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JP2014031566A - 通電加熱方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ワークを加熱する際、複数の電極対を設けることを不要とし得る通電加熱方法を提供する。
【解決手段】一方の電極41と他方の電極42とをワークwの加熱領域の中間部に間隔をおいて配置する。一方の電極41と他方の電極42との間に給電部1から一定の電流を流しながら、他方の電極42を固定したまま一方の電極41を移動して一方の電極41と他方の電極42との間隔を広げ、一方の電極41が加熱領域の一端部に達する前に他方の電極42を一方の電極41の移動方向とは逆方向に移動することにより、加熱領域を高温領域と低温領域とに区分けして加熱する。
【選択図】図9

Description

本発明は、鋼材などのワークを通電する通電加熱方法に関する。
自動車の構造物、例えば各種ピラー、リィンフォースメントなどの強度を必要とする部材には、熱処理が施されている。熱処理の種類としては間接加熱と直接加熱とがある。間接加熱には、ワークを炉に収容して炉の温度を制御することで加熱する、いわゆる炉加熱などがある。直接加熱には、ワークに渦電流を流すことで加熱する、いわゆる誘電加熱と、ワークに直接電流を流すことによって加熱する、いわゆる通電加熱がある。
また、自動車用部品の中には、いわゆるテーラードブランク材をプレス成形したものがある。これは、材質や厚みが異なる素材の各端部を突き合わせて溶接を行ったあと、プレス加工を施して製造されるものである(例えば特許文献1)。
特開2004−58082号公報
ところで、テーラードブランク材をプレス加工する際に、ブランク材の一部分だけを焼入れ温度まで昇温し、焼入れをしない領域は焼入れ温度まで昇温させないためには、ブランク材のうち焼入れが必要な領域に電極対を配置すると共に、焼入れをしない領域に別の電極対を配置してそれぞれ電流量を制御するなどして、加熱温度を調整しなければならない。
つまり、テーラードブランク材などのワークに対して、所定の温度分布を有するように加熱する場合、一つのワークに複数の電極対を配置する必要があり、電極対毎に通電量を制御しなければならず、設備コスト上好ましくない。
そこで、本発明においては、ワークを加熱する際、複数の電極対を設ける必要性が少ない、通電加熱方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の通電加熱方法は、ワークの加熱すべき領域を横断するよう一方の電極と他方の電極とを間隔をおいて配置し、一方の電極と他方の電極との間に電流を供給しながら、一方の電極、他方の電極の何れか一方又は双方を移動させ、加熱すべき領域を仮想的に区分して電極の移動方向に沿って並べた領域毎の通電時間を調整することを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、一方の電極又は他方の電極をワークの単位長さ当たりの抵抗が減少する方向に移動させ、抵抗の減少に応じて移動する電極の速度を調整し、ワークの加熱すべき領域が所定の分布を有するか又は均一となるように昇温する。
上記構成において、ワークは、材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる鋼板を溶接部で連結してなるブランク材であり、一方の電極及び他方の電極を同一の鋼板上に配置し、一方の電極と他方の電極との間に電流を供給しながら、溶接部を乗り越えないように溶接部から遠い一方の電極を移動させる。さらに、一方の電極が一方の鋼板の一端に到達する前に、他方の電極が溶接部を乗り越えて他方の鋼板の一端に達するように他方の電極を移動させるようにしてもよい。
上記構成において、前記ワークは、材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる鋼板を溶接部で連結してなるブランク材であり、一方の電極と他方の電極をそれぞれ別々の鋼板上に溶接部と対峙して配置し、一方の電極と他方の電極との間に電流を流しながら、一方の電極を溶接部及び他方の電極から遠ざかるように一方の電極を移動させる。さらに、一方の電極が一方の鋼板の一端に達する前に、他方の電極を溶接部及び一方の電極から遠ざかるように他方の電極を移動させるようにしてもよい。
上記構成において、一方の電極と他方の電極とを加熱すべき領域に間隔をおいて配置し、一方の電極と他方の電極との間に一定の電流を流しながら、他方の電極を移動させずに一方の電極を移動して一方の電極と他方の電極との間隔を広げ、一方の電極が加熱すべき領域の一端に達する前に他方の電極を一方の電極の移動方向と逆方向に移動することにより、加熱すべき領域を高温領域と低温領域とに区分けして加熱してもよい。
本発明によれば、ワークの加熱すべき領域を横断するよう一方の電極と他方の電極とを間隔をおいて配置し、一方の電極と他方の電極との間に電流を供給しながら、一方の電極と他方の電極の何れか一方又は双方を移動電極として移動する。
よって、ワークの加熱すべき領域の一方向に電極の移動する方向を一致させて、1本の移動電極を一方向に沿って移動するか又は二本の移動電極を同方向若しくは逆方向に移動することにより、加熱すべき領域を一方向に仮想的に区分して並べた各領域(以下、「区分領域」と呼ぶ。)の通電時間を調整することができる。
従って、一方の電極と他方の電極との間に一定の電流を供給することで、その電流供給時間によらず区分領域毎に所定の電気量を供給することができ、区分領域毎に異なる電気的エネルギーを供給することも、同一の電気的エネルギーを供給することもできる。このことから、区分領域毎に電極対を用意して配置する必要性が少なくなる。
本発明の第1実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示し、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電後の状態の平面図、(d)は通電後の状態の正面図、(e)はワークの温度分布を模式的に示す図である。 直接通電における基本的な関係式を説明するための図である。 図1に示す通電加熱方法を使用する際に用いられる通電加熱装置の具体的な構成を示す正面図である。 図3に示す通電加熱装置の具体的な構成を示す左側面図である。 図3に示す通電加熱装置の具体的な構成の一部を示す平面図である。 図3に示す通電加熱装置の具体的な構成を示す右側面図である。 本発明の第2実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示し、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電後の状態の平面図、(d)は通電後の状態の正面図、(e)はワークの温度分布を模式的に示す図である。 本発明の第3実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示し、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電後の状態の平面図、(d)は通電後の状態の正面図、(e)はワークの温度分布を模式的に示す図である。 本発明の第4実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示し、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電途中の状態の平面図、(d)は通電途中の状態の正面図、(e)は通電後の状態の平面図、(f)は通電後の状態の正面図、(g)はワークの温度分布を模式的に示す図である。 本発明の第5実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示し、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電途中の状態の平面図、(d)は通電途中の状態の正面図、(e)は通電後の状態の平面図、(f)は通電後の状態の正面図、(g)はワークの温度分布を模式的に示す図である。 本発明の第6実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示し、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は第1回目の通電が終了した状態での平面図、(d)は第1回目の通電が終了した状態での正面図、(e)は第2回目の通電前の状態での平面図、(f)は第2回目の通電前の状態での正面図、(g)は通電後の状態の平面図、(h)は通電後の状態の正面図、(i)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施形態を説明する。本発明の実施形態において、ワークの平面視における奥行き幅の寸法や厚みに制限はない。ワークの加熱すべき領域(以下、「加熱領域」と呼ぶ。)中に開口や切り欠いた領域が存在していてもよい。「加熱領域」とは予めワークに設定される加熱すべき領域を意味し、一方の電極及び他方の電極がワーク上にそれぞれ接触して通電される領域とは異なる。これは、加熱領域の各両端に沿って電極が配置されずに、加熱領域の各端に斜めに電極が配置される場合があるからである。ワークの材質は例えば電流を流して通電加熱される鋼材であり、一つの部材からなっていても、抵抗率や厚みの異なる部材同士を溶接加工などにより一体物としたものであってもよい。また、ワークには加熱領域が一領域だけ設定されている場合のみならず複数の領域が設定されていてもよい。その場合、複数の領域は隣接していても、隣接せず離れていてもよい。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示しており、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電後の状態の平面図、(d)は通電後の状態の正面図、(e)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
本発明の第1実施形態に係る通電加熱方法を実施する際に使用される通電加熱装置10について説明する。通電加熱装置10は、給電部1に電気的に接続され、一方の電極11及び他方の電極12からなる電極対13と、一方の電極11、他方の電極12の何れか一方又は双方を移動する移動機構15と、を備える。
移動機構15は、一方の電極11及び他方の電極12をワークwに接触した状態でかつ給電部1から電極対13を経由してワークwに通電している状態で、一方の電極11を移動させ、一方の電極11と他方の電極12との間隔を変化させる。ここで、ワークwは固定されており、移動しない。
図1に示す態様では、移動機構15によって一方の電極11が移動するので、一方の電極11を移動電極といい、他方の電極12はワークwに接触したままで移動しないので、他方の電極12を固定電極という。なお、他方の電極12を移動電極とし、一方の電極11を固定電極としてもよいし、一方の電極11及び他方の電極12の何れも移動電極としてもよい。他方の電極12を移動電極とする場合、移動機構15と同様の移動機構によって、移動電極を移動させる。
給電部1から電極対13に一定の電流の供給を開始してから終了までの間で、移動機構15によって移動速度を調整しながら、移動電極を移動する。これにより、加熱領域を移動電極の移動方向に仮想的に区分した領域(以下、区分領域という。)毎に通電時間を制御することができる。つまり、平面視においてワークwの奥行き幅に等しい各区分領域があたかも電極移動方向に沿って順に並んでいるとして、加熱領域を想定することができ、区分領域毎に所定の電気的エネルギーを供給することができる。
図1に示す態様では、説明の簡略化のために、ワークwの全体領域は加熱領域と一致しており、電極の移動方向に依らず奥行き幅が一定となっている。したがって、給電部1から電極対13を経由してワークwに一定電流を流しながら、一方の電極11の移動速度を移動機構15によって調整することで、区分領域毎に生じる熱量の大きさを制御することができる。
移動機構15は、一方の電極11及び他方の電極12のうち移動すべき電極の移動速度を制御する調整部15aと、調整部15aによって移動すべき電極を移動させる駆動機構15bとを備える。調整部15aは、ワークwや加熱領域の形状及び寸法に関するデータから移動すべき電極の移動速度を求め、駆動機構15bがその求めた移動速度により移動すべき電極を移動させる。調整部15aで求める移動速度について以下説明する。
図2に示すように、単位長さで断面A0に電流Iを時間t0(s)流してθ0昇温すると仮定すると、式(1)が成り立つ。
θ0=ρe0/(ρ0・C0)×(I2×t0)/A0 2 (℃) 式(1)
ただし、比熱をC0(J/kg・℃),密度をρ0(kg/m3),抵抗率をρe0(Ω・m)とする。
単位長さで断面Anに電流Iを時間tn(s)流してθn昇温すると仮定すると、式(2)が成り立つ。
θn=ρen/(ρn・Cn)×(I2×tn)/An 2 (℃) 式(2)
ただし、比熱をCn(J/kg・℃),密度をρn(kg/m3),抵抗率をρen(Ω・m)とする。
断面A0≧Anとし、電流Iを一定にして、温度勾配θ0>θnとするときの時間t0、tnの関係は、式(3)となる。
(θ0・ρ0・C0)/ρe0×A0 2/t0
(θn・ρn・Cn)/ρen×An 2/tn 式(3)
温度の項及び温度に依存する項を式(4)、式(5)のようにまとめてkθ0、kθnとする。
(θ0・ρ0・C0)/ρe0=kθ0 式(4)
(θn・ρn・Cn)/ρen=kθn 式(5)
すると、式(3)は式(6)と同値となり、式(7)が求まる。
kθ0×A0 2/t0=kθn×An 2/tn 式(6)
n=kθn/kθ0×(A0/An2×t0 式(7)
昇温比nをkθn/kθ0と定義すると、式(7)から式(8)が求まる。
n=n×(An/A02×t0 式(8)
一定の電流Iを流し、断面積の異なる部位に温度勾配を持たせるように加熱する場合には、或る断面に流す時間は、昇温比に比例し、断面積比の2乗に比例する。その結果、移動電極の速度ΔVは、式(9)のように求めることができる。
ΔV=ΔL/(t0−tn) 式(9)
式(8)及び式(9)は式(10)が成り立つ場合に限られる。
(kθn/kθ0)×(An/A02≧1 式(10)
ここで、図1に示すように、ワークwの断面積が電極の移動方向に一定とすると、通電時間は昇温比nに比例する。よって、温度勾配が一定で、電極の移動方向に沿って昇温の値が減少するように設定したい場合には、一方の電極11を一定の速度で移動させて、電極間距離を時間経過と共に大きくすればよい。
また、ワークwの断面積が電極の移動方向に減少しているとすると、通電時間は断面積比の2乗及び昇温比に比例する。よって、温度勾配が一定で、電極の移動方向に沿って昇温の値が減少するように設定したい場合には、断面積比の2乗に応じて一方の電極11を移動させればよい。
一般には、式(9)を満たすように、一方の電極11を移動させればよい。その際、ワークwの寸法や温度分布に応じて、n(An/A02≦1となるように電極対の配置を工夫する必要がある。
以上説明したように、調整部15aが、鋼材などの板状のワークwの形状及び寸法のデータと、ワークwに設定される温度分布から、移動速度を求める。これにより次のことがいえる。図1(c)に示すように、ワークwの加熱領域がn個の区分領域w1〜wnに仮想的に区分されるとする。なお、区分領域がそれぞれ二つの辺を有し、一辺は奥行き幅を有し、一辺は加熱領域の平面視での左右幅をn等分した長さを有する。このように加熱領域を短冊状に仮想的に区分し、区分領域w1〜wnが電極の移動方向に沿って並んでいると仮定する。上述のように、一方の電極11を移動することにより、区分領域w1〜wnの通電の時間を調整する。すると、区分領域の抵抗値に対応して区分領域毎に電気量を確保することができ、ワークwの加熱領域を温度分布を有するように加熱することも、均一に加熱することもできる。
ここで、給電部1は直流電源である場合のみならず、交流電源であっても一周期の平均電流が変化していなければ、区分領域毎の通電時間を調整することによって、所定の温度分布となるように加熱することができる。その際、何れの電極も、ワークwの加熱領域を電極の移動方向と交差する方向に横断する寸法を有する必要がある。仮想的に短冊状に分割した各領域を横断しなければ、領域毎に奥行き方向で電気量が異なるからである。
このように、本発明の第1実施形態に係る通電加熱方法によれば、電極の移動方向の単位長さの抵抗の変化に応じて一方の電極11を移動させ、加熱領域をなす短冊状の各区分領域の通電時間を調整する。区分領域毎に供給する電気量を調整し、加熱領域に対して所定の昇温分布となるようにすることができる。その際、各区分領域の通電時間を一方の電極11の移動速度により定めることができる。なお、「単位長さ当たりの抵抗」とは、ワークwを例えば図1(c)に示すように左右方向に沿って微小な領域w1〜wnに区分したときの各領域の抵抗を意味し、「微小長さ当たりの抵抗」とか「微小長さを有する断面積」、或いは単に「微小長さの断面積」と呼んでもよい。
例えば、加熱対象のワークにおいて、加熱領域が左右方向で異ならないでほぼ一定の奥行き幅を有するよう設定されているとする。この場合、給電部1から電極対13に通電しながら一方の電極11を移動機構15により移動させればよい。よって、従来のように、ワークwの加熱領域において所定の温度分布に応じて相対する両端部に対をなすように電極を配置し、その電極の対を複数設け、その温度分布に見合うように供給量を制御する必要がなくなる。
図3〜図6は、図1に示す通電加熱方法を実施する際に使用する通電加熱装置の具体的な構造を示し、図3は正面図、図4は左側面図、図5は平面図、図6は右側面図である。図3〜図6に示すように、通電加熱装置20は、ワークwを上下方向から挟む電極部21a,22aと補助電極部21b,22bとにより各電極21,22が構成されている。
図3において、移動電極21が向かって左側に配置され、固定電極22が向かって右側に配置されている。移動電極21、固定電極22の何れも、対をなすリード部21c,22cと、ワークwに接触する電極部21a,22aと、ワークwを電極部21a,22a側に押圧する補助電極部21b,22bと、を備えている。
図3に示すように、移動機構25として、ガイドレール25aが左右方向に延設され、その上方に、ねじ軸からなる移動制御棒25bが左右方向に延設され、ガイドレール25a上をスライドするスライダー25cに移動制御棒25bが螺合しており、移動制御棒25bをステップモータ25dにより速度調整して回転することで、スライダー25cが左右へ移動する。
移動電極用のリード部21cが、絶縁板21dを介在してスライダー25c上に配置され、給電部1に電気的に接続された配線2aが移動電極用のリード部21cの一端部に固定され、移動用の電極部21aが移動電極用のリード部21cの他端部に固定されており、移動用の補助電極部21bを上下動可能に配置する吊り下げ機構26が配設されている。
吊り下げ機構26は、ステージ26a,壁部26b,26c及び橋部26d等で構成された架台に設けられている。即ち、吊り下げ機構26は、ステージ26aの他端部に奥行き方向に離隔して設けられた対の壁部26b,26cと、壁部26b,26c上端に架け渡された橋部26dと、橋部26dの軸上に取り付けられたシリンダーロッド26eと、シリンダーロッド26eの先端部に取り付けられる挟持部26f(固定具と呼んでもよい。)と、補助電極部21bを絶縁して保持する保持プレート26gと、を備える。シリンダーロッド26eの先端が挟持部26fの上端に固定され、壁部26b,26cのそれぞれ対向面に支持部26iが設けられ、保持プレート26gを連結軸26hで揺動可能な状態でガイドする。シリンダーロッド26eが上下動することにより、挟持部26f、連結軸26h、保持プレート26c及び補助用電極部21bが上下動する。その際、ワークwの加熱領域を横断するように固定用の電極部21a及び補助用電極部21bが延びているので、連結軸26hで揺動されることにより、固定用の電極部21aの上面と補助用電極21bの下面の各全面をワークwに押し当てることができる。
吊り下げ機構26及び移動電極用のリード部21cが移動機構25により左右に移動しても、移動用の電極部21aと移動用の補助電極部21bとが平板状のワークwに接触したまま挟持するように、移動用の電極部21a、移動用の補助電極部21bでは、何れも、ワークwの奥行き方向にワークwを横断するように転動ローラ27a,27bが配置され、転動ローラ27a,27bを一対の軸受28a,28bで転動自在にしている。移動機構25で移動用の電極部21a及び移動用の補助電極部26bを左右に移動しても、一対の軸受28a,28b及び転動ローラ27aを経由してワークwに通電した状態を維持することができる。
通電加熱装置20の他方側には固定電極22が設置されている。図3に示すように、固定電極用の引っ張り手段29がステージ29a上に配置されている。固定電極用のリード部22cは固定電極用の引っ張り手段29上に絶縁板29bを介在して配置されている。給電部1に電気的に接続された配線2bが固定電極用のリード部22cの一端部に固定されている。固定用の電極部22aは固定電極用のリード部22cの他端部に固定されている。固定用の補助電極部22bを上下動可能に配置する吊り下げ機構31が固定用の電極部22aを覆うように配置される。
固定電極用の引っ張り手段29は、絶縁板29bの下面に接続されてステージ29aを左右に移動させる移動手段29cと、絶縁板26bを直接左右にスライドするためのスライダー29d,29eと、スライダー29d,29eをガイドするガイドレール29fとを有しており、移動手段29cによって、補助電極部22b、電極部22a及び固定電極用のリード部22cを左右にスライドして位置調整する。通電加熱装置20にこのような引っ張り手段29を設けていることで、ワークwが通電加熱により膨張しても平坦化することができる。
吊り下げ機構31は、ステージ31aの他端部に奥行き方向に離隔して立設した対の壁部31b,31cと、壁部31b,31c上端に架け渡された橋部31dと、橋部31dの軸上に取り付けられたシリンダーロッド31eと、シリンダーロッド31eの先端部に取り付けられる挟持部31fと、補助電極部22bを絶縁して保持する保持プレート31gと、を備える。保持プレート31gは連結軸31hを介して挟持部31fで挟持される。シリンダーロッド31eの先端は挟持部31fの上端に固定され、吊り下げ機構26と同様に、壁部31b,31cのそれぞれ対向面に設けた支持部によって保持プレートを揺動自在に支持する。シリンダーロッド31eが上下動することにより、挟持部31f、連結軸31h、保持プレート31g及び補助用電極部22bが上下動する。その際、ワークwの加熱領域を横断するように固定用の電極部22a及び補助用電極部22bが延びているので、連結軸31hで揺動することにより、固定用の電極部22aの上面と補助用電極部22bの下面の各全面をワークwに押し当てることができる。
図3乃至図6には示さないが、水平支持手段によってワークwを水平に支持しておき、固定用電極21と補助用電極22でワークwを挟んで固定し、移動用電極21と補助電極22とでワークwを挟み、移動機構25で移動用電極21及び補助電極22を移動する。速度調整部15bによって移動速度を制御しながら、移動機構25により移動用電極21を移動する。よって、速度調整部15bによりワークwの形状に応じて、移動用電極21及び補助電極22の移動速度を調整することで、例えば、ワークwの加熱領域を高温領域から低温領域に滑らかに変化するように分布させて加熱することもできる。
このように、通電加熱装置20では、ワークwを上下で挟むように電極部21aと補助用電極部21bとを配置する。ワークwの加熱領域を横断する形状を有する中実の電極部21aは、電極移動方向に沿って敷設された一対のリード部21c(ブスバーと呼んでもよい。)に横断して設けられる。電極部21aと補助用電極部21b及び一対のリード部21cは駆動機構25によって電極移動方向に沿って移動する手段に取り付けられている。電極部21a及び補助用電極部21bの少なくとも何れか一方が押圧手段としてのシリンダーロッド26eによって上下動して、電極部21aと補助用電極部21bとでワークwを挟んだまま、ワークw上を走行することで、ブスバー21cを経由して電極部21bからワークwに通電しながら移動する。
なお、図3乃至図6に示した形態のみならず、電極部21a及び補助用電極部21bの少なくとも何れか一方が押圧手段としてのシリンダーロッド26eによって上下動して、電極部21aと補助用電極部21bとでワークwを挟んだまま、電極部21aが一対のブスバー上を走行することで、ブスバーを経由して電極部21bからワークwに通電しながら移動できるように設計変更してもよい。
〔第2実施形態〕
図7は、本発明の第2実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示しており、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電後の状態の平面図、(d)は通電後の状態の正面図、(e)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
本発明の第2実施形態に係る通電加熱方法を実施する際に使用する通電加熱装置40は、図7に示すように、給電部1に電気的に接続され、一方の電極41及び他方の電極42からなる電極対43と、一方の電極41、他方の電極42の双方を移動する移動機構44,45と、を備える。
第1実施形態とは異なり、第2実施形態では、各移動機構44,45は、一方の電極41,他方の電極42をワークwに接触した状態でかつ給電部1から電極対43を経由してワークwに通電している状態で、互いに接触しないように配置した一方の電極41,他方の電極42をそれぞれ逆側に移動する。これにより、一方の電極41と他方の電極42との間隔が広げられる。図7(e)に示すように、ワークwの両端から等距離にあるセンターの加熱温度が高く、両端の加熱温度が低くなる温度分布を有するように、加熱することができる。図7(e)では、一方の電極41と他方の電極42との移動速度を等しくしているが、設定されている温度分布に応じてそれぞれ別の速度で移動させてもよい。
第2実施形態の具体的な装置構成については、図3〜図6に示す第1実施形態の構成のうち、左側に配置されている移動電極を右側にも配置すればよい。
〔第3実施形態〕
図8は、本発明の第3実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示しており、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電後の状態の平面図、(d)は通電後の状態の正面図、(e)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
本発明の第3実施形態に係る通電加熱方法を実施する通電加熱装置50は、図8に示すように、給電部1に電気的に接続され、一方の電極51及び他方の電極52からなる電極対53と、一方の電極51、他方の電極52の双方を同時に移動する移動機構55と、を備える。
第3実施形態では、移動機構55は、一方の電極51,他方の電極52をワークwに接触した状態でかつ給電部1から電極対53を経由してワークwに一定の電流を流している状態で、互いに接触しないように配置した一方の電極51,他方の電極52をそれぞれ移動させる。
図8(a)及び(b)に示すように、一方の電極51をワークwの加熱領域の一端に配置し、他方の電極52を一方の電極51から所定の長さだけ離してワークwの加熱領域上に配置する。そして、給電部51から電極対53に給電を行いながら、移動電極55の調整部55aからの指令により、駆動機構55bにて一方の電極51と他方の電極52とを一定の間隔を保ちながら同じ速度でワークw上を一方向に移動する。図8(c)及び(d)に示すように、他方の電極52がワークwの加熱領域の他端に達すると、駆動機構55bによる移動を停止し、給電部1からの電流供給を停止する。
調整部55aは、ワークwの加熱領域の形状を含めた寸法と所望の温度分布とに基いて、一方の電極51及び他方の電極52の移動速度を求め、駆動機構55bを制御することにより、ワークwの加熱領域を例えば図8(e)に示すような温度分布となるよう、各区分領域を加熱することができる。ここでは、一方の電極51及び他方の電極52を同一の速度で移動させているため、給電中は一方の電極51と他方の電極52との間隔が一定に保たれる。
第3実施形態の具体的な装置構成については、図3〜図6に示す第1実施形態の構成のうち、図3の固定電極22を図3の移動電極21と同様の構成にし、左右の移動電極における電極部をそれぞれステージを介在して別々のリード部に載置し、絶縁板を介在して各リード部を同一の移動機構に載置するようにすればよい。もちろん、第2実施形態のように、一方の電極、他方の電極をそれぞれ別々の移動機構により制御してもよい。
〔第4実施形態〕
図9は、本発明の第4実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示しており、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電途中の状態の平面図、(d)は通電途中の状態の正面図、(e)は通電後の状態の平面図、(f)は通電後の状態の正面図、(g)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
図9に示す通電加熱装置40は、図7に示す通電加熱装置40と構成は同じである。異なるのは、ワークwの左右一方は焼入れ温度となる熱間加工温度に加熱する領域w1であり、他方が焼入れ温度よりも低い温間加工温度に加熱する領域w2である点である。ワークwはその全体領域が、異なる温度にそれぞれ加熱される領域w1,w2を備えている。なお、ワークwは領域w1及びw2以外の領域を備えていてもよい。このワークwは、領域w1の素材と領域w2の素材とが異なっており、両者を溶接によって接続し、溶接ビード部3で接合して一体化した、いわゆるテーラードブランク材である。ここで、テーラードブランク材とは、厚みや強度の異なる鋼材を溶接などして一体化した素材であり、プレス等の加工される前の状態を意味する。この場合には、何れも移動電極41,42がそれぞれ移動機構44,45によって移動される。左側の領域w1は熱間加工温度に加熱されるのに対して、右側の領域w2は温間加工温度に加熱されており、後工程でプレスされやすくする。
先ず、一方の電極41と他方の電極42とを加熱領域の中間部に配置する。図9(a)及び(b)に示す場合には領域w1の領域に間隔をおいて配置するが、その際、他方の電極42は溶接ビード部3にかからないように領域w1上に配置する。
その後、一方の電極41と他方の電極42との間に一定の電流を流しながら、他方の電極42を移動せずに固定したまま、移動機構44により一方の電極41を他方の電極42と逆側に移動して、一方の電極41と他方の電極42との間隔を広げる。
そして、図9(c)及び(d)に示すように、一方の電極41が加熱領域の一端(図示の場合、左端)に到達する前に、移動機構45により他方の電極42を一方の電極41の移動方向とは逆向きに移動する。一方の電極41と他方の電極42は同時に加熱領域の各端に到達してもよい。このようにして、後工程のプレス工程の際、ワークwに負荷がかからない範囲で領域w2を加熱する。それにより、図9(e)及び(f)に示すように、一方の電極41と他方の電極42とがそれぞれ移動機構44、移動機構45により移動してワークwの加熱領域の各端部に達し、電極の間隔を広げる。
以上の工程により、例えば図9(g)に示すように、溶接ビード部3の位置よりも左側では加熱温度がT1となり、右側では加熱温度がT2(<T1)となる。よって、ワークwのうち加熱領域が高温領域と低温領域とに区分けして加熱される。このように加熱されたワークwはその後、プレス加工を経て所定の形状に成形される。
ここで、図9(a)及び(b)に示す状態から図9(e)及び(f)に示す状態になるように、一方の電極41を移動して領域w1を均一に加熱する場合、一方の電極41の移動速度は次のように設定される。領域w1の形状及び寸法から各区分領域の断面積比An/A0が求まる。上述の式(8)において昇温比n=1となるように、各区分領域の面積比の2乗に比例するように区分領域毎の通電時間tnが求まる。区分領域毎の通電時間tnに応じて一方の電極41の移動速度を設定する。移動機構44はその設定した速度で一方の電極41を移動する。これにより、図9(g)に実線で示すように温度T1で均一となる。
また、ワークwの領域w1に昇温分布が設定されている場合、一方の電極41の速度は次のように設定される。領域w1の形状及び寸法から各区分領域の断面積比An/A0が求まる。上述の式(8)を用いて設定されている区分領域毎の昇温比nとなるように、各区分領域の面積比の2乗に比例するように区分領域毎の通電時間tnが求まる。区分領域毎の通電時間tnに応じて一方の電極41の移動速度を設定する。移動機構44はその設定した速度で一方の電極41を移動する。これにより、図9(g)に例えば点線に示すように、温度分布を持つように加熱される。
なお、何れの場合においても、ワークwの領域w2は、他方の電極の移動方向に沿って断面積が大きくなるため、図9(g)に示すように、溶接ビート部3の位置を含む右側の領域は、溶接ビート部3から遠ざかるにつれて昇温が低下する。もっとも、領域w2は、焼入れを行う領域ではなく、温間加工の温度範囲であればよいので、均一に加熱される必要性は小さい。
これにより、領域w1は直接通電により熱間加工の温度まで昇温し、領域w2の領域は直接通電により温間加工の温度まで昇温する。このように、一対の電極43を用いて、固定したワークw上で一方の電極41及び他方の電極42をそれぞれ逆方向に移動させることで、領域w1、領域w2毎に異なった温度に加熱することができる。
第4実施形態にあっては、図9(a)及び(b)から図9(c)及び(d)を経て、他方の電極42を移動せず、一方の電極41を左端に移動させてもよい。これにより、領域w1だけを加熱することもできる。
〔第5実施形態〕
図10は、本発明の第5実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示しており、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は通電途中の状態の平面図、(d)は通電途中の状態の正面図、(e)は通電後の状態の平面図、(f)は通電後の状態の正面図、(g)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
図10に示す通電加熱装置40は図8に示す通電加熱装置40と構成は同じである。また、図9に示す第4実施形態と同様、ワークwの左右一方は焼入れ温度となる熱間加工温度に加熱する領域w1であり、他方が焼入れ温度よりも低い温間加工温度に加熱する領域w2である。第5実施形態では、第4実施形態とは、通電加熱開始前に一方の電極41が領域w1上に配置され、他方の電極42が領域w2に配置される点で異なる。第4実施形態では、通電加熱開始前では、一方の電極41と他方の電極42とが何れも領域w1に配置され、溶接ビート部3が高温に加熱されず、低温に加熱される。これに対し、第5実施形態では、通電加熱前において溶接ビート部3の両側に一方の電極41と他方の電極42とが配置され、先ず、一方の電極41を左側に移動し、一方の電極41が領域w1の一端に到達する前に、他方の電極42を領域w2の一端に移動させる。一方の電極41と他方の電極42は同時に加熱領域の各端に到達してもよい。これにより、溶接ビート部3が高温に加熱される。第5実施形態においても、給電部1により一方の電極41と他方の電極42との間に一定の電流を流す。
ここで、第5実施形態においても、一方の電極41の移動速度を調整することにより、領域w1を、図10(g)に実線で示すように温度T1に均一に加熱することも、領域w2を図10(g)に点線で示すように左上がりに温度勾配を持つように加熱することもできる。一方の電極41の移動速度の調整については第4実施形態と同様であるので、説明を省略する。また、第4実施形態にあっては、図10(a)及び(b)から図10(c)及び(d)を経て、他方の電極42を移動させず、一方の電極41を左端に移動させてもよい。これにより、領域w1だけを加熱することもできる。
第4実施形態及び第5実施形態のように、ワークwが、材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる複数の板材を溶接ビート部3で連結して成るブランクであっても、一方の電極41、他方の電極42と溶接ビート部3との位置関係により、溶接ビート部3及び近傍を高温、低温の何れかで加熱するかを制御することができる。
第4実施形態のように、一方の鋼板上に一方の電極41及び他方の電極42を間隔をおいて配置し、溶接ビート部3から遠い電極、つまり一方の電極41を、他方の電極42と間隔を広くするように移動する。そして、一方の電極41が一方の鋼板の一端に達する前に、他方の電極42が溶接ビート部3を乗り越えて他方の鋼板の一端に達するように双方の電極41,42を逆向きに移動する。この場合には、溶接ビート部3は低温にしか加熱されない。また、高温に加熱する領域w1側の一方の鋼板と他方の電極42との接点との間が高温に加熱されない領域が残る。この高温に加熱されない領域が上述の溶接ビート部3の近傍の部位である。
他方、第5実施形態のように、一方の鋼板上に一方の電極41を配置し他方の鋼板上に他方の電極42を配置し、双方の電極41、42の間に溶接ビート部3が存在するようにする。そして、高温に加熱する領域w1側の一方の鋼板上にある一方の電極41を他方の電極42から遠ざけ、一方の電極41が一方の鋼板の一端に達する前に、他方の電極42が他方の鋼板の一端に達するように双方の電極41,42を逆向きに移動させる。この場合には、溶接ビート部3は高温に加熱される。また、低温に加熱する領域w2側の他方の鋼板と他方の電極42との接点との間には高温に加熱される領域が存在する。
〔第6実施形態〕
図11は、本発明の第6実施形態に係る通電加熱方法のコンセプトを示しており、(a)は通電前の状態の平面図、(b)は通電前の状態の正面図、(c)は第1回目の通電が終了した状態での平面図、(d)は第1回目の通電が終了した状態での正面図、(e)は第2回目の通電前の状態での平面図、(f)は第2回目の通電前の状態での正面図、(g)は通電後の状態の平面図、(h)は通電後の状態の正面図、(i)はワークの温度分布を模式的に示す図である。
第6実施形態は第4実施形態及び第5実施形態と同様、ワークwとしてテーラードブランク材を想定しており、ワークwの左右一方が焼入れ温度となる熱間加工温度に加熱する領域w1であり、他方が焼入れ温度よりも低い温間加工温度に加熱する領域w2である。
第4実施形態及び第5実施形態と異なる点は、領域w1側の一方の鋼板の厚みと領域w2側の他方の鋼板の厚みに差がある点である。図示した例では、領域w2側の鋼板が領域w1側の鋼板よりも厚いが、逆に領域w1側の鋼板の方が厚くても同じである。溶接ビード部3は鋼板の厚みの差により傾斜しており、溶接により凹凸が生じている場合もある。このような場合には、溶接ビード部3には直接通電しないようにする。給電部1から通電したまま電極を溶接ビート部3上にスライドするとスパークするためである。この場合には、溶接ビード部3を挟んで両側の領域w1、w2をそれぞれ通電加熱し、各領域w1、w2から溶接ビード部3への熱伝達により加熱させる。
なお、第4実施形態及び第5実施形態と同様、左側の領域w1は熱間加工温度に加熱されるのに対して、右側の領域w2は温間加工温度に加熱されており、後工程でプレスされやすくする。第6実施形態では、図1に示すように電極の一方を固定電極とし、他方を移動電極とする通電加熱装置10を用いる。
第6実施形態に係る通電加熱方法の手順を説明する。
先ず、図11(a)及び(b)に示すように、固定電極としての他方の電極12を、溶接ビード部3にかからないように、領域w1の右端に配置する。移動電極としての一方の電極11を、他方の電極12と間隔をあけて領域w1上に配置する。図11に示すようにワークwの領域w1は右側の方が断面が大きいからである。
その後、一方の電極11と他方の電極12との間に一定の電流i1を流しながら、他方の電極12を固定したまま移動機構15により一方の電極11を他方の電極12と逆側に移動して、一方の電極11と他方の電極12との間隔を広げ、図11(c)及び(d)のように、一方の電極11が領域w1の他端に達すると通電を停止する。
そして、図11(e)及び(f)に示すように、ワークwを左方向にずらし、一方の電極11及び他方の電極12を領域w2の所定の位置に配置するようにする。つまり、固定電極としての他方の電極12を領域w2の右端に配置し、移動電極としての一方の電極11を他方の電極12と間隔をあけて領域w2上に配置する。図11に示すようにワークwの領域w2は右側の方が断面が大きいからである。
その後、一方の電極11と他方の電極12との間に一定の電流i2(<i1)を流しながら、他方の電極12を固定したまま移動機構15により一方の電極11を他方の電極12と逆側に移動して、一方の電極11と他方の電極12との間隔を広げ、図11(g)及び(h)のように一方の電極11が領域w2の他端に到達すると通電を停止する。その際、溶接ビード部3に一方の電極11が接触していない。
以上の工程により、例えば図11(i)に示すように、溶接ビード部3の位置よりも左側では加熱温度がT1となり、右側では加熱温度がT2(<T1)となる。よって、ワークwのうち加熱領域を高温領域と低温領域とに区分けして加熱することができる。第6実施形態では、溶接ビード部3には直接通電していない。しかしながら、領域w1と領域w2とが通電加熱されるので、両側から溶接ビード部3に熱伝達されて加熱される。このように加熱されたワークwはその後、プレス加工を経て所定の形状に成形される。
各領域w1,w2での温度分布は、図11(i)に示すように各領域w1、w2でほぼ均一となる。これは、調整部15aにより一方の電極11の移動速度を均一加熱するように、領域w1,w2の寸法から上述したようにそれぞれ移動速度を算出しているからである。
以上、本発明の幾つかの実施形態について説明したが、特徴事項について幾つか述べておく。
ワークの加熱領域において、移動電極方向に沿う単位長さ当たりの抵抗が単調に減少する場合、例えば、加熱領域の奥行き幅が移動電極方向に沿って減少している場合には、その減少に応じて移動電極の速度を制御することにより、加熱領域の昇温を一定にして、ワークの加熱領域の昇温分布を生じさせることができる。
材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる複数の鋼板を溶接して溶接ビート部により連結してなるブランク材のワークであれば、溶接ビート部を乗り越えないで移動電極を移動させてもよい。この場合、鋼材毎に通電加熱をする必要性が生じるが、溶接ビード部の幅が比較的狭いので、鋼材毎に昇温すれば、溶接ビード部はその両側から熱伝達により熱エネルギーの供給を受けることができるので差し障りがない。これにより、溶接ビード部における電流密度が場所毎に異なるという影響を少なくすることができる。
材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる複数の鋼板を溶接して溶接ビート部により連結してなるブランク材のワークであっても、各鋼板の厚みの差が少ない場合には、電流供給中に溶接ビード部を乗り越えて移動電極を移動させてもよい。この場合には、異なる鋼板を1回の処理で通電加熱することができ、通電加熱処理の短縮を図ることができる。
本発明では、ワークの加熱領域を電極の移動方向に沿って短冊状に仮想的に分割した際、その分割した領域に加える熱量を電極の移動方向に従って制御することができるので、所定の温度分布に加熱することができる。ワークの加熱すべき領域が所定の温度分布を有するように、例えば断面積がほぼ一定であって一方向に高温から低温となる温度分布を有するように通電加熱する場合には、少なくとも一つの電極をその一方向に移動させることにより、移動方向に向けて短冊状に仮想的に分割された領域の電気量を、領域毎に異ならせて、所定の温度分布を持たせることができる。
以上、各実施形態を説明したが、本発明は、ワークwの形状及び寸法に応じて適宜変更して実施することができる。ワークwは図示した形状に限定されず、例えば厚みが不均一となってもよい。また、ワークwは、外周辺のうち左右端をつなぐ横辺が直線でなく湾曲していてもよいし、横辺が複数の直線や曲率の異なる曲線をつなげて構成されていてもよい。
また、上述の説明では、ワークw全体を加熱領域とした場合、ワークwの一部を加熱領域とした場合、ワークwを複数の領域に分け各領域が加熱領域である場合について説明した、それ以外にも、ワークwに対して間隔をおいて配置される一方及び他方の電極の何れかの移動電極の移動方向に対して交差する方向に、つまりワークwの左右方向ではなく奥行き方向に加熱領域が分かれており、その加熱領域毎に移動電極を配置するようにしてもよい。その際、加熱領域は奥行き方向に隣接して分かれていてもよいし、奥行き方向に分離して設定されていてもよい。
このように、ワークwの形状及び寸法並びにワークwにおける加熱領域に応じて移動すべき電極を一又は複数設けてワークwを通電加熱するように適宜設計変更することも、本発明の範囲に含まれる。その際、固定電極を必要に応じて用いてもよい。
1:給電部
2a,2b:配線
3:溶接ビード部(溶接部)
10,20,40,50:通電加熱装置
11:一方の電極(移動電極)
12:他方の電極(固定電極)
13:電極対
15:移動機構
15a:調整部
15b:駆動機構
21:電極(移動電極)
22:電極(固定電極)
21a,22a:電極部
21b,22b:補助電極部
21c,22c:リード部
21d:絶縁板
25:移動機構
25a:ガイドレール
25b:移動制御棒
25c:スライダー
25d:ステップモータ
26,31:吊り下げ機構
26a,31a:ステージ
26b,26c,31b,31c:壁部
26d,31d:橋部
26e,31e:シリンダーロッド
26f,31f:挟持部
26g,31g:保持プレート
26h,31h:連結軸
26i:支持部
27a,27b:転動ローラ
28a,28b:軸受
29:引っ張り手段
29a:ステージ
29b:絶縁板
29c:移動手段
29d,29e:スライダー
29f:ガイドレール
41,51:一方の電極(移動電極)
42,52:他方の電極(移動電極)
43,53:電極対
44,45,55:移動機構
44a,45a,55a:調整部
44b,45b,55b:駆動機構

Claims (7)

  1. ワークの加熱すべき領域を横断するよう一方の電極と他方の電極とを間隔をおいて配置し、
    上記一方の電極と上記他方の電極との間に電流を供給しながら、上記一方の電極、上記他方の電極の何れか一方又は双方を移動し、
    上記加熱すべき領域を仮想的に区分して電極の移動方向に沿って並べた領域毎の通電時間を調整する、通電加熱方法。
  2. 前記一方の電極又は前記他方の電極を前記ワークの単位長さ当たりの抵抗が減少する方向に移動し、上記抵抗の減少に応じて移動する電極の速度を調整し、前記ワークの加熱すべき領域が所定の分布を有するか又は均一となるように昇温する、請求項1に記載の通電加熱方法。
  3. 前記ワークは、材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる鋼板を溶接部で連結してなるブランク材であり、
    前記一方の電極及び前記他方の電極を同一の鋼板上に配置し、前記一方の電極と前記他方の電極との間に電流を供給しながら、上記溶接部を乗り越えないように該溶接部から遠い該一方の電極を移動させる、請求項1に記載の通電加熱方法。
  4. 前記一方の電極が一方の鋼板の一端に到達する前に、前記他方の電極が前記溶接部を乗り越えて他方の鋼板の一端に達するように該他方の電極を移動する、請求項3に記載の通電加熱方法。
  5. 前記ワークは、材質、板厚の何れか一方又は双方が異なる鋼板を溶接部で連結してなるブランク材であり、
    前記一方の電極と前記他方の電極をそれぞれ別々の鋼板上に上記溶接部と対峙して配置し、前記一方の電極と前記他方の電極との間に電流を流しながら、前記一方の電極が上記溶接部及び前記他方の電極から遠ざかるように該一方の電極を移動させる、請求項1に記載の通電加熱方法。
  6. 前記一方の電極が一方の鋼板の一端に達する前に、前記他方の電極を前記溶接部及び前記一方の電極から遠ざかるように移動させる、請求項5に記載の通電加熱方法。
  7. 前記一方の電極と前記他方の電極とを加熱すべき領域に間隔をおいて配置し、
    前記一方の電極と前記他方の電極との間に一定の電流を流しながら、前記他方の電極を移動させずに前記一方の電極を移動して前記一方の電極と前記他方の電極との間隔を広げ、前記一方の電極が加熱すべき領域の一端に達する前に前記他方の電極を前記一方の電極の移動方向と逆方向に移動することにより、加熱すべき領域を高温領域と低温領域とに区分けして加熱する、請求項1に記載の通電加熱方法。
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