JPH0952182A - 電縫管の溶接方法およびインピーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶接効率の優れた電縫管の溶接方法と温度上昇
による透磁率低下の小さいインピーダを提供する。 【解決手段】（１）曲成されたオープンパイプ状の金属
帯内に配置されるインピーダコアを回転させながら溶接
する方法。 （２）円筒状のケース内に、このケース内に供給される
冷却水を動力源とする回転翼を一端面に固着した円柱状
のコア本体を回転自在に片持ち軸支内装したインピー
ダ。 【効果】インピーダコアの円周方向温度分布が均一にな
るとともに、昇温温度が低下するので、温度上昇に伴う
コアの透磁率低下が抑制され、高周波電流の金属帯エッ
ジ部への集中効果が向上する。この結果、溶接効率が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電縫管の溶接方法
とインピーダに係わり、特に、外径が５０．８ｍｍ以下
で、肉厚ｔと外径Ｄとの比（ｔ／Ｄ）が１０％以上とい
うよな小径厚肉の電縫管を製造するのに適用して有効な
電縫管の溶接方法とインピーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】金属帯をその幅方向両エッジ部が相対向
するオープンパイプ状に曲成した後、両エッジ部を高周
波電流によるジュール熱で集中的に加熱溶融して衝合溶
接する電縫管の溶接方法においては、前記高周波電流の
両エッジ部への集中度を高めて溶接効率の向上を図るべ
く、通常、オープンパイプ状に曲成された金属帯内にイ
ンピーダを内挿配置している。

【０００３】図４は、従来の電縫管溶接装置の一例を示
す模式図であり、図中、符号１は高周波電流を発生させ
る高周波電源であり、この高周波電源１には金属帯３に
高周波誘導電流を誘起通流させるワークコイル２が接続
されている。このワークコイル２は、被溶接材であるオ
ープンパイプ状に曲成された金属帯３を取り巻くように
配設されている。また、このワークコイル２が配置され
た金属帯３の内側にはインピーダ４が配置されている。
このインピーダ４は、磁性材料よりなる中空または中実
円柱状のインピーダコア５と、インピーダコア５を保護
および冷却するインピーダ冷却水通流路を構成するイン
ピーダケース６とからなっており、インピーダ冷却水の
供給管路を兼ねるマンドレル７を用いてオープンパイプ
状に曲成された金属帯３の内部空間に金属帯３と接触し
ないように内挿配設されている。

【０００４】図４中、符号８はスクイズロールであり、
ワークコイル２およびインピーダ４によって集中的に局
部溶融加熱された両エッジ部３ａ、３ａを加圧衝合溶接
するとともに、金属帯３を白抜き矢符方向に搬送する。

【０００５】上記の如く構成された溶接装置によって電
縫管を製造する場合、高周波電源１よりワークコイル２
へ高周波電流を流し、オープンパイプ状に曲成された金
属帯３に誘導電流を誘起発生させる。この誘導電流によ
ってオープンパイプ状に曲成された金属帯３の両エッジ
部３ａ、３ａが溶融加熱され、次いでスクイズロール８
によって加圧衝合溶接される。この場合、前記誘導電流
はオープンパイプ状に曲成された金属帯３の外周面に集
中的に発生し、その一部は内周面を環流して無効電流と
なる。しかし、インピーダ４の存在により、金属帯３内
周面のインピーダンスが高められるので、上記無効電流
が低減し、両エッジ部３ａ、３ａへの誘導電流集中が顕
著になる。

【０００６】上記インピーダ４として必要な性能は次の
３つであり、これらの性能はインピーダコア５の特性に
よってほぼ決定される。透磁率が高く、かつ飽和磁束
密度が高いこと。発熱を防ぐため比抵抗率が大きくて
鉄損が少なく、かつ冷却し易い形状であること。発熱
により温度が上昇しても磁気特性の変化が小さく、キュ
リー温度が高いこと。

【０００７】上記の諸特性を満たすインピーダコア５と
しては、一般に酸化物磁性材料であるフェライトを用い
る場合が多い。また、フェライトよりも性能の優れる珪
素鋼や非晶質金属合金（アモルファス合金）等の磁性材
料の箔や線材を積層または集束して所定の横断面形状に
成形したインピーダも提案されている（例えば、特開平
２−１０４４７９号公報）。

【０００８】さらに、インピーダの性能を構造面から高
める工夫は従来から多く提案されている。例えば、非金
属繊維強化樹脂製マンドレルを用いることでインピーダ
コアの充填率を高めたインピーダ（実開昭５９−１３５
８８４号公報）や、冷却を強化するためにインピーダコ
ア本体の外周に螺旋状フィンを設けたインピーダ（実開
昭６２−９６９８４号公報）などである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば、外
径が５０．８ｍｍ以下で、肉厚ｔと外径Ｄとの比（ｔ／
Ｄ）が１０％以上というよな小径厚肉管では、その管内
空間部の横断面積が極端に小さくなる。この場合、管内
空間部の横断面積の減少に伴ってインピーダコア５の充
填率が低下し、インピーダコア５に対する単位体積当た
りの磁気負荷が大きくなって発熱量が増え、インピーダ
コア５自体の温度が上昇し易くなる。

【００１０】図５は、インピダコアに用いられるＭｎ−
Ｚｎ系のフェライトにおける飽和磁束密度の温度依存性
の一例を示す図であるが、その成分比率の異なるフェラ
イトＡ、ＢおよびＣにより程度の差はあるものの、いず
れのフェライトも温度上昇に伴って磁気特性が低下し、
溶接効率の低下を招く。

【００１１】この発熱による温度上昇に伴う磁気特性低
下の防止対策としては、上記した従来技術以外に、例え
ばインピーダコア５を冷却するインピーダ冷却水の温度
を低くしたり、インピーダ冷却水の供給圧力を高くした
りしてインピーダコア５の冷却能力を高めることである
程度の効果を上げることができる。しかし、これらの対
策で得られる効果は今だ不十分で高効率な溶接ができな
いのに加え、インピーダコア５の冷却能を高めるべくイ
ンピーダ冷却水の温度低下あるいは加圧供給するのに特
別なエネルギが必要であり、また充填率の低下が避けれ
れないという欠点を有している。

【００１２】従って、より高効率な溶接方法の開発と、
充填率の低下を可及的に抑制でき、かつ温度上昇防止に
省エネルギ化が図れるインピーダの開発が望まれてい
た。

【００１３】本発明の目的は、上記の実情に鑑みなされ
たもので、より高効率な溶接が可能な溶接方法と、充填
率の低下を可及的に抑制でき、かつ省エネルギ化が図れ
るインピーダを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】発明者らは、インピーダ
コアの発熱特性について詳細に調査を行い、次のことを
知見した。

【００１５】図６は、ワークコイル２を含む横断面を示
す模式図であり、従来技術にあっては溶接中、インピー
ダコア５を非回転としている。この場合、ワークコイル
２でオープンパイプ状に曲成された金属帯３を誘導加熱
した際の磁束は、被溶接材であるオープンパイプに曲成
された金属帯３の円周方向に一様でなく、金属帯３の両
エッジ部３ａ、３ａに近い側を優先して多く流れ、その
幅方向中央部であるボトム部３ｂに流れる磁束は少な
い。

【００１６】このため、磁束が多く流れる両エッジ部３
ａ、３ａに対向するインピーダコア５部分の発熱量が局
部的に多くなり、インピーダコア５の円周方向の温度分
布状態は、図６中のインピーダコア５内に太線で模式的
に示した等温線のようになる。この結果、オープンパイ
プに曲成された金属帯３の両エッジ部３ａ、３ａに高周
波電流を集中させるのに最も重要なインピーダコア５部
分の昇温温度が最も高くなってその部分の磁気特性（透
磁率）が低下し、溶接効率の向上が律束されるようにな
る。

【００１７】ところが、インピーダコア５をその軸心を
中心に回転させてオープンパイプ状に曲成された金属帯
３の両エッジ部３ａ、３ａに対向するインピーダコア５
部分を常時変化させると、インピーダコア５の円周方向
の発熱量が均一になって円周方向の温度分布が均一にな
るとともに、昇温温度が低下し、温度上昇に伴うインピ
ーダコア５の磁気特性低下を軽減させ得ることを知見し
た。

【００１８】この場合、冷却能を増すためにインピーダ
コア５自体の外表面に溝加工を施すなどすると、インピ
ーダコア５の体積が減少して充填率が低下し、その効果
が相殺される。しかし、インピーダコア５の軸方向の前
後の何れか一方または両方にインピーダ冷却水によって
回転される回転翼を装着してインピーダコア５を回転さ
せると、インピーダコア５の体積を十分に大きくできて
充填率を高めることができ、かつ省エネルギ化が図れる
ことも知見した。

【００１９】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
もので、次の（１）および（２）の電縫管の溶接方法と
インピーダを要旨とする。

【００２０】（１）金属帯を複数スタンドからなる成形
ロール群に通してその幅方向両エッジ部が相対向するオ
ープンパイプ状に順次曲成した後、両エッジ部を高周波
誘導加熱手段を用いて溶融加熱し、次いでスクイズロー
ルによって衝合溶接する電縫管の溶接方法において、前
記曲成されたオープンパイプ状の金属帯内に配置された
インピーダコアを回転させながら溶接することを特徴と
する電縫管の溶接方法。

【００２１】（２）インピーダケース内にインピーダコ
ア本体を回転自在に設ける一方、インピーダコア本体の
軸方向の前後の何れか一方端面または両方端面に、前記
インピーダケース内に供給されるインピーダ冷却水を動
力として回転する回転翼を固定装着したことを特徴とす
るインピーダ。

【００２２】なお、上記（１）の方法において、インピ
ーダコアの回転は、この回転に要するエネルギの省エネ
化を無視する場合、インピーダコアをインピーダケース
内に非回転に内装し、このインピーダケースをオープン
パイプ状に曲成された金属帯内に挿入支持するインピー
ダ冷却水の供給管路を兼ねるマンドレルを回転駆動させ
るようにしてよいことは言うまでもない。

【００２３】また、上記（２）のインピーダは、インピ
ーダケースの反マンドレル装着側に非磁性材料からなる
スラストベアリングを介して片持ち軸支するのが好まし
く、この場合、インピーダコアの外径を可及的に大きく
でき、その充填率を高めることができる。また、インピ
ダーダコアは、高周波磁気により膨張収縮して体積変化
する。従って、その膨張収縮を完全に拘束するように保
持すると破損する恐れがあり、特にその材質が強度の小
さいフェライトでは破損する恐れが極めて大きいが、上
記のように片持ち軸支すると、非軸支方向に膨張収縮す
るので破損することがない。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
を詳細に説明する。なお、従来と同一部分は同一符号を
付して示し、詳しい説明は省略する。

【００２５】図１は、本発明のインピーダ４０の一例を
示す部分縦断面図で、図中、符号５はインピーダコアで
ある。インピーダコア５は、フェライト、珪素鋼あるい
はアモルファス金属製の円柱体であり、その軸長方向の
一方端をガラスエポキシなどの非磁性材料製の円筒状の
インピーダケース６内に片持ち軸支１０させて内装され
ている。また、その他方端面には、中空のマンドレル７
を通してインピーダケース６内に供給されるインピーダ
冷却水９によって回転する回転翼１１が同軸に固定装着
されている。なお、図中の６ａは、インピーダ冷却水の
排出孔である。

【００２６】ここで、上記回転翼１１としては、軸流ポ
ンプに用いられているような翼形状を有するものを用い
るのが好ましいが、何らこれに限定されない。また、イ
ンピーダコア５のインピーダケース６に対する片持ち軸
支１０に際しては、回転を円滑にさせるべく、スラスト
ベアリング１２を介設するのが好ましい。さらに、回転
翼１１およびスラストベアリング１２は、これらの部分
にも高周波磁束が多く流れるため、上記インピーダケー
ス６と同様、ガラスエポキシ、セラミックスなどの非磁
性材料製とするのが望ましく、特にその耐久性を考慮す
ると窒化珪素などの高強度なセラミックス製とするのが
最も好ましい。

【００２７】上記のように構成されたインピーダ４０を
図４に示す従来の電縫管溶接装置を構成するインピーダ
４に変えて用いる場合には、その溶接中、マンドレル７
を通して供給されるインピーダ冷却水９によって回転翼
１１が回転し、この回転翼１１の回転に伴ってインピー
ダコア５が常時回転するので、インピーダコア５の円周
方向温度分布が均一になるとともに、昇温温度が低く抑
制され、温度上昇に伴うインピーダコア５の透磁率低下
が小さくなり、溶接効率が向上する。また、そのインピ
ーダコア５の外径をインピーダケース６の内径に可級的
に近づけて大きくすることができるので、その充填率を
高めることができる。さらに、インピーダコア５の回転
をインピーダ冷却水９の供給のみによって行うので、省
エネルギ化が図れる。

【００２８】なお、インピーダコア５の回転方向は特に
制限されず、左右どちらの方向に回転させてもよい。ま
た、回転翼１１は片持ち軸支１０側にも設けてもよい
が、この場合にはその回転方向が同一方向となるように
する必要のあることは言うまでもない。またさらに、図
１に示すインピーダ４０は、１８０°回転させて金属体
３内に挿入配置し、インピーダ冷却水９を溶接進行方向
の下流側（図４の右方）に排出するようにしてもよい。

【００２９】インピーダコア５の回転による円周方向の
温度均一化と温度上昇抑制効果、その回転速度が速けれ
ば速いほどより確実に得られるが、３０ｒｐｍ以上であ
れば十分である。ただし、あまり速くすると回転翼１１
や軸支１０部分やスラストベアリング１２の寿命が短く
なる一方、インピーダ冷却水９の供給圧力を上げる必要
が生じ、省エネルギ化が図れなくなるので、１２００ｒ
ｐｍ以下に留めるのが好ましい。この場合、インピーダ
冷却水９の供給圧力は、通常の工業用水の圧力（０．４
Ｍｐａ）で十分である。

【００３０】なお、図１に示すインピーダ４０は、管内
横断面積の小さい小径厚肉管に適用してインピーダコア
の外径、換言すればその充填率を大きくできる最も好ま
しい例であるが、管内横断面積の大きい大径薄肉管用で
は図２に示すようなインピーダ４１にしてもよい。すな
わち、インピーダケース６内面との間にインピーダ冷却
水通路９ａを形成する凹状切り欠き部１３ａを周方向に
複数箇所成形した環状ベアリング１３をインピーダコア
５両端部配置して両持ち軸支する構成としてもよい。こ
の場合、インピーダコア５をフェライト製にすると、前
述したように膨張収縮によって破損する恐れがあるの
で、環状ベアリング１３を適宜な非磁性の弾性材料を介
して外嵌装着するのが望ましい。

【００３１】なおまた、珪素鋼やアモルファスの薄板を
絶縁箔板を介して積層して所定形状のインピーダコア５
とする場合、その積層方向は横断面扇状の薄板を回転軸
心を中心に放射状に積層するか、もしくは円盤状の薄板
を回転軸心の軸長方向に積層する必要がある。これは、
その積層方向を回転軸心方向と直交する径方向に積層す
るとその磁気特性に異方性があり、これを回転させた場
合にその積層方向が高周波誘導磁束に対して変化し、そ
の磁気特性が変動するが、上記のように積層した場合に
はコアの回転に伴う磁気特性変動がなくなるからであ
る。

【００３２】ただし、円盤状の薄板を回転軸心の軸長方
向に積層した場合、インピーダコア５自体が発熱し、磁
気特性が低下するので好ましくない。すなわち、インピ
ーダコア５を配置する位置における高周波誘導磁束は周
方向磁束に比べて軸長方向磁束の方が大きく、この軸長
方向磁束により発生する渦電流に対する抵抗が小さいの
で渦電流が積層した円盤状の各薄板内を流れ、薄板が発
熱して磁気特性が低下する。これに対し、横断面扇状の
薄板を回転軸心を中心に放射状に積層する場合には、こ
のようなことがないので、放射状に積層するのが最も好
ましい。

【００３３】

【実施例】インピーダコアが非回転のインピーダを用い
た従来法と、インピーダコアが回転可能なインピーダを
用いる本発明法とにより、表１に示す条件で電縫溶接管
を製造するに際し、同一溶接速度における正常溶接に必
要な入熱量（ｋＶ・Ａ）を調べた。その結果を、図３に
示した。

【００３４】なお、ワークコイルはその下流端（図４中
の右方）がスクイズロール中心から１１０ｍｍ離間した
位置に、インピーダコアはその下流端（上記と同じ）が
スクイズロール中心から３０ｍｍ離間した位置にそれぞ
れ配置した。また、本発明の方法では、インピーダコア
を３０ｒｐｍで回転させた。また更に、この時の金属帯
両エッジ端面相互の接合点は、スクイズロール中心から
上流側へ３０±３ｍｍ離間した位置であった。

【００３５】

【表１】

【００３６】図３に示す結果から明らかなように、本発
明の方法による場合には、従来法に比べて同一溶接速度
での必要な入熱量が約２５％節減できている。換言すれ
ば、同一入熱量で溶接する場合の溶接速度は約２５％速
くなっていおり、高効率な溶接を行うことができてい
る。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、高周波溶接時のインピ
ーダコアの発熱による磁気特性低下を軽減し、電縫鋼管
の溶接効率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインピーダの一例を示す部分縦断面図
である。

【図２】本発明のインピーダの他の例を示す部分縦断面
図である。

【図３】実施例の結果を示す図である。

【図４】従来の電縫管溶接装置の一例を示す模式図であ
る。

【図５】インピーダコアに用いられるＭｎ−Ｚｎ系のフ
ェライトにおける飽和磁束密度（透磁率）の温度依存性
の一例を示す図である。

【図６】従来のインピーダにおけるインピーダコアの温
度分布を説明する図である。

【符号の説明】

１：高周波電源、 ２：ワークコイ
ル、３：金属帯、 ３ａ：エッジ
部、３ｂ：ボトム部、 ４：従来
のインピーダ、５：インピーダコア、
６：インピーダケース、６ａ：排出孔、
７：マンドレル、８：スクイズロール、
９：インピーダ冷却水、９ａ：インピーダ
冷却水通路、 １０：片持ち軸支持、１１：回転
翼、 １２：スラストベアリン
グ、１３：環状ベアリング、 １３ａ：凹状
切り欠き部、４０：本発明のインピーダ、 ４
１：本発明のインピーダ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属帯を複数スタンドからなる成形ロール
   群に通してその幅方向両エッジ部が相対向するオープン
   パイプ状に順次曲成した後、両エッジ部を高周波誘導加
   熱手段を用いて溶融加熱し、次いでスクイズロールによ
   って衝合溶接する電縫管の溶接方法において、前記曲成
   されたオープンパイプ状の金属帯内に配置されたインピ
   ーダコアを回転させながら溶接することを特徴とする電
   縫管の溶接方法。
2. 【請求項２】インピーダケース内にインピーダコア本体
   を回転自在に設ける一方、インピーダコア本体の軸方向
   前後の何れか一方端面または両方端面に、前記インピー
   ダケース内に供給されるインピーダ冷却水を動力として
   回転する回転翼を固定装着したことを特徴とするインピ
   ーダ。