JP2018508934A

JP2018508934A - 金属シートの伝導加熱方法、そのための電極及び加熱装置

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Publication number: JP2018508934A
Application number: JP2017535672A
Authority: JP
Inventors: ヒューブナー、スベン; ベーレンス、ベルント−アルノ
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2014-02-18
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: DE102014102033A1; JP6679595B2; WO2015124604A1; EP3108019A1; EP3108019B1; DE102014102033B4

Abstract

本願発明は、金属シートの伝導加熱方法であって、金属シート又は金属シートの少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭が長方形又は非長方形であり、伝導加熱を実行するために、接触領域を有する少なくとも１つの電極を金属シートと電気接触させ、伝導加熱を実行するための電流を接触領域を介して金属シートに供給する及び／又は前記金属シートから取り出すことを含み、電極が複数の相隔たる接触表面を含む凸凹及び構造化された接触領域を有し、複数の接触表面によって電極と金属シートとの間に複数の相隔たる接触部位が形成される方法に関するものである。本願発明は更に、金属シートを伝導加熱する電極、及び金属シートを伝導加熱する方法を実行する伝導加熱装置に関するものである。

Description

本願発明は、金属シートの伝導加熱方法に関するものであって、金属シート又は金属シートの少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭が長方形又は非長方形であり、伝導加熱を実行するために、接触領域を有する少なくとも１つの電極を金属シートと電気接触させ、伝導加熱を実行するための電流を接触領域を介して金属シートに供給する及び／又は金属シートから取り出す。また、本願発明は金属シートを伝導的に加熱する電極及び金属シートを伝導的に加熱する方法を実行する伝導加熱装置に関するものである。

一般に、本願発明は金属加工の分野に関し、特に、金属シートから自動車部品やシャーシ部品等の金属シート部品を製造する分野に関するものである。金属シートからの成形品製造処理は、例えば連続製造ライン等の製造ラインにより実行される。この製造ラインは通常、プロセス上で関連する変形、縁取り、及び場合によって形状特性変更、被覆、加圧硬化等の更なる過程を実行する設備を含む。その多くは、非常に高い硬性、最高水準の硬性、又は超最高水準の硬性を持つ部品を製造することを意図している。

加圧硬化時、金属シートを約９３０℃まで加熱し、成形しながら冷却する。金属シートを冷却された加圧工具により加圧硬化する際に選択的に冷却（硬化）することによって、マルテンサイト構成を実現し、５％＞の領域で１５００ＭＰａでの伸縮を超える抗張力等の所望の加工材料特性を獲得できる。この加熱処理の不利な点は、従来の加熱処理における、例えばローラハース炉での比較的長い加熱期間である。長い加熱期間の結果、材料にも不利なスケール（材料燃焼）が形成されてしまう。従来技術による対策としては、オーブン加熱時に拡散するコーティングを、部品の表面に覆う。その場合、コーティングの製造に更に手間やお金がかかる。コーティングされていない材料も工業的に加圧硬化されるが、その場合、加圧後に部品のスケールを除去する。ここで不利な点は、工具表面に摩耗作用を及ぼす硬いスケールによる高い工具摩耗である。

従来の比較的長くかかる加熱処理の代わりとして、金属シートを伝導加熱処理により加熱できる。この際、金属シートは電流を伝えることにより発生する電熱によって加熱される。適切に強い電流の場合、典型的な加熱処理は１０秒もかからない。その有利な点は、短期間で非常に薄いスケール層のみが形成されることであり、またそれによって、スケール保護層を必要とせず工具摩耗が減少されるという利点がある。金属シートの伝導加熱処理は、例えばＤＥ１０２００６０３７６３７Ａ１に記載されている。

従来技術の提案は実用性がいまだに限られている状況である。その理由は、略長方形の部品に対する加熱処理又は部品の長方形の部分に対する加熱処理のみに適するからである。しかし、自動車のシャーシ部品等の実際的に製造される部品では、前述の加熱される金属シート又は金属シートの加熱される領域は理想長方形状を有さない。むしろ、多くの部品は不揃いな形状を有する。仮に従来技術の提案を採用しても、不揃いな加熱処理になり、所望の製造結果が得られない。しかし、それより単純に形成された金属シート、つまり長方形の金属シート又は長方形の部分を有する金属シートの伝導加熱もまた困難である。

伝導加熱時に、特に（例えば展開ブランクに必要な）点給電の処理において起こるいわゆるホットスポットの問題がいまだ未解決である。ホットスポットとは、伝導加熱時に点在して形成される、周囲よりも加熱度が強過ぎる部位のことをいう。伝導加熱処理における均一な加熱の物理的な条件として、全金属シートの断面に渡り略同一の電流密度とすることがある。これを給電部位又は電流取出部位（各電極が金属シートと接触する位置）において実現することが特に難しい。

従来の伝導加熱処理の更なる問題は、電極が金属シートと接触する金属シートの各周辺領域において、所望の加熱処理（オーステナイト化）及びそれに関連する金属シート材料の硬化を実現することができないことである。それゆえ、各周辺領域は実用される最終的な部品に利用できず、又はその不十分な硬化状態を受け入れざるを得ない。従って、レーザー切断法等により各周辺領域を排除する更なる製造工程が必要となる。特に小型の金属シートでは、切削率が比較的高いため、比較的不利な材料利用率に繋がる。

従って、本願発明の課題は、前述の問題を解決する金属シートの伝導加熱方法、そのため電極及び加熱装置を提供することである。

本願発明の課題は請求項１による金属シートの伝導加熱方法により解決される。金属シート又は金属シートの少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭が長方形又は非長方形であり、伝導加熱を実行するために、接触領域を有する少なくとも１つの電極を金属シートと電気接触させ、伝導加熱を実行するための電流を接触領域を介して金属シートに供給する及び／又は金属シートから取り出す。電極は複数の相隔たる接触表面を含む凸凹及び構造化された接触領域を有し、複数の相隔たる接触表面によって電極と金属シートとの間に複数の相隔たる接触部位が形成される。本願発明では、正方形の金属シートは長方形の金属シートの特別な例である。

本願発明の有利な点は、本願発明による電極により電極と金属シートとの間の接触領域において比較的急な熱勾配を実現可能であり、その有利な効果は電極の領域においても金属シートの所望の熱処理が実行されることである。このようにして、特に小型の部品では、切削率を大いに減少できる。多くの場合、金属シートの周辺領域を切削する更なる製造工程を省略しても良い。

一般に、伝導加熱処理では、金属シートは冷却された電極の加圧接触領域において冷たい状態のままにある。更に、十分に加熱されない、電極の影響範囲が形成される。そこでは、完全なオーステナイト化処理及び後続の硬化処理は不可である。それは特に金属シートの縁に当てはまる。その物理的な原因は、電極の熱冷却効果とその結果的効果である。原則として、金属シートの抵抗量は加熱量が増加するほど増大する。金属シートの縁領域が冷たい状態にある場合、抵抗量はそれほど増大しない。金属シートの縁領域は金属シートの残りと直列接続している。大きな抵抗がある場合、より大きく電圧が降下し、より多くの出力が変換されるため、再度加熱処理が実行される。その結果、金属シートの縁についての加熱性能（電極の影響範囲）に不利な電子雪崩がもたらされる。

本願発明の更なる有利な点は、従来不利なホットスポットを、通常では加熱処理が不十分に実行される領域（電極の影響範囲）において均一に発生させることにより、回避せずにむしろ意図的に利用することである。

そのため、多数の小さなホットスポットを金属シートにおいて電極の正面に発生させ、各ホットスポットの間隔は凡そ金属シートの厚さに相当するようにする。このようにして、不揃いな加熱に由来するホットスポットとしてではなく、有利に、金属シートの縁領域（さもなければ十分に加熱されない電極の影響範囲）において均一に作用するものとすることができる。また、本願発明の新たな電極形状は金属シートの全表面に渡って載らないため、各冷却された電極から消散する熱がより少なく有利である。更に、熱は電極範囲内の露出領域において有利により良く発生できる。その結果、金属シートは、電極の正面かつその直接の電極領域において目標温度まで温まる。

前述の課題は更に、金属シートと電気接触する接触表面を有する、金属シートを伝導的に加熱する電極により解決される。電極は複数の相隔たる接触表面を含む凸凹及び構造化された接触領域を有し、複数の相隔たる接触表面によって電極と金属シートとの間に複数の相隔たる接触部位が形成される。

前述の課題は更に、金属シートを伝導的に加熱する方法を実行する伝導加熱装置により解決される。伝導加熱装置は、給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極として、少なくとも１つの前述のような電極を有する。

凸凹及び構造化された接触領域を有する本願発明による電極は、給電電極、電流取出電極及び／又は送電電極として使用し得る。給電電極は、金属シートに給電（電流を供給）して伝導加熱処理を実行させるためのものである。電流取出電極は、電流を金属シートから取り出すためのものである。送電電極は、金属シート加熱が例えば台形表面領域のペアに対して行われる場合、電流をある金属シートから他の金属シートに伝送するためのものである。また、特定の領域を意図的に加熱しないために、金属シートに対して遷移電極を適用し得る。

本願発明は更に金属シートの伝導加熱方法を提供するものであって、金属シート又は金属シートの少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭が非長方形であっても、加熱される領域は均等に加熱される。専門用語では、金属シートは「ブランク」、非長方形のブランクは「加工されたブランク」という。また、そのための適切な伝導加熱装置を提供するものである。

それは、金属シートの伝導加熱方法により可能にされる。金属シート又は金属シートの少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭は非長方形である。輪郭に適応した給電電極と電流取出電極との配列が構成され、各給電電極と各電流取出電極は、分離され輪郭に沿って配置されるとともに、電気的に互いに分離された複数の電源と接続させられる。電源の容量は、全てのペアにされた給電電極と電流取出電極との間の金属シートに、実質的に同一の電流密度を与えるほどの容量である。本願発明の有利な点は、金属シート、又はその加熱される領域の輪郭に合わせ製造された給電電極と電流取出電極の配列であって、各電極が分離されて輪郭に沿って配置されるとともに、電気的に互いに分離された電源により作用される構成が実現されることである。このようにして、例えば、加熱される領域の輪郭を長方形表面領域又は少なくとも実質的に長方形の表面領域に分割し得、各表面領域において正確にその領域に電流を所望の電流密度で流すための適応された給電電極及び電流取出電極が構成できる。隣接した、同様に実質的に長方形の表面領域には、更なる給電電極と電流取出電極のペアを配置し得、第二の電源により調整電圧又は調整電流を作用させ、前述の隣接した表面領域と同一の電流密度とする。このようにして、全ての加熱される領域を実質的に長方形の表面領域に分割し、各表面領域において同一の電流密度を与える。全ての表面領域において同一の電流密度とすることによって、表面領域の間の直交流を回避し、予期されない加熱結果も回避できる。電流密度は抵抗状況により必然的に順応し、原則として均一になるように強制することができない。しかし、一領域当たりに必ず同一の出力がもたらされるゆえ、均一な加熱を与えるものは均一な電流密度のみである。ここでの目的は、均一な電流密度とするように展開ブランクにおける抵抗状況を前述の方法で設定することである。このようにして、不揃いな形の金属シート又は金属シートの不揃いな加熱される領域に対して均一な伝導加熱を実現できる。従って、本願発明により、有利な伝導加熱処理を任意形状の金属シートに普遍的に適用できる。ここで、略同一かつ均一な電流密度とするために、金属シートは電極を介して供給される電流が流れる抵抗媒体だと見做され得る。

本願発明により、金属シートはスケールを抑制して所望の温度に加熱され得る。このようにして、部品のスケール除去、及び後続の加熱された金属シートに対する加圧硬化処理時の、スケールが工具表面を摩擦することによる工具摩耗に伴う手間を省くことができる。加熱処理は１０秒以下で実行し得る。加熱期間は給電量により設定し得る。一般には、金属シートを通過する電流量が多いほど、加熱処理を速く実行できる。

金属シートとしては、鋼鉄、チタン、アルミニウム、マグネシウム等の導電性金属からなる金属シートが考えられる。本願発明による有利な変形例では、金属シートの材料厚は、少なくとも伝導加熱処理後の更なる処理及び場合により変形される工程前には一定である。

給電電極は、電流を電源から金属シートに供給するためのものである。電流取出電極は、電流を金属シートから電源に戻すためのものである。本願発明の有利な変形例による各電源の容量は、全てのペアにされた給電電極と電流取出電極に渡り、同一の電流密度を各給電電極から金属シートに供給し電流取出電極を介して金属シートから取り出すほどの容量である。

使用される給電電極の数は、使用される電流取出電極の数と同一であり、又はそれと異なり得る。同一の場合、１つの給電電極と１つの電流取出電極が同一の電源に接続する１つの電極ペアをなすことが有利である。また、例えば２つの給電電極又は２つの電流取出電極を電気的に接続させても良い。このようにして、互いに接続していない電極は異なる電圧で異なる電源に接続し、それゆえに、金属シートにおいて隣接した表面領域で同一の電流密度を発生できる。

ここで、電気的に分離された複数の電源は、少なくともその接続部の１つにおいて電気的に分離する必要がある。本願発明の有利な変形例では、各電源は互いに接続されず接地もされない。このようにして、シャーシにおいて同時に操作される複数のスポット溶接の場合と同様に、隣接した電源の電位は接触線において浮動（ｅｉｎｓｃｈｗｉｍｍｅｎ）する。「浮動（ｅｉｎｓｃｈｗｉｍｍｅｎ）」とは抵抗溶接技術において周知の用語である。

金属シートの同一の電流密度を確保するために、互いに割り当てられペアにされた電流取出電極と給電電極の間に、電流が更なる電源から金属シートに供給され又は電流が金属シートから更なる電源に取り出されるための他の電極を配置しないことが更に有利である。このようにして、金属シートにおいて望まれる同一電流密度にゆらぎが発生することを回避できる。

前述の如く、伝導的に加熱される領域は実質的に長方形の表面領域に分割できる。また、伝導的に加熱される領域は台形表面領域又は実質的に台形の表面領域に分割できる。また、それらを組み合わせること、つまり伝導的に加熱される領域を長方形及び／又は台形表面領域に分割することが有利である。台形表面領域において同一の電流密度を実現するために、本願発明の有利な変形例では、金属シートのペアが、複数の互いに電気的に絶縁され金属シート同士の間の遷移領域に沿って隣同士に配設された送電電極により、互いに電気的に接続される。金属シートと金属シートとを適切に対向して配置することによって、遷移電極を介して接続された２つの台形表面領域に全体で同様に長方形表面領域が形成され、その片面には少なくとも１つの給電電極、そのもう１つの片面には少なくとも１つの電流取出電極が接続できる。このようにして、本願発明による方法の柔軟性及び適応性は更に向上する。ここでは、各金属シートの同一の又は対称な輪郭を有する台形表面領域を遷移電極を介して互いに接続することが有利である。

本願発明の有利な変形例では、同一の金属シートにおける台形表面領域でもペアで送電電極を介して互いに電気的に接続することで、長方形表面領域のような電気的振る舞いをさせることができる。そのために、各台形表面領域を適切に、特に同一の斜角を備えるように配置する必要がある。

このようにして、結果として長方形の金属シートと同様に、台形表面領域でも均一な抵抗状況を実現できる。本願発明の方法で、複雑に形成された様々な金属シートが１つの長方形又は複数の長方形の組み合わせに単純化されるゆえ、操作の手間をほとんどかけずに同一の電流密度を実現できる。

本願発明の有利な変形例では、１つ、複数、又は全ての給電電極と電流取出電極のそれぞれが、最大寸法で、伝導的に加熱される領域の輪郭における一部に渡って伸びる長い電極として形成され、一方の端において電源と接続している。このようにして、電力が電極の特定位置に供給され、又はその特定位置から取り出されることが有利である。その結果、必要な電極についての計算や計画が単純化される。

本願発明の有利な変形例では、給電電極と電流取出電極とのペアを、斜めに対向した両端において電源と接続する。その有利な点は、金属シートを通過する各電流線に対する総抵抗が同一となることである。その理由は、いずれの場合も、給電電極と電流取出電極の程度の差はあれ大きな部分を通過しなければならないので、その電流成分は総計で常に同値になるからである。このようにしても、金属シートにおいて望まれる同一電流密度の達成が促進される。ここで、
総抵抗＝電源の内部抵抗＋抵抗
給電線＋電極＋金属シート
である。

本願発明の有利な変形例では、１つ、複数、又は全ての給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極が冷却媒体で冷却される冷却電極として構成されている。冷却媒体として、例えば各電極に備えた中空管を通じて冷却水を通過させ得る。電極を冷却する有利な点は、電極が不利に熱くならず、加熱による電極の抵抗変化が回避されることである。更なる有利な点は、隣接した金属シートも冷却された電極により冷却され、金属シートの加熱されない所望領域に電極を適切に配置することにより加熱及びそれに伴う硬化が回避可能になることである。それによる有利な点は、電極の位置と配置に基づき、例えば部品（つまり変形処理後の金属シート）の後続処理時に、硬化されていない切削領域を定義し得ることである。このようにして、縁部は経済的に非常に適用性のある、せん断法等の従来の手段により切除できる。より手間のかかる硬質切削法は必要としない。後期の溶接工程における部品の結合処理では、硬化されていない縁領域が有利である。硬化処理は後続の加圧硬化処理により実行できる。

本願発明の有利な変形例では、伝導加熱が直流により実行される。これにより、交流の場合と比較して、システムに内在するインダクタンスとキャパシタンスに由来する電気損失やその他の不利な効果が回避できる。また、このようにして、無効電力も発生しない。既存の電気出力は完全に有効電力として利用できる。誘導損失をもたらさないため、線の横断面と電源（例えば変圧器）はより小さく設計できる。それに加えて、エネルギーが節約される。各電源は、三相系として三相電力を供給し得る。また、直流に当てはまる、より簡単な電気工学法則が適用できるため、全システムについての計算及び計画、特に各電極やそれらの配置に関する計算及び計画が単純化される。

本願発明では、金属シートにおいて均一の電流密度を成すためのあらゆる複雑な抑制処理は必要としない。そのため、伝導加熱装置が比較的簡単かつ費用効率的に実現できる。

本願発明の有利な変形例では、金属シートを延ばすために、伝導加熱中に１つ、複数、又は全ての給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極を互いに離す。これにより、金属シートの加熱領域が加熱時に熱により膨張することを補うことができる。

本願発明の有利な変形例では、給電電極に給電、送電電極に送電、送電電極から送電、及び／又は電流取出電極から電流を取り出すために、電極に並行導体を接続する。並行導体は、加熱される金属シートの一部を介して電流線と並行に、金属シートから電気的に絶縁された状態で、金属シートに渡って配置する。並行導体は、特に加熱される長方形表面領域又は台形表面領域の縁領域に渡って配置し得る。このように並行導体を適切に配置することによって金属シートの特定領域に対して加熱処理を実行せずに、並行導体に隣接した加熱される表面領域における電流線を所望方向に配置することが有利である。特に、金属シートの加熱されない領域を通過する望まれない電流は電流散逸効果（並行な電流通過導体の斥力）により回避できる。力線も互いに反発し合う。このようにして、例えばいわゆるＴａｉｌｏｒｅｄＴｅｍｐｅｒｅｄＢｌａｎｋｓ（特定の所望領域においてのみ硬化される一方、他の領域においては硬化されない金属シート）が製造できる。それは例えばシャーシ部品において、自動車事故の場合に特定の変形特性をもたらすために望ましい。並行導体は電気的に絶縁される必要がある一方、必ずしも熱的に絶縁される必要がない。このようにして、並行導体は金属シートの所望冷却効果をもたらすことができる。

本願発明の有利な変形例では、１つ、複数、又は全ての並行導体が冷却媒体で冷却された導体として構成される。

本願発明は更に金属シートを伝導的に加熱する方法を実行する伝導加熱装置に関するものであって、金属シート又は金属シートの少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭が非長方形である。伝導加熱装置は輪郭に適応された給電電極と電流取出電極の配列を含み、それらは互いに分離して輪郭に沿って配置され、個別の給電線を介して電気的に分離された複数の電源と接続され、又は接続可能である。電源の容量は、全てのペアにされた給電電極と電流取出電極の間の金属シートにおいて同一の電流密度を与えるほどの容量である。伝導加熱装置及び以下に記載の更なる伝導加熱装置による実施形態では、前述の伝導加熱方法について説明した有利な点も実現できる。

本願発明の有利な変形例では、伝導加熱装置が前述の方法を実行するように構成される。従って、例えば電源は直流電源として構成できる。

本願発明の有利な変形例では、伝導加熱装置が、加熱時に少なくとも伝導的に加熱された領域にて金属シートを伸張する伸張装置を含む。伸張装置は特に、伝導加熱中に特定の給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極を互いに離すために含まれている。

本願発明の有利な変形例では、伝導加熱装置の電極配列は、伝導加熱装置内で同時に加熱された２つの金属シートの間の送電をする送電電極を有する。

前述の伝導加熱装置では、金属シートの伝導加熱方法は、例えば加熱される金属シートを伝導加熱装置内に配置し、伝導加熱装置の電極を金属シート上に押圧し、金属シートを通過する電流を電極を介して流すことによって伝導加熱処理を実行し、十分な加熱処理後に、電極を金属シートから取り外すように実行し得、その前に電流を止めることが有利である。このようにして、金属シートを高温状態で後続処理に供し得、例えば、加圧して希望形状に成形し得る。

直流を供給するために、電源は例えば溶接整流装置を含み得る。これにより、必要な直流を、何千アンペアに相当する所望の高さで簡単かつ費用効率的に提供できる。

給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極は、例えばＣｕＣｏＢｅまたはＣｕＢｅ２等の銅又は銅合金からなり得る。特に、後者の合金を使用する場合非常に硬質かつ丈夫な電極が提供できる。前述の並行導体は同一の材料又は異なる材料からなり得る。並行導体の電気的遮蔽のために、例えば並行導体の表面にプラズマ溶射したセラミック層を備え得る。

本願発明の有利な変形例では、前記伝導加熱処理を、温度封入手段を使用して実行し得る。この場合、金属シートを、伝導加熱装置の断熱手段等の外熱封入手段によって環境から熱的に遮断する。このようにして、環境への熱放射量を減少させ、費用と加熱時間を削減する。実行された実験の結果によると、単純な断熱板でさえ良い効果がもたらされた。炉工学による絶縁のようなものがなおさら良い。このようにして、加熱処理に作用する環境影響も回避する。

以下、本願発明を図面を参照して実施例により詳しく説明する。

図面において、
は、自動車のＢ柱を製造するための非加工金属シート、は、２つの、図１に示される非加工金属シート、は、伝導加熱装置及び図２に示される２つの非加工金属シート、は、更なる伝導加熱装置及び図２に示される２つの非加工金属シート、は、断面図による、金属シートにおける並行導体の配置、は、更なる伝導加熱装置及び図２に示される２つの非加工金属シート、は、更なる伝導加熱装置及び図２に示される２つの非加工金属シート、は、斜視図による、電極の実施形態、を示す。

図面において、対応する構成に対して同一の記号を使用する。

図１には、上面図で、特定形状に切削されて鋼鉄コイル等から切り離された金属シート１が示されている。金属シート１は、プレス機で変形処理する前の段階における、自動車のＢ柱のための非加工物である。金属シート１を均一な電流密度で全領域に渡り伝導的に加熱するために、金属シート１を先ず実質的に長方形の表面領域２、４と実質的に台形の表面領域３に分割する。表面領域２、３、４の分割に応じて、伝導加熱装置において配列する電極が合わせて製造された後に、伝導加熱処理を実行するために、金属シート１と接続させる。

前述の分割により得られた非長方形表面領域（ここでは表面領域３）の場合は、製造方法を更に最適化するために、本願発明の有利な実施形態に従い２つの金属シート１を同時に伝導加熱装置で加熱する。このために、２つの金属シート１をまず図２に示されるように配列し、必要な電極を適切に構成する。

図３には、伝導加熱装置１０における図２に示される金属シート１が示され、ここで金属シート１は、図３のようにもう少し互いに近く配置されている。伝導加熱装置１０について、前述の合わせて製造された給電電極１１、１２、１３、１４、１５、電流取出電極１６、１７、１８、１９、２０、及び送電電極３１を含む電極配列を示している。図３のように、給電電極と電流取出電極の各ペアは金属シート１の長方形表面領域２、４に接続し、夫々が電源２１、２２、２３、２４、２５（例えば直流を提供する整流器が接続された変圧器）と接続し、又は図３に示されない電気スイッチを介して接続できる。各電極間の電流は、各金属シート１に示された、電流線を示す矢印により表示されている。金属シート１の中間領域（つまり両方の台形表面領域３）では、右側に示される金属シート１に給電電極１２と、左側に示される金属シート１に電流取出電極１９が接続されている。台形表面領域３の垂直配向に渡って同一の電流密度を確保するために、各台形表面領域３は、金属シート１の中間にある複数の送電電極３１と接続している。送電電極３１は、例えば金属ブロックとして所定間隔を隔てて配列されることにより、互いに電気的に絶縁されている。このようにして、電極１２、１９間において２つの台形表面領域３から電気的に単一の１つの長方形の領域が形成される。

送電電極３１は、例えば２０ｍｍの幅で５ｍｍの間隔で互いに分離され得る。送電電極の均等な間隔を確保するために、例えば分離板上に固定させ、単一の送電電極配列として金属シート１上に押圧し得る。産業利用上は、例えば全ての電極を液圧プレスに組み込むとともに、大型の底板に固定させ得る。

多くの場合、図１に示される金属シート１のような金属シートは全ての領域において加熱処理によって硬化されず、例えば自動車事故の場合に所望の変形特性を得るために所定領域において硬化させない。本願発明はそれにも適している。図４には、金属シート１の各表面領域４を加熱しないように構成された、更なる伝導加熱装置１０が示されている。このために、電極１４又は１７は、各電源２２又は２５と直接に接続されず、各金属シート内で電流方向に案内された並行導体２６、２７を介して接続されている。並行導体２６、２７により、隣接する表面領域３において送電電極３１に向った電流線の並流が引き続き確保可能であり、この並流は、並列電極２６、２７があって初めて可能になる。また、並列電極２６、２７は冷却可能であり、その有利な点は、金属シート１も冷却されるので金属シートの加熱された表面領域から加熱されない表面領域４への望ましくない伝熱が回避できるということである。

有利な実施形態では、幾つか又は全ての残りの電極１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０を冷却する。送電電極３１も冷却電極として構成し得る。図５には、並行導体２７による冷却電極の一例が示されている。垂直方向には、各電極を通過し冷却水路を形成する孔２８が配設されている。この冷却水路を介して冷却水等の冷却液を案内できる。電極が並行導体２６、２７として構成された場合、外表面において絶縁されるように構成され、つまり金属シート１と電気接触しない。残りの電極１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、３１では、当然金属シート１と電気接触する必要がある。図５は、２つの並行導体２７による金属シート１の上下におけるペア配列の一例である。金属シート１の下に配設された並行導体２７は、金属シート１の上に配置された並行導体２７に作用する押圧Ｆに対抗するカウンター軸受け３２に支えられている。

図６には、以下に説明する相違点を除いて図４の装置１０に対応する伝導加熱装置１０の更なる実施形態が示されている。図６のように、金属シート１の加熱されない表面領域は図４よりも若干拡大されているとともに、表面領域４の他にそれに隣接した表面領域３の縁領域を含む。従って、伝導加熱装置における並行導体２６、２７及び送電電極３１が直線状の電極として構成されておらず、加熱される所望の表面領域に応じて斜めになったため、それらの構成は適応されている。それに応じて、給電電極１２及び電流取出電極１９は、図４よりも若干短縮されている。

金属シート１は例えば図７のように、図２〜６と異なるように配置され得る。長方形表面領域２、４は、前述の如く、給電電極と、電流取出電極と、それに関連する電源とに接続されている。中間部の台形表面領域３については、前述の実施形態と比較して、同一の電流密度及びそれにより同一の加熱特性を維持して金属シート１間の表面領域３を接続させるために、隣同士で配列する送電電極の代わりに、図面のように交差する送電電極３１が配置されてクモ状の構造が成される点で相違する。ここで、例えば電極が異なる高さで互いに擦れ違い又は電気的に絶縁されたケーブルとして構成されているため、送電電極３１は引き続き電気的に互いに絶縁されている。このようにして、均一な抵抗状況は長方形の金属シートと同様に実現できる。

本実施形態の有利な点は、２つの電源を省略することである。なぜなら、ブランクの長方形表面領域２、４が直列回路として電源に接続できるからである。このようにして、表面領域２は電源２２と直列に接続されている。電極１４、１６は、互いに接続し、又は１つの電極に一体化し得る。表面領域４は、電源２２と直列に接続されている。電極１５、１７は、互いに接続し、又は1つの電極に一体化し得る。

前述の如く、給電電極と電流取出電極とのペアを斜めに対向した両端において電源と接続することが有利である。また、図面のように、給電部位及び電流取出部位をできるだけ離れて位置させるために、電源の接続線の接続部位を金属シートの片側（左／右）の電極にできるだけ離れて配置することが更に有利である。

図８には、給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極として採用できる電極８０の有利な実施形態が示されている。電極８０は冷却水路を形成する孔２８を有する。図８に示される、電極８０において金属シートとの接触領域８３を含む電極８０の上部は、凸凹であり特定の構造で形成されている。このように形成された凸凹及び構造化された接触領域８３は複数の隆起を含み、それらの上部において金属シート１との実際の電気接触のための各接触表面８１が形成され、つまり各接触表面８１と金属シート１の間に、複数の単独の相隔たる接触部位が電極８０と共に形成される。各隆起、又はその接触表面８１の間に、特に溝形状を有し得る複数の隙間８２が形成されている。

図示の実施例では、接触表面８１の隆起間に溝８２が形成された櫛状の構造が成されている。加熱される金属シートと接触するこれら凸凹の表面により、意図的に点在したホットスポット（つまり金属シートの加熱が非常に強い部位）を回避することができる。多数の散在する小さな接触面を加熱される金属シートの表面又はその表面の一部に渡って発生させることにより、驚くべきことに接触面が損害をもたらすことなく又は点在したホットスポットが発生することなく均一な加熱ができる。このようにして、ある程度望ましくないホットスポットが発生する従来の電極による不利な効果は埋め合わされる。従って、特に金属シートの均一な加熱が促進される。これは、金属シートに対して制御された再現可能性が高い硬化処理を実行することに有利である。

そのことにより、また、特に電極の下の金属シートの領域が同様に所望の方法で熱処理できるため、金属シートの使用可能な領域が拡大される。実行された実験の結果によると、本願発明による電極を例えば前述の櫛電極として使用することによって、発生するホットスポット線と冷却領域の間の熱勾配が非常に急であるため、電極接触の直後に完全な熱注入がもたらされる。従って、ホットスポット線上に正確に１つの熱処理が実行される。それに応じて、従来使用不可能であった遷移領域をもはや部品から切削する必要がないゆえ、切削率が減少する。

ホットスポットの領域において、金属シートが制御不能に加熱されるという欠点があったため、従来は、ホットスポットは不利なものと見做されそれを回避するよう努力されてきた。また、金属シートの温度係数が正である場合、加熱によって金属シートのそのような部位における比電気抵抗が上昇し、それゆえにホットスポット領域が比較的速く熱せられ最大温度領域において金属シートの損害（溶断）が起こり得るため、電子雪崩のような現象が発生していた。

従って、本願明細書によると、予期されない又は点在したホットスポット発生が回避される。その代りに、多数の小さな互いに隣接した接触部位が形成され、このようなものは制御された再現可能な加熱処理、つまり金属シートの硬化処理に有利である。その効果は、電極を冷却することにより更に強化できる。多数の小さな接触部位により、電極の冷却効果によってもたらされた冷却を埋め合わす「ミニ・ホットスポット」を線状に発生できる。

電極の接触領域８３は、電気的に直接に金属シートと接触させられる領域である。電極において凸凹及び構造化された接触領域は、図８のように、例えば角のある（例えば長方形の）複数の電極縁により実現できる。凸凹及び構造化された接触領域は、図示の線状パターンの代わりに表面上の点隆起により形成できる。接触領域の表面構造は規則的構造又は不規則的構造であり得る。

Claims

金属シート（１）の伝導加熱方法であって、前記金属シート（１）又は前記金属シート（１）の少なくとも１つの伝導的に加熱される領域の輪郭が長方形又は非長方形であり、前記伝導加熱を実行するために、接触領域（８３）を有する少なくとも１つの電極（８０）を前記金属シート（１）と電気接触させ、前記伝導加熱を実行するための電流を前記接触領域（８３）を介して前記金属シート（１）に供給する及び／又は前記金属シート（１）から取り出すことを含み、前記電極（８０）が複数の相隔たる接触表面（８１）を含む凸凹及び構造化された接触領域（８３）を有し、前記複数の接触表面（８１）によって前記電極（８０）と前記金属シート（１）との間に複数の相隔たる接触部位が形成されることを特徴とする、方法。
前記電極（８０）が凸凹及び構造化された接触領域（８３）と共に給電電極、電流取出電極及び／又は送電電極として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
伝導加熱時に、金属シート（１）において複数の小さなホットスポットが前記複数の接触部位により発生することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記伝導的に加熱される領域の非長方形の輪郭が、実質的に長方形表面領域及び／又は台形表面領域（２、３、４）に分けられ、前記表面領域（２、３、４）に分けられることに応じて、少なくとも給電電極と、電流取出電極（１１〜２０）と、少なくとも１つの台形表面領域がある場合には送電電極（３１）とを有する適応された電極配列が提供されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
複数の前記金属シート（１）がそれぞれ伝導的に加熱される領域において少なくとも１つの台形表面領域（３）を含み、ペアで伝導的に加熱され、前記金属シート（１）のペアが、互いに電気的に絶縁され前記金属シート（１）の間の遷移領域に沿って隣同士に配設された複数の送電電極（３１）により、互いに電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
金属シート（１）を伝導加熱する電極（８０）であって、前記金属シート（１）と電気接触する接触表面を含み、複数の相隔たる接触表面（８１）を有する凸凹及び構造化された接触領域（８３）を含み、前記複数の相隔たる接触表面（８１）により、前記電極（８０）と前記金属シート（１）の間に複数の相隔たる接触部位が形成されることを特徴とする、電極。
前記電極（８０）の前記凸凹及び構造化された接触領域（８３）が、一列又は複数の列で櫛状及び隣同士に配置され、角がある複数の縁により、完全又は部分的に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極。
前記電極（８０）の前記凸凹及び構造化された接触領域（８３）が前記接触表面（８１）を備える隆起を含み、前記隆起の間に溝形の隙間（８２）が形成されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の電極。
金属シート（１）の伝導加熱方法を実行する伝導加熱装置（１０）であって、請求項６〜８に記載の少なくとも１つの電極（８０）を給電電極、電流取出電極、及び／又は送電電極として有することを特徴とする、装置。
前記伝導加熱装置（１０）が請求項１〜５に記載の何れか１項の方法を実行するように構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の伝導加熱装置。