JP5485493B2 - 管の端面同士の溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、管の端面同士の溶接方法に関し、とくに第１管の端面と第２管の端面の溶接方法に関する。

管の端面同士を溶接する際には、加工に要する時間を低減し、かつ、高精度に溶接することが求められる。

従来、管の端面同士を固定するときは、例えばアルゴンガス溶接やアーク溶接により固定していた。

特許文献１には、主管部材の外周壁に設けられた管状突起に分岐管を外嵌してロー付けあるいは溶接した分岐管の接合構造が示されている。

特許文献２には、合流管の平面形状部分に分岐管の段付形状の端部を勘合させてロー付けあるいは溶接した分岐管接合構造が示されている。

他方、プロジェクションを用いた抵抗溶接方法が公知である。この方法はアーク溶接やろう付けに比べて消耗品がなく、溶接速度が速い利点を有する。とくにリングプロジェクションを用いた抵抗溶接方法は、溶接部に耐密性が要求される場合に使用されている。
実開昭５７−４４６１５号公報 特開２００２−１０６７７５号公報

しかしながら、例えばアルゴンガス溶接により管の端面同士を固定しようとすると、溶接独特の盛り上がりやスパッターが生じ易い。

特許文献１による分岐管の接合構造は、分岐管の外周からロー付け又は溶接するため、加工に手間と時間がかかるとともに、高精度な製品を得難い。

特許文献２による分岐管接合構造は、合流管の外周壁に分岐管をロー付けあるいは溶接するため、加工に手間と時間がかかるとともに高精度な製品を得難い。

本発明は、短時間で接合可能で、かつ、高精度な溶接が可能な管の端面同士の溶接方法を提供することを目的としている。

本発明の解決手段を例示すると、特許請求の範囲の各請求項に記載のとおりである。

本発明によれば、第１管と第２管の端面同士を短時間かつ高精度で接合して曲がり管にすることが可能である。とくに、第２管の端面が１つの先細形状のリング状突起部を有するので、そこを通じて小電流かつ低加圧力で所望の抵抗溶接を実現することができる。

第２管の１つの先細形状のリング状突起部の頂部が、第２管の内周面寄りに位置した状態で溶接されたり、或いは、第２管の内周面と外周面との中間位置から内周面の位置までの間に存在する状態で溶接されたりすると、接合部の外観を良好にしやすく、しかも、管の端面同士をより小電流かつ低加圧力で抵抗溶接できる。

第１管の端面の平坦面にリング状溝が形成されていると、そのリング状溝に第２管の先細形状のリング状突起部の頂部が入って接触した状態で溶接できるため、管の端面同士を所定位置に位置決めしやすく、かつ、強固に溶接できる。

本発明による管の端面同士の溶接方法は、第１管が第１円管で、第２管が第２円管である管の端面同士の溶接方法である。以下、第１管が第１円管で、第２管が第２円管である場合を例にして説明する。

第１円管と第２円管の材質は、任意のもので良い。多くの場合、鉄やステンレススチール等であるが、チタンとすることもできる。

第１円管の端面は平坦面を有するが、必要に応じて、その端面に狭い平坦面と先細形状の突起部を設ける。

本発明において、「平坦面」という用語は、広義に解するものとし、例えば、厳密な平坦な面が好ましい例であるが、それに近い面を含む。

第２円管のリング状突起部の先細形状は、テーパー形状が最良である。

好ましくは、第２管の先細形状のリング状突起部の頂部（つまり先端部）が、第２管の内周面寄りに位置して溶接される。もっとも、本発明は、第２管の先細形状のリング状突起部の頂部が、第２管の内周面と外周面との中間位置から内周面の位置までの間に存在する状態で溶接される構成や、第２管の外周面寄りに位置して溶接される構成を含む。

好ましくは、第１管の端面の平坦面領域にリング状溝が形成されており、そのリング状溝に第２管の先細形状のリング状突起部の頂部が入った状態で溶接される。リング状溝の形状は、断面Ｖ形状とすることができる。

好ましくは、第１管の端面の狭い平坦面領域が、第１管の軸心に対して垂直な平面になっている。

好ましくは、第１管が第１円管で、第２管が第２円管である。

参考例１

以下、図１〜３を参照して本発明の参考例１を説明する。

図１は、第１管と第２管の１例を示す断面図である。第１管と第２管を溶接した製品は、曲り管として構成される。なお、図１には、管の端面同士を溶接する前の状態が示されている。

第１管は、第１円管２２として構成されている。第１円管２２は、その側面に第１円管２２の軸心Ｙと垂直な軸心Ｘ方向に向いた端面２２ａを有する。第１円管２２の端面２２ａは、ほぼ全体に平坦面２２ｊを有する。この平坦面２２ｊは、軸心Ｘに対して垂直な平面になっている。第１円管２２には、貫通孔２２ｂが形成されている。貫通孔２２ｂは、軸心Ｘ方向と軸心Ｙ方向に延在している。

第２管は、第２円管２４として構成されている。第２円管２４の端面２４ａは、先細形状のリング状突起部２４ｂを有している。

第２円管２４の先細形状のリング状突起部２４ｂの頂部２４ｃが、第１円管２２の端面２２ａの平坦面２２ｊと接した状態で抵抗溶接されるようになっている。

リング状突起部２４ｂの頂部２４ｃは、第２円管２４の内周面２４ｅと外周面２４ｇとの中間位置から内周面２４ｅの位置までの間に存在する。

図２は、リング状突起部２４ｂ付近を拡大して示す。図２の領域Ｃが、内周面２４ｅと外周面２４ｇとの中間位置から内周面２４ｅの位置までの間の領域を示している。リング状突起部２４ｂの頂部２４ｃは、この領域Ｃの中に位置する。

また、第２円管２４は内部に流通孔２４ｆを有する。端面２４ａのリング状突起部２４ｂの内周面２４ｅの直径ｄ１は、流通孔２４ｆの直径ｄ２と同じか、それよりも少し大きい。少し大きい場合、リング状突起部２４ｂが抵抗溶接の結果溶けて少し内向きに張り出しても、流通孔２４ｆを通る流体の流れに悪い影響を与えにくくなっている。例えば、乱流を生じにくくしている。図示例によれば、単純な構成で可能な限りスムーズな流れにすることができる。

参考例１により管の端面同士を溶接する工程の一例を説明する。

まず、平坦面２２ａを有する第１円管２２を準備する。また、先細形状のリング状突起部２４ｂを有する第２円管２４を準備する。

所定の押圧力により、第２円管２４のリング状突起部２４ｂを第１円管２２の端面２２ａに向けて押圧して、第２円管２４を第１円管２２に抵抗溶接する。図３は、本発明により管を溶接した後、つまり抵抗溶接後の状態を示す。

こうして、貫通孔２２ｂの端縁の周辺にリング状突起部２４ｂの全周が溶接される。つまり、第２円管２４のリング状突起部２４ｂが抵抗溶接によって溶けて第１円管２２の端面２２ａにリング状に固定されるのである。

この参考例によれば、溶接が流通孔を通る流体の流れに悪い影響を与えにくく、単純な構成で可能な限りスムーズな流れにすることができるようになっている。

参考例２

以下、図面を参照して参考例２を説明する。

図４は、第１管と第２管の別の例を示す断面図である。第１管と第２管を溶接した製品は、曲り管として構成される。なお、図４には、管の端面同士を溶接する前の状態が示されている。

第１管は、第１円管４２として構成されている。第１円管４２は、その側面に第１円管４２の軸心Ｙと垂直な軸心Ｘ方向に向いた端面４２ａを有する。第１円管４２の端面４２ａは、ほぼ全体に平坦面４２ｊを有する。この平坦面４２ｊは、軸心Ｘに対して垂直な平面になっている。第１円管４２には、貫通孔４２ｂが形成されている。貫通孔４２ｂは、軸心Ｘ方向と軸心Ｙ方向に延在している。第１円管４２の端面４２ａの平坦面４２ｊには、貫通孔４２ｂより直径の大きい、横断面積の小さいリング状溝４２ｉが形成されている。

第２管は、第２円管４４として構成されている。第２円管４４の端面４４ａは、先細形状のリング状突起部４４ｂを有している。

リング状突起部４４ｂの頂部４４ｃは、第２円管４４の内周面４４ｅと外周面４４ｇの中間位置から内周面４４ｅの位置までの間に存在している。なお、リング状突起部４４ｂの形状は図２に示されたリング状突起部２４ｂと同様に形成することができる。

また、第２円管４４は内部に流通孔４４ｆを有する。端面４４ａにおけるリング状突起部４４ｂの頂部４４ｃの直径ｄ８は、流通孔４４ｆの直径ｄ７と同じか、少しよりも大きい。少し大きい場合、リング状突起部４４ｂが抵抗溶接の結果溶けて多少内向きに張り出しても、流通孔４４ｆを通る流体の流れに悪い影響を与えにくくなっている。

また、第１円管４２のリング状溝４２ｉの直径ｄ９は、リング状突起部４４ｂの頂部４４ｃの直径ｄ８に等しい。このため、第１円管４２と第２円管４４が互いに位置決めされやすくなっている。また、リング状溝４２ｉにリング状突起部４４ｂが溶けて入りこんで、強固に抵抗溶接されるようになっている。

図５は、リング状突起部４４ｂとリング状溝４２ｉが接触した溶接前の状態の一例を示す部分拡大図である。なお、分り易くするため、図５は誇張して示されている。

参考例２により管の端面同士を溶接する工程の一例を説明する。

まず、平坦面４２ｊを有する第１円管４２を準備する。また、先細形状のリング状突起部４４ｂを有する第２円管４４を準備する。

所定の押圧力により、第２円管４４の突起４４ｂを第１円管４２の端面４２ａの特に溝４２ｉに向けて押圧して、第２円管４４を第１円管３２に抵抗溶接する。

管を溶接した後、つまり抵抗溶接後の状態は、溝４２ｉのところを除いて、参考例１の図３とほぼ同様である。

こうして、貫通孔４２ｂの周辺にリング状突起部４４ｂの全周が溶接される。つまり、第２円管４４のリング状突起部４４ｂの頂部４４ｃが、リング状溝４２ｉに入った状態で、抵抗溶接によって溶けて、第２円管４４が第１円管４２の端面４２ａに固定されるのである。

この参考例によれば、第１円管４２と第２円管４４が互いに位置決めされやすくなっており、リング状溝４２ｉに対しリング状突起部４４ｂが溶けこんで、とくに端面に沿う方向において強固に溶接されるようになっている。

参考例３

以下、図６〜７を参照して参考例３を説明する。

図６は、第１管と第２管の更に別の例を示す断面図である。第１管と第２管を溶接した製品は、インジェクションとして構成される。なお、図６には、管の端面同士を溶接する前の状態が示されている。

第１管は、第１円管３２として構成されている。第２管は、第２円管３４として構成されている。図６に示された第１管と第２管の関係は、形状が図１〜５に示された第１管と第２管の関係と逆になっている。

第１円管３２は、その一端の内側寄りに非常に平坦面３２ｊを有する。この平坦面３２ｊは、第１円管３２の軸心Ｘに対して傾斜した曲面になっている。とくに、この曲面はほぼテーパー形状である。

第１円管３２には、貫通孔３２ｆが形成されている。貫通孔３２ｆは、軸心Ｘ方向に延在している。

第２円管３４の端面３４ａは、先細形状のリング状突起部３４ｂを有している。端面３４ａは、軸心Ｘに垂直な平面内にあり、リング状をしている。先細形状のリング状突起部３４ｂは、端面３４ａの内側に形成したくぼみ３４ｈの内周面３４ｅと端面３４ａの内側エッジとによって形成されている。

第２円管３４は、軸心Ｘ方向と、軸心Ｘ方向に垂直な軸心Ｙ方向に延在した流通孔３４ｆを有する。流通孔３４ｆの端面３４ａ付近に、流通孔３４ｆよりやや内径の大きい前述のくぼみ３４ｈが形成されている。

第１円管３２の平坦面３２ｊの外径ｄ３は、第２円管３４のくぼみ３４ｈの内径ｄ４よりも少し小さい。くぼみ３４ｈの深さｄ６は、平坦面領域３２ｊにおける直径ｄ４の地点から第１円管３２の図中最右端までの軸心Ｘ方向の距離ｄ５よりも大きい。

図７は、第１円管３２と第２円管３４を所定位置で接触させた溶接前の状態の例を示す部分断面図である。この状態から第２円管３４のリング状突起部３４ｂが抵抗溶接によって溶けて第１円管３２の端面３２ａに固定されるようになっている。

このため、第１円管３２と第２円管３４を互いに位置決めしやすくなっている。また、曲面として構成された平坦面領域３２ｊに沿ってリング状突起部３４ｂが抵抗溶接されるため、気密かつ強固に固定されるようになっている。

図６〜７における第１及び第２管の端面同士を溶接する工程の一例を説明する。

まず、平坦面３２ｊが曲面として構成された第１円管３２を準備する。また、リング状突起部３４ｂを有する第２円管３４を準備する。

第１円管３２の平坦面３２と第２円管３４の突起部３４ｂを所定の押圧力により押圧して、第１円管３２と第２円管３４を抵抗溶接する。

こうして、貫通孔３２ｆの端縁の周辺にリング状突起部３４ｂの全周が溶接される。つまり、第２円管３４のリング状突起部３４ｂが抵抗溶接によって溶けて第１円管３２の端面３２ａに固定されるのである。

とくに、図６及び図７に示された参考例によれば、位置決め精度良く、強固かつ気密に管の端面同士を抵抗溶接できる。

以下、図８〜９を参照して本発明の好適な実施例を説明する。

図８は、第１管と第２管に関する本発明の好適な実施例を示す断面図である。なお、図８には、管の端面同士を溶接する前の状態が示されている。

図８〜９における第１管は、第１円管５２として構成されている。第２管は、第２円管５４として構成されている。

図８に示された第１管と第２管の結合関係は、図６〜７に示された第１管と第２管の結合関係と、図１〜５に示された第１管と第２管の結合関係との両方の特長を有している。

第１円管５２は、その一端面５２ａに狭い平坦面５２ｊと先細形状の突起部５２ｋを有する。この平坦面５２ｊは、第１円管５２の軸心Ｘに対して傾斜した曲面になっている。特に、この曲面はテーパー形状である。

突起部５２ｋは、図１の突起部２４ｃと同じ形状である。

第１円管５２には、貫通孔５２ｆが形成されている。貫通孔５２ｆは、軸心Ｘ方向に延在している。

第２円管５４の端面５４ａは、先細形状のリング状突起部５４ｂを有している。先細形状のリング状突起部５４ｂは、図６の突起部３４ｂと同じ形状であり、くぼみ５４ｈの内周面５４ｅと端面５４ａとによって形成されている。

第２円管５４は、軸心Ｘ方向と、軸心Ｘ方向に垂直な軸心Ｙ方向に延在した流通孔５４ｆを有する。流通孔５４ｆの端面５４ａ付近には、流通孔５４ｆよりやや内径の大きい前述のくぼみ５４ｈが形成されている。

第１円管５２の平坦面５２ｊの外径ｄ７は、第２円管５４のくぼみ５４ｈの内径ｄ８よりも少し小さい。くぼみ５４ｈの深さｄ１０は、平坦面５２ｊにおける直径ｄ１０の地点から第１円管５２の図中最右端までの横方向距離ｄ９よりも大きい。

図９は、第１円管５２と第２円管５４を所定の位置に接触させた溶接前の状態の例を示す部分断面図である。この状態から、第２円管５４のリング状突起部５４ｂが抵抗溶接によって溶け、さらに、第１円管５２のリング状突起部５２ｋが抵抗溶接によって溶け、第２円管５４の端面５２ａが第１円管５２の端面５２ａに固定されるようになっている。

このため、第１円管５２と第２円管５４を互いに位置決めしやすくなっている。また、曲面として構成された平坦面５２ｊに沿ってリング状突起部５４ｂが抵抗溶接されるため、気密かつ強固に固定されるようになっている。

参考例４

以下、図１０を参照して参考例を説明する。

図１０は、第１管と第２管の更に別の参考例を示す断面図である。第１管と第２管を溶接した製品は、インジェクションとして構成される。なお、図１０には、管の端面同士を溶接する前の状態が示されている。

図１０に示された例は、図１に示された例と先細形状のリング状突起部の形状のみが異なっている。以下異なる点についてのみ説明する。なお、図１０において図１と対応する部分には、４０だけ増加した数字（例えば「２４」は「６４」）を付してある。

第２円管６４の先細形状のリング状突起部６４ｂの頂部６４ｃは、第２円管６４の内周面６４ｅ寄りに位置している。

そのため、リング状突起部６４ｂは、抵抗溶接時の所定の押圧力により、第１円管６２の端面６２ａの平坦面領域６２ｊに対し、より小電流かつ低加圧力で抵抗溶接されるようになっている。

参考例５

以下、図１１〜１２を参照して参考例を説明する。

図１１は、管の端面同士の溶接方法の一例を説明するための説明図である。なお、見やすくするため、管の内径、厚み、及び端面は誇張して示されている。

図１１においては、第１及び第２管の端面同士は単に接触しており、まだ溶接されていない。図１２は、管の端面同士の溶接途中の状態を示す説明図である。

第１管は、第１円管１２として構成されている。第１円管１２の端面１２ａは、平坦面１２ｊを有する。平坦面１２ｊは、第１円管１２の軸心Ｘに対して垂直な平面になっている。第１円管１２には、貫通孔１２ｂが形成されている。貫通孔１２ｂは、軸心Ｘ方向に延在している。

第２管は、第２円管１４として構成されている。第２円管１４の端面１４ａは、先細形状のリング状突起部１４ｂを有している。

第２円管１４のリング状突起部１４ｂの頂部１４ｃが第１円管１２の端面１２ａの平坦面１２ｊに接触している。

リング状突起部１４ｂの端面１４ａは、軸心Ｘに垂直な平面内にあり、リング状をしている。

リング状突起部１４ｂの頂部１４ｃは、第２円管１４の内周面１４ｅ寄りに位置している。換言すると、リング状突起部１４ｂの頂部１４ｃは、第２円管１４の外周面１４ｇから最も離れた位置にある。

そのため、リング状突起部１４ｂは、抵抗溶接時の図１１における所定の下向きの押圧力により、第１円管１２の端面１２ａの平坦面１２ｊに対し、より小電流かつ低加圧力で抵抗溶接されるようになっている。

管の端面同士を溶接する工程の一例を説明する。

まず、平坦面１２ｊを有する第１円管１２を準備する。また、先細形状のリング状突起部１４ｂを有する第２円管１４を準備する。

所定の押圧力により、第２円管１４を第１円管１２に向けて押圧して、第２円管１４を第１円管１２に抵抗溶接する。

こうして、貫通孔１２ｂの周辺にリング状突起部１４ｂの全周が溶接される。つまり、第２円管１４のリング状突起部１４ｂが抵抗溶接によって溶けて第１円管１２の端面１２ａに固定されるのである。

実験例
図１３と図１４は、それぞれ実験の目的で製作された管の一例を概念的に示す説明図と、その管（試験番号１の試験品）の引張試験後の状態を示す写真である。

図１３〜１４に示されている第１円管２２と円管２４は、図１〜３に示されているものと同じである。

このような第１円管２２と第２円管２４に対して、引張試験の目的のために、第１円管２２に試験用の中実の棒材３を周知のガス溶接法で溶接し,第２円管２４に試験用の円管７２を周知のガス溶接法で溶接した。試験用の円管７２、第２円管２４、及び試験用の棒材７３は、調心され、直線状に位置している。

図中、矢印Ｃは、抵抗溶接された部分を示す。矢印Ａ及びＤは、溶接されていない部分を示す。矢印Ｂ及びＥは、ガス溶接をした部分を示す。

表１は、前述のように抵抗溶接された管の破断（引張）試験条件を示す。

表中の番号の列の数字１〜８は、試験品の番号を示す。破壊荷重（Ｎ）の列の数値は、試験品に与えられた破壊荷重を示す。破断場所の文字Ｃ、Ｄは、図１３に示された部分Ａ〜Ｅのうち破断した場所を示す。

試験番号１，２、８においては、抵抗溶接された部分Ｃと、ガス溶接された部分Ｂ及びＥは、いずれも破断されず、溶接されていない部分Ｄが破断した。試験番号３〜７においては、抵抗溶接された部分Ｃが破断されたが、破壊荷重（Ｎ）は、いずれの試験品３〜７も、５６、０００以上であった。

この実験により、抵抗溶接された部分Ｃが強固に固定されていることが確認された。

本発明は前述の実施例に限定されない。

第１管と第２管の参考例を示す断面図である。 リング状突起部付近を拡大して示す。 抵抗溶接後の状態を示す。 第１管と第２管の別の参考例を示す断面図である。 リング状突起部とリング状溝が接触した状態の一例を示す。 第１管と第２管の更に参考例を示す断面図である。 第１管と第２管を接触させた状態の参考例を示す部分断面図である。 第１管と第２管の本発明の好適な例を示す断面図である。 第１管と第２管の本発明の好適な例を示す断面図である。 第１管と第２管の別の参考例を示す断面図である。 第１及び第２管の端面同士の溶接方法の参考例を説明するための説明図である。 第１及び第２管の端面同士が溶接された途中の状態を示す説明図である。 抵抗溶接された管の一例を概念的に示す説明図である。 抵抗溶接された管のうち、試験番号１の試験品の引張試験後に、溶接していない部分が破断した状態を示す写真である。

１２、２２、３２、４２、５２、６２ 第１円管（第１管）
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ 端面
１２ｊ、２２ｊ、３２ｊ、４２ｊ、５２ｊ、６２ｊ 平坦面領域
１２ｂ、２２ｂ、３２ｆ、４２ｂ、５２ｆ、６２ｂ 貫通孔
１４、２４、３４、４４、５４、６４ 第２円管（第２管）
１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ、５４ａ、６４ａ 端面
１４ｂ、２４ｂ、３４ｂ、４４ｂ、５４ｂ、６４ｂ リング状突起部
１４ｅ、２４ｅ、３４ｅ、４４ｅ、５４ｅ、６４ｅ 内周面
１４ｇ、２４ｇ、３２ｇ、４４ｇ、５２ｇ、６４ｇ 外周面
２４ｆ、３４ｆ、４４ｆ、５４ｆ、６４ｆ 流通孔
３４ｈ、５４ｈ くぼみ
４２ｉ リング状溝
Ｘ、Ｙ 軸心

Claims (1)

1. 円管である第１管（５２）の端面（５２ａ）が第１管の軸心に対して垂直な平面である平坦な端面を有し、その平坦な端面に続けてテーパー状曲面（５２ｊ）とリング状突起部（５２ｋ）を設け、
   円管である第２管（５４）の端面（５４ａ）が１つのリング状突起部（５４ｂ）を有し、
   その第２管（５４）の端面（５４ａ）の１つのリング状突起部（５４ｂ）の頂部の全周が第１管（５２）の端面（５２ａ）に設けたテーパー状曲面（５２ｊ）に接触した状態で抵抗溶接によって溶け、さらに、第１管（５２）のリング状突起部（５２ｋ）が抵抗溶接によって溶け、第２管（５４）の端面（５４ａ）が第１管（５２）の端面（５２ａ）のテーパー状曲面（５２ｊ）に気密に固定され、曲り管として形成されることを特徴とする、管の端面同士の溶接方法。