(57)【要約】【課題】使い捨ての電熱線や危険な溶剤を用いることなく、樹脂製の管材同士を敷設現場において簡易迅速に接合可能であり、接合具合を容易にチェックできる技術の実現。【解決手段】樹脂製の第１の管材１２及び第２の管材１４を、レーザビーム及び可視光の透過性を備えた樹脂製の継手１０を介して接合するに際し、各管材１２，１４の外周面にレーザ吸収体１８を被着させ、継手１０の開口部に各管材１２，１４の端部を挿入し、継手１０の外周面側からレーザビームＬを照射して、継手１０の内周面と管材１２，１４の外周面との間に介装されたレーザ吸収体１８を加熱し、レーザ吸収体１８からの伝導熱によって継手１０の内周面及び管材１２，１４の外周面との間を融着させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも外周面が樹脂より構成された一対の管材を、レーザビーム及び可視光の透過性を備えた樹脂製の継手を介して接合する方法であって、
上記継手の内周面及び管材の外周面の少なくとも一方にレーザ吸収体を配置させる工程と、
上記継手の開口部に管材の一端を挿入する工程と、
上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面と管材の外周面との間に介装されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴とする管材の接合方法。
【請求項２】
上記レーザ吸収体として、レーザビームの照射によって変色する物質を用いることを特徴とする請求項１に記載の管材の接合方法。
【請求項３】
レーザビーム及び可視光の透過性を備えた樹脂製の継手の開口部に、少なくとも外周面が樹脂より構成された管材の一端を挿入させると共に、上記継手の内周面と管材の外周面との間にレーザ吸収体を配置させた連結体の接合装置であって、
切欠部を備えた円形状のレール部材と、
上記切欠部からレール部材内に導入された上記連結体を、レール部材の中心部において固定する手段と、
上記レール部材に摺動自在に係合され、上記継手の外周面にレーザビームを照射するレーザヘッドと、
上記レーザヘッドを上記レール部材に沿って移動させる手段と、
上記レール部材を左右に必要量回動させる手段と、
上記レール部材を前後に必要量移動させる手段とを備えたことを特徴とする接合装置。
【請求項４】
上記レール部材及びレーザヘッドを複数備え、
各レーザヘッドによって上記継手の外周面における同一円周上にレーザビームを照射可能となるように各レール部材及びレーザヘッドが位置決め配置されていることを特徴とする請求項３に記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は管材の接合技術に係り、特に、一対の管材の端部を継手内に嵌装させた状態で継手の表面にレーザビームを照射することより、各管材と継手との間を融着させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平９−２３９８３９
【特許文献２】特開２０００−３２０９８４
ガス管や水道管などの管材を接合するに際し、これまでは図１２に示す電気溶着用継手６０が用いられてきた。この継手６０は合成樹脂製の筒状体６２を備え、その内周面に沿って電熱線６４がコイル状に埋設された構造を備えている。
この筒状体６２の一端開口部から一方の管材６６の端部を挿入させると共に、他端開口部から他方の管材６８の端部を挿入させた状態で、電熱線６４の両端子７０，７２に所定の電圧を印加すると、電熱線６４からのジュール熱によって筒状体６２の内周面と管材６６，６８の外周面間が溶着する仕組みである。
この電気溶着用継手６０を用いることにより、スペースの限られたガス管や水道管の敷設現場において管材同士を接合することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この接合方法にあっては、上記のように接合個所毎に電熱線６４を内装した電気溶着用継手６２を用いる必要があり、その分コスト高となるのはもちろん、電熱線６４が使い捨てとなるため省資源の観点からも問題があった。
また、ガス管や水道管としての性格上、継ぎ目部分から僅かでも漏れが生じてはならないのであるが、従来の接合方法では完全に溶着されたか否かをその場で簡単にチェックできないという問題があった。実際、電熱線６４による加熱の場合には部分によって温度ムラが生じ易く、筒状体６２の内周面と管材６６，６８の外周面との間を均一に接合することが困難であった。
さらに、電熱線６４からの加熱によって溶着を完了した後には、接合部分を自然冷却させる必要があり、つぎの工程に移行するまでに相当の待ち時間を要し、作業性に劣るという問題もあった。
【０００４】
このように使い捨ての電熱線６４を内蔵した電気溶着用継手６０を用いる代わりに、バイブレーション法やバット法など機械的な接合方法も提案されてはいるが、何れも作業性や所要時間などの点で満足のいくものではなかった。
あるいは、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂よりなる管材と継手を過激な溶剤を用いて溶着させることも理論的には可能であるが、健康被害や環境汚染の観点から実際上は利用できなかった。
【０００５】
この発明は、従来の接合方法が抱えていた上記問題点を解決するために案出されたものであり、使い捨ての電熱線や危険な溶剤を用いることなく、管材同士を敷設現場において簡易迅速に接合可能であり、さらに接合具合を容易にチェックできる技術を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明に係る管材の接合方法は、少なくとも外周面が樹脂より構成された一対の管材を、レーザビーム及び可視光の透過性を備えた樹脂製の継手を介して接合するに際し、上記継手の内周面及び管材の外周面の少なくとも一方にレーザ吸収体を配置させる工程と、上記継手の開口部に管材の一端を挿入する工程と、上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面と管材の外周面との間に介装されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
このように、継手の外周面にレーザビームを照射し、レーザ吸収体の発熱作用によって継手の内周面と管材の外周面管を融着させる方法であるため、従来のように電熱線を用いることなく、管材同士を継手を介して接合可能となる。
また、レーザ発振源として装置全体の小型軽量化が可能な半導体レーザを用いることにより、現場施工も可能となる。
レーザによる加熱処理は瞬間的かつ局所的なものであるため、長い冷却時間を確保することなく、つぎの作用に移行できる利点も有する。
さらに、継手が可視光に対する透過性を備えているため、レーザ吸収体の発熱に基づく管材と継手との融着具合を外部から視認でき、接合不良個所を発見した場合にはその場で対処可能となる。上記レーザ吸収体として、レーザビームの照射によって変色する物質を用いることにより、より明確に融着具合を確認することができる。
【０００８】
また、この発明に係る接合装置は、レーザビーム及び可視光の透過性を備えた樹脂製の継手の開口部に、少なくとも外周面が樹脂より構成された管材の一端を挿入させると共に、上記継手の内周面と管材の外周面との間にレーザ吸収体を配置させた連結体の接合装置であって、切欠部を備えた円形状のレール部材と、上記切欠部からレール部材内に導入された上記連結体を、レール部材の中心部において固定する手段と、上記レール部材に摺動自在に係合され、上記継手の外周面にレーザビームを照射するレーザヘッドと、上記レーザヘッドを上記レール部材に沿って移動させる手段と、上記レール部材を左右に必要量回動させる手段と、上記レール部材を前後に必要量移動させる手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
上記レール部材の中心部に管材と継手との連結体を固定配置し、レーザヘッドをレール部材に沿って移動させながらレーザビームを照射させると、継手の外周面にレーザビームが入射する。そして、継手を透過したレーザビームによってレーザ吸収体が加熱されると、その伝導熱によって継手の内周面と管材の外周面との間が融着する。
上記連結体は円形のレール部材の中心部に配置固定されているため、レーザヘッドとレーザビームの入射位置との間の距離は常に一定となる。
上記レール部材には連結体を導入するための切欠部が設けられているため、レーザヘッドの移動だけでは継手の外周面における円周上に未入射部分が残ることとなる。これに対しては、レール部材自体を所定の方向に所定の角度で回動させた後、レーザヘッドを反対方向に移動させることで対処可能となる。
また、レール部材を前後方向に移動させることにより、継手の外周面における円周と交差する方向にレーザビームを照射することが可能となる。
【００１０】
上記レール部材及びレーザヘッドを複数設けると共に、各レーザヘッドによって上記継手の外周面における同一円周上にレーザビームを照射可能となるように各レール部材及びレーザヘッドを位置決め配置することにより、接合作業の効率化を実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る管材の接合方法を添付図面に沿って説明する。まず、図１及び図２に示すように、筒状の継手１０の両端開口部に接合対象となる第１の管材１２及び第２の管材１４の一端をそれぞれ挿入し、連結体１６を形成する。
上記継手１０は、レーザビーム及び可視光に対する透過性を備えた樹脂材より構成される。ただし、継手１０は完全な透明体である必要はなく、半透明体であってもよい。
上記第１の管材１２及び第２の管材１４は、それぞれポリエチレンやナイロン１２等の合成樹脂材よりなり、その端部外周面にはレーザ吸収体１８が膜状に被着形成されている。このレーザ吸収体１８は、例えば樹脂粉末にメチルエチルケトン及びフタロシアン系色素を混入させたものよりなる。
以上の結果、継手１０の内周面と各管材１２，１４の端部外周面との間には、レーザ吸収体１８が介装されることとなる（図２）。
【００１２】
つぎに、図３に示すように、上記連結体１６を第１の接合装置２０内に装填する。
この第１の接合装置２０は、少なくともレーザヘッド２２と、該レーザヘッド２２をガイドするためのレール部材２４と、開閉可能な３個の把持部材２６を備えたチャック機構２８とを備えている。
上記レール部材２４は、ステンレスやアルミニウム等の金属材よりなり、一部が切り欠かれた円形状を備えている。
また、図４に示すように、レール部材２４はガイド溝３０を備えており、このガイド溝３０にはレーザヘッド２２の移送用ホイール３２が嵌合されている。
【００１３】
レーザヘッド２２には、電動モータを内蔵した駆動ボックス３４が接続されており、当該モータの駆動軸３６は上記ホイール３２の中心に接続されている。
レーザヘッド２２の後端部には、可撓性を備えたケーブル３８が接続されている。このケーブル３８内には、図示しないレーザ発振機（例えば半導体レーザ発振機）から出力されたレーザビームを伝送するための光ファイバと、上記モータに電源電圧を供給するための電源線が収納されている。
上記電動モータを駆動させることにより、レーザヘッド２２はレール部材２４に沿って円形軌道を移動可能となされている。
【００１４】
上記レール部材２４の背面には、複数本のロッド４０が連結されている。
これらのロッド４０は、図示しない駆動機構の作用により、それぞれレール部材２４の円周に沿って左右に回動すると共に、前後にもスライドするように仕組まれている。
この結果、レール部材２４は各ロッド４０のスライド動作に呼応して前後に必要量移動可能となり、また各ロッド４０の回動動作によって左右に必要量回転可能となされている。
【００１５】
つぎに、図５に示すように、チャック機構２８の把持部材２６をレール部材２４中心方向に閉めて連結体１６の外周面を保持した後、レーザビームＬを連続照射させながらレーザヘッド２２をレール部材２４に沿って移動させる。
この結果、継手１０の外周面に沿ってレーザビームＬが照射され、継手１０を透過したレーザビームＬによってレーザ吸収体１８が加熱される。このレーザ吸収体１８からの伝動熱により、第１の管材１２の外周面と継手１０の内周面が溶融し、両者間が気密に接合される。
ただし、上記のようにレール部材２４は完全な円形をなしておらず、連結体１６を導入するための切欠部４２が形成されているため、レーザビームＬは継手１０の外周面を一周することができず、一定の未接合部４４が生じる。
【００１６】
このため、レーザヘッド２２がレール部材２４の終端部４５に到達した時点で、図６に示すように、レール部材２４自体を左方向に所定角度回動させた後、レーザヘッド２２を逆方向に移動させる。
この結果、継手１０の表面における未接合部４４に対し、レーザビームＬを確実に照射することが可能となる。
【００１７】
上記のようにして、継手１０と一方の管材１２のとの間を接合した後、上記ロッド４０を前後方向に必要量移動させ、同様の接合動作を複数回繰り返すことにより、各管材１２，１４と継手１０との間を複数箇所において接合可能となる。
また、レール部材２４の一点にレーザヘッド２２を固定した状態で、ロッド４０の作用によってレール部材２４を前後に移動させると同時にレーザヘッド２２からレーザビームＬを照射させることにより、継手１０と各管材１２，１４との間を格子状に接合することが可能となる。この結果、管材１２，１４と継手１０との接合強度を飛躍的に高めることができる。
【００１８】
上記レーザ吸収体１８は、フタロシアン系色素の影響で通常は薄緑色を備えているが、レーザビームＬの照射によって加熱・溶融され、上下の樹脂間を融着させた後は無色透明に変色するという特性を備えている。
このため、図７の（ａ）に示すように、接合前の時点においてはレーザ吸収体１８の色彩が継手１０を透過して表面に浮き出ている。
つぎに、（ｂ）に示すように、レーザヘッド２２からレーザビームＬを照射して継手１０と管材１２，１４間を融着させた後は、その照射部分が透明化することにより、円環状の融着ラインαが現れることとなる。因みに、（ｂ）においてはレール部材２４を前後に移動させることにより、複数の融着ラインαが円周に沿って形成されている様子が描かれている。
また、（ｃ）においては、レール部材２４を前後に移動させつつレーザビームＬを照射することにより、格子状の融着ラインαが現れた状態を示している。
【００１９】
上記のように、レーザビームＬの照射による接合が完了した部分には融着ラインαが現れ、これを継手１０の表面から視認することが可能となるため、配管の施工現場において簡単に接合具合をチェックすることが可能となる。
また、レーザビームＬの照射による加熱・溶融はきわめて瞬時に完了するため、電熱線によって加熱・溶融する場合に比べて冷却時間を大幅に短縮することができる。
【００２０】
上記のように、レーザビームＬの照射による接合が完了した際に無色透明の融着ラインαが現れるように構成する代わりに、図８の（ａ）〜（ｃ）に示すように、有色の融着ラインβが現れるように構成することも当然に可能である。
この場合、例えばレーザ吸収体１８として黒色のカーボン粉末を所定のバインダを介して管材１２，１４の外周面に固着させたものを用いると共に、継手１０として乳白色系の半透明体を用いる。
この結果、（ａ）に示すように、接合前の段階ではレーザ吸収体１８の色彩が継手１０の表面に鮮明に現れてはこない。
これに対し、レーザビームの照射を受けて継手１０の内周面と管材１２，１４の外周面間が接合すると、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、継手１０と管材１２，１４間の隙間が消失し、両者間が完全密着状態となるため、レーザ吸収体１８の色彩が融着ラインβとして継手１０の表面に浮き上がってくる。
この結果、上記と同様、継手１０と各管材１２，１４間の接合具合を外部から視認することが可能となる。
【００２１】
上記にあっては一つのレーザヘッド２４を備えた第１の接合装置２０を説明したが、独立駆動可能な複数のレーザヘッド及びレール部材を備えた接合装置を用いることも当然に可能である。
すなわち、図９及び図１０に示す第２の接合装置５０は、一定の間隔をおいて配置された第１のレール部材２４ａ及び第２のレール部材２４ｂを備えており、各レール部材２４ａ，２４ｂのガイド溝３０にはそれぞれレーザヘッド２２ａ，２２ｂがホイール３２を介して移動自在に接続されている。
各レール部材２４ａ，２４ｂは、一部が切り欠かれた円形状を備えている。
【００２２】
しかして、接合動作開始時にはレーザヘッド２２ａ，２２ｂが各レール部材２４ａ，２４ｂの一方の端部に移動した後、レーザビームＬを照射しながらレール部材２４ａ，２４ｂに沿って反対側の端部に向けて移動する。
この際、各レーザヘッド２２ａ，２２ｂからのレーザビームＬが継手１０の表面における同一円周上に照射されるように、レーザヘッド２２ａ，２２ｂ及びレール部材２４ａ，２４ｂが位置決めされている。
【００２３】
この第２の接合装置５０にあっては、各レーザヘッド２２ａ，２２ｂが継手１０の表面を半周ずつ分担すればよいため、接合作業の効率化及び迅速化を実現できる。
連結体１６を出し入れする際には、図１１に示すように、ロッド４０の動作によって一方のレール部材２４ａを回動させ、他方のレール部材２４ｂとの間に隙間５２を設ければよい。
【００２４】
上記おいては、樹脂製の管材１２，１４を樹脂製の継手１０を介して融着させる例を説明したが、金属材の表面に樹脂コーティングを施した管材同士の接合にも適用可能である。
また、上記においてはレーザ吸収体１８を予め管材１２，１４の外周面に被着させておく例を説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。例えば、シート状のレーザ吸収体を管材１２，１４の外周面と継手１０の内周面との間に介装させたり、ジェル状のレーザ吸収体１８を介装させることもできる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明に係る管材の接合方法によれば、従来のように電熱線を用いることなく、管材同士を連結可能となる。また、レーザ発振源として装置全体の小型軽量化が可能な半導体レーザを用いることにより、現場施工も可能となる。レーザによる加熱処理は瞬間的かつ局所的なものであるため、長い冷却時間を要しないという利点も有する。さらに、継手が可視光の透過性を備えているため、レーザ吸収体の発熱に基づく管材と継手との融着具合を外部から視認でき、接合不良個所を発見した場合にはその場で対処可能となる。上記レーザ吸収体として、レーザビームの照射によって変色する物質を用いることにより、より明確に接合具合を認識することができる。
また、この発明に係る接合装置によれば、上記の接合方法を効果的に実施可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】筒状の継手の両端開口部に第１の管材及び第２の管材の一端をそれぞれ挿入して連結体を形成する様子を示す断面図である。
【図２】上記連結体を示す断面図である。
【図３】上記連結体を第１の接合装置内に装填する様子を示す正面部分断面図である。
【図４】上記連結体を第１の接合装置内に装填した状態を示す側面部分断面図である。
【図５】上記連結体の表面にレーザビームを照射する様子を示す正面部分断面図である。
【図６】上記連結体の表面にレーザビームを照射する様子を示す正面部分断面図である。
【図７】継手の表面に透明の融着ラインが現れる様子を示す説明図である。
【図８】継手の表面に有色の融着ラインが現れる様子を示す説明図である。
【図９】上記連結体を第２の接合装置内に装填した状態を示す正面部分断面図である。
【図１０】上記連結体を第２の接合装置内に装填した状態を示す側面部分断面図である。
【図１１】上記連結体を第２の接合装置内から取り出す様子を示す正面部分断面図である。
【図１２】電気溶着用継手を用いた従来の管材の接合方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　継手
１２　第１の管材
１４　第２の管材
１６　連結体
１８　レーザ吸収体
２０　第１の接合装置
２２　レーザヘッド
２４　レール部材
２６　把持部材
２８　チャック機構
３０　ガイド溝
３２　移送用ホイール
３４　駆動ボックス
３６　モータの駆動軸
３８　ケーブル
４０　ロッド
４２　切欠部
４４　未接合部
４５　レール部材の終端部
５０　第２の接合装置
５２　隙間
Ｌ　レーザビーム
α　融着ライン
β　融着ライン
【図１】
2004114456.tif 000003
【図２】
2004114456.tif 000004
【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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