JP4006508B2 - 管の接合部材、および接合部材を管端部に溶接する方法 - Google Patents

Description

本発明は、管の接合部材、および接合部材を管端部に溶接する方法に関するものである。ここでの接合部材は、場合により面取りされた円環状の管の端面に溶接することが意図されるものである。特に本発明は、たとえば他の管、取付金具、ホース等の他の構成部品と管を連結したときに、特にＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ８４３４−１に掲げられているスクリューソケットまたは溶接ソケットにある少なくとも部分的に相補的なシール面と協働するテーパ状のシール面を備える接合部材に関するものである。

ここで対象としている種類の接合部材は、たとえばＤＥ１９６０９３３Ｕ１から公知であり、特に、スクリューソケットや溶接ソケット、ユニオンナット、環状のシール材といった他の構成部品とともに、たとえば他の管、取付金具、ホース等の他の構成部品と管との間で、きわめて利用性の高い密封された接合（たとえば高圧配管で必要とされるような接合）を可能にするために用いられる。

この場合、前述したＤＥ１９６０９３３Ｕ１から公知となっている接合部材は、実際に長年にわたって優れた効果が実証されている。ただし、このような円環状の端面をもつ接合部材を、管の端部にある同じような端面に溶接することは容易ではなく、熟練した専門作業員が施工をしなければならない。

この場合、通常のガス溶接を適用すると、ここで対象としている配管では両方とも鋼材でできているのが通常である接合部材と管の材料に含まれる合金元素によって、管の外側にも内側にもスケールが生じ、管の内側に生じたスケールは、通常の場合、高いコストのかかる（普通は１３％の塩酸溶液による）事後的な酸洗いによって溶かし、次いで洗い落とさなくてはならない。そうしないと、たとえば高圧の作動油配管などで管を使用するときに、スケール粒子が、たとえば油圧シリンダ等の構成部品の損傷につながる恐れがあるからである。

そこでスケールの形成を防ぐために、管端部に接合部材を溶接するのに、保護ガス雰囲気のもとでのいわゆるタングステン・イナートガス溶接法（ＴＩＧ溶接法）が用いられる場合が多い。しかしこの場合には、溶接の際に溶着金属も溶接ビードも管内部に達しないように配慮しなくてはならない。通常の場合、それに続いて溶接部位を少なくとも清潔にしなくてはならず、あるいは、さらに研磨しなくてはならないことも多い。

公知の溶接法は熟練した専門作業員を必要とするばかりでなく、長い時間を要し、そのために格別にコストがかかる。

その他、いわゆるフランジねじ込みの形態による溶接を使わない管連結も公知である。この場合、配管の端部を機械で変形させ（フランジをつけ）、事前に装着しておいたユニオンナットのための肩部を形成する隆起部をアプセットで成形する。隆起部のアプセットのためには非常に強い力が必要であり、管を圧縮方向に向かってクランプ固定しなければならないので、アプセットの際には外側の管に深いクランプ溝ができる。このクランプ溝が管の繊維を損傷する可能性があり、このことは、特に配管がしばしば著しい動的負荷にさらされる高圧ハイドロリックシステムの場合、配管の破損につながりかねない。

そのうえ、アプセットによって管内部に中空部ができて、この中空部に汚れが溜まる可能性があり、このことは管内部の腐食が進むことにつながる恐れがある。

最後に、フランジ付けのときに管は常温で変形し、伸びている繊維が切断されないという事実も問題を含んでいる。このことも、同じく材料中の繊維が引き裂かれて、そのために容易に管が破損することにつながる恐れがある。

したがってフランジねじ込みは、特に動作圧が非常に高い場合や、特定の油圧系のように強い振動が発生する可能性がある配管系では、限定的にしか適していない。

本発明の課題は、一つには、格別に簡単、迅速、かつ低コストなやり方で、端面が実質的に円環状の管端部に溶接可能であり、たとえばユニオンナットやスクリューソケットといった他のコンポーネントとともに、極端な圧力や温度変動が生じた場合でも管と他のコンポーネントとの密封された連結を可能にするような、接合部材を提供することである。

さらに別の本発明の課題は、溶接の経験がない作業員でも格別に簡単、迅速、かつ低コストに施工することができる、管の円環状の端面に接合部材を溶接する方法を提供することである。

この課題は接合部材に関しては、摩擦溶接によって管の端面と溶接可能な、以下において「摩擦領域」と呼ぶ環状領域を有している、冒頭に述べた種類の接合部材によって解決される。

このような接合部材は、摩擦溶接によって管の端部に溶接することができるという大きな利点がある。摩擦溶接では、接合されるべき各構成部品がそれぞれの接合フランジのところで相互摩擦によって局所的に可塑領域まで加熱され、次いで、短時間の押圧によって相互に接合される。摩擦溶接の施工に必要な機械は操作が非常に簡単であり、ＴＩＧ溶接のように高度に熟練した作業員は不要である。しかも、摩擦溶接法はＴＩＧ溶接よりも明らかに迅速に行われる。

さらに別の利点は、通常の場合、本発明の接合部材を管に溶接するのに必要な時間が、最大で約５０ｍｍの普通の外径をもつ鋼管の場合、スケールの生成が起こり得ない程度に短くなることであり、それにより、たとえば酸洗いなどの後作業を省略できるという利点がある。

当初の実験から判明したところでは、本発明のおかげで利用可能な摩擦溶接法によって本発明の接合部品を管端部に溶接する作業は、必要なあらゆる前作業を含めても、公知の接合部材を管に溶接する同等の作業より、およそ５分から７分ほど迅速に施工することができる。

本発明の有利な実施形態では、摩擦領域が、接合部材が溶接されるべき管の端面に対して適正にアライメントされたとき、端面に向かって先細になっていることが意図される。このことにはさまざまな利点がある。たとえば、摩擦溶接の開始時に、摩擦領域の比較的狭い面しか管の端面に当接しないので、多大な力のコストをかけずに機械を始動させることができ、それにもかかわらず、接触領域で狭い面に集中する圧力によって、著しい摩擦およびこれに伴う熱が発生し、この熱が、相互に連結されるべき部品の所望の均等な加熱につながる。

これ以外にも先細の形状は、各部品が相互に押圧されたとき、加熱の後に管内側と管外側で場合によって生じるフラッシュがわずかしか突出せず、特に、場合により管内側に生じるフラッシュが配管の自由直径を過度に狭めないので、流動を阻害する部分を形成しないことを保証する。

先細になった摩擦領域が、約９０°から１６０°の角度、有利には約１２０°の角度で互いに延びる２つの環状の側壁を有していると、目的に適っていることが判明している。この場合、溶接されるべき管の壁厚に応じて角度を選択することができ、特別に壁の厚い管の場合には広い角度にして、壁の薄い管の場合には狭い角度にすることができ、ここで対象としている管の普通の壁厚はおよそ１．０から５．０ｍｍの間である。

さらに、摩擦領域が、面取りされた先端または丸められた先端を有していると、好ましいことが判明している。先端が丸められている場合、溶接されるべき管の外径の約１から１０％、有利には約２．５％である、先端の丸みの半径が特に好ましいことが実証されている。溶接されるべき管が１６ｍｍの一般的な外径を有している場合、摩擦領域の丸みの半径は約０．４ｍｍである。

本発明の格別に有利な実施形態では、摩擦領域が接合部品の内部に形成され、このことは一連の利点を有しており、そのうち、見た目が「きれいに」なるという利点はもっとも些細なものにすぎない。この実施形態では溶接部位の研磨が不要である。

摩擦領域が接合部材の内部に形成されていると、接合部材の内部で摩擦領域の隣に、接合部材を管と摩擦溶接する際に管の外側に生じるフラッシュに対する、環状に周回する受容部が設けられるという利点もある。この受容部は、接合部材を管へ押圧したときに、押圧方向に対して横向きに押し出される液化した材料が、出ていく空間が他にないために管内部に押し出されて、内径を狭めてしまうのを防止する。

フラッシュに対する受容部は、その最大の外径が、接合部材に形成される、溶接されるべき管に対する円形の受容開口部の直径よりも大きくなるように構成されるのが好都合である。このようにして、フラッシュが冷却した後に接合部材と管が追加的に嵌合によって結合され、こうした結合が溶接継目の負担をいっそう軽くする。

この場合、接合部材に形成される、溶接されるべき管に対する円形の受容開口部の最小の直径は、溶接されるべき管の外径よりも若干大きいのが望ましく、それにより、接合部材と管を摩擦溶接するとき、本当に接合部材の摩擦領域だけが管と接触することになる。受容開口部の最小の直径を管の外径よりもどれくらい大きくするべきかは、使用する摩擦溶接機の走行安定性に左右される。出願人の機械の場合、非常にわずかな公差があれば十分である。たとえば直径が１６．５ｍｍの受容開口部があれば、外径が１６ｍｍの管には完全に十分である。

別の有利な実施形態では、溶接されるべき管のほうを向いている接合部材の外面が、ユニオンナットを保持するための載置面として構成される。従来技術から公知となっている接合部材の場合に必要となるような比較的長いソケットは、省略することができる。さらに、外面がユニオンナットを保持するための載置面として構成されているので、必然的に、たとえば管よりも大きな外径を有していなければならない接合部材の区域は、発生するフラッシュに対して場合により接合部材に設けられる受容部を接合部材のこの区域に構成することによって、二重の役割を果たすという利点がある。

接合部材は利用ケースに応じて任意に成形されていてよいが、ここで対象としている典型的な接合部材はＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ８４３４−１に基づくネジ継手を形成するのに役立つのが望ましいので、溶接されるべき管と反対を向いているほうの接合部材の外面は、テーパ状のシール面として構成される。そしてこのシール面に、シールリングを受容するための周回する溝を設けることができる。

上に挙げた課題を方法の面から解決するために、接合部材の摩擦領域と管の端面が、溶接をするのに必要な温度に加熱されるまで互いに摩擦されるように、管の円環状の端面の中心軸を中心として接合部材と管を互いに相対回転させ、次いで、接合部材と管の相対回転を互いに停止し、端面と摩擦領域を相互に押圧するることによって、本発明に基づいて構成された接合部材が管の円環状の端面に溶接される方法が提案される。

次に、図面を参照しながら、限定をするのではなくあくまでも一例として、本発明の接合部材および本発明の方法の実施例について説明する。

図１には、管の円環状の端面に溶接するための、全体として符号１０が付された接合部材が、本実施例では回転対称な接合部材１０の中心軸１２に対して垂直方向で見た部分断面の側面図として示されている。ここで付言しておくと、「円環状の」という用語は、たとえば平坦な端面だけを意味しているのではない。むしろ端面は任意の輪郭を有していてよく、特に、外方または内方に向かって湾曲していてもよい。重要なのは、摩擦溶接のときに接合部材と管が互いに相対的に回転する軸に沿って投影したときの端面が、たとえば楕円形などではなく、平坦な円環のように円形であることだけである。

接合部材１０は、相応に寸法決めされた管の端面に当てて摩擦することによって、接合部材１０を対応する管といわゆる摩擦溶接法で溶接することができるように、可塑領域になるまで加熱することができる領域を内部に有している。したがって、特別に成形されたこの領域を、本明細書では摩擦領域１４と呼んでいる。

摩擦領域１４は、本実施例では、図１には図示しない管が接合部材１０へ適正に挿入されたときに、あるいは、接合部材１０がこのような管の端部に冠着されたときに、接合部材が溶接されるべき管の端面のほうに向かって湾曲しており、本実施例では約１２０°の角度で互いに延び、丸められた先端２０の領域で相互に移行する２つの側壁１６および１８を有している。

接合部材の自由な内径Ｒは、本実施例では、溶接されるべき管の自由な内径に相当している。ここで付言しておくと、接合部材は当然ながらこれ以外の任意の内側輪郭を有していてもよく、たとえば径違いソケットとして構成されていてもよい。

摩擦領域１４の湾曲により、摩擦溶接の格別に好ましい進行が保証されるばかりでなく、接合部材１０を管と摩擦溶接するときに内側に発生するフラッシュが最低限に抑えられるので、たとえフラッシュが生じたとしても、溶接された管や接合部材を通る流れがフラッシュによって実質的に妨げられない。

管内側に生じるフラッシュをいっそう最低限に抑えるために、この格別に有利な実施例では、摩擦領域１４と並んで環状に周回する受容部２２が形成されており、摩擦溶接のときに液化し、最初は遠心力によって、後には押圧力によって外方に向かって押し出される接合部材の材料、およびそのときにフラッシュを形成する溶接されるべき管の材料が、この受容部の中に入ることができる。

接合部材は、接合部材と溶接されるべき管とが適正にアライメントされたときに管のほうを向く端部に、環状の外側面と環状の内側面とを備える肩部区域２４を有している。

肩部区域２４の内側面は、溶接されるべき管に対する円形の受容開口部を区切っている。図１に見られるように、溶接されるべき管に対するこの受容開口部の直径は、フラッシュに対する環状の周回する受容部２２の最大の外径よりも明らかに小さい。つまり、中心軸１２に沿って見ると受容開口部はアンダーカットされていると言うことができ、アンダーカット角は接合部材の中心軸１２に対して１０°から３０°の間、有利には２０°が良いことが判明している。

この実施形態は、摩擦溶接のときの遠心力が大きい場合でも、液化した材料が受容部２２の中に溜まるので、管ないし接合部材から離れて投げ出されることがないという利点を有しているばかりでなく、受容部２２の中で冷却した材料が、アンダーカットされた肩部区域２４の内側面と追加的に嵌合によって結合するという利点も有しており、このことは、溶接によって生じる溶接継目の負担をいっそう軽減する。

肩部区域２４の外側面は、ユニオンナットを保持するための載置面を形成している。溶接されるべき管と反対のほうを向いている接合部材１０の外面２６は、テーパ状のシール面として構成されており、ここには図示しないシールリングを受容するための周回する溝２８を備えている。

接合部材は、そのつどの利用ケースに合った任意の材料で、有利には一体的に構成されていてよい。ただし、接合部材１０は高圧の作動油管路で用いられるのが通常なので、通常の場合、溶接されるべき管と同じく普通の鋼材で製作される。ただし材料としては特殊鋼やオーステナイト材料、ならびに、たとえば真鍮、チタン、耐熱鋼、ＣｕＮｉＦｅｒ合金なども考慮の対象となる。

図２には、本発明の接合部材４０を用いて管継手を成立させるための種々のコンポーネントが示されており、接合部材４０は実質的に図１の接合部材１０に対応している。ここで付言しておくと、純粋に原理を示すこの略図では、接合部材４０の摩擦領域の厳密な構成は図示していない。

この図面に示しているその他の構成部品は、部分的にのみ示している管４２と、ユニオンナット４４と、Ｏリングシール４６と、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ８４３４−１に基づくいわゆるスクリューソケット４８である。

図３は、図２の構成部品を組み立てた状態で示している。

図示しているネジ止めを組み立てるときは、第１の方法ステップで、管と接合部材を互いに相対的に高速回転させる摩擦溶接機によって、接合部材４０を管４２に溶接する。

このとき、接合部材４０を機械のいわゆる摩擦溶接ヘッドへ固定するために、すでにユニオンナット４４を利用することができる。通常、摩擦溶接機は、接合部材４０の外側輪郭に対して少なくとも部分的に相補的な内側輪郭をもつ受容部を有しており、その外側輪郭は、ユニオンナット４４の雌ネジと相補的なねじ山を備えている。それにより、接合部材４０をユニオンナット４４によって摩擦溶接ヘッドに固定することができる。

次いで、管４２をクランプ装置に挿入して固定する。摩擦溶接の際には、特定の回転数で回転する接合部材４０が、摩擦時間と呼ばれる事前設定された時間にわたり、摩擦圧力と呼ばれる特定の圧力で、定置の管端部に対して押圧される。摩擦時間の後、接合部材をアプセット時間と呼ばれるより高い圧力で、アプセット時間と呼ばれる特定の最低時間にわたって管端部に押し付ける。

管の外径と管の壁厚に応じて、回転数、摩擦時間、摩擦圧力、アプセット時間、およびアプセット圧力について特定のパラメータが摩擦溶接機に設定される。ここで対象としている標準的な材料と寸法の場合、典型的な回転数は約１０，０００から２５，０００回転／分であり、典型的な摩擦時間は１００から１，０００ミリ秒であり、典型的な摩擦圧力は１．５から２．５バールであり、典型的なアプセット時間は２から４秒であり、典型的なアプセット圧力は３から５バールである。格別に良いことが実証されているのは、２２，０００から２４，０００回転／分の回転数、２００から３００ミリ秒の摩擦時間、１．８から２．２バールの摩擦圧力、２．８から３．２秒のアプセット時間、３．８から４．２バールのアプセット圧力である。

接合部材４０を管４２に溶接した後、管を接合部材４０および冠着されたシールリング４６とともにスクリューソケット４８へ挿入し、そこでユニオンナット４４によりクランプ固定することによって、図３に示すような管継手を成立させることができる。

図３に図示しているように、接合部材４０と管４２の間に形成される溶接継目は、図１に示す接合部材を使用した場合、接合部材の内部だけでなく、ユニオンナット４４で包囲される領域の内部にも位置しているので、溶接継目は外れないように二重に固定されている。

本発明の思想の枠内で、たとえば摩擦領域の輪郭の構成などに関わる数多くの変形例や発展例が考えられる。たとえば、図示しているような単純に湾曲した摩擦領域に代えて、複数の湾曲部ないし刻み目を備える摩擦領域を設けることが可能であり、特に、壁厚が非常に大きい場合には好都合である。

いずれの場合でも本発明の要部となるのは、摩擦溶接によって管の端面に溶接できるように、接合部材を構成することである。ここで強調しておくが、溶接されるべき管の端面も相応に成形し、たとえば湾曲させることも当然可能である。ただし、配管はしばしば現場で切って短縮されるので、通常は、相応の輪郭を接合部材に設けるほうが、切って短縮された管を変形させるよりも好都合である。ただし切って短縮された管の端面の面取りは現場でも問題なく可能であり、通常は目的に適っている。

ここでさらに指摘しておくと、本件出願は新たな業務方式を具体化するものであり、すなわち、迅速かつ低コストな接合部材と管端部の溶接を、第三者にとっても移動しながら履行することができるサービスとして具体化するものである。このような方式が本発明に属するものであることをここに明記し、国内法がそれを許す国々において、権利保護を受ける資格があることを主張しておく。

本発明による接合部材を示す部分断面の側面図である。 管継手を成立させるための種々のコンポーネントを、組み付けていない状態で示す部分断面の側面図である。 図２の各コンポーネントを組み付けた状態で示す部分断面の側面図である。

Claims (17)

1. 管の円環状の端面に溶接するための接合部材（１０）において、
   −溶接されるべき管のほうを向いている接合部材の外面がユニオンナットを保持するための載置面として構成され、
   そしてまた
   −溶接されるべき管と反対を向いているほうの接合部材の外面は、テーパ状のシール面として構成されている接合部材において
   −摩擦溶接によって前記端面と溶接可能な、以下において摩擦領域（１４）と呼ぶ環状の領域を有しており、
   −摩擦領域（１４）が接合部材の内側に構成されている
   ことを特徴とする接合部材。
2. 摩擦領域（１４）が、接合部材が溶接されるべき管の端面に対して適正にアライメントされたとき、前記端面に向かって先細になっていることを特徴とする、請求項１に記載の接合部材（１０）。
3. 摩擦領域が、約９０°から１６０°の角度、有利には約１２０°の角度で互いに延びる２つの環状の側壁（１６，１８）を有していることを特徴とする、請求項２に記載の接合部材（１０）。
4. 摩擦領域（１４）が、面取りされた、または有利には丸められた先端（２０）を有していることを特徴とする、請求項２または３に記載の接合部材（１０）。
5. 先端（２０）が丸められており、先端の丸みの半径が、溶接されるべき管の外径の約１から１０％、有利には約２．５％であることを特徴とする、請求項４に記載の接合部材（１０）。
6. 接合部材の内部に摩擦領域と並んで、接合部材が管と摩擦接合されたときに管の外側に生じるフラッシュに対する、環状に周回する受容部（２２）が設けられていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の接合部材（１０）。
7. フラッシュに対する環状に周回する受容部（２２）の最大の外径が、接合部材に形成された、溶接されるべき管に対する受容開口部の直径よりも大きいことを特徴とする、請求項６に記載の接合部材（１０）。
8. 接合部材に形成された、溶接されるべき管に対する環状の受容開口部の最小の直径が、溶接されるべき管の外径よりも若干大きいことを特徴とする、請求項７に記載の接合部材（１０）。
9. 前記シール面に、シールリングを受容するための周回する溝（２８）が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の接合部材（１０）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の接合部材が溶接された管において、この管と接合部材が摩擦溶接によって相互に接合されていることを特徴とする管。
11. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の接合部材が摩擦溶接によって溶接された少なくとも１つの管と、接合部材を部分的に包囲するねじ山付きのユニオンナットと、ユニオンナットのねじ山と相補的なねじ山を備えるスクリューソケットとを含んでいる管継手。
12. ユニオンナットとスクリューソケットが適正に組み付けられているとき、管と、溶接された接合部材との間に形成される溶接継目が、ユニオンナットで囲まれる領域内に位置している、請求項１１に記載の管継手。
13. 複数の管を含んでおり、そのうち少なくとも１つが、請求項１から９までのいずれか１項に記載の接合部材と摩擦溶接によって接合されている高圧配管。
14. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の接合部材と、ユニオンナットと、スクリューソケットと、シールリングとを含む、管のための複数の部分からなる接合システム。
15. 接合部材を管に溶接するために、有利には移動式で利用可能な摩擦溶接機を追加的に含んでいる、請求項１４に記載の複数の部分からなる接合システム。
16. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の接合部材を、管の円環状の端面に溶接する方法において、摩擦領域と端面が溶接をするのに必要な温度に加熱されるまで互いに摩擦されるように、円環状の端面の中心軸を中心として接合部材と管を互いに相対回転させ、次いで、接合部材と管の相対回転を互いに停止し、端面と摩擦領域を相互に押圧することを特徴とする方法。
17. 摩擦溶接法の利用法において、請求項１から９までのいずれか１項に記載の接合部材を管に溶接するための利用法。

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