誘導溶接

誘導溶接は、電磁誘導を利用してワークピースを加熱する溶接形式です。溶接装置には、無線周波数電流で通電される誘導コイルが含まれています。これにより、導電性または強磁性のワークピースに作用する高周波電磁場が生成されます。導電性のワークピースでは、主な加熱効果は抵抗加熱であり、これは渦電流と呼ばれる誘導電流によるものです。強磁性のワークピースでは、加熱は主にヒステリシスによって発生します。これは、電磁場が強磁性体の磁区を繰り返し歪ませるためです。実際には、ほとんどの材料はこれら 2 つの効果の組み合わせを受けます。

非磁性材料やプラスチックなどの電気絶縁体は、サセプターと呼ばれる金属または強磁性化合物を埋め込むことで誘導溶接できます。サセプターは誘導コイルからの電磁エネルギーを吸収して高温になり、熱伝導によって周囲の材料に熱を逃がします。^[1] プラスチックは、金属や炭素繊維などの導電性繊維をプラスチックに埋め込むことでも誘導溶接できます。誘導された渦電流が埋め込まれた繊維を抵抗加熱し、伝導によって周囲のプラスチックに熱を逃がします。炭素繊維強化プラスチックの誘導溶接は、航空宇宙産業で一般的に使用されています。

誘導溶接は、長期にわたる生産工程で使用され、高度に自動化されたプロセスで、通常はパイプの継ぎ目を溶接するために使用されます。誘導溶接は、大量の電力を局所的に伝達できるため、接合面が非常に速く溶け、一緒に押し付けられて連続的なローリング溶接を形成できるため、非常に高速なプロセスになります。

電流、つまり熱が表面から浸透する深さは、周波数の平方根に反比例します。溶接される金属の温度とその組成も浸透深さに影響します。このプロセスは抵抗溶接と非常に似ていますが、抵抗溶接の場合は誘導を使用する代わりに、接触を使用してワークピースに電流が供給される点が異なります。

誘導溶接は、マイケル ファラデーによって初めて発見されました。誘導溶接の基本は、磁場の方向が電流の方向に依存することです。磁場の方向は、電流の周波数と同じ速度で変化します。たとえば、120 Hz の交流電流では、磁場の方向は 1 秒間に 120 回変化します。この概念はファラデーの法則として知られています。

誘導溶接が行われると、加工品は溶融温度以下に加熱され、加工品の端が一緒に配置されることで不純物が押し出され、強固な鍛造溶接が行われます。^[2]

誘導溶接は、さまざまな熱可塑性プラスチックや熱硬化性マトリックス複合材料の接合に使用されます。誘導溶接プロセスに使用される装置には、無線周波数発電機、加熱ステーション、ワークピース材料、および冷却システムが含まれます。

発電機はソリッドステートまたは真空管のいずれかの形で提供され、システムに 230 ～ 340 V の交流電流または 50 ～ 60 Hz の周波数を供給するために使用されます。この値は、部品で使用される誘導コイルによって決まります。

ヒートステーションは、コンデンサとコイルを使用してワークピースを加熱します。コンデンサは発電機の出力と一致し、誘導コイルはエネルギーをワークピースに伝達します。溶接時には、エネルギー伝達を最大化するためにコイルをワークピースに近づける必要があり、誘導溶接中に使用されるワークピースは、最適な効率を実現するための重要なキーコンポーネントです。^[3]

誘導溶接で考慮すべき方程式には次のものがあります。

熱計算: ${\displaystyle {\bar {Q}}(x,t)={\eta (J_{0}^{2})\rho \over C_{r}}}$

ここで:熱質量 ${\displaystyle C_{r}}$

${\displaystyle \rho}$抵抗率は

${\displaystyle \eta}$効率性は

${\displaystyle J_{0}}$表面密度は

ニュートン冷却方程式: ${\displaystyle q^{n}=h(T_{s}-T_{B})}$

ここで、熱流束密度は ${\displaystyle q^{n}}$

hは熱伝達係数である

${\displaystyle T_{s}}$ワークピースの表面温度

${\displaystyle T_{B}}$周囲の空気の温度である^[4]

• 誘導加熱
• 熱可塑性プラスチックのインプラント誘導溶接

• AWS 溶接ハンドブック、第 2 巻、第 8 版
• デイヴィス、ジョン、シンプソン、ピーター（1979）、誘導加熱ハンドブック、マグロウヒル、ISBN 0-07-084515-8。