JP4882709B2

JP4882709B2 - 高力ボルト摩擦接合構造

Info

Publication number: JP4882709B2
Application number: JP2006326771A
Authority: JP
Inventors: 浩司福田; 康生一戸
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2008138264A

Description

本発明は、鋼材同士の接合に用いられる高力ボルト摩擦接合構造に関するものである。

接合する一対のＨ形鋼などの鋼材同士の接合端部のフランジをスプライスプレートで挟み込み、高力ボルトで締め付けることによりスプライスプレートと鋼材との摩擦接合面の摩擦力により力を伝達する高力ボルト摩擦接合工法において、摩擦接合面が赤錆面である場合、そのすべり係数は、大きいもので0.6程度、バラツキを考慮すると平均的には0.45程度である。

すべり係数を大きくするために、これまで種々の技術が考案され、主に（1）摩擦接合面の間に高硬度の突起状の中間物を介在させる方式、（2）高硬度の添板の表面に凸凹の加工を施す方式、（3）母材あるいは添板の表面に金属やセラミックスを溶射する方式の３通りに大別される。

（1）の中間物を介在させる方式としては、形鋼の表面とフィラープレート双方に凹凸を設け、フィラープレートの外側に跨って添板を高力ボルトにより締結したもの。母材と添板の隙間に母材や添板より強度、硬度に優れた板状材の両面に突起を形成したもの。摩擦接合面の間に突起を設けた接合補助材を介在させたもの。ボルト孔周囲の座ぐり部に突起を設けた接合補助材を介在させたもの。ボルト孔周囲に円弧状の硬質の補助材を介在させたもの。摩擦接合面に塗布材に繊維を混入させたもの。摩擦接合面に硬質粒子を含有する分散液を塗布あるいは硬質粒子を分散させたシートを置いたもの。摩擦接合面に砥粒や硬化処理金属粒、高硬度金属粒を介在させたもの。摩擦接合面に強度の高い線材を介在させたもの。摩擦接合面の間に表面に突起を設けた中間補助材を介在させたもの。などがある。

この中で表面に突起を有する板状のものは、板状介在物の突起加工にコストが掛かり高価なものとなる。施工時のセット手間も増える。また、硬質粒子や繊維を塗料に混ぜて塗布する場合には塗料中に粒子を均一に拡散させ、むらなく所定の量を塗布させるための管理が必要で、施工時の不確定性を考慮すると煩雑なものになる。また、長期のクリープ変形に対する問題もある。

（2）の高硬度の添板の表面に突起加工をする方式として、添板の表面に突起形状のパラメータを規定して円柱状突起を設けたもの。添板の表面粗さＲｚや母材に対する硬さ比率を規定したもの。添板の表面ＨｖやＲmax値を規定したもの。鋼材成分系の規定、突起の高低差および硬さを規定したもの。添板のボルト孔周囲に同心円状にローレット加工で凸凹模様をつけたもの。添板の表面硬さの比、突起高さを規定したもの。添板の成分系の規定、Ｒｚ規定、Ｈｖを規定したもの。などがある。

しかし、高硬度の添板の表面を加工する方式は、ａ）高硬度の特別な材を用いなければならないこと、ｂ）表面の凸凹加工が機械加工となり加工手間が掛かりことから、高価なものとなる。さらに、被接合材（母材）同士で板厚に大きく差がある場合には適用しづらい点も問題である。

本発明と関連性の高い（3）の溶射方式としては、特許文献１に記載されているように、接合面の少なくとも１面に耐食性金属をプラズマ溶射する方式。特許文献２に記載されているように、ボルト孔の回りの接合面にセラミックのプラズマ溶射を施す方式。特許文献３に記載されているように、添板表面に金属またはセラミック溶射を施す方式。などがある。

しかし、プラズマ溶射は、溶射材にパウダー（粉末）を使用するため、溶射材料自体は安価ではなく、溶射効率もさほど高くないため、高価なものとなる。この点、アーク溶射を用いればコスト的には非常に有利であるが、プラズマ溶射やセラミック溶射で高いすべり係数（本発明では0.7以上）を発揮するものはあるが、安価なアーク溶射で0.7以上の高いすべり係数を発揮できるものはこれまで見られない。

特開平１−２０６１０４号公報特開平１−２６６３０９号公報特開平６−２７２３２３号公報

本発明に関連する溶射方式においては、すべり係数は、溶射金属の表面状態や硬さに依存することはわかっているが、これら物性に関し従来知られている指標だけでは、安定して高いすべり係数を得ることはできなかった。

本発明は、スプライスプレートと高力ボルトを用いた高力ボルト摩擦接合構造において、安価なアーク溶射により摩擦接合面に0.7以上の高いすべり係数を確実に安定して付与することができ、簡単で安価な高摩擦接合工法が実現できる高力ボルト摩擦接合構造を提供するものである。

本発明は、安価で安定的にすべり係数を発揮できる高摩擦接合工法の得ることを目的とし、安価で管理も容易なアーク溶射による高摩擦化を狙う。また、すべり係数に影響するパラメータとして一般に溶射金属の硬さ、粗さ（最大高さＲmax）が挙げられる。しかし、本発明での種々の検討により、上記パラメータだけでは不十分で、安定的に高いすべり係数を発揮するには溶射面の凸凹形状の均質性が重要であることを解明した。本発明では、金属溶射面の最大高さから100μmの位置での輪郭曲線の負荷長さ率（＝凸部の切断長さの総和／基準長さ）という指標で、溶射面の凸凹形状の均質さを定量的に示した。

本発明の請求項１に係る高力ボルト摩擦接合構造は、接合する一対の鋼材同士の接合端部に添接した継手板を高力ボルトで締め付け、継手板と鋼材との摩擦接合面の摩擦力により力を伝達する高力ボルト摩擦接合構造において、前記摩擦接合面に、ビッカース硬度Ｈｖ300以上、かつ、表面粗さの最大高さＲmaxが100μm以上、かつ、表面粗さの最大高さＲmaxが100μm以上、かつ、表面粗さの最高高さから下へ100μmの位置での輪郭曲線の負荷長さ率Ｒmr（100）（＝凸部の切断長さの総和Ｌ／基準長さＴＬ、図４参照）が0.34以上の被膜がアーク溶射により形成されていることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造である。

アーク溶射は、金属線（ワイヤー状）を溶射電流でアーク溶融させ、高圧エアで微粒粉砕させ、高速で吹き付けて金属被膜を形成するものである。ビッカース硬度Ｈｖ300以上で表面粗さの最大高さＲmaxが100μm以上の金属溶射面の凸凹形状を均質とすることで、すべり係数を0.7以上とすることができる。Ｒmaxを低下させないように、溶射電流を下げ、あるいはエア圧力を低下させることにより、溶射面の山谷形状を均一にすることができる。

Ｒmr（100）は、図４に示すように、溶射面の凸凹の均一さを定量的に評価するものであり、図３に示すように、この値が大きいほど溶射面の山谷形状が均一になる（Ａ材は0.93、Ｃ材は0.34）。Ｒmrはボルト締め付け時に溶射金属が被接合材側に食い込み、その後、せん断力を受けた場合の有効なせん断変形の領域を示し、Ｒmrが大きい程、せん断変形に抵抗する溶射金属の領域が大きくなることを意味する。Ｒmr＝0.34ですべり係数0.7以上が得られており、Ｒmrは0.34以上とする。

なお、すべり係数は、図５に示すように、高くなるほど、ボルト本数を少なくすることができるが、0.7を超えると、ボルト本数の低下率は小さくなるため、すべり係数は0.70以上あれば、実用上は十分であり、目標すべり係数は0.70以上に設定した。

本発明の請求項２に係る高力ボルト摩擦接合構造は、請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造において、継手板の鋼材との摩擦接合面に被膜が形成されていることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造である。

図１、図２に示すように、スプライスプレートやフィラープレート等の継手板の少なくとも片面（鋼材との摩擦接合面）にアーク溶射による金属溶射被膜を形成し、更なるコストの低減を図る。なお、被接合材の鋼材と継手板の表面は、溶射に先立ってブラスト処理等の表面処理を施す。

以上のような本発明によれば、スプライスプレートと高力ボルトを用いた高力ボルト摩擦接合構造において、安価なアーク溶射により摩擦接合面に0.7以上の高いすべり係数を確実に安定して付与することができ、安価で安定した性能の高摩擦接合工法が実現できる。

(1) 高力ボルト摩擦接合構造の摩擦接合面に、ビッカース硬度300以上、表面粗さの最大高さＲmaxが100μm以上、溶射面の凸凹形状が均質、例えばＲmr0.34以上の金属被膜をアーク溶射により形成するため、安価なアーク溶射により摩擦接合面に0.7以上の高いすべり係数を確実に安定して付与することができ、低コストで安定した性能の高摩擦接合工法を実現することができる。
(2) スプライスプレート等の継手板の片面にアーク溶射による被膜を形成することにより、更なるコストの低減が可能となる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１、図２は、本発明の高力ボルト摩擦接合構造の構成例を示したものである。図１において、被接合材の一対のＨ形鋼１、１の接合端部における平行フランジ２、２およびウェブ３を一対のスプライスプレート４、４で挟み込み、高力ボルト５とナット６で締め付け、スプライスプレート４とＨ形鋼１との摩擦接合面の摩擦力により力を伝達する高力ボルト摩擦接合構造が形成されている。スプライスプレート４の片面の摩擦接合面に本発明に係るアーク溶射による金属溶射被膜１０が形成される。

図２は、被接合材同士で板厚に差がある場合の構成例であり、板厚の薄い側にフィラープレート７が挟み込まれる。スプライスプレート４およびフィラープレート７の片面の摩擦接合面に金属溶射被膜１０が形成される。フィラープレート７の両面に金属溶射被膜１０を形成しても問題ない。

このような高力ボルト摩擦接合構造において、本発明に係るアーク溶射による金属溶射被膜１０は、（1）ビッカース硬度Ｈｖ300以上、（2）表面粗さの最大高さＲmaxが100μm以上、（3）表面粗さの最高高さから下へ100μmの位置での輪郭曲線の負荷長さ率（＝凸部の切断長さの総和／基準長さ）Ｒmr(100)が0.34以上の３つの条件を満たすようにし、すべり係数0.70以上が確保されるようにする。以下、この３つの条件について詳述する。

金属溶射を用いた摩擦接合面では溶射金属の硬さ、表面粗さの最大高さＲmaxが着目される。これは、ａ）硬い金属が被接合材に食い込み易いこと、ｂ）定性的に表面が粗い方がすべり係数が高くなることによる。しかし、種々の検討の結果、硬さ、Ｒmaxは必要条件であるが、必要十分条件ではないことが判明した。

表１はすべり試験の結果である。被接合材、スプライスプレート共に材質はＳＭ490材である。被接合材の表面処理は同一条件でブラスト処理し、スプライスプレートには３種類の金属をアーク溶射している。Ａはステンレス系のワイヤーを、Ｂは炭素が２％程度含まれたワイヤー、Ｃは炭素が５％程度含まれた高炭素系のワイヤーである。Ｂ´はＢと同一の材料であるが、溶射面の粗さを粗くした場合である。ＲmaxはＡ,Ｂ,Ｃいずれも優位差はない。Ｂ´はＢに比べＲmaxが大きくなっている。また、ビッカース硬度ＨｖはＣ、Ｂ（Ｂ´）、Ａの順に低くなる。

これまでの知見では、Ｒmaxが同一であれば、硬さの高い順にすべり係数は高くなると考えられていた。しかし、試験では、これとは逆にすべり係数は硬さの最も低いＡ材がすべり係数が高い結果である。また、ＡとＡ´およびＢとＢ´を比較すると粗さの大きい方がすべり係数が低くなっている。

表１のＲmr（100）は溶射面の最高高さから100μmの位置での負担率（負荷長さ率）である。Ｒmr（100）はすべり係数の高い順に大きくなっている。

図３は各溶射金属の表面のプロフィールの例である。Ａ材とＣ材を比較すると、Ａ材は山谷の形状が均一なのに対して、Ｃ材は山谷の形状が不均一になっている。この不均一さを定量的に評価したのが表１のＲmrである。図４に示すように、Ｒmrは山を最高高さから下へＸの位置で切断した長さの総和Ｌを基準長さＴＬで除した値で定義する。なお、基準長さＴＬは長い方が正確になるため、最低でも10mm以上が望ましい。Ｒmrはボルト締め付け時に溶射金属が被接合材側に食い込み、その後、せん断力を受けた場合の有効なせん断変形の領域を示し、Ｒmrが大きい程、せん断変形に抵抗する溶射金属の領域が大きくなることを意味する。

本発明で示したような表面形状は、溶射条件を調整することで得られる。一般に、溶射面の粗さは溶射電流を下げ、あるいはエア圧力が小さい方が、溶射面の山谷の形状を均一にできる。ただし同時にＲmaxを低下させる傾向にあるので、溶射電圧等他の条件とバランスを組み合わせに適正な条件を設定する。この適性条件の一例としては、電圧30Ｖ程度で電流：100Ａ〜300Ａ、エア圧力：50psi〜80psi（約0.34〜0.55MPa）の範囲で溶射することが挙げられる。

本発明では、目標すべり係数を0.70とする。0.70以上を満足するＲmr（100）は表１より0.34以上となる。

目標すべり係数0.70の根拠について示す。図５はH-900×300×19×32の梁継ぎ手をSCSS-H97に従って設計した例である。ボルトはM22−F15TおよびM22−F10Tを想定する。すべり係数が増加するにつれてボルト本数は下がるがすべり係数0.7を超えると低下率は小さくなる。これは、すべり係数が高くなるとボルト本数が終局せん断耐力で決定するためである。従って、すべり係数は0.70以上あれば実用上は十分である。以上の理由より目標すべり係数を0.70と設定した。

本発明において、アーク溶射はスプライスプレートに対してのみ行えばよい。被接合材でありＨ形鋼のような大型の構造材に溶射するには、大掛かりな設備が必要となり、結果として高価になる。

本発明の高力ボルト摩擦接合構造の構成例を示したものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は部分断面の側面図、（ｄ）はプレートのアーク溶射を示す概略図である。本発明の高力ボルト摩擦接合構造の構成例であり、板厚に差がある場合の例を示す側面図である。本発明のアーク溶射による溶射金属の表面のプロフィールを示すグラフである。本発明における表面粗さの最高高さから下へ100μmの位置での輪郭曲線の負荷長さ率Ｒmrを示す説明図である。梁継手におけるすべり係数とボルト本数の関係を示すグラフである。

符号の説明

１…Ｈ形鋼（被接合材）
２…フランジ
３…ウェブ
４…スプライスプレート
５…高力ボルト
６…ナット
７…フィラープレート
１０…アーク溶射による金属溶射被膜

Claims

接合する一対の鋼材同士の接合端部に添接した継手板を高力ボルトで締め付け、継手板と鋼材との摩擦接合面の摩擦力により力を伝達する高力ボルト摩擦接合構造において、
前記摩擦接合面に、ビッカース硬度Ｈｖ300以上、かつ、表面粗さの最大高さＲmaxが100μm以上、かつ、表面粗さの最高高さから下へ100μmの位置での輪郭曲線の負荷長さ率（＝凸部の切断長さの総和／基準長さ）が0.34以上の被膜がアーク溶射により形成されていることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造において、継手板の鋼材との摩擦接合面に被膜が形成されていることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。