JP7178531B2 - 回転摩擦溶接における溶融金属閉じ込めリングによる溶融金属の閉じ込め方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転摩擦による鋼材の接合方法および接合構造に関するものである。 特に、建築鋼構造に用いられる柱や梁など鋼構造骨組を構成する鋼材の接合方法および接合構造に関する。さらには、回転摩擦溶接における溶融金属閉じ込めリングによる溶融金属の閉じ込め方法に関する。

図１４に従来の摩擦圧接法による鋼材の接合例を示す。図１４ａに示すように、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを押圧（摩擦圧力）しつつ第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０との接触部１６０に生ずる摩擦により接触部１６０近傍の材料組織を溶融または軟化させた後、さらに大きな押圧（アプセット圧力）を付加して一体化させる第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０との接合方法および接合構造である。摩擦圧接法の場合、図１４ｂに示すように、溶融により液状化した接触部１６０近傍の組織は摩擦圧力およびアプセット圧力により摩擦面から排出されてバリ１８１の大部分を形成し、通常は接合に有効利用されることはない。一方、軟化した固体組織は摩擦面近傍に残存し鋼材同士の固体接合に寄与する。

特許文献１には、ステンレス鋼の丸棒と黄銅の丸棒との先端を接するように接触部を加工して、接触部同士を押圧しつつ相互に相対回転させて生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献２には、２本のパイプの間に同径のリング部材を挟むように接触させて配置し、リング部材とパイプとに接触部を形成して、両側のパイプをリング部材に押圧しつつリング部材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて、最終的に両側のパイプとリング部材と一体として接合させる、いわゆるインサート法と称されている摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献３には、２本の鉄筋の間に鉄筋と同断面形状短尺の接合補助材を挟むように接触させて配置し、接合補助材とそれぞれ鉄筋の先端に接触部を形成し、両側の鉄筋を接合補助材に押圧しつつ接合補助材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献４には、空所に該空所より若干大径の棒状の挿入物を挿入させるに際し、挿入物に回転運動と挿入方向に大きな力を加え、空所入口近傍さらには空所内部を摩擦発熱によって軟化または溶融させ徐々に挿入物を挿入させる方法が提示されている。

出願人らによる従前の出願、特許文献５では、回転摩擦による鋼材の接合方法として図１５、図１６に示す回転摩擦溶接を提供している。すなわち、第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材２１０の端面２１１と第２の鋼材２２０の端面２２１とを対向させて配置する。空所２５０として、第１の鋼材２１０の端面２１１と第２の鋼材２２０の端面２２１とに跨り、第１の鋼材２１０の表面２１２と前記第２の鋼材２２０の表面２２２とに垂直な直線を回転軸２７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面２５２と、側周面２５２に連続する円錐体形状の底部２５１を加工する。一方、接合金属２４０は、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面２４２を有する接合金属本体２４１と、接合金属本体２４１に連続する円錐体形状の先端面２４７ａを有する先端部２４７とからなり、空所２５０に容易に挿入されうる大きさとする。接合金属２４０を空所２５０に回転軸２７１が一致するように挿入する。次いで、図１６ｂに示すように、接合金属２４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸２７１回りに回転ωを与えることにより接合金属２４０の先端部２４７と空所２５０の底部２５１との間の回転摩擦面２６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属２８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して接合金属２４０の側周面２４２と空所２５０の側周面２５２との隙間２６１に充填させ、溶融金属２８０が隙間２６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属２８０は凝固し、隙間２６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。

特開２０００－３０１３６４号公報 特開２０００－０９４１５７号公報 特開２０１１－１５２５６３号公報 特開昭５２－０７５６４１号公報 特願２０１７－１７９５２３号

従来の摩擦圧接法は、鉄筋のように比較的小規模な鋼材の接合に実用化されている。ただし、特許文献３の長尺の鉄筋の場合は、回転するのに大規模な設備が必要である。特許文献４の方法では、空所入口近傍で接合に寄与しないバリが多く発生し、挿入を妨害するのでそれに打ち勝つような多大な力が必要である。さらにこれらの方法を建築鋼構造の柱や梁のように大規模な鋼材の接合に適用しようとすると、押圧および摩擦を加えるために要する加圧機構や動力機構の性能が巨大化する。従って、建築鋼構造の工事現場での現場接合に適用することは困難である。一方現状では、建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合は、溶接または高力ボルト摩擦接合のいずれかによる場合がほとんどである。ところが、高力ボルト摩擦接合の場合にはボルト孔による被接合鋼材の断面欠損やボルト孔の片側だけからの締め付けが困難といった欠点があり、また、溶接の場合には施工現場の環境や技術者の技量によって欠陥が生じ得る欠点があり、これらの課題を解決できる新しい接合方法の提供が要望されている。
さらに、特許文献５で提示した回転摩擦溶接では、空所の底部で摩擦により生成された溶融金属を、空所と接合金属の側周面間の空間に隙間なく充填させる必要がある。静止面で囲まれた空隙に溶融金属が侵入すると、温度低下によって急激に凝固する。一方、空所と接合金属の側周面間の空隙のように壁面が大きな相対速度を持つ場合、ここに侵入した溶融金属は粘性流動を強いられ、エネルギーが供給され続けて容易に凝固せず、流体を保持して空隙に侵入していくことが可能になる。しかし、活発に流動する溶融金属が挿入体の回転運動によって、空所と接合金属の側周面間の空隙から吐出してバリを形成したり飛沫となって飛散する。溶融金属の吐出は空所内部に空隙を残し、材料欠陥となり接合強度を低下させる原因となる。

本発明では、溶融金属の吐出によって空所内に残された空隙が材料欠陥となって接合強度を低下させるメカニズムを断ち切る有効な方法として、溶融金属閉じ込めリングの載置による溶融金属の閉じ込め方法を提供する。溶融金属が空所の外部に吐出することを防止出来れば、摩擦によって生成された溶融金属を空所と接合金属の側周面間の空隙に密実に充填させることができ、空所の側周面と接合金属の側周面とが完全に一体化した接合組織が実現される。
なお、「表面」とは、挿入される接合金属の基端部側の面とし、「裏面」とは、挿入される接合金属の先端部側の面とする。「側周面」とは、回転対称体における母線の生成する面を意味する。「容易に空所に挿入されうる」とは、接合金属の側周面と空所の側周面との間に適度の隙間を有して挿入が容易なことを意味する。

請求項１の発明では、
回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを隣接した位置に配置すると共に前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨り前記第１の鋼材の表面と前記第２の鋼材の表面とに垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることによる前記接合金属を介しての前記第１の鋼材と前記第２の鋼材との接合において、溶融金属閉じ込めリングをリング部内側面と前記接合金属の前記側周面との間に僅かな隙間を介して装着し、リング部裏面を前記第１の鋼材の表面と前記第２の鋼材の表面とに載置することにより、前記溶融金属が前記空所から吐出することを防止し前記空所内に閉じ込めて密実に充填する。
ここで、第１の鋼材および第２の鋼材の材質は、任意の構造用鋼材であって、接合金属の材質は、摩擦により溶融し、第１の鋼材と接合金属および第２の鋼材と接合金属とを一体化することが可能な金属である限り任意である。例えば、鋼材、合金鋼材、アルミニウム材、アルミニウム合金材などが挙げられる。空所の形状および接合金属の形状は、接合金属を空所に押し付けつつ回転することが容易な回転対称形状とする。

請求項２の発明では、
回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを重ねた位置に配置すると共に前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面を対向させて配置し、前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面とを貫く直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることによる前記接合金属を介しての前記第１の鋼材と前記第２の鋼材との接合において、溶融金属閉じ込めリングをリング部内側面と前記接合金属の前記側周面との間に僅かな隙間を介して装着し、リング部裏面を前記第１の鋼材の表面に載置することにより、前記溶融金属が前記空所から吐出することを防止し前記空所内に閉じ込めて密実に充填する。
ここで、第１の鋼材および第２の鋼材の材質は、任意の構造用鋼材であって、接合金属の材質は、摩擦により溶融し、第１の鋼材と接合金属および第２の鋼材と接合金属とを一体化することが可能な金属である限り任意である。例えば、鋼材、合金鋼材、アルミニウム材、アルミニウム合金材などが挙げられる。空所の形状および接合金属の形状は、接合金属を空所に押し付けつつ回転することが容易な回転対称形状とする。

請求項３の発明では、
前記溶融金属閉じ込めリングは、前記リング部内側面が前記接合金属の側周面との間に僅かな隙間を介して対向する形状であり、前記リング部裏面が前記第１の鋼材および／または前記第２の鋼材の表面に重なり合う形状である。すなわち、第１の鋼材および／または第２の鋼材の表面が鋼管のような曲面であれば、リング部裏面もそれらに沿って重なり合う曲面形状である。なお、リング部外側面の形状およびリング部表面の形状は任意であるが、それぞれリング部内側面の形状およびリング部裏面の形状と同種であることが望ましい。

請求項４の発明では、
前記溶融金属閉じ込めリングは、鋼材、非鉄金属、セラミックス、合成樹脂または木材のいずれかからなる。

請求項５の発明では、
前記溶融金属閉じ込めリングには、前記溶融金属の吐出の防止効果を確実にするとともに前記接合金属の回転に共回りしないように、前記第１の鋼材および／または前記第２の鋼材の表面に定着させる手段を用いる。定着させる手段としては、ネジ等の機械的な締結による締着の手段、接着剤等の湿式充填による接着の手段、磁力による磁着の手段などが考えられる。

請求項６の発明では、
前記溶融金属閉じ込めリングは、永久磁石であって、前記第１の鋼材および／または前記第２の鋼材の表面に磁力により定着させる。ここで、溶融金属閉じ込めリングは、フェライトを主成分としたセラミックス磁石、または希土類金属やニッケル、コバルトを主成分とした金属磁石、またはそれらとゴムまたはプラスチックスとの合成物であるボンド磁石から構成される。

請求項７の発明では、
前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とが請求項１乃至６のいずれかに記載の方法により接合される回転摩擦による鋼材の接合構造であって、鋼構造骨組の接合構造、特に、建築鋼構造に用いられる柱や梁など鋼構造骨組を構成する鋼材の接合構造に用いられる。

建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のため、比較的小さな機構で、好ましくは携帯可能なサイズの工具で、大規模な鋼材の接合に適用できる回転摩擦による接合方法および接合構造を提供した。特に、大きな押し付け力を必要とせず回転のみの簡易な機構を用いた回転摩擦による接合を実現する方法を提供した。
本発明では、接合金属の先端部と空所の底部との接触部での摩擦により発生させた溶融金属を溶融金属閉じ込めリングの働きによって空所内に密実に充填させることにより次の効果が生じ技術的に有用なものとなる。
(1) 接合組織内に欠陥となる空隙が残ることを防止し、所要の接合部強度を安定して得られる。
(2) 溶融金属の吐出によるエネルギー浪費を除去することにより接合のエネルギー効率が大幅に高まり、回転を与えるモーターのトルクや仕事率を大きく低減できる。
(3) 装置が小型化でき、操作性や仕事効率を高められる。
(4) 接合金属と空所の形状は「円筒」でも成立するため、加工が容易になる。これによってもたらされる量産化、コスト・メリットは、実用化にとって極めて重要である。

接合金属を空所内に挿入し、押し付け力を加えながら同時に接合金属を回転軸周りに回転させる。接合金属の先端部と空所の底部との接触部で摩擦が生じ、摩擦熱が摩擦面近傍にある金属組織の一部を溶融化せしめる。溶融流体化したすなわち溶融金属は押圧の作用によって押し出され、接合金属の側周面と空所の側周面の間の空隙に侵入していく。接合金属の側周面と空所の側周面とは接合金属の回転による相対速度を有しているので、粘性抵抗を有する溶融金属は絶えず撹拌され、力学的エネルギーから変換された熱エネルギーの供給を受けて高温の液体状態を保ち続けることができ、すぐには凝固せず接合金属と空所の間の空隙に浸透し続けることが可能である。空隙に侵入した溶融金属は、回転停止とともに空所周囲からの抜熱による温度低下によって固体化し溶接金属としての機能を果たす作用を起こし接合金属と空所周囲が一体組織となる。
なお、上記方法では、従来の摩擦圧接法のように接合部材の接触部界面で発生した溶融金属を無用な凝固物であるバリとして吐出するものではなく、被接合鋼材と接合金属とを接合する溶接金属として有効に利用する新しい技術である。溶融金属が溶鋼の場合、粘性抵抗が極めて小さい流体であるため押し付け力と接合金属の回転運動によって容易に空隙に浸透せしめることが可能である。さらに摩擦は接合金属の先端部と空所の底部との接触部のみで生じさせるため、接合金属に加える押し付け力、及び、回転を与えるモーターのトルクは共に小さくて済む。すなわち、簡易な機構を用いた回転摩擦による接合が可能となる。

溶融金属が空所の外部に吐出することを防止し、摩擦によって生成された溶融金属を空所と接合金属の側周面間の空隙に密実に充填させることによって、接合部の強度低下の原因となる空隙が空所内に残存すること防止でき、所要の接合強度を確保することが可能となる。

本発明の実施形態で用いられる溶融金属閉じ込めリングの部品図である。 第１実施形態を説明するアイソメ図である。 第１実施形態を説明する平面図および縦断面図である。 溶融金属閉じ込めリングを使用しないときの回転摩擦溶接の接合状態を示す図である。 溶融金属閉じ込めリングを使用するときの回転摩擦溶接の接合状態を示す図である。 第２実施形態を説明する平面図および縦断面図である。 第２実施形態の実施手順を説明する図である。 接合ユニットを説明する図である。 第２実施形態の変形例を説明するアイソメ図である。 第３実施形態を説明する縦断面図である。 第３実施形態の応用例を説明する図である。 第３実施形態のスプライスプレートへの適用例を説明する図である。 第４実施形態を説明する図である。 従来技術を説明する図である。 出願人らによる従前の出願の技術を説明する図である。 出願人らによる従前の出願の技術を説明する図である。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

本発明の実施形態で用いられる溶融金属閉じ込めリング９０を、図１に示す。溶融金属閉じ込めリング９０は、リング部９１と孔部９６からなり、リング部９１は、リング部９１の表裏面のうち接合金属４０の基端部４８側の面であるリング部表面９２、リング部９１の表裏面のうち接合金属４０の先端部４７側の面であるリング部裏面９３、孔部９６を形成するリング部内側面９４およびリング部外側面９５で構成される。溶融金属閉じ込めリング９０は、リング部内側面９４が前記接合金属の側周面４２との間に僅かな隙間を介して対向する円筒形であり、リング部裏面９３が第１の鋼材１０および／または第２の鋼材２０の表面１２、２２に重なり合う平面形である。溶融金属閉じ込めリング９０は、鋼材、非鉄金属、セラミックス、合成樹脂または木材のいずれかからなる。
本発明の第１実施形態を、図２、図３を参照して説明する。第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、端面を持つ鋼材である。端面を持つ鋼材とは、例えば鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブ、角形鋼管や円形鋼管など閉鎖断面部材の管鋼板本体などが挙げられる。端面同士を対向させて配置した接合とは、具体的には突き合わせ接合である。第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とを対向させて配置する。このとき、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。空所５０として、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨り、第１の鋼材１０の表面１２と前記第２の鋼材２０の表面２２とに垂直な直線を回転軸７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面５２と、側周面５２に連続する円錐体形状の底部５１を加工する。
一方、接合金属４０は、回転軸７１からの距離が基端部４８から先端部４７に向かって単調減少する母線によって形成される回転対称形状の側周面４２を有する接合金属本体４１と、接合金属本体４１に連続する円錐体形状の先端面４７ａを有する先端部４７とからなり、空所５０に容易に挿入されうる大きさとする。接合金属本体４１は基端部４８側に半径が一定である円筒形の側周面４２ａを有し、溶融金属閉じ込めリング９０を接合金属本体４１の円筒形側周面４２ａに僅かな隙間を介して装着し、接合金属４０をその先端６０が空所５０の底部に達するまで挿入する。この挿入過程で溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３は第１の鋼材１０の表面１２と第２の鋼材２０の表面２２とに載置する。載置された溶融金属閉じ込めリング９０には、溶融金属の吐出の防止効果を確実にするとともに接合金属４０の回転に共回りしないように、溶融金属閉じ込めリング９０を鋼材の表面１２、２２に定着させる手段を用いることが望ましい。定着させる手段としては、ネジ等の機械的な締結による締着の手段、接着剤等の湿式充填による接着の手段、磁力による磁着の手段などが考えられる。本実施形態では、溶融金属閉じ込めリング９０を永久磁石とし、永久磁石の磁力により定着させる手段を採用する。
次いで、図３ｂに示すように、接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸７１回りに回転ωを与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２に摩擦を生じさせる。このとき溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３と鋼材の表面１２、２２との間には磁石の吸着力が働いているため、溶融金属閉じ込めリング９０は接合金属４０に対して共回りしない。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は、押し付け力Ｐによる押圧力と溶融金属８０に作用する浮力と接合金属４０の回転運動による遠心力の作用によって接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入して行く。溶融金属８０は溶融金属閉じ込めリング９０によって空所５０からの吐出が防止されているため、空所５０の全域を密実に充填させることができる。溶融金属８０の充填が完了したとき接合金属４０の回転運動を停止させる。その後生じる温度低下によって溶融金属８０は凝固し、隙間６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。

本発明における溶融金属の閉じ込め方法を、図４、図５を参照して詳細に説明する。図４は溶融金属閉じ込めリング９０を使用しないときの回転摩擦溶接の接合状況を示し、図５溶融金属閉じ込めリング９０を使用するときの回転摩擦溶接の接合状況を示す。
接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間での摩擦によって生成された溶融金属８０は、押し付け力Ｐによる押圧力と溶融金属８０に作用する浮力と接合金属４０の回転運動による遠心力の作用によって接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入して行く。図４に示すように溶融金属閉じ込めリング９０が無ければ、溶融金属８０は前記隙間６１の外部空間へ通じる出口６１ａから吐出し、周囲への熱伝導で熱が失われることにより凝固してバリ８１となるかまたは接合金属４０の回転による遠心力が働いて飛散する。吐出した溶融金属が吐出前に空所内に存在していた箇所には空隙９９が形成され、前記空隙９９は接合部の強度を低下させる。一方、図５に示すように溶融金属閉じ込めリング９０が溶融金属８０の吐出を防止すれば、溶融金属８０は前記空隙９９を形成することなく前記隙間６１の全域を密実に充填でき良好な接合が実現できる。
図５ｂに示すように溶融金属が空所の外部に吐出する可能性がある経路は、溶融金属閉じ込めリング９０のリング部内側面９４と接合金属４０の側周面４２との間の境界９７と、溶融金属閉じ込めリング９０の裏面９３と鋼材の表面１２および／または２２との間の境界９８の２か所である。
前者の吐出経路である境界９７には、接合金属に押付力Ｐを作用させ軸回りの回転ωを生ぜしめる回転摩擦溶接の過程において有意な圧力は生じない。よって、境界９７を経由して溶融金属８０が吐出しない程度に溶融金属閉じ込めリング９０のリング部内側面９４と接合金属４０の側周面４２との間の間隔を十分に小さく保てば、溶融金属４０がその粘性作用により境界９７を通過することは無く溶融金属８０の吐出は防止される。さらに、前記境界９７に有意な圧力は生じないので接触部での摩擦力は小さく接合金属４０の回転を妨げることは無く、また摩擦熱によって境界９７の近傍組織が溶解して新たな溶融金属吐出経路が形成されることは無い。
一方、後者の吐出経路である境界９８においては、溶融金属８０による圧力が溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３を鋼材の表面１２および／または２２から離反させるように作用する。接触面が離反すればその隙間から溶融金属８０が吐出する可能性が生じるため、溶融金属８０の圧力を打ち消して離反を生じさせない大きさの押付圧または吸着力が必要である。溶融金属閉じ込めリング９０が永久磁石であるとリング部裏面９３と鋼材の表面１２および／または２２との間には磁気による吸着力が働いており、溶融金属８０の内圧による溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３が鋼材の表面１２および／または２２からの離反が防止される。また、溶融金属８０が境界９８の隙間に侵入しても、その隙間は静止した溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３と静止した第１の鋼材の表面１２および／または第２の鋼材の２２で囲まれているため熱伝導によって溶融金属８０の温度は急激に低下して凝固するため外部への吐出は防止される。

本発明の第２実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様の突き合わせ接合であるが、具体的な寸法と材質を付して詳細に説明する。第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１０の端面１１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所５０ａを加工し、第２の鋼材２０の端面２１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所５０ｂを加工する。半円筒形状の空所５０ａおよび半円筒形状の空所５０ｂは、それぞれ頂点での開き角が１２２°の円錐体形状の底部５１ａ、底部５１ｂを有する有底空所であって、空所５０ａ、空所５０ｂの最深部の深さは１７ｍｍである。第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とを対向させて配置すると、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨る直径３０ｍｍ、深さ１７ｍｍの円筒形状の側周面５２、底部５１を有する空所５０が形成される。このとき、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属４０は、ＳＮ４００鋼材である直径２９．５ｍｍの円柱体の接合金属本体４１と、先端部４７で構成される。先端部４７は頂点での開き角が１２０°の円錐体形状の先端面４７ａを有する。なお、本実施形態では、接合金属４０の側周面４２に凹凸を設けていない。直径２９．６ｍｍの円筒形の孔部９６を有する厚さ５ｍｍのリング形状を持つ溶融金属閉じ込めリング９０を接合金属４０の円筒形の側周面４２ａに僅かな隙間を介して装着する。溶融金属閉じ込めリング９０はフェライトを磁化させた永久磁石であり、磁界の向きは溶融金属閉じ込めリング９０の厚さ方向、磁束密度は３００ｍT(ミリテスラ)である。
溶融金属閉じ込めリング９０を装着した接合金属４０を回転装置７０に取り付け、空所５０に挿入する。挿入の過程で溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３は第１の鋼材１０の表面１２と第２の鋼材２０の表面２２に載置され、溶融金属閉じ込めリング９０の磁力によって定着させられる。次いで、図６ｂに示すように、接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸７１回りに回転ωを与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。このとき溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３と鋼材の表面１２、２２との間には磁石の吸着力が働いているため、溶融金属閉じ込めリング９０は接合金属４０に対して共回りしない。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は押し付け力Ｐによる押圧力と溶融金属８０に作用する浮力と接合金属４０の回転運動による遠心力の作用によって接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入していく。溶融金属８０は溶融金属閉じ込めリング９０によって空所５０からの吐出が防止されているため、空所５０の全域を密実に充填させることができる。溶融金属８０が隙間６１の全域にわたって密実に充填されたとき回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固し、隙間６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。ところで、本実施形態では、空所の底部５１および接合金属４０の先端部４７をそれぞれ円錐体形状としたが、それぞれ平坦面形状であってもよい。

図７は、第２実施形態における鋼材の接合方法の実施手順を段階的に示す。
（手順１）図７ａは、隣接した位置に配置した鋼板である第１の鋼材１０と第２の鋼材２０の突き合わせ面に跨る円筒形状の空所５０に、溶融金属閉じ込めリング９０を円柱形状の接合金属本体４１に装着した接合金属４０を回転装置７０に取り付けて挿入し、接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間に接触部６０が生じた状態を示す。
（手順２）図７ｂは、接合中の状態を示す。接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させ、押し付け力Ｐを一定に保持しながら接合金属４０を回転軸７１回りに回転速度ωで回転を与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生じさせる。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は、押し付け力Ｐによる押圧力と溶融金属８０に作用する浮力と接合金属４０の回転運動による遠心力の作用によって接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入していく。このとき溶融金属閉じ込めリング９０は、溶融金属８０が空所５０から外部に吐出することを防止する。
（手順３）図７ｃは、接合後の状態を示す。接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２（図７ｂ参照）における摩擦によって生成された溶融金属８０（図７ｂ参照）が、接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１の全域に充填されたときに接合金属４０の回転運動を停止させ、その後の温度低下に伴って隙間内部に残留して凝固した溶融金属８０ａが近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。なお、図７ｃ中の６２ａは、接合完了時における接合金属の先端部４７と空所の底部５１との間の回転摩擦面を表す。

なお、回転軸７１方向の押し付け力Ｐを加える方法、回転軸７１回りの回転を加える方法は任意である。

本発明の第２実施形態の空所５０と接合金属４０による接合は、空所５０と接合金属４０とを接合ユニット７２として、図８に示すように複数の接合ユニット７２を第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１の境界に沿って適宜間隔で並設する。複数の接合ユニット７２を並設することにより必要な接合強度を確保する。このような第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨る空所５０を加工するに際しては、図８に示すように空所５０の回転軸７１が端面１１、２１内に存在し、端面１１、２１の短辺方向である鋼材断面の厚さ方向を向くように空所５０を加工する。

本発明の第２実施形態の第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨る空所５０を加工するに際しては、図９に示すように空所５０の回転軸７１が端面１１、２１内に存在し、端面１１、２１の長辺方向である鋼材断面の幅方向を向くように空所５０を加工してもよい。

本発明の第３実施形態を、図１０を参照して説明する。第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、表面と裏面とを持つ鋼材である。表面と裏面とを持つ鋼材とは、例えば鋼板、スプライスプレートなどの接合用鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブなどが挙げられる。裏面と表面とを対向させて配置した接合とは、具体的には重ね合わせ接合である。
本実施形態では、第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１０には表面１２から裏面１３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所５０ｃを加工し、第２の鋼材２０には表面２２から裏面２３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所５０ｄを加工し、第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを重ねた位置に配置すると共に第１の鋼材１０の裏面１３と第２の鋼材２０の表面２２を対向させ、且つ第１の鋼材１０に加工した円筒形状の空所５０ｃの中心と、第２の鋼材２０に加工した円筒形状の空所５０ｄの中心が回転軸７１として一致するように配置すると、第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを貫く直線を回転軸７１とする回転対称形状の空所５０が形成される。さらに、第２の鋼材２０の裏面２３に空所５０を塞ぐように裏当板５５を付接して空所５０の底部５１を形成する。このとき、第１の鋼材１０の裏面１３と第２の鋼材２０の表面２２とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属４０は、ＳＮ４００鋼材であり接合金属本体４１が直径２９．５ｍｍの円柱体であり、先端部４７は先端直径２９ｍｍ、開き角１２０°の円錐形テーパ部である。直径２９．６ｍｍの円筒形の孔部９６を有する厚さ５ｍｍのリング形状を持つ溶融金属閉じ込めリング９０を接合金属４０の円筒形状を持つ接合金属本体４１に通して取り付ける。溶融金属閉じ込めリング９０はフェライトを磁化させた永久磁石であり、磁界の向きは溶融金属閉じ込めリング９０の厚さ方向、磁束密度は３００ｍT(ミリテスラ)である。
溶融金属閉じ込めリング９０を装着した接合金属４０を回転装置７０に取り付け、空所５０に挿入する。挿入の過程で溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３は第１の鋼材１０の表面１２に載置され、溶融金属閉じ込めリング９０の磁力によって定着させられる。接合金属４０に押し付け力を作用させながら回転軸７１回りに回転を与えて摩擦を生じさせる。ここで回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。このとき溶融金属閉じ込めリング９０のリング部裏面９３と鋼材の表面１２との間には磁石の吸着力が働いているため、溶融金属閉じ込めリング９０は接合金属４０に対して共回りしない。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は押し付け力Ｐによる押圧力と溶融金属８０に作用する浮力と接合金属４０の回転運動による遠心力の作用によって接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入していく。溶融金属８０は溶融金属閉じ込めリング９０によって空所５０からの吐出が防止されているため、空所５０の全域を密実に充填させることができる。溶融金属８０が隙間６１の全域にわたって密実に充填されたとき回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固して組織が一体化し、接合金属４０を介して第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを接合する。ところで、本実施形態では、空所５０および接合金属４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、図２、図３に示した第１実施形態のように、単調変化する曲線部を持つ母線によって形成される回転対称形状の側周面５２、４２を有するものとしてもよい。

第３実施形態の方法を応用すると、図１１に示すように３以上の鋼材を重ね合わせて接合することができる。すなわち、第１の鋼材１０、第２の鋼材２０および第３の鋼材３０の裏面と表面をそれぞれ重ね合わせて配置し、接合金属４０を介して接合する。

更に、図１２に示すように建築鋼構造のスプライスプレートによる接合部に応用することができる。ここで、第１の鋼材１０、第２の鋼材２０および第３の鋼材３０は、それぞれ上スプライスプレート３４、Ｈ形鋼のフランジプレート３５、３５および下スプライスプレート３６であって、接合金属４０を介して接合する。

本発明の第４実施形態は、図１３に示すように建築鋼構造の接合構造で多用されるＨ形鋼３７、３８への適用を表している。すなわち、Ｈ形鋼３７、３８のそれぞれのフランジプレートおよびウェブプレートの端面を突き合わせて、本発明の接合ユニット７２を並列することによって、Ｈ形鋼３７、３８同士を接合することができる。角型鋼管や円形鋼管のような閉鎖断面鋼材に対しても本発明の接合方法が適用できる。

建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のための、溶接または高力ボルト摩擦接合に代わるまたは併用できる新しい接合方法と接合構造を提供した。

１０：第１の鋼材（被接合鋼材）
１１：第１の鋼材の端面
１２：第１の鋼材の表面
１３：第１の鋼材の裏面
２０：第２の鋼材（被接合鋼材）
２１：第２の鋼材の端面
２２：第２の鋼材の表面
２３：第２の鋼材の裏面
３０：第３の鋼材（被接合鋼材）
３２：第３の鋼材の表面
３３：第３の鋼材の裏面
３４：上スプライスプレート
３５：フランジプレート
３６：下スプライスプレート
３７：第１のＨ形鋼
３８：第２のＨ形鋼
４０：接合金属
４１：接合金属本体
４２：接合金属の側周面
４２ａ：接合金属の基端部にある円筒形側周面
４７：接合金属の先端部
４７ａ：接合金属の先端面
４８：接合金属の基端部
５０：空所
５０ａ：第１の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
５０ｂ：第２の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
５０ｃ：第１の鋼材に設けられる円筒形状の空所
５０ｄ：第２の鋼材に設けられる円筒形状の空所
５１：空所の底部
５１ａ：第１の鋼材に設けられる空所の底部
５１ｂ：第２の鋼材に設けられる空所の底部
５２：空所の側周面
５５：裏当板
６０：接合金属の先端部と空所の底部との接触部
６１：接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
６１ａ：接合金属の側周面と空所の側周面との隙間の出口
６２：接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
６２ａ：接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
７０：回転装置
７１：回転対称体の回転軸
７２：接合ユニット
８０：溶融金属
８０ａ：隙間に充填され凝固した溶融金属
８１：バリ
９０：溶融金属閉じ込めリング
９１：リング部
９２：リング部表面（リング部表裏面のうち接合金属の基端部側の面）
９３：リング部裏面（リング部表裏面のうち接合金属の先端部側の面）
９４：リング部内側面（＝孔部外側面）
９５：リング部外側面
９６：孔部
９７：リング部内側面と接合金属の側周面との間の境界
９８：リング部裏面と鋼材の表面との間の境界
９９：溶融金属の吐出によって空所内に形成された空隙
１１０：従来技術における第１の鋼材
１２０：従来技術における第２の鋼材
１６０：従来技術における接触部
１８１：従来技術におけるバリ
２１０：従前出願における第１の鋼材
２１１：従前出願における第１の鋼材の端面
２１２：従前出願における第１の鋼材の表面
２２０：従前出願における第２の鋼材
２２１：従前出願における第２の鋼材の端面
２２２：従前出願における第２の鋼材の表面
２４０：従前出願における接合金属
２４１：従前出願における接合金属本体
２４２：従前出願における接合金属の側周面
２４７：従前出願における接合金属の先端部
２４７ａ：従前出願における接合金属の先端面
２４８：従前出願における接合金属の基端部
２５０：従前出願における空所
２５１：従前出願における空所の底部
２５２：従前出願における空所の側周面
２６０：従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との接触面
２６１：従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
２７１：従前出願における回転対称体の回転軸

Claims (7)

1. 回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを隣接した位置に配置すると共に前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨り前記第１の鋼材の表面と前記第２の鋼材の表面とに垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることによる前記接合金属を介しての前記第１の鋼材と前記第２の鋼材との接合において、溶融金属閉じ込めリングをリング部内側面と前記接合金属の前記側周面との間に僅かな隙間を介して装着し、リング部裏面を前記第１の鋼材の表面と前記第２の鋼材の表面とに載置することにより、前記溶融金属が前記空所から吐出することを防止し前記空所内に閉じ込めて密実に充填することを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合方法。
   
2. 回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを重ねた位置に配置すると共に前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面を対向させて配置し、前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面とを貫く直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることによる前記接合金属を介しての前記第１の鋼材と前記第２の鋼材との接合において、溶融金属閉じ込めリングをリング部内側面と前記接合金属の前記側周面との間に僅かな隙間を介して装着し、リング部裏面を前記第１の鋼材の表面に載置することにより、前記溶融金属が前記空所から吐出することを防止し前記空所内に閉じ込めて密実に充填することを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合方法。
   
3. 前記溶融金属閉じ込めリングは、前記リング部内側面が前記接合金属の側周面との間に僅かな隙間を介して対向する形状であり、前記リング部裏面が前記第１の鋼材および／または前記第２の鋼材の表面に重なり合う形状であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
   
4. 前記溶融金属閉じ込めリングは、鋼材、非鉄金属、セラミックス、合成樹脂または木材のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
   
5. 前記溶融金属閉じ込めリングには、前記溶融金属の吐出の防止効果を確実にするとともに前記接合金属の回転に共回りしないように、前記第１の鋼材および／または前記第２の鋼材の表面に定着させる手段を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
   
6. 前記溶融金属閉じ込めリングは、永久磁石であって、前記第１の鋼材および／または前記第２の鋼材の表面に磁力により定着させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
   
7. 前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とが請求項１乃至６のいずれかに記載の方法により接合されることを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合構造。

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