(57)【要約】【課題】特殊な設備を必要とせず、簡易な作業で摩擦接合面の加工が可能な高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】鋼板１２の表面１４に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板１２を製造する方法であって、鋼板１２の表面１４に所定パターンのマスキング部１６を形成し、マスキング部１６が形成されていない非マスキング部２０に対するアノード処理により非マスキング部２０を腐蝕させ、その後マスキング部１６を除去して、鋼板１２の表面１４に凹凸の摩擦接合面を加工形成するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する方法であって、
鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成し、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させ、その後マスキング部を除去して、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することを特徴とする高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法。
【請求項２】
電解液を保持する導電性部材を非マスキング部に接触して配置し、導電性部材と鋼板との間を通電することにより、非マスキング部に対するアノード処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法。
【請求項３】
鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する装置であって、
鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成するマスキング手段と、
マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させる腐蝕手段とを備えることを特徴とする高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置。
【請求項４】
腐蝕手段は、非マスキング部に接触して配置され、電解液を保持する導電性部材と、導電性部材と鋼板との間を通電する通電手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築や土木用の鋼構造物を構成する鋼材どうしの接合構造として、高力ボルトで鋼材を締め付け、この締め付けた圧縮力により生じる摩擦抵抗で鋼材どうしを接合する高力ボルト摩擦接合構造が一般的に知られている（例えば、特許文献１〜５を参照）。
【０００３】
一般的な摩擦接合では、母材や添板などの鋼材の摩擦接合面にグラインダーなどにより黒皮を除去した後に放置して赤錆を発生させる赤錆処理か、またはショットブラスト加工などによって摩擦接合面を粗くするブラスト処理により、設計用の摩擦係数０．４５以上を確保するようにしている。摩擦接合面の摩擦係数を向上させることができれば、少ないボルト本数で同等の接合部性能を確保することができる。
【０００４】
摩擦接合面の摩擦係数を向上させることを目的とした既往の技術としては、特許文献１〜５に記載の技術のほか、例えば図７に示すようなハイパースプライス技術（新日鉄住金株式会社、摩擦係数０．９０）、図８に示すようなアルミ溶射処理技術（株式会社竹中工務店、摩擦係数０．７０）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−７６１２１号公報
【特許文献２】特開平９−３２４２１３号公報
【特許文献３】特開２００２−３０３００３号公報
【特許文献４】特開２００７−８４９９９号公報
【特許文献５】特開２００８−２８１０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図７の技術では、鋼材に焼入れ等を施し、かつ表面をレーザー加工することで凹凸をつける必要がある。また、図８の技術では、特殊なアルミ溶射工程が必要である。このため、いずれの技術も特殊な設備が必要であり、製作および管理が非常に難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特殊な設備を必要とせず、簡易な作業で摩擦接合面の加工が可能な高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法および製造装置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】
【０００８】
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法は、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する方法であって、鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成し、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させ、その後マスキング部を除去して、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る他の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法は、上述した発明において、電解液を保持する導電性部材を非マスキング部に接触して配置し、導電性部材と鋼板との間を通電することにより、非マスキング部に対するアノード処理を施すことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置は、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する装置であって、鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成するマスキング手段と、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させる腐蝕手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る他の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置は、上述した発明において、腐蝕手段は、非マスキング部に接触して配置され、電解液を保持する導電性部材と、導電性部材と鋼板との間を通電する通電手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法によれば、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する方法であって、鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成し、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させ、その後マスキング部を除去して、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成するので、簡易な作業で摩擦接合面を加工でき、特殊な設備が不要であるという効果を奏する。
【００１３】
また、本発明に係る他の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法によれば、電解液を保持する導電性部材を非マスキング部に接触して配置し、導電性部材と鋼板との間を通電することにより、非マスキング部に対するアノード処理を施すので、通電量（電流×時間）の管理によって腐蝕量を簡単に制御でき、品質確保が容易であるという効果を奏する。
【００１４】
また、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置によれば、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する装置であって、鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成するマスキング手段と、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させる腐蝕手段とを備えるので、簡易な装置で摩擦接合面を加工でき、特殊な設備が不要であるという効果を奏する。
【００１５】
また、本発明に係る他の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置によれば、腐蝕手段は、非マスキング部に接触して配置され、電解液を保持する導電性部材と、導電性部材と鋼板との間を通電する通電手段とを有するので、通電量（電流×時間）の管理によって腐蝕量を簡単に制御でき、品質確保が容易であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法および製造装置の実施の形態を示す図である。
【図２】図２は、腐蝕発生時の化学反応式を示す図である。
【図３】図３は、本発明による効果の検証試験に用いたすべり試験体の形状寸法図である。
【図４】図４は、アノード反応による腐蝕施工試験状況を示す写真図であり、（ａ）は試験用の製造装置、（ｂ）はマスキングテープの貼付状況、（ｃ）はマスキングテープによる凹凸形成状況、（ｄ）は透水性繊維メッシュによる凹凸形成状況を示す図である。
【図５】図５は、本発明による効果の検証試験に用いたすべり試験体の組立体の形状寸法図であり、（１）は上面図、（２）は側面図である。
【図６】図６は、すべり試験体の摩擦接合面の状況を示す写真図であり、（ａ）は試験体番号Ａ−１、Ａ−２の図、（ｂ）は試験体番号Ｂ−１、Ｂ−２の図、（ｃ）は試験体番号Ｃ−１、Ｃ−２の図、（ｄ）は試験体組立状況を示す図である。
【図７】図７は、従来の高力ボルト摩擦接合面の加工の一例を示す斜視図である。
【図８】図８は、従来の高力ボルト摩擦接合面の加工の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法および製造装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
図１に示すように、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置１０は、アノード腐蝕作用（アノード反応）を利用して鋼板１２の上面１４（表面）を腐蝕させ、ここに摩擦接合面として機能する凹凸を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板１２を製造する装置である。この製造装置１０は、鋼板１２の上面１４にメッシュ状（所定パターン）のマスキング部１６を形成するマスキングテープ１８（マスキング手段）と、マスキング部１６が形成されていない非マスキング部２０に対するアノード処理により非マスキング部２０を腐蝕させる腐蝕手段２２とを備える。マスキング部１６は、鋼板１２の上面１４にマスキングテープ１８をメッシュ状に貼付して形成することができる。
【００１９】
腐蝕手段２２は、食塩水（電解液）を含んで保持する導電性のスポンジ２４（導電性部材）と、スポンジ２４と鋼板１２との間を通電する直流電源２６（通電手段）とを有する。スポンジ２４は、非マスキング部２０を含む鋼板１２の上面１４に接触した状態で配置される。
【００２０】
スポンジ２４の上面に設置した銅板２８を陰極とし、スポンジ２４の下面側の鋼板１２を陽極として、それぞれに配線３０を介して直流電源２６を接続し、スポンジ２４と鋼板１２と直流電源２６との間に直流回路を形成する。
【００２１】
この直流回路に通電すれば、通電した部分の鋼板１２にアノード反応による腐蝕が発生する。腐蝕発生時の化学反応式を図２に示す。陽極側ではＦｅ３Ｏ４（黒錆）、Ｆｅ（ＯＨ）、ＮａＣｌ（塩）などが発生し、陰極側ではＨ２（水素）が発生する。電極から供給された電子ｅ−の分だけ鋼板１２が腐蝕する。
【００２２】
ここで、マスキング部１６は通電しないためこの位置の鋼板１２の上面１４は腐蝕せず、非マスキング部２０の位置の鋼板１２の上面１４のみ腐蝕する。通電して非マスキング部２０を腐食させた後、鋼板１２の上面１４からマスキングテープ１８を剥がしてマスキング部１６を除去すれば、鋼板１２の上面１４に腐蝕する部分と腐蝕しない部分とが生じ、ここに摩擦接合面として機能する凹凸が形成される。このように、本発明によれば、簡易な装置または方法で摩擦接合面を加工でき、特殊な設備が不要であるという効果を奏する。
【００２３】
スポンジ２４は、食塩水（電解液）の保持のためのものであり、例えば、ＰＶＡスポンジなどの極微細な連続気孔による優れた吸液性を有する部材を用いることが好ましい。スポンジ２４の設置面積（鋼板１２の上面１４に接触する面積）は、通電時の電気抵抗に影響を及ぼす。設置面積が大きいほど電気抵抗が大きくなるため、使用する電源容量を考慮して設置面積を設定することが好ましい。
【００２４】
食塩水の濃度は、腐蝕速度に影響を及ぼすが、飽和水溶液とする必要はなく濃度５％程度でも大差がない。また、食塩水の代わりに塩酸などの電解液を使用してもよい。
【００２５】
マスキングテープ１８は、鋼板１２の上面１４にマスキング部１６を形成するマスキング手段であり、鋼板１２の上面１４に凹凸を形成する機能を有する。マスキングテープ１８の貼付位置（メッシュ状のマスキング部１６）は通電しないため貼付位置の鋼板１２は腐蝕せず、スポンジ２４に接した位置（非マスキング部２０）のみ腐蝕する。メッシュ状の腐蝕しない部分とこれ以外の腐蝕する部分とによって鋼板１２の上面１４に凹凸が形成される。摩擦接合面での噛み合い抵抗を考えると、メッシュ状に配置するマスキングテープ１８の幅とマスキングテープ１８の配置間隔の寸法比が１：１程度で、できるだけ細かい方が望ましい。あらかじめメッシュ状の模様を施した薄いシートを用意し、このシートを鋼板１２の上面１４に配置すれば作業効率を向上することができる。マスキング部１６の模様はメッシュ状のほか、水玉状、波形状など様々な形態が考えられる。
【００２６】
なお、マスキングテープ１８の代わりにアミたわしなどの透水性繊維メッシュを鋼板１２の上面１４に貼付して、これをマスキング手段として用いてもよい。この場合、メッシュ繊維部分から食塩水が供給されるため、メッシュ繊維部分と接している箇所の鋼板１２の腐蝕量が、メッシュ繊維部分と接していない箇所のそれよりも多くなり、鋼板１２の上面１４に凹凸を形成することができる。鋼板１２の用途などに応じて、マスキングテープ１８やアミたわしなどの透水性繊維メッシュを使い分けてもよい。
【００２７】
直流電源２６は、製造装置１０の電気抵抗および作業時間を考慮して設定する。鋼板１２の腐蝕量は通電量（電流×時間）で制御することができる。電流を高く設定すれば腐蝕速度が速くなり、短時間で所定の凹凸の高さに加工できる。本発明によれば、通電量（電流×時間）の管理によって鋼板１２の腐蝕量を簡単に制御でき、品質確保が容易である。
【００２８】
本発明によれば、簡易な装置または方法で摩擦接合面を加工することができ、特殊な設備は不要である。また、短時間で製作を終了でき、工期短縮が可能である。さらに、工事現場での製作が可能で、ストックヤードでの製作施工や既存建物の改修工事などにも適用することができる。
【００２９】
（本発明の効果の検証）
次に、本発明の効果を検証するために行った試験について説明する。ここでは、高力ボルト摩擦接合のすべり試験体の製造試験（アノード反応による腐蝕施工試験）と、すべり試験体を用いたすべり試験を実施した。
【００３０】
製造試験に用いたすべり試験体の形状寸法を図３に示す。この製造試験は、食塩水５％溶液３００ｍｌを吸収させたＰＶＡスポンジ１をすべり試験体２（鋼板）のボルト穴３が位置する側の上面に配置し、所定時間通電することにより行った。なお、通電時間中はＰＶＡスポンジ１に食塩水溶液を補給していない。
【００３１】
ここで、ＰＶＡスポンジ１の厚さは３５ｍｍであり、ＰＶＡスポンジ１の設置面積は、１７５×１００＝１７５００ｍｍ２である。マスキング手段としては、マスキングテープとアミたわし（透水性繊維メッシュ）を用いた。また、マスキングテープの幅は３ｍｍ、マスキングテープの配置間隔（ピッチ）は３ｍｍとした。マスキングテープの貼付面積比は、幅とピッチの寸法比を１：１として、７５％とした。すべり試験体２（鋼板）とＰＶＡスポンジ１の接触面積は、１７５００×（１−０．７５）−π×２４２／４×２＝３９２２ｍｍ２である。通電時の電流は１０Ａ、電圧は５．５〜９．７Ｖ、通電時間は２０分（＝１２００ｓｅｃ）とした。
【００３２】
製造試験で使用した製造装置、マスキングテープおよび透水性繊維メッシュ（アミたわし）を用いた場合の凹凸形成状況を図４に示す。上述したように、各凹凸の加工に要した通電量は１０Ａ×２０分であり、この結果、すべり試験体（鋼板）の表面に深さ０．１〜０．５ｍｍ程度の凹凸を形成することができた。
【００３３】
上記の製造試験で各種の摩擦接合面処理を施した鋼板（すべり試験体）を組み合わせて組立体を構築し、すべり試験を実施した。組立体の形状寸法を図５に示す。この組立体は、中板４（ＰＬ−２５）、添板５（ＰＬ−１６）、高力ボルト６（Ｍ２２（Ｓ１０Ｔ））を有する。すべり試験体一覧を表１に、各すべり試験体の摩擦接合面状況を図６に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
各すべり試験体のすべり試験結果を表１に併せて示す。表１に示した摩擦係数μは、高力ボルト（Ｍ２２（Ｓ１０Ｔ））の設計ボルト張力（Ｎ＝２０５ｋＮ）を用いて計算した。表１に示すように、試験体番号Ｃ−１、Ｃ−２（本発明に相当）の摩擦接合面の摩擦係数μは０．５５程度であり、従来の摩擦面処理（試験体番号Ａ−１の赤錆−赤錆）と同等の摩擦係数を確保できていることがわかる。なお、本試験は限られた摩擦接合面形状での実施であったが、最適な摩擦接合面の加工形状および鋼板・鋼種の組み合わせ等の検討を行えば、さらなる摩擦係数の向上が期待できる。
【００３６】
（腐蝕量の算定例）
次に、通電量による腐食量（腐蝕厚さ）の算定例について説明する。
【００３７】
まず、腐蝕厚さの算定に用いる諸量は以下のとおりとする。
１［Ｃ（クーロン）］＝１［Ａ］×１［ｓｅｃ］
１Ｃの電気素量  ：６．２４×１０１８個
アボガドロ定数  ：６．２４×１０２３
鉄の原子量      ：５５．８５［ｇ／ｍｏｌ］
鉄分子→鉄イオン（ＩＩ）に要する電子：２価
鉄の単位体積重量：７．８５×１０−３［ｇ／ｍｍ３］
【００３８】
上記の諸量を用いて腐蝕厚さを算定する。
実験で通電した電子数［ｍｏｌ］は、以下のように算定される。
１０［Ａ］×１２００［ｓｅｃ］×６．２４×１０１８［個／Ｃ］÷（６．２４×１０２３）＝０．１２［ｍｏｌ］
【００３９】
電子数から求められる鉄の腐蝕（鉄イオン（ＩＩ）化）量［ｇ］は、以下のように算定される。
５５．８５［ｇ／ｍｏｌ］×０．１２［ｍｏｌ］÷２＝３．３５［ｇ］
【００４０】
腐蝕体積［ｍｍ３］は、以下のように算定される。
３．３５［ｇ］÷（７．８５×１０−３）［ｇ／ｍｍ３］＝４２７［ｍｍ３］
【００４１】
腐蝕厚さ（鋼板接触面積で一様として計算）［ｍｍ］は、以下のように算定される。
４２７［ｍｍ３］÷３９２２［ｍｍ２］＝０．１１ｍｍ
【００４２】
上記の製造試験（アノード反応による腐蝕施工試験）の結果によれば、鋼板表面に形成された凹凸の深さは０．１〜０．５ｍｍ程度であったが、これは通電量から算定される上記の腐蝕厚さ（０．１１ｍｍ）とほぼ一致することがわかる。これと同様に計算すれば、ＰＶＡスポンジの設置面積と必要な凹凸の深さから、必要な通電量（電流×時間）を決定できる。必要電流を得るための必要電圧は、回路の電気抵抗で決定すればよい。
【００４３】
以上説明したように、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法によれば、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する方法であって、鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成し、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させ、その後マスキング部を除去して、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成するので、簡易な作業で摩擦接合面を加工でき、特殊な設備が不要である。
【００４４】
また、本発明に係る他の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法によれば、電解液を保持する導電性部材を非マスキング部に接触して配置し、導電性部材と鋼板との間を通電することにより、非マスキング部に対するアノード処理を施すので、通電量（電流×時間）の管理によって腐蝕量を簡単に制御でき、品質確保が容易である。
【００４５】
また、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置によれば、鋼板の表面に凹凸の摩擦接合面を加工形成することにより、高力ボルト摩擦接合用の鋼板を製造する装置であって、鋼板の表面に所定パターンのマスキング部を形成するマスキング手段と、マスキング部が形成されていない非マスキング部に対するアノード処理により非マスキング部を腐蝕させる腐蝕手段とを備えるので、簡易な装置で摩擦接合面を加工でき、特殊な設備が不要である。
【００４６】
また、本発明に係る他の高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置によれば、腐蝕手段は、非マスキング部に接触して配置され、電解液を保持する導電性部材と、導電性部材と鋼板との間を通電する通電手段とを有するので、通電量（電流×時間）の管理によって腐蝕量を簡単に制御でき、品質確保が容易である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明に係る高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造方法および製造装置は、建築や土木用の鋼構造物を構成する鋼材どうしの接合構造として使用される高力ボルト摩擦接合構造に有用であり、特に、特殊な設備を必要とせず、簡易な作業で摩擦接合面を加工するのに適している。
【符号の説明】
【００４８】
１０  高力ボルト摩擦接合用鋼板の製造装置
１２  鋼板
１４  上面（表面）
１６  マスキング部
１８  マスキングテープ（マスキング手段）
２０  非マスキング部
２２  腐蝕手段
２４  スポンジ（導電性部材）
２６  直流電源（通電手段）
２８  銅板
３０  配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図６】
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