JP2002045978A - 中実材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間で中実材の接合部に段差を生じさせず
に高い接合強度を得られる中実材の接合方法を提供す
る。 【解決手段】 中実材を連ね、これら中実材１，２より
融点の低いインサートメタル３を８０μｍ以上の厚さに
設けて前記中実材１，２で挟み、前記中実材１，２をこ
れらの突き合わせ面に向けて５ＭＰａ以上の圧力で加圧
しつつ、接合部を高周波誘導装置等の加熱手段で加熱す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素鋼製の中実材
を接合する際に中実材でインサートメタルを挟み込んで
接合する中実材の接合方法であり、特に鉄筋コンクリー
ト鋼棒等の中実棒の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、棒材等の中実材の接合する方
法として圧接が知られている（例えば、特開昭５５−５
７３９０号公報、特開昭５５−９４７８７号公報参
照）。

【０００３】この圧接は、接合される中実材の端面を突
き合わせ、ガスなどにより、突合わせ部を１０００℃以
上に加熱する。そして、大きな力で接合される中実材を
これらの突き合わせ面に向けて加圧して接合部分を塑性
変形させて接合する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧接では接合
される中実材に目違いが生じ易い。これは、加熱による
強度の低下が均一に起こらないことや、不均一に加熱さ
れた場合に断面の方向で線膨張も不均一になるためであ
る。

【０００５】この目違いが生じると、図５に示すよう
に、接合された中実材の接合部に０．３〜１．５ｍｍ程
度の段差Ａが形成される。この段差は応力集中源とな
り、疲労強度を低下させるだけでなく、外観も悪い。そ
の他、端部で突き合わせ面が広がり口が開くため接合し
づらい。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みなされたも
のであり、短時間で炭素鋼製の中実材を接合でき、接合
部に段差を生じさせず、しかも、疲労強度を含めた高い
接合強度が得られる中実材の接合方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するため、接合される炭素鋼製の中実材より融点の
低いインサートメタルを前記中実材で挟み、前記中実材
をこれらの突き合わせ面に向けて加圧しつつ、前記中実
材の接合部を加熱手段で加熱して前記中実材を接合する
中実材の接合方法であって、この溶融されたインサート
メタルを加圧された前記中実材の接合面から外周部に排
出させて前記接合部にフィレットを形成して接合部の段
差をすべてなだらかにする中実材の接合方法により中実
材を接合する。

【０００８】本発明によれば、中実材より融点の低いイ
ンサートメタルが挟み込まれているため、インサートメ
タルのみが溶融する温度に接合部が加熱されると、イン
サートメタルが溶融する。ここで、加熱手段とは、高周
波誘導装置、ガス加熱装置その他の加熱装置を意味する
が、本発明に用いる加熱手段としては高周波誘導装置が
最適である。

【０００９】中実材を軸方向に加圧しているので、溶融
したインサートメタルが中実材の接合面から外周面に排
出されて外周面にフィレット（すみ肉）が形成される。
このフィレット（すみ肉）が加圧により接合部に形成さ
れた段差を被覆して、段差の無い接合部を形成する。

【００１０】そのため、接合強度の高い接合部を得るこ
とができ、しかも、段差をなだらかにしたことで、応力
集中を生じさせず、疲労強度を向上させる。

【００１１】また、本発明では、上記課題を解決するす
るため、接合される炭素鋼製の中実材より融点の低いイ
ンサートメタルを前記中実材で挟み、前記中実材をこれ
らの突き合わせ面に向けて加圧しつつ、前記中実材の接
合部を加熱手段で加熱して前記中実材を接合する中実材
の接合方法であって、前記インサートメタルを８０μｍ
以上の厚さに設けて、前記中実材をこれらの突き合わさ
れる方向に少なくとも５ＭＰａの圧力で加圧しつつ前記
中実材の接合部を前記加熱手段で加熱して前記インサー
トメタルを溶融させる中実材の接合方法で中実材を接合
する。

【００１２】本発明によれば、中実材より融点の低いイ
ンサートメタルが挟み込まれているため、インサートメ
タルのみが溶融する温度に接合部が加熱されると、イン
サートメタルが溶融する。本発明につても、加熱手段と
して、高周波誘導装置、ガス加熱装置その他の加熱装置
を採用できるが、高周波誘導装置が最適である。

【００１３】中実材を軸方向に５ＭＰａ以上の圧力で加
圧しているので、溶融したインサートメタルが中実材の
接合面から外周面に確実に排出されて外周面にフィレッ
ト（すみ肉）が形成される。このフィレット（すみ肉）
が加圧により接合部に形成された段差を被覆して、段差
の無い接合部を形成する。

【００１４】そのため、接合強度の高い接合部を得るこ
とができ、しかも、段差をなだらかにしたことで、応力
集中を生じさせず、疲労強度を向上させる。

【００１５】８０μｍ以上の厚さにインサートメタルを
設けて挟み込めば、中実材の外周面にフィレット（すみ
肉）を形成させることができるが、厚さを１２０μｍ以
上にすれば、外周面により多くの溶融されたインサート
メタルを排出し、さらになだらかな勾配のフィレット
（すみ肉）を形成できる。

【００１６】なお、上記中実材の接合方法において、前
記インサートメタルとしてＦｅ−Ｓｉ−Ｂ成分系メタル
及びＮｉ−Ｓｉ−Ｂ成分系メタルの少なくとも一方を採
用することで、十分なフィレット（すみ肉）形成を行う
ことができ、高い結合強度を得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１８】図１は、本発明にかかる中実材の接合方法
を実施する装置の概要を示しており、接合される中実材
としての鋼棒１，２はこれらの軸方向に連ねられ、軸方
向の端面同士でインサートメタル３を挟み込んで配され
ている。

【００１９】この装置は、中実材としての鋼棒１，２の
接合部の近傍を加熱するとともに、鋼棒１，２の軸方向
に加圧するもので、鋼棒１，２の接合部の近傍でこれら
の外周に巻き付けられる加熱コイル４及びこの加熱コイ
ル４に接続された高周波発生装置６からなる高周波誘導
装置と、各鋼棒１，２を保持してこれらをその付き合わ
せ面に向けて加圧するためのクランプ５，５とを備えて
いる。このクランプ５，５は駆動源８から作動油が供給
されて作動する。

【００２０】また、この装置はコントローラ７を有して
おり、接合部の温度調整を行うことが可能となってい
る。コントローラ７には接合部の温度を検出する温度セ
ンサーが接続され、このセンサーからの信号によりコン
トローラ７が温度制御して、接合部が予め設定した温度
以上に過熱されるのを防止している。一方、クランプ
５，５にはコントローラ７に接続されたロードセルなど
の荷重検出センサーが設けられていて、鋼棒１，２に付
加される荷重を検出し、コントローラ７が鋼棒１，２に
負荷される荷重を自在に調整できるようになっている。

【００２１】かかる装置により、先ず、駆動源８及びク
ランプ５，５を備えた加圧装置によって接合される鋼棒
１，２をこれらの突き合わせ面に向けて加圧し、その
後、加圧状態を保持しつつ接合部を加熱コイル４で加熱
して鋼棒１，２を接合する。

【００２２】図２は、鋼棒１，２に挟み込まれるインサ
ートメタル３を示している。このインサートメタル３
は、接合する鋼棒の径に応じて適切な大きさに切断され
たものでＢやＳｉなどの融点降下元素を含有する金属が
使用される。融点降下元素を含有する金属の中でも、ぬ
れ性の良好なＦｅ−Ｓｉ−Ｂ成分系の金属やＮｉ−Ｓｉ
−Ｂ成分系の金属を使用するとよい。

【００２３】このようなインサートメタル３を挟み込ん
で図１に示した装置に鋼棒１，２をセットした後、鋼棒
１，２をその軸方向に５ＭＰａ以上の圧力で、好ましく
は５ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲の圧力で、鋼棒の材質、
径等に応じて適切な圧力で加圧する。そして、この加圧
状態を保持しつつ高周波誘導装置により接合部を、イン
サートメタルの溶融する１１００℃以上に加熱する。こ
の際、加熱する温度は、接合する鋼棒の種類や使用する
インサートメタルの種類により適宜変更されるが、好ま
しくは、１２００〜１３００℃）の範囲で加熱するとよ
い。

【００２４】以上の接合方法によれば、接合部を加熱す
ると挟み込まれたインサートメタルが溶融する。溶融し
たインサートメタルは鋼棒の接合面で鋼棒に作用して、
その表面層を溶解し、汚染層を分解する。

【００２５】また、鋼棒は予め５ＭＰａ以上の圧力で加
圧されているので、溶融したインサートメタルが接合部
から鋼棒の外周面に絞り出される。なお、高い圧力で加
圧すると、溶融したインサートメタルが接合界面の中央
部から外周部へ絞り出され、融液が接合界面に残留しな
い。このため、圧接と同様の状態で鋼棒１，２が接合さ
れ、さらに高い接合強度を得ることができる。そして、
絞り出されたインサートメタルは、両鋼棒の突き合わせ
の境界線上に滞留する。その結果図３に示すように接合
部においてその外周面には、その全周に亘りなだらかな
傾斜を有するフィレット（すみ肉）１０，１０が形成さ
れる。

【００２６】鋼棒の接合部を加熱して、付き合わせ面に
向けて加圧すると、周方向の不均一な線膨張や鋼棒自体
の不均一な肉厚等の影響で目違いが生じ、接合部に段差
が形成される。図３に示すフィレット（すみ肉）１０，
１０はこの段差部分を被覆して急激な断面形状の変化が
生ずることを防止しする。そのため、接合部に応力集中
が生ずることが無く、疲労破壊の起点になることがなく
なる。

【００２７】鋼棒の全周に亘り、十分なのど厚のフィレ
ット（すみ肉）を形成するには絞り出されるインサート
メタルの量がある程度必要である。そのため、鋼棒に挟
み込まれるインサートメタルの厚さを８０μｍ以上、好
ましくは１２０μｍ以上の厚さで、接合する鋼棒の材質
や径などに応じて適切な厚さに設けるとよい。インサー
トメタルの厚さを１２０μｍ以上にすると図４に示すよ
うに、絞り出される溶融したインサートメタルの量が多
くなり鋼棒１，２の間に生ずる段差をフィレット（すみ
肉）１１，１１が完全に被覆するとともに、フィレット
（すみ肉）１１，１１の脚長がより長くなり、その傾斜
をいっそうなだらかに形成できる。なお、本実施形態で
は、板状のインサートメタルを１枚挟み込んで厚さＬを
上記の値以上に形成しているが（図２参照）、これには
限定されず、フィレット（すみ肉）を形成させるに足り
る量であれば、板状以外に粒状（成形体を含む）、粉末
状の形状であっても構わない。

【００２８】以上に説明した実施形態では、接合される
鋼棒をこれらの突き合わせ面に向けて加圧し、その後に
加圧状態を保持して接合部を加熱する手順による場合を
示したが、本発明は、かかる手順には限定されず、加熱
した後に、この加熱された温度を保持して鋼棒を加圧し
たり、加圧と加熱とを同じタイミングで行っても構わな
い。なお、加熱する手段についても高周波誘導装置の
他、ガス加熱装置等その他の加熱装置で加熱しても構わ
ない。また、インサートメタルについてもＦｅ−Ｓｉ−
Ｂ成分系の金属やＮｉ−Ｓｉ−Ｂ成分系の金属以外のも
のを使用することを排除するものではない。さらに、本
実施形態では鋼棒を対象として説明したが、中実材であ
れば鋼棒に限定されず、例えば、帯材や形鋼など他の炭
素鋼製の中実材についても適用できることはいうまでも
ない。

【００２９】

【実施例】実施例１ 本発明にかかる中実材の接合方法効果を調査するため、
直径４０．０ｍｍの鉄筋コンクリート用鋼棒（ＪＩＳＧ
３１１２、ＳＤ３４５、呼び名Ｄ３８）を本発明にかか
る中実材の接合方法で接合し、接合部の引張り試験を行
った。試験は、挟み込むインサートメタルの厚さと、加
圧する圧力とを変化させて接合した数種類の試験片につ
いて行った。

【００３０】接合条件は、いずれも、アルゴンガスによ
り接合部の周囲をシールドし、加圧したまま高周波誘導
装置で１３００℃まで加熱し、この状態を２分間保持し
た。なお、使用した鋼棒の化学組織を表１の記号Ｒ１
に、挟み込んだインサートメタルの化学組織を表２のＭ
１にそれぞれ示す。

【００３１】試験結果を表３に示す。この表から明らか
なように、本発明の接合方法で定めた範囲からインサー
トメタルの厚さ又は加圧する圧力のいずれかが外れた場
合には、鋼棒の接合面から破断し、また、破断したとき
の応力も低く十分な強度を得ることができなかった。

【００３２】インサートメタルの厚さを４５μｍとして
接合した試験片Ｗ１では、接合部に段差が残っており、
フィレット（すみ肉）も十分に形成されていなかった。
また、１ＭＰａと低い圧力で加圧して接合した試験片Ｗ
２にあっては、破断面に脆いＮｉＢ₃が残留していた。

【００３３】これに対し、インサートメタルの厚さ及び
加圧する際の圧力を本発明にかかる接合方法で定めた範
囲で接合したものは、接合面では破断せず、母材たる鋼
棒の部分が破断した。このことから、本発明にかかる接
合方法で鋼棒を接合すると母材の引張強度以上の接合強
度を得る。

【００３４】実施例２ 本発明にかかる中実材の接合方法効果を調査するため、
直径が３３．５ｍｍの鉄筋コンクリート用鋼棒（ＪＩＳ
３１１２、ＳＤ３４５、呼び名Ｄ３２）についても本発
明にかかる中実材の接合方法で接合し、接合部の引張り
試験を行った。この試験についても、インサートメタル
の厚さと、加圧する圧力とを変化させて接合した数種類
の試験片について行った。

【００３５】接合条件は、いずれも、アルゴンガスによ
り接合部の周囲をシールドし、加圧したまま高周波誘導
装置で１２５０℃まで加熱し、この状態を２分間保持し
た。使用した鋼棒の化学組織を表１の記号Ｒ２に、挟み
込んだインサートメタルの化学組織を表２のＭ２にそれ
ぞれ示す。

【００３６】試験結果を表４に示す。この試験の場合に
も、本発明の接合方法で定めた範囲からインサートメタ
ルの厚さ又は加圧する圧力の少なくといずれかが外れた
場合には、鋼棒の接合面から破断し、また、破断したと
きの応力も低い。

【００３７】厚さが５０μｍと本発明の接合方法で定め
た範囲外のインサートメタルで接合した試験片Ｗ１１で
は、接合部に段差が残っており、フィレット（すみ肉）
も十分に形成されていなかった。また、２ＭＰａと低い
圧力で加圧して接合した試験片Ｗ１２にあっては、破断
面に脆いＮｉＢ₃が残留していた。

【００３８】これに対し、インサートメタルの厚さ及び
加圧する際の圧力を本発明にかかる接合方法で定めた範
囲で接合したものは、接合面では破断せず、母材たる鋼
棒の部分が破断した。本試験からも本発明にかかる接合
方法で鋼棒を接合すると母材の引張強度以上の接合強度
を得る。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】

【表３】

【００４２】

【表４】

【００４３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、中実材を突き合
わせて接合する場合、短時間で段差を形成させることな
く接合できるので作業効率を向上させる。しかも、本発
明の中実材の接合方法によれば、応力集中源となる段差
が生じないので、静的な負荷だけでなく疲労に対しても
高い強度の接合部を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する１実施形態にかかる装置の系
統図。

【図２】中実材でインサートメタルを挟み込む様子を示
す図。

【図３】本発明にかかる方法により中実材の接合部に形
成されたフィレット（すみ肉）の１態様を示す図。

【図４】図３に示すフィレット（すみ肉）を形成したイ
ンサートメタルより厚いものを使用した場合に形成され
たフィレット（すみ肉）の１態様を示す図。

【図５】圧接により生じる接合部の段差を示す図。

【符号の説明】

１，２ 中実材 ３ インサートメタル ４ 加熱コイル ５ クランプ ６ 高周波発生装置 ７ コントローラ ８冷却装置 ９ 駆動源 １０，１１ フィレット（すみ肉）

フロントページの続き (72)発明者 上野 泰弘 神奈川県横浜市鶴見区小野町88番地 日本 鋼管工事株式会社内 (72)発明者 勝木 誠 神奈川県横浜市鶴見区小野町88番地 日本 鋼管工事株式会社内 (72)発明者 金山 潔士 神奈川県横浜市鶴見区小野町88番地 日本 鋼管工事株式会社内 (72)発明者 工藤 勝弘 埼玉県春日部市増戸625−11 (72)発明者 小幡 斎 大阪府和泉佐野市松原２−４−98 (72)発明者 小林 明夫 東京都八王子市長房町440−６ (72)発明者 大石橋 宏次 東京都練馬区立野町33−４ (72)発明者 志田 俊昭 神奈川県海老名市東柏ヶ谷２丁目−17−39 (72)発明者 宮口 茂樹 静岡県沼津市大岡488−１ (72)発明者 染谷 治男 千葉県松戸市五香六実735 (72)発明者 宮田 繁明 大阪府八尾市久宝園３丁目122 (72)発明者 北条 隆 千葉県印旛郡臼井町桜台２−４−701 (72)発明者 山本 征二 神奈川県藤沢市石川６−５−６ (72)発明者 佐鳥 聡夫 神奈川県横浜市緑区白山４−36−７ Ｆターム(参考） 2E125 AA48 AB13 AC18 AG20 CA90 4E067 AA02 AD02 BA05 BB02 BH01 DC03 DC04 EC05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合される炭素鋼製の中実材より融点の
   低いインサートメタルを前記中実材で挟み、前記中実材
   をこれらの突き合わせ面に向けて加圧しつつ、前記中実
   材の接合部を加熱手段で加熱して前記中実材を接合する
   中実材の接合方法であって、 前記インサートメタルを前記加熱手段で溶融させ、この
   溶融されたインサートメタルを加圧された前記中実材の
   接合面から外周部に排出させて前記接合部にフィレット
   を形成して接合部の段差をすべてなだらかにすることを
   特徴とする中実材の接合方法。
2. 【請求項２】 接合される炭素鋼製の中実材より融点の
   低いインサートメタルを前記中実材で挟み、前記中実材
   をこれらの突き合わせ面に向けて加圧しつつ、前記中実
   材の接合部を加熱手段で加熱して前記中実材を接合する
   中実材の接合方法であって、 前記インサートメタルを８０μｍ以上の厚さに設けて、
   前記中実材をこれらの突き合わされる方向に少なくとも
   ５ＭＰａの圧力で加圧しつつ前記中実材の接合部を前記
   加熱手段で加熱して前記インサートメタルを溶融させる
   ことを特徴とする中実材の接合方法。
3. 【請求項３】 前記インサートメタルを１２０μｍ以上
   の厚さに設けたことを特徴とする請求項１記載の中実材
   の接合方法。