JP6834724B2

JP6834724B2 - 電縫管溶接装置

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Publication number: JP6834724B2
Application number: JP2017076486A
Authority: JP
Inventors: 芳明廣田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: JP2018176194A

Description

本発明は、金属帯板を走行させながら円筒状に曲げて誘導加熱し、金属帯板に誘起した電流によって金属帯板の両端面部間を溶接する電縫管溶接装置に関する。

一般に、金属の管を製造する方法としては、金属帯板を曲げながら溶接によって管形状とする電縫管やスパイラル管等の他、金属ビレットに直接穴をあけて製造するシームレス管や、押出管等の製造方法がある。

電縫管は、特に生産性が高く、しかも安価に製造できることから大量に生産されている。このような電縫管は、金属帯板を走行させながら円筒形になるように成形してオープン管を形成し、次いで、オープン管の、開口部を挟んで対向する端面部（以下、単に「オープン管の端部」ともいう。）に高周波電流を流して溶融温度まで高めた状態で、ロール（スクイズロール）でオープン管の両端面部の端面同士を圧接溶接して管状にする（スクイズロールで圧接する端面部の位置が溶接点であり、この近傍の熱影響部等を含めて溶接部という。）。この際、オープン管の端部に電流を供給する方法として、一つは、例えば、オープン管の外周を囲むように誘導コイル（ソレノイドコイル）を巻き、この誘導コイルに一次電流を流すことにより、オープン管に誘導電流を直接発生させる方法（例えば、特許文献１を参照）があり、もう一つは、金属製の電極をオープン管の端部に押し当て、電源から電流を直接通電する方法がある（このようなオープン管に電流を供給する部位を、以下、単に給電部という。）。このとき、誘導コイルあるいは電極に通じる電流は、一般的に１００〜４００ｋＨｚ程度の高周波電流が使われるとともに、管の内面側にインピーダーと呼ばれる強磁性体を配置することが多い。インピーダーは、オープン管の内周を回ろうとする溶接に寄与しない誘導電流（以下、無効電流ともいう。）を阻止するために用いられる。

国際公開第２０１４／０２７５６５号

しかしながら、特許文献１に記載の誘導コイルのように、誘導コイルの導体部がオープン管の開口部を跨ぐように配置されている場合、電縫管を製造する際の溶接時にインピーダーが焼損したり、内削用のバイトを連結するロッドが破断したりすることがあり、長時間安定して操業ができないという、問題があった。このような問題は、小径管、特に厚肉管を電縫管の製造方法により製造する場合に顕著であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、インピーダーの焼損を防ぎつつ、オープン管の開口部の端面での発熱量を従来の溶接方法と同等にすることが可能な電縫管溶接装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、走行方向に延びる開口部を有するオープン管の、該開口部に両側から相互に臨む管素材の端面部の双方を、前記オープン管の表面に発生させた誘導電流により溶融させるとともに、前記開口部の間隔を次第に狭めながら前記端面部同士を溶接点において接触させて溶接する、電縫管を製造するための電縫管溶接装置であって、前記オープン管の外周側を周回する誘導コイルと、前記オープン管の内部に配置されるインピーダーと、内部に前記インピーダーを収納するとともに、冷却水を通水して前記インピーダーを水中冷却するインピーダーケースと、前記オープン管の内部に配置された前記インピーダーと前記オープン管の内周面との間隙において、少なくとも前記誘導コイルの直下に位置する前記オープン管の開口部と重畳する範囲に設けられ、前記誘導コイルから前記インピーダーに入る磁束を、前記インピーダーの飽和磁束密度より低く抑える電磁シールド材と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、オープン管の内部に配置されたインピーダーとオープン管の内周面との間隙において、少なくとも誘導コイルの直下に位置するオープン管の開口部と重畳する範囲に電磁シールド材を設けることにより、誘導コイルから直接インピーダーに入る磁束を避けるとともに、オープン管の開口部の端面部を流れる誘導電流からの磁場の影響を避けることができる。

前記電縫管溶接装置において、前記電磁シールド材が、前記開口部を中心として、前記オープン管の内周面の半周分に対向する範囲に設けられていてもよい。

また、前記電縫管溶接装置において、前記電磁シールド材は、前記インピーダーケース内に設けられていてもよい。

また、本発明は、走行方向に延びる開口部を有するオープン管の、該開口部に両側から相互に臨む管素材の端面部の双方を、前記オープン管の表面に発生させた誘導電流により溶融させるとともに、前記開口部の間隔を次第に狭めながら前記端面部同士を溶接点において接触させて溶接する、電縫管を製造するための電縫管溶接装置であって、前記オープン管の外周側を周回する誘導コイルと、前記オープン管の内周面に沿って略円状に配置された複数のインピーダーと、内部に前記インピーダーを収納するとともに、冷却水を通水して前記インピーダーを水中冷却するインピーダーケースと、少なくとも前記誘導コイルの直下に位置する前記オープン管の開口部と重畳する範囲に設けられ、前記誘導コイルから前記インピーダーに入る磁束を、前記インピーダーの飽和磁束密度より低く抑える電磁シールド材と、を備え、複数の前記インピーダーのうち、前記開口部側に位置する一部の前記インピーダーが前記電磁シールド材に置換されていることを特徴としていてもよい。

本発明によれば、誘導コイルの導体部がオープン管の開口部を跨ぐように配置されている場合で、特に小径管、そのなかでも厚肉管を電縫管の製造方法により製造する場合に顕著になるインピーダーの焼損の問題を、インピーダーとオープン管の内周面との間隙の、少なくとも誘導コイルの直下に位置するオープン管の開口部と重畳する範囲に電磁シールド材を備えることによりインピーダーの磁束密度を低下させて有利に防止することができる。

円筒状に成形された金属帯板の外周面を囲むように閉回路が形成された誘導コイルを用いた、従来技術に係る電縫管溶接装置を示す概略平面図である。図１に示す電縫管溶接装置の概略側面図である。図１および図２に示す電縫管溶接装置の概略側断面図である。小径管の電縫管溶接における磁束分布を示す側断面図である。比較的径の大きな管の電縫管溶接における磁束分布を示す側断面図である。本発明の第１実施形態に係る電縫管溶接装置を模式的に示す平面図である。図６に示す電縫管溶接装置の断面図であり、（ａ）が図６のＡ−Ａ断面を示し、（ｂ）が図６のＢ−Ｂ断面を示している。本発明の第２実施形態に係る電縫管溶接装置を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る電縫管溶接装置を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係る電縫管溶接装置を示す断面図である。実施例において使用した電縫管溶接装置の構成および寸法を示す平面図である。実施例１、実施例２および比較例１におけるオープン管の端面部の総発熱量［Ｗ／ｍ^３］と誘導コイルに流した電流［Ａ］との関係を示すグラフである。実施例１、実施例２および比較例１におけるインピーダーの最大磁束密度［Ｔ］と誘導コイルに流した電流［Ａ］との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（従来の電縫管溶接装置）
初めに、図１〜図３を参照しながら、特許文献１に記載されているような従来の電縫管溶接装置について説明する。図１は、誘導コイル３をオープン管１の外周に巻き、この誘導コイル３に流した一次電流により、オープン管１に発生する誘導電流４ａ〜４ｄで高周波電気抵抗溶接して電縫管を製造する電縫管溶接装置を説明する概略平面図であり、図２は図１の概略側面図である。また、図３は、図１および図２に示す装置の概略側断面図である。ここで、オープン管１の端部を流れる電流の大部分は向かい合った端面部２ａ、２ｂを流れるが、説明を簡単にするため、図１においては、便宜上、オープン管１の端面部２ａ、２ｂの上面側（外周面側）を電流が流れている様に描いて示している。また、インピーダー７は、通常樹脂ケースに収められ、ケース内を流れる冷却水により冷却される。また、インピーダーケース９（図９参照）は、装着時にぶつけるなどしてインピーダー７が破壊されるのを防いでもいる。以下の説明では、インピーダーケース９を特に説明したい場合を除き、説明の図がわかりにくくなるため、このインピーダーケース９の図示を省略している。

一般に、電縫管は、造管する径に合わせた幅にスリットされた金属帯板を、多段のロールで徐々に円管状にロール成形しながらその幅方向両端面部を対向させ、筒状のオープン管に成形する。その後、誘導コイルにより発生させた誘導電流によってオープン管に誘導電流を流し、オープン管の端面部（開口部に臨む端面部）を加熱溶融させる。その後、工程の下流において、オープン管の対向する両端面部をスクイズロールで押しつけて溶融軟化部分を欠陥となり易い酸化物とともに表裏面外に排出させながら溶接を完了させる。その後、排出された溶接ビード部を切削除去することにより欠陥のない健全な溶接部を有する電縫管が得られる。ここで、本明細書で説明する「下流」とは、金属帯板またはオープン管の走行方向における下流のことであり、以下、「上流」および「下流」という場合は、それぞれ、金属帯板またはオープン管の走行方向における「上流」および「下流」を指すものとする。

図１〜図３に示すように、被溶接材であるオープン管（金属帯板）１は、平板状態から走行中に図示しない成形ロールで徐々に曲げ加工されながら円筒状にロール成形されて両端面部２ａ、２ｂが向かい合わさる筒状のオープン管１の形に成形され、次いでスクイズロール６で両端面部２ａ、２ｂが押しつけられて溶接点（溶接部）５で接触するように通材される。このスクイズロール６の上流には、向かい合う両端面部２ａ、２ｂを溶融させて溶接点５で接合するために、図１〜図３に示すような誘導コイル（ソレノイドコイル）３が設けられ、この誘導コイル３に高周波電流（通常は、１００ｋＨｚオーダー）を流すことにより、誘導コイル直下の円筒状のオープン管１の表層に誘導電流が発生する。この誘導電流は、オープン管１を周回する誘導コイル３に沿ってオープン管１の外周面を周回するが、途中でオープン管１の両端面部２ａ、２ｂ間に開口部２が存在することから、この部分では誘導電流が誘導コイル直下を流れることができず、大別して２つの方向に流れようとする。つまり、図１に示すように、１番目の方向に流れる電流は、オープン管１の端面部２ａ、２ｂに沿って溶接点５を通る電流４ａ、４ｂであり、２番目の方向に流れる電流は、オープン管１の開口部から外周面を回る電流４ｃ、４ｄである。これらの電流のうち、溶接点５を通る電流４ａ、４ｂは、高周波電流による近接効果により、オープン管１の開口部２に臨む両端面部２ａ、２ｂの表層を流れて当該箇所を加熱および溶融し、溶接点５でスクイズロールにより圧接されることで溶接を完了させる。

なお、図１中では、オープン管１の内周面を回ろうとする溶接に寄与しない電流（無効電流）については、その図示を省略している。これは、インピーダー７と呼ばれるフェライト等からなる強磁性体のコアを、オープン管１の内部に配置し、オープン管１の内周面のインピーダンスを高めることにより、内周面を電流が流れるのを防止できるためである。あるいは、溶接点５への往復長に比べて製造する電縫管の径が大きく、オープン管１の内周が十分に長い場合には、インピーダー７を配置しなくても内周面のインピーダンスが十分に大きくなり、内周面を回る電流が抑制される場合もあるためである。

また、オープン管１の内部のインピーダー７よりも下流側には、溶接後の内面ビード（溶接ビード）を切削するためのバイト（図示せず）が配置されており、例えば小径管の場合にはオープン管１の略中心部に配置されたロッド８の途中にインピーダー７が配置されている。ロッド８は、例えば、略円柱状のインピーダー７の略中心部を貫通するように配置されている。

ここで、従来の電縫管溶接装置における誘導コイル３は、上述したように、オープン管１の外周面に沿って周回しており、誘導コイル３の導体部がオープン管１の開口部２を跨ぐように配置されている。このような場合、電縫管を製造する際の溶接時にインピーダー７が焼損したり、内面ビードを切削するためのバイト（図示せず）を連結するロッド８が破断したりすることがあり、長時間安定して操業ができないという、問題があった。

本発明者が調査したところによると、インピーダー７の焼損原因は、（１）オープン管１の開口部２を跨ぐように配置された誘導コイル３が発生させる高磁束密度の磁束が直接透磁率の高いインピーダー７に入ること、および、（２）開口部２の端面部２ａ、２ｂを流れる誘導電流（溶接電流）により発生する磁束がインピーダー７に入ることにより、インピーダー７が磁束飽和を起こし、発熱し焼損することによることがわかった。図４の様に製造される電縫管が、小径管、例えば、管内径が４０ｍｍ以下の管の場合、特に厚肉管の場合には、誘導コイル３とインピーダー７との間の空間が狭くなることにより、両端面部２ａ、２ｂ間の開口部２から透磁率が高く磁束を集めやすいインピーダー７に直接強い磁束が入ってくること、また、オープン管１の端面部２ａ、２ｂとインピーダー７との距離が短く、インピーダー７の近傍の端面部２ａ、２ｂを大電流の溶接電流が流れることでこの大電流により発生する磁束によっても、インピーダー７はさらに重畳した強磁場にさらされ、高磁束密度の状態で容易に磁束飽和状態となることから、発熱し、激しく損傷することが避けにくい状況にある。

それに対し、オープン管１の径が比較的大きい場合には、図５に示すように、誘導コイル３からの磁束並びに端面部２ａ、２ｂを流れる溶接電流からの磁束が減衰してゆくため、インピーダー７に入る磁束は少なくなり、磁束飽和しにくい。

また、インピーダー７が焼損すると、誘導電流が、開口部２の端面部２ａ、２ｂを流れずに、オープン管１の内周面に沿って周回するようになるため、端面部２ａ、２ｂを流れるべき溶接に必要な電流が確保できず、端面部２ａ、２ｂにおける発熱量が低下し、溶接ができなくなる場合がある。さらに、オープン管１の内周面に沿って周回する誘導電流によりロッド８が誘導加熱され、破断してしまう場合もある。また、インピーダー７を収納している樹脂製のインピーダーケース（図示せず）は、上部にある発熱した端面部２ａ、２ｂからの輻射熱で容易に変形し、さらには穴があき、冷却水が噴き出してインピーダー７を冷却できなくなり、最終的に操業ができなくなる場合もある。

そこで、本発明者は、誘導コイル３並びにオープン管１の端面部２ａ、２ｂを流れる誘導電流から発生する磁束が、直接インピーダー７に入るのを避けることでインピーダー７の磁束密度を低下させ、インピーダー７を磁束飽和させずに長時間安定して使用できる方法について検討した。

その結果、本発明者は、インピーダー７の磁束密度を低下させるために、強磁場となるインピーダー７を直接シールドすることで、インピーダー７を磁束飽和させずに長時間安定して使用できる、という知見を得た。具体的には、本発明では、オープン管１の内部に配置されたインピーダー７とオープン管１の内周面との間隙において、少なくとも誘導コイル３の直下に位置するオープン管１の開口部２と重畳する範囲に電磁シールド材を設けることとした。これにより、誘導コイル３から直接インピーダー７に入る磁束を避けるとともに、オープン管１の開口部２の端面部２ａ、２ｂを流れる誘導電流からの磁場の影響を避けることができる。以下、上記知見により完成した本発明の好適な実施の形態を述べる。

（第１実施形態）
まず、図６および図７を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る電縫管溶接装置１００の構成を説明する。図中ではインピーダーをそのまま描いているが、実際にはインピーダーはインピーダーケースに納められている。しかし、狭い場所に描くのは図が判りづらいことから、本実施形態の説明の図では、インピーダーケースは図示をしない。図６は、本実施形態に係る電縫管溶接装置１００を模式的に示す平面図である。図７は、図６に示す電縫管溶接装置１００の断面図であり、（ａ）が図４のＡ−Ａ断面を示し、（ｂ）が図４のＢ−Ｂ断面を示している。

図６および図７に示すように、本実施形態に係る電縫管溶接装置１００は、走行方向Ｒに走行する金属帯板１が、図示しない多段の成形ロールにより、金属帯板１の幅方向における両端面部（端面部）２ａ、２ｂが間隔を空けて対向するように円筒状に曲げられてオープン管１に成形された後、該オープン管１の開口部２近傍に配置された誘導加熱手段としての誘導コイル３に高周波電流を通じ、発生させた誘導電流により両端面部２ａ、２ｂを溶融させる。すなわち、電縫管溶接装置１００は、誘導コイル３により、オープン管１の開口部２近傍に誘導電流である高周波電流を誘起させる。通常は、誘導電流は誘導コイル直下に発生して流れるが、高周波電流が流れる場合、インダクタンスを低下させる様に極性の異なる電流が囲む空間が狭くなるように高周波電流は寄って流れようとする。本実施形態の場合、オープン管１の両端面部２ａ、２ｂが近接して向き合った位置になることから、この両端面部２ａ及び２ｂが発生した極性の異なる誘導電流が囲む空間となり、開口部２の外で発生させた誘導電流が分流して、この両端面部２ａ、２ｂの表面を流れ、この電流によって両端面部２ａ、２ｂを加熱・溶融させる。開口部２の間隔は、スクイズロール６でオープン管１の両側を押圧することにより次第に狭めながら該両端面部２ａ、２ｂ同士を溶接点５で接触させて溶接する。

より具体的には、本実施形態に係る電縫管溶接装置１００は、走行方向に延びる開口部２を有するオープン管１の、該開口部２に両側から相互に臨む管素材の端面部（言い換えると、該開口部２を挟んで対向する端面部）２ａ、２ｂの双方を、誘導加熱手段によって発生させた誘導電流により溶融させるとともに、開口部２の間隔を次第に狭めながら端面部２ａ、２ｂ同士を溶接点５において接触させて溶接する、電縫管を製造するための装置である。この電縫管溶接装置１００は、本実施形態に係る誘導加熱手段としての誘導コイル３と、インピーダー７と、電磁シールド材１０とを少なくとも備えている。

誘導コイル３は、オープン管１の外周面に沿って周回するように、オープン管１の外周面から離間して配置されたソレノイドコイルである。誘導コイル３の両端部は、図示しない高周波電源へ接続される。

本実施形態において用いる誘導コイル３は、銅等の良導体のパイプや線材、板等からなるもので、オープン管１上に閉回路を形成する誘導コイルの総称として用いており、その材質等は特に限定されない。また、誘導コイル３の形状も特に限定されるものではない。例えば、誘導コイル３は、オープン管１の外周面を周回し、円形のターンを描くような形状（円形コイル）でもよく、あるいは、矩形のターンを描くような形状（矩形コイル）であってもよい。なお、そのターン数については、限定されない。

その他、誘導コイル３の構成および作用効果は、上述した従来の電縫管溶接装置における誘導コイル３と同様である。

インピーダー７は、オープン管１の内部に配置されており、上述したように、フェライト等からなる強磁性体のコアである。このインピーダー７が、オープン管１の内部に配置されることにより、オープン管１の内周面のインピーダンスを高め、内周面に電流が流れるのを防止できる。また、インピーダー７は、通常樹脂製のインピーダーケース（図示せず。図９を参照）に収められ、インピーダーケース内を流れる冷却水により冷却される。また、インピーダー７としては、通常、複数本丸棒状の強磁性体コアであるインピーダーを略円状に配置した構造のもの（図１０（ｂ）を参照）や円筒状のもの（図９参照）が使用される。各丸棒状のインピーダーは、径が数ｍｍ程度と細いため、インピーダー７をオープン管１の内部に装着する際等に、オープン管１の内部にぶつけるなどして折れたり、破壊されたりしやすい。そこで、インピーダーケースがインピーダー７を覆うことで、インピーダー７が折れたり破壊されたりするのを保護している。

その他、インピーダー７の構成および作用効果は、上述した従来の電縫管溶接装置におけるインピーダー７と同様である。

電磁シールド材１０は、図６および図７に示すように、オープン管１の内部に配置されたインピーダー７とオープン管１の内周面との間隙において、少なくとも誘導コイル３の直下に位置するオープン管１の開口部２と重畳する範囲に設けられる。より具体的には、電磁シールド材１０は、少なくともオープン管１の開口部２と重畳する領域（開口部２をオープン管１の内周側から覆う領域）を含み、開口部２の両端面部２ａ、２ｂよりもオープン管１の周方向に拡がる領域に、オープン管１の内周面に沿った形で設置される。すなわち、電磁シールド材１０の形状は、オープン管１の内周面に沿った曲板状となる。

インピーダー７の磁束密度を十分に低下させるためには、図７に示すように、電磁シールド材１０が設置されるオープン管１の周方向の領域としては、開口部２の中央部を中心として、周方向両側に４５°ずつ拡がった領域（すなわち、オープン管１の内周面に沿って１／４周分円弧状に拡がった領域）であることが好ましい。また、図６に示すように、電磁シールド材１０が設置されるオープン管１の長手（管軸）方向の領域としては、少なくとも誘導コイル３の直下の領域を含んでいればよいが、より確実にインピーダー７へ入る磁束をシールドするためには、誘導コイル３の近傍の領域、すなわち誘導コイル３に近い側の溶接点５までの領域に亘って電磁シールド材１０を設置することが好ましい。正確には電磁場解析を行い、磁場の分布を計算し、適切な範囲のみをシールドするのが良い。

また、電磁シールド材１０の厚みが薄すぎると、インピーダー７の磁束密度の低下効果が不十分になる。一方、電磁シールド材１０の厚みが厚すぎると、オープン管１の内周面とインピーダー７との間の間隔が狭い小径管（特に、厚肉管）では電磁シールド材１０のオープン管１内への挿入が困難となる。したがって、電磁シールド材１０の厚みは、１ｍｍ前後であることが好ましい。

電磁シールド材１０の材質としては、インピーダー７に入る磁束を避け、インピーダー７の磁束密度を低下させる機能を有する材料であれば特に制限はされないが、例えば、銅、アルミニウム、カーボンファイバー等を好適に使用することができる。

以上説明したように、本実施形態では、上述した構成を有する電磁シールド材１０を用いているため、（１）誘導コイル３が発生させる高磁束密度の磁束が直接透磁率の高いインピーダー７に入ること、および、（２）開口部２の端面部２ａ、２ｂを流れる誘導電流により発生する磁束がインピーダー７に入ることを抑制することができる。これにより、インピーダー７が磁束飽和を起こすことがなくなり、発熱し焼損することもなくなる。したがって、本実施形態によれば、開口部２の端面部２ａ、２ｂで発生する発熱量は、大径管の電縫管溶接装置で発生する熱量とほぼ同等で、インピーダー７の最大磁束密度を飽和磁束密度以下に安定して保つことが可能となる。そのため、インピーダー７の焼損により、電縫管の生産を止めてインピーダー７の交換をする必要が無くなることから、生産性が向上するとともに、歩留りも向上する。

ここで、本実施形態においては、図７に示すように、電磁シールド材１０は、オープン管１の内周面に沿って１／４周分円弧状に拡がった領域に設置されている。この場合、電磁シールド材１０のオープン管１の周方向端部より外側の領域において、インピーダー７へ入る磁束がシールドされにくくなってしまう。

そこで、以下に述べる本発明の第２の実施形態に係る電縫管溶接装置では、電磁シールド材のオープン管１の周方向における設置領域を第１実施形態よりも拡げることで、より確実にインピーダー７へ磁束が入ることを防止し、電磁シールド材の磁束のシールド効果、すなわち、インピーダー７の磁束密度の低下効果を高めている。以下、本発明の第２実施形態に係る電縫管溶接装置について述べる。

（第２実施形態）
次に、図６および図８を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る電縫管溶接装置の構成を説明する。図８は、本実施形態に係る電縫管溶接装置を示す断面図であり、図６のＡ−Ａ線で切断した断面を示している。インピーダーケースは図示をしないことについては上述した第１実施形態と同様である。

図８に示すように、本実施形態に係る電縫管溶接装置は、上述した第１実施形態に係る電縫管溶接装置１００とは、電磁シールド材の設置領域が異なっている。具体的には、本実施形態に係る電磁シールド材２０は、オープン管１の開口部２を中心として、オープン管１の内周面の半周分に対向する範囲、すなわち、オープン管１の開口部２の中央部を中心として、周方向両側に９０°ずつ拡がった領域に設けられる。

電磁シールド材２０が上記の領域に設けられることにより、より確実にインピーダー７へ磁束が入ることを防止し、電磁シールド材の磁束のシールド効果、すなわち、インピーダー７の磁束密度の低下効果を高めることができる。

なお、本実施形態に係る電縫管溶接装置のその他の構成については、上述した第１実施形態の場合と同様であるので、詳細な説明を省略する。

（第３実施形態）
次に、図６および図９を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る電縫管溶接装置の構成を説明する。図９は、本実施形態に係る電縫管溶接装置を示す断面図であり、（ａ）は図６のＡ−Ａ線で切断した断面を示しており、（ｂ）は図６のＢ−Ｂ線で切断した断面を示している。なお、本実施形態では、電磁シールド材とインピーダーケースとの位置関係が重要であることから、図９では、インピーダーケースを図示している。

図９に示すように、本実施形態に係る電縫管溶接装置は、電磁シールド材１０がインピーダー７を収納するインピーダーケース９内に設けられている。より具体的には、本実施形態では、電磁シールド材１０は、オープン管１の内部に配置されたインピーダー７とインピーダーケース９の内周面との間隙に設けられている。

上述した第１実施形態では、電磁シールド材１０とインピーダーケース９との位置関係は特に規定していないが、仮に、電磁シールド材１０がインピーダーケース９の外に配置された場合、電磁シールド材１０とインピーダー７との距離が離れることから、本実施形態のように電磁シールド材１０がインピーダーケース９内に設けられた場合よりも、インピーダー７が高磁場になりやすい。また、電縫管が小径管（特に、厚肉管）の場合には、インピーダーケース９の外周面とオープン管１の内周面との間隔（外径４０ｍｍ以下の小径管の場合、約２ｍｍ程度）が狭いため、電磁シールド材１０の厚みや形状によっては、電磁シールド材１０をインピーダーケース９の外に配置することができない場合もある。

そこで、本実施形態のように、電磁シールド材１０をインピーダーケース９内に設けることにより、インピーダー７の磁場を抑えて磁束密度の低下効果を向上できるとともに、小径管（特に、厚肉管）の場合であっても容易に電磁シールド材１０を設置できる。

なお、図９では、電磁シールド材が、オープン管１の開口部２を中心として、オープン管１の内周面に沿って１／４周分円弧状に拡がった領域に設置されている例（すなわち、第１実施形態に係る電磁シールド材１０を使用した例）を示しているが、これには限られない。例えば、本実施形態において、電磁シールド材が、オープン管１の開口部２を中心として、オープン管１の内周面の半周分に対向する範囲に設置されていて（すなわち、第２実施形態に係る電磁シールド材２０を使用して）もよい。

また、電磁シールド材１０の交換の手間がかからないようにするには、電磁シールド材１０がインピーダーケース９の外に配置しても良い。

（第４実施形態）
次に、図６および図１０を参照しながら、本発明の第４実施形態に係る電縫管溶接装置の構成を説明する。図１０は、本実施形態に係る電縫管溶接装置を示す断面図であり、（ａ）は図６のＡ−Ａ線で切断した断面を示しており、（ｂ）は図６のＢ−Ｂ線で切断した断面を示している。インピーダーケースは図示をしないことについては上述した第１実施形態と同様である。

図１０に示すように、本実施形態に係る電縫管溶接装置は、上述した第１実施形態に係る電縫管溶接装置１００とほぼ同様の構成を有するが、インピーダー７と電磁シールド材１０の配置が、第１実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態は、インピーダー７が、複数本の丸棒状の強磁性体コアで構成され、各丸棒状のインピーダーが、オープン管１の内周面に沿って略円状に配置されている場合に、複数の丸棒状のインピーダーのうち、オープン管１の開口部２側に位置する一部の丸棒状のインピーダーが、電磁シールド材１０に置換された形態である。したがって、本実施形態では、上述した第１〜第３実施形態に係る電縫管溶接装置のように、電磁シールド材が、オープン管１の内部に配置されたインピーダー７とオープン管１の内周面との間隙に設けられているわけではない。

また、インピーダー７を構成する各丸棒状のインピーダーが、オープン管１の長手方向に沿って複数並べて配置されている場合、少なくとも誘導コイル３の直下の領域に位置し磁束飽和が懸念されるインピーダーのみを電磁シールド材１０に置換すればよく、これにより磁気シールド材に置換されることで欠落したインピーダーの部分が担っていたオープン管１の内周面を回ろうとする無効電流を阻止する効果の低減を最小限に抑えることができる。

なお、図１０では、電磁シールド材が、オープン管１の開口部２を中心として、オープン管１の内周面に沿って１／４周分円弧状に拡がった領域に設置されている例（すなわち、第１実施形態に係る電磁シールド材１０を使用した例）を示しているが、これには限られない。例えば、本実施形態において、電磁シールド材が、オープン管１の開口部２を中心として、オープン管１の内周面の半周分に対向する範囲に設置されていて（すなわち、第２実施形態に係る電磁シールド材２０を使用して）もよい。

本実施形態の場合、上述した第１〜第３実施形態の場合と比べ、インピーダーの本数が減るために、開口部２の端面部２ａ、２ｂの加熱効率は少し悪化（ただし、電縫管の製造には問題無い程度）するが、インピーダーの本数が減った分だけ、オープン管１の内部に十分な広さで電磁シールド材１０の設置スペースを確保でき、インピーダーの損傷を無くして安定した操業が続けられる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

管径φ３１．８ｍｍ、肉厚６．３ｍｍの普通鋼製の鋼管を、以下に示す実施例１、実施例２および比較例１の電縫管溶接装置を用いて、３０００Ａの電流を流して電縫管溶接を行った場合の溶接点から上流７００ｍｍの範囲の鋼管端面の総発熱量［Ｗ／ｍ^３］を計算した。その結果を図１２に示す。また、このような電縫管溶接の条件でＦＥＭ（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ：有限要素法）解析してインピーダーの最大磁束密度［Ｔ］を計算した結果を図１３に示す。なお、図１２は、実施例１、実施例２および比較例１におけるオープン管の端面部の総発熱量［Ｗ／ｍ^３］と誘導コイルに流した電流［Ａ］との関係を示すグラフであり、図１３は、実施例１、実施例２および比較例１におけるインピーダーの最大磁束密度［Ｔ］と誘導コイルに流した電流［Ａ］との関係を示すグラフである。

（実施例１）
実施例１の電縫管溶接装置としては、外径１０ｍｍ、の銅管製誘導コイルを備えた場合を計算した。ここで、誘導コイルは、図１１に示すように、銅管をオープン管（鋼管）から半径方向に１０ｍｍ離した位置で、溶接点から走行方向上流側に６０ｍｍの位置とその位置から５０ｍｍ上流の位置の範囲に、外周方向に周回するように配置して計算した。また、フェライトからなる強磁性体コアであるインピーダーは、溶接点から走行方向上流側に２５ｍｍの位置とその位置から３００ｍｍ上流の位置の範囲に配置した。さらに、電磁シールド材として１ｍｍ厚の銅板を仮定し、この銅板を、開口部の中央部を中心として周方向両側に４５°ずつ拡がった領域（すなわち、オープン管の内周面に沿って１／４周分円弧状に拡がった領域）に設置した場合を想定して計算した。電磁シールド材（銅板）のオープン管長手方向の設置範囲としては、誘導コイルの直下の領域を一部含み、かつ大電流の溶接電流が流れる端面部の直下の領域をも一部含むように、溶接点から走行方向上流側に４０ｍｍの位置とその位置から５０ｍｍ上流の位置の範囲とした。なお、オープン管の開口部の幅は６．５ｍｍ、溶接点における開口部の角度は６°とした。

（実施例２）
電磁シールド材（１ｍｍ厚の銅板）を、開口部の中央部を中心として、周方向両側に９０°ずつ拡がった領域（すなわち、オープン管１の開口部２を中心として、オープン管１の内周面の半周分に対向する範囲）に設置した以外は、実施例１と同様にして、電縫管溶接を行った。

（比較例１）
電磁シールド材を設置しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、電縫管溶接を行った。

図１２および図１３に示すように、実施例１、実施例２の電磁シールド材を備える電縫管溶接装置を用いて電縫管溶接した場合に開口部の端面部で発生する発熱量は、比較例１の電磁シールド材を備えていない電縫管溶接装置を用いて電縫管溶接した場合に発生する熱量に比べてやや低下していたが、電縫管溶接を行うには十分な発熱量であった。また、実施例１、実施例２の電磁シールド材を備える電縫管溶接装置を用いて電縫管溶接した場合のインピーダーに入る磁束（すなわち、インピーダーの最大磁束密度）は、インピーダーが磁束飽和する磁束密度（飽和磁束密度）よりも小さいところまで低下することがわかった。

特に、オープン管１の内周面の半周分に対向する範囲に電磁シールド材が設置された実施例２は、オープン管１の内周面の１／４周分の範囲に電磁シールド材が設置された実施例１よりも、最大磁束密度をより低下させることができるため、より効率的に溶接できることがわかった。

本発明は、金属帯板を走行させながら円筒状に曲げて誘導加熱し、金属帯板に誘起した電流によって金属帯板の両端面部間を溶接する電縫管溶接装置に有用である。このようにして製造された電縫管は、例えば、油井管、二輪車・四輪車用パイプ等の軽量化が求められるパイプなどとして用いられる。

１オープン管（金属帯板）
２開口部
２ａ、２ｂ端面部
５溶接点（溶接部）
６スクイズロール
７インピーダー
８ロッド
９インピーダーケース
１０、２０電磁シールド材
１００電縫管溶接装置
Ｒ走行方向

Claims

走行方向に延びる開口部を有するオープン管の、該開口部に両側から相互に臨む管素材の端面部の双方を、前記オープン管の表面に発生させた誘導電流により溶融させるとともに、前記開口部の間隔を次第に狭めながら前記端面部同士を溶接点において接触させて溶接する、電縫管を製造するための電縫管溶接装置であって、
前記オープン管の外周側を周回する誘導コイルと、
前記オープン管の内部に配置されるインピーダーと、
内部に前記インピーダーを収納するとともに、冷却水を通水して前記インピーダーを水中冷却するインピーダーケースと、
前記オープン管の内部に配置された前記インピーダーと前記オープン管の内周面との間隙において、少なくとも前記誘導コイルの直下に位置する前記オープン管の開口部と重畳する範囲に設けられ、前記誘導コイルから前記インピーダーに入る磁束を、前記インピーダーの飽和磁束密度より低く抑える電磁シールド材と、
を備えることを特徴とする、電縫管溶接装置。
前記電磁シールド材が、前記開口部を中心として、前記オープン管の内周面の半周分に対向する範囲に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の電縫管溶接装置。
前記電磁シールド材が、前記インピーダーケース内に設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の電縫管溶接装置。
走行方向に延びる開口部を有するオープン管の、該開口部に両側から相互に臨む管素材の端面部の双方を、前記オープン管の表面に発生させた誘導電流により溶融させるとともに、前記開口部の間隔を次第に狭めながら前記端面部同士を溶接点において接触させて溶接する、電縫管を製造するための電縫管溶接装置であって、
前記オープン管の外周側を周回する誘導コイルと、
前記オープン管の内周面に沿って略円状に配置された複数のインピーダーと、
内部に前記インピーダーを収納するとともに、冷却水を通水して前記インピーダーを水中冷却するインピーダーケースと、
少なくとも前記誘導コイルの直下に位置する前記オープン管の開口部と重畳する範囲に設けられ、前記誘導コイルから前記インピーダーに入る磁束を、前記インピーダーの飽和磁束密度より低く抑える電磁シールド材と、
を備え、
複数の前記インピーダーのうち、前記開口部側に位置する一部の前記インピーダーが前記電磁シールド材に置換されていることを特徴とする、電縫管溶接装置。