2019年03月12日

自作スポット溶接機(リチウムイオン電池タブ溶接用)

パチンコ台用のトロイダルトランス使用


コントロール基板を50Hz地域以外で使用した場合の情報を追加しました(2019年11月10日)

1.イントロ
YouTubeやWebサイトではリチウムイオン電池やニッケル水素電池のタブ溶接用の自作スポット溶接機は容量の大きい電解コンデンサやスーパーキャパシタに溜めた電荷を一気に放電させる方式と、大きな電源トランスを使用した方式が紹介されています。
Microwave.jpg

大きな電源トランスを使用した方式は旧式の電子レンジに使用されているトランスの二次側を壊して取り外し、数回巻きの低電圧、大電流の二次側の巻き線を作成するのが多く紹介されています。例えばこれ
写真をクリックしてオリジナルサイトへ。



ところが、電子レンジの高圧電源はかなり以前からインバーター方式になっており、電子レンジ用のトランスの入手は難しくなっています。また、近年廃家電品は資源再生用に管理されており、簡単にもらってくるわけにはいきません。昔はラジオ、テレビなどは道に捨ててあるのを拾ってきて、部品を取り外して使ったもですが…。その他の一般に入手できるトランスでは重ね巻きされており、二次側の巻き線を取り外すのは難しいです。
Trans and electrods.jpg
Spot welder.png












そこで、当実験室ではヤフオクなどで安く売られている、パチンコ台に使用されていたトロイダルコアの24Vトランスに注目してみました。トロイダルコアなので中央に穴が有り、簡単に低電圧、大電流用の巻き線を追加する事ができます。
左上の写真の状態でも、一応溶接できますが、安定した強度で、きれいに溶接するには、電流と通電時間の調整が必要です。一番簡単なのはebayや日本のAmazonで売っている中国製のコントローラーボードを使用することです。こんなのが(右上の写真)約1500円(ebayの例)〜約2500円(日本のアマゾンの例)くらいで買えるので、自分で設計して、マイコンをプログラムし、部品を集めるより、はるかに安く簡単に作れそうです。
ところが、この手の製品は価格的に魅力がありますが、実際の使用方法については情報がかなり不足しています。販売のサイトにスペックは表示されていますが、詳しい使い方は説明されていません。
そこで、当実験室ではダメ元で購入し、最悪リバースエンジニアリングを行うことを覚悟で、実際に使用できるか試してみました。2週間くらいで品物が送られてきましたが、いつものように説明書等は全く同封されていません。
海外のWebサイトやYouTubeを調べてみると何となく使用方法がわかってきましたの、製作に踏み切りました。

2.トロイダルトランス
まず、ヤフオクからパチンコの電源に使用されている容量350VA、AC24V出力のトロイダルトランスを入手してみました。容量が少し足りないかなとも思いましたが、結果的に電池のタブを溶接する用途には十分でした。トロイダルコアの中心を通っているボルトとナットを取り外し、ケースの中心の穴を広げ、電線を数回巻いて電圧を測ると、1回あたり0.372Vです。
Rods.jpg

写真のような溶接電極を用意してみました。ホームセンターで買った銅棒です。ただ、純粋な銅はもっと柔らかいハズなので、これは合金で硬くしたのだと思います。多分、純粋な銅棒をホームセンターの商品として展示していたら、お客さんから触られてクニャクニャになってしまうのだと思います。純粋な銅より電気抵抗が高いかもしれませんが、とりあえずこれを使用します。持ちやすいように16Cmくらいに切断して、一方をヤスリでとがらせます。棒は熱収縮チューブを2重に被せ電気の絶縁を兼ね、熱くなっても手で持てるようにしています。


この溶接電極に断面積5.5sq mmのIV線3mをはんだ付けしました。
電線を接続した溶接電極を溶接対象のニッケルストリップにあてた状態で4端子抵抗測定(https://www.hioki.co.jp/jp/support/faq/detail/?dbid=1682)で電気抵抗を測ってみると、合計で20mΩ程度です。

巻き数を少しずつ増やして、溶接を試してみると、10回巻きで十分な溶接ができました(つまり無負荷で3.72Vです)。溶接のコツがわかってくるともっと低い電圧でも良いかもしれませんが、コントローラーで電流を減らすことができますので、これを最大値とします。また、入手したトロイダルトランスに径が4.8mmもあるIV線を10回以上巻くのはかなり難しそうです。
念のためですが、トロイダルトランスの巻き線の回数はコアの中心を通る回数です。したがい、外側には9本の巻き線が見えます。
一次側には125度、7Aの温度フューズが入っていました。二次巻き線の数を増やし、電圧を上げ、電流が増えてくると、これが飛んでしまいました。トランスの温度はほとんど上がっていないので、過電流で飛んだと思われます。幸いなことに、このトランスのオリジナルの24V の二次側には普通のフューズホルダに入った15Aフューズが入っていたので、トランスの中の配線を変えて一次巻き線用につなぎ変えました。フューズを10Aに変えて試すと一発で飛んでしまいました。15Aに戻してこれまで100回くらい使ってみましたが、フューズが飛ぶことはありません。本来ならこの用途にはスローブロータイプのフューズを使用するべきところです。

2.コントロールユニット
bento.jpg
コントローラーボードをこんなお弁当箱に入れてみました。
下にある黒い箱のようなものはフットスイッチです。
クリックで拡大できます。





●表示ボードの右上の2桁の7セグLEDが電流で、トランスに直接AC100Vを接続した場合と比較して30%〜99%に調整できます。
●左上の2桁の7セグLEDが溶接の通電時間で、20mSを一単位として、20mS x 0〜99まで設定できます。
●下の3桁表示は、通電中は供給電圧、通常はスポット溶接の回数が表示されます。
●ロータリーエンコーダのつまみを押し下げると、該当する項目の該当する桁が点滅するのでロータリーエンコーダのつまみを回して調整します。なぜか、時計回りで数値が少なくなる???
●設定したら、再度つまみを押し下げて、次の桁へ移動します。
●設定を終えて、どの表示も点滅していない時にトリガスイッチ(フットスイッチ)をONにして、放したタイミングでトランスに通電します。
●スポット溶接の回数はつまみを2秒程度押すとリセットされます。
●供給電圧の表示はデフォルトで220Vになっています。校正はロータリーエンコーダのつまみを押し下げながら電源を入れ、ロータリーエンコーダで実際の電圧と合わせます。

このトランスとの組み合わせで、18650サイズのリチウムイオン電池に0.1mm厚のニッケルストリップを溶接する場合は、電流80〜90%、時間は20mS x 15〜20が適当のようです。コツは、溶接電極の一方を電池の電極に強く押し付け、もう一方はストリップの溶接したいところを軽く(動かない程度に軽く)押さえる事です。軽く押さえるとその部分の抵抗値が高いので、流れる電流が同じならジュール熱は抵抗値が高いところで多く発生します。
良くない例として、両方の電極をストリップの上に置くと、電極間に多くの電流が流れてしまい、母材との溶接が十分にできません。慣れてくると、以前はうまくいかなかったハズの電流や時間でも上手く溶接できるようになります。つまり、コツの習得が必要です。

スポット溶接の様子を動画にとってYouTubeにアップしました。
https://www.youtube.com/watch?v=Kta-hoXUjU0&t=9s

3.製作の注意
Circuit.jpg

電源と二つのトランス、コントローラーボード、トリガスイッチ(フットスイッチ)は左の図のように接続します。








コントローラーボードに電源を供給するAC9V〜12Vには、ハードオフで買った古いトランス式の電源アダプターから取り出したトランスを使用しました。アダプターの公称出力はDC9V-200mAですが、トランスの無負荷電圧はちょうど10Vでした。なお、ここに供給するのは必ず交流である必要があります。理由は、コントロールユニットの電源供給だけでなく、トロイダルトランスに供給する電流と時間の制御をこの交流入力に同期させるためです。
コントローラーボードの100AトライアックはON/OFF動作で、短時間ですので、ほとんど温度は上がりません。ヒートシンクは不要か、小さなものでOKです。

4. コントロールのしくみ
ここで、このコントローラーボードがどうやって通電時間と溶接電流を調節しているか解析してみました。
20mS x 10.bmp
99%.bmp










通電時間は20mS、つまり50Hzの1サイクルを一単位として、左の写真は10サイクル=200mSの期間通電しています。通電の開始はサイクルの始まりと同期していますが、開始はプラス側の場合とマイナス側のどちらの場合もあります。ただし、電圧がゼロをクロスする時点より常に約600uS早いです(トランス通過時の位相ズレの補正が合ってない?)。
右の写真は電流が99%の時で、供給されている交流50Hzの波形とほぼ同じです。
50%.bmp
30%.bmp










左側は電流が50%の時です。各サイクルのプラス側とマイナス側の後半の2/3程度のみ通電しています。右側は30%で後半の約半分(1/4サイクル)のみ通電しています。通電時間が少ないと平均電圧が下がり、電流が少なくなります。これは、白熱電球用のサイリスタ調光器と同じ原理です(使用してあるトライアックは双方性のサイリスタです)。
http://www.tamatech.co.jp/tamada/benkyo01.php

これらの制御のためにコントローラーボードは供給される交流の位相を知り、1サイクルが20mS (50Hz)なのか16.67mS (60Hz) なのかを考慮する必要があります。つまり、このユニットは通電時間を20msで一単位にしているので、50Hz専用なのかもしれません。しかし、別の考え方をすれば、最小値が30%なのは、このコントロールボードを60Hzで使用しても、次のサイクルに影響しないようにしているのかもしれません。溶接機は精密な制御が必要な訳でもないので、これでも性能は十分なのかもしれません。
ただし、他の類似製品には50Hzと60Hzのどちらでも使える(自動判別)を明記してある製品もあるので、60Hz地域の人はそちらを購入した方が無難かもです。

ちなみに、このオシロスコープでの波形観測には、溶接機とオシロにはそれぞれ絶縁トランスを通して100Vを供給しています。でないと、オシロのプローブを直接AC100Vに接続すると漏電ブレーカーが飛びます。実は、この絶縁トランスもパチンコ用のトランスを二個使用して自作したものです。


アップデート(2019年11月10日)
下のコメント欄に有るようにこのブログを読まれた方からこのコントロール基板は60Hz地域では働かないとのコメントが有りました。この基板は50Hz用であることは分かっていましたが、60Hzで使用するとどうなるかあまり深く考えずに一応使えるのではないかと書いてしまい、コメント主さんを人柱にしてしまいました。そこで、なぜ使えないか調べてみました。
このコントロール基板の制御の詳細を調べようと思い、実験をしてみました。このブログの他のページで紹介しているオーディオアンプとファンクションジェネレターを使用した実験用交流電源を使用し、40Hz〜120Hzで出力波形がどうなるか調べてみましたが、明確な制御ロジックを見つけることはできませんでした。トライアックのトリガ信号と交流出力の関連を見たかったのですが、入力チャンネル間のグランドがアイソレートされた特殊なオシロスコープが必要になり、貧乏な当実験室では買えません。したがい、出力波形のみの観測です。

結局、理由はよくわかりませんでしたが、下の波形の通り、50Hz以外では正常な作動はできない事だけは確認できました。60Hzでは3サイクルの内2サイクルに山が欠けてしまっているので、コメント主さんの報告通り電圧計で測ると低い電圧になってしまいます。また、異音がするのは周波数が1/3(非常に変則的ですが)になってしまっているのが原因かもしれません。
60Hz 99pc 2019-11-10 15_08_59.png
60Hz 70pc 2019-11-10 15_08_59.png







60Hz時の出力波形。左が電流99%(最大)、右が70%です。(クリックで拡大)

40Hz 40pc 2019-11-10 15_08_59.png
40Hz 99pc 2019-11-10 15_08_59.png


40Hz、電流が40%です。一見電流の%割合が違うだけで使えそうですが、右の電流99%では全くダメです。

70Hz 99pc 2019-11-10 15_08_59.png


70Hz、電流99%だとこんな感じです。






アマゾン等で売っている基板の説明で通電時間の単位が0.02秒(20m秒)のものは50Hz専用だと思います。60Hz地域の人はスペックに50Hz・60Hzのどちらでも使用できると明記されているものを購入してください。これらのコントロール基板は電源を入れると数秒で入力された交流の周波数を測定して表示し、以降それに応じた制御を行うようです。



posted by ひら at 15:22| Comment(47) | スポット溶接機

2019年04月23日

自作スポット溶接機、ハイパワーバージョン

カラオケ用アンプから取り外したトロイダルトランス使用

1. イントロ
前回はパチンコ台用のトロイダルトランス(350VA)を使用し、電池にタブを溶接する自作スポット溶接機を紹介しました。電池タブの溶接には十分のパワーがありましたが、もっとハイパワーのスポット溶接機を作ろうと思い、トランスを探しました。例により、電源トランスが使用されている廃品の電子レンジの入手は難しいです。そこで、今回は業務用カラオケマシンのパワーアンプの電源に使用されているトランスに目を付けました。Google先生に聞いてみると、BMB製DA-01には大きなトロイダルトランスが使用されていると教えてくれました。このアンプは業務で毎日長時間酷使されているせいか、時々不良品がヤフオクで1,000〜2,000円程度で売られています。正常品だと5,000円〜20,000円くらいです。そこで、不良品を2台購入してみると、どちらもドライバーICが焼け焦げています。パワーアンプとして復活させるには難しいでしょう。でも、目的のトランスは全く問題ありません。他にも有用な部品がたくさん回収できます。
1_DA01.JPG
2_TroTrans.JPG









このトランスの詳細の規格はわかりませんが、RSコンポーネントで販売しているトロイダルトランスと比較すると、重さ、大きさから500VAくらいの容量が有ると思われます。これを2個使用して1kWを目指します。溶接機の場合、負荷は純粋な抵抗ですので、力率 ≒ 1で、ほぼVA = Wと考えてよいと思います。

3_Holesaw.jpg
4_CoreOfCore.jpg
問題は、トランスの固定用にコアの中心部にナットを配置するため樹脂が充填されているので、簡単には二次巻線を追加できないことです。そこで、一台目は写真のようにホールソーを使って樹脂に穴を空けました。樹脂の粉が飛び散り大変な思いをしました。2台目もホールソーで穴をあけ始めましたが、ふと思いつき、取り付け用のボルトを中心部のナットに途中までねじ込み、ハンマーでたたくと樹脂の塊が簡単に外れてくれました。なーんだァ、はやく教えてくれよ。

5_DoubleTrans.JPG

AC100Vを仮接続してマルチメーターのリード線を穴に一回通すと0.367Vあります。トランスを2個並べてリード線を通すと0.735Vです。これなら使えそうです。一次巻線の位相やトランスの方向を間違えると0Vになるはずです。


6_TransKit.JPG
7_Completed.jpg









さっそく、MDF木材を使用して枠を作成しました。二次巻線はアーク溶接用の22SQのキャブタイヤケーブルを4回巻にしています(コアの中心を通る回数なので外には3巻が見えている)。無負荷時の二次電圧は2.94Vです。

8_BlowUp.jpg
他のページで紹介している当実験室のホームACパワーアナライザで電力を測ってみると、通電時に約600W〜1.4kWになります。トランスの定格をオーバーしているかもしれませんが、二次巻線が熱くなるような使用をしても、トランスの温度はほとんど上がりません。短時間なので大丈夫だと思います。クリックして拡大。
一次側と二次側の電圧比が35あるので、二次電流は200〜500Aくらい流れている事になります。

9_handgear.jpg
10_Tip.jpg










実際にスポット溶接をするには電極で対象物を挟み込まなければなりません。20mm X 20mmの角材で作ってみました。ヒンジが安物でガタガタなので、電極がズレますが、溶接する時に手で合わせます。見にくいかもしれませんが、ヒンジのところにスポンジ状のゴムを張り付け、使わない時は電極が離れるようにしています。木なので焼けてしまうかなと思いましたが、これまで300回くらい使用してみましたが全く問題ありません。
溶接機の電極は60〜80W半田ゴテ用のコテ先の先端部をヤスリで直径1mmくらいに円状に平らに削って使用しています。22SQ用の圧着端子は工具が無いので、M5のタップ穴を開けて電線を差し込みネジで止めましたが、問題は無いようです。

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電流と通電時間のコントロールは以前に作ったパチンコ台用のトロイダルトランス(350VA)を使用したものをそのまま使用します。ただし、トライアックは多少暖かくなるので、小型のヒートシンクを取り付けた方がよいでしょう。使用されているトライアックの定格は100Aです。



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さて、スポット溶接の能力ですが…。その前に、必ず保護メガネ着用!!!(電力の測定をしている時の写真では保護メガネをしていませんが、私自身の経験を元に強くお勧めします;´д`)

- 0.3mm厚ステンレス板 ⇒ 電流を50%、時間を0.5秒くらいでも簡単に溶接できる。
- 1mm厚のステンレス板 ⇒ 電流を最大にして時間を長めにすれば強力に溶接可能。
ステンレスは電気抵抗、熱伝導、比熱などがスポット溶接に最適な材質のようです。

一般に入手容易なトタン板やクロメート処理をはじめとする各種の亜鉛メッキ鋼板はあらかじめサンドペーパーなどを使用して接合側の表面を露出させておくと溶接が簡単で、接合部分が強力になります。亜鉛メッキを取り除かない場合は溶接できても強く引っ張ると取れてしまいます。亜鉛が鉄に溶け込むのでしょうか?電極を当てる側も鋼板を露出させるとさらに良い結果が得られます。0.5mm厚くらいなら電流を最大にして、1秒くらいで強力に溶接できます。1mm厚くらいまでは電流最大で時間を長め(もしくは複数回)で溶接可能でした。ただし、ケーブルが熱くなるので、一度に何か所も溶接するのは無理。

- アルミ板 ⇒ 0.5mm厚でも表面に軽く溶跡が付くだけで、全く歯が立たず。電気抵抗が低いのでジュール熱の発生が少ないのと、熱伝導が良いので、熱がすぐに逃げてしまう。桁違いの電流が必要らしい…。

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溶接のコツとしては、始めは電極を軽く当てておき(接触抵抗が大きくなるので、ジュール熱が多く発生する。板と板の間に隙間が有っても良い。)、溶けだしたら(温度が上がると電気抵抗が大きくなる)強く押さえると良いようです。使用しているコントロールボードの通電時間は最大2秒ですので、それ以上必要であれば、複数回通電すればよいです。

YouTubeに動画をアップロードしました。溶接の様子をご覧ください。
https://youtu.be/jz8G4pxRWXM

YouTube video is also available in English language.
https://youtu.be/FoOZM5TgHq8


posted by ひら at 08:39| Comment(7) | スポット溶接機