JP3565756B2 - 摩擦攪拌接合用形材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摩擦攪拌接合による構造体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。
【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９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されている。
【０００３】
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の側から行うことが示されている。すなわち、前記一方の面の板を突き合わせ、他方の面側から摩擦攪拌接合をしている。前記板の外面側は平らに接合される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）の図９のように、中空形材を一方の面から摩擦攪拌接合する場合を考える。この場合は、継手６０を摩擦攪拌接合するために、継手６０を強固に固定しておくことが必要である。このため、継手６０を中空形材３１、３２に仮止め溶接する。継手６０の板厚は薄いので、溶接熱で継手６０が厚さ方向に歪む。このため、構造体の精度等の問題を発生しやすい。
本発明の目的は、継手６０等の接続材の仮止め溶接を少なくすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、いわゆる中空形材の一方の面板を接続材を用いて接合する場合において、接続材の一端を中空形材の溝に挿入して位置決めすること、によって達成できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図５により説明する。図１は図４の要部拡大図、図４は図５の側構体の要部の縦断面図である。
【０００７】
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沿って配置している。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を構成する摩擦攪拌接合用の中空形材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。
【０００８】
中空形材１０、２０は二枚の面板１１、１２、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１１、１２、２１、２２の板厚の中心線によって構成される。トラスの頂点は面板１１、１２、２１、２２側にある。
車内側のトラスの頂点付近には機器を取り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。
【０００９】
車体の外面側に位置する面板１２、２２の端部は車内側の面板１１、２１の端部よりも隣接する中空形材２０、１０側に突出している。この突出した面板を符号１２ｂ、２２ｂで示す。面板１２ｂ、２２ｂの端部同士を突き合わせて摩擦攪拌接合している。突き合わせ部の隙間が小さくなるように突き合わせている。面板１２ｂ、２２ｂの板厚は他の部分の面板１２、２２の板厚よりも厚い。
【００１０】
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。面板１１、２１側を上方にしている。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行なう。車内側から摩擦攪拌接合すると言える。
面板１２ｂ、２２ｂの端部（突き合わせ部）には車内側（すなわち面板１１、２１側）に突出する凸部１６、２６がある。凸部１６、２６の幅、および高さは実質的に同一である。
【００１１】
車内側の面板１１の端部と面板２１の端部とは、板状の接続材３０を介して接合されている。接続材３０の端部はトラスの頂点に設けた座１７、２７に載っている（重なっている。）。座１７、２７は面板１１、２１の外面（図中の上面）よりも凹んでいる。
【００１２】
座１７は、リブ１３Ａとリブ１３Ｂとの交点を通る法線よりも中空形材１０の端部側にある。座１７の上面から面板１１の外面（上面）に至る面は前記法線上にある。座１７側の面板１１の端部には外面（上面）側に突出する凸部１１ｂがある。接続材３０の端部には上面側に突出する凸部３２がある。凸部１１ｂ、３２の幅および高さは凸部１６、２６のそれと同様である。座１７の幅は凸部３２の幅と同様である。
【００１３】
面板１１の端部の垂直面には自己の中空形材１０の端部（面板１１ｂの端部、他方の中空形材２０）に向けて開放した溝１４がある。溝１４は中空形材１０の長手方向に連続している。溝１４の断面は台形状である。台形状の高さは溝１４の開放側が大きい。溝１４には接続材３０の端部の台形状の突出部３４が入る。２つの台形状の大きさは溝１４の方が突出部３４よりも大きい。面板１１の端部の垂直面はトラスの交点を通る法線に一致している。このため、垂直面は回転工具２５０の軸心に一致している。溝１４の深さは回転工具２５０の小径部２５１の径の半分未満である。
溝１４に突出部３４を挿入したとき、接続材３０の下面が座１７の上面に接触し、また、突出部３４の上側の面が溝１４の上側の面に接触するように設計するとよい。
【００１４】
突出部３４の高さは接続材３０の端部の厚さよりも薄い。溝１４および突出部３４は凸部１１ｂ、３２を含めた板の厚さの範囲内にあればよい。溝１４および突出部３４の上端は、面板１１の上面および接続材３０の凸部３２を除く板部の上面の延長線よりも上方（凸部１１ｂ、３２の頂側）にある。凸部１１ｂ、３２があるので、面板１１や接続材３０の板厚が薄くても、所要の高さの溝１４および突出部３４を設けることができる。
【００１５】
座２７は、リブ２３Ａとリブ２３Ｂとの交点を中心として形成されている。座２７の幅の中央に前記交点がある。つまり、端部のトラスの頂点は座２７の幅の中央部にある。座２７から面板２１に至る面は接続材３０とのアーク溶接用の開先として傾斜している。
座２７に載る接続材３０の端部には凸部３５がある。凸部３５の高さは凸部１６、２６、１１ｂ、３２のそれと同様である。幅は凸部１６、２６を合わせたものと同様である。
【００１６】
接続材３０は面板１１、２１の表面があたかも連続しているようにすることを目的として配置している。接続材３０の両端を除いた中央は板３１であり、その板厚は面板１１、２１の板厚と実質的に同一である。凸部３５の上面にはＶ字状の溝３６がある。溝３６は凸部３５の幅の中心にある。凸部３５の幅は回転工具２５０の大径部２５２の径よりも大きい。溝３６は回転工具２５０を導くための位置検出用の対象物となる。レーザセンサで溝３６を検出し、回転工具２５０の軸心が溝３６に一致するようにしている。溝３６の延長線上すなわち回転工具２５０の軸心上に２つのリブ２３Ａと２３Ｂの交点がある。
【００１７】
接続材３０の幅は二つの中空形材１０、２０の面板１１、２１の間隔よりも小さい。接続材３０は中空形材１０、２０と同一材質の押し出し形材である。接続材３０の長さは例えば１ｍ程度である。この接続材を中空形材１０、２０の長さ方向に複数配置する。接続材３０同士の隙間はできるだけ小さく配置し、あたかも一つの接続材３０が連続しているように配置する。これは接続材３０にリブがないので、板の厚さ方向に曲がりやすく、搬送等が困難なためである。
【００１８】
面板１１の端部から面板２１の端部までの距離Ｐ（中空形材１０の端部のトラスの頂点から中空形材２０の端部のトラスの頂点までの距離）は他の位置のトラスのピッチＰと同一である。
中空形材のトラスは、面板１１、１２、２１、２２側を頂点としたとき、２等辺３角形である。しかし、中空形材１０、２０の端部のトラスは２等辺３角形ではない。
このため、リブ１３Ａ（２３Ａ）は面板１２（２２）の途中に接続している。リブ１３Ａと面板１２との接続部と、リブ２３Ａと面板２２との接続部との間には摩擦攪拌接合装置を挿入する空間が生じる。
【００１９】
この構造体の製作方法を説明する。中空形材１０、２０をベッド２４０に載せる。次に、面板１２ｂ、２２ｂを突き合わせる。次に、この中空形材１０、２０をベッド２４０に固定する。次に、端面１２ｄ、２２ｄの部分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。
【００２０】
面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部が載るベッド２４０の上面は平らである。面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部付近、リブ１３Ａ、２３Ａと面板１２ｂ、２２ｂとの交点付近、リブ１３Ｂ、２３Ｂと面板１２、２２との交点付近の三者は同一高さのベッド２４０に載っている。
【００２１】
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１６、２６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（接合部の法線に沿った方向）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。
【００２２】
回転工具２５０は大径部２５２とその先端の小径部２５１とからなる。小径部２５１の先端（下端）は面板１２ｂ、２２ｂの下面の近傍に位置している。大径部２５２の下端は凸部１６、２６の頂と面板１２ｂ、２２ｂの車内側の面（面板１１、２１側の面）との間に位置している。大径部２５２の径は２つの凸部１６、２６からなる幅よりも小さい。小径部２５１はねじである。
摩擦攪拌接合の際、凸部１６、２６の頂面を回転工具２５０とともに移動するローラで下方に押さえている。
【００２３】
レーザセンサで凸部１６、２６を検出する。これによって凸部１６、２６の高さ位置を求め、回転工具２５０の挿入量を定める。又、凸部１６、２６の突き合わせ部の隙間を求め、この位置に回転工具２５０の軸心を一致させる。
【００２４】
この摩擦攪拌接合によって、面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の隙間は埋められて、接合される。隙間を埋める金属の原資は凸部１６、２６である。面板１２ｂ、２２ｂの外面側（車外側）は実質的に平らに接合される。面板１２ｂ、２２ｂ外面側には接合線の凹部はない。
凸部１６、２６の上面は回転工具２５０の大径部２５２によって凹状になる。凹部の両側には凸部１６、２６が残る。
【００２５】
次に、面板１１、２１の座１７、２７に接続材３０を載せる。接続材３０の一端の突出部３４を溝１４に挿入する。接続材３０の一端の垂直面（突出部３４を除く。）を面板１１の端部の垂直面（溝１４を除く）に突き合わせる。前記二つの垂直面の間隔はできるだけ小さくするのが望ましい。中空形材の長手方向の接続材３０の端部と隣接する接続材３０の端部との間隔はできるだけ小さくするのが望ましい。
【００２６】
溝１４への突出部３４の挿入は、中空形材１０、２０の長手方向の一端側から行われる。または、面板１１の垂直面から斜面２７ｂまでの距離を接続材３０の幅よりも大きく設け、座１７、２７に接続材３０を載せた後、接続材３０を面板１１側に移動させて、溝１４に突出部３４を挿入する。または、斜め上方から突出部３４を溝１４に挿入する。例えば、接続材３０を座１７と斜面２７ｂに載せ、接続材３０を面板１１側に移動させる。溝１４、突出部３４の位置、形状、および大きさは上記斜め上方からの挿入ができるように設ける。
【００２７】
次に、接続材３０の凸部３５の端部と面板２１の斜面２７ｂとを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。
接続材３０の面板１１側は溝１４に挿入しているので、上下方向等には移動しない。このためこの部分の仮止め溶接は必要ない。仮止め溶接する場合は溶接数を少なくできる。仮止め溶接は凸部３２と凸部１１ｂとを溶接する。このため、接続材３０や中空形材１０の熱歪みを少なくできる。
【００２８】
次に、面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の摩擦攪拌接合に用いた摩擦攪拌接合装置を用いて接続材３０の一端と面板１１の端部との突き合わせ部の接合を上方から行う。これは凸部１６、２６の突き合わせ部の接合と同様である。回転工具２５０の小径部２５１の下端が座１７に到達するように挿入する。溝１４と突出部３４との間の空間は凸部１１ｂ、３２を原資として埋められる。このため、溝１４があっても通常の突き合わせ部に比較して遜色のない接合が可能である。
【００２９】
次に、座２７と接続材３０の他端との接合を行う。これは回転工具２５０を上方から接続材３０と座２７を重ねた部分に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦攪拌接合する。凸部３５の幅は回転工具２５０の大径部２５２の径よりも大きい。凸部３５の幅の中心に溝３６がある。回転工具２５０の回転軸心を溝３６に一致させる。回転工具２５０の小径部２５１の先端は座１７、２７の上面よりも深く挿入している。これによって、重ね接合が行われる。大径部２５２の下端は、接続材３０の上面であって凸部３５以外の部分の上面と凸部３５の頂との間にある。
【００３０】
凸部３５の上面は回転工具２５０の大径部２５２によって凹状になる。凹部の両側には凸部３５が残る。
摩擦攪拌接合装置の前記センサは溝３６を検出して、溝３６に沿って回転工具２５０を移動させる。
【００３１】
図３は接合後の接合部の状態を模試的に示すものである。ハッチングは接合部を示すものである。
回転工具２５０の軸心は２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、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。偏芯に対しては、リブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の板厚の増大、リブと面板とを接続する円弧の形状、接続部の厚さ、座１７、２７の厚さ等によって対応する。
【００３２】
これによれば、一方の継手（凸部１１ｂ、３２の継手）を突き合わせ継手とすることができるので、継手効率の向上および屈曲部における応力集中の低減により、強度を向上させることができるものである。
また、接続材３０の一端のアーク溶接による固定は不要になるか少なくできるので、構造体の熱歪みを少なくでき、見栄えを向上でき、また内装材の取り付けを容易に行うことができる。
中空形材の両面の接合を片面側から行っている。このため、一方の面を接合した構造体を反転させる必要がない。したがって、安価に、また高精度に製作できるものである。
【００３３】
また、面板１２ｂ、２２ｂの接合部の外面は平らに接合できる。凸部１６、２６、３５は構造体内や車内側にあり、平滑な面が要求される箇所（外面側、車外側）にはない。また、車外側には回転工具によって切削されて生じる凹部もない。このため、凸部の切削等を不要にでき、車体を安価に製作できるものである。
また、ベッド２４０はローラなどの裏当てで代用できる。
また、突き合わせ部を最初に接合し、次に重ね部を接合するようにしている。このため、逆の場合に比べて、摩擦攪拌接合を良好にできると考えられる。
【００３４】
重ね部の接合部（座２７と接続材３０との接合部）の強度および面板２１の屈曲部の強度は突き合わせ部（面板１１と接続材３０との接合部）の強度よりも劣ると考えられる。この場合は、接続材３０の端部と面板２１の端部とをアーク溶接する。この溶接は強度がより必要な箇所、例えば窓隅部に近い位置のみでよい。
また、上記によって接合したものは建築物などの構造物の外面（目視できる面）に使用できる。
【００３５】
接続材３０を載せる箇所は摩擦攪拌接合時の荷重に耐える構造、箇所であればよい。例えば、前記特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）の図９のようにできる。
中空形材１０と接続材３０との接合は突き合わせ部を接合しているが、この部分も重ね接合にできる。座１７を座２７と同様に大きくする。接続材の両端に凸部３５、溝３６を設ける。中空形材１０側の接続材の端部に突出部３４を設ける。突出部を除く端部を重ね接合する。接合の位置はトラスの交点の位置（溝３６の位置）とする。
【００３６】
図６の実施例を説明する。これは３つ以上の中空形材を接合して大きな構造体を製作する場合に適している。例えば、側構体２０１を構成する。左側の中空形材１０、２０、および接続材３０の関係は図１の実施例と同様である。中央の中空形材２０の他端（右端）に中空形材１０Ｂ、接続材３０Ｂを接合している。中空形材１０Ｂの左端、接続材３０Ｂは、中空形材２０の左端、接続材３０に同一である。中空形材２０の他端（右端）の構造は中空形材１０の右端の構造と同一である。この中空形材２０の右端に接合する中空形材１０Ｂの左端の構造は中空形材２０の左端の構造と同一である。接続材３０Ｂの構造および向きは接続材３０と同一である。
【００３７】
中空形材２０の左端および中空形材１０は図６において上部に示している。中空形材２０の右端および中空形材１０Ｂは図６において下部に示している。
すなわち、３つの中空形材を接合するとき、中央の中空形材２０の面板２１の一端（左端）には斜面２７ｂを設け、面板２１の他端（右端）には凸部１１ｂ、溝１４を設ける。これによれば、中央の中空形材２０の両側の接続材３０、３０Ｂの凸部３２はすべて左側に配置され、突出部３４はすべて左方を向くことになる。このため、複数の接続材３０の凸部３２および突出部３４の向きが同一方向になり、接続材３０の配置を間違えることが少なくできるものである。
接合手順は、３つの中空形材をベッド２４０に載せ、拘束する。以下は図１の場合と同様である。
【００３８】
図７の実施例を説明する。面板１２ｂ、２２ｂ、リブ１３Ａ、２３Ａ、接続材３０が構成する空間に支え台４０を配置している。支え台４０は面板１２ｂ、２２ｂに載っている。接続材３０の端部は面板１１、２１の端部の突出片１１ｆ、２１ｆに載っている。突出片１１ｆ、２１ｆを含む突き合わせ部の下方は支え台４０に載っている。接続材３０ｂの両端に凸部３２がある。両端とも突き合わせ接合する。一方の端部に突出部３４ｂを有する。面板１１、２１と接続材３０とは突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。面板２１と接続材３０との突き合わせ部を接合しているのは、高精度に組み合わせることができる場合である。摩擦攪拌接合後、支え台４０を長手方向に抜く。
【００３９】
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。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、接続材のアーク溶接を少なくできるので、高精度の構造体を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部の接合前の縦断面図。
【図２】図１の本発明の要部の縦断面図。
【図３】本発明の一実施例の接合部の接合後の縦断面図。
【図４】本発明の一実施例の接合部の中空形材の縦断面図。
【図５】鉄道車両の車体の斜視図。
【図６】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図。
【図７】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図。
【符号の説明】
１０，１０Ｂ，２０ 中空形材
１１，１２，１２ｂ，２１，２２，２２ｂ 面板
１１ｂ，３２，３５ 凸部
１４ 溝
３０，３０Ｂ 接続材
３４ 突出部
２０１ 側構体
２０２ 屋根構体
２０３ 台枠
２４０ ベッド
２５０ 回転工具

Claims (3)

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第３の板とからなり、
   前記第２の面板の端部は、前記第１の面板の端部よりも面板に沿って突出しており、
   前記第１の面板の端部には、前記第１の面板の外面より凹んだ座が形成されており、該座は第１の面板の端部側へ開放しているともに、中空形材の長手方向に連続しており、
   前記座の垂直面には、第１の面板の端部側へ開放した溝が形成されており、該溝は中空形材の長手方向に連続していること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用形材。
2. 請求項１の摩擦攪拌接合用形材において、前記第１の面板の前記座が設けられている側の端部に、前記形材の厚さ方向の外方に突出する凸部が形成されており、
   前記溝の上端は、前記第１の面板の前記凸部および前記座を除く外面の延長線よりも前記凸部の頂側にあること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用形材。
3. 請求項１の摩擦攪拌接合用形材において、前記第１の面板に設けられた座の上面は、隣接する面板を接続する接続板を受ける幅を有しており、前記座の垂直面に設けられた溝は、前記接続板の突出部が挿入可能に形成されていること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用形材。

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