JP2004141946A

JP2004141946A - 摩擦攪拌接合により製造されるダブルスキンパネル及び該パネルを用いた広幅パネルの製造方法

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Publication number: JP2004141946A
Application number: JP2002311250A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Kato; 加藤　慶訓; Katsu Kodama; 児玉　克; Yasuyuki Fujitani; 藤谷　泰之; Yukio Doge; 道下　幸雄; Nobumi Hiromoto; 広本　悦己; Yujiro Watabe; 渡部　裕二郎; Hiroaki Sato; 佐藤　広明
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP4427242B2

Abstract

【課題】幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネルをボビンツール若しくはブローブツールを用いて摩擦攪拌接合にて製造する際に該摩擦攪拌接合の円滑化とその接合部の強度低下や表面形状に凹凸が生じることのないダブルスキンパネルを提供することを目的とする。
【解決手段】前記ダブルスキンパネル１が、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位２が摩擦攪拌接合により形成され特に背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成して、前記接合部位（ギャップ部を有する場合と有さない場合のいずれも）に背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）をシングルパネル（平板）と引き抜き若しくは押し出し型材若しくはシングルパネルと間隔保持材を用いて製造されるダブルスキンパネル及び該パネルを用いた広幅パネルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鉄道車両等の構造体において、特開平２−２４６８６３号（特許文献１）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】
しかしながらダブルスキンパネルは、二面中空パネルであり、これをダイスを用いた引き抜き成形押し出し成形で形成すると、そのダイスが前記ダブルスキンパネルの雌型でなければならず、結果として中空部とその外側の２つのダイスを必要とし、ダイス材とともに、その引き抜き（押し出し）工程に大きな力を必要とし、成形コストが極めて大になる。
【０００４】
本発明はこのような成形コストのかかるダブルスキンパネルを成形コストの安いシングルパネルと押し出し型材若しくはシングルパネルと間隔保持材を用いて摩擦攪拌接合により、簡易に製造する発明を提案することを検討した。
【０００５】
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特表平７−５０５０９０号公報（特許文献２）に開示されており、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。
【０００６】
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。摩擦撹拌接合は前記特許文献２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、プローブ回転型工具は図９（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３４上面より、前記回転工具を回転させて、プローブ２２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３４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３４に沿って移動させることにより、接合線３４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２２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。
【０００７】
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。
【０００８】
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号公報（特許文献３）として存在する。
図９（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、５０は２つの面板５１、５２とこれを接続する間隔保持用リブ５３からなる。
一方の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。又ダブルスキンパネル５０の接合部位には、厚肉部（突出部）５６を有し回転工具２０の回転体側に所定の幅で所定高さで突出している。
【０００９】
そしてかかるダブルスキンパネル５０同士の接続は、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２１をダブルスキンパネル５０接合部上の厚肉部５６上の接合線３４に挿入する。そして、２つのダブルスキンパネル５０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。
【００１０】
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）を形成する技術も特許第３１５２４２０号公報（特許文献４）に開示されている。
【００１１】
しかしかかる技術はいずれもダブルスキンパネルから屋根や床等の構体を製造するのに用いられる技術で、ダブルスキンパネルそれ自体を製造する技術ではない。
しかもダブルスキンパネルから屋根や床等の構体を製造するには裏当てを設けない場合でも、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りしなければならず、スキン端部近くに支柱を設けるとことは、ダブルスキンのレイアウトデザインに大きな制約を受けることになる。
【００１２】
そして単に支柱や裏当て部材を用いないという工夫として本出願人は特願２００２−２０４７６５（特許文献５：非公知）、図９（Ｂ）に示すように、ボビンツール１０と呼ばれる回転工具を用いてダブルスキンパネルを接合してもよい。
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ピン軸１１を介して間隔（可変または固定）を設けた一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ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。
しかしながらかかる構体の製造方法でもダブルスキン自体の製造費用の低減につながらないのみならず、ダブルスキンの形状がダイスに依存し、自由な形状が形成できなというデザイン的及び強度的な問題は解消し得ない。（このような目的は先願技術の検討事項ではない。）
【００１３】
【先行技術文献】
【特許文献１】
特開平２−２４６８６３号
【特許文献２】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献３】
特許第３０７０７３５号公報
【特許文献４】
特許第３１５２４２０号公報
【特許文献５】
特願２００２−２０４７６５（非公知）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者はダブルスキン自体を摩擦攪拌接合で製造できないかと検討した。
先ず第１の課題は、ダブルスキンパネルを摩擦接合すると、その接合部の熱歪みにより応力が低下する恐れがあり、これらを解消する必要がある。
第２の課題は、摩擦接合を行うと接合前に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。かかる欠点も解消する必要がある。
第３の課題は、ダブルスキンパネルを製造する材料を安価な平板材若しくは押し出し、引き抜き型材とする点である。
【００１５】
本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、車両、航空機、船舶、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をボビンツール若しくはブローブツールを用いて摩擦攪拌接合にて製造する際に該摩擦攪拌接合の円滑化とその接合部の強度低下や表面形状に凹凸が生じることのないダブルスキンパネルとその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本第一発明は、車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルが、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成されていることを特徴とする。
【００１７】
かかる発明によれば、ダブルスキンパネルそれ自体を引き抜き若しくは押し出し成形するのではなく、前もって平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材を成形するだけでよいために、押し出し型材の場合にダイスは中空部のないものとなるので、中空部があるものに比較してたとえば１／４以下と大幅に低減できる。
又平板と型材を自由に組み合わせて形成できるために、ダブルスキンの形状がフレキシブルになる。更に表面部は摩擦攪拌接合にて形成できるために、ダブルスキンパネルの表面形状がきれいになる。
特にアルミ若しくはアルミ合金鋼において、押し出し型材でダブルスキンパネルを製造できる材質は、６０００系に限られる。その理由は中空押し出し型材は、熱間圧接工程を含むものであるために、Ｍｇを１％以上含有しているアルミ合金材は熱間圧接が困難で、航空機等に用いる高強度の２０００系、５０００系、７０００系を用いての中空押し出し材の成形が困難であった。
本発明は中空押し出し工程を用いずに高強度の２０００系、５０００系、７０００系を用いて精度のよい中空ダブルスキンが得られるとともに、単純な形状の押し出し材を組み合わせて高強度のアルミ材でも「中空材」を作り出すことが可能であるとともに、「より薄肉の中空材」が容易に得られることや「寸法的制約がなくなる。」等の効果を有する。
【００１８】
又本発明は、前記ダブルスキンパネルが、立設リブを有する型材を交互に組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部が形成されていることを特徴とし、具体的には前記リブを有する型材がＴ、若しくは下駄歯状の垂直リブであれば、平板部材を用いることなく、同一種類の型材を上下に反転させて対称形状の二面中空パネルの製造が可能となる。
【００１９】
更に前記ダブルスキンパネルが、平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部からなり、前記型材の一部で面板部と間隔保持部が形成してもよく、又前記ダブルスキンパネルが、立設リブを有する型材と平板を組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部が形成されていてもよい、これによりダブルスキンの形状が一層フレキシブルになる。
【００２０】
更に本発明は、前記ダブルスキンパネルが、立設リブを有する型材と平板を組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部が形成され、前記立設リブと面板との接合部位に面板背面とリブ頂部間を嵌合してギャップ間隔の規制と位置保持を行うのがよい。これにより型材若しくは平板と組合せてなる接合位置で精度よくギャップ間隔の規制と位置保持が行われるために、これにより車両構造体のような長尺ものについても、万力等を用いてギャップ縮幅の制御を行う必要がなく、接合前の段取り作業が簡易化する。
【００２１】
更に本発明は、前記型材が面板形成面より立設する一または複数のリブを有する型材であり、前記リブが、摩擦攪拌接合の接合部位と対面して形成されていることを特徴とする。
この結果、ブローブ型工具を用いて摩擦攪拌接合を行う場合に、前記リブがブローブの押し付け力を受ける押し付け支柱となって特別な裏当てが不要になる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、かかる点をクレーム化したもので、車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルが、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成され、前記接合部位の下面に位置する記型材の一部をリブ状にしてブローブ型工具押圧の際の受圧力として利用してブローブ型工具にて摩擦攪拌接合が行われていることを特徴とする。
【００２３】
請求項９記載の発明は、車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルが、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成され、前記接合部位が、間隔保持部を形成するリブ状型材の一部の間に位置する中空空間に位置し、該中空空間上に位置する接合部位がボビン型工具にて摩擦攪拌接合が行われていることを特徴とする。
かかる発明によれば、接合部位が中空空間上に位置しているために、ボビンツールの利用が可能となる。
【００２４】
請求項１０記載の発明は、車前記ダブルスキンパネルが、面板を形成する平板部材と間隔保持部を形成する中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の組み合わせで形成されていることを特徴とする。
本発明は、表裏一対の面板が平板部材で形成されているために、表面がきれいであり、又その内部（中空部）に位置する間隔保持部を、中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の組み合わせで形成したために、機能役割が明瞭になり、且つ間隔保持部のフレキシブル化が可能となる。
【００２５】
具体的には前記面板が上面板と底面板を形成する一対の平板部材であり、間隔保持部材の一部がコの字型、Ｌ字型、Ｉ型、Ｈ型のように垂直壁と水平壁の組み合わせであることを特徴とする。
かかる発明によれば、摩擦攪拌接合による接合位置には、必ず垂直壁若しくは水平壁が存在するために、この垂直壁若しくは水平壁を、ブローブ型工具で押して摩擦攪拌接合する場合は、その受圧力として利用してブローブ型工具にて摩擦攪拌接合円滑に行われる。
又水平壁の場合は、背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成されている為に、前記接合部位（ギャップ部を有する場合と有さない場合のいずれも）に背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成することにより、裏面側に凹部が形成され、表面側に凹部が形成されない、形成されるダブルスキンパネルの表面がきれいな状態となる。
【００２６】
そしてこのような構成は、前記間隔保持部材の一部が、コの字型、Ｌ字型、Ｉ型、Ｈ型の間隔保持部材を組み合わせて中空間隔保持材を形成する事や、又前記面板が上面板と底面板を形成する一対の平板部材であり、間隔保持部材の少なくとも一部が、Ｖの字型、Ｕ字型、Ｗ型、若しくはこれらが連接されているトラス構造であるように構成する事も出来る。（後者の場合は水平壁及び垂直壁いずれも形成されないが、その頂部を水平壁状に形成することにより、ブローブ型工具押圧の際の受圧力として利用する事が出来、ブローブ型工具にて摩擦攪拌接合円滑に行われる。
【００２７】
又本発明は、車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルの面板が、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成され、前記上面板と下面板の夫々の接合位置がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれていることを特徴とする。
【００２８】
この場合、特に前記左右のずれ量が上面板と底面板夫々に設けた隣接接合位置の中心間距離Ａが、回転工具のショルダ直径Ｒに対し、「Ａ≧Ｒ」の距離だけ面板延在方向に左右にずらしているのがよい。
【００２９】
かかる発明によれば、継ぎ手の位置を左右（板延在方向）にずらすことで、上面及び底面板の継ぎ手部に同時に最大応力がかかることはなくなり、構造上の欠陥が低減する。
【００３０】
又本発明は、車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルの面板が、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が他の非接合部位に対し、背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成されている。
【００３１】
かかる発明によれば、接合位置の下側が中空空間で形成されている為に、ボビンツールの利用が可能であり、そして前記接合部位に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とともに、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、前記接合部位のギャップ部に背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成し、裏面側に凹部が形成され、表面側に凹部が形成されない為に、形成されるダブルスキンパネルの表面がきれいな状態となる
【００３２】
そして前記接合部位の背面側に向かう厚み部が、面板と間隔保持部を形成する型材の水平壁により形成することにより、厚み部の形成が容易である。
【００３３】
第二発明は前記請求項１〜２０より選択された一記載のダブルスキンパネルを用いた広幅パネルの製造方法において、
前記ダブルスキンパネルの接合自由端が、上面板と下面板との間でパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれている、具体的には前記左右のずれ量が上面板と底面板夫々の自由端位置間距離Ａが、回転工具のショルダ直径Ｒに対し、「Ａ≧Ｒ」の距離だけ面板延在方向に左右にずらしていることを特徴とする。
【００３４】
かかる発明によれば、パネル自由端の継ぎ手の位置を左右（板延在方向）にずらすことで、上面及び底面板の継ぎ手部に同時に最大応力がかかることはなくなり、構造上の欠陥が低減する。
【００３５】
【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。
本発明の特徴を順を追って説明する。
図１及び図２は応力集中の問題である。
図２は本発明の比較例で、比較技術の原理にかかる一対の平板、若しくは平板と押し出し若しくは引き抜き型材を用いて該ダブルスキンパネルを製造する際に生じる圧力分布を示すもので、（Ａ）は接合位置を、（Ｂ）は圧力分布状態を示す。
特に図２（Ａ）は上面板１Ａと底面板１Ｂとからなる一対の平板部材７を用いて不図示の間隔部材を介して摩擦攪拌接合をした場合の、比較例を示し、摩擦攪拌接合にて一対の平板１Ａ、１Ｂより摩擦攪拌接合を行う場合、二重平板構造における接合部位２は、上面板１Ａ、底面板１Ｂとも厚み方向において同じ位置にある。
そしてこのような構成で部材断面方向（厚み方向）に曲げが発生すると、接合部位２は熱的影響により母材部（平板１Ａ、１Ｂ）より機械的特性が低下している為に、圧縮及び引っ張りの最大応力が上面板１Ａと底面板１Ｂの両接合継ぎ手部に発生することになる。（図２（Ｂ）参照）
この結果、上面板と底面板の両接合継ぎ手部の圧縮応力側では座屈、引っ張り応力側では破断の恐れがある。
【００３６】
そこで本発明においては、図１に示すように、上面板１Ａ、底面板１Ｂの夫々の接合部位２の接合位置を板延在方向（幅）にずらすことで、上下の接合部位２に集中する座屈や破断の恐れを回避するものである。
図１（Ｂ）のように二重平板構造における接合部位２や、又図３に示すように、ダブルスキンパネルの接合自由端４、４が、上面板１Ａと下面板１Ｂとの間でパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれている上下の接合部位２、２の位置を左右（板延在方向）にずらすことで、二重平板構造における接合部位２やダブルスキンパネル１、１の自由端４側の上面板１Ａ及び底面板１Ｂの継ぎ手部に同時に最大応力がかかることはなくなり、構造上の欠陥が低減する。
【００３７】
図３はかかる工夫を凝らしたダブルスキンパネル１、１同士の接合方法で、摩擦攪拌接合で軟化攪拌したスキンパネル端部の接合部幅（Ｗ）がパネル厚さ方向で重ならないようにダブルスキンパネルの端面同士の接合位置を左右に位置をずらして設定する。
Ａ＞Ｗ
（Ａ：ダブルスキンパネルの端面同士の上下の位置ずらし量
Ｗ：スキンパネル端部の接合部幅
【００３８】
そして接合部幅（Ｗ）は回転工具のショルダ直径よりかに小さく、僅かに（ボビンツールの場合は上、下のショルダ直径が異なる場合があるが、この場合は小さい方のショルダ直径が接合部幅（Ｗ）より僅かに大きくなることは明らかである。
従って前記式は
Ａ≧Ｒ＞Ｗ
Ｒ：（小さい方の）回転工具のショルダ直径
と構成するのが好ましい。
【００３９】
これはダブルスキン製造の際にも又ダブルスキン１、１同士を接合する際にも適用できることは前記したとおりである。
たとえば図５から図６において、前記ダブルスキンパネルの面板が、平板部材７と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材３Ａ〜３Ｅの選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位２が摩擦攪拌接合により形成され、前記上面板１Ａと下面板１Ｂの夫々の接合位置がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれている。
【００４０】
次に図４に示す表面形状の問題に移る。
前記したように接合前に２つの部材の接合部位２の端面の間に隙間（ギャップ）がある場合には、接合部位２に凹部１２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、この結果摩擦攪拌接合の接合部位の凹みが大きくなり、また、欠陥の発生は極めて重要な問題である。
このため図９（Ａ）に示すように、パネル表面側に突出する厚肉部５６を設けて凹み分の補償を図っている。しかしこのような形成では、しかも接合後において厚肉部５６の残部が発生し、表面平坦化用の削成作業を必要とする。
そこで本出願人が出願した、前記特願２００２−２０４７６５（特許文献５：非公知）において、母材となる金属板の表裏両面を挟持するように、ピン軸１１を介して間隔（可変）を設けた一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間を可変、即ち、図４に示すように、前記下側ショルダ１０Ｂのピン軸１１を上側ショルダーに貫通させて接合面の少なくとも表裏いずれかの一面に対して押圧、接触される回転工具を構成し、裏面側ショルダ１０Ｂの押し付け力Ｐ_２を表面側ショルダー１０Ａの押し付け力Ｐ_１より大にする、または裏面側ショルダ１０Ｂの回転速度を表面側ショルダー１０Ａの回転速度より大にするのがよい。
【００４１】
また図１０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４００℃〜５６０℃に先に到達させ、ダブルスキンパネル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。この場合ヒータ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。
【００４２】
従って本実施例によれば、図４に示すように、裏面側に位置するＬ字型材３Ｃの水平壁３Ｃ_１背面には凹部１２が形成されるが、パネル表面として機能する上面板１Ａの表面形状は凹部がなくきれいにする事が出来る。
【００４３】
次なる問題は、ダブルスキンパネルを形成するアルミ材が安価に入手若しくは製造できなければならない。
そこで本発明は、図５に示すように平板部材７と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型材３Ａ〜３Ｄを適宜選択的に組み合わせて所定の長さにして摩擦攪拌接合し、ダブルスキン構造にすることを提案する。
【００４４】
図５は、前記ダブルスキンパネルが、垂直リブを有する型材３Ａ〜３Ｄを交互に組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部１Ａと底面板部１Ｂ）と、該両面板１Ａ、１Ｂ間を間隔保持する間隔保持部６が形成され、摩擦攪拌接合がブローブ２１を有する回転工具２０により行われるものである。
具体的には図５（Ａ）は、前記リブを有する型材がＴ字状のリブ付きの型材３Ａと、Ｌ字型の型材３Ｃの組み合わせにて構成されている。
【００４５】
かかる実施例によれば、平板部材を用いることなく、Ｔ字状のリブ付きの型材３Ａを上下に反転させてパネルを形成するとともに、そのパネル角部にＬ字型の型材３Ｃを配設している。
かかる実施例によれば間隔保持部６は対称形状の二面中空パネルであるが、リブ付きの型材３Ａを上下に反転させているために、前記上面板１Ａと下面板１Ｂの夫々の接合位置２がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずらすこともでき、応力集中が接合位置に生じない。
又摩擦攪拌接合による前記上面板１Ａと下面板１Ｂの接合位置には、必ずリブとしての垂直壁が存在するために、この垂直壁若しくは水平壁を、ブローブ型工具押圧の際の受圧力として利用してブローブ型工具にて摩擦攪拌接合円滑に行われる。
【００４６】
図５（Ｂ）及び（Ｃ）は、前記リブを有する型材が２つ歯若しくは３つ歯状のリブ付きの下駄歯状型材３Ｂ、３Ｄと、Ｌ字型の型材３Ｃの組み合わせにて構成されている。
かかる実施例おいても、平板部材を用いることなく、下駄歯状のリブ付きの型材３Ｂ、３Ｄを上下に反転させてパネルを形成することができるとともに、間隔保持部６は上下対称形状であるが、リブ付きの駄歯状型材３Ｂ、３Ｄを上下に反転させているために、前記上面板１Ａと下面板１Ｂの夫々の接合位置２がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずらすことができ、応力集中が接合位置に生じない。
【００４７】
図６は、前記ダブルスキンパネルが、平板部材７と立設リブを有する型材３Ｅ…を交互に組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部１Ａと底面板部１Ｂ）と、該両面板１Ａ、１Ｂ間を間隔保持する間隔保持部６が形成され、摩擦攪拌接合がボビンツール（若しくはボビンツール１０とブローブ型回転工具２０の組み合わせ）により行われるものである。
【００４８】
具体的には図６（Ａ）は、先端がＩ型状の垂直リブ０３Ｅを有する略逆Ｔ字状のリブ付きの型材３Ｅと、平板部材７の組み合わせにて構成されている。
かかる実施例によれば、平板部材７と逆Ｔ字状のリブ付きの型材の先端Ｉ型部を連接させて上面板部１Ａを形成し、底面板部１Ｂは逆Ｔ字状のリブ付きの型材の水平壁を連接させて構成している。
従ってかかる実施例によれば間隔保持部６は対称形状の二面中空パネルであるが、前記接合部位２が、間隔保持部６を形成するリブ状型材の一部の間に位置する中空空間に位置する接合部位２であるために、ボビンツール１０にて摩擦攪拌接合が行われることが可能であるとともに、前記上面板１Ａと下面板１Ｂの夫々の接合位置２がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずらすことができ、応力集中が接合位置に生じない。
【００４９】
図６（Ｂ）は、先端がＩ型状の垂直リブを有する略逆Ｔ字状のリブ付きの型材３Ｆと、平板部材７の組み合わせにて構成されている点は図６（Ａ）と同様であるが、逆Ｔ字状のリブ付きの型材の先端Ｉ型部０３Ｆが狭いために、その部分においてボビンツール１０にて摩擦攪拌接合が行われることなく、このリブ垂直壁０３Ｆを、ブローブ型工具押圧の際の受圧力として利用してブローブ型工具２０にて摩擦攪拌接合円滑に行われる。
【００５０】
図６（Ｃ）は、前記面板が上面板１Ａと底面板１Ｂを形成する一対の平板部材７であり、間隔保持部材６が、Ｖの字型、Ｕ字型、Ｗ型、若しくはこれらが連接されているトラス構造である。この場合トラス構造壁（実施例は横くの字型）の頂部０５を水平壁として形成することにより、背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成する事が可能である。
【００５１】
かかる実施例によれば、接合位置の下側が中空空間で形成されている為に、ボビンツール１０の利用が可能であり、該ボビンツール１０にて摩擦攪拌接合円滑に行われる。即ち、間隔保持部６は対称形状の二面中空パネルであるが、前記接合部位２が、間隔保持部を形成するリブ状型材の一部の間に位置する中空空間に位置する接合部位２であるために、ボビンツール１０にて摩擦攪拌接合が行われることが可能であるとともに、前記上面板１Ａと下面板１Ｂの夫々の接合位置２がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれているので応力集中が接合位置２に生じない。
【００５２】
図６（Ｄ）は、先端がＩ型状の垂直リブを有する略逆Ｔ字状のリブ付きの型材３Ｅをを上下に反転させてパネルを形成している。
従ってかかる実施例においても、間隔保持部６は対称形状の二面中空パネルであるが、前記接合部位２が、間隔保持部６を形成するリブ状型材の先端Ｉ部０３Ｅの間に位置する中空空間に位置する接合部位２であるために、ボビンツール１０にて摩擦攪拌接合が行われることが可能であるとともに、前記上面板１Ａと下面板１Ｂの夫々の接合位置２がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずらすことができ、応力集中が接合位置２に生じない。
【００５３】
図７及び図８は、前記面板が上面板１Ａと底面板１Ｂを形成する一対の平板部材７であり、間隔保持部材６の一部がコの字型、Ｌ字型、Ｉ型、Ｈ型のように垂直壁と水平壁の組み合わせであるものを示す。
図７（Ａ）及び図８（Ａ）は、間隔保持部材６がコの字型材５Ａの例を示す。
かかる実施例によれば、接合位置にコの字状水平壁０５Ａが位置するために、該接合部位２が背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成されることとなり、ボビンツール１０を用いて前記接合部位２を摩擦攪拌することにより、図４に示すように、背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成する事が可能となり、裏面側に凹部１２が形成され、表面側に凹部が形成されない、表面がきれいな状態とのダブルスキンパネルとなる。
【００５４】
図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）は、間隔保持部材６がＩの字型材５Ｂの例を示す。かかる実施例によれば、摩擦攪拌接合による接合位置には、必ずＩ型型材５Ｂの垂直壁０５Ｂが存在するために、この垂直壁０５Ｂを、ブローブ型工具２０押圧の際の受圧力として利用して摩擦攪拌接合円滑に行われる。
【００５５】
図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）は、間隔保持部材６がＬの字型材０５Ｃを組み合わせて「ロ」の字型の間隔保持部材６を構成した例を示す。
かかる実施例によれば、Ｌの字型材０５Ｃを組み合わせて「ロ」の字型の間隔保持部材６を構成するわけであるが、その接合はパネル内部であるために、溶接を用いても摩擦攪拌接合による接合でもよい。
従って本実施例においても中空部のない型材０５Ｃを効果的に組み合わせて厚みのある中空部を有する間隔保持部６を形成し、この結果接合部位２が背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成されている為に、ボビンツール１０を用い手前記接合部位２を摩擦攪拌することにより、背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成することにより、裏面側に凹部が形成され、表面側に凹部が形成されない、形成されるダブルスキンパネルの表面がきれいな状態となる。
【００５６】
図７（Ｄ）は、前記ダブルスキンパネルが、垂直リブを有する型材３Ｇと平板部材７Ｃを組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部１Ａと底面板部１Ｂ）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部６が形成され、前記垂直リブ３Ｇ_１と平面部材７Ｃとの接合部位２に面板背面０１Ｃとリブ頂部０３Ｇ間に凹凸部を嵌合してギャップ間隔の規制と位置保持を行っている。
これにより型材若しくは平板と組合せてなる接合位置で精度よくギャップ間隔の規制と位置保持が行われるために、車両構造体のような長尺ものについても、万力等を用いてギャップ縮幅の制御を行う必要がなく、接合前の段取り作業が簡易化する。
【００５７】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、ダブルスキンパネルそれ自体を引き抜き若しくは押し出し成形するのではなく、前もって平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材を成形するだけでよいために、押し出し型材の場合にダイスは中空部のないものとなるので、中空部があるものに比較して大幅に低減できる。
又平板と型材を自由に組み合わせて形成できるために、ダブルスキンの形状がフレキシブルになる。更に表面部は摩擦攪拌接合にて形成できるために、ダブルスキンパネルの表面形状がきれいになる。
更に本発明によれば、型材若しくは平板と組合せてなる接合位置で精度よくギャップ間隔の規制と位置保持が行うことにより車両構造体のような長尺ものについても、万力等を用いてギャップ縮幅の制御を行う必要がなく、接合前の段取り作業が簡易化する。
【００５８】
更に本発明は、ブローブ型工具を用いて摩擦攪拌接合を行う場合に、前記リブがブローブの押し付け力を受ける押し付け支柱となって特別な裏当てが不要になる。
【００５９】
更に本発明によれば、摩擦攪拌接合による接合位置に、垂直壁若しくは水平壁が存在する油に構成してこの垂直壁若しくは水平壁を、ブローブ型工具押圧の際の受圧力として利用してブローブ型工具にて摩擦攪拌接合円滑に行われる。
又水平壁の場合は、背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成されている為に、前記接合部位のギャップ部に背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成することにより、裏面側に凹部が形成され、表面側に凹部が形成されない、形成されるダブルスキンパネルの表面がきれいな状態となる。
又本発明は継ぎ手の位置を左右（板延在方向）にずらすことで、上面及び底面板の継ぎ手部に同時に最大応力がかかることはなくなり、構造上の欠陥が低減する。
【００６０】
又本発明は、接合位置の下側が中空空間で形成することにより、ボビンツールの利用が可能であり、そして前記接合部位に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とともに、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、前記接合部位のギャップ部に背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成し、裏面側に凹部が形成され、表面側に凹部が形成されない為に、形成されるダブルスキンパネルの表面がきれいな状態となるとともに、前記接合部位の背面側に向かう厚み部が、面板と間隔保持部を形成する型材の水平壁により形成することにより、厚み部の形成が容易である。
【００６１】
第二発明は前記ダブルスキンパネルの接合自由端が、上面板と下面板との間でパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれている、具体的には前記左右のずれ量が上面板と底面板夫々の自由端位置間距離Ａが、回転工具のショルダ直径Ｒに対し、「Ａ≧Ｒ」の距離だけ面板延在方向に左右にずらしている為に、パネル自由端の継ぎ手の位置を左右（板延在方向）にずらすことで、上面及び底面板の継ぎ手部に同時に最大応力がかかることはなくなり、構造上の欠陥が低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理にかかる一対の平板１Ａ、１Ｂ、若しくは平板と押し出し若しくは引き抜き型材を用いて該ダブルスキンパネルを製造する際に生じる圧力分布の問題を解決せんとするもので、（Ａ）は接合位置を、（Ｂ）は圧力分布状態を示す。
である。
【図２】比較技術の原理にかかる一対の平板、若しくは平板と押し出し若しくは引き抜き型材を用いて該ダブルスキンパネルを製造する際に生じる圧力分布の問題を解決せんとするもので、（Ａ）は接合位置を、（Ｂ）は圧力分布状態を示す。
である。
【図３】製造したダブルスキンパネルの端部同士を接合する為の概略図を示す。
【図４】表面が平滑な接合状態を作るための接合状態を示す。
【図５】平板と押し出し若しくは引き抜き型材を用いて該ダブルスキンパネルを製造する際の、接合前の状態の種々の事例を示す。
【図６】平板と押し出し若しくは引き抜き型材を用いて製造したダブルスキンパネルの種々の事例を示す。
【図７】上下一対の平板とその間に介在させた間隔保持部材との組み合わせでダブルスキンパネルを製造する方法を示す。
【図８】図７の上下一対の平板と間隔保持部材で形成されたダブルスキンパネルの種々の例を示す。
【図９】（Ａ）はブローブを用いてダブルスキンパネル同士を接合する方法を示す従来技術である。（Ｂ）はボビンツールを用いてダブルスキンパネル同士を接合する方法を示す比較技術である。
【図１０】ボビンツールを用いて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。
【符号の説明】
１　ダブルスキンパネル
２　接合部位
３Ａ〜３Ｆ　型材
４　自由端
６　間隔保持部
７　平板部材
１０　ボビンツール
１０Ａ　表面側ショルダ
１０Ｂ　裏面側ショルダ
２０　ブローブ型回転工具

Claims

車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルが、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成されていることを特徴とするダブルスキンパネル。
前記ダブルスキンパネルが、平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部からなり、前記型材の一部で面板部と間隔保持部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のダブルスキンパネル。
前記ダブルスキンパネルが、立設リブを有する型材を交互に組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のダブルスキンパネル。
前記ダブルスキンパネルが、立設リブを有する型材と平板を組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のダブルスキンパネル。
前記リブを有する型材がＴ、若しくは下駄歯状の垂直リブであることを特徴とする請求項３もしくは４記載のダブルスキンパネル。
前記ダブルスキンパネルが、立設リブを有する型材と平板を組み合わせて平行な一対の面板部（上面板部と底面板部）と、該両面板間を間隔保持する間隔保持部が形成され、前記立設リブと面板との接合部位に面板背面とリブ頂部間を嵌合してギャップ間隔の規制と位置保持を行っていることを特徴とする請求項１記載のダブルスキンパネル。
前記型材が面板形成面より立設する一または複数のリブを有する型材であり、前記リブが、摩擦攪拌接合の接合部位と対面して形成されていることを特徴とする請求項１記載のダブルスキンパネル。
車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルが、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成され、前記接合部位の下面に位置する記型材の一部をリブ状にしてブローブ型工具押圧の際の受圧力として利用してブローブ型工具にて摩擦攪拌接合が行われていることを特徴とするダブルスキンパネル。
車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルが、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成され、前記接合部位が、間隔保持部を形成するリブ状型材の一部の間に位置する中空空間に位置し、該中空空間上に位置する接合部位がボビン型工具にて摩擦攪拌接合が行われていることを特徴とするダブルスキンパネル。
前記ダブルスキンパネルが、面板を形成する平板部材と間隔保持部を形成する中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の組み合わせで形成されている請求項１記載のダブルスキンパネル。
前記面板が上面板と底面板を形成する一対の平板部材であり、間隔保持部材の一部がコの字型、Ｌ字型、Ｉ型、Ｈ型のように垂直壁と水平壁の組み合わせであることを特徴とする請求項１０記載のダブルスキンパネル
間隔保持部材の一部が、コの字型、Ｌ字型、Ｉ型、Ｈ型の間隔保持部材を組み合わせて中空間隔保持材を形成していることを特徴とする請求項１０記載のダブルスキンパネル。
前記面板が上面板と底面板を形成する一対の平板部材であり、間隔保持部材の少なくとも一部が、Ｖの字型、Ｕ字型、Ｗ型、若しくはこれらが連接されているトラス構造であることを特徴とする請求項１記載のダブルスキンパネル。
車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルの面板が、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が摩擦攪拌接合により形成され、前記上面板と下面板の夫々の接合位置がパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれていることを特徴とするダブルスキンパネル。
前記左右のずれ量が上面板と底面板夫々に設けた隣接接合位置の中心間距離Ａが、回転工具のショルダ直径Ｒに対し、「Ａ≧Ｒ」の距離だけ面板延在方向に左右にずらしていることを特徴とする請求項１４記載のダブルスキンパネル。
前記回転工具がボビンツールである場合に、回転工具のショルダ直径Ｒが下側ショルダ直径であることを特徴とする請求項１５記載のダブルスキンパネル。
車両、航空機、船舶、建物等の大型構造体を製造する際の構体（広幅パネル体）の製造に用いるダブルスキンパネル（二面中空パネル）であって、前記ダブルスキンパネルの面板が、平板部材と中空部のない引き抜き若しくは押し出し型部材の選択的組み合わせで形成され、各部材間の少なくとも構体の外被となる一方の表面側に位置する接合部位が他の非接合部位に対し、背面側に向け厚みを持って形成され、その下側が中空空間で形成されていることを特徴とするダブルスキンパネル。
前記接合部位のギャップ部に背面側の厚み部より軟化された母材が先に進入するように構成し、裏面側に凹部が形成され、表面側に凹部が形成されない構成である請求項１７記載のダブルスキンパネル。
前記接合部位の背面側に向かう厚み部が、面板と間隔保持部を形成する型材の水平壁により形成されていることを特徴とする請求項１７記載のダブルスキンパネル。
前記接合部位に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とともに、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て形成されたことを特徴とする請求項１７記載のダブルスキンパネル。
請求項１〜２０より選択された一記載のダブルスキンパネルを用いた広幅パネルの製造方法において、
前記ダブルスキンパネルの接合自由端が、上面板と下面板との間でパネル厚み方向に一致することなく、面板延在方向に左右にずれていることを特徴とする広幅パネルの製造方法。
前記左右のずれ量が上面板と底面板夫々の自由端位置間距離Ａが、回転工具のショルダ直径Ｒに対し、「Ａ≧Ｒ」の距離だけ面板延在方向に左右にずらしていることを特徴とする請求項２１記載の広幅パネルの製造方法。