(57)【要約】【課題】本発明は、金属薄板を電磁溶接する平板状ワンターンコイルに関する。従来の平板状コイルには、溶接しにくいアルミニウム合金薄板を溶接する場合、大きな電源エネルギーを必要とする欠点があった。これを改良した電磁溶接用平板状ワンターンコイルを提供する。【手段】平板状ワンターンコイル３を電源１およびスイッチ２に接続する。スイッチ２を閉じて、このコイルにパルス大電流を流す。広い幅の周辺部分４Ｂ、４Ｃの間隔が、部分的に変化しているので、アルミニウム合金薄板５Ａ、５Ｂをエネルギー効率よく溶接できる。狭い幅の電流集中部４Ａの幅が一定なので、この部分は変形しにくい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性金属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い電流集中部を設け、戻りの電流を流すための幅の広い部分を残りの周辺部分に設けた、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上に金属薄板などを置き、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装置において、
狭い幅の電流集中部と広い幅の周辺部分の間を、部分的に変化させた平板状ワンターンコイル。
【請求項２】
前記の平板状ワンターンコイルにおいて、狭い幅の電流集中部の幅を一定とすることを特徴とする請求項１記載の平板状ワンターンコイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、アルミニウム合金、銅など金属薄板の溶接を必要とする自動車部品、電子部品などの組立て分野において使用される電磁シーム溶接用コイルに関する。
【技術背景】
【０００２】  溶接が困難と言われているアルミニウム合金、銅などの金属薄板を容易にシーム溶接する方法として、本発明者が考えた電磁溶接法がある（特許文献１）。この電磁溶接法は、金属薄板をシーム溶接する電磁溶接装置において、例えば、一枚の金属板材に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金属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金属薄板をシーム溶接する方法である。本発明者は、さらに、この電磁溶接法に使用するコイルについて改良したコイルの発明についても特許出願した（特許文献２），（特許文献３）。
【特許文献１】  特許第３７５１１５３号（図４）
【特許文献２】  特開２００４−３４２５３５号
【特許文献３】  特願２００６−２６３５２９号
【０００３】  前記の平板状ワンターンコイルには、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。一枚の板状のため１００ｋＡ以上のパルス大電流が流れても損傷を受けにくい。コイル（板状）と被溶接材（金属薄板）との電磁結合が強い。コイルの片面（上）に重ね置かれた金属薄板を溶接できる。
【０００４】  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、数１００μｓ以下の短時間流れる。金属薄板（被溶接材）の厚さは１ｍｍ以下、溶接部分の長さは２００ｍｍ以下である。重ね置かれる金属薄板の間に１ｍｍ程度の間隙を設けて溶接すると、二枚の金属薄板が高速で衝突する効果でエネルギー効率よくシーム溶接できる（特許文献２）。また、高速で衝突させる際、傾斜衝突させると、さらにエネルギー効率よくシーム溶接できる（特許文献３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  先に出願してある平板状ワンターンコイルおよびこのコイルを用いて高速で傾斜衝突させる電磁シーム溶接装置の概略を説明する（特許文献３）。次に、この平板状ワンターンコイルの問題点を述べる。【０００６】  傾斜衝突させるために用いる典型的な平板状ワンターンコイルの概略図を図７に示す。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）はコイル中央部分４Ａの電流方向に垂直な断面例である。平板状ワンターンコイル３は電気的に絶縁された一枚の平板からなっている。このコイル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４Ｄから構成されている。コイル中央部分４Ａの幅は、長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで、連続的に減少し、長手方向中央からは、連続的に増加している。コイルの材質はクロム銅、板厚は４ｍｍである。中央部分４Ａの長さは約１００ｍｍ、幅は最大４ｍｍ、最小２ｍｍである。この幅はコイル中央部分４Ａの長手方向中央で最小２ｍｍである。【０００７】  図７に示す平板状ワンターンコイル３を使用した電磁シーム溶接装置の概略を図８に示す。図（Ａ）は平面図および放電回路、図（Ｂ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ部分の断面例である。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の長手方向中央では、幅が狭いので、他より大きい磁束密度Ｂの磁束７が発生する。磁束７が間隙を設けて重ねたアルミニウム合金薄板５Ａ、５Ｂに交差すると、電磁誘導作用によって下側の合金薄板５Ａに渦電流が流れ、加熱される。また、渦電流に電磁力が働くため、下側の合金薄板５Ａは上側へ加速される。【０００８】  大きい磁束密度Ｂが発生するコイル３の中央部分４Ａの長手方向中央では、下側のアルミニウム合金薄板５Ａに働く加速度が大きく、この部分の合金薄板５Ａ，５Ｂは他の部分に比べ時間的に早く衝突する。この結果、重ねたアルミニウム合金薄板の各部分は時間差を生じて衝突する。衝突する部分は高速で移動することになる。また、重ねた合金薄板は、互いに平行でなく、傾斜した状態で衝突する。このような衝突を傾斜衝突と呼んでいる。【０００９】  重ねたアルミニウム合金薄板が前記のように高速で傾斜衝突すると、金属ジェットが発生する。金属ジェットは、合金薄板の表面を清浄化する力が強い。このような金属ジェットの働きが加われば、低い電源エネルギーで効率よくシーム溶接できる（非特許文献１）。
【非特許文献１】  日本塑性加工学会編「高エネルギー速度加工」、コロナ社（１９９３年４月版）ページ１８３
【００１０】  例えば、アルミニウム合金Ａ５１８２薄板（厚さ１ｍｍ）を間隙１ｍｍを設け二枚重ね、傾斜衝突させ、長さ１００ｍｍにわたりシーム溶接するのに必要な電源のエネルギーは、約２．５ｋＪであり、傾斜衝突させない場合に比べ２０％程度低い電源エネルギーで溶接できる。【００１１】  次に、前述した平板状ワンターンコイル３の問題点を示す。図７に示す平板状ワンターンコイル３では、コイル中央部分に幅の狭い（２ｍｍの）部分が存在する。このため、１００回程度の実験後、この狭い部分の断面に変形が見られた。その後も実験を続けると、変形が進み、コイルと被溶接材（アルミニウム合金薄板）との電磁結合が悪くなるため，電源エネルギー約２．５ｋＪでは、シーム溶接できなくなる。現状では、この変形を解決するコイル材料が見つからないので、コイル中央部分の幅を狭くすることに問題がある。【００１２】  また、シーム溶接された部分の幅が一様でなくなる。この幅はコイル中央部分で狭く、コイル端部で広くなる。幅の広い部分では、接合強度が極端に弱くなる可能性もある。シーム溶接される部分の幅は、外見上からもできる限り一様にしたい。【００１３】  傾斜衝突させる他のコイル構造として、コイル中央部分の幅を狭くする代わりに、コイル中央部分の厚さを変化させる方法もある（特許文献３）。しかし、コイルに流れる電流が高周波数で変化することが多く、電流はコイル表面に集中して流れやすい。このため、コイル中央部分の厚さを変えて傾斜衝突させる効果が現れにくくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  平板状ワンターンコイルの中央部分の幅を部分的に狭くする、または部分的に厚さを薄くすることなく、被溶接材を高速で傾斜衝突させ、エネルギー効率よくシーム溶接する手段を以下の順に示す。シーム溶接される部分の幅も比較的に一様になる。【００１５】（１）先ず、コイル中央部分４Ａの幅および厚さを一定とし、その両側の幅の広い周辺部分４Ｂ、４Ｃの幅を部分的に３段階に変化させた平板状ワンターンコイル３（図１）を考える。コイル中央部分４Ａと周辺部分４Ｂ、４Ｃの間の空間を、簡単のため「切り込み」と呼ぶことにする。この切り込み幅が３段階に変化している。数値例としては、中央部分４Ａの幅５ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、３段階の切り込みの幅３、５、７ｍｍ、長さ各５０ｍｍである。【００１６】（２）このコイル３へ電流を流すと、切り込み幅の狭い（３ｍｍの）部分では、往復する電流が比較的近くに存在するため、この部分では、コイル中央部分４Ａの上部に発生する磁束密度が小さくなる。逆に、切り込み幅の広い（７ｍｍの）部分では、コイル中央部分４Ａの上部に発生する磁束密度が大きくなる。【００１７】（３）次に、切り込み幅を連続的に変化させた平板状ワンターンコイル３（図２）を考える。切り込み幅の狭いコイル中央部分４Ａの長手方向端部では発生する磁束密度が小さく、逆に、切り込み幅の広い長手方向中央部では発生する磁束密度が大きい。この結果、このコイルの上部に重ねたアルミニウム合金薄板を置いて、コイルにパルス大電流を急激に流すと、合金薄板は高速で傾斜衝突し、エネルギー効率よくシーム溶接され得る。【００１８】  本発明は、以上のように、コイル中央部分の幅を部分的に狭くすることなく、重ねた金属薄板などを高速で傾斜衝突させ、エネルギー効率よく電磁シーム溶接できる平板状ワンターンコイルを提供する。
【発明の効果】
【００１９】  請求項１〜２記載の発明による平板状ワンターンコイルを図８の平板状ワンターンコイル３に替えて使用しても、間隙を設けて重ねたアルミニウム合金などの金属薄板を同様に電磁シーム溶接できる。その際、これらの平板状ワンターンコイルにおいて、コイル中央部分４Ａ（電流集中部）上で発生する磁束密度の大きさが電流の流れる方向に沿って変化している。この結果、重ねた金属薄板はコイル中央部分４Ａに沿ってわずかに時間差をともなって傾斜衝突し、エネルギー効率よく溶接される。【００２０】  請求項２記載の発明による平板状ワンターンコイルを使用すれば、シーム溶接される部分の幅がほぼ一定になる。溶接部分の接合強度が一部で極端に弱くなることはない。また、コイル中央部分４Ａ（電流集中部）の幅を部分的に狭くすることがないので、この部分の変形が比較的に少なくなる。【００２１】  この種の平板状ワンターンコイルを使用すると、間隙を設けて重ねた金属薄板を水など液体中でシーム溶接できる。急激に傾斜衝突させることで、溶接部分の水が溶接部分から次々に外側へ押し出され、水のなくなった部分が連続して溶接（シーム溶接）される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】  以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２３】  図２にコイル中央部分４Ａと周辺部分４Ｂ、４Ｃの間の空間（簡単のため「切り込み」と呼ぶ）幅を、コイル中央部分の長手方向端部から電流の流れる方向に沿って、長手方向中央まで、連続的に増加させ、長手方向中央からは、連続的に減少させた平板状ワンターンコイルの概略図を放電回路と共に示す。コイルの材質、寸法例を以下に示す。材質はクロム銅、板厚は３ｍｍである。中央部分４Ａの長さは約１３０ｍｍ、幅は５ｍｍである。切り込み幅は最大７ｍｍ、最小３ｍｍであり、連続的に変化している。【００２４】  図２に示す平板状ワンターンコイル３を使用した電磁シーム溶接装置の概略を図３に示す。図３（Ａ）は平面図および放電回路、図３（Ｂ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ部分の断面例である。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の長手方向中央では、他より大きい磁束密度Ｂの磁束７が発生する。この部分では、間隙を設けて重ねたアルミニウム合金薄板５Ａに働く電磁力が強く、この部分の合金薄板５Ａ，５Ｂは他の部分に比べ時間的に早く衝突する。この結果、合金薄板５Ａ，５Ｂは高速で傾斜衝突し、エネルギー効率よく溶接される。【００２５】  例えば、アルミニウム合金Ａ５１８２薄板（厚さ１ｍｍ）を間隙１ｍｍを設け２枚重ね、傾斜衝突させ、長さ１００ｍｍにわたりシーム溶接するのに必要な電源のエネルギーは、約２．７ｋＪであり、傾斜衝突させない場合に比べ１０％程度低い電源エネルギーで溶接できた。１００回程度の実験後、コイルの切り込み先端部分に少し変形が見られた。この変形は切り込み部分先端を図４のように変えることで解決する（特許文献４）。
【特許文献４】  特願２００６−２８５５０６号
【実施例２】
【００２６】  図５に切り込み幅をコイル中央部分の長手方向に沿って、部分的に変化させた平板状ワンターンコイルの概略図を放電回路と共に示す。コイルの材質、寸法例を以下に示す。材質はクロム銅、板厚は３ｍｍである。中央部分４Ａの長さは約１３０ｍｍ、幅は５ｍｍである。切り込み幅の多くは３ｍｍであが、片側５カ所で部分的に４、５、７ｍｍと変化している。このようなコイルを使用しても、高速で傾斜衝突させ、エネルギー効率よく溶接できる。
【実施例３】
【００２７】  図６に四角形状にシーム溶接する場合の平板状ワンターンコイルの平面図および放電回路を示す。電流が集中するコイル中央部分４Ａの一部分は、途中から約９０°の角度で二つに分かれ、再び合流して四角形状部分８を形成している。コイル板厚は３ｍｍであり、四角形状部分８の幅は５ｍｍ、四角形の一辺の長さは約３０ｍｍである。四角形状部分８と周辺部分４Ｂ、４Ｃの間隔が変化しているので、これまでの直線状にシーム溶接するコイルと同様、傾斜衝突させ、エネルギー効率よく四角形状にシーム溶接できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】  本発明の基本となる平板状ワンターンコイルおよび放電回路の平面図である。
【図２】  本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルおよび放電回路の平面図である。
【図３】  本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルを用いアルミニウム合金薄板をシーム溶接する電磁溶接装置の概略図である。（Ａ）はコイル平面図および放電回路、（Ｂ）は中央部分の電流方向に垂直な断面図である。
【図４】  本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルの一部を改良した平面図である。
【図５】  本発明の実施例２を示す平板状ワンターンコイルおよび放電回路の平面図である。
【図６】  本発明の実施例３を示す平板状ワンターンコイルおよび放電回路の平面図である。
【図７】  平板状ワンターンコイルを用いた典型的な電磁溶接装置の概略図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図８】  図７に示すコイル上部にアルミニウム合金薄板と固定具を配置し、電磁溶接する方法を示す概略図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
【００２９】１          電源又はコンデンサ電源
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（電流集中部分）
４Ｂ，４Ｃ  平板状ワンターンコイルの周辺部分
４Ｄ        平板状ワンターンコイルの中央部分と周辺部分を接続する部分
５Ａ        アルミニウム合金薄板（下側）
５Ｂ        アルミニウム合金薄板（上側）
６          固定具
７          磁束
８          四角形状にシーム溶接する平板状ワンターンコイルの四角形状部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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