JPS6222713B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は薄肉管体を摩擦圧接する方法に関す
る。 たとえば、肉厚が５mm程度以下の薄肉パイプの
継手を得ようとする場合には通常ガス溶接、抵抗
溶接（フラツシユ溶接、バツト溶接、フラツシユ
バツト溶接）、ろう付けあるいははんだ付けなど
の方法がとられる。とくに銅とアルミニウムのよ
うな互いに接合しにくい異種金属の継手ではフラ
ツシユバツト溶接や拡散接合などが行なわれるが
いずれも作業性が悪い。作業性の良い迅速接合法
としては摩擦圧接法があるが、薄肉パイプ（肉厚
５mm程度以下）や外径の小さいパイプ（外径が20
mm程度以下）ではパイプの座屈や芯振れの面から
摩擦圧接中にうまく加圧できない。したがつてこ
のような寸法のパイプの接合には必然的に上記し
た各種溶接法を選ぶことになるが、その場合前述
のように作業性が悪いという問題があつた。 本発明の目的は前記した従来技術の欠点である
作業性の悪さをなくすため、従来不可能とされて
いた薄肉パイプの摩擦圧接方法を提供するにあ
る。 上記目的を達成するために、本発明は接合すべ
き先端に軸心に対して角度αでもつて傾斜させた
テーパ面を形成した第１の金属管と、この第１の
金属管の内径と同じか、それ以上で、且その外径
ｄ_Bより小さい内径を有する第２の金属管と、内
面に第２の金属管を挿入する挿入部、ｄ_B＜d₁＜
（ｄ_B＋2t_A）（但しｄ_Bは第１の金属管の外径、ｔ_A
は第２の金属管の肉厚）なる関係の内径d₁を有す
る内円筒部、及びこれらの中間に位置し、且軸心
に対して角度βでもつて傾斜させたテーパ面を有
する中間部からなる穴を備えた断熱リングとを、
上記角度α、及びβが10゜≦α≦β≦30゜なる関
係を有するように準備し、上記断熱リングの挿入
部に挿入された第２の金属管と上記第１の金属管
とを相対的に高速回転しながら移動させて押圧
し、第１の金属管と断熱リングのテーパ部との間
で第２の金属管をしごきながら拡管し、更に押圧
を進めることにより拡管された第２の金属管の先
端を上記リングの内円筒部の内径面と第１の金属
管の外円筒部との間隙にすべり込ませ更に押圧を
進めて第２の金属管が上記リングの中間部の最小
径部に接触して次に第１の金属管とリングの穴と
の間隙を充てんするまで進め、第２の金属管の外
周面を上記リングで支えて上記第１の金属管のテ
ーパ面及び外円筒部と第２の金属管の内面とを回
転摩擦熱で加熱溶融状態にした後、回転と移動と
を停止せしめて両金属管を空冷して接合すること
を特徴とするものである。 以下本発明を実施例によつて説明する。 第１図は本発明を実施する際に使用した摩擦圧
接位置を示す平面図であつて、４０は該位置の回
転側、５０は静止側である。まず回転側４０につ
いて説明すれば、１０は端面を角度α（第２図）
に面取りした被接合パイプである。このように面
取りをしたので、回転側と静止側の被接合パイプ
の外径寸法が同一であつても、回転側のパイプ１
０を静止側のパイプ内に滑らかに挿入することが
できる（詳細は後述する）。９はパイプ１０を掴
むドリルチヤツク、８はドリルチヤツク９の軸３
０を軸支するアンギユラ軸受、６はカツプリング
７を介して軸３０に接続されたクラツチ・ブレー
キユニツト、５はクラツチ・ブレーキユニツトの
プーリである。１はモータ、２はモータ１と一体
に設けられた交速機、３はモータ軸に取付けられ
たプーリ、４はプーリ３，５間に掛け渡されたＶ
ベルトである。 次に静止側５０について説明すれば、１１は静
止側被接合パイプのパイプホルダ（詳細は第２図
によつて後述する）、１２はパイプホルダ１１を
掴むコレツトチヤツク、１３はコレツトチヤツク
１２を固定するチヤツクホルダ、１４，１５はス
ライドレールであつて、チヤツクホルダ１３はそ
の下面に取付けられた２個の軸受（図示せず）に
支持されてスライドレール１４，１５上を左右
（第１図において）に移動可能である。１６は空
気シリンダであつて、空気シリンダ１６のピスト
ンロツド３１はチヤツクホルダ１３に固定されて
いる。 パイプホルダ１１の詳細を第３図によつて説明
すれば、１７は回転側被接合パイプ１０と同一の
外径ともつ被接合パイプである。１８は被接合パ
イプ１７の端部外周に嵌められる断熱リングであ
つて、第４図に示す如く、断熱リング１８の内面
にはテーパが設けてあり、d₁寸法はパイプ１０で
パイプ１７を拡管したときにパイプ１７にしごき
がかかるような寸法に選ぶ。またd₂寸法はパイプ
１７の外径にほぼ等しい。角βは10゜〜30゜の範
囲に選ぶのがよく、前記したパイプ１０の面取り
角αとβの関係は次の条件を満足するようにきめ
るのが適当である。 10゜≦α≦β≦30゜ ……(1) さらに断熱リングの材質としては、価格的にみ
た場合、アスベストヘミツトがよい。強度上から
みるとセラミツクスが望ましい。 ２１はパイプ１７の外周に嵌められるコレツ
ト、２０，２２はコレツト締付治具である。 パイプ１７の固定方法は、まずパイプ１７をコ
レツト２１に挿入し、コレツト取付治具２０を締
めるとコレツト２１の切込み（図示せず）が締ま
りパイプ１７が固定される。この状態で断熱リン
グ１８を入れ、リング押え１９を締めると断熱リ
ング１８が固定される。 回転側４０と静止側５０の配置に関しては、両
パイプ１０，１７の軸線が同一直線上にくるよう
に配設しなければならない。 また変形抵抗の異なる異種金属パイプの接合を
行なう場合には、変形抵抗の大きいパイプを回転
側に取付け、変形抵抗が小さいパイプを静止側
（拡管される側）に取付けることが肝要である。
たとえば、アルミニウム管と銅管を接合する場合
には、銅パイプを回転側に、アルミニウムパイプ
を静止側に取付ける。 次に本装置によつて摩擦圧接する方法を説明す
る。 第１図においてモータ１を駆動すると、その回
転力は変速機２、プーリ３およびＶベルト４を経
てプーリ５に伝達され、さらにクラツチ・ブレー
キユニツト６、軸３０を経てドリルチヤツク９に
取付けられた被接合パイプ１０を回転させる。一
方、空気シリンダ１６に圧力源（図示せず）から
空気圧を供給すると、ピストンロツド３１が突き
出される力でチヤツクホルダ１３をレール１４，
１５に沿つて移動させ、パイプホルダ１１内に取
付けられた被接合パイプ１７を回転側の被接合パ
イプ１０に押し付ける。被接合パイプ１０の先端
は、前記したように面取りされているので、両被
接合パイプ１０，１７の外径寸法が同一であつて
も、パイプ１０がパイプ１７内に入つて行く。こ
のときパイプ１７は、第５図に示すように、パイ
プ１０と断熱リング１８のテーパ面との間で拡管
される。パイプ１７を押し付けている間に十分発
熱してパイプ１０，１７の境界面が溶融状態にな
つたとき、クラツチ・ブレーキユニツトを働かせ
てパイプ１０を急停止させ、押付荷重をかけたま
ま接合部を空冷すると両パイプが接合される。 即ち、パイプ１０の先端に形成したテーパ面の
角度αと、断熱リング１８の中間部に形成したテ
ーパ面の角度βとの間に、前記したように10゜≦
α≦β≦30゜になるようにしたので、第７図に示
すように点３１における曲げ抵抗ｆ_Rが小さく、
パイプ１７の先端部を拡管して断熱リング１８の
内円筒部（ストレート部）とパイプ１０の外周と
の間隙３０に円滑にすべり込ませることができ、
その後α＜βなる関係にしたことにより、パイプ
１７が断熱リング１８の中間部のテーパ面３４の
最小径部３２に接触し、大きな力Fsが作用し、
点３１と点３２の関隙が大きいことにより、パイ
プ１７の先端部全体を力Fvで外方に押し進めて
上記間隙３０に入り込ませやすくすると共に点３
１の付近を十分予備加熱し、空隙３３がパイプ１
７によつて充填されると、パイプ１７の外周面が
断熱リング１８の中間部のテーパ面３４により支
えられてパイプ１０のテーパ面３５とパイプ１８
の内径面３５との面圧が得られて摩擦圧接接合す
ることができる。特にβを大きすると充填される
空隙が大きくなつて３１と３２との間の間隙が狭
くなり、切断されやすくなつてしまう。そこでβ
としては30度位が限界である。またFt＝Fs sin
αが小さいことにより、パイプ１０とパイプ１
７との接合部３６が内径内に尖出されるのが防止
され、切削等の後加工の必要性のない接合部が得
られる。なお、角度αが10゜より小さくなると、
パイプ１０のテーパ先端部の強度が弱くなり、パ
イプ１７を拡管できにくくなる。 第６図はこのようにして摩擦圧接されたパイプ
の接合状態を示す模式図であつて、２３は溶融層
を示す。 次に第１図に示した装置によつて、銅とアルミ
ニウムの薄肉パイプを摩擦圧接した２例を説明す
る。 第１表は摩擦圧接の諸元を示したものであつ
て、各ケースとも摩擦圧接時間は約４秒、回転側
パイプ（銅パイプ）を急停止した後の空冷時間は
約５秒である。

【表】 このようにして接合した銅−アルミニウム継手
の特性を第２表に示す。第２表から両ケースとも
継手の強度ならびに耐圧性は十分であることがわ
かる。 なお本実施例においては、静止する管体を回転
する管体に押圧するようにしたが、これとは逆
に、回転する管体を静止する管体に押圧するよう
にしてもよい。 また、断熱リングを外周に挿入した管体を高速
回転し、端面を面取りした管体を静止側に配設す
るようにしてもよい。

【表】 以上説明したように本発明によれば、接合すべ
き先端に軸心に対して角度αでもつて傾斜させた
テーパ面を形成した第１の金属管体と、この第１
の金属管の内径と同じか、それ以上で、且その外
径ｄ_Bより小さい内径を有する第２の金属管と、
内面に第２の金属管を挿入する挿入部、ｄ_B＜d₁
（ｄ_B＋2t_A）（但し、ｄ_Bは第１の金属管の外径、
ｔ_Aは第２の金属管の肉厚）なる関係の内径d₁を
有する内円筒部、及びこれらの中間に位置し、且
軸心に対して角度βでもつて傾斜させたテーパ面
を有する中間部からなる穴を備えた断熱リングと
を上記角度α、及びβが10゜≦α≦β≦30゜なる
関係を有するように準備し、上記断熱リングの挿
入部に挿入された第２の金属管と上記第１の金属
管とを相対的に高速回転しながら移動させて押圧
し、第１の金属管と断熱リングのテーパ部との間
で第２の金属管をしごきながら拡管し、更に押圧
を進めることにより拡管された第２の金属管の先
端を上記リングの内円筒部の内径面と第１の金属
管の外円筒部との間隙にすべり込ませ、更に押圧
を進めて第２の金属管が上記リングの中間部の最
小径部に接触して次に第１の金属管とリングの穴
との間隙を充てんするまで進め、第２の金属管の
外周面を上記リングで支えて上記第１の金属管の
テーパ面及び外円筒部と第２の金属管の内面とを
回転摩擦熱で加熱溶融状態にした後、回転と移動
とを停止せしめて両金属管を空冷して接合するよ
うにしたので次のような効果が得られる。 １ 従来、不可能とされていた薄肉あるいは小外
径のパイプを変形させることなく、しかも接合
強度を強くして摩擦圧接することができる。 ２ 薄肉あるいは小外径パイプに対する従来の各
種溶接法に比較してきわめて短時間で薄肉ある
いは小外径のパイプの接合が変形させることな
く、しかも接合強度を強くして可能となる。冷
却時間を含めて10秒以下で接合可能である。 ３ 銅とアルミニウムのように接合性の悪い異種
金属パイプの摩擦圧接も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する際に使用した摩擦圧
接装置を示す平面図、第２図は回転側の被接合パ
イプの断面を示す側面図、第３図は静止側の被接
合パイプのホルダを示す断面図、第４図は断熱リ
ングを示す断面図、第５図は断熱リング内で静止
側被接合パイプが回転側の被接合パイプによりし
ごき拡管された状態を示す断面図、第６図は本発
明により接合されたパイプ継手の接合状態を示す
模式図、第７図は更に第５図より具体的に断熱リ
ング内で静止側の被接合パイプが回転側の被接合
パイプによりしごき拡管されて接合されていく状
態を示す断面図である。 １０……回転する管体、１７……静止する管
体、１８……断熱リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 接合すべき先端に軸心に対して角度αでもつ
   て傾斜させたテーパ面を形成した第１の金属管
   と、この第１の金属管の内径と同じかそれ以上
   で、且その外径ｄ_Bより小さい内径を有する第２
   の金属管と、第２の金属管が挿入される挿入部、
   上記第１の金属管の外径をｄ_Bとし、第２の金属
   管の肉厚をｔ_Aとしたとき、ｄ_B＜d₁＜（ｄ_B＋
   2t_A）なる関係の内径d₁を有する内円筒部、及び
   これらの中間に位置し、且軸心に対して角度βで
   もつて傾斜させたテーパ面を有する中間部からな
   る穴を備えた断熱材製リングとを、上記角度α及
   び角度βが10゜≦α≦β≦30゜なる関係を有する
   ように準備する第１の工程と、上記第２の金属管
   の接合すべき先端部を上記リングの穴内に位置せ
   しめてこの第２の金属管の先端部と第１の金属管
   の先端部とを同一軸心上に対向せしめる第２の工
   程と、上記第１の金属管と第２の金属管とを相対
   的に軸心回りに回転させながら軸心方向に互いに
   接近するように移動させて係合後押圧し上記第２
   の金属管の先端部を上記第１の金属管のテーパ面
   で拡管させ、更に押圧を進めることにより拡管さ
   れた第２の金属管の先端を上記リングの内円筒部
   の内径面と第１の金属管の外円筒部との間隙にす
   べり込ませ、更に押圧を進めて第２の金属管が上
   記リングの中間部の最小径部に接触して次に第１
   の金属管とリングの穴との間隙を充てんするまで
   進め、第２の金属管の外周面を上記リングで支え
   て上記第１の金属管のテーパ面及び外円筒部と第
   ２の金属管の内面とを回転摩擦熱で加熱しつつ圧
   接する第３の工程と、該第３の工程後、上記回転
   と移動とを停止せしめて上記リングを除去する第
   ４の工程とからなることを特徴とする管体の摩擦
   圧接方法。 ２ 上記リングの内円筒部の内径d₁を（ｄ_B＋ｔ
   _A）〜（ｄ_B＋1.6t_A）とすることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の管体の摩擦圧接方法。 ３ 上記第１の金属管と第２の金属管の内外径が
   同一であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の管体の摩擦圧接方法。 ４ 上記第１の金属管、及び第２の金属管の外径
   を３〜８mm、各管の肉厚を0.5〜１mmとし、各管
   が小径薄肉であることを特徴とする特許請求の範
   囲、第１項、第２項、または第３項記載の管体の
   摩擦圧接方法。 ５ 上記第１の金属管を銅管で形成し、第２の金
   属管をアルミニウム管で形成することを特徴とす
   る特許請求の範囲、第１項、第２項、第３項、ま
   たは第４項記載の管体の摩擦圧接方法。