JP7265927B2 - インピーダ装置及び高周波誘導溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダ装置及び高周波誘導溶接装置に関する。

従来から、帯状の鋼板から電縫管を成形する高周波誘導溶接装置が知られている。高周波誘導溶接装置は、鋼板を筒状の被加工帯材に成形するロール成形機と、ロール成形機の下流側で被加工帯材内に設けられるインピーダ装置と、インピーダ装置に重なる位置で被加工帯材を周方向に囲むコイルと、コイルの下流側で、インピーダ装置及びコイルの作用により加熱された被加工帯材の周方向における端縁同士を圧接して電縫管となす圧接機と、圧接機の下流側に設けられ、インピーダ装置と棒部材により連結されており、電縫管の内面におけるビードを除去する除去装置と、を備える。高周波誘導溶接装置においては鋼板及び電縫管が、ロール成形機側がある上流から除去装置がある下流側へ移動していく（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６－２８９４３２号公報

高周波誘導加熱によって加熱された被加工帯材の圧接溶接時には、スパッタが被溶接管内に飛散する。溶接により発生した高温のスパッタが、インピーダ装置と除去装置とを連結する棒部材に堆積する。高温のスパッタが繰り返し棒部材に堆積することにより、棒部材が破断することがある。

また、棒部材上に堆積したスパッタは塊となり電縫管に落ちた場合、塊は、電縫管と共に下流側に送られる。塊が棒部材上で大きくなってから落下した場合、この塊を除去装置が乗り上げることがあり、除去装置の位置が瞬間的に変化することがある。これにより、過度な抵抗が棒部材にかかることになる。過度な抵抗が棒部材にかかった結果、棒部材が変形や破断等することがある。例えば、棒部材が破断すると、除去装置は、インピーダ装置との連結状態が解除され電縫管と共に下流側に移動していく。これにより、電縫管の内面に生じたビードは除去部材により除去されず、ビードが除去されない電縫管は、製品としては不適格であり、廃棄せざるを得ないことがある。また、復旧のためには高周波誘導溶接装置の稼働を止めなければならず、高周波誘導溶接装置の再稼働までに時間がかかる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電縫管の溶接時に発生するスパッタによる不都合な影響を最小限に抑制する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電縫管の溶接に用いられるインピーダ装置であって、両端が閉鎖された外筒管と、支持棒により支持された状態において前記外筒管内に収容されたインピーダコアと、を備え、前記インピーダコアと前記外筒管との間に、前記外筒管の外部から供給され前記インピーダコアを冷却する冷媒が流れる流路が設けられており、前記外筒管の一端側の端面に、前記支持棒が挿通される挿通孔と、前記支持棒に向かって前記冷媒が噴出する噴出孔と、が形成されており、前記電縫管を溶接する際に、前記噴出孔が前記挿通孔に対して前記電縫管の溶接箇所の側に位置することを特徴とする。

また、前記電縫管を溶接する際に、前記噴出孔は前記挿通孔に対して上方に位置していてもよい。

また、前記噴出孔は、前記挿通孔よりも小さくてもよい。

また、前記噴出孔は、前記外筒管の内部から外部に向かうに連れて前記挿通孔の側に傾斜して延びていてもよい。

また、前記外筒管の一端側は、閉鎖カバーによって閉鎖されており、前記閉鎖カバーに前記挿通孔及び前記噴出孔が形成されていてもよい。

さらに、上記課題を解決するために、本発明は、帯状の鋼板を成形して電縫管を高周波誘導溶接装置であって、前記鋼板を丸めて筒状の被加工帯材を成形するロール成形機と、前記ロール成形機の下流側で前記被加工帯材内に設けられるインピーダ装置と、前記インピーダ装置に重なる位置で前記筒状に成形された鋼板を囲むコイルと、前記コイルの下流側で、前記インピーダ装置及び前記コイルの作用により加熱された前記筒状に成形された鋼板の周方向における端縁同士を圧接して電縫管となす圧接機と、前記圧接機の下流側に設けられ、前記インピーダ装置と棒部材により連結された前記電縫管の内面におけるビードを除去する除去装置と、を備え、前記インピーダ装置は、両端が閉鎖された外筒管と、前記棒部材により支持された状態において前記外筒管内に収容されたインピーダコアと、を有し、前記インピーダコアと前記外筒管との間に、前記外筒管の外部から供給され前記インピーダコアを冷却する冷媒が流れる流路が設けられており、前記外筒管の一端側の端面に、前記棒部材が挿通される挿通孔と、前記棒部材に向かって前記冷媒が噴出する噴出孔と、が形成されており、前記噴出孔は、前記挿通孔に対して前記鋼管の前記端縁の側に位置することを特徴とする。

また、前記電縫管を溶接する際に、前記噴出孔は前記挿通孔に対して上方に位置していてもよい。

本発明により、電縫管の溶接時に発生するスパッタによる不都合な影響を最小限に抑制することができる。

高周波誘導装置の構成を説明するための概略的な側面図である。 本発明に係るインピーダ装置の構成を説明するための図である。 本発明に係る高周波誘導溶接装置におけるスパッタの堆積を抑制する方法を説明する図である。 従来の高周波誘導溶接装置におけるスパッタの堆積を抑制する方法を説明する図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明に係るインピーダ装置は、高周波誘導加熱法を採用して鋼製の電縫管を製造する高周波誘導溶接装置に適用される。本発明に係るインピーダ装置が適用される高周波誘導溶接装置は、公知の高周波誘導溶接装置であり、特定の高周波誘導溶接装置に限定されない。また、電縫管とは、帯状の鋼である帯鋼をロールフォーミングし、継目を高周波電気抵抗溶接等により連続的に溶接されて製造された、様々な径を有する鋼管のことである。例えば、本発明の実施の形態に係るインピーダ装置１は、図１に示す高周波誘導溶接装置１００に適用される。

図１は、本発明の実施の形態に係るインピーダ装置１を備える高周波誘導溶接装置１００の構成を説明するための概略的な側面図である。高周波誘導溶接装置１００は、金属製の帯材をロール成形により塑性変形させて、帯材の両端縁を突き合わせて筒状に成形して両端縁同士を高周波溶接により溶接して電縫管を製造する。

高周波誘導溶接装置１００は、ロール成形機１１０と、ワークコイル（コイル）１２０と、スクイズロール（圧接機）１３０と、インピーダ装置１と、内側除去装置１４０と、外側除去装置１５０とを備える。ロール成形機１１０は、上流から流れてきた帯状の鋼板を丸めて筒状の被加工帯材Ｗを形成する。ここで筒状の被加工帯材Ｗとは、長手方向に直交する断面形状が略Ｃ字形となるように帯状の鋼板が丸められて、幅方向における端縁同士が離れた状態に成形された帯材のことである。被加工帯材Ｗの端縁は、高周波誘導溶接装置１００の設置状態において鉛直方向上側に位置する。

ワークコイル１２０は、ロール成形機１１０の下流側に配置されている。ワークコイル１２０は、被加工帯材Ｗの外周を囲むようにして被加工帯材Ｗに巻かれている。ワークコイル１２０は、高周波電源（図示せず。）に接続されており、高周波電源を印加することにより加熱され、インピーダ装置１と共に被加工帯材Ｗの端縁を加熱する。より具体的には、ワークコイル１２０に高周波電流が流されると高周波の磁界が発生する。この磁界により、被加工帯材Ｗの端縁に沿って渦電流が流れる。渦電流によりジュール熱が発生し、端縁が加熱される。

スクイズロール１３０は、ワークコイル１２０の下流側に配置されている。スクイズロール１３０は、上流側で加熱された被加工帯材Ｗの端縁同士を突き合わせて完全な筒に成形し、高周波溶接により溶接する。これにより、被加工帯材Ｗは電縫管Ｐとなる。

インピーダ装置１は、ロール成形機１１０の下流側で筒状の被加工帯材Ｗ内に配置されている。インピーダ装置１の下流側の端部は、ワークコイル１２０と重なる位置にあり、インピーダ装置１の先端部は、スクイズロール１３０に囲まれている。図２は、インピーダ装置１の構成を説明するための図であり、図２（ａ）は軸線ｘに沿ってインピーダ装置１を断面にした断面図であり、図２（ｂ）は軸線ｘに沿ってインピーダ装置１を下流の端面側から見た正面図であり、図２（ｃ）はインピーダ装置１を上方から見た透視平面図である。

インピーダ装置１は、外筒管１０と、支持棒２０と、インピーダコア３０と、を有する。軸線ｘに直交する外筒管１０の断面形状は円形である。外筒管１０は、円筒状に形成されており、軸線ｘ方向における外筒管１０の両端部は閉鎖されている。外筒管１０には供給口１１が形成されている。供給口１１は、インピーダコア３０を冷却するための冷媒を、外筒管１０の外部から外筒管１０の内部に供給するために用いられる。供給口１１は、鉛直方向上側を向いて開口している。冷媒は、水、水溶性の加工油等の液体や、空気、窒素ガス等の流体であってよく、特に限定されない。

外筒管１０の上流側の端部は、閉鎖部材１２によって閉鎖されている。閉鎖部材１２は、２つの凹部１２ａ，１２ｂを有する。凹部１２ａは、外筒管１０の軸線ｘに同心状に形成されており、上流側に向かって凹に形成されている。軸線ｘに直交する凹部１２ａの断面形状は円形であり、支持棒２０が嵌まり込んでいる。凹部１２ｂは、外筒管１０の軸線ｘに同心状に形成されており、下流側に向かって凹に形成されている。軸線ｘに直交する凹部１２ｂの断面形状は円形である。閉鎖部材１２には連結部材１３が取り付けられており、連結部材１３は、上流側の端部においてロール成形機１１０に取り付けられている。連結部材１３は、凹部１２ｂに嵌まり込む。これにより、インピーダ装置１は、ロール成形機１１０に対して位置固定されている。

外筒管１０の下流側の端部は、閉鎖カバー１４によって閉鎖されている。閉鎖カバー１４には、挿通孔１５と、噴出孔１６と、が形成されている。挿通孔１５は、円形の孔であり、軸線ｘと同心に形成されている。挿通孔１５は、軸線ｘ方向に沿って閉鎖カバー１４を貫通している。挿通孔１５に支持棒２０が挿通されており、閉鎖カバー１４の挿通孔１５における内周面と、支持棒２０の外周面との間には隙間Ｓ１が形成されている。

噴出孔１６は、円形の孔であり、挿通孔１５に対して径方向外側に位置する。噴出孔１６は、軸線ｘ方向に沿って閉鎖カバー１４を貫通している。噴出孔１６は、挿通孔１５と平行に延びている。噴出孔１６が存在する軸線ｘ方向に沿った平面上には供給口１１が存在している。噴出孔１６は、挿通孔１５よりも大きい径の、挿通孔１５の同心円（一点鎖線により示す。）１７上に形成されている。噴出孔１６は、挿通孔１５に対して鉛直方向上側に位置する。ここで「鉛直方向上側」とは、高周波溶接により溶接される被加工帯材Ｗの端縁を向く側のことである。すなわち、噴出孔１６は、溶接箇所と噴出孔１６の中心と挿通孔１５の中心とが鉛直方向にほぼ沿って並んだ状態となっている。噴出孔１６は、挿通孔１５よりも小さな径を有している。噴出孔１６の径は、例えば、挿通孔１５の径の０．１～０．３倍の範囲の大きさであることが好ましい。なお、噴出口１６は、円形に限られず、楕円形や、多角形状であってもよい。なお、噴出孔１６の具体的な位置は、スパッタ装置１の下流側の端面から、支持棒２０におけるスパッタＳｐが堆積する位置までの間隔がおおよそ分かれば、例えば、トリチェリの定理に基づいて設定することができる。

図１に戻って、支持棒２０は、インピーダ装置１と、内側除去装置１４０との間を延在している。軸線ｘに直交する支持棒２０の断面形状は円形である。支持棒２０の外径は、閉鎖部材１２の凹部１２ａの内径と略同じか又は少し大きくなっている。支持棒２０の上流側の端部は、閉鎖カバー１４の挿通孔１５を抜けて外筒管１０に挿入されて、閉鎖部材１２に形成された凹部１２ａに嵌まる。支持棒２０の下流側の端部は、内側側除去装置１４０に連結されている。ただし、支持棒２０と内側除去装置１４０との連結箇所は、弱化部として形成されており、内側除去装置１４０に所定の荷重がかかった場合に破断するようになっている。

インピーダコア３０は、ワークコイル１２０から発生する磁束を収集する。インピーダコア３０は、磁性材料により形成されている。インピーダコア３０は、円筒状に形成されている。インピーダコア３０は、外筒管１０内において支持棒２０に支持されている。インピーダコア３０は、外筒管１０、閉鎖部材１２及び閉鎖カバー１４に対して所定の間隔をあけている。この間隔は、外筒管１０の外部から供給されインピーダコア３０を冷却する冷媒が流れる流路１８として形成されている。流路１８は、インピーダコア３０の外周面と外筒管１０との間、インピーダコア３０の上流側に面する端面と閉鎖部材１２との間、及びインピーダコア３０の下流側に面する端面と閉鎖カバー１４との間に連通して形成されている。流路１８は、閉鎖カバー１４に形成された挿通孔１５及び噴出孔１６に連通している。

図１に戻って、内側除去装置１４０は、インピーダ装置１及びスクイズロール１３０の下流側に設けられている。内側除去装置１４０は、スクイズロール１３０による溶接加工により被加工帯材Ｗの端縁同士の継目に形成される内周面におけるビードＢを除去する。内側除去装置１４０は、切削部材１４１と、複数のローラ１４２とを有する。切削部材１４１は、鉛直方向上側に設けられており、電縫管Ｐの内周面に形成されたビードＢを切削する。ローラ１４２は、切削部材１４１とは反対側に設けられている。内側除去装置１４０は、ローラ１４２において電縫管Ｐの内周面に接触している。内側除去装置１４０のローラ１４２が回転することにより、下流側に搬送されていく電縫管Ｐに対して、内側除去装置１４０はその位置に留まる。

外側除去装置１５０は、スクイズロール１３０の下流側に設けられている。外側除去装置１５０は、スクイズロール１３０による溶接加工により被加工帯材Ｗの端縁同士の継目の外周面におけるビードＢを除去する。

図４は、従来の高周波誘導溶接装置におけるスパッタＳｐの堆積を抑制する方法を説明する図である。従来から高周波誘導溶接装置においては、スクイズロールによる圧接溶接により高温のスパッタＳｐが発生する。高温のスパッタＳｐが支持棒２２０上に堆積すると支持棒２２０が破断するおそれがあった。そのため、インピーダコアを冷却するための、外筒管２１０から排出される冷媒Ｃを用いて支持棒２２０上でのスパッタＳｐの堆積を防ぐことが検討された。

インピーダコアを冷却した冷媒Ｃは、外筒管２１０の下流側の端面から挿通孔２３０を通じて外筒管２１０の内部から流出する。冷媒Ｃは、支持棒２２０に沿って外筒管からある程度の距離まで流れていくが、スパッタＳｐが堆積する位置にまで届かないことがあった。そのため、支持棒２２０にはスパッタＳｐの塊が形成されることがあった。供給する冷媒Ｃの量を増やすことにより流出する冷媒Ｃの流量を増やしていくことも考えられるが、冷媒Ｃが外筒管２１０内に充満するだけであり、支持棒２２０上でのスパッタＳｐの堆積を抑制するための有効な手段にはならなかった。

そこで、支持棒２０上でのスパッタＳｐの堆積を抑制するために本発明の実施の形態に係るインピーダ装置１が有意であることが分かった。以下に、インピーダ装置１によるスパッタＳｐの堆積を抑制する方法について説明する。図３は、本発明に係る高周波誘導溶接装置１００におけるスパッタＳｐの堆積を抑制する方法を説明する図である。なお、説明の便宜上、図３においては、インピーダ装置１のみを具体的に示し、高周波誘導溶接装置１００における他の構成要素については省略したり破線により示したりする。

供給口１１から外筒管１０内に供給された冷媒Ｃは、流路１８を巡回しながらインピーダコア３０を冷却して、閉鎖カバー１４の下流側の端面から挿通孔１５及び噴出孔１６を通じて外部に流出する。噴出孔１６は、インピーダ装置１を高周波誘導溶接装置１００に設置した状態において、挿通孔１５に対して被加工帯材Ｗが溶接される箇所の側に位置している。これにより、噴出孔１６における冷媒は、挿通孔１５における冷媒よりも位置エネルギーが高く、噴出孔１６から流れ出る冷媒は、挿通孔１５から流れ出る冷媒よりも大きい運動エネルギーを持っている。したがって、噴出孔１６から流れ出る冷媒は、挿通孔１５から流れ出る冷媒よりも、下流側に遠くに噴出することができる。

噴出孔１６の径は、挿通孔１５の径よりも小さく、噴出孔１６の断面積は、挿通孔１５の断面積よりも小さい。したがって、噴出孔１６を流れる冷媒の流速は、挿通孔１５を流れる冷媒の流速よりも速く勢いも大きい。噴出孔１６からの冷媒は、支持棒２０に向かって噴出し、支持棒２０に降ってくるスパッタＳｐを支持棒２０から洗い落とす。

インピーダ装置１によれば、支持棒２０が挿通される挿通孔１５に加えて、挿通孔１５の径よりも小さい径を有する噴出孔１６が設けられているため、インピーダコア３０を冷却した冷媒Ｃは、噴出孔１６において流速を高められて外筒管１０から支持棒２０に向かって噴出する。これにより、スパッタＳｐが支持棒２０において塊となることを効果的に防ぐことができる。

スパッタＳｐは、細かい粒子のまま電縫管Ｐ内に落ちることになる。電縫管Ｐ内に落ちた細かい粒子のスパッタＳｐを、後続の内側除去装置１４０のローラ１４２が乗り上げたとしても、内側除去装置１４０と支持棒２０との連結箇所には過度な負荷がかかることはない。これにより、内側除去装置１４０とインピーダ装置１との連結は維持され、電縫管Ｐの内面におけるビードＢを長期に亘って確実に除去することができる。

また、挿通孔１５及び噴出孔１６は、外筒管１０とは別体の閉鎖カバー１４に形成されているので、挿通孔１５及び噴出孔１６に対するメインテナンスは、閉鎖カバー１４を取り外して行うことができ、また、不具合が生じている場合には、閉鎖カバー１４を交換するだけでよい。

また、噴出孔１６は、挿通孔１５に対して上側に位置しているので、支持棒２０に対して上方から冷媒Ｃを噴出することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。また、例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。例えば、上記の実施の形態において、噴出孔１６は、挿通孔１５に対して平行に延びていたが、挿通孔１５に対して傾斜していてもよい。この場合、噴出孔１６は、上流側から下流側に延びるに連れて挿通孔１５に向かって傾斜して延びている。噴出孔１６から噴出した冷媒Ｃは、噴出孔１６から噴出する時点で既に支持棒２０に方向付けられており、より確実にスパッタＳｐを洗い流すことができる。また、噴出孔１６は、スクイズロール１３０による溶接箇所とは異なる方向に方向付けられているため、溶接箇所への冷媒Ｃの拡散を抑えることができる。

１００ 高周波誘導溶接装置
１ インピーダ装置
１０ 外筒管
１４ 閉鎖カバー
１５ 挿通孔
１６ 噴出孔
１８ 流路
２０ 支持棒（棒部材）
３０ インピーダコア
１１０ ロール成形機
１２０ ワークコイル（コイル）
１３０ スクイズロール（圧接機）
１４０ 除去装置（内側除去装置）

Claims (7)

1. 電縫管の溶接に用いられるインピーダ装置であって、
   両端が閉鎖された外筒管と、
   支持棒により支持された状態において前記外筒管内に収容されたインピーダコアと、
   を備え、
   前記インピーダコアと前記外筒管との間に、前記外筒管の外部から供給口を通じて供給され前記インピーダコアを冷却する冷媒が流れる流路が設けられており、
   前記外筒管の一端側の端面に、前記支持棒が挿通される挿通孔と、前記支持棒に向かって前記冷媒が噴出する、前記挿通孔よりも小さい噴出孔と、が形成されており、
   前記挿通孔の内周面と前記支持棒との外周面との間に前記冷媒が流出する隙間が形成されており、
   前記噴出孔は、前記供給口と前記挿通孔との間で延びる前記流路において前記挿通孔に対して上流側に位置し、
   前記噴出孔が前記挿通孔に対して前記電縫管の溶接箇所の側に位置することを特徴とするインピーダ装置。
2. 前記電縫管を溶接する際に、前記噴出孔は前記挿通孔に対して上方に位置することを特徴とする請求項１に記載のインピーダ装置。
3. 前記挿通孔は、前記外筒管の軸線と同心に形成されており、
   前記噴出孔は、前記挿通孔に対して径方向外側に位置し、
   前記供給口は、前記外筒管において径方向外側を向いて開口しており、前記噴出孔が存在する前記軸線に沿った平面状に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインピーダ装置。
4. 前記噴出孔は、前記外筒管の内部から外部に向かうに連れて前記挿通孔の側に傾斜して延びていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のインピーダ装置。
5. 前記外筒管の一端側は、閉鎖カバーによって閉鎖されており、
   前記閉鎖カバーに前記挿通孔及び前記噴出孔が形成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のインピーダ装置。
6. 帯状の鋼板を成形して電縫管を製造する高周波誘導溶接装置であって、
   前記鋼板を丸めて筒状の被加工帯材を成形するロール成形機と、
   前記ロール成形機の下流側で前記被加工帯材内に設けられるインピーダ装置と、
   前記インピーダ装置に重なる位置で前記筒状に成形された鋼板を囲むコイルと、
   前記コイルの下流側で、前記インピーダ装置及び前記コイルの作用により加熱された前記筒状に成形された鋼板の周方向における端縁同士を圧接して電縫管となす圧接機と、
   前記圧接機の下流側に設けられ、前記インピーダ装置と棒部材により連結された前記電縫管の内面におけるビードを除去する除去装置と、
   を備え、
   前記インピーダ装置は、
   両端が閉鎖された外筒管と、
   前記棒部材により支持された状態において前記外筒管内に収容されたインピーダコアと、
   を有し、
   前記インピーダコアと前記外筒管との間に、前記外筒管の外部から供給口を通じて供給され前記インピーダコアを冷却する冷媒が流れる流路が設けられており、前記外筒管の一端側の端面に、前記棒部材が挿通される挿通孔と、前記棒部材に向かって前記冷媒が噴出する、前記挿通孔よりも小さい噴出孔と、が形成されており、前記挿通孔の内周面と前記棒部材との外周面との間に前記冷媒が流出する隙間が形成されており、前記噴出孔は、前記供給口と前記挿通孔との間で延びる前記流路において前記挿通孔に対して上流側に位置し、前記噴出孔は、前記挿通孔に対して前記鋼板の前記端縁の側に位置する
   ことを特徴とする高周波誘導溶接装置。
7. 前記電縫管を溶接する際に、前記噴出孔は前記挿通孔に対して上方に位置することを特徴とする請求項６に記載の高周波誘導溶接装置。

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