CN1381370A - 摩擦搅拌接合方法与摩擦搅拌接合用中空形材 - Google Patents

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Abstract

本发明提供轻且可进行良好接合的摩擦搅拌接合方法与中空形材,使中空形材10的面板11、12与中空形材20面板21、22对接。在对接部的面板11、12的沟18中嵌入面板21、22的凸部28。连接板14与面板11、12正交。中空形材20端部没有与面板21、22正交的连接板。由摩擦搅拌接合热,面板21(22)想要沿中空形材10、20厚度方向移动,但由沟18与凸部28限制其移动。因此对接部可平地接合。在中空形材20中可除去相当于连接板14的连接板,从而可减轻重量。

Description

摩擦搅拌接合方法与 摩擦搅拌接合用中空形材
技术领域
本发明涉及摩擦搅拌接合技术，特别是关于适合中空形材的摩擦搅拌接合的方法与中空形材。
背景技术
摩擦搅拌接合方法是使插入接合部的圆棒(转动工具)一边转动一边沿接合线移动，使接合部发热软化产生塑性流动而进行固相接合的方法。转动工具由大直径部与小直径部构成。将小直径部插入要接合的构件，使大直径部端面接触前述构件。小直径部上设有螺纹。
在要接合的2个构件的转动工具插入侧设凸部，以该凸部金属为原料填埋2个构件间的间隙。转动工具的大直径部插入凸部内。
由于必须将转动工具插入接合部金属内，在接合部施加比较大的力。因此，在接合中空形材时，将连接中空形材2个面板的连接板部分作为与另一方中空形材的摩擦搅拌接合位置。这样，以前述连接板支承前述力，防止中空形材变形并进行摩擦搅拌接合。
这些在日本专利特开平9-309164号公报(EP0797043A2)、特开平11-90655号公报(USP6050474)中有所展示。
当对2块板的对接部焊接(或摩擦搅拌接合)时，由焊接热引起变形。作为其变形之一在板厚方向板发生变形。因此，在焊接部一方的板与另一方板间产生台阶。容易使平面度变差。为此，在中空形材中，在焊接部近旁设置连接2块面板的板，来防止面板在厚度方向的变形。这种连接板设在中空形材各自焊接部近旁。这种连接板正交于面板。
由于摩擦搅拌接合比电弧焊接合温度低，变形小。因此，在前述日专利特开平9-309164号公报(EP0797043A2)、特开平11-90655号公报(USP6050474)中也设了前述接合板。在前述特开平11-90655号公报(USP6050474)中、在其各自中空形材端部设置前述连接板。为此，若对其强度进行评论，则连接板将引起质量增加。
在前述特开平9-309164号公报(EP0797043A2)中仅在摩擦搅拌接合的一对中空形材一方设连接板。
发明目的
本发明的目的在于提供重量轻可进行良好接合的摩擦搅拌接合方法与中空形材。
技术方案
为达到上述目的的第一解决方法是，使第一中空形材宽度方向端部与第二中空形材宽度方向端部相对接；前述第一中空形材由两面板、第一连接板、第二连接板、凹部、设于一方前述凹部的沟或凸部、设于另一方前述凹部的沟或凸部构成，其中，第一连接板连接两面板、且其至少一端连接在除去前述端部以外的位置，上述第二连接板使前述两面板端部相互连接、且实际上与前述面板正交，上述凹部设在前述第二连接板与前述两面板的各自连接部上、并分别向该中空形材宽度方向外方与厚度方向外方开口，前述第二中空形材由两面板、第一连接板、在该中空形材前述端部设于一方前述面板的凸部或沟、以及在该中空形材前述端部设于另一方前述面板的凸部或沟构成，其中，第一连接板连接两面板且其至少一端连接于除去前述端部以外的位置。在前述对接时，前述各凸部分别嵌入前述各沟中，这时限制一方中空形材相对另一方中空形材向该中空形材厚度方向的移动；使转动工具位于前述第二连接板板厚延长线上，从前述中空形材厚度方向外方来摩擦搅拌接合前述对接部分。
为了达到上述目的的第二解决方法是，使第一中空形材宽度方向端部与第二中空形材宽度方向端部对接；前述第一中空形材由两面板、第一连接板、第二连接板、凹部、设于一方前述凹部的沟或凸部、设于另一方前述凹部的沟或凸部构成，其中，第一连接板连接两面板、且其至少一端连接于除了前述端部以外的位置，第二连接板对前述两面板端部之间进行连接、且实际正交于前述面板，凹部设于前述第二连接板与前述两面板各自的连接部、并分别向该中空形材宽度方向外方与厚度方向外方开口，第二中空形材由两面板、第一连接板、在该中空形材前述端部设于一方的前述面板并向该中空形材宽度方向外方突出的凸部或向前述外方开口的沟、在该中空形材的前述端部设于另一方前述面板并向该中空形材宽度方向外方突出的凸部或向前述外方开口的沟构成，其中的第一连接板连接前述两面板、且其至少一端连接于除了前述端部以外的位置，在前述对接时，前述各凸部分别嵌入前述各沟，使转动工具位于前述第二连接板板厚延长线上，从前述中空形材的厚度方向外方来摩擦搅拌接合前述对接部分。
为了达到上述目的的第三个方法是，使第一中空形材宽度方向端部与第二中空形材宽度方向端部对接，在前述第一中空形材宽度方向一端的2个面板的端部具有向前述宽度方向开口的沟或向前述宽度方向突出的凸部；在前述第二中空形材宽度方向一端的2个面板端部具有向前述宽度方向突出的凸部或向前述宽度方向开口的沟。在前述对接时，使前述各凸部嵌入前述各沟，对前述对接部分、及前述沟和前述凸部进行摩擦搅拌接合。
为了达到上述目的的一方中空形材，由两面板、第一连接板、第二连接板、凹部、在一方前述凹部向前述宽度方向外方开口的沟或向前述外方突出的凸部、和在另一方前述凹部向前述宽度方向外方开口的沟或向前述外方突出的凸部构成，其中，第一连接板连接前述两面板、且其至少一端连接于中空形材宽度方向除了端部以外的位置，第二连接板将前述2个面板前述端部相互连接、且实际上正交于前述面板，凹部设于前述第二连接板与前述两面板各自连接部、并分别向中空形材宽度方向外方与厚度方向外方开口。
为达到上述目的的另一方中空形材，由两面板、连接板、设于该中空形材宽度方向的前述端部一方的前述面板前端并向该中空形材宽度方向外方突出的凸部或向前述外方开口的沟、设于该中空形材宽度方向前述端部另一方的前述面板前端并向该中空形材宽度方向外方突出的凸部或向前述外方开口的沟构成，其中，连接板连接前述两面板，且其至少一端连接于中空形材宽度方向的除了端部以外的位置。
附图说明
图1是本发明一实施例中空形材接合部纵剖面图；
图2是图1中空形材接合部整体纵剖面图；
图3是铁路车辆车身立体图；
图4是本发明其他实施例中空形材10接合部纵剖面图；
图5是用于图4接合部的中空形材20的接合部纵剖面图。
实施例
现借助图1～图3来说明本发明一实施例。铁路车辆的车身500由构成侧面的侧构体501、构成车顶的车顶构体502、构成底板的台框503、构成长度方向端部的端构体504构成。侧构体501、车顶体502、台框503分别由多个挤压形材10、20接合构成。使挤压形材10、20的长度方向(挤压方向)向着车身300的长度方向、沿车身500周向并列多个。挤压形材10、20是铝合金制中空形材。
下边对构成侧构体501的中空形材10和20的接合部进行说明。同样也可适用于其他地方的中空形材的接合部。
中空形材10(20)，实际上是由平行的两块面板11(21)、12(22)、和连接这两块面板的多块连接板13(23)、14构成。连接板13(23)相对于面板11(21)、12(22)成倾斜状态。即，由面板11(21)、12(22)、连接板13(23)构成桁架。根据中空形材10、20的使用部位，一方的面板11、12相对另一方的面板12、22倾斜、或成为圆弧状、或整体成为圆弧状。
中空形材10宽度方向端部的接线板14相对面板11、12实际上成正交状态，而在中空形材20端部没有对面板21、22成正交的连接板。在连接板14与面板11、12的各自的连接部具有中空形材20面板21、22端部重叠的凹部。在前述各连接部有着支承面板21、22的突出片15。突出片15从连接板14向中空形材10宽度方向端部侧突出。前述凹部由面板11(12)、连接板14、突出片15构成。凹部向中空形材10宽度方向外方与厚度方向外方敞开。当将面板21、22重叠于凹部时，使得面板21、22端面与面板11、12端面相对接。
在面板11、12(21、22)端部分别有向中空形材10、20厚度方向外侧突出的凸部17(27)。面板11、12(21、22)的端面与凸部17(27)端面沿着中空形材10(20)厚度方向。面板11、12与凸部17端面(中空形材10的宽度方向端部)处在连接板14板厚中心C的延长线上。面板21、22及凸部27端面(中空形材20宽度方向端部)也处在连接板14板厚中心C的延长线上。
在使中空形材10与中空形材20相组合时，在连接板14板厚中心C的延长线上具有面板11、12、21、22与凸部17、17、27、27的端面。由这种组合，使得中空形材10的面板11(12)及凸部17(17)的端面、与中空形材20面板21(22)及凸部27(27)的端面相对接。这时，设置各部时要使对接部的间隙尽可能小。即，确定了面板21、22的间隔、凹部的间隔。
在使中空形材10、20对接时，面板11、12的外面与面板21、22的外面实际上处于同一面，凸部17、27的突出量也是相同的。2个凸部17、27的宽度相同。使2个凸部17、27对接起来的宽度比转动工具50的大直径部51的直径要大。凸部17、27的金属成为填埋对接部分间隙的金属原料。
在中空形材10的对接部的端面[沿中空形材10厚度方向的凹部面(实际上与面板11、12正交的面、沿中心C的面。)]沿中空形材10长度方向设有沟18、18。在中空形材20对接部的端面(实际与面板21、22正交的面、沿中心C的面)上沿中空形材20长度方向设有凸部28、28。凸部28嵌入沟18。
为使凸部28容易插入沟18中，沟18与凸部28都做成梯形。凸部28的宽度其前端侧比基部要小。沟18的宽度其底部比开口部侧要小。沟18、凸部28的各自的角部形成为圆弧状。将凸部28与沟18的大小做得在两者组合了时两者之间的间隙尽可能小。特别是，中空形材10、20厚度方向的沟18与凸部28间的间隙要小。或者，在中空形材10、20厚度方向上，最好沟18与凸部28接触。
中空形材10(20)的厚度方向上的沟18(凸部28)的位置只要处在面板11、12(21、22)与凸部17、17(27、27)相重合的厚度范围内即可。面板11、12、21、22的对接部板厚比其他部分的厚度厚。由于中空形材厚度方向的外面侧实际上必须做平，向着面板内面侧突出地变厚。这个厚度随着离开对接部而渐渐变薄。凹部底面实际平行于面板11、12、21、22的外面。
接合时，使2个中空形材10、20像图1那样配合起来。凸部28、28嵌入沟18、18中。由于沟18向中空形材宽度方向端部侧开口，凸部向中空形材宽度方向端部侧突出，可很容易地配合。
一旦配合后即将中空形材10、20固定于台架100上。101是下面的凸部17、27的置入沟。固定后，间隔临时固定焊接对接部上面侧。
转动工具50在大直径部51的前端设有小直径部52。在小直径部52上设置螺纹。在接合时，将转动工具50插入对接部。使转动工具50的轴心15位于连接板14板厚中心C的延长线上。使大直径部51的下端位于面板11、21(12、22)外面延长线与凸部17、27(17、27)顶面之间。小直径部52插入面板11(12)与面板21(22)的对接部。小直径部52的下端插入得比突出片15的上面(凹部底面)若干深一些。插入小直径部52以使得至少塑性流动到突出片15。
在使转动工具50的轴心位于连接板14板厚中心C的延长线上时，沟18位于小直径部52的直径范围内。凸部28也位于小直径部52的直径范围内。在这种状态，使转动工具50一边转动，一边沿对接部的接合线移动。
如果一方面侧的摩擦搅拌接合结束，则使中空形材10、20上下翻转，同样进行摩擦搅拌接合。
而后，切削位于车身500外面侧的凸部17、27，使得接合部的外面与面板11、21(12、22)的外面相齐平。
由于这样，即使因摩擦搅拌接合引起的摩擦热使面板21(22)变形，由于使凸部28与沟18嵌合着，可以防止或限制面板21(22)的上下方向的移动。因此，在面板11(12)与面板21(22)间可实现台阶很小的接合。
因此，摩擦搅拌接合后，可减少用于消除前述台阶的切削作业。由此而减小成本。另外，还可预先除去在中空形材20端部与面板21、22正交的连接板。由此可得到廉价而轻的中空形材20。
在使转动工具50的轴心位于连接板14板厚中心C的延长线时，沟18位于小直径52的直径范围内。凸部28也位于小直径部52的直径范围内。因此，即使沟18与凸部28间有间隙，间隙也可被填埋、被接合。即使沟18与凸部28不位于小直径部52的直径范围内，也可由小直径部52使沟18与凸部28塑性流动来确定沟18与凸部28的位置与大小。
由于转动工具50位于连接板14板厚的延长线上，摩擦接合时的载荷由连接板14支承，接合部变形小。连接板14具有支承该载荷的刚性。最好是使转动工具50的轴心位于连接板14板厚中心C的延长线上。
由于沟18与凸部28的一部设置于比面板11、21、12、22(除了凸部17、27部分以外)外面的延长线还靠外面侧的凸部17、27的部分(凸部17、27突出量部分)上，故可很容易地设置所需大小的沟18与凸部28。
最好是使转动工具50的轴心、凸部17、27的端部实际位于连接板14板厚中心C的延长线上。
在上述实施例中，在中空形材10的凹部设沟18，在中空形材20上设凸部28；但也可以在中空形材10的凹部设凸部28，而在中空形材20的面板21、22的端部设沟18。可是，一般认为在制作挤压成形形材时，可以正确地制造出前者。
另外也可以，在一方面板11侧(一方的凹部侧)设沟18，在另一方面板12侧(另一方凹部侧)设凸部28，在一方面板21上设凸部28，在另一方面板22上设沟18。
下面来说明图4、图5的实施例。沟18的深度中心位于连接板14板厚中心C的延长线上。因此，面板11、12与凸部17的对接部端面突出到比连接板14板厚中心C更靠中空形材10的端部侧。中空形材20的对接部与之相对应设置。即，面板21、22与凸部27的对接部端面(除了凸部28以外)突出到比连接板14板厚中心C延长线更靠中空形材10的宽度方向另一端侧。因此，凸部17的宽度比凸部27的宽度要宽。
使转动工具50的轴心位于连接板14板厚中心C的延长线上进行摩擦搅拌接合。当摩擦搅拌接合时，求出凸部17、27的对接部位置，将从该位置向中空形材10侧偏移规定量位置定为转动工具50的位置。
如这样，可加大转动工具50(小直径部52)轴心相对沟18与凸部28的容许位置错动量。
最好是使转动工具50轴心、沟18深度中心实际位于连接板14板厚中心C的延长线上。
在上述各实施例中，为了支承摩擦搅拌接合时的载荷，设置了连接板14。但是，如在由面板11、12、21、22与连接板13、23形成的空间里配置支承构件以支承前述载荷的话，也可以除去连接板14。中空形材10、20的宽度方向的端部位置(沟18、凸部28的位置，即对接部的位置)实际上是同一位置。支承构件比如可以载置于下方面板12、22上。
本发明的技术范围并不仅限于权利要求书的各权利要求项中所记述内容或技术方案部分中记述的内容，它可扩展到本技术领域的人员从其很容易更换的范围。
发明效果
如依本发明，可以较轻重量、进行良好的摩擦搅拌接合。

Claims (24)

1.一种摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
使第一中空形材的宽度方向端部与第二中空形材的宽度方向端部相对接；
前述第一中空形材由2个面板、第一连接板、第二连接板、凹部、设于一方前述凹部的沟或凸部、设于另一方的前述凹部的一沟或凸部所构成；其中，第一连接板连接前述两面板、且其至少一端连接于除了前述端部以外的位置，第二连接板将前述两面板端部相互连接起来，并实际上与前述面板正交，凹部设于前述第二连接板与前述两面板的各连接部、并分别向该中空形材宽度方向外方与厚度方向外方开口；
前述第二中空形材由2个面板、第一连接板、在该中空形材前述端部设于一方前述面板上的凸部或沟、在该中空形材前述端部设于另一方前述面板上的凸部或沟所构成；其中第一连接板连接前述两面板、并且至少一端连接于除了前述端部以外的位置；
在进行了前述对接时，前述各凸部进入前述各自沟中，这时一方中空形材相对于另一方中空形材以实际上被限制了向该中空形材厚度方向移动的方式配入着；
使转动工具位于前述第二连接板的板厚延长线上，从前述中空形材厚度方向的外方对前述对接部分进行摩擦搅拌接合。
2.按权利要求1所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，由前述摩擦搅拌接合使前述对接部分、及前述沟与前述凸部分别相接合。
3.一种摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
将第一中空形材宽度方向端部与第二中空形材宽度方向端部对接起来；
前述第一中空形材由2个面板、第一连接板、第二连接板、凹部、设一方上述凹部的沟或凸部、设于另一方上述凹部的沟或凸部构成；其中第一连接板连接前述两面板、且其至少一端连接于除了前述端部以外的位置，第二连接板将前述两面板的端部相互连接起来，且实际上与前述面板正交，凹部则分别设于前述第二连接板与前述两面板各连接部、并分别向该中空形材的宽度方向外方与厚度方向外方开口；
前述第二中空形材由两面板、第一连接板、在该中空形材前述端部设于一方的前述面板的、向该中空形材宽度方向外方突出的凸部或向前述外方开口的沟、在该中空形材前述端部设于另一方前述面板的向该中空形材宽度方向外方突出或向前述外方开口的沟构成；其中，第一连接板连接前述两面板，且其至少一端连接于除了前述端部以外的位置；
在进行了前述对接时，前述各凸部分别嵌入前述各沟；
使转动工具位于前述第二连接板板厚延长线上，从前述中空形材的厚度方向外方对前述对接部分进行摩擦搅拌接合。
4.按权利要求3所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，前述摩擦搅拌接合是将前述对接部、及前述沟和前述凸部进行摩擦搅拌接合。
5.按权利要求4所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，在使前述沟与前述凸部位于插入前述中空形材的前述转动工具小直径部的直径范围内的状态下进行前述摩擦搅拌接合。
6.按权利要求5所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，使前述转动工具轴心位于前述沟深度范围内地进行前述摩擦搅拌接合。
7.按权利要求4所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，使前述转动工具轴心位于前述沟深度范围内地进行前述摩擦搅拌接合。
8.按权利要求3所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，作为前述第一中空形材的各前述凹部的前述沟或前述凸部，有前述沟；
作为前述第二中空形材的各前述面板的前述凸部或前述沟，有前述凸部。
9.一种摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
使第一中空形材宽度方向端部与第二中空形材宽度方向端部相对接；
前述第一中空形材在其宽度方向一端两面板端部具有向前述宽度方向开口的沟或向前述宽度方向突出的凸部；
前述第二中空形材在其宽度方向一端的两面板的端部具有向前述宽度方向突出的凸部或向前述宽度方向开口的沟；
在前述对接了时，使前述各凸部分别嵌入前述各沟中；对前述对接部、及前述沟和前述凸部进行摩擦搅拌接合。
10.按权利要求9所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，在使前述沟与前述凸部位于插入前述中空形材的前述转动工具小直径部内的状态下进行摩擦搅拌接合。
11.按权利要求10所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，使前述转动工具轴心位于前述沟深度范围内地进行摩擦搅拌接合。
12.按权利要求9所记述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，使前述转动工具轴心位于前述沟深度范围内地进行摩擦搅拌接合。
13.一种摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，它是由两面板、第一连接板、第二连接板、凹部、在另一方的前述凹部向前述宽度方向外方开口的沟或向前述外方突出的凸部构成；其中，
第一连接板连接前述两面板，其至少一端连接于中空形材宽度方向除了端部之外的位置，
第二连接板将前述两面板的前述端部相互连接起来，并实际上与前述面板正交，
凹部分别设于前述第二连接板与前述两面板的各连接部上、并分别向中空形材宽度方向外方及厚度方向外方开口。
14.按权利要求13所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，前述沟或前述凸部处于前述第二连接板板厚延长线上。
15.按权利要求13所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，前述沟或前述凸部处于前述第二连接板板厚实际中心延长线上。
16.按权利要求13所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，前述沟深度中心或前述凸部突出量中心处于前述第二连接板板厚实际中心延长线上。
17.按权利要求13所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，
在前述凹部侧一方的前述面板端部、前述凹部侧另一方前述面板端部分别有向前述厚度方向外方突出的第二凸部；
前述沟的一部分或前述凸部一部分位于前述第二凸部突出量范围内。
18.按权利要求13所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，在前述各凹部有作为前述沟或前述凸部的前述沟。
19.按权利要求13所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，在前述各凹部有作为前述沟或前述凸部的前述凸部。
20.一种摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，它由两面板、连接板、一凸部或沟设于该中空形材宽度方向前述端部一方前述面板前端的向该中空形材宽度方向外方突出的凸部或向前述外方开口的沟、设于该中空形材宽度方向前述端部另一方前述面板前端的向该中空形材宽度方向外方突出的凸部、或向前述外方开口的凹部构成；其中，
连接板连接前述两面板、且其至少一端连接中空形材宽度方向的除了端部之外的位置。
21.按权利要求20所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，在前述各面板端部具有作为前述凸部或前述沟的前述凸部。
22.按权利要求20所记述的摩擦搅拌接合和中空形材，其特征在于，在前述各面板的前端具有作为前述凸部或前述沟的前述沟。
23.按权利要求20所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，在具有前述凸部或前述沟的前述一方面板端部、前述另一方面板的端部上分别具有向前述厚度方向外方突出的第二凸部；
前述凸部或前述沟的一部分位于前述第二凸部突出量的范围内。
24.按权利要求20所记述的摩擦搅拌接合用中空形材，其特征在于，在前述中空形材宽度方向中，具有前述凸部或前述沟的前述一方的面板端部、和前述另一方面板端部实际上处在同一位置。
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