JP2005021931A - 板材の重ね接合方法および重ね接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス系または鉄系の板材の端部同士を十分な接合強度をもって重ね接合でき、しかも接合部分の水密性を十分に確保することが可能な板材の重ね接合方法および重ね接合構造を提供する。
【解決手段】溶融部分への入熱量が小さく、接合が不十分となり易いアドバンシングサイドＡＳが上側の板材１において実質的に荷重の加わらない部分である端面１Ｂ側に向けられているため、接合強度の低下が抑制され、ステンレス系の上側の板材１の端部１Ａと下側の板材２の端部２Ａとの重ね接合構造として十分な接合強度が得られる。そして、摩擦攪拌接合が接合ラインＬに沿って連続的に施工されることにより、接合部分の水密性が十分に確保される。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス系または鉄系の板材を重ねて接合する重ね接合方法および重ね接合構造に関するものである。
【０００２】
鉄道車両の車体の製造において、外板にステンレス鋼板を使用する所謂ステンレス車体では、外板の接合部分を相互に重ねてスポット溶接するのが一般的である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
なお、アルミニウム合金の押し出し型板（以下、アルミ型板という。）を外板に使用する所謂アルミ車体では、ＦＳＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）と略称される摩擦攪拌接合により外板を突き合せ接合する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。この突き合せ接合方法は、厚みの大きい中空のアルミ型板を突き合せ接合する方法であり、接合部分の車内側を予めアーク溶接しておき、その後、接合部分の車外側のみを摩擦攪拌接合により接合している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−１５６２７２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２１０５７１（段落００２４，段落００３１、図６，図９）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載のステンレス鋼板の重ね接合の構造では、不連続なスポット溶接のため、接合部分の水密性が低く、別途のシール処理が必要となるという問題がある。
【０００６】
この点、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合による接合構造では、連続的に摩擦攪拌接合することにより、接合部分の水密性を十分に確保することができる。しかしながら、この摩擦攪拌接合は、一般にアルミニウム合金の板材などの突き合せ接合に適用されるものであって、ステンレス系や鉄系の板材の重ね接合に適用すると十分な接合強度が得られない恐れがある。
【０００７】
そこで、本発明は、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士を十分な接合強度をもって重ね接合でき、しかも接合部分の水密性を十分に確保することが可能な板材の重ね接合方法および重ね接合構造を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本件出願の発明者等は、ステンレス系や鉄系の板材を摩擦攪拌接合により重ね接合する実験を繰り返した結果、以下のような現象を確認した。すなわち、摩擦攪拌接合用の回転ツールが挿入される上側の板材から見た場合、接合ラインに沿って進行する回転ツールの進行方向と回転ツールの回転方向とが逆向きとなる側（以下、リトゥリーティングサイド（Ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ ｓｉｄｅ）という。）においては、回転ツールとの摩擦により溶融した板材部分が回転ツールの進行に伴なって相対的に進行方向と逆方向の下流側へ流動する際、その流動方向が回転ツールの回転方向と一致して回転ツールとの相対速度が小さくなり、その溶融部分への入熱量が大きくなる。その結果、接合が良好に行われることを確認した。
【０００９】
一方、リトゥリーティングサイドの反対側であって回転ツールの進行方向と回転ツールの回転方向とが一致する側（以下、アドバンシングサイド（Ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｓｉｄｅ）という。）においては、回転ツールとの摩擦により溶融した板材部分が回転ツールの進行に伴なって相対的に進行方向と逆方向の下流側へ流動する際、その流動方向が回転ツールの回転方向と逆向きとなって回転ツールとの相対速度が大きくなり、その溶融部分への入熱量が小さくなる。その結果、接合が不十分となり易いことを確認した。
【００１０】
そして、重ね接合される板材において、実質的に荷重の加わらない部分である上側の板材の端部側がアドバンシングサイドとなるようにして摩擦攪拌接合すれば、十分な接合強度が得られることを確認して本発明を完成した。
【００１１】
なお、本件出願の発明者等は、一対の回転ツールを接合ラインに沿って相互に近接して配置（タンデム配置）し、両者を相互に逆方向に回転させて摩擦攪拌接合すれば、アドバンシングサイドにおいても十分な接合強度が得られるであろうとの知見を得た。
【００１２】
ここで、本発明に係る板材の重ね接合方法は、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士を重ね、両者を摩擦攪拌接合により接合ラインに沿って重ね接合する方法であって、接合ラインに沿って進行する摩擦攪拌接合用の回転ツールの進行方向と回転ツールの回転方向とが一致する側（アドバンシングサイド）を上側の板材の端面側に向けて摩擦攪拌接合することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る板材の重ね接合方法では、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士が摩擦攪拌接合により接合ラインに沿って重ね接合される。その際、溶融部分への入熱量が小さく、接合が不十分となり易い側（アドバンシングサイド）が実質的に荷重の加わらない部分である上側の板材の端面側に向けられているため、接合強度の低下が抑制され、十分な接合強度が得られる。そして、摩擦攪拌接合を接合ラインに沿って連続的に施工することにより、接合部分の水密性が十分に確保される。
【００１４】
また、本発明に係る板材の重ね接合構造は、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士が重ねられ、両者が摩擦攪拌接合により接合ラインに沿って重ね接合された構造であって、接合ラインに沿って進行する摩擦攪拌接合用の回転ツールの進行方向と前記回転ツールの回転方向とが一致する側（アドバンシングサイド）が上側の板材の端面側に向けられて摩擦攪拌接合されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る板材の重ね接合構造では、溶融部分への入熱量が小さく、接合が不十分となり易い側（アドバンシングサイド）が実質的に荷重の加わらない部分である上側の板材の端面側に向けられているため、接合強度の低下が抑制され、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士の重ね接合構造として十分な接合強度が得られる。そして、摩擦攪拌接合が接合ラインに沿って連続的に施工されることにより、接合部分の水密性が十分に確保される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る板材の重ね接合方法および重ね接合構造の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る板材の重ね接合方法により重ね接合される板材の重ね接合部分の斜視図、図２は図１に示した重ね接合部分の平面図、図３は一実施形態に係る板材の重ね接合構造を示す拡大断面図である。
【００１７】
一実施形態に係る板材の重ね接合方法は、図１に示すように、ステンレス鋼板からなる上側の板材１の端部１Ａと下側の板材２の端部２Ａとを重ね、両者を摩擦攪拌接合により接合ラインＬに沿って連続的に重ね接合する方法である。摩擦攪拌接合は、回転ツールＦＳＷの回転ピンＰと被接合板材との摩擦熱により被接合板材を局部的に軟化し、軟化した被接合板材同士を攪拌混合して接合する方法であり、接合後の変形・歪みが小さく、かつ接合欠陥も少ないという利点を有する。
【００１８】
摩擦攪拌接合に使用する回転ツールＦＳＷは、回転ピンＰを上側の板材１に臨ませて回転駆動する。そして、回転ツールＦＳＷの回転ピンＰを上側の板材１から下側の板材２に届く深さまで挿入し、この回転ピンＰを回転させつつ接合ラインＬに沿って進行させることにより、上側の板材１の端部１Ａと下側の板材２の端部２Ａとを摩擦攪拌して重ね接合する。なお、図示の符号Ｍは摩擦攪拌接合により溶融した部分を示している。
【００１９】
ここで、一実施形態の板材の重ね接合方法では、回転ツールＦＳＷの回転ピンＰの進行方向を図２の紙面の下から上に向かう実線矢印の方向としたとき、回転ピンＰの回転方向を上側の板材１側から見て時計廻りに設定して摩擦攪拌接合する。すなわち、接合ラインＬに沿って実線矢印方向に進行する回転ピンＰの進行方向と回転ピンＰの回転方向とが一致する側のアドバンシングサイドＡＳが上側の板材１の端面１Ｂ側に向くようにして摩擦攪拌接合する。
【００２０】
ここで、回転ピンＰとの摩擦による板材１，２の溶融部分Ｍは、回転ピンＰが実線矢印で示す方向に進行するのに伴ない、相対的に破線矢印で示す逆方向の下流側へ流動する。その際、アドバンシングサイドＡＳでは、破線矢印で示す溶融部分Ｍの流動方向が回転ピンＰの回転方向と逆向きとなって回転ピンＰとの相対速度が大きくなり、その溶融部分Ｍへの入熱量が小さくなる。このため、アドバンシングサイドＡＳでは、上側の板材１の端部１Ａと下側の板材２の端部２Ａとの接合が不十分となり易い。
【００２１】
一方、接合ラインＬを挟んだアドバンシングサイドＡＳと反対の側のリトゥリーティングサイドＲＳにおいては、破線矢印で示す溶融部分Ｍの流動方向が回転ピンＰの回転方向と一致して回転ピンＰとの相対速度が小さくなり、その溶融部分Ｍへの入熱量が大きくなる。このため、リトゥリーティングサイドＲＳでは、上側の板材１の端部１Ａと下側の板材２の端部２Ａとの接合が良好に行われ、十分な接合強度が得られる。
【００２２】
このような摩擦攪拌接合により、ステンレス鋼板からなる上側の板材１の端部１Ａと下側の板材２の端部２Ａとが接合ラインＬに沿って順次連続的に重ね接合される（図１参照）。この摩擦攪拌接合による板材の重ね接合構造では、図３に示すように、上側の板材１に白抜き矢印で示すような荷重が作用した場合、溶融部分Ｍへの入熱量が小さく、接合が不十分となり易いアドバンシングサイドＡＳが上側の板材１において実質的に荷重の加わらない部分である端面１Ｂ側に向けられているため、接合強度の低下が抑制され、十分な接合強度が得られる。そして、摩擦攪拌接合が接合ラインＬに沿って連続的に施工されているため、接合部分の水密性が十分に確保される。
【００２３】
本発明の板材の重ね接合方法および重ね接合構造は、図４に示す鉄道車両の車体１０の製造に好適に適用される。この車体１０は、ステンレス鋼板の外板を有する車体であって、台枠１１、側構体１２、妻構体１３および屋根構体１４が接合ラインＬ１〜Ｌ５に沿って相互に連続的に接合される。
【００２４】
ここで、図４に示す台枠１１と側構体１２との接合ラインＬ１においては、図５に拡大して示すように、台枠１１の側梁１１Ａの側面上に側構体１２の側外板１２Ａの下縁部が長土台１２Ｂを介して重ねられる。そして、これらの側外板１２Ａ、長土台１２Ｂおよび側梁１１Ａが側外板１２Ａの外面（表面）側から回転ツールＦＳＷによる摩擦攪拌接合Ｆ１によって重ね接合される。その際、摩擦攪拌接合Ｆ１は、側外板１２Ａにおける実質的に荷重の加わらない端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。
【００２５】
図４に示す台枠１１と妻構体１３との接合ラインＬ２においても、図５に示した例と同様に、台枠１１の側梁１１Ａの側面上に妻構体１３の妻外板１３Ａが長土台１３Ｂを介して重ねられ、これらの三者が妻外板１３Ａの表面側から回転ツールＦＳＷによる摩擦攪拌接合Ｆ１によって重ね接合される。その際、摩擦攪拌接合Ｆ１は、側外板１３Ａにおける実質的に荷重の加わらない端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。
【００２６】
図５に示した摩擦攪拌接合Ｆ１は、接合部分の水密性を確保するように接合ラインＬ１，Ｌ２に沿って連続的に施工される。この摩擦攪拌接合Ｆ１に使用する回転ツールＦＳＷのピンＰの長さは、側外板２Ａ（妻外板３Ａ）の表面から側梁１Ａの厚みの中央部に達する長さに設定される。
【００２７】
図４に示す側構体１２と妻構体１３との接合ラインＬ３においては、図６に拡大して示すように、妻構体１３の妻外板１３Ａの左右の内面（右側のみ図示する）に固定されているスミ柱１３Ｃ，１３Ｄに対して側構体１２の側外板１２Ａの前後の縁部（前側のみ図示する）が摩擦攪拌接合Ｆ２，Ｆ３により重ね接合される。
【００２８】
すなわち、妻構体１３の妻外板１３Ａの右端から突出して側構体１２の側外板１２Ａに沿うように妻外板１３Ａの前方へ屈曲されたスミ柱１３Ｃの接合縁部１３Ｃ１には、側外板１２Ａの前縁部がこれを覆う飾り金（縁金）１２Ｃと共に重ねられ、これらの飾り金（縁金）１２Ｃ、側外板１２Ａの前縁部およびスミ柱１３Ｃの接合縁部１３Ｃ１が飾り金（縁金）１２Ｃ側から回転ツールＦＳＷによる摩擦攪拌接合Ｆ２によって重ね接合される。その際、摩擦攪拌接合Ｆ２は、飾り金（縁金）１２Ｃにおける実質的に荷重の加わらない端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。
【００２９】
また、側構体１２の側外板１２Ａに沿うようにその内側に配置された妻構体１３のスミ柱１３Ｄの外面には、側外板１２Ａの内面に骨部材として予め固定されたハット形断面の側柱１２Ｄが重ねられ、この側柱１２Ｄとスミ柱１３Ｄとがスミ柱１３Ｄの内面（裏面）側から回転ツールＦＳＷによる摩擦攪拌接合Ｆ３によって重ね接合される。その際、摩擦攪拌接合Ｆ３は、スミ柱１３Ｄにおける実質的に荷重の加わらない端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。
【００３０】
摩擦攪拌接合Ｆ２に使用するＦＳＷ工具のピンＰの長さは、飾り金（縁金）２Ｃの表面からスミ柱３Ｃの接合縁部３Ｃ１の厚みの中央部に達する長さに設定されている。また、摩擦攪拌接合Ｆ３に使用するＦＳＷ工具のピンＰの長さは、スミ柱３Ｄの内面（裏面）から側柱２Ｄの厚みの中央部に達する長さに設定されている。そして、摩擦攪拌接合Ｆ２，Ｆ３は、接合部分の水密性を確保するように接合ラインＬ３に沿って連続的に施工される。
【００３１】
図４に示す側構体１２と屋根構体１４との接合ラインＬ４においては、図７に拡大して示すように、側構体１２と屋根構体１４とが摩擦攪拌接合Ｆ４，Ｆ５によって重ね接合される。
【００３２】
図７に示す重ね接合構造において、側構体１２の側外板１２Ａの上部にはＬ字状に屈曲して外面側へ立ち上がるドリップレール部１２Ａ１が形成されると共に、側外板１２Ａの内面（裏面）に固定された側柱１２Ｄの内面側には、その上端から突出して内側へ湾曲する継手１２Ｅが固定されている。一方、屋根構体１４の屋根外板１４Ａの左右の縁部（一方のみ図示する。）には、外方に水平に突出する接合縁部１４Ａ１が形成されると共に、屋根外板１４Ａの内面（裏面）に固定されたタルキ１４Ｃの内面側には、その下端部から突出して外方へ屈曲する長ケタ１４Ｄが固定され、この長ケタ１４Ｄには、屋根外板１４Ａの接合縁部４Ａ１の下面に沿って略水平に突出する接合縁部１４Ｄ１が形成されている。
【００３３】
そして、図７に示した重ね接合構造では、側構体１２側の側外板１２Ａの上部に形成されたドリップレール部１２Ａ１の水平部分の上面に屋根構体１４側の長ケタ１４Ｄの接合縁部１４Ｄ１および屋根外板１４Ａの接合縁部１４Ａ１が順次重ねられ、これらの接合縁部１４Ａ１、接合縁部１４Ｄ１およびドリップレール部１２Ａ１の水平部分が接合縁部１４Ａ１側からＦＳＷ工具による摩擦攪拌接合Ｆ４によって重ね接合される。その際、摩擦攪拌接合Ｆ４は、接合縁部１４Ａ１における実質的に荷重の加わらない端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。
【００３４】
また、屋根構体１４側のタルキ１４Ｃに固定された長ケタ１４Ｄの本体部分１４Ｄ２に側構体１２側の継手１２Ｅの上端部が重ねられ、この継手１２Ｅの上端部と長ケタ１４Ｄの本体部分１４Ｄ２とが継手１２Ｅの内面側から回転ツールＦＳＷによる摩擦攪拌接合Ｆ５によって重ね接合される。その際、摩擦攪拌接合Ｆ５は、継手１２Ｅにおける実質的に荷重の加わらない上端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。
【００３５】
摩擦攪拌接合Ｆ４に使用する回転ツールＦＳＷのピンＰの長さは、接合縁部１４Ａ１の表面からドリップレール部１２Ａ１の水平部分の厚みの中央部に達する長さに設定されている。また、摩擦攪拌接合Ｆ５に使用する回転ツールＦＳＷのピンＰの長さは、継手１２Ｅの表面から長ケタ１４Ｄの本体部分１４Ｄ２の厚みの中央部に達する長さに設定されている。そして、摩擦攪拌接合Ｆ４，Ｆ５は、接合部分の水密性を確保するように、接合ラインＬ４に沿って連続的に施工される。
【００３６】
図４に示す妻構体１３と屋根構体１４との接合ラインＬ５においては、図８に拡大して示すように、妻構体１３と屋根構体１４とが摩擦攪拌接合Ｆ６によって重ね接合される。
【００３７】
図５に示す重ね接合構造において、妻構体１３の妻外板１３Ａの上縁部に沿ってその内面に固定されたアーチ桁１３Ｅには、妻外板１３Ａの前方へ向けて略直角に屈曲する接合縁部１３Ｅ１が形成され、屋根構体１４の屋根外板１４Ａの前後の端部（一方のみ図示する。）の内面には、タルキ１４Ｅが固定されている。そして、アーチ桁１３Ｅの接合縁部１３Ｅ１の上面（外面）にタルキ１４Ｅを介して屋根外板１４Ａが重ねられ、これらの屋根外板１４Ａ、タルキ１４Ｅおよび接合縁部１３Ｅ１が屋根外板１４Ａの上面（外面）側から回転ツールＦＳＷによる摩擦攪拌接合Ｆ６によって重ね接合される。
【００３８】
その際、摩擦攪拌接合Ｆ６は、屋根外板１４Ａにおける実質的に荷重の加わらない前後の端面側にアドバンシングサイドＡＳを向けて実施される。また、この摩擦攪拌接合Ｆ６は、接合部分の水密性を確保するように接合ラインＬ５に沿って連続的に施工される。なお、摩擦攪拌接合Ｆ６に使用する回転ツールＦＳＷのピンＰの長さは、屋根外板１４Ａの表面からアーチ桁１３Ｅの接合縁部１３Ｅ１の厚みの中央部に達する長さに設定されている。
【００３９】
本発明に係る板材の重ね接合方法および重ね接合構造は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、対象となる板材は、ステンレス鋼板に限らず、鉄系の鋼板であってもよい。また、板材の厚みは特に限定されない。そして、本発明は、鉄道車両の車体に限らず、種々の構造物にも適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る板材の重ね接合方法によれば、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士が摩擦攪拌接合により接合ラインに沿って重ね接合される際、入熱量が小さく、接合が不十分となり易い側（アドバンシングサイド）が実質的に荷重の加わらない部分である上側の板材の端面側に向けられているため、接合強度の低下が抑制され、十分な接合強度を得ることができる。そして、摩擦攪拌接合を接合ラインに沿って連続的に施工することにより、接合部分の水密性を十分に確保することができる。
【００４１】
また、本発明に係る板材の重ね接合構造では、入熱量が小さく、接合が不十分となり易い側（アドバンシングサイド）が実質的に荷重の加わらない部分である上側の板材の端面側に向けられているため、接合強度の低下が抑制され、ステンレス系または鉄系の板材の端部同士の重ね接合構造として十分な接合強度を得ることができる。そして、摩擦攪拌接合が接合ラインに沿って連続的に施工されることにより、接合部分の水密性を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る板材の重ね接合方法により重ね接合される板材の重ね接合部分の斜視図である。
【図２】図１に示した重ね接合部分の平面図である。
【図３】一実施形態に係る板材の重ね接合構造を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る重ね接合方法および重ね接合構造が適用される鉄道車両の車体を示す斜視図である。
【図５】図４に示した台枠と側構体との接合ラインの断面図である。
【図６】図４に示した側構体と妻構体との接合ラインの断面図である。
【図７】図４に示した側構体と屋根構体との接合ラインの断面図である。
【図８】図４に示した妻構体と屋根構体との接合ラインの断面図である。
【符号の説明】
１…上側の板材、１Ａ…端部、１Ｂ…端面、２…下側の板材、２Ａ…端部、１０…車体、１１…台枠、１１Ａ…側梁、１２…側構体、１２Ａ…側外板、１２Ａ１…ドリップレール部、１２Ｂ…長土台、１２Ｃ…飾り金（縁金）、１２Ｄ…側柱、１２Ｅ…継手、１３…妻構体、１３Ａ…妻外板、１３Ｂ…長土台、１３Ｃ…スミ柱、１３Ｃ１…接合縁部、１３Ｄ…スミ柱、１３Ｅ…アーチ桁、１３Ｅ１…接合縁部、１４…屋根構体、１４Ａ…屋根外板、１４Ａ１…接合縁部、１４Ｃ…タルキ、１４Ｄ…長ケタ、１４Ｄ１…接合縁部、１４Ｄ２…本体部分、１４Ｅ…タルキ、ＦＳＷ…回転ツール、Ｐ…回転ピン、Ｍ…溶融部分、ＡＳ…アドバンシングサイド、ＲＳ…リトゥリーティングサイド、Ｌ１〜Ｌ５…接合ライン、Ｆ１〜Ｆ６…摩擦攪拌接合。

Claims (2)

1. ステンレス系または鉄系の板材の端部同士を重ね、両者を摩擦攪拌接合により接合ラインに沿って重ね接合する方法であって、前記接合ラインに沿って進行する摩擦攪拌接合用の回転ツールの進行方向と前記回転ツールの回転方向とが一致する側を上側の板材の端面側に向けて摩擦攪拌接合することを特徴とする板材の重ね接合方法。
2. ステンレス系または鉄系の板材の端部同士が重ねられ、両者が摩擦攪拌接合により接合ラインに沿って重ね接合された構造であって、前記接合ラインに沿って進行する摩擦攪拌接合用の回転ツールの進行方向と前記回転ツールの回転方向とが一致する側が上側の板材の端面側に向けられて摩擦攪拌接合されていることを特徴とする板材の重ね接合構造。

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