特開 2023-176815 鋼材接合体の製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176815

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】鋼材接合体の製造装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/00 20060101AFI20231206BHJP

【ＦＩ】

B23K20/00 310M

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022089307

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】390029089

【氏名又は名称】高周波熱錬株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(74)【代理人】

【識別番号】100197538

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 功

(74)【代理人】

【識別番号】100176751

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 耕平

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】塚原 真宏

(72)【発明者】

【氏名】井戸原 修

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 節雄

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA02

4E167AB09

4E167AD03

4E167BM00

(57)【要約】

【課題】鋼材同士の接合強度を向上させることができる鋼材接合体の製造装置を提供する。
【解決手段】複数の鋼材同士が接合された鋼材接合体の製造装置であって、接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に炭素質物質が配置された鋼材を回転させずに接合面同士を重ね合わせる重ね合わせ部と、前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を回転させずに前記重ね合わせた方向に荷重をかけながら加熱する加熱部と、を備えた鋼材接合体の製造装置を採用する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の鋼材同士が接合された鋼材接合体の製造装置であって、
接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に炭素質物質が配置された鋼材を回転させずに接合面同士を重ね合わせる重ね合わせ部と、
前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を回転させずに前記重ね合わせた方向に荷重をかけながら加熱する加熱部と、
を備えた鋼材接合体の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鋼材接合体の製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、熱間鋼材の接合を実際の工場で簡単にかつ能率的に行うことができ、しかも後続の圧延工程に支障のない程度に高い接合強度を得られる技術の開発を課題として、接合面に炭素質物質を塗布または散布して熱間鋼材を重ね合わせ又は突き合わせて、還元雰囲気下で加熱し圧接する鋼材の熱間接合方法が開示されている（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６－７９７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、鋼材同士の接合強度を向上させることを目的とするものではなかった。そこで、本発明は、鋼材同士の接合強度を向上させることができる鋼材接合体の製造装置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】

【0005】

本発明に係る鋼材接合体の製造装置は、複数の鋼材同士が接合された鋼材接合体の製造装置であって、接合する鋼材同士の少なくともどちらか一方の接合面に炭素質物質が配置された鋼材を回転させずに接合面同士を重ね合わせる重ね合わせ部と、前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を回転させずに前記重ね合わせた方向に荷重をかけながら加熱する加熱部と、を備える。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、鋼材同士の接合強度を向上させることができる鋼材接合体の製造装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施形態の製造装置で接合する鋼材の１例である棒材の形状を示す図であり、図１（ａ）および図１（ｂ）は正面図であり、図１（ｂ）および図１（ｃ）は斜視図である。

【図2】図２（ａ）は一実施形態に係る製造装置の模式図であり、図２（ｂ）は一実施形態に係る製造装置の変形例の模式図である。

【図3】治具の例を示す模式図である。

【図4】図４（ａ）は図２（ａ）の一実施形態に係る製造装置の模式図であり、図４（ｂ）は図２（ａ）の一実施形態に係る炭素質物質の変形例の模式図である。

【図5】図５（ａ）及び図５（ｂ）は図２（ａ）の一実施形態に係る製造装置の模式図である。

【図6】本発明の効果を説明するための鉄－セメンタイト系の状態図である。

【図7】本発明の効果を説明するための概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、本発明の実施形態を説明するための、棒材の一例を示す。

【0009】

図１（ａ）～（ｄ）に示されるように、本実施形態によって接合される鋼材（Ｗ１，Ｗ２）は中実に形成された円筒状の棒材であり、鋼材W１には側面部Ｗ１ａと接合面Ｗ１０とを有し、鋼材W２には側面部Ｗ２ａと接合面Ｗ２０とを有する。また、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の材質は、任意の鋼材であって、互いに、一体化することが可能な金属であれば特に限定されない。例えば、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼等を用いることができる。

【0010】

なお、本発明でいう中炭素鋼とは、炭素濃度が０．３０ｍａｓｓ％以上０．５０ｍａｓｓ％以下の鋼材を言う。ちなみに、低炭素鋼とは、炭素濃度が０．３０ｍａｓｓ％未満の鋼材を言い、高炭素鋼とは、炭素濃度が０．５０ｍａｓｓ％を超える鋼材を言う。また、低炭素鋼、中炭素鋼及び高炭素鋼を用いる場合、前記炭素以外の合金元素は、特に限定されないが、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４０５１に規定されているような、概ね、Ｓｉ：１．５ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．０ｍａｓｓ％以下を含み、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる組成とすることができる。

【0011】

前記鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の形状は、接合面（Ｗ１０，Ｗ２０）をそれぞれ有し、この接合面同士（W１０とW２０）を回転させずに重ね合わせて、互いに、一体化することが可能であれば、特に限定されない。例えば、円柱形状、角柱形状、ねじ形状、凹凸形状等を用いることができる。

【0012】

以下では、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る製造装置について説明する
図２（ａ）に示されるように、本実施形態の製造装置１は、棒状の鋼材（Ｗ１，Ｗ２）を重ね合わせる重ね合わせ部１０と、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）を誘導加熱により熱処理する熱処理機構５０を備えている。

【0013】

本実施形態の製造装置１は、鋼材Ｗ１と鋼材W２の中心軸が水平方向に沿うようにかつ対抗するように鋼材Ｗ１と鋼材W２を保持し、該鋼材Ｗに熱処理を実施可能な装置である。ここで、保持された状態の鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の軸方向をＺ方向とし、水平方向においてＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、Z方向及びＹ方向のそれぞれに直交する方向、すなわち、垂直方向をＸ方向と称する。

【0014】

本実施形態の重ね合わせ部１０は、鋼材Ｗ１を保持する第１治具１１と鋼材Ｗ２を保持する第２治具１２と、前記第１治具１１によって保持されている鋼材Ｗ１を鋼材W２のZ方向に荷重をかける加圧部１３と、前記荷重がかけられた鋼材W２を受ける加圧受け部１４を有する。第１治具１１と第２治具１２は、鋼材W１とW２がＺ方向において対向するように配置されている。

【0015】

第１治具１１は、鋼材Ｗ１の側面部Ｗ１ａの一部を保持する。また、第２治具１２は、鋼材Ｗ２の側部Ｗ２ａの一部を保持する。第１治具１１、第２治具１２は、例えば超鋼など硬さの有る材質によって形成されている。

【0016】

また、第１治具１１及び第２治具１２は複数備えてもよい。これによって、図２（ｂ）に示されるように、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の側面部（Ｗ１ａ，Ｗ２ａ）を覆う形で保持することが可能となり、後述の鋼材（Ｗ１，Ｗ２）に荷重がかかることによるブレを防止することができる。このとき、第１治具１１及び第２治具１２は鋼材（Ｗ１，Ｗ２）に荷重がかかる際は、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）がＺ方向に移動するように側面部（Ｗ１ａ，Ｗ２ａ）を覆う形で保持する。

【0017】

加圧部１３は、第１治具１１に保持されている鋼材Ｗ１に対して、Ｚ方向に荷重をかけることが可能である。かかる加圧部１３としては、例えば、油圧シリンダが挙げられる。具体的には、加圧部１３はＺ方向に荷重をかけるためのピストンロッド１３１を有し、これによって、Z方向に鋼材W１に荷重をかけることで鋼材（Ｗ１，Ｗ２）をＺ方向に移動可能とされている。

【0018】

加圧受け部１４は、加圧部１３によってＺ方向にかかる荷重を受けるように配置されている。具体的には、加圧部１３のピストンロッド１３１によって鋼材（Ｗ１，Ｗ２）にＺ方向に荷重がかかるため、最終的にその荷重を受けるように形成されている。

【0019】

本実施形態の熱処理機構５０は、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の表面を硬化させるための焼き入れを行うものである。
熱処理機構５０は、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）を誘導加熱する加熱部５１と、加熱部５１に印加される電圧の周波数を調節する変成器（不図示）とを有する。本実施形態では、加熱部５１及び変成器（不図示）が製造装置に搭載されている。

【0020】

加熱部５１は、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の表面温度が１００～１５００℃となるように、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）を誘導加熱する。

【0021】

加熱部５１は、例えば鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の側面を囲い得るように環状に形成された加熱コイルであり、所定の径を有する円に沿ってらせん状に進行する導線銅管によって形成されている。言い換えれば、加熱部５１は、環状のターンコイルによって構成されている。

【0022】

本実施形態では、上記のように、加熱部５１が、変成器(トランス)に搭載されている。また、加熱部５１と変成器（トランス）は、コイルリード（不図示）で接続されている。変成器(トランス)は、例えば、マッチングトランスやカレントトランスである。

【0023】

加熱部５１は、鋼材Ｗに印加する電圧の周波数を、０．３～４００ｋＨｚの範囲で調節可能である。高周波電源の機種、仕様により設定することができる。これによって、鋼材Ｗに高周波誘導加熱が生じる。

【0024】

本実施形態の制御部８０は、熱処理機構５０の加熱温度や加熱時間などを制御する。

【0025】

以上のように構成された鋼材接合体の製造装置１を用いた鋼材接合体の製造方法を以下に説明する。
（準備段階）
製造装置１は、重ね合わせ部１０の第１治具１１によって鋼材Ｗ１を保持し、第２治具１２によって鋼材Ｗ２を保持し、鋼材（W１とW２）をＺ方向において対向するように配置する。このとき、鋼材Ｗ１及び鋼材Ｗ２のＺ方向の長さが第１治具１１及び第２治具１２のＺ方向の長さよりも短い場合は、スペーサー等で第１治具１１及び第２治具１２よりもＺ方向の長さが長くなるように調節する。

【0026】

＜配置工程について＞
配置工程において、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、接合する鋼材（W１，W２）同士の少なくともどちらか一方の接合面（W１０及び／又はW２０：図４（ａ）及び図４（ｂ）では一方の接合面）に炭素質物質３０又は４０）を配置する。また、この際、前記炭素質物質は、後述する加熱工程での加熱時に前記接合面（W１０及びW２０）に液相Ｌ（図７参照：後述）が生成するように配置する。

【0027】

炭素質物質（３０、４０）は、接合する鋼材（W１，W２）同士の少なくともどちらか一方の接合面（W１０及び／又はW２０）に配置でき、この接合面同士（W１０とW２０）が一体化することができれば、材質、形状は、特に限定されない。例えば、図４（ａ）に示す粉末状の炭素質物質（３０）や図４（ｂ）に示すシート状の炭素質物質（４０）を用いることができる。ここで、粉末状の炭素質物質（３０）を用いる場合は、接合面（W１０及び／又はW２０）に塗布することで配置することができる。シート状の炭素質物質（４０）を用いる場合には、接合面（W１０及び／又はW２０）に直接的に配置することができる。

【0028】

＜重ね合わせ工程について＞
重ね合わせ工程において、図５（ａ）に示すように、第１治具１１によって保持されている鋼材W１を加圧部１３のピストンロッド１３１によってＺ方向に荷重をかけることで鋼材W１をＺ方向に移動させる。これによって、「配置工程」で配置した炭素質物質（３０）を介して上述した接合する鋼材（W１，W２）の接合面同士（W１０とW２０）を回転させずに重ね合わせる。この重ね合わせ工程では、鋼材（W１，W２）の接合面同士（W１０とW２０）を重ね合わせる際に、接合面同士を固定するために回転させずに荷重をかけることが好ましい。本実施形態の重ね合わせ工程では、このように、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の接合面同士（Ｗ１０とＷ２０）を固定するために回転させずに荷重をかけることで、鋼材同士（Ｗ１とＷ２）の接合力を高めることが可能である。

【0029】

＜加熱工程について＞
加熱工程において、図５（ａ）に示すように、「重ね合わせ工程」で接合面同士（Ｗ１０とＷ２０）を回転させずに重ね合わせた鋼材（Ｗ１０，Ｗ２０）を加圧部１３によって回転させずに重ね合わせた方向に荷重をかけながら熱処理機構５０により、加熱する。ここで、図５（ｂ）に示すように、鋼材（Ｗ１０，Ｗ２０）の加熱は、接合界面５０において液相Ｌが生成される範囲でおこなう（図６参照、後述）。

【0030】

なお、上述したように、配置工程において、前記炭素質物質は、加熱工程での加熱時に接合界面５０に液相Ｌが生成するように当該炭素質物質の質量が調整されて配置されている。
従って、このような炭素質物質が前記接合面に配置されているため、接合界面５０の炭素濃度が高くなる。よって、接合界面５０の引張強度及び曲げ強度が高くなるため、接合界面５０、すなわち鋼材同士の接合強度を高めることができる。

【0031】

また、本実施形態の製造装置１は、上述したように、回転させずに重ね合わせたり、回転させずに加熱したりするため、回転機構を設ける必要が無い。従って、本実施形態の製造装置１は、製造装置として低コスト化を図ることができる。

【0032】

なお、前記炭素質物質の加熱時に前記接合界面５０に液相Ｌ（図６参照）が生成するように当該炭素質物質の質量を調整して配置するためには、例えば、製品になる鋼材接合体と形状及び炭素濃度が同じ素材である鋼材（Ｗ１，Ｗ２）を用いて接合界面５０に配置する炭素質物質の質量を変化させて、それぞれを同じ加熱接合試験を行い、後述する接合率を評価することで、液相Ｌが生成する適切な炭素質物質の質量を決定することができる。

【0033】

前記炭素質物質は、前記加熱工程で前記接合面全面に液相が生成するように配置することが好ましい。
炭素質物質を、前記接合面全面に液相が生成するように配置することで、接合面全面で接合することができる。従って、鋼材同士の接合強度を更に向上させることができる。

【0034】

本発明の加熱工程は、高周波誘導加熱により行うことが好ましい。高周波誘導加熱は、所望の温度まで正確に急速加熱することができるため、上述した鋼材接合体（Ｗ３０）を製造することができる。

【0035】

そして、本発明の加熱工程において、鋼材（Ｗ１，Ｗ２）の接合界面５０で生成された液相Ｌが消滅した段階で、鋼材同士（Ｗ１とＷ２）が接合することになる（図５（ｂ））。本発明の加熱工程における当該加熱後の冷却手段は、特に限定されず、従来公知のガス冷却やポリマー等の冷却剤等による噴射冷却等を採用することができる。

【0036】

以上に本発明が備える各工程について説明したが、次に、これら各工程を行い鋼材の接合力が高められるメカニズムの具体例を図面を用いて説明する。
図６は、本発明の効果を説明するための鉄－セメンタイト系の状態図である。

【0037】

図６より、鋼材と炭素質物質との接合界面において液相Ｌが生成する温度は１１５０℃以上１５００℃以下である。
具体的には、鋼材同士の接合面付近の温度が、例えば１２５０℃に達すると、鋼材と炭素質物質との界面において炭素濃度が３．５ｍａｓｓ％の液相Ｌが生成する（図６中□で示す部分を参照）。この液相Ｌは、炭素質物質が無くなるまで増加する（図７（ｂ）を参照）。

【0038】

１２５０℃における「オーステナイト相γ」領域と「オーステナイト相γ＋液相Ｌ」領域との界面（図６中〇で示す部分を参照）の炭素濃度は１．６ｍａｓｓ％である。そのため、１２５０℃では、鋼材の殆どがオーステナイト相γ単相となる。ちなみに、炭素含有量が１．６ｍａｓｓ％を超える場合に関しては、オーステナイト相γと液相Ｌの二相が共存したものとなる。１２５０℃での炭素の拡散は極めて速く、この温度に保持すると、炭素は、鋼材の接合面から内部のオーステナイト相γ内に速い速度で拡散していく。その結果、この液相Ｌとオーステナイト相γ界面において、オーステナイト相γ側は炭素濃度を１．６ｍａｓｓ％に保とうとして液相Ｌ側から炭素を奪い取り、また、液相Ｌは炭素濃度を３．５ｍａｓｓ％に保とうとするため液相Ｌが減少する（図７（ｃ）を参照）。液相Ｌは、最終的に消滅して鋼材同士の接合が完了する（図７（ｄ）を参照）。

【0039】

本発明の加熱工程における本発明の効果を加熱温度１２５０℃で説明したが、上述した本発明の効果は、図６における鉄－セメンタイト系の状態図や後述する実施例から、「オーステナイト相γ」領域と「オーステナイト相γ＋液相Ｌ」領域が形成される温度範囲（加熱温度が１１５０℃以上１５００℃以下）で得られると考えられる。
以上のように、前記接合面に液相Ｌが生成するように炭素質物質の質量を調整して当該炭素質物質を配置し、前記接合面同士を重ね合わせた鋼材を１１５０℃以上１５００℃以下で加熱することで上記接合を行うことができる。

【0040】

前記加熱温度は、１１５０℃以上１３００℃以下であることが好ましい。加熱温度を１３００℃以下とすることで、鋼材を加熱するための加熱部材（コイル等）の冷却を効率的に行うことができると共に、鋼材接合体自体の熱による変形等も抑制することができる。なお、加熱工程における前記加熱温度は、接合する鋼材の接合界面５０から２ｍｍ以内の鋼材（素材）側の外周面に溶接した白金ロジウム熱電対により測定することができる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明に係る鋼材接合体の製造装置によれば、鋼材同士の接合強度を向上させることができる。従って、本発明に係る鋼材接合体の製造装置は、鋼材接合体を備える様々な構造物の製造に好適に採用することができる。

【符号の説明】

【0042】

１ 製造装置
１０ 重ね合わせ部
１１ 第１治具
１２ 第２治具
１３ 加圧部
１３１ ピストンロッド
１４ 加圧受け部
５０ 熱処理機構
５１ 加熱部
８０ 制御部
Ｗ１ 鋼材
Ｗ２ 鋼材
Ｗ１ａ 側面部
Ｗ２ａ 側面部
Ｗ１０ａ 接合面
Ｗ２０ｂ 接合面
Ｗ３０ 鋼材接合体
Ｗ１００ 接合界面
３０ 炭素質物質
４０ 炭素質物質
γ オーステナイト相
Ｌ 液相

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】