JP4323697B2 - 中実材の接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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