JP7582003B2 - 補強方法及び回転摩擦圧接接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、補強方法及び回転摩擦圧接接合構造に関する。

鋼構造物の補強を行う場合は、一般的に溶接作業を伴う。そして、かかる溶接作業は、例えば、特開文献１に開示されているような溶接装置により行われる。つまり、溶接ガンのチャックにスタッドボルトを装着し、溶接対象にスタッドボルトをスタッド溶接する溶接装置である。

特開２０１６－６８０８９号公報

しかしながら、このような溶接装置により溶接作業を行うと、火花、臭気、粉塵等が発生するので、火花による火事の発生、臭気による第三者等への異臭トラブル、粉塵による健康被害等を招くおそれがあった。

そのため、火花等がほぼ発生しない回転摩擦圧接による接合が要望されているが、回転摩擦接合は接合させるために大きなエネルギーが必要であり、回転摩擦圧接接合装置は大型であることが一般的であった。つまり、回転摩擦圧接接合装置は大きすぎて、鋼構造物の補強現場に持ち込むことが困難であり、鋼構造物の補強に適用することが困難であった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、回転摩擦圧接接合装置を小型化することにある。

上記目的を達成するための主たる発明は、鋼材を板材で補強する補強方法であって、前記板材を貫通する貫通孔を前記板材に形成する貫通孔形成工程と、前記鋼材に前記板材を添設する板材添設工程と、接合軸部材、及び、中空部分を備えた接合中空部材を、前記中空部分に前記接合軸部材が収納された状態となるように前記貫通孔に挿入する部材挿入工程と、前記接合軸部材を前記鋼材に回転摩擦圧接接合する接合軸部材接合工程と、前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することにより前記接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記接合中空部材を接合する接合中空部材接合工程と、前記接合軸部材に締結材を螺合して前記板材を前記締結材で締め付ける締結材締結工程と、を有することを特徴とする補強方法である。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

本発明によれば、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

回転摩擦圧接接合構造１の概略正面図と概略断面図であり、図１ａが概略正面図、図１ｂが概略断面図である。 板材３の加工後を示した図である。 鋼材２に板材３を添設してプラグ材４とスペーサー５を貫通孔３ａに挿入した状態を示した図であり、図３ａが概略正面図、図３ｂが概略断面図である。 プラグ材４を回転摩擦圧接接合している状態を示した図であり、図４ａが概略正面図、図４ｂが概略断面図である。 スペーサー５を回転摩擦圧接している状態を示した図であり、図５ａが概略正面図、図５ｂが概略断面図である。 第一スペーサー５ａと第二スペーサー５ｂとの噛み合い部を溶融している状態を示した図であり、図６ａが概略正面図、図６ｂが概略断面図である。 補強方法のフローチャートである。

本明細書及び添付図面により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

鋼材を板材で補強する補強方法であって、前記板材を貫通する貫通孔を前記板材に形成する貫通孔形成工程と、前記鋼材に前記板材を添設する板材添設工程と、接合軸部材、及び、中空部分を備えた接合中空部材を、前記中空部分に前記接合軸部材が収納された状態となるように前記貫通孔に挿入する部材挿入工程と、前記接合軸部材を前記鋼材に回転摩擦圧接接合する接合軸部材接合工程と、前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することにより前記接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記接合中空部材を接合する接合中空部材接合工程と、前記接合軸部材に締結材を螺合して前記板材を前記締結材で締め付ける締結材締結工程と、を有することを特徴とする補強方法。

このような補強方法によれば、鋼材と回転摩擦圧接する部材を接合軸部材と接合中空部材に分割して、接合軸部材の底面を回転摩擦圧接接合とし、接合軸部材の側面を接合中空部材の溶融材による接合とすることにより、１回あたりの回転摩擦圧接による接合に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

かかる補強方法であって、前記接合軸部材接合工程は、前記接合軸部材が回転摩擦圧接接合により溶融されて生成される溶融材が、前記接合中空部材を押し上げ始めた際に、終了することが望ましい。

このような補強方法によれば、適切なタイミング（接合軸部材接合工程の終了するタイミング）で駆動部材の回転を中止することができる。

かかる補強方法であって、前記接合軸部材に当接して前記接合軸部材を駆動する駆動部材を前記接合軸部材に設置する駆動部材設置工程を有し、前記接合軸部材接合工程においては、前記駆動部材により前記接合軸部材を駆動することにより、前記接合軸部材を前記鋼材に回転摩擦圧接接合し、前記接合中空部材を駆動する中空の駆動中空部材を前記接合中空部材に設置する駆動中空部材設置工程を有し、前記接合中空部材接合工程においては、前記駆動中空部材により前記接合中空部材を駆動することにより、前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することが望ましい。

このような補強方法によれば、接合軸部材を駆動部材で回転摩擦圧接接合し、接合中空部材を駆動中空部材で回転摩擦圧接接合することで、１回あたりの回転摩擦圧接による接合に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

かかる補強方法であって、前記接合中空部材は、前記駆動中空部材に設けられた駆動部材歯状部と噛合するための駆動部材噛合用歯状部を有し、前記駆動中空部材は、前記駆動部材噛合用歯状部と前記駆動部材歯状部とが噛合した状態で前記接合中空部材に当接して前記接合中空部材を駆動することが望ましい。

このような補強方法によれば、接合中空部材及び駆動中空部材は接触面積が少ないので滑りやすいが、互いが噛合するための歯状部を有することにより、駆動中空部材から接合中空部材への回転の滑りを抑制することができる。

かかる補強方法であって、前記接合中空部材は、第一接合中空部材と第二接合中空部材とを有し、前記第一接合中空部材及び前記第二接合中空部材は、互いに噛合するための第一歯状部及び第二歯状部を備え、前記部材挿入工程においては、前記第一接合中空部材が前記鋼材に接触するように前記第一接合中空部材を前記貫通孔に挿入し、かつ、前記第一接合中空部材の前記鋼材に接触する側とは反対側に位置する前記第一歯状部に前記第二歯状部が噛合するように前記第二接合中空部材を前記貫通孔に挿入し、前記駆動中空部材設置工程においては、前記第二接合中空部材に当接して前記接合中空部材を駆動する前記駆動中空部材を前記第二接合中空部材に設置し、前記接合中空部材接合工程は、前記第一接合中空部材を前記鋼材に圧接しつつ、互いに噛合した前記第一接合中空部材及び前記第二接合中空部材を前記駆動中空部材により連動回転させることにより、前記第一接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記第一接合中空部材を接合する第一接合中空部材接合工程と、前記第二接合中空部材の前記第二歯状部を、前記板材及び前記接合軸部材に接合された前記第一接合中空部材の前記第一歯状部に圧接しつつ、前記第二接合中空部材を前記駆動中空部材により回転させることにより、前記第二接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記第二接合中空部材を接合する第二接合中空部材接合工程と、を有することが望ましい。

このような補強方法によれば、接合部材を第一接合中空部材と第二接合中空部材に分けて、鋼材と第一接合中空部材の摩擦から発生する溶融材と、第一接合中空部材と第二接合中空部材の摩擦から発生する溶融材と、のそれぞれにおいて接合軸部材の側面を接合するので、１回あたりの回転摩擦圧接に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

かかる補強方法であって、前記第一歯状部及び前記第二歯状部の形状は、前記第二接合中空部材を第一回転方向に回転させると前記第二接合中空部材に連動して前記第一接合中空部材が回転し、前記第二接合中空部材を前記第一回転方向とは反対の第二回転方向に回転させると前記第一接合中空部材が前記第二接合中空部材の回転に連動しないような形状となっており、前記第一接合中空部材接合工程においては、前記駆動中空部材により前記第二接合中空部材を前記第一回転方向に回転させて前記第一接合中空部材及び前記第二接合中空部材を連動回転させ、前記第二接合中空部材接合工程においては、前記駆動中空部材により前記第二接合中空部材を前記第二回転方向に回転させて前記第二接合中空部材のみを回転させることが望ましい。

このような補強方法よれば、第一接合中空部材と鋼材、及び、第二中空部材と第一中空部材の両方の回転摩擦圧接による接合を、一度の部材挿入工程及び駆動中空部材設置工程で行うことができる。

鋼材と、前記鋼材に添設されている板材であって、前記板材を貫通する貫通孔を備える板材と、前記貫通孔に挿入され前記鋼材に回転摩擦圧接接合されている接合軸部材と、中空部分を備え、前記中空部分に前記接合軸部材を収納した状態で前記貫通孔に挿入されている接合中空部材であって、前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することにより前記接合中空部材が溶融して生成される溶融材により、前記板材及び前記接合軸部材に接合されている接合中空部材と、前記接合軸部材に螺合され、前記板材を締め付けている締付材と、を有することを特徴とする回転摩擦圧接接合構造。

このような回転摩擦圧接接合構造によれば、鋼材と回転摩擦圧接する部材を接合軸部材と接合中空部材に分割して、接合軸部材の底面を回転摩擦圧接接合とし、接合軸部材の側面を接合中空部材の溶融材による接合とすることにより、１回あたりの回転摩擦圧接による接合に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

＝＝＝本実施形態＝＝＝
本実施形態に係る回転摩擦圧接接合構造１について図を用いて説明する。図１は、回転摩擦圧接接合構造１の概略正面図と概略断面図であり、図１ａが概略正面図、図１ｂが概略断面図である。なお、概略正面図において、鋼材２と板材３については、断面を示している。

本実施形態に係る回転摩擦圧接接合構造１は、鋼材２と、板材３と、プラグ材４（接合軸部材に相当）と、スペーサー５（接合中空部材に相当）と、ナット６（締結材に相当）と、ワッシャ７と、を有する。

なお、図１においては、鋼材２の上面に板材３を添設している例を示しているが、これに限るものでなく、上下が逆様でも良いし、鋼材２が左側（右側）で板材３が右側（左側）でも良い。

鋼材２は、建築物等の構造材であって、例えば、Ｈ鋼を用いた鉄骨梁を挙げることができる。

板材３は、鋼材２を補強するための補強材であって、鋼材２の上面と板材３の下面が接触するように設けられている。板材３の一例としては、鉄骨梁を補強するための補強板を挙げることができる。

また、板材３は、鉛直方向に貫通した貫通孔３ａを有しており、貫通孔３ａの下側が鋼材２の側になるように設けられている。つまり、回転摩擦圧接接合構造１は、鋼材２に添設されている板材３であって、板材３を貫通する貫通孔３ａを備える板材３を有する。また、貫通孔３ａには、螺旋状の溝部３ｂが設けられている。溝部３ｂは、後述する溶融材５ｃをより多く充填するために設けられている。なお、溝部３ｂは設けられていなくてもよい。

プラグ材４は、ナット６を螺合して、板材３を鋼材２の側へ締め付けるために設けられる部材であって、例えば、スタッドボルトを一例として挙げることができる。そして、貫通孔３ａに挿入され、鋼材２との接触面（底面）が回転摩擦圧接接合されている。つまり、回転摩擦圧接接合構造１は、貫通孔３ａに挿入され鋼材２に回転摩擦圧接接合されているプラグ材４を有する。

ここで、回転摩擦圧接接合とは、接合する部材（たとえば金属や樹脂など）を高速回転させて擦り合わせ、そのとき生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する技術のことである。つまり、プラグ材４を高速回転させて、鋼材２に擦り合わせて、この時の摩擦熱によって鋼材２を軟化させると同時に圧力を先端方向（下方向）に向けて加えて、プラグ材４と鋼材２を接合している。

スペーサー５は、鋼材２の側に設けられた第一スペーサー５ａ（第一中空部材に相当）と第一スペーサー５ａの上側において第一スペーサー５ａと接合された第二スペーサー５ｂ（第二中空部材に相当）を有しており、板材３とプラグ材４の間に設けられている。そして、板材３に周囲が囲まれた状態で鋼材２との接触面（底面が）回転摩擦圧接により接合されている。

また、スペーサー５の形状は、円筒形状（中空部分を有する形状）であって、その上端部は凸凹した形状をしている。これは、後述する駆動中空部材９（図５参照）がこの部分に噛み合って、駆動中空部材９の回転をスペーサー５にスムーズに伝達するための形状である。

また、スペーサー５は、低融点の金属であって、詳しくは後述するが、スペーサー５を回転摩擦圧接して、発生する摩擦熱によってスペーサー５から溶融材５ｃ（溶融金属）を発生させ、この溶融材５ｃをスペーサー５の側面にある隙間に充填する。そして、この溶融材５ｃがスペーサー５とプラグ材４及び板材３を接合する。

つまり、回転摩擦圧接接合構造１は、中空部分を備え、中空部分にプラグ材４を収容した状態で貫通孔３ａに挿入されているスペーサー５であって、スペーサー５を鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することによりスペーサー５が溶融して生成される溶融材５ｃにより、板材３及びプラグ材４に接合されているスペーサー５を有する。

ナット６は、板材３の上面においてワッシャ７を介して鋼材２の側へダブルナットとして締め付けられている。つまり、回転摩擦圧接接合構造１は、プラグ材４に螺合され、板材３を締め付けているナット６を有する。

＜＜＜補強方法について＞＞＞
次に、鋼材２を板材３で補強する補強方法について図を用いて説明する。図２～図６は、補強方法を説明するための説明図であり、図７は、補強方法のフローチャートである。

図２は、板材３の加工後を示した図である。図２に示すように、板材３に、プラグ材４とスペーサー５を挿入する貫通孔３ａ形成し、貫通孔３ａに溝部３ｂの加工を行う（ステップＳ１）。つまり、この補強方法は、板材３を貫通する貫通孔３ａを板材３に形成する貫通孔形成工程を有する。貫通孔３ａは鉛直方法に板材３を貫通しており、貫通孔３ａの側面に溝部３ｂの加工が行われる。

図３は、鋼材２に板材３を添設してプラグ材４とスペーサー５を貫通孔３ａに挿入した状態を示した図である。図３に示すように、鋼材２に板材３を添設し、貫通孔３ａにスペーサー５とプラグ材４を挿入する（ステップＳ２）。

板材３は、鋼材２の上面に添設され、板材３の貫通孔３ａに周囲が囲まれるようにスペーサー５を挿入して、スペーサー５の底面（下面）を鋼材２と接触させ、さらに、スペーサー５に周囲が囲まれるようにプラグ材４を挿入して、プラグ材４の底面（下面）を鋼材２と接触させている。なお、図３に示すように、プラグ材４とスペーサー５と板材３のそれぞれの間には隙間が設けてある。

つまり、この補強方法は、鋼材２に板材３を添設する板材添設工程と、プラグ材４、及び、中空部分を備えたスペーサー５を、中空部分にプラグ材４が収納された状態となるように貫通孔３ａに挿入する部材挿入工程と、を有する。

また、スペーサー５は、上述したように、第一スペーサー５ａと第二スペーサー５ｂとを有しており、図３に示すように、第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂは、互いに噛合するための第一歯状部５ａ１及び第二歯状部５ｂ１を備えている（第一歯状部５ａ１及び第二歯状部５ｂ１が示すギザギザの部分）。

そして、部材挿入工程においては、第一スペーサー５ａが鋼材２に接触するように第一スペーサー５ａを貫通孔３ａに挿入し、かつ、第一スペーサー５ａの鋼材２に接触する側とは反対側に位置する第一歯状部５ａ１に第二歯状部５ｂ１が噛合するように第二スペーサー５ｂを貫通孔３ａに挿入する。

図４は、プラグ材４を回転摩擦圧接接合している状態を示した図である。つまり、この補強方法は、プラグ材４を鋼材２に回転摩擦圧接接合する接合軸部材（プラグ材４）接合工程を有する。具体的には、図４に示すように、駆動部材８をプラグ材４に設置しプラグ材４を鋼材２に回転させつつ押し付けて、プラグ材４を鋼材２に回転摩擦圧接接合する（ステップＳ３）。

駆動部材８は、回転摩擦圧接接合装置（不図示）の部材であって、プラグ材４とほぼ同じ径の円柱形状（軸形状）をしている。そして、駆動部材８は、プラグ材４に回転と圧力を与えて、プラグ材４を鋼材２に摩擦圧接する部材である。

駆動部材８は、摩擦圧接する前は、図３に示すように、プラグ材４の上部に位置しており、摩擦圧接する際に、プラグ材４の上面と接する位置まで下がってくる。そして、回転摩擦圧接接合装置による接合を開始すると、プラグ材４を回転させつつ鋼材２に押し付けて、プラグ材４の下面と鋼材２の上面を回転摩擦圧接接合する。

つまり、この補強方法は、プラグ材４に当接してプラグ材４を駆動する駆動部材８をプラグ材４に設置する駆動部材設置工程を有し、接合軸部材接合工程においては、駆動部材８によりプラグ材４を駆動することにより、プラグ材４を鋼材２に回転摩擦圧接接合する。

なお、プラグ材４と鋼材２の回転摩擦圧接接合は、かかる回転摩擦圧接接合により生じる溶融材２ａがプラグ材４と板材３の隙間に位置するスペーサー５の下面に発生するタイミングで終了する。すなわち、かかる溶融材２ａがスペーサー５を上側に押し上げるので、スペーサー５が上側に押し上げられ始めたタイミングでプラグ材４の回転を中止する（ステップＳ４）。つまり、接合軸部材接合工程は、プラグ材４が回転摩擦圧接接合により溶融されて生成される溶融材２ａが、スペーサー５を押し上げ始めた際に、終了する。

次に、スペーサー５を回転摩擦圧接により接合することにより、スペーサー５と板材３及びプラグ材４を接合する。つまり、この補強方法は、スペーサー５を接合する接合中空部材（スペーサー５）接合工程を有する。

具体的には、接合中空部材接合工程を、第一接合中空部材（第一スペーサー５ａ）接合工程と第二接合中空部材（第二スペーサー５ｂ）接合工程の２つの工程に分けて、それぞれの工程において回転摩擦圧接による接合を行う。第一中空部材接合工程においては、第一スペーサー５ａを回転させつつ鋼材２に押し付けることにより回転摩擦圧接による接合を行い、第二中空部材接合工程においては、第二スペーサー５ｂを回転させつつ第一スペーサー５ａに押し付けることにより回転摩擦圧接による接合を行う。以下、詳しく説明する。

接合中空部材接合工程においては、先ず、駆動中空部材９をスペーサー５に設置する。駆動中空部材９は、回転摩擦圧接接合装置（不図示）の部材であって、スペーサー５とほぼ同じ径の円筒形状をしており、スペーサー５とプラグ材４の関係と同じように、駆動部材８の周囲を取り囲むようにして設けられている。そして、駆動中空部材９は、スペーサー５に回転と圧力を与えて、スペーサー５を鋼材２に向けて摩擦圧接して、スペーサー５を摩擦熱により溶解させる部材である。

駆動中空部材９は、摩擦圧接する前は、図４に示すように、スペーサー５の上部に位置しており、摩擦圧接する際に、スペーサー５の上面と接する位置まで下がってくる。そして、回転摩擦圧接接合装置による接合を開始すると、スペーサー５を鋼材２に回転させつつ押し付けて、スペーサー５を鋼材２に向けて回転摩擦圧接する。

つまり、この補強方法は、スペーサー５を駆動する中空の駆動中空部材９をスペーサー５に設置する駆動中空部材設置工程を有し、接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９によりスペーサー５を駆動することにより、スペーサー５を鋼材２に向けて押圧して回転摩擦圧接する。また、駆動中空部材設置工程は、第二スペーサー５ｂに当接してスペーサー５を駆動する駆動中空部材９を第二スペーサー５ｂに設置する工程ともいえる。

また、駆動中空部材９の下面であってスペーサー５と接する面は、凹凸形状をしており、スペーサー５の上端部の凹凸と噛み合う形状をしている。つまり、スペーサー５は、駆動中空部材９に設けられた駆動部材歯状部９ａと噛合するための駆動部材噛合用歯状部５ｂ２を有し、駆動中空部材９は、駆動部材噛合用歯状部５ｂ２と駆動部材歯状部９ａとが噛合した状態でスペーサー５に当接してスペーサー５を駆動する。そして、この噛み合いにより、駆動中空部材９の回転がスムーズにスペーサー５に伝達される。

駆動中空部材９をスペーサー５に設置したら、次に、第一接合中空部材接合工程を行う。第一接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９を上から見て反時計回りに回転させる。これは、図５に示す第一歯状部５ａ１と第二歯状部５ｂ１の噛み合っている形状によるものである。

具体的には、鉛直方向に沿って上がった後に右下斜め方向に沿って下がるという形状の繰り返しで噛み合っており、上から見て反時計回り（第一回転方向）に駆動中空部材９が回転する場合、引っ掛かる角度が大きいので、第一スペーサー１５ａは第二スペーサー１５ｂ引っ掛かりやすく（連動回転しやすく）、上からみて時計周り（第一回転方向とは反対の第二回転方向）に駆動中空部材９が回転する場合、引っ掛かる角度が小さいので、第一スペーサー１５ａは第二スペーサー１５ｂに引っ掛かりにくい（連動回転しにくい）。

したがって、第一接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９により第二スペーサー５ｂを第一回転方向に回転させて第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂを連動回転させる。つまり、第一接合中空部材接合工程においては、第一スペーサー５ａを鋼材２に圧接しつつ、互いに噛合した第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂを駆動中空部材９により連動回転させることにより、第一スペーサー５ａを溶融させて溶融材５ｃ１を生成し、溶融材５ｃ１により板材３及びプラグ材４に第一スペーサー５ａを接合する（ステップＳ５）。

次に、第二接合中空部材接合工程として、第二スペーサー５ｂを回転させつつ第一スペーサー５ａに押し付けることにより回転摩擦圧接による接合を行う。

上述したように、上からみて時計周り（第二回転方向）に駆動中空部材９が回転する場合、引っ掛かる角度が小さいので、第一スペーサー１５ａは第二スペーサー１５ｂに引っ掛かりにくい（連動回転しにくい）。

したがって、第二接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９により第二スペーサー５ｂを第二回転方向に回転させて第二スペーサー５ｂのみを回転させる。つまり、第二接合中空部材接合工程においては、第二スペーサー５ｂの第二歯状部５ｂ１を、板材３及びプラグ材４に接合された第一スペーサー５ａの第一歯状部５ａ１に圧接しつつ、第二スペーサー５ｂを駆動中空部材９に回転させることにより、第二スペーサー５ｂを溶融させて溶融材５ｃ２を生成し、溶融材５ｃ２により板材３及びプラグ材４に第二スペーサー５ｂを接合する（ステップＳ６）。

なお、第一接合中空部材工程と第二接合中空部材接合工程（接合中空部材接合工程）は、スペーサー５を鋼材２に向けて押圧して回転摩擦圧接することによりスペーサー５を溶融させて溶融材５ｃ１、５ｃ２を生成し、溶融材５ｃ１、５ｃ２により板材３及びプラグ材４にスペーサー５を接合する工程であるともいえる。

接合中空部材接合工程が終了したら、図１に示すように、ナット６をプラグ材４に螺合して、ワッシャ７を介して鋼材２の側へ板材３をダブルナットとして締め付ける（ステップＳ７）。つまり、この補強方法は、プラグ材４にナット６を螺合して板材３をナット６で締め付ける締結材締結工程を有する。なお、溶融材５ｃ２が板材３の上面まで溢れている場合は、ナット６を締め付ける前に除去する。

＜＜＜補強方法及び回転摩擦圧接接合構造１の有効性について＞＞＞
上述したように、本実施形態に係る回転摩擦圧接接合構造１は、鋼材２を板材３で補強する補強方法であって、板材３を貫通する貫通孔３ａを板材３に形成する貫通孔形成工程と、鋼材２に板材３を添設する板材添設工程と、プラグ材４、及び、中空部分を備えたスペーサー５を、中空部分にプラグ材４が収納された状態となるように貫通孔３ａに挿入する部材挿入工程と、プラグ材４を鋼材２に回転摩擦圧接接合する接合軸部材接合工程と、スペーサー５を鋼材２に向けて押圧して回転摩擦圧接することによりスペーサー５を溶融させて溶融材５ｃを生成し、溶融材５ｃにより板材３及びプラグ材４にスペーサー５を接合する接合中空部材接合工程と、プラグ材４にナット６を螺合して板材３をナット６で締め付ける締結材締結工程と、を有することとした。そのため、鋼構造物の補強に回転摩擦圧接接合を適用することが可能となる。

鋼構造物の補強を行う場合は、一般的に溶接作業が行われる。そして、溶接作業を行うと、火花、臭気、粉塵等が発生するので、火花による火事の発生、臭気による第三者等への異臭トラブル、粉塵による健康被害等を招くおそれがあった。そのため、火花等がほぼ発生しない回転摩擦圧接による接合が要望されているが、回転摩擦接合は接合させるために大きなエネルギーが必要であり、回転摩擦圧接接合装置は大型であることが一般的であった。つまり、回転摩擦圧接接合装置は大きすぎて、鋼構造物の補強現場に持ち込むことが困難であり、鋼構造物の補強に適用することが困難であった。

回転摩擦圧接接合においては、摩擦圧接接合する接合面積に対応して必要となるエネルギーが大きくなり、回転摩擦圧接接合装置も大きくなる。つまり、例えば、一般的な方法でプラグ材４を回転摩擦圧接接合する場合には、プラグ材４の接合面積に必要なエネルギーを出力できる回転摩擦圧接接合装置が必要となっていた。

これに対し、本実施形態においては、鋼材２と回転摩擦圧接する部材をプラグ材４とスペーサー５に分割して、プラグ材４の底面を回転摩擦圧接接合とし、プラグ材４の側面をスペーサー５の溶融材５ｃによる接合とすることにより、１回あたりの接合面積を小さくすることができる。そのため、１回あたりの回転摩擦圧接による接合に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

つまり、回転摩擦圧接接合装置を鋼構造物の補強現場に持ち込むことが可能となり、鋼構造物の補強に回転摩擦圧接接合を適用することが可能となる。

また、スタッド溶接による鋼構造物の補強においては、工場で製作したものを現場で正確に設置するための多くの測量が必要であり、また誤差（測量誤差、製作誤差、施工誤差等）の積み重ねで製品が正確に取りつかない場合もある。

そのため、かかる誤差を吸収するようにプラグ材４を挿入する板材３には２～３ｍｍの大きな隙間が有するルーズ穴（貫通孔３ａ）を用いており、板材３を一体化させることが難しかった。

これに対し、回転摩擦圧接接合による鋼構造物の補強は、溶融材５ｃによりかかる隙間を埋めるので、板材３を一体化させることが可能となる。

さらに、回転摩擦圧接接合による鋼構造物の補強においては、誤差調整等の工程を減らすことができるので、鋼構造物の補強での作業工程を減らすことができる。

また、本実施形態に係る補強方法においては、接合軸部材接合工程は、プラグ材４が回転摩擦圧接接合により溶融されて生成される溶融材２ａが、スペーサー５を押し上げ始めた際に、終了することとした。そして、これにより、適切なタイミング（接合軸部材接合工程の終了するタイミング）で駆動部材８の回転を中止することができる。

また、本実施形態に係る補強方法においては、プラグ材４に当接してプラグ材４を駆動する駆動部材８をプラグ材４に設置する駆動部材設置工程を有し、接合軸部材接合工程においては、駆動部材８によりプラグ材４を駆動することにより、プラグ材４を鋼材２に回転摩擦圧接接合し、スペーサー５を駆動する中空の駆動中空部材９をスペーサー５に設置する駆動中空部材設置工程を有し、接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９によりスペーサー５を駆動することにより、スペーサー５を鋼材２に向けて押圧して回転摩擦圧接することとした。

そして、プラグ材４を駆動部材８で回転摩擦圧接接合し、スペーサー５を駆動中空部材９で回転摩擦圧接することで、１回あたりの回転摩擦圧接による接合に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

また、本実施形態に係る補強方法においては、スペーサー５は、駆動中空部材９に設けられた駆動部材歯状部９ａと噛合するための駆動部材噛合用歯状部５ｂ２を有し、駆動中空部材９は、駆動部材噛合用歯状部５ｂ２と駆動部材歯状部９ａとが噛合した状態でスペーサー５に当接してスペーサー５を駆動することとした。

そして、これにより、スペーサー５及び駆動中空部材９は接触面積が少ないので滑りやすいが、互いが噛合するための歯状部を有することにより、駆動中空部材９からスペーサー５への回転の滑りを抑制することができる。

また、本実施形態に係る補強方法においては、スペーサー５は、第一スペーサー５ａと第二スペーサー５ｂとを有し、第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂは、互いに噛合するための第一歯状部５ａ１及び第二歯状部５ｂ１を備え、部材挿入工程においては、第一スペーサー５ａが鋼材２に接触するように第一スペーサー５ａを貫通孔３ａに挿入し、かつ、第一スペーサー５ａの鋼材２に接触する側とは反対側に位置する第一歯状部５ａ１に第二歯状部５ｂ１が噛合するように第二スペーサー５ｂを貫通孔３ａに挿入し、駆動中空部材設置工程においては、スペーサー５を駆動する駆動中空部材９を第二スペーサー５ｂに設置し、接合中空部材接合工程は、第一スペーサー５ａを鋼材２に圧接しつつ、互いに噛合した第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂを駆動中空部材９により連動回転させることにより、第一スペーサー５ａを溶融させて溶融材５ｃを生成し、溶融材５ｃにより板材３及びプラグ材４に第一スペーサー５ａを接合する第一接合中空部材接合工程と、第二接合中空部材の第二歯状部５ｂ１を、板材３及びプラグ材４に接合された第一スペーサー５ａの第一歯状部５ａ１に圧接しつつ、第二スペーサー５ｂを駆動中空部材９により回転させることにより、第二スペーサー５ｂを溶融させて溶融材５ｃを生成し、溶融材５ｃにより板材３及びプラグ材４に第二スペーサー５ｂを接合する第二接合中空部材接合工程と、を有することとした。

そして、これにより、スペーサー５を第一スペーサー５ａと第二スペーサー５ｂに分けて、鋼材２と第一スペーサー５ａの摩擦から発生する溶融材５ｃ１と、第一スペーサー５ａと第二スペーサー５ｂの摩擦から発生する溶融材５ｃ２と、のそれぞれにおいてプラグ材４の側面を接合するので、１回あたりの回転摩擦圧接に必要なエネルギーを小さくすることができ、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

また、本実施形態に係る補強方法においては、第一歯状部５ａ１及び第二歯状部５ｂ１の形状は、第二スペーサー５ｂを第一回転方向に回転させると第二スペーサー５ｂに連動して第一スペーサー５ａが回転し、第二スペーサー５ｂを第一回転方向とは反対の第二回転方向に回転させると第一スペーサー５ａが第二スペーサー５ｂの回転に連動しないような形状となっており、第一接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９により第二スペーサー５ｂを第一回転方向に回転させて第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂを連動回転させ、第二接合中空部材接合工程においては、駆動中空部材９により第二スペーサー５ｂを第二回転方向に回転させて第二スペーサー５ｂのみを回転させることとした。

仮に、第一接合中空部材接合工程において、第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂを連動させることができない場合には、第二スペーサー５ｂを挿入せずに第一スペーサー５ａ単体を駆動中空部材９で駆動する必要がある。そして、この場合には、第二中空部材接合工程の直前に、駆動中空部材９を一旦外して、第二スペーサー５ｂを挿入し、駆動中空部材９を第二スペーサー５ｂに再設置しなければならないこととなる。すなわち、第一スペーサー５ａの挿入工程と第二スペーサー５ｂの挿入工程が別工程となり、駆動中空部材９の設置も二回必要になるため、工程が煩雑となる。これに対し、本実施の形態においては、第一スペーサー５ａ及び第二スペーサー５ｂが連動可能となるため、第一スペーサー５ａと第二スペーサー５ｂの挿入工程が一工程で済み、さらに、駆動中空部材９の設置も１回で済む。すなわち、第一スペーサー５ａと鋼材２、及び、第二スペーサー５ｂと第一スペーサー５ａの両方の回転摩擦圧接による接合を、一度の部材挿入工程及び駆動中空部材設置工程で行うことができる。

また、本実施形態に係る回転摩擦圧接接合構造１は、鋼材２と、鋼材２に添設されている板材３であって、板材３を貫通する貫通孔３ａを備える板材３と、貫通孔３ａに挿入され鋼材２に回転摩擦圧接接合されているプラグ材４と、中空部分を備え、中空部分にプラグ材４を収納した状態で貫通孔３ａに挿入されているスペーサー５であって、スペーサー５を鋼材２に向けて押圧して回転摩擦圧接することによりスペーサー５が溶融して生成される溶融材５ｃにより、板材３及びプラグ材４に接合されているスペーサー５と、プラグ材４に螺合され、板材３を締め付けているナット６と、を有することとした。

かかる場合には、鋼材２と回転摩擦圧接する部材をプラグ材４とスペーサー５に分割して、プラグ材４の底面を回転摩擦圧接接合とし、プラグ材４の側面をスペーサー５の溶融材５ｃによる接合とすることにより、１回あたりの回転摩擦圧接による接合に必要なエネルギーを小さくすることができるので、回転摩擦圧接接合装置を小型化することができる。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

１ 回転摩擦圧接接合構造、２ 鋼材、２ａ 溶融材、３ 板材、３ａ 貫通孔、
３ｂ 溝部、４ プラグ材（接合軸部材）、５ スペーサー（接合中空部材）、
５ａ 第一スペーサー（第一接合中空部材）、５ａ１ 第一歯状部、
５ｂ 第二スペーサー（第二接合中空部材）、５ｂ１ 第二歯状部、
５ｂ２ 駆動部材噛合用歯状部、５ｃ 溶融材、５ｃ１ 溶融材、５ｃ２ 溶融材、
６ ナット（締結材）、７ ワッシャ、８ 駆動部材、９ 駆動中空部材、
９ａ 駆動部材歯状部、

Claims (7)

1. 鋼材を板材で補強する補強方法であって、
   前記板材を貫通する貫通孔を前記板材に形成する貫通孔形成工程と、
   前記鋼材に前記板材を添設する板材添設工程と、
   接合軸部材、及び、中空部分を備えた接合中空部材を、前記中空部分に前記接合軸部材が収納された状態となるように前記貫通孔に挿入する部材挿入工程と、
   前記接合軸部材を前記鋼材に回転摩擦圧接接合する接合軸部材接合工程と、
   前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することにより前記接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記接合中空部材を接合する接合中空部材接合工程と、
   前記接合軸部材に締結材を螺合して前記板材を前記締結材で締め付ける締結材締結工程と、
   を有することを特徴とする補強方法。
2. 請求項１に記載の補強方法であって、
   前記接合軸部材接合工程は、
   前記接合軸部材が回転摩擦圧接接合により溶融されて生成される溶融材が、前記接合中空部材を押し上げ始めた際に、終了することを特徴とする補強方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の補強方法であって、
   前記接合軸部材に当接して前記接合軸部材を駆動する駆動部材を前記接合軸部材に設置する駆動部材設置工程を有し、
   前記接合軸部材接合工程においては、前記駆動部材により前記接合軸部材を駆動することにより、前記接合軸部材を前記鋼材に回転摩擦圧接接合し、
   前記接合中空部材を駆動する中空の駆動中空部材を前記接合中空部材に設置する駆動中空部材設置工程を有し、
   前記接合中空部材接合工程においては、前記駆動中空部材により前記接合中空部材を駆動することにより、前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することを特徴とする補強方法。
4. 請求項３に記載の補強方法であって、
   前記接合中空部材は、前記駆動中空部材に設けられた駆動部材歯状部と噛合するための駆動部材噛合用歯状部を有し、
   前記駆動中空部材は、前記駆動部材噛合用歯状部と前記駆動部材歯状部とが噛合した状態で前記接合中空部材に当接して前記接合中空部材を駆動することを特徴とする補強方法。
5. 請求項３又は請求項４に記載の補強方法であって、
   前記接合中空部材は、第一接合中空部材と第二接合中空部材とを有し、
   前記第一接合中空部材及び前記第二接合中空部材は、互いに噛合するための第一歯状部及び第二歯状部を備え、
   前記部材挿入工程においては、
   前記第一接合中空部材が前記鋼材に接触するように前記第一接合中空部材を前記貫通孔に挿入し、かつ、前記第一接合中空部材の前記鋼材に接触する側とは反対側に位置する前記第一歯状部に前記第二歯状部が噛合するように前記第二接合中空部材を前記貫通孔に挿入し、
   前記駆動中空部材設置工程においては、
   前記第二接合中空部材に当接して前記接合中空部材を駆動する前記駆動中空部材を前記第二接合中空部材に設置し、
   前記接合中空部材接合工程は、
   前記第一接合中空部材を前記鋼材に圧接しつつ、互いに噛合した前記第一接合中空部材及び前記第二接合中空部材を前記駆動中空部材により連動回転させることにより、前記第一接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記第一接合中空部材を接合する第一接合中空部材接合工程と、
   前記第二接合中空部材の前記第二歯状部を、前記板材及び前記接合軸部材に接合された前記第一接合中空部材の前記第一歯状部に圧接しつつ、前記第二接合中空部材を前記駆動中空部材により回転させることにより、前記第二接合中空部材を溶融させて溶融材を生成し、前記溶融材により前記板材及び前記接合軸部材に前記第二接合中空部材を接合する第二接合中空部材接合工程と、を有することを特徴とする補強方法。
6. 請求項５に記載の補強方法であって、
   前記第一歯状部及び前記第二歯状部の形状は、
   前記第二接合中空部材を第一回転方向に回転させると前記第二接合中空部材に連動して前記第一接合中空部材が回転し、前記第二接合中空部材を前記第一回転方向とは反対の第二回転方向に回転させると前記第一接合中空部材が前記第二接合中空部材の回転に連動しないような形状となっており、
   前記第一接合中空部材接合工程においては、前記駆動中空部材により前記第二接合中空部材を前記第一回転方向に回転させて前記第一接合中空部材及び前記第二接合中空部材を連動回転させ、
   前記第二接合中空部材接合工程においては、前記駆動中空部材により前記第二接合中空部材を前記第二回転方向に回転させて前記第二接合中空部材のみを回転させることを特徴とする補強方法。
7. 鋼材と、
   前記鋼材に添設されている板材であって、前記板材を貫通する貫通孔を備える板材と、
   前記貫通孔に挿入され前記鋼材に回転摩擦圧接接合されている接合軸部材と、
   中空部分を備え、前記中空部分に前記接合軸部材を収納した状態で前記貫通孔に挿入されている接合中空部材であって、前記接合中空部材を前記鋼材に向けて押圧して回転摩擦圧接することにより前記接合中空部材が溶融して生成される溶融材により、前記板材及び前記接合軸部材に接合されている接合中空部材と、
   前記接合軸部材に螺合され、前記板材を締め付けている締付材と、
   を有することを特徴とする回転摩擦圧接接合構造。

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