JP2014133236A - 摩擦攪拌接合工具、ダブルスキンパネル接合体の製造方法、及び鉄道車両用構体 - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向から見たときに、継手部も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス構造であるダブルスキンパネル接合体を製造できる摩擦攪拌接合工具を提供すること。
【解決手段】摩擦攪拌接合工具ＦＳは、上部回転体４０と下部回転体５０の間で突き出ているピン状の攪拌軸６０の回転によって、幅方向に突き合わされた二つのダブルスキンパネル１０，２０の継手部３０を摩擦熱で攪拌させて接合するものである。この摩擦攪拌接合工具ＦＳでは、上部回転体４０の下端部にスラスト軸受Ｂ１を介して上部スライド板７０が取付けられ、下部回転体５０の上端部にスラスト軸受Ｂ２を介して下部スライド板８０が取付けられている。そして、下部スライド板８０は、ダブルスキンパネル１０，２０の長手方向から見たときに継手部３０で形成される三角形状の頂角部分３２の形状に対して、長手方向に連続的に合う曲面部８０ａを有している。
【選択図】 図８

Description

本発明は、突き合わされた二つのダブルスキンパネルの継手部が長手方向から見たときに三角形状になっている状態で、その継手部の三角形状の頂上部分を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合工具に関する。更に、その摩擦攪拌接合工具を用いたダブルスキンパネル接合体の製造方法、及び鉄道車両用構体に関する。

近年、例えば鉄道車両用構体を構成するダブルスキンパネル接合体を製造する際に、摩擦攪拌接合が行われている。この摩擦攪拌接合は、回転体のショルダ面を突き合わされた接合部分の周辺に押し当て、回転するピン状の攪拌軸を接合部分に押し込んで、摩擦熱で接合部分を攪拌（塑性流動）して接合する技術である。この摩擦攪拌接合では、アーク溶接等の溶融溶接とは異なり、固相状態で接合するため、アーク溶接等に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。

この摩擦攪拌接合によって、ダブルスキンパネル接合体を製造する技術は、例えば下記特許文献１又は下記特許文献２に記載されている。下記特許文献１では、図１４に示すように、先ず一方のダブルスキンパネル５１０の上面板５１１の内側及び下面板５１２の内側に対して、他方のダブルスキンパネル５２０の縦リブ５２４に形成された突出片５２５を嵌め合わせる。次に、突き合わされた厚肉状の接合部分ＳＧに、回転する攪拌軸５６０を挿入して、接合部分ＳＧを摩擦攪拌接合する。この摩擦攪拌接合では、縦リブ５２４及び突出片５２５によって、摩擦攪拌接合工具ＦＳ２から鉛直方向下向き（図１４の下向き）に作用する荷重に耐えるようになっている。

また、下記特許文献２では、図１５に示すように、先ず、二つのダブルスキンパネル６１０，６２０を幅方向（図１５の左右方向）に突き合わせる際に、ダブルスキンパネル６１０の端部リブ６１４から図１５の右向きに突出する突出部６１１ａ，６１２ａと、ダブルスキンパネル６２０の端部リブ６２４から図１５の左向きに突出する突出部６２１ａ，６２２ａとを突き合わせる。次に、突き合わされた接合部分ＳＧの周辺を上部回転体６４０のショルダ面６４０ａと下部回転体６５０のショルダ面６５０ａで挟み込み、攪拌軸６６０の回転によって接合部分ＳＧを摩擦攪拌接合する。この摩擦攪拌接合では、下部回転体６５０を接合部分ＳＧの下側に配置できるように、二つのダブルスキンパネル６１０，６２０の継手部６３０が、図１５に示すように、長方形状になっている。

特開平１１−９０６５５号公報 特開２０１０−６４６３４号公報

ところで、上記特許文献１に記載された摩擦攪拌接合では、上述したように、摩擦攪拌接合工具ＦＳ２から鉛直方向下向きに作用する荷重に耐えるために、縦リブ５２４及び突出片５２５が必要不可欠になっている。これら縦リブ５２４及び突出片５２５は、継手部５３０の強度を上昇させることができるが、摩擦攪拌接合されたダブルスキンパネル接合体の重量を増加させるものである。更に、摩擦攪拌接合中に、接合部分ＳＧの下側が図１４のＺ部分のように摩擦熱で軟化して逃げて、塊部分が生成されるおそれがあり、この塊部分もダブルスキンパネル接合体の重量を増加させる原因になる。

一方、上記特許文献２に記載された摩擦攪拌接合では、接合部分ＳＧの周辺を上部回転体６４０のショルダ面６４０ａと下部回転体６５０のショルダ面６５０ａで挟み込むため、上述した塊部分が生成されるおそれはない。しかしながら、継手部６３０が長手方向から見たときに長方形状であるため、摩擦攪拌接合された接合部分ＳＧの下側で支持する部分が無くて、継手部６３０の強度が比較的弱くなる。このため、継手部６３０の強度を十分に確保するためには、突き合わされる突出部６１１ａ，６２１ａの肉厚を厚くする必要があるが、肉厚を厚くするとダブルスキンパネル接合体の重量が増加することになる。

こうして、従来のダブルスキンパネル接合体では、継手部が長手方向から見たときに縦リブを有する台形形状（図１４参照）又は長方形状（図１５参照）等になっていて、強度面及び重量面で効率的な三角形状になっていなかった。即ち、長手方向から見たときに、継手部も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス構造になっていなかった。以上要するに、完全なトラス構造になっているダブルスキンパネル接合体（鉄道車両用構体）は、強度面及び重量面で非常に効率的で優れているにも拘わらず、従来の摩擦攪拌接合によって製造されていなかった。

そこで、本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、長手方向から見たときに、継手部も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス構造であるダブルスキンパネル接合体を製造できる摩擦攪拌接合工具を提供することを目的とする。また、その摩擦攪拌接合工具を用いたダブルスキンパネル接合体の製造方法を提供することを目的とする。更に、強度面及び重量面で非常に効率的で優れている鉄道車両用構体を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦攪拌接合工具は、軸周りに回転し且つ軸方向と直交する方向に移動する上部回転体及び下部回転体を備え、前記上部回転体と前記下部回転体の間で突き出ているピン状の攪拌軸の回転によって、幅方向に突き合わされた二つのダブルスキンパネルの継手部を摩擦熱で攪拌させて接合するものであって、前記上部回転体及び前記下部回転体の向かい合う両端部のうち少なくとも一方の端部に、スラスト軸受を介してスライド板が取付けられ、前記スライド板は、ダブルスキンパネルの長手方向から見たときに前記継手部で形成される三角形状の頂角部分の形状に対して、長手方向に連続的に合う曲面部を有することを特徴とする。

本発明に係る摩擦攪拌接合工具によれば、上部回転体と下部回転体によって継手部の三角形状の頂上部分を挟むように配置し、スライド板の曲面部で継手部の三角形状の頂角部分を押し当てる。このとき、スライド板の曲面部が頂角部分の形状に長手方向に連続的に合っていて、スライド板はスラスト軸受によって軸周りに回転しない。このため、スライド板は、頂角部分を削り取ることなく曲面部を頂角部分に押し当て続ける。これにより、頂角部分が摩擦熱で軟化して周りへ逃げることを防止でき、攪拌軸の回転によって頂上部分を摩擦攪拌接合することができる。こうして、継手部が長手方向から見たときに三角形状であっても摩擦攪拌接合することができる。

本発明に係るダブルスキンパネル接合体の製造方法は、二つのダブルスキンパネルを接合してダブルスキンパネル接合体を製造する製造方法であって、上面板と下面板とを連結する複数の斜面板が幅方向に交互に向きを変えて傾いている二つのダブルスキンパネルを幅方向に突き合わせて、二つのダブルスキンパネルの継手部を長手方向から見たときに、隣り合う斜面板と突き合う上面板の端部同士又は下面板の端部同士とによって三角形状になるように形成し、上記した本発明に係る摩擦攪拌接合工具を用いて、前記上部回転体と前記下部回転体によって前記継手部の三角形状の頂上部分を挟むように配置し、前記スライド板の曲面部で前記継手部の三角形状の頂角部分を押し当てながら、前記攪拌軸の回転によって前記頂上部分を接合することを特徴とする。

本発明に係るダブルスキンパネル接合体の製造方法によれば、上部回転体と下部回転体によって継手部の三角形状の頂上部分を挟むように配置し、スライド板の曲面部で継手部の三角形状の頂角部分を押し当てる。このとき、スライド板の曲面部が頂角部分の形状に長手方向に連続的に合っていて、スライド板はスラスト軸受によって軸周りに回転しない。このため、スライド板は、頂角部分を削り取ることなく曲面部を頂角部分に押し当て続ける。これにより、頂角部分が摩擦熱で軟化して周りへ逃げることを防止でき、攪拌軸の回転によって頂上部分を摩擦攪拌接合することができる。こうして、長手方向から見たときに、継手部も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス構造であるダブルスキンパネル接合体を製造できる。

また、本発明に係るダブルスキンパネル接合体の製造方法において、前記二つのダブルスキンパネルは、幅方向に同一の二等辺三角形状が連続するトラス構造であり、前記二つのダブルスキンパネルを突き合わせたときに、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が前記継手部の頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置して、前記継手部を長手方向から見たときに前記二等辺三角形状になるように形成することが好ましい。

この場合には、製造されたダブルスキンパネル接合体では、継手部も含めて同一の二等辺三角形状が幅方向に連続するため、幅方向に亘って均等に強度を確保できる。つまり、縦リブ等のような部材を設けて継手部だけ重量及び強度を増加させる必要がない。更に、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置しているため、交点が頂上部分の外表面より外側に位置する場合に比べて、各二等辺三角形状の頂角部分の角度が大きい。従って、斜面板の数が少なくなり、ダブルスキンパネル接合体の重量を小さくすることができる。この結果、必要最小限の構成によって、強度面及び重量面の両方で最も効率的で優れているダブルスキンパネル接合体を製造することができる。

本発明に係る鉄道車両用構体は、隣り合うダブルスキンパネルが接合されているものであって、前記隣り合うダブルスキンパネルは、上面板と下面板とを連結する複数の斜面板が幅方向に交互に向きを変えて傾いていて、幅方向に同一の二等辺三角形状が連続するトラス構造であり、幅方向に突き合わされた二つのダブルスキンパネルの継手部を、長手方向から見たときに隣り合う斜面板と突き合う上面板の端部同士又は下面板の端部同士とによって前記二等辺三角形状になるように形成されていて、前記継手部では、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置して、頂上部分が摩擦攪拌接合によって接合されていることを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両用構体によれば、複数の継手部も含めて同一の二等辺三角形状が幅方向に連続するため、幅方向に亘って均等に強度を確保できる。言い換えると、従来の鉄道車両用構体のように、複数の継手部で強度を確保するための縦リブが設けられたものではなく、継手部だけ肉厚が厚いものではない。従って、従来の鉄道車両用構体に比べて、重量を大幅に小さくすることができる。また、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置しているため、各二等辺三角形状の頂角部分の角度が比較的大きくて、斜面板の数が少ない。こうして、必要最小限の構成によって、強度面及び重量面の両方で最も効率的で優れている鉄道車両用構体になっている。

本発明の摩擦攪拌接合工具、及びダブルスキンパネル接合体の製造方法によれば、長手方向から見たときに、継手部も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス構造であるダブルスキンパネル接合体を製造することができる。また、本発明に係る鉄道車両用構体によれば、上述した完全なトラス構造であって、強度面及び重量面で非常に効率的で優れている。

鉄道車両の車体を示した斜視図である。 二つのダブルスキンパネルが幅方向に突き合わされている状態を示した斜視図である。 第１実施形態において突き合わされた二つのダブルスキンパネルを示した正面図である。 二つのダブルスキンパネルの継手部を示した正面図である。 本実施形態の摩擦攪拌接合工具ＦＳを示した正面図である。 本実施形態の下部スライド板を示した斜視図である。 比較例としての下部スライド板を示した斜視図である。 継手部の頂上部分を摩擦攪拌接合する状態を示した図である。 一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が頂上部分の外表面より外側に位置する状態を示した図である。 第２実施形態において突き合わされた二つのダブルスキンパネルを示した正面図である。 第３実施形態において突き合わされた二つのダブルスキンパネルを示した正面図である。 第４実施形態において突き合わされた二つのダブルスキンパネルを示した正面図である。 第５実施形態において突き合わされた二つのダブルスキンパネルを示した正面図である。 従来において縦リブ及び突出片が設けられている継手部を摩擦攪拌接合する状態を示した図である。 従来において長方形状になっている継手部を摩擦攪拌接合する状態を示した図である。

本発明に係る摩擦攪拌接合工具、ダブルスキンパネル接合体、及び鉄道車両用構体の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、鉄道車両の車体ＳＴを示した斜視図である。この車体ＳＴは、側構体１と屋根構体２と台枠３とが周方向に接合され、これら側構体１と屋根構体２と台枠３の長手方向端部に妻構体４が接合されることによって、構成されている。

側構体１と屋根構体２では、所定の幅を有する長尺状のダブルスキンパネルが幅方向（周方向）に複数個突き合わされている。そして、隣り合うダブルスキンパネル１０，２０は、車体ＳＴの長さである２０〜２５ｍの距離で摩擦攪拌接合によって接合されていて、ダブルスキンパネル接合体１０Ａになっている。本実施形態において、側構体１が、本発明の「鉄道車両用構体」である。ここで、図２は、二つのダブルスキンパネル１０，２０が幅方向に突き合わされている状態を示した斜視図であり、図３は、第１実施形態において突き合わされた二つのダブルスキンパネル１０，２０を示した正面図である。

ダブルスキンパネル１０，２０は、図２及び図３に示すように、平行に配置される上面板１１，２１及び下面板１２，２２と、これら上面板１１，２１と下面板１２，２２とを連結する複数の斜面板１３，２３を有している。ダブルスキンパネル１０，２０は、アルミ材の押出し成形によって形成された中空押出形材であり、押出し方向（図３の紙面に直交する方向）が長手方向であって、押出し方向及び鉛直方向（図３の上方方向）に直交する方向（図３の左右方向）が幅方向である。

上面板１１，２１と下面板１２，２２は、湾曲しておらず平面状に形成されている。各斜面板１３，２３は、上面板１１，２１と下面板１２，２２の間で幅方向に連続して傾くように配置されていて、幅方向に交互に向きを変えている。これにより、図３に示すように、ダブルスキンパネル１０，２０は、幅方向に二等辺三角形状が連続したトラス構造である。ここで、図４は、二つのダブルスキンパネル１０，２０の継手部３０を示した正面図である。

図４に示すように、ダブルスキンパネル１０の幅方向の端部（図４の右側端部）では、上面板１１の端部１１ａが斜面板１３の上端からほとんど突き出ていないのに対して、下面板１２の端部が斜面板１３の下端から比較的大きく突き出ている。このため、下面板１２のうち、斜面板１３の下端から突き出ている部分を突出部１２ａと呼ぶことにする。上面板１１の端部１１ａの端面及び下面板１２の突出部１２ａの端面は、ダブルスキンパネル１０の平面に直交する平面になっている。

同様に、ダブルスキンパネル２０の幅方向の端部（図４の左側端部）では、上面板２１の端部２１ａが斜面板２３の上端からほとんど突き出ていないのに対して、下面板２２の端部が斜面板２３の下端から比較的大きく突き出ている。このため、下面板２２のうち、斜面板２３の下端から突き出ている部分を突出部２２ａと呼ぶことにする。上面板２１の端部２１ａの端面及び下面板２２の突出部２２ａの端面は、ダブルスキンパネル２０の平面に直交する平面になっている。

このような二つのダブルスキンパネル１０を幅方向に突き合わすと、上面板１１，２１の端部１１ａ，２１ａ同士が突き合わされると共に、下面板１２，２２の突出部１２ａ，２２ａ同士が突き合わされて、継手部３０が構成される。そして、この継手部３０を長手方向から見ると、隣り合う斜面板１３，２３と突き合う突出部１２ａ，２２ａ同士によって三角形状になっている。そして、斜面板１３の中心線Ｌ１と斜面板２３の中心線Ｌ２との交点Ｐ１が、継手部３０の頂上部分３１の外表面上に位置している。本実施形態では、後述するように、上面板１１，２１の端部１１ａ，２１ａ同士、即ち継手部３０の三角形状の頂上部分３１を摩擦攪拌接合すると共に、下面板１２，２２の突出部１２ａ，２２ａ同士を摩擦攪拌接合するようになっている。

ところで、従来の摩擦攪拌接合では、図４に示す継手部３０の頂上部分３１を摩擦攪拌接合することが行われていなかった。これは、以下の理由に基づく。先ず、ピン式の摩擦攪拌接合工具を用いる場合、即ち頂上部分３１に対して一方側（図４の上側）のみに回転体を配置して摩擦攪拌接合を行う場合には、回転体から頂上部分３１に鉛直方向下向きに大きな荷重が作用すると共に、頂上部分３１の材料が摩擦熱によって軟化して図４の下側に逃げることになる。このため、頂上部分３１の材料を図４の下側に逃がさないためには、例えば図１４に示すように、継手部３０に縦リブ５２４のようなものを設ける必要があった。

一方、ボビンツール式の摩擦攪拌接合工具を用いる場合（図１５参照）、即ち頂上部分３１に対して両側から上部回転体と下部回転体を挟み込んで摩擦攪拌接合を行う場合には、下部回転体によって頂上部分３１に作用する鉛直方向下向きの荷重を支持することができる。しかしながら、下部回転体は、一般的に円筒形状であるため、摩擦攪拌接合中の高速回転によって、継手部３０の頂角部分３２を削り取ることになる。また、仮に下部回転体の形状を頂角部分３２の形状に合わせたとしても、継手部３０の歪みや製作誤差等によって、頂角部分３２が高速回転する下部回転体によって多少削り取られる。この結果、製造されたダブルスキンパネル接合体の継手部３０では強度が低下してしまう。こうして、従来のボビンツール式の摩擦攪拌接合工具では、頂上部分３１を摩擦攪拌接合することができなかった。

このような技術背景から、従来の摩擦攪拌接合で接合された継手部は、長手方向から見たときに縦リブを有する台形形状（図１４参照）又は長方形状（図１５参照）等になっていて、強度面及び重量面で効率的な三角形状になっていない。即ち、従来のダブルスキンパネル接合体では、長手方向から見たときに、継手部も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス形状になっていない。そこで、本発明者等は、頂角部分３２を削り取ることなく、継手部３０の頂上部分３１を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合工具ＦＳ及びダブルスキンパネル接合体の製造方法を考案すると共に、強度面及び重量面で非常に効率的で優れている側構体１を考案した。

図５は、本実施形態の摩擦攪拌接合工具ＦＳを示した正面図である。なお、図５では、左半分に断面が示され、右半分で外観が示されている。この摩擦攪拌接合工具ＦＳは、ボビンツール式の工具であり、図５に示すように、軸Ｏ１周りに回転する上部回転体４０及び下部回転体５０と、これら上部回転体４０及び下部回転体５０から突き出ているピン状の攪拌軸６０と、上部回転体４０の下端部にスラスト軸受Ｂ１を介して取付けられている上部スライド板７０と、下部回転体５０の上端部にスラスト軸受Ｂ２を介して取付けられている下部スライド板８０とを備えている。

上部回転体４０及び下部回転体５０は、図示しない回転駆動機構によって、高速で同軸的に回転可能である。また、上部回転体４０及び下部回転体５０は、図示しない移動押圧機構によって、図５の上下方向の位置を調整できると共に、軸Ｏ１に直交する方向（図５の紙面に直交する方向）、つまりダブルスキンパネル１０の長手方向に移動できるようになっている。攪拌軸６０は、上部回転体４０及び下部回転体５０と同軸的に延びていて、上部回転体４０及び下部回転体５０に一体回転可能に組付けられている。

上部スライド板７０は、スラスト軸受Ｂ１によって上部回転体４０に対して軸Ｏ１周りに回転しないようになっていて、突き当てられた上面板１１，２１の端部１１ａ，２１ａ同士の表面を下面７０ａで押し当てるものである。但し、上部スライド板７０は、実際には摩擦攪拌接合中に塑性流動する材料から抵抗力を受けて、軸Ｏ１周りに僅かに回転する。この上部スライド板７０では、攪拌軸６０が貫通していて、上側が円錐台形状であり、下側が円筒形状である。そして、下面７０ａは、ダブルスキンパネル１０，２０の表面に対向する平面であり、摩擦攪拌接合中に塑性流動する材料が逃げないようにショルダ面として機能する大きさになっている。

下部スライド板８０は、スラスト軸受Ｂ２によって下部回転体５０に対して軸Ｏ１周りに回転しないようになっている。ここで、図６は、下部スライド板８０を示した斜視図である。図６に示すように、下部スライド板８０では、攪拌軸６０が貫通していて、下側の断面形状が略台形で、上側の断面形状が山形状であり、ダブルスキンパネル１０，２０の長手方向に所定量延びている。そして、この下部スライド板８０は、上側に、継手部３０の頂角部分３２の形状に対して長手方向に連続的に合う曲面部８０ａを有している。この曲面部８０ａは、摩擦攪拌接合中に軸Ｏ１周りに回転せずに頂角部分３２の長手方向の所定範囲（塑性流動域）を押し当て続けることができ、塑性流動する材料が逃げないようにショルダ面として機能する。

ここで、曲面部８０ａが頂角部分３２の形状に対して長手方向に連続的に合っている理由について説明する。図７は、比較例としてドーム形状になっている下部スライド板９０を示した斜視図である。図７に示す下部スライド板９０の曲面部９０ａは、頂角部分３２の形状に対して二点鎖線で示した平面ＨＭで部分的に合うが、長手方向に連続的に合わないものである。このため、仮に比較例の下部スライド板９０を用いると、摩擦攪拌接合中に曲面部９０ａが頂角部分３２の長手方向の所定範囲を押し当て続けることができず、塑性流動する材料が逃げてしまい、ショルダ面として機能しない。従って、本発明の「長手方向に連続的に合う曲面部」には、ドーム形状の表面や円錐形状の表面が含まれない。

次に、本実施形態のダブルスキンパネル接合体１０Ａの製造工程について説明する。先ず、図２に示すように、側構体１を構成する二つのダブルスキンパネル１０，２０を架台５の上に設置して、幅方向に突き合わせる。これにより、図４に示すように、上面板１１，２１の端部１１ａ，２１ａ同士が突き合わされると共に、下面板１２，２２の突出部１２ａ，２２ａ同士が突き合わされる。このとき、斜面板１３の中心線Ｌ１と斜面板２３の中心線Ｌ２との交点Ｐ１が、継手部３０の頂上部分３１の外表面上に位置して、継手部３０が二等辺三角形状になるように形成される。

続いて、本実施形態の摩擦攪拌接合工具ＦＳを用いて、継手部３０の頂上部分３１を摩擦攪拌接合する。ここで、図８は、継手部３０の頂上部分３１を摩擦攪拌接合する状態を示した図である。図８に示すように、上部回転体４０及び下部回転体５０を、頂上部分３１を挟み込むように配置して、上部スライド板７０の下面７０ａを上面板１１，２１の端部１１ａ，２１ａ同士の表面（頂上部分３１の周辺の表面）に押し当てると共に、下部スライド板８０の曲面部８０ａを頂角部分３２に押し当てる。

そして、上部回転体４０及び下部回転体５０が軸Ｏ１周りに回転しながら長手方向に移動することで、回転する攪拌軸６０が頂上部分３１に挿入されて接合部３０Ｘ（図２参照）に沿って移動する。これにより、接合部３０Ｘの材料が摩擦熱によって軟化し、塑性流動しながら攪拌軸６０の進行方向後方に回り込む。こうして材料が攪拌した接合部３０Ｘでは、攪拌軸６０が通過した直後に、硬化して接合することになる。

ここで、本実施形態の摩擦攪拌接合では、下部スライド板８０の曲面部８０ａが継手部３０の頂角部分３２の形状に長手方向に連続的に合っていて、下部スライド板８０がスラスト軸受Ｂ２によって軸Ｏ１周りに回転しない。このため、下部スライド板８０は、頂角部分３２を削り取ることなく曲面部８０ａを頂角部分３２に押し当て続けながら長手方向に移動する。これにより、摩擦熱で塑性流動化した材料が頂上部分３１の下側から逃げることを防止でき、攪拌軸６０の回転によって頂上部分３１を摩擦攪拌接合できる。

また、本実施形態の摩擦攪拌接合では、上述したように、下部スライド板８０がスラスト軸受Ｂ２によって軸Ｏ１周りに回転せずに、曲面部８０ａを頂角部分３２に押し当てると共に、上部スライド板７０がスラスト軸受Ｂ１によって上部回転体４０のように軸Ｏ１周りに高速で回転せずに、下面７０ａを頂上部分３１の周辺の表面に押し当てる。これにより、頂角部分３２及び頂上部分３１の周辺の表面で発生する摩擦熱を抑えることができる。この結果、頂角部分３２及び頂上部分３１の周辺の表面で、接合痕が生じることを抑制できて、見た目を向上させることができる。

こうして、継手部３０の頂上部分３１を摩擦攪拌接合した後、ダブルスキンパネル１０，２０を上下逆に反転して、架台５に配置する。その後、突き合わされている下面板１２，２２の突出部１２ａ，２２ａ同士を従来のボビンツール式の摩擦攪拌接合工具を用いて摩擦攪拌接合する。これにより、ダブルスキンパネル１０，２０が接合されたダブルスキンパネル接合体１０Ａを製造することができ、更に複数のダブルスキンパネル接合体１０Ａを摩擦攪拌接合することで側構体１を製造することができる。

第１実施形態の作用効果について説明する。
第１実施形態によれば、継手部３０が長手方向から見たときに三角形状であっても、上述したように、下部スライド板８０がスラスト軸受Ｂ２によって軸Ｏ１周りに回転しなくて、下部スライド板８０の曲面部８０ａが継手部３０の頂角部分３２を押し当て続けることができるため、頂角部分３２を削り取ることなく攪拌軸６０の回転によって頂上部分３１を摩擦攪拌接合できる。その結果、図３に示すように、継手部３０も含めて幅方向に三角形状が連続して構成された完全なトラス構造であるダブルスキンパネル接合体１０Ａを製造することができる。

また、第１実施形態によれば、図３に示すように、継手部３０は二等辺三角形状になっていて、この継手部３０の二等辺三角形状と、ダブルスキンパネル１０，２０に形成される各二等辺三角形形状とが同一になっている。このため、ダブルスキンパネル接合体１０Ａでは、継手部３０も含めて同一の二等辺三角形状が幅方向に連続するため、幅方向に亘って均等に強度を確保できる。つまり、縦リブのような部材を設けて継手部３０だけ重量及び強度を増加させる必要がない。

更に、図４に示すように、継手部３０では、斜面板１３の中心線Ｌ１と斜面板２３の中心線Ｌ２との交点Ｐ１が頂上部分３１の外表面上に位置している。このため、図９に示すような交点Ｐ１が頂上部分３１の外表面より外側に位置する場合に比べて、各二等辺三角形状の頂角部分の角度が大きい。従って、斜面板１３，２３の数が少なくなり、ダブルスキンパネル接合体１０Ａの重量を小さくすることができる。この結果、ダブルスキンパネル接合体１０Ａは、必要最小限の構成によって、強度面及び重量面の両方で最も効率的で優れているものになる。更に、交点Ｐ１が頂上部分３１の外表面より外側に位置する場合に比べて、各二等辺三角形状の頂角部分の角度が大きいため、下部回転体５０を頂角部分３２の下側に入り易くすることができる。

そして、第１実施形態の側構体１によれば、複数のダブルスキンパネル接合体１０Ａで構成されたものであるため、上述したダブルスキンパネル接合体１０Ａの効果が顕著に表れる。即ち、本実施形態の側構体１では、複数の継手部３０も含めて同一の二等辺三角形状が幅方向に長く連続するため、幅方向に亘って均等に強度を確保できる。言い換えると、従来の側構体のように、複数の継手部で強度を確保するための縦リブが設けられたものではなく、継手部だけ肉厚が厚いものではない。従って、従来の側構体に比べて、重量を大幅に小さくすることができる。また、上述したように、各二等辺三角形状の頂角部分の角度が大きいため、斜面板１３，２３の数が少なくなる。こうして、本実施形態の側構体１は、必要最小限の構成によって、強度面及び重量面の両方で最も効率的で優れているものになっている。

次に、第２実施形態について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、第２実施形態において、突き合わされた二つのダブルスキンパネル１１０，１２０の正面図である。図１０に示すように、突き合う上面板１１１，１２１の端部１１１ａ，１２１ａの端面は、ダブルスキンパネル１１０，１２０の平面に直交する面に対して時計方向に所定角度θ（例えば２０度）傾く斜面になっている。また、突き合う下面板１１２，１２２の突出部１１２ａ，１２２ａの端面は、ダブルスキンパネル１１０，１２０の平面に直交する面に対して反時計方向に所定角度（例えば２０度）傾く斜面になっている。第２実施形態のその他の構成は、上記した第１実施形態の構成と同様であるため、１００番代の符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態によれば、図１０に示すように、二つのダブルスキンパネル１１０，１２０を矢印で示した方向（突き合う方向）に押圧しながら突き合わせて、摩擦攪拌接合を行う。これにより、下面板１１２，１２２の突出部１１２ａ，１２２ａが比較的剛性が低くて板厚方向に歪みが生じていても、押圧力によってその歪みを修正しながら摩擦攪拌接合することができる。第２実施形態のその他の作用効果は、第１実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。

次に、第３実施形態について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、第３実施形態において、突き合わされた二つのダブルスキンパネル２１０，２２０を示した正面図である。図１１に示すように、第３実施形態のダブルスキンパネル２１０，２２０の構成は、第１実施形態のダブルスキンパネル１０，２０の構成と上下が逆になっていて、第３実施形態の摩擦攪拌接合工具ＦＳ１は、第１実施形態の摩擦攪拌接合工具ＦＳの構成と上下が逆になっている。このため、第３実施形態の構成は、２００番代の符号を付して、その説明を省略する。

第３実施形態によれば、図１１に示すように、上部スライド板２７０がスラスト軸受Ｂ１によって軸Ｏ１周りに回転しなくて、上部スライド板２７０の曲面部２７０ａが継手部２３０の頂角部分２３２を押し当て続けることができるため、頂角部分２３２を削り取ることなく攪拌軸の回転によって頂上部分２３１を摩擦攪拌接合できる。第３実施形態のその他の作用効果は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

次に、第４実施形態について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、第４実施形態において、突き合わされた二つのダブルスキンパネル３１０，３２０を示した正面図である。図１２に示すように、ダブルスキンパネル３１０，３２０の上面板３１１，３２１及び下面板３１２，３２２は、内向き（図１２の下向き）に僅かに湾曲している。第４実施形態のその他の構成は、上記した第１実施形態の構成と同様であるため、３００番代の符号を付して、その説明を省略する。

第４実施形態によれば、内向きに僅かに湾曲したダブルスキンパネル接合体３１０Ａ（側構体３０１）を製造することができる。第４実施形態のその他の作用効果は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

次に、第５実施形態について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、第５実施形態において、突き合わされた二つのダブルスキンパネル４１０，４２０を示した正面図である。図１３に示すように、ダブルスキンパネル４１０，４２０の上面板４１１，４２１及び下面板４１２，４２２は、内向き（図１３の下向き）に僅かに湾曲している。そして、突き合う上面板４１１，４２１の端部４１１ａ，４２１の端面は、突き合わせる方向に直交する面に対して時計方向に所定角度θ（例えば２０度）傾く斜面になっている。また、突き合う下面板４１２，４２２の突出部４１２ａ，４２２ａの端面は、突き合わせる方向に直交する面に対して反時計方向に所定角度（例えば２０度）傾く斜面になっている。第５実施形態のその他の構成は、上記した第１実施形態の構成と同様であるため、４００番代の符号を付して、その説明を省略する。

第５実施形態によれば、図１３に示すように、二つのダブルスキンパネル４１０，４２０を矢印で示した方向（突き合う方向）に押圧しながら突き合わせて、摩擦攪拌接合を行う。これにより、下面板４１２，４２２の突出部４１２ａ，４２２ａが比較的剛性が低くて板厚方向に歪みが生じていても、押圧力によってその歪みを修正しながら摩擦攪拌接合することができる。そして、内向きに僅かに湾曲したダブルスキンパネル接合体４１０Ａ（側構体４０１）を製造することができる。第５実施形態のその他の作用効果は、第５実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

以上、本発明に係る摩擦攪拌接合工具、ダブルスキンパネル接合体の製造方法、鉄道車両用構体の各実施形態について説明したが、本発明はこれ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。
例えば、第１実施形態において、上部回転体４０の下端部にスラスト軸受Ｂ１及び上部スライド板７０が取付けられている摩擦攪拌接合工具ＦＳを用いたが、上部回転体４０の下端部にスラスト軸受Ｂ１及び上部スライド板７０が取付けられていない摩擦攪拌接合工具を用いても良い。即ち、少なくとも頂角部分３２に向かい合う回転体にのみ、スラスト軸受及びスライド板が取付けられていれば良い。

また、第１実施形態において、図４に示すように、斜面板１３の中心線Ｌ１と斜面板２３の中心線Ｌ２との交点Ｐ１が頂上部分３１の外表面上に位置しているが、交点Ｐ１が頂上部分３１の外表面より内側（図４の下側）に位置していても良い。
また、各実施形態について、鉄道車両用構体として側構体１を例にして説明したが、鉄道車両用構体は側構体に限られるものではなく、例えば屋根構体であっても良い。

１ 側構体
１０，２０ ダブルスキンパネル
１０Ａ ダブルスキンパネル接合体
１１，２１ 上面板
１１，２１ａ 端部
１２，２２ 下面板
１２ａ，２２ａ 突出部
１３，２３ 斜面板
３０ 継手部
３１ 頂上部分
３２ 頂角部分
４０ 上部回転体
５０ 下部回転体
６０ 攪拌軸
７０ 上部スライド板
７０ａ 下面
８０ 下部スライド板
８０ａ 曲面部
Ｂ１，Ｂ２ スラスト軸受
ＦＳ 摩擦攪拌接合工具

本発明に係る鉄道車両用構体は、隣り合うダブルスキンパネルが接合されているものであって、前記隣り合うダブルスキンパネルは、上面板と下面板とを連結する複数の斜面板が幅方向に交互に向きを変えて傾いていて、幅方向に同一の二等辺三角形状が連続するトラス構造であり、幅方向に突き合わされた二つのダブルスキンパネルの継手部を、長手方向から見たときに隣り合う斜面板と突き合う上面板の端部同士又は下面板の端部同士とによって前記二等辺三角形状になるように形成されていて、前記継手部では、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置して、頂上部分が摩擦攪拌接合によって接合されていて、長手方向から見たときに、前記継手部も含めて幅方向に同一の前記二等辺三角形状が連続していることを特徴とする。

Claims (4)

1. 軸周りに回転し且つ軸方向と直交する方向に移動する上部回転体及び下部回転体を備え、
   前記上部回転体と前記下部回転体の間で突き出ているピン状の攪拌軸の回転によって、幅方向に突き合わされた二つのダブルスキンパネルの継手部を摩擦熱で攪拌させて接合する摩擦攪拌接合工具において、
   前記上部回転体及び前記下部回転体の向かい合う両端部のうち少なくとも一方の端部に、スラスト軸受を介してスライド板が取付けられ、
   前記スライド板は、ダブルスキンパネルの長手方向から見たときに前記継手部で形成される三角形状の頂角部分の形状に対して、長手方向に連続的に合う曲面部を有することを特徴とする摩擦攪拌接合工具。
2. 二つのダブルスキンパネルを接合してダブルスキンパネル接合体を製造するダブルスキンパネル接合体の製造方法において、
   上面板と下面板とを連結する複数の斜面板が幅方向に交互に向きを変えて傾いている二つのダブルスキンパネルを幅方向に突き合わせて、二つのダブルスキンパネルの継手部を長手方向から見たときに、隣り合う斜面板と突き合う上面板の端部同士又は下面板の端部同士とによって三角形状になるように形成し、
   請求項１に記載された摩擦攪拌接合工具を用いて、前記上部回転体と前記下部回転体によって前記継手部の三角形状の頂上部分を挟むように配置し、前記スライド板の曲面部で前記継手部の三角形状の頂角部分を押し当てながら、前記攪拌軸の回転によって前記頂上部分を接合することを特徴とするダブルスキンパネル接合体の製造方法。
3. 請求項２に記載されたダブルスキンパネル接合体の製造方法において、
   前記二つのダブルスキンパネルは、幅方向に同一の二等辺三角形状が連続するトラス構造であり、
   前記二つのダブルスキンパネルを突き合わせたときに、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が前記継手部の頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置して、前記継手部を長手方向から見たときに前記二等辺三角形状になるように形成することを特徴とするダブルスキンパネル接合体の製造方法。
4. 隣り合うダブルスキンパネルが接合されている鉄道車両用構体において、
   前記隣り合うダブルスキンパネルは、上面板と下面板とを連結する複数の斜面板が幅方向に交互に向きを変えて傾いていて、幅方向に同一の二等辺三角形状が連続するトラス構造であり、
   幅方向に突き合わされた二つのダブルスキンパネルの継手部を、長手方向から見たときに隣り合う斜面板と突き合う上面板の端部同士又は下面板の端部同士とによって前記二等辺三角形状になるように形成されていて、
   前記継手部では、一方の斜面板の中心線と他方の斜面板の中心線との交点が頂上部分の外表面上又は外表面より内側に位置して、頂上部分が摩擦攪拌接合によって接合されていることを特徴とする鉄道車両用構体。

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