以下、本発明の実施例を、図面を参照して� ��明する。
まず、本実施例に使用する配管用の金属製差 込継ぎ手について説明する。
 図1は金属製差込継ぎ手を示す断面図である 。
 図1において、金属製差込継ぎ手1aは金属材� ��単体筒状であり、その中心位置に直状孔2が 形成されている。金属材としては、例えば、 JIS規格であるFC、SS、SF、SCなどが多用される� ��、これに限定するものではなく継ぎ手1aに� �り接合される金属管(金属被接合部材、金属� ��管)3の材料に適応した任意なもので差し支� �ない。

 金属製差込継ぎ手1aは長さ方向中央個所p1が 最大径となされると共に長さ方向中央箇所p1� ��境にして左右対称形状となっている。直状� ��2は一様断面を有する直状円筒面により形成 されており、継ぎ手1aの長さ方向上での左方� ��と右方向のそれぞれの端部Q(左半分個所、� �半分個所)に開口を有している。端部Qにおい て、その奥側へ向かう長さ(継ぎ手本体1の半� ��長さ)の範囲が、その対応する金属管3の端� �3aの嵌挿される挿入孔2aである。そして、p1� �境に金属製差込継ぎ手1aの左右半分が夫々左 右の受け口部4となる。各受け口部4の外周面� ��形状は、受け口部4奥側から受け口部4開口� �へ向け漸次に縮径するテーパ状面となって� �る。
受け口部4の開口端個所の断面形状はナイフ� �ッジ状になる。しかし、金属管3と金属製差� ��継ぎ手1aとの接合処理を容易且つ的確に行� �るようにするため、図1右側に示すように、� ��け口部4の中心線CLに対し直交した面で切断� ��て切除しても良い。図1右側に示す例では受 け口部4の開口端位置は、左側開口端よりも� �mm程度中央点p1寄りの位置Q点にする。Q点位� �において、半径方向巾をもつ開口端面10を形 成している。図中、P1からE点の間の距離L1は� ��後術する最低必要長さであり、距離L2は開� �端面10とE点との間の距離である。尚、切断� �て切除する場所は、E点よりも外側である。

 次に、本実施例による接合構造について、� ��の順番に従い説明する。
   (A)・・・金属管の材料や径の決定
   (B)・・・継ぎ手本体の材質と肉厚
   (C)・・・継ぎ手本体の形状と接着面積
   (D)・・・接着剤の厚さ
   (E)・・・配管の接着箇所の処理

(A)金属管の材料や径の決定
まず、使用条件などから金属管3の材料や径� �決められる。これにより金属製差込継ぎ手1a の挿入孔2aの内周面の直径が決定される。即� ��、該挿入孔2aは、嵌挿される金属管3の端部3 aの外径よりも例えば概略、0.2mm~0.6mmの範囲内 の任意な大きさだけ大きい寸法とする。

 ここに、0.2mmを下限境界とする意義は、� �れよりも小さいと、挿入孔2aとこれに嵌挿さ れた金属管3の端部3aとの隙間が0.1mmよりも小� ��くなって挿入孔2a内に金属管3の端部3を挿入 する作業が難しくなると共に挿入孔2aの内周� ��と金属管3の端部3aとの間に介在される接着� ��層の層厚の均一化処理が困難となるからで� ��り、また0.6mmを上限境界とする意義は、こ� �よりも大きいと、挿入孔2aとこれに嵌挿され た金属管3の端部3aとの隙間が0.3mmよりも大き� ��なって前記接着剤層の接着強度が大きく低� ��するからである。

 図2は接着剤層の厚さと接着剤層の接着強 度との関係を示す図であり、横軸は接着剤層 の厚さtを示し、縦軸は接着剤層の破断時の� �断応力(接着剤層の破断強度)τを示している� ��この図2から理解されるように、接着剤層の 厚さtが略0.17mm程度よりも大きい範囲では、� �れよりも小さい範囲に較べて、破断時の剪� �応力τの大きさが接着剤層の厚さの増大側へ の変化に伴って大きな割合で低下するものと なっている。したがって、接着剤層の強度を 効果的に発現させるには接着剤層の厚さtは� �0.3mm以下とするのがよい。さらに厳密には略 0.17mm以下とするのがよい。

(B)継ぎ手本体の材質と肉厚
 図3は、従来より存在するJIS規格(JIS B 2316-1 986)に係る配管用の差込継ぎ手200を示す断面� �である。この差込継ぎ手200は既に各種の配� �において用いられており、その口径毎に必� �強度などを充足する受け口部肉厚(JIS厚さ)T� �どが定められている。

 JIS規格「B 2316-1986」は材料がFCである場合� �金属製差込継ぎ手200についてのsch80とsch160の 場合について規定しているのであり、sch80の� ��肉厚より小さい管肉厚の金属管3を接合させ るさいはsch80についてのJIS受け口部肉厚Tを基 準とし、またsch80の管肉厚より大きくてsch160� ��管肉厚以下である管肉厚の金属管3を接合さ せるさいはsch160についてのJIS受け口部肉厚T� �基準とし、金属製差込継ぎ手1aにおける受け 口部最奥方位置(p1点)での肉厚はJIS受け口部� �厚T以上とする。

(C)継ぎ手本体の形状と接着面積
 接着剤層が必要とする接着面の面積(接着面 積)は、挿入孔2aに嵌挿される金属管3の外周� �の直径と接着剤層の受け口部4の長さ(中心線 CL方向の長さ)L1と円周率πを乗ずることで算� �される。長さL1は、接着剤層の受け口部4中� �線方向の最低必要長さ(強度計算上接着長さ) である。この接着面積は、金属被接合部材3� �ある金属管の引張破断荷重と同一大きさの� �が作用しても接着剤層にこれの破断時の応� �(接着剤層の破断時の剪断応力)以上の応力が 発生しない大きさとする。
 いま、金属管の引張破断荷重の大きさがF1� �あるとすると、上記最低必要長さL1は次の(1) 式により算出される。
            L1=F1/πrτ ・・・(1)式
 ここにおいて、τは接着剤の接合強度(接着� ��層の破断時の単位面積あたりの剪断応力)、 rは金属管の外径である。

 こうして最低必要長さL1が決定され、左右� �各受け口部4の最奥方位置であるp1点から最� �必要長さ(強度計算上接着長さ)L1だけ受け口� ��4開口側へ離れた位置(E点)まで接着剤を塗布 することになる。
 次に、開口端位置を決める。開口端位置はE 点と等しいか、さらにp1点よりも離れた位置( Q点)に設定される。そして、受け口部4の外周 面をなすテーパ状面1bは、受け口部最奥方位� ��(p1点)での肉厚T以上とした外周面位置Z点と� ��Q点とを結ぶ直線SL1を含む形状とする。これ により受け口部4の外周面であるテーパ状面1b が確定される。ここにおいて、テーパの角度 は、3度乃至12度が適当であり、角度が小さく なるほど応力による歪は小さくなる。角度が 小さければ継ぎ手の開口端肉厚が薄く強度が 小さくなり、一方、角度が大きければ受け口 部4の最奥方位置の肉厚が厚くなり材料コス� �が増加する。従って、実際の製品としては� �5度乃至7度とするのが好ましい。
応力を分散する上では、テーパ形状は優れて いるが、受け部の開口部の部分の応力歪につ いては、どのテーパ角度においても他の接着 部分よりも大きい傾向が示されており、金属 管の母材強度に匹敵する張力が加わった際に 発生する開口部の応力歪が接着剤の接着強度 を超えないようにすべきである。また、応力 を分散させるのには、テーパの部分の範囲は 長い方が良く、少なくとも金属管の先端が到 達する受け口の奥部の直上の位置までは傾斜 が連続させる。

 この金属製差込継ぎ手1aにおいて、各受け� �部4において、E点からその対応する開口端Q� �での挿入孔2aの内周面も接着剤により金属管 3の端部3aと接着されるように使用されるが、 金属製差込継ぎ手1aの強さに余裕を持たせる� ��で寄与するものである。この場合、E点から その対応する開口端Qまでの挿入孔2aの内周面 と金属管3の端部3aとの間の任意個所にリング 状のシール材を嵌着し、水分が挿入孔2aと金� ��管3の端部3aとの間の奥方へ侵入するのを規� ��する構造としても良い。

(D)接着剤の厚さとその均一性
 次に上記のように形成された金属製差込継� ��手1aを使用して、金属管3同士を接合する場� ��は次のように行う。ここに、図4は金属製差 込継ぎ手1aに金属管を嵌挿した結合構造100を� ��す断面図である。
 金属管3の外径よりも0.2~0.6mm大きな挿入孔2a� ��持つ金属製差込継ぎ手1aを用意する。

 次に図4に示すように、金属管3の端部3aを 金属製差込継ぎ手1aの受け口部4の挿入孔2a内� ��嵌挿し、且つ、端部2aの外周面と挿入孔2aの 内周面との間に多数の球部材5を単層状且つ� �点状に位置させると共に接着剤6を密状に存� ��させる。

 次に金属管3の端部3aの外周面、及び又は、� ��属製差込継ぎ手の受け口部4の挿入孔2aの内� ��面の全面に接着剤6(先に球部材5に塗布した� ��着剤と同じものであってもよい。)を塗布し 、その後、金属管3の端部3aを挿入孔2a内の予� ��位置(最奥部位置)であるp1点まで押し込んだ 状態となし、この状態を、接着剤6が自身の� �着力で金属管3と受け口部4との相対位置を維 持させ得る状態に固化するまで継続させる。
 また挿入孔2a内に金属管3の端部3aを押し込� �だときに挿入孔2a内からその開口を通じて溢 れ出た接着剤6は固化する前に拭き取る。
 以後は、接着剤6が予定された強度を発現す るまで待つのである。

 このさい、接着剤6としては、1液加熱硬化� �のエポキシ系構造用接着剤(例えば、住友ス� ��ーエム社製の商品「Scotch-WeldXA7416」など)を� ��用するのがよい。接着面は脱脂処理し、プ� ��イマを塗布すれば接着力は強化される。
球部材5は金属、セラミック又はガラスなど� �当な材料で形成されたものでよいのであり� �例えばビーズ玉を使用すれば任意な径のも� �を容易に入手することができる。但し、セ� �ミック又はガラスを利用する場合には、金� �管3を挿入する際の衝撃により割れる可能性� ��あるため、作業を慎重に行う必要がある。� ��部材5の直径は接着剤6層の予定最小厚さと� �定最大厚さとの間となる大きさとし、例え� �接着剤6が1液加熱硬化型のエポキシ系構造用 接着剤である場合、その一般的な直径は概略 、0.1mm~0.25mmの範囲内の大きさとする。
 このような球部材5を予め接着面に設定して おけば、金属管3と挿入孔2aの内周面との隙間 が維持できるので、金属製差込継ぎ手1aの中� ��付近の外周面から内部の接合面までの間に� ��通孔を設けておき、金属管3を挿入した後に 、接着剤を貫通孔に圧入する方法により、接 着剤を接合面に供給することも可能である。 例えば図5において、球部材5が予め接着面に� ��置された状態で、開口端面10をブロック9に� ��りシールをする。そして、金属製差込継ぎ� ��1aに設けられた貫通孔8から、継ぎ手の内部� ��空気を真空に抜く。その後、貫通孔8から接 着剤6を注入するのである。
 なお、球部材5を使用せずに、金属管3と金� �製差込継ぎ手1aを器具により精密に固定して 、0.1~0.3mmの隙間を接着面全周に亘って維持す るようにしても良い。但し、この場合、現場 での作業は困難となり、実際は研究棟や工場 等における屋内機材でのみ実施可能である。 接着剤の中に予め、球部材5を予め混ぜ込ん� �球部材5を配置することも考えられるが、単� ��に球部材5を配置する制御が必要である。

(E)配管の接着箇所の処理
接着に先立って、金属管3の端部3aに対して硬 化処理が行われる。金属管3の端部3aはオース テナイト領域まで加熱後、適当な冷却剤中で 急速に冷却し、マルテンサイト組織として硬 化させる、所謂焼入れ処理をする。また、こ のさい、鋼の表面層の炭素量を増加させるた め、浸炭剤中で過熱処理した後、焼入れ処理 を行ってもよい。強度を増大させて該端部3a� ��変形し難くすることが目的である。また、� ��化させる手法として、再結晶温度以下で塑� ��変形を与える冷間加工も利用することがで� ��る。鋼管においては、JIS規格上ある程度の� ��びを有していなければならないが、上記処� ��により金属管の端部3aの伸びは抑制された� �のとなる。硬化処理の行われる端部3aとは、 接着剤が塗布される範囲、すなわちL1を言う� ��、硬化処理を行う範囲を厳密にL1の範囲の� �に限定的に行うことは技術的に不可能であ� �。また、逆にL1よりも多少広い範囲で硬化処 理を行っても支障は無く、硬化処理を行う範 囲は少なくともL1の範囲であって、これより� ��大きくて(例えば、L1の1.5倍)良いものである 。また、焼入れ処理を行うにあたっては、必 要部分のみを瞬時の加熱と急冷により焼入れ が可能な高周波焼入れを利用するのが良い。
金属管3の端部3a周辺の焼入れを行うことに代 えて、該端部3a周辺を冷間加工により硬化さ� ��ても良い。
また、JIS規格品である炭素鋼鋼管(SGP、STPG、S TSなど)の外周面は必ずしも真円とはなってい ないため、これら鋼管を接合すべき金属管3� �して使用する場合、その端部3aを測定し該端 部3aが真円の直円筒面となっていないときは� ��金属管3を円形状にする方法としては旋盤で 切削する。

 (金属製差込継ぎ手の変形例1)
 図6は変形例に係る結合構造101を示す断面図 である。各受け口部4の最奥方位置p2を金属製 差込継ぎ手1bの中央個所であるp1点に合致さ� �ないで、p1点よりも受け口部4開口側へ適当� �離L3だけ変位させている。金属製差込継ぎ手 1bの左右各側の受け口部4の最奥方位置p2点と� ��の対応する側のE点との間の距離は、図1に� �す場合と同じ長さL1とする。したがって、こ の変形例の接合構造101において、金属製差込 継ぎ手1bの左半分範囲内のE点と、右半分範囲 内のE点との間の距離は、図1に示す場合より� ��距離L3の2倍の長さだけ大きくなる。

 また金属製差込継ぎ手1bの左半分範囲内の� �け口部4の最奥方位置p2と、右半分範囲内の� �け口部4の最奥方位置p2とのそれぞれに半径� �部7が形成され、これら半径面部7、7間に形� �された直状孔部分2bは挿入孔2aの内周面の直� ��よりも小さくなされると共に挿入孔2aに嵌� �される金属管3の内孔の直径以上となされる� ��
 また、E点から開口端面10までの距離L2は、L1 の0.2倍の長さである。開口端面10における挿� ��孔2aの内周面から外周面までの半径方向長� �RL1は取扱い上の便宜性から数mm(例えば0.5mm~3m m)程度である。そして開口端面10の外周面位� �E2とZ点とを結んだ直線SL1がその対応する受� �口部4の外周面をなすテーパ状面を特定する� ��のとなる。なお、図中、金属製差込継ぎ手1 aに対応する箇所には同一符号が付してある� �

 この変形例によれば、金属管3の端部3aを� ��の対応する受け口部4の挿入孔2a内に嵌挿す� ��とき、金属管3の端部3aの先端がその受け口� ��4の半径面部7に衝接するため、端部3aをそれ 以上の進入の規制される位置まで押し入れる だけで、金属管3は予定位置に正確に位置さ� �た状態となり、受け口部4に対する金属管3の 押し込み量などを計測具で測定しないでも金 属管3と受け口部4とを正確な相対配置に位置� ��せることができる。その他の点は図1の場合 に準じた構成となされる。なお、長さL3の大� ��さは継ぎ手強度上、任意であって差し支え� ��い。

 (金属製差込継ぎ手の変形例2)
図7は別の変形例に係る接合構造102を示して� �る。この接合構造102に用いる金属製差込継� �手1cは異なる4方向の各端部のそれぞれを受� �口部4となされ、4本の金属管3を十字状に接� �するためのものである。そして図8はさらに� ��の変形例に係る接合構造103を示している。� ��の接合構造103は異なる3方向にそれぞれ受け 口部4を有する金属製差込継ぎ手1dを用いて、 3本の金属管3をY字状に接合するためのもので ある。さらには、2つの受け口部4をその中心� ��が90度で交叉する金属製差込継ぎ手を用い� �、2本の金属管3をL字状に接合させるように� �形してもよい。

(金属製差込継ぎ手の変形例3)
 図9は別の変形例に係る接合構造104の断面図 である。
 この図9において、図1の場合と同様に、金� �製差込継ぎ手1eの長さ方向中央個所p1を左右� ��側の受け口部4の最奥方位置とする。そして 、金属製差込継ぎ手1eのp2点における肉厚T2は 、金属管3の引張強度と同等以上の引張強度� �する。例えば、金属管3の肉厚以上となるよ� ��に決定する。開口端QとE点とは一致してお� �、また、左右のp1点の間は、肉厚T2のままと� ��っている。
 〈実験例〉
 本発明者等は図6に示す金属製差込継ぎ手1b� ��使用して2本の金属管(SGP20A)3、3を住友スリ� �エム社製の商品「Scotch-WeldXA7416にて接合し、 端部3aの強度計算上接着長さL1を38mm(L2=0mm)と� �た接合構造を形成して引張試験を行った。� �属管の強度(400MPa)と同等な強度となるように 、接着剤の単位面積当りの強度から接着面積 を計算し、強度計算上接着長さL1(38mm)を得た� ��テーパの角度は7度とした。なお、本実験に おいては、球部材5を使用せずに隙間0.1mmの間 隔を持つように金属管と継ぎ手を器具にて固 定して接着した。
 (1)金属管3の端部3aを、焼き入れ若しくは冷� ��加工をしない状態で、金属製差込継ぎ手1b� �より接合し、中心線CL方向の引張力を付与し てこれを増大させた。引張力が50kNを超えた� �、挿入孔2aに嵌挿された金属管3の端部3aが伸 びてその径が縮小され、挿入孔2aの内周面と� ��属管3の端部3aの外周面との接着剤による接� ��が破壊され分離した。
 (2)金属管3の端部3a周辺(挿入孔内に嵌挿され る端部3a長さの1.5倍程度の長さ範囲)に焼入れ を実施した。中心線CL方向の引張力を付与し� ��これを増大させていくと引張力が85kNに到達 した段階で、金属製差込継ぎ手1bと金属管3と の接合構造は破断せず、金属管3の母材個所� �破断した。
(3) 本発明者らは、接合構造の接合強度を測� ��するために、SGP20Aよりも強度の高い同径鋼� ��(STPT410 SCH160)を、先の実験と同様な接着面� �(L1=38mm)にて、接着面が破断する張力を調べ� �。その結果、150kNを過ぎたところで、今度は 接着面が破断した。また、接着剤の厚さにつ いては、先の実験も含めて0.1mmにて制御して� ��着を行ったが、本破壊試験の後に接着面に� ��いてその厚さをマイクロメータで測定した� ��ころ、約0.15mmとなっていた。

 この実験の結果、接着剤の接合強度τは、� �属管(STPT410 SCH160)3を使用した際の接着面の� �断荷重である150kNを、接着面積である3246mm ² で除した値46.2MPaとなった。
 接合すべき任意の金属管に対する強度計算� ��接着長さL1は、その金属管の破断強度F1を、 実験で求めた接着剤の接合強度τである46.2MPa 及び金属管3の内周(πr:rは金属管の外径)で、� ��することにより算出されるのである。

焼入れされたときの金属製差込継ぎ手1bに� ��る接合構造101は、引張力に対する強度部材� ��して支障なく使用し得るものである。焼入� ��た金属管(SGP20A)に対して85kN引張試験を行っ� ��結果、継ぎ手ではなく金属管側が破断した� ��子を図10に示す。

(金属板への適用例)
金属板においても、引張力を付加することに より、接着部6における変形が起きる。図11に 、金属板を接合する接合構造105を示す。図中 破線Sに示すように、金属板30の左右に引張り 力を付加することにより、板厚が薄くなる方 向に変形しようとする応力が発生する。
継ぎ手の受け口上下にテーパ形状を設けて応 力を分散させてはいるが、特に受け口4の端� �において観測される歪は大きく、接着面を� �離する方向に力が働くものである。
本実施例においては、金属製差込継ぎ手1aに� ��応する箇所には同一の符号が付してある。� ��11に示すように、金属製差込継ぎ手1fは、各 受け口部4の最奥方位置p2を金属製差込継ぎ手 1fの中央個所であるp1点に合致させないで、p1 点よりも受け口部4開口側へ適当距離L3だけ変 位させている。金属製差込継ぎ手1fの左右各� ��の受け口部4の最奥方位置p2点とその対応す� ��側のE点との間の距離は、図1に示す場合と� �じ長さL1とする。
 また継ぎ手1fの左半分範囲内の受け口部4の� ��奥方位置p2と、右半分範囲内の受け口部4の� ��奥方位置p2との間が連結部70が形成されてお り、上下のテーパ状面がp1点において連結さ� ��ている。
本実施例においても、金属板の端部を焼き入 れ又は冷間加工されており、接着部における 変形は抑止される。この結果、接着面積を金 属板の引張強度以上に確保するようにL1を定� ��れば、引張力が加わったときに、金属板の� ��材の方が破断する結果となり、継ぎ手とし� ��の性能が確保される。
 金属板30が挿入される挿入孔2aは、対向する 少なくとも2つの平面を持っておれば良い。� �属板30の厚さと受け口部4の挿入孔2aの幅(対� �する平面の間隔、図11中 挿入孔2aの上下の� �面)との関係を、0.2~0.6mm開口幅を大きくする� ��とは他の接合構造と同様である。
 このような継ぎ手の変形例を図12に示す。� �属製差込継ぎ手1fは本図12Aに示すT字状に受� �口をもつ継ぎ手1gや、図12Bに示すようなクロ ス状に受け口を持つ継ぎ手1hに応用すること� ��できる。T字状或いはクロス状の継ぎ手にお いては、テーパの傾斜が接続する部分Fにお� �て、曲面によって連続的につなげるのが良� �。角度を持つものとすると応力が集中する� �らである。

(変形の阻止の他の方法)
引張力を付加した際に、金属管を変形し難く させる方法として、焼入れ(浸炭を含む)、冷� ��加工を実施することを示したが、図13に示� �ように金属管内に金属製の円柱部材11を挿入 することによっても、変形を抑えることがで きる。
すなわち、金属管3は引張力により、伸張し� �縮径が生じるが、管内に円柱部材11が存在す るため縮径に抗することができるようになる 。図中、上記実施形態に対応する箇所には同 一の符号が付してある。この継ぎ手1i、ijは� �金属管3の内部に挿入される円柱部材11を両� �に有しており、先に示した金属管或いは金� �板の外側から接着する継ぎ手とは異なり、� �ーパ状の形状は有しないものである。円柱� �材11の付け根p2を継ぎ手1i、1jの中央個所であ るp1点に合致させないで、p1点よりも距離L3だ け変位させている。継ぎ手1i、1jの左右各側� �p2点と円柱部先端E点との間の距離は、図1に� ��す場合と同じ長さL1とする。
 また左右の円柱部材11の底面位置となる左� �p2点の間には、更に太い径を持つ鍔部12が形� ��され、これら鍔部12の直径は、金属管3の内� ��の直径以上となされる。
円柱部材11の外径は、金属管3の内径よりも0.2 ~0.6mm小さく、接着の隙間を0.1~0.3mmと制御でき るようになっている。このような継ぎ手によ れば、金属管3に対して焼入れ、冷間加工を� �わなくても、引張りによる接合部分の変形� �抑制すことができるので、接着面の強度を� �保することができる。
 円柱部材11および鍔部12は、図13Aに示すよう な中空なものと、図13Bに示すような鋼の中実 であるものを利用することができる。
 上記した図1~図12において対応する部位には 同一の符号を付して説明を簡略化している。