(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
突き合わせ状に配置した被接合鋼板に時効硬化性金属によって形成されたフィラー材を介してスプライス板を重ね合わせ、前記フィラー材を介在させたまま前記被接合鋼板とスプライス板とをボルトによって締結し、その後前記フィラー材を加熱による時効処理を施して時効硬化させるボルト摩擦接合方法であって、
前記フィラー材は、被接合鋼板の合わせ面側の表面粗さをＲｚｊ（μm ）および降伏強度Ｙｐｊとし、スプライス板の合わせ面側の表面粗さをＲｚｓ（μm ）および降伏強度をＹｐｓとし、フィラー材の厚さをｔｆ（μm ）、時効処理前の降伏強度をＹｐｆおよび時効処理後の降伏強度をＹｐｆａとしたとき、
Ｙｐｆ／Ｙｐｓ、Ｙｐｆ／Ｙｐｊ：各３０〜６０％、
Ｙｐｆａ／Ｙｐｆ：１５０％以上、
（Ｒｚｊ＋Ｒｚｓ）／ｔｆ：５０〜１５００％
である、ボルト摩擦接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載したボルト摩擦接合方法に用いられるフィラー材であって、
前記フィラー材は時効硬化性金属によって形成され、被接合鋼板の合わせ面側の表面粗さをＲｚｊ（μm ）および降伏強度Ｙｐｊとし、スプライス板の合わせ面側の表面粗さをＲｚｓ（μm ）および降伏強度をＹｐｓとし、フィラー材の厚さをｔｆ（μm ）、時効処理前の降伏強度をＹｐｆおよび時効処理後の降伏強度をＹｐｆａとしたとき、
Ｙｐｆ／Ｙｐｓ、Ｙｐｆ／Ｙｐｊ：各３０〜６０％、
Ｙｐｆａ／Ｙｐｆ：１５０％以上、
（Ｒｚｊ＋Ｒｚｓ）／ｔｆ：５０〜１５００％
である、ボルト摩擦接合用フィラー材。
【請求項３】
前記フィラー材は、室温超塑性を有するＺｎ−Ａｌ合金によって形成された、請求項３に記載したボルト摩擦接合用フィラー材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、建築、橋梁などの鋼構造物における鋼板同士の摩擦接合に利用されるボルト摩擦接合方法およびその方法に用いられるフィラー材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボルト摩擦接合方法は、接合対象の被接合鋼板同士を突き合わせ状に配置し、スプライス板（添え板）を当て、両者をボルトにて締結し、被接合鋼板とスプライス板との摩擦接合によって鋼板同士を接合する方法である。
このボルト摩擦接合方法においては、被接合鋼板とスプライス板との摩擦接合力が接合強度を左右するため、両者の間に働く摩擦接合力を向上させる試みが種々なされている。
【０００３】
例えば、特開平８−２０９８０９号公報、特開２０００−１４１０６４号公報にはスプライス板と被接合鋼板との硬さ、表面粗さを規定することによって、また特開平１１−２４７８３１号公報にはスプライス板のボルトの穴の周りに同心円状の凹凸を設けることによって摩擦接合力を向上させるようにしている。一方、特開平８−１５９１１６号公報には被接合鋼板とスプライス板との間に鋼線メッシュを挟み込むことによって、また特開平６−３３０５６６号公報には被接合鋼板とスプライス板との間にこれらの板材よりも表面硬さおよび表面粗さが大きい介在鋼板を挟み込むことによって摩擦力を向上させようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの技術は、被接合鋼板あるいはスプライス板の表面の凹凸、鋼線メッシュあるいは介在鋼板を相手材に食い込ませることによって摩擦接合力を上げようとするものであり、高力ボルトを用いて大きなトルクでボルトを締め付けなければならず、また締め付けトルクによって摩擦接合力が大きく変化し、施工性、接合安定性に問題がある。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、施工性が良好で、接合安定性に優れるボルト摩擦接合方法等を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、時効処理前には軟質で、時効処理後に硬化する時効硬化性金属に着目し、この時効硬化性金属によって形成したフィラー材を被接合鋼板とスプライス板との間に介在させて、両者をボルト締結することにより、ボルト締結時にはフィラー材がスプライス板、被接合鋼材の表面の凹凸に容易に変形して食い込み、接合面積が増大する一方、ボルト締結後に時効処理（加熱）を施してフィラー材を時効硬化させ、これによって食い込んだ部分の塑性変形を抑制することで、大きな摩擦接合力が得られるとの着想の下に本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、突き合わせ状に配置した被接合鋼板に時効硬化性金属によって形成されたフィラー材を介してスプライス板を重ね合わせ、前記フィラー材を介在させたまま前記被接合鋼板とスプライス板とをボルトによって締結し、その後前記フィラー材を加熱による時効処理を施して時効硬化させるボルト摩擦接合方法であって、前記フィラー材は時効硬化性金属によって形成され、被接合鋼板の合わせ面側の表面粗さをＲｚｊ（μm ）および降伏強度Ｙｐｊとし、スプライス板の合わせ面側の表面粗さをＲｚｓ（μm ）および降伏強度をＹｐｓとし、フィラー材の厚さをｔｆ（μm ）、時効処理前の降伏強度をＹｐｆおよび時効処理後の降伏強度をＹｐｆａとしたとき、
Ｙｐｆ／Ｙｐｓ、Ｙｐｆ／Ｙｐｊ：各３０〜６０％、
Ｙｐｆａ／Ｙｐｆ：１５０％以上、
（Ｒｚｊ＋Ｒｚｓ）／ｔｆ：５０〜１５００％
の各条件を満足するものである。
この方法によると、時効処理前のフィラー材は硬化していないため、被接合鋼板やスプライス板の表面の凹凸にボルトの締結により容易に食い込むために施工が簡単容易であり、また時効処理により降伏強度が５０％以上向上するため、フィラー材が変形し難くなり、安定した摩擦接合力の向上を得ることができる。
【０００７】
前記フィラー材としては、室温超塑性を有するＺｎ−Ａｌ合金が好適である。このＺｎ−Ａｌ合金は、ボルト締結時には降伏強度が１１０ＭＰａ程度と軟質で高い変形能を有し、３００℃程度の比較的低温の加熱による時効処理により降伏強度が２倍以上に上昇するため、本発明方法に好適に使用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のボルト摩擦接合方法は、図１に示すように、被接合鋼板１，１の端部を突き合わせ状に所定の隙間を設けて配置し、その両面に時効硬化性金属薄板からなるフィラー材３，３を介してスプライス板２，２を重ね合わせ、前記フィラー材３，３を介在させたまま前記被接合鋼板１，１とスプライス板２，２とをボルト４によって締結し、その後、フィラー材３，３を加熱して、時効硬化させることによって実施される。なお、本発明における被接合鋼板とは、例えばＨ形鋼材のフランジ、リブなどの接合対象となる鋼板部分をも含む。
【０００９】
前記フィラー材３、３の時効処理は、接合部材が比較的小さいものでは、大気炉にて加熱すればよい。炉に収容できないような大形の接合部材では、図１に示すように接合部材を組み立てた後、バーナーや熱風送風機によりスプライス板３，３および接合部の近傍を加熱し、これらの部材を伝導した熱によって前記フィラー材２を加熱するようにすればよい。
【００１０】
前記フィラー材３は、被接合鋼板１，１の合わせ面側の表面粗さをＲｚｊ（μm ）および降伏強度をＹｐｊとし、スプライス板３の合わせ面側の表面粗さをＲｚｓ（μm ）および降伏強度をＹｐｓとし、フィラー材２の厚さをｔｆ（μm ）、時効処理前の降伏強度をＹｐｆおよび時効処理後の降伏強度をＹｐｆａとしたとき、Ｙｐｆ／Ｙｐｓ、Ｙｐｆ／Ｙｐｊ：各３０〜６０％、Ｙｐｆａ／Ｙｐｆ：１５０％以上、（Ｒｚｊ＋Ｒｚｓ）／ｔｆ：５０〜１５００％の各条件を満足するものを用いる。
【００１１】
前記Ｙｐｆ／ＹｐｓおよびＹｐｆ／Ｙｐｊは、時効処理前のスプライス板、被接合鋼板に対するフィラー材の降伏強度比であり、この値が小さいほど、スプライス板および被接合鋼板に比してフィラー材が変形し易く、スプライス板および被接合鋼板の表面の凹凸にフィラー材が食い込み易い。しかし、この比が３０％未満では、フィラー材が軟質過ぎるため、ボルト締め付け時の変形し易さという点では好ましいが、せん断力がかかった場合にフィラー材が横滑りを起こして十分な摩擦力が得られ難くなる。一方、６０％超ではフィラー材が硬過ぎるためにボルト締め付け時に変形し難くなり、摩擦面積を十分確保するには大きなボルト締め付けトルクが必要となり、不十分な締め付けでは十分な摩擦力を得ることが困難になる。このため、Ｙｐｆ／Ｙｐｓ、Ｙｐｆ／Ｙｐｊを各々３０〜６０％とすることが好ましく、より好ましくは３０〜５０％、さらに好ましくは３５〜４５％とするのがよい。
【００１２】
前記Ｙｐｆａ／Ｙｐｆは、時効処理前のフィラー材に対する時効処理後のフィラー材の降伏強度比であり、この値が大きいほど、時効処理後のフィラー材が変形し難く、すなわちスプライス板の表面の凹凸に食い込んだフィラー材の凹凸が塑性変形し難く、摩擦力を維持、確保するのに好適である。この比が１５０％未満では、時効硬化量が少なく、フィラー材の食い込み部が変形し易くなるため、十分な摩擦力を確保することができないようになる。このため、Ｙｐｆａ／Ｙｐは１５０％以上とすることが好ましく、２００％以上とすることがより好ましい。
【００１３】
前記（Ｒｚｊ＋Ｒｚｓ）／ｔｆは、フィラー材の厚さ（μm ）に対する被接合鋼板およびスプライス板の表面粗さ（μm ）を示し、１５００％超ではフィラー材の厚さが薄過ぎて、被接合鋼板、スプライス板の接合表面の凹凸へのフィラー材の食い込みが不十分となるため、摩擦面積が増大せず、十分な摩擦力が得られ難い。一方、５０％未満では、前記表面の凹凸に対してフィラー材が厚過ぎて、せん断力がかかった時にフィラー材自身の横滑りが生じて、十分な摩擦力を得ることが困難になる。このため、（Ｒｚ＋Ｒｚｓ）／ｔｆを５０〜１５００％とすることが好ましく、１００〜１０００％とすることがより好ましい。なお、表面粗さは種々の表示方法があるが、本発明では局部的な表面粗さはあまり重要でないので、十点平均粗さ（ＪＩＳＢ０６０１）よって表示するものとする。
【００１４】
前記フィラー材を形成する時効硬化性金属の好適な具体例としては、ナノ結晶化した室温超塑性を有するＺｎ−Ａｌ合金を挙げることができる。このＺｎ−Ａｌ合金は、特開平１１−２２２６４３号公報に記載されているように、Ｚｎ：３０〜８０ｗｔ％、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、平均結晶粒径が５μm 以下のα相又はα′相中に、平均結晶粒径が０．０５μm 以下のβ相が微細分散した組織を有している。あるいは、Ｚｎ：７５〜９９ｗｔ％、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、平均結晶粒径が５μm 以下のα相又はα′相、及びβ相を主要組織とし、前記α相又はα′相中に、平均結晶粒径が０．０５μm 以下のβ相が微細分散した組織を有している。これらの室温超塑性Ｚｎ−Ａｌ合金は、室温で１６０％超の伸びを有しており、３００℃程度の加熱により、時効硬化し、硬化量も大きいので好適である。
【００１５】
この室温超塑性Ｚｎ−Ａｌ合金で形成されたフィラー材を用いると、ボルト締め時（時効処理前）には１１０ＭＰａという軟質で高い変形能を活用して被接合鋼板およびスプライス板の接合表面の凹凸にフィラー材を十分に食い込ませることができる。その後、比較的低温での時効処理（３００℃、１分程度の加熱）を施し、ナノ結晶化したＺｎ−Ａｌ合金を通常粒径（μm オーダー）の結晶粒に変化させ、時効硬化を生じさせることにより、フィラー材の変形を抑制し、これによって摩擦力を確保することができ、摩擦係数を向上させることができる。
【００１６】
フィラー材に用いる時効硬化性金属としては、前記室温超塑性Ｚｎ−Ａｌ合金に限らず、ＪＩＳ  ６０００系のアルミ合金のように歪時効により時効硬化するものも利用することができる。このアルミ合金の場合でも、３００℃程度の比較的低温の加熱により、時効硬化を発現する。
【００１７】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。
【００１８】
【実施例】
図１および図２に示すボルト接合鋼板部材を準備した。被接合鋼板１（板厚２１．２mm）、スプライス板２（板厚２２．０mm）は降伏強度が３２０ＭＰａのＪＩＳ  ＳＮ４９０（建築用厚鋼板）である。これらの鋼板の接合側の表面を、表１に示すように、ブラスト処理、発錆処理（発錆剤：商品名「ヒットロック」、タイホー工業製）、ローレット加工あるいは研削紙によるペーパー加工を行い、種々の表面粗さに形成した。表面粗さについては、レーザ顕微鏡を用いて十点平均粗さ（ＪＩＳＢ０６０１）を測定した。
【００１９】
一方、フィラー材として、表１に示すように、室温超塑性Ｚｎ−Ａｌ合金のほか、前記ＳＮ４９０材、軟鋼（ＪＩＳ  ＳＳ４００）、純アルミ（ＪＩＳ  ８０００系）を用いた。フィラー材の厚さおよび時効処理前後の降伏強度を同表に示す。フィラー材の降伏強度は、図３に示す引張試験片を用いて測定した。時効処理は３００℃の大気炉で１分間保持した。
【００２０】
前記ボルト接合鋼板部材は、Ｍ２２（強度クラスＦ１０Ｔ）のボルトをＱＬ型トルクレンチを用いて１次締め（締め付けトルク１５０Ｎ・ｍ）および本締め（締め付けトルク２３０Ｎ・ｍ）により締結して組み立てられた。その後、大気炉に装入され、３００℃で１分間加熱し、これによって被接合鋼板１とスプライス板２との間に挟持されたフィラー材３を時効処理した。冷却後、両端部の被接合鋼板１，１を把持して引張試験を行い、降伏荷重を測定し、これをスプライス板２の接触面積で除し、平均の摩擦係数を求めた。これらの測定結果を表１に併せて示す。
【００２１】
【表１】
0003936165.tif 000002
【００２２】
表１より、被接合鋼板およびスプライス板の表面粗さに比してフィラー材の厚さが不適当なNo. ２，３，７，１３，１４，１５では摩擦係数が０．７５に止まり、摩擦接合力が劣る。また、フィラー材として厚さが適正でも、時効処理前後の降伏強度比が１１３％以下で時効硬化能が過少であり、また時効処理前におけるフィラー材とスプライス板、被接合鋼板との降伏強度比が不適当なNo. ８〜１１についても摩擦係数が０．６１以下であった。これに対して、本発明のフィラー材の条件を満足するNo. １，４，５，６，１２，１６は、摩擦係数が０．９以上であり、大きな摩擦接合強度が安定的に得られる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ボルト締結時にはフィラー材が容易に変形するので、施工容易にして被接合鋼板およびスプライス板と十分な摩擦面積を確保することができ、その後、時効処理によりフィラー材を時効硬化させ、５０％以上降伏強度を向上させるので、フィラー材の変形が抑制され、前記摩擦面積が維持されて安定的に摩擦接合力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボルト摩擦接合鋼板部材の鋼板板厚方向の断面図である。
【図２】同部材の平面図である。
【図３】フィラー材の降伏強度の測定に用いた引張試験片の平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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