高力ボルト摩擦接合構造、および高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法
【課題】摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる高力ボルト摩擦接合構造を提供すること。
【解決手段】高力ボルト４およびナット５と、これらを締め付けた圧縮力により互いに摩擦接合される母材１，２および添板３とを備える。添板３の接合面３１は、溶融状態にしたアルミを吹き付けることによって形成されるアルミ溶射層３２を有する。アルミ溶射層３２中には、複数の気孔が形成され、また、アルミ溶射層３２の体積に対する複数の気孔の全容積の割合を示す気孔率は、５％以上、３０％以下となっている。従って、接合面３１間の摩擦力が増大され、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。
【解決手段】高力ボルト４およびナット５と、これらを締め付けた圧縮力により互いに摩擦接合される母材１，２および添板３とを備える。添板３の接合面３１は、溶融状態にしたアルミを吹き付けることによって形成されるアルミ溶射層３２を有する。アルミ溶射層３２中には、複数の気孔が形成され、また、アルミ溶射層３２の体積に対する複数の気孔の全容積の割合を示す気孔率は、５％以上、３０％以下となっている。従って、接合面３１間の摩擦力が増大され、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高力ボルト摩擦接合構造、および高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築や土木の分野において、鋼構造物（建物や橋梁等）の骨組みを構成する鋼材同士の接合構造として、高力ボルト等の締付け具で鋼材を締め付け、この締め付けた圧縮力により生ずる摩擦抵抗で鋼材同士を接合する摩擦接合が一般的に利用されている。一般的な摩擦接合では、母材（柱や梁、筋交いなど）や添板（スプライスプレート）、ガセットプレートなどの鋼材の接合面に以下のような加工を施して摩擦係数を確保している。すなわち、サンダーやグラインダーなどにより黒皮を除去した後に放置して赤錆を発生させるか、またはショットブラスト加工などにより接合面を粗くする方法が用いられている。しかし、このような方法によって得られる接合面の摩擦係数は、比較的小さい上に安定した摩擦抵抗が確保しにくいため、設計する上で安全側に捉えた低い値（例えば、浮き錆を除去した赤錆面の場合でμ＝０．４５、ブラスト処理面の場合でμ＝０．４５など）を採用せざるを得ず、合理的な設計が実現しにくく、その解決が望まれている。
【０００３】
一方、従来、橋梁などの土木構造物の防蝕技術として、鋼材表面にアルミ溶射を施してアルミ溶射層を形成するアルミ溶射技術が知られている。このアルミ溶射技術を用いて、被接合鋼材の互いに接する一対の接合面の両方にアルミ溶射層を形成することで、摩擦接合における鋼材同士の摩擦抵抗を増大させた摩擦接合構造が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】「アークアルミ溶射添接部における摩擦接合すべり試験について」、土木学会第５８回年次学術講演会講演概要集（第１部）、平成１５年９月、ｐ．１４３７−１４３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載の従来の摩擦接合構造では、対向する接合面の両方にアルミ溶射層を形成しているので、アルミ溶射処理のためのコスト面での問題がある。
また、非特許文献１には、アルミ溶射層の具体的な構成（微細構造等）が明らかにされていないため、摩擦接合構造の接合面にアルミ溶射層を形成することで、安定した高い摩擦抵抗を確保するための具体的なアルミ溶射層の仕様を決定することができず、合理的な設計をすることが困難だった。
【０００６】
本発明の目的は、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる高力ボルト摩擦接合構造、および高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造は、高力ボルト摩擦接合構造であって、接合部を構成する鋼材の接合面のうち少なくとも一方に複数の気孔を含むように金属溶射処理が施され、金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、金属溶射処理としては、溶融状態にした低強度金属（例えば、アルミ）を被接合鋼材の表面に高速度で吹き付けて薄い皮膜を形成する表面処理を意味する。金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下となる溶射方法としては、例えば、アルミ溶射の場合には、アーク溶射やプラズマ溶射、ガス溶射等が好適であるが、本発明における金属溶射層はアルミ溶射によるものに限られず、適宜な金属材料（例えば、亜鉛アルミや亜鉛等）および溶射方法（アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射等）が採用可能である。
【０００９】
以上の発明によれば、金属溶射層の体積に対する複数の気孔の全容積の割合の目安となる金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下となるように、アルミ等の金属の金属溶射層が接合部を構成する鋼材の接合面の少なくとも一方に形成されているので、金属溶射層が形成された一方の接合面と、他方の接合面間の摩擦力が増大され、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。これにより、例えば、ボルト等の締付け具の数量を減らすことができ、また、接合面の面積を小さくすることができるので、摩擦接合構造のコンパクト化が図れる。
【００１０】
この際、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記接合部が被接合鋼材と添板とを含んで構成され、前記添板の接合面には金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下である金属溶射処理が施され、前記被接合鋼材の接合面には前記金属溶射処理以外の表面処理が施されていることが好ましい。
ここで、被接合鋼材は、柱や梁、筋交いなどを示す。また、金属溶射処理以外の表面処理が施されるとは、例えば、表面に赤錆、黒皮などの酸化皮膜が設けられたり、ブラスト処理が施されたりすることである。
【００１１】
以上の発明によれば、被接合鋼材の接合面を酸化鉄（赤錆、黒皮など）で被覆し、または、ブラスト処理することで、表面粗さを大きくする凹凸を設け、すなわち、被接合鋼材の接合面を従来からある処理法によって表面処理し、添板の接合面にのみ金属溶射すればよいので、金属溶射する面積を小さくでき、製造コストが削減できる。また、被接合鋼材と比べて形状の小さい添板のみに金属溶射層を形成すればよいので、被接合鋼材側を金属溶射する場合に比べて、作業負荷を低減することができる。
【００１２】
また、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記金属溶射層の厚さ寸法が１５０μｍ以上であることが好ましい。
ここで、金属溶射層の厚さ寸法は、１５０μｍ以上であればよいが、金属溶射層が厚くなると、材料費や施工費などが嵩むため、溶射費用の観点から金属溶射層の厚さ寸法は、４００μｍ以下であることが好ましい。
さらに、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記金属溶射層の断面サンプルを用いて前記気孔の断面形状から算出した当該気孔の円相当径が、当該円相当径の最大値と、この最大値から２０μｍ小さい値との間に含まれる前記気孔を除いて、９０μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記接合部を構成する鋼材には、高力ボルトが挿通されるボルト孔が貫通して設けられ、前記金属溶射層は、前記ボルト孔を中心とした円周内に形成され、この円周の直径寸法は、前記高力ボルトの軸径寸法の２．５倍〜４倍に設定されていることが好ましい。
ここで、本発明の高力ボルト摩擦接合構造の一例について、後述する設計モデルを用いた弾塑性ＦＥＭ解析を実施した。この解析結果（図１４参照）から、高力ボルトを締め付けて、高力ボルトに所定の張力を付加させた場合の、鋼材の接合面に生じる接触圧の分布が明らかとなった。また、鋼材の厚さ寸法（高力ボルトの首下から接合面までの寸法）を変更した場合の接触圧の分布についても明らかとなった。すなわち、ボルト孔からの距離が大きくなるほど、接合面での接触圧は小さくなり、例えば、鋼材の厚さ寸法が１２ｍｍの場合、ボルト孔近傍における接触圧の最大値に対して、ボルト半径の２．５倍の距離における接触圧は最大値の２０％以下となり、ボルト半径の３．５倍の距離では２％以下となった。また、鋼材の厚さ寸法が２５ｍｍの場合、ボルト半径の２．５倍の距離における接触圧は最大値の４０％以下となり、ボルト半径の３．５倍の距離における接触圧は、５％以下となった。なお、円周の直径寸法は、鋼材の厚さ寸法に応じて設定されるのがよい。
以上の発明によれば、ボルト孔を中心とする円周内に金属溶射層を形成し、その円周の直径寸法を高力ボルトの軸径寸法の２．５倍〜４倍に設定することによって、金属溶射層を形成する範囲が限定されて、不必要な金属溶射処理が省け、製造コストを抑制することができる。
【００１４】
一方、本発明の高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法は、前記金属溶射層が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレートを前記接合面に載置し、前記開口部によって露出される当該接合面の表面を金属溶射することで前記金属溶射層を形成することを特徴とする。
以上の発明によれば、金属溶射層が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレートを用いて金属溶射層を形成すれば、金属溶射層を所定の範囲のみに形成することができ、容易に溶射作業が実施できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のような本発明の高力ボルト摩擦接合構造、および、高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法によれば、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の高力ボルト摩擦接合構造を示す断面図である。
図１において、高力ボルト摩擦接合構造は、被接合鋼材である左右一対の母材１，２を上下一対の添板３で挟み込み、これらの添板３を高力ボルト４およびナット５で締め付け、この締め付けた圧縮力により母材１，２が摩擦接合されるものである。
【００１７】
ここで、左右一対の母材１，２としては、例えば、構造物の骨組みを構成する形鋼（Ｈ形鋼等）のフランジやウェブであってもよく、一方が形鋼のフランジやウェブで他方がガセットプレートやブラケットであってもよい。これらの母材１，２および添板３としては、建築構造用圧延鋼材や一般構造用圧延鋼材、溶接構造用圧延鋼材であり、その引張強度が４００〜５００Ｎ／ｍｍ２程度のＳＮ４００、ＳＮ４９０、ＳＳ４００、ＳＳ４９０、ＳＭ４００、ＳＭ４９０等から形成されたものが用いられている。また、高力ボルト４、ナット５としては、母材１，２と添板３とが互いに近づく方向に所定の圧縮力（ボルト軸力）Ｎで締め付け可能なものであって、任意の締め付け形式のものが採用可能である。
【００１８】
母材１，２の接合面１１，２１は、表面粗さ（最大高さＲｚ）が５０μｍ以上となるように、ブラスト処理されている。または、母材１，２の接合面は、酸化鉄（赤錆、黒皮など）により覆われていてもよい。
添板３の接合面３１には、溶射金属が定着する程度に下地処理された上に、低強度金属であるアルミが溶融した状態で吹き付けられ、アルミ溶射層３２が形成されている。下地処理は、例えば、表面粗さ（最大高さＲｚ）が５０μｍ以上となるようにブラスト処理されている。アルミ溶射層３２は、高力ボルト４が挿通されるボルト孔３３を中心にとした接合面３１上の円周内に形成されている。この円周の直径寸法Ｄは、高力ボルト４の軸径寸法ｄの３倍に設定されている。そして、アルミ溶射層３２の厚さ寸法ｔは、１５０μｍ以上、４００μｍ以下の範囲内で設定され、例えば、２００μｍとなっている。
【００１９】
アルミ溶射層３２中には、図示しない複数の気孔が、全体に亘って均一に分散して形成されており、アルミ溶射層３２の体積に対する複数の気孔の全容積の割合を示す気孔率は、５％以上、３０％以下の範囲内で設定され、例えば、２１％となっている。なお、アルミ溶射層３２は、アルミ成分が９９．５％のワイヤ形状の溶射材料を用いてアーク溶射法により形成される。
【００２０】
次に、本実施形態の溶射手順を図２に基づいて説明する。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、アルミ溶射層３２の溶射手順を説明する図である。
図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、直径寸法Ｄの円形の開口部６１を２箇所に有するテンプレート６を使用する。
先ず、図２（Ａ）に示すように、テンプレート６の開口部６１の中心と添板３のボルト孔３３の中心とが一致するように、テンプレート６を添板３の接合面３１に載置する。
次に、図２（Ｂ）に示すように、溶射装置７を使用して、テンプレート６の開口部６１によって露出される接合面３１の表面をアーク溶射する。アーク溶射後、テンプレート６を除去すれば、ボルト孔３３を中心とする直径寸法Ｄの円形状のアルミ溶射層３２が形成され（図２（Ｃ））、アルミ溶射作業が完了する。
【００２１】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）すなわち、アルミ溶射層３２の気孔率を５％以上、３０％以下として、アルミ溶射層３２を添板３の接合面３１に形成したので、接合面３１間の摩擦力が増大され、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。従って、高力ボルト４の設置数量を従来よりも少なくすることができ、また、接合面３１の面積を従来よりも小さくすることができるので、高力ボルト摩擦接合構造のコンパクト化が図れる。
【００２２】
（２）そして、母材１，２の接合面１１，２１を従来の表面処理法であるブラスト処理し、添板３の接合面３１にのみアルミ溶射するので、アルミ溶射する面積を小さくでき、製造コストを削減することができる。また、母材１，２と比べて形状の小さい添板３のみにアルミ溶射すればよいので、母材１，２側をアルミ溶射する場合に比べて、作業負荷を低減することができる。
【００２３】
（３）また、ボルト孔３３を中心とする円周内にアルミ溶射層３２を形成し、その円周の直径寸法Ｄを高力ボルト４の軸径寸法ｄの３倍にすることによって、アルミ溶射層３２を形成する範囲が限定されて、不必要なアルミ溶射処理が省け、製造コストを抑制することができる。
【００２４】
（４）さらに、アルミ溶射層３２が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレート６を用いてアルミ溶射層３２を形成するので、アルミ溶射層３２を所定の範囲のみに形成することができ、容易に溶射作業を実施することができる。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態においては、被接合鋼材と添板との高力ボルト摩擦接合構造を例として説明したが、接合部を構成する鋼材がともに構造物の骨組みを構成する形鋼（Ｈ形鋼等）のフランジやウェブであってもよい。すなわち、被接合鋼材同士を直接接合する高力ボルト摩擦接合構造であってもよい。
また、前記実施形態では、アーク溶射によってアルミ溶射層を形成する場合を例に説明したが、低強度金属としてはアルミに限られず、適宜な金属材料（例えば、亜鉛アルミや亜鉛等）でもよく、溶射方法としてはアーク溶射に限られず、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射等であってもよい。
また、前記実施形態では、被接合鋼材の接合面をブラスト処理した場合を説明したが、本発明では、被接合鋼材および添板の両方の接合面に金属溶射層を形成する場合が含まれる。すなわち、被接合鋼材および添板の接合面のうちの少なくとも一方に、金属溶射層が形成されていればよい。
【００２６】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。例えば、摩擦接合面にフィラープレートを挟む摩擦接合部については、そのフィラープレートの両面に金属溶射処理を施した場合も本発明に含まれる。
【実施例】
【００２７】
以下に、前記実施形態で説明したアルミ溶射処理による高力ボルト摩擦接合構造の高摩擦係数化を実験的に検証した実施例について説明する。
図３は、本実施例のすべり試験方法を示す概念図である。図３のように、本発明の添板を想定した一対の駒部材３Ａと、一対の駒部材３Ａによって挟持される母材１Ａとを用いて、図示しない二軸試験機による水平荷重Ｈによって、母材１Ａを一対の駒部材３Ａで挟持させた状態とし、母材１Ａのみを上方から下方に押し付ける鉛直荷重Ｐを母材１Ａに加え、鉛直荷重Ｐに対する母材１Ａの変位量を測定した。
【００２８】
この際、母材１Ａには、駒部材３Ａとの接合面１１Ａにブラスト処理（図３中の１２）を施し、駒部材３Ａには、母材１Ａとの接合面にアルミ溶射層３２Ａを形成した。そして、アルミ溶射の溶射方法を第１のパラメータとし、水平荷重Ｈによる母材１Ａと駒部材３Ａとの間の接触圧を第２のパラメータとし、これら２つのパラメータを変動させて試験を実施し、得られる摩擦係数（すべり係数）μを測定した。なお、摩擦係数は、鉛直荷重Ｐの最大値を水平荷重Ｈの２倍の値で除した値とした。
【００２９】
〔第１パラメータ：溶射方法〕
駒部材３Ａの接合面の溶射方法として、アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射の４種類を設定した。なお、比較のためにブラスト処理したものも設定した。
〔第２パラメータ：接触圧〕
接触圧とは、水平荷重Ｈを、駒部材の接合面の面積で除した値であって、具体的には、３８，７５，１５０，２５０，３５０Ｎ／ｍｍ2の５種類を設定した。これらの設定値は、高力ボルトを締め付けた際に、ボルト孔の周辺の接合面に作用する接触圧を後述する弾塑性ＦＥＭ解析により算出し、その結果（図１４）を参考にして設定されたものである。
【００３０】
［試験結果］
図４は、第２パラメータである接触圧を３８Ｎ／ｍｍ2とした場合の、鉛直荷重Ｐに対する母材１Ａの鉛直方向の変位量を第１パラメータである溶射方法ごとに示すグラフである。なお、図４のグラフ中の縦軸は、水平荷重Ｈの２倍の値で鉛直荷重Ｐを除した値を示している。
図４の測定結果において、プロット記号としては、溶射方法ごとに、アーク溶射法を太い実線、プラズマ溶射法を点線、ガスフレーム溶射法を一点鎖線、高速フレーム溶射法を細い実線で示すものとする。比較としてのブラスト処理を破線で示すものとする。
【００３１】
図５は、第２パラメータである接触圧を３８〜３５０Ｎ／ｍｍ2の範囲で変化させた場合の、接触圧に対する摩擦係数を第１パラメータである溶射方法ごとに示すグラフである。
図５の測定結果において、プロット記号としては、溶射方法ごとに、アーク溶射法を白抜き四角（□）、プラズマ溶射法を白抜き菱形（◇）、ガスフレーム溶射法を白抜き三角（△）、高速フレーム溶射法を黒塗り菱形（◆）で示すものとする。比較としてのブラスト処理を黒塗り丸（●）で示すものとする。
【００３２】
図４および図５に示すように、比較としてのブラスト処理では明瞭な主すべりが確認され、ブラスト処理では接触圧に関係なく摩擦係数はμ＝０．５５〜０．５８であった。これに対して、アルミ溶射処理を施したものは、明瞭な主すべりが観察されず、接触圧に摩擦係数が大きく依存した。すなわち、接触圧が低い範囲（３８〜１５０Ｎ／ｍｍ2）では、ブラスト処理の摩擦係数が０．６程度となったのに対して、アルミ溶射処理の摩擦係数がμ＝０．７〜１．０程度となった。特に、接触圧が３８Ｎ／ｍｍ2の場合、アルミ溶射処理の摩擦係数がμ＝０．９１〜１．０８となった。このように、アルミ溶射処理の摩擦係数が、ブラスト処理の摩擦係数よりも高くなり、従来の建築仕様での設計値である摩擦係数μ＝０．４５（図５中の破線）を大きく上回る高い値を示した。
一方、接触圧が３５０Ｎ／ｍｍ2と高い場合の摩擦係数は、アーク溶射法のみ０．５１となり、従来の設計値である摩擦係数μ＝０．４５を上回った。
【００３３】
また、図５に示すように、溶射方法ごとの摩擦係数を比較すると、接触圧が３８Ｎ／ｍｍ2および７５Ｎ／ｍｍ2と低い場合には、アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射が同程度の摩擦係数となり、高速フレーム溶射が低い摩擦係数となった。一方、接触圧が２５０Ｎ／ｍｍ2および３５０Ｎ／ｍｍ2と高い場合には、アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射の順で高い摩擦係数となった。
【００３４】
以上の試験結果によれば、アルミ溶射処理では、通常のブラスト処理とは異なり接触圧に摩擦係数が大きく依存することが明らかとなった。特に、アーク溶射によってアルミ溶射層を形成する場合、３８Ｎ／ｍｍ2〜３５０Ｎ／ｍｍ2の接触圧の全範囲で、従来の設計値である摩擦係数μ＝０．４５を上回る高い摩擦係数が得られことが判明した。
【００３５】
次に、第１のパラメータである溶射方法をアーク溶射法に限定し、さらに、以下のパラメータを設定してすべり試験を実施した。
具体的には、アーク溶射法による溶射層厚（ｔ）を第３のパラメータとし、アーク溶射時のガス圧を第４のパラメータとして、これらのパラメータを変化させてすべり試験を実施し、得られる摩擦係数を測定した。なお、第２のパラメータである接触圧については、７５Ｎ／ｍｍ2、２５０Ｎ／ｍｍ2の２種類で実施した。
【００３６】
〔第３パラメータ：溶射層厚〕
溶射層厚として、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍの４種類を設定した。
〔第４パラメータ：ガス圧〕
ガス圧とは、アーク溶射法において溶融したアルミを接合面に吹き付ける際に使用する流体の圧力であり、その値として、相対的に大きい場合と、相対的に小さい場合の２通りで設定した。ここで、本実施例では、図７に示すような溶射層断面を形成するように設定したガス圧を大と表現し、図８に示すような溶射層断面を形成するように設定したガス圧を小と表現する。
以下の測定結果において、プロット記号としては、溶射層厚ごとに、接触圧７５Ｎ／ｍｍ2下にて、ガス圧大を黒塗り丸（●）、ガス圧小を白抜き丸（○）とし、接触圧２５０Ｎ／ｍｍ2下にて、ガス圧大を黒塗り三角（▲）、ガス圧小を白抜き三角（△）で示すものとする。
【００３７】
〔試験結果〕
図６は、摩擦係数と溶射層厚の関係を示すグラフである。
図６に示すように、アーク溶射法の場合、同じ接触圧の条件下では、溶射層厚がｔ＝２００μｍ以上の場合、高い摩擦係数が得られた。具体的には、溶射層厚がｔ＝２００μｍ以上、かつ、接触圧が７５Ｎ／ｍｍ2の条件下では、μ＝０．７５以上の摩擦係数が得られた。さらに、同じ条件下で、ガス圧大の場合では、μ＝０．８５以上の摩擦係数が得られた。
一方、溶射層厚がｔ＝２００μｍ以上、かつ、接触圧が２５０Ｎ／ｍｍ2の条件下では、μ＝０．５０以上の摩擦係数が得られた。さらに、同じ条件下で、ガス圧大の場合では、μ＝０．５５以上の摩擦係数が得られた。
【００３８】
溶射層厚は、溶射コスト低減の観点から極力小さく設定されることが望まく、上記の結果から、高い摩擦係数を確保しつつ溶射層厚を低減するには、溶射層厚を１５０μｍ以上、４００μｍ以下に設定するのがよいことが分かった。また、ガス圧が大きいほど、摩擦係数が高くなるという傾向が判明した。
【００３９】
次に、アーク溶射法によるアルミ溶射層３２Ａの断面ミクロ調査を実施した結果を図７〜図１３に示す。
図７〜図１１は、前述のすべり試験を実施した試験片のアルミ溶射層３２Ａの断面を撮影した画像である。図７および図８は、アーク溶射によるアルミ溶射層の断面画像で、図９は、プラズマ溶射によるアルミ溶射層の断面画像で、図１０は、ガスフレーム溶射によるアルミ溶射層の断面画像で、図１１は、高速フレーム溶射によるアルミ溶射層の断面画像である。なお、図７は、アーク溶射の際のガス圧を相対的に大きくした場合を示し、図８は、ガス圧を相対的に小さくした場合を示す。
図７および図８の各断面サンプルを用いて、気孔の断面形状から画像処理により気孔の円相当径を算出した。図１２は、円相当径ごとの気孔数の分布を示すグラフである。図１３は、断面ミクロ調査を実施した５種類の試験片に関する気孔率と、摩擦係数との関係を示すグラフである。
図７〜図１１に示すように、アーク溶射による試験片の溶射層（図７、８）の気孔率は２１％となった。ここで、気孔率とは、断面視野の全面積における空隙（図中、黒い部分）の面積の割合を示している。また、プラズマ溶射による試験片の溶射層（図９）の気孔率は１１％となった。ガスフレーム溶射による試験片の溶射層（図１０）の気孔率は７．５％となった。高速フレーム溶射による試験片の溶射層（図１１）の気孔率は２．５％となった。
【００４０】
なお、アーク溶射の際のガス圧を相対的に大きくした場合の試験片（図７）と、ガス圧を相対的に大きくした場合の試験片（図８）とを比較するために、各断面画像を画像解析した。その画像解析結果を表１に示す。
以下の画像解析結果において、図７，図８中の縦約２００μｍ、横約１２００μｍの矩形領域内を対象として黒色部分（気孔）を独立領域と設定し、各独立領域の面積を算出し、その面積を円相当径に変換する。そして、各独立領域の円相当径の最大値、最小値、平均、分散、標準偏差を算出するものとする。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１および図１２は、気孔を円相当径で評価した場合の気孔の分布性状を示している。
図１２に示す画像処理結果において、プロット記号としては、ガス圧が小さい場合を黒塗り四角（■）とし、ガス圧が大きい場合を白抜き四角（□）で示すものとする。
表１に示すように、ガス圧の大小に関らず円相当径での気孔の最大値、最小値、平均値は殆ど同じであった。また、ガス圧の大きい方が、ガス圧の小さい方と比べて、分散および標準偏差が小さくなり、ガス圧の大きいほど気孔が一様に分布する傾向にあることが分かった。図１２より、最大値を除くデータにおいて、気孔の分布性状に明瞭な差が見られ、例えば、円相当径が８０μｍ以上の気孔数は、ガス圧小では３個で、ガス圧大では０個である。また、円相当径が４０μｍ以上の気孔数は、ガス圧小では８個で、ガス圧大では４個である。このように、ガス圧大の方がガス圧小よりも、円相当径の大きい気孔が比較的少ないことが分かった。
【００４３】
図１３に示す摩擦係数は、前述のすべり試験において、接触圧を２５０Ｎ／ｍｍ2とし、溶射層厚をｔ＝３００〜４００μｍとした場合の値である。
図１３の測定結果において、プロット記号としては、溶射方法ごとに、アーク溶射法を白抜き四角（□）および黒塗り四角（■）、プラズマ溶射法を白抜き菱形（◇）、ガスフレーム溶射法を白抜き三角（△）、高速フレーム溶射法を黒塗り菱形（◆）で示すものとする。ここで、アーク溶射法の場合の白抜き四角（□）は、ガス圧を相対的に大きくした場合を示し、黒塗り四角（■）は、ガス圧を相対的に小さくした場合を示す。また、図中には更に溶射条件を変更して追加実施したアーク溶射（気孔率３０％）の結果を白抜き丸（○）で併せて示す。
図１３に示すように、接触圧が２５０Ｎ／ｍｍ2である場合、気孔率と摩擦係数とは正の相関関係となり、気孔率の小さい高速フレーム溶射法を除いて、各溶射方法ごとの摩擦係数は、従来の設計値である摩擦係数μ＝０．４５を上回る値となることが分かった。また、気孔率が同じ（図７、図８）場合であっても、気孔の分散および標準偏差が小さい場合（図７）の方が、摩擦係数が大きくなることが分かった。すなわち、図１２に示すように、気孔の円相当径の最大値（約１２０μｍ）およびこの最大値から２０μｍ小さい値（約１００マイクロ）との間に含まれる気孔を除いた場合の、気孔の円相当径が９０μｍ以下（図１２のガス圧大の場合、８０μｍ以下）となるようにアルミ溶射層を形成することによって、気孔率が同じでも、より大きな摩擦係数が得られることが分かった。
【００４４】
また、前記実施形態の高力ボルト摩擦接合構造の一例について、設計モデルを用いた弾塑性ＦＥＭ解析を実施した。ここで、高力ボルト４の軸を中心に摩擦接合部が軸対象となるように設計モデルを設定した。高力ボルト４は、首下部の軸径寸法が２２ｍｍで、引張強さが１４００Ｎ／ｍｍ2級のものとし、添板３は、４９０Ｎ／ｍｍ2級の引張強さのものとした。
図１４は、高力ボルト摩擦接合構造の弾塑性ＦＥＭ解析の結果を示すグラフであり、横軸に、接合面３１におけるボルト孔３３の中心からの距離を高力ボルト４の半径で割った値を示し、縦軸に、接触圧を示す。
この弾塑性ＦＥＭ解析により、高力ボルト４を締め付けて、高力ボルト４に所定の張力（３００ｋＮ）を付加させた場合の、添板３の接合面３１に生じる接触圧の分布が明らかとなった。
また、添板３の厚さ寸法（高力ボルト４の首下から接合面３１までの寸法）を４．５ｍｍから２５ｍｍまで変更した場合の接触圧の分布についても明らかとなった。
【００４５】
すなわち、ボルト孔３３からの距離が大きくなるほど、接合面３１での接触圧は小さくなり、例えば、添板３の厚さ寸法が１２ｍｍの場合、ボルト孔３３近傍における接触圧の最大値（約２９０Ｎ／ｍｍ2）に対して、高力ボルト４の中心からの距離がボルト半径の２．５倍の距離における接触圧（約５０Ｎ／ｍｍ2）は最大値の２０％以下となった。また、ボルト半径の３．５倍の距離における接触圧（約３Ｎ／ｍｍ2）は２％以下となった。
また、添板３の厚さ寸法が２５ｍｍの場合、ボルト半径の２．５倍の距離における接触圧（約７０Ｎ／ｍｍ2）は最大値（約２００Ｎ／ｍｍ2）の４０％以下となり、ボルト半径の３．５倍の距離における接触圧（約１０Ｎ／ｍｍ2）は５％以下となった。添板３の他の厚さ寸法においても略同様の結果となった。
このことから、アルミ溶射層３２は、接触圧の付加が大きい範囲に形成されていればよく、具体的には、ボルト孔３３を中心とした円周の直径寸法Ｄが、ボルトの軸径寸法ｄの２．５〜４倍の範囲内に設定されていればよいことが分かった。
【００４６】
以上の断面ミクロ調査結果より、高力ボルト摩擦接合構造の仕様選定のための以下の知見を得ることができた。
すなわち、アルミ溶射層の気孔率が大きいほど、母材・添板間の摩擦係数が大きくなり、気孔率を５％以上、３０％以下に設定することによって、従来よりも高い摩擦係数が得られることが分かった。また、５％以上の気孔率を確保できる溶射方法としては、アルミ溶射の場合には、アーク溶射法、プラズマ溶射法、ガス溶射法のいずれかを採用すればよいことが分かった。そして、アルミ溶射層の厚さ寸法を１５０μｍ以上、４００μｍ以下程度に設定することによっても、高い摩擦係数が得られることが分かった。さらに、アルミ溶射層中の各々の気孔がより均一に分散しているほど、高い摩擦係数が得られることも分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る高力ボルト摩擦接合構造を示す断面図である。
【図２】前記高力ボルト摩擦接合構造における溶射層の溶射手順を説明する図である。
【図３】本発明の実施例に係るすべり試験方法を示す概念図である。
【図４】前記すべり試験の鉛直荷重と変位量との関係を示すグラフである。
【図５】前記すべり試験の接触圧と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図６】前記すべり試験の溶射層厚と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図７】前記溶射層（アーク溶射法・ガス圧大）を示す断面画像である。
【図８】前記溶射層（アーク溶射法・ガス圧小）を示す断面画像である。
【図９】前記溶射層（プラズマ溶射法）を示す断面画像である。
【図１０】前記溶射層（ガスフレーム溶射法）を示す断面画像である。
【図１１】前記溶射層（高速フレーム溶射法）を示す断面画像である。
【図１２】前記溶射層内の気孔の円相当径ごとの分布を示すグラフである。
【図１３】前記すべり試験の気孔率と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図１４】前記高力ボルト摩擦接合構造を弾塑性ＦＥＭ解析した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１，２…母材（被接合鋼材）、３…添板、４…高力ボルト、６…テンプレート、１１，２１…母材の接合面、３１…添板の接合面、３２…アルミ溶射層（金属溶射層）、３３…ボルト孔、６１…開口部、Ｄ…アルミ溶射層の直径寸法、ｄ…高力ボルトの軸径寸法、ｔ…金属溶射層の厚さ寸法。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高力ボルト摩擦接合構造、および高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築や土木の分野において、鋼構造物（建物や橋梁等）の骨組みを構成する鋼材同士の接合構造として、高力ボルト等の締付け具で鋼材を締め付け、この締め付けた圧縮力により生ずる摩擦抵抗で鋼材同士を接合する摩擦接合が一般的に利用されている。一般的な摩擦接合では、母材（柱や梁、筋交いなど）や添板（スプライスプレート）、ガセットプレートなどの鋼材の接合面に以下のような加工を施して摩擦係数を確保している。すなわち、サンダーやグラインダーなどにより黒皮を除去した後に放置して赤錆を発生させるか、またはショットブラスト加工などにより接合面を粗くする方法が用いられている。しかし、このような方法によって得られる接合面の摩擦係数は、比較的小さい上に安定した摩擦抵抗が確保しにくいため、設計する上で安全側に捉えた低い値（例えば、浮き錆を除去した赤錆面の場合でμ＝０．４５、ブラスト処理面の場合でμ＝０．４５など）を採用せざるを得ず、合理的な設計が実現しにくく、その解決が望まれている。
【０００３】
一方、従来、橋梁などの土木構造物の防蝕技術として、鋼材表面にアルミ溶射を施してアルミ溶射層を形成するアルミ溶射技術が知られている。このアルミ溶射技術を用いて、被接合鋼材の互いに接する一対の接合面の両方にアルミ溶射層を形成することで、摩擦接合における鋼材同士の摩擦抵抗を増大させた摩擦接合構造が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】「アークアルミ溶射添接部における摩擦接合すべり試験について」、土木学会第５８回年次学術講演会講演概要集（第１部）、平成１５年９月、ｐ．１４３７−１４３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載の従来の摩擦接合構造では、対向する接合面の両方にアルミ溶射層を形成しているので、アルミ溶射処理のためのコスト面での問題がある。
また、非特許文献１には、アルミ溶射層の具体的な構成（微細構造等）が明らかにされていないため、摩擦接合構造の接合面にアルミ溶射層を形成することで、安定した高い摩擦抵抗を確保するための具体的なアルミ溶射層の仕様を決定することができず、合理的な設計をすることが困難だった。
【０００６】
本発明の目的は、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる高力ボルト摩擦接合構造、および高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造は、高力ボルト摩擦接合構造であって、接合部を構成する鋼材の接合面のうち少なくとも一方に複数の気孔を含むように金属溶射処理が施され、金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、金属溶射処理としては、溶融状態にした低強度金属（例えば、アルミ）を被接合鋼材の表面に高速度で吹き付けて薄い皮膜を形成する表面処理を意味する。金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下となる溶射方法としては、例えば、アルミ溶射の場合には、アーク溶射やプラズマ溶射、ガス溶射等が好適であるが、本発明における金属溶射層はアルミ溶射によるものに限られず、適宜な金属材料（例えば、亜鉛アルミや亜鉛等）および溶射方法（アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射等）が採用可能である。
【０００９】
以上の発明によれば、金属溶射層の体積に対する複数の気孔の全容積の割合の目安となる金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下となるように、アルミ等の金属の金属溶射層が接合部を構成する鋼材の接合面の少なくとも一方に形成されているので、金属溶射層が形成された一方の接合面と、他方の接合面間の摩擦力が増大され、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。これにより、例えば、ボルト等の締付け具の数量を減らすことができ、また、接合面の面積を小さくすることができるので、摩擦接合構造のコンパクト化が図れる。
【００１０】
この際、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記接合部が被接合鋼材と添板とを含んで構成され、前記添板の接合面には金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下である金属溶射処理が施され、前記被接合鋼材の接合面には前記金属溶射処理以外の表面処理が施されていることが好ましい。
ここで、被接合鋼材は、柱や梁、筋交いなどを示す。また、金属溶射処理以外の表面処理が施されるとは、例えば、表面に赤錆、黒皮などの酸化皮膜が設けられたり、ブラスト処理が施されたりすることである。
【００１１】
以上の発明によれば、被接合鋼材の接合面を酸化鉄（赤錆、黒皮など）で被覆し、または、ブラスト処理することで、表面粗さを大きくする凹凸を設け、すなわち、被接合鋼材の接合面を従来からある処理法によって表面処理し、添板の接合面にのみ金属溶射すればよいので、金属溶射する面積を小さくでき、製造コストが削減できる。また、被接合鋼材と比べて形状の小さい添板のみに金属溶射層を形成すればよいので、被接合鋼材側を金属溶射する場合に比べて、作業負荷を低減することができる。
【００１２】
また、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記金属溶射層の厚さ寸法が１５０μｍ以上であることが好ましい。
ここで、金属溶射層の厚さ寸法は、１５０μｍ以上であればよいが、金属溶射層が厚くなると、材料費や施工費などが嵩むため、溶射費用の観点から金属溶射層の厚さ寸法は、４００μｍ以下であることが好ましい。
さらに、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記金属溶射層の断面サンプルを用いて前記気孔の断面形状から算出した当該気孔の円相当径が、当該円相当径の最大値と、この最大値から２０μｍ小さい値との間に含まれる前記気孔を除いて、９０μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の高力ボルト摩擦接合構造では、前記接合部を構成する鋼材には、高力ボルトが挿通されるボルト孔が貫通して設けられ、前記金属溶射層は、前記ボルト孔を中心とした円周内に形成され、この円周の直径寸法は、前記高力ボルトの軸径寸法の２．５倍〜４倍に設定されていることが好ましい。
ここで、本発明の高力ボルト摩擦接合構造の一例について、後述する設計モデルを用いた弾塑性ＦＥＭ解析を実施した。この解析結果（図１４参照）から、高力ボルトを締め付けて、高力ボルトに所定の張力を付加させた場合の、鋼材の接合面に生じる接触圧の分布が明らかとなった。また、鋼材の厚さ寸法（高力ボルトの首下から接合面までの寸法）を変更した場合の接触圧の分布についても明らかとなった。すなわち、ボルト孔からの距離が大きくなるほど、接合面での接触圧は小さくなり、例えば、鋼材の厚さ寸法が１２ｍｍの場合、ボルト孔近傍における接触圧の最大値に対して、ボルト半径の２．５倍の距離における接触圧は最大値の２０％以下となり、ボルト半径の３．５倍の距離では２％以下となった。また、鋼材の厚さ寸法が２５ｍｍの場合、ボルト半径の２．５倍の距離における接触圧は最大値の４０％以下となり、ボルト半径の３．５倍の距離における接触圧は、５％以下となった。なお、円周の直径寸法は、鋼材の厚さ寸法に応じて設定されるのがよい。
以上の発明によれば、ボルト孔を中心とする円周内に金属溶射層を形成し、その円周の直径寸法を高力ボルトの軸径寸法の２．５倍〜４倍に設定することによって、金属溶射層を形成する範囲が限定されて、不必要な金属溶射処理が省け、製造コストを抑制することができる。
【００１４】
一方、本発明の高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法は、前記金属溶射層が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレートを前記接合面に載置し、前記開口部によって露出される当該接合面の表面を金属溶射することで前記金属溶射層を形成することを特徴とする。
以上の発明によれば、金属溶射層が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレートを用いて金属溶射層を形成すれば、金属溶射層を所定の範囲のみに形成することができ、容易に溶射作業が実施できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のような本発明の高力ボルト摩擦接合構造、および、高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法によれば、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の高力ボルト摩擦接合構造を示す断面図である。
図１において、高力ボルト摩擦接合構造は、被接合鋼材である左右一対の母材１，２を上下一対の添板３で挟み込み、これらの添板３を高力ボルト４およびナット５で締め付け、この締め付けた圧縮力により母材１，２が摩擦接合されるものである。
【００１７】
ここで、左右一対の母材１，２としては、例えば、構造物の骨組みを構成する形鋼（Ｈ形鋼等）のフランジやウェブであってもよく、一方が形鋼のフランジやウェブで他方がガセットプレートやブラケットであってもよい。これらの母材１，２および添板３としては、建築構造用圧延鋼材や一般構造用圧延鋼材、溶接構造用圧延鋼材であり、その引張強度が４００〜５００Ｎ／ｍｍ２程度のＳＮ４００、ＳＮ４９０、ＳＳ４００、ＳＳ４９０、ＳＭ４００、ＳＭ４９０等から形成されたものが用いられている。また、高力ボルト４、ナット５としては、母材１，２と添板３とが互いに近づく方向に所定の圧縮力（ボルト軸力）Ｎで締め付け可能なものであって、任意の締め付け形式のものが採用可能である。
【００１８】
母材１，２の接合面１１，２１は、表面粗さ（最大高さＲｚ）が５０μｍ以上となるように、ブラスト処理されている。または、母材１，２の接合面は、酸化鉄（赤錆、黒皮など）により覆われていてもよい。
添板３の接合面３１には、溶射金属が定着する程度に下地処理された上に、低強度金属であるアルミが溶融した状態で吹き付けられ、アルミ溶射層３２が形成されている。下地処理は、例えば、表面粗さ（最大高さＲｚ）が５０μｍ以上となるようにブラスト処理されている。アルミ溶射層３２は、高力ボルト４が挿通されるボルト孔３３を中心にとした接合面３１上の円周内に形成されている。この円周の直径寸法Ｄは、高力ボルト４の軸径寸法ｄの３倍に設定されている。そして、アルミ溶射層３２の厚さ寸法ｔは、１５０μｍ以上、４００μｍ以下の範囲内で設定され、例えば、２００μｍとなっている。
【００１９】
アルミ溶射層３２中には、図示しない複数の気孔が、全体に亘って均一に分散して形成されており、アルミ溶射層３２の体積に対する複数の気孔の全容積の割合を示す気孔率は、５％以上、３０％以下の範囲内で設定され、例えば、２１％となっている。なお、アルミ溶射層３２は、アルミ成分が９９．５％のワイヤ形状の溶射材料を用いてアーク溶射法により形成される。
【００２０】
次に、本実施形態の溶射手順を図２に基づいて説明する。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、アルミ溶射層３２の溶射手順を説明する図である。
図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、直径寸法Ｄの円形の開口部６１を２箇所に有するテンプレート６を使用する。
先ず、図２（Ａ）に示すように、テンプレート６の開口部６１の中心と添板３のボルト孔３３の中心とが一致するように、テンプレート６を添板３の接合面３１に載置する。
次に、図２（Ｂ）に示すように、溶射装置７を使用して、テンプレート６の開口部６１によって露出される接合面３１の表面をアーク溶射する。アーク溶射後、テンプレート６を除去すれば、ボルト孔３３を中心とする直径寸法Ｄの円形状のアルミ溶射層３２が形成され（図２（Ｃ））、アルミ溶射作業が完了する。
【００２１】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）すなわち、アルミ溶射層３２の気孔率を５％以上、３０％以下として、アルミ溶射層３２を添板３の接合面３１に形成したので、接合面３１間の摩擦力が増大され、摩擦抵抗を確実に高めて合理的な設計を実現することができる。従って、高力ボルト４の設置数量を従来よりも少なくすることができ、また、接合面３１の面積を従来よりも小さくすることができるので、高力ボルト摩擦接合構造のコンパクト化が図れる。
【００２２】
（２）そして、母材１，２の接合面１１，２１を従来の表面処理法であるブラスト処理し、添板３の接合面３１にのみアルミ溶射するので、アルミ溶射する面積を小さくでき、製造コストを削減することができる。また、母材１，２と比べて形状の小さい添板３のみにアルミ溶射すればよいので、母材１，２側をアルミ溶射する場合に比べて、作業負荷を低減することができる。
【００２３】
（３）また、ボルト孔３３を中心とする円周内にアルミ溶射層３２を形成し、その円周の直径寸法Ｄを高力ボルト４の軸径寸法ｄの３倍にすることによって、アルミ溶射層３２を形成する範囲が限定されて、不必要なアルミ溶射処理が省け、製造コストを抑制することができる。
【００２４】
（４）さらに、アルミ溶射層３２が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレート６を用いてアルミ溶射層３２を形成するので、アルミ溶射層３２を所定の範囲のみに形成することができ、容易に溶射作業を実施することができる。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態においては、被接合鋼材と添板との高力ボルト摩擦接合構造を例として説明したが、接合部を構成する鋼材がともに構造物の骨組みを構成する形鋼（Ｈ形鋼等）のフランジやウェブであってもよい。すなわち、被接合鋼材同士を直接接合する高力ボルト摩擦接合構造であってもよい。
また、前記実施形態では、アーク溶射によってアルミ溶射層を形成する場合を例に説明したが、低強度金属としてはアルミに限られず、適宜な金属材料（例えば、亜鉛アルミや亜鉛等）でもよく、溶射方法としてはアーク溶射に限られず、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射等であってもよい。
また、前記実施形態では、被接合鋼材の接合面をブラスト処理した場合を説明したが、本発明では、被接合鋼材および添板の両方の接合面に金属溶射層を形成する場合が含まれる。すなわち、被接合鋼材および添板の接合面のうちの少なくとも一方に、金属溶射層が形成されていればよい。
【００２６】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。例えば、摩擦接合面にフィラープレートを挟む摩擦接合部については、そのフィラープレートの両面に金属溶射処理を施した場合も本発明に含まれる。
【実施例】
【００２７】
以下に、前記実施形態で説明したアルミ溶射処理による高力ボルト摩擦接合構造の高摩擦係数化を実験的に検証した実施例について説明する。
図３は、本実施例のすべり試験方法を示す概念図である。図３のように、本発明の添板を想定した一対の駒部材３Ａと、一対の駒部材３Ａによって挟持される母材１Ａとを用いて、図示しない二軸試験機による水平荷重Ｈによって、母材１Ａを一対の駒部材３Ａで挟持させた状態とし、母材１Ａのみを上方から下方に押し付ける鉛直荷重Ｐを母材１Ａに加え、鉛直荷重Ｐに対する母材１Ａの変位量を測定した。
【００２８】
この際、母材１Ａには、駒部材３Ａとの接合面１１Ａにブラスト処理（図３中の１２）を施し、駒部材３Ａには、母材１Ａとの接合面にアルミ溶射層３２Ａを形成した。そして、アルミ溶射の溶射方法を第１のパラメータとし、水平荷重Ｈによる母材１Ａと駒部材３Ａとの間の接触圧を第２のパラメータとし、これら２つのパラメータを変動させて試験を実施し、得られる摩擦係数（すべり係数）μを測定した。なお、摩擦係数は、鉛直荷重Ｐの最大値を水平荷重Ｈの２倍の値で除した値とした。
【００２９】
〔第１パラメータ：溶射方法〕
駒部材３Ａの接合面の溶射方法として、アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射の４種類を設定した。なお、比較のためにブラスト処理したものも設定した。
〔第２パラメータ：接触圧〕
接触圧とは、水平荷重Ｈを、駒部材の接合面の面積で除した値であって、具体的には、３８，７５，１５０，２５０，３５０Ｎ／ｍｍ2の５種類を設定した。これらの設定値は、高力ボルトを締め付けた際に、ボルト孔の周辺の接合面に作用する接触圧を後述する弾塑性ＦＥＭ解析により算出し、その結果（図１４）を参考にして設定されたものである。
【００３０】
［試験結果］
図４は、第２パラメータである接触圧を３８Ｎ／ｍｍ2とした場合の、鉛直荷重Ｐに対する母材１Ａの鉛直方向の変位量を第１パラメータである溶射方法ごとに示すグラフである。なお、図４のグラフ中の縦軸は、水平荷重Ｈの２倍の値で鉛直荷重Ｐを除した値を示している。
図４の測定結果において、プロット記号としては、溶射方法ごとに、アーク溶射法を太い実線、プラズマ溶射法を点線、ガスフレーム溶射法を一点鎖線、高速フレーム溶射法を細い実線で示すものとする。比較としてのブラスト処理を破線で示すものとする。
【００３１】
図５は、第２パラメータである接触圧を３８〜３５０Ｎ／ｍｍ2の範囲で変化させた場合の、接触圧に対する摩擦係数を第１パラメータである溶射方法ごとに示すグラフである。
図５の測定結果において、プロット記号としては、溶射方法ごとに、アーク溶射法を白抜き四角（□）、プラズマ溶射法を白抜き菱形（◇）、ガスフレーム溶射法を白抜き三角（△）、高速フレーム溶射法を黒塗り菱形（◆）で示すものとする。比較としてのブラスト処理を黒塗り丸（●）で示すものとする。
【００３２】
図４および図５に示すように、比較としてのブラスト処理では明瞭な主すべりが確認され、ブラスト処理では接触圧に関係なく摩擦係数はμ＝０．５５〜０．５８であった。これに対して、アルミ溶射処理を施したものは、明瞭な主すべりが観察されず、接触圧に摩擦係数が大きく依存した。すなわち、接触圧が低い範囲（３８〜１５０Ｎ／ｍｍ2）では、ブラスト処理の摩擦係数が０．６程度となったのに対して、アルミ溶射処理の摩擦係数がμ＝０．７〜１．０程度となった。特に、接触圧が３８Ｎ／ｍｍ2の場合、アルミ溶射処理の摩擦係数がμ＝０．９１〜１．０８となった。このように、アルミ溶射処理の摩擦係数が、ブラスト処理の摩擦係数よりも高くなり、従来の建築仕様での設計値である摩擦係数μ＝０．４５（図５中の破線）を大きく上回る高い値を示した。
一方、接触圧が３５０Ｎ／ｍｍ2と高い場合の摩擦係数は、アーク溶射法のみ０．５１となり、従来の設計値である摩擦係数μ＝０．４５を上回った。
【００３３】
また、図５に示すように、溶射方法ごとの摩擦係数を比較すると、接触圧が３８Ｎ／ｍｍ2および７５Ｎ／ｍｍ2と低い場合には、アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射が同程度の摩擦係数となり、高速フレーム溶射が低い摩擦係数となった。一方、接触圧が２５０Ｎ／ｍｍ2および３５０Ｎ／ｍｍ2と高い場合には、アーク溶射、ガスフレーム溶射、プラズマ溶射、高速フレーム溶射の順で高い摩擦係数となった。
【００３４】
以上の試験結果によれば、アルミ溶射処理では、通常のブラスト処理とは異なり接触圧に摩擦係数が大きく依存することが明らかとなった。特に、アーク溶射によってアルミ溶射層を形成する場合、３８Ｎ／ｍｍ2〜３５０Ｎ／ｍｍ2の接触圧の全範囲で、従来の設計値である摩擦係数μ＝０．４５を上回る高い摩擦係数が得られことが判明した。
【００３５】
次に、第１のパラメータである溶射方法をアーク溶射法に限定し、さらに、以下のパラメータを設定してすべり試験を実施した。
具体的には、アーク溶射法による溶射層厚（ｔ）を第３のパラメータとし、アーク溶射時のガス圧を第４のパラメータとして、これらのパラメータを変化させてすべり試験を実施し、得られる摩擦係数を測定した。なお、第２のパラメータである接触圧については、７５Ｎ／ｍｍ2、２５０Ｎ／ｍｍ2の２種類で実施した。
【００３６】
〔第３パラメータ：溶射層厚〕
溶射層厚として、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍの４種類を設定した。
〔第４パラメータ：ガス圧〕
ガス圧とは、アーク溶射法において溶融したアルミを接合面に吹き付ける際に使用する流体の圧力であり、その値として、相対的に大きい場合と、相対的に小さい場合の２通りで設定した。ここで、本実施例では、図７に示すような溶射層断面を形成するように設定したガス圧を大と表現し、図８に示すような溶射層断面を形成するように設定したガス圧を小と表現する。
以下の測定結果において、プロット記号としては、溶射層厚ごとに、接触圧７５Ｎ／ｍｍ2下にて、ガス圧大を黒塗り丸（●）、ガス圧小を白抜き丸（○）とし、接触圧２５０Ｎ／ｍｍ2下にて、ガス圧大を黒塗り三角（▲）、ガス圧小を白抜き三角（△）で示すものとする。
【００３７】
〔試験結果〕
図６は、摩擦係数と溶射層厚の関係を示すグラフである。
図６に示すように、アーク溶射法の場合、同じ接触圧の条件下では、溶射層厚がｔ＝２００μｍ以上の場合、高い摩擦係数が得られた。具体的には、溶射層厚がｔ＝２００μｍ以上、かつ、接触圧が７５Ｎ／ｍｍ2の条件下では、μ＝０．７５以上の摩擦係数が得られた。さらに、同じ条件下で、ガス圧大の場合では、μ＝０．８５以上の摩擦係数が得られた。
一方、溶射層厚がｔ＝２００μｍ以上、かつ、接触圧が２５０Ｎ／ｍｍ2の条件下では、μ＝０．５０以上の摩擦係数が得られた。さらに、同じ条件下で、ガス圧大の場合では、μ＝０．５５以上の摩擦係数が得られた。
【００３８】
溶射層厚は、溶射コスト低減の観点から極力小さく設定されることが望まく、上記の結果から、高い摩擦係数を確保しつつ溶射層厚を低減するには、溶射層厚を１５０μｍ以上、４００μｍ以下に設定するのがよいことが分かった。また、ガス圧が大きいほど、摩擦係数が高くなるという傾向が判明した。
【００３９】
次に、アーク溶射法によるアルミ溶射層３２Ａの断面ミクロ調査を実施した結果を図７〜図１３に示す。
図７〜図１１は、前述のすべり試験を実施した試験片のアルミ溶射層３２Ａの断面を撮影した画像である。図７および図８は、アーク溶射によるアルミ溶射層の断面画像で、図９は、プラズマ溶射によるアルミ溶射層の断面画像で、図１０は、ガスフレーム溶射によるアルミ溶射層の断面画像で、図１１は、高速フレーム溶射によるアルミ溶射層の断面画像である。なお、図７は、アーク溶射の際のガス圧を相対的に大きくした場合を示し、図８は、ガス圧を相対的に小さくした場合を示す。
図７および図８の各断面サンプルを用いて、気孔の断面形状から画像処理により気孔の円相当径を算出した。図１２は、円相当径ごとの気孔数の分布を示すグラフである。図１３は、断面ミクロ調査を実施した５種類の試験片に関する気孔率と、摩擦係数との関係を示すグラフである。
図７〜図１１に示すように、アーク溶射による試験片の溶射層（図７、８）の気孔率は２１％となった。ここで、気孔率とは、断面視野の全面積における空隙（図中、黒い部分）の面積の割合を示している。また、プラズマ溶射による試験片の溶射層（図９）の気孔率は１１％となった。ガスフレーム溶射による試験片の溶射層（図１０）の気孔率は７．５％となった。高速フレーム溶射による試験片の溶射層（図１１）の気孔率は２．５％となった。
【００４０】
なお、アーク溶射の際のガス圧を相対的に大きくした場合の試験片（図７）と、ガス圧を相対的に大きくした場合の試験片（図８）とを比較するために、各断面画像を画像解析した。その画像解析結果を表１に示す。
以下の画像解析結果において、図７，図８中の縦約２００μｍ、横約１２００μｍの矩形領域内を対象として黒色部分（気孔）を独立領域と設定し、各独立領域の面積を算出し、その面積を円相当径に変換する。そして、各独立領域の円相当径の最大値、最小値、平均、分散、標準偏差を算出するものとする。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１および図１２は、気孔を円相当径で評価した場合の気孔の分布性状を示している。
図１２に示す画像処理結果において、プロット記号としては、ガス圧が小さい場合を黒塗り四角（■）とし、ガス圧が大きい場合を白抜き四角（□）で示すものとする。
表１に示すように、ガス圧の大小に関らず円相当径での気孔の最大値、最小値、平均値は殆ど同じであった。また、ガス圧の大きい方が、ガス圧の小さい方と比べて、分散および標準偏差が小さくなり、ガス圧の大きいほど気孔が一様に分布する傾向にあることが分かった。図１２より、最大値を除くデータにおいて、気孔の分布性状に明瞭な差が見られ、例えば、円相当径が８０μｍ以上の気孔数は、ガス圧小では３個で、ガス圧大では０個である。また、円相当径が４０μｍ以上の気孔数は、ガス圧小では８個で、ガス圧大では４個である。このように、ガス圧大の方がガス圧小よりも、円相当径の大きい気孔が比較的少ないことが分かった。
【００４３】
図１３に示す摩擦係数は、前述のすべり試験において、接触圧を２５０Ｎ／ｍｍ2とし、溶射層厚をｔ＝３００〜４００μｍとした場合の値である。
図１３の測定結果において、プロット記号としては、溶射方法ごとに、アーク溶射法を白抜き四角（□）および黒塗り四角（■）、プラズマ溶射法を白抜き菱形（◇）、ガスフレーム溶射法を白抜き三角（△）、高速フレーム溶射法を黒塗り菱形（◆）で示すものとする。ここで、アーク溶射法の場合の白抜き四角（□）は、ガス圧を相対的に大きくした場合を示し、黒塗り四角（■）は、ガス圧を相対的に小さくした場合を示す。また、図中には更に溶射条件を変更して追加実施したアーク溶射（気孔率３０％）の結果を白抜き丸（○）で併せて示す。
図１３に示すように、接触圧が２５０Ｎ／ｍｍ2である場合、気孔率と摩擦係数とは正の相関関係となり、気孔率の小さい高速フレーム溶射法を除いて、各溶射方法ごとの摩擦係数は、従来の設計値である摩擦係数μ＝０．４５を上回る値となることが分かった。また、気孔率が同じ（図７、図８）場合であっても、気孔の分散および標準偏差が小さい場合（図７）の方が、摩擦係数が大きくなることが分かった。すなわち、図１２に示すように、気孔の円相当径の最大値（約１２０μｍ）およびこの最大値から２０μｍ小さい値（約１００マイクロ）との間に含まれる気孔を除いた場合の、気孔の円相当径が９０μｍ以下（図１２のガス圧大の場合、８０μｍ以下）となるようにアルミ溶射層を形成することによって、気孔率が同じでも、より大きな摩擦係数が得られることが分かった。
【００４４】
また、前記実施形態の高力ボルト摩擦接合構造の一例について、設計モデルを用いた弾塑性ＦＥＭ解析を実施した。ここで、高力ボルト４の軸を中心に摩擦接合部が軸対象となるように設計モデルを設定した。高力ボルト４は、首下部の軸径寸法が２２ｍｍで、引張強さが１４００Ｎ／ｍｍ2級のものとし、添板３は、４９０Ｎ／ｍｍ2級の引張強さのものとした。
図１４は、高力ボルト摩擦接合構造の弾塑性ＦＥＭ解析の結果を示すグラフであり、横軸に、接合面３１におけるボルト孔３３の中心からの距離を高力ボルト４の半径で割った値を示し、縦軸に、接触圧を示す。
この弾塑性ＦＥＭ解析により、高力ボルト４を締め付けて、高力ボルト４に所定の張力（３００ｋＮ）を付加させた場合の、添板３の接合面３１に生じる接触圧の分布が明らかとなった。
また、添板３の厚さ寸法（高力ボルト４の首下から接合面３１までの寸法）を４．５ｍｍから２５ｍｍまで変更した場合の接触圧の分布についても明らかとなった。
【００４５】
すなわち、ボルト孔３３からの距離が大きくなるほど、接合面３１での接触圧は小さくなり、例えば、添板３の厚さ寸法が１２ｍｍの場合、ボルト孔３３近傍における接触圧の最大値（約２９０Ｎ／ｍｍ2）に対して、高力ボルト４の中心からの距離がボルト半径の２．５倍の距離における接触圧（約５０Ｎ／ｍｍ2）は最大値の２０％以下となった。また、ボルト半径の３．５倍の距離における接触圧（約３Ｎ／ｍｍ2）は２％以下となった。
また、添板３の厚さ寸法が２５ｍｍの場合、ボルト半径の２．５倍の距離における接触圧（約７０Ｎ／ｍｍ2）は最大値（約２００Ｎ／ｍｍ2）の４０％以下となり、ボルト半径の３．５倍の距離における接触圧（約１０Ｎ／ｍｍ2）は５％以下となった。添板３の他の厚さ寸法においても略同様の結果となった。
このことから、アルミ溶射層３２は、接触圧の付加が大きい範囲に形成されていればよく、具体的には、ボルト孔３３を中心とした円周の直径寸法Ｄが、ボルトの軸径寸法ｄの２．５〜４倍の範囲内に設定されていればよいことが分かった。
【００４６】
以上の断面ミクロ調査結果より、高力ボルト摩擦接合構造の仕様選定のための以下の知見を得ることができた。
すなわち、アルミ溶射層の気孔率が大きいほど、母材・添板間の摩擦係数が大きくなり、気孔率を５％以上、３０％以下に設定することによって、従来よりも高い摩擦係数が得られることが分かった。また、５％以上の気孔率を確保できる溶射方法としては、アルミ溶射の場合には、アーク溶射法、プラズマ溶射法、ガス溶射法のいずれかを採用すればよいことが分かった。そして、アルミ溶射層の厚さ寸法を１５０μｍ以上、４００μｍ以下程度に設定することによっても、高い摩擦係数が得られることが分かった。さらに、アルミ溶射層中の各々の気孔がより均一に分散しているほど、高い摩擦係数が得られることも分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る高力ボルト摩擦接合構造を示す断面図である。
【図２】前記高力ボルト摩擦接合構造における溶射層の溶射手順を説明する図である。
【図３】本発明の実施例に係るすべり試験方法を示す概念図である。
【図４】前記すべり試験の鉛直荷重と変位量との関係を示すグラフである。
【図５】前記すべり試験の接触圧と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図６】前記すべり試験の溶射層厚と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図７】前記溶射層（アーク溶射法・ガス圧大）を示す断面画像である。
【図８】前記溶射層（アーク溶射法・ガス圧小）を示す断面画像である。
【図９】前記溶射層（プラズマ溶射法）を示す断面画像である。
【図１０】前記溶射層（ガスフレーム溶射法）を示す断面画像である。
【図１１】前記溶射層（高速フレーム溶射法）を示す断面画像である。
【図１２】前記溶射層内の気孔の円相当径ごとの分布を示すグラフである。
【図１３】前記すべり試験の気孔率と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図１４】前記高力ボルト摩擦接合構造を弾塑性ＦＥＭ解析した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１，２…母材（被接合鋼材）、３…添板、４…高力ボルト、６…テンプレート、１１，２１…母材の接合面、３１…添板の接合面、３２…アルミ溶射層（金属溶射層）、３３…ボルト孔、６１…開口部、Ｄ…アルミ溶射層の直径寸法、ｄ…高力ボルトの軸径寸法、ｔ…金属溶射層の厚さ寸法。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高力ボルト摩擦接合構造であって、接合部を構成する鋼材の接合面のうち少なくとも一方に複数の気孔を含むように金属溶射処理が施され、金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記接合部が被接合鋼材と添板とを含んで構成され、前記添板の接合面には金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下である金属溶射処理が施され、前記被接合鋼材の接合面には前記金属溶射処理以外の表面処理が施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３】
請求項１または請求項２に記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記金属溶射層の厚さ寸法が１５０μｍ以上であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記金属溶射層の断面サンプルを用いて前記気孔の断面形状から算出した当該気孔の円相当径が、当該円相当径の最大値と、この最大値から２０μｍ小さい値との間に含まれる前記気孔を除いて、９０μｍ以下であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記接合部を構成する鋼材には、高力ボルトが挿通されるボルト孔が貫通して設けられ、前記金属溶射層は、前記ボルト孔を中心とした円周内に形成され、この円周の直径寸法は、前記高力ボルトの軸径寸法の２．５倍〜４倍に設定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６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法であって、前記金属溶射層が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレートを前記接合面に載置し、前記開口部によって露出される当該接合面の表面を金属溶射することで前記金属溶射層を形成することを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法。
【請求項１】
高力ボルト摩擦接合構造であって、接合部を構成する鋼材の接合面のうち少なくとも一方に複数の気孔を含むように金属溶射処理が施され、金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記接合部が被接合鋼材と添板とを含んで構成され、前記添板の接合面には金属溶射層の気孔率が５％以上、３０％以下である金属溶射処理が施され、前記被接合鋼材の接合面には前記金属溶射処理以外の表面処理が施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３】
請求項１または請求項２に記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記金属溶射層の厚さ寸法が１５０μｍ以上であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記金属溶射層の断面サンプルを用いて前記気孔の断面形状から算出した当該気孔の円相当径が、当該円相当径の最大値と、この最大値から２０μｍ小さい値との間に含まれる前記気孔を除いて、９０μｍ以下であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合構造において、前記接合部を構成する鋼材には、高力ボルトが挿通されるボルト孔が貫通して設けられ、前記金属溶射層は、前記ボルト孔を中心とした円周内に形成され、この円周の直径寸法は、前記高力ボルトの軸径寸法の２．５倍〜４倍に設定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６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法であって、前記金属溶射層が形成される所定範囲と同形かつ同寸法に形成された開口部を有するテンプレートを前記接合面に載置し、前記開口部によって露出される当該接合面の表面を金属溶射することで前記金属溶射層を形成することを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造における金属溶射層の形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−１２１６０３（Ｐ２００９−１２１６０３Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９６８１４（Ｐ２００７−２９６８１４）
【出願日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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