(57)【要約】【課題】  中空形状した鋼管の液相拡散接合継手およびその接合方法を提供する。【解決手段】  外径Ｄ（ｍｍ），肉厚ｔ（ｍｍ）の鋼管の液相拡散接合継手であって、母材以上の降伏強度を有する領域の幅Ｗ０が２ｔ以上あり、かつ被接合材の熱影響部において降伏強度が被接合材の降伏強度より低い部分を有し、その幅がＷ０以上、Ｄ／２以下であり、かつ最低降伏強度が被接合材の降伏強度の０．８倍以上の熱影響部を有することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合継手。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径Ｄ（ｍｍ），肉厚ｔ（ｍｍ）の鋼管の液相拡散接合継手であって、母材以上の降伏強度を有する領域の幅Ｗ０が２ｔ以上あり、かつ被接合材の熱影響部において降伏強度が被接合材の降伏強度より低い部分を有し、その幅がＷ０以上、Ｄ／２以下であり、かつ最低降伏強度が被接合材の降伏強度の０．８倍以上の熱影響部を有することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合継手。
【請求項２】
請求項１記載の液相拡散接合継手であって、接合部の肉厚と被接合材の肉厚の比が１．０〜１．１５であることを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合継手。
【請求項３】
冷間成形で中空形状にした外径Ｄ（ｍｍ），肉厚t(mm)の鋼管を、接合用箔を挟み、接合部を加圧保持しつつ、加熱により接合用箔を溶融して液相拡散接合を行い、接合中の加熱分布が、４００℃〜Ac1点＋５０℃に加熱される領域が２ｔ（ｍｍ）以上、Ｄ/２(mm)以下、９５０℃以上加熱される領域を２ｔ(mm)以上になるよう制御し、かつ接合後に接合部を１０℃/s以上の冷却速度で２５０℃以下に冷却することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合方法。
【請求項４】
請求項３記載の液相拡散接合方法であって、加熱開始前に15MPa以上の接合応力を負荷して接合を開始し、接合箔が溶融してから２００秒以内に接合応力を除荷し、5MPa以下に保持することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状した鋼管の液相拡散接合継手およびその接合方法に関し、特に杭、柱などに使用される構造用鋼管に適用される。
【背景技術】
【０００２】
液相拡散接合とは、接合しようとする材料の間に箔、メッキあるいは粉末の形態で被接合材より融点の低い合金を挟み、挟んだ合金（以後、インサート金属と称す）の融点以上の温度に接合部を加熱・保持し、溶融したインサート金属層が等温凝固し接合する方法である。この液相拡散接合は、既に溶接が困難である、高合金鋼や耐熱鋼などの接合あるいは異材の接合方法として実用化されている。一方、近年、炭素鋼では従来各種溶接と比較して高効率でかつ高性能を有する継手を達成しうる接合法として液相拡散接合の適用が試みられている。
【０００３】
炭素鋼への適用の一つに杭や柱などに使用される構造用鋼管への適用がある。構造物に存在する継手に求められる特性の代表的なものは降伏強度、引張強度あるいは靭性である。さらに、地震のように予期せぬ外力によって構造物が塑性変形し、座屈する場合に継手から脆性破断しない構造物及び継手が求められている。
【０００４】
これまで炭素鋼の液相拡散接合継手では、例えば、特許文献１では、接合部の残留介在物を制御することによって引張強度に優れた継手を得ることができ、接合応力の制御によって達成できることが開示されている。
【０００５】
本発明者らは従来技術で液相拡散接合した継手に対し、曲げあるいは圧縮変形させたときに接合部から座屈が開始し、早期に接合部から破壊する問題に直面した。そこで、本発明者らは早期に破断する要因について鋭意検討した結果、従来技術で液相拡散接合した場合、図１に示すように接合部およびその近傍の熱影響部の硬さが母材より低く、かつ接合部に、例えば、図２に示すような工業的な突き合わせ精度、或いは開先加工精度等の初期不整が存在することが、接合部から座屈させる要因であることを突き止めた。
【０００６】
そこで、本発明者らは接合中の加熱分布および接合後の加速冷却を適用することによって、接合部から母材熱影響部にかけて降伏強度分布を得ることで、接合部から座屈することなく母材熱影響部から座屈させることが出来ないかを検討した。さらに、接合部の降伏強度とその領域幅、さらに母材熱影響部における軟化程度とその領域幅を制限することで、母材に匹敵する強度を得ながら母材熱影響部で座屈開始させることを可能とする鋼管の液相拡散接合継ぎ手を得た。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１３７６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、鋼管の液相拡散接合において、圧縮や曲げによる座屈で接合部から破壊しない継手及びその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】
【０００９】
本発明者らは、鋼管の液相拡散接合継手が圧縮や曲げによる変形で接合部から座屈が発生しない技術について鋭意研究し、接合部から母材熱影響部における降伏強度の分布と接合部の肉厚を適正化し、座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合継手を得る方法を見いだした。
【００１０】
本発明は上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。
（１）外径Ｄ（ｍｍ），肉厚ｔ（ｍｍ）の鋼管の液相拡散接合継手であって、母材以上の降伏強度を有する領域の幅Ｗ０が２ｔ以上あり、かつ被接合材の熱影響部において降伏強度が被接合材の降伏強度より低い部分を有し、その幅がＷ０以上、Ｄ／２以下であり、かつ最低降伏強度が被接合材の降伏強度の０．８倍以上の熱影響部を有することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合継手。
（２）（１）に記載の液相拡散接合継手であって、接合部の肉厚と被接合材の肉厚の比が１．０〜１．１５であることを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合継手。
（３）冷間成形で中空形状にした外径Ｄ（ｍｍ），肉厚t(mm)の鋼管を、接合用箔を挟み、接合部を加圧保持しつつ、加熱により接合用箔を溶融して液相拡散接合を行い、接合中の加熱分布が、４００℃〜Ac1点＋５０℃に加熱される領域が２ｔ（ｍｍ）以上、Ｄ/２(mm)以下、９５０℃以上加熱される領域を２ｔ(mm)以上になるよう制御し、かつ接合後に接合部を１０℃/s以上の冷却速度で２５０℃以下に冷却することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合方法。
（４）（３）記載の液相拡散接合方法であって、加熱開始前に15MPa以上の接合応力を負荷して接合を開始し、接合箔が溶融してから２００秒以内に接合応力を除荷し、5MPa以下に保持することを特徴とする座屈特性に優れた鋼管の液相拡散接合方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、圧縮や曲げによる座屈で接合部から破壊しない液相拡散接合継手を有する杭、柱などに使用される構造用鋼管を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明について詳細に説明する。
【００１３】
液相拡散接合では、端面に開先加工を施した鋼管同士を突き合わせ、その間に１００μｍ以下の非常に薄い低融点の接合箔を挿入し、接合に供する。接合部は接合箔のみが溶融する温度に加熱、保持することで接合が完了する。液相拡散接合部の表面は、接合箔のみが溶けるため、突き合わせ時のずれや、鋼管の外径公差の影響で若干の凹凸ができ、これを避けることはできない。
【００１４】
また、従来技術では液相拡散接合が終了した後の冷却は放冷が一般的である。この場合、図１で示したように接合部から母材熱影響部にかけての降伏強度の分布は、母材の降伏強度の同等以下になる。
【００１５】
本発明者らは、このような接合継ぎ手について圧縮や曲げ変形を加えた場合、座屈が接合部から開始し、座屈が進行すると接合部から脆性破壊する問題に直面した。
【００１６】
そこで、本発明者らは接合部で座屈が開始する要因について鋭意検討した結果、接合部表面の段差、すなわち初期不整と接合部近傍の降伏強度と母材の降伏強度の比が大きく影響を与えることが分かった。接合部の初期不整は、工業的な突き合わせ精度あるいは開先加工精度の限界から、皆無にすることは不可能である。接合部の降伏強度を母材以上に向上させることが考えられるが、この場合でも初期不整の影響を受けて、接合部から座屈破壊することが分かった。そこで本発明者らは、接合部の降伏強度を母材以上に高めつつ、母材熱影響部に母材より低い降伏強度を有する領域を設け、そこから確実に座屈破壊させることを考えた。
【００１７】
本発明者らは、一般的な鋼管製法である冷間で中空形状し電縫溶接した降伏強度400MPa級の鋼管（外径265mm，肉厚５ｍｍ）に対し、接合箔（３．５％Ｂ−２．５％Ｓｉ−２．５％Ｖ−Ｎｉ基合金箔）を用い液相拡散接合した。接合温度を１２００℃、接合時間を５分とした。接合部の降伏強度を母材以上に高めるため、接合後、ガスもしくは水による加速冷却を実施した。母材熱影響部にかけての降伏強度分布を変化させるため、母材の任意の位置に水冷した銅板もしくは高周波加熱用コイルを設置した。
【００１８】
次に、本発明の請求項１で規定した各数値の限定理由について図面に基づいて説明する。
【００１９】
図３は、外径300mmで板厚５，15，30mmの三種類の鋼管を液相拡散接合し、母材より降伏強度が高い領域と座屈強度の関係を求めた結果である。母材以上の降伏強度を有する領域の幅Ｗ０が鋼管の板厚ｔの２倍以上なければ、継ぎ手の座屈強度は母材同等以上得られない。
【００２０】
図４は、板厚を15mm一定とし、外径130，260，650mmの三種類の鋼管を液相拡散接合し、母材より降伏強度が低い領域と座屈強度の関係を求めた結果である。母材以下の降伏強度を有する領域の幅Ｗ１がＷ０より小さい場合は、接合部の目違いの影響を顕著に受け、継ぎ手の座屈強度は低下する。一方、Ｗ１が鋼管の外径Ｄの１／２以上になると軟化の影響が顕著に表れ、継ぎ手の座屈強度が低下する。したがって、軟化領域の幅Ｗ１は、Ｗ０以上Ｄ／２以下でなければいけない。
【００２１】
図５は軟化域の最低降伏強度と継ぎ手の座屈強度の関係を求めた結果である。前述のＷ０，Ｗ１を制御しても、最低降伏強度が母材降伏強度の０．８以上ないと継ぎ手の座屈強度は母材同等以上得られない。
【実施例】
【００２２】
表１に示す強度を有する鋼管を、表２に示す接合箔を用いて液相拡散接合した。液相拡散接合条件は、接合温度１２００℃、接合温度１０分である。接合雰囲気は、N２ガス吹きつけもしくは大気中である。加熱分布を変化させるには、コイルの厚みおよび鋼管に巻き付けた水冷銅板の位置を変化させた。表３、表４に降伏強度の分布状態、接合強度と座屈位置を示す。本発明では、すべて母材熱影響部から座屈し、かつ接合部強度は母材なみの強度を得ているが、比較例では接合部で破壊したり、母材以下の強度で座屈低応力破壊が発生している。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】鋼管の接合部および溶接熱影響部の硬さ分布を示す図。
【図２】鋼管の拡散接合部の突合せ精度、開先加工精度の初期不整を示す図。
【図３】接合部が母材より降伏強度が高い領域と座屈強度の関係を示す図。
【図４】接合部が母材より降伏強度が低い領域と座屈強度の関係を示す図。
【図５】軟化域の最低降伏強度と継手の座屈強度の関係を示す図。
【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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