JP2010280983A - 誘導加熱コイル、誘導加熱装置及び部品製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品の損傷を防止するとともに製造時間や製造コストを低減することができる誘導加熱コイル及び誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】誘導加熱コイル２６は、金属厚板１４の切断面に熱処理を施す切断面加熱用の誘導加熱コイルであって、前記切断面に対向して配置され、複数の湾曲部３４、３５が交互に対向して第１方向に連続して配置される蛇行形状を成す加熱導体部３１を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、誘導加熱コイル、誘導加熱装置及び部品製造装置に係り、例えば、金属厚板の切断面加熱に関するものである。

船や施設などの部品として用いられる鋼板の製造ラインにおいて、鋼板を剪断（シャーリング）加工して所望の長さに切断することが行われている。鋼板としては例えば厚さ１０ｍｍ〜３８ｍｍ程度、長さ５〜１５ｍ程度の厚板鋼板が用いられ、剪断加工により切断された後にプレスや溶接等の加工を施すことで各種形状の部品が製造される。剪断加工により切断された厚板鋼板は、その切断面に時効割れなどの損傷が発生する場合がある。このような事情に鑑みて、一般的に、時効割れなどの損傷を防ぐために機械加工により端部を切除することが行われている。

また、例えば厚さ１．２ｍｍ程度の薄板鋼板を加熱する誘導加熱装置として、往復するコイルを用いて擬似的に肉厚を確保してターン電流を流す技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３５３０３５号公報

しかしながら、上記技術には以下のような問題がある。すなわち、時効割れなどの損傷を防ぐために機械加工により端部を切除する方法では、製造ラインでの歩留まりが低下するので、製造工程が複雑となり、部品の製造時間や製造コストが増大する原因となる。

そこで、本発明は、部品の損傷を防止するとともに製造時間や製造コストを低減することができる誘導加熱コイル、誘導加熱装置及び部品製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる誘導加熱コイルは、金属厚板の切断面に熱処理を施す切断面加熱用の誘導加熱コイルであって、前記切断面に対向して配置され、複数の湾曲部が交互に対向して第１方向に連続して配置される蛇行形状を成す加熱導体部を有することを特徴とする。

本発明の他の一態様にかかる誘導加熱コイルは、前記金属厚板の切断面は剪断処理によって切断された剪断面であることを特徴とする。

本発明の他の一態様にかかる誘導加熱コイルは、前記湾曲部は半円弧形状を成し、隣り合い対向する前記湾曲部の中心線の頂部同士を結ぶ線分と前記第１方向とが実質的に４５度の角度を成すことを特徴とする。

本発明の他の一態様にかかる誘導加熱装置は、前記誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの一端側に接続される第１導電板と、前記誘導加熱コイルの他端側に接続される第２導電板と、前記第１導電板及び前記第２導電板に接続される高周波電源と、前記誘導加熱コイルを、前記金属鋼板の加熱対象部に対して、前記第１方向に相対移動させる移動部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の他の一態様にかかる部品製造装置は、前記誘導加熱装置と、誘導加熱処理の前に前記金属厚板を剪断処理する剪断装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、部品の損傷を防止するとともに製造時間や製造コストを低減することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る部品製造装置を示す説明図。 同実施形態に係る誘導加熱装置の構成を概略的に示す説明図。 同実施形態に係る誘導加熱装置の構成を概略的に示す説明図。 同実施形態に係る処理対象物を示す説明図。 同実施形態に係る誘導加熱装置を示す平面図。 同実施形態に係る誘導加熱装置を示す正面図。 同実施形態に係る誘導加熱装置を示す側面図。 同実施形態に係る加熱コイルの構成を示す説明図。

以下、本発明の一実施形態について、図１乃至図８を参照して説明する。図１は、部品製造装置を示す説明図であり、図２及び図３は誘導加熱装置１０の構成を概略的に示す説明図である。図４は処理対象物を示す説明図である。図５は誘導加熱装置１０の平面図、図６は正面図、図７は側面図をそれぞれ概略的に示す。図８は誘導加熱コイル２６の断面を示す説明図である。図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

図１に示すように、部品製造装置１は、金属厚板としての厚板鋼板１４に対して剪断（シャーリング）加工処理をする剪断処理装置１１と、厚板鋼板１４の剪断面を加熱処理する誘導加熱装置１０と、誘導加熱処理後の厚板鋼板１４にプレスや溶接などの加工処理をする加工処理装置１２と、を備えて構成されている。

この部品製造装置１において、まず圧延などの前処理が成された厚板鋼板１４が剪断処理装置１１における剪断加工処理により所望の長さに切断される。次いで剪断面（切断面）を構成する厚板鋼板１４の両端面１４ａの厚さ方向中央部分の領域Ａ１が、誘導加熱装置１０における誘導加熱処理により熱処理されて表面改質される。さらに、加工処理装置１２において、誘導加熱処理後の厚板鋼板１４にプレスや溶接などの加工処理が施される。すなわち、同一の製造ラインにおいて、剪断処理、誘導加熱処理、及び加工処理、が順次施され、各種形状の部品が製造される。

図２の説明図及び図３のＡ−Ａ矢視図に示すように、誘導加熱装置１０は、ワーク載置台１６と、誘導加熱コイル２６をワーク載置台１６上の処理対象物Ｐ１に対して相対移動させる移動部（移動手段）１５と、を備えている。移動部１５は、ワーク載置台１６上に処理対象物Ｐ１としての厚板鋼板１４が載置された状態で、加熱対象部である端面（切断面）１４ａと加熱導体部３１とのギャップ寸法と角度を所定値に維持するように制御して誘導加熱コイル２６を所定の速度でＸ方向にスライド移動させる機能を有している。

図４に示すように、剪断処理後の加熱処理の対象となる処理対象物Ｐ１は、例えば厚さ１０ｍｍ〜３８ｍｍ程度、長さ５〜１５ｍ程度の厚板鋼板であり、ここでは一例としてＹ軸方向の長さ寸法Ｙ１＝５００ｍｍ、Ｚ軸方向の厚さ寸法Ｚ１＝３８ｍｍ、Ｘ軸方向の幅寸法Ｘ１＝２００ｍｍ程度に寸法設定された厚板鋼板１４を用いる。なお、加熱処理の前に長さ方向の両端部が剪断処理により切断処理されているので、加熱処理の対象となる処理対象物Ｐ１（厚板鋼板１４）の長手方向（Ｙ軸方向）両側の端面１４ａは剪断面を構成している。この端面１４ａにおける厚さ方向中央部分の領域Ａ１が加熱対象部となる。領域Ａ１の厚さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）は、例えば２５ｍｍ程度とする。

図５乃至図７に示すように、誘導加熱装置１０は、厚板鋼板１４の剪断面を加熱する切断面加熱用の加熱装置であり、高周波電源２１と、高周波電源２１に接続されるリード線２２、２３と、リード線２２，２３に接続される一対の導電板２４，２５を備えるスペーサ２８と、両端が一対の導電板２４，２５にそれぞれ接続された誘導加熱コイル２６と、誘導加熱コイル２６の加熱導体部３１の裏側に配置されるコア２７と、を備えている。

誘導加熱コイル２６は、処理対象物Ｐ１の剪断面である端面１４ａに対向する蛇行形状の加熱導体部３１と、加熱導体部３１の一端側３１ａに連続する第１の接続導体部３２と、加熱導体部３１の他端側３１ｂに連続する第２の接続導体部３３と、を連続して一体に備えている。

図６に示すように、加熱導体部３１は、複数の半円周形状の湾曲部３４、３５が交互に対向する向きでＸ方向に連続して並列配される蛇行状を成している。各湾曲部３４，３５はそれぞれ中心角が１８０度の円弧形状を成している。隣り合い対向する湾曲部３４、３５の中心線の頂部３４ａ，３５ａ同士を結ぶ線分Ｃ１と、湾曲部３４，３５の並列方向である第１方向（Ｘ軸方向）に延びる基準線Ｄ１とが成す傾斜角θ１は、４５度を成すように設定されている。なお、ここでは一例として加熱導体部３１のＺ軸方向の寸法Ｚ２＝４５ｍｍ、Ｘ軸方向の寸法Ｘ２＝１９５ｍｍ程度に設定されている。また、加熱導体部３１の厚さ方向中央と端面１４ａの厚さ方向中央が一致している。この厚さ方向中央の線を第１方向に延びる基準線Ｄ１としている。

図５乃至図７に示すように、第１の接続導体部３２は、加熱導体部３１の一端側３１ａの端部からＹ方向に延びる導体部３２ａと、導体部３２ａの端部から屈曲してＸ方向に沿って導電板２４の幅方向中央側に向かって延びる導体部３２ｂと、導電板２４の中央で屈曲してＹ方向に向かって延びる導体部３２ｃと、さらに屈曲してＺ方向に延びる導体部３２ｄと、を連続して一体に備えて構成されている。第１の接続導体部３２の端部には冷却液用のホースなどの部品を接続するためのカップラ３６が設けられている。

第２の接続導体部３３は、加熱導体部３１の他端側３１ｂの端部からＹ方向に延びる導体部３３ａと、導体部３３ａの端部から屈曲してＸ方向に沿って導電板２５の幅方向中央側に向かって延びる導体部３３ｂと、導電板２５の中央で屈曲してＹ方向に向かって延びる導体部３３ｃと、さらに屈曲してＺ方向に延びる導体部３３ｄと、を連続して一体に備えて構成されている。第２の接続導体部３３の端部には冷却液用のホースなどの部品を接続するためのカップラ３７が設けられている。

図７に示すように、第１の接続導体部３２と第２の接続導体部３３とは、スペーサ２８を挟んで厚さ（Ｚ軸）方向に離間して配置されている。スペーサ２８は、それぞれ矩形の平板状を成す一対の導電板２４，２５と、これら一対の導電板２４，２５の間に挟まれる矩形の平板状の絶縁板３８とがＺ方向に重ねて配置されるとともに、これら導電板２４，２５及び絶縁板３８が絶縁ブッシュ３９を介してボルト４１及びナット４２により固定されて構成されている。各導電板２４，２５は、リード線２２を介して高周波電源２１に接続されている。

図８に断面を示すように、誘導加熱コイル２６は銅などの材質から例えば矩形の中空形状に形成されている。この中空部分は冷却液が流通する通路となる。

コア２７は、ケイ素鋼板、ポリアイアンコア、フェロトン等の高透磁率を有する材質からなり、加熱導体部３１の裏側に配置されている。コア２７は、約５ｍｍ程度の厚さを有し、加熱導体部３１の上下及び後方の壁部を一体に備える断面コ字形状に形成されている。

以下、本実施形態にかかる誘導加熱処理の工程について説明する。高周波電源２１をＯＮ状態とすると、高周波電流が、リード線２２、第１の導電板２４、第１の接続導体部３２、加熱導体部３１、第２の接続導体部３３、第２の導電板２５、及びリード線２３、を順に経て、高周波電源２１に戻る。このとき、高周波電流は図５乃至７中に矢印で示すように一端側から他端側へ向かって流れ、誘導加熱コイル２６の表面に誘導電流が発生する。この状態で移動部１５により、処理対象物Ｐ１の端面１４ａと加熱導体部３１とのギャップ寸法と角度を所定値に維持した状態で、処理対象物Ｐ１の端面１４ａに対して誘導加熱コイル２６を所定の速度でＸ方向にスライド移動させる。

例えばここでは、加熱前の鋼板初期温度は１００℃を前提とし、電力を１００ｋＷ、ギャップ寸法Ｇ１＝３ｍｍに設定し、処理対象物Ｐ１の端面１４ａが加熱導体部３１の先端面に平行となるように維持しながら、１００ｍｍ／ｓｅｃの速度で走行させる。

このときの温度パターンは、処理対象物Ｐ１の中心の表面部分の中央の点Ｂ１の到達温度＝８５０℃、表面部分の両端の点Ｂ２，Ｂ３の到達温度＝６５０℃、中央部分の表面から５ｍｍの深さの点Ｂ４の到達温度＝４５０℃、表面から１０ｍｍの点Ｂ５の到達温度＝２８０℃、となった。

以上により、加熱導体部３１に対向配置される厚板鋼板１４の剪断面である端面１４ａの厚さ方向中央部分の帯状の領域Ａ１が加熱され、表面改質される。誘導加熱処理を施した処理対象物Ｐ１では、時効割れの発生率は０％となった。

冷却液は、第１の接続導体部３２、加熱導体部３１、第２の接続導体部３３、の中空部分を経由して流れ、誘導加熱コイル２６及び導電板２４，２５を冷却する。

本実施形態にかかる誘導加熱コイル、誘導加熱装置及び部品製造装置によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、上述の蛇行形状の誘導加熱コイル２６を用いて厚板鋼板１４の剪断面に熱処理をすることにより、部品の時効割れを防止するとともに製造時間や製造コストを低減することが可能となる。なお、本実施形態においては表面の加熱温度を８５０℃と設定したが、表面の加熱温度を５００℃以上にすれば、時効割れの発生率を０％にすることが可能である。したがって、例えば約５００℃〜約８５０℃の範囲で加熱温度条件を変更して適用できる。

また、誘導加熱コイル２６の加熱導体部３１を、円弧状の湾曲部３４が連なる蛇行形状としたことにより、強磁界を確保できるとともに、良好な温度パターンが得られる。このため、高速かつ均一な熱処理が可能となる。さらに、傾斜角θ１＝４５度として半円形状の湾曲部を対向させて連続配置した蛇行形状により、打ち消しあいを防止でき、コイルの自己損失を低減することが可能である。

例えば、比較例として一枚の矩形の板状の誘導加熱コイル２６を用いた場合には、電力１００ｋＷとして表面の到達温度８５０度にする場合には５ｍｍ／ｓｅｃの速度となるのに対し、本実施形態にかかる傾斜角θ１＝４５度の蛇行状の加熱コイルを用いた場合には、電力１００ｋＷとして表面の到達温度８５０度とする場合に、１００ｍｍ／ｓｅｃの速度を実現できる。すなわち、本実施形態の蛇行形状の誘導加熱コイル２６を用いることで平板状の誘導加熱コイル２６に比べて約２０倍の速度で処理を行うことが可能となる。

なお、上記実施形態においては切断面の一例として剪断加工処理による剪断面を例示したが、これに限られるものではない。例えば剪断による切断に変えて、レーザー切断、プラズマ切断、溶断等の他の方法によって切断された切断面についても本発明を適用可能である。

なお、本発明は上記各実施形態に限られるものではなく、各構成は適宜変形実施可能である。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、処理条件や、各構成要素の形状、材質、寸法などは上記実施形態で例示したものに限られず、適宜変更可能である。また、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を組合せてもよい。

Ａ１…領域、Ｐ１…処理対象物、Ｃ１…線分、Ｄ１…基準線、θ１…傾斜角、
１…部品製造装置、１０…誘導加熱装置、１１…剪断処理装置、１２…加工処理装置、
１４…厚板鋼板、１４ａ…端面、１５…移動部（手段）、２１…高周波電源、
２２．２３…リード線、２４…第１の導電板、２５…第２の導電板、
２６…誘導加熱コイル、２７…コア、２８…スペーサ、３１…加熱導体部、
３２…第１の接続導体部、３３…第２の接続導体部、３４．３５…湾曲部、
３４ａ．３５ａ…頂部。

Claims (5)

1. 金属厚板の切断面に熱処理を施す切断面加熱用の誘導加熱コイルであって、
   前記切断面に対向して配置され、複数の湾曲部が交互に対向して第１方向に連続して配置される蛇行形状を成す加熱導体部を有することを特徴とする誘導加熱コイル。
2. 前記金属厚板の切断面は剪断処理によって切断された剪断面であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイル。
3. 前記湾曲部は半円周形状を成し、隣り合い対向する前記湾曲部の中心線の頂部同士を結ぶ線分と前記第１方向とが実質的に４５度の角度を成す加熱導体部を有することを特徴とする請求項１または２記載の誘導加熱コイル。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルの一端側に接続される第１の導電板と、
   前記誘導加熱コイルの他端側に接続される第２の導電板と、
   前記第１の導電板及び前記第２の導電板に接続される高周波電源と、
   前記誘導加熱コイルを、前記金属鋼板の加熱対象部に対して、前記第１方向に相対移動させる移動手段と、を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
5. 請求項４記載の誘導加熱装置と、誘導加熱処理の前に前記金属厚板を剪断処理する剪断装置と、を備えたことを特徴とする部品製造装置。

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