JP2002045977A - 中空管の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間で中空管の接合部に段差を生じさせず
に高い接合強度を得られる中空管の接合方法を提供す
る。 【解決手段】 軸方向に中空管を連ね、これら中空管
１，２より融点の低いインサートメタル３を８０μｍ以
上の厚さに設けて前記中空管１，２で挟み、前記中空管
１，２を軸方向に５ＭＰａ以上の圧力で加圧しつつ、接
合部を高周波誘導装置等の加熱手段で加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼管などの中空管
を軸方向に連ねて配管する際に、中空管の端面を突き合
わせて接合する中空管の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、中空管をその軸方向に連ねて
端部同士を接合する方法として、圧接が知られている
（例えば、特開昭５５−５７３９０号公報、特開昭５５
−９４７８７号公報参照）。この圧接は、接合される中
空管の軸方向の端面同士を突き合わせ、ガスなどによ
り、突合わせ部を約１３００℃まで加熱する。そして、
大きな力で軸方向に中空管を加圧して接合部分を塑性変
形させて接合する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧接では接合
される管の芯がずれて接合部に目違いが生じ易い。これ
は、加熱による強度の低下が周方向において均一に起こ
らないことや、周方向に不均一に加熱された場合に周方
向の線膨張も不均一になるためである。また、管自体の
肉厚が均等ではない場合や真円度が低い場合も生じ易
い。

【０００４】この目違いが生じると、図５に示すよう
に、接合された管１５，１６の接合部に０．３〜１．５
ｍｍ程度の段差Ａが形成される。この段差は応力集中源
となり、疲労強度を低下させるだけでなく、管１５，１
６内を流れる流体の流動性をも低下させる。また、外観
も悪い。その他、圧接では管の端面が半径方向に広が
り、口が開くため接合しづらい。

【０００５】本発明は、かかる問題点に鑑みなされたも
のであり、短時間で中空管の接合部に段差を生じさせず
に高い接合強度を得られる中空管の接合方法を提供す
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、接合される
中空管より融点の低いインサートメタルを前記中空管の
軸方向の端部同士で挟み、前記中空管を軸方向に加圧し
つつ、前記中空管の接合部を加熱手段で加熱して前記中
空管を接合する中空管の接合方法であって、前記インサ
ートメタルを前記加熱手段で溶融させ、この溶融された
インサートメタルを加圧された前記中空管の接合面から
その周辺部に排出させて前記接合部にフィレットを形成
して接合部の段差をすべてなだらかにする中空管の接合
方法により上記課題を解決する。

【０００７】本発明によれば、中空管より融点の低いイ
ンサートメタルが挟み込まれているため、インサートメ
タルのみが溶融する温度に接合部が加熱されると、イン
サートメタルが溶融する。ここで、加熱手段とは、高周
波誘導装置、ガス加熱装置その他の加熱装置を意味する
が、本発明に用いる加熱手段としては高周波誘導装置が
最適である。

【０００８】中空管を軸方向に加圧しているので、溶融
したインサートメタルが中空管の接合面から内外の周面
に排出されて接合部の周辺部にフィレット（すみ肉）が
形成される。このフィレット（すみ肉）が加圧により接
合部に形成された段差を被覆して、段差の無い接合部を
形成する。

【０００９】そのため、接合強度の高い接合部を得るこ
とができ、しかも、段差をなだらかにしたことで、応力
集中を生じさせず、疲労強度を向上させる。

【００１０】また、本発明では、上記課題を解決するす
るため、接合される中空管より融点の低いインサートメ
タルを前記中空管の軸方向の端部同士で挟み、前記中空
管を軸方向に加圧しつつ、前記中空管の接合部を加熱手
段で加熱して前記中空管を接合する中空管の接合方法で
あって、前記インサートメタルを８０μｍ以上の厚さに
設けて、前記中空管をこれらの軸方向に少なくとも５Ｍ
Ｐａの圧力で加圧しつつ前記中空管の接合部を前記加熱
手段で加熱して前記インサートメタルを溶融させる中空
管の接合方法により中空管を接合する。

【００１１】本発明によれば、中空管より融点の低いイ
ンサートメタルが挟み込まれているため、インサートメ
タルのみが溶融する温度に接合部が加熱されると、イン
サートメタルが溶融する。本発明についても、加熱手段
として、高周波誘導装置、ガス加熱装置その他の加熱装
置を採用できるが、高周波誘導装置が最適である。

【００１２】中空管を軸方向に５ＭＰａ以上の圧力で加
圧しているので、溶融したインサートメタルが中空管の
接合面から外周面に確実に排出されて外周面にフィレッ
ト（すみ肉）が形成される。このフィレット（すみ肉）
が加圧により接合部に形成された段差を被覆して、段差
の無い接合部を形成する。

【００１３】そのため、接合強度の高い接合部を得るこ
とができ、しかも、段差をなだらかにしたことで、応力
集中を生じさせず、疲労強度を向上させる。

【００１４】８０μｍ以上の厚さにインサートメタルを
設けて挟み込めば、中空管の外周面にフィレット（すみ
肉）を形成させることができるが、厚さを１２０μｍ以
上にすれば、外周面により多くの溶融されたインサート
メタルを排出し、さらになだらかな勾配のフィレット
（すみ肉）を形成できる。

【００１５】なお、本発明にかかる上記中空管の接合方
法において、前記インサートメタルとしてＦｅ−Ｓｉ−
Ｂ成分系メタル及びＮｉ−Ｓｉ−Ｂ成分系メタルの少な
くとも一方を採用すれば、十分なフィレット（すみ肉）
形成を行うことができ、高い結合強度を得ることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１７】図１は、本発明のかかる中空管の接合方法
を実施する装置の概要を示しており、接合される中空管
１，２はこれらの軸方向に連ねられ、軸方向の端面同士
でインサートメタル３を挟み込んで配されている。

【００１８】この装置は、中空管１，２の接合部の近傍
を加熱するとともに、中空管１，２の軸方向に荷重を付
加するもので、中空管１，２の接合部の近傍でこれらの
外周に巻き付けられる加熱コイル４及びこの加熱コイル
に接続された高周波発生装置６からなる高周波誘導装置
と、各中空管１，２を保持してこれらの軸方向に荷重を
付加するためのクランプ５，５とを備えている。このク
ランプ５，５は駆動源８から作動油が供給されて作動す
る。

【００１９】また、この装置は、コントローラ７を有し
ており、接合部の温度調整を行うことが可能となってい
る。コントローラ７には接合部の温度を検出する温度セ
ンサーが接続され、このセンサーからの信号によりコン
トローラ７が温度制御して、接合部が予め設定した温度
以上に過熱されるのを防止している。一方、クランプ
５，５にはコントローラ７に接続されたロードセルなど
の荷重検出センサーが設けられていて、中空管１，２に
付加される荷重を検出し、コントローラ７が中空管１，
２に負荷される荷重を自在に調整できるようになってい
る。

【００２０】かかる装置により、先ず、駆動源８及びク
ランプ５，５を備えた加圧装置によって接合される中空
管１，２をこれらの軸方向に加圧し、その後、加圧状態
を保持しつつ接合部を加熱コイル４で加熱して中空管
１，２を接合する。

【００２１】図２は、中空管１，２に挟み込まれるイン
サートメタル３を示している。このインサートメタル３
は、接合する中空管の管径に応じて適切な大きさのリン
グ状に切断されたもので、ＢやＳｉなどの融点降下元素
を含有する金属が使用される。融点降下元素を含有する
金属の中でも、ぬれ性の良好なＦｅ−Ｓｉ−Ｂ成分系の
金属やＮｉ−Ｓｉ−Ｂ成分系の金属を使用するとよい。

【００２２】このようなインサートメタルを挟み込んで
図１に示した装置に中空管１，２をセットした後、中空
管１，２をその軸方向に５ＭＰａ以上の圧力で、好まし
くは５ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲の圧力で、中空管の材
質、管径又は肉厚等に応じて適切な圧力で加圧する。そ
して、この加圧状態を保持しつつ高周波誘導装置により
接合部を、インサートメタルの溶融する１１００℃以上
に加熱する。この際、加熱する温度は、接合する中空管
の種類や使用するインサートメタルの種類により適宜変
更されるが、好ましくは、１２００〜１３００℃の範囲
で加熱するとよい。

【００２３】以上の接合方法によれば、接合部を加熱す
ると挟み込まれたインサートメタルが溶融する。溶融し
たインサートメタルは中空管の接合面で中空管に作用し
て、その表面層を溶解し、汚染層を分解する。

【００２４】また、中空管は予め５ＭＰａ以上の圧力で
加圧されているので、溶融したインサートメタルが接合
部から中空管の内周面及び外周面に絞り出される。な
お、高い圧力で加圧すると、溶融したインサートメタル
が接合界面の肉厚の中央部分から内外の周縁部へ絞り出
され、融液が接合界面に残留しない。このため、圧接と
同様の状態で中空管１，２が接合され、さらに高い接合
強度を得ることができる。そして、絞り出されたインサ
ートメタルは、両中空管の突き合わせの境界に滞留す
る。その結果、図３に示すように接合部においてその内
周面及び外周面には、その全周に亘りなだらかな傾斜を
有するフィレット（すみ肉）１０，１０が形成される。

【００２５】中空管の接合部を加熱して、その軸方向に
圧力を付加すると、周方向の不均一な線膨張や中空管自
体の不均一な肉厚等の影響で目違いが生じ、接合部に段
差が形成される。図３に示すフィレット（すみ肉）１
０，１０はこの段差部分を被覆して急激な断面形状の変
化が生ずることを防止しする。そのため、接合部に応力
集中が生ずることが無く、疲労破壊の起点になることが
なくなる。

【００２６】中空管の全周に亘り、十分なのど厚のフィ
レット（すみ肉）を形成するには絞り出されるインサー
トメタルの量がある程度必要である。そのため、中空管
に挟み込まれるインサートメタルの厚さを８０μｍ以
上、好ましくは１２０μｍ以上の厚さで、接合する中空
管の材質、管径肉厚等に応じて適切な厚さに設けるとよ
い。インサートメタルの厚さを１２０μｍ以上にすると
図４に示すように、絞り出される溶融したインサートメ
タルの量が多くなり中空管１，２の間に生ずる段差をフ
ィレット（すみ肉）１１，１１が完全に被覆するととも
に、フィレット（すみ肉）１１，１１の脚長がより長く
なり、その傾斜をいっそうなだらかに形成できる。な
お、本実施形態では、板状のインサートメタルを１枚挟
み込んで厚さＬを上記の値以上に形成しているが（図２
参照）、これには限定されず、フィレットを形成させる
に足りる量であれば、板状以外に粒状（成形体を含
む）、粉末状の形状であっても構わない。

【００２７】以上に説明した実施形態では、接合される
中空管をその軸方向に加圧し、その後に加圧した状態を
保持して接合部を加熱する手順による場合を示したが、
本発明は、かかる手順には限定されず、加熱した後に、
この加熱された温度を保持して中空管を加圧したり、加
圧と加熱とを同じタイミングで行っても構わない。な
お、加熱する手段についても高周波誘導装置の他、ガス
加熱装置等その他の加熱装置で加熱しても構わない。ま
た、インサートメタルについてもＦｅ−Ｓｉ−Ｂ成分系
の金属やＮｉ−Ｓｉ−Ｂ成分系の金属以外のものを使用
することを排除するものではない。

【００２８】

【実施例】実施例１ 本発明にかかる中空管の接合方法効果を調査するため、
外径が６０．７ｍｍ、肉厚が３．９ｍｍの鋼管ＳＧＰ５
０Ａを本発明にかかる中空管の接合方法で接合し、接合
部の引張り試験を行った。試験は、インサートメタルの
厚さと、加圧する圧力とを変化させて接合した数種類の
試験片について行った。

【００２９】接合時の条件は、共に、アルゴンガスによ
り接合部の周囲をシールドし、加圧したまま高周波誘導
装置で１３００℃まで加熱し、この状態を２分間保持し
た。なお、使用した鋼管の化学組織を表１の記号Ｒ１
に、インサートメタルの化学組織を表２のＭ１にそれぞ
れ示す。

【００３０】試験結果を表３に示す。この表から明らか
なように、本発明の接合方法で定めた範囲からインサー
トメタルの厚さ又は加圧する圧力のいずれかが外れた場
合には、鋼管の接合面から破断し、また、破断したとき
の応力も低く十分な強度を得ることができなかった。

【００３１】インサートメタルの厚さを４５μｍとして
結合した試験片Ｗ１では、接合部に段差が生じており、
フィレット（すみ肉）も十分に形成されていなかった。
また、１ＭＰａと低い圧力で加圧して接合した試験片Ｗ
２にあっては、破断面に脆いＮｉＢ₃が残留していた。

【００３２】これに対し、インサートメタルの厚さ及び
加圧する際の圧力を本発明にかかる接合方法で定めた範
囲で接合したものは、接合面では破断せず、母材たる鋼
管の部分が破断した。このことから、本発明にかかる接
合方法で鋼管を接合すると母材の引張強度以上の接合強
度を得ることがわかる。

【００３３】実施例２ 本発明にかかる中空管の接合方法効果を調査するため、
外径が１１４．１ｍｍ、肉厚が４．６ｍｍの鋼管ＳＧＰ
１００Ａについても本発明にかかる中空管の接合方法で
接合し、接合部の引張り試験を行った。この試験につい
ても、インサートメタルの厚さと、加圧する圧力とを変
化させて接合した数種類の試験片について行った。

【００３４】接合条件は、いずれも、アルゴンガスによ
り接合部の周囲をシールドし、加圧したまま高周波誘導
装置で１２５０℃まで加熱し、この状態を２分間保持し
た。使用した鋼管の化学組織を表１の記号Ｒ２に、挟み
込んだインサートメタルの化学組織を表２のＭ２にそれ
ぞれ示す。

【００３５】試験結果を表４に示す。この試験の場合に
も、本発明の接合方法で定めた範囲からインサートメタ
ルの厚さ又は加圧する圧力の少なくといずれかが外れた
場合には、鋼管の接合面から破断し、また、破断したと
きの応力も低い。

【００３６】厚さが５０μｍと本発明の接合方法で定め
た範囲外の厚さのインサートメタルで接合した試験片Ｗ
１１では、接合部に段差が残っており、フィレット（す
み肉）も十分に形成されていなかった。また、２ＭＰａ
と低い圧力で加圧して接合した試験片Ｗ１２にあって
は、破断面に脆いＮｉＢ₃が残留していた。

【００３７】これに対し、インサートメタルの厚さ及び
加圧する際の圧力を本発明にかかる接合方法で定めた範
囲で接合したものは、接合面では破断せず、母材たる鋼
管の部分が破断した。本試験からも本発明にかかる接合
方法で鋼管を接合すると母材の引張強度以上の接合強度
を得ることがわかる。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】

【発明の効果】以上、本発明によれば、中空管を長手方
向に連ね、これらの端部を突き合わせて接合する場合、
短時間で段差の無いしかも高い強度の接合部を得ること
ができる。また、段差が生じないので疲労強さも向上す
る。さらに、当該接合方法で接合された中空管を配管と
して使用する場合、内周面に形成されたフィレット（す
み肉）により段差がなだらかになっているので、内部の
流体が円滑に流れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する１実施形態にかかる装置の系
統図。

【図２】中空管でインサートメタルを挟み込む様子を示
す図。

【図３】本発明にかかる方法により中空管の接合部に形
成されたフィレット（すみ肉）の１態様を示す図。

【図４】図３に示すフィレット（すみ肉）を形成したイ
ンサートメタルより厚いものを使用した場合に形成され
たフィレット（すみ肉）の１態様を示す図。

【図５】圧接により生じる接合部の段差を示す図。

【符号の説明】

１，２ 中空管 ３ インサートメタル ４ 加熱コイル ５ クランプ ６ 高周波発生装置 ７ コントローラ ８ 駆動源 １０，１１ フィレット（すみ肉）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 泰弘 神奈川県横浜市鶴見区小野町88番地 日本 鋼管工事株式会社内 (72)発明者 勝木 誠 神奈川県横浜市鶴見区小野町88番地 日本 鋼管工事株式会社内 (72)発明者 金山 潔士 神奈川県横浜市鶴見区小野町88番地 日本 鋼管工事株式会社内 (72)発明者 工藤 勝弘 埼玉県春日部市増戸625−11 (72)発明者 小幡 斎 大阪府和泉佐野市松原２−４−98 (72)発明者 小林 明夫 東京都八王子市長房町440−６ (72)発明者 大石橋 宏次 東京都練馬区立野町33−４ (72)発明者 志田 俊昭 神奈川県海老名市東柏ヶ谷２丁目−17−39 (72)発明者 宮口 茂樹 静岡県沼津市大岡488−１ (72)発明者 染谷 治男 千葉県松戸市五香六実735 (72)発明者 宮田 繁明 大阪府八尾市久宝園３丁目122 (72)発明者 北条 隆 千葉県印旛郡臼井町桜台２−４−701 (72)発明者 山本 征二 神奈川県藤沢市石川６−５−６ (72)発明者 佐鳥 聡夫 神奈川県横浜市緑区白山４−36−７ Ｆターム(参考） 2E125 AA01 AB15 AC16 CA90 EA33 4E067 AA02 AD03 BA05 BB02 BH01 DA13 DA17 DC03 DC04 EC06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合される中空管より融点の低いインサ
   ートメタルを前記中空管の軸方向の端部同士で挟み、前
   記中空管を軸方向に加圧しつつ、前記中空管の接合部を
   加熱手段で加熱して前記中空管を接合する中空管の接合
   方法であって、 前記インサートメタルを前記加熱手段で溶融させ、この
   溶融されたインサートメタルを加圧された前記中空管の
   接合面からその周辺部に排出させて前記接合部にフィレ
   ットを形成して接合部の段差をすべてなだらかにするこ
   とを特徴とする中空管の接合方法。
2. 【請求項２】 接合される中空管より融点の低いインサ
   ートメタルを前記中空管の軸方向の端部同士で挟み、前
   記中空管を軸方向に加圧しつつ、前記中空管の接合部を
   加熱手段で加熱して前記中空管を接合する中空管の接合
   方法であって、 前記インサートメタルを８０μｍ以上の厚さに設けて、
   前記中空管をこれらの軸方向に少なくとも５ＭＰａの圧
   力で加圧しつつ前記中空管の接合部を前記加熱手段で加
   熱して前記インサートメタルを溶融させることを特徴と
   する中空管の接合方法。
3. 【請求項３】 前記インサートメタルを１２０μｍ以上
   の厚さに設けたことを特徴とする請求項２記載の中空管
   の接合方法。