パイプの縮径加工方法
【課題】加工装置を小型、単純化することができ、作業効率の高いパイプの縮径方法と、前記方法を利用したパイプのかしめ方法、およびかしめ接合体を提供する。
【解決手段】外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査させて金属からなるパイプ３にスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向の塑性変形を生じさせてパイプの縮径加工方法を構成する。また、接合対象物４が挿入された金属からなるパイプ３の外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査させてパイプ３にスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向に塑性変形を生じさせて接合対象物に圧着させてパイプのかしめ方法を構成する。さらに、金属からなり、外表面１をなぞるように順次連続してスポット加熱されて縮径方向に塑性変形された一端部５を備えるパイプ３と、前記縮径方向の塑性変形によりパイプ３の一端部５に接合された接合対象物４とを有してパイプ３のかしめ接合体を構成す。
【解決手段】外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査させて金属からなるパイプ３にスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向の塑性変形を生じさせてパイプの縮径加工方法を構成する。また、接合対象物４が挿入された金属からなるパイプ３の外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査させてパイプ３にスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向に塑性変形を生じさせて接合対象物に圧着させてパイプのかしめ方法を構成する。さらに、金属からなり、外表面１をなぞるように順次連続してスポット加熱されて縮径方向に塑性変形された一端部５を備えるパイプ３と、前記縮径方向の塑性変形によりパイプ３の一端部５に接合された接合対象物４とを有してパイプ３のかしめ接合体を構成す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパイプの縮径加工方法に関するものであり、より詳細には、パイプの内径を縮径させる加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パイプの縮径加工には多様な手法が提案されており、例えば、特許文献１に記載されるようにかしめを行うなどパイプに対して縮径方向の外力を機械的に加えたり、あるいは、特許文献２に記載されるように形状記憶合金からなるパイプ継ぎ手を円筒状のヒータで加熱し、より縮径された記憶形状に復帰させたりするものがある。
【特許文献１】特開２００６-９７７１６号公報
【特許文献２】特開２００３-１３９２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したようにパイプに対して外力を機械的に加える場合には、外力に耐えうるようにパイプを支持しなければならない上に、外力を加える機構が必要であるなど加工装置が大型化、複雑化しやすいという欠点がある。
【０００４】
また、合金の形状記憶を利用する場合、予め、記憶形状よりも拡径させる加工が必要で、縮径加工を含めると実質的に倍の手間がかかってしまうことになる。
【０００５】
本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、加工装置を小型化、単純化することができ、作業効率の高いパイプの縮径加工方法の提供を目的とする。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上述した縮径加工方法を利用したパイプのかしめ方法、およびパイプのかしめ接合体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、金属からなるパイプ３の外表面１にレーザ光２をなぞるように走査させることにより、縮径方向の塑性変形を生じさせることができることを見出した。すなわち、レーザ光２の照射によってパイプ３にはレーザ光２のビーム径に応じたスポット状の加熱領域が形成され、当該領域でパイプ３内径方向へのスポット状の塑性変形が生じる。レーザ光２がパイプ３の外表面１をなぞるように走査されることにより、上述した内径方向へのスポット状の塑性変形が走査方向に順次連続して発生し、これによってパイプ３に縮径方向の塑性変形を生じさせることができる。
【０００８】
また、上述したパイプ３の内径方向への塑性変形には、以下の理由が考えられる。すなわち、スポット状に形成された加熱領域は、隣接する周辺部との間で生じる大きな温度勾配により周辺部によって加熱による膨張を拘束された状態になり、これによって熱応力としての圧縮応力を生じる。一方、加熱は金属の降伏応力を低下させることから、この状態で上述した圧縮応力が降伏応力よりも大きくなりやすく、塑性変形を生じやすくなる。上述した加熱領域はパイプ３に形成されるために閉曲面を構成することから、したがって上述した圧縮応力が解放されることによってこの閉曲面に内径方向への収縮の塑性変形を生じさせる結果となる。なお、いわゆる体積一定則に基づいてパイプ３は加熱前に比べて肉厚が増大する。
【０００９】
したがって外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査させるだけでパイプ３を縮径加工することができ、縮径加工は、レーザ光２の走査を考慮して、例えばパイプ３が回転、進退可能に支持されたり、あるいは相対的に逆にレーザ光２の出射部が移動できたりすれば十分になる。このため加工装置を小型化、単純化することができ、また、加工時間を極めて短縮して作業効率を飛躍的に高めることができる。
【００１０】
また、レーザ光２は走査されても瞬間においてはスポット照射であり、スポット加熱を生じさせるものではあるものの、レーザ光２の照射が連続してなされる場合において直前に照射されていた部位、すなわちあるタイミングにおいて現に照射を受けている部位から走査を戻す方向に隣接する部位の温度は、比較的高温に維持されていると言える。このため上述したスポット状の加熱領域の膨張が吸収されやすく、この場合における吸収は当該方向への収縮変形を減少させる傾向に作用するとも考えられる。
【００１１】
一方、パイプ３外表面１をなぞるようにするためのレーザ光２の走査は、レーザ光２のビーム径がパイプ３の直径に近いような場合を別にすれば、基本的に、パイプ３の長手方向への並進移動と、パイプ３の周方向への回転移動の２種類のレーザ光２の移動に分けて考えることができる。以上によれば、パイプ３の長手方向へのレーザ光２の移動をパイプ３の周方向に繰り返してパイプ３外表面１をなぞるようにすれば、後述する実験結果にも裏付けられるように、パイプ３の長手方向への収縮を抑えることができる可能性がある。これに対して、パイプ３の周方向へのレーザ光２の移動をパイプ３の長手方向に繰り返すようにしたときには、パイプ３の周方向に確実になだらかに局所加熱を加えることができ、また、縮径方向と同時に長手方向にも適宜収縮変形させることができる可能性がある。この場合において、パイプ３周りに螺旋状にレーザ光２を走査すれば、加工をスムーズに行うことができる。
【００１２】
以上の縮径加工はパイプ３の接合対象物とのかしめ接合に利用することができ、この場合、上述したレーザ光２の照射をパイプ３に接合対象物４を挿入した状態ですれば足りる。レーザ光２の照射による温度上昇は、直接照射を受ける外表面１とは反対のパイプ３の空孔内壁側では比較的抑えられ、またその温度は、パイプ３を形成する金属材料が塑性変形を起こすまで、すなわち上述したように加熱に伴って低下する降伏応力よりも熱応力が大きくなるまでで足りるために、パイプ３に挿入される接合対象物４を過度に加熱してしまうことはない。
【００１３】
このようなかしめ接合や上述した縮径加工において、パイプ３の外表面１側は加熱により組織変化を生じる場合も想定されるが、この場合は焼き戻し処理などを加えれば性状を安定化させることができるものと考えられる。また、以上に用いるレーザ光２としては、大きな出力を得られるいわゆる加工用レーザであるＹＡＧレーザや、ＣＯ2レーザなどを用いることができる。
【００１４】
また、上述のかしめ接合を行う場合において、パイプ３の一端部５に接合対象物４を挿入し、この一端部５近傍の外表面１を他端部６側から追い出すようにレーザ光２でなぞって加熱すれば、後述する実験結果からも明らかなように、接合対象物４が挿入される一端部５に行くに従って縮径寸法を累積させ、接合強度を高めることができる。
【００１５】
また、かかるパイプのかしめ方法によれば
金属からなり、外表面１をなぞるように順次連続してスポット加熱されて縮径方向に塑性変形された一端部５を備えるパイプ３と、
前記縮径方向の塑性変形によりパイプ３の一端部５に接合された接合対象物４とを有するパイプのかしめ接合体を形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、加工装置を小型化、単純化することができ、作業効率の高いパイプの縮径加工方法を提供することができるために、加工コストを低減することができる。
【００１７】
また、従来のかしめ接合に代替する接合方法として活用した場合には、加工効率や汎用性を極めて向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１および図２に本発明の第１の実施の形態を示す。図１（ａ）に示すように、パイプ３はチャック１１に一端部（他端部６）を把持されて水平姿勢に支持され、パイプ３の中心軸線Ｃの直上には、図示しないレーザ光源からミラー等を介して適宜導かれる加工用レーザのレーザ光２を直下に照射するレーザ出射部１２が配置される。
【００１９】
上記チャック１１は、図１（ａ）において矢印で示すように加工装置本体１３に垂直回転自在に支持されて図示しないアクチュエータにより速度調整可能に回転し、パイプ３を任意の速度で中心軸線Ｃ周りに回転させる。また、上記レーザ出射部１２は、図１（ａ）において矢印で示すようにパイプ３の長手方向に速度調整可能に移動自在にされる。したがって、パイプ３の回転とレーザ出射部１２のパイプ３長手方向への相対移動を組み合わせることにより、チャック１１で把持される一端部６を除くパイプ３の外表面１ほぼ全域に直交方向から任意のスピードでレーザ光２を走査できるようにされる。なお、上記レーザ出射部１２は、図１（ａ）において矢印で示すようにパイプ３との間隔を調整できるように上下動可能に形成される。
【００２０】
上記パイプ３はステンレスの成形品であり、外形および内部の空孔３ａの断面形状は同心の真円からなる。レーザ光２は、上述したパイプ３の回転等により、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、パイプ３の自由端部（一端部５）の外表面１を端縁から所定長Ｌの範囲までに渡ってなぞるように走査される。このレーザ光２の走査は、レーザ光２の出力を考慮して、照射によってパイプ３に形成される加熱スポットがパイプ３素材を塑性変形域の温度にする程度の速度で等速移動するようにして行われる。
【００２１】
具体的には、図１（ｂ）において矢印で示すように、中心軸線Ｃに垂直な面内でパイプ３周りに一周するループ状の走査をパイプ３の中心軸線方向に所定長Ｌに至るまで複数回繰り返してなされる。ループ状の走査はレーザ光２を照射し続けたままパイプ３を１回転させて行われ、これが完了するとレーザ光２の照射を一旦停止し、レーザ出射部１２をパイプ３長手方向にずらせてからレーザ光２の照射とパイプ３の回転を再開し、これを繰り返す。
【００２２】
ループ状の走査のパイプ３長手方向への移動は、パイプ３の長手方向内方から自由端に向かってなされ、その移動ピッチＰは、レーザ光２のビーム径や、後述するレーザ光２走査後の空孔３ａの内壁面の長手方向への平滑さなどを考慮して適宜決定される。
【００２３】
上述したようにパイプ３周りにレーザ光２を走査すると、ビーム径に応じたスポット状の加熱領域が走査方向に順次連続して形成され、冷却に伴って各々のスポット状の加熱領域で塑性変形が現れる。図２（ａ）に矢印で示すように、レーザ光２の走査軌跡に沿ってパイプ３が順次部分的に内径方向に押し込まれるように変形し、また、肉厚がやや増大する。上述したようにレーザ光２の走査速度が一定に維持され、パイプ３周りにループ状をなす走査軌跡がパイプ３の自由端側に向かって所定ピッチＰで順次繰り返されることにより、図２（ｂ）に示すように、所定長Ｌの範囲で自由端側に行くに従ってパイプ３が次第にすぼまるように縮径する。また、パイプ３の空孔３ａ、外形は、中心軸線Ｃ上が中心の真円断面形状を維持し、パイプ３自由端に向かって半径方向の収縮率が漸次増大することで、所定長Ｌにおいてパイプ３長手方向に滑らかな錐面が形成される。
【００２４】
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。なお、この実施の形態、後述する実施の形態、および実施例において、上述した実施の形態と同一の構成要素は図中に同一の符号を付して説明を省略する。この実施の形態において、レーザ光２のパイプ３外表面１への走査は、図３（ａ）に示すように、パイプ３長手方向に直線状の走査をパイプ３周りに全周に至るまで複数回繰り返してなされる。直線状の走査はレーザ光２を照射し続けたままレーザ出射部１２をパイプ３長手方向に移動させて行われ、この後レーザ光２の照射を一旦停止し、パイプ３を回転させてからレーザ光２の照射とレーザ出射部１２の移動を再開し、これを繰り返す。
【００２５】
上記直線状の走査は上述した実施の形態におけるパイプ３長手方向の走査寸法Ｌに等しい長さだけなされ、また、パイプ３の全周に可及的に均質に走査するために、図２（ｂ）に示すように中心軸線Ｃを中心に所定の回転ピッチＰ’でパイプ３の周方向に振り分けられる。この回転ピッチＰ’は、ビーム径や、パイプ３周方向の縮径効果の均質性などを考慮して適宜決定される。また、図３（ａ）に矢印で示すように、直線状の走査はパイプ３の長手方向内方から自由端部５に向かってなされ、パイプ３周りの移動は、一定の回転方向に従って順次なされる。
【００２６】
この実施の形態においては、パイプ３長手方向に所定の速度でレーザ光２が直線状に走査されることにより、パイプ３長手方向に順次連続してスポット状の加熱領域が形成され、照射タイミングの違いにより生じる長手方向の温度勾配を比較的なだらかにでき、後述する実施例から明らかなように、パイプ３長手方向の収縮を抑えることができる。
【００２７】
図４に本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態においてレーザ光２は、図４（ａ）に示すように、パイプ３の長手方向の中間部に設定された所定長Ｌの範囲に照射される。パイプ３外表面１をなぞるようにするレーザ光２の走査は、図４（ｂ）において矢印で示すように、パイプ３の長手方向に直線状の走査をパイプ３周りに均等に全周に至るまで繰り返してなされ、この直線状の走査は、上述した第２の実施の形態のように一方向ではなく、図４（ｂ）に示すようにレーザ光２をパイプ３の長手方向に往復してなされる。
【００２８】
このようにレーザ光２を往復走査することにより、後述する実施例からも明らかなように、走査方向に集積される縮径方向の寸法の集積が解消し、また、長手方向両端が強固に支持されるパイプ３中間部の配置と相まって、図４（ｂ）に示すように、パイプ３長手方向に縮径率がほぼ一定に維持される。したがってパイプ３は、中間部のみを長手方向に均質に縮径させた段付き形状に加工される。
【００２９】
なお、この実施の形態においては、パイプ３長手方向への往復動作を除いて、第２の実施の形態におけるレーザ光２のパイプ３への走査方法をほぼ適用する場合を示したが、これに代えて第１の実施の形態における走査方法を適用したり、あるいは、例えばパイプ３外表面１に螺旋状にレーザ光２を走査するなどして構成することも可能である。また、この場合において、これらの走査にパイプ３長手方向への往復動作を加え、パイプ３長手方向の縮径率をなだらかにさせることも可能である。さらに、このような往復動作を第１の実施の形態におけるパイプ３周りへのループ状の走査や、あるいはこのループ状の走査のパイプ長手方向への移動に適用したり、同様に第２の実施の形態におけるパイプ３長手方向への直線状の走査や、この直線状の走査のパイプ３周方向への移動に適用して、パイプ３長手方向、あるいは周方向の縮径率の均質化を図ることも可能である。
【００３０】
図５に本発明の第４の実施の形態を示す。この実施の形態においては、パイプ３の自由端部５に対してレーザ光２を走査する前にピン状部材（接合対象物４）が挿入される。上記ピン状部材４は適宜の金属からなる棒材で、パイプ３の自由端部５のレーザ光２走査前の内径寸法にほぼ近似する外径寸法を備えた断面真円形状を有する。このピン状部材４は、図５（ａ）に示すように、一端をパイプ３の自由端部５に挿入し、他端をパイプ３から飛び出させた状態で、外周面のパイプ３内周面への密着により仮固定される。
【００３１】
パイプ３自由端部５へのレーザ光２の走査は、図５（ｂ）に示すように、パイプ３におけるピン状部材４の挿入長さよりもややパイプ３内方まで長い長さ範囲Ｌまでなされ、例えば上述した第３の実施の形態と同様に、パイプ３の長手方向に往復する直線状の走査をパイプ３周りに全周に至るまで順次移動して複数回繰り返してなされる。ピン状部材４が挿入された状態でパイプ３が縮径することにより、ピン状部材４はパイプ３に全周に渡って均等に把持されてパイプ３にかしめ接合される。
【実施例１】
【００３２】
レーザフォーミングによるパイプ３の形状変化を調べるべく、パイプ３の一端部５の外表面１にほぼ全面に渡って緻密にレーザ光２をなぞるように走査した場合を中心にして、走査回数の繰り返しによる傾向や、走査対象をパイプ３中央部にしたときとの比較、この中央部への照射において走査を往復させた場合との比較実験を行った。パイプ３はステンレス製で直径が２５ｍｍ、全長が１０ｍｍ程度、肉厚０．５ｍｍのものを使用した。照射方法は、パイプ３の一端を回転チャック１１により把持し、固定されたレーザヘッド１２からレーザ光２を照射した状態でパイプ３を３６０度回転させてパイプ３の全周にレーザ光２を走査させた後、レーザ光２の照射を停止してパイプ３を長手方向に１ｍｍ移動させてから再度パイプ３全周にレーザ光２を走査し、これをパイプ３の長手方向に１０ミリ移動するまで繰り返すことにより行う。レーザ光２のパイプ３長手方向への走査は、図１（ｂ）に示す場合と同様にパイプ３長手方向内方から端部に向かう一方向にのみとし、パイプ３中央部においては、上述した往復の場合を除いて任意の一方向にした。
【００３３】
また、レーザ光２はレーザパワーが１２０ＷでＣＷ（連続発振）のＣＯ2レーザを使用し、レーザ光２を出射するレーザヘッド１２のレンズとパイプ３との距離は１４７ｍｍ、ビーム径は約２ｍｍで周波数は１０Ｈｚ、ＤＦ（デューティーファクター）は２５％、アシストガスとして０．１ＭＰａの空気を吹きつけ、走査速度は１６００ｍｍ／ｍｉｎとした。以下に示す表中のパイプ３の収縮率は、収縮率（％）＝照射前後の照射領域長さの差（ｍｍ）／（ビーム径×照射本数（ｍｍ））×１００により、外周の変化率は、外周変化率（％）＝照射前後の外周の差（ｍｍ）／照射前外周（ｍｍ）×１００により求めた。さらに、上述したレーザ光２のパイプ３への走査を１回照射と呼び、この走査をｎ回繰り返して行う走査を複数回（ｎ回）照射と呼ぶ。また、パイプ３の長手方向にレーザ光２の走査を往復させたときを交互走査と呼ぶ。結果を表１ないし表７に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
表１ないし表４の比較から明らかなように、走査回数を１０回まで増大する限りにおいては、パイプ３の軸方向の収縮量、外周の収縮率は、走査回数の増大に伴って増大することが確認された。したがって収縮量等の制御が照射回数の調整によりできること、および照射回数の繰り返しによる収縮量の増大効果は１０回の繰り返しまで期待できると推定される。また、照射開始点から離れるに従って、すなわちパイプ３の端部に近づくにつれて縮径効果が大きくなることが確認された。
【００３８】
【表５】
【００３９】
【表６】
次に、表５と表６の比較から明らかなように、レーザ光２をパイプ３の一端部５に照射したときには、パイプ３中央部に照射したときに比べてパイプ３の縮径がやや大きく、軸方向の収縮量がやや小さくなることが確認された。また、パイプ３中央部への照射においても、照射開始点から距離が離れるに従って縮径効果が大きくなることが確認された。したがってパイプ３全長の収縮作用および縮径作用は、レーザ光２が照射されない隣接する部位の影響を受け、また、パイプ３中央部においても走査方向により縮径作用が長手方向に変化するものと推定される。
【００４０】
【表７】
さらに、表７に示すように、パイプ３中央部にレーザ光２を往復走査した時には、照射開始点からの距離に関わらず縮径効果をレーザ光２の長手方向に均一に生じさせることができることが確認された。したがって上述したパイプ３中央部へのレーザ光２の走査におけるパイプ３長手方向の縮径効果の変化が走査方向に起因しているものと推測される。
【００４１】
なお、以上の表においては示されないが、これらの実験における縮径に伴って最大で１０％近くパイプ３の肉厚が増加していることが確認された。
【実施例２】
【００４２】
パイプ３径をより小さくした場合の挙動を確認すべく、今度はパイプ３に外径が３．０８ｍｍ、内径が２．６６ｍｍ、肉厚が０．２１ｍｍのものを使用して実験を行った。また同時に、照射方法を上述した実施例と異ならせ、この実施例においては、パイプ３を回転させずにレーザ光２を長手方向に直線上に往復走査した後、レーザ光２の照射を停止してパイプ３を中心軸線Ｃ周りに２度回転させ、これによりレーザ光２の走査位置をパイプ３の外周面上で５０μｍ移動させてから再度直線状に往復走査し、これをパイプ３の周方向に３６０度回転するまで繰り返す方法を採用した。
【００４３】
レーザ光２にはＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、レーザパワーは５ＫＷから８ＫＷまで条件に応じて適宜設定した。また、走査速度も１ｍｍ／ｓから９ｍｍ／ｓまで条件に応じて適宜設定した。また、パイプ３の外表面１であるレーザ照射面には溶融したと思われる溝状の照射痕が生じたため、この実施例においてはパイプ３の外径ではなく内径を測定した。なお、特にことわりがないときには、以下において内径はパイプ３一端部５の端縁における数値を表し、また、内径変化率とは、レーザ照射前後のパイプ３一端部５の端縁における内径の差を照射前内径で除したものを指す。
【００４４】
まず最初に、上述した照射痕を調べるために、レーザパワーが７ＫＷのレーザ光２を走査した後にパイプ３断面のエッチングを行ったところ、パイプ３表層部に変質部が認められた。この変質部は０．０２ｍｍ程度で、それよりもパイプ３の内径側には溶融した形跡は認められず、このときのパイプ３一端部５の端縁における肉厚は約０．０１ｍｍ増加していた。
【００４５】
また、本実施例ではパイプ３長手方向に寸法変化はほとんど認められなかったため、以下においては当該寸法を評価の対象から外している。これよれば、上述した実施例における交互走査の結果を加味すると、パイプ３長手方向にレーザ光２を直線状に往復走査させ、レーザ走査時におけるパイプ３長手方向の温度勾配をかなり小さく抑えることにより、縮径に伴うパイプ３の長手方向の短縮を防止することができるものと推定される。またこの場合において、パイプ３の中央部ではなく端部を対象にするとより効果が顕著に現れるものと推測される。一方、逆にパイプ３長手方向における縮径量の変化に関しては、パイプ３長手方向の温度勾配はあまり影響がなく、パイプ３長手方向及びパイプ３周りの走査をいずれも往復させるなどして均等にすれば、防止することができるものと推測される。この場合において、パイプ３の端部ではなく中央部を対象にするとより効果が顕著に現れるものと推測される。
【００４６】
次に、上述したパイプ３径の細径化および照射方法の相違によるパイプ３の縮径、およびパイプ３長手方向への縮径量の変化について調べたところ、図６（ａ）に示す結果が得られた。なお、パイプ３長手方向における縮径量の変化については、パイプ３を測定位置まで順次削って測定を行った。また、図６（ａ）に示すように、パイプ３長手方向へのレーザ光２の走査距離とパイプ３の縮径寸法との関係も同時に調べるべく、レーザ光２のパイプ３長手方向への走査距離を１ｍｍから３ｍｍまで１ｍｍ毎に異ならせた実験も合わせて行った。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、上述した実施例１と同様にパイプ３端部に行くにしたがって縮径寸法が増大することが確認された。また、パイプ３長手方向へのレーザ光２の走査距離を大きくすることでパイプ３の縮径寸法を増大でき、同時にパイプ３長手方向における縮径領域の長さを長くできることが確認された。したがってパイプ３の縮径、および縮径寸法のパイプ３長手方向への増大の傾向は、上述した第１、第２実施の形態のような二種類の照射方法のいずれを問わず、パイプ３外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査すれば発揮されるものと推定される。また、パイプ３長手方向へのレーザ光２の走査距離をより長くすればより大きな縮径効果を発揮させることができるが、図６（ａ）からも明らかなように、３ｍｍのときは収縮量に飽和の兆候が見られる。さらに、この実験でパイプ３の縮径がレーザ光２を走査させないパイプ３長手方向にも少量発生していることが確認された。
【００４８】
次に、このようなパイプ３の縮径効果とレーザパワーや走査速度との関係を合わせて調べたところ、図６（ｂ）および（ｃ）に示す結果を得た。図６（ｂ）はレーザ光２の照射領域をパイプ３一端部５から３ｍｍにしたときのもので、レーザパワーが６Ｗ以上で内径変化率が増大することが分かる。この実験ではレーザパワーが最大の８Ｗのときに、約１２％の高い内径変化率を得た。したがってレーザパワーによって内径変化率を調整できるものと推定される。また、図６（ｃ）はレーザパワー７ＫＷ時のもので、走査速度を速くすることにより内径変化率を減少できることが確認された。したがって走査速度によって内径変化率を調整できるものと推定される。なお、図６（ｂ）および（ｃ）において黒丸は測定点であり、グラフは測定点の誤差を適宜の手法により直線回帰させたものである。
【００４９】
さらに、この実験においては、以上のレーザ光２の照射方法によるパイプ３の縮径を利用して棒材４とのパイプ３のかしめ接合を実験した。接合方法は図５（ａ）に示すものと同様である。棒材４には直径２．６３ｍｍのドリル用研磨材を使用し、パイプ３とのクリアランスはわずか０．０２ｍｍにした。棒材４に直接レーザ光２が当たるのを防ぐため、パイプ３の端縁より０．５ｍｍ内側からパイプ３長手方向に３ｍｍの長さまでの外表面１に対してレーザパワーが８Ｗのレーザ光２を走査した。
【００５０】
パイプ３の縮径によるかしめ接合は、図６（ｄ）に示すように、レーザパワーが７ＫＷから８ＫＷまでのときで少なくとも５ｋｇｆ以上の引き抜き加重に耐えうる強度を確保できた。なお、この場合のレーザ光２の走査速度は５ｍｍ／ｓである。したがってレーザ光２の走査によるパイプ３の縮径によって、一般的な引き抜き加重に十分耐えうるかしめ接合ができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプの加工状態の概略を説明する斜視図、（ｂ）はパイプ一端部におけるレーザ光の走査経路を説明する要部拡大斜視図である。
【図２】レーザ光によるパイプの縮径を説明する図で、（ａ）はパイプ周方向へのレーザ光の走査過程を説明する要部拡大断面図、（ｂ）はパイプ長手方向における縮径状態を説明する要部拡大断面図である。
【図３】第２の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプ一端部におけるレーザ光の走査経路を説明する要部拡大斜視図、（ｂ）はパイプ周方向に対するレーザ光の走査を説明する要部拡大断面図である。
【図４】第３の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプの加工状態の概略を説明する斜視図、（ｂ）はレーザ光の走査経路、およびパイプ長手方向における縮径状態を説明する図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプのかしめ加工の概略を説明する斜視図、（ｂ）は棒材とのパイプのかしめ接合状態を説明する要部拡大断面図である。
【図６】実施例２で測定したグラフを示す図で、（ａ）はパイプ端縁からの長手方向への距離と内径との関係を表すグラフ、（ｂ）はレーザパワーと内径変化率との関係を表すグラフ、（ｃ）は走査速度と内径変化率との関係を表すグラフ、（ｄ）はレーザパワーと引き抜き力の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１ 外表面
２ レーザ光
３ パイプ
４ 接合対象物
５ 一端部
６ 他端部
【技術分野】
【０００１】
本発明はパイプの縮径加工方法に関するものであり、より詳細には、パイプの内径を縮径させる加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パイプの縮径加工には多様な手法が提案されており、例えば、特許文献１に記載されるようにかしめを行うなどパイプに対して縮径方向の外力を機械的に加えたり、あるいは、特許文献２に記載されるように形状記憶合金からなるパイプ継ぎ手を円筒状のヒータで加熱し、より縮径された記憶形状に復帰させたりするものがある。
【特許文献１】特開２００６-９７７１６号公報
【特許文献２】特開２００３-１３９２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したようにパイプに対して外力を機械的に加える場合には、外力に耐えうるようにパイプを支持しなければならない上に、外力を加える機構が必要であるなど加工装置が大型化、複雑化しやすいという欠点がある。
【０００４】
また、合金の形状記憶を利用する場合、予め、記憶形状よりも拡径させる加工が必要で、縮径加工を含めると実質的に倍の手間がかかってしまうことになる。
【０００５】
本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、加工装置を小型化、単純化することができ、作業効率の高いパイプの縮径加工方法の提供を目的とする。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上述した縮径加工方法を利用したパイプのかしめ方法、およびパイプのかしめ接合体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、金属からなるパイプ３の外表面１にレーザ光２をなぞるように走査させることにより、縮径方向の塑性変形を生じさせることができることを見出した。すなわち、レーザ光２の照射によってパイプ３にはレーザ光２のビーム径に応じたスポット状の加熱領域が形成され、当該領域でパイプ３内径方向へのスポット状の塑性変形が生じる。レーザ光２がパイプ３の外表面１をなぞるように走査されることにより、上述した内径方向へのスポット状の塑性変形が走査方向に順次連続して発生し、これによってパイプ３に縮径方向の塑性変形を生じさせることができる。
【０００８】
また、上述したパイプ３の内径方向への塑性変形には、以下の理由が考えられる。すなわち、スポット状に形成された加熱領域は、隣接する周辺部との間で生じる大きな温度勾配により周辺部によって加熱による膨張を拘束された状態になり、これによって熱応力としての圧縮応力を生じる。一方、加熱は金属の降伏応力を低下させることから、この状態で上述した圧縮応力が降伏応力よりも大きくなりやすく、塑性変形を生じやすくなる。上述した加熱領域はパイプ３に形成されるために閉曲面を構成することから、したがって上述した圧縮応力が解放されることによってこの閉曲面に内径方向への収縮の塑性変形を生じさせる結果となる。なお、いわゆる体積一定則に基づいてパイプ３は加熱前に比べて肉厚が増大する。
【０００９】
したがって外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査させるだけでパイプ３を縮径加工することができ、縮径加工は、レーザ光２の走査を考慮して、例えばパイプ３が回転、進退可能に支持されたり、あるいは相対的に逆にレーザ光２の出射部が移動できたりすれば十分になる。このため加工装置を小型化、単純化することができ、また、加工時間を極めて短縮して作業効率を飛躍的に高めることができる。
【００１０】
また、レーザ光２は走査されても瞬間においてはスポット照射であり、スポット加熱を生じさせるものではあるものの、レーザ光２の照射が連続してなされる場合において直前に照射されていた部位、すなわちあるタイミングにおいて現に照射を受けている部位から走査を戻す方向に隣接する部位の温度は、比較的高温に維持されていると言える。このため上述したスポット状の加熱領域の膨張が吸収されやすく、この場合における吸収は当該方向への収縮変形を減少させる傾向に作用するとも考えられる。
【００１１】
一方、パイプ３外表面１をなぞるようにするためのレーザ光２の走査は、レーザ光２のビーム径がパイプ３の直径に近いような場合を別にすれば、基本的に、パイプ３の長手方向への並進移動と、パイプ３の周方向への回転移動の２種類のレーザ光２の移動に分けて考えることができる。以上によれば、パイプ３の長手方向へのレーザ光２の移動をパイプ３の周方向に繰り返してパイプ３外表面１をなぞるようにすれば、後述する実験結果にも裏付けられるように、パイプ３の長手方向への収縮を抑えることができる可能性がある。これに対して、パイプ３の周方向へのレーザ光２の移動をパイプ３の長手方向に繰り返すようにしたときには、パイプ３の周方向に確実になだらかに局所加熱を加えることができ、また、縮径方向と同時に長手方向にも適宜収縮変形させることができる可能性がある。この場合において、パイプ３周りに螺旋状にレーザ光２を走査すれば、加工をスムーズに行うことができる。
【００１２】
以上の縮径加工はパイプ３の接合対象物とのかしめ接合に利用することができ、この場合、上述したレーザ光２の照射をパイプ３に接合対象物４を挿入した状態ですれば足りる。レーザ光２の照射による温度上昇は、直接照射を受ける外表面１とは反対のパイプ３の空孔内壁側では比較的抑えられ、またその温度は、パイプ３を形成する金属材料が塑性変形を起こすまで、すなわち上述したように加熱に伴って低下する降伏応力よりも熱応力が大きくなるまでで足りるために、パイプ３に挿入される接合対象物４を過度に加熱してしまうことはない。
【００１３】
このようなかしめ接合や上述した縮径加工において、パイプ３の外表面１側は加熱により組織変化を生じる場合も想定されるが、この場合は焼き戻し処理などを加えれば性状を安定化させることができるものと考えられる。また、以上に用いるレーザ光２としては、大きな出力を得られるいわゆる加工用レーザであるＹＡＧレーザや、ＣＯ2レーザなどを用いることができる。
【００１４】
また、上述のかしめ接合を行う場合において、パイプ３の一端部５に接合対象物４を挿入し、この一端部５近傍の外表面１を他端部６側から追い出すようにレーザ光２でなぞって加熱すれば、後述する実験結果からも明らかなように、接合対象物４が挿入される一端部５に行くに従って縮径寸法を累積させ、接合強度を高めることができる。
【００１５】
また、かかるパイプのかしめ方法によれば
金属からなり、外表面１をなぞるように順次連続してスポット加熱されて縮径方向に塑性変形された一端部５を備えるパイプ３と、
前記縮径方向の塑性変形によりパイプ３の一端部５に接合された接合対象物４とを有するパイプのかしめ接合体を形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、加工装置を小型化、単純化することができ、作業効率の高いパイプの縮径加工方法を提供することができるために、加工コストを低減することができる。
【００１７】
また、従来のかしめ接合に代替する接合方法として活用した場合には、加工効率や汎用性を極めて向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１および図２に本発明の第１の実施の形態を示す。図１（ａ）に示すように、パイプ３はチャック１１に一端部（他端部６）を把持されて水平姿勢に支持され、パイプ３の中心軸線Ｃの直上には、図示しないレーザ光源からミラー等を介して適宜導かれる加工用レーザのレーザ光２を直下に照射するレーザ出射部１２が配置される。
【００１９】
上記チャック１１は、図１（ａ）において矢印で示すように加工装置本体１３に垂直回転自在に支持されて図示しないアクチュエータにより速度調整可能に回転し、パイプ３を任意の速度で中心軸線Ｃ周りに回転させる。また、上記レーザ出射部１２は、図１（ａ）において矢印で示すようにパイプ３の長手方向に速度調整可能に移動自在にされる。したがって、パイプ３の回転とレーザ出射部１２のパイプ３長手方向への相対移動を組み合わせることにより、チャック１１で把持される一端部６を除くパイプ３の外表面１ほぼ全域に直交方向から任意のスピードでレーザ光２を走査できるようにされる。なお、上記レーザ出射部１２は、図１（ａ）において矢印で示すようにパイプ３との間隔を調整できるように上下動可能に形成される。
【００２０】
上記パイプ３はステンレスの成形品であり、外形および内部の空孔３ａの断面形状は同心の真円からなる。レーザ光２は、上述したパイプ３の回転等により、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、パイプ３の自由端部（一端部５）の外表面１を端縁から所定長Ｌの範囲までに渡ってなぞるように走査される。このレーザ光２の走査は、レーザ光２の出力を考慮して、照射によってパイプ３に形成される加熱スポットがパイプ３素材を塑性変形域の温度にする程度の速度で等速移動するようにして行われる。
【００２１】
具体的には、図１（ｂ）において矢印で示すように、中心軸線Ｃに垂直な面内でパイプ３周りに一周するループ状の走査をパイプ３の中心軸線方向に所定長Ｌに至るまで複数回繰り返してなされる。ループ状の走査はレーザ光２を照射し続けたままパイプ３を１回転させて行われ、これが完了するとレーザ光２の照射を一旦停止し、レーザ出射部１２をパイプ３長手方向にずらせてからレーザ光２の照射とパイプ３の回転を再開し、これを繰り返す。
【００２２】
ループ状の走査のパイプ３長手方向への移動は、パイプ３の長手方向内方から自由端に向かってなされ、その移動ピッチＰは、レーザ光２のビーム径や、後述するレーザ光２走査後の空孔３ａの内壁面の長手方向への平滑さなどを考慮して適宜決定される。
【００２３】
上述したようにパイプ３周りにレーザ光２を走査すると、ビーム径に応じたスポット状の加熱領域が走査方向に順次連続して形成され、冷却に伴って各々のスポット状の加熱領域で塑性変形が現れる。図２（ａ）に矢印で示すように、レーザ光２の走査軌跡に沿ってパイプ３が順次部分的に内径方向に押し込まれるように変形し、また、肉厚がやや増大する。上述したようにレーザ光２の走査速度が一定に維持され、パイプ３周りにループ状をなす走査軌跡がパイプ３の自由端側に向かって所定ピッチＰで順次繰り返されることにより、図２（ｂ）に示すように、所定長Ｌの範囲で自由端側に行くに従ってパイプ３が次第にすぼまるように縮径する。また、パイプ３の空孔３ａ、外形は、中心軸線Ｃ上が中心の真円断面形状を維持し、パイプ３自由端に向かって半径方向の収縮率が漸次増大することで、所定長Ｌにおいてパイプ３長手方向に滑らかな錐面が形成される。
【００２４】
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。なお、この実施の形態、後述する実施の形態、および実施例において、上述した実施の形態と同一の構成要素は図中に同一の符号を付して説明を省略する。この実施の形態において、レーザ光２のパイプ３外表面１への走査は、図３（ａ）に示すように、パイプ３長手方向に直線状の走査をパイプ３周りに全周に至るまで複数回繰り返してなされる。直線状の走査はレーザ光２を照射し続けたままレーザ出射部１２をパイプ３長手方向に移動させて行われ、この後レーザ光２の照射を一旦停止し、パイプ３を回転させてからレーザ光２の照射とレーザ出射部１２の移動を再開し、これを繰り返す。
【００２５】
上記直線状の走査は上述した実施の形態におけるパイプ３長手方向の走査寸法Ｌに等しい長さだけなされ、また、パイプ３の全周に可及的に均質に走査するために、図２（ｂ）に示すように中心軸線Ｃを中心に所定の回転ピッチＰ’でパイプ３の周方向に振り分けられる。この回転ピッチＰ’は、ビーム径や、パイプ３周方向の縮径効果の均質性などを考慮して適宜決定される。また、図３（ａ）に矢印で示すように、直線状の走査はパイプ３の長手方向内方から自由端部５に向かってなされ、パイプ３周りの移動は、一定の回転方向に従って順次なされる。
【００２６】
この実施の形態においては、パイプ３長手方向に所定の速度でレーザ光２が直線状に走査されることにより、パイプ３長手方向に順次連続してスポット状の加熱領域が形成され、照射タイミングの違いにより生じる長手方向の温度勾配を比較的なだらかにでき、後述する実施例から明らかなように、パイプ３長手方向の収縮を抑えることができる。
【００２７】
図４に本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態においてレーザ光２は、図４（ａ）に示すように、パイプ３の長手方向の中間部に設定された所定長Ｌの範囲に照射される。パイプ３外表面１をなぞるようにするレーザ光２の走査は、図４（ｂ）において矢印で示すように、パイプ３の長手方向に直線状の走査をパイプ３周りに均等に全周に至るまで繰り返してなされ、この直線状の走査は、上述した第２の実施の形態のように一方向ではなく、図４（ｂ）に示すようにレーザ光２をパイプ３の長手方向に往復してなされる。
【００２８】
このようにレーザ光２を往復走査することにより、後述する実施例からも明らかなように、走査方向に集積される縮径方向の寸法の集積が解消し、また、長手方向両端が強固に支持されるパイプ３中間部の配置と相まって、図４（ｂ）に示すように、パイプ３長手方向に縮径率がほぼ一定に維持される。したがってパイプ３は、中間部のみを長手方向に均質に縮径させた段付き形状に加工される。
【００２９】
なお、この実施の形態においては、パイプ３長手方向への往復動作を除いて、第２の実施の形態におけるレーザ光２のパイプ３への走査方法をほぼ適用する場合を示したが、これに代えて第１の実施の形態における走査方法を適用したり、あるいは、例えばパイプ３外表面１に螺旋状にレーザ光２を走査するなどして構成することも可能である。また、この場合において、これらの走査にパイプ３長手方向への往復動作を加え、パイプ３長手方向の縮径率をなだらかにさせることも可能である。さらに、このような往復動作を第１の実施の形態におけるパイプ３周りへのループ状の走査や、あるいはこのループ状の走査のパイプ長手方向への移動に適用したり、同様に第２の実施の形態におけるパイプ３長手方向への直線状の走査や、この直線状の走査のパイプ３周方向への移動に適用して、パイプ３長手方向、あるいは周方向の縮径率の均質化を図ることも可能である。
【００３０】
図５に本発明の第４の実施の形態を示す。この実施の形態においては、パイプ３の自由端部５に対してレーザ光２を走査する前にピン状部材（接合対象物４）が挿入される。上記ピン状部材４は適宜の金属からなる棒材で、パイプ３の自由端部５のレーザ光２走査前の内径寸法にほぼ近似する外径寸法を備えた断面真円形状を有する。このピン状部材４は、図５（ａ）に示すように、一端をパイプ３の自由端部５に挿入し、他端をパイプ３から飛び出させた状態で、外周面のパイプ３内周面への密着により仮固定される。
【００３１】
パイプ３自由端部５へのレーザ光２の走査は、図５（ｂ）に示すように、パイプ３におけるピン状部材４の挿入長さよりもややパイプ３内方まで長い長さ範囲Ｌまでなされ、例えば上述した第３の実施の形態と同様に、パイプ３の長手方向に往復する直線状の走査をパイプ３周りに全周に至るまで順次移動して複数回繰り返してなされる。ピン状部材４が挿入された状態でパイプ３が縮径することにより、ピン状部材４はパイプ３に全周に渡って均等に把持されてパイプ３にかしめ接合される。
【実施例１】
【００３２】
レーザフォーミングによるパイプ３の形状変化を調べるべく、パイプ３の一端部５の外表面１にほぼ全面に渡って緻密にレーザ光２をなぞるように走査した場合を中心にして、走査回数の繰り返しによる傾向や、走査対象をパイプ３中央部にしたときとの比較、この中央部への照射において走査を往復させた場合との比較実験を行った。パイプ３はステンレス製で直径が２５ｍｍ、全長が１０ｍｍ程度、肉厚０．５ｍｍのものを使用した。照射方法は、パイプ３の一端を回転チャック１１により把持し、固定されたレーザヘッド１２からレーザ光２を照射した状態でパイプ３を３６０度回転させてパイプ３の全周にレーザ光２を走査させた後、レーザ光２の照射を停止してパイプ３を長手方向に１ｍｍ移動させてから再度パイプ３全周にレーザ光２を走査し、これをパイプ３の長手方向に１０ミリ移動するまで繰り返すことにより行う。レーザ光２のパイプ３長手方向への走査は、図１（ｂ）に示す場合と同様にパイプ３長手方向内方から端部に向かう一方向にのみとし、パイプ３中央部においては、上述した往復の場合を除いて任意の一方向にした。
【００３３】
また、レーザ光２はレーザパワーが１２０ＷでＣＷ（連続発振）のＣＯ2レーザを使用し、レーザ光２を出射するレーザヘッド１２のレンズとパイプ３との距離は１４７ｍｍ、ビーム径は約２ｍｍで周波数は１０Ｈｚ、ＤＦ（デューティーファクター）は２５％、アシストガスとして０．１ＭＰａの空気を吹きつけ、走査速度は１６００ｍｍ／ｍｉｎとした。以下に示す表中のパイプ３の収縮率は、収縮率（％）＝照射前後の照射領域長さの差（ｍｍ）／（ビーム径×照射本数（ｍｍ））×１００により、外周の変化率は、外周変化率（％）＝照射前後の外周の差（ｍｍ）／照射前外周（ｍｍ）×１００により求めた。さらに、上述したレーザ光２のパイプ３への走査を１回照射と呼び、この走査をｎ回繰り返して行う走査を複数回（ｎ回）照射と呼ぶ。また、パイプ３の長手方向にレーザ光２の走査を往復させたときを交互走査と呼ぶ。結果を表１ないし表７に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
【表２】
【００３６】
【表３】
【００３７】
【表４】
表１ないし表４の比較から明らかなように、走査回数を１０回まで増大する限りにおいては、パイプ３の軸方向の収縮量、外周の収縮率は、走査回数の増大に伴って増大することが確認された。したがって収縮量等の制御が照射回数の調整によりできること、および照射回数の繰り返しによる収縮量の増大効果は１０回の繰り返しまで期待できると推定される。また、照射開始点から離れるに従って、すなわちパイプ３の端部に近づくにつれて縮径効果が大きくなることが確認された。
【００３８】
【表５】
【００３９】
【表６】
次に、表５と表６の比較から明らかなように、レーザ光２をパイプ３の一端部５に照射したときには、パイプ３中央部に照射したときに比べてパイプ３の縮径がやや大きく、軸方向の収縮量がやや小さくなることが確認された。また、パイプ３中央部への照射においても、照射開始点から距離が離れるに従って縮径効果が大きくなることが確認された。したがってパイプ３全長の収縮作用および縮径作用は、レーザ光２が照射されない隣接する部位の影響を受け、また、パイプ３中央部においても走査方向により縮径作用が長手方向に変化するものと推定される。
【００４０】
【表７】
さらに、表７に示すように、パイプ３中央部にレーザ光２を往復走査した時には、照射開始点からの距離に関わらず縮径効果をレーザ光２の長手方向に均一に生じさせることができることが確認された。したがって上述したパイプ３中央部へのレーザ光２の走査におけるパイプ３長手方向の縮径効果の変化が走査方向に起因しているものと推測される。
【００４１】
なお、以上の表においては示されないが、これらの実験における縮径に伴って最大で１０％近くパイプ３の肉厚が増加していることが確認された。
【実施例２】
【００４２】
パイプ３径をより小さくした場合の挙動を確認すべく、今度はパイプ３に外径が３．０８ｍｍ、内径が２．６６ｍｍ、肉厚が０．２１ｍｍのものを使用して実験を行った。また同時に、照射方法を上述した実施例と異ならせ、この実施例においては、パイプ３を回転させずにレーザ光２を長手方向に直線上に往復走査した後、レーザ光２の照射を停止してパイプ３を中心軸線Ｃ周りに２度回転させ、これによりレーザ光２の走査位置をパイプ３の外周面上で５０μｍ移動させてから再度直線状に往復走査し、これをパイプ３の周方向に３６０度回転するまで繰り返す方法を採用した。
【００４３】
レーザ光２にはＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、レーザパワーは５ＫＷから８ＫＷまで条件に応じて適宜設定した。また、走査速度も１ｍｍ／ｓから９ｍｍ／ｓまで条件に応じて適宜設定した。また、パイプ３の外表面１であるレーザ照射面には溶融したと思われる溝状の照射痕が生じたため、この実施例においてはパイプ３の外径ではなく内径を測定した。なお、特にことわりがないときには、以下において内径はパイプ３一端部５の端縁における数値を表し、また、内径変化率とは、レーザ照射前後のパイプ３一端部５の端縁における内径の差を照射前内径で除したものを指す。
【００４４】
まず最初に、上述した照射痕を調べるために、レーザパワーが７ＫＷのレーザ光２を走査した後にパイプ３断面のエッチングを行ったところ、パイプ３表層部に変質部が認められた。この変質部は０．０２ｍｍ程度で、それよりもパイプ３の内径側には溶融した形跡は認められず、このときのパイプ３一端部５の端縁における肉厚は約０．０１ｍｍ増加していた。
【００４５】
また、本実施例ではパイプ３長手方向に寸法変化はほとんど認められなかったため、以下においては当該寸法を評価の対象から外している。これよれば、上述した実施例における交互走査の結果を加味すると、パイプ３長手方向にレーザ光２を直線状に往復走査させ、レーザ走査時におけるパイプ３長手方向の温度勾配をかなり小さく抑えることにより、縮径に伴うパイプ３の長手方向の短縮を防止することができるものと推定される。またこの場合において、パイプ３の中央部ではなく端部を対象にするとより効果が顕著に現れるものと推測される。一方、逆にパイプ３長手方向における縮径量の変化に関しては、パイプ３長手方向の温度勾配はあまり影響がなく、パイプ３長手方向及びパイプ３周りの走査をいずれも往復させるなどして均等にすれば、防止することができるものと推測される。この場合において、パイプ３の端部ではなく中央部を対象にするとより効果が顕著に現れるものと推測される。
【００４６】
次に、上述したパイプ３径の細径化および照射方法の相違によるパイプ３の縮径、およびパイプ３長手方向への縮径量の変化について調べたところ、図６（ａ）に示す結果が得られた。なお、パイプ３長手方向における縮径量の変化については、パイプ３を測定位置まで順次削って測定を行った。また、図６（ａ）に示すように、パイプ３長手方向へのレーザ光２の走査距離とパイプ３の縮径寸法との関係も同時に調べるべく、レーザ光２のパイプ３長手方向への走査距離を１ｍｍから３ｍｍまで１ｍｍ毎に異ならせた実験も合わせて行った。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、上述した実施例１と同様にパイプ３端部に行くにしたがって縮径寸法が増大することが確認された。また、パイプ３長手方向へのレーザ光２の走査距離を大きくすることでパイプ３の縮径寸法を増大でき、同時にパイプ３長手方向における縮径領域の長さを長くできることが確認された。したがってパイプ３の縮径、および縮径寸法のパイプ３長手方向への増大の傾向は、上述した第１、第２実施の形態のような二種類の照射方法のいずれを問わず、パイプ３外表面１をなぞるようにレーザ光２を走査すれば発揮されるものと推定される。また、パイプ３長手方向へのレーザ光２の走査距離をより長くすればより大きな縮径効果を発揮させることができるが、図６（ａ）からも明らかなように、３ｍｍのときは収縮量に飽和の兆候が見られる。さらに、この実験でパイプ３の縮径がレーザ光２を走査させないパイプ３長手方向にも少量発生していることが確認された。
【００４８】
次に、このようなパイプ３の縮径効果とレーザパワーや走査速度との関係を合わせて調べたところ、図６（ｂ）および（ｃ）に示す結果を得た。図６（ｂ）はレーザ光２の照射領域をパイプ３一端部５から３ｍｍにしたときのもので、レーザパワーが６Ｗ以上で内径変化率が増大することが分かる。この実験ではレーザパワーが最大の８Ｗのときに、約１２％の高い内径変化率を得た。したがってレーザパワーによって内径変化率を調整できるものと推定される。また、図６（ｃ）はレーザパワー７ＫＷ時のもので、走査速度を速くすることにより内径変化率を減少できることが確認された。したがって走査速度によって内径変化率を調整できるものと推定される。なお、図６（ｂ）および（ｃ）において黒丸は測定点であり、グラフは測定点の誤差を適宜の手法により直線回帰させたものである。
【００４９】
さらに、この実験においては、以上のレーザ光２の照射方法によるパイプ３の縮径を利用して棒材４とのパイプ３のかしめ接合を実験した。接合方法は図５（ａ）に示すものと同様である。棒材４には直径２．６３ｍｍのドリル用研磨材を使用し、パイプ３とのクリアランスはわずか０．０２ｍｍにした。棒材４に直接レーザ光２が当たるのを防ぐため、パイプ３の端縁より０．５ｍｍ内側からパイプ３長手方向に３ｍｍの長さまでの外表面１に対してレーザパワーが８Ｗのレーザ光２を走査した。
【００５０】
パイプ３の縮径によるかしめ接合は、図６（ｄ）に示すように、レーザパワーが７ＫＷから８ＫＷまでのときで少なくとも５ｋｇｆ以上の引き抜き加重に耐えうる強度を確保できた。なお、この場合のレーザ光２の走査速度は５ｍｍ／ｓである。したがってレーザ光２の走査によるパイプ３の縮径によって、一般的な引き抜き加重に十分耐えうるかしめ接合ができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプの加工状態の概略を説明する斜視図、（ｂ）はパイプ一端部におけるレーザ光の走査経路を説明する要部拡大斜視図である。
【図２】レーザ光によるパイプの縮径を説明する図で、（ａ）はパイプ周方向へのレーザ光の走査過程を説明する要部拡大断面図、（ｂ）はパイプ長手方向における縮径状態を説明する要部拡大断面図である。
【図３】第２の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプ一端部におけるレーザ光の走査経路を説明する要部拡大斜視図、（ｂ）はパイプ周方向に対するレーザ光の走査を説明する要部拡大断面図である。
【図４】第３の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプの加工状態の概略を説明する斜視図、（ｂ）はレーザ光の走査経路、およびパイプ長手方向における縮径状態を説明する図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図で、（ａ）はパイプのかしめ加工の概略を説明する斜視図、（ｂ）は棒材とのパイプのかしめ接合状態を説明する要部拡大断面図である。
【図６】実施例２で測定したグラフを示す図で、（ａ）はパイプ端縁からの長手方向への距離と内径との関係を表すグラフ、（ｂ）はレーザパワーと内径変化率との関係を表すグラフ、（ｃ）は走査速度と内径変化率との関係を表すグラフ、（ｄ）はレーザパワーと引き抜き力の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１ 外表面
２ レーザ光
３ パイプ
４ 接合対象物
５ 一端部
６ 他端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面をなぞるようにレーザ光を走査させて金属からなるパイプにスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向の塑性変形を生じさせるパイプの縮径加工方法。
【請求項２】
前記レーザ光によるパイプ外表面をなぞるようにする走査が、パイプの長手方向へのレーザ光の移動をパイプの周方向に繰り返してなされる請求項１記載のパイプの縮径加工方法。
【請求項３】
前記レーザ光によるパイプ外表面をなぞるようにする走査が、パイプの周方向へのレーザ光の移動をパイプの長手方向に繰り返してなされる請求項１記載のパイプの縮径加工方法。
【請求項４】
接合対象物が挿入された金属からなるパイプの外表面をなぞるようにレーザ光を走査させてパイプにスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向に塑性変形を生じさせて接合対象物に圧着させるパイプのかしめ方法。
【請求項５】
前記レーザ光によるパイプ外表面をなぞるようにする走査は、接合対象物が挿入されたパイプの一端部近傍の外表面を他端部側から前記一端部側に向かってなぞるようにレーザ光を移動させてなされる請求項４記載のパイプのかしめ方法。
【請求項６】
金属からなり、外表面をなぞるように順次連続してスポット加熱されて縮径方向に塑性変形された一端部を備えるパイプと、
前記縮径方向の塑性変形によりパイプの一端部に接合された接合対象物とを有するパイプのかしめ接合体。
【請求項１】
外表面をなぞるようにレーザ光を走査させて金属からなるパイプにスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向の塑性変形を生じさせるパイプの縮径加工方法。
【請求項２】
前記レーザ光によるパイプ外表面をなぞるようにする走査が、パイプの長手方向へのレーザ光の移動をパイプの周方向に繰り返してなされる請求項１記載のパイプの縮径加工方法。
【請求項３】
前記レーザ光によるパイプ外表面をなぞるようにする走査が、パイプの周方向へのレーザ光の移動をパイプの長手方向に繰り返してなされる請求項１記載のパイプの縮径加工方法。
【請求項４】
接合対象物が挿入された金属からなるパイプの外表面をなぞるようにレーザ光を走査させてパイプにスポット状の加熱領域を順次連続して形成し、縮径方向に塑性変形を生じさせて接合対象物に圧着させるパイプのかしめ方法。
【請求項５】
前記レーザ光によるパイプ外表面をなぞるようにする走査は、接合対象物が挿入されたパイプの一端部近傍の外表面を他端部側から前記一端部側に向かってなぞるようにレーザ光を移動させてなされる請求項４記載のパイプのかしめ方法。
【請求項６】
金属からなり、外表面をなぞるように順次連続してスポット加熱されて縮径方向に塑性変形された一端部を備えるパイプと、
前記縮径方向の塑性変形によりパイプの一端部に接合された接合対象物とを有するパイプのかしめ接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−８７０２３（Ｐ２００８−８７０２３Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７０４９９（Ｐ２００６−２７０４９９）
【出願日】平成１８年１０月２日（２００６．１０．２）
【出願人】（０００１０３７０３）オグラ宝石精機工業株式会社 (5)
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２日（２００６．１０．２）
【出願人】（０００１０３７０３）オグラ宝石精機工業株式会社 (5)
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