＜簡易スポット溶接の製作＞
Ver. 1.0
⽬次
1. はじめに...2 1.1. 概要...2 1.2. 必要なエネルギー ...2 1.3. 必要なパルス幅 ...2 1.4. 流す電流...2 1.5. 必要なコンデンサ ...3 1.6. ニッケルやステンレスがスポット溶接しやすい理由 ...3 2. 設計 ...3 2.1. 概略ブロック図 ...4 2.2. 動作原理...4 2.3. 回路検討（シミュレーション） ...5 2.3.1. シミュレーション回路図 ...5 2.3.2. シミュレーション結果...7 2.4. 接続図...8 2.5. 動作検証（タイミグ⽣成部）...10 2.6. 完成写真...11 3. 評価試験...12 3.1. 電流制限抵抗R2 について ...12 3.2. 爆⽕...12 4. 試作機(失敗事例) ...13 4.1. 試作機 1 ...13 4.1.1. 回路図 ...13 4.1.2. ⼤きなミス ...14 4.2. 試作機 2 ...15 4.2.1. 電流スイッチFET ...151. はじめに
1.1. 概要
組電池やらを作りたいので簡易スポット溶接機を作ってみる。1.2. 必要なエネルギー
対象の最⼤厚みを 1mm とすると溶融スポット径（溶融⾯積の直径）は 1mm くらいないと⼗分な強度だと感じられ ない気がするので、⽬標溶融スポット径を 1mm とする。 例えば SUS304 の⽐熱は 0.59[J/(g･K)]、密度は 7.93[g/cm3]だから、仮に 10μm 厚みでスポット径 1mm を溶融 するとすると、62.2μg で 27213[K/J]、融点は 1400〜1450℃だから 1600℃くらいにすれば短時間でも溶融するだ ろうと考えて、1600/27213=0.06J 必要な計算になる。 スポット径 1mm は対象が 0.2mm くらいではやり過ぎ（⾯積広過ぎ）なので、対象に応じたエネルギーの調整が必 要そうである。 ちなみに、例えば銀だと、⽐熱容量＝0.232[J/(g･K)]、密度＝10.49[g/cm3]、融点＝1235℃だから、エネルギー だけで⾔えば SUS304 が溶かせるエネルギーなら銀も溶かせる。 真鍮も 0.377[J/(g･K)]、8.5[g/cm3]、900℃で同様。1.3. 必要なパルス幅
熱拡散⻑は、（熱拡散⻑の）⽐較的⼩さいステンレスで 4mm/1s（12.6μm/10μs）、 ⽐較的⼤きい銀で 26.4mm/1s（83.5μm/10μs）。 熱拡散⻑は時間の平⽅根なので、熱拡散⻑を 20μm とするにはステンレスは 25μs 以下程度だが、銀は 0.6μs 以下と の計算になる。1.4. 流す電流
通常 50V を超えると危険な電圧とされるようだ。今回はコンデンサや FET の耐圧を考慮して 35V 程度を MAX とし たい。従って、20V,25V,30V,35V の選択。 仮に 5.5mm2 のケーブル（3.31Ω/km）で往復 1m として 3.31mΩ。 装置内の接続損失など諸々で 10mΩとして、ケーブルの合計電圧降下を 10V とすると 1000A。 なので、頑張っても 2000〜3000A、使いやすい範囲では 1000A 位が限界な感じである。 仮に負荷（接触抵抗）への実効印加電圧を 5V として 10μs だと 1000A*5V*10μs＝0.05J。 SUS304 なら丁度良さそうだが、銀の 0.6μs は全く無理そうだ。 仮に銀に 10μs のパルスを与えると、熱拡散⻑＝83.5μm よりスポット径 1mm を溶融するには（⽐熱容量＝ 0.232[J/(g･K)]、密度＝10.49[g/cm3]、融点＝1235℃から銀は溶融し易いだろうから融点そのままで計算して） 0.2J 必要なので、0.05J では不⾜する。 熱拡散⻑は時間の平⽅根、加えるエネルギーは時間⽐例だから、160μs なら 0.8J で溶融できる計算になる。 まあ、銀の溶接のときは触れないくらい熱くなるのも⽌むなしだろう（と⾔うか、接触状況によっては電極が溶接さ れるかもしれない）。1.5. 必要なコンデンサ
今回⼊⼿できたコンデンサは写真 1-1に⽰すようなコン デンサ。56000uF 80VでESRを測定したら 4mΩだった。 かなりイケそうだ。マウスを横に並べてみたけど、かな りでかい！t
i
V
C
Q
=
⋅
=
⋅
だからこのコンデンサを使⽤すると理 想的には 1msec で 112A、100usec で 1120A まで出せ ることになる。 (ちょっと⼤きすぎたかも・・・) 写真 1-1：使⽤するコンデンサ1.6. ニッケルやステンレスがスポット溶接しやすい理由
スポット溶接は、電気抵抗による発熱を利⽤する溶接です。銅や銀のように電気の良導体よりも、ある程度の電気抵 抗がある（電気伝導率が低い）⾦属のほうが溶接に適しています。 また、溶接する部分の熱が、すぐ逃げてしまう(熱伝導率が⾼い）ようでは、⾦属が溶かすことができず溶接は困難 です。電気伝導率と熱伝導率は、左の表のように密接に関連しています。 従って、共に適度な値を有する、ニッケルやステンレスは、スポット溶接しやすい⾦属といえます。 アルミニウムは表⾯の酸化膜が絶縁体として働くため、溶接時には⾼電圧をかけてこの酸化膜を破壊する必要があ ります。 合⾦の場合は、かなり様⼦が異なり、銀や銅も合⾦となったものは、溶接が容易になる場合があります。金属の電気伝導率と熱伝導率(室温）
熱伝導率 金属名 電気伝導 率 W/（m・k）) 金 45.5 320 銀 61.4 420 銅 59 390 アルミニウ ム 37.4 236 リン青銅 13～15 133 ニッケル 14.5 113 ステンレス 6～9 15～25 鉄 9.9 84 電気伝導率（導電率）の⾼い⾦属は、熱伝導率(熱伝導度）も ⾼い。つまり、スポット溶接のために電流を流しても発熱が少 ない上に熱は逃げやすいので溶接は困難です。それ故にアルミ ニウムや銅の溶接には、⼤電⼒が必要になります。2. 設計
1 1 この仕様は何度か(2 回くらい)試作・評価を繰り返して最終的に決めた内容とする。2.1. 概略ブロック図
図 2.1-1:制御ブロック図 項⽬ 仕様内容 ⼊⼒電源 AC100V (内部で 18V の電源として使⽤する) 電圧設定範囲 20V, 25V, 30V, 35V から選択 (DC/DC コンバータで 18V から昇圧する) パルス設定範囲 約 110u, 520u,1.1m, 2.4m, 5.5msec から選択出⼒電流値 MAX 1000A くらいかなぁ・・・
2.2. 動作原理
図 2.2-1に制御概略図を⽰す。動作概要としてはコンデンサに電荷を蓄え、それを⼀気に放電する⽅式である。SW1 はC1 に充電するスイッチで、SW2 は放電するスイッチであり、RLは溶接点の等価抵抗を⽰している。 図 2.2-2にその動作タイミングを⽰すが、SW1,SW2 はそれぞれ排他的な動作となる。またSW2 のON時間を可変 することで溶接時間を調整する。 図 2.2-1：制御概略図 図 2.2-2：動作タイミング2.3. 回路検討（シミュレーション）
2.3.1. シミュレーション回路図 図 2.3-1に主にタイミグ⽣成回路検討に使⽤した回路を⽰す。 V1 12V R1 50k R2 4.7k C1 0.1u C2 0.1u R4 100k V2 PULSE(0 12 35m 10n 10n 3m 2m 1) 2SC1815 Q2 Q4 2SA1015 D1 1N914 R3 2.2k Rser=500m V3 54V BSC196N10NS M1 R5 20m C4 56000u BSC196N10NS M2 BSC196N10NS M3 BSC196N10NS M4 U3 NE555 GND TRIG OUT RST CV THRS DIS Vcc R6 68k R7 22k C5 0.1u C6 0.1u R8 100k D2 1N914 C7 1000p R9 1k R10 10k 1u C8 R11 1k 2SC1815 Q1 R12 1k C9 1000p U2 RSJ250P10 R13 100m R15 47k U4 PC817A R16 10k C10 0.1u C11 0.1u U1 NE555 GND TRIG OUT RST CV THRS DIS Vcc C3 1000p R17 10k R18 1k R19 1k U5 LM319 R14 10k Q3 2SA1015 C12 56000u VCC_12V V CC_12V POUT SW TRG2 HVCC HVCC TRG1 OUT1 OUT2 V CC_12V VCC_12V V CC_12V V CC_12V U2_GATE .tran 60m uic Variable 0 to 50k in stead of 2SJ349 Contact Resistance 18V-54V in stead of 2SK797 Delay Time GENESR=4m ESR=4m
【回路説明】
電源の HVCC は 18V〜54V まで可変することを想定。制御部は”VCC_12V”で⽰すように 12V 系となっている。これ は 18V からレギュレータで作ればいい。V2 は外部スイッチを想定しており、フットスイッチなどで、動作 ON の時 に HIGH となるような論理となる。タイミング⽣成は U1,U3 のタイマーIC555 のワンショットタイマーモードを使 ⽤する。U3 は充電タイミング⽤であり U1 は溶接電流出⼒⽤である。溶接時間(T)は
τ
=
1
.
1
⋅
C
1
⋅
R
1
となる。 R1=100Ωとすると約 11usec となる。最⼤時間は R1=50kΩを想定しているので 5.5m 程度となるが、コンデンサ への電荷量と負荷 R5 の関係で有効時間が影響される。回路図の左側にある「Delay Time GEN」は充電制御 SW が ⼗分に OFF になってから溶接スイッチを ON にするための遅延時間を⽣成するものである。単純に R10 と C8 の CR 時定数により遅延させているが、そのままの出⼒を使⽤すると閾値が⼩さいので後段のコンパレータ U5(LM319)を 使⽤して所定のレベルでタイミング遅延信号を⽣成している。 タイマーIC555 のワンショットタイマモードではTRIGのパルス幅以下に出⼒幅を⼩さくすることはできないためC3 およびC7 でACカップリングしてトリガ成分だけを取り出す。タイミング制約は図 2.3-2の通り。 図 2.3-2：タイマ IC555 のトリガ⼊⼒ 図 2.3-3：シミュレーションオプション(デフォルトで OK)2.3.2. シミュレーション結果 34.8ms 35.0ms 35.2ms 35.4ms 35.6ms 35.8ms 36.0ms 36.2ms 36.4ms -40A 0A 40A 80A 120A 160A 200A 240A 280A 320A 360A 4.2V 4.8V 5.4V 6.0V 6.6V 7.2V 7.8V 8.4V 9.0V 9.6V 10.2V 10.8V I(R13) I(R5) V(pout) V(out1) 約 11usec 図 2.3-4：R1=100Ω時の動作 30ms 32ms 34ms 36ms 38ms 40ms 42ms 44ms 46ms 48ms -40A 0A 40A 80A 120A 160A 200A 240A 280A 320A 360A -1V 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V 11V 12V I(R13) I(R5) V(pout) V(out1) 約 5.5msec 図 2.3-5:R1=50kΩ時の動作 図 2.3-5のI(R3)のグラフからコンデンサの容量が⼤きすぎて数⼗msecでは完全に充電しきれていないことが判る。 ただ、溶接には⼗分な電流を得られているのでヨシとこれでいっか！
32ms 33ms 34ms 35ms 36ms 37ms 38ms 39ms 40ms 41ms 42ms 43ms 44ms 45ms 46ms 47ms -2V 0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V 14V V(out2) V(out1) 約 7.4msec 960usec 100usec 図 2.3-6:NE555 のタイミング出⼒波
2.4. 接続図
今回はマイコンを使⽤せずに単純なアナログ回路のみで構成してみた。 また、電流スイッチのドライブ基板は最初 1 枚基板で⾏っていたが、FET を変更したり、メンテしたりする可能性も あるかと思うので別基板とした。 図 2.4-1：昇圧とタイミング⽣成部回路図 2.4-2：電流スイッチ部回路
【主な使⽤部品】
タイミング調整および供給電圧設定基板
部品番号 メーカー 仕様・諸元 備考
U1、U3 適当 タイマーIC 555 8pin DIP 今回はバイポーラでも CMOS でもどちらでもいい。
U4 SHARP PC817A フォトカプラ U2 TOHSHIBA 2SJ349 (P-ch MOSFET) シミュレーションでは ROHM の RSJ250P10 を使用しているが RDS(ON)=33mΩ、VDS=-60V,Vth=-2V くらいの適当な Pch MOSFET であればいいかも。 Q1,Q2 適当 2SC1815 相当品で OK Q3,Q4 適当 2SA1015 2SC1815 とコンプリメンタリのものを使用した。相当品で OK だと思う。 U5 ナショセミ LM319 在庫のコンパレータなので適当なもので OK FET ドライバーのみ実装した基板 部品番号 メーカー 仕様・諸元 備考 Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7 Q8,Q9,Q10,Q11,Q12 Q13,Q14 International Rectifier （IOR） IRLB3034PBF (N-ch MOSFET) VDss は 40V と低いが ON 抵抗が 1.4mΩと低いため電流を 多く流すことができる。連続 343A でパルス次は 1372A であ る。溶接となると膨大な電流が流れるので、今回これを 14 個 並列につないで 1 個あたりにかかる電流を分散させている。 (秋月電子通商で購入＠250) 図 2.4-3：溶接電流の ON/OFF するためのキーデバイス
2.5. 動作検証（タイミグ⽣成部）
試作基板 1 を使⽤してタイミング⽣成部の動作確認を⾏った。 タイマ IC555 の動作はほぼ設計通りの動作することを確認した。 図 4.1-1の接続図のそれぞれタイマIC(IC1,IC3)の タイミグ出⼒ピン 3 を測定。 IC３は R10(1KΩ)を接続して 100usec の時間に設 定 図 2.3-6のシミュレーションとほぼ同じ結果にな った。それぞれタイマICで⽣成されるタイミグ (7.73msec,100usec)はほぼ安定していたがタイ マIC間のタイミングはほぼ 1.3msecであるが少し ばらつきがあるようだ。 今度は IC3 の時間設定抵抗を R14(33kΩ)にして測 定。計算上では 3msec だが、実際には 4msec にな っていた。 ただ、充電制御時間と重なっていないので、特に問 題はなさそうだ。 7.73msec 1.3msec IC1 の 3pin 100usec IC3 の 3pin 7.73msec 1.5msec 4.0msecc2.6. 完成写真
基板は CNC で⽚⾯基板削りだしスタイル。 写真 2-1：昇圧電源およびタイミング⽣成基板 制御基板に必要なスイッチを取り付け FET は 14 個使⽤し、それぞれに 25mΩの抵抗を挿⼊。 ケースに⼊れたところ 表⾯パネルの真後ろに制御基板を配置 コンデンサと電源アダプタが⼤部分を占める。表⾯パネルは溶接時間と電圧設定のシンプルな操作 電流スイッチ FET14 個のどれかが壊れたときにはシ ョートモードになるのでそのときに”ALARM”が点滅 するようにした。
3. 評価試験
3.1. 電流制限抵抗R2 について
電源 20V1.7A のもので 35V に昇圧する。この時 80%の効率とすると 0.77A までとなる。そこで 0.7A でリミット をかけるとして 50Ωの電流制限抵抗を付ける。 (25V であれば１A までいけるので 25Ωの抵抗) チャージ時間は
τ
= 1
1
.
⋅
C
⋅
R
より、6sec@50Ω,3sec@25Ωとなる。3.2. 爆⽕
スポット溶接をうまく⾏う要素として①電流設定値②溶接時間③押し当てる圧⼒がある。 パラメータのいずれかがうまくいかないと写真 3-1のように溶接どころか材料そのものを溶かしてしまうこともあ る。材料を押し当てる圧⼒も割と重要なパラメータであることが判った。写真 3-1：爆⽕によって溶けた材料
4. 試作機(失敗事例)
4.1. 試作機 1
4.1.1. 回路図 図 4.1-1：試作１基板接続図 最初はコンパクトにまとめようとして FET ドライバー部も⼊れて 1 枚基板とした。 この後の評価試験において FET が少なすぎることや Nch-FET の使⽤⽅法が間違っていることが判明し、再度基板の 設計のやり直しとなった。（;´_`;）4.1.2. ⼤きなミス 最初使⽤したFETが 2SK797。VGSS=±20Vであり図 4.1-2のAのように接続すると電源が 20V以上になるときこの VGSSの定格を超えてしまうようで頻繁に壊れた。最初何が原因か判らなかったがよく⾒直してみると負荷を挿⼊す る位置が間違っていることが判明。図 4.1-2のBのような接続であればVGSSが 20Vを超えることはない。 ちなみにゲートスイッチ電圧は FET の ON 電圧は 4V だが 12V でおこなっていた。 A 図 4.1-2：失敗接続例 B 図 4.1-3：試作機１の C ⾯ 図 4.1-4：試作機１の S ⾯ CNC を使⽤して初めて切削したガラエポ両⾯基板。今更ではあるが、かなりパターン設計が雑ですね。（;´_`;
