特開 2023-8532 回転摩擦溶接による金属の接合方法および接合構造

(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】P2023008532

(43)【公開日】2023-01-19

(54)【発明の名称】回転摩擦溶接による金属の接合方法および接合構造

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20230112BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021112173

(22)【出願日】2021-07-06

(71)【出願人】

【識別番号】518283506

【氏名又は名称】エードス株式会社

(72)【発明者】

【氏名】上谷 宏二

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA02

4E167AA06

4E167BF02

4E167DC02

(57)【要約】

【課題】回転摩擦溶接による金属の接合の方法および構造に関する技術であり、特に、新規の鋼構造物の接合および既存の鋼構造物の補修に用いる接合の方法および構造を提供する。
【解決手段】第１の金属１０の裏面１２と第２の金属２０の表面２１を対向させて配置し、第１の金属１０に第１の金属１０の裏面１２と第２の金属２０の表面２１とを貫く直線を回転軸７１とする回転対称形状の貫通孔１４を空所５０として加工し、接合金属４０を空所５０に挿入し、接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１における第２の金属２０の表面２１との接触部６０に押圧力ｐを加えた状態で接合金属４０を回転軸７１周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、接触部６０近傍を溶融させて溶融金属８０を生成させ隙間６５に充填させることにより、第１の金属１０を第２の金属２０に接合する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転摩擦によって接合金属を介して第１の金属を第２の金属に接合する接合方法であって、前記第１の金属と前記第２の金属とを重ねた位置に配置すると共に前記第１の金属の裏面と前記第２の金属の表面を対向させて配置し、前記第１の金属に前記第１の金属の前記裏面と前記第２の金属の前記表面とを貫く直線を回転軸とし前記第２の金属の前記表面に達する回転対称形状の貫通孔を前記貫通孔の内周面を側周面とし前記第２の金属の前記表面を底部とする空所として加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部における前記第２の金属の前記表面との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を前記回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止し前記溶融金属を凝固させて前記第２の金属の前記表面近傍の組織と一体化させると共に前記第１の金属の前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第１の金属を前記第２の金属に接合することを特徴とする回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項2】

前記接合金属を介しての前記第１の金属の前記第２の金属への接合は、接合面に主としてせん断力が作用するせん断接合であることを特徴とする請求項１に記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項3】

前記接合金属を介しての前記第１の金属の前記第２の金属への接合は、接合面に主として引張力が作用する引張接合であることを特徴とする請求項１に記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項4】

前記接合金属の前記先端部の側に縮径部が形成されることを特徴とする請求項１乃至３に記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項5】

前記第１の金属の前記貫通孔の前記裏面の側に拡径部が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項6】

前記第２の金属の前記表面に前記回転軸に対する回転対称形状を持ち前記第１の金属の前記貫通孔の前記裏面における径よりも大きい径を有する凹部が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項7】

前記第２の金属の前記表面に前記回転軸に対する回転対称形状を持ち前記第１の金属の前記貫通孔の前記裏面における径と同じ径を有する凹部が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項8】

前記凹部の母線が前記貫通孔の母線に滑らかに連続するように形成されることを特徴とする請求項７に記載の回転摩擦による金属の接合方法。

【請求項9】

請求項１乃至８のいずれかに記載の方法により、前記接合金属を介して前記第１の金属を前記第２の金属に接合することを特徴とする回転摩擦による金属の接合構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転摩擦溶接による金属の接合の方法および構造に関する技術である。特に、金属は鋼材であって、新規の鋼構造物の接合および既存の鋼構造物の補修に用いられる接合に関する技術である。

【背景技術】

【0002】

図１６に従来の摩擦圧接法による鋼材の接合例を示す。図１６（ａ）に示すように、第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０とを押圧（摩擦圧力）しつつ第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０との接触部２６０に生ずる摩擦により接触部２６０近傍の材料組織を溶融または軟化させた後、さらに大きな押圧（アプセット圧力）を付加して一体化させる第１の鋼材２１０と第２の鋼材２２０との接合方法および接合構造である。摩擦圧接法の場合、図１６（ｂ）に示すように、溶融により液状化した接触部２６０近傍の組織は摩擦圧力およびアプセット圧力により摩擦面から排出されてバリ２８１の大部分を形成し、通常は接合に有効利用されることはない。一方、軟化した固体組織は摩擦面近傍に残存し鋼材同士の固体接合に寄与する。

【0003】

特許文献１には、ステンレス鋼の丸棒と黄銅の丸棒との先端を接するように接触部を加工して、接触部同士を押圧しつつ相互に相対回転させて生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献２には、２本のパイプの間に同径のリング部材を挟むように接触させて配置し、リング部材とパイプとに接触部を形成して、両側のパイプをリング部材に押圧しつつリング部材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて、最終的に両側のパイプとリング部材とを一体化させて接合する、いわゆるインサート法と称されている摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献３には、２本の鉄筋の間に鉄筋と同断面形状短尺の接合補助材を挟むように接触させて配置し、接合補助材とそれぞれ鉄筋の先端に接触部を形成し、両側の鉄筋を接合補助材に押圧しつつ接合補助材を回転させることにより生じる摩擦により接触部近傍の材料組織を溶融または軟化させて一体化させる摩擦圧接法および接合構造が提示されている。特許文献４には、空所に該空所より若干大径の棒状の挿入物を挿入させるに際し、挿入物に回転運動と挿入方向に大きな力を加え、空所入口近傍さらには空所内部を摩擦発熱によって軟化または溶融させ徐々に挿入物を挿入させる方法が提示されている。

【0004】

出願人らによる特許文献５および６では、図１７に示す回転摩擦溶接による接合技術を提供している。第１の鋼材３１０の端面３１１と第２の鋼材３２０の端面３１２とに跨り回転対称形状で側周面３５２と底部３５１を有する空所３５０を加工し、接合金属３４０の先端部３４７と空所３５０の底部３５１との接触部３６０に押圧力ｐを加えた状態で接合金属３４０を回転軸３７１周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、摩擦による摩擦熱を利用して回転摩擦面３６２近傍の材料組織を溶融させて溶融金属３８０を生成し、液体化した溶融金属３８０を接合金属３４０の側周面３４２と空所３５０の側周面３５２との隙間３６５に充填させ、隙間３６５近傍の組織と一体化させることにより接合金属３４０を介して第１の鋼材３１０と第２の鋼材３２０とを接合する。この際、底部３５１と接合金属３４０とにも接合が生ずるが、底部３５１と接合金属３４０との接合には、主たる接合耐力としては期待していない。
一方、建築鋼構造の柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合は、溶接または高力ボルト摩擦接合のいずれかによる場合がほとんどである。建築鋼構造物において、図１８（ａ）に示すように水平力Ｓが載荷される一方の鋼板４１０を他方の鋼板４２０にせん断接合するには、従来技術では、図１８（ｂ）のように溶接ｗ（特に、隅肉溶接）によるか、図１８（ｃ）のようにボルトｂ（特に、高力ボルト摩擦接合）による。ところが、溶接ｗの場合には施工現場の環境や技術者の技量によって欠陥が生じ得る欠点があり、また、ボルトｂ（高力ボルト摩擦接合）の場合にはボルト孔による被接合鋼材の断面欠損やボルト孔の片側だけからの締め付けが困難といった欠点があり、これらの課題を解決できる新しい接合方法の提供が要望されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００－３０１２６４号公報

【特許文献2】特開２０００－０９４１５７号公報

【特許文献3】特開２０１１－１５２５６３号公報

【特許文献4】特開昭５２－０７５６４１号公報

【特許文献5】国際公開第２０１９／０４４８６２号

【特許文献6】特開２０１８－１１１１２８号公報

【特許文献7】特願２０２０－１８４１５１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の摩擦圧接法は、鉄筋のように比較的小規模な鋼材の接合に実用化されている。ただし、特許文献３の長尺の鉄筋の場合は、回転するのに大規模な設備が必要である。特許文献４の方法では、空所入口近傍で接合に寄与しないバリが多く発生し、挿入を妨害するのでそれに打ち勝つような多大な力が必要である。さらにこれらの方法を建築鋼構造の柱や梁のように大規模な鋼材の接合に適用しようとすると、押圧および摩擦を加えるために要する加圧機構や動力機構の性能が巨大化して、建築鋼構造の工事現場での現場接合に適用することは困難である。一方、出願人による特許文献５、特許文献６では、大規模な鋼材の接合に適用できる回転摩擦溶接による接合方法および接合構造を提供した。また、出願人による特許文献７では、比較的小さな機構で、好ましくは携帯可能なサイズの装置を提示している。しかし、これら回転摩擦溶接による金属の接合の方法および構造については具体的な方法および構造を提示していない。
本発明は、回転摩擦溶接による金属の接合の方法および構造に関するものである。特に、金属は鋼材であって、新規の鋼構造物の接合および既存の鋼構造物の補修に用いられる接合の方法および構造を提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１の発明では、
回転摩擦によって接合金属を介して第１の金属を第２の金属に接合する接合方法であって、前記第１の金属と前記第２の金属とを重ねた位置に配置すると共に前記第１の金属の裏面と前記第２の金属の表面を対向させて配置し、前記第１の金属に前記第１の金属の前記裏面と前記第２の金属の前記表面とを貫く直線を回転軸とし前記第２の金属の前記表面に達する回転対称形状の貫通孔を前記貫通孔の内周面を側周面とし前記第２の金属の前記表面を底部とする空所として加工し、前記接合金属は、容易に前記空所に挿入されうる形状の回転対称体であって、前記接合金属を前記空所に挿入し、前記接合金属の先端部と前記空所の前記底部における前記第２の金属の前記表面との接触部に押圧力を加えた状態で前記接合金属を前記回転軸周りに回転させて摩擦を生ぜしめ、前記摩擦による摩擦熱を利用して前記接触部近傍の材料組織を溶融させて溶融金属を生成し、前記溶融金属を前記接合金属の先端部に生じる押圧力と回転運動を利用して前記接合金属の前記側周面と前記空所の前記側周面との隙間に充填させ、ついで回転運動を停止し前記溶融金属を凝固させて前記第２の金属の前記表面近傍の組織と一体化させると共に前記第１の金属の前記隙間近傍の組織と一体化させることにより前記接合金属を介して前記第１の金属を前記第２の金属に接合する。
ここで、第１の金属および第２の金属の材質は、任意の構造用金属であって、接合金属の材質は、摩擦により溶融して、第１の金属と接合金属および第２の金属と接合金属とを一体化することが可能な金属である限り任意である。例えば、鋼材、合金鋼材、アルミニウム材、アルミニウム合金材などが挙げられる。空所の形状および接合金属の形状は、接合金属を空所に押し付けつつ回転することが容易な、任意の単調変化する曲線を母線とする回転対称形状である。また、「側周面」とは、回転対称形状における母線の生成する面を意味する。接合金属は回転対称形状の側周面を有する回転対称体であって、「容易に空所に挿入されうる」とは、接合金属の側周面と空所の側周面との間に適度の隙間を有して挿入が容易なことを意味する。なお、上記の回転対称形状には、概略回転対称である例えば正八角柱形状や正八角錐形状などの形状をも含む。
本発明による接合方法による接合金属を介する第１の金属と第２の金属との「接合」には、任意の荷重が作用可能である。すなわち、第１の金属の裏面と前記第２の金属の表面を対向させて配置した面を接合面と定義し、接合面に主としてせん断力が作用するせん断接合（段落２５および図４参照）、接合面に主として引張力が作用する引張接合（（段落２６および図５参照）、接合面に主として曲げモーメントが作用する曲げモーメント接合、接合面に主として捩りモーメントが作用する捩りモーメント接合と称するとき、本発明の「接合」には、せん断接合、引張接合、曲げモーメント接合、捩りモーメント接合およびこれらの複合的な接合を含む。

【0008】

請求項２の発明では、
前記接合金属を介しての前記第１の金属の前記第２の金属への接合は、接合面に主としてせん断力が作用するせん断接合である。
ここで、第１の金属の裏面と前記第２の金属の表面を対向させて配置した面を接合面と定義し、接合面に主としてせん断力が作用するせん断接合（段落２５および図４参照）とする。

【0009】

請求項３の発明では、
前記接合金属を介しての前記第１の金属の前記第２の金属への接合は、接合面に主として引張力が作用する引張接合である。
ここで、第１の金属の裏面と前記第２の金属の表面を対向させて配置した面を接合面と定義し、接合面に主として引張力が作用する引張接合（（段落２６および図５参照）とする。

【0010】

請求項４の発明では、
前記接合金属の前記先端部の側に縮径部が形成される。
このような縮径部を設けることにより接触部に作用する押圧力を大きくすることができる。

【0011】

請求項５の発明では、
前記第１の金属の前記貫通孔の前記裏面の側に拡径部が形成される。
このようにすると、溶融金属の侵入する空隙の外径が大きくなり、せん断応力が生ずる接合部面積を大きくすることができて接合強度が増大する。

【0012】

請求項６の発明では、
前記第２の金属の前記表面に前記回転軸に対する回転対称形状を持ち前記第１の金属の前記貫通孔の前記裏面における径よりも大きい径を有する凹部が形成される。
このようにしても、溶融金属の侵入する空隙の外径が大きくなり、せん断応力が生ずる接合部面積を大きくすることができて接合強度が増大する。さらには、接合金属本体の棒状部分が第1の金属と第２の金属との接合面を貫入して閂効果が発現し、一層安定性の高いせん断力伝達機構が形成される。

【0013】

請求項７の発明では、
前記第２の金属の前記表面に前記回転軸に対する回転対称形状を持ち前記第１の金属の前記貫通孔の前記裏面における径と同じ径を有する凹部が形成される。
このようにしても、接合金属本体の棒状部分が第1の金属と第２の金属との接合面を貫入して閂効果が発現し、一層安定性の高いせん断力伝達機構が形成される。

【0014】

請求項８の発明では、
前記凹部の母線が前記貫通孔の母線に滑らかに連続するように形成される。
このようにすると面と面とが有限の角度を持って交わる隅角部で生じやすい空隙（ポア
）の発生を防止できる。

【0015】

請求項９の発明では、
請求項１乃至８のいずれかに記載の方法により、前記接合金属を介して前記第１の金属を前記第２の金属に接合することを特徴とする回転摩擦による金属の接合構造である。

【発明の効果】

【0016】

本発明により、回転摩擦溶接により金属の接合の方法および構造が提示された。特に、金属は鋼材の場合であって、本発明の回転摩擦溶接を用いて、新規の鋼構造物の接合および既存の鋼構造物の補修の接合が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態の施工前の状態を説明する図である。図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、断面図である。

【図2】第１実施形態の施工後の接合部の詳細を示す図である。

【図3】第１実施形態の実施手順を説明する図である。

【図4】第１実施形態における水平力を伝達するせん断接合を説明する図である。

【図5】第１実施形態における垂直力を伝達する引張接合を説明する図である。

【図6】接合金属４０の先端部に形成された縮径部を示す図である。

【図7】第１の金属の貫通孔に形成された拡径部を示す図である。

【図8】第２の金属の表面に形成された凹部を示す図である。

【図9】第２の金属の表面に形成された凹部を示す図である。

【図10】第２の金属の表面に形成された凹部を示す図である。

【図11】第１実施形態の変形例を説明する図である。

【図12】第２実施形態を説明する図である。

【図13】第３実施形態を説明する図である。

【図14】試験体および載荷試験を説明する図である。

【図15】載荷試験により得られた荷重変形Ｆ‐δ曲線である。

【図16】従来技術を説明する図である。

【図17】出願人らによる従前の出願の技術を説明する図である。

【図18】従来のせん断接合を説明する図である。

【図19】載荷試験結果。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

【0019】

本発明の第１実施形態を、図１および図２を参照して説明する。第１の金属１０は、表面１１と裏面１２とを持つ金属である。一方、第２の金属２０は、少なくとも表面２１を持つ金属である。第２の金属２０は、第１の金属と同様の表面２１と裏面２２とを持つ金属であってよいが、金属塊のように表面２１のみを持つ金属であってよい。本実施形態は、第１の金属１０を第２の金属２０に接合金属４０を介して接合する接合の方法を示している。
本実施形態では、第１の金属１０および第２の金属２０は、それぞれ鋼材ＳＮ４００厚さ２２ｍｍの鋼板であり、第１の金属１０と第２の金属２０とを重ねた位置に配置すると共に第１の金属１０の裏面１２と第２の金属２０の表面２１を対向させて配置し第１の金属１０と第２の金属２０とを貫く直線を回転軸７１とし、直径２１．０ｍｍの円筒形状の貫通孔１４をその内周面を側周面５２とし、第２の金属２０の表面２１を底部５１とする空所５０を加工する。第１の金属１０の裏面１２と第２の金属２０の表面２１を対向させて配置した面を接合面３０と定義する。このとき、第１の金属１０の裏面１２と第２の金属２０の表面２１とは、面接触（メタルタッチ）状に配置されることが望ましいが、表面の凹凸や不可避の建方誤差等に伴う微小のスキ・ズレは許容される。一方、接合金属４０は、ＳＮ４００金属であり接合金属本体４１が直径２０．０ｍｍの円柱体である。接合金属４０を空所５０に挿入し、接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１における第２の金属２０の表面２１との接触部６０に押圧力ｐを加えた状態で接合金属４０に回転対称軸７１回りに回転を与えて、回転摩擦面６２に回転摩擦を生ぜしめる。ここで回転速度ωは３０００ｒｐｍで押し付け力Ｐは１８８４０Ｎである。（接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面を６２ａとする。）摩擦熱によって接触部６０近傍に生ずる接合部の溶融金属８３を形成すると共に、溶融金属８０を先端部４７に生じる押圧力ｐと回転運動を利用して接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６５に充填部の溶融金属８５として充填せしめ、隙間６５の全域が充填されたときに回転運動を停止させ。その後の一定時間、アプセット圧力として押圧力ｐを保持し、温度低下に伴って溶融金属８０は凝固して、第２金属２０の表面２１近傍の組織と一体化させると共に第１の金属１０の隙間６５近傍の組織と一体化させることにより、接合金属４０を介して第１の金属１０と第２の金属２０とを接合する。ところで、本実施形態では、空所５０および接合金属４０をそれぞれ円筒形状、円柱体としたが、単調変化する曲線を母線とする回転対称形状の側周面４２を有するものとしてもよい。

【0020】

図３は、第１実施形態における金属の接合方法の実施手順を段階的に示す。

【0021】

（手順１）図３（ａ）は、第１の金属１０に加工された貫通孔１４と第２の金属２０の表面２１による空所５０に、回転押圧装置７０に装着した円柱形状の接合金属４０を挿入し、接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間に接触部６０が生じた状態を示す。

【0022】

（手順２）図３（ｂ）は、接合中の状態を示す。接合金属４０に押し付け力Ｐを作用させ、押し付け力Ｐを一定に保持しながら接合金属４０を回転軸７１回りに回転速度ωで回転を与えることにより接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２にて摩擦を生ぜしめる。摩擦熱によって液体化した溶融金属８０は押し付け力Ｐによる押圧力ｐの作用で押し出され、接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６５に侵入していく。

【0023】

（手順３）図３（ｃ）は、接合後の状態を示す。接合金属４０の先端部４７と空所５０の底部５１との間の回転摩擦面６２（図３（ｂ）参照）における摩擦によって生成された溶融金属８０（図３（ｂ）参照）が、接合金属４０の側周面４２と空所５０の側周面５２との隙間６５の全域に充填されたときに接合金属４０の回転運動を停止させ、その後の一定時間、アプセット圧力として押圧力ｐを保持し、温度低下に伴って凝固した溶融金属８３が第１の金属１０の隙間６５近傍の組織と一体化すると共に凝固した溶融金属８５が第２金属２０の表面２１近傍の組織と一体化することにより接合が完了する。なお、図３（ｃ）中の６２ａは、接合完了時における接合金属の先端部４７と空所の底部５１との間の回転摩擦面を表す。

【0024】

なお、回転軸７１方向の押し付け力Ｐを加える方法、回転軸７１回りの回転を加える方法は任意である。

【0025】

図４は第１実施形態により接合金属４０を介して第１の金属１０を第２の金属２０に接合した接合面３０に、主としてせん断力Ｑが作用して「せん断接合」を構成する場合の外力の伝達を説明する図である。図４に示すように、接合面３０に対して水平な外力である水平力Ｓ１が、第１の金属の板厚中心位置に載荷され、溶融金属８５を介して接合金属４０の側周面４２に支圧応力σｂとして伝達され接合金属４０のせん断応力τ１となり、せん断応力τ１は接合面３０に伝達されてせん断力Ｑとして作用し、せん断力Ｑは溶融金属８３にせん断応力τ２として伝達され、第２の金属２０に水平力Ｓ１の反力としての水平力Ｓ２（＝Ｓ１）として伝達される。このとき、接合面３０には、水平力Ｓ１の載荷位置と水平力Ｓ２の載荷位置との間にずれｈによって（図示しない）偏心モーメントが生じ、接合面には垂直応力が生じる。

【0026】

図５は第１実施形態により接合金属４０を介して第１の金属１０を第２の金属２０に接合した接合面３０に、主として引張力Ｔが作用して「引張接合」を構成する場合の外力の伝達を説明する図である。図５に示すように、接合面３０に対して垂直な外力である垂直力Ｖ１ｌおよびＶ１ｒが、第１の金属の接合金属４０の回転軸７１から距離ｌｌおよび距離ｌｒの位置にそれぞれ載荷される。このとき、垂直力Ｖ１ｌおよびＶ１ｒは、Ｖ１ｌ＊ｌｌ＝Ｖ１ｒ＊ｌｒを満たして、回転軸７１の位置で曲げモーメントは生じないものとする。垂直力Ｖ１ｌおよびＶ１ｒは、溶融金属８５を介して接合金属４０の側周面４２にせん断応力τとして伝達され接合金属４０の引張応力σｔ１となり、引張応力σｔ１は接合面３０に伝達されて引張力Ｔとして作用し、引張力Ｔは溶融金属８３に引張応力σｔ２として伝達され、第２の金属２０に垂直力Ｖ１ｌおよびＶ１ｒの反力としての垂直力Ｖ２（＝Ｖ１ｌ+Ｖ１ｒ）として伝達される。

【0027】

図６に示すように、接合金属４０の先端部４７にテーパ形状の縮径部４６を設ける。このような縮径部を設けることにより、接触部６０の面積が空所５０の面積より小さくなり、同じ大きさの押し付け力Ｐに対して接触部６０に作用する押圧力ｐを大きくすることができ、回転摩擦の初期段階における属の溶融が促進される。

【0028】

図７に示すように、第１の金属１０の貫通孔１４の前記裏面１２の側に拡径部１７が形成されてもよい。このようにすると、溶融金属８０の侵入する空隙の外径が大きくなり、せん断応力τが伝達される接合部面積を大きくすることができて接合強度が増大する。

【0029】

図８に示すように、第２の金属２０の表面２１に回転軸７１に回転対称形状前記第１の金属１０の貫通孔１４の裏面１２における径よりも大きい径を有する凹部２５が形成されてもよい。このようにしても、溶融金属８３の侵入する空隙の外径が大きくなり、せん断応力τが伝達される接合部面積を大きくすることができて接合強度が増大する。さらには、接合金属本体４１の棒状部分が第１の金属１０と第２の金属２０との接合面３０を貫入して閂効果が発現し、一層安定性の高いせん断力伝達機構が形成される。

【0030】

図９及び図１０に示すように、第２の金属２０の表面２１に回転軸７１に回転対称形状前記第１の金属１０の貫通孔１４の裏面１２における径と同じ径を有する凹部２５が形成されてもよい。このようにすると、接合金属本体４１の棒状部分が第１の金属１０と第２の金属２０との接合面３０を貫入して閂効果が発現し、一層安定性の高いせん断力伝達機構が形成される。さらには、図１０に示すように、凹部２５の母線２５ａが貫通孔１４の母線１４ａに滑らかに連続するように形成されるのが望ましい。このようにすると、面と面とが有限の角度を持って交わる隅角部で生じやすい空隙（ポア）の発生を防止できる。

【0031】

第１実施形態の方法を応用すると、図１１に示すように２以上の第１の金属１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を重ね合わせ第２の金属２０に接合することができる。すなわち、２以上の第１の金属１０の裏面と表面をそれぞれ重ね合わせ、第２の金属２０にもっとも近い第１の金属１０の裏面と第２の金属２０の表面を重ね合わせて配置し、重ね合わせられた２以上の第１の金属１０を貫通する貫通孔１４を空所５０として加工し、この空所に挿入される接合金属４０を介して接合することができる。

【0032】

本発明の第２実施形態を、図１２を参照して説明する。一方および他方のフランジプレート１２０ａ、１２０ｂを同一面上に並べて配置し、一方および他方のフランジプレート１２０ａ、１２０ｂの表面１２１ａ、１２１ｂ上に跨るように表面側のスプライスプレート１１０ｃを配置する。このとき、第１の金属１１０ｃの裏面１１２ｃと第２の金属１２０ａの表面１２１ａおよび１２０ｂの表面１２１ｂを対向させて配置した面を接合面１３０と定義する。フランジプレート１２０ａ、１２０ｂの中心面に対称に一方および他方のフランジプレート１２０ａ、１２０ｂの裏面１２２ａ、１２２ｂ上にも跨るように裏面側のスプライスプレート１１０ｄを配置する。このとき、第１の金属１１０ｄの裏面１１２ｄと第２の金属１２０ａの裏面１２２ａおよび１２０ｂの裏面１２２ｂを対向させて配置した面を接合面１３０と定義する。本発明の第１の金属を表面側のスプライスプレート１１０ｃとし、第２の金属を一方のフランジプレート１２０ａとして、表面側のスプライスプレート１１０ｃに貫通孔１１４として空所５０を加工して、接合金属４０を空所５０に挿入して底部に回転摩擦させて溶融金属８０を生じさせることにより接合する。同様に表面側のスプライスプレート１１０ｃを他方のフランジプレート１２０ｂに接合する。その結果、一方のフランジプレート１２０ａを、表面側のスプライスプレート１１０ｃを介して、他方のフランジプレート１２０ｂと接合できる。さらに、同様にして、一方のフランジプレート１２０ａを、裏面側のスプライスプレート１１０ｄを介しても、他方のフランジプレート１２０ｂと接合できる。
図１２に示すように一方のフランジプレート１２０ａおよび他方のフランジプレート１２０ｂにそれぞれ水平力２Ｓが載荷されると接合面１３０に主としてせん断力Ｑ（＝Ｓ）が作用するせん断接合を構成する。なお、第２実施形態では接合金属４０は接合箇所ごとに表裏それぞれ一個としているが、接合金属４０の個数は、伝達すべき水平力Ｓに応じて適宜設計されてよい。

【0033】

本発明の第３実施形態を、図１３を参照して説明する。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１３（ａ）に示すように既存の第２金属２０の表面２１に亀裂２５が生じており、図１３（ｂ）に示すようにその補修として亀裂２７の両側の健全な部分を架け渡すように第１の金属１０を配置する。第１の金属１０のそれぞれに貫通孔１４を加工して接合金属４０を挿入し、本発明の方法により第１の金属１０を第２の金属２０に接合金属４０を介して接合することにより、既存の第２金属２０に生じた亀裂を補修する。なお、亀裂２７の進展を止めるために亀裂の先端にストップホール２９を設けてもよい。

【0034】

本発明の実施可能性と有効性を検証するために、図１２に示した第２実施形態と同じ形状の試験体を本発明の方法にて作成して載荷試験を行った。試験体のスプライスプレート（第１の金属）１１０、フランジプレート（第２の金属）１２０、および接合金属４０は、いずれも鋼材であり材質はＳＳ４００である。試験体の主要寸法は図１４に示した通りである。スプライスプレート１１０は厚さ１２．０ｍｍ、フランジプレート１２０は厚さ１９．０ｍｍ、接合金属４０は直径１４．０ｍｍの円柱体であり、スプライスプレート１１０に直径１５．０ｍｍの貫通孔１１４を加工して、試験体ごとに４箇所の接合箇所を有する。

【0035】

本試験に供された試験体は、下記のように試験体の作成における接合方法の条件を試験パラメータとするＮｏ．１～Ｎｏ．４の４体である。本発明の接合方法における接合金属４０に与える回転速度ωは３０００ｒｐｍであり、押圧力ｐの大きさとその継続時間が、Ｎｏ．１およびＮｏ．２では、６０ＭＰａ、２０秒であり（Ｎｏ．１とＮｏ．２は同一条件の試験体）、Ｎｏ．３では、３０ＭＰａ、３０秒、Ｎｏ．４では、３０ＭＰａ、４０秒である。なお、いずれの試験体でも継続時間にて回転を停止した後、押圧力ｐの大きさをアプセット圧力として６０秒間維持した。

【0036】

載荷試験は、図１４に示したように、一方および他方のフランジプレート１２０の両端から一定歪速度で引張荷重Ｆ（図１２における水平力２Ｓに相当）を単調増加し、接合箇所を介した一方および他方のフランジプレート１１０の間に設けた変位計で計測された変位δによる変位制御にて、接合箇所のいずれかにて破壊するまで載荷した。荷重変形Ｆ‐δ曲線を図１５に掲げる。荷重変形Ｆ‐δ曲線より得られる初期剛性Ｋｏ、降伏荷重Ｆｙ、最大荷重Ｆｍａｘおよび最大荷重時の接合箇所におけるせん断応力（最大せん断耐力）を、図１９に掲げる。

【0037】

Ｎｏ．１～Ｎｏ．４のいずれの試験体にても、図１９の表に掲げる初期剛性Ｋｏにて降伏荷重Ｆｙに達し、さらに最大荷重Ｆｍａｘを記録し接合箇所に有限の変形を生じ、接合箇所の一つにおける金属組織が中間的な耐力を保持したまま延びた荷重棚を呈した後、破断に至った。試験パラメータにより押圧力の大きさと継続時間の長さにより最大荷力Ｆｍａｘの増大の傾向が見られものの、すべての試験体にて最大荷重Ｆｍａｘを接合箇所の有効面積（＝貫通孔１１４の面積）で除して得られる最大せん断耐力τｍａｘは、ＳＳ４００である母材のせん断耐力τｕ（＝σｕ／√３）と同等の値が得られており、本発明の接合方法が有効であり請求項１に提示する「前記接合金属を介して前記第１の金属と前記第２の金属とを接合する」ことが確認された。また、載荷直後からすべり現象が見られず、初期剛性Ｋｏを維持して降伏荷重Ｆｙに至っており、請求項１に提示する「前記第２の金属の前記表面近傍の組織と一体化させると共に前記第１の金属の前記隙間近傍の組織と一体化させる」が実施可能なことが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0038】

回転摩擦溶接による金属の接合の方法および構造を提供した。特に、金属は鋼材であって、新規の鋼構造物の接合または既存の鋼構造物の補修における柱や梁などの鋼構造骨組を構成する鋼材の接合のための、溶接または高力ボルト摩擦接合に代わるまたは併用できる新しい接合方法および構造を提供した。

【符号の説明】

【0039】

１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）：第１の金属（被接合金属）
１１：第１の金属の表面
１２：第１の金属の裏面
１４：第１の金属に加工された貫通孔
１４ａ：第１の金属に加工された貫通孔の母線
１５：第１の金属の貫通孔の裏面の側に形成された拡径部
２０：第２の金属（被接合金属）
２１：第２の金属の表面
２２：第２の金属の裏面
２５：第２の金属の表面に形成された凹部
２５ａ：第２の金属の表面に形成された凹部の母線
２７：第２の金属の表面に生じた亀裂
２９：亀裂の進展を止めるためのストップホール
３０：第１の金属と第２の金属との接合面
４０：接合金属
４１：接合金属本体
４２：接合金属の側周面
４６：接合金属の先端部に形成された縮径部（テーパ部）
４７：接合金属の先端部
４７ａ：接合金属の先端面
４８：接合金属の基端部
５０：空所
５１：空所の底部
５２：空所の側周面
６０：接合金属の先端部と空所の底部との接触部
６２：接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
６２ａ：接合完了時における接合金属の先端部と空所の底部との間の回転摩擦面
６５：接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
７０：回転押圧装置
７１：回転対称体の回転軸
８０：溶融金属
８３：第２の金属の表面近傍の組織と一体化される溶融金属
８５：第１の金属の隙間近傍の組織と一体化される溶融金属

１１０：スプライスプレート（第１の金属）
１１０ｃ：表面側のスプライスプレート（第１の金属）
１１１ｃ：表面側のスプライスプレートの表面
１１２ｃ：表面側のスプライスプレートの裏面
１１０ｄ：裏面側のスプライスプレート（第１の金属）
１１１ｄ：裏面側のスプライスプレートの表面
１１２ｄ：裏面側のスプライスプレートの裏面
１１４：スプライスプレートに加工された貫通孔
１２０：フランジプレート（第２の金属）
１２０ａ：一方のフランジプレート（第２の金属）
１２１ａ：一方のフランジプレートの表面
１２２ａ：一方のフランジプレートの裏面
１２０ｂ：他方のフランジプレート（第２の金属）
１２１ｂ：他方のフランジプレートの表面
１２２ｂ：他方のフランジプレートの裏面
１３０：第１の金属と第２の金属との接合面

２１０：従来技術における第１の鋼材
２２０：従来技術における第２の鋼材
２６０：従来技術における接触部
２８１：従来技術におけるバリ

３１０：従前出願における第１の鋼材
３１１：従前出願における第１の鋼材の端面
３２０：従前出願における第２の鋼材
３２１：従前出願における第２の鋼材の端面
３４０：従前出願における接合金属
３４２：従前出願における接合金属の側周面
３４７：従前出願における接合金属３４０の先端部
３４８：従前出願における接合金属３４０の基端部
３５０：従前出願における空所
３５１：従前出願における空所の底部
３５２：従前出願における空所の側周面
３６０：従前出願における接合金属の先端部３４７と空所３５０の底部３５１との接触部
３６２：従前出願における回転摩擦面
３６５：従前出願における接合金属の側周面と空所の側周面との隙間
３７１：従前出願における回転対称体の回転軸
３８０：従前出願における溶融金属

４１０：従来技術における一方の鋼材
４２０：従来技術における他方の鋼材

Ｐ：押し付け力
ｐ：押圧力
ω：回転速度
Ｓ：一方の鋼材またはスプライスプレートに載荷される水平力
ｗ：溶接
ｂ：ボルト
Ｓ１：水平力
Ｓ２：水平力Ｓ１の反力としての水平力
ｈ：水平力Ｓ１の載荷位置と水平力Ｓ２の載荷位置との間にずれ
σｂ：支圧応力
τ１、τ２：せん断応力
Ｑ：せん断力
Ｖ１ｌ、Ｖ１ｒ：垂直力
Ｖ２：垂直力Ｖ１ｌ、Ｖ１ｒの反力としての垂直力
ｌｌ、ｌｒ：垂直力Ｖ１ｌ、Ｖ１ｒの回転軸７１から距離ｌｌ、ｌｒ
τ：せん断応力
σｔ１、σｔ２：引張応力
Ｔ：引張力
Ｆ：試験体の載荷荷重
δ：試験体に装備された変位計で計測される変位

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】