(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
双方のワークの端面を互いに突き合わせて加圧したとき、両者の突き合わせ部分を燃焼ガスのガス炎により加熱して接合するガス圧接方法において、
燃焼ガスとして、水を電気分解して得られる酸素水素混合ガスを生成し、
炭素化合物の気体を生成し、
前記酸素水素混合ガスに前記炭素化合物を付加して、ガスバーナに供給することを特徴とするガス圧接方法。
【請求項２】
酸素水素混合ガスに付加する前記炭素化合物は、酸素水素混合ガスの水素量に対して、０．０２〜０．２７倍であることを特徴とする請求項１記載のガス圧接方法。
【請求項３】
前記酸素水素混合ガスに、酸素を追加供給することを特徴とする請求項１または２記載のガス圧接方法。
【請求項４】
酸素水素混合ガスに追加供給する前記酸素の量は、酸素水素混合ガスの水素量に対して、（ｘ−０．０２）〜（９．０ｘ−０．１８）倍であることを特徴とする請求項３記載のガス圧接方法。（但し、ｘ：付加する炭素化合物量を反応水素量で除した値）
【請求項５】
双方のワークの端面を互いに突き合わせて加圧したとき、両者の突き合わせ部分を、燃焼ガス供給部より供給された燃焼ガスのガス炎により加熱して接合するガス圧接装置において、
前記燃焼ガス供給部は、
水を電気分解して得られる酸素水素混合ガスを生成する酸素・水素混合ガス発生装置と、
炭素化合物の気体を生成する炭素化合物生成装置と、
酸素水素混合ガスに炭素化合物を混合して、ガスバーナに供給する混合手段とを備えることを特徴とするガス圧接装置。
【請求項６】
前記燃焼ガス供給部は、
酸素水素混合ガスと炭素化合物との混合ガスに酸素を追加供給する追加供給手段を備えることを特徴とする請求項５記載のガス圧接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス圧接方法と、その方法を実施するためのガス圧接装置とに係り、特に炭酸ガスの発生量を低減するのに好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス圧接は、例えば、鉄筋，レール等を接合する場合に広く適用されている。そして、ガス圧接の工程においては、互いに接合すべき双方の端面を研削した後、それら両端面を互いに突き合わせて加圧すると共に、酸素・アセチレン炎にて突き合わせ部を所望温度に加熱することにより、互いに接合できるようにしている。
【０００３】
ところが、酸素・アセチレン炎を形成するアセチレンガスは、危険度が高く、取扱いに慎重さが要求される。そこで、安全性の高いプロパンガスを用いることも考えられ、検討された経緯がある。しかしながら、プロパンガス炎では接合面に酸化物が生成し易いので、品質の面でプロパンガス炎を用いた圧接システムは実用化されていないのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガス圧接時、燃焼ガスとして、上述したようなアセチレンガスやプロパンガスを用いると、多量の炭酸ガスが発生するので、環境上好ましくない。特に近年では、地球温暖化現象が問題となっており、炭酸ガスの排出を低減することが要請されている。
一方、比較的取扱い易く、かつ燃焼反応における炭酸ガスの発生量が少ない燃焼ガスが探索されている今日、水を電気分解して得られる酸素水素混合ガスが注目されるに至っており、切断等の分野においては、既に適用されている。
【０００５】
また、例えば特開２００１−４７２５５号公報に示されるように、ガス圧接時、開始当初は燃焼ガスとしてアセチレンガスを用い、その後、プロパンガス，ＬＮＧ，エチレンガス，ブタンガス，メタンガス，水素ガス等の内の１つ、又はそれらの混合ガスとに切り換えて後期加熱を行う技術が開示されている。
しかしながら、例えば水素を単体とする火炎では、加熱効率のみならず還元性能の面において低下する問題があり、実用化することが困難である。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、炭酸ガスの発生量を確実に低減することができ、また作業の安全性を向上することもでき、さらに火炎を安定して形成することにより、接合界面の品質を高めることができるガス圧接方法を提供することを課題とし、また上記方法を的確に実施し得るガス圧接装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては、双方のワークの端面を互いに突き合わせて加圧したとき、両者の突き合わせ部分を燃焼ガスのガス炎により加熱して接合するガス圧接方法において、燃焼ガスとして、水を電気分解して得られる酸素水素混合ガスを生成し、炭素化合物の気体を生成するとともに、前記酸素水素混合ガスに前記炭素化合物を付加して、ガスバーナに供給することを特徴とする。本発明では、酸素水素混合ガスに付加する前記炭素化合物は、酸素水素混合ガスの水素量に対して、０．０２〜０．２７倍であることを特徴とする。本発明では、前記酸素水素混合ガスに、酸素を追加供給することを特徴とする。本発明では、酸素水素混合ガスに追加供給する前記酸素の量は、酸素水素混合ガスの水素量に対して、（ｘ−０．０２）〜（９．０ｘ−０．１８）倍であることを特徴とする（但し、ｘ：付加する炭素化合物量を反応水素量で除した値）。
本発明では、双方のワークの端面を互いに突き合わせて加圧したとき、両者の突き合わせ部分を、燃焼ガス供給部より供給された燃焼ガスのガス炎により加熱して接合するガス圧接装置において、前記燃焼ガス供給部は、水を電気分解して得られる酸素水素混合ガスを生成する酸素・水素混合ガス発生装置と、炭素化合物の気体を生成する炭素化合物生成装置と、酸素水素混合ガスに炭素化合物を混合して、ガスバーナに供給する混合手段とを備えることを特徴とする。本発明では、前記燃焼ガス供給部は、酸素水素混合ガスと炭素化合物との混合ガスに酸素を追加供給する追加供給手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１は本発明方法を実施するためのガス圧接装置の一実施形態を示す燃料供給部の概略図、図２は図１の燃料供給部のガスバーナによる外炎を示す説明図、図３は同じくガスバーナによる火炎のコア部の温度計測状態を示す説明図である。
【０００９】
図１に示すガス圧接装置の一実施形態は、燃焼ガス供給部１とガスバーナ２とが接続されており、燃焼ガス供給部１が酸素・水素混合ガス発生装置３と、炭素化合物気化装置４と、ガス混合室５とを備えて構成されている。
燃焼ガス供給部１の酸素・水素混合ガス発生装置３は、水を電気分解することによって酸素と水素（１：２の割合）との混合ガスを発生させ、その酸素水素混合ガスが得られるようになっている。
【００１０】
炭素化合物気化装置４は、酸素・水素混合ガス発生装置３によって得られた酸素水素混合ガスの火炎だけでは、安定しにくいことから、火炎を安定させるために用いるものであって、気化された炭素化合物を生成する。本例では、炭素化合物として常温で液体となっているヘキサンを用い、炭素化合物気化装置４内に設けられた気化手段によってヘキサン溶液を気化させることにより、気化されたヘキサンを生成するようになっている。
ヘキサンを用いる理由としては、ヘキサンより炭素価の大きい他の炭素化合物を用いると、ガスバーナ２からの外炎形成領域を容易に拡張させることができるものの、炭素化合物を気化させるために大がかりな装置が必要となり、その点において、ヘキサンでは比較的簡単に気化できるためである。
【００１１】
ガス混合室５は、流量調整弁６を有するガス供給管７を介して酸素・水素混合ガス発生装置３と接続されると共に、流量調整弁８を有する供給管９を介して炭素化合物気化装置４と接続されている。このガス混合室５は、酸素・水素混合ガス発生装置３から送り込まれた酸素水素混合ガスと、炭素化合物気化装置４から投入されたヘキサンとが所定の割合となるように混合して、ガスバーナ２に送り込む。
【００１２】
したがって、この燃焼ガス供給部１は、酸素・水素混合ガス発生装置３からの酸素水素混合ガスに、炭素化合物気化装置４からの気化されたヘキサンが付加され、それらの混合ガスがガス混合室５からガスバーナ２に送り込まれることにより、ガスバーナ２からの火炎が図２に示すように、外炎長Ｌ１および外炎幅Ｌ２を有する所望の外炎Ｌを形成できるようになっている。なお、ガスバーナ２は、単孔バーナからなっている。
【００１３】
また、ガス混合室５には、追加供給用の酸素ガスボンベ１０が酸素の供給管１１を介して接続され、酸素の供給管１１に設けられた流量調整弁１２により、所定量の酸素も酸素水素混合ガスとヘキサンとの混合ガスに追加供給されるようになっている。これは、酸素ガスボンベ１０からの酸素量が追加供給されると、ガスバーナ２からの火炎において、図３に示すようにコア部（高温部）Ｃを形成させ、これによってワークのガス圧接すべき周辺部の昇温速度を高めるようにしている。
なお、図３は、ガスバーナ２による火炎のコア部Ｃの温度を計測するため、例えば銅板（１５０ｍｍφ×１０ｍｍｔ）１３に対し、表面から１．５ｍｍの深さｈの位置に熱電対１４を埋設しておき、その状態の銅板１３にコア部Ｃで加熱することにより、熱電対１４を介して温度計測するようにしたものである。
【００１４】
本実施形態は、上記のように構成されているので、ガス圧接に際し、ガス圧接を行うためのワーク（図示せず）の端面を互いに突き合わせて加圧したとき、その突き合わせた部分の周囲から、ガスバーナ２の火口を円周上に配列させたリングバーナ（図８参照）によって酸素水素混合ガスと気化されたヘキサンとの混合ガス炎で加熱することにより、両ワークを互いに突き合わせるガス圧接を行う。
【００１５】
この場合、酸素水素混合ガスに気化されたヘキサンが付加されると、ガスバーナ２からの外炎Ｌを図２に示すように所望の形状にすることができ、火炎を安定して形成することができる。
しかも、ヘキサンの付加によって外炎Ｌの形成領域を拡張させることができ、還元作用域を形成できるので、ガス圧接時、ワークの突き合わせ部分に巻き込まれる酸素量が大幅に低減され、そのため、大気中でガス圧接作業を行うにも拘わらず、突き合わせ部分に酸化膜等が残存するような悪影響を受けるのを防止することができる。
その結果、ワークを互いに突き合わせ接合するためのガス圧接を良好に行うことができる。
【００１６】
また、ガスバーナ２に対し、ガス混合室５を介し酸素ガスボンベ１０から酸素が追加供給されるので、ガスバーナ２の火炎に図３に示すようにコア部Ｃを形成することができ、ガス圧接時の加熱効率を確実に高めることができる。そのため、ガス圧接をいっそう良好に行うことができる。
【００１７】
因みに、図示実施形態の燃焼ガス供給部を用い、また酸素水素混合ガスの供給量が１２ｌ／ｍｉｎ（酸素：水素＝４ｌ／ｍｉｎ：８ｌ／ｍｉｎ）の条件において、付加するヘキサンの量を変化させることにより、外炎（還元作用域）Ｌの形成状態を調べたところ、図４に示す結果が得られた。図４は外炎形成領域とヘキサン量との関係を示している。
【００１８】
図４によれば、酸素水素混合ガス中の水素量に対し、ヘキサンの付加量（体積量）が０．０２以上であると、外炎を安定形成できることが理解できる。
但し、この場合、ヘキサンの付加量が０．１６ｌ／ｍｉｎ未満、すなわち水素量の０．０２倍未満では、ガスバーナ２からの火炎が安定形成されず、有効な還元作用域も形成されず、また、２．１６ｌ／ｍｉｎを越える付加量、すなわち水素量の０．２７倍を大きく越えて供給した場合、ヘキサンが過剰に存在することになり、結果として外炎域が縮退するが、ヘキサンの付加量を調整することにより、ガスバーナ２からの火炎が安定して形成でき、外炎形成域を拡張することができる。
したがって、付加されるヘキサンの量としては、水素量の０．０２〜０．２７倍とすることが好ましい。
なお、上記の実験は、ガスバーナ２として図１に示すように火口径が１．３ｍｍの単孔バーナを使用した。また炭素化合物として、ヘキサン以外にも、アセトン，ガソリンを適用した場合も図４の場合とほぼ同様の火炎形成現象が生じたことを確認している。
【００１９】
また、酸素水素混合ガスの発生量が６ｌ／ｍｉｎ（酸素：水素＝２ｌ／ｍｉｎ：４ｌ／ｍｉｎ）のとき、ヘキサンの付加量が０．７ｌ／ｍｉｎ、即ち、供給水素量の０．１７５倍の条件において、酸素の追加供給量が火災の昇温能力に与える影響を図３に示す銅板１３の加熱試験により調べたところ、図５の結果が得られた。図５は追加供給酸素量と火炎の昇温能力との関係を示している。
【００２０】
図５によれば、追加供給する酸素量が０．４ｌ／ｍｉｎ、即ち供給水素量の０．１倍では、火炎にコア部が形成されないため、加熱効率が著しく低いものとなったが、酸素の追加供給量が供給水素量の０．１６倍以上の条件では、コア部が形成され、しかも酸素の追加供給量の増大に伴い、加熱効率が向上できることが確認された。
但し、酸素の追加供給量が６．４ｌ／ｍｉｎ、即ち、供給水素量の１．６倍の条件では、ガスバーナ２に逆火現象が生じ、消化に至ってしまった。
【００２１】
さらに、実験では、ヘキサンの付加量が０．５２ｌ／ｍｉｎ（供給水素量の０．１３倍）、追加供給酸素量が１．０ｌ／ｍｉｎ（供給水素量の０．２５倍）、およびヘキサンの付加量が１．０ｌ／ｍｉｎ（供給水素量の０．２５倍）、追加供給酸素量が２．８ｌ／ｍｉｎ（供給水素量の０．７倍）の二条件で、同様の温度測定試験を実施したところ、図６に示す結果となった。図６はヘキサンの付加量と追加供給酸素量と火炎の昇温能力との関係を示している。これら両方の条件とも、コア部Ｃを有する安定した火炎を形成できることが確認された。
【００２２】
したがって、図４〜図６の内容から図７に示す結果が得られる。つまり、図７に示すように、酸素水素混合ガス中の水素量に対しヘキサンの付加量が０．０２〜０．２７倍の範囲内にあって、また追加酸素量が（ｘ−０．０２）倍と（９．０ｘ−０．１８）倍との間である範囲（斜線部）ｚが、ガス圧接を行う上で好ましい適正範囲であることがわかる。この場合、ｘはヘキサン付加量の水素量に対する比、ｙは追加供給酸素量の水素量に対する比である。
このような結果は、ヘキサン以外として、アセトン，ガソリンを適用した場合も、ほぼ同様の現象が生じることを確認している。
【００２３】
その結果、本発明方法によれば、水を電気分解することによって得られた酸素水素混合ガスを主成分としてガス圧接に用いるので、酸素・アセチレン炎や酸素・プロパン炎に比較し、炭酸ガスの発生量を大幅に低減することができる。しかも、慎重に取り扱う必要のある酸素・アセチレン炎に比較すると、取扱い性において有利となり、作業の安全性を向上できる。
【００２４】
また、酸素水素混合ガスにヘキサンの気体を付加することにより、外炎Ｌを安定して形成することができるばかりでなく、外炎Ｌの形成域を拡張できるので、ワークの突き合わせ部分に巻き込まれる酸素量が大幅に低減され、良好なガス圧接を実現でき、接合界面の品質を高めることができる。
さらに、酸素を追加供給することにより、火炎のコア部Ｃを形成できるので、ガス圧接時の加熱効率を高めることができる。
【００２５】
そして、本実施形態のガス圧接装置によれば、ガス供給部として、水を電気分解することによって酸素水素混合ガスを発生する酸素・水素混合ガス発生装置３と、ヘキサンなどのような気化された炭素化合物を生成する炭素化合物気化装置４と、それら酸素水素混合ガスと炭素化合物との混合ガスをガスバーナ２に供給するガス混合室５とを備えて構成したので、上記方法を的確に実施することができる。
また、ガス混合室５には酸素を追加供給する酸素ガスボンベ１０を接続しているので、追加供給酸素量を適宜選定してコア部Ｃを形成することにより、加熱効率を高めることができ、ガス圧接をいっそう良好に行うことができる。
【００２６】
図８は、本発明方法を実施するためのガス圧接装置の他の実施形態を示している。
この実施形態では、ガスバーナ２として、周囲に適宜の間隔をおいて設けられた８ケの火口を有するリングバーナーを採用している。火口径は１．５ｍｍからなっている。そして、ガスバーナ２の中心部に、圧接すべきワーク（図示せず）を互いに突き合わせて加圧した状態にしておき、その状態で両方の突き合わせ部分を周囲から加熱することにより、両ワークを圧接できるようになっている。
なお、図８において、図１と同一符号のものには同一符号を付しているので、その説明を省略する。
【００２７】
本実施形態では、圧接に際し、ワークとして異形棒鋼（ＳＤ３４５、呼び名Ｄ２５）を用い、また圧接条件は、酸素水素混合ガス３０ｌ／ｍｉｎ（酸素：水素＝１０ｌ／ｍｉｎ：２０ｌ／ｍｉｎ）、付加ヘキサン量３．５ｌ／ｍｉｎ、追加供給酸素量１０ｌ／ｍｉｎ、ワークに対する加圧力を上限値３５ＭＰａおよび下限値１７ＭＰａ、加熱時間８０秒の一定とした。そして、上記条件下によりワークの圧接を１０継手実施し、その後、圧接によって得られたそれぞれワークの継手のふくらみ部を機械加工により、２８ｍｍ径に削り出し、曲げ試験を行ったところ、以下の結果が得られた。
【００２８】
即ち、全数のワークが９０°の曲げ角で割れ・破断等の異常が認められなかった。このワークの継手性能は、従来の酸素・アセチレン炎（酸素：アセチレン＝２０ｌ／ｍｉｎ：２０ｌ／ｍｉｎ）において、加圧力を上限値３５ＭＰａおよび下限値１７ＭＰａとし、６０秒間加熱した場合に得られた継手と同等の結果となった。
これにより、それぞれの継手が、酸素アセチレン炎によるガス圧接の場合と同様の接合強度が得られた。また、これらの圧接条件において発生する炭酸ガス発生量を、加熱時間を考慮して算出したところ、従来の酸素アセチレン炎による圧接法のおよそ１／３となり、これにより、炭酸ガスの発生量を大幅に低減できる結果が得られた。
また、酸素・水素混合ガス発生装置３の代わりに、例えば、酸素ガスボンベ及び水素ガスボンベを用いても本発明と同様の効果が得られることを確認しているが、水素ガスは単体の場合、アセチレンと同様に危険なガスとして知られていることから、取扱いの容易さ及び安全性を考慮し、水を電気分解して酸素水素混合ガスを発生させる酸素・水素混合ガス発生装置３を用いることとしている。
よって、アセチレンガスのような慎重さが要求されるおそれがなく、取扱い性において極めて有利であり、作業の安全性を向上することができる。
【００２９】
したがって、本発明方法によれば、酸素水素混合ガスにヘキサンを付加して得られた混合ガス炎により、ガス圧接を行うので、基本的には前述した実施形態と同様の作用効果を得ることができ、また本ガス圧接装置によれば、上記方法を的確に実施することができる。
【００３０】
なお、これまでの図示実施形態によれば、炭素化合物気化装置４が、比較的容易に炭素化合物を気化できることから、ヘキサンを用いた例を示したが、気化された炭素化合物であれば、他のものであってもよいのは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水を電気分解することによって得られた酸素水素混合ガスをガス圧接に用いるので、酸素・アセチレン炎や酸素・プロパン炎に比較し、炭酸ガスの発生量を大幅に低減することができ、また取扱い性において有利となって作業の安全性を向上でき、さらにワークの突き合わせ部分に巻き込まれる酸素量が大幅に低減され、接合界面の品質を高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するためのガス圧接装置の一実施形態を示す燃焼ガス供給部の概略図である。
【図２】ガス圧接時において、図１の燃焼ガス供給部のガスバーナによる外炎を示す説明図である。
【図３】同じくガスバーナによる火炎のコア部の温度状態を計測するための説明図である。
【図４】外炎形成領域とヘキサン量との関係を示す説明図である。
【図５】追加供給酸素量と火炎の昇温能力との関係を示す説明図である。
【図６】同じくヘキサンの付加量と追加供給酸素量と火炎の昇温能力との関係を示す説明図である。
【図７】酸素水素混合ガス中の水素量に対するヘキサンの付加量と追加供給酸素量との関係を示す説明図である。
【図８】本発明方法を実施するためのガス圧接装置の他の実施形態を示す図１に対応する図である。
【符号の説明】
１  燃焼ガス供給部
２  ガスバーナ
３  酸素・水素混合ガス発生装置
４  炭素化合物気化装置
５  ガス混合室
６  流量調整弁
７  ガス供給管
８  流量調整弁
９  供給管
１０  酸素ガスボンベ
１１  酸素の供給管
１２  流量調整弁
１３  銅板
１４  熱電対
Ｌ  外炎
Ｌ１  外炎長
Ｌ２  外炎幅
Ｃ  コア部（高温部）
【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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