JP3552978B2 - 中空形材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空状の部材の摩擦攪拌接合に関する。例えば、アルミニウム合金製の中空の押し出し形材を摩擦攪拌接合した鉄道車両や建築物等の構造体、及び、同じくアルミニウム合金製の中空の押し出し形材に関するものである。
【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、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09−309164号公報(EP0797043A2)に示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合がアーク溶接と異なる点は、回転工具の挿入によって、大きな荷重が被接合部材に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。二枚の面板と該面板を接続するリブとを有する部材を摩擦攪拌接合する場合、接合部周辺の面板や該面板を接続するリブに対して前記挿入力が作用し、継ぎ手部が変形する。このことから、継ぎ手部の変形を防止する構造が必要となる。
【0004】
この変形防止手段が前記特開平09−309164号公報(EP0797043A2)に示されている。これは、接合部に、二枚の面板を接続する垂直な板(縦リブという。)を設けたものである。縦リブは二枚の面板を接続するリブの一つである。縦リブは回転工具の軸心の延長線上にある。この方法によると、縦リブが前記挿入力を支えるため、継ぎ手部の変形が防止される。しかし、大きな荷重が縦リブに集中的に作用するため、応力集中のある縦リブと面板との接続部において高応力が発生する。これにより、縦リブが破壊される恐れがある。
【0005】
これを防止する一つの手段として、縦リブと面板との接続部の外形線を、部材側に凹んだ径の大きな円弧にし、縦リブと面板とを滑らかに接続することによって、縦リブと面板との接続部の応力集中を緩和する方法がある。しかし、該円弧の径を大きくするほど、継ぎ手部の断面積が増加し、継ぎ手部の重量が増大する。このため、該方法においては、部材の軽量化に限界がある。すなわち、該部材からなる構造体の軽量化に限界がある。
【0006】
本発明の目的は、二枚の面板と該面板を接続する中空形材を軽量化することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、リブとそれぞれの面板との接続部の少なくとも一つの外形を部材の実側に凹んだ曲線から構成し、該曲線は、二つの連続した円弧の組み合わせで構成され、該二つの円弧のうち、面板側の円弧の径は、リブ側の円弧の径よりも小さく設けること、によって達成できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図1から図3により説明する。鉄道車両構体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503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鉄道車両構体500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。
【0009】
側構体501を構成する中空形材10、20の構造について説明する。他の箇所、他の構体も同様である。
中空形材10(20)は、実質的に平行な二枚の面板11(21)、12(22)と、この二枚の面板を接続する複数のリブ13(23)、14(24)とからなる。端部のリブ24と面板21、22との接続部は凹部の座25、26になっている。凹部25、26の端部は隣接する中空形材10の方向に突出した突出片25b、26bを有する。
【0010】
二枚の面板11(11)、12(12)は実質的に平行である。リブ13(23)はトラス状に配置され、そのトラスのピッチは同一である。リブ14(24)は、二枚の面板11(21)、12(22)に実質的に直交している。
中空形材20の端部のリブ24の板厚は、他の箇所のリブ13、14、23の板厚よりも厚い。
【0011】
面板11、12の端部は座25、26に重なっている。面板11、12の先端の端部は面板21、22の端部と突き合わせられている。この突き合わせ部は摩擦攪拌接合される。面板21(22)の端部は、端部のリブ24の板厚の延長線の範囲内に位置している。面板21(22)の端部の面は面板21(22)に実質的に直交している。
【0012】
次に、面板21、22とリブ24との接続部の詳細な構造について説明する。面板21(22)とリブ24との接続部の外形線は、円弧31、32により構成される滑らかな曲線、及び、円弧33、34により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧31、32はリブ24の一方の面と面板21(22)との接続線である。円弧33、34はリブ24の他方の面と突出片25b(26b)との接続線である。円弧31、32、33、34は中空形材20の実側に凹んだ円弧である。面板21(22)側の円弧31の径はリブ24側の円弧32の径より小さく、突出片25b(26b)側の円弧33の径はリブ24側の円弧34の径より小さい。なお、突出片25b(26b)も面板の一部といえる。
【0013】
摩擦攪拌接合時、2つの中空形材10、20の突き合わせ部に回転工具50の軸心が位置する。このため、回転工具50の軸心方向の大きな荷重がリブ24に集中的に作用する。これにより、リブ24直近の位置に高応力が発生する。
【0014】
本実施例においては、面板21、22の端部とリブ24との接続部の外形線が、中空形材20側に凹んだ円弧により構成される滑らかな曲線により構成されている。また、高応力発生位置における面板21、22の端部とリブ24との接続部の外形線のうち、リブ24側の円弧32、34の径が大きいので、面板21、22の端部とリブ24との接続部の応力集中が緩和され、発生応力が小さくなる。一方、面板21(22)、突出片25b(26b)側の円弧31、33の径は小さいので、該部の断面積が小さくなる。このように、2つの円弧で構成しているので、継ぎ手部の断面積が小さくなり、継ぎ手部の重量が小さくなるものである。
【0015】
代案として、面板21、22、突出片25b、26bとリブ24との接続部の円弧を大きな1つの円弧で接続することが考えられる。これによって、発生応力を上記実施例の発生応力と等しくするものである。したがって、この代案では該部の断面積が大きくなり、重量低減にならない。
【0016】
上記実施例は、中空形材10、20の二箇所の接合部の接合方法が両方とも摩擦攪拌接合であったが、いずれか一方の接合部の接合方法がアーク溶接であってもよい。
上記実施例は、中空形材10、20の接合部の接合方法が突き合わせの摩擦攪拌接合であったが、重ね合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。
上記実施例は、面板11、12及び面板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。
【0017】
図4の実施例は、図1の実施例の円弧32、34の径が無限大である場合の例である。すなわち、円弧32、34に相当する部分が直線である場合の例である。この実施例における直線35、36は、リブ24に対して傾斜している。他は図1の実施例に同様である。
【0018】
本発明の他の実施例を図5、図6により説明する。この実施例は端部のリブがトラスの1つになった例である。このトラスの頂点の近傍を摩擦接合するようにしている。このトラスを構成する1つのリブの摩擦攪拌接合の力が作用する。このため、この2つのリブに前記円弧を採用している。
【0019】
中空形材100(110)は、二枚の面板101(111)、102(112)と複数のリブ103(113)、104(114)、105(115)とからなる。
二枚の面板101(111)、102(112)は実質的に平行である。車外側の面板102(112)の端部は、面板101(111)の端部よりも隣接する中空形材110(100)側に突出している。この突出した面板102b、112bは突き合わせられ、上方(車内側)から摩擦攪拌接合される。
【0020】
リブ103(113)、14(114)、105(115)は二枚の面板101(111)、102(112)に対して傾斜しており、トラス状に配置されている。端部のリブ105(115)とリブ14(114)との交点(トラスの頂点の近傍)は凹部になっている。この凹部は接続板200を載せる座107(117)になっている。接続板200は座107(117)に重なっている。この重なり部を回転工具50によって摩擦攪拌接合する。
【0021】
リブ14(114)、105(115)の板厚は、他の箇所のリブ103(113)の板厚よりも厚い。面板102(112)に対するリブ105(205)の傾斜角度はリブ104(114)の傾斜角度よりも大きい。このため、リブ105(115)の板厚はリブ104(114)の板厚よりも大きい。
【0022】
接合手順を説明すると、中空形材100、200の面板102、112を架台に載せ、面板102b、112bを突き合わせる。この状態で、突き合わせ部に、上方から回転工具50を挿入して摩擦攪拌接合を行う。
【0023】
次に、座107、117に接続板200を載せ、その端部を面板101、111に仮止め溶接をする。仮止め溶接は接合線に沿って間欠的である。
次に、上方(車内側)から回転工具50によって接続板200を座107(117)に摩擦攪拌接合をする。回転工具50の挿入位置は2つのリブ103、104(204、205)の交点の位置(トラスの頂点の位置)の近傍である。
【0024】
次に、面板111の端部とリブ115との接続部及び面板112とリブ115との接続部の詳細な構造について説明する。
面板111の端部とリブ115との接続部の外形線は、円弧131、132により構成される滑らかな曲線、及び、円弧133、134により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧131、132、133、134は中空形材110の実側に凹んだ円弧である。円弧131の径は円弧132の径より小さく、円弧133の径は円弧134の径より小さい。
【0025】
面板112(112b)とリブ115との接続部の外形線は、円弧135、136により構成される滑らかな曲線、及び、円弧137、138により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧135、136、137、138は中空形材110の実側に凹んだ円弧である。円弧135の径は円弧136の径より小さく、円弧137の径は円弧138の径より小さい。
【0026】
面板111の端部とリブ114との接続部の外形線は、円弧141、142により構成される滑らかな曲線、及び、円弧143、144により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧141、142、143、144は中空形材110の実側に凹んだ円弧である。円弧141の径は円弧142の径より小さく、円弧143の径は円弧144の径より小さい。
【0027】
面板112とリブ114との接続部の外形線は、円弧145、146により構成される滑らかな曲線、及び、円弧147、148により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧145、146、147、148は中空形材110の実側に凹んだ円弧である。円弧145の径は円弧146の径より小さく、円弧147の径は円弧148の径より小さい。
中空形材100も中空形材110と同様の構成である。
【0028】
かかる構成によれば、面板111(112)とリブ114、115との接続部の外形線が、中空形材110の実側に凹んだ円弧により構成される滑らかな曲線により構成されており、高応力発生位置の円弧の径が大きいので、応力集中が緩和され発生応力が小さくなる。このため、継ぎ手部の重量が小さくなる。
【0029】
なお、本実施例における回転工具50の挿入力は回転工具50の軸心に向けて配置された二つのリブ114、115によって支えられるため、図1の実施例のように回転工具50の挿入力を一つのリブで支える構造と比較して、リブ114、115の板厚を薄くでき部材を軽量にできる。
【0030】
上記実施例は、中空形材100、110の三箇所の接合部の接合方法が全て摩擦攪拌接合であったが、そのうちの一箇所もしくは二箇所の接合部の接合方法がアーク溶接であってもよい。
上記実施例は、中空形材100、110と平板200との接合部の接合方法が重ね合わせの摩擦攪拌接合であったが、突き合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。
上記実施例は、中空形材100、110同士の接合部の接合方法が突き合わせの摩擦攪拌接合であったが、重ね合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。
上記実施例は、面板101、102及び面板111、112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。
【0031】
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。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、二枚の面板と該面板を接続する部材を摩擦攪拌接合した中空形材を軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図2】本発明の一実施例の接合部近傍の縦断面図。
【図3】鉄道車両構体の斜視図。
【図4】本発明の他の実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図5】本発明の他の実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図6】本発明の他の実施例の接合部近傍の縦断面図。
【符号の説明】
10、20、100、110 中空形材
11、12、21、22、101、102、111、112 面板
13、14、24、25、103、104、195、113、114、115リブ
15、25、105、115、116 座
31、32、33、34、131、132、133、134、135、136、137、138 円弧
50 回転工具
Claims (4)
- 二枚の面板を有し、一方の前記面板と他方の前記面板とをリブで接続しており、前記一方の面板と前記リブとの接続部の前記面板側に、第2の部材を摩擦攪拌接合する中空形材において、
前記リブとそれぞれの前記面板との接続部の少なくとも一つの外形線は、前記第1の部材の実側に凹んだ曲線からなり、
該曲線は、二つの連続した円弧の組み合わせで構成され、
該二つの円弧のうち、前記面板側の円弧の径は、前記リブ側の円弧の径よりも小さいこと、
を特徴とする中空形材。 - 請求項1の中空形材において、前記二つの円弧がある前記リブの他方側の面の前記面板と前記リブとの接続部の外形線は、前記第1の部材の実側に凹んだ曲線からなり、
該曲線は、二つの連続した円弧の組み合わせで構成され、
該二つの円弧のうち、前記面板側の円弧の径は、前記リブ側の円弧の径よりも小さいこと、
を特徴とする中空形材。 - 請求項1の中空形材において、前記二つの円弧は前記リブとそれぞれの前記リブとの接続部のすべての外形線にあること、
を特徴とする中空形材。 - 請求項1の中空形材において、前記リブは前記面板に直交していること、
を特徴とする中空形材。
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