JP3694365B2

JP3694365B2 - 誘導加熱拡散接合方法

Info

Publication number: JP3694365B2
Application number: JP22903296A
Authority: JP
Inventors: 茂克尾崎; 有一佐藤; 芳明広田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: JPH1069977A

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とともに、加熱終了後は急速冷却可能な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。このため、加熱部位から外れた部位を水噴射などにより強制的に冷却することが考えられる。
【０００５】
鋼材を圧接または溶接した後の接合部熱処理方法および装置として、特開昭５３−１１９２４３号公報には、鋼材に沿って搬送可能な台車上に誘導加熱装置および水噴射冷却装置と接合部検出器を載置し、接合部の位置からずれることなく正確に位置合わせして加熱および冷却を行うことが開示されている。しかし、該公報の技術は、接合部を加熱するときはその周囲は強制冷却せず、加熱終了後の接合部を冷却するもので、加熱部位を狭い範囲に制限することはできない。
【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、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。
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。
【０００７】
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、ワークコイルの絶縁維持に問題がなく、かつ電源の大容量化、大型化も要せず、また加熱終了後は急速冷却可能な方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【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冷却媒体噴射装置を配置し、金属管同士あるい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、拡散接合すると共に、前記加熱部位から外れた部位を前記冷却媒体噴射装置で冷却することを特徴とする誘導加熱拡散接合方法である。
【０００９】
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冷却媒体噴射装置が配設され、該加熱部位と冷却媒体噴射部位との境界に被加熱材を囲繞する仕切り板が設けられている。
【００１０】
【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。
【００１１】
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との間に冷却媒体噴射装置６を配設し、金属管１，２の周方向に複数設けられた噴射孔７から水などの冷却媒体を噴射し冷却している。噴射孔７の形状は、円、楕円、多角形などとすることができる。また、必要に応じてスプレーを使用してもよい。加熱部位４と冷却部位との境界には仕切り板８をリング状に設け、加熱部位に冷却媒体がかからないようにしている。
【００１２】
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。
【００１３】
また、誘導加熱終了後も、引き続き冷却媒体噴射装置６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。加熱後の急冷により、接合部３および母材の材質劣化が抑制されるほか、加熱部位４が常温になるまでの時間が短縮され、接合作業の効率向上にも繋がる。
【００１４】
なお本発明法において、冷却媒体噴射装置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側には冷却媒体噴射装置６が配設できなくなる。このようなとき、フランジ等は熱伝導により、あるいはフランジ等を冷却することにより、加熱部位４から外れた金属管２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、該材料側のみに冷却媒体噴射装置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。
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を保護するため、加熱部位４には断熱材９を巻き付けておくのが好ましい。なお、冷却媒体噴射装置６の配設位置は、本例に限らず、加熱条件や被加熱材の材質に応じて、加熱部位４から離した位置に配設することもできる。
【００１６】
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。
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。そして加熱部位を外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。
【００１７】
図１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等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。
【００１８】
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との間に冷却媒体噴射装置６が配設され、加熱部位４と冷却媒体噴射部位との境界に被加熱材を囲繞する仕切り板８が設けられている。ワークコイル５は、巻線１０をガラスウールで巻いて絶縁し、さらに耐火モルタル、耐火セメントなどの耐火物でコーティングして保護している。また加熱効率を上げるために断熱材を被覆している。仕切り板８は耐熱材からなり、耐熱ゴムなどの弾性体とするのが好ましい。このような本発明の作用は、上記本発明法で詳述したとおりである。
【００１９】
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１０の形状は被加熱材１の形状に合わせたものとする。
【００２０】
【実施例】
本発明例：図１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。
【００２１】
ワークコイル５は、内径３５０mmφ、長さ２００mm、巻数１０巻である。冷却媒体噴射装置６は、内径２９０mmφ、外径３２０mmφ、長さ４００mmであり、両冷却媒体噴射装置６の間隔は４０mmとした。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。そして、耐火ゴム製のリング状仕切り板８を図１のように装着し、また、加熱部位４を覆う断熱材９として、初期厚さ１５mmの円筒状のセラミックファイバーを鋼管に装着した。
【００２２】
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、電源を切って冷却した。加熱時および加熱終了後も継続して、冷却媒体噴射装置６に千鳥配置にした噴射孔７から、１００リッター／ｍ²・min の水量密度で水を噴射した。
【００２３】
比較例：図１において冷却媒体噴射装置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。
【００２４】
上記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・・・３１０〜３３０MPa
比較例・・・・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、比較例では、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。
【００２５】
【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拡散接合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。
【００２６】
また、誘導加熱終了後の急冷を行うこともできる。加熱後の急冷により、接合部および母材の材質劣化が抑制されるほか、加熱部位が常温になるまでの時間が短縮され、接合作業の効率向上にも繋がる。
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】本発明方法を実施するための装置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…冷却媒体噴射装置
７…噴射孔
８…仕切り板
９…断熱材
１０…巻線

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冷却媒体噴射装置を配置し、金属管同士あるい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、拡散接合すると共に、前記加熱部位から外れた部位を前記冷却媒体噴射装置で冷却することを特徴とする誘導加熱拡散接合方法。