JPS635887A - 異種材料の管の接合方法 - 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〕 本発明は線膨脹係数の異なる材料で出来ている管の接合
方法に係り、特に接合界面に割れが生ずるＯを防止する
のに好適々接合方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、異種材料のパイプの接合方法としては、特開昭６
０−９５９１号公報に記載のように、双方のパイプ内に
各相手方の材料で作った棒を挿着し、双方のパイプの端
面同士を当接し、当接部に通電加熱または熱間圧接処理
をしてパイプ同士を接合する方法がある。この端面の形
状は軸方向に直角となっており、接合面は最小になるよ
う罠なっている。

また、特開昭６０−３０５８８号公報には、チタン等の
管とステンレス鋼の管とを溶接する場合溶接を容易にす
るため及び接合部の耐蝕性の低下を防ぐために耐蝕性に
優れた貴金属の中間材を介在させて溶接する方法が示さ
れている。

特開昭６０−３°０５９３号公報には接合面を清浄化し
た後に接合用合金膜等を設け、さらに中間緩和材を用い
て応力の緩和を図った接合方法が示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これら従来技術は線膨脹係数の異なる材料で出来た管材
料を加熱して接合する場合、継手部の形状が双方とも同
一形状なので、常温に戻ったとき接合部に熱応力が生じ
割れを生じる危険性が高い。

前記の前二者の公報には高温で接合して室温に違した時
の応力に対する対策については、記載していない。

また前記第三の公報のように適過な中間材を用いて応力
緩和を行っているものもおるが、この方法は技術的に煩
雑であシ、特に腐食環境下で使用する場合材質によって
は中間材が著しく腐食されることが予想され、強度的に
問題を生ずることがある。

本発明の目的は接合部の割れを生じさせる熱応力を効果
的に緩和させることのできる異種材料の管接手の接合方
法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、線膨脹係数の異る材料で出来ている管の接
合部に互に嵌合するテーパー面を形成し、線膨脹係数の
大きい材料で出来ている管のテーパー面に線膨脹係数の
小さい材料で出来ている管のテーパー面を嵌め込んで密
接させ、加熱して拡散接合することによって達成される
。

〔作用〕

拡散接合は接合面を高温に加熱して冶金的に接合して一
体とするので異種材料接合部は冷却時に熱応力が発生す
る。また、接合部は両者の材料組成の元素の相互拡散に
よって脆い物質を生成することがある。さらに１接合面
にキズや不純物が付着すると接合不良が生じる。これら
が原因して接合部は母材よシ強度が低下することがあり
、そのため熱応力の発生と共に割れを生ずる。従来技術
のように管接合部が軸方向に対して直角であると熱応力
のすべてが剪断力として接合面に作用する。

しかし、第１図に示す如く、本発明のように接合面を管
軸中心に対°して傾斜をつけたテーパー面にすると、そ
の角度に応じて剪断力は半径方向と軸方向の分力となっ
て低下すること、及び線膨脹係数の大きな材料で出来て
いる管１に線膨脹係数の小さ々材料で出来ている管２を
嵌め込むように接合するので線膨脹係数の小さな材料で
出来ている管２は常温に戻ったとき圧縮側の応力状態と
なることによって、割れを発生させる応力は軽減される
。（割れは管内を流れる流体に接する管内面に引張応力
があると、そこに発生し易いが、本発明の管接手部では
内面側が圧縮応力になり、割れが発生しくくい。）第１
図で接合方向にＡの応力が作用すると半径方向の応力（
剪断力）σ１はσ１＝Ｓｉｎθ・Ａ、軸方向の応力σ、
はσ、＝Ｃｏｓθ、Ａで表われるのでθが小さい程接手
に働く剪断応力は低下することＫなる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第２図により説明する。

第２図の上半分は接合前の管接手断面である。

線膨脹係数の大きい材料の管１は１８Ｃｒ−８Ｎｉのス
テンレス鋼のＳＵＳ　３０４Ｌ鋼管で外径４４暉、肉厚
ｌＯ−のものとし、線膨脹係数の小さい材料の管２は工
業用純チタン管で外径４０＋ｍ、肉厚Ｌｏｗのものとし
た。両者の接手部には図示の如く互にフィツトするテー
パー面３を形成しておき、管１が外側になるように両者
を嵌め合せた上で接合した。テーパーは中心軸に対して
７度とし、接合面の粗さは平均３μｍであった。

接合は６　Ｘ　Ｉ　Ｑ　　ｔｏｒｒの真空中で９８０℃
に加熱し軸方向Ｋ　Ｏ，ＯＩ　Ｋｔｆ／−の力を加えて
２０分間保持して拡散接合した。

比較のため直角の端面同志を突き合せて上記と同じ接合
条件で接合した丸棒同志の接合部の引張応力は３２Ｋｆ
ｆ／ＮＪであったが、上記本発明の実施例の接手強度は
４３　Ｋｆｆ／−を示しチタン母材の引張応力に近いも
のであった。これは本実施例では接手が管状であシ、接
合面がテーパーを有し、かつ、材料の収縮力によって接
手強度を高める効果を示したためである。

第２図の下半分は接合後の加工例の断面を示す。

この加工は他の部品との接続に適した形状や外観形状を
整えるためのものである。なお、接合部は、強度的々安
全性をさらに高める場合には、もつと厚、（シても良い
。

第３図に示す実施−例は前記実施例と同じ管１゜２につ
いて接合界面３をねじ状テーパー面として、ねじ締結と
したものである。ねじ状テーパー面３のテーパーは１／
８の傾斜にした。接合条件は第２図と同様としたが、軸
方向に力を加えなかった。

この接手強度もチタン母材に近い良好な値を得た。

他の実施例として、第２図において管１をオーステナイ
ト系ステンレス鋼ＳＵＳ　３０４Ｌ製とし、管２を５ｔ
ｓＮ、のセラミックスとした。接合面には管２側に接合
性を高めるためにジルコニウムの粉末を塗布した。接合
は、１０　　ｔｏｒｒの真空中で１０５０　’ＣＫ加熱
し、その加熱温度テ０．　ＯＩ　Ｋ９ｆ／ｄの荷重を与
えるように軸方向に力を加え２分間保持した後に９４０
℃に冷却し、その温度で荷重を除き、１０分保持した後
に室温まで冷却して拡散接合を完了した。接合後は接手
部は特に加工しなかった。７゛この接手強度は２１　Ｋ
９ｆ／Ｊを示し、接手部の気密性も十分であった。

レス鋼管５に、外径が２６■よシ若干太いセラミックス
管６を拡散接合した。図示の如く、両者の接手部は互に
フィツトするテーパー面３をなしてイル。接合ハ１０　
　ｔｏｒｒの真空中でステンレス鋼管５のみを１０５０
℃に加熱し、接合面にジルコニウム微粉末を塗布した冷
却状態のセラミックス管６を徐々にステンレス鋼管５の
７ランク部に挿入して密着させ、１０５０℃で２分間保
持した後９４０℃に冷却し、１０分間保持して室温に冷
却した。軸方向には力を加えなかった。この接手の強度
Ｆｉ１８　Ｋ４ｆ／−を示し、接手として充分使用出来
るものであった。

第５図は本発明によって作製した異種材管接手部品を用
いてステンレス鋼管１２とチタン管１１とを溶接組立し
た実施例を示す。二つの溶接部９に狭まれた部分１０が
本発明によって作製した接手部品である。こ°の接手部
品１ｏは予め上記管１２および１１と夫々同材料のステ
ンレス銅管βおよびチタン管７にテーパー面３を形成し
て拡散接合で作ったものである。拡散接合部３には接合
性を良くするために１１００ｐの銀箔を中間材として用
いた。接合面３の母材８，７の粗さは最大７μｍであっ
た。接合はｌ　Ｑ−６ｔｏｒｒの真空中で１０００℃に
３０分加熱し０．０１　Ｋ９ｆ／−の接合圧力を加える
ように軸方向に力を加えた。同じ条件で作製した別の接
手から採取した試験片の引張強さは３４　Ｋ９ｆ／−で
ありチタン母材の約７０チの強度テアったので、この点
を考慮して接合部のパイプ肉厚は管１１．１２よシ４５
％厚くしである。

溶接部９はＴＩＧ溶接である。この溶接時に接合部３が
過度に加熱されないようは溶接部９と接合部３の最短距
離を４０■とじた。また溶接のパス間温度は５０℃以下
とした。この結果、十分実用性の高い異種材料の管の組
立溶接が可能となった。

なお、ステンレス鋼管とジルコニウム管についても同様
に実施して同様な結果を得た。なお、前記銀箔は必ずし
も用いる必要はない。

第６図は他の変形実施例を示す。テーパーは内面近傍と
外面近傍で管軸中心線に対する角度が中心部よシも大で
あるようくして接合線を折線状にしである。

以上、本発明の幾つかの実施例を示したが、本発明の実
施においては、テーパー角度、接合時に′加える軸方向
力、加熱温度、加熱保持時間等は、対象とする管に応じ
て、所要の接合強度および残留応力が得られるように実
験的に定めるのがよいことは勿論である。ステンレス鋼
管とチタン管の接合の場合には加熱温度は９５０〜１０
２０’Ｃ位が適当である。またテーパーの角（第１図の
θ）は管肉厚・外径などによって異るが５〜６００にす
るのが適当である。

第７図に別の例を示す。この接手は接合線がテーパーの
形状を有していないが、内面接合線と外面接合線を直線
で結べば熱収縮の面からは一種のテーパーとして考える
ことが出来る。この拡散接合部も第２図で最初に述べた
例と同様の接合条件で良好々継手を得ることが出来た。

〔発明の効果〕

本発明によれば異種材料製の管の接合部は冷却と共に内
面側Ｋ［縮応力が作用するので割れを助長する応力が軽
減されるかり接合部に割れのない良好な接合ができる。

また管に作用する力が接合面に集中することなく母材部
にも作用するので強度的に有利となシ、さらに接合面が
広く長くなるので水密性、気密性にも優れる。また腐食
環境下で接合部に腐食が進展する場合においても腐食は
長時間かかつて進展することになる。なおｔ本発明によ
れば熱膨脹差がない場合又は熱膨脹差が逆の場合でも管
の軸方向に圧力を加えることＫよ多接合できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概要を示す管接手の断面と外観を示す
図、第２図は本発明の一実施例の接合時の管接手の断面
と接合後の加工断面を示す図、第３図は本発明の他の実
施例を示した管接手断面図、第４図は本発明の更に他の
実施例を示した管接手断面図、第５図は本発明によって
作製した管接手を介して溶接した管の断面と外観を示す
図、第６図は本発明の他の実施例による管接手の中心線
よシ片側の断面図、第７図は他の例を示す片側断面図で
ある。 １・・・線膨脹係数の大きい材料の管 ２・・・線膨脹係数の小さい材料の管 ３・・・接合界面　　　　４・・・７ランジ７．１１・
・・チタン管　８，１２・・・ステンレス鋼管９・・・
溶接部　　　　　１０・・・接手部品。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、線膨脹係数の異る材料で出来ている管の接合部に互
   に嵌合するテーパー面を形成し、線膨脹係数の大きい材
   料で出来ている管のテーパー面に線膨脹係数の小さい材
   料で出来ている管のテーパー面を嵌め込んで密接させ、
   加熱して拡散接合することを特徴とする異種材料の管の
   接合方法。 ２、テーパーの角度が管の内面近傍および外面近傍と管
   肉厚中心部とで異る特許請求の範囲第１項記載の異種材
   料の管の接合方法。 ３、テーパー面がねじ状テーパー面である特許請求の範
   囲第１項記載の異種材料の管の接合方法。