JP3621907B2

JP3621907B2 - 高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法及び装置

Info

Publication number: JP3621907B2
Application number: JP2001311141A
Authority: JP
Inventors: 基城戸; 浩文今井
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003113415A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築、橋梁などにおける構造の摩擦接合に利用される高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの製造に適したスプライスプレートの焼き入れ処理方法とその装置に関するものである。特に、高摩擦係数を持つ高性能なスプライスプレートをレーザ処理により安価でしかも高速に製造可能とする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築用鋼材などを直列に接合する際は、被接合鋼材を突き合わせて、その両側にスプライスプレートを添えてボルトで締め付けて接合する、いわゆる、高力ボルト摩擦接合が一般的に採用されている。高力ボルト摩擦接合において、日本建築学会の設計施工指針では、接合耐力上重要となる摩擦面は、黒皮除去された良好な赤錆面で、すべり係数が０．４５を上回る処理を施すこと、また、すべり係数はすべり耐力試験により確認する必要があるとしている。通常、良好な赤錆状態であれば、すべり係数は０．４５を上回ることが知られているが、錆生成状態が環境等の原因で異なることによりばらつきが発生し、未達となる可能性がある。このため、鋼材表面に赤錆を発生させる方法の他に、特開平１１−２４７８３１号公報にあるように接合面に転造等の加工法で凹凸を付ける方法などが提案されている。このときの凹凸部は、その本来の目的である摩擦力を向上させるため高周波加熱法などで表面処理がなされていた。
【０００３】
しかし、これらの表面処理方法では凹凸部全面処理するため、高硬度が必要な凸部以外の凹部も硬化することはさけられなかった。このため、スプライスプレート部に引っ張り、曲げ、剪断成分が加わる場合、凹部より亀裂進展しスプライスプレートが割れる等の問題があった。また、スプライスプレート全面にわたって硬化に充分な熱を入れるために、冷却時に変形しスプライスプレートの必要項目である全てのボルト回りでの押しつけが不充分となり、ひいては隙間の発生等で、充分な摩擦接合が得られないという問題もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決し、パワー密度を制御したレーザによる熱処理を用い、高摩擦係数を持つ高性能なスプライスプレートを安価にしかも高速に供給可能とするレーザ熱処理方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためにパワー密度を制御したレーザビームを構成し、照射を行うことで、高性能スプライスプレートを得るものであって、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つ高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法において、レーザビームを前記山形の凹凸部の直径よりも長く線状に集光し、前記山形の凹凸部を走査して熱処理するにあたり、前記線状に集光したレーザビームの線幅とパワー密度の空間分布および走査速度を調整することにより、山形の凸部の硬さを母材の硬さよりも硬くすることを特徴とするの高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法。
（２）上記線状に集光したレーザビームの長手方向中央部のパワー密度が、長手方向の端部のパワー密度に対して相対的に低いレーザビームであることを特徴とする上記（１）記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法。
（３）ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つ高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置において、レーザビームを一軸方向に集光する第１光学素子と、第１光学素子と被加工物との距離を調整する第１光学素子位置調整機構と、第１光学素子で一軸方向に集光されたレーザビームを集光方向と直角方向に左右入れ替えて重畳させる第２光学素子と、第２光学素子と被加工物との距離を調整する第２光学素子位置調整機構と、第２光学素子出側のレーザビームを集光方向と直角方向に広げる第３光学素子と、第３光学素子と被加工物との距離を調整する第３光学素子位置調整機構と、前記第３光学素子出側に得られた線状レーザビームを被加工物平面上で線上方向と直角方向に走査する走査機構とで構成され、第１〜３光学素子の各被加工物との距離および走査機構の走査速度を調整することにより山形の凸部の硬さを母材の硬さよりも硬くすることを可能にした高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明に関わるスプライスプレートは切削、または転造により製作された凹凸が図１に示すように、ボルト孔１の回りにボルト径の略３倍の領域に連続した同心円状に付与されている。このため凸部頂点２は母材から突き出しており、ボルトの締め付けにより被接合鋼材に食い込み、滑り係数を増加させる構造になっている。そのスプライスプレートの凸部の頂点先端から凸部高さの１／２が処理前母材の表面硬さよりも２倍程度硬くなっていることで、食い込み効果がより顕著なものになっている。これに対し、凹部底部３近傍、および凹凸部以外の部分の硬度は焼き入れ前の硬度と略同一となっている。このため、スプライスプレート自体の引張強度、疲労強度等の機械特性は熱処理により変化せず設計値通りの特性を安定に得ることができるものである。このため、このスプライスプレートの製造法は母材全体を加熱し選択的な熱処理を行うことのできない高周波加熱等の熱処理では不可能で、レーザビームを長楕円形または線状に集光し、高パワー密度のビームを表面走査させることにより熱処理を行うことで可能となるものである。
【０００７】
この焼き入れのメカニズムについては、図２に示すレーザ焼き入れ時の昇温シミュレーション結果を基に説明する。このシミュレーションで用いた条件は、レーザパワーが１０ｋＷ、被加工材上でのビーム形状は７０ｍｍ×２ｍｍの矩形形状で、短辺と平行な方向に２ｍ／ｍｉｎの速度で走査したものである。被加工材は、炭素量が０．３５％の機械構造用炭素鋼であり、凸部より凹部までの高さが２ｍｍであり、頂角６０°である突起を持つスプライスプレートである。シミュレーション結果は、その部分の達する最高温度が等高線上に表示されている。被加工材の凸部は左右の斜面よりのレーザ入熱が加算されるにことにより、容易に加熱され硬化に必要な変態点となる。この例では、変態点は８５０℃である。これに対して、凹部はレーザビーム４による入熱が伝熱により拡散され易く、温度上昇が変態点以下に抑えられるため硬化しない。
【０００８】
しかし、上記線状のレーザビームを均一なパワー密度で照射した場合、同心円状に配置されたは凸部頂点においてはビーム長手方向と凸部が直角に近い場合に比べ、ビーム長手方向と凸部が平行に近い場合は、頂点が昇温され易く、溶融し易いため充分な深さを持つ焼き入れを１回のスキャンによって実現することができない。このためビーム長手方向と凸部が平行に近い部分を処理する場合、凸部が直角に近い部分等の箇所の処理条件に対しレーザパワー密度を下げるか、スキャン速度を上げるかして別の処理にて溶融無しの処理をする必要がある。これらの方法でも実現可能であるが、装置及び処理手順が複雑化するのは避けられない。また、照射が重複する操作を行うと焼き鈍し条件が発生し硬度低下する等の問題がある。
【０００９】
このため本発明に於いては、処理方法を更に改善すべく、その問題点に対し均一のパワー密度を持ったビームではなく、線状ビームの長手方向に制御されたパワー密度の空間分布を持ったレーザビームを照射することにより、上記同心円状に配置された凸部の頂点を一回のスキャンにより溶融なしに処理することを可能とした。具体的にはビーム長手方向と凸部が平行である部分に対しては、照射レーザビームのパワー密度を低下させたレーザビームで処理を行うものである。長手方向と凸部が平行である部分の処理レーザビームパワー密度の必要低減量は、凹凸形状により変更が必要であるが、概ね１５％〜２０％の低減が望ましい。それ以下の低減であれば凸部に溶融が発生し所望の摩擦係数が得られなくなり、それ以上の低減は凸部焼き入れ部分の深さが浅くなり所望の機械強度がでない問題が発生する。
【００１０】
図２、図３に本発明によるレーザビーム用いた際の、焼き入れ時の昇温シミュレーション結果を示す。図２はレーザビ−ム４が凸部に該垂直にあたるレーザビーム長辺の端部（図４中のＡ点）の昇温結果で、図３はレーザビ−ム４が凸部に該平行にあたるレーザビーム長辺の中央部（図４中のＢ点）の昇温結果である。このシミュレーションで用いた条件は、レーザパワーが１０ｋＷ、被加工材上でのビーム形状は７０ｍｍ×２ｍｍの矩形形状で、計測したレーザのパワー密度は図５に示されるもので、中央部が端部に比べ約２０％低下させてある。スキャン速度はビーム短辺と平行な方向に２ｍ／ｍｉｎの速度である。被加工材は、炭素量が０．３５％の機械構造用炭素鋼であり、凸部より凹部までの高さが２ｍｍであり、頂角６０°である突起を持つスプライスプレートである。シミュレーション結果は、その部分の達する最高温度が等高線上に表示されている。被加工材の凸部は、凹部比べ容易に加熱され硬化に必要な変態点となる。この例では、変態点は８５０℃である。本発明によるレーザビームを用いれば、レーザビ−ムが凸部に略垂直にあたるレーザビーム長辺の端部の結果も、レーザビ−ムが凸部に略平行にあたるレーザビーム長辺の中央部の結果も、頂点が約１４００℃で、同じ深さまで焼き入れが可能であることがわかる。ちなみに、変態点からの変態終了点であるＭｓ点（約４５０℃）までの冷却速度は、約０．３秒で焼き入れに必要な速度は充分であった。このため、上記の切削、転造等で作られた凹凸を持つスプライスプレートにおいて凸部のみ高硬度化することが可能となった。
【００１１】
このレーザビームを形成する際に用いた光学系の一例を図６に示す。第１光学素子２０は短辺方向にレーザを集光するためのシリンドリカルレンズであり、このレンズと被加工物１４の距離を変えることにより照射ビームの短辺の長さ１３が変更可能である。第２光学素子２１は凸部を持つプリズムで、第１光学素子２０で一軸圧縮されたレーザビームを左右入れ替えて重畳させることが可能である。プリズムと被加工物１４の距離を変えることにより左右の入れ替えの度合い（図中の重畳量）を変更でき、後記するようにパワー密度分布を調整可能である。第３光学素子２２は長辺方向にレーザを広げるためのシリンドリカルレンズであり、この光学素子と被加工物の距離を変えることにより、照射ビームの長辺の長さ１２を変更可能である。
【００１２】
この処理に用いるレーザビームは、低次のマルチモードを持ったレーザビームである。この例として図７に示される富士山型のレーザビームの強度分布を示す。図６中の重畳パラメータ１１を０としたときのレーザビームの幅１５をＤと定義する。このビームのパワー密度は、図８（ａ）にあるとおり長辺の中央部が端部より高くなる。しかし、ずらし量である重畳パラメ−タの図６の１１を図８（ｂ）の様にＤ／１０とすると、長手方向に均一なレーザビームとなる。図８（ｃ）の様に重畳パラメータをＤ／１０以上とすると、本発明で必要な中央部が低減されたレーザビームとなる。この中央部の端部に対する量は重畳パラメータにより図９で表される。このように、３つの光学素子の位置を調整することでビーム形状、パワー密度を変化させることができる光学系である。この光学系は、レンズ以外にミラー系を用いて構成することも可能である。この際はプリズムの代わりに、ルーフトップミラーと呼ばれるミラーでビーム重畳を行う必要がある。また、レーザビームは鉛直方向から照射するよりも、短径方向水平から見て傾けて照射した方が、レーザ装置、及び光学系をレーザ光の反射より保護するのに効果的である。
【００１３】
【実施例】
図１０に示す通り、全長５００ｍｍ、全幅２００ｍｍ、板厚１５ｍｍである鋼板上に、６０ｍｍ径の転造加工された同心円上突起が８ヶ所で、凸部より凹部までの高さが２ｍｍであり、頂角６０°である転造突起を持つスプライスプレートに対し、レーザ出力が１０ｋＷである炭酸ガスレーザを用い、光学系としては第１光学素子として焦点距離３００ｍｍのシリンドリカルレンズを被加工材表面より２９０ｍｍ位置に設置し、第２光学素子として頂角１７９度のプリズムを被加工材表面より２５０ｍｍに設置し、第３光学素子として焦点距離−１００ｍｍのシリンドリカルレンズを被加工材表面より１２０ｍｍ位置に設置した。照射位置に於けるレーザビームは長辺７０ｍｍ、短辺２ｍｍの矩形状に集光されており、中央部のパワー密度の低減は端部に比べ２０％であった。このビームを用いてスプライスプレート表面に鉛直方向から１０度傾けて照射し、短辺と平行方向に走査して焼き入れ処理を、４ヶずつ２列に分けて行った。被加工材は、表面にレーザ吸収率を向上させるめにカーボン系の吸収剤を塗布した、カーボン量が０．３５％の機械構造用炭素鋼を用いた。スキャン速度を、２ｍ／ｍｉｎとしたときの凸部の硬化分布は任意の凹凸部に於いて図１１となり、凸部の頂点先端から凸部高さの約５０％が処理前母材の表面硬さであるＨｖ２００に対して２倍以上のＨｖ５００となっている。また、冷却後のスプライスプレートは溶融、反り等の変形は皆無であった。また、このスプライスプレートを曲げ試験を行った結果は、熱処理前の疲労特性と同等で、凹部よりの亀裂伸展等は皆無であった。
【００１４】
ここで用いた、レーザの照射位置に於けるビーム形状は矩形であったが、長楕円等の長手方向に均一なパワー密度を持つ形状のビームでも処理は可能である。また、突起形状、サイズが変化した場合にも、用いるレーザのパワーと、集光ビーム形状、走査速度を変化させることにより、同様のメカニズムで突起部のみを硬化させることは可能である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つ高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートにおいて、前記山形の凸部が溶融することなく焼き入れされ、且つ凹部はほとんど焼き入れされないので高い滑り係数を安定に得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスプライスプレートのボルト孔付近の形状説明図である。
【図２】本発明によるスプライスプレートの処理時に於ける昇温シミュレーションの結果。
【図３】本発明によるスプライスプレートの処理時に於ける昇温シミュレーションの結果。
【図４】本発明によりレーザ熱処理したスプライスプレートとレーザビームの位置の略図。
【図５】本発明による熱処理用レーザビームのパワー密度の例。
【図６】本発明で用いた熱処理用光学系の一例。
【図７】本発明で用いたレーザビームの空間モードの一例。
【図８】本発明で合成された熱処理用レーザビームのパワー密度分布。
【図９】重畳パラメータの変化に対する長径方向中央部と端部のパワー密度の比。
【図１０】本発明によりレーザ熱処理したスプライスプレートの全体略図。
【図１１】本発明の熱処理で得られたスプライスプレートの硬度測定結果。
【符号の説明】
１ボルト孔２凸部頂点
３凹部底４レーザ光
１０焼き入れ部１１重畳パラメータ
１２ビーム長辺１３ビーム短辺
１４被加工物１５ビーム幅
２０第１光学素子２１第２光学素子
２２第３光学素子

Claims

ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つ高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法において、レーザビームを前記山形の凹凸部の直径よりも長く線状に集光し、前記山形の凹凸部を走査して熱処理するにあたり、前記線状に集光したレーザビームの線幅とパワー密度の空間分布および走査速度を調整することにより、山形の凸部の硬さを母材の硬さよりも硬くすることを特徴とするの高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法。
前記線状に集光したレーザビームの長手方向中央部のパワー密度が、長手方向の端部のパワー密度に対して相対的に低いレーザビームであることを特徴とする請求項１記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理方法。
ボルト孔と同心円状に連続した山形の凹凸を持つ高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置において、レーザビームを一軸方向に集光する第１光学素子と、第１光学素子と被加工物との距離を調整する第１光学素子位置調整機構と、第１光学素子で一軸方向に集光されたレーザビームを集光方向と直角方向に左右入れ替えて重畳させる第２光学素子と、第２光学素子と被加工物との距離を調整する第２光学素子位置調整機構と、第２光学素子出側のレーザビームを集光方向と直角方向に広げる第３光学素子と、第３光学素子と被加工物との距離を調整する第３光学素子位置調整機構と、前記第３光学素子出側に得られた線状レーザビームを被加工物平面上で線上方向と直角方向に走査する走査機構とで構成され、第１〜３光学素子の各被加工物との距離および走査機構の走査速度を調整することにより山形の凸部の硬さを母材の硬さよりも硬くすることを可能にした高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートの焼き入れ処理装置。