(57)【要約】【課題】歩留りや生産性の向上により低コスト化を図ることができる積層管の製造方法を提供する。【解決手段】内層１１と、少なくとも１つの外層１２と、を有する積層管１０の製造方法は、芯材２０を準備する第１の工程Ｓ１０と、芯材２０の外周面に第１の材料を肉盛溶接して内層１１を形成する第２の工程Ｓ２０と、内層１１の外周面に第２の材料を肉盛溶接して少なくとも１つの外層１２を形成する第３の工程Ｓ３０と、芯材２０を除去する第４の工程Ｓ５０と、を備えている。【選択図】図６
2012213776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内層と、少なくとも１つの外層と、を有する積層管の製造方法であって、
芯材を準備する第１の工程と、
前記芯材の外周面に第１の材料を肉盛溶接して前記内層を形成する第２の工程と、
前記内層の外周面に第２の材料を肉盛溶接して少なくとも１つの前記外層を形成する第３の工程と、
前記芯材を除去する第４の工程と、を備えたことを特徴とする積層管の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の積層管の製造方法であって、
前記第４の工程の前又は後に、前記外層に外側に外筒を固着する第５の工程を備えたことを特徴とする積層管の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の積層管の製造方法であって、
前記第２の工程は、プラズマ粉体溶接によって前記芯材の外周面に前記第１の材料を肉盛溶接することを含むことを特徴とする積層管の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の積層管の製造方法であって、
前記芯材は、内孔を有する筒状部材であり、
前記第２の工程は、前記筒状部材の前記内孔内に冷媒を流しながら前記第１の材料を肉盛溶接することを含み、
前記第３の工程も、前記筒状部材の前記内孔に冷媒を流しながら前記第２の材料を肉盛溶接することを含むことを特徴とする積層管の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の積層管の製造方法であって、
前記内層は、前記外層よりも耐摩耗性及び耐食性の少なくとも一方が相対的に高いことを特徴とする積層管の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の積層管の製造方法であって、
前記内層は、前記外層よりも相対的に硬質であることを特徴とする積層管の製造方法。
【請求項７】
内層と、少なくとも一つの外層と、を有する積層管の製造装置であって、
芯材を着脱可能に保持して回転させる回転手段と、
前記回転手段によって前記芯材を回転させながら、前記芯材の外周面に第１の材料を肉盛溶接して前記内層を形成する第１の溶接手段と、
前記回転手段によって前記芯材を回転させながら、前記内層の外周面に第２の材料を肉盛溶接して少なくとも一つの前記外層を形成する第２の溶接手段と、を備えたことを特徴とする積層管の製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の積層管の製造装置であって、
前記第１の溶接手段は、プラズマ粉体溶接によって前記芯材の外周面に前記第１の材料を肉盛溶接することを特徴とする積層管の製造装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の積層管の製造装置であって、
前記第１の溶接手段は、前記回転手段に保持された前記芯材に対して相対移動可能な第１のトーチを有し、
前記第２の溶接手段も、前記回転手段に保持された前記芯材に対して相対移動可能な第２のトーチを有しており、
前記第１のトーチと前記第２のトーチとが、同一のトーチであることを特徴とする積層管の製造装置。
【請求項１０】
請求項７〜９の何れかに記載の積層管の製造装置であって、
前記芯材は、内孔を有する筒状部材であり、
前記製造装置は、前記芯材の前記内孔に冷媒を流通させる冷媒循環手段を備えたことを特徴とする積層管の製造装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０の何れかに記載の積層管の製造装置であって、
前記内層は、前記外層よりも耐摩耗性及び耐食性の少なくとも一方が相対的に高いことを特徴とする積層管の製造装置。
【請求項１２】
請求項７〜１１の何れかに記載の積層管の製造装置であって、
前記内層は、前記外層よりも相対的に硬質であることを特徴とする積層管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内層と少なくとも一つの外層を有する積層管の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内層部材と、焼嵌めにより内層部材が嵌入されたシリンダ外筒と、を備え、耐摩耗性耐食性合金を焼結することで形成された内表面層が、内層部材の内面に固着された射出成形機用のシリンダが知られている（例えば、特許文献１の段落０００２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２４４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のシリンダでは、細長い内層部材と外筒を焼嵌めるので、内層部材を必要以上に厚くしたり、内層部材及び外筒を高精度に仕上げ加工しなければならないという問題がある。また、上記のシリンダでは、耐摩耗性耐食性合金の焼結に多くの時間を要するという問題もある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、歩留りや生産性の向上により低コスト化を図ることができる積層管の製造方法および製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る積層管の製造方法は、内層と、少なくとも１つの外層と、を有する積層管の製造方法であって、芯材を準備する第１の工程と、前記芯材の外周面に第１の材料を肉盛溶接して前記内層を形成する第２の工程と、前記内層の外周面に第２の材料を肉盛溶接して少なくとも１つの前記外層を形成する第３の工程と、前記芯材を除去する第４の工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
［２］上記発明において、前記製造方法は、前記第４の工程の前又は後に、前記外層に外側に外筒を固着する第５の工程を備えてもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記第２の工程は、プラズマ粉体溶接によって前記芯材の外周面に前記第１の材料を肉盛溶接することを含んでもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記芯材は、内孔を有する筒状部材であり、前記第２の工程は、前記筒状部材の前記内孔内に冷媒を流しながら前記第１の材料を肉盛溶接することを含み、前記第３の工程も、前記筒状部材の前記内孔に冷媒を流しながら前記第２の材料を肉盛溶接することを含んでもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記内層は、前記外層よりも耐摩耗性及び耐食性の少なくとも一方が相対的に高くてもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、前記内層は、前記外層よりも相対的に硬質であってもよい。
【００１２】
［７］本発明に係る積層管の製造装置は、内層と、少なくとも一つの外層と、を有する積層管の製造装置であって、芯材を着脱可能に保持して回転させる回転手段と、前記回転手段によって前記芯材を回転させながら、前記芯材の外周面に第１の材料を肉盛溶接して前記内層を形成する第１の溶接手段と、前記回転手段によって前記芯材を回転させながら、前記内層の外周面に第２の材料を肉盛溶接して少なくとも一つの前記外層を形成する第２の溶接手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
［８］上記発明において、前記第１の溶接手段は、プラズマ粉体溶接によって前記芯材の外周面に前記第１の材料を肉盛溶接してもよい。
【００１４】
［９］上記発明において、前記第１の溶接手段は、前記回転手段に保持された前記芯材に対して相対移動可能な第１のトーチを有し、前記第２の溶接手段も、前記回転手段に保持された前記芯材に対して相対移動可能な第２のトーチを有しており、前記第１のトーチと前記第２のトーチとが、同一のトーチであってもよい。
【００１５】
［１０］上記発明において、前記芯材は、内孔を有する筒状部材であり、前記製造装置は、前記芯材の前記内孔に冷媒を流通させる冷媒循環手段を備えてもよい。
【００１６】
［１１］上記発明において、前記内層は、前記外層よりも耐摩耗性及び耐食性の少なくとも一方が相対的に高くてもよい。
【００１７】
［１２］上記発明において、前記内層は、前記外層よりも相対的に硬質であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、内層及び外層を肉盛溶接により形成するので、焼嵌めや焼結が不要となる。このため、歩留り及び生産性が向上するので、積層管の低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態における積層管を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態における積層管を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明のさらに他の実施形態における積層管を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態における積層管の製造装置を示す概略側面図である。
【図５】図３は、本発明の実施形態における積層管の製造装置の変形例を示す概略平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態における積層管の製造方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、図６のステップＳ２０における積層管の断面図である。
【図８】図８は、図６のステップＳ３０における積層管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
先ず、図１を参照しながら本実施形態に係る製造装置や製造方法によって製造される積層管の構成について説明する。図１は本実施形態における積層管を示す断面図である。
【００２２】
本実施形態における積層管１０は、内孔１０１を有する管状の部材であり、例えば、プラスチックやゴム等の射出成形機や押出成形機のシリンダに用いられる。なお、積層管１０の用途は、内周面に耐摩耗性及び耐食性が要求されるものであれば特に限定されず、例えば、微粉体等を搬送するための搬送パイプ等に用いてもよい。
【００２３】
この積層管１０は、図１に示すように、内孔１０１を規定する内層１１と、内層１１の外周に形成された外層１２と、からなる二層構造を有している。
【００２４】
内層１１は、耐摩耗性及び耐食性に優れた材料から構成されているのに対し、外層１２は、鉄やステンレスから構成されており、内層１１は、外層１２よりも相対的に高い耐摩耗性及び耐食性を有していると共に、外層１２よりも相対的に硬質となっている。内層１１を構成する材料の具体例としては、例えば、Ｂ：４〜７ｗｔ％、Ｍｏ：３７〜４０ｗｔ％、Ｃｒ：８〜９ｗｔ％、Ｎｉ：２〜３ｗｔ％、及びＦｅ：残部からなる合金を例示することができる。
【００２５】
ここで、「耐摩耗性」の評価方法としては、例えば、大越摩耗試験を用いて金属に対するすべり摩耗特性を評価する方法を例示することができる。この大越摩耗試験では、回転するリング状の回転試片にプレート状の固定試験片を押し当て、これによって形成された摩耗痕の摩耗体積を測定することで、耐摩耗性を評価する。具体的な試験例としては、すべり速度：０．２ｍ／ｓ、最終荷重：１９．８ｋｇ、すべり距離：６００ｍの条件で試験を行った後に、摩耗痕の摩耗体積を測定する。
【００２６】
また、「耐食性」の評価方法としては、例えば、各種水溶液に試料を一定時間浸漬した後の腐食減量を測定することで耐食性を評価する方法を例示することができる。具体的な試験例としては、１０ｍａｓｓ％塩酸、１０ｍａｓｓ％硫酸、１０ｍａｓｓ％リン酸、１０ｍａｓｓ％フッ酸水溶液に試料を１０時間浸漬した後の重量変化を測定する。この場合、減少量が少ないものほど耐食性に優れている。
【００２７】
なお、内層１１が外層１２よりも高い耐摩耗性及び耐食性を有していれば、外層１２が内層１１よりも硬質であってもよい。また、内層１１は、外層１２よりも耐摩耗性及び耐食性の少なくとも一方が相対的に高ければよい。例えば、内層１１が、外層１２よりも耐摩耗性が相対的に高く、外層１１と同程度の耐食性を有してもよい。
【００２８】
このように、内層１１のみを耐摩耗性及び耐食性に優れた材料で形成すると共に、外層１２は安価な鉄やステンレスで形成することで、積層管１０の低コスト化を図ることができる。
【００２９】
なお、積層管１０における外層１２の数は特に限定されない。図２は本発明の他の実施形態における積層管を示す断面図である。例えば、図２に示すように、積層管１０Ｂが、２層の外層１２を有してもよいし、或いは、外層１２を２層以上形成してもよい。積層管１０Ｂが複数の外層１２を有することで、積層管１０Ｂの強度を高めることができる。なお、２層以上の外層１２において、各層を構成する金属材料を異ならせてもよい。
【００３０】
また、図３に示すように、積層管１０Ｃが、外層１２の外側に外筒１３を有してもよい。図３は本発明のさらに他の実施形態における積層管を示す断面図である。この外筒１３は、例えば、日本工業規格（ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３）に規定されるＳＣＭ４４０相当のクロムモリブデン鋼鋼材から構成されており、外層１２の外側に焼嵌めによって固着されている。なお、外筒１３を、ボルト締結やピン等によって、外層１２の外側に固着してもよい。積層管１０Ｃが外筒１３を有することで、積層管１０ｃの強度を高めることができる。
【００３１】
次に、以上に説明した積層管１０を製造するための製造装置３０の構成について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施形態における積層管の製造装置を示す概略図である。
【００３２】
本実施形態における製造装置３０は、図４に示すように、回転ユニット４０と、溶接ユニット５０と、冷却ユニット６０と、を備えている。なお、以下に説明する製造装置３０は、図６を参照して後に説明する製造方法のステップＳ１０〜Ｓ３０において使用される。また、この製造装置３０は、積層管１０を製造するための装置の一例に過ぎず、特にこれに限定されない。
【００３３】
回転ユニット４０は、芯金２０を保持するチャック４１と、当該チャック４１を回転させるためのモータ４２と、を備えている。なお、後述するように、芯金２０は、積層管１０の製造過程において積層管１０の芯となる部材であり、内層１１及び外層１２を形成した後に積層管１０から除去される。
【００３４】
チャック４１は、例えば、複数の爪４１１を有するスクロールチャックであり、上述の芯金２０の一端を着脱可能に保持することが可能となっている。このチャック４１は、伝達ベルト４３を介してモータ４２に連結されており、モータ４２が伝達ベルト４３を介してチャック４１を回転させることで、当該チャック４１に保持された芯金２０が回転するようになっている。
【００３５】
なお、チャック４１は、ベアリング４４を介して第１のサポート部材４５に回転可能に支持されている。また、芯金２０の他端も、ベアリングを有する第２のサポート部材４６によって回転可能に支持されている。
【００３６】
溶接ユニット５０は、いわゆるプラズマ粉体肉盛溶接（ＰＴＡ：Plasma Transfer Arc）を行う装置であり、トーチ５１の電極と被溶接体（具体的には芯金２０又は内層１１）との間にプラズマアークを発生させ、金属粉末をキャリアガスと共にプラズマアーク内に供給して、当該金属粉末を溶融させて被溶接体上に肉盛溶接を行うことが可能となっている。キャリアガスとしては、例えば、アルゴン等の不活性ガスを例示することができる。なお、金属粉末に代えて、金属ワイヤを用いてプラズマ肉盛溶接を行ってもよい。
【００３７】
この溶接ユニット５０は、トーチ５１に金属粉末を供給可能な２つのパウダフィーダ５２，５３を備えており、トーチ５１の接続先を第１のパウダフィーダ５２又は第２のパウダフィーダ５３で切り替えることで、異種の金属粉末を肉盛溶接することが可能となっている。
【００３８】
具体的には、第１のパウダフィーダ５２には、上述の内層１１を形成するための耐摩耗性及び耐食性に優れた合金の粉末（以下、第１の金属粉末と称する。）が収容されている。これに対し、第２のパウダフィーダ５３には、外層１２を形成するための鉄又はステンレスの粉末（以下、第２の金属粉末と称する。）が収容されている。
【００３９】
このように、同一の溶接ユニット５０で異種の金属粉末を肉盛溶接することで、製造装置３０の小型化及び低コスト化を図ることができる。なお、本実施形態における溶接ユニット５０が本発明における第１及び第２の溶接手段の一例に相当する。
【００４０】
また、本実施形態の溶接ユニット５０は、トーチ５１を移動させる移動機構５４を備えている。この移動機構５４は、例えばボールねじ等によって、回転装置４０に保持された芯金２０に沿って、トーチ５１を移動させることが可能となっている。
【００４１】
冷却ユニット６０は、ロータリジョイント６１，６２と、配水管６５を介してロータリジョイント６１，６２に接続されたチラー６３及びポンプ６４と、を備えている。ロータリジョイント６１，６２は、芯金２０の両端に接続されており、配水官６５は、このロータリジョイント６１，６２を介して、芯金２０の内孔２１に連通している。
【００４２】
この冷却ユニット６０では、チラー６３で冷却された冷媒が、ポンプ６４によって、一方のロータリジョイント６１を介して、芯金２０の内孔２１内に供給される。そして、芯金２０の内孔２１内を流れた冷媒は、他方のロータリジョイント６２を介して、チラー６３に回収される。このように、芯金２０の内孔２１内に冷媒を循環させることで、芯金２０が冷却される。冷媒としては、水や不燃性の液体等を用いることができる。
【００４３】
なお、図４に示す例では、同一のトーチ５１によって異種の金属粉末の肉盛溶接を行うが、特にこれに限定されない。図５は本実施形態における積層管の製造装置の変形例を示す平面図である。
【００４４】
例えば、図５に示すように、製造装置が２つの溶接ユニット５０Ａ，５０Ｂを備えてもよく、内層１１を形成するための第１の溶接ユニット５０Ａと、外層１２を形成するための第２の溶接ユニット５０Ｂと、を独立させてもよい。
【００４５】
具体的には、図５に示す例において、第１の溶接ユニット５０Ａは、第１のパウダフィーダ５２から第１の金属粉末が供給される第１のトーチ５１Ａを有している。一方、第２の溶接ユニット５０Ｂは、第２のパウダフィーダ５３から第２の金属粉末が供給される第２のトーチ５１Ｂを有している。いずれのトーチ５１Ａ，５１Ｂも、チャック４１に保持された芯金２０に沿って移動可能となっている。
【００４６】
なお、この場合には、鉄やステンレスを肉盛溶接する第２の溶接ユニット５０Ｂを、プラズマ粉体溶接に代えて、アーク溶接、ＴＩＧ溶接、或いはＭＩＧ溶接等を行う装置としてもよい。
【００４７】
本例では、第１の溶接ユニット５０Ａが本発明における第１の溶接手段の一例に相当し、第２の溶接ユニット５０Ｂが本発明における第２の溶接手段の一例に相当する。
【００４８】
次に、本実施形態における積層管１０の製造方法について、図６〜図８を参照しながら説明する。図６は本実施形態における積層管の製造方法を示すフローチャートであり、図７及び図８は図６の各ステップにおける積層管の断面図である。
【００４９】
先ず、図６のステップＳ１０において、上述した製造装置３０のチャック４１に、芯金２０の一端を固定し、当該芯金２０の両端に、ロータリジョイント６１，６２を接続する。この芯金２０は、内孔２１を有する管状の部材であり、例えば、鉄、銅、アルミニウムといった安価で加工が容易な材料から構成されている。
【００５０】
次いで、図６のステップＳ２０において、第１のパウダフィーダ５２から第１の金属粉末をトーチ５１に供給して、図７に示すように、溶接ユニット５０によって、芯金２０の外周面に内層１１を形成する。この際、回転ユニット４０によって芯金２０を回転させると共に移動機構５４によってトーチ５１を芯金２０に平行に移動させながら、芯金２０の外周面に螺旋状に肉盛溶接を行う。
【００５１】
次いで、図６のステップＳ３０において、第２のパウダフィーダ５３から第２の金属粉末をトーチ５１に供給して、図８に示すように、溶接ユニット５０によって、内層１１の外周面に外層１２を形成する。この際、ステップＳ２０と同様に、回転ユニット４０によって芯金２０を回転させると共に移動機構５４によってトーチ５１を芯金２０に対して平行に移動させながら、内層１１の外周面に螺旋状に肉盛溶接を行う。
【００５２】
次いで、製造装置３０のチャック４１から積層管１０を取り外し、図６のステップＳ４０において、肉盛溶接によって形成された外層１２の外周面を、旋盤（不図示）等を用いて切削加工して、当該外層１２の表面を平滑に仕上げる。
【００５３】
次いで、図６のステップＳ５０において、内層１１のさらに内側に位置する芯金２０を、特に図示しないボール盤やＢＴＡ（Boring and Trepanning Association）深孔加工機等を用いて切削する。これにより、芯金２０から積層管１０から除去され、積層管１０の内面に、耐摩耗性及び耐食性に優れた内層１１が露出すると共に、当該内層１１の内周面が平滑化される。以上の工程を経ることで、図１に示す積層管１０が完成する。
【００５４】
本実施形態では、上述のステップＳ２０及びステップＳ３０を実施する間、冷却ユニット６０によって、芯金２０の内孔２１内に冷媒を循環させることで、芯金２０の温度調整を行う。この温度調整により、溶接品質の安定化が図られると共に、芯金２０自体の溶融を防止される。
【００５５】
なお、図２に示すように、外層１２を２層以上形成する場合には、ステップＳ３０を複数回繰り返せばよい。
【００５６】
また、図３に示す積層管１０Ｃを製造する場合には、ステップＳ４０の後であれば、ステップＳ５０の前に外筒１３を外層１２に固着させてもよいし、ステップＳ５０の後に外筒１３を外層１２に固着させてもよい。
【００５７】
以上のように、本実施形態では、積層管１０の内層１１及び外層１２を肉盛溶接により形成するので、焼嵌めや焼結が不要となる。このため、歩留り及び生産性が向上するので、積層管１０の低コスト化を図ることができる。
【００５８】
また、本実施形態では、外筒の内面に肉盛溶接で内層を形成する場合と比較して、トーチによる内径の制約がなくなると共に、芯金２０の除去に伴って内層１１の内面も平滑化されるので、溶接ビードの除去等の工数が不要となる。
【００５９】
また、本実施形態では、積層管１０の内層１１及び外層１２を肉盛溶接により形成するので、遠心鋳造により内面に硬質層を形成する場合と比較して、設備の低コスト化を図ることができる。
【００６０】
さらに、本実施形態では、芯金２０が内孔２１を有する管状の部材であるので、上述の図７のステップＳ５０における切削量を少なくすることができる。これにより、ステップＳ５０に要する時間を短縮することができると共に、芯金２０の使用量を削減することができ、さらに、内孔２１を利用して冷却ユニット６０によって芯金２０を冷却することもできる。
【００６１】
本実施形態におけるステップＳ１０が本発明における第１の工程の一例に相当し、本実施形態におけるステップＳ２０が本発明における第２の工程の一例に相当し、本実施形態におけるステップＳ３０が本発明における第３の工程の一例に相当し、本実施形態におけるステップＳ５０が本発明における第４の工程の一例に相当する。
【００６２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…積層管
１０１…内孔
１１…内層
１２…外層
１３…外筒
２０…芯材
２１…内孔
３０…製造装置
４０…回転ユニット
４１…チャック
４１１…爪
４２…モータ
４３…伝達ベルト
４４…ベアリング
４５…第１のサポート部材
４６…第２のサポート部材
５０…溶接ユニット
５１…トーチ
５２…第１のパウダフィーダ
５３…第２のパウダフィーダ
５４…移動機構
６０…冷却ユニット
６１，６２…ロータリジョイント
６３…チラー
６４…ポンプ
６５…配水管
【図１】
2012213776.tif 000003
【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】
2012213776.tif 000008
【図７】
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【図８】
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