JP2003154471A

JP2003154471A - 摩擦攪拌接合用中空形材

Info

Publication number: JP2003154471A
Application number: JP2001354293A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Makino; 俊昭牧野; Hideyuki Nakamura; 英之中村; Masaaki Shigeyama; 正明茂山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2003-05-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ボビン式摩擦攪拌接合するのに良好な制振材
付き中空形材を提供する。【解決手段】二つ以上の中空形材２０を検出し、ボビ
ン式回転工具１０で摩擦攪拌接合するボビン式摩擦攪拌
接合用制振材付き中空形材において、中空形材２０の上
面を移動、回転するボビン回転工具１０の左右方向の両
側に分割配置された少なくとも一つ以上の制振材３１，
３２で構成したものである。特に、面板２２，２４の内
側で、斜めリブ板２３の根本部とボビン回転工具１０に
配置されている。よって、ボビン式摩擦攪拌接合する時
に生じる上下振動を防止することができるので、軽量な
中空形材を構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２つ以上の面板を
有する薄型中空形材の摩擦攪拌接合用制振材付き中空形
材に関するものである。例えば、鉄道車両、航空機、高
層建築物等に使用されるアルミ合金の長い押出し中空形
材をボビン式摩擦攪拌接合で製作する方法に好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、２つの形材の接合
部に挿入した丸棒（回転工具と言う）を回転させながら
接合線に沿って移動させ、接合部を摩擦熱で軟化させ
て、塑性流動を起こさせ、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からなり、接
合部の内部に小径部を食い込ませ、摩擦熱により軟化さ
せ、外側に吹き出る材料のメタルフローを大径部で押え
ている。これは特開平０９−３０９１６４号公報（ＥＰ
０７９７０４３Ａ２）に示されている。この公報には、
中空の押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
手形状も開示されている。

【０００３】さらに、回転工具の移動前方に、予熱用の
外部熱源を配置して摩擦攪拌接合を高速で可能にしてい
る。これは特開平１０−２２５７８１号公報に示されて
いる。この公報は、接合部を摩擦攪拌接合する前に加熱
装置で余熱させ、接合部を軟化させた後、接合させるも
のである。これにより、回転工具を高速移動させること
ができることが示されている。

【０００４】摩擦攪拌接合では、回転工具の挿入によっ
て被接合部材に大きな荷重が作用する。これにより、中
空形材を摩擦攪拌接合する場合では、二枚の平行な面板
を接続するリブに対して大きな挿入力が作用する。前記
挿入荷重を低減する方法として、小径部の上下両端に大
径部を２つ設けたボビン回転工具方式がある。これは２
つの大径部で作用する上下荷重がキャンセルするもので
ある。これは特表平０７−５０５０９０号公報（ＥＰ０
６１５４８０Ｂ１）に示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ボビン式摩擦攪拌接合
で中空形材の上面と下面とを同時に接合させた場合で
は、２つの突き合せ面板の上下方向に振動が生じる。特
に、面板の板厚を薄くしていくと、その傾向は益々顕著
になる。さらに、ボビン式回転工具の上下方向の僅かな
位置決め誤差があると、ボビン式回転工具を含めた、２
つの面板が持続振動することもある。このことから、中
空形材の面板の振動を防止する構造が必要になる。

【０００６】この面板やリブの振動を防止するアルミ制
振形材は、「まてりあ、第３５巻第６号ｐｐ．２４８
−２５０１９９６年」公報に示されている。この公報
に示されているように、中空形材の面板内側や斜めリブ
の側面に複数の制振材が貼付されて、外部から侵入する
振動や騒音を低減する配置構造になっている。よつて、
単にアルミ制振形材を用い、ボビン式回転工具で摩擦攪
拌接合する場合には、それらの制振材を巻き込むか、５
００度の温度入熱による材料劣化が起きて、制振効果を
著しく損なう恐れがある。また、中空形材（上下に２枚
の面板を有し、リブで面板を接続する構造部）では、さ
らなる軽量化を図るため、強度部材を薄肉化するため、
ボビン式回転工具による荷重が作用しても、その面板を
振動させないようにしなければならない。このため、ボ
ビン式摩擦攪拌接合用制振材付き中空形材の接合部を含
んだ継ぎ手の軽量化には限界がある。

【０００７】強度面に関して、中空形材に面外曲げ力が
作用した場合、全体の剛性に支配的な部位は斜めリブで
あることが知られている。このため、この面外曲げ力に
対して剛性を向上させるには、せん断力の主応力方向で
ある面板に対して４５度の向きに斜めリブを２つ配置す
ることが望ましい。

【０００８】以上のことにより、ボビン式摩擦攪拌接合
時の荷重を支持し、かつ面板が振動しないような、中空
形材の継ぎ手部構造が必要不可欠である。

【０００９】本発明の目的は、軽量な中空形材構造を有
し、かつボビン式摩擦攪拌接合する時の上下振動を防止
するボビン式摩擦攪拌接合用制振材付き中空形材を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、２つの中空
形材を突き合せた上面と下面のそれぞれの突き合せ部を
同時にボビン式回転工具を接合するための中空型材であ
って、突き合せ部の面板に制振材を設置すること、によ
り達成できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１から図５
により説明する。図１、２では、中空形材２０は、中央
の接合部１３の隙間をなくすように凹凸の突き合せの継
ぎ手構造になっている。図示していないが、中空形材２
０の両端は固定支持されている。左右の中空形材２０の
長さは２０ｍから２５ｍであり、上下２つの面板２２、
斜め内リブ２３、中央の接合部１３及び突き合せ部２
１、突き合せ部２１の上下方向の振動を抑制する２つの
制振材３１、３２で構成されたアルミニウム合金から成
る。

【００１２】２つの中空形材２０の接合方法について、
以下説明する。２つの中空形材２０は、２つの面板２２
とトラス状に配置した複数の斜め内リブ２３と凹凸の突
き合せ部２１と中央の接合部１３とからなる。２つの面
板２２は、実質的に平行であり、斜め内リブ２３による
トラスのピッチは同一である。そのトラスは斜め内リブ
２３、面板２２の板厚の中心線によって構成されてい
る。その頂点は、面板２２の内側にある。

【００１３】中空形材２０の中央の接合部１３を接合す
る構成を、以下に説明する。面板２２と接続する斜め内
リブ８は、２等辺３角形のトラスを構成している。

【００１４】摩擦攪拌接合する接合線３は、図示してな
いが凸部形状である。また、ボビン式回転工具１０で摩
擦攪拌接合した後では、図３に示すように、ボビン式回
転工具１０周り突き合せ部の中央の接合部２１とその周
りに熱影響部ができ、放物線状の温度分布４０が生じ
る。特に、ボビン式回転工具１０の上部大径部１１で上
面の面板２２と下部大径部１２で下面の面板２２から生
じる温度分布４０は、従来より大きくなり、山盛り形状
で、最高温度Ｔｐと制振材３１の制振効果が劣化しない
で、直径Ｄ１の限界温度Ｔｍから成り立っている。この
制振材３１は、限界温度Ｔｍの外側で、かつ斜めリブ２
３の間に配置される。斜めリブ２３の根本部を支持点に
した中央の接合部２１は上下方向に振動する、片持ち梁
支持構造となり、ボビン式回転工具１０の上部大径部１
１と下部大径部１２による振動が発生しても、制振材３
１の制振効果により、振動は抑制される。また、ボビン
式回転工具１０の位置決め精度が劣化しても、同様に振
動は抑制される。

【００１５】その制振効果は、図４に示すごとく温度に
依存し、横軸に温度Ｔ、縦軸に制振効果Ｄを取ると、限
界温度Ｔｍで制振効果Ｄｍが最大となり、温度が上昇す
るに従って右下がり傾向となり、最高温度Ｔｐで完全劣
化となる。よって、限界温度Ｔｍ近傍か、それ以下にな
る部位に制振材３１、３２を貼付、配置する必要があ
る。

【００１６】中空形材２０は、面板２２を下方にして、
図示していないが定盤上に固定支持されている。上方か
らボビン式回転工具１０を接合線２５に挿入し、ボビン
式摩擦攪拌接合をする。そのボビン式回転工具１０は、
同軸であり、小径部１３と上部大径部１１、下部大径部
１２からなり、回転方向に対して接合線２５上を移動方
向に沿って、接合移動する。このため、面板２２、斜め
リブ２３等の部分に挿入された小径部１３で接合された
部位は、突き合せ形状になる。一方、面板２２内に挿入
された上部大径部１１と下部大径部１２で接合された部
位は、熱影響部すなわち、直径Ｄ１の限界温度４１部分
となる。

【００１７】その時の中空形材２０の中央の接合部２１
の振動特性を図５に示す。すなわち、実線Ａが制振材３
１等を配置させない場合である。一方、点線Ｂが本発明
の制振材３１等を貼付、配置させた場合である。図示し
たように、点線Ｂはピークを持たない特性となり、ボビ
ン式回転工具１０が振動しても、中空形材２０の面板２
２、中央の接合部２１等の振動は抑制されることを示す
ものである。

【００１８】図５に示したように、実線Ａでは高次の振
動ピークが生じるが、点線Ｂでは高次の振動も抑制され
ることが分かる。

【００１９】本発明のボビン式摩擦攪拌接合時の動作に
ついて、以下説明する。図示されていないが、中空形材
２０は定盤に載せられて、固定されている。面板２２の
突き合せ部に相当する中央の接合部２１は、小さな隙間
で接触しているか、近接している。この状態において、
ボビン式回転工具１０は、上部大径部１１で面板２２の
中央の接合部２１の上面を摩擦攪拌させている。同時
に、小径部１３に接続された下部大径部１２で中央の接
合部２１の下面を摩擦攪拌させている。図２に示したよ
うに、ボビン式回転工具１０は、図面上で下方向から上
方向に向かった接合線２５に挿入されて移動し、摩擦攪
拌接合されている。ボビン式回転工具２０軸心は鉛直方
向にある。ただし、回転工具１０の移動方向に対して軸
心は、公知のように傾斜している。

【００２０】ボビン式回転工具２０は、上部大径部１
１、その下の小径部１３、それに接続された下部大径部
１２とからなる。小径部１３の先端は上部大径部１１の
上座面や下部大径部１２の下座面よりも、深く挿入して
いる。上部大径部１１の下端は図示していないが、凸部
の頂と面板２２の外面との間に位置している。上部大径
部１１と下部大径部１２の径は、中央の接合部２１の２
つの凸部からなる幅よりも小さい。小径部１３はねじで
ある。

【００２１】この摩擦攪拌接合によって、中空形材２０
の面板２２の接合線２５突き合せ部の隙間は埋められ
て、上下ともに接合される。その際、接合された突き合
せ部や熱影響部に相当する中央の接合部２１は、ボビン
式回転工具１０が移動することにより、面板２２を加振
させることで、ボビン式回転工具１０は共に、上下方向
に振動するが、両側に配置された制振材３１により、そ
の振動は抑制されて摩擦攪拌接合される。また、一方の
接合が終了した場合では、逆に反転されて、他方の場合
の接合準備がなされた後、中空形材２０の面板２４の中
央の接合部２１を、同様にボビン式回転工具１０で摩擦
攪拌接合させる。この時も、面板２４に配置された制振
材３２による制振効果により、接合時の面板２４振動は
抑制される。それにより、上下方向の振動が抑制される
ので、ボビン式回転工具による摩擦攪拌接合が安定して
行われる。

【００２２】この実施例によれば、ボビン式回転工具１
０の上部大径部と下部大径部で、中央の接合部２１の接
合線２５に沿って移動する小径部１３により、面板２
２、２４が摩擦攪拌接合した際、生じる上下方向の振動
は抑制されるため、正常な摩擦攪拌接合がなされる。ま
た、面板２２、２４の薄肉化がなされる軽量な中空形材
構造をも構成できる。

【００２３】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。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ボビン式摩擦攪拌接合
で、ボビン回転工具の左右両側に分割配置された制振材
により、ボビン回転工具が移動、回転することにより生
じる振動を軽減させることができるので、軽量な中空形
材を提供する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ボビン式摩擦攪拌接合用中
空形材の要部断面図。

【図２】本発明の一実施例のボビン式摩擦攪拌接合用中
空形材の平面図。

【図３】本発明の一実施例の接合部における温度履歴
図。

【図４】本発明の一実施例の制振材の制振効果特性図。

【図５】本発明の中空形材の振動周波数特性図。

【図６】本発明の他の実施例の中空形材の要部断面図。

【符号の説明】

１０：ボビン式回転工具、１１：上部大径部、１２：下
部大径部、１４：小径部、２０：中空形材、２１：中央
の接合部、２２、２４：面板、２３：斜めリブ板、３
１、３２：制振材、４０：温度分布、４１：限界温度、
５０：車両側制振材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茂山正明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） 4E067 AA05 BG00 DA13 DA17 EA06 EA08 EA09 EC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの中空形材を突き合せた上面と下面
のそれぞれの突き合せ部を同時にボビン式回転工具を接
合するための中空型材であって、突き合せ部の面板に制
振材を設置していること、を特徴とする摩擦攪拌接合用
中空形材。
【請求項２】請求項１において、前記制振材は、前記
中空形材内部のリブ根本部から前記突き合せ部の近傍部
まで設置していること、を特徴とする摩擦攪拌接合用中
空形材。
【請求項３】請求項１において、前記制振材は、前記
突き合せ部に設けて凸部の端からリブ根本部まで設置し
ており、前記制振材は粘弾性材料からなること、を特徴
とする摩擦攪拌接合用中空形材。