(57)【要約】【課題】  加熱加圧処理を適正な時期に終了することで欠陥が少なく且つ強度が高い接合部分を効率的に形成し得る接合方法および接合装置を提供する。【解決手段】  クランプ装置１０により、被接合管材２３と被接合管材２２とをこれらの接合端部２３Ｅと接合端部２２Ｅ’とが隔てられて対向するように保持し、その間にアモルファスシート２５を配置する。クランプ装置１０に付設された付勢部１０’ｘを用いて、接合端部２３Ｅ及び接合端部２２Ｅ’に付勢力を作用させてアモルファスシート２５を挟持させ、更に、アモルファスシート２５、接合端部２３Ｅ及び接合端部２２Ｅ’を加圧下にて高周波加熱コイル２ｃにより加熱して溶融させ、しかる後に凝固させて接合部分を形成する。膨出センサ７を用いて接合端部２３Ｅ，２２Ｅ’の横方向膨出率が所定値に到達したことを検知して、接合部分の温度及び加圧力を低下させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の被接合材の第１の接合端部と第２の被接合材の第２の接合端部とを接合する方法であって、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを前記第１の接合端部と前記第２の接合端部とが隔てられて対向するように保持し、前記第１の接合端部と前記第２の接合端部との間に接合材料を配置し、
前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部により前記接合材料を挟持させ、更に、該接合材料、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部を加圧下にて加熱することで溶融させ、しかる後に凝固させて接合部分を形成し、
前記接合部分の横方向の膨出率が所定値に到達したことを検知して、前記接合部分の温度及び加圧力のうちの少なくとも一方を低下させることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記横方向の膨出率の所定値は２％〜１２％の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材は管状をなしていることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の接合方法。
【請求項４】
前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材は外径に対する肉厚の比率が３％〜２０％の範囲内にあることを特徴とする、請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
前記接合材料、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の溶融のための加熱の温度は、前記接合材料の融点以上で且つ前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材の融点より低いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の接合方法。
【請求項６】
前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の加圧下での加熱は、前記第１の接合端部と前記第２の接合端部と前記接合材料とを加熱装置により加熱することでなされることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
【請求項７】
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との保持は、これら第１及び第２の被接合材の延在方向に関する前記加熱装置による加熱範囲と同等の距離だけ隔てた位置にてなされることを特徴とする、請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の加圧は、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との保持を付勢力をもって行うことでなされることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の接合方法。
【請求項９】
前記接合材料、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の溶融のための加熱の温度及び加圧の圧力は、それぞれ１２００℃〜１３００℃の範囲内及び０．３Ｋｇｆ／ｍｍ２〜１Ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１０】
第１の被接合材の第１の接合端部と第２の被接合材の第２の接合端部とを接合する装置であって、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを保持する保持手段と、
前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部並びにこれらの間に配置される接合材料を含んでなる接合部分を加熱する加熱装置と、
前記接合部分に加圧力を印加する加圧手段と、
前記接合部分の接合に伴う横方向の膨出量を検知する膨出検知手段と、
前記膨出検知手段により検知される横方向の膨出量の信号が入力され、前記加熱装置及び／または前記加圧手段に駆動信号を出力する制御装置と、
を含んで構成され、
前記制御装置は、前記膨出検知手段から入力される信号に基づき横方向の膨出率を算出し、該膨出率が所定値に到達した時に、前記接合部分の温度及び加圧力のうちの少なくとも一方を低下させるよう前記加熱装置及び／または前記加圧手段へ駆動信号を出力するものであることを特徴とする接合装置。
【請求項１１】
前記加熱装置は高周波加熱装置であることを特徴とする、請求項１０に記載の接合装置。
【請求項１２】
前記加圧手段は、前記保持手段に付設され前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との保持を付勢力をもって行わせるものからなることを特徴とする、請求項１０〜１１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項１３】
前記加圧手段は、前記加熱装置による加熱に基づき前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部が膨張することで前記加圧力を発生させるものであることを特徴とする、請求項１０〜１１のいずれかに記載の接合装置。
【請求項１４】
更に前記接合部分の温度を検知する温度検知手段を含み、前記制御装置は、前記温度検知手段により検知される温度の信号が入力され、該温度の信号に基づき前記駆動信号を作成することを特徴とする、請求項１３に記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電プラント等のボイラ内部において熱交換のために使用される通液配管を形成している管状部材等の損傷部分の補修の際に、切除された当該損傷部分に代わって新規管状部材等を接合するのに適用可能な液相拡散接合の方法及び装置に関するものである。特に、本発明は液相拡散接合における効率向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、火力発電プラントや化学プラントなどの各種プラントの密集した配管（例えば、ボイラ用の高温環境下で使用される鋼製の配管）を形成する管状部材の損傷部分を補修する方法として、当該損傷部分を切除し、その部分にほぼ同等な寸法で同等な材質の新規管状部材を液相拡散接合することがなされている。この接合に先立ち、新規管状部材の両端部及びこれらに接合される既設管状部材の切断端部に開先加工が施される。また、接合時には、新規管状部材と既設管状部材との互いに接合される端部である接合端部及びこれらの間に配置される接合材料（例えば、鋼に硼素（Ｂ）等を添加することにより低融点化したアモルファスシート）からなる接合部分に対して加熱及び加圧がなされる。
【０００３】
適切な液相拡散接合を行うためには、接合端部同士を接合材料を介在させて突き当て、接合部分に適正な圧力を発生させることが必要である。このため、既設管材と新規管材とを保持するクランプ装置に油圧機構またはバネ機構による加圧力発生手段を組み込んでおき、これにより接合部分に適正な圧力を印加するようにしている。
【０００４】
一方、特許第３２７６５１３号公報（特許文献１）には、上記加圧力印加のために、接合材料加熱用の高周波加熱装置とは別の加熱装置により、接合端部以外の管材部分に対する加熱を行って該管材を膨張させて接合端部同士の距離を減少させ、接合端部同士を接合材料を介在させて突き当てて適切な加圧力を発生させることが記載されている。これと同様な技術が特開平９−２４２７２５号公報（特許文献２）にも開示されている。
【特許文献１】特許第３２７６５１３号公報
【特許文献２】特開平９−２４２７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、液相拡散接合により欠陥が少なく強度が高い接合部分を形成するためには、接合部分の温度及び加圧力を適正に制御することに加えて、この加熱及び加圧の処理の時間を適正に制御すること即ち加熱加圧処理を適正な時期に終了することが必要である。加熱加圧処理が不足すると金属組織の均一化が不十分となることがあり、また加熱加圧処理が過剰になると接合面の剥離が発生することがあり、これらの場合にはいずれも接合部分の強度が低下する。
【０００６】
従来の方法では、被接合材の材質や寸法などに応じて、予め設定した加熱源の発熱状態及び加圧源の加圧力発生状態のもとで予め設定した時間の加熱加圧処理を行い当該時間の経過後に加熱加圧処理を終了するようにしている。
【０００７】
しかるに、実際には、接合部分の温度及び加圧力は予め設定した上記加熱源及び加圧源の状態に対してある程度の幅をもって変化する。このため、予め設定した時間の経過後に処理を終了すると、得られた接合部分の品質にばらつきが生ずることがある。このばらつきを低減するためには、例えば、接合部分の温度及び加圧力を実際に検知し、この検知結果に基づいて、予め定められた基準に従い所要の加熱加圧処理がなされたと判定された時点で、加熱加圧処理を終了することが考えられる。しかしながら、このように温度及び加圧力の双方の検知結果に基づく判定のためはこれら２つの状態検知のための手段が必要であり且つこれらから入力される信号に基づく複雑な処理が必要になる。これは、接合の効率化の観点からは、好ましいとはいえない。
【０００８】
本発明は、上記の様な技術的課題を解決し、特に加熱加圧処理を適正な時期に終了することで加熱加圧処理を適切に行って欠陥が少なく且つ強度が高い接合部分を効率的に形成し得る接合方法および接合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】
【０００９】
即ち、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
第１の被接合材の第１の接合端部と第２の被接合材の第２の接合端部とを接合する方法であって、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを前記第１の接合端部と前記第２の接合端部とが隔てられて対向するように保持し、前記第１の接合端部と前記第２の接合端部との間に接合材料を配置し、
前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部により前記接合材料を挟持させ、更に、該接合材料、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部を加圧下にて加熱することで溶融させ、しかる後に凝固させて接合部分を形成し、
前記接合部分の横方向の膨出率が所定値に到達したことを検知して、前記接合部分の温度及び加圧力のうちの少なくとも一方を低下させることを特徴とする接合方法、
が提供される。
【００１０】
本発明の一態様においては、前記横方向の膨出率の所定値は２％〜１２％の範囲内にある。本発明の一態様においては、前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材は管状をなしている。本発明の一態様においては、前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材は外径に対する肉厚の比率が３％〜２０％の範囲内にある。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記接合材料、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の溶融のための加熱の温度は、前記接合材料の融点以上で且つ前記第１の被接合材及び前記第２の被接合材の融点より低い。本発明の一態様においては、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の加圧下での加熱は、前記第１の接合端部と前記第２の接合端部と前記接合材料とを加熱装置により加熱することでなされる。本発明の一態様においては、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との保持は、これら第１及び第２の被接合材の延在方向に関する前記加熱装置による加熱範囲と同等の距離だけ隔てた位置にてなされる。本発明の一態様においては、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の加圧は、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との保持を付勢力をもって行うことでなされる。本発明の一態様においては、前記接合材料、前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部の溶融のための加熱の温度及び加圧の圧力は、それぞれ１２００℃〜１３００℃の範囲内及び０．３Ｋｇｆ／ｍｍ２〜１Ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲内にある。
【００１２】
また、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
第１の被接合材の第１の接合端部と第２の被接合材の第２の接合端部とを接合する装置であって、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを保持する保持手段と、
前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部並びにこれらの間に配置される接合材料を含んでなる接合部分を加熱する加熱装置と、
前記接合部分に加圧力を印加する加圧手段と、
前記接合部分の接合に伴う横方向の膨出量を検知する膨出検知手段と、
前記膨出検知手段により検知される横方向の膨出量の信号が入力され、前記加熱装置及び／または前記加圧手段に駆動信号を出力する制御装置と、
を含んで構成され、
前記制御装置は、前記膨出検知手段から入力される信号に基づき横方向の膨出率を算出し、該膨出率が所定値に到達した時に、前記接合部分の温度及び加圧力のうちの少なくとも一方を低下させるよう前記加熱装置及び／または前記加圧手段へ駆動信号を出力するものであることを特徴とする接合装置、
が提供される。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記加熱装置は高周波加熱装置である。本発明の一態様においては、前記加圧手段は、前記保持手段に付設され前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との保持を付勢力をもって行わせるものからなる。本発明の一態様においては、前記加圧手段は、前記加熱装置による加熱に基づき前記第１の接合端部及び前記第２の接合端部が膨張することで前記加圧力を発生させるものである。本発明の一態様においては、更に前記接合部分の温度を検知する温度検知手段を含み、前記制御装置は、前記温度検知手段により検知される温度の信号が入力され、該温度の信号に基づき前記駆動信号を作成する。
【発明の効果】
【００１４】
以上のような本発明の接合方法及び接合装置においては、接合部分の横方向膨出率が所定値に到達したことを検知して接合部分の温度及び加圧力のうちの少なくとも一方を低下させるようにしたことで、加圧力の検知を常時行う必要がなくなり、現実の加熱加圧の状態を反映した適正な時点での加熱加圧処理の終了が可能となり、かくして強度が高い接合部分を効率的に形成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】
【００１５】
以下に、本発明による液相拡散接合の方法及び装置の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は液相拡散接合装置の一実施形態の構成の概略を示すブロック図であり、図２はこの装置の使用状態における接合ヘッド部分を示す模式図である。
【００１７】
本実施形態の液相拡散接合装置は、加熱装置としての高周波加熱装置２、温度検知手段としての温度センサ４、接合部分の接合に伴う横方向の膨出量を検知する膨出検知手段としての膨出センサ７及び制御装置８を備えている。高周波加熱装置２は、高周波電源２ａと整合トランス２ｂと高周波加熱コイル２ｃとを有する。高周波電源２ａは制御装置８から発せられる駆動信号により動作の制御を受ける。高周波電源２ａの電力は整合トランス２ｂを経て高周波加熱コイル２ｃに供給される。高周波加熱コイル２ｃ、温度センサ４及び膨出センサ７、並びに保持手段としてのクランプ装置１０’を含んで接合ヘッド１２が構成される。
【００１８】
温度センサ４は、例えば熱電対からなり、図２に示されているように、第１及び第２の被接合材としての１対の被接合管材２３，２２のうちの一方である被接合管材２２の接合端部の外面に固定しておくことができる。膨出センサ７は、例えば超音波、電磁波または光などを接合部分に照射し、その反射を検知することで管材の横方向膨出量を検知するものが例示される。膨出センサ７は、高周波加熱コイル２ｃに付設することができるが、該高周波加熱コイル２ｃに設けられた超音波、電磁波または光などを通過させる窓の近傍であって該高周波加熱コイル２ｃの外方の位置に適宜の支持手段により支持してもよい。尚、膨出センサ７の詳細な作用に関しては後述する。
【００１９】
クランプ装置１０’は、一方の被接合管材２２を所定位置にて把持する第１の把持部１０’ａと、他方の被接合管材２３を所定位置にて把持する第２の把持部１０’ｂと、これらの把持部同士を連結する連結部１０’ｃとを備えている。クランプ装置１０’は、把持部の把持が例えば油圧駆動によりなされるものである。連結部１０’ｃには、第１及び第２の把持部１０’ａ，１０’ｂの間に互いを上下方向に近づけるよう付勢する付勢部１０’ｘが付設されている。この付勢部１０’ｘは、例えばバネなどの弾性部材を用いた機構により付勢力を発生させるものや、油圧機構により付勢力を発生させるものなどが例示される。付勢部１０’ｘは、制御装置８から発せられる駆動信号により動作の制御を受け、その発生する付勢力を変化させることができる。
【００２０】
図２に示されているように、高周波加熱コイル２ｃは、第１の被接合管材２３の下端部（第１の接合端部）２３Ｅと、これに対向する第２の被接合管材２２の上端部（第２の接合端部）２２Ｅ’との径方向外方に位置しており、第１及び第２の接合端部に対して高周波誘導による加熱を行うことができる。即ち、高周波加熱コイル２ｃは、被接合管材２３，２２の延在方向である上下方向に関して長さＬ０の加熱範囲を有する。高周波加熱コイル２ｃは、クランプ装置１０’に取り付けられていて、縦方向（上下方向）に延びた分割面により分割された２つの部分からなり、一方の部分に対して他方の部分がヒンジなどにより回動可能に結合されている。従って、接合ヘッド１２を接合のための位置に配置し或いはその位置から退去させる際に、高周波加熱コイル２ｃを第１及び第２の被接合管材２３，２２に対して所定の位置に配置し或いは該所定の位置から除去することができる。尚、従来の液相拡散接合装置と同様に、高周波加熱コイル２ｃの周囲にシールドガスを供給する手段を設けておくことができる。
【００２１】
以上のような高周波加熱装置２、温度センサ４及び付勢部１０’ｘとしては、従来知られているものを使用することができる。
【００２２】
制御装置８は、温度センサ４により検知される温度の信号及び膨出センサ７により検知される接合部分の横方向（水平方向）の膨出量の信号が入力され、これに基づき高周波加熱装置２及び付勢部１０’ｘに駆動信号を出力する。
【００２３】
以下、本実施形態の接合装置を用いた本発明による液相拡散接合方法の一実施形態を説明する。
【００２４】
図３（ａ）に示されるように、火力発電プラントのボイラ内部には熱交換用の通水配管を形成する壁状に密集配置された上下方向の複数の管材３０が設けられている。管材３０は、例えば炭素鋼からなる。これらのうちの経時劣化による損傷部分３１のある管材につき、図３（ｂ）に示されるように、損傷部分３１を切除する。この切除により分断された管材３０の２つの部分により、既設管材２１，２３が形成される。下側の既設管材２１の上向き端面２１ａ及び上側の既設管材２３の下向き端面２３ａに対して、接合のための所要の表面粗さに仕上げる開先加工を施す。
【００２５】
次に、図３（ｃ）に示されるように、切除された損傷部分３１と同等な寸法（但し、長さは既設管材２１，２３の端面２１ａ，２３ａ間の距離より常温において僅かに［例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度］短い）で欠陥のない新規管材２２を用意し、その両端面に対して接合のための所要の表面粗さに仕上げる開先加工を施す。そして、新規管材２２の上向き端面と既設管材２３の下向き端面とを液相拡散接合により接合する。この接合の際には、新規管材２２と既設管材２３との間に印加する加圧力を発生させる手段として例えば上記の油圧機構によるものを利用したクランプ装置１０’を用いて、次のようにしておこなわれる。
【００２６】
即ち、先ず、第１段階として、管材２２，２３の接合端部２２Ｅ’，２３Ｅの間に接合材料としてのアモルファスシート２５を配置する。
【００２７】
続いて、第２段階として、クランプ装置１０’の付勢部１０’ｘの付勢力を適宜の値に設定することで、第１及び第２の接合端部２２Ｅ’，２３Ｅにより接合材料２５を所定加圧力にて挟持させる。所定加圧力は、例えば０．３Ｋｇｆ／ｍｍ２〜１Ｋｇｆ／ｍｍ２の範囲内にある。アモルファスシートとしては、例えば管材２１，２２，２３と同等な炭素鋼に融点降下元素としてのホウ素（Ｂ）等を添加することにより低融点化したものを使用することができる。更に、これら接合端部２２Ｅ’，２３Ｅ及びアモルファスシート２５に対して加圧下にて高周波加熱装置２による所定温度への加熱を行う。所定温度は、例えば１２００℃〜１３００℃の範囲内にある。これにより、接合端部２２Ｅ’，２３Ｅ及びアモルファスシート２５溶融させ、しかる後に凝固させて接合部分を形成する。
【００２８】
ここで、上記所定温度への加熱により、アモルファスシート２５と、既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’とが溶融せしめられる。即ち、この加熱温度がアモルファスシート２５の融点以上であることから、アモルファスシート２５が溶融せしめられ、該アモルファスシート２５中の融点降下元素であるホウ素が既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’へと拡散する。これにより、既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’の融点が降下して、この加熱温度で溶融せしめられるようになる。しかる後に、ホウ素は既設管材２３及び新規管材２２にて更に拡散し、溶融部分のホウ素濃度が低下する。また、これらと並行して、溶融したアモルファスシート２５中のホウ素濃度も低下する。これにより、溶融状態にある既設管材下端部２３Ｅ、新規管材上端部２２Ｅ’及びアモルファスシート２５は、それらの融点が上昇することで、この加熱温度で凝固する。
【００２９】
以上のようにして凝固した既設管材下端部２３Ｅ、新規管材上端部２２Ｅ’及びアモルファスシート２５からなる接合部分は、微細空孔が残留し、金属組織が十分に緻密化及び均質化していないことがあるので、続いて第３段階で、その組織緻密化及び均質化を促進するために適正圧力印加の処理を行う。
【００３０】
即ち、第３段階として、接合部分に印加される加圧力が所定範囲内となるように、クランプ装置１０’の付勢部１０’ｘの付勢力を適宜の値に設定する。この加圧力の所定範囲は、微細空孔を排除し且つ接合部分の組成を他の管材部分と均質化するために凝固後の管材におけるホウ素の拡散を促進するのに有利な加圧力範囲であり、例えば、０．３Ｋｇｆ／ｍｍ２〜０．８Ｋｇｆ／ｍｍ２であり、好ましくは０．４Ｋｇｆ／ｍｍ２〜０．６Ｋｇｆ／ｍｍ２である。この加圧力の所定範囲は第２段階のものと共通する部分があるので、第２段階及び第３段階にわたって引き続き同一の加圧力にすることも可能である。尚、第３段階での接合部分の温度は、凝固後の管材におけるホウ素の拡散を促進し且つ過度の膨出を防止するためには、１０００℃〜１１００℃程度が好ましい。
【００３１】
第２段階及び第３段階での接合部分の温度制御は、温度センサ４から制御装置８に入力される信号に基づき、制御装置８から高周波電源２ａへと出力される制御信号により行うことができる。
【００３２】
第２段階から第３段階にかけて、加圧下での溶融及びこれに続く凝固後の均質化のための加熱加圧処理により、管材端部が縦方向即ち上下方向に収縮し、これに伴い横方向に膨出する。本実施形態では、接合部分の横方向膨出率が所定値に到達したことを検知して、接合部分の温度及び加圧力のうちの少なくとも一方を低下させ、接合操作を完了する。
【００３３】
ここで、横方向膨出率及び横方向膨出量につき説明する。図４は、横方向に膨出した既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’を示す側面図である。また、図５はその時の膨出センサ７による横方向膨出量の測定の様子を示す平面図である。
【００３４】
図５に示されているように、４つの膨出センサ７が、直径Ｄの管材２３，２２の中心軸Ｏから互いに同一の距離にて周方向に関して均等に配置され、高周波加熱コイル２ｃの側壁に取り付けられている。膨出センサ７からは管材中心軸Ｏに向かって光などが照射され、既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’の外面で反射した光を検知することで、該管材外面の位置を検知することができる。従って、膨出前の既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’の外面位置を検知し、更に膨出後の既設管材下端部２３Ｅ及び新規管材上端部２２Ｅ’の外面位置までの距離を検知し、これらの差を算出することで、図４及び図５に示す膨出量ｈ１，ｈ２及び図５に示す膨出量ｈ３，ｈ４を得ることができる。膨出は管材中心軸Ｏの周りで均等に発生するとは限らないので、図５に示すように、互いに直交する２つの横方向のそれぞれについて両側の横方向膨出量を求める。これら各方向の横方向膨出率β１及びβ２は、
β１＝（ｈ１＋ｈ２）／Ｄ
β２＝（ｈ３＋ｈ４）／Ｄ
で定義され、これら２つの横方向膨出率の平均値β＝（β１＋β２）／２をもって、接合部分の横方向膨出率とする。この横方向膨出率は、制御装置８において、各膨出センサ７から入力される膨出量ｈ１〜ｈ４を示す信号に基づき算出することができる。
【００３５】
既設管材２３及び新規管材２２の外径Ｄに対する肉厚ｔの比率（ｔ／Ｄ）が３％〜２０％の範囲内にある場合には、横方向膨出率の所定値を２％〜１２％の範囲内に設定することができる。図６、図７及び図８は、それぞれ管材として外径Ｄに対する肉厚ｔの比率（ｔ／Ｄ）が５％，１０％及び１５％の範囲内にあるものを用いた場合に得られた、横方向膨出率（所定値）βと接合部分の引張強さＳとの関係を示すグラフである。これらの図から分かるように、横方向膨出率の所定値を２％〜１２％の範囲内に設定することで、良好な引張強さが得られる。
【００３６】
図９は、以上のような接合における、接合部分の加圧力、温度及び膨出率の変化の一例を示すグラフである。時刻０から時刻ｔ１までは、加圧力が所定値Ｐであり、温度が常温から所定値Ｔへと上昇し、膨出率は０である。時刻ｔ１から時刻ｔ４までは、加圧力が所定値Ｐであり、温度が所定値Ｔであり、膨出率は０から所定値βへと上昇する。膨出率は、時刻ｔ１から接合部分が凝固する時刻ｔ２までは比較的大きな変化を示すが、時刻ｔ２から時刻ｔ４までは比較的緩やかに変化する。時刻ｔ４以降は、制御装置８から付勢部１０’ｘ及び高周波電源２ａに入力される制御信号に基づき、加圧力及び温度が次第に低下し、膨出率は所定値βのままである。加圧力及び温度野内の一方のみを低下させてもよく、この場合も膨出率を実質上所定値βのまま維持することができる。
【００３７】
本実施形態においては、接合部分に対する現実の加熱加圧の状態を反映した膨出率に基づき適正な時点で加熱加圧処理を終了することが可能となり、かくして加圧力を検知することなしに強度が高い接合部分を効率的に形成することができる。
【００３８】
次に、図３（ｄ）に示されるように、新規管材２２の下向き端面と既設管材２１の上向き端面とを液相拡散接合により接合する。この接合も、上記同様にして行うことができる。但し、この場合には、既に既設管材２３と新規管材２２との接合が終了しているので、既設管材２１の上端部２１Ｅと新規管材２２の下端部２２Ｅとの間に常温において間隙が存在する。このため、この間隙を減少させる手段が必要である。上記クランプ装置１０’を用い、付勢部１０’ｘによる付勢力を十分に高めることで、その目的を達成することもできる。
【００３９】
しかしながら、付勢部１０’ｘによる付勢力を用いることなく、熱膨張により既設管材２１の上端部２１Ｅと新規管材２２の下端部２２Ｅとの間の間隙を減少させることもできる。以下、この手法を用いた接合の実施形態につき説明する。
【００４０】
図１０は液相拡散接合装置の一実施形態の構成の概略を示すブロック図であり、図１１はこの装置の使用状態における接合ヘッド部分を示す模式図である。これらの図において、上記図１〜図９におけると同様の機能をもつ部分または部材には同一の符号が付されている。
【００４１】
本実施形態では、接合ヘッド１２に加圧力検知手段としての加圧力センサ６が設けられている。加圧力センサ６は、例えばロードセルからなり、図１１に示されているように、第１及び第２の被接合部材２１，２２を保持する保持手段であるクランプ装置１０に付設しておくことができる。加圧力センサ６としては、被接合管材２１，２２のうちの一方の接合端部近傍の外面に付された歪ゲージを用いてもよい。
【００４２】
クランプ装置１０は、一方の被接合管材２１を所定位置にて把持する第１の把持部１０ａと、他方の被接合管材２２を所定位置にて把持する第２の把持部１０ｂと、これらの把持部同士を連結する連結部１０ｃとを備えている。クランプ装置は、把持部の把持が例えば油圧駆動によりなされるものである。加圧力センサ６は、連結部１０ｃと第２の把持部１０ｂとの結合部分に介在しており、１対の被接合管材２１，２２の間に発生する管材長手方向（上下方向）の加圧力を検知することができる。
【００４３】
制御装置８は、温度センサ４により検知される温度の信号及び加圧力センサ６により検知される加圧力の信号が入力され、これに基づき高周波加熱装置２に駆動信号を出力する。また、制御装置８は、膨出センサ７により検知される膨出量の信号が入力され、これに基づき高周波加熱装置２に駆動信号を出力する。
【００４４】
以下、本実施形態の接合装置を用いた本発明による液相拡散接合方法の一実施形態を説明する。
【００４５】
第１段階として、図１１に示されるように、第１の被接合材としての既設管材２１と第２の被接合材としての新規管材２２とを、第１の接合端部である既設管材２１の上端部２１Ｅと第２の接合端部である新規管材２２の下端部２２Ｅとが常温において第１の距離ｇを維持するように、該第１の距離ｇより大きい第２の距離Ｌだけ隔てられた位置にてクランプ装置１０で保持し、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとの間に接合材料としてのアモルファスシート２５を配置する。アモルファスシート２５の厚さは例えば２５μｍ程度であり、第１の距離ｇは例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度である。また、第２の距離Ｌは、第１の距離ｇと関連づけて後述のようにして設定される。装置の小型化の点から及び後述の第１の距離ｇと第２の距離Ｌとの互いに関連付けられた設定の容易さの点から、第２の距離Ｌは、上記高周波加熱コイル２ｃの加熱範囲Ｌ０と同等にすることが好ましい。即ち、既設管材２１と新規管材２２との保持を高周波加熱コイル２ｃの加熱範囲Ｌ０と同等の距離だけ隔てた位置にて行うことが好ましい。尚、新規管材２２の下端部２２Ｅには予め温度センサ４を取り付けておく。
【００４６】
次に、第２段階として、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとアモルファスシート２５とを高周波加熱装置２により所定範囲（後述のＴａ）内の温度（所定温度）に加熱する。この温度の所定範囲は、アモルファスシート２５の融点以上で且つ管材２１，２２の融点より低い範囲であり、例えば１２００℃〜１３００℃である。この加熱により、既設管材２１と新規管材２２とが膨張せしめられ、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとによりアモルファスシート２５が挟持され、即ち既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとがアモルファスシート２５を介して突き当てられる。また、この温度への加熱により、アモルファスシート２５と、既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅとが溶融せしめられる。即ち、この加熱温度がアモルファスシート２５の融点以上であることから、アモルファスシート２５が溶融せしめられ、該アモルファスシート２５中の融点降下元素であるホウ素が既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅへと拡散する。これにより、既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅの融点が降下して、この加熱温度で溶融せしめられるようになる。しかる後に、ホウ素は既設管材２１及び新規管材２２にて更に拡散し、溶融部分のホウ素濃度が低下する。また、これらと並行して、溶融したアモルファスシート２５中のホウ素濃度も低下する。これにより、溶融状態にある既設管材上端部２１Ｅ、新規管材下端部２２Ｅ及びアモルファスシート２５は、それらの融点が上昇することで、この加熱温度で凝固する。
【００４７】
以上のようにして凝固した既設管材上端部２１Ｅ、新規管材下端部２２Ｅ及びアモルファスシート２５からなる接合部分は、微細空孔が残留し、金属組織が十分に緻密化及び均質化していないことがあるので、第３段階で、その組織緻密化及び均質化を促進するために適正圧力印加の処理を行う。
【００４８】
即ち、第３段階として、接合部分に印加される加圧力が所定範囲（後述のＰｂ）内の圧力（所定加圧力）となるように、高周波加熱装置２による接合部分の加熱を制御する。この加圧力の所定範囲は、微細空孔を排除し且つ接合部分の組成を他の管材部分と均質化するために凝固後の管材におけるホウ素の拡散を促進するのに有利な加圧力範囲であり、例えば、０．３Ｋｇｆ／ｍｍ２〜０．８Ｋｇｆ／ｍｍ２であり、好ましくは０．４Ｋｇｆ／ｍｍ２〜０．６Ｋｇｆ／ｍｍ２である。
【００４９】
上記第２の距離Ｌは、次のようにして設定される。即ち、常温をＴ０とし、上記所定範囲Ｔａ内の温度をＴとし、既設管材２１及び新規管材２２の線膨張率をβとすると、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとの距離が、常温Ｔ０ではｇであり且つ所定範囲内温度Ｔでは零となることから、以下の関係式
β（Ｔ−Ｔ０）（Ｌ−ｇ）≧ｇ
が成り立つ。従って、第２の距離Ｌは第１の距離ｇに応じて、
Ｌ≧［１＋β（Ｔ−Ｔ０）］ｇ／［β（Ｔ−Ｔ０）］
を満たすように設定される。
【００５０】
尚、ここでは、第２の距離Ｌは常温Ｔ０と所定範囲内温度Ｔとで同一であると近似している。また、所定範囲内温度Ｔでは既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅ並びにアモルファスシート２５が溶融することで、これらの部分の上下方向寸法がアモルファスシート２５の厚さ程度減少するものと近似している。更に、線膨張係数βは温度範囲Ｔ０〜Ｔにおいて一定であると近似している。また、クランプ装置１０による保持位置間の管材の温度は一様であると近似している。
【００５１】
上記のように、第２の距離Ｌが加熱範囲Ｌ０と同等である場合については、例えば、β＝１２×１０−６／℃，ｇ＝１［ｍｍ］，Ｔ０＝２０［℃］，Ｔ＝１２５０［℃］とすれば、Ｌ＝Ｌ０≧６８．８ｍｍとなる。溶融による管材端部の収縮を見込んで、可能な最小値より若干大きめのＬ即ちＬ０を設定する。尚、この収縮量は、管材の外径及び厚み等に応じて異なるが、たとえば０．２〜０．５ｍｍである。
【００５２】
一方、上記関係式に基づき、第１の距離ｇは第２の距離Ｌに応じて、
ｇ≦β（Ｔ−Ｔ０）Ｌ／［１＋β（Ｔ−Ｔ０）］
を満たすように設定される。
【００５３】
上記のように、第２の距離Ｌが加熱範囲Ｌ０と同等である場合については、例えば、β＝１２×１０−６／℃，Ｌ＝Ｌ０＝５０［ｍｍ］，Ｔ０＝２０［℃］，Ｔ＝１２５０［℃］とすれば、ｇ≦０．７３ｍｍとなる。上記のような溶融による管材端部の収縮を見込んで、可能な最大値より若干小さめのｇを設定する。
【００５４】
以上のように、β（Ｔ−Ｔ０）（Ｌ−ｇ）≧ｇの関係式を満たし、且つ溶融による管材端部の収縮を見込んで、Ｌとｇとの関係を適宜設定することで、本発明の液相拡散接合が可能になる。第２の距離Ｌが加熱範囲Ｌ０より大きい場合には、厳密には、上記関係式において、加熱範囲外であってクランプ装置１０による管材保持位置の間にある管材部分の温度分布を考慮するのが好ましい。これらの温度分布の推定のために、上記温度センサ４，５とは別に、管材の適宜の位置に熱電対などの温度センサを配置することができる。温度分布は、管材の材質、外径及び厚み等に応じて異なるので、種々の条件で予めシミュレーションまたは実験などを行っておき、実測される各部分の温度に基づきクランプ装置１０による保持位置間の管材の温度分布を推定する。そして、この推定された温度分布を考慮し、上記関係式を適宜補正して第２の距離Ｌと第１の距離ｇとの関係を適宜設定する。
【００５５】
第１の距離ｇは使用される新規管材２２の長さを変更することで変化させることができる。即ち、第２の距離Ｌが固定されている場合には、それに対応する適切な長さの管材を使用する。予め長さの少しずつ異なる管材を用意しておき、そのうちから適宜のものを選択使用することも可能である。一方、第２の距離Ｌは、クランプ装置１０による管材保持位置を変更することで変化させることができる。即ち、第１の距離ｇが固定されている場合には、管材保持位置を変更する。第２の距離Ｌを加熱範囲Ｌ０と同等に設定する場合において、第２の距離Ｌを変化させる時には、伸縮などにより加熱範囲Ｌ０が可変の高周波加熱コイル２ｃを用いるのが好ましい。
【００５６】
但し、第２段階における接合部分の溶融時に印加される加圧力が該接合部分の過大な変形を招くことがないようにすることから、第２の距離Ｌには上限がある。即ち、該第２の距離Ｌの上限は、第２段階において接合部分の溶融時に印加される加圧力が上限値例えば１Ｋｇｆ／ｍｍ２を超えることのないような範囲（後述のＰａ）に、設定される。
【００５７】
図１２は、以上のような接合における、特に第２段階及び第３段階における、接合部分の膨出率、温度及び加圧力の変化の一例を示すグラフである。
【００５８】
時刻０において、既設管材上端部２１Ｅ、新規管材下端部２２Ｅ及びアモルファスシート２５からなる接合部分（未だ接合が完了していない状態であっても、便宜上、接合部分という）の温度［単位は℃］は常温Ｔ０であり且つ加圧力［単位はＫｇｆ／ｍｍ２］は０である。
【００５９】
時刻０において、制御装置８から出力された駆動信号の高周波電源２への入力が開始される。これにより、高周波加熱コイル２ｃによる接合部分の加熱が開始され、接合部分の温度が上昇し、既設管材２１及び新規管材２２が熱膨張し、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとの間の距離は次第に小さくなる。時刻０から時刻ｔ１までの時間は、例えば３０秒程度である。
【００６０】
やがて、時刻ｔ１において、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとによるアモルファスシート２５の挟持が開始される。この時点で、接合部分の温度は上記所定範囲Ｔａ内にあり、以後、時刻ｔ２までは、接合部の温度が上記所定範囲Ｔａ内の温度Ｔ（例えば１２５０℃）を維持するように、高周波加熱装置２の駆動制御がなされる。尚、所定範囲Ｔａ内の温度Ｔは、一定値ではなくある程度の幅をもった温度範囲（例えば１２４０〜１２６０℃）であってもよい。時刻ｔ１以降において、アモルファスシート２５の溶融及びそれに続く既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅの溶融が生ずる。また時刻ｔ２の前後において、アモルファスシート２５、既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅの凝固が生ずる。時刻ｔ１において、接合部分に印加される加圧力の上昇が開始される。そして、時刻ｔ１より後の時刻ｔ１’において、接合部分に印加される加圧力が上記範囲Ｐａの下限に到達する。この加圧力範囲Ｐａは、溶融したアモルファスシート内のホウ素の既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅへの拡散に有利で且つ接合部分の過大な変形を抑制し得る範囲であり、その下限値は例えば０．３Ｋｇｆ／ｍｍ２であり、また上限値は上記の如く例えば１Ｋｇｆ／ｍｍ２である。時刻ｔ１’以降において、加圧力は更に上昇し、時刻ｔ２において加圧力範囲Ｐａの上限に到達する。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間は、例えば３０秒〜６０秒である。
【００６１】
以上のように、時刻０から時刻ｔ２までの第２段階では、温度センサ４により検知される接合部分の温度が所定範囲Ｔａ内の温度Ｔとなるように、制御装置８による高周波加熱装置２の制御がなされる。
【００６２】
次に、時刻ｔ２から時刻ｔ４までは、加圧力センサ６により検知される接合部分の加圧力が上記所定範囲Ｐｂ内の圧力Ｐ（例えば０．５Ｋｇｆ／ｍｍ２）となるように、制御装置８による高周波加熱装置２の制御がなされる。即ち、時刻ｔ２以降時刻ｔ３までは、接合部分の温度が低下するように高周波加熱装置２による加熱が制御され、これに伴い接合部分に印加される加圧力が低下する。尚、所定範囲Ｐｂ内の圧力Ｐは、一定値ではなくある程度の幅をもった圧力範囲（例えば０．４５〜０．５５Ｋｇｆ／ｍｍ２）であってもよい。そして、時刻ｔ３において、接合部分に印加される加圧力が所定範囲Ｐｂの上限に到達する。この加圧力所定範囲Ｐｂにほぼ対応する温度範囲がＴｂである。時刻ｔ３までには、アモルファスシート２５、既設管材上端部２１Ｅ及び新規管材下端部２２Ｅの凝固が完了しており、それ以降は接合部分の組成の均質化がなされる。時刻ｔ２から時刻ｔ４までの時間は、例えば８０秒〜２００秒である。
【００６３】
この間、時刻０から時刻ｔ１までは膨出率が０であり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは膨出率が０から比較的大きく上昇し、時刻ｔ１から時刻ｔ４までは膨出率が比較的緩やかに所定値βまで上昇する。
【００６４】
時刻ｔ４において膨出率が所定値βになったことを検知して制御装置８から高周波電源２ａに制御信号が入力され、以後接合部分の温度が次第に低下せしめられ、これに基づき接合部分の加圧力が次第に低下し、膨出率は所定値βのまま維持される。
【００６５】
以上の実施形態では、熱膨張により既設管材２１の上端部２１Ｅと新規管材２２の下端部２２Ｅとの間の間隙を減少させるのに、高周波加熱コイル２ｃのみによる接合部分の加熱が行われており、装置構成の小型化に有利である。しかし、本発明においては、高周波加熱コイル２ｃによる加熱に加えて、図１１に示すような接合部分以外の管材に対する加熱手段１ｂによる加熱（例えば発熱抵抗体による加熱または高周波誘導加熱を用いたもの）を行うことも可能である。これによれば、第１の距離ｇが比較的大きい場合にも十分に対処することができる。
【００６６】
本実施形態においても、接合部分に対する現実の加熱加圧の状態を反映した膨出率に基づき適正な時点で加熱加圧処理を終了することが可能となり、かくして加圧力を検知することなしに強度が高い接合部分を効率的に形成することができる。
【００６７】
以上の実施形態では、第１及び第２の被接合材として鋼からなり且つ管状をなしているものが使用されているが、本発明においては、第１及び第２の被接合材は、鋼以外の金属からなるものであってもよいし、管状以外の例えば棒状をなしているものであってもよい。
【００６８】
更に、以上の実施形態においては、アモルファスシート２５を既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとの間に配置する際に、既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとは別体の独立したアモルファスシート２５を既設管材上端部２１Ｅと新規管材下端部２２Ｅとの間に介在させているが、本発明においては、アモルファスシート２５を既設管材上端部２１Ｅの上端面または新規管材下端部２２Ｅの下端面に予め接着剤などで接着しておいてもよい。また、接合材料として、既設管材上端部２１Ｅの上端面及び／または新規管材下端部２２Ｅの下端面に予め堆積形成したものを用いてもよい。これらの場合も、本発明でいうところの、第１及び第２の接合端部の間に接合材料を配置することに該当するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明による液相拡散接合装置の一実施形態の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明による液相拡散接合装置の一実施形態の使用状態における接合ヘッド部分を示す模式図である。
【図３】本発明による液相拡散接合装置を用いた本発明による液相拡散接合方法の一実施形態の説明図である。
【図４】横方向に膨出した接合端部を示す側面図である。
【図５】横方向に膨出した接合端部と膨出センサによる横方向膨出量の測定の様子とを示す平面図である。
【図６】横方向膨出率の所定値と接合部分の引張強さとの関係を示すグラフである。
【図７】横方向膨出率の所定値と接合部分の引張強さとの関係を示すグラフである。
【図８】横方向膨出率の所定値と接合部分の引張強さとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明による液相拡散接合方法の一実施形態における接合部分の温度及び加圧力並びに膨出率の変化の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明による液相拡散接合装置の一実施形態の構成の概略を示すブロック図である。
【図１１】本発明による液相拡散接合装置の一実施形態の使用状態における接合ヘッド部分を示す模式図である。
【図１２】本発明による液相拡散接合方法の一実施形態における接合部分の温度及び加圧力並びに膨出率の変化の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７０】
１ｂ  加熱手段
２  高周波加熱装置
２ａ  高周波電源
２ｂ  整合トランス
２ｃ  高周波加熱コイル
４  温度センサ
６  加圧力センサ
７  膨出センサ
８  制御装置
１０，１０’  クランプ装置
１０ａ，１０’ａ  第１の把持部
１０ｂ，１０’ｂ  第２の把持部
１０ｃ、１０’ｃ  連結部
１０’ｘ    付勢部
１２  接合ヘッド
２１，２３  既設管材
２１ａ，２３ａ  既設管材端面
２２  新規管材
２１Ｅ  既設管材上端部
２２Ｅ  新規管材下端部
２２Ｅ’  新規管材上端部
２３Ｅ  既設管材下端部
２５  アモルファスシート
３０  管材
３１  管材損傷部分
【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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