JPH08206852A

JPH08206852A - Ｈ形鋼の接合方法および接合装置

Info

Publication number: JPH08206852A
Application number: JP27663395A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kashimoto; 文雄樫本; Takao Ko; 隆夫高; Yasuto Fukada; 康人深田; Hisao Iida; 久雄飯田; Shinsuke Kishi; 伸典岸; Toshio Watanabe; 俊雄渡辺; Toshio Waki; 登志夫脇; Tetsuo Minami; 哲夫南; Shingo Ino; 真吾猪野
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Nippon Steel Corp; Shimizu Corp
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1996-08-13
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JP3605456B2

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｈ形鋼を短時間で冶金的に接合し、その埋設
工事の能率を向上させる。【構成】インサート材を挟んでＨ形鋼を突き合わせ
る。初期圧を付加して突き合わせ部を加熱コイル１０に
より高周波誘導加熱する。周波数をＨ形鋼のウエブで適
正となる値に設定する。加熱コイル１０を、接合部のア
プセットに伴うふくれを見込んだ形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地下鉄工事、山留め
仮設工事などの工事現場での、Ｈ形鋼の２本継ぎに適し
たＨ形鋼の接合方法およびこれに使用する接合装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】地下鉄工事、山留め仮設工事などの工事
現場では、周知の通り、Ｈ形鋼を順番に継ぎ足しながら
埋設する工事が盛んに行われている。このような工事現
場でのＨ形鋼の２本継ぎは、これまでアーク溶接または
ボルトによるメカニカル継手により行われてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーク
溶接では施工に時間がかかる。施工に時間がかかって
も、山留め仮設工事のように露天で工事を行う場合は、
長尺のＨ形鋼を使用でき、継手箇所を少なくできるの
で、特に大きな問題は生じない。ところが、地下鉄工事
のように限られた高さの空間で工事を行う場合は、Ｈ形
鋼の長さが著しく制限され、これに比例して継手箇所が
多くなる。そうなるとアーク溶接の施工時間の長さが問
題になり、Ｈ形鋼埋設工事の大半が溶接施工で占められ
るようになる。したがって、地下鉄工事でのＨ形鋼の埋
設施工能率は極めて低い。

【０００４】また、アーク溶接によるＨ形鋼の現場継ぎ
では、品質確保が難しく、品質のばらつきも大きな問題
になっている。

【０００５】一方、ボルトによるメカニカル継手は、打
ち込みのときに当て板やボルトの頭などが周辺の土を引
きずり込むので、埋設工事には不適とされている。

【０００６】本発明の目的は工事現場のような悪い環境
でも、Ｈ形鋼を非常に短時間で、且つ安定した品質で冶
金的に２本継ぎすることができるＨ形鋼の接合方法およ
びこれに使用する接合装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは以前より低
融点のインサート材を用いた管材、条材の液相拡散接合
法の研究を続けている。この接合方法は、低融点のイン
サート材を挟んで被接合材を突き合わせ、その突き合わ
せ部を加圧し、且つインサート材の融点以上被接合材の
融点未満の温度に高周波誘導加熱するものであり、アー
ク溶接とは比較にならない短時間で、しかも安定した品
質で接合を行うことができる。ここで加圧は、初期圧を
加えた状態で加熱を開始し、加熱中に強制加圧を行うの
が一般的である。

【０００８】この接合方法は、鋼管や鉄筋の現場継ぎに
適用されて大きな実績をあげているが、Ｈ形鋼に対して
はその適用が全く試みられていない。

【０００９】本発明のＨ形鋼の接合方法は、低融点のイ
ンサート材を挟んでＨ形鋼を突き合わせ、その突き合わ
せ部を加圧すると共に、前記インサート材の融点以上Ｈ
形鋼の融点未満の温度に高周波誘導加熱することによ
り、工事現場のような悪い環境でも、Ｈ形鋼を非常に短
時間で、且つ安定した品質で冶金的に２本継ぎするもの
である。

【００１０】本発明者らは又、低融点のインサート材を
用いた液相拡散接合法をＨ形鋼の接合に適用するにあた
っての問題点およびその解決法について調査研究を行っ
た。その結果、次の事実が判明した。

【００１１】第１に、Ｈ形鋼は鋼管や鉄筋と異なり、フ
ランジとウエブという肉厚の異なる部分を持つため、突
き合わせ部の高周波誘導加熱が難しい。例えば３００Ｈ
と称されるＨ形鋼は３００Ｈ×３００Ｂ×１０ｔ（ウエ
ブ厚）×１５ｔ（フランジ厚）であり、４００Ｈは４０
０Ｈ×４００Ｂ×１３ｔ（ウエブ厚）×２１ｔ（フラン
ジ厚）である。このようなＨ形鋼を、鋼管や鉄筋の接合
で得た経験に基づいて接合しようとしても、突き合わせ
部が十分に加熱されないのである。

【００１２】これについては、突き合わせ部の高周波誘
導加熱に用いる周波数を、Ｈ形鋼のウエブで両面側の電
流が打ち消し合うことがなく且つ各電流がウエブ表面に
集中することがない周波数とするのが有効であり、具体
的には前記周波数が８０／ｔ≦ｆ≦３００／ｔｆ：周波数（ｋＨｚ）ｔ：Ｈ形鋼のウエブ厚（ｍｍ）を満足するようにするのが望ましい。

【００１３】第２に、突き合わせ部の高周波誘導加熱に
用いる加熱コイルとしては、図１に示すように、Ｈ形鋼
１の突き合わせ部をその外面に沿って包囲するＨ形の環
状コイル２が必要になるが、突き合わせ部は加圧による
アプセットを受けるためにふくれを生じ、そのふくれは
ウエブとフランジが組み合わされたＨ形鋼特有の形状の
影響を受けて不均一なものになる。そのため、加熱コイ
ルを突き合わせ部に接近させると接触が起こり、突き合
わせ部から遠ざけると加熱不足や不均一加熱が生じる。

【００１４】これに対しては加熱コイルを、コイル内の
突き合わせ部が加圧によるふくれを生じた状態で突き合
わせ部までの距離が各部で略均等となるように外側へ湾
曲した異形コイルとするのが有効である。また、その距
離はｔ／２≦ｘ≦２ｔｘ：距離（ｍｍ）ｔ：ウエブ厚（ｍｍ）の範囲内となるようにするのが望ましい。

【００１５】次に、本発明のＨ形鋼の接合装置について
説明する。

【００１６】本発明の接合装置は、接合すべき２本のＨ
形鋼を突き合わせるべく２本のＨ形鋼の各端部をそれぞ
れ把持し、それぞれが接離方向に強制駆動される一対の
クランプと、一対のクランプの間にあって２本のＨ形鋼
の突き合わせ部を包囲するようにＨ形の環状体に形成さ
れた高周波加熱コイルとを具備する。

【００１７】Ｈ形鋼の埋設工事の場合、埋設を終えたＨ
形鋼の上端部に一方のクランプを装着すると共に、その
Ｈ形鋼の上方に保持したＨ形鋼の下端部に他方のクラン
プを装着し、２本のＨ形鋼の端面間にインサート材を挟
んだ状態で、一対のクランプを接近する方向に強制駆動
することにより、突き合わされた２本のＨ形鋼が加圧さ
れる。そして加圧中に一対のクランプ間の加熱コイルに
より突き合わせ部を高周波誘導加熱することにより、２
本のＨ形鋼が非常に短時間で、且つ安定した品質で冶金
的接合される。

【００１８】本発明者らはこのような接合装置を用いた
場合の問題点およびその解決法についての調査研究も行
った。その結果、次の事実が判明した。

【００１９】第１に、２本のＨ形鋼を突き合わせると
き、両者を長手方向に直角な面内で正確に位置合わせす
る必要がある。これについては、各クランプに、Ｈ形鋼
の一方のフランジを押圧して他方のフランジを基準面に
押し付ける第１のクランプシリンダと、Ｈ形鋼のウエブ
の一方の面を押圧して他方の面を基準面に押し付ける第
２のクランプシリンダとを設けるのが有効である。

【００２０】第２に、Ｈ形鋼は同サイズと言えどもフラ
ンジとウエブの角度等に差があり、同一形状とは言えな
い。そのため、クランプ内でフランジおよびウエブをそ
れぞれの基準面に押し付けても、２本のＨ形鋼を完全に
突き合わすことができない場合がある。これに対して
は、各クランプに、Ｈ形鋼のウエブの両側において一対
のフランジの各裏面を押圧して各表面を基準面に押し付
ける修正シリンダを設けるのが有効である。

【００２１】第３に、突き合わせ部の加熱においては、
突き合わせ部と加熱コイルをＨ形鋼の長手方向において
正確に位置合わせする必要がある。これについては、一
方のクランプ上に高周波誘導加熱コイルを取付け、その
クランプをＨ形鋼の端部に装着するときにＨ形鋼の端面
に当接してその端面を基準として高周波誘導加熱コイル
のレベル設定を行う可動式のストッパを他方のクランプ
に取付けるのが有効である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を接合
方法について説明する。

【００２３】本発明の接合方法では、まず、低融点のイ
ンサート材を挟んで２本のＨ形鋼を突き合わせる。

【００２４】インサート材としては、重量比でＢ１〜５
％、Ｃｒ２０％以下、Ｓｉ１０％以下、Ｐ１２％以下の
うちのＢを必須とする１種または２種以上を含み、残部
がＮｉおよび不可避不純物からなるＮｉ基合金が望まし
い。

【００２５】Ｂは有効な融点降下元素である。１％未満
では融点降下元素としての働きが不足し、融点が高くな
る。５％を超えると拡散に長時間を要し、脆い金属間化
合物が形成される。

【００２６】Ｃｒは接合部の耐食性確保に寄与するが、
２０％を超えると融点が高くなると共に、接合部の濡れ
性を悪化させる。

【００２７】Ｓｉ，Ｐも融点降下元素であるが、Ｓｉに
ついては１０％を超え、Ｐについては１２％を超える
と、拡散が遅れ、接合界面に脆化層を形成するようにな
る。

【００２８】融点降下元素は、インサート材の融点が１
０００℃前後となるように総量を調整するのが望まし
い。

【００２９】インサート材をＮｉ基としたのは、母材と
の濡れ性が良好で、接合端面の粗さなどの許容範囲を拡
大することができるからである。

【００３０】突き合わせが完了すると、その突き合わせ
部を加圧し加熱する。

【００３１】加圧は、加熱開始前に初期圧を加え、この
状態で加熱を行い、加熱中は強制加圧を行わないパター
ンが望ましい。初期圧を加えた状態で加熱を開始する
と、突き合わせ部の軟化に伴いアプセットが進む。本発
明の接合方法では、鉄筋等と異なり、加熱開始前に付加
した初期圧のみによって、加熱中の軟化により徐々にア
プセットを加え、特に外力を加えずにアプセットを進行
させる方法が望ましい。それは、鉄筋のような大きなふ
くれを必要とせず、また、小さなふくれでも十分に接合
を行うことができるからである。

【００３２】初期圧としては0.８〜4.０ｋｇｆ／ｍｍ²
が望ましい。初期圧が不足すると接合端面が十分に密着
せず、接合不良が生じる。過剰な初期圧は、ハード上の
問題もさることながら、接合部の座屈変形等を発生させ
る原因になる。

【００３３】初期圧の開始と並行して、フロントシール
ドガスによる突き合わせ部のシールドを開始するのがよ
い。

【００３４】加熱は、短時間で高温に加熱できる高周波
誘導加熱とする。加熱コイルは、後述する異形コイルを
用いるのが良い。加熱温度は、液相拡散接合の性質か
ら、インサート材の融点以上、Ｈ形鋼の融点以下とし、
１２００〜１２５０℃が望ましい。その理由は後述す
る。

【００３５】加熱では、加熱温度および加熱コイルと共
に周波数が重要である。Ｈ形鋼では、フランジとウエブ
の間に肉厚差があるので、板厚の薄いウエブを加熱する
のに適した比較的高い周波数を選択する必要がある。板
厚の厚いフランジに適した比較的低い周波数では、ウエ
ブで誘導電流の浸透深さが深くなり過ぎて両面側の電流
が互いに打ち消し合い、温度が十分に上がらない。

【００３６】望ましい周波数ｆ（ｋＨｚ）は、ウエブの
厚みｔ（ｍｍ）に応じ、８０／ｔ〜３００／ｔである。
周波数が低すぎると、ウエブで上述した電流の相殺現象
がおこり、高すぎると逆に浸漬深さが不足して両面側の
電流が表面に集中し肉厚方向中央部が加熱不足となる。

【００３７】加熱により突き合わせ部が軟化すると、上
述した初期圧によりアプセットが生じる。Ｈ形鋼の現場
継ぎでは、接合端面の仕上げ程度、面粗度、ＧＡＰ等の
端面精度について十分なものを期待できない。そのた
め、端面精度が多少悪くても安定した継手性能を得るた
めに、アプセットは必要である。アプセット量としては
３００Ｈ，４００Ｈ，５００Ｈの場合で２〜７ｍｍが望
ましい。アプセット量が不足すると、継手性能がばらつ
く。過剰になると接合部のふくれが大きくなる。このふ
くれは図１に示したように場所によっては全く生じな
い。ふくれが大きくなることはふくれの不均一が増大す
ることを意味し、加熱コイルと内側の材料とのクリアラ
ンスの変動を大きくして、適正な温度の確保を困難にす
る。従って、ふくれを一定以上に大きくすることは良く
ない。適正なアプセット量が得られるように、加熱時間
が設定される。

【００３８】突き合わせ部が軟化すると、前述した初期
圧も低下する。加圧力を加圧センサーで監視することに
より、温度やアプセット量が適正であるか否かを判断で
きる。また、この圧力が初期圧の８０〜５０％に達した
ときにシールドガスの供給を停止することにより、シー
ルドガスを節約できる。８０％に達していない状態で
は、接合端面の密着が完全に終わっていないので、シー
ルドガスを止めるとインサート材が酸化して継手性能に
ばらつきが発生する。また、インサート材が融点に達し
ていない場合もあり、これが理由で継手性能が低下する
おそれもある。５０％より小さくなった後もシールドガ
スの供給を続けることはガスの無駄使いになる。

【００３９】次に、本発明の方法に使用される加熱コイ
ルについて詳述する。望ましい加熱コイルを図２に示
す。また、その加熱コイルを使用した加熱ヘッドを図３
に示す。

【００４０】加熱ヘッドは、加熱コイル１０の下にガス
ジャケット２０を重ねた構成になっている。いずれも、
Ｈ形鋼を包囲するＨ形の環状体である。

【００４１】加熱コイル１０は銅製の角管からなる１タ
ーンコイルであり、ウエブを中心としてその両側に分離
する２分割構造になっている。両側のコイル片１０Ａ，
１０Ｂは、両端のヘッド１１Ａ，１１Ｂを圧接すること
により電気的に接続され、且つヘッド１１Ａ，１１Ｂ等
を介して供給排出される冷却水により独立に冷却され
る。一方のコイル片１０Ａは、一方のフランジの一端に
対応する部分で分断され、分断部から延出する一対のリ
ード１２，１２により高周波電源と接続される。接合の
際、この加熱コイル１０は、Ｈ形鋼の突き合わせ部を包
囲するようにセットされる。

【００４２】加熱コイル１０の形状は、Ｈ形鋼の断面に
対応した完全なＨ形ではなく、突き合わせ部が所定のア
プセット量まで加圧・加熱されてふくれを生じたとき
に、その突き合わせ部までの距離が各部にほぼ均等にな
るように、ウエブに対向する部分およびフランジの両側
部分に対向する部分が外側へ湾曲した形状になってい
る。

【００４３】ガスジャケット２０は、加熱コイル１０と
同様に２分割構造になっており、各３本のガス供給管２
１から下室２２にシールドガスが供給される。下室２２
に供給されたシールドガスは、上室２３を経て上方に吹
き出され、上方の加熱コイル１０の内側に位置する突き
合わせ部をガスシールドする。

【００４４】加熱コイル１０とガスジャケット２０は、
上下方向に隙間をあけて配置され、図示されない連結具
によりスペーサーを介して連結されている。また、これ
らは外側から図示されないカバーにより覆われている。

【００４５】３００ＨのＨ形鋼をアプセット量７ｍｍで
加熱加圧したときの突き合わせ部のふくれ量を図４に示
す。

【００４６】加熱コイル１０の形状は、変形前の突き合
わせ部の表面までの距離（クリアランス）で表わすと、
標準クリアランスに、図４に示すようなふくれ量を加え
たものになる。

【００４７】加熱コイル１０を用いると、突き合わせ部
がふくれた状態で突き合わせ部までの距離が各部で略均
等になり、突き合わせ部を均一に加熱できる。このとき
の突き合わせ部までの距離が前述した標準クリアランス
である。つまり、加熱コイル１０は、突き合わせ部がふ
くれたときに各部のクリアランスを標準クリアランスに
管理することができる。

【００４８】ふくれを生じたとの突き合わせ部から加熱
コイル１０までの距離ｘ（ｍｍ）、すなわち標準クリア
ランスの望ましい値は、ウエブの厚みｔ（ｍｍ）によっ
て表わされ、ｔ／２〜２ｔである。標準クリアラスが小
さ過ぎると、突き合わせ部が加熱コイル１０に接近する
ため、接合後の加熱コイル１０の取り外しが困難とな
り、逆に大き過ぎると、加熱効率が低下し、所定時間内
での適正加熱が困難となる。

【００４９】次に、接合装置について本発明の実施の態
様を説明する。

【００５０】図７は本発明を実施した接合装置の１例に
ついてその外観を示す斜視図、図８〜図１２は同接合装
置の内部構造を模式的に示し、図８正面図、図９は右側
面図、図１０は左側面図、図１１は平面図、図１２は横
断平面図である。また、図１３および図１４は同接合装
置の動作を示す模式図である。

【００５１】本接合装置は、図７〜図１２に示されるよ
うに、間隔をあけて連結された一対のクランプ３０，３
０と、クランプ３０，３０間に配設された加熱ヘッド４
０とを具備する。通常この接合装置は垂直に埋設された
Ｈ形鋼１の上に別のＨ形鋼１を継ぎ足すのに使用される
ので、クランプ３０，３０を区別する必要があるとき
は、図で上方のクランプ３０を上クランプと称し、図で
下方のクランプ３０を下クランプと称する。

【００５２】下クランプ３０の両側部は上方に延出し、
その延出部間に上クランプ３０を昇降自在に支持する。
これ以外については、クランプ３０，３０は基本的に同
じ構造であって、後部において接離自在に連結され、左
右一対のメインシリンダ３１，３１により接近方向およ
び離反方向にそれぞれ強制駆動される。

【００５３】個々のクランプ３０は、Ｈ形鋼１の一対の
フランジが両側を向く姿勢でＨ形鋼１の端部に装着され
てその端部を把持する。Ｈ形鋼１へのクランプ３０の装
着を容易にするため、クランプ３０の前部には片開き式
の扉３２が設けられている。扉３２は水平なシリンダ３
２ａ（図１１）により開閉駆動され、垂直なシリンダ３
２ｂ（図８）により閉止状態にロックされる。また、Ｈ
形鋼１を把持するために、クランプ３０には２種類のク
ランプシリンダ３３，３４（図９，１１，１２）が設け
られている。

【００５４】一方のクランプシリンダ３３は、扉３２の
内部に上下２段に水平配置され、クランプ３０内のＨ形
鋼１のウエブを前方から後方へ押圧して、このウエブを
クランプ３０内の垂直な基準面３５に押し付ける。他方
のクランプシリンダ３４は、クランプ３０の一方の側部
に上下２段に水平配置されている。そしてクランプシリ
ンダ３４，３４はクランプ３０内のＨ形鋼１の一方のフ
ランジをヘッド３７を介して他方のフランジ側へ押圧し
て他方のフランジをクランプ３０内の垂直な基準面３６
に押し付ける。ヘッド３７の正面は基準面３６に正対し
ていて、後述する修正作業のときに基準面として使用さ
れる。

【００５５】クランプ３０内には又、４つの修正シリン
ダ３８（図１０，１１，１２）が設けられている。４つ
の修正シリンダ３８は、前側と後側に２段ずつ水平配置
され、いずれも側方を向いている。そして、これらの修
正シリンダ３８は、クランプ３０内のＨ形鋼１のウエブ
の両側において両方のフランジの裏面を同期して押圧す
る。

【００５６】上クランプ３０の下側には、傾動式のスト
ッパ３９（図１０）が設けられている。ストッパ３９は
上端部を中心にしてシリンダ３９ａにより前後に傾動さ
れ、後傾位置では上クランプ３０が上側のＨ形鋼１の端
部に装着されたとき、その端部と干渉しないようになっ
ている。また、前傾位置では下クランプ３０が下側のＨ
形鋼１の上端部に装着されたとき、そのＨ形鋼１のウエ
ブ上端面にストッパ３９の下端が当接し、そのウエブ上
端面を基準にしてクランプ３０，３０の上下方向の位置
決めを行う。

【００５７】クランプ３０，３０間に配設された加熱ヘ
ッド４０は、下クランプ３０の上に支持されている。加
熱ヘッド４０は前述した加熱コイルを内蔵しており、こ
の加熱コイルを含めて前後に２分割されている。前側の
ヘッドユニット４１は扉３２の上に設置されていて、シ
リンダ４１ａの作動により前後進する。後側のヘッドユ
ニット４２は後方のトランス５０と直結され、シリンダ
４２ａの作動によりトランス５０と共に前後進する。

【００５８】加熱ヘッド４０内の加熱コイルは、下クラ
ンプ３０からの高さが一定であり、前述したストッパ３
９により下側のＨ形鋼１のウエブ上端面を基準にしてク
ランプ３０，３０の上下方向の位置決めが行われたとき
に、そのウエブ上端面と同じ高さとなる。

【００５９】次に、本接合装置の使用方法について、図
１３および図１４を参照して説明する。

【００６０】下側のＨ形鋼１が地面に垂直に打ち込まれ
ると、図１３（ａ）（ｂ）に示されるように、下クラン
プ３０の扉３２を開け、Ｈ形鋼１の上端部を下クランプ
３０内に嵌合した後、扉３２を閉める。

【００６１】これにより、図１４（ａ）に示されるよう
に、下クランプ３０内をＨ形鋼１の上端部が貫通する。
このとき、加熱ヘッド４０は前後に開放している。ま
た、ストッパ３９は前傾位置にあり、その下端はＨ形鋼
１のウエブ上端面に当接している。これにより、そのウ
エブ上端面を基準としてクランプ３０，３０の上下方向
の位置決めが行われ、加熱ヘッド４内の加熱コイルはウ
エブ上端面と同じ高さになる。

【００６２】クランプ３０，３０の上下方向の位置決め
が終わると、下クランプ３０において次の一連の動作が
行われる。

【００６３】図１３（ｃ）を用いて説明すると、まず、
下クランプ３０内の一方のクランプシリンダ３４によ
り、Ｈ形鋼１の一方のフランジをヘッド３７を介して軽
く押し、他方のフランジを基準面３６に当てる。引き続
き、他方のクランプシリンダ３３により、Ｈ形鋼１のウ
エブの一方の面を軽く押し、他方の面を基準面３５に当
てる。そして、クランプシリンダ３３，３４を同時に作
動させてＨ形鋼のウエブおよびフランジを基準面３５，
３６に強く押し付ける。これにより、下クランプ３０が
Ｈ形鋼１の上端部に結合されると共に、その上端部がク
ランプ３０内で位置決めされる。

【００６４】下クランプ３０内のＨ形鋼１の水平面内に
おける位置決めが終了すると、下クランプ３０内の修正
シリンダ３８を同期して作動させる。これにより、Ｈ形
鋼１の両方のフランジが基準面３５およびヘッド３７の
正面に押し付けられ、Ｈ形鋼１の端部形状が修正された
状態になる。

【００６５】こうして下側のＨ形鋼１の上端部に下クラ
ンプ３０が装着されると、上クランプ３０を少し押し上
げ、ストッパ３９を後傾位置に戻した後、上クランプ３
０を元の位置まで下げる。

【００６６】次いで、図１４（ｂ）に示されるように、
下側のＨ形鋼１の上に上側のＨ形鋼１を載せ、上側のＨ
形鋼１の下端部に対して、上記と全く同様にして上クラ
ンプ３０の装着を行う。これにより、上クランプ３０内
のＨ形鋼１も水平面内において位置決めされ、且つその
端部形状が修正される。従って、上下のＨ形鋼１，１が
ずれなく突き合わされる。また、突き合わせ部は加熱ヘ
ッド４０内の加熱コイルと同じ高さになる。

【００６７】Ｈ形鋼１，１の突き合わせが終わると、一
旦上クランプ３０を上げ、Ｈ形鋼１，１の端面間にイン
サート材を挿入し、再び上クランプ３０を下げる。そし
て、図１４（ｃ）に示すように、加熱ヘッド４０を閉
じ、加熱ヘッド４０内の加熱コイルにより突き合わせ部
を高周波誘導加熱すると共に、メインシリンダ３１，３
１によりクランプ３０，３０を引き寄せることにより突
き合わせ部を加圧する。

【００６８】上下のＨ形鋼１，１はずれなく突き合わさ
れているので、健全に接合される。また、突き合わせ部
は加熱コイルと同じ高さにセットされているので、所定
時間内に接合を終えることができる。

【００６９】

【実施例】以下に本発明の方法の実施例を示し、比較例
と対比することにより、本発明の方法の効果を明らかに
する。

【００７０】ＪＩＳＡ５５２６ＳＨＫ４００に規定
される３００Ｈ（ウエブ厚１０ｍｍ，フランジ厚１５ｍ
ｍ）を突き合わせ、その突き合わせ部を高周波誘導加熱
した。７ｍｍのアプセット量を加えたときの突き合わせ
部の変形を示したのが図４である。そして、この変形を
見込んで設計した加熱コイルが、図２に示したものであ
る。図２中の数字は変形前の突き合わせ部までの距離、
すなわち設計クリアランス（ｍｍ）である。標準クリア
ランスは１２ｍｍとした。

【００７１】図２のコイルを用いて突き合わせ部の加熱
したときの周波数と温度との関係を調査した。温度は熱
電対により測定した。測定位置を図５に示す。フランジ
とウエブが交差するNo. ３およびNo. １０は加熱中に周
波数の影響を殆ど受けないと考えられる位置である。一
方、ウエブ中央のNo. ７はその影響が最も大きいと考え
られる位置である。調査結果を表１および図６に示す。
また、No. ３位置とNo. ７位置の温度差を表２に示す。

【００７２】

【表１】

【００７３】

【表２】

【００７４】加熱温度が１１５０℃未満ではインサート
材の拡散不足が生じ、１３００℃超では変形大と材質劣
化が生じるので、１１５０〜１３００℃を目標加熱温度
とし、１２００〜１２５０℃を最適加熱温度範囲とし
た。

【００７５】周波数が２ｋＨｚではいずれの箇所も温度
が１２００℃に達しない。そのなかで周波数の影響を受
けにくいと考えられるNo. ３位置およびNo. １０位置で
は、最も温度が高くなっている。反対に、周波数の影響
を受けやすいと考えられるNo. ７位置では、最も低温と
なっている。周波数が６ｋＨｚの場合も同様の傾向であ
る。

【００７６】しかし、周波数が１３ｋＨｚになると、N
o. ３位置とNo. ７位置の温度が逆転し、その温度差も
１０℃と小さく、いずれも１２００〜１２５０℃の最適
温度範囲内に収まっている。

【００７７】周波数が４０ｋＨｚでは、周波数が高くな
ることによる表皮効果によって温度が下がり、板厚が薄
いウエブ中央のNo. ７位置で温度が最も高くなる。

【００７８】これらの結果は以下に示す計算式によって
も裏付けられる。

【００７９】平板を能率的に加熱するための最低許容周
波数はｆ≧１５８・ρ／μｔ²（Ｈ₂）ｆ：周波数（Ｈｚ） ρ：固有抵抗（μΩｃｍ） μ：比透磁率ｔ：被加熱厚さ（ｃｍ）となる。ここでＰ＝5.０３〔ρ／（μ×ｆ）〕^1/2 Ｐ：電流浸透深さ（ｃｍ）であり、ｔ／Ｐ≒2.５のときに吸収電力は最大となるか
ら、１０ｔ，１３ｔ，１５ｔに最適の周波数は表３のよ
うになる。

【００８０】

【表３】

【００８１】Ｈ形鋼では浸透深さの影響を受けやすいウ
エブに合わせて周波数を設定する必要があり、８０／ｔ
〜３００／ｔの範囲が望ましい。具体的には、３００Ｈ
を対象としたときは、ウエブの板厚は１０ｍｍであり、
周波数としては２０ｋＨｚが最適であり、１５〜２５ｋ
Ｈｚが特に望ましい範囲である。４００Ｈを対象とした
ときは、ウエブの板厚が１３ｍｍであるので、周波数と
しては１５ｋＨｚが最適であり、１０〜２０ｋＨｚが特
に望ましい範囲となる。５００Ｈを対象としたときは、
ウエブの板厚が１５ｍｍであるので、周波数としては8.
７ｋＨｚが最適となり、５〜１５ｋＨｚが特に望ましい
範囲となる。

【００８２】以上の検討結果を踏まえ、図２の加熱コイ
ルを使用し、２０ｋＨｚの周波数で３００Ｈを実際に接
合した。接合時間は１０分（一定）である。

【００８３】インサート材の種類を種々変更したときの
結果を表４に示す。接合条件は初期圧3.０ｋｇｆ／ｍｍ
²加熱温度１２００℃、アプセット量6.０ｍｍとした。
また、シールドガスは加圧力が2.４ｋｇｆ／ｍｍ²に低
下した時点で供給を停止した。表４中の母材破断に至っ
たＩ７のインサート材を使用し、接合条件を種々変更し
たときの結果を表５に示す。

【００８４】表４および表５から分かるように、本発明
の方法によりＨ形鋼が２本継ぎされる。実際の施工では
母材破断が求められることを考慮すると、インサート材
の成分組成としてはＢ１〜５％、Ｃｒ２０％以下（０を
含む）、Ｓ：１０％以下（０を含む）、Ｐ１２％以下
（０を含む）が適当である。また、初期圧としては0.８
〜4.０ｋｇｆ／ｍｍ²、シールドガスの供給を停止する
時期としては初期圧の８０〜５０％到達時、アプセット
量としては２〜７ｍｍ以上がそれぞれ適当である。ちな
みに３００Ｈの接合にアーク溶接を用いると３０分以上
の時間がかかる。

【００８５】

【表４】

【００８６】

【表５】

【００８７】次に、実際の接合における周波数の影響お
よび加熱コイルの標準クリアランスの影響を調査した。

【００８８】Ｈ形鋼は上記接合と同じ３００Ｈを用い
た。インサート材は表６のものを用いた。共通接合条件
は加熱温度が１２５０℃、保持時間が３００秒、アプセ
ット量が６ｍｍ、接合雰囲気が窒素ガスである。接合後
のウエブ接合部およびフランジ接合部からＪＩＳＺ３
１２１の１号試験片を採取し、継手引張性能を評価し
た。周波数およびクリアランスを表７に示し、調査結果
を表８に示す。表８より周波数は８０／ｔ〜３００／
ｔ、クリアランスはｔ／２〜２ｔの望ましいことがわか
る。

【００８９】

【表６】

【００９０】

【表７】アンダーラインは望ましくない条件

【００９１】

【表８】

【００９２】

【発明の効果】本発明のＨ形鋼の接合方法および接合装
置は、各部で肉厚が異なるＨ形鋼を短時間で且つ安定し
た品質で冶金的に２本継ぎすることができる。従って、
地下鉄工事でのＨ形鋼埋設のように短尺のＨ形鋼を次々
と継ぎ足しながら埋め込んで行く工事に適用して、工期
短縮、工事費低減等に大きな効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｈ形鋼の拡散接合でのふくれの問題を示す模式
図である。

【図２】本発明の加熱コイルの１例を示す平面図であ
る。

【図３】本発明の加熱コイルを用いた加熱ヘッドの１例
を示す平面図である。

【図４】Ｈ形鋼の接合部のふくれ量を示す模式図であ
る。

【図５】温度測定位置を示す模式図である。

【図６】Ｈ形鋼の高周波誘導加熱での周波数と加熱温度
との関係を示すグラフである。

【図７】本発明を実施した接合装置の１例についてその
外観を示す斜視図である。

【図８】同接合装置の内部構造を模式的に示す正面図で
ある。

【図９】同接合装置の内部構造を模式的に示す右側面図
である。

【図１０】同接合装置の内部構造を模式的に示す左側面
図である。

【図１１】同接合装置の内部構造を模式的に示す平面図
である。

【図１２】同接合装置の内部構造を模式的に示す横断平
面図である。

【図１３】同接合装置の動作を示す模式平面図である。

【図１４】同接合装置の動作を示す模式側面図である。

【符号の説明】

１０加熱コイル２０ガスジャケット３０クランプ３１メインシリンダ３３，３４クランプシリンダ３５，３６基準面３８修正シリンダ３９ストッパ４０加熱ヘッド

フロントページの続き (72)発明者深田康人大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者飯田久雄大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者岸伸典大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者渡辺俊雄東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者脇登志夫東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者南哲夫高知県高知市布師田3948番地１株式会社技研製作所内 (72)発明者猪野真吾高知県高知市布師田3948番地１株式会社技研製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低融点のインサート材を挟んでＨ形鋼を
突き合わせ、その突き合わせ部を加圧すると共に、前記
インサート材の融点以上Ｈ形鋼の融点未満の温度に高周
波誘導加熱して、液相拡散接合することを特徴とするＨ
形鋼の接合方法。
【請求項２】突き合わせ部の高周波誘導加熱に用いる
周波数が、Ｈ形鋼のウエブで両面側の電流が打ち消し合
うことがなく且つ各電流がウエブ表面に集中することが
ない周波数であることを特徴とする請求項１に記載のＨ
形鋼の接合方法。
【請求項３】前記周波数が８０／ｔ≦ｆ≦３００／ｔｆ：周波数（ｋＨｚ）ｔ：Ｈ形鋼のウエブ厚（ｍｍ）を満足することを特徴とする請求項２に記載のＨ形鋼の
接合方法。
【請求項４】高周波誘導加熱コイルが、コイル内の突
き合わせ部が加圧によるふくれを生じた状態で突き合わ
せ部までの距離が各部で略均等となるように外側へ湾曲
していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載のＨ形鋼の接合方法。
【請求項５】ふくれを生じた状態の突き合わせ部から
加熱コイルまでの距離がｔ／２≦ｘ≦２ｔｘ：距離（ｍｍ）ｔ：ウエブ厚（ｍｍ）の範囲内であることを特徴とする請求項４に記載のＨ形
鋼の接合方法。
【請求項６】接合すべき２本のＨ形鋼を突き合わせる
べく２本のＨ形鋼の各端部をそれぞれ把持し、それぞれ
が接離方向に強制駆動される一対のクランプと、一対の
クランプの間にあって２本のＨ形鋼の突き合わせ部を包
囲するようにＨ形の環状体に形成された高周波加熱コイ
ルとを具備することを特徴とするＨ形鋼の接合装置。
【請求項７】一対のクランプが、Ｈ形鋼の一方のフラ
ンジを押圧して他方のフランジを基準面に押し付ける第
１のクランプシリンダと、Ｈ形鋼のウエブの一方の面を
押圧して他方の面を基準面に押し付ける第２のクランプ
シリンダとを有することを特徴とする請求項６に記載の
Ｈ形鋼の接合装置。
【請求項８】一対のクランプが、Ｈ形鋼のウエブの両
側において一対のフランジの各裏面を押圧して各表面を
基準面に押し付ける修正シリンダを有することを特徴と
する請求項６または７に記載のＨ形鋼の接合装置。
【請求項９】一方のクランプ上に高周波誘導加熱コイ
ルを取付け、そのクランプをＨ形鋼の端部に装着すると
きにＨ形鋼の端面に当接してその端面を基準として高周
波誘導加熱コイルのレベル設定を行う可動式のストッパ
を他方のクランプに取付けたことを特徴とする請求項６
〜８のいずれかに記載のＨ形鋼の接合装置。