JP3652833B2

JP3652833B2 - トラス材の製造方法

Info

Publication number: JP3652833B2
Application number: JP9762697A
Authority: JP
Inventors: 治雄有馬
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH10288209A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、アルミニウム等の金属製のトラス構造に用いられるトラス材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、体育施設や商業施設、文化施設等の建築構造などにおいて採用されるトラス構造として、図８に示されるように、トラス材（51）と、接続ねじ孔（52a ）…を有するグローブ（52）とをジョイントしていくことにより平面的あるいは立体的なトラス構造を形成していく形式のものが知られている。
【０００３】
このトラス構造において、トラス材（51）は、ステンレス鋼からなる所定の長さの円形パイプ材（53）と、該パイプ材（53）の端部に溶接（Ｗ）により接合一体化された同じくステンレス鋼製のスリーブ材（54）とを備えており、スリーブ材（54）の通孔（54a ）に、ボルト（55）が、その頭部をスリーブ材（54）の内端面側に位置させ先端部を外方に突出させるように通され、かつ、ボルト（55）の外方突出端部の外周部にワッパー（56）がピン（57）にてボルト（55）と一体回転可能に取り付けられたものである。
【０００４】
このトラス材（51）とグローブ（52）とのジョイントは、ワッパー（56）よりも外方に突出するボルト（55）の先端ねじ部を、ワッパー（56）を回転操作してボルト（55）を回転させることにより、グローブ（52）のねじ孔（52a ）と螺合させる、というようにして行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなトラス材（51）において、パイプ材（53）とスリーブ材（54）とを、上記のように溶接（Ｗ）により接合一体化した構造では、溶接による熱影響で、母材であるパイプ材（53）やスリーブ材（54）に強度の低下を生じさせることがある。
【０００６】
特に、軽量化のため、パイプ材（53）やスリーブ材（54）としてアルミニウム材を用いたような場合、とりわけ強度の最大限確保のためＡ６０６１−Ｔ６材等のアルミニウム熱処理合金材を用いたような場合、例えばＭＩＧ、ＴＩＧ等の溶融溶接では、母材であるパイプ材（53）やスリーブ材（54）が溶融時の温度上昇により強度低下を招き溶接効率が低下するという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような従来の問題点に鑑み、パイプ材の端部にスリーブ材が強度的に強くしっかりと接合一体化されたトラス材を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、金属製パイプ材の端部に金属製スリーブ材が接合されるとともに、ボルト先端部が前記金属製スリーブ材から外方突出状態に備えられたトラス材の製造方法であって、前記金属製パイプ材と金属製スリーブ材との接合を摩擦撹拌接合によって行うことを特徴とするトラス材の製造方法によって解決される。
【０００９】
即ち、上記トラス材は、パイプ材とスリーブ材の接合を摩擦撹拌接合によって行うものであり、この摩擦撹拌接合は、接合部で発生する摩擦熱と圧力によって金属素材を塑性流動させて接合する固相接合であり、従来のＭＩＧ、ＴＩＧ等の溶融溶接とは異なって接合部の温度上昇が少なく、従って接合部の強度低下が抑制される。また、溶加材を用いないから接合部に余盛がなく、ビード仕上げが不要である。
【００１０】
上記において、スリーブ材は、軸方向の先端側が厚肉部にパイプとの接合側が薄肉部に形成されるとともに、厚肉部と薄肉部との連接部の内面が断面円弧状に形成されてなる場合には、摩擦撹拌接合に際して薄肉部に外方から加わる圧力に対し、薄肉部の曲げ強度が大きくなり、薄肉部の折損等の不具合がなくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１に示されるトラス材（１）において、（２）は断面円形のパイプ材、（３）は断面円形のスリーブ材、（４）はボルトである。スリーブ材（３）はパイプ材（２）の端部にボルト（４）を保持させるものである。また、（５）はワッパー、（６）はピンである。（７）はグローブで、（7a）…はそのねじ孔である。トラス材（１）は、ワッパー（５）よりも外方に突出するボルト（４）の先端ねじ部（4a）を、ワッパー（５）を回転操作してボルト（４）を回転させることにより、グローブ（７）のねじ孔（7a）と螺合されて、グローブ（７）とジョイントされる。また、（８）はパイプ材（２）とスリーブ材（３）とが接合された接合部である。
【００１３】
パイプ材（２）は、アルミニウム材によるもので、本実施形態では強度確保のため、Ａ６０６１ＴＥ−Ｔ６材などの熱処理合金が用いられている。また、スリーブ材（３）もアルミニウム材によるもので、同じく強度確保のためＡ６０６１ＢＥ−Ｔ６材などの熱処理合金が用いられている。これらパイプ材（２）とスリーブ材（３）は、接合前にあらかじめ表面処理（アルマイト処理）をしておく。接合は後述するようにパイプ材（２）とスリーブ材（３）とを固相接合である摩擦撹拌接合によって行うから、溶融溶接の場合のように表面処理済みの外観を損なわせるということがなく、接合前の表面処理が可能である。なお、アルミニウム材の採用は、トラス構造の軽量化に資する。
【００１４】
スリーブ材（３）は、その軸心部に、ボルト（４）を通す通孔（９）が備えられている。また、図２に拡大して示すように、スリーブ材（３）における軸方向の先端側が厚肉にパイプ材（２）との接合側が薄肉に形成されるとともに、厚肉部（３１）と薄肉部（３２）との連接部（３３）内面が断面円弧状に形成されてなる。
【００１５】
トラス材（１）の製作は、まず、図２及び図３に示されるように、ボルト（４）を、スリーブ材（３）の通孔（９）にパイプ材（２）側の端部から通し、スリーブ材（３）のもう一方の端部から突出するボルト（４）の先端側にワッパー（５）をピン（６）にて止める。ボルト（４）やワッパー（５）等の取付作業をパイプ材（２）とスリーブ材（３）とを接合に先立って行うのは、接合後にボルト（４）、ワッパー（５）等の取付けを行うことは実際上困難だからである。なお、ボルト（４）は通常のナットにて止めてもよい。
【００１６】
次に、図４に示すように、パイプ材（２）の端縁にスリーブ材（３）の薄肉部（３２）の端縁を突き合わせる。そして、この状態で、突き合わせ部（１０）に沿って摩擦撹拌接合を行う。
【００１７】
摩擦撹拌接合は、図３及び図４に示すように接合装置（２０）を用いて行う。接合装置（２０）は、径大の円柱状回転子（２１）の端部軸線上に径小のピン状プローブ（２２）が突出して一体に設けられたものであり、回転子（２２）を高速回転させることによりプローブ（２２）も高速回転させうるものとなされている。なお、プローブ（２２）及び回転子（２１）は、パイプ材（２）やスリーブ材（３）よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐え得る耐熱材料によって形成されている。
【００１８】
而して、回転子（２１）を回転させることによりこれと一体回転するプローブ（２２）を、パイプ材（２）とスリーブ材（３）との突き合わせ部（１０）またはその近傍に、これらパイプ材（２）等の半径線方向外方から接触させて、その摩擦熱により接触部分を軟化可塑化させ、さらにプローブ（２２）を押付けて該プローブ（２２）をパイプ材（２）及びスリーブ材（３）の厚さ方向内方に挿入していく。プローブ（２２）の挿入状態で、回転子（２１）の平坦状肩部（２１ａ）はパイプ材（２）及びスリーブ材（３）の表面に圧接させる。肩部（２１ａ）の圧接により、接合開始時あるいは接合途中の軟化部分の素材の飛散を防止しえて均一な接合状態を実現し得るとともに、パイプ材（２）及びスリーブ材（３）と肩部（２１ａ）との摺動による摩擦熱を生ぜしめて、プローブ（２２）との接触部あるいはその近傍の軟化を促進し、さらにパイプ材（２）及びスリーブ材（３）表面の凹凸形成を防止する。
【００１９】
プローブ（２２）の挿入後、図５の矢印で示すように、突き合わせ部（１０）に沿って周方向に回転子（２１）及びプローブ（２２）を移動させる。プローブ（２２）及び回転子（２１）の回転により、プローブ（２２）との接触部分周辺において、パイプ材（２）及びスリーブ材（３）が摩擦熱によって軟化しかつ撹拌される。プローブ（２２）の移動によって、軟化撹拌部分がプローブ（２２）の進行圧力を受けてプローブ（２２）の通過溝を埋めるようにプローブ（２２）の進行方向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち、摩擦熱を急速に失って冷却個化される。
【００２０】
こうして、突き合わせ部（１０）におけるの素材の軟化、密着変形、撹拌、冷却固化がプローブ（２２）の移動に伴って順次繰り返されていき、突き合わせ部（１０）においてパイプ材（２）とスリーブ材（３）とが相互に一体化され順次接合されていく。
【００２１】
また、上記の摩擦撹拌接合中に、スリーブ材（３）の薄肉部（３２）は、回転子（２１）の肩部（２１ａ）が圧接されることにより、半径方向内方への大きな押付け力を受けるが、図２のようにスリーブ材（３）の先端側の厚肉部（３１）と接合部側の薄肉部（３２）との連接部（３３）内面は断面円弧状に形成されているから、この断面円弧状部によって曲げモーメントに対する応力集中が緩和され薄肉部（３２）の曲げ強度が増大し、このため薄肉部（３２）の折損を防止できる。
【００２２】
また、図６に示すように、スリーブ材（３）の薄肉部（３２）及びこの薄肉部（３２）と接合されるパイプ材（２）の端部（２ａ）の肉厚を、パイプ材（２）の長さ方向の中間部の肉厚よりも相対的に大きく設定して、接合強度を高めるものとしても良い。
【００２３】
図７はパイプ材（２）とスリーブ材（３）との接合部の変形例を示すものである。この変形例では、スリーブ材（３）の薄肉部（３２）の端部外周面に、パイプ材（２）の肉厚相当の深さの凹部（１１）を設けて縮径部（１２）を形成し、この縮径部（１２）をパイプ材（２）の端部に挿入して嵌め合わせ、この状態で前記と同様に突き合わせ部（１０）や重ね合わせ部（１３）またはそれらの近傍にプローブ（２２）を挿入するとともに、突き合わせ部（１０）や重ね合わせ部（１３）に沿って周方向にプローブ（２２）を移動させて摩擦撹拌接合を行ったものである。この実施形態では、パイプ材（２）の端部内面に縮径部（１２）が当接状態に存在するから、この縮径部（１２）がパイプ材（２）とスリーブ材（３）との位置決め用として機能するとともに摩擦撹拌接合時の裏当て材としても機能し、より良好で強固な接合を実現できる。
【００２４】
以上に、本発明の実施形態を示したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明思想を逸脱しない範囲で各所の変更が可能である。例えば、パイプ材（２）の材質は、熱処理合金以外のアルミニウム材や、その他ステンレス鋼等の各種金属材、その他各種材質のものであってよい。また、スリーブ材（３）の材質も、熱処理合金以外のアルミニウム材や、その他ステンレス鋼等の各種金属材であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
上述の次第で、本発明のトラス材は、金属製パイプ材と金属製スリーブとの接合を固相接合法である摩擦撹拌接合によって行うことを特徴とするものであるから、ＭＩＧ、ＴＩＧ等の溶融溶接の場合と異なり接合部は溶融しないから、熱影響による接合部の強度低下を防止しえて接合強度に優れたトラス材を製造し得る。かつ、強度低下を生じないから、溶融溶接の場合に比べて接合部の肉厚を相対的に薄くできる効果もある。
【００２６】
しかも、溶加材等の供給は不要であるから接合部に余盛がなく、ビード仕上げをしなくても良好な外観体裁を確保することができる。
【００２７】
また、スリーブ材は、軸方向の先端側が厚肉部にパイプ材との接合側が薄肉部に形成されるとともに、厚肉部と薄肉部との連接部の内面が断面円弧状に形成されてなる場合には、摩擦撹拌接合に際して薄肉部に外方から加わる圧力に対し、薄肉部の曲げ強度を大きくできるから、薄肉部の折損等の不具合を防止できるとともに、大きな押付け力を付与して摩擦撹拌接合を行うことができるから益々良好な接合状態のトラス材を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る方法によって製造したトラス材の一例を示す断面図である。
【図２】パイプ材とスリーブ材とを組み付けた状態の要部の拡大断面図である。
【図３】パイプ材とスリーブ材とを摩擦撹拌接合する前の状態を示す断面図である。
【図４】摩擦撹拌接合中の断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】他の実施形態を示すもので、パイプ材とスリーブ材とを組み付けた状態の要部の拡大断面図である。
【図７】さらに他の実施形態を示すもので、パイプ材とスリーブ材とを組み付けた状態の要部の拡大断面図である。
【図８】従来のトラス材によるトラス構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１…トラス材
２…パイプ材
３…スリーブ材
４…ボルト
３１…厚肉部
３２…薄肉部
３３…連接部
１０…突き合わせ部
２０…接合装置
２１…回転子
２１ａ…肩部
２２…プローブ

Claims

断面円形の金属製パイプ材の端部に断面円形の金属製スリーブ材が接合されるとともに、ボルト先端部が前記金属製スリーブ材から外方突出状態に備えられたトラス材の製造方法であって、前記金属製パイプ材と金属製スリーブ材との接合を摩擦撹拌接合によって行うことを特徴とするトラス材の製造方法。
スリーブ材は、軸方向の先端側が厚肉にパイプ材との接合側が薄肉に形成されるとともに、厚肉部と薄肉部との連接部の内面が断面円弧状に形成されてなる請求項１に記載のトラス材の製造方法。