(57)【要約】【課題】アルミニウム、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平板状コイルについて、高密度磁束の発生効率を高め、長時間にわたり連続して使用して精度のよい溶接を可能とし、かつ被溶接材が単純な薄板状でない金属部材にも適用できるようにする。【解決手段】幅が狭く、細長い形状の電流集中部を設けた平板状コイルの片側面上に溶接すべき金属材料を平板状コイルと一体に締め付けて配置し、電流集中部に流れるパルス電流によって溶接すべき金属材料に発生するうず電流による発熱と電磁力による押圧により金属材料をシーム溶接する電磁シーム溶接装置に使用する平板状コイルの電流集中部を、溶接すべき金属材料に面する側のインダクタンスの値をその反対側より小さくするために溶接すべき金属材料に面する側と反対の側を凹凸構造とする。【選択図】  図１
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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く、細長い形状の電流集中部と戻りの電流を流すための幅の広い部分を設けた、電気的に絶縁された平板状コイルの片側面上に溶接すべき金属材料を平板状コイルと一体に締め付けて配置し、該電流集中部に流れるパルス電流によって溶接すべき金属材料に発生するうず電流による発熱と電磁力による押圧により金属材料をシーム溶接する電磁シーム溶接装置に使用する平板状コイルであって、該電流集中部は、溶接すべき金属材料に面する側のインダクタンスの値をその反対側より小さくするために溶接すべき金属材料に面する側と反対の側を凹凸構造としたことを特徴とする電磁シーム溶接用平板状コイル。
【請求項２】
前記凹凸構造部分を絶縁材で固定することを特徴とする請求項１記載の電磁シーム溶接用平板状コイル。
【請求項３】
前記凹凸構造の凸部分を延長した延長部を設け、該延長部を絶縁材で固定することを特徴とする請求項１記載の電磁シーム溶接用平板状コイル。
【請求項４】
前記凹凸構造の凸部分を延長した延長部を設け、該延長部を水冷装置で水冷することを特徴とする請求項１記載の電磁シーム溶接用平板状コイル。
【請求項５】
幅が狭く、細長い形状の導体からなる電流集中部を平行して複数本設けたことを特徴とする請求項１記載の電磁シーム溶接用平板状コイル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム、銅などの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。
【０００２】
【従来の技術】
燃費向上を目指す自動車産業では、車体の軽量化でアルミニウム薄板が採用される方向にあり、その溶接が必要とされている。また、電子部品の組立て、実装分野では、鉛入りはんだ付けが規制される方向にあり、はんだを使用しない銅薄板、金属端子板などの接合が必要とされている。
【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、一枚の導電性板材に２本の溝を加えＥ字状の形態とした平板状コイルを用い、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、コンデンサ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、この上に置かれた金属薄板に発生するうず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電磁溶接機のコイルの発明について特許出願した（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１９２５６２号公報
【特許文献２】
特開２００３−１２３９６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者が先に開発した電磁シーム溶接法及び装置の概略を以下に説明する。図７は、基本となる公知の電磁シーム溶接装置の概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はコイルの斜視図である。この装置の主な構成要素は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、コンデンサ電源１、スイッチ２、磁束発生用の平板状コイル３である。平板状コイル３は電気的に絶縁された一枚の導電性金属板を加工した平板からなっている。平板状コイル３は、幅が狭く、細長い中央部分４Ａ（電流の往路）とその両側の幅の広い周辺部分４Ｂ，４Ｃ（電流の復路）が一端側で幅の広い接続部分４Ｄに接続されており、コンデンサ電源１を充電し、スイッチ２を閉じて放電させ、パルス電流を往復して流す構造となっている。幅が狭く、細長い中央部分４Ａの断面は、図７（Ｃ）に示すような長方形である。
【０００６】
図７示す装置は、図８（Ａ）の平面図及びそのＢ−Ｂ線断面図である図８（Ｂ）に示すように、平板状コイル３の片側（上部）に被溶接材である金属薄板５Ａ，５Ｂなどを配置してシーム溶接する方法に用いるものであり、適用範囲が広く、実用的な基本装置である。
【０００７】
金属薄板５Ａ，５Ｂと平板状コイル３を図８（Ｂ）に示すように、非金属材の固定具６Ａ，６Ｂで挟んで締め付けて固定する。スイッチ２を閉じて平板状コイル３に電流を急激に流すと、平板状コイル３の中央部分４Ａに高密度の磁束７（矢印で示す）が急に発生する。この磁束７の一部は、金属薄板５Ａ，５Ｂに交差する。平板状コイル３の断面に垂直に流れる電流の方向は○印（「・」と「×」は逆方向に流れる電流を示す）で示されている。
【０００８】
この結果、電磁誘導作用によって金属薄板５Ａ，５Ｂにうず電流（電流密度ｉ）が流れる。また、単位体積あたり電磁力ｆが下側の金属薄板５Ａを上側の固定された金属薄板５Ｂへ押圧する方向に働く。これらの関係式は次式で与えられる。ただし、κは金属薄板５Ａ，５Ｂの導電率である。
【０００９】
【式１】
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【００１０】
うず電流が流れる部分には、ジュール熱  ｉ２／κ  が発生し、金属薄板５Ａ，５Ｂの重なった部分は、軟化温度程度に加熱される。電磁力の大きさ、接合面の状態などが適当であれば、金属薄板５Ａ，５Ｂの重ねた部分は、平板状コイル３の中央部分４Ａとほぼ同じ幅で、中央部分４Ａに沿ってシーム溶接される。
【００１１】
金属薄板５Ａ，５Ｂを平板状コイル３上に配置するとき、間隙を設ける装置を用いて金属薄板５Ａ，５Ｂの間に１ｍｍ程度の間隙を設けて重ねると、重ねた金属薄板５Ａ，５Ｂの内側表面にもうず電流が流れるとともに、金属板５Ａ，５Ｂが電磁力で急激に衝突し、このときの衝撃で金属薄板の表面の酸化被膜の一部が破壊されるので圧接（溶接）しやすくなる。また、接合面に弾性波や塑性波が生じるので、圧接しやすくなる。このような衝突の効果があるため、効率よくシーム溶接できる。
【００１２】
平板状コイル３の中央部分４Ａの幅については、電流を集中させ、シーム溶接できるように幅５ｍｍ程度に細く選ぶ必要がある。平板状コイル３の周辺部分４Ｂ，４Ｃ及び接続部分４Ｄは、５０〜１００ｍｍ程度に幅広にしてある。また、電源１、スイッチ２及び平板状コイル３を接続している部分（図７（Ａ）に細い直線で示す。横に３本、内１本は電源１とスイッチ２を含んでいる。左側縦に１本）も、実際には幅広の導体板で配線され、回路のインダクタンス及び抵抗が少なくなるようにしてある。これらにより、平板状コイル３の中央部分４Ａで高密度磁束が効率よく発生する。
【００１３】
図９及び図１０に、シーム溶接を直線でなく曲線状に行う場合の基本的な平板状コイル３を示す。曲線状の中央部分４Ａにパルス大電流を流すと、それぞれ半円及び円形状にシーム溶接できる。この平板状コイル３では、大電流が流れると、コイル自身に働く大きな電磁力で、直線状にシーム溶接するコイルに比べ、中央部分が変形及び位置ずれし易い。なお、コイル形状の一部を変更すれば、Ｕ字型、Ｃ字型、Ｓ字型、楕円型などのシーム溶接も可能である。
【００１４】
［平板状コイルの問題点］
図７に示した基本装置において、板厚０．５〜２ｍｍのアルミニウム薄板を１ｍｍの間隙を設けて２枚重ね、中央部分４Ａの幅が５ｍｍ、周辺部分４Ｂ，４Ｃの幅がそれぞれ６０ｍｍ、接続部分４Ｄの幅が６０ｍｍで、全体の厚さが２〜５ｍｍのクロム銅製平板状コイル３の上に置いた場合、アルミニウム薄板の長さ１００ｍｍにわたりシーム溶接するのに必要なパルス電流の最大値は、１００〜２００ｋＡ、電源のエネルギーは１〜３ｋＪである。
【００１５】
このようなパルス大電流を頻繁に平板状コイル３へ流し続けると、平板状コイル３は、自身に働く大きな電磁力で少しずつ変形及び位置ずれする。また、コイル自身の温度が上昇し、電気絶縁性を劣化させる。このため、平板状コイルの連続使用には、構造及び電気絶縁の両面から制限がある。
【００１６】
コイルの変形は、コイルを厚くしたり、材質を鋼鉄にしたりすれば防げる。しかし、厚くすると、パルス大電流がコイルの中央部分４Ａの側面（左右）に流れる割合が増加する。また、鋼鉄にすると、コイルの電気抵抗が増加し、高密度磁束の発生効率が悪くなる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平板状コイルを改良することによって、上記の問題を解決し、高密度磁束の発生効率を高め、長時間にわたり連続して使用して精度のよい溶接を可能とし、かつ被溶接材が単純な薄板状でない金属部材にも適用できる平板状コイルを提供するものである。
【００１８】
すなわち。本発明は、（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く、細長い形状の電流集中部と戻りの電流を流すための幅の広い部分を設けた、電気的に絶縁された平板状コイルの片側面上に溶接すべき金属材料を平板状コイルと一体に締め付けて配置し、該電流集中部に流れるパルス電流によって溶接すべき金属材料に発生するうず電流による発熱と電磁力による押圧により金属材料をシーム溶接する電磁シーム溶接装置に使用する平板状コイルであって、該電流集中部は、溶接すべき金属材料に面する側のインダクタンスの値をその反対側より小さくするために溶接すべき金属材料に面する側と反対の側を凹凸構造としたことを特徴とする電磁シーム溶接用平板状コイル、である。
【００１９】
また、本発明は、（２）前記凹凸構造部分を絶縁材で固定することを特徴とする上記（１）の電磁シーム溶接用平板状コイル、である。
また、本発明は、（３）前記凹凸構造の凸部分を延長した延長部を設け、該延長部を絶縁材で固定することを特徴とする上記（１）の電磁シーム溶接用平板状コイル、である。
また、本発明は、（４）前記凹凸構造の凸部分を延長した延長部を設け、該延長部を水冷装置で水冷することを特徴とする上記（１）の電磁シーム溶接用平板状コイル、である。
また、本発明は、（５）  幅が狭く、細長い形状の導体からなる電流集中部を平行して複数本設けたことを特徴とする上記（１）の電磁シーム溶接用平板状コイル、である。
【００２０】
本発明は、電流集中部は、溶接すべき金属材料に面する側のインダクタンスの値をその反対側より小さくする程度は約１／２以下が好ましい。この差が大きいほどよいが、あまり差が大きくなると電気的絶縁がしにくくなったり、凹凸構造部分の凸と凸の間隙に存在する浮遊容量が増加し、これを介して電流が流れるので、１／２０程度までが好ましい。また、このように溶接すべき金属材料に面する側と反対の側を凹凸構造とした場合、その部分を絶縁材でより強固に固定することができるので相乗効果が得られる。また、その部分を水冷することも容易になる。
【００２１】
このような凹凸構造とすることにより、平板状コイル外側の表面部分に電流を集中して流せるとともに平板状コイルの強度を向上させることができる。例えば、電流の流れる表面部分の厚さを３ｍｍ、平板状コイル導体の厚い部分を１５ｍｍとすれば、板厚３ｍｍのコイルに相当する効率で磁束を発生でき、ほぼ、板厚１５ｍｍのコイルとしての強度を有することになる。また、磁束発生効率は板厚１５ｍｍの従来のコイルに比べ約５倍よくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
導電性金属板を加工して平板状コイルを作製する。図１に、平板状コイル３において、中央部分４Ａの長手方向下側部分に多数の凹凸部分を設け、電流が中央部分の表面近くに流れるようにしたコイルの概略断面を示す。図１（Ａ）は、平板状コイル３の電流の流れる方向に垂直方向の断面図である。平板状コイル３の好ましい数値例を以下に示す。平板状コイル３の材質はクロム銅合金などの導電性非鉄合金材料が好ましく、板厚は約１５〜３０ｍｍ、平板状コイル３の中央部分４Ａの幅は約５ｍｍである。中央部分４Ａで凹凸部分が達しない表面部分の厚さｔ１は、約３〜５ｍｍであり、凹凸部分の厚さｔ２は、約６〜１０ｍｍ、凹部分の間隔ｗ１は約２〜５ｍｍ、凸部分の間隔ｗ２は約２〜５ｍｍである。この例では、電流集中部は、溶接すべき金属材料に面する側のインダクタンスの値がその反対側の約１／３である。
【００２３】
このように、平板状コイル３の中央部分４Ａに、図１（Ｂ）に示すように多数の深い凹凸部分２１を設けると、長手方向に流れるパルス電流は、凹凸部分がなく、インダクタンスが約１／２の表面２２近くに集中して流れる。このため、コイルの板厚が大きくなったにもかかわらず、コイル板厚が小さい場合の図８（Ｂ）と同様に磁束７が発生する。また、コイルの一部を絶縁材で強固に固定できるので、平板状コイル３の機械的強度は向上する。
【００２４】
図１（Ｃ）に、平板状コイル３及び金属薄板５Ａ，５Ｂを固定する具体例を示す。コイル部分の全体に絶縁材８を流し込んで固めて凹凸部分２１とかみ合わせて固定すると、平板状コイル３をしっかり固定できる。金属薄板５Ａ，５Ｂは、例えば、１ｍｍ程度の間隙を設けて重ねられ、その上下はコイルを固めた絶縁材８及び固定具６Ａ，６Ｂで挟んで固定されている。シーム溶接後、上部の固定具６Ａ及び間隙を作るのに使われていた板部材２３Ａ，２３Ｂ分を移動させて、溶接された金属薄板を取り出せる構造になっている。
【００２５】
（実施例２）
図２（Ａ）に示すように、平板状コイル３において、中央部分４Ａの凹凸部分２１で下側に伸ばされた部分を長くする。好ましい数値例は、板厚は約４０〜６０ｍｍ、平板状コイル３の中央部分４Ａの幅は約５ｍｍである。中央部分４Ａで凹凸部分が達しない表面部分の厚さｔ１は、約３〜５ｍｍであり、凹凸部分の厚さｔ２は、約３５〜５５ｍｍ、凹部分の間隔ｗ１は約２〜５ｍｍ、凸部分の間隔ｗ２は約２〜５ｍｍである。この例では、電流集中部は、溶接すべき金属材料に面する側のインダクタンスの値がその反対側の約１／１０である。
【００２６】
図２（Ｂ）に示すように、平板状コイル３全体に絶縁材８を流し込んで固めれば、平板状コイル３は十分に強化される。また、図２（Ｃ）に示すように平板状コイル３の内部に水を流す水路９を設ければ、平板状コイル３の中央部分４Ａの発熱を防ぐことができる。これらの結果、平板状コイルの連続使用が可能となる。
【００２７】
（実施例３）
図３に、端縁部に低い凸部分のある金属平板５Ａ，５Ｂをシーム溶接する場合の実施例を示す。平板状コイル３の中央部分４Ａとその両側の幅の広い周辺部分４Ｂ，４Ｃは、図３に示すように、上下方向に段を設けて配置され、絶縁材８で固めてある。段差のある、中央部分４Ａと周辺部４Ｂ，４Ｃの間は、滑らかな曲面などで連結される。図３の場合、４Ｄ部分は曲面となる。また、中央部分４Ａとその両側の幅の広い周辺部分４Ｂ，４Ｃの配置、形状を選べば、発生する磁束分布を変え、シーム溶接を効率よくすることも可能となる。
【００２８】
（実施例４）
図４に、金属板５Ａ，５Ｂをシーム溶接する場合の実施例を示す。平板状コイル３の中央部分４Ａは２つに分けられ、それぞれに電流が集中して流れる。これらの外側に幅の広い周辺部分４Ｂ，４Ｃがあり、平板状コイル３全体は絶縁材８で固めてある。ただし、中央部分４Ａには細長い穴２５が設けられている。この穴２５を利用して、図４（Ｂ）に示すようなＴ型又はＬ型断面をもつ金属板５Ａ，５Ｂをシーム溶接できる。この図４（Ｂ）で固定具は描かれていない。また、図５に示すように、中央部分４Ａを多数に分ければ、Ｌ型断面をもつ多数の金属板５Ａ，５Ａ，５Ａを１枚の金属薄板５Ｂに同時にシーム溶接できる。
【００２９】
（実施例５）
図６に、幅の狭い中央部分４Ａ（電流の往路）とその下側に幅の広い周辺部分４Ｂ，４Ｃ（電流の復路）を設け、電流を往復して流す構造の平板状コイルにおける工夫例を示す。平板状コイル３は、図６（Ａ）に示す上板１０と図６（Ｂ）に示す下板１１からなる。平板状コイル３の下板１１の中央部分には穴１２があけられている。図６（Ｃ）は、上板１０と下板１１を重ねた状態のＣ−Ｃ線断面図である。これら全体に図示されていないが、図６（Ｃ）に示す状態で、絶縁材を流し込んで固めれば、平板状コイル３は十分に強化される。
【００３０】
導電性金属板を上下重ねて作製した平板状コイル上部に被溶接材（金属薄板）を重ね、全体を固定して、パルス大電流を流せば、電流は被溶接材に近い平板状コイル３の中央部分４Ａの表面近くを流れる。従って、図１などに示すコイルと同様にシーム溶接できる。図６に示すコイルは、長さの短いシーム溶接及びスポット的な溶接に適している。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の電磁シーム溶接用コイルは、自動車産業でのアミニウムなどの金属薄板の溶接や電子部品の組立て、実装分野で、はんだを使用しない銅薄板、金属端子板などの接合に特に有用であり、かつ長時間にわたり連続して使用して精度のよい溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の電磁シーム溶接用コイルの装置概略図である。
【図２】実施例２の電磁シーム溶接用コイルの装置概略図である。
【図３】実施例３の電磁シーム溶接用コイルの装置概略図である。
【図４】実施例４の電磁シーム溶接用コイルの装置概略図である。
【図５】実施例４の別の形態の電磁シーム溶接用コイルの装置概略図である。
【図６】実施例５の電磁シーム溶接用コイルの装置概略図である。
【図７】従来例の電磁シーム溶接用コイルの基本となる装置概略図である。
【図８】図７に示すコイルの上部に２枚の金属薄板を重ねて配置し、電磁シーム溶接する方法を示す概略図である。
【図９】従来例の電磁シーム溶接用コイルの別の形態例を示す装置概略図である。
【図１０】従来例の電磁シーム溶接用コイルのさらに別の形態例を示す装置概略図である。
【符号の説明】
１  コンデンサ電源
２  スイッチ
３  平板状コイル
４Ａ  平板状コイルの中央部分
４Ｂ，４Ｃ  平板状コイルの周辺部分
５Ａ，５Ｂ  金属薄板
６Ａ，６Ｂ  固定具
７  磁束
８  絶縁材
９  水路
１０  コイル上板
１１  コイル下板
１２  穴
【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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