JP6140033B2 - 鋼板の変形方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱を利用して鋼板を変形させる方法に関するものである。

船舶の外装材として鋼板が利用される場合がある。即ち、船舶の骨格に、鋼板を装着して船体が完成される。ここで船舶の外表面は、曲面形状であるから、外装材として装着する鋼板は、外表面の形状を合わせて曲面形状に成形しておく必要がある。ところが船舶の外装材として使用される鋼板は、相当の厚さがあり、プレス加工によって曲面形状に成形することは容易ではない。
また船体の曲面形状は、部位によって微妙に相違し、一つのプレス型によって全ての外装材をつくることはできない。
さらに、船舶は少量生産品であり、個々の外装材の生産数量は極めて少ない。
そのため船舶の外装に使用される鋼板は、装着部位に合わせて、一枚ずつ手作りで成形される。

鋼板を曲げ加工する方法の一つとして、鋼板の熱収縮を利用する方法がある。
即ち鋼板を部分的に加熱すると加熱部分が膨張する。次いで、加熱部分を冷却すると、加熱部分が収縮して周囲部位を引っ張る。そのため、鋼板を部分的に加熱してその直後に冷却すると、鋼板は、加熱部分が凹となる様に曲がる。

この性質を利用して船舶の外装材を成形することができる。
より具体的には、鋼板の表面をガストーチの火炎で炙り、鋼板の表面を加熱する。続いて加熱部分に冷却水を噴射する。その結果、鋼板は、表面側が凹となる様に変形する。
この工程を何度も繰り返して、鋼板を僅かずつ変形させ、所望の曲面形状を作る。
また表面側を凸形状にする場合や、先の工程で鋼板を凹変させ過ぎた様な場合には、鋼板を裏返し、裏面側をガストーチで炙って加熱し、加熱部分に冷却水を噴射する。
実際の作業は、鋼板を何度も裏返しにして、表面側と裏面側の各部を少しずつ加熱・冷却し、各部を少しずつ変形させて所望の曲面となる様に加工することとなる。

特開平９−５８５８８号公報

前記した鋼材の変形方法によると、鋼板を何度も裏返しにする作業が必要である。しかしながら、鋼板は非常に重く、これを裏返すことは容易ではない。また鋼板を裏返す作業は、クレーン等を利用することとなるが、つり上げる際にスリングが切れて落下する場合もあり、危険を伴う。
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、表面側から加熱することよって加熱部位を凸状に変形することができる鋼板の変形方法を提供するものである。

本発明者らが鋭意研究を進めたところ、鋼板を表面側から加熱して冷却すると、一般的に表面側が凹となる様に変形するが、特定の条件を満足する様に加熱・冷却を行えば、例外的に表面側が凸状となることが分かった。
即ち、鋼板を表面側から誘導加熱すると、表面側が急速に昇温する。そしてその熱が表面側から裏面側に伝導し、次第に裏面側の温度が上昇する。即ち裏面側は、表面側よりも遅れて昇温する。特に、船舶の外装材として使用される様な鋼材は、厚さが厚いので、裏面側は、表面側よりも遅れて昇温する傾向が強い。
同様に表面側に冷却水を噴射すると、表面側の温度が急速に低下し、これに遅れて裏面側の温度が低下する。前記した様に、船舶の外装材として使用される様な鋼材は、厚さが厚いので、裏面側は、表面側よりも遅れて温度低下する傾向が強い。
そして本発明者らが、加熱速度、加熱深度、冷却速度等を変えて鋼材を加熱・冷却する実験を重ねた結果、加熱面側の表面温度がその裏面側の温度よりも低くなり、且つその際の裏面側の温度が摂氏５００度以上となれば、鋼板は顕著に加熱面側に向かって凸変することが分かった。

上記した知見に基づいて開発された請求項１に記載の発明は、鋼板の一方の面である表面に通電状態の誘導加熱コイルを近接して鋼板の表面の一部を誘導加熱し、その直後に前記誘導加熱部に向かって冷却液を噴射して鋼板を冷却することによって、加熱した表面の温度が、他方の面である裏面の温度よりも低くなり、且つその際の裏面の温度が摂氏５００度以上となる状況を作り出し、鋼板及び／又は誘導加熱コイルを移動させて鋼板の加熱部位及び冷却部位を変更して、鋼板が誘導加熱した表面側に凸となる様に変形させることを特徴とする鋼板の変形方法である。

加熱した一方の面である表面の温度が、摂氏１５０度以下であり、且つその際の他方の面である裏面の温度が、摂氏５００度以上となる状況を作り出すことが望ましい（請求項２）

表面の温度がピークを過ぎて定常温度となった後に、裏面の温度がピークを迎えることが望ましい（請求項３）。

誘導加熱コイルを一方方向に移動させ、誘導加熱コイルが通過した後の部位に冷却液を噴射することが望ましい（請求項４）。

本発明は、鋼板の厚み方向の熱伝導に基づく表裏面の温度差を利用して鋼板を加熱した表面側が凸となるように変形させるものであるから、鋼板の厚さが薄い場合には、所望の効果を得ることができない。そのため使用する鋼板の厚さは６ｍｍ以上であることが望ましい（請求項５）。

本発明の鋼板の変形方法によると、鋼板を裏返す作業が不要となり、作業性がよい。また本発明の鋼板の変形方法は、安全性が高い。

本発明の実施形態の鋼板の変形方法に使用する誘導加熱コイル、冷却ジャケット及び鋼板を示す斜視図である。 本発明の実施形態の鋼板の変形方法によって加工した鋼板の概念図である。 本発明の実施形態の鋼板の変形方法によって加工する前後の鋼板の斜視図である。 図３に示す加工後の鋼板の加熱開始部分近傍の端面図である 図３に示す加工後の鋼板の加熱終了部分近傍の端面図である 本発明の第１実施形態の鋼板の変形方法を実施した際における特定部位の表面側と裏面側の温度変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の鋼板の変形方法を実施した際における特定部位の表面側と裏面側の温度変化を示すグラフである。 本発明の第３実施形態の鋼板の変形方法を実施した際における特定部位の表面側と裏面側の温度変化を示すグラフである。 比較例の変形方法によって加工した鋼板の概念図である。 比較例の鋼板の変形方法を実施した際における特定部位の表面側と裏面側の温度変化を示すグラフである。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
本実施形態は、船舶の外装板を成形する一工程であり、図１に示す様な鋼板１を曲げる工程である。
本実施形態では、誘導加熱コイル２と、冷却ジャケット３を使用して鋼板１を凸変形させる。

誘導加熱コイル２は、銅又は銅合金等の良導体で形成された中空の導線で構成されている。誘導加熱コイル２は、図１の様なヘアピン状のコイルであり、二本の平行部５，６の先端が、Ｕ字状の接続部７で接続されたものである。
二本の平行部５，６は、それぞれ給電部１０，１１に接続されている。また各給電部は、図示しないトランス及び高周波発振器に接続されている。
従って、誘導加熱コイル２には、高周波電流が通電される。
また、誘導加熱コイル２の内部には、図示しない給液源から冷却液が循環供給される。

誘導加熱コイル２の近傍には、冷却ジャケット３が設けられている。冷却ジャケット３には、複数の小孔が設けられている（図示せず）。また冷却ジャケット３には、図示しない給水源が接続されており、前記した小孔から冷却水が噴射される。
冷却ジャケット３を省略し、代わりに、誘導加熱コイル２に複数の孔を設け、当該孔を介して誘導加熱コイル２内を循環する冷却液の一部を鋼板１に向けて噴射してもよい。図２では、冷却ジャケット３を省略している。

本実施形態の鋼板の変形方法は、誘導加熱コイル２の平行部５，６を鋼板１に近接した位置に配し、この状態で誘導加熱コイル２に高周波電流を通電する。そして同時に誘導加熱コイル２を図２、図３の太い矢印の方向に直線移動させ、図３の網掛部分を加熱・冷却する。
また冷却ジャケット３を使用する場合には、誘導加熱コイル２の移動に追従して移動させ、その際に前記した小孔から冷却水を噴射し続ける。

またその際、高周波発振器の発振周波数、誘導加熱コイル２に通電する電流値、誘導加熱コイル２と鋼板１との距離、誘導加熱コイル２の移動速度、冷却ジャケット３と誘導加熱コイル２との距離、冷却ジャケット３から噴射される冷却水の水量、圧力及び噴射方向を適宜調整し、加熱面側（表面側）の表面温度よりも裏面側の表面温度の方が高くなるタイミングを作る。またその際における裏面側の表面温度が摂氏５００度以上、より望ましくは摂氏６００度以上となる様な状況を作る。またその際の加熱面側の表面温度が摂氏１５０度以下となる様な加熱・冷却条件であることが望ましい。

即ち、高周波発振器の発振周波数を上げると、鋼板１の加熱深度が浅くなる。逆に高周波発振器の発振周波数を下げると、鋼板１の加熱深度が深くなる。従って高周波発振器の発振周波数を調整することにより、加熱面側の昇温領域（深さ方向）を調節することができる。そのため鋼板１の裏面と、昇温領域との距離を変えることができ、鋼板１の裏面に伝熱されるまでの時間を調節することができる。その結果、鋼板１の裏面の温度上昇カーブを調節することができる。即ち、高周波発振器の発振周波数を下げると、表裏面（加熱面と裏面）の温度上昇のピーク時刻が近づき、高周波発振器の発振周波数を上げると、裏面の温度上昇のピークが加熱面側に対して遅れる。

また誘導加熱コイル２に通電する電流値、誘導加熱コイル２と鋼板１との距離、誘導加熱コイル２の移動速度を変更することにより、鋼板１に与える熱量を増減することができ、鋼板１の裏面のピーク温度を調節することができる。
即ち電流値を上げた場合、誘導加熱コイル２と鋼板１との距離が近い場合、誘導加熱コイル２の移動速度が遅い場合は、鋼板１の裏面のピーク温度が上昇する。
逆に電流値を下げた場合、誘導加熱コイル２と鋼板１との距離が遠い場合、誘導加熱コイル２の移動速度が速い場合は、鋼板１の裏面のピーク温度が下がる。
さらに誘導加熱コイル２と鋼板１との距離を変更することにより、加熱面側の加熱領域を変更することができる。

また冷却水を噴射するタイミングが早い場合には、鋼板１の裏面側の温度を加熱面側よりも高なる期間を長くすることができる。ただし冷却水を噴射するタイミングが早すぎる場合には、裏面の温度上昇が不十分となる。
冷却水の量についても同様の傾向があり、冷却水の量が多い場合には、鋼板１の裏面側の温度を加熱面側よりも高なる期間を長くすることができる。冷却水の量が多すぎる場合には、裏面の温度上昇が不十分となる。

具体的には、予め予備実験を行っておいて、上記した様な状況が実現される加熱・冷却条件を見つけ出し、その条件に一致する様に、高周波発振器の発振周波数、誘導加熱コイル２に通電する電流値、誘導加熱コイル２と鋼板１との距離、誘導加熱コイル２の移動速度、冷却ジャケット３と誘導加熱コイル２との距離、冷却ジャケット３から噴射される冷却水の水量、圧力及び方法を適宜調整する。
その結果、図２、図３に示す様に、鋼板１は、加熱面側が凸状態となる様に変形する。

例えば、下記の条件下で鋼板１を加熱した（第１実施例）。
鋼材のサイズ：５００×５００×ｔ２０
鋼材の材質 ：ＳＳ４００
加熱幅 ：１００ｍｍ
周波数 ：２６ｋＨｚ
移動速度 ：２ｍｍ／秒
加熱面側表面のピーク温度 ：摂氏９９１度
加熱面側表面温度と裏面側表面温度の逆転時の代表温度：摂氏５６０度
裏面側表面のピーク温度時における加熱面側表面温度 ：摂氏 ８９度

加熱開始部分の変位量ＨＳ（図４）は、０．３５ｍｍであった。
加熱終了部分の変位量ＨＥ（図５）は、０．８ｍｍであった。
また両者の中間部の変位量は、０．３０ｍｍであった。
加熱開始側の端辺は、逆に凸状態となる様に変形し、その変位量は０．１５ｍｍであった。

また下記の条件下で鋼板１を加熱した（第２実施例）。
鋼材のサイズ：６８５×６８５×ｔ７
鋼材の材質 ：ＳＳ４００
加熱幅 ：１００ｍｍ
周波数 ： ２３ｋＨｚ
移動速度 ： ４ｍｍ／秒
加熱面側表面のピーク温度 ：摂氏１０２８度
加熱面側表面温度と裏面側表面温度の逆転時の代表温度：摂氏７１２度
裏面側表面のピーク温度時における加熱面側表面温度 ：摂氏１１１度

加熱開始部分の変位量ＨＳ（図４）は、１１．７ｍｍであった。
加熱終了部分の変位量ＨＥ（図５）は、３３．５ｍｍであった。

また下記の条件下で鋼板１を加熱した（第３実施例）。
鋼材のサイズ：６１５×６１５×ｔ１８
鋼材の材質 ：ＳＳ４００
加熱幅 ：１００ｍｍ
周波数 ： ２６ｋＨｚ
移動速度 ： ２ｍｍ／秒
加熱面側表面のピーク温度 ：摂氏９８７度
加熱面側表面温度と裏面側表面温度の逆転時の代表温度：摂氏６０５度
裏面側表面のピーク温度時における加熱面側表面温度 ：摂氏１１２度

加熱開始部分の変位量ＨＳ（図４）は、１．５ｍｍであった。
加熱終了部分の変位量ＨＥ（図５）は、４．３ｍｍであった。

比較例として、下記の条件下で鋼板１を加熱した（比較例）。
鋼材のサイズ：５００×５００×ｔ２０
鋼材の材質 ：ＳＳ４００
加熱幅 ：１００ｍｍ
周波数 ：２３ｋＨｚ
移動速度 ：４ｍｍ／秒
表面側ピーク温度 ：摂氏９８７度
加熱面側表面温度と裏面側表面温度の逆転時の代表温度：摂氏４１２度
裏面側表面のピーク温度時における加熱面側表面温度 ：摂氏５０度

比較例では、図９の様に鋼板１は、加熱面側が凹状態となる様に変形した。

次に、特定の加熱部位における加熱面側と裏面側の温度変化の状態を確認した。
図６（後述の図７、８、１０も同じ）において、「表」とは加熱面側を意味しており、「裏」とは、加熱面とは反対側の面を意味している。すなわち、細い実線が加熱面側の表面の温度変化を示すグラフであり、太い実線が加熱面とは反対側の表面の温度変化を示すグラフである。
第１実施例の場合は、図６の様に、加熱面側の温度が急激に上昇する。
なお、加熱面側の温度上昇に、二山のピークが存在する理由は、誘導加熱コイル２が、二本の平行部５，６を持つためである。
また加熱面側の温度は、誘導加熱コイル２の通過の後、冷却水の影響によって急激に低下する。
これに対して裏面側は、昇温及び冷却が大幅に遅れ、加熱面側の温度が、冷却水の温度近傍に落ちて定常温度に至った後に上昇のピークを迎える。加熱面側表面温度と裏面側表面温度の逆転時の代表温度（加熱面側の下降する表面温度と、裏面側の上昇する表面温度が一致する温度）が摂氏５６０度となり、加熱面側の表面温度が、摂氏１５０度以下となっているにも係わらず、裏面側の表面温度は、摂氏５６０度を超える。
その結果、裏面側が遅れて収縮し、鋼板１は、加熱面側（表面側）が凸となる様に変形する。

第２実施例では、板厚が第１実施例よりも薄いため、高周波電流の周波数を高く設定し、誘導電流が鋼板１の表面から比較的浅い領域にのみ励起されるようにした。
第２実施例の場合も実施例１の場合と同様に、誘導加熱コイル２の二本の平行部５，６により、加熱面側の温度が急激に上昇し、二山のピークが生じる（図７）。二つ目の山のピーク温度は、一つ目の山のピーク温度よりも高い。
これに対して裏面側の温度は、加熱面側の温度に若干遅れて上昇し、加熱面側の二つ目の山のピーク温度に近い温度まで上昇する。また、加熱面側の温度が冷却水温度まで下がる前に、裏面側の温度がピーク（９３０度）を迎える。
すなわち、第２実施例では、第１実施例の場合よりも、裏面側の温度上昇が、加熱面側の温度上昇に追従している。換言すると、加熱面側の温度上昇に呼応して裏面側の温度も上昇している。これは、第２実施例の板厚が７ｍｍと薄く、板厚が２０ｍｍである第１実施例の場合よりも加熱面側から裏面側へ熱が伝達され易いためであると考えられる。

第３実施例では、板厚が１８ｍｍ、高周波電流の周波数が１５ｋＨｚであり、第１実施例よりも板厚が若干薄く、高周波電流の周波数が低く、高周波電流の浸透深さが深い。すなわち、第３実施例では、第１実施例の場合よりも加熱面の表面から内部の深い領域まで誘導電流が励起され、誘導加熱される。そのため、裏面側への熱伝達速度は、第１実施例の場合よりも速いと考えられる。
図８に示す様に、第３実施例では、加熱面側と裏面側のピーク温度は、第１実施例の場合よりも若干（４０度〜６０度）高いが、加熱面側及び裏面側の温度変化は、第１実施例と同様である。また、裏面側のピーク温度は、６３０度である。

図６〜図８では、加熱面側の温度よりも裏面側の温度が３５０度以上高くなる状態が、５秒以上継続している。

これに対して、比較例の温度変化は、図１０の通りとなる。
即ち比較例についても裏面側の表面温度は、加熱面側の表面温度よりも昇温及び冷却が大幅に遅れ、加熱面側の温度が、冷却水の温度近傍に落ちて定常温度に至った後に上昇のピークを迎える。しかしながら、裏面側の表面温度は、摂氏４１２度に過ぎず、低い。
また、裏面側の温度が過熱面側の温度を超え、その差の最大値は３００度程度である。
その結果、裏面側の収縮が十分に行われず、鋼板１は、図９に示す様に、加熱面側が凹となる様に変形する。

以上説明した実施形態では、ヘヤピン状の誘導加熱コイル２を使用したが、誘導加熱コイルの形状は任意である。

１ 鋼板
２ 誘導加熱コイル
３ 冷却ジャケット

Claims (5)

1. 鋼板の一方の面である表面に通電状態の誘導加熱コイルを近接して鋼板の表面の一部を誘導加熱し、その直後に前記誘導加熱部に向かって冷却液を噴射して鋼板を冷却することによって、加熱した表面の温度が、他方の面である裏面の温度よりも低くなり、且つその際の裏面の温度が摂氏５００度以上となる状況を作り出し、鋼板及び／又は誘導加熱コイルを移動させて鋼板の加熱部位及び冷却部位を変更して、鋼板が誘導加熱した表面側に凸となる様に変形させることを特徴とする鋼板の変形方法。
2. 加熱した一方の面である表面の温度が、摂氏１５０度以下であり、且つその際の他方の面である裏面の温度が、摂氏５００度以上となる状況を作り出すことを特徴とする請求項１に記載の鋼板の変形方法。
3. 表面の温度がピークを過ぎて定常温度となった後に、裏面の温度がピークを迎えることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼板の変形方法。
4. 誘導加熱コイルを一方方向に移動させ、誘導加熱コイルが通過した後の部位に冷却液を噴射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼板の変形方法。
5. 鋼板の厚さが６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の鋼板の変形方法。

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