(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
継手筒の両側から金属管を挿入して、継手筒と金属管との間に配した接合材を液相拡散させて金属管同士を接合した金属管の液相拡散接合部構造において、端面方向に縮径する外周テーパーを管端部に設けた金属管と、端面方向に拡径する内周テーパーを前記外周テーパーに接するように設けた継手筒との間、及び継手筒の内側中央部に形成した環状壁と金属管の管端面との間のいずれか一方又は両方を液相拡散接合の接合面としたことを特徴とする金属管の液相拡散接合部構造。
【請求項２】
金属管の管端部に継手筒を挿入して、継手筒と金属管との間に配した接合材を液相拡散させて金属管同士を接合した金属管の液相拡散接合部構造において、端面方向に拡径する内周テーパーを管端部に設けた金属管と、端面方向に縮径する外周テーパーを前記内周テーパーと接するように設けた継手筒との間、及び継手筒の外側中央部に形成した環状壁と金属管の管端面との間のいずれか一方又は両方を液相拡散接合の接合面としたことを特徴とする金属管の液相拡散接合部構造。
【請求項３】
接合材が非晶質金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液相拡散接合部構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合対象の相対する管を直接または継手筒を介して、液相拡散接合により接合して得られる金属管の液相拡散接合部構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属管の接合方法としては、従来、各種の溶接方法が一般に適用されているが、近年、溶接方法に代わって液相拡散接合方法も適用されるようになってきている。
この液相拡散接合方法は、接合しようとする材料の間に箔、粉末、あるいはメッキ等の形態で被接合材よりも融点の低い共晶組成を有する合金（非晶質金属）を介在させて加圧し、挿入合金の液相線直上の温度に接合部を加熱することによってこの合金を溶融、等温凝固させる接合法であり、固相接合法の１種と考えられている。
【０００３】
この液相拡散接合は、比較的低い面圧で短時間で強固な接合部が得られるものであり、従来、ステンレス鋼、高ニッケル基合金、耐熱合金鋼またはこれらと炭素鋼を接合する場合など溶接方法の適用が難しいものを対象として広く用いられているものであるが、最近では一般鋼管を接合対象として適用することも試みられており、金属管を接合対象として適用分野が拡大することが予想される。
【０００４】
この液相拡散接合方法を金属管を接合対象として適用する場合には、相対する金属管の接合面に接合材として非晶質金属（箔）を介在させるのが一般的であり、液相拡散接合に際しては接合面と非晶質金属箔が均一に接触し、軸心が平行で一致するように調心する必要がある。
この調心は、一般の溶接方法の場合に比較してはるかに高い精度で行われる必要がある。（参考技術  日本機械学会  第１回材料、材料加工技術講演会講演論文  ５０９  「アモルファス接合システム」１９９３年１１月１９日  Ｐ３２９に記載）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、上記のような要請に応えられる調心手段がなく、調心作業負担が大きく、また、図５に示すような接合対象の金属管Ｐａと金属管Ｐｂの管端の突き合わせ面において、目違いａや図６に示すような金属管Ｐａと金属管Ｐｂの管端の突き合わせ面において、軸心ずれｂが生じ、切り欠き効果により、調心精度が十分ではなく、引張軸力、あるいは曲げ負荷時の接合部強度が低下するという問題や、接合面に間隙を生じ、十分な接合材による液相の浸透が得られず、強固な接合部が得られないという問題を生じることがあり、金属管を接合対象とした液相拡散接合においては、液相拡散接合の長所を十分に享受できないことが多かった。
【０００６】
接合面の目違いや管軸のずれを軽減する手段として、開先形状を工夫する方法もあるが、管の真円度、偏肉の影響、施工現場での軸合わせの困難さなどから理想的な形状の接合を実現することは難しい。
【０００７】
本発明は、金属管を液相拡散接合方法により接合する場合に、目違いや段差、軸心のずれの発生を簡易な調心手段で極力最小化し、強固な接合部を安定確保できる、金属管の液相拡散接合構造を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１発明は、継手筒の両側から金属管を挿入して、継手筒と金属管との間に配した接合材を液相拡散させて金属管同士を接合した金属管の液相拡散接合部構造において、端面方向に縮径する外周テーパーを管端部に設けた金属管と、端面方向に拡径する内周テーパーを前記外周テーパーに接するように設けた継手筒との間、及び継手筒の内側中央部に形成した環状壁と金属管の管端面との間のいずれか一方又は両方を液相拡散接合の接合面としたことを特徴とする金属管の液相拡散接合部構造。
【０００９】
第２の発明は、金属管の管端部に継手筒を挿入して、継手筒と金属管との間に配した接合材を液相拡散させて金属管同士を接合した金属管の液相拡散接合部構造において、端面方向に拡径する内周テーパーを管端部に設けた金属管と、端面方向に縮径する外周テーパーを前記内周テーパーと接するように設けた継手筒との間、及び継手筒の外側中央部に形成した環状壁と金属管の管端面との間のいずれか一方又は両方を液相拡散接合の接合面としたことを特徴とする金属管の液相拡散接合部構造。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、接合材が非晶質金属であることを特徴とする液相拡散接合部構造である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば一般鋼やステンレス鋼、高ニッケル合金等による金属管を液相拡散接合方法により接合する場合に、目違いや段差、軸心のずれの発生を極力最小化して、現場での接合作業で管本体の引張破断強度以上の強度を有する強固な接合部を安定確保するためのものであり、接合材を介在させ液相拡散接合する接合面を、相対する管端部間の管同士または管端部と継手筒との間に互いに接するようにテーパーを形成して、調心性を高める金属管の液相拡散接合部構造である。
【００１２】
相対する管端部を液相拡散接合により接合する際の施工上の重要課題は、前記したように相対する管端部間に目違いや段差、軸心のずれがない状態で、接合材を介在させ、接合面に間隙がない状態で面圧を負荷して接合面と接合材の密着性を十分に確保することである。
本発明においては、いずれも相対するテーパー面が干渉を始めるため、特別な調心作業を行わなくても接合対象の管の調心性を高め、軸心を合わせて、接合面と非晶質金属の密着性を十分に確保でき、十分な接合強度を確保することができる。
【００１３】
自動調心性を円滑にかつ十分に確保するとともに接合強度を十分に確保するためには、接合面を形成する一方の金属管と他方の金属管（または継手筒）の端部テーパー面の角度と長さを十分に考慮する必要がある。
接合面を形成するためのテーパー面については、径の増減値で表すと、軸方向距離１に対して、直径増減値が、１／２０〜１／３の範囲になるように選択することが望ましい。
【００１４】
ここで、１／２０未満では、自動調心効果が低下すると共に、継手を用いない場合重なり部分が長くなり過ぎ管全体の長さ損失が大きくなる。１／３度超では、自立性が失われるとともに心ずれに対しても自動調心効果が低下する。また、一方の管と他方の管（または継手筒）との係合抵抗が大きくなり円滑な係合ができなくなるとともに十分な接合面積を確保できず、十分な接合部強度を確保することができなくなる。
【００１５】
以下に本発明の各発明について概要を説明する。
図１および図２は第１の発明の液相拡散接合部構造例を示している。
接合対象の金属管１ａと１ｂの端部外周には、端面方向に縮径する外周テーパー１ｔが形成されており、この外周テーパー１ｔは、金属管より外径が大径の継手筒２の両側部内周に形成された端面方向に拡径する内周テーパー２ｔと係合している。
ここでは、この係合面を接合面としており、この係合面に液相拡散接合の接合材３ａを介在させている。
【００１６】
また、継手筒２の内周中央部には、環状壁２ｗが形成されており、金属管１ａ，１ｂの管端面はこの環状壁２ｗの側面に衝接している。ここでは、この衝接面も接合面としており、この衝接面に液相拡散接合の接合材３ｂを介在させている。
この状態で、継手筒２の外側に配設した加熱装置４により接合面およびその周辺部（以下「接合部」という。）を加熱しながらクランプ機構５ｃと圧縮応力付与機構５ｐを備えた押圧装置５で矢印方向に圧縮応力を負荷して、前記の接合面に介在させた接合材３ａ，３ｂを溶融させ、金属管１ａと１ｂの端部を継手筒２を介して液相拡散接合し、第１の発明の金属管の液相拡散接合構造を得ることができる。
【００１７】
この金属管の液相拡散接合構造例では、接合面は、金属管１ａ，１ｂの端部の外周テーパー１ｔと継手筒２の内周テーパー２ｔ間、金属管１ａ，１ｂの管端面と継手筒２の環状壁２ｗの間に形成されるため、調心が容易で接合面積を大きくすることができ、接合部強度を高めることができる。
また、金属管１ａ，１ｂの端部を継手筒２内に挿入する場合、その最終段階で管端面が環状壁２ｗの側面に衝接することにより圧縮応力負荷が過度になることはなく、接合部が変形することはない。
【００１８】
また、金属管１ａ，１ｂの端部を継手筒２に圧入後は、接合面である相対するテーパー１ｔと２ｔ、金属管の管端面と環状壁は圧入荷重を除荷しても面圧が付与された状態で自立しているため、加熱時にあらたに面圧を付与する必要がなく加熱作業を著しく簡易にすることができる。
【００１９】
図１では、金属管１ａ，１ｂの端面と環状壁２ｗの衝接面は直面になっているが、図２では、金属管１ａ，１ｂの管端面をテーパー形状とし、このテーパーに衝接する環状壁２ｗの形状を楔状にして、衝接面をテーパー形状とし、自立したときの金属管１ａ，１ｂの管端面と環状壁２ｗとの衝接面での面圧を高めるようにしている。
【００２０】
この金属管の液相拡散接合部構造例では、継手筒２と金属管の管端部間において、接合面が管端部のテーパーと環状壁２ｗによって拘束された状態で広い面積で形成されており、継手筒による補強効果が有効に作用する結果、接合部の剛性が管本体部に比べて大きく、圧縮、引張り、曲げ等の荷重による塑性変形が起こりにくい。
接合面は、荷重の方向、大きさによっては、管端部と継手筒とのテーパー面あるいは環状壁２ｗとの衝接面のみに形成しても十分な場合もある。
【００２１】
主に曲げを被る例えば鋼管杭の接合においては、環状壁２ｗと管端面との衝接面のみを接合する場合も有り得るが、この場合、テーパー長さを管直径の０．５〜１．０にすることでテーパー面を結合しなくても管端部が継手筒に拘束されるため、管体曲げ強度以上の接合強度を得ることができる。
この設計により、管端部のテーパー面での接合材の使用を回避でき、コストを削減し、施工性を向上させることができる。
【００２２】
図３および図４は、第２の発明の液相拡散接合部構造例を示している。
上記の第１の発明では、接合対象の相対する金属管の端部を金属管より外径が大径の継手筒内周側で接合材により液相拡散接合しているが、第２の発明では、接合対象の相対する金属管の端部に金属管より外径が小径の継手筒を挿入し、金属管と継手筒との間に配した接合材により液相拡散接合している。
【００２３】
この液相拡散接合部構造においては、第１の発明と同様の効果が得られ他、継手筒が管の外径を拡大しない効果があり、例えば、地中に打ち込まれる金属管杭や、外径より僅かに大きい空間に挿入されて施工される金属管などを接合する場合に適用して好適である。
【００２４】
この液相拡散接合部構造では、接合対象の金属管６ａと６ｂの端部内周に、端面方向に拡径する内周テーパー６ｔが形成されており、この内周テーパーは、金属管より外径が小径の継手筒７の両側部外周に形成された端面側に縮径する外周テーパー７ｔと係合している。ここでは、この係合面を接合面としており、この係合面に液相拡散接合の接合材３ａを介在させている。
【００２５】
また、継手筒７の外周中央部には、金属管６ａ，６ｂの管端面が衝接するように環状壁７ｗを形成している。ここでは、この衝接面も接合面としており、この衝接面に液相拡散接合の接合材３ｂを介在させている。
【００２６】
図４では、金属管６ａ，６ｂの管端面がテーパー形状に形成され、この管端面のテーパー面と係合する環状壁２ｗの形状を楔状にして、衝接面をテーパー形状とし、自立したときの金属管６ａ，６ｂの管端面と環状壁７ｗとの衝接面での面圧を高めるようにしている。
【００２７】
この状態で、金属管の管端部の外側に配設した加熱装置４により接合面およびその周辺部（以下「接合部」という。）を加熱しながらクランプ機構５ｃと圧縮応力付与機構５ｐを備えた押圧装置５（図１参照）で圧縮応力を負荷して、前記の接合面に介在させた接合材３ａ，３ｂを溶融させ、管６ａと６ｂの端部を継手筒７を介して液相拡散接合し、第２の発明の液相拡散接合部構造を得ることができる。
【００２８】
上記した本発明の各実施例で用いる加熱装置（手段）４としては、各種考えられるが、接合部を簡易に均一加熱できる誘導加熱装置、通電加熱装置、電熱ヒーター等の電気加熱装置が適性が高く、継手筒の外周側に配設するのが一般的と言えるが、継手筒内に内蔵させたり、継手筒自体を発熱体として用いてもよい。
【００２９】
加熱温度は、接合材が溶融し、接合対象の管の特性が低下しない範囲で、金属管の材質、接合材の種類、接合部に要求される特性等を考慮して選択するが、通常の場合は９００〜１２００℃である。
【００３０】
接合部での圧縮応力負荷は通常の場合１〜１００ＭＰａ（メガパスカル）で十分であり、そのための押圧装置５は、クランプ機構５ｃと圧縮応力付与機構５ｐを備えた簡易な構造のものを用いて十分である。
継手筒は、接合部の補強を兼ねるものであり、接合対象の金属管の強度と同等以上の強度を有し、金属管と液相拡散接合して十分な接合強度を確保できる金属で形成することが好ましい。
【００３１】
また、本発明における接合は液相拡散接合であるため、接合材としては、均一で安定した液相拡散性を有する例えばＦｅ系、Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｔｉ系の非晶質金属（箔）が好適である。
なお、本発明でいう拡散接合とは、液相拡散が５０％以上である液相拡散接合を意味し、拡散ろう付け接合を含むものである。
【００３２】
【実施例】
本発明の各発明の実施結果と評価結果について、表１〜表３に基づいて説明する。
この実施例では、外径２６７mm、肉厚９．３mmの鋼管（材質、ＳＴＫ４００）を接合対象とし、非晶質金属箔を接合材とする液相拡散接合を実施し、得られた接合部について、引張破断試験を実施し、その破断強度（kN）について評価した。接合材としては、Ｂ：８wt％、Ｓｉ：１０wt％、Ｖ：１２wt％、Ｆｅ：残部の成分の非晶質金属箔を用いた。
なお、各表の接合面テーパーの数値は、軸線に平行な距離１に対する径の増・減分値で示したものである。
【００３３】
【表１】
0003650486.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003650486.tif 000003
【００３５】
【表３】
0003650486.tif 000004
【００３６】
（１）表１は、第１の発明の実施例を示したものである。
サンプルNo．１〜５は図１に示すような内周面にテーパー面と環状壁を有する継手筒を用い、その内周テーパーと鋼管の外周テーパーの係合面、継手管の内側中央部に形成した環状壁面と鋼管の管端面間との衝接面を接合面として液相拡散接合した場合のものであり、表１のサンプルNo．６は継手筒の内周テーパーと鋼管の外周テーパーの係合面のみを接合面として液相拡散接合した場合のものである。
【００３７】
また、表１のサンプルNo．７は図１に示すような内周面にテーパーと環状壁を有する継手筒を用い、その環状壁面（テーパー面）と鋼管の管端面（テーパー面）の衝接面のみを接合面として接合した比較例である。
表１のサンプルNo．８は図２に示すような内周面にテーパーと環状壁を有する継手筒を用い、その内周テーパーと鋼管の外周テーパーの係合面、継手管の内側中央部に形成した環状壁面（テーパー面）と鋼管の管端面（テーパー面）の衝接面を接合面として液相拡散接合した場合のものであり、表１のサンプルNo．９は継手筒の内周テーパーと鋼管の外周テーパーの係合面のみを接合面として液相拡散接合した場合のものである。
【００３８】
また、表１のサンプルNo．１０は図２に示すような内周面にテーパー面と継手管の内側中央部に形成した環状壁を有する継手筒を用い、その環状壁面（テーパー面）と鋼管の管端面（テーパー面）の衝接面のみを接合面として液相拡散接合した比較例である。
これら第１の発明の実施例では、破断強度（kN）は３３７０〜３４００と、管体より高い強度の十分に満足できる接合部が得られた。
【００３９】
（２）表２は、第２の発明の実施例を示したものである。
サンプルNo．１〜３は図３に示すような外周面にテーパー面と外側中央部に環状壁を有する継手筒を用い、その外周テーパーと鋼管の内周テーパーの係合面、環状壁面と鋼管の管端面の衝接面を接合面として液相拡散接合した場合のものであり、表２のサンプルNo．４は、その外周テーパー面と鋼管の内周テーパー面の係合面のみを接合面として接合した場合のものである。
【００４０】
また、表２のサンプルNo．５は図３に示すような内周面にテーパーと環状壁を有する継手筒を用い、その環状壁面（テーパー面）と鋼管の管端面（テーパー面）の衝接面のみを接合面として接合した比較例である。
表２のサンプルNo．６は図４に示すような内周面にテーパーと外側中央部に環状壁を有する継手筒を用い、その外周テーパーと鋼管の内周テーパーの係合面、環状壁面と鋼管の管端面の衝接面を接合面として液相拡散接合した場合のものであり、表２のサンプルNo．７は、その外周テーパーと鋼管の内周テーパーの係合面のみを接合面として液相拡散接合した場合のものである。
【００４１】
また、表２のサンプルNo．８は図４に示すような内周にテーパー面と環状壁を有する継手筒を用い、その環状壁面（テーパー面）と鋼管の管端面（テーパー面）の衝接面のみを接合面として液相拡散接合した比較例である。
これら第２の発明の実施例では破断強度（kN）は３３６０〜３３９０と、管体より高い強度の十分に満足できる接合部が得られた。
【００４２】
（３）表３は、第１の発明と第２の発明の実施例において、継手筒の環状壁と管の端面の衝接面のみを接合面として接合した場合の鋼管の曲げ試験結果を示したものである。
表３のサンプルNo．１，２は図１に示すような第１の発明の実施例であり、表３のサンプルNo．３，４は図３に示すような第２の発明の実施例である。
いずれも継手筒の環状壁と鋼管の管端面の衝接面のみを接合面として液相拡散接合しているが、鋼管の管端部の外周テーパーと継手筒の内周テーパーとの係合面の長さを鋼管の直径の０．５〜１．０倍にすることにより、鋼管本体以上の曲げ強度を有する接合部が得られた。
【００４３】
なお、本発明は、上記の例に限定されるものではなく、炭素鋼の他、ステンレス鋼、その他の合金鋼からなる金属管を接合対象とする液相拡散接合にも適用できるものであり、液相拡散接合条件（加熱温度、圧縮応力負荷、接合面形状等）、スリーブ、加熱装置、押圧装置等の接合装置構成等については、接合対象管の材質および特性、接合材の材質、要求される接合部特性等に応じて、本発明の範囲内で変更されるものである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の液相拡散接合部構造においては、接合対象の金属管を管同士または継手筒を介して加熱、圧縮して液相拡散接合する場合の接合面を互いに接するテーパー面（環状壁面）とし、目違いや段差、軸心のずれの発生を防止して広い接合面に介在させた接合材を均一に密着させ、強固な接合部を安定確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の金属管の液相拡散接合部構造例（第１の発明の第１例）を概念的に示す側断面説明図。
【図２】  本発明の金属管の液相拡散接合部構造例（第１の発明の第２例）を概念的に示す側断面説明図。
【図３】  本発明の金属管の液相拡散接合部構造例（第２の発明の第１例）を概念的に示す側断面説明図。
【図４】  本発明の金属管の液相拡散接合部構造例（第２の発明の第２例）を概念的に示す側断面説明図。
【図５】  金属管と金属管の接合面における目違いの状態を示す側断面説明図。
【図６】  金属管と金属管の接合面における軸心ずれの状態を示す側断面説明図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ  ：金属管
１ｔ  ：外周テーパー面
２    ：継手筒
２ｔ  ：内周テーパー面
２ｗ  ：環状壁
３，３ａ，３ｂ：接合材（非晶質金属箔）
４    ：加熱装置
５    ：押圧装置
５ｃ  ：クランプ機構
５ｐ  ：圧縮応力付与機構
６ａ，６ｂ  ：金属管
６ｔ  ：内周テーパー面
７    ：継手筒
７ｔ  ：外周テーパー面
７ｗ  ：環状壁
Ｐａ  ：金属管
Ｐｂ  ：金属管
【図１】
0003650486.tif 000005
【図２】
0003650486.tif 000006
【図３】
0003650486.tif 000007
【図４】
0003650486.tif 000008
【図５】
0003650486.tif 000009
【図６】
0003650486.tif 000010