JP4323697B2 - 中実材の接合方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素鋼製の中実材を接合する際に中実材でインサートメタルを挟み込んで接合する中実材の接合方法であり、特に鉄筋コンクリート鋼棒等の中実棒の接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、棒材等の中実材の接合する方法として圧接が知られている(例えば、特開昭55−57390号公報、特開昭55−94787号公報参照)。
【0003】
この圧接は、接合される中実材の端面を突き合わせ、ガスなどにより、突合わせ部を1000℃以上に加熱する。そして、大きな力で接合される中実材をこれらの突き合わせ面に向けて加圧して接合部分を塑性変形させて接合する方法である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧接では接合される中実材に目違いが生じ易い。これは、加熱による強度の低下が均一に起こらないことや、不均一に加熱された場合に断面の方向で線膨張も不均一になるためである。
【0005】
この目違いが生じると、図5に示すように、接合された中実材の接合部に0.3〜1.5mm程度の段差Aが形成される。この段差は応力集中源となり、疲労強度を低下させるだけでなく、外観も悪い。その他、端部で突き合わせ面が広がり口が開くため接合しづらい。
【0006】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたものであり、短時間で炭素鋼製の中実材を接合でき、接合部に段差を生じさせず、しかも、疲労強度を含めた高い接合強度が得られる中実材の接合方法を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために、接合される炭素鋼製の中実材より融点の低いインサートメタルを前記中実材で挟み、前記中実材をこれらの突き合わせ面に向けて加圧しつつ、前記中実材の接合部を加熱手段で加熱して前記中実材を接合する、中実材の接合方法であって、前記インサートメタルを前記加熱手段で溶融させ、この溶融された溶融インサートメタルを接合界面に残留させることなく、加圧された前記中実材の接合面から外周部に排出させて、前記接合部の外周面にその全周に亘ってフィレットを形成して接合部の段差をすべてなだらかにする中実材の接合方法により中実材を接合する。
【0008】
本発明によれば、中実材より融点の低いインサートメタルが挟み込まれているため、インサートメタルのみが溶融する温度に接合部が加熱されると、インサートメタルが溶融する。ここで、加熱手段とは、高周波誘導装置、ガス加熱装置その他の加熱装置を意味するが、本発明に用いる加熱手段としては高周波誘導装置が最適である。
【0009】
中実材を軸方向に加圧しているので、溶融したインサートメタルが中実材の接合面から外周面に排出されて外周面にフィレット(すみ肉)が形成される。このフィレット(すみ肉)が加圧により接合部に形成された段差を被覆して、段差の無い接合部を形成する。
【0010】
そのため、接合強度の高い接合部を得ることができ、しかも、段差をなだらかにしたことで、応力集中を生じさせず、疲労強度を向上させる。
【0011】
また、本発明では、上記課題を解決するために、請求項1に記載の、中空管の接合方法において、前記インサートメタルを80μm以上の厚さに設け、前記中実材をこれらの突き合わされる方向に少なくとも5MPaの圧力で加圧しつつ前記中実材の接合部を前記加熱手段で加熱して前記インサートメタル溶融させる、中実材の接合方法により中実材を接合する。
【0012】
本発明によれば、中実材より融点の低いインサートメタルが挟み込まれているため、インサートメタルのみが溶融する温度に接合部が加熱されると、インサートメタルが溶融する。本発明につても、加熱手段として、高周波誘導装置、ガス加熱装置その他の加熱装置を採用できるが、高周波誘導装置が最適である。
【0013】
中実材を軸方向に5MPa以上の圧力で加圧しているので、溶融したインサートメタルが中実材の接合面から外周面に確実に排出されて外周面にフィレット(すみ肉)が形成される。このフィレット(すみ肉)が加圧により接合部に形成された段差を被覆して、段差の無い接合部を形成する。
【0014】
そのため、接合強度の高い接合部を得ることができ、しかも、段差をなだらかにしたことで、応力集中を生じさせず、疲労強度を向上させる。
【0015】
80μm以上の厚さにインサートメタルを設けて挟み込めば、中実材の外周面にフィレット(すみ肉)を形成させることができるが、厚さを120μm以上にすれば、外周面により多くの溶融されたインサートメタルを排出し、さらになだらかな勾配のフィレット(すみ肉)を形成できる。
【0016】
なお、上記中実材の接合方法において、前記インサートメタルとしてFe−Si−B成分系メタル及びNi−Si−B成分系メタルの少なくとも一方を採用することで、十分なフィレット(すみ肉)形成を行うことができ、高い結合強度を得ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0018】
図1は、本発明にかかる中実材の接合方法を実施する装置の概要を示しており、接合される中実材としての鋼棒1,2はこれらの軸方向に連ねられ、軸方向の端面同士でインサートメタル3を挟み込んで配されている。
【0019】
この装置は、中実材としての鋼棒1,2の接合部の近傍を加熱するとともに、鋼棒1,2の軸方向に加圧するもので、鋼棒1,2の接合部の近傍でこれらの外周に巻き付けられる加熱コイル4及びこの加熱コイル4に接続された高周波発生装置6からなる高周波誘導装置と、各鋼棒1,2を保持してこれらをその付き合わせ面に向けて加圧するためのクランプ5,5とを備えている。このクランプ5,5は駆動源8から作動油が供給されて作動する。
【0020】
また、この装置はコントローラ7を有しており、接合部の温度調整を行うことが可能となっている。コントローラ7には接合部の温度を検出する温度センサーが接続され、このセンサーからの信号によりコントローラ7が温度制御して、接合部が予め設定した温度以上に過熱されるのを防止している。一方、クランプ5,5にはコントローラ7に接続されたロードセルなどの荷重検出センサーが設けられていて、鋼棒1,2に付加される荷重を検出し、コントローラ7が鋼棒1,2に負荷される荷重を自在に調整できるようになっている。
【0021】
かかる装置により、先ず、駆動源8及びクランプ5,5を備えた加圧装置によって接合される鋼棒1,2をこれらの突き合わせ面に向けて加圧し、その後、加圧状態を保持しつつ接合部を加熱コイル4で加熱して鋼棒1,2を接合する。
【0022】
図2は、鋼棒1,2に挟み込まれるインサートメタル3を示している。このインサートメタル3は、接合する鋼棒の径に応じて適切な大きさに切断されたものでBやSiなどの融点降下元素を含有する金属が使用される。融点降下元素を含有する金属の中でも、ぬれ性の良好なFe−Si−B成分系の金属やNi−Si−B成分系の金属を使用するとよい。
【0023】
このようなインサートメタル3を挟み込んで図1に示した装置に鋼棒1,2をセットした後、鋼棒1,2をその軸方向に5MPa以上の圧力で、好ましくは5MPa〜20MPaの範囲の圧力で、鋼棒の材質、径等に応じて適切な圧力で加圧する。そして、この加圧状態を保持しつつ高周波誘導装置により接合部を、インサートメタルの溶融する1100℃以上に加熱する。この際、加熱する温度は、接合する鋼棒の種類や使用するインサートメタルの種類により適宜変更されるが、好ましくは、1200〜1300℃)の範囲で加熱するとよい。
【0024】
以上の接合方法によれば、接合部を加熱すると挟み込まれたインサートメタルが溶融する。溶融したインサートメタルは鋼棒の接合面で鋼棒に作用して、その表面層を溶解し、汚染層を分解する。
【0025】
また、鋼棒は予め5MPa以上の圧力で加圧されているので、溶融したインサートメタルが接合部から鋼棒の外周面に絞り出される。なお、高い圧力で加圧すると、溶融したインサートメタルが接合界面の中央部から外周部へ絞り出され、融液が接合界面に残留しない。このため、圧接と同様の状態で鋼棒1,2が接合され、さらに高い接合強度を得ることができる。そして、絞り出されたインサートメタルは、両鋼棒の突き合わせの境界線上に滞留する。その結果図3に示すように接合部においてその外周面には、その全周に亘りなだらかな傾斜を有するフィレット(すみ肉)10,10が形成される。
【0026】
鋼棒の接合部を加熱して、付き合わせ面に向けて加圧すると、周方向の不均一な線膨張や鋼棒自体の不均一な肉厚等の影響で目違いが生じ、接合部に段差が形成される。図3に示すフィレット(すみ肉)10,10はこの段差部分を被覆して急激な断面形状の変化が生ずることを防止しする。そのため、接合部に応力集中が生ずることが無く、疲労破壊の起点になることがなくなる。
【0027】
鋼棒の全周に亘り、十分なのど厚のフィレット(すみ肉)を形成するには絞り出されるインサートメタルの量がある程度必要である。そのため、鋼棒に挟み込まれるインサートメタルの厚さを80μm以上、好ましくは120μm以上の厚さで、接合する鋼棒の材質や径などに応じて適切な厚さに設けるとよい。インサートメタルの厚さを120μm以上にすると図4に示すように、絞り出される溶融したインサートメタルの量が多くなり鋼棒1,2の間に生ずる段差をフィレット(すみ肉)11,11が完全に被覆するとともに、フィレット(すみ肉)11,11の脚長がより長くなり、その傾斜をいっそうなだらかに形成できる。なお、本実施形態では、板状のインサートメタルを1枚挟み込んで厚さLを上記の値以上に形成しているが(図2参照)、これには限定されず、フィレット(すみ肉)を形成させるに足りる量であれば、板状以外に粒状(成形体を含む)、粉末状の形状であっても構わない。
【0028】
以上に説明した実施形態では、接合される鋼棒をこれらの突き合わせ面に向けて加圧し、その後に加圧状態を保持して接合部を加熱する手順による場合を示したが、本発明は、かかる手順には限定されず、加熱した後に、この加熱された温度を保持して鋼棒を加圧したり、加圧と加熱とを同じタイミングで行っても構わない。なお、加熱する手段についても高周波誘導装置の他、ガス加熱装置等その他の加熱装置で加熱しても構わない。また、インサートメタルについてもFe−Si−B成分系の金属やNi−Si−B成分系の金属以外のものを使用することを排除するものではない。さらに、本実施形態では鋼棒を対象として説明したが、中実材であれば鋼棒に限定されず、例えば、帯材や形鋼など他の炭素鋼製の中実材についても適用できることはいうまでもない。
【0029】
【実施例】
実施例1
本発明にかかる中実材の接合方法効果を調査するため、直径40.0mmの鉄筋コンクリート用鋼棒(JISG3112、SD345、呼び名D38)を本発明にかかる中実材の接合方法で接合し、接合部の引張り試験を行った。試験は、挟み込むインサートメタルの厚さと、加圧する圧力とを変化させて接合した数種類の試験片について行った。
【0030】
接合条件は、いずれも、アルゴンガスにより接合部の周囲をシールドし、加圧したまま高周波誘導装置で1300℃まで加熱し、この状態を2分間保持した。なお、使用した鋼棒の化学組織を表1の記号R1に、挟み込んだインサートメタルの化学組織を表2のM1にそれぞれ示す。
【0031】
試験結果を表3に示す。この表から明らかなように、本発明の接合方法で定めた範囲からインサートメタルの厚さ又は加圧する圧力のいずれかが外れた場合には、鋼棒の接合面から破断し、また、破断したときの応力も低く十分な強度を得ることができなかった。
【0032】
インサートメタルの厚さを45μmとして接合した試験片W1では、接合部に段差が残っており、フィレット(すみ肉)も十分に形成されていなかった。また、1MPaと低い圧力で加圧して接合した試験片W2にあっては、破断面に脆いNiB3が残留していた。
【0033】
これに対し、インサートメタルの厚さ及び加圧する際の圧力を本発明にかかる接合方法で定めた範囲で接合したものは、接合面では破断せず、母材たる鋼棒の部分が破断した。このことから、本発明にかかる接合方法で鋼棒を接合すると母材の引張強度以上の接合強度を得る。
【0034】
実施例2
本発明にかかる中実材の接合方法効果を調査するため、直径が33.5mmの鉄筋コンクリート用鋼棒(JIS3112、SD345、呼び名D32)についても本発明にかかる中実材の接合方法で接合し、接合部の引張り試験を行った。この試験についても、インサートメタルの厚さと、加圧する圧力とを変化させて接合した数種類の試験片について行った。
【0035】
接合条件は、いずれも、アルゴンガスにより接合部の周囲をシールドし、加圧したまま高周波誘導装置で1250℃まで加熱し、この状態を2分間保持した。使用した鋼棒の化学組織を表1の記号R2に、挟み込んだインサートメタルの化学組織を表2のM2にそれぞれ示す。
【0036】
試験結果を表4に示す。この試験の場合にも、本発明の接合方法で定めた範囲からインサートメタルの厚さ又は加圧する圧力の少なくといずれかが外れた場合には、鋼棒の接合面から破断し、また、破断したときの応力も低い。
【0037】
厚さが50μmと本発明の接合方法で定めた範囲外のインサートメタルで接合した試験片W11では、接合部に段差が残っており、フィレット(すみ肉)も十分に形成されていなかった。また、2MPaと低い圧力で加圧して接合した試験片W12にあっては、破断面に脆いNiB3が残留していた。
【0038】
これに対し、インサートメタルの厚さ及び加圧する際の圧力を本発明にかかる接合方法で定めた範囲で接合したものは、接合面では破断せず、母材たる鋼棒の部分が破断した。本試験からも本発明にかかる接合方法で鋼棒を接合すると母材の引張強度以上の接合強度を得る。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】
【表3】
【0042】
【表4】
【0043】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、中実材を突き合わせて接合する場合、短時間で段差を形成させることなく接合できるので作業効率を向上させる。しかも、本発明の中実材の接合方法によれば、応力集中源となる段差が生じないので、静的な負荷だけでなく疲労に対しても高い強度の接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施する1実施形態にかかる装置の系統図。
【図2】中実材でインサートメタルを挟み込む様子を示す図。
【図3】本発明にかかる方法により中実材の接合部に形成されたフィレット(すみ肉)の1態様を示す図。
【図4】図3に示すフィレット(すみ肉)を形成したインサートメタルより厚いものを使用した場合に形成されたフィレット(すみ肉)の1態様を示す図。
【図5】圧接により生じる接合部の段差を示す図。
【符号の説明】
1,2 中実材
3 インサートメタル
4 加熱コイル
5 クランプ
6 高周波発生装置
7 コントローラ
8冷却装置
9 駆動源
10,11 フィレット(すみ肉)
Claims (3)
- 接合される炭素鋼製の中実材より融点の低いインサートメタルを前記中実材で挟み、前記中実材をこれらの突き合わせ面に向けて加圧しつつ、前記中実材の接合部を加熱手段で加熱して前記中実材を接合する、中実材の接合方法であって、
前記インサートメタルを前記加熱手段で溶融させ、この溶融された溶融インサートメタルを接合界面に残留させることなく、加圧された前記中実材の接合面から外周部に排出させて、前記接合部の外周面にその全周に亘ってフィレットを形成することを特徴とする、中実材の接合方法。 - 前記インサートメタルを80μm以上の厚さに設け、前記中実材をこれらの突き合わされる方向に少なくとも5MPaの圧力で加圧しつつ前記中実材の接合部を前記加熱手段で加熱して前記インサートメタルを溶融させることを特徴とする、請求項1に記載の、中実材の接合方法。
- 前記インサートメタルを120μm以上の厚さに設けたことを特徴とする、請求項2記載の、中実材の接合方法。
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