JP2005177865A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合部の２つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、良好な接合が得られるようにすることにある。
【解決手段】 一方の形材３０の板３１の端部の上面には凸部３２がある。他方の形材４０の板４１の端部は形材３０の板３１に突き合わせている。形材３０、４０はアルミニウム合金の押し出し形材である。両者は押し出し方向を直交させている。形材４０の板４１の上面には肉盛り溶接している。この状態で上方から回転工具を挿入し、摩擦攪拌接合を行う。これによれば、肉盛り溶接部は凸部３２と同一機能を果たし、良好な接合ができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、アルミニウム合金材等の接合に用いる摩擦攪拌接合に関する。

特許文献１に示すように、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、塑性流動させ、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である。大径部側を回転させる。摩擦攪拌接合方法による接合は突き合わせ部、重ね部に適用される。
また、被接合部材の接合部には大径部側に突出する凸部を設けている。中空の押し出し形材の幅方向の端部に一体に設けている。前記凸部は２つの形材の間の隙間を埋める材料となる。凸部側が製品の外面の場合、接合後、残った凸部は切削される。
特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ ０７９７０４３Ａ２）

押し出し形材に前記凸部を設ける場合は、凸部は押し出し方向に沿って設けることができる。しかし、押し出し方向に対して直角方向の端部には凸部を設けることはできない。このため、押し出し形材同士を直交して配置し、その端部を摩擦攪拌接合する場合、接合部の一方の部材の端部には凸部があるが、他方の部材には凸部がない。このため、良好な接合が行えないと考えられる。
上記は接合部の２つの部材の厚さ方向の表面の高さ位置が異なる場合であるといえる。

本発明の目的は、接合部の２つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、良好な接合が得られるようにすることにある。

上記目的は、接合部の２つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、高さが低い側の部材の端部の表面に肉盛り溶接を行い、次に、接合部の摩擦攪拌接合を行うこと、によって達成できる。 なお、上記「接合部の２つの部材の表面の高さ位置が異なる」とは前記表面側を上方に向けて置いた場合を想定した規定であるが、回転工具を基準としていえば、回転工具から接合部の表面までの距離が異なることをいう。「低い側の部材」とは回転工具からの距離が大きい方の部材をいう。

本発明によれば、接合部の２つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、良好な接合が得られ、接合部の凹みを実質的に除く接合ができるものである。

本発明の一実施例を図１から図６より、鉄道車両の車体への適用について説明する。図６おいて、鉄道車両の側構体２０は、複数のアルミニウム合金の押し出し形材３０、４０、５０を組み合わせて構成している。出入り口２１と窓２５との間の押し出し形材３０、３０、および、窓２５と窓２５とに隣接する押し出し形材３０のそれぞれの押し出し方向は、図６において縦方向である。窓２５の下部の押し出し形材４０、４０の押し出し方向は、図６において横方向である。つまり、押し出し形材３０の押し出し方向と押し出し形材４０の押し出し方向とは直交している。出入り口２１の上部の押し出し形材５０の押し出し方向は図６において横方向である。２８は車体の台枠である。これら部材は摩擦攪拌接合や通常のＭＩＧ溶接で接合されている。

図４から図５によって、押し出し方向を同一方向とした押し出し形材３０、３０同士の摩擦攪拌接合について説明する。押し出し形材４０、４０同士の摩擦攪拌接合も同様である。押し出し形材３０（４０、５０も同様）は車外側が平滑な板３１であり、車内側に複数のリブ３３を有している。リブ３３は押し出し形材３０（４０、５０も同様）の押し出し方向に沿ってある。

押し出し形材３０の幅方向（押し出し形材の押し出し方向に直交する方向）の一方の端部（形材３０、３０同士を突き合わせる端部）には、車内側（リブ３３側）に突出する凸部３２がある。突出代はｈである。板３１の端部および凸部３２の端部の面３２ｂは、板３１の外面３１ｃに実質的に直交している。このため、２つの押し出し形材３０、３０を突き合わせたとき、形材３０、３０の端部の面３２ｂ、３２ｂ同士は接触できる。但し、これは理想的な場合である。その突き合わせ部はＩ形開先といえる。

摩擦攪拌接合する際には、２つの押し出し形材３０、３０の間に隙間ができるだけ生じないように（所定値内の隙間になるように）、押し出し形材３０、３０を架台６０に拘束する。押し出し形材３０はリブ３３および凸部３２を上方に向けて、板３１を架台６０に載せている。また、押し出し形材３０、３０の端部の接合部が架台６０に接触するようにする。架台６０は鋼鉄製である。

摩擦攪拌接合用の工具である回転工具７０は上方から接合部に挿入される。回転工具７０は大径の大径部７１とその先端（下端）の小径部７２とからなる。大径部７１と小径部７２の境７３は大径部７１側に凹んだ円弧状になっている。小径部７２はねじである。摩擦攪拌接合時において、大径部７１の下端の外周部は凸部３２内に位置している。つまり、大径部の下端は凸部３２の頂３２ｃと板３１の内面側の面（非凸部の面）３１ｂの延長線との中間に位置している。接合は回転工具７０を回転させながら接合部に挿入して、回転させながら接合線に沿って移動させて行う。回転工具７０の軸心は形材４０の端面３２ｂに位置するようにする。

また、回転工具７０の軸心は回転工具７０の移動方向に対して大径部７１側が後方に傾斜している。このため、回転工具７０の大径部７１の前端は凸部３２の頂３２ｃよりも外面側（図４においては頂３２ｃよりも上方）に位置している。回転工具７０の大径部７１の後端は凸部３２内に位置している（線３２ｄの位置）。すなわち、回転工具７０の大径部７１の後端は凸部３２の頂３２ｃと面３１ｂの延長線との間にある。前記「前端」「後端」は回転工具７０の移動方向を基準としている。

各部の大きさの関係を説明すると、２つの凸部３２、３２を突き合わせた際の凸部３２、３２の頂３２ｃ、３２ｃの幅Ｗ１は小径部７２の径ｄよりも大きく、大径部７１の径Ｄよりも小さい。または、Ｗ１はＤよりも大きくてもよい。２つの凸部３２、３２の基部の幅Ｗ２は大径部７１の径Ｄよりも大きい。小径部７３の突出代Ｈは、回転工具７０の後端の境７３を凸部３２内に位置させたとき、小径部７２の先端は架台６０に近接する大きさを有する。例えば、板３１の外面３１ｃと小径部７２の先端との距離を０．１ｍｍにする。つまり、小径部７２の先端が架台６０に接触することがないように位置を管理する。凸部３２の頂３２ｃと基部の板３１の面３１ｂは斜面３２ｄで接続している。

押し出し形材を３０、３０を架台６０に固定した後、摩擦攪拌接合を行う。回転工具７０を回転させる装置には、回転工具７０の移動に伴って移動するローラを有している。ローラは、回転工具７０の移動方向において、回転工具７０の前後の左右にある。回転工具７０を形材３０、３０に挿入したとき、ローラは形材３０、３０の板の面３１ｂ、３１ｂに接触し、形材３０、３０を架台６０に押さえつける。

図５に摩擦攪拌接合後の状態を示す。大径部７１が入っていた凸部３２の材料は、２つの形材３０、３０の間の隙間に供給されたり、切り子のように外面に飛ばされる。また、バリとして残る。このため、２つの凸部３２、３２の中央部は凹部３５になる。２つの形材の間の隙間は回転体７０の回転によって軟化した材料によって埋められる。例えば、凸部３２の材料が前記隙間に移動し、これを埋める。小径部７２の先端よりも下方の隙間にも軟化した材料が移動し、隙間は埋められ、外面３１ｃ側の隙間は実質的に板３１の外面３１ｃと同一面になる。３６は接合ビードである。

形材３０、３０の外面３１ｃ側の接合部は形材３０、３０の外面３１ｃと実質的に同一面になるので、塗装に当たってパテの厚さを薄くできるものである。また、隙間の外面３１ｃ側には凹部がないので、無塗装のヘアライン加工で仕上げることがきるものである。

このようにして接合した形材３０、３０の組、形材４０、４０の組を図６、図１のように架台６０に載せ、固定する。事前に、２つの組の突き合わせ部（接合部となる。この接合部は形材４０の両端にある）の近傍の形材４０のリブ４３を切削して形材４０を平滑にしている。これによって、前記接合部を摩擦攪拌接合する場合に、接合部の近傍をローラで押さえることができる。

次に、図１から図３において、２つの組の突き合わせ部（接合部）において、形材４０、４０の端部に肉盛り溶接を行う。肉盛り溶接部４２の高さ、幅は形材３０の凸部３２に相当する高さ、幅であることが望ましい。この肉盛り溶接は接合線に沿って連続して行うことが望ましいが、間欠的に行ってもよい。例えば、１ｃｍの肉盛り溶接を行い、１ｃｍ中断し、これを繰り返す。この肉盛り溶接の強度は、摩擦攪拌接合時に、回転工具７０の回転によって飛ばされないような強度を有すればよい。回転工具７０の大径部７１によって切り子の如く飛ばされて凹部３５を作ることは許容内である。

次に、２つの組を前記のように摩擦攪拌接合を行う。前記のように摩擦攪拌接合され、接合部の外面３１ｃ、４１ｃ側は板３１、４１の外面３１ｃ、４１ｃと実質的に同一面になる。

肉盛り溶接部４２がない場合、大径部７１、小径部７２が形材３０、４０で覆われることが少なくなるので、凸部３２の材料が切り子の如く飛ばされ、隙間への材料の充填が少なくなり、良好な接合ができない。しかし、肉盛り溶接部４２が凸部３２の代用を果たすので、良好な接合ができるものである。

肉盛り溶接部４２は間欠的である。肉盛り溶接部４２がない部分においては、一方の形材３０の凸部３２から形材４０側への材料の移動が行われる。また、回転工具７０の回転および移動によって、凸部３２および肉盛り溶接部４２の材料が回転工具７０の後方に移動させられる。これらによって、肉盛り溶接のない部分の接合も実質的に良好に行われる。

これによって接合部は実質的に図５のようになる。押し出し形材３０の凸部３２は押し出し形材３０と同一部材であり、押し出し形材４０の凸部に相当するものは肉盛り溶接によるものである。

前記肉盛り溶接側を車体の外面とし、この外面を無塗装で仕上げる場合は、前記肉盛り溶接をＴＩＧ溶接で行う。この溶接の溶加材は形材３０、４０と同一材質とする。例えば、形材３０、４０を切断して溶加材とする。例えば、形材３０、４０の端材を用いる。溶接後、例えば、ヘアーライン加工を行う。これによれば、接合部に変色がなく、見栄えをよくできる。溶加材が他の材質の場合は接合部は変色し、見栄えが悪い。

上記実施例において、形材４０の組を肉盛り溶接後、架台６０に設置して、２つの組を突き合わせてもよい。上記実施例は側構体を構成する押し出し形材同士の接合であったが、他の部材にも適用できるものである。

図７から図８の実施例を説明する。押し出し形材８０はその長手方向を車体の長手方向に向けて配置している。押し出し形材８０は中空形材である。押し出し形材８０の幅方向の端部の両面には凸部がある。形材８０、８０同士の接合はこの凸部を利用して摩擦攪拌接合を行う。８６は窓、８７は出入り口である。

９０、９５は出入り口８７の枠を構成する押し出し形材である。９０は枠の縦の辺を構成し、９５は枠の上辺、下辺を構成する。押し出し形材９０、９５同士は溶接で接合する。押し出し形材９０、９５と押し出し形材８０とは摩擦攪拌接合で接合する。形材９０は中空形材である。形材９０は形材８０との接合部の端部の両面に凸部９２、９２を設けている。また、形材８０側に突出する突片９３、９３を有している。突片９３、９３は中空形材８０の２つの板８１、８２の内側に挿入されている。形材８０は突片９３、９３が入るように内部のリブ８３を削除している。形材９０の垂直片９１の板厚の範囲内に凸部９２と形材８０との突き合わせ面があるように設けている。形材９５の構造も形材９０の構造と同一である。２つの板８１、８２は実質的に平行である。

形材８０、８０を摩擦攪拌接合した後、形材９０、９５を配置する。形材８０、８０、９０、９５を架台６０に載せる（凸部９２を除く。）。形材９０、９５に沿って形材８０、８０…の端部に肉盛り溶接を行う。その後、摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合は、片面づつ、または両面同時に行う。摩擦攪拌接合の後、車外側の凸部９２および肉盛り溶接部は切削して平滑にする。

上記実施例は窓の枠を摩擦攪拌接合で設置する場合にも適用できるものである。また、上記実施例は中空形材であったが、図１のような形材にも適用できるものである。

上記実施例では厚さの異なる部材を突き合わせているが、製作誤差で、接合部の表面の高さ位置が異なる場合に、肉盛り溶接して摩擦接合すればよい。なお、「接合部の表面の高さ位置が異なる」とは前記表面側を上方に向けて置いた場合を想定した規定であるが、回転工具を基準としていえば、回転工具から接合部の表面までの距離が異なることをいう。「低い側の部材」とは回転工具からの距離が大きい方の部材をいう。

図９の実施例を説明する。この図９は図８に相当する。中空形材８０の端部のリブ８３および車体の内側の板８２の端部は切削して除いている。押し出し形材１００の車外側の端部は板８１に突き合わせられている。この端部には車外側に突出する凸部１０２がある。凸部１０２を除く押し出し形材１００の外面と板８１の外面は実質的の同一面である。押し出し形材１００の車内側の面の突出片１００３は、中空形材８０の車内側の板８２に重なっている。押し出し形材１００は強度の観点から中空形材ではない。押し出し形材１００は中実である。

押し出し形材１００を架台６０に載せた状態で、板８１と押し出し形材１００との突き合わせ部を上方から摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合は凸部を含めて行う。

次に、この構造体を反転し、突出片１０３と板８２とをアーク溶接で隅肉溶接する。
なお、突出片１０３を設けない場合は、板８２と押し出し形材１００との突き合わせ部を溶接する。

本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項の記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項の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のも及ぶものである。

本発明の一実施例の接合部の縦断面図であり、図６の１−１断面図である。 図１の斜視図である。 図１の３−３断面図である。 本発明の他の部分の接合部の縦断面図であり、図６の４−４断面図である。 図４の接合後の状態図である。 鉄道車両の車体の側面図である。 本発明の他の鉄道車両の側面図である。 図７の８−８断面図である。 本発明の他の実施例の図８相当図である。

符号の説明

２１、８７：出入り口、２５、８６：窓、３０、４０、５０、８０、９０、９
５、１００：押し出し形材、３１、４１：板、３２、９２、１０２：凸部、３５
：凹部、４２：肉盛り溶接部、３３、４３：リブ、６０、６１：架台、７０：回
転工具。

Claims (19)

1. 突き合わせた２つの部材の接合すべき部分の高さ表面の位置が異なる場合において、低い側の部材の表面に肉盛り溶接を行い、
   前記突き合わせた部分を前記肉盛り溶接側から摩擦攪拌接合を行うこと、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１において、前記肉盛り溶接は接合すべき方向に沿って間欠的に行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 端部を厚くした第１の部材と、端部の厚さが前記第１の部材の前記端部の厚さよりも薄い第２の部材の前記端部とを突き合わせ、
   前記第２の部材の前記端部に肉盛り溶接を行い、
   前記突き合わせた部分を前記肉盛り溶接側から摩擦攪拌接合を行うこと、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 端部を厚くした第１の部材と、端部の厚さが前記第１の部材の前記端部の厚さよりも薄い第２の部材の前記端部とが突き合わせてあり、前記第２の部材の前記端部に肉盛り溶接が行われており、
   前記突き合わせた部分を前記肉盛り溶接のある側から摩擦攪拌接合を行うこと、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
5. 複数の押し出し形材を摩擦攪拌接合して２組の押し出し形材群を設け、
   一方の前記組の端部と他方の前記組の端部とを突き合わせ、前記一方の組の前記押し出し形材の押し出し方向と前記他方の組の前記第２の押し出し方向とは実質的に直交しており、
   前記第１の押し出し形材の幅方向の端部は該端部に沿って凸部を有し、
   前記突き合わせの前または後において、前記突き合わせ部の前記第２の押し出し形材に肉盛り溶接を行い、
   前記肉盛り溶接のある側から摩擦攪拌接合を行うこと、
   を特徴とする車体の側構体の製作方法。
6. 請求項５において、前記肉盛り溶接は、前記第１の押し出し形材または前記第２の押し出し形材と同一材質の溶加材を用いてＴＩＧ溶接すること、を特徴とする車体の側構体の製作方法。
7. 複数の押し出し形材を摩擦攪拌接合し、
   出入り口または窓の枠を構成する部材の端部と前記押し出し形材の端部とを突き合わせ、前記部材は前記端部に沿って凸部を有しており、
   前記突き合わせの前または後において、前記突き合わせ部の前記押し出し形材に肉盛り溶接を行い、
   前記肉盛り溶接のある側から摩擦攪拌接合を行うこと、
   を特徴とする車体の側構体の製作方法。
8. 請求項７において、前記凸部、前記肉盛り溶接、および前記摩擦攪拌接合は車体の車内側から行うこと、を特徴とする車体の側構体の製作方法。
9. 第１の部材の端部と第２の部材の端部とが突き合わせて接合されており、
   該接合部は前記部材の厚さ方向に突出しており、該接合部の幅方向の中央部は凹んでおり、
   前記第１の部材の前記突出した部分は該第１の部材と同一部材であり、前記第２の部材の前記突出した部分は肉盛り溶接部であること、
   ことを特徴とする構造体。
10. 請求項９において、前記第１の部材および前記第２の部材は押し出し形材であり、前記第２の部材の前記端部は前記押し出し形材の押し出し方向の端部であること、を特徴とする構造体。
11. 第１の押し出し形材の端部と第２の押し出し形材の端部とが突き合わせて接合されており、
    前記第１の押し出し形材の押し出し方向と前記第２の押し出し形材の押し出し方向とは実質的に直交しており、
    前記接合部は前記それぞれの押し出し形材の厚さ方向の外方に突出しており、該接合部の幅方向の中央部は凹んでおり、
    前記第１の押し出し形材の前記突出した部分は該第１の押し出し形材と同一部材であり、前記第２の押し出し形材の前記突出した部分は肉盛り溶接部であり、
    前記突出した部分は車内側にあること、
    を特徴とする車体。
12. 請求項１１において、前記第１の押し出し形材は複数の押し出し形材を並べて接合したものであり、前記第２の押し出し形材は複数の押し出し形材を並べて接合したものであり、
    前記複数の第１の押し出し形材の組の端部と前記複数の第２の押し出し形材の組の端部とを接合しており、該接合部は前記接合部の構成であり、
    ２つの前記組を車体の側構体に有すること、
    を特徴とする車体。
13. 請求項１１において、前記第２の押し出し形材は出入り口または窓の枠であること、を特徴とする車体。
14. 中空形材の押し出し方向の端部の２つの板の間のリブを除き、
    次に、該中空形材の前記端部に押し出し形材を突き合わせ、
    前記突き合わせ部の前記２つの板の間に、前記押し出し形材の端部が入っており、
    前記中空形材の押し出し方向と前記押し出し形材の押し出し方向とは実質的に直交しており、
    前記中空形材の厚さと前記押し出し形材の厚さとは実質的に同一であり、
    次に、前記突き合わせ部を前記中空形材の外方から摩擦攪拌接合すること、
    を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
15. 請求項１４の摩擦攪拌接合方法において、前記押し出し形材の前記突き合わせ部の端部は前記厚さの方向の外方に突出する凸部を有しており、
    前記凸部を含む前記突き合わせ部を前記外方から前記摩擦攪拌接合すること、
    を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
16. 中空形材の押し出し方向の端部の２つの板の間のリブおよび該端部の一方の板を除き、
    次に、該中空形材の前記端部に押し出し形材を突き合わせ、
    前記中空形材の他方の板の端部は前記押し出し形材に重なると共に突き合わせられており、
    前記中空形材の前記一方の板は前記押し出し形材に重なるか突き合わせられており、
    前記中空形材の押し出し方向と前記押し出し形材の押し出し方向とは実質的に直交しており、
    前記中空形材の前記他方の板の外面と前記押し出し形材の外面とは実質的に同一であり、
    次に、前記他方の板と前記押し出し形材との前記突き合わせ部を前記中空形材の外方から摩擦攪拌接合すること、
    を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
17. 請求項１６の摩擦攪拌接合方法において、前記他方の板の前記突き合わせ部の端部は外方に突出する凸部を有しており、
    前記凸部を含む前記突き合わせ部を前記外方から前記摩擦攪拌接合すること、
    を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
18. 中空形材と押し出し形材とが摩擦攪拌接合によって前記中空形材の外方から接合されており、
    前記摩擦攪拌接合をした部分の前記中空形材の２つの板の間のリブが除かれており、
    この２つの板の間に前記押し出し形材の端部が挿入されており、
    前記中空形材の押し出し方向と前記押し出し形材の押し出し方向とは実質的に直交していること、
    を特徴とする構造体。
19. 中空形材一方の板と押し出し形材とが摩擦攪拌接合によって前記中空形材の外方から接合されており、
    前記摩擦攪拌接合した部分の中空形材の前記一方の板とこれに実質的に平行な他方の板との間リブおよび前記他方の板が除かれており、
    前記他方の板側の前記押し出し形材は前記他方の板に溶接されており、
    前記中空形材の押し出し方向と前記押し出し形材の押し出し方向とは実質的に直交していること、
    を特徴とする構造体。

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