JP3694364B2

JP3694364B2 - 誘導加熱拡散接合方法

Info

Publication number: JP3694364B2
Application number: JP22678796A
Authority: JP
Inventors: 有一佐藤; 茂克尾崎; 泰士長谷川; 英司津留
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2016-08-28
Also published as: JPH1069968A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管等の金属管同士あるいは棒鋼等の金属棒同士を長さ方向に突合せ接合する場合等において、接合時の加熱あるいは接合後の熱処理等、長さ方向の制限された部位を誘導加熱拡散接合するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管等の金属管同士、あるいは棒鋼等の金属棒同士を長さ方向に突合せ接合する手段として、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等の溶接、圧接、拡散接合などが知られている。拡散接合には、両端面の間に非晶質金属箔を介在させ、該箔の含有元素を両材料中に拡散させる方法もある。
【０００３】
これらの接合において、溶接の場合は、材料によっては溶接後の熱処理のための加熱が必要である。圧接や拡散接合の場合は、接合のための加熱が必要である。加熱手段としては誘導加熱が広く採用され、被加熱材の所要加熱深さに応じて適正な周波数の高周波や低周波が選択される。
【０００４】
ところで、接合時の加熱や接合後の熱処理の際、接合部以外の母材が加熱されると、強度低下等の材質劣化が生じるという問題があるので、加熱部位は、接合部の両側で必要最小限の狭い範囲に制限するのが望まれる。誘導加熱において加熱部位の範囲を制限する手段の一つとして、被加熱材に流れる誘導電流を制限することが考えられる。
【０００５】
特開平２−３０１５２２号公報には、鋼板の連続焼鈍ラインに使用される誘導加熱装置として、中空の断熱材に巻き付けられたソレノイド型コイルよりなる複数の誘導加熱炉の各炉の間に磁気シールド板を備えたものが開示されている。しかし、この磁気シールド板は、相互誘導作用によって隣接するソレノイド型コイルに発生する誘導電流を抑制するものであり、加熱部位に流れる誘導電流を制限するものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
金属管あるいは金属棒の誘導加熱においては、上記ソレノイド型コイルのようなワークコイルで囲まれた部位が加熱されるので、この加熱部位を短縮するにはワークコイルの巻きを密にするか、あるいは巻数を減らして加熱帯を狭くすることが必要である。
【０００７】
しかし、ワークコイルの巻き密度を高めるには、各巻線間の絶縁維持の点で制約がある。また、巻数を減じると、加熱部位を所定温度に加熱するのに必要な誘導電流を流すためには、コイルに大電流を流すことが必要となり、電源を大容量かつ大型化しなければならない。
【０００８】
本発明は、鋼管等の金属管同士あるいは棒鋼等の金属棒同士を長さ方向に突合せ接合する場合等において、接合時の加熱あるいは接合後の熱処理等、長さ方向の制限された部位を誘導加熱拡散接合するための方法であって、ワークコイルの絶縁維持に問題がなく、かつ電源の大容量化、大型化も要しない方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明法は、金属管または金属棒の長さ方向の制限された部位を誘導加熱拡散接合する方法であって、加熱部位をワークコイルで囲み、かつ該ワークコイルで囲まれた部位の内の該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルとの間に良電導材製のシールド材を配設することにより、該加熱部位に誘導電流を流すとともに、該加熱部位から外れた部位においては前記シールド材に誘導電流を流し、金属管同士または金属棒同士を長さ方向に突き合わせ、その間に非晶質金属箔を挟んで嵌合し、長手方向に加圧し、接合部を含む制限された部位を誘導加熱して拡散接合することを特徴とする誘導加熱拡散接合方法である。そして、加熱部位から外れた部位に冷却媒体を噴射することが好ましい。
【００１０】
また、上記本発明方法を実施するための装置は、金属管または金属棒の長さ方向の制限された部位を誘導加熱する装置であって、加熱部位を囲むワークコイルを有し、かつ該ワークコイルで囲まれた部位の内の該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルとの間に良電導材製のシールド材が配設されている誘導加熱装置である。そして、加熱部位から外れた部位に、仕切り板を介して冷却媒体噴射装置が配設されていることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明法を、金属管の拡散接合を例にして説明する。図１は、金属管１と金属管２を突合せ接合している状態の断面を示す。金属管１の端面は凸テーパ、金属管２の端面は凹テーパにそれぞれ加工し、両者を非晶質金属箔（図示せず）を挟んで嵌合し、加圧下で接合部３を含む制限された範囲の加熱部位４を加熱している。
【００１２】
加熱部位４をワークコイル５で囲み、かつワークコイル５で囲まれた部位の内の加熱部位４から外れた部位とワークコイル５との間にシールド材６を配設している。シールド材６は銅などの良電導材製とする。この状態でワークコイル５の巻線１２に高周波電流などの電流を流すと、加熱部位４に誘導電流が流れ、加熱部位から外れた部位においてはシールド材６に誘導電流が流れる。
【００１３】
したがって本例においては、接合部３を含む長さ方向に制限された範囲の加熱部位４が選択的に加熱され、加熱部位４から外れた部位においては加熱が抑制される。加熱部位４を接合部３およびその両側の拡散に必要な範囲とすることにより、必要最小限の範囲のみが所要の高温に加熱され、加熱部位４から外れた部位の母材の高温化が抑制されるので、母材の強度低下などの材質劣化を抑制することができる。
【００１４】
なお本発明法において、シールド材６は、図１の例のように加熱部位４の両側に配設するほか、片側に配設する場合もある。例えば、金属管２が短尺でフランジ等の他の部材に接合されているときは、ワークコイル５が全体的に金属管１側に片寄り、金属管２側にはシールド材６が配設できなくなる。このようなとき、フランジ等への熱伝導により、あるいはフランジ等を冷却することにより、加熱部位４から外れた部位の過熱を抑制することができる。また、材質の異なる金属材料同士を接合する場合で、片側の金属材料のみが熱影響により材質劣化のおそれがあるときは、該材料側のみにシールド材６を配設すればよい。
【００１５】
本例のような非晶質金属箔を介した拡散接合において、加熱部位４の温度は、鋼材の場合１２００℃程度であり、その範囲は、接合部３から両側にそれぞれ１mm以上あればよく、図１の例のように両金属管１および２の接合部端面に４５°のテーパを形成した場合は、肉厚＋３mm以上とすればよい。
【００１６】
加熱部位４がこのような高温となるので、ワークコイル５およびシールド材６を保護するため、金属管１および２の周囲に断熱材１０を巻き付けておく。また、シールド材６は被加熱材より電気抵抗の小さい良電導材製とし、銅製とする場合は、溶融するおそれがあるので、図３に示すように水冷パイプ１１を巻き付けて冷却する。
【００１７】
つぎに、本発明法の好ましい態様の例を図２に示す。加熱部位４から外れた部位に冷却媒体噴射装置７を配設して、金属管１および金属管２に水などの冷却媒体を噴射している。加熱部位４と冷却媒体噴射部位との境界には、仕切り板８をリング状に設けている。冷却媒体噴射装置７はシールド材６の外側に配設し、シールド材６に設けた貫通孔９を通して金属管１および２に冷却媒体を噴射している。シールド材６の斜視図を示すと図４のとおりである。この場合、シールド材６には図３のような水冷パイプ１１は不要である。また、図２に示すように、断熱材１０は加熱部位４の範囲のみに設ける。
【００１８】
このような好ましい態様により、加熱部位４からはずれた部位の母材の高温化がより抑制され、強度低下などの材質劣化をより抑制することができる。また、誘導加熱終了後も、引き続き冷却媒体噴射装置７による冷却を継続させることで加熱後の急冷を行うこともできる。
【００１９】
なお、冷却媒体噴射装置７の配設位置は、本例に限らず、シールド材６の内側としてもよい。ただし内側とした場合、シールド材６が溶融するおそれがあるときは、図３に示すような冷却手段が必要である。また、加熱条件や被加熱材の材質に応じて、冷却媒体噴射装置７を加熱部位４から離した位置に配設することもできる。
さらに、図５に示すように、シ−ルド材６に冷却媒体噴射機能を持たせてもよい。すなわち、シールド材６を中空にし、内側に噴射孔１３を設けて、加熱部位４から外れた部位に水等の冷却媒体を噴射してもよい。
【００２０】
本発明法は、上記金属管の例のほか、金属棒同士の拡散接合にも適用することができる。また、拡散接合に限らず、金属管１と金属管２、あるいは金属棒同士を圧接する場合や溶接後の熱処理等にも適用することができる。
【００２１】
本発明法によれば、ワークコイルの巻線密度を絶縁維持に問題のない範囲とし、かつ巻数を減じる必要がないので、電源を大容量化、大型化することなく、制限された狭い範囲の加熱部位を所要温度に加熱して接合することができる。そして加熱部位をはずれた部位では母材の強度低下などの材質劣化を抑制することができる。
【００２２】
図１および図２のような非晶質金属箔を挟んだ拡散接合は、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接、あるいは圧接など他の接合手段に比べて安価かつ容易に行うことができるので、油井管の現地施工、あるいは各種建設工事の現地における鋼管や鋼棒の接合に適している。そして本発明法の採用により、接合部の両側の母材の材質劣化を抑えた加熱が、小型の電源を使用する誘導加熱で行うことができる。
【００２３】
次に本発明を実施するための装置は、図１に示すように、加熱部位４を囲むワークコイル５を有し、かつワークコイル５で囲まれた部位の内の加熱部位４から外れた部位とワークコイル５との間に良電導材製のシールド材６が配設されている。そして、図２に示すように、加熱部位４から外れた部位に仕切り板８を介して冷却媒体噴射装置７が配設されていることが好ましい。このような装置の作用は、上記本発明法で詳述したとおりである。
【００２４】
なお、本発明において、被加熱材１としては上記のような断面円形のものに限らず、角形等各種形状のものにも適用することができる。その場合、巻線１２の形状は被加熱材１の形状に合わせたものとする。
【００２５】
【実施例】
本発明例１：図１および図３に示すような装置を使用し、本発明法により鋼管同士を拡散接合した。鋼管は JIS G 3444 に規定されるＳＴＫ４００、外径２６４．４mm、内径２２８．８mm、肉厚１７．８mmである。両鋼管の管端には、図１に示すような傾斜角４５°の凸テーパおよび凹テーパを加工し、非晶質金属箔を挟んで嵌合させ、約９００kgの荷重をかけて加熱した。非晶質金属箔は、Ｆｅ−９wt％Ｓｉ−１．５wt％Ｂからなる組成のもので、厚さは３０μｍである。
【００２６】
ワークコイル５は、内径３５０mmφ、長さ２００mm、巻数１０巻である、シールド材６は銅製で、外径３３０mmφ、内径２９０mm、長さ８０mm、外側に水冷パイプ１１をろう付けしたものであり、図１に示すようにワークコイル５の両端に合わせて配設した。したがって、両シールド材６、６の間隔は４０mmであり、この４０mmの範囲を加熱部位４とし、図１のように、加熱部位４の中央に接合部３を位置させた。また、断熱材１０として、初期厚さ１５mmの円筒状のカオウールを鋼管に装着した。
【００２７】
ワークコイル５に接続した電源は、最高出力５０kW、周波数８kHz の小容量、小型の高周波電源である。この電源により、二次側電力を４０kW（７００Ｖ，６０Ａ，効率９５％）として誘導加熱し、およそ２℃／秒の昇温速度で１２００℃に加熱し５分保定後、電源を切って放冷した。
【００２８】
本発明例２：図２および図４に示すような装置を使用し、本発明法により、上記本発明例１と同様の鋼管を同様の非晶質金属箔を挟んで拡散接合した。ワークコイル５は本発明例１と同様のもの、シールド材６の寸法は本発明例１と同様で、図４のように貫通孔を設けたものとし、水噴射しつつ、本発明例１と同様の条件で誘導加熱した。
比較例：図１において、シールド材６を使用せず、その他の条件は本発明例１と同様にして鋼管を接合した。
【００２９】
上記各本発明例および比較例について、接合後、円周方向に８分割したサンプルから、それぞれ接合部３を中央部にして引張試験片を採取し、引張試験を行った。その結果、引張強度はいずれも４００MPa 以上を示し、接合強度はいずれも良好で差が見られなかったが、０．２％耐力に差が認められ、
本発明例−１・・・３００〜３２０MPa
本発明例−２・・・３１０〜３３０MPa
従来例・・・２３０〜２６０MPa
であった。熱影響を受けない母材の０．２％耐力は３５０MPa 程度であるから、従来例では、熱影響による母材の強度低下が大きかったのに対し、本発明例では強度低下を抑えることができた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、鋼管等の金属管同士あるいは棒鋼等の金属棒同士を長さ方向に突合せ接合する場合等において、接合時の加熱あるいは接合後の熱処理等、長さ方向の制限された部位を誘導加熱するための方法であって、ワークコイルの巻線範囲を狭めることなく、狭い範囲の加熱部位を選択的に加熱できるので、巻線密度を絶縁維持に問題のない範囲とし、かつ巻数を減じる必要がないので、電源の大容量化、大型化を要しない。そして、制限された狭い範囲の加熱部位を所要温度に加熱し、加熱部位をはずれた部位では母材の強度低下などの材質劣化を抑制することができる。
したがって、油井管の現地施工、あるいは各種建設工事の現地における鋼管や鋼棒等の接合や熱処理に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明法を実施する装置の例を示す断面図である。
【図２】本発明法を実施する装置の別の例を示す断面図である。
【図３】本発明法を実施する装置におけるシールド材の例を示す斜視図である。
【図４】本発明法を実施する装置におけるシールド材の別の例を示す斜視図である。
【図５】本発明法を実施する装置の別の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２…金属管
３…接合部
４…加熱部位
５…ワークコイル
６…シールド材
７…冷却媒体噴射装置
８…仕切り板
９…貫通孔
１０…断熱材
１１…水冷パイプ
１２…巻線
１３…噴射孔

Claims

金属管または金属棒の長さ方向の制限された部位を誘導加熱拡散接合する方法であって、加熱部位をワークコイルで囲み、かつ該ワークコイルで囲まれた部位の内の該加熱部位から外れた部位と該ワークコイルとの間に良電導材製のシールド材を配設することにより、該加熱部位に誘導電流を流すとともに、該加熱部位から外れた部位においては前記シールド材に誘導電流を流し、金属管同士または金属棒同士を長さ方向に突き合わせ、その間に非晶質金属箔を挟んで嵌合し、長手方向に加圧し、接合部を含む制限された部位を誘導加熱して拡散接合することを特徴とする誘導加熱拡散接合方法。
加熱部位から外れた部位に冷却媒体を噴射することを特徴とする請求項１記載の誘導加熱拡散接合方法。