JP2007253210A - ダブルスキンパネルの接合方法及び構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ダブルスキンパネルを接合してなる構造体について、接合端部の寸法精度を緩和させて生産コストを下げることが可能な、ダブルスキンパネルの接合方法及び構造体を提供すること。
【解決手段】上面板１１と下面板１２およびその上面板１１と下面板１２を連結する複数のリブ１３を備えるダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂ同士を、その上面板１１同士と下面板１２同士とをそれぞれの端部で接合するものであって、上面板１１同士をボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１で摩擦攪拌接合した後、下面板１２同士をアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合するダブルスキンパネルの接合方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダブルスキンパネルを接合する接合方法及び接合されてなる構造体に関し、接合端面の寸法精度を緩和させて生産コストを下げることが可能であって、しかも摩擦攪拌接合によって人目に触れる外側の接合部の仕上げを良くするようにしたダブルスキンパネルの接合方法及び構造体に関する。

鉄道車両や航空機などでは、その外板同士の接合に対して摩擦攪拌接合が使用される。摩擦攪拌接合は、アーク溶接などと比べて入熱量が少なく溶接ひずみを抑えることができる。そうした摩擦攪拌接合に使用される工具には、固定ピン式とボビンツール式がある。その一つである固定ピン式の正攪拌接合用工具は、工具ショルダ面から攪拌ピンが突設されたものであり、回転しながら被接合部材に押し付けられ、接合部に挿入した攪拌ピンによって摩擦攪拌が行われる。そして、工具ショルダ面との摩擦熱による入熱によって軟化した材料が塑性流動化して攪拌混練され、互いに混じり合った可塑性材は摩擦熱を失って急速に冷却固化し、接合が完結する。

そして、もう一方のボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具では、図９に示すように摩擦攪拌接合が行われる。図９は、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具を使用したダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合を示した図である。被接合部材のダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂは、上面板１０１と下面板１０２が複数の傾斜したリブ１０３によって連結され、接合端部には垂直リブ１０４が設けられている。そして、ダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂが、図示するように上面板１０１と下面板１０２の接合端面同士突き合わせて配置され、上下の面板１０１，１０２が摩擦攪拌接合用工具１によって接合される。

ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１は、上面板１０１や下面板１０２を挟み込む上部回転体２と下部回転体３、そしてその間の攪拌軸４を備えて構成されている。回転が与えられた摩擦攪拌接合用工具１は、攪拌軸４が接合部に沿って移動し、機械的攪拌によって周囲の材料を塑性流動化させる。上部回転体２と下部回転体３は、上下方向から上面板１０１や下面板１０２を押さえ込んで可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。軟化した材料は、塑性流動化して移動する攪拌軸４の後方に流れ、互いに混じり合った可塑性材は摩擦熱を失って急速に冷却固化し、接合が完結する。ダブルスキンパネル１００Ａ、１００Ｂは、上面板１０１同士が接合され後、反転して下面板１０２同士の接合が同様に行われる。
特開２００４−０４２１１５号公報 特開２００４−２２３５８７号公報

ダブルスキンパネルを接合する場合、前述したように固定ピン式の摩擦攪拌接合用工具と、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具を使用して接合する方法があった。しかし、前者の固定ピン式の場合には、工具の押し付け反力を支えるために厚板の縦リブを設ける他、攪拌が行われる接合部直下に、軟化せず攪拌部内で塑性流動する材料を閉じ込めための膨らみ部分が形成されるなど、重量増を招く問題があった。そして、後者のボビンツール式の場合には、そうした固定ピン式の問題を解消される一方で、被接合部材の接合端面の寸法管理が厳しくなることでコストが上がる問題があった。

ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１で接合する場合、図９に示すように上面板１０１を同じ高さに配置し、その接合端面同士の突き合わせ部分を攪拌して接合する。図面では隙間１１０が記載されているが、この隙間１１０が大きいと接合後の肉厚が薄くなってしまい強度不足になる。そのため、接合端部を肉厚にすればよいが、例えば鉄道車両構体のように全長が長いものでは、複数のダブルスキンパネルを接合する場合に接合箇所が多いため全体の重量増が無視できなくなる。

ここで、図１０は、鉄道車両用構体の外観を示した図である。鉄道車両用構体２００は、側構体２０１、屋根構体２０２そして台枠２０３が周方向に接合され、長手方向端部には妻構体２０４を接合して構成される。そこで、こうした側構体２０１や屋根構体２０２では、例えば所定の幅をもって車体方向に長いダブルスキンパネル２１０が幅方向（周方向）に突き合わされた複数の箇所で接合される。しかも隣り合うもの同士、車体長さの２０〜２５ｍもの距離に渡って接合線２１１に沿った溶接が行われる。

そこで従来は、接合部に隙間を空けないで強度不足を生じさせないようにするため、被接合部材の寸法公差を厳しく管理した製作や、接合時にも突き合わせの位置決め固定を行う煩雑な作業が行われていた。しかし、これでは二次的な機械加工や固定作業などによる工数増加、或いはそのための装置が必要になるため製造コストが上がってしまう。また例えば、側構体２０１を製造する場合には、上面板の接合後に反転して行う下面板の接合や、ダブルスキンパネル２１０を所定枚数毎（２１０ａ，２１０ｂ／２１０ｃ，２１０ｄ，２１０ｅ）に接合した後に、更にこれらをまとめて一体にする接合では、先の接合工程で熱歪みが生じてしまった場合、接合端面同士の突き合わせが難しくなってしまう。しかし、摩擦攪拌接合では、接合部分に部材を付け足すことができない一方で、接合部の寸法を合わせるために接合端部を変形させることも困難であり、この点でも煩雑な作業を行う工数が加わってしまい製造コストを上げる結果となる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、ダブルスキンパネルを接合してなる構造体について、接合端部の寸法精度を緩和させて生産コストを下げることが可能な、ダブルスキンパネルの接合方法及び構造体を提供することを目的とする。

本発明に係るダブルスキンパネルの接合方法は、上面板と下面板およびその上面板と下面板を連結する複数のリブを備えるダブルスキンパネル同士を、その上面板同士と下面板同士とをそれぞれの端部で接合するものであって、前記上面板同士をボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具で摩擦攪拌接合した後、前記下面板同士をアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合することを特徴とする。
また、本発明に係るダブルスキンパネルの接合方法は、前記上面板の接合端面を突き合わせて前記摩擦攪拌接合した後、前記下面板の一方の接合端部と他方の段付端部とを重ね合わせ、その重ね合わせ部分にできた開先部分に前記アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接を行うようにすることが好ましい。

また、本発明に係る構造体は、上面板と下面板とが複数のリブによって連結されたダブルスキンパネルであり、複数のダブルスキンパネルを上面板同士および下面板同士のそれぞれについて接合してなるものであって、前記上面板同士がボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合され、下面板同士がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る構造体は、接合された前記ダブルスキンパネルが、その最端に位置する端部リブが下面板側を端部側に傾斜させたものであり、前記上面板は、その端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブと下面板の交点に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、接合された前記ダブルスキンパネルが、その最端に位置する端部リブが下面板側を端部側に傾斜させたものであり、前記上面板は、その端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブから面方向に突き出した先端に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることが好ましい。

また、本発明に係る構造体は、接合された前記ダブルスキンパネルが、その一方または両方の端部リブが下面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した厚肉の屈曲部を有するものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記段付端部が端部リブの傾斜部を下面板に向けて延長した直線上にあることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記屈曲部を有する一方の端部リブの傾斜部の延長線上に、他方の端部リブと下面板の連結部あることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記端部リブの両方が屈曲部を有し、その端部リブの傾斜部の延長線が下面板上で交点をもつことが好ましい。

また、本発明に係る構造体は、接合された前記ダブルスキンパネルが、そのリブが上面板及び下面板に対してほぼ直交するものであり、前記上面板は、その最端に位置する端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、その端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブと下面板の交点に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、接合された前記ダブルスキンパネルが、そのリブが上面板及び下面板に対してほぼ直交するものであり、前記上面板は、その最端に位置する端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、その端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブから面方向に突き出した先端に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、接合された一方のダブルスキンパネルについて、前記端部リブが下面板側を端部側に傾斜させたものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記上面板には、前記摩擦攪拌接合用工具によって挟み込む接合端部に、内側に向けて厚肉にした突設部が設けられたものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、下面板同士の接合の寸法許容量が相対的に緩やかなアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接を行うことで、下面板側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上下の面板のうち上面板について寸法精度を管理すればよいことから、ダブルスキンパネルの製造コストの他、接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減が可能になり、構造体の生産コストを下げることが可能になる。

次に、本発明に係るダブルスキンパネルの接合方法及び構造体について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、ダブルスキンパネルの接合方法についてその一工程を示した図であり、継手構造の第１形態を示している。本実施形態のダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは押出し中空型材であり、上面板１１と下面板１２および、その上面板１１と下面板１２を連結する複数の傾斜したリブ１３によって構成されている。ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ幅方向（図面左右方向）の左端部と右端部とをそれぞれ示したものである。図１に示すダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは、互いに接合され、例えば構造体の一例として図１０に示す鉄道車両用構体２００を構成する。このとき上面板１１が車体外側になって下面板１２が車体内側になる。

本実施形態では、こうしたダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの上面板１１が摩擦攪拌接合によって接合され、下面板１２がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合される。上面板１１は、図示する幅方向の端部に位置する端部リブ１３ａ，１３ｂから面方向に延びて自由端になっており、その突き出した部分を接合端部１１ａ，１１ｂとする。そして、その先端の接合端面が上面板１１と直交する平面になっており、接合時には、その接合端面同士が図示するよう互いに突き当てられる。反対の下面板１２では、幅方向の左端部に位置する端部リブ１３ａから面方向に延びて接合端部１２ａが突き出し、左端部では、端部リブ１３ｂとの交差の先に接合端部１２ａと重なる段付端部１２ｂが突き出されている。接合端部１２ａと下面板１２ｂの端面は傾斜し、段付端部１２ｂに接合端部１２ａが重ねられた場合に図示するような開先１４となるよう形成されている。

そして、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂを接合する場合は、上面板１１は互いに接合端面が突き合わされ、下面板１２は接合端部１２ａと段付端部１２ｂとが重ねられる。その際、接合端部１２ａと段付端部１２ｂとの重ね合わせの寸法管理は緩やかであり、先に接合される上面板１１の接合端面同士の突き合わせの寸法管理は精密に行われる。

そこで先ず、第１工程として上面板１１同士の摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、接合端部１１ａ，１１ｂの接合端面を突き当てた接合部が、摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体２と下部回転体３によって荷重を加えて上下から挟み込まれる。そして、摩擦攪拌接合用工具１が回転しながら接合線に沿って移動すると、攪拌軸４が、突き合わされた接合端面部分を攪拌させ、その周囲の材料を塑性流動化させる。その際、上部回転体２と下部回転体３は、上下から接合端部１１ａ，１１ｂを押さえ込んで可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。軟化した材料は塑性流動化して攪拌混練され、移動する攪拌軸４の後方に流れる。そして、その後方で互いに混じり合った可塑性材は摩擦熱を失って急速に冷却固化し、接合が完結する。

上面板１１が接合された後は、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂが反転され、第２工程として下面板１２同士が接合される。下面板１２は、接合端部１２ａと段付端部１２ｂとが重ね合わされて開先１４が形成されている。そして、その開先１４部分にＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等のアーク溶接で肉盛溶接が行われ、下面板１２同士が接合される。また、下面板１２の接合は、アーク溶接の他にもレーザ溶接や、ＭＩＧハイブリッドやＴＩＧハイブリッドなど、アーク溶接とレーザ溶接を組み合わせたレーザハイブリッド溶接によって行うようにしてもよい。このことは以下の各形態において同様である。

よって、本実施形態の接合方法では、第２工程で下面板１２同士の接合を開先１４の寸法許容量が相対的に緩やかなアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって行なうため、上下両面を摩擦攪拌接合していた従来方法に比べて精密な寸法管理を要する接合箇所が減った。すなわち、下面板１２側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上面板１１について寸法精度を厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの製造コストの他、接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減が可能になった。

また、上面板１１の摩擦攪拌接合を行ったことで歪みが生じた場合、下面板１２も摩擦攪拌接合を行う従来例では、接合端面の突き合わせを優先させなければならなかった。しかし、下面板１２に対してアーク溶接などを行う本実施形態では、歪みを吸収して接合することが可能な柔軟性があるため、溶接後に正寸となるようなアーク接合直前の部材配置を工夫することが可能である。そのため、図１０に示すダブルスキンパネル２１０でできたダブルスキンパネル２１０ａ，２１０ｂの組みと、ダブルスキンパネル２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｅの組みをそれぞれまとめて接合した後、更にその２組を接合する場合、先の接合が正寸で接合できているため後の接合でも上面板１１の寸法管理が容易である。

また、上面板１１を接合する摩擦攪拌接合は、アーク溶接などのように溶接ビードができないため、鉄道車両用構体など、構造体表面の見栄えをよいものとすることができる。そして、上面板１１の接合後に切削仕上げなどの仕上げ加工が不要になれば、工数削減によるコスト削減にもなる。
また、摩擦攪拌接合用工具１を使用した接合では、アーク溶接などに比べて入熱量が少ないので強度低下が小さく、その分、部材の肉厚を薄くできるため軽量化が可能である。更に、上部回転体２と下部回転体３とで挟み込んで接合するため、固定ピン方式のように荷重を支えるリブが必要ないため、この点でも軽量化が可能である。

次に図２は、構造体における継手構造の第２形態を示している。ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そのダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂは、上面板２１と下面板２２および、その上面板２１と下面板２２を連結する複数の傾斜したリブ２３によって構成されている。ただし、本形態では、ダブルスキンパネル２０Ａの幅方向端部に位置する端部リブ２３ａは、下面板２２ａ側で肉厚の屈曲部２４が形成されている。そして、上面板２１は、端部リブ２３ａ，２３ｂから面方向に接合端部２１ａ，２１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板２２は、端部リブ２３ａ，２３ｂから面方向に接合端部２２ａと段付端部２２ｂが突き出され、互いに重ねられて図示するような開先２４が形成されるようになっている。

このダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂの場合でも、第１工程で上面板２１同士の摩擦攪拌接合が行われ、その後はダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂが反転され、第２工程として下面板２２同士のアーク溶接が行われる。
よって、本形態でも、下面板２２側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上面板２１の寸法精度だけを厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂの製造コストや接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減ができ、その他の点においても図１に示したものと同様の効果を奏する。

更に、ダブルスキンパネル２０Ａの端部リブ２３ａに屈曲部２４を設けたことで、接合端部２２ａと段付端部２２ｂの重ね代の長さを長く取ることができ、アーク溶接後に正寸となるようなアーク接合直前の部材配置の自由度が大きくなった。
ところで、屈曲部２４を無視した端部リブ２３ａの板厚の中心線と、端部リブ２３ｂの同じく板厚の中心線との延長線は、下面板２２を接合するアーク溶接部付近で交わっており、屈曲部２４は肉厚になって剛性が高くなっている。従って、接合端部２１ａ，２１ｂを含めて囲まれた接合部分は仮想的にトラスを構成して力の釣り合いを保っており、構造体に面外剪断荷重が伝達される場合でもアーク溶接部に曲げモーメントは生じない。

次に図３は、構造体における継手構造の第３形態を示している。ダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そのダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂは、上面板３１と下面板３２および、その上面板３１と下面板３２を連結する複数の傾斜したリブ３３によって構成されている。本形態では、ダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂの幅方向端部に位置する端部リブ３３ａ，３３ｂに、下面板３２側で肉厚の屈曲部３４ａ，３４ｂが形成されている。そして、上面板３１は、端部リブ３３ａ，３３ｂから面方向に接合端部３１ａ，３１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板３２は、端部リブ３３ａ，３３ｂから面方向に接合端部３２ａと段付端部３２ｂが突き出し、互いに重ねられて図示するような開先３５が形成されるようになっている。

このダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂの場合でも、第１工程で上面板３１同士の摩擦攪拌接合が行われ、その後はダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂが反転され、第２工程として下面板３２同士のアーク溶接が行われる。
よって、本形態でも、下面板３２側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上面板３１の寸法精度だけを厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂの製造コストや接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減ができ、その他の点においても図１に示したものと同様の効果を奏する。

更に、端部リブ３３ａ，３３ｂに屈曲部３４ａ，３４ｂを設け、段付き端部３２ｂが屈曲部３４ｂを超えた下面板３２の先端に形成されているため、接合端部３２ａと段付端部３２ｂの肉厚差が同等になり、左右への熱伝達がほぼ均一になって安定したアーク溶接が可能になる。
ところで、屈曲部３４ａ，３４ｂを無視した端部リブ３３ａ，３３ｂの板厚の中心線の延長線は、下面板３２を接合するアーク溶接部付近で交わっており、屈曲部３４ａ，３４ｂは肉厚になって剛性が高くなっている。従って、接合端部３１を含めて囲まれた接合部分は仮想的にトラスを構成して力の釣り合いを保っており、構造体に面外剪断荷重が伝達される場合でもアーク溶接部に曲げモーメントは生じない。

次に図４は、構造体における継手構造の第４形態を示している。ダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そのダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂは、上面板４１と下面板４２および、その上面板４１と下面板４２を連結する複数の傾斜したリブ４３によって構成されている。本形態では、ダブルスキンパネル４０Ｂの幅方向端部に位置する端部リブ４３ｂに、下面板４２ｂ側で肉厚の屈曲部４４が形成されている。そして、上面板４１は、端部リブ４３ａ，４３ｂから面方向に接合端部４１ａ，４１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板４２は、端部リブ４３ａ，４３ｂから面方向に接合端部４２ａと段付端部４２ｂが突き出し、互いに重ねられて図示するような開先４５が形成されるようになっている。

このダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂの場合でも、第１工程で上面板４１同士の摩擦攪拌接合が行われ、その後はダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂが反転され、第２工程として下面板４２同士のアーク溶接が行われる。
よって、本形態でも、下面板４２側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上面板４１の寸法精度だけを厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂの製造コストや接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減ができ、その他の点においても図１に示したものと同様の効果を奏する。

更に、端部リブ４３ｂに屈曲部４４を設け、段付き端部４２ｂが屈曲部４４を超えた下面板４２の先端に形成されているため、接合端部４２ａと段付端部４２ｂの肉厚差が同等になり、左右への熱伝達がほぼ均一になって安定したアーク溶接が可能になる。
ところで、屈曲部４４を無視した端部リブ４３ｂの板厚の中心線と、端部リブ４３ａの同じく板厚の中心線との延長線は、下面板４２の板厚の範囲で交わっており、屈曲部４４は肉厚になって剛性が高くなっている。従って、接合端部４１を含めて囲まれた接合部分は仮想的にトラスを構成して力の釣り合いを保っており、構造体に面外剪断荷重が伝達される場合でもパネルとして高い曲げ剛性を有する。

次に図５は、構造体における継手構造の第５形態を示している。ダブルスキンパネル５０Ａ，５０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そのダブルスキンパネル５０Ａ，５０Ｂは、上面板５１と下面板５２および、その上面板５１と下面板５２を連結する複数の直交方向のリブ５３によって構成されている。そして、上面板５１は、端部リブ５３ａ，５３ｂから面方向に接合端部５１ａ，５１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板５２は、端部リブ５３ａ，５３ｂから面方向に接合端部５２ａと段付端部５２ｂが突き出し、互いに重ねられて図示するような開先５５が形成されるようになっている。

次に図６は、構造体における継手構造の第６形態を示している。ダブルスキンパネル６０Ａ，６０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そのダブルスキンパネル６０Ａ，６０Ｂは、上面板６１と下面板６２および、その上面板６１と下面板６２を連結する複数の直交方向のリブ６３によって構成されている。ただし本形態では、ダブルスキンパネル６０Ａの幅方向端部に位置する端部リブ６３ａは斜めに形成されている。そして、上面板６１は、端部リブ６３ａ，６３ｂから面方向に接合端部６１ａ，６１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板６２は、端部リブ６３ａ，６３ｂから面方向に接合端部６２ａと段付端部６２ｂが突き出し、互いに重ねられて図示するような開先６５が形成されるようになっている。

次に図７は、構造体における継手構造の第７形態を示している。ダブルスキンパネル７０Ａ，７０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そのダブルスキンパネル７０Ａ，７０Ｂは、上面板７１と下面板７２および、その上面板７１と下面板７２を連結する複数の直交方向のリブ７３によって構成されている。ただし本形態では、ダブルスキンパネル７０Ｂの幅方向端部に位置する端部リブ７３ｂは斜めに形成されている。そして、上面板７１は、端部リブ７３ａ，７３ｂから面方向に接合端部７１ａ，７１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板７２は、端部リブ７３ａ，７３ｂから面方向に接合端部７２ａと段付端部７２ｂが突き出され、互いに重ねられて図示するような開先７５が形成されるようになっている。

このダブルスキンパネル５０〜７０の場合でも、例えば第１工程では上面板５１同士の摩擦攪拌接合が行われ、その後はダブルスキンパネル５０Ａ，５０Ｂが反転され、第２工程として下面板５２同士のアーク溶接が行われる。
よって、本形態のダブルスキンパネル５０〜７０でも、例えば下面板５２側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上面板５１の寸法精度だけを厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル５０〜７０の製造コストや接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減ができ、その他の点においても図１に示したものと同様の効果を奏する。
更に、ダブルスキンパネル５０〜７０では、例えば下面板５２側でも端部リブ５３ａ，５３ｂの間隔が広くなったため、鉄道車両用構体では車内側になる下面板５２へ部品を取り付ける場合の設計自由度が増した。

更に図８は、構造体における継手構造の第８形態を示している。ダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂは同じ構造をしたものであって、それぞれ左端部と右端部とを突き合わせた継手部分を示している。そして、このダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂは、図２に示した第２形態と同様の形状をしたものである。すなわち、上面板８１と下面板８２および、その上面板８１と下面板８２を連結する複数の傾斜したリブ８３によって構成されている。また、ダブルスキンパネル８０Ａの幅方向端部に位置する端部リブ８３ａは、下面板８２ａ側で肉厚の屈曲部８４が形成されている。そして、上面板８１は、端部リブ８３ａ，８３ｂから面方向に接合端部８１ａ，８１ｂが突き出し、その先端の接合端面が図示するよう互いに突き当てられるようになっている。一方、下面板８２は、端部リブ８３ａ，８３ｂから面方向に接合端部８２ａと段付端部８２ｂが突き出し、互いに重ねられて図示するような開先８５が形成されるようになっている。そして、更に本実施形態の接合端部８１ａ，８１ｂには、突設部８６が内側に形成されている。突設部８６は、接合端部８１ａ，８１ｂを挟み込む上部回転体２と下部回転体３の径よりも大きい幅で、ダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂの長手方向に連続して形成されている。

このダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂの場合でも、第１工程で上面板８１同士の摩擦攪拌接合が行われ、その後はダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂが反転され、第２工程として下面板８２同士のアーク溶接が行われる。
よって、本形態でも、下面板８２側のある程度のズレは接合時において許容されるため、上面板８１の寸法精度だけを厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂの製造コストや接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減ができ、その他の点においても図１に示したものと同様の効果を奏する。そして、本形態のダブルスキンパネル８０Ａ，８０Ｂでは、突設部８６が形成されているため、接合端面の隙間が大きくても接合部の肉厚を確保することができるため、寸法公差の許容範囲が大きくなり、この点でも寸法管理が緩やかになってコスト削減に効果がある。

更に、ダブルスキンパネル８０Ａの端部リブ８３ａに屈曲部８４を設けたことで、接合端部８２ａと段付端部８２ｂの重ね代の長さを長く取ることができ、アーク溶接後に正寸となるようなアーク接合直前の部材配置の自由度が大きくなった。
また、屈曲部８４は肉厚になって剛性が高くなっているため、端部リブ８３ａ，８３ｂ及び接合端部８１ａ，８１ｂを含めて囲まれた接合部分が仮想的にトラスを構成して力の釣り合いを保っており、構造体に面外剪断荷重が伝達される場合でもアーク溶接部に曲げモーメントは生じない。

以上、ダブルスキンパネルの各形態について説明したが、これらは本実施形態の接合方法を使用することにより、コストを抑えて構造体を製造することができる。また、ダブルスキンパネルが接合されて製造された構造体の接合部は、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１で接合された上面体側はそのままでも製品表面とすることが可能であるが、反対の下面板側は、アーク溶接によって溶加材を加えて肉盛りするため、必要において接合後にグラインダなどで研削仕上げを行う。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

ダブルスキンパネルの接合方法についてその一工程を示した図であり、継手構造の第１形態を示している。 構造体における継手構造の第２形態を示した図である。 構造体における継手構造の第３形態を示した図である。 構造体における継手構造の第４形態を示した図である。 構造体における継手構造の第５形態を示した図である。 構造体における継手構造の第６形態を示した図である。 構造体における継手構造の第７形態を示した図である。 構造体における継手構造の第８形態を示した図である。 ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具を使用したダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合を示した図である。 鉄道車両用構体の外観を示した図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合用工具
２ 上部回転体
３ 下部回転体
４ 攪拌軸
１０Ａ，１０Ｂ ダブルスキンパネル
１１ 上面板
１１ａ，１１ｂ 接合端部
１２ 下面板
１２ａ 接合端部
１２ｂ 段付端部
１３ リブ
１３ａ，１３ｂ 端部リブ
１４ 開先

Claims (13)

1. 上面板と下面板およびその上面板と下面板を連結する複数のリブを備えるダブルスキンパネル同士を、その上面板同士と下面板同士とをそれぞれの端部で接合するダブルスキンパネルの接合方法において、
   前記上面板同士をボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具で摩擦攪拌接合した後、前記下面板同士をアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合することを特徴とするダブルスキンパネルの接合方法。
2. 請求項１に記載するダブルスキンパネルの接合方法において、
   前記上面板の接合端面を突き合わせて前記摩擦攪拌接合した後、前記下面板の一方の接合端部と他方の段付端部とを重ね合わせ、その重ね合わせ部分にできた開先部分に前記アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接を行うことを特徴とするダブルスキンパネルの接合方法。
3. 上面板と下面板とが複数のリブによって連結されたダブルスキンパネルであり、複数のダブルスキンパネルを上面板同士および下面板同士のそれぞれについて接合してなる構造体において、
   前記上面板同士がボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合され、下面板同士がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることを特徴とする構造体。
4. 請求項３に記載する構造体において、
   接合された前記ダブルスキンパネルは、その最端に位置する端部リブが下面板側を端部側に傾斜させたものであり、前記上面板は、その端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブと下面板の交点に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることを特徴とする構造体。
5. 請求項３に記載する構造体において、
   接合された前記ダブルスキンパネルは、その最端に位置する端部リブが下面板側を端部側に傾斜させたものであり、前記上面板は、その端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブから面方向に突き出した先端に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることを特徴とする構造体。
6. 請求項４又は請求項５に記載する構造体において、
   接合された前記ダブルスキンパネルは、その一方または両方の端部リブが下面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した厚肉の屈曲部を有するものであることを特徴とする構造体。
7. 請求項６に記載する構造体において、
   前記段付端部は、端部リブの傾斜部を下面板に向けて延長した直線上にあることを特徴とする構造体。
8. 請求項６に記載する構造体において、
   前記屈曲部を有する一方の端部リブの傾斜部の延長線上に、他方の端部リブと下面板の連結部があることを特徴とする構造体。
9. 請求項６に記載する構造体において、
   前記端部リブは両方が屈曲部を有し、その端部リブの傾斜部の延長線が下面板上で交点をもつことを特徴とする構造体。
10. 請求項３に記載する構造体において、
    接合された前記ダブルスキンパネルは、そのリブが上面板及び下面板に対してほぼ直交するものであり、前記上面板は、その最端に位置する端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、その端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブと下面板の交点に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることを特徴とする構造体。
11. 請求項３に記載する構造体において、
    接合された前記ダブルスキンパネルは、そのリブが上面板及び下面板に対してほぼ直交するものであり、前記上面板は、その最端に位置する端部リブから面方向にそれぞれ突き出した接合端部の接合端面同士が突き当てられて摩擦攪拌接合され、前記下面板は、その端部リブから面方向に突き出した一方の接合端部と、端部リブから面方向に突き出した先端に形成された他方の段付端部とが重ねられアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであることを特徴とする構造体。
12. 請求項１０又は請求項１１に記載する構造体において、
    接合された一方のダブルスキンパネルについて、前記端部リブが下面板側を端部側に傾斜させたものであることを特徴とする構造体。
13. 請求項３乃至請求項１２のいずれかに記載する構造体において、
    前記上面板には、前記摩擦攪拌接合用工具によって挟み込む接合端部に、内側に向けて厚肉にした突設部が設けられたものであることを特徴とする構造体。

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