JP3538378B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合方法

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    • B23K2101/045—Hollow panels

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は摩擦攪拌接合方法に
係わり、特に、中空形材の摩擦攪拌接合に好適である。
【０００２】
【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した
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。回転工具は大径部と小径部か
らなる。小径部を接合すべき部材に挿入し、大径部の端
面を前記部材に接触させている。小径部にはねじを設け
ている。
【０００３】また、接合すべき２つの部材の回転工具の
挿入側に凸部を設け、この凸部の金属で２つの部材の間
の隙間を埋めるようにしている。回転工具の大径部を凸
部内に入れている。
【０００４】回転工具を接合部の金属に挿入しなければ
ならないので、接合部には大きな力がかかる。このた
め、中空形材を接合する際には、中空形材の２つの面板
を接続する接続板の部分を他方の中空形材との摩擦攪拌
接合位置としている。これは前記接続板で前記力を支
え、中空形材の変形を防止しながら摩擦攪拌接合するも
のである。これらは特開平１１−９０６５５号公報（Ｕ
ＳＰ６０５０４７４）に示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合は、回転
工具を接合すべき部材に挿入して、金属を流動化させて
接合するものである。このため、部材に挿入した小径部
の先端部から被接合部材の裏側（反大径部側のこと。）
までの厚さが薄い場合、流動化した金属が裏側に流出す
る。流出しないまでも、流出する側へ部材を膨らませ
る。これを含めて、以下「流出する。」という。このた
め、流出した金属を補填する凸部の厚さを厚くする必要
がある。また、接合部に空孔を発生させる。また、金属
が流出しないように、小径部の先端部から裏側までの部
材の厚さを厚くする必要がある。このため、形材が重く
なり、高価になる。本発明の目的は、軽量で良好な接合
ができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】種々の検討により、回転
工具の回転によって流動化した金属の圧力は、回転工具
の軸方向への投影範囲内のすべてにおいて同一ではな
く、位置によって圧力が異なると考えられる。圧力が高
い位置は、回転工具の回転方向と移動方向とから定まる
と考えられる。
【０００７】本発明は、流動化した金属の圧力が高くな
る位置に、小径部の先端部から部材の裏側までの厚さが
厚い部分を位置させ、摩擦攪拌接合すること、を特徴と
する。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１から図４
によって説明する。鉄道車両の車体５００は、側面を構
成する側構体５０１、屋根を構成する屋根構体５０２、
床を構成する台枠５０３、長手方向の端部を構成する妻
構体５０４からなる。側構体５０１、屋根構体５０２、
台枠５０４は、それぞれ複数の押し出し形材１０、２０
を接合して構成している。押し出し形材１０、２０の長
手方向（押し出し方向）を車体５００の長手方向に向け
ている。押し出し形材１０、２０はアルミニウム合金製
の中空形材である。側構体５０１を構成する中空形材１
０、２０の構造について説明する。他の箇所の中空形材
も同様である。
【０００９】中空形材１０（２０）は、実質的に平行な
２枚の面板１１（２１）、１２（２２）と、この２枚の
面板を接続する複数の接続板１３（２３）と、からな
る。接続板１３（２３）は面板１１（２１）、１２（２
２）に対して傾斜している。つまり、面板１１（２
１）、１２（２２）、接続板１３（２３）によってトラ
スを構成している。
【００１０】中空形材１０（２０）の幅方向の端部の接
続板１４（２４）は面板１１、１２（２１、２２）に対
して直交している。接続板１４と面板１１（１２）との
接続部の外面側には中空形材２０の面板２１（２２）が
重なる凹部がある。中空形材１０の端部は中空形材２０
の面板２１、２２に重なる。面板１１、１２の端部には
面板２１、２２を支える突出片１５がある。突出片１５
は接続板１４から突出している。突出片１５は前記凹部
に接続している。
【００１１】面板１１、１２（２１、２２）の端部には
中空形材１０、２０の外面側（厚さ方向の外側）に突出
する凸部１７（２７）がある。面板１１、２１（２１、
２２）および凸部１７（２７）の端面は中空形材１０
（２０）の厚さ方向に沿っている。面板１１、２１およ
び凸部１７の端面（すなわち、凹部の面板１１、１２
側）は接続板１４の板厚の中心付近にある。中空形材１
０の面板１１（１２）および凸部１７の端面と中空形材
２０の面板２１（２２）および凸部２７の端面とが突き
合わせられている。
【００１２】面板１１（１２）と面板２１（２２）は同
一面にあり、凸部１７、２７の突出代は同一である。２
つの凸部１７、２７の幅は同一である。２つの凸部の幅
は回転工具５０の大径部５１の径よりも大きい。凸部１
７、２７の金属は、突き合わせた部分の隙間を埋める金
属の原資となる。
【００１３】接合に当たって、２つの中空形材１０、２
０は架台１００に固定する。１０１は下面の凸部１７、
２７が入る溝である。
【００１４】回転工具５０は大径部５１の先端に小径部
５２を設けている。小径部５２にはねじを設けている。
接合に際しては、突き合わせ部に回転工具５０を挿入す
る。大径部５１の下部を凸部１７、２７内に位置させ
る。小径部５２は面板１１、２１の突き合わせ部に挿入
する。小径部５２の下端は突出片１５に若干挿入してい
る。回転工具５０を回転させながら、突き合わせ部の接
合線に沿って移動させる。
【００１５】回転工具５０を接合すべき部分に挿入した
後、回転工具５０を図１において紙面の手前から紙面の
奥側に向かって移動させる。図１の平面図である図２に
おいて、Ａが回転工具５０の移動方向であり、Ｂが回転
工具５０の回転方向である。小径部５２のねじは左ねじ
である。大径部５１側から小径部５２側を見たとき、回
転工具５０の回転方向は右（時計方向）である。回転工
具５０から移動方向の前方を見たとき、図１のように、
回転工具５０の軸心よりも右側に突出片１５がある。
【００１６】図３の上面側の摩擦攪拌接合が終了した
ら、中空形材１０、２０を上下に反転させ、同様に摩擦
攪拌接合を行う。回転工具５０によって流動化した接合
部の金属の圧力は、回転工具５０の移動方向において、
回転工具５０の軸心よりも右側の方が左側よりも大き
い。これは回転工具５０が右回転しているので、回転工
具５０の前方の接合されていない金属が右側に寄せられ
るためと考えられる。
【００１７】図１において、接続板１４の左右には中空
部１０ｂ、１０aがある。接合部に挿入した小径部１５
の先端部から左右の中空部１０ｂ、１０ａまでの距離
は、右側の突出片１５の方が厚い。突出片１５は面板２
１を支えるので、比較的厚くしている。このため、圧力
が高い側の部材の厚さが厚いといえる。したがって、流
動化した金属は突出片１５の厚さによって中空部１０ａ
側に流出することがなく、接合部の内部に空孔を発生さ
せることがないものである。
【００１８】一方、回転工具５０の左側の圧力は右側に
比べて低い。これは回転工具５０の後方には接合されて
いない金属がないためと考えられる。このように、回転
工具５０の軸心から左側は内部圧力が低いので、小径部
５２の先端から接続板１３の左側の中空部１０ｂまでの
部材の厚さは薄くできる。このため、中空形材１０を軽
量にできる。
【００１９】前記「挿入した小径部５２の先端部から中
空部１０ｂ、１０ａまでの部材の厚さ」を図１によって
説明する。圧力の高い側において金属の流出を防止する
に必要な金属の厚さをＲとする。小径部５２の軸心より
も右半分の先端部に沿って厚さＲの厚さの部材が必要で
ある。小径部５２の右側先端の角部にはこの角部を中心
として半径Ｒの厚さの部材が必要である。前記「挿入し
た小径部５２の先端部から中空部１０ｂまでの部材の厚
さ」とは、このように水平方向の厚さも言う。小径部５
２の軸心よりも左半分の先端部に沿った部材の厚さは厚
さＲよりも薄い。
【００２０】ここで、ねじの方向および回転工具５０の
回転方向が前記と同一であるが、中空形材１０、２０の
向きが左右逆であった場合、すなわち、回転工具５０の
左側に向けて突出片１５が突出している場合を考える。
この場合は、回転工具５０の右側の圧力が高い側に薄い
部材が位置するので、空間側に流出する。このため、接
合部の内部に空孔が発生しやすい。
【００２１】また、突出片１５と面板２１との重ね部が
小径部よりも左側にあるとき、接合部の近傍の重ね面が
回転工具５０の大径部５１側に盛り上がり、ノッチが生
じ易い。前記重ね部が右側にあるとき、高圧部に重ね部
があるので、ノッチの発生が少ない。
【００２２】つまり、小径部５２の先端部から大径部５
１側とは反対側の部材の面までの厚さのうち、厚さが厚
い方に高圧部を位置させるものである。高圧部は、大径
部４１側から見たときの回転工具５０の回転方向が右回
転のとき、回転工具５０から移動方向を見たとき回転工
具５０の右側に発生する。
【００２３】小径部５２のねじが右ねじ、回転工具５０
の回転方向が左側（反時計方向）のときは、中空形材１
０、２０の組み合わせを左右逆にし、回転工具５０の軸
心よりも左側に突出片１５を位置させる。
【００２４】図５は中空形材ではない部材の接合に適用
した場合を示す。図２の中空形材１０、２０から面板１
２、２２、接続板１４、２４を除いている。接合部の裏
面は平らな架台１０５に載っている。
【００２５】本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の
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。
【００２６】
【発明の効果】本発明のよれば、軽量で良好な摩擦攪拌
接合ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部の縦断面図。
【図２】図１の平面図。
【図３】本発明の一実施例の一対の中空形材の縦断面
図。
【図４】鉄道車両の車体の斜視図。
【図５】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０：中空形材、１１、１２、２１、２２：面
板、１５：突出片、１７、２７：凸部、５０：回転工
具、５１：大径部、５２：小径部、Ａ：回転工具５０の
移動方向、Ｂ：回転工具５０の回転方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 章弘 山口県下松市大字東豊井794番地 株式 会社 日立製作所 笠戸事業所内 (56)参考文献 特開2000−52457（ＪＰ，Ａ) 特開2000−681（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−226755（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−58036（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−328856（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−333573（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−90655（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の部材は、板と、該板の端部におい
    て該板に実質的に平行に突出して、該板の一方の面に対
    して凹んで配置した突出片と、からなり、 前記突出片に第２の部材の端部を重ねると共に、前記板
    の端部と前記第２の部材の端部とを突き合わせ、 大径部の先端に小径部を有する回転工具を用い、前記小
    径部を前記突き合わせた部分に挿入して摩擦攪拌接合す
    るに当たり、 前記回転工具を前記突き合わせた部分に沿って移動させ
    る方向を向いて見たとき、前記回転工具の軸心よりも右
    側に、前記挿入した前記小径部の先端部から前記大径部
    側とは反対側の前記第１の部材の面までの厚さが厚い方
    を位置させ、 前記大径部側から見たとき、前記回転工具を右回転させ
    ながら、前記突き合わせた部分に沿って移動させるこ
    と、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  2. 【請求項２】 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
    前記右側に前記突出片を位置させて、前記摩擦攪拌接合
    を行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  3. 【請求項３】 請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
    前記小径部の先端は前記突出片に挿入して前記摩擦攪拌
    接合を行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  4. 【請求項４】 中空形材は、実質的に平行な２つの面板
    と、両者を接続する接続板と、該接続板から、一方の前
    記面板に実質的に平行な方向に突出する突出片と、前記
    一方の面板、前記接続板および前記突出片の接続部にお
    いて、前記一方の面板の外側および前記突出片の突出方
    向に開放した前記凹部と、からなり、 前記凹部に第２の部材の端部を重ねると共に、前記一方
    の面板の端部と前記第２の部材の端部とを突き合わせ、 大径部の先端に小径部を有する回転工具を用い、前記小
    径部を前記突き合わせた部分および前記突出片に挿入し
    て摩擦攪拌接合するに当たり、 前記回転工具を前記突き合わせた部分に沿って移動させ
    る方向を向いて見たとき、前記回転工具の軸心よりも右
    側に、前記突出片を位置させ、 前記挿入した前記小径部の先端部から前記大径部側とは
    反対側の面までの厚さは、前記移動方向を向いて見たと
    き、前記軸心の左側よりも右側の前記突出片の方が厚
    く、 前記大径部側から見たとき、前記回転工具を右回転させ
    ながら、前記突き合わせた部分に沿って移動させるこ
    と、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  5. 【請求項５】 第１の部材は、板と、該板の端部におい
    て該板に実質的に平行に突出して、該板の一方の面に対
    して凹んで配置した突出片と、からなり、 前記突出片に第２の部材の端部を重ねると共に、前記板
    の端部と前記第２の部材の端部とを突き合わせ、 大径部の先端に小径部を有する回転工具を用い、前記小
    径部を前記突き合わせた部分に挿入して摩擦攪拌接合す
    るに当たり、 前記回転工具を前記突き合わせた部分に沿って移動させ
    る方向を向いて見たとき、前記回転工具の軸心よりも左
    側に、前記挿入した前記小径部の先端部から前記大径部
    側とは反対側の前記第１の部材の面までの厚さが厚い方
    を位置させ、 前記大径部側から見たとき、前記回転工具を左回転させ
    ながら、前記突き合わせた部分に沿って移動させるこ
    と、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  6. 【請求項６】 請求項５の摩擦攪拌接合方法において、
    前記左側に前記突出片を位置させて、前記摩擦攪拌接合
    を行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  7. 【請求項７】 請求項５の摩擦攪拌接合方法において、
    前記小径部の先端は前記突出片に挿入して前記摩擦攪拌
    接合を行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
  8. 【請求項８】 中空形材は、実質的に平行な２つの面板
    と、両者を接続する接続板と、該接続板から、一方の前
    記面板に実質的に平行な方向に突出する突出片と、前記
    一方の面板、前記接続板および前記突出片の接続部にお
    いて、前記一方の面板の外側および前記突出片の突出方
    向に開放した前記凹部と、からなり、 前記凹部に第２の部材の端部を重ねると共に、前記一方
    の面板の端部と前記第２の部材の端部とを突き合わせ、 大径部の先端に小径部を有する回転工具を用い、前記小
    径部を前記突き合わせた部分および前記突出片に挿入し
    て摩擦攪拌接合するに当たり、 前記回転工具を前記突き合わせた部分に沿って移動させ
    る方向を向いて見たとき、前記回転工具の軸心よりも左
    側に、前記突出片を位置させ、 前記挿入した前記小径部の先端部から前記大径部側とは
    反対側の面までの厚さは、前記移動方向を向いて見たと
    き、前記軸心の右側よりも左側の前記突出片の方が厚
    く、 前記大径部側から見たとき、前記回転工具を左回転させ
    ながら、前記突き合わせた部分に沿って移動させるこ
    と、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
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