JP3650487B2 - 金属管または金属棒の突合せ接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属管または金属棒を長さ方向に突合せ、両材料の接合面にインサートメタルを介入させて拡散接合する方法において、突合せ時に両材料がずれないよう、また突合せ後は横方向にすべらないようにして接合するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料同士の接合手段として、接合すべき両材料の接合面間に非晶質金属箔からなるインサートメタルを介入させ、加圧下で加熱して該メタルの含有元素を両材料中に拡散させる拡散接合法がある。この拡散接合法は、インサートメタル中の非晶質金属元素が容易に拡散することから、比較的短時間の加熱で接合でき、大気中でも可能である。したがって、油井鋼管の現地施工などにおいて、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接に替わる安価かつ簡易な接合手段として注目されている。
【０００３】
本発明者らは、鋼管などの突合わせ接合用インサートメタルに関して、特開平５−１２３８９０号公報に、急冷凝固箔よりなる円錐台リング用ろう材及びその製造法を提案している。該円錐台リングを使用した接合法を示すと、図１２のように、接合しようとする管１および管２の端面を加工し、一方の管１には凹テーパを、他方の管２には凸テーパをそれぞれ形成し、両テーパの間に円錐台リング状のインサートメタル３を挟んで加圧下で加熱するものである。
【０００４】
なお、アルミニウムパイプの突合せ圧接法として、特開昭５５−７３４８８号公報には、一方のパイプ端面を楔状とし、他方のパイプ端面をこれにかみ合う凹み形状とし、あるいは印籠式に両者をかみ合う形状とし、アルミニウムと共晶反応を起こして比較的低温で共晶溶融液となる粉末状あるいは箔状の金属を凹みに入れてかみ合わせる方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなインサートメタルを介入させた金属管または金属棒の突合せ拡散接合法においては、両材料を接合面でずれることなく突合せるとともに、突合せた後は横方向にすべらないようにすることが必要である。突合せ時にずれたり、突合せ後にすべると、インサートメタルとの接触面積が減少するほか、接合面の面積が減少して接合強度が低下するなどの問題が生じるからである。
【０００６】
上記特開平５−１２３８９０号公報においては、接合しようとする両管の端面に形成した凹テーパおよび凸テーパを嵌め合わせているが、ずれやすべりを十分に防止するには至っていない。また、上記特開昭５５−７３４８８号公報に開示されている楔方式あるいは印籠式のものは、管の全周にわたって肉厚に段を設けており、管が真円でないと高精度の嵌め合わせが困難であり、突合せ時のずれを十分に防止することはできない。
【０００７】
本発明は、金属管または金属棒を長さ方向に突合せ、両材料の接合面にインサートメタルを介入させて拡散接合する方法において、突合せ時に両材料がずれないよう、また突合せ後は横方向にすべらないようにして接合し、十分な接合強度を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明法は、金属管または金属棒を長さ方向に突合せ、突合せた両材料の接合面にインサートメタルを介入させ、加圧しつつ加熱して拡散接合する方法において、複数本の棒状支持体を前記接合面に掛け渡すことで、前記両材料を横方向に係止することを特徴とする金属管または金属棒の突合せ接合方法である。そして、さらに両材料の接合面の一方には凸部を設け、他方には該凸部に嵌合する凹部を設けることで、前記両材料を横方向に係止することもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明法を図面に示す例により説明する。
本発明法により管を突合せる方法の１例を図１に示す。管１と管２の各接合面４は管軸に垂直であり、それぞれ複数（図１では２個見える）の穴５を設けている。一方の管（図１では管２）の穴５に棒状支持体６を、長さ方向１／２程度埋設しておき、管１、管２の一方または双方を移動して、他方の管（管１）の穴５に挿入することで、棒状支持体６を接合面４に掛け渡して突合せる。その際、両接合面４，４の間にはインサートメタル３を介入させている。突合せ後は、両管１，２を加圧しつつ加熱して拡散接合する。
【００１２】
図２は、両管の接合面４を傾斜させた例を示し、管１には凸テーパ、管２には凹テーパを設けて接合面４の面積を拡大するとともに、突合せ時のずれ抑制および突合せ後のすべり抑制を図っている。その他は図１の例と同様である。図１および図２の例において、複数の棒状支持体６を接合面に掛け渡し、両管１，２の横方向の移動を係止しているので、突合せ時にずれるおそれがなく、突合せ後にすべるおそれもない。
【００１３】
なお、図１および図２の例において、棒状支持体６は接合面４から管１側および管２側にそれぞれ１０mm程度挿入されればよく、断面の形状は任意でよい。また、棒状支持体６にインサートメタルを巻き付けておくこともできる。インサートメタル３は非晶質を含む急冷凝固箔で形成され、接合面に合せた形状とし、棒状支持体６の位置にあらかじめ孔をあけておく。
【００１４】
図３の例は、棒状支持体６を両管１，２の外周面に沿わせて、接合面４に掛け渡したものである。本例では棒状支持体６を管１にスポット溶接により固定しており、７が溶接部である。このように棒状支持体６を外周面に沿って設ける場合、接合面４での両管１，２の横方向移動を３６０°にわたって係止するには、３本以上が必要である。ただし、棒状支持体６が２本でも、図３のＡ−Ａ矢視図である図４に示すように、外周に沿った弧状とすれば、３６０°にわたって係止することができる。
【００１５】
突合せに際しては、一方の管（図３では管１）に棒状支持体６を固定しておき、管１、管２の一方または双方を移動して、両接合面同士をインサートメタル３を介入させて突合せる。突合せ後は、両管１，２を加圧しつつ加熱して拡散接合する。なお、溶接した棒状支持体６は、両管１，２の接合後、取外してもよく、支障がなければ取付けたままでもよい。
【００１６】
図５の例は、棒状支持体６を両管１，２の内周面に沿わせて、接合面４に掛け渡したものである。本例では棒状支持体６をマグネット８により管１に固定している。このように棒状支持体６を内周面に沿わせて設ける場合は、２本でも３６０°にわたって係止できるが、２本の場合は内周に沿った弧状とするのが好ましい。また本例では、管端を加工し、管１には凸テーパ、管２には凹テーパを設けて接合面を傾斜させている。突合せに際しては、図３の例と同様にして行うことができる。
【００１７】
なお、マグネット８による棒状支持体６の固定は図３の例に適用することもできる。両管１，２の接合時、キュリー点以上の温度に加熱されると、マグネット８は常磁性になるので、管１から容易に取外すことができ、また縦型に接合する場合は自然落下する。一般にマグネット８のキュリー点は、合金の組成により異なるが、７００〜８００℃程度である。
【００１８】
上記図１〜図４に示した各例は、対象材が金属棒の場合にも適用することができる。金属棒としては、丸棒、角棒など各種断面形状のものを対象とすることができる。図６の例は、棒１１および１２の各接合面４にそれぞれ穴５をあけ、複数の棒状支持体６（図６では２本見える）を挿入することで、棒状支持体６を接合面４に掛け渡して突合せる。その際、両接合面４，４の間にはインサートメタル３を介入させる。インサートメタル３には、棒状支持体６の位置に孔をあけておく。
【００１９】
図７の例は、棒状支持体６を棒１１および１２の周面に沿わせて、接合面４に掛け渡したものである。本例では棒状支持体６をマグネット８により固定しているが、溶接により固定することもできる。図７の例においても、図３の例と同様、棒状支持体６を２本とする場合は、周面に沿った弧状とする。
【００２０】
つぎに、本発明法において、両材料の接合面の一方には凸部を設け、他方には該凸部に嵌合する凹部を設けることで、前記両材料を横方向に係止する方法をを併せて適用することもできる。その例を図８および図９に示す。図８は縦断面図、図９は図８のＡ−Ａ矢視断面図である。管１および管２の接合面４に２本の棒状支持体６を掛け渡すとともに、管２の接合面４には凸部９を設け、管１の接合面４には管２の凸部９に嵌合する凹部１０を設けることで、両管１，２を横方向に係止している。
【００２１】
このように棒状支持体６と凸部９および凹部１０との双方で係止することにより、両管１，２の突合せ時のずれおよび突合せ後のすべりをより効果的に防止することができる。
なお、棒状支持体６の固定手段としては、本例ではマグネット８を使用しているが、溶接でもよい。また棒状支持体６は管の内周面に固定してもよい。さらに、凸部９および凹部１０の数は本例に限らず任意のものとすることができる。また、金属棒を対象とし、同様に突合せて接合することもできる。
【００２５】
【実施例】
本発明例−１（第１発明法）：本発明法により鋼管同士を拡散接合した。鋼管は JIS G 3444 に規定されるＳＴＫ４００、外径２６４．４mm、内径２２８．８mm、肉厚１７．８mmである。図１に示すように、両管１，２の管端肉厚中央部の対象位置２箇所に直径６mmφ、深さ１５mmの穴５をドリルであけた。インサートメタル３として、厚さ３０μｍのＦｅ−９wt％Ｓｉ−１．５wt％Ｂからなる組成の非晶質合金箔を採用し、接合面４の形状寸法に合せ、穴５の位置に孔をあけたものを管２の接合面４に貼付けた。
【００２６】
管２の２箇所の穴に、棒状支持体６として直径５．６mm、長さ２９mmの丸鋼棒を挿入した。丸鋼棒は、 JIS G 3192 に規定されるＳＳ４００である。そして、管１の接合面４の穴５に棒状支持体６を他端から挿入し、両接合面４をインサートメタル３を介して密着させ、約９００kgで加圧し高周波誘導方式により接合部を加熱した。加熱時の昇温速度は約５℃であり、１２００℃に到達後、５分保定し電源を切って冷却した。
【００２７】
本発明例−２（第１発明法）：本発明例−１と同様の鋼管を同様のインサートメタルを介入させて図３のようにして突合せ、拡散接合した。片側の鋼管の外周面に、棒状支持体６として、上記例と同鋼種からなり同直径で長さ５０mmの丸鋼棒を４本、１／４周間隔で溶接により固定した。そして、他方の鋼管を４本の丸鋼棒をガイドとして、該丸鋼棒で囲まれた内部に挿入し、両接合面４をインサートメタル３を介して密着させ、上記例と同様の条件で加圧し加熱した。
【００２９】
本発明例−３（第１発明法）：本発明法により棒鋼同士を拡散接合した。棒鋼は JIS G 3192 に規定されるＳＳ４００で、直径２２mmである。図６に示すように、両棒１１，１２の外周から３mm入った対象位置２箇所に、直径２mmφ、深さ１０mmの穴５をドリルであけた。インサートメタル３として、厚さ３０μｍのＦｅ−９wt％Ｓｉ−１．５wt％Ｂからなる組成の非晶質合金箔を採用し、接合面４の形状寸法に合せ、穴５の位置に孔をあけたものを棒１２の接合面４に貼付けた。
【００３０】
棒１２の２箇所の穴に、棒状支持体６として直径１．８mm、長さ１９mmの丸鋼棒を挿入した。丸鋼棒は、 JIS G 3192 に規定されるＳＳ４００である。そして、棒１１の接合面４の穴５に棒状支持体６を他端から挿入し、両接合面４をインサートメタル３を介して密着させ、約４０kgで加圧し高周波誘導方式により接合部を加熱した。加熱時の昇温速度は約５℃であり、１２００℃に到達後、５分保定し電源を切って冷却した。
【００３１】
従来例：本発明例−１と同様の鋼管を同様のインサートメタルを介入させて図１０のようにして突合せ、拡散接合した。両管１，２のテーパ角αは４５°である。突合せ後の加圧および加熱条件は上記例と同様である。
【００３２】
各本発明例および従来例について、接合部を詳細に観察した結果、本発明例はいずれも段差が認められず、高精度の突合せ接合がなされていた。これに対して従来例では、わずかな段差が認められ、突合せ時のずれ、あるいは突合せ後のすべりが生じたことが窺われた。
【００３３】
また、接合部をほぼ中央部とする引張試験片を採取し、引張試験を行った結果、本発明例はいずれも母材部で破断し、接合部の強度および靭性は構造部材として十分なものであった。しかし、従来例では、一部に接合部での破断が見られ、接合部に欠陥のあることが窺われた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明法によれば、金属管または金属棒を長さ方向に突合せ、両材料の接合面にインサートメタルを介入させて拡散接合する方法において、突合せ時に両材料がずれるおそれがなく、また突合せ後は横方向にすべるおそれもないので、接合部には段差が生じない。そして、接合面の全面がインサートメタルを介して密着するので、接合部の強度および靭性などの機械的性質は極めて良好である。
【００３５】
そして、比較的簡単な構成の装置により励磁および接合を行うことができ、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接、あるいは圧接など他の接合手段に比べて安価かつ容易であり、油井管の現地施工、あるいは各種建設工事の現地における鋼管や鋼棒等の接合に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明例を示す縦断面図である。
【図２】 本発明の別の例を示す縦断面図である。
【図３】 本発明の別の例を示す縦断面図である。
【図４】 本発明の別の例を示す図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図５】 本発明の別の例を示す縦断面図である。
【図６】 本発明の別の例を示す縦断面図である。
【図７】 本発明の別の例を示す縦断面図である。
【図８】 本発明の別の例を示す縦断面図である。
【図９】 本発明の別の例を示す図８のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図１０】 金属管同士をインサートメタルを挟んで拡散接合する従来法の説明図である。
【符号の説明】
１，２…管
３…インサートメタル
４…接合面
５…穴
６…棒状支持体
７…溶接部
８…マグネット
９…凸部
１０…凹部
１１，１２…棒

Claims (2)

1. 金属管または金属棒を長さ方向に突合せ、両材料の接合面にインサートメタルを介入させ、加圧しつつ加熱して拡散接合する方法において、複数本の棒状支持体を前記接合面に掛け渡すことで、前記両材料を横方向に係止することを特徴とする金属管または金属棒の突合せ接合方法。
2. 両材料の接合面の一方には凸部を設け、他方には該凸部に嵌合する凹部を設けることで、前記両材料を横方向に係止することを特徴とする請求項１記載の金属管または金属棒の突合せ接合方法。

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