JP2017003115A - スタットボルト、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主として構造物に多数のスタッドボルトを接合する場合等において、施工能率が高い等の種々の面で施工性が良好で、施工コストを大幅に低減することができ、かつ接合品質を確保することが容易なスタッドボルト、及びその製造方法を提供する。【解決手段】被接合材に対して摩擦接合により接合されるスタッドボルトであり、軸部２の下端にアール部３を介して拡径されたフランジ部４を有し、フランジ部４の下面中心位置に円錐状突起５が一体に形成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、被接合材に対して摩擦接合により接合される摩擦接合用のスタッドボルト、及びその製造方法に関し、特に、使用中に振動や温度変動による熱応力などが原因で、接合部に繰り返し荷重を受ける部位に使用して好適な摩擦接合用のスタッドボルト、及びその製造方法に関する。

スタッドボルトは、電気エネルギーを用いるアークスタッド溶接法により被接合材に溶接接合するのが一般的である。
ところで、例えばトンネル内壁への防音材取り付けや看板の取り付け用として、トンネル内壁に固定した鋼材に炭素鋼のスタッドボルトを取り付けることが行われているが、その際のスタッドボルトの取り付けにも、アークスタッド溶接法が用いられている。この場合、作業者は可搬式のスタッド溶接ガンを用いてスタッドボルトの取り付けを行っている。
また、例えばＬＮＧ船に設置されたＬＮＧタンクの外面に保冷材を取り付けるためにタンク外面にスタッドボルトを取り付ける際にも、アークスタッド溶接法が用いられている。

上記のトンネル内壁鋼材やＬＮＧタンク等の構造物に取り付けられる従来のスタッドボルトは、真直丸棒であり、実際の構造物に取り付けた場合、接合部に多数の繰り返し荷重を受けた場合には破壊を生じる惧れがある。

また、アークスタッド溶接法では、溶接終了後に必然的にバリやスパッタが生じるが、このばりを残置すれば疲労破壊の起点となるので、バリやスパッタの除去作業が必要で、その除去に多大な労力と経費が必要であり、施工コストが高いものとなる。また、溶接工の技量により接合部の品質が左右されるので、その管理が必要で、この点でも施工コストが高くなる。

上記のトンネル内壁鋼材やＬＮＧタンク等の構造物に取り付けられるスタッドボルトの数は膨大であり、施工性が良好で、施工コストが安く、接合品質の確保が容易なスタッドボルトが望まれている。

本発明は、上記背景のもとになされたもので、主として構造物に多数のスタッドボルトを接合する場合等において、施工能率が高い等の種々の面で施工性が良好で、施工コストを大幅に低減することができ、かつ接合品質を確保することが容易なスタッドボルト、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する請求項１の発明は、被接合材に対して摩擦接合により接合されるスタッドボルトであって、軸部の下端にアール部を介して拡径されたフランジ部を有することを特徴とする。

請求項２は、請求項１のスタッドボルトにおいて、前記フランジ部の下面中心位置に円錐状突起が一体に形成されていることを特徴とする。

請求項３は、請求項１又は２記載のスタッドボルトにおいて、前記軸部に、棒状部材を連結するための軸部上端面に開口する棒状部材挿入穴を設けたことを特徴とする。

請求項４は、請求項１〜３のいずれか1項のスタッドボルトにおいて、前記棒状部材挿入穴がネジ穴であり、前記棒状部材の先端部がネジ部であることを特徴とする。

請求項５は、請求項１〜４のいずれか1項のスタッドボルトにおいて、長さが１００ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項６は、請求項１〜５のいずれか1項のスタッドボルトにおいて、材質がアルミニウム合金又は炭素鋼であることを特徴とする。

請求項７は、請求項１〜６のいずれか1項のスタッドボルトにおいて、ＬＮＧタンクの外面に保冷材を取り付けるためにタンク外面に固定して用いられることを特徴とする。

請求項８は、請求項１〜６のいずれか1項のスタッドボルトにおいて、トンネルの内壁に固定した鋼材に吸音材を取り付けるために、前記鋼材に固定して用いられることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか1項のスタッドボルトを製造するスタッドボルトの製造方法であって、鍛造又は鋳造により製造することを特徴とする。

本発明のスタッドボルトによれば、固相状態で接合する摩擦接合により被接合材に接合されるので、アークスタッド溶接法による場合と異なりバリやスパッタが発生せず、したがって、その除去に多大な労力と経費が無用となり、施工期間を短縮することができ、また施工コストを大幅に低減できる。
また、摩擦接合法は摩擦接合機側で適切な条件をすることで接合品質を確保でき、作業者の技量で接合品質が左右されることが少ないので、安定した接合品質を確保することが容易である。したがって、接合品質確保のための管理が容易であり、この点でも施工コストが低減される。

また、被接合材に接合される部分が、軸部の下端からアール部を介して拡径されたフランジ部であり、このアール部の存在で応力集中を回避することができ、特に振動等による多数の繰り返し応力が作用するような箇所に適用した場合には、疲労破壊を有効に防止することができる。

本発明の一実施例のスタッドボルトを示すもので、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ断面図、（ハ）は（イ）のＢ部拡大図である。 本発明の他の実施例のスタッドボルトを示すもので、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のＣ−Ｃ断面図である。 スタッドボルトのアール部の形状を得るために用いたノイバーの応力集中係数図である。

以下、本発明のスタッドボルト、及びその製造方法を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例のスタッドボルト１を示すもので、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ断面図、（ハ）は（イ）のＢ部拡大図である。
このスタッドボルト１は、被接合材に対して摩擦接合により接合されるスタッドボルトであり、図示の通り、軸部２の下端にアール部３を介して拡径されたフランジ部４を有している。各部はいずれも円形断面である。なお、アール部３は実施例では円弧を回転させた面（仮に円弧回転面と呼ぶ）である。
また、前記フランジ部４の下面中心位置に円錐状突起５が一体に形成されている。

スタッドボルト１の軸部の直径をｄ、フランジ部４の直径をＤ、全体の高さ（長さ）をＨで示す。
図１（イ）のＢ部を拡大した図１（ハ）において、フランジ部４の底面４ａと軸部２の外径位置からフランジ部４の底面４ａに降ろした垂線（破線で示す）との交点をＰ、フランジ部４の底面４ａにおける外径位置をＥ、アール部３の軸部２側の端をＱ、アール部３のフランジ部４側の端をＧで示す。また、フランジ部４の高さ（Ｇ−Ｅ間距離）をｇ、フランジ部４の半径と軸部２の半径との差（Ｐ−Ｅ間距離）をｅ、アール部３の軸部２側の端Ｑの高さ位置（Ｑ−Ｐ間距離）をｆで示す。
また、実施例では前記のように断面が円弧であるアール部３の曲率半径をｒで示す。

本発明では、アール部３の形状を応力集中を極めて有効に防止できる形状とする。アール部３は、図３に示したノイバーの応力集中係数図を利用し、以下のような手順で設計することができる。
（イ）ノイバーの応力集中係数図（図３）からＤ/ｄの値に対応する回帰直線を求める。
回帰直線を求める具体的の方法は後述する。
（ロ）別途行った疲労試験データから「応力振幅―繰返し数」の関係を求める。
（ハ）要求される「応力振幅−繰返し数」に対し応力集中係数の許容値を決定する。
（ニ）前記（イ）で求めた関係を基に、使用するスタッドボルトの軸部直径ｄに対するアール部３の曲率半径ｒを求める。
（ホ）スタッドボルトのフランジ部高さ（図１（ハ）の寸法ｇ）を決定する。
なお、ｇは例えばボルト径ｄ＝６〜１６ｍｍφの場合、０．４〜２．０ｍｍφが望ましい。
（ヘ）スタッドボルトの全長Ｈはスタッドボルトの使用目的ないし使用態様に応じて設定する（要求される長さとする）。ただし、全長Ｈは３ｄ〜８ｄが望ましい。

以下に、アルミニウム合金A5083を用いたスタッドボルトの例を示す。
アルミニウム合金A5083の場合、応力集中係数1.08で、応力振幅１００ＭＰａにおいて疲労寿命は１０^７回であるとする。
フランジ部直径Ｄと軸部直径ｄとの比Ｄ／ｄの各場合について、アール部曲率半径ｒと軸部直径ｄとの比ｒ／ｄを横軸、応力集中係数Ｋ_tを縦軸としていずれも通常目盛で表しているノイバーの応力集中係数図を、横軸・縦軸とも対数目盛で表した両対数表示とし、最小二乗法により回帰直線を得る。
例えば、Ｄ／ｄ＝１．２、又は１．５の各場合について両対数表示で表した式（回帰直線）は次の通りとなる。
Ｄ／ｄ＝１．２の時
LogKt=−0.2193Log(r/d)+0.0228 (R²=0.96) ・・・（１）
Ｄ／ｄ＝１．５の時
LogKt=−0.2641Log(r/d)+0.015 (R²=0.99) ・・・（２）
となる。
従ってＫ_t＝1.08のときは（１）式においてはr/d=0.9、 (2)式においてはr/d=0.85となる。
これらをもとにボルトの形状寸法を決定する。
式（１）を求めた具体的な要領について説明すると、ノイバーの応力集中係数図におけるフランジ部直径Ｄと軸部直径ｄとの比Ｄ／ｄが１．２の曲線について、横軸ｒ／ｄ＝0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30の各値に対応する縦軸Ktの値をノイバーの応力集中係数図から直接読み取り、各々の値を両対数グラフにプロットし、最小二乗法により、式（１）を得た。
式（２）についても同じ要領で得た。

アール部３の形状（図１（ハ）のＱ−Ｇ部の曲線）は、r/d=0.9の場合、図１においてＰ点を原点とするｘ−ｙ座標によれば、次式で表わされる。
（ｘ−0.9d）²+(y-0.45d)²=(0.9d)² ・・・（３）
仮に、フランジ部の高さｇ＝0.05dとした場合（但し、ｇは摩擦接合条件によって決定される）、（３）式でｙ＝0.05dを代入すると、ｘ＝0.95ｄとなるから、フランジ部半径と軸部半径との半径差ｅ＝0.09dとなる。
従って、フランジ部４の直径Ｄは、Ｄ＝1.18dとなる。
なお、本発明はこれらの実施例の数値は限定されるものではなく、ボルト材質、ボルト径、長さ、被接合材の材質、板厚、表面形状、その他の諸条件に応じて適切な数値を選定することができる。

実施例では、フランジ部４の下面の円錐状突起５の形状を、高さ0.2d、半径0.2dの円錐形としている。
スタッドボルトを摩擦接合機で被接合材に接合する場合、スタッドボルトを高速回転させるので、可搬式の摩擦接合機を用いてスタッドボルトの接合を行おうとすると、被接合材に対するスタッドボルトの位置が安定しない。
そこで、被接合材におけるスタッドボルトを接合しようとする箇所の中心位置に予め小さな窪みを形成し、この窪みに前記円錐状突起５を挿入した上でスタッドボルトを高速回転させて、摩擦接合する。これにより、被接合材に対するスタッドボルトの位置が固定され、摩擦接合作業が容易になる。

前述したトンネル内壁鋼材やＬＮＧタンク等の構造物に取り付けるスタッドボルトとして、上記のようにアール部３を適切な形状に設定して応力集中発生を効果的に抑制できるスタッドボルトを用い、これを摩擦接合法により構造物等に接合した場合、必要とされる（使用される）スタッドボルトの数は膨大なので、施工コスト軽減の効果、接合品質の確保の容易さの効果は極めて大きい。

種々の軸部直径ｄに対する各部の寸法を表１に示す。

図２に他の実施例のスタッドボルト１１を示す。
この実施例のスタッドボルト１１は、図１のスタッドボルト１における軸部２に、その上端面に開口するネジ穴７を設けたものである。
このスタッドボルト１１によれば、長いスタッドボルトが必要となる場合に、スタッドボルト１１を前述した要領で被接合材に接合した後、先端部にネジ部８ａを形成した棒状部材８を前記ネジ穴７にねじ込むことで、長いスタッドボルトを接合したものと同等になる。
なお、スタッドボルトにネジ穴を設けるのではなく単なる深穴を設けてもよい。この場合は、棒状部材側もネジ部ではなく、前記単なる深穴に嵌合する細径棒状部を設け、細径棒状部を単なる深穴に嵌合させ、強力な接着剤を用いて接着するとよい。

上述のスタッドボルト１、１１の製造方法は特に限定されないが、例えば熱間鍛造により製造することができる。
この場合、鍛造素材はスタッドボルトの質量の例えば１．０５倍程度の丸棒鍛造素材を用いて製造するとよい。
鍛造用金型は、アルミニウム合金のスタッドボルトを製造する場合には、熱間工具鋼を用い、上型としてはスタッドボルト１のフランジ部４、アール部３、及び軸部２を成形する形状のもの、下型としてはフランジ部４から下の部分（円錐状突起部５の部分）を成形できるものを用い、300℃〜400℃の温度で実施するとよい。

また、鋳造により製造することも可能である。
さらに、切削加工により製造することも可能である。

１ スタッドボルト
２ 軸部
３ アール
４ フランジ部
４ａ （フランジ部の）底面
５ 円錐状突起
ｄ （スタッドボルトの）軸部直径
Ｄ （スタッドボルトの）フランジ部直径
Ｈ （スタッドボルト全体の）高さ（長さ）
ｒ アール部３の曲率半径
Ｐ （フランジ部底面と軸部外径位置からフランジ部底面に降ろした垂線との交点）Ｐ
Ｅ フランジ部底面におけるフランジ部外径位置、
Ｑ アール部３の軸部側の端
Ｇ アール部３のフランジ部側の端
ｇ フランジ部の高さ（Ｇ−Ｅ間距離）
ｅ フランジ部半径と軸部径との差（Ｐ−Ｅ間距離）
ｆ アール部３の軸部側の端Ｑの高さ位置（Ｑ−Ｐ間距離）

Claims (9)

1. 被接合材に対して摩擦接合により接合されるスタッドボルトであって、
   軸部の下端にアール部を介して拡径されたフランジ部を有することを特徴とするスタッドボルト。
2. 前記フランジ部の下面中心位置に円錐状突起が一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載のスタッドボルト。
3. 前記軸部に、棒状部材を連結するための軸部上端面に開口する棒状部材挿入穴を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のスタッドボルト。
4. 前記棒状部材挿入穴がネジ穴であり、前記棒状部材の先端部がネジ部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載のスタッドボルト。
5. 長さが１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載のスタッドボルト。
6. 材質がアルミニウム合金又は炭素鋼であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか1項に記載のスタッドボルト。
7. ＬＮＧタンクの外面に保冷材を取り付けるためにタンク外面に固定して用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか1項に記載のスタッドボルト。
8. トンネルの内壁に固定した鋼材に吸音材を取り付けるために、前記鋼材に固定して用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか1項に記載のスタッドボルト。
9. 請求項１〜８のいずれか1項のスタッドボルトを製造するスタッドボルトの製造方法であって、鍛造又は鋳造により製造することを特徴とするスタッドボルトの製造方法。

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