JP2009107007A - パイプ接合における誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インサート材を挟んでパイプ部材同士の接合部を誘導加熱して圧接する際、接合部及びインサート材における昇温のばらつきをなくし、圧接時における接合部の温度を基準温度範囲に容易に収めることができるパイプ接合における誘導加熱方法を提供する。
【解決手段】昇温区間で均熱時間（ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２）の投入電力Ｐ_２を、昇温開始から立ち上がり初期時まで（０≦ｔ≦ｔ_１）における投入電力Ｐ_１の１／３〜２／３とすることで、基準温度範囲より低い温度で一定時間、例えば３秒〜１５秒保持し接合部の温度を安定化させることができる。その後昇温開始と同程度の電力を投入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インサート材を挟んだパイプ部材同士の接合部の温度を制御することでパイプ接合の品質を向上させる、パイプ接合における誘導加熱方法に関するものである。

直管同士の間にインサート材を挟んで接合部を加熱コイルで誘導加熱することで、パイプを接合する方法がある（特許文献１）。その際、昇温した接合部を一定の温度範囲に維持するため、加熱コイルに加える電力を変化させている。また、チーズやエルボなどの継ぎ手を直管のパイプに接合することが行われているが、パイプ部材の形状や寸法に応じて投入電力は異なる。そこで、加熱コイルへの電力を段階的に制御する簡易なマスクパターンを設定し、パイプ部材の形状や寸法に応じて誘導加熱温度を容易に制御する方法がある（特許文献２）。

特開昭６２−９７７８４号公報 特開２００４−２４９３２４号公報 熱処理技術入門 金属熱処理技術士・受験テキスト、社団法人日本熱処理技術協会・日本金属熱処理工業会編集 ２００４年８月発行

前述のように、パイプ部材同士を接合する際には、先ず加熱コイルに一定の電力を加えて接合部を昇温し、その後接合部における温度が一定になるよう制御してパイプ部材同士を圧接する必要がある。ここで、圧接の際、接合部の温度が一定になるよう設定される温度範囲を、「基準温度範囲」と定義する。

しかしながら、加熱コイルに一定の電力を加えて接合部を昇温すると、昇温開始時から所定の時間経過した時の接合部の温度にはバラつきがあり、パイプ部材同士を圧接するタイミングを決めることや接合部を基準温度範囲内に維持することが難しくなる。そのため、パイプ部材へ圧力を加え始めるタイミングや接合部の温度が圧接作業毎に異なり、品質を一定に保つことが難しくなる。

上記課題に鑑み、インサート材を挟んでパイプ部材同士の接合部を誘導加熱して圧接する際、誘導加熱による接合部の昇温のバラつきをなくし、圧接の際における接合部の温度を基準温度範囲に容易に収めることができる、パイプ接合における誘導加熱方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、パイプ部材の接合部近傍の温度を測定することで、昇温開始時から基準温度範囲までの昇温時間に一定の電力を投入すると、接合部近傍の温度がある温度前後（炭素を約０．０５〜０．０６％含んだ炭素鋼でなるＳＧＰ管の場合８００℃〜９００℃前後）で温度上昇割合が低下し、昇温開始時から一定時間経過した時の接合部の温度が昇温毎に異なるという現象を見出した。一方、昇温時間のうち接合部の温度がある温度前後（炭素を約０．０５〜０．０６％含んだ炭素鋼でなるＳＧＰ管の場合８００℃〜９００℃前後）で一定時間電力を低下させると、投入電力を低下させた間温度はほぼ一定になるが、その後電力を元に戻すと接合部の温度は常に安定して上昇しバラつきが少なくなる現象を見出し、本発明を完成させるに至った。

上記目的を達成するために、本発明は、第１及び第２のパイプ部材でインサート材を挟み第１及び第２のパイプ部材の接合部とインサート材とを加熱コイルで基準温度範囲まで誘導加熱することで、第１のパイプ部材と第２のパイプ部材とを接合するパイプ接合における誘導加熱方法において、接合部及びインサート材が基準温度範囲に昇温するまでの昇温時間内で一定時間基準温度範囲よりも低い加熱温度に維持することを特徴とする。ここで、基準温度範囲より低い加熱温度は、第１及び第２のパイプ部材における相変態点及び／又は磁気変態点近傍の温度である。
これで、昇温時間内で一定時間接合部近傍の温度を均一化するので、一定時間経過した後接合部近傍を安定して基準温度範囲まで昇温することができる。

具体的には、第１及び第２のパイプ部材でインサート材を挟み第１及び第２のパイプ部材の接合部とインサート材とを加熱コイルで基準温度範囲まで誘導加熱することで第１のパイプ部材と第２のパイプ部材とを接合するパイプ接合における誘導加熱方法において、接合部及びインサート材が基準温度範囲に昇温するまでの昇温時間内で一定時間加熱コイルに投入する電力を低下させることを特徴とする。これで、投入電力の低下開始時における接合部の温度前後で接合部近傍の温度が均一化し、一定時間経過した後再度電力を増加させても、安定して所定の温度範囲まで昇温することができる。

一定時間に加熱コイルに投入する電力は、昇温開始時における投入電力の１／３〜２／３の範囲とすることが好ましい。好ましい範囲未満では、基準温度に達しないか又は達したとしても温度バラつきが多くなる。ここでいう基準温度とは、パイプ部材を構成する原子結合が安定して組み変わるために必要な温度をいう。逆に好ましい範囲より大きいと、接合部が昇温しすぎるので好ましくない。

一定時間は、３秒以上１５秒以下の範囲であることが好ましい。一定時間が好ましい範囲未満では、基準温度に達しないか又は達したとしても温度バラつきが多くなる。

加熱コイルは、第１のパイプ部材と第２のパイプ部材との肉厚差に応じて第１のパイプ部材と第２のパイプ部材との突き合せ位置から肉厚の厚い部材の方へずらすことが好ましい。第１のパイプ部材と第２のパイプ部材とに肉厚差があっても、加熱コイルをずらすことで誘導加熱のバランスがとられ、第１及び第２のパイプ部材の接合部が均等に加熱される。

接合部及びインサート材が基準温度範囲に昇温した後、加熱コイルに投入する電力を段階的に低下させることが好ましい。接合部の温度が一定の範囲内に収まり、接合品質を一定に保つことができる。

本発明によれば、第１及び第２のパイプ部材における接合部近傍を基準温度範囲まで昇温させる際、一定時間接合部近傍が一様に加熱されて温度が均一化されるので、その後基準温度範囲まで安定して昇温する。よって、接合部の温度を基準温度範囲に容易に確実に収めることができ、パイプ部材へ圧力を加え始めるタイミングや接合部の温度が圧接作業毎に異なることはなく、品質を一定に保つことができる。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態で使用するパイプ圧接装置の一例を模式的に示す図である。パイプ圧接装置１０は、図１に示すように、第１のパイプ部材１を保持する第１の保持機構１１と第２のパイプ部材２を二方向又は三方向から保持する第２の保持機構１２とがテーブル装置（図示せず）に構築されてなり、第１のパイプ部材１と第２のパイプ部材２とこれらのパイプ部材１、２で挟み込まれたインサート材３とを誘導加熱するため、電源部１３からの電流が整合部を介して加熱コイル１５に流れるよう配線接続されている。なお、第１の保持機構１１及び第２の保持機構１２は一部を模式的に図示しており、油圧制御によりパイプ部材１，２を押圧し、パイプ部材１，２を圧接する。

整合部は移動機構を備えたケース１４に内蔵され、ケース１４に加熱コイル１５が取り付けられているので、移動機構で加熱コイル１５の位置をパイプ圧接の方向に移動させて位置調整を行うことができる。電源部１３には制御部１３Ａが設けられ、誘導加熱コイル１５に出力される電力を制御することができる。

図示の場合では、第１のパイプ部材１が直管で、第２のパイプ部材２がエルボである場合を示しているが、保持機構１２を適宜変更することで、直管同士を接合したり、直管とエルボやチーズの管継ぎ手とを接合したりすることもできる。

本発明の実施形態では、事前に、第１のパイプ部材１、第２のパイプ部材２を例えば加熱コイル１５で誘導加熱して温度曲線を求め、温度曲線が滑らかな上昇カーブであるか否かを判断する。具体的には、第１のパイプ部材１又は第２のパイプ部材２の何れかを試験用パイプ部材として用い、例えば図１に示すパイプ圧接装置１０の第１の保持機構１１又は第２の保持機構１２で保持した状態で、一定の電力を加熱コイル１５に投入して試験用パイプ部材を誘導加熱する。誘導加熱の際、試験用パイプ部材で加熱された領域の温度を熱電対などの温度センサーで測定する。その後、測定して得られた温度曲線が滑らかな上昇カーブであるか否かを判断する。ここでいう温度曲線は、加熱時間に対する測定温度のグラフであり、パイプ圧接時におけるパイプ部材の温度まで昇温時間に対応する（詳細は後述）。また、上昇カーブが滑らかであるとは、温度曲線に屈曲点が存在しない、すなわち、温度勾配が連続的であることを意味する。

事前に求めた温度曲線が滑らかでない場合、すなわち、温度曲線に屈曲点がある場合には、第１のパイプ部材１と第２のパイプ部材２とをパイプ圧接する際の、加熱コイル１５に投入する電力を次のように制御する。制御部１３Ａを用いて電源部１３から整合部を介して加熱コイル１５に投入する電力を制御する際、加熱コイル１５に電流を流し始め所定の温度近傍まで接合部近傍が加熱されると投入電力を低下させて一定時間維持し、再度もとの電力に戻して接合部近傍を基準温度範囲まで昇温させる。ただし、一定時間後の投入電力はもとの電力と同じでなくても良い。これで、接合部近傍が基準温度範囲に昇温するまでの昇温時間内で一定時間、基準温度範囲よりも低い加熱温度に維持させることができる。ここで、基準温度範囲とは、第１及び第２のパイプ部材１，２を圧接する際の接合部近傍の温度であり、第１及び第２のパイプ部材１，２が炭素鋼でなるＳＧＰ管である場合例えば約１２７０℃±５０℃である。所定の温度とは、第１及び第２のパイプ部材１，２の相変態点及び／又は磁気変態点であり、ＳＧＰ管の場合例えば８００℃〜９００℃である。

逆に、事前に求めた温度曲線が滑らかである場合、すなわち、温度曲線に屈曲点がない場合には、第１のパイプ部材１と第２のパイプ部材２とをパイプ圧接する際、加熱コイル１５に投入する電力は、基準温度範囲まで特に変化させずに一定としてもよいし、基準温度範囲近くまで昇温した後に加熱コイル１５に投入する電力を低下させるようにしてもよい。

本発明では、以上のように、パイプ圧接するパイプ部材と実質的に同質の範囲でなる試験用パイプ部材を誘導加熱して温度曲線を求め、温度曲線が滑らかであるか否か判断し、温度曲線が滑らかでない場合、接合部及びインサート材が基準温度範囲に昇温するまでの内一定時間だけ基準温度範囲よりも低い加熱温度に維持させた後に、基準温度範囲まで昇温させる。ここで、接合する第１のパイプ部材１及び第２のパイプ部材２それ自体の温度曲線を求める必要は必ずしもなく、同様の材質でなるパイプ部材の温度曲線を求めてもよい。また、ルーティンワーク的に圧接作業を連続して行う場合、初回のみ温度曲線を求める必要はあるが、二回目以降で圧接するパイプ部材が一回目で行ったパイプ部材とほぼ同質である場合や、実際に圧接するパイプ部材の温度曲線が分かっている場合には、その度に温度曲線を求める試験を敢えて行う必要はない。

以下、事前に求めた温度曲線が滑らかでない場合について、具体的に説明する。
図２（Ａ）は図１に示すパイプ圧接装置１０において電源部１３から加熱コイル１５に対して出力する電力のタイムチャートで、（Ｂ）はパイプ部材１，２の接合部近傍の温度変化を模式的に示す図である。（Ａ）の縦軸は電源部１３から誘導加熱により投入される電力、（Ｂ）の縦軸はパイプ部材１，２の接合部近傍の温度であり、横軸は（Ａ）及び（Ｂ）の何れも時間ｔである。ここで、昇温時間とは、パイプ部材１，２にインサート材３を挟んでパイプ部材１，２同士を突き合せて加熱コイル１５に電流を流し始める所謂昇温開始時からパイプ部材１，２の接合部が基準温度範囲まで昇温するまでの時間（０≦ｔ≦Ｔ_１）と定義する。温度保持時間とは、昇温時間経過後基準温度範囲内で略一定の温度に保つ間の時間（Ｔ_１≦ｔ≦Ｔ_２）と定義する。

本実施形態では、昇温時間において電源部１３から加熱コイル１５に投入する電力を一定とせず、立ち上がり初期時間（０≦ｔ≦ｔ_１）経過後電力を低下させて保持し、その後また昇温開始と同程度の電力を投入する。ただし、一定時間後の投入電力はもとの電力と同じでなくても良い。図２に模式的に示すように、加熱コイル１５に投入する電力を、０≦ｔ≦ｔ_１で電力Ｐ_１とすると、ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２ではＰ_２（＜Ｐ_１）とし、ｔ_２≦ｔ≦Ｔ_１ではＰ_１とする。この電力を低下させた時間（ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２）は後述するように接合部近傍の温度が略一定になることから、均熱時間と呼ぶことにする。ここで、時間ｔ_１は、接合部近傍が基準温度範囲より低い加熱温度前後まで昇温するために必要な時間である。ｔ_１からｔ_２までの間では投入電力を減少させたので、接合部の温度が幾分低下しほぼ一定になる。

本発明では、接合部を所定の温度、例えばＳＧＰ管の場合８００℃〜９００℃前後まで加熱した後一定温度に維持し、その後さらに加熱することで、作業毎の温度曲線は略一致する。一方、後述する比較例１及び２では、８００℃〜９００℃前後で一定の温度に維持しないで昇温するため、接合部における温度曲線が作業毎に異なる。作業毎に温度曲線が異なる原因として、パイプ部材１，２の接合部近傍が収縮することでインサート材３及びパイプ部材１，２の外周が加熱コイル１５から離れて誘導加熱が生じ難くなること、パイプ部材１，２の急激な温度上昇で、材質の相変化や磁気変態点を安定に通過できていないことが考えられる。炭素鋼の相図（非特許文献１）によれば、例えば炭素含有量が約０．０５〜０．０６％前後の場合、約６５０℃以下ではパーライト及びセメンタイトの状態であるが、昇温に伴いフェライト（α鉄）の状態、フェライト及びオーステナイトの状態、オーステナイトの状態と変化する。そこで、本発明では、昇温時間のうち立ち上がり初期経過後一定時間、即ち均熱時間（ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２）電力をＰ_２（＜Ｐ_１）まで低下させることで、相変化点や磁気変態点となる温度近傍において急激な温度上昇をさせないで、原子結合が安定して組み変わると考えられる。

温度保持時間では段階的に電力を低下させ、パイプ部材１，２における接合部の温度が一定の範囲内に収まるようにする。例えば上記ＳＧＰ管の場合には１２７０℃±５０℃の基準温度範囲でバラツキが少なくなるように制御する。時間ｔ_３〜ｔ_４での投入電力は時間Ｔ_１〜ｔ_３の間での投入電力より低下させ、時間ｔ_４〜ｔ_５での投入電力は時間ｔ_３〜ｔ_４の間での投入電力より低下させ、時間ｔ_５〜Ｔ_２での投入電力は時間ｔ_４〜ｔ_５の間での投入電力より低下させる。

ここで、均熱時間（ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２）での投入電力Ｐ_２は、昇温開始時（ｔ＝０）から立ち上がり初期時（ｔ＝ｔ_１）までの投入電力Ｐ_１の１／３〜２／３の範囲とするのが好ましい。この範囲で、接合部近傍の温度が均一となり形状が安定化するからである。ここで、接合部近傍とは、加熱コイル１５で加熱される範囲に相当し、具体的には第１及び第２のパイプ部材１，２の接合面から等距離離れた距離までの範囲であって加熱コイル１５幅に相当する。また、この均熱時間は、３秒〜１５秒が好ましい。この時間より短いと、接合部近傍の温度が均一とならず形状が安定しないためであり、この好ましい時間で接合部近傍が十分均熱されるからである。

ところで、同じ規格寸法のパイプ部材１，２では肉厚差は無視できる程度であるため、加熱コイル１５は、加熱コイル１５の芯を第１及び第２のパイプ部材１，２の突き合せ位置に沿うように配置される。しかしながら、一方が直管で他方が継ぎ手である場合には同じ規格寸法であっても肉厚差を無視できない。例えば、エルボと直管の寸法を比較すると外径はほぼ同一寸法であるが、肉厚はエルボの方が大きい傾向にある。このような場合、加熱コイル１５の芯がエルボと直管との突き合せ位置に沿うよう加熱コイル１５を配置すると、肉厚の薄い直管側の接合部が誘導加熱により昇温され易く、所謂目違いが生じる。以下具体的に説明する。

図３は、第１及び第２のパイプ部材１，２に肉厚差がある場合において、（Ａ）は好ましい配置関係を示す概略図、（Ｂ）は好ましい配置関係の場合における接合結果を模式的に示す概略図、（Ｃ）は不適切な配置関係を示す概略図、（Ｄ）は不適切な配置関係の場合における接合結果を模式的に示す図である。
第１のパイプ部材１としての直管に比べ第２のパイプ部材２としてのエルボが肉厚である場合、図３（Ａ）に示すように、加熱コイル１５において厚みを二分する仮想面Ｐ_１を接合面Ｐ_２と一致させずに、加熱コイル１５を第１及び第２のパイプ部材１，２の突き合せ位置より距離Ｌ_１だけ肉厚のエルボ側にずらして加熱コイル１５が配置される。これで、肉薄の直管と肉厚のエルボとの接合部近傍がバランスよく誘導加熱され、図３（Ｂ）に示すように、圧接後には直管とエルボとの接合部に段差が生じない。よって、配管後管内の流体に乱れが生じず、見た目にも悪くない。

逆に、図３（Ｃ）に示すように、加熱コイル１５において厚みを二分する仮想面Ｐ_１を接合面Ｐ_２と一致させるよう、即ち第１及び第２のパイプ部材１，２の突き合せ位置に沿うように加熱コイル１５が配置されると、肉薄のパイプ部材１の方が誘導加熱により昇温され易く、圧接のため図３（Ｄ）に示すように肉薄の直管における接合部外周が拡がり、距離Ｄの段差、即ち目違いが生じるので好ましくない。

第１のパイプ部材１が第２のパイプ部材２と比べて肉薄の場合で説明したが、第２のパイプ部材２が第１のパイプ部材１と比べて肉薄の場合には加熱コイル１５は肉厚の第１のパイプ部材１側に配置される。
以上のように、肉厚差があるパイプ部材１，２同士を誘導加熱する場合には、加熱コイル１５の芯を肉厚の厚いパイプ部材側、先の例ではエルボ側に僅かに距離Ｌ_１例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍずらして配置することが好ましい。これで、規格寸法が同じであっても肉厚差による不均一な誘導加熱が生じず、パイプ部材１，２の接合部を一様に加熱することができ、目違いが生じない。

実施例を示してさらに詳細に説明する。
予め圧接する１５０Ａのエルボ２、直管１の何れかを加熱して温度曲線を求めた。具体的には電源部１３の電力の５６．５％一定で加熱コイル１５に投入した。すると、加熱開始から５０秒で約１２００℃まで昇温した。加熱開始から８００℃辺りまで急激に増加する１０秒間とその後の４０秒間とは、温度勾配が明らかに異なった。このときの温度曲線は、後述する比較例１（図６）における０秒〜５０秒までの温度曲線と同様であった。エルボ、直管の炭素含有量を測定したところ、約０．０５〜０．０６％であった。他の実施例及び比較例も同質のパイプ部材を用いた。なお、測定には、ＪＩＳ１２１１鉄及び鋼−炭素定量方法の高周波誘導加熱炉燃焼−赤外線吸収法を用いた。

そこで、次のように、１５０Ａのエルボ２と直管１とを誘導加熱して圧接した。それぞれ１５０Ａのエルボ２と直管１との間にインサート材３を挿入し、直管１、エルボ２同士を突き合せ、フラックスシートで接合部近傍を包み込み加熱コイル１５で接合部を加熱し直管１、エルボ２を圧接して接合した。幅２５ｍｍの加熱コイルを用いた。何れも炭素鋼素材のＳＧＰ管を用い、インサート材としてＭＳ１５０Ａ（ナイス社製、８５〜９０％メタル成分、アクリル系樹脂１０〜１５％で、メタルの主成分がＦｅで、Ｃｒ１２〜１４％、Ｂ２．５〜３．５％、Ｓｉ及びＭｏ０．５〜１．５％、Ｍｎ０．０５〜０．１５、Ｃ０．１以下、Ｐ０．０３以下、Ｓ０．０１以下。融点１２２０℃）を用いた。

電源部１３からの加熱コイル１５への電力投入のタイムチャートは次の通りである。０≦ｔ≦１０では電源部１３の電力の５７％、１０≦ｔ≦２０では電源部１３の電力の３５％、２０≦ｔ≦５５では電源部１３の電力の５７％、５５≦ｔ≦９０では電源部１３の電力の４８％、９０≦ｔ≦１２０では電源部１３の電力の４６％、１２０≦ｔ≦１５０では電源部１３の電力の４４％、１５０≦ｔ≦２４０では電源部１３の電力の４３％とした。なお電源部１３の電力は１５０ｋＷであり、時間ｔの単位は（秒）である。
直管１，エルボ２の接合部近傍の温度を、フラックスシートと直管１，エルボ２との間に熱電対を挿入して接触させて測定した。

図４は、実施例１における接合部の温度変化を示す図であり、横軸は時間（秒）、縦軸は温度（℃）である。昇温開始時から１０秒で、８００℃〜９００℃前後まで急激に温度上昇するが、その後１０秒間で投入電力を減少させたためやや温度が下がって略一定となり、その後５５秒まで再度昇温した。５５秒経過すると接合部の温度が一定の基準温度範囲（１２２０℃〜１３２０℃）に達し、その後、投入電力を段階的に減らしているため、接合部の温度が一定の温度範囲内に収まっている。

各パイプ部材の寸法をそれぞれ２５０Ａとし、投入電力を全体的に増加させ、昇温時間を５５秒から６５秒に増加した点を除いて、実施例１とほぼ同様にし、直管１,エルボ２同士を突き合せ、フラックスシートで接合部近傍を包み込み加熱コイル１５で接合部を加熱し直管１，エルボ２を圧接して接合した。投入電力のタイムチャートは次の通りである。０≦ｔ≦１５では電源部１３の電力の７６％、１５≦ｔ≦２５では電源部１３の電力の５０％、２５≦ｔ≦６５では電源部１３の電力の７６％、６５≦ｔ≦９０では電源部１３の電力の６５％、９０≦ｔ≦１２０では電源部１３の電力の５７％、１２０≦ｔ≦１５０では電源部１３の電力の５５％、１５０≦ｔ≦１８０では電源部１３の電力の５４％、１８０≦ｔ≦２４０では電源部１３の電力の５３．５％とした。なお電源部１３の基準となる電力は１５０ｋＷで、時間ｔの単位は秒である点は実施例１と同じである。

図５は、実施例２におけるパイプ部材の温度変化を示す図であり、横軸は時間（秒）、縦軸は温度（℃）である。昇温開始から１５秒で、９００℃近辺まで急激に温度が上昇するが、その後１０秒間で投入電力を減少させたためやや温度が下がって一定となり、その後２５〜６５秒で再度昇温する。約６５秒経過すると接合部の温度が基準温度範囲に達し、その後投入電力を段階的に減らしているため、接合部の温度が一定の温度範囲内に収まっている。

実施例１及び２では接合するパイプ部材同士の肉厚差が無視できる場合であったが、実施例３では実施例１の場合で肉厚差が無視できない場合である点が実施例１と異なる。
実施例３では、実施例１と同様、それぞれ１５０Ａのエルボ２と直管１を誘導加熱して圧接する点で同一であるが、直管の肉厚は平均約５．０ｍｍであり、エルボの肉厚は平均５．７ｍｍであった。加熱コイル１５を肉厚のエルボ側に距離１ｍｍずらした。
接合の結果、接合部に段差が生じず、きれいに接合されていることを確認した。
また、直管及びエルボの各接合部近傍にそれぞれ突き合せ位置から等距離離れた位置に熱電対を設置して温度をそれぞれ測定したところ、大きな温度差は生じなかった。

（比較例１）
実施例１に対する比較例を示す。実施例１と異なる点は、投入される電力のタイムチャートである。０≦ｔ≦５０では電源部１３の電力の５６．５％、５０≦ｔ≦８０では電源部１３の電力の４８％、８０≦ｔ≦１１０では電源部１３の電力の４６％、１１０≦ｔ≦１４０では電源部１３の電力の４４％、１４０≦ｔ≦２３０では電源部１３の電力の４２％とした。なお電源部１３の基準となる電力は１５０ｋＷで、時間ｔの単位は秒である点は実施例１と同じである。

図６は、比較例１におけるパイプ部材の温度変化を示す図であり、横軸は時間（秒）、縦軸は温度（℃）である。何れのパイプ部材も、昇温開始時から５０秒で、１２００℃まで上昇するものの、８００℃から９００℃近辺を境に、即ち昇温開始時から１０秒後において温度勾配が減少する。この温度勾配の変わり目において、パイプ部材１，２により温度差が大きくなる。５０秒経過すると接合部の温度は安定していないことが分かる。

（比較例２）
実施例２に対する比較例を示す。実施例２と異なる点は、投入される電力のタイムチャートである。０≦ｔ≦５０では電源部１３の電力の７４％、５０≦ｔ≦８０では電源部１３の電力の５６％、８０≦ｔ≦１１０では電源部１３の電力の５３％、１１０≦ｔ≦１４０では電源部１３の電力の５２％、１４０≦ｔ≦２３０では電源部１３の電力の５１％とした。なお電源部１３の基準となる電力は１５０ｋＷで、時間ｔの単位は秒である点は実施例１と同じである。

図７は、比較例２におけるパイプ部材の温度変化を示す図であり、横軸は時間（秒）、縦軸は温度（℃）である。パイプ部材は、昇温開始時から６５秒の間で、約９００℃近辺を境に、時間に換算して昇温開始から１０秒において温度勾配が平坦となりその後の温度勾配も緩やかになる。６５秒経過しても接合部の温度が基準温度範囲内に収まっていないことが分かる。

（比較例３）
実施例３に対する比較例を示す。
実施例３と異なり、加熱コイル１５の仮想面Ｐ_１がエルボと直管との突き合せ位置に沿うよう加熱コイル１５を配置した。
接合の結果、接合部に２〜３ｍｍの段差が生じていることを確認した。

次に、実施例１及び実施例２での実験を繰り返し行った結果について説明する。
図８は実施例１の再現性に関し、図９は実施例２の再現性に関し、接合部の温度変化を示す図であり、縦軸及び横軸については図４及び図５と同様である。図８に示す温度曲線は図４に示す温度曲線とほぼ一致し、図９に示す温度曲線は図５に示す温度曲線とほぼ一致しており、再現性が極めてよいことが分かった。

比較例１及び比較例２での実験を繰り返し行った結果について説明する。
図１０は比較例１の再現性に関し、図１１は比較例２の再現性に関し、接合部の温度変化を示す図であり、縦軸及び横軸については図６及び図７と同様である。図ではそれぞれ再現性の二回の確認結果を示している。図１０の何れの温度曲線も図６の温度曲線とは一致せず、９００℃近傍で昇温割合が接合作業毎に異なっており、かつ加熱開始から５０秒経過後において基準温度範囲から逸脱している時間帯があり、再現性が悪いことが分かった。図１１の何れの温度曲線も図７の温度曲線とは一致しておらず、同様に９００℃近傍で昇温割合が変化しており、かつ加熱開始から６５秒経過後において基準温度範囲から逸脱している時間帯があり、再現性が悪いことが分かった。

以上の結果から、基準温度範囲に昇温するまでの昇温時間において基準温度範囲よりも低い加熱温度で一定時間保持することで、再現性が極めて良く、昇温時間経過後の温度のばらつきは１２７０℃±２５℃という誤差範囲であり、極めて再現性がよいことが判明した。

また実施例３と比較例３とを比較すると、外径略同一寸法であっても肉厚差があるパイプ部材同士を接合する場合には、肉厚のパイプ部材側に加熱コイル１５をずらすことで、誘導加熱が均一に行われることが判明した。さらに、同じ寸法規格のパイプ部材であっても、エルボ、直管、チーズにより寸法、即ち、管軸からの距離（半径）や厚みが異なる。例えばＪＩＳ規格で決められている１５０Ａの管であっても、直管では内径の平均は７７．６ｍｍ、肉厚が平均５ｍｍであり、外径は８２．６ｍｍ±０．０８ｍｍであった。エルボでは内径の平均は７６．８５ｍｍ、肉厚が平均５．７ｍｍであり、エルボの外径は８２．５５±０．１５ｍｍであった。チーズでは内径の平均は７５．７ｍｍ、肉厚が平均７．６ｍｍであり、チーズの外径は８３．３±０．０７ｍｍであった。以上のことから、同じ寸法規格でも、肉厚は直管、エルボ、チーズの順に厚くなることが分かった、また、実施例３と同様の実験を行い、接合するパイプ部材に肉厚差がある場合、例えば０．５ｍｍの肉厚差では加熱コイル１５の位置を１ｍｍ、肉厚の厚いパイプ部材側にずらせばよいことが分かった。

また、実施例１及びその再現性によれば、１５０ＡのＳＧＰ管の場合には８００℃〜９００℃での乱れが少なく、均熱時間が５秒程度とすることで安定した温度曲線が得られた。さらに１００ＡのＳＧＰ管の場合には８００℃〜９００℃での乱れが１５０ＡのＳＧＰ管と比べて少なく、均熱時間が３秒程度とすることで安定した温度曲線が得られた。実際に接合するパイプ部材の径や均熱時間を変えても、少なくとも均熱時間を３秒〜１５秒あれば安定した温度曲線が得られることが分かった。熱電対で接合部の温度を測定すると、加熱コイル１５幅、即ち２５ｍｍの範囲に均一に分布していることが分かった。

以上のことから、昇温時間で一定の電力を加熱コイル１５に投入してパイプ部材１，２を昇温すると温度勾配が加熱時間により変化する場合には、昇温時間において電力を低下させて一定時間保持することで、パイプ部材１，２を圧接する際の接合部の温度を所定の基準温度範囲に収めることができ、再現性がよいことが判明した。これにより、パイプ圧接の品質を保持することができる。ここで、昇温時間における温度勾配の変化があるか否かは、比較例１のように約１０秒で傾きが明らかに変化している場合（図６）、比較例２のように一定の電力で誘導加熱しても或る時間昇温しない場合（図７）では、グラフ化することで明確に判断することができるが、温度勾配の変化量の判断値を定めておいて、この定めた判断値を超えたか否かでも求めることができる。

本発明の実施形態で使用するパイプ圧接装置の一例を模式的に示す図である。 （Ａ）は図１に示すパイプ圧接装置において電源部から加熱コイルに対して出力する電力のタイムチャート、（Ｂ）はパイプ部材の接合部近傍の温度変化を模式的に示す図である。 第１及び第２のパイプ部材に肉厚差がある場合において、（Ａ）は好ましい配置関係を示す概略図、（Ｂ）は好ましい配置関係の場合における接合結果を模式的に示す概略図、（Ｃ）は不適切な配置関係を示す概略図、（Ｄ）は不適切な配置関係の場合における接合結果を模式的に示す図である。 実施例１における接合部近傍の温度変化を示す図である。 実施例２における接合部近傍の温度変化を示す図である。 比較例１における接合部近傍の温度変化を示す図である。 比較例２における接合部近傍の温度変化を示す図である。 実施例１の再現性に関し、接合部近傍の温度変化を示す図である。 実施例２の再現性に関し、接合部近傍の温度変化を示す図である。 比較例１の再現性に関し、接合部近傍の温度変化を示す図である。 比較例２の再現性に関し、接合部近傍の温度変化を示す図である。

符号の説明

１，２：パイプ部材
３：インサート材
１０：パイプ圧接装置
１１，１２：保持機構
１３：電源部
１３Ａ：制御部
１４：ケース
１５：加熱コイル

Claims (7)

1. 第１及び第２のパイプ部材でインサート材を挟み該第１及び第２のパイプ部材の接合部と該インサート材とを加熱コイルで基準温度範囲まで誘導加熱することで第１のパイプと第２のパイプ部材とを接合する、パイプ接合における誘導加熱方法において、
   上記接合部及び上記インサート材を上記基準温度範囲に昇温するまでの昇温時間内で一定時間上記基準温度範囲よりも低い加熱温度に維持することを特徴とする、パイプ接合における誘導加熱方法。
2. 前記基準温度範囲より低い加熱温度が、前記第１及び第２のパイプ部材における相変態点及び／又は磁気変態点近傍の温度であることを特徴とする、請求項１に記載のパイプ接合における誘導加熱方法。
3. 第１及び第２のパイプ部材でインサート材を挟み該第１及び第２のパイプ部材の接合部と該インサート材とを加熱コイルで基準温度範囲まで誘導加熱することで第１のパイプ部材と第２のパイプ部材とを接合する、パイプ接合における誘導加熱方法において、
   上記接合部及び上記インサート材が上記基準温度範囲に昇温するまでの昇温時間内で一定時間上記加熱コイルに投入する電力を低下させることを特徴とする、パイプ接合における誘導加熱方法。
4. 前記一定時間に前記加熱コイルに投入する電力は、昇温開始時における投入電力の１／３〜２／３の範囲とすることを特徴とする、請求項３に記載のパイプ接合における誘導加熱方法。
5. 前記一定時間は、３秒以上１５秒以下の範囲であることを特徴とする、請求項１又は３に記載のパイプ接合における誘導加熱方法。
6. 前記加熱コイルは、前記第１のパイプ部材と前記第２のパイプ部材との肉厚差に応じて該第１のパイプ部材と該第２のパイプ部材との突き合せ位置から該加熱コイルを肉厚の厚いパイプ部材の方にずらして配置されることを特徴とする、請求項１又は３に記載のパイプ接合における誘導加熱方法。
7. 前記接合部及びインサート材が基準温度範囲に昇温した後、前記加熱コイルに投入する電力を段階的に低下させることを特徴とする、請求項３に記載のパイプ接合における誘導加熱方法。

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