JP3224097B2

JP3224097B2 - 摩擦接合方法

Info

Publication number: JP3224097B2
Application number: JP2000047769A
Authority: JP
Inventors: 欣也青田; 靖男石丸; 剛竹中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-10-29
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: JP2000202654A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦接合方法に関
し、例えば、アルミニウム合金性の鉄道車両や建築物等
に使用されるパネルの接合に好適である。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の構体の二面構造体（パネル）
は、中空状の型材を用いたものは特開平２−２４６８６
３号公報に示され、ハニカムパネルのような積層パネル
を用いたものは特開平６−１０６６６１号公報に示され
ている。

【０００３】摩擦接合方法は、接合部に挿入した丸棒を
回転させて発熱、軟化させ、接合するものである。この
接合は突合せ部、重ね部に適用される。これはＷＯ９
３／１０９３５（ＥＰ０６１５４８０Ｂ１、特表平７
−５０５０９０号公報に同一）、Welding & Metal Fabr
ication, January 1995 13頁から16頁に示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】摩擦接合方法は、接合
施工中、回転工具（丸棒）の直下の部材が表面へ排出さ
れる反作用のため、接合部に下向きの力が働く。このた
め、本接合法を二面構造体（パネル）の接合に適用する
場合、この下向きの力により接合部の継ぎ手部材が下方
向に押し流され、変形を生じ、良好な接合を施工するこ
とができなかった。

【０００５】二面構造体（パネル）は、例えば、アルミ
ニウム合金の押し出し型材の中空型材や、ハニカムパネ
ルがある。このパネル同士の接合として、従来ＭＩＧ溶
接やＴＩＧ溶接が行われている。この継ぎ手形状に摩擦
接合を適用すると、摩擦接合の際の押し下げ力によっ
て、継ぎ手が下方に曲がったり、部材が下方に流された
りする。

【０００６】発明者は種々な実験により上記の現象を発
見したものである。

【０００７】本発明の目的は、摩擦接合によって部材を
接合する場合に部材の変形を抑制することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１のパネ
ルと第２のパネルとを突き合わせており、前記パネルの
それぞれは、第１の板と、該第１の板の両端に接続した
第２の板と第３の板と、を有しており、前記第２の板と
前記第３の板とは実質的に平行であり、前記第１の板は
前記第２の板および前記第３の板に実質的に直交してお
り、前記第１の板同士が突き合わせてあり、前記突き合
わせた部分の前記第２の板の側、前記第３の板の側のそ
れぞれに回転工具を配置するとともに、一方の前記回転
工具の鉛直方向に他方の前記回転工具を配置して、２つ
の前記回転工具を実質的に同一速度で移動させて摩擦接
合を行うこと、によって達成できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は図１０の実施例を主体と
したものである。本発明は他の図面の例等も用いて説明
する。図１は、パネルとしての中空型材３１，３２の継
ぎ手部の形状が突合せタイプの場合である。中空型材３
１，３２の幅方向の端部には垂直の板３６，３６があ
る。接合前においては、回転工具５０の直下に垂直な板
３６，３６があり、板３６，３６同士は向い合ってお
り、接触している。離れている場合は両者の隙間は小さ
い。隙間は１ｍｍ程度である。板３６，３６の間の延長
線上に凸部５２の中心が位置する。板３６，３６は前記
下向きの力を支えるだけの剛性を有している。板３６は
２つの板３３、３４に直交している。中空型材３１，３
２はアルミニウム合金の押出し型材である。中空型材３
１の上下の面は中空型材３２の上下の面に一致してい
る。つまり、中空型材３１、３２の厚さは同一である。
以下の例も同様である。摩擦接合時において、回転工具
５０の大径部５１と小径部の凸部５２との境５３が中空
型材３１，３２の上面に位置している。３５は２枚の板
３６、３６を接続するものであって、トラス状に複数配
置している。中空型材３１、３２の端部の形状は左右対
称である。中空型材３１、３２は架台（図示せず）に載
せられ、移動しないように固定されている。板３６、３
６の下方にも架台がある。

【００１０】摩擦接合は回転工具５０を回転させなが
ら、凸部５２を中空型材３１、３２の接合部に挿入し、
接合部に沿って移動させて行う。凸部５２の回転中心は
２つの板３６、３６の間にある。

【００１１】図２は摩擦接合後の状態である。４５は接
合後の接合ビードの形状を示したものである。板３６，
３６の間の延長線上に接合ビード４５の幅の中心が位置
する。板３６、３６の厚さの延長線の範囲にビード４５
がある。接合ビード４５の深さは接合部に挿入した回転
工具５０の下端の凸部５２の高さによって定まる。

【００１２】これによれば、板３３、３４に垂直な板３
６，３６が摩擦接合時の垂直力を支えるので、接合部が
曲がったりせず、図２に示すように良好な接続が得られ
るものである。板３６はできるだけ板３３、３４に直交
させる。

【００１３】なお、軽量化のために、板３６に穴をあけ
ていても良い。以下の例でも同様である。

【００１４】下面側の接合は中空型材の上下面を反転さ
せて行なう。

【００１５】図３の例は、一方の中空型材３１の端部に
は板３６があり、他方の中空型材３２の端部には板３６
は無い。中空型材３１の板３６の垂直方向の角部は中空
型材３２の端部の突片３８，３８の先端を載せることが
できるように、凹んでいる。この凹部は中空型材３１の
厚さ方向およびこれに直交する方向（中空型材３２側）
に開放している。凹部に突片３８を載せた（重ねた）と
き、図では両者は接触しているが、実際は隙間がある。
また、両者の先端同士（突片３８、３８と角部３３ｂ、
３４ｂとの間）にも隙間がある。２つの中空型材３１，
３２の表面側の突合せ部、すなわち、回転工具５０の中
心の直下に前記突合せ部および板３６がある。板３６の
厚さの中心の延長線上に凸部５２の回転中心が位置す
る。つまり、板３６の厚さの中心の延長線上に板３３
（３４）と板３３（３４）の接合部が位置する。板３
３、３４から凹部に至る角部３３ｂ、３４ｂは板３６の
厚さの中心の延長線上にある。または、角部３３ｂ、３
４ｂの位置は突片３８との間隔を考慮して、図３におい
て、板３６の厚さの中心の延長線上よりもごくわずか左
にある。板３６は前記垂直力を支える剛性を有してい
る。突片３８の先端と中空型材３１との水平方向の間隔
は図１の場合と同様である。回転工具５０の凸部５２の
高さは突片３８の厚さ程度である。一般に、凸部３８よ
りも下方まで塑性流動状態になり、摩擦接合される。同
様に、凸部５２の径よりも大きく塑性流動状態になる。
突片３８の下面と板３６との接触部の下方まで摩擦接合
されるようにするのが望ましい。

【００１６】図４は接合後の状態を示す。板３６の厚さ
の中心の延長線上に接合ビード４５の幅の中心が位置す
る。

【００１７】前記垂直力を支えるために、板３６の厚さ
の中心部の延長線上に回転工具５０の回転中心があるこ
とが望ましい。左右の中空型材３１、３２の接合量を同
一にするために、前記延長線上に角部３３b、３４bはあ
ることが望ましい。板３６の厚さの延長線の範囲内に回
転工具５０の凸部５２があることが望ましいが、板３６
の厚さは前記垂直力、凸部５２の位置、板３６の強度に
よって定まる。このため、凸部５２の径よりも板３６の
厚さの方が小さい場合が考えられる。また、回転工具５
０の位置の誤差、角部３３b、３４bの位置の誤差を考え
ると、板３６の厚さの延長線の範囲に角部３３b、３４
ｂがあり、前記範囲に回転工具５０の凸部５２の少なく
とも一部が位置することが望ましい。これによれば、板
３６は前記垂直力を少しなりとも受けることができ、継
ぎ手の変形を実質的に防止し、良好な接合を得ることが
できる。ビード４５を基準にすれば、ビード４５は凸部
５２よりも若干大きいが、前記とほぼ同様なことがいえ
る。他の例においても同様である。

【００１８】この継ぎ手形状によれば、実験によれば、
図１の場合に比べて、一般的に、突片３８と中空型材３
１との水平方向の間隔が大きくても、接合部の凹みを少
なくできるものである。このため、見栄えが良く、塗装
する場合にもパテの量を少なくできるものである。これ
は、両者の隙間が突片３８の厚さで終了しているためと
考えられる。また、一般に軽量にできるものと考えられ
る。また、一方の中空型材を他方にはめこんでいるの
で、両者の高さ方向の位置合わせを容易にできるもので
ある。

【００１９】中空型材３１の端部の形状は左右対称であ
り、中空型材３２の端部の形状は左右対称である。また
は、中空型材３１の一端は図３のとおりであり、他端は
図３の中空型材３２の端部の形状である。

【００２０】図５の例は、中空型材３１の凹部の角部３
３b、３４ｂの直下には垂直な板３６は実質的に無い。
角部３３b、３４bの延長線上に板３６の右端がある。こ
の延長線上に回転工具５０の回転中心がある。接合部に
おいて下方に位置する突片３７の厚さを厚く、また、突
片３７の先端から板３６への接続部の円弧を大きくし
て、中空型材３１の端部を前記垂直力を支える剛性にし
ている。他方の中空型材３２の突片３８は図３の例と同
様に、突片３７の凹部に重なっている。他方の中空型材
３２には突片の近くに２つの板３３、３４を接続する板
３６を有する。これによって、凹部の角部の直下に垂直
な板３６が無くても、接合部に不良は発生しない。ただ
し、ビード４５の範囲の垂直方向にはパネル３１の板３
６がある。図６は接合後の状態を示す。

【００２１】図５の例において、中空型材３２の板３６
を除くことも可能である。

【００２２】図７の例は、図５の例において、２つの中
空型材３１，３２の接合部において、表面側に突出する
凸部３７ａ，３８ａを設けたものである。つまり、接合
部の肉厚は厚くなっている。凸部３７ａと凸部３８ａ高
さは同一である。他の形状は図５と同様であるが、板３
６、および突片３７の厚さは若干薄くなっている。

【００２３】これによれば、摩擦接合の前に、凸部３７
ａと凸部３８ａとの間に隙間があっても、摩擦接合によ
って凸部３７ａ、３８ａの体積が前記隙間を埋める。こ
のため、見栄えがよく、パテの量を少なくできる。

【００２４】また、従来においては、下向きの力により
下方に流失した部材４１の体積分、接合ビードに空孔を
生じていた。図７の継ぎ手形状によれば、接合時、回転
工具５０により凸部３７ａ，３８ａが塑性流動して下方
に押し流され、流失した部材４１の体積分を補うことに
なるので、空孔の発生を防止し、良好な接合を行なうこ
とができるものである。図８は接合後のビード４５の形
状を示したものである。なお、接合後、不要部があれば
図のように切削する。

【００２５】前記凸部３７ａ，３８ａは図１、図３、図
５および後述の例においても適用できるものである。

【００２６】図９の例は一方側のみから上下二面の接合
を行えるようにしたものである。中空型材３１，３２の
下面側の端部は下面の板３４，３４と同一面から突片３
４ａを他方の中空型材側に大きく突出している。突片３
４ａ，３４ａの先端は実質的に接触している。上面の板
３３，３３の先端は下面の板３４ａ，３４ａの先端より
も後方に位置している。上面の板３３，３３の先端部と
下面の板３４，３４とは垂直な板３６，３６によって接
続されている。板３６、３６は板３４の途中に接続して
いる。垂直な板３６，３６の上部に継ぎ手６０が重なる
凹部３９，３９がある。継ぎ手６０を凹部３９，３９に
載せたとき、継ぎ手６０の上面の板３３，３３の上面と
同一面になる。２つの板３６，３６の間隔は回転工具５
０を挿入できる程度の大きさであり、できるだけ小さ
い。板３６と凹部３９との関係は図３、図５、図７の例
等で説明したとおりである。

【００２７】接合手順を説明すると、図９の（Ａ）の状
態で、回転工具５０によって下面の板３４ａ，３４ａの
先端を接合する。この時、中空型材３１，３２は板３４
ａ，３４ａの接合部を含めてベッドに載っている。接合
部のベッド（接合ビードの裏当て）の上面は平である。
回転工具５０の凸部５２の高さは板３４ａ，３４ａの厚
さよりも小さい。これによれば、接合後の下面は平にな
る。このため、この下面側を鉄道車両の構体の外面や建
築物等の構造物の外面（その表面に化粧板を配置しない
面を言う。）に容易にすることができる。一般に、摩擦
接合部の上面側（境５３の部分）に凹凸が生じやすい。

【００２８】次に、（Ｂ）のように２つの中空型材３
１，３２の間に継ぎ手６０を載せる。

【００２９】継ぎ手６０の縦断面はＴ状である。継ぎ手
６０の両端を凹部３２，３２に重ねたとき、垂直片６１
の下端は下面の板の接合ビードとの間に隙間を有する。
垂直辺６１はなくてもよい。

【００３０】次に、（Ｃ）のように、継ぎ手６０と中空
型材３１との接続部を回転工具５０で摩擦接合する。こ
の回転工具５０は（Ａ）の接合工具と同一である必要は
ない。

【００３１】次に、（Ｄ）のように、継ぎ手６０と中空
型材３２との接続部を回転工具５０で摩擦接合する。

【００３２】これによれば、一方の面側から接合がで
き、反転作業を不要にできるものである。反転作業を省
略することで、反転および位置決め時間の省略、反転装
置の省略、組立精度向上というメリットを得ることがで
きる。

【００３３】図１０の実施例は、中空型材５６、５７の
上下の面を同時に摩擦接合するようにしたものである。
上部の回転工具５０の鉛直方向に下方を接合する回転工
具５０ａがある。回転工具５０ａの凸部５２は上方を向
いている。２つの回転工具５０，５０ａを対向させた状
態で、同一速度で移動させ、摩擦接合を行なう。７０、
７０はベッド（架台）である。工具５０、と５０ａの回
転中心は同一線上にある。この線上に、中空型材５６、
５７の接合部がある。

【００３４】これによれば、一方の回転工具５０の回転
中心の延長線上に他方の回転工具５０ａの回転中心があ
るので、力がつりあい、接合部の変形が少なく、短時間
に接合できる。中空型材５６、５７を反転させる必要が
無いので、変形が少なく、作業時間を少なくできる。

【００３５】この実施例は他の例にも適用できる。

【００３６】上記各例はパネルとして中空型材を使用し
たものである。以下の例はハニカムパネルに適用した場
合を示すものである。図１１に示すように、ハニカムパ
ネル８０ａ，８０ｂは、２つの面板８１，８２と、ハニ
カム状のセルを有する芯材８３と、面板８１，８２の端
面に沿って配置した縁材８４とからなり、芯材８３、縁
材８４は面板８１，８２にろう付けされ、一体になって
いる。面板８１，８２、芯材８３、および縁材８４はア
ルミニウム合金である。縁材８４は押出し型材であり、
その断面は４角形である。各片の肉厚は板８１，８２の
厚さよりも厚い。接触する縁材８４，８４の垂直片の厚
さは図１の場合と同様である。２つのハニカムパネル８
０ａ，８０ｂの厚さは同一である。

【００３７】図１１の例は図１の例に相当するものであ
る。回転工具５０の凸部５２の高さは面板８１，８２の
厚さよりも大きい。これによって、面板８１、８２、お
よび縁材８４、８４が接合される。主として縁材８４が
パネル８０ａ、８０ｂに作用する荷重を伝達する。パネ
ル８０ａ、８０ｂを製作後、両者を組み合わせ、摩擦接
合を行う。

【００３８】図１２の例は図３に相当するものである。
ハニカムパネル８０ａの縁材８４は断面がほぼ４角形で
あり、角部に凹部を有する。ハニカムパネル８０ｂの縁
材８４はハニカムパネル８０ｂの端部側が開放したチャ
ンネル状であり、その先端が縁材８０ａの凹部に載る。

【００３９】図５に相当するハニカムパネルも同様に製
作できるものである。

【００４０】図１３の例は、図７に相当するものであ
る。２つのハニカムパネル８０ａ，８０ｂを組み合わせ
た後、面板８１，８１の上面に板８６を載せ、板８１，
８１に溶接で仮止めしたものである。板８６は塑性流動
によって流出する材料を補うものである。また、図１２
において、ハニカムパネル８０ａの縁材８４の端部側の
垂直片を除いたものである。前記垂直力は水平片の厚さ
およびその周囲の形状で受けもつ。

【００４１】図１４の例について説明する。図１３まで
の例は２つの面（板）を有するパネルであったが、図１
４の例は実質的に１つの面（板９４、９４）を有するパ
ネル９１、９２である。但し、パネル９１、９２の端部
において、板９４、９４のある外側と、板のない内側の
２カ所で、摩擦接合を行う。このため、内側の接合部に
は幅の小さな面（板９３、９３）がある。板９３、９３
は板９６、９６で支えられている。このものでも板９６
は板９３、９４に実質的に直交しているといえる。板９
３、９４は図７と同様の凸部３７ａ、３８ａを設けてい
る。板９４、９４には所定の間隔で複数の強度部材用の
リブ（板）９５、９５を配置している。リブ９５の断面
はＴ状である。リブ９５の頂面は接合部の板９３の頂面
と同一面である。両者の頂面には強度部材（例えば、
柱）を溶接したり、物品の取り付け座になる。また、板
９３、９３は工具５０の高さ位置を管理するための座と
なる。工具５０を備える移動体は板９３、９３を載って
移動する。板９３、９４によって、このパネル９１、９
２も２面構造体といえる。パネル９１、９２は押出し型
材である。

【００４２】図１４のパネル９１とパネル９２との接合
部の形状は図１と同様に板９６、９６を向き合わせてい
るが、図３、図５、図７、のように、重ねることができ
る。

【００４３】図１５は鉄道車両の構体への適用を示す図
である。構体は、側構体１０１、屋根構体１０２、床構
体１０３、長手方向の端部の妻構体１０４から構成され
る。

【００４４】側構体１０１、屋根構体１０２は例えば、
パネル３１、３２、８０ａ、８０ｂ、９１、９２の長手
方向を車両の長手方向にしている。側構体１０１と屋根
構体１０２との接続、側構体１０１と床構体１０３との
接続等はＭＩＧ溶接で行う。屋根構体１０２や側構体１
０１は円弧状であることが多い。パネル９１、９２を側
構体１０２に使用する場合、板９６、リブ９５がある面
が車内側であり、前記強度部材は柱となる。

【００４５】なお、図９のパネル３１、３２を勝手違い
に組み合わせることができる。突出した板３４ａ、３４
ａの端部が板３２側の凹部３９、３９に重なっている。
継ぎ手６０は使用しない。接合部を上下から同時に摩擦
接合できる。板３３、３４ａには図７のように凸部を設
けることができる。

【００４６】本発明の技術範囲は、特許請求の範囲の各
請求項の記載の文言あるいは発明が解決しようとする課
題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にも及ぶものである。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、２つの板を接続する部
分を両面から接合するようにしているので、両面から接
合すべき部材の変形を抑えることができ、良好な接合が
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】接合部の縦断面図。

【図２】図１において摩擦接合後の縦断面図。

【図３】他の接合部の縦断面図。

【図４】図３において摩擦接合後の縦断面図。

【図５】他の接合部の縦断面図。

【図６】図５において摩擦接合後の縦断面図。

【図７】他の接合部の縦断面図。

【図８】図７において摩擦接合後の縦断面図。

【図９】他の接合部の摩擦接合の手順を説明する縦断面
図。

【図１０】本発明の一実施例の縦断面図。

【図１１】他の接合部の縦断面図。

【図１２】他の接合部の縦断面図。

【図１３】他の接合部の縦断面図。

【図１４】他の接合部の縦断面図。

【図１５】鉄道車両の構体の斜視図。

【符号の説明】

３１、３２中空型材３３、３４、３４ａ板３５リブ３６板５０接合用の回転体３３ｂ、３４ｂ角部３７ａ、３８ａ凸部３９凹部９１、９２型材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献ＴｈｏｍａｓＷＭｅｔａｌ，”Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ”，ＭｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｕｒｏｐｅ，ＳｔｅｒｌｉｎｅＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，1994，Ｐ．143−145 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のパネルと第２のパネルとを突き合
わせており、前記パネルのそれぞれは、第１の板と、該
第１の板の両端に接続した第２の板と第３の板と、を有
しており、前記第２の板と前記第３の板とは実質的に平
行であり、前記第１の板は前記第２の板および前記第３
の板に実質的に直交しており、前記第１の板同士が突き
合わせてあり、前記突き合わせた部分の前記第２の板の側、前記第３の
板の側のそれぞれに回転工具を配置するとともに、一方
の前記回転工具の鉛直方向に他方の前記回転工具を配置
して、２つの前記回転工具を実質的に同一速度で移動さ
せて摩擦接合を行うこと、を特徴とするパネルの摩擦接合方法。