JP7565713B2 - 挿し口を有する管体及び挿し口を有する管体の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、挿し口を有する管体、及び、挿し口を有する管体の製造方法に関するものである。

従来から、各種の流体を移送するために使用される管体として、その継ぎ手部に伸縮機能と離脱防止機能を備えたものがある。この種の継ぎ手構造は耐震管継手とも呼ばれ、例えば、図５に示すように、管体Ｐの挿し口１の外周に設けた突部１０が、対向する別の管体Ｐの受口２の内周溝に嵌め込んだロックリング４に係合して、抜け止め機能を発揮するようになっている。また、挿し口１の突部１０が、受口２の内面の奥端面３とロックリング４との間で所定距離だけ（図中の区間Ａ及び区間Ｂに相当）移動することで、管軸方向への伸縮が可能となっている。また、挿し口１と受口２との間にゴム輪５を備えたことで、挿し口１の外面１ａと受口２の内面２ａとの間の液密性も確保されている。挿し口１を有する管体Ｐとして、例えば、特許文献１に記載されたものがある。

挿し口の外周の突部は、管体の外周に金属製のリングを嵌めて、そのリングを管体の外面に溶接等で固定するのが一般的である。リングを管体の外面に溶接して挿し口の突部を形成する手法として、例えば、特許文献２に記載されたものがある。また、溶接金属を肉盛りすることによって挿し口の突部を形成する手法として、例えば、特許文献３に記載されたものがある。

特開２０１２－７７７８８号公報 特開平９－１２２９１０号公報 特許第６０８２０８７号公報

しかし、特許文献２のように、リングの溶接で突部を形成する手法は、リングの嵌め込みに手間がかかる上、溶接作業とその溶接前後の処理に多くの時間が必要であるという問題がある。また、特許文献３のように、溶接金属の肉盛りで突部を形成する手法は、ビードの溶接量が多いため、溶接に時間を要するという問題がある。また、溶接を伴う手法の場合、溶接箇所の品質を維持することが難しく、施工不良によって母材である管体に対して過度に深く溶け込みを生じさせて、材料を無駄にしたり管体を破断しやすくしてしまう場合もある。

そこで、この発明の課題は、挿し口の外周の突部を溶接により容易に且つ精度よく形成することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、管軸方向一端の挿し口に半径方向外側に突出する突部を備えた管体の製造方法において、第１の溶接材料と第２の溶接材料を用い、前記第１の溶接材料に通電させて発生したアークにより前記挿し口の外面に溶融部を形成し、前記溶融部が硬化する前に前記第２の溶接材料を非通電で前記溶融部に宛がうことにより前記突部を溶接肉盛りで形成する管体の製造方法を採用した。

このとき、前記第１の溶接材料及び前記第２の溶接材料による溶接金属と前記挿し口の母材とが融合した溶け込み部を、前記挿し口の外面から前記挿し口の母材の肉厚に対して１０％以上８０％未満の深さに形成する構成を採用することができる。

また、上記の課題を解決するために、この発明は、管軸方向一端の挿し口に半径方向外側に突出する突部を備えた管体において、前記挿し口に設けられ前記挿し口の外面よりも半径方向外側に突出する溶接金属からなる突部と、前記突部の内径側に位置し前記挿し口の母材と溶接金属とが融合した溶け込み部と、を備え、前記溶け込み部は、前記挿し口の外面から前記挿し口の母材の肉厚に対して１０％以上８０％未満の深さに至っている管体を採用した。

この発明は、挿し口の外周の突部を溶接により容易に且つ精度よく形成することができる。

この発明の一実施形態を示す断面図 溶接時における母材と溶接装置の位置関係を示す断面図 溶接時における母材と溶接装置の位置関係を示す斜視図 図１の変形例を示す断面図 継手部の縦断面図

この発明の一実施形態を図１～図４に基づいて説明する。この実施形態は、管軸方向一端の挿し口１に半径方向外側に突出する突部１０を備えた管体Ｐ、及び、その管体Ｐの製造方法である。管体Ｐの主たる構成は、従来例の説明で利用した図５の通りであるのでその説明を省略し、以下、この発明の特徴である挿し口１の突部１０の構成を中心に説明する。

管体Ｐは、管軸方向一端に挿し口１を、管軸方向他端に受口２を備えるものであり、挿し口１には、挿し口１の外面１ａよりも半径方向外側に突出する突部１０を、管軸周り全周に亘って連続的に備えている（図５参照）。この突部１０は、溶接金属によって形成された溶接肉盛りで構成されている。すなわち、挿し口１を構成する金属製の母材に対して溶接肉盛り（溶接ビード）が形成されており、その溶接金属により形成された部分が突部１０となっている。ここで、突部１０は溶接金属から構成されているとしているが、突部１０を構成する素材に溶接金属内に溶融した挿し口１の母材が含まれていることを排除するものではない。

また、図１及び図４に示すように、突部１０の内径側には、挿し口１の外面１ａよりも内径側に深さｔ１だけ入り込んで、挿し口１の母材と溶接金属とが融合した溶け込み部１１を備えている。溶け込み部１１の最大の深さｔ１は、挿し口１の外面１ａから挿し口１の母材の肉厚ｔ０に対して１０％～８０％の深さに至っている。

挿し口１の突部１０を形成する前の管体Ｐは、遠心鋳造法によって製造される。遠心鋳造法は、円筒状の金型を駆動力によって回転するローラ上に載せて、金型を軸周りに回転させながら、その金型内に金属の溶湯を注入し、その溶湯を硬化させることで管体Ｐを形成する。金型には、注入された溶湯が外部に漏れ出ることを防止する堰が設けられている。硬化後の管体Ｐは金型の外に引き抜かれる。管体Ｐは、所定の熱処理等によって材質を整えられ、その後、挿し口１の突部１０の加工が行われる。

突部１０の加工を行う溶接装置２０を、図２及び図３に示す。この溶接装置２０は、コールドタンデム溶接を行うための装置であり、アーク溶接用の第１の溶接材料２１を通電状態で供給するアーク溶接用トーチ２３と、非通電状態の第２の溶接材料２２を供給する溶接材料供給装置２４とを備えている。アーク溶接用トーチ２３と溶接材料供給装置２４とは、連結部材２５で連結されて所定の間隔に維持されている。この所定の間隔は、調整により増減することもできる。

アーク溶接用トーチ２３は、送り出し装置２８によって第１の溶接材料２１を母材である挿し口１の外面１ａの溶接位置ａに送り出す。第１の溶接材料２１は電流を流す電極として機能し、電源２７から供給された溶接電流が第１の溶接材料２１に通電することで、母材との間にアークを発生させる。第１の溶接材料２１としては、周知の溶接ワイヤ、例えば、ＦｅＮｉ φ０．８～１．６ｍｍを用いることができる。このほかにも、第１の溶接材料２１として、周知のソリッドワイヤ、フラックスワイヤ、各種溶接棒、帯状電極等、各種の素材を用いることができる。この実施形態では、第１の溶接材料２１として溶接ワイヤを用いているので、以下これを第１の溶接ワイヤ２１と称する。

溶接材料供給装置２４は、送り出し装置２６によって第２の溶接材料２２を、通電することなく、母材である挿し口１の外面の溶接位置ｂに向かって送り出す。第２の溶接材料２２としては、例えば、ＦｅＮｉ φ０．８～１．６ｍｍを用いることができる。このほかにも、第２の溶接材料２２として、周知のソリッドワイヤ、フラックスワイヤ、各種溶接棒、帯状電極等、各種の素材を用いることができる。この実施形態では、第２の溶接材料２２として溶接ワイヤを用いているので、以下これを第２の溶接ワイヤ２２と称する。

つぎに、この実施形態に係る管体Ｐの製造方法に関し、特に、挿し口１の突部１０の形成方法について説明する。

図３に示すように、管体Ｐは、把持装置Ｈによって保持されて、図中に矢印Ｒで示すように、管軸周りに回転することができる。この管体Ｐの回転により、連結部材２５で連結された状態のアーク溶接用トーチ２３及び溶接材料供給装置２４が、母材である管体Ｐの挿し口１に対して管周に沿って相対移動する。この相対移動の際に、溶接材料供給装置２４は、管体Ｐの回転方向Ｒに沿って、アーク溶接用トーチ２３よりも前方に配置されることが望ましい。すなわち、第１の溶接ワイヤ２１の位置ａは、挿し口１の外面１ａ上での溶接箇所の進行方向（管体Ｐの回転方向Ｒと反対の方向）に対して、第２の溶接ワイヤ２２の位置ｂよりも前方であることが望ましい。

このように、第１の溶接ワイヤ２１と第２の溶接ワイヤ２２を用い、第１の溶接ワイヤ２１に通電させて発生したアークにより、図２に示すように、挿し口１の外面１ａに溶融部Ｗを形成し、その溶融部Ｗが硬化する前に、第２の溶接ワイヤ２２を非通電の状態で溶融部Ｗに宛がう。これにより、挿し口１の外面１ａに、外径側へ突出する突部１０が溶接肉盛り（溶接ビード）によって形成される。このとき、第２の溶接ワイヤ２２は非通電の状態であるが、第１の溶接ワイヤ２１のアークによって生じた溶融部Ｗに宛がわれることで熱を帯び、その第２の溶接ワイヤ２２の金属が溶け出して、溶接金属として溶融部Ｗに供給されている。

また、同時に、第１の溶接ワイヤ２１及び第２の溶接ワイヤ２２による溶接金属と、挿し口１の母材とが融合した溶け込み部１１が、挿し口１の外面１ａから挿し口１の母材の肉厚ｔ０に対して１０％以上８０％未満の深さに形成される。ここで、溶け込み部１１の最大の深さｔ１の母材の肉厚ｔ０に対する比率は、２０％以上６０％未満であればさらに好ましい。この深さの比率が低すぎると溶け込み不足によって突部１０の強度が不足する可能性があり、また、この深さの比率が大きすぎると母材が貫通してしまう可能性があるからである。このような深さの比率を設定するのに際し、上記のコールドタンデム溶接の手法が最適であることを、発明者らは発見した。

すなわち、挿し口１の突部１０を溶接肉盛りで形成するに際し、コールドタンデム溶接を用いたことにより、単位時間当たりの溶接金属の供給量が増加し、単位時間当たりの溶融量（溶接速度）の増大を図ることができる。また、非通電の第２の溶接ワイヤ２２を溶融部Ｗに添えることにより、溶融部Ｗにおける金属素材の溶融プールの冷却を図ることができ、溶け込み深さの低減と、溶接金属のたれ防止を可能としている。これらの効果により、従来のリングを用いた溶接手法と同等の速度で、所望の突部１０のビード形状を得ることができた。

突部１０の完成形状は、図１に鎖線で示すように、中央のフラットな円筒部１０ｄを挟んで、図中右側の挿し口１の先端１ｂ側は、その先端１ｂに向かって徐々に縮径するテーパ面１０ｃである。また、後端側は、挿し口１の外面１ａとの間で段部１０ｂを構成している。これにより、突部１０の断面は、管軸を通る任意の断面において台形状となっている。

溶接直後の突部１０の形状は、図１に実線で示すように、完成形状の突部１０よりもやや大きいビード表面１２を有する断面形状であるので、これを削って完成形状に成形していく。なお、図１では、突部１０の先端１０ａが挿し口１の先端１ｂに一致しているので、図中の符号Ｓで示すラインで管体Ｐを切断する構成となっているが、この切断は突部１０の先端１０ａと挿し口１の先端１ｂとの位置関係に応じて行えばよく、必須の工程ではない。完成形状への突部１０の成形は、高周波グラインダや旋盤加工を組み合わせて行うことができる。

なお、図１では、管軸周りに２回転させる間に全周の突部１０を仕上げる２層溶接を行ったことにより、溶接直後の突部１０の形状は、ビード表面１２に２つの山部１２ａ，１２ｂを有する形態である。また、溶け込み部１１も同様に、溶け込み深さが周囲よりもやや深い谷部１１ａ，１１ｂを２つ有する形態である。このような２層溶接、あるいは、３層以上の溶接を行うことで、突部１０の成形はより容易に且つより精度のよいものとなる。ただし、図４に示すように、管軸周りに１回転させる間に全周の突部１０を仕上げる１層溶接を行うことも可能である。１層溶接の場合、溶接直後の突部１０の形状は、ビード表面１２に１つの山部１２ａを有し、溶け込み部１１に、溶け込み深さが周囲よりもやや深い谷部１１ａを１つ有する形態である。

実験では、第１の溶接ワイヤ２１及び第２の溶接ワイヤ２２として、ＦｅＮｉ φ１．６ｍｍを用い、管厚６ｍｍの管体Ｐの周面での回転速度２５ｍｍ／ｓに対して、第１の溶接ワイヤ２１の供給量を９００ｃｍ／ｍｉｎ、第２の溶接ワイヤ２２の供給量を５００ｃｍ／ｍｉｎとして、２層溶接で溶接金属量を突部１０全体で１６０ｇとし、管厚に対する溶け込み深さの比率約３３％を確保して良好な結果を得た。また、１層溶接では、同じくＦｅＮｉ φ１．６ｍｍを用い、管体Ｐの周面での回転速度１２．５ｍｍ／ｓに対して、第１の溶接ワイヤ２１の供給量を９００ｃｍ／ｍｉｎ、第２の溶接ワイヤ２２の供給量を６００ｃｍ／ｍｉｎとして、溶接金属量を突部１０全体で１７０ｇとし、管厚に対する溶け込み深さの比率約６０％を確保して良好な結果を得た。この点、従来のリングを用いた突部１０の形成方法では、ＦｅＮｉ φ１．２ｍｍを用いた場合、管体Ｐの周面での回転速度２５ｍｍ／ｓに対して、溶接ワイヤの供給量を９２０ｃｍ／ｍｉｎとした場合、溶接金属量は突部１０全体で５９ｇであった。すなわち、この発明において、コールドタンデム溶接を用いたことにより、単位時間当たりの溶融量（溶接速度)の増大が実現していることが理解できる。

この実施形態では、挿し口１の突部１０を形成する前の管体Ｐを遠心鋳造法によって製造したが、突部１０を形成する前の管体Ｐの製造方法は、遠心鋳造法以外、例えば、重力で鋳型内に溶湯を注ぎ込んで凝固させる置注鋳造法等であってもよい。また、突部１０を形成する挿し口１が、溶接に対応した金属製のものであれば、種々の管体Ｐにこの発明を適用できる。

１ 挿し口
１ａ 外面
１０ 突部
１１ 溶け込み部
２０ 溶接装置
２１ 第１の溶接材料（第１の溶接ワイヤ）
２２ 第２の溶接材料（第２の溶接ワイヤ）
Ｐ 管体

Claims (3)

1. 管軸方向一端の挿し口（１）に半径方向外側に突出する突部（１０）を備えた管体（Ｐ）の製造方法において、
   第１の溶接材料（２１）及び第２の溶接材料（２２）を用い、前記第１の溶接材料（２１）に通電させて発生したアークにより前記挿し口（１）の外面（１ａ）に溶融部（Ｗ）を形成し、前記溶融部（Ｗ）が硬化する前に前記第２の溶接材料（２２）を非通電で前記溶融部（Ｗ）に宛がうことにより、前記突部（１０）を溶接肉盛りで形成する管体の製造方法。
2. 前記第１の溶接材料（２１）及び前記第２の溶接材料（２２）による溶接金属と前記挿し口（１）の母材とが融合した溶け込み部（１１）を、前記挿し口（１）の外面（１ａ）から前記挿し口（１）の母材の肉厚（ｔ０）に対して１０％以上８０％未満の深さに形成する請求項１に記載の管体の製造方法。
3. 管軸方向一端の挿し口（１）に半径方向外側に突出する突部（１０）を備え遠心力鋳造により製造された管体（Ｐ）において、
   前記挿し口（１）に設けられ前記挿し口（１）の外面（１ａ）よりも半径方向外側に突出する溶接金属からなる突部（１０）と、
   前記突部（１０）の内径側に位置し前記挿し口（１）の母材と溶接金属とが融合した溶け込み部（１１）と、を備え、
   前記溶け込み部（１１）は、前記挿し口（１）の外面（１ａ）から前記挿し口（１）の母材の肉厚（ｔ０）に対して１０％以上８０％未満の深さに至っており、
   前記突部（１０）は、耐震管継手部の抜け止め機能を発揮するようにその外面に円筒部（１０ｄ）が成形されている管体。

Images