CN1369336A - 构造体的摩擦搅拌接合方法、构造体及其挤压型材 - Google Patents

Abstract

不限制中空型材的尺寸精度,可以从中空型材的一面进行接合,而且可提高接头的强度。从上方摩擦搅拌接合中空型材10、20的面板的突出片12b、22b。接着将连接部件30放置到中空型材10、20的面板11、21上,从上方进行摩擦搅拌接合。接合部是连接两个面板11、12(21、22)的筋与面板11(21)的交点。连接部件30与面板11、21的接合是重叠的接合。不是对接的接合。因此,即使具有中空型材10、20的制造误差、配置误差,也容易进行接合。

Description

构造体的摩擦搅拌接合方法、构造体 及其挤压型材

本发明涉及中空型材构造体及其制造方法。例如，尤其涉及有关铁路车辆和建筑物等使用的铝合金制造的中空的挤压型材的构造体的制造。

摩擦搅拌接合方法是一种固相接合方法，其一边转动插入接合部的圆棒(旋转工具)，一边沿接合线移动，使接合部发热、软化，产生塑性流动。转动工具由插入接合部的小直径部与位于外部位置的大直径部构成。小直径部与大直径部同轴。小直径部与大直径部之间的边界插入接合部内一定的程度。这种方法公开在特开平9-309164号公报(EP0797043A2)中。

该文献的图9表示从一面进行中空挤压型材的两面的接合。此外，示出了防止中空型材变形的接头。

如前述特开平9-309164号公报(EP0797043A2)的图9所示，是考虑从一面进行中空型材的摩擦搅拌接合的情况。该情况中，重要的是两个中空型材31、32的上面的板33、33的间隔(即，凹部39、39的间隔)以及配置于该部分的接头60的宽度的精度。如果上面的板33、33的间隔小于接头60的宽度，则不能配置接头60。相反，如果上面的板33、33的间隔大于接头60的宽度，则摩擦搅拌接合较为困难。也就是说，重要的是板33与接头60之间的对接部的间隙要小。

但是，由于中空型材31、32和接头60的挤压加工的制造公差，因此对接部容易产生大的间隙。在铁路车辆的车体接合的场合，在并置接合多个中空型材的场合下，这种情况更加显著。

另一方面，考虑将接头60重叠接合在凹部39内。如果这样的话，则使凹部39、39的间隔(板33、33的间隔)远大于接头60，从而容易制造型材31、32。

但是，板33与凹部39的连接部会弯曲。因此，应力会集中产生于该部分，导致应力增高。而且，由于是在该弯曲部的附近进行摩擦搅拌接合，会受到该接合热的影响，导致强度降低。由这样的使强度降低的因素相叠加，而引起许用应力大幅度下降。

本发明的目的是不受中空型材的尺寸精度影响，却能从一面接合中空型材。

本发明的第二目的是能容易进行重叠接合的位置确定。

为达到上述目的，本发明用多个筋来连接两张面板之间，准备一方的面板的端部比另一方的面板的端部突出的两个中空型材，该中空型材外面的前述面板实质上分别是平坦的；从前述另一方的面板侧通过摩擦搅拌接合来相互接合前述突出的面板；接着，将与前述突出的一方的面板实质上平行的一个连接板分别重叠到前述中空型材的前述另一方的面板的端部上，在进行该重叠时，通过前述连接部件或者前述另一方的面板上设置的凸起部来确定前述连接部件相对于前述中空型材的位置；从前述中空型材的外侧对前述重叠部分进行摩擦搅拌接合。

为达到上述第二目的，本发明将第一部件的端部重叠到第二部件的端部上，在进行该重叠时，通过设置于前述第一部件或前述第二部件上的凸起部来确定前述第一部件相对于前述第二部件的位置；对前述重叠的部分进行摩擦搅拌接合。

图1是本发明一实施例的接合部的主要部分的纵剖面图；

图2是本发明一实施例的接合部的纵剖面图；

图3是本发明一实施例的一组中空型材的纵剖面图；

图4是铁路车辆的车体的斜视图；

图5是本发明的其它实施例的主要部分的纵剖面图；

图6是本发明的其它实施例的主要部分的纵剖面图；

图7是本发明的其它实施例的主要部分的纵剖面图。

通过图1～4说明本发明的一实施例。在以下的说明中，使用图1中未记载的部件的标记。在此情况下，从部件标记减去10计算出的部件标记相当于右半部分的部件标记的部件。图1是图2的主要部分的放大图，图2是图3的主要部分的放大图，图3是图4的侧构体的主要部分的纵剖面图。

车体200由构成侧面的侧构体201、构成车顶的车顶构体202、构成底板的底架203、和构成纵向端部的端构体204组成。侧构体201、车顶构体202、底架203分别由多个挤压型材接合构成。挤压型材的纵向作为车体的纵向方向。挤压型材为铝合金制造的中空型材。

下面说明构成侧构体201的中空型材10、20的构成及其接合方法。在其它场所，其它的构体也是同样的。

中空型材10、20由两张面板11、12、21、22与多个筋13、23构成，这些筋配置成构架(桁架)状。两张面板11、12(21、22)实质上平行。由筋12、23构成的构架的间距相同。构架由筋13、23、面板11、12、21、22的板厚的中心线构成。顶点位于面板11、12、21、22侧。

在车内侧的构架的顶点附近一体地设置用于安装机器的轨道19、29。轨道19、29由L状的两个部件构成。轨道成为内装板和椅子等机器的安装座。

位于车体外面侧位置的面板12、22的端部比车内侧的面板11、21的端部更向邻近的中空型材20、10侧突出。该突出的面板被称为12b、22b。面板12b、22b的端部相互对接进行摩擦搅拌接合。减小对接部的间隙地进行对接。面板12b、22b的板厚比其它部分的面板12、22的板厚要厚。

中空型材10、20将面板12、22朝向下方地放置到基座240上。面板11、21侧朝向上浮。从上方将转动工具250插入接合部，进行摩擦搅拌接合。也可以从车内侧进行摩擦搅拌接合。

面板12b、22b的端部具有向车内侧(即面板11、21侧)突出的凸起部16、26。凸起部16、26的高度实质上相同。

车内侧的面板11的端部与面板21的端部之间通过连接部件30进行接合。连接部件30被放置到面板11、21上(重叠)。接合部是筋23A(13A)与筋23B(13B)的交点。

连接部件30的两端上具有向上方突出的凸起部35。凸起部35的上面具有V字状的沟36。沟36位于凸起部35的宽度的中央。凸起部35的宽度比转动工具25的大直径部252的直径要大。沟36作为引导转动工具250的位置检测用的对象物。用激光传感器检测出沟36，使转动工具250的轴心与沟36一致。在沟36的延长线上即转动工具250的轴心上，具有两个筋13A(23A)与13B(23B)的交点。

在凸起部35、35的相对侧的面上具有凸起部37、37。凸起部37、37的间隔比面板11、21的端部的间隔要小。凸起部37的宽度比凸起部35的宽度要小。

连接部件30与面板11、21的重叠面为平面，没有起伏，两者接触。连接部件30为与中空型材10、20同一材质的挤压型材。连接部件30的长度与中空型材10、20的长度相同。

从面板11的端部到面板21的端部的距离P(从中空型材10的端部的构架的顶点到中空型材20的端部的构架的顶点的距离)与其它位置的构架的间距P相同。

中空型材的构架为以面板11、12、21、22侧为顶点的两等边三角形。但是，中空型材10、20的端部的构架不是两等边三角形。构成中空型材10、20的端部的构架的筋13A、23A相对于垂直线构成角度θ1。构成前述端部的构架的筋13B、23B相对于垂直线构成角度θ2。θ1＜θ2。

因此，筋13A(23A)被连接在面板12(22)的途中。在筋13A与面板12的连接部和筋23A与面板22的连接部之间形成插入摩擦搅拌接合装置的空间。

由于筋13A、23A比筋13B、23B更加立起(θ1较小)，因此筋13A、23A的板厚比筋13B、23B板厚要大。筋13B、23B的板厚比其它筋13的板厚要大。筋13A、13B、13与面板11、12、21、22的连接部为圆弧状。而且，连接部的厚度根据强度来确定。

下面说明该构造体的制造方法。中空型材10、20放置并固定到基座240上。面板12b、22b的端部的对接部接触或者靠近。通过电弧焊接从上方暂时固定(点固)面板12、22的对接部的凸起部16、26。这种暂时固定的焊接为点焊方式。

用于放置面板12b、22b的对接部的基座240的上面是平坦的。面板12b、22b的对接部附近，筋13A、23A与面板12b、22b的交点附近，筋13B、23B与面板12、22的交点附近这三者放置在同一高度的基座240上。

在该状态下，将摩擦搅拌接合装置的转动工具250从上方插入凸起部16、26的对接部，沿接合线移动，由此进行摩擦搅拌接合。转动工具250的轴心位于垂直方向(沿接合部的法线方向)。但是，相对于转动工具250的行进方向，轴心在公知的方式中是倾斜的。用前述传感器检测出2个凸起部16、26的对接部，求出对接部的间隙位置，将转动工具250的轴心设置于该间隙内。

转动工具250由大直径部252与其前端的小直径部251构成。小直径部251的前端位于面板12b、22b下面的附近位置。大直径部252的下端位于凸起部16、26的顶部与面板12b、22b的车内侧面(面板11、21侧的面)之间的位置。大直径部252的直径比两个凸起部16、26所构成的宽度要小。小直径部251上有螺纹。

通过该摩擦搅拌接合，面板12b、22b的对接部之间的间隙被填埋，由此进行接合。对接部的外面侧(车外侧)是平坦地接合。面板12b、22b的外面侧上没有接合线的凹部。

凸起部16、26的上面由转动工具250的大直径部252而形成凹状。凹部的两侧为未接合部。

接着，将连接部件30放置到面板11、21上。通过凸起部37、37来确定连接部件30与面板11、21的重叠量。然后，将连接部件30的端部相对于面板11、21分别通过电弧焊接暂时固定。暂时固定的焊接采用点焊的方式。其为填角焊接。

接着，采用面板12b、22b的对接部的摩擦搅拌接合中所用的摩擦搅拌接合装置来进行连接部件30与面板11、21的重叠接合。在将转动工具250从上方插入连接部件30与面板21(11)的重叠部分的状态下，一边沿接合线(即沿沟36)移动，一边进行摩擦搅拌接合。接合线为型材的纵向。

凸起部35的宽度比转动工具250的大直径部252的直径要大。凸起部35的宽度的中央形成有沟36。转动工具250的转动轴心与沟36一致。因此，转动工具250的位置是在内侧的位置，该位置具有在连接部件30的端部不进行摩擦搅拌接合的部分。而且，转动工具250的小直径部251的前端深深地插入面板11、21的外面内。这样，进行重叠接合。大直径部252的下端位于非凸起部的连接部件30的上面与凸起部35的顶部之间。

凸起部35的上面为由转动工具250的大直径部250形成的凹状。凹部的两侧为未接合部。

由摩擦搅拌接合装置的前述传感器检测出沟36，使转动工具250沿沟36移动。因此，在接合面板12b、22b的对接部之际，可照旧利用转动工具250与之间传感器的位置关系。其它转动工具与接合部之间的关系如前所述。

转动工具250的轴心位于通过由两个筋13A、13B(23A、23B)构成的构架的顶点或其附近的垂直线上。相对于偏心的情况，则应根据连接筋与面板的圆弧形状、接合部的厚度等，相应地增大筋13A、13B(23A、23B)的板厚。

连接部件30的接合是进行与面板11之间的接合，然后进行与面板21之间的接合。如果采用两个转动工具的话，则可同时进行连接部件30两端的接合。

这样，连接部件30的接合为重叠接合，而不是对接接合。因此，由于两个中空型材10、20的制造公差、两个中空型材的配置间隔公差，即使这两个中空型材10、20的间隙发生变化，也能够接合连接部件30。特别是，在将多个中空型材并置，一次进行接合的情况下，误差会增大。但在该情况下，由于是采用重叠接合，因而容易进行接合。

而且，由于是将连接部件30在面板11、21上进行重叠接合，因此不存在型材10、20的面板侧的弯曲场所，不会产生应力集中。

此外，可以从单面侧进行中空型材的两面的接合。因此，不必反转接合一面的构造体。这样，可以廉价且高精度地进行制造。

而且，面板12b、22b的接合部的外面是平坦地接合的。凸起部16、26、35位于构造体内及车内侧，不是在要求平滑面的场所(外面侧、车外侧)。此外，在车外侧没有由转动工具切削产生的凹部。因此，不需要进行凸起部的切削等，可以廉价地制造车体。

此外，连接部件30接合时的插入力是由朝向转动工具250的轴心配置的两个筋13A、13B(23A、23B)来支承的。因此，可以抑制筋13A、13B(23A、23B)的弯曲。可以减薄筋13A、13B(23A、23B)的板厚，获得轻量化。不用说还可以抑制面板11、21、30的弯曲。

由于支承筋13A、13B(23A、23B)的基座240位于同一高度，因此可以防止面板12、22弯曲。

而且，在接合后作为构造体使用时，实质上全部以构架构造来构成。中空型材10、20的接合部也为构架构造。因此，可提高外面弯曲刚度，获得轻量化。

此外，由于连接部件30、筋13A、23A之间的面板12b、22b、筋13A、23A实质上构成构架，因此该部分不会特别弱。但板厚方面值得研究。

而且，筋13A、23A的倾斜角θ1可以比筋13B、23B的倾斜角θ2大。这样，连接部件30的宽度增大，其板厚必然要增厚，从而重量增大。但是，可在为摩擦搅拌接合装置插入必需有大的开口的场合利用。

可以使筋的倾斜角θ1、θ2相同，成为两等边三角形。这样，筋13A、13B(23A、23B)的板厚可相同。而且，可以使筋13A、23A的板厚比图1的场合还要减薄。但是，如果使该两等边三角形的构架的大小与其它场所的构架的大小相同，则连接部件30的宽度增大。

然而，如果两个筋13A、13B(23A、23B)的倾斜角θ1、θ2成为图1的倾斜角θ1，则端部的构架就成为小的两等边三角形。该端部构架的底边的大小比其它场所的构架底边的大小要小。这样，从筋13B(23B)与面板12(22)之间的交点到中空型材10(20)的端部的距离可减小。因此，连接部件30的宽度与图1的连接部件30的宽度相同。

包含连接部件30部分的全部构架的间距相同。除端部的构架外，构架的大小相同。因此，中空型材的设计可标准化。

两个筋13A、13B(23A、23B)的顶点也可以位于面板21、31的外面侧。

此外，也可以用位于由两个筋13A、13B(23A、23B)构成的角度之间的角度来插入转动工具250。此时轴心朝向构架的顶点。

在上述实施例中虽然是用摩擦搅拌接合来进行连接部件30的接合，但一并使用电弧焊接也是可以的。由于上述摩擦搅拌接合是进行重叠接合，因此与对接接合相比，接合强度较弱。为此，对连接部件30的端部与面板21、31之间的对接部进行电弧焊接。电弧焊接的场所例如为强度较弱的区域。此外，也可以将电弧焊接用作修补使用。

在上述实施例中，虽然连接部件30的两端是用摩擦搅拌接合来接合的，但也可以是一端进行摩擦搅拌接合，另一端则采用电弧焊接来接合。由于电弧焊接方法的变形较大，因此优先进行摩擦搅拌接合。

上述实施例中面板11、12、21、22虽然平行，但在一方的面板相对于另一方的面板倾斜的情况中，也可采用相应的措施。

筋13A、13B(23A、23B)的板厚中，面板11、21侧的板厚比面板12、22侧的要厚。由于面板11、21侧增厚，因此接合时容易形成高温。

上述实施例中，接合部的面板虽然是水平的，但即使接合部的面板的法线倾斜也可同样进行接合。这在侧构体201的端部的接合线上容易进行。此时回转体的轴心沿着面板的法线。

沟36也可以变成凸起部。

下面说明图5的实施例。取消连接部件30的凸起部37、37，而是在面板21的上面设置三角状的凸起部28。在面板11上也同样具有凸起部。一对凸起部28之间的间隔比连接部件30的宽度要大。这样，通过目测可容易确定凸起部28与连接部件30的端部的间隔，从而容易确认连接部件30相对于面板11、21的在预定位置的重叠。

下面说明图6的实施例。在转动工具250的插入位置(两个筋23A、23B的交点附近)，在面板21(11)的上面设置凸起部29。连接部件30的下面为插入凸起部29的凹部39。考虑到一对凸起部29的间隔公差，凹部39的宽度比凸起部29的宽度要足够地大。凹部39的宽度比转动工具250的小直径部251的直径要小。小直径部251的下端到达凸起部29的基部下方(面板21的上面的下方)，以此方式插入转动工具250。凹部39及凸起部29的宽度比凸起部35的宽度要小。

这样，在凹部39与凸起部29之间的空间填充作为补填源的凸起部35的材料。由于通过转动工具250的大直径部252将该部分的材料压向下方，因此前述空间被填埋。凸起部29的材料不限于只向前述空间内移动。

在通过摩擦搅拌接合来接合连接部件30与中空型材20的场合，只在两者之间不产生间隙地进行接触。但是，凹部39与凸起部29之间存在吸收制造公差用的空间。当仍然存在该空间而进行摩擦搅拌接合时，用于补填的材料容易不足。因此，接合部的内部或外部容易产生缺陷。

在此，在凹部39与凸起部29之间的空间内填充粉状或纤维状的补填材料后，再进行摩擦搅拌接合。该材料是与连接部件30或中空型材20相同的材料或同一系列的材料。由于粉状或纤维状的物质容易变形，因此可以与凹部39与凸起部29的位置关系无关地、吸收公差、填充空间。

也可以在面板31的上面设置凹部，在连接部件30的下面设置插入前述凹部的凸起部。此时中空型材20侧的接合部的厚度增大。

下面说明图7的实施例。中空型材10C的端部的筋13C与面板11C、12C垂直(沿面板的法线方向)。转动工具250的回转轴心、沟36、凹部39、凸起部19都在筋13C的板厚的范围内。凸起部19相当于凸起部29。因此摩擦搅拌接合时的插入力被筋支承。17Cb是用于放置连接部件30的突出片。其它的中空型材的端部的筋也如此。

作为使位置配合的手段，虽然说明了凸起部37、凸起部28、凹部39和凸起部29，但其并非只用于中空型材的摩擦搅拌接合，也可用于部件的重叠接合。

本发明的技术范围不应仅限于权利要求书的各项权利要求所记载的文字或解决问题的各项手段所记载的文字，本领域的技术人员由此而容易变换的范围也是本发明所涉及到的。

按照本发明，不限制中空型材的尺寸精度，可以从一面来接合中空型材，而且可以提高接头的强度。

此外，在进行摩擦搅拌接合时，容易进行位置确定。

Claims (14)

1.构造体的摩擦搅拌接合方法，其特征是：

用多个筋来连接两张面板之间，准备一方的面板的端部比另一方的面板的端部突出的两个中空型材，该中空型材外面的前述面板实质上分别是平坦的；

从前述另一方的面板侧通过摩擦搅拌接合来相互接合前述突出的面板；

接着，将与前述突出的一方的面板实质上平行的一个连接板分别重叠到前述中空型材的前述另一方的面板的端部上，在进行该重叠时，通过前述连接部件或者前述另一方的面板上设置的凸起部来确定前述连接部件相对于前述中空型材的位置；

从前述中空型材的外侧对前述重叠部分进行摩擦搅拌接合。

2.如权利要求1所述的构造体的摩擦搅拌接合方法，其特征是：

在与前述另一方的面板重叠的前述连接部件的面上具有凹部，将前述另一方的面上设置的凸起部插入前述凹部内，通过前述摩擦搅拌接合对该插入的部分进行摩擦搅拌接合。

3.一种构造体，其特征是：

接合两个中空型材；

该每个中空型材用多个筋来连接其两张面板之间，其中一方的面板的端部比另一方的面板的端部突出；

用摩擦搅拌接合来相互接合前述突出的面板；

将与前述突出的一方的面板实质上平行的一个连接板重叠到前述中空型材的各个前述另一方的面板的端部上，对该重叠部分进行摩擦搅拌接合；

沿前述连接部件的端部在前述另一方的面板的外面设于凸起部。

4.一种构造体，其特征是：

接合两个中空型材；

该每个中空型材用多个筋来连接其两张面板之间，其中一方的面板的端部比另一方的面板的端部突出；

用摩擦搅拌接合来相互接合前述突出的面板；

将与前述突出的一方的面板实质上平行的一个连接板重叠到前述中空型材的各个前述另一方的面板的端部上，对该重叠部分进行摩擦搅拌接合；

在面向前述突出的面板的前述连接部件的面上具有突出的凸起部，该凸起部靠近前述另一方的面板。

5.一种构造体的摩擦搅拌接合方法，其特征是：

将第一部件的端部重叠到第二部件的端部上，在进行该重叠时，通过设置于前述第一部件或前述第二部件上的凸起部来确定前述第一部件相对于前述第二部件的位置；

对前述重叠的部分进行摩擦搅拌接合。

6.如权利要求5所述的构造体的摩擦搅拌接合方法，其特征是：

在前述第一部件的重叠面上具有凹部，将前述第二部件的重叠面上设置的凸起部插入前述凹部内；

通过前述摩擦搅拌接合对该插入的部分进行摩擦搅拌接合。

7.如权利要求6所述的构造体的摩擦搅拌接合方法，其特征是：

在前述凹部与前述凸起部之间配置粉状或纤维状的材料，以此来进行前述摩擦搅拌接合。

8.如权利要求6所述的构造体的摩擦搅拌接合方法，其特征是：

从前述第一部件侧进行前述摩擦搅拌接合。

9.一种构造体，其特征是：

对两个部件的重叠面进行摩擦搅拌接合；

沿前述连接部件的端部在前述另一方的面板的外面设置凸起部。

10.一种摩擦搅拌接合用挤压型材，其特征是：

用多个筋连接两张面板之间；

一方的面板的端部位于中空型材的端部的前述筋的附近；

另一方的面板的端部比前述一方的面板的端部突出；

在前述一方的面板的外面上沿该面板的端部具有凸起部。

11.如权利要求10所述的摩擦搅拌接合用挤压型材，其特征是：

端部的前述筋与邻近的筋和前述一方的面板实质上在一点连接；

前述凸起部实质上在前述一点的外面。

12.如权利要求10所述的摩擦搅拌接合用挤压型材，其特征是：

端部的前述筋与前述一方的面板实质上垂直；

前述凸起部位于前述端部的筋的板厚的范围内。

13.摩擦搅拌接合用挤压型材，其特征是：

板的两端中一方的面上具有第一凸起部；

该第一凸起部的相对侧的面上具有比前述第一凸起部宽度小的第二凸起部。

14.摩擦搅拌接合用挤压型材，其特征是：

板的两端中一方的面上具有凸起部；

该第一凸起部的相对侧的面上具有凹部，该凹部的宽度比前述第一凸起部的宽度小。

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