JPS5950919A - ベロ−ズの成形方法 - 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】 本発明はベローズの成形方法の改良に関し、特に高強度
大型アルミ合金ベローズの成形に好適なものである。

各種プラント等の配管等の接続に用いられるベローズは
熱伸縮や組立誤差等を吸収するため配管要素として重要
なものである。このようなベローズも近年のプラント等
の大型化に伴い大型ベローズが必要となっており、特に
原子力機器用のものでは低放射化のためアルミ合金化す
るすう勢にあり、真空容器構成上のベローズもアルミ合
金薄板で作ることが必要とされると共に大気圧のほか電
磁力も作用することから高強度化する必要がある。

一般に行なわ１１ているベローズの製作は円筒素材の一
部′に波形に成形することによってなされておシ、小径
ベローズにおいては引抜きチューブまたは深絞り加工し
た円筒素管を用いているが大径の大型ベローズでは設備
上これらの大径シームレス管金得ることが不可能であり
、第１図（ａ）（ｂ）に示すように平板１ｔｌ−曲面に
成形して曲板２としたのち、これを複数枚溶接して組立
てたいわゆる溶接素管３金用いざるを得ない。

一方、高強度アルミ合金製ベローズ全製作する場合には
、素材として通虐、熱処理によって硬化させることので
きる熱処理型アルミ合金の採用、または冷間加工によっ
て硬化させることのできる加工硬化型アルミ合金の採用
が考えら扛るが、と扛らの素材を用いた溶接素管では溶
接入熱の影響による次のような問題がある。

（］）加工硬化型アルミ合金（非熱処理型合金）では、
冷間加工によって加工硬化を与えた素板（ＪＩＳＨ００
０１による質料記号−）（ｘｘで表わされるもの）を溶
接すると、その溶接入熱によって加工硬化の効果が消滅
し、第２図に示すように、溶接部近傍が軟化してしまう
。

このため、次工程でのベローズ成形の際、母材部よりも
軟質の溶接部熱影響層に塑性変形が集中し、早期破断を
生じてしまい所要のベローズ形状１寸法に成形が不可能
となる。

（２）熱処理型アルミ合金では、溶体化処理及び時効硬
化処理によって強化した素材（ＪＩＳＨｏｏｏｌによる
質料記号−Ｔｘｘで表わされるもの）を溶接すると、そ
の溶接人熱圧よって、第３図に示すように、溶着金属１
全中心に溶融帯■、固溶域（粗粒化）■、軟化域（析出
過度り■、母材■というような組織が連続して形成され
熱処理効果が変化すると共にオーバ一時効部の出現によ
って母材部よシも軟化した領域が現われる。このため、
木素管においても次工程のベローズ成形の際、この部分
に局部的な変形の集中が生じた勺破断する等の不具合が
生じてベローズ成形が不可能となる。

さらに、これら溶接部熱影響層の問題のｔｌか、母材部
の成形性について本両型式のアルミ合金とも次のような
共通した問題がある。

（３）質料記号−Ｈｘｘ　ｂよび−Ｔｘｘで表わされる
硬化材の延性は、第１表にその代表例を示すように、焼
なまし月（−〇利）に比べて本質的に低下する。このた
め素管円周長をベローズ山頂部の円周長に伸ばすことで
行なうベローズ成形の際、たとえ接手効率（溶接ＮＳ　
’ｊＭ　ａ７母材強度）が１００％であっても母材自体
の伸び性が悪ければ所要の形状１寸法まで成形すること
はできなくなってしまう。

以上のような素材の溶接部熱影響層による成形性の悪化
と素材自体の成形性の悪化の問題全考慮して溶接素管か
らの高強度アルミ合金ベローズの製造法としては次のよ
うなものが考えられる。

（１）　　！、処理型アルミ合金による場合には、第１
図（ａ）に示すよう罠、焼なまし材（−０利）の平板ｉ
’を曲は加工して曲板２とし、この曲板２を組立てて素
管溶接全行って溶接素管３′に作シ、さらＫこの溶接素
管３にベローズ荒成形を行なって荒成形品４を得、その
後、溶体化処理５および仕上げ成形を行なって仕上げ成
形品６とし、これ全時効硬化処理７衾行なう加工プロセ
スの採用が支配的な考え方であった。

この仕上げ成形は溶体化処理（均熱加熱後水冷）時に発
生する熱処理歪の矯正ｔｌ−兼ねるものであル、時効処
理は溶体化処理によって形成された過飽和固溶体から析
出元素（Ｍｇ。

Ｃｕ等）ｔ−マトリックス中に析出させて硬化させる処
理で合金の種類によって常温時効処理型（代表例：　２
０２４−　Ｔ、、　）あるいは加熱保持後空冷する人工
時効処理型（代表例：　６０６１−　Ｔｅｘ　＃　２２
１９−　Ｔ、、等）を選ぶ。

この製造法にあっては、溶接入熱による局部的軟化はそ
の材質の最も軟かい焼なまし状態に和尚するものである
から一〇材で素管溶接を行なう仁と１−１接手効率低下
の防止に役立つと共に一〇月でベローズ荒成形全行な５
ｊとけ、その材質の有する最良の成形性および最低変形
応力トでの塑性加工を可能とする利点があり、さらに、
荒成形後の熱処理によって成形にともなう各部の不均一
加工硬化を同時に除去して全体に均タタな熱処理強度全
力えることができる利点がある。

しかしながら、熱処理１稈およびその設備（溶体化処理
炉２人工時効処理炉）が必要となることからコストアッ
プ要因が潜在的な問題として存在してかり、特に大型ベ
ローズの場合には次のような重大な問題が実絢阻害要因
として顕在化してくる。すなわち、直径２ｍ級以上の大
型アルミ合金ベローズを熱処理するには超大型の溶体化
処理炉および人工時効処理炉（但し、常温時効型合金の
場合には帯設備も必要であシ、これらの超大型設備は極
めて高価であるため製品の価格の高騰全損くことから専
用設備として新設することは実質的に不可能に近い。

そこで、他の目的で設置しである超大型熱処理設備全利
用することも可能であるが、溶体化処理Ｉ７たフルミ合
金は、一般に処理直後では焼なまし材に次ぐ軟質状態を
維持するが、字源放置時間の経過とともに常温時効型合
金はもちろんのこと人工時効型合金においても常温時効
硬化が起り、しだいに成形性が悪化する特性があるため
超大型熱処理設備とベローズ成形設備との地理的問題が
あり、離れている場合にＬ溶体化処理材の輸送中または
仕上げ成形作業の待ち時間中に硬化してしまい仕上げ成
形において割れなどの不具合の原因となる。

尚、この常温時効を阻止して溶体化処理後の軟質状態を
維持することは氷点下数中度℃に冷蔵することによって
技術的には可能であるが、そのため超大型で（〜かも可
搬式の冷凍庫を必要とし既設の大型熱処理炉を利用する
利点が相殺さｉ″Ｌ設備費の高騰を招いてしまう。

（２）加工硬化型アルミ合金を用いる場合、溶接素管か
ら出発せざる４得ない大型ベローズでは、−Ｉｌｘｘ桐
からの１１１発は不可能に近く、第１図６）に示すよう
に　　Ｃ祠から出発し、−〇利のまま成形ケ完了する加
工プロセスが通常採用されて卦シ、ベロ−ズの所要加工
度によっては成形途中に中間焼なまし処理全行なってい
る。

このような製造法でｔ、ｔｌ、ベロ−ズの山Ｊ口部に近
づくほど加］−硬化が大きくなって強度は上昇するが、
谷底部や両端の直管部は＃１＃Ｙ素管径のまま維持さ７
７、ることから加工硬化がほとんど起らず−０１ｉと［
７での素材強度［７か期待できない。すなわち、ベロー
ズ各部に不均一な強度分布が生じ、ベロー・ズ全体とし
ての強度り：最も弱い部勺で評定さ）］るため本質的に
高強度ベローズを製作することは不可能である。

このようにいずれの溶接素質を用いる場合にもそれぞれ
重大な問題があり大型亮強度のベローズの成形はできな
い。

本発明はかかる従来技術に鑑みてなされたもので、均質
かつ高強度の大型ベローズ耐熱処理等の設備を必要とせ
ず成形できるベローズの成形方法の提供を目的とする。

かかる目的を達成する本発明の構成は、円筒素材を波形
に加工してベローズを成形するに際し、円筒素材をベロ
ーズの谷底径よシも小径とする一方、仁の円筒素材全拡
管工程により前記ベローズの谷底径Ｕ近まで拡管したの
ち、さらに成形工程によりベローズ形状全成形すること
を特徴とする。

すなわち、素管の直径をベローズ谷底径よりも積極的に
小さくしたものを準備し、これをベローズ谷底径までベ
ローズ成形に先立ち、またはベローズ成形と同時に拡管
し、この後ベローズ成形を行なうものでアシ、従来多用
されている液圧成形法によるベローズ成形などの場合の
素管外径全金型内径よシも若干（数Ｂ）小さく準備し素
賃金金型に装着する際の接触によるスクラッチきずの防
ｒｆ：、　ｖｒ−はかるものと異なり、ベローズ谷底径
よりも小径の素管を第１工程として拡管することで意識
的に加−Ｉ硬化を付与するようにしている。

以下、図面を参照して本発明を詳ａｌ　Ｋ説明する。

第４図ｒａ）　ｔＪ本発明のベローズの成形方法の一実
権例にかかる工程説明図である。

ベローズ成形用の溶接素管１２Ｙ−ｊ加工硬化型アルミ
合金を用い平板１０’を曲げ加工して曲板１１としたの
ち、これを組合せて溶接したものであり、溶接時の熱影
響全最小化すると共に接手効率の低下を防止しでベロー
ズ成形時の局部変形集中防止金はかシ、さらに、冷間加
工による強度向上をはかる。

この溶接素管１２の外径Ｄｉｎはベローズ谷底径１）ｌ
、よシも小径に成形さ第１１、例えば、谷底径Ｄｊｂ　
’ｃ　２０００　ｍとする場合に外径Ｄｔｏ　ｋ　１９
００朗とする。

こうして予め所要量小さく製作された溶接素管１２は、
ベローズ谷底径１）ｔｂ近傍まで拡管するため液圧拡管
用の成形用金型１３内にセットされ、上下両端部外周全
０リング１４等でシールしたのち、内側から液圧′ｐを
負荷すると共にプレヌカＰｔ加えて軸方向圧縮全行なう
ことによって溶接素管１２が図中実線で示ず町うに成形
用金型１３の内壁に当たるまで変形させて拡管する。

こうして拡管することによってベローズの谷底部および
両端直管部にも積極的に冷間加工がなされ、従来法では
母材強度のまま残留する部分全排除するのである。尚、
溶接素管１２の径は過度に小さくするとベローズ成形に
おける山頂部の加工度をその母材の成形限界以上に高め
るとととなるため適切な素管径とする必要がある。

この拡管ののち、ベローズ成形工程として、さらに液圧
ｐおよび軸方向圧縮プレスヵＰｉ増加させてベローズ成
形用金型１５（図示例でｔま拡管用の成形金型１３と兼
用）内のベローズ山頂部へ膨出させ金型１５の形状に沿
った所定のベローズ全成形する。

こうして冷開成形により拡管工程およびベローズ成形工
程が完了したのち、最終的に製品とするため両端部の素
管径のままの部分等を切除する等のトリム加工１６およ
び比較的低温で加熱する安定化処理（−Ｈ，ｘ　）　１
７　ｋ行なってベローズの成形が完了する。

この場合の安定化処理は加工硬化型アルミ合金を高加工
度で０間加工すると強度は上列するがＭｇ全多く含有す
る加工硬化型合金では応力腐食割ｉｔの感受性が高まる
ことから、この感受性を低め馴応力腐食割れ性を改善す
るものであシ、具体的ｖｃｔｔよ質別ＮＣ号−１１，ｘ
に対応する処理を行なう。

このようにして成形さ！ｔた大型ベローズでｔよ、従来
法に比較して高強度とすることができるが、こ扛を５０
５２アルミ合金を用いて直径２０００門のベローズ全製
造した具体例についてその効果を検討しこれを第５図お
よび第２表に示した。

これら図表から明らかなように、素管径Ｉ）ｉｏがベロ
ーズの谷底部直径Ｄｉｂとほぼ等しい直径２０００簾の
素管から出発する従来法（第１図０））に和尚）ではベ
ローズ成形後に期待できる谷底部強度σ、ｂおよび山頂
ｆｆ１（強度σｙｔは次のような値となる。

σｙｂ　＝　９．１糠ｆ／ｗ）　（＝素材降伏応力）σ
ｙｔ　＝　１６．５　Ｋｑｆ／、Ｊ 第　　　２　　　表 このように谷底部強度σｙｂは低く月っベローズ内の強
度分布が不均一である。

これに対し本願のベローズの成形方法では、素管径’）
ｉｎ　ｋ　１９００−と約５４　（１００！ＩＩｍ　）
小さくし７たものを用いる仁とで拡管による谷底部の冷
間加工度ａｈＦｉ５．３　％　、　＋１．＋頂部の冷間
加工度ε１ｉｄ１１．４係となり、その強度σｙ１）、
σｙｔは次のようになる。

σｙｈ　＝　１６．２　”’／、Ｊ Ｋりｆ σｙｔ　＝　１　ｓ、ｉ　　　／、４ このように従来法にくらべ谷底部強度σｙｂが約７８係
も増大すると共に１１１頂部強度りｙｔでも約１（）チ
の強度向上が認められる。また、これら強度はｔｌに均
一となる。

以上のように加工硬化型アルミ合金金用いるベローズの
成形法にかいて、未管径を意識的に小さくしておくこと
によシ従来法では不可能であった均質かつ高強度の大型
アルミ合金ベローズが製作できる。また、従来の熱処理
型アルミ合金を用いる場合のような超大型熱処理設備を
必要とせず簡単な成形設備で製作でき設備費の低減がｔ
よかれ製品コスｔ・の低減となる。

次に、第４図（ｂ）ｆｆｉ参照して本発明の他の実施例
を説明する。

本実施例では、ベローズの谷底径よシ小径とされた溶接
素管１２ｔ−ベローズ谷底径Ｄｉｂ近傍まで拡管する工
程を液圧成形法にかえ冷間圧延法を用いる。

溶接素管１２としてけ上８Ｃ実相例と同様に加工硬化型
アルミ合金を用い、その−０月を溶接して外径１）ｉｏ
がベローズ谷底径Ｄｉｂより小径としたものを作る。こ
ののち、拡管工程として一対の圧延ロール１８を用いで
、第４図（１））に示すように冷間圧延全行って板厚ｔ
ｏｉｔｌとし圧延キ管１９外径がベローズ谷底径Ｄｉｂ
とｔｌは一致Ｊるまで拡管を行なう。

こうして拡管がなされた圧釜＋管１９は、引き続いて上
記実施例と同様に図示しない液圧成形用金型内にセット
し、液圧ｐｋ加えると共に軸方向圧縮プレス力Ｐを与え
て所定のベローズ成形を行なう。

こうしてベローズの成形がなされたのち必要に応じてト
リム加工を施こし、さらに安定化処理（−ｌｌ５Ｘ　）
　１７　ｆ、行なって製品が得られる。

以上のような拡管全冷間圧延で行なう場合についてその
加工硬化については次のようになる。

一般に薄板の圧延において、板幅Ｗが板厚ｔ。

合には圧延による幅方向変化は無視できる程度であシ、
圧延加工前後における体積は一定であることから次式（
１）が成り立つ。

π　拳　Ｄｉｏ　　”　　ｔ□　　＠　　Ｗ＝＝　π　
・Ｉ）４ｂ　＠　ｔ、　　・Ｗここで、Ｉ）ｉｏ：溶接
素質直径 ｔｏ：溶接素管板厚 ｆ）ｉｂ：圧延素管直径 ｔＩ：圧延素管板厚 また、圧延加工における加工度（圧下率ａｔ）は次式（
２）で与えられる。

一般に圧延後の強度はこの川下率に関係するからこの圧
下率全適切に設定することで所望の強度レベル全行るこ
とができる。

すなわち、圧延素管の直径Ｄｉｂおよび板厚ｔ。

は最終製品としてのベローズの設計要求寸法として与え
られるから圧延強度を満足する圧下率ケ定めれば上式（
２）より溶接素管の板厚型０ヲ定めることができ、この
ｔ。から直径Ｄｉｏも上式（１）よシ求めることができ
る。

以上のように冷間圧延法による拡管全行なうことで素管
の強度増加ヲはかることができると共に溶接ビード部の
板厚変化や母材の組織を改善して均質な圧延素管とする
ことができ、ひいてはベローズの板厚や組織の均一化を
はかることができる。

また、上記実施例の液圧拡管法による拡管でけ素管に引
張変形が起るのに対し、冷間圧延法では圧延変形が起シ
、圧延加工による方が最大冷間加工度を大きくとれ冷間
圧延後の素材の強度レベルを高くとれる。

し念がって、次工程でのベローズ成形においても均一な
強度分布のベローズが得ら７Ｌる。

尚、小径とした素管を拡管することで高強度とすること
ができることからベローズのみならず薄肉パイプや配管
接手あるいり、圧力容器や真空容器、さらに社薄肉円筒
部品等にも応用することができる。

以上、２つの実施例とともに具体的に説明したように本
発明圧よハげ、ベローズ谷底径よル小径とした素管を用
い、これ全ベローズ谷底径近傍捷で拡管し、こののちベ
ローズ成形を行なうことで高強度でしかも均質なベロー
ズ全簡単に作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ｒ）（ｂ）は従来のベローズ成形法にかかる工
程図、第２図は溶接部近傍のかたさの変化の説明図、第
３図は溶接組織の説明図、第４図（ａ）（）））ｈそれ
ぞれ本発明のベローズの成形方法の一実施例の工程図、
第５図は加工硬化型アルミ合金の応力・伸び線図である
。 図　　面　　中、 １２は溶接素管、 １３は液圧成形用金型、 １５はベローズ成形用金型、 １８は圧延ロール、 １９は圧延素管である。 特許出願人 三菱重工業株式会社 復代理人 弁理士光石士部 （他１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円筒素材を波形に加工してベローズを成形するに際し、
   円筒素材金ベローズの谷底径よシも小径とする一方、こ
   の円筒素材全拡管工程によシ前記ベローズの谷底径付近
   まで拡管したのち、さらに成形工程によりベローズ形状
   を成形すること全特徴とするベローズの成形方法。