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JP4447261B2 - プレス式管継手の接合方法 - Google Patents

プレス式管継手の接合方法 Download PDF

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Description

本発明は、薄肉ステンレス鋼製等の薄肉金属等で形成した管継手本体に薄肉ステンレス鋼製等の薄肉金属等からなる接続パイプを挿入した状態でプレス工具によってプレスして圧着接合するプレス式管継手の接合方法に関する。
従来より、給水、給湯や冷温水に適用されるステンレス鋼配管を接続するための継手の1つとしてプレス式管継手がある。プレス式管継手は、例えば、特許文献1に示すように、薄肉の継手の受け口に気密材(ゴム輪)が内蔵されており、この継手に薄肉のパイプを差し込んだ後に継手外周をプレス機によってプレスし、パイプ差し込み部分である継手端部から中央付近までの接続部を縮径することによりパイプと継手を接合して圧力流体を密封するようにしたものである。プレス式管継手は、パイプを継手に螺子込むことによって接合する、いわゆる螺子込み型と呼ばれる管継手などと比較して低コストに抑えることができるため、建築設備などの配管設備において広く一般に利用されている。
上記継手とパイプの接合時においては、継手の接続部にパイプを内挿した状態で、接続部全体に外周面側からプレス機によって圧力を加えて縮径させるようにしている。気密材を内蔵する環状溝部の縮径時には、環状溝部の外周面に略均一に圧縮力が加わると内部の気密材が全体的に圧縮変形し、パイプの外壁面にこの気密材が押え付けられるようにして変形して圧着して接合後の流体の漏洩を阻止しようとしている。
また、このとき気密材を内蔵する環状溝部のパイプ挿入側管端面をパイプ外周面に食い込ませるように変形させ、この変形によってシール性及びパイプの引抜き抵抗力を高めようとしている。
この継手の形状は、パイプ接続部の受口に気密材を内蔵するために環状溝部を膨出形成し、この環状溝部は、断面アール形状の要素の組合せから構成されている。一方、パイプの管径は、継手に挿入するときに環状溝部の気密材と接触するような寸法に設けられている。
上記の継手は、プレス機で縮径させる際に、接続部の受口近傍の一定範囲を半径方向に締圧して、継手接続部とこの接続部に嵌合しているパイプを一体な断面多角形状に塑性変形させて接合するようにしており、この多角形状は六角形状を望ましいものとしている。
特開昭53−70072号公報
しかしながら、プレス式管継手のプレス時には、プレス機のダイスによって押圧するときに材料の延性によって管継手におけるダイスとの接触部分が延びてしまうことがあり、このためプレス部分周辺に引張残留応力が生じることが少なくない。このような引張残留応力が発生すると、材料としての強度が低下し、管継手が腐食環境下に晒された場合、応力腐食割れが生じるという問題がある。
また、気密材が収容されている溝状部位がプレスされると、このプレスに伴って溝状部位にも引張残留応力が生じたり、更には、継手の端部(環状溝部の端部)がパイプ外周に食い込むことによっても引張残留応力が生じるため、溝状部位やパイプ側においても強度が低下して、管継手が腐食環境下に晒された場合、応力腐食割れが生じるおそれがあった。
例えば、特許文献1における継手とパイプの接合時には、プレス機によってプレスしたときに気密材を内蔵した環状溝部に外周方向から均一な圧縮力が加わることになり、この圧縮力が環状溝部全体に強く働くことが原因となって引張残留応力が生じるおそれがあり、また、環状溝部に大きな圧縮力が加わると、この環状溝部は形状がアール形状の要素の組合せからなっているため、環状溝部と継手とを結んでいる極小さいアール形状部位に応力が集中して加わって引張残留応力が集中的に発生する可能性があった。
また、気密材は、環状溝部への加圧によってこの環状溝部が全体的に潰れるような形状に変形するため、シール性に悪影響を及ぼすことがあり、消耗も激しくなり長期間のシール性を維持することが難しかった。
この気密材には、通常は押圧されたときの変形量となる締め代が予め設けられており、接合後の継手とパイプのシール性を高めるためにはこの締め代を大きくする必要があるが、締め代を大きくするためには気密材の内径に対してパイプ外径を大きくする必要性があり、この場合、環状溝部にパイプを内挿しようとしたときのパイプ外周面と気密材が接触する力が強まるため、気密材が傷つくおそれがあった。更に、この締め代が大きいとプレス時に気密材に強い押圧力が加わり、気密材の変形後に環状溝部から膨出するような形状に極度に潰れるように変形するため、圧縮割れによる気密材の破断にもつながるなど、気密材の耐久性に更に悪影響を与えていた。
また、気密材を収納する環状溝部の先端側がパイプ外周面に食い込むことによって継手先端側やパイプ外周面が割れ易くなるという問題もあった。
一方において、接続部の一定範囲を断面多角形状に塑性変形させる際に、この形状を六角形状にすると軸芯方向への変形量が大きくなり、この変形量が大きくなると引張残留応力がより大きく生じ易くなるという問題があった。変形量が大きい場合には、材料であるステンレス鋼の延性が強く作用し、本来オーステナイト組織からなる組織中に加工誘起マルテンサイト組織が生じ易くなり、このように加工誘起マルテンサイト組織がオーステナイト組織中に発生することにより材料が脆化して割れ易くなっていた。
また、変形量の大きさから、変形箇所によってパイプへの食い込み度合に差が生じるという問題もあった。
なお、プレス式管継手は、加工後に外部からの応力が加わった際にも材料の脆化が進みやすく、例えば、ポンプからの振動による応力や、給湯ラインにおける水などの流体中に含まれる塩素イオンによっても腐食が進みやすく、腐食割れが生じるおそれがある。このような理由からも高いシール性を長期間維持するのは難しかった。
本発明は、従来の課題点に鑑みて開発したものであり、その目的とするところは、給水、給湯や冷温水等を供給する配管を接続するためのプレス式管継手において、応力腐食割れを防ぎ、長期に亘って高いシール性を維持できるプレス式管継手を提供することにある。
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、薄肉金属管からなる継手本体に薄肉金属管からなる接続パイプを接合するプレス式管継手の接合方法であって、前記継手本体の端部側に膨出形成した受口部にOリング等の気密材を収納し、前記受口部の膨出曲面と継手本体の外周面との連結部位に形成したテーパ部を含む大きいアール面で連結し、この継手本体内に接続パイプを挿入端まで挿入し、継手本体の外周面をプレス工具のダイスで包囲し、継手本体の受口部押圧用の凹部とアール面押圧用のアール面部を有するダイスの押圧面で押圧することにより、前記テーパ部がダイスの押圧面で押圧され、かつ前記アール面を支点として受口部がパイプ挿入側に傾倒するように押圧されると共に、継手本体の受口部端縁と接続パイプの外周面との間に隙間を有するようにし、更には、継手本体の外周面と接続パイプとを前記ダイスに設けた圧着面で圧着接合するようにしたプレス式管継手の接合方法である。
請求項2に係る発明は、前記ダイスの圧着面は断面八角形状であるプレス式管継手の接合方法である。
発明によると、プレス後の引張残留応力を発生させることがなく、応力腐食割れを防ぐことができ、長期間に亘って高いシール性を維持することができる。特に、継手本体の外周面をダイスの押圧面で押圧したとき、継手本体のテーパ部がダイスのアール面部におけるテーパ面と接触することにより、このテーパ部が押圧されてアール面を支点として受口部がパイプ挿入側に傾斜するように押圧されるので、プレス部分である受口部全体や、受口部と継手本体の拡径部とを結ぶ部分に引張残留応力を生じさせることがなく、接合後に圧縮残留応力を有しているので、この圧縮残留応力の特性によって管継手の強度を向上させ、長期に亘って材料の脆化を防ぐことができ、しかも、まず、ダイスが受口部に当接することによって、受口部が拡径してパイプとの隙間が広がることを防止でき、したがって、気密材による適切なシール性を確保することができる。
変形箇所における軸芯方向への変形量を抑えながら高い引抜き阻止力を維持することができ、断面六角形状の圧着部位と比較した場合、引抜き阻止力が劣ることがないのは勿論であり、引張残留応力の発生も抑えることができる。
継手を耐防食材料によって形成して温水等の流体を流した場合における応力腐食割れを防ぐことができる。
着後のパイプ圧着部の脆化を防ぎ、高いパイプ引抜き阻止力を得ることができる。
続パイプの接合時及び接合後においてパイプ外周面や受口部端縁が傷つくことがなく、長期に亘ってこの接続パイプ外周面と受口部端縁の腐食の発生を抑えて応力腐食割れを防ぐことができる。
続パイプの圧着接合時に確実にこの接続パイプを保持した状態で接合でき、接合位置がずれたりすることなく高い寸法精度で接合することができ、また、防食性の高い材料によって設けることのできるプレス式管継手である。
らたに加工工具を用いたり、加工工程が増えたりすることなく、高い引抜き阻止力を維持しつつ、応力腐食割れを防止して高いシール性を維持可能なプレス式管継手を容易に形成することのできるプレス式管継手の接合方法である。
実に継手本体と接続パイプを圧着しつつ、適度な押圧力で気密材を押圧することができる。
イプ外周面や受口部端縁が傷ついたりすることなく、接合後にも長期に亘ってこの接続パイプ外周面と受口部端縁の腐食の発生を抑え、応力腐食割れを防ぐことのできるプレス式管継手の接合方法である。
本発明におけるプレス式管継手の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明のプレス式管継手は、薄肉ステンレス鋼からなる継手本体にパイプを挿入した状態でプレスしてこの継手本体とパイプを圧着して接合するようにしたものである。
図1は、本発明におけるプレス式管継手の接合前の状態を示した断面図であり、図において1は継手本体であり、この継手本体1に接続パイプ6を接合して管継手を設けるようにしている。継手本体1及び接続パイプ6は防食性を有する金属材料、例えばCr−Ni−Si−Cu系のステンレス鋼によって形成される。
継手本体1において、最小の内径部分が接続パイプ6の外径よりも小径になるような拡径段部2をバルジ成形等の成形手段によって形成し、継手本体1の端部側を拡径した拡径部1cの内周面1bに接続パイプ6を挿入したときにこのテーパ状の拡径段部2の後端部位を接続パイプ6の突当て部2aとすることによって接続パイプ6を係止状態で保持できるようにしている。
3はOリング等の気密材5を収納するための受口部であり、この受口部3を継手本体1の拡径部1cの先端側にバルジ成形等の成形手段により断面略半環状に膨出形成している。気密材5は継手本体1に内挿する接続パイプ6の外周面6aを周面シールし、継手本体1の外周面1aを圧着したときには接続パイプ6を圧着接合できると共に、この受口部3の膨出曲面3aと継手本体1の外周面1aとの連結部位をテーパ部4を含む大きいアール面12で連結している。アール面12は、継手呼び径13〜25Suの場合、曲率半径3.0〜5.0mmが望ましい。3.0mmより小さい場合には応力集中が起こりやすく、一方5.0mmより大きい場合には、テーパ部4が少なくなることに加え、受口部3のスペースが広がってOリングが移動しやすくなり、シール性が低下するおそれがあるからである。テーパ部4は適宜の角度にて形成すればよいが、継手本体1の外周面1aに対して42〜46°が好ましく、より好ましくは略45°程度に設けるのがよい。42°より小さい場合には、受口部3のスペース3cが広がってOリングが移動しやすくなり、シール性が低下するおそれがある一方、46°より大きい場合には後述するような受口部3の傾倒が大きくなり、Oリングを過圧縮してしまうおそれがあるからである。
図3において、11は継手本体1と接続パイプ6を圧着接合する圧着部であり、この圧着部11は、継手本体1の外周面1aを断面略八角形状に圧着するように成形し、圧着部11を軸芯方向に向けて接続パイプの引抜き阻止力が構成可能な所定の長さCに形成している。長さCの寸法としては、例えば、呼び径25Suの場合においては5mm程度が望ましい。圧着時にはこの圧着部11の金属組織がオーステナイト組織となるように圧着している。
また、図6に示すように、継手本体1の端部側に形成した受口部3の端縁3bと接続した接続パイプ6の外周面6aとの間には隙間Dを形成している。
気密材5は、例えば、耐熱性ブチルゴムを材料として設けているが、エチレンプロピレンゴム(EDPM)製や、或はその他の耐熱用シール材として一般に使用される材質であってもよい。気密材5の内径は、接続パイプ6を接合する前の段階で接続パイプ6の外径より大になるように設けており、接続パイプ6の挿入時にこの接続パイプ6が気密材5に接触しないように設けている。
次に、前記実施形態の作用を説明する。
本発明のプレス式管継手は、継手本体1の拡径部1cの先端側に受口部3を膨出形成し、この受口部3に収納したOリング等の気密材5で接続パイプ6の外周面6aを周面シールし、この継手本体1の外周面1aを圧着してこの接続パイプ6を圧着接合し、受口部3の膨出曲面3aと継手本体1の外周面1aとの連結部位をテーパ部4を含む大きいアール面12で連結しているので、プレス部分である受口部3全体や、受口部3と継手本体1の拡径部1cとを結ぶ部分に引張残留応力を生じさせることがないばかりか、接合後には圧縮残留応力を有しているので、この圧縮残留応力の特性によって管継手の強度を向上させ、長期に亘って材料の脆化を防ぐことができる。
気密材5は、受口部3が押圧されたときにテーパ部4に沿って断面略くさび形状に変形するので、この気密材5が有する弾性力を利用して適度な押付け力によって好適なシールを行うことができると共に、この気密材5には強い押圧力が加わることがないため傷つき難く、耐久性にも優れている。
また、継手本体1の受口部3の端縁3bと、接続パイプ6の外周面6aとの間には隙間Dを形成しているので、端縁3bと外周面6aが接触して腐食することがない。
継手本体1の外周面1aを断面略八角形状に圧着した圧着部11で継手本体1に内挿する接続パイプ6を圧着接合し、この圧着部11を軸芯方向に向けて接続パイプ6の引抜き阻止力が構成可能な所定の長さCを有するように形成しているので、断面略六角形状の場合と比較してプレス箇所をより分散させることにより圧着部11の軸芯方向への個々の変形量を小さくすることができる。このため、加工誘起マルテンサイト組織の発生を抑え、オーステナイト組織のみからなる組織を維持することができ、材料が脆化するおそれがない。更に、各圧着部11の接続パイプ6への食い込み度合の差が少なくなり、圧着部11の軸芯方向への長さを略均等にすることができる。
なお、長さCを変えることによって圧着部11を八角形状に設けたときの圧着力を調整することができ、この長さCを適切な値に設定することによって圧着部11の最小変形量によって最大の引抜き阻止力を得ることができる。
続いて、プレス式管継手の接合方法及びプレス工具を説明する。
先ず、接続パイプ6を継手本体1内に、この接続パイプ6の端部が継手本体1の突当て部2aに当接するまで挿入する。挿入時には、前述したように継手本体1に装着された気密材5の内径、及び継手本体1の拡径部1cの内径が接続パイプ6の外径よりも大径であることから、接続パイプ6は気密材5や拡径部1cに接することなく継手本体1内に挿入することができる。これによって、気密材5は接続パイプ6の挿入によって傷つけられないことに加え、接続パイプ6とのプレス接合が不十分な場合には気密材5によるシールが不十分であることを視認することもできる。
この状態で図2、図5(a)及び図6(a)に示すように継手本体1の外周面1aをプレス工具本体20の上型7a、下型7bからなるダイス7で包囲するようにセットする。セット時には、継手本体1を下型7bに載置し、上型7aを継手本体1にプレス可能な状態にセットする。
プレス工具本体20は、上記の状態で継手本体1と接続パイプ6をプレスして圧着接合するものであって、このプレス工具本体20のダイス7において、上型7a及び下型7bのそれぞれの押圧面7cは、継手本体1の受口部3を包囲する受口部3押圧用の凹部7dとアール面12押圧用のアール面部8、及び継手本体1の外周面1aを圧着するための断面略八角形状の圧着面9を形成しており、プレスにより上型7aと下型7bが当接した際に、押圧面7cが環状となるように構成している。
更に、アール面部8において、継手本体1の受口部3の外周側の膨出曲面3aと、外周面1aとの連結部位であるアール面12におけるテーパ部4を押圧して、受口部3をパイプ挿入口側に傾倒させるテーパ面9を凹部7dと連結した位置に形成している。
プレス時において、上型7aを押圧してプレスを開始すると、図5(b)及び図6(b)のように継手本体1の外周面1aをプレス工具本体20のダイス7で包囲して、このダイス7の押圧面7cで押圧したときに、まず継手本体1のテーパ部4がダイス7のアール面部8におけるテーパ面9と接触することにより、このテーパ部4が押圧されてアール面12を支点として受口部3がパイプ挿入側に傾倒するように押圧される。
このようにダイス7が先に受口部3に当接することによって、仮に圧着部11に先に当接した場合に発生するおそれのある受口部3が浮き上がろうとする現象すなわち、受口部3が拡径し、パイプ6との隙間が広がってしまう現象を防止し、気密材5による適切なシール性を確保している。
更に押圧すると、受口部3が傾倒しながら変形することによって受口部3の膨出曲面3aがダイス7の凹部7dに接触し、このときの膨出曲面3aと凹部7dとの接触面圧は、テーパ面9とテーパ部4との接触面圧よりも小さいことから、ダイス7による押圧を継続したときに受口部3はテーパ部4側から押圧されて受口部3の傾き変形が継続されると共に、凹部7dによって受口部3が管の軸芯方向に垂直に圧縮されることがなく、受口部3はこの凹部7dに沿うようにガイドされながら傾倒していく。
変形後の受口部3付近の形状は、ダイス7のアール面部8から凹部7dにかけての形状と略相似形状に形成される。
更にプレスを続行すると、図5(d)及び図6(d)に示すようにダイス7の断面略八角形状の圧着面10が継手本体1の外周面1aに当接し、この圧着面10によって継手本体1が押圧されると図4に示すように圧着部11において継手本体1と接続パイプ6が圧着される。
継手本体1へのダイス7の押圧が完了すると、受口部3内に収納した気密材5は適正な押圧力によって接続パイプ6外周に押圧され、継手本体1の内周側と接続パイプ6の外周側を液密にシールすることができる。
また、プレス完了時には、端縁3bと接続パイプ6の外周面6aとの間に隙間Dが形成され、この隙間Dは、例えば、呼び径25Suにおいて約0.5〜0.8mmの間の範囲に設けることができるため、プレス後の隙間Dを極小に設けることができる。
このように、受口部3、とりわけ凹部7dによって形成される断面略半環形状部分は、プレスの進行過程でダイス7によって強い圧縮力を受けることがなく、また、継手本体1の端縁3bが接続パイプ6の外周に食い込まないことから、応力腐食割れの一因となる引張残留応力を発生させることのないプレス式管継手の接合方法である。
また、プレス後には圧着部11において接続パイプ6は継手本体1内面と凹凸嵌合するため、接続パイプ6を適切に接合させることができる。
冷温水供給用の管継手の材料としては、日本水道協会規格JWWA G116−2001「水道用ステンレス鋼管継手」にも規定されているように、SUS304やSUS316等のオーステナイト系ステンレス鋼が一般的であるが、これらのオーステナイト系ステンレス鋼においては、腐食環境下において引張応力が加わった場合に、特に応力腐食割れ現象が発生し易いという問題がある。また、これらを材料とした場合、特に加工時の引張応力が残存した配管や継手に、50℃以上の水道水を流した場合、液体の温度と水道水中に含まれる塩素により腐食環境が形成され、配管や継手に応力腐食割れ現象が生ずるおそれがある。
従って、本実施例においては、継手本体を0.04C−18.5Cr−12Ni−3Si−2Cu−0.8Mo−0.4Mn−Nの組成からなるSUS315J2を材料として成形した。SUS315J2は、銅とシリコンを含有させたことによって材料にねばりが生じ、SUS304やSUS316に比較して耐力を増大させることが可能となる。また、モリブデンとマンガンの含有割合を減少させることによって硬さを柔らかくし、材料としてある程度の弾性を持たせるようにしている。
一方、比較例としての継手本体材料はSUS304とし、本発明と比較例の管継手をそれぞれのパイプ圧着部の形状・寸法を変えて、圧着部の残留応力と組織を分析すると共に、継手性能の評価試験として、接続パイプの引抜き低強力と、時期割れ、応力腐食割れの評価試験を行なった。この結果を表1及び表2に示す。なお、評価試験に用いた継手の呼び径は何れも25Suである。
Figure 0004447261
表1の結果によると、本発明におけるプレス式管継手の場合には、形状面の工夫に加え、SUS315J2という材料を用いたことにより残留応力は全て圧縮残留応力となった。従って、全ての供試品が応力腐食割れを生ずることのない管継手であることが確認された。
パイプ圧着部の辺部形状が円弧の供試品(No.1及び2)、及び六角で辺部が直線であり且つ圧着部の長さCが3mmの供試品(No.3)は、パイプ圧着部において若干のマルテンサイト組織が確認されたが、引抜き抵抗力は約4500Nを確保することができた。また、圧着部が断面略六角形状で辺部が直線であり、且つ圧着部の長さCが5mmである供試品(No.4)は、パイプ圧着部は全てオーステナイト組織となり、接続パイプの引抜き抵抗力もNo.1〜3の供試品に比べて約1.2倍に向上した。更に、圧着部が断面略八角形状で辺部が直線の供試品(No.5〜6)はパイプ圧着部が全てオーステナイト組織であり、接続パイプの引抜き抵抗力が、No.1〜3の供試品に比べて約1.5倍に向上した。
Figure 0004447261
表2の結果によると、比較例であるNo.7〜12の全ての供試品において、パイプ圧着部に引張残留応力が確認され、応力腐食割れを生じた。また、全ての供試品において、マルテンサイト組織が確認され、これに伴って引抜き抵抗力も安定しないものとなった。
本発明は、給水、給湯や冷温水に適用されるステンレス鋼配管を接続するためのプレス式継手に好適であり、カシメ専用工具を用いて接合することによって簡単に且つ迅速・確実にステンレス鋼配管を接合可能なソケット、エルボ、ティー、レデューサー等の各種の継手に応用することができる。
本発明におけるプレス式管継手の接合前の状態を示した断面図である。 図1のA−A線断面図である。 本発明のプレス式管継手の接合後の状態を示した断面図である。 図3のB−B線断面図である。 (a)ないし(d)は本発明におけるプレス式管継手の接合工程を示した説明図である。 (a)ないし(d)は図5の一部拡大図である。
符号の説明
1 継手本体
1a 外周面
1c 拡径部
2a 突当て部
3 受口部
3a 膨出曲面
3b 端縁
4 テーパ部
5 気密材
6 接続パイプ
6a 外周面
7 ダイス
7c 押圧面
7d 凹部
8 アール面部
9 テーパ面
10 圧着面
11 圧着部
12 アール面
20 プレス工具本体
C 長さ
D 隙間

Claims (2)

  1. 薄肉金属管からなる継手本体に薄肉金属管からなる接続パイプを接合するプレス式管継手の接合方法であって、前記継手本体の端部側に膨出形成した受口部にOリング等の気密材を収納し、前記受口部の膨出曲面と継手本体の外周面との連結部位に形成したテーパ部を含む大きいアール面で連結し、この継手本体内に接続パイプを挿入端まで挿入し、継手本体の外周面をプレス工具のダイスで包囲し、継手本体の受口部押圧用の凹部とアール面押圧用のアール面部を有するダイスの押圧面で押圧することにより、前記テーパ部がダイスの押圧面で押圧され、かつ前記アール面を支点として受口部がパイプ挿入側に傾倒するように押圧されると共に、継手本体の受口部端縁と接続パイプの外周面との間に隙間を有するようにし、更には、継手本体の外周面と接続パイプとを前記ダイスに設けた圧着面で圧着接合するようにしたことを特徴とするプレス式管継手の接合方法。
  2. 前記ダイスの圧着面は断面八角形状である請求項1に記載のプレス式管継手の接合方法。
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