(57)【要約】【課題】十分な強度の接合部を備える接合体を得る。【解決手段】接合体１０は、第１の金属管２１と、第２の金属管２２と、第１及び第２の金属管の端面同士を接合した接合部とを備える。接合部での第１の金属管２１と第２の金属管２２との接合界面１１において、第１及び第２の金属管２１、２２の外周面より内側であって第１及び第２の金属管２１、２２の内周面より外側の領域には、デンドライト層１５が存在していない。【選択図】図５
2016064435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属管と、
第２の金属管と、
前記第１及び第２の金属管の端面同士を接合した接合部とを備え、
前記接合部での前記第１の金属管と前記第２の金属管との接合界面において、前記第１及び第２の金属管の外周面より内側であって前記第１及び第２の金属管の内周面より外側の領域には、デンドライト層が存在していない、接合体。
【請求項２】
前記接合体の材料は機械構造用炭素鋼である、請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
第１及び第２の金属管を準備する工程と、
前記第１及び第２の金属管の前記端面間にアーク放電を発生させるとともに前記端面間に磁界を印加して前記アーク放電の位置を前記端面間において移動させることにより、前記第１及び第２の金属管の前記端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度まで本加熱する工程と、
前記本加熱する工程の後、前記端面同士を突き合わせて接合する工程とを備え、
前記接合する工程において、前記端面同士を突き合わせるときの前記第２の金属管に対する前記第１の金属管の相対圧接速度は２０ｍｍ／ｓ以上である、磁気回転アーク接合方法。
【請求項４】
前記接合する工程において、前記端面同士を突き合わせるときの圧接力は５ＭＰａ以上である、請求項３に記載の磁気回転アーク接合方法。
【請求項５】
前記接合する工程の後、前記第１の金属管と前記第２の金属管との接合界面において、前記第１及び第２の金属管の外周面より内側であって前記第１及び第２の金属管の内周面より外側の領域には、デンドライト層が存在していない、請求項３または請求項４に記載の磁気回転アーク接合方法。
【請求項６】
前記準備する工程の後であって前記本加熱する工程の前、前記第１及び第２の金属管の前記端面を対向配置した状態で、前記端面間にアーク放電を発生させるとともに前記端面間に磁界を印加して前記アーク放電の位置を前記端面間において移動させることにより、前記第１及び第２の金属管の前記端面から２ｍｍ離れた位置の温度を予備加熱温度まで予備加熱する工程をさらに備える、請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法。
【請求項７】
請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の磁気回転アーク接合方法を用いた、接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法に関し、より特定的には、金属管の接合体、磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気回転アーク接合方法が知られている（たとえば、特開平６−５５２６７号公報参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−５５２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した磁気回転アーク接合方法においては、アークによって接合対象材である２つの鋼管の端面が均一に溶融した状態とされ、そのタイミングで一方の鋼管を他方の鋼管へ圧接することで当該鋼管同士を接合し接合体を得る。この場合、接合される端面の溶融層が過冷却されることにより、接合界面においてデンドライト組織が生成される。このデンドライト組織は、鋼管の当該接合界面近傍以外の領域（たとえば鋼管の母材や熱影響部など）と比べて強度が低く、割れなどの不良が発生する場合があった。この結果、接合体の上記接合界面を含む接合部の強度が不足するという問題が発生していた。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、接合体において十分な強度の接合部を形成することが可能な磁気回転アーク接合方法、十分な強度の接合部を備える接合体およびその製造方法を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の一実施形態に従った接合体は、第１の金属管と、第２の金属管と、第１及び第２の金属管の端面同士を接合した接合部とを備える。接合部での第１の金属管と第２の金属管との接合界面において、第１及び第２の金属管の外周面より内側であって第１及び第２の金属管の内周面より外側の領域には、デンドライト層が存在していない。
【０００７】
この発明の一実施形態に従った磁気回転アーク接合方法は、第１及び第２の金属管２１、２２を準備する工程（Ｓ１０）と、本加熱する工程（Ｓ３０）と、接合する工程（Ｓ４０）とを備える。本加熱する工程（Ｓ３０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度（図８（Ｄ）の温度Ｔ３）まで本加熱する。接合する工程（Ｓ４０）では、本加熱する工程（Ｓ３０）の後、端面同士を突き合わせて接合する。接合する工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせるときの第２の金属管２２に対する第１の金属管２１の相対圧接速度は２０ｍｍ／ｓ以上である。
【０００８】
この発明の一実施形態に係る接合体の製造方法は、上記磁気回転アーク接合方法を用いる。このようにすれば、十分な強度の接合部を備える接合体１０を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
上記によれば、十分な強度の接合部を備える接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る接合体の斜視模式図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を説明するための模式図である。
【図４】比較例の接合体の断面模式図である。
【図５】本実施形態に係る接合体の断面模式図である。
【図６】本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を実施する接合装置の一例を示す模式図である。
【図８】本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法を適用した接合体の試料の写真である。
【図１０】図９に示した資料の組織写真である。
【図１１】比較例である接合体の試料の写真である。
【図１２】図１１に示した試料の組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００１２】
＜接合体の構成＞
図１および図２を参照して、本実施形態に係る接合体を説明する。図１を参照して、接合体１０は、第１の金属管２１と、第２の金属管２２とが磁気回転アーク接合方法により接合されたものである。すなわち、接合体１０は、第１の金属管２１と、第２の金属管２２と、第１および第２の金属管２１、２２の端面同士を接合した接合界面１１を含む接合部とを備える。接合部には、外周側に突出する外周ビード部（図示せず）と、内周側に突出する内周ビード部１３とが形成される。外周ビード部は、研削により除去されている。このため、当該外周ビード部が研削により除去された部分は研削部１２となっている。そして、接合部の接合界面１１において、第１及び第２の金属管２１、２２の外周面より内側であって第１及び第２の金属管２１、２２の内周面より外側の領域には、デンドライト層１５が存在していない。このように、第１および第２の金属管２１、２２の厚み方向における中央部付近にデンドライト層１５が存在していないため、接合部の強度を十分高くすることができる。
【００１３】
また、図２に示すように、接合体１０では、第１の金属管２１から第２の金属管２２に向かう方向における、外周ビード部の幅（つまり研削部１２の幅Ｌ１）と内周ビード部１３の幅Ｌ２との差（Ｌ１−Ｌ２の絶対値）は、外周ビード部の幅（研削部１２の幅Ｌ１）と内周ビード部の幅Ｌ２との平均値（（Ｌ１＋Ｌ２）／２）に対して４０％以下となっている。このようにすれば、接合部における第１および第２の金属管２１、２２の内周側と外周側とでビード部の幅の相違が十分小さくなっており、接合部の接合状態が内周側と外周側とで大きな差異が無く、当該接合部の健全性が確保された接合体１０となっている。
【００１４】
なお、ここで内周ビード部１３の幅Ｌ２とは、図２に示した断面において、接合体１０における第１の金属管２１と第２の金属管２２との内周面から内周ビード部１３が突出し始める位置（境界点１４ａ、１４ｂ）の間の距離である。また、外周側における研削部１２の幅Ｌ１も、同様に第１の金属管２１と第２の金属管２２との外周面から外周ビード部が突出し始める位置の間の距離に対応する。
【００１５】
上記接合体１０において、当該接合体１０の材料は任意の金属材料を用いることができるが、たとえば機械構造用炭素鋼を用いる。また、上記接合体１０において、第１及び第２の金属管２１、２２の外径は１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下である。当該外径の下限は、たとえば２０ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは１００ｍｍ以上である。また、第１及び第２の金属管２１、２２の肉厚は１ｍｍ以上１６ｍｍ以下である。当該肉厚の下限は、たとえば２ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上である。
【００１６】
＜本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の概略＞
図３〜図５を参照して、図１および図２に示した接合体を形成するための磁気回転アーク接合方法の概略を説明する。
【００１７】
磁気回転アーク接合方法では、フレミング左手の法則を利用する。本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法では、図３に示すように、端面が対向するように配置した第１および第２の金属管２１、２２の外周側面の一部を囲むように環状の永久磁石７を配置して磁場を印加しながら、当該第１および第２の金属管２１、２２に電源３４から直流の大電流を流す。そして、第１および第２の金属管２１、２２の対向する端面の間の距離をある一定値で保つと、当該端面間に１．５ｍｍ〜２．０ｍｍのアーク３１が点弧される。図３では、矢印３３により電流の方向が示され、矢印３２によりアーク３１に作用する力の方向が示されている。つまり、発生したアーク３１は永久磁石７による回転磁界の力を受け、図３の矢印３５に示すように当該端面における周方向に高速で回転する。その結果、第１および第２の金属管２１、２２の両端面は加熱される。
【００１８】
ここで、アーク点弧後初期は第１および第２の金属管２１、２２の内径側でアーク３１が回転し、端面の内径側が加熱される。これは第１および第２の金属管２１、２２における内外の磁束密度の差によって生じる磁気吹き現象によって、アーク３１は内径側方向に力を受けるからである。本実施形態では、後述するようにこのアークによる加熱を利用して予備加熱工程と本加熱工程とを実施する。予備加熱工程では予備加熱温度を磁気変態点以下としておき、本加熱工程での加熱温度をたとえば１１００℃程度とする。
【００１９】
本加熱工程では、アーク３１による加熱が開始された後、金属管２１、２２の端面では温度上昇とともに磁化率が減少し、磁気変態点（７７０℃）で強磁性が消失する。このため、金属管２１、２２の外径側の磁束密度よりも内径側の磁束密度が高くなり、磁気吹き現象によってアーク３１が金属管２１、２２の外径側に移動・加熱が行われる。
【００２０】
本実施形態では、当該予備加熱工程によって第１および第２の金属管２１、２２の端面が予め十分に加熱されているので、本加熱工程によって当該端面はほぼ均一に溶融状態に達する。つまり、金属管２１、２２の外径端面の加熱中に内径端面の温度が融点を超え、外径端面が加熱不足のままアーク３１が消失するといった問題の発生を抑制できる。そして、第１および第２の金属管２１、２２の端面がほぼ均一に溶融したタイミングで一方側の金属管（たとえば第１の金属管２１）を他方側の金属管（たとえば第２の金属管２２）へ高速に圧接することで、第１および第２の金属管２１、２２の端面が接合される。このとき、端面の外周側から内周側まで溶融状態がほぼ均一になっているため、内主側と外周側とでビード部の幅はほぼ等しくなり、均質で良好な接合部を形成できる。
【００２１】
発明者は、上述した圧接時、一方側の金属管を他方側の金属管へ圧接するときの移動速度（押圧速度または圧接速度ともいう）および圧接力を一定値以上の値とすることで、接合界面の中央部（形成される接合体の軸方向から見て第１および第２の金属管２１、２２の接合により変形していない部分と重なる接合界面の領域）から、デンドライト組織を外部に押し出し当該デンドライト層の無い接合界面を形成することに成功した。このような接合界面を形成するためには、端面の溶融状況、移動速度、および圧接力が重要な制御パラメタとなる。上記移動速度はたとえば２０ｍｍ／ｓ以上であり、圧接力はたとえば５ＭＰａ以上とすることができる。
【００２２】
ここで、従来の圧接方法によれば、図４に示すように接合界面１１にはデンドライト層１５が形成された状態となっていた。このようなデンドライト層１５の存在は、接合界面１１の強度低下の原因となる。このようなデンドライト層１５が形成されるのは、矢印１６に示す方向に第１および第２の金属管２１、２２の端面同士を押圧するときの移動速度や圧接力が、デンドライト層１５を外部に除去するには不十分だからである。
【００２３】
そこで、本発明者は、移動速度や圧接力を上述のように高い値とすることで、図５に示すように、接合時に形成されるデンドライト層１５を接合界面１１の外側（内周側および外周側）へ矢印１８に示すように押出すことに成功した。この結果、接合界面１１の中央部を含む領域１７はデンドライト層１５が存在しない状態となった。このため、図５に示した本実施形態に係る接合体１０では、接合部の強度を十分高めることができた。
【００２４】
上述のような工程を実施した後、外周側に位置するビード部１３（図５参照）を研削により除去することにより、図１および図２に示すような接合体１０を得ることができる。
【００２５】
＜本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法および接合体の製造方法の説明＞
次に、図６〜図８を参照して、本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法および当該磁気回転アーク接合方法を用いた接合体の製造方法を詳細に説明する。なお、図８（Ａ）の縦軸は端面間の通電電流を示し、図８（Ｂ）の縦軸は端面間のアーク電圧を示し、図８（Ｃ）の縦軸は端面間の距離（ギャップ）を示し、図８（Ｄ）の縦軸は端面から２ｍｍの位置での温度を示し、図８（Ｅ）の縦軸は端面間の押圧圧力を示し、図８（Ａ）〜（Ｅ）の横軸は時間を示す。
【００２６】
図６を参照して、本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法（接合体の製造方法）では、まず準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、第１及び第２の金属管２１、２２を準備する。準備した第１及び第２の金属管２１、２２は、図７に示す接合装置にセットする。図７に示した接合装置では、プラス端子８が接続されたチャック９に第１の金属管２１が固定される。また、マイナス端子６が接続されたチャック９に第２の金属管２２が固定される。２つのチャック９には、第１および第２の金属管２１、２２の周囲を囲むように環状の永久磁石７が設置されている。また、マイナス端子６が接続されたチャック９において永久磁石７が設置された第１の面と反対側の第２の面側には、ロードセル５が接続されている。ロードセル５から見てチャック９と反対側には、ボールねじ３が設置されている。ボールねじ３には、減速機２を介してモータ１が接続されている。また、マイナス端子６が接続されたチャック９の変位を測定するための変位センサ４がロードセル５と隣接した位置に配置されている。第１および第２の金属管２１、２２は、互いの端面が対抗するように配置されている。
【００２７】
次に、図６に示すように、予備加熱工程（Ｓ２０）を実施する。工程（Ｓ２０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面を対向配置した状態で、端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を予備加熱温度（図８（Ｄ）の温度Ｔ１）まで予備加熱する。
【００２８】
具体的には、図８の時点ｔ１において、第１および第２の金属管２１、２２の端面間の距離（ギャップ）を、図８（Ｃ）のギャップＤ１に示す所定の大きさにする。また、同時に第１および第２の金属管２１、２２の間にアーク電圧Ｖ１（図８（Ｂ）参照）を印加することで図３に示したようにアークが点弧し、端面間にアーク電流Ｉ１（図８（Ａ）参照）が流れる。また、永久磁石７（図７参照）による磁界によって当該アークは端面において図３に示したように回転する。この結果、端面が加熱されるとともに、端面から所定の距離だけ離れた位置（端面から２ｍｍ離れた位置）での第１および第２の金属管２１、２２の温度が図８（Ｄ）に示す温度Ｔ１（予備加熱温度）にまで加熱され、磁性が低下した状態となる。当該位置の温度が上記温度Ｔ１にまで到達した時点ｔ２において、アーク電圧およびアーク電流をゼロにする（図８（Ａ）、（Ｂ）参照）。なお、上述した予備加熱工程（Ｓ２０）は複数回実施してもよい。
【００２９】
そして、上記時点ｔ２から時点ｔ３まで、アーク放電を停止した状態で第１及び第２の金属管２１、２２を保持する。この保持時間により、図８（Ｄ）に示すように端面から２ｍｍの位置での温度は温度Ｔ２にまで低下するものの、端面での熱拡散によって端面の温度がより均一化する。また、このとき図８（Ｃ）に示すように、端面間のギャップを一度ゼロにして再び所定のギャップＤ１にセットする。これは後述する本加熱工程でのアークの点弧を確実に行うためにギャップの調整を行っているためである。
【００３０】
次に、図６に示すように本加熱工程（Ｓ３０）を実施する。本加熱工程（Ｓ３０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度（図８（Ｄ）の温度Ｔ３）まで本加熱する。
【００３１】
具体的には、図８の時点ｔ３において、第１および第２の金属管２１、２２の端面間の距離（ギャップ）を、図８（Ｃ）のギャップＤ１に示す所定の大きさにする。また、同時に第１および第２の金属管２１、２２の間にアーク電圧Ｖ１（図８（Ｂ）参照）を印加することで図３に示したようにアークが点弧し、端面間にアーク電流Ｉ２（図８（Ａ）参照）が流れる。このときのアークは、特に外周側の端面における安定性が向上していた。また、永久磁石７（図７参照）による磁界によって当該アークは端面において図３に示したように回転する。この結果、端面が加熱されるとともに、端面から所定の距離だけ離れた位置（端面から２ｍｍ離れた位置）での第１および第２の金属管２１、２２の温度が図８（Ｄ）に示す温度Ｔ３（接合温度）にまで加熱される。
【００３２】
この工程（Ｓ３０）の後で、上記位置の温度が温度Ｔ３にまで上昇した時点ｔ４から、時点ｔ５まで、図８に示すように本加熱工程（Ｓ３０）における通電電流値（電流Ｉ２）より大きな値のアップセット電流（図８（Ａ）の電流Ｉ３）を端面間に流す工程を実施する。この結果、図８（Ｄ）に示すように端面から２ｍｍの位置の温度（および端面の温度）は上昇する。図８の時点ｔ５になったときに、アーク電圧およびアップセット電流をゼロにする。このようにアーク電圧をゼロにした時点ｔ５の後も上記端面から２ｍｍの位置の温度は上昇を続け、最高温度である温度Ｔ４（図８（Ｄ）参照）に到達する。
【００３３】
次に、図６に示す接合工程（Ｓ４０）を実施する。接合工程（Ｓ４０）では、本加熱工程（Ｓ３０）の後、金属管２１、２２の端面同士を突き合わせて接合する。接合工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせて接合している接合部は通電加熱されている。
【００３４】
具体的には、図８に示す時点ｔ５の後の所定時点から第２の金属管２２を第１の金属管２１へ近づけて端面間の距離（図８（Ｃ）のギャップ）を小さくする。このときの第２の金属管２２の移動速度を２０ｍｍ／ｓ以上とする。そして、時点ｔ６においてギャップがゼロ（つまり端面同士が接触した状態）になった後も、さらにモータ１（図７参照）を駆動して金属管２２を金属管２１側へと押圧する。この結果、図８（Ｃ）に示すようにギャップがマイナスになる（つまり溶融した端面同士の一部が外周側および内周側へ押し出されてビード部を形成しながら端面同士が接合される）。このとき、図８（Ｅ）に示すように時点ｔ６から端面間に圧力が発生し、時点ｔ７において所定の圧力Ｐ１となる。当該圧力Ｐ１（圧接力）はたとえば５ＭＰａ以上とする。溶融した端面同士を接合するためには、最低限５ＭＰａ程度の圧接力が必要であると考えられるためである。
【００３５】
このようにロードセル５（図５参照）により検出される端面間の圧力が所定の圧力Ｐ１になった時点で、モータ１による金属管２２の移動を停止する。この結果、時点ｔ７からギャップ（図８（Ｃ）参照）はほぼ一定になっている。そして、このように端面間の圧力が所定の圧力Ｐ１となっている状態を時点ｔ７から時点ｔ８まで保持するとともに、図８（Ａ）に示すように第１および第２の金属管２１、２２間に電流Ｉ４を流すことで、接合部を通電加熱する。そして、時点ｔ８において上記通電加熱を終了する。このようにして、接合工程（Ｓ４０）を実施することにより、第１および第２の金属管２１、２２を接合することができる。また、金属管２１、２２の接合界面からは、図５に示したように接合界面１１の中央部からデンドライト層１５が押し出され、当該中央部にはデンドライト層が無い状態になっている。
【００３６】
このように接合工程（Ｓ４０）を実施することで第１および第２の金属管２１、２２を接合し、接合体を得ることができる。また、接合体１０の製造方法においては、この接合工程（Ｓ４０）の後、得られた接合体１０の接合部における外周面を研削し、外周側のビード部を除去する工程などを含む後処理工程（Ｓ５０）を実施してもよい。このようにして、図１に示す接合体１０を得ることができる。
【００３７】
なお、第１及び第２の金属管２１、２２を構成する材料は機械構造用炭素鋼などの鋼である。予備加熱工程（Ｓ２０）における予備加熱温度（温度Ｔ１）は上記材料（たとえば鋼）の磁気変態点未満の温度であることが好ましい。たとえば、予備加熱工程（Ｓ２０）における予備加熱温度（温度Ｔ１）は、１００℃以上１０００℃以下であってもよい。金属管２１、２２の肉厚が厚いものでは、内径の温度が上がっても予備加熱温度Ｔ１などを測定する金属管２１、２２の端面から２ｍｍの位置の外周面の温度はあまり高くなっていない場合もあるためである。また、好ましくは、予備加熱温度は２００℃以上９００℃以下、より好ましくは３００℃以上８００℃以下である。また、本加熱工程（Ｓ３０）における接合温度（温度Ｔ３）は１０５０℃以上１１５０℃以下（たとえば１１００℃）であってもよい。
【００３８】
また、上記予備加熱工程（Ｓ２０）および本加熱工程（Ｓ３０）における端面間の通電電流値（図８（Ａ）の電流Ｉ１または電流Ｉ２）は１０Ａ以上１００００Ａ以下であってもよい。予備加熱工程（Ｓ２０）および本加熱工程（Ｓ３０）における磁界の磁束密度は１ｍＴ以上１０００ｍＴ以下であってもよい。
【００３９】
また、上記接合工程（Ｓ４０）における金属管２２の移動速度（押圧速度）は、２０ｍｍ／ｓ以上１１００ｍｍ／ｓ以下とすることができる。移動速度の下限を２０ｍｍ／ｓとしたのは、あまり移動速度が遅いと端面同士が接触する前に端面の温度が下がってしまい、接合条件が悪くなるためである。また、移動速度の上限を１１００ｍｍ／ｓとしたのは、モータ１や油圧駆動装置などの設備性能を考慮し、実現可能な値として決定している。なお、移動速度は、好ましくは３０ｍｍ／ｓ以上１０００ｍｍ／ｓ以下、より好ましくは５０ｍｍ／ｓ以上９００ｍｍ／ｓ以下である。
【００４０】
また、上述した接合方法の各工程（Ｓ２０〜Ｓ４０）における各条件は、金属管２１、２２の材料やサイズなどに応じて適宜選択することができる。また、本方法では温度履歴による加熱時間制御を行うことにより、電流値、アーク電圧値、磁束密度、材料寸法などが異なった場合にも加熱時間制御が容易である。
【００４１】
上述した説明と一部重複する部分もあるが、本発明の実施形態の特徴的な構成を列挙する。
【００４２】
（１）  この発明の一実施形態に従った接合体１０は、第１の金属管２１と、第２の金属管２２と、第１及び第２の金属管の端面同士を接合した接合部とを備える。接合部での第１の金属管２１と第２の金属管２２との接合界面１１において、第１及び第２の金属管２１、２２の外周面より内側であって第１及び第２の金属管２１、２２の内周面より外側の領域には、デンドライト層１５が存在していない。
【００４３】
このようにすれば、接合体の接合界面１１の中央部において強度の相対的に低いデンドライト層１５が存在していないので、当該接合界面を含む接合部の強度がデンドライト層１５の存在に起因して接合部に割れなどの不良が発生する可能性を低減できる。このため、十分な強度の接合部を備える接合体１０を得ることができる。
【００４４】
（２）  上記接合体１０において、接合体１０の材料は機械構造用炭素鋼であってもよい。この場合、機械部品などに本実施形態に係る接合体を適用することができる。
【００４５】
（３）  上記接合体１０において、第１及び第２の金属管２１、２２の外径は１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であってもよい。この場合、比較的小径から大口径の接合体１０を得ることができる。
【００４６】
（４）  上記接合体１０において、第１及び第２の金属管２１、２２の肉厚は１ｍｍ以上１６ｍｍ以下であってもよい。この場合、様々な厚みの接合体１０を準備することで、本実施形態に係る接合体１０を適用する機械装置の選択の自由度を大きくできる。
【００４７】
上記接合体１０では、接合部において、外周ビード部は研削により除去されていてもよい。上記外周ビード部の幅Ｌ１は外周ビード部が研削により除去された研削部の幅Ｌ１であってもよい。この場合、接合体１０の外周面から外周ビード部を研削により除去して当該外周部を平滑に仕上げることができるので、上記接合体１０の外観を円筒状にすることができる。
【００４８】
（５）  この発明の一実施形態に従った磁気回転アーク接合方法は、第１及び第２の金属管２１、２２を準備する工程（Ｓ１０）と、本加熱する工程（Ｓ３０）と、接合する工程（Ｓ４０）とを備える。本加熱する工程（Ｓ３０）では、第１及び第２の金属管２１、２２の端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を接合温度（図８（Ｄ）の温度Ｔ３）まで本加熱する。接合する工程（Ｓ４０）では、本加熱する工程（Ｓ３０）の後、端面同士を突き合わせて接合する。接合する工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせるときの第２の金属管２２に対する第１の金属管２１の相対圧接速度は２０ｍｍ／ｓ以上である。
【００４９】
このようにすれば、接合界面１１の中央部にデンドライト組織を含む層であるデンドライト層１５が存在せず、十分な強度の接合部を有する接合体１０を得ることができる。なお、相対圧接速度の下限を２０ｍｍ／ｓとしたのは、溶融状態の端面同士を接触させるためには、第１の金属管２１と第２の金属管２２との相対移動速度を２０ｍｍ／ｓ以上とする必要があるからである。たとえば端面間の距離が２ｍｍ程度である（アーク長が２ｍｍ程度である）場合、上記相対移動速度が２０ｍｍ／ｓ未満であると端面同士を溶融した状態で接触させることが難しくなる。また、上記相対移動速度の上限は１１００ｍｍ／ｓ以下、より好ましくは１０００ｍｍ／ｓ以下としてもよい。
【００５０】
なお、温度の測定位置として端面から２ｍｍ離れた位置を採用しているが、発明者はシミュレーションおよび実験から当該位置の温度であれば実験とシミュレーションとの対応関係も安定しており、制御に用いる測定値として十分な信頼性を有するものであることを確認している。
【００５１】
（６）  上記磁気回転アーク接合方法では、接合する工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせるときの圧接力（図８（Ｅ）の圧力Ｐ１）は５ＭＰａ以上であってもよい。また、当該圧接力の上限は９５０ＭＰａ以下であってもよい。圧力の下限を５ＭＰａとしたのは、圧接可能な最小限の圧力が５ＭＰａ程度と考えられるためである。また圧力の上限を９５０ＭＰａとしたのは、降伏応力の高い材料を金属管の材料とした場合に想定される圧力であるためである。なお、当該圧力は好ましくは１０ＭＰａ以上９００ＭＰａ以下、より好ましくは２０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下である。
【００５２】
（７）  上記磁気回転アーク接合方法では、接合する工程（Ｓ４０）の後、第１の金属管２１と第２の金属管２２との接合界面において、第１及び第２の金属管２１、２２の外周面より内側であって第１及び第２の金属管２１、２２の内周面より外側の領域には、デンドライト層１５が存在していないことが好ましい。この場合、接合体における接合部の強度を十分高くすることができる。
【００５３】
（８）  上記磁気回転アーク接合方法では、準備する工程（Ｓ１０）の後であって本加熱する工程（Ｓ３０）の前、第１及び第２の金属管２１、２２の端面を対向配置した状態で、端面間にアーク放電を発生させるとともに端面間に磁界を印加してアーク放電の位置を端面間において移動させることにより、第１及び第２の金属管２１、２２の端面から２ｍｍ離れた位置の温度を予備加熱温度（図８（Ｄ）の温度Ｔ１）まで予備加熱する工程（Ｓ２０）をさらに備えていてもよい。また、上記磁気回転アーク接合方法では、予備加熱する工程（Ｓ２０）における予備加熱温度（温度Ｔ１）は材料の磁気変態点未満の温度であってもよい。
【００５４】
このようにすれば、本加熱工程（Ｓ３０）において用いる方法と同じ設備を用いて予備加熱する工程（Ｓ２０）を実施できるので、予備加熱用に独立した加熱手段を準備する必要が無く、簡単な構成によって予備加熱することができる。このため、当該予備加熱によって接合部（第１および第２の金属管２１、２２の対向する端面を含む端部）を予め十分加熱しておけるので、本加熱する工程（Ｓ３０）においてアーク放電の安定性を高めることができるとともに、接合部の加熱が不十分あるいは不均一になるといった問題の発生を抑制できる。このため、接合不良の発生を抑制できる。
【００５５】
（９）  上記磁気回転アーク接合方法では、第１及び第２の金属管２１、２２を構成する材料は鋼からなっていてもよい。本加熱する工程（Ｓ３０）における接合温度（温度Ｔ３）が１０５０℃以上１１５０℃以下であってもよい。上記接合温度（温度Ｔ３）は好ましくは１０７０℃以上１１３０℃以下、より好ましくは１０８０℃以上１１２０℃以下である。この場合、鋼を材料として用いた第１および第２の金属管２１、２２を確実に接合して接合体を得ることができる。
【００５６】
（１０）  上記磁気回転アーク接合方法において、材料は機械構造用炭素鋼であってもよい。この場合、機械構造用炭素鋼を材料として用いた金属管の接合に上記磁気回転アーク接合方法を適用することにより、機械部品などの製造に本実施形態に係る接合方法を利用することができる。なお、ここで機械構造用炭素鋼とはＪＩＳ規格Ｇ４０５１に規定する機械構造用炭素鋼（たとえばＳ１０Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５５Ｃなど）、およびこれらの上記ＪＩＳ規格Ｇ４０５１に規定する炭素鋼にホウ素（Ｂ）を含有させた炭素鋼（たとえばＳＡＥ規格１０Ｂ３８、ＳＢＭ４０など）を意味する。
【００５７】
（１１）  上記磁気回転アーク接合方法において、第１及び第２の金属管２１、２２の外径は１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であってもよい。このように比較的小径から大口径の金属管２１、２２にまで本実施形態による接合方法を適用することができる。
【００５８】
（１２）  上記磁気回転アーク接合方法において、第１及び第２の金属管２１、２２の肉厚は１ｍｍ以上１６ｍｍ以下であってもよい。このように比較的厚みの薄い金属管２１、２２から厚肉の金属管２１、２２にまで本実施形態による接合方法を適用することができる。
【００５９】
上記磁気回転アーク接合方法は、本加熱する工程（Ｓ３０）の後、接合する工程（Ｓ４０）の前に、本加熱する工程（Ｓ３０）における通電電流値より大きな値のアップセット電流（図８（Ａ）の電流Ｉ３）を端面間に流す工程をさらに備えていてもよい。
【００６０】
この場合、接合する工程（Ｓ４０）を実施する前に、接合部（第１および第２の金属管２１、２２の端面を含む領域）の溶融領域をアップセット電流によって均一化できる。このため、接合不良の発生を確実に抑制できる。
【００６１】
上記磁気回転アーク接合方法では、接合する工程（Ｓ４０）において、端面同士を突き合わせて接合している接合部は通電加熱されていてもよい。この場合、接合する工程（Ｓ４０）における接合部の過剰な温度低下を抑制することができるので、接合条件が劣化することを防止できる。このため、接合不良の発生をより確実に抑制できる。
【００６２】
上記磁気回転アーク接合方法では、本加熱する工程（Ｓ３０）の前、予備加熱する工程（Ｓ２０）を複数回実施してもよい。この場合、第１および第２の金属管２１、２２が大口径である場合や当該金属管２１、２２の厚みが厚い場合など、複数回の予備加熱によって接合部の温度を十分に高めることができる。このため、接合不良の発生を抑制できる。
【００６３】
上記磁気回転アーク接合方法は、予備加熱する工程（Ｓ２０）の後であって本加熱する工程（Ｓ３０）の前、アーク放電を停止した状態で第１及び第２の金属管を保持する工程（図８の時点ｔ２〜時点ｔ３の間の期間）をさらに備えていてもよい。
【００６４】
この場合、特に第１および第２の金属管２１、２２の厚みが厚い場合に、上記のような保持する工程によって端面での熱拡散をおこすことで、端面の内周側と外周側との温度差を小さくすることができる。この結果、接合不良の発生を抑制できる。当該保持する工程の長さは、たとえば０秒超え１０秒以下としてもよい。肉厚の厚い金属管に対しても、１０秒程度の保持する時間を確保することで端面の温度の均一化を十分図ることができるためである。なお、金属管２１、２２の厚みが十分薄ければ、上記保持する工程を実施することなく、予備加熱する工程（Ｓ２０）の後すぐに本加熱する工程（Ｓ３０）を実施してもよい。
【００６５】
上記磁気回転アーク接合方法において、予備加熱する工程（Ｓ２０）および本加熱する工程（Ｓ３０）における端面間の通電電流値は１０Ａ以上１００００Ａ以下であってもよい。この場合、接合する金属管２１、２２のサイズや材質などに応じて通電電流値を選択することができ、接合不良の発生を抑制できる。また、当該通電電流値は、狙い値に対して±１５０Ａの範囲に入るように制御されていてもよい。
【００６６】
上記磁気回転アーク接合方法において、予備加熱する工程（Ｓ２０）および本加熱する工程（Ｓ３０）における磁界の磁束密度は１ｍＴ以上１０００ｍＴ以下であってもよい。この場合、接合する金属管のサイズや材質、通電条件などに応じて、上記磁束密度を選択することができる。なお、上記磁束密度は好ましくは１０ｍＴ以上９００ｍＴ以下、より好ましくは２０ｍＴ以上８００ｍＴ以下である。
【００６７】
（１３）  この発明の一実施形態に係る接合体の製造方法は、上記磁気回転アーク接合方法を用いる。このようにすれば、十分な強度の接合部を備える接合体１０を得ることができる。
【００６８】
（実験例）
本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法の効果を確認するため、以下のような実験を行った。
【００６９】
＜試料＞
本実験では材料に外径φ４０ｍｍ、肉厚３ｍｍのＪＩＳ規格Ｓ４５Ｃ材を用いた円筒材料を第１および第２の金属管として準備した。なお、円筒材料の軸方向の長さは３００ｍｍとした。また、接合に用いた接合装置は図７に示した構成の装置を用いた。
【００７０】
＜実験方法＞
１）実施例の試料
準備した金属管を図７に示した接合装置にセットし、図６に示した本実施形態に係る磁気回転アーク接合方法により接合した。なお、予備加熱工程（Ｓ２０）の電流値の設定値を１１５Ａ、金属管（鋼管）端面外径側の磁束密度を４０ｍＴとした。また、本加熱工程（Ｓ３０）時の電流値の設定値も上記予備加熱工程（Ｓ２０）と同様に１１５Ａとした。なお、電流値はアークの回転速度に比例するため、より低い電流値で長時間加熱して金属管全体の温度を上昇させ、溶融領域を拡大するようにした。また、金属管外径側の磁束密度は４０ｍＴとした。予備加熱工程（Ｓ２０）は金属管の外径端面から２ｍｍの位置での温度（図８（Ｄ）の温度Ｔ１）が５５０℃になるまで加熱した。予備加熱工程（Ｓ２０）が終わってから３秒後（時点ｔ２から３秒後の時点ｔ３）に本加熱工程（Ｓ３０）を開始した。この工程では、金属管の外径端面から２ｍｍの位置の温度が１１００℃に達したところで接合を行った。接合直前には端面の溶融領域を均一化するため、電流値を２ｋＡとしてアップセット電流（図８（Ａ）の電流Ｉ３）を流した。
【００７１】
接合工程（Ｓ４０）であるアップセットについては、本発明の実施例に関して、圧接速度を４３ｍｍ／ｓとし、図８（Ｅ）に示した圧力（圧接力）が６０ｋＮ（１７０ＭＰａ）に到達した状態、あるいは押し込み量（図８（Ｃ）のギャップのマイナス側の値）が１１ｍｍとなった時点で完了とした。また、金属管端面の温度減少を抑制するため、接合工程（Ｓ４０）中も電流値２ｋＡの通電加熱を行った。
【００７２】
２）比較例の試料
基本的に上記実施例の試料と同様の条件により接合を行った。ただし、比較例の試料に対するアップセットについては、比較例の条件は実施例の条件と異なる条件を用いた。具体的には、圧接速度を１０ｍｍ／ｓとし、図８（Ｅ）に示した圧力（圧接力）が６０ｋＮ（または１７０ＭＰａ）に到達した状態、あるいは押し込み量（図８（Ｃ）のギャップのマイナス側の値）が１０ｍｍとなった時点で完了とした。
【００７３】
＜結果＞
１）実施例の試料
図９に上述した金属管を接合した実施例の接合体の外観を示す。なお、図９では接合体は軸方向に沿って切断されており、切断された一方の部分の切断面が見えるように配置されている。また、図１０は図９に示した接合体における接合部の中央部の断面ミクロ写真を示す。図１０では、接合界面から順番に（ａ）接合部、（ｂ）熱影響部１、（ｃ）熱影響部２、（ｄ）母材、の断面ミクロ写真を示している。なお、上記図１０の接合部は、接合界面から０ｍｍの位置である。また、上記熱影響部１は、接合界面から０．１ｍｍの位置である。また、上記熱影響部２は、接合界面から０．２ｍｍの位置である。また、上記母材は、接合界面から０．４ｍｍの位置である。
【００７４】
図９および図１０からわかるように、本実施形態による接合体では、接合部の接合界面における中央部にデンドライト層は存在しておらず、また、接合部が内周側から外周側にかけてほぼ均一な組織となっており、良好な接合部が形成されていることがわかる。
【００７５】
２）比較例の試料
図１１に上述した金属管を接合した比較例の接合体の外観を示す。なお、図１１では図９と同様に接合体は軸方向に沿って切断されており、切断された一方の部分の切断面が見えるように配置されている。また、図１２は図１１に示した接合体における接合部の中央部の断面ミクロ写真を示す。図１２では、図１０と同様に、接合界面から順番に（ａ）接合部、（ｂ）熱影響部１、（ｃ）熱影響部２、（ｄ）母材、の断面ミクロ写真を示している。
【００７６】
図１１および図１２からわかるように、比較例では接合界面にデンドライト層が存在しており、当該接合部の強度は図９に示した実施例の接合体における接合部の強度より低くなっていると考えられる。
【００７７】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
この発明は、鋼管の磁気回転アーク接合に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００７９】
１  モータ、２  減速機、３  ボールねじ、４  変位センサ、５  ロードセル、６  マイナス端子、７  永久磁石、８  プラス端子、９  チャック、１０  接合体、１１  接合界面、１２  研削部、１３  ビード部、１４ａ，１４ｂ  ビードと内周面との境界点、１５  デンドライト層、１６，１８，３２，３３，３５
矢印、１７  領域、２１，２２  金属管、３１  アーク、３４  電源。
【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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