圧接とは


ガス圧接の原理とは

鉄は、鉄の原子と炭素の原子が混じりあった結晶でできています。鉄の結晶は溶かさなくても、ある一定の距離まで近づくと鉄の原子同士が互いに結びつき強固に結合します。これを金属結合といいます。ところが空気中では鉄は酸素と結びつき、酸化膜を形成します。酸化膜は鉄の原子同士の接合を妨げるので、金属結合ができなくなります。その酸化膜をアセチレン過剰炎、つまり強還元炎で取り除きます。
酸化膜を取り除き、熱を加えることで鉄の原子は活発な運動を始め、それまでの結晶構造を変化させようと拡散を始めます。ガス圧接はこの性質を利用しています。
ガス圧接は、アセチレン過剰炎(強還元炎)で酸化膜を取り除き、還元・加圧・加熱することで接合面を越えて、原子同士の拡散運動が始まり原子レベルで融合しようとします。
このように原子間の再配列の原理を利用して材料同士(鉄)を直接接合することができます。これがガス圧接の原理です。
その結果、接合面が一体となった部位は、高強度を維持できるメリットを持っています。

接合理論(固相接合)

鉄筋を溶かすことなく加熱・加圧することによって、接合することがなぜ可能なのか。鉄は、鉄の原子と炭素の原子が混じり合った結晶でできており、常温では原子は安定した状態で規則的な配列をしています。
しかし、鉄を1200℃から1300℃まで加熱し圧力を加えることで原子は活発な運動をすると同時に拡散し、原子の混じり合いが始まります。圧力を加えることで原子同士が接合面をよこぎって原子の拡散運動がすすみ、原子レベルで一体となり結合されます。こうした原子の再配列によって鉄を直接接合することができます。
このように鉄を1200℃から1300℃まで加熱し、鉄を溶融することなく固体(固相)のまま接合することを固相接合といいます。

ガス圧接継手について

土木・建築構造物の多くは鉄筋コンクリートで作られています。
最近の高層集合住宅のほとんどが鉄筋コンクリート構造です。コンクリートの中に配置されている鉄筋をつなぐのがガス圧接です。この技術は一般にあまり知られていない工法ですが大型構造物の信頼性を左右する重要な役割を果たしています。
鉄筋をつなぐ方法には、鉄筋を一定の長さに重ねあわせる重ね継手、カプラーなどによって鉄筋をつなぐ機械式継手、溶接による継手、鉄筋を加熱・加圧しながらつなぐガス圧接継手の4つの工法があります。
ガス圧接工法には、手動・自動・熱間押抜法の3つの種類があります。
手動ガス圧接は、通常広くおこなわれている工法です。自動ガス圧接は加熱・加圧など一連の作業をプログラムによって自動的に行う工法です。
熱間押抜法は、手動ガス圧接の圧接直後のふくらみをせん断除去する工法です。その特徴は施工と検査が同時に行えることです。
構造上重要な鉄筋継手の施工実績でガス圧接は90%程度占め、もっとも普及している工法です。
ガス圧接継手は鉄筋と鉄筋が直接接合されるところに最大の特徴があります。このガス圧接工法は最初鉄道のロングレール化を目的に開発されました。ロングレールは乗り心地の改善、振動・騒音の低減、保守作業の簡易化、さらに新幹線の高速安定走行の確保に大きく貢献しています。
このガス圧接技術を鉄筋の接合に応用したのは日本が初めてで、昭和20年代後半(昭和29年頃)のことです。以来丸鋼だけでなく、異形鉄筋・高強度鉄筋等の接合に適用され今日、土木・建築工事に欠かせない技術として広く定着しております。高層集合住宅にも先組工法にもガス圧接工法が用いられています。

ガス圧接方法

まず鉄筋を冷間直角切断機で切断します。次に鉄筋に圧接器を取り付け、二本の鉄筋の中心がずれないように締め付けます。加圧器を作動させ、鉄筋に圧力をかけガスバーナーで加熱していきます。
初期の加熱は酸素よりアセチレンガスの量を多くした炎、アセチレン過剰炎を使用し、接合面が酸化するのを防ぎます。接合面の隙間が完全に閉じた後、酸素とアセチレンガスの量が等しい炎、中性炎にして加熱します。このときの温度は1200℃から1300℃に達していますが鉄筋は溶けません。圧力は30MPa(メガパスカル)以上とします。そして加圧の進行とともに中性炎による接合部周辺の幅焼きに移り、接合部をなだらかなふくらみの形状にします。そして所定のふくらみができたところで、加熱をやめ圧力を下げます。接合部のふくらみは外形が鉄筋の直径の1.4倍以上。長さで1.1倍以上のなだらかな形状が標準です。接合部の外観形状をたしかめてから、圧接器を取り外します。

外観検査

ガス圧接部の検査は現在4つの方法があり、品質の保証を図っています。
まず、外観検査、目視による観察や簡単な器具による測定によって圧接部のふくらみが適正か、鉄筋中心軸の偏心や折れ曲がりがないかを調べます。外観検査はまず目視による検査を行い、目視による判定が困難な場合、測定器具によって再度測定がおこなわれます。
外観検査の判定基準は以下の表のようになります。

外観検査による合否判定基準

外観検査項目
手動・自動ガス圧接法
熱 間 押 抜 法
圧接部のふくらみの直径
(D)
鉄筋径の1.4倍以上 ※注1
(SD490の場合は1.5倍以上)
---------------
圧接部のふくらみの長さ
()
鉄筋径の1.1倍以上
(SD490の場合1.2倍以上)
鉄筋径の1.1倍以上
(SD490の場合は1.2倍以上)
圧接面のずれ
(б)
鉄筋径の1/4以下
---------------
圧接部 における
鉄筋中心軸の偏心量(e)
鉄筋径の1/5以下 ※注1
---------------
折れ曲がり
(θ)
2.0°以下
---------------
片ふくらみ
(△h)
△hは鉄筋径の1/5以下
△h=h1-h2
---------------
押抜き部の表面
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割れ、線状きず、へこみ、
表面不整があってはならない
その他の有害と認められ る欠陥
焼き割れ
へこみ(4mm以下)※注2
垂れ下がり(6mm以下)※注2
具体的な記載はなし

注1) 鉄筋径(径の異なる場合は細い方の鉄筋)
注2) 手動ガス圧接技量資格者検定試験における外観判定基準

しかし、外観検査では、内部が十分に結合されているかどうかはわかりません。それを調べる方法として非破壊検査と破壊検査の2通りの検査方法があります。

非破壊検査と破壊検査

非破壊検査として超音波探傷法と熱間押抜法の2通りの方法があります。

非破壊検査法では、超音波探傷法が採用されており、この方法は接合面に鉄筋の軸方向から送信探触子で超音波を入射させます。欠陥がなければ入射幅接合面を通過し、反射波は返ってきません。接合面に欠陥があると入射波の一部が反射しこれを受信探触子でとらえてその強さから欠陥の程度を測定します。
この超音波探傷検査は社団法人日本圧接協会(以下:(社)日本圧接協会)の超音波探傷検査資格をもった技術者が行い、高い検査制度を保つようにしています。

もう一つの非破壊検査方法として、熱間押抜法があります。

この方法は圧接直後の赤熱状態のふくらみをせん断除去し、圧接部を目視で観察することで、接合部の状態を判定する技術です。この判定は、接合部の全周を目視で行いますので、目視ミラーを使用して接合部の裏側など検査を行います。この方法は(社)日本圧接協会の熱間押抜外観検査資格者が判定を行います。

破壊検査としては引張り試験があります。この検査は現場で抜き取った供試体を認定された法的試験機関で引張り試験機にかけ、基準通りの強度すなわち母材と同等の強度をもっているかを厳密にチェックします。