JP2020066021A - 接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体を提供すること。【解決手段】接合体１０は、摩擦圧接により互いの軸方向に沿う第１の方向Ｄ１に接合される鋳鉄製の円管状部２１０と鋼製の円管状部１１０とを備える。鋳鉄製の円管状部２１０は、鋼製の円管状部１１０に対して第１の方向Ｄ１に対向する第１の対向部２２１と、第１の対向部２２１に連なるとともに鋼製の円管状部１１０に対して内周側から隙間Ｇを隔てて対向する第２の対向部２２２とを含む。鋼製の円管状部１１０は、摩擦圧接の際に塑性流動化した部分が第１の対向部２２１に向けて隙間Ｇを狭めるように管厚を拡大させる管厚拡大部１２０を含む。管厚拡大部１２０は、第１の対向部２２１に接合される第１の接合部１２１と、第１の接合部１２１に連なるとともに第２の対向部２２２に接合される第２の接合部１２２とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した接合体に関する。

特許文献１には、球状黒鉛変形層の形成を防止若しくは抑制して高い接合強度を得ることが記載されている。そのため、特許文献１には、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面に鉄基金属材、あるいはニッケル基金属材をインサートしたこと、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面を凹形状としたこと、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面に鉄基金属材、あるいはニッケル基金属材をインサートすると共に球状黒鉛鋳鉄の圧接面を凹形状としたことが記載されている。

特開２００２−１１３５８３号公報（要約）

鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体が求められている。

本発明の一態様は、摩擦圧接により互いの軸方向に沿う第１の方向に接合される鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部とを備える接合体である。鋳鉄製の円管状部は、鋼製の円管状部に対して第１の方向に対向する第１の対向部と、第１の対向部に連なるとともに鋼製の円管状部に対して内周側から隙間を隔てて対向する第２の対向部とを含む。鋼製の円管状部は、摩擦圧接の際に塑性流動化した部分が第１の対向部に向けて前記隙間を狭めるように管厚を拡大させる管厚拡大部を含む。管厚拡大部は、第１の対向部に接合される第１の接合部と、第１の接合部に連なるとともに第２の対向部に接合される第２の接合部とを含む。

本発明の一態様において、鋳鉄製の円管状部は、鋼製の円管状部に対して第１の方向に対向する第１の対向部と、第１の対向部に連なるとともに鋼製の円管状部に対して内周側から隙間を隔てて対向する第２の対向部とを含む。摩擦圧接の際、鋼製の円管状部の塑性流動化した部分は、鋳鉄製の円管状部の第１の対向部に向けて、第２の対向部との隙間を狭めるように管厚を拡大させながら、第２の対向部に近付く。このため、鋼製の円管状部の管厚拡大部を、鋳鉄製の円管状部の第１の対向部だけでなく、第１の対向部に連なる第２の対向部にも接合させることができる。したがって、鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部との接合強度を向上させることができる。

鋳鉄製の円管状部は、第１の対向部と第２の対向部とを繋ぐ湾曲部を含むことが好ましい。第１の対向部と第２の対向部とが湾曲部を介して繋がれているため、塑性流動化した部分を第１の対向部から第２の対向部に向けてスムーズに誘導することができる。したがって、第２の接合部の接合領域を拡大させやすい。さらに、第１の接合部と第２の接合部とを湾曲部に沿って繋ぐことができるため、第１の接合部と第２の接合部との繋ぎ目における接合不良を抑制しやすい。

第２の対向部は、第１の対向部から遠ざかるにつれて前記隙間を広げるように第１の方向に対して傾斜した傾斜部を含むことが好ましい。第２の対向部が、第１の対向部から遠ざかるにつれて、鋼製の円管状部との隙間を広げるように傾斜した傾斜部を含むため、塑性流動化した部分を傾斜部に沿って這わせやすい。したがって、第２の接合部の接合領域を一層拡大させやすい。さらに、管厚拡大部を傾斜部に沿って接合させることで、第１の方向に対する第２の接合部の傾斜を緩勾配化することができる。このため、第２の接合部が第２の対向部から過剰な反力を受けることを抑制しやすい。したがって、第１の対向部に対して第１の接合部の接合位置がずれたり接合が剥がれたりする事態を抑制しやすい。

第２の対向部は、周方向に断続的に形成されていてもよいが、周方向に連続的に形成されていることが好ましい。第２の対向部が周方向に連続的に形成されているため、第２の接合部の接合領域を一層拡大させることができる。したがって、鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部との接合強度を一層向上させることができる。

鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体を提供することができる。

図１は、接合体を含む構造物の例を示す模式図である。 図２は、接合体の断面図である。 図３は、接合手順その１を示す模式図である。 図４は、接合手順その２を示す模式図である。 図５は、変形例に係る接合体の断面図である。 図６は、摩擦圧接前の鋳鉄製の円管状部の正面図である。 図７は、摩擦圧接前の鋳鉄製の円管状部の変形例を示す正面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する接合体の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下に示す実施形態では、「円」あるいは「平行」といった表現を用いるが、厳密に「円」であったり、「平行」であったりすることを要しない。すなわち、上記した各表現は、製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。

まず、実施形態に係る接合体１０を含む構造物の例について図１を用いて説明する。図１は、接合体１０を含む構造物１の例を示す模式図である。なお、図１では、構造物１の一例として道路などに設置される標識を示しているが、これに限らず、接合体１０は街灯やポール、フェンスなどにも広く用いることができる。また、接合体１０は、建造物の柱や梁などにも広く用いることができる。

図１に示すように、構造物１は、接合体１０と、接合体１０の一端側に固定された指示板３００とを備える。指示板３００の一例は、交通標識を図案化した表示板である。接合体１０は、鋳鉄製部材２００と、鋳鉄製部材２００に摩擦圧接により接合された鋼製部材１００とを含む。鋳鉄製部材２００は、鋳鉄製の円管状部（鋳鉄製円管状部）２１０と、鋳鉄製円管状部２１０に連続するように一体的に形成された鋳鉄製の基部２５０とを含む。基部２５０は、構造物１を地面上や地面中に固定するために用いられる。鋳鉄製部材２００は、ダクタイル鋳鉄製であり、形状自由度が高く、鋳造による一体成形が可能である。したがって、様々な形状の構造物１にも幅広く対応することができる。鋼製部材１００は、鋳鉄製円管状部２１０に摩擦圧接により接合された鋼製の円管状部（鋼製円管状部）１１０を含む。指示板３００は、鋼製円管状部１１０の一端側（鋳鉄製円管状部２１０とは反対側）に固定されている。なお、図１では、鋼製部材１００が鋼製円管状部１１０のみを含む場合を示しているが、鋼製部材１００が、たとえば、鋼製円管状部１１０と、鋼製円管状部１１０に連続する円柱状部等とを含むこととしてもよい。

図２は、接合体１０の断面図である。なお、図２は、接合体１０の中心線Ｌ１を含む平面で接合体１０を切断した断面図に相当する。図２には、鋼製円管状部１１０および鋳鉄製円管状部２１０の互いの軸方向に沿う第１の方向Ｄ１を示している。図２に示すように、接合体１０は、摩擦圧接により第１の方向Ｄ１に接合された鋳鉄製円管状部２１０および鋼製円管状部１１０を備える。鋳鉄製円管状部２１０は、鋼製円管状部１１０に対して第１の方向Ｄ１に対向する第１の対向部２２１と、第１の対向部２２１に連なるとともに鋼製円管状部１１０に対して内周側から隙間Ｇを隔てて対向する第２の対向部２２２とを含む。第２の対向部２２２は、鋼製円管状部１１０の内周面１１５に対して隙間Ｇを隔てて平行に対向するように、第１の対向部２２１から第１の方向Ｄ１にストレートに突出している。鋼製円管状部１１０は、摩擦圧接の際に塑性流動化した部分が、第１の対向部２２１に近付くにつれて隙間Ｇを狭めるように管厚を拡大させた管厚拡大部１２０を含む。摩擦圧接の際、鋼製円管状部１１０の塑性流動化した部分は、鋳鉄製円管状部２１０の第１の対向部２２１に近付くにつれて、第２の対向部２２２との隙間Ｇを狭めるように管厚を拡大させながら、第２の対向部２２２に近付く。このため、鋼製円管状部１１０の管厚拡大部１２０を、鋳鉄製円管状部２１０の第１の対向部２２１だけでなく、第１の対向部２２１に連なる第２の対向部２２２にも接合させることができる。したがって、鋳鉄製円管状部２１０と鋼製円管状部１１０との接合強度（引張強度）を向上させることができる。このように、本実施形態においては、管厚拡大部１２０が、第１の対向部２２１に接合された第１の接合部１２１と、第１の接合部１２１に連なるとともに第２の対向部２２２に接合された第２の接合部１２２とを含む、接合強度の高い接合体１０を提供することができる。

また、図２に示したように、鋳鉄製円管状部２１０は、第１の対向部２２１と第２の対向部２２２とを繋ぐ湾曲部２２３を含む。湾曲部２２３は、第１の対向部２２１と第２の対向部２２２とを段差なく滑らかに繋ぐＲ形状の部分である。このように、第１の対向部２２１と第２の対向部２２２とが湾曲部２２３を介して繋がれているため、鋼製円管状部１１０の塑性流動化した部分を第１の対向部２２１から第２の対向部２２２に向けてスムーズに誘導することができる。したがって、第２の接合部１２２の接合領域を拡大させやすい。さらに、第１の接合部１２１と第２の接合部１２２とを湾曲部２２３に沿って繋ぐことができるため、第１の接合部１２１と第２の接合部１２２との繋ぎ目における接合不良を抑制しやすい。

また、図２に示したように、鋼製円管状部１１０の第２の接合部１２２は、鋳鉄製円管状部２１０の第２の対向部２２２に対して、第２の対向部２２２に対向する方向から接合されている。すなわち、鋼製円管状部１１０は、鋳鉄製円管状部２１０に対して、第１の方向Ｄ１からだけでなく、第１の方向Ｄ１に交差する方向（第２の対向部２２２に対向する方向）からも接合される。このため、鋳鉄製円管状部２１０と鋼製円管状部１１０との接合方向を増やすことができる。したがって、引張強度だけでなく、せん断強度や曲げ強度も向上させた接合体１０を提供することができる。

次に、接合体１０の接合手順について図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、接合手順その１およびその２を示す模式図である。なお、図３および図４は、図２と同様に接合体１０の中心線Ｌ１を含む平面で切断した断面図である。また、図３に示した手順、図４に示した手順を経て図２に示した接合体１０が得られる。

図３に示すように、鋳鉄製円管状部２１０を中心線Ｌ１まわりに回転向きＲＤで回転させるとともに、鋼製円管状部１１０を移動向きＬＤ（鋳鉄製円管状部２１０に近付く向き）に移動させる。これにより、鋼製円管状部１１０は、鋳鉄製円管状部２１０の第１の対向部２２１に接し、摩擦圧接が開始される。なお、この段階では、鋼製円管状部１１０の内周面１１５は、第２の対向部２２２に接していない。つまり、第２の対向部２２２は、鋼製円管状部１１０に対して内周面１１５から隙間Ｇを隔てて平行に対向している。なお、図３に示した回転向きＲＤは逆向きとしてもよい。

図４に示すように、鋳鉄製円管状部２１０へ押し付けられる鋼製円管状部１１０と、回転する鋳鉄製円管状部２１０との摩擦によって接触部分の温度が上昇する。そして、接触部分の温度は、鋳鉄製円管状部２１０の融点を超え、鋳鉄製円管状部２１０の融点を超えた部分は遠心力によって飛散する。

一方、鋼製円管状部１１０の塑性流動化した部分は、鋳鉄製円管状部２１０の第１の対向部２２１に向けて第２の対向部２２２との隙間Ｇを狭めるように管厚を拡大させながら第２の対向部２２２に近付いていく。そして、鋼製円管状部１１０の塑性流動化した部分は、第１の対向部２２１から湾曲部２２３を経由して第２の対向部２２２を這うように変形していき、摩擦圧接完了時には、図２に示したように、塑性流動化した部分により形成された管厚拡大部１２０が、第１の対向部２２１および第２の対向部２２２に接合される。

ここで、一般的に、鋳鉄製円管状部２１０の融点は、鋼製円管状部１１０の融点よりも低い。摩擦圧接中の鋳鉄製円管状部２１０と鋼製円管状部１１０との接触部分の温度を鋳鉄製円管状部２１０の融点よりも高く、かつ、鋼製円管状部１１０の融点よりも低く保持すれば、鋳鉄製円管状部２１０の融点を超えた部分は、摩擦圧接中に溶融し飛散するので、バリ等の突起が生じにくい。また、鋳鉄製円管状部２１０に摩擦圧接される鋼製円管状部１１０は融点を超えない程度に加熱されるので、塑性流動化しつつ管厚を拡大させることで接合前の管厚よりも大きい管厚で鋳鉄製円管状部２１０の第１の対向部２２１に接合されるとともに、湾曲部２２３を経由して第２の対向部２２２にも接合される。したがって、接合強度の高い接合体１０を製造することができる。

なお、図４に示したように、鋼製円管状部１１０の外周には、突起部（バリ）１２３が形成されるが、突起部１２３は、鋳鉄製円管状部２１０の外径にあわせて削り取るなどして除去することができる。これにより、接合体１０の意匠性を高め、突起部１２３による取扱時のケガを防止するとともに、接合体１０の省スペース化および軽量化を図ることができる。

次に、接合体１０の変形例について図５を用いて説明する。図５は、変形例に係る接合体１０の断面図である。図５に示すように、変形例に係る接合体１０は、鋳鉄製円管状部２１０Ａが、第１の対向部２２１から遠ざかるにつれて鋼製円管状部１１０との隙間Ｇを広げるように第１の方向Ｄ１に対して傾斜した傾斜部２２２Ａを含む点で、図２に示した接合体１０とは異なる。なお、変形例に係る接合体１０も、図３および図４に示した接合手順を経ることで製造することができる。

図５に示したように、鋳鉄製円管状部２１０Ａの傾斜部２２２Ａは、第１の方向Ｄ１に対してα（０度＜α＜９０度）だけ傾斜している。すなわち、傾斜部２２２Ａは、第１の対向部２２１から、第１の方向Ｄ１に対してαだけ傾斜する方向に突出している。このように、第２の対向部２２２は、第１の対向部２２１から遠ざかるにつれて鋼製円管状部１１０との隙間Ｇを広げるように傾斜した傾斜部２２２Ａを含むため、鋼製円管状部１１０の塑性流動化した部分を傾斜部２２２Ａに沿って這わせやすい。したがって、第２の接合部１２２の接合領域を一層拡大させやすい。さらに、管厚拡大部１２０を傾斜部２２２Ａに沿って接合させることで、第１の方向Ｄ１に対する第２の接合部１２２の傾斜を緩勾配化することができる。このため、第２の接合部１２２が第２の対向部２２２から過剰な反力を受けることを抑制しやすい。したがって、第１の対向部２２１に対して第１の接合部１２１の接合位置がずれたり接合が剥がれたりする事態を抑制しやすい。なお、αの大きさは一定でなくてもよく、第１の対向部２２１から遠ざかるにつれて徐々に大きくしたり、小さくしたりするようにしてもよい。

次に、図２に示した鋳鉄製円管状部２１０を軸方向の鋼製円管状部１１０側からみた形状について図６を用いて説明する。図６は、鋼製円管状部１１０と摩擦圧接する前の状態における鋳鉄製円管状部２１０のみを抜き出して示す正面図である。

図６に示すように、第２の対向部２２２は、周方向Ｄ２に途切れることなく、連続的に形成されている。このため、第２の対向部２２２は、湾曲部２２３を介して第１の対向部２２１に対して周方向Ｄ２の全周にわたり繋がっている。このように、第２の対向部２２２は、周方向Ｄ２に連続的に形成されているため、第２の対向部２２２と鋼製円管状部１１０（図２等参照）との接合領域を拡大させることができる。したがって、鋳鉄製円管状部２１０と鋼製円管状部１１０との接合強度を向上させることができる。

次に、図６に示した鋳鉄製円管状部２１０の変形例について図７を用いて説明する。図７は、鋳鉄製円管状部２１０の変形例を示す正面図である。図７に示すように、変形例に係る鋳鉄製円管状部２１０Ａは、第２の対向部２２２が周方向Ｄ２に部分的に途切れ、断続的に形成されている点で、図６に示した鋳鉄製円管状部２１０とは異なる。なお、図７には、中心線Ｌ１に対する角度幅が４５度である第２の対向部２２２を、４５度間隔で４個設けた場合を示したが、第２の対向部２２２の角度幅や、間隔、個数については図７に示した場合に限られない。

なお、上述した実施形態では、接合体１０を、図１に例示した構造物１に適用する場合について説明したが、接合体１０は、産業用ロボットのロボットアーム等に適用してもよい。上記したように、鋳鉄製円管状部２１０の第２の対向部２２２は、鋼製円管状部１１０の管厚拡大部１２０を内周側から覆っているため、摩擦圧接完了後に接合体１０の内部にバリ等の突起が突出することを防止することができる。したがって、接合体１０の内部にケーブル等を収容した場合であっても、ケーブル等に損傷を与えることを抑制することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した代表的な実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 構造物、 １０ 接合体、 １００ 鋼製部材、 １１０ 鋼製の円管状部（鋼製円管状部）、 １１５ 内周面、 １２０ 管厚拡大部、 １２１ 第１の接合部、 １２２ 第２の接合部、 １２３ 突起部、 ２００ 鋳鉄製部材、 ２１０ 鋳鉄製の円管状部（鋳鉄製円管状部）、 ２２１ 第１の対向部、 ２２２ 第２の対向部、 ２２２Ａ 傾斜部、 ２２３ 湾曲部、 ２５０ 基部、 ３００ 指示板、 Ｄ１ 第１の方向、 Ｄ２ 周方向、 Ｌ１ 中心線、 Ｇ 隙間。

Claims (4)

1. 摩擦圧接により互いの軸方向に沿う第１の方向に接合される鋳鉄製の円管状部と鋼製の円管状部とを備え、
   前記鋳鉄製の円管状部は、前記鋼製の円管状部に対して前記第１の方向に対向する第１の対向部と、
   前記第１の対向部に連なるとともに前記鋼製の円管状部に対して内周側から隙間を隔てて対向する第２の対向部とを含み、
   前記鋼製の円管状部は、摩擦圧接の際に塑性流動化した部分が前記第１の対向部に向けて前記隙間を狭めるように管厚を拡大させる管厚拡大部を含み、
   前記管厚拡大部は、前記第１の対向部に接合される第１の接合部と、
   前記第１の接合部に連なるとともに前記第２の対向部に接合される第２の接合部とを含む、接合体。
2. 前記鋳鉄製の円管状部は、前記第１の対向部と前記第２の対向部とを繋ぐ湾曲部を含む、請求項１に記載の接合体。
3. 前記第２の対向部は、前記第１の対向部から遠ざかるにつれて前記隙間を広げるように前記第１の方向に対して傾斜した傾斜部を含む、請求項１または２に記載の接合体。
4. 前記第２の対向部は、周方向に連続的に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合体。

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