JP3481501B2 - 構造体およびその製作方法 - Google Patents
構造体およびその製作方法Info
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Description
体およびその製作方法に関するものである。例えば、鉄
道車両や建築物等に使用されるアルミニウム合金製の中
空の押し出し形材による構造体の製作に好適である。
丸棒(回転工具という。)を回転させながら接合線に沿
って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動さ
せ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿
入する小径部と、外部に位置する大径部とからなる。小
径部と大径部は同軸である。小径部と大径部との境は接
合部に若干挿入されている。これは特開平09−309
164号公報(EP0797043A2)に示されてい
る。この文献の図9には中空の押し出し形材の二面の接
合を一方の面から行うことが示されている。また、中空
形材の変形を防止する継ぎ手が示されている。
溶接と異なる点は、回転工具の挿入によって被接合部材
に大きな荷重が作用することである。この荷重は主とし
て回転工具の挿入方向(軸心の方向)に作用する。つま
り、回転工具の挿入力が被接合部材に作用する。
合、面板や二枚の平行な面板を接続するリブに対して前
記挿入力が作用し、中空形材が変形する。このことか
ら、継ぎ手部の変形を防止する構造が必要がある。
164号公報(EP0797043A2)に示されてい
る。これは接合部に、二枚の面板を接合する垂直な板
(縦リブという。)を設けたものである。縦リブは回転
工具の軸心の延長線上にある。縦リブは二枚の面板を接
続するリブの一つである。縦リブには大きな荷重が集中
的に作用するために、板厚を大きくする必要がある。こ
のため、継ぎ手の軽量化には限界がある。
る。中空形材に面外曲げ力が作用した場合、全体の剛性
に支配的な部位はリブであることが知られている。面外
曲げ力に対して剛性を向上させるためには、せん断力の
主応力方向である面板に対して45度の向きにリブを一
致して配置することが望ましい。しかし、二枚の面板に
垂直な縦リブは強度部材としてはほとんど寄与しない。
して用いる際に剛性の向上にほとんど寄与しないにも関
わらず、摩擦攪拌接合時の挿入力を支持するために板厚
を大きくする必要があるので、継ぎ手の軽量化を困難に
している。本発明の目的は、軽量かつ高剛性な構造体を
提供することにある。
の間を複数のリブでトラス状に接続しており、一方の面
板の端部は他方の面板の端部よりも端部側に突出してお
り、前記一方の面板の前記端部側と前記他方の面板の端
部とを前記トラスを構成する前記リブで接続した中空形
材を準備し、該中空形材の前記他方の面板の前記端部に
前記トラスの頂点を有する2つの前記リブの板厚は、実
質的に該頂点に接続する第2の部材を回転工具によって
摩擦攪拌接合する際、前記回転工具の挿入力を支持する
板厚であり、前記中空形材の前記他方の面板の端部の前
記トラスの頂点の近傍に、該他方の面板の延長方向に沿
って、前記第2の部材を位置させ、前記第2の部材を前
記中空形材に前記摩擦攪拌接合すること、によって達成
できる。
により説明する。車体200は、側面を構成する側構体
201、屋根を構成する屋根構体202、床を構成する
台枠203、長手方向の端部を構成する妻構体204か
らなる。側構体201、屋根構体202、台枠203
は、それぞれ複数の押し出し形材を接合して構成してい
る。押し出し形材の長手方向を車体の長手方向にしてい
る。押し出し形材はアルミニウム合金製の中空形材であ
る。側構体201を構成する中空形材10、20の構成
および接合方法について説明する。他の箇所、他の構体
も同様である。
2、21、22とトラス状に配置した複数のリブ13、
23からなる。二枚の面板11、12(21、22)は
実質的に平行である。リブ13、23によるトラスのピ
ッチは同一である。トラスはリブ13、23、面板1
1、12、21、22の板厚の中心線によって構成され
る。頂点は面板11、12、21、22側にある。頂点
を黒丸で示している。
付けるためのレール19、29を一体に設けている。レ
ール19、29はL状の2つの部材からなる。レールは
内装板や椅子等の機器の取り付け座になる。
する。中空形材の10の端部にはトラスの一辺を構成す
るリブ13Aがある。面板12の端部は面板11の端部
よりも端部側(隣接する中空形材20側)に突出してい
る。端部のリブ13Aは面板11の端部と面板12の端
部とを接続している。面板11の端部と面板12とを接
続するリブ13Bがある。リブ13A、13Bによって
2等辺3角形のトラスを構成している。他のトラスも2
等辺3角形のトラスである。
の端部よりも端部側(隣接する中空形材10側)に突出
している。面板21の端部と面板22の端部とを接続す
るリブはない。面板21の端部の内側はリブ13Aから
突出させた座17に重なっている。座17はリブ13
A、13Bの交点付近のリブ13Aに設けている。面板
12の端部の内側は、面板22の端部から突出させた座
27に重なっている。
とき、リブ23B、13A、および面板21によって、
2等辺3角形のトラスが構成される。このトラスの大き
さは他のトラスの大きさと同一である。他のトラスも2
等辺3角形である。
5、16、26を設けている。凸部15、25、16、
26の高さ、幅は同一である。この突き合わせ部を摩擦
攪拌接合している。リブ13A、13B、23Bの板厚
は他の箇所のリブ13、23の板厚よりも厚い。突き合
わせ面はリブ13A、13B、23B、面板12、22
によるトラスの頂点の鉛直線(面板の法線に沿った線)
上にある。回転工具250の位置の精度から実務的には
トラスの頂点の近傍の鉛直線上に回転工具250の軸心
が位置する。中空形材10、20は面板12、22を下
方にしてベッド240に載っている。上方から回転工具
250を接合部に挿入して摩擦攪拌接合をする。
面15b、26bは面板11、22に対して垂直であ
る。これに対応する部材に突き合わせ面も垂直である。
垂直面15b、26bと座17、27の上面とによって
凹部を構成している。この凹部は面板11、22に沿っ
た面および中空形材10、20の端部側に開口してい
る。
12、21、22に直交している。つまり、面板の法線
に沿っている。突き合わせ面15b、26bは中空形材
10、20の厚さ方向に沿っている。突き合わせ面15
b、26bの位置はトラスの頂点を通る法線よりも中空
形材10、20の他端側に位置している。突き合わせ面
15b、26bがトラスの頂点を通る法線上にある場合
であって、他方の面板21、12の端部が短い場合(許
容誤差内である。)、回転工具250の挿入位置は他方
の面板側に寄るためである。この場合、寄った側のリブ
の荷重が過大になる可能性がある。2つの凸部15、2
5(16、26)の幅を検出して、その中心に回転工具
250の軸心を一致させる。
材10、20はベッド240に載せられ、固定されてい
る。面板11、21(12、22)の端部の突き合わせ
部は接触しているか近接している。上面側の面板11、
21の突き合わせ部の凸部15、25を上方からアーク
溶接によって仮止めする。仮止め溶接は間欠的である。
る。リブ23Bと面板22との交点の近傍もベッド24
0に載っている。この状態において、摩擦攪拌接合装置
の回転工具250を上方から凸部15、25の突き合わ
せ部に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦
攪拌接合する。回転工具250の軸心は鉛直方向であ
る。ただし、回転工具250の進行方向に対しては軸心
は公知のように傾斜している。2つの凸部15、25の
幅を検出してその中心に回転工具250の軸心を位置さ
せる。
の小径部251とからなる。小径部251の先端は座1
7の上面よりも深く挿入している。大径部252の下端
は凸部15、25の頂と面板11、21の外面との間に
位置している。大径部252の径は2つの凸部15、2
5からなる幅よりも小さい。小径部251はねじであ
る。
1の突き合わせ部の隙間は埋められて、接合される。
0に載せる。凸部16、26の上方からアーク溶接で仮
止めする。次に、凸部16、26の上方から回転工具2
50で摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合は前記と同様で
ある。
板と同一面にする。これによれば、回転工具250の軸
心は2つのリブ13A、13B(13A、23B)によ
るトラスの頂点またはその近傍を通る鉛直線上にある。
接合の際の挿入力は、回転工具250の軸心に向けて配
置した2つのリブ13A、13B(13A、23B)に
よって支えられる。このため、リブ13A、13B、2
3Bの曲がりを抑制できる。13A、13B、23Bの
板厚を薄くでき、軽量にできるものである。もちろん面
板11、21の曲がりも抑制できる。リブ13A、13
B、23Bの板厚は他のリブ13、23の板厚よりも厚
い。リブ13A、13B、23Bを支えるベッド240
があるので、面板の曲がりも防止できる。
考えると、実質的にすべてをトラス構造で構成したこと
になる。このため、面外曲げ剛性が向上し、軽量にでき
るものである。2つのリブ13A、13B(13A、2
3B)による頂点は面板11、21よりも外面側にあっ
てもよい。
いるが、いずれか一方の接合または双方の接合をアーク
溶接で行ってもよい。アーク溶接する場合は、接合時の
荷重がないので、リブ13A、13B、23Bを薄くで
きるであろう。突出座27の上面、座17の下面は傾斜
していてもよい。上記実施例は面板11、12、21、
22が平行であったが、一方の面板が他方の面板に対し
て傾斜している場合にも対応できるものである。
る場合である。中空形材10の一端は水平である。中空
形材10、20はベッド240に載っている。これは側
構体201の端部の接合線に生じ易い。この場合の回転
体の軸心は面板の法線に沿っている。この法線はトラス
の頂点の近傍を通る。矢印は回転工具250の位置と方
向を示す。
ブロック状の部材30である。部材30は中空か否かを
問わない。他は図1の実施例に同様である。部材30が
中空形材のとき、座27は凸部26と面板21とを接続
するリブに設ける。このリブは面板11に実質的に直交
(面板の法線に沿っている)している。面板21は面板
11の延長線上に実質的に沿っている。
20は面板21の端部と面板22の端部とを接続するリ
ブがない。一方、面板の端部には凸部25、26があ
る。このため、凸部25の製作が困難である。図6の実
施例はこれを改善することを目的とするものである。面
板21の端部と面板22の端部とを接続するリブ23A
がある。リブ23A、23B、面板21によって2等辺
3角形を構成している。これによれば2本のリブで挿入
力を支える。リブ13A、13B、23A、23Bの板
厚を薄くできる。中空形材20を製作後、リブ23Aを
除き、その後、図1のように摩擦攪拌接合することもで
きる。
端部に近接して設けている。リブ23Aの中心線とリブ
13Bの中心線とから2等辺3角形を構成している。両
者の中心線の交点を通る鉛直線上に回転工具250の軸
心がある。これによれば、挿入力を3本のリブでより支
えることができる。
置を2つの交点の間にしたものである。
各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項に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。
2つのリブによるトラスの頂点の近傍を接合部として接
合するので、軽量かつ高剛性な構造体を提供することが
できるものである。
図。
Claims (12)
- 【請求項1】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
よりも端部側に突出しており、前記一方の面板の前記端
部側と前記他方の面板の端部とを前記トラスを構成する
前記リブで接続した中空形材を準備し、 該中空形材の前記他方の面板の前記端部に前記トラスの
頂点を有する2つの前記リブの板厚は、実質的に該頂点
に接続する第2の部材を回転工具によって摩擦攪拌接合
する際、前記回転工具の挿入力を支持する板厚であり、 前記中空形材の前記他方の面板の端部の前記トラスの頂
点の近傍に、該他方の面板の延長方向に沿って、前記第
2の部材を位置させ、 前記第2の部材を前記中空形材に前記摩擦攪拌接合する
こと、 を特徴とする構造体の製作方法。 - 【請求項2】 請求項1の構造体の製作方法において、
前記中空形材の前記頂点の近傍に設けた凹部に、前記第
2の部材を重ね、 次に、前記中空形材と前記第2の部材とを前記摩擦攪拌
接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。 - 【請求項3】 請求項2の構造体の製作方法において、
前記摩擦攪拌接合は、前記一方の面板の端部と前記第2
の部材の端部との突き合わせ部を摩擦攪拌接合するこ
と、を特徴とする構造体の製作方法。 - 【請求項4】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
よりも端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と
前記他方の面板の端部とを前記トラスを構成する前記リ
ブで接続しており、前記他方の面板の端部であって前記
トラスの頂点の近傍に、第2の中空形材の一方の前記面
板を重ねる座を有している第1の中空形材を準備し、 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状に接続してお
り、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも端部側
に突出しており、前記他方の面板の端部と前記一方の面
板の途中とを前記トラスを構成する前記リブで接続して
おり、前記一方の面板の途中と前記リブとの接続位置は
前記他方の面板の端部よりも他端側にあり、前記他方の
面板の前記端部と前記一方の面板の前記端部とは接続す
るリブがなく、前記他方の面板の端部であって前記トラ
スの頂点の近傍に、前記第1の中空形材の前記一方の面
板を重ねる座を有している第2の中空形材を準備し、 前記第1の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第2
の中空形材の前記座に重ね、前記第2の中空形材の前記
一方の面板の端部を前記第1の中空形材の前記座に重
ね、これによって、前記第2の中空形材の前記他方の面
板の前記端部と前記一方の面板の前記端部とを接続する
リブとして、前記第1の中空形材の前記一方の面板の前
記端部と前記他方の面板の前記端部とを接続する前記リ
ブを用いており、前記第1または前記第2の中空形材の
前記他方の面板の前記端部に頂点がある前記トラスを構
成する2つの前記リブの板厚は該トラスの頂点側から回
転工具を挿入し回転させて摩擦攪拌接合する際の前記回
転工具の挿入力を支持する板厚であり、 前記重ねた部分をそれぞれ前記摩擦攪拌接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。 - 【請求項5】 請求項4の構造体の製作方法において、
前記摩擦攪拌接合は、前記第1または前記第2の中空形
材の前記一方の面板の端部と前記第2または前記第1の
中空形材の前記他方の面板の端部との突き合わせ部を前
記摩擦攪拌接合すること、を特徴とする構造体の製作方
法。 - 【請求項6】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
よりも端部側に突出しており、前記一方の面板の端部と
前記他方の面板の端部とを前記トラスを構成する前記リ
ブで接続しており、前記他方の面板の端部であって前記
トラスの頂点の近傍に、第2の中空形材の一方の前記面
板を重ねる座を有している第1の中空形材を準備し、 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状に接続してお
り、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも端部側
に突出しており、前記一方の面板の端部と前記他方の面
板の端部とを前記トラスを構成する前記リブで接続して
おり、前記他方の面板の端部であって前記トラスの頂点
の近傍に、前記第1の中空形材の前記一方の面板を重ね
る座を有している第2の中空形材を準備し、 前記第1の中空形材の前記一方の面板の端部を前記第2
の中空形材の前記座に重ね、前記第2の中空形材の前記
一方の面板の端部を前記第1の中空形材の前記座に重
ね、これによって、前記第1の中空形材の前記一方の面
板の端部と前記他方の面板の前記端部とを接続する前記
リブと、前記第2の中空形材の前記他方の板の端部と前
記一方の面板の途中とを接続する前記リブとから前記ト
ラスを構成しており、また、前記第2の中空形材の前記
一方の面板の端部と前記他方の面板の前記端部とを接続
する前記リブと、前記第1の中空形材の前記他方の板の
端部と前記一方の面板の途中とを接続する前記リブとか
ら前記トラスを構成しており、また、前記トラスを構成
する2つの前記リブの板厚は、該トラスの頂点側から回
転工具を挿入し回転させて摩擦攪拌接合する際の前記回
転工具の挿入力を支持する板厚であり、 前記重ねた部分をそれぞれ前記摩擦攪拌接合すること、 を特徴とする構造体の製作方法。 - 【請求項7】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状
に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部
よりも端部側に突出しており、前記一方の面板の前記端
部側と前記他方の面板の端部とを前記トラスを構成する
前記リブで接続した中空形材があり、 前記中空形材の前記他方の面板の端部の前記トラスの頂
点の近傍に、第2の部材が摩擦攪拌接合されており、該
第2の部材は前記他方の面板の延長線方向に実質的に位
置しており、 前記他方の面板の端部に前記トラスの頂点を有するトラ
スを構成する2つの前記リブの板厚は、該頂点に実質的
に接続する前記第2の部材を回転工具を挿入し回転させ
て摩擦攪拌接合する際、前記回転工具の挿入力を支持す
る板厚であること、 を特徴とする構造体。 - 【請求項8】 請求項7の構造体において、前記摩擦攪
拌接合は、前記一方の面板の端部と前記第2の部材の端
部との突き合わせ部を摩擦攪拌接合していること、を特
徴とする構造体。 - 【請求項9】 請求項7の構造体において、前記中空形
材の前記頂点の近傍に設けた凹部に、前記第2の部材が
接合されていること、を特徴とする構造体。 - 【請求項10】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス
状に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端
部よりも端部側に突出しており、前記一方の面板の端部
と前記他方の面板の端部とを前記トラスを構成する前記
リブで接続しており、前記他方の面板の端部であって前
記トラスの頂点の近傍に、第2の中空形材の一方の面板
を重ねる座を有している第1の中空形材があり、 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状に接続してお
り、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも端部側
に突出しており、前記他方の面板の端部と前記一方の面
板の途中とを前記トラスを構成する前記リブで接続して
おり、前記一方の面板の途中と前記リブとの接続位置は
前記他方の面板の端部よりも他端側にあり、前記他方の
面板の前記端部と前記一方の面板の前記端部とは接続す
るリブがなく、前記他方の面板の端部であって前記トラ
スの頂点の近傍に、前記第1の中空形座の前記一方の面
板を重ねる座を有している第2の中空形材があり、 前記第1の中空形材の前記一方の面板の端部が前記第2
の中空形材の前記座に重なっており、 前記第2の中空形材の前記一方の面板の端部が前記第1
の中空形材の前記座に重なっており、 前記第2の中空形材の前記他方の面板の前記端部と前記
一方の面板の前記端部とを接続するリブとして、前記第
1の中空形材の前記一方の面板の前記端部と前記他方の
面板の前記端部とを接続する前記リブを用いており、前
記第1または前記第2の中空形材の前記他方の面板の前
記端部に頂点がある前記トラスを構成する2つの前記リ
ブの板厚は該トラスの頂点側から回転工具を挿入し回転
させて摩擦攪拌接合する際の前記回転工具の挿入力を支
持する板厚であり、 前記重ねた部分をそれぞれ前記摩擦攪拌接合しているこ
と、 を特徴とする構造体。 - 【請求項11】 請求項10の構造体において、前記摩
擦攪拌接合は、前記第1の中空形材の前記一方の面板の
端部と前記第2の型材の他方の面板との突き合わせ部を
摩擦攪拌接合していること、を特徴とする構造体。 - 【請求項12】 二枚の面板の間を複数のリブでトラス
状に接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端
部よりも端部側に突出しており、前記一方の面板の端部
と前記他方の面板の端部とを前記トラスを構成する前記
リブで接続しており、前記他方の面板の端部であって前
記トラスの頂点の近傍に、第2の中空形材の一方の面板
を重ねる座を有している第1の中空形材があり、 二枚の面板の間を複数のリブでトラス状に接続してお
り、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも端部側
に突出しており、前記一方の面板の端部と前記他方の面
板の端部とを前記トラスを構成する前記リブで接続して
おり、前記他方の面板の端部であって前記トラスの頂点
の近傍に、前記第1の中空形材の前記一方の面板を重ね
る座を有している第2の中空形材があり、 前記第1の中空形材の前記一方の面板の端部が前記第2
の中空形材の前記座に重なっており、 前記第2の中空形材の前記一方の面板の端部が前記第1
の中空形材の前記座に重なっており、 前記第1の中空形材の前記一方の面板の端部と前記他方
の面板の前記端部とを接続する前記リブと、前記第2の
中空形材の前記他方の板の端部と前記一方の面板の途中
とを接続する前記リブとから前記トラスを構成してお
り、また、前記第2の中空形材の前記一方の面板の端部
と前記他方の面板の前記端部とを接続する前記リブと、
前記第1の中空形材の前記他方の板の端部と前記一方の
面板の途中とを接続する前記リブとから前記トラスを構
成しており、また、前記端部の前記トラスを構成する2
つの前記リブの板厚は、該トラスの頂点側から回転工具
を挿入し回転させて摩擦攪拌接合する際の前記回転工具
の挿入力を支持する板厚であり、 前記重ねた部分をそれぞれ前記摩擦攪拌接合しているこ
と、 を特徴とする構造体。
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