KR20190088505A

KR20190088505A - 전봉관 용접 장치 및 전봉관 용접 방법

Info

Publication number: KR20190088505A
Application number: KR1020197018005A
Authority: KR
Inventors: 요시아키 히로타
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-07-26
Also published as: MX2019007285A; JPWO2018117039A1; JP6436267B2; EP3520949B1; WO2018117039A1; EP3520949A1; EP3520949A4; CN110072663A; US20200086418A1

Abstract

주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 해당 개구부에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 상기 개구부의 간격을 점차 좁히면서 상기 단부면부끼리를 스퀴즈 롤부에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 장치이며, 상기 유도 가열 수단으로서, 상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 주행 방향으로 연장되어, 평면으로 보아 상기 개구부와 겹치지 않는 위치에, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 적어도 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제1 부분 주회 도체부로 이루어지는 유도 코일을 구비한다.

Description

전봉관 용접 장치 및 전봉관 용접 방법

본 발명은, 금속 띠판을 주행시키면서 원통형으로 구부려서 유도 가열하고, 금속 띠판에 유기한 전류에 의해 금속 띠판의 양단부면부 사이를 용접하는 전봉관 용접 장치 및 당해 전봉관 용접 장치를 사용한 전봉관 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금속의 관을 제조하는 방법으로서는, 금속 띠판을 구부리면서 용접에 의해 관 형상으로 하는 전봉관이나 스파이럴관 등 외에, 금속 빌렛에 천공하여 제조하는 심리스관이나, 압출에 의한 관의 제조 방법이 있다.

전봉관은, 특히 생산성이 높고, 게다가 저렴하게 제조할 수 있는 점에서 대량으로 생산되고 있다. 이러한 전봉관은, 금속 띠판을 주행시키면서 원통형이 되도록 성형하여 오픈관을 형성하고, 이어서, 오픈관의, 개구부를 사이에 두고 대향하는 단부면부(이하, 단순히 「오픈관의 단부」라고도 함)에 고주파 전류를 흘려서 용융 온도까지 높인 상태에서, 롤(스퀴즈 롤)로 오픈관의 양단부면부의 단부면끼리를 압접 용접하여 관형으로 한다. 이때, 오픈관 단부에 전류를 공급하는 방법으로서, 첫째는, 예를 들어 오픈관에 유도 코일(솔레노이드 코일)을 마련하고, 이 유도 코일에 1차 전류를 흘림으로써, 오픈관에 유도 전류를 직접 발생시키는 방법(예를 들어, 특허문헌 1, 2를 참조)이 있고, 둘째는, 금속제의 전극을 오픈관의 단부에 밀어붙여서, 전원으로부터 전류를 직접 통전하는 방법(예를 들어, 특허문헌 3을 참조)이 있다. 이때, 유도 코일 또는 전극에 통하는 전류는, 일반적으로 100 내지 400kHz 정도의 고주파 전류가 사용된다. 이 고주파 전류에 의해 유기되는 유도 전류 중, 오픈관의 내주를 돌려고 하는 용접에 기여하지 않는 유도 전류를 저지하기 위해서, 관의 내면측에 임피더라고 불리는 강자성체를 배치하는 경우가 많다.

상술한 첫째의 유도 코일을 사용한 방법에 있어서, 특허문헌 1에 기재된 유도 코일은, 오픈관의 외주를 주회하여 배치되어 있다. 한편, 특허문헌 2에 기재된 유도 코일은, 공심 코일이고, 개구부에 걸쳐서 1차 전류 회로가 형성되도록, 오픈관의 외주를 주회하지 않고, 개구부의 상방에 배치되어 있다.

또한, 둘째의 금속제의 전극을 사용한 방법에 있어서, 특허문헌 3에는, 주파수 100 내지 400kHz 정도의 용접용 전원에 접속된 접촉자(콘택트 팁)에 첨가하여, 당해 접촉자의 상류측에 있어서, 별도의 주파수 1 내지 20kHz 정도의 예열용 전원에 접속된 예열 코일이 마련된 장치가 기재되어 있다.

국제 공개 제2014/027565호 일본 특허 공개 제2015-134379호 공보 일본 특허 공개 소62-176085호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 유도 코일과 같이, 유도 코일의 도체부가 오픈관을 주회하고, 당해 오픈관의 개구부를 걸치도록 배치되어 있는 경우, 전봉관을 제조할 때의 용접 시에 오픈관 내부에서도 강자장이 되어서 임피더가 소손되거나, 내면 비드 커트용 바이트를 연결하는 로드가 파단되거나 하는 경우가 있고, 장시간 안정되게 조업할 수 없는 경우가 있다는, 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 유도 코일은 오픈관의 개구부를 걸치도록 배치되어 있고, 그 유도 코일의 일부가 평면으로 보아 개구부와 겹쳐 있으므로, 상술과 동일한 문제가 있었다. 그리고, 이러한 임피더의 손상이나 로드의 파단 문제는, 소직경 관, 예를 들어 관 내경이 100㎜ 정도 이하인 관으로, 특히 후육관, 예를 들어 두께가 6㎜ 초과인 관을 전봉관의 제조 방법에 의해 제조하는 경우에 현저하였다. 또한, 특허문헌 3에 기재된 방법에서는, 접촉자(콘택트 팁)를 사용하고 있지만, 이러한 경우, 직경이 큰 관을 대상으로 하는 경우가 많다. 그리고 이렇게 직경이 큰 경우, 애당초 임피더가 불필요하고, 임피더의 손상과 같은 문제는 발생할 수 없다.

또한, 스퀴즈 롤 근방에 있어서 오픈관의 상방에는, 예를 들어 전원으로부터의 리드 등 다양한 설비가 배치되어 있기 때문에, 특허문헌 1에 기재된 유도 코일과 같이 오픈관을 주회하고 있는 경우, 유도 코일 자체를 스퀴즈 롤에 접근시키기에는 한계가 있었다. 이러한 경우, 오픈관에 유도 전류를 발생시키는 위치가 접합부로부터 멀어지므로, 가열 효율이 나빠진다는 문제가 있었다. 그리고, 이러한 문제는, 중간 직경관, 예를 들어 관 내경이 100 내지 700㎜ 정도인 관을 전봉관 제조 방법에 의해 제조하는 경우에 현저하였다. 또한, 유도 코일과 스퀴즈 롤의 위치 관계의 문제에 대하여 특허문헌 3에 기재된 예열 코일은, 주파수 1 내지 20kHz 정도의 예열용 전원에 접속되는 것이고, 예열 코일과 접합부 사이에는, 예열용 전원과는 다른 주파수 100 내지 400kHz 정도의 용접용 전원에 접속된 접촉자(콘택트 팁)가 마련되어 있는 것이며, 어떠한 해결책을 제시하는 것은 아니다.

본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이고, 임피더의 소손을 방지하면서, 전봉관을 제조할 때의 가열 효율을 향상시키는 것이 가능한 전봉관 용접 장치 및 전봉관 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 해당 개구부에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 상기 개구부의 간격을 점차 좁히면서 상기 단부면부끼리를 스퀴즈 롤부에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 장치이며, 상기 유도 가열 수단으로서, 상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 주행 방향으로 연장되어, 평면으로 보아 상기 개구부와 겹치지 않는 위치에, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 적어도 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제1 부분 주회 도체부로 이루어지는 유도 코일을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명에 있어서 오픈관의 개구부(스퀴즈 롤부를 포함함)의 크기와 형상은, 전봉관의 직경과 용접 조건에 따라, 전봉관을 제조하기 전에 미리 결정되어 있다. 따라서, 전봉관 용접 장치의 유도 가열 수단에 있어서, 1쌍의 개구 근설 도체부와 제1 부분 주회 도체부는, 개구부와 스퀴즈 롤부에 기초하여 결정되는 것이다.

본 발명에 따르면, 오픈관의 개구부를 따른 유도 코일(개구 근설 도체부)을 배치함과 함께, 유도 코일의 적어도 스퀴즈 롤부측의 단부에 오픈관의 개구부를 제외하는 부분을 주회하는 유도 코일(제1 부분 주회 도체부)을 배치하고, 개구부에 따른 유도 코일(개구 근설 도체부)의 다른 쪽의 단부를 오픈관의 상류측에서 연접시켜서 폐회로를 형성할 수 있다. 이에 의해, 유도 코일로부터 직접 임피더에 들어가는 자속을 피할 수 있음과 함께, 오픈관의 개구부의 양단부면부를 흐르는 유도 전류의 피크 및 평균 전류를 내려, 유도 전류에 의해 발생하는 임피더의 자속 밀도를 저하시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 임피더의 손상을 방지할 수 있고, 이러한 효과는 소직경 관, 예를 들어 관 내경이 100㎜ 정도 이하인 관으로, 특히 후육관, 예를 들어 두께가 6㎜ 초과인 관을 제조할 때에 특히 유용하게 된다.

또한, 본 발명의 유도 코일은, 종래의 특허문헌 1에 기재된 유도 코일과 같이 오픈관을 주회하지 않고, 그 오픈관 상방에 스페이스를 확보할 수 있으므로, 스퀴즈 롤에 접근시킬 수 있다. 이에 의해, 오픈관의 상방 스페이스에 실드나 측정 장치 등의 부속 설비를 설치할 수 있다. 또한, 유도 코일을 스퀴즈 롤에 접근시킴으로써, 전봉관을 제조할 때의 가열 효율(용접 효율)을 향상시키는 것도 가능해진다. 그리고, 이러한 효과는 중간 직경 관, 예를 들어 관 내경이 100 내지 700㎜ 정도인 관을 제조할 때에도 유용하게 된다.

상기 전봉관 용접 장치에 있어서, 상기 유도 코일이, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에서 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제2 부분 주회 도체부를 더 갖고 있어도 된다.

상기 전봉관 용접 장치에 있어서, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 있어서, 상기 제1 부분 주회 도체부는 복수층에 마련되어 있어도 된다.

상기 전봉관 용접 장치에 있어서, 상기 유도 코일보다도 주행 방향 상류측의 상기 개구부에 강자성체를 더 배치해도 된다.

다른 관점에 의한 본 발명은 주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 해당 개구부에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 상기 개구부의 간격을 점차 좁히면서 상기 단부면부끼리를 스퀴즈 롤부에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 방법이며, 상기 유도 가열 수단으로서, 상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 주행 방향으로 연장되어, 평면으로 보아 상기 개구부와 겹치지 않는 위치에, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 적어도 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제1 부분 주회 도체부로 이루어지는 유도 코일을 구비하고, 상기 1쌍의 개구 근설 도체부에 의해, 상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 흐르는 유도 전류를 발생시켜, 상기 제1 부분 주회 도체부에 의해, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 흐르는 유도 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 전봉관 용접 방법에 있어서, 상기 유도 코일이, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에서 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제2 부분 주회 도체부를 더 갖고 있어도 된다.

상기 전봉관 용접 방법에 있어서, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 있어서, 상기 제1 부분 주회 도체부는 복수층에 마련되어 있어도 된다.

상기 전봉관 용접 방법에 있어서, 상기 유도 코일보다도 주행 방향 상류측의 상기 개구부에 강자성체가 배치되어도 된다.

본 발명에 따르면, 금속 띠판을 주행시키면서 원통형으로 구부린 오픈관의 도중에서 유도 가열하고, 오픈관에 유기한 전류에 의해 오픈관의 양단부면부 사이를 용접하는 전봉관 용접 장치에 있어서, 종래의 용접 방법과 동등한 가열 상태에서, 임피더의 자속 밀도를 저하시킴으로써 임피더의 소손을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 개구 근설 도체부를 가짐으로써, 전원에 접속되는 전원 접속 도체부를 용접부로부터 멀리 떨어지게 할 수 있으므로, 유도 코일을 종래보다 스퀴즈 롤에 접근시킬 수 있어, 가열 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 유도 코일이 오픈관의 개구부를 걸치지 않으므로, 오픈관의 상방에 스페이스를 확보할 수 있고, 이 스페이스에 실드나 측정 장치 등의 부속 설비를 설치할 수 있다.

도 1은, 원통형으로 구부러진 금속 띠판의 외주면을 둘러싸도록 폐회로가 형성된 유도 코일을 사용한, 종래 기술에 관한 전봉관 용접 장치를 도시하는 개략 평면도이다.
도 2는, 도 1에 도시하는 전봉관 용접 장치의 개략적인 측면도이다.
도 3은, 도 1 및 도 2에 도시하는 전봉관 용접 장치의 개략 종단면도이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 5는, 도 4에 도시하는 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 6은, 도 4 및 도 5에 도시하는 전봉관 용접 장치의 제1 부분 주회 도체부의 횡단면도를 a)에서, 개구 근설 도체부의 횡단면도를 b)에서 각각 모식적으로 도시하는 도이다.
도 7은, 도 4에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 8은, 도 4에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 9는, 도 4 및 도 5에 도시하는 전봉관 용접 장치의 유도 코일과 스퀴즈 롤의 배치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 10은, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 11은, 도 10에 도시하는 전봉관 용접 장치의 강자성체 코어부를 횡단면도로 모식적으로 도시하는 도이다.
도 12는, 도 10에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 13은, 도 10에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 14는, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 15는, 도 14에 도시하는 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 16은, 도 14 및 도 15에 도시하는 전봉관 용접 장치의 제1 부분 주회 도체부의 횡단면도를 c)에서, 개구 근설 도체부의 횡단면도를 b)에서, 제2 부분 주회 도체부의 횡단면도를 a)에서 각각 모식적으로 도시하는 도이다.
도 17은, 도 14에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 18은, 도 14에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 19는, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 20은, 도 19에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 21은, 도 19에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 22는, 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 23은, 도 22에 도시하는 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 24는, 도 22 및 도 23에 도시하는 전봉관 용접 장치의 제1 부분 주회 도체부의 횡단면도를 c)에서, 개구 근설 도체부의 횡단면도를 b)에서, 제2 부분 주회 도체부의 횡단면도를 a)에서 각각 모식적으로 도시하는 도이다.
도 25는, 도 22에서 설명한 전봉관 용접장 치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 26은, 도 22에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 27은, 본 발명의 제5 실시 형태의 변형예에 관한 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
도 28은, 본 발명의 제6 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 29는, 도 28에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 30은, 도 28에서 설명한 전봉관 용접 장치의 유도 전류 분포를 모식적으로 도시하는 평면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 번호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

(종래의 전봉관 용접 장치)

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면서, 특허문헌 1에 기재되어 있는 것과 같은 종래의 전봉관 용접 장치에 대하여 설명한다. 도 1은, 유도 코일을 오픈관의 외주에 감고, 이 유도 코일에 흘린 1차 전류에 의해, 오픈관에 발생하는 유도 전류로 고주파 전기 저항 용접하여 전봉관을 제조하는 전봉관 용접 장치를 설명하는 개략 평면도이고, 도 2는 도 1의 개략적인 측면도이다. 또한, 도 3은, 도 1 및 도 2에 도시하는 장치의 개략 종단면도이다. 여기서, 오픈관 단부를 흐르는 전류의 대부분은 대향한 단부면부를 흐르지만, 설명을 간단하게 하기 위해서, 도 1에 있어서는, 편의상, 오픈관의 단부면부의 상면측(외주면측)을 전류가 흐르고 있는 것처럼 그려서 나타내었다(이하, 동일). 이 경우의 유도 코일에 흐르는 1차 전류도 오픈관에 발생하는 유도 전류도, 서로의 방향이 역방향의 교번 전류(교류)이지만, 도면 상에서는 편의상, 어떤 순간의 전류 방향과 크기를 갖는 벡터로 기재하였다(이하, 동일). 또한, 임피더는, 통상 수지 케이스에 수용할 수 있고, 케이스 내를 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다. 이 임피더 케이스는, 장착 시에 부딪치거나 하여 임피더가 파괴되는 것을 방지하고 있다. 이하의 설명에서는, 설명하는 도면이 알기 어려워지기 때문에, 이 임피더 케이스의 도시를 생략하였다.

일반적으로, 전봉관은, 조관하는 직경에 맞춘 폭으로 슬릿된 주행하는 금속 띠판을, 롤로 구부리면서 그 폭 방향 양단부면부를 대향시켜, 통형의 오픈관으로 성형한다. 그 후, 유도 코일에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 오픈관에 유도 전류를 흘리고, 오픈관의 단부면부(개구부에 면하는 단부면부)를 가열 용융시킨다. 그 후, 공정의 하류에 있어서, 오픈관이 대향하는 양단부면부를 스퀴즈 롤로 가압하고, 결함이 되기 쉬운 산화물과 함께 용융 연화 부분을 표리면 외부로 배출시키면서 용접을 완료시킨다. 그 후, 배출된 비드부를 절삭 제거함으로써 결함이 없는 건전한 용접부를 갖는 전봉관이 얻어진다. 여기서, 본 명세서에서 설명하는 「하류」란, 금속 띠판 또는 오픈관의 주행 방향에 있어서의 하류이고, 이하, 「상류」 및 「하류」라고 하는 경우에는, 각각, 금속 띠판 또는 오픈관의 주행 방향에 있어서의 「상류」 및 「하류」를 가리키는 것으로 한다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 피용접재인 금속 띠판(1)은, 평판 상태로부터 주행 중에 도시하지 않은 롤로 굽힘 가공되어서 양단부면부(2a, 2b)가 향하여 합쳐지는 통형의 오픈관(1) 형으로 성형되고, 이어서 스퀴즈 롤(6)로 양단부면부(2a, 2b)를 가압하여 접합부(스퀴즈 롤부, 용접부)(5)에서 접촉하도록 통재(通材)된다. 이 스퀴즈 롤(6)의 상류에는, 대향하는 양단부면부(2a, 2b)를 용융시켜서 접합부(5)에서 접합하기 때문에, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같은 유도 코일(솔레노이드 코일)(3)이 마련되고, 이 유도 코일(3)에 고주파 전류(통상은, 100kHz 오더)를 흘림으로써, 유도 코일 바로 아래의 원통형 오픈관(1)의 표층에 유도 전류(4c, 4d)가 발생한다. 이 유도 전류는, 오픈관(1)을 주회하는 유도 코일(3)을 따라 오픈관(1)의 외주면을 주회하는데, 도중에 오픈관(1)의 개구부(2)가 존재하는 점에서, 이 부분에서는 유도 전류가 유도 코일 바로 아래를 흐를 수 없고, 크게 구별해서 두 방향의 유도 전류가 흐르려고 한다. 즉, 도 1에 유도 코일(3)의 1차 전류와 오픈관(1)의 유도 전류 각각을 편의적으로 어떤 순간의 방향으로 나타내도록, 1번째의 방향으로 흐르는 전류는, 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b)를 따라 접합부(5)를 통하는 전류(4a, 4b)이고, 2번째의 방향으로 흐르는 전류는, 오픈관(1)의 개구부로부터 외주면을 도는 전류(4c, 4d)이다. 이들의 전류 중, 접합부(5)를 통하는 전류(4a, 4b)는, 고주파 전류에 의한 근접 효과에 의해, 오픈관(1)의 개구부(2)에 면하는 양 단부면부(2a, 2b)의 표층을 흘러서 당해 개소를 가열 및 용융하고, 최종적으로 스퀴즈 롤(6)에서 접합부(5)가 압접되어서 용접이 완결된다.

또한, 도 1 중에서는, 오픈관(1)의 내주면을 돌려고 하는 전류에 대해서는, 그 도시를 생략하였다. 이것은, 임피더(7)라고 불리는 페라이트 등으로 이루어지는 강자성체의 코어를, 오픈관(1)의 내부에 배치하고, 오픈관(1)의 내주면 임피던스를 높임으로써, 내주면을 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 또는, 접합부(5)로의 왕복 길이에 비하여 제조할 전봉관의 직경이 크고, 오픈관(1)의 내주가 충분히 긴 경우에는, 임피더(7)를 배치하지 않아도 내주면의 임피던스가 충분히 커지고, 내주면을 도는 전류가 억제되는 경우도 있기 때문이다.

또한, 오픈관(1)의 내부 접합부(5)보다도 하류측에는, 용접 후의 내면 비드를 절삭하기(내면 비드의 절삭을 내면 비드 커트라고도 함) 위한 바이트(도시하지 않음)가 배치되어 있다. 또한, 이 바이트는, 오픈관(1)의 대략 중심부에 배치된 로드(8)에 지지되어 있다. 또한, 이 로드(8)의 도중에는 임피더(7)가 배치되어 있다. 로드(8)는, 예를 들어 대략 원기둥형의 임피더(7)의 대략 중심부를 관통하도록 배치되어 있다.

(본 발명에 이르는 경위)

여기서, 종래의 전봉관 용접 장치에 있어서의 유도 코일(3)은, 상술한 바와 같이, 오픈관(1)의 외주면을 따라 주회하고 있고, 유도 코일(3)의 도체부가 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치도록 배치되어 있다. 이러한 경우, 전봉관을 제조할 때의 용접 시에 오픈관(1)의 내부에서도 강자장이 되어서 임피더(7)가 소손되거나, 내면 비드 커트용 바이트(도시하지 않음)를 연결하는 로드(8)가 파단되거나 하는 경우가 있어, 장시간 안정되게 조업을 할 수 없다는, 문제가 있었다.

본 발명자가 조사한 바에 의하면, 임피더(7)의 소손 원인은, (1) 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치도록 배치된 유도 코일(3)이 발생시키는 고자속 밀도의 자속이 직접 투자율이 높은 임피더(7)에 들어가는 것, 및 (2) 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류(용접 전류)에 의해 발생하는 자속이 임피더(7)에 들어감으로써, 임피더(7)가 자속 포화를 일으켜, 소손되기 때문임을 알게 되었다. 제조되는 전봉관이, 소직경 관, 예를 들어 관 내경이 100㎜ 정도 이하인 관이고, 특히 후육관, 예를 들어 두께가 6㎜ 초과인 관의 경우에는, 유도 코일과 임피더(7) 사이의 공간이 좁아짐으로써 강자장에 임피더(7)가 노출되는 것, 또한, 오픈관(1)의 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)와 임피더(7)의 거리가 짧고, 임피더(7)의 근방을 대전류가 흐름으로써, 임피더(7)의 자속 밀도가 높아지는 점에서, 임피더(7)가 발열하여 자성이 상실되고, 손상이 심해지는 상황에 있다.

또한, 임피더(7)가 소손되면, 유도 전류가, 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르지 않고, 오픈관(1)의 내주면을 따라서 주회하게 되기 때문에, 단부면부(2a, 2b)의 용접에 필요한 전류를 확보할 수 없게 되고, 단부면부(2a, 2b)에 있어서의 발열량이 저하되어, 용접을 할 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 오픈관(1)의 내주면을 따라서 주회하는 유도 전류에 의해 로드(8)가 가열되어, 파단되어버리는 경우도 있다. 또한, 임피더(7)를 수납하고 있는 수지제의 임피더 케이스(도시하지 않음)는, 그 내부를 흐르고 있는 임피더(7)를 냉각하기 위한 냉각수가 임피더(7)의 발열에 의해 너무 가열되면, 임피더 케이스 상부에 있는 발열한 단부면부(2a, 2b)로부터의 복사열로 용이하게 변형되어서 구멍이 뚫려 냉각수가 분출하거나 하여, 임피더(7)를 냉각할 수 없게 되어 조업을 할 수 없게 되는 경우도 있다.

그래서, 본 발명자는, 유도 코일로부터 직접 임피더(7)에 들어가는 자속을 피하는 동시에, 오픈관(1)의 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류의 피크 및 평균의 강도를 저하시킴으로써, 임피더(7)의 자속 밀도를 저하시키는 방법에 대하여 검토하였다.

그 결과, 본 발명자는, 유도 코일로부터 발생하는 자속이 오픈관(1)의 개구부(2)로부터 직접 고투자율의 임피더(7)에 들어가지 않도록, 유도 코일이 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치지 않고 폐회로를 형성하도록 함으로써, 임피더(7)의 자속 밀도를 저하시킬 수 있다는 지견을 얻었다. 구체적으로는, 본 발명에서는, 오픈관(1)의 개구부(2)에 따른 유도 코일의 도체부(개구 근설 도체부)를 오픈관(1)의 양단부면부(2a, 2b)에 각각 근접시켜서 한 쌍으로 배치함과 함께, 이 개구 근설 도체부의 적어도 접합부(5)측의 각각의 단부에, 오픈관(1)의 개구부(2)를 제외하는 부분을 주회하는 유도 코일의 부분 주회 도체부를 배치하여 폐회로를 이루도록 접속하고, 개구 근설 도체부의 다른 쪽의 각각의 단부는, 오픈관(1)의 상류측에서 전원 접속 도체부에 의해 고주파 전원에 접속되어 있다. 이에 의해, 유도 코일에서 발생하여 직접 임피더(7)에 들어가는 자속을 피하는 동시에 가열 효율이 높아지고, 오픈관(1)의 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류의 피크 및 평균의 강도를 낮추는 것이 가능해진다. 이하, 상기 지견에 의해 완성한 본 발명의 적합한 실시 형태를 설명한다.

또한, 스퀴즈 롤(6)의 근방에 있어서 오픈관(1)의 상방에는, 예를 들어 전원으로부터의 리드 등 다양한 설비가 배치되어 있기 때문에, 종래 기술에 관한 유도 코일(3)과 같이 오픈관(1)을 주회하고 있는 경우, 유도 코일(3) 자체를 스퀴즈 롤(6)에 접근시키기에는 저절로 한계가 있었다. 이러한 경우, 오픈관(1)에 유도 전류를 발생시키는 위치가 접합부로부터 어느 정도 거리를 둔 위치가 되어야 해서, 가열 효율이 나빠진다. 이 점, 본 발명과 같이, 상술한 개구 근설 도체부와 부분 주회 도체부를 구비한 유도 코일을 사용하면, 종래 기술과 대비하여 오픈관(1)의 상방에 큰 스페이스를 확보할 수 있으므로, 그 스페이스에 따라서 유도 코일을 스퀴즈 롤(6)에 접근시킬 수 있을 뿐 아니라, 오픈관의 상방 스페이스에 실드나 측정 장치 등의 부속 설비를 설치할 수도 있고, 또한 가열 효율을 향상시키는 것도 가능해진다.

(제1 실시 형태)

먼저, 도 4 내지 도 6을 참조하면서, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)의 구성을 설명한다. 또한, 도면 중에서는 임피더를 그대로 그리고 있지만, 실제로는 임피더는 임피더케이스에 저장되어 있다. 그러나, 좁은 장소에 그리는 것은 도면을 알기 어렵게 한다는 점에서, 여기에서도, 임피더케이스는 도시를 하지 않기로 한다. 도 4는, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)를 모식적으로 도시하는 평면도이고, 도 5는, 도 4에 도시하는 전봉관 용접 장치(10)의 측면도이고, (a)는 주행 방향 우측으로부터 본 우측면도, (b)는 주행 방향 좌측으로부터 본 좌측면도이다. 도 6은, 도 4 및 도 5에 도시하는 전봉관 용접 장치(10)의 제1 부분 주회 도체부, 개구 근설 도체부에서의 횡단면도이고, (a)는 도 4 및 도 5에 있어서의 I-I선으로 절단한 I-I 단면도이고, (b)는 도 4 및 도 5에 있어서의 II-II선으로 절단한 II-II 단면도이다.

도 4 내지 도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)는, 주행 방향 R로 주행하는 금속 띠판(1)이, 도시하지 않은 롤에 의해, 금속 띠판(1)의 폭 방향에 있어서의 양단부면부(단부면부)(2a, 2b)가 간격을 두고 대향하도록 원통형으로 구부러져서 오픈관(1)으로 성형된 후, 해당 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 배치된 유도 가열 수단으로서의 유도 코일(100)에 고주파 전류를 통해, 발생시킨 유도 전류에 의해 양단부면부(2a, 2b)를 용융시킨다. 즉, 전봉관 용접 장치(10)는, 유도 코일(100)에 의해, 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 유도 전류인 고주파 전류를 유기시킨다. 통상은, 유도 전류는 유도 코일 바로 아래에 발생하여 흐르지만, 극성이 다른 고주파 전류가 근처를 흐르는 경우, 인덕턴스를 저하시키도록, 즉, 이들의 전류가 둘러싸는 공간이 좁아지도록, 고주파 전류는 서로 접근하려고 한다. 본 실시 형태의 경우, 오픈관(1)의 양단부면부(2a, 2b)가 근접하여 마주 향한 위치가 된다는 점에서, 이 양단부면부(2a, 2b)가 둘러싸는 공간이 발생한 극성이 다른 유도 전류가 둘러싸는 공간이 되고, 개구부(2)의 밖에서 발생시킨 유도 전류가 분류되어, 이 양단부면부(2a, 2b)를 흐르게 되고, 이 전류에 의해 양단부면부(2a, 2b)를 가열·용융시킨다. 개구부(2)의 간격은, 스퀴즈 롤(6)로 오픈관(1)의 양측이 압박됨으로써 점차로 좁아지면서, 해당 양단부면부(2a, 2b)끼리가 접촉하여 용접된다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)는, 주행 방향으로 연장되는 개구부(2)를 갖는 오픈관(1)의, 해당 개구부(2)에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부(바꾸어 말하면, 해당 개구부(2)를 사이에 두고 대향하는 단부면부)(2a, 2b)의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 개구부(2)의 간격을 점차 좁히면서 단부면부(2a, 2b)끼리를 접합부(5)에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 장치이다. 이 전봉관 용접 장치(10)는, 유도 가열 수단으로서, 1쌍의 개구 근설 도체부(110A, 110B)(이하, A는 한쪽의 단부면부(2a)측을 의미하고, B는 다른 쪽의 단부면부(2b)측을 의미하는 것으로 하고, 1쌍의 개구 근설 도체부를 통합하여, 「개구 근설 도체부(110)」라고 기재하는 경우도 있음)와, 제1 부분 주회 도체부(120)로 이루어지는 유도 코일(100)을 구비하고 있다.

1쌍의 개구 근설 도체부(110A, 110B)는, 도 4, 도 5 및 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같이, 개구부(2)의 양측 단부면부(2a, 2b) 각각을 따라 주행 방향으로 연장된 도체이고, 각각, 평면으로 보아 개구부(2)와 겹치지 않는 위치에, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 또한, 개구 근설 도체부(110A, 110B)는, 평면으로 보아 개구부(2)에 겹치지 않는 위치, 즉 개구 근설 도체부(110A, 110B)의 개구부(2)에 가까운 측의 단부와, 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)가 평면으로 보아 접하기 직전의 위치에 배치되어 있어도 된다. 단, 개구 근설 도체부(110A, 110B)는, 개구부(2)를 통해, 당해 개구 근설 도체부(110A, 110B)와 임피더(7)가 서로 보이지 않는 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

제1 부분 주회 도체부(120)는, 도 4, 도 5 및 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(110)의 긴 변 방향의 적어도 접합부(5)에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 또한, 개구 근설 도체부(110)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부는, 도시하지 않은 고주파 전원에 접속된다. 보다 상세하게는, 도 4 내지 도 6에 예시하는 본 실시 형태에 따른 유도 코일(100)에서는, 개구 근설 도체부(110)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부가, 전원 접속 도체부(125, 126)에 의해 도시하지 않은 고주파 전원에 접속되어 있다.

본 발명에 있어서 사용하는 유도 코일(100)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(100)의 형상도, 상술한 개구 근설 도체부(110)와 제1 부분 주회 도체부(120)로 이루어지는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 실시 형태에서는, 도 4 및 도 5에 예시한 바와 같이, 개구 근설 도체부(110)를 직선형으로 하고 있지만, 개구 근설 도체부(110)는, 개구부(2)의 양측 단부면부(2a, 2b) 각각을 따라 주행 방향으로 연장되어, 평면으로 보아 개구부(2)와 겹치지 않는 위치에, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치되는 것이라면, 곡선 부분을 갖고 있는 것이어도 된다. 또한, 제1 부분 주회 도체부(120)는, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 주회하여, 원형의 층(레이어)을 그리는 형상(원형 코일)으로 예시되어 있지만, 예를 들어 직사각형의 층을 그리는 형상(직사각형 코일)이어도 된다. 또한, 그 층수에 대해서는, 본 실시 형태에서는 1층으로 한다. 여기서, 본 명세서에 있어서의 유도 코일의 주회수 「1층」이란, 평면으로 보아, 유도 코일의 둘레 방향 일단부와 타단부가 일치 또는 오버랩함으로써, 오픈관(1)의 외주면을 완전히 1주 하는 것이 아니라, 도 4 내지 도 6에 나타내는 제1 부분 주회 도체부(120) 등과 같이, 타단부가 일단부의 바로 앞에서 종단하여, 완전히 1주하지 않은 것이다.

도 5에 예시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)는, 유도 코일(100)에 1차 전류 C_P가 통전된다(도 5에서 나타내는 1차 전류 C_P의 방향은, 교번하는 전류의 어느 순간의 방향을 편의적으로 나타내는 것으로, 교번하여 역방향으로 흐르는 경우도 당연히 포함됨). 이때, 유도 코일(100)에 고주파수의 1차 전류가 흐르고, 자속이 발생함으로써, 오픈관(1)에는, 도 7 및 도 8 중의 화살표(교번하는 유도 전류를 어느 순간에 절취한 것)로 도시하는 바와 같은 유도 전류(40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h)의 분포가 발생한다. 보다 상세하게 설명하면 이하와 같다. 또한, 도 7은, 도 8에 도시하는 유도 전류 분포 중, 주행 방향 우측의 측면의 유도 전류 분포만을 나타내고 있고, 주행 방향 좌측의 측면의 유도 전류 분포의 도시는 생략하였다. 또한, 도 8에서 도시한 유도 전류(40f)는, 오픈관(1)의 주위를 최종적으로는 주회하지만, 제1 부분 주회 도체부(120) 바로 아래의 유도 전류(40d)와 달리 통전 영역이 길이 방향으로 넓게 분산되어 버리기 때문에, 벡터 길이로서 표기할 수 없을 만큼 극소가 되어버리는 점에서, 도 7에서는 분산 후의 유도 전류(40f)는 구체적으로 표시하지 않았다.

도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 교번하는 고주파 전류의 어느 순간을 절취하면, 유도 코일(100)을 흐르는 1차 전류 C_P는, 도시하지 않은 고주파 전원에 접속된 전원 접속 도체부(125)를 통하여 도 5의 (b) 중의 상방으로부터 하방으로 흘러, 개구 근설 도체부(110A)를 통하여 주행 방향과 동일한 방향(도 5의 (b) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 이어서, 유도 코일(100)을 흐르는 전류는, 제1 부분 주회 도체부(120)를 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약 1주)하도록 흐른 후, 도 5의 (b)와 동일한 순간을 절취한 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(110B)를 통하여 주행 방향과 역방향(도 5의 (a) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 또한, 유도 코일(100)을 흐르는 전류는, 상기 고주파 전원에 접속된 전원 접속 도체부(126)를 통하여 도 5의 (a) 중의 하방으로부터 상방으로 흘러, 해당 고주파 전원으로 되돌아간다.

상술한 바와 같은 경로에서 1차 전류를 유도 코일(100)에 흘리면, 동일한 순간에 그것과는 역방향으로 오픈관(1)의 외주면을 흐르는 유도 전류가 발생한다. 구체적으로는, 도 5와 동일한 순간을 절취한 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 유도 코일(100)을 흐르는 1차 전류 C_P에 의해, 개구 근설 도체부(110B)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40c)와, 오픈관(1)의 단부면부를 흐르는 유도 전류(40b)로 분류되어 유도 전류가 발생하고, 제1 부분 주회 도체부(120)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40d)가 발생하고, 개구 근설 도체부(110A)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40e)와, 오픈관(1)의 단부면부를 흐르는 유도 전류(40a)로 분류되어 유도 전류가 발생하고, 이들의 유도 전류끼리를 연속하여 연결하도록 개구 근설 도체부(110A, 110B)의 각각의 상류측 단부의 근방을 기점 및 종점으로 하여 유도 전류(40f)가 흘러서 주전류 루프(폐회로)(40b+40c, 40d, 40a+40e, 40f)가 형성된다. 또한, 개구 근설 도체부(110A, 110B)의 각각의 하류측 단부와 제1 부분 주회 도체부(120)의 각각의 연결부의 근방을 기점 및 종점으로 하여, 이 주전류 루프로부터 접합부(5)측의 단부면부로 분류하는 유도 전류(40g, 40h)의 전류 루프가 형성된다. 또한, 개구 근설 도체부(110A, 110B)의 각각의 상류측 단부의 근방을 기점 및 종점으로 하여, 상기 주전류 루프로부터 상류로 분류하는 유도 전류(50a, 50b)로 전류 루프가 형성된다. 이 중, 단부면부를 흐르는 유도 전류(40a, 40b)와 용접부측 양단부면부를 흐르는 유도 전류(40g, 40h)에 의해, 양단부면부(2a, 2b)가 발열 용융하여, 용접이 행하여진다. 이때, 접합부(5)측의 위치에서는, 오픈관(1)의 개구부(2)의 폭이 좁아져서 임피던스가 낮아지는 점에서, 근접 효과에 의해 전류가 집중하여 고온이 되기 쉬운 효과도 상승된다. 또한, 개구 근설 도체부(110)가 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b)를 따라 배치되어 있으므로, 유도 전류는, 개구 근설 도체부(110)에 가까운 곳을 흐르려고 하고, 양단부면부(2a, 2b)의 근접 효과와도 더불어 양단부면부(2a, 2b)에도 효율적으로 흐르는 점에서, 유도 전류(40a, 40b)의 전류량이 증가하고, 효율적으로 접합부(5)를 가열할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 상술한 구성을 갖는 유도 코일(100)을 사용하고 있기 때문에, 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치지 않고, 유도 전류(40b, 40d, 40a, 40f)로 이루어지는 폐회로 및 유도 전류(40c, 40d, 40e, 40f)로 이루어지는 폐회로가 형성된다. 그 결과, 유도 코일(100)로부터 직접 임피더(7)에 들어가는 자속을 피할 수 있는 동시에, 가열 효율이 높아짐으로써 오픈관(1)의 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류의 피크 및 평균의 강도를 낮추는 것이 가능해진다. 그 결과, 임피더(7)의 손상을 방지할 수 있고, 이러한 효과는 소직경 관, 예를 들어 관 내경이 100㎜ 정도 이하인 관으로, 특히 후육관, 예를 들어 두께가 6㎜ 초과인 관을 제조할 때에 특히 유용하게 된다.

또한, 본 실시 형태의 유도 코일(100)은, 종래의 특허문헌 1에 기재된 유도 코일과 같이 오픈관을 주회하지 않고, 개구 근설 도체부(110)를 가짐으로써 전원 접속 도체부(125, 126)를 접합부(5)로부터 멀리 떨어지게 할 수 있으므로, 오픈관(1)의 상방에 스페이스를 확보할 수 있고, 나아가, 유도 코일(100) 자체를 스퀴즈 롤(6)에 접근시킬 수도 있다. 따라서, 오픈관(1)의 상방 스페이스에 실드나 측정 장치 등의 부속 설비를 설치하는 것이 가능해진다. 또한, 유도 코일(100)을 스퀴즈 롤(6)에 접근시킴으로써, 전봉관을 제조할 때의 가열 효율을 향상시키는 것도 가능해진다.

또한, 종래의 특허문헌 3에 기재된 예열 코일은 주파수 1 내지 20kHz 정도의 예열용 전원에 접속되어 있고, 또한 예열 코일과 접합부 사이에는, 예열용 전원과는 다른 주파수 100 내지 400kHz 정도의 용접용 전원에 접속된 접촉자(콘택트 팁)가 마련되어 있다. 따라서, 이 예열 코일을 스퀴즈 롤에 접근시킬 수는 없다. 이에 비해, 본 실시 형태의 유도 코일(100)에는, 전원 접속 도체부(126)를 통해 고주파 전원이 접속되고, 유도 코일(100)과 접합부(5) 사이에는 다른 전원은 마련되어 있지 않다. 이 때문에, 유도 코일(100)을 스퀴즈 롤(6)에 접근시킬 수 있다.

또한, 특허문헌(3)에 기재된 장치에는, 예열 코일에 접속되는 전원과, 접촉자에 접속되는 전원의, 두 전원이 있다. 이러한 경우, 서로가 유도 결합하는 경우가 있고, 그렇게 하면 부하가 불안정해지고, 정합이 취해지지 않게 되어서 발진하지 않게 되거나, 전류가 흐르지 않게 될 우려가 있다. 그 결과, 오픈관을 가열 할 수 없게 되어, 전봉관을 적절하게 제조할 수 없는 경우가 있다.

또한, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(10)는, 소직경 관에 한정되지 않고, 중간 직경 관에도 적용 가능하다. 중간 직경 관은, 예를 들어 관 내경이 100 내지 700㎜ 정도이다.

중간 직경 관의 전봉 용접의 경우에는, 일반적으로, 소직경 관의 경우보다도 용접을 위한 전력 투입량이 증가하는 것에 더하여, 오픈관(1)의 개구부(2)도 넓어지기 때문에, 유도 코일(3)에서 발생하는 강자장이 직접 임피더(7)에 영향을 주는 것이 염려되지만, 본 실시 형태의 구성을 갖는 유도 코일(100)을 사용함으로써, 그 영향을 최소로 하여 안정된 생산을 하는 것이 가능해진다. 즉, 일반적인 전봉관 용접에서는, 오픈관(1)의 개구부(2)는 가리는 것이 없기 때문에, 당해 개구부(2)를 통해서, 유도 코일(3)에서 발생하는 강자장으로부터의 자속이 투자율이 높은 임피더(7)를 선택적으로 관통한다. 그 때문에, 임피더(7)가 자속 포화를 하지 않는 충분한 단면적을 갖고 있지 못한 경우, 임피더(7)는 자속 포화하여 발열하고, 임피더(7)의 손상을 억제할 수 없고, 또한 전류의 오픈관(1)의 내주면 둘레를 억제하는 효과도 상실시킨다. 이에 비해, 본 실시 형태의 유도 코일(100)에서는, 당해 유도 코일(100)에서 발생하는 자속은 개구부(2)로부터 들어가지 않기 때문에, 전력을 증가시켜도 임피더(7)의 손상을 방지하는 것이 가능해지고, 안정 제조가 가능해진다.

또한, 중간 직경 관의 경우, 일반적으로, 용접에 요하는 전력이 소직경 관보다 증가하므로 부여하는 전류값도 증가시킬 필요가 있고, 소직경 관에 비하여 가열 효율이 나빠진다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는, 유도 코일(100)을 스퀴즈 롤(6)에 접근시킬 수 있으므로, 가열 효율을 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 이러한 효과는 중간 직경 관을 제조할 때에 특히 유용하게 된다.

또한, 중간 직경 관의 경우, 일반적으로, 용접에 요하는 전력이 소직경 관보다 증가하므로 부여하는 전류값도 증가시킬 필요가 있지만, 후술하는 제5 실시 형태의 도 22 내지 도 24에 도시하는 바와 같이 제1 부분 주회 도체부(520(521, 522))를 복수층으로 함으로써 자계의 강도를 높여, 동일한 자장 강도를 적은 전류로 발생시켜도 된다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서, 유도 코일(100)의 바람직한 배치에 대하여 설명한다. 유도 코일(100)의 내주면과 오픈관(1)의 외주면의 거리는, 가능한 한 가까운 쪽이 효율이 좋지만, 유도 코일(100)과 오픈관(1)의 접촉을 피하기 위해서 5 내지 10㎜ 벌리는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 도 9에 도시하는 바와 같이 제1 부분 주회 도체부(120)와 스퀴즈 롤(6)의 최단 거리 G는 20㎜ 이상(G≥20㎜)인 것이 바람직하다. 이 최단 거리 G를 상기 범위로 함으로써, 스퀴즈 롤(6)이 유도 가열되는 것을 억제하고, 효과적으로 용접을 행할 수 있다. 또한, 도 9의 예에서는, 제1 부분 주회 도체부(120)와 스퀴즈 롤(6)의 최단 거리 G는 측면에서 보아 경사 방향이지만, 예를 들어 제1 부분 주회 도체부(120)의 직경에 비하여 스퀴즈 롤(6)의 직경(측면에서 보아 상하 길이)이 작은 경우, 최단 거리 G는 수평 방향이 된다. 최단 거리 G의 방향은, 제1 부분 주회 도체부(120)의 직경과 스퀴즈 롤(6)의 측면 시에 있어서의 만곡부의 곡률의 관계에 따라서 결정된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 개구 근설 도체부(110)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부와, 접합부(5)의 거리 L의 일례로서 하기 식 (1)을 충족하고 있는 것이 바람직한 경우가 많다. 전원 접속 도체부(125, 126)의 접합부(5)로부터의 거리를 나타내는, 거리 L이 하기 식 (1)을 충족하도록 함으로써, 접합부(5)에 있어서의 충분한 가열량을 얻는 상태에서, 가열 효율을 향상시킬 수 있다. (1) 식은, 접합부(5) 단부면의 코일로부터의 왕복 거리 2L에 대하여, 경험상 내주의 거리 πD의 약 3배 정도 있으면 효율적으로 가열이 가능한 것을 나타내는 식이고, 계수 3에 대해서는 각각의 장치에 따라 변화한다.

2L≤3πD ···(1)

단, L: 개구 근설 도체부(110)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부와, 접합부(5)의 거리, D: 오픈관(1)의 내경

여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 교번하는 고주파 전류의 어느 순간을 절취한 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(110)(110A, 110B)의 상류측 단부의 근방의 유도 전류는, 접합부(5) 방향으로 흐르는 유도 전류(40b, 40c) 및 접합부(5) 방향으로부터 유입하는 유도 전류(40a, 40e) 뿐만 아니라, 일부의 전류가 분류되어 유도 코일(100)의 상류에 흐르고 있다. 즉, 유도 전류로서는, 유도 전류(40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h) 이외에, 상술한 바와 같이, 유도 코일(100)의 개구 근설 도체부(110B)의 상류측 단부의 근방으로부터 상류로 흐르는 유도 전류(50b) 및 유도 코일(100)의 개구 근설 도체부(110A)의 상류측 단부의 근방에 상류로부터 되돌아가는 유도 전류(50a)도 발생한다. 이들 유도 전류(50a, 50b)는, 유도 코일(100)의 상류의 관 외면에 폐회로를 형성하고, 이 폐회로가 있는 관 외면에 있어서 용접에는 기여하지 않는 발열에 소비된다. 이들 유도 전류(50a, 50b)는, 접합부(5)의 가열에 거의 기여하지 않기 때문에, 유도 코일(100)에서 공급한 전력의 일부의 쓸데없는 전력으로서 소비되게 되어 버린다.

그래서, 이하에 설명하는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(20)에서는, 유도 코일(100)의 상류측에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르는 것을 저지하기 위해서, 유도 코일(100)의 주행 방향 상류에 있어서, 오픈관(1)의 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b) 사이에 강자성체(200)를 배치하고 있다. 이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(20)에 대하여 설명한다.

(제2 실시 형태)

이어서, 도 10 및 도 11을 참조하면서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(20)의 구성을 설명한다. 도 10은, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(20)를 모식적으로 도시하는 측면도(주행 방향 우측으로부터 본 우측면도)이고, 도 11은, 도 10에 도시하는 전봉관 용접 장치(20)를 모식적으로 도시하는 횡단면도이고, 도 10에 있어서의 IV-IV선으로 강자성체 코어부를 절단한 IV-IV 단면도이다.

도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(20)는, 상술한 제1 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)와 동일한 구성에 첨가하여, 유도 코일(100)보다도 주행 방향 상류측의 개구부(2)에 배치되는 강자성체(200)를 더 구비한다. 이 강자성체(200)는 임피던스가 높기 때문에, 전류가 흐르면, 그것을 저지하도록 작용하고, 유도 코일(100)의 상류측으로 흐르려고 하는 전류를 저지한다. 구체적으로는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 유도 코일(100)의 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류(50a, 50b)(도 7, 도 8 참조)의 상정 유로구에 강자성체(자성체 코어)(200)가 배치되어 있기 때문에, 강자성체(200)에 대향하는 오픈관(1)에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르려고 하면, 이 유도 전류(50a, 50b)를 저지하도록 강자성체(200)가 작용하기 때문에, 유도 코일(100)의 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류(50a, 50b)를 저지할 수 있다. 그 결과, 도 13에 도시한 바와 같은 유도 전류 분포에 가까와져 간다. 그 때문에, 오픈관(1)의 외주면에서 발생한 유도 전류의 대부분을 접합부(5)측에 흘릴 수 있어, 접합부(5)에 흐르는 전류의 밀도를 높여서 발열량을 높이는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명자의 검토에 의하면, 유도 전류는, 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b), 특히 관 단면에 있어서의 상부와 하부의 단부(코너부)에 많이 흐르고, 상부 코너부쪽이 하부 코너부보다도 많이 흐르는 것이 판명되어 있다. 그 때문에, 강자성체(200)은, 대향하는 오픈관(1)의 양단부면부(2a, 2b) 간의 개구부(2)에 대응하는 위치에서, 이들 양단부면부(2a, 2b)에 대하여 헐겁게 삽입되도록 설치됨과 함께, 오픈관(1)의 주행 방향에 수직인 단면으로 본 경우에, 대향하는 오픈관(1)의 양단부면부(2a, 2b)에 있어서의 각 상부 코너부, 각 하부 코너부의 한쪽 또는 양쪽을 덮는 형상을 갖고 있는 것이 보다 바람직하다.

강자성체(200)는, 예를 들어 도 11에 도시하는 것과 같은 T자형의 형상으로 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 유도 전류는, 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b), 특히 관 단면에 있어서의 상부와 하부의 단부(코너부)에 많이 흐르고, 상부 코너부쪽이 하부 코너부보다도 많이 흐르는 점에서, 유도 전류가 많이 흐르는 상부 코너부를 덮는 형상으로 함으로써, 효과적으로 유도 전류를 저지할 수 있다. 또한, 유도 전류의 저지(억제) 효과를 가장 높이기 위해서는, 도시는 생략하지만, 강자성체(200)를 H자를 눕힌 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 단부면부(2a, 2b) 뿐만 아니라, 상부 코너부 및 하부 코너부에 흐르는 유도 전류도 저지할 수 있다. 또한, 강자성체(200)의 형상으로서는, H자를 눕힌 형상을 곡면으로 형성한 것, I자형, 역T자형 등, 여러가지 형상이 생각된다(예를 들어, 국제 공개 제2011/034119의 도 8 내지 도 12 및 그 설명 등을 참조).

강자성체(200)의 재질로서는, 페라이트나 전자 강판 등의비 투자율이 높고 도전율이 낮은 양호 자성체를 사용하면 된다.

또한, 강자성체(200)를 설치하는 위치는, 유도 코일(100)보다도 상류측이면 되지만, 유도 코일(100)에 의해 가까운 쪽이, 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류를 근원적으로 저지하기에는 효과적이다. 단, 강자성체(200)가 유도 코일(100)에 너무 접근하면, 자속 밀도가 높아져서 강자성체(200)가 발열하기 쉬워지기 때문에, 적절히 영향이 없는 위치를 정하면 된다. 또한, 필요에 따라 강자성체(200)을 냉각하는 것도, 강자성체(200)의 발열을 억제하는 데도 효과적이다. 또한, 강자성체(200)의 길이나 두께에 대해서는, 사용하는 조건에 따라 달라진다는 점에서, 특별히 정하는 것은 아니지만, 길이에 관해서는 일반적으로, 몇십 ㎜ 이상 있으면 되고, 두께에 대해서는 오픈관(1)의 양단부면부(2a, 2b)에 접촉하지 않을 정도로 개구부(2)에 근접할 정도로 하면 효과가 보다 높아진다.

또한, 강자성체(200)의 설치 방법에 대해서는, 내주면 주위의 전류를 억제하는 임피더(7)와 조합하여, 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b)로부터 내주에 전류가 유입하지 않는 상태로 해 두고, 강자성체(200)를 설치하면, 유도 코일(100)의 상류에 흐르는 유도 전류의 저지 효과가 커진다. 즉, 도 12 및 도 13에 도시하는 바와 같이, 임피더(7)의 상류측 단부와 유도 코일(100)까지 사이에서, 강자성체(200)가 임피더(7) 상에 배치되도록 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 강자성체(200)와 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b)의 간극은, 가능한 한 접근시키는 편이 전류 억제 효과는 높고, 이격되면 효과가 엷어지므로, 양자를 가능한 한 접근시키는 것이 바람직하다.

강자성체(200)를 설치하는 경우, 실기에 있어서는, 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b)가 강자성체(200)와 접촉하는 것이 생각된다. 여기서, 강자성체(200)에, 예를 들어 페라이트를 사용한 경우, 충격이 가해진 때에 간단하게 깨지기 쉽다. 이와 같이, 페라이트로 이루어지는 강자성체(200)가 깨진 경우, 하류의 스퀴즈 롤(6)에 물려들거나, 유도 코일(100)에 끼이거나 하는 등의 설비 트러블을 발생할 가능성이 있다. 그래서, 강자성체(200)의 외표면을 피복함으로써, 안전성이나 생산성을 고려한 장치로 하는 것이 바람직하다. 즉, 강자성체(200)의 외표면에, 수지판 등을 보호판으로서 사용함으로써, 만일, 강자성체(200)에 충격이 가해져도 깨지기 어렵도록 하는 것이 보다 바람직하다.

강자성체(200)를 피복하는 재료로서는, 비자성재이고 또한 비도전성의 재료이면 되고, 유리 테이프나, 내열성의 비닐 테이프로 피복하거나, 수지로 몰드해도 되고, 또한, 고무 등을 부착해도 상관없다. 이러한 강자성체(200)의 피복은, 반드시 필수적이지 않지만, 처치를 해 둔 쪽이 안정 조업의 관점에서 보다 바람직하다.

또한, 강자성체(200)의 설치에 대해서는, 예를 들어 오픈관(1)의 단부면부(2a, 2b)의 위치가 주행 중에 비틀어져서 변위되는 경우에는, 강자성체(200)를 고정하여 설치하면, 단부면부(2a, 2b)와 접촉하여 파손될 우려가 높아진다. 그래서, 강자성체(200)가, 주행 중인 오픈관(1)에 있어서의 단부면부(2a, 2b)가 접촉했을 때에, 단부면부(2a, 2b)의 사이의 개구부(2) 내에서, 강자성체(200)의 파손을 피하도록 이동할 수 있는 이동 기구를 갖고 있어도 된다. 이러한 이동 기구의 상세한 설명은 생략한다(예를 들어, 국제 공개 제2011/034119의 도 13 내지 도 15 및 그 설명 등을 참조).

(제3 실시 형태)

이어서, 도 14 내지 도 16을 참조하면서, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)의 구성을 설명한다. 임피더케이스는 도시를 하지 않는 것에 대해서는 상술한 제1 실시 형태와 동일하다. 도 14는, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)를 모식적으로 도시하는 평면도이고, 도 15는, 도 14에 도시하는 전봉관 용접 장치(30)의 측면도이고, (a)는 주행 방향 좌측에서 본 좌측면도, (b)는 주행 방향 우측으로부터 본 우측면도이다. 도 16은, 도 14 및 도 15에 도시하는 전봉관 용접 장치(30)의 횡단면도이고, (a)는 도 14 및 도 15에 있어서의 I-I선으로 절단한 I-I 단면도이고, (b)는 도 14 및 도 15에 있어서의 II-II선으로 절단한 II-II 단면도이고, (c)는 도 14 및 도 15에 있어서의 III-III선으로 절단한 III-III 단면도이다.

도 14 내지 도 16에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)는, 주행 방향 R로 주행하는 금속 띠판(1)이, 도시하지 않은 롤에 의해, 금속 띠판(1)의 폭 방향에 있어서의 양단부면부(단부면부)(2a, 2b)가 간격을 두고 대향하도록 원통형으로 구부러져서 오픈관(1)으로 성형된 후, 해당 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 배치된 유도 가열 수단으로서의 유도 코일(300)에 고주파 전류를 통해, 발생시킨 유도 전류에 의해 양단부면부(2a, 2b)를 용융시킨다. 즉, 전봉관 용접 장치(30)는, 유도 코일(300)에 의해, 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 유도 전류인 고주파 전류를 유기시킨다. 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)는, 주행 방향으로 연장되는 개구부(2)를 갖는 오픈관(1)의, 해당 개구부(2)에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부(바꾸어 말하면, 해당 개구부(2)를 사이에 두고 대향하는 단부면부)(2a, 2b)의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 개구부(2)의 간격을 점차 좁히면서 단부면부(2a, 2b)끼리를 접합부(5)에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 장치이다. 이 전봉관 용접 장치(30)는, 유도 가열 수단으로서, 1쌍의 개구 근설 도체부(310A, 310B)(이하, A는 한쪽의 단부면부(2a)측을 의미하고, B는 다른 쪽의 단부면부(2b)측을 의미하는 것으로 하고, 1쌍의 개구 근설 도체부를 통합하여, 「개구 근설 도체부(310)」라고 기재하는 경우도 있음)와, 제1 부분 주회 도체부(320)와, 제2 부분 주회 도체부(330)로 이루어지는 유도 코일(300)을 구비하고 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)는, 상술한 제1 실시 형태와는, 유도 코일의 구조가 상이한 것이다. 보다 구체적으로는, 전봉관 용접 장치(30)에서는, 두 부분 주회 도체부(제1 부분 주회 도체부(320) 및 제2 부분 주회 도체부(330))를 구비하고, 또한, 도시하지 않은 고주파 전원에 접속되는 전원 접속 도체부(후술하는 전원 접속 도체부(325, 326))가 제2 부분 주회 도체부(330)에 일체로 마련되는 점에서, 제1 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)와 상이하다. 전봉관 용접 장치(30)의 기타의 구성에 대해서는, 제1 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10)와 동일하므로, 이하, 전봉관 용접 장치(10)와 상이한 점을 주로 설명한다.

1쌍의 개구 근설 도체부(310A, 310B)는, 도 14, 도 15 및 도 16의 (b)에 도시하는 바와 같이, 개구부(2)의 양측 단부면부(2a, 2b)의 각각을 따라 주행 방향으로 연장된 도체이고, 각각, 평면으로 보아 개구부(2)와 겹치지 않는 위치에, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 또한, 개구 근설 도체부(310A, 310B)는, 평면으로 보아 개구부(2)에 겹치지 않는 위치, 즉 개구 근설 도체부(310A, 310B)의 개구부(2)에 가까운 측의 단부와, 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)가 평면으로 보아 접하는 직전의 위치에 배치되어 있어도 된다. 단, 개구 근설 도체부(310A, 310B)는, 개구부(2)를 통해, 당해 개구 근설 도체부(310A, 310B)와 임피더(7)가 서로 보이지 않는 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

제1 부분 주회 도체부(320)는, 도 14, 도 15 및 도 16의 (c)에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(310)의 긴 변 방향의 적어도 접합부(5)에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 또한, 제2 부분 주회 도체부(330)는, 도 14, 도 15 및 도 16의 (a)에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(310)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부(제1 부분 주회 도체부(320)보다도 주행 방향 상류측)에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 또한, 제1 부분 주회 도체부(320)와 제2 부분 주회 도체부(330) 중 어느 한쪽은, 도시하지 않은 고주파 전원에 접속된다. 도 14 내지 도 16에 예시하는 본 실시 형태에 따른 유도 코일(300)에서는, 제2 부분 주회 도체부(330)가, 전원 접속 도체부(325, 326)에 의해 도시하지 않은 고주파 전원에 접속되어 있다. 또한, 여기서는, 제2 부분 주회 도체부(330)로의 전원 접속 도체부(325, 326)의 접속 위치가 제2 부분 주회 도체부(330)의 최하부 상당 위치인 예를 나타내고 있지만, 이에 한정되지 않고, 이들 접속 위치는, 오픈관(1)의 개구부(2)를 제외한 부분을 따른 둘레 방향에서의 제2 부분 주회 도체부(330)의 임의의 둘레 방향 위치라도 상관없다.

본 발명에 있어서 사용하는 유도 코일(300)의 재질은, 상술한 유도 코일(100)과 동일하다. 또한, 유도 코일(300)의 형상도, 상술한 개구 근설 도체부(310)과 부분 주회 도체부(320, 330)로 이루어지는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 개구 근설 도체부(310)의 형상은, 개구 근설 도체부(110)와 마찬가지로, 곡선 부분을 갖고 있는 것이어도 된다. 또한, 부분 주회 도체부(320, 330)의 형상은, 제1 부분 주회 도체부(120)와 마찬가지로, 직사각형의 층을 그리는 형상(직사각형 코일)이어도 된다. 또한, 그 층수에 대해서는, 1층으로 한다.

도 15에 예시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)는, 유도 코일(300)에 1차 전류 C_P가 통전된다(도 15에서 나타내는 1차 전류 C_P의 방향은, 교번하는 전류의 어느 순간의 방향을 편의적으로 나타내는 것으로, 교번하여 역방향으로 흐르는 경우도 당연히 포함됨). 이때, 유도 코일(300)에 고주파수의 1차 전류가 흐르고, 자속이 발생함으로써, 오픈관(1)에는, 도 17 및 도 18 중의 화살표(교번하는 유도 전류를 어느 순간에 절취한 것)로 도시한 바와 같은 유도 전류(40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h)의 분포가 발생한다. 보다 상세하게 설명하면 이하와 같다. 또한, 도 17은, 도 18에 도시하는 유도 전류 분포 중, 주행 방향 우측의 측면 유도 전류 분포만을 나타내고 있고, 주행 방향 좌측의 측면의 유도 전류 분포의 도시는 생략하였다.

도 15의 (a)에 도시하는 바와 같이, 교번하는 고주파 전류의 어느 순간을 절취하면, 유도 코일(300)을 흐르는 1차 전류 C_P는, 도시하지 않은 고주파 전원에 접속된 전원 접속 도체부(325)를 통하여 도 15의 (a) 중의 하방으로부터 상방으로 흘러, 제2 부분 주회 도체부(330)의 주행 방향 좌측 절반을 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약반주)하도록 흐른 후, 개구 근설 도체부(310A)를 통하여 주행 방향(도 15의 (a) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 이어서, 유도 코일(300)을 흐르는 전류는, 제1 부분 주회 도체부(320)측을 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약 1주)하도록 흐른 후, 개구 근설 도체부(310B)를 통하여 주행 방향과 반대로 방향(도 15의 (b) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 또한, 유도 코일(300)을 흐르는 전류는, 제2 부분 주회 도체부(330)의 주행 방향 우측 절반을 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약반주)하도록 흐른 후, 상기 고주파 전원에 접속된 전원 접속 도체부(326)를 통하여 도 15의 (b) 중의 상방으로부터 하방으로 흘러, 해당 고주파 전원으로 되돌아간다.

상술한 바와 같은 경로로 1차 전류를 유도 코일(300)에 흘리면, 동일한 순간에 그것과는 역방향으로 오픈관(1)의 외주면을 흐르는 유도 전류가 발생한다. 구체적으로는, 도 15와 동일한 순간을 절취한 도 17 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 유도 코일(300)을 흐르는 1차 전류 C_P에 의해, 제2 부분 주회 도체부(330)의 주행 방향 우측 절반의 유도 코일(300)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40f)가 발생하고, 개구 근설 도체부(310B)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40c)와, 오픈관(1)의 단부면부를 흐르는 유도 전류(40b)로 분류되어 유도 전류가 발생하고, 제1 부분 주회 도체부(320)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40d)가 발생하고, 개구 근설 도체부(310A)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40e)와, 오픈관(1)의 단부면부를 흐르는 유도 전류(40a)로 분류되어 유도 전류가 발생하고, 제2 부분 주회 도체부(330)의 주행 방향 좌측 절반의 유도 코일 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40f)가 발생하고, 이들의 유도 전류끼리를 연속하여 연결하도록 유도 전류가 흘러서 주전류 루프(폐회로)(40f, 40b+40c, 40d, 40a+40e, 40f)가 형성된다. 또한, 개구 근설 도체부(310A, 310B)의 각각의 하류측 단부와 제1 부분 주회 도체부(320)의 각각의 연결부의 근방을 기점 및 종점으로 하여, 이 주전류 루프로부터 접합부(5)측의 단부면부로 분류하는 유도 전류(40g, 40h)의 전류 루프가 형성된다. 또한, 개구 근설 도체부(310A, 310B)의 각각의 상류측 단부와 제2 부분 주회 도체부(330)의 각각의 연결부의 근방을 기점 및 종점으로 하여, 이 주전류 루프로부터 상류로 분류하는 유도 전류(50a, 50b)로 전류 루프가 형성된다. 이 중, 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류(40a, 40b)와 용접부측 양단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류(40g, 40h)에 의해, 양단부면부(2a, 2b)가 발열 용융하여, 용접이 행하여진다. 이때, 접합부(5)측의 위치에서는, 오픈관(1)의 개구부(2)의 폭이 좁아져서 임피던스가 낮아지는 점에서, 근접 효과에 의해 전류가 집중하여 고온이 되기 쉬운 효과도 상승된다. 또한, 개구 근설 도체부(310)가 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b)를 따라 배치되어 있으므로, 근접 효과에 의해 유도 전류가 개구 근설 도체부(310)에 가까운 곳을 흐르려고 하기 때문에, 양단부면부(2a, 2b)에 효율적으로 유도 전류를 흘릴 수 있고, 그 결과, 유도 전류(40a, 40b)의 전류량이 증가하고, 효율적으로 접합부(5)를 가열할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 상술한 구성을 갖는 유도 코일(300)을 사용하고 있기 때문에, 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치지 않고, 유도 전류(40f, 40b, 40d, 40a, 40f)로 이루어지는 폐회로 및 유도 전류(40f, 40c, 40d, 40e, 40f)로 이루어지는 폐회로가 형성된다. 그 결과, 유도 코일(300)로부터 직접 임피더(7)에 들어가는 자속을 피할 수 있음과 함께, 오픈관(1)의 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류의 피크 및 평균의 강도를 낮추는 것이 가능해진다. 그 결과, 임피더(7)의 손상을 방지할 수 있고, 이러한 효과는 소직경 관, 예를 들어 관 내경이 100㎜ 정도 이하인 관으로, 특히 후육관, 예를 들어 두께가 6㎜ 초과인 관을 제조할 때에 특히 유용하게 된다.

또한, 본 실시 형태의 유도 코일(300)은, 종래의 특허문헌 1에 기재된 유도 코일과 같이 오픈관을 주회하지 않고, 개구 근설 도체부(310)를 가짐으로써 전원 접속 도체부(325, 326)를 접합부(5)로부터 멀리 떨어지게 할 수 있으므로, 오픈관(1)의 상방에 스페이스를 확보할 수 있고, 나아가, 유도 코일(300) 자체를 스퀴즈 롤(6)에 접근시킬 수도 있다. 따라서, 오픈관(1)의 상방 스페이스에 실드나 측정 장치 등의 부속 설비를 설치하는 것이 가능해진다. 또한, 유도 코일(300)을 스퀴즈 롤(6)에 접근시킴으로써, 전봉관을 제조할 때의 가열 효율을 향상시키는 것도 가능해진다.

또한, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(30)도, 제1 실시 형태의 전봉관 용접 장치(10)와 마찬가지로, 소직경 관에 한정되지 않고, 중간 직경 관에도 적용 가능하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 유도 코일(300)의 바람직한 배치는, 제1 실시 형태에 있어서의 유도 코일(100)의 바람직한 배치와 동일하다. 즉, 유도 코일(300)의 내주면과 오픈관(1)의 외주면의 거리는 5 내지 10㎜인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 제1 부분 주회 도체부(320)는, 가능한 한 접합부(5)에 가까운 것이 바람직하지만, 코일 도체와 스퀴즈 롤(6)의 간섭 회피 및 스퀴즈 롤(6)의 유도 가열을 피하기 위해서, 제1 부분 주회 도체부(320)와 스퀴즈 롤(6)의 최단 거리 G는 20㎜ 이상(G≥20㎜)인 것이 바람직하다. 유도 코일(300)의 선단 위치를 나타내는, 최단 거리 G를 상기 범위로 함으로써, 실제의 장치에 있어서 효과적으로 용접을 행할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 개구 근설 도체부(310)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부와, 접합부(5)의 거리 L이 하기 식 (1)을 충족하고 있는 것이 바람직하다. 제2 부분 주회 도체부(330)의 접합부(5)로부터의 거리를 나타내는, 거리 L이 하기 식 (1)을 충족하도록 함으로써, 접합부(5)에 있어서의 충분한 가열량을 얻을 수 있고, 가열 효율을 향상시킬 수 있다.

2L≤3πD ···(1)

단, L: 개구 근설 도체부(310)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부와, 접합부(5)의 거리, D: 오픈관(1)의 외경

여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 교번하는 고주파 전류의 어느 순간을 절취한 도 17 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 제2 부분 주회 도체부(330)의 바로 아래로부터의 유도 전류는, 접합부(5) 방향으로 흐르는 유도 전류(40b, 40c) 및 접합부(5) 방향으로부터 유입하는 유도 전류(40a, 40e) 뿐만 아니라, 일부의 전류가 분류되어 유도 코일(300)의 상류로 흐르고 있다. 즉, 유도 전류로서는, 유도 전류(40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h) 이외에, 상술한 바와 같이, 유도 코일(300)의 제2 부분 주회 도체부(330)의 바로 아래부터 상류로 흐르는 유도 전류(50b) 및 유도 코일(300)의 상류로부터 제2 부분 주회 도체부(330)의 바로 아래로 되돌아가는 유도 전류(50a)도 발생한다. 이들 유도 전류(50a, 50b)는, 유도 코일(300)의 상류의 관 외면에 폐회로를 형성하고, 이 폐회로가 있는 관 외면에 있어서 용접에는 기여하지 않는 발열에 소비된다. 이들 유도 전류(50a, 50b)는, 접합부(5)의 가열에 대부분 기여하지 않기 때문에, 유도 코일(300)에서 공급한 전력의 일부의 쓸데없는 전력으로서 소비되게 되어 버린다.

그래서, 이하에 설명하는 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(40)에서는, 유도 코일(300)의 상류측에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르는 것을 저지하기 위해서, 유도 코일(300)의 주행 방향 상류에 있어서, 오픈관(1)의 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b)의 사이에 강자성체(400)를 배치하고 있다. 이하, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(40)에 대하여 설명한다.

(제4 실시 형태)

먼저, 도 19를 참조하면서, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(40)의 구성을 설명한다. 도 19는, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(40)를 모식적으로 도시하는 측면도(주행 방향 우측으로부터 본 우측면도)이다. 또한, 제4 실시 형태는, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 유도 코일(300)의 상류측에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르는 것을 저지하기 위해서, 유도 코일(300)의 주행 방향 상류에 있어서, 오픈관(1)의 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b)의 사이에 강자성체를 배치하고 있다.

도 19에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(40)는, 상술한 제3 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)와 동일한 구성에 첨가하여, 유도 코일(300)보다도 주행 방향 상류측의 개구부(2)에 배치되는 강자성체(400)를 더 구비한다. 이 강자성체(400)는 임피던스가 높기 때문에, 전류가 흐르면, 그것을 저지하도록 작용하고, 유도 코일(300)의 상류측에 흘러드는 전류를 저지한다. 구체적으로는, 도 20에 도시하는 바와 같이, 유도 코일(300)의 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류(50a, 50b)(도 17, 도 18 참조)의 상정 유로구에 강자성체(400)가 배치되어 있기 때문에, 강자성체(400)에 대향하는 오픈관(1)에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르려고 하면, 이 유도 전류(50a, 50b)를 저지하도록 강자성체(400)가 작용하기 때문에, 유도 코일(300)의 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류(50a, 50b)를 저지할 수 있다. 그 결과, 도 21에 도시한 바와 같은 유도 전류 분포에 근접해 간다. 그 때문에, 오픈관(1)의 외주면에서 발생한 유도 전류의 대부분을 접합부(5)측에 흘릴 수 있고, 접합부(5)에 흐르는 전류의 밀도를 높여서 발열량을 높이는 것이 가능해진다.

또한, 강자성체(400)의 구체적인 구성, 기능, 배치 등은, 상술한 제2 실시 형태에 따른 강자성체(200)(도 11을 참조)와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

(제5 실시 형태)

이어서, 도 22 내지 도 24를 참조하면서, 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)의 구성을 설명한다. 임피더케이스는 도시를 하지 않는 것에 대해서는 상술한 제1 실시 형태 및 제3 실시 형태와 동일하다. 도 22는, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)를 모식적으로 도시하는 평면도이고, 도 23은, 도 22에 도시하는 전봉관 용접 장치(50)의 측면도이고, (a)는 주행 방향 좌측으로부터 본 좌측면도, (b)는 주행 방향 우측으로부터 본 우측면도이다. 도 24는, 도 22 및 도 23에 도시하는 전봉관 용접 장치(50)의 횡단면도이고, (a)는 도 22 및 도 23에 있어서의 I-I선으로 절단한 I-I 단면도이고, (b)는 도 22 및 도 23에 있어서의 II-II선으로 절단한 II-II 단면도이고, (c)는 도 22 및 도 23에 있어서의 III-III선으로 절단한 III-III 단면도이다.

또한, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(50)도, 제1 실시 형태의 전봉관 용접 장치(10) 및 제3 실시 형태의 전봉관 용접 장치(30)와 마찬가지로, 소직경 관에 한정되지 않고, 중간 직경 관에도 적용 가능하다.

도 22 내지 도 24에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)는, 주행 방향 R에 주행하는 금속 띠판(1)이, 도시하지 않은 롤에 의해, 금속 띠판(1)의 폭 방향에 있어서의 양단부면부(단부면부)(2a, 2b)가 간격을 두고 대향하도록 원통형으로 구부러져서 오픈관(1)으로 성형된 후, 해당 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 배치된 유도 가열 수단으로서의 2층의 유도 코일(500)에 고주파 전류를 통해, 발생시킨 유도 전류에 의해 양단부면부(2a, 2b)를 용융시킨다. 즉, 전봉관 용접 장치(50)는, 유도 코일(500)에 의해, 오픈관(1)의 개구부(2) 근방에 유도 전류인 고주파 전류를 유기시킨다. 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)는, 주행 방향으로 연장되는 개구부(2)를 갖는 오픈관(1)의, 해당 개구부(2)에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부(바꾸어 말하면, 해당 개구부(2)를 사이에 두고 대향하는 단부면부)(2a, 2b)의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 개구부(2)의 간격을 점차 좁히면서 단부면부(2a, 2b)끼리를 접합부(5)에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 장치이다.

이 전봉관 용접 장치(50)는, 유도 가열 수단으로서, 1쌍의 개구 근설 도체부(510A, 510B)(이하, A는 한쪽의 단부면부(2a)측을 의미하고, B는 다른 쪽의 단부면부(2b)측을 의미하는 것으로 하고, 1쌍의 개구 근설 도체부를 통합하여, 「개구 근설 도체부(510)」라고 기재하는 경우도 있음)와, 제1 부분 주회 도체부(520)와, 제2 부분 주회 도체부(530)로 이루어지는 유도 코일(500)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)는, 상술한 제1 실시 형태 및 제3 실시 형태란, 유도 코일(500)이 2층인 등, 유도 코일의 구조가 상이한 것이다. 보다 구체적으로는, 전봉관 용접 장치(50)에서는, 제1 부분 주회 도체부(520)에는 접합부(5)측으로부터 상류측으로 배열하는 순으로 부분 주회 도체부(521, 522)를 구비하고, 1쌍의 개구 근설 도체부(510)(510A, 510B)에는, 부분 주회 도체부(521)에 접속되는 1층째의 개구 근설 도체부(511)(511A, 511B), 그 상층에서 부분 주회 도체부(522)에 접속되는 2층째의 개구 근설 도체부(512)(512A, 512B)를 구비하고, 제2 부분 주회 도체부(530)에는, 접합부(5)측으로부터 상류측으로 배열하는 순으로 부분 주회 도체부(531, 532, 533)를 구비하고, 이들 부분 주회 도체부 중, 약반주 분의 부분 주회 도체부(531)는, 전원 접속 도체부(535)와 개구 근설 도체부(511A)에 접속되고, 약 1주분의 부분 주회 도체부(532)는, 개구 근설 도체부(511B)와 개구 근설 도체부(512A)에 접속되고, 약반주 분의 부분 주회 도체부(533)는, 개구 근설 도체부(512B)와 전원 접속 도체부(536)에 접속되도록 2층의 유도 코일(500)을 구비하는 점에서, 제1 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(10) 및 제3 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(30)와 상이하다.

상기한 바와 같이, 유도 코일(500)은, 개구 근설 도체부(511, 512)의 긴 변 방향의 접합부(5)에 가까운 측의 각각의 단부에 있어서, 제1 부분 주회 도체부(520)의 두 부분 주회 도체부(521, 522)를 구비하고 있고, 2층으로 되어 있다. 이하의 설명에 있어서는, 부분 주회 도체부(521)를 1층째라고 하고, 부분 주회 도체부(522)를 2층째라고 하는 경우가 있다.

먼저, 유도 코일(500)의 개구 근설 도체부(510(511, 512))의 구성에 대하여 설명한다. 1층째에 있어서, 1쌍의 개구 근설 도체부(511A, 511B)는, 도 22 내지 도 24에 도시하는 바와 같이, 개구부(2)의 양측 단부면부(2a, 2b)의 각각을 따라 주행 방향으로 연장된 도체이고, 각각, 평면으로 보아 개구부(2)와 겹치지 않는 위치에, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 2층째에 있어서, 1쌍의 개구 근설 도체부(512A, 512B)는 각각, 1쌍의 개구 근설 도체부(511A, 511B)와 동일한 구성을 갖고, 당해 1쌍의 개구 근설 도체부(511A, 511B)의 상방에 겹쳐 배치된다. 또한, 1쌍의 개구 근설 도체부(512A, 512B)는, 평면으로 보아 개구부(2)에 대하여 1쌍의 개구 근설 도체부(511A, 511B)의 외측(개구부(2)로부터 이격되는 측의 인접 위치)에 배치되어도 되지만, 개구 근설 도체부(510)에 의한 오픈관(1)의 외주면에 발생하는 유도 전류의 영역을, 단부면부(2a, 2b)에 가까운 영역에 모으기 쉬운 점에서, 2층째의 1쌍의 개구 근설 도체부(512A, 512B)는 각각, 1쌍의 개구 근설 도체부(511A, 511B)의 상방에 겹쳐 배치되는 것이 바람직하다.

이어서, 유도 코일(500)에 있어서, 접합부(5)에 가까운 측의 제1 부분 주회 도체부(520(521, 522))의 구성에 대하여 설명한다. 1층째에 있어서, 부분 주회 도체부(521)는, 도 22 내지 도 24에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(511)의 긴 변 방향의 적어도 접합부(5)에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 2층째에 있어서, 부분 주회 도체부(522)는, 개구 근설 도체부(512)의 긴 변 방향의 적어도 접합부(5)에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 또한, 2층째의 부분 주회 도체부(522)는, 스퀴즈 롤(6)과의 간섭을 피하기 위해서, 1층째의 부분 주회 도체부(521)보다, 주행 방향 상류측에 배치된다.

이어서, 유도 코일(500)에 있어서, 접합부(5)에 먼 측의 제2 부분 주회 도체부(530(531, 532, 533))의 구성에 대하여 설명한다. 1층째의 약반주 분의 부분 주회 도체부(531)는, 도 22 내지 도 24에 도시하는 바와 같이, 개구 근설 도체부(511A)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회(약반주)하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 부분 주회 도체부(531)는, 전원 접속 도체부(535)에 의해 도시하지 않은 고주파 전원에 접속되어 있다. 1층째의 나머지 약반주 분과 2층째의 약반주 분이 되는 부분 주회 도체부(532)는, 개구 근설 도체부(511B, 512A)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회(약 1주)하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 2층째의 나머지 약반주 분의 부분 주회 도체부(533)는, 개구 근설 도체부(512B)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회(약반주)하도록, 오픈관(1)의 외주면으로부터 이격하여 배치된다. 부분 주회 도체부(533)는, 전원 접속 도체부(536)에 의해 도시하지 않은 고주파 전원에 접속되어 있다. 또한, 여기에서는, 제2 부분 주회 도체부(531, 533)로의 전원 접속 도체부(535, 536)의 접속 위치가, 제2 부분 주회 도체부(531, 533)의 최하부 상당 위치의 예를 나타내고 있지만, 이에 한정되지 않고, 이들의 접속 위치는, 오픈관(1)의 개구부(2)를 제외한 부분을 따른 둘레 방향에서의 제2 부분 주회 도체부(531, 533)의 둘레 방향 길이를 상보적으로 적절히 변경함으로써 결정되는 임의의 둘레 방향 위치라도 상관없다.

본 발명에 있어서 사용하는 유도 코일(500)의 재질은, 상술한 유도 코일(100, 300)과 동일하다. 또한, 유도 코일(500)의 형상도, 상술한 개구 근설 도체부(510(511, 512))와 부분 주회 도체부(520(521, 522)), (530(531, 532, 533))로 이루어지는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 개구 근설 도체부(510(511, 512))의 형상은, 개구 근설 도체부(110, 310)와 마찬가지로, 곡선 부분을 갖고 있는 것이어도 된다. 또한, 부분 주회 도체부(520(521, 522)), (530(531, 532, 533))의 형상은, 부분 주회 도체부(120, 320, 330)와 마찬가지로, 직사각형의 층을 그리는 형상(직사각형 코일)이어도 된다.

도 23에 예시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)는, 유도 코일(500)에 1차 전류 C_P가 통전된다(도 23에서 도시되는 1차 전류 C_P의 방향은, 교번하는 전류의 어느 순간의 방향을 편의적으로 나타내는 것으로, 교번하여 역방향으로 흐르는 경우도 당연히 포함됨). 이때, 유도 코일(500)에 고주파수의 1차 전류가 흐르고, 자속이 발생함으로써, 오픈관(1)에는, 도 25 및 도 26 중의 화살표(교번하는 유도 전류를 어느 순간에 절취한 것)로 도시한 바와 같은 유도 전류(40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h)의 분포가 발생한다. 보다 상세하게 설명하면 이하와 같다. 또한, 도 25는, 도 26에 도시하는 유도 전류 분포 중, 주행 방향 우측의 측면 유도 전류 분포만을 나타내고, 주행 방향 좌측의 측면의 유도 전류 분포의 도시는 생략하였다.

도 23의 (a)에 도시하는 바와 같이, 교번하는 고주파 전류의 어느 순간을 절취하면, 유도 코일(500)을 흐르는 1차 전류 C_P는, 도시하지 않은 고주파 전원에 접속된 전원 접속 도체부(535)를 통하여 도 23의 (a) 중의 하방으로부터 상방으로 흐르고, 제2 부분 주회 도체부(531)를 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약반주)하도록 흐른 후, 개구 근설 도체부(511A)를 통하여 주행 방향(도 23의 (a) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 이어서, 유도 코일(500)을 흐르는 전류는, 제1 부분 주회 도체부(521)측을 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약 1주)하도록 흐른 후, 개구 근설 도체부(511B)를 통하여 주행 방향과 반대 방향(도 23의 (b) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 또한, 유도 코일(300)을 흐르는 전류는, 제2 부분 주회 도체부(532)를 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약 1주)하도록 흐른 후, 개구 근설 도체부(512A)를 통하여 주행 방향(도 23의 (a) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 이어서, 유도 코일(500)을 흐르는 전류는, 제1 부분 주회 도체부(522)측을 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약 1주)하도록 흐른 후, 개구 근설 도체부(512B)를 통하여 주행 방향과 반대 방향(도 23의 (b) 중의 우측 방향으로부터 좌측 방향)으로 흐른다. 또한, 유도 코일(300)을 흐르는 전류는, 제2 부분 주회 도체부(533)를 통하여 오픈관(1)의 주위를 주회(약반주)하도록 흐른 후, 상기 고주파 전원에 접속된 전원 접속 도체부(536)를 통하여 도 23의 (b) 중의 상방으로부터 하방으로 흘러, 해당 고주파 전원으로 되돌아간다.

상술한 바와 같은 경로로 1차 전류를 유도 코일(500)에 흘리면, 동일한 순간에 그것과는 역방향으로 오픈관(1)의 외주면을 흐르는 유도 전류가 발생한다. 구체적으로는, 도 23과 같은 순간에 절취한 도 25 및 도 26에 도시하는 바와 같이, 유도 코일(500)을 흐르는 1차 전류 C_P에 의해, 제2 부분 주회 도체부(530(531, 532, 533))의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40f)가 발생하고, 개구 근설 도체부(510B)(511B, 512B)의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40c)와, 오픈관(1)의 단부면부를 흐르는 유도 전류(40b)로 분류되어 유도 전류가 발생하고, 제1 부분 주회 도체부(520(521, 522))의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40d)가 발생하고, 개구 근설 도체부(510(511A, 512A))의 근방에서는, 오픈관(1)의 외표면을 흐르는 유도 전류(40e)와, 오픈관(1)의 단부면부를 흐르는 유도 전류(40a)로 분류되어 유도 전류가 발생하고, 이들의 유도 전류끼리를 연속하여 연결하듯이 유도 전류가 흘러서 주전류 루프(폐회로)(40f, 40b+40c, 40d, 40a+40e)가 형성된다. 또한, 개구 근설 도체부(510(511, 512))의 하류측 단부와 제1 부분 주회 도체부(520(521, 522))의 각각의 연결부의 근방을 기점 및 종점으로 하여, 이 주전류 루프로부터 접합부(5)측의 단부면부로 분류하는 유도 전류(40g, 40h)의 전류 루프가 형성된다. 또한, 개구 근설 도체부(510(511, 512))의 상류측 단부와 제2 부분 주회 도체부(530(531, 532, 533))의 각각의 연결부의 근방을 기점 및 종점으로 하여, 이 주전류 루프로부터 상류로 분류하는 유도 전류(50a, 50b)로 전류 루프가 형성된다. 이 중, 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류(40a, 40b)와 용접부측 양단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류(40g, 40h)에 의해, 양단부면부(2a, 2b)가 발열 용융하고, 용접이 행하여진다. 이때, 접합부(5)측의 위치에서는, 오픈관(1)의 개구부(2)의 폭이 좁아져서 임피던스가 낮아지는 점에서, 근접 효과에 의해 전류가 집중하여 고온이 되기 쉬운 효과도 상승된다. 또한, 개구 근설 도체부(510(511, 512))가 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b)를 따라 배치되어 있으므로, 근접 효과에 의해 유도 전류가 개구 근설 도체부(510(511, 512))에 가까운 곳을 흐르려고 하기 때문에, 양단부면부(2a, 2b)에 효율적으로 유도 전류를 흘릴 수 있고, 그 결과, 유도 전류(40a, 40b)의 전류량이 증가하고, 효율적으로 접합부(5)를 가열할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 상술한 구성을 갖는 유도 코일(500)을 사용하고 있기 때문에, 오픈관(1)의 개구부(2)를 걸치지 않고, 유도 전류(40b, 40d, 40a, 40f)로 이루어지는 폐회로 및 유도 전류(40c, 40d, 40e, 40f)로 이루어지는 폐회로가 형성된다. 그 결과, 유도 코일(500)로부터 직접 임피더(7)에 들어가는 자속을 피할 수 있음과 함께, 오픈관(1)의 개구부(2)의 단부면부(2a, 2b)를 흐르는 유도 전류의 피크 및 평균의 강도를 낮추는 것이 가능해진다. 그 결과, 임피더(7)의 손상을 방지할 수 있고, 이러한 효과는 소직경 관, 예를 들어 관 내경이 100㎜ 정도 이하인 관으로, 특히 후육관, 예를 들어 두께가 6㎜ 초과인 관을 제조할 때에 특히 유용하다.

또한, 본 실시 형태의 유도 코일(500)은, 종래의 특허문헌 1에 기재된 유도 코일과 같이 오픈관을 주회하지 않고, 개구 근설 도체부(510)를 가짐으로써 전원 접속 도체부(535, 536)를 접합부(5)로부터 멀리 떨어지게 할 수 있으므로, 오픈관(1)의 상방에 스페이스를 확보할 수 있고, 나아가, 유도 코일(500) 자체를 스퀴즈 롤(6)에 접근시킬 수도 있다. 따라서, 오픈관(1)의 상방 스페이스에 실드나 측정 장치 등의 부속 설비를 설치하는 것이 가능해진다. 또한, 유도 코일(500)을 스퀴즈 롤(6)에 접근시킴으로써, 전봉관을 제조할 때의 가열 효율을 향상시키는 것도 가능해진다.

또한, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(50)의 유도 코일(500)은 2층으로 되어 있기 때문에, 동일한 전류라면 자계의 강도를 높이고, 동일한 자계의 강도라면 적은 전류로 발생시킬 수 있고, 이에 의해 가열 효율을 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 이와 같이 복수의 층수를 갖는 유도 코일을 구비하는 것은, 상술한 바와 같이 큰 전력이 필요한 중간 직경 관, 예를 들어 관 내경이 100 내지 700㎜ 정도인 관의 전봉 용접에 특히 유용하게 된다. 또한, 본 실시 형태의 전봉관 용접 장치(50)는, 2층의 유도 코일(500)을 구비하고 있었지만, 3층 이상의 유도 코일을 구비하고 있어도 된다.

또한, 이 유도 코일(500)의 복수층에 의한 효과, 즉 가열 효율을 향상시키는 효과를 향수하기 위해서는, 상술한 바와 같이 유도 코일(500)이 시리얼(직렬) 폐회로에서 복수층의 부분 주회 도체부를 구비하고 있으면 된다. 따라서, 예를 들어 제1 부분 주회 도체부(520)가 부분 주회 도체부(521, 522)를 구비하는 2층이며, 제2 부분 주회 도체부(530)가 1층이어도 된다. 도 22 내지 도 24에 나타낸 예에서는, 제2 부분 주회 도체부(530)에 있어서, 전원 접속 도체부(535, 536)를 각각 개구부(2)와 반대측에 마련하고 있었지만, 이들 전원 접속 도체부(535, 536)를 개구부(2)와 같은 측에 마련하도록 하면, 반주 분의 부분 주회 도체부(531, 533)를 생략할 수 있다. 그렇게 하면, 제2 부분 주회 도체부(530)를 1층으로 하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 전원의 설치 방향에 따라서, 제2 부분 주회 도체부(530)의 레이아웃은 임의로 설계할 수 있다.

상술한 전봉관 용접 장치(50)의 유도 코일(500)은 시리얼나 폐회로를 구비하고 있었지만, 제1 부분 주회 도체부가 복수층이어도, 평행한 폐회로를 구비하는 경우가 있다. 도 27은, 본 실시 형태의 변형예에 관한 전봉관 용접 장치(55)를 모식적으로 도시하는 평면도이다. 전봉관 용접 장치(55)는, 유도 가열 수단으로서, 평행한 폐회로를 구비한 유도 코일(550)을 갖고 있다. 그리고, 본 변형예에 있어서 유도 코일(550)은, 예를 들어 상기 제1 실시 형태의 유도 코일(100)이 패럴렐(병렬)로 마련된 구성을 갖고 있다. 패럴렐 접속은, 코일 도체에 흘리는 전류 밀도가 높고, 효율이 저하되는 것을 피한다는 관점 혹은 안전상의 관점 등으로부터, 분류되어 코일 도체의 전류 밀도를 낮추고 싶은 경우 등에 사용하면 된다. 이 경우, 전기적으로는 코일 도체의 강관에 대한 면적이 넓어졌을 뿐, 효과는 하나의 도체의 경우와 변함이 없지만, 냉각로가 독립하여 마련되기 때문에, 코일 도체에서의 발열을 피할 수 있고, 대전류 통전이 가능해진다.

유도 코일(550)은, 1쌍의 개구 근설 도체부(560A, 560B)(이하, A는 한쪽의 단부면부(2a)측을 의미하고, B는 다른 쪽의 단부면부(2b)측을 의미하는 것으로 하고, 1쌍의 개구 근설 도체부를 통합하여, 「개구 근설 도체부(560)」라고 기재하는 경우도 있음)와, 제1 부분 주회 도체부(570)로 이루어진다. 제1 부분 주회 도체부(570)는, 접합부(5)측으로부터 상류측으로 배열하는 순으로 부분 주회 도체부(571, 572)를 구비하고 있다. 1쌍의 개구 근설 도체부(560)(560A, 560B)는, 부분 주회 도체부(571)에 접속되는 1층째의 개구 근설 도체부(561(561A, 561B))와, 부분 주회 도체부(572)에 접속되는 2층째의 개구 근설 도체부(562(562A, 562B))를 구비하고 있다. 개구 근설 도체부(561A, 561B, 562A, 562B)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부는, 각각 전원 접속 도체부(565A, 565B, 566A, 566B)에 접속되고, 이들 전원 접속 도체부(565A, 565B, 566A, 566B)는 도시하지 않은 공통의 고주파 전원에 접속되어 있다.

그리고, 전봉관 용접 장치(55)에는, 1층째의 제1 부분 주회 도체부(571), 개구 근설 도체부(561(561A, 561B)), 전원 접속 도체부(565(565A, 565B))로 이루어지는 제1 폐회로와, 2층째의 제1 부분 주회 도체부(572), 개구 근설 도체부(562(562A, 562B)), 전원 접속 도체부(566(566A, 566B))로 이루어지는 제2 폐회로가 평행하게 형성되어 있다.

이러한 전봉관 용접 장치(55)에서는, 공통의 고주파 전원으로부터의 전류가, 이들 두 폐회로로 분류되어, 오픈관(1)의 개구부(2)가 유도 가열된다. 예를 들어, 전봉 용접하는 데 있어서 대전류가 필요한 경우에는, 이러한 유도 코일(500)을 사용하여 전류를 분류시키면 된다. 또한, 각 폐회로의 유도 가열 방법은, 상기 제1 실시 형태의 유도 코일(100)에 의한 유도 가열과 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 변형예에서는, 유도 코일(550)에 있어서, 개구 근설 도체부(561A, 561B, 562A, 562B)의 긴 변 방향의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부는 주회하고 있지 않지만, 제2 부분 주회 도체부와 같이 오픈관(1)의 외주면 중 개구부(2)를 제외한 부분을 따라서 주회하고 있어도 된다. 예를 들어, 전원의 설치 방향에 따라서, 유도 코일(550)의 접합부(5)로부터 먼 측의 단부 레이아웃은 임의로 설계할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서의 유도 코일(500, 550)의 바람직한 배치는, 제1 실시 형태에 있어서의 유도 코일(100) 및 제3 실시 형태에 있어서의 유도 코일(300)의 바람직한 배치와 동일하다.

(제6 실시 형태)

이어서, 도 28을 참조하면서, 본 발명의 제6 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(60)의 구성을 설명한다. 도 28은, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(60)를 모식적으로 도시하는 측면도(주행 방향 우측으로부터 본 우측면도)이다. 또한, 제6 실시 형태는, 제2 실시 형태 및 제4 실시 형태와 마찬가지로, 유도 코일(500)의 상류측에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르는 것을 저지하기 위해서, 유도 코일(500)의 주행 방향 상류에 있어서, 오픈관(1)의 개구부(2)의 양단부면부(2a, 2b) 사이에 강자성체를 배치하고 있다.

도 28에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(60)는, 상술한 제5 실시 형태에 따른 전봉관 용접 장치(50)와 동일한 구성에 추가로, 유도 코일(500)보다도 주행 방향 상류측의 개구부(2)에 배치되는 강자성체(600)를 더 구비한다. 이 강자성체(600)는 임피던스가 높기 때문에, 전류가 흐르면, 그것을 저지하도록 작용하고, 유도 코일(500)의 상류측에 흘러드는 전류를 저지한다. 구체적으로는, 도 29에 도시하는 바와 같이, 유도 코일(500)의 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류(50a, 50b)(도 25, 도 26 참조)의 상정 유로구에 강자성체(600)가 배치되어 있기 때문에, 강자성체(600)에 대향하는 오픈관(1)에 유도 전류(50a, 50b)가 흐르려고 하면, 이 유도 전류(50a, 50b)를 저지하도록 강자성체(600)가 작용하기 때문에, 유도 코일(500)의 상류측으로 흐르려고 하는 유도 전류(50a, 50b)를 저지할 수 있다. 그 결과, 도 30에 도시하는 바와 같은 유도 전류 분포에 가까와져 간다. 그 때문에, 오픈관(1)의 외주면에서 발생한 유도 전류의 대부분을 접합부(5)측에 흘릴 수 있고, 접합부(5)에 흐르는 전류의 밀도를 높여서 발열량을 높이는 것이 가능해진다.

또한, 강자성체(600)의 구체적인 구성, 기능, 배치 등은, 상술한 제2 실시 형태에 따른 강자성체(200)(도 11을 참조)와 동일하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면 청구범위에 기재된 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명확하고, 그것들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

관경 φ31.8㎜, 두께 6.3㎜의 보통강제 강관을, 이하에 나타내는 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1의 전봉관 용접 장치를 사용하여, 3000A의 전류를 흘려서 전봉관 용접을 행한 경우의 접합부로부터 상류 700㎜의 범위의 강관 단면의 총발열량을 적외선 영상 장치에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 표 1에 있어서는 총 발열량으로서, 총 발열량비를 나타내고 있지만, 이 총 발열량비란, 동일한 폭, 용접부로부터의 거리를 동일하게 한 통형의 오픈관의 개구부에 걸쳐서 주회하는 유도 코일로 동일한 통전 전류로 발열시켰을 때의 개구부 단면의 총발열량을 1로 했을 경우에 대한 실시예 및 비교예에서의 강관 단부면의 총 발열량 비율을 나타내었다. 또한, 이러한 전봉관 용접의 조건에서 FEM(Finite Element Method: 유한 요소법) 해석하여 임피더의 최대 자속 밀도[T]를 계산한 결과를 동일하게 표 1에 나타내었다.

(실시예 1)

실시예 1의 전봉관 용접 장치로서는, 도 4 내지 도 6에 도시한 제1 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 외경 10㎜, 두께 1.5㎜의 수랭 구리관이고, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 용접부측에 하나의 부분 주회 도체부(제1 부분 주회 도체부)를 갖는 유도 코일을 구비한 장치를 사용하였다. 여기서, 개구 근설 도체부는, 수냉 구리관을 오픈관(강관)의 개구부로부터 5㎜ 둘레 방향 외측에서 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜의 위치와 그 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에 배치하였다. 또한, 부분 주회 도체부는, 개구 근설 도체부의 용접부측의 단부 위치가 되는 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜의 위치에, 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 개구부를 벗어나 외주 방향으로 주회(1층)하도록 배치하였다.

(실시예 2)

실시예 2의 전봉관 용접 장치로서는, 도 14 내지 도 16에 도시한 제3 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 외경 10㎜, 두께 1.5㎜의 수냉 구리관이며, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 두 부분 주회 도체부를 갖는 유도 코일을 구비하는 장치를 사용하였다. 여기서, 개구 근설 도체부는, 수랭 구리관을 오픈관(강관)의 개구부로부터 5㎜ 둘레 방향 외측에서 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜의 위치와 그 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에 배치하였다. 또한, 두 부분 주회 도체부는, 개구 근설 도체부의 단부 위치가 되는 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜의 위치에 제1 부분 주회 도체부를, 또한 그 위치에서 100㎜ 상류의 위치에 제2 부분 주회 도체부를, 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 개구부를 벗어나 외주 방향으로 각각 주회(1층)하도록 배치하였다.

(실시예 3)

실시예 3의 전봉관 용접 장치로서는, 도 10에 도시한 제2 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 1과 동일한 유도 코일을 사용하고, 또한, 유도 코일의 상류 50㎜의 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에서, 개구부에 페라이트제의 강자성체 코어를 삽입한 것을 사용하였다. 강자성체 코어로서는, 도 11에 도시하는 것과 같은 T자형의 형상의 것을 사용하고, T자 수평부의 깊이를 50㎜, 폭을 50㎜, 또한, T자 수직부의 높이를 20㎜, 폭을 4㎜로 하였다.

(실시예 4)

실시예 4의 전봉관 용접 장치로서는, 도 19에 도시한 제4 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 2와 동일한 유도 코일을 사용하고, 또한, 유도 코일의 상류 50㎜의 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에서, 개구부에 페라이트제의 강자성체 코어를 삽입한 것을 사용하였다. 강자성체 코어로서는, 도 11에 도시하는 것과 같은 T자형의 형상의 것을 사용하고, T자 수평부의 깊이를 50㎜, 폭을 50㎜, 또한, T자 수직부의 높이를 20㎜, 폭을 4㎜로 하였다.

(실시예 5)

실시예 5의 전봉관 용접 장치로서는, 도 22 내지 도 24에 도시한 제5 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 2와 동일한 유도 코일의 외측에 추가로 또 1층의 수냉 구리관을 1㎜의 테플론(일본 등록 상표) 시트를 사이에 끼워서 겹쳐, 시리얼 접속으로 하였다. 또한, 전류는 자계의 강도를 맞추기 위해서, 상기 실시예 2의 절반인 1500A로 하였다.

(실시예 6)

실시예 6의 전봉관 용접 장치로서는, 도 27에 도시한 제5 실시 형태의 변형예의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 5와 동일한 유도 코일의 구성으로, 전원으로부터의 접속을 패럴렐로 하였다. 또한, 전류는 3000A로 하였다.

(실시예 7)

실시예 7의 전봉관 용접 장치로서는, 도 28 내지 도 30에 도시한 제6 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 2와 동일한 유도 코일의 외측에 추가로 또 1층의 수냉 구리관을 1㎜의 테플론 시트를 사이에 끼워서 겹쳐, 시리얼 접속로 하고, 코일 입구측 상류 50㎜의 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에서 개구부의 상부를 덮는 T자의 페라이트 코어(길이 50㎜)를 설치하였다. 또한, 전류는 자계의 강도를 맞추기 위해서, 상기 실시예 2의 절반인 1500A로 하였다.

(비교예 1)

비교예 1의 전봉관 용접 장치로서는, 오픈관의 개구부를 걸치도록 배치된 유도 코일을 구비하는 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 비교예 1의 유도 코일은, 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜ 이격된 위치에서, 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에, 폭 50㎜로 외주 방향으로 2층으로 한 외경 10㎜, 두께 1.5㎜의 수랭 구리관이다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 7의 개구 근설 도체부 및 부분 주회 도체부를 갖는 유도 코일을 구비하는 전봉관 용접 장치를 사용하여 전봉관 용접했을 경우에 개구부의 단부면부에서 발생하는 발열량은, 비교예 1의 개구부를 걸치도록 배치된 유도 코일을 구비하는 전봉관 용접 장치를 사용하여 전봉관 용접했을 경우에 발생하는 열량과 거의 동등하면서, 임피더에 들어가는 자속(즉, 임피더의 최대 자속 밀도)을 약 3할 저감시키는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다.

특히, 강자성체 코어를 구비하는 전봉관 용접 장치를 사용한 실시예 3, 4, 7은, 강자성체 코어를 구비하고 있지 않은 전봉관 용접 장치를 사용한 실시예 1, 2, 5보다도 총 발열량비를 높일 수 있고, 보다 효율적으로 용접하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다.

이어서, 상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1보다, 관경이 큰 경우의 실시예에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 관경 φ100㎜, 두께 4㎜의 보통강제 강관을, 이하에 나타내는 실시예 8 내지 실시예 13 및 비교예 2의 전봉관 용접 장치를 사용하여, 4000A의 전류를 흘려서 전봉관 용접을 행한 경우의 접합부로부터 상류 700㎜의 범위의 강관 단부면의 총 발열량을 적외선 영상 장치에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 표 2에 있어서는 총 발열량으로서, 총 발열량비를 나타내고 있지만, 이 총 발열량비란, 동일한 폭, 용접부로부터의 거리를 동일하게 한 통상의 유도 코일로 동일한 통전 전류로 발열시켰을 때의 개구부 단부면의 총 발열량을 1로 했을 경우에 대한 실시예 및 비교예에서의 강관 단부면의 총발열량의 비율을 나타내었다. 또한, 이러한 전봉관 용접의 조건에서 FEM(Finite Element Method: 유한 요소법) 해석하여 임피더의 최대 자속 밀도[T]를 계산한 결과를 동일하게 표 2에 나타내었다.

(실시예 8)

실시예 8의 전봉관 용접 장치로서는, 도 4 내지 도 6에 도시한 제1 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 외경 10㎜, 두께 1.5㎜의 수랭 구리관이며, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 용접부측에 1개의 부분 주회 도체부(제1 부분 주회 도체부)를 갖는 유도 코일을 구비한 장치를 사용하였다. 여기서, 개구 근설 도체부는, 수랭 구리관을 오픈관(강관)의 개구부로부터 5㎜ 둘레 방향 외측에서 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 120㎜의 위치와 그 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에 배치하였다. 또한, 부분 주회 도체부는, 개구 근설 도체부의 용접부측의 단부 위치가 되는 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 120㎜의 위치에, 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 개구부를 벗어나 외주 방향으로 주회(1층)하도록 배치하였다.

(실시예 9)

실시예 9의 전봉관 용접 장치로서는, 도 14 내지 도 16에 도시한 제3 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 외경 10㎜, 두께 1.5㎜의 수랭 구리관이며, 1쌍의 개구 근설 도체부와, 두 부분 주회 도체부를 갖는 유도 코일을 구비하는 장치를 사용하였다. 여기서, 개구 근설 도체부는, 수랭 구리관을 오픈관(강관)의 개구부로부터 5㎜ 둘레 방향 외측에서 강관으로부터 반경 방향으로 10mm 이격된 위치에서, 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 120㎜의 위치와 그 위치에서 100㎜ 상류의 위치 범위에 배치하였다. 또한, 두 부분 주회 도체부는, 개구 근설 도체부의 단부 위치가 되는 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜의 위치에 제1 부분 주회 도체부를, 또한 그 위치로부터 100㎜ 상류의 위치에 제2 부분 주회 도체부를, 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에서, 개구부를 벗어나 외주 방향으로 각각 주회(1층)하도록 배치하였다.

(실시예 10)

실시예 10의 전봉관 용접 장치로서는, 도 10에 도시한 제2 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 8과 동일한 유도 코일을 사용하고, 또한, 유도 코일의 상류 50㎜의 위치로부터 100㎜ 상류의 위치 범위에서, 개구부에 페라이트제의 강자성체 코어를 삽입한 것을 사용하였다. 강자성체 코어로서는, 도 11에 도시하는 것과 같은 T자형의 형상의 것을 사용하고, T자 수평부의 깊이를 50㎜, 폭을 50㎜, 또한, T자 수직부의 높이를 20㎜, 폭을 4㎜로 하였다.

(실시예 11)

실시예 11의 전봉관 용접 장치로서는, 도 19에 도시한 제4 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 9와 동일한 유도 코일을 사용하고, 또한, 유도 코일의 상류 50㎜의 위치로부터 100㎜ 상류의 위치 범위에서, 개구부에 페라이트제의 강자성체 코어를 삽입한 것을 사용하였다. 강자성체 코어로서는, 도 11에 도시하는 것과 같은 T자형의 형상의 것을 사용하고, T자 수평부의 깊이를 50㎜, 폭을 50㎜, 또한, T자 수직부의 높이를 20㎜, 폭을 4㎜로 하였다.

(실시예 12)

실시예 12의 전봉관 용접 장치로서는, 도 22 내지 도 24에 도시한 제5 실시 형태의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 9와 동일한 유도 코일의 외측에 추가로 또 1층의 수랭 구리관을 1㎜의 테플론 시트를 사이에 끼워서 겹쳐, 시리얼 접속으로 하였다. 또한, 전류는 자계의 강도를 맞추기 위해서, 상기 실시예 9의 절반인 2000A로 하였다.

(실시예 13)

실시예 13의 전봉관 용접 장치로서는, 도 27에 도시한 제5 실시 형태의 변형예의 전봉관 용접 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 12와 동일한 유도 코일의 구성으로, 전원으로부터의 접속을 패럴렐로 하였다. 또한, 전류는 4000A로 하였다.

(비교예 2)

비교예 2의 전봉관 용접 장치로서는, 오픈관의 개구부를 걸치도록 배치된 유도 코일을 구비하는 장치를 사용하였다. 구체적으로는, 비교예 1의 유도 코일은, 접합부로부터 주행 방향 상류측으로 80㎜ 이격된 위치에서, 강관으로부터 반경 방향으로 10㎜ 이격된 위치에, 폭 50㎜에서 외주 방향으로 2층으로 한 외경 10㎜, 두께 1.5㎜의 수랭 구리관이다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 관경이 큰 경우에도, 표 1에 나타낸 관경이 작은 경우와 동일한 경향을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 8 내지 실시예 13의 개구 근설 도체부 및 부분 주회 도체부를 갖는 유도 코일을 구비하는 전봉관 용접 장치를 사용하여 전봉관 용접했을 경우에 개구부의 단부면부에서 발생하는 발열량은, 비교예 2의 개구부를 걸치도록 배치된 유도 코일을 구비하는 전봉관 용접 장치를 사용하여 전봉관 용접했을 경우에 발생하는 열량과 거의 동등하면서, 임피더에 들어가는 자속(즉, 임피더의 최대 자속 밀도)을 약 2할 저감시키는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다.

특히, 강자성체 코어를 구비하는 전봉관 용접 장치를 사용한 실시예 10, 11은, 강자성체 코어를 구비하고 있지 않은 전봉관 용접 장치를 사용한 실시예 8, 9보다도 총 발열량비를 높일 수 있고, 보다 효율적으로 용접하는 것이 가능하게 되는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 금속 띠판을 주행시키면서 원통형으로 구부려서 유도 가열하고, 금속 띠판에 유기한 전류에 의해 금속 띠판의 양단부면부 사이를 용접하는 전봉관 용접 장치에 유용하다.

1: 오픈관(금속 띠판)
2: 개구부
2a, 2b: 단부면부
5: 접합부(스퀴즈 롤부, 용접부)
6: 스퀴즈 롤
7: 임피더
8: 로드
10, 20, 30, 40, 50, 55, 60: 전봉관 용접 장치
100, 300, 500, 550: 유도 코일
110, 310, 510, 511, 512, 560, 561, 562: 개구 근설 도체부
120, 320, 520, 521, 522, 570, 571, 572: (제1) 부분 주회 도체부
330, 530, 531, 532, 533: (제2) 부분 주회 도체부
200, 400, 600: 강자성체 코어
R: 주행 방향
C_P: 1차 전류
40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h: 유도 전류
50a, 50b: 유도 전류

Claims

주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 해당 개구부에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 상기 개구부의 간격을 점차 좁히면서 상기 단부면부끼리를 스퀴즈 롤부에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 장치이며,
상기 유도 가열 수단으로서,
상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 주행 방향으로 연장되어, 평면으로 보아 상기 개구부와 겹치지 않는 위치에, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 1쌍의 개구 근설 도체부와,
상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 적어도 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제1 부분 주회 도체부
로 이루어지는 유도 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 유도 코일이, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에서 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제2 부분 주회 도체부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 있어서, 상기 제1 부분 주회 도체부는 복수층에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도 코일보다도 주행 방향 상류측의 상기 개구부에 배치되는 강자성체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 장치.
주행 방향으로 연장되는 개구부를 갖는 오픈관의, 해당 개구부에 양측으로부터 서로 면하는 관 소재의 단부면부의 양쪽을, 유도 가열 수단에 의해 발생시킨 유도 전류에 의해 용융시킴과 함께, 상기 개구부 간격을 점차 좁히면서 상기 단부면부끼리를 스퀴즈 롤부에 있어서 접촉시켜서 용접하는, 전봉관을 제조하기 위한 전봉관 용접 방법이며,
상기 유도 가열 수단으로서,
상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 주행 방향으로 연장되어, 평면으로 보아 상기 개구부와 겹치지 않는 위치에, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 1쌍의 개구 근설 도체부와,
상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 적어도 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제1 부분 주회 도체부
로 이루어지는 유도 코일을 구비하고,
상기 1쌍의 개구 근설 도체부에 의해, 상기 개구부의 양측의 상기 단부면부의 각각을 따라 흐르는 유도 전류를 발생시켜,
상기 제1 부분 주회 도체부에 의해, 상기 오픈관의 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 흐르는 유도 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 방법.
제5항에 있어서, 상기 유도 코일이, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부로부터 먼 측의 단부에 일체로 마련되고, 상기 오픈관 외주면 중 상기 개구부를 제외한 부분을 따라서 주회하도록, 상기 오픈관의 외주면으로부터 이격하여 배치되는, 제2 부분 주회 도체부를 더 갖는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 개구 근설 도체부의 긴 변 방향의 스퀴즈 롤부에 가까운 측의 단부에 있어서, 상기 제1 부분 주회 도체부는 복수층에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도 코일보다도 주행 방향 상류측의 상기 개구부에 강자성체가 배치되는 것을 특징으로 하는 전봉관 용접 방법.