JP3228468B2 - 摩擦接合用部材 - Google Patents

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、アルミニウム合金製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ＷＯ ９
３／１０９３５（ＥＰ ０６１５４８０Ｂ１、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、良好な摩擦接合ができる
部材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の板
と、これに実質的に平行な第２の板と、前記第１の板の
一端と前記第２の板一端とを接続する第３の板と、から
なり、前記第３の板は前記第１の板に実質的に直交して
おり、前記第３の板と前記第１の板、前記第３の板と前
記第２の板とのそれぞれの接続部であって、前記第１の
板、前記第２の板のそれぞれの一端に沿って凹部があ
り、ぞれぞれの前記凹部は中空型材の厚さ方向の外側お
よび前記一端の方向に向けて開放しており、前記それぞ
れの凹部は回転工具の挿入によって摩擦接合する部分で
あり、前記第３の板は前記摩擦接合の際の力を支える剛
性を有すること、を特徴とする摩擦接合用中空型材を構
成する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３から図１０、図１
２、図１３の実施例を主体としたものである。本発明は
その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３１，３２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３
６，３６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３１，３２はアルミニウム合金の押
出し型材である。中空型材３１の上下の面は中空型材３
２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。以下の実施例も同様である。
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３
１、３２の端部の形状は左右対称である。中空型材３
１、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、３６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。以下の実施例でも同様である。

【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の本発明の一実施例は、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３３、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３
３ｂ、３４ｂ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。他の実施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の実施例は、中空型材３１の凹部の角
部３３b、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の実
施例と同様に、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３
１の板３６がある。図６は接合後の状態を示す。

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

【００２２】図７の実施例は、図５の実施例において、
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３６、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および後述の実施例においても適用できるものであ
る。

【００２６】図９の実施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３１，３
２の下面側の端部は下面の板３４，３４と同一面から突
片３４ａを他方の中空型材側に大きく突出している。突
片３４ａ，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３９，３
９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５０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
実施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】この実施例は他の実施例にも適用できる。

【００３６】上記各実施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８
３、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８
４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８０ａ，８０ｂの厚さは同一である。

【００３７】図１１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８
０ａ、８０ｂを製作後、両者を組み合わせ、摩擦接合を
行う。

【００３８】図１２の実施例は図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１４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９３、
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に載って移動す
る。板９３、９４によって、このパネル９１、９２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、接合部に支え部材があ
るので、接合すべき部材の変形を抑えることができ、良
好な摩擦接合ができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】接合部の縦断面図である。

【図２】図１において摩擦接合後の縦断面図である。

【図３】本発明の一実施例の縦断面図である。

【図４】図３において摩擦接合後の縦断面図である。

【図５】本発明の他の実施例の縦断面図である。

【図６】図５において摩擦接合後の縦断面図である。

【図７】本発明の他の実施例の縦断面図である。

【図８】図７において摩擦接合後の縦断面図である。

【図９】本発明の他の実施例の摩擦接合の手順を説明す
る縦断面図である。

【図１０】本発明の他の実施例の縦断面図である。

【図１１】他の接合部の縦断面図である。

【図１２】本発明の他の実施例の縦断面図である。

【図１３】本発明の他の実施例の縦断面図である。

【図１４】他の接合部の縦断面図である。

【図１５】鉄道車両の構体の斜視図である。

【符号の説明】

３１、３２：中空型材、３３、３４：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 Ｆｒｉｋｔｉｏｎｓ ｓｖｅｔｓｎｉ ｎｇ ｎｙ ｍｅｔｏｄ ｆｏｒ ａｌ ｕｍｉｎｉｕｍ、ＶＥＲＫＳＴＡＤＥＲ ＮＡ、（Ｓｖｅｒｉｇｅ）、Ｖｅｒｋｓ ｔａｄｅｍａｓ Ｆｏｒｌａｇ ＡＢ、 1996年３月４日（ＫｕｎｇｌＴｅｋｎｉ ｓｋａ Ｈｏｇｓｋｏｌａｎｓ Ｂｉｂ ｌｉｏｔｅｋ受入日）、ＮＲ２、1996、 Ｐ32・34 軽金属車両委員会 編，「軽金属車両 委員会報告書 Ｎｏ．４ 昭和53年〜昭 和58年」，社団法人日本鉄道車輌工業会 社団法人軽金属協会，昭和59年７月15 日，ｐ．193−196 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の板と、これに実質的に平行な第２
   の板と、前記第１の板の一端と前記第２の板一端とを接
   続する第３の板と、からなり、 前記第３の板は前記第１の板に実質的に直交しており、 前記第３の板と前記第１の板、前記第３の板と前記第２
   の板とのそれぞれの接続部であって、前記第１の板、前
   記第２の板のそれぞれの一端に沿って凹部があり、ぞれぞれの前記 凹部は中空型材の厚さ方向の外側および
   前記一端の方向に向けて開放しており、 前記それぞれの凹部は回転工具の挿入によって摩擦接合
   する部分であり、 前記第３の板は前記摩擦接合の際の力を支える剛性を有
   すること、 を特徴とする摩擦接合用中空型材。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記第１の板の前記外側の面から前記凹部の底面に至る
   面は、前記第３の板の厚さの延長線の範囲内にあり、 前記第２の板の前記外側の面から前記凹部の底面に至る
   面は、前記第３の板の厚さの延長線の範囲内にあるこ
   と、 を特徴とする摩擦接合用中空型材。
3. 【請求項３】 請求項２において、それぞれの前記至る
   面は、前記第３の板厚の中心の延長線上にあること、を
   特徴とする摩擦接合用中空型材。
4. 【請求項４】 請求項２において、それぞれの前記至る
   面は、前記第３の板厚の中心よりも前記第１の板、前記
   第２の板のそれぞれの他端側にあること、を特徴とする
   摩擦接合用中空型材。