JP2011167951A - 金属／ｆｒｐパイプの製造方法及び金属／ｆｒｐパイプ、並びに、金属／ｆｒｐパイプの熱残留応力除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して芯棒を膨張させ、ＦＲＰプリプレグの最外周を金属管の内周面に押し付け、更に加熱温度を上げてＦＲＰプリプレグを硬化させ、ＦＲＰプリプレグの最外周を金属管の内周面に張り付けて一体化し、その後、常温まで冷却して芯棒を収縮させ、芯棒を金属管から抜き取る金属／ＦＲＰパイプの製造において、常温に戻した際に金属管からなる金属層に生じる引っ張りの熱残留応力が除去された金属／ＦＲＰパイプ及び、その製造方法、並びに、熱残留応力除去方法を提案する。
【解決手段】金属／ＦＲＰパイプの全体に対して、「金属層の降伏ひずみ（ε^Ｙ _金属）＋金属層の残留ひずみ（ε^Ｔ _金属）」で求められる所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加え、次いで、除荷する。
【選択図】図１１

Description

この発明は、印刷用ロールや、フィルムや紙などのシート類繰り出し・巻き取り用ロール、液晶パネルやフラットパネルディスプレーなどのパネル類搬送用ロール、その他の各種回転ロールに使用される繊維強化樹脂ライニング金属管に関する。特に、成形時に、金属パイプ内面に繊維強化樹脂（Fiber Reinforced Plastics）が一体化される複合パイプ（以下「金属／ＦＲＰパイプ」と表す）の金属層に残る熱残留応力を除去した金属／ＦＲＰパイプの製造方法及び金属／ＦＲＰパイプ、並びに、金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法に関する。

金属／ＦＲＰパイプとしては従来から種々の提案がされており、特許文献１には、高剛性（耐摩耗性）と軽量さ（低慣性モーメント）が特に要求される各種高速回転（例えば、約１０００〜２０００ｒ．ｐ．ｍ）ロール用のＦＲＰライニング金属管の製造方法が提案されている。

ここで提案されている製造方法は、あらかじめエポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂が含浸された炭素繊維プリプレグを芯棒（マンドレル）へ巻き付け、その芯棒をアルミ合金やステンレス鋼などからなる金属管の内部へ挿入し、次いで前記プリプレグが軟化する温度まで加熱して前記芯棒を膨張させて前記金属管への内張り状態に押し付け、更に加熱温度を上げて、前記プリプレグを完全に硬化させ、最後に常温まで冷却することにより、前記芯棒を収縮復元させて抜き出すものである。

本願の発明者もこのような金属／ＦＲＰパイプの製造法についての提案を行っている（特許文献２）

特開２０００−１４１４８５号公報 特開２００６−３３４８０５号公報

上述した従来提案されている金属／ＦＲＰパイプの製造法は、熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取るものである。すなわち、芯棒の外周に装着されているＦＲＰプリプレグの加熱による軟化と、芯棒の膨張・収縮とを利用し、熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒が内部に挿入された金属管と、その内周に成形される前記ＦＲＰプリプレグが硬化したＦＲＰパイプとを加熱成形時に一体化するものである。

そして、特許文献２記載の発明によれば、耐久強度と安定性に優れた金属／ＦＲＰパイプを短時間で効率よく製造することができた等の優れた効果が発揮されている。

ところで、前述した製造方法で製造した金属／ＦＲＰパイプの場合、常温に戻した際に前記の金属管からなる金属層に引っ張りの熱残留応力が生じる。これは、加熱成形時に金属管と、その内周に成形されるＦＲＰパイプとが一体化することから引き起こされるものである。

このような熱残留応力は製造された金属／ＦＲＰパイプの精度に好ましくない影響を与える。

そこで、本発明は、熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取る金属／ＦＲＰパイプの製造法において、かかる製造工程で常温に戻した際に前記の金属管からなる金属層に生じる引っ張りの熱残留応力が除去された金属／ＦＲＰパイプ及び、その製造方法、並びに、金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法を提案することを目的にしている。

本願の請求項１記載の発明は、
熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、
前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、
更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、
その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取った金属／ＦＲＰパイプの全体に対して、所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加え、次いで、除荷して
金属／ＦＲＰパイプを製造する方法である。

本願の請求項２記載の発明は、
芯棒を金属管から抜き取った金属／ＦＲＰパイプの全体に対して所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加える工程は、
前記金属／ＦＲＰパイプの両端の開口部をそれぞれチャックで掴んで前記金属／ＦＲＰパイプを軸方向に引き伸ばすものであり、
当該チャックは、それぞれ、前記金属／ＦＲＰパイプの開口部が装入されるチャック開口部を備えている筒状で、中心部に内側押圧部を有し、当該内側押圧部を中心にして径方向外側に向かって、当該内側押圧部の外周側に内側挟持部、当該内側挟持部の外周側に外側挟持部、当該外側挟持部の外周側に外側押圧部を備えていて、
前記内側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて拡径し、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
前記内側挟持部は、前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に対応する形状の外周壁を備えていて、当該外周壁の周長が大きくなる方向及び小さくなる方向に拡径及び縮径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の内側挟持片に分割されており、
前記外側挟持部は前記内側挟持部との間に径方向に所定の間隔を有する隙間を介して配置され、前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に対応する形状の内周壁を備えていて、当該内周壁の周長が小さくなる方向及び大きくなる方向に縮径及び拡径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の外側挟持片に分割されており、当該外側挟持片の内周壁に掛止部を有し、
前記外側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて縮径する内周壁を備えており、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部の周壁が前記内側挟持部と前記外側挟持部との間に存在する径方向の隙間に挿入されるように前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部にそれぞれ前記チャック開口部を装着した後、
前記内側押圧部を後退させることによって前記内側挟持部の各内側挟持片を拡径方向に移動させて内側挟持片の外周壁を前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に当接させ、
前記外側押圧部を後退させることによって前記外側挟持部の各外側挟持片を縮径方向に移動させて外側挟持片の内周壁に配備されている掛止部を前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に掛止させつつ前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁を軸方向で外側に向かって引き伸ばす
ことにより、金属／ＦＲＰパイプの全体を軸方向に延びるように引っ張るものであることを特徴とする請求項１記載の金属／ＦＲＰパイプを製造する方法である。

本願の請求項３記載の発明は、
前記所定のひずみ値が、「前記金属管から構成される金属層の降伏ひずみ（ε^Ｙ _金属）＋前記金属管から構成される金属層の残留ひずみ（ε^Ｔ _金属）」であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属／ＦＲＰパイプを製造する方法である。

本願の請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか一項記載の金属／ＦＲＰパイプを製造する方法により製造した金属／ＦＲＰパイプである。

本願の請求項５記載の発明は、
熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、
前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、
更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、
その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取って製造した金属／ＦＲＰパイプの前記金属管から構成される金属層の残留応力を除去する方法であって、
前記金属／ＦＲＰパイプの全体に対して、所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加え、次いで、除荷ことを特徴とする金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法である。

本願の請求項６記載の発明は、
前記金属／ＦＲＰパイプの全体に対して所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加える工程は、
前記金属／ＦＲＰパイプの両端の開口部をそれぞれチャックで掴んで前記金属／ＦＲＰパイプを軸方向に引き伸ばすものであり、
当該チャックは、それぞれ、前記金属／ＦＲＰパイプの開口部が装入されるチャック開口部を備えている筒状で、中心部に内側押圧部を有し、当該内側押圧部を中心にして径方向外側に向かって、当該内側押圧部の外周側に内側挟持部、当該内側挟持部の外周側に外側挟持部、当該外側挟持部の外周側に外側押圧部を備えていて、
前記内側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて拡径し、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
前記内側挟持部は、前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に対応する形状の外周壁を備えていて、当該外周壁の周長が大きくなる方向及び小さくなる方向に拡径及び縮径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の内側挟持片に分割されており、
前記外側挟持部は前記内側挟持部との間に径方向に所定の間隔を有する隙間を介して配置され、前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に対応する形状の内周壁を備えていて、当該内周壁の周長が小さくなる方向及び大きくなる方向に縮径及び拡径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の外側挟持片に分割されており、当該外側挟持片の内周壁に掛止部を有し、
前記外側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて縮径する内周壁を備えており、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部の周壁が前記内側挟持部と前記外側挟持部との間に存在する径方向の隙間に挿入されるように前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部にそれぞれ前記チャック開口部を装着した後、
前記内側押圧部を後退させることによって前記内側挟持部の各内側挟持片を拡径方向に移動させて内側挟持片の外周壁を前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に当接させ、
前記外側押圧部を後退させることによって前記外側挟持部の各外側挟持片を縮径方向に移動させて外側挟持片の内周壁に配備されている掛止部を前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に掛止させつつ前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁を軸方向で外側に向かって引き伸ばす
ことにより、金属／ＦＲＰパイプの全体を軸方向に延びるように引っ張るものであることを特徴とする請求項５記載の金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法である。

本願の請求項７記載の発明は、
前記所定のひずみ値が、「前記金属管から構成される金属層の降伏ひずみ（ε^Ｙ _金属）＋前記金属管から構成される金属層の残留ひずみ（ε^Ｔ _金属）」であることを特徴とする請求項５又は６記載の金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法である。

この発明によれば、熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取る金属／ＦＲＰパイプの製造法において、かかる製造工程で常温に戻した際に前記の金属管からなる金属層に生じる引っ張りの熱残留応力が除去された金属／ＦＲＰパイプ及び、その製造方法、並びに、金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法を提供することができる。

本発明の金属／ＦＲＰパイプの一例を表す図。 （ａ）本発明の金属／ＦＲＰパイプの製造工程が開始される前の状態におけるマンドレルと金属管との位置関係を説明する一部を省略した縦断面図、（ｂ）図２（ａ）における一部を省略した横断面図。 マンドレルにＣＦＲＰプリプレグが巻きつけられる状態を説明する斜視図。 金属管に差し込まれるマンドレルの外周に巻きつけられているＣＦＲＰプリプレグを説明する一部を省略した斜視図。 マンドレルの外周に巻きつけられているＣＦＲＰプリプレグに対して水分を付与し、熱溶融性のテープを巻きつける状態を説明する一部を省略した斜視図。 金属管の内部に、外周にＣＦＲＰプリプレグが巻きつけられているマンドレルが差し込まれ、貫通している状態を説明する一部を省略した斜視図。 （ａ）ＣＦＲＰプリプレグの両端木口面とマンドレルの表面との境界段差部にブリーダーテープを肉盛り状態に巻き付けた状態を説明する一部を省略した斜視図、（ｂ）図７（ａ）の全体図。 （ａ）加熱工程後、常温まで冷却した状態におけるマンドレルと、金属／ＦＲＰパイプとの位置関係を説明する一部を省略した縦断面図、（ｂ）図８（ａ）における一部を省略した横断面図。 加熱によりＦＲＰプリプレグの最外周が金属管の内周面に張り付けられて一体化する過程において、ＣＦＲＰプリプレグの外周に付与されていた水分から蒸発した気体が溶融状態のテープに封入されて発泡剤又はホットメルト接着剤のように挙動する状態を説明する拡大概念図。 加熱工程後、常温まで冷却した状態でマンドレルを引き抜いた状態を示す正面図。 本発明による金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去工程を説明する図。 金属／ＦＲＰパイプの全体に対して所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加える工程で使用されるチャックおよび、当該チャックを用いた軸方向への引き伸ばし工程を説明する側面図であって、チャックの開口部が金属／ＦＲＰパイプの端部開口に装着される前の状態を説明する側面図。 金属／ＦＲＰパイプの全体に対して所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加える工程で使用されるチャックおよび、当該チャックを用いた軸方向への引き伸ばし工程を説明する側面図であって、引き延ばしが行われている状態を説明する側面図。 （ａ）、（ｂ）は、内側挟持部の外周壁の周長が大きくなる方向及び小さくなる方向に内側挟持部が拡径、縮径する状態を説明する正面図であって、（ｂ）が（ａ）よりも拡径している状態を表す。 （ａ）、（ｂ）は、外側挟持部の外周壁の周長が小さくなる方向及び大きくなる方向に外側挟持部が縮径、拡径する状態を説明する正面図であって、（ｂ）が（ａ）よりも拡径している状態を表す。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

（金属／ＦＲＰパイプの準備）
外径が６０．５ｍｍ、内径ｒ１が５７．５ｍｍ、厚みｗ１が１．５ｍｍの金属管２を準備した。金属管２は、線膨張係数が約２３．６×１０^−６／℃のアルミ合金（Ａ５０５２）製とした。

線膨張係数が約０．２〜０．４×１０^−６／℃のＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂：ＰＡＮ系繊維Ｔ３００〜Ｔ８００、Ｖｆ：６０）からなるＵＤテープ材のクロス材に、あらかじめ熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）が含浸され、半硬化状態（プリプレグ）に形成されたＣＦＲＰプリプレグ３を準備した。ＣＦＲＰプリプレグ３の厚みｗ２は、金属管２の厚みｗ１の少なくとも約２．５倍に設定することが望ましく、ここでは、外径ｒ２が５７ｍｍ、内径が４５ｍｍ、厚みｗ２が６ｍｍのＣＦＲＰプリプレグ３を準備した。

ＣＦＲＰプリプレグ３は、巻き付け芯となるマンドレル（金型）４に巻きつけられた状態で準備した。マンドレル４は、金属管２よりも大きく熱膨張できることが必要であり、ここでは金属管２と同材質のアルミ合金製の管で、その厚みｗ３が、金属管２の厚みｗ１の少なくとも約３倍に厚肉化されているアルミ合金管をマンドレル４とした。ここでは、外径ｒ３が４５ｍｍ、内径が３５ｍｍ、厚みｗ３が５ｍｍのものを用いた。

巻き付け芯となるマンドレル（金型）４に巻きつけられた状態で準備されたＣＦＲＰプリプレグ３が、後述するように、加熱による軟化と、マンドレル４の膨張・収縮とを利用して、金属管２の内周に一体化して成形されるＦＲＰパイプ３ａとなる。

この実施例では、マンドレル４の表面へあらかじめ耐熱用の離型剤（図示省略）を塗布して、マンドレル４を回転させ、その表面へＣＦＲＰプリプレグ３を図３のように巻き付けて一体化した。

図３図示の実施形態では、ＣＦＲＰプリプレグ３のＵＤテープ材（繊維を一方向に引き揃えたプリプレグ）３１、３２、３３、３４をマンドレル４に対して、順次９０度の方向性に２プライ、０度の方向性に５〜７プライ、再び９０度の方向性に同じく２プライ、再び０度の方向性に同じく５〜７プライとして、図４に図示するように、交互の縦横積層状態に巻き付けた。

なお、巻き付けプライ数は製品の使用目的や用途などに応じて選定できるが、マンドレル４に巻きつけられた状態のＣＦＲＰプリプレグ３と、金属管２との内外相互間隙ｃ１が０．１〜０．３ｍｍになるように保つことが望ましい。０．３ｍｍよりも広いと、金属管２及びマンドレル４における熱膨張率との関係で、後述する張り付けライニング状態の耐久強度や安定性が低下するおそれがある。一方、０．１ｍｍよりも狭いと、ＣＦＲＰプリプレグ３が巻き付けられたマンドレル４を金属管２の内部へ円滑に差し込み貫通させることが難しくなる。

この実施形態では、マンドレル４に巻き付けられたＣＦＲＰプリプレグ３の最外層３４へ霧吹きや湿した拭き布などによって水分５を付与した後、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）のフィルムからなる熱溶融性のテープ６を巻き付けた（図５）。図示の実施形態では、幅が２５ｍｍ、厚みが３０μｍの熱溶融性のテープ６を５プライ巻き付けで０．１５ｍｍの厚みに積層させた。

熱溶融性のテープ６は、後述する加熱工程においてＣＦＲＰプリプレグ３の熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）を溶融軟化させて流動性状にする際に、この加熱によって溶融し、同じく加熱によって前記水分５が蒸発して気体になり、この気体が封入された溶融状態で、発泡剤又はホットメルト接着剤のような役割を果たす目的で採用している。

こうして、ＣＦＲＰプリプレグ３の外周に水分５を介して熱溶融性のテープ６が巻き付けられたマンドレル４を、金属管２の内部へ差し込み貫通させる（図６）。図示の例ではアルミ合金からなる金属管２の内径ｒ１が５７．５ｍｍ、ＣＦＲＰプリプレグ３の外径ｒ２がテープ６を含んで５７．１５ｍｍであるため、これらが巻き付けられたマンドレル４を金属管２の内部へ支障なく差し込み貫通させることができた。

図示の実施形態では、図６図示のように、金属管２の長さＬ１とＣＦＲＰプリプレグ３の長さＬ２との関係を、ＣＦＲＰプリプレグ３の両端部が金属管２の両端部から５〜１０ｍｍの長さＬ２ずつ突出するようにした。

そして、図７図示のように、ＣＦＲＰプリプレグ３の両端がＬ３ずつ突出した状態で、ＣＦＲＰプリプレグ３の両端木口面と、マンドレル４の表面との境界段差部へ、耐熱性や離型性がある延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）のブリーダーテープ７を肉盛り状態に巻き付けた（図７）。こうして、後述する加熱時にＣＦＲＰプリプレグ３の熱硬化性樹脂が、その両端木口面から余分に溶け出さないように封止すると共に、長さＬ３ずつ突出しているＣＦＲＰプリプレグ３の最外層から空気が円滑に押し出される状態に保った。

図７（ｂ）図示の状態で、全体を１３０℃〜１５０℃の温度を保つ加熱炉（図示省略）へ挿入し、３〜４時間加熱し、ＣＦＲＰプリプレグ３を完全に硬化させた。

この加熱工程において、マンドレル４に巻き付けられているＣＦＲＰプリプレグ３の熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）が、一旦溶融軟化して流動性状となる。そこで、当初曲げ応力を加えられていたＵＤテープ材３１、３２、３３、３４が自由になり、そのＵＤテープ材３１〜３４にはフラットな状態へ復元しようとする力が発生する。

また、マンドレル４と金属管２も加熱を受けて、各々図２（ｂ）の矢印で示す内外方向（求心方向と放射方向）へ膨張する。マンドレル４の厚みｗ３は金属管２の厚みｗ１に比して、少なくとも約３倍に設定されているため、金属管２よりも多量に熱膨張するマンドレル４の大きな勢力（内圧）を受けたＣＦＲＰプリプレグ３の最外層は、金属管２の内周面へ張り付き溶着一体化する。

こうして当初存在していたＣＦＲＰプリプレグ３と金属管２との内外相互間隙ｃ１（図２）が図８図示のようになくなる。

ＣＦＲＰプリプレグ３の最外層に巻き付けられていた熱溶融性のテープ６は、この実施例では低密度ポリエチレンのフィルムからなり、約７０℃を越えると溶融する。また、テープ６の下地の水分５も加熱されて蒸発する。そこで、図９に拡大して示すように、溶融したテープ６ａに無数の気体が独立気泡として封じ込められ、その状態の下でマンドレル４からの多大な熱膨張力（内圧）を受ける。

このように、水分５から蒸発した気体を封入した溶融状態のテープ６ａが、発泡剤又はホットメルト接着剤と化して、ＣＦＲＰプリプレグ３の溶けた熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）と一体の膜８になり、その能動的な働きによってＣＦＲＰプリプレグ３の最外層を金属管２へ内張り状態にライニングする。このように発泡剤又はホットメルト接着剤として能動的に働くテープ６は、ＣＦＲＰプリプレグ３と金属管２との内外相互間隙ｃ１から空気を押し出す役割を果たす。これによって、ＣＦＲＰプリプレグ３の最外層と金属管２の内周壁との間に層間剥離を生ずるおそれがなくなり、耐久強度に富む安定な焼きバメ状態を得られる。

ＣＦＲＰプリプレグ３の完全な硬化後、加熱炉から取り出して、常温まで冷却する。これにより、金属管２のみならず、マンドレル４も当初の太さまで収縮復元する。ここで、マンドレル４の厚みｗ３は金属管２の厚みｗ１に比し、少なくとも約３倍に設定されているため、その冷却時の復元収縮量も多い。また、アルミ合金からなる金属管２及びマンドレル４の線膨張係数：約２３．６×１０^−６／℃に対して、約０．２〜０．４×１０^−６／℃と線膨張係数が極めて小さいＣＦＲＰプリプレグ３は、実質的に膨張・収縮しない。そこで、この実施形態で挙げた前記の数値において、金属管２とＣＦＲＰプリプレグ３との間に当初存在していた０．２５ｍｍの間隙ｃ１が、前述したマンドレル４及び金属管２の熱膨張により埋め尽くされる。その一方、ＣＦＲＰプリプレグ３が硬化したＣＦＲＰ３ａとマンドレル４との間には、マンドレル４の収縮復元によって間隙ｃ２が形成される。

この結果、金属管２へ内張りライニング状態に硬化したＣＦＲＰ３ａの内部からマンドレル４を支障なく円滑に抜き出すことができる。

こうして、硬化したＣＦＲＰ３ａからマンドレル４を抜き出した後、金属管２とＣＦＲＰ３ａの両端部を図１０のように切除し、所定の長さＬの金属／ＦＲＰパイプ１（図１）を準備する。

（熱残留応力の除去）
金属／ＦＲＰパイプ１の全体に対して、「アルミ合金（Ａ５０５２）の降伏ひずみ（ε^Ｙ _金属）＋アルミ合金（Ａ５０５２）の残留ひずみ（ε^Ｔ _金属）」のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加え、次いで、除荷して金属／ＦＲＰパイプ１の熱残留応力を除去した。

こうして、本発明の金属／ＦＲＰパイプ１を製造した。

ここで、金属／ＦＲＰパイプ１の全体に対して引っ張り荷重を加える工程は、金属／ＦＲＰパイプ１の両端の開口を、それぞれ、図１２、図１３図示のチャック１０で掴んで金属／ＦＲＰパイプ１を軸方向に引き伸ばすようにして行うことができる。

金属／ＦＲＰパイプ１の両端の開口にそれぞれ装着されるチャック１０は同一の構造、形状であるので、以下、図１２、図１３を参照して、金属／ＦＲＰパイプ１の左側端の開口に装着されるチャック１０について説明する。

チャック１０は、それぞれ、金属／ＦＲＰパイプ１の開口部が装入されるチャック開口部１８を備えている筒状である。図１２、図１３図示のように、中心部に内側押圧部１１を有し、内側押圧部１１を中心にして径方向外側に向かって、内側押圧部１１の外周側に内側挟持部１３、内側挟持部１３の外周側に外側挟持部１４、外側挟持部１４の外周側に外側押圧部１６が配備されている。

内側押圧部１１は、図１２、図１３図示のように、チャック開口部１８側に向かうにつれて拡径し、中心軸が延びる方向において、チャック開口部１８側に向かう方向（矢印２０）に前進および、チャック開口部１８側から離れる方向（矢印２１）に後退可能になっている。

内側挟持部１３は、金属／ＦＲＰパイプ１の内周壁に対応する形状の外周壁を備えている。そして、図１４図示のように、外周壁の周長が大きくなる方向及び小さくなる方向に拡径（図１４（ａ）の矢印２６方向）及び縮径可能であり、軸方向に延びる分割溝１９ａ、１９ｂ、１９ｃによって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の内側挟持片１３ａ、１３ｂ、１３ｃに分割されている。

外側挟持部１４は、図１２、図１３図示のように、内側挟持部１３との間に径方向に所定の間隔を有する隙間を介して配置され、金属／ＦＲＰパイプ１の外周壁に対応する形状の内周壁を備えている。そして、内周壁の周長が小さくなる方向及び大きくなる方向に縮径（図１５（ｂ）の矢印２７方向）及び拡径可能であり、軸方向に延びる分割溝１９ｄ、１９ｅ、１９ｆによって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の外側挟持片１４ａ、１４ｂ、１４ｃに分割されている。更に、外側挟持片１４ａ等の内周壁には、掛止部１５（図１２、図１３）が配備されている。

外側押圧部１６は、図１２、図１３図示のように、チャック開口部側１８に向かうにつれて縮径する内周壁を備えており、中心軸が延びる方向において、チャック開口部１８側に向かう方向（矢印２２方向）に前進および、チャック開口部１８側から離れる方向（矢印２３方向）に後退可能になっている。

まず、図１２図示のように内側挟持部１３を矢印２０方向に前進させ、また、外側挟持部１４を矢印２２方向に前進させて、内側挟持部１３と外側挟持部１４との間に存在する径方向の隙間が、金属／ＦＲＰパイプ１の端部の開口部の周壁を収容するのに十分な状態にしておく。この状態では、内側挟持部１３は図１４（ａ）図示のように縮径している状態にあり、外側挟持部１４は図１５（ｂ）図示のように拡径している状態にある。

次に、金属／ＦＲＰパイプ１の両端開口部の周壁が内側挟持部１３と外側挟持部１４との間に存在する径方向の隙間に挿入されるように金属／ＦＲＰパイプ１の左側の開口部にチャック１０の開口部１８を装着する（図１３）。図示していないが、金属／ＦＲＰパイプ１の右側の開口部にもチャック１０の開口部１８を装着する
ここで、例えば、ボルト１２を回転させることにより、内側押圧部１１を矢印２１方向に後退させる。これによって、内側挟持部１３の各内側挟持片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの内周壁はテーパー状に傾斜している内側押圧部１１の外周壁に押されて矢印２６（図１４（ａ））で表すように拡径方向に移動する。これによって、内側挟持片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの外周壁が金属／ＦＲＰパイプ１の内周壁、すなわち、ＣＦＲＰ３ａの内周壁に当接する。

一方、例えば、ボルト１７を回転させることにより、外側押圧部１６を矢印２３方向後退させる。これによって、外側挟持部１４の各外側挟持片１４ａ、１４ｂ、１４ｃの外周壁はテーパー状に傾斜している外側押圧部１６の内周壁に押されて矢印２７（図１５（ｂ））で表すように縮径方向に移動する。これによって、外側挟持片１４ａ、１４ｂ、１４ｃの内周壁に配備されている掛止部１５が金属／ＦＲＰパイプ１の外周壁、すなわち、アルミ合金からなる金属管２の外周壁に掛止される。

この状態でチャック１０の全体を軸方向で外側に向かって矢印２５で示すように引き伸ばす。

このように引き伸ばしが行われる状態では、内側挟持部１３は図１４（ｂ）図示のように拡径している状態にあり、外側挟持部１４は図１５（ａ）図示のように縮径している状態にある。

以上のように、金属／ＦＲＰパイプ１の両端の開口を、それぞれ、チャック１０で掴んで金属／ＦＲＰパイプ１を軸方向に引き伸ばすことによって金属／ＦＲＰパイプ１の全体に対して引っ張り荷重を加える際、金属／ＦＲＰパイプ１の内周壁、すなわち、ＣＦＲＰ３ａの内周壁には内側挟持片１３ａ、１３ｂ、１３ｃの外周壁が当接し、金属／ＦＲＰパイプ１の外周壁、すなわち、アルミ合金からなる金属管２の外周壁に掛止する外側挟持片１４ａ、１４ｂ、１４ｃの内周壁に配備されている掛止部１５と協働して金属／ＦＲＰパイプ１の開口の周壁が挟持され、引張りが行われる。そこで、ＣＦＲＰ３ａの内周壁に破壊が生じることなく、希望する引っ張り強度で引き伸ばしを行うことができる。

なお、外側挟持片１４ａ、等の内周壁に配備されている掛止部１５は、前述したように、外側挟持部１４の各外側挟持片１４ａ、等が縮径方向に移動した際に、外側挟持片１４ａ、等の内周壁に配備されている掛止部１５が金属／ＦＲＰパイプ１の外周壁に掛止し、この状態でチャック１０の全体が軸方向で外側に向かって矢印２５で示すように移動することにより、金属／ＦＲＰパイプ１の全体を軸方向に引き伸ばすことを可能にするものであれば、種々の形状、構造のものにすることができる。

また、チャック１０の構造も、金属／ＦＲＰパイプ１の内径側から金属／ＦＲＰパイプ１の内周壁に当接する部材と、金属／ＦＲＰパイプ１の外径側から金属／ＦＲＰパイプ１の外周壁に当接する部材とによって、金属／ＦＲＰパイプ１の端部開口の周壁を挟持し、金属／ＦＲＰパイプ１の内周壁、すなわちＣＦＲＰ３ａの内周壁に破壊を生じさせることなく、希望する引っ張り強度で引き伸ばしを行うことができるものであれば、図示し、上述した構造に限られるものではない。

（熱残留応力除去試験）
前記のようにして金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力を除去できることは以下の実験によって確認できる。

金属管２への内張りライニング状態に硬化したＣＦＲＰ３ａは十分剛性が高く、熱ひずみもゼロに近いとしてＣＦＲＰ３ａの残留応力（及び残留ひずみ：ε^Ｔ _ＣＦ）を無視する。なお、図１１においてＣＦＲＰ３ａの層を「ＣＦ層」と表している。

一方、アルミ合金からなる金属管２には前記のように高温にし、常温に戻した際に、引っ張りの残留熱応力（σ^Ｔ _ＡＬ）が生じている。

そこで、金属管２のアルミ合金層（図１１において「ＡＬ層」と表している）の熱残留応力（σ^Ｔ _ＡＬ）を打ち消すように、金属／ＦＲＰパイプ１の全体に引っ張り荷重を加える試験である。

引張試験前後及び試験中の状態を、図１１にあるように、（１）硬化後の常温での状態、（２）引張試験で目標まで引張った状態、（３）引張試験後、残留応力がなくなった状態として、ＣＦ層、ＡＬ層の応力ひずみ関係を表すと図１１にグラフで示した状態になる。

すなわち、「アルミ合金（Ａ５０５２）の降伏ひずみ(εＹＡＬ)」のひずみ値になるまで引張荷重を加え、次いで、除荷すると、ＡＬ層の熱残留応力がゼロになる。

なお、引張荷重で目標を設定する場合には、図１１に表されているように下記の式１に基づいて目標の引張荷重を設定することができる。

（式１）
引張荷重Ｆ＝σ^Ｙ _ＡＬ／Ｅ_ＡＬ×（Ｅ_ＣＦＡ_ＣＦ＋Ｅ_ＡＬＡ_ＡＬ）
ここで、σ^Ｙ _ＡＬ：ＡＬ層の降伏応力
Ｅ_ＡＬ：ＡＬ層のヤング率、Ｅ_ＣＦ：ＣＦ層のヤング率
Ａ_ＡＬ：ＡＬ層の断面積、Ａ_ＣＦ：ＣＦ層の断面積

以上、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。

例えば、本発明は、芯棒の外周に装着されているＦＲＰプリプレグの加熱による軟化と、芯棒の膨張・収縮とを利用し、熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒が内部に挿入された金属管と、その内周に成形されるＦＲＰパイプとを加熱成形時に一体化した金属／ＦＲＰパイプにおいて、加熱成形時に金属管と、前記ＦＲＰプリプレグが硬化して金属管の内周に成形されるＦＲＰパイプとが一体化することから引き起こされる、常温に戻した際に金属管に生じる引っ張りの熱残留応力による問題の解決を目指すものである。そこで、金属／ＦＲＰパイプを準備する工程は前述したものに限られない。

熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取ることにより金属／ＦＲＰパイプが準備されるのであれば、種々の方法・工程を採用可能であり、金属管、マンドレル、等のサイズや、金属管、マンドレル、ＦＲＰプリプレグ、熱硬化性樹脂、等の材質も種々に変更可能である。

また、金属／ＦＲＰパイプにおける金属管、ＦＲＰ管の材質も前述したものに限られない。

１ 金属／ＦＲＰパイプ
２ 金属管
３ ＣＦＲＰプリプレグ
４ マンドレル
ｃ１ ＣＦＲＰプリプレグと金属管との内外相互間隙
ｃ２ 硬化したＣＦＲＰとマンドレルとの内外相互間隙
１０ チャック
１１ 内側押圧部
１３ 内側挟持部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 内側挟持片
１４ 外側挟持部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 外側挟持片
１５ 掛止部
１６ 外側押圧部
１８ チャック開口部
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ 軸方向に延びる分割溝

Claims (7)

1. 熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、
   前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、
   更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、
   その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取った金属／ＦＲＰパイプの全体に対して、所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加え、次いで、除荷して
   金属／ＦＲＰパイプを製造する方法。
2. 芯棒を金属管から抜き取った金属／ＦＲＰパイプの全体に対して所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加える工程は、
   前記金属／ＦＲＰパイプの両端の開口部をそれぞれチャックで掴んで前記金属／ＦＲＰパイプを軸方向に引き伸ばすものであり、
   当該チャックは、それぞれ、前記金属／ＦＲＰパイプの開口部が装入されるチャック開口部を備えている筒状で、中心部に内側押圧部を有し、当該内側押圧部を中心にして径方向外側に向かって、当該内側押圧部の外周側に内側挟持部、当該内側挟持部の外周側に外側挟持部、当該外側挟持部の外周側に外側押圧部を備えていて、
   前記内側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて拡径し、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
   前記内側挟持部は、前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に対応する形状の外周壁を備えていて、当該外周壁の周長が大きくなる方向及び小さくなる方向に拡径及び縮径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の内側挟持片に分割されており、
   前記外側挟持部は前記内側挟持部との間に径方向に所定の間隔を有する隙間を介して配置され、前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に対応する形状の内周壁を備えていて、当該内周壁の周長が小さくなる方向及び大きくなる方向に縮径及び拡径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の外側挟持片に分割されており、当該外側挟持片の内周壁に掛止部を有し、
   前記外側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて縮径する内周壁を備えており、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
   前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部の周壁が前記内側挟持部と前記外側挟持部との間に存在する径方向の隙間に挿入されるように前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部にそれぞれ前記チャック開口部を装着した後、
   前記内側押圧部を後退させることによって前記内側挟持部の各内側挟持片を拡径方向に移動させて内側挟持片の外周壁を前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に当接させ、
   前記外側押圧部を後退させることによって前記外側挟持部の各外側挟持片を縮径方向に移動させて外側挟持片の内周壁に配備されている掛止部を前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に掛止させつつ前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁を軸方向で外側に向かって引き伸ばす
   ことにより、金属／ＦＲＰパイプの全体を軸方向に延びるように引っ張るものであることを特徴とする請求項１記載の金属／ＦＲＰパイプを製造する方法。
3. 前記所定のひずみ値が、「前記金属管から構成される金属層の降伏ひずみ（ε^Ｙ _金属）＋前記金属管から構成される金属層の残留ひずみ（ε^Ｔ _金属）」であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属／ＦＲＰパイプを製造する方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の金属／ＦＲＰパイプを製造する方法により製造した金属／ＦＲＰパイプ。
5. 熱硬化性樹脂が含浸されたＦＲＰプリプレグが外周に装着されている芯棒を金属管の内部へ挿入し、
   前記ＦＲＰプリプレグが軟化するまで加熱して前記芯棒を膨張させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に押し付け、
   更に加熱温度を上げて前記ＦＲＰプリプレグを硬化させ、前記ＦＲＰプリプレグの最外周を前記金属管の内周面に張り付けて一体化し、
   その後、常温まで冷却して前記芯棒を収縮させ、前記芯棒を前記金属管から抜き取って製造した金属／ＦＲＰパイプの前記金属管から構成される金属層の残留応力を除去する方法であって、
   前記金属／ＦＲＰパイプの全体に対して、所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加え、次いで、除荷ことを特徴とする金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法。
6. 前記金属／ＦＲＰパイプの全体に対して所定のひずみ値になるまで引っ張り荷重を加える工程は、
   前記金属／ＦＲＰパイプの両端の開口部をそれぞれチャックで掴んで前記金属／ＦＲＰパイプを軸方向に引き伸ばすものであり、
   当該チャックは、それぞれ、前記金属／ＦＲＰパイプの開口部が装入されるチャック開口部を備えている筒状で、中心部に内側押圧部を有し、当該内側押圧部を中心にして径方向外側に向かって、当該内側押圧部の外周側に内側挟持部、当該内側挟持部の外周側に外側挟持部、当該外側挟持部の外周側に外側押圧部を備えていて、
   前記内側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて拡径し、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
   前記内側挟持部は、前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に対応する形状の外周壁を備えていて、当該外周壁の周長が大きくなる方向及び小さくなる方向に拡径及び縮径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の内側挟持片に分割されており、
   前記外側挟持部は前記内側挟持部との間に径方向に所定の間隔を有する隙間を介して配置され、前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に対応する形状の内周壁を備えていて、当該内周壁の周長が小さくなる方向及び大きくなる方向に縮径及び拡径可能であると共に、軸方向に延びる分割溝によって、円周方向において所定の間隔をあけて複数の外側挟持片に分割されており、当該外側挟持片の内周壁に掛止部を有し、
   前記外側押圧部は、前記チャック開口部側に向かうにつれて縮径する内周壁を備えており、中心軸が延びる方向において、前記チャック開口部側に向かう方向に前進および、前記チャック開口部側から離れる方向に後退可能で、
   前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部の周壁が前記内側挟持部と前記外側挟持部との間に存在する径方向の隙間に挿入されるように前記金属／ＦＲＰパイプの両端開口部にそれぞれ前記チャック開口部を装着した後、
   前記内側押圧部を後退させることによって前記内側挟持部の各内側挟持片を拡径方向に移動させて内側挟持片の外周壁を前記金属／ＦＲＰパイプの内周壁に当接させ、
   前記外側押圧部を後退させることによって前記外側挟持部の各外側挟持片を縮径方向に移動させて外側挟持片の内周壁に配備されている掛止部を前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁に掛止させつつ前記金属／ＦＲＰパイプの外周壁を軸方向で外側に向かって引き伸ばす
   ことにより、金属／ＦＲＰパイプの全体を軸方向に延びるように引っ張るものであることを特徴とする請求項５記載の金属／ＦＲＰパイプの
   熱残留応力除去方法。
7. 前記所定のひずみ値が、「前記金属管から構成される金属層の降伏ひずみ（ε^Ｙ _金属）＋前記金属管から構成される金属層の残留ひずみ（ε^Ｔ _金属）」であることを特徴とする請求項５又は６記載の金属／ＦＲＰパイプの熱残留応力除去方法。

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