JP7048093B2

JP7048093B2 - 接合体および接合体を製造する方法

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Publication number: JP7048093B2
Application number: JP2018129009A
Authority: JP
Inventors: 拓郎梅谷
Original assignee: Hinode Ltd
Current assignee: Hinode Ltd
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2038-07-06
Also published as: JP2020006399A

Description

本発明は、鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した接合体、および接合体を製造する方法に関する。

特許文献１には、球状黒鉛変形層の形成を防止若しくは抑制して高い接合強度を得ることが記載されている。そのため、特許文献１には、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面に鉄基金属材、あるいはニッケル基金属材をインサートしたこと、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面を凹形状としたこと、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面に鉄基金属材、あるいはニッケル基金属材をインサートすると共に球状黒鉛鋳鉄の圧接面を凹形状としたことが記載されている。

特開２００２－１１３５８３号公報（要約）

鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体が求められている。

本発明の一態様は、鋳鉄製部材と、鋳鉄製部材に摩擦圧接により接合される鋼製部材とを備える接合体である。鋼製部材は、第１の管厚を有する第１の円管状部を含み、鋳鉄製部材は、第１の管厚よりも大きい第２の管厚を有する第２の円管状部を含む。第２の円管状部は、摩擦圧接により少なくとも第２の管厚で残存する残存部を含み、第１の円管状部は、摩擦圧接の際に塑性流動化した部分により管厚が変化する管厚変化位置から残存部の側に向けて、第１の管厚よりも管厚が拡大する管厚拡大部を含む。管厚拡大部は、第１の管厚よりも大きい管厚で残存部に接合される。

上記した接合体は、第１の管厚を有する第１の円管状部と、第１の管厚よりも大きい第２の管厚を有する第２の円管状部とを摩擦圧接することで、第２の円管状部の少なくとも第２の管厚で残存する残存部と、第１の円管状部の管厚変化位置から残存部の側に向けて管厚が拡大する管厚拡大部とが接合される。このため、管厚拡大部を、第１の管厚よりも大きい管厚で残存部に接合させることができる。したがって、鋳鉄製部材と鋼製部材との接合強度を向上させることができる。

管厚拡大部は、第１の円管状部を外周側から覆う第１の治具で塑性流動化した部分を成形することにより、残存部に向かって管厚変化位置よりも手前の第１の位置から残存部の側に向けて、管厚変化位置の外径よりも外径が拡大する外径拡大部を含むことが好ましい。管厚拡大部が、管厚変化位置よりも手前の第１の位置から外径が拡大する外径拡大部を含むため、第１の位置から残存部の側に向けて管厚を厚肉化することができる。このため、管厚拡大部を第１の円管状部の管軸方向に拡張させることができる。したがって、接合強度を一層向上させるとともに、接合体の疲労強度を向上させることができる。

外径拡大部は、外径が滑らかに拡大するように成形される平坦な第１の斜面を含むことが好ましい。外径拡大部が平坦な第１の斜面を含むため、外径の急拡大を防止し、外径拡大部に対する応力集中を緩和することができる。したがって、接合体の疲労強度を一層向上させることができる。

管厚拡大部は、第１の円管状部を内周側から覆う第２の治具で塑性流動化した部分を成形することにより、残存部に向かって管厚変化位置よりも手前の第２の位置から残存部の側に向けて、管厚変化位置の内径よりも内径が縮小する内径縮小部を含むことが好ましい。管厚拡大部が、管厚変化位置よりも手前の第２の位置から内径が縮小する内径縮小部を含むため、第２の位置から残存部の側に向けて管厚を厚肉化することができる。このため、管厚拡大部を第１の円管状部の管軸方向に拡張させることができる。したがって、接合強度を一層向上させるとともに、接合体の疲労強度を向上させることができる。

内径縮小部は、内径が滑らかに縮小するように成形される平坦な第２の斜面を含むことが好ましい。内径縮小部が平坦な第２の斜面を含むため、内径の急縮小を防止し、内径縮小部に対する応力集中を緩和することができる。したがって、接合体の疲労強度を一層向上させることができる。

管厚拡大部は、残存部に少なくとも第２の管厚で接合される部分を含むことが好ましい。残存部と管厚拡大部とが互いに少なくとも第２の管厚で接合されるため、接合領域を増加させるとともに、接合部周辺に対する応力集中を抑制することができる。したがって、接合強度および疲労強度に優れた接合体を提供することができる。

本発明の他の態様は、第１の管厚を有する第１の円管状部を含む鋼製部材と、第１の管厚よりも大きい第２の管厚を有する第２の円管状部を含む鋳鉄製部材とを摩擦圧接により接合することにより接合体を製造する方法である。接合することは、第２の円管状部に少なくとも第２の管厚で残存する残存部を形成することと、第１の円管状部の塑性流動化した部分により管厚が変化する管厚変化位置から残存部の側に向けて、第１の管厚よりも管厚が拡大する管厚拡大部を形成することと、管厚拡大部を第１の管厚よりも大きい管厚で残存部に接合することとを含む。

管厚拡大部を形成することは、第１の円管状部を外周側から覆う第１の治具で塑性流動化した部分を成形することにより、残存部に向かって管厚変化位置よりも手前の第１の位置から残存部の側に向けて、管厚変化位置の外径よりも外径が拡大する外径拡大部を形成することを含むことが好ましい。

鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体を提供することができる。

図１は、接合体を含む構造物の例を示す模式図である。図２は、接合体の斜視図である。図３は、接合体の側面図である。図４は、接合体の断面図である。図５は、接合装置のブロック図である。図６は、接合手順その１を示す模式図である。図７は、接合手順その２を示す模式図である。図８は、接合手順その３を示す模式図である。図９は、変形例に係る接合体を示す断面図である。図１０は、変形例に係る治具を示す模式図である。図１１は、接合体を製造する方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する接合体および接合体を製造する方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施形態では、「平坦」あるいは「円」といった表現を用いるが、厳密に「平坦」であったり、「円」であったりすることを要しない。すなわち、上記した各表現は、製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。

まず、実施形態に係る接合体１０を含む構造物の例について図１を用いて説明する。図１は、接合体１０を含む構造物１の例を示す模式図である。なお、図１では、構造物１の一例として道路などに設置される標識を示しているが、これに限らず、接合体１０は街灯やポール、フェンスなどにも広く用いることができる。また、接合体１０は、建造物の柱や梁などにも広く用いることができる。

図１に示すように、接合体１０は、鋳鉄製部材２００と、鋳鉄製部材２００に摩擦圧接により接合される鋼製部材１００とを備える。鋼製部材１００は、円管状の第１の円管状部１１０を含む。第１の円管状部１１０の一端側には、交通標識を図案化した指示板３００が固定される。また、第１の円管状部１１０の他端側には、鋳鉄製部材２００が摩擦圧接により接合される。なお、図１では、鋼製部材１００が第１の円管状部１１０のみを含む場合を示しているが、鋼製部材１００が、たとえば、第１の円管状部１１０と、第１の円管状部１１０に連続する円柱状の部分とを含むこととしてもよい。

鋳鉄製部材２００は、鋼製部材１００における第１の円管状部１１０に摩擦圧接により接合される第２の円管状部２１０を含む。また、鋳鉄製部材２００は、第２の円管状部２１０に連続するように一体的に形成された基部２５０を含む。基部２５０は、構造物１を地面上や地面中に固定するために用いられる。鋳鉄製部材２００は、ダクタイル鋳鉄製であり、形状自由度が高く、鋳造による一体成形が可能である。したがって、様々な形状の構造物１にも幅広く対応することができる。

次に、接合体１０について図２等を用いて詳細に説明する。図２は、接合体１０の斜視図である。なお、図２には、接合体１０の中心線Ｌ１を示している。また、図２には、中心線Ｌ１に沿うＸ軸を示している。Ｘ軸は、第２の円管状部２１０側が負方向、第１の円管状部１１０側が正方向である。かかるＸ軸は、他の図面においても示す場合がある。

図２に示すように、接合体１０は、第２の円管状部２１０の外径のほうが、第１の円管状部１１０の外径よりも大きい。また、第１の円管状部１１０は、第２の円管状部２１０に向けて管厚が拡大する管厚拡大部１２０を有する。管厚拡大部１２０は、第１の円管状部１１０の外周側から内周側にかけて形成されるが、図２では、外周側から目視可能な外径拡大部１２１を管厚拡大部１２０として示している。なお、管厚拡大部１２０の内周側の形状については図４等を用いて後述する。

図３は、接合体１０の側面図である。図３に示すように、第２の円管状部２１０は、第１の円管状部１１０側に残存部２１１を含む。残存部２１１は、摩擦圧接により少なくとも接合前の第２の円管状部２１０の管厚で残存する部分である。図７等を用いて後述するとおり第２の円管状部２１０は摩擦圧接により摩擦圧接前よりも短くなるが、残存部２１１は、少なくとも接合前の第２の円管状部２１０の管厚で第１の円管状部１１０に接合される第２の円管状部２１０の部分のことを指す。

図３に示すように、第１の円管状部１１０の管厚拡大部１２０は、第２の円管状部２１０側に外径拡大部１２１を含む。外径拡大部１２１は、残存部２１１の側に向けて外径が滑らかに拡大する形状の平坦な第１の斜面１２１ａを含む。ここで、「平坦」とは厳密に平面であることを要しない。つまり、第１の斜面１２１ａは、外径が滑らかに拡大するように形成された斜面であればよく、平面だけでなく、外径が急拡大しないように徐々に拡大する曲面を含むものとし、明らかな谷や山を省いた面であれば足りる。また、外径拡大部１２１は、第１の斜面１２１ａに連続し、残存部２１１の外径よりも径方向の外側へ突出した突起部１２１ｂを含む。

このように、第２の円管状部２１０は接合前の管厚で残存する残存部２１１を含み、第１の円管状部１１０は、第２の円管状部２１０に向けて管厚が拡大する管厚拡大部１２０を含む。このため、管厚拡大部１２０を第１の管厚Ｔ１よりも大きい管厚で残存部２１１に接合させることができる。したがって、鋳鉄製部材２００と鋼製部材１００との接合強度（引張強度）を高めることができる。これにより、引張強度に優れた接合体１０を得ることができる。また、管厚拡大部１２０の外径拡大部１２１は、平坦な第１の斜面１２１ａを含むため、外径の急拡大を防止し、外径拡大部１２１に対する応力集中を緩和することができる。したがって、接合体１０の疲労強度を高めることができる。

なお、図３には、突起部１２１ｂを有する接合体１０を示したが、突起部１２１ｂを第２の円管状部２１０の外径にあわせて削り取るなどして除去することとしてもよい。これにより、接合体１０の意匠性を高め、突起部（バリ）１２１ｂによる取扱時のケガを防止するとともに、接合体１０の省スペース化および軽量化を図ることができる。また、接合体１０の外周側を滑らかにすることで、応力が集中しにくい形状となり、疲労強度を高めることができる。

図４は、接合体１０の断面図である。なお、図４は、中心線Ｌ１を含む平面で接合体１０を切断した断面図に相当する。図４に示すように、鋼製部材１００に含まれる第１の円管状部１１０は、厚さが「ｔ１」の第１の管厚Ｔ１を有する。鋳鉄製部材２００に含まれる第２の円管状部２１０は、第１の管厚Ｔ１よりも大きい第２の管厚Ｔ２を有する。第２の管厚Ｔ２の厚さは「ｔ２」であり、「ｔ２」と「ｔ１」との関係は「ｔ２＞ｔ１」である。

図４に示すように、第１の円管状部１１０の内径は「ｄ１１」であり、外径は「ｄ１２」である。つまり、第１の管厚Ｔ１の厚さである「ｔ１」は、「ｔ１＝（ｄ１２－ｄ１１）／２」であらわされる。また、第２の円管状部２１０の内径は「ｄ２１」であり、外径は「ｄ２２」である。つまり、第２の管厚Ｔ２の厚さである「ｔ２」は、「ｔ２＝（ｄ２２－ｄ２１）／２」であらわされる。また、第２の円管状部２１０は、摩擦圧接により少なくとも第２の管厚Ｔ２で残存する残存部２１１を含む。すなわち、残存部２１１の厚みは、ｔ２以上である。つまり、残存部２１１の厚みはｔ２よりも大きくてもよい。

第１の円管状部１１０は、第２の円管状部２１０との摩擦圧接の際に、第２の円管状部２１０側の部分が塑性流動化し、塑性流動化した部分が第２の円管状部２１０との圧接により外周側および内周側に押し出されるように変形する。これにより、第１の円管状部１１０における第１の管厚Ｔ１が拡大する。したがって、第１の管厚Ｔ１は摩擦圧接前の厚さである「ｔ１」よりも増加する。

このため、第１の円管状部１１０は、残存部２１１の側に向けて第１の管厚Ｔ１よりも管厚が拡大する管厚拡大部１２０を含む。管厚拡大部１２０は、第１の円管状部１１０の外周側から内周側にかけて形成される。管厚拡大部１２０は、第１の円管状部１１０の外径が拡大する外径拡大部１２１と、内径が縮小する内径縮小部１２２とを含む。外径拡大部１２１は、図３において既に説明した第１の斜面１２１ａと、突起部１２１ｂとを含む。

また、内径縮小部１２２は、残存部２１１の内径よりも径方向の内側に突出した突起部１３０を含む。また、突起部１３０は、中心線Ｌ１に沿った向きについて残存部２１１から離れるようにカールした形状である。なお、突起部１３０を第２の円管状部２１０の内径にあわせて削り取るなどして除去することとしてもよい。このように、接合体１０における内周側を滑らかにすることで、応力が集中しにくい形状となり、疲労強度を高めることができる。

また、図４に示したように、管厚拡大部１２０を、残存部２１１に少なくとも第２の管厚Ｔ２で接合させることが望ましい。このように、残存部２１１と管厚拡大部１２０とを互いに少なくとも第２の管厚Ｔ２で接合させることで、接合領域を増加させるとともに、接合部周辺における断面の急変を抑制し、応力集中を抑制することができる。したがって、接合強度および疲労強度に優れた接合体１０を得ることができる。

なお、管厚拡大部１２０を、第２の管厚Ｔ２よりも小さい厚みで残存部２１１に接合させることもできる。たとえば、管厚拡大部１２０を、管厚拡大部１２０における外周側が残存部２１１の外周までは届かない程度の外径としたり、内周側が残存部２１１の内周までは届かない程度の内径としたりすることもできる。

また、第１の円管状部１１０の塑性流動化した部分は、治具によって成形することが望ましい。具体的には、第１の円管状部１１０の塑性流動化した部分を第１の円管状部１１０の外周側から覆う治具で成形することとしてもよいし、第１の円管状部１１０の内周側から覆う治具で成形することとしてもよい。

なお、図４には、第１の円管状部１１０の塑性流動化した部分を第１の円管状部１１０の外周側から覆う治具で成形することによって得られた接合体１０を示している。ここで、図４に示した接合体１０では、第１の円管状部１１０の内周側については治具による成形を行っていない。なお、成形用の治具の詳細については図６等を用いて後述する。

図４に示したように、成形用の治具を用いない場合、第１の円管状部１１０の塑性流動化した部分により第１の管厚Ｔ１が変化し始める位置は、管厚変化位置ｐ０となる。ここで、管厚変化位置ｐ０は中心線Ｌ１に沿うＸ軸の座標を指す。一方、成形用の治具を用いた場合、塑性流動化した部分により第１の管厚Ｔ１が変化し始める位置を、残存部２１１に向かって管厚変化位置ｐ０よりも手前（Ｘ軸正方向側）である第１の位置ｐ１とすることができる。ここで、第１の位置ｐ１は、中心線Ｌ１に沿うＸ軸の座標を指す。つまり、成形用の治具を用いることで、管厚変化位置ｐ０よりも残存部２１１から離れた位置である第１の位置ｐ１から、第１の円管状部１１０を厚肉化することができる。すなわち、外周側における管厚拡大部１２０を第１の円管状部１１０の管軸方向について拡張することができる。したがって、第１の円管状部１１０と第２の円管状部２１０との接合強度を一層向上させるとともに、接合体１０の疲労強度を向上させることができる。また、外周側における管厚拡大部１２０を第１の円管状部１１０の管軸方向に拡大することで、外径の変化を緩やかにすることができる。したがって、外径の変化について山や谷が少ない滑らかな形状としやすいので、応力集中が発生しにくい形状の接合体１０を得ることができる。

なお、図４に示した第１の円管状部１１０の外周側の形状を内周側の形状と同様にすることもできる。つまり、外周側の外径拡大部１２１において外径が拡大しはじめる位置を第１の位置ｐ１とし、第１の斜面１２１ａを省略し、突起部１２１ｂの形状を内周側の突起部１３０と同様の形状とすることもできる。第１の円管状部１１０における外周側および内周側のいずれにも成形用の治具を用いない場合であっても、管厚拡大部１２０は、第１の管厚Ｔ１よりも大きい管厚で残存部２１１に接合される。したがって、鋳鉄製の第２の円管状部２１０と鋼製の第１の円管状部１１０との接合強度を向上させることができる。

次に、図４に示した接合体１０を製造する方法について、図５～図８を用いて説明する。図５は、接合装置５０のブロック図である。なお、図５に示した接合装置５０は、接合体１０（図４参照）を製造する装置の一例である。

接合装置５０は、鋼製の第１の円管状部１１０と鋳鉄製の第２の円管状部２１０とを摩擦圧接により接合することで接合体１０を製造する装置である。具体的には、接合装置５０は、制御部５１と、記憶部５２と、回転部５６と、直動部５７とを備える。

ここで、一般的に、鋳鉄製である第２の円管状部２１０の融点は、鋼製である第１の円管状部１１０の融点よりも低い。したがって、摩擦圧接中の第１の円管状部１１０と第２の円管状部２１０との接触部分の温度を、鋳鉄製の第２の円管状部２１０の融点よりも高く、かつ、鋼製の第１の円管状部１１０の融点よりも低く保持すれば、接合状態が良好な接合体１０を製造することができる。具体的には、鋳鉄製の第２の円管状部２１０の融点を超えた部分は、摩擦圧接中に溶融し飛散するので、バリ等の突起が生じにくい。また、鋳鉄製の第２の円管状部２１０に摩擦圧接される鋼製の第１の円管状部１１０は融点を超えない程度に加熱されるので、塑性流動化しつつ管厚を拡大させることで接合前の管厚よりも大きい管厚で鋳鉄製の第２の円管状部２１０に接合される。したがって、接合強度が高い接合体１０を製造することができる。

回転部５６は、鋳鉄製の第２の円管状部２１０を保持するとともに、鋳鉄製の第２の円管状部２１０を中心線Ｌ１（図２参照）まわりに回転させる。直動部５７は、鋼製の第１の円管状部１１０を保持するとともに、鋼製の第１の円管状部１１０を中心線Ｌ１に沿って直動させる。回転中の鋳鉄製の第２の円管状部２１０に対して鋼製の第１の円管状部１１０を押し付ける（押圧する）ことで両者が摩擦圧接され、接合体１０が製造される。

制御部５１は、取得部５１ａと、指示部５１ｂとを備え、記憶部５２は、接合情報５２ａを記憶する。ここで、接合装置５０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力ポートなどを有するコンピュータや各種の回路を含む。コンピュータのＣＰＵは、たとえば、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、制御部５１の取得部５１ａおよび指示部５１ｂとして機能する。また、取得部５１ａおよび指示部５１ｂの少なくともいずれか一つまたは全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成することもできる。また、記憶部５２は、たとえば、ＲＡＭやＨＤＤに対応する。ＲＡＭやＨＤＤは、接合情報５２ａを記憶することができる。なお、接合装置５０は、有線や無線のネットワークで接続された他のコンピュータや可搬型記録媒体を介して上記したプログラムや各種情報を取得することとしてもよい。

接合情報５２ａは、経過時間に応じた回転部５６の回転速度、経過時間に応じた直動部５７の移動量、摩擦の所要時間を示す摩擦時間等を予め定義した情報である。つまり、接合情報５２ａは、回転速度と経過時間との関係を示すシーケンス情報と、移動量と経過時間との関係を示すシーケンス情報とを含んだ情報である。ここで、接合情報５２ａは、摩擦圧接中の第１の円管状部１１０と第２の円管状部２１０との接触部分の温度を、鋳鉄製の第２の円管状部２１０の融点よりも高く、かつ、鋼製の第１の円管状部１１０の融点よりも低く保持することができるように、予め行った実験等の知見に基づいて用意された情報である。したがって、接合装置５０が接合情報５２ａに基づいた動作を行うことで、接合強度が高い接合体１０を製造することができる。なお、移動量とともに、または、代わりに押圧力を用いることとしてもよい。

取得部５１ａは、記憶部５２から接合情報５２ａを読み出す。そして、取得部５１ａは、読み出した情報を指示部５１ｂへ出力する。指示部５１ｂは、接合情報５２ａに基づき、回転部５６に対して回転速度を指示するとともに、直動部５７に対して移動量を指示する。これにより、接合装置５０は、摩擦圧接中の第１の円管状部１１０と第２の円管状部２１０との接触部分の温度を、鋳鉄製の第２の円管状部２１０の融点よりも高く、かつ、鋼製の第１の円管状部１１０の融点よりも低く保持する。なお、接合情報５２ａを、成功例や失敗例に基づく実績に基づいて更新していくことしてもよい。これにより、より適切な接合情報５２ａを得ることができるので、回転部５６や直動部５７に対してより適切な回転速度や移動量を指示することが可能となる。

次に、接合装置５０が実行する接合手順について図６～図８を用いて説明する。図６～図８は、接合手順その１～その３を示す模式図である。なお、図６～図８では、模式図として、図２等に示した中心線Ｌ１を含む平面で切断した断面図を示している。また、図６には摩擦圧接開始前の状態を、図７には摩擦圧接開始時の状態を、図８には摩擦圧接完了時の状態をそれぞれ示している。

図６に示すように、回転部５６は、第２の円管状部２１０を外周側から保持する。また、回転部５６は、中心線Ｌ１まわりに第２の円管状部２１０を回転向きＲＤまわりに回転させる。なお、回転向きＲＤを逆向きにしてもよい。直動部５７は、第１の円管状部１１０を外周側から保持する。また、直動部５７の先端側には、第１の円管状部１１０を外周側から覆う第１の治具５８が固定されている。そして、直動部５７は、移動向きＬＤ（第２の円管状部２１０に近づく向き）に移動する。なお、第１の円管状部１１０は、先端側が第１の治具５８から突出するように直動部５７に固定されることが好ましい。これにより、融点を超えることで飛散した第２の円管状部２１０の部分（飛散物）が第１の治具５８に付着することを防止することができる。

図７に示すように、直動部５７の移動に伴って移動する第１の円管状部１１０は、回転部５６の回転に伴って回転する第２の円管状部２１０に接触する。これにより、摩擦圧接が開始される。摩擦圧接によって接触部分の温度は上昇して第２の円管状部２１０の融点を超えるので、第２の円管状部２１０における融点を超えた部分は遠心力によって飛散する。これにより、第２の円管状部２１０の全長は短くなっていくが、接合前の管厚である第２の管厚Ｔ２（図４参照）を少なくとも有する残存部２１１は残る。

図８に示すように、摩擦圧接完了時には、加熱された第１の円管状部１１０が、第１の治具５８の形状に沿って成形されている。ここで、第１の治具５８は、第１の円管状部１１０の外周側を断続的に覆う形状であってもよいが、第１の円管状部１１０の外周側を一周にわたって連続的に覆う形状であることが望ましい。

なお、図８に示した第２の円管状部２１０および第１の円管状部１１０の形状は、図４に示した形状に対応している。つまり、第１の治具５８の内径が拡大し始める位置５８ａは、図４に示した第１の位置ｐ１に対応する。また、第１の治具５８の内径が滑らかに拡大する平坦面５８ｂは、図４に示した第１の斜面１２１ａに対応する。また、第１の治具５８の端面５８ｃに沿って図４に示した突起部１２１ｂが形成される。

図８に示すように、第１の円管状部１１０と第２の円管状部２１０とを摩擦圧接することで、第２の円管状部２１０には、少なくとも第２の管厚Ｔ２（図４参照）で残存する残存部２１１が形成される。また、第１の円管状部１１０には、第１の円管状部１１０の塑性流動化した部分により管厚が変化する管厚変化位置ｐ０（図４参照）から残存部２１１の側に向けて第１の管厚Ｔ１よりも管厚が拡大する管厚拡大部１２０が形成される。したがって、管厚拡大部１２０を第１の管厚Ｔ１よりも大きい管厚で残存部２１１に接合することが可能となり、接合強度を向上させた接合体１０を得ることができる。

また、管厚拡大部１２０を形成する際に、第１の円管状部１１０を外周側から覆う第１の治具５８で塑性流動化した部分を成形することにより、残存部２１１に向かって管厚変化位置ｐ０（図４参照）よりも手前の第１の位置ｐ１（図４参照）から残存部２１１の側に向けて、管厚変化位置ｐ０の外径よりも外径が拡大する外径拡大部１２１を形成することができる。これにより、接合強度だけではなく疲労強度も向上させた接合体１０を得ることができる。

次に、接合体１０の変形例について図９を用いて説明する。図９は、変形例に係る接合体１０Ａを示す断面図である。なお、接合体１０Ａは、第１の円管状部１１０の内周側の形状が、図４に示した接合体１０とは異なる。このため、以下では、図４との差異点について主に説明することとする。ここで、第２の治具５９は、第１の円管状部１１０の内周側を断続的に覆う形状であってもよいか、第１の円管状部１１０の内周側を一周にわたって連続的に覆う形状であることが望ましい。

図９に示すように、第１の円管状部１１０の内周側にも成形用の治具を用いることで、第１の円管状部１１０の塑性流動化した部分により第１の管厚Ｔ１が変化し始める内周側の位置を、残存部２１１に向かって管厚変化位置ｐ０（図４参照）よりも手前（Ｘ軸正方向側）である第２の位置ｐ２とすることができる。ここで、第２の位置ｐ２は、中心線Ｌ１に沿うＸ軸の座標を指す。つまり、外周側だけでなく内周側にも成形用の治具を用いることで、管厚変化位置ｐ０よりも中心線Ｌ１に沿って残存部２１１から離れた位置である第２の位置ｐ２から、第１の円管状部１１０を厚肉化することができる。すなわち、内周側においても管厚拡大部１２０を第１の円管状部１１０の管軸方向について拡張することができる。したがって、第１の円管状部１１０と第２の円管状部２１０との接合強度を一層向上させるとともに、接合体１０の疲労強度を向上させることができる。また、内周側における管厚拡大部１２０を第１の円管状部１１０の管軸方向に拡大することで、内径の変化を緩やかにすることができる。したがって、内径の変化についても山や谷が少ない滑らかな形状とすることが可能となり、応力集中が発生しにくい形状の接合体１０Ａを得ることができる。

図９に示すように、第１の円管状部１１０の管厚拡大部１２０は、第２の円管状部２１０側に内径縮小部１２２を含む。内径縮小部１２２は、残存部２１１の側に向けて内径が滑らかに縮小する形状の平坦な第２の斜面１２２ａを含む。ここで、「平坦」とは厳密に平面であることを要しない。つまり、第２の斜面１２２ａは、内径が滑らかに縮小するように形成された斜面であればよく、平面だけでなく、内径が急縮小しないように徐々に縮小する曲面を含むものとし、明らかな谷や山を省いた面であれば足りる。また、内径縮小部１２２は、第２の斜面１２２ａに連続し、残存部２１１の内径よりも径方向の内側へ突出した突起部１２２ｂを含む。このように、内径縮小部１２２が平坦な第２の斜面１２２ａを含むため、内径の急縮小を防止し、内径縮小部１２２に対する応力集中を緩和することができる。したがって、接合体１０の疲労強度を一層向上させることができる。

なお、図９には、突起部１２２ｂを有する接合体１０Ａを示したが、突起部１２２ｂを第２の円管状部２１０の内径にあわせて削り取るなどして除去することとしてもよい。これにより、接合体１０の内周側についても応力が集中しにくい形状となり、さらに疲労強度を高めることができる。

また、図９では、第１の円管状部１１０の外周側における第１の位置ｐ１と、内周側における第２の位置ｐ２とが中心線Ｌ１に沿って同様の位置となる場合を示した。しかしながらこれに限らず、第１の位置ｐ１および第２の位置ｐ２は、管厚変化位置ｐ０（図４参照）よりも中心線Ｌ１に沿う向きについて第２の円管状部２１０から離れていれば、異なる位置であってもよい。たとえば、第２の位置ｐ２を第１の位置ｐ１よりも管厚変化位置ｐ０（図４参照）に近い位置としたり、第２の位置ｐ２を第１の位置ｐ１よりも管厚変化位置ｐ０（図４参照）から遠い位置としたりすることとしてもよい。

次に、図９に示した接合体１０Ａの製造に用いる治具について図１０を用いて説明する。図１０は、変形例に係る治具を示す模式図である。なお、図１０は、直動部５７が第１の円管状部１１０の内周側にも挿入され、先端側には第１の円管状部１１０の内周側から覆う第２の治具５９が固定されている点が図８とは異なる。なお、第１の円管状部１１０は、先端側が第２の治具５９から突出するように直動部５７に固定されることが好ましい。これにより、融点を超えることで飛散した第２の円管状部２１０の部分（飛散物）が第２の治具５９に付着することを防止することができる。

図１０に示すように、摩擦圧接完了時には、加熱された第１の円管状部１１０が、第１の治具５８のみならず第２の治具５９の形状に沿って成形されている。なお、図１０に示した第２の円管状部２１０および第１の円管状部１１０の形状は、図９に示した形状に対応している。つまり、第２の治具５９の外径が縮小し始める位置５９ａは、図９に示した第２の位置ｐ２に対応する。また、第２の治具５９の外径が滑らかに縮小する平坦面５９ｂは、図９に示した第２の斜面１２２ａに対応する。また、第２の治具５９の端面５９ｃに沿って図９に示した突起部１２２ｂが形成される。

次に、図５に示した接合装置５０が実行する接合体１０，１０Ａを製造する方法の処理手順について図１１を用いて説明する。図１１は、接合体１０，１０Ａを製造する方法の処理手順を示すフローチャートである。

図１１に示すように、接合装置５０の取得部５１ａは、記憶部５２から接合情報５２ａを読み出す（ステップＳ１０１）。また、接合装置５０は、第１の円管状部１１０および第２の円管状部２１０をそれぞれ保持する（ステップＳ１０２）。なお、ステップＳ１０１とステップＳ１０２の順序を逆にしてもよく、並行して行うこととしてもよい。

回転部５６は、接合情報５２ａに基づき、保持した第２の円管状部２１０を時間経過に応じた回転速度で回転させる（ステップ１０３）。また、直動部５７は、接合情報５２ａに基づき、保持した第１の円管状部１１０を時間経過に応じた移動量で直動させる（ステップ１０４）。そして、接合装置５０は、接合情報５２ａに基づく所望の圧接条件に従った摩擦圧接を実行した後、処理を終了する。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１構造物、１０接合体、５０接合装置、５１制御部、５１ａ取得部、５１ｂ指示部、５２記憶部、５２ａ接合情報、５６回転部、５７直動部、５８第１の治具、５９第２の治具、１００鋼製部材、１１０第１の円管状部、１２０管厚拡大部、１２１外径拡大部、１２１ａ第１の斜面、１２１ｂ突起部、１２２内径縮小部、１２２ａ第２の斜面、１２２ｂ突起部、１３０突起部、２００鋳鉄製部材、２１０第２の円管状部、２１１残存部、２５０基部、３００指示板、Ｌ１中心線、ｐ０管厚変化位置、ｐ１第１の位置、ｐ２第２の位置、Ｔ１第１の管厚、Ｔ２第２の管厚。

Claims

鋳鉄製部材と、前記鋳鉄製部材に摩擦圧接により接合される鋼製部材とを備え、
前記鋼製部材は、第１の管厚を有する第１の円管状部を含み、
前記鋳鉄製部材は、前記第１の管厚よりも大きい第２の管厚を有する第２の円管状部を含み、
前記第２の円管状部は、摩擦圧接により少なくとも前記第２の管厚で残存する残存部を含み、
前記第１の円管状部は、摩擦圧接の際に塑性流動化した部分により管厚が変化する管厚変化位置から前記残存部の側に向けて、前記第１の管厚よりも管厚が拡大する管厚拡大部を含み、
前記管厚拡大部は、前記第１の管厚よりも大きい管厚で前記残存部に接合される、接合体。
前記管厚拡大部は、前記第１の円管状部を外周側から覆う第１の治具で前記塑性流動化した部分を成形することにより、前記残存部に向かって前記管厚変化位置よりも手前の第１の位置から前記残存部の側に向けて、前記管厚変化位置の外径よりも外径が拡大する外径拡大部を含む、請求項１に記載の接合体。
前記外径拡大部は、前記外径が滑らかに拡大するように成形される平坦な第１の斜面を含む、請求項２に記載の接合体。
前記管厚拡大部は、前記第１の円管状部を内周側から覆う第２の治具で前記塑性流動化した部分を成形することにより、前記残存部に向かって前記管厚変化位置よりも手前の第２の位置から前記残存部の側に向けて、前記管厚変化位置の内径よりも内径が縮小する内径縮小部を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の接合体。
前記内径縮小部は、前記内径が滑らかに縮小するように成形される平坦な第２の斜面を含む、請求項４に記載の接合体。
前記管厚拡大部は、前記残存部に少なくとも前記第２の管厚で接合される部分を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の接合体。
第１の管厚を有する第１の円管状部を含む鋼製部材と、前記第１の管厚よりも大きい第２の管厚を有する第２の円管状部を含む鋳鉄製部材とを摩擦圧接により接合することにより接合体を製造する方法であって、
前記接合することは、前記第２の円管状部に少なくとも前記第２の管厚で残存する残存部を形成することと、
前記第１の円管状部の塑性流動化した部分により管厚が変化する管厚変化位置から前記残存部の側に向けて、前記第１の管厚よりも管厚が拡大する管厚拡大部を形成することと、
前記管厚拡大部を前記第１の管厚よりも大きい管厚で前記残存部に接合することとを含む、方法。
前記管厚拡大部を形成することは、前記第１の円管状部を外周側から覆う第１の治具で前記塑性流動化した部分を成形することにより、前記残存部に向かって前記管厚変化位置よりも手前の第１の位置から前記残存部の側に向けて、前記管厚変化位置の外径よりも外径が拡大する外径拡大部を形成することを含む、請求項７に記載の方法。