JPH0644549Y2 - 複合インピ−ダ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この考案は、高周波電縫管溶接装置に用いられる複合イ
ンピーダに関する。

B.考案の概要 本考案は、高周波電縫管製造用ラインの管素材のＶシー
ム溶接装置において、Ｖシーム溶接部に設置したＶ字状
ギヤツプの溶接点を加熱するための高周波電力が供給さ
れる加熱誘導コイルに対応するフエライト・コアと、そ
の前段にあつて管状に成形された管素材の両縁側部を予
熱するための20KHz程度以下の周波数の電力が供給され
る予熱コイルに対応する硅素鋼板積層コアとを一体的に
構成した複合インピーダを管素材のＶシーム溶接部及び
予熱部に容易に設置し得るようにし、かつ管径が比較的
小さなものであつても加熱に関与しない無効な電流を削
減し、効率的に予熱および高周波溶接をなし得るように
して、高周波電縫管溶接装置の性能を向上し得るように
したものである。

C.従来の技術 高周波電縫管の溶接装置には、第８図に示す接触式と、
第９図に示す誘導式とがある。接触式は第８図に示すよ
うに、金属板を管状に成形した管素材１を相対向して配
置した一対の加圧ロール2a,2b間に挿通し、これを矢印
Ａで示す進行方向に移動するようにする。

この場合、管素材１の進行方向にみて加圧ロール2a,2b
の手前側にはＶ字状ギヤツプ５が形成され、その対向す
る縁部5a,5bには100KHzから400KHz程度の周波数の高周
波電源７に接続された一対の接触子6a,6bによつて高周
波電力が供給され、溶接電流Ｉが流れることにより両縁
部が加熱される。さらに加圧ロール2a,2bによる加圧に
よつてＶ字状ギヤツプ５が閉じて両縁部5a,5bが接する
Ｖシーム溶接点４において、前記両縁部5a,5bの温度が
溶融点近傍に達し、加圧されながら溶接接合が行なわれ
る。

また、第９図に示す誘導式の電縫管溶接装置にあつて
は、第８図に示す接触子6a,6bに代えて誘導コイル３を
用いてＶ字状ギヤツプ５の対向する縁部5a,5bに溶接電
流Ｉを流すもので、その他の点は接触式と同じである。

このような従来の電縫管溶接装置によると次のような問
題を生ずる。

即ち、高周波電縫管溶接の場合、通常使用される周波数
が100〜400KHz程度と高く、近接効果により対向する縁
部5a,5bの先端部分のみが局部加熱されるので、溶接後
はこの局部加熱された先端部分が急冷される。この急冷
のため溶接部が硬化するので、溶接部を再加熱して焼鈍
する必要が生じる。ところで、この焼鈍のための電力は
溶接電力の２〜４倍の大きな電力が必要である。

また、焼鈍は溶接に続いてライン内で行なわれることが
一般的であるが、再加熱した溶接部を徐冷する（すなわ
ち硬化しないように）ため徐冷区間として例えば35mと
いうような非常に長い距離が必要であり、このためにラ
インが長いものになつてしまうという問題がある。ま
た、縁部に供給する高周波電力の周波数を前記の値より
かなり低くするとは、加熱される範囲が広くなるものの
溶接にとっては不都合である。

また電縫管溶接においては、管素材１の移動速度を最低
でもほぼ15m/mm以上にしないと安定な溶接が行なわれな
いことが解明されている（つまり、15m/mm以下では溶接
点の位置が安定せず、またエツジコーナーのオーバ・ヒ
ートが顕著になり、溶接品質が低下する）。このため、
管素材１が厚肉になると溶接のための必要電力が増大
し、 例えば肉厚20mm、溶接速度（＝移動速度）15m/mmの場
合、溶接装置は2.000Kw程度の大容量が必要となる。ま
た、このような大容量では、一般に第８図に示す接触式
の給電方式が採用されるが、通電電流値が増大し、接触
子6a,6bの通電電流密度が増大するのに比例して接触子
の消耗が急速に増加し連続使用が困難になる。例えば、
４時間程度の連続運転にしか耐えなくなり、そのたびに
ラインを停止して接触子の交換を行なわねばならず、ラ
インの生産性が著しく低下する。要するに、接触子の消
耗を抑えるには通電電流値を抑える必要があるが、従来
方式では厚肉管についてはこれが難しいという問題であ
る。

また管素材１の肉厚が厚くなるに従つて、健全な溶接を
施すうえで難点が生じる。これを説明すると、近接効果
を利用してＶ字状ギヤツプ５の縁部5a,5bを効果的に加
熱して溶接を行なうため溶接には通常100〜400KHzの高
い周波数の電力が使用される。ところが、このような高
い周波数で加熱する場合、管素材１が厚肉になると、対
向する縁部5a,5bのコーナ（即ち、縁部の内，外径側の
角）に電流が集中し、このコーナが先に温度上昇して過
熱状態となり、縁部5a,5bの中央部（即ち、縁部の内，
外径側の中間）との温度差及び加熱幅の差が大きくなり
均等に加熱されなくなる。

即ちこの従来方法によると管素材１の両縁部は溶接点４
をピークとしてその前後で急激に昇温しかつ急激に降温
している（そのために焼鈍が必要とされる）。これを第
10図及び第11図によつて説明すると100〜400KHz程度の
高い周波数で急激に加熱されることにより両縁部の端
面、つまり第11図及び第10図に示すようにａ点,b点のみ
が局部的に加熱されｃ点との温度差が大きく、降温時ｃ
点に熱が奪われることにより急激に冷却されることにな
るのである。また、ｂ点に比べてもａ点の昇温の方が早
いので管素材が厚肉になるに従い対向する両縁部5a,5b
の内，外径側のコーナーに近い部分のみが円周方向の広
い範囲にわたつて溶融点近傍の温度に加熱され均等に加
熱されなくなる。

ところで、電縫管溶接では、溶接点付近の温度に達した
両縁部5a,5bの先端部分が、溶接に際して加圧ロール2a,
2bによる加圧によつて管の内径側に押出されて健全な溶
接が行なわれることが望ましい。しかるに、厚肉管の場
合、上述のように縁部5a,5bの温度及び加熱幅の不均一
（つまり、縁部の中央部より内外径側が高温及び内外径
側が加熱範囲が広い）のため溶融点近傍の温度に達した
内外径側の充分な押出排除が難しくなる。

即ち、第12図に示すように、加圧ロール2a,2bで加圧し
た際、その中央部が互いにぶつかつてしまうため、内外
径側の充分な押出がされず図示しするように溶接部の内
外面部で過熱による酸化物の残留のまき込みが発生し、
溶接部の健全性の維持が難しくなるという問題がある。

さらに、上述のような電縫管の溶接法により溶接を効率
よく行なうには、高周波電流がＶ字状ギヤツプ５の縁部
5a,5bに集中して流れることが必要である。しかし管径
が小さい場合には管径路が短くなつて抵抗値が小さくな
るため第14図に示すように、有効電流i_pのほかに、管素
材の内側部を通る無効電流i_Qが増加し、溶接を効率よく
行なうことができないという問題があつた。

本出願人はこのような問題を解決すべく、先に特願昭61
−55876号「高周波電縫管溶接方法とその装置」（以下
先願の発明と称す）を提案している。

先願の発明は、第８図及び第９図の従来のものの管素材
のＶシーム溶接部の手前に周波数20.000Hz〜1.000Hz程
度の電力を供給して予熱する予熱コイルを設け、溶接部
で過熱する前に予熱しておき、溶接縁部を均一に加熱す
るようにしたものである。

即ち誘導式の場合は第13図に示すように誘導コイル３の
管素材１の進行方向手前に予熱コイル８を設け、この予
熱コイル８に1KHz〜20KHz用の電源14を接続して電力を
供給する。この予熱コイル８の形状Kw数は種々あるが、
第13図はその一例である。

なお第13図において先願の発明を簡単に説明すると、１
は厚肉の管素材、2a,2bは一対の加圧ロールけある。こ
の管素材１は、帯板をその長手方向を軸にして断面円形
に成形し、その会合する幅方向側端の両縁部5a,5bがス
リツトを形成する状態で、一対の加圧ロール2a,2bの間
に挿通すると、図示するようにＶ字状のギヤツプ５が形
成される。

また、このギヤツプ５の両縁部5a,5bが一対の加圧ロー
ル2a,2bによつて圧着される溶接点４から矢印Ａと逆方
向に所定距離離れた位置に、管素材１を取り巻くリング
状に形成した加熱用の誘導コイル３を設置し、これに周
波数の高い（本例では周波数200KHz〜450KHz）高周波電
力を供給する電源７を接続する。

また、この加熱用の誘導コイル３の前段で矢印Ａと逆方
向に所定距離離れた手前位置には、予熱コイル８を設置
する。この予熱コイル８は、管素材１の対向する両縁部
5a₁，5b₁に沿つた一対の直線部分9a,9bと、管素材１の
外周でその円周方向に沿つてこの直線部分9a,9bに接続
して設けられた幅広の環状部分10,11と接続端子部13b,1
3aよりなる。

先願の発明は以上のようにＶシーム溶接部の手前に予熱
コイルを設けて1KHz〜20KHz程度の誘導コイルの周波数
より低い周波数で予熱するようにしているので、第11図
に示すａ点のみの局部加熱は行なわれずｂ点や更にｃ点
部分も加熱されてａ点とｂ点の温度差が少なくなる。従
つて上述した従来の欠点は除去され健全な溶接が行なわ
れる。しかし予熱コイルを新規に設けたので、管径が小
さい場合この予熱コイルでいかに効率の良い予熱をする
かが問題となる。

D.考案が解決しようとする問題点 高周波電縫管溶接装置により溶接を効率よく行なうに
は、高周波電流又は予熱のための誘導電流がＶ字状ギヤ
ツプ５の両縁部5a,5b又はこれに連続する両縁部5a₁，5b
₁に集中して流れることが必要である。しかし管径が小
さい場合には円周が短くなり長手方向より抵抗値が低く
なるため第14図に例示するように、有効電流i_pのほか
に、管素材の内側部を通る無効電流i_Qが増加し、溶接効
率の低下を来す。

そこで従来からＶ字状ギヤツプ５の管素材の内部に配設
して用いられているフエライト・コアを有するインピー
ダは予熱コイル８に対応する管素材の内部まで延長して
配設することが考えられるが、予熱コイル８に供給する
電力は周波数が20KHz以下と低いためフエライト・コア
のインピーダでは良い結果を得ることができなかつた。

そこで予熱コイル８に対応する管素材の内径部に硅素鋼
板積層コアを有するインピーダを配設して用いることが
考えられるが、これらの２ケの異なるインピーダは狭い
管素材内部の所定位置に夫々固定するのに困難があり、
またこれら２ケのインピーダに夫々冷却水を給水するな
どその取扱いや操作が大変繁雑になるという問題点があ
つた。そこで本考案は、管素材の内部に周波数の異なる
電力の供給される誘導コイルと予熱コイルに適合したフ
エライト・コア及び硅素鋼板積層コアを一体的に構成し
た複合インピーダを設けて、溶接効率を高め、同時に取
付け、冷却を容易にし、操作上も便利になるようにした
ものである。

E.問題点を解決するための手段 本考案の構成は、管素材をＶ字状ギヤツプを有する管状
に連続して成形し、管素材の対向する縁部近傍を予熱す
る予熱コイルを管素材のＶ字状ギャツプの手前に配設
し、Ｖ字状ギャップの対向する縁部を連続して加熱する
加熱手段を設けて構成される高周波電縫管溶接装置に使
用するインピーダであって、共通のロッドに対し、その
根端側及び先端側の外周に設置した根端側ホルダと先端
側ホルダとの間のロッドの外周における前記予熱コイル
と対応する位置に硅素鋼板積層コアを配設するととも
に、前記加熱手段と対応する位置にフェライト・コアを
設置し、これらのコアを内包するように絶縁筒で覆い、
該絶縁筒の両端を根端側ホルダと先端側ホルダとで密閉
し、前記硅素鋼板積層コアと前記フェライト・コアとを
冷却するための冷却水が流れる流路を前記絶縁筒の内部
に形成したことを特徴とする。

F.作用 上述のように構成することにより、一体化した複合イン
ピーダを高周波電縫管溶接装置における管素材内所定位
置に設置するだけで、加熱手段にフエライト・コアを対
応させてＶシーム溶接点近傍を効率よく加熱し得るよう
電流を集中して流さしめると共に、予熱コイルに硅素鋼
板積層コアを対応させて管素材の両縁部を効率よく加熱
し得るよう電流を集中して流すようにして高周波電縫管
溶接装置の性能を向上するようにし、さらに複合インピ
ーダを単体のものとして取扱えるのでその取扱い操作を
簡便にし得るという作用を奏する。

G.実施例 以下、本考案の複合インピーダの実施例を第１図乃至第
７図によって説明する。

なお、この第１図乃至第７図において、第８図乃至第14
図に示す従来例に対応する部分には同一符号を附すこと
とし、説明の便に供する。

第１図は本考案の複合インピーダ20を管素材１内に配設
した高周波電縫管溶接装置の斜視図で、第13図に示した
先願の発明のものの予熱コイル８の形状が異なる例を示
す。

加熱用誘導コイル３と、予熱コイル８とに対応して、管
素材内には複合インピーダ20を配置したものである。

この複合インピーダ20は第２図及び第３図に示すよう
に、全体が略円筒形で、その中心軸部を挿通するロツド
21が設置してある。

このロッド21は第３図の左側の太軸に形成した太軸部22
から細軸の軸棒部23を延設する。

この軸棒部23における予熱コイル８に対応する所定位置
には、硅素鋼板積層コア24を設置する。

これは、第4A図乃至第4D図の断面図に例示するように種
々の構造に構成できるものである。

まず、第4A図では、種々の大きさの断面形状に形成した
直方体状ブロツクである複数の積層コア単体25を、図示
するようにロツド21を取巻く位置に配置して構成する。

また、第4B図に示すように、その各積層コア単体25の間
にスペーサ25aを介在させ冷却水通路25bを形成するよう
に配置して構成する。

さらに、第4C図に示すように、ロツド21に中空円筒に形
成したコア単体25を嵌挿して一体的に構成する。

また、第4D図に示すように、各積層コア単体25を絶縁筒
29の内周面に沿うよう角側部を円弧状に形成し、各コア
単体25の間にスペーサ25aを介在させることにより絶縁
筒29内で冷却水通路25bがほぼ均等に分布するように構
成するといつた種々の構成のものを適当に選択して用い
るものである。

また第２図に示すようにこの硅素鋼板積層コア24の長手
方向の長さlcorは、予熱コイル８の長手方向の長さlcよ
りも所定の長さ長く（lcor＞lc）なるよう形成する。

また、軸棒部23における加熱用誘導コイル３に対応する
所定位置には、フエライト・コア26を設置する。これは
第５図の断面図にも示すように小円柱状のコア柱体27を
複数（本例では７個）を軸棒部23の外周に配置して構成
する。

なお、本例ではコア柱体27を長手方向に３組直列に並べ
てフエライト・コア26を構成する。

また、軸棒部23に設置した硅素鋼板積層コア24とフエラ
イト・コア26との間部分にはスペーサとしての中間部材
28を嵌挿して設置する。

さらに、軸棒部23に設置した硅素鋼板積層コア24とフエ
ライト・コア26との外周部を円筒形の絶縁筒29を遊挿し
て覆い、その軸棒部23の太軸部22側端部を根端側ホルダ
30で閉塞するように支持すると共に、軸棒部23の自由端
部に先端側ホルダ31を嵌挿して閉塞するように支持す
る。

そして、太軸部22から順次根端側ホルダ30、硅素鋼板積
層コア24、中間部材28、フエライト・コア26及び先端側
ホルダ31と隙間なく配置したものに対し、軸棒部23の自
由端部に形成したねじ溝32にナツト33,33をねじ嵌めて
締め付けることにより、これら全体を一体的に固締す
る。

また、軸棒部23の太軸部22の近くでは、その中心軸に沿
つて冷却水の導通孔35を穿孔し、根端側ホルダ30に穿孔
した複数の入水口36,36に導通させる。

また、根端側ホルダ30には軸棒部23との間及び絶縁筒29
との間にシールド部材37,37を設置し、水漏れを防止す
るようにする。また、先端側ホルダ31には、複数の排出
孔38,38を穿孔する。

このように構成することによつて、冷却水を軸棒部23の
導通孔35、入水口36,36を通し、絶縁筒29内に導き、硅
素鋼板積層コア24における複数の積層のコア単体25の隙
間を通りこれを冷却し、さらに中間部材28部分の空間を
通つて、フエライト・コア26の複数のコア柱体27の隙間
を通つてこれを冷却し、この後先端側ホルダ31の排出孔
38,38から外部に排出するようにする。

なお、第２図に示すように、この複合インピーダ20のロ
ツド21の図におけ左側の一端は従来と同様に図示されな
い固定部材に固定される。また図における右側の自由端
部を延長してバイトホルダ45とバイト46とを装着し、こ
のバイト46と、対応する管素材１の外周側に設置された
外周側バイト47と相俟て、溶接終了部のビードを削除す
るように構成してもよい。

この場合には複合インピーダ20がバイト46の支持部材と
しての機能を兼ね備えることになりその有用性を向上で
きるものである。

このように構成された複合インピーダ20は、第１図及び
第２図に示すように管素材１内における所定位置に設置
し、硅素鋼板積層コア24が予熱コイル８に対応し、かつ
フエライト・コア26が加熱用誘導コイル３に対応し、電
気的に適正に作用するように設定する。

次に、上述のように構成した本例装置の作動を説明す
る。

まず、第１図に示すように管素材１は、一対の加圧ロー
ル2a,2bに挿通し、図示しない駆動ローラで管素材１を
矢印Ａ方向に所定速度で移動する。

また、予熱コイル８には、電源14から本例では20.000Hz
以下の電力を供給する。

この予熱コイル８を流れる電流i_pによつて管素材１に誘
起される予熱電流i_pは、第６図に示すように前段の両縁
部5a₁，5b₁においては狭い範囲に集中して流れ、両縁部
近傍を予熱する。しかし、Ｖ字状ギヤツプ５の両縁部5
a,5bに供給される電力（周波数100〜400KHz）に比べて
周波数が低いので（1.000〜20.000Hz程度）、前段の縁
部5a₁，5b₁のコーナーや縁部の最先端のみが過熱される
ことはなく、両縁部近傍の円周方向に沿つた部分が幅広
くほぼ同じ温度に予熱される。

この場合本考案では、予熱コイル８に対応した部分には
硅素鋼板積層コア24が、また誘導過熱コイルに対応した
部分にはフエライト・コア26が挿入されていため管素材
１の軸方向の電流密度が増加し、第14図に示す管素材１
の内径面等に分流して流れる無効な電流i_Qが著しく減少
してその分縁部5a₁，5b₁に有効に流れ、縁部5a₁，5b₁へ
の予熱電流ipが集中し効率的に加熱される。この効果は
特に小径管になる程この電流の割合が増し、無効な電流
i_Qは著しく（ほとんど）減りその効果が顕著に現れる。

200〜450KHzの電力供給されるＶギヤツプ５の部分に対
応してフエライト・コアを設けることは従来から行なわ
れているが、フエライト・コアは周波数が20KHz程度に
低くなると磁気飽和特性が悪く上記の効果は得られない
が、本考案では１〜20KHz程度の周波数で最も飽和特性
のよい硅素鋼板積層コアを使用したので小径管でも効率
の高い（コアの無い場合に比して３〜４倍）予熱結果が
得られた。

また、溶接点４においては、管素材１が一対の加圧ロー
ル2a,2bで圧着されて、第７図に示すように、対向する
縁部の溶融金属が管素材１の内，外側面部に押出され、
溶着することになる。この押出された部分は、溶接作業
後第２図のバイト46,47で削り落として仕上げるもので
ある。

上述したような高周波電縫管溶接装置に複合インピーダ
を設置して用いれば、管素材のＶシーム溶接部の手前に
おいて、両縁部とその近傍（つまり熱影響部）が予熱さ
れるので、溶接後において溶接部の冷却は急冷ではなく
徐冷となり、よつて従来のような溶接後のシーム・アニ
ーラを不要とすることができる等先願の発明の効果に加
え、管素材のＶシーム溶接部を直接溶接するために加熱
する誘導コイルに対応してフエライト・コアを設置し、
その前段部において、20KHz程度以下の周波数の電力が
供給される予熱コイルに対応して硅素鋼板積層コアを設
置し、これらの周波数特性に基づく電気的相互作用によ
り、特に管径の小さなものであつても、Ｖ字状ギヤツプ
に続く両縁部の所要部位に誘起電流が集中して流れるよ
うにし、管素材の内側面部を流れるような無効電流を削
減し、所定の加熱範囲を平均的にかつ効率良く予熱する
ことができ、高周波電縫管溶接装置の性能を向上すると
いう効果がある。

なお、本実施例では加熱手段が図９に示す誘導加熱コイ
ルである場合を示したが、図８に示す接触式の加熱手段
であってもよい。

H.考案の効果 以上詳述したように、本考案はＶシーム溶接部を200〜4
50KHzの周波数の電力で溶接するものにおいて、その前
段に予熱コイルを設け、20KHz以下の周波数の電力を供
給して予熱し、その管素材の内部に複合インピーダを設
け、該複合インピーダを前記予熱コイルに対応した部分
に硅素鋼板積層コアを設け、かつＶ字状ギヤツプに対応
した部分にフエライト・コアを同一ロツド上に設けて形
成したものであるから、Ｖ字状ギヤツプとこれに続く管
素材の両縁部に電流が集中して流し、その部分を効率よ
く加熱でき高周波電縫管溶接装置の性能を向上でき、特
に小径管の溶接において顕著にその効果が得られる。

さらに、一本の複合インピーダを管素材内に設置すれば
よいから、その取付支持も容易であり、複合インピーダ
に冷却水を給水する管の操作、取扱いも容易にできると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の複合インピーダを装着した高周波電縫
管溶接装置の一実施例を示す概略斜視図、第２図はその
縦断面図、第３図は本考案の複合インピーダの縦断面
図、第4A図乃至第4D図及び第５図は第３図Ｖ−Ｖ及びIV
−IV線に基づく断面に相当するもので硅素鋼板積層コア
の種々の構成及びフエライト・コア部の断面を例示する
断面図、第６図は予熱コイルによる誘起電流を示す斜視
図、第７図は溶接後の管の縦断面図、第８図及び第９図
は夫々従来の高周波電縫管の溶接装置の例を示す要部の
斜視図、第10図はその装置により溶接作業を行なつた場
合の管素材の両縁部の温度変化を示す線図、第11図及び
第12図は管素材の縦断面図、第13図は高周波電縫管溶接
装置の他の従来例を示す斜視図、第14図はその管素材が
小径である場合の誘導電流の流れを説明する斜視図であ
る。 １……管素材、３……誘導コイル、５……ギヤツプ、5
a,5b……縁部、８……予熱コイル、20……複合インピー
ダ、24……硅素鋼板積層コア、26……フエライト・コ
ア。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】管素材をＶ字状ギャップを有する管状に連
   続して成形し、管素材の対向する縁部近傍を予熱する予
   熱コイルを管素材のＶ字状ギャップの手前に配設し、Ｖ
   字状ギャップの対向する縁部を連続して加熱する加熱手
   段を設けて構成される高周波電縫管溶接装置に使用する
   インピーダであって、共通のロッドに対し、その根端側
   及び先端側の外周に設置した根端側ホルダと先端側ホル
   ダとの間のロッドの外周における前記予熱コイルと対応
   する位置に硅素鋼板積層コアを配設するとともに、前記
   加熱手段と対応する位置にフェライト・コアを設置し、
   これらのコアを内包するように絶縁筒で覆い、該絶縁筒
   の両端を根端側ホルダと先端側ホルダとで密閉し、前記
   硅素鋼板積層コアと前記フェライト・コアとを冷却する
   ための冷却水が流れる流路を前記絶縁筒の内部に形成し
   たことを特徴とする複合インピーダ。