JP2006305624A - アルミニウム構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個のアルミニウム押出形材を接合して中空４角柱状の衝撃吸収構造体を製造する場合において、構造体のコーナー部に接合部がくる場合でも、摩擦攪拌接合の適用を可能にする。
【解決手段】アルミニウム押出形材６１〜６５を押出方向が互いに平行になるように並置し、片側のフランジ板６６の端部同士を全体として略平面をなすように突き合わせ、突き合わせ部をそれぞれ摩擦攪拌接合し、その接合部６９がいずれも外面側になるように曲げ加工して中空角柱状とする。さらにアルミニウム押出形材６１，６５のフランジ板６６，６７の端部同士を摩擦攪拌接合（接合部Ａ，Ｂ）して衝撃吸収構造体を製造する。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数のアルミニウム押出形材を摩擦攪拌接合して製造したアルミニウム構造体及びその製造方法に関する。

下記特許文献１には、両面のフランジ板とそれらを連結するリブからなるアルミニウム押出形材の端部同士をコーナー部で突き合わせて中空４角柱状とし、突き合わせ部をアーク溶接して鉄道車両用衝撃吸収構造体を得ることが記載されている。しかし、アーク溶接により接合した構造体の場合、接合部（溶接ビード）は鋳造組織であり、その両側のＨＡＺ（熱影響部）は軟化するため、構造体には強度の不均一な部分ができ、衝突時の変形が安定しない。また接合部は衝撃を受けたとき事実上変形せず、そこから割れ等の破壊が発生して、衝撃吸収性能が低下する可能性がある。
一方、下記特許文献２，３には、両面のフランジ板とそれらを連結するリブからなるアルミニウム押出形材の端部同士を突き合わせ、突き合わせ部を摩擦攪拌接合してアルミニウム構造体を製造することが記載されている。摩擦攪拌接合は、回転ツールと被接合材の摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であり、接合部を溶融することなく接合することから、接合後の変形が少なく、接合部の欠陥が少ないなどの利点を有する。

摩擦攪拌接合の場合、回転ツールのショルダー部を接合部に押し付けて回転させ、接合部に摩擦熱を発生させてプローブ周囲を塑性流動化させる必要から、回転ツールのショルダー部が接合部に面接触するように、接合部は平面に形成されていなくてはならない。従って、例えばＬ形状に屈曲したコーナー部や湾曲したＲ部など、平面状でない部分を含む構造体において、接合部が前記コーナー部やＲ部に位置する場合、当該接合部はアーク溶接等により接合し、摩擦攪拌接合は接合部が平面になる箇所でのみ行っている。
しかし、複数のアルミニウム押出形材からなるアルミニウム構造体において、アーク溶接による接合部が増えることは、摩擦攪拌接合を用いることの利点が失われることにつながる。従って、構造体を構成する各アルミニウム押出形材の断面形状を工夫して、接合部をコーナー部やＲ部に位置しないようにし、アーク溶接等による接合部を減らすことも行われている。例えば特許文献２，３では、アルミニウム押出形材の断面形状を、コーナー部を含むＬ形状としあるいは全体が湾曲していても接合する両端部は平面状とすることにより、隣接するアルミニウム押出形材との接合部が平面になるようにして、摩擦攪拌接合を可能としている。

なお、下記特許文献４には、アルミニウム板を摩擦攪拌接合した後プレス成形すること、下記特許文献５には、マグネシウム板を摩擦攪拌した後曲げ加工を行うこと、下記非特許文献１には、摩擦攪拌接合したアルミニウム板の曲げ加工が可能であることが記載されている。

特開２００５−７５２９３号公報 特開２００４−４２８３３号公報 特開２００４−９００８７号公報 特開２００４−１７６１４９号公報 特開２００５−１２５３４１号公報 WELDING JOURNAL 1996年3月号 41〜45頁「Friction Stir Process Welds Aluminum Alloys」

摩擦攪拌接合するアルミニウム押出形材の一方又は双方が、断面がＬ形状あるいは湾曲したアルミニウム押出形材の場合、平面状のアルミニウム押出形材同士を摩擦攪拌接合する場合に比べて、両形材の位置決めが複雑になる。また、構造体及びアルミニウム押出形材断面の設計上の制約から、所望のＬ形状や湾曲した断面のアルミニウム押出形材が得られない場合もある。
本発明はアルミニウム押出形材同士を摩擦攪拌接合する場合のこのような問題点に鑑みてなされたもので、アルミニウム構造体のコーナー部や湾曲部に接合部がくる場合でも、摩擦攪拌接合の適用を可能にすることを目的とする。

アーク溶接等により形成されたビードは伸びが小さく、溶接後、仮にビードの長さ方向に沿って曲げ変形を行った場合、ビードの部分は鋳造組織になるため事実上変形せず、その両側のＨＡＺ（熱影響部）は軟化しているため優先的に大きく変形し、その結果、不均一な曲げ変形が行われる。従って、アーク溶接後にビードの長さ方向に沿って曲げ変形をを行うことは現実的にはない。
一方、前記特許文献４，５及び非特許文献１に記載されているように、アルミニウムやマグネシウムを摩擦攪拌接合した接合部（塑性流動して攪拌された部分）は、曲げ加工やプレス成形が可能である。また、本発明者らの知見によれば、アルミニウムを摩擦攪拌接合して形成された接合部は、熱影響部や非熱影響部に遜色ない伸びを示す。これは摩擦攪拌接合の接合部が塑性流動を起こしただけで、溶融・凝固した鋳造組織ではないことによるものと考えられる。本発明はアルミニウムの摩擦攪拌接合に関する上記知見に基づいてなされたものである。

本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法は、両面のフランジ板とそれらの間を連結する複数のリブからなる第１及び第２のアルミニウム押出形材を並置し、前記第１及び第２のアルミニウム押出形材のそれぞれ片側のフランジ板の端部同士を略平面をなすように突き合わせ、突き合わせ部を摩擦攪拌接合した後、その接合部を長手方向に沿って曲げ加工することを特徴とする。前記第１及び第２のアルミニウム押出形材として、例えば両面のフランジ板が実質的に平行なダブルスキンパネルを用いる。
本発明に係るアルミニウム構造体は、この方法により製造され、両面のフランジ板とそれらの間を連結する複数のリブからなる第１及び第２のアルミニウム押出形材からなり、前記第１及び第２のアルミニウム押出形材はそれぞれ片側のフランジ板が端部同士で摩擦攪拌接合され、その接合部が長手方向に沿って曲げ加工されている。

なお、本発明において接合部とは、摩擦攪拌接合によりアルミニウムが塑性流動して攪拌された箇所を意味する。また、アルミニウムとはアルミニウム合金を含む意味で用いられる。アルミニウムが熱処理型アルミニウム合金の場合、アルミニウム押出形材を質別Ｔ１（ＪＩＳＨ０００１参照）状態で摩擦攪拌接合し、時効処理（Ｔ５）の後曲げ加工を行うか、曲げ加工後に時効処理（Ｔ５）を行うと、摩擦攪拌接合することにより生じた強度差（熱影響部（ＨＡＺＺ）が軟化する）が減少するので望ましい。しかし、その強度差はアーク溶接に比べて大きくなく、生じる範囲も広くないため、時効処理を済ました後、摩擦攪拌接合を行うこともできる。さらに、本発明には、接合部及びその近傍だけを曲げ加工する場合のほか、押出形材の他の部分を含めて曲げ加工する場合や押出形材全体を曲げ加工する場合も含まれる。

本発明の応用として、鉄道車両用の衝撃吸収構造体として好適な、中空角柱状のアルミニウム構造体を製造することができる。このアルミニウム構造体は、複数個のアルミニウム押出形材が押出方向を軸方向に揃えて全体が中空角柱状に構成されたもので、アルミニウム押出形材はいずれも中空角柱の外面側又は内面側になるフランジ板が端部同士で摩擦攪拌接合され、その接合部が長手方向に沿って曲げ加工され、さらに接合されたアルミニウム押出形材の端部のアルミニウム押出形材同士が中空角柱の平らな部分で突き合わされ、両者のフランジ板が端部同士で摩擦攪拌接合されている。
このアルミニウム構造体は、複数個のアルミニウム押出形材を押出方向が互いに平行になるように並置し、前記アルミニウム押出形材のそれぞれ片側のフランジ板の端部同士を全体として略平面をなすように突き合わせ、突き合わせ部をそれぞれ摩擦攪拌接合し、その接合部がいずれも内面側又は外面側になるように長手方向に沿って曲げ加工して中空角柱状とし、このとき接合されたアルミニウム押出形材の端部のアルミニウム押出形材同士を中空角柱の平らな部分で突き合わせ、さらに突き合わせたアルミニウム押出形材のフランジ板の端部同士を摩擦攪拌接合することにより製造できる。

本発明によれば、両面のフランジ板とそれらの間を連結するリブからなる第１及び第２のアルミニウム押出形材を用い、それぞれの押出形材の片側のフランジ板の端部同士を突き合わせて摩擦攪拌接合し、接合後にその接合部を所望の形状に曲げ加工する。従って、接合部が構造体のコーナー部や湾曲部に位置していたとしても、摩擦攪拌接合自体はフランジ板の端部同士が平面をなす状態で行われるので摩擦攪拌接合は普通に行うことができ、また摩擦攪拌接合に際して断面Ｌ形や湾曲した押出形材を用いず、両方とも平面的な押出形材を用いることができるので、その位置決めも容易となる。そして、摩擦攪拌接合による接合部は回転ツールによる摩擦熱を受けた熱影響部や非熱影響部に遜色ない伸びを示すため、曲げ加工に際して接合部自体が変形し、高精度の曲げ加工が可能となる。

本発明は、例えば衝突エネルギーを吸収する衝撃吸収構造体（いわゆるクラッシャブル部材）のように、構造体全体が強度的に均一性を必要とする場合に好適である。
このような構造体を、複数の押出形材を例えばアーク溶接することにより製造した場合、ビードは鋳造組織であり、その両側のＨＡＺ（熱影響部）は軟化するため、構造体には強度の不均一な部分ができ、衝突時の変形が安定しない。そのため溶接後に構造体を焼鈍処理してＯ材とし、全体の材質を均質化して使用せざるを得ない。そうなると構造体の強度が低下し、所定のエネルギーを吸収するためには構造体を大型化又は厚肉化するか、その個数を増やす必要が出てくる。一方、構造体の接合部が全て摩擦攪拌接合されている場合、強度の不均一性が小さいため、Ｏ材処理を行うことなく（熱処理型アルミニウム合金であればＴ５材のままで）使用することが可能である。Ｔ５材は高強度であるから、構造体を小型化又は薄肉化でき、あるいはその個数を減らすことができる。

以下、図１〜図１６を参照して、本発明をより具体的に説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法の一例である。互いに平行な両面のフランジ板３，４とそれらの間を連結する複数のリブ５，６，７，８からなり、押出方向に所定長さを有する第１及び第２のアルミニウム押出形材１，２を、押出方向を平行に揃えて、フランジ板３，３が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせ、突き合わせた片側のフランジ板３，３の端部同士を、上から周知の回転工具により摩擦攪拌接合した後、接合部をその長さ方向に沿って曲げ加工し、２つのアルミニウム押出形材からなるアルミニウム構造体１０を製造した。アルミニウム押出形材１，２は、両面のフランジ板３，４が実質的に平行で、全体として矩形の輪郭を有するダブルスキンパネルである。リブ５に相応の厚みがあれば、ビード９はリブ５に入り込んでいてもよい。
接合部９は元のアルミニウムに遜色ない伸びを示して変形し、接合部９及びその近傍に割れ等の発生がなく、アルミニウム押出形材１，２の断面の形状変形がなく、高精度の曲げが可能である。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法の他の例である。アルミニウム押出形材１１，１２は、両面のフランジ板１３，１４とそれらの間を連結する複数のリブ１５，１６，１７，１８からなり、端部のリブ１５，１６がフランジ板１３，１４の近傍において厚肉（矩形の輪郭の内側に厚肉）になっている点のみで、アルミニウム押出形材１と異なる。リブ１５の厚みを大きくしたことにより、より大きい接合部１９を形成できる。アルミニウム押出形材１１，１２を、押出方向を平行に揃えて、フランジ板１３，１３が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせ、突き合わせたフランジ板１３，１３の端部同士を上から摩擦攪拌接合した後、接合部１９をその長さ方向に沿って曲げ加工し、２つのアルミニウム押出形材からなるアルミニウム構造体２０を製造した。
接合部１９は元のアルミニウムに遜色ない伸びを示して変形し、接合部１９及びその近傍に割れ等の発生がなく、アルミニウム押出形材１１，１２の断面の形状変形がなく、高精度の曲げが可能である。
なお、図２（ｄ）のように、端部のリブ１５，１５について、全体に大きくＲを付け、フランジ板１３，１４近傍において厚肉になるようにしても、同様の作用が得られる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法の他の例である。アルミニウム押出形材２１，２２は、両面のフランジ板２３，２４とそれらの間を連結する複数のリブ２５，２６，２７，２８からなり、一方のフランジ板２３が矩形の輪郭外に突出している点のみで、アルミニウム押出形材１，２と異なる。アルミニウム押出形材２１，２２を、押出方向を平行に揃えて、フランジ板２３，２３が同一平面をなすように同一平面上に並置し、フランジ板２３，２３の端部同士を突き合わせ、その下面を下から支持し、上から摩擦攪拌接合した後、接合部２９を含めてフランジ板２３の矩形の輪郭から突出した部分全体を接合部２９の長手方向に沿って曲げ加工し、２つのアルミニウム押出形材からなるアルミニウム構造体３０を製造した。なお、曲げの方向は図１の例と異なり、接合部２９の底が曲げの内側になっている。
接合部２９は元のアルミニウムに遜色ない伸びを示して、フランジ板２３（矩形の輪郭から突出した部分）と同様に変形し、接合部２９及びその近傍に割れ等の発生がなく、アルミニウム押出形材２１，２２の断面の形状変形がなく、高精度の曲げが可能である。

図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の製造方法の他の例である。アルミニウム押出形材３１，３２は、両面のフランジ板３３，３４とそれらの間を連結する複数のリブ３５，３６，３７，３８からなり、端部のリブ３５が傾斜している点で、アルミニウム押出形材１，２と異なる。アルミニウム押出形材３１，３２を、押出方向を平行に揃えて、フランジ板３３，３３が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせ、突き合わせたフランジ板３３，３３の端部同士を上から摩擦攪拌接合した後、接合部３９の部分をその長さ方向に沿って曲げ加工し、２つのアルミニウム押出形材からなるアルミニウム構造体４０を製造した。なお、曲げの方向は図１の例と異なり、接合部３９の底が曲げの内側になっている。
接合部３９は元のアルミニウムに遜色ない伸びを示して変形し、接合部３９及びその近傍に割れ等の発生がなく、アルミニウム押出形材３１，３２の断面の形状変形がなく、高精度の曲げが可能である。

図５（ａ），（ｂ）は、本発明を衝撃吸収構造体の製造に適用した例を示す。アルミニウム押出形材６１〜６５は押出方向に所定長さを有し、互いに平行な両面のフランジ板６６，６７とそれらの間を連結する複数の傾斜したリブ６８からなり、隣接するリブ同士は逆向きに傾斜してフランジと共に３角形のトラス構造をなす。アルミニウム押出形材６１〜６５を、押出方向を平行に揃えて、各フランジ板６６が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせる。なお、アルミニウム押出形材６２〜６４は同じ断面形状であり、両端のアルミニウム押出形材６１，６５は、アルミニウム押出形材６２を中央部で押出方向に沿って切断した形状を有する。続いて、図５（ａ）に示すように、突き合わせたフランジ板６６の端部同士をそれぞれ上から摩擦攪拌接合（接合部６９）する。なお、図５（ａ）において、アルミニウム押出形材６４，６５のフランジ板６６の突き合わせ部は摩擦攪拌接合前の状態を示している。

摩擦攪拌接合されて１つにつながったアルミニウム押出形材６１〜６６のフランジ板６６を、該フランジ板６６がいずれも外面側になるように、接合部６９において長さ方向に沿って曲げ加工し、中空４角柱状に成形する。このとき両端のアルミニウム押出形材６１，６５は、この中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で突き合わされる。突き合わされたアルミニウム押出形材６１，６５のフランジ板６６，６７の端部同士を摩擦攪拌接合（接合部Ａ、Ｂ）することにより、図５（ｂ）に示す中空４角柱状の衝撃吸収構造体７０ができあがる。
なお、この例では、摩擦攪拌接合したフランジ板６６がいずれも中空４角柱の外面側になるように曲げ加工を行ったが、このフランジ板６６がいずれも中空４角柱の内面側になるように曲げ加工を行うこともできる。

また、この例では、中空４角柱のコーナー部は、外面側の接合部６９のみで接合され、それより中央寄りの部分では隣接するアルミニウム押出形材の間に隙間Ｓが形成されているが、隣接するアルミニウム押出形材の一方側端部に凹部、他方側端部に凸部をそれぞれ一体形成し、中空４角柱状に成形したとき、これらの凹凸を中空４角柱のコーナー部で互いに嵌合させて接合し、該コーナー部の強度アップを図ることもできる。図６はその例を示すもので、アルミニウム押出形材６５の端部に凸部６５ａが形成され、アルミニウム押出形材６４の端部に凹部６４ａが形成され、両者が嵌合し、両アルミニウム押出形材６４，６５を接合している。各コーナー部でこのような嵌合接合をすることが可能である。また、嵌合の代わりに溶接や接着剤で隣接するアルミニウム押出形材の端部同士を接合することも可能である。

図７（ａ），（ｂ）は、衝撃吸収構造体の別の例を示す。アルミニウム押出形材７１〜７４は、互いに平行な両面のフランジ板７６，７７とそれらの間を連結する複数の傾斜したリブ７８からなり、押出方向に所定長さを有する。図７（ａ）に示すように、中間のアルミニウム押出形材７２，７３の断面構造は図５（ａ）に示すアルミニウム押出形材６２〜６４と同じであるが、一方の端のアルミニウム押出形材７１は、フランジ板７６の一部とリブ７８の１つが切除された形状を有し、他方の端のアルミニウム押出形材７４は、フランジ板７６が外方に所定長さ延長（延長部７６ａ）されている。

図７（ａ）に示すように、突き合わせた各フランジ板７６の端部同士をそれぞれ上から摩擦攪拌接合（接合部７９）する。続いて、１つにつながったフランジ板７６を、該フランジ板７６がいずれも外面側になるように、接合部６９において長さ方向に沿って曲げ加工し、中空４角柱状に成形する。さらにアルミニウム押出形材７４のフランジ板７６の延長部７６ａを、図７（ｂ）の仮想線に示すようにまっすぐ伸びた状態から、実線のように曲げ加工して、その端部をアルミニウム押出形材７１のフランジ板７６の端部に突き合わせ、この部分を摩擦攪拌接合する（接合部Ａ）ことにより、衝撃吸収構造体８０ができあがる。この例では、摩擦攪拌接合の接合箇所が、図５の例より少なくて済む。
なお、アルミニウム押出形材７４のフランジ板７６の曲げ加工は、アルミニウム押出形材７１〜７４のフランジ板７６を摩擦攪拌接合する前や中空４角柱状に成形する前に行うこともできる。また、フランジ板７６の曲げ加工に際し、予め曲げ加工部位を摩擦攪拌してもよい（摩擦攪拌接合と同じように回転ツールにより摩擦攪拌のみ行う／特許文献４参照）。これにより攪拌された部分の結晶粒が微細化し、かつその近傍の熱影響部が軟化し、曲げ加工部位の曲げ加工性が向上する。

図７の例では、フランジ板７６の端部同士を突き合わせて、そこを摩擦攪拌接合したが、重ね継ぎ手にして、そこを摩擦攪拌接合することもできる。図８はその例であり、アルミニウム押出形材７４のフランジ板７６の延長部７６ａの先端部分７６ｂに段差をつけて薄肉とし、一方、アルミニウム押出形材７１のフランジ板７６の端部から薄板状の延長部７６ｃを突出させ、延長部７６ａを曲げ加工したとき、前記先端部分７６ｂと延長部７６ｃが重なり、重なった部分が元のフランジ板７６の厚さと同じ厚さになっている。重ね継ぎ手にすることにより、延長部７６ａを曲げ加工したとき、端部の位置に寸法状の誤差が多少あっても吸収できる。

図９（ａ），（ｂ）は衝撃吸収構造体の別の例を示す。アルミニウム押出形材８１〜８５は、互いに平行な両面のフランジ板８６，８７とそれらの間を連結する複数の傾斜したリブ８８からなり、押出方向に所定長さを有する。アルミニウム押出形材８１〜８５を、押出方向を平行に揃えて、各フランジ板８６が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせる。なお、アルミニウム押出形材８２〜８４は、図５（ａ）に示すアルミニウム押出形材６２〜６４の両端のリブ６８が１つずつ切除された形状、アルミニウム押出形材８１，８５は、アルミニウム押出形材６１，６４の片端のリブ６８が１つ切除された形状を有し、かつアルミニウム押出形材８１，８５は、アルミニウム押出形材８２を中央部で押出方向に沿って切断した形状を有する。続いて、図９（ａ）に示すように、突き合わせた各フランジ板８６の端部同士をそれぞれ上から摩擦攪拌接合（接合部８９）する。

摩擦攪拌接合されて１つにつながったアルミニウム押出形材８１〜８５のフランジ板８６を、該フランジ板８６がいずれも外面側になるように、接合部８９において長さ方向に沿って曲げ加工し、中空４角柱状に成形する。このとき両端のアルミニウム押出形材８１，８５は、この中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で突き合わされる。突き合わされたアルミニウム押出形材８１，８５のフランジ板８６，８７の端部同士を摩擦攪拌接合（接合部Ａ、Ｂ）することにより、図９（ｂ）に示す中空４角柱状の衝撃吸収構造体９０ができあがる。この例では、接合部８９の位置がリブ８８から離れているので、コーナー部の曲率半径を大きくとることができる。コーナー部の曲率半径を大きくとることにより、寸法上の誤差を吸収することができ、衝撃吸収性も向上する。

図９の例では、中空４角柱のコーナー部は、外面側の接合部８９のみで接合されているが、接合部８９より中央寄りの箇所で、連結部材により隣接するアルミニウム押出形材同士を接合し、コーナー部の強度アップを図ることもできる。図１０はその例を示すもので、アルミニウム押出形材８４，８５のフランジ板８７の端部近傍にそれぞれ凹部が形成され、その凹部に連結部材９０ａの両端部が嵌合し、両アルミニウム押出形材８４，８５を接続している。各コーナー部でこのような嵌合接合をすることが可能である。連結部材９０ａとしては、押出材や、凹部の形態によっては板を曲げ加工したものが利用できる。

図１１（ａ），（ｂ）は衝撃吸収構造体の別の例を示す。アルミニウム押出形材９１〜９５は、互いに平行な両面のフランジ板９６，９７とそれらの間を連結する複数の傾斜したリブ９８からなり、押出方向に所定長さを有する。アルミニウム押出形材９１〜９５を、押出方向を平行に揃えて、各フランジ板９６が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせる。なお、アルミニウム押出形材９１〜９４は、図５（ａ）に示すアルミニウム押出形材６１〜６４の片端のリブ６８が１つ切除された形状、アルミニウム押出形材９５は、アルミニウム押出形材６５と同じ形状を有し、かつアルミニウム押出形材９１，９５は、アルミニウム押出形材９２を中央部で押出方向に沿って切断した形状を有する。続いて、図１１（ａ）に示すように、突き合わせた各フランジ板９６の端部同士をそれぞれ上から摩擦攪拌接合（接合部９９）する。

摩擦攪拌接合されて１つにつながったアルミニウム押出形材９１〜９５のフランジ板９６を、該フランジ板９６がいずれも外面側になるように、接合部９９においてその長さ方向に沿って曲げ加工し、中空４角柱状に成形する。このとき両端のアルミニウム押出形材９１，９５は、この中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で突き合わされる。突き合わされたアルミニウム押出形材９１，９５のフランジ板９６，９７の端部同士を摩擦攪拌接合（接合部Ａ、Ｂ）することにより、図１１（ｂ）に示す中空４角柱状の衝撃吸収構造体１００ができあがる。この例では、コーナー部のリブ９８が２重になっていない（衝撃吸収構造体７０では、中空４角柱のコーナー部のリブ５８が２重になっていて、その分コーナー部が強化されている）ため、その分軽量化されている。

図１２（ａ），（ｂ）は衝撃吸収構造体の別の例を示す。アルミニウム押出形材１０１〜１０５は、互いに平行な両面のフランジ板１０６，１０７とそれらの間を連結する複数の傾斜したリブ１０８からなり、押出方向に所定長さを有する。傾斜したリブ１０８のうち両端のリブ（１０８ａで示す）は外側に円弧状に膨らんでいる。アルミニウム押出形材１０１〜１０５を、押出方向を平行に揃えて、各フランジ板１０６が同一平面をなすように同一平面上に並置し、端部同士を突き合わせる。なお、アルミニウム押出形材１０２〜１０４は、図５（ａ）に示すアルミニウム押出形材６２〜６４の両端のリブ６８が膨らんだ形状、アルミニウム押出形材１０１，１０５は、アルミニウム押出形材６１，６５の片端のリブ６８が膨らんだ形状を有し、かつアルミニウム押出形材１０１，１０５は、アルミニウム押出形材１０２を中央部で押出方向に沿って切断した形状を有する。続いて、図１２（ａ）に示すように、突き合わせた各フランジ板１０６の端部同士をそれぞれ上から摩擦攪拌接合（接合部１０９）する。

摩擦攪拌接合されて１つにつながったアルミニウム押出形材１０１〜１０５のフランジ板１０６を、該フランジ板１０６がいずれも外面側になるように、接合部１０９において長さ方向に沿って曲げ加工し、中空４角柱状に成形する。このとき両端のアルミニウム押出形材１０１，１０５は、この中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で突き合わされる。突き合わされたアルミニウム押出形材１０１，１０５のフランジ板１０６，１０７の端部同士を摩擦攪拌接合（接合部Ａ、Ｂ）することにより、図１２（ｂ）に示す中空４角柱状の衝撃吸収構造体１１０ができあがる。中空４角柱に成形する過程で、外向きに湾曲したリブ１０８ａがコーナー部で互いに押し付けられて密着し、これにより中空４角柱のコーナー部が強化される。
この場合、図１３に示すように、密着したリブ１０８ａ，１０８ａ同士をクリップ状の連結部材１１０ａにより挟んで接続することもできる。これにより中空４角柱のコーナー部がより強化される。なお、連結部材１１０ａとしては押出材や板を曲げ加工したものが利用できる。連結部材１１０ａの内面側に接着剤を塗布又は充填させてもよい。

図１４（ａ）〜（ｃ）は、図５に示す衝撃吸収構造体７０と同様の中空４角柱状の衝撃吸収構造体を、同様の製造方法で製造するのに用いるアルミニウム押出形材の断面形状の他の例を示す。これらのアルミニウム押出形材は、アルミニウム押出形材６１〜６５と同じく、いずれも互いに平行な両面のフランジ板とそれらの間を連結するリブからなる。
図１４（ａ）の上段に示すアルミニウム押出形材１１２は、リブ１１８がフランジ板１１６，１１７に対し垂直で等間隔に形成され、これは図５に示すアルミニウム押出形材６２〜６４に対応する。下段のアルミニウム押出形材１１１，１１５は、図５に示すアルミニウム押出形材６１，６５に対応し、アルミニウム押出形材１１２を中央で押出方向に切断した形状を有し、フランジ板１１６，１１７の端部が中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で矢印方向に突き合わされ、摩擦攪拌接合される。
なお、図５に示す衝撃吸収構造体７０では、中空４角柱の平らな部分（辺の部分）での摩擦攪拌接合（接合部Ａ，Ｂ）を、外面側のフランジ板６６では平板部分（リブ６８と接続していない箇所）で行い、内面側のフランジ板６７ではリブ６８と接続した箇所で行っているが、図１４（ａ）の例では、外面側及び内面側の両方を平板部分で摩擦攪拌接合している。

図１４（ｂ）の上段に示すアルミニウム押出形材１２２は、図５に示すアルミニウム押出形材６２〜６４に対応し、リブ１２８がフランジ板１２６，１２７に対し傾斜（隣接するリブ同士は逆向きに傾斜）して形成され、かつ隣接するリブ同士が離れている。下段のアルミニウム押出形材１２１，１２５は、図５に示すアルミニウム押出形材６１，６５に対応し、アルミニウム押出形材１２２を中央で押出方向に切断した形状を有し、フランジ板１２６，１２７の端部が中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で矢印方向に突き合わされ摩擦攪拌接合される。なお、図１４（ｂ）の例でも、アルミニウム合金押出形材１２１，１２５の突き合わされたフランジ板１２６，１２７の端部の摩擦攪拌接合は、いずれも平板部分で行われる。

図１４（ｃ）の上段に示すアルミニウム押出形材１３２は、図５に示すアルミニウム押出形材６２〜６４に対応し（同一形状）、下段のアルミニウム押出形材１３１，１３５は、図５に示すアルミニウム押出形材６１，６５に対応し、アルミニウム押出形材１２２を幅方向（図１４（ｃ）において左右）にずれた箇所、すなわちフランジ板１３６側ではリブ１３８との接合点の近傍、フランジ板１３８側では隣接する２つのリブ１３８との接合点の中心で切断した形状を有する。アルミニウム押出形材１３１，１３５は、フランジ板１２６，１２７の端部が中空４角柱の平らな部分（辺の部分）で矢印方向に突き合わされ、摩擦攪拌接合される。
衝撃吸収構造体７０等では、外面側の接合部Ａと内面側の接合部Ｂの位置が同じ位置（アルミニウム押出形材の幅方向にずれていない）に設定されていたが、図１４（ｃ）の例では幅方向にずれることになり、この方が望ましい。

平行な両面のフランジ板とそれらの間をつなぐリブ（垂直及びトラス形）からなり、矩形の外形輪郭を有する押出形材（図２のタイプ）をＪＩＳ６０６３アルミニウム合金で作製した。押出形材の断面の外形輪郭は３００ｍｍ×３０ｍｍ、押出方向長さは３００ｍｍ、フランジ板の厚みは２ｍｍ、リブの厚みは両端部が５ｍｍ、内部が２ｍｍであった。
この押出形材を２つ、図２に示すように、押出方向を平行に揃えて同一平面状に並置し端部同士を突き合わせ、突き合わせた上側のフランジ板の端部同士を回転工具で上から摩擦攪拌接合して、２つの押出形材からなるアルミニウム構造体２０を製造した。この摩擦攪拌接合において、施工条件は回転数２０００ｒｐｍで送り速度８００ｍｍ／分とし、接合部の幅は約１２ｍｍであった。
また、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、同じ押出形材を２つ、押出方向を平行に揃えて同一平面状に並置し端部同士を突き合わせ、突き合わせた上側のフランジ板の端部同士を上からＴＩＧ溶接により接合して、２つの押出形材からなるアルミニウム構造体５０を製造した。その溶接条件は、電流１８０Ａ、速度５０ｍｍ／分、溶加材はＪＩＳ５０８３合金とし、接合部４９の幅は約１２ｍｍであった。

製造したアルミニウム構造体２０（アルミニウム構造体５０も同様）を、図１６に示すように、接合部１９を上にし、接合部１９が中心に位置するように支えＡの上に載置し、押し金具Ｂで接合部１９の上に荷重を掛け、曲げ角度９０度を目標として曲げ加工した。支えＡの中心間距離は１８０ｃｍ、支えＡと押し金具Ｂの先端の径は半径１５ｃｍとした。
その結果、摩擦攪拌接合を行ったアルミニウム構造体２０は、図２に模式的に示すように、接合部が曲げ加工に伴って変形し、押出形材の断面の変形がなく、接合部及びその近傍に割れの発生もなく、高精度の曲げ加工が可能であった。

一方、ＴＩＧ溶接により接合したアルミニウム構造体５０は、接合部及びその近傍に割れの発生はなかったが、図１５（ｃ）に示すように、押出形材の断面が変形し、寸法精度のよいものが得られなかった。これは、ＴＩＧ溶接による接合の場合、ＨＡＺ（熱影響部）の部分が軟化してここが優先的に変形し、一方、接合部は硬く、接合部幅分が実質的に曲げ変形されないためである。ＨＡＺの変形はその周辺の断面形状の変形を伴い、接合部の変形がないことにより小Ｒの曲げ加工ができず、ねらい通りの曲げ変形ができずに寸法精度が悪化する。なお、図１５（ｃ）は、断面の変形の状態をほぼ忠実に描いている。

本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する模式図である。 本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する模式図である。 本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する模式図である。 本発明に係るアルミニウム構造体の製造方法を説明する模式図である。 本発明に係る衝撃吸収構造体の製造方法を説明する模式図である。 その衝撃吸収体の変形例を示す模式図である。 本発明に係る衝撃吸収構造体の製造方法を説明する模式図である。 その衝撃吸収体の変形例を示す模式図である。 本発明に係る衝撃吸収構造体の製造方法を説明する模式図である。 その衝撃吸収体の変形例を示す模式図である。 本発明に係る衝撃吸収構造体の製造方法を説明する模式図である。 本発明に係る衝撃吸収構造体の製造方法を説明する模式図である。 その衝撃吸収体の変形例を示す模式図である。 本発明に係る衝撃吸収構造体の製造に用いるアルミニウム押出形材を示す図である。 アーク溶接により接合した比較例のアルミニウム構造体の製造方法及び曲げ変形時の状態を示す模式図である。 実施例の曲げ成形の模式図である。

符号の説明

１，２，１１，１２，２１，２２，３１，３２，６１〜６５，７１〜７４，８１〜８５，９１〜９５，１０１〜１０５，１１１，１１２，１１５，１２１，１２２，１２５，１３１，１３２，１３５ アルミニウム押出形材
３，４，１３，１４，２３，２４，３３，３４、６６，６７，７６，７７，８６，８７，９６，９７，１０６，１０７，１１６，１１７，１２６，１２７，１３６，１３７ フランジ
５〜８，１５〜１８，２５〜２８，３５〜３８，６８，７８，８８，９８，１０８，１１８，１２８，１３８ リブ
９，１９，２９，３９，７９，８９，９９，１０９ 摩擦攪拌接合の接合部
１０，２０，３０，４０，５０ アルミニウム構造体
７０，８０，９０，１００，１１０ 衝撃吸収構造体

Claims (8)

1. 両面のフランジ板とそれらの間を連結する複数のリブからなる第１及び第２のアルミニウム押出形材からなり、前記第１及び第２のアルミニウム押出形材はそれぞれ片側のフランジ板が端部同士で摩擦攪拌接合され、その接合部が長手方向に沿って曲げ加工されていることを特徴とするアルミニウム構造体。
2. 両面のフランジ板とそれらの間を連結する複数のリブからなる複数個のアルミニウム押出形材からなり、押出方向を軸方向に揃えて全体が中空角柱状に構成されたアルミニウム構造体であり、前記アルミニウム押出形材はいずれも中空角柱の外面側又は内面側になるフランジ板が端部同士で摩擦攪拌接合され、その接合部が長手方向に沿って曲げ加工され、さらに接合されたアルミニウム押出形材の端部のアルミニウム押出形材同士が中空角柱の平らな部分で突き合わされ、両者のフランジ板が端部同士で摩擦攪拌接合されていることを特徴とするアルミニウム構造体。
3. 衝撃吸収構造体であることを特徴とする請求項２に記載されたアルミニウム構造体。
4. 前記アルミニウム押出形材は、いずれも両面のフランジ板が実質的に平行なダブルスキンパネルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたアルミニウム構造体。
5. 両面のフランジ板とそれらの間を連結する複数のリブからなる第１及び第２のアルミニウム押出形材を並置し、前記第１及び第２のアルミニウム押出形材のそれぞれ片側のフランジ板の端部同士を略平面をなすように突き合わせ、突き合わせ部を摩擦攪拌接合した後、その接合部を長手方向に沿って曲げ加工することを特徴とするアルミニウム構造体の製造方法。
6. 両面のフランジ板とそれらの間を連結する複数のリブからなる複数個のアルミニウム押出形材を押出方向が互いに平行になるように並置し、前記アルミニウム押出形材のそれぞれ片側のフランジ板の端部同士を全体として略平面をなすように突き合わせ、突き合わせ部をそれぞれ摩擦攪拌接合し、その接合部がいずれも内面側又は外面側になるように長手方向に沿って曲げ加工して中空角柱状とし、このとき接合されたアルミニウム押出形材の端部のアルミニウム押出形材同士を中空角柱の平らな部分で突き合わせ、さらに突き合わせたアルミニウム押出形材のフランジ板の端部同士を摩擦攪拌接合することを特徴とするアルミニウム構造体の製造方法。
7. アルミニウム構造体が衝撃吸収構造体であることを特徴とする請求項６に記載されたアルミニウム構造体の製造方法。
8. 前記アルミニウム押出形材は、いずれも両面のフランジ板が実質的に平行なダブルスキンパネルであることを特徴とする請求項に記載されたアルミニウム構造体の製造方法。
   

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