JP3694365B2 - Induction heating diffusion bonding method - Google Patents
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Description
【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拡散接合するとともに、加熱終了後は急速冷却可能な方法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、MIG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拡散接合する方法であって、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置し、金属管同士あるいは金属棒同士を長さ方向に突き合わせ、その間に非晶質金属箔を挟んで嵌合し、長手方向に加圧し、接合部を含む制限された部位を誘導加熱し、拡散接合すると共に、前記加熱部位から外れた部位を前記冷却媒体噴射装置で冷却することを特徴とする誘導加熱拡散接合方法である。
【0009】
また、上記本発明方法を実施するための装置は、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。
【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】
次に本発明を実施するための装置は、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10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 3444 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900kg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(700V,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350MPa 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拡散接合するための方法であって、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】 本発明方法を実施するための装置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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, when metal pipes such as steel pipes or metal bars such as steel bars are butt-joined in the length direction, a part limited in the length direction, such as heating at the time of joining or heat treatment after joining, is induced. with heated diffusion bonding, after completion of heating are those concerning the rapid cooling possible way.
[0002]
[Prior art]
As means for butt-joining metal pipes such as steel pipes or metal bars such as steel bars in the length direction, welding such as MIG welding and TIG welding, pressure welding, diffusion bonding, and the like are known. In diffusion bonding, there is also a method in which an amorphous metal foil is interposed between both end faces, and the elements contained in the foil are diffused into both materials.
[0003]
In these joints, in the case of welding, heating for heat treatment after welding is necessary depending on the material. In the case of pressure welding or diffusion bonding, heating for bonding is required. As the heating means, induction heating is widely adopted, and an appropriate frequency is selected according to the required heating depth of the material to be heated.
[0004]
By the way, there is a problem that when the base material other than the joint is heated at the time of heating at the time of joining or heat treatment after joining, there is a problem that material deterioration such as strength reduction occurs. It is desirable to limit to a minimum narrow range. For this reason, it is possible to forcibly cool the part removed from the heating part by water jet or the like.
[0005]
As a method and apparatus for heat-treating a joint after pressure welding or welding a steel material, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-119243 discloses an induction heating device, a water jet cooling device, and a joint detector on a carriage that can be conveyed along the steel material. It is disclosed that heating and cooling are performed with accurate positioning without shifting from the position of the joint. However, the technique disclosed in this publication does not forcibly cool the periphery of the joint when it is heated, but cools the joint after the heating, and the heating part cannot be limited to a narrow range.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In induction heating of a metal tube or metal rod, the part surrounded by the work coil is heated. To shorten this heating part, the work coil is wound tightly, or the number of turns is reduced to reduce the heating zone. It is necessary to make it narrow.
However, increasing the winding density of the work coil is limited in terms of maintaining insulation between the windings. In addition, when the number of turns is reduced, in order to flow an induced current necessary for heating the heating part to a predetermined temperature, it is necessary to flow a large current through the coil, and the power source must have a large capacity and a large size.
[0007]
In the present invention, when metal pipes such as steel pipes or metal bars such as steel bars are butt-joined in the length direction, a part limited in the length direction, such as heating at the time of joining or heat treatment after joining, is induced. a method for heating, and aims no problem in insulation maintenance work coil, and the capacity of the power supply, without the need also large, also after the completion of heating is to provide a possible rapid cooling method To do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method of the present invention is a method of induction heating diffusion bonding of a limited portion in the length direction of a metal tube or metal rod, wherein the heating portion is surrounded by a work coil, and the work coil A cooling medium spraying device is disposed between the work coil and a part of the enclosed part that is out of the heating part, and the metal tubes or metal bars are butted in the length direction, and an amorphous metal is interposed therebetween. Fitting between foils, pressurizing in the longitudinal direction, induction heating a limited part including the joint, diffusion bonding, and cooling the part removed from the heating part with the cooling medium injection device This is a characteristic induction heating diffusion bonding method.
[0009]
An apparatus for carrying out the above- described method of the present invention is an apparatus for inductively heating a limited portion in the length direction of a metal tube or a metal rod, having a work coil surrounding the heating portion, and the workpiece A cooling medium spraying device is disposed between the work coil and a part out of the heating part among the parts surrounded by the coil, and surrounds the material to be heated at the boundary between the heating part and the cooling medium spraying part. A partition plate is provided .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The method of the present invention will be described by taking diffusion bonding of metal pipes as an example. FIG. 1 shows a cross section in a state where a metal tube 1 and a
[0011]
The
[0012]
Therefore, in this example, the
[0013]
Further, after the induction heating is completed, the cooling by the cooling medium ejecting
[0014]
In the method of the present invention, the cooling
[0015]
In the diffusion bonding through the amorphous metal foil as in this example, the temperature of the
Since the
[0016]
The method of the present invention can be applied to diffusion bonding between metal bars in addition to the above-described example of the metal tube. Further, the present invention can be applied not only to diffusion bonding but also to the case where the metal tube 1 and the
According to the method of the present invention, the winding density of the work coil is in a range where there is no problem in maintaining insulation, and it is not necessary to reduce the number of turns. The heated part can be heated to the required temperature for bonding. And in the site | part which remove | deviated from the heating site | part, material deterioration, such as a strength fall of a base material, can be suppressed.
[0017]
Diffusion bonding with an amorphous metal foil as shown in FIG. 1 can be performed cheaply and easily compared with other bonding means such as MIG welding, TIG welding, or pressure welding. Suitable for joining steel pipes and bars in various construction work sites. By adopting the method of the present invention, the heating that suppresses the material deterioration of the base material on both sides of the joint can be performed by induction heating using a small power source.
[0018]
Next, as shown in FIG. 1, the apparatus for carrying out the present invention has a work coil 5 surrounding the
[0019]
In the present invention, the material to be heated 1 is not limited to the circular shape as described above, but can be applied to various shapes such as a square. In that case, the shape of the winding 10 is assumed to match the shape of the material to be heated 1.
[0020]
【Example】
Example of the present invention: An apparatus as shown in FIG. 1 was used, and steel pipes were diffusion bonded by the method of the present invention. The steel pipe has STK400 defined in JIS G 3444, an outer diameter of 264.4 mm, an inner diameter of 228.8 mm, and a wall thickness of 17.8 mm. A convex taper and a concave taper having an inclination angle of 45 ° as shown in FIG. 1 were processed at the pipe ends of both steel pipes, fitted with sandwiching an amorphous metal foil, and heated with a load of about 900 kg. The amorphous metal foil has a composition of Fe-9 wt% Si-1.5 wt% B and has a thickness of 30 μm.
[0021]
The work coil 5 has an inner diameter of 350 mmφ, a length of 200 mm, and a number of turns of 10. The cooling
[0022]
The power source connected to the work coil 5 is a small high-frequency power source with a maximum output of 50 kW and a frequency of 8 kHz. With this power source, the secondary power was induction-heated at 40 kW (700 V, 60 A, efficiency 95%), heated to 1200 ° C. at a rate of temperature increase of about 2 ° C./second, held for 5 minutes, then turned off and cooled. . Water was continuously injected at a water density of 100 liters / m 2 · min from the injection holes 7 arranged in a staggered manner in the cooling
[0023]
Comparative Example: In FIG. 1, the cooling
[0024]
About the said example of this invention and the comparative example, the tension test piece was extract | collected from the sample divided into 8 in the circumferential direction after joining, making the
Example of the present invention: 310 to 330 MPa
Comparative example ... 230-260MPa
Met. Since the 0.2% proof stress of the base material not affected by heat is about 350 MPa, in the comparative example, the strength decrease of the base material due to the heat effect was large, whereas in the present invention example, the strength decrease can be suppressed. It was.
[0025]
【The invention's effect】
In the present invention, when metal pipes such as steel pipes or metal bars such as steel bars are butt-joined in the length direction, a part limited in the length direction, such as heating at the time of joining or heat treatment after joining, is induced. It is a method for heat diffusion bonding, and it is possible to selectively heat a narrow range of heating parts without narrowing the winding range of the work coil. Therefore, it is not necessary to reduce the capacity of the power supply. And the heating part of the limited narrow range can be heated to required temperature, and material deteriorations, such as a strength fall of a base material, can be suppressed in the part which removed the heating part.
[0026]
Moreover, rapid cooling after induction heating can be performed. The rapid cooling after heating suppresses the material deterioration of the joint and the base material, shortens the time until the heated portion reaches room temperature, and leads to an improvement in the efficiency of the joining work.
Therefore, it is suitable for on-site construction of oil well pipes or for joining and heat treatment of steel pipes and bars in various construction works.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
[Explanation of symbols]
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