JP2018001244A - Joining method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a rupture in a joint from taking place before a rupture in a dented steel pipe body takes place, when a casing shoe and the dented steel pipe are joined by frictional pressure welding.SOLUTION: In a joining method, an end surface 502c of a dented steel pipe and an end surface 501c of a casing shoe different in material from the dented steel pipe are joined together by frictional pressure welding. The joining method satisfies the inequalities (101)-(103): t>t(101); D/D≥1.02 (102); and V/V≤2.05 (103).SELECTED DRAWING: Figure 11

Description

本発明は、摩擦圧接によりケーシングシューと窪み付き鋼管とを接合させた場合において、窪み付き鋼管本体の破断が生じる前に接合部での破断が生じることを防止することを可能とする接合方法に関する。   The present invention relates to a joining method capable of preventing breakage at a joint portion before a breakage of a hollow steel pipe main body occurs when a casing shoe and a hollow steel pipe are joined by friction welding. .

軟弱な地盤を対象とするトンネル等の掘削工事においては、トンネル掘削面の地山を補強するための土木用鋼管が用いられる。このような土木用鋼管は、複数の鋼管が管軸方向に接続されることにより構成される。当該土木用鋼管を地盤のより深くまで打設することにより、地山がより強固に補強される。   In excavation work such as tunnels for soft ground, civil engineering steel pipes are used to reinforce the natural ground on the tunnel excavation surface. Such a steel pipe for civil engineering is configured by connecting a plurality of steel pipes in the pipe axis direction. By placing the civil engineering steel pipe deeper in the ground, the natural ground is reinforced more firmly.

しかし、複数の鋼管を管軸方向に接合するための接合部は、鋼管の肉厚部よりも薄く形成されたり、溶接等により軟化したりすることが多い。これにより、当該接合部の強度が鋼管の強度よりも低くなり得る。これにより、掘削工事において、土木用鋼管に与えられる衝撃力により、当該接合部の破断が生じ得る。このような接合部の破断を防止するために、当該接合部の強度を維持するための接合に係る技術が要求されており、これまでに種々の接合に係る技術が開発されている。   However, a joint for joining a plurality of steel pipes in the pipe axis direction is often formed thinner than a thick part of the steel pipe or softened by welding or the like. Thereby, the intensity | strength of the said junction part can become lower than the intensity | strength of a steel pipe. Thereby, in excavation work, the joint may be broken by an impact force applied to the steel pipe for civil engineering. In order to prevent such breakage of the joint part, a technique related to joining for maintaining the strength of the joint part is required, and various techniques related to joining have been developed so far.

下記特許文献1には、鋼管を接続するためのねじ継手部について、ねじ継手部の肉厚を鋼管本体よりも厚くし、またはねじ継手部の材質を鋼管本体よりも硬い材質を用いたねじ継手部についての技術が開示されている。かかる技術により、ねじ継手部の破断を防ぐことができる。また、下記特許文献2には、継手用鋼管と窪み付き鋼管とを摩擦圧接することにより接続するための技術が開示されている。かかる技術により、継手用鋼管の肉厚を大きくすることなく、優れた継手強度を有する土木用鋼管を得ることができる。   In Patent Document 1 below, for a threaded joint for connecting a steel pipe, the threaded joint is thicker than the steel pipe body, or the threaded joint is made of a material harder than the steel pipe body. The technology about the part is disclosed. Such a technique can prevent the threaded joint from being broken. Patent Document 2 below discloses a technique for connecting a steel pipe for joint and a steel pipe with a recess by friction welding. With this technique, it is possible to obtain a civil engineering steel pipe having excellent joint strength without increasing the thickness of the joint steel pipe.

特開2011−7000号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-7000 特開2014−181551号公報JP 2014-181551 A

ところで、トンネル等の掘削工事においては、土木用鋼管と、掘削用ビットを内部に収容するケーシングシューとを接合させて得られる鏡ボルトが用いられる。この鏡ボルトがトンネル掘削面(鏡面)に対して打設されることにより地山が補強され、鏡面の崩壊を防止することができる。   By the way, in excavation work such as a tunnel, a mirror bolt obtained by joining a steel pipe for civil engineering and a casing shoe that accommodates an excavation bit therein is used. The mirror bolt is driven against the tunnel excavation surface (mirror surface) to reinforce the natural ground and prevent the mirror surface from collapsing.

このような鏡ボルトにおいては、通常のストレート鋼管ではなく、窪み付き鋼管(例えば、ディンプル鋼管)が用いられることが多い。窪み付き鋼管とは、管側面に窪み部を有する鋼管である。この窪みにより、窪み付き鋼管の地盤との高付着力が発揮される。よって、窪み付き鋼管が接合された鏡ボルトを用いることにより、粘性が低い地盤を有する地山をより確実に補強することが可能となる。   In such a mirror bolt, a hollow steel pipe (for example, a dimple steel pipe) is often used instead of a normal straight steel pipe. A steel pipe with a depression is a steel pipe having a depression on the side surface of the pipe. By this depression, a high adhesion force with the ground of the steel pipe with the depression is exhibited. Therefore, it becomes possible to more reliably reinforce a natural ground having a ground having a low viscosity by using a mirror bolt to which a steel pipe with a recess is joined.

鏡ボルトに用いられるケーシングシューと窪み付き鋼管とは、例えば摩擦圧接により接合される。この摩擦圧接により、部材間の金属結合が促進され、かつ、金属表面に存在する酸化皮膜、汚れおよび吸着ガス等が外部に排出される。つまり、2つの部材が強固に結合されるため、摩擦圧接により生成された接合部は、2つの部材と同程度の強度を有し得る。   The casing shoe used for the mirror bolt and the hollow steel pipe are joined by, for example, friction welding. By this friction welding, metal bonding between the members is promoted, and oxide film, dirt, adsorbed gas and the like existing on the metal surface are discharged to the outside. That is, since the two members are firmly coupled, the joint generated by the friction welding can have the same strength as the two members.

しかし、単純に2つの部材を摩擦圧接させて得られた鏡ボルトは、掘削工事等において衝撃力が鏡ボルトに作用した場合に、鏡ボルトの管体(窪み付き鋼管)より先に摩擦圧接により作製された接合部が先に破断するといった問題が生じていた。   However, the mirror bolt obtained by simply friction-welding the two members is friction-welded before the mirror bolt tube (steel tube with a recess) when impact force acts on the mirror bolt in excavation work or the like. There has been a problem that the produced joint portion is broken first.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、摩擦圧接によりケーシングシューと窪み付き鋼管とを接合させた場合において、窪み付き鋼管本体の破断が生じる前に接合部での破断が生じることを防止することを可能とする、新規かつ改良された接合方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to break the hollow steel pipe body with a hollow when the casing shoe and the hollow steel pipe are joined by friction welding. It is an object of the present invention to provide a new and improved joining method that makes it possible to prevent breakage at the joint before it occurs.

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、窪み付き鋼管の端面と、上記窪み付き鋼管とは異なる材質を有するケーシングシューの端面とを摩擦圧接により接合する接合方法であって、下記式(101)〜(103)を満たす、接合方法が提供される。   In order to solve the above-described problem, according to an aspect of the present invention, there is provided a joining method of joining an end surface of a hollow steel pipe and an end surface of a casing shoe having a material different from the hollow steel pipe by friction welding. A joining method that satisfies the following formulas (101) to (103) is provided.

SA>t ・・・(101)
SA/DPO≧1.02 ・・・(102)
/V≦2.05 ・・・(103)
t SA > t P (101)
D SA / D PO ≧ 1.02 (102)
V S / V P ≦ 2.05 (103)

ここで、
SA:上記ケーシングシューの接合側の端面における肉厚[mm]
:上記窪み付き鋼管の肉厚[mm]
SA:上記ケーシングシューの接合側の端面における外径[mm]
PO:上記窪み付き鋼管の端面における外径[mm]
:上記ケーシングシューの接合側の端面から管軸方向に15mmの位置までにおける上記ケーシングシューの体積[mm
:上記窪み付き鋼管の接合側の端面から管軸方向に15mmの位置までにおける上記窪み付き鋼管の体積[mm
である。
here,
t SA : Thickness [mm] at the end face on the joining side of the casing shoe
t P : Wall thickness [mm] of the above-described steel pipe with a recess
D SA : outer diameter [mm] at the end face on the joint side of the casing shoe
D PO : outer diameter [mm] at the end face of the steel pipe with the above-mentioned depression
V S : Volume of the casing shoe [mm 3 ] from the end surface on the joint side of the casing shoe to a position of 15 mm in the tube axis direction.
VP : Volume of the hollow steel pipe [mm 3 ] from the end surface on the joining side of the hollow steel pipe to a position of 15 mm in the pipe axis direction
It is.

上記ケーシングシューの接合側の端面から管軸方向に長さLの位置までにおける上記ケーシングシューの外径が、上記ケーシングシューの接合側の端面における外径DSAであってもよい。 The outer diameter of the casing shoe in the end surface of the joint side of the casing shoe to the position of length L A in the tube axis direction may be the outer diameter D SA of the end face of the bonding side of the casing shoe.

上記ケーシングシューの内径DSI[mm]は、上記窪み付き鋼管の窪みの最深部における内径DPD[mm]以下であってもよい。 The inner diameter D SI [mm] of the casing shoe may be equal to or less than the inner diameter D PD [mm] at the deepest portion of the recess of the steel pipe with the recess.

上記ケーシングシューまたは上記窪み付き鋼管のいずれかを回転させて上記ケーシングシューの端面と上記窪み付き鋼管の端面とを所定時間擦り合わせ、上記回転を停止させてから0.1秒以内に、上記ケーシングシューと上記窪み付き鋼管とに対して管軸方向にアプセット推力を加えてもよい。   Either the casing shoe or the hollow steel pipe is rotated so that the end face of the casing shoe and the end face of the hollow steel pipe are rubbed together for a predetermined time, and the rotation is stopped within 0.1 second after the rotation is stopped. Upset thrust may be applied to the shoe and the hollow steel pipe in the tube axis direction.

上記構成によれば、式(101)〜(103)の条件を満たす場合、管軸方向の引張荷重が接合された窪み付き鋼管およびケーシングシューに作用した場合に、接合部における破断が生じるより先に、窪み付き鋼管本体での破断を生じさせることができる。したがって、摩擦圧接により接合された窪み付き鋼管およびケーシングシューの接合部が窪み付き鋼管以上の強度を有することができ、接合部での破断を防止できる。   According to the said structure, when satisfy | filling the conditions of Formula (101)-(103), when the tensile load of a pipe-axis direction acts on the steel pipe with a hollow and casing shoe which were joined, before the fracture | rupture in a junction part arises In addition, it is possible to cause a break in the steel pipe main body with a recess. Therefore, the steel pipe with a recess joined by friction welding and the joint part of a casing shoe can have the intensity | strength more than a steel pipe with a recess, and the fracture | rupture in a junction part can be prevented.

以上説明したように本発明によれば、摩擦圧接によりケーシングシューと窪み付き鋼管とを接合させた場合において、窪み付き鋼管本体の破断が生じる前に接合部での破断が生じることを防止することを可能とする。   As described above, according to the present invention, when the casing shoe and the hollow steel pipe are joined by friction welding, it is possible to prevent the fracture at the joint before the hollow steel pipe main body breaks. Is possible.

本実施形態に係る鏡ボルトを示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the mirror bolt which concerns on this embodiment. 引張試験により接合部破断が生じた鏡ボルトの接合部の拡大断面写真である。It is an expanded cross-sectional photograph of the junction part of the mirror bolt in which the junction part fracture | rupture produced by the tension test. 図2に示した鏡ボルトと同条件にて摩擦圧接により接合された鏡ボルトの接合部の拡大断面写真である。It is an expanded sectional photograph of the junction part of the mirror bolt joined by friction welding on the same conditions as the mirror bolt shown in FIG. 二面間距離D(mm)および第1の接合面の傾き角θ(°)の定義を説明するための断面写真である。It is a cross-sectional photograph for explaining the definition of the distance between two surfaces D (mm) and the inclination angle θ (°) of the first joint surface. 各供試体の破断結果、二面間距離Dおよび傾き角θの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fracture | rupture result of each test body, the distance D between two surfaces, and inclination-angle (theta). FEAによる摩擦圧接シミュレーションモデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the friction welding simulation model by FEA. 従来の形状を有するケーシングシューおよび鋼管の各モデル構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of each model structure of the casing shoe which has the conventional shape, and a steel pipe. FEAによる摩擦圧接解析後の、従来モデルのケーシングシューおよび鋼管の接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the maximum temperature distribution at the time of the shape change in the junction part of the casing shoe and steel pipe of a conventional model after the friction welding analysis by FEA. 接合側の端部において全厚の形状を有するケーシングシューおよび鋼管の各モデル構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of each model structure of the casing shoe and steel pipe which have the shape of full thickness in the edge part by the side of joining. FEAによる摩擦圧接解析後の、全厚モデルのケーシングシューおよび鋼管の接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the maximum temperature distribution at the time of the shape change in the junction part of the casing shoe and steel pipe of a full thickness model after the friction welding analysis by FEA. 接合側の端部の形状が改良されたケーシングシューおよび鋼管の各モデル構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of each model structure of the casing shoe and the steel pipe with which the shape of the edge part by the side of joining was improved. FEAによる摩擦圧接解析後の、改良モデルのケーシングシューおよび鋼管の接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the maximum temperature distribution at the time of the shape change in the junction part of a casing shoe and a steel pipe of an improved model after the friction welding analysis by FEA. 外径比DSA/DPOと傾き角θの関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the outer diameter ratio D SA / D PO and inclination angle theta. 当接部におけるケーシングシューの端部近傍および鋼管の端部近傍の体積の定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the volume of the edge part vicinity of the casing shoe in a contact part, and the edge part vicinity of a steel pipe. 体積比V/Vと二面間距離Dの関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the volume ratio V S / V P and dihedral distance D. 本実施形態に係る接合方法が満たす条件を示すための図である。It is a figure for showing the conditions which the joining method concerning this embodiment fulfills. 式(1)〜(3)を満たすケーシングシューおよび窪み付き鋼管を摩擦圧接により接合させて作製された鏡ボルトの接合部の拡大断面写真である。It is an expanded sectional photograph of the junction part of the mirror bolt produced by joining the casing shoe which satisfy | fills Formula (1)-(3), and the steel pipe with a dent by friction welding. ケーシングシューの接合側の端部の内径DSIと窪み付き鋼管の窪みの最深部における内径DPDの関係を説明するための接合部の拡大断面図である。It is an enlarged sectional view of a joint portion for explaining the relationship between inner diameter D PD at the deepest portion of the recess of the inner diameter D SI and depression-steel pipe ends of the joint side of the casing shoe. インターバルを短縮させた場合における、改良モデルに対するFEAによる摩擦圧接解析後のケーシングシューおよび鋼管の接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the maximum temperature distribution at the time of the shape change in the junction part of the casing shoe and the steel pipe after the friction welding analysis by FEA with respect to an improved model at the time of shortening an interval.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, the duplicate description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

<<1.本発明の背景>>
<1.1.鏡ボルトの構成>
まず、図1を参照して、本発明の一実施形態に係る鏡ボルト1の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る鏡ボルト1を示す概要図である。
<< 1. Background of the invention >>
<1.1. Configuration of mirror bolt>
First, with reference to FIG. 1, the structure of the mirror bolt 1 which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a schematic diagram showing a mirror bolt 1 according to the present embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る鏡ボルト1は、ケーシングシュー2と、窪み付き鋼管3とを含む。ケーシングシュー2と窪み付き鋼管3とは、摩擦接合によって作製された接合部4を介して接合される。   As shown in FIG. 1, a mirror bolt 1 according to the present embodiment includes a casing shoe 2 and a steel pipe 3 with a recess. The casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3 are joined via a joint 4 made by friction joining.

ケーシングシュー2は、中空の管状部材である。ケーシングシュー2は、鏡ボルト1の先端に設けられ、地山の補強に係る施工時において、未掘削の地盤に当接する。これにより、ケーシングシュー2の内部に挿通され、先端に掘削用ビッドを備えるロッドが保護される。掘削用ビッドによる掘削処理の際に、ケーシングシュー2は掘削による衝撃を大きく受けるので、引張強度など、機械的特性に優れた材質により形成されることが好ましい。本実施形態に係るケーシングシュー2は、例えば、SCM435のクロムモリブデン鋼により形成される。   The casing shoe 2 is a hollow tubular member. The casing shoe 2 is provided at the tip of the mirror bolt 1 and abuts against the unexcavated ground at the time of construction related to the reinforcement of the natural ground. As a result, the rod that is inserted into the casing shoe 2 and includes the excavation bid at the tip is protected. During the excavation process using the excavation bid, the casing shoe 2 is greatly affected by excavation, and therefore, it is preferable that the casing shoe 2 be formed of a material having excellent mechanical properties such as tensile strength. The casing shoe 2 according to the present embodiment is made of, for example, SCM435 chrome molybdenum steel.

窪み付き鋼管3は、管体表面に凹凸を有する鋼管であり、鋼管と土砂との付着力を増加させる目的で使用される。図1には、窪み付き鋼管3の一例として、ディンプル鋼管が図示されている。この窪み付き鋼管3は、ディンプル鋼管に限定されるものではなく、例えば、段付き鋼管であってもよい。なお、本実施形態に係る窪み付き鋼管3は、例えば、STK400の一般構造用炭素鋼管である。   The hollow steel pipe 3 is a steel pipe having irregularities on the surface of the pipe body, and is used for the purpose of increasing the adhesion between the steel pipe and earth and sand. In FIG. 1, a dimple steel pipe is illustrated as an example of the hollow steel pipe 3. This hollow steel pipe 3 is not limited to a dimple steel pipe, but may be a stepped steel pipe, for example. In addition, the steel pipe 3 with a dent which concerns on this embodiment is the carbon steel pipe for general structures of STK400, for example.

図1の吹き出しは、接合部4近傍におけるケーシングシュー2および窪み付き鋼管3の断面図を示す。摩擦圧接直後は、接合部4の内側面および外側面に、アプセット処理により押し出された酸化物または不純物等を含むバリが生じるが、当該バリは摩擦圧接後に適宜除去される。そのため、吹き出しに示すように、一般的に摩擦圧接後の鏡ボルト1において、ケーシングシュー2の接合側の端面におけるケーシングシュー2の外径と、窪み付き鋼管3の接合側の端面における窪み付き鋼管3の外径とは同一となる。   The blowout in FIG. 1 shows a cross-sectional view of the casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3 in the vicinity of the joint 4. Immediately after the friction welding, burrs containing oxides or impurities extruded by the upset process are generated on the inner side surface and the outer side surface of the joint portion 4, but the burrs are appropriately removed after the friction welding. Therefore, as shown in the balloon, generally, in the mirror bolt 1 after friction welding, the outer diameter of the casing shoe 2 at the end face on the joining side of the casing shoe 2 and the hollow steel pipe at the end face on the joining side of the steel pipe 3 with the depression. The outer diameter of 3 is the same.

なお、図1では省略されているが、窪み付き鋼管3のケーシングシュー2との当接面と異なる端部は、他の鋼管と接合されている。他の鋼管との接合には、例えばねじ継手等が用いられる。このようなねじ継手として、例えば、窪み付き鋼管3の端部に直接的にねじを切削加工するピン・ボックスタイプのねじ継手が設けられてもよいが、窪み付き鋼管3の断面は異径であるため、継手強度を確保することが困難となる。そのため、窪み付き鋼管3の端部に取り付けられるねじ継手として、管体とは別途に切削加工された継手部を窪み付き鋼管3の端部に摩擦圧接などで接合して取り付けるタイプのねじ継手を使用することが好ましい。この窪み付き鋼管3へのねじ継手の摩擦圧接については、例えば上記特許文献2に開示されている接合方法が用いられてもよい。   Although omitted in FIG. 1, the end of the hollow steel pipe 3 with a recess that is different from the contact surface with the casing shoe 2 is joined to another steel pipe. For joining with other steel pipes, for example, a threaded joint or the like is used. As such a threaded joint, for example, a pin / box type threaded joint that directly cuts a screw may be provided at the end of the recessed steel pipe 3, but the recessed steel pipe 3 has a different cross section. Therefore, it is difficult to ensure the joint strength. Therefore, as a threaded joint that is attached to the end of the steel pipe 3 with a recess, a threaded joint that is attached by joining a joint that has been cut separately from the pipe body to the end of the steel pipe 3 with a recess by friction welding or the like. It is preferable to use it. For the friction welding of the threaded joint to the hollow steel pipe 3, for example, a joining method disclosed in Patent Document 2 may be used.

本実施形態に係る鏡ボルト1の内部には不図示のロッドが挿通され、当該ロッドの先端に不図示の掘削用ビットが取り付けられる。この鏡ボルト1が地山に打設された状態において掘削用ビットが地山に対して衝撃を加えることにより、掘削が行われる。   A rod (not shown) is inserted into the mirror bolt 1 according to the present embodiment, and an excavation bit (not shown) is attached to the tip of the rod. Excavation is performed when the excavation bit applies an impact to the natural ground in a state where the mirror bolt 1 is driven in the natural ground.

<1.2.摩擦圧接と接合部の破断に関する問題>
本実施形態に係るケーシングシュー2と窪み付き鋼管3とは、上述したように摩擦圧接により接合される。摩擦圧接では、まず、2つの部材の当接面を高速で擦りあわせ、摩擦熱をケーシングシュー2および窪み付き鋼管3の接合側の端部に生じさせることにより、表層の金属を溶融させる(摩擦発熱処理)。その後、管軸方向にアプセット推力(圧縮力)を加える(アプセット処理)ことにより、当該2つの部材が接合される。この摩擦圧接により、部材間の金属結合が促進され、かつ、金属表面に存在する酸化皮膜、汚れ等の夾雑物、および吸着ガス等が外部に排出される。これにより、摩擦圧接により生成された接合部は、2つの母材と同程度の強度を有し得る。
<1.2. Problems related to friction welding and fracture of joints>
The casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3 according to the present embodiment are joined by friction welding as described above. In friction welding, first, the contact surfaces of two members are rubbed together at high speed, and frictional heat is generated at the end portion on the joining side of the casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3 to melt the surface metal (friction). Exothermic treatment). Then, the two members are joined by applying an upset thrust (compression force) in the tube axis direction (upset process). By this friction welding, metal bonding between members is promoted, and an oxide film, contaminants such as dirt, adsorbed gas and the like existing on the metal surface are discharged to the outside. Thereby, the joint part produced | generated by friction welding can have a comparable strength as two base materials.

この摩擦圧接は、同種金属の部材を接合させるだけではなく、異種金属の部材を接合させることも可能である。そのため、本発明者らは、摩擦圧接を用いてケーシングシュー2と窪み付き鋼管3とを接合することにより鏡ボルト1を作製し、当該鏡ボルト1をトンネル掘削工事の地盤補強に適用させた。   In this friction welding, not only members of the same kind of metal but also members of different kinds of metal can be joined. Therefore, the present inventors made a mirror bolt 1 by joining the casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3 using friction welding, and applied the mirror bolt 1 to ground reinforcement for tunnel excavation work.

しかしながら、摩擦圧接により得られた鏡ボルト1を用いてトンネル掘削工事の地山の補強工事を行った際に、掘削用ビットによる掘削中の衝撃荷重により、鏡ボルト1の接合部4が破断するという例が散見された。そのため、本発明者らは、接合部4の破断の原因を調べるために、複数の鏡ボルト1について管軸方向への引張試験を行い、窪み付き鋼管3の管体における破断(管体破断)または接合部4における破断(接合部破断)の現象に関する検討を行った。   However, when the ground work for tunnel excavation work is reinforced using the mirror bolt 1 obtained by friction welding, the joint 4 of the mirror bolt 1 breaks due to the impact load during excavation by the excavation bit. There were some examples. Therefore, in order to investigate the cause of the breakage of the joint 4, the present inventors conduct a tensile test in the tube axis direction on the plurality of mirror bolts 1 and break the tubular body of the hollow steel tube 3 (tubular breakage). Or examination about the phenomenon of fracture (joint fracture) in joint 4 was performed.

本発明者らは、まず、接合部4の破断が生じた鏡ボルト1の接合部4の状態について観察を行った。図2は、引張試験により接合部破断が生じた鏡ボルト1の接合部4の拡大断面写真である。図2には、ケーシングシュー2と窪み付き鋼管3との接合部4において、破断面40が生じていることが分かる。   The inventors first observed the state of the joint 4 of the mirror bolt 1 in which the joint 4 was broken. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional photograph of the joint portion 4 of the mirror bolt 1 in which the joint portion is broken by the tensile test. In FIG. 2, it can be seen that a fracture surface 40 is generated at the joint 4 between the casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3.

次に、本発明者らは、接合部破断が生じた鏡ボルト1と同条件にて摩擦接合された鏡ボルト1の接合部4を観察した。図3は、図2に示した鏡ボルト1と同条件にて摩擦圧接により接合された鏡ボルト1の接合部4の拡大断面写真である。図3に示すように、接合部4には二つの接合面(ケーシングシュー2に近い方から、第1の接合面41、第2の接合面42)が分離して存在することが分かる。また、第1の接合面41が、窪み付き鋼管3の内側面から外側面にかけてケーシングシュー2の本体方向に傾いている状態であることが分かる(本明細書においてこの傾きの状態を「外側に傾いている」状態と定義する)。   Next, the inventors observed the joint 4 of the mirror bolt 1 that was friction-joined under the same conditions as the mirror bolt 1 in which the joint fracture occurred. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional photograph of the joint 4 of the mirror bolt 1 joined by friction welding under the same conditions as the mirror bolt 1 shown in FIG. As shown in FIG. 3, it can be seen that two joint surfaces (first joint surface 41 and second joint surface 42 from the side closer to the casing shoe 2) exist separately in the joint portion 4. Moreover, it turns out that the 1st joining surface 41 is the state which inclines in the main body direction of the casing shoe 2 from the inner surface to the outer surface of the hollow steel pipe 3 with a hollow (in this specification, the state of this inclination is referred to as "outside. Defined as "tilted").

このような接合面の分離および外側への傾きは、例えば上記特許文献2において開示された窪み付き鋼管と、窪み付き鋼管と同材であるねじ継手との摩擦圧接による接合部においては観察されていない。一方で、単純に窪み付き鋼管3と、窪み付き鋼管と異材であるケーシングシュー2とを摩擦圧接したときに、図3に示したような接合面の分離、および第1の接合面41の外側への傾きが生じていたことが確認された。このような接合面の分離および外側への傾きがある場合に、接合部4の強度が低くなり、破断が起きやすくなると、本発明者らは推測した。   Such separation of the joint surface and inclination to the outside have been observed, for example, in a joint portion formed by friction welding between a hollow steel pipe disclosed in Patent Document 2 and a threaded joint that is the same material as the hollow steel pipe. Absent. On the other hand, when the hollow steel pipe 3 is simply friction-welded with the hollow steel pipe 3 and the casing shoe 2 which is a different material, the separation of the joint surfaces as shown in FIG. It was confirmed that there was an inclination to The inventors inferred that when there is such separation of the joint surfaces and inclination to the outside, the strength of the joint 4 is reduced and breakage is likely to occur.

そこで、本発明者らは、上述した2つの接合面の分離および第1の接合面41の傾きについてより定量的に評価し、鏡ボルト1において接合部破断が生じる場合の条件について検証した。図4は、2つの接合面間距離(二面間距離)D(mm)および第1の接合面41の傾き角θ(°)の定義を説明するための断面写真である。図4に示すように、二面間距離Dは、窪み付き鋼管3の肉厚中心において、第1の接合面41および第2の接合面42の管軸に平行な距離である。また、傾き角θは、管軸方向に直交する面43に対する、第1の接合面41のケーシングシュー2の本体方向への傾斜角度を示す値である。この傾き角θは、図4に示すような外側への傾きの場合に正値となり、内側への傾き(外側面から内側面にかけてのケーシングシュー2の本体方向への傾き)の場合に負となる。   Therefore, the present inventors have quantitatively evaluated the separation of the two joint surfaces and the inclination of the first joint surface 41 described above, and have verified the conditions when the joint fracture occurs in the mirror bolt 1. FIG. 4 is a cross-sectional photograph for explaining the definition of the distance between two bonding surfaces (distance between two surfaces) D (mm) and the inclination angle θ (°) of the first bonding surface 41. As shown in FIG. 4, the distance D between the two surfaces is a distance parallel to the tube axis of the first joint surface 41 and the second joint surface 42 at the thickness center of the steel tube 3 with the recess. Further, the inclination angle θ is a value indicating an inclination angle of the first joint surface 41 in the main body direction of the casing shoe 2 with respect to the surface 43 orthogonal to the tube axis direction. This inclination angle θ is a positive value in the case of an outward inclination as shown in FIG. 4, and is negative in the case of an inward inclination (inclination toward the main body of the casing shoe 2 from the outer surface to the inner surface). Become.

本発明者らは、複数の鏡ボルト1の供試体について引張試験を行い、引張による各供試体の破断の結果、並びに、図4に示した定義に基づいて測定された二面間距離Dおよび第1の接合面41の傾き角θの関係について検証した。図5は、各供試体の破断結果、二面間距離Dおよび傾き角θの関係を示すグラフである。○は窪み付き鋼管3の管体で破断した供試体のプロットを示し、×は接合部4で破断した供試体のプロットを示す。   The present inventors perform a tensile test on a plurality of specimens of the mirror bolt 1, and the results of the fracture of each specimen by tension, as well as the distance D between the two surfaces measured based on the definition shown in FIG. The relationship of the inclination angle θ of the first bonding surface 41 was verified. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the fracture result of each specimen, the distance D between two surfaces, and the inclination angle θ. ○ indicates a plot of the specimen fractured at the tubular body of the hollow steel pipe 3, and × indicates a plot of the specimen fractured at the joint 4.

図5に示したように、二面間距離Dが0.5mm以下であり、かつ傾き角θが8°以下である供試体については、全て管体破断である結果が得られた。したがって、接合部4における二面間距離Dが0.5mm以下となり、かつ傾き角θが8°以下となるように、ケーシングシュー2と窪み付き鋼管3とを摩擦圧接させることにより、鏡ボルト1の接合部4における破断をより確実に回避することができると考えられる。   As shown in FIG. 5, all the specimens having the distance D between the two surfaces of 0.5 mm or less and the inclination angle θ of 8 ° or less obtained a result of tubular fracture. Accordingly, the mirror bolt 1 is obtained by friction-welding the casing shoe 2 and the hollow steel pipe 3 so that the distance D between the two surfaces at the joint 4 is 0.5 mm or less and the inclination angle θ is 8 ° or less. It is considered that breakage at the joint 4 can be avoided more reliably.

そこで本発明者らは、二面間距離Dが0.5mm以下となり、かつ傾き角θが8°以下となる接合部4を作製するための摩擦圧接による接合方法について、FEA(Finite Element Analysis;有限要素解析)を用いて検討した。具体的には、本発明者らは、ケーシングシュー2の接合側の端部における形状について種々の検討を行い、上記条件を満たすための当該形状を見出した。以下、FEAによる解析結果に基づく本実施形態に係る接合方法の条件について説明する。   Therefore, the present inventors have used FEA (Finite Element Analysis; FEA) as a joining method by friction welding for producing the joint 4 in which the distance D between the two faces is 0.5 mm or less and the inclination angle θ is 8 ° or less. Finite element analysis). Specifically, the present inventors have conducted various studies on the shape of the end portion on the joining side of the casing shoe 2 and have found the shape that satisfies the above conditions. Hereinafter, conditions of the joining method according to the present embodiment based on the analysis result by FEA will be described.

<<2.FEAによる解析結果に基づく本実施形態に係る接合方法の条件>>
<2.1.解析条件>
本発明者らは、FEAによる摩擦圧接シミュレーションモデルを構築して解析を行い、解析結果に基づいて、接合部4における接合面の分離および外側への傾きが生じる理由について検討した。また、本発明者らは、その解析結果に基づいて、摩擦圧接により作製された接合部4での破断の発生を防止することが可能である接合方法の条件について検討した。まず、FEAの解析条件について説明する。
<< 2. Conditions of joining method according to this embodiment based on analysis result by FEA >>
<2.1. Analysis conditions>
The inventors of the present invention constructed and analyzed a friction welding simulation model by FEA, and examined the reason why separation of the joint surface and inclination to the outside occur in the joint portion 4 based on the analysis result. Moreover, the present inventors examined the conditions of the joining method that can prevent the occurrence of breakage at the joint 4 produced by friction welding based on the analysis result. First, FEA analysis conditions will be described.

図6は、FEAによる摩擦圧接に関するシミュレーションモデル10の一例を示す図である。シミュレーションモデル10は、ケーシングシューモデル20(以下、単にケーシングシュー20と呼称する)、鋼管モデル30(以下、単に鋼管30と呼称する)、およびクランプモデル90を備える。ケーシングシュー20の管軸方向における一の端面は鋼管30の管軸方向における一の端面と当接している。この当接面の近傍の領域は当接部50と定義される。また、鋼管30の外側面は、クランプモデル90の内側面と当接している。これらのモデルは、管軸対称のソリッドモデルであり、ケーシングシュー20と鋼管30との当接部50以外の部位においては、それぞれ均一のソリッドにより構成されている。また、当接部50に含まれるケーシングシュー20および鋼管30の部位は、後図で示すように、ケーシングシュー20と鋼管30との摩擦圧接により生じ得る熱および応力の解析をより詳細に行うために、より細かいソリッドにより構成される。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a simulation model 10 relating to friction welding by FEA. The simulation model 10 includes a casing shoe model 20 (hereinafter simply referred to as a casing shoe 20), a steel pipe model 30 (hereinafter simply referred to as a steel pipe 30), and a clamp model 90. One end surface in the tube axis direction of the casing shoe 20 is in contact with one end surface in the tube axis direction of the steel pipe 30. A region in the vicinity of the contact surface is defined as the contact portion 50. Further, the outer surface of the steel pipe 30 is in contact with the inner surface of the clamp model 90. These models are tube-axisymmetric solid models, and the portions other than the contact portion 50 between the casing shoe 20 and the steel pipe 30 are each formed of a uniform solid. Further, the parts of the casing shoe 20 and the steel pipe 30 included in the abutting portion 50 are used to analyze in more detail the heat and stress that can be generated by the friction welding between the casing shoe 20 and the steel pipe 30 as shown in the following figure. In addition, it is composed of finer solids.

なお、以下のFEAを用いたシミュレーションにおいて用いられる寸法に関する定数は以下の通りである。
ケーシングシュー20の管軸方向の長さL(mm)=84mm。
鋼管30の管軸方向の長さL(mm)=500mm。
ケーシングシュー20の接合側の端面から管軸方向に長さL(mm)以上離れた位置におけるケーシングシュー20の外径DSO(mm)=82.6mm。
ケーシングシュー20の接合側の端面における内径DSI(mm)=62.56mm。
鋼管30の外径DPO(mm)=76.3mm。
鋼管30の肉厚t(mm)=4.5mm。
In addition, the constant regarding the dimension used in the simulation using the following FEA is as follows.
The length L S (mm) of the casing shoe 20 in the tube axis direction = 84 mm.
Length L P (mm) of the steel pipe 30 in the tube axis direction = 500 mm.
The outer diameter D SO (mm) of the casing shoe 20 at a position separated from the end surface on the joining side of the casing shoe 20 by a length L A (mm) or more in the tube axis direction = 82.6 mm.
Inner diameter D SI (mm) at the end surface on the joining side of the casing shoe 20 = 62.56 mm.
The outer diameter D PO (mm) of the steel pipe 30 = 76.3 mm.
The thickness t P (mm) of the steel pipe 30 is 4.5 mm.

以下のFEAを用いた解析では、解析対象に応じて、ケーシングシュー20の接合側の端面から管軸方向に長さL(mm)以内における外径DSA(mm)および肉厚tSA(mm)、並びにケーシングシュー20の接合側の端面からの管軸方向における長さLがパラメータとして適宜変更された。なお、ケーシングシュー20の接合側の端面における肉厚tSAは、鋼管30の肉厚tよりも大きいことが要求される。これは、鋼管30が窪み付き鋼管である場合において、鋼管30の外径および内径が窪み面の有無に応じて変化する場合においても、鋼管30の接合側の端面をケーシングシューの接合側の端面により確実に当接させるためである。 In the following analysis using the FEA, the outer diameter D SA (mm) and the wall thickness t SA (within a length L A (mm) in the tube axis direction from the end surface on the joining side of the casing shoe 20 according to the analysis target. mm), and the length L a in the tube axis direction from the end face of the bonding side of the casing shoe 20 is appropriately changed as a parameter. Note that the wall thickness t SA on the end surface on the joining side of the casing shoe 20 is required to be larger than the wall thickness t P of the steel pipe 30. This is because, when the steel pipe 30 is a hollow steel pipe, the end face on the joining side of the casing shoe is used as the end face on the joining side of the steel pipe 30 even when the outer diameter and the inner diameter of the steel pipe 30 change depending on the presence or absence of the recessed face. This is to ensure contact.

本実施形態に係るFEAでは、摩擦圧接に関して温度応力連成解析が行われた。摩擦圧接による摩擦発熱は、当接面(衝合面)の節点における反力に比例する。具体的には、摩擦圧接により発生するジュール熱は27J/(sec・mm)である。また、ケーシングシュー20の材質はSCM435であり、鋼管30の材質はSTK400であることが想定されている。本実施形態に係るFEAでは、これらの材質の有する引張強度、降伏応力、破壊靱性および比熱等の公知の物性値が解析パラメータとして入力される。 In the FEA according to the present embodiment, a temperature-stress coupled analysis was performed on the friction welding. The frictional heat generated by friction welding is proportional to the reaction force at the node of the contact surface (abutting surface). Specifically, Joule heat generated by friction welding is 27 J / (sec · mm 2 ). Further, it is assumed that the material of the casing shoe 20 is SCM435 and the material of the steel pipe 30 is STK400. In the FEA according to the present embodiment, known physical property values such as tensile strength, yield stress, fracture toughness, specific heat and the like of these materials are input as analysis parameters.

FEAにおける摩擦圧接の工程は、摩擦発熱工程とアプセット工程からなる。摩擦発熱工程では、ケーシングシュー20または鋼管30のいずれかを回転させることにより、ケーシングシュー20と鋼管30との当接面における摺動に基づく摩擦発熱が生じ、当該摩擦発熱により2つの部材の当接面近傍の部位が軟化する。その際、管軸方向には圧縮力が付与されている。なお、当該FEAでは、回転摺動による摩擦発熱による各部材の熱に関する挙動は模擬的に解析される。摩擦発熱工程は所定時間(例えば5秒〜15秒)行われる。摩擦発熱工程の終了時において相対回転が急停止し、インターバル(摩擦発熱工程の終了時点である回転の停止から、アプセット工程が開始されるまでの時間)が設けられた後にアプセット工程が実行される。アプセット工程では、摩擦発熱工程時において付与された圧縮力よりも高い圧縮力が2つの部材に管軸方向に付与される。なお、摩擦発熱工程とアプセット工程のインターバルは、本実施形態に係るFEAでは0.55秒とした。   The friction welding process in FEA includes a frictional heat generation process and an upset process. In the frictional heat generation process, either the casing shoe 20 or the steel pipe 30 is rotated to generate frictional heat based on sliding on the contact surface between the casing shoe 20 and the steel pipe 30, and the frictional heat generation causes the two members to contact each other. The part near the contact surface softens. At that time, a compressive force is applied in the tube axis direction. In the FEA, the behavior related to the heat of each member due to frictional heat generated by rotational sliding is simulated. The frictional heat generation step is performed for a predetermined time (for example, 5 to 15 seconds). The relative rotation suddenly stops at the end of the frictional heat generation process, and the upset process is executed after an interval (time from the stop of the rotation at the end of the frictional heat generation process to the start of the upset process) is provided. . In the upset process, a compressive force higher than the compressive force applied in the frictional heat generation process is applied to the two members in the tube axis direction. Note that the interval between the frictional heat generation step and the upset step is 0.55 seconds in the FEA according to the present embodiment.

<2.2.従来モデルの解析>
まず、従来モデルのケーシングシューを用いた摩擦圧接の解析結果について説明する。図7は、従来の形状を有するケーシングシュー51aおよび鋼管52aの各モデル構成の一例を示す図である。図7に示したケーシングシュー51aを「従来モデル」と呼称する。図7に示すように、ケーシングシュー51aの接合側の端面501aと鋼管52aの接合側の端面502aとが当接している。また、ケーシングシュー51aは、接合側の端面501aにおいて、鋼管52aと同一の外径を有している。すなわち、ケーシングシュー51aの外周面と鋼管52aの外周面とが、当接面において管軸方向に連続している。この従来モデルのケーシングシュー51aを用いた摩擦圧接の解析が行われた。本解析において、DSA=76.3mm、tSA=6.87mm、およびL=16mmとした。
<2.2. Analysis of conventional model>
First, the analysis result of the friction welding using the casing shoe of the conventional model will be described. FIG. 7 is a diagram showing an example of each model configuration of a casing shoe 51a and a steel pipe 52a having a conventional shape. The casing shoe 51a shown in FIG. 7 is referred to as a “conventional model”. As shown in FIG. 7, the end surface 501a on the joining side of the casing shoe 51a is in contact with the end surface 502a on the joining side of the steel pipe 52a. Moreover, the casing shoe 51a has the same outer diameter as the steel pipe 52a in the end surface 501a on the joining side. That is, the outer peripheral surface of the casing shoe 51a and the outer peripheral surface of the steel pipe 52a are continuous in the tube axis direction on the contact surface. The friction welding using the conventional model casing shoe 51a was analyzed. In this analysis, D SA = 76.3 mm, t SA = 6.87 mm, and L A = 16 mm.

図8は、FEAによる摩擦圧接解析後の、従来モデルのケーシングシュー51aおよび鋼管52aの接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。図8を参照すると、まず、衝合面(当接面)53aが外側に傾いていることが分かる。また、温度分布の稜線54aが、衝合面53aよりも鋼管52a側に位置していることが分かる。この温度分布の稜線54aは、摩擦熱による金属部材の軟化が最も促進されていると考えられるため、アプセット処理時において径方向へのせん断が生じるアプセット面に相当すると考えられる。つまり、温度分布の稜線54aは、アプセット面54aに相当する。この衝合面53aおよびアプセット面54aは、例えば、図3に示した接合部4の第1の接合面41および第2の接合面42にそれぞれ相当すると考えられる。つまり、これらの結果は、例えば図3に示したような鏡ボルト1の接合部4の状態を再現している。本発明者らは、まず、図8に示された解析結果から、衝合面53aの傾きについて検討した。   FIG. 8 is a diagram showing an example of the shape change and the maximum temperature distribution at the time of upsetting in the joint portion of the casing shoe 51a and the steel pipe 52a of the conventional model after the friction welding analysis by FEA. Referring to FIG. 8, it can be seen that the abutting surface (contact surface) 53a is inclined outward. It can also be seen that the ridge line 54a of the temperature distribution is located on the steel pipe 52a side with respect to the abutting surface 53a. The ridge line 54a of this temperature distribution is considered to correspond to an upset surface in which shearing in the radial direction occurs during upset processing because the softening of the metal member due to frictional heat is considered to be most promoted. That is, the ridge line 54a of the temperature distribution corresponds to the upset surface 54a. The abutting surface 53a and the upset surface 54a are considered to correspond to, for example, the first joining surface 41 and the second joining surface 42 of the joining portion 4 shown in FIG. That is, these results reproduce the state of the joint 4 of the mirror bolt 1 as shown in FIG. 3, for example. The inventors first examined the inclination of the abutting surface 53a from the analysis result shown in FIG.

図8に示したように、衝合面53aの外側への傾きは、鋼管52aの端面502aがケーシングシュー51aの端面501aに乗り上げることにより生じると考えられる。本発明者らは、外側への傾きが生じる原因として、摩擦圧接時において管軸方向に圧縮荷重が与えられる場合、鋼管52aの端面502aが内径方向よりも外径方向にすべりが生じやすいためであると思案した。これは、ケーシングシュー51aの外径方向への変形抵抗が内径方向への変形抵抗と比較して小さいからである。鋼管52aの端面502aが外径方向にすべることにより、管軸方向に対して面圧がかかりにくくなるので、摩擦圧接による接合強度が十分に得られないと考えられる。   As shown in FIG. 8, it is considered that the outward inclination of the abutting surface 53a is caused by the end surface 502a of the steel pipe 52a riding on the end surface 501a of the casing shoe 51a. The present inventors cause the inclination to the outside because the end face 502a of the steel pipe 52a is more likely to slip in the outer diameter direction than in the inner diameter direction when a compressive load is applied in the pipe axial direction during friction welding. I thought it was. This is because the deformation resistance of the casing shoe 51a in the outer diameter direction is smaller than the deformation resistance in the inner diameter direction. Since the end surface 502a of the steel pipe 52a slides in the outer diameter direction, it is difficult to apply a surface pressure in the tube axis direction, so that it is considered that a sufficient bonding strength by friction welding cannot be obtained.

<2.3.全厚モデルの解析>
上記の検討結果を受けて、本発明者らは、上記の解析結果に基づいて、衝合面の傾きを生じさせないためのケーシングシューの形状について検討した。図9は、接合側の端部において全厚の形状を有するケーシングシュー51bおよび鋼管52bの各モデル構成の一例を示す図である。図9に示したケーシングシュー51bを「全厚モデル」と呼称する。全厚モデルのケーシングシュー51bの接合側の端面501bにおける外径は、図7の従来のモデルとは異なり、ケーシングシュー51bの他の部位における外径と同一であり、鋼管52bの外径よりも大きい。本発明者らは、接合側の端面501bにおけるケーシングシュー51bの肉厚を外径方向に増すことにより、摩擦圧接時における鋼管52bの端面502bの外径方向へのすべりを抑制できると思案した。この全厚モデルのケーシングシュー51bを用いた摩擦圧接の解析が行われた。本解析において、DSA=82.6mm(=DSO)、およびtSA=10.02mmとした。なお、全厚モデルでは、L=0である。
<2.3. Analysis of full thickness model>
Based on the above examination results, the present inventors examined the shape of the casing shoe so as not to cause the inclination of the abutting surface based on the above analysis results. FIG. 9 is a diagram showing an example of each model configuration of the casing shoe 51b and the steel pipe 52b having a full thickness shape at the end portion on the joining side. The casing shoe 51b shown in FIG. 9 is referred to as a “full thickness model”. Unlike the conventional model shown in FIG. 7, the outer diameter of the joint shoe end face 501b of the full thickness model casing shoe 51b is the same as the outer diameter of the other portion of the casing shoe 51b, and is larger than the outer diameter of the steel pipe 52b. large. The inventors of the present invention have conceived that slippage in the outer diameter direction of the end surface 502b of the steel pipe 52b during friction welding can be suppressed by increasing the thickness of the casing shoe 51b in the end surface 501b on the joining side in the outer diameter direction. The friction welding using the full thickness model casing shoe 51b was analyzed. In this analysis, D SA = 82.6 mm (= D SO ) and t SA = 10.02 mm. In the full thickness model, L A = 0.

図10は、FEAによる摩擦圧接解析後の、全厚モデルのケーシングシュー51bおよび鋼管52bの接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。図10を参照すると、衝合面53bは管軸方向に略直交しており、外側への傾きは見られない。そのため、全厚モデルにおいては鋼管52bの端面502bの外径方向へのすべりが抑制されていることが明らかとなった。一方で、アプセット面54bは、図8で示した例と同じように、衝合面53bよりも鋼管52b側に位置していることが分かる。すなわち、衝合面53bとアプセット面54bは分離している。   FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the shape change and the maximum temperature distribution at the time of upsetting in the joint portion of the casing shoe 51b and the steel pipe 52b of the full thickness model after the friction welding analysis by FEA. Referring to FIG. 10, the abutting surface 53b is substantially orthogonal to the tube axis direction, and no outward inclination is seen. For this reason, in the full-thickness model, it became clear that the slip in the outer diameter direction of the end surface 502b of the steel pipe 52b is suppressed. On the other hand, it can be seen that the upset surface 54b is located closer to the steel pipe 52b than the abutting surface 53b, as in the example shown in FIG. That is, the abutting surface 53b and the upset surface 54b are separated.

本発明者らは、衝合面53bとアプセット面54bとが分離する原因として、ケーシングシュー51bと鋼管52bとの熱容量の違いにあると思案した。部材の熱容量の大きさは、熱が拡散される領域の大きさ、すなわち熱が拡散される体積の大きさに比例する。摺動面である当接面において発生する摩擦熱は、ケーシングシュー51bおよび鋼管52bのそれぞれに拡散する。ここで全厚モデルの場合、接合側の端部近傍におけるケーシングシュー51b側の体積が鋼管52b側の体積よりも大きい。この場合、ケーシングシュー51b側の熱容量も、鋼管52b側の熱容量よりも大きくなる。そうすると、摩擦熱の抜熱は、ケーシングシュー51b側が鋼管52b側よりも顕著となる。よって、アプセット時の最高温度の分布が鋼管52b側に位置し得る。この温度分布を有した接合部においてアプセット処理がなされると、上述したように温度分布の稜線に沿ってせん断が生じるので、アプセット面54bが鋼管52b側で形成されることとなる。   The present inventors thought that the cause of the separation of the abutting surface 53b and the upset surface 54b is the difference in heat capacity between the casing shoe 51b and the steel pipe 52b. The size of the heat capacity of the member is proportional to the size of the region where heat is diffused, that is, the size of the volume where heat is diffused. Frictional heat generated on the contact surface, which is a sliding surface, diffuses to each of the casing shoe 51b and the steel pipe 52b. Here, in the case of the full thickness model, the volume on the casing shoe 51b side in the vicinity of the end portion on the joining side is larger than the volume on the steel pipe 52b side. In this case, the heat capacity on the casing shoe 51b side is also larger than the heat capacity on the steel pipe 52b side. Then, the heat removal from the frictional heat becomes more remarkable on the casing shoe 51b side than on the steel pipe 52b side. Therefore, the maximum temperature distribution during upsetting can be located on the steel pipe 52b side. When an upset process is performed at the joint having this temperature distribution, shearing occurs along the ridgeline of the temperature distribution as described above, so that the upset surface 54b is formed on the steel pipe 52b side.

アプセット面が衝合面と分離して形成される場合、2つの問題が生じ得る。一つは、アプセット面が鋼管側で形成されるので、アプセット推力が相手部材に伝達されず、各々の部材間の金属結合が十分に促進されないため、アプセット面において欠陥が生じやすいことである。もう一つは、アプセット処理によるせん断による、衝合面に存在する酸化皮膜等の夾雑物が外部に排出されないことである。つまり、アプセット面が衝合面と分離して形成される場合は、ケーシングシューと鋼管との接合強度が劣化し得る。   Two problems can arise when the upset surface is formed separately from the abutting surface. One is that since the upset surface is formed on the steel pipe side, the upset thrust is not transmitted to the counterpart member, and the metal bonding between the respective members is not sufficiently promoted, so that defects are likely to occur on the upset surface. The other is that impurities such as an oxide film present on the abutting surface due to shearing by the upset process are not discharged to the outside. That is, when the upset surface is formed separately from the abutting surface, the bonding strength between the casing shoe and the steel pipe can be deteriorated.

以上まとめると、FEAによる解析の結果から、ケーシングシューと鋼管の摩擦圧接において、衝合面が外側に傾くこと、および衝合面とアプセット面が分離して形成されることにより、接合強度が十分に得られなくなるというメカニズムを本発明者らは見出した。すなわち、高い接合強度を確保することが可能な摩擦圧接を行うためには、衝合面の外側の傾き、および、衝合面とアプセット面の分離を同時に抑制することが求められる。本発明者らは、FEAによる解析の結果、衝合面の外側の傾きを抑制するためには、鋼管の端部の外径方向への変形抵抗を高めることが求められることを見出した。また、本発明者らは、衝合面とアプセット面の分離を抑制するためには、ケーシングシューと鋼管との間の熱容量の差を低減させることが求められることを見出した。   In summary, from the results of analysis by FEA, the frictional welding between the casing shoe and the steel pipe is such that the abutting surface is inclined outward and the abutting surface and the upset surface are formed separately, so that the joining strength is sufficient. The present inventors have found a mechanism that cannot be obtained. That is, in order to perform friction welding that can ensure high bonding strength, it is required to simultaneously suppress the inclination of the abutting surface and the separation of the abutting surface and the upset surface. As a result of analysis by FEA, the present inventors have found that in order to suppress the inclination of the outside of the abutting surface, it is required to increase the deformation resistance in the outer diameter direction of the end portion of the steel pipe. Further, the present inventors have found that in order to suppress separation between the abutting surface and the upset surface, it is required to reduce the difference in heat capacity between the casing shoe and the steel pipe.

本発明者らは上記課題について鋭意検討し、鋼管の端部の外径方向への変形抵抗を高めつつ、熱容量の差を低減させることが可能なケーシングシューの端部の形状を開発した。以下、本実施形態にかかる接合方法に用いられるケーシングシューの改良モデルの形状について説明する。   The inventors of the present invention diligently studied the above problems and developed the shape of the end portion of the casing shoe capable of reducing the difference in heat capacity while increasing the deformation resistance in the outer diameter direction of the end portion of the steel pipe. Hereinafter, the shape of the improved model of the casing shoe used for the joining method according to the present embodiment will be described.

<2.4.改良モデルの解析>
図11は、接合側の端部の形状が改良されたケーシングシュー51cおよび鋼管52cの各モデル構成の一例を示す図である。図11に示したケーシングシュー51cを「改良モデル」と呼称する。改良モデルのケーシングシュー51cは、図11に示したように、接合側の端面501cから管軸方向に長さLにわたって外径の大きさがDSAであるように形成される。この改良モデルにおいて、この外径DSAは、鋼管52cの端面502cにおける外径DPOよりも大きく設定される。この改良モデルのケーシングシュー51cを用いた摩擦圧接の解析が行われた。本解析において、DSA=77.3mm(=DPO+1mm)、tSA=7.37mm、およびL=16mmとした。
<2.4. Analysis of improved model>
FIG. 11 is a diagram showing an example of each model configuration of the casing shoe 51c and the steel pipe 52c in which the shape of the end portion on the joining side is improved. The casing shoe 51c shown in FIG. 11 is referred to as an “improved model”. Casing shoe 51c improvement model, as shown in FIG. 11, the size of the outer diameter is formed to be a D SA over a length L A from the end face 501c of the joint side in the axial direction of the tube. In this improved model, the outer diameter D SA is set larger than the outer diameter D PO in the end face 502c of the steel pipe 52c. Friction welding was analyzed using this improved model of the casing shoe 51c. In this analysis, D SA = 77.3 mm (= D PO +1 mm), t SA = 7.37 mm, and L A = 16 mm.

図12は、FEAによる摩擦圧接解析後の、改良モデルのケーシングシュー51cおよび鋼管52cの接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。図12を参照すると、衝合面53cは管軸方向に略直交しており、外側への傾きは見られない。また、衝合面53cとアプセット面54cとの二面間距離は、図10に示した全厚モデルのケーシングシューを用いた二面間距離と比較しても短くなっていることが分かる。   FIG. 12 is a diagram showing an example of the shape change and the maximum temperature distribution at the time of upset in the joint part of the improved model casing shoe 51c and the steel pipe 52c after the friction welding analysis by FEA. Referring to FIG. 12, the abutting surface 53c is substantially orthogonal to the tube axis direction, and no outward inclination is seen. It can also be seen that the distance between the two surfaces of the abutting surface 53c and the upset surface 54c is shorter than the distance between the two surfaces using the full thickness model casing shoe shown in FIG.

このように、ケーシングシューの接合側の端面から管軸方向の長さLにわたって外径の大きさがDSAとなるようにケーシングシューの端部の形状を加工することにより、衝合面の外側への傾き、および衝合面とアプセット面との分離を抑制することが可能であることが示唆された。本発明者らは、上述した3つのモデルのケーシングシューを用いた摩擦圧接の解析結果から得られた知見に基づいて、傾き角θおよび二面間距離Dが所定の条件を満たすためのケーシングシューの形状について、さらに検討を進めた。 Thus, by the size of the outer diameter over the length L A of the tube axis direction from the end surface of the joint side of the casing shoe processing the shape of the end of the casing shoe so that D SA, the abutment surface It was suggested that it is possible to suppress outward inclination and separation of the abutting surface and the upset surface. Based on the knowledge obtained from the analysis results of the friction welding using the three models of the above-described casing shoes, the present inventors have developed a casing shoe for satisfying predetermined conditions for the inclination angle θ and the distance D between two surfaces. Further study was made on the shape of the.

<2.5.傾き角θの検討>
本発明者らは、まず、傾き角θが8°以下となるための摩擦圧接の条件について検討した。上述したように、摩擦圧接後の接合部における鋼管の端部の外側への傾きは、ケーシングシューとの衝合面における変形抵抗の低さに起因すると考えられる。そのため、ケーシングシューの接合側の端面における外径DSAを鋼管の外径DPOよりも大きくすることで、当該変形抵抗を高めることができると考えられる。そこで、本発明者らは、鋼管の外径DPOに対するケーシングシューの接合側の端面における外径DSAの比(外径比DSA/DPO)をパラメータとして、外径が接合側の端面から管軸方向の長さLに渡ってDSAであるケーシングシューを用いて摩擦圧接した場合の、衝合面の傾き角θについて解析した。
<2.5. Study of tilt angle θ>
The inventors of the present invention first examined the friction welding conditions for the inclination angle θ to be 8 ° or less. As described above, the inclination to the outside of the end portion of the steel pipe at the joint after friction welding is considered to be due to the low deformation resistance at the abutting surface with the casing shoe. For this reason, it is considered that the deformation resistance can be increased by making the outer diameter DSA on the joining shoe end face larger than the outer diameter DPO of the steel pipe. Accordingly, the present inventors have ratio of the outer diameter D SA of the end face of the joining of the casing shoe to the outside diameter D PO of the steel tube (outer diameter ratio D SA / D PO) as a parameter, the end face of the outer diameter side joined from case of friction welding using a casing shoe is D SA across the tube axis direction to the length L a, were analyzed for the inclination angle θ of the abutment surface.

本実施形態に係る傾き角θについての解析条件として、外径比DSA/DPOの範囲は1.00〜1.08とし、長さLは、4mm、または16mmとした。これらの値を用いてFEAを行い、解析結果を得た。 As analysis conditions for the inclination angle θ according to the present embodiment, the range of the outer diameter ratio D SA / D PO is 1.00 to 1.08, and the length L A is 4 mm or 16 mm. FEA was performed using these values, and analysis results were obtained.

図13は、外径比DSA/DPOと傾き角θの関係を示すグラフである。図13のグラフに示すように、長さLが4mmおよび16mmのいずれの場合においても、外径比DSA/DPO≧1.02において、傾き角θが8°以下となることが示された。外径比DSA/DPOが大きくなるにつれて傾き角θは減少する傾向にある。これは、外径方向への鋼管の端面のすべりに対するケーシングシューの端面の変形抵抗が、外径比DSA/DPOの増加につれて大きくなるためと考えられる。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the outer diameter ratio D SA / D PO and the inclination angle θ. As shown in the graph of FIG. 13, even when the length L A of any 4mm and 16 mm, the outer diameter ratio D SA / D PO ≧ 1.02, that the inclination angle θ is 8 ° or less indicates It was done. The inclination angle θ tends to decrease as the outer diameter ratio D SA / D PO increases. This is presumably because the deformation resistance of the end face of the casing shoe against the slip of the end face of the steel pipe in the outer diameter direction increases as the outer diameter ratio D SA / D PO increases.

<2.6.二面間距離Dの検討>
続いて、本発明者らは、二面間距離Dが0.5mm以下となるための摩擦圧接の条件に付いて検討した。上述したように、衝合面とアプセット面の分離は、ケーシングシューの端部近傍と鋼管の端部近傍との熱容量の差に起因すると考えられる。そのため、ケーシングシューの端部近傍と鋼管の端部近傍との熱容量の差を可能な限り小さくするように、ケーシングシューの端部の形状を設定することが求められる。種々の検討の結果、熱容量の差を小さくするためには、ケーシングシューの端部近傍の体積と鋼管の端部近傍の体積との関係が主に影響することが明らかとなった。つまり、鋼管の接合側の端部近傍の体積に対するケーシングシューの接合側の端部近傍の体積の比率が所定の比率以下となるようにケーシングシューの形状を設定することにより、二面間距離Dを小さくすることができると、本発明者らは思案した。
<2.6. Examination of distance D between two surfaces>
Subsequently, the present inventors examined the friction welding conditions for the distance D between the two surfaces to be 0.5 mm or less. As described above, it is considered that the separation between the abutting surface and the upset surface is caused by a difference in heat capacity between the vicinity of the end portion of the casing shoe and the vicinity of the end portion of the steel pipe. Therefore, it is required to set the shape of the end portion of the casing shoe so as to minimize the difference in heat capacity between the vicinity of the end portion of the casing shoe and the vicinity of the end portion of the steel pipe. As a result of various studies, it has been clarified that the relationship between the volume in the vicinity of the end portion of the casing shoe and the volume in the vicinity of the end portion of the steel pipe is mainly influenced in order to reduce the difference in heat capacity. That is, by setting the shape of the casing shoe so that the ratio of the volume in the vicinity of the end portion on the joining side of the casing shoe to the volume in the vicinity of the end portion on the joining side of the steel pipe is not more than a predetermined ratio, the distance D between the two surfaces The present inventors have thought that it is possible to reduce the value of.

図14は、当接部50dにおけるケーシングシューの端部近傍および鋼管の端部近傍の体積の定義を説明するための図である。なお、図14に示すケーシングシュー51dおよび鋼管52dは、径方向の断面図である。図14を参照すると、ケーシングシュー51dの接合側の端面501dから管軸方向に15mmの位置までにおけるケーシングシューの領域をS、および、鋼管52dの接合側の端面502dから管軸方向に15mmの位置までにおける鋼管の領域をPとして、各々が定義されている。図14では領域Sおよび領域Pは2次元断面で示されているが、領域Sおよび領域Pは、管軸周りに形成される円筒状の領域である。なお上記の2つの領域を定義する「15mm」の値は、摩擦圧接により生じる摩擦熱がケーシングシュー51dおよび鋼管52dの接合側の端面501d(502d)から管軸方向に及ぶ範囲であり、FEAの種々の解析結果に基づく値である。つまり、接合側の端面501d(502d)から15mm以内の領域について上記の体積の比率が低くなるようにケーシングシューの形状を設定することにより、熱容量の差を小さくし、二面間距離Dを小さくすることができると考えられる。   FIG. 14 is a view for explaining the definition of the volume in the vicinity of the end portion of the casing shoe and the vicinity of the end portion of the steel pipe in the contact portion 50d. The casing shoe 51d and the steel pipe 52d shown in FIG. 14 are radial sectional views. Referring to FIG. 14, the region of the casing shoe from the end surface 501d on the joining side of the casing shoe 51d to the position 15 mm in the tube axis direction is S, and the position 15 mm in the tube axis direction from the end surface 502d on the joining side of the steel pipe 52d. Each region is defined with P as the region of the steel pipe. In FIG. 14, the region S and the region P are shown in a two-dimensional cross section, but the region S and the region P are cylindrical regions formed around the tube axis. The value of “15 mm” that defines the above two regions is a range in which frictional heat generated by friction welding extends from the end surface 501d (502d) on the joining side of the casing shoe 51d and the steel pipe 52d in the tube axis direction. It is a value based on various analysis results. That is, by setting the shape of the casing shoe so that the volume ratio is reduced in the region within 15 mm from the end surface 501d (502d) on the joining side, the difference in heat capacity is reduced and the distance D between the two surfaces is reduced. I think it can be done.

領域Sおよび領域Pの体積をそれぞれV、Vとし、体積比V/Vをパラメータとして、二面間距離Dとの関係を評価した。本実施形態に係る二面間距離Dについての解析条件として、外径比DSA/DPOは1.02、1.04、1.06、および全厚(1.085)とした。また、長さLは、4mm、8mm、16mm、および32mmとした。なお、体積比V/Vは、上記の外径比DSA/DPO、および長さLの値により決定される。 The volume of the region S and the region P was set to V S and V P , respectively, and the relationship with the distance D between the two surfaces was evaluated using the volume ratio V S / V P as a parameter. As analysis conditions for the distance D between two surfaces according to the present embodiment, the outer diameter ratio D SA / D PO was 1.02, 1.04, 1.06, and the total thickness (1.085). The length L A was 4 mm, 8 mm, 16 mm, and a 32 mm. The volume ratio V S / V P is determined by the value of the outer diameter ratio D SA / D PO, and the length L A.

なお、FEAにおいて、二面間距離Dは、鋼管の肉厚中心での接合面とアプセット時における温度分布と稜線との管軸方向の距離とした。   In FEA, the distance D between the two surfaces was the distance in the tube axis direction between the joining surface at the thickness center of the steel pipe, the temperature distribution during upsetting, and the ridgeline.

図15は、体積比V/Vと二面間距離Dの関係を示すグラフである。図15のグラフに示すように、体積比V/V≦2.05となる場合において、二面間距離Dが0.5mm以下となることが示された。また、体積比V/Vが減少するにつれて、二面間距離Dが減少する傾向にある。これは、ケーシングシューの端部近傍と鋼管の端部近傍との熱容量の差が、体積比V/Vの減少につれて小さくなるためと考えられる。 FIG. 15 is a graph showing the relationship between the volume ratio V S / V P and the distance D between two surfaces. As shown in the graph of FIG. 15, when the volume ratio V S / V P ≦ 2.05, the distance D between the two surfaces was 0.5 mm or less. Further, as the volume ratio V S / V P decreases, the distance D between the two surfaces tends to decrease. This is considered because the difference in heat capacity between the vicinity of the end portion of the casing shoe and the vicinity of the end portion of the steel pipe becomes smaller as the volume ratio V S / V P decreases.

<2.7.ケーシングシューの形状のまとめ>
以上、図6〜図15に示されたFEAの解析条件および解析結果を参照しながら、接合部における破断を防止するためのケーシングシューと窪み付き鋼管との接合条件について説明した。上述したFEAの解析結果から、以下に記載する式(1)〜(3)を満たすケーシングシューおよび窪み付き鋼管を摩擦圧接することにより、衝合面の傾き角θが8°以下であり、かつ、二面間距離Dが0.5mm以下である接合部を有する鏡ボルトを確実に作製することができる。これにより、鏡ボルトの接合部の引張強度を確保することができる。したがって、鏡ボルトに衝撃力が加わった場合において、管体破断よりも先に接合部の破断が生じることを防止することができる。なお、図16は、本実施形態に係る接合方法が満たす条件を示すための図である。図16に示すように、本実施形態に係る接合方法において用いられるケーシングシューおよび窪み付き鋼管について、外径比DSA/DPO≧1.02(式(2))であり、かつ、体積比V/V<2.05(式(3))の条件を満たすこと(図16中の領域100が示す範囲)により、接合部における破断を防止することができる。
<2.7. Summary of casing shoe shape>
In the above, the joining conditions between the casing shoe and the hollow steel pipe for preventing breakage at the joint have been described with reference to the analysis conditions and analysis results of the FEA shown in FIGS. From the FEA analysis result described above, the friction angle of the casing shoe and the hollow steel pipe satisfying the expressions (1) to (3) described below is such that the abutting surface inclination angle θ is 8 ° or less, and A mirror bolt having a joint portion having a distance D between two surfaces of 0.5 mm or less can be reliably produced. Thereby, the tensile strength of the junction part of a mirror bolt is securable. Therefore, when an impact force is applied to the mirror bolt, it is possible to prevent the joint from being broken before the tube breaks. In addition, FIG. 16 is a figure for showing the conditions which the joining method which concerns on this embodiment satisfy | fills. As shown in FIG. 16, the outer diameter ratio D SA / D PO ≧ 1.02 (formula (2)) and the volume ratio of the casing shoe and the hollow steel pipe used in the joining method according to the present embodiment. By satisfying the condition of V S / V P <2.05 (formula (3)) (range indicated by the region 100 in FIG. 16), breakage at the joint can be prevented.

SA>t ・・・(1)
SA/DPO≧1.02 ・・・(2)
/V≦2.05・・・(3)
t SA > t A (1)
D SA / D PO ≧ 1.02 (2)
V S / V P ≦ 2.05 (3)

図17は、式(1)〜(3)を満たすケーシングシュー61および窪み付き鋼管62を摩擦圧接により接合させて作製された鏡ボルト1の接合部63の拡大断面写真である。なお、ケーシングシュー61の摩擦圧接前の接合側の端面の外径DSAは77.3mm(DPO+1mm)であり、長さLは16mmである。図17に示したケーシングシュー61の接合側の端面の外周部は、摩擦圧接により生じたバリの除去とともに切除されているが、摩擦圧接前においては、ケーシングシュー61は、図11で示したような端部形状を有する。図17に示すように、衝合面64は外側に大きくは傾いておらず、また、衝合面64およびアプセット面65の距離(二面間距離D)は、図3に示した例と比較して短くなっている。具体的には、衝合面64の傾き角θ=4.8°であり、二面間距離D=3.2mmである。よって、図17に示した鏡ボルト1の接合部の傾き角θおよび二面間距離Dは、接合部破断を生じさせないための傾き角θおよび二面間距離Dの条件を両方とも満たしている。 FIG. 17 is an enlarged cross-sectional photograph of the joint 63 of the mirror bolt 1 produced by joining the casing shoe 61 satisfying the expressions (1) to (3) and the hollow steel pipe 62 by friction welding. The outer diameter D SA of the end face of the joining side of the front friction welding of the casing shoe 61 is 77.3mm (D PO + 1mm), the length L A is 16 mm. The outer peripheral portion of the end surface on the joining side of the casing shoe 61 shown in FIG. 17 is cut out together with the removal of burrs generated by the friction welding, but before the friction welding, the casing shoe 61 is as shown in FIG. End shape. As shown in FIG. 17, the abutting surface 64 is not greatly inclined outward, and the distance between the abutting surface 64 and the upset surface 65 (distance D between the two surfaces) is compared with the example shown in FIG. And it is getting shorter. Specifically, the inclination angle θ of the abutting surface 64 is 4.8 °, and the distance D between the two surfaces is 3.2 mm. Therefore, the inclination angle θ and the distance D between the two surfaces of the joint portion of the mirror bolt 1 shown in FIG. 17 satisfy both the conditions of the inclination angle θ and the distance D between the two surfaces so as not to cause the joint fracture. .

なお、図11および図14に示した例では、ケーシングシューの接合側の端部の形状が、接合側の端面から管軸方向に長さLにわたって、ケーシングシューの外径が式(2)を満たすDSAであるような形状であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ケーシングシューの接合側の端部の形状のうち、端面の外径が式(2)を満たすDSAであれば、当該端面からケーシングシューの本体側にかけての形状は、式(3)を満たす場合において特に限定されない。例えば、ケーシングシューの端部の形状は、当該端部から本体側にかけて管軸方向に沿って拡張されるテーパ形状であってもよい。また、ケーシングシューの端部は、外径方向に延びるフランジ形状を有してもよい。また、ケーシングシューの端面の外周部は、曲率が設けられてもよい。その他、式(3)を満たす限りにおいて、ケーシングシューは、端部から本体側にかけて種々の形状を取り得る。 In the example shown in FIGS. 11 and 14, the shape of the end portion of the bonding side of the casing shoe, over a length L A in the axial direction of the tube from the end surface of the joint side, the outer diameter of the casing shoe has the formula (2) It was to be shaped such that D SA satisfying, the present invention is not limited to such an example. For example, of the shape of the end portion of the bonding side of the casing shoe, if D SA the outside diameter of the end face satisfies the equation (2), the shape of toward the main body of the casing shoe from the end face, wherein the (3) When satisfy | filling, it does not specifically limit. For example, the shape of the end portion of the casing shoe may be a tapered shape that extends along the tube axis direction from the end portion toward the main body side. The end portion of the casing shoe may have a flange shape extending in the outer diameter direction. Further, the outer peripheral portion of the end surface of the casing shoe may be provided with a curvature. In addition, as long as Expression (3) is satisfied, the casing shoe can take various shapes from the end to the main body.

ただし、ケーシングシューはSCM435のような高硬度を有する部材であるため、加工の難易度によっては割れ等の品質低下が生じ得る。そのため、式(3)を満たすためのケーシングシューの端部の形状は、ケーシングシューの接合側の端面から管軸方向に長さLにわたってケーシングシューの外径が式(2)を満たすDSAである形状であることが好ましい。 However, since the casing shoe is a member having high hardness such as SCM435, quality degradation such as cracking may occur depending on the difficulty of processing. Therefore, the shape of the end of the casing shoe to satisfy equation (3), the outer diameter of the joint casing shoe over a length L A in the axial direction of the tube from the end face of the casing shoe satisfies the equation (2) D SA It is preferable that it is the shape which is.

<<3.他の接合条件>>
次に、本実施形態に係る摩擦圧接による接合方法のさらなる接合条件について説明する。
<< 3. Other joining conditions >>
Next, further joining conditions of the joining method by friction welding according to the present embodiment will be described.

<3.1.窪み付き鋼管の内径の条件>
本実施形態に係る接合方法において、ケーシングシューの接合側の端部の内径DSI[mm]は、窪み付き鋼管の窪みの最深部における内径DPD[mm]以下であることが好ましい。図18は、ケーシングシューの接合側の端部の内径DSIと窪み付き鋼管の窪みの最深部における内径DPDの関係を説明するための接合部の断面図である。図18を参照すると、ケーシングシュー71の端面701は、窪み付き鋼管72の窪み部73の端面702と当接している。このとき、DSI≦DPDであれば、窪み付き鋼管72の窪み部73の端面702が、ケーシングシュー71の端面701と確実に当接する。これにより、任意の位置で切断されて生成された端面を有する窪み付き鋼管について、ケーシングシュー端面との摩擦圧接を確実に行うことができる。また、ケーシングシュー71および窪み付き鋼管72の内部を挿通するロッド等が窪み部73と物理的に干渉してしまうことを防止することができる。
<3.1. Condition of inner diameter of hollow steel pipe>
In the joining method according to the present embodiment, the inner diameter D SI [mm] of the end portion on the joining side of the casing shoe is preferably equal to or less than the inner diameter D PD [mm] at the deepest portion of the hollow of the hollow steel pipe. Figure 18 is a cross-sectional view of a joint portion for explaining a relationship between the inner diameter D PD at the deepest portion of the recess of the inner diameter D SI and depression-steel pipe ends of the joint side of the casing shoe. Referring to FIG. 18, the end surface 701 of the casing shoe 71 is in contact with the end surface 702 of the indented portion 73 of the indented steel pipe 72. At this time, if D SIDPD , the end surface 702 of the hollow portion 73 of the hollow steel pipe 72 is surely brought into contact with the end surface 701 of the casing shoe 71. Thereby, about the steel pipe with a hollow which has the end surface cut | disconnected and produced | generated in arbitrary positions, the friction welding with a casing shoe end surface can be performed reliably. Moreover, it can prevent that the rod etc. which penetrate the inside of the casing shoe 71 and the steel pipe 72 with a dent physically interfere with the dent part 73.

<3.2.摩擦発熱工程とアプセット工程とのインターバルの短縮>
また、本実施形態に係る接合方法において、摩擦発熱工程とアプセット工程とのインターバルをより短縮することがさらに好ましい。これにより、摩擦発熱処理後の衝合面における接合部の温度が大きく減少しないうちにアプセット処理が行われるので、アプセット処理による金属の流動が大きくなる。これにより、アプセット面をより衝合面に近づけることが可能となる。つまり、接合部の強度をさらに高めることが可能となる。
<3.2. Shortening the interval between the frictional heating process and the upset process>
In the joining method according to the present embodiment, it is further preferable to further shorten the interval between the frictional heat generation step and the upset step. As a result, the upset process is performed before the temperature of the joint portion on the abutting surface after the frictional heat generation process is greatly reduced, so that the metal flow due to the upset process increases. As a result, the upset surface can be brought closer to the abutting surface. That is, the strength of the joint can be further increased.

本発明者らは、インターバルを0.05秒とした場合についてFEAを用いて解析を行い、摩擦圧接後の接合部の状態について評価した。図19は、インターバルを短縮させた場合における、FEAによる摩擦圧接解析後の、改良モデルのケーシングシューおよび鋼管の接合部における形状変化およびアプセット時の最高温度分布の一例を示す図である。図19に示したように、衝合面53eおよびアプセット面54eについて、図12と比較して、さらに二面間の距離が短縮したと言える。よって、摩擦発熱工程とアプセット工程のインターバルをさらに短縮することにより、さらに接合部を強固なものとすることが可能であると考えられる。   The present inventors analyzed using FEA when the interval was set to 0.05 seconds, and evaluated the state of the joint after friction welding. FIG. 19 is a diagram showing an example of the shape change and the maximum temperature distribution at the time of upset in the joint part of the improved model casing shoe and steel pipe after the friction welding analysis by FEA when the interval is shortened. As shown in FIG. 19, it can be said that the distance between the two surfaces of the abutting surface 53 e and the upset surface 54 e is further reduced as compared with FIG. 12. Therefore, it is considered that the joint can be further strengthened by further shortening the interval between the frictional heat generation process and the upset process.

<<4.まとめ>>
以上、本実施形態に係るケーシングシューと窪み付き鋼管との接合方法について説明した。上述したように、単純にケーシングシューと窪み付き鋼管とを摩擦圧接により接合するだけでは、接合により得られた鏡ボルトを地盤補強の施工時に打設した際に、摩擦圧接後の接合部において破断が生じることがあった。この接合部の破断の原因として、接合部における摩擦圧接の衝合面の外側への傾き、および衝合面とアプセット面との分離が挙げられる。
<< 4. Summary >>
Heretofore, the method for joining the casing shoe and the hollow steel pipe according to the present embodiment has been described. As described above, simply joining the casing shoe and the hollow steel pipe by friction welding results in fracture at the joint after friction welding when the mirror bolt obtained by joining is placed during ground reinforcement construction. Sometimes occurred. The cause of the fracture of the joint portion includes the inclination of the friction welding in the joint portion to the outside of the abutting surface and the separation of the abutting surface and the upset surface.

そこで、本実施形態では、まず、衝合面の傾き角θが8°以下であり、かつ、衝合面とアプセット面との距離(二面間距離D)が0.5mm以下となる場合に、接合部における破断が生じないことを明らかにした。   Therefore, in this embodiment, first, when the inclination angle θ of the abutting surface is 8 ° or less and the distance between the abutting surface and the upset surface (distance D between the two surfaces) is 0.5 mm or less. It was clarified that no breakage occurred at the joint.

次に、ケーシングシューの端部による鋼管の端部の変形抵抗を増加させれば、衝合面の傾き角θを抑制することができることを明らかにした。そして、鋼管の外径DPOに対するケーシングシューの接合側の端面における外径DSAの比(外径比DSA/DPO)が式(2)を満たすことで、衝合面の傾き角θを8°以下とすることができることを明らかにした。 Next, it was clarified that the inclination angle θ of the abutting surface can be suppressed by increasing the deformation resistance of the end of the steel pipe by the end of the casing shoe. Then, when the ratio of the outer diameter D SA of the end face of the joining of the casing shoe to the outside diameter D PO of the steel tube (outer diameter ratio D SA / D PO) satisfies the equation (2), the inclination angle of the abutment surface θ It was clarified that the angle can be set to 8 ° or less.

次に、ケーシングシューの端部の熱容量を低くすることにより、衝合面とアプセット面の分離を抑制できることができることを明らかにした。そして、鋼管の接合側の端部近傍の体積に対するケーシングシューの接合側の端部近傍の体積の比率(体積比V/V)が式(3)を満たすことで、二面間距離Dを0.5mm以下とすることができることを明らかにした。 Next, it was clarified that the separation of the abutting surface and the upset surface can be suppressed by lowering the heat capacity of the end portion of the casing shoe. And the ratio (volume ratio V S / V P ) of the volume in the vicinity of the end portion on the joining side of the casing shoe with respect to the volume in the vicinity of the end portion on the joining side of the steel pipe satisfies the formula (3), so It was clarified that can be made 0.5 mm or less.

すなわち、式(1)〜(3)の条件を満たす端部構造を有するケーシングシューを摩擦圧接に用いることにより、接合部における破断を防止することができ、接合部での破断より先に管体破断を実現することができる。よって、本実施形態によれば、接合部での破断が生じない鏡ボルトを提供することが可能となる。上記実施形態で示した発明は、式(1)〜(3)の条件を満たしている限り、種々の管径および肉厚を有するケーシングシューおよび窪み付き鋼管に適用することが可能である。   That is, by using a casing shoe having an end structure that satisfies the conditions of the expressions (1) to (3) for friction welding, it is possible to prevent breakage at the joint, and the tube body before breakage at the joint. Breaking can be realized. Therefore, according to this embodiment, it is possible to provide a mirror bolt that does not break at the joint. The invention shown in the above embodiment can be applied to casing shoes and hollow steel pipes having various pipe diameters and thicknesses as long as the conditions of the formulas (1) to (3) are satisfied.

次に、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した条件例にすぎず、本発明が以下の実施例の条件に限定されるものではない。   Next, examples of the present invention will be described. In addition, the following Examples are only the example conditions adopted in order to confirm the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is not limited to the conditions of the following Examples.

複数種類のケーシングシューの供試体を窪み付き鋼管(この際、式(1)を満たす窪み付き鋼管が使用される)に接合し、各供試体が式(2)および式(3)の条件を満たすか否かを判定するとともに、各供試体に対して管軸方向に引張荷重を付与した際の破断形態を確認するための引張試験を行った。   A plurality of types of casing shoe specimens are joined to a hollow steel pipe (in this case, a hollow steel pipe satisfying formula (1) is used), and each specimen satisfies the conditions of formula (2) and formula (3). In addition to determining whether or not to satisfy, a tensile test was performed to confirm the fracture mode when a tensile load was applied to each specimen in the tube axis direction.

表1は、本発明の実施例および比較例に係る各供試体の条件、外径比DSA/DPO、体積比V/V、傾き角θ、二面間距離D、および管軸方向に引張荷重を付与したときの破断形態を示す。 Table 1 shows conditions of each specimen according to Examples and Comparative Examples of the present invention, outer diameter ratio D SA / D PO , volume ratio V S / V P , inclination angle θ, distance between two surfaces D, and tube axis The fracture | rupture form when a tensile load is provided to a direction is shown.

なお、例えば、比較例3は、図7に示した従来モデルのケーシングシューを用いた場合に相当し、比較例1は、図9に示した全厚モデルのケーシングシューを用いた場合に相当する。   For example, Comparative Example 3 corresponds to the case where the conventional model casing shoe shown in FIG. 7 is used, and Comparative Example 1 corresponds to the case where the full thickness model casing shoe shown in FIG. 9 is used. .

表1に示すように、本発明の実施例1〜15は、式(1)〜(3)の条件を満足している。その結果、実施例1〜15のいずれの供試体も、接合部ではなく管体で破断した。したがって、接合部が管体の引張強度以上の強度を確保できていると言える。一方で、比較例1〜21は、式(2)または(3)の少なくともいずれかの条件を満たしていない。例えば、比較例1、3、4、9、10、17および18は、式(2)を満たしていない。また、比較例2、5〜8、11〜17、19〜21は、式(3)を満たしていない。その結果、いずれも接合部による破断が生じた。   As shown in Table 1, Examples 1 to 15 of the present invention satisfy the conditions of the formulas (1) to (3). As a result, any of the specimens of Examples 1 to 15 was broken at the tube, not at the joint. Therefore, it can be said that the joint has ensured a strength higher than the tensile strength of the tube. On the other hand, Comparative Examples 1 to 21 do not satisfy at least one of the conditions of Formula (2) or (3). For example, Comparative Examples 1, 3, 4, 9, 10, 17, and 18 do not satisfy Expression (2). Moreover, the comparative examples 2, 5-8, 11-17, and 19-21 do not satisfy | fill Formula (3). As a result, breakage occurred at the joints.

上記試験結果から、式(1)〜(3)の条件を満たすことにより、接合部における衝合面の外側への傾き、および衝合面とアプセット面の分離が所定の閾値以下に抑制されるので、接合部の強度が確保され、接合部での破断より先に管体での破断を実現できることが実証されたと言える。   From the above test results, by satisfying the conditions of the expressions (1) to (3), the inclination of the joining surface to the outside and the separation between the joining surface and the upset surface are suppressed to a predetermined threshold value or less. Therefore, it can be said that it was proved that the strength of the joint portion was ensured and that the fracture at the pipe body could be realized before the fracture at the joint portion.

さらに、実施例13〜15は、摩擦発熱工程とアプセット工程とのインターバルが0.1秒以下であるという条件を満たしているため、二面間距離Dが他の実施例と比較して全体的に短くなったと言える。そのため、インターバルを0.1秒以下とすることにより、接合部の強度の低減をより抑制し、接合部の破断をより確実に防止することができると考えられる。   Furthermore, since Examples 13 to 15 satisfy the condition that the interval between the frictional heat generation process and the upset process is 0.1 second or less, the distance D between the two surfaces is generally larger than that of the other examples. It can be said that it has become shorter. Therefore, it is considered that by setting the interval to 0.1 second or less, it is possible to further suppress the reduction in the strength of the joint and more reliably prevent the joint from breaking.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.

1 鏡ボルト
2、61 ケーシングシュー
3、62 窪み付き鋼管
4、63 接合部
1 Mirror Bolt 2, 61 Casing Shoe 3, 62 Steel Pipe with Recess 4, 63 Joint

Claims (4)

窪み付き鋼管の端面と、前記窪み付き鋼管とは異なる材質を有するケーシングシューの端面とを摩擦圧接により接合する接合方法であって、
下記式(101)〜(103)を満たす、接合方法。

SA>t ・・・(101)
SA/DPO≧1.02 ・・・(102)
/V≦2.05 ・・・(103)

ここで、
SA:前記ケーシングシューの接合側の端面における肉厚[mm]
:前記窪み付き鋼管の肉厚[mm]
SA:前記ケーシングシューの接合側の端面における外径[mm]
PO:前記窪み付き鋼管の端面における外径[mm]
:前記ケーシングシューの接合側の端面から管軸方向に15mmの位置までにおける前記ケーシングシューの体積[mm
:前記窪み付き鋼管の接合側の端面から管軸方向に15mmの位置までにおける前記窪み付き鋼管の体積[mm
である。
A joining method for joining the end face of the hollow steel pipe and the end face of the casing shoe having a material different from the hollow steel pipe by friction welding,
A joining method that satisfies the following formulas (101) to (103).

t SA > t P (101)
D SA / D PO ≧ 1.02 (102)
V S / V P ≦ 2.05 (103)

here,
t SA : Thickness [mm] at the end face on the joining side of the casing shoe
t P : Wall thickness [mm] of the steel pipe with the depression
D SA : outer diameter [mm] at the end face on the joining side of the casing shoe
D PO : outer diameter [mm] at the end surface of the hollow steel pipe
V S : Volume of the casing shoe [mm 3 ] from the end surface on the joint side of the casing shoe to a position of 15 mm in the tube axis direction.
V P : Volume [mm 3 ] of the steel pipe with recesses from the end surface on the joining side of the steel pipe with recesses to a position of 15 mm in the pipe axis direction.
It is.
前記ケーシングシューの接合側の端面から管軸方向に長さLの位置までにおける前記ケーシングシューの外径が、前記ケーシングシューの接合側の端面における外径DSAである、請求項1に記載の接合方法。 The outer diameter of the casing shoe at the end face of the bonding side of the casing shoe to the position of length L A in the tube axis direction, an outer diameter D SA of the end face of the bonding side of the casing shoe, according to claim 1 Joining method. 前記ケーシングシューの内径DSI[mm]は、前記窪み付き鋼管の窪みの最深部における内径DPD[mm]以下である、請求項1または2に記載の接合方法。 3. The joining method according to claim 1, wherein an inner diameter D SI [mm] of the casing shoe is equal to or less than an inner diameter D PD [mm] at a deepest portion of the recess of the steel pipe with the recess. 前記ケーシングシューまたは前記窪み付き鋼管のいずれかを回転させて前記ケーシングシューの端面と前記窪み付き鋼管の端面とを所定時間擦り合わせ、
前記回転を停止させてから0.1秒以内に、前記ケーシングシューと前記窪み付き鋼管とに対して管軸方向にアプセット推力を加える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の接合方法。
Rotating either the casing shoe or the hollow steel pipe and rubbing the end face of the casing shoe and the end face of the hollow steel pipe for a predetermined time,
The joining method according to any one of claims 1 to 3, wherein an upset thrust is applied in a tube axis direction to the casing shoe and the hollow steel pipe within 0.1 seconds after stopping the rotation. .
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