特開 2024-128614 管接合方法及び装置

(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】P2024128614

(43)【公開日】2024-09-24

(54)【発明の名称】管接合方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240913BHJP

   B23K 101/06 20060101ALN20240913BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 368

B23K20/12 310

B23K20/12 340

B23K101:06

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023037679

(22)【出願日】2023-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【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】100112140

【弁理士】

【氏名又は名称】塩島 利之

(74)【代理人】

【識別番号】100119297

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 正男

(72)【発明者】

【氏名】藤井 英俊

(72)【発明者】

【氏名】森貞 好昭

(72)【発明者】

【氏名】矢野 良明

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA02

4E167AA03

4E167AA06

4E167AA29

4E167BG04

4E167BG09

4E167BG28

4E167BG31

4E167CA21

4E167DA14

4E167DC06

(57)【要約】

【課題】管の突合せ部を内面側から摩擦攪拌接合する管接合方法において、突合せ部の接合終端部にツールの穴を残さないようにすることができる管接合方法を提供する。
【解決手段】管２の内面に軸方向にタブ５を設置する。回転するツール４を管１，２の突合せ部３に内面側から挿入し、ツール４を管１，２の突合せ部３の周方向に相対的に移動させて、管１，２を周接合する。その後、ツール４をタブ５へと軸方向に移動させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

管の内面に軸方向にタブを設置する工程と、
回転するツールを管の突合せ部に内面側から挿入し、前記ツールを管の突合せ部の周方向に相対的に移動させて、管を周接合する工程と、
その後、前記ツールを前記タブへと軸方向に移動させる工程と、を備える管接合方法。

【請求項2】

前記タブが管の突合せ部に向かって先細る勾配が５度以下のテーパ形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の管接合方法。

【請求項3】

前記ツールを前記タブへと軸方向に移動させる際、前記ツールを軸方向から逆方向に傾けることを特徴とする請求項１又は２に記載の管接合方法。

【請求項4】

前記タブが管の突合せ部の接合中心線から前記ツールのショルダの半径以上離れて設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の管接合方法。

【請求項5】

前記タブの管との当接面は、管の内面に向かって凸の断面円弧状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の管接合方法。

【請求項6】

ツールを回転駆動するツール回転ユニットと、
前記ツールを管の突合せ部に内面側から挿入する加圧ユニットと、
前記ツールを管の突合せ部の周方向に相対的に移動させる旋回ユニットと、
管の内面に軸方向に設置されたタブへと前記ツールを軸方向に移動させる軸方向移動ユニットと、を備える管接合装置。

【請求項7】

前記ツールを前記タブへと軸方向に移動させる際、前記ツールを軸方向から逆方向に傾ける角度変更ユニットを備えることを特徴とする請求項６に記載の管接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、管の突合せ部を内面側から摩擦攪拌接合する管接合方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding: FSW）は、１９９１年にイギリスのＴＷＩで開発された固相接合法の一種であり、従来の溶接法にはない種々の特徴を有する。例えば、最高到達温度が融点に達せず、固相状態での接合になるため、接合部における強度低下が溶接法に比べて小さいという特徴を有する。

【0003】

特許文献１には、管の突合せ部を外面側から摩擦攪拌接合する管接合方法が開示されている。この管接合方法では、まず回転するツールを管の外面側から突合せ部に押し込む（挿入する）。回転するツールの挿入により、ツールと突合せ部の材料との間で摩擦熱が発生し、材料の温度が上昇する。材料が十分に加熱されて塑性流動を開始できる温度まで到達すると、材料は回転するツールの周りをツールの回転方向に流動する。このとき、ツールの両側に配置された材料の一部が強制的に混合されてツールの周辺領域での接合が実現する。ツールを管の突合せ部の周方向に接合線に沿って移動させると、ツールが移動した後側に連続的に接合部が形成されていき、管の周接合が実現する。目的の位置に到達したところでツールを引き抜けば、接合が完了する。

【0004】

しかし、単にツールを引き抜いただけであると、ツールを引き抜いた接合終端部にツールの穴が残るという課題がある。ツールの穴が残らないように、特許文献１に記載の管接合方法では、図９（ａ）に示すように、ツール２１を管２０の外面側から突合せ部に挿入し、管２０の周接合を開始した後、図９（ｂ）に示すように、管２０の接合終端部２３の接線方向にタブ２４を設置し、図９（ｃ）に示すように、ツール２１をタブ２４へと移動させている。そして、ツール２１をタブ２４から引き抜いてタブ２４にツール２１の穴を残し、管２０の接合終端部２３にツール２１の穴を残さないようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００－４２７６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、管の突合せ部を内面側から摩擦攪拌接合することが要請される場合がある。なぜならば、管の突合せ部を外面側から摩擦攪拌接合する場合、ツールを突合せ部に押し込むときの反力を受けるために管接合装置が大型化し易いからである。ツールを管の突合せ部に内面側から押し込めることができれば、ツールを突合せ部に押し込むときの反力を管内に閉じ込めることができ、管接合装置をコンパクトにすることができる。

【0007】

このため、管の突合せ部を内面側から摩擦攪拌接合することが要請される場合がある。内面側から摩擦攪拌接合する場合も、ツールを引き抜いた接合終端部にツールの穴が残るという課題がある。

【0008】

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたもので、管の突合せ部を内面側から摩擦攪拌接合する管接合方法及び装置において、突合せ部の接合終端部にツールの穴を残さないようにすることができる管接合方法及び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】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、管の内面に軸方向にタブを設置する工程と、回転するツールを管の突合せ部に内面側から挿入し、前記ツールを管の突合せ部の周方向に相対的に移動させて、管を周接合する工程と、その後、前記ツールを前記タブへと軸方向に移動させる工程と、を備える管接合方法である。

【0010】

本発明の他の態様は、ツールを回転駆動するツール回転ユニットと、前記ツールを管の突合せ部に内面側から挿入する加圧ユニットと、前記ツールを管の突合せ部の周方向に相対的に移動させる旋回ユニットと、管の内面に軸方向に設置されたタブへと前記ツールを軸方向に移動させる軸方向移動ユニットと、を備える管接合装置である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、管の内面に軸方向に設置されたタブにツールの穴を残し、管の突合せ部の接合終端部にツールの穴を残さないようにすることができる。また、管の内側にはツールを備える管接合装置が存在するので、管の周接合中に管の内面に周方向にタブを設置するのは困難であるが、管の周接合前に管の内面に軸方向にタブを設置するので、タブの設置が容易である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態の管接合方法の模式図（管の斜視図）である。

【図2】軸に沿ったタブの断面図である。

【図3】軸に沿ったタブの他の例の断面図である。

【図4】本発明の第２実施形態の管接合方法の模式図（軸に沿ったタブの断面図）である。

【図5】本発明の一実施形態の管接合装置の模式図（軸に沿った管の断面図）である。

【図6】本実施形態の管接合装置の模式図（ツールをタブに向かって移動させた状態）である。

【図7】本実施形態の管接合装置の模式図（ツールを軸方向から逆方向に傾けた状態）である。

【図8】本実施形態の管接合装置の模式図（ツールをタブに移動させた状態）である。

【図9】従来の管接合方法の工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の管接合方法及び装置を説明する。ただし、本発明の管接合方法及び装置は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（第１実施形態の管接合方法）

【0014】

図１は、本発明の第１実施形態の管接合方法の模式図である。図１において、符号１，２は、２つの管である。管２の内面をわかり易く示すために、管１を想像線で示す。２つの管１，２は、端面同士が突き合わされる。２つの管１，２の突合せ部３は、後述するように内面側から全周に亘って摩擦攪拌接合される。摩擦攪拌接合後に２つの管１，２の突合せ部３が接合部３になる。接合部３の中心が接合中心線である。なお、管１，２の管種は、鋼、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金等のいずれでもよく、２つの管１，２で管種が異なってもよい。また、管１，２は、埋設管でも地上露出管でもよい。管１，２には、塗覆装を形成しても形成しなくてもよい。

【0015】

ツール４は、プローブ４ａ（ピンとも呼ばれる）とショルダ４ｂを備える。ツール４は軸線を中心に回転駆動される。プローブ４ａは、管の突合せ部内に進入して摩擦熱を生じさせ、プローブ４ａの周囲に塑性流動を誘起する。ショルダ４ｂは、管の突合せ部の表面に接触して摩擦熱を生じさせ、管の突合せ部の表面近傍に塑性流動を誘起する。

【0016】

プローブ４ａの形状は、円柱状、円錐状、三角錐状、断面楕円状等である。プローブ４ａには、通常はねじが切られるがねじを切らなくてもよい。プローブ４ａの形状は、用途に合わせて使い分けられる。プローブ４ａの長さは、管１，２の板厚と略等しい。ショルダ４ｂは、プローブ４ａよりも大径である。ショルダ４ｂの底面は、内径側が盛り上がった凸面、平面、内径側が窪んだ凹面等である。ショルダ４ｂの底面に螺旋状の突起を設けてもよい。ツール４の材質には、管１，２よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうるものが用いられる。例えば管１，２が鋼管の場合、ツール４にはＰＣＢＮ、セラミックス材料、超硬合金等が用いられる。管１，２がアルミニウム合金管の場合、ツール４には工具鋼等が用いられる。

【0017】

管２の内面には、軸方向にタブ５が設置される。タブ５は、軸方向に延びる。タブ５は、接合終端部３ａにツール４の穴を残さないようにするために設置される。タブ５は、軸方向断面が略三角形であり、管２との当接面５ａとツール４が到達する傾斜面５ｂを有する。当接面５ａは、管２の内面に向かって凸の断面（軸直角断面）円弧状に形成される。当接面５ａは、管２の内面に面接触する。タブ５は、管２の内面に仮付け溶接、ろう付け等により固定される。タブ５の材質は、特に限定されるものではなく、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、鋼等を用いることができる。タブ５を管２の内面に仮付け溶接する場合、タブ５を管２の材質と同じにするのが望ましい。

【0018】

タブ５は、管１，２の突合せ部３に向かって先細るテーパ形状に形成される。図２に示す軸に沿ったタブ５の断面において、タブ５の勾配θ（当接面５ａに対する傾斜面５ｂの角度θ）は５度以下、望ましくは３度以下である。タブ５の最大板厚ｔは、ツール４のプローブ４ａの長さ以上である。タブ５は、管１，２の突合せ部３の接合中心線からツール４のショルダ４ｂの半径以上離れて設置される。図３に示すように、タブ５の傾斜面５ｂの端部に軸と平行に平坦面５ｂ１を形成してもよい。

【0019】

図１に示すように、２つの管１，２の突合せ部３は、内面側から全周に亘って摩擦攪拌接合される。すなわち、まず回転するツール４を管１，２の突合せ部３に内面側から押し込む（挿入する）。ツール４のプローブ４ａは管１，２の突合せ部３に進入し、ツール４のショルダ４ｂは突合せ部３の表面に接触する。回転するツール４の挿入により、ツール４と突合せ部３の材料との間で摩擦熱が発生し、材料の温度が上昇する。材料が十分に加熱されて塑性流動を開始できる温度まで到達すると、材料は回転するツール４の周りをツール４の回転方向に流動する。このとき、ツール４の両側に配置された材料の一部が強制的に混合されてツール４の周辺領域での接合が実現する。ツール４を管１，２の突合せ部３の周方向に接合線に沿って移動させると、ツール４が移動した後側に連続的に接合部３が形成されていき、管１，２の周接合が実現する。周接合中、塑性流動金属が外部にバリとして排出されないようにショルダ４ｂが塑性流動金属を押さえ込む。符号３ａは管の突合せ部３の接合終端部である。なお、管１，２に対するツール４の周方向の移動（旋回）は相対的なものであり、ツール４を旋回させてもよいし、管１，２を旋回させてもよい。

【0020】

ツール４が突合せ部３の接合終端部３ａに到達したとき、ツール４を引き抜くと、接合終端部３ａにツール４の穴が発生してしまう。そこで、ツール４を回転・加圧・挿入したまま、ツール４の進行方向を周方向から軸方向へ変えて、ツール４をタブ５へと軸方向に移動させる。図３に示すように、ツール４がタブ５に到達した後、ツール４を軸方向に移動させながらツール４をタブ５の傾斜面５ｂに沿って徐々に引き上げる（Ｓ２～Ｓ５）。そして、ツール４の先端が管２を乗り越えたならば（Ｓ５）、ツール４を引き抜く。これにより、タブ５にツール４の穴を残し、管２の接合終端部３ａにツール４の穴を残さないようにすることができる。ツール４を引き抜いた後、タブ５はグラインダ等により除去される。なお、ツール４をタブ５から引き抜く替わりに、ツール４がタブ５を軸方向に通過するようにしてもよい。
本実施形態のツール接合方法の効果を説明する。

【0021】

管２の内面に軸方向に設置されたタブ５にツール４の穴を残し、管１，２の突合せ部３の接合終端部３ａにツール４の穴を残さないようにすることができる。また、管１，２の内側にはツール４を備える管接合装置が存在するので、管１，２の周接合中に管２の内面に周方向にタブ５を設置するのは困難であるが、管１，２の周接合前に管２の内面に軸方向にタブ５を設置するので、タブ５の設置が容易である。

【0022】

タブ５の勾配θが５度を超えると、ツール４のショルダ４ｂとタブ５の傾斜面５ｂとの間の隙間ｇ（図２参照）が大きくなり、ショルダ４ｂが塑性流動金属を押さえ込みにくくなり、塑性流動金属がバリとなって外部に排出され易くなる。ツール４を強い力で押し込めば、これを防止できるが、例えば鋼管の場合は荷重が大きくなり過ぎてツール４が破壊される。タブ５の勾配θを５度以下に設定することで、隙間ｇが小さくなり、ショルダ４ｂが塑性流動金属を押さえ込み易くなるので、接合部３に欠陥が発生するのを防止できる。

【0023】

突合せ部３の接合中心線からツール４のショルダ４ｂの半径以上離れてタブ５が設置されるので、タブ５の影響を受けずに管１，２を良好に摩擦攪拌接合することができる。

【0024】

タブ５の管２との当接面５ａが、管２の内面に向かって凸の断面円弧状に形成されるので、タブ５を安定的に管２に固定することができる。
（第２実施形態の管接合方法）

【0025】

図４は、本発明の第２実施形態の管接合方法の模式図（軸に沿ったタブ５の断面図）である。第１実施形態の管接合方法では、タブ５の勾配を５度以下に設定し、ツール４を軸方向から逆方向に傾けていない（言い換えればツール４の前進角を０度に設定している）。これに対し、第２実施形態の管接合方法では、ツール４をタブ５へと軸方向に移動させる際、ツール４がタブ５に到達したとき（Ｓ３）、ツール４を軸方向から逆方向に傾ける（言い換えればツール４の前進角を０度からαに変更する）。前進角αはタブ５の勾配θと略等しい。なお、第２実施形態の管接合方法では、タブ５の勾配θは５度より大きくても５度以下でもよい。

【0026】

その後、ツール４の前進角をαに保ったまま、ツール４を軸方向に移動させながらツール４をタブ５の傾斜面５ｂに沿って徐々に引き上げる（Ｓ３，Ｓ４）。ツール４の先端が管を乗り越えたとき（Ｓ４）、ツール４を引き抜く。これにより、タブ５にツール４の穴を残し、管１，２の接合終端部３ａにツール４の穴を残さないようにすることができる。

【0027】

第２実施形態の管接合方法によれば、ツール４をタブ５へと軸方向に移動させる際、ツール４を軸方向から逆方向に傾けるので、ツール４のショルダ４ｂとタブ５の傾斜面５ｂとの間の隙間ｇ（図２参照）が小さくなり、ショルダ４ｂが塑性流動金属を押さえ込み易くなる。このため、接合部３に欠陥が発生するのを防止できる。

【0028】

管１，２の板厚が厚かったり、鋼管の場合、塑性流動を誘起するために大きな摩擦熱が必要になり、ツール４のショルダ径が大きくなる。ショルダ径が大きくなると、ツール４のショルダ４ｂとタブ５の傾斜面５ｂとの間の隙間ｇ（図２参照）が大きくなり、塑性流動金属がバリとなって外部に排出され易くなる。第２実施形態の管接合方法は、管の板厚が厚かったり、鋼管の場合に有効である。
（管接合装置）

【0029】

図５は、本発明の一実施形態の管接合装置１１の模式図（軸に沿った管１，２の断面図）を示す。本実施形態の管接合装置１１は、管１，２の内側に配置され、管１，２の突合せ部３を内面側から摩擦攪拌接合する。管１は例えば既設管であり、管２は例えば新設管である。

【0030】

管２の内面には、事前にタブ５が設置される。タブ５の構成は上述のとおりである。タブ５の勾配θは５度より大きくても５度以下でもよい。

【0031】

管接合装置１１は、装置本体１２と、管１をクランプする第１クランプユニット１３と、管２をクランプする第２クランプユニット１４と、を備える。第１クランプユニット１３を作動させると、管１に装置本体１２が固定される。第２クランプユニット１４を作動させると、管１と管２が同心になる。図示しない油圧シリンダにより、第２クランプユニット１４を第１クランプユニット１３に近づけると、管１，２の端面同士が突き当てられる。

【0032】

装置本体１２は、ツール４を回転駆動する回転ユニット１５と、ツール４を管１，２の突合せ部３に内面側から挿入する加圧ユニット１６と、ツール４を管１，２の突合せ部３の周方向に相対的に移動（旋回）させる旋回ユニット１７と、ツール４をタブ５へと軸方向に移動させる軸方向移動ユニット１８と、ツール４をタブ５へと軸方向に移動させる際、ツール４を軸方向から逆方向に傾ける角度変更ユニット１９と、を備える。

【0033】

回転ユニット１５は、ツール４をその軸線の回りに回転駆動させる。加圧ユニット１６は、回転するツール４を管１，２の突合せ部３に内面側から押し込む（挿入する）。加圧ユニット１６は、ツール４をタブ５から引き上げる役割も持つ。旋回ユニット１７は、管１，２の突合せ部３を周接合するためにツール４を旋回させる。

【0034】

図６に示すように、タブ５の横位置で管１，２の突合せ部３の周接合を終了する。そして、ツール４を回転・加圧・挿入したまま、軸方向移動ユニット１８によってツール４をタブ５へ向かって軸方向に移動させる。

【0035】

図７に示すように、ツール４がタブ５に到達したとき、ツール４を回転・加圧・挿入したまま、角度変更ユニット１９によってツール４を軸方向から逆方向に傾ける（言い換えればツール４の前進角を０度からαに変更する）。なお、タブ５の勾配が５度以下の場合は、角度変更ユニット１９を省略してもよい。

【0036】

その後、図８に示すように、ツール４を回転・加圧・挿入したまま、またツール４の前進角をαに保ったまま、軸方向移動ユニット１８によってツール４を軸方向に移動させながら、加圧ユニット１６によってツール４をタブ５の傾斜面５ｂに沿って徐々に引き上げる。ここでは、例えばツール４の位置を検出するセンサを設け、ツール４の挿入深さがタブ５の傾斜面５ｂから一定になるようにツール４の位置を制御する。

【0037】

ツール４の先端が管２を乗り越えたら、加圧ユニット１６によってツール４を引き抜く。これにより、タブ５にツール４の穴を残し、管１，２の突合せ部３の接合終端部３ａにツール４の穴を残さないようにすることができる。

【符号の説明】

【0038】

１，２…管
３…突合せ部
４…ツール
４ａ…プローブ
４ｂ…ショルダ
５…タブ
５ａ…当接面
５ｂ…傾斜面
１１…管接合装置
１５…回転ユニット
１６…加圧ユニット
１７…旋回ユニット
１８…軸方向移動ユニット
１９…角度変更ユニット
θ…タブの勾配

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】