JP2000120997A

JP2000120997A - 高圧容器及びその製作方法

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Publication number: JP2000120997A
Application number: JP10322774A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Amao; 勉天尾
Original assignee: AMAO SEISAKUSHO KK
Current assignee: AMAO SEISAKUSHO KK
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高圧容器において、これまで摩擦溶接が難し
かったマグネシウム量の多いアルミニウム合金製の鏡部
２とステンレス鋼製のネック部材３とを直接に摩擦溶接
する。【解決手段】アルミニウム・４〜６％マグネシウム系
合金で製作した鏡部２の頂部を円筒体８に形成してい
る。ステンレス鋼で製作したネック部材３には、円筒体
８の上端と対向する接合箇所において狭い出口１０を有
するばり溜り９を設けている。円筒体８の上端とネック
部材３の接合箇所とを接触させ、その狭い出口１０から
ばりをはみ出させながら摩擦溶接をして両者を接合す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧ガス・高圧液
体を充填する溶接型の高圧容器及びその製作方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】高圧ガス・高圧液体を充填するアルミニ
ウム合金製の高圧容器の１例としては、図１０に示すも
のが多く市販されている。素材としては５０８３−Ｏ
（焼きなまし材）を使用する。胴部１は、方形の板材を
円筒に巻き、両端を合わせてアーク溶接で接合すること
で製作する。そして、胴部１の両端に、湾曲形とした鏡
部２をアーク溶接でそれぞれ接合する。一方の鏡部２の
中央には、内部に雌ねじを切ったネック部材３をアーク
溶接で取り付ける。ネック部材３の雌ねじには、外周に
雄ねじを切ったバルブ４をねじ込んで取り付ける。左図
が示すように、バルブ４を囲む状態にしてプロテクター
５を取り付けるものもある。右図が示すように、プロテ
クター５の代わりにキャップ６を取り付けるものもあ
る。

【０００３】ところで、高圧容器については耐圧試験及
び気密試験を行うことになっているが、試験機の連結部
をネック部材３にねじ込んでからこれらの試験を行う。
ところが、連結部のねじ込み時の締付けトルクによって
ネック部材３の雌ねじが破損し易かった。バルブ４のね
じ込み時の締付けトルクによっても破損し易かった。

【０００４】そこで、本発明の発明者はネック部材３の
雌ねじの破損を防ぐにはどのようにすればよいかと研究
を続けて一つの発明を完成させ、特願平９−８１７８５
号として既に出願も済ませている。この出願に係るもの
では、アルミニウム合金製高圧容器の鏡部にアルミニウ
ム合金製のネック部材を溶接し、ステンレス鋼製の中間
部材の筒体をネック部材にはめて中間部材のフランジを
ネック部材の外端に摩擦溶接によって接合している。そ
して、中間部材の内周に雌ねじを切り、黄銅製のバルブ
をねじ込むようにしている。なお、マグネシウム量の多
いアルミニウム合金５０８３製の鏡部とステンレス鋼と
の直接の摩擦溶接には接合上の問題がある点を、この出
願の明細書の中で指摘した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の発明者は、前
記出願の技術を更に発展させることを考えた。そして、
ネック部材３を強度に優れたステンレス鋼製とし、マグ
ネシウム量の多いアルミニウム合金製の鏡部２とステン
レス鋼製のネック部材３とを直接に摩擦溶接する方法を
模索する道を選んだ。検討を進め実験を重ねた結果、鏡
部２の方に十分な寄り代を確保した上でネック部材３の
方に狭い出口１０を有するばり溜り９を設け、狭い出口
１０からばりがはみ出すようにしながら接合すれば、摩
擦溶接中に加圧が集中して高圧ガス等に対し密封性に優
れた健全な接合部を得ることができる点を発見した。

【０００６】ネック部材３はステンレス鋼製であるが、
ステンレス鋼は切削で穴あけ等をする際の加工性に劣
る。このため、丸棒等の中実材から機械切削加工でネッ
ク部材３を製作する場合には、切削工具の損傷が著しく
早い上、機械切削に長時間を要する。そこで、ネック部
材３の製作方法として経済性に優れたやり方はないかと
検討を進めた。まず、ステンレス鋼がアルミニウム合金
５０８３の約２倍の強度を持つ点に着目した。そして、
板材から肉抜き部分を有するようにプレスによる成形加
工等を行えば、素材費を節約できて機械切削加工も少な
くでき、経済性に優れたネック部材３の高能率製作を実
現できる点に気付いた。

【０００７】本発明が解決しようとする課題は、これま
で摩擦溶接が難しかったマグネシウム量の多いアルミニ
ウム合金製の鏡部２とステンレス鋼製のネック部材３と
を直接に摩擦溶接する点にある。このやり方によると、
ネック部材３の材料を節約できて切削加工を少なくで
き、経済性に優れた高能率製作を実現できる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高圧容器及
び本発明に係る製作方法で製作した高圧容器において
は、鏡部２の頂部を円筒体８とし、加圧が集中する手段
等を講じてステンレス鋼製のネック部材３を円筒体８に
直接に摩擦溶接で接合している。肉抜き部分７を有する
ネック部材３とした場合は、板材をプレス成形加工等し
て製作できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の発明者は、マグネシウム
量の多いアルミニウム合金製の鏡部２にステンレス鋼製
のネック部材３を直接に摩擦溶接する良策はないものか
検討した。このとき、高圧ガス・高圧液体に対する接合
部の密封性は十分に確保しなければならず、経済性に優
れたやり方でもなければならない。試行錯誤を繰り返し
た結果、本発明を完成させることができた。本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１０】本発明に係る高圧容器及び本発明に係る製
作方法で製作した高圧容器においては、マグネシウム量
を多くすればするほど母材の強度が増し、肉厚の小さい
容器にすることができる。したがって、マグネシウム量
を増やすことが望ましい。この種の高圧容器には高圧ガ
ス保安法が適用され、同法の溶接容器告示第４条は、容
器の耐圧部分に適用されるアルミニウム合金は５０５２
及び５０８３又はこれらの同等材料と規定している。容
器の軽量化が重要であるため、実際には強度の大きな５
０８３を選ぶことになるが、５０８３と同等の材料も含
め、鏡部２の母材としてはマグネシウム量を４〜６％と
することが望ましい。

【００１１】また、前記第４条は、ステンレス鋼製の高
圧容器の耐圧部分に適用する材料について規定し、ＳＵ
Ｓ３０４及びＳＵＳ３１６又はこれらと同等の材料とす
るとしている。当該アルミニウム合金と当該ステンレス
鋼との異材接合は許容するとも規定している。したがっ
て、本発明に係る高圧容器及び本発明に係る製作方法で
製作した高圧容器においては、ネック部材３を当該ステ
ンレス鋼で製作し、ねじ部の損傷が少なくなるようにし
た。

【００１２】図１に示したもののように、ネック部材３
は丸棒等の中実材を機械切削等して製作してもよい。し
かし、このやり方では、ステンレス鋼の機械切削性及び
製作能率が劣るために製作コストが高くなる。このた
め、図２及び図３に示したもののように、肉抜き部分７
を設けたものとすることが望ましい。このようなもの
は、板材をプレス成形・鍛造成形することで製作でき
る。材料費を節約できるだけでなく高能率の製作がで
き、経済性に優れたネック部材３を得ることができる。
なお、ネック部材３の外周には、キャップ６を取り付け
るための雄ねじを設けてもよいし、設けなくてもよい。

【００１３】図１等に示すように、鏡部２の頂部を円筒
体８に形成し、円筒体８の上端をネック部材３の下面へ
突き当て、摩擦溶接で接合させる。円筒体８にするの
は、摩擦溶接による接合部を特定するためである。ま
た、アルミニウム合金とステンレス鋼との摩擦溶接にお
いては、高温での変形抵抗に両材料間で大きな差があっ
てアルミニウム合金側だけからばりが発生する。このた
め、発熱に必要な寄り代をアルミニウム合金側だけで確
保することになるからでもある。逆に、ネック部材３側
に円筒体を形成して円筒体の下端を鏡部２の湾曲部に突
き当てて摩擦溶接すると、図４に示すように、ネック部
材３が鏡部２に突き刺さったような接合になる。これで
は、高圧ガス等に対し密封性に優れた接合部とはならな
い。

【００１４】例えば図１の上図に示すように、ネック部
材３と鏡部２の円筒体８との接合箇所においてネック部
材３に円筒体８の肉厚より大きな幅とした円形のくぼみ
を設け、くぼみの底に円筒体８の上端を突き当てて摩擦
溶接をする。この際、くぼみがばり溜り９となる。ばり
溜り９の出口１０はやや狭くなるようにしている。そし
て、下図が示すように、摩擦溶接時には円筒体８からば
りが発生するが、ばりはばり溜り９内に充満した後に狭
い出口１０からはみ出すようになる。出口１０が狭いた
めばり溜り９内の圧力が上昇し、摩擦溶接の最終プロセ
スであるアプセット時に接合のための重要な因子である
摩擦トルクが上昇する。このため、高圧ガス等に対し密
封性に優れた健全な接合部となる。しかも、ネック部材
３がばりを抱き抱えたようにかしめ成形された形状で接
合される。その分の強度上昇も加わって接合部が更に強
化される。ばり溜り９の出口１０は狭ければ狭いほど効
果が大きい。摩擦溶接時の回転に支障を来さない範囲内
で、出口１０をできるだけ狭くすることが望ましい。な
お、ばりは円筒体８側だけから発生するため、円筒体８
にばり溜り９を設けても意味がない。

【００１５】図１のものでは、ネック部材３のばり溜り
９は鏡部２の円筒体８の外周面及び内周面の両側に設け
ている。図２に示したものでは、ネック部材３の外周に
つば１１を形成し、つば１１の外周を下方のやや内側へ
折り曲げて折曲げ片１２を形成している。折曲げ片１２
と円筒体８の外周面との間をばり溜り９としている。図
３に示したものでは、つば１１の外周を垂直下方へと折
り曲げて折曲げ片１２を形成している。図３の下図が示
すように、アプセット時にばり溜り９の出口１０が狭く
なる。なお、ばり溜り９は２か所以上になるよう、途中
に狭い箇所を設けて仕切るようにしてもよい。

【００１６】ばりは円筒体８の内周面側より外周面側へ
多く排出される。内周面側ではリング状のばりが直径を
小さくする方向の排出となるため、当該リング状のばり
には大きな圧縮応力が生じ、圧縮応力自身がばりの排出
を抑制するからである。したがって、ばり溜り９は円筒
体８の両側に設けるか外周面側にだけ設けることが望ま
しい。このようにすると、ばり切削の後処理が不要とな
ることもある。内周面側だけに設けてもあまり意味がな
い。

【００１７】図２に示すような肉抜き部分７を有するネ
ック部材３の場合において円筒体８の内周面側にもばり
溜り９を設けるには、ネック部材３に治具を取り付け、
円筒体８の内周面側に当たる位置において治具にばり溜
り９を設けてもよい。治具とネック部材３との間にベア
リングを設け、治具がネック部材３の回転や停止に連動
しないようにしてもよい。治具とばりとが摩擦溶接によ
って接合するのを防ぐためである。

【００１８】鏡部２の円筒体８は、摩擦溶接の際にばり
溜り９の狭い出口１０からばりがはみ出すに十分な寄り
代が確保できる長さ以上にする必要がある。加圧が集中
して摩擦トルクが上昇するようにし、高圧ガス等に対し
密封性に優れた健全な接合部を得るためである。円筒体
８は、図５に示すように、鏡部２の湾曲部１３を成形し
てから、穴あけ加工・バーリング加工で形成してもよ
い。または、図６に示すように、円筒体８を成形した後
に湾曲部１３を成形してもよい。湾曲部１３と円筒体８
とを同時に成形してもよい。前記のとおり円筒体８は寄
り代が確保できる長さ以上にしなければならないが、よ
り長い円筒体８とするには前成形又は同時成形が適して
いる。プロテクター５を取り付ける高圧容器の場合は、
キャップ６を取り付けるためのねじは必要ない。このた
め、図７や図８が示すように、円筒体８を長くする方が
より効果的である。この場合は、前成形又は同時成形と
する方がよい。

【００１９】ネック部材３を板材からプレス加工で成形
する場合は、図９に示す３工程で行ってもよい。すなわ
ち、第１工程は円板を深絞りしてバルブ４取付け部を成
形する工程、第２工程は肉抜き部分７・つば１１・折曲
げ片１２を成形する工程、第３工程は穴あけ及び折曲げ
片１２を内側へ絞るかしめ成形工程である。中央の穴は
プレスで打ち抜いてあけてもよい。プロテクター５を取
り付ける場合は、ネック部材３の形状としては図８に示
すようにしてもよい。そして、バルブ４取付け用の雌ね
じを加工する。必要に応じてキャップ６取付け用の雄ね
じを加工する。

【００２０】摩擦溶接方法としては慣性式摩擦溶接でも
よいし、ブレーキ式摩擦溶接でもよい。ばり溜り９から
ばりをはみ出させるための寄り代の設定はブレーキ式の
方がし易い。

【００２１】

【実施例】３０ｋｇ用の高圧容器を表１に示す諸条件で
製作した。

【００２２】

【表１】

【００２３】胴部１及び鏡部２の材質はアルミニウム合
金５０８３（板厚４．５ｍｍ）、ネック部材３の材質は
ＳＵＳ３０４のステンレス鋼である。表１に示すＮｏ．
１は本発明に係るものである。ネック部材３の構造は図
１に示すとおりのものとし、直径１１０ｍｍの丸棒を機
械切削加工して製作した。Ｎｏ．２も本発明に係るもの
である。３ｍｍの板材をプレス成形してネック部材３を
製作した。Ｎｏ．３は比較例であり、ネック部材３はＮ
ｏ．１と同じものとした。鏡部２の円筒体８はバーリン
グ加工で成形し、摩擦溶接における寄り代の効果を調べ
るため、円筒体８の長さを５ｍｍと小さく設定した。

【００２４】Ｎｏ．１〜３のものにつき、３．０ＭＰａ
の水圧で耐圧試験をした。その後１．８ＭＰａの空気圧
で気密試験をした。両試験の結果を表２に示した。

【００２５】

【表２】

【００２６】Ｎｏ．１及びＮｏ．２のケースでは，高圧
水中及び高圧空気中での漏れは全く認められなかった。
その後の高圧水による破裂試験でも，鏡部２とネック部
材３との間の摩擦溶接箇所には異常が全く認められず、
胴部１の箇所で破壊した。これに対し、比較例のＮｏ．
３のケースでは耐圧試験で鏡部２とネック部材３との間
が十分には接合していないことが判明し、その後の試験
は中止した。

【００２７】Ｎｏ．１・２・３の各ケースで、ネック部
材３を製作するに要した時間は次のとおりである。Ｎ
ｏ．１及びＮｏ．３のネック部材３は約２時間を要した
のに対し、Ｎｏ．２のものはわずか５分以内で製作でき
た。図９に示す工程で図２に示すネック部材３を製作す
るのが、著しく高能率となることが判明した。

【００２８】

【発明の効果】本発明によって、従来困難であったアル
ミニウム・４〜６％マグネシウム系合金製の鏡部２とス
テンレス鋼製のネック部材３との直接の摩擦溶接が可能
となった。そして、高圧ガス等に対し密封性に優れた接
合部を得ることができ、高能率接合方法を提供すること
ができた。

【００２９】肉抜き部分７を有するネック部材３は、板
材をプレス成形加工等することで製作できる。このた
め、素材費を節約して高能率製作もでき、経済性に優れ
たものとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施態様を示す縦断面図である。

【図２】別の実施態様を示す縦断面図である。

【図３】更に別の実施態様を示す縦断面図である。

【図４】比較例を示す縦断面図である。

【図５】更に別の実施態様を示す縦断面図である。

【図６】更に別の実施態様を示す縦断面図である。

【図７】更に別の実施態様を示す縦断面図である。

【図８】更に別の実施態様を示す縦断面図である。

【図９】更に別の実施態様を示す縦断面図である。

【図１０】従来例を示す片側断面図である。

【符号の説明】

２鏡部３ネック部材７肉
抜き部８円筒体９ばり溜り１０出
口１３湾曲部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒体（８）の少なくとも外周面側に狭
い出口（１０）を有するばり溜り（９）がネック部材
（３）に設けられてその狭い出口（１０）からばりがは
み出した状態で、アルミニウム・４〜６％マグネシウム
系合金製の鏡部（２）の頂部に形成された円筒体（８）
とステンレス鋼製のネック部材（３）の下面側とが摩擦
溶接によって接合されている高圧容器。
【請求項２】ネック部材（３）が肉抜き部分（７）を
有するものであることを特徴とする、請求項１に記載の
高圧容器。
【請求項３】アルミニウム・４〜６％マグネシウム系
合金で製作した鏡部（２）の頂部を円筒体（８）に形成
し、ステンレス鋼で製作したネック部材（３）には円筒
体（８）の上端と対向する接合箇所において対向する部
分の幅を円筒体（８）の肉厚より大きくし、かつ円筒体
（８）の少なくとも外周面側に狭い出口（１０）を有す
るばり溜り（９）を設け、前記円筒体（８）は摩擦溶接
時にその狭い出口（１０）からばりがはみ出すに十分な
寄り代が確保できる長さのものとしており、そして円筒
体（８）の上端とネック部材（３）の接合箇所とを接触
させその狭い出口（１０）からばりをはみ出させながら
摩擦溶接をして両者を接合する高圧容器の製作方法。
【請求項４】ネック部材（３）が肉抜き部分（７）を
有するものであることを特徴とする、請求項３に記載の
高圧容器の製作方法。
【請求項５】鏡部（２）の湾曲部（１３）を成形した
後に円筒体（８）をバーリング加工で成形することを特
徴とする、請求項３又は４に記載の高圧容器の製作方
法。
【請求項６】鏡部（２）の円筒体（８）を湾曲部（１
３）の成形前に又は湾曲部（１３）の成形と同時に成形
することを特徴とする、請求項３又は４に記載の高圧容
器の製作法。
【請求項７】板材をプレスしてネック部材（３）を成
形することを特徴とする、請求項３、４、５又は６に記
載の高圧容器の製作方法。