示しない）上に巻回されており、正側導体３０と負側導体３２とは側方に引き出されて整流素子１８や整流素子２０に接続される。

転流時間中には、正側導体３０にＣ１、正側コイル１４にＣ２、負側コイル１６にＣ３、負側導体３２にＣ４の方向の電流が流れる。この状態は正側コイル１４に直前までＣ１と反対方向に電流が流れており、転流が開始されると、正側コイル１４に蓄積された電流エネルギが負側コイル１６の方向に放出されるところを示している。正側コイル１４には、整流素子１８方向から電流が流れ込まないので、蓄積されたエネルギが放出されるとＣ１方向の電流は消滅する。これで転流が終了する。

図６（ａ）の実験例では、ほぼ同一形状の正側導体３０と負側導体３２とを薄い絶縁層３１を介して密着させている。このような構造にすると、図６に示したように、正側導体３０と負側導体３２の電流の向きが反対だから、磁束が相互に打ち消しあって、両者のインダクタンスが相殺される。即ち、正側導体３０と負側導体３２のインダクタンスが見かけ上極小になる。従って転流時間をより短縮できる。

ところが、図６（ａ）に示すように正側コイル１４と負側コイル１６とを密着させて配置すると、図７に示すように、正側コイル１４と負側コイル１６にＣ２とＣ３方向に流れる電流に対して、これらのコイルのインダクタンスが大きく影響することがわかった。即ち、正側コイル１４と負側コイル１６のインダクタンスが転流時間を遅らせることが分かった。

また、図６（ａ）の構造の場合に、正側コイル１４に負荷電流が流れている状態と、負側コイル１６に負荷電流が流れている状態とでは、１次コイル１２との磁気的結合の程度が異なる。負側コイル１６に負荷電流が流れている状態では漏れ磁束が増大する。このような磁気的結合のアンバランスは異常電流を引き起こし易い。

さらに、高い繰り返し周波数のパルスを１次コイルに供給すると、１次コイルの電流の立ち下がり開始から反対極性の電流の立ち上がり終了までの時間Ｍが短くなるので、急激な磁束変化により磁心が磁気飽和を生じやすい。正側コイル１４と負側コイル１６とを近接配置すると、２次コイルに流れる大電流による磁束が２次コイル付近に集中して、磁気飽和を生じやすい。

一方、図６（ｂ）に示すように、１次コイル１２を正側コイル１４と負側コイル１６とで挟む構造を採用すると、１次コイル１２と正側コイル１４の位置関係は、１次コイル１２と負側コイル１６の位置関係と同じになり、磁気的結合のアンバランスを生じない。また、正側コイル１４と負側コイル１６の間に１次コイル１２を挟むことにより、正側コイル１４と負側コイル１６との間の距離を離して、転流時間中に流れる電流に対するインダクタンスを小さくできる。また、図６（ａ）の構造に比べて磁気飽和を生じにくい。しかしながら、図６（ｂ）の例では、正側導体３０と負側導体３２の間の距離が離れてしまって図６（ａ）の例よりも特性が悪くなる。

図８は本発明で使用する溶接トランスの１次コイルと２次コイルおよび磁心の一例を示す斜視図である。
本発明は、上記の実験例等を考慮して、トランスの部分の構造を次のように改良した。まず、１次コイル１２は、例えば、図６の（ａ）に示すように、平角絶縁線を磁心を軸にして多層に巻き付けたものを使用する。２次コイルには、銅板をＣ字状に切削加工したワンターンコイルを２個直列接続して使用する。（ｂ）が正側コイル１４で（ｃ）が負側コイル１６である。これらは（ｄ）に示したような磁心２５に巻き付けられる。

この磁心２５は、平行部２５ａと両端のＵ字状の湾曲部２５ｂにより構成される環状のものである。磁気抵抗を低くしてトランスの効率を上げている。また、あとで説明するように、磁心２５の平行部２５ａに１次コイル１２と正側コイル１４と負側コイル１６とを隙間なく配列して、漏れ磁束を最小にしている。

図８（ｅ）は、コイル群を電気接続する接続基板６２の導体群構造の一例を示す。図の例では、正側コイル１４および負側コイル１６が、破線に示すように内部に中空部を有する。これらは、例えば、中空パイプを成形して製造される。導体７８と導体８２と導体８６とは、正側コイル１４と負側コイル１６とを電気接続するための接続基板６２を構成する。導体７８には、正側コイル１４と同数の突起７６が設けられている。導体８２には、負側コイル１６と同数の突起８０が設けられている。導体８６には、正側コイル１４と負側コイル１６の接続点の数と同数の枝８８と、突起８４と、突起８６とが設けられている。

各突起はパイプ状の導体で、各導体の壁面に固定されている。全ての正側コイル１４の一端に突起７６が接続される。即ち、突起７６と導体７８とは、中空部を通じて冷却水等の冷媒を各コイルに供給する機能と、正側コイル１４の一端を電気的に並列接続する機能を持つ。

全ての負側コイル１６の一端に突起８０が接続される。即ち、突起８０と導体８２とは、中空部を通じて冷却水等の冷媒を各コイルに供給する機能と、負側コイル１６の一端を電気的に並列接続する機能を持つ。

全ての正側コイル１４の他端（上記接続点側）に突起８４が接続される。全ての負側コイル１６の他端（上記接続点側）に突起８６が接続される。枝８８は、正側コイル１４の他端と負側コイル１６の他端を電気接続する。全ての枝８８は導体９０と一体化されている。そして、突起８４、突起８６，枝８８および導体９０は、例えば、中空部を通じて冷却水等の冷媒を各コイルから排出する機能を有する。同時に、突起８４、突起８６，枝８８および導体９０は、正側コイル１４と負側コイル１６の接続点を、電気的に並列接続する機能を持つ。

接続基板６２を構成する導体７８と導体８２と導体９０とは、絶縁塗料等が被覆された状態で一体化される。その状態を図８に示した。一方、さらに導体７８と導体８２と導体９０と各コイルとの接触面積を広げて、冷却効率を高めるように、基板の形状を直方体に近づけることができる。その結果を図１０に示した。

図９は、実施例１の溶接トランス１０主要部の分解斜視図である。
図の例では、正側コイル１４と負側コイル１６のペアを左右３組ずつ、合計６組使用して、ニ列構成のコイル群を形成する。正側コイル１４と負側コイル１６とを交互に配置し、それぞれの間に分割巻きした１次コイル１２を配置している。図が煩雑になるので、２列目のコイル群は破線で表示した。また、磁心２５も破線で表示した。

分割巻きした１次コイル１２は全て直列接続してもよいし全部または一部を並列接続してもよい。複数の正側コイル１４は全て並列接続してもよいし全部または一部を直列接続してもよい。複数の負側コイル１６は全て並列接続してもよいし全部または一部を直列接続してもよい。

また、正側コイル１４と負側コイル１６の数を自由に増やしてよい。複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とは直列接続される。正側コイル１４の一端は第１連結極板４４を介して正側導体３０に電気接続される。負側コイル１６の一端は第２連結極板４６を介して負側導体３２に電気接続される。正側コイル１４の他端と負側コイル１６の他端は第３連結極板４８に電気接続される。第３連結極板４８はマイナス電極２４に接続される。

なお、第１連結極板４４と第２連結極板４６と第３連結極板４８とは、いずれも、環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びている。換言すれば、正側コイル１４と１次コイル１２と負側コイル１６の配列方向に長い導体を使用している。これにより、コイル群と基板６２と連結導体群とが同じ方向に長い長方形の枠内に収まる。そして、基板６２の一方の面上にコイル群を支持固定している。さらに、正側導体３０と負側導体３２とは、接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面を有する形状にしたので、接続基板６２の一方の面側も他方の面側も同じ厚さの直方体の中に収まる。従って、図１３に示すように、扁平でコンパクトな形状にできる。

正側導体３０と負側導体３２を挟むように、両側に整流素子１８、２０を配置して、さらにその外側を第１極板３４と第２極板３６で挟む。第１極板３４と第２極板３６は第３極板３８により電気接続される。第３極板３８にプラス電極２２が固定される。第１連結極板４４と第２連結極板４６とは、薄い絶縁層３１を介して密着している。また、正側導体３０と負側導体３２も、絶縁塗料含浸層のような薄い絶縁層３１を介して密着している。

なお、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６と、第１連結極板４４、第２連結極板４６および第３連結極板４８の間の電気接続のために、これらの間に基板６２が配置されている。基板６２の上面に設けられた複数の突起は、正側コイル１４や負側コイル１６の端子に固定され電気接続される。また、これらの突起が筒状になっており、これらの突起を通じて冷却水が正側コイル１４や負側コイル１６の中空部に流れ込むようにしてもよい。

この基板６２の導体構造は、同等の結線ができるものであれば任意に設計できる。特に、基板６２、は複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６に直結しているから、中空構造にして冷却すれば、正側コイル１４や負側コイル１６や１次コイルを強力に冷却できる。正側コイル１４や負側コイル１６も、中空構造の銅板により構成することができる。

上記の構造によれば、第１連結極板４４と第２連結極板４６とを近接配置し、かつ、正側導体３０と負側導体３２とを近接配置したので、転流時間における正側導体３０と負側導体３２のインダクタンスを極小にできる。また、正側コイル１４と負側コイル１６との間の距離を離したので、転流時間における正側コイル１４と負側コイル１６のインダクタンスを低下させることができる。これらにより、転流時間を短くすることができ、本発明の目的である繰り返し周波数が５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度のパルスを使用した制御が可能になる。

また、正側コイル１４と負側コイル１６との間に１次コイル１２を配置したので、１次コイル１２と正側コイル１４や負側コイル１６との間の磁気的結合のバランスが良く、安定で良好な溶接電流が得られる。さらに、大電流の流れる正側コイル１４と負側コイル１６とを離すことにより、磁心２５の磁気飽和も起こり難くすることができる。

図１０は、実施例１の実際の溶接トランス１０を示す分解斜視図である。
正側コイル１４と負側コイル１６とを７組配置する。これらの正側コイル１４と負側コイル１６の間に、１次コイル１２を配置する。１次コイル１２の入力端子５８は側方に引き出す。分割巻きされた１次コイル１２は全て直列接続されている。入力端子５８は、１次コイル１２に１次電流を供給するためのものである。

１次コイル１２に設けられた各間隙１２ａに正側コイル１４と負側コイル１６を１個ずつ挟み込んだ後で、磁心２５を装着する。磁心２５は２分割されているが、結束バンド６０で結束一体化する。磁心２５の平行部２５ａ全体を覆うように１次コイル１２と正側コイル１４と負側コイル１６とを配置するので、漏れ磁束が少なくて良好な特性を得る。

図１１に示すように、接続基板６２の他方の面上に、第１連結極板４４と第２連結極板４６と第３連結極板４８とを支持固定すると、正側導体３０と負側導体３２とは、接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びた構造になる。なお、接続基板６２の他方の面が一部露出している。ここには、多数の孔が空いている。これらの孔は、基板６２の中空部を介して正側コイル１４や負側コイル１６の中空部に冷却水等の冷媒を供給するためのもので、冷媒供給路７２が取り付けられて冷媒通路を構成している。図１１に示すように、正側導体３０と負側導体３２にそれぞれ整流素子１８と整流素子２０を密着させ、第１極板３４と第２極板３６とで挟む。

接続基板６２の中空部に冷媒が供給されると、正側コイル１４や負側コイル１６を間接的に冷却することができる。複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６との間に分割巻きされた１次コイル１２の各部を挟むように配置したので、正側コイル１４と負側コイル１６によって１次コイル１２を含むトランス全体を効率よく冷却できる。

図１２はほぼ組み立てを完了した溶接トランスの斜視図である。図１３は、プラス電極とマイナス電極を取り付けた状態の溶接トランスの斜視図である。
図のように、溶接トランス１０の接続基板６２のいずれか一方の短辺側に、プラス電極２２とマイナス電極２４を固定している。このように構成することで、接続基板６２の短辺方向の幅を十分に狭くし、同じ構成の溶接トランスを重ね合わせて連結できる。

また、第３極板３８とマイナス電極２４には冷媒供給栓７４が取り付けられている。即ち、第３極板３８もマイナス電極２４も中空部を有し、その内部に冷却水等の冷媒が供給される。また、それらの中空部は、配管により、基板６２や正側コイル１４や負側コイル１６の中空部に接続されており、溶接トランス全体を冷却できる。プラス電極２２に冷媒供給栓７４を取り付けてもよい。

次に、図４における溶接制御装置１１２の溶接電流制御方法の実施例を説明する。
図１４は、本発明の溶接電流制御方法の実施例である。
この実施例で、溶接電流のさらに具体的な制御方法を説明する。図の上部のグラフは、溶接電流の時間変化を示すもので、縦軸は溶接電流（単位Ａ）、横軸は時間の経過（単位ｍｓｅｃ）を示す。図の下部のグラフは、ナゲット径Ｐ（溶融部分の直径）が時間とともに増加していく状態を示し、縦軸はナゲット径あるいはナゲット深さ（単位ｍｍ）を示す。上下のグラフの横軸のスケールは一致させてある。

図１４は、先に説明した溶接トランス１０を使用して、実際に、冷間圧延鋼板の溶接を行った場合の溶接電流の時間変化を示している。ここで、以下の説明のために、図のグラフの時間軸を４つに区分する。まず、溶接電流供給開始時刻ｔ０から時刻ｔ２までの電流増加率が最大の部分を、立ち上げ制御期間Ｔ１と呼ぶことにする。これに続く、時刻ｔ２から時刻ｔ３までのピーク電流値Ｃ１に近い所定レベルの電流を維持する期間をピークレベル制御期間Ｔ２と呼ぶことにする。そして、その後の、時刻ｔ２から電流遮断時刻ｔ３に至るまでの期間を温度維持制御期間Ｔ３と呼ぶことにする。電流遮断時刻ｔ３以降の期間は、溶接部が自然放冷される期間である。

図１４のグラフで説明すれば、立ち上げ制御期間Ｔ１では、可能な限り速く最大電流に到達するように溶接トランス１０を制御して電流の立ち上げ速度を速める。溶接電流がピーク電流値Ｃ１に近づいたとき、そのままの制御状態を維持すると溶接電流が過大になるおそれもあるため、ピーク電流値Ｃ１を越えないでこの電流値を維持できるように時刻ｔ１で制御電流値を調整する。きわめて短時間であり、安定な制御が容易でないから、実際の電流値は若干変動している。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間で、溶接部を融点以上の目標値にさせる。時刻ｔ２以後は、溶接部の温度を適正範囲に維持できるだけの溶接電流を供給するように制御を切り替える。ピーク電流値Ｃ１から加熱終了時電流値Ｃ２まで段階的に制御電流を切り下げるように制御する。温度維持制御時間Ｔ３は、ナゲットが適切な形状に成長するまで待機する時間である。

実験によれば、板厚が１．０ｍｍの冷間圧延鋼板を、ピーク電流値Ｃ１が１００００Ａ、加熱終了時電流値Ｃ２が７０００Ａで制御したとき、立ち上げ制御期間Ｔ１が５ｍｓｅｃ、立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２の和（Ｔ１＋Ｔ２）が９ｍｓｅｃ、温度維持制御期間Ｔ３が３１ｍｓｅｃで、良好なナゲットが形成された。即ち、（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）は４０ｍｓｅｃであった。

抵抗溶接は長年に渡り多くの産業分野で使われてきたが、大きな技術的革新がなかった。交流式抵抗溶接からインバータ式抵抗溶接に主流が移ったものの、その溶接方法は同じであった。本発明の抵抗溶接方法は、地球環境からも１／１０に近い省エネルギー効果や、通電時間を１／５ から１／１０以下に短縮でき飛躍的な生産性向上が可能であることから、大きく技術的な革新ができる。

また、本発明によれば、製品全体を高温まで加熱することなく、溶接部近傍のみを一気に高温に加熱するので、製品の熱変形（熱による歪）が減少し製品品質が向上する。さらに、製品の表面まで高熱に加熱しないですむため、溶接部の表面や裏面の過熱による焼けや変形などが減少し、材料の美麗さが保持できるというきわめて重要な効果が得られる。

省エネルギー効果は全ての産業に利用できることは勿論、自動車産業などの量産ラインでの通電時間の短縮は生産性の向上による飛躍的なコストダウンが可能である。また、本発明の溶接方法による微少時間での溶接の高精度な制御が溶接品質にも大きく貢献できる。従来にない全く新しい抵抗溶接方法の概念が本発明の特長である。

１０ 溶接トランス
１２ １次コイル
１４ 正側コイル
１６ 負側コイル
１８ 整流素子
２０ 整流素子
２２ プラス電極
２４ マイナス電極
２５ 磁心
２５ａ 平行部
２５ｂ 湾曲部
２６ 溶接トランス
２８ 溶接機
３０ 正側導体
３１ 絶縁層
３２ 負側導体
３４ 第１極板
３６ 第２極板
３８ 第３極板
４４ 第１連結極板
４６ 第２連結極板
４８ 第３連結極板
５８ 入力端子
６０ 結束バンド
６２ 接続基板
６３ 補助基板
６４ 共通プラス電極
６６ 共通マイナス電極
６７ 端子
６８ 端子
６９ 端子
７２ 冷媒供給路
７４ 冷媒供給栓
７６ 突起
７８ 導体
８０ 突起
８２ 導体
８４ 突起
８６ 突起
８８ 枝
９０ 導体
１１２ 溶接制御電源装置
１１６ 記憶装置
１１８ 抵抗溶接機本体

Claims (2)

1. 平行部２５ａと両端のＵ字状の湾曲部２５ｂにより構成される環状磁心２５と、前記環状磁心２５の平行部２５ａに、複数の部分に分けて間隙１２ａを空けて分割巻きされる１次コイル１２と、前記１次コイル１２と共に環状磁心２５の平行部２５ａに巻回され、前記１次コイル１２に設けられた前記各間隙１２ａに１個ずつ挟み込むように、複数の正側コイル１４と複数の負側コイル１６とを交互に配列した２次コイルと、前記複数の正側コイル１４は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記複数の負側コイル１６は全て並列接続されるかもしくは全部または一部が直列接続され、前記接続された複数の正側コイル１４と前記複数の負側コイル１６とが互いに直列接続されるように、前記正側コイル１４と負側コイル１６の端子間を電気接続をする導体群を有し、かつ、前記導体群により、前記全ての正側コイル１４と負側コイル１６とを一方の面上に支持固定する接続基板６２を備え、前記複数の正側コイル１４の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面上で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第１連結極板４４に電気接続され、前記複数の負側コイル１６の一方の端子は、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第２連結極板４６に電気接続され、前記正側コイル１４と負側コイル１６の他端は、共に、前記接続基板６２の他方の面側で、前記環状磁心２５の平行部２５ａに平行な方向に伸びた第３連結極板４８に電気接続され、前記第１連結極板４４には、正側導体３０が連結され、前記第２連結極板４６には、負側導体３２が連結され、前記正側導体３０と負側導体３２とは、前記接続基板６２の他方の面側において、当該他方の面から垂直に離れる方向に伸びる境界面に配置された絶縁層３１を介して重ね合わされた一対の導体板であって、前記正側導体３０と第１極板３４に挟まれて、前記正側導体３０に負極を接触させ前記第１極板３４に正極を接触させた整流素子１８と、前記負側導体３２と第２極板３６に挟まれて、前記負側導体３２に負極を接触させ前記第２極板３６に正極を接触させた整流素子２０と、前記第１極板３４と前記第２極板３６を支持し、両者を電気接続する第３極板３８とを備えていることを特徴とする溶接トランス１０を使用し、
   溶接電流供給開始時刻ｔ０からその後の時刻ｔ１までの、電流増加率が最大の部分を立ち上げ制御期間Ｔ１と呼び、これに続く時刻ｔ１から時刻ｔ２までの、ピーク電流値Ｃ１に近い所定レベルの電流を維持する期間をピークレベル制御期間Ｔ２と呼び、その後の時刻ｔ２から電流遮断時刻ｔ３に至るまでの期間を、温度維持制御期間Ｔ３と呼ぶとき、前記立ち上げ制御期間Ｔ１は１０ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２の和の（Ｔ１＋Ｔ２）時間は１５ミリ秒以下とし、前記立ち上げ制御期間Ｔ１とピークレベル制御期間Ｔ２と温度維持制御期間Ｔ３の和の（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）時間は、５０ミリ秒以下としたことをたことを特徴とする抵抗溶接方法。
2. 請求項１の溶接方法の溶接制御電源装置１１２、及び溶接トランス１０を備えた抵抗溶接装置。