WO2013073589A1 - 管の溶接接続構造 - Google Patents

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田中　芳樹
直孝 有澤
直弘 竹本
英行 森井
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Definitions

  • the present invention relates to a welded connection structure such as an exhaust pipe provided in an exhaust system of an internal combustion engine.
  • an exhaust manifold that collects exhaust from each exhaust port of the internal combustion engine and guides the exhaust to the downstream side is provided, and purification that purifies exhaust gas from the internal combustion engine is provided downstream of the exhaust manifold.
  • a device, a silencer for reducing exhaust noise, and the like are provided (see, for example, Patent Document 1).
  • a flange connection is used.
  • the exhaust pipe and the flange member are connected by welding.
  • the present invention of the first aspect is a welded connection structure of a pipe, wherein the pipe has a double pipe portion at least on one end side, and the double pipe portion has an inner pipe wall on the one end side. And the folded portion is formed in close contact with the outer tube wall, and the tube is connected to the mating member to be connected by welding in the double tube portion. .
  • the pipe is configured such that at least a part of the double pipe part has an outer diameter larger than that of the other part, and the at least part of the double pipe part (hereinafter referred to as the pipe part) , Referred to as a large diameter portion) and a portion having the smallest outer diameter (hereinafter referred to as a small diameter portion) of the pipe is formed in a tapered shape, and the tapered portion (hereinafter referred to as a taper). Is characterized in that the taper angle ⁇ does not exceed 25 degrees.
  • the angle ⁇ is an angle of an acute angle portion formed by a line extending from the outer surface of the large diameter portion along the longitudinal direction (axial direction) and the outer surface of the taper portion (in other words, the outer surface of the large diameter portion (Inner angle between the extended line and the outer surface of the tapered portion).
  • the outer surface of the mating member is formed by a line extending along the axial direction and the outer surface of the taper part on the assumption that the pipe is coaxially connected to the mating member.
  • the angle of the acute angle portion (in other words, the inner angle between the line extending the outer surface of the mating member and the outer surface of the tapered portion).
  • the third aspect of the present invention is characterized in that an inner diameter of the large diameter portion is substantially the same as an inner diameter of a single wall portion which is a portion other than the double pipe portion.
  • the fourth aspect of the present invention is characterized in that at least a part of the tapered portion is configured as the double pipe portion.
  • the pipe is welded to the mating member in the double pipe portion, and the portion other than the double pipe portion may have a single structure, which can further reduce the weight of the entire pipe.
  • the weight of the entire welded connection structure can be reduced.
  • by performing welding in the double pipe portion it is possible to suppress burn-out due to welding in the pipe.
  • the difference between the thickness of the double pipe portion and the thickness of the mating member having a relatively large thickness compared to the pipe is reduced, and the difference in heat capacity between the double pipe portion and the mating member. Becomes smaller. Thereby, the phenomenon that the double pipe part (tube) melts down due to overheating hardly occurs.
  • the stress concentration on the tapered portion can be reduced by forming the tapered portion so that the taper angle ⁇ does not exceed 25 degrees. For this reason, even if the thickness of the tube is reduced, damage at the tapered portion can be suppressed.
  • the inner diameter of the outer diameter portion having a larger outer diameter among the double pipe portions is the inner diameter of the portion other than the double pipe portion (that is, the portion where the tube wall is not a double structure but a single structure: a single wall portion). As a result, the flow path resistance can be prevented from increasing. For this reason, the discharge performance of fluid (for example, exhaust gas) is not deteriorated.
  • a welding connection structure 10 as an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a structure that can be applied to an exhaust system of an internal combustion engine, and is configured by connecting a pipe 1 and a flange member 11 by welding.
  • the pipe 1 is a so-called thin type pipe (cylindrical pipe).
  • the wall thickness t of the tube 1 may be 0.8 mm.
  • the flange member 11 is press-molded from a plate material having a thickness of 3.2 mm, for example.
  • a double pipe portion 2 is formed on one end side of both ends of the pipe 1.
  • the double pipe portion 2 is configured such that the tube wall 6 on one end side of the tube 1 is folded back inside the tube 1, and the folded portion (tube wall 6) is in close contact with the outer tube wall 4. Yes.
  • the double pipe part 2 is comprised so that a pipe wall may become a double structure.
  • the end 9 of the tube wall 6 terminates without reaching the tapered portion 3. That is, in the taper part 3, the tube wall is comprised by the single structure.
  • the double tube portion 2 is configured to have an outer diameter larger than that of the portion other than the double tube portion 2 (the double tube portion 2 is expanded in diameter). More specifically, the double pipe portion 2 has an outer diameter larger than that of the single wall portion 1a in which the tube wall is not a double structure but a single structure.
  • the double pipe portion 2 has a generally larger outer diameter than the tapered portion 3 that forms a portion between the double pipe portion 2 and the single wall portion 1a. That is, in the tube 1, the outer diameter gradually increases from the single wall portion 1 a through the tapered portion 3, and the outer diameter becomes the largest in the double tube portion 2.
  • the portion of the single wall portion 1a has the smallest outer diameter.
  • the double pipe part 2 may be larger in outer diameter (diameter) by, for example, 2t than the single wall part 1a.
  • the inner diameter of the double pipe portion 2 is substantially the same as the inner diameter of the single wall portion 1a.
  • the double pipe portion 2 is configured to have an outer diameter (diameter) that is increased by 2t, while the inner diameter is reduced by forming the pipe wall in a double structure, and thus, as described above, the double pipe
  • the inner diameter of the portion 2 can be substantially the same as the inner diameter of the single wall portion 1a.
  • the taper portion 3 is formed such that the taper angle ⁇ (see FIG. 2) does not exceed 25 degrees.
  • the angle ⁇ is a line obtained by extending the outer surface of the flange member 11 along the axial direction (the axial direction of the flange member 11 and the axial direction of the tube 1), as is apparent with reference to FIG.
  • an angle of an acute angle portion formed by the outer surface of the taper portion 3 (in other words, an inner angle between a line extending from the outer surface of the flange member 11 and the outer surface of the taper portion 3).
  • connection structure between the pipe 1 and the flange member 11 as a connection target (mating member) will be described.
  • the tube 1 is inserted into the tube portion 12 of the flange member 11.
  • the tube 1 is inserted into the tube portion 12 so that at least the connection portion (folded portion) 5 between the tube wall 4 and the tube wall 6 enters the inside of the tube portion 12.
  • at least a part of the double pipe portion 2 protrudes outside the cylindrical portion 12. That is, the double pipe part 2 does not completely enter the cylinder part 12.
  • the tube portion 12 and the double pipe portion 2 are welded (fillet weld). Welding is performed in a range where the fillet portion 15 does not protrude from the double pipe portion 2, and the fillet portion 15 is formed over the entire circumference of the connection portion between the cylindrical portion 12 and the double pipe portion 2, The flange member 11 and the pipe 1 are welded.
  • the wall thickness is approximately doubled due to the double wall structure of the pipe wall.
  • the difference between the plate thickness of the tube portion 12 and the plate thickness of the portion of the double tube portion 2 becomes small, and the difference between the heat capacity of the tube portion 12 and the heat capacity of the double tube portion 2 can also become small.
  • the heat capacities of the tube portion 12 and the double tube portion 2 can be approximately the same.
  • the difficulty of welding can be significantly improved.
  • the thickness of the double pipe portion 2 is approximately doubled, it is possible to prevent the double pipe portion 2 from being melted down or having poor holes due to the large thickness. In some cases, not only the portion of the tube wall 4 of the double tube portion 2 but also a portion of the tube wall 6 is melted and welded to ensure or improve the strength of the welded portion. it can.
  • the double pipe part 2 is formed with the pipe wall of the part to be welded having a double structure, whereby the thickness of the double pipe part 2 is increased. It is configured to be about twice the wall thickness of the tube 1 (wall thickness of the single wall portion 1a). Thereby, the thickness of the tube 1 itself can be reduced. For this reason, the weight of the tube 1 and thus the weight of the entire structure can be suppressed.
  • the double pipe part 2 since the double pipe part 2 has a double structure, the difference between the heat capacity of the double pipe part 2 and the heat capacity of the cylindrical part 12 of the flange member 11 is reduced, and the ease of welding is ensured. Can do.
  • the internal diameter of the double pipe part 2 is substantially the same as the internal diameter of the single wall part 1a, and, thereby, it can suppress that flow path resistance increases.
  • the stress concentration on the taper portion 3 can be reduced by configuring the taper portion 3 so that the taper angle ⁇ (see FIG. 2) does not exceed 25 degrees. For this reason, even if the thickness of the tube 1 is reduced, damage at the tapered portion 3 can be suppressed.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the taper angle ⁇ , the welded portion stress ⁇ 1, the tapered portion large diameter side stress ⁇ 2, and the tapered portion small diameter side stress ⁇ 3 when a pressing force is applied in the axial direction of the tube 1. It is.
  • the taper portion large diameter side stress ⁇ 2 and the taper portion small diameter side stress ⁇ 3 decrease.
  • the taper angle ⁇ does not exceed 25 degrees, an increase in stress at the tapered portion 3 can be suppressed. For this reason, even if the thickness of the tube 1 is reduced, damage to the tapered portion 3 can be suppressed.
  • the weld stress ⁇ 1 can be reduced.
  • the taper angle ⁇ is 25 degrees or more, the taper portion large-diameter side stress ⁇ 2 and the taper portion small-diameter side stress ⁇ 3 increase, and the weld portion stress ⁇ 1 may also increase.
  • FIGS. 4 and 5 are drawings showing a welded connection structure 20 of the second embodiment.
  • the double pipe portion 2 is formed over a wider range as compared with the weld connection structure 1 of FIGS. 1 and 2.
  • the double pipe portion 2 is formed including the taper portion 3 and a part of the portion shown as the single wall portion 1a in FIG.
  • the part shown as the single wall part 1a in FIG. 1 is shown as the small diameter part 1b in FIG.
  • the end 9 reaches the small diameter portion 1b beyond the tapered portion 3 and terminates.
  • the tube wall 8 is in close contact with a part of the tube wall of the small diameter portion 1 b
  • the tube wall 7 is in close contact with the tube wall of the tapered portion 3
  • the tube wall 6 is in close contact with the tube wall 4.
  • At least the tapered portion 3 is also configured as the double tube portion 2, whereby the strength of the tapered portion 3 can be improved. Thereby, damage to the taper part 3 etc. can be suppressed more reliably.
  • the taper angle ⁇ does not exceed 25 degrees.
  • this invention is not limited to said embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can implement with a various aspect.
  • the thickness t of the tube 1 was 0.8 mm.
  • the thickness t of the tube 1 is not limited to 0.8 mm, and other thicknesses such as 1.0 mm and 1.2 mm. Also good.
  • the internal diameter of the double pipe part 2 and the internal diameter of the single wall part 1a are substantially the same, both may differ.
  • a plate material having a thickness of 3.2 mm is adopted as the plate material forming the flange member 11, but a plate material having another thickness may be used.

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Abstract

　管（１）の溶接接続構造であって、前記管は少なくとも一端側に二重管部（２）を有し、該二重管部は、前記管の前記一端側の管壁（６）が内側に折り返されるとともにその折り返された部分が外側の管壁（４）に密着して形成され、前記管が、前記二重管部において、接続対象である相手部材（１１）と溶接により接続されていることを特徴とする、管の溶接接続構造を提供する。

Description

管の溶接接続構造 関連出願の相互参照
　本国際出願は、２０１１年１１月１４日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１１－２４８８７２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１１－２４８８７２号の全内容を本国際出願に援用する。
　本発明は、内燃機関の排気系に設けられる排気管等の溶接接続構造に関する。
　内燃機関の排気系では、例えば、内燃機関の各排気ポートからの排気を集合させて下流側に導くエギゾーストマニホールドが設けられ、エギゾーストマニホールドの下流側には、内燃機関からの排気ガスを浄化する浄化装置や、排気音を低減するための消音器等が設けられる（例えば特許文献１参照）。
　そして、この種の排気系では、特許文献１に記載のように、フランジ接続が用いられる。例えば、排気管とフランジ部材とが溶接により接続される。
特開２０１１－１６９２０１号公報
　しかしながら、こうした従来のものでは、軽量化のために排気管の肉厚を薄くすると、排気管とフランジ部材との熱容量の差が大きくなってしまい、良好な溶接条件が得難い。このため、アーク溶接（特にＭＩＧ溶接）を行うと、排気管側に溶け落ちが発生してその排気管に穴が開くことがあった。このようにして穴が開いた排気管については、修復することができないか、或いは修復しても耐久性等の点で問題があり、破棄せざるを得なかった。
　管の溶接接続構造において、管を薄肉化しても溶接時の溶け落ちを抑制できることが望まれる。
　第１局面の本発明は、管の溶接接続構造であって、前記管は少なくとも一端側に二重管部を有し、該二重管部は、前記管の前記一端側の管壁が内側に折り返されるとともにその折り返された部分が外側の管壁に密着して形成され、前記管が、前記二重管部において、接続対象である相手部材と溶接により接続されていることを特徴とする。
　第２局面の本発明は、前記管は、前記二重管部の少なくとも一部が、他の部分よりも外径が大きくなるように構成され、前記二重管部の前記少なくとも一部（以下、大径部と称する）と、前記管のうち最も外径が小さい部分（以下、小径部と称する）との間は、テーパ状に形成され、該テーパ状に形成された部分（以下、テーパ部と称する）は、テーパの角度θが２５度を超えないように形成されていることを特徴とする。
　なお、角度θとは、大径部の外面を長手方向（軸方向）に沿って延長した線とテーパ部の外面とで形成される鋭角部分の角度（換言すれば、大径部の外面を延長した線とテーパ部の外面との内角）である。管が相手部材と接続される場合には、その管が相手部材と同軸上に接続されることを前提として、相手部材の外面を軸方向に沿って延長した線とテーパ部の外面とで形成される鋭角部分の角度（換言すれば、相手部材の外面を延長した線とテーパ部の外面との内角）である。
　第３局面の本発明は、前記大径部の内径は、前記二重管部以外の部分である単壁部の内径と略同一であることを特徴とする。
　第４局面の本発明は、前記テーパ部の少なくとも一部が前記二重管部として構成されていることを特徴とする。
　本発明では、管は二重管部において相手部材と溶接され、二重管部以外の部分は単一構造としても良く、これにより管全体の重量をより小さくできる。ひいては、溶接接続構造全体の重量をより小さくできる。また、二重管部において溶接を行うことにより、管における溶接による溶け落ちを抑制し得る。具体的には、二重管部の肉厚と、管と比較して相対的に肉厚が大きい相手部材の肉厚との差が小さくなり、二重管部と相手部材との熱容量の差が小さくなる。これにより、二重管部（管）が過熱により溶け落ちるという現象が生じにくくなる。
　また、テーパの角度θが２５度を超えないようにテーパ部が形成されることにより、テーパ部への応力集中を軽減できる。このため、管の肉厚を薄くしても、テーパ部での破損を抑制し得る。更に、二重管部のうち外径が大きい外径部の内径が、二重管部以外の部分（即ち、管壁が二重構造ではなく単一構造である部分：単壁部）の内径と略同一に形成されることにより、流路抵抗が大きくなってしまうことを抑制し得る。このため、流体（例えば排気ガス）の排出性能の悪化を招くことがない。
本発明の第１実施形態の管の溶接接続構造の断面図である。 図１のＡ部拡大断面図である。 テーパの角度θと応力との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態の溶接接続構造の断面図である。 図４のＢ部拡大断面図である。
１・・・管、１ａ・・・単壁部、１ｂ・・・小径部、２・・・二重管部、３・・・テーパ部、４，６～８・・・管壁、９・・・端部、１１・・・フランジ部材、１２・・・筒部
　以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
　［第１実施形態］
　図１に示される本発明の一実施形態としての溶接接続構造１０は、内燃機関の排気系に適用し得る構造であり、管１とフランジ部材１１とが溶接により接続されて構成される。
　本第１実施形態では、管１はいわゆる薄肉タイプのパイプ（円筒管）である。例えば、管１の肉厚ｔは０．８ｍｍであっても良い。
　フランジ部材１１は、例えば、肉厚が３．２ｍｍの板材からプレス成形される。
　管１の両端のうち、一端側において二重管部２が形成されている。二重管部２は、管１の一端側における管壁６がその管１の内側に折り返されて、その折り返された部分（管壁６）が外側の管壁４に密着して構成されている。このようにして、二重管部２は管壁が二重構造となるように構成されている。
　図１の第１実施形態において、管壁６の端部９は、テーパ部３に到達することなく終端している。つまり、テーパ部３では管壁は単一構造に構成されている。
　管１において、二重管部２は、二重管部２以外の部分と比較して外径が大きくなるように構成されている（二重管部２は拡径している）。より詳細には、二重管部２は、管壁が二重構造ではなく単一構造である単壁部１ａよりも外径が大きい。また、二重管部２は、その二重管部２と単壁部１ａとの間の部分を形成するテーパ部３よりも概して外径が大きい。即ち、管１において、単壁部１ａからテーパ部３を介して次第に外径が大きくなり、二重管部２の部分において最も外径が大きくなる。一方、単壁部１ａの部分は最も外径が小さい。
　二重管部２は、単壁部１ａと比較して、例えば２ｔだけ外径（直径）が大きくても良い。
　一方、二重管部２の内径は、単壁部１ａの内径と略同一である。二重管部２は２ｔだけ外径（直径）が大きくなるように構成される一方、管壁が二重構造に構成されることにより内径が小さくなり、これにより、前述のように二重管部２の内径は、単壁部１ａの内径と略同一となり得る。
　また、テーパ部３は、テーパの角度θ（図２参照）が２５度を超えないように形成されている。
　なお、角度θとは、図２を参照して明らかなように、フランジ部材１１の外面を軸方向（フランジ部材１１の軸方向であり、また、管１の軸方向）に沿って延長した線とテーパ部３の外面とで形成される鋭角部分の角度（換言すれば、フランジ部材１１の外面を延長した線とテーパ部３の外面との内角）である。
　管１と、接続対象（相手部材）としてのフランジ部材１１との接続構造について説明する。
　まず、管１の二重管部２の少なくとも一部が、フランジ部材１１の筒部１２に挿入される。具体的には、少なくとも、管壁４と管壁６との接続部分（折り返し部分）５が、筒部１２の内部に入り込むように、管１が筒部１２に挿入される。この際、二重管部２の少なくとも一部は、筒部１２の外側に出ている。即ち、二重管部２は、筒部１２に完全に入り込むわけではない。
　このような状態において、筒部１２と二重管部２とが溶接（隅肉溶接）される。溶接は、隅肉部１５が二重管部２をはみ出さない範囲で施行され、その隅肉部１５が筒部１２と二重管部２との接続部の全周にわたって形成されように、フランジ部材１１と管１とが溶接される。
　ところで、溶接される２つの部材について、板厚等の寸法が大きく異なる場合、両者の熱容量の差が大きくなって、良好に溶接を施行することが難しくなってしまうことが懸念される。
　しかしながら、管１の二重管部２においては、管壁が二重構造であることにより肉厚も約２倍となる。この場合、筒部１２の板厚と二重管部２の部分の板厚との差が小さくなって、筒部１２の熱容量と、二重管部２の熱容量との差も小さくなり得る。
　このため、溶接（例えばＭＩＧ溶接）を行っても、二重管部２が過熱により溶け落ちるといった現象が生じることが抑制され得る。従って、筒部１２と二重管部２との接続部の全周にわたって溶接を行うことが比較的容易である。
　本第１実施形態では、特に、筒部１２と二重管部２との熱容量が同程度となり得る。熱容量が同程度となることにより、溶接の難易度は格段に改善され得る。しかも、二重管部２の肉厚が約２倍になるので、肉厚が大きい分だけ二重管部２において溶接時の溶け落ち又は穴明き不良が生じることを抑制できる。また、場合によっては、二重管部２の管壁４の部分だけでなく、管壁６の一部も溶融して溶接されるようにして、溶接部の強度を確保し又は向上させることができる。
　このように、本第１実施形態によれば、管１において、溶接される部分の管壁を二重構造として二重管部２を形成し、これにより、二重管部２の肉厚が管１の肉厚（単壁部１ａの肉厚）の約２倍となるように構成している。これにより、管１自体の肉厚は薄くすることができる。このため、管１の重量、ひいては構造全体の重量を抑えることができる。その一方、二重管部２が二重構造であることにより、二重管部２の熱容量とフランジ部材１１の筒部１２の熱容量との差が小さくなって、溶接の容易性を確保することができる。
　また、本第１実施形態では、二重管部２の内径が単壁部１ａの内径と略同一であり、これにより、流路抵抗が増加してしまうことを抑制し得る。
　また、本第１実施形態では、テーパ部３のテーパの角度θ（図２参照）が２５度を超えないように構成されることにより、テーパ部３への応力集中が軽減され得る。このため、管１の肉厚を薄くしても、テーパ部３での破損を抑制し得る。図３は、管１の軸方向に押圧力を加えた場合の、テーパの角度θと、溶接部応力σ１、テーパ部大径側応力σ２、及びテーパ部小径側応力σ３との関係を示す図である。
　テーパの角度θが小さくなるにつれて、テーパ部大径側応力σ２、テーパ部小径側応力σ３が小さくなる。テーパの角度θが２５度を超えないようにテーパ部３が形成されることにより、テーパ部３での応力増加を抑制し得る。このため、管１の肉厚を薄くしても、テーパ部３の破損を抑制し得る。同時に、溶接部応力σ１も低下させることができる。テーパの角度θが２５度以上となると、テーパ部大径側応力σ２、テーパ部小径側応力σ３が大きくなり、ひいては溶接部応力σ１も大きくなってしまう可能性がある。
　［第２実施形態］
　図４，図５は、第２実施形態の溶接接続構造２０を示す図面である。
　溶接接続構造２０では、図１，図２の溶接接続構造１と比較して、二重管部２がより広い範囲にわたって形成されている。
　具体的には、テーパ部３と、図１において単壁部１ａとして示した部分の一部とを含めて、二重管部２として形成されている。なお、図１において単壁部１ａとして示した部分を、図４において小径部１ｂとして示している。
　図４，図５に示されるとおり、端部９は、テーパ部３を超えて小径部１ｂに到達して終端している。そして、管壁８が小径部１ｂの管壁の一部に密着し、管壁７がテーパ部３の管壁に密着し、管壁６が管壁４に密着している。
　このように、本第２実施形態では、少なくともテーパ部３も二重管部２として構成されることにより、テーパ部３の強度を向上させることができる。これにより、テーパ部３の破損等をより確実に抑制し得る。
　なお、本第２実施形態においても、テーパの角度θ（図５参照）は、２５度を超えないことが望ましい。
　以上、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施され得る。
　上記実施形態において、管１の肉厚ｔは０．８ｍｍであったが、管１に関し、肉厚ｔは０．８ｍｍに限られず、１．０ｍｍ、１．２ｍｍなど、他の厚みであっても良い。
　また、上記第１実施形態では、二重管部２の内径と単壁部１ａの内径とは略同一であるが、両者は異なっていても良い。
　また、上記各実施形態では、フランジ部材１１を形成する板材として３．２ｍｍの厚みの板材が採用されていたが、他の厚みの板材が用いられても良い。

Claims (4)

  1. 　管の溶接接続構造であって、
    　前記管は少なくとも一端側に二重管部を有し、該二重管部は、前記管の前記一端側の管壁が内側に折り返されるとともにその折り返された部分が外側の管壁に密着して形成され、
    　前記管が、前記二重管部において、接続対象である相手部材と溶接により接続されていることを特徴とする、管の溶接接続構造。
  2. 　前記管は、前記二重管部の少なくとも一部が、他の部分よりも外径が大きくなるように構成され、前記二重管部の前記少なくとも一部（以下、大径部と称する）と、前記管のうち最も外径が小さい部分（以下、小径部と称する）との間は、テーパ状に形成され、該テーパ状に形成された部分（以下、テーパ部と称する）は、テーパの角度θが２５度を超えないように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の管の溶接接続構造。
  3. 　前記大径部の内径は、前記二重管部以外の部分である単壁部の内径と略同一であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の管の溶接接続構造。
  4. 　前記テーパ部の少なくとも一部が前記二重管部として構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の管の溶接接続構造。
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