JP2004277856A

JP2004277856A - 高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ装置

Info

Publication number: JP2004277856A
Application number: JP2003073578A
Authority: JP
Inventors: Motoi Kido; 基城戸; Hirofumi Imai; 浩文今井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】パワー密度を制御したレーザによる熱処理を用い、高摩擦係数を持つ高性能なスプライスプレートを安定にしかも高速に製造すること。
【解決手段】切削または転造により製作され、ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つスプライスプレートの上方から集光したレーザ光を走査して熱処理を行うスプライスプレートの焼き入れ装置において、入射したレーザ光を矩形または長楕円に集光するとともに、集光されたレーザビームを前記矩形の短辺方向または前記長楕円の短径方向に偏向させる光学系と、前記光学系から出射されたレーザビームを前記矩形の短辺方向または前記長楕円の短径方向に走査する機構と、走査したレーザ光のスプライスプレートからの反射光を吸収するパワーダンパーを有することを特徴とする高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築、橋梁などにおける構造の摩擦接合に利用される高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置に関するものである。特に、高摩擦係数を持つ高性能なスプライスプレートをレーザ処理により安価でしかも高速に製造可能とする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築用鋼材などを直列に接合する際は、被接合鋼材を突き合わせて、その両側にスプライスプレートを添えてボルトで締め付けて接合する、いわゆる、高力ボルト摩擦接合が一般的に採用されている。高力ボルト摩擦接合において、日本建築学会の設計施工指針では、接合耐力上重要となる摩擦面は、黒皮除去された良好な赤錆面で、すべり係数が０．４５を上回る処理を施すこと、また、すべり係数はすべり耐力試験により確認する必要があるとしている。通常、良好な赤錆状態であれば、すべり係数は０．４５を上回ることが知られているが、錆生成状態が環境等の原因で異なることによりばらつきが発生し、未達となる可能性がある。このため、鋼材表面に赤錆を発生させる方法の他に、特許文献１にあるように接合面に転造等の加工法で凹凸を付ける方法などが提案されている。このときの凹凸部は、その本来の目的である摩擦力を向上させるため高周波加熱法などで表面処理がなされていた。
【０００３】
しかし、これらの表面処理方法では凹凸部を全面処理するため、高硬度が必要な凸部以外の凹部も硬化することはさけられなかった。このため、スプライスプレート部に引っ張り、曲げ、剪断成分が加わる場合、凹部より亀裂進展しスプライスプレートが割れる等の問題があった。また、スプライスプレート全面にわたって硬化に充分な熱を入れるために、冷却時に変形しスプライスプレートの必要項目である全てのボルト回りでの押しつけが不充分となり、ひいては隙間の発生等で、充分な摩擦接合が得られないという問題もあった。
【０００４】
そこで、上記課題する手法として特許文献２に記載される、パワー密度を制御したレーザによる熱処理を用い、高摩擦係数を持つ高性能なスプライスプレートを安価にしかも高速に供給可能とするレーザ熱処理方法が提案されている。しかし、レーザ熱処理法においては、レーザ光のプレートからの反射が１０％〜２０％にのぼる為、反射光により伝送光学素子および光学素子調整部に蓄熱が発生し、長時間安定照射が困難である問題点があった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２４７８３１号公報
【特許文献２】
特開２００３−２８１２８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題に対し伝送光学素子および光学素子調整部における蓄熱を防止し、長時間安定照射を可能とする高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために矩形または長楕円に集光された照射レーザビームを偏向し、照射を行うことで伝送光学素子および光学素子調整部における蓄熱を防止し、長時間安定照射を可能とするもので、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）切削または転造により製作され、ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つスプライスプレートの上方から集光したレーザ光を走査して熱処理を行うスプライスプレートの焼き入れ装置において、入射したレーザ光を矩形または長楕円に集光するとともに、集光されたレーザビームを前記矩形の短辺方向または前記長楕円の短径方向に偏向させる光学系と、前記光学系から出射されたレーザビームを前記矩形の短辺方向または前記長楕円の短径方向に走査する機構と、走査したレーザ光のスプライスプレートからの反射光を吸収するパワーダンパーを有することを特徴とする高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置と、
（２）前記光学系により偏向させる角度が５度から１５度としたことを特徴とする（１）に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置と、
（３）前記光学系が、レーザビームを一軸方向に集光する第１光学素子と、集光されたレーザビームを集光方向と直角方向に左右入れ替えて重畳させる第２光学素子と、レーザビームを集光方向と直角方向に広げる第３光学素子と、レーザビームを集光方向に偏向させる第４光学素子とで構成される（１）または（２）に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置と、
（４）前記光学系が、レーザビームを集光方向と直角方向に左右入れ替えて重畳させる第２光学素子と、レーザビームを集光方向と直角方向に広げる第３光学素子と、レーザビームを一軸方向に集光しかつ光軸中心を集光方向に偏向させる第５光学素子とで構成される（１）または（２）に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明に関わるスプライスプレートは切削、または転造により製作された凹凸が図１（ａ）に示すように、ボルト孔１の回りにボルト径の略３倍の領域に連続した同心円状に付与されている。この為凸部頂点２は母材から突き出しており、ボルトの締め付けにより被接合鋼材に食い込み滑り係数を増加させる構造になっている。そのスプライスプレートの凸部の頂点先端から凸部高さの１／２が処理前母材の表面硬さよりも２倍程度硬くなっていることで、食い込み効果がより顕著なものになっている。これに対し、凹部底部近傍、および凹凸部以外の部分の硬度は焼き入れ前の硬度と略同一となっている。この為、スプライスプレート自体の引張強度、疲労強度等の機械特性は熱処理により変化せず設計値通りの特性を安定に得ることができるものである。
【０００９】
この為、このスプライスプレートの製造法は母材全体を加熱し選択的な熱処理を行うことのできない高周波加熱等の熱処理では不可能で、図２に示すように、レーザビームを長楕円形または矩形に集光し高パワー密度のビームを表面走査させることにより１パスにて熱処理を行うことで可能となるものである。この際、スプライスプレート上表面には吸収効率を上げる為に、例えばカーボンや、窒化ボロン等のレーザ光に対して吸収の良い塗料を用いることが一般に行われている。しかし、この塗料によっても完全にレーザ光を吸収することはできず、一部が反射する。この反射光は、図３にある通り光学系にほぼ垂直に再入射するため、光学素子または光学治具、引いてはレーザ発振器まで到達し、前記部位にて一部に蓄熱作用が発生し、特にレーザ光を長時間照射する場合、熱歪み等の影響で光学系変形し不安定となる、または破壊することが問題となっていた。
【００１０】
このため本発明に於いては、長時間処理時の装置安定の目的でスプライスプレートに入射するレーザビームをプレート面に対し偏向させたレーザビームで処理を行うものである。この偏向の量は、概ね５度〜１５度が望ましい。それ以下の角度であれば入射光学系に反射レーザ光が一部戻り上記の効果が得られなくなり、それ以上の角度では焼き入れ部分に偏りが発生する為、製品の機械強度に異方性発生し円形に凹凸形状を持つプレートの特徴が失われてしまう問題が発生する。
【００１１】
図４と、図５にレーザビームの、焼き入れ時の昇温シミュレーション結果を示す。図４は、本発明による１０度偏向されたレーザビームを用いた条件で、図５は垂直入射条件である。このシミュレーションで用いた条件は、レーザパワーが１０ｋＷ、被加工材上でのビーム形状は７０ｍｍ×２ｍｍの矩形形状である。スキャン速度はビーム短辺と平行な方向に２ｍ／ｍｉｎの速度である。被加工材は、炭素量が０．３５％の機械構造用炭素鋼であり、凸部より凹部までの高さが２ｍｍであり、頂角６０°である突起を持つスプライスプレートである。シミュレーション結果は、その部分の達する最高温度が等高線上に表示されている。被加工材の凸部は、凹部比べ容易に加熱され硬化に必要な変態点となる。この例では、変態点は８５０℃である。本発明によるレーザビームを用いれば、焼き入れ時の昇温カーブには若干の偏りは発生するが、変態点である８５０℃の点はほとんど変化がなく。ほぼ均一な焼き入れとなっている。ちなみに、変態点からの変態終了点であるＭｓ点（約４５０℃）までの冷却速度は約０．３秒で焼き入れに必要な速度は充分であった。この為、上記の切削、転造等で作られた凹凸を持つスプライスプレートにおいて凸部のみ高硬度化することが可能となった。
【００１２】
このレーザビームを形成する際に用いた光学系の例を図６に示す。第１光学素子２０は短辺方向にレーザを集光するためのシリンドリカルレンズであり、このレンズと被加工物１４の距離を変えることにより、照射ビームの短辺の長さを変更可能である。第２光学素子２１は凸部を持つプリズムで、第１光学素子２０で一軸圧縮されたレーザビームを左右入れ替えて重畳させることが可能である。プリズムと被加工物の距離を変えることにより左右の入れ替えの度合いを変更でき、パワー密度分布を調整可能である。第３光学素子２２は長辺方向にレーザを広げるためのシリンドリカルレンズであり、この光学素子と被加工物１４の距離を変えることにより照射ビームの長辺の長さを変更可能である。第４光学素子２３はビームを偏向させるための光学素子の一例であり、素子の頂角を選定することにより所望の偏向を得ることができる。これらの光学素子の設置順序は必ずしも例示したものに限らない。また、第４光学素子は図７に示すように反射鏡によっても構成可能である。
【００１３】
上記偏向させたレーザビームの反射光を蓄熱させず安全に吸収する為に、水冷された吸収性セラミック、または吸収塗料が塗布された金属等よりなるパワーダンパー２５を図６に示すビームが正反射する位置に設置する。この吸収体の大きさとしては、正反射するビームの大きさの約２倍以上が必要である。これ以下の大きさでは凹凸部からの散乱による反射光を完全に吸収しきれないからである。
【００１４】
図８は本発明による光学系の別例である。第２光学素子２１は凸部を持つプリズムで、入射いたレーザビームを中心で分割し左右入れ替えて重畳させることが可能である。プリズムと被加工物の距離を変えることにより左右の入れ替えの度合いを変更でき、パワー密度分布を調整可能である。第３光学素子２２は長辺方向にレーザを広げるためのシリンドリカルレンズであり、この光学素子と被加工物の距離を変えることにより照射ビームの長辺の長さを変更可能である。第５光学素子２４はレーザビームを一軸方向に集光し、かつ光軸中心を集光方向に偏向させる光学素子の一例であり、中心軸をずらしたシリンドリカルレンズである。この素子の中心軸ずらし量と、焦点距離を選定することにより所望の集光と偏向を得ることができる。
【００１５】
この処理に用いるレーザビームは図９に示される低次のマルチモードを持ったレーザビームであり、光学系は、透過型光学素子以外に集光ミラー系とルーフトップミラーを用いて構成することも可能である。また、図示してはいないが、各光学素子にはその位置調整を行う調整機構も設置されている。
【００１６】
【実施例】
図１０に示す通り、全長５００ｍｍ、全幅２００ｍｍ、板厚１５ｍｍである鋼板上に、６０ｍｍ径の転造加工された同心円上突起が８ヶ所で、凸部より凹部までの高さが２ｍｍであり、頂角６０°である転造突起を持つスプライスプレートに対し、レーザ出力が１０ｋＷである炭酸ガスレーザを用い、光学系としては第１光学素子として焦点距離３００ｍｍのシリンドリカルレンズを被加工材表面より２９０ｍｍ位置に設置し、第２光学素子として頂角１７９度のプリズムを被加工材表面より２５０ｍｍに設置し、第３光学素子として焦点距離−１００ｍｍのシリンドリカルレンズを被加工材表面より１２０ｍｍ位置に設置した。偏向のために１５度の楔形光学素子を挿入し、ビームを用いてスプライスプレート表面に鉛直方向から１０度偏向させて照射した。照射位置に於けるレーザビームは長辺７０ｍｍ、短辺２ｍｍの矩形状に集光された。また、レーザビームが正反射する位置に吸収部として、長辺１４０ｍｍ、短辺１０ｍｍ、５ｍｍ厚さの水冷された吸収性アルミナセラミックを設置した。上記、レーザビームで短辺と平行方向に走査して焼き入れ処理を、４ヶずつ２列に分けて行った。被加工材は、表面にレーザ吸収率を向上させるためにカーボン系の吸収剤を塗布した、カーボン量が０．３５％の機械構造用炭素鋼を用いた。スキャン速度を、２ｍ／ｍｉｎとしたときの凸部の硬化分布は任意の凹凸部に於いて図１１となり、凸部の頂点先端から凸部高さの約５０％が処理前母材の表面硬さであるＨｖ２００に対して２倍以上のＨｖ５００となり、光学系への蓄熱による加工不安定点もなかった。また、冷却後のスプライスプレートは溶融、反り等の変形は皆無であった。また、このスプライスプレートを曲げ試験を行った結果は、熱処理前の疲労特性と同等で、凹部よりの亀裂伸展等は皆無であった。
【００１７】
ここで用いた、レーザの照射位置に於けるビーム形状は矩形であったが、長楕円等の長手方向に均一なパワー密度を持つ形状のビームでも処理は可能である。また、突起形状、サイズが変化した場合にも、用いるレーザのパワーと、集光ビーム形状、走査速度を変化させることにより、同様のメカニズムで突起部のみを硬化させることは可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によりボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つ高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート熱処理において、伝送光学素子および光学素子調整部における蓄熱を防止し、長時間安定照射を可能とすることが可能となり大表面のスプライスプレートが製作可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスプライスプレートのボルト孔付近の形状説明図である。
【図２】本発明によりレーザ熱処理したスプライスプレートとレーザビームの位置の略図。
【図３】焼き入れ処理用光学系の例。
【図４】本発明によるスプライスプレートの処理時に於ける昇温シミュレーションの結果。
【図５】従来法によるスプライスプレートの処理時に於ける昇温シミュレーションの結果。
【図６】本発明で用いた熱処理用光学系の例。
【図７】本発明で用いた熱処理用光学系の例。
【図８】本発明で用いた熱処理用光学系の例。
【図９】本発明で合成された熱処理用レーザビームのパワー密度分布。
【図１０】本発明によりレーザ熱処理したスプライスプレートの全体略図。
【図１１】本発明の熱処理で得られたスプライスプレートの硬度測定結果。
【符号の説明】
１ボルト孔２凸部頂点
３凹部底４レーザ光
１０焼き入れ部１２ビーム長辺
１３ビーム短辺１４被加工物
１５ビーム幅２０第１光学素子
２１第２光学素子２２第３光学素子
２３第４光学素子２４第５光学素子
２５パワーダンパー

Claims

切削または転造により製作され、ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つスプライスプレートの上方から集光したレーザ光を走査して熱処理を行うスプライスプレートの焼き入れ装置において、入射したレーザ光を矩形または長楕円に集光するとともに、集光されたレーザビームを前記矩形の短辺方向または前記長楕円の短径方向に偏向させる光学系と、前記光学系から出射されたレーザビームを前記矩形の短辺方向または前記長楕円の短径方向に走査する機構と、走査したレーザ光のスプライスプレートからの反射光を吸収するパワーダンパーを有することを特徴とする高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。
前記光学系により偏向させる角度が５度から１５度としたことを特徴とする請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。
前記光学系が、レーザビームを一軸方向に集光する第１光学素子と、集光されたレーザビームを集光方向と直角方向に左右入れ替えて重畳させる第２光学素子と、レーザビームを集光方向と直角方向に広げる第３光学素子と、レーザビームを集光方向に偏向させる第４光学素子とで構成される請求項１または請求項２に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。
前記光学系が、レーザビームを集光方向と直角方向に左右入れ替えて重畳させる第２光学素子と、レーザビームを集光方向と直角方向に広げる第３光学素子と、レーザビームを一軸方向に集光しかつ光軸中心を集光方向に偏向させる第５光学素子とで構成される請求項１または請求項２に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。