(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心およびコイルがともに被加熱材の同一周上を囲繞するリング状に構成し、該鉄心の端部であるコアサイドを該リングの内側に位置せしめると共に、コアサイド両端間を遮蔽版を挟んで近接し、前記コイルは鉄心に巻きつけて配置されていることを特徴とする誘導加熱用ワークコイル。
【請求項２】
鉄心が被加熱材の周方向に分割され、該分割された鉄心毎にコイルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱用ワークコイル。
【請求項３】
請求項１または２記載のワークコイルにより、被加熱材の加熱部位の全断面を通る磁束の回路を形成して、対面する該被加熱材に誘導電流を生起させることを特徴とする誘導加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属管や金属棒などの長尺金属材料を、長さ方向に突合わせて接合する場合などの加熱に際して使用される誘導加熱用ワークコイルおよび誘導加熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管等の金属管同士、あるいは棒鋼等の金属棒同士を長さ方向に突合せ接合する手段として、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等の溶接、圧接、拡散接合などが知られている。拡散接合には、接合すべき両材料間に非晶質金属箔からなるインサートメタルを挟み、加圧下で加熱して該メタルの含有元素を両材料中に拡散させる方法もある。
【０００３】
この拡散接合法は、インサートメタル中の非晶質金属元素が容易に拡散することから、大気中で加熱して接合することも可能である。したがって、油井鋼管の現地施工などにおいて、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接に替わる安価かつ簡易な接合手段として注目されている。
【０００４】
本発明者らは、鋼管などの突合わせ接合用インサートメタルとして、特開平５−１２３８９０号公報に、急冷凝固箔よりなる円錐台リング用ろう材及びその製造法を提案している。該円錐台リングを使用した接合法を示すと、図１０のように、接合しようとする管１３および管１４の端面を加工し、一方の管１３には凹テーパを、他方の管１４には凸テーパをそれぞれ形成し、両テーパの間に円錐台リング接合材１２を挟んで加圧下で加熱するものである。
【０００５】
これらの接合において、溶接の場合は、材料によっては溶接後の熱処理のための加熱が必要である。圧接や拡散接合の場合は、接合のための加熱が必要である。加熱手段としては誘導加熱が広く採用され、被加熱材の所要加熱深さに応じて適正な周波数が選択される。ところで、接合時の加熱や接合後の熱処理の際、接合部以外の母材が加熱されると、強度低下等の材質劣化が生じるという問題があるので、加熱部位は、接合部の両側で必要最小限の狭い範囲に制限することが望まれる。
【０００６】
従来の誘導加熱は、被加熱材を囲繞するコイルを使用するので、加熱部位を狭くするにはコイルの巻きを密にするか、あるいは巻数を減らすことが必要である。しかし、コイルの巻き密度を高めるには各巻線間の絶縁維持の点で制約があり、巻数を減らすと、加熱部位を所定温度に加熱するためにはコイルに大電流を流すことが必要となり、電源を大容量かつ大型化しなければならない。また、従来のような被加熱材を囲繞するコイルを使用する場合、磁束がコイルで囲繞された部分以外にもれるため、加熱の効率が低下する。
【０００７】
なお、板のエッジヒータや突合せ接合用の加熱装置としては、コイルと鉄心とからなる誘導加熱器を加熱部位に配設したものが、特開平５−６９０２４号公報により知られている。しかし、該公報の技術を金属管や金属棒の長さ方向の制限された部位の加熱に適用することはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鋼管等の金属管同士あるいは棒鋼等の金属棒同士を長さ方向に突合せ接合する場合等において、接合時の加熱あるいは接合後の熱処理等、長さ方向の制限された部位を誘導加熱するためのワークコイルおよび加熱方法であって、コイルの絶縁維持に問題がなく、かつ電源の大容量化、大型化も要しない装置および方法を提供することを第１の目的とする。
【０００９】
また、上記接合等において、被加熱材を囲繞するコイルを使用して誘導加熱を行うには、図９に示すように被加熱材１をワークコイルの各コイル４内に挿入し、接合部２をワークコイルの長さ方向中央部に位置させて装着する必要がある。
油井管などの現地施工においては、接合前は容易にワークコイルを装着できるが、接合後には、長尺の鋼管等から取り外すために、ワークコイルを長い距離にわたって移動させるのが困難となる場合がある。
【００１０】
そこで本発明は、金属管や金属棒などの長尺金属材料を、インサートメタルを挟んで長さ方向に突合わせ、加圧下で加熱して拡散接合する場合などの加熱に際して、被加熱材の任意の位置での着脱を容易にした、周方向に分割可能な誘導加熱用ワークコイルおよび加熱方法を提供することを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明装置は、鉄心およびコイルがともに被加熱材の同一周上を囲繞するリング状に構成し、該鉄心の端部であるコアサイドを該リングの内側に位置せしめると共に、コアサイド両端間を遮蔽版を挟んで近接し、前記コイルは鉄心に巻きつけて配置されていることを特徴とする誘導加熱用ワークコイルである。そして、鉄心が被加熱材の周方向に分割され、該分割された鉄心毎にコイルが形成されていることが好ましい。
【００１２】
また、上記目的を達成するための本発明法は、上記本発明のワークコイルにより、被加熱材の加熱部位の全断面を通る磁束の回路を形成して、対面する該被加熱材に誘導電流を生起させることを特徴とする誘導加熱方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のワークコイルを図面に示す例により説明する。図１は被加熱材１に装着した状態の斜視図であり、その縦断面図を図２に、横断面図を図４に示す。本発明のワークコイルは、図１および図４に示すように、鉄心３およびコイル４がともに被加熱材１の同一周上を囲繞するリング状をなしている。鉄心３は、図２に示すようにコアサイド７がリングの内側に位置し、遮蔽板５を挟んでたがいに近接している。なお、コアサイド７は鉄心３の図２に示す端部である。
【００１４】
遮蔽板５は、銅、銅合金、アルミニウム等の磁気シールド材からなる板を図３のように絶縁板６でサンドイッチ状に挟んだもので構成される。絶縁板６としてはガラスクロス等を採用することができる。また、遮蔽板５は、加熱防止のため、内部に冷却水を通して冷却する構造としてもよい。なお、遮蔽板５は、図２のように被加熱材１の表面に垂直にするほか、例えば図５のように傾斜していてもよい。
【００１５】
このような本発明のワークコイルを被加熱材１に装着し、コイル４を電源１６に接続して高周波等の電流を通じると、図２に示すように、磁束８が鉄心３の端部から被加熱材１の制限された部位に集中して通る回路を形成するので、該制限された部位には誘導電流が生起して加熱される。この制限された加熱部位の中央に例えば接合部２を位置させることで、接合部２およびその両側の必要な部位を選択的に加熱することができる。
【００１６】
そして、本発明のワークコイルによると、鉄心３のコアサイド７がたがいに近接しているので、図６（ａ）に示すように、磁束８が被加熱材１の加熱部位の全断面を通る回路を形成し、被加熱材１の肉厚全範囲が加熱される。これに対して図６（ｂ）のように、コアサイド７が離れていると、被加熱材１の加熱部位内で磁束８が通らない部分が生じ、該部分では誘導電流が生起されず、加熱不足となる。
【００１７】
なお、鉄心３は電磁鋼やソフトフェライト等で構成することができる。コイル４は図２の例のような１巻のほか、必要に応じて複数巻にすることもできる。また、コイル４は、電流を通じることで自身が加熱され、さらに加熱被加熱材１からの伝熱で加熱されて、変形や溶融のおそれがある場合は中空にして水冷するのが好ましい。そして、被加熱材１と鉄心３の間に断熱材１１を介在させることが好ましい。断熱材１１は鉄心３の被加熱材１側に貼付けておいてもよい。
【００１８】
本発明ワークコイルの好ましい態様は、図７に示すように、鉄心３が被加熱材１の周方向に分割され、該分割された鉄心３毎にコイル４が形成されている。図７の例では２分割されている。そして分割された各鉄心３，３は、蝶番９および止具１０により係止されて、被加熱材１の同一周上を囲繞するリング状に装着される。蝶番９および止具１０は、鉄心３と磁気的に絶縁され、コイル４と電気的に絶縁されるように、遮蔽板５と同様、銅等の磁気シールド材をガラスクロス等の絶縁板で挟んだもので遮蔽することが好ましい。
【００１９】
この好ましい態様のワークコイルを使用して長尺金属材料を接合するときは、接合前に分割箇所をあらかじめ接続したものを一方の金属材料に装着しておき、他方の金属材料を接触させた後、接合部が中央部となるよう位置調整を行い、各コイル４，４に高周波電流等の電流を流して誘導加熱する。加熱が終了し接合部が接合された後は、止具１０を外し蝶番９を開いて、ワークコイルを容易に取り外すことができる。また、被加熱材１の所要の加熱部位で分割箇所を接続して装着することもでき、あるいは任意の部位に装着して所要の加熱部位に移動させることもできる。取り外しも任意の位置で行うことができる。
【００２０】
加熱の際、例えば非晶質金属箔からなるインサートメタルを介した鋼材の拡散接合においては、被加熱材１の温度は１２００℃程度の高温となるので、ワークコイルを保護するため、被加熱材１の周囲に断熱材１１を巻き付けておく。コイル４の巻数は、被加熱材１の材料や加熱条件に応じて適宜定める。複数巻の場合は、各コイル４が短絡しないような距離を保ち、必要に応じて絶縁物を介在させる。
【００２１】
上記例のような非晶質金属箔を挟んだ拡散接合は、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接、あるいは圧接など他の接合手段に比べて安価かつ容易に行うことができるので、油井管の現地施工、あるいは各種建設工事の現地における鋼管や鋼棒等の接合に適している。そして本発明の採用により、従来ワークコイルの着脱が困難あるいは不可能であった箇所においても、容易に着脱して接合を行うことができる。
【００２２】
本発明のワークコイルは、上記金属管の例のほか、金属棒同士の拡散接合にも適用することができる。また、拡散接合に限らず、金属管同士、金属棒同士あるいは金属線同士を圧接する場合の加熱や溶接後の熱処理等にも適用することができる。さらに、図８のようなリング状の被加熱材１に分割型のワークコイル１５を装着して加熱することもできる。この場合、被加熱材１は接合部に限らず、矢印で示すように被加熱材１を走行させつつ全長にわたって熱処理等の加熱を行うこともできる。
【００２３】
なお、本発明のワークコイルあるいは被加熱材１に回転機構を設けて周方向に回転させ、被加熱材１を周方向に均一加熱することもできる。
また、本発明のワークコイルは、被加熱材１が上記のような断面円形のものに限らず、角形等各種形状のものにも適用することができる。その場合、リング状をなす鉄心３およびコイル４の形状は被加熱材１の形状に合せたものとする。
さらに、本発明のワークコイルの端部に冷却装置を設けて、熱伝導等により加熱部位以外が加熱されることを防ぐ構造としてもよい。
【００２４】
つぎに本発明法は、上記本発明のワークコイルにより、被加熱材１の加熱部位の全断面を通る磁束８の回路を形成して、対面する被加熱材１に誘導電流を生起させることを特徴とする誘導加熱方法である。誘導電流は、図６（ａ）に示すように、鉄心３のコアサイド７から被加熱材１の制限された部位に集中して全断面を通る磁束８により生起されるので、被加熱材１の該部位が選択的に均一加熱される。
そして、本発明法により、被加熱材１とワークコイルの間を適正間隔に維持し、必要に応じて被加熱材の温度検出、電力の制御を行うことで、被加熱材１の目的に合致した高精度の加熱を行うことができる。
【００２５】
【実施例】
図５に示すような本発明のワークコイルを使用して鋼管同士を拡散接合した。鋼管は JIS G 3444 に規定されるＳＴＫ４００、外径２６４．４mm、内径２２８．８mm、肉厚１７．８mmである。両鋼管の管端には、図１０に示すような傾斜角α＝４５°の凸テーパおよび凹テーパを加工し、非晶質金属箔のインサートメタルとして円錐台リング接合材１２を挟んで嵌合させ、約９００kgの荷重をかけて加熱した。インサートメタルは、Ｆｅ−９wt％Ｓｉ−１．５wt％Ｂからなる組成の非晶質合金箔で、厚さは３０μｍである。
【００２６】
ワークコイルは、内径３３０mmφの２分割型で、各鉄心３，３はソフトフェライトを成形したもので、被加熱材１の長さ方向の幅（図２のａ）を４０mmとした。各コイル４，４の巻数は２巻である。各コイル４，４は、外径１０mmφの銅製パイプで、内部に水を通して水冷し、ガラスクロスを被覆してコイル同士の接触による短絡を防止した。各鉄心３，３の端部間の間隔は１０mmであり、銅板製の遮蔽板５をガラスクロス製の絶縁板６で挟んだものを介在させた。また、被加熱材１には、断熱材１１として、初期厚さ１５mmの円筒状のセラミックファイバーを巻き付けた。
【００２７】
各コイル４，４に接続した電源１６は、最高出力５０kW、周波数８kHz の小容量、小型の高周波電源である。この電源により、二次側電力を４０kWとして誘導加熱し、およそ８℃／秒の昇温速度で１２００℃に加熱し５分保定後、電源を切って放冷した。冷却後、止具１０を外し蝶番９を開いてワークコイルを取り外した。取り外したワークコイルは、つぎの接合にも十分使用可能であった。また接合部の強度および靭性は、構造部材として十分なものであった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、金属管や金属棒などの長尺金属材料を長さ方向に突合せ接合する場合等において、接合部の加熱あるいは接合後の熱処理等、長さ方向の制限された部位を誘導加熱するものであって、制限された狭い範囲の加熱部位を全断面にわたって所定温度に加熱し、加熱部位を外れた部位では母材の強度低下等の材質劣化を抑制することができる。そして、コイルの絶縁維持に問題がなく、電源の大容量化、大型化も要しない。
【００２９】
また、本発明の好ましい態様は、誘導加熱用ワークコイルを、被加熱材の周方向に分割可能な構造としているので、金属管や金属棒あるいは金属線などの長尺金属材料を、インサートメタルを挟んで長さ方向に突合わせ、加圧下で加熱して拡散接合する場合などの加熱に際して、着脱が容易であり、従来は誘導加熱が困難あるいは不可能であった箇所においても、容易に加熱することができる。
したがって、油井管の現地施工、あるいは各種建設工事の現地における鋼管や鋼棒等の接合や熱処理に適している。
【００３０】
また、拡散接合に限らず、金属管同士、金属棒同士あるいは金属線同士を圧接する場合の加熱や溶接後の熱処理にも適用できる。さらに、金属線などの両端をたがいに突合わ接合してリング状にしたり、リング状材料の熱処理や加工に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ワークコイルの適用例を示す斜視図である。
【図２】本発明ワークコイルの例を示す縦断面図である。
【図３】本発明ワークコイルにおける遮蔽板の例を示す断面図である。
【図４】本発明ワークコイルの例を示す横断面図である。
【図５】本発明ワークコイルの別の例を示す縦断面図である。
【図６】ワークコイルの作用を示す断面図であって、（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例である。
【図７】本発明ワークコイルの別の例を示す横断面図である。
【図８】本発明ワークコイルの別の適用例を示す斜視図である。
【図９】従来のワークコイルの例を示す斜視図である。
【図１０】金属管同士をインサートメタルを挟んで拡散接合する方法の説明図である。
【符号の説明】
１…被加熱材
２…接合部
３…鉄心
４…コイル
５…遮蔽板
６…絶縁板
７…コアサイド
８…磁束
９…蝶番
１０…止具
１１…断熱材
１２…円錐台リング接合材
１３，１４…管
１５…ワークコイル
１６…電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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