WO2017026222A1 - 接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法 - Google Patents

接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法 Download PDF

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WO2017026222A1
WO2017026222A1 PCT/JP2016/070674 JP2016070674W WO2017026222A1 WO 2017026222 A1 WO2017026222 A1 WO 2017026222A1 JP 2016070674 W JP2016070674 W JP 2016070674W WO 2017026222 A1 WO2017026222 A1 WO 2017026222A1
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WO
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metal tube
end faces
metal
arc
joining
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PCT/JP2016/070674
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English (en)
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則暁 三輪
浩平 水田
大木　力
Original Assignee
Ntn株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/08—Arrangements or circuits for magnetic control of the arc

Definitions

  • the present invention relates to a bonded body, a magnetic rotating arc bonding method, and a manufacturing method of a bonded body, and more particularly to a bonded metal tube, a magnetic rotating arc bonding method, and a bonded body manufacturing method.
  • the essential condition at the time of pressure welding is that the end surface of the steel pipe is uniformly melted by the arc.
  • the molten state of the end face of the steel pipe may not be uniform, resulting in poor bonding.
  • the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-55267 discloses that the outer periphery of the end face (joining portion) of the oppositely arranged tubes is surrounded by a heating means such as a gas burner and before the arc is ignited. Discloses a method in which the joining portion is preheated by the heating means. However, the provision of such heating means complicates the apparatus configuration of the bonding apparatus and increases the cost of the bonding method.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic rotation capable of suppressing the occurrence of poor bonding without using additional heating means such as a gas burner. It is to obtain an arc joining method, a joined body in which the occurrence of joint failure is suppressed, and a manufacturing method thereof.
  • a magnetic rotating arc joining method includes a step of preparing first and second metal tubes, a step of main heating, and a step of joining.
  • the main heating step arc discharge is generated between the end surfaces of the first and second metal tubes while the end surfaces of the first and second metal tubes are opposed to each other, and a magnetic field is applied between the end surfaces.
  • the temperature at a position 2 mm away from the end faces of the first and second metal tubes is fully heated to the joining temperature.
  • the bonding step after the main heating step, the end faces are butted together and bonded.
  • the current density of the current flowing between the first metal tube and the second metal tube is 0.401 A / mm 2 or more and 0.820 A / mm 2 or less, the first metal tube and the second metal tube
  • the voltage between the metal tube is 23 V or more and 27 V or less, and the fluctuation range of the voltage is ⁇ 1 V or less.
  • the method for manufacturing a joined body according to an embodiment of the present invention uses the magnetic rotating arc joining method.
  • the joined body according to one embodiment of the present invention is a joined body manufactured by joining the end faces of the first and second metal tubes using the magnetic rotating arc joining method.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5. It is a graph which shows the temperature change in the magnetic rotating arc joining method which concerns on an experiment example. It is a graph which shows the temperature change in the magnetic rotating arc joining method which concerns on an experiment example. It is a graph which shows the temperature change in the magnetic rotating arc joining method which concerns on an experiment example. It is a graph which shows the temperature change in the magnetic rotating arc joining method which concerns on an experiment example.
  • the Fleming left-hand rule is used.
  • the magnetic rotating arc joining method according to the present embodiment as shown in FIG. 1, an annular shape is formed so as to surround a part of the outer peripheral side surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 arranged so that the end faces face each other. While arranging the permanent magnet 7 and applying a magnetic field, a large direct current is passed from the power source 34 to the first and second metal tubes 21 and 22. When the distance between the opposing end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 reaches a certain distance, an arc 31 of 1.5 mm to 2.0 mm is ignited between the end faces. In FIG.
  • the direction of current is indicated by an arrow 33
  • the direction of force acting on the arc 31 is indicated by an arrow 32. That is, the generated arc 31 receives the force of the rotating magnetic field generated by the permanent magnet 7 and rotates at a high speed in the circumferential direction on the end face as indicated by the arrow 35 in FIG. As a result, both end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 are heated.
  • the arc 31 rotates on the inner diameter side of the first and second metal tubes 21 and 22, and the inner diameter side of the end face is heated. This is because the arc 31 receives a force in the inner diameter side direction due to a magnetic blowing phenomenon caused by a difference in magnetic flux density inside and outside the first and second metal tubes 21 and 22.
  • the preheating step and the main heating step are performed using the heating by the arc.
  • the preheating temperature is set below the magnetic transformation point, and the heating temperature in the main heating step is set to, for example, about 1100 ° C.
  • the magnetic susceptibility decreases with increasing temperature at the end faces of the metal tubes 21 and 22, and the ferromagnetism disappears at the magnetic transformation point (770 ° C.). For this reason, the magnetic flux density on the inner diameter side is higher than the magnetic flux density on the outer diameter side of the metal tubes 21 and 22, and the arc 31 is moved and heated to the outer diameter side of the metal tubes 21 and 22 by the magnetic blowing phenomenon.
  • the current density of the current flowing between the first metal tube 21 and the second metal tube 22 is 0.401 A / mm 2 or more and 0.820 A / mm 2 or less
  • the first The voltage between the metal tube 21 and the second metal tube 22 is 23 V or more and 27 V or less
  • the fluctuation range of the voltage is ⁇ 1 V or less.
  • the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 are sufficiently heated in advance by the preliminary heating step, so that the end surfaces reach a molten state almost uniformly by the heating step. That is, it is possible to suppress the occurrence of the problem that the temperature of the inner diameter end face exceeds the melting point during the heating of the outer diameter end faces of the metal tubes 21 and 22 and the arc 31 disappears while the outer diameter end faces are insufficiently heated. Then, at the timing when the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 are almost uniformly melted, the metal tube on one side (for example, the first metal tube 21) is replaced with the metal tube on the other side (for example, the second metal tube). 22), the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 are joined.
  • the width of the bead portion is substantially equal between the inner main side and the outer peripheral side, and a uniform and good joint can be formed.
  • a post-processing step is performed (for example, the bead portion located on the outer peripheral side is removed by grinding), whereby a joined body 10 as described later can be obtained.
  • FIG. 4A indicates the energization current between the end faces
  • the vertical axis in FIG. 4B indicates the arc voltage between the end faces
  • the vertical axis in FIG. 4D represents the temperature at a position 2 mm from the end surface
  • the vertical axis in FIG. 4E represents the pressing pressure between the end surfaces
  • FIGS. Represents the time.
  • a preparation step (S10) is performed.
  • first and second metal tubes 21 and 22 are prepared.
  • the prepared first and second metal tubes 21 and 22 are set in the joining apparatus shown in FIG.
  • the first metal tube 21 is fixed to the chuck 9 to which the plus terminal 8 is connected.
  • the second metal tube 22 is fixed to the chuck 9 to which the minus terminal 6 is connected.
  • An annular permanent magnet 7 is installed in the two chucks 9 so as to surround the first and second metal tubes 21 and 22.
  • the load cell 5 is connected to the second surface side opposite to the first surface where the permanent magnet 7 is installed in the chuck 9 to which the minus terminal 6 is connected.
  • a ball screw 3 is installed on the side opposite to the chuck 9 when viewed from the load cell 5.
  • a motor 1 is connected to the ball screw 3 via a speed reducer 2.
  • a displacement sensor 4 for measuring the displacement of the chuck 9 to which the minus terminal 6 is connected is disposed at a position adjacent to the load cell 5.
  • the first and second metal tubes 21 and 22 are arranged so that their end faces face each other.
  • a preheating step (S20) is performed.
  • step (S20) arc discharge is generated between the end faces while the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 are opposed to each other, and a magnetic field is applied between the end faces to set the position of the arc discharge between the end faces.
  • the temperature at a position 2 mm away from the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is preheated to the preheating temperature (temperature T1 in FIG. 4D).
  • the distance (gap) between the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is set to a predetermined size indicated by a gap D1 in FIG.
  • V1 see FIG. 6B
  • the arc is ignited as shown in FIG. A current I1 (see FIG. 4A) flows.
  • the distance (gap) between the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is gradually increased. spread.
  • the arc rotates at the end face as shown in FIG. 1 by the magnetic field generated by the permanent magnet 7 (see FIG. 3).
  • the end face is heated, and the temperatures of the first and second metal tubes 21 and 22 at a position away from the end face by a predetermined distance (position 2 mm away from the end face) are shown in FIG. It is heated to a temperature T1 (preheating temperature), and the magnetism is lowered.
  • T1 preheating temperature
  • the magnetism is lowered.
  • the arc voltage and the arc current are set to zero (see FIGS. 4A and 4B).
  • the first and second metal tubes 21 and 22 are held with the arc discharge stopped.
  • the temperature at the position 2 mm from the end face decreases to the temperature T2 as shown in FIG. 4D, but the end face temperature becomes more uniform due to thermal diffusion at the end face.
  • the gap between the end faces is once set to zero and set to a predetermined gap D1 again. This is because the gap is adjusted in order to reliably start the arc in the main heating process described later.
  • the main heating step (S30) is performed as shown in FIG.
  • an arc discharge is generated between the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22, and a magnetic field is applied between the end faces to move the position of the arc discharge between the end faces.
  • the temperature at a position 2 mm away from the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is fully heated to the bonding temperature (temperature T3 in FIG. 4D).
  • the distance (gap) between the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is set to a predetermined size indicated by a gap D1 in FIG.
  • V1 see FIG. 4B
  • the arc is ignited as shown in FIG. A current I2 (see FIG. 4A) flows.
  • the stability of the arc at the end face on the outer peripheral side was improved.
  • the arc rotates at the end face as shown in FIG. 1 by the magnetic field generated by the permanent magnet 7 (see FIG. 3).
  • the distance (gap) between the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is controlled so that the arc voltage is constant (see FIG. 4B) (specifically, FIG. 4) Increase the gap gradually as shown in FIG.
  • the end face is heated, and the temperatures of the first and second metal tubes 21 and 22 at a position away from the end face by a predetermined distance (position 2 mm away from the end face) are shown in FIG.
  • the temperature rises to T3 (joining temperature).
  • the joining step (S40) shown in FIG. 2 is performed.
  • the joining step (S40) after the main heating step (S30), the end faces of the metal tubes 21 and 22 are butted together and joined.
  • the joining step (S40) the joined portions that are joined by abutting the end faces are energized and heated.
  • the second metal tube 22 is brought closer to the first metal tube 21 from a predetermined time after the time t5 shown in FIG. 4 to reduce the distance between the end faces (gap in FIG. 4C). Even after the gap becomes zero at time t6 (that is, in a state where the end surfaces are in contact with each other), the motor 1 (see FIG. 3) is further driven to press the metal tube 22 toward the metal tube 21 side. As a result, the gap becomes negative as shown in FIG. 4C (that is, the molten end faces are pushed out to the outer peripheral side and the inner peripheral side to join the end faces while forming a bead portion). . At this time, as shown in FIG.
  • the joining step (S40) By performing the joining step (S40) in this way, the first and second metal tubes 21 and 22 can be joined to obtain a joined body. Moreover, in the manufacturing method of the joined_body
  • the material which comprises the 1st and 2nd metal pipes 21 and 22 is steel, such as carbon steel for machine structures.
  • the preheating temperature (temperature T1) in the preheating step (S20) is preferably a temperature lower than the magnetic transformation point of the material (for example, steel).
  • the preheating temperature (temperature T1) in the preheating step (S20) may be 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
  • the temperature of the outer peripheral surface at a position 2 mm from the end surface of the metal tubes 21 and 22 for measuring the preheating temperature T1 or the like is not so high. This is because there are cases.
  • the preheating temperature is preferably 200 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
  • 1050 degreeC or more and 1150 degrees C or less may be sufficient as the joining temperature (temperature T3) in this heating process (S30).
  • the current value between the end faces (current I1 or current I2 in FIG. 4A) in the preheating step (S20) and the main heating step (S30) may be 10 A or more and 10,000 A or less.
  • the magnetic flux density of the magnetic field in the preheating step (S20) and the main heating step (S30) may be 1 mT or more and 1000 mT or less.
  • the moving speed (pressing speed) of the metal tube 22 in the joining step (S40) can be 20 mm / s or more and 1100 mm / s or less.
  • the lower limit of the moving speed is set to 20 mm / s because if the moving speed is too slow, the temperature of the end faces decreases before the end faces come into contact with each other, resulting in poor bonding conditions.
  • the upper limit of the moving speed is set to 1100 mm / s, which is determined as a feasible value in consideration of equipment performance of the motor 1 and the hydraulic drive device.
  • the moving speed is preferably 30 mm / s or more and 1000 mm / s or less, more preferably 50 mm / s or more and 900 mm / s or less.
  • each condition in each step (S20 to S40) of the joining method described above can be appropriately selected according to the material and size of the metal tube. Further, in this method, by controlling the heating time based on the temperature history, the heating time can be easily controlled even when the current value, arc voltage value, magnetic flux density, material size, and the like are different.
  • a joined body 10 is obtained by joining a first metal tube 21 and a second metal tube 22 by the magnetic rotating arc joining method described above. That is, the joined body 10 includes a first metal tube 21, a second metal tube 22, and a joint portion including a joint interface 11 in which the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 are joined together. .
  • An outer peripheral bead portion (not shown) that protrudes to the outer peripheral side and an inner peripheral bead portion 13 that protrudes to the inner peripheral side are formed in the joint portion. The outer peripheral bead portion is removed by grinding.
  • FIG. 1 The difference between the width of the outer peripheral bead portion (that is, the width L1 of the grinding portion 12) and the width L2 of the inner peripheral bead portion 13 in the direction from the first metal tube 21 to the second metal tube 22 (absolute L1-L2).
  • the value is 40% or less with respect to the average value ((L1 + L2) / 2) of the width of the outer peripheral bead portion (width L1 of the grinding portion 12) and the width L2 of the inner peripheral bead portion.
  • the difference in the width of the bead portion between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the first and second metal tubes 21 and 22 in the joint portion is sufficiently small, and the joint state of the joint portion is the inner periphery. There is no big difference between the side and the outer peripheral side, and the joined body 10 in which the soundness of the joint portion is ensured is obtained.
  • the width L2 of the inner peripheral bead portion 13 refers to the inner peripheral bead portion from the inner peripheral surface of the first metal tube 21 and the second metal tube 22 in the joined body 10 in the cross section shown in FIG. This is the distance between the positions at which 13 starts to project (boundary points 14a, 14b).
  • the width L1 of the grinding portion 12 on the outer peripheral side also corresponds to the distance between the positions at which the outer peripheral bead portions start to protrude from the outer peripheral surfaces of the first metal tube 21 and the second metal tube 22.
  • the outer diameters of the first and second metal tubes 21 and 22 are 10 mm or more and 250 mm or less.
  • the lower limit of the outer diameter is, for example, 20 mm or more, preferably 50 mm or more, more preferably 100 mm or more.
  • the thickness of the 1st and 2nd metal tubes 21 and 22 is 1 mm or more and 16 mm or less.
  • the lower limit of the thickness is, for example, 2 mm or more, preferably 5 mm or more, more preferably 10 mm or more.
  • the magnetic rotating arc joining method includes a step of preparing first and second metal tubes (S10), a step of main heating (S30), and a step of joining (S40). .
  • the main heating step (S30) arc discharge is generated between the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 with the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 facing each other.
  • the temperature at a position 2 mm away from the end faces of the first and second metal tubes 21 and 22 is changed to the bonding temperature (FIG. 4D). Until the temperature T3) is reached.
  • the end faces are butted together and joined.
  • the current density of the current flowing between the first metal tube 21 and the second metal tube 22 is 0.401 A / mm 2 or more and 0.820 A / mm 2 or less
  • the first The voltage between the metal tube 21 and the second metal tube 22 is 23 V or more and 27 V or less
  • the fluctuation range of the voltage is ⁇ 1 V or less.
  • the dendrite layer that is a layer containing a dendrite structure does not exist in the center of the bonding interface 11, and the bonded body 10 having a sufficiently strong bonded portion can be obtained.
  • the inventor has a stable correspondence between the experiment and the simulation if the temperature is at the position from the simulation and the experiment, and is used for the control. It has been confirmed that the measured value has sufficient reliability.
  • the current density of the current flowing between the first metal tube 21 and the second metal tube 22, the first metal tube 21 and the first metal tube 21 is increased.
  • the voltage between the two metal tubes 22 and the following relationship: When the voltage is 23 V or more and 24 V or less, the current density is 0.401 A / mm 2 or more and 0.602 A / mm 2 or less, When the voltage is more than 24V and 27V or less, the current density is 0.602 A / mm 2 or more and 0.820 A / mm 2 or less, You may satisfy the relationship.
  • the magnetic rotating arc joining method may further include a preheating step (S20).
  • a preheating step (S20) prior to the main heating step (S30), arc discharge is generated between the end surfaces with the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 facing each other and between the end surfaces.
  • the temperature at a position 2 mm away from the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 is moved to a preheating temperature (FIG. Preheat to temperature T1).
  • the preheating step (S20) can be performed using the same equipment as the method used in the main heating step (S30), it is not necessary to prepare an independent heating means for the preheating as in the prior art, and it is simple. It can be preheated by a simple structure. For this reason, since the joint portion (the end portion including the opposing end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22) can be sufficiently heated in advance by the preliminary heating, arc discharge is performed in the main heating step (S30). Stability can be improved and the occurrence of problems such as insufficient or uneven heating of the joint can be suppressed. For this reason, generation
  • the pressure (pressure P1 of FIG.4 (E)) for joining end surfaces in the process (S40) to join is 5 MPa or more and 950 MPa or less, for example.
  • the reason why the lower limit of the pressure is set to 5 MPa is that the minimum pressure that can be pressed is considered to be about 5 MPa.
  • the reason why the upper limit of the pressure is 950 MPa is that the pressure is assumed when a material having a high yield stress is used as the material of the metal tube.
  • the pressure is preferably 10 MPa or more and 900 MPa or less, more preferably 20 MPa or more and 800 MPa or less.
  • the joining temperature may be 1050 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower.
  • the bonding temperature may be 1070 ° C. or higher and 1130 ° C. or lower, or 1080 ° C. or higher and 1120 ° C. or lower.
  • first and second metal tubes 21 and 22 using steel as a material can be reliably joined to obtain a joined body.
  • the voltage is set by adjusting the end face distance between the end face of the first metal tube 21 and the end face of the second metal tube 22. You may adjust so that it may become.
  • the voltage is controlled to be a set value by adjusting the end face distance, it is possible to reliably suppress the fluctuation of the voltage condition in the main heating process.
  • the joining portion joining the end faces abutting each other may be energized and heated.
  • the material constituting the first and second metal tubes 21 and 22 may be carbon steel for machine structure.
  • the joining method according to the present embodiment can be used for manufacturing machine parts and the like by applying the magnetic rotating arc joining method to joining metal pipes using carbon steel for machine structure as a material.
  • the carbon steel for machine structure is carbon steel for machine structure defined in JIS standard G4051 (for example, S10C, S45C, S55C, etc.), and boron (B) is added to the carbon steel defined in the above JIS standard G4051.
  • the carbon steel contained for example, SAE standard 10B38, SBM40, etc. is meant.
  • the relative pressure speed of the first metal tube 21 with respect to the second metal tube 22 may be 20 mm / s or more.
  • the lower limit of the pressure contact speed (relative pressure contact speed) is set to 20 mm / s because the relative movement between the first metal tube 21 and the second metal tube 22 is used in order to bring the end surfaces in the molten state into contact with each other. This is because the speed needs to be 20 mm / s or more. For example, when the distance between the end faces is about 2 mm (the arc length is about 2 mm), it is difficult to bring the end faces into contact with each other when the relative movement speed is less than 20 mm / s.
  • the upper limit of the relative movement speed may be 1100 mm / s or less, or 1000 mm / s or less.
  • the pressure contact force (pressure P1 in FIG. 4E) when the end faces are abutted may be 5 MPa or more.
  • the upper limit of the pressure contact force may be 950 MPa or less.
  • the reason why the lower limit of the pressure is set to 5 MPa is that the minimum pressure that can be pressed is considered to be about 5 MPa.
  • the reason why the upper limit of the pressure is 950 MPa is that the pressure is assumed when a material having a high yield stress is used as the material of the metal tube.
  • the pressure may be 10 MPa or more, or 20 MPa or more.
  • the pressure may be 900 MPa or less, or 800 MPa or less.
  • the method for manufacturing a joined body according to an embodiment of the present invention uses the magnetic rotating arc joining method. In this way, it is possible to obtain the joined body 10 having a sufficiently strong joint.
  • the joined body according to one embodiment of the present invention is a joined body 10 manufactured by joining the end surfaces of the first and second metal tubes 21 and 22 using the magnetic rotating arc joining method.
  • production of defects such as a crack in the junction part which joined the end surfaces of a metal pipe, can be suppressed.
  • the first and second metal tubes 21, 22 are inside the outer peripheral surfaces of the first and second metal tubes 21, 22.
  • a dendrite layer does not exist in a region outside the inner peripheral surfaces of the metal tubes 21 and 22.
  • the dendrite layer 15 having a relatively low strength does not exist in the central portion of the bonding interface 11 of the bonded body 10, cracks or the like due to the presence of the dendrite layer 15 in the bonding portion including the bonding interface 11. The possibility of occurrence of defects can be reduced. For this reason, the joined body 10 provided with the joint part of sufficient intensity
  • a cylindrical material using a JIS standard S45C material having an outer diameter of 40 mm and a wall thickness of 3 mm was prepared as the first and second metal tubes.
  • the axial length of the cylindrical material was 300 mm.
  • the apparatus of the structure shown in FIG. 3 was used for the joining apparatus used for joining.
  • the prepared metal tube was set in the joining apparatus shown in FIG. 3, and the steps from the preparation step to the main heating step of the magnetic rotating arc joining method according to the present embodiment shown in FIG. 2 were performed. At this time, the current density (current value) and voltage in the main heating step were changed, and the temperature at the position where the distance from the end face of the metal tube was 2 mm, 4 mm, and 6 mm was measured.
  • a current density of 0.401 A / mm 2 (current value: 140 A), a voltage value of 23 V, a condition 1 of a current density of 0.602 A / mm 2 (current value: 210 A), a voltage value of 23 V, a current of 2
  • Three types of conditions were used: a density of 0.820 A / mm 2 (current value: 286 A) and a voltage value of 25 V, Condition 3.
  • the conditions for a preheating process (S20) the conditions of current density 0.602A / mm ⁇ 2 > (current value: 210A), voltage value 23V, and magnetic flux density 40mT of the steel pipe end surface outer diameter side were used.
  • the voltage value was controlled so that the fluctuation range was ⁇ 1 V or less.
  • FIGS. 7 to 9 are graphs showing the temperature change of the metal tube in the joining process when the above-described conditions 1 to 3 are applied, respectively.
  • the horizontal axis indicates time (unit: second), and the vertical axis indicates temperature.
  • the solid line graph shows the temperature change at a position of 2 mm from the end face of the metal tube.
  • a dotted line shows the temperature change in the position of 4 mm from a metal pipe end surface.
  • a dashed-dotted line shows the temperature change in the position of 6 mm from a metal pipe end surface.
  • the determination temperature at the position 2 mm from the end face of the metal tube in the case of condition 1 is 1188 ° C.
  • the determination temperature at the position of 2 mm from the end face of the metal tube in the condition 2 is 1091 ° C.
  • the judgment temperature at a position 2 mm from the end face of the metal tube is 1024 ° C.
  • Example> The sample (metal tube) used in this experiment was the same as the sample used in Experimental Example 1 described above. Moreover, the apparatus of the structure shown in FIG. 3 was used for the joining apparatus used for joining.
  • the prepared metal tube was set in the joining apparatus shown in FIG. 3, and the steps from the preparation step to the main heating step of the magnetic rotating arc joining method according to the present embodiment shown in FIG. 2 were performed.
  • the conditions for the preheating step (S20) are the same as in Experimental Example 1 described above, with a current density of 0.602 A / mm 2 (current value: 210 A), a voltage value of 23 V, and a magnetic flux density on the metal tube end face outer diameter side. A condition of 40 mT was used.
  • the current density (current value) is 0.401 A / mm 2 (current value: 140 A), 0.602 A / mm 2 (current value: 210 A), and 0.820 A current density.
  • / Mm 2 (current value: 286 A) and three types of conditions were adopted, and the voltage value was also changed to 23 V, 25 V, and 27 V.
  • the voltage value was controlled so that the fluctuation range was ⁇ 1 V or less.
  • the magnetic flux density on the outer diameter side of the metal tube was 40 mT. And the generation
  • the preliminary heating step (S20) and the main heating step (S30) described above were performed five times, and the occurrence of arcs was observed in each main heating step.
  • the conditions (current density (current) ⁇ voltage) under which the arc was stably rotated five times were: current density 0.401 A / mm 2 (current value: 140 A) —voltage value 23 V, current Density 0.602 A / mm 2 (current value: 210 A) —voltage value 23 V, current density 0.602 A / mm 2 (current value: 210 A) —voltage value 25 V, current density 0.820 A / mm 2 (current value: 286 A) ) -Voltage value 25 V, current density 0.820 A / mm 2 (Current value: 286 A) -Voltage value 27 V.
  • the arc is stably rotated four times out of five times.
  • the current density of the current flowing between the first metal tube 21 and the second metal tube 22 is 0.401 A / mm 2 or more 0.820A / mm 2 or less, by the voltage fluctuation range of a to the voltage less 27V or 23V between the first metal tube 21 and the second metal tube 22 is less ⁇ 1V
  • the end face of the metal tube can be reliably heated to the melting point, and a joined body having a good joint can be obtained.
  • the temperature at a predetermined position (for example, a position of 2 mm) from the metal tube end surface when the temperature of the metal tube end surface reaches the melting point as described above is specified in advance.
  • the time until the temperature at the predetermined position reaches the temperature specified in advance may be controlled. In this case, the end face of the metal tube can be easily and reliably heated to a temperature higher than the melting point.
  • the end face of the metal tube can be surely heated to a temperature exceeding the melting point, the metal tube can be reliably joined, and the strength of the joint is sufficiently increased. Can do.
  • the magnetic rotating arc joining method according to the present embodiment is not limited to the above-described size and steel type metal pipes, and can be applied to, for example, steel pipes having an outer diameter of ⁇ 10 mm to ⁇ 250 mm and a plate thickness of 1 mm to 16 mm.
  • steel types constituting the metal pipe include carbon steel of JIS standards S10C to S55C, and carbon steel containing boron (B) in carbon steel specified in JIS standard G4051 (for example, SAE standard 10B38, SBM40, etc. ) Can be used.
  • the present invention is particularly advantageously applied to magnetic rotating arc welding of steel pipes.

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Abstract

接合不良の発生を抑制することが可能な磁気回転アーク接合方法、接合不良の発生が抑制された接合体およびその製造方法を得る。磁気回転アーク接合方法は、準備工程と、本加熱工程（Ｓ３０）と、接合工程とを備える。本加熱工程（Ｓ３０）では、第１および第２の金属管の端面を対向配置した状態で、金属管の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、金属管の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度まで本加熱する。接合工程では、本加熱工程（Ｓ３０）の後、端面同士を突き合わせて接合する。本加熱工程（Ｓ３０）において、第１の金属管と金第２の属管との間に流れる電流の電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、第１の金属管と第２の金属管との間の電圧が２３Ｖ以上２７Ｖ以下であって当該電圧の変動幅が±１Ｖ以下である。

Description

接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法
　この発明は、接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法に関し、より特定的には、金属管の接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法に関する。
　従来、磁気回転アーク接合方法が知られている（たとえば、特開平６－５５２６７号公報参照）。
特開平６－５５２６７号公報
　上述した磁気回転アーク接合方法において、圧接時における必須条件はアークによって鋼管端面が均一に溶融していることである。しかし、従来の磁気回転アーク接合方法においては、特に管の径が大きい場合や管の肉厚が厚い場合など、鋼管端面の溶融状態が均一にならず、接合不良が発生する場合があった。
　このような接合不良の発生を防止するため、上述した特開平６－５５２６７号公報では、対向配置した管の端面（接合部分）の外周をガスバーナなどの加熱手段で取り囲み、アークを点弧する前に当該加熱手段で接合部分を予め加熱しておく方法が開示されている。しかし、このような加熱手段を設けることにより、接合装置の装置構成が複雑化し、接合方法のコストが上昇することになっていた。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、ガスバーナなどの追加の加熱手段を用いることなく接合不良の発生を抑制することが可能な磁気回転アーク接合方法、接合不良の発生が抑制された接合体およびその製造方法を得ることである。
　この発明の１実施形態に係る磁気回転アーク接合方法は、第１及び第２の金属管を準備する工程と、本加熱する工程と、接合する工程とを備える。本加熱する工程では、第１及び第２の金属管の端面を対向配置した状態で、第１及び第２の金属管の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度まで本加熱する。接合する工程では、本加熱する工程の後、端面同士を突き合わせて接合する。本加熱する工程において、第１の金属管と第２の金属管との間に流れる電流の電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、第１の金属管と第２の金属管との間の電圧が２３Ｖ以上２７Ｖ以下であって当該電圧の変動幅が±１Ｖ以下である。
　本発明の１実施形態に係る接合体の製造方法は、上記磁気回転アーク接合方法を用いる。
　本発明の１実施形態に係る接合体は、上記磁気回転アーク接合方法を用いて、第１および第２の金属管の端面同士を接合することで製造された接合体である。
　上記によれば、接合不良の発生が抑制された接合体を得ることができる。
本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を説明するための模式図である。 本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を説明するためのフローチャートである。 本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を実施する接合装置の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を説明するためのタイミングチャートである。 本実施形態に係る接合体の斜視模式図である。 図５の線分ＶＩ－ＶＩにおける断面模式図である。 実験例に係る磁気回転アーク接合方法における温度変化を示すグラフである。 実験例に係る磁気回転アーク接合方法における温度変化を示すグラフである。 実験例に係る磁気回転アーク接合方法における温度変化を示すグラフである。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
　＜本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の概略＞
　図１を参照して、本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の概略を説明する。
　磁気回転アーク接合方法では、フレミング左手の法則を利用する。本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法では、図１に示すように、端面が対向するように配置した第１および第２の金属管２１、２２の外周側面の一部を囲むように環状の永久磁石７を配置して磁場を印加しながら、当該第１および第２の金属管２１、２２に電源３４から直流の大電流を流す。そして、第１および第２の金属管２１、２２の対向する端面の間がある距離になると、当該端面間に１．５ｍｍ～２．０ｍｍのアーク３１が点弧される。図１では、矢印３３により電流の方向が示され、矢印３２によりアーク３１に作用する力の方向が示されている。つまり、発生したアーク３１は永久磁石７による回転磁界の力を受け、図１の矢印３５に示すように当該端面における周方向に高速で回転する。その結果、第１および第２の金属管２１、２２の両端面は加熱される。
　ここで、アーク点弧後初期は第１および第２の金属管２１、２２の内径側でアーク３１が回転し、端面の内径側が加熱される。これは第１および第２の金属管２１、２２における内外の磁束密度の差によって生じる磁気吹き現象によって、アーク３１は内径側方向に力を受けるからである。本実施形態では、後述するようにこのアークによる加熱を利用して予備加熱工程と本加熱工程とを実施する。予備加熱工程では予備加熱温度を磁気変態点以下としておき、本加熱工程での加熱温度をたとえば１１００℃程度とする。
　本加熱工程では、アーク３１による加熱が開始された後、金属管２１、２２の端面では温度上昇とともに磁化率が減少し、磁気変態点（７７０℃）で強磁性が消失する。このため、金属管２１、２２の外径側の磁束密度よりも内径側の磁束密度が高くなり、磁気吹き現象によってアーク３１が金属管２１、２２の外径側に移動・加熱が行われる。
　本実施形態では、本加熱工程において、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間に流れる電流の電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間の電圧が２３Ｖ以上２７Ｖ以下であって当該電圧の変動幅が±１Ｖ以下とされている。このため、形成される接合体の接合部にデンドライト層が含まれないようにすることができるため、十分な強度の接合部を有する接合体を得ることができる。
　また、本実施形態では、当該予備加熱工程によって第１および第２の金属管２１、２２の端面が予め十分に加熱されているので、本加熱工程によって当該端面はほぼ均一に溶融状態に達する。つまり、金属管２１、２２の外径端面の加熱中に内径端面の温度が融点を超え、外径端面が加熱不足のままアーク３１が消失するといった問題の発生を抑制できる。そして、第１および第２の金属管２１、２２の端面がほぼ均一に溶融したタイミングで一方側の金属管（たとえば第１の金属管２１）を他方側の金属管（たとえば第２の金属管２２）へ高速に圧接することで、第１および第２の金属管２１、２２の端面が接合される。このとき、端面の外周側から内周側まで溶融状態がほぼ均一になっているため、内主側と外周側とでビード部の幅はほぼ等しくなり、均質で良好な接合部を形成できる。この後、後処理工程を実施する（たとえば外周側に位置するビード部を研削により除去する）ことにより、後述するような接合体１０を得ることができる。
　＜本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法の説明＞
　次に、図２～図４を参照して、本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法および当該磁気回転アーク接合方法を用いた接合体の製造方法を詳細に説明する。なお、図４（Ａ）の縦軸は端面間の通電電流を示し、図４（Ｂ）の縦軸は端面間のアーク電圧を示し、図４（Ｃ）の縦軸は端面間の距離（ギャップ）を示し、図４（Ｄ）の縦軸は端面から２ｍｍの位置での温度を示し、図４（Ｅ）の縦軸は端面間の押圧圧力を示し、図４（Ａ）～（Ｅ）の横軸は時間を示す。
　図２を参照して、本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法（接合体の製造方法）では、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、第１及び第２の金属管２１、２２を準備する。準備した第１及び第２の金属管２１、２２は、図３に示す接合装置にセットされる。図３に示した接合装置では、プラス端子８が接続されたチャック９に第１の金属管２１が固定される。また、マイナス端子６が接続されたチャック９に第２の金属管２２が固定される。２つのチャック９には、第１および第２の金属管２１、２２の周囲を囲むように環状の永久磁石７が設置されている。また、マイナス端子６が接続されたチャック９において永久磁石７が設置された第１の面と反対側の第２の面側には、ロードセル５が接続されている。ロードセル５から見てチャック９と反対側には、ボールねじ３が設置されている。ボールねじ３には、減速機２を介してモータ１が接続されている。また、マイナス端子６が接続されたチャック９の変位を測定するための変位センサ４がロードセル５と隣接した位置に配置されている。第１および第２の金属管２１、２２は、互いの端面が対向するように配置されている。
　次に、図２に示すように、予備加熱工程（Ｓ２０）を実施する。工程（Ｓ２０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面を対向配置した状態で、端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を予備加熱温度（図４（Ｄ）の温度Ｔ１）まで予備加熱する。
　具体的には、図４の時点ｔ１において、第１および第２の金属管２１、２２の端面間の距離（ギャップ）を、図４（Ｃ）のギャップＤ１に示す所定の大きさにする。また、同時に第１および第２の金属管２１、２２の間にアーク電圧Ｖ１（図６（Ｂ）参照）を印加することで図１に示したようにアークが点弧し、端面間にアーク電流Ｉ１（図４（Ａ）参照）が流れる。このとき、アーク電圧（図４（Ｂ）参照）を一定に保つため、図４（Ｃ）に示すように第１および第２の金属管２１、２２の端面間の距離（ギャップ）を徐々に広げる。
　また、永久磁石７（図３参照）による磁界によって当該アークは端面において図１に示したように回転する。この結果、端面が加熱されるとともに、端面から所定の距離だけ離れた位置（端面から２ｍｍ離れた位置）での第１および第２の金属管２１、２２の温度が図６（Ｄ）に示す温度Ｔ１（予備加熱温度）にまで加熱され、磁性が低下した状態となる。当該位置の温度が上記温度Ｔ１にまで到達した時点ｔ２において、アーク電圧およびアーク電流をゼロにする（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。なお、上述した予備加熱工程（Ｓ２０）は複数回実施してもよい。
　そして、上記時点ｔ２から時点ｔ３まで、アーク放電を停止した状態で第１及び第２の金属管２１、２２を保持する。この保持時間により、図４（Ｄ）に示すように端面から２ｍｍの位置での温度は温度Ｔ２にまで低下するものの、端面での熱拡散によって端面の温度がより均一化する。また、このとき図４（Ｃ）に示すように、端面間のギャップを一度ゼロにして再び所定のギャップＤ１にセットする。これは後述する本加熱工程でのアークの点弧を確実に行うためにギャップの調整を行っているためである。
　次に、図２に示すように本加熱工程（Ｓ３０）を実施する。本加熱工程（Ｓ３０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度（図４（Ｄ）の温度Ｔ３）まで本加熱する。
　具体的には、図４の時点ｔ３において、第１および第２の金属管２１、２２の端面間の距離（ギャップ）を、図４（Ｃ）のギャップＤ１に示す所定の大きさにする。また、同時に第１および第２の金属管２１、２２の間にアーク電圧Ｖ１（図４（Ｂ）参照）を印加することで図１に示したようにアークが点弧し、端面間にアーク電流Ｉ２（図４（Ａ）参照）が流れる。このときのアークは、特に外周側の端面における安定性が向上していた。また、永久磁石７（図３参照）による磁界によって当該アークは端面において図１に示したように回転する。また、このときアーク電圧が一定（図４（Ｂ）参照）となるように、第１及び第２の金属管２１、２２の端面間の距離（ギャップ）を制御する（具体的には、図４（Ｃ）に示すようにギャップを徐々に大きくする）。この結果、端面が加熱されるとともに、端面から所定の距離だけ離れた位置（端面から２ｍｍ離れた位置）での第１及び第２の金属管２１、２２の温度が図４（Ｄ）に示す温度Ｔ３（接合温度）にまで上昇する。
　この工程（Ｓ３０）の後で、上記位置の温度が温度Ｔ３にまで上昇した時点ｔ４から、時点ｔ５まで、図４に示すように本加熱工程（Ｓ３０）における通電電流値（電流Ｉ２）より大きな値のアップセット電流（図４（Ａ）の電流Ｉ３）を端面間に流す工程を実施する。この結果、図４（Ｄ）に示すように端面から２ｍｍの位置の温度（及び端面の温度）は上昇する。図４の時点ｔ５になったときに、アーク電圧及びアップセット電流をゼロにする。このようにアーク電圧をゼロにした時点ｔ５の後も上記端面から２ｍｍの位置の温度は上昇を続け、最高温度である温度Ｔ４（図４（Ｄ）参照）に到達する。
　次に、図２に示す接合工程（Ｓ４０）を実施する。接合工程（Ｓ４０）では、本加熱工程（Ｓ３０）の後、金属管２１、２２の端面同士を突き合わせて接合する。接合工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせて接合している接合部は通電加熱されている。
　具体的には、図４に示す時点ｔ５の後の所定時点から第２の金属管２２を第１の金属管２１へ近づけて端面間の距離（図４（Ｃ）のギャップ）を小さくする。そして、時点ｔ６においてギャップがゼロ（つまり端面同士が接触した状態）になった後も、さらにモータ１（図３参照）を駆動して金属管２２を金属管２１側へと押圧する。この結果、図４（Ｃ）に示すようにギャップがマイナスになる（つまり溶融した端面同士の一部が外周側及び内周側へ押し出されてビード部を形成しながら端面同士が接合される）。このとき、図４（Ｅ）に示すように時点ｔ６から端面間に圧力が発生し、時点ｔ７において所定の圧力Ｐ１となる。このようにロードセル５（図３参照）により検出される端面間の圧力が所定の圧力Ｐ１になった時点で、モータ１による金属管２２の移動を停止する。この結果、時点ｔ７からギャップ（図４（Ｃ）参照）はほぼ一定になっている。そして、このように端面間の圧力が所定の圧力Ｐ１となっている状態を時点ｔ７から時点ｔ８まで保持するとともに、図４（Ａ）に示すように第１及び第２の金属管２１、２２間に電流Ｉ４を流すことで、接合部を通電加熱する。そして、時点ｔ８において上記通電加熱を終了する。このようにして、接合工程（Ｓ４０）を実施することにより、第１及び第２の金属管２１、２２を接合することができる。
　このように接合工程（Ｓ４０）を実施することで第１及び第２の金属管２１、２２を接合し、接合体を得ることができる。また、接合体１０の製造方法においては、この接合工程（Ｓ４０）の後、得られた接合体１０の接合部における外周面を研削し、外周側のビード部を除去する工程などを含む後処理工程（Ｓ５０）を実施してもよい。このようにして、本実施形態に係る接合体を得ることができる。
　なお、第１及び第２の金属管２１、２２を構成する材料は機械構造用炭素鋼などの鋼である。予備加熱工程（Ｓ２０）における予備加熱温度（温度Ｔ１）は上記材料（たとえば鋼）の磁気変態点未満の温度であることが好ましい。たとえば、予備加熱工程（Ｓ２０）における予備加熱温度（温度Ｔ１）は、１００℃以上１０００℃以下であってもよい。金属管２１、２２の肉厚が厚いものでは、内径の温度が上がっても予備加熱温度Ｔ１などを測定する金属管２１、２２の端面から２ｍｍの位置の外周面の温度はあまり高くなっていない場合もあるためである。また、好ましくは、予備加熱温度は２００℃以上９００℃以下、より好ましくは３００℃以上８００℃以下である。また、本加熱工程（Ｓ３０）における接合温度（温度Ｔ３）は１０５０℃以上１１５０℃以下（たとえば１１００℃）であってもよい。
　また、上記予備加熱工程（Ｓ２０）及び本加熱工程（Ｓ３０）における端面間の通電電流値（図４（Ａ）の電流Ｉ１または電流Ｉ２）は１０Ａ以上１００００Ａ以下であってもよい。予備加熱工程（Ｓ２０）及び本加熱工程（Ｓ３０）における磁界の磁束密度は１ｍＴ以上１０００ｍＴ以下であってもよい。
　また、上記接合工程（Ｓ４０）における金属管２２の移動速度（押圧速度）は、２０ｍｍ／ｓ以上１１００ｍｍ／ｓ以下とすることができる。移動速度の下限を２０ｍｍ／ｓとしたのは、あまり移動速度が遅いと端面同士が接触する前に端面の温度が下がってしまい、接合条件が悪くなるためである。また、移動速度の上限を１１００ｍｍ／ｓとしたのは、モータ１や油圧駆動装置などの設備性能を考慮し、実現可能な値として決定している。なお、移動速度は、好ましくは３０ｍｍ／ｓ以上１０００ｍｍ／ｓ以下、より好ましくは５０ｍｍ／ｓ以上９００ｍｍ／ｓ以下である。
　また、上述した接合方法の各工程（Ｓ２０～Ｓ４０）における各条件は、金属管の材料やサイズなどに応じて適宜選択することができる。また、本方法では温度履歴による加熱時間制御を行うことにより、電流値、アーク電圧値、磁束密度、材料寸法などが異なった場合にも加熱時間制御が容易である。
　＜接合体の構成＞
　図５及び図６を参照して、本実施形態に係る接合体を説明する。図５を参照して、接合体１０は、第１の金属管２１と、第２の金属管２２とが上述した磁気回転アーク接合方法により接合されたものである。すなわち、接合体１０は、第１の金属管２１と、第２の金属管２２と、第１及び第２の金属管２１、２２の端面同士を接合した接合界面１１を含む接合部とを備える。接合部には、外周側に突出する外周ビード部（図示せず）と、内周側に突出する内周ビード部１３とが形成される。外周ビード部は、研削により除去されている。このため、当該外周ビード部が研削により除去された部分は研削部１２となっている。第１の金属管２１から第２の金属管２２に向かう方向における、外周ビード部の幅（つまり研削部１２の幅Ｌ１）と内周ビード部１３の幅Ｌ２との差（Ｌ１－Ｌ２の絶対値）は、外周ビード部の幅（研削部１２の幅Ｌ１）と内周ビード部の幅Ｌ２との平均値（（Ｌ１＋Ｌ２）／２）に対して４０％以下となっている。このようにすれば、接合部における第１及び第２の金属管２１、２２の内周側と外周側とでビード部の幅の相違が十分小さくなっており、接合部の接合状態が内周側と外周側とで大きな差異が無く、当該接合部の健全性が確保された接合体１０となっている。
　なお、ここで内周ビード部１３の幅Ｌ２とは、図６に示した断面において、接合体１０における第１の金属管２１と第２の金属管２２との内周面から内周ビード部１３が突出し始める位置（境界点１４ａ、１４ｂ）の間の距離である。また、外周側における研削部１２の幅Ｌ１も、同様に第１の金属管２１と第２の金属管２２との外周面から外周ビード部が突出し始める位置の間の距離に対応する。
　上記接合体１０において、当該接合体１０の材料は任意の金属材料を用いることができるが、たとえば機械構造用炭素鋼を用いる。また、上記接合体１０において、第１及び第２の金属管２１、２２の外径は１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下である。当該外径の下限は、たとえば２０ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは１００ｍｍ以上である。また、第１及び第２の金属管２１、２２の肉厚は１ｍｍ以上１６ｍｍ以下である。当該肉厚の下限は、たとえば２ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上である。
　上述した説明と一部重複する部分もあるが、本発明の実施形態の特徴的な構成を列挙する。
　この発明の１実施形態に係る磁気回転アーク接合方法は、第１及び第２の金属管を準備する工程（Ｓ１０）と、本加熱する工程（Ｓ３０）と、接合する工程（Ｓ４０）とを備える。本加熱する工程（Ｓ３０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面を対向配置した状態で、第１及び第２の金属管２１、２２の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度（図４（Ｄ）の温度Ｔ３）まで本加熱する。接合する工程（Ｓ４０）では、本加熱する工程（Ｓ３０）の後、端面同士を突き合わせて接合する。本加熱する工程（Ｓ３０）において、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間に流れる電流の電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間の電圧が２３Ｖ以上２７Ｖ以下であって当該電圧の変動幅が±１Ｖ以下である。
　このようにすれば、接合界面１１の中央部にデンドライト組織を含む層であるデンドライト層が存在せず、十分な強度の接合部を有する接合体１０を得ることができる。
　なお、温度の測定位置として端面から２ｍｍ離れた位置を採用しているが、発明者はシミュレーション及び実験から当該位置の温度であれば実験とシミュレーションとの対応関係も安定しており、制御に用いる測定値として十分な信頼性を有するものであることを確認している。
　上記磁気回転アーク接合方法では、本加熱する工程（Ｓ３０）において、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間に流れる電流の電流密度と、第１の金属管２１と前記第２の金属管２２との間の電圧とが、以下の関係：
　前記電圧が２３Ｖ以上２４Ｖ以下のとき前記電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．６０２Ａ／ｍｍ２以下、
　前記電圧が２４Ｖ超え２７Ｖ以下のとき前記電流密度が０．６０２Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、
　という関係を満足してもよい。
　この場合、接合界面１１にデンドライト層が存在しない、十分な強度の接合部を有する接合体１０を確実に得ることができる。
　上記磁気回転アーク接合方法は、予備加熱する工程（Ｓ２０）をさらに備えていてもよい。予備加熱する工程（Ｓ２０）では、本加熱する工程（Ｓ３０）に先だって、第１及び第２の金属管２１、２２の端面を対向配置した状態で、端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を予備加熱温度（図４（Ｄ）の温度Ｔ１）まで予備加熱する。
　この場合、本加熱工程（Ｓ３０）において用いる方法と同じ設備を用いて予備加熱する工程（Ｓ２０）を実施できるので、従来のように予備加熱用に独立した加熱手段を準備する必要が無く、簡単な構成によって予備加熱することができる。このため、当該予備加熱によって接合部（第１及び第２の金属管２１、２２の対向する端面を含む端部）を予め十分加熱しておけるので、本加熱する工程（Ｓ３０）においてアーク放電の安定性を高めることができるとともに、接合部の加熱が不十分あるいは不均一になるといった問題の発生を抑制できる。このため、接合不良の発生を抑制できる。なお、接合する工程（Ｓ４０）において端面同士を接合するための圧力（図４（Ｅ）の圧力Ｐ１）は、たとえば５ＭＰａ以上９５０ＭＰａ以下である。圧力の下限を５ＭＰａとしたのは、圧接可能な最小限の圧力が５ＭＰａ程度と考えられるためである。また圧力の上限を９５０ＭＰａとしたのは、降伏応力の高い材料を金属管の材料とした場合に想定される圧力であるためである。なお、当該圧力は好ましくは１０ＭＰａ以上９００ＭＰａ以下、より好ましくは２０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である。
　上記磁気回転アーク接合方法において、接合温度（温度Ｔ３）が１０５０℃以上１１５０℃以下であってもよい。上記接合温度（温度Ｔ３）は１０７０℃以上１１３０℃以下としてもよく、１０８０℃以上１１２０℃以下としてもよい。
　この場合、鋼を材料として用いた第１及び第２の金属管２１、２２を確実に接合して接合体を得ることができる。
　上記磁気回転アーク接合方法では、本加熱する工程（Ｓ３０）において、第１の金属管２１の端面と第２の金属管２２の端面との間の端面距離を調整することで、電圧を設定値となるように調整してもよい。
　この場合、端面距離を調整することにより上記電圧を設定値となるように制御するので、本加熱する工程における電圧条件の変動を確実に抑制できる。
　上記磁気回転アーク接合方法では、接合する工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせて接合している接合部は通電加熱されていてもよい。この場合、接合する工程（Ｓ４０）における接合部の過剰な温度低下を抑制することができるので、接合条件が劣化することを防止できる。このため、接合不良の発生をより確実に抑制できる。
　上記磁気回転アーク接合方法では、記第１及び第２の金属管２１、２２を構成する材料は機械構造用炭素鋼であってもよい。この場合、機械構造用炭素鋼を材料として用いた金属管の接合に上記磁気回転アーク接合方法を適用することにより、機械部品などの製造に本実施形態に係る接合方法を利用することができる。なお、ここで機械構造用炭素鋼とはＪＩＳ規格Ｇ４０５１に規定する機械構造用炭素鋼（たとえばＳ１０Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５５Ｃなど）、及びこれらの上記ＪＩＳ規格Ｇ４０５１に規定する炭素鋼にホウ素（Ｂ）を含有させた炭素鋼（たとえばＳＡＥ規格１０Ｂ３８、ＳＢＭ４０など）を意味する。
　上記磁気回転アーク接合方法では、接合する工程（Ｓ４０）において、第２の金属管２２に対する第１の金属管２１の相対的な圧接速度は２０ｍｍ／ｓ以上であってもよい。
　この場合、接合界面１１の中央部にデンドライト組織を含む層であるデンドライト層１５が存在せず、十分な強度の接合部を有する接合体１０を確実に得ることができる。なお、上記圧接速度（相対圧接速度）の下限を２０ｍｍ／ｓとしたのは、溶融状態の端面同士を接触させるためには、第１の金属管２１と第２の金属管２２との相対移動速度を２０ｍｍ／ｓ以上とする必要があるからである。たとえば端面間の距離が２ｍｍ程度である（アーク長が２ｍｍ程度である）場合、上記相対移動速度が２０ｍｍ／ｓ未満であると端面同士を溶融した状態で接触させることが難しくなる。また、上記相対移動速度の上限は１１００ｍｍ／ｓ以下でもよく、１０００ｍｍ／ｓ以下としてもよい。
　上記磁気回転アーク接合方法では、接合する工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせるときの圧接力（図４（Ｅ）の圧力Ｐ１）は５ＭＰａ以上であってもよい。また、当該圧接力の上限は９５０ＭＰａ以下であってもよい。圧力の下限を５ＭＰａとしたのは、圧接可能な最小限の圧力が５ＭＰａ程度と考えられるためである。また圧力の上限を９５０ＭＰａとしたのは、降伏応力の高い材料を金属管の材料とした場合に想定される圧力であるためである。なお、当該圧力は１０ＭＰａ以上としてもよく、２０ＭＰａ以上としてもよい。また、当該圧力は９００ＭＰａ以下としてもよく、８００ＭＰａ以下としてもよい。
　本発明の１実施形態に係る接合体の製造方法は、上記磁気回転アーク接合方法を用いる。このようにすれば、十分な強度の接合部を備える接合体１０を得ることができる。
　本発明の１実施形態に係る接合体は、上記磁気回転アーク接合方法を用いて、第１及び第２の金属管２１、２２の端面同士を接合することで製造された接合体１０である。この場合、金属管の端面同士を接合した接合部における割れなどの不良の発生を抑制できる。
　上記接合体１０では、第１の金属管２１と第２の金属管２２との接合界面において、第１及び第２の金属管２１、２２の外周面より内側であって第１及び第２の金属管２１、２２の内周面より外側の領域にはデンドライト層が存在していない。
　この場合、接合体１０の接合界面１１の中央部において強度の相対的に低いデンドライト層１５が存在していないので、当該接合界面１１を含む接合部においてデンドライト層１５の存在に起因して割れなどの不良が発生する可能性を低減できる。このため、十分な強度の接合部を備える接合体１０を得ることができる。
　（実験例１）
　本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の条件を検証するため、以下のような実験を行った。
　＜試料＞
　本実験では材料に外径φ４０ｍｍ、肉厚３ｍｍのＪＩＳ規格Ｓ４５Ｃ材を用いた円筒材料を第１及び第２の金属管として準備した。なお、円筒材料の軸方向の長さは３００ｍｍとした。また、接合に用いた接合装置は図３に示した構成の装置を用いた。
　＜実験方法＞
　準備した金属管を図３に示した接合装置にセットし、図２に示した本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の準備工程から本加熱工程までを実施した。また、このとき、本加熱工程での電流密度（電流値）及び電圧を変更して、金属管の端面からの距離が２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍとなる位置の温度を測定した。
　本加熱工程は、電流密度０．４０１Ａ／ｍｍ２（電流値：１４０Ａ）、電圧値２３Ｖという条件１、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）、電圧値２３Ｖという条件２、電流密度０．８２０Ａ／ｍｍ２（電流値：２８６Ａ）、電圧値２５Ｖという条件３、という３種類の条件を用いた。なお、予備加熱工程（Ｓ２０）の条件としては、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）、電圧値２３Ｖ、鋼管端面外径側の磁束密度４０ｍＴという条件を用いた。また、電圧値については、変動幅が±１Ｖ以下となるよう制御した。
　＜結果＞
　測定結果を図７～図９に示す。図７～図９は、それぞれ上述した条件１～条件３を適用した場合の接合工程における、金属管の温度変化を示すグラフである。図７～図９において、横軸は時間（単位：秒）を示し、縦軸が温度を示す。図７～図９において、実線のグラフが金属管端面から２ｍｍの位置での温度変化を示す。また、点線が金属管端面から４ｍｍの位置での温度変化を示す。また、一点鎖線が金属管端面から６ｍｍの位置での温度変化を示す。
　各グラフから、それぞれの条件において、金属管の端面が融点に達する時点での、金属管端面から２ｍｍの位置での温度（判定温度）を推定することができた。
　具体的には、条件１の場合における金属管端面から２ｍｍの位置での判定温度は１１８８℃であり、条件２の場合における金属管端面から２ｍｍの位置での判定温度は１０９１℃であり、条件３の場合における金属管端面から２ｍｍの位置での判定温度は１０２４℃である。
　（実験例２）
　本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の条件を検証するため、以下のような実験を行った。
　＜試料＞
　本実験で用いた試料（金属管）は、上述した実験例１において用いた試料と同様とした。また、接合に用いた接合装置は図３に示した構成の装置を用いた。
　＜実験方法＞
　準備した金属管を図３に示した接合装置にセットし、図２に示した本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の準備工程から本加熱工程までを実施した。なお、予備加熱工程（Ｓ２０）の条件としては、上述した実験例１と同様に、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）、電圧値２３Ｖ、金属管端面外径側の磁束密度４０ｍＴという条件を用いた。また、予備加熱工程（Ｓ２０）では、金属管の外径端面から２ｍｍの位置での温度が５５０℃になるまで加熱した。
　そして、上述のように金属管の外径端面から２ｍｍの位置での温度が５５０℃になってから３秒後、本加熱工程（Ｓ３０）を開始した。
　本加熱工程（Ｓ３０）では、電流密度（電流値）について電流密度０．４０１Ａ／ｍｍ２（電流値：１４０Ａ）、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）、電流密度０．８２０Ａ／ｍｍ２（電流値：２８６Ａ）と３種類の条件を採用するとともに、電圧値についても２３Ｖ、２５Ｖ、２７Ｖと変化させた。電圧値については、変動幅が±１Ｖ以下となるよう制御した。また、金属管外径側の磁束密度は４０ｍＴとした。そして、本加熱工程におけるアークの発生状況を観察した。なお、上述した予備加熱工程（Ｓ２０）と本加熱工程（Ｓ３０）とを５回実施し、それぞれの本加熱工程においてアークの発生状況を観察した。
　アークの発生状況の観察においては、金属管端面から２ｍｍの位置における温度が、金属管端面の温度が融点以上となる場合の温度に達するまで、アークが途切れることなく鋼管端面を周回した場合を成功と判定した。
　＜結果＞
　結果を以下の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１からもわかるように、５回ともアークが安定して回転した条件（電流密度(電流)－電圧）は、電流密度０．４０１Ａ／ｍｍ２（電流値：１４０Ａ）―電圧値２３Ｖ、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）―電圧値２３Ｖ、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）―電圧値２５Ｖ、電流密度０．８２０Ａ／ｍｍ２（電流値：２８６Ａ）―電圧値２５Ｖ、電流密度０．８２０Ａ／ｍｍ２（電流値：２８６Ａ）―電圧値２７Ｖであった。なお、電流密度０．６０２Ａ／ｍｍ２（電流値：２１０Ａ）―電圧値２７Ｖという条件においても、５回中４回はアークが安定して回転している。
　なお、電流密度０．４０１Ａ／ｍｍ２未満、電圧値２３Ｖ未満（上述した変動幅を考慮すれば電圧値２２Ｖ未満）では、端面が融解するまでにアークが切れてしまった。一方、電流密度が０．８２０Ａ／ｍｍ２より高く、電圧値が２７Ｖより高い場合（上述した変動幅を考慮すれば２８Ｖより高い場合）、端面温度が融点に達するまでアークが回転するものの、このような急速加熱は溶接部における欠陥の発生が問題となる。したがって、電流密度は０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、設定電圧値は２７Ｖ以下に制御することが好ましいと考えられる。
　上述の検討より、上述した実施形態に係る接合方法において、本加熱工程（Ｓ３０）では、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間に流れる電流の電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、第１の金属管２１と第２の金属管２２との間の電圧が２３Ｖ以上２７Ｖ以下であって当該電圧の変動幅が±１Ｖ以下とすることにより、金属管端面を確実に融点にまで加熱でき、良好な接合部を有する接合体を得ることができる。また、上述した実施形態に係る接合方法では、上記のように金属管端面の温度が融点に達するときの、金属管端面から所定の位置（たとえば２ｍｍの位置）での温度を予め特定しておき、当該所定の位置の温度が予め特定された上記温度になるまでの時間を制御するようにしてもよい。この場合、金属管端面を容易かつ確実に融点以上の温度に加熱することができる。
　上述のような条件を本加熱工程（Ｓ３０）において用いることにより、金属管端面を確実に融点を超える温度まで加熱することができ、確実に金属管を接合できるとともに接合部の強度を十分高めることができる。
　なお、上述した実験条件は一例であり、本実施形態は上述した実験例に限定されない。本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法は、上述したサイズや鋼種の金属管に限らず、たとえば、外径φ１０ｍｍ以上φ２５０ｍｍ以下、板厚１ｍｍ以上１６ｍｍ以下の鋼管に適用できる。また金属管を構成する鋼種としては、たとえば、ＪＩＳ規格Ｓ１０Ｃ～Ｓ５５Ｃまでの炭素鋼、及びＪＩＳ規格Ｇ４０５１に規定する炭素鋼にホウ素（Ｂ）を含有させた炭素鋼（たとえばＳＡＥ規格１０Ｂ３８、ＳＢＭ４０など）を用いることができる。また、本方法では、実験例１及び実験例２で説明したように、金属管端面での温度温度履歴による加熱時間制御により、電流値、アーク電圧値、磁束密度、材料寸法などが異なった場合にも加熱時間制御が容易である。
　以上のように本発明の実施の形態及び実施例について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
　この発明は、鋼管の磁気回転アーク接合に特に有利に適用される。
　１　モータ、２　減速機、３　ボールねじ、４　変位センサ、５　ロードセル、６　マイナス端子、７　永久磁石、８　プラス端子、９　チャック、１０　接合体、１１　接合界面、１２　研削部、１３　ビード部、１４ａ，１４ｂ　ビードと内周面との境界点、２１，２２　金属管、３１　アーク、３２，３３，３５　矢印、３４　電源。

Claims (12)

  1. 　第１及び第２の金属管を準備する工程と、
    　　前記第１及び第２の金属管の端面を対向配置した状態で、前記第１及び第２の金属管の前記端面間にアーク放電を発生させるとともに前記端面間に磁界を印加して前記アーク放電の位置を前記端面間において移動させることにより、前記第１及び第２の金属管の前記端面から２ｍｍ離れた前記位置の温度を接合温度まで本加熱する工程と、
    　前記本加熱する工程の後、前記端面同士を突き合わせて接合する工程とを備え、
    　前記本加熱する工程において、前記第１の金属管と前記第２の金属管との間に流れる電流の電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、前記第１の金属管と前記第２の金属管との間の電圧が２３Ｖ以上２７Ｖ以下であって前記電圧の変動幅が±１Ｖ以下である、磁気回転アーク接合方法。
  2. 　前記本加熱する工程において、前記第１の金属管と前記第２の金属管との間に流れる電流の電流密度と、前記第１の金属管と前記第２の金属管との間の電圧とが、以下の関係：
    　前記電圧が２３Ｖ以上２４Ｖ以下のとき前記電流密度が０．４０１Ａ／ｍｍ２以上０．６０２Ａ／ｍｍ２以下、
    　前記電圧が２４Ｖ超え２７Ｖ以下のとき前記電流密度が０．６０２Ａ／ｍｍ２以上０．８２０Ａ／ｍｍ２以下、
    　という関係を満足する、請求項１に記載の磁気回転アーク接合方法。
  3. 　前記本加熱する工程に先だって、前記第１及び第２の金属管の端面を対向配置した状態で、前記端面間にアーク放電を発生させるとともに前記端面間に磁界を印加して前記アーク放電の位置を前記端面間において移動させることにより、前記第１及び第２の金属管の前記端面から２ｍｍ離れた位置の温度を予備加熱温度まで予備加熱する工程をさらに備える、請求項１または２に記載の磁気回転アーク接合方法。
  4. 　前記接合温度が１０５０℃以上１１５０℃以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
  5. 　前記本加熱する工程において、前記第１の金属管の端面と前記第２の金属管の端面との間の端面距離を調整することで、前記電圧を設定値となるように調整する、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
  6. 　前記接合する工程において、前記端面同士を突き合わせて接合している接合部は通電加熱されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
  7. 　前記第１及び第２の金属管を構成する材料は機械構造用炭素鋼である、請求項１～６のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
  8. 　前記接合する工程において、前記第２の金属管に対する前記第１の金属管の相対的な圧接速度は２０ｍｍ／ｓ以上である、請求項１～７のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
  9. 　前記接合する工程において、前記端面同士を突き合わせるときの圧接力は５ＭＰａ以上である、請求項１～８のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法を用いた、接合体の製造方法。
  11. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法を用いて、第１および第２の金属管の端面同士を接合することで製造された接合体。
  12. 　前記第１の金属管と前記第２の金属管との接合界面において、前記第１および第２の金属管の外周面より内側であって前記第１および第２の金属管の内周面より外側の領域にはデンドライト層が存在していない、請求項１１に記載の接合体。
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