(57)【要約】【課題】建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のため、比較的小さな機構で、特に、大きな押し付け力を必要とせず回転のみの簡易な機構を用いて、大規模な鋼材の接合に適用できる回転摩擦による接合方法および接合構造を提供する。【解決手段】第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面１２とに跨り回転対称形状で側周面５２と底部５１を有する空所５０を加工し、接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との接触部６０に押圧力を加えた状態で接合金属４０を回転軸７１周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、摩擦による摩擦熱を利用して回転摩擦面６２近傍の材料組織を溶融させて溶融金属８０を生成し、液体化した溶融金属８０を接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填させ、隙間６１近傍の組織と一体化させることにより接合金属４０を介して第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを接合する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを隣接した位置に配置すると共に前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨り前記第１の鋼材の表面と前記第２の鋼材の表面とに垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを接合することを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項２】
回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを重ねた位置に配置すると共に前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面を対向させて配置し、前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面とを貫く直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを接合することを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項３】
前記空所の前記底部は、第１の鋼材および／または第２の鋼材の内部に有底空所として形成することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項４】
前記空所の前記底部は、第１の鋼材および／または第２の鋼材の裏面に前記空所を塞ぐように裏当板を付接することにより形成することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項５】
前記空所に前記接合金属を挿入して回転させることによって１番目の接合を完了した後、１番目の前記接合金属に連続するようにまたは重なるように、２番目の空所を形成し、前記２番目の空所に２番目の接合金属を挿入して回転させることによって２番目の接合を完了し、以後順番にＮ回これを繰り返し、連続した前記接合金属を介して前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを接合することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項６】
前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、前記端面の短辺方向である鋼材断面の厚さ方向を向くように前記空所を加工することを特徴とする請求項１に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項７】
前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、端面の長辺方向である鋼材断面の幅方向を向くように前記空所を加工することを特徴とする請求項１に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項８】
前記接合金属と前記空所の組み合わせとして前記空所が円筒形状であり、前記接合金属が略円柱体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項９】
前記接合金属の体積が、前記空所の体積より小さくないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１０】
前記接合金属の先端部にテーパ部を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１１】
前記接合金属の前記側周面に凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１２】
前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の横断面視多角形の辺部と稜部であることを特徴とする請求項１１に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１３】
前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の基端部から先端部に向かう進行方向に対する逆目ネジであることを特徴とする請求項１１に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１４】
前記接合金属の基端に前記空所の表面側を覆う鍔部を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１５】
前記空所に前記接合金属を挿入時および挿入後の回転数を１０００〜１２０００ｒｐｍとすることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１６】
前記接合金属の引張強度は、前記第１の鋼材の引張強度および前記第２の鋼材の引張強度のいずれよりも高強度であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１７】
前記接合金属の液相線温度は、前記第１の鋼材の液相線温度および前記第２の鋼材の液相線温度のいずれよりも低いことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１８】
前記接合金属の低液相線温度である金属として、高強度なＡｌ合金を使用することを特徴とする請求項１７に記載の回転摩擦による鋼材の接合方法。
【請求項１９】
前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とが請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法により接合されることを特徴とする回転摩擦による鋼材の接合構造
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転摩擦による鋼材の接合方法および接合構造に関するものである。特に、建築鋼構造に用いられる柱や梁など鋼構造骨組を構成する鋼材の接合方法および接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】  図１７に従来の摩擦圧接法による鋼材の接合例を示す。図１７ａに示すように、第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０とを押圧（摩擦圧力）しつつ第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０との接触部１６０に生ずる摩擦により接触部１６０近傍の材料組織を溶融または軟化させた後、さらに大きな押圧（アプセット圧力）を付加して一体化させる第１の鋼材１１０と第２の鋼材１２０との接合方法および接合構造である。摩擦圧接法の場合、図１７ｂに示すように、溶融により液状化した接触部１６０近傍の組織は摩擦圧力およびアプセット圧力により摩擦面から排出されてバリ１８１の大部分を形成し、通常は接合に有効利用されることはない。一方、軟化した固体組織は摩擦面近傍に残存し鋼材同士の固体接合に寄与する。【０００３】  特許文献１には、ステンレス鋼の丸棒と黄銅の丸棒との先端を接するように接触部を加工して、接触部同士を押圧しつつ相互に相対回転させて生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献２には、２本のパイプの間に同径のリング部材を挟むように接触させて配置し、リング部材とパイプとに接触部を形成して、両側のパイプをリング部材に押圧しつつリング部材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて、最終的に両側のパイプとリング部材と一体として接合させる、いわゆるインサート法と称されている摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献３には、２本の鉄筋の間に鉄筋と同断面形状短尺の接合補助材を挟むように接触させて配置し、接合補助材とそれぞれ鉄筋の先端に接触部を形成し、両側の鉄筋を接合補助材に押圧しつつ接合補助材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献４には、空所に該空所より若干大径の棒状の挿入物を挿入させるに際し、挿入物に回転運動と挿入方向に大きな力を加え、空所入口近傍さらには空所内部を摩擦発熱によって軟化または溶融させ徐々に挿入物を挿入させる方法が提示されている。【０００４】  出願人らによる従前の出願では、図１８に示す技術を提供している。第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材２１０の端面２１１と第２の鋼材２２０の端面２２１とを対向させて配置し、第１の鋼材２１０の端面２１１と第２の鋼材２２０の端面２２１とに跨る回転対称形状の空所２５０を加工する。一方、回転対称形状の空所２５０と略同形状の回転対称体形状を持つ接合金属２４０を製作し、空所２５０に遊嵌する。このとき、第１の鋼材２１０および第２の鋼材２２０と接合金属２４０との接触面２６０は、空所２５０の側周面２５２と接合金属２４０の側周面２４２とで構成される。接合金属２４０を接触面２６０に向かって押圧しつつ回転対称体の回転軸２７１周りに回転させて、接触面２６０に生じる摩擦力を利用し接触面２６０近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる。このようにして、接合金属２４０を介して第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０とを接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３０１３６４号公報
【特許文献２】特開２０００−０９４１５７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１５２５６３号公報
【特許文献４】特開昭５２−０７５６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  従来の摩擦圧接法は、鉄筋のように比較的小規模な鋼材の接合に実用化されている。ただし、特許文献３の長尺の鉄筋の場合は、回転するのに大規模な設備が必要である。特許文献４の方法では、空所入口近傍で接合に寄与しないバリが多く発生し、挿入を妨害するのでそれに打ち勝つような多大な力が必要である。さらにこれらの方法を建築鋼構造の柱や梁のように大規模な鋼材の接合に適用しようとすると、押圧および摩擦を加えるために要する加圧機構や動力機構の性能が巨大化する。従って、建築鋼構造の工事現場での現場接合に適用することは困難である。一方現状では、建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合は、溶接または高力ボルト摩擦接合のいずれかによる場合がほとんどである。ところが、高力ボルト摩擦接合の場合にはボルト孔による被接合鋼材の断面欠損やボルト孔の片側だけからの締め付けが困難といった欠点があり、また、溶接の場合には施工現場の環境や技術者の技量によって欠陥が生じ得る欠点があり、これらの課題を解決できる新しい接合方法の提供が要望されている。一方、出願人による従前の出願発明では、上記課題の中の幾つかを解決し、比較的小さな機構で、好ましくは携帯可能なサイズの工具で、大規模な鋼材の接合に適用できる局部回転摩擦法による接合方法および接合構造を提供した。しかし、この方法では、接触部を押圧しつつ回転する必要があるため機構が複雑で高コストになる可能性がある。
本発明では、従前発明より更に小さな押し付け力と接合金属の回転によって鋼材の接合を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  請求項１の発明では、
回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを隣接した位置に配置すると共に前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨り前記第１の鋼材の表面と前記第２の鋼材の表面とに垂直もしくは略垂直な直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを接合する。
ここで、第１の鋼材および第２の鋼材の材質は、任意の構造用鋼材であって、接合金属の材質は、摩擦により溶融して、第１の鋼材と接合金属および第２の鋼材と接合金属とを一体化することが可能な金属である限り任意である。例えば、鋼材、合金鋼材、アルミニウム材、アルミニウム合金材などが挙げられる。空所の形状および接合金属の形状は、接合金属を空所に押し付けつつ回転することが容易な回転対称形状とする。回転対称形状の母線は任意の単調変化する曲線である。ここで、「側周面」とは、回転対称体における母線の生成する面を意味する。「容易に空所に挿入されうる」とは、接合金属の側周面と空所の側周面との間に適度の隙間を有して挿入が容易なことを意味する。【０００８】  請求項２の発明では、
回転摩擦によって第１の鋼材と第２の鋼材とを接合金属を介して接合する接合方法であって、前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを重ねた位置に配置すると共に前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面を対向させて配置し、前記第１の鋼材の裏面と前記第２の鋼材の表面とを貫く直線を回転軸とする回転対称形状で側周面と底部を有する空所を加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、液体化した前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止させて前記溶融金属を凝固させ前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを接合する。【０００９】  請求項３の発明では、
前記空所の前記底部は、第１の鋼材および／または第２の鋼材の内部に有底空所として形成する。ここで有底空所の加工の一例として、空所を削り出すドリル刃が鋼材を貫通する以前にドリルの回転を停止させる方法がある。【００１０】  請求項４の発明では、
前記空所の前記底部は、第１の鋼材および／または第２の鋼材の裏面に前記空所を塞ぐように裏当板を付接することにより形成する。ここで「付接」とは、スポット溶接等により裏当板を固定することを意味する。【００１１】  請求項５の発明では、
前記空所に前記接合金属を挿入して回転させることによって１番目の接合を完了した後、１番目の前記接合金属に連続するようにまたは重なるように、２番目の空所を形成し、前記２番目の空所に２番目の接合金属を挿入して回転させることによって２番目の接合を完了し、以後順番にＮ回これを繰り返し、連続した前記接合金属を介して前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とを接合する。【００１２】  請求項６の発明では、
前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、前記端面の短辺方向である鋼材断面の厚さ方向を向くように前記空所を加工する。
この発明によると、空所の深さを大きくする必要がない。【００１３】  請求項７の発明では、
前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とを対向させて配置し、前記第１の鋼材の端面と前記第２の鋼材の端面とに跨る空所を加工するに際し、前記空所の前記回転軸が前記端面内に存在し、端面の長辺方向である鋼材断面の幅方向を向くように前記空所を加工する。
この発明によると、空所の切削位置を少ない回数に設定することが可能である。【００１４】  請求項８の発明では、
前記接合金属と前記空所の組み合わせとして前記空所が円筒形状であり、前記接合金属が円柱体である。【００１５】  請求項９の発明では、
前記接合金属の体積が、前記空所の体積よりより小さくない。これにより、回転摩擦により生成される溶融金属が接合金属の側周面と空所の側周面の隙間を余地なく充填し尽くすことができる。つまり、請求項９は、前記隙間を前記溶融金属で余地なく充填し尽くすための必要条件である。【００１６】  請求項１０の発明では、
前記接合金属の先端部にテーパ部を有する。接合金属の先端部と空所の底部との接触部の面積を小さくし回転開始時のモータートルクを小さく抑えることにより溶融金属の生成が促進される。【００１７】  請求項１１の発明では、
前記接合金属の前記側周面に凹凸を有する。
この発明によると、発生した溶融金属が空所の深さ方向に充填侵入しやすくなるのに加え、溶融金属と接合金属の側周面の接触面積を大きくすることにより接合強度を上昇せしめる。【００１８】  請求項１２の発明では、
前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の横断面視多角形の辺部と稜部である。この発明によると、発生した溶融金属が空所の深さ方向に充填侵入しやすくなる。【００１９】  請求項１３の発明では、
前記接合金属の前記側周面の前記凹凸が、前記接合金属の基端部から先端部に向かう進行方向に対する逆目ネジである。この発明によると、発生した溶融金属が接合金属の側周面と空所の側周面との隙間に十分充填される前に空所から吐出することを防止し、溶融金属の隙間への密実な充填を促進する。【００２０】  請求項１４の発明では、
前記接合金属の基端に前記空所の表面側を覆う鍔部を有する。この発明によると、空所内部から溶融金属が吐出するのを抑える効果がある。【００２１】  請求項１５の発明では、
前記空所に前記接合金属を挿入時および挿入後の回転数を１０００〜１２０００ｒｐｍとする。回転数は、接合金属および空所の径に依存し、径が大きく、接合金属および空所の隙間が大きい条件下では、溶融金属の生成速度を大きくする必要があり高回転数が有効となる場合がある。【００２２】  請求項１６の発明では、
前記接合金属の引張強度は、前記第１の鋼材の引張強度および前記第２の鋼材の引張強度のいずれよりも高強度である。この発明によると、接合強度を上昇せしめる。【００２３】  請求項１７の発明では、
前記接合金属の液相線温度は、前記第１の鋼材の液相線温度および前記第２の鋼材の液相線温度のいずれよりも低い。この発明によると、溶融金属をより発生しやすくすることで接合金属と空所の空隙の充填効果を高める。ここで、「液相線温度」とは、純金属における融点のことであり、多成分系の合金の場合、凝固開始温度（すなわち液化完了温度）と液化開始温度（すなわち凝固完了温度）が異なるため融点と称さず、凝固開始温度のことを液相線温度と称する。【００２４】  請求項１８の発明では、
前記接合金属の低液相線温度である金属として、高強度なＡｌ合金を使用する。
高強度なＡｌ合金はＡ２０１７，２０２４，７０７５等が挙げられる。【００２５】  請求項１９の発明では、
前記第１の鋼材と前記第２の鋼材とが請求項１乃至１８のいずれかに記載の方法により接合される回転摩擦による鋼材の接合構造。本発明で提供した回転摩擦による接合方法を用いて接合された鋼構造であって、建築鋼構造のみならず、土木鋼構造、機械鋼構造、容器鋼構造、生活機材鋼構造などあらゆる用途の鋼構造の接合構造に適用できる。
【発明の効果】
【００２６】  建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のため、比較的小さな機構で、好ましくは携帯可能なサイズの工具で、大規模な鋼材の接合に適用できる回転摩擦による接合方法および接合構造を提供した。特に、大きな押し付け力を必要とせず回転のみの簡易な機構を用いた回転摩擦による接合を実現する方法を提供した。
本発明では、接合金属の先端部と空所の底部との接触部での摩擦により溶融金属を発生させ接合金属と空所の空隙を充填し、次いで溶融金属を凝固させ近傍の組織を一体化させることで接合が完了するため次の効果を生じ技術的に有用なものとなる。
（１）回転を与えるモーターのトルクや仕事率を大きく低減できる。すなわち、エネルギー効率が高まる。
（２）装置が小型化でき、操作性を高められる。
（３）接合金属と空所の形状は「円筒」でも成立するため、加工が容易になる。これによってもたらされる量産化、コスト・メリットは、実用化にとって極めて重要である。【００２７】  接合金属を空所内に挿入し、押し付け力を加えながら同時に接合金属を回転軸周りに回転させる。接合金属の先端部と空所の底部との接触部で摩擦が生じ、摩擦熱が摩擦面近傍にある金属組織の一部を溶融化せしめる。溶融流体化したすなわち溶融金属は押圧の作用によって押し出され、接合金属の側周面と空所の側周面の間の空隙に侵入していく。接合金属の側周面と空所の側周面とは接合金属の回転による相対速度を有しているので、粘性抵抗を有する溶融金属は絶えず撹拌され、力学的エネルギーから変換された熱エネルギーの供給を受けて高温の液体状態を保ち続けることができ、すぐには凝固せず接合金属と空所の間の空隙に浸透し続けることが可能である。空隙に侵入した溶融金属は、回転停止とともに空所周囲からの抜熱による温度低下によって固体化し溶接金属としての機能を果たす作用を起こし接合金属と空所周囲が一体組織となる。
なお、上記方法では、従来の摩擦圧接法のように接合部材の接触部界面で発生した溶融金属を無用な凝固物であるバリとして吐出するものではなく、被接合鋼材と接合金属とを接合する溶接金属として有効に利用する新しい技術である。溶融金属は流体であるため固体に比べて格段に小さい粘性抵抗だけによって容易に空隙に浸透せしめることが可能である。さらに摩擦は接合金属の先端部と空所の底部との接触部のみで生じさせるため、接合金属に加える押し付け力、及び、回転を与えるモーターのトルクは共に小さくて済む。すなわち、簡易な機構を用いた回転摩擦による接合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態を説明するアイソメ図である。
【図２】第１実施形態を説明する平面図および縦断面図である。
【図３】第２実施形態を説明する平面図および縦断面図である。
【図４】第２実施形態の実施手順を説明する図である。
【図５】接合ユニットを説明する図である。
【図６】第２実施形態の変形例を説明するアイソメ図である。
【図７】第３実施形態を説明する縦断面図である。
【図８】第３実施形態の応用例を説明する図である。
【図９】第３実施形態のスプライスプレートへの適用例を説明する図である。
【図１０】空所の体積と接合金属の体積の関係を示す図であり、（ａ）は接合前の状態、（ｂ）は接合完了時の状態を示す。
【図１１】接合金属が側周面にヤスリ溝またはローレット加工溝等による凹凸を有する場合を説明する図である。
【図１２】接合金属が側周面に断面視正八角形の辺部と稜部による凹凸を有する場合を説明する図である。
【図１３】接合金属が側周面に逆目ネジによる凹凸を有する場合を説明する図である。
【図１４】接合金属の基端に空所の表面側を覆う鍔部を有する場合を説明する図である。
【図１５】第４実施形態を説明する図である。
【図１６】第５実施形態を説明する図である。
【図１７】従来技術を説明する図である。
【図１８】出願人らによる従前の出願の技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
【００３０】  本発明の第１実施形態を、図１、図２を参照して説明する。第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、端面を持つ鋼材である。端面を持つ鋼材とは、例えば鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブ、角形鋼管や円形鋼管など閉鎖断面部材の管鋼板本体などが挙げられる。端面同士を対向させて配置した接合とは、具体的には突き合わせ接合である。第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とを対向させて配置する。このとき、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。空所５０として、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨り、第１の鋼材１０の表面１２と前記第２の鋼材２０の表面２２とに垂直な直線を回転軸７１とし単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面５２と、側周面５２に連続する円錐体形状の底部５１を加工する。一方、接合金属４０は、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面４２を有する接合金属本体４１と、接合金属本体４１に連続する円錐体形状の先端面４７ａを有する先端部４７とからなり、空所５０に容易に挿入されうる大きさとする。なお、本実施形態では、接合金属４０の側周面４２に凹凸を設けていない。接合金属４０を空所５０に回転軸７１が一致するように挿入する。次いで、図２ｂに示すように、接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸７１回りに回転ωを与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填させ、溶融金属８０が隙間６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固し、隙間６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。
【００３１】  本発明の第２実施形態を、図３を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様の突き合わせ接合であるが、具体的な寸法と材質を付して詳細に説明する。第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１０の端面１１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所５０ａを加工し、第２の鋼材２０の端面２１には半径１５ｍｍの半円筒形状の空所５０ｂを加工する。半円筒形状の空所５０ａおよび半円筒形状の空所５０ｂは、それぞれ頂点での開き角が１２２°の円錐体形状の底部５１ａ、底部５１ｂを有する有底空所であって、空所５０ａ、空所５０ｂの最深部の深さは１７ｍｍである。第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを隣接した位置に配置すると共に第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とを対向させて配置すると、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨る直径３０ｍｍ、深さ１７ｍｍの円筒形状の側周面５２、底部５１を有する空所５０が形成される。このとき、第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属４０は、ＳＮ４００鋼材である直径２９．５ｍｍの円柱体の接合金属本体４１と先端部４７で構成される。先端部４７は頂点での開き角が１２０°の円錐体形状の先端面４７ａを有する。なお、本実施形態では、接合金属４０の側周面４２に凹凸を設けていない。回転装置７０に装着した接合金属４０を空所５０に挿入する。次いで、図３ｂに示すように、接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させながら回転軸７１回りに回転ωを与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０を押し付け力Ｐによる押圧力と回転運動を利用して接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填させ、溶融金属８０が隙間６１の全域に充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固し、隙間６１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。ところで、本実施形態では、空所の底部５１および接合金属４０の先端部４７をそれぞれ円錐体形状としたが、それぞれ平坦面形状であってもよい。
【００３２】  図４は、第２実施形態における鋼材の接合方法の実施手順を段階的に示す。
【００３３】  （手順１）図４ａは、隣接した位置に配置した鋼板である第１の鋼材１０と第２の鋼材２０の突き合わせ面に跨る円筒形状の空所５０に、回転装置７０に装着した円柱形状の接合金属４０を挿入し、接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間に接触部６０が生じた状態を示す。
【００３４】  （手順２）図４ｂは、接合中の状態を示す。接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させ、押し付け力Ｐを一定に保持しながら接合金属４０を回転軸７１回りに回転速度ωで回転を与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は押し付け力Ｐによる押圧力の作用で押し出され、接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に侵入していく。
【００３５】（手順３）図４ｃは、接合後の状態を示す。接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２（図４ｂ参照）における摩擦によって生成された溶融金属８０（図４ｂ参照）が、接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１の全域に充填されたときに接合金属４０の回転運動を停止させ、その後の温度低下に伴って隙間内部に残留して凝固した溶融金属８０ａが近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。なお、図４ｃ中の６２ａは、接合完了時における接合金属の先端部４７と空所の底部５１との間の回転摩擦面を表す。
【００３６】  なお、回転軸７１方向の押し付け力Ｐを加える方法、回転軸７１回りの回転を加える方法は任意である。
【００３７】  本発明の第２実施形態の空所５０と接合金属４０による接合は、空所５０と接合金属４０とを接合ユニット７２として、図５に示すように複数の接合ユニット７２を第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１の境界に沿って適宜間隔で並設する。複数の接合ユニット７２を並設することにより必要な接合強度を確保する。このような第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨る空所５０を加工するに際しては、図５に示すように空所５０の回転軸７１が端面１１、２１内に存在し、端面１１、２１の短辺方向である鋼材断面の厚さ方向を向くように空所５０を加工する。
【００３８】  本発明の第２実施形態の第１の鋼材１０の端面１１と第２の鋼材２０の端面２１とに跨る空所５０を加工するに際しては、図６に示すように空所５０の回転軸７１が端面１１、２１内に存在し、端面１１、２１の長辺方向である鋼材断面の幅方向を向くように空所５０を加工してもよい。
【００３９】  本発明の第３実施形態を、図７を参照して説明する。第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、表面と裏面とを持つ鋼材である。表面と裏面とを持つ鋼材とは、例えば鋼板、スプライスプレートなどの接合用鋼板、Ｈ形鋼を構成するフランジおよびウェブなどが挙げられる。裏面と表面とを対向させて配置した接合とは、具体的には重ね合わせ接合である。
本実施形態では、第１の鋼材１０および第２の鋼材２０は、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の鋼材１０には表面１２から裏面１３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所５０ｃを加工し、第２の鋼材２０には表面２２から裏面２３に貫く直径３０ｍｍの円筒形状の空所５０ｄを加工し、第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを重ねた位置に配置すると共に第１の鋼材１０の裏面１３と第２の鋼材２０の表面２２を対向させ、且つ第１の鋼材１０に加工した円筒形状の空所５０ｃの中心と、第２の鋼材２０に加工した円筒形状の空所５０ｄの中心が回転軸７１として一致するように配置すると、第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを貫く直線を回転軸７１とする回転対称形状の空所５０が形成される。さらに、第２の鋼材２０の裏面２３に空所５０を塞ぐように裏当板５５を付接して空所５０の底部５１を形成する。このとき、第１の鋼材１０の裏面１３と第２の鋼材２０の表面２２とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、不可避の建方誤差等に伴う微小のズレは許容される。一方、接合金属４０は、ＳＮ４００鋼材であり接合金属本体４１が直径２９．５ｍｍの円柱体であり、先端部４７には先端直径２９ｍｍ傾斜角度６０°のテーパ部４６を設ける。なお、本実施形態では、接合金属４０の側周面４２に凹凸を設けていない。接合金属４０を空所５０に挿入し、接合金属４０に押し付け力を作用させながら回転対称軸７１回りに回転を与えて摩擦を生ぜしめる。ここで回転数は３０００ｒｐｍで押し付け力は７０００Ｎである。摩擦熱によって生成された溶融金属８０を、先端部４７に生じる押圧力と回転運動を利用して接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に充填せしめ、隙間６１の全域が充填されたときに回転運動を停止させる。その後の温度低下に伴って溶融金属８０は凝固して組織が一体化し、接合金属４０を介して第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを接合する。ところで、本実施形態では、空所５０および接合金属４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、実施形態１のように、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面５２、４２を有するものとしても上い。
【００４０】  第３実施形態の方法を応用すると、図８に示すように３以上の鋼材を重ね合わせて接合することができる。すなわち、第１の鋼材１０、第２の鋼材２０および第３の鋼材３０の裏面と表面をそれぞれ重ね合わせて配置し、接合金属４０を介して接合する。
【００４１】  更に、図９に示すように建築鋼構造のスプライスプレートによる接合部に応用することができる。ここで、第１の鋼材１０、第２の鋼材２０および第３の鋼材３０は、それぞれ上スプライスプレート３４、Ｈ形鋼のフランジプレート３５、３５および下スプライスプレート３６であって、接合金属４０を介して接合する。
【００４２】  図１０を参照して、請求項９の発明、及び（００１５）の命題の成立理由を、接合過程での現象に則して詳細に説明する。なお、以下の説明では、簡単のため接合過程における温度変化及び相変化による質量密度の変化は小さいものとして無視する。図１０ａは接合前の状態、図１０ｂは接合完了時の状態を示す。
また、図１０ｂの６２ａは、接合完了時の接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面を示し、液体である溶融金属８０は圧力により全て外部に押し出され、回転摩擦面６２ａの内部には存在しないものとしている。
接合金属４０の接合前の総体積をＶ２、空所５０の体積をＶ３とする。
請求項９の「前記接合金属の体積」は前記Ｖ２であり、接合完了時に、固体のまま残った体積をＶ２ｓ、接合金属４０由来の溶融金属８０のうち隙間６１内に留まって凝固した部分の体積をＶ２ｙ、接合金属４０由来の溶融金属８０のうち空所外に押し出されてバリ８１となった部分の体積をＶ２ｂとすれば、
Ｖ２＝Ｖ２ｓ＋Ｖ２ｙ＋Ｖ２ｂ  ―――――  （１）
が成り立つ。
次に、（００１５）の「請求項９の発明では、隙間に充填され凝固した溶融金属８０ａが接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２の隙間６１を余地なく充填し尽くすことができる」ことの理由を説明する。
第１の鋼材１０および第２の鋼材２０のうち、接合金属４０との回転摩擦により溶融する総体積をＶａとしたとき、隙間に充填され凝固した溶融金属８０ａの一部となる体積をＶａｙ、バリ８１となって吐出される体積をＶａｂとすると、
Ｖａ＝Ｖａｙ＋Ｖａｂ  ―――――  （２）
一方、吐出されるバリ８１の総体積をＶｂとすると、Ｖｂは、接合金属４０由来のＶ２ｂと第１の鋼材１０および第２の鋼材２０由来のＶａｂとの合計であるから、
Ｖｂ＝Ｖａｂ＋Ｖ２ｂ  ―――――  （３）
である。
空所５０の体積Ｖ３と、第１の鋼材１０および第２の鋼材２０で接合金属４０との回転摩擦により溶融する総体積Ｖａとの合計Ｖ３＋Ｖａが、接合金属４０由来で固体のまま残った体積Ｖ２ｓと、溶融して隙間６１にとどまる体積Ｖ２ｙ、第１の鋼材１０および第２の鋼材２０由来で溶融して隙間６１にとどまる体積Ｖａｙとによって、空隙なく埋められるときには、
Ｖ３＋Ｖａ≦Ｖ２ｓ＋Ｖ２ｙ＋Ｖａｙ  ―――――  （４）
が成り立つ。
（１）と（４）より、
Ｖ２≧Ｖ３＋Ｖａ−Ｖａｙ＋Ｖ２ｂ  ―――――  （５）
（２）を（５）に代入して、
Ｖ２≧Ｖ３＋Ｖａｂ＋Ｖ２ｂ  ―――――  （６）
（３）を（６）に代入して、
Ｖ２≧Ｖ３＋Ｖｂ  ―――――  （７）
ここで、隙間に充填され凝固した溶融金属８０ａが隙間６１を余地なく充填し尽くし、余剰の溶融金属８０はバリ８１として放出される。そこで、バリ８１は存在するか零であるから、
Ｖｂ≧０  ―――――  （８）
である。
（７）と（８）より、
Ｖ２≧Ｖ３  ―――――  （９）
となる。式（９）は、請求項９の発明を数式で表現したものである。
【００４３】  第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態では、接合金属４０の側周面４２に凹凸を設けていないが、図１１に示すように接合金属４０の側周面４２にヤスリ溝またはローレット加工溝等により凹凸４３を設けてもよい。
【００４４】  更に、接合金属４０の側周面４２に凹凸４３は、図１２に示すように接合金属４０の横断面視多角形の辺部４３ｂと稜部４３ｃであってもよい。このように加工すると発生した溶融金属８０が空所５０の深さ方向に侵入しやすくなる。
【００４５】  更に、接合金属４０の側周面４２に凹凸４３は、図１３に示すように接合金属４０の基端部４８から先端部４７に向かう進行方向右回転に対する逆目ネジ４３ａであってもよい。このように加工すると発生した溶融金属８０が接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６１に十分充填される前に空所５０から吐出することを防止し、溶融金属８０の隙間６１への密実な充填を促進する。
【００４６】  図１４に示すように接合金属４０の基端部４８に空所５０の表面側を覆う鍔部４８ａを設けてもよい。鍔部４８ａによりバリの吐出を抑えうると共に、鍔部４８ａと鋼材の表面１２、２２との間の摩擦圧接も期待できる。
【００４７】  実施形態２または実施形態３の方法によると図５に示す接合ユニット７２間に間隔が生じて、接合金属４０の強度が第１の鋼材１０、第２の鋼材２０の強度と同等以下であれば、第１の鋼材１０、第２の鋼材２０の全強度相当の力を伝達することができない。このような場合、第１の鋼材１０および第２の鋼材２０の材質を例えばＳＮ４００としたとき、接合金属４０の材質をＳＮ４００よりも強度の大きいＳＮ４９０などとすることにより、全強度相当またはそれ以上の力を伝達することができる。
【００４８】  本発明の第４実施形態を、図１５を参照して説明する。第２実施形態で示した方法により、それぞれＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板である第１の鋼材１０と第２の鋼材２０と接合金属４０を介して接合した後、接合金属４０に連続するようにまたは重なるように、空所５０と同様の２番目の空所５０Ａを形成し、２番目の空所５０Ａに接合金属４０と同様の２番目の接合金属４０Ａを嵌入して回転させることによって２番目の接合を完了する。以後、順番にＮ回これを繰り返し、連続した接合金属４０Ａ、・・・４０Ｎを介して第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを接合する。このように接合金属４０Ａ、・・・４０Ｎを連続するようにまたは重なるように接合することによって、隙間なく第１の鋼材１０と第２の鋼材２０とを接合することができ接合強度を高めることができる。
【００４９】  鋼材に亀裂が生じて二つの部分に分離した場合に、第４実施形態の方法を応用して、再接合することにより鋼材を修復することができる。
【００５０】  接合金属４０として、接合金属４０の液相線温度は、第１の鋼材１０の液相線温度および第２の鋼材２０の液相線温度のいずれよりも低い金属を使用する。ここで、「液相線温度」とは、純金属における融点のことであり、多成分系の合金の場合、凝固開始温度（すなわち液化完了温度）と液化開始温度（すなわち凝固完了温度）が異なるため融点と称さず、凝固開始温度のことを液相線温度と称する。接合金属４０としての低液相線温度である金属として、高強度なＡｌ合金（Ａ２０１７，２０２４，７０７５等）が挙げられる。
【００５１】  本発明の第５実施形態は、図１６に示すように建築鋼構造の接合構造で多用されるＨ形鋼９１、９２への適用を表している。すなわち、Ｈ形鋼９１、９２のそれぞれのフランジプレートおよびウェブプレートの端面を突き合わせて、本発明の接合ユニット７２を並列することによって、Ｈ形鋼９１、９２同士を接合することができる。角型鋼管や円形鋼管のような閉鎖断面鋼材に対しても本発明の接合方法が適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】  建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のための、溶接または高力ボルト摩擦接合に代わるまたは併用できる新しい接合方法と接合構造を提供した。
【符号の説明】
【００５３】１０：第１の鋼材（被接合鋼材）
１１：第１の鋼材の端面
１２：第１の鋼材の表面
１３：第１の鋼材の裏面
２０：第２の鋼材（被接合鋼材）
２１：第２の鋼材の端面
２２：第２の鋼材の表面
２３：第２の鋼材の裏面
３０：第３の鋼材（被接合鋼材）
３２：第３の鋼材の表面
３３：第３の鋼材の裏面
３４：上スプライスプレート
３５：フランジプレート
３６：下スプライスプレート
４０：接合金属
４１：接合金属本体
４２：接合金属の側周面
４３：接合金属の側周面の凹凸
４３ａ：接合金属の側周面の逆目ネジ
４３ｂ：接合金属の側周面の横断面視多角形の辺部
４３ｃ：接合金属の側周面の横断面視多角形の稜部
４６：接合金属の先端部のテーパ部
４７：接合金属の先端部
４７ａ：接合金属の先端面
４８：接合金属の基端部
４８ａ：接合金属の基端部に設けた鍔部
５０：空所
５０ａ：第１の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
５０ｂ：第２の鋼材に設けられる半円筒形状の空所
５０ｃ：第１の鋼材に設けられる円筒形状の空所
５０ｄ：第２の鋼材に設けられる円筒形状の空所
５１：空所の底部
５１ａ：第１の鋼材に設けられる空所の底部
５１ｂ：第２の鋼材に設けられる空所の底部
５２：空所の側周面
５５：裏当板
６０：接合金属の先端部と空所の底部との接触部
６１：接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
６２：接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
６２ａ：接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
７０：回転装置
７１：回転対称体の回転軸
７２：接合ユニット
８０：溶融金属
８０ａ：隙間に充填され凝固した溶融金属
８１：空所外に押し出された溶融金属が再固体化して生じたバリ
９１：第１のＨ形鋼
９２：第２のＨ形鋼
１１０：従来技術における第１の鋼材
１２０：従来技術における第２の鋼材
１６０：従来技術における接触部
１８１：従来技術におけるバリ
２１０：従前出願における第１の鋼材
２１１：従前出願における第１の鋼材の端面
２２０：従前出願における第２の鋼材
２２１：従前出願における第２の鋼材の端面
２４０：従前出願における接合金属
２４２：従前出願における接合金属の側周面
２５０：従前出願における空所
２５２：従前出願における空所の側周面
２６０：従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との接触面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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