特許 6880967 管接合装置及び管接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6880967

(24)【登録日】2021年5月10日

(45)【発行日】2021年6月2日

(54)【発明の名称】管接合装置及び管接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20210524BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 368

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-81940(P2017-81940)

(22)【出願日】2017年4月18日

(65)【公開番号】特開2018-176244(P2018-176244A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2019年8月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001461

【氏名又は名称】特許業務法人きさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢野 良明

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 一樹

(72)【発明者】

【氏名】勝木 誠

(72)【発明者】

【氏名】綱沢 洋二

(72)【発明者】

【氏名】村山 雅智

【審査官】 田口 傑

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−０７１４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／００８０５１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１７２２４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−２８１０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００１５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１２７９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１６４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１９３１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０００６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−０９２７５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／００ − ２０／２６

Ｂ２３Ｋ ９／００

Ｂ２３Ｋ ９／０２ − ９／０３８

Ｂ２３Ｋ ３１／００ − ３１／０２

Ｂ２３Ｋ ３１／１０ − ３３／００

Ｂ２３Ｋ ３７／００ − ３７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの管の接合部に押し込まれ摩擦攪拌接合するプローブと、
前記プローブを先端に備える接合ツールと、
前記接合ツールを前記管の中心軸周りに回転させる回転機構と、
前記回転機構が設けられた装置本体と、
前記装置本体に対し前記管の中心軸に沿った方向に進退自在に構成された軸方向移動部と、
前記軸方向移動部を移動させる動力である駆動部と、を備え、
前記装置本体は、
一方の前記管の内部において当該装置本体を固定する、第１クランプ機構及び第３クランプ機構を備え、
前記管の中心軸に沿った方向において、前記第３クランプ機構、前記第１クランプ機構、前記プローブの順に並べられて設置されており、
前記軸方向移動部は、
他方の前記管を保持する第２クランプ機構を備え、
前記第２クランプ機構は、
前記第１クランプ機構との間に前記プローブを挟むように配置され、かつ前記第１クランプ機構の中心軸と同軸上に配置され、
前記第１クランプ機構及び前記第２クランプ機構は、
前記回転機構の回転軌道の半径方向に進退自在に構成され、前記管の端部の内周面に荷重を加えるクランプヘッドを備え、
前記クランプヘッドの外周面は、
円筒面を該円筒面の円周方向に任意の数で分割した形状に形成され、前記管の前記端部の形状を当該クランプヘッドの外周面に沿った形状に矯正し、
前記軸方向移動部は、
前記第２クランプ機構を前記第１クランプ機構に近づく方向に移動させ、
前記駆動部は、
前記第２クランプ機構が前記第１クランプ機構に近づく方向の荷重を、前記軸方向移動部と前記装置本体との間に発生させる、管接合装置。

【請求項2】

前記第１クランプ機構は、
前記第３クランプ機構よりも前記管の前記内周面に加える荷重が高い、請求項１に記載の管接合装置。

【請求項3】

前記装置本体は、
当該装置本体から外側に突出して設けられ当該装置本体を前記管の前記内周面に沿って案内するローラーを備える、請求項１又は２に記載の管接合装置。

【請求項4】

前記回転機構の回転中心軸は、
前記第１クランプ機構の中心と前記第２クランプ機構の中心とを結んだ仮想線上に配置される、請求項１〜３の何れか１項に記載の管接合装置。

【請求項5】

前記回転機構の回転中心軸は、
前記第１クランプ機構の中心軸及び前記第２クランプ機構の中心軸と同軸上に配置される、請求項１〜４の何れか１項に記載の管接合装置。

【請求項6】

既設管の管軸方向において、管接合装置が備えるプローブの位置を前記既設管の端面に合わせ、前記管接合装置の装置本体に設けられた第１クランプ機構を前記既設管の内周面に接触させ荷重を加えて前記管接合装置を前記既設管の内部に固定し、前記既設管の形状を矯正する管接合装置設置工程と、
前記管接合装置に設けられた第２クランプ機構を前記既設管と接合する新設管の内部に配置し、前記第２クランプ機構を前記新設管の内周面に接触させ荷重を加えて、前記新設管の中心軸を前記既設管の中心軸に合わせて前記管接合装置に固定する新設管固定工程と、
前記第２クランプ機構を前記第１クランプ機構側に移動させ、前記既設管及び前記新設管の端面同士を接触させ荷重を加える接合部加圧工程と、
前記既設管の端面と前記新設管の端面とを接触させて形成される接合部に内側から回転した前記プローブを押し込み、前記接合部に沿って前記プローブを移動させ摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合工程と、を備え、
前記管接合装置設置工程は、
前記第１クランプ機構及び前記第２クランプ機構を作動させる前に、前記装置本体に設置された第３クランプ機構を作動させ、前記既設管の管軸方向における前記プローブの位置を前記既設管の端面に合わせた状態で、前記装置本体を、前記既設管の内部に固定する工程を備える、管接合方法。

【請求項7】

前記既設管及び前記新設管の端面同士を接触させ管軸方向に荷重を加えながら前記摩擦攪拌接合工程が行われる、請求項６に記載の管接合方法。

【請求項8】

前記既設管及び前記新設管の前記接合部の外周面を包囲するクランプバンドを設置する、請求項６又は７に記載の管接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、管同士を突き合わせて接合するための接合装置に関し、特に摩擦攪拌接合により管を接合するための管接合装置及び管接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、パイプラインの建設工事では、管同士を軸方向に突き合わせ接合することが行われている。例えば、既に敷設された管に一方の端部が接合され固定されている管（既設管）に、両端が固定されていない管（新設管）を接合している。このとき、突き合わせた管のそれぞれの端部に開先を形成し、管の端部同士の間に所定のギャップをとって保持し、管の外周から、例えばマグ（MAG;Metal Active Gas）溶接等の溶融溶接が行われる。このような溶接を行う際、管を所定の位置に保持し溶接可能な状態に準備する工程と、溶接工程と、溶接する装置を取り外す工程とにより、一つの管の継ぎ手を溶接するために膨大な時間がかかっていた。特に、パイプラインは、比較的厚肉の鋼管が用いられるため、溶接工程に膨大な時間がかかっていた。また、パイプラインの溶接は、屋外で行われるため、作業時の防風対策が必要となり、さらに感電、アーク光、じん肺等の溶接作業者への影響が課題となっていた。

【0003】

一方、マグ溶接などの溶融溶接に比べて容易に金属材同士を接合することができる摩擦攪拌接合（FSW;Friction Stir Welding）が注目されている。摩擦攪拌接合においては、先端面にプローブと呼ばれる円柱状の突起を有する接合ツールを使用する。プローブを接合部に押し付け、接合ツールを中心軸周りに回転させると、プローブと接合部の材料との間に摩擦熱が発生して材料が軟化し、材料中にプローブが埋没する。プローブ周辺の材料は、プローブの回転により塑性流動を起こし、接合線に沿って接合ツールを移動させると、材料が接合される。

【0004】

摩擦攪拌接合により金属管同士を接合するものとしては、例えば、特許文献１に金属管の接合装置として摩擦攪拌接合を利用したものが開示されている。この金属管の接合装置は、接合ツールを備え、接合ツールを金属管の内周面に沿って円周方向に移動させ、２つの金属管を接合させるものであり、金属管の内部に配置され内側から摩擦攪拌接合を行うものである。摩擦攪拌接合により、金属管接合の時間を短縮させ、防風対策も不要となり、接合の際の作業者への影響を低減させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１３／１７２２４４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、金属管の端部を突き合わせて摩擦攪拌接合を行う際には、その接合部に接合ツールのプローブを埋没させプローブを回転させる。施工条件によっては、接合線前方が口開きをする、いわゆる回転変形が生ずる場合がある。そのため、摩擦攪拌接合時に回転変形が生じ、接合線が開いた場合、施工を継続できないという課題があった。また、摩擦攪拌接合においては、接合部の材料を塑性流動させるため、金属管の端部同士は極力均一に接触させる必要がある。しかし、金属管の端部は、製造の都合上理想的な平面に加工することはできないため、摩擦攪拌接合させるためには、金属管の端部同士を精度良く接触させなければならないという課題があった。また、摩擦攪拌接合は塑性流動により接合するため、金属を溶融させて接合するマグ溶接に比べ管の接合部の食違いに対する許容度が小さい。そのため、摩擦攪拌接合をする場合は、管同士の接合部の食違いを低減させる必要があった。

【0007】

さらには、パイプライン等に用いられる金属管は、安全性を考慮し、比較的厚肉の鋼管が用いられる。このような金属管を摩擦攪拌接合する際には、接合部の材料の塑性流動を起こすために、プローブの回転数を上げ、接合ツールを接合部に押し付ける加圧力も大きくしなければならない。したがって、回転変形を抑えるためにはさらに大きな力によって拘束する必要があるという課題があった。特許文献１に開示されている接合装置では、例えば強度の低い軽金属の管で造られた比較的薄い管においては摩擦攪拌接合が可能であっても、例えばパイプラインに用いられる厚肉の金属管を接合するには限界があった。

【0008】

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、比較的厚肉で高強度な材料で構成された管の端部同士を接合する場合であっても、良好な接合を実現できる管接合装置及び管接合方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る管接合装置は、２つの管の接合部に押し込まれ摩擦攪拌接合するプローブと、前記プローブを先端に備える接合ツールと、前記接合ツールを前記管の中心軸周りに回転させる回転機構と、前記回転機構が設けられた装置本体と、前記装置本体に対し前記管の中心軸に沿った方向に進退自在に構成された軸方向移動部と、前記軸方向移動部を移動させる動力である駆動部と、を備え、前記装置本体は、一方の前記管の内部において当該装置本体を固定する、第１クランプ機構及び第３クランプ機構を備え、前記管の中心軸に沿った方向において、前記第３クランプ機構、前記第１クランプ機構、前記プローブの順に並べられて設置されており、前記軸方向移動部は、他方の前記管を保持する第２クランプ機構を備え、前記第２クランプ機構は、前記第１クランプ機構との間に前記プローブを挟むように配置され、かつ前記第１クランプ機構の中心軸と同軸上に配置され、前記第１クランプ機構及び前記第２クランプ機構は、前記回転機構の回転軌道の半径方向に進退自在に構成され、前記管の端部の内周面に荷重を加えるクランプヘッドを備え、前記クランプヘッドの外周面は、円筒面を該円筒面の円周方向に任意の数で分割した形状に形成され、前記管の前記端部の形状を当該クランプヘッドの外周面に沿った形状に矯正し、前記軸方向移動部は、前記第２クランプ機構を前記第１クランプ機構に近づく方向に移動させ、前記駆動部は、前記第２クランプ機構が前記第１クランプ機構に近づく方向の荷重を、前記軸方向移動部と前記装置本体との間に発生させる。

【0011】

また、本発明に係る管接合方法は、既設管の管軸方向において、管接合装置が備えるプローブの位置を前記既設管の端面に合わせ、前記管接合装置の装置本体に設けられた第１クランプ機構を前記既設管の内周面に接触させ荷重を加えて前記管接合装置を前記既設管の内部に固定し、前記既設管の形状を矯正する管接合装置設置工程と、前記管接合装置に設けられた第２クランプ機構を前記既設管と接合する新設管の内部に配置し、前記第２クランプ機構を前記新設管の内周面に接触させ荷重を加えて、前記新設管の中心軸を前記既設管の中心軸に合わせて前記管接合装置に固定する新設管固定工程と、前記第２クランプ機構を前記第１クランプ機構側に移動させ、前記既設管及び前記新設管の端面同士を接触させ荷重を加える接合部加圧工程と、前記既設管の端面と前記新設管の端面とを接触させて形成される接合部に内側から回転した前記プローブを押し込み、前記接合部に沿って前記プローブを移動させ摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合工程と、を備え、前記管接合装置設置工程は、前記第１クランプ機構及び前記第２クランプ機構を作動させる前に、前記装置本体に設置された第３クランプ機構を作動させ、前記既設管の管軸方向における前記プローブの位置を前記既設管の端面に合わせた状態で、前記装置本体を、前記既設管の内部に固定する工程を備えるものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、比較的厚肉で高強度な材料により構成された管を摩擦攪拌接合する際において、接合部にプローブを押し込むことにより生じる接合部の開きや接合部の段差を抑え、精度の良い良好な接合を行うことができる。また、管を接続する現地において簡素な設備で管の接合ができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態１に係る管接合装置を金属管内に設置した状態の模式図である。

【図2】図１のＡ−Ａ断面を示す模式図である。

【図3】クランプヘッドと金属管との接触部を示す模式図である。

【図4】実施の形態１に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図5】実施の形態１に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図6】実施の形態１に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図7】実施の形態１に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図8】実施の形態１に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図9】本発明の実施の形態２に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図10】本発明の実施の形態２に係る管接合装置を使用した金属管接合方法の説明図である。

【図11】図９及び図１０のクランプバンドを管軸方向から見た状態の図である。

【図12】図９の接合部９９周辺の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明に係る管接合装置は、主に２つの管を摩擦攪拌接合する際に使用するものである。以下に、２つの金属管を接合する場合を一例として、本発明に係る管接合装置の実施の形態を説明する。

【0015】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る管接合装置１００を金属管内に設置した状態の模式図である。図１は、端面８１、９１が突き合わされた金属管８０、９０の内部に設置された管接合装置１００を模式的に表したものである。金属管８０、９０は、例えば、管軸８３、９３が水平方向となるように配置されている。ただし、管軸８３、９３の配置は、水平方向に限定されるものではなく、設置される環境によって金属管８０、９０の姿勢は適宜変更できる。以下の説明においては、特に、金属管８０を既設金属管８０、金属管９０を新設金属管９０として説明する場合がある。既設金属管８０は、既に設置された金属管に一方の端部が接合され、固定されている。新設金属管９０は、既設金属管８０に接合される金属管であり、接合前の状態では両端が固定されていない。なお、金属管８０、９０は本発明の「管」に相当し、既設金属管８０は本発明の「既設管」、新設金属管９０は本発明の「新設管」に相当するものである。

【0016】

管接合装置１００は、例えば地下に埋設されるパイプラインに用いられる金属管８０、９０を接合するために使用される。実施の形態１において、金属管８０、９０は、鋼管が用いられ、管内圧力に対する強度や耐震性を考慮し、例えば板厚１０ｍｍ以上の比較的厚肉のものが使用されている。

【0017】

管接合装置１００は、金属管８０、９０の内部に設置され、金属管８０、９０の内部から接合部９９を接合するものである。管接合装置１００によれば、外部に設置する器具等を必要とせずに金属管８０、９０を接合できるため、金属管８０、９０の接合作業時に接合部９９の周辺に大きな空間を設ける必要がない。例えば、地中に埋設されるパイプラインの接合において、接合部９９の周辺のみを広く掘削して作業空間を確保する必要がなく、パイプラインの敷設に掛かる作業時間を減少させることができる。

【0018】

管接合装置１００は、接合ツール４０が設けられた装置本体７０を備える。接合ツール４０は、先端部にプローブ４１を備える。プローブ４１は、高速で回転し接合部９９に押し込まれ、接合部９９を構成する材料とプローブ４１との摩擦熱を利用して接合するものである。装置本体７０には、回転機構７４が設けられている。回転機構７４は、接合ツール４０を装置本体７０の周りに回転させるものである。回転機構７４を装置本体７０の周りに回転させることにより、接合ツール４０に備えられたプローブ４１は、接合部９９に押し込まれた状態で接合部９９に沿って移動する。プローブ４１を金属管８０、９０の円周方向に接合部９９に沿って一周回転させることにより、接合部９９は摩擦攪拌接合により接合される。

【0019】

装置本体７０は、金属管８０の内周面８２に接触するローラー５０及び金属管８０の内周面８２に荷重をかけるように構成されている第３クランプ機構３０を備える。ローラー５０は、金属管８０の内径に合わせて装置本体７０から外側に突出して設けられている。ローラー５０が金属管８０の内周面８２に接触し、転動することにより、装置本体７０は、金属管８０の内部を管軸８３に沿った方向に容易に移動することができる。第３クランプ機構３０は、装置本体７０から外側に向かってクランプヘッド３１が進退自在に構成されている。クランプヘッド３１を金属管８０の内周面８２に押し付けることにより、装置本体７０を金属管８０の内部に固定することができる。

【0020】

また、装置本体７０は、接合ツール４０の近傍に第１クランプ機構１０を備える。第１クランプ機構１０は、金属管８０の接合される端面８１に可能な限り近い位置に設けられるのが望ましい。第１クランプ機構１０は、装置本体７０から外側に突出し進退自在なクランプヘッド１１を備える。更に言うと、クランプヘッド１１は、回転機構７４の回転軌道の半径方向に向かって進退自在に構成されている。クランプヘッド１１は、装置本体７０を中心として円周方向に均等に配置されている。第１クランプ機構１０は、クランプヘッド１１を金属管８０の内周面８２に押し付け、装置本体７０を金属管８０の内部に固定するものである。望ましくは、第１クランプ機構１０は、回転機構７４の回転中心と金属管８０の管軸８３が一致する様に装置本体７０を固定する。また、クランプヘッド１１は、金属管８０の端面８１に近い位置の内周面８２に接触させ、金属管８０の内周面８２に荷重を加えることにより、金属管８０の接合される端部の形状を矯正する。この金属管８０の端部の形状矯正工程については後述する。

【0021】

管接合装置１００は、装置本体７０から金属管８０の管軸８３に沿った方向に進退自在な軸方向移動部７１を有する。換言すると、軸方向移動部７１は、装置本体７０に対し、回転機構７４の回転中心軸に沿った方向に移動自在に構成されている。

【0022】

軸方向移動部７１は、第２クランプ機構２０を備える。第２クランプ機構２０は、軸方向移動部７１から外側に突出し進退自在なクランプヘッド２１を備える。更に言うと、クランプヘッド２１は、回転機構７４の回転軌道の半径方向に向かって進退自在に構成されている。クランプヘッド２１は、クランプヘッド２１を金属管９０の内周面９２に押し付け、軸方向移動部７１に対し金属管９０を固定するものである。軸方向移動部７１は、第２クランプ機構２０に金属管９０を固定したまま、第２クランプ機構２０を第１クランプ機構１０に近づく方向に移動させることができる。管接合装置１００は、図示しない駆動部を備え、駆動部は、軸方向移動部７１を第２クランプ機構２０が第１クランプ機構１０に近づけたり遠ざけたりするように移動させる。また、図１に示されるように、金属管８０の端面８１と金属管９０の端面９１とが接触した状態においては、駆動部は、端面同士を押し付ける方向に荷重をかけられるように、装置本体７０に軸方向移動部７１を引きつける方向に荷重を発生させる。なお、第２クランプ機構２０もクランプヘッド２１を金属管９０の端面９１に近い位置の内周面９２に接触させ、金属管９０の内周面９２に荷重を加えることにより、金属管９０の接合される端部の形状を矯正する。

【0023】

第２クランプ機構２０が第１クランプ機構１０に近づく側に移動し、金属管８０の端面８１と金属管９０の端面９１とが接触して端面８１と端面９１との間に互いに押し付けあう荷重がかかっているときには、第２クランプ機構２０の中心が、第１クランプ機構１０の中心軸と同軸上に位置する様に構成されているのが望ましい。また、第２クランプ機構２０の中心軸と第１クランプ機構の中心軸とが同軸上に位置する様に構成されていてもよい。例えば、装置本体７０に軸方向移動部７１の移動を支持する案内を備え、軸方向移動部７１が第１クランプ機構１０の中心軸に対しに平行に移動するように構成されている。

【0024】

管接合装置１００の金属管９０側には管接合装置１００を駆動するための電源等を供給するためのケーブル７２が接続されている。ケーブル７２は、軸方向移動部７１側から金属管９０の他方の端部に向かって延び、外部に引き出されている。

【0025】

次に、金属管８０、９０の端部の形状矯正について説明する。
図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す模式図である。第１クランプ機構１０は、ロッド１２の先端に取り付けられたクランプヘッド１１を、金属管８０の内周面８２に接触させ、荷重を加えるものである。クランプヘッド１１の外周面は、円筒面を任意の数に分割した形状になっている。実施の形態１においては、クランプヘッド１１の外周面は、金属管８０の内周面８２と同じ半径の円筒面を１２分割した形状になっている。第１クランプ機構１０は、例えば油圧などによりクランプヘッド１１を金属管８０の内周面に向かって押し付け、内周面８２の全周にわたって均一に荷重をかける。なお、第２クランプ機構２０も図２に示される第１クランプ機構１０の構造と同様に構成されている。すなわち、図１のＢ−Ｂ断面も図２と同様である。

【0026】

図３は、クランプヘッド１１と金属管８０との接触部の模式図である。図３は、管軸に沿った方向から金属管８０の端面８１の一部を見た状態の図である。図３（ａ）は、第１クランプ機構１０が金属管８０の内周面８２に接触する前の状態を示している。図３（ｂ）は、第１クランプ機構１０のクランプヘッド１１が内周面８２に接触した状態、図３（ｃ）は、クランプヘッド１１から内周面８２に荷重がかかり、内周面８２の形状が矯正された状態を示す。

【0027】

金属管８０は、例えば溶接鋼管が用いられる。溶接鋼管は、製造都合上、断面形状が真円に形成されず、内周面８２が真円に対し突出している部分と凹んでいる部分とがある。溶接鋼管は、鋼帯を幅方向に円形に変形させ、鋼帯幅方向の端部同士を溶接して形成される。そのため、溶接部の残留応力等の影響等による変形を除去するために溶接鋼管は形状が矯正される。その矯正に用いられる治具の形状により、金属管８０の内周面８２を詳細に見ると、例えば多角形状にゆがんでいる。

【0028】

図３（ａ）に示されるような断面形状のまま金属管８０と金属管９０とを接合した場合、接合部９９の内周面及び外周面に段差（食違い）が生じる。接合部９９の内周面及び外周面に段差が生じたまま接合すると、金属管８０、９０の管板厚方向の接合深さ（のど厚）が不均一になり金属管８０、９０の円周方向の位置によって接合強度にばらつきが生じる。また、接合後に残った段差を起点にして接合した金属管８０、９０の破損などのおそれがある。従って、実施の形態１に係る管接合装置１００のように、金属管８０及び金属管９０の端部の円筒形状を矯正しつつ、接合部９９を摩擦攪拌接合することにより、接合部９９に生じる食違いを抑え、良好な継手品質を確保することができる。

【0029】

図３に示されるように、クランプヘッド１１の外周面１３は、円筒面を円周方向に任意の数で分割した形状になっている。実施の形態１においては、外周面１３は、金属管８０の内径と等しい円筒面になるように形成されている。図３（ｂ）に示されるように、クランプヘッド１１の外周面１３が金属管８０の内周面８２に接触した状態で内周面８２に荷重がかけられていない状態では、クランプヘッド１１の外周面１３と金属管８０の内周面８２との間には、接触部８４と隙間部８５とが形成されている。ここで、第１クランプ機構１０は、油圧等の力でクランプヘッド１１を金属管８０の内周面８２に押し付けていく。クランプヘッド１１は、金属管８０よりも剛性が高く構成されているため、金属管８０の内周面８２は、次第にクランプヘッド１１の外周面１３に倣い形状が矯正される。

【0030】

図２に示されるように、クランプヘッド１１は、金属管８０の内周面８２に沿って全周にわたって極力隙間なく複数のクランプヘッド１１が並んでいるのが望ましいが、この形態だけに限定されるものではない。各クランプヘッド１１は、隣合ったクランプヘッド１１との間に所定の間隔を置いて設置されていても良い。また、図２においては、クランプヘッド１１は、円周方向に１２等分に配置されているが、この分割数も適宜設定できる。

【0031】

なお、第２クランプ機構２０も第１クランプ機構１０と同様に構成されており、金属管９０の端部の形状がクランプヘッド２１の外周面２３に倣い矯正される。

【0032】

図４〜図８は、実施の形態１に係る管接合装置１００を使用した金属管接合方法の説明図である。図４〜図８を用いて、実施の形態１に係る管接合装置１００を使用した金属管接合方法について説明する。

【0033】

図４に示されるように、まず管接合装置１００は、既設金属管８０の内部に設置される。既設金属管８０は、図４に示されている一方の端面８１を新設金属管９０の端面９１に突き合わせることにより接合部９９を形成する。既設金属管８０の図示されていない他方の端面は、他の金属管に接合されている。

【0034】

管接合装置１００は、装置本体７０から外側に突出して設置されるローラー５０を備えているため、既設金属管８０内部において内周面８２にローラー５０が接し転動することによって、管軸に沿った方向に移動自在である。このとき、管接合装置１００は、プローブ４１の先端が既設金属管８０の端面８１と管軸方向における位置が合うように調節される。

【0035】

プローブ４１の先端が適正な位置に配置されたところで、装置本体７０に設けられている第３クランプ機構３０を既設金属管８０の内周面８２に接触させ荷重を加える。これにより、装置本体７０は、既設金属管８０の内周面８２に固定される。新設金属管９０は、既設金属管８０の端面８１から突出している軸方向移動部７１を端面９１側から挿入され、新設金属管９０の端面９１が既設金属管８０の端面８１に対向する様に配置されている。新設金属管９０は、設置される環境に応じて、例えば、吊り下げた状態で支持したり、又は台の上に支持されるなどして、移動自在に支持されている。

【0036】

図５に示されるように、装置本体７０が適正な位置に固定されたところで、第１クランプ機構１０を作動させる。第１クランプ機構１０は、クランプヘッド１１を既設金属管８０の内周面８２に接触させ荷重をかける。第１クランプ機構１０が内周面８２を押す荷重は、例えば第３クランプ機構３０が内周面８２を押す荷重よりも高く設定されており、これにより、第１クランプ機構１０の中心が既設金属管８０の管軸８３上に位置する様に管接合装置１００が位置決めされる。管接合装置１００が位置決めされると同時に、既設金属管８０の内周面８２は、クランプヘッド１１の外周面１３に沿って形状が矯正される。図４及び図５に示される管接合装置１００を既設金属管８０内に設置する工程を管接合装置設置工程と呼ぶ。

【0037】

なお、管接合装置設置工程において、第１クランプ機構１０が作動しクランプヘッド１１から内周面８２に荷重がかかったら、第３クランプ機構３０はクランプを解除しても良い。または、クランプヘッド１１から内周面８２に荷重をかける直前に第３クランプ機構３０は荷重を解除しても良い。また、管接合装置１００は、装置本体７０に第３クランプ機構３０を設けずに第１クランプ機構１０を設けても良い。第１クランプ機構１０は、既設金属管８０の端部の形状を矯正するとともに、既設金属管８０と装置本体７０との位置決めを行うことができれば、ローラー５０及び第３クランプ機構３０は、実施の形態１に示された形態に限定されず、その他の形態をとることができる。

【0038】

次に、新設金属管９０を管接合装置１００に固定する。この工程を、新設金属管固定工程と呼ぶ。図６に示されるように、軸方向移動部７１に設けられた第２クランプ機構２０を作動させる。第２クランプ機構２０も、第１クランプ機構１０と同様な構造になっており、クランプヘッド２１を新設金属管９０の内周面９２に接触させ荷重を加える。新設金属管９０は、例えば吊り下げられて支持されており、移動自在に支持されている。そのため、クランプヘッド２１が内周面９２に接触し荷重が加えられることにより、第２クランプ機構２０の中心は新設金属管９０の管軸９３上に来るように新設金属管９０の位置が決まる。新設金属管９０の位置が決まると同時に、新設金属管９０の内周面９２は、クランプヘッド２１の外周面２３に沿って形状が矯正される。

【0039】

管接合装置１００に対する新設金属管９０の位置が決まると、既設金属管８０の端面８１と新設金属管９０の端面９１とを接触させる。この工程を、接合部加圧工程と呼ぶ。図７に示されるように、管接合装置１００は、駆動部により軸方向移動部７１を駆動し、第２クランプ機構２０を第１クランプ機構１０に近づける方向に移動させる。すると、既設金属管８０の端面８１と新設金属管９０の端面９１とが接触するが、駆動部は、端面８１と端面９１とが接触しても軸方向移動部７１を駆動しつづけ、所定の荷重で端面８１と端面９１とを互いに加圧させる。

【0040】

次に、既設金属管８０の端面８１と新設金属管９０の端面９１とを押し付けたまま、摩擦攪拌接合を行う。この工程を摩擦攪拌接合工程と呼ぶ。図８に示されるように、接合ツール４０は、プローブ４１を金属管８０、９０の内側から外側に向けて移動させ、プローブ４１をプローブ４１の中心軸周りに高速回転させると共に、プローブ４１を接合部９９に押し込む。このとき、図８に示されるように、接合部９９は、プローブ４１を押し込まれた位置において、接合部９９を開く方向に荷重がかかる。つまり、図８に示される矢印１の方向に荷重がかかる。既設金属管８０は、既に他の金属管に接合されているため、固定されているが、新設金属管９０は、自由に移動できる状態であるため、図８に示される矢印２の方向に倒れるように移動しようとする。

【0041】

しかし、既設金属管８０と新設金属管９０とは、第１クランプ機構１０及び第２クランプ機構２０により円周方向に固定され、更に軸方向移動部７１と装置本体７０との間に第２クランプ機構２０を第１クランプ機構１０に近づける方向に荷重がかけられている。従って、接合部９９に沿ってプローブ４１が移動して接合部９９を開く方向に荷重がかかったとしても、既設金属管８０と新設金属管９０とは端面８１と端面９１とを押し付け合ったまま保持される。これにより、既設金属管８０と新設金属管９０とは、端面８１と端面９１とを突き合わせた当初の位置関係のまま、摩擦攪拌接合される。

【0042】

接合ツール４０は、プローブ４１を接合部９９に押し込んだままの状態で、回転機構７４により接合部９９に沿って金属管８０、９０の円周方向に一周回転する。これにより、接合部９９は、摩擦攪拌接合により接合される。回転機構７４の回転中心は、例えば第１クランプ機構１０の中心と第２クランプ機構２０の中心とを結んだ仮想線上に位置する様に構成されているのが望ましい。この構成により、プローブ４１は、金属管８０、９０の内周面８２、９２に沿って接合部９９への押し込み量を変動させることなく移動することができる。

【0043】

＜作用効果＞
上記のように、管接合装置１００は、金属管８０、９０内に設置され、管内から接合部９９を摩擦攪拌接合するものである。これにより、接合部９９周辺の外周側の領域に装置等を配置することなく２つの管の接合が可能となり、例えば地中に埋設される管においては掘削する範囲を削減することができる。また、管接合装置１００は、金属管８０を第１クランプ機構１０に固定し、金属管９０を第２クランプ機構２０に固定することにより、金属管８０の管軸８３と金属管９０の管軸９３とを同軸上に位置する様に位置決めすることができる。これにより、金属管８０と金属管９０とを位置決めする支持構造を金属管８０、９０の周囲に設置する必要がない。また、金属管８０、９０の内周面８２、９２を用いて位置決めするため、接合部９９を形成する金属管８０の端面８１と金属管９０の端面９１とを精度良く突き合わせることができる。さらに、第１クランプ機構１０のクランプヘッド１１は、金属管８０の内周面８２に接触し荷重をかけることにより、金属管８０の端部の断面形状が真円に近づくように矯正される。第２クランプ機構２０のクランプヘッド２１も同様に金属管９０の端部の断面形状を矯正する。これにより、金属管８０と金属管９０との接合部９９は、段差を抑えることができ、管板厚方向の接合深さ（のど厚）のばらつきも抑えられ良好な継手品質を確保することができる。

【0044】

金属管８０の端面８１と金属管９０の端面９１とを突き合わせるにあたり、軸方向移動部７１を装置本体７０側に移動させる。軸方向移動部７１の移動により、第２クランプ機構２０は、第１クランプ機構１０側に近づき、端面８１と端面９１とが接触する。端面８１と端面９１とが接触した後も、軸方向移動部７１は装置本体７０側に移動するように駆動され、端面８１と端面９１とは互いに加圧された状態に保持される。これにより、接合部９９にプローブ４１が押し込まれた際の接合部９９を開こうとする向きの荷重に対向することができ、金属管８０と金属管９０とは、端面８１と端面９１との接触状態を保持しながら摩擦攪拌接合することができる。特に、パイプライン等において使用される比較的厚肉の鋼管を接合する際には、プローブ４１の押し込み荷重も高くなるため、接合部９９を開く力は大きくなるが、管接合装置１００を使用することにより、端面８１と端面９１との接触状態を保持が可能となる。なお、実施の形態１においては、金属管８０、９０を一例として説明したが、管の材質は金属のみに限定するものではない。

【0045】

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の管接合装置１００を用いた金属管８０、９０の接合方法に対し、さらにクランプバンド６０を用いて金属管８０、９０を接合するものである。以下、実施の形態２について、実施の形態１からの変更点を中心に説明する。実施の形態２で特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。

【0046】

図９及び図１０は、本発明の実施の形態２に係る管接合装置１００を使用した金属管接合方法の説明図である。図１１は、図９及び図１０のクランプバンド６０を管軸８３、９３方向から見た状態の図である。図９は、図７に対しクランプバンド６０を金属管８０、９０の外面に追加したものである。図１０は、図８に対しクランプバンド６０を金属管８０、９０の外面に追加して設置したものである。

【0047】

図９に示されるように、管接合装置１００に対する新設金属管９０の位置が決まり、既設金属管８０の端面８１と新設金属管９０の端面９１とを接触させる接合部加圧工程が完了したところで、接合部９９の外周にクランプバンド６０が取り付けられる。クランプバンド６０は、既設金属管８０が第１クランプ機構１０により加圧されている部分及び新設金属管９０が第２クランプ機構２０により加圧されている部分の管の外周面を囲う様に設けられている。なお、クランプバンド６０の取り付けは、接合部加圧工程が完了する前に行っても良い。

【0048】

図１１に示されるように、クランプバンド６０は、円筒を中心軸に沿って分割されたものを組み合わせて構成されている。実施の形態２においては、クランプバンド６０は、２分割されたバンド部品６１、６２を組み合わせて構成されているが、更に多数に分割されていても良い。一方のバンド部品６１は、両端部に、平面部を中心軸に平行にして設けられた平板部６３を有している。他方のバンド部品６２も、一方のバンド部品６１と同様に構成されている。バンド部品６１、６２は、平板部６３と平板部６４との平面部を接触させて、固定部材６５により固定されている。

【0049】

図１２は、図９の接合部９９周辺の拡大図である。図１２において接合ツール４０は表示を省略している。クランプバンド６０は、内周面６６、６７を既設金属管８０及び新設金属管９０の外周面に接する程度、又は微小な隙間を持って取り付けられる。クランプバンド６０の内周面６６、６７の内径寸法は、例えば既設金属管８０及び新設金属管９０の外径寸法に対し微小に大きくなるように設定されている。このように設定されることにより、図１２（ａ）のように食違いが生じている接合部９９を、図１２（ｂ）に示されるように、クランプバンドを設置した状態で、クランプで荷重をかけることにより食違いを矯正することができる。クランプバンド６０は、円筒形状を中心軸に沿って２分割したバンド部品６１、６２から構成されており、平板部６３と平板部６４とを固定部材６５を締め付けて接続して使用する。

【0050】

＜作用効果＞
既設金属管８０及び新設金属管９０は、接合部９９の外周側にクランプバンド６０が設置されたまま接合部９９にプローブ４１が押し込まれ、摩擦攪拌接合が行われる。既設金属管８０及び新設金属管９０は、内周側から第１クランプ機構１０及び第２クランプ機構２０により形状が矯正され、さらに外周側からクランプバンド６０で囲われている。クランプバンド６０は、内周側から第１クランプ機構１０及び第２クランプ機構２０により加圧され径方向に拡大しようとする既設金属管８０及び新設金属管９０を所定の範囲内に抑える役割を果たす。さらには、既設金属管８０及び新設金属管９０には内周側及び内周側から加圧されるため、プローブ４１が接合部９９に押し込まれ接合部９９を開こうとする力が掛かっても、接合部９９は、接触した状態を維持することができる。つまり、図１０に示される矢印２の方向に倒れるように移動しようとする新設金属管９０を当初の位置に保持することができる。

【符号の説明】

【0051】

１ 矢印、２ 矢印、１０ 第１クランプ機構、１１ クランプヘッド、１２ ロッド、１３ 外周面、２０ 第２クランプ機構、２１ クランプヘッド、２３ 外周面、３０ 第３クランプ機構、３１ クランプヘッド、４０ 接合ツール、４１ プローブ、５０ ローラー、６０ クランプバンド、６１ バンド部品、６２ バンド部品、６３ 平板部、６４ 平板部、６５ 固定部材、６６ 内周面、６７ 内周面、７０ 装置本体、７１ 軸方向移動部、７２ ケーブル、７４ 回転機構、８０ （既設）金属管、８１ 端面、８２ 内周面、８３ 管軸、８４ 接触部、８５ 隙間部、９０ （新設）金属管、９１ 端面、９２ 内周面、９３ 管軸、９９ 接合部、１００ 管接合装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】