JP2000218382A

JP2000218382A - 中空形材

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Publication number: JP2000218382A
Application number: JP11024636A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kawasaki; 健川崎; Sumio Okuno; 澄生奥野; Toshiaki Makino; 俊昭牧野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2000-08-08
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: US6582832B2; US20010006710A1; JP3459187B2

Abstract

(57)【要約】【課題】中空形材を摩擦攪拌接合で施工する場合におい
て、接合による継手部の強度低下を抑制する継手形状を
提供する。【解決手段】中空形材１００（１１０）の端部のリブ１
０５（１１５）とリブ１０５（１１５）との間の面板１
０１（１１２）は、リブ１０５（１１５）側がｔ２（ｔ
５）であり、リブ１０５（１１５）側がｔ１であって、
ｔ２（ｔ５）がｔ１よりも厚い。両者の間は滑らかに変
化させている。このｔ２（ｔ５）の板厚は他方側の面板
側に突出させて設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合に供
するための中空形材の継手形状に関するものである。例
えば、鉄道車両や建築物等に使用されるアルミニウム合
金製の中空形材に関する。

【０００２】

【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した
丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿
って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動さ
せ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿
入する小径部と、外部に位置する大径部とからなる。小
径部と大径部は同軸である。小径部と大径部の境は、接
合部に若干挿入されている。回転工具は接合の進行方向
に対して、後方に傾斜させている。

【０００３】また、被接合部材が中空形材の場合、その
端部の継手は、一方の中空形材の端部に２つの面板を接
続するリブがあり、他方の中空形材の端部の面板を前記
リブに重ねている。また、前記リブを中心として、それ
ぞれの面板に外面側に突出する凸部がある。この部分を
摩擦攪拌接合する。

【０００４】これは特表平０９−５０８０７３号公報
（ＥＰ０７５２９２６Ｂ２）、特開平０９−３０９１６
４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】中空形材を用いて構造
体を接合する場合、継手の構造は他の部位と異なり複雑
な形状を有する。このため、継手の強度の低下を防止す
る必要がある。

【０００６】溶接による強度低下を防ぐため、溶接方法
に関わらず、継手は他の部位と比較して板厚を厚くする
ことが知られている。しかし、一般的な部位では軽量化
を目的として板厚をできるだけ薄くしている。これによ
り、構造体を構成する一般的な部位と継手との間に大き
な剛性の差が生じる。隣接する部位間での剛性の差は、
応力集中の発生、曲げモーメントにより面外曲げ変形を
発生させる。このため、複雑な応力場を形成し、強度が
低下する。

【０００７】さらに、摩擦攪拌接合方法を用いる場合
は、回転工具を中空形材に挿入するので、挿入方向に大
きな荷重が作用する。この荷重は２つの面板を接続する
リブで受ける。また、挿入方向のみならず半径方向にも
力が作用する。このため、挿入に伴って発生する荷重を
負担する目的で前記リブを設け、リブの板厚を増加させ
ている。また、接合部の形状は複雑になる。このように
強度を高めるために継手径形状をを複雑にすると、中空
形材を構成する一般的な部位との間の剛性の差はますま
す大きくなる。これは面外曲げモーメントを増大させ、
継手の機械的強度を低下させる。このように、接合時に
発生する荷重に強度的に耐え得る構造にした場合、剛性
差が生じるために実用上必要な機械的強度は低下すると
いう二律背反の関係が生じる。

【０００８】さらに、構造体の中空押出形材に引張りや
面外曲げ変形が発生した場合、その荷重は主に面板が負
担する。ここで、面板と前記リブとの交点では断面が急
変して応力が集中し、他の一般的な部位と比較して高い
応力が発生する。このため、面板とリブの交点では面板
の一般的な部分に発生する応力と比較してさらに高い応
力が発生し、強度を低下させる原因となる。

【０００９】以上に加えて、摩擦攪拌接合やＭＩＧ溶接
などの溶接方法に係わらず、溶接のための熱影響部にお
いて強度が最も弱くなることが知られている。ＭＩＧ溶
接と比較して熱影響部の幅が狭い摩擦攪拌接合の場合で
さえも、熱影響部の幅はツール中心から約１３ｍｍであ
るという報告が、溶接学会全国大会講演概要（１９９８
−１０）のｐ３３２−ｐ３３３に報告されている。本報
告によれば、複雑な形状をした継手のほぼすべてが熱影
響部であるといえる。

【００１０】以上により、摩擦攪拌接合用の継手では、
（１）剛性（板厚）の差により誘起される曲げモーメン
ト、（２）継手の特有の複雑な形状による応力集中、
（３）溶接による熱影響、（４）リブと面板が接続する
ことによる応力集中の影響が相乗するために、当該部分
において強度が著しく低下する。

【００１１】本発明の目的は、摩擦攪拌接合において、
強度が低下しない継手構造を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、実質的に平行
な二つの面板と、前記面板の端部において、前記面板同
士を接続する第１のリブと、前記第１のリブよりも他端
側において、前記面板同士を接続する第２のリブと、か
らなる中空形材において、前記第１のリブと前記面板と
の接続部の前記面板の板厚が、前記第２のリブと前記面
板との接続部の板厚よりも厚く、前記厚くなった前記面
板は他方の前記面板側に突出して厚くなっていること、
を特徴とする中空形材である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１から図３
によって説明する。図３において、鉄道車両構体２００
は、車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する
妻構体２０１、車体長手方向に対して左右の面を形成す
る側構体２０２、屋根を形成する屋根構体２０３、及び
床面を形成する台枠２０４から構成されている。側構体
２０２には窓や出入り口の開口がある。鉄道車両構体２
００は、その全部または一部について、アルミニウム合
金製中空押出形材（以下、中空形材という。）１００、
１１０を接合して構成している。側構体２０２、屋根構
体２０３に中空形材１００、１１０を配置した場合を示
している。中空形材１００、１１０はその押し出し方向
（長手方向）を車体の長手方向に配置している。

【００１４】図２において、接合する中空形材１００、
１１０の継手の周辺を示す。中空形材１００（１１０）
は、平行な２枚の面板１０１、１０２（１１１、１１
２）と、面板同士を接続するもであって、面板に対して
傾斜した複数のリブ１０３（１１３）と、中空形材１０
０（１１０）の端部において、２つの面板１０１、１０
２（１１１、１１２）を接続するものであって、面板に
直交したリブ１０５（１１５）とからなる。リブ１０３
（１１３）はトラス状に配置されている。リブ１０５
（１１５）とこれに隣接するリブ１０３（１１３）との
間には面板１０１、１０２（１１１、１１２）がある。
２枚の面板は、一方が他方に対して傾斜していてもよ
い。

【００１５】図１において、継手について説明する。こ
こでは図２において上面の中空形材１００、１１０の継
手を説明するが、下面の継手も同様である。後述の他の
実施例の継手形状においても、上面の構成と下面の構成
は同様である。

【００１６】中空形材１００の面板１０１はリブ１０５
よりも端部側に突出している。面板１０１の端部はリブ
１１５の板厚の範囲内に位置している。面板１０１を受
け入れるように、中空形材１１０の端部の面板１１１側
は凹部になっている。

【００１７】中空形材１１０の端部はリブ１１５よりも
端部側に突出する突出片１１６がある。突出片１１６は
面板１０１の端部の裏側に位置して、裏当てになってい
る。

【００１８】中空形材１００（１１０）の面板１０１
（１１１）の端部の外面側は突出して突出部１０７（１
１７）になっている。

【００１９】面板１０１（１１１）の突出部１０７（１
１７）の端部の面は面板に直交している。前記凹部の面
板１１１側の面（面板１０１の端部が突き合わせられる
面）は面板１１１に直交している。前記凹部の面板１１
１側の面はリブ１１５の板厚の範囲内にある。

【００２０】リブ１０３、１０５（１１３、１１５）と
面板１０１（１１１）等との接続部は円弧状である。リ
ブ１１５と面板１１１との接続部は中空部側に円弧状に
突出する突出部１１８有する。リブ１０５と面板１０１
との接続部の円弧の半径Ｒ１は、リブ１０５と面板１０
１との鋭角側の接続部の円弧の半径Ｒ２よりも大きい。

【００２１】リブ１０５と面板１０１との接続部の面板
１０１の板厚ｔ２は、リブ１０３と面板１０１との接続
部の面板の板厚ｔ１や一般部の面板１０１の板厚ｔ１よ
りも大きい。面板１０１の外面は突出部１０７を除いて
平坦である。板厚ｔ２は中空部側（他方の面板１０２
側）に突出させて厚くしている。リブ１０３とリブ１０
５の間の面板１０１は滑らかに変化させている。板厚ｔ
２から板厚ｔ１までの距離は摩擦攪拌接合の熱影響を考
慮して定める。

【００２２】突出部１１７側の面板１１１の板厚ｔ５
は、リブ１１５と面板１１１との接続部の面板の板厚ｔ
１や一般部の面板１１１の板厚ｔ１よりも大きい。面板
１１１の外面は突出部１１７を除いて平坦である。板厚
ｔ５は中空部側に突出させて厚くしている。板厚ｔ５か
ら面板１１の板厚ｔ１までの距離は摩擦攪拌接合の熱影
響を考慮して定める。ｔ５からｔ１までの面板１１１の
板厚は滑らかに変化させている。

【００２３】面板１０２（１１２）側の板厚ｔ２（ｔ
５）からｔ１までの面板１０２の距離は、面板１０１
（１１２）側の板厚ｔ２（ｔ５）からｔ１までの面板１
０１の距離と同様である。

【００２４】リブ１１５の板厚の延長線上に摩擦攪拌接
合用の回転工具の中心が位置する。このため、リブ１１
５は回転工具の挿入力の大部分を支える。

【００２５】２つの中空形材１００、１１０の突合せ部
（中空形材１００の端部と中空形材１１０の端部との突
合せ部）の間には図においては隙間がないが、隙間があ
ることが多い。

【００２６】回転工具は大径部と先端の小径部とからな
る。小径部と大径部との境の一部を面板１０１、１１１
の外面と突出部の外面との間に位置させて、摩擦攪拌接
合する。小径部の先端は突出片１１６の上面まで達す
る。大径部の径は２つの突出部１０７、１１７を合わせ
た幅よりも小さい。摩擦攪拌接合の後、突出部１０７、
１１７が不用の場合は切削する。これによって、構造体
の外面は平坦になる。

【００２７】かかる構成によれば、面外曲げモーメント
が極大となる継手近傍の面板において断面係数を増加さ
せることができる。断面係数、面外曲げモーメントと発
生応力の関係は、次式で表すことができる。

【００２８】σ＝Ｍ／Ｚ … （１） σ：発生応力Ｍ：面外曲げモーメントＺ：断面係数また、単位幅当たりの断面係数Ｚは、以下の形で表すこ
とができる。

【００２９】Ｚ＝ｈ＊ｈ／６ … （２）Ｚ：断面係数ｈ：板厚式（２）において、分子の面外曲げモーメントＭは一定
であるのに対し、板厚を増加することにより分母の断面
係数Ｚは板厚の２乗に比例して増加する。このため、面
外曲げモーメントに起因する応力の発生を低減すること
ができる。さらに、継手と面板の接合部において最も面
外曲げモーメントは大きくなり、遠ざかるに連れて小さ
くなる。このため、面外曲げモーメントが大きい部分で
は板厚を大きく向上して応力を大きく低減し、面外曲げ
モーメントが小さい部分では板厚を少し向上して応力を
少し低減することにより、軽量化をはかることができ
る。さらに、面板の内側の板厚を増加させることによ
り、面板と継手間の剛性を滑らかに変化させることが可
能となる。このため、継手形状やリブの存在に起因する
応力集中を低減することができる。さらに、外観上平滑
な表面を得ることができるので、見栄えが良い。

【００３０】また、リブ１０５と面板１０１との鋭角側
の接続部の円弧の半径Ｒ２はリブ１０５と面板１０１と
の接続部の円弧の半径Ｒ１も大きい。このため、摩擦攪
拌接合による熱影響により強度が低下する部分の応力集
中を低減し、強度を向上することができる。

【００３１】図４の実施例を説明する。継手の近傍（リ
ブ１０５、１１５の近傍）の面板１０１、１１１の板厚
は全てｔ２、ｔ５にしている。面板１０２（１１２）側
において、板厚ｔ２（ｔ５）の面板の距離は面板１０１
（１１２）側のリブ１０５（１１５）からリブ１０３
（１１３）までの距離と同様である。

【００３２】継手の近傍は形状が複雑であるために、応
力の分布や変形モードを特定することが困難である。し
かし、本実施例によれば応力の分布や変形モードに関係
なく強度を向上することができる。

【００３３】図５の実施例を説明する。継手の近傍の面
板１０１、１１１の外面側には複数のフイン１０９、１
１９を一体に設けている。

【００３４】これによれば、接合よって発生する熱はフ
イン１０９、１１９から放熱されるので、熱が影響して
強度を低下する領域が狭まり、強度を向上することがで
きる。

【００３５】図６の実施例を説明する。突合せられる面
板１０１、１１１の端部（突出部の端面）を中心とし
て、同一距離の位置にリブ１０５、１１５がある。リブ
１０５からリブ１１５までの距離（リブ１０５、１５の
板厚の中心間の距離ではなく、リブ１０５、１１５の中
空部側の面の間の距離）よりも、回転工具の大径部の径
が大きい。これによって２つのリブ１０５、１１５で回
転工具の挿入力を支える。面板の板厚ｔ２、ｔ５や、円
弧Ｒ２の半径は前記実施例と同様である。

【００３６】図７の実施例は中空形材の端部を上面側と
下面側では勝手違いとしたものである。面板の板厚ｔ
２、ｔ５や、円弧Ｒ２の半径は前記実施例と同様であ
る。

【００３７】本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の
各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容
易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、部材の接合に摩擦攪拌
接合方法を適用する場合において良好な接合を行うこと
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の一対の中空形材の縦断面図
である。

【図２】図１の上面側の継手の拡大断面図である。

【図３】本発明を適用する鉄道車両構体の斜視図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例の継手の上面側の拡大断面
図である。

【図５】本発明の他の実施例の継手の上面側の拡大断面
図である。

【図６】本発明の他の実施例の継手の上面側の拡大断面
図である。

【図７】本発明の他の実施例の継手の上面側の拡大断面
図である。

【符号の説明】１００、１１０…中空形材、１０１、１０２、１１１、
１１２…面板、１０３，１０５、１１３、１１５…リ
ブ、１０７、１１７…突出部、１０９、１１９…フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧野俊昭山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG02 DA13 DA17 EA08 EB00 4F100 BA02 DB04A DB04B DB13A DB13B EC17 EJ44 GB07 GB31 JK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に平行な二つの面板と、前記面板の端部において、前記面板同士を接続する第１
のリブと、前記第１のリブよりも他端側において、前記面板同士を
接続する第２のリブと、からなる中空形材において、前記第１のリブと前記面板との接続部の前記面板の板厚
が、前記第２のリブと前記面板との接続部の板厚よりも
厚く、前記厚くなった前記面板は他方の前記面板側に突出して
厚くなっていること、を特徴とする中空形材。
【請求項２】請求項１の中空形材において、前記第１の
リブと前記第２のリブとの間の前記面板の板厚は、前記
第２のリブ側に行くにしたがって板厚が減少しているこ
と、を特徴とする中空形材。
【請求項３】実質的に平行な二つの面板と、前記面板の端部において、前記面板同士を接続する第１
のリブと、前記第１のリブよりも他端側において、前記面板同士を
接続する第２のリブと、からなる中空形材において、前記端部の近くに外面側に突出するフィンを備えている
こと、を特徴とする中空形材。
【請求項４】２つの中空形材が接合されており、前記中空形材は、実質的に平行な二つの面板と、前記面
板の端部において、前記面板同士を接続する第１のリブ
と、前記第１のリブよりも他端側において、前記面板同
士を接続する第２のリブと、からなる構造体において、前記第１のリブと前記面板との接続部の前記面板の板厚
が、前記第２のリブと前記面板との接続部の板厚よりも
厚く、前記厚くなった前記面板は他方の前記面板側に突出して
厚くなっていること、を特徴とする構造体。
【請求項５】請求項４の構造体において、前記第１のリ
ブと前記第２のリブとの間の前記面板の板厚は、前記第
２のリブ側に行くにしたがって板厚が減少しているこ
と、を特徴とする構造体。