JP2004042115A - Double skin panel and friction stir welding method for the double skin panel - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、航空機、建物等の大型構造体を製造する際の側構体、床構体、屋根構体等の広幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法と該接合方法に使用されるダブルスキンパネル(二面中空パネル)に関する発明である。
【0002】
【従来の技術】
従来、鉄道車両構造において、特開平2−246863号において車両の左右の側構体、床構体、屋根構体等を長手方向に延在する長尺のダブルスキンパネル若しくはシングルスキンパネルを長手方向にのみ接合するだけで、前記側構体、床構体、屋根構体等が形成され、作業性の向上とともに、溶接ひずみの発生が少なくなり、歪取り、仕上げ作業の削減を図った技術が開示されている。
【0003】
一方、特表平7−505090号公報には、摩擦攪拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されており、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、かかる摩擦攪拌接合法は、接合部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。さらに、接合部は溶融されないため、欠陥が少ない、などの多くの利点がある。
【0004】
さらに、かかる摩擦攪拌接合を利用して、鉄道車両等の大型構造物に用いられる長尺のダブルスキンパネルからなる中空型材を複数平行に配設したものを突き合わせ接合して摩擦撹拌接合による広幅の二面構造体(パネル)を形成する技術が特許第3152420号公報に開示されている。
【0005】
次に摩擦撹拌接合に使用される回転工具について説明する。摩擦撹拌接合は特表平7−505090に開示されているように、ブローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具は図6(A)に符合20にて示すように、ショルダ部21とこのショルダ部21に備えられたプローブ22とを備えており、このショルダ部21は円形ショルダ面を有している。そして、複数の型材を突き合わせ、若しくは嵌合された状態の接合線上面より、前記回転工具を回転させて、プローブ21を被加工物の接合線に設けた不図示の孔に侵入させるとともに、複数の型材の接合線上で摺接回転する円形ショルダ面21によって被加工物に摩擦熱が付与されるとともに、プローブ22周囲が塑性流動化し、この状態で回転工具20を接合線に沿って移動させることにより、接合線周囲が塑性流動化しながら接合線に沿って2つの素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブの後方側に移行する。この結果塑性流動した素材は後方側で摩擦熱を失って急速に冷却固化するので両パネル板は素材同士が混じり合って完全に一体化した状態で接合される。
【0006】
しかしながらかかる接合方法では接合時に摩擦熱を発生させるために、回転工具を接合線側に押しつける必要があり、従ってこの反力に対処するために、裏当金が使用されている。この裏当金は被加工物の面板の裏面に密着させて設置するものであり、大きな加圧力を必要とする。
【0007】
そこでこのような裏当て金を設けずに、工具の押しつけ力を支える支柱をダブルスキンパネル端部に設けた技術が特許第3070735号として存在する。
図7(A)は側構体を構成するダブルスキンパネルの自由端部の接合部を示すものである。ダブルスキンパネル50、60は2つの面板51、52、61、62とこれを接続する斜めのリブ53、63とからなる。斜めのリブ53、63はそれぞれ複数あり、トラス状に配置している。リブ53、63の傾斜の方向は交互である。
【0008】
一方のダブルスキンパネル50の端部は他方のダブルスキンパネル60の端部に入っている。ダブルスキンパネル50の端部の近くには面板51と面板52とを接合する垂直な支柱54がある。55はダブルスキンパネル60の端部を支える突出片である。
【0009】
支柱54の厚さ方向(図7において、左右方向)の中心の延長線上に、2つのダブルスキンパネル50、60の接合用の厚肉部(突出部)56、66の端部が位置する。接合部の近くの面板51、52、61、62は前面側(ダブルスキンパネルの厚さ方向における外側、接合作業を行う側、すなわち、回転工具20の回転体側である。)に所定の幅で所定高さで突出して厚肉部になっている。
【0010】
かかるダブルスキンパネルは、ブローブ型の2つの回転工具20を回転させながら、夫々のブローブをダブルスキンパネル50、60の厚肉部上の接合部に挿入する。そして、2つのダブルスキンパネル50、60の接合部の長手方向に沿って回転工具20を水平移動させることにより摩擦攪拌接合が可能となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
そしてかかる摩擦攪拌接合においては、厚肉部56、66の接合部に回転工具20のブローブ21を挿入して摩擦攪拌接合を行うわけであるが、前記厚肉部で工具ショルダ面との摩擦熱による入熱により軟化した部分が接合ギャップ空間34に進入して扁平になるが、なお図7(B)に示すように、厚肉部56、66の隅部に突起59、69が存在し、接合後において、その突起59、69を削成する作業が必要であり、特に車両構造体のような長尺ものについては、その作業が煩雑化する。
又摩擦攪拌接合前に前記突き合わせ部のギャップ34断面積を予測するのは難しく、適切な厚肉部サイズを前もって決めることは極めて困難である。
又上記発明のような回転工具10にブローブ11を用いた継ぎ手方法では、回転工具の押し付け力が6〜10KNと大きいため前記のような支柱54を設けているが、その押し付け力を支持するための支柱の位置や厚肉幅の設定が難しく、設計上大きな制約を受ける。
【0012】
かかる欠点を解消するために、図6(B)に示すように、ボビンツール10と呼ばれる回転工具が提案されている。
かかる工具は接合する金属板の表裏両面を挟持するように一定間隔を設けた一対のショルダ10A、10Bが設けられているとともに、該上下一対のショルダ10A、10B間にプローブ11が設けられているので、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の接合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ10A、10B間で互いの反力を受けるので、裏当金や前記した支柱は不要になるが、なおもって、接合前に2つの部材の突き合せ部の端面の間に隙間(ギャップ)がある場合には、接合部に凹み等の欠陥が発生する。このため、強度低下を生じ、特に車両等の大型構造物においてはダブルスキンパネルが長尺になることによって、前記ギャップの管理は困難になり、凹みが大きくなり、また、欠陥が発生しやすくなる。
【0013】
本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、車両、航空機、建物等の大型構造体を製造する際の側構体、床構体、屋根構体等の広幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネル同士をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に該摩擦攪拌接合の円滑化とその接合部の表面形状に凹凸が生じることのない、言い換えれば表面が平坦状の平面状接合面を得る事のできるダブルスキンパネルの摩擦撹拌接合方法とそれに用いるダブルスキンパネルを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、パネル表面側に突出する厚肉部を設ける必要がなく、しかも接合後において、表面平坦化用の削成作業が不要となるダブルスキンパネルの摩擦撹拌接合方法とそれに用いるダブルスキンパネルを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本第一発明は、車両、航空機、建物等の大型構造体を製造する際の側構体、床構体、屋根構体等の広幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法において、突き合わせ接合により広幅パネルを製造する方法を示し、特に請求項1記載の発明は、車両、航空機、建物等の大型構造体を製造する際の側構体、床構体、屋根構体等の広幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法において、前記ダブルスキンパネルの自由端が、その内部にリブが存在しない構成にし、かつ、自由端側の面板の厚みをその自由端より該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みより大に設定するとともに、該ダブルスキンパネルの自由端同士を突き合わせ、その突き合わせ面において、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツールにより、好ましくは裏面側入熱量を表面側入熱量より大にしながら摩擦攪拌接合がなされることを特徴とする。
【0015】
かかる発明によれば、接合部の継ぎ手構造が突き合わせになっているために、図7に示す従来技術のようにギャップ(隙間)が生じるが、パネル自由端の裏面側(中空部側)の板厚を厚くすることで、継ぎ手部でショルダ面との摩擦熱による入熱により裏面側の軟化した部分が接合ギャップ空間に進入するため、前記従来技術のように表面側に厚肉部を設ける必要がなく、外部から見える表面側は凹部が発生することなく、平坦を維持できる。
この結果、接合後における表面加工処理が基本的に不要であり、特に車両構造体のような長尺ものについては、その作業が大幅に簡単化する。
【0016】
そしてこのような構成を円滑に達成するには、裏面側入熱量を表面側入熱量より大にしながら摩擦攪拌接合を行うことにより、表面側より裏面側が先に軟化して前記ギャップに軟化した裏面側が進入することが好ましく、具体的には裏面側押し付け力を表面側押し付け力より大にする、裏面側ショルダの回転速度を表面側より大にする、裏面側ショルダにヒータを内蔵する等の手段があげられる。
【0017】
又前記表面側が平坦度を維持するには、前記自由端側に位置する面板厚みTt、該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みt、突き合わせ部のギャップ幅をGとした場合に
Tt=t+(1〜3)G
になるように厚み設定されているのがよい。
又、更に好ましくはダブルスキンパネル同士を突き合わせて得られる面板と平行な自由端内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dより大きいことが必要であるが、あまりに大きいとその部分の強度が低下する。従ってその範囲はボビンツール直径Dに対し、1.1〜2倍の範囲であるのがよい。
【0018】
そしてこのような自由端同士を突き合わせて摩擦攪拌接合に用いるダブルスキンパネルは、前記ダブルスキンパネル自由端側に位置する面板厚みTt、該パネルのリブ内側に位置する面板厚みt、突き合わせ部のギャップ幅をGとした場合に
Tt=t+(1〜3)Gになるように厚み設定され且つダブルスキンパネル同士を突き合わせて得られる面板と平行な自由端内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dに対し、1.1〜3倍の範囲として構成される。
【0019】
第2発明は、ダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法において、自由端の嵌合により広幅パネルを製造する方法を示し、特に請求項5記載の発明は、前記ダブルスキンパネルの自由端が、その内部にリブが存在しない構成にするとともに、接合されるダブルスキンパネルを自由端側の面板間が互いに嵌合するように、面板間高さを設定し、前記嵌合により形成される2つの自由端面板同士の厚みWTtを該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みtに対し、2t<WTt≦5tの範囲に設定するとともに、該ダブルスキンパネル自由端同士同士を嵌合させ、その嵌合部位において、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツールにより摩擦攪拌接合がなされることを特徴とする。
【0020】
かかる発明によれば、接合部を構成する継ぎ手構造が嵌合による重ね合わせ構造となっているために、従来技術のように接合部にギャップ(隙間)が生じることなく、このため図7に示す従来技術のように、接合位置に厚肉部を設けてギャップ進入用の余肉を設ける必要が少ない。
この場合本発明においても表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツールにより、裏面側入熱量を表面側入熱量より大にしながら摩擦攪拌接合がなされることにより表面の一層の平坦化が達成されるが、必ずしも必須の要件ではない。
又本発明においても、ダブルスキンパネル同士を嵌合させて得られる面板と平行な自由端内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dに対し、1.1〜2倍の範囲であるのがよい。
【0021】
そして本発明における自由端同士を嵌合させてその嵌合部位を摩擦攪拌接合されるダブルスキンパネルは、前記パネル自由端が、その内部にリブが存在しない構成にするとともに、接合されるダブルスキンパネルを自由端側の面板間が互いに嵌合するように、面板間高さを設定するとともに、前記嵌合により形成される2つの自由端面板同士の厚みWTtを該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みtに対し、2t<WTt≦5tの範囲に設定するとともに、
ダブルスキンパネル同士を嵌合させて得られる面板と平行な自由端内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dに対し、1.1〜3倍の範囲であるのがよい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【0023】
先ず第1発明に適用されるダブルスキンパネルの自由端とその突き合わせ構成について図1に基づいて説明する。
同図に示す如く、ダブルスキンパネル30A、30Bは上下二面の平行な面板31、32とその面板31、32間をジグザグ三角形状に連設したリブ39を有し、その三角リブ39の両外側には垂直リブ38を介して二面の自由端33A、33Bが面板31、32と平行且つ水平に延在している。そして両自由端33A、33Bとも面板31、32と面一に延在され、両者をギャップ34を介して突き合わせて面板31、32表面が面一になるように構成されている。
そして同図に示す如く、両ダブルスキンパネル30A、30Bの接合に自由端面が自由端33A、33Bの突き合わせによって表裏両面が平面状であるために、ボビンツール10を用いた場合は、接合するダブルスキンパネル30A、30Bの自由端33A、33Bの表裏両面を上下一対のショルダ10A、10B間でプローブ11を介して挟持させる事ができるために、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の接合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ10A、10B間で互いの反力を受けてので、裏当金が不要になるという効果を有し、又ボビンツールの裏面側ショルダ10Bがスキンパネル自由端33A、33B長手方向に移動可能で、その自由端33A、33Bの内部空間37が、その内部にリブ39、38が存在しない中空状であることが必要である。
又、この場合において、ダブルスキンパネル30A、30B同士を突き合わせて得られる面板31、32と平行な自由端33A、33B内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dより大きいことが必要であるが、あまりに大きいとその部分の強度が低下する。従ってその範囲はボビンツール直径Dに対し、1.1〜2倍の範囲に設定する。
【0024】
なお、前記表面側が平坦度を維持するには、裏面側で軟化した母材がギャップ34を埋めるだけの余肉容量が必要であり、自由端33A、33B内部空間長Lがボビンツール直径Dの2倍の場合は、直径Dに対応する裏面部位、言い換えれば自由端33A、33Bの裏面の1/3程度が軟化してギャップ34に進入するために、軟化する部位は余肉が、前記自由端33A、33B側に位置する面板31、32厚みTt、該パネルのリブ39を介して自由端33A、33B内側に位置する中空部の面板31、32厚みt、突き合わせ部のギャップ34幅をGとした場合に、
Tt=t+(3)G
になるように厚み設定されているのがよい。
又自由端33A、33B内部空間長Lがボビンツール直径Dの1.1倍の場合は、直径Dに対応する裏面部位、言い換えれば自由端33A、33Bの裏面の3/4程度が軟化してギャップ34に進入するために、軟化する部位は余肉が、前記自由端33A、33B側に位置する面板31、32厚みTt、該パネル30A、30Bのリブを介して自由端33A、33B内側に位置する中空部の面板31、32厚みt、突き合わせ部のギャップ34幅をGとした場合に、
Tt=t+(1.3≒1)G
になるように厚み設定されているのがよい。
【0025】
更に、この場合、好ましくは表面側より裏面側が先に軟化することにより、表面側の平坦度が維持でき、裏面側をギャップ34に進入させる軟化余肉として利用することが可能となる。
そしてこのような裏面側入熱量を表面側入熱量より大にしながら摩擦攪拌接合を行う具体的な手段は、裏面側押し付け力を表面側押し付け力より大にするか、裏面側ショルダの回転速度を表面側より大にする、もしくは裏面側ショルダにヒータを内蔵する等の手段が必要となる。
【0026】
その具体的な構成を図2に基づいて説明する。
図中10Aは表面側円筒ショルダで、ブローブ11として機能する回転軸29が中心軸に沿って延在し、その軸端にサーボモータ等の回転駆動部17を設ける。
一方、10Bは裏面側ショルダで、該ショルダ10Bは前記回転軸29に回転自在に遊嵌されたリング状円筒体で構成されるとともに、前記回転軸29に外嵌された筒状回転筒26に連結され、その軸端にサーボモータ等の回転駆動部27を設ける。
そして前記夫々の回転駆動部17、27は、送りねじ49A、49Bと送りねじ駆動モータ42A、42B及びロードセル44A、44Bが収納されたねじ収納部部41A、41Bからなる荷重負荷体40が連結されており、これらの荷重負荷体40及び回転駆動部17、27は制御回路28に接続され、荷重負荷体40夫々のロードセル44A、44Bの信号に基づいて送りねじ駆動モータ42A、42Bの回転位相を制御して例えば前記裏面側と表面側のショルダ面10A、10B間にダブルスキンパネル30A、30Bの突き合わせ接合部を挟持した状態で、該接合面の表側にかかる表側ショルダ10A面の荷重が10kgf、裏面側ショルダ面10Bの荷重が200kgfになるように制御し、前記表側ショルダ10A面にかかる荷重を裏面側ショルダ10B面にかかる荷重より大幅に小にしている。
【0027】
更に制御回路28では、回転駆動部17、27のサーボモータの回転数も制御可能に構成し、例えば裏面側のショルダ10B面との摩擦入熱と表面側のショルダ10A面の摩擦入熱量を制御可能に回転速度と押圧荷重のいずれか一方もしくは両者の組み合わせにて制御している。
【0028】
図3は荷重負荷体40が、送りねじと送りねじ駆動モータ及びロードセル収納部からなる荷重負荷体ではなく、ロードセル24A、24Bが収納された油圧シリンダ23A、23Bと油圧源油圧源25A、25Bとから構成されているもので、その作用効果は図2と同様である。
【0029】
なお、図4に示すごとく裏面側ショルダ10B内にヒータ47を内蔵し、摩擦攪拌接合初期に裏面側ショルダ10B面が摩擦攪拌接合の温度域である450℃〜560℃に先に到達させ、ダブルスキンパネル30A、30Bの裏面側のみ先に軟化させ、前記突き合わせ接合部のギャップ34部に軟化されたアルミ母材が先に進入するように構成してもよい。
従って本実施例にはヒータ47、裏面側ショルダ10Bの温度を検出する温度センサ48、摩擦攪拌接合の温度域付近に達した時点で前記ヒータのオフを行うヒータ制御回路46が必要となる。
【0030】
次に本発明の第二実施例たるダブルスキンパネル30A、30Bの自由端35、36とその嵌合構成について図5に基づいて説明する。
同図に示す如く、ダブルスキンパネル30A、30Bは上下二面の平行な面板31、32とその面板31、32間をジグザグ三角形状に連設したリブ39を有し、その三角リブ39の両外側には垂直リブ38を介して二面の自由端35、36が面板31、32と平行且つ水平に延在している。そして一の自由端35は面板31、32と面一に延在され、他の自由端36は、一の自由端35の内面側に嵌合すべく形成され、両者35、36が嵌合するように構成されている。
従って、本実施形態におけるダブルスキンパネル30A、30Bは、前記パネル自由端35、36が、その内部にリブが存在しない構成にするとともに、接合されるダブルスキンパネル自由端35、36間が互いに嵌合するように、自由端35、36間高さを設定し、前記嵌合により形成される2つの自由端35、36同士の厚みWTtを該パネル30A、30Bの垂直リブ38、38を介して自由端35、36内側に位置する中空部の面板31、32厚みtに対し、2t<WTt≦5tの範囲に設定するとともに、ダブルスキンパネル30A、30B同士を嵌合させて得られる面板31、32と平行な自由端35、36内部空間長Lが、裏面側のボビンツール(ショルダ10B)直径Dに対し、1.1〜3倍の範囲であるのがよい。
【0031】
又、この場合において、ダブルスキンパネル30A、30B同士を嵌合させて得られる面板31、32と平行な自由端35、36内部空間長L範囲はボビンツール直径Dに対し、1.1〜2倍の範囲に設定するのが良いことは前記したとおりであり、更に本実施形態の場合にはギャップ34は存在しないが、前記自由端35、36の面板と平行な嵌合面に僅かな隙間があり、このため、前記自由端35、36表面側が平坦度を維持するには、その嵌合面の僅かな隙間に進入する裏面側の余肉が必要である。
従って前記嵌合により形成される2つの前記自由端35、36同士の厚みWTtは、該パネル30A、30Bのリブを介して自由端35、36内側に位置する中空部の面板31、32厚みtに対し、2倍を越える厚み(2t<WTt)が必要である。又その厚みWTtが5倍を越えると、ボビンツールによる摩擦攪拌接合が有効にできない。従ってWTtmax≦5tに設定する必要がある。
【0032】
この場合においては、接合部を構成する継ぎ手構造が嵌合による重ね合わせ構造となっているために前記嵌合面の隙間は極めて僅かであり、前記第1実施例のように接合部にギャップ34(隙間)が生じることなく、このため前記第1発明のように、接合位置に厚肉部を設けてギャップ34進入用の余肉を特に設けなくても平坦度は維持できるが、本実施形態においても前記図2〜図4の実施例に示すボビンツールによって、前記嵌合面の僅かな隙間の存在で、裏面側入熱量を表面側入熱量より大にしながら摩擦攪拌接合がなされれば、表面側より裏面側が先に軟化するので、表面側の平坦度が維持でき、裏面側を前記僅かな隙間に進入させる軟化余肉として利用することが可能となり、一層の表面の平坦化が達成される。
【0033】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、車両、航空機、建物等の大型構造体を製造する際の側構体、床構体、屋根構体等の広幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネル同士をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に該摩擦攪拌接合の円滑化とその接合部の表面形状に凹凸が生じることのない、言い換えれば表面が平坦な平面状の接合面を得る事ができる。
又本発明によれば、パネル表面側に突出する厚肉部を設ける必要がなく、しかも接合後において、表面平坦化用の削成作業が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例で、ダブルスキンパネル自由端を突き合わせて広幅パネルを製造する方法を示す概略図である。
【図2】ボビンツールを用いて図1若しくは図5のダブルスキンパネルを接合するために裏面側押し付け力を表面側押し付け力より大にするか、裏面側ショルダの回転速度を表面側より大にする摩擦攪拌接合装置の第1例を示す全体概略図である。
【図3】ボビンツールを用いて図1若しくは図5のダブルスキンパネルを接合するために裏面側押し付け力を表面側押し付け力より大にするか、裏面側ショルダの回転速度を表面側より大にする摩擦攪拌接合装置の第2例を示す全体概略図である。
【図4】ボビンツールを用いて図1若しくは図5のダブルスキンパネルを接合するために、裏面側ショルダにヒータを内蔵した摩擦攪拌接合装置を示す全体概略図である。
【図5】本発明の第2実施例で、ダブルスキンパネル自由端を嵌合して広幅パネルを製造する方法を示す概略図である。
【図6】従来技術に係る摩擦撹拌接合のプローブツールとボビンツールの基本構成図である。
【図7】従来技術に係る摩擦撹拌接合によるダブルスキンパネル自由端を突き合わせて広幅パネルを製造する方法を示す概略図である。(A)はホビンツールにより接合している状態、(B)は接合後の状態を示す。
【符号の説明】
10 ボビンツール
10A 表面側ショルダ
10B 裏面側ショルダ
11 ブローブ
17 回転駆動部
23A、23B 油圧シリンダ
25A、25B 油圧源
29 回転軸
26 筒状回転筒
27 回転駆動部
30A、30B ダブルスキンパネル
31、32 面板
33A、33B 自由端
34 ギャップ
35、36 自由端
40 荷重負荷体
41A、41B ねじ収納部部
42A、42B 送りねじ駆動モータ
44A、44B ロードセル
46 ヒータ制御回路
47 ヒータ
48 温度センサ
49、49 送りねじ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a friction stir welding method of a double skin panel used for manufacturing a wide panel body such as a side structure, a floor structure, and a roof structure when manufacturing a large structure such as a vehicle, an aircraft, a building, and the like, and the method is used for the method The present invention relates to a double skin panel (two-sided hollow panel).
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a railway vehicle structure, a long double-skin panel or a single-skin panel extending in a longitudinal direction of a left and right side structure, a floor structure, a roof structure, and the like of a vehicle is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-24663. The side structure, the floor structure, the roof structure, etc. are formed simply by doing so, and a technique is disclosed in which the workability is improved, the occurrence of welding distortion is reduced, and the strain removal and finishing work are reduced.
[0003]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-505090 discloses a novel joining method of long materials as a solid-state joining method by friction stirring, and such a joining method uses a material substantially harder than a workpiece. By inserting the rotating tool into the joint of the workpiece and moving the rotating tool while rotating, the workpiece is joined by plastic flow due to frictional heat generated between the rotating tool and the workpiece. In such a friction stir welding method, since the joining member can be joined in a solid state while moving the rotating tool while rotating and integrating the softened solid portion, there is no thermal distortion. There is an advantage that even a long material that is substantially infinitely long in the joining direction can be continuously solid-phase joined in the longitudinal direction. Furthermore, since solid-state welding is performed using plastic flow of metal due to frictional heat between the rotary tool and the joining member, joining can be performed without melting the joining portion. Further, since the heating temperature is low, deformation after bonding is small. In addition, there are many advantages, such as fewer defects, because the joints are not melted.
[0004]
Furthermore, using such friction stir welding, a plurality of hollow mold members composed of long double skin panels used for large structures such as railway vehicles are arranged in parallel and butt-joined to form a wide width by friction stir welding. A technique for forming a two-sided structure (panel) is disclosed in Japanese Patent No. 3152420.
[0005]
Next, a rotary tool used for friction stir welding will be described. The friction stir welding includes a probe type rotary tool and a bobbin tool type rotary tool as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-505090, and a probe type tool has a shoulder type as shown by
[0006]
However, in such a joining method, it is necessary to press the rotating tool against the joining line in order to generate frictional heat at the time of joining. Therefore, a backing metal is used to cope with this reaction force. The backing metal is placed in close contact with the back surface of the face plate of the workpiece, and requires a large pressing force.
[0007]
Therefore, there is a technology in which a support column for supporting the pressing force of the tool is provided at the end of the double skin panel without providing such a backing metal as Japanese Patent No. 3070735.
FIG. 7A shows a joint at the free end of a double skin panel constituting a side structure. The
[0008]
The end of one
[0009]
The ends of the thick portions (protrusions) 56 and 66 for joining the two
[0010]
In such a double skin panel, each probe is inserted into the joint on the thick part of the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In this friction stir welding, the friction stir welding is performed by inserting the
Further, it is difficult to predict the cross-sectional area of the
In the joint method using the
[0012]
In order to solve such a drawback, a rotary tool called a
In such a tool, a pair of
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the drawbacks of the prior art, the present invention relates to a bobbin tool for double-skin panels used for manufacturing wide panel bodies such as side structures, floor structures, and roof structures when manufacturing large structures such as vehicles, aircraft, and buildings. When performing friction stir welding using a double skin panel, smoothing of the friction stir welding and no unevenness in the surface shape of the joined portion can be obtained, in other words, a flat joint surface with a flat surface can be obtained. And a double-skin panel used for the method.
Another object of the present invention is to provide a friction stir welding method for a double skin panel, which does not require the provision of a thick portion protruding on the panel surface side, and eliminates the need for cutting work for flattening the surface after joining. And a double skin panel used for the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The first invention relates to a butt-joining method of a friction stir welding method of a double skin panel used for manufacturing a wide panel body such as a side structure, a floor structure, and a roof structure when manufacturing a large structure such as a vehicle, an aircraft, and a building. In particular, the invention according to claim 1 is applicable to manufacturing wide panels such as side structures, floor structures, and roof structures when manufacturing large structures such as vehicles, aircraft, and buildings. In the friction stir welding method for a double skin panel to be used, the free end of the double skin panel has no ribs therein, and the thickness of the face plate on the free end side is increased from the free end through the ribs of the panel. The thickness of the double skin panel is set to be larger than the thickness of the face plate of the hollow portion located inside the free end, and the free ends of the double skin panel are abutted against each other. The bobbin tool frictional heat from holder surface is heat input, preferably characterized in that friction stir welding with a larger than the surface side heat input the backside heat input is made.
[0015]
According to this invention, a gap (gap) is generated as in the prior art shown in FIG. 7 because the joint structure of the joint portion is abutted, but the plate on the back surface side (hollow portion side) of the free end of the panel. By increasing the thickness, the softened portion on the back side enters the bonding gap space due to heat input due to frictional heat with the shoulder surface at the joint portion, so it is necessary to provide a thick portion on the front surface side as in the conventional technology Therefore, the surface side that can be seen from the outside can be kept flat without forming a concave portion.
As a result, surface processing after joining is basically unnecessary, and the work is particularly simplified for a long object such as a vehicle structure.
[0016]
And in order to achieve such a configuration smoothly, by performing friction stir welding while making the back side heat input larger than the front side heat input, the back side softened earlier than the front side and softened to the gap. It is preferable that the side enters, specifically, means such as making the back side pressing force larger than the front side pressing force, making the rotation speed of the back side shoulder higher than the front side, incorporating a heater in the back side shoulder, etc. Is raised.
[0017]
In order to maintain the flatness of the front side, the thickness Tt of the face plate located on the free end side, the thickness t of the face portion of the hollow portion located inside the free end via the ribs of the panel, and the gap width of the abutting portion are G And if
Tt = t + (1-3) G
It is good to set the thickness so that
Further, it is more preferable that the free end internal space length L parallel to the face plate obtained by abutting the double skin panels with each other is larger than the diameter D of the bobbin tool on the back side. descend. Therefore, the range is preferably 1.1 to 2 times the bobbin tool diameter D.
[0018]
The double skin panel used for friction stir welding by abutting the free ends to each other has a thickness Tt of the face plate located on the free end side of the double skin panel, a thickness t of the face plate located inside the rib of the panel, a gap of the butted portion. When the width is G
The free end internal space length L, which is set so that Tt = t + (1-3) G and is parallel to the face plate obtained by abutting the double skin panels with respect to the bobbin tool diameter D on the back side, is 1. It is configured as a range of 1 to 3 times.
[0019]
A second invention shows a method of manufacturing a wide panel by fitting a free end in a friction stir welding method of a double skin panel. Particularly, the invention according to claim 5, wherein the free end of the double skin panel has And the height between the face plates is set so that the face plates on the free end side are fitted to each other, and the two free ends formed by the fitting are formed. The thickness WTt of the face plates is set in the range of 2t <WTt ≦ 5t with respect to the thickness t of the hollow portion located inside the free end via the rib of the panel, and the free ends of the double skin panel are fitted together. In the fitting portion, friction stir welding is performed by a bobbin tool to which frictional heat is input from the shoulder surfaces on both front and back surfaces.
[0020]
According to this invention, since the joint structure forming the joint is a superposed structure by fitting, no gap (gap) is generated in the joint unlike the related art, and therefore, as shown in FIG. Unlike the prior art, there is little need to provide a thick portion at the joining position to provide extra space for gap entry.
In this case, even in the present invention, the friction stir welding is performed while the heat input amount on the back side is made larger than the heat input amount on the front side by the bobbin tool in which the frictional heat is input from the shoulder surfaces to both the front and back surfaces, thereby further flattening the surface. Is achieved, but not required.
Also in the present invention, the free end internal space length L parallel to the face plate obtained by fitting the double skin panels together is 1.1 to 2 times the bobbin tool diameter D on the back side. Is good.
[0021]
The double skin panel according to the present invention, in which the free ends are fitted together and the fitting portion is friction stir welded, the panel free end is configured to have no ribs therein, The height between the face plates is set so that the face plates on the free end side are fitted to each other, and the thickness WTt between the two free end face plates formed by the fitting is freely set via the ribs of the panel. With respect to the thickness t of the face plate of the hollow portion located inside the end, a range of 2t <WTt ≦ 5t is set,
It is preferable that the free end internal space length L parallel to the face plate obtained by fitting the double skin panels to each other is in a range of 1.1 to 3 times the diameter D of the bobbin tool on the back side.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail using embodiments shown in the drawings. However, unless otherwise specified, the dimensions, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples.
[0023]
First, the free end of the double skin panel applied to the first invention and its butting configuration will be described with reference to FIG.
As shown in the figure, the
As shown in the figure, the free end face is flat by the butting of the free ends 33A and 33B when joining the two
In this case, it is necessary that the free space 33L of the free ends 33A, 33B parallel to the
[0024]
In order to maintain the flatness on the front side, it is necessary that the base material softened on the back side has an extra capacity enough to fill the
Tt = t + (3) G
It is good to set the thickness so that
When the internal space length L of the free ends 33A, 33B is 1.1 times the diameter D of the bobbin tool, the back surface portion corresponding to the diameter D, in other words, about / of the back surface of the free ends 33A, 33B is softened. In order to enter the
Tt = t + (1.3 ≒ 1) G
It is good to set the thickness so that
[0025]
Furthermore, in this case, preferably, the back side is softened earlier than the front side, so that the flatness on the front side can be maintained, and the back side can be used as a softening excess for entering the
Specific means for performing friction stir welding while making the heat input amount on the back side larger than the heat input amount on the front side is to make the back side pressing force larger than the front side pressing force or to reduce the rotation speed of the back side shoulder. Means are required such as making it larger than the front side or incorporating a heater in the back side shoulder.
[0026]
The specific configuration will be described with reference to FIG.
In the figure,
On the other hand, 10B is a back side shoulder, and the
Each of the
[0027]
Further, the control circuit 28 is configured to be able to control the number of rotations of the servo motors of the
[0028]
FIG. 3 shows that the
[0029]
As shown in FIG. 4, a
Therefore, the present embodiment requires a
[0030]
Next, the free ends 35 and 36 of the
As shown in the figure, the
Therefore, the
[0031]
Further, in this case, the
Accordingly, the thickness WTt between the two
[0032]
In this case, since the joint structure forming the joint has an overlapping structure by fitting, the gap between the fitting surfaces is extremely small, and a
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a bobbin tool is used for double skin panels used for manufacturing wide panels such as side structures, floor structures, and roof structures when manufacturing large structures such as vehicles, aircraft, and buildings. When the friction stir welding is performed by using the friction stir welding, smoothness of the friction stir welding and no unevenness in the surface shape of the joined portion can be obtained, in other words, a flat joint surface having a flat surface can be obtained.
Further, according to the present invention, there is no need to provide a thick portion protruding on the panel surface side, and further, after joining, there is no need for a cutting work for flattening the surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a wide panel by abutting free ends of a double skin panel according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows that the back side pressing force is larger than the front side pressing force in order to join the double skin panel of FIG. 1 or 5 using a bobbin tool, or the rotation speed of the back side shoulder is larger than that of the front side. 1 is an overall schematic diagram showing a first example of a friction stir welding apparatus to be used.
FIG. 3 shows that the back side pressing force is larger than the front side pressing force in order to join the double skin panel of FIG. 1 or 5 using a bobbin tool, or the rotation speed of the back side shoulder is larger than that of the front side. FIG. 5 is an overall schematic view showing a second example of the friction stir welding apparatus to be performed.
FIG. 4 is an overall schematic view showing a friction stir welding apparatus having a built-in heater on a back side shoulder for joining the double skin panel of FIG. 1 or 5 using a bobbin tool.
FIG. 5 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a wide panel by fitting a free end of a double skin panel according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a basic configuration diagram of a friction stir welding probe tool and a bobbin tool according to a conventional technique.
FIG. 7 is a schematic view showing a method for manufacturing a wide panel by abutting free ends of a double skin panel by friction stir welding according to a conventional technique. (A) shows a state of joining by a hobbin tool, and (B) shows a state after joining.
[Explanation of symbols]
10 bobbin tools
10A Front shoulder
10B back side shoulder
11 Probes
17 Rotation drive
23A, 23B hydraulic cylinder
25A, 25B hydraulic power source
29 Rotation axis
26 cylindrical rotating cylinder
27 Rotation drive
30A, 30B Double skin panel
31, 32 face plate
33A, 33B Free end
34 gap
35, 36 Free end
40 load body
41A, 41B Screw storage section
42A, 42B feed screw drive motor
44A, 44B load cell
46 Heater control circuit
47 heater
48 Temperature sensor
49, 49 Lead screw
Claims (9)
前記ダブルスキンパネルの自由端が、その内部にリブが存在しない構成にし、かつ、自由端側の面板の厚みをその自由端より該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みより大に設定するとともに、該ダブルスキンパネルの自由端同士を突き合わせ、その突き合わせ面において、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツールにより摩擦攪拌接合がなされることを特徴とするダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。In the friction stir welding method of a double skin panel used for manufacturing a wide panel body when manufacturing a large structure,
The free end of the double skin panel has no ribs therein, and the thickness of the face plate on the free end side is a face plate of a hollow portion located on the inner side of the free end from the free end via the rib of the panel. The thickness is set to be larger than the thickness, and the free ends of the double skin panel are abutted against each other, and at the abutting surface, friction stir welding is performed by a bobbin tool to which frictional heat is input from the shoulder surfaces on both front and back surfaces. Stir welding method for double skin panels.
Tt=t+(1〜3)G
になるように厚み設定されていることを特徴とする請求項1若しくは2記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。When the thickness Tt of the face plate located on the free end side, the thickness t of the face plate of the hollow portion located inside the free end via the rib of the panel, and the gap width of the butted portion are G,
Tt = t + (1-3) G
The friction stir welding method for a double skin panel according to claim 1 or 2, wherein the thickness is set so as to be as follows.
前記ダブルスキンパネル自由端側に位置する面板厚みTt、該パネルのリブ内側に位置する面板厚みt、突き合わせ部のギャップ幅をGとした場合に、
Tt=t+(1〜3)Gになるように厚み設定され且つダブルスキンパネル同士を突き合わせて得られる面板と平行な自由端内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dに対し、1.1〜3倍の範囲であることを特徴とするダブルスキンパネルIn a double skin panel used for friction stir welding with free ends butted against each other,
When the thickness Tt of the face plate located on the free end side of the double skin panel, the thickness t of the face plate located inside the rib of the panel, and the gap width of the butted portion are G,
The free end internal space length L, which is set so that Tt = t + (1-3) G and is parallel to the face plate obtained by abutting the double skin panels with respect to the bobbin tool diameter D on the back side, is 1. Double skin panel characterized by the range of 1-3 times
前記ダブルスキンパネルの自由端が、その内部にリブが存在しない構成にするとともに、接合されるダブルスキンパネルを自由端側の面板間が互いに嵌合するように、面板間高さを設定し、前記嵌合により形成される2つの自由端面板同士の厚みWTtを該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みtに対し、2t<WTt≦5tの範囲に設定するとともに、該ダブルスキンパネル自由端同士同士を嵌合させ、その嵌合部位において、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツールにより、裏面側押し付け力を表面側押し付け力より大にしながら摩擦攪拌接合がなされることを特徴とするダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。In the friction stir welding method of a double skin panel used for manufacturing a wide panel body when manufacturing a large structure,
The free end of the double skin panel is configured to have no ribs therein, and the height between the face plates is set so that the face plates on the free end side of the double skin panel to be joined are fitted to each other, The thickness WTt of the two free end face plates formed by the fitting is set in the range of 2t <WTt ≦ 5t with respect to the face plate thickness t of the hollow portion located inside the free end via the rib of the panel. The free ends of the double skin panels are fitted with each other, and at the fitting site, the back side pressing force is made larger than the front side pressing force by a bobbin tool in which frictional heat is input to the front and back sides from the shoulder surfaces. A friction stir welding method for a double skin panel, wherein friction stir welding is performed.
前記ダブルスキンパネルの自由端が、その内部にリブが存在しない構成にするとともに、接合されるダブルスキンパネルを自由端側の面板間が互いに嵌合するように、面板間高さを設定するとともに、前記嵌合により形成される2つの自由端面板同士の厚みWTtを該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みtに対し、2t<WTt≦5tの範囲に設定するとともに、
ダブルスキンパネル同士を嵌合させて得られる面板と平行な自由端内部空間長Lが、裏面側のボビンツール直径Dに対し、1.1〜3倍の範囲であることを特徴とするダブルスキンパネル。In a double skin panel in which free ends are fitted together and the fitting site is friction stir welded,
The free end of the double skin panel is configured to have no ribs therein, and the height between the face plates is set so that the face plates on the free end side of the double skin panel to be joined are fitted to each other. The thickness WTt between the two free end face plates formed by the fitting is set in a range of 2t <WTt ≦ 5t with respect to the face plate thickness t of the hollow portion located inside the free end via the rib of the panel. With
A double skin characterized in that a free end internal space length L parallel to the face plate obtained by fitting the double skin panels together is 1.1 to 3 times the diameter D of the bobbin tool on the back side. panel.
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