JP6990384B2 - 接合体および接合システム - Google Patents

Description

本発明は、鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した接合体、および接合体を用いた接合システムに関する。

特許文献１には、球状黒鉛変形層の形成を防止若しくは抑制して高い接合強度を得ることが記載されている。そのため、特許文献１には、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面に鉄基金属材、あるいはニッケル基金属材をインサートしたことと、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面を凹形状としたことと、球状黒鉛鋳鉄と鉄鋼材料の摩擦圧接において球状黒鉛鋳鉄の圧接面に鉄基金属材、あるいはニッケル基金属材をインサートすると共に球状黒鉛鋳鉄の圧接面を凹形状としたこととが記載されている。

特開２００２－１１３５８３号公報（要約）

鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体が求められている。

本発明の一態様は、鋳造により形成されたザラザラとした質感の鋳肌面を有する鋳鉄製部材と、鋳鉄製部材に摩擦圧接により接合された鋼製部材とを備える接合体である。鋼製部材は、第１の厚みで円筒状に形成された第１の円筒状部を含み、鋳鉄製部材は、第１の厚みよりも大きい第２の厚みで円筒状に形成された第２の円筒状部を含む。第１の円筒状部は、第１の厚みに相当する第１の幅で環状に形成された第１の環状面と、摩擦圧接により生成されたバリにより第１の環状面と連なるように形成されたバリ面とを含み、第２の円筒状部は、第１の円筒状部に接合された接合面を含む。接合面は、第２の厚みに相当する第２の幅で環状に形成された第２の環状面であって、第１の環状面の全部とバリ面の少なくとも一部とに接合された第２の環状面を含む。

この接合体によれば、鋳鉄製部材の円筒状部の厚みが、鋼製部材の円筒状部の厚みよりも大きく、鋳鉄製部材の環状面の面積が、鋼製部材の環状面の面積よりも大きいため、鋳鉄製部材の環状面を、鋼製部材の環状面だけでなく、それと連なるバリ面にも接合できる。このため、鋳鉄製部材と鋼製部材との接合面積を、鋼製部材の環状面の面積よりも大きくすることができる。したがって、鋳鉄製部材と鋼製部材との接合強度を向上させることができる。

第２の円筒状部は、外周側の鋳肌面の一部を平滑にすることにより、摩擦圧接後に接合面に連なった状態で残存する外周側平滑面を含むことが好ましい。酸化物等の不純物を含む鋳肌面を除去した外周側平滑面が、接合面に連なった状態で残存しているため、接合面に不純物が混入している確率を低減できる。このため、外周側平滑面は、第２の円筒状部の周方向に連続的に形成されていることがさらに好ましい。鋳鉄製部材の円筒状部の外周側から、接合面に不純物が混入している確率をさらに低減できる。したがって、接合面に不純物が混入することに伴い接合が阻害され、接合強度が低下することを抑制できる。

第２の円筒状部は、内周側の鋳肌面の一部を平滑にすることにより、摩擦圧接後に接合面に連なった状態で残存する内周側平滑面を含むことが好ましい。鋳肌面を除去した内周側平滑面が、接合面に連なった状態で残存しているため、接合面に不純物が混入している確率を低減できる。このため、内周側平滑面は、第２の円筒状部の周方向に連続的に形成されていることがさらに好ましい。鋳鉄製部材の円筒状部の内周側から、接合面に不純物が混入している確率をさらに低減できる。

バリ面は、第１の円筒状部の外周側に環状に形成された外周側環状バリ面と、第１の円筒状部の内周側に環状に形成された内周側環状バリ面とを含み、第２の環状面は、第１の環状面の全部と、外周側環状バリ面の少なくとも一部と、内周側環状バリ面の少なくとも一部とに接合されていることが好ましい。鋳鉄製部材の環状面は、鋼製部材の片側（外周側および内周側の一方）の環状バリ面に接合されていてもよいが、両側（外周側および内周側の両方）の環状バリ面に接合されることにより、鋳鉄製部材と鋼製部材との接合面積を増大させ、接合強度をさらに向上させることができる。

本発明の他の態様は、上記の接合体と、隣り合う上記接合体同士を機械的に接続するメカニカル継手とを備える接合システムである。典型的には、鋼製部材は、第１の円筒状部が延びた鋼管であり、鋳鉄製部材は、メカニカル継手に機械的に接続可能なコネクタである。形状自由度の高い鋳鉄製部材を、メカニカル継手と機械的に接続可能なコネクタとすることで、複数の鋼管同士を溶接することなく接続した、接合強度の高い接合システムを提供できる。

鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した、接合強度の高い接合体を提供できる。

本発明の実施形態である接合体を用いた接合システムを示す斜視図。 接合システムを示す断面図（図１のII－II線断面図）。 接合体を示す斜視図。 接合体を示す断面図（図３のIV－IV線断面図）。 接合体を示す端面図（図４のV－V線端面図）。 鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合する前の様子を示す斜視図。 鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合する前の様子を示す断面図（図６のVII－VII線断面図）。 鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合する様子を示す断面図。 鋳鉄製部材と鋼製部材とを摩擦圧接により接合した後の様子を示す斜視図。

図１に、本発明の実施形態である接合体１を用いた接合システム１００を斜視図により示している。図２に、接合システム１００を断面図（図１のII－II線断面図）により示している。接合システム１００は、鋼製部材１０と鋳鉄製部材２０とが摩擦圧接により接合された接合体１と、隣接する接合体１同士を機械的に接続したメカニカル継手９０とを備える。本実施形態の鋼製部材１０は、鋼管１０であり、鋳鉄製部材２０は、メカニカル継手９０に機械的に接続されたダクタイル鋳鉄製のコネクタ（鋳鉄製コネクタ）２０である。本実施形態のメカニカル継手９０は、隣接する鋳鉄製コネクタ２０同士を一体的に覆う一組の半筒状カバー９１ａ、９１ｂと、一組の半筒状カバー９１ａ、９１ｂ同士を不図示のボルト（締結部材）を介して締め付けるためのボルト孔（締結部）９２とを含む。形状自由度の高い鋳鉄（鋳造）の特性を活かし、鋳鉄製部材２０を、メカニカル継手９０と機械的に接続可能な鋳鉄製コネクタ２０とすることで、複数の鋼管１０同士を溶接することなく接続した接合システム１００を提供できる。

図３に、接合体１を斜視図により示している。図４に、接合体１を断面図（図３のIV－IV線断面図）により示している。図５に、接合体１を端面図（図４のV－V線端面図）により示している。図４および図５に示すように、接合体１は、鋼管１０と、鋼管１０に摩擦圧接により接合された鋳鉄製コネクタ２０とを含む。鋼管１０は、第１の厚みｔ１で円筒状に形成された第１の円筒状部１１を含む。鋳鉄製コネクタ２０は、メカニカル継手９０と接続するための接続部２１と、第１の厚みｔ１よりも大きい第２の厚みｔ２で円筒状に形成された第２の円筒状部２２とを含み、接続部２１と円筒状部２２とが鋳造により一体成形されることにより形成されている。

鋼管１０の円筒状部１１は、中心軸１１ｃの方向（軸方向Ｘ）に延びた中空の円筒壁１４と、円筒壁１４の軸方向Ｘの一端（先端）に、軸方向Ｘの一方側Ｘ１を向くように形成された第１の変形面３５とを含む。変形面３５は、後述する第１の圧接面１５（図７参照）が摩擦圧接により変形したものであり、第１の厚みｔ１に相当する、すなわちｔ１と同距離の第１の幅ｗ１で円環状に形成された第１の環状面３１（図５に示す仮想的な点線Ｌ１およびＬ２に挟まれた領域）と、摩擦圧接により生成されたバリ３９により環状面３１の外周側および内周側に連なるように形成されたバリ面３２とを含む。

バリ面３２は、円筒状部１１の外周側に円環状に形成された外周側環状バリ面３２ａ（図５に示す仮想的な点線Ｌ１よりも外周側の領域）と、円筒状部１１の内周側に円環状に形成された内周側環状バリ面３２ｂ（図５に示す仮想的な点線Ｌ２よりも内周側の領域）とを含む。本実施形態のバリ３９は、尖ったバリ先端３９ｅが軸方向Ｘの他方側Ｘ２を向くように、すなわち圧接方向とは反対側を向くように反り返ったカール状部３９ｃを含む。なお、外周側環状バリ面３２ａは、バリ３９のカール状部３９ｃが除去（バリ取り加工）された形態となっている。

鋳鉄製コネクタ２０の円筒状部２２は、中心軸２２ｃの方向（軸方向Ｙ）に延びた中空の円筒壁２４と、円筒壁２４の軸方向Ｙの一端（先端）に、軸方向Ｙの一方側Ｙ１を向くように形成された第２の変形面４５とを含む。変形面４５は、後述する第２の圧接面２５（図７参照）が摩擦圧接により変形したものであり、鋼製部材１０の円筒状部１１に接合された接合面４５ｊを含む。本実施形態では、変形面４５の全部が接合面４５ｊとなっているが、変形面４５の一部が接合面４５ｊとなっていてもよい。

接合面４５ｊは、第２の厚みｔ２に相当する、すなわちｔ２と同距離の第２の幅ｗ２で円環状に形成された第２の環状面４１を含む。環状面４１は、環状面３１の全部と、外周側環状バリ面３２ａの全部と、内周側環状バリ面３２ｂの一部とに接合されている（図５に示す仮想的な一点鎖線Ｌ３よりも外周側の領域に接合されている）。

この接合体１によれば、鋳鉄製コネクタ２０の円筒状部２２の厚みｔ２が、鋼管１０の円筒状部１１の厚みｔ１よりも大きく、鋳鉄製コネクタ２０の環状面４１の面積が、鋼管１０の環状面３１の面積よりも大きい。したがって、鋳鉄製コネクタ２０の環状面４１を、鋼管１０の環状面３１だけでなく、それに連なる外周側環状バリ面３２ａおよび内周側環状バリ面３２ｂにも接合できる。このため、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０との接合面４５ｊの面積（接合面積）を、鋼管１０の環状面３１の面積よりも大きくすることができる。したがって、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０との接合強度を向上させることができる。

図３および図４に示すように、鋳鉄製コネクタ２０は、鋳造により表面全体を覆うように形成されたザラザラとした質感の鋳肌面２０ｓと、円筒状部２２の外周側の鋳肌面２０ｓの全部を平滑にすることにより、摩擦圧接後に接合面４５ｊに連なった（接した）状態で残存する外周側平滑面（第１の外周側平滑面）４６と、円筒状部２２の内周側の鋳肌面２０ｓの全部を平滑にすることにより、摩擦圧接後に接合面４５ｊに連なった（接した）状態で残存する内周側平滑面４７とを含む。鋳肌面２０ｓは、酸化物等の不純物が含まれる鋳肌（黒皮）を剥がすことなく、鋳造したまま（未加工のまま）のザラザラとした質感を残した面である。本実施形態では、外周側平滑面４６は、円筒状部２２の外周面２２ａに沿って円周方向に切れ目なく連続的に形成されており、内周側平滑面４７は、円筒状部２２の内周面２２ｂに沿って円周方向に切れ目なく連続的に形成されている。外周側平滑面４６と内周側平滑面４７とは、互いに第２の厚みｔ２に相当する距離を隔てて配置されている。

鋳鉄製コネクタ２０は、さらに、接続部２１の外周側の鋳肌面２０ｓのうち、接合対象である鋼管１０の側に近接した一部を平滑にすることにより、第１の外周側平滑面４６に隣接して配置された外周側平滑面（第２の外周側平滑面）４８を含む。外周側平滑面４８は、鋳鉄製コネクタ２０の軸方向Ｙの他方側Ｙ２の先端に位置する接続部２１の端面２１ｅよりも、軸方向Ｙの一方側Ｙ１の先端に位置する円筒状部２２の変形面４５に近接した位置に配置されている。本実施形態の外周側平滑面４８は、中心軸２２ｃに対して真円状に形成されている。

この接合体１によれば、鋳鉄製コネクタ２０の円筒状部２２が、摩擦圧接後に接合面４５ｊに連なった（接した）状態で残存する外周側平滑面４６および内周側平滑面４７を含むため、鋳肌面２０ｓが接合面４５ｊに接触した状態となることを防止できる。このため、鋳肌面２０ｓに含まれる不純物が、当該鋳肌面２０ｓを介して接合面４５ｊに混入していることはない。したがって、接合面４５ｊに不純物が混入することに伴い接合が阻害され、接合強度が低下することを確実に防止できる。

さらに、この接合体１によれば、外周側平滑面４６が接合面４５ｊに接しているため、鋳鉄製コネクタ２０の外周側平滑面４６と鋼管１０の外周面１１ａとが接合面４５ｊを介して連なっている。鋼管１０の外周面１１ａは光沢のある平滑面１１ａであるため、接合面４５ｊは、美観（美感）が共通または類似する平滑面４６および平滑面１１ａにより挟まれる。したがって、接合面４５ｊを目立ちにくくすることにより、ユーザーに接合面４５ｊが視認（認識）されにくい異種材料接合体１を提供できる。また、外周側平滑面４８が外周側平滑面４６に隣接配置されているため、美観の統一感を一層向上できる。

図６～図９に、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０とを摩擦圧接により接合する例を示している。図６は、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０とを摩擦圧接により接合する前の様子を示す斜視図、図７は、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０とを摩擦圧接により接合する前の様子を示す断面図（図６のVII－VII線断面図）、図８は、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０とを摩擦圧接により接合する様子を示す断面図、図９は、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０とを摩擦圧接により接合した後の様子を示す断面図である。

図６および図７に示すように、鋼管１０の円筒状部１１は、円筒壁１４の軸方向Ｘの一端に、第１の厚みｔ１に相当する第１の幅ｗ１で円環状に形成された第１の圧接面１５を含む。鋳鉄製コネクタ２０の円筒状部２２は、円筒壁２４の軸方向Ｙの一端に、第２の厚みｔ２に相当する第２の幅ｗ２で円環状に形成された第２の圧接面２５を含む。

図７に示すように、鋼管１０は、外周面１１ａがチャック装置５０により把持され、鋳鉄製コネクタ２０は、外周側平滑面（第２の外周側平滑面）４８がチャック装置６０により把持される。これにより、鋼管１０と鋳鉄製コネクタ２０とは、圧接面１５と圧接面２５とが互いに向かい合うように、同軸上に（中心軸１１ｃと中心軸２２ｃとが一致するように）配置される。

次に、図８に示すように、円筒状部２２を不図示の回転駆動ユニットにより中心軸２２ｃの周りに高速回転させた状態で、円筒状部１１を不図示の駆動ユニットにより円筒状部２２に向けて移動させ、圧接面１５を圧接面２５に押し付ける（押し当てる）際に発生する摩擦熱を利用して、円筒状部１１と円筒状部２２とを接合する。具体的には、円筒状部２２の回転速度、圧接面２５に対する圧接面１５の押圧力（ヒーティング圧力）、摩擦時間等のパラメータを制御することにより、圧接時の摩擦熱による接合部温度が鋳鉄製コネクタ２０の融点以上で鋼管１０の融点以下となるように制御する。これにより、鋳鉄製コネクタ２０の圧接面２５は、摩擦熱によりその殆どが溶融することで、飛散しながら消失（Ｙ方向の他方側Ｙ２に後退）し、鋼管１０の圧接面１５は、その殆どが溶融することなく、軟化しながらバリ３９を生成する（塑性変形する）。

適当なタイミングで円筒状部２２の回転と円筒状部１１の押圧（加圧）とをそれぞれ停止すると、図９に示すように、円筒状部２２の圧接面２５が変形面４５へと変形し、円筒状部１１の圧接面１５が変形面３５へと変形し、変形面４５と変形面３５とが接合される。本例では、変形面４５の全部が変形面３５に接合されており、変形面４５が接合面４５ｊとなっている。これにより、変形面４５の環状面４１と、変形面３５の環状面３１の全部、外周側環状バリ面３２ａの一部および内周側環状バリ面３２ｂの一部とが接合された接合体が得られ、必要に応じて、外周側のカール状部３９ｃをバリ取り加工することにより、図３および図４に示す接合体１を提供できる。なお、上記は一例であり、摩擦圧接の方法はこれに限定されない。

本例では、鋳鉄製コネクタ２０と鋼管１０との融点の違いを利用し、鋼管１０を溶融させず塑性変形させ、鋳鉄製コネクタ２０に比べて鋼管１０のバリ３９を拡大生成させるとともに、予め、鋳鉄製コネクタ２０の円筒状部２２の厚みｔ２を、鋼管１０の円筒状部１１の厚みｔ１よりも大きく設定している。これにより、少なくとも厚みｔ２に相当する幅ｗ２の環状面４１を、厚みｔ１に相当する幅ｗ１の環状面３１とその外側に生成されるバリ面３２とに接合できる。すなわち、バリ面３２を接合面４５ｊの一部として利用することで、接合面積を効率的に増大させている。したがって、鋼管１０の円筒状部１１の厚みｔ１を大きくすることなく、鋳鉄製コネクタ２０の円筒状部２２の厚みｔ２だけを大きくすることにより、効率よく低コストに接合強度の向上を図ることができる。なお、円筒状部１１および円筒状部２２のサイズの一例は、円筒状部１１の厚みｔ１が５ｍｍ、円筒状部２２の厚みｔ２が７ｍｍであり、円筒状部２２と円筒状部１１との肉厚比（ｔ２／ｔ１）は１．４である。肉厚比は上記に限定されないが、摩擦圧接後の変形面４５と変形面３５との面積差に伴う接合部断面の急変等に起因する接合強度の低下を防止するためには、肉厚比は２．０以下であることが好ましく、１．８以下であることがさらに好ましく、１．６以下であることがさらに好ましい。

また、本例では、チャック装置６０により、接続部２１の端面２１ｅよりも円筒状部２２の変形面４５の側に近接配置された外周側平滑面４８が把持されるため、回転振動に伴う円筒状部２２の軸ブレを抑制しやすい。したがって、圧接面１５が圧接面２５の外側にはみ出た（位置ずれした）状態で当たらないように、すなわち円環状の圧接面１５が円環状の圧接面２５の内側に確実に当たった状態で摩擦圧接をすることができる。さらに、チャック装置６０が真円状に形成された平滑面４８を把持するため、円筒状部２２の中心軸２２ｃと円筒状部１１の中心軸１１ｃとの軸合わせ（芯出し）を容易に精度よく行うことができる。したがって、環状面４１と、環状面３１の全部、外周側環状バリ面３２ａの一部および内周側環状バリ面３２ｂの一部とを確実に接合することができる。

１ 接合体、 ９０ メカニカル継手、 １００ 接合システム
１０ 鋼製部材（鋼管）、 １１ 第１の円筒状部、 １４ 円筒壁、 １５ 第１の圧接面
２０ 鋳鉄製部材（鋳鉄製コネクタ）、 ２０ｓ 鋳肌面、 ２１ 接続部、 ２２ 第２の円筒状部、 ２４ 円筒壁、 ２５ 第２の圧接面
３１ 第１の環状面、 ３２ バリ面、 ３２ａ 外周側環状バリ面、 ３２ｂ 内周側環状バリ面、 ３５ 第１の変形面、 ３９ バリ、 ３９ｃ カール状部
４１ 第２の環状面、 ４５ 第２の変形面、 ４５ｊ 接合面、 ４６ 第１の外周側平滑面、 ４７ 内周側平滑面、 ４８ 第２の外周側平滑面
５０、６０ チャック装置
ｔ１ 第１の厚み、 ｔ２ 第２の厚み、 ｗ１ 第１の幅、 ｗ２ 第２の幅

Claims (7)

1. 鋳造により形成されたザラザラとした質感の鋳肌面を有する鋳鉄製部材と、前記鋳鉄製部材に摩擦圧接により接合された鋼製部材とを備え、
   前記鋼製部材は、第１の厚みで円筒状に形成された第１の円筒壁であって、摩擦圧接後に残存する第１の円筒壁を有する第１の円筒状部を含み、
   前記鋳鉄製部材は、前記第１の厚みよりも大きい第２の厚みで円筒状に形成された第２の円筒壁であって、摩擦圧接後に残存する第２の円筒壁を有する第２の円筒状部を含み、
   前記第１の円筒状部は、前記第１の円筒壁の軸方向の一端側に、前記第１の厚みに相当する第１の幅で環状に形成された第１の環状面と、摩擦圧接により生成されたバリにより前記第１の環状面と連なるように形成されたバリ面とを含み、
   前記第２の円筒状部は、前記第２の円筒壁の軸方向の一端側に、前記第１の円筒状部と接合された接合面を含み、
   前記接合面は、前記第２の厚みに相当する第２の幅で環状に形成された第２の環状面であって、前記第１の環状面の全部と前記バリ面の少なくとも一部とに接合された第２の環状面を含む、接合体。
2. 前記第２の円筒状部は、外周側の前記鋳肌面の一部を平滑にすることにより、摩擦圧接後に前記接合面に連なった状態で残存する外周側平滑面を含む、請求項１に記載の接合体。
3. 前記外周側平滑面は、前記第２の円筒状部の周方向に連続的に形成されている、請求項２に記載の接合体。
4. 前記第２の円筒状部は、内周側の前記鋳肌面の一部を平滑にすることにより、摩擦圧接後に前記接合面に連なった状態で残存する内周側平滑面を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の接合体。
5. 前記内周側平滑面は、前記第２の円筒状部の周方向に連続的に形成されている、請求項４に記載の接合体。
6. 前記バリ面は、前記第１の円筒状部の外周側に環状に形成された外周側環状バリ面と、前記第１の円筒状部の内周側に環状に形成された内周側環状バリ面とを含み、
   前記第２の環状面は、前記第１の環状面の全部と、前記外周側環状バリ面の少なくとも一部と、前記内周側環状バリ面の少なくとも一部とに接合されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の接合体。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の接合体と、
   隣り合う前記接合体同士を機械的に接続するメカニカル継手とを備え、
   前記鋼製部材は、前記第１の円筒状部が延びた鋼管であり、
   前記鋳鉄製部材は、前記メカニカル継手に機械的に接続可能なコネクタである、接合システム。

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