JP2001205461A - 構造体 - Google Patents

構造体

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JP2001205461A JP2000018262A JP2000018262A JP2001205461A JP 2001205461 A JP2001205461 A JP 2001205461A JP 2000018262 A JP2000018262 A JP 2000018262A JP 2000018262 A JP2000018262 A JP 2000018262A JP 2001205461 A JP2001205461 A JP 2001205461A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２枚の面板と該面板を接続するリブとを有す
る部材を摩擦攪拌接合した構造体を軽量化する。 【解決手段】 中空形材２０の面板２１,２２の端部
は、リブ２４で接続され、中空形材１０の面板１１,１
２の端部と摩擦攪拌接合されている。面板２１(２２)の
端部とリブ２４との接続部の外形線は、中空形材２０側
に凹んだ円弧３１(３３)、３２(３４)により構成されて
いる。円弧３１(３３)の径は円弧３２(３４)の径より小
さい。よって、構造体を軽量化できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、中空状の部材の摩
擦攪拌接合に関する。例えば、アルミニウム合金製の中
空の押し出し形材を摩擦攪拌接合した鉄道車両や建築物
等の構造体、及び、同じくアルミニウム合金製の中空の
押し出し形材に関するものである。
【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０９−３０
９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されて
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合がアーク
溶接と異なる点は、回転工具の挿入によって、大きな荷
重が被接合部材に作用することである。この荷重は主と
して回転工具の挿入方向（軸心の方向）に作用する。つ
まり、回転工具の挿入力が被接合部材に作用する。二枚
の面板と該面板を接続するリブとを有する部材を摩擦攪
拌接合する場合、接合部周辺の面板や該面板を接続する
リブに対して前記挿入力が作用し、継ぎ手部が変形す
る。このことから、継ぎ手部の変形を防止する構造が必
要となる。
【０００４】この変形防止手段が前記特開平０９−３０
９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されて
いる。これは、接合部に、二枚の面板を接続する垂直な
板（縦リブという。）を設けたものである。縦リブは二
枚の面板を接続するリブの一つである。縦リブは回転工
具の軸心の延長線上にある。この方法によると、縦リブ
が前記挿入力を支えるため、継ぎ手部の変形が防止され
る。しかし、大きな荷重が縦リブに集中的に作用するた
め、応力集中のある縦リブと面板との接続部において高
応力が発生する。これにより、縦リブが破壊される恐れ
がある。
【０００５】これを防止する一つの手段として、縦リブ
と面板との接続部の外形線を、部材側に凹んだ径の大き
な円弧にし、縦リブと面板とを滑らかに接続することに
よって、縦リブと面板との接続部の応力集中を緩和する
方法がある。しかし、該円弧の径を大きくするほど、継
ぎ手部の断面積が増加し、継ぎ手部の重量が増大する。
このため、該方法においては、部材の軽量化に限界があ
る。すなわち、該部材からなる構造体の軽量化に限界が
ある。
【０００６】本発明の目的は、二枚の面板と該面板を接
続するリブとを有する部材を軽量化することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、リブとそれ
ぞれの面板との接続部の少なくとも一つの外形を部材の
実側に凹んだ曲線から構成し、該曲線は、二つの連続し
た円弧の組み合わせで構成され、該二つの円弧のうち、
面板側の円弧の径は、リブ側の円弧の径よりも小さく設
けること、によって達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１から図３
により説明する。鉄道車両構体５００は、側面を構成す
る側構体５０１、屋根を構成する屋根構体５０２、床を
構成する台枠５０３、長手方向の端部を構成する妻構体
５０４からなる。側構体５０１、屋根構体５０２、台枠
５０３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鉄道車両構体５０
０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。
【０００９】側構体５０１を構成する中空形材１０、２
０の構造について説明する。他の箇所、他の構体も同様
である。中空形材１０（２０）は、実質的に平行な二枚
の面板１１（２１）、１２（２２）と、この二枚の面板
を接続する複数のリブ１３（２３）、１４（２４）とか
らなる。端部のリブ２４と面板２１、２２との接続部は
凹部の座２５、２６になっている。凹部２５、２６の端
部は隣接する中空形材１０の方向に突出した突出片２５
ｂ、２６ｂを有する。
【００１０】二枚の面板１１（１１）、１２（１２）は
実質的に平行である。リブ１３（２３）はトラス状に配
置され、そのトラスのピッチは同一である。リブ１４
（２４）は、二枚の面板１１（２１）、１２（２２）に
実質的に直交している。中空形材２０の端部のリブ２４
の板厚は、他の箇所のリブ１３、１４、２３の板厚より
も厚い。
【００１１】面板１１、１２の端部は座２５、２６に重
なっている。面板１１、１２の先端の端部は面板２１、
２２の端部と突き合わせられている。この突き合わせ部
は摩擦攪拌接合される。面板２１（２２）の端部は、端
部のリブ２４の板厚の延長線の範囲内に位置している。
面板２１（２２）の端部の面は面板２１（２２）に実質
的に直交している。
【００１２】次に、面板２１、２２とリブ２４との接続
部の詳細な構造について説明する。面板２１（２２）と
リブ２４との接続部の外形線は、円弧３１、３２により
構成される滑らかな曲線、及び、円弧３３、３４により
構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧３
１、３２はリブ２４の一方の面と面板２１（２２）との
接続線である。円弧３３、３４はリブ２４の他方の面と
突出片２５ｂ（２６ｂ）との接続線である。円弧３１、
３２、３３、３４は中空形材２０の実側に凹んだ円弧で
ある。面板２１（２２）側の円弧３１の径はリブ２４側
の円弧３２の径より小さく、突出片２５ｂ（２６ｂ）側
の円弧３３の径はリブ２４側の円弧３４の径より小さ
い。なお、突出片２５ｂ（２６ｂ）も面板の一部といえ
る。
【００１３】摩擦攪拌接合時、２つの中空形材１０、２
０の突き合わせ部に回転工具５０の軸心が位置する。こ
のため、回転工具５０の軸心方向の大きな荷重がリブ２
４に集中的に作用する。これにより、リブ２４直近の位
置に高応力が発生する。
【００１４】本実施例においては、面板２１、２２の端
部とリブ２４との接続部の外形線が、中空形材２０側に
凹んだ円弧により構成される滑らかな曲線により構成さ
れている。また、高応力発生位置における面板２１、２
２の端部とリブ２４との接続部の外形線のうち、リブ２
４側の円弧３２、３４の径が大きいので、面板２１、２
２の端部とリブ２４との接続部の応力集中が緩和され、
発生応力が小さくなる。一方、面板２１（２２）、突出
片２５ｂ（２６ｂ）側の円弧３１、３３の径は小さいの
で、該部の断面積が小さくなる。このように、２つの円
弧で構成しているので、継ぎ手部の断面積が小さくな
り、継ぎ手部の重量が小さくなるものである。
【００１５】代案として、面板２１、２２、突出片２５
ｂ、２６ｂとリブ２４との接続部の円弧を大きな１つの
円弧で接続することが考えられる。これによって、発生
応力を上記実施例の発生応力と等しくするものである。
したがって、この代案では該部の断面積が大きくなり、
重量低減にならない。
【００１６】上記実施例は、中空形材１０、２０の二箇
所の接合部の接合方法が両方とも摩擦攪拌接合であった
が、いずれか一方の接合部の接合方法がアーク溶接であ
ってもよい。上記実施例は、中空形材１０、２０の接合
部の接合方法が突き合わせの摩擦攪拌接合であったが、
重ね合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。上記実施例
は、面板１１、１２及び面板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。
【００１７】図４の実施例は、図１の実施例の円弧３
２、３４の径が無限大である場合の例である。すなわ
ち、円弧３２、３４に相当する部分が直線である場合の
例である。この実施例における直線３５、３６は、リブ
２４に対して傾斜している。他は図１の実施例に同様で
ある。
【００１８】本発明の他の実施例を図５、図６により説
明する。この実施例は端部のリブがトラスの１つになっ
た例である。このトラスの頂点の近傍を摩擦接合するよ
うにしている。このトラスを構成する１つのリブの摩擦
攪拌接合の力が作用する。このため、この２つのリブに
前記円弧を採用している。
【００１９】中空形材１００（１１０）は、二枚の面板
１０１（１１１）、１０２（１１２）と複数のリブ１０
３（１１３）、１０４（１１４）、１０５（１１５）と
からなる。二枚の面板１０１（１１１）、１０２（１１
２）は実質的に平行である。車外側の面板１０２（１１
２）の端部は、面板１０１（１１１）の端部よりも隣接
する中空形材１１０（１００）側に突出している。この
突出した面板１０２ｂ、１１２ｂは突き合わせられ、上
方（車内側）から摩擦攪拌接合される。
【００２０】リブ１０３（１１３）、１４（１１４）、
１０５（１１５）は二枚の面板１０１（１１１）、１０
２（１１２）に対して傾斜しており、トラス状に配置さ
れている。端部のリブ１０５（１１５）とリブ１４（１
１４）との交点（トラスの頂点の近傍）は凹部になって
いる。この凹部は接続板２００を載せる座１０７（１１
７）になっている。接続板２００は座１０７（１１７）
に重なっている。この重なり部を回転工具５０によって
摩擦攪拌接合する。
【００２１】リブ１４（１１４）、１０５（１１５）の
板厚は、他の箇所のリブ１０３（１１３）の板厚よりも
厚い。面板１０２（１１２）に対するリブ１０５（２０
５）の傾斜角度はリブ１０４（１１４）の傾斜角度より
も大きい。このため、リブ１０５（１１５）の板厚はリ
ブ１０４（１１４）の板厚よりも大きい。
【００２２】接合手順を説明すると、中空形材１００、
２００の面板１０２、１１２を架台に載せ、面板１０２
ｂ、１１２ｂを突き合わせる。この状態で、突き合わせ
部に、上方から回転工具５０を挿入して摩擦攪拌接合を
行う。
【００２３】次に、座１０７、１１７に接続板２００を
載せ、その端部を面板１０１、１１１に仮止め溶接をす
る。仮止め溶接は接合線に沿って間欠的である。次に、
上方（車内側）から回転工具５０によって接続板２００
を座１０７（１１７）に摩擦攪拌接合をする。回転工具
５０の挿入位置は２つのリブ１０３、１０４（２０４、
２０５）の交点の位置（トラスの頂点の位置）の近傍で
ある。
【００２４】次に、面板１１１の端部とリブ１１５との
接続部及び面板１１２とリブ１１５との接続部の詳細な
構造について説明する。面板１１１の端部とリブ１１５
との接続部の外形線は、円弧１３１、１３２により構成
される滑らかな曲線、及び、円弧１３３、１３４により
構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧１
３１、１３２、１３３、１３４は中空形材１１０の実側
に凹んだ円弧である。円弧１３１の径は円弧１３２の径
より小さく、円弧１３３の径は円弧１３４の径より小さ
い。
【００２５】面板１１２（１１２ｂ）とリブ１１５との
接続部の外形線は、円弧１３５、１３６により構成され
る滑らかな曲線、及び、円弧１３７、１３８により構成
される滑らかな曲線により構成されている。円弧１３
５、１３６、１３７、１３８は中空形材１１０の実側に
凹んだ円弧である。円弧１３５の径は円弧１３６の径よ
り小さく、円弧１３７の径は円弧１３８の径より小さ
い。
【００２６】面板１１１の端部とリブ１１４との接続部
の外形線は、円弧１４１、１４２により構成される滑ら
かな曲線、及び、円弧１４３、１４４により構成される
滑らかな曲線により構成されている。円弧１４１、１４
２、１４３、１４４は中空形材１１０の実側に凹んだ円
弧である。円弧１４１の径は円弧１４２の径より小さ
く、円弧１４３の径は円弧１４４の径より小さい。
【００２７】面板１１２とリブ１１４との接続部の外形
線は、円弧１４５、１４６により構成される滑らかな曲
線、及び、円弧１４７、１４８により構成される滑らか
な曲線により構成されている。円弧１４５、１４６、１
４７、１４８は中空形材１１０の実側に凹んだ円弧であ
る。円弧１４５の径は円弧１４６の径より小さく、円弧
１４７の径は円弧１４８の径より小さい。中空形材１０
０も中空形材１１０と同様の構成である。
【００２８】かかる構成によれば、面板１１１（１１
２）とリブ１１４、１１５との接続部の外形線が、中空
形材１１０の実側に凹んだ円弧により構成される滑らか
な曲線により構成されており、高応力発生位置の円弧の
径が大きいので、応力集中が緩和され発生応力が小さく
なる。このため、継ぎ手部の重量が小さくなる。
【００２９】なお、本実施例における回転工具５０の挿
入力は回転工具５０の軸心に向けて配置された二つのリ
ブ１１４、１１５によって支えられるため、図１の実施
例のように回転工具５０の挿入力を一つのリブで支える
構造と比較して、リブ１１４、１１５の板厚を薄くでき
部材を軽量にできる。
【００３０】上記実施例は、中空形材１００、１１０の
三箇所の接合部の接合方法が全て摩擦攪拌接合であった
が、そのうちの一箇所もしくは二箇所の接合部の接合方
法がアーク溶接であってもよい。上記実施例は、中空形
材１００、１１０と平板２００との接合部の接合方法が
重ね合わせの摩擦攪拌接合であったが、突き合わせの摩
擦攪拌接合であってもよい。上記実施例は、中空形材１
００、１１０同士の接合部の接合方法が突き合わせの摩
擦攪拌接合であったが、重ね合わせの摩擦攪拌接合であ
ってもよい。上記実施例は、面板１０１、１０２及び面
板１１１、１１２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。
【００３１】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。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、二枚の面板と該面板を
接続するリブとを有する部材を摩擦攪拌接合した構造体
を軽量化することができる。
【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近傍の縦断面図。
【図３】鉄道車両構体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の接合部の要部の縦断面
図。
【図５】本発明の他の実施例の接合部の要部の縦断面
図。
【図６】本発明の他の実施例の接合部近傍の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０、１００、１１０ 中空形材 １１、１２、２１、２２、１０１、１０２、１１１、１
１２ 面板 １３、１４、２４、２５、１０３、１０４、１９５、１
１３、１１４、１１５リブ １５、２５、１０５、１１５、１１６ 座 ３１、３２、３３、３４、１３１、１３２、１３３、１
３４、１３５、１３６、１３７、１３８ 円弧 ５０ 回転工具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｅ０４Ｂ 1/61 Ｅ０４Ｃ 2/30 Ｌ Ｅ０４Ｃ 2/30 2/40 Ｅ 2/40 Ｆ１６Ｓ 1/10 Ｆ１６Ｓ 1/10 Ｂ２３Ｋ 101:18 // Ｂ２３Ｋ 101:18 103:10 103:10 Ｅ０４Ｂ 1/60 ５０３Ｎ (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 社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者 稲 佳彦 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 Ｆターム(参考） 2E125 AA53 AA57 AA62 AD02 AE14 AG25 AG32 AG38 CA71 CA90 EA11 EA33 EB12 2E162 GA02 GB07 4E067 AA05 BG00 DA13 DA17 EA08 EA09 EB00

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二枚の面板を有し、一方の前記面板と他
    方の前記面板とをリブで接続した第１の部材と、前記第
    １の部材の前記一方の面板と前記リブとの接続部に、摩
    擦攪拌接合された第２の部材と、からなり、 前記リブとそれぞれの前記面板との接続部の少なくとも
    一つの外形線は、前記第１の部材の実側に凹んだ曲線か
    らなり、 該曲線は、二つの連続した円弧の組み合わせで構成さ
    れ、 該二つの円弧のうち、前記面板側の円弧の径は、前記リ
    ブ側の円弧の径よりも小さいこと、 を特徴とする構造体。
  2. 【請求項２】 請求項１の構造体において、前記二つの
    円弧がある前記リブの他方側の面の前記面板と前記リブ
    との接続部の外形線は、前記第１の部材の実側に凹んだ
    曲線からなり、 該曲線は、二つの連続した円弧の組み合わせで構成さ
    れ、 該二つの円弧のうち、前記面板側の円弧の径は、前記リ
    ブ側の円弧の径よりも小さいこと、 を特徴とする構造体。
  3. 【請求項３】 請求項１の構造体において、前記二つの
    円弧は前記リブとそれぞれの前記リブとの接続部のすべ
    ての外形線にあること、 を特徴とする構造体。
  4. 【請求項４】 二枚の面板を有し、一方の前記面板と他
    方の前記面板とをリブで接続した第１の部材と、前記第
    １の部材の前記一方の面板と前記リブとの接続部に、摩
    擦攪拌接合された第２の部材と、からなり、 前記リブとそれぞれの前記面板との接続部の少なくとも
    一つの外形線は、前記第１の部材の実側に凹んだ曲線か
    らなり、 該曲線は面板側にあり、 該曲線は前記リブの側面に対して傾斜した直線に接続し
    ていること、 を特徴とする構造体。
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