(57)【要約】【課題】半導体スイッチを使用し、接点の損傷、消耗、騒音の発生等のない半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置を提供する。【解決手段】重ねて置いた金属薄板に磁束発生コイルの発生する磁束を加えることにより渦電流と電磁力を発生させ、金属薄板をシーム溶接する、電磁溶接装置であって、複数の溶接トランス１、１を設けてその二次巻線５、５を並列に接続したうえ磁束発生コイル６に接続し、各溶接トランス１、１の一次巻線２、２はそれぞれ半導体スイッチ４、４を介してコンデンサ３、３に接続し、各半導体スイッチ４、４を同時に閉路して各コンデンサ３、３に蓄積された電荷を各溶接トランス１、１の一次巻線２、２を通して放電させる半導体スイッチ４、４の制御装置８を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高密度の磁束を発生する幅の狭い磁束発生コイルを備え、重ねて置いた金属薄板に磁束発生コイルの発生する磁束を加えることにより渦電流と電磁力を発生させ、その渦電流と電磁力を利用して金属薄板をシーム溶接する、半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置であって、複数の溶接トランスを設けてその二次巻線を並列に接続したうえ磁束発生コイルに接続し、各溶接トランスの一次巻線はそれぞれ半導体スイッチを介してコンデンサに接続し、各半導体スイッチを同時に閉路して各コンデンサに蓄積された電荷を各溶接トランスの一次巻線を通して放電させる半導体スイッチの制御装置を設けたことを特徴とする半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置。
【請求項２】
高密度の磁束を発生する幅の狭い磁束発生コイルを備え、重ねて置いた金属薄板に磁束発生コイルの発生する磁束を加えることにより渦電流と電磁力を発生させ、その渦電流と電磁力を利用して金属薄板をシーム溶接する、半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置であって、複数の一次巻線を備えた溶接トランスを設け、該溶接トランスの１個又は複数の二次巻線は前記複数の一次巻線に共通のものとして二次巻線の一部を磁束発生コイルとし、各一次巻線はそれぞれ半導体スイッチを介してコンデンサに接続し、各半導体スイッチを同時に閉路して各コンデンサに蓄積された電荷を各溶接トランスの一次巻線を通して放電させる半導体スイッチの制御装置を設けたことを特徴とする半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置。
【請求項３】
二次巻線を１個とし、該二次巻線の１つの面に幅の狭い磁束発生コイルを一体に設けたことを特徴とする請求項２に記載の半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置。
【請求項４】
二次巻線を２個とし、該２個の二次巻線を巻線軸が平行になるように配置し、二次巻線の互いに相対する面に幅の狭い磁束発生コイルをそれぞれ一体に設けたことを特徴とする請求項２に記載の半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置。
【請求項５】
二次巻線の空間を導体で充填したことを特徴とする請求項４に記載の半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属薄板を電磁力によって溶接する電磁溶接機であって、半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１１−１９２５６２号公報
【０００３】
アルミニウムなどの金属薄板を容易にシーム溶接する方法として、本願発明者の１名が考えた特開平１１−１９２５６２のような電磁溶接法がある。この電磁溶接法は図９及び図１０に示すように、スイッチ９を介してコンデンサ１０に接続された一回巻の磁束発生コイル６の間に被溶接物７として２枚の金属薄板を重ねて置き、図示しないコンデンサ充電電源装置によりコンデンサ１０を充電した後スイッチ９を閉じて磁束発生コイル６にコンデンサ１０の放電電流を流して溶接するものである。すなわち、磁束発生コイル６にコンデンサ１０の放電電流が流れると発生する磁束は図１１に示すように金属薄板に鎖交し、金属薄板に渦電流が流れ同時に金属薄板の重ねた部分を押圧する電磁力が働いてシーム溶接されるものである。
【０００４】
この電磁溶接法では、例えば磁束発生コイル６を厚さ１０ｍｍ、幅５ｍｍのクロム銅製導体板により構成し、板厚０．５〜１ｍｍのアルミニウム薄板５を、長さ１００ｍｍに亘ってシーム溶接する場合には、必要な溶接電流の最大値が１５０〜２００ｋＡ、コンデンサ１０に蓄積すべきエネルギーは２〜４ｋＪとなる。このパルス大電流はスイッチ９を通して直接磁束発生コイル６に流すものであるが、このような大電流のスイッチングには半導体スイッチを使用することができず、放電ギャップスイッチが使用されていた。ところが放電ギャップスイッチには接点の損傷、消耗、電極周囲の絶縁物の劣化などがあって連続使用に制限があり、動作時に衝撃音等の騒音を発生するという問題があった。
【０００５】
こうした問題を解決するためには溶接トランスを使用することが考えられる。例えば、巻数比１０：１の溶接トランス２１を使用すれば、溶接トランス２１の一次巻線側では電流値が１／１０の１５〜２０ｋＡになる。電流値がこの程度に下がれば、図１２に示すようにコンデンサ２３及び半導体スイッチ２４を並列にして使用することが可能となる。また、卷数比をさらに大きくして一次巻線側の電流値を下げ、電圧を高くして図１３に示すようにコンデンサ２３及び半導体スイッチ２４を直列にして使用することも可能となる。溶接トランス２１の損失を無視すれば、磁束発生コイル６に流れる電流は１５０〜２００ｋＡのままであり、溶接トランス２１を使用しない図９の場合と同様シーム溶接が可能となる筈である。
【０００６】
溶接トランスを使用する場合、一次巻線と二次巻線との間の電磁結合が悪いと漏れ磁束が生じ、磁束発生コイル側への電磁エネルギー伝達時に損失が生じる。従来、一般のトランスでは鉄芯を使用して一次巻線と二次巻線との間の電磁結合を高めている。しかし、電磁溶接法では電流値が大きく、その時間的変化が速いため鉄芯が飽和し、鉄芯を使用することは不可能である。鉄芯に代わる高周波用の磁心も考えられるが、大電力用としては適当なものが存在しない。したがって、鉄芯、磁心なしで溶接トランスの一次巻線と二次巻線との間の電磁結合を高める必要があり、実際に溶接トランスを使用することは困難であった。
【０００７】
このようなことから、本願発明者の１名は溶接トランス一次巻線の内側に磁束発生用コイルとトランス２次巻線とを一体化させて配置する装置および溶接法を考え、特願２００１−１１８８６４として出願中である。この発明は、磁束発生用コイルとトランス２次巻線とを一体化させることで溶接トランスを別途設ける必要をなくし、漏れ磁束の問題を解決したものである。
【０００８】
ところが、溶接トランスの問題は解決されてもコンデンサ及び半導体スイッチは並列もしくは直列とする必要があり、コンデンサ及び半導体スイッチを並列にした場合には各並列枝路に電流を均等に分散させることが困難であるという問題があった。さらに、このコンデンサ及び半導体スイッチを並列にした場合、直列にした場合のいずれの場合にも、インダクタンスの大きい溶接トランスの一次巻線に全ての電流すなわち大きなエネルギーが集中することになり、電磁溶接ではこの集中した電流で生じる高密度磁束の時間的変化が速いため大きな電圧が誘起され、半導体スイッチの保護対策が容易でないという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点を解決し、放電ギャップスイッチに替えて半導体スイッチを使用し、接点の損傷、消耗、騒音の発生等のない半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置を提供するためになされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するためになされた請求項１の発明は、高密度の磁束を発生する幅の狭い磁束発生コイルを備え、重ねて置いた金属薄板に磁束発生コイルの発生する磁束を加えることにより渦電流と電磁力を発生させ、その渦電流と電磁力を利用して金属薄板をシーム溶接する、半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置であって、複数の溶接トランスを設けてその二次巻線を並列に接続したうえ磁束発生コイルに接続し、各溶接トランスの一次巻線はそれぞれ半導体スイッチを介してコンデンサに接続し、各半導体スイッチを同時に閉路して各コンデンサに蓄積された電荷を各溶接トランスの一次巻線を通して放電させる半導体スイッチの制御装置を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
同一の問題を解決するためになされた請求項２の発明は、高密度の磁束を発生する幅の狭い磁束発生コイルを備え、重ねて置いた金属薄板に磁束発生コイルの発生する磁束を加えることにより渦電流と電磁力を発生させ、その渦電流と電磁力を利用して金属薄板をシーム溶接する、半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置であって、複数の一次巻線を備えた溶接トランスを設け、該溶接トランスの１個又は複数の二次巻線は前記複数の一次巻線に共通のものとして二次巻線の一部を磁束発生コイルとし、各一次巻線はそれぞれ半導体スイッチを介してコンデンサに接続し、各半導体スイッチを同時に閉路して各コンデンサに蓄積された電荷を各溶接トランスの一次巻線を通して放電させる半導体スイッチの制御装置を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明においては、二次巻線を１個とし、該二次巻線の１つの面に幅の狭い磁束発生コイルを一体に設けたものとすることができ、あるいは、二次巻線を２個とし、該２個の二次巻線を巻線軸が平行になるように配置し、二次巻線の互いに相対する面に幅の狭い磁束発生コイルをそれぞれ一体に設けたものとすることができる。二次巻線を２個とし、該２個の二次巻線を巻線軸が平行になるように配置し、二次巻線の互いに相対する面に幅の狭い磁束発生コイルをそれぞれ一体に設けたものとした場合には、二次巻線の空間を導体で充填したものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の電磁溶接機の実施形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は第１の実施の形態の回路構成を示すもので、複数の溶接トランス１、１、１の一次巻線２、２、２にコンデンサ３、３、３と半導体スイッチ４、４、４との直列回路がそれぞれ接続してある。複数の溶接トランス１、１、１の二次巻線５、５、５は並列に接続したうえ磁束を発生して溶接する１回巻の磁束発生コイル６に接続してある。溶接トランス１、１、１の数及び巻数比は、溶接条件から必要な電流を磁束発生コイル６に流すために必要な溶接トランスの一次巻線の電流が使用する半導体スイッチの定格以内になるように選んでおく。コンデンサ３、３、３にはそれぞれ図示しないコンデンサ充電装置が接続してあり、半導体スイッチ４、４、４を同時に閉路させる制御装置８が設けてある。
【００１４】
個々の溶接トランス１は具体的には一次巻線２と二次巻線５との間の漏れ磁束を減らすため、各巻線を厚さ０．５〜１ｍｍの平板状導体で構成し、絶縁シートを挟んで、０．２〜０．３ｍ２というような比較的に大きな断面の周囲を重ね巻きすることが好ましい。また、巻数の多い一次巻線２の胴体幅を狭く、巻数の少ない二次巻線の導体幅を広くして一次巻線２の巻幅と二次巻線５巻幅を一致させることが好ましい。
【００１５】
このような構成の電磁溶接機の磁束発生コイル６の間に被溶接物７である重ね合わせた２枚の金属薄板を置き、コンデンサ３、３、３を充電したうえ制御装置８を動作させて半導体スイッチ４、４、４を閉路すれば、溶接トランス１、１、１の一次巻線２、２、２にコンデンサ３、３、３の放電電流が流れる。溶接トランス１、１、１の二次巻線５、５、５にはそれぞれ巻数比にしたがって電流が流れ、その加え合わされた電流が磁束発生コイル６に流れて被溶接物７が溶接されることになる。磁束発生コイル６の間に被溶接物７を置く際に磁束発生コイル６と被溶接物７との間に絶縁物を介挿して固定しておくことは従来の電磁溶接を行う場合と同様である。
【００１６】
板厚０．５〜１ｍｍのアルミニウム薄板を長さ１００ｍｍに亘ってシーム溶接するのに必要な溶接電流の最大値は、１５０〜２００ｋＡである。例えば溶接トランス１、１、１の巻数比を全て１０：１、数を３個とし、溶接トランス１、１、１の漏れ磁束を無視すれば、各一次巻線２、２、２に流れる電流は溶接電流の３０分の１の５〜７ｋＡとなり、半導体スイッチ４、４、４として市販されているサイリスタが並列接続することなく使用可能となる。また、溶接トランス１、１、１は１個あたりの容量を小さくすることができるので、製作することが可能になる。
【００１７】
図２は第２の実施の形態の回路構成を示すもので、複数の溶接トランス１、１と複数の溶接トランス１１、１１の２グループの溶接トランスを備えたものとしてある。各溶接トランス１、１及び１１、１１の一次巻線２、２及び１２、１２には第１の実施の形態のものと同様にコンデンサ３、３及び１３、１３と半導体スイッチ４、４及び１４、１４の直列回路がそれぞれ接続してある。溶接トランス１、１及び１１、１１の二次巻線５、５及び１５、１５はグループごとに並列に接続したうえ磁束発生コイル６と直列に接続してある。
【００１８】
このような構成の電磁溶接機の磁束発生コイル６の間に被溶接物７を置き、コンデンサ３、３及び１３、１３を充電したうえ半導体スイッチ４、４及び１４、１４を閉路すれば、溶接トランス１、１及び１１、１１の一次巻線２、２及び１２、１２にコンデンサ３、３及び１３、１３の放電電流が流れる。溶接トランス１、１及び１１、１１の二次巻線５、５及び１５、１５にはそれぞれ巻数比にしたがって電流が流れ、その加え合わされた電流が磁束発生コイル６に流れて被溶接物７が溶接されることになる。
【００１９】
この第２の実施の形態のものでは溶接トランス１、１及び１１、１１の二次巻線５、５及び１５、１５が直並列に接続されることになり、例えば溶接トランス１、１及び１１、１１の巻数比を全て１０：１、数をそれぞれ２個とすれば各一次巻線２、２及び１２、１２に流れる電流は溶接電流の１０分の１となる。溶接トランス１、１及び１１、１１の数を適正に定めることにより、第２の実施の形態のものでも半導体スイッチ４、４及び１４、１４として市販されているサイリスタが並列接続することなく使用可能となる。また、溶接トランス１、１及び１１、１１は１個あたりの容量を小さくすることができるので、製作することが可能になる。さらに、溶接トランス１、１及び１１、１１の巻数比を同じとすれば、第１の実施の形態のものに比べて半導体スイッチ４、４及び１４、１４が低耐圧のものでよいという利点がある。
【００２０】
図３及び図４は第３の実施の形態のものの溶接トランス１の構造を示すもので、溶接トランス１の矩形形状に複数回巻回した複数の一次巻線２、２の内側に矩形形状に一回巻回した二次巻線５を配置し、該二次巻線５の一部を磁束発生コイル６としてある。磁束発生コイル６とした二次巻線５の一部は幅を狭く、電流が集中するようにしたものである。図３では一次巻線２、２が二次巻線５の外側に置かれることになるが、これを二次巻線５の内側あるいは分割して両側に置くこともできる。図３及び図４では省略してあるが、各一次巻線２、２には第１の実施の形態のものと同様にコンデンサと半導体スイッチの直列回路がそれぞれ接続してある。この第３の実施の形態のものの回路構成は図１に示す第１の実施の形態のものと同じになるわけであるが、二次巻線５は共通であり、磁束発生コイル６は二次巻線５と一体になっている。
【００２１】
このような構成の電磁溶接装置の磁束発生コイル６に接して被溶接物７を置き、コンデンサを充電したうえ半導体スイッチを閉路すれば、溶接トランス１、１の一次巻線２、２にコンデンサ放電電流が流れる。二次巻線５及び磁束発生コイル６には巻数比にしたがった電流の総和の電流が流れ、被溶接物７が溶接されることになる。この第３の実施の形態のものは第１の実施の形態のものに比べて２次巻線５、５を別途並列に配線する必要がないので配線に無駄がなく、漏れ磁束が少なく、効率がよくなる利点がある。さらに一次巻線２、２の作る磁束の一部も被溶接物に直接に鎖交し、この磁束の向きは磁束発生コイル６に流れる電流の作る磁束と同じであり、効率を向上させることになる。
【００２２】
磁束発生コイルをこの第３の実施の形態のもののように構成した場合には、被溶接物７を一回巻の磁束発生コイル６の外側に置くことになる。この場合磁束発生コイル６が発生する磁束は図５に示すように金属薄板に鎖交し、金属薄板５の重ねた部分を押圧する電磁力が働く。同じ電流が流れた場合、鎖交する磁束密度、電磁力は、図９の場合に比べ小さくなるが、流す電流を増加させれば同様にシーム溶接される。重ねた金属薄板の両面に磁束発生コイル６を配置せずにシーム溶接したい場合のほか、１枚の金属薄板を管材などの側面にシーム溶接する場合に利用できる。
【００２３】
被溶接物７である金属薄板近くの磁束発生コイル６の導体幅は、電流を集中させてシーム溶接できるように狭くする必要があるが、磁束発生コイル６と一体とした二次巻線５の部分は磁束発生コイル６のように細くする必要はない。一体とした二次巻線５及び磁束発生コイル６には電磁力が働くので、この電磁力による変形を防ぐため、二次巻線５及び磁束発生コイル６を構成する導体の板厚を厚くし、さらに要すれば強固な絶縁材により補強することが好ましい。二次巻線５及び磁束発生コイル６を一次巻線２、２の内側に配置した場合には、二次巻線５及び磁束発生コイル６の板厚を厚くしても二次巻線５及び磁束発生コイル６に流れる電流が外側表皮部分に集中して流れる利点がある。
【００２４】
図６は第４の実施の形態のものの溶接トランス１の構造を示すもので、溶接トランス１の矩形形状に複数回巻回した複数の一次巻線２、２の内側に２個の矩形形状に一回巻回した二次巻線５、５が配置してある。この二次巻線５、５の互いに対向する面は幅を狭くして電流が集中するようにし、磁束発生コイル６、６としてある。各々の磁束発生コイル６を一体にした二次コイル５は第３の実施の形態のものと同じ構成になるものである。一次巻線２、２には第１の実施の形態のものと同様にコンデンサと半導体スイッチの直列回路がそれぞれ接続してある。
【００２５】
このような構成の電磁溶接装置の磁束発生コイル６、６の間に被溶接物７を置き、コンデンサを充電したうえ半導体スイッチを閉路すれば、溶接トランス１の一次巻線２、２にコンデンサの放電電流が流れる。二次巻線５、５及び磁束発生コイル６、６には巻数比にしたがって電流が流れ、被溶接物７がシーム溶接されることになる。この場合被溶接物７は磁束発生コイル６、６の間に置かれており、第１の実施の形態のものと同様にシーム溶接されるわけである。
【００２６】
図７及び図８は第５の実施の形態のものの溶接トランス１の構造を示すもので、溶接トランス１の矩形形状に複数回巻回した複数の一次巻線２、２の内側に２個の一回巻の二次巻線５、５を配置し、該二次巻線５、５の互いに対向する面を磁束発生コイル６、６としてある。この二次巻線５は台形形状の導体であって、一次巻線２、２からの誘導電流であるパルス状の溶接電流は、図７に点線で示すように周辺の表面に近い部分に流れ、幅の狭い磁束発生コイル６、６になる部分では電流が集中して流れることになる。一次巻線２、２には第１の実施の形態のものと同様にコンデンサと半導体スイッチの直列回路がそれぞれ接続してある。
【００２７】
このような構成の電磁溶接機の磁束発生コイル６、６の間に被溶接物７を置き、コンデンサを充電したうえ半導体スイッチを閉路すれば、溶接トランス１の一次巻線２、２にコンデンサの放電電流が流れる。二次巻線５、５及び磁束発生コイル６、６になる部分には巻数比にしたがって電流が流れ、被溶接物７がシーム溶接されることになる。このような二次巻線５、５を使用した場合には、溶接電流が内部にも少しは分布して流れるためエネルギー効率が多少悪くなるが、磁束発生コイルの耐久性を著しく向上させることができる利点がある。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、複数の溶接トランスあるいは複数の一次巻線を備えた溶接トランスを使用するようにしたので個別の一次巻線に流れる電流は一次巻線の数に応じて小さくすることができ、スイッチとして半導体素子を使用することができる。これにより放電ギャップスイッチを使用する必要がなくなり、放電ギャップスイッチの使用にともなう接点の損傷、消耗、騒音の発生等の問題が解消される利点がある。したがって、従来の問題点を解決し実用性を増した半導体スイッチおよび溶接トランスを使用した電磁溶接装置を提供するものとして業界に寄与するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す結線図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す結線図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の溶接トランスの構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の溶接トランスの構成を示す正面図である。
【図５】第３の実施の形態のものの磁束の状態を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の溶接トランスの構成を示す正面図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態の溶接トランスの構成を示す正面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態の溶接トランスの構成を示す縦断側面図である。
【図９】電磁溶接法の原理を示す構成図である。
【図１０】磁束発生コイルと被溶接物の配置を示す図である。
【図１１】溶接部の電流と磁束を示す図である。
【図１２】従来の電磁溶接装置に溶接トランスを組み合わせた例を示す結線図である。
【図１３】従来の電磁溶接装置に溶接トランスを組み合わせた別の例を示す結線図である。
【符号の説明】
１　溶接トランス
２　一次巻線
３　コンデンサ
４　半導体スイッチ
５　二次巻線
６　磁束発生コイル
７　被溶接物
８　制御装置
１１　溶接トランス
１２　一次巻線
１３　コンデンサ
１４　半導体スイッチ
１５　二次巻線
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004114092.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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