JP2008290094A - 構造体の製作方法、その構造体、その押出し形材 - Google Patents

Abstract

【課題】ステンレス板をアルミニウム合金製押出し形材に摩擦攪拌接合Ｆする方法を提供することを目的とする。
【解決手段】車体１の側構体２はアルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０を車内側から摩擦攪拌接合Ｆして構成している。側構体２の車外側にはステンレス板１０，２０を車内側から中空形材３０，４０の突き合わせ部に摩擦攪拌接合Ｆしている。中空形材３０，４０同士の突き合わせ部を摩擦攪拌接合Ｆした後、中空形材３０，４０の車内側面板３１，４１を接合材５１で接合する。これによれば、車外側面にステンレス板１０，２０がるので、車体表面の傷付を抑制できる。ステンレス板１０，２０を除けば、アルミニウム合金製であるので、軽量，安価に製作できる。またステンレス板同士、中空形材同士は、突き合わせ、または、重ねて摩擦攪拌接合Ｆする。ステンレス板と中空形材との間に断熱材を配置できる。
【選択図】図３

Description

この発明は、ステンレス板をアルミニウム合金製押出し形材に接合する方法、それによって製作された構造体、及びそのための押出し形材に関する。

ここで構造体とは、車体や、ステンレス板とアルミニウム合金製押出し形材とを接合した構造体をいう。

車体とは、鉄道車両用車体やモノレールカーの軌条車両用車体をいう。また、車体とは、その一部の側構体のみでもよい。

特許文献１に示すように、アルミニウム合金製押出し中空形材を摩擦撹拌接合して車体を製作する手段は、軽量で安価，高剛性の車体を得ることができ、広く採用されている。しかし、アルミニウム合金製押出し形材は比較的、柔らかく、車外側が傷付きやすい。また、トンネルにおいて、水漏れ等を受けることにより、変色しやすく、塗装が必要になっている。

また、特許文献２には、ステンレス板を溶接して鉄道車両車体を製作することが示されている。

また、特許文献３には、ステンレス鋼板で鉄道車両の車体を摩擦攪拌接合で製作することが示されている。これによれば、傷付きは抑制できるが、軽量化や、低価格性には課題がある。また、ステンレスの摩擦撹拌接合は、アルミニウム合金ほど容易ではない。また、現状ではステンレス鋼板では押出し形材、特に中空形材にできず、ステンレス鋼板では軽量，安価にはできない。

非特許文献１のFIG.６のｄには、複数の金属板を重ね、この重ね部を摩擦攪拌接合することが示されている。

特許文献４には、側構体と屋根構体の接合、又側構体と台枠との接合をボルトなどの締結具で行うことが示されている。
特許第３０１４５６４号（ＥＰ００７９７０４３） 特開平０４−１００７６９号公報 特開２００４−２７６７２４号公報 特開昭５５−３１６９４号公報 Dawes，"An Introduction to Friction Stir Welding and Its Development"，in Welding & Metal Fabrication (Jan.1995)pp13,14 and16.

上述のように、アルミニウム合金製押出し形材は軽量，容易に製作できるが、傷付きに対して問題がある。

ステンレス板は、傷付きに対して強いが、軽量安価に製作できない。

本発明の目的は、ステンレス板をアルミニウム合金製押出し形材に摩擦攪拌接合して構造体を製作する方法を提供すること、を目的とする。

上記目的は、ステンレス板に１つ又は複数のアルミニウム合金製押出し形材を重ね、前記アルミニウム合金製押出し形材同士の突き合わせた部分、又は重ねた部分を摩擦攪拌接合すると共に、前記突き合わせた部分、又は重ねた部分と前記ステンレス板とを前記摩擦攪拌接合の熱によって接着剤で接合すること、を特徴とする構造体の製作方法によって、達成できる。

これによれば、ステンレス板をアルミニウム合金製押出し形材に接合できる。ステンレス板は構造体の外面（目視できる箇所）にあるので、目視できる箇所は傷付きにくい。押出し形材を用いているので、安価に製作できる。

以下、本発明の一実施例を図１〜図５によって説明する。なお、図３は、図１のIII−III断面図であり、本来は縦に長く図示されるべきであるが、製作方法を示すため、横に長く示している。図４，図５，図６、図７，図９，図１０も同様である。

図１の車体１は、周知のように、側構体２と、屋根構体３と、側構体２を載せた台枠４と、側構体２、屋根構体３、台枠４の長手方向の端部の空間を閉鎖する妻構体５とからなる。側構体体２は複数のアルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０を接合している。他の屋根構体３，台枠４も同様である。

側構体２の車外側面に、ステンレス板１０，２０がある。側構体２は、このステンレス板１０，２０とその車内側の複数のアルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０とからなる。

複数の中空形材３０，４０は摩擦攪拌接合されて一体になっている。摩擦攪拌接合は、公知の技術である。ステンレス板１０，２０はその突き合わせ部を中空形材３０，４０の突き合わせ部に接合している。

側構体２は、２つの中空形材３０，４０で構成させてもよいが、そのように大きな中空形材を製作できないので、中空形材３０，４０を複数組み並べ、その複数組の中空形材３０，４０のそれぞれの端部の突き合わせ部を摩擦攪拌接合して、側構体２を構成している。

また、複数組の中空形材３０，４０が車外側面にステンレス板１０（２０）を接合している。

９は、ステンレス板１０，２０の接合の箇所を示す線である。一般に、この接合線９は窓Ｗを横方向（水平方向）に横切っている。線９は中空形材３０，４０の突き合わせ部でもあり、車内側にもある。

ステンレス板１０，２０の突き合わせ部には中空形材３０，４０の突き合わせ部があり、中空形材３０，４０は摩擦攪拌接合されている。

車体１の側面（側構体２側））には窓Ｗや出入り口９０がある。出入り口９０には、出入り口補強用の枠がある。枠は車内側から車外側に至る。枠の車外側面にはステンレス板１０，２０が接合されている。

ステンレス板１０，２０は車体の側構体２の車外側のみに張り付けてあり、手で触るのが困難で、目視困難な屋根構体３，妻構体５、これらを載せた台枠４の下面には設けていない。

一般に、側構体２は屋根構体３，妻構体５，台枠４に溶接で連結しているが、上記実施例では、側構体２の中空形材３０，４０の外面にステンレス板１０，２０があり、アルミニウム合金製押出し形材とステンレス板とが隣接する屋根構体３，妻構体５，台枠４のアルミニウム合金との溶接となるので、溶接が困難であり、側構体２と屋根構体３，妻構体５，台枠４との接合はリベット，ボルトやハックボルト（Huckbolt 商品名）の締結具（図示せず）で締結している。

図２は、側構体２の一般部（窓Ｗや出入口９０がない箇所を言う。）の縦断面図を示したものである。アルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０は中空形材であるため、アルミニウム合金を押出すプレスの能力により、中空形材の幅の制約があり、側構体２は、７枚の中空形材３０，４０を並べて接合し、構成している。ステンレス板１０，２０については、幅の制約がないので、２枚の板で構成可能である。

ここで、アルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０とは、アルミニウム系合金製の押出し中空形材である。

以下、側構体２のアルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０同士、また、これらとステンレス板１０，２０との接合手順を以下説明する。

側構体２は、７つのアルミニウム合金製押出し中空形材３０，４０を車体１の長手方向に沿って並列に並べ、摩擦攪拌接合して一体にしている。摩擦攪拌接合は、中空形材３０，４０の幅方向の端部の突き合わせ部を連続的に摩擦攪拌接合している。これによって、中空形材３０，４０は車体の外面にもなり、水の侵入を防ぐ。また、中空形材３０，４０は骨部材ともなる。

図３は、図１のIII−III断面図、図２のIII部の断面図であり、ステンレス板１０，２０の突き合わせ部であり、図２の９部の断面図である。ステンレス板１０，２０の突き合わせ部には、中空形材３０，４０の突き合わせ部がある。突き合わせ部は中空形材３０，４０の幅方向の端部にある。この中空形材３０，４０の車外側に、中空形材３０，４０に実質的に平行にステンレス板１０，２０があり、一方のステンレス板１０の幅方向の端部が他方のステンレス板２０の幅方向端部に突き合わせられている。この突き合わせ部の近傍が中空形材３０，４０の突き合わせ部の近傍に接合している。図４は図３の拡大図、図５は図４の中空形材３０，４０の突き合わせ部の拡大図である。

ステンレス板２０は側構体２の下部にあり、中空形材３０，４０は５枚からなる。ステンレス板１０は側構体２（ステンレス板２０）の上部にあり、中空形材３０、４０は２枚からなる。

中空形材３０，４０は車体１の長手方向に沿って並列に配置され、その突き合わせ部を摩擦攪拌接合Ｆして一体にしている。

図３〜図５において、摩擦攪拌接合Ｆは、摩擦攪拌接合用の回転工具２００を中空形材３０，４０の突き合わせ部に、回転工具２００を回転させながら、挿入し、中空形材の長手方向に移動させて摩擦攪拌接合Ｆする。回転工具２００を移動させず、中空形材３０，４０を移動させてもよい。つまり、回転工具２００に対して、中空形材３０，４０、ステンレス板１０，２０を相対的に移動させればよい。

まず、ステンレス板１０，２０を架台１００に載せ、両者１０，２０の端部を突き合わせる。これに中空形材３０，４０を上方から重ね、その幅方向端部を突き合わせる。中空形材３０，４０をステンレス板１０，２０に重ねる前に、中空形材３０，４０の突き合わせ部の近傍のステンレス板１０，２０側の面の接着剤溜まり溝３４，４４に接着剤６０を塗付する。

中空形材３０，４０は、車内側の面板３１，４１と、これに実質的に平行な車外側の面板３２，４２と、両者をトラス状に接続するリブ３３，４３とからなる。中空形材３０，４０の車外側の面板３２，４２は幅方向の端部は車内側の面板３１，４１の端部よりも突出している。図３の上側が車内側，下側側が車外側である。

次に、前記突き合わせ部の上方（車内側面板３１，４１側）から回転工具２００を挿入し、摩擦攪拌接合Ｆする。一方の車内側面板３１と隣接する他方の車内側面板４１との間には摩擦攪拌用Ｆの回転工具２００を挿入できる空間がある。この摩擦攪拌接合Ｆによって、車外側面板３２，４２の突き合わせ部がＦされる。また、ステンレス板１０，２０は接着剤６０によって中空形材３０，４０に接合される。

摩擦攪拌接合Ｆ用の回転工具２００の先端の小径部２０１は、車外側面板３２，４２内に位置し、ステンレス板１０，２０には接触していない。摩擦攪拌接合Ｆの熱によって接着剤６０が加熱され、接着剤６０が車外側面板３２，４２とステンレス板１０，２０とを接合する。

小回転工具２００の径部２０１は硬いステンレス板１０，２０に接触していないので、車外側面板３２，４２の内部にあるので、その損傷を防止できる。

接着剤６０は、例えば、セメダイン株式会社製一液熱硬化形樹脂系接着剤ＥＰ１７１またはＦＰ１３８である。

接着剤溜まり溝３４，４４は、その塗布する接着剤６０の硬化温度、摩擦攪拌接合Ｆ温度から定まる。例えば、溝３４，４４の位置は、車外側面板３２，４２の端部から２０ｍｍ〜３０ｍｍである。溝３４，４４の幅:２ｍｍ、深さ:１ｍｍである。ステンレス板１０，２０の厚保さ:１ｍｍである。

従って、ステンレス板１０（２０）内の中空形材３０，４０も前記に同様に摩擦攪拌接合Ｆされ、前記に同様にステンレス板１０（２０）に接着剤６０で接合される。

図３おいて、中空形材３０，４０を摩擦攪拌接合Ｆしたら、車内側面板３１，４２に接続板５１を重ね、接続板５１の端部と車内側面板３１，４１の端部とを上方から摩擦攪拌接合Ｆする。または、摩擦攪拌接合Ｆに代えてＭＩＧ溶接する。

接続板５１の端部は中空形材３０，４０のトラス３３，４３の交点に位置する。これにより、摩擦攪拌接合Ｆ接合荷重はトラス３３，４３で支えることができる。

１つのステンレス板１０（２０）内の中空形材３０（４０）の摩擦攪拌接合において、隣接する摩擦攪拌接合Ｆの位置（その長手方向に対して直角方向から見た場合の位置。）は長手方向に対して交互に位置がずれていることが望ましい。

すなわち、１つの摩擦攪拌接合Ｆの線に対して、回転工具２００を回転させながら車外側面板３２，４２に挿入し、摩擦攪拌接合Ｆの長手方向に移動させ、次に、回転工具２００の挿入量を若干上方に上げてその状態で約５０ｍｍ移動させ、この約５０ｍｍの移動中の摩擦攪拌接合Ｆは車外側面板３２，４２に対して行われないことになる。約５０ｍｍ過ぎると、約１.０ｍｍ挿入し、移動させる。このようにして、車外側面板３２，４２の摩擦攪拌接合Ｆは間欠的に行う。

車外側面板３２，４２の突き合わせ部には、車外側面板３２，４２のそれぞれの端部に車内側（上方）に突出する凸部３２ｂ，４２ｂがある。２つの凸部３２ｂ，４２ｂの幅は回転工具２００の大径部２０２の径よりも大きい。凸部３２ｂ、４２ｂの目的は周知のとおりである。

図６は図２のVI部（９ｂ部）の拡大断面図である。すなわちステンレス板１０（２０）内の中空形材３０，４０の突き合わせ部の拡大断面図である。中空形材３０，４０の車外側面板３２，４２の突き合わせ部をＦしている。

中空形材３０，４０の突き合わせ部９ｂの近傍のステンレス板１０（２０）側には接着剤溜まり溝があり、接着剤が塗布されており、該接着剤を介して中空形材３０，４０はステンレス板１０（２０）に接合されている。凸部３２ｂ、４２ｂ接着剤溜まり溝の大きさ、接着剤は前記実施例に同様である。

摩擦攪拌接合したら、接続板５１を車内側面板３１，４１に摩擦攪拌接合Ｆ、またはＭＩＧ溶接する。

凸部３２ｂ，４２ｂの近傍の車外側面板３２，４２は薄く、凸部３２ｂ，４２ｂの上端は車内側面板３１，４１の下方の車外側面板３２，４２と同一板厚にしているが、凸部を設置すべき近傍の車外側面板３２，４２の板厚が厚ければ、凸部３２ｂ，４２ｂは不要にできる。

これによれば、車外側面板３２，４２の摩擦攪拌接合Ｆは、その外面には摩擦攪拌接合Ｆの影響が現れず、見栄えよい接合部となる。

車外側面板３２，４２の接合、これとステンレス板１０，２０との接合は接合温度が低温であり、歪が少ない。

次に、図３，図４において、前記摩擦攪拌接合Ｆした箇所の車内側は、車内側面板３１と隣接する車内側面板４１とを接続材５１を介して接合する。これにより中空形材３０，４０が幅方向に沿ってすべて中空形材となる。外面側面板３２，４２は車内側面板３１，４１の端部よりも突出している。車内側面板３１，４１に接続材５１を重ね、上方から重なった箇所（２箇所）を上方から摩擦攪拌接合Ｆする。重ね部を設けるために、車内側面板３１，４１の端部に凹部を設けているが、設けなくてもよい。また、摩擦攪拌接合Ｆを用いず、溶接で接合してもよい。

この接続材５１の摩擦攪拌接合Ｆは、長手方向に沿って、連続的、または間欠的に行うことができる。車外側面板３２，４２の摩擦攪拌接合Ｆは連続的に行い、車内側面板３２，４２とステンレス板１０，２０との摩擦攪拌接合Ｆは間欠的でよい。

接続板５１の端部との摩擦攪拌接合部の車内側面板３１，４１には上方に突出する凸部３１ｂ，４１ｂがある。その目的は周知のとおりである。

図３において、側構体２は７枚の中空形材３０，４０が摩擦攪拌接合Ｆされており、ステンレス板１０，２０は２枚で構成されている場合は、中空形材３０，４０とステンレス板１０，２０とを摩擦攪拌接合Ｆする箇所９は１つにできる。１つの中空形材３０（４０）の幅は約４０ｃｍから約５０ｃｍ程度にできる。

このようにすると接合線９から側構体２の上下の端部までの距離が大きくなり、中空形材３０，４０とステンレス板１０，２０との密着性（ステンレス板１０，２０が中空形材３０，４０に張り付いている）が悪くなり、見栄えも低下する。

また、図２のVII部の円弧部も密着性が悪いと考えられる。この課題に対しては、図７のように中空形材４０を摩擦攪拌接合によって、ステンレス板２０に接合する。

凸部４２ｃの近傍のステンレス板２０側の接着剤溜まり溝４４、接着剤６０は前記の同様である。凸部４２ｃの幅は回転工具２００の大径部２０２の径よりも大きい。
凸部４２ｃを摩擦攪拌接合したら、車内側面板４１に接続板５１を重ね、摩擦攪拌接合、またはＭＩＧ溶接する。

前記各実施例では中空形材を説明したが、車外側の面板のみを有するシングル形材でもよい。

前記図３において、中空形材３０，４０の端部を突き合わせてその突き合わせ部を摩擦攪拌接合Ｆしているが、端部を重ね、その重ね部を摩擦攪拌接合Ｆしてもよい。また、凸部３２ｂ、４２ｂは、重ね部の一方の面板にあればよい。

前記実施例では、車外側面板の突き合わせ部に、ステンレス板１０，２０の突き合わせ部を重ねていたが、側構体２にはキャンバーがあるので、そのキャンバーにあわせてステンレス板１０，２０を突き合わせるのは困難と考えられる。以下の実施例は、この点を考慮したものである。図８，図９によって説明する。

まず、キャンバーについて説明する。図８において、キャンバーを設けた車体１の側面図である。車体１は長手方向の中央部がキャンバーによって、約２０ｍｍ高くなっている。これの製作は、まず、キャンバーを設けた状態で中空形材３０，４０を接合する。キャンバーを設けるには、架台１００に載せた複数の中空形材３０，４０をその長手方向に対して直角方向の横方向から押して、キャンバーを設けた後、突き合わせ部を摩擦攪拌接合Ｆする。

複数の中空形材３０，４０はその押出し方向を車体の長手方向に向けて並べて設置している。この押出し方向に対して直角方向の水平方向から押して曲げれば、キャンバーを設置できる。キャンバーを設置した状態でキャンバーに沿って摩擦攪拌接合Ｆする。キャンバーは車体の使用時に、乗客の重量によって車体１の中央部が垂れ下がるのを防止することにある。

ステンレス板１０，２０にはキャンバーを設けない。車体１とした場合の最上部のステンレス板の上端部にはキャンバーと同一円弧となるように切削しておくことが望ましいと考えられる。図８はキャンバーを過大に図示している。

図９において、ステンレス板１０，２０の端部は車体１の上下方向において重なっている。この重ね代は、キャンバーが約２０ｍｍであるので、それに相当する以上の約５０ｍｍである。５０ｍｍあれば、位置ずれを考慮しても、車体側面板３２，４２の突き合わせ部をキャンバーに沿って摩擦攪拌接合Ｆできる。キャンバーに沿って摩擦攪拌接合Ｆするが、ステンレス板１０，２０を重ねているので、ステンレス板１０，２０にキャンバーがなくてもキャンバーに沿った摩擦攪拌接合Ｆができる。

車外側面板３２，４２のステンレス板１０，２０側の溝３４，４４に接着剤６０を塗付し、車外側面板３２，４２を重ね攪拌接合Ｆする。

溝３４，４４は接着剤の適温位置にある。図９では距離が離れているが、突き合わせ部から短距離にある。

図９において、中空形材３０に接着剤溜まり溝３４を設置しているが、設置ししなくてもよい。ステンレス板２０の端部と車外側面板３２との３画形状に凹部３２ｄを接着剤たまり溝にできる。

車体１として上側の中空形材３０の車外側面板３２の板厚は、下側の中空形材４０の車外側面板４２の板厚よりも厚い。この板厚の差はステンレス板１０の板厚に等しい。

ステンレス板１０は下方のステンレス板２０の外面側に重なっている。これにより水の浸入を防止できる。

前記実施例は車体について説明したが、アルミニウム合金製押出し形材にステンレス板を接合することは他の用途でも希望される。この発明はその場合にも利用できる。例えば、台所の壁部材、台所のキッチンカウンターである。

本発明の一実施例の車体を外方から見た斜視図。 図１のII−IIの断面図。 図１のIII−III断面図。 図３の拡大図。 図４の拡大図。 図２のVI部拡大図。 図２のVII部の拡大図。 車体の側面図。 本発明の他の実施例の図３相当図。 図９の拡大縦断面図（図４相当図。）

符号の説明

１…車体、２…側構体、３…屋根構体、４…台枠、５…妻構体、１０，２０…ステンレス板、３０，４０…アルミニウム合金製押出し中空形材、３１，４１…車内側面板、３２，４２…車外側面板、３２ｂ，４２ｂ，３２ｃ，４２ｃ…凸部、５１…接続材、
２００…摩擦攪拌接合Ｆ用の回転工具、２０１…小径部。

Claims (3)

1. ステンレス板に１つ又は複数のアルミニウム合金製押出し形材を重ね、
   前記アルミニウム合金製押出し形材同士の突き合わせた部分、又は重ねた部分を摩擦攪拌接合すると共に、前記突き合わせた部分、又は重ねた部分と前記ステンレス板とを前記摩擦攪拌接合の熱によって接着剤で接合すること、
   を特徴とする構造体の製作方法。
2. ステンレス板に１つ又は複数枚のアルミニウム合金製押出し形材が重ねており、
   前記アルミニウム合金製押出し形材同士の突き合わせた部分、又は重ねた部分、又は１つのアルミニウム合金製押出し形材の所望の部分が摩擦攪拌接合されており、
   前記摩擦攪拌接合の熱によって前記ステンレス板に対向する前記アルミニウム合金製押出し形材の面に塗布された接着剤で接合されていること、
   を特徴とする構造体。
3. ステンレス板に接合するアルミニウム合金製押出し形材であって、前記アルミニウム合金製押出し形材同士の突き合わせた部分、又は重ねた部分、又は前記アルミニウム合金製押出し形材の所望の部分の摩擦攪拌接合する箇所の近傍であって、前記ステンレス板に対抗する面に接着剤を塗布する溝を形成していること、
   を特徴とするアルミニウム合金製押出し形材。

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