专利名称：金属构件的焊接装置以及金属构件的焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种金属构件的焊接装置以及金属构件的焊接方法。更详细来说，本发明涉及一种用来自点焊接用电源的电力在作为金属构件的工件上形成熔核(Nugget)，并且用来自高频电源的电力对工件进行加热的金属构件的焊接装置以及金属构件的焊接方法。
背景技术：
点焊接装置用于对重叠的钢板之间进行焊接。图M是示意性地表示钢板50之间的点焊接的截面图。如图M所示，钢板50之间的点焊接是用一对电极52夹持钢板50彼此重叠的部分，该电极52在箭头方向上作用规定的力来对钢板50彼此加压。接着，通过以下方式进行保持加压状态并对电极52流通kA数量级的大电流，通过焦耳发热使钢板50彼此压接的部分瞬间熔融，来形成被称为熔核M的具有规定直径的熔融后的块(例如参照非专利文献1)。但是，近年来在车辆生产线上使用的点焊接中，为了实现车辆的轻便化以及安全性而将超高张力钢板用作车体用材料。图25是在为了检验高张力钢板的点焊接强度而进行的拉伸试验中所使用的试样的俯视图，图25的(A)表示重叠接头的试样，图25的(B)表示十字接头的试样。在如图25 的(A)所示的重叠接头的试样中，两片长方形的钢板50在长度方向的端部处重叠，在端部处被点焊接。在如图25的(B)所示的十字接头的试样中，将两片偏长方形的钢板50交叉成十字形状，该交叉的位置被点焊接。用虚线包围的大致椭圆形状部位是通过焊接形成的熔核M，在拉伸试验中用箭头表示被施加的力56。关于高张力钢板的点焊接强度的报告显示伴随着材料强度的增加其抗拉伸强度也提高，但是十字接头的抗剥离强度难以伴随着材料强度的增加而继续增强，想要得到更加稳定的强度变得更难。关于在十字接头的剥离型的负荷下无法得到稳定的拉伸强度的理由，考虑到如下原因熔核M的圆周上的应力集中的程度非常高，同时由于构件材料的强度变高导致点焊接M的周围的约束力增加。由于这样的情况导致如下现状，当为了确保焊接区域强度的韧性而将强度较高的钢板应用于实际的车体上时，由于焊接区域不够硬而碳含量在固定水平以下等而在组分方面造成限制。另一方面，使用高张力钢板是能够有效地使车体轻便化的方法，而且期望使用能够使强度和韧性两者都提高的高张力钢板。能够预计到，通过进一步提高车体用钢板的强度可进一步轻便化。通过提高车体用钢板的韧性能够确保压制成型性、成品状态下发生冲突时足够的变形能力。普通车体用钢板呈现出强度提高时韧性降低的倾向。为了同时提高车体用钢板的强度和韧性而提高材料的碳含量是有效的方法，但是点焊接区域会明显变硬、变脆因而难以得到足够稳定的强度。至今为止，希望通过焊接方法来解决这种点焊接部强度的措施有很多种。例如，将熔融接合部形成为规定的大小后，尝试通过后通电来实施回火处理。然而，在组装车体的电阻点焊接中，要求进行一个打点所需要的工序时间多在一秒以内，在以现有的焊接设备利用后通电等进行回火的情况下，该回火效果被极端地限制。或者，在想要通过回火得到充分效果的情况下，需要大幅超出处理所要求的工序时间。这是因为如下电阻焊接的基本问题而产生从形成熔核M开始随着通电面积的增加焊接部的电流密度也降低，因此在短时间内不能有效率地进行发热。而且，在专利文献1中公开了为了提高高张力钢板的点焊接部的耐疲劳强度而具备有点焊接机和高频感应加热单元的点焊接装置。该高频感应加热单元由以下部分构成 加热线圈，其对工件的被焊接部分进行感应加热；以及高频电源，其将高频电力提供给加热线圈。专利文献1 日本特开2005-211934号公报非专利文献1 社团法人焊接学会编、“焊接/接合一览”、丸善责任有限公司、平成 2 年 9 月 30 日、pp. 392-398
发明内容
发明要解决的问题在将一对电极夹在金属构件上加热并进行焊接的装置中，只是加热位置将电极的中心作为顶点的方法，并且温度分布只是单一的分布。例如，在专利文件1的点焊接装置中，需要用于设置加热线圈的空间，该加热线圈对工件的被焊接部分进行感应加热。然而， 点焊接装置的电极的周围非常狭小，因此另行设置新的加热单元非常困难。即加热线圈比点焊接机的电极直径还大。因此，存在不能仅仅对最需要再加热的熔核M的外围进行加热的问题。本发明的一个目的是鉴于上述问题而完成的，提供一种在点焊接中能够进行部分升温的回火处理等加热处理的金属构件焊接装置。本发明的其它目的在于提供一种在短时间内对金属构件进行预热、对点焊接后的熔核外围区域进行加热处理的焊接方法。用于解决问题的方案为了达成上述目的，本发明的金属构件的焊接装置，用一对电极夹持金属构件，在将一对电极维持在同一位置上的状态下对金属构件进行通电并对金属构件的不同区域进行加热，其特征在于，具备第一加热单元，其将第一频率的电力施加到连接在一对电极上的金属构件并对规定区域进行加热；第二加热单元，其将第二频率的电力施加到连接在一对电极上的金属构件并对与规定区域不同的区域进行加热；以及通电控制部，其将第一加热单元以及第二加热单元分别独立控制。在上述结构中，由上述第一加热单元来加热上述金属构件的上述规定区域的内部区域，由上述第二加热单元来加热上述金属构件的上述规定区域的附近区域，由上述通电控制部独立控制由上述第一加热单元进行的加热和由上述第二加热单元进行的加热。第一加热单元是对将上述电极的轴截面投影到金属构件而得到的圆形的内部区域进行加热的加热单元，第二加热单元是对将上述电极的轴截面投影到上述金属构件而得到的区域附近呈环状的区域进行加热的加热单元，由通电控制部独立控制由上述第一加热单元进行的加热和由第二加热单元进行的加热。与第二频率相比第一频率的频率较低，也可以通过向金属构件通第一频率的电力来焊接圆形内部。与第一频率相比第二频率的频率比较高，也可以通过向金属构件通第二频率的电力，成为环状的区域被电阻加热或者被电阻加热以及高频感应加热。为了达成上述目的，本发明的金属构件的焊接装置具备一对电极，其以夹持金属构件的方式而配置；焊接用电源，其将焊接用电力提供给一对电极；以及高频电源，其向一对电极提供高频电力，其特征在于，焊接用电源和高频电源分别并联连接在一对电极上，在焊接用电源和一对电极之间连接电流阻止用电感，在高频电源和一对电极之间连接有电流阻止用电容器，电流阻止用电感阻止从高频电源提供给一对电极的高频电流不流入焊接用电源，电流阻止用电容器阻止从焊接用电源提供给一对电极的电流不流入高频电源侧。电流防止用电感也可以利用焊枪枪杆的寄生电感。根据上述结构，能够得到以下焊接装置，其具有点焊接用电源，其通过电流阻止用电感而连接；以及高频电源，其通过电流阻止用电容器连接在一对电极上，由点焊接用电源和高频电源分别向金属构件提供电力。因此，通过用于点焊接的一对电极能够施加高频电压，并由电极外周的直接通电对金属构件进行加热。而且，金属构件的焊接装置具备焊枪枪杆，点焊接用电源和高频电源也可以通过焊枪枪杆连接在一对电极上。也可以具备分别对于焊接用电源和高频电源控制输出时间以及输出电流的通电控制部。焊接用电源也可以是低频电源。该低频电源能够构成为通过变压器连接到一对电极上，旁路电容器并列连接在变压器的一对电极侧的线圈上。焊接用电源也可以是直流电源。由电流阻止用电容器和电流阻止用电感能够构成串联谐振电路。也能够通过连接在电流阻止用电感和焊枪枪杆的上部以及下部的并联谐振用电容器构成并联谐振电路。电流阻止用电感能够使用焊枪枪杆的寄生电感。高频电源可以通过电流阻止用电容器直接向上述电极侧供电，也可以从焊枪枪杆侧根源来供电。根据上述结构，根据金属构件的材质进行点焊接，并且通过高频电源对由金属构件的点焊接而形成的熔核的外围直接进行加热并在短时间内高效率地进行。为了达成上述其它目的，本发明的金属构件的焊接方法是用一对电极夹持金属构件来通电并对金属构件进行加热的焊接方法，其特征在于，包括第一步骤，其通过向一对电极进行第一通电而对金属构件的规定区域进行加热；以及第二步骤，在将用一对电极夹压金属构件的位置维持在与第一步骤相同的位置上的状态下，通过向一对电极进行第二通电对与第一步骤不同的区域进行加热，分别独立控制第一步骤和第二步骤的加热时间并进行焊接。在上述第一步骤中，通过第一加热单元对金属构件的规定区域的内部进行加热， 在第二步骤中，通过第二加热单元对金属构件的规定区域的附近进行加热，也可以通过独立控制第一加热单元的加热和第二加热单元的加热来进行焊接。通过第一加热单元进行加热的规定区域是将电极的轴截面投影到金属构件上的圆形的内部，通过第二加热单元进行加热的上述不同的区域是沿着将电极的轴截面投影到金属构件的圆形的环状的附近区域，也可以独立控制第一加热单元和第二加热单元。以比第一加热单元的加热频率还高的高频进行第二加热单元的加热，由此能够对环状的区域进行电阻加热或者进行电阻加热以及高频感应加热。以比第二加热单元的加热频率还低的低频进行第一加热单元的加热，由此能够对圆形内部进行焊接。为了达到其它目的，本发明的金属构件的焊接方法还包括以下步骤用一对电极夹持焊接的金属构件，对一对电极之间提供焊接用电力，并对金属构件进行点焊接；以及， 对一对电极之间提供高频电力，并对金属构件的被焊接的区域或者应该被焊接的区域进行加热处理。具体地本发明的金属构件的焊接方法还包括以下步骤焊接步骤，其用一对电极夹持焊接的金属构件，对一对电极之间提供焊接用电力，并对金属构件进行点焊接；以及加热处理步骤，其对供给时间和供给量进行控制并向一对电极提供高频电力，对金属构件的被点焊接的区域进行加热处理。在焊接步骤中，在终止提供焊接用电力前，也可以开始向加热处理步骤的一对电极提供高频电力。本发明的金属构件的焊接方法，其包括以下步骤预热步骤，其用一对电极夹持焊接的金属构件，在该一对电极之间提供高频电力，并对金属构件的应该焊接的区域进行预热；以及焊接步骤，其在一对电极之间提供焊接用电力，对金属构件进行点焊接。在预热步骤中，在终止供给高频电力前，也可以开始向焊接步骤中的一对电极之间提供焊接用电力。焊接步骤后也可以包括以下步骤对供给时间以及供给量进行控制并向一对电极提供高频电力，对金属构件的被点焊接的区域进行加热处理。本发明的金属构件的焊接方法是，用一对电极夹持焊接的金属构件，并对一对电极提供焊接用电力，并对供给时间以及供给量进行控制来将高频电力重叠提并供给该一对电极。根据上述结构，通过焊接用电力以及高频电力向金属构件分别提供电力，并且能够通过用于点焊接的一对电极向金属构件施加高频电力，对电极外围附近进行直接通电并对金属构件进行加热处理。而且，根据金属构件的材质进行点焊接，并且能够在短时间内直接通过高频电源对在金属构件的点焊接中形成的熔核的外围区域高效率地进行通电加热。发明的效果根据本发明，提供一种金属构件的焊接装置，通过简单的装置结构来将高频电源连接在金属构件的焊接装置的电极上并通过同一电极对电极的外围进行加热，并能够在短时间内对点焊接的熔核的外围进行热处理。而且，通过使高频电力的频率发生变化能够自由地进行加热处理。根据本发明的金属构件的焊接方法，能够将高频电源连接到点焊接用的电极上并通过电极对金属构件进行加热，能够在短时间内对金属构件进行预热、对点焊接的熔核的外围区域进行加热处理。
图1是示意性地示出本发明实施方式所涉及的金属构件的焊接装置的结构的一例的图。图2是图1示出的金属构件的焊接装置的电路图。图3是表示金属构件的焊接装置的变形例1的电路图。图4是表示金属构件的焊接装置的变形例2的电路图。图5的㈧是示意性地表示同时从低频电源和高频电源向重叠的两片钢板施加电
7力时在钢板上产生的电流分布的截面图，(B)是表示在三片钢板重叠的情况下的高频电流的加热状态的截面图。图6是表示钢板的加热状态的图。图7是表示通过来自低频电源的电力和来自高频电源的电力同时进行点焊接和加热处理的情况下的加热波形的图。图8是表示施加来自低频电源的电力之后施加来自高频电源的电力的情况下的加热波形的图。图9是表示在施加来自低频电源的电力之前使用高频电源进行预热的情况下的加热波形的图。图10是表示连续进行使用高频电源的预热、使用低频电源的加热以及使用高频电源的后加热的情况下的加热波形的图。图11是表示在使用高频电源进行预热的同时使用高频电源和低频电源部分性地进行同时加热的情况下的加热波形的图。图12是表示进行使用低频电源的加热和使用高频电源的后加热，而且使用低频电源和高频电源部分性地进行同时加热的情况下的加热波形的图。图13是表示金属构件的焊接装置的变形例3的电路图。图14是表示金属构件的焊接装置的变形例4的电路图。图15是表示使用直流电源和高频电源同时进行加热的加热波形的图。图16是表示为了进行后加热而使用高频电源的加热波形的图。图17是表示为了进行预热而使用高频电源的加热波形的图。图18是表示连续进行使用高频电源的预热、使用直流电源的加热以及使用高频电源的后加热的情况下的加热波形的图。图19是表示通过高频电源进行预热并且使用高频电源和直流电源部分性地进行加热的情况下的加热波形的图。图20是表示使用高频电源和直流电源部分性地进行同时加热并通过高频电源进行后加热的情况下的加热波形的图。图21是示意性地说明施加来自低频电源和高频电源的电力的图。图22是表示进行实施例4的淬火处理的铬钼钢(SCM435)表面的硬度分布的图。图23是表示进行实施例5的淬火处理的铬钼钢(SCM435)表面的硬度分布的图。图M是示意性地表示钢板彼此间点焊接的截面图。图25是在为了检验高张力钢板的点焊接强度而进行的拉伸试验中所使用的试样的平面图，(A)表示重叠接头的试样，(B)表示十字接头的试样。附图标记说明1、25、30、35、40 金属构件的焊接装置；1A、25A、30A、!35A、40A 焊接装置的焊接用电路图；1B、25B、30B、35B、40B 焊接装置的焊接部；2 焊枪枪杆；2A 焊枪枪杆的上部；2B 焊枪枪杆的下部；3 电极支承部；4 电极；5 寄生电感；6 低频电源；7 匹配电容器；8 高频电源；9 工件-M 圆形内部；9B 环状区域；10 通电控制部；11 旁路电容器；12 商用电源；13 高频电流阻止电感；14 低频电源控制部；16 焊接变压器；18 振荡器；20 匹配变压器；22 高频电流低频电流；26 直流电流；36 直流电源。
具体实施例方式以下，参照附图按照实施方式对本发明进行说明。(金属构件的焊接装置)图1是示意性地示出本发明实施方式所涉及的金属构件的焊接装置1的结构的一例的图。金属构件的焊接装置1构成为包括电极臂2、分别连接在电极臂2的上部2A — 端、下部2B的一端的电极支承部3、分别连接在各个电极支承部3的另外一端的一对电极 4、通过阻抗5连接在电极臂2的焊接用电源6、通过电容器7连接到电极臂2的高频电源 8、对焊接用电源6以及高频电源8的各个输出进行控制的通电控制部10。此外，虽然图中未示出，但金属构件的焊接装置1还具备以下机构等固定基部， 其支承电极臂2 ；驱动机构，其驱动电极臂2 ；以及按压机构(未图示)，其从电极支承部3 将一侧的电极4押出来。按压机构使用于通过电极4、4对下述的成为被焊接部件的金属构件9进行加压。电极臂2具备上部2A和下部2B，通过各个电极支承部3分别与电极4、4相连接。 电极臂2也被称之为焊枪枪杆。图示的焊枪枪杆2具有所谓的C字形状，因此也被称之为 C型焊枪枪杆。在便携式、机器人型等的焊接装置中，除C型焊枪枪杆2以外也可以使用X 型枪等。电极臂2的形状也可以应用在任何焊接装置上，在以下的说明中将C型焊枪枪杆作为前提来说明。在一对电极4、4之间具有间隙且一对电极相向，在该间隙之间插入两片钢板9作为金属构件9。电极4例如是铜材，呈圆形、椭圆形状、杆状。图2是图1示出的金属构件的焊接装置1的电路图。如图2所示，金属构件的焊接装置1的电路由用虚线包围的焊接用电路部IA和焊接部IB构成。焊接用电路部IA由焊接用电源6、高频电源8、电感5、电容器7、以及对焊接用电源6和高频电源8的各个输出进行控制的通电控制部10等电路构成。焊接部IB是电连接在焊接用电路部IA上的电路， 由焊枪枪杆2、电连接在焊枪枪杆2上的一对电极4、4以及被一对电极4、4夹持的金属构件 9构成。焊接用电源6是低频电源，例如由以下部分构成商用电源12，例如输出频率是 50Hz或者60Hz ；低频电源控制部14，其连接在商用电源12的一端；焊接变压器16，其连接在商用电源12的另一端和低频电源控制部14的输出端。焊接变压器16的次级线圈的两端分别连接在C型焊枪枪杆2的上部2A的左侧端部以及下部2B的左侧端部。低频电源控制部14由晶闸管等电力控制用半导体元件以及栅极驱动电路等构成，并控制从商用电源 12向电极4进行通电等。旁路电容器11并联连接在焊接变压器16的C型焊枪枪杆2侧即次级侧线圈16A。 旁路电容器11具有比高频电源8的频率低的容量性阻抗。因此，将来自高频电源8的高频电压施加到次级侧线圈16A上的电压变为最小限度，能够降低焊接变压器16的初级侧的高频感应电压。高频电源8由振荡器18和连接在振荡器18的输出端的匹配变压器20构成。匹配变压器20的一端与C型焊枪枪杆2的上部2A连接。匹配变压器20的另外一端通过电容器7与C型焊枪枪杆2的下部2B连接。该电容器7能够还作为后述的串联谐振电路的匹配用电容器。电容器7的容量值依赖于振荡器18的震荡频率和C型焊枪枪杆2的寄生电感5。振荡器18由使用了各种晶体管的变换器等构成，控制高频电源8向电极4流通电力等。如图2所示，从连接在焊接变压器16的次级线圈上的C型焊枪枪杆至电极4、4的路径具有电感5。电感5能够利用由C型焊枪枪杆2形成的寄生电感。在电容器7还作为匹配用电容器的情况下，也可以构成该匹配用电容器7和电感 5的串联谐振电路。(金属构件的焊接装置的变形例1)图3是表示金属构件的焊接装置的变形例1的电路图。在图2所示的金属构件的焊接装置1的电路中，高频电源8通过C型焊枪枪杆2连接在电极4、4上，与之相对，图3所示的金属构件的焊接装置25的电路不通过C型焊枪枪杆2就直接连接在一对电极4、4上。 高频电源8也可以通过电容器7连接在电极4、4的根部上。其它的电路结构与图2所示的电路相同，因此省略说明。(金属构件的焊接装置的变形例2)图4是表示金属构件的焊接装置的变形例2的电路图。图4所示的金属构件的焊接装置30的电路中，在一对电极4、4之间并联连接并联谐振用的电容器32，这一点与图2 所示的金属构件的焊接装置1不同。即并联谐振用的电容器32并联连接在C型焊枪枪杆 2的上部2A和下部2B之间。由此，并联谐振用的电容器32和电感5构成并联谐振电路。 在这种情况下，电容器7具有阻止来自低频电源6的低频电流的作用。其它电路结构与图 2所示的电路相同，因此省略说明。(低频电源6和高频电源8的分离)对低频电源6和高频电源8之间的关系进行说明。在低频电源6和高频电源8之间连接有电感5和电容器7，低频率(fj的电感5 (L) 形成的感抗4( = 2Jif山，在此&是低频电源6的频率，L是电感5的值。)在低频率时比较小。另一方面，电容器7(C)的容量电抗Χ。(Χ。= 1Λ2 Jif^C))在低频率(fL)中变为较大的值。因此，低频电源6向高频电源8泄漏的电流被低频率(fj的电容器7的较大的容抗X。所阻止。即电容器7变为低频电流阻止用电容器。从高频电源8观察低频电源6的情况下的阻抗内，高频率(fH)的容抗X。(X。= 1/ (2 π fH C)在此，fH是高频电源8的频率)在高频率中变为较小的值。另一方面，在高频率中，电感5的感抗=2JifHL，在此fH是高频电源8的频率)变为较大的值。因此，高频电源8向低频电源6泄漏的电流被高频率(fH)的电感5的较大的感抗&所阻止。即电感5变为高频电流阻止用电感。在金属构件的焊接装置1、25、30中，电容器7作为对从低频电源6向高频电源8 的电流进行阻止的电流阻止用电容器而发挥作用，电容器5作为对从高频电源8向低频电源6的电流进行阻止的电流阻止用电感而发挥作用，即起到扼流线圈的作用。C型焊枪枪杆2根据点焊接的钢板9的大小而使用各种形状。因此，C型焊枪枪杆 2的寄生电感5不大的情况下，在金属构件的焊接装置1、25、30中，也可增加高频电流阻止用的电感13以使得在高频中变为规定的感抗&。该外部电感13例如能够连接在低频电源 6侧的焊接变压器16的次级线圈侧。
本发明的金属构件的焊接装置1、25、30的特征在于以下两点用电感5和电容器 7分离低频电源6和高频电源8 ；将低频电源6和高频电源8这两个频率不同的电源同时施加到电极4上。(在钢板上产生的电流分布)图5的㈧是示意性地示出由低频电源6和高频电源8同时向重叠的两片钢板9 施加电力时在钢板上产生的电流分布的截面图。图6是表示钢板9的加热状态的图。在图5的㈧中，实线表示高频电源8的高频电流22，虚线表示低频电源6的低频电流对。电极4由铜组成，直径是6mm，低频电源6的频率是50Hz。一片钢板9的厚度是 2mm,高频电源8的频率是40kHz。低频电流M流过电极4、4的内部整体，钢板9大致在熔核直径的截面面积宽度上被通电。图6的㈧是表示仅仅由低频电流对对钢板9进行加热的区域的平面图，将电极 4的轴截面投影到钢板9上得到的圆形内部9A成为主要的加热区域。图6的⑶是图6的 (A)的X-X方向上的温度分布，在钢板9中，将电极4的轴截面投影到钢板9上得到的圆形内部9被集中加热。另一方面，高频电流22的电流集中在电极4的表面以及熔核外围区域。低频电流 M与高频电流22的分布不同的是因为所谓趋肤厚度(表皮厚 )的关系。图6的(C)是表示仅仅通过高频电流22对钢板9进行加热的加热区域的俯视图， 电极4的轴截面投影到钢板9上的外圆周以及外圆周附近即变为成环状的圆形外部的环状的附近区域9Β成为主要的加热区域。图6的⑶是图6的(C)的X-X方向的温度分布，在钢板9中电极4的轴截面投影到钢板9上的外圆周以及外圆周附近而得到的大致成环状的区域被电阻加热。在这种情况下，高频电流22的加热也包含由流过电极4的表面的高频电流22对接近的钢板9感应加热的区域。该感应加热与使用了感应加热线圈的通常的感应加热不同。因此，通过高频电流22对投影到钢板9上的外圆周以及外圆周附近而得到的环状区域9Β的加热能够通过高频电流22的电阻加热来进行，或者通过上述高频感应加热与上述电阻加热的同时重叠的加热来进行。在图6的(D)中，还通过使高频电流8的动作频率发生变化而使环状区域9Β的宽度发生变化。实际上流通低频电流M来进行点焊接的情况下，如果使高频电源8的动作频率发生变化，则也能够确认熔核外围区域的高温区域的宽度也发生变化。因此，通过高频电流22对投影到钢板9的外圆周以及外圆周附近而得到的环状区域9Β的加热通过高频电流 22的电阻加热而进行，或者通过在上述高频感应加热的同时重叠上述电阻加热的加热而进行。因此，如图6的(E)所示，由低频电源6和高频电源8同时向重叠的两片钢板9施加电力时，钢板9的加热区域是重叠了成为低频电流M的通过区域的圆形内部9Α和成为高频电流22的通过区域的环状区域9Β的区域。而且，如图6的(F)所示，因这些电流22、 M而产生的钢板9的温度分布是重叠了低频电流M的温度分布(参照图6的(B))和高频电流22的温度分布(参照图6的(D))的温度分布的区域。即在钢板9中将电极4的轴截面投影到钢板9上得到的圆形内部9Α和将电极4的轴截面投影到钢板9上的外圆周以及外圆周附近得到的环状区域9Β被加热。(趋肤厚度)
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趋肤厚度(δ)用下述(1)式来表示。δ = 503. 3 X ( P / ( μ X f))1/2 (m)(1)在此，ρ是材料的电阻率(Ω · m)，μ是材料的相对磁导率，f是频率(Hz)。趋肤厚度以频率的次方发生变化，因此如果是同一种材料的话，则低频率时趋肤厚度变厚，高频率时趋肤厚度变薄。通常点焊接用的电源如果是是50Hz或者60Hz直径为6mm左右的电极，则电流在电极整体流过。另一方面，仅对钢板9的表面进行加热的情况下能够通过上述(1)式以使趋肤厚度变为规定的趋肤厚度的方式来设定高频电源8的频率。因此，也可以是为了选择熔核外围区域的加热宽度而设定频率。即，通过改变高频电流22的频率，能够改变熔核外围区域的加热宽度，能够在环状区域9B上进行回火等的加热处理。因此，作为钢板9使用比较柔软的材料例如S20C韧炼材的情况下，能够使环状区域9B软化。此外，在材料内部，趋肤厚度的深度方向的高频电流22的大小是最外部表层的1/ e (在此e是自然对数)即大约是1/3左右。钢板9的趋肤厚度在频率是50Hz的情况下大约是9. 3mm，在频率是40kHz的情况下大约是0. 3mm。(高频电源的频率选定)高频电源8的频率由连接在焊接变压器16的次级线圈侧的电感5、根据需要而再插入的电感13以及匹配电容器7的容量来决定。焊枪枪杆的寄生电感作为电感5使用的情况下，电感5由焊枪枪杆2的形状所决定。因此，决定频率的因素变为匹配电容器7的值。 当提高频率时在趋肤效应的影响下外围区域的加热宽度变小，升温图案受限。但是，焊枪枪杆2的电感5 (coL)与频率成比例，因此匹配电容器7的电压也上升。从高频电源8观察电极4、4的电路是串联谐振电路。在串联谐振频率下，电感5的电压和匹配电容器7的电压变为相同，因此如果匹配电容器7的电压上升，低频和高频这两个频率的合成变得困难，需要较大的电流阻止用电感5、电感13。较大的电流阻止用电感5、13对低频电流M也产生影响，需要大幅提高现有的点焊接机的二次电压。相反，如果串联谐振频率下降，则熔核外围区域的升温图案中加热宽度变大，匹配电容器7的电压变低因此容易合成两个频率。另外，在焊枪枪杆2上需要安装焊接变压器 16、旁路电容器11以及根据需要的电流阻止用电感13。在这其中焊接变压器16的重量最重。焊接变压器16的重量与频率成反比。如果考虑以上因素，则动作频率最适合在5kHz 至40kHz之间。但是，并不仅限于未将焊枪枪杆2安装在焊接机器等的焊接装置上的情况。 另外，从两个频率合成电路的观点出发优选低频频率和高频频率相差10倍以上。(使用金属构件的焊接装置的加热处理)对本发明的金属构件的焊接装置1、25、30的点焊接以及加热处理进行说明。通过用一对电极4、4夹持金属构件9进行通电来对金属构件9进行加热从而进行金属构件9的焊接。作为一例，也可以包括以下步骤第一步骤，通过向一对电极4、4进行第一通电来对金属构件9的规定区域进行加热；以及第二步骤，在将夹持金属构件9的一对电极4、4的位置维持为与第一步骤中相同的位置的状态下，通过向一对电极4、4进行第二通电来对与第一步骤中不同的区域进行加热。在此，第一步骤和第二步骤的加热时间能够分别独立进行控制。在第一通电是来自低频电源6的通电的情况下，第一通电的金属构件的规定加热区域是上述圆形内部9A。第二通电是来自高频电源8的通电的情况下，第二通电的金属构件9的规定的加热区域是上述环状区域9B。也可以组合上述第一步骤以及第二步骤。图7 图9是示意性地示出流过一对电极4、4的电流波形的图。在图7 图8中， 横轴表示时间(任意刻度)，纵轴表示由低频电源6以及高频电源8施加的电流波形22、 24(任意刻度)。图7是表示通过来自低频电源6的电力和来自高频电源8的电力同时进行点焊接和加热处理的情况下的加热波形的图。如图7所示，通过来自低频电源6的电力对由焊接所形成的熔核整体进行加热，并且同时通过来自高频电源8的电力对熔核外围区域加热。在此，熔核整体与将电极4的轴截面投影到钢板9上而得到的圆形内部9A相对应。另外，熔核外围区域与将电极4的轴截面投影到钢板9上的外圆周以及外圆周附近而得到的环状区域9B相对应。根据本发明的金属构件的焊接装置1、25、30，根据同时施加来自低频电源6和高频电源8的电力时的电流分布，可通过低频电源6进行钢板彼此间的点焊接，并且可通过高频电源8在与两片钢板9的电极4不相接的区域的电极外圆周面上进行加热。图8是表示在施加来自低频电源6的电力之后施加来自高频电源8的电力的情况下的加热波形的图。如图8所示，在由低频电源6施加电力并停止施加电力后由高频电源 8施加电力的情况下，由低频· BR > G电源6施加电力，由此钢板9彼此被点焊接。然后， 由高频电源8施加电力，由此与两片钢板9的熔核外围区域的电极4不相接的区域的表面也被加热。由此，根据本发明的金属构件的焊接装置1、25、30，在施加来自低频电源6的电力之后施加来自高频电源8的电力，由此能够对点焊接后形成的熔核的外围区域进行加热处理(有时也称为退火)。通过调整该加热处理的温度和加热时间，能够应用到钢板9等的回火处理等加热处理。图9是表示在由低频电源6施加电力之前使用高频电源8进行预热的情况下的加热波形的图。如图9所示，由高频电源8施加电力之后由低频电源6施加电力的情况下，最初钢板9彼此间没有被点焊接的区域的表面即与铜电极4不相接的附近区域被加热。在该预备加热后通过施加来自低频电源6的电力来对两片钢板9进行点焊接。这样，根据本发明的金属构件的焊接装置1、25、30，在由高频电源8施加电力之后由低频电源6施加电力，也能够在焊接之前对点焊接的区域的附近进行预备加热。通过调整预备加热的温度和加热时间能够防止在点焊接中发生淬火。对将两片钢板重叠时在钢板9中生成的电流分布进行说明，也对将多片钢板9重叠时在钢板9中生成的电流分布进行说明。图5的(B)是表示将三片钢板9重叠的情况下的利用高频电流22加热的加热状态的截面图。如图5的(B)所示，在将三片钢板9重叠的情况下，利用高频电流22对由两个位置的环状区域B和两个位置的钢板9的接合面的端部C组成的4个位置的环状区域进行加热。(趋肤厚度)向钢板9施加低频电力或者高频电力的情况下的趋肤厚度以频率的-1/2次方进行变化，因此如果是同一种材料的话，则低频时趋肤厚度变厚，高频时趋肤厚度变薄。因为通常点焊接用的电源是50Hz或者60Hz所以如果电极直径为6mm左右，则电流流过电极整体。另一方面，仅仅对钢板9的表面进行加热的情况下，能够以设为规定的趋肤厚度的方式来设定高频电源18的频率。因此，也可以是为了选择外围区域的加热宽度而设定频率。即通过改变高频电流22的频率，来改变外围区域的加热宽度，在环状区域B上进行回火等的加热处理来使环状区域2B软化。此外，在钢板9等的材料内部，趋肤厚度的深度方向的高频电流22的大小大约是最外部表面的Ι/e (在此e是自然对数)即1/3左右。在频率是50Hz的情况下钢板2的趋肤厚度是9. 3mm，在频率是40kHz的情况下钢板2的趋肤厚度是0. 3mm。(使用金属构件的焊接装置的加热处理的变形例)还对金属构件的焊接装置1的其它加热方法进行说明。图10 图12是表示流过一对电极的电流波形的一例的图。横轴表示时间(任意刻度)，纵轴表示由低频电源6以及高频电源8施加到一对电极上的电流波形22、24(任意刻度)。图10是表示连续进行使用高频电源8的预热、使用低频电源6的加热以及使用高频电源8的后加热的情况下的加热波形的图。后加热的意思为在预热后进行加热。即后加热表示在使用低频电源6对钢板9进行点焊接之后的加热处理。在施加来自高频电源8的电力之后施加来自低频电源6的电力的情况下，最初钢板9彼此间没有被点焊接的区域的表面被加热。该预备加热后由低频电源6施加电力，由此两片钢板9被点焊接。而且，通过由高频电源8的电力进行后加热能够对由点焊接形成的熔核的外围区域进行加热处理。通过调整该加热处理的温度和加热时间，能够应用到钢板9等的回火处理等热处理中。图11是表示在使用高频电源8进行预热并且使用高频电源8和低频电源6部分地进行加热的情况下的加热波形的图。如图11所示，在预热的时间和紧接在由低频电源6 施加电力的时间之后的规定时间施加来自高频电源8的电力。即只在由低频电源6施加电力的施加时间的初期重叠来自高频电源8的电力。预热的效果与图6的加热方法具有同样的效果。另外，来自低频电源6以及高频电源8的电力被部分性地重叠并施加到钢板9上， 因此与图7的同时加热方法一样进行点焊接并且通过来自高频电源8的电力对两片钢板9 的与电极4不相接的区域的电极4的外围表面进行加热。图12是表示进行使用低频电源6的加热和使用高频电源8的后加热并且使用低频电源6和高频电源8部分地进行同时加热的情况下的加热波形的图。如图12所示在低频电源6终止施加前的规定时间和之后的后加热时间施加来自高频电源8的电力。来自低频电源6的电力与来自高频电源8的电力部分性地重叠，因此与图7的加热波形一样进行点焊接，并且通过高频电源8对两片钢板9的与电极4不相接的区域的电极4的外围表面进行加热。后加热的效果与图8的加热方法具有相同的效果。能够通过通电控制部10对用上述高频电源8加热钢板9的加热时间进行控制，因此能够仅仅使点焊接的钢板9等的点焊接位置处部分升温，由此能够降低加热所需要的电力消耗。(金属构件的焊接装置的变形例3)
接着，示出金属构件的焊接装置的变形例3。图13是表示金属构件的焊接装置的变形例3的电路图。图13示出的金属构件的焊接装置35与图2示出的金属构件的焊接装置1不同点是点焊接用电源6不是使用低频电源而是使用直流电源36。直流电源36由使用了变换器等的直流电源构成，由通电控制部 10控制直流电流的大小、通电时间等。其它结构与金属构件的焊接装置1相同因此省略说明。(金属构件的焊接装置的变形例4)接着，表示金属构件的焊接装置的变形例4。图14是表示金属构件的焊接装置的变形例4的电路图。图14示出的金属构件的焊接装置40与图4示出的金属构件的焊接装置30不同点是将低频电源6作为直流电源 36。直流电源36由使用了变换器等的电源构成，通过通电控制部10控制直流电流的大小、 通电时间等。其它结构与金属构件的焊接装置30 —样因此省略说明。在金属构件的焊接装置35、40中，电容器7起到对从直流电源36向高频电源8的电流进行阻止的电流阻止用电容器的作用，电感5起到对从高频电源8向直流电源36的电流进行阻止的电流阻止用电感即扼流线圈的作用。根据金属构件的焊接装置35、40，电流流向电极4、4进行点焊接，因此与使用了低频电源6的情况不同，没有趋肤效应因此能够根据工件9选定电极4、4的大小。(将直流电源作为焊接用电源使用的情况下的加热方法)在将直流电源36作为焊接用电源6使用的金属构件的焊接装置35、40中也能够采用与金属构件的焊接装置1、25、30相同的加热方法。图15 图19是表示金属构件的焊接装置35、40的加热波形的图。各个图的横轴表示时间(任意刻度)，纵轴表示由直流电源36以及高频电源8施加的电流波形沈、22 (任意刻度)。图15是表示使用直流电源36和高频电源8的同时加热的加热波形的图。同时加热的效果与使用图7所示的低频电源6和高频电源8的同时加热的效果相同。图16是表示为了进行后加热而使用高频电源8的加热波形的图。高频电源8的后加热的效果与使用图8所示的高频电源8的后加热的效果相同。图17是表示为了进行预热而使用高频电源8的加热波形的图。高频电源8的预热的效果与使用图9所示的高频电源8的预热的效果相同。图18是表示连续进行使用高频电源8的预热、使用直流电源36的加热和使用高频电源8的后加热的情况下的加热波形的图。该情况下的加热效果与图10所示的加热方法的效果相同。图19是表示在通过高频电源8进行预热的同时使用高频电源8和直流电源36部分性地进行同时加热的情况下的加热波形的图。在这种情况下，使用高频电源8进行预热而且在紧接施加来自直流电源36的电力之后的规定时间施加高频电源8。即仅仅在由低频电源6施加电力的时间的初期由高频电源8重叠电力。预热的效果与图11的加热方法相同。图20是表示使用高频电源8和直流电源36部分地进行同时加热并通过高频电源 8进行后加热的情况下的加热波形的图。在这种情况下，高频电源8在施加来自直流电源36的电力终止之后的规定时间上施加电力。即由低频电源6终止施加电力的时间之前重叠来自高频电源8的电力。预热的效果与图12的加热方法相同。由通电控制部10对用上述高频电源8加热钢板9的加热时间进行控制，因此能够仅仅使点焊接的钢板9等的点焊接位置部分升温，因此能够降低加热所需要的电力消耗。根据本发明，通过金属构件的焊接装置1、25、30、35、40的电极4、4将高频电源8 连接在工件9上，由此能够对不接触的附近区域进行部分加热。工件9的高频加热能够选定在施加来自低频电源6或者直流电源36的电力之前或者之后，或者低频电源6或直流电源36施加的同时进行的方法等。金属构件的焊接装置1、25、30、35、40焊接后的快速冷却导致对钢板9淬火。在这种情况下，作为冷却方向存在来自钢板9上的横向(参照图7)的放热和来自电极4、4的纵向的热移动。来自电极4、4的纵向的热移动作为对电极4、4进行水冷的效果比较好。蓄热的具体例是在点焊接后进行高频通电，在熔核外围区域进行蓄热，通过向电极4、4的纵向进行热移动而进行熔核的冷却。由此，在没有进行高频通电的情况下产生的向纵向和横向方向上的热移动变为仅仅向纵向移动，因此能够控制钢板9在凝固时的组织形成。在现有的点焊接机中，钢板9的升温分布在连接电极4、4和钢板9的中央区域内重叠有钢板9的区域变为最高温度，在变为该温度的区域上形成熔核。即在现有的点焊接机中加热电极4、4的正下方区域。但是，向电极4、4上通以高频电流22时，由于趋肤效应高频电流22在电极4、4的表面上集中，该高频电流22如果与钢板9相接触则由于趋肤效应而流过钢板9的表面。由于该电流路径，钢板9的最能够升温的区域变为电极4、4的外围即熔核的外围区域。这样，对电极4、4流通由高频电源8供给的高频电流22，从而能够只对熔核的外围区域进行部分加热，该部分加热范围变为升温最快的范围。另外，通过缩小部分加热范围会得到与加热电极4、4的下方整体相比效率更好的加热方法。高频通电以电极4、4的外圆周状进行加热，因此能够较热地形成井的状态。因此，能够在抑制钢板9的板面内排热的状态下熔融凝固因此在短时间内能够焊接。由此，通过高频通电选择性地对决定焊接区域强度的熔核外围区域进行加热处理，由此即使钢板的碳含有量较高在短时间内也能够作成足够强度的点焊接接合部。根据金属构件的焊接装置1、25、30、35、40，通过进行两个频率的通电，由点焊接用电源6施加的电力主要用于形成钢板9的熔融凝固部，使用高频电源8的加热能够对决定强度的熔核外围区域的圆部集中进行加热处理。因此，能够对钢板9的焊接位置集中地独立加热，并以在现有的点焊接中不能得到的压倒性的较短时间内得到期望的点焊接品质。在使用了现有式的晶闸管相位控制方式的点焊接中，存在电流被中途切断的部分，焊接品质并不好，但根据金属构件的焊接装置1、25、30、35、40，能够进行高频电流22的振幅控制，因此高频电流22不会被中途切断，能够提高钢板9的点焊接的品质。(本发明中能够使用的工件)在上述说明中，表示了点焊接的金属构件9例如是钢板9的情况，但只要是金属构件9可以是任何材料。另外，工件9的形状不限于板状也可以是任何的形状。另外，表示了将两片钢板9进行点焊接的例子，也可以是将多个板子进行焊接。而且，点焊接的金属构件9也可以是相互不同的金属构件彼此间的点焊接。
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(本发明中能够使用的电极)在上述说明中，例示了将电极4的轴截面投影到钢板9上的区域的形状是圆形的情况，但电极4的轴截面不限于是圆形，也可以是椭圆、角是圆的四角、三角等的多角形状。实施例1以下，对通过本发明的金属构件的焊接装置1对钢板9进行点焊接的具体例进行详细地说明。进行两片钢板9的点焊接。图21是示意性地说明由低频电源6和高频电源8施加电力的图。使用的钢板9、低频电源6、高频电源8等的条件如以下所示。钢板 9 厚度 2mm，大小 5cmX 15cm低频电源6 :50Hz，铜制的电极4的直径为6mm，电源容量50kVA低频电源6的通电时间0. 3 0. 5秒高频电源8 30kHz，50kW输出高频电源8的通电时间0. 3 0.6秒作为铁以外的成分钢板9的组成中C(碳)含有量为0. 19% 0. %重量百分比。如图21所示，最初通过来自高频电源8的电力进行0. 3秒钟的预热。高频的接通电力从4. 9kff变化为37kW。接着，由低频电源6施加电力后进行焊接。如图18所示，低频电源8的接通通过第一电流以及第二电流的两阶段的通电而进行。设第一电流的出现为1周期，设第一通电为2周期，第一电流值为llkA。1周期的冷却后，设第二电流值为8kA而通电16周期。低频电源6的两个阶段的通电包含冷却等阶段是20次采样，焊接时间是0. 4秒。实施例2在实施例2中，在由高频电源6施加电力的同时由高频电源8施加电力0. 3秒。高频的接通电力从2. 7kW变化至39. 9kW。由低频电源6通以电力与实施例1相同。实施例3在实施例3中，在终止由低频电源6通以电力之后由高频电源8通以电力0. 3秒。 高频的接通电力从2. 7kW变化至39. 9kW。低频电源6的通电与实施例1相同。(比较例)对于实施例1 3的比较例，不施加高频电源8通过低频电源6的通电进行焊接。 即进行一般的点焊接。进行实施例以及比较例的焊接试样的十字拉伸试验，求得断裂负荷。表1表示实施例以及比较例的焊接试样的高频通电模式、高频接通电力、断裂负荷以及平均断裂负荷。[表1]
权利要求
1.一种金属构件的焊接装置，其由一对电极夹持金属构件，在将该一对电极维持在相对于金属构件的同一位置上的状态下进行通电，来对上述金属构件的不同区域进行加热， 上述金属构件的焊接装置的特征在于，具备第一加热单元，其与上述一对电极相连接，对上述金属构件施加第一频率的电力，来对规定区域进行加热；第二加热单元，其与上述一对电极相连接，对上述金属构件施加第二频率的电力，来对与上述规定区域不同的区域进行加热；以及通电控制部，其分别独立控制上述第一加热单元以及上述第二加热单元。
2.根据权利要求1所述的金属构件的焊接装置，其特征在于，由上述第一加热单元来加热上述金属构件的上述规定区域的内部区域， 由上述第二加热单元来加热上述金属构件的上述规定区域的附近区域， 由上述通电控制部独立控制由上述第一加热单元进行的加热和由上述第二加热单元进行的加热。
3.根据权利要求2所述的金属构件的焊接装置，其特征在于，上述第一加热单元是对将上述电极的轴截面投影到上述金属构件而得到的圆形的内部区域进行加热的加热单元，上述第二加热单元是对将上述电极的轴截面投影到上述金属构件而得到的区域附近呈环状的区域进行加热的加热单元，由上述通电控制部独立控制由上述第一加热单元进行的加热和由上述第二加热单元进行的加热。
4.根据权利要求3所述的金属构件的焊接装置，其特征在于，上述第一频率比上述第二频率低，通过向上述金属构件施加第一频率的电力，对上述圆形的内部区域进行焊接。
5.根据权利要求3所述的金属构件的焊接装置，其特征在于，上述第二频率比上述第一频率高，通过向上述金属构件施加该第二频率的电力，对上述呈环状的区域进行电阻加热，或者进行电阻加热和感应加热。
6.根据权利要求1所述的金属构件的焊接装置，其特征在于， 上述第一加热单元是对上述一对电极提供电力的焊接用电源， 上述第二加热单元是对上述一对电极提供高频电力的高频电源， 在上述一对电极上分别并联连接有上述焊接用电源和上述高频电源， 在上述焊接用电源与上述一对电极之间连接有电流阻止用电感，在上述高频电源与上述一对电极之间连接有电流阻止用电容器， 上述电流阻止用电感进行阻止以避免从上述高频电源提供给上述一对电极的高频电流流入上述焊接用电源，上述电流阻止用电容器进行阻止以避免从上述焊接用电源提供给上述一对电极的电流流入上述高频电源侧。
7.根据权利要求6所述的金属构件的焊接装置，其特征在于， 还具备焊枪枪杆，上述点焊接用电源和上述高频电源通过该焊枪枪杆与上述一对电极相连接。
8.根据权利要求6或7所述的金属构件的焊接装置，其特征在于，上述焊接用电源是低频电源或者是直流电源。
9.根据权利要求8所述的金属构件的焊接装置，其特征在于，上述低频电源通过变压器与上述一对电极相连接，该变压器的上述一对电极侧的绕组上并联连接有旁路电容器。
10.一种金属构件的焊接方法，其由一对电极夹持金属构件并进行通电来对金属构件进行加热，其特征在于，包括第一步骤，通过向上述一对电极进行第一通电来对上述金属构件的规定区域进行加热；以及第二步骤，在将夹持上述金属构件的上述一对电极维持在与上述第一步骤相同的位置上的状态下，通过向上述一对电极进行第二通电来对与上述第一步骤中的加热区域不同的区域进行加热，分别独立控制上述第一步骤和上述第二步骤的加热时间。
11.根据权利要求10所述的金属构件的焊接方法，其特征在于，在上述第一步骤中，由上述第一加热单元对上述金属构件的上述规定区域的内部区域进行加热，在上述第二步骤中，由上述第二加热单元对上述金属构件的上述规定区域的附近区域进行加热，独立控制由上述第一加热单元进行的加热和由上述第二加热单元进行的加热。
12.根据权利要求11所述的金属构件的焊接方法，其特征在于，由上述第一加热单元进行加热的上述规定区域是上述电极的轴截面投影到上述金属构件而得到的圆形的内部区域，由上述第二加热单元进行加热的上述不同的区域是将上述电极的轴截面投影到上述金属构件而得到的圆形区域附近呈环状的区域，独立控制由上述第一加热单元进行的加热和由上述第二加热单元进行的加热。
13.根据权利要求12所述的金属构件的焊接方法，其特征在于，与由上述第二加热单元进行的加热相比，以更低频率的低频进行由上述第一加热单元进行的加热，从而对上述圆形的内部区域进行焊接。
14.根据权利要求12所述的金属构件的焊接方法，其特征在于，与由上述第一加热单元进行的加热相比，以更高频率的高频进行由上述第二加热单元进行的加热，由此对上述呈环状的区域进行电阻加热或者进行电阻加热和感应加热。
全文摘要
本发明提供一种在点焊接中能够进行部分升温的回火处理等的加热处理的金属构件的焊接装置。该金属构件的焊接装置由一对电极(4、4)夹持金属构件(9)，在将一对电极(4、4)维持在相对于金属构件(9)的同一区域的状态下进行通电，并对金属构件(9)的不同区域进行加热，具备第一加热单元(6)，其连接在一对电极(4、4)上，向金属构件(9)施加较低的第一频率的电力，并对电极的轴截面投影到金属构件上的圆形内部进行加热来焊接；第一加热单元(8)，其施加比第一频率高的第二频率并对沿着上述圆形成环状的区域进行加热；以及通电控制部(10)，其分别独立控制第一以及第二加热单元(6、8)。
文档编号B23K11/11GK102227283SQ20098014794
公开日2011年10月26日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年9月30日
发明者中西荣三郎, 八田宗久, 吉田健, 川嵜一博, 早川正夫, 板垣孟彦, 生田文昭, 金井隆彦, 长井寿 申请人:独立行政法人物质·材料研究机构, 高周波热炼株式会社