KR20150036480A - 전봉관 용접 장치 - Google Patents

Abstract

오픈관(1)의 개구부(2)에 면하는 양단부(2a, 2b)를, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시켜, 접합부에 있어서 접합하는, 전봉관을 제조하기 위한 장치이며, 이 장치는 오픈관(1)의 내측이고 또한 유도 코일(3)의 내측에서 주행 방향으로 연장되는 내측부(8a)와, 오픈관(1)의 외측이고 또한 유도 코일(3)의 외측에서 주행 방향으로 연장되는 외측부(8b)와, 유도 코일(3)의 상류측의 위치에서 내측부(8a) 및 외측부(8b) 사이를 오픈관(1)의 관 내외 방향으로 연장되는 중간부(8c)를 갖는 강자성체(9)를 구비한다. 강자성체(9)는, 내측부(8a) 및 외측부(8b)의, 중간부(8c)보다도 하류측의 부분과, 중간부(8c)로 구성된 부분의 개방부측이 주행 방향(R)의 하류측을 향해 배치되고, 내측부(8a), 중간부(8c) 및 외측부(8b)를 지나는 자속의 폐회로를 형성한다.

Description

전봉관 용접 장치 {WELDING DEVICE FOR ELECTRIC RESISTANCE WELDED PIPE}

본 발명은 금속 대판을 주행시키면서 원통 형상으로 구부려 유도 가열하여, 금속 대판에 유기된 전류에 의해 금속 대판의 양단부 사이를 용접하는 전봉관의 제조 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 금속의 관을 제조하는 방법으로서는, 금속 대판을 구부리면서 용접에 의해 관 형상으로 하는 전봉관이나 스파이럴관 등 외에, 금속 빌렛에 직접 구멍을 뚫어 제조하는 심리스 관이나, 압출에 의한 관의 제조 방법이 있다.

전봉관은, 특히 생산성이 높고, 또한 저렴하게 제조할 수 있으므로 대량으로 생산되고 있다. 이와 같은 전봉관은, 금속 대판을 주행시키면서 원통형으로 되도록 성형하여 오픈관을 형성하고, 계속해서, 오픈관의, 개구부를 사이에 두고 대향하는 단부(이하, 간단히 「오픈관의 단부」라고도 함)에 고주파 전류를 흘려 용융 온도까지 높인 상태에서, 롤로 오픈관의 양단부의 단부면끼리를 압접 용접하여 관상으로 한다. 이 때, 오픈관의 단부에 전류를 공급하는 방법으로서, 하나는, 예를 들어, 특허문헌 1 및 비특허문헌 1에 개시된 것과 같은, 오픈관의 외주를 둘러싸도록 유도 코일(솔레노이드 코일)을 감고, 이 유도 코일에 일차 전류를 흐르게 함으로써, 오픈관에 유도 전류를 직접 발생시키는 방법이 있고, 또 하나는, 금속제의 전극을 오픈관의 단부를 대고, 전원으로부터 전류를 직접 통전하는 방법이 있다. 이 때, 유도 코일 또는 전극에 통하는 전류는, 일반적으로 100 내지 400㎑ 정도의 고주파 전류가 사용됨과 함께, 관의 내면측에 임피더로 불리는 강자성체를 배치하는 일이 많다. 임피더는 오픈관의 내주를 돌려고 하는 전류를 저지하기 위해 사용된다.

일본 특허 출원 공개 소53-44449호 공보

「고주파의 기초와 응용」(토쿄 전기 대학 출판국, P79, 80)

도 1 및 도 2는 전봉관의 용접 공정에 대해 설명하는 모식도이다. 도 1은, 유도 코일을 오픈관의 외주에 감고, 이 유도 코일에 흘린 일차 전류에 의해, 오픈관에 발생하는 유도 전류로 전봉관이 제조되는 공정을 설명하는 개략 측면도이고, 도 2는 유도 전류의 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다. 여기서, 오픈관의 단부면(양단부)을 흐르는 전류의 대부분은 마주 보는 단부면을 흐르지만, 설명을 간단하게 하기 위해, 도 2에 있어서는, 편의상, 오픈관의 단부의 상면측(외면측)을 전류가 흐르고 있는 것 같이 그려 도시하고 있다. 이하, 다른 도면의 설명에 있어서도, 오픈관의 양단부를 흐르는 전류는, 이 양단부의 상면측을 전류가 흐르도록 도시하는 것으로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 피용접재인 금속 대판(1)은, 평판 상태로부터 주행 중에 도시 생략의 롤로 굽힘 가공되어 양단부(2a, 2b)가 마주보게 되는 통 형상의 오픈관(1)의 형태로 되고, 계속해서 스퀴즈 롤(7)로 양단부(2a, 2b)가 가압되어 접합부(용접부)(6)에서 접촉된다. 이 스퀴즈 롤(7)의 상류에는, 마주보는 양단부(2a, 2b)를 용융시켜 접합하기 위해, 도 1에 도시한 바와 같은 유도 코일(솔레노이드 코일)(3)이 설치되고, 이 유도 코일(3)에 고주파 전류를 흐르게 함으로써, 유도 코일 바로 아래의 원통 형상으로 구부러진 오픈관(1)에 유도 전류가 발생한다. 이 유도 전류는, 오픈관(1)을 주회하는 유도 코일(3)을 따라 오픈관(1)의 외주를 주회하지만, 도중에 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)가 개구부에 의해 개방되어 있으므로, 이 부분에서는 유도 전류가 유도 코일 바로 아래를 흐를 수 없어, 크게 나누어 2개의 방향으로 흐르려고 한다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 1번째는, 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)를 따라 접합부(6)를 지나는 전류(4a, 4b)이고, 또한 2번째는, 오픈관(1)의 개구부로부터 주위면을 도는 전류이다.

또한, 도 2 중에서는, 오픈관(1)의 내주를 돌려고 하는 전류에 대해서는, 그 도시를 생략하고 있다. 이는, 도 1에 도시한 바와 같은, 임피더(10)로 불리는 페라이트 등의 강자성 재료로 이루어지는 코어 등을, 오픈관(1)의 내부에 배치하고, 오픈관(1)의 내면의 임피던스를 높임으로써, 오픈관(1)의 내주를 유도 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 또는, 접합부(6)로의 왕복 길이에 비해 제조하는 전봉관의 직경이 크고, 오픈관(1)의 내주가 충분히 긴 경우에는, 임피더(10)를 배치하지 않아도 내주의 임피던스가 충분히 커져, 내주를 도는 전류가 억제되는 경우도 있기 때문이다.

통상, 유도 코일(3)에 투입된 전력은 유도 코일이 오픈관(1)의 외주를 도는 부분과 접합부(6)까지의 왕복분으로, 대부분이 소비되게 된다. 이로 인해, 제조하려고 하는 전봉관의 직경이 커질수록, 유도 코일(3)로부터 접합부(6)까지의 왕복 거리에 비해, 오픈관(1)의 외주 길이가 커지고, 오픈관(1)의 단부를 가열하는 전력에 비해 오픈관(1)의 외주부를 가열하는 전력의 비율이 크고, 가열 효율이 저하된다. 따라서, 종래, 직경이 큰 전봉관을 제조하는 경우에는, 오픈관의 외주를 전류가 도는 것을 억제하는 것이 가능한, 전극에 의한 접촉 통전을 행하는 경우도 있다. 이 접촉 통전은, 용접 효율이 높다는 이점이 있지만, 전극이 오픈관과 접촉하는 부분의 흠집이나, 전극과 오픈관의 접촉 불량 등에 의한 스파크의 발생에 수반되는 흠집이 발생하기 쉽다는 문제가 있다. 이와 같은 흠집의 발생을 없애기 위해서는, 비접촉의 유도 코일을 사용한 방법을 채용할 필요가 있지만, 상술한 바와 같이, 이 방법을 직경이 큰 전봉관의 제조에 적용한 경우에는, 오픈관의 단부를 가열하는 전류에 비해 오픈관의 외주부를 돌아 오픈관을 가열하는 전류의 비율이 커진다. 그로 인해, 용접 효율이 낮아지므로 전원 용량을 크게 할 필요가 있어, 설비비의 증대나, 임피더가 대전류에 의한 강자장에 견디지 못해 소손되는 등의 문제가 발생한다. 이들의 사정에 의해, 종래는, 임피더가 소손되지 않도록 전력량을 억제하면서 생산을 행해야만 해, 생산성의 저하를 초래하는 것 외에, 임피더를 사용하지 않는 경우에는, 저가열 효율로 생산하는 것을 피할 수 없게 되어 있었다.

또한, 오픈관(1)의 외주면을 둘러싸도록 배치된 유도 코일(3)에 일차 전류를 흘린 경우, 유도 코일(3)에서 발생한 자속은, 유도 코일(3) 바로 아래의 오픈관(1)에 전류를 유기할 뿐만 아니라, 확산된 자속에 의해, 오픈관(1) 뿐만 아니라, 유도 코일(3) 근방의 롤 등에도 전류가 유기된다. 이와 같은 경우에도, 오픈관(1)의 단부를 흐르는 전류가 감소하고, 가열 효율이 저하되어 생산 효율이 떨어진다는 문제가 발생하고 있었다.

또한, 본 발명자들은, 전봉 용접 시의 가열 효율을 올리기 위해, 오픈관에 발생한 유도 전류의 분포에 대해 예의 검토했다. 종래는, 비특허문헌 1에도 개시되어 있는 바와 같이, 유도 코일 바로 아래로부터 접합부를 향하는 방향으로만, 전류가 흐르는 것으로 설명되어 있었다. 그러나, 본 발명자들이 전봉관의 전자장 해석 및 실험에 의해 전류 분포를 조사한 바, 실제로는, 도 2에 도시한 바와 같이, 유도 코일(3) 바로 아래로부터의 전류는, 접합부(6) 방향의 전류뿐만 아니라, 상당량의 전류(5a, 5b)가 분류되어 유도 코일(3)의 상류에 흐르고 있는 것을 알 수 있었다. 즉, 유도 코일(3)에서 공급한 전력이 유효하게 접합부에 흐르지 않아, 무효 전력(전력 손실)의 원인이 되어 있는 것이 판명되었다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이고, 용접에 무효가 되는 전류의 발생을 억제하고, 접합부로의 전류를 증가시켜, 간단한 장치로 효율적으로 전봉 용접을 행하는 것이 가능한 전봉관 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 행한 바, 강자성체를 사용하여, 이 형상이나 배치 위치 등을 적정화하여 자속의 흐름을 제어함으로써, 오픈관의 외주면을 적어도 1턴 이상 주회하여 형성된 종래형의 유도 코일을 사용하여 전봉관을 제조한 경우라도, 높은 가열 효율을 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 요지는 이하와 같다.

즉, 본 발명의 전봉관 용접 장치는, 주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 상기 개구부에 면하는 양단부를, 오픈관의 외주면을 주회하여 형성된 유도 코일에 고주파 전류를 통해, 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시켜, 상기 개구부의 간격을 점차 좁히면서 상기 양단부끼리를 접합부에 있어서 접촉시켜 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 장치이며, 상기 오픈관의 내측이고 또한 상기 유도 코일의 내측에서 상기 주행 방향으로 연장되는 내측부와, 상기 오픈관의 외측이고 또한 상기 유도 코일의 외측에서 상기 주행 방향으로 연장되는 외측부와, 상기 유도 코일의 상류측의 위치에서 상기 내측부 및 상기 외측부 사이를 오픈관의 관 내외 방향으로 연장되는 중간부를 갖는 강자성체를 구비하고, 상기 강자성체는, 상기 내측부 및 상기 외측부의, 상기 중간부보다도 하류측의 부분과, 상기 중간부로 구성된 부분의 개방부측이 상기 주행 방향의 하류측을 향해 배치되고, 상기 내측부, 중간부 및 외측부를 지나는 자속의 폐회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 전봉관 용접 장치에 있어서는, 상기 강자성체는, 주행 방향을 따르는 단면 형상이 C자 형상 또는 각진 C자 형상, 횡방향의 U자 형상 또는 각진 횡방향의 U자 형상, 횡방향 h자 형상, 또는 횡방향 H자 형상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 전봉관 용접 장치에 있어서는, 상기 강자성체의 외측부 및 내측부 중 적어도 한쪽의 하류측의 단부는 분기된 형상으로 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 전봉관 용접 장치는, 상기 오픈관의 내측에, 강자성 재료로 이루어지는 임피더가 배치되어 있고, 상기 강자성체의 내측부가 상기 임피더의 적어도 일부에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 전봉관 용접 장치에 따르면, 강자성 코어로서 임피더만을 사용한 종래의 워크 코일 방식에 비해, 주행하는 금속 대판을 구부리면서 통 형상으로 하여 전봉관 용접할 때의 가열 효율을 간단한 장치로 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 대용량의 전기 설비를 가질 필요도 없어 설비 비용을 억제하는 것이 가능하게 됨과 함께, 기설된 전원을 사용한 경우라도 저렴한 비용으로 도입할 수 있다.

그리고, 상술한 바와 같이 가열 효율의 향상에 수반하여, 전력 사용량을 저감함으로써 에너지 절약이 실현 가능해지거나, 또는 동일한 전력을 투입한 경우에는 라인 속도를 올릴 수 있어, 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 임피더를 사용한 경우라도, 상술한 바와 같이 전력을 내림으로써, 자장의 강도가 저하되므로, 임피더의 수명을 연장시키는 것이 가능해진다. 또한, 종래, 전원 용량의 제한이나 임피더 소손의 제한으로부터 제조가 곤란했던 사이즈의 전봉관을 제조하는 것도 가능해지므로, 그 산업상의 효과는 헤아릴 수 없다.

도 1은 원통 형상으로 구부러진 금속 대판의 외주면을 둘러싸도록 폐회로가 형성되어 이루어지는 유도 코일을 사용한 전봉관 용접 장치를 설명하는 개략 측면도이다.
도 2는 도 1에서 설명한 유도 코일을 사용한 전봉관 용접 장치의, 종래의 생각에 기초하여 전류 분포를 도시하는 평면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치를 설명하는 개략 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치를 설명하는 개략 측단면도이고, 도 3에 있어서의, 강자성체를 유도 코일 및 오픈관의 개구부를 걸치도록 배치한 측단면도이다.
도 5는 도 3에 도시하는 전봉관 제조 장치를 사용한 경우의 전류 분포를 설명하는 평면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전봉관 제조 장치의 변형예를 설명하는 개략 평면도이고, 강자성체의 외측부의 하류측 단부를 두개로 분기시킨 예를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 전봉관 제조 장치의 변형예를 설명하는 개략 단면도이고, 도 3, 도 4 및 도 6에 있어서의 강자성체의 지지 구조의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치를 설명하는 개략 측단면도이고, 원통 형상의 오픈관의 내주면측에, 강자성체의 내측부로서도 기능하는 임피더를 설치한 예를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치의 변형예를 도시하는 개략 측단면도이고, 강자성체의 외측부의 하류측 단부에 돌출부를 설치한 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치의 변형예를 도시하는 개략 측단면도이고, 중간부의 하부를, 임피더에 직접 접촉시킨 예를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치의 변형예를 도시하는 개략 측단면도이고, 중간부의 하부와 임피더 사이에 다른 강자성 부재를 개재시킨 예를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 전봉관 제조 장치를 설명하는 모식도이고, 유도 코일을, 푸시 풀 방식으로 한 예를 도시하는 모식도이다.
도 13은 본 발명의 효과 확인 실험에 사용한, 개구부를 모의적으로 형성한 오픈관의 개략 평면도이다.
도 14는 비교예 3의 전봉관 제조 장치를 설명하는 개략 측단면도이다.
도 15는 본 발명의 효과 확인 실험에 사용한, 개구부를 모의적으로 형성한 오픈관의 개략 평면도이다.
도 16은 본 발명의 전봉관 제조 장치에 적용 가능한 C자 형상 또는 각진 C자 형상의 강자성체를 예시하는 개략 측면도이다.
도 17은 본 발명의 전봉관 제조 장치에 적용 가능한 횡방향 U자 형상 또는 각진 횡방향 U자 형상의 강자성체를 예시하는 개략 측면도이다.
도 18은 본 발명의 전봉관 제조 장치에 적용 가능한 횡방향 h자 형상의 강자성체를 예시하는 개략 측면도이다.
도 19는 본 발명의 전봉관 제조 장치에 적용 가능한 횡방향 H자 형상의 강자성체를 예시하는 개략 측면도이다.

이하, 본 발명의 전봉관 용접 장치의 실시 형태에 대해, 도 1 내지 도 12를 적절히 참조하면서 설명한다. 또한, 이 실시 형태는, 발명의 취지를 보다 양호하게 이해시키기 위해 상세하게 설명하는 것이므로, 특별한 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

일반적으로, 워크 코일을 사용하여 전봉관을 제조하는 공정은 이하와 같은 수순으로 행해진다.

우선, 조관하는 직경에 맞춘 폭으로 슬릿된 주행하는 금속 대판을, 롤로 구부리면서 그 폭방향 양단부를 대향시켜, 통 형상의 오픈관으로 성형한다. 그 후, 유도 코일에 의해 오픈관에 유도 전류를 흘리고, 오픈관의 단부를 가열 용융시킨다. 그 후, 공정의 하류에 있어서, 오픈관의 대향하는 양단부를 스퀴즈 롤로 가압하여 밀착시켜 접합(용접)함으로써 전봉관을 얻을 수 있다. 여기서, 본 발명에서 설명하는 「하류」라 함은, 금속 대판 또는 오픈관의 주행 방향에 있어서의 하류이고, 이하, 「상류」, 「하류」라고 하는 경우에는, 금속 대판 또는 오픈관의 주행 방향에 있어서의 「상류」, 「하류」를 가리키는 것으로 한다.

상술한 바와 같이, 도 1에 도시한 바와 같은, 종래부터 사용되고 있는 전봉관 용접 장치를 사용하여 전봉관을 제조하는 경우, 금속 대판(1)을 롤로 구부려 통 형상으로 가공하고, 마지막으로 스퀴즈 롤(7)로 가압하여 접촉시킬 때, 접촉시키는 앞쪽으로 유도 코일(3)을 배치하여 유도 가열을 행하고, 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)를 가열·용융하여 스퀴즈 롤로 압접한다. 이 때, 유도 코일(3)에 일차 전류가 흐르면, 오픈관(1)에는, 도 2 중에 도시한 바와 같은 분포로 유도 전류가 발생하지만, 전봉관 용접에서는 100㎑ 오더의 고주파 전류가 사용되므로, 오픈관(1)의 표층을 유도 전류가 흐른다.

또한, 오픈관에는 주행 방향 R로 연장되는 개구부(2)가 존재하므로, 유도 코일(3) 바로 아래에서 발생한 유도 전류의 대부분이, 접합부(6)측을 경유하는 전류 패스와 유도 코일(3)의 상류에 흐르는 전류 패스, 또는 오픈관(1)의 내주를 도는 패스로 크게 구별되어 흐르려고 한다.

상기 중, 오픈관(1)의 내주를 돌려고 하는 전류는, 페라이트 등의 강자성 재료로 이루어지는 임피더(10)를 오픈관(1) 내부에 설치하고, 내면의 임피던스를 높임으로써 억제할 수 있다. 도 2 중에 있어서 용접에 기여하는 유도 전류는, 접합부(6)측을 흐르는 전류(4a, 4b)이지만, 고주파 전류에 의한 근접 효과에 의해, 전류(4a, 4b)는 오픈관(1)의 개구부(2)에 면하는 양단부(2a, 2b)의 표층을 흘러 당해 개소를 가열·용융하고, 접합부(6)에서 압접되어 용접된다. 도 2 중에서는, 편의상, 유도 전류를, 양단부(2a, 2b)의 근방 상면을 흐르는 벡터로 표현하고 있다. 그러나, 유도 코일(3)에 일차 전류를 흘린 경우, 그 근방에 자속이 발생하지만, 이 자속이 유도 코일(3)의 주변을 자유롭게 돌아다녀, 이 자속이 관통된 장소에 있어서는 과전류가 발생한다. 특히, 접합부(6)의 양측에는 스퀴즈 롤(7)이 배치되어 있음과 함께, 도시를 생략하고 있지만, 접합부(6)의 상방에는 톱 롤이라고 불리는 롤이 배치되어 있으므로, 발생된 자속의 대부분이 상기 각 롤을 가열해 버리는 것에 수반하여, 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)를 흐르는 전류가 감소하여, 용접 효율이 저하된다는 문제가 있었다. 본 발명은, 상술한 바와 같이, 유도 코일(3)에 의해 발생된 자속이 용접에 기여하지 않는 개소로 향하는 것을 억제함으로써 에너지-손실을 저감하고, 높은 용접 효율을 실현할 수 있는 전봉관 용접 장치를 실현하는 것이고, 이하에 그 구성에 대해 상세하게 서술한다.

[제1 실시 형태]

도 3은 본 발명의 제1 실시 형태인 전봉관 용접 장치(50)를 도시하는 개략 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 전봉관 용접 장치(50)를 사용하여 전봉관 용접을 행하였을 때에, 유도 코일(3)에서 발생된 자속 M이, 강자성체(8)에 통할 때의 자속 방향을 설명하는 개략 측단면도이고, 도 5는 도 3 및 도 4에 도시하는 전봉관 용접 장치(50)를 사용하여 전봉관 용접을 행하였을 때의, 오픈관(1)에 흐르는 유도 전류의 분포를 모식적으로 도시한 평면도이다.

도 3에 도시하는 전봉관 용접 장치(50)는, 상류로부터 하류로 주행하는 금속 대판(1)이, 도시하지 않는 롤에 의해, 금속 대판(1)의 폭방향에 있어서의 양단부(2a, 2b)가 간격을 두고 대향하도록 원통 형상으로 구부러져 오픈관(1)으로 성형 된 후, 상기 오픈관(1)의 외주면을 둘러싸도록, 상기 외주면에 있어서의 주회수를 적어도 1턴 이상 주회하여 형성된 유도 코일(3)에 고주파 전류를 통해 발생시킨 유도 전류에 의해 양단부(2a, 2b)를 용융시킨다. 즉, 유도 코일(3)에 의해, 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 유도 전류인 고주파 전류를 유기시키고, 이 전류에 의해 가열하여 양단부(2a, 2b)의 사이를 용융시키고, 개구부(2)의 간격을 점차 좁히면서 상기 양단부(2a, 2b)끼리를 접촉시켜 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 장치이다.

그리고, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(50)는, 오픈관(1)의 주행 방향에 있어서의 단면이 C자 형상 또는 각진 C자 형상, 횡방향 U자 형상 또는 각진 횡방향 U자 형상, 횡방향 h자 형상, 또는 횡방향 H자 형상(도시예에서는, 각진 횡방향 U자 형상)인 강자성체(8)가 설치되어 있고, 상기 강자성체(8)는, 그 개방부(개방 공간)측을 오픈관(1)의 주행 방향의 하류측을 향해, 오픈관(1)의 내외에 걸치도록 배치되고, 또한 강자성체(8)는, 주회하여 형성된 유도 코일(3)을, 개구부(2)의 관외 방향의 위치에서 걸치도록 배치되어 있다. 즉, 강자성체(8)는, 오픈관(1)의 내측이고 또한 유도 코일(3)의 내측에서 주행 방향 R로 연장되는 내측부(8a)와, 오픈관(1)의 외측이고 또한 유도 코일(3)의 외측에서 주행 방향 R로 연장되는 외측부(8b)와, 유도 코일(3)의 상류측의 위치에서 상기 내측부(8a) 및 외측부(8b) 사이를 오픈관(1)의 관 내외 방향으로 연장되는 중간부(8c)를 구비하고 있고, 외측부(8b) 및 내측부(8a) 중 적어도 어느 한쪽이, 오픈관(1)의 주행 방향 R에 있어서 유도 코일(3)보다도 하류측인 접합부(용접부)(6)를 향하는 형상으로 되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, C자 형상 또는 각진 C자 형상이라 함은, 적어도 도 16의 (a) 내지 (e)에 도시하는 형상을 포함하는 것이고, 횡방향 U자 형상 또는 각진 횡방향 U자 형상이라 함은, 적어도 도 17의 (a) 내지 (f)에 도시하는 형상을 포함하는 것이고, 횡방향 h자 형상이라 함은, 적어도 도 18의 (a) 내지 (d)에 도시하는 형상을 포함하는 것이고, 횡방향 H자 형상이라 함은, 적어도 도 19의 (a) 내지 (e)에 도시하는 형상을 포함하는 것이다.

본 발명에 있어서 사용하는 유도 코일(3)은, 구리 등의 양도체의 파이프나 선재, 판 등으로 이루어지는 것으로, 오픈관(1) 상에 폐회로를 형성하는 유도 코일의 총칭으로서 사용하고 있고, 그 재질 등은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 유도 코일(3)은, 도 3 등에 도시한 예에서는, 오픈관(1)의 외주면을 주회하고, 원형의 턴을 그리는 형상으로 형성되어 있지만, 이 형상에 대해서도 한정되는 것은 아니고, 그 턴수에 대해서도, 적어도 1턴이면, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에 있어서 서술하는, 유도 코일의 주회수 「1턴」이라 함은, 예를 들어, 오픈관의 외주 방향에서 반턴씩의 코일이 조합되고, 합계로 대략 1턴으로 된, 소위 푸시 풀 방식의 유도 코일(31) 등도 포함되는 것이다(도 12를 참조).

도 3에 예시한 바와 같이, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(50)는 유전 코일(3)에 일차 전류가 통전된다(도 3 중의 화살표를 참조). 이 때, 도 4에 도시한 바와 같이, 유도 코일(3)에서 발생한 자속 M은, 하류측의 개구부(2) 근방에서는 롤(7) 등으로는 향하지 않고, 선택적으로 유도 코일(3)을 걸치도록 접합부(용접부)(6)측으로 연장된, 투자율이 높은(자기 저항이 작음) 강자성체(8)로 집중하고, 오픈관(1)의, 개구부(2)에 면하는 양단부(2a, 2b) 근방을 통과하여 유도 전류를 발생시킨다. 또한, 실제로는, 강자성체(8)의 양단부로부터 뿐만 아니라, 그 도중으로부터도 자속 M은 대량으로 나오고 있어, 오픈관(1)의 외측으로부터 내측을 향해[도 4 중의 하측인 내측부(8a)로부터, 상측인 외측부(8b)를 향해] 공간을 통과하여 자속 회로를 형성하고 있지만, 도 4에 도시한 예에 있어서는, 설명의 사정상, 자속 M이 1군데[내측부(8a) 및 외측부(8b)의 하류측 단부]에서 내측부(8a)로부터 외측부(8b)로 나오도록 그리고 있다.

또한, 오픈관(1)을 통과한 자속 M은, 도 4 중의 화살표로 나타낸 바와 같이, 강자성체(8)에 있어서, 오픈관(1)의 관 내에 배치되는 내측부(8a)와, 관 외에 배치되는 외측부(8b) 사이를 포함하고, 관 내외를 연결하는 자기 회로를 형성한다. 이 자기 회로는, 강자성체(8)가 C자 형상 또는 각진 C자 형상, 횡방향 U자 형상 또는 각진 횡방향 U자 형상, 횡방향 h자 형상, 또는 횡방향 H자 형상으로 됨으로써 형성되어 있지만, 상세를 후술하는 임피더(도 6 중의 부호 10을 참조)가 관 내에 배치되어 있는 경우에는, 오픈관(1)의 관 내에 있는 내측부(8a)는 임피더의 일부에 의해 구성되어 있어도 상관없다.

이와 같은 강자성체(8)는, 투자율이 높은 재료로 이루어지므로 자기 저항이 작고, 유도 코일(3)로부터 발산되는 자속 M을 끌어들이는 효과가 있으므로, 자속 M을 효율적으로 접합부(6)측에 있어서의 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)를 관통시킬 수 있어, 접합부(6) 근방에 있어서의 유도 전류를 증가시키는 것이 가능해진다. 또한, 강자성체(8)는, 그 상부인 외측부(8b)에 있어서, 근방을 회유하는 자속 M도 포착할 수 있으므로, 스퀴즈 롤(7)이나 도시 생략의 톱 롤측을 향하는 자속 M을 감소시킴으로써 가열 로스를 억제하고, 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)에 있어서의 가열 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.

본 실시 형태에서는, 유도 코일(3)에 일차 전류가 흐르고, 상술한 자속 M이 발생함으로써, 오픈관(1)에는, 도 5 중의 화살표로 나타낸 바와 같은 유도 전류(4a, 4b)의 분포가 생긴다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 유도 코일(3)을 흐르는 전류는, 도시 생략의 전원에 접속된 도 3 중의 좌측 상방으로부터 하방으로 흐르고, 도 3 중에 나타낸 화살표 방향을 따라 흐른다. 또한, 유도 코일(3)을 흐르는 전류는, 오픈관(1)의 단부(2a)측으로부터 개구부(2) 내를 가로지르면서, 오픈관(1)의 주위를 주회하도록 흐른 후, 다시 도 3 중의 상방을 향해, 도시 생략의 전원으로 복귀된다.

상술한 바와 같은 경로에서 일차 전류를 유도 코일(3)로 흘리면, 그것과는 역방향으로 오픈관(1)의 외주 방향에서 주회하는 유도 전류가 발생한다. 이로 인해, 도 5 중에 도시한 바와 같이, 유도 전류가 오픈관(1)의 단부면 부분을 흘러, 오픈관(1)의 단부(2a)측과 단부(2b)측에 유도 전류(4a, 4b)에 의한 주전류가 발생함으로써, 오픈관(1)의 단부면이 가열된다. 이 때, 접합부(6)측의 위치에서는, 오픈관(1)의 개구부(2)의 폭이 좁아져 임피던스가 낮아지므로, 근접 효과에 의해 전류가 집중되어 고온으로 되기 쉬우므로, 양단부(2a, 2b)가 용융되어 용접된다.

그 때, 도 1에 도시한 바와 같은 종래 기술에서는, 오픈관(1)에는, 도 2 중의 화살표로 나타낸 바와 같은 유도 전류의 분포가 발생한다. 오픈관(1)의 단부면에 흐르는 유도 전류(4a, 4b)는, 도 2 중의 부호 4b 내지 접합부(6) 내지 부호 4a로 흐른 후, 주된 유도 전류는, 유도 코일(3)이 존재하는 부근에서, 원통 형상의 오픈관(1)을 주회하여 부호 4b측으로 흘러 루프를 형성하고, 일부의 유도 전류(5a, 5b)는, 유도 코일(3)보다도 더욱 상류측으로 흘러, 그 상류측에서 원통 형상의 오픈관(1)을 주회하여 루프를 형성한다. 상술한 바와 같은 유도 전류 중, 부호 5a, 5b나, 원통 형상의 오픈관(1)을 주회하는 전류는, 접합부(6)의 온도 상승에는 기여하지 않으므로, 종래 기술에 있어서는, 불필요한 유도 전류가 많은 상태로 되어 있었다.

본 발명에 있어서는, 도 4 중의 화살표로 나타낸 바와 같이, 유도 코일(3)에 의해 발생된 자속 M은, 강자성체(8)에 있어서, 오픈관(1)의 관 내에 배치되는 내측부(8a)와, 관 외에 배치되는 외측부(8b) 사이를 포함하여, 관 내외를 연결하는 자기 회로를 형성한다. 강자성체(8)는, 투자율이 높은 재료로 이루어지므로, 유도 코일(3)로부터 발산되는 자속 M을 인입하는 효과가 있고, 접합부(6) 부근에 있어서의 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)에 있어서, 효율적으로 자속 M을 관통시킬 수 있어, 유도 전류를 효율적으로 발생시키는 것이 가능해진다.

그 결과, 본 발명에 있어서는, 오픈관(1)의 단부면에 흐르는 유도 전류(4a, 4b)는, 그 단부면 근방의 각 점을 기점으로, 다수의 극히 밀도가 낮은 전류로 되어 외주 방향으로 넓어져, 루프를 형성한다. 단, 이 유도 전류는 큰 루프로는 되지 않고, 기점이 된 각 점의 근방에서 다수의 루프를 형성한다(당해 유도 전류 루프는 밀도가 낮고, 또한 개수가 매우 많으므로 도시하고 있지 않다). 그로 인해, 본 발명에 있어서는, 종래의 유도 코일을 사용한 경우와 같은, 접합부(6)로부터 먼 부분에서의 불필요한 주된 전류 루프의 발생이 억제되고, 도 5에 도시한 바와 같이, 도 2에 도시하는 종래의 것과 비교하여, 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)를 상류측으로 흐르는 전류가 감소하고, 그 만큼 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)를 하류측[접합부(6)]으로 흐르는 전류가 증대하고, 이로 인해 효율적으로 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)를 가열할 수 있게 된다.

본 실시 형태에 있어서, 주행 방향 R에 있어서의 단면이 C자 형상 또는 각진 C자 형상, U자 형상 또는 각진 U자 형상, 횡방향 h자 형상, 또는 횡방향 H자 형상인 강자성체(8)의, 주행 방향 R에 있어서의 배치 위치로서는, 상류측은, 강자성체(8)의 중간부(8c)가 유도 코일(3)의 최상류부보다도 상류측이면 되고, 하류측은, 그 단부(개방부측)가 유도 코일(3)의 최하류부보다도 하류측이면 된다. 또한, 자속 M을 접합부(6) 부근에 집중시키기 위해서는, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 하류측은, 그 단부(개방부측)가 접합부(6) 부근까지 도달하고 있는 것이 바람직하고, 주행 방향에 있어서, 강자성체(8)의 하류측 단부(개방부측)가, 접합부(6)보다 상류측 30㎜로부터 하류측 30㎜ 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

강자성체(8)의 재질로서는, 예를 들어, 페라이트나 전자 강판, 아몰퍼스 등, 도전율이 낮은 강자성 재료를 사용하면 되고, 자속 포화하지 않도록 설계하면 된다. 또한, 자속 밀도가 높고, 강자성체(8)의 발열을 무시할 수 없는 경우에는, 예를 들어, 강자성체(8)에 냉각수를 공급하여 냉각하거나, 또는 공기 등의 가스나 기체와 액체를 혼합한 냉각 매체로 냉각하는 등의 방법을 채용하면 된다.

또한, 강자성체(8)의 형상은, 도 4에 도시한 바와 같은, 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)를 사이에 두고, 외측부(8b) 및 내측부(8a)의 양쪽이, 하류측인 접합부(6)측을 향하는 형상인 것이 바람직하지만, 예를 들어, 외측부(8b) 및 내측부(8a) 중 어느 한쪽만이 접합부(6)측을 향해 연재된 형상이라도, 가열 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 강자성체(8)를, 그 개방부측에 배치되는 2개의 단부, 즉 내측부(8a) 및 외측부(8b)의 하류측 단부(8a1, 8b1) 중 적어도 한쪽이, 평면에서 볼 때 접합부(6)를 피하도록 V자 형상 또는 U자 형상으로 분기된 형상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 강자성체(8)의 내측부(8a) 및 외측부(8b)의 하류측 단부(8a1, 8b1) 중 적어도 한쪽은, 평면에서 볼 때 오픈관(1)의 단부(2a, 2b) 근방 위치에서 접합부(6)의 폭방향 외측을 향하도록 분할된 형상을 갖는다. 도 6에 도시한 예에서는, 외측부(8b)의 하류측 단부(8b1)만을 두개로 분기시키는 구성으로 하고 있지만, 내측부(8a) 및 외측부(8b)의 하류측 단부(8a1, 8b1)의 양쪽을 상기 형상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

도 4에 예시한 바와 같은 강자성체(8)의 내측부(8a) 및 외측부(8b)는 접합부(6) 부근까지 직선적으로 연장하고 있지만, 접합부(6) 근방에 있어서는, 용융된 금속이 유도 전류에 수반되어 발생되는 전자력에 의해 배출되어, 관 내로 낙하하거나, 또는 관 표면을 향해 배출되므로, 이와 같이 낙하 내지 비산된 용융 금속에 의해, 강자성체(8)의 특히 내측부(8a) 및 외측부(8b)가 손상될 우려가 있다. 이에 대해, 도 6에 도시한 바와 같이 내측부(8a) 및 외측부(8b)의 하류측 단부(8a1, 8b1)를 분기시킴으로써, 강자성체(8)의 내측부(8a)로의 용접 금속의 낙하, 퇴적이나 외측부(8b)로의 용융 금속의 부착이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 나아가서는, 강자성체(8)의 자기 성능이, 용해물의 퇴적으로 온도 상승함으로써 저하되는 것을 방지할 수 있어, 안정된 성능을 계속해서 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 특히 강자성체(8)의 외측부(8b)의 하류측 단부(8b1)를 접합부(6)를 피하도록 분기시킴으로써, 상기 접합부(6)의 상태를 항상, 상방으로부터 모니터 장치 등으로 관찰하는 것이 가능해진다.

계속해서, 도 7에, 상술한 바와 같은 강자성체(8)의 지지 구조의 일례를 도시한다. 도시예에 있어서는, 강자성체(8)의 외측부(8b)와 중간부(8c)는 일체로서 형성되거나 서로 고착되어 있고, 내측부(8a)은 이들과는 별체로서 형성되어 있다. 강자성체(8)를 조립하는 데 있어서, 우선 관 내 중앙 부근에 설치된 맨드럴(24)에, 강자성체(8)의 내측부(8a)가 설치된다. 그리고, 오픈관(1)의 외주면을 둘러싸도록 턴시킨 형상의 유도 코일(3)(도 3을 참조)을 세트한 후, 외측부(8b)를 개구부(2)의 상방에 배치된 받침대(26) 상에 탑재한다. 이에 의해, 강자성체(8)가 가동이고 현가 지지된 상태로 된다. 이 때, 외측부(8b)에 고정된 중간부(8c)는, 그 하단부가, 내측부(8a)의 상면에 형성된 오목부 내면에 접한다. 이와 같은 구성을 채용함으로써, 예를 들어, 굽힘 가공 후의 오픈관(1)의 개구부(2)의 위치가 어긋남으로써, 강자성체(8)의 일부가 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)에 접촉된 경우라도, 강자성체(8)가 자유롭게 이동하므로, 강자성체(8)의 손상이나, 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)에 큰 흠집이 생기는 것을 방지할 수 있다. 또한, 강자성체(8)에 있어서, 오픈관(1)의 단부(2a, 2b)와 접촉될 가능성이 있는 개소, 예를 들어 중간부(8c)를, 유리 테이프나 베이크판으로 이루어지는 절연재로 보호하는 것이, 장치의 손상 방지나, 스파크가 생기는 것을 방지할 수 있는 관점에서 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 상기와 같은 강자성체(8)를 구비함으로써, 개구부(2) 근방의 유도 코일(3)에서 발생한 자속 M이, 선택적으로 강자성체(8)를 통해 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)를 통과하여 유도 전류를 발생시킨다. 또한, 강자성체(8)는, 유도 코일(3)로부터 발산되는 자속 M을 인입함으로써, 접합부(6)측에 있어서의 양단부(2a, 2b)에 있어서, 자속 M을 효율적으로 관통시킬 수 있어, 접합부(6) 근방의 유도 전류를 증가시킬 수 있다. 또한, 강자성체(8)에 의해, 그 근방을 회유하는 자속 M을 포착할 수도 있으므로, 접합부(6) 근방에 있어서, 용접에 유효한 유도 전류의 전류 밀도가 더욱 향상된다. 또한, 스퀴즈 롤(7)이나 톱 롤측을 향하는 자속 M을 감소시켜, 또한 오픈관(1)의 상류측에, 용접에 무효한 전류가 흐름으로써 가열 손실이 발생하는 것을 억제하여, 양단부(2a, 2b)에 있어서의 가열 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.

따라서, 강자성체(8)를 배치하지 않는 경우에 비해 공급 전력이 적어져, 에너지 절약이 가능해진다. 혹은, 강자성체(8)를 배치하지 않는 경우와 동일한 전력을 투입하는 것이면, 라인 속도를 올리는 것이 가능해, 생산성도 향상시킬 수 있다.

[제2 실시 형태]

이하에, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전봉관 용접 장치에 대해 설명한다.

도 8은 본 발명의 제2 실시 형태인 전봉관 용접 장치(70)를 도시한 개략 측단면도이고, 전봉관 용접을 행할 때에 발생하는, 자속의 분포도 모식적으로 도시하고 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 상술한 제1 실시 형태에 대해, 더욱 접합부로의 전류를 증가시켜 가열 효율을 향상시키므로, 이하에 예시하는 바와 같은 구성을 채용하는 것이다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여함과 함께, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(70)는, 상기한 전봉관 용접 장치(50)에 대해, 원통 형상의 오픈관(1)의 관 내측에, 강자성 재료로 이루어지는 임피더(10)를 더 배치하고, 이 임피더(10)의 적어도 일부를, 내측부(9a), 외측부(9b) 및 중간부(9c)를 갖고 구성되는 강자성체(9)의 내측부(9a)로서 대용한 점에서, 상기 제1 실시 형태와는 상이하다. 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)는 제1 실시 형태에 있어서의 강자성체(8)와 동일한 재료를 사용할 수 있다.

상세하게는, 본 실시 형태의 강자성체(9)는, 오픈관(1) 내에 배치된, 내측부(9c)로서도 기능하는 임피더(10)와, 오픈관(1)의 외측이고 또한 유도 코일(3)의 외측에서 주행 방향 R로 연장되는 외측부(9b)와, 유도 코일(3)의 상류측의 위치에서, 임피더(10)와 외측부(9a) 사이를 오픈관(1)의 관 내외 방향으로 연장되는 중간부(9c)를 갖고 있고, 상기 강자성체(9)는, 외측부(9b) 및 임피더(10)의, 중간부(9c)보다도 하류측의 부분과 중간부(9c)로 구성되는 부분의 개방부측이 주행 방향 R의 하류측을 향해 배치되어 있다. 강자성체(9)의 중간부(9c)의 하부(9c1)는 임피더(10)를 덮는 임피더 케이스(11)의 외주면으로 지지되어 있다.

본 실시 형태에서 사용되는 임피더(10)로서도, 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)와 마찬가지로, 예를 들어, 페라이트나 전자 강판, 아몰퍼스 등 도전율이 낮은 강자성 재료를 사용하면 된다. 또한, 상술한 바와 같이, 도 8에 도시한 예에 있어서는, 임피더(10)는 임피더 케이스(11)로 덮인 구성으로 되어 있고, 임피더 케이스(11)의 외주면으로 강자성체(9)의 중간부(9c)의 하부(9c1)가 지지되어 있다. 임피더 케이스(11)의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 에폭시 등의 수지 재료를 사용할 수 있다. 이와 같이, 통 형상의 오픈관(1) 내에 임피더(10)를 설치함으로써, 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)와 협동하여 자속 M의 자기 회로를 형성할 수 있다.

본 실시 형태와 같이, 통 형상의 오픈관(1) 내에 임피더(10)를 설치함으로써, 오픈관(1) 내면의 임피던스를 높임으로써, 유도 전류가, 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)로부터 오픈관(1)의 내주측으로 흐르려고 하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상기 구성의 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)와 임피더(10)를 조합한 구성을 채용함으로써, 오픈관(1)의 양단부(2a, 2b)로부터 오픈관(1)의 내주측으로 흐르려고 하는 전류를 임피더(10)에 의해 억제하면서, 강자성체(9)에 의해 양단부(2a, 2b)를 흐르는 전류(4a, 4b)의 전류 밀도를 높일 수 있다. 또한, 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)와 임피더(10)를 조합할 때, 임피더 케이스(11) 상에 접하도록 설치하는 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)를, 상류측의 임피더(10) 상으로 연장 설치함으로써, 도 2 중에 도시한 바와 같은, 유도 코일(3)의 상류측을 향해, 용접에 무효한 유도 전류(5a, 5b)가 흐르는 것을 효과적으로 억제할 수 있어, 가열 효율을 보다 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 상술한 바와 같은 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)나 임피더(10)는, 제1 실시 형태에 있어서의 강자성체(8)와 마찬가지로, 냉각수를 공급하거나, 또는 공기 등의 가스나 기체와 액체를 혼합한 냉각 매체를 공급하여 냉각하는 구성을 채용하는 것도 가능하다.

본 실시 형태에 있어서는, 강자성체(9)의 외측부(9b) 및 중간부(9c)와 임피더(10)를 조합한 구성을 채용함으로써, 오픈관(1)의 내주에 흐르는 유도 전류나, 유도 코일(3)의 상류측에 흐르는 용접에 무효한 유도 전류를 억제하면서, 용접에 유효한 전류(4a, 4b)의 전류 밀도를 높이고, 유도 전류가 접합부(6)측에 집중하여 흐르게 된다. 따라서, 상기 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같은, 공급 전력이 적어 에너지 절약이 가능해지거나, 또는 동일한 전력을 투입하는 경우에는 라인 속도를 올리는 것이 가능해 생산성을 향상시킬 수 있다는 효과를 보다 현저하게 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 전봉관 용접 장치에 따르면, 상기 구성과 같은 강자성체(8, 9)를 구비한 구성을 채용하고 있으므로, 오픈관의 내부에 임피더만을 배치한 종래의 워크 코일 방식에 비해, 주행하는 금속 대판(1)을 구부리면서 통 형상으로 하여 전봉관 용접할 때의 가열 효율을, 간단한 장치로 효과적으로 향상시킬 수 있고, 또한 셋업도 용이해진다. 또한, 대용량의 전기 설비를 가질 필요도 없고, 설비 비용을 억제하는 것이 가능해짐과 함께, 기설의 전원을 사용한 경우라도 저렴한 비용으로 도입할 수 있다.

그리고, 상술한 바와 같은 가열 효율의 향상에 수반하여, 전력 사용량을 저감함으로써 에너지 절약이 실현 가능해지거나, 또는 동일한 전력을 투입한 경우에는 라인 속도를 올릴 수 있어, 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 임피더를 사용한 경우라도, 상술한 바와 같이 전력을 내림으로써, 자장의 강도가 저하되므로, 임피더의 수명을 늘리는 것이 가능해진다. 또한, 종래, 전원 용량의 제한이나 임피더 소손의 제한으로부터 제조가 곤란했던 사이즈의 전봉관을 제조하는 것도 가능해지므로, 그 산업상의 효과는 헤아릴 수 없다.

또한, 상기 제1, 제2 실시 형태에서는, 강자성체(8, 9)의 내측부(8a, 9a) 및 외측부(9a, 9b)가 오픈관(1)의 내외에 일정한 거리를 두고 배치된 예를 설명하고 있지만, 본 발명에 있어서는, 오픈관(1)과 강자성체(8, 9)의 내측부(8a, 9a) 및 외측부(9a, 9b)와의 거리는 일정할 필요는 없다. 강자성체(8, 9)의 내측부(8a, 9a) 및 외측부(9a, 9b)의 적어도 어느 한쪽은, 하류를 향함에 따라, 내측부(8a, 9a) 및 외측부(9a, 9b) 사이의 거리가 점증 또는 점감하도록 경사지게 배치할 수도 있다(도시 생략). 또한, 양호한 자기 회로를 형성하는, 즉 자기 저항을 저감하는 관점에서는, 내측부(8a, 9a) 및 외측부(9a, 9b) 사이의 거리는, 하류를 향함에 따라 점감되는 것이 바람직하다. 또한, 동일한 관점에서, 도 9에 도시한 바와 같이, 외측부(8b)의 하류측의 단부에, 내측부(8a)를 향해 돌출되는 돌출부(8b2)를 설치할 수도 있다. 또는, 도시는 생략하지만, 강자성체의 외측부를 단차가 있는 형상으로 하여 유도 코일(3)보다도 하류측의 위치에서 오픈관(1)에 접근하는 구성을 채용해도 된다.

또한, 상기 제2 실시 형태에서는, 강자성체(9)의 중간부(9c)는, 임피더 케이스(11)상에 접하도록 설치한다고 설명했지만, 자기 저항을 저감하는 관점으로부터, 도 10에 도시한 바와 같이, 강자성체(9)의 중간부(9c)를 임피더 케이스(11)를 관통시켜, 임피더 케이스(11) 내의 임피더(10)에 직접 접촉시킴과 함께, 임피더 케이스(11)의, 강자성체(9)의 중간부(9c)가 관통한 부분을 시일하도록 해도 된다. 동일한 관점으로부터, 도 11에 도시한 바와 같이, 임피더 케이스(11)를 관통하여 임피더(10) 상에 다른 강자성 부재(13)를 설치함과 함께, 강자성체(9)의 중간부(9c)의 하부(9c1)를 상기 강자성 부재(13)에 접촉시켜도 된다.

본 발명에 있어서는, 상술한 바와 같이, 간단한 구성의 전봉관 용접 장치로 소경부터 대경까지의 전봉관을 제조하는 것이 가능하지만, 특히 제조 시에 있어 가열 효율이 저하되는, 직경이 큰 전봉관을 효율적으로 제조하는 데 유효하다.

실시예

이하, 본 발명에 관한 전봉관 용접 장치의 실시예를 들어, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예로 한정되는 것은 아니고, 상기, 후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당하게 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

본 실시예에 있어서는, 본 발명의 효과에 대해, 정지 가열 실험에 의해 확인을 행하였다.

[실시예 1]

「피가열재」

본 실시예에서는, 피가열재로서 외경:38.1㎜, 두께:3㎜, 길이:1m의 JIS 규격을 따른 배관용 탄소 강관(SGP관) 상부에, 도 13에 도시한 바와 같이, 레이저 가공에 의해 개구부의 형상을 모의한 것(이하, 오픈관이라고 함)을 사용했다. 이 때의 레이저 가공은, 도 13 중에 있어서의 좌측 단부로부터, 평행 개구부의 간격:15㎜, 길이:200㎜이고, 그 후, 접합부로 가정한 정점과 양단부의 아펙스 각도:4°이고, 500㎜의 길이로 개방하였다. 또한, 정점부는 0.5R로 했다.

「전봉관 용접 장치」

본 실시예에서 사용한 전봉관 용접 장치에서는, 유도 코일로서 도 3, 도 4에 도시한 바와 같은, 직경 10㎜의 수냉 동관을, 오픈관과의 간격을 10㎜로 하여, 오픈관의 외주면측에서 2턴시키면서 진행 방향의 길이:50㎜로 하여 권회하고, 코일 내경 80㎜로 한 것을 사용했다. 또한, 가열 시에는, 주파수 200㎑-50㎾의 전력을 투입하여, 전력을 일정하게 하여 최고 온도가 1000℃로 될 때까지의 시간을 계측했다. 또한, 가열 온도는, 오픈관의 개구부에 면하는 단부에, 50㎛의 K 열전대를, 정점부(접합부)로부터 20㎜ 피치로 용착하여 측온했다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 임피더를 사용하는 실험에서는, 길이 400㎜, 내경 16㎜의 페라이트 코어를, 도 8에 도시한 바와 같이, 외경 25㎜의 에폭시 수지제의 임피더 케이스(11)에 넣고, 또한 수냉 가능하도록 급배수구를 설치하여 이루어지는 수냉 임피더를 관 내에 설치하여 실험을 행하였다.

「실험 수순」

우선, 본 발명예 1로서 상기 유도 코일을, 정점부로부터 150㎜ 떨어진 위치에, 유도 코일의 한쪽의 단부를 배치하여 가열을 행하였다. 이 때, 도 3에 도시한 바와 같은 강자성체(8)로서의 페라이트 코어를 유도 코일 및 개구부(2)를 걸치도록 배치했다. 구체적으로는, 강자성체(8)로서의 상기 페라이트 코어는, 정점부로부터 280㎜ 떨어진 위치로부터 상기 정점부까지 연장 설치된, 두께 20㎜, 폭:15㎜의 외측부 및 내측부와, 높이:50㎜, 폭:5㎜의 중간부로 구성되는 것이다. 그리고, 이와 같이 이루어지는 페라이트 코어를 도 3에 도시한 바와 같이 배치한 후 가열을 행하였다. 또한, 이 때, 실기의 전봉관 용접 장치의 구성을 고려하여, 실제의 강관 형성에는 사용하지 않지만, 유도 코일에 의해 발생되는 자속의 영향을 관찰하기 위해, 도 3 등에 도시하는 롤(7)을 모의한 직경 100㎜의 강관을, 정점부의 양측에 접하도록 설치한 상태로 가열을 행하였다.

또한, 본 발명예 2로서, 본 발명예 1과 마찬가지로 상기 유도 코일을 배치함과 함께, 도 8에 도시한 바와 같이, 임피더(10)로서 상기 수냉 임피더를, 정점부의 바로 아래로부터 상류측을 향해 400㎜의 범위에서 배치했다. 또한, 강자성체(9)를 구성하는 다른 요소로서, 정점부로부터 280㎜ 떨어진 위치로부터 상기 정점부까지 연장 설치된, 두께 20㎜, 폭:15㎜의 외측부(9b)와, 관 내외 방향의 길이:50㎜, 폭:5㎜의 중간부(9c)를 갖는 페라이트 코어를 사용하여, 중간부(9c)의 하부(9c1)를 임피더 케이스(11)로 지지시킨 상태로 했다. 또한, 본 예에 있어서도, 본 발명예 1과 마찬가지로, 정점부의 양측에 롤(7)을 모의한 직경 100㎜의 강관을 배치하고, 정점부의 양측에 접한 상태로 가열을 행하였다.

또한, 비교예 1로서, 강자성체(8)로서의 페라이트 코어를 설치하지 않았던 점 이외는, 상기 본 발명예 1과 마찬가지로 하여 가열을 행하였다.

또한, 비교예 2로서 원통 형상의 오픈관(1)의 관 내에, 상기 본 제2 발명예와 동일한 임피더(10)를 설치한 점 이외는, 상기 비교예 1과 마찬가지로 하여 가열을 행하였다.

또한, 비교예 3으로서, 비교예 2의 조건에 있어서, 또한 도 14에 도시한 바와 같이, 유도 코일과 정점부 사이의 개구부에, 오픈관의 양단부 사이에 위치하도록, 폭 5㎜(오픈관의 양단부 사이의 방향), 두께 10㎜(높이 방향), 길이(주행 방향 R) 40㎜의 직육면체의 페라이트 코어(14)를, 유도 코일 하류단부로부터 10㎜ 하류의, 오픈관의 양단부에 대향하는 위치에 배치하여 가열을 행하였다.

또한, 상기 각 실험에서는, 실기의 전봉관 용접 장치에 있어서는 오픈관이 이동하고 있는 것을 고려하여, 10초간 가열했을 때의, 오픈관의 양단부면의 길이 방향에서 순차 용착한 각 열전대에서 검출된 온도를 적분하여, 종래 공지의 유도 코일 및 임피더(10)만을 설치한 실험(비교예 2)에 의한 발열량을 1로 한 경우의 상대 평가(발열량비)를 행하였다.

상기 본 발명예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 경우, 강자성체 및 임피더의 어디에도 설치하지 않고 유도 코일만을 설치하여 가열을 행하였으므로, 오픈관의 양단부면의 온도는, 유도 코일 바로 아래의 단부면만이 가열되고, 전류는 오픈관의 내주를 돌았으므로, 용접부(정점부) 방향으로 흐른 전류는 적었다.

또한, 비교예 1, 2에 있어서는, 정점부 근방에 배치된, 롤(7)로 가정한 강관에 있어서 발열이 보이므로, 유도 코일에 의해 발생된 자속이 발산되어 롤(7)로 가정한 강관에도 흘러, 이 강관에, 용접에 기여하지 않는 유도 전류가 발생된 것이라고 생각할 수 있다.

또한, 비교예 3에서는, 페라이트 코어(14)를 설치하지 않은 경우에 비해 발열이 억제되었다. 이는 전류가 흐르고 있는 개구부 사이에, 임피더와 동일한 효과를 갖는 페라이트 코어(14)를 설치했으므로, 단부면을 흐르는 유도 전류가 억제되어, 정점부로의 유도 전류가 저감해 버린 것으로 생각할 수 있다.

이에 대해, 유도 코일 및 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치도록, 측단면이 각진 U자 형상으로 된 강자성체(8)로서의 페라이트를 설치하여 가열된 본 발명예 1에 있어서는, 비교예 2에 대한 발열량비가 1.4로 되어, 더욱 발열량이 크다는 것이 명백해졌다. 또한, 본 발명예 1에 있어서는, 특히 정점부 근방의 가열 속도가 빠르므로, 임피더를 설치하지 않아도, 오픈관(강관) 내에 설치한 페라이트 코어 부분[내측부(8a)]이 임피더의 효과도 담당한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 강자성체(9)로서, 오픈관(1)의 관 내에 임피더(10)로서의 수냉 임피더와, 외측부(9b) 및 중간부(9c)로서의 페라이트 코어를 설치하여 가열한 본 발명예 2에 있어서는, 비교예 2에 대한 발열량비가 1.7로 되어, 본 발명예 1에 비해서도, 더욱 발열량이 증가하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 유도 코일의 상류측으로 흐르는, 내주면을 도는 전류를 수냉 임피더가 확실히 억제하고 있는 효과라고 생각할 수 있고, 외면측에 설치한 페라이트 코어와 조합함으로써, 보다 높은 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명예 1, 2에 있어서는, 롤(7)을 모의한 강관의 개구부측의 온도 상승은 볼 수 없었다. 이는, 특히, 강자성체(8, 9)에 구비되는 외측부(8b, 9b)로서의 페라이트 코어에 의해, 유도 코일로의 통전에 의해 발생하고, 주변으로 발산된 자속이 포착되었으므로, 롤(7)로 가정한 강관에 자속이 흐르는 것이 억제되고, 상기 강관에 있어서 발생하는 유도 전류도 억제되었기 때문이라고 생각할 수 있다.

또한, 본 발명예 1, 2에 있어서, 종래의 구성의 전봉관 용접 장치인 비교예 1, 2에 비해 높은 발열량비를 얻을 수 있는 요인으로서는, 강자성체(8, 9)에 의해, 유도 코일로의 일차 전류의 통전으로 발생된 자속이 효과적으로 포착되므로, 오픈관(1)의 상류측에 유도 전류가 흐르는 것이 억제된다는 점도 생각할 수 있다.

상기 본 실시예의 결과로부터, 유도 코일 및 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치도록 강자성체를 설치하는 구성인, 본 발명의 전봉관 용접 장치를 사용하여 전봉 용접을 행함으로써, 가열 효율이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

본 실시예에서는, 피가열재로서 외경:38.1㎜, 두께:3㎜, 길이:1m의 SGP관 상부에, 도 15에 도시한 바와 같이, 레이저 가공에 의해 개구부의 형상을 모의한 것을 사용했다. 이 때의 레이저 가공은, 도 15 중에 있어서의 좌측 단부로부터, 평행 개구부의 간격:15㎜, 길이:500㎜이고, 그 후, 접합부로 가정한 정점과 양단부의 각도:5°이고, 200㎜의 길이로 개방하였다. 또한, 정점부는 0.5R로 했다.

또한, 본 실시예에서는, 유도 코일로서, 실시예 1과 마찬가지로, 직경 10㎜의 수냉 동관을, 강관(금속 대판)과의 간격을 10㎜로 하고, 오픈관의 외주면측에서 2턴시키면서 진행 방향의 길이:50㎜로 하여 감은 것을 사용했다. 그리고, 상기 유도 코일을, 정점부로부터 150㎜ 떨어진 위치에, 유도 코일의 한쪽의 단부를 배치하여 가열을 행하였다.

또한, 가열 시에는, 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 주파수 200㎑-20㎾의 전력을 투입하여, 최고 온도가 1000℃로 될 때까지의 시간을 계측했다. 또한, 가열 온도는 오픈관 단부에, 50㎛의 K 열전대를, 정점부로부터 20㎜ 피치로 용착하여 측온했다.

또한, 임피더(10)로서는, 길이 400㎜, 두께 8㎜의 페라이트 코어를, 외경 25㎜의 에폭시 수지제의 임피더 케이스(11)에 넣고, 또한 수냉 가능하도록 급배수구를 형성하여 이루어지는 수냉 임피더를, 정점부의 바로 아래로부터 상류측을 향해 400㎜의 범위에서 배치했다.

또한, 본 실시예에 있어서도, 실시예 1과 마찬가지로, 유도 코일에 의해 발생하는 자속의 영향을 관찰하기 위해, 도 3 등에 도시한 롤(7)을 모의한 직경 100㎜의 강관을, 정점부의 양측에 접하도록 설치한 상태로 가열을 행하였다.

또한, 본 실시예에서는, 강자성체(9)의 외측부(9b)로서 유도 코일의 상방에, 상하류 방향의 길이:350㎜, 폭:10㎜의 페라이트 코어를, 오픈관(1)과의 거리를 30㎜, 유도 코일과의 거리를 10㎜로 하여 설치했다.

또한, 본 발명예 3에서는, 상기 외에, 중간부(9c)로서 오픈관(1)의 개구부(2)에 삽입되고, 진행 방향의 길이:40㎜, 폭:5㎜의 페라이트 코어를 배치하여 가열을 행하였다.

또한, 본 발명예 4로서, 중간부(9c)로서의 페라이트 코어의 진행 방향의 길이를 120㎜로 한 점을 제외하고, 상기 본 발명예 3과 마찬가지로 가열을 행하였다.

또한, 본 발명예 3, 4에 있어서는, 중간부(9c)로서의 페라이트 코어와 오픈관(1)의 양단부의 갭을 5㎜로 하여 배치하고, 상기 수냉 임피더를 강자성체(9)의 일부[내측부(9a)]로 하여 사용한 구성으로 가열을 행하였다.

또한, 비교예 4로서 중간부(9c)로서의 페라이트 코어를 설치하지 않았던 점을 제외하고, 상기 본 발명예 3, 4와 마찬가지로 가열을 행하였다.

또한, 비교예 5로서 유도 코일의 상방의 외측부(9b)로서의 페라이트 코어 및 중간부(9c)로서의 페라이트 코어를 설치하지 않고, 상기 수냉 임피더만을 설치한 조건으로 가열을 실시한 점을 제외하고, 상기 본 발명예 3 내지 5와 마찬가지로 가열을 행하여, 총열량을 비교했다.

상기 본 발명예 3, 4 및 비교예 4, 5의 결과를 하기의 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타낸 총 발열량비는, 비교예 5에 있어서의 총 발열량을 1로 했을 때의, 각 실험의 총 발열량의 비율을 나타냈다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명예 3, 4에서는, 외측부(9b)로서의 페라이트 코어 외에, 또한 중간부(9c)로서의 페라이트 코어가 설치되어 있으므로, 이들 페라이트 코어를 설치하지 않았던 비교예 4에 비해 총 발열량이 27 내지 35％ 증가하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명예 1 내지 4의 각각에 있어서, 강자성체로서 그 외측부(8b)의 하류측 단부(8b1)를, 도 6에 도시한 바와 같은 U자 형상으로 분기한 것을 사용한 점 이외는, 각각의 실험과 동일한 조건으로 실험을 행한 바, 정점부(접합부)에 있어서의 총 열량비는, 모두 각각의 본 발명예 1 내지 4에 비해 2할 전후 저하되었지만, 비교예 1 내지 5에 비해 충분히 높은 가열 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같은 본 실시예의 결과로부터, 유도 코일의 상방에 배치되는, 강자성체의 외측부로서의 페라이트 코어 외에, 강자성체의 중간부로서의 페라이트 코어를 더 추가함으로써, 가열 효율이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

1 : 금속 대판, 오픈관
2 : 오픈관의 개구부
2a, 2b : 오픈관의 단부
6 : 접합부(용접부)
50, 60 : 전봉관 용접 장치
3 : 유도 코일
7 : 롤
8 : 강자성체
8a : 내측부
8b : 외측부
8c : 중간부
9 : 강자성체
9a : 내측부
9b : 외측부
9c : 중간부
10 : 임피더
11 : 임피더 케이스
4a, 4b, 5a, 5b : 유도 전류
M : 자속

Claims (4)

1. 주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 상기 개구부에 면하는 양단부를, 오픈관의 외주면을 주회하여 형성된 유도 코일에 고주파 전류를 통해, 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시켜, 상기 개구부의 간격을 점차 좁히면서 상기 양단부끼리를 접합부에 있어서 접촉시켜 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 장치이며,
   상기 오픈관의 내측이고 또한 상기 유도 코일의 내측에서 상기 주행 방향으로 연장되는 내측부와, 상기 오픈관의 외측이고 또한 상기 유도 코일의 외측에서 상기 주행 방향으로 연장되는 외측부와, 상기 유도 코일의 상류측의 위치에서 상기 내측부 및 상기 외측부 사이를 오픈관의 관 내외 방향으로 연장되는 중간부를 갖는 강자성체를 구비하고, 상기 강자성체는, 상기 내측부 및 상기 외측부의, 상기 중간부보다 하류측의 부분과, 상기 중간부로 구성된 부분의 개방부측이, 상기 주행 방향의 하류측을 향해 배치되고, 상기 내측부, 중간부 및 외측부를 지나는 자속의 폐회로를 형성하는 것을 특징으로 하는, 전봉관 용접 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 강자성체는, 주행 방향을 따르는 단면 형상이 C자 형상 또는 각진 C자 형상, 횡방향 U자 형상 또는 각진 횡방향 U자 형상, 횡방향 h자 형상, 또는 횡방향 H자 형상인, 전봉관 용접 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강자성체의 외측부 및 내측부 중 적어도 한쪽의 하류측의 단부는 분기된 형상으로 되어 있는, 전봉관 용접 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오픈관의 내측에, 강자성 재료로 이루어지는 임피더가 배치되어 있고, 상기 강자성체의 내측부가, 상기 임피더의 적어도 일부에 의해 구성되어 있는, 전봉관 용접 장치.

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