無衝突電磁圧接（Collisionless MPW）

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金属薄板の電磁圧接は，平板状コイルへ放電電流を瞬間的に流し，重ねた薄板へ高密度磁束を急激に加えて行われる． 一般的な衝突電磁圧接法は，間隙を設けて重ねた薄板へ高密度磁束を加え，薄板に渦電流を流し，発生する電磁力で加速し， 薄板同士を高速衝突させて圧接させる．衝突(傾斜衝突)するとき，金属ジェットが発生する． これに対し無衝突電磁圧接法は，密着して重ねた薄板の両側から高密度磁束を急激に加え，両薄板に渦電流を流し続け， 加熱と接合面に斜めに働く電磁力，接合面に流れる乱流渦電流の効果などで圧接させる． どちらの場合も，圧接は短時間に衝撃的に行われる．圧接部分は細長い直線状であり，電磁シーム溶接とも呼ばれる．

無衝突で電磁圧接（シーム溶接）する方法には以下の特徴がある．

�@重ねた金属薄板に間隙を設けずに密着させて電磁圧接するので，衝突による薄板の変形，ずれなどがなくなる．
�A衝突させないので，金属ジェットが発生したり，周囲に付着したり，薄板間に存在する空気などが高速移動したりしない．
�B以上のことは，電気，電子部品などの圧接で，都合よいことがある．例えば，多数並列で接近した細長い接続端子などを接続する場合である．
�Cフレキシブルプリント配線板（厚さ１ｍｍ未満）などの銅箔部分をドライバー用薄板なしで無衝突圧接できる．
�D重ねた薄い金属部分の周囲を絶縁シートで密閉したまま，高い封止信頼性で無衝突圧接できる．
�E無衝突圧接する場合にも，コイルを多数ターン化することができる．
�F同じ薄板に対して何回も続けて放電（圧接）できる．圧接する位置は同じでも，少し移動してもよい． ．

●電磁圧接に関する本校での研究は，２０年以上前に始まった． 電磁力を使ってAl薄板に小半径の穴あけをしていたとき，穴はあいたが，Al薄板の一部がダイス（金型）に溶接（圧接）するようになった． 途中から穴あけ実験を終えて，Al薄板，Cu薄板などを２枚重ねて電磁圧接（シーム溶接）する研究に移った．重ねた薄板に間隙を設けなかった． 当時の主な発表論文などを以下に示す．開発当初は発表題名をどうするかに苦労したようである．Al薄板とFe薄板の圧接は， 無衝突と衝突の両圧接法で比較実験され，無衝突圧接法は圧接に必要な電磁エネルギーが大きくなる欠点があった（比較実験は, 軽金属溶接，42巻2号,pp.79-84,（2004）に詳しく記述されている）．

• T. Aizawa, M. Yoshizawa: Impulse magnetic pressure seam welding of Aluminum and Copper sheets, Proc. 7th Int. Symposium of Japan Welding Society, Kobe, Japan, pp.295-300, (2001).
• T.Aizawa: Magnetic pressure seam welding method for aluminum sheets, Welding International, Vol.17, pp. 929- 933, (2003).
• 相沢：アルミニウム薄板の電磁圧接シーム溶接， 軽金属溶接，41巻3号，pp.114-119, (2003).
• 相沢：アルミニウム薄板の電磁圧接シーム溶接， 溶接学会シンポジウム，21世紀の自動車における接合技術，pp.53-61, (2002).
• 相沢：アルミニウム薄片の電磁シーム溶接，電子情報通信学会技術報告，100巻，110号 (EMD-2000-19)，pp.25-30, (2000)．
• 相沢：アルミニウム薄片の電磁シーム溶接，塑性と加工，41巻，470号，pp.265-267, (2000)．
• 相沢，岡川，間野：アルミニウム薄片の電磁シーム溶接，塑性加工春季講演会講演論文集，pp.243-244 (2000)，
• 相沢：衝撃電磁力によるAlおよびCu薄片の圧接，電子情報通信学会技術報告，98巻，280号 (EMD-98-60)，pp.13-16, (1998)．
• 相沢：衝撃電磁力による金属薄片の圧接，電子情報通信学会技術報告，97巻，469号 (EMD-97-83)，pp.13-16, (1998)．
• 相沢，吉沢，惠村：アルミニウム薄片の衝撃磁気圧接，塑性加工春季講演会講演論文集，pp.4157-4416 (1997)，
• 相沢：衝撃磁気圧によるアルミニウム薄片のシーム溶接法，塑性加工連合講演会論文集，pp.427-428 (1998)，
• 相沢：平板状ワンターンコイルを用いた無電極式スポット溶接法，塑性加工連合講演会論文集，pp.543-544 (1997)，
• 相沢：平板状ワンターンコイルを用いたアルミニウム薄板のスポット溶接，溶接学会全国大会講演概要，62集，pp.224-225 (1998)，
• 相沢，吉沢，経田：衝撃磁気圧によるアルミニウム薄片の圧接(2），電気学会全国大会論文集1巻，ｐ.45（1998)．
• 相沢，吉沢，惠村：衝撃磁気圧によるアルミニウム薄片の圧接，電気学会全国大会論文集1巻，ｐ.103（1997)．
• 相沢：衝撃うず電流による瞬間接続技術の研究，電子情報通信学会技術報告，95巻，472号 (EMD-95-63)，pp.7-10, (1996)． ……発表年度が最も古い
• 相沢，吉沢，山本，横山：衝撃磁気圧による圧接（IMPW），電気学会全国大会論文集1巻，ｐ.132（1996)． ……発表年度が最も古い

●当時の発表論文などで主に使用した圧接用平板状コイルの概略図を図９.１００（上図）に示す． コイルは，往復する２枚のＨ字形コイル板から構成される．両コイル板中央部分は細長く，断面は長方形である．両コイル板には，コンデンサ電源および放電ギャップスイッチが接続され， 電源から放電電流が流れる．電流が集中して流れる細長い中央部分に高密度磁束が発生する．圧接する薄板は間隙なしで重ねられ． 絶縁され２枚のコイル板中央部分の間に図９.１００（下図）のように置かれた．当時，中央部分の変形を防いで圧接する方法として有効であった．

●圧接用コイル（図９.１００）を使い無衝突で圧接する方法を説明する．その概略図を図９.１０１（上図，下図）に示す．圧接用コイル板中央部分の電流方向に垂直断面図である． 圧接するAl/Cu薄板などは，絶縁されたコイル上板と下板の間に置かれ，コイルと共に固定された．コイルに放電電流が流れると，図９.１０１のように高密度磁束が， コイル上板および下板の間で急激に発生した．この磁束がAl/Cu薄板に交差すると，両薄板には渦電流と呼ばれる誘導電流が図９.１０１（下図）の方向に流れ，磁束の浸入を妨げた． 渦電流の流れ方は単純でないが，平均的には両コイル板に流れる電流と反対向きに流れた．両コイル板に流れる電流および近くの薄板に流れる平均的渦電流間に電磁力 f が 図９.１０１（上図）のように発生した．この電磁力は場所によって大きさと方向が変化した．縦方向電磁力は，図９.１０１（下図）のようにコイル中央部分の真ん中で最大であり，ここから離れると減少し， 端部で急減した．横方向電磁力は，真ん中で零であり，離れると徐々に増加した．また，両薄板は流れ続ける渦電流てジュール（抵抗）加熱された． これらにより両薄板は，電磁力が斜めに働き圧接され易いところで，コイル中央部分に沿って連続してシーム溶接された．

●両薄板内に電磁誘導により発生する渦電流（平均的を省略する）の説明を追加する．この渦電流は，コイル電流同様に高周波数で振動して流れ， 表皮効果から主に両薄板表面近くに集中し，分布して流れる．渦電流が薄板内に流れる主な範囲は，コイル中央部分断面の幅程度である． 図９.１０１.１ は，両薄板の外側表面近くを直進し，端部でＵターンして流れる渦電流例(3本線)を示す． 両薄板が圧接され易いところでの電流方向断面図である． 渦電流は，コイル電流が作る高密度磁束(薄板内へも浸入)へ垂直に流れるので，小さく循環的，螺旋状になって流れる．このような流れは乱流状態と言える． その旋回半径が薄板の厚さに比べて十分小さいので，渦電流が流れる例としては，図９.１０１.１ のように直線(小さく循環する渦電流列)で表せる． このような乱流状態の流れは層流と呼ばれる． 薄板の内部には，図９.１０１.１ の点線のように弱い渦電流が流れる．薄板内部にも表面の1/2〜1/4 程度の弱い磁束密度の磁束が浸入する． この部分へ流れる渦電流(渦電流列)は，薄板表面と異なり，弱い磁束中を旋回半径が大きくなって広がりながら流れる．

両薄板の接触面近くでは， 互いに逆方向へ流れる渦電流同士の衝突，合流，分流，反発などが起こり，乱流状態は表面の層流状態に比べて激しくなる． 両薄板接合面に流れる乱流状態渦電流の代表（平均）的な流線を予想すると図９.１０１.２ のようになる． 先ず，薄板接合面に近づいた平均的な流線は直線状から波状になる．次に，平均的流線は図９.１０１.２ のように閉曲線状の横並びになる． これら閉曲線状流線の間にも弱い渦電流が流れ，衝突，合流，分流などをしている． この状態（形状）は場所と時間によって常に変化する．このような 乱流状態渦電流が変化するときは閉曲線内側および外側に存在する多数の循環する微小渦電流の構成が変わって行われる．． 激しい乱流状態渦電流は，電流方向断面内だけでなく，各方向へも変化，移動する．図９.１０７のように波状模様が生じる理由も説明できる．

●実験に使用したコンデンサ放電回路部分の構成例を図９.１０２に，外観例を図９.１０３に示す．コンデンサ電源Ｃを必要な電圧で充電し，放電ギャップスイッチＧを閉じ， 両コイル板へ減衰振動する放電電流を流した．コンデンサ電源容量は５０，２００または４００μＦであった．コイル板は主にクロム銅製で，全長 約２００ｍｍ，板厚ｄ＝１０ｍｍ， コイル板中央部分の長さa＝７０〜１３０ｍｍ，幅b＝５ｍｍであった．圧接するAl薄板(A1050）および Cu薄板(C1100）の大きさは １００×１００ｍｍなど，厚さ０.５または１ｍｍであった．圧接用薄板は表面の油脂汚れを拭き取って重ねられ，図９.１０２の圧接部分に置かれ，コイル板と共に固定された．

図９.１００　圧接用平板状コイルの概略図（Ｈ字形コイル板２枚使用，各板厚１０ｍｍ）

図９.１０１　無衝突で電磁圧接する方法の説明用概略図（中央部分断面図）

図９.１０１.１　両薄板内をコイル電流方向と逆方向へＵターンして流れる渦電流例
　　（両薄板が圧接され易いところでの電流方向断面図）

図９.１０１.２　両薄板接合面に流れる乱流状態の渦電流例
（図９.１０１.１の接合面近くの一部分が約100倍に拡大されている）

図９.１０２　コンデンサ放電回路部分の構成例（Ｈ字形コイル板２枚使用）

図９.１０３　コンデンサ放電回路部分の外観例

●条件により，接合部分がコイル中央部分上方左右の２箇所に生じ，その間には非接合部分が生じる理由，図９.１０７のように波状模様が生じる理由などは, 軽金属溶接，61巻11号（2023） (内容 PDF） に詳しく検討されている． 最近の各種論文 こちら にも報告されている．

図９.１０４　放電電流波形例（電源容量２００μＦ，充放電エネルギー２.１ kJ ，最大電流約１９０ kA）

図９.１０５　圧接(シーム溶接)されたAl/Cu薄板外観例

図９.１０６　Al/Cu薄板接合界面の光学顕微鏡写真例

図９.１０７　接合部分(片方)の電子顕微鏡による拡大写真例

図９.１０８　Al/Al薄板接合界面の光学顕微鏡写真例

●以上の実験では，高密度磁束を両側から加えて無衝突圧接している．無衝突実験の当初では，薄板に小半径の穴をあける実験と同様に， 高密度磁束を片側から加えて無衝突で圧接し始めた．その結果は文献No.254，文献No.255などに示されている．その概略は次の通りである． 使用したコイル形状は，図９.１０８.１のように上板がＨ字形，下板は中央に円形の穴が開けられた板である．圧接するAl薄片は，幅５ｍｍ，長さ５０ｍｍ， 板厚０.１〜０.５ｍｍであった．先端部分を長さ５ｍｍで密着して重ね，絶縁されたコイル上板中央部分（幅５ｍｍ）の上に置き，コイルと共に固定された． コンデンサ電源（容量１２μＦ）からコイルへ流れる放電電流波形の例を図９.１０８.２に示す． 式(2.4) の表皮深さδは，Al薄板に対して０.１６ｍｍであった． 充電エネルギー０.５ｋＪで放電したとき，電流最大値は約１４０ｋＡであった．圧接されたAl/Al薄片の外観例を図９.１０８.３に示す． 圧接されたAl/Al薄片の引張せん断試験の結果を図９.１０８.４に示す． 接合強度はそれぞれ１０回の実験で得られた平均値である．強度（平均値）は大きなエネルギーで圧接するほど強くなった． 接合面積を５ｍｍ×５ｍｍとした．接合強度はどの場合も，母材破断する強さでなかったと思われる．
なお，コイル中央部分の長さと幅，並びに圧接するAl薄片の長さと幅を選ぶと，薄片を無衝突，無電極でスポット溶接することもできる． 無衝突圧接開始当時の発表論文にも記されている． また，コンデンサ電源容量２００μＦの図９.１０２に示した放電回路，装置で両側から高密度磁束を加えて無衝突圧接し， 引張せん断試験した場合，母材破断するようになった．結果は文献No.256，文献No.257などに示されている．

図９.１０８.１　磁束を片側から加える無衝突電磁圧接用コイル概略図

図９.１０８.２　放電電流波形例（電源容量１２μＦ，充放電エネルギー０.５ kJ ，最大電流約１４０ kA）

図９.１０８.３　圧接されたAl/Al薄片の外観例

図９.１０８.４　圧接されたAl/Al薄片の引張せん断試験結果

●以下では，現在，検討しているＥ字形などのコイル板からなる新しいコイルの概略，圧接方法，実験装置などを報告する．Ｅ字形コイル板は，基本的に２枚であり， 圧接する薄板は往復する２枚のコイル板の間に置かれる．Ｅ字形コイル板の形状は，衝突させる実験で使用している通常のコイル板と同様である． 圧接する薄板の厚さは，無衝突圧接の利点が生かせる１ｍｍ以下である．Ｅ字形コイル板の枚数を増やすと多数ターンコイル化もできる． Ｈ字形コイル板でも枚数を増やして多数ターンコイル化できる．これらを以下で示す．

　Ｅ字形コイル板２枚で中央部分が１ターンの平板状コイル

●図９.１０９は，往復する２枚のＥ字形平板状コイル板からなるコイルである． 上下２枚のコイル板はぴったり重なる．両コイル板中央部分は細長く，断面は長方形である．圧接するAl/Al薄板は間隙なしで重ねられ．絶縁され２枚のコイル板間に置かれる． 両コイル板にはコンデンサ電源および放電ギャップスイッチが接続される．放電電流は細長いコイル中央部分に集中して流れ，この部分に高密度磁束が発生する． 圧接する方法を図９.１１０を用いて説明する．圧接用コイルの電流方向に垂直断面図である． Al/Al薄板などは，絶縁されたコイル上板と下板の間に置かれ，コイルと共に固定される．コイルに放電電流が流れると，図９.１１０のように高密度磁束が， 急激に発生する．この磁束が両薄板に交差すると，薄板に渦電流が流れ，磁束の浸入を妨げる． 平均的な渦電流は，両コイル板に流れる電流と反対向きに流れる．両コイル板に流れる電流および近くの薄板に流れる平均的渦電流間に大きな電磁力が発生し， 両薄板を加圧する．また，両薄板は流れる渦電流てジュール（抵抗）加熱される．これらにより両薄板はコイル中央部分に沿って連続してシーム溶接される．

コイルで発生する高密度磁束の方向は，コイル中央部分の真ん中に近い大部分でAl薄板に平行方向である．この部分に働く働く電磁力の方向は，両薄板を加圧する方向である． これに対し，コイル中央部分および周辺部分の端部では，磁束の方向はl薄板にほとんで垂直方向である． この部分に働く働く電磁力の方向は，図９.１１０.１のように薄板に平行に近い．このため，両薄板は，コイル中央部分および周辺部分の間に張り出すように変形しやすい． これを防ぐには，この部分に挿入される絶縁シートを含め，この部分をうまく固定すればよい．例えば，エポキシ樹脂と硬化剤からなる化学反応形接着充満剤を流し込んで 固定できる．

コイル板，薄板などの配置側面概略図を図９.１１０.２に示す．この図には，放電電流のコイル下板から上板へ流れる様子も示されている． 実験装置の構成概略図を図９.１１０.３に示す．コンデンサ電源容量は，実験条件により，５０〜４００μＦが選ばれる． 端子板付きコイル板上下各１枚の外観例を図９.１１０.４および図９.１１０.５に示す．コイル板１枚の厚さは１.５ｍｍ，中央部分の長さ１１０ｍｍ, 幅５ｍｍである．

このようなＥ字形コイル板（平板）からなる各板では，付録「コイル電流間に働く電磁力」で説明されているように， 各板中央部分とその板周辺部分を流れる電流間に電磁反発力や吸引力が働く．しかし，変形しやすい各板中央部分には，電磁力がほとんど働かない（打ち消される）． このため，Ｅ字形コイル板を用いると，板厚を薄くできる（薄くしても細長い中央部分の変形を防げる）．

図９.１０９　新しいコイルの概略図（Ｅ字形コイル板２枚使用）

図９.１１０　新しいコイルで無衝突圧接する方法の説明用概略図（コイル電流方向に垂直断面図）

図９.１１０.１　コイル断面の端部に働く電磁力を説明する概略図（コイル電流方向に垂直断面図）

図９.１１０.２　無衝突で電磁圧接するコイル板，薄板などの配置側面概略図（Ｅ字形コイル板２枚使用）

図９.１１０.３　Ｅ字形コイル板２枚を使用する実験装置概略図

図９.１１０.４　Ｅ字形コイル上下板各１枚の外観例，板厚１.５ｍｍ（１）

図９.１１０.５　Ｅ字形コイル上下板各１枚の外観例，板厚１.５ｍｍ（２）

試験的に行った実験では，例えば，コンデンサ電源容量１００μＦ，充電エネルギー０.７ｋＪ，使用するコイル図９.１１０.４（中央部分長さ１１０ｍｍ，幅５ｍｍ）， 圧接するAl/Al薄板の板厚が０.４ｍｍなどであった，放電電流波形を図９.１１１に示す．式(2.4) の表皮深さδは，Al薄板に対して０.３５ｍｍであった． 圧接されたAl/Al薄板の外観例を図９.１１１.１に示す．圧接部分はコイル中央部分に沿って中央横方向へシーム溶接されていた． シーム溶接へ垂直断面の光学顕微鏡写真例を図９.１１１.２に示す． Ｈ字形１ターンコイルを用いた前実験と異なる点として，上下板各１枚のＥ字形コイル(図９.１１０.４）を使うと，図９.１１０.１で説明したように， コイル中央部分と接近した周辺部分の間に両薄板が張り出して図９.１１１.２のように変形した． 片側の接合部分近く(赤枠部分)を拡大した光学顕微鏡写真例を図９.１１１.３に示す．片側接合部分の長さは約３００μｍであった． この部分での界面に波状模様は見られないようであった． コイル板の厚さなどが不足して十分なエネルギーで放電（圧接）できなかった． コンデンサ容量，コイル形状などを変えて詳しく調べてもよいが，これをやめ，必要な放電電流最大値を確実に減らせる以下に示す多数ターンコイルによる実験に移った．

図９.１1１　放電電流波形例（電源容量１００μＦ，充放電エネルギー０.８ kJ ，最大電流約１５０ kA）

図９.１1１.１　圧接されたAl/Al薄板の外観例（Ｅ字形コイル板２枚で中央部分が１ターンの平板状コイル使用）

図９.１1１.２　圧接されたAl/Al薄板接合界面の光学顕微鏡写真例

図９.１1１.３　前図に示す接合部分(赤枠部分)の拡大光学顕微鏡写真例

　Ｅ字形コイル板上下３枚で中央部分が３ターンの平板状コイル

●図９.１１２は，絶縁された上下各３枚のコイル板からなるＥ字形の平板状多数ターンコイルである．各コイル板は，一部分を除き，ぴったり重なる． 圧接する両薄板は間隙なしで重ねられ．絶縁され上下各３枚のコイル板に分かれたコイル間に置かれる．放電電流は各コイル板を図９.１１２の矢印の方向へ流れる． 電流が集中して同方向へ流れる上下各３枚のコイル中央部分（幅５ｍｍ）に高密度磁束が発生する． この高密度磁束は図９.１１３のように各板中央部分に発生し，両薄板は，図９.１０１および図９.１１０と同様に， 多数コイル中央部分に沿って連続してシーム溶接される．このようなコイルを用いた実験装置の概略図を図９.１１４に， 装置（放電回路部分）の外観例を図９.１１５に示す．コンデンサ電源（４台並列）の容量は２４μＦなどである．コイル板各板（３枚）の外観を図９.１１６に示す． 各コイル板の厚さは１ｍｍ，中央部分の長さは約１１０ｍｍ，幅は５ｍｍである． この外観は図９.５（の一部分）と同じである．多数ターンコイルとして接続したＥ字形コイル上板（３枚）の外観例を図９.１１７に， 下板（３枚）の外観例を図９.１１８に示す．両図共に絶縁シート有無の写真が示されている．

実験に使用したＥ字形多数ターンコイルのはんだ付け部分をはがし，分解したコイル板（上下各３枚）の外観例を図９.１２６に示す． 各板厚は１ｍｍであり，コイル板に大きな変形は見られなかった．実験後のコイル板外観を調べるため， コイル中央部分とコイル周辺部分の間を化学反応形接着充満剤などで固定しなかった．

　Ｈ字形コイル板上下３枚で中央部分が３ターンの平板状コイル

●このコイルは，現在，製作を終え，予備実験中である．その概要を示す．図９.１３０は，絶縁された上下各３枚のコイル板からなるＨ字形の平板状多数ターンコイル概略図である． 各コイル板は，一部分を除き，ぴったり重なる． 放電電流は各コイル板を図９.１３０の矢印の方向へ流れる．圧接する両薄板は間隙なしで重ねられ． 絶縁され上下各３枚のコイル板に分かれたコイル間に置かれる．電流が集中して同方向へ流れる上板３枚，下板３枚の中央部分（幅５ｍｍ）に高密度磁束が発生す， この磁束は両薄板へ交差する．この中央部分近くで，中央部分に垂直断面の様子は，Ｅ字形コイルの場合（図９.１１３）と同様である．Ｈ字形コイル板の場合も， 両薄板はコイル中央部分に沿って連続してシーム溶接される．

上下の各コイル板をそれぞれ離れた上下で接続する必要がある．この接続方法はＥ字形コイル板の接続方法と大きく異なる．Ｈ字形コイル板の上下各コイル板の接続法の概略を図９.１３１に示す． 接続用部分は，各コイル板の一部分が外側に張り出している．上下で同じように張り出した部分同士を接続する．各コイル板間には，この接続部分（一部分）を除いて絶縁シートを挿入する． 実験に使用する上板３枚の外観例を図９.１３２に示す各板厚は１ｍｍである．コイル中央部分の向きが前図（９.１３０，９.１３１）と異なる． コイル中央部分の両側に絶縁板（透明）が挿入され，変形を防ぐ． 実験用コイルを組み立てたときの外観例を図９.１３３に示す．コイル中央部分の長さは７０ｍｍであり，圧接する薄板の幅は５０ｍｍである． このようなＨ字形多数ターンコイルを用いる実験装置の概略図を図９.１３４に，実験装置の外観例を図９.１３５に放電電流波形例を図９.１３６に，圧接したAl/Cu薄板の外観例を図９.１３７に示す． 図９.１２５で生じていた変形部分はほとんど生じなかった．