JP2001099394A - 押し出し形材 - Google Patents

押し出し形材

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空形材等の寸法精度にとらわれずに、中空
形材を一方の面から接合ができ、また、継ぎ手を高強度
にできるようにすることにある。 【解決手段】 中空形材10、20の面板の突出片12
b、22bを上方から摩擦攪拌接合をする。次に接続材
30を中空形材10、20の上面の面板11、21に載
せ、上方から摩擦攪拌接合を行う。接合部は2つの面板
11、12(21、22)を接続するリブと面板11
(21)との交点にある。接続材30と面板11、21
の接合は重ね接合である。突き合わせ接合ではない。こ
のため、中空形材10、20の製作誤差、配置の誤差が
あっても、容易に接合できるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は中空形材による構造
体およびその製作方法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
空の押し出し形材による構造体の製作に好適である。
【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。小径部と大径部との境は接
合部に若干挿入されている。これは特開平9−3091
64号公報(EP0797043A2)に示されてい
る。この文献の図9には中空の押し出し形材の二面の接
合を一方の面から行うことが示されている。また、中空
形材の変形を防止する継ぎ手が示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記特開平9−309
164号公報(EP0797043A2)の図9のよう
に、中空形材を一方の面から摩擦攪拌接合する場合を考
える。この場合は、2つの中空形材31、32の上面の
板33、33の間隔(つまり、凹部39、39の間
隔)、およびこの部分に配置する継ぎ手60の幅の精度
が重要である。上面の板33、33の間隔が継ぎ手60
の幅よりも小さければ、継ぎ手60を配置できない。逆
に、上面の板33、33の間隔が継ぎ手60の幅よりも
大きければ、摩擦攪拌接合が困難である。すなわち、板
33と継ぎ手60との突き合わせ部の隙間が小さいこと
が重要である。
【0004】しかし、中空型材31、32や継ぎ手60
の押し出し加工の製作公差から突き合わせ部に大きな隙
間が発生しやすい。鉄道車両の車体の接合の場合のよう
に、多数の中空形材を並べて接合する場合には、これが
顕著になる。一方、凹部39に継ぎ手60を重ね接合す
ることが考えられる。これによれば、凹部39、39の
間隔(板33、33の間隔)は継ぎ手60よりも十分に
大きくでき、形材31、32の容易に製作できる。
【0005】しかしながら、板33と凹部39との接続
部において屈曲する。このため、この部分に応力が集中
して発生応力が高くなる。しかも、この屈曲部の近くを
摩擦攪拌接合するので、この接合による熱の影響を受け
て屈曲部の強度が低下する。これらの強度低下因子が相
乗することにより許容応力を大幅に低下させる。
【0006】本発明の目的は、中空形材等の寸法精度に
とらわれずに、中空形材を一方の面から接合ができるよ
うにすることにある。本発明の第2の目的は、重ね接合
の位置決めを容易に行えるようにすることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、二枚の面板
の間を複数のリブで接続しており、一方の面板の端部は
中空形材の端部の前記リブの近傍にあり、他方の面板の
端部は前記一方の面板の端部よりも突出しており、前記
一方の面板の外面に該面板の端部に沿って凸部がある、
押し出し形材を用いることによって、達成できる。
【0008】本発明の第2の目的は、板の両端において
一方の面に第1の凸部があり、該第1の凸部がある反対
側の面に前記第1の凸部よりも幅が小さい第2の凸部が
ある、押し出し形材を用いることによって、達成でき
る。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図1から図4
により説明する。以下の説明において、図1に記載のな
い部品番号を使用することがある。その場合はその部品
番号から10を減算した部品番号が右半分の部品番号の
部品に相当する。図1は図2の要部拡大図、図2は図3
の要部拡大図、図3は図4の側構体の要部の縦断面図で
ある。
【0010】車体200は、側面を構成する側構体20
1、屋根を構成する屋根構体202、床を構成する台枠
203、長手方向の端部を構成する妻構体204からな
る。側構体201、屋根構体202、台枠203は、そ
れぞれ複数の押し出し形材を接合して構成している。押
し出し形材の長手方向を車体の長手方向にしている。押
し出し形材はアルミニウム合金製の中空形材である。
【0011】側構体201を構成する中空形材10、2
0の構成および接合方法について説明する。他の箇所、
他の構体も同様である。中空形材10、20は二枚の面
板11、12、21、22とトラス状に配置した複数の
リブ13、23からなる。二枚の面板11、12(2
1、22)は実質的に平行である。リブ13、23によ
るトラスのピッチは同一である。トラスはリブ13、2
3、面板11、12、21、22の板厚の中心線によっ
て構成される。頂点は面板11、12、21、22側に
ある。
【0012】車内側のトラスの頂点付近には機器を取り
付けるためのレール19、29を一体に設けている。レ
ール19、29はL状の2つの部材からなる。レールは
内装板や椅子等の機器の取り付け座になる。車体の外面
側に位置する面板12、22の端部は車内側の面板1
1、21の端部よりも隣接する中空形材20、10側に
突出している。この突出した面板を12b、22bと呼
ぶ。面板12b、22bの端部同士を突き合わせて摩擦
攪拌接合している。突き合わせ部の隙間が小さくなるよ
うに突き合わせている。面板12b、22bの板厚は他
の部分の面板12、22の板厚よりも厚い。
【0013】中空形材10、20は面板12、22を下
方にしてベッド240に載っている。面板11、21側
を上方にしている。上方から回転工具250を接合部に
挿入して摩擦攪拌接合をする。車内側から摩擦攪拌接合
すると言える。面板12b、22bの端部には車内側
(すなわち面板11、21側)に突出する凸部16、2
6がある。凸部16、26の幅高さは実質的に同一であ
る。
【0014】車内側の面板11の端部と面板21との端
部との間は接続材30を介して接合している。接続材3
0は面板11、21に載っている(重なっている。)。
接合部は、リブ23A(13A)とリブ23B(13
B)との交点にある。接続材30の両端には上方に突出
する凸部35がある。凸部35の上面にはV字状の溝3
6がある。溝36は凸部35の幅の中心にある。凸部3
5の幅は回転工具250の大径部252の径よりも大き
い。溝36は回転工具250を導くための位置検出用の
対象物となる。レーザセンサで溝36を検出し、回転工
具250の軸心が溝36に一致するようにしている。溝
36の延長線上すなわち回転工具250の軸心上に、2
つのリブ13A(23A)と13B(23B)の交点が
ある。
【0015】凸部35、35とは反対側の面には凸部3
7、37がある。凸部37、37の間隔は面板11、2
1の端部の間隔よりも小さい。凸部37の幅は凸部35
の幅よりも小さい。接続材30と面板11、21との重
ね面は、平面で起伏がなく、両者は接触している。接続
材30は中空形材10、20と同一材質の押し出し形材
である。接続材30の長さは中空形材10、20の長さ
と同一である。
【0016】面板11の端部から面板21の端部までの
距離P(中空形材10の端部のトラスの頂点から中空形
材20の端部のトラスの頂点までの距離)は他の位置の
トラスのピッチPと同一である。中空形材のトラスは、
面板11、12、21、22側を頂点としたとき、2等
辺3角形である。しかし、中空形材10、20の端部の
トラスは2等辺3角形ではない。中空形材10、20の
端部のトラスを構成するリブ13A、23Aが鉛直線に
対して成す角度はθ1である。前記端部のトラスを構成
するリブ13A、23Bが鉛直線に対して成す角度はθ
2である。θ1<θ2である。このため、リブ13A
(23A)は面板12(22)の途中に接続している。
リブ13Aと面板12との接続部と、リブ23Aと面板
22との接続部との間には摩擦攪拌接合装置を挿入する
空間が生じる。
【0017】リブ13A、23Aはリブ13B、23A
に比べて立っている(θ1が小さい)ので、リブ13
A、23Aの板厚はリブ13B、23Aの板厚よりも大
きい。リブ13B、23Bの板厚は他のリブ13の板厚
よりも大きい。リブ13A、13B、13と面板11、
12、21、22との接続部は円弧状である。また、接
続部の厚さは強度の観点から定めている。
【0018】この構造体の製作方法を説明する。中空形
材10、20はベッド240に載せられ、固定されてい
る。面板12b、22bの端部の突き合わせ部は接触し
ているか近接している。面板12、22の突き合わせ部
の凸部16、26を上方からアーク溶接によって仮止め
する。仮止め溶接は間欠的である。面板12b、22b
の突き合わせ部が載るベッド240の上面は平らであ
る。面板12b、22bの突き合わせ部付近、リブ13
A、23Aと面板12b、22bとの交点付近、リブ1
3B、23Bと面板12、22との交点付近の三者は同
一高さのベッド240に載っている。
【0019】この状態において、摩擦攪拌接合装置の回
転工具250を上方から凸部16、26の突き合わせ部
に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦攪拌
接合する。回転工具250の軸心は鉛直方向(接合部の
法線に沿った方向)である。ただし、回転工具250の
進行方向に対しては軸心は公知のように傾斜している。
2つの凸部16、26の突き合わせ部を前記センサで検
出して突き合わせ部の隙間の位置を求め、この隙間に回
転工具250の軸心を位置させる。
【0020】回転工具250は大径部252とその先端
の小径部251とからなる。小径部251の先端は面板
12b、22bの下面の近傍に位置している。大径部2
52の下端は凸部16、26の頂と面板12b、22b
の車内側の面(面板11、21側の面)との間に位置し
ている。大径部252の径は2つの凸部16、26から
なる幅よりも小さい。小径部251はねじである。
【0021】この摩擦攪拌接合によって、面板12b、
22bの突き合わせ部の隙間は埋められて、接合され
る。突き合わせ部の外面側(車外側)は平らに接合され
る。面板12b、22bの外面側には接合線の凹部はな
い。凸部16、26の上面は回転工具250の大径部2
52によって凹状になる。凹部の両側には未接合部があ
る。
【0022】次に、面板11、21に接続材30を載せ
る。凸部37、37によって、接続材30と面板11、
21との重なり量は所定になる。次に、接続材30の端
部を面板11、21に対してそれぞれアーク溶接によっ
て仮止めする。仮止め溶接は間欠的である。これは隅肉
溶接である。
【0023】次に、面板12b、22bの突き合わせ部
の摩擦攪拌接合に用いた摩擦攪拌接合装置を用いて接続
材30と面板11、21との重ね接合を行う。回転工具
250を上方から接続材30と面板21(11)との重
ねた部分に挿入した状態で、接合線に沿って(すなわ
ち、溝36に沿って)移動させ、摩擦攪拌接合する。接
合線は形材の長手方向にある。
【0024】凸部35の幅は回転工具250の大径部2
52の径よりも大きい。凸部35の幅の中心に溝36が
ある。回転工具250の回転軸心を溝36に一致させ
る。このため、回転工具250の位置は、接続材30の
端部に摩擦攪拌接合されない部分を有する内側の位置で
ある。また、回転工具250の小径部251の先端は面
板11、21の外面よりも深く挿入している。これによ
って、重ね接合が行われる。大径部252の下端は非凸
部の接続材30の上面と凸部35の頂との間にある。
【0025】凸部35の上面は回転工具250の大径部
252によって凹状になる。凹部の両側には未接合部が
ある。摩擦攪拌接合装置の前記センサは溝36を検出し
て、溝36に沿って回転工具250を移動させる。この
ため、面板12b、22bの突き合わせ部を接合する際
の回転工具250とセンサとの位置関係をそのまま利用
できる。その他の回転工具と接合部との関係は前記のと
おりである。回転工具250の軸心は2つのリブ13
A、13B(23A、23B)によるトラスの頂点また
はその近傍を通る鉛直線上にある。偏芯に対しては、リ
ブ13A、13B(23A、23B)の板厚の増大、リ
ブと面板とを接続する円弧の形状、接続部の厚さ等によ
って対応する。
【0026】接続材30の接合は面板11との接合を行
い、次に面板21との接合を行う。2つの回転工具を用
いれば、接続材30の両端の接合を同時にできる。これ
によれば、接続材30の接合は重ね接合であり、突き合
わせ接合ではない。このため、二つの中空形材10、2
0の製作公差、二つの中空形材の配置の間隔の公差によ
り、二つの中空形材10、20の隙間が変わっても接続
材30を接合できるものである。特に、多数の中空形材
を並べて一度の接合する場合は誤差が大きくなる。この
場合、重ね接合であるので、容易に接合できるものであ
る。
【0027】また、接続材30を面板11、21に重ね
て接合しているので、形材10、20の面板側の屈曲し
た箇所がなくなり、応力集中がなくなるものである。ま
た、中空形材の両面の接合を片面側から行うことができ
る。このため、一方の面を接合した構造体を反転させる
必要がない。したがって、安価に、また高精度に製作で
きるものである。
【0028】また、面板12b、22bの接合部の外面
は平らに接合できる。凸部16、26、35は構造体内
や車内側にあり、平滑な面が要求される箇所(外面側、
車外側)にはない。また、車外側には回転工具によって
切削されて生じる凹部もない。このため、凸部の切削等
を不要にでき、車体を安価に製作できるものである。
【0029】また、接続材30の接合の際の挿入力は、
回転工具250の軸心に向けて配置した2つのリブ13
A、13B(23A、23B)によって支えられる。こ
のため、リブ13A、13B(23A、23B)の曲が
りを抑制できる。13A、13B(23A、23B)の
板厚を薄くでき、軽量にできるものである。もちろん面
板11、21、30の曲がりも抑制できる。リブ13
A、13B(23A、23B)を支えるベッド240は
同一高さにあるので、面板12、22の曲がりも防止で
きる。
【0030】また、接合後、構造体として用いる場合を
考えると、実質的にすべてをトラス構造で構成したこと
になる。中空形材10、20の接合部もトラス構造であ
る。このため、面外曲げ剛性が向上し、軽量にできるも
のである。なお、接続材30、リブ13A、23Aの間
の面板12b、22b、リブ13A、23Aは実質的に
トラスを構成するので、この部分が特に弱いことはな
い。ただし、板厚は検討すべきである。
【0031】また、リブ13A、23Aの傾斜角θ1を
リブ13B、23Bの傾斜角θ2よりも大きくすること
ができる。これによれば、接続材30の幅が大きくな
り、その板厚を厚くする必要が生じ、重量が大きくな
る。しかし、摩擦攪拌接合装置の挿入の為に大きな開口
が必要な場合に利用できる。リブの傾斜角θ1、θ2を
同一にして、2等辺3角形にすることができる。これに
よればリブ13A、13B(23A、23B)の板厚を
同一にできる。また、リブ13A、23Aの板厚を図1
の場合よりも薄くできよう。ただし、この2等辺3角形
のトラスの大きさを他の個所のトラスの大きさと同一に
すれば、接続材30の幅は大きくなる。
【0032】しかし、2つのリブ13A、13B(23
A、23B)の傾斜角θ1、θ2を図1の傾斜角θ1と
すれば、端部のトラスを小さい2等辺3角形にすること
ができる。この端部のトラスの底辺の大きさは他の個所
のトラスの底辺の大きさよりも小さい。これによれば、
リブ13B(23B)と面板12(22)との交点から
中空形材10(20)の端部までの距離を小さくでき
る。したがって、接続材30の幅を図1の接続材30の
幅と同様にできる。
【0033】接続材30の部分を含めて全てのトラスの
ピッチは同一である。端部のトラスを除き、トラスの大
きさは同一である。このため、中空形材の設計を標準化
できる。2つのリブ13A、13B(23A、23B)
による頂点は面板21、31よりも外面側にあってもよ
い。また、2つのリブ13A、13B(23A、23
B)が成す角度の中間に向けた角度で回転工具250を
挿入してもよい。この場合の軸心はトラスの頂点に向け
る。
【0034】上記実施例では接続材30の接合は摩擦攪
拌接合で行っているが、アーク溶接との併用で行っても
よい。上記摩擦攪拌接合は重ね接合であるので、突き合
わせ接合に比べて、接合強度が弱い。このため、接続材
30の端部と面板21、31との突き合わせ部をアーク
溶接する。アーク溶接の箇所は例えば強度が弱い領域で
ある。また、アーク溶接を補修用として使用することが
できる。
【0035】上記実施例では接続材30の両端を摩擦攪
拌接合で接合しているが、一端を摩擦攪拌接合、他端を
アーク溶接で接合するようにしてもよい。アーク溶接の
方が歪みが大きいので、先に摩擦攪拌接合を行う。
【0036】上記実施例は面板11、12、21、22
が平行であったが、一方の面板が他方の面板に対して傾
斜している場合にも対応できるものである。リブ13
A、13B(23A、23B)の板厚において、面板1
1、21側の板厚を面板12、22側よりも厚くする。
面板11、21側を厚くするのは、接合時に高温になり
やすいからである。
【0037】上記実施例では接合部の面板が水平であっ
たが、接合部の面板の法線が傾斜していても同様に接合
できる。これは側構体201の端部の接合線に生じ易
い。この場合の回転体の軸心は面板の法線に沿ってい
る。溝36は凸部に変えることができる。
【0038】図5の実施例を説明する。接続材30の凸
部37、37を廃止し、面板21の上面に三角状の凸部
28を設けたものである。面板11にも同様に凸部があ
る。一対の凸部28の間隔は接続材30の幅よりも大き
い。これによれば、凸部28と接続材30の端部の間隔
を目視によって容易に確認することができ、面板11、
21に対して接続材30のが所定位置に重なっているこ
とを容易に確認できるものである。
【0039】図6の実施例を説明する。回転工具250
を挿入する位置(2つのリブ23A、23Bの交点の近
傍)の面板21(11)の上面に凸部29を設けてい
る。接続材30の下面には凸部29が入る凹部39があ
る。凹部39の幅は一対の凸部29の間隔の公差を考慮
して、凸部29の幅よりも十分に大きい。凹部39の幅
は回転工具250の小径部251の径よりも小さい。小
径部251の下端が凸部29の基部よりも下方(面板2
1の上面よりも下方)に達するまで回転工具250を挿
入する。凹部39および凸部29の幅は凸部35の幅よ
りも小さい。これによれば、凹部39と凸部の29との
間の空間は凸部35の材料を補填源として充填される。
回転工具250の大径部252によって該部の材料は下
方に押されているので、前記空間は埋められる。凸部3
0の材料が前記空間に移動するとは限らない。
【0040】摩擦攪拌接合により接続材30と中空形材
20とを接合する場合、両者の間にできるだけ隙間が生
じないように接触させる。しかし、凹部39と凸部29
との間には製作公差を吸収するための空間が存在する。
当該空間が存在したまま摩擦攪拌接合を行うと、補填す
べき材料が不足しやすい。そのため、接合部の内部また
は外部に欠陥が生じ易い。
【0041】そこで、凹部39と凸部29との空間に、
粉状または繊維状の補填材料を充填した後、摩擦攪拌接
合を行う。この材料は接続材30または中空形材20と
同一材料または同一系統の材料とする。粉状または繊維
状の物質は容易に変形するので、凹部39と凸部29の
位置関係に関わらず、公差を吸収して空間を充填するこ
とができる。面板31の上面に凹部を設け、接続材30
の下面に、前記凹部に入る凸部を設けてもよい。この場
合は中空形材20側の接合部の厚さが厚くなる。
【0042】図7の実施例を説明する。中空形材10C
の端部のリブ13Cは面板11C、12Cに直交してい
る(面板の法線に沿っている。)。リブ13Cの板厚の
範囲内に回転工具250の回転軸心、溝36、凹部3
9、凸部19がある。凸部19は凸部29に相当する。
このものでは摩擦攪拌接合時の挿入力をリブで支える。
17Cbは接続材30を載せる突出片である。他方の中
空形材の端部のリブもこのようにできる。位置合わせの
手段として、凸部37、凸部28、凹部39、凸部29
を説明してきたが、これは中空形材の摩擦攪拌接合のみ
に使用できるものではなく、部材の重ね接合に使用でき
るものである。
【0043】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。
【0044】
【発明の効果】本発明によれば、中空形材等の寸法精度
にとらわれずに、中空形材を一方の面から接合ができ、
また、継ぎ手を高強度にできるものである。また、摩擦
攪拌接合に当たって、位置決めを容易にできるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図2】本発明の一実施例の接合部の縦断面図。
【図3】本発明の一実施例の一組の中空形材の縦断面
図。
【図4】鉄道車両の車体の斜視図。
【図5】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図6】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【図7】本発明の他の実施例の要部の縦断面図。
【符号の説明】 10、10C、20 中空形材 11、11C、12、11b、12C、21、22、2
2b 面板 13、13A、13B、13C、23、23A、23B
リブ 16、19、26、28、29 凸部 30 接続材 35、37 凸部 39 凹部 201 側構体 202 屋根構体 203 台枠 240 ベッド 250 回転工具

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二枚の面板の間を複数のリブで接続して
    おり、 一方の面板の端部は中空形材の端部の前記リブの近傍に
    あり、 他方の面板の端部は前記一方の面板の端部よりも突出し
    ており、 前記一方の面板の外面に該面板の端部に沿って凸部があ
    ること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。
  2. 【請求項2】 請求項1の摩擦攪拌接合用押し出し形材
    において、端部の前記リブとこれに隣接するリブとは前
    記一方の面板の実質的に一点に接続しており、 前記凸部は実質的に前記一点の外面にあること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。
  3. 【請求項3】 請求項1の摩擦攪拌接合用押し出し形材
    において、端部の前記リブは前記一方の面板に実質的に
    直交しており、 前記凸部は前記端部のリブの板厚の範囲内にあること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。
  4. 【請求項4】 板の両端において一方の面に第1の凸部
    があり、 該第1の凸部がある反対側の面に前記第1の凸部よりも
    幅が小さい第2の凸部があること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。
  5. 【請求項5】 板の両端において一方の面に凸部があ
    り、 該第1の凸部がある反対側の面に凹部があり、該凹部の
    幅は前記凸部の幅よりも小さいこと、 を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。
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