JPH03292408A - クリープ変形を生じる材料のボルト接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明はクリープ変形を生じる材料をボルトで締結し
摩擦接合する接合方法に関する。

［従来の技術］ クリープ変形を生じる材料の接合部にボルト接合方式を
採用しようとすると、ボルト締め付は後の材料にクリー
プ変形か生じるため接合力が時間と共に低下しく第２図
）、摩擦接合として充分に機能しなくなる。

高温環境下では各種金属材料にクリープ変形が生じ、特
にオーステナイト系ステンレス鋼材については常温下で
もクリープ変形を起こすことは従来から知られていた（
例えば、寺井：材料試験、８　（１９６９）、Ｐ、８５
２）。しかしながら、クリープ変形を起こす材料をボル
ト接合した後の接合力の低下についての知見は少なく、
その対策は成されていなかった。このため、例えばオー
ステナイト系ステンレス鋼材の接合は中ボルトによるせ
ん断接台によらざるをえず、摩擦接合に比し接合力が小
さくなり、大きな応力が作用する部材の場合は溶接接合
するか、ボルト本数を多くする必要がある。さらに、中
ボルトによるせん断接台の場合にはボルト穴のガタによ
り構造物全体が変形する恐れがあり、小規模構造物にし
か通用で鮒ないという問題点もある。

これに対し、発明者らは、予めボルト接合部位のオース
テナイト系ステンレス鋼材を加工硬化させることにより
クリープ変形特性を変え、応力下でのクリープ変形量を
減少させることにより接合力低下を防止する方法（特願
平１−９５２７３号、特願平１−９５２７４号）を提案
した。

これらの方法では接合部位を加工することによりクリー
プ抑制効果は得られるが、その反面、加工装置が必要で
あり、加工費用および時間の増大をきたしていた。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は上記事情に鑑みなされたものである。その目
的はボルト接合中の材料のクリープ変形の特徴を捉えた
上で、この変形を効果的に拘束するべく部材を配置する
ことにより、長期にわたり大きな摩擦接合力を維持でき
る接合方法を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ 例えば、オーステナイト系ステンレス鋼材に一定の圧縮
力を加えた場合、時間の経過と共に圧縮変形量が増加す
る、いわゆるクリープ変形特性を示す。第２図に示すよ
うにこのクリープ変形が前述した接合力低下の主因であ
るが、これに対し発明者らは加工硬化によりクリープ変
形を抑制でき、接合力低下を防止できることを既に確認
している（第３図）。しかしながら、この方法ではボル
ト締結に先んじて加工を行なう必要があり、これに要す
る費用および時間を考えると、必ずしも実用的とは言え
なかった。

また、高温環境下の金属のように、組織の再結晶や転位
の回復により加工硬化現象が持続しない場合には、適用
できないという問題もある。

実際のボルト締結状態を考えた場合、ボルト及びワッシ
ャーには弾性変形が生じるため、締め付けにより材料内
に発生する応力は均一には分布せず、また発生する応力
は方向性を有することから、クリープ変形も不均一に、
かつ方向性をもって生じることが予想される。そこで発
明者らはオーステナイト系ステンレス鋼材を用いた実験
により、ワッシャー材料間及び材料−材料間の面圧分布
および板表面、ボルト穴内面のクリープによる変位を求
めたところ、第４図に示すように面圧は穴内面寄りで高
く、またクリープによる変位は板表面では小さく、穴内
面で張り出す方向に顕著に現われることが判明した。こ
のことはボルト締結下のクリープ変形は材料内部圧縮応
力が高いボルト穴内面近傍で、拘束の無い穴中心側に向
かって生じ、この方向への材料の変形を拘束すれば、接
合力の低下を効果的に抑制できることを意味している。

上記方向の変位を拘束する効果的な方法は穴内面にスリ
ーブを嵌合させることである。ここて、クリープ変形は
永久変形の一種であり、その大きさと方向は一般的な塑
性変形と同様に偏差応力（各方向垂直応力から静水圧応
力を差し引いたもの）の大きさと方向性に依存すると考
えられる。スリーブが無い場合、穴内表面近傍の材料内
部の応力状態は、大円周方向には厚み方向の高い圧縮応
力に対応した圧縮応力が生じるが、大半径方向応力は零
に近いためクリープ現象により材料は穴中心に向かって
大きく変形すると考えられる。これに対し、スリーブを
穴内面に嵌合すると嵌合面近傍の半径方向圧縮応力が増
大し、上述した偏差応力が激減するため、厚み方向の高
い圧縮応力に対してもクリープ変形およびこれに起因す
る接合力の低下を効果的に抑制できることが解る。

嵌合するスリーブの寸法、形状としては、第１図（ａ）
　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　に示すように
、ボルト穴とのみ嵌合代を有する寸法のもの、ボルト穴
とボルトの双方と嵌合代を有する寸法のもの、ボルト穴
との嵌合を容易にするため嵌合面に僅かなテーパーを施
したもの、および第１図（ｅ）。

（ｆ）　、　（ｇ）　に示すようにスリーブとワッシャ
ーとを一体化したもの等が考えられる。また、ボルト軸
径そのものを穴に嵌合する寸法としてもよい。ボルトと
は嵌合しない寸法でかつ十分なスリーブ厚みが取れない
場合、およびワッシャーと一体化する場合においては、
スリーブおよびワッシャーに用いる材料を使用環境下で
はクリープ変形を生じ難いものとする必要がある。

また、被締結材料が常温下のオーステナイト系ステンレ
スのように加工硬化によるクリープ変形抑制効果が期待
できる場合、ボルト穴との嵌合面、特に上端部に強いテ
ーパーを形成し、嵌合に際し被締結材に加工を施すこと
で、接合力低下の抑制効果はさらに増大する。

［実　施　例］ ５ＬＩＳ３０４ステンレス鋼材（０，０５Ｃ−０，６１
ＳｉＯ，８７Ｍｎ　−０，０３７Ｐ　−０，００９Ｓ　
−１８，８６Ｃｒ　−９，２３Ｎｉ：数値はｗｔ％）を
対象に摩擦接合力試験を実施した。試験では、先ず２枚
重ねした厚さ２５ｍｍの鋼材のボルト穴にスリーブを嵌
合し、Ｍ２４の高張力ボルトで３５ｔｏｎの締め付は力
を与え、１０００時間後に鋼材を側方から引張り、鋼材
間にずれを生じる荷重を測定した。スリーブにはボルト
と同材質の、長さ２４ｍｍ、ボルト穴に対し嵌合代０．
１２ｍｍを有する厚み０．９ｍｍのもの、およびボルト
に対しても嵌合代を０．０５ｍｍ有する寸法のものを用
いた。

結果を第５図に示す０図より明らかなように、末法を通
用しない場合接合力は一万時間で約１０％低下するのに
対し、ボルト穴とのみ嵌合させたスリーブを用いた場合
、約６％の低下にとどまる。また、ボルトとも嵌合させ
たスリーブを用いた場合には、約３％以下の低下にまで
改善され、接合力の低下は実用上全く問題とならない程
度にまで改善されている。

［発明の効果コ 本発明によればクリープ変形を生じる材料をボルト締結
し、摩擦接合する事が可能となり、大規模構造物などに
応用して長期にわたり高い接合強度を維持することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　
、　（ｅ）　、　（ｆ）　、　（ｇ）は本発明の実施形
態例を示す説明図、第２図はクリープ変形による接合力
低下の機構を示す説明図、第３図はボルト締結前に接合
部位全体を加工硬化させた鋼材の初期降伏応力と１００
０時間経過後の摩擦接合力の相関図、第４図はワッシャ
ー材料間及び材料−材料間の面圧分布、および材料表面
、穴内面のクリープ変位量を示すグラフ、第５図は実施
例におけるボルト接合後の経過時間と摩擦接合力の相関
図である。 第１図 （ｏｌ （ｂｌ 図スリーブ　　区※嵌合代 他４名 第 ２ 図 Ｆｌ−μ・ＰＬ Ｆ２＝ドＰｙＦ２ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　接合すべき複数個のクリープ変形を生じる材料の接
   合部位を重ね、該材料を貫通するクリープ変形を生じな
   いボルトにて締結し接合する接合方法において、スリー
   ブをボルト穴内面に嵌合することを特徴とするクリープ
   変形を生じる材料のボルト接合方法。 ２　接合すべき複数個のクリープ変形を生じる材料の接
   合部位を重ね、該材料を貫通するクリープ変形を生じな
   いボルトにて締結し接合する接合方法において、締結環
   境下ではクリープ変形を生じない材料を用い、かつボル
   ト穴内面に嵌合し得る寸法の円筒上突起を有するワッシ
   ャーをボルトと該材料間に挿入することを特徴とするク
   リープ変形を生じる材料のボルト接合方法。