JP3556888B2 - 摩擦攪拌接合用中空形材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒部の摩擦攪拌接合に用いる中空形材の接合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。小径部にはネジを設けている。また、回転工具の２つの大径部の間に接合すべき部材を位置させて摩擦攪拌接合することがある。これらは特許第２７１２８３８号公報（ＵＳＰ５４６０３１７）、特表平９−５０８０７３号公報（ＥＰ０７５２９２６Ｂ１）に示されている。
【０００３】
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。これは特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）に示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）によれば中空形材の変形を防止して摩擦攪拌接合できる。しかし、摩擦攪拌接合位置に接続板が必要となるので、摩擦攪拌接合位置や中空形材の形状として制約を受ける。このため、結果的に中空形材の重量が大きくなるものである。
本発明の目的は、中空形材等の筒部の摩擦攪拌接合において変形しない摩擦攪拌接合用中空形材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の面板と、これに実質的に平行な第２の面板と、前記第１の面板と前記第２の面板とを接続する接続板と、からなり、前記第１の面板の端部および前記第２の面板の端部は、前記接続板と前記第１の面板、前記第２の面板との接続部よりも中空形材の幅方向に突出しており、前記第１の面板の前記突出した端部の端面に凹部または凸部を有し、前記第２の面板の前記突出した端部であって前記凹部または前記凸部がある側の端面に、凹部または凸部を有し、前記突出した前記第１の面板の端部の前記凸部の突出代は、前記第２の面板の端部の前記凸部の突出代よりも大きいこと、を中空形材を特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１〜図６によって説明する。図４において、接合部の形状やハッチングで示す摩擦攪拌領域は模式的に示すものである。
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５０３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。
【０００７】
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。他の箇所の中空形材も同様である。
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（２２）に対して傾斜している。つまり、面板１１（２１）、１２（２２）、接続板１３（２３）によってトラスを構成している。
【０００８】
中空形材１０（２０）の幅方向の端部は接続板１３（２３）と面板１１、１２（２１、２２）との接続部よりも突出して面板１１ｂ、１２ｂ（２１ｂ、２２ｂ）となっている。面板１１ｂ、１２ｂ（２１ｂ、２２ｂ）の外面は面板１１、１２（２１、２２）の外面と同一面にある。面板１１ｂ、１２ｂ（２１ｂ、２２ｂ）の板厚は面板１１、１２（２１、２２）の板厚よりも厚い。
【０００９】
面板１１ｂ、１２ｂ（２１ｂ、２２ｂ）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１５（２５）がある。そして、面板１１ｂ、１２ｂの端面には凹部１６がある。他方の中空形材２０の面板２１ｂ、２２ｂの端面には前記凹部１６に入ることのできる凸部２６がある。凹部１６への凸部２６の挿入を容易にするため、凹部１６、凸部２６は台形状である。挿入したとき、凹部１６の底面と凸部２６の先端との間には若干の隙間がある。
【００１０】
凹部１６と凸部２６とを嵌合させた状態で、該部を摩擦攪拌接合する。このため、この接合部は面板１１、２１（１２、２２）と接続板１３、２３とからなる筒部の接合といえる。なお、筒は完全な筒を構成しなくてもよい。例えば、中空形材１０の面板１１の端部に板を接合する場合でも、この接合部は筒の接合といえる。つまり、接合部に回転工具の挿入力を支える支え部材がないものを筒という。
【００１１】
中空形材１０の面板１１、１２のそれぞれの端面１７は、面板１１ｂ、１２ｂの面に直交する線上（中空形材の厚さ方向に沿った線上）にある。２つの端面１７は１つの線上にある。
【００１２】
中空形材２０の面板２１、２２のそれぞれの端面２７は、面板２１ｂ、２２ｂの面に直交する線上（中空形材の厚さ方向に沿った線上）にある。２つの端面２７は１つの線上にある。凸部２６の突出代は同一である。
【００１３】
なお、下面の面板１２ｂ、２２ｂ側の凹部１６と凸部２６との重なり代を、上面の面板１１ｂ、２１ｂ側の凹部１６と凸部２６との重なり代よりも大きく設けることができる。これによれば、下面側の凹部１６と凸部２６が嵌合した後、上面の凹部１６と凸部２６が嵌合するので、上面の嵌合を容易に行うことができる。
【００１４】
中空形材１０の端部の接続板から他方の中空形材の接続板２３までの面板の長さは、他の部分のトラスを構成する面板の長さより長い。このため、接合部の面板１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂの板厚は若干厚くしている。
【００１５】
回転工具５０は小径部５１の軸方向の両側に大径部５３、５４を有するものである。２つの大径部５３、５４の間に接合すべき部分を挟んだ状態で、回転工具５０を回転させて摩擦攪拌接合する。小径部５１の外面には雄ネジを有する。回転工具５０の上端に、回転させ、移動させる駆動装置がある。２つの大径部５３、５４のうち、上方の大径部５３を基軸側（または、駆動装置側）の大径部５３という。下方の大径部５４を先端側の大径部５４という。
【００１６】
回転工具５０の部材は、大径部５３および小径部５１を有する丸棒５０ｂと、先端の大径部５４用の部材５４ｂとからなる。丸棒５０ｂは基端側から、外径が円形の大径部５３、小径のネジ部５１ｂ、大径部５４の部材５４ｂを設置するための小径の軸部５１ｃがある。軸部５１ｃには部材５４ｂを固定するためのピン孔５７がある。
【００１７】
大径部５４に相当する部材５４ｂは、外径が円形で、軸５１ｃに嵌合する孔５４ｃとピン孔５８を有する。大径部５３、５４のネジ部５１ｂ側の端面は図５のように傾斜した凹みがある。この凹みは攪拌された金属を内側に押え、外部への流出を防止するためにある。
【００１８】
このように部品を製作した後、大径部５４に相当する部材５４ｂを軸５１ｃに嵌合し、ピン孔５７、５８にノックピン５９を嵌合し、部材５４ｂを固定する。部材５４ｂは大径部５４となる。
小径部５１の長さ（大径部５３の端面から大径部５４の端面までの距離）Ｌは接合すべき部材の板厚（凸部１５、２５を含む。）ｔよりも小さい。大径部５３の径Ｄは２つの凸部１５、２５を合わせた幅Ｗよりも小さい。
【００１９】
次に、２つの中空形材の接合手順を説明する。２つの中空形材１０、２０をベッド１００に載せ、中空形材１０の面板１１ｂ、１２ｂに他方の中空形材２０の面板２１ｂ、２２ｂを突き合わせる。これによって面板１１ｂ、１２ｂの凹部１６に面板２１ｂ、２２ｂの凸部２６が入る。この状態で中空形材１０、２０をベッド１００に固定する。また、上面の凸部１５、２５を間欠的にアーク溶接する。
【００２０】
この状態で、中空形材１０、２０の長手方向の端面から、回転工具５０を回転させながら中空形材１０、２０側に移動させ、２つの大径部５３、５４の間（小径部５１）に接合すべき部分を入れる。回転工具５０の移動によって接合すべき部分は接合される。
【００２１】
面板１１、２１側の接合が終了すると、中空形材１０、２０の上下を反転させ、面板１１、２１を下方にして、ベッド１００に固定する。前記と同様に面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の摩擦攪拌接合を行う。
【００２２】
摩擦攪拌接合時に、回転工具５０は周知のように若干傾斜している。回転工具５０の移動方向において、回転工具の軸心は後方に傾斜している。上部の大径部５３の前端（前記移動方向の前方）は後端（前記移動方向の後方）よりも上方に位置している。
【００２３】
上部の大径部５３の後端は凸部１５、２５内に位置している。大径部５３の後端が凸部１５、２５内に位置するとは、凸部１５、２５を除く面板１１ｂ、２１ｂの外面よりも上方に大径部５３の後端が位置していることを言う。
これによれば、上部の摩擦攪拌接合面は面板１１ｂ、２１ｂ（１２ｂ、２２ｂ）の上面よりも上方となる。面板１１、２１の上面を車両の外面とする場合、残った凸部１５、２５を切削して面板１１ｂ、２１ｂと同一面とする。車体の内面側の凸部１５、２５は必要により切削する。
【００２４】
摩擦攪拌接合において、接合すべき部分の隙間（例えば、凹部１６と凸部２６との間の隙間、端面１７と端面２７との間の隙間）は凸部１５、２５の金属が原資となり、隙間は埋められる。あまった金属は大径部５３の周囲から飛ばされる。前記隙間は車体５００の長さが約２０ｍあるので、生じ易い。
先端の大径部５４は面板１１ｂ、２１ｂよりも下方に位置する。大径部５４の前端で面板１１ｂ、２１ｂの下面を若干削るが、大径部５４の後端で金属が若干盛り上がる。図４では下方に盛り上がっている。
【００２５】
車体５００は長さが約２０ｍで、面板１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂは中空形材１０、２０の厚さ方向に若干歪んでいることが多い。しかし、２つの面板１１ｂ、２１ｂは凹部１６と凸部２６で嵌合しているので、接合すべき部分の面板１１ｂの端部の高さ位置と面板２１ｂの端部の高さ位置とが異なる段違いが生じない。段違いを生じると、接合部内に空隙ができやすい。このため、勘合によって欠陥の少ない摩擦攪拌接合ができるものである。
【００２６】
摩擦攪拌接合時に、２つの面板は２つの大径部５３、５４に挟まれているので、面板１１ｂ、２１ｂ側を接合する際に、回転工具５０を面板１２、２２側に挿入する力は発生しない。このため、接合部に支え板が無くても、中空形材を変形させないで、接合できるものである。
【００２７】
上記実施例では中空形材１０の面板１１ｂ、１２ｂにそれぞれ凹部１６を設け、他方の中空形材２０の面板２１ｂ、２２ｂに凸部２６を設けている。しかし、面板１１ｂ、２２ｂに凹部１６を設け、面板１２ｂ、２１ｂに凸部２６を設けてもよい。また、突き合わせた部分の一方の部材にのみ凸部１５がある場合も可能である。
【００２８】
図７の実施例は、板を円形に曲げた円筒２００の端部を摩擦攪拌接合して円筒を構成する場合である。回転工具は前記回転工具５０を用いる。通常の回転工具で接合する場合は、円筒内に支え部材を配置して、接合を行う。または、接合部を下部にし、円筒内に回転工具を入れて、接合する。これによれば、支え部材や回転工具の配置が困難になり、小径の円筒の場合は接合が困難である。しかし、２つの大径部の間に接合すべき部分を位置させて接合を行えば、簡単な構成で、小径の円筒も接合できるものである。
【００２９】
円筒ばかりでなく、四角形などに折り曲げた筒の接合にも適用できる。また、周方向に接合する場合にも適用できる。例えば、第１の筒と第２の筒とを軸方向に突き合わせ、これを円周方向に接合する場合にも適用できる。この場合、接合開始位置に回転工具の先端大径部５４を挿入する穴をあけておき、この孔の位置で接合を終了する。終了後、アーク溶接で穴を埋める。または当て板をアーク溶接する。
【００３０】
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。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のよれば、中空形材を変形させないで摩擦攪拌接合できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の一対の中空形材の縦断面図。
【図２】図１の中空形材の接合すべき部分の拡大縦断面図。
【図３】図１の接合時の要部の縦断面図。
【図４】図１の接合後の要部の縦断面図。
【図５】図１の回転工具の分解縦断面図。
【図６】鉄道車両の車体の斜視図。
【図７】本発明の他の実施例の正面図。
【符号の説明】
１０、２０ 中空形材
１１、１１ｂ、１２、１２ｂ、２１、２２ 面板
１５、２５ 凸部
１６ 凹部
２６ 凸部
５０ 回転工具
５１ 小径部
５３、５４ 大径部
２００ 円筒
５００ 車体

Claims (2)

1. 第１の面板と、これに実質的に平行な第２の面板と、前記第１の面板と前記第２の面板とを接続する接続板と、からなり、
   前記第１の面板の端部および前記第２の面板の端部は、前記接続板と前記第１の面板、前記第２の面板との接続部よりも中空形材の幅方向に突出しており、
   前記第１の面板の前記突出した端部の端面に凹部または凸部を有し、
   前記第２の面板の前記突出した端部であって前記凹部または前記凸部がある側の端面に、凹部または凸部を有し、
   前記突出した前記第１の面板の端部の前記凸部の突出代は、前記第２の面板の端部の前記凸部の突出代よりも大きいこと、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。
2. 第１の面板と、これに実質的に平行な第２の面板と、前記第１の面板と前記第２の面板とを接続する接続板と、からなり、
   前記第１の面板の端部および前記第２の面板の端部は、前記接続板と前記第１の面板、前記第２の面板との接続部よりも中空形材の幅方向に突出しており、
   前記第１の面板の前記突出した端部の端面に凹部または凸部を有し、
   前記第２の面板の前記突出した端部であって前記凹部または前記凸部がある側の端面に、凹部または凸部を有し、
   前記突出した前記第１の面板の端部の前記凹部の深さは、前記第２の面板の端部の前記凹部の深さよりも大きいこと、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。

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