JPH09317959A - 接合強度の高い鋼管の液相拡散接合用継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼管の軸方向連結継手を迅速かつ簡便に、液
相拡散接合を適用して実現し、必要とされる継手強度を
達成する。 【解決手段】 液相拡散接合により鋼管相互を接合する
場合に、その鋼管端部に形成する開先形状を、２又は３
面の傾斜面を有する多段開先断面形状に形成すると共
に、各傾斜面の角度を所定範囲に規定し、開先間に所定
の厚みの非晶質金属箔を介在させ、継手全長を規定する
ことによって、開先面関の増大を図ることにより継手強
度を向上させ、鋼管の新しい、迅速簡便な信頼性の高い
継手を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、金属材料の液相拡
散接合用継手、詳しくは炭素鋼、合金鋼鋼管の突き合わ
せ接合に際し、高い接合強度が得られる液相拡散接合用
継手に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼管は、内部の液体を搬送する目的で、
一般に軸方向に円形の断面を有する鋼構造体或いは部品
であって、工場で工業的に製造する場合には、長さにお
いて定められた寸法（規格、製造設備制約、使用者側都
合等による）を有しており、輸送上有利となるものの、
実際の使用においては定寸で製造した鋼管どうしを連
結、即ち長尺の構造体或いは部品と部品とを連結する構
造体として完成させ、使用するのが通例であって、ここ
に、鋼管の連結が必須の工業技術として位置付けられる
こととなる。

【０００３】鋼管の連結の方法には、一般に、各鋼管
管端にフランジを設けてボルト等で固定し、面圧をもっ
て接合する方法、溶融溶接によって金属的に一体化さ
せる方法、鋼管管端に雌雄のネジを事前に加工し、現
地でネジ結合して摩擦力によって発生する面圧で連結す
る方法、等がある。これらのうち、の溶融溶接法には
いくつかの異なる形式があって、熱源、溶接材料、スラ
グ、溶接速度、溶接雰囲気等がそれぞれ異なり、特徴を
有する様々な溶接方法が工業的に実用化されている。

【０００４】しかるに、近年は鋼管内部の搬送流体或い
は鋼管の使用される場所の環境因子が従来に比較して多
岐にわたる傾向にあり、厳しい腐食環境下、高温下で腐
食性流体、高圧力流体を搬送したり、高荷重下で使用さ
れたりする事例が増えつつある。従って、鋼管の材質が
高級化し、これとは逆比例して鋼管の溶接性が低下する
傾向にあるのが実情である。Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂ、Ｍ
ｎ、Ｃ、Ｎ等を多く含有する材料では溶接が極めて困難
であり、溶接後の継手にも特殊な後熱処理を施す必要の
あるものが多い。一部は全く溶接できない高強度鋼管或
いは高合金鋼管も工業的に製造されており、この場合、
上述の、のような非溶融式の連結方式が有利とな
る。ところが、フランジ加工或いは高精度のネジ加工は
極めて施工時間、コスト共に高く、現状では多用が難し
くなりつつあり、熟練者の技術を必要とし、施工時間の
長い溶融溶接もまた、工業的に適用困難となりつつあ
る。

【０００５】そこで、溶融溶接なみの接合継手品質を有
し、熟練技術が不要であって、かつ接合時間の短縮も可
能な液相拡散接合による接合継手が注目されるようにな
ってきた。液相拡散接合は、接合しようとする材料の間
に箔、粉末、或いはメッキ等の形態で被接合材よりも融
点の低い共晶組成を有する合金を介在させて加圧し、挿
入合金（以下インサートメタルと称する）の液相線直上
の温度に接合部を加熱することによって、溶融、等温凝
固させる接合法であり、固相接合法の一種と考えられて
いる。

【０００６】液相拡散接合は比較的低い加圧力で接合で
きることから、接合による残留応力や、変形を極力避け
る必要のある接合に用いられ、同時に溶接の困難な高合
金鋼、耐熱鋼の接合にも適用されている技術である。さ
らに、接合現象そのものである等温凝固を支配する元素
の相互拡散が極めて早いことから、接合のための加熱手
段を適当に選べば、接合時間を短縮できる可能性もあ
る。

【０００７】一方、液相拡散接合によって接合しようと
する材料は多くの場合、合金組成として０．５０％以上
のＣｒを含有する。Ｃｒ含有材料は緻密な酸化Ｃｒ（多
くの場合Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）皮膜を表面に形成するために、耐
酸化性、耐食性が優れているのが特徴である。従って、
接合時の加熱によっても当然接合面には酸化皮膜が形成
されることとなり、溶融したインサートメタルの濡れが
阻害され、接合に必要な原子の拡散が著しく妨げられ
る。

【０００８】故に、従来は特開昭５３−８１４５８号公
報、特開昭６２−３４６８５号公報、さらに特開昭６２
−２２７５９５号公報に見られるように、いずれも接合
の際には雰囲気を真空、不活性、もしくは還元性に保た
なければならず、接合の長時間化ひいてはコストの著し
い上昇を招いていた。

【０００９】本発明者らは種々研究を重ねた結果、成分
としてＶを含有するインサートメタルは酸化雰囲気中で
も液相拡散接合が可能であることを見いだした。しか
も、Ｖはインサートメタルの融点を上昇させる元素では
あるが、他の元素（本発明においては専らＳｉ）を適当
に調整することで接合性の極めて優れたインサートメタ
ルを得ることができることを見いだし、Ｖを含有した全
く新しい、酸化雰囲気中での接合が可能な液相拡散接合
用合金箔に関する技術を、既に第１８９１６１８号、第
１８９１６１９号、第１８３７５７２号特許として提案
し登録を受けている。

【００１０】これら全く新しい、高速な液相拡散接合技
術が完成したことにより、接合時間の短縮化は実現さ
れ、益々新しい鋼管継手の製造方法としての液相拡散接
合に対する期待度が高まりつつある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】液相拡散接合法を接合
技術として捉えた場合、その接合パラメータとして接合
特性を左右する条件の一つは接合面積である。特に、大
型の構造体を接合する場合は、接合面の工業的加工精度
と接合面に付加する応力の均一性との関係から、接合面
積は大きく、かつその全面が完全に接合している方が高
い継手強度を得ることは説明するまでもない。

【００１２】ところが、鋼管はその使用用途に応じて種
々の外径、管の肉厚等の寸法を有し、鋼管どうしを連結
接合する場合、接合面積は、継手開先形状がＩ型の場
合、ほぼ肉厚で決定されてしまう。そこで、少しでも接
合面積を拡張するために、突き合わせ面を、鋼管表面に
対して垂直ではなく、ある程度傾斜させた開先が可能で
あり、特開平５−１２３８９０号公報にはその技術思想
と、使用する箔の形状および製造方法に関する記述があ
る。

【００１３】しかし、液相拡散接合技術を広範囲に適用
するに当たり、接合応力を極力高めるには、さらなる突
き合わせ面積の増加が必要である。そこで、本発明者ら
は鋼管継手形状についてさらなる解析と研究を加え、２
段或いは３段の傾斜面を有する大突き合わせ面積の継手
形状を完成するに至った。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の通り
である。 （１）２つの鋼管の端部を相互に突き合わせ液相拡散接
合するための継手において、一方の鋼管の端部に、鋼管
外表面側から外表面の垂線とのなす角度Ａが５°〜８５
°の第１傾斜面と、該第１傾斜面に続く鋼管内表面の垂
線とのなす角度Ｂが５°〜８５°の第２傾斜面とを有
し、第１傾斜面と第２傾斜面とのなす角度Ｃを０°〜８
５°とした接合開先を形成し、他方の鋼管端部に、前記
一方の鋼管端部と隙間なく嵌合し得る如く、一方の鋼管
端部に形成した傾斜面と対応した角度Ｄ，Ｅ，Ｆをそれ
ぞれ有する第１傾斜面及び第２傾斜面を有する接合開先
を形成すると共に、接合時の両開先間に、厚さ５〜３０
０μｍで前記開先形状に合致する形状の、液相接合可能
な非晶質金属箔を配置させて接合時の開先接触面積を増
加させ、継手全長が鋼管肉厚ｔの２ｔ〜１０００mmであ
ることを特徴とする接合強度の高い鋼管の液相拡散接合
用継手。 （２）突き合わせる２つの鋼管端部の接合開先における
第１傾斜面及び第２傾斜の間に、第３傾斜面をそれぞれ
設け、第１傾斜面と第３傾斜面とのなす角度Ｇ，Ｉと第
３傾斜面と第２傾斜面とのなす角度Ｈ，Ｊは、いずれも
５°〜８５°としたことを特徴とする（１）記載の接合
強度の高い鋼管の液相拡散接合用継手。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明を図面に基づいてさらに詳
細に説明する。図１は２段の傾斜面で形成した開先を有
する本発明の継手の実施形態を示すものである。突き合
わせる２本の鋼管１、２の端部に形成する接合開先は、
断面で示すと次のようになる。即ち、一方（図面左方）
の鋼管１の端部において、鋼管外表面３から内表面４に
向かって右下がりの連続する２つの傾斜面５、６を形成
する。傾斜面のうち第１の傾斜面５は、鋼管外表面３の
垂線７に対する角度Ａが５°〜８５°の範囲であり、か
つ、第２の傾斜面６は、鋼管内表面４の垂線８に対する
角度Ｂが５°〜８５°の範囲とすることが必要である。
そして、これら第１傾斜面５と第２傾斜面６のなす角度
Ｃが０°〜８５°の範囲にある。

【００１６】また、他方（図面右方）の鋼管２の端部に
おいては、上記した一方の鋼管１の端部と隙間なく嵌合
し得る如く、一方の鋼管端部に形成した傾斜面と対応し
た角度を形成した傾斜面を有する。即ち、鋼管２の外表
面９から内表面１０に向かって右下がりの連続する２つ
の傾斜面１１、１２を形成する。傾斜面のうち第１の傾
斜面１１は、鋼管外表面９の垂線１３に対する角度Ｄが
５°〜８５°の範囲であり、かつ、第２の傾斜面１２
は、鋼管内表面１０の垂線１４に対する角度Ｅが同じく
５°〜８５°の範囲とすることが必要である。そして、
これら第１傾斜面１１と第２傾斜面１２のなす角度Ｆは
０°〜８５°の範囲にある。

【００１７】突き合わせる鋼管１、２の接合開先は上記
のように形成するが、本発明ではこれらを接合する際に
両開先間に、前記開先形状に合致する形状の、つまり断
面が２つの傾斜面を有する液相接合可能なリング状の非
晶質金属箔１５を配置させて、接合時の開先接触面積を
増加させることを特徴としている。該非晶質金属箔１５
は、その厚さは５〜３００μｍで、かつ、継手全長が鋼
管肉厚の２倍（即ち、肉厚をｔとすれば２ｔ）以上１０
００mm以下である。

【００１８】次に、図２は３段の傾斜面で形成した開先
を有する本発明の継手の実施形態を示すものである。図
示するように、一方の鋼管１の端部に、角度Ａと角度Ｂ
を有する第１傾斜面５と第２傾斜面６を設けることは図
１と同様であるが、図２においては、これら第１傾斜面
５と第２傾斜面６の間に、第３傾斜面１６を付け加えて
３段の傾斜面としている。そして該傾斜面１６と第１傾
斜面５のなす角度Ｇと傾斜面１６と第２傾斜面６のなす
角度Ｈは、５°〜８５°の間の値をとり、また、他方の
鋼管２の端部についても、前記一方の鋼管１の端部と突
き合わせたとき、隙間なく嵌合するように開先を形成す
る。即ち、鋼管２の第１傾斜面１１と第２傾斜面１２の
間に、第３傾斜面１７を付け加えて３段の傾斜面として
いる。そして該傾斜面１７と第１傾斜面１１のなす角度
Ｉと傾斜面１７と第２傾斜面１２のなす角度Ｊを、５°
〜８５°の範囲としている。

【００１９】なお、図２においても図１の例と同様に、
液相接合可能な非晶質金属箔１８を継手間に介在させる
が、該非晶質金属箔１８は３段の傾斜面を有するもの
で、厚み５〜３００μｍとする。また、継手全長も鋼管
肉厚の２倍（即ち、肉厚をｔとすれば２ｔ）以上１００
０mm以下とする。

【００２０】以下、本発明の鋼管継手形状を請求項１、
２に記載の如く特定した理由について説明する。本発明
において図１の２段の傾斜面を開先継手面に付与したの
は、図３の従来の鋼管開先に比較して開先面積を大きく
とれることが最大の理由である。図２の３段にした例で
は、さらに開先面積を大きくとれることになる。

【００２１】次に、鋼管内外表面と、それに続く開先の
傾斜面間の角度、Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅを５°〜８５°の範囲
としたのは、完全な垂直面よりも鋼管どうしの突き合わ
せ時の芯あわせを容易にし、かつ、傾斜させることで接
合面積拡大を図ったことに他ならない。この角度を特定
する上で重要なことは、傾斜角度を有するインサートメ
タルを工業的に鋳造する技術上の制約によるものであっ
て、０°〜５°未満或いは８５°超〜９０°の角度で
は、箔の製造コストが高騰し不利となるためであり、９
０°以上、或いは０°以下の傾斜角を有する箔は、現在
の技術では工業的な製造が極めて困難であることによ
る。この制約は、他の角度Ｃ，Ｆ、或いは第３の傾斜面
を付与した場合の角度Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊの角度の範囲の制
限にも反映されている。

【００２２】また、これらの形状を有する継手を用いて
鋼管を連結接合する場合、その接合方法が液相拡散接合
であるため、液相拡散接合特有の制限が、形状に必要と
なる。即ち、接合面の粗さは３００μｍ以下の凹凸であ
ること、接合圧力は鋼管軸方向に１MPa 以上であること
などであり、雰囲気に関する制限は、大気中での液相拡
散接合が可能な箔を適用する場合においては全くなく、
酸化雰囲気中での適用も可能である。

【００２３】さらに、液相拡散接合は概略８８０〜１２
５０℃において達成される接合であるから、該温度領域
に加熱する必要があり、かつその保持時間は最低でも１
分が必要である。加熱用の熱源に関する制限は全くな
く、高速の高周波加熱或いは溶接用熱源の転用なども有
用であり、本発明の効果を高める。加熱後の冷却方法、
冷却手段については全く制限はない。

【００２４】尚、本発明において「酸化雰囲気」とは、
接合雰囲気中に体積％で０．１％以上の酸素ガスを含有
し、酸素分圧が１０^-3 atm以上、即ち還元性ガス、例え
ばＨ₂ ，Ｈ₂ Ｓ，水蒸気その他を含有している場合で
も、酸化力が酸素濃度相当で０．１％以上である雰囲気
を意味する。また、「融点」とは、２元以上の合金にお
いては、その状態図上での固相線を、特に断らない限り
において意味する。

【００２５】

【実施例】表１に示す４種類の鋼管（製造方法は表中に
記述した通りで、Ｅは電気抵抗溶接によって連続造管し
た電縫鋼管、Ｓはシームレス圧延法或いは熱間押出法、
若しくは鍛造法により製造したシームレス鋼管、Ｕは厚
板圧延を施した所定の化学成分を有する厚板鋼板をＵ−
Ｏ成形プレスし、シーム部をＳＡＷ溶接して製造したＵ
Ｏ鋼管である）を突き合わせ接合に液相拡散接合手段を
用いて接合した。使用した液相拡散接合用合金箔（全体
はリング状となっている）は、表２に示す３種類で、表
中１，２はＮｉ−Ｓｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｐ系の市販のインサ
ートメタルである。３は大気中での液相拡散接合が可能
な特許第１８９１６１８号の範囲の組成を有する合金非
晶質箔である。

【００２６】表１に示すいずれかの鋼管（外径１０１．
６mm、２０３．２mm、３５６．６mmのいずれか）に本発
明の請求項１又は２に示す形態の開先形状を加工した雌
雄鋼管を用意し、表２に示すいずれかの接合助剤（イン
サートメタル）を、開先形状に合わせて単ロール急冷凝
固鋳造し、開先間に挟み込んだ。

【００２７】組み立てた継手を、軸方向１〜２０MPa の
応力を付加させ、高周波誘導加熱コイル（有効加熱帯が
最大１ｍのもの）を用いて、継手開先部分が完全に有効
加熱帯（加熱コイルによって設定された温度に、均一
（±５℃以内）に制御される領域）に含まれることを予
備実験によって確認した後に、接合温度（８８０〜１２
５０℃の範囲の温度）に１〜９０分間真空中（必要な場
合は真空度１０^-4Torrを達成可能な真空チャンバ内を準
備した）あるいは大気中に継手を保持し、続いて空冷、
水冷、油冷などの冷却を適宜施し、さらに継手によって
は３０分〜２時間程度の焼戻し処理を兼ねた均質拡散処
理を施した。

【００２８】得られた継手は、図４に示すように、接合
鋼管継手１９の軸方向の引張試験によって継手強度を評
価した。なお、インサートメタルの厚みは、１０〜１２
０μｍのものを準備した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表３は本発明における一部の接合条件と評
価結果をまとめて示したものである。表中にて開先接触
長さとあるのは、図５に示したように、鋼管の継手開先
の軸線を通過する断面で切断した断面図において、雌雄
の開先がその間に非晶質液相拡散接合用合金箔（インサ
ートメタル）を挟んで突き合う、いわゆる開先面の、断
面図上の内表面から外表面あるいはその逆の方向への総
長であり、図５（ａ）、（ｂ）共に太い線分で示した長
さである。断面図においては、鋼管継手の軸線を挟んで
上下対称の形態をとるが、表中に示した長さとは、その
一方の長さに限定した。

【００３２】表３の本発明例に対して表４の比較例は、
全て溶接開先接触長が本発明の範囲から外れるもので、
加熱コイル外まで開先面が達してしまい、接合が不可能
であった場合である。

【００３３】

【表３】

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る鋼管継
手によれば、液相拡散接合により接合応力を高め、か
つ、突き合わせ面積の増大が図れるため、接合強度の高
い継手を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る鋼管継手の一例を示すもので、２
段の傾斜開先面を有する雌雄継手の軸方向断面図の上下
対称な図のうち、上半分の模式図である。

【図２】本発明に係る鋼管継手の他の例を示すもので、
３段の傾斜開先面を有する雌雄継手の軸方向断面図の上
下対称な図のうち、上半分の模式図である。

【図３】従来の単純１段の傾斜面を有する雌雄鋼管継手
の軸方向断面の模式図である。

【図４】接合済みの鋼管継手とその軸線方向を示す図。

【図５】本発明の実施例における継手の接触長さ説明す
るための図。

【符号の説明】

１，２ 接合すべき鋼管 ３，９ 鋼管外表面 ４，１０ 鋼管内表面 ５，１１ 鋼管の第１傾斜面 ６，１２ 鋼管の第２傾斜面 ７，８，１３，１４ 鋼管表面に対する垂線 １５，１８ 非晶質金属箔 １９ 接合した鋼管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの鋼管の端部を相互に突き合わせ液
   相拡散接合するための継手において、一方の鋼管の端部
   に、鋼管外表面側から外表面の垂線とのなす角度Ａが５
   °〜８５°の第１傾斜面と、該第１傾斜面に続く鋼管内
   表面の垂線とのなす角度Ｂが５°〜８５°の第２傾斜面
   とを有し、第１傾斜面と第２傾斜面とのなす角度Ｃを０
   °〜８０°とした接合開先を形成し、他方の鋼管端部
   に、前記一方の鋼管端部と隙間なく嵌合し得る如く、一
   方の鋼管端部に形成した傾斜面と対応した角度Ｄ，Ｅ，
   Ｆをそれぞれ有する第１傾斜面及び第２傾斜面を有する
   接合開先を形成すると共に、接合時の両開先間に、厚さ
   ５〜３００μｍで前記開先形状に合致する形状の、液相
   接合可能な非晶質金属箔を配置させて接合時の開先接触
   面積を増加させ、継手全長が鋼管肉厚ｔの２ｔ〜１００
   ０mmであることを特徴とする接合強度の高い鋼管の液相
   拡散接合用継手。
2. 【請求項２】 突き合わせる２つの鋼管端部の接合開先
   における第１傾斜面及び第２傾斜面の間に、第３傾斜面
   をそれぞれ設け、第１傾斜面と第３傾斜面とのなす角度
   Ｇ，Ｉと第３傾斜面と第２傾斜面とのなす角度Ｈ，Ｊ
   は、いずれも５°〜８５°としたことを特徴とする請求
   項１記載の接合強度の高い鋼管の液相拡散接合用継手。