電磁圧接用多数ターンコイルの開発

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　平板状の多数ターンコイル（E字形）を使用した金属薄板の電磁圧接（シーム溶接）には以下の特徴がある．ここでは，間隙を設けて高速衝突させる場合について示す．

�@圧接（シーム溶接）に必要な放電電流の大きさを減らすことができる．例えば，平板状ワンターンコイルでは，溶接に最大値１００〜２００ｋAの放電電流を必要とするが， 平板状６ターンコイルでは，これを約１/６に減らせる．
�A放電電流値を下げても，条件により従来と同様に溶接（圧接）できる．
�B高密度磁束を急激に発生させるため，コイルターン数（インダクタンス）の増加に対して，コンデンサ電源の容量を減少させる．
�C放電回路（装置）をワンターンコイルの場合のように極端に低インダクタンス化する必要がない．
�Dコンデンサ電源から多数ターンコイルへのエネルギー移送効率がワンターンコイルの場合に比べ良くなる．
�Eコンデンサ電源を放電させるギャップスイッチを小型化でき，消耗も減少する．また，放電スイッチとして半導体スイッチの使用が容易（安価）となる．
�F多数ターンコイルは絶縁された多数の薄いコイル板（E字形）を重ねて作られる．各コイル板の厚さ，材質などを自由に選べる． ただし，各コイル板同士をなるべく低インダクタンスになるように接続（はんだ付け）する．
�G圧接（シーム溶接）した接合界面には，ワンターンコイルの場合と同様の波状模様が見られる(図９.１５)．
�H多数ターンコイル（E字形）の最上コイル板の中央部分に溝を設けると，接近並列シーム溶接用コイルとして使用できる．
�I多数ターンコイルを使用し，圧接用両薄板をコイル両端へ接続し，放電電流の最大値近くで両薄板を衝突させると， 放電電流を，両薄板の衝突部分を含む短絡回路へ転流することができる．両薄板は，高速機械式短絡スイッチとして働くと共に従来どおり圧接される．
�J多数ターンコイルを開発する最終的な目的は，放電電流値を下げ，放電スイッチとしてサイリスタスイッチを使用することである．

　平板状の多数ターンコイルを使用し，コイルへ流す電流値を下げ，これまでと同様に電磁圧接した結果はすでに多数報告されている （文献は こちら ）．ここでは主に，E字形の６ターンコイル，８ターンコイル，１０ターンコイルおよび 薄い５ターンコイルなどを用いた実験結果を順に示す．ターン数を８以上にすると放電電流を急激に流す工夫が必要になる． コイル板(５枚)を薄くした５ターンコイルでも圧接に必要な放電電流値を減らすことができる． なお，本校で使うこの種のコイルはヤマキ金型（こちら）で製作された．コイル製作など必要な場合は，直接お問い合わせください．

　６ターンコイル

●直線状に圧接（シーム溶接）する平板状６ターンコイル用のコンデンサ放電装置構成図を図９.１に，放電回路（外観）を図９.２に示す． コンデンサ電源（コンデンサ４台並列接続，並列容量２４μＦ），放電ギャップスイッチ（付録１８参照）および６ターンコイルは図９.２のように配置され，放電回路を構成する． 放電回路上側の固定具，絶縁材の一部は取り外されている．６ターンコイル（各コイル板）の概略図を図９.３に示す．概略図の場合，コイルは それぞれ絶縁された６枚のコイル板（No.１〜No.６）からなり，ぴったり重なっている．電流は板No.1 の細長い中央部分（幅５ｍｍ）へ上向きに流入し， 幅の広い両側の周辺部分から下向きに戻る．この電流は板No.１の下部で合流し，再び板No.２ の中央部分を上向きに流れる．電流はこのようなターンを６回繰り返し， 板N0.６の周辺部から流出する．コイル中央部分には，電流が６層に重なって直列に流れる． このようなコイルおよび圧接する薄板（アルミ，銅薄板）の固定する例を図９.４（断面図）に示す． ６ターンコイルにすると，従来のワンターンコイルに比べ，圧接に必要なコイル電流は約１/６に減少し，コイル（中央部分）には同様の高密度磁束が発生する． ただし，各コイル板同士の配線接続では，図９.３のように細い線などを使ったコイル板同士の外部での配線はされない．理由は，細い線などを使った配線部分のインダクタンスが 大きくなり，電源エネルギーがコイル中央部分（高密度磁束発生部分）へ効率的に移送されないからである．エネルギーは外部配線部分で無駄に使われる． 詳細はこちら に示されている．

図９.１　平板状６ターンコイル用のコンデンサ放電装置構成図

図９.２　平板状６ターンコイル用のコンデンサ放電回路（外観）

図９.３　平板状６ターンコイル概略図（Ｅ字形コイル）

図９.４　コイルおよび圧接する薄板の固定例（断面図）

●実際に使用するコイル板(No.1〜No.６）の外観写真およびコイル板各部分の説明を図９.５に示す．各板厚は ０.３ｍｍである． 各板中央部分の幅は５ｍｍ，長さは１１０ｍｍである．板下側部分の縦長さは５０ｍｍであり，この範囲の幅３ｍｍがはんだ付けされる（図９.９参照）． 下部（青線内）は，図９.１に示してあるコイル板外の外部配線部分を改良，工夫し一体化した部分である． 各板を重ね，接続用端子板を含めて製作したコイル外観写真を９.６に示す．写真は，見やすくするため絶縁シートを挿入せず，各板を少し離して撮影されている． 手前側に端子板が付いている．比較用に従来のワンターンコイル写真も示されている．コイル板間を絶縁シートで絶縁する方法（シート挿入法）を図９.７に示す． 絶縁シートは上図のように２方向（端子板側および端子板のない側）から挿入される．これらは中央部分で互いに重なる．下図は絶縁シートを全て 入れた後の挿入方向に垂直な中央部分（上部）の断面概略図である．この図では挿入する各絶縁シートは１枚であるが，実際の場合，数枚重ねて挿入される．

●溶接実験回数約４０回後のコイル外観写真例を図９.８に示す． 約４０回実験後に分解した各コイル板（図９.８の左図上面側）の外観例を図９.９に示す．はんだ付けした部分（はんだ付け跡）は各コイル板下部の両側に分かれて生じている． 各板裏面でのはんだ付け位置（跡）は，例えば板No.3のように上面と異なる． このようにコイル板同士を直接はんだ付けするため，各コイル板下部の形状（はんだ付けする部分）は異なっている． コイルの外側に図９.３（概略図）のような細い接続用配線は使われない． 板No.1に示す矢印は変形が比較的に大きい部分である．同じく，板No.1両面の拡大写真を図９.１０に示す． これらのコイル板を再び組立てて使用することはできるが，同様の実験を続けられる回数は１０数回と思われる．

図９.５　平板状６ターンコイルのコイル板外観例およびコイル板各部分の説明

図９.６　平板状６ターンコイル（および比較用ワンターンコイル）外観例
（上左：コイル板No.１側，上右：コイル板No.６側，下：ワンターンコイル）

図９.７　平板状６ターンコイル板への絶縁シート挿入法（上：端子板側，端子板のない側
からの絶縁シート挿入例，下：全て挿入後の挿入方向に垂直な断面概略図）

図９.８　平板状６ターンコイルの実験後外観例 （左：コイル板No.１側，右：コイル板No.６側）
圧接実験回数約４０回，白色円の部分でしわなどの変形が目立っている．

図９.９　平板状６ターンコイルの実験後に分解したコイル板(No.1〜No.６）の外観例
圧接実験回数約４０回，矢印部分は変形が比較的に目立つ部分である．

図９.１０　同じく実験後に分解したコイル板(No.1)両面の外観例
実験回数約４０回，矢印部分は変形が比較的に目立つ部分である．

●コイルターン数６までの開発経過を表９.１に示す．ターン数２から始まり，ターン数６までの実験結果である．絶縁シートを含めたコイル全体の厚さは すべて約３ｍｍであった．コイル中央部分の幅５ｍｍ，長さ１１０ｍｍであった．圧接実験は，アルミ薄板を銅薄板へ衝突させ，シーム溶接長さ１００ｍｍで行われた． アルミ薄板の厚さは，放電電流の最大値近くの時間で衝突するように選ばれた．２ターンコイル，３ターンコイルおよび６ターンコイルに流れる放電電流波形および薄板同士の衝突時間信号波形を 図９.１１に示す． ターン数２の実験結果は， こちらに,　ターン数３の実験結果は， こちらに， ターン数４の実験結果は， こちらに示されている．ターン数５の実験結果は別に報告されている， 電流波形の振動周期がコイルにより大きく変化した．薄板は電流波形の最大値近くで衝突させた． ターン数６の場合，圧接に必要な電流値（最大値）は，約２５ｋAに減少し，コイルのインダクタンスは，約１.３μHに増加した．このとき，コンデンサ電源の容量は２４μF， 充放電エネルギーは０.６ｋJであった．コイルターン数，コイルインダクタンスが増加すると電流波形の振動周期も増加する．これらが増加しすぎると，放電電流が急激に流れにくくなる． なお，同形のワンターンコイルのインダクタンスは残留インダクタンスを含め約０.０４μHである．

表９.１　平板状６ターンコイルまでの開発経過

図９.１１　放電電流波形および衝突時間信号波形例
（上図：２ターンコイル，中図：３ターンコイル，下図：６ターンコイル）

●６ターンコイルで圧接された継手の外観を図９.１２に，変形，接合部分のシーム溶接方向に垂直な断面の光学顕微鏡写真を図９.１３に， 接合部分（左右）の光学顕微鏡による拡大写真を図９.１４に，接合部分（左右）の電子顕微鏡（SEM）による拡大写真を図９.１５に示す． 接合界面に電磁圧接に特有の波状模様が観測された．前述した圧接に必要な電流値（最大値）は， 波状模様が観測された状態で圧接するのに必要な電流最大値である（他のコイルターン数の場合も同様である)． 同様に，アルミ薄板を鋼（Fe）薄板へシーム溶接させた結果を図９.１６〜図９.１９に示す．断面の写真観察は専門業者に依頼して行われた．

　８ターンコイル

●平板状８ターンコイルを用いてアルミ/銅薄板を圧接実験する方法，結果の一部を紹介する．表９.１に示すようにコイルターン数を増加すると，放電電流の減衰振動周期は次第に増加する． そのため，コイルターン数を８以上にするとコイルインダクタンスが大きくなって，周期が伸びて（時間が長くなり），電流がコイルへ急激に流れなくなる． このため，効率よく電磁圧接できなくなる．８ターン以上のコイルで電磁圧接するためには，充電電圧をあまり増加せずに，コンデンサ容量だけを減らす必要がある． 例えば，図３.６（中）に示す充放電方法がある．このような充放電回路は，並列充電直列放電回路と呼ばれる．この充放電回路と平板状８ターンコイルを用いて実験した． 平板状８ターンコイル用のコンデンサ放電回路構成図およびコンデンサ放電回路外観を図９.２０に示す．前図９.２のコンデンサ電源（４台並列，２４μＦ）が，図９.２０では， ２組のコンデンサ（１２μＦ）に分けられる．各コンデンサ（１２μＦ）に放電ギャップスイッチが接続される．それぞれ並列に充電した各コンデンサを， ２つの放電スイッチで直列に放電する．放電時のコンデンサ電源容量は６μＦに減少する．この放電電流がインダクタンスの大きい８ターンコイルへ急激に流れる．

図９.２０　平板状８ターンコイル用コンデンサ放電回路構成図（上）およびコンデンサ放電回路外観（下）

●８ターンターンコイルの外観例を図９.２１に示す．各コイル板間に絶縁シートを挿入せず，各板を少し離して撮影されている．コイルの各板厚は ０.３ｍｍである．コイル中央部分の幅は５ｍｍ， 長さは約１１０ｍｍである．接続用端子板が手前側上下に付けてある．端子板は，図９.１０に示したコイル板の変形を防ぐため，コイル中央部分の端部へ届くよう長くしてある． コイル全体の電流方向の長さは約２５０ｍｍ，電流に垂直方向の幅は１８０ｍｍである．各コイル板の外観を図９.２２に示す．コイル板No.1に示す矢印は図９.１０ に生じたコイル板の変形を防ぐため設けた改良部分であり，ほとんどのコイル板に設けてある．各板の厚さは０.３ｍｍである． コイル板（銅合金）の材質は導電率よりも，強度（硬さ）を重視して選ばれている． 約６０回実験後に分解したコイル板の外観例を図９.２３示す．コイル板No.1を除き，はんだ付けした部分がよく見える面（裏側）が示されている． コイル板の変形は中央部分だけに生じた．これらのコイル板を再び組立てれば，さらに２０〜３０回程度，同様の実験ができると思われる．

●８ターンコイルに流れる放電電流波形および薄板同士の衝突時間信号波形を図９.２４に示す．アルミ薄板を銅薄板へ圧接（シーム溶接）させたときの波形例である． 板厚は共に０.５ｍｍである． 電流波形の振動周期は約２４μｓに減少する．表９.１に示した４ターンコイルの場合と同程度の振動周期である．８ターンコイルによる圧接結果は，６ターンコイル までのコイルを用いた結果（アルミ/銅薄板）と同様であった．ただし，圧接に必要な放電電流最大値（波状模様発生）は約２１ｋＡに減少した． ２０１８〜２０２０年に報告された論文等は こちら です．

　１０ターンコイル

●平板状１０ターンコイルを用いても８ターンコイルの場合と同様に並列充電直列放電装置を用いて実験できる．また，シミュレーションすることもできる． 圧接用金属薄板の厚さが共に０.５ｍｍの場合， 圧接に必要な放電電流最大値（波状模様発生）は約１６ｋＡに減少する．１０ターンターンコイル用のコンデンサ放電回路外観 例およびコイルの外観例を図９.２５に示す．放電回路構成は８ターンコイルの場合と同様である．図９.２５（下図）の各コイル板間に絶縁シートは挿入されていない． 各コイル板の材質は高強度，中導電率材，板厚は ０.２ｍｍ，コイル中央部分の幅は５ｍｍ，長さは約１１０ｍｍである． 図９.２５（下図）の各コイル板を上下方向に広げ，横に倒して撮った写真例を図９.２６に示す．接続用端子板は左下および左上側に付いている． 図９.２６のコイルを左側から撮った写真例を図９.２７に示す．接続用端子板は左右に付いている．各コイル板が中央部分をとおして接続されている様子が見られる． 接続用端子板が手前側上下に付いている． 各形状は８ターンコイルの形状（図９.２２）とほぼ同様である．図９.２５（下図）に示したコイルを上下方向に広げて横に倒した写真例を図９.２６に， さらにコイル（図９.２６）を左側から撮った写真例を図９.２７に示す．各コイル板が中央部分をとおして接続されている様子が見られる． 両端のコイル板には接続用端子板が付いている． 各コイル板は６および８ターンコイルと同様にコイル内部だけではんだ付けで接続されている．褐色に見える絶縁シートを挿入した１０ターンコイルの外観写真を図９.２８に示す． 各コイル板のはんだ付け方法，分解写真などは，最近の各種論文（2023） こちら に示されている．　

●平板状１０ターンコイルで発生する磁束密度の概算方法を以下に示す．１０ターンコイル各板中央部分（板厚０.２ｍｍ）へ直列に流れる高周波振動電流 Ｉ は，表皮深さ（０.３〜０.４ｍｍ）を考慮し， 中央部分断面に一様に流れ，コイル板は非常に薄いと仮定する．各板断面，板の間隔，直交座標軸など計算用の参考図および計算式を図９.２９に示す．図９.２９では， コイル板No.1の断面中央を原点(0,0,0）とし，右横方向をｚ軸，コイル板に流れる電流方向をｘ軸，上方向をｙ軸としている，

ｚ方向の磁束密度Ｂzを求める方法を示す（付録２および３ 参照)．板No.1に電流 Ｉ が流れており，ｚ軸上の位置ｈ1での値を求める．図９.２９に示す板No.1のｚ軸上の位置ｚで幅dｚの 部分に流れる電流は Ｉ dｚ/ｂである．この細い直線状電流がＰ点に作る磁束密度ｄＢz1 はアンペアの磁気に関する法則から式(9.1)で求められる，ｚ軸上の磁束密度の方向は発生する磁束密度の対称性から ｚ成分だけとなる．磁束密度ｄＢ1のｚ方向成分は図９.２９のように求まる．これを−ｗ/2 からｗ/2 まで積分すると，コイル板No.1に流れる電流 I がＰ点に作る磁束密度Ｂz が求まる． この磁束密度Ｂz は，時間と共に変化し，電流最大時に最大に達する．また，ｚ軸方向に分布して発生する磁束密度Ｂzは，コイル中央部分真ん中で最大になる．ここでは， 電流最大時に，コイル中央部分真ん中（軸上）で，Al薄板下面に生じる最大磁束密度Ｂzを計算する．

具体的には，先ずコイル板No.1に流れる電流（Ｉ＝１６kA，最大値）がＰ点に作るｚ方向の磁束密度Ｂz1を h1＝０.３ (ｍｍ)として式(9.2)からMKS単位で求める． h1＝０.３ (ｍｍ)は実際に実験する場合の数値例であり，コイル板No.1の中心からAl薄板下面までの典型的な距離である．次に，コイル板No.2 断面中央を新しい原点とし， コイル板No.1 と同様に流れる電流（Ｉ＝１６kA，最大値 以下同じ）がＰ点に作る作るｚ方向の磁束密度Ｂz2を h2＝０.３＋c＋g (ｍｍ)で同様に求め，次にコイル板No.3 断面中央を 新しい原点とし，コイル板No.1 と同様に流れる電流がＰ点に作る作る磁束密度Ｂz3を h3＝０.３＋２(c＋g) (ｍｍ)で同様に求め，次コイル板No.4 に流れる電流がＰ点に作る作る磁束密度Ｂz4 を h4＝０.３＋３(c＋g) (ｍｍ)で同様に求める．このような計算を繰り返して最後にコイル板No.10 に流れる電流がＰ点に作る作る磁束密度Ｂz10を h10＝０.３＋９(c＋g) (ｍｍ)で同様に求める． コイル全体としてＰ点に作るＢzは各板について求めた各磁束密度を合計した式(9.3)て得られる． 電流の単位をアンペア(Ａ），長さの単位をメートル(ｍ），角度(三角函数値）の単位をラジアンにすると，磁束密度Ｂzの値がテスラ(Ｔ）で求まる．

コイル全体としてＰ点に作る磁束密度Ｂzの最大値は，コイル板No.1 の中心からＰ点までの距離０.３ｍｍ，コイルの各板厚 ０.２ｍｍ ，各板の間隔 ０.３ｍｍ，コイル中央部分の板幅５ｍｍ， コイル全体の厚さ５ｍｍ，コイルに流れる放電電流最大値 １６ kA，放電電流の減衰振動周期２８μｓ の場合，概算値で約１１ Tであった．このとき，１０枚のコイル板にそれぞれ流れる各電流が 発生する磁束密度の最大値は，図９.２９（下図）のようであった．

●平板状１０ターンコイルによるアルミ/銅薄板の圧接（シーム溶接）結果をシミュレーションで概算する方法がある．５ターンコイルによる実験結果を基に１０および２０ターンコイルによる結果をシミュレーションするには， 「放電時のコンデンサ電源容量とコイルターン数の等価な組合せ」を使用する．この「等価な組合せ」では，放電電流波形の減衰振動する周期が等しくなり，コイルに発生する磁束密度の大きさもほぼ等しくなる． 具体的な「組み合わせ」の例は，表９.２で赤枠で囲った３組である．この場合，各組とも振動周期および電流の立ち上がり時間が等しくなる．充放電エネルギーが同じならば，発生する磁束密度も表９.３のように等しくなる． すなわち，「等価な組み合わせ」の場合，コイル形状，放電状態などに条件はあるが，全て同様に電磁圧接される．シミュレーション(模擬実験）結果は数値的に表９.４のように得られる． なお，詳細はこちら に示されている．

●並列充電直列放電装置および平板状１０ターンコイルによる，アルミ/アルミ薄板の圧接（シーム溶接）結果を図９.３０に示す．従来の平板状コイルと同様の結果が得られた． 拡大写真は光学顕微鏡で観測された． 重ねた両薄板は 100 ｍｍの長さでシーム溶接された．接合部分はコイル中央部分上部左右２箇所に生じた．アルミ/アルミ薄板接合面には， 図６.１３（ワンターンコイルを用いて本校で同様に実験）と同様の波状模様が接合界面（写真横方向中央部分）に生じていた． この場合，圧接に必要な放電電流（最大値）は前記のシミュレーション結果と一致する約１６ｋＡであった．アルミ/銅薄板の結果を図９.３１に示す．接合部分（左右２箇所）に波状模様が生じていた． 低倍率拡大写真は光学顕微鏡で，高倍率拡大写真は電子顕微鏡（SEM）で観測された． アルミ/銅薄板の結果については学会で発表されている．発表用PDF資料は こちら です．１０ターンコイル（板１０枚）の各板厚および材質は， 板厚０.２ｍｍ，高強度，中導電率材を用いると効率よく圧接でき，コイルの変形も少ないことも報告されている （ 報告内容 PDF ）． 英文での報告も最近（2024）行われた， 並列充電直列放電装置および１０ターンコイルを用い，実際に放電したときの動画も試験的に示されている（実験装置最後参照）．

●平板状１，５および１０ターンコイルを用いて比較実験する方法および実験結果（一部）を以下に示す．実験は，1ターンおよび５ターンコイルの場合， ６ターンコイルの場合と同様の装置構成（圧接用薄板の配置を含めて）で行われた．各実験は，比較しやすくするため，次の４条件で行われた． (1)減衰振動して流れる電流波形の振動周期および振動の減衰率をほぼ同じにする． (2)電流波形の最大値近くでアルミ薄板を銅薄板へ衝突させる． (3)コイル中央部分の長さ，幅および隣接する部分との間隔を同じにする． (4)圧接する両薄板の寸法および材質をほぼ同じとし，重ねたときの間隙を同じとする． これらの条件を満たすため，圧接する電源エネルギー，コイル中央部分以外の形状，材質などは異なった． コイルターン数による寸法，材質などの違いを表９.５に示す．

各コイルへ流れる電流波形および薄板が衝突したときに生じる衝突時間信号波形の例を図９.３２に示す． 放電時のコンデンサ電源容量は１，５ および１０ターンコイルの場合，それぞれ２００，２４，６μFであった．各電流波形はほぼ同じ振動周期で同様に減衰振動して流れた． 各電流波形は放電後約５μs で最大値に達した．減衰振動する各電流波形の平均的な振動周期は２７〜２９μsであった．衝突時間信号波形には， 電流の流れ始めに電磁ノイズが生じるが，各電流の最大値近くで薄板が衝突したことを示す信号波形が見られた． 各実験で，コイルに近いアルミ薄板が初速度零から加速されて上側の薄板へ衝突する時の速度は 約３５０ m/s であった．

圧接された薄板の外観および接合界面などの結果は全て，１０ターンコイルを用いた場合と同様であり，接合界面に波状模様が生じて接合していた． この場合の電源エネルギー，コイルへ移るエネルギーおよび最大電流値は，コイルターン数で表９.６のように変化した． 最も低い電源エネルギーで圧接できたのは，５ターンコイルであった．１ターンコイルは，電源からコイルへのエネルギー移送効率が悪いため． 多くの電源エネルギーが必要であった．１０ターンコイルは，コイル厚さが厚すぎて，５ターンコイルに及ばなかった．

これらの比較実験については，軽金属溶接誌2022年10月号にも報告されている．報告内容は (こちら）． 電源エネルギーなどを選んで比較実験した結果，各コイルで同様の結果が得られるのは，実験を先の４条件で行い，コンデンサ電源容量， 放電電流値，コイルターン数などが違っても，発生する磁束密度の大きさ，時間変化などが等価的に等しく，両薄板が同じ速度で，同じように衝突したからである． コンデンサ電源容量とコイルターン数の等価な組み合わせについては，他でも報告されている (Paper PDF）．

●先に示した「放電時のコンデンサ電源容量とコイルターン数の等価な組合せ」を使用すると，５ターンおよびに１０ターンコイルよる実験結果から ２０ターンコイルによる実験結果をシミュレーションすることができる． その結果，２０ターンコイルを使うと圧接に必要な最大電流値は，表９.４のように８ｋＡに減少する．放電スイッチとしてサイリスタスイッチを使用できると思われる． 通常，パルス大電流用サイリスタスイッチの場合，スイッチは，サイリスタ単体でなく，単体サイリスタを１００個以上組み合わせた使用例が報告されている． ２０ターンコイルおよびサイリスタスイッチを用いる金属薄板の電磁圧接法は，2024年に初めて報告された ( こちら ) ． 詳しくは，左側内容の「サイリスタスイッチ」に記されている．

　弾力のある薄い平板状５ターンコイルを用いる金属薄板の電磁圧接

●従来用いた平板状５ターンコイル（Ｅ字形コイル）では，構成する５枚のコイル板の板厚は０.５ｍｍ，コイル全体の厚さは３ｍｍ以上であり， 材質はクロム銅C3243（導電率８０％，引張強さ３８０Ｎ/ｍｍ ^２ ）であった． 今回用いる薄い５ターンコイル板５枚（Ｅ字形コイル）の各板厚は０.２ｍｍ，コイル全体の厚さは約２ｍｍである． コイル板の材質はコルソン銅C7025（導電率４５％，引張強さ７４０Ｎ/ｍｍ ^２ ）である． 引張強さが大きく，バネのように弾力があり，変形しにくい．このコイルの各板は前実験で用いた１０ターンコイルのコイル板（No.1〜No.5）と同じである． ここでの薄いコイルとは，コイル各板の板厚（０.２ｍｍ）が各板へ流れる高周波振動電流の表皮深さ（０.３〜０.４ｍｍ）に比べて小さく， コイル全体の厚さが，表９.１の２〜６ターンコイルに比べて薄いコイルとしている．

●薄い平板状５ターンコイルを用いたアルミ薄板，銅薄板電磁圧接装置の構成概略図を図９.３３に示す．コンデンサ電源容量は従来の５ターンコイルでの圧接実験と同じ２４μＦである． コンデンサ電源，放電ギャップスイッチ，薄い５ターンコイルからなる放電回路部分の外観を図９.３４に示す． 薄い５ターンコイルの概略図を図９.３５に示す．コイル板間に挿入される絶縁シートは省略してある．放電電流はコイル中央部分に５層に重なって直列に流れる． 中央部分に圧接用の高密度磁束が発生する．コイル中央部分上に圧接するアルミ薄板，銅薄板を置いて圧接する．両薄板を重ねたときの間隔は１ｍｍとした． コイル上にアルミ薄板，銅薄板を配置したとき，およびアルミ薄板が衝突したときの断面概略図を図９.３６に示す．コイルと電磁誘導結合するアルミ薄板に誘導電流（渦電流）が 流れて電磁力 ｆ が働く．この結果，アルミ薄板（太線部分）は，変形しながら高速衝突して圧接される．最初に衝突している部分は圧接されず， この後，傾斜衝突する太線部分（の一部）が圧接される． コイル外観例を図９.３７および図９.３８に示す． コイル中央部分の長さ（約１１０ｍｍ），幅（５ｍｍ），周辺部分との間隔（５ｍｍ）は従来の多数ターンコイルと同じである．

●Al/Cu薄板（板厚０,５ｍｍ）を圧接実験した結果の一部を以下に示す．放電電流および衝突時間信号波形例を図９.３９に示す． 電流波形は従来の５ターンコイルの場合（図９.３２）と同様の波形であった．圧接（波状模様発生）に必要な電流最大値は約２０ｋＡであった． 衝突時間信号波形には放電開始時に放電ノイズが生じたが，衝突するまでの時間は約６μs であった． 従来の５ターンコイルでは，圧接に必要な電流最大値は約２７ｋＡ（表９.６），衝突するまでの時間は約５μs（図９.３２）であった． 薄い５ターンコイルで圧接（シーム溶接）されたAl/Cu薄板の外観を図９.４０に示す．従来と同様， 両薄板は図９.４０のようにコイル中央部分（縦方向）に沿って溶接（シーム溶接）された．長さは約100 mmである． 衝突による変形はAl薄板に生じ，Cu薄板（図９.４０下図）には見られなかった．Al/Cu薄板（板厚０.５ｍｍ）のコイル中央部分に垂直断面の観測写真例を図９.４１に示す． 接合部分は，従来と同様に傾斜衝突する左右の矢印部分あたりであった．接合部分（片側）の電子顕微鏡による拡大写真例を図９.４２に示す． 接合界面に従来と同様の波状模様が観測された．これら断面の写真観察は専門業者に依頼して行われた．

●薄い５ターンコイルで発生する磁束密度の概算方法を以下に示す．このコイル各板中央部分（板厚０.２ｍｍ）へ直列に流れる高周波振動電流 Ｉ は， 表皮深さ（０.３〜０.４ｍｍ）を考慮し，中央部分断面に一様に流れると仮定する．各板断面，板の間隔，直交座標軸など計算用の参考図を図９.４３に示す． ｚ軸方向に分布して発生する磁束密度Ｂzは，コイル中央部分真ん中で最大になる．ここでは，電流最大（約２０ｋＡ）時に，コイル中央部分真ん中（軸上）で， Al薄板下面（Ｐ点）に生じる最大磁束密度Ｂzを計算した．コイルの変形が少ない理由で，コイルとAl薄板間に入れる絶縁シートの厚さを約０.１ｍｍとした． 詳しい計算方法は１０ターンコイルの場合と同様である． ５枚のコイル板がそれぞれ発生する磁束密度は図９.４３（下図）のように計算された．これらの合計約１０Ｔがコイルが発生する最大磁束密度Ｂzの概算値であった． この概算値は１０ターンコイルの計算概算値（１１Ｔ）と同程度であった．

図９.３９　放電電流および衝突時間信号波形例（板厚0.5 mm）

図９.４０　圧接されたAl/Cu薄板（表裏）の外観写真

図９.４１　圧接されたAl/Cu薄板の光学顕微鏡による断面観測写真例（板厚0.5 mm）

図９.４２　Al/Cu薄板接合部分（片側）の電子顕微鏡による拡大観測写真例

図９.４３　薄い５ターンコイル中央部分のｙ軸上Ｐ点に生じるｚ軸方向磁束密度Ｂz
（上図：コイル中央部分の断面概略図，下図：各コイル板が発生する磁束密度）

●Al/Cu薄板（板厚０,４ｍｍ）を圧接実験した結果の一部を以下に示す．放電電流および衝突時間信号波形例を図９.４４に示す． 板厚０,５ｍｍの場合（図９.３９）と同様の波形であった．ただし，圧接に必要な電流最大値（波状模様発生）は約１６ｋＡに減少した． 衝突時間信号波形には放電開始時に放電ノイズが生じたが，衝突するまでの時間は約６μs であった． 圧接に必要な電流最大値が少なくなったのは，Al板厚が薄く，加速しやすくなったからと思える． 圧接された両薄板の外観例を図９.４５に示す．両薄板の中央縦方向がコイル中央部分に沿って長さは約100 mmにわたり圧接された． Al/Cu薄板（板厚０.４ｍｍ）の断面観測写真例を図９.４６に示す．接合部分は，傾斜衝突する左右の矢印部分あたりであった． 接合部分（片側）の電子顕微鏡による拡大写真例を図９.４７に示す．接合界面に波状模様が観測された．

図９.４４　放電電流および衝突時間信号波形例（板厚0.4 mm）

図９.４５　圧接されたAl/Cu薄板の外観例（板厚0.4 mm）

図９.４６　圧接されたAl/Cu薄板の光学顕微鏡による断面観測写真例（板厚0.4 mm）

図９.４７　Al/Cu薄板接合部分（片側）の電子顕微鏡による拡大観測写真例

●Al/Cu薄板（板厚０,３ｍｍ）を圧接実験した結果の一部を以下に示す．放電電流および衝突時間信号波形例を図９.４８に示す． 板厚０.５ｍｍおよび０.４ｍｍの場合と同様の波形であった．同様に圧接するのに必要な電流最大値）は１７ｋＡ〜１８ｋＡであった． 衝突時間信号波形には放電開始時に放電ノイズが生じたが，衝突するまでの時間は約６μs であった． 圧接するAl薄板の板厚を薄い０.３ｍｍにすると，原理方法の式（２.６）から，Al薄板に働く電磁力（等価的な磁気圧力ｐ） が減少する．このため，必要な電流最大値は減少しなかった．Al薄板に対する放電電流（振動周期約３０μｓ）の表皮深さは約０.４ｍｍである． この値に比べAl薄板の板厚０,３ｍｍは小さすぎたので，圧接に必要な電流最大値が減らなかったと思われる （電流最大値を下げて圧接するとる十分な強さで圧接されなかった）．

図９.４８　放電電流および衝突時間信号波形例（板厚0.3 mm）