(57)【要約】【課題】接合面にろう切れが生じず安定したろう付けができる、ろう付けによるパイプ部材の接合方法を提供する。【解決の手段】一方のパイプ部材１は、肉厚部分のうち内周縁が外周縁より張り出した外開先形状を有するように加工し、軸線に直角でフラットな接合面を有する他方のパイプ部材２との間にフラックスを含有したろう材を挟んで突き合せ、突き合せた部位を加熱し、一方のパイプ部材１の端面と他方のパイプ部材２とを接合する。【選択図】図４
2014014850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方のパイプ部材と他方のパイプ部材とをろう付けによりパイプを接合する方法において、
上記一方のパイプ部材と上記他方のパイプ部材を突き合せた場合に、肉厚部分の内周縁側が接触し外縁側にすきまが生じるように、一方のパイプ部材の端部が開先形状を有しており、
上記一方のパイプ部材と上記他方のパイプ部材との間にろう材を含むインサート材を挟んで突き合わせて加圧した状態で、突き合せた部位を加熱し、上記一方のパイプ部材の端面と上記他方のパイプ部材の端面とを接合することを特徴とする、ろう付けによるパイプ接合方法。
【請求項２】
前記他方のパイプ部材の前記一方のパイプ部材との突き合せ面が、中空軸に対して直交する端面である、請求項１に記載のろう付けによるパイプ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう付けによるパイプ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ろう付けによる部材同士の接合方法は、接合部材同士の間で溶融したろうを毛細管現象により細部まで進入させ、接合部をろうを介して溶着させることにより接合部材同士を接合する技術である。この技術において、接合部材の接合精度が悪い場合、特に接合面同士のすきまが広すぎる場合にはろう材に毛細管現象が有効に働かず、ろう切れやボイドが発生しやすく確実な接合ができない。そこで、特許文献１では、一方の接合部材に予めろう溜まりを設け、他方の接合部材の接合面に突部を設けておき、突部をろう溜まりに収容することで、接合部材の接合面の精度が悪くてもろう付けを可能としている。
【０００３】
上記したろう付けによる接合方法はいわゆる液相拡散接合方法であり、鋼管などの配管同士を接合する際に用いられている。この方法は、突き合わせられる端部の互いの端面の間に非晶質相形成金属元素からなるインサート材を介在し、インサート材を溶融して非晶質相形成金属元素を被接合材中に拡散させる手法である。例えば、特許文献２では、接合すべき金属管の端面を管軸に対して直角にするとか、一方の金属管を凹型テーパとし他方を凸型テーパとすることで、金属管同士を接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平０３−１１６２８７号公報（請求項１）
【特許文献２】特開平１１−３０９５８８号公報（段落０００２〜０００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは、特許文献２に開示されているように、中空軸に垂直な突き合せ面、所謂フラット面を有する突合せ端部同士をろう材を挟んで突き合せてろう付けし、ろう付け後の接合状況を丹念に調べたところ、突き合せたパイプ部材の端部が外側に拡管して、接合部がＶ字状に拡がって開口していることを突き止めた。また、Ｖ字状の開口が必要以上に大きくなりすぎると、ろう付けの接合強度が低下し、その際の引張試験ではろうの中央部から亀裂が発生し破断の起点となっていることが判明し、ろう付けの接合は液相拡散接合の高強度の接合とならず、接合強度はろう自体の強度となっていることが判明した。
【０００６】
そこで、本発明においては、端面を突き合せても接合面にろうを確実に存在させ、ろう付けしても必要以上に接合部がＶ字状に開口しない、ろう付けによるパイプ接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは次に説明することに着目して本発明に至ったのである。即ち、図１に示すろう付けによるパイプ接合方法のように、一方のパイプ部材１と他方のパイプ部材２とがいずれも中空軸に対して直交する端面を突き合せて、端面同士をろう付けで接合することを想定する。先ず図１（Ａ）に示すように、一方のパイプ部材１と他方のパイプ部材２との端面にろう材３を挟んで突き合せて他端を加圧し、その後、突き合わさっている端部を囲むように配置された加熱コイル４により各端部を加熱する。すると図１（Ｂ）に示すように、突き合わされている端部は熱膨張により軸方向に延びると共に、管の径方向にも大きくなり、接合面と逆側の両端から圧接するように一方及び他方のパイプ部材１，２が加圧されるため、接合部は管の外側方向に拡開してしまう。
【０００８】
詳説すると、図１（Ａ）の一点破線近傍を拡大した図１（Ｃ）に示すように、一方及び他方のパイプ部材１，２の突き合せ端面でろう材３を挟んで突き合せ、矢印Ｆ１で示す方向に圧接する。その後、図１（Ｄ）に示すように、還元性を有するガス又は不活性ガス（以下、単に「ガス」と呼ぶ。）Ｇを突き合せ端部の周囲から吹き付けると共に、一方及び他方のパイプ部材１，２の中空にガスＧを流しながら、加熱コイル４に交番電流を流してろう材３及び突き合せ端部を誘導加熱する。すると、図１（Ｄ）に示すように、ろう３Ａにより両パイプ部材１，２が接合されるが、誘導加熱及び圧接する力Ｆ２により一方及び他方のパイプ部材１，２が径方向に拡大し、Ｖ字状の開口が発生する。両端面でその拡大する動きにズレが生じた場合、図１（Ｄ）に示すようにＶ字状の開口に合わせて目違いが形成されてしまう。
【０００９】
Ｖ字状の開口が必要以上に大きくなりすぎると、ろう付けの接合強度が低下し、その際の引張試験ではろうの中央部から破断し、ろう付けの接合強度はろう自体の強度となってしまう。また目違いが生じた場合も接合面積が減少したり、応力集中の発生により接合に強度不足が生じたりする。
【００１０】
本発明者は、このＶ字状に開口する拡管現象を抑制して、かつ接合部に毛細管現象を生じさせ得るパイプ部材の端面形状に着目した。その結果、接合面でのろう切れやボイドの発生を低減することができ、さらに試行錯誤を経た結果、ろう付けの接合強度を母材の強度同等もしくはそれ以上とすることができた。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明では、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材とをろう付けしてパイプを接合する方法において、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材を突き合せた場合に、肉厚部分の内周縁側が接触し外縁側にすきまが生じるように、一方のパイプ部材の端部が外周縁より内周縁が突出した開先形状を有しており、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材との間にろう材を含むインサート材を挟んで突き合せて加圧した状態で、突き合せた部位を加熱し、一方のパイプ部材の端面と他方のパイプ部材の端面とを接合することを特徴とする。
【００１２】
これにより、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材との間にろう材を挟んで突き合わせて加圧した時点で、接合面のすきまに確実にろう材が存在し、従来の一方及び他方のパイプ部材がともに中空軸に対し垂直な面を有する場合のように、ろう材が接合面の外に排出されて、突き合せた部位を加熱して接合する時に、既にろう材が不足しているというような不具合を無くすことができる。
【００１３】
また、上記一方のパイプ部材と上記他方のパイプ部材を突き合せて加熱する際、双方のパイプ部材の内周縁同士が先に接触することで、管の初期の膨らみは内周方向に発生し、外周方向への拡開や目違いを抑制する効果が発揮される。
【００１４】
つまり、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材とをろう材を挟んで突き合せた場合でも、突合せ部はすきまを有するため加熱前にろう切れすることは無い。また、突き合せた部位を加熱し突き合せた部位が熱により管の外周方向や軸方向へ膨張しても、一方のパイプ部材が肉厚部分の内周縁を接触させる端部を有していることにより、管の内径方向へ膨らませることで外径方向への膨らみを減少させ、拡開や目違い量を抑制することができる。また、上記開先形状における角度を適正にすることで、接合部の熱による変形の過程では接合部に毛細管現象が生じ、ろうは接合部の細部にまで侵入し、ろう切れやボイドの発生のないろう付けが可能となる。また、ろう付けの強度に必要な接合面での液相拡散が生じてろう付けすきまが確保できる。以上のように、管の内径方向の膨らみによる接合面積の増加とともに、良好なろう付けすきまで接合強度の高い液相拡散接合ができ、パイプ部材の強度と同等もしくはそれ以上の接合強度を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のろう付けによるパイプ接合方法によれば、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材との間でろう切れとならずに、所望の接合強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の着想を説明するための図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るろう付けによるパイプ接合方法で用いるろう付け用パイプ部材の断面図である。
【図３】第１実施形態に係るろう付けによるパイプ接合前の様子を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態に係るろう付けによるパイプ接合方法を模式的に示す工程図である。
【図５】第２実施形態に係るろう付けによるパイプ接合方法で用いるろう付け用パイプ部材の組を示す断面図である。
【図６】第２実施形態に係るろう付け工程を模式的に示す図である。
【図７】第１及び２実施形態において、ろう付けする際の加熱状況を示す図である。
【図８】（Ａ）乃至（Ｅ）は順に比較例及び実施例１乃至実施例４で得られた接合部の断面の像を示す。
【図９】比較例及び実施例１乃至４においてろう付けにより接合したサンプルの引張強度を示す図ある。
【図１０】比較例及び実施例１乃至４において引張試験時の各試験片の伸び量を示す図である。
【図１１】フラットな接合面同士を突き合せてろう付けする過程の模式図である。
【図１２】接合時に図１１（Ｂ）のように管の外周縁側に開口が生じないように対策された、ろう付け用パイプ部材によるろう付け接合の現象を模式的に示す図である。
【図１３】図１２（Ｃ）に示したような目違いの発生を抑えるように対策された、ろう付け用パイプ部材によるろう付け接合の現象を模式的に示す図である。
【図１４】他方のパイプに外開先角度３０°を施して、一方のパイプ部材には他方のパイプ部材と突き合せたとき、ろう付けすきまが生じるように内開先角度を施して突き合せ、ろう付けする第２実施形態の過程の模式図である。
【図１５】図１４で説明した第２実施形態の外開先角度が３０°を大きく越えた場合のろう付け状態の模式図である。
【図１６】（Ａ）乃至（Ｅ）は順に実施例５乃至実施例９で得られた接合部の断面を示す像である。
【図１７】第２実施形態の接合部の断面詳細を模式的に示す図である。
【図１８】実施例５乃至実施例９での引張強度を示す図である。
【図１９】実施例５乃至９において引張試験時の各試験片の伸び量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。一方のパイプ部材と他方のパイプ部材を突き合せた部位を、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材の各端部、または単に突き合せ端部として説明する。
【００１８】
〔第１実施形態〕
図２は本発明の第１実施形態に係るろう付けによるパイプ部材の接合方法で用いるろう付け用パイプ部材の断面図であり、図１に一点鎖線で囲まれた部分を拡大して示している。
【００１９】
ろう付け用パイプ部材１０は中空軸方向に延びる管状を有しており、少なくとも一端部１１の肉厚部分は、図２に示すように外周縁１１Ａより内周縁１１Ｂが突出した開先形状を有する。即ち、一端部１１は、その肉厚部分が外周縁１１Ａと比べて内周縁１１Ｂを突出した張り出し部１２を有している。このような張り出し部１２の形状は例えば切削加工により形成することができる。張り出し部１２は外側を切り欠いている形状であるので、このような形状を「外開先形状」と呼ぶこととし、内側が欠ける場合と区別することとする。切り欠きの方向としては通常用いられている溶接の開先形状と同じ方向である。
【００２０】
図３は、第１実施形態に係るろう付けによるパイプ接合前の様子を模式的に示す図である。一方のパイプ部材１としてろう付け用パイプ部材１０を用い、他方のパイプ部材２として中空軸にほぼ直交する端部を有するパイプ部材を用意し、一方のパイプ部材１と他方のパイプ部材２とをインサート材３を挟んで突き合せ、一方及び他方のパイプ部材１、２の中空にはガスが充填され、突き合わせ端部１０Ｅ，２Ｅの外周にはガスが吹き付けられている。ガスは、希ガスなどの不活性ガス若しくは還元性を有するガス又はこれらの混合ガスである。ガスの充填、吹き付けを行うのは、加熱領域が酸化しないようにするためである。この状態において突き合せの各端部１０Ｅ，２Ｅを加熱コイル４により誘導加熱する。すると突き合せの各端部１０Ｅ，２Ｅが熱により膨張し、突き合せの各端部１０Ｅ,２Ｅが軸方向に延びるとともに外径方向に拡がる。インサート材３に含まれるろう材はろう材の液相温度に達すると溶融する。ろう材３には還元剤のフラックスを含ませており、フラックスにより突き合せの各端部１０Ｅ，２Ｅの表面酸化層とろう材に含まれる酸素が還元されて外周面方向の接合部外に放出される。
【００２１】
本発明の第１実施形態においては、突き合せ端部１０Ｅが外開先形状を有するため、接合部にはすきまができる。従って、ろう材を挟んで突き合せ端部１０Ｅ，２Ｅを突き合せた場合でも、ろう材は接合部外に吐き出されることなくすきまに確実に残り、加熱前にろう材が不足することはない。つまりろう材の溜まり領域を確保することができる。その後、加熱することにより、水分や粘結材の放出、ろう材の乾燥、フラックスによる還元、突き合せ端部１０Ｅ，２Ｅの軸方向及び外周方向への膨張、接合部すきまの減少、ろう材の溶融、毛細管現象の発生、ろう材の細部への進入、接合部の太りの形成、ろう材と接合面の液相拡散接合へと時間の経過とともに進行し、ろう付け用パイプ部材１０と他方のパイプ部材２とをろう付けし、母材強度が同等又はそれ以上の接合強度を有する接合が可能となる。
【００２２】
外開先形状については種々の形状が考えられるが、後述する実施例の設定条件では、肉厚部分の外周縁１１Ａと内周縁１１Ｂとを含む端面が、図２に示すように中空軸に直交する基準面Ｓ０に対し３．５°を含む所定の範囲のなす角を平面で構成していることが最も好ましい。このなす角は外開先角度とも呼ぶ。
【００２３】
ここで、端面Ｓ１０は外周縁１１Ａと内周縁１１Ｂとを含む平面であり、基準面Ｓ０は中空軸に直交する仮想面である。この両面のなす角度、いわゆる外開先角度θが３．５°を含んで所定の範囲であれば、接合が完了した時点で図１に示したような接合部の拡開や目違いを抑えることができ、その結果、ろう付けに必要とされるろう付けすきまの確保や接合面を増加させることも可能となり、母材強度が同等又はそれ以上の接合強度を得ることができる。角θが上限よりも大きいと、ろう材が外周縁方向にＶ字状に大きく残り、接合強度は液相拡散の生じていないろう材そのものの弱い強度となる。角θが下限よりも小さいか、または端面Ｓ１０が０°以下の、所謂内開先状態となった場合は、パイプ部材双方の外周縁が必要以上に接触するため、加熱による接合部の外周方向への膨張を助長するように力が働き、結果的に目違いが大きくなるとともに、接合面積が減少したり、目違い部で応力集中が起きるなど、接合強度が下がって好ましくない。
【００２４】
第１実施形態のように、開先形状を有するろう付け用パイプ部材１０として一方のパイプ部材１とすると共に、被接合パイプ部材として端面が中空軸に対して直交する端面を有する他方のパイプ部材２として、ろう付けにより接合する利点について説明する。
【００２５】
図４は第１実施形態に係るろう付けによりパイプを接合する工程を模式的に示す図である。図３を参照して説明したのと同様に、図４（Ａ）に示すように、一方及び他方のパイプ部材１，２の突き合せ端面をろう材（図示省略）を挟んで矢印Ｆ１で示す方向に圧接する。一方及び他方のパイプ部材１，２の突き合せ端部がなす角は、外開先角度θを形成している。
【００２６】
その後、図４（Ｂ）に示すように、還元性を有するガス又は不活性ガス（以下、単に「ガス」と呼ぶ。）Ｇを突き合せ端部周囲から吹き付けるとともに、一方及び他方のパイプ部材１，２の中空にガスＧを流しながら、加熱コイル４に交番電流を流してろう材及び突き合せ端部を誘導加熱する。すると、誘導加熱及び圧接する力Ｆ２により一方及び他方のパイプ部材１，２は軸方向に延びるとともに、径方向に拡大する。しかしながら、図１に示す場合とは異なり、一方のパイプ部材１の突き合せ部は、拡管や開口を吸収するように外開先角度θをなすように加工されているため、径方向に拡大する管の拡管や目違いが抑制される。
【００２７】
また、フラックスが矢印Ｓ１の向きに内周面から外周面方向に流れるとともに、ろう材に含まれる水分や粘結材を接合部外に放出する。また加熱温度の上昇に伴い接合部のすきまは徐々に少なくなり、ろうの液相温度域に達するとろうが溶融する。その際に接合部のすきまと溶融したろうで生じる毛細管現象により、ろうが矢印Ｓ２の方向に流れて接合面の細部にまで進入させることができる。なお、図４（Ｂ）において、加熱コイル４中心の直下の部位１Ｘ，２Ｘをろう材の液相温度以上、具体的には液相温度プラス１００℃〜２００℃に加熱する。加熱コイル中心の直下からずれた部位１Ｙ，２Ｙのように加熱コイル直下から離れるに従い、加熱温度は下がる。
【００２８】
その後、力Ｆ２の印加及び誘導加熱を止めると接合部は冷却される。ステンレス鋼のように鋭敏化が危惧される場合は、誘導加熱終了後速やかに水冷却を行い、鋭敏化を抑える必要がある。そのような急速冷却においてもろう部分で亀裂が発生するような不具合は生じない。接合強度を有する最適なろう材厚み、つまりろう材が一様に存在するためのすきまは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、引張強度試験の際にろうの中央部が破断の起点となる接合部破断ではなく、母材部で破断する強固な接合となることを、後述する実施例で確認している。ろう材の厚みをこのように設定することにより、ろう材と接合部材間で接合に必要な液相拡散接合が進行する。また外開先の効果で目違いの発生が抑制され、応力集中の少ない接合部が形成されるとともに、接合部の変形を管の内側に向かわせ内周側を太らせることができ、結果として図４（Ｃ）のように接合面積が増加し、接合強度の向上が可能となっている。以上のように、一方のパイプ部材１の端面と他方のパイプ部材２の端面との間にろうを一様に存在させることで、端面同士が接合される。
【００２９】
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係るろう付けによるパイプ接合方法で用いるろう付け用パイプ部材の組を示す断面図であり、図６は第２実施形態に係るろう付け工程を模式的に示す図である。いずれも図１に一点鎖線で囲まれた部分近傍を拡大して示してある。第２実施形態では、互いにろう付けにより接合される一方のパイプ部材１と他方のパイプ部材２の端面部がいずれも開先形状を有しており、一方のパイプ部材５１が第１の実施形態とは異なり、外周縁が内周縁よりも突出した内開先形状を有しているのに対して、他方のパイプ部材５２が逆に内周縁が外周縁よりも突出した外開先形状を有している。
【００３０】
他方のパイプ部材５２において中空軸に対して垂直な仮想面と外開先形状の端面とのなす角θを外開先角度と呼び、一方のパイプ部材５１において中空軸に対して垂直な仮想面と内開先形状の端面とのなす角βを内開先角度と呼ぶ。相互の端面で形成される外すきま角度αと外開先角度θ、内開先角度βとの関係はβ＝θ−αとなる。つまり、図６（Ａ）に示すように、他方のパイプ部材５２の端面が中空軸に対して垂直でない場合であっても、一方のパイプ部材５１の端面と他方の被接合用パイプ部材５２の端面とを突き合せたときのなす接合の外すきま角度αが、ある角度範囲内であれば良いということになる。
【００３１】
後述する実施例の結果、外開先角度θ＝３０°にて外すきま角度α＝２°で接合強度が最も高く、目違い量も少ない安定した形状が得られている。外開先角度θを４５°、６０°と大きくするに従い目違いが増長され、接合に必要な加圧力の印加が難しくなる。第２実施形態では、第１実施形態と比べて接合面積を容易に増やすことができ母材と同等以上の接合強度が可能となる。また接合時の面合わせが容易になり、接合の作業性が向上するとともに、接合時にパイプ部材同士の軸芯がずれる不具合を減少させることができる。
【００３２】
図６は、第２実施形態に係るろう付け工程を模式的に示す図である。図６（Ａ）に示すように、第２実施形態に係るろう付け用パイプ部材５１，５２の組である一方及び他方のパイプ部材１，２の突き合せ端面をインサート材（図示省略）で挟んで突き合せ、矢印Ｆ１で示すように圧接する。一方及び他方のパイプ部材１，２の突き合せ端部は、外すきま角度αを形成している。
【００３３】
その後、還元性を有するガス又は不活性ガスを突き合せ端部周囲から吹き付けると共に、一方及び他方のパイプ部材１，２の中空にガスを流しながら、加熱コイル４に交番電流を流してインサート材及び突合せ端部を誘導加熱する。すると、図６（Ｂ）に示すように、誘導加熱及び圧接する力Ｆ２により、一方及び他方のパイプ部材１，２の径方向に拡管するところ、一方のパイプ部材１の突合せ端部が拡管や開口を吸収するように両端面が外すきま角度αをなすよう加工されているため、必要以上に径方向に拡大する拡管や目違いが抑制される。結果として、図６（Ｃ）のように内周面にも膨らみを持つ形状となる。
【００３４】
また、ろう材中のフラックスが、矢印Ｓ１の向きに内周から外周に向けて流れるとともに、ろう材に含まれる水分や粘結材を接合部外に放出する。また加熱の進行に伴い接合部の外すきま角度αは徐々に少なくなり、その際、溶融したろうと接合面の間で生じる毛細管現象により、ろう材は矢印Ｓ２の方向に流れて接合面の細部にまで進入することができる。なお、図６（Ｂ）において、加熱コイル４の中心直下の部位１Ｘ，２Ｘが加熱コイル４の中心の直下から外れた部位１Ｙ，２Ｙよりも温度が高く、加熱コイル４の中心直下の部位１Ｘ，２Ｘはろうの液相温度以上の１２５０℃程度の温度に加熱される。
【００３５】
その後、力Ｆ２の印加及び誘導加熱を止めると接合部は冷却される。ステンレス鋼のように鋭敏化が危惧される場合は、誘導加熱終了後速やかに水冷却を行い鋭敏化を抑える。そのような急速冷却においても、ろう部分で亀裂が発生するような不具合は生じない。
【００３６】
接合強度を有する最適なろう材の厚み、つまりろう材が存在するためのすきまは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、引張強度試験の際にろうの中央部が破断の起点とならず、接合部でなく母材部で破断する強固な接合となることを後述の実施例で確認している。このろう材厚みにすることで、ろう材と接合部材間で接合に必要な液相拡散接合が進行する。また外すきま角度αの効果で目違いの発生が抑制されるので、応力集中の少ない接合部が形成され、接合強度が強くなる一因となっている。さらに、接合部の変形を管の内側に向かわせ内周側を太らせることができ、結果として図６（Ｃ）のように、接合面積が増加し母材の強度以上の接合強度を得ることができる。
【００３７】
以上、第１及び第２の実施形態で説明したように、一方のパイプ部材と他方のパイプ部材との間にろう材を挟んで突き合せ、突合せ端部近傍を誘導加熱してろう付けする接合工法において、接合する管の一端もしくは両端に開先加工を施し、ろう溜まり部を設けることで、ろうの溶融前にろうが不足することがない。また誘導加熱にて端部が軸方向や外周方向に膨張して生じる接合部の開口や目違いを抑制すると共に、接合時に生じる毛細管現象を利用してろうを接合部の細部まで進入させることができ、その結果として強度の高い接合ができる。
【００３８】
ここで、第１及び第２の実施形態で、ろう付けする際の誘導加熱による加熱状況を説明する。図７は第１及び第２の実施形態において、ろう付けする際の加熱状況を示す図である。横軸は時間（秒）、縦軸は温度（℃）である。ここでいう時間は、加熱コイルに通電を開始したときを０とする。また、図示する加熱状況は、特にステンレス製のパイプ部材を接合する場合を想定して示している。一方のパイプ部材１と他方のパイプ部材２との間にインサート材３を挟んで突き合わせる。
【００３９】
一方のパイプ部材１及び他方のパイプ部材２の管内にガスを急速に充填しながら、コイル電流をゼロから増加する。すると、時間０〜ｔ１で突き合わせ端部が第１の温度Ｔ１まで上昇し、突き合わせ端部近傍が乾燥する。
【００４０】
ｔ１〜ｔ２の時間ではコイル電流を更に増加して、突き合わせ端部を第２の温度Ｔ２まで急激に増加させる。第２の温度Ｔ２はフラックスが活性化する温度である。この一段目の加熱により、突き合わせ端部に挟まれたインサート材３の水分が蒸発し、結晶水が分離して蒸発し、さらに粘結材が昇華する。図７において点線で囲まれた第１の範囲Ａ１は、第１の温度Ｔ１より高く第２の温度Ｔ２より低い温度範囲である。
【００４１】
ｔ２〜ｔ３の時間では、温度センサからの検出信号によりフィードバック制御を行って加熱コイルへの電流を調整し、突き合わせ端部の温度が一定となるようにする。この均熱操作により、管の組成及び形状を安定化させ、突き合わせ端部に形成されている酸化膜をフラックスにより還元する。
【００４２】
ｔ３〜ｔ４の時間ではコイル電流を更に増加し、突き合わせ端部の温度を第２の温度Ｔ２から第３の温度Ｔ３まで上昇させる。この二段目の加熱により、インサート材３に含まれていたろうが溶解し、ろうとフラックスとが置換され、酸化膜が除去される。なお、図６において点線で囲まれた第２の範囲Ａ２は、第２の温度Ｔ２より高く第３の温度Ｔ３より低い温度範囲である。この範囲の時間で誘導加熱により急激に昇温することにより、ろう材の溶け分かれを抑制することができる。
【００４３】
ｔ４〜ｔ５の温度では、温度センサからの検出信号によりフィードバック制御を行って加熱コイルへの電流を調整し、突き合わせ端部近傍の温度を第３の温度Ｔ３のほぼ一定となるようにする。これにより、ろう材に含まれていた元素、例えばＢとＳｉが突き合わせ端部に拡散する。
【００４４】
なお、ｔ１〜ｔ５の時間では、管内にガスを補充すると同時に、突き合わせ端部にガスを吹き付け、突き合わせ端部が空気中の酸素と反応しないようにする。
ｔ５〜ｔ６の時間では、突き合わせ端部がフラックスの活性温度となるようにコイル電流を少なくし、突き合わせ端部近傍を放冷する。
ｔ６〜ｔ７の時間では、時間ｔ６においてコイル電流をゼロにし、突き合わせ端部を水冷する。これはパイプ部材の材質がＳＵＳである場合、鋭敏化によりＣｒ炭化物が析出するためである。
以下、幾つかの実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００４５】
〔実施例１〕
実施例１では、１２５Ａ、肉厚ｔ４．５ｍｍの黒皮（黒色）のＳＧＰ管を用い、図２に示すように外開先角度θが２°となるよう切削加工してろう付け用パイプ部材１０とした。これとろう付けされる被接合パイプ部材、即ち第２のパイプ部材２としてフラット面を有するＳＧＰ管を用意した。図３に示すように、ろう付け用パイプ部材１０と第２のパイプ部材２との間にフラックスを含有させたろう材３を挟んで突き合せ、図４を参照して前述した要領と同様な要領でろう付けした。
【００４６】
ろう材としてニッケルろう（品番ＢＮｉ−２）を用い、フラックスとしてニクロブレーズフラックス（米国ウォールコロモノイ社製）を用いた。１２５０℃で、保持時間、即ち図７に示すｔ４〜ｔ５を３分とした。両パイプ部材の他端に加えられているＦ１での加圧応力を５ＭＰａとした。
【００４７】
〔実施例２〕
実施例２では、図２に示すように外開先角度θが３．５°となるよう切削加工して、ろう付け用パイプ部材１０とした以外は、実施例１と同様にしてろう付けによる接合を行った。
【００４８】
〔実施例３〕
実施例３では、図２に示すように外開先角度θが５°となるよう切削加工して、ろう付け用パイプ部材１０とした以外は、実施例１と同様にしてろう付けによる接合を行った。
【００４９】
〔実施例４〕
実施例４では、図２に示すように外開先角度θが６．５°となるよう切削加工して、ろう付け用パイプ部材１０とした以外は、実施例１と同様にしてろう付けによる接合を行った。
【００５０】
〔比較例〕
比較例として、１２５Ａ、肉厚ｔ４．５ｍｍの黒皮（黒色）のＳＧＰ管を用い、外開先角度θを０°即ち、何れも中空軸に対し垂直な端面を有するパイプ部材同士をろう付けにより接合した。
【００５１】
ろう付けによる接合を次の要領で評価した。サンプルの接合部を約２２．５°で切断した１６片のうちの８片について、接合部の組織写真を撮影した。図８（Ａ）乃至（Ｅ）は、順に比較例及び実施例１乃至４で得られた接合部の断面を示す像を写真撮影したものである。いずれも８片の代表として１２時の位置にある片の像を示す。ここで何時というのは、ろう付け作業時における各片の位置を、サンプルの中空軸を時計の中心に合わせて特定する指標である。
【００５２】
サンプルの接合部を中心角約２２．５°で切断し、得られた１６片のうち８片について引張試験を行った。引張試験では幅約２５ｍｍ×長さ２００ｍｍの簡易試験片で引張試験を行った。表１は、比較例及び実施例１乃至４において、ろう付けにより接合したサンプルの引張試験を行った結果の引張強度のデータを示す表である。なお、表１に示す引張強度の値はＮ／ｍｍ2の単位で示す。最も左の列に示す何時というのは、切断前における各片の位置を、サンプルの中空軸を時計の中心に合わせて特定したものである。引張試験において、母材で破断したものと接合部で破断したものを区分けし、母材部分で破断が生じた試験片の割合を計算した値を表１の最も下の段に示す。表２はその引張試験の際の簡易試験片の破断までの伸び量のデータを示し、伸び量の平均値を表２の最も下の段に示す。表２に示す伸び量の値はｍｍの単位で示す。表１、表２において、太い枠で囲っている範囲が、母材部分で破断したものである。
【００５３】
【表１】
2014014850.tif 000003
【００５４】
【表２】
2014014850.tif 000004
【００５５】
図９は、比較例及び実施例１乃至４においてろう付けにより接合したサンプルの引張強度を示す図である。横軸は比較例及び実施例１乃至４のサンプル種別であり、縦軸は引張強度（N／ｍｍ2）である。図９では、比較例及び実施例１乃至４の例毎に１２時、１．５時、３時、４．５時、６時、７．５時、９時、１０．５時の各片の引張強度のデータを示している。接合強度の規格値（ＪＩＳ規格）としては、母材の引張強度の値２９０N／ｍｍ2以上と定められている。表１及び図９から、何れの部位の試験片もこの規格値を越えた値の引張強度を有していることがわかる。
【００５６】
図１０は、比較例及び実施例１乃至４において引張試験時の各試験片の伸び量を示す図である。表１の引張試験の結果、母材部破断率が１００％となった実施例２の外開先角度θが、３．５°の条件で伸び量が最大となり、簡易試験片８片での伸び量の平均値は２４ｍｍであった。比較例の外開先角度０°では、伸び量が半減していることが分かる。
【００５７】
図８の接合部写真のろう残り状態から、ろう厚みは５μｍ〜５０μｍの範囲で引張強度の規格値をクリアでき、かつ、母材部で破断する接合が可能なことが予想できる。ただし、母材部で破断するか接合部で破断にいたるかの、ろう厚みによる明瞭な差は認められていない。
【００５８】
以上、破断強度、母材部破断率及び伸び量から総合的に判断して、中空軸に対して垂直でフラットな端面を有する被接合パイプ部材と接合するろう付け用パイプ部材としては、外開先角度θを３．５°とすればよく、必要以上に外開先角度θを大きくしたり、小さくしたりすることは母材部分での破断率の低下を招く。すなわち、接合部での破断の確率が高まることが分かった。このことから、外開先角度θを３．５°とすれば、確実なろう付け接合ができる。つまり、一方のパイプ部材１の他方のパイプ部材２との突き合せ面が、他方のパイプ部材２の突き合せ面に対して３．５°のなす角を有すれば、接合強度の高いパイプ接合とすることができる。
【００５９】
溶接ＳＧＰ管の試験項目として挙げられている曲げ試験、４倍圧破壊試験及び水撃圧試験を行った。曲げ試験用に、外直径１２５Ａ、肉厚ｔ４．５ｍｍ、長さ１１５０ｍｍの黒皮（黒色）のＳＧＰ管を用いて、外開先角度θが３．５°となるよう切削加工した一方のＳＧＰ管と切削加工していない他方のＳＧＰ管とを、実施例２の要領で加熱温度１２５０℃、保持時間３分で接合した。その際、ろう材としては品番ＢＮｉ−１とＢＮｉ−２とを用いた。
【００６０】
接合したサンプルの一端部及び他端部を支持し、サンプル内に水を注入した状態で内圧として最高使用圧力２ＭＰａを加え、サンプル中央の接合部に曲げモーメントを加えた。その状態でたわみ量を８．０ｍｍ，１０．２ｍｍ，２０．４ｍｍとして設定した。
【００６１】
ろう材として品番ＢＮｉ−１を用いたサンプルでは、上記設定したたわみ量で曲げ荷重は２．９トン，３．７トン，４．６トンであった。何れのたわみ量でも漏水は確認されなかった。よって曲げ試験は合格と判断される。その後、荷重を増加したところ、曲げ荷重４．９トン加えたところで接合部からの漏水が確認された。
【００６２】
ろう材として品番ＢＮｉ−２を用いたサンプルでは、上記設定したたわみ量で曲げ荷重は３．４トン，３．９トン，４．６トンであった。何れのたわみ量でも漏水は確認されなかった。よって曲げ試験は合格と判断される。その後、荷重４．９トンを加えても漏水は確認されなかった。
【００６３】
４倍圧破壊試験及び水撃圧試験用に、サイズ１２５Ａ、肉厚ｔ４．５ｍｍ、長さ４００ｍｍの黒皮（黒色）のＳＧＰ管を用いて、外開先角度３．５°となるよう切削加工した一方のＳＧＰ管と切削加工していない他方のＳＧＰ管とを、実施例２の要領で加熱温度１２５０℃、保持時間３分で接合した。その際、ろう材としては品番ＢＮｉ−１とＢＮｉ−２を用いた。
【００６４】
接合したサンプルに水を注入して内圧を０．１ＭＰａに昇圧し、３分間保持して耐圧試験を行い、次に３．０ＭＰａに昇圧し３分間保持して耐圧試験を行い、さらに８．０ＭＰａに昇圧して１分間保持した。その結果、接合部分からの水漏れは確認されず、各試験項目も合格した。
【００６５】
４倍圧破壊試験を行ったサンプルに対して水撃圧試験を行った。内圧０．１ＭＰａから７．０ＭＰａに１秒で昇圧し、１００回繰り返した後、内圧０．１ＭＰａ,３．０ＭＰａを順次かけて水漏れの有無を確認した。その結果、ＢＮｉ−１，ＢＮｉ−２の何れのろう材を用いたサンプルにおいても、接合部分から水漏れは確認されなかった。
【００６６】
前述の試験で使用したＢＮｉ−２、つまり汎用品ろうは、引張試験にて全方向で母材部破断したろう材である。そのろう材には炭素含有量に対する規定値はない。ＢＮｉ−１ろう材はＣ＝０．７％と高カーボンであり、高強度接合用のろう材として市販されているろう材である。試験の結果から、黒皮（黒色）のＳＧＰ管のろう付け接合には、ろう材はＢＮｉ−１（高強度用ろう）よりもＢＮｉ−２（汎用品ろう）の方が適していることが分かった。
【００６７】
ここで、開先形状を有するパイプ部材のろう付けによる接合現象について考察する。
比較例のようにフラットな接合面同士を突き合わせろう付けする際の現象は次のように考えられる。図１１は、フラットな接合面同士を突き合せてろう付けする過程を模式的に示す図である。図１１（Ａ）に示すように、第１パイプ部材１及び第２のパイプ部材２の突き合せた各端部にろう材３を挟んで他端から加圧すると、ろう材３が両端から矢印Ｂで示すように押圧され、挟まれたろうのうち余分なろう５がはみ出す。その後、余圧状態で突き合せ端部近傍を加熱する。すると、図１１（Ｂ）で示すように、熱膨張により外周面方向に拡管し、パイプ部材１，２同士の接合面がＶ字状に開き、内周縁側では狭いすきまの接合となり、外周縁側では広いすきまの接合となる。広いすきまは場合によってはろうが接合面外に流れ出しろう切れ状態の接合となってしまう。また広いすきまの場合、引張試験の際、ろう自体の強度しか出せず、破断時の亀裂の起点となってしまう。また、加熱や与圧の状態で、図１１（Ｃ）のようにパイプ部材１，２がずれて目違い６が生じた場合は接合面積の減少となり、接合強度の低下となってしまう。
【００６８】
一方、第１の実施形態とは異なり、一方のパイプ部材１には内開先形状を有するパイプ部材を用い、他方のパイプ部材２には中空軸にほぼ直交する端部を有するパイプ部材を用い、それらを突き合わせろう付けする際の現象は次のように考えられる。図１２は、接合時に図１１（Ｂ）のように管の外周縁側に開口が生じないように対策されたろう付け用パイプ部材によるろう付け接合の現象を模式的に示す図である。つまり、一方のパイプ部材に内開先加工を施して、他方のフラットな接合面と突き合せてろう付けする過程の模式図である。第１のパイプ部材１をろう付け用パイプ部材１０とし、第２のパイプ部材２をフラットな端面を有するパイプ部材とした。図１２（Ａ）に示すように、第１のパイプ部材１の端面に内開先角度θとなるよう加工した場合、外周縁１Ｂ側ではパイプ同士がろう材３を押圧して内周面側に余分なろう５が流れ出し、図１２（Ｂ）に示すように、突き合せた端部近傍を加熱すると、熱膨張により管が外周面方向に拡がって拡管し、外周縁１Ｂ、２Ｂが矢印のように当接する。内周縁１Ａ，２Ａ側同士は矢印Ｃに示すようにろうを挟む。
【００６９】
内開先角度β＝０°を比較例とし、β＝２°,３．５°,５°,６°,７°,８°,１０°の８条件で接合試験を行った結果、内開先角度θ＝７°の条件で良好なろう付け接合を確認した。その際の試験結果では、引張強度の平均値＝３９３N／ｍｍ2、全試験片母材部破断、ろう材の接合面のろう材厚みは５μｍ〜５０μｍであった。ただし、良好な接合結果の反面、図１２（Ｃ）に示すように目違い６の段差部の寸法が０．５ｍｍを越え、接合面積の減少につながる不具合と思える接合が一部に確認された。
【００７０】
図１３は、図１２（Ｃ）に示したような目違い６の発生を抑えるように対策されたろう付け接合の現象を模式的に示す図である。つまり、一方のパイプ部材に外開先加工を施して、他方のパイプ部材におけるフラットな接合面と突き合せてろう付けする第１実施形態の過程の模式図である。図１２と同様、第１のパイプ部材１をろう付け用パイプ部材１０とし、第２のパイプ部材２をフラットな端面を有するパイプ部材とした。図１３（Ａ）に示すように、外開先角度θを端面に加工した場合、内周縁１Ａ，２Ａではパイプ同士がろう材３を押圧して外周面側に余分なろう５が流れだし、図１３（Ｂ）に示すように、突き合せた端部近傍を加熱すると、熱膨張により力Ｂが先ず内周縁側に働き、管を内周面側に膨らませる現象が生じる。その後、変形が進行し、外周縁１Ｂ，２Ｂが閉じることになる。この際の動きに応じて、接合面では毛細管現象が生じ、狭いすきま方向に向けて溶けたろう材３が接合面に浸透し、逆方向の外周面側へはフラックスにより還元された酸化膜などの不純物が排出されることとなる。実施例１乃至実施例４での試験の結果、前述の通り外開先角度θ＝３．５°で接合部全周にわたり目違い量が少なく、接合強度や母材部での破断率などで満足のいく良好な結果が得られた。
【００７１】
〔実施例５乃至実施例９〕
図１４は、他方のパイプに外開先角度３０°を施して、一方のパイプ部材には他方のパイプ部材と突き合せたとき、ろう付け用のすきまが生じるように内開先角度を施して突き合せ、ろう付けする第２実施形態の過程の模式図である。図１４にて、図１３で説明した外開先加工を施したろう付け接合の応用例を示す。これは、前述の第２の実施形態に相当する。第２のパイプ部材５２に軸心に対し外開先角度の端面を有するパイプ部材とした。第１のパイプ部材５１は第２のパイプ部材２と内周縁同士が接触して管の外周方向にすきまが広がる形となるよう、図１４（Ａ）のように内開先角度を加工した。詳細については図５を参照して説明したので、ここでは説明を省略する。外すきま角度αを、実施例５乃至実施例９の順に、−４°，−２°，０°，２°，４°とし、第２のパイプ部材５２の外開先角度θを実施例５乃至実施例９によらず３０°となるように、第１のパイプ部材５１の内開先角度βを設定した。外開先角度θ、内開先角度β、外すきま角度αの定義は図１７に示す通りであって、その詳細については既に説明した通りである。
【００７２】
接合試験の結果、図１３（Ｂ）で示した結果と同様に内周面側に膨らみを発生させることができ、かつ接合面積の増加による接合強度の向上とともに、接合時の面合わせ作業が容易になり作業効率の向上が図れた。第２のパイプ部材５２の外開先角度θは３０°にて第１のパイプ部材５１の内開先角度βは２８°、すなわち外すきま角度２°で破断強度、母材部からの破断率、伸び量ともに良好な結果が得られた。第１のパイプ部材５２の外開先角度θを４５°、６０°と変えた実施例をも行ったところ、接合に必要な加圧力を加えた場合には、図１５に示すような滑り込みが生じ、管の内外周面の両側に大きな目違いが発生する不具合が生じた。
【００７３】
図１６（Ａ）乃至（Ｅ）は順に実施例５乃至実施例９で得られた接合部の断面を示す像である。図１４で示した第２パイプ部材５２の外開先角度θを３０°とし、図１７で示す外すきま角度αを種々変更して接合面の状況を比較した接合面の像である。実施例８の外すきま角度αが２°にて管の内外周の両面に良好な膨らみが出ていることが分かる。
【００７４】
【表３】
2014014850.tif 000005
【００７５】
【表４】
2014014850.tif 000006
【００７６】
表３は実施例５乃至実施例９の引張強度のデータを示したものである。なお、引張強度試験は、前述の比較例及び実施例１乃至実施例４と同じ条件であり、表３に示す値の単位はＮ／ｍｍ2である。太い枠で囲った範囲は母材部から破断したものを示している。外開先角度が−２°の実施例６と外開先角度が２°の実施例８にて、母材部分での破断率が１００％となった。図１８は、実施例５乃至実施例９での引張強度を示す図である。実施例５乃至実施例９の何れも接合強度の規格値を満足することが分かる。
【００７７】
表４は、引張試験の際の簡易試験片の破断までの伸び量のデータを示す表である。伸び量の平均値を表２の最も下の段に示す。表２に示す伸び量の値はｍｍの単位で示す。太い枠で囲った範囲は母材部分で破断したものを示している。図１９は、実施例５乃至９において引張試験時の各試験片の伸び量を示す図である。引張強度の結果と同様に、実施例６と実施例８にて伸び量の増加と実施例７と比較して安定した接合が認められる。
【００７８】
表３、表４、図１６、図１８及び図１９の結果から総合的に判断して、中空軸に対して外開先角度３０°の端面を有する被接合部材と接合するろう付け用パイプ部材としては、すきま角度αが２°となる開先形状を有していればよい。このことから、他方のパイプ部材５２の一方のパイプ部材５１との突き合わせ面が、中空軸に対して３０°の傾きをもつ端面であり、一方のパイプ部材５１の他方のパイプ部材５２との突き合わせ面が他方のパイプ部材５１の突き合わせ面に対して２°のなす角を有していれば、つまり、すきま角度αが２°であれば、確実なろう付け接合ができる。
【００７９】
本発明は上記の実施形態及び実施例に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々設計変更した形態が含まれる。
【符号の説明】
【００８０】
１：一方のパイプ部材
２：他方のパイプ部材
２Ｅ，１０Ｅ，２０Ｅ：突合せ端部（端部）
３：ろう材
４：加熱コイル
５：余分なろう
６：目違い
５１：内開先角度をつけた一方のパイプ部材
５２：外開先角度をつけた他方のパイプ部材
【図１】
2014014850.tif 000007
【図２】
2014014850.tif 000008
【図３】
2014014850.tif 000009
【図４】
2014014850.tif 000010
【図５】
2014014850.tif 000011
【図６】
2014014850.tif 000012
【図７】
2014014850.tif 000013
【図１１】
2014014850.tif 000014
【図１２】
2014014850.tif 000015
【図１３】
2014014850.tif 000016
【図１４】
2014014850.tif 000017
【図１５】
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【図１７】
2014014850.tif 000019
【図８】
2014014850.tif 000020
【図９】
2014014850.tif 000021
【図１０】
2014014850.tif 000022
【図１６】
2014014850.tif 000023
【図１８】
2014014850.tif 000024
【図１９】
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