JP2009083406A - パイプの接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト及び短時間で接着面を溶融凝固でき、接着剤やシールテープを必要としない実用的なパイプの接合方法を提供すること。
【解決手段】第１及び第２のパイプ１，２の何れか一方を熱可塑性の材料から構成すると共に、前記第１のパイプの一端の外周面にレーザー光４に対して吸収性の色素３を塗布し、該一端と前記第２のパイプの一端とを嵌合して、前記第１のパイプの一端の外周面に前記第２のパイプの一端の内周面を当接させた状態とした後、当該第２のパイプの外側から前記嵌合部の全周に前記レーザー光を照射して、前記第１及び第２のパイプの当接面を熱融着させ接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２本のパイプを接合するパイプの接合方法に関し、特に、光照射手段から照射されるレーザー光によりパイプを熱融着し接合する接合方法に関するものである。

従来、パイプ同士を接合するには、接合するパイプの外形に一致する内径を有する冶具を使用して、嵌合部分を接着剤により接合する方法があるが、嵌合精度を確保した冶具が必要であり、接着剤を用いるので固着までの時間や管理を要するなどの工数が必要であり、接着強度も十分には確保できない。

また、同じく接合すべきパイプの外径に一致する内径を持つ冶具を使用して、冶具と両パイプに形成したネジを螺合して固定し、更にパイプ内を流れる流体がこの螺合部から漏洩しないようにシールテープを用いて接合するが、ネジ加工に手間と時間と要し、シールテープも必要となる。

また、熱可塑性のパイプ同士を当接させた状態でこのパイプの外形に一致する内径を有し、内部に加熱用電熱線が内蔵された特殊な冶具を嵌合し、この嵌合部に電圧をかけて電気を流し、加熱用電熱線を加熱することによりパイプを溶融させて、パイプを接合する方法が取られていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１９０４８７号公報

しかしながら、上記の場合、パイプ同士の接合箇所に夫々冶具を取り付けなければ成らず、コストがかかるという問題があった。更に、冶具の電熱線が加熱されて溶着するまでに１時間以上も要するため、その間、電圧をかけ続けなければ成らず、作業時間の長期化と消費電力の高騰を招くといった問題が生じていた。

本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、低コスト及び短時間でパイプを接合することができるパイプの接合方法を提供することを目的とする。

このため、第１の発明は、第１のパイプと、光照射手段から照射されるレーザー光に対して透過性の材料から成る第２のパイプとを接合する接合方法であって、少なくとも前記第１及び前記第２のパイプの内の何れか一方を熱可塑性の材料から構成すると共に、前記第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、この第１のパイプの一端側の外周面を前記第２のパイプの一端側の内周面に当接させるように嵌合させ、当該嵌合部において前記第２のパイプの外側から少なくとも一カ所の全周に渡り前記レーザー光を照射して、前記レーザー光吸収材料にレーザー光を吸収させるとともに発熱させ、前記第１及び第２のパイプを熱融着させ接合することを特徴とする。

第２の発明は、前記第１及び第２のパイプが略同一の径である場合に、前記第１のパイプの一端側の外周面を切除し、前記第２のパイプの一端側の内周面を切除し、前記第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、この第１のパイプの一端側の外周面の切除部を前記第２のパイプの一端側の内周面の切除部に当接させるように嵌合することを特徴とする。

第３の発明は、前記第１のパイプの一端側の外径を前記第２のパイプの一端側の内径と略同一に形成することを特徴とする。

第４の発明は、前記第１のパイプの一端側の外径を前記第２のパイプの一端側の内径以上とし、この第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、前記第２のパイプの一端側を加熱して、膨張させることにより該内径を前記第１のパイプの一端側の外径以上とした状態で、前記第１のパイプの一端側を前記第２のパイプの一端側内に嵌合させ、この嵌合部を冷却することにより両パイプの嵌合面間に圧力を生じさせることを特徴とする。

第５の発明は、前記第１のパイプの一端側の外周面の半径方向に突出する突起部を形成すると共に、この第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、前記第２のパイプの一端側の内周面の半径方向に、前記第１のパイプの一端側の外周面の半径方向に突出する前記突起部に対応する凹陥部を形成して、前記第１のパイプの一端側を前記第２のパイプの一端側内に嵌合させ、前記突起部と前記凹陥部とが係合して、前記第１のパイプが前記第２のパイプ内に保持されることを特徴とする。

尚、第５の発明において、前記第１及び第２のパイプの嵌合部の一部は相互に螺合する形状としても良いことは勿論である。

第６の発明は、第１乃至第５のいずれかのパイプの接合方法に係る発明において、第１の発明の接合方法に係わる発明において、前記レーザー光に対して吸収性の材料は、炭素を主原料であることを特徴とする。

第７の発明は、第１乃至第５のいずれかのパイプの接合方法に係る発明において、第１の発明の接合方法に係わる発明において、前記レーザーは４００nmから１１５０nmの間の何れか一つの発振波長を持つことを特徴とする。

第８の発明は、第１乃至第７のいずれかのパイプの接合方法に係る発明において、前記第１のパイプがレーザー光を吸収する材料であることを特徴とする。本願発明に係わる第８の発明の場合には、前記第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布する工程は省略できて便利である。

配管作業等においてパイプを接合する場合、特別な冶具や継手部材を必要とすることなく、接合面を短時間に溶融凝固でき、接着剤やシールテープを必要としない実用的なパイプの接合方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。パイプの接合方法の第１の実施形態について、図１に基づき説明する。先ず、１はガス管や上下水道などの第１のパイプであり、熱可塑性樹脂、具体的にはポリオレフィン系の合成樹脂である、例えば本実施形態ではポリエチレン合成樹脂にて形成される。

なお、前記第１のパイプ１はアクリル系樹脂やポリエチレン系樹脂などの熱可塑性合成樹脂材料で作成されるが、一般にはガス管には中密度のポリエチレン合成樹脂材料が、上下水道には高密度ポリエチレン合成樹脂材料が使用される。

この第１のパイプ１の外径は第２のパイプ２の内径と同一であり、前記第１のパイプ１の一端側の外周面にレーザー光に対して吸収性を有する色素（レーザー光吸収材料）３を塗布し、乾燥後、前記第２のパイプ２の一端側の内に前記レーザー光吸収性材料（レーザー光吸収材料）３を塗布した前記第１のパイプ１の一端側を挿入嵌合して、前記第１のパイプ１のレーザー光に対して吸収性を有する色素（レーザー光吸収材料）３を塗布した外周円筒面を前記第２のパイプ２の一端側の内周円筒面とを当接させた状態とする。そして、その嵌合部において前記第２のパイプ２の外側から、少なくとも嵌合部の一カ所の全周に渡りレーザー光４を照射して、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の当接円筒面に存在する色素（レーザー光吸収材料）３にレーザー光４を吸収、発熱させることにより、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の当接円筒面を共に溶融させ前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２を接合する。このレーザー光４の照射は、嵌合部全周に渡って満遍なく、略均一になされるよう、工夫される。

そして、前記レーザー光４は、その発振源として、半導体レーザー、ファイバーレーザー、YAGレーザーなどが考えられる。

次に第２の実施形態について、図２乃至図３に基づき説明する。まず、第１の実施形態と同一又は類似の番号は同一又は類似の機能を有するものとして、以下説明する。この第２の実施形態は、接合される第１のパイプ１と第２のパイプ２が略同一の径である場合、前記第１のパイプ１の一端側の外周面を切除して挿入段付部を形成し、前記第２のパイプ２の一端側の内周面を切除し受け口部を形成すると共に、前記第１のパイプ１の一端側の挿入段付部の外表面と、前記第２のパイプ２の一端側の受け口部内面とのいずれか一方の面又は両方の面にレーザー光に対し吸収性を有する色素（レーザー光吸収材料）３を塗布し、乾燥後、前記第１のパイプ１の挿入段付部を前記第２のパイプ２の受け口部に嵌合させる。そして、この嵌合部において前記第２のパイプ２の外側から、嵌合部の少なくとも１カ所の全周に渡りレーザー光４を照射して、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の嵌合当接面に存在する色素（レーザー光吸収材料）３にレーザー光４を吸収、発熱させることにより、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の嵌合当接面を共に溶融させパイプ１とパイプ２を接合する。このレーザー光４の照射は、嵌合部全周に亘って満遍なく、略均一になされるよう、工夫されると一層よい。

次に図４乃至図５に基づき、第３の実施形態について説明する。まず、第１の実施形態と同一又は類似の番号は同一又は類似の機能を有するものとして、以下説明する。この第３の実施形態は、接合される第１のパイプ１の外径に比べ第２のパイプ２の内径が小さく、且つ前記第２のパイプ２を加熱し膨張することにより、前記第１のパイプ１の外径に比べ前記第２のパイプ２の内径が略同一以上になる場合、前記第２のパイプ２の一端側を加熱し膨張させ、この前記第２のパイプ２とレーザー光４に対して吸収性の色素（レーザー光吸収材料）３を塗布して乾燥させた前記第１のパイプ１の一端側とを嵌合させる。嵌合させた状態でパイプの嵌合部を冷却することにより、前記第２のパイプ２の収縮により、嵌合部の互いのパイプの嵌合当接面に圧力がかかることにより、前記レーザー光４を照射する時のずれや、隙間が無くなる。そして、前記第２のパイプ２の外側から、前記両パイプの嵌合部の少なくとも一カ所の全周に渡りレーザー光４を照射して、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の当接面に存在する色素（レーザー光吸収材料）３にレーザー光４を吸収、発熱させることにより、パイプ１とパイプ２の当接面を共に溶融させパイプ１とパイプ２を接合する。このレーザー光４の照射は、嵌合部の全周に渡って満遍なく、略均一になされるよう、工夫されると一層良い。

次に図６に基づき、第４の実施形態について説明する。まず、第１の実施形態と同一又は類似の番号は同一又は類似の機能を有するものとして、以下説明する。この第４の実施形態は、第１のパイプ１の一端側の外周面の半径方向に突出する突起部を形成すると共に、
この第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光４に対して吸収性の色素（レーザー光吸収材料）３を塗布し、前記第２のパイプの一端側の内周面の半径方向に、前記第１のパイプの一端側の外周面の半径方向に突出する前記突起部に対応する凹陥部を形成して、前記第１のパイプの一端側を前記第２のパイプの一端側内に嵌合させ、前記突起部と前記凹陥部とが係合して、前記第１のパイプが前記第２のパイプ内に保持されるようにする。そして、前記第２のパイプ２の外側から、嵌合部の少なくとも一カ所の全周に渡りレーザー光４を照射して、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の当接面に存在する色素（レーザー光吸収材料）３にレーザー光４を吸収、発熱させることにより、前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２の当接面を共に溶融させ前記第１のパイプ１と前記第２のパイプ２を接合する。このレーザー光４の照射は、嵌合部の全周に渡って満遍なく、略均一になされるよう、工夫されると一層良い。

さらに前記第１から第４の実施形態において、前記第１のパイプ１がプラスチック製である場合、パイプ製造前に、予めカーボンブラックなど炭素を主原料とするレーザー光４に対して吸収性の材料をパイプ原料に混合しレーザー溶着パイプ製造用原料として調整して、この当該レーザー溶着パイプ製造用原料によりパイプを製造することにより、レーザー光４に対して吸収性の材料を含んだパイプを利用することもできる。これにより前記第１から第４の実施形態に記載の色素の塗布と乾燥の操作が必要なくなり、より迅速な接合作業を行うことが可能となる。なお、前記レーザー光に対して吸収性の材料を含んだパイプは、使用するのに必要とされる強度を備えることが要求される。

以下に実施例により本発明をより詳細に開示する。しかしながら、実施例等は本発明の本質を説明するための物であり、これらによって本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。

（前処理）
パイプ１（上水用パイプ、材質：高密度ポリエチレン、色：青色、寸法φ６０mm、厚さ6mm）の一端側の外径が５４mmになるように長さ７０mmにわたり除去加工した。また、パイプ２（上水用パイプ、材質：高密度ポリエチレン、色：青色、寸法φ６０mm、厚さ6mm）の一端側の内径が５４mmになるように長さ７０mmにわたり除去加工した。パイプ１の除去加工部（φ５４mm、長さ７０mm）にレーザー光に対して吸収性の塗布材（オリエント化学工業株式会社製のレーザー光吸収材料）を塗布し乾燥した。前記レーザー光に対して吸収性の塗布材は、炭素を主原料としている。パイプ２の一端側の内に吸収性の塗布材を塗布し乾燥したパイプ１の一端側を挿入嵌合して、パイプ１のレーザー光に対して吸収性の塗布材を塗布した外周面とパイプ２の一端側の内周面とを当接させた状態として、試験片１を得た。

（レーザー溶着）
試験片１を回転させながら試験片１の嵌合当接部にレーザーを照射し、熱融着させ接合した。接合に用いたレーザーは、発振波長１１００nm、出力２５Wであった。また、使用したレーザー加工機の重量は１０kg以下であり且つ持ち運び可能な大きさであるため、上水道管を施工する場所での接合が行える。
（溶着成績）
レーザーで溶着した試験片１の内部に１．７５MPaの静水圧を１８時間加える耐圧性能試験を行ったところ、接合部の水漏れ、変形、破損その他の異常が生じることなく、良好な結果であった。また、レーザーで接合した試験片１の引張試験を行ったところ、引張強さは１２．８MPaとなり、破断部も母材であったため、接合部の機械的強度についても良好な結果が得られた。

（前処理）
パイプ３（家庭用水道管、材質：高密度ポリエチレン、色：白色半透明、寸法：外径φ３０mm、厚さ２mm）を用意し、このパイプ３の一端の長さ３５mmに、レーザー光に対して吸収性の塗布材（オリエント化学工業株式会社製）を塗布し乾燥した。パイプ４（家庭用水道管、材質：高密度ポリエチレン、色：白色半透明、外径φ３４mm、厚さ２mm）の一端側の内にレーザー光に対して吸収性の塗布材を塗布し乾燥したパイプ３の一端側を挿入嵌合して、パイプ３のレーザー光に対して吸収性の塗布材を塗布した外周面とパイプ４の一端側の内周面とを当接させた状態として、試験片２を得た。

（レーザー溶着）
試験片２を回転させながら試験片２の嵌合当接部にレーザー光を照射し、熱融着させ接合した。接合に用いたレーザー光は、発振波長１１００nm、出力２５Wであった。また、使用したレーザー加工機の重量は１０kg以下であり且つ持ち運び可能な大きさであるため、家庭用水道パイプを施工する場所での接合が行える。
（溶着成績）
レーザーで接合した試験片２の内部に２．２MPaの静水圧を１分間加える耐圧性能試験を行ったところ、接合部の水漏れ、変形、破損その他の異常が生じることなく、良好な結果であった。

（前処理）
パイプ５（ガス用配管、材質：ポリエチレン、色：黄色、寸法φ６０mm、厚さ6mm）の外径が５４mmになるように長さ７０mmにわたり除去加工した。また、パイプ６（ガス用配管、材質：高密度ポリエチレン、色：黄色、寸法φ６０mm、厚さ6mm）の内径が５４mmになるように長さ７０mmにわたり除去加工した。パイプ５の除去加工部（φ５４mm、長さ７０mm）にレーザー光に対して吸収性の塗布材（オリエント化学工業株式会社製）を塗布し乾燥した。パイプ６の一端側の内に吸収性の塗布材を塗布し乾燥したパイプ５の一端側を挿入嵌合して、パイプ５のレーザー光に対して吸収性の塗布材を塗布した外周面とパイプ６の一端側の内周面とを当接させた状態として、試験片３を得た。

（レーザー溶着）
試験片３を回転させながら試験片３の嵌合当接部にレーザー光を照射し、熱融着させ接合した。接合に用いたレーザー光は、発振波長１１００nm、出力２５Wであった。また、使用したレーザー加工機の重量は１０kg以下であり且つ持ち運び可能な大きさであるため、ガス用配管を施工する場所での接合が行える。
（溶着成績）
レーザーで接合した試験片３の内部に１．７５MPaの静水圧を１分間加える耐圧性能試験を行ったところ、溶着部の水漏れ、変形、破損その他の異常が生じることなく、良好な結果であった。

以上本発明の実施形態について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形、パイプの形状の選択が可能であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形、パイプの形状の選択を包含するものである。パイプの形状としては、例えば、チーズと呼ばれるＴ字型、Ｌ字型、十時型又はヘッダなども含む。

パイプの接合方法の第１の実施形態を説明するための両パイプの縦断正面図である。 パイプの接合方法の第２の実施形態を説明するための両パイプの縦断正面図である。 パイプの接合方法の第２の実施形態を説明するための両パイプの縦断正面図である。 パイプの接合方法の第３の実施形態を説明するための両パイプの縦断正面図である。 パイプの接合方法の第３の実施形態を説明するための両パイプの縦断正面図である。 パイプの接合方法の第４の実施形態を説明するための両パイプの縦断正面図である。

符号の説明

１ 第１のパイプ
２ 第２のパイプ
３ 色素（レーザー光吸収材料）
４ レーザー光

Claims (8)

1. 第１のパイプと、光照射手段から照射されるレーザー光に対して透過性の材料から成る第２のパイプとを接合する接合方法であって、少なくとも前記第１及び前記第２のパイプの内の何れか一方を熱可塑性の材料から構成すると共に、前記第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、この第１のパイプの一端側の外周面を前記第２のパイプの一端側の内周面に当接させるように嵌合させ、当該嵌合部において前記第２のパイプの外側から少なくとも一カ所の全周に渡り前記レーザー光を照射して、前記レーザー光吸収材料にレーザー光を吸収させるとともに発熱させ、前記第１及び第２のパイプを熱融着させ接合することを特徴とするパイプの接合方法。
2. 前記第１及び第２のパイプが略同一の径である場合に、前記第１のパイプの一端側の外周面を切除し、前記第２のパイプの一端側の内周面を切除し、前記第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、この第１のパイプの一端側の外周面の切除部を前記第２のパイプの一端側の内周面の切除部に当接させるように嵌合することを特徴とする請求項１記載のパイプの接合方法。
3. 前記第１のパイプの一端側の外径を前記第２のパイプの一端側の内径と略同一に形成することを特徴とする請求項１記載のパイプの接合方法。
4. 前記第１のパイプの一端側の外径を前記第２のパイプの一端側の内径以上とし、この第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、前記第２のパイプの一端側を加熱して、膨張させることにより該内径を前記第１のパイプの一端側の外径以上とした状態で、前記第１のパイプの一端側を前記第２のパイプの一端側内に嵌合させ、この嵌合部分を冷却することにより両パイプの嵌合面間に圧力を生じさせることを特徴とする請求項１記載のパイプの接合方法。
5. 前記第１のパイプの一端側の外周面の半径方向に突出する突起部を形成すると共に、この第１のパイプの一端側の外周面にレーザー光吸収材料を塗布し、前記第２のパイプの一端側の内周面の半径方向に、前記第１のパイプの一端側の外周面の半径方向に突出する前記突起部に対応する凹陥部を形成して、前記第１のパイプの一端側を前記第２のパイプの一端側内に嵌合させ、前記突起部と前記凹陥部とが係合して、前記第１のパイプが前記第２のパイプ内に保持されることを特徴とする請求項１記載のパイプの接合方法。
6. 前記レーザー光吸収材料は、炭素を主原料であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のパイプの接合方法。
7. 前記レーザー光は４００nmから１１５０nmの間の何れか１つの発振波長を持つことを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のパイプの接合方法。
8. 前記第１のパイプがレーザー光を吸収することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のパイプの接合方法。