JP4782242B2 - 液相拡散接合管継手及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管同士、又は金属管と継手管を液相拡散接合してなる、液相拡散接合管継手、及び、その製造方法に関するものである。継手管の一端を金属管に液相拡散接合する場合は、継手管の他端を金属管以外の部材、例えば、壁などに接合することも可能である。

液相拡散接合は、被接合材よりも融点の低いインサート材、例えば、非晶質金属又は非晶質合金を接合面に介在させて、インサート材の液相線温度よりも高く、かつ、被接合材の融点よりも低い温度に加熱し、接合部を溶融させ、等温凝固させる接合方法である。非晶質金属又は非晶質合金などのインサート材は、例えば、箔、粉末、メッキなどの形態で使用される。
この液相拡散接合は、ステンレス鋼、高ニッケル基合金、耐熱鋼合金鋼など、従来の溶接法では溶接が困難であった鋼種の接合に適用されている。更に、液相拡散接合によれば、多数の箇所を同時に接合することができ、また、接合部の断面積が大きい部材を接合する際に、所要時間が大幅には増加しない。そのため、施工コストの削減を目的として、溶接による接合が可能な鋼材にも液相拡散接合が適用されるようになってきた。
液相拡散接合を金属管の接合に適用する場合は、相対する金属管の端面にインサート材として非晶質金属又は非晶質合金の箔を介在させ、さらに、金属管に軸押し力を負荷しながら接合面及びその近傍を液相線温度以上にまで加熱するのが一般的である。
しかし、実際の操業時、特に施工現場における接合では、負荷される面圧が不安定になり、また、接合面の部位によっては面圧が低くなり、十分な接合強度が得られない場合が散見された。
さらに、金属管の形状が楕円であったり、偏肉が存在していたりすると、実際の接合面が被接合管の断面積よりも減少し、接合強度が低下する場合がある。
このような問題に対して、カップリング、ニップルを介し、テーパー加工された金属管との接合面を大幅に増やすことで強度を向上させる継手が提案されている（例えば、特許文献１、参照）。また、金属管にテーパー加工を施し、その金属管同士を液相拡散接合で接合する継手も提案されている（例えば、特許文献２、３、参照）。

特開平１０−８５９５４号公報 特開２００１−３４０９７４号公報 特開２００１−３３０５９４号公報

しかし、従来の継手では、金属管、カップリング、ニップルの旋削加工を精度良く行わないと、接合強度が低下するという問題がある。本発明は、金属管や金属部材の金属継手と一端若しくは両端の外面をテーパー加工した継手管又は厚肉金属管とを、液相拡散接合によって接合する液相拡散接合管継手の接合強度の改善を課題とするものである。

本発明は、先端テーパー部及び段差部を設けた、金属部材、継手管又は厚肉金属管に、金属管の端面の断面積が管体の断面積以上になるように、金属管を拡径して嵌合し、段差部と金属管の端部との間にインサート材を介在させて当接し、加熱して液相拡散接合することによって、液相拡散接合管継手の接合強度を向上させることに成功したものである。
本発明は、以下に示す形態をとることができる。
（１）金属管の端部に、管軸方向の押圧により、該金属管の内径を拡径しつつ圧入されて、該端部と緊密に係合する先細り傾斜部と、該先細り傾斜部に続き、金属管の端面を液相拡散接合で接合する接合面部を備える金属継手、及び、端部が、拡径された状態で、上記先細り傾斜部に緊密に係合し、かつ、端面が、上記接合面部に液相拡散接合で接合されている金属管からなり、前記金属継手が、中央に接合面部を備え、該接合面部に続き、両側に、先細り傾斜部を備える金属継手管であり、前記金属継手管の一方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_１、他方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_２とし、かつ、端部が、傾斜角Ｓ_１の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の一方の面に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_１、端部が、傾斜角Ｓ_２の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の他方の面に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_２とするとき、Ｓ_１、Ｓ_２、Ａ_１、及び、Ａ_２が、下記式（１）を満足することを特徴とする液相拡散接合管継手。
０．８≦（Ｓ_１×Ａ_１）／（Ｓ_２×Ａ_２）≦１．２ ・・・（１）
（２）前記断面積Ａ_１の金属管の厚さと、前記断面積Ａ_２の金属管の厚さが異なることを特徴とする前記（１）の液相拡散接合管継手。
（３）前記（１）又は（２）の液相拡散接合管継手を製造する方法において、
（ｉ）金属管の端部に、該金属管の内径を拡径しつつ圧入されて、該端部と緊密に係合する先細り傾斜部と、該先細り傾斜部に続き、金属管の端面を液相拡散接合で接合する接合面部を備える金属継手の先細り傾斜部を、管軸方向の押圧により、金属管の端部に、該金属管の内径を拡径しつつ圧入するとともに、拡径された金属管の端面と金属継手の接合面部を、インサート材を介して当接させ、
（ｉｉ）管軸方向の押圧により、上記インサート材を含む当接部にて面圧を維持しながら、該当接部を、インサート材が溶融する温度に加熱し、金属管の端面と上記接合面部を液相拡散接合で接合し、前記金属継手として、中央に接合面部を備え、該接合面部に続き、両側に、先細り傾斜部を備える金属継手管を用い、該金属継手管の両側に、金属管を液相拡散接合で接合する場合、上記金属継手管の一方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_１、他方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_２とし、かつ、端部が、傾斜角Ｓ_１の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の一方の面に液相拡散接合で接合される金属管の断面積をＡ_１、端部が、傾斜角Ｓ_２の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の他方の面に液相拡散接合で接合され金属管の断面積をＡ_２とするとき、Ｓ_１、Ｓ_２、Ａ_１、及び、Ａ_２が、下記式（１）を満足することを特徴とする液相拡散接合管継手の製造方法。
０．８≦（Ｓ_１×Ａ_１）／（Ｓ_２×Ａ_２）≦１．２ ・・・（１）
（４）前記断面積Ａ_１の金属管の厚さと、前記断面積Ａ_２の金属管の厚さが異なることを特徴とする前記（３）の液相拡散接合管継手の製造方法。
（５）前記金属管が、前記先細り傾斜部の最小外径より大きく最大外径より小さい内径の金属管であることを特徴とする前記（３）又は（４）の液相拡散接合管継手の製造方法。
（６）前記面圧が５〜２０ＭＰａであることを特徴とする前記（３）〜（５）のいずれかの液相拡散接合管継手の製造方法。
なお、本発明において、金属継手とは、金属管を接合するための部品又は部材を指すものとし、２つの金属管を繋ぎ合わせるための部品又は部材に限定されるものではない。また、金属継手管とは、金属継手のうち、２つの金属管を繋ぎ合わせるための部品又は部材を指すものとする。また、液相拡散接合管継手とは、前記の金属継手又は金属継手管と１つ以上の金属管を液相拡散接合により接合した部品及び部材を指すものとする。

本発明によれば、加熱時の面圧を制御することにより、接合面での破断を回避でき、かつ、接合コストを大幅に上昇させることなく、金属材と、一端若しくは両端の外面をテーパー加工した金属部材、継手管又は厚肉金属管とを、液相拡散接合によって接合し接合強度に優れた液相拡散接合管継手を提供することができる。さらに、本発明によれば、肉厚の異なる金属管を繋ぎ合わせた液相拡散接合管継手や、外径の異なる金属管を繋ぎ合わせた液相拡散接合管継手などをも提供することができる。

本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の一例を示す図である。 金属継手が金属構造体に形成された液相拡散接合管継手の参考図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の一例であり、金属継手が接合する一方の金属管の端部に形成されている態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の一例であり、両側に先細り傾斜部を有する金属継手管を用いて２本の金属管が接合された態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の一例であり、金属継手管を用いて同径、異厚の金属管が接合された態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の一例であり、金属継手管を用いて異径、異厚の金属管が接合された態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の例であり、金属継手管を用いて異径、同厚の金属管が接合された態様を示す図である。 本発明に係る金属継手の接合面部と先細り傾斜部とが成す角度を示す図である。（ａ）は液相拡散接合管継手の一例を示し、（ｂ）は接合部における角度を示す。 金属継手の接合面部に当接した金属管の端部が大きく拡径された状態を示す図である。 金属継手の接合面部に当接した金属管の端部が座屈した状態を示す図である。 液相拡散接合管継手の嵌合開始時の状態を示す図である。 液相拡散接合管継手の嵌合開始時の状態を示す参考図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の接合前の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の嵌合開始時の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の加熱の態様を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の接合前の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の嵌合開始時の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の加熱の態様を示す図である。 金属管軸方向への変位と管軸方向の押圧の関係、及び、金属管の端面と金属継手の接合面部との面圧の大きさ示す図である。 液相拡散接合管継手の引張試験時の最大荷重を、拡径率との関係で示す図である。 試験に供した、液相拡散接合管継手の接合態様を示す図である。 試験に供した、液相拡散接合管継手の接合態様を示す図である。 試験に供した、液相拡散接合管継手の接合態様を示す図である。 液相拡散接合管継手の引張試験時の最大荷重を継手間で比較した図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の接合前の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の接合後の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の接合前の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の接合後の状態を示す図である。 液相拡散接合管継手の座屈の発生及び引張試験の結果と、接合時の金属管の端面と金属継手の接合面部の面圧との関係を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１は、本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手の一例であり、金属継手２に、金属管３を圧入した、液相拡散接合管継手１である。金属継手２及び金属管３は、回転対称軸４を軸とする回転対称体である（以下、回転対称軸４が描かれている図において同じ）。
金属継手２は、外面に金属管３の端面８が当接する環状の接合面部５と、該接合面部５から端面方向に縮径しながら延伸する先細り傾斜部６を有している。図１に示した液相拡散接合管継手１における液相拡散接合部（以下、接合部ともいう。）は、接合面部５と金属管３の端面８との間の部分である。
また、液相拡散接合管継手１では、接合部の近傍は、先細り傾斜部６の外面（以下、傾斜面）７によって、内面から支持されている。そのため、接合部の近傍では、引張応力が負荷された時に、内径方向に収縮する変形が、内面からの支持力によって拘束される。その結果、液相拡散接合管継手１の接合部の近傍では、軸方向、及び、周方向に引張応力が発生し、単軸応力状態に比較して降伏し難くなる。
一方、金属継手２の外面に先細り傾斜部６がない場合は、接合面部５と金属管３の端面８との接合部に、管体と同様の単軸引張に近い応力が作用した状態になる。この場合、接合面の近傍には、接合ままの形状不整が残るので、管体の引張強度以下で継手破断がおき易い。
さらに、液相拡散接合管継手１では、金属管３の端部の厚さは、金属管３本体の厚さ以上であることが、接合強度の改善のために好ましい。つまり、先細り傾斜部６に圧入された金属管３の管端の厚さが、当該金属管３の管体（拡径されていない部分）の厚さの平均値よりも大きくなっているのが好ましい。
これは、加熱された状態で押圧を付与することによって、金属管３の端部が増肉し、その結果、金属管３の端面８と接合面部５との接合面積が増大して、接合強度が高まるためである。以上のような変形の拘束効果と増肉効果により、液相拡散接合管継手１は、接合ままの状態でも、金属管３の管体強度以上の接合強度を備える。
本発明の実施形態に係る、金属継手を金属管の端部に形成する例を、図３に示す。図３に示す例では、金属管３ａと接合する金属管３ｂの端部に、接合面部５ｂ及び先細り傾斜部６ｂを有する金属継手２が形成されている。
液相拡散接合管継手１は、接合面部５ｂにインサート材９を貼付し、金属管３ａを拡径し先細り傾斜部６ｂに圧入した後、加熱により接合面部５ｂと金属管３ａの端面８ａを液相拡散接合することで、得られる。
本発明の実施形態に係る、金属継手が、中央に接合面部を備え、両側に先細り傾斜部を備えた金属継手管である例を、図４に示す。
図４に示す例では、金属継手は、中央に接合面部５を備え、接合面部５に続き、両側に、先細り傾斜部６を備える金属継手管２ａである。
そして、金属継手管２ａの両側から、端部が拡径された金属管３が先細り傾斜部６に圧入され、金属管３の端面８が、インサート材９を介して、金属継手管２ａの接合面部５に当接され、加熱により、接合面部５と金属管３の端面８を液相拡散接合することで、液相拡散接合管継手１が得られる。
ここで、本発明者らは、金属管の接合に必要な面圧を得るための、金属継手管の傾斜部の傾斜角と金属管の断面積の適正な条件について検討した。その結果、金属継手管の一方の先細り傾斜部をＳ_１、他方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_２、端部が傾斜角Ｓ_１の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が中央の接合面部の一方に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_１、端部が傾斜角Ｓ_２の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が中央の接合面部の一方に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_２とすると、Ｓ_１、Ｓ_２、Ａ_１、及び、Ａ_２が下記式（１）を満たせば、金属管の接合に必要な面圧が得られ、金属管の座屈、及び、接合部の接合強度の低下を防止し得ることが分かった。ここで、金属管の断面積とは、金属管の断面中、金属が占める面積を指し、中空部の面積は含まれない。

上記式（１）の関係は、Ａ_１とＡ_２が異なる場合、すなわち、異なる厚みの金属管を接合する液相拡散管継手にも適用できる。
本発明の実施形態に係る、同径、異厚の金属管を接合した液相拡散接合管継手の一例を、図５に示す。
図５に、金属継手管２ａに薄肉金属管３ａと厚肉金属管３ｂとを両側から圧入した液相拡散接合管継手１を示す。
図５に示したように、金属継手管２ａの薄肉金属管３ａ側の端部外面に、端部に向かって縮径する先細り傾斜部６ａが形成されており、該先細り傾斜部６ａの拡径する方向には、薄肉金属管３ａの端面８ａが当接する接合面部５ａが形成されている。
また、金属継手管２ａの厚肉金属管３ｂ側の端部外面には、端部に向かって縮径する先細り傾斜部６ｂが形成されており、該先細り傾斜部６ｂの拡径する方向には、厚肉金属管３ｂの端面８ｂが当接する接合面部５ｂが形成されている。
肉厚の異なる金属管３ａ、３ｂを、金属継手管２ａを介して同時に液相拡散接合するとき、薄肉金属管３ａ及び厚肉金属管３ｂには、同等の管軸方向の押圧が発生する。
この場合、座屈抵抗は薄肉金属管３ａの方が小さいため、同厚の薄肉金属管３ａ同士の接合に適した管軸方向の押圧では、厚肉金属管３ｂが未衝接であったり、衝接しても十分な面圧が得られないことがある。
一方、同厚の厚肉金属管３ｂ同士の接合に十分な管軸方向の押圧を加えると、薄肉金属管３ａが座屈し適正な継手が得られない。
しかし、上記式（１）の関係が成立すれば、すなわち、薄肉金属管３ａ側の先細り傾斜部６ａの傾斜角を、厚肉金属管３ｂ側の先細り傾斜部６ｂの傾斜角よりも大きくすれば、薄肉金属管３ａの拡径に伴う変形抵抗が大きくなり、厚肉金属管３ｂの接合に必要な面圧を得ることができ、薄肉金属管３ａが座屈せず、厚肉金属管３ｂ側の接合部の接合強度の低下を防止できる。
また、薄肉金属管３ａの端部では、加熱された状態で管軸方向の押圧が付与され、肉厚が増大するので、薄肉金属管３ａの管端の厚みが、該薄肉金属管３ａの管体の厚みの平均値よりも大きくなる。その結果、薄肉金属管３ａの端面８ａと金属継手管２ａの接合面部５ａとの接合面積が増大して、接合強度が高まり、薄肉金属管３ａと金属継手管２ａとの液相拡散接合部でも、薄肉金属管３ａの管体強度以上の継手強度が得られる。
上記式（１）の値が上限値１．２を超えた場合、厚肉金属管３ｂで座屈が生じる傾向が強まる。また、座屈が生じない場合であっても、引張試験で、厚肉金属管３ｂの接合部が破断する。これに対して、上記式（１）の値が下限値０．８未満の場合には、薄肉金属管３ａで座屈が生じる傾向が強まる。また、座屈が生じない場合であっても、引張試験で、薄肉金属管３ａの接合部が破断する。
本発明の実施形態に係る、異径、異厚の金属管を接合する液相拡散接合管継手の一例を、図６に示す。
図６に、大径の薄肉金属管から成る小断面金属管３ａと、小径の厚肉金属管からなる大断面金属管３ｂとを、金属継手管２ａの両側から圧入した液相拡散接合管継手１を示す。
通常、このような場合も、小断面金属管３ａの断面積Ａ_１が、大断面積金属管３ｂの断面積Ａ_２よりも小さくなる。そのため、図５に示した同径、異厚の金属管同士を接合する液相拡散接合管継手と同様、小断面金属管３ａの座屈や、大断面金属管３ｂ側の接合部の接合強度の低下を防止するためには、上記式（１）を満足することが好ましい。
また、図７に示す、本発明の実施形態に係る、異径、同厚の金属管を接合した液相拡散接合管継手の場合でも、上記式（１）を満たすことが、小径の金属管の座屈や、大径の金属管側の接合部の接合強度の低下を防止するうえで好ましい。
本発明の液相拡散接合管継手では、先細り傾斜部と接合面部の成す角度は、７０〜１１０°が好ましい。図８の（ａ）及び（ｂ）に、先細り傾斜部６と接合面部５とが成す角度θが７０〜１１０°である液相拡散接合管継手１の一例を示す。先細り傾斜部６と接合面部５とが成す角度θとは、液相拡散接合管継手１の管軸方向断面において、接合面部５の接合面と先細り傾斜部６の傾斜面７が成す角度である。
このように、先細り傾斜部６と接合面部５が成す角度θを７０〜１１０°に設定すると、接合時に、大きな押圧を管軸方向に負荷することができる。θが１１０°よりも大きい場合は、図９に示すように、金属管３の端部が接合面部５よりも大きく拡径されることがある。また、θが７０°よりも小さい場合は、図１０に示すように、金属管３の端部が座屈することがある。
次に、本発明に係る液相拡散接合管継手の製造方法について説明する。
図１に示す液相拡散接合管継手１は、例えば、図１１に示すように、接合面部５に、あらかじめインサート材９を貼付し、管軸方向の押圧により、金属管３を金属継手２に圧入し、インサート材９の融点よりも高く、金属管２の融点よりも低い温度に、接合部を加熱し、インサート材９を溶融させて液相拡散接合することによって製造される。
金属管３を金属継手２に圧入する際には、金属管３の端部の内面は、金属継手２の先細り傾斜部６の傾斜面７に沿って拡径される。なお、インサート材９は、金属管３の端面８に貼付してもよいが、金属管３の端部が拡径された際に、インサート材９が剥がれる可能性があるので、接合面部５に貼付することが好ましい。
金属管３の内径は、先細り傾斜部６の最小外径より大きく最大外径より小さい内径を有することが好ましい。金属管３の端部を、金属継手２の先細り傾斜部６に圧入する際、傾斜面７に沿って拡径するように構成すれば、金属管３の端部の内面に、旋削加工により傾斜面を形成する必要がなくなる。その結果、金属管を傾斜加工するときの加工精度誤差に起因する接合強度の低下を防止することができる。
また、先細り傾斜部６に圧入する前の金属管３の断面形状が真円でなく、例えば、楕円形状であっても、先細り傾斜部６によって金属管３の端部が拡径されるので、楕円形状が矯正されて、接合面部５と金属管３の端面８を確実に衝合させることができる。
本発明に係る、液相拡散接合管継手の製造方法の実施形態である、金属管と、金属継手が端部に形成された金属管を接合する例を、図１３〜図１５を用いて説明する。
図１３は、薄肉金属管３ａと厚肉金属管３ｂからなる液相接合管継手の製造方法を図示したものである。厚肉金属管３ｂの接合側の端部外面に接合面部５ｂと先細り傾斜部６ｂとを設け、該厚肉金属管３ｂの先細り傾斜部６ｂに、薄肉金属管３ａを圧入しようとするものである。ここで、薄肉金属管３ａの内径は、厚肉金属管３ｂの先細りテーパー部６ｂの最小外径よりも大きく、最大外径よりも小さい。図１３において、インサート材９は接合面部５ｂに貼付されているが、薄肉金属管３ａの端部に貼付してもよい。
図１４は、接合方法を示したものであり、薄肉金属管３ａの端部の内面は、厚肉金属管３ｂの傾斜部６ｂの傾斜面７ｂに接触している。管軸方向の押圧を、更に負荷すると、薄肉金属管３ａの端面８ａは、傾斜面７ｂに沿って拡径され、インサート材９を介して、厚肉金属管３ｂの接合面部５ｂに当接する。
さらに、図１５に示すように、例えば、インダクションヒータ４１により、薄肉金属管３ａの端面８ａと接合面部５ｂとの接合面をインサート材９の融点以上に加熱し、一定時間経過後、冷却する。
接合部の冷却は、空冷、ファン冷却等の強制空冷、水冷やミスト冷却等の制御冷却のいずれを採用してもよい。冷却後の継手の強度を確保するためには、冷却速度が速いほうが望ましいが、水冷やミスト冷却には制御冷却装置が必要になるので、強制空冷が好ましい。
本発明に係る、液相拡散接合管継手の製造方法の実施形態を、図１６〜図１８を用いて説明する。図１６に、金属継手管２ａに金属管３を両側から圧入しようとしている状態を示す。金属継手管２ａは、端部に向かって縮径する先細り傾斜部６を有しており、先細り傾斜部６（以下、傾斜部ともいう。）の拡径する方向には、金属管３の端面８が当接する接合面部５を有している。
図１６に示す例では、金属継手管２ａを用いて２本の金属管３を接合するために、金属継手管２ａの管軸方向両側の外面に、接合面部５と、該接合面部５から端面方向に延伸する先細り傾斜部６とが、それぞれ設けられている。金属継手管２ａの中央部の外面には、鍔状の環状体が突出形成されており、この環状体の両側面が、各々の先細り傾斜部６から突出した接合面部５を成している。
すなわち、接合面部５は、金属継手管２ａの外周面上に周方向に沿って形成された環状の接合面部であり、金属継手管２ａの各端面方向に向いた環状の接合面を有している。この接合面部５の接合面は、金属継手管２ａの管軸方向に対する垂直面から端面側に傾斜した面となっている。例えば、図１６等に示す断面図において、接合面部５の接合面は、先細り傾斜部６の傾斜面７と略垂直である。これにより、先細り傾斜部６に圧入された金属管３の端面８と、接合面部５とがインサート材９を介して隙間無く好適に当接できるようになっている。
また、図１６では、接合面部５に、あらかじめインサート材９を貼付しているが、インサート材９を金属管３の端面８に貼付してもよい。ただし、インサート材９を金属管３の端面８に貼付すると、金属管３の端部が拡径された際に、インサート材９が剥がれる可能性があるため、接合面部５に貼付することが好ましい。
図１７は、図１６に示した状態から、金属管３を金属継手管２ａに、管軸方向の押圧により圧入した状態を示す。図１７では、金属継手管２ａの先細り傾斜部６の傾斜面７と、金属管３の端部の内面が接触している。更に押圧を付与すると、金属管３の端面８は、傾斜面７に沿って拡径され、金属管３の端面８は、金属継手管２ａの接合面部５に、インサート材９を介して当接する。
さらに、図１８に示すように、例えば、インダクションヒータ４１等の加熱手段によって、インサート材９が溶融するように、インサート材９の融点よりも高く、金属管３の融点よりも低い温度に、接合面を加熱し、その後、接合部を冷却する。接合部の冷却は、空冷、ファン冷却等の強制空冷、水冷やミスト冷却等の制御冷却のいずれを採用してもよい。冷却後の継手の強度を確保するためには、冷却速度が速いほうが望ましいが、水冷やミスト冷却には制御冷却装置が必要になるので、強制空冷が好ましい。
金属管３に対して、管軸方向の押圧を付与して金属継手管２ａの先細り傾斜部６に圧入した際の押圧力と、金属管３の管軸方向への変位との関係を、図１９に示す。管軸方向の変位の増加は、金属管３の端面８が金属継手管２ａの接合面部５に向かって移動することを意味する。
図１９に示したように、管軸方向の変位が増加すると、まず、金属管３の端部の内面が先細り傾斜部６の外面に接触する。その後は、摩擦力が生じるので、軸方向への変位に対する管軸方向の押圧力の増加が大きくなり、直線の傾きが大きくなる。
管軸方向の変位が更に増加すると、金属管３の端面８がインサート材９を介して金属継手管２ａの接合面部５に当接する。管軸方向の変位が更に増加すると、金属管３の端面８と金属継手管２ａの接合面部５との当接部に面圧が発生する。
接合面部５と金属管３の端面８とが当接した後、管軸方向の押圧を解除すると、接合面部５と金属管３の端面８との当接部の面圧は、若干低下するものの、傾斜面７と金属管３の内面との摩擦によって維持される。
しかし、加熱条件によっては、接合面部５と金属管３の端面８との当接部の面圧を維持することが困難な場合もある。強固な接合強度を得るためには、加熱時に、更に管軸方向の押圧を負荷して、面圧を維持することが好ましい。また、加熱時に管軸方向の変位を拘束し、熱応力により押圧を発生させ、面圧を維持することも有効である。
インサート材９を溶融させるための接合面の加熱は、例えば、誘導加熱方式以外に、炉加熱、電気抵抗加熱、通電加熱を採用することができる。
また、金属継手を介して２本の金属管を接合する場合は、金属継手管の一方の先細り傾斜部をＳ_１、他方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_２、端部が傾斜角Ｓ_１の先細り傾斜部に緊密に係合し端面が中央の接合面部の一方に液相拡散接合で接合する金属管の断面積をＡ_１、端部が傾斜角Ｓ_２の先細り傾斜部に緊密に係合し端面が中央の接合面部の一方に液相拡散接合で接合する金属管の断面積をＡ_２とするとき、Ｓ_１、Ｓ_２、Ａ_１、及び、Ａ_２が式（１）の関係を満たすようにして、液相拡散接合管継手を製造することが、接合に必要な面圧を得るために好ましい。
２本の金属管の厚さが異なる場合であっても、同様に、式（１）の関係を満たすようにして、液相拡散接合管継手を製造することが、接合に必要な面圧を得るために好ましい。
ここで、金属管の端部の拡径及び増肉の効果について、具体的な例を用いて説明する。
外径７６．３ｍｍ、肉厚４ｍｍ、材質ＳＴＫＭ１３の鋼管からなる金属管を、金属継手の両端から、拡径率２．５〜１０％、断面積比１．０５〜１．１９として金属継手に圧入し、液相拡散接合管継手を製造し、引張試験に供した。結果を最大強度（継手強度）と、金属管の端部の拡径率との関係を、図２０に示す。図２０中の比較例は、鋼管を拡径及び増肉させずに液相拡散接合した継手である。
本実施形態に係る液相拡散接合管継手では金属管の管体から破断したが、比較例に係る拡径及び増肉させない継手では、すべて、鋼管の端面と接合面部との接合部より破断した。
また、本実施形態に係る継手において管体破断したときは、比較例に係る継手において接合部破断したときよりも、最大荷重が大きく、継手強度が高いことが確認できた。
さらに、他の具体例として、外径７６．３ｍｍ、肉厚４ｍｍ、材質ＳＴＫＭ１３Ａの鋼管を用いて、図２１Ａ、図２１Ｂ、及び、図２１Ｃに示す形状の液相拡散接合管継手（以下、それぞれ、継手Ａ、継手Ｂ、継手Ｃ）を製造し、引張試験を行った。インサート材には、原子％で、Ｓｉ：３．５％、Ｂ：３．０％を含有するＮｉ系非晶質合金を使用した。
なお、面圧が５、１０ＭＰａになるように、鋼管の端面の管軸方向の押圧を負荷し、解除した後、１２００℃まで加熱して１０分間保持し、その後冷却した。加熱温度の１２００℃は、接合部を溶融させるための温度、すなわち、インサート材の液相線よりも高く、被接合材である金属管の融点よりも低い温度の一例である。
継手Ａ（本発明の実施形態）は、金属継手管の材質がＳＳ４００で、金属継手管の先細り傾斜部の最大外径は８２．３ｍｍ、最小外径は７１．７ｍｍ、傾斜角（傾斜面と回転対称軸との角）は７°、先細り傾斜部の軸方向の長さは３０ｍｍである。
継手Ｂ（比較例）は、材質及び外径の最大値は継手Ａと同じであるが、金属継手管の両端に先細り傾斜部を設けずに円筒状とし、当接部における金属継手管の外径を鋼管の内径と略同一にしたものである。
継手Ｃ（比較例）は、金属継手管を使用せず、鋼管同士の突合せ部にインサート材を介在させた例である。
継手Ａ〜Ｃを５、１０ＭＰａの面圧で接合し、継手又は管体が破断するまで引張荷重を加え、最大荷重を測定した。結果を、図２２に示す。いずれの接合強度も、規格降伏強度を上回ったが、継手Ｂと継手Ｃでは、規格引張強度には満たなかった。また、継手Ｂ、継手Ｃとも、接合界面より破断した。これに対して、本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手である継手Ａでは、最大荷重は、規格強度を上回り、破断は、管体部より発生した。
以上のように、接合面圧、温度履歴が同一であっても、本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手は高い接合強度を有することが実証できた。
本発明の実施形態に係る液相拡散接合管継手は、管端面での不均一な接合面圧を回避することができ、継手に引張応力を負荷した際、降伏後に接合面の近傍が収縮しにくく、応力集中が軽減できるので、接合界面での破断を回避することができる。また、実作業上の長所として、金属管の内面、例えば、鋼管の内面を、金属継手管の傾斜面に沿って圧入することにより、調心が容易にできることが挙げられる。
本発明では、金属管の端部を拡径しながら金属継手に圧入することが重要であり、金属継手管の両側から圧入される金属管の肉厚が異なっている場合、例えば、図２３、及び、図２４に示す実施形態のように、金属継手管２ａの両側に相異なる形状の接合面部５ａ、５ｂ、先細り傾斜部６ａ、６ｂをそれぞれ有していても、圧入時に金属管３ａ、３ｂが拡管されれば、本発明の技術的範囲に含まれる。
さらに、両側から圧入される金属管の外径が異なる場合、例えば、図２５、及び、図２６に示すように接合面部５ａ、５ｂでの外径が異なっていても、圧入時に金属管３ａ、３ｂが拡管されれば本発明の技術的範囲に含まれる。
また、図２３〜図２６に示すように、金属継手管２ａの接合面部５ａ、５ｂの高さを、接合される金属管３ａ、３ｂの肉厚と略同一とすることで、接合後に金属管３ａ、３ｂの端部又は接合面部５ａ、５ｂのいずれかが突出しないように、両者を好適に接合できる。
本発明の液相拡散接合管継手の実施形態において、金属継手の接合面部と金属管の端面とを液相拡散接合で接合する際は、接合面部と端面との当接部の面圧を５〜２０ＭＰａの範囲とすることが好ましい。
面圧は、図１９に示したように、金属継手の接合面部と金属間の端面とが当接したときの管軸方向の押圧に対し、更に負荷した管軸方向の押圧の増加分を、当接部の面積で除して求めた。
図２７に、液相拡散接合管継手の金属管に、加熱時、管軸方向の押圧による座屈が発生した面圧、座屈を生じなかった液相拡散接合管継手に引張応力を負荷したときに接合面で破断した面圧、及び、管体部で破断した面圧を示した。
面圧を２２ＭＰａとすると、接合温度が１２００℃に達する前に、荷重が低下し始め、管端部に座屈を生じた。面圧を５〜２０ＭＰａにすると、引張試験では、すべて管体部より破断し、面圧が４ＭＰａ以下では、引張試験の結果、接合面より破断した。この結果から、面圧は５〜２０ＭＰａの範囲とすることが好ましいことが分かる。
また、当接部の加熱開始のタイミングは、特に限定されるものではなく、加熱開始後に管軸方向に押圧を与えてもよいが、金属継手の接合面部と金属管の端面とを当接させた後に加熱を開始することにより、接触面における酸化を最小限にすることができる。
さらに、加熱温度は、特に限定されるものではないが、１１５０〜１２５０℃が好ましい。
本発明の各実施形態において、インサート材は、非晶質金属又は非晶質合金等で形成され、非晶質金属、非晶質合金の箔が好適である。本実施形態では、非晶質金属又は非晶質合金を接合面に介在させ、面圧を維持しながら加熱することが重要であり、箔以外にも、粉末、薄片、めっきなどを使用することができる。インサート材の厚みは、特に限定されないが、箔である場合は、１０〜５０μｍが好適であり、複数枚の箔を重ねて使用してもよい。
インサート材は、特に限定されるものではないが、金属継手及び金属管が鋼管である場合は、Ｎｉ基又はＦｅ基の非晶質合金が好ましい。Ｎｉ基又はＦｅ基の非晶質合金の例として、原子％で、２〜１０％のＳｉ、２〜１０％のＢ、２〜１０％のＶ、２〜５％のＰ、２〜５％のＣの１種又は２種以上を含み、残部がＮｉ又はＦｅからなり、急冷凝固法で製造された箔を挙げることができる。
また、インサート材は、当接部のみに介在させても十分に接合強度に優れた液相拡散接合管継手が得られるが、傾斜面と金属管の内面との間に介在させても良い。傾斜面と金属管の内面との間にインサート材を介在させる場合、インサート材は、摺動によって剥がれないよう、めっきであることが好ましい。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上記の実施形態は例示であり、本発明は上記の実施形態、及び、以下に示す実施例によって限定して解釈されるべきものではない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有するものが、本発明の技術思想の範囲内で、様々な変更例、修正例を想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

外径及び材質は同一であるが、肉厚が異なる薄肉金属管３ａ、厚肉金属管３ｂを、金属継手管２ａを介して接合し、図５に示す液相拡散接合継手１を製造した。表９に薄肉金属管３ａ、厚肉金属管３ｂ、金属継手管２ａの特性、及び、液相拡散接合管継手１の製造条件を示す。
加熱時の面圧の維持には、管軸方向の押圧を負荷して、金属継手管２ａの接合面部５に薄肉金属管３ａの端面８ａ、厚肉金属管３ｂの端面８ｂをそれぞれ当接した後、軸方向の変形を拘束して、加熱による熱膨張を利用した。
薄肉金属管３ａ及び厚肉金属管３ｂの管端は先細り傾斜部６によって拡径され、かつ、薄肉金属管３ａの管端の肉厚は増肉している。さらに、本発明の実施例に係る試験体Ｏ１〜Ｏ１０は、いずれの組合わせも、金属継手管２ａの先細り傾斜部６の傾斜角Ｓ_１、Ｓ_２と、薄肉金属管の断面積Ａ_１、厚肉金属管の断面積Ａ_２について、上記式（１）を満たしている。
上記のようにして得られた液相拡散接合管継手１の試験体Ｏ１〜Ｏ１０を引張試験に供したところ、すべての試験体で薄肉金属管の管体から破断した。
比較例である、試験体Ｐ１〜Ｐ７は、上記式（１）を満足しない例である。試験体Ｐ１〜Ｐ３、Ｐ５については、液相拡散接合管継手１製造時の管軸方向の押圧により、薄肉金属管３ａ又は厚肉金属管３ｂの管端が座屈した。
試験体Ｐ４、Ｐ６、Ｐ７については、薄肉金属管３ａ又は厚肉金属管３ｂの管端は座屈しなかったものの、引張試験に供した結果、薄肉金属管３ａ又は厚肉金属管３ｂの接合面から破断した。
以上の試験結果より、本発明の実施例に係る試験体Ｏ１〜Ｏ１０では、金属継手管２ａの先細り傾斜部６の傾斜角Ｓ_１、Ｓ_２と、薄肉金属管の断面積Ａ_１、厚肉金属管の断面積Ａ_２が上記式（１）の関係を満たせば、薄肉金属管３ａ及び厚肉金属管３ｂの管端を座屈させずに、かつ、薄肉金属管３ａ及び厚肉金属管３ｂの接合部の接合強度の低下を防止できることが実証された。
比較例に係る試験体Ｐ１〜Ｐ７は、上記式（１）の関係を満たしておらず、薄肉金属管３ａ又は厚肉金属管３ｂの管端の座屈、又は、薄肉金属管３ａ又は厚肉金属管３ｂの接合部の破断が生じた。

肉厚、又は、外径の一方又は双方が異なるために断面積が異なる小断面積金属管３ａ、大断面積金属管３ｂを、金属継手管２ａを介して接合し、図６に示す液相拡散接合管継手１を製造した。表１０に、小断面積金属管３ａ、大断面積金属管３ｂ、金属継手管２ａの特性、及び、液相拡散接合管継手１の製造条件を示す。
加熱時の面圧の維持には、管軸方向の押圧を負荷して、金属継手管２ａの接合面部５に小断面積金属管３ａの端面８ａ、大断面積金属管３ｂの端面８ｂを、それぞれ当接した後、軸方向の変形を拘束して、加熱による熱膨張を利用した。
小断面金属管３ａ及び大断面金属管３ｂの管端は金属継手管２ａの先細り傾斜部６により拡径され、かつ、小断面金属管３ａの管端の肉厚は増肉している。さらに、本発明の実施例に係るＱ１〜Ｑ１０は、いずれの組合せも、金属継手管の先細り傾斜部の傾斜角Ｓ_１、Ｓ_２と、小断面積金属管の断面積Ａ_１、大断面積金属管の断面積Ａ_２について、上記式（１）を満たしている。
液相拡散接合管継手１の試験体Ｑ１〜Ｑ１０を引張試験に供したところ、すべての試験体で、小断面金属管３ａの管体から破断した。
比較例に係る試験体Ｒ１〜Ｒ９は、上記式（１）を満足しない例である。試験体Ｒ１、Ｒ５、Ｒ７、及び、Ｒ８については、液相拡散接合管継手１製造時の管軸方向の押圧により小断面金属管３ａ又は大断面金属管３ｂの管端が座屈した。
試験体Ｒ２〜Ｒ４、Ｒ６、及び、Ｒ９については、小断面金属管３ａ又は大断面金属管３ｂの管端は座屈しなかったものの、引張試験に供した結果、小断面金属管３ａ又は大断面金属管３ｂの接合面から破断した。
以上の試験結果より、本発明の実施例に係る試験体Ｑ１〜Ｑ１０では、金属継手管２ａの先細り傾斜部６の傾斜角Ｓ_１、Ｓ_２と、小断面積金属管の断面積Ａ_１、大断面積金属管の断面積Ａ_２について、上記式（１）を満たせば、小断面金属管３ａ及び大断面金属管３ｂの管端を座屈させずに、かつ、小断面金属管３ａ及び大断面金属管３ｂと金属継手管２ａとの接合強度の低下を防止できることが実証された。
比較例に係るＲ１〜Ｒ９は、式（１）の関係を満たしておらず、小断面金属管３ａ若しくは大断面金属管３ｂの管端の座屈、又は、小断面金属管３ａ若しくは大断面金属管３ｂの接合部の破断が生じた。

本発明によれば、加熱時の面圧を制御することにより、接合面での破断を回避でき、かつ、接合コストを大幅に上昇させることなく、金属材と、一端若しくは両端の外面をテーパー加工した金属部材、継手管又は厚肉金属管とを、液相拡散接合によって接合し接合強度に優れた液相拡散接合管継手を提供することができる。さらに、本発明によれば、肉厚の異なる金属管を繋ぎ合わせた液相拡散接合管継手や、外径の異なる金属管を繋ぎ合わせた液相拡散接合管継手などをも提供することができる。
よって、本発明は、産業上の利用可能性が大きいものである。

１ 液相拡散接合管継手
２ 金属継手
２ａ 金属継手管
３、３ａ、３ｂ 金属管
４ 回転対称軸
５、５ａ、５ｂ 接合部面
６、６ａ、６ｂ 先細り傾斜部
７、７ａ、７ｂ 傾斜面
８、８ａ、８ｂ 端面
９ インサート材
２１ 壁（金属構造体）
２２ 壁面
２３ 金属構造体内部の管路
２４ 金属構造体内部の管路と金属管を連通させる管路
４１ インダクションヒータ

Claims (6)

1. 金属管の端部に、管軸方向の押圧により、該金属管の内径を拡径しつつ圧入されて、該端部と緊密に係合する先細り傾斜部と、該先細り傾斜部に続き、金属管の端面を液相拡散接合で接合する接合面部を備える金属継手、及び、端部が、拡径された状態で、上記先細り傾斜部に緊密に係合し、かつ、端面が、上記接合面部に液相拡散接合で接合されている金属管からなり、前記金属継手が、中央に接合面部を備え、該接合面部に続き、両側に、先細り傾斜部を備える金属継手管であり、前記金属継手管の一方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_１、他方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_２とし、かつ、端部が、傾斜角Ｓ_１の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の一方の面に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_１、端部が、傾斜角Ｓ_２の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の他方の面に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_２とするとき、Ｓ_１、Ｓ_２、Ａ_１、及び、Ａ_２が、下記式（１）を満足することを特徴とする請求項６に記載の液相拡散接合管継手。
   ０．８≦（Ｓ_１×Ａ_１）／（Ｓ_２×Ａ_２）≦１．２ … （１）
2. 前記断面積Ａ_１の金属管の厚さと、前記断面積Ａ_２の金属管の厚さが異なることを特徴とする請求項１に記載の液相拡散接合管継手。
3. 請求項１又は２に記載の液相拡散接合管継手を製造する方法において、
   （ｉ）金属管の端部に、該金属管の内径を拡径しつつ圧入されて、該端部と緊密に係合する先細り傾斜部と、該先細り傾斜部に続き、金属管の端面を液相拡散接合で接合する接合面部を備える金属継手の先細り傾斜部を、管軸方向の押圧により、金属管の端部に、該金属管の内径を拡径しつつ圧入するとともに、拡径された金属管の端面と金属継手の接合面部を、インサート材を介して当接させ、
   （ii）管軸方向の押圧により、上記インサート材を含む当接部にて面圧を維持しながら、該当接部を、インサート材が溶融する温度に加熱し、金属管の端面と上記接合面部を液相拡散接合で接合し、前記金属継手として、中央に接合面部を備え、該接合面部に続き、両側に、先細り傾斜部を備える金属継手管を用い、該金属継手管の両側に、金属管を液相拡散接合で接合する場合、上記金属継手管の一方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_１、他方の先細り傾斜部の傾斜角をＳ_２とし、かつ、端部が、傾斜角Ｓ_１の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の一方の面に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_１、端部が、傾斜角Ｓ_２の先細り傾斜部に緊密に係合し、端面が、中央の接合面部の他方の面に液相拡散接合で接合されている金属管の断面積をＡ_２とするとき、Ｓ_１、Ｓ_２、Ａ_１、及び、Ａ_２が、下記式（１）を満足することを特徴とする液相拡散接合管継手の製造方法。
   ０．８≦（Ｓ_１×Ａ_１）／（Ｓ_２×Ａ_２）≦１．２ … （１）
4. 前記断面積Ａ_１の金属管の厚さと、前記断面積Ａ_２の金属管の厚さが異なることを特徴とする請求項３に記載の液相拡散接合管継手の製造方法。
5. 前記金属管が、前記先細り傾斜部の最小外径より大きく最大外径より小さい内径の金属管であることを特徴とする請求項３又は４に記載の液相拡散接合管継手の製造方法。
6. 前記面圧が５〜２０ＭＰａであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の液相拡散接合管継手の製造方法。

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