JP5875173B2 - アルミニウム板の抵抗シーム溶接方法及び当該溶接方法を利用した水冷ジャケット - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム板の抵抗シーム溶接方法及び当該溶接方法を利用した水冷ジャケットに関する。特には、モータやトランス冷却等のための水冷ジャケットの製造方法に関する。なお、本願においてアルミニウム板とは、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、ニッケルなどと合金にした、各種のアルミニウム合金板を含む概念である。

アルミニウムは、単体は銀白色の金属で、常温常圧で非常に高い熱伝導性・電気伝導性を持ち、加工性が良く、実用金属としては軽量である。
具体的には、アルミニウムは鉄の約35 %の比重で、密度は (2.70 g/cm3) で軽量であり、展性に富んでいる。そして、アルミニウム合金はその軽量さと、湾曲や折り曲げなど加工のしやすさを活かしつつ強度を改善しているため、自動車や水冷ジャケットなど様々な製品に採用され、その需要は益々拡大している。

そこで、アルミニウム板に関しては、加工のために接合を行う際、各種ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接などのアーク溶接が利用されている。その他、電子ビーム溶接、電磁シーム溶接などによる溶接方法が使用される場合がある。
しかしながら、アーク溶接は取り扱いが難しく、溶接者の熟練が必要で、コストも高くついてしまう上に、厚さ1mm以下の薄板ではアルミが溶け落ちしやすく、溶接自体が難しい場合がある。電子ビーム溶接については、真空中でフィラメントを加熱させるために、真空チャンバを必要とし、さらに板間の隙間を完全になくさなければならないなど、難点が多い上、巨大な装置とコストを必要としてしまう。電磁シーム溶接は、板の周囲にコイルを置いて固定する必要があり、任意の自由な線状に溶接を行うことが難しく、また他の方法と同様にコスト高となる。このように、国際競争が著しく発達した現在においては、アルミニウム板の溶接はコスト・手間・難易度などの面から問題があり、特殊な必要性がない限りボルト等で打ち付けるなどの方法が採られていることが多い。

さらに、アルミニウムは一般的に抵抗加熱による溶接は不適であるとされている。その理由は、アルミニウムが非常に高い熱伝導性・電気伝導性を持っているため、瞬時に多量の熱を急速に与えなければならない。その結果、抵抗溶接のためには高加圧・大電流が必要となり、一般的な鉄・鋼用の抵抗溶接用の装置では容量が足りないため抵抗溶接できず、巨大な電源装置とコストが必要となってしまう。特に、抵抗シーム溶接では、アルミニウムは熱伝導性・電気伝導性が高い上に、660℃という低い温度で一気に融解し液化してしまうため、周波数一定で点呼バランスの変化をさせる、一般的な方式のインバータ直流式の抵抗加熱電源を使用すると、溶融量が多い状態で高加圧しながら大電流が流れた場合、爆発する危険性がある。そのため、一般的な抵抗シーム溶接は利用されておらず、例えばステンレス板を介在させるなど（特開平８−３０９５５１号公報）、手間及びコストがかかる方法を必要としていた。

しかしながら、抵抗シーム溶接は、・溶接速度が速い・溶接者の免許が不必要で、操作が容易・電気的コントロールにより一定の品質を確保しやすく、人件費などの経済的側面も含めて効率が良い・アルミ以外の多種の金属（主に鉄や鋼）の溶接及びワーク形状の汎用性が高いなど、他の溶接方法に比べて利点が多い。そこで、もしアルミニウム板の抵抗シーム溶接を、通常の鉄や鋼を溶接する抵抗シーム溶接機で行うことができれば、アルミニウム板の加工の速度と効率性を飛躍的に高めることが出来る。

さらに、ステンレスなど、熱伝導性のある金属板を利用した実用方法として、水冷ジャケットが知られている。水冷ジャケットとしては、典型的には内部に冷却のためのパイプ又はパイプ状流露を有したジャケット構造により構成される（例えば特開昭６３−２９３８６５号公報，特開平８−２９８７５０号公報，特開２００８−１１２７７５）。このような水冷ジャケット構造においては、より高い熱伝導性を有するアルミニウム板を使用することがある（特開２００６−３２４６４７号公報）。

しかしながら、このような水冷ジャケットにあっては、パイプを使用した場合にはスペースをより多く必要とし、また材料費がかさみ製造コストが高くなるという問題点がある。また、複雑な構成の水冷ジャケットにあっては製造時のプレス加工等に相応の手間・時間・正確性を必要とし、製造費がかさむ。さらには、材料にアルミニウム板を使用した場合には、その溶接にあたって、上述の通り加工に手間やコストがかかり、効率的でない。また、水冷ジャケットは個別の冷却対象に合わせて設計され、特に汎用性のあるものではない。

そこで本発明は、アルミニウム板の溶接に関する難点を解消し、より低加圧・省電力で抵抗シーム溶接を行うことを可能にする方法を提供し、さらに当該溶接方法を使用して、アルミニウム板を利用した、スペースを取らず、容易に製造可能で、汎用性の高い水冷ジャケットをより効率的に提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明のアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法は、２つの円盤状の溶接電極を使用し、ワークを挟んで連続的に回転させながら電流を断続させ、溶接を行う抵抗シーム溶接装置を使用し、当該抵抗シーム溶接機の電源装置が、
所定の目標電流値を設定する手段と、所定の時間単位で現実の電流値を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御し、次の電流を立ち上げる手段を備え、1000〜10000Ｈｚの範囲内で周波数が可変であり、
溶接時のヒート：クールの時間比を、１：1.5〜3.5（好ましくは１：２〜１：３）の範囲で、アルミニウム板の溶接を行うことからなる。クール時間がこれ以上短いと板の十分な冷却をすることができず、またこれ以上長すぎると適切な熱量を入れるのに不適であるからである。

さらに、本発明は、ヒート状態において必要とされる一定の電流値（ヒート時間の計算の初期値）までの立ち上げ時間を3mm/sec以下とし、
加圧力 １００ｋｇ〜２００ｋｇ
電流値 ２万Ａ以下
ヒート：クール時間比 １：２〜１：３
溶接速度 およそ５ｍ／分
で厚さ1mm以下のアルミニウム板を溶接することからなる。

さらに好ましくは、厚さ２０μm以下のアルミニウム板を
ヒート状態において必要とされる一定の電流値（ヒート時間の初期値）までの立ち上げ時間までの立ち上げ時間を３mm/sec以下とし、
加圧力 １０ｋｇ〜２０ｋｇ
電流値 ３０００Ａ以下
ヒート：クール時間比 １：２〜１：３
溶接速度 およそ５ｍ／分
で厚さ２０μm以下のアルミニウム板を溶接することからなる。

さらに、本発明は、上記溶接方法により、厚さ1mm以下のアルミニウム板を重ね合わせ、流露を構成する壁となる部分を抵抗シーム溶接することにより、水冷ジャケットを製造することからなる。
また、アルミニウム板が、３０００系〜６０００系、好ましくは５０００系のアルミニウム合金であることが好適である。
また、上記方法により製造された水冷ジャケットであって、当該水冷ジャケットが、モータ又はトランス、特には抵抗溶接用トランスコアに装着されていることが好適である。
また、水冷ジャケットが、枠状に構成されていることが好適である。

すなわち、本発明者は鋭意研究の結果、本発明者が発明（特開2011-088160号公報）し、本願出願人が販売している抵抗溶接用電源装置を使用した上で、通常の鉄や鋼の溶接と異なり、クールタイムを長く採ることにより、アルミニウム板の抵抗シーム溶接を容易に行うことができることを発見したものである。
この抵抗溶接用電源装置は、所定の目標電流値を設定する手段と、所定の時間単位で現実の電流値を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御し、次の電流を立ち上げる手段を備えており、周波数が可変となっている。したがって、例えば1000〜10000Ｈｚ、又はそれ以上の高周波に至る範囲で周波数が可変される。
この電源によれば、従来の電源に比べ、必要とされる電流値までの立ち上げ時間を短くすることが可能で、かつ電流波形が滑らかなものとなり、２次電流のリップルも少なくなり、低加圧・小電流で行うことができる（図４参照）。このため、不必要に大きな電流が流れることを防ぎ、及びクール時間を長くとることでアルミニウム板の温度管理を適切に行うことが出来、アルミニウム板の抵抗シーム溶接を行うことを可能にしたものである。具体的な溶接条件は材質や板厚により適宜設定されるものであるが、前記した条件で行うことで、良好に抵抗シーム溶接を行うことができる。また、本願発明においては、シーム溶接の円盤状の電極の形状や、ロボット型のシーム溶接機など、抵抗シーム溶接機自体の形状や構造は特に限定されず、上記の抵抗溶接用電源装置を備えていれば、公知の様々な抵抗シーム溶接機を使用することができる。

また、さらに研究を進めた結果、当該方法によりアルミニウム板を溶接することで、水冷ジャケットの製造を飛躍的に容易にしたものである。さらに、水冷ジャケットの製造が容易である利点を生かし、水冷ジャケットを柔軟で容易に変形できるように構成することで、使用する対象や形状の汎用性の高いジャケットを提供することができる。例えば、モーターやトランスコアなどに湾曲又は巻付して装着できる水冷ジャケットを提供すること、枠状の水冷ジャケットを提供することを可能にしたものである。なお、アルミニウム板としては、１０００系だと加工がしやすいものの、水冷ジャケットに使用するにはさびやすい特徴を有する。２０００系では硬度が高く、また溶接時にクラックが入りやすいという特徴を有する。そのため、３０００系〜６０００系が好適であり自動車部品として良く使用される５０００系は、加工性も高く抵抗シーム溶接を行う本発明に適している。

一方、水冷ジャケットについては、上記の溶接方法により、アルミニウム板を重ね合わせ、流露を構成する壁となる部分を抵抗シーム溶接することにより構成することができる。アルミニウム板は、厚さ1mm以下の板とすることで、折り曲げるなど加工しやすいという本発明の利点をより活用できる。

このように構成されることで、特にパイプを使用したり、正確なプレス加工の必要が無く、極めて容易に流露を有する水冷ジャケットを製造することができる。ただし、流露となる部分にプレス加工を施すことなどを排する趣旨ではない。

さらに、より流体が流れやすいように、アルミニウム板を溶接したあと、例えば１〜２ｋｇ／cm2で内部に向けて空気圧をかければ、流露部分が圧力により延びてふくらみ、特にプレス加工をしなくても流路を広く確保することも可能である。

製造された水冷ジャケットはアルミニウム薄板により製造されているため柔軟であり、スペースを取らず、汎用性が高い。そして、湾曲させるなどして容易にモーターやトランスコアに装着することができる。シーム溶接を行う位置は、通常は４辺とその内部の適宜の位置であり、必要な流路が構成される。流体の注入・排出口は、例えばニップルを配置するなど公知の手段を採用できる。

さらに、形状を枠状に構成した水冷ジャケットが、本発明の利点を活用した形状として有用である。
この形状の水冷ジャケットの製造方法は、２枚のアルミニウム板を抵抗シーム溶接した後、枠状（円状でも角状でも、設置する部材により適宜選択できるものである。）になるように曲げることで構成できる。別の方法としては、２枚のアルミニウム板を枠状になるように曲げた後、抵抗シーム溶接を行うことでも製造できる。いずれにしても、通常の鋼の抵抗シーム溶接と同様に、任意の位置を任意の線状に溶接することが可能であるために、従来の方法では不可能であったか、困難であった形状を容易に構成することができるものである。

このように、本発明によれば、小型で柔軟な水冷ジャケットを容易に製造できるため、複雑な表面形状を有する部分や、比較的小さい面積部に対しても、水冷ジャケットを配置することが容易になるものである。したがって、モータ（特に検出器を備えたサーボモータのコア）やトランス（特にトランスコア）の冷却効率を、より容易に上げることができるものである。特に、トランスに対しては、既に公知の水冷ジャケットが装着されたトランスであっても、トランスコアが露出した部分があれば、その部分に追加して別途装着することも容易である。したがって、さらに冷却効率を上げ、抵抗溶接用電源に使用されるトランスをより小型化することができるという相乗的効果も有する。

本発明は、上記の構成を有するので、アルミニウム板の溶接に関する難点を解消し、より低加圧・省電力で抵抗シーム溶接を行うことを可能にしつつ、アルミニウム板を利用した、スペースを取らず、容易に製造可能で、汎用性の高い水冷ジャケットをより効率的に提供することが可能である。

本発明の水冷ジャケットの実施例を示す図である。 本発明の水冷ジャケットの別の実施例を示す図である。 本発明の水冷ジャケットをモータに装着した状態を示す図である。 本発明に使用される電源装置の電流波形を示す図である。

出願人が製造している抵抗溶接用電源を使用し、本発明の方法により、下記の条件で厚さ1mmアルミニウム板（Ａ５０８３）を抵抗シーム溶接を行うことができた。
所望の電流値までの立ち上げ時間：３mm/sec
加圧力 １００ｋｇ〜２００ｋｇ
電流値 16000Ａ
ヒート：クール時間比 4mm/sec：10mm/sec
溶接速度 ５ｍ／分

また、下記の条件で厚さ２０μmアルミニウム板（Ａ５０８３）を抵抗シーム溶接を行うことが出来た。
所望の電流値までの立ち上げ時間：３mm/sec
加圧力 １０ｋｇ〜２０ｋｇ
電流値 3000Ａ
ヒート：クール時間比 4mm/sec：10mm/sec
溶接速度 ５ｍ／分

図１は、本発明の方法により製造した水冷ジャケットの一例を示す図である。なお、図１は、構造が理解しやすいように、板の厚さなどを誇張した概念図である。
二枚のアルミニウム板１，２を重ね、流路の壁となる部分３を本発明の方法により抵抗シーム溶接を行う。流体の注入・排出口としてニップル４を設けることにより、板状の水冷ジャケット５を容易に製造することが出来る。流体の流れは矢印にて示されている。この板状の水冷ジャケット５は、パイプ等を内蔵していないので、簡単に湾曲させることが可能であり、例えばモータやトランスなど発熱部位に巻き付けて配置することなどが可能である。このように、製造された水冷ジャケット５は加工性が高いため、取り付けられる機器の種類が多く、汎用性が高い。したがって、コスト的にも技術的にも極めて効率的にモーターやトランスコアの冷却効率を飛躍的に上げることが可能となる。

図２は、本発明の方法により製造した水冷ジャケットの別の一例を示す図である。なお、図２は、構造が理解しやすいように、板の厚さなどを誇張した概念図である。
水冷ジャケット５は、枠状に構成されている。この製造方法としては、まず二枚のアルミニウム板１，２を重ね、流路の壁となる部分３を本発明の方法により抵抗シーム溶接を行った後、枠状に曲げることによっても製造可能である。また、まず二枚のアルミニウム板１，２を枠状に構成した後に、流路の壁となる部分３を、抵抗シーム溶接することでも製造可能である。流体の流れは矢印にて示されている。このような形状に構成することで、モータやトランスのコアなどに設置することが極めて容易である。さらに、図のように四角状にすることに限られず、円形の枠状にすることなども容易である。すなわち、通常の鋼や鉄の抵抗シーム溶接と同様に、任意の位置を任意の線状に溶接出来、かつ溶接されたアルミニウム板の加工が容易であるという本発明の方法の利点を最大限に利用した水冷ジャケットを提供することが可能である。

図３は、本発明の水冷ジャケットをモータに適用した場合を示す図（断面を示す概念図）である。モータ６には回転子７や固定子８からなるコア９やケーシング１０が設けられており、コア９には、前述の方法で製造された水冷ジャケット５が巻き付けられるようにして設置されている。このように構成されることで、空冷フィンや水冷パイプを設ける場合のようにスペースを必要とすることがなく、また従来では製造が不可能であったか極めて難しくコスト高となってしまう構造を容易に提供することが可能である。

１ アルミニウム板
２ アルミニウム板
３ 流路の壁となる部分
４ ニップル
５ 水冷ジャケット
６ モータ
７ 回転子
８ 固定子
９ コア
１０ ケーシング

Claims (7)

1. ２つの円盤状の溶接電極を使用し、ワークを挟んで連続的に回転させながら電流を断続させ、溶接を行う抵抗シーム溶接装置を使用し、当該抵抗シーム溶接機の電源装置が、
   所定の目標電流値を設定する手段と、所定の時間単位で現実の電流値を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御し、次の電流を立ち上げる手段を備えており、
   ヒート状態において必要とされる一定の電流値までの立ち上げ時間を３mm/sec以下とし、溶接時のヒート：クールの時間比を、１：1.5〜3.5の範囲で、アルミニウム板の隙間のない線状の溶接を行うことを特徴とするアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法。
2. 溶接時のヒート：クールの時間比が、１：２〜１：３であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法。
3. 厚さ1mm以下のアルミニウム板を、以下の溶接条件
   加圧力 １００ｋｇ〜２００ｋｇ
   電流値 ２万Ａ以下
   で溶接することを特徴とする、請求項２に記載のアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法。
4. 厚さ２０μm以下のアルミニウム板を、以下の溶接条件
   加圧力 １０ｋｇ〜２０ｋｇ
   電流値 ３０００Ａ以下
   で溶接することを特徴とする、請求項２に記載のアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法。
5. アルミニウム板が、３０００系乃至６０００系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法。
6. アルミニウム板が、５０００系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアルミニウム板の抵抗シーム溶接方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の抵抗シーム溶接方法により、厚さ1mm以下のアルミニウム板を重ね合わせ、流路を構成する壁となる部分を抵抗シーム溶接することにより、水冷ジャケットを製造することを特徴とする、水冷ジャケット製造方法。

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