JP2002316274A - 摩擦攪拌接合用中空形材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量で良好な接合ができる摩擦攪拌接合方法
を提供する。 【解決手段】 中空形材１０の面板１１、１２と中空形
材２０の面板２１、２２とを突き合わせている。突き合
わせ部の面板１１、１２の溝１８に面板２１、２２の凸
部２８が入っている。接続板１４は面板１１、１２に直
交している。中空形材２０の端部には面板２１、２２に
直交する接続板はない。摩擦攪拌接合による熱によっ
て、面板２１（２２）は中空形材１０、２０の厚さ方向
に移動しようとするが、溝１８と凸部２８によって移動
が抑制される。このため、突き合わせ部を平らに接合で
きる。中空形材２０においては接続板１４に相当する接
続板を除くことができ、軽量にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は摩擦攪拌接合に用い
る中空形材に関する。

【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、軟化させて塑性流動させ、
固相接合する方法である。回転工具は大径部と小径部か
らなる。小径部を接合すべき部材に挿入し、大径部の端
面を前記部材に接触させている。小径部にはねじを設け
ている。

【０００３】接合すべき２つの部材の回転工具の挿入側
に凸部を設け、この凸部の金属を原資として２つの部材
の間の隙間を埋めるようにしている。回転工具の大径部
は凸部内に入れている。回転工具を接合部の金属に挿入
しなければならないので、接合部には大きな力がかか
る。このため、中空形材を接合する際には、中空形材の
２つの面板を接続する接続板の部分を他方の中空形材と
の摩擦攪拌接合位置としている。これは前記接続板で前
記力を支え、中空形材の変形を防止しながら摩擦攪拌接
合するものである。

【０００４】これらは特開平９−３０９１６４号公報
（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）、特開平１１−９０６５５
号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）に示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】２つの板の突き合わせ
部を溶接（または摩擦攪拌接合）すると、溶接熱によっ
て変形する。その変形の１つとして板の厚さ方向に板が
変形する。このため、溶接部の一方の板と他方の板との
間に段差が生じ、平面度が悪くなりやすい。このため、
中空形材においては、溶接部の近傍には並列な２つの面
板を接続する板を設け、面板が厚さ方向に変形するのを
防止する。この接続板は中空形材のそれぞれの溶接部の
近傍に設けている。この接続板は面板に直交している。

【０００６】摩擦攪拌接合はアーク溶接に比べて接合温
度は低いので、変形は少ないが、それなりの変形が考え
られる。このため、前記特開平９−３０９１６４号公報
（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）、特開平１１−９０６５５
号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）でも前記接合板を設け
ている。前記特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６
０５０４７４）ではそれぞれの中空形材の端部に前記接
続板を設けている。このため、強度を無視して議論すれ
ば、接続板によって質量が増大する。

【０００７】なお、前記特開平９−３０９１６４号公報
（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）では摩擦攪拌接合する一対
の中空形材の一方のみに接続板を設けている。本発明の
目的は、軽量で良好な接合ができる摩擦攪拌接合用中空
形材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的のための一方の
中空形材は、２つの面板と、前記２つの面板を接続する
ものであって、少なくとも一端は中空形材の幅方向の端
部を除いた位置に接続した第１の接続板と、前記２つの
面板の前記端部同士を接続するものであって、前記面板
に実質的に直交した第２の接続板と、前記第２の接続板
と前記２つの面板とのそれぞれの接続部に設けられ、中
空形材の幅方向の外方および厚さ方向の外方にそれぞれ
開口した凹部と、他方の前記凹部において、前記幅方向
の外方に向けて開口した溝または前記外方に向けて突出
した凸部と、から構成することによって達成できる。

【０００９】上記目的のための他方の中空形材は、２つ
の面板と、前記２つの面板を接続するものであって、少
なくとも一端は中空形材の幅方向の端部を除いた位置に
接続した接続板と、該中空形材の幅方向の前記端部の一
方の前記面板の先端に設けたものであって、該中空形材
の幅方向の外方に向けて突出した凸部または前記外方に
向けて開口した溝と、該中空形材の幅方向の前記端部の
他方の前記面板の先端に設けたものであって、該中空形
材の幅方向の外方に向けて突出した凸部または前記外方
に向けて開口した溝と、から中空形材を構成することに
よって達成できる。

【００１０】

【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。鉄道車両の車体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５０４は、それぞれ複数の押し出し形材１０、２０
を接合して構成している。押し出し形材１０、２０の長
手方向（押し出し方向）を車体５００の長手方向に向
け、車体５００の周方向に多数並べている。押し出し形
材１０、２０はアルミニウム合金製の中空形材である。

【００１１】側構体５０１を構成する中空形材１０と２
０との接合部について説明する。他の箇所の中空形材の
接合部も同様にできる。中空形材１０（２０）は、実質
的に平行な２枚の面板１１（２１）、１２（２２）と、
この２枚の面板を接続する複数の接続板１３（２３）、
１４と、からなる。接続板１３（２３）は面板１１（２
１）、１２（２２）に対して傾斜している。つまり、面
板１１（２１）、１２（２２）、接続板１３（２３）に
よってトラスを構成している。中空形材１０、２０の使
用個所によっては、一方の面板１１、２１は他方の面板
１２、２２に対して傾斜したり、円弧状になったり、全
体が円弧状になっている。

【００１２】中空形材１０の幅方向の端部の接続板１４
は面板１１、１２に対して実質的に直交している。中空
形材２０の端部には面板２１、２２に対して直交する接
続板はない。接続板１４と面板１１、１２とのそれぞれ
の接続部には中空形材２０の面板２１、２２の端部が重
なる凹部がある。前記それぞれの接続部には面板２１、
２２を支える突出片１５がある。突出片１５は接続板１
４から中空形材１０の幅方向の端部側に突出している。
前記凹部は面板１１（１２）、接続板１４、突出片１５
から構成される。凹部は中空形材１０の幅方向の外方お
よび厚さ方向の外方に向けて開口している。凹部に面板
２１、２２を重ねたとき、面板２１、２２の端面と面板
１１、１２の端面とが突き合わせられる。

【００１３】面板１１、１２（２１、２２）の端部には
中空形材１０、２０の厚さ方向の外側に突出する凸部１
７（２７）がそれぞれある。面板１１、１２（２１、２
２）の端面および凸部１７（２７）の端面は中空形材１
０（２０）の厚さ方向に沿っている。面板１１、１２お
よび凸部１７の端面（中空形材１０の幅方向の端部）は
接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上にある。面板２
１、２２および凸部２７の端面（中空形材２０の幅方向
の端部）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上にあ
る。

【００１４】中空形材１０と中空形材２０とを組み合わ
せたとき、接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、面
板１１、１２、２１、２２および凸部１７、１７、２
７，２７の端面がある。この組み合わせによって、中空
形材１０の面板１１（１２）および凸部１７（１７）の
端面と中空形材２０の面板２１（２２）および凸部２７
（２７）の端面とが突き合わせられる。このとき、突き
合わせ部の隙間はできるだけ小さくなるように各部を設
けている。すなわち、面板２１、２２の間隔、凹部の間
隔を定めている。

【００１５】中空形材１０、２０を突き合わせた時、面
板１１、１２の外面と面板２１、２２の外面とは実質的
に同一面にあり、凸部１７、２７の突出代は同一であ
る。２つの凸部１７、２７の幅は同一である。２つの凸
部１７、２７を合わせた幅は回転工具５０の大径部５１
の径よりも大きい。凸部１７、２７の金属は、突き合わ
せた部分の隙間を埋める金属の原資となる。

【００１６】中空形材１０の突き合わせ部の端面（中空
形材１０の厚さ方向に沿った凹部の面（面板１１、１２
に実質的に直交する面、中心Ｃに沿った面。））には中
空形材１０の長手方向に沿って溝１８、１８がある。中
空形材２０の突き合わせ部の端面（面板２１、２２に実
質的に直交する面、中心Ｃに沿った面。）には中空形材
２０の長手方向に沿って凸部２８、２８がある。凸部２
８は溝１８に入る。

【００１７】凸部２８を溝１８に挿入しやすくするた
め、溝１８および凸部２８を台形状にしている。凸部２
８の幅は先端側が基部よりも小さい。溝１８の幅は底部
が開口部側よりも小さい。溝１８、凸部２８のそれぞれ
の角部は円弧状にしている。両者を組み合わせたとき、
両者の間の隙間は小さくなるように、凸部２８、溝１８
の大きさを定めている。特に、中空形材１０、２０の厚
さ方向における溝１８と凸部２８との間の隙間は小さく
している。または、中空形材１０、２０の厚さ方向にお
いて、溝１８と凸部２８とは接触していることが望まし
い。

【００１８】中空形材１０（２０）の厚さ方向における
溝１８（凸部２８）の位置は面板１１、１２（２１、２
２）と凸部１７、１７（２７、２７）とを合わせた厚さ
の範囲内にあればよい。

【００１９】面板１１、１２、２１、２２の突き合わせ
部の板厚は他の部分の厚さよりも厚くしている。中空形
材の厚さ方向の外面側は実質的に平らにしなければなら
ないので、面板の内面側に向けて突出させて、厚くして
いる。この厚さは突き合わせ部から遠ざかるにしたがっ
て徐々に薄くしている。凹部の底面は面板１１、１２、
２１、２２の外面に実質的に平行である。

【００２０】接合に当たって、２つの中空形材１０、２
０を図１のように嵌め合わせる。凸部２８、２８が溝１
８、１８に入る。溝１８は中空形材の幅方向の端部側に
向けて開口し、凸部は中空形材の幅方向の端部側に向け
て突出しているので、嵌め合わせは容易にできる。嵌め
合わせたら、中空形材１０、２０を架台１００に固定す
る。１０１は下面の凸部１７、２７が入る溝である。固
定後、突き合わせ部の上面側を間欠的に仮止め溶接す
る。

【００２１】回転工具５０は大径部５１の先端に小径部
５２を設けている。小径部５２にはねじを設けている。
接合に際しては、突き合わせ部に回転工具５０を挿入す
る。回転工具５０の軸心は接続板１４の板厚の中心Ｃの
延長線上に位置させる。大径部５１の下端は面板１１、
２１（１２、２２）の外面の延長線と凸部１７、２７
（１７、２７）の頂面との間に位置させる。小径部５２
は面板１１（１２）と面板２１（２２）との突き合わせ
部に挿入する。小径部５２の下端は突出片１５の上面
（凹部の底面）よりも若干挿入している。少なくとも突
出片１５まで塑性流動するように、小径部５２を挿入す
る。

【００２２】回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の
中心Ｃの延長線上に位置させたとき、溝１８は小径部５
２の径の範囲内に位置する。凸部２８は小径部５２の径
の範囲内に位置する。この状態で、回転工具５０を回転
させながら、突き合わせ部の接合線に沿って移動させ
る。

【００２３】一方の面側の摩擦攪拌接合が終了したら、
中空形材１０、２０を上下に反転させ、同様に摩擦攪拌
接合を行う。

【００２４】次に、車体５００の外面側に位置する凸部
１７、２７を切削して、接合部の外面を面板１１、２１
（１２,２２）の外面と同一面にする。これによれば、
摩擦攪拌接合による摩擦熱によって面板２１（２２）が
変形しようとしても、凸部２８と溝１８とが嵌め合わせ
られているので、面板２１（２２）の上下方向の移動を
防止または抑制する。このため、面板１１（１２）と面
板２１（２２）との間に段差の少ない接合ができる。

【００２５】このため、摩擦攪拌接合後、前記段差を少
なくする切削作業を少なくできる。このため、安価にで
きるものである。また、中空形材２０の端部において面
板２１、２２に直交する接続板を予め除くことができ
る。このため、中空形材２０を安価で、軽量にできるも
のである。

【００２６】回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の
中心Ｃの延長線上に位置させたとき、溝１８は小径部５
２の径の範囲内に位置する。凸部２８は小径部５２の径
の範囲内に位置する。このため、溝１８と凸部２８との
間に隙間があっても、隙間は埋められ、接合される。溝
１８および凸部２８が小径部５２の径の範囲内に位置し
なくても、小径部５２によって、溝１８および凸部２８
が塑性流動するように、溝１８および凸部２８の位置お
よび大きさを定める。

【００２７】回転工具５０は接続板１４の板厚の延長線
上に位置するので、摩擦接合の際の荷重は接続板１４で
支えられ、接合部が変形することが少ない。接続板１４
はこの荷重を支える剛性を有する。接続板１４の板厚の
中心Ｃの延長線上に回転工具５０の軸心が位置するのが
よい。

【００２８】面板１１、２１、１２、２２（凸部１７、
２７の部分を除く）の外面の延長線よりも外面側の凸部
１７、２７の部分（凸部１７、２７の突出代の部分）
に、溝１８および凸部２８の一部を設置しているので、
所要の大きさの溝１８および凸部２８を容易に設けるこ
とができるものである。接続板１４の板厚の中心Ｃの延
長線上に、回転工具５０の軸心、凸部１７、２７の端部
が実質的に位置しているのが望ましい。

【００２９】上記実施例では中空形材１０の凹部に溝１
８を設け、中空形材２０に凸部２８を設けているが、中
空形材１０の凹部に凸部２８を設け、中空形材２０の面
板２１、２２の端部に溝１８を設けることができる。し
かし、前者の方が、押し出し形材を製作する際に正確に
できると考えられる。

【００３０】また、一方の面板１１側（一方の凹部側）
に溝１８を設け、他方の面板１２側（他方の凹部側）に
凸部２８を設け、一方の面板２１に凸部２８を設け、他
方の面板２２に溝１８を設けることができる。

【００３１】図４、図５の実施例を説明する。接続板１
４の板厚の中心Ｃの延長線上に、溝１８の深さの中心が
位置する。このため、面板１１、１２および凸部１７の
突き合わせ部の端面は接続板１４の板厚の中心Ｃよりも
中空形材１０の端部側に突出している。中空形材２０の
突き合わせ部はこれに対応して設けている。すなわち、
面板２１、２２および凸部２７の突き合わせ部の端面
（凸部２８を除く。）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延
長線上よりも中空形材１０の幅方向の他端側に突出して
いる。このため、凸部１７の幅が凸部２７の幅よりも大
きい。

【００３２】回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の
中心Ｃの延長線上に位置させて摩擦攪拌接合を行う。摩
擦攪拌接合に当たって、凸部１７、２７の突き合わせ部
の位置を求め、その位置から中空形材１０側に所定量偏
寄させた位置を回転工具５０の位置とする。これによれ
ば、溝１８および凸部２８に対する回転工具５０（小径
部５２）の軸心の位置ずれの許容量を大きくできるもの
である。接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、回転
工具５０の軸心、溝１８の深さの中心が実質的に位置し
ているのが望ましい。

【００３３】上記各実施例では、摩擦攪拌接合時の荷重
を支持するために、接続板１４を設けている。しかし、
面板１１、１２、２１、２２、および接続板１３、２３
からなる空間に支持部材を配置して、前記荷重を支持す
るようにすれば、接続板１４を除くことができる。中空
形材１０、２０の幅方向の端部の位置（溝１８、凸部２
８の位置、すなわち突き合わせ部の位置）は実質的に同
一位置にある。支持部材は例えば下方の面板１２、２２
に載る。

【００３４】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。

【００３５】

【発明の効果】本発明のよれば、軽量で良好な摩擦攪拌
接合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中空形材の接合部の縦断面
図。

【図２】図１の中空形材の接合部の全体の縦断面図。

【図３】鉄道車両の車体の斜視図。

【図４】本発明の他の実施例の中空形材１０の接合部の
縦断面図。

【図５】図４の接合部に用いる中空形材２０の接合部の
縦断面図。

【符号の説明】

１０、２０：中空形材、１１、１２、２１、２２：面
板、１５：突出片、１７、２７：凸部、１８：溝、２
８：凸部、５０：回転工具、５１：大径部、５２：小径
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福寄 一成 山口県下松市大字東豊井794番地 日立笠 戸機械工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 DA13 DA17 EA00 EB00

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの面板と、 前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一
   端は中空形材の幅方向の端部を除いた位置に接続した第
   １の接続板と、 前記２つの面板の前記端部同士を接続するものであっ
   て、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、 前記第２の接続板と前記２つの面板とのそれぞれの接続
   部に設けられ、中空形材の幅方向の外方および厚さ方向
   の外方にそれぞれ開口した凹部と、 他方の前記凹部において、前記幅方向の外方に向けて開
   口した溝または前記外方に向けて突出した凸部と、 からなることを特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。
2. 【請求項２】 請求項１の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、前記第１の接続板の板厚の延長線上に、前記溝ま
   たは前記凸部があること、を特徴とする摩擦攪拌接合用
   中空形材。
3. 【請求項３】 請求項１の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、前記第２の接続板の板厚の実質的な中心の延長線
   上に、前記溝または前記凸部があること、を特徴とする
   摩擦攪拌接合用中空形材。
4. 【請求項４】 請求項１の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、前記第２の接続板の板厚の実質的な中心の延長線
   上に、前記溝の深さの中心または前記凸部の突出代の中
   心があること、を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。
5. 【請求項５】 請求項１の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、 前記凹部側の一方の前記面板の端部、前記凹部側の他方
   の前記面板の端部のそれぞれには前記厚さ方向の外方に
   突出する第２の凸部があり、 前記溝の一部または前記凸部の一部は前記第２の凸部の
   突出代の範囲に位置していること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。
6. 【請求項６】 請求項１の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、前記それぞれの凹部には前記溝または前記凸部と
   して前記溝があること、を特徴とする摩擦攪拌接合用中
   空形材。
7. 【請求項７】 請求項１の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、前記それぞれの凹部には前記溝または前記凸部と
   して前記凸部があること、を特徴とする摩擦攪拌接合用
   中空形材。
8. 【請求項８】 ２つの面板と、 前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一
   端は中空形材の幅方向の端部を除いた位置に接続した接
   続板と、 該中空形材の幅方向の前記端部の一方の前記面板の先端
   に設けたものであって、該中空形材の幅方向の外方に向
   けて突出した凸部または前記外方に向けて開口した溝
   と、 該中空形材の幅方向の前記端部の他方の前記面板の先端
   に設けたものであって、該中空形材の幅方向の外方に向
   けて突出した凸部または前記外方に向けて開口した溝
   と、 からなる摩擦攪拌接合用中空形材。
9. 【請求項９】 請求項８の摩擦攪拌接合用中空形材にお
   いて、前記それぞれの面板の端部には前記凸部または前
   記溝として前記凸部があること、を特徴とする摩擦攪拌
   接合用中空形材。
10. 【請求項１０】 請求項８の摩擦攪拌接合用中空形材に
    おいて、前記それぞれの面板の先端には前記凸部または
    前記溝として前記溝があること、を特徴とする摩擦攪拌
    接合用中空形材。
11. 【請求項１１】 請求項８の摩擦攪拌接合用中空形材に
    おいて、 前記凸部または前記溝がある前記一方の面板の端部、前
    記他方の面板の端部のそれぞれには前記厚さ方向の外方
    に突出する第２の凸部があり、 前記凸部または前記溝の一部は前記第２の凸部の突出代
    の範囲に位置していること、 を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。
12. 【請求項１２】 請求項８の摩擦攪拌接合用中空形材に
    おいて、前記中空形材の幅方向において、前記凸部また
    は前記溝がある前記一方の面板の端部と、前記他方の面
    板の端部とは、実質的に同一位置にあること、を特徴と
    する摩擦攪拌接合用中空形材。