JPH1069977A - 誘導加熱法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属管同士や金属棒同士を突合せ接合する場
合等において、接合時の加熱や接合後の熱処理等、長さ
方向の制限された部位を誘導加熱するための方法および
装置であって、電源の大容量化、大型化を不要とし、加
熱後の急冷を可能とする。 【解決手段】 加熱部位４をワークコイル５で囲み、か
つワークコイル５で囲まれた部位の内の加熱部位４から
外れた部位とワークコイル５との間に冷却媒体噴射装置
６を配設し、加熱部位４から外れた部位を冷却する。 【効果】 小容量、小型の電源を使用する誘導加熱によ
り、狭い範囲の加熱部位を所要温度に加熱し、加熱部位
を外れた部位では母材の材質劣化が抑制される。油井管
の現地施工、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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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とと
もに、加熱終了後は急速冷却可能な方法および装置に関
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、Ｍ
ＩＧ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、両端面の間に非晶質金属
箔を介在させ、該箔の含有元素を両材料中に拡散させる
方法もある。

【０００３】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。

【０００４】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のが望
まれる。このため、加熱部位から外れた部位を水噴射な
どにより強制的に冷却することが考えられる。

【０００５】鋼材を圧接または溶接した後の接合部熱処
理方法および装置として、特開昭５３−１１９２４３号
公報には、鋼材に沿って搬送可能な台車上に誘導加熱装
置および水噴射冷却装置と接合部検出器を載置し、接合
部の位置からずれることなく正確に位置合わせして加熱
および冷却を行うことが開示されている。しかし、該公
報の技術は、接合部を加熱するときはその周囲は強制冷
却せず、加熱終了後の接合部を冷却するもので、加熱部
位を狭い範囲に制限することはできない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】金属管あるいは金属棒
の誘導加熱においては、ワークコイルで囲まれた部位が
加熱されるので、この加熱部位を短縮するにはワークコ
イルの巻きを密にするか、あるいは巻数を減らして加熱
帯を狭くすることが必要である。しかし、ワークコイル
の巻き密度を高めるには、各巻線間の絶縁維持の点で制
約がある。また、巻数を減じると、加熱部位を所定温度
に加熱するのに必要な誘導電流を流すためには、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。

【０００７】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方法および
装置であって、ワークコイルの絶縁維持に問題がなく、
かつ電源の大容量化、大型化も要せず、また加熱終了後
は急速冷却可能な方法および装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明法は、金属管または金属棒の長さ方向の制限さ
れた部位を誘導加熱する方法であって、加熱部位をワー
クコイルで囲み、かつ該ワークコイルで囲まれた部位の
内の該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルとの間
に冷却媒体噴射装置を配設することにより、該加熱部位
から外れた部位を冷却することを特徴とする誘導加熱法
である。

【０００９】また、上記目的を達成するための本発明装
置は、金属管または金属棒の長さ方向の制限された部位
を誘導加熱する装置であって、加熱部位を囲むワークコ
イルを有し、かつ該ワークコイルで囲まれた部位の内の
該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルとの間に冷
却媒体噴射装置が配設され、該加熱部位と冷却媒体噴射
部位との境界に被加熱材を囲繞する仕切り板が設けられ
ていることを特徴とする誘導加熱装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明法を、金属管の拡散接合を
例にして説明する。図１は、金属管１と金属管２を突合
せ接合している状態の断面を示す。金属管１の端面は凸
テーパ、金属管２の端面は凹テーパにそれぞれ加工し、
両者を非晶質金属箔（図示せず）を挟んで嵌合し、加圧
下で接合部３を含む制限された範囲の加熱部位４を加熱
している。

【００１１】加熱部位４をワークコイル５で囲み、かつ
ワークコイル５で囲まれた部位の内の加熱部位４から外
れた部位とワークコイル５との間に冷却媒体噴射装置６
を配設し、金属管１，２の周方向に複数設けられた噴射
孔７から水などの冷却媒体を噴射し冷却している。噴射
孔７の形状は、円、楕円、多角形などとすることができ
る。また、必要に応じてスプレーを使用してもよい。加
熱部位４と冷却部位との境界には仕切り板８をリング状
に設け、加熱部位に冷却媒体がかからないようにしてい
る。

【００１２】したがって本例においては、接合部３を含
む長さ方向に制限された範囲の加熱部位４が選択的に加
熱され、加熱部位４から外れた部位においては加熱が抑
制される。加熱部位４を接合部３およびその両側の拡散
に必要な範囲とすることにより、必要最小限の範囲のみ
が所要の高温に加熱され、加熱部位４から外れた部位の
母材の高温化が抑制されるので、母材の強度低下などの
材質劣化を抑制することができる。

【００１３】また、誘導加熱終了後も、引き続き冷却媒
体噴射装置６による冷却を継続させることで加熱後の急
冷を行うこともできる。加熱後の急冷により、接合部３
および母材の材質劣化が抑制されるほか、加熱部位４が
常温になるまでの時間が短縮され、接合作業の効率向上
にも繋がる。

【００１４】なお本発明法において、冷却媒体噴射装置
６は、図１の例のように加熱部位４の両側に配設するほ
か、片側に配設する場合もある。例えば、金属管２が短
尺でフランジ等の他の部材に接合されているときは、ワ
ークコイル５が全体的に金属管１側に片寄り、金属管２
側には冷却媒体噴射装置６が配設できなくなる。このよ
うなとき、フランジ等は熱伝導により、あるいはフラン
ジ等を冷却することにより、加熱部位４から外れた金属
管２の過熱を抑制することができる。また、材質の異な
る金属材料同士を接合する場合で、片側の金属材料のみ
が熱影響により材質劣化のおそれがあるときは、該材料
側のみに冷却媒体噴射装置６を配設すればよい。

【００１５】本例のような非晶質金属箔を介した拡散接
合において、加熱部位４の温度は、鋼材の場合１２００
℃程度であり、その範囲は、接合部３から両側にそれぞ
れ１mm以上あればよく、図１の例のように両金属管１お
よび２の接合部端面に４５°のテーパを形成した場合
は、肉厚＋３mm以上とすればよい。加熱部位４がこのよ
うな高温となるので、ワークコイル５を保護するため、
加熱部位４には断熱材９を巻き付けておくのが好まし
い。なお、冷却媒体噴射装置６の配設位置は、本例に限
らず、加熱条件や被加熱材の材質に応じて、加熱部位４
から離した位置に配設することもできる。

【００１６】本発明法は、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１と金属管２、あるいは金属棒
同士を圧接する場合や溶接後の熱処理等にも適用するこ
とができる。本発明法によれば、ワークコイルの巻線密
度を絶縁維持に問題のない範囲とし、かつ巻数を減じる
必要がないので、電源を大容量化、大型化することな
く、制限された狭い範囲の加熱部位を所要温度に加熱し
て接合することができる。そして加熱部位を外れた部位
では母材の強度低下などの材質劣化を抑制することがで
きる。

【００１７】図１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
法の採用により、接合部の両側の母材の材質劣化を抑え
た加熱が、小型の電源を使用する誘導加熱で行うことが
できる。

【００１８】つぎに本発明装置は、図１に示すように、
加熱部位４を囲むワークコイル５を有し、かつワークコ
イル５で囲まれた部位の内の加熱部位４から外れた部位
とワークコイル５との間に冷却媒体噴射装置６が配設さ
れ、加熱部位４と冷却媒体噴射部位との境界に被加熱材
を囲繞する仕切り板８が設けられている。ワークコイル
５は、巻線１０をガラスウールで巻いて絶縁し、さらに
耐火モルタル、耐火セメントなどの耐火物でコーティン
グして保護している。また加熱効率を上げるために断熱
材を被覆している。仕切り板８は耐熱材からなり、耐熱
ゴムなどの弾性体とするのが好ましい。このような本発
明装置の作用は、上記本発明法で詳述したとおりであ
る。

【００１９】なお、本発明において、被加熱材１として
は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、巻線１
０の形状は被加熱材１の形状に合わせたものとする。

【００２０】

【実施例】

本発明例：図１に示すような本発明装置を使用し、本発
明法により鋼管同士を拡散接合した。鋼管は JIS G 344
4 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１に示すような傾斜角４５°の凸テーパおよび凹
テーパを加工し、非晶質金属箔を挟んで嵌合させ、約９
００kgの荷重をかけて加熱した。非晶質金属箔は、Ｆｅ
−９wt％Ｓｉ−１．５wt％Ｂからなる組成のもので、厚
さは３０μｍである。

【００２１】ワークコイル５は、内径３５０mmφ、長さ
２００mm、巻数１０巻である。冷却媒体噴射装置６は、
内径２９０mmφ、外径３２０mmφ、長さ４００mmであ
り、両冷却媒体噴射装置６の間隔は４０mmとした。この
４０mmの範囲を加熱部位４とし、図１のように加熱部位
４の中央に接合部３を位置させた。そして、耐火ゴム製
のリング状仕切り板８を図１のように装着し、また、加
熱部位４を覆う断熱材９として、初期厚さ１５mmの円筒
状のセラミックファイバーを鋼管に装着した。

【００２２】ワークコイル５に接続した電源は、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（７００
Ｖ，６０Ａ，効率９５％）として誘導加熱し、およそ２
℃／秒の昇温速度で１２００℃に加熱し５分保定後、電
源を切って冷却した。加熱時および加熱終了後も継続し
て、冷却媒体噴射装置６に千鳥配置にした噴射孔７か
ら、１００リッター／ｍ²・min の水量密度で水を噴射
した。

【００２３】比較例：図１において冷却媒体噴射装置６
を使用せず、その他の条件は本発明例１と同様にして鋼
管を接合した。

【００２４】上記本発明例および比較例について、接合
後、円周方向に８分割したサンプルから、それぞれ接合
部３を中央部にして引張試験片を採取し、引張試験を行
った。その結果、引張強度はいずれも４００MPa 以上を
示し、接合強度はいずれも良好で差が見られなかった
が、０．２％耐力に差が認められ、 本発明例・・・３１０〜３３０MPa 比較例・・・・２３０〜２６０MPa であった。熱影響を受けない母材の０．２％耐力は３５
０MPa 程度であるから、比較例では、熱影響による母材
の強度低下が大きかったのに対し、本発明例では強度低
下を抑えることができた。

【００２５】

【発明の効果】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方法およ
び装置であって、ワークコイルの巻線範囲を狭めること
なく、狭い範囲の加熱部位を選択的に加熱できるので、
巻線密度を絶縁維持に問題のない範囲とし、かつ巻数を
減じる必要がないので、電源の大容量化、大型化を要し
ない。そして、制限された狭い範囲の加熱部位を所要温
度に加熱し、加熱部位をはずれた部位では母材の強度低
下などの材質劣化を抑制することができる。

【００２６】また、誘導加熱終了後の急冷を行うことも
できる。加熱後の急冷により、接合部および母材の材質
劣化が抑制されるほか、加熱部位が常温になるまでの時
間が短縮され、接合作業の効率向上にも繋がる。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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法および装置の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１，２…金属管 ３…接合部 ４…加熱部位 ５…ワークコイル ６…冷却媒体噴射装置 ７…噴射孔 ８…仕切り板 ９…断熱材 １０…巻線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属管または金属棒の長さ方向の制限さ
   れた部位を誘導加熱する方法であって、加熱部位をワー
   クコイルで囲み、かつ該ワークコイルで囲まれた部位の
   内の該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルとの間
   に冷却媒体噴射装置を配設することにより、該加熱部位
   から外れた部位を冷却することを特徴とする誘導加熱
   法。
2. 【請求項２】 金属管または金属棒の長さ方向の制限さ
   れた部位を誘導加熱する装置であって、加熱部位を囲む
   ワークコイルを有し、かつ該ワークコイルで囲まれた部
   位の内の該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルと
   の間に冷却媒体噴射装置が配設され、該加熱部位と冷却
   媒体噴射部位との境界に被加熱材を囲繞する仕切り板が
   設けられていることを特徴とする誘導加熱装置。