JP3625725B2 - 摩擦攪拌接合用押し出し形材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空材の摩擦攪拌接合方法に関するものである。例えば、鉄道車両や航空機、建築物等に使用されるアルミニウム合金製中空押し出し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、固相接合する方法がある。
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。摩擦攪拌接合方法による接合は中空押し出し形材に適用されている。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】
回転工具による摩擦攪拌接合の際は、被接合部材に大きな荷重が作用する。このため、中空形材を接合する場合は、接合部にリブを設け、前記荷重をこのリブで支えるようにしている。このため、中空形材の重量が大きくなり、鉄道車両や航空機のような軽量化を目指している分野において重量増は大きな問題となる。
本発明は、この重量増加の減少を目的とするところにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の面板と、前記第１の面板に実質的に平行な第２の面板と、前記第１の面板および第２の面板を接続する複数のリブとからなり、前記第１の面板および第２の面板は、前記リブとの接続部の位置よりも押し出し形材の幅方向の外側に突出した接合部面板をそれぞれ備えており、前記各接合部面板の端部に摩擦攪拌接合部が形成されており、前記第２の面板の接合部面板は、前記第１の面板の接合部面板よりも前記押し出し形材の幅方向の外側に突出しており、前記第２の面板を前記第１の面板よりも下方に置いたとき、前記第２の面板の接合部面板の上方であって、該第２の面板の接合部面板の摩擦攪拌接合部よりも前記押し出し形材の幅方向において内側の位置に、前記第１の面板の接合部面板の摩擦攪拌接合部が位置していること、を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材によって達成できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図４により説明する。鉄道車両の車体１００は、側面を構成する側構体１０１、屋根を構成する屋根構体１０２、床を構成する台枠１０３、構体の端部を構成する妻構体１０４からなっている。側構体１０１、屋根構体１０２、台枠１０３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。この形材はその長手方向を車体の長手方向に向けて並べている。形材は中空形材である。側構体１０１を構成している中空押し出し形材（以下、単に形材という）１０、２０の接合方法について説明する。他の箇所、他の構体を構成している部位についても同様である。
【０００６】
形材１０、２０は、二枚の面板１１、１２、２１、２２と、この二枚の面板を接続する複数のリブ１３、１４、２３、２４から構成されている。二枚の面板１１、１２、２１、２２は実質的に平行である。リブ１３、１４、２３、２４は傾斜している。リブ１３、２３、１４、２４をトラス状に配置している。
【０００７】
車体１００の外面に位置する面板１２、２２の端部は車内側の面板１１、２１の端部よりも隣接する形材２０、１０側に突出している。この突出した端部の面板を接合部面板１２ｂ、２２ｂと呼ぶ。接合部面板１２ｂ、２２ｂの板厚は他の部分の面板１２、２２の板厚よりも厚い。接合部面板１２ｂ、２２ｂの端部には上方に突出する凸部１２ｃ、２２ｃがある。凸部１２ｃ、２２ｃを含めた接合部面板１２ｂ、２２ｂの端部は突き合わせられ、摩擦攪拌接合されている。
【０００８】
２つの凸部１２ｃ、２２ｃを合わせた幅は回転工具の大径部の径よりも大きい。回転工具の大径部とその先端の小径部との境は、接合部面板１２ｂ、２２ｂの上面よりも上方の凸部１２ｃ、２２ｃ内に位置する。
【０００９】
面板１１の端部と面板２１の端部とは接続材３０を介して接続されている。面板１１の端部には凹部がある。凹部は車内側および端部側に開放している。凹部を構成するために端部側に突出片１６が突出している。面板１１の端部には上方に突出する凸部１７がある。凸部１７を含む面板１１の端部に接続材３０の端部を突き合わせている。また、接続材３０の端部は突出片１６に重なっている。前記突き合わせた部分を上方から摩擦攪拌接合している。この摩擦攪拌接合する位置は、車体外面に位置する面板１２の端部の接合部面板１２ｂの上方にある。
【００１０】
面板１１と接続材３０との突き合わせ部（摩擦攪拌接合する位置）、すなわち面板１１から突出片１６に至る角部は接合部面板１２ｂの上方にある。
接続材３０の端部にも凸部３１がある。２つの凸部１７、３１を合わせた幅は回転工具の大径部の径よりも大きい。回転工具の大径部の挿入位置は接合部面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の場合と同様である。
【００１１】
面板２１の端部には凹部がある。凹部は車内側および端部側に開放している。凹部を構成するために端部側に突出片２６が突出している。接続材３０の端部は突出片２６に重なっている。この重ねた部分を摩擦攪拌接合している。この摩擦攪拌接合の位置は接合部面板２２ｂの上方にある。突出片２６の上面から面板２１の上面へ連なる部分は傾斜している。これは接続材３０と面板２１とを溶接する場合の開先となる。
突出片１６、２６の凹み量は接続材３０の厚さに同一である。接続材３０、面板１１、２１の上面が同一面になるようにする。
【００１２】
面板２１側の接続材３０の端部には上方に突出する凸部３２がある。凸部３２の幅は回転工具の大径部の径よりも大きい。凸部３２の幅の中心にはＶ状の溝３３がある。溝３３を光学式センサーで検出して溝３３の位置に回転工具を誘導する。突き合わせ部の接合は突き合わせ部の位置を検出して突き合わせ部に回転工具を誘導する。回転工具の大径部の挿入量は接合部面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の場合と同様である。
【００１３】
接続材３０を接合する際には、２つの形材１０、２０の端部が構成する空間内に裏座２１０を配置する。裏座２１０は接合部面板１２ｂ、２２ｂに載っている。
裏座２１０の上面は接合部の下方に位置している。裏座２１０の高さは接合部面板１２ｂ、２２ｂの上面から突出片１６、２６の下面までの高さよりも小さい。両者の隙間は大きくない。突出片１６、２６の下方に裏座２１０の上面が位置する。摩擦攪拌接合の位置（突き合わせ部（接続材３０の端部）、溝３３）の下方に、裏座２１０、および接合部面板１２ｂ、２２ｂがある。これによって、接続材３０の両端を同時に接合しない場合でも裏座２１０が転倒するようなことがないものである。裏座２１０を配置する空間は接合部の裏面にあるといえる。
【００１４】
摩擦攪拌接合の手順を説明する。まず、形材１０、２０を架台２００に載せて固定する。面板１１、２１が上方で、面板１２、２２が下方である。接合部面板１２ｂ、２２ｂは突き合わせる。
【００１５】
次に、接合部面板１２ｂ、２２ｂの上方の形材１０、２０の間の空間を用いて上方から摩擦攪拌接合を行う。つまり、上方から回転工具を突き合わせ部に挿入して摩擦攪拌接合を行う。接合部面板１２ｂ、２２ｂには凸部１１ｃ、２２ｃがあるので、突き合わせ部の隙間は埋められる。接合部面板１２ｂ、２２ｂの下面は実質的に平に接合する。前記空間は、面板１２ｂ、２２ｂ、リブ１３、２３、面板１１、２１から構成される。
【００１６】
この摩擦攪拌接合の際、接合によって生じるバリおよび凸部１２ｃ、２２ｃを切削する。回転工具は大径部の半径方向の外面に刃を設置している。この刃によってバリを切削する。また、凸部１２ｃ、２２ｃの上部を切削する。
次に、この切削した切り子を除く。
【００１７】
次に、形材１０、２０の端部が構成する空間に裏座２１０を配置する。図２において、左端から右端に向けて接合するとする。形材１０、２０の左端よりも外に、裏座２１０があるので、これを手で持って形材１０、２０の左端の接合部面板１２ｂ、２２ｂに載せる。裏座２１０の左端には左端のチエン２２１が連結されている。裏座２１０をロープを介して手で引っ張り、右端に向けて移動させる。左端のチエン２２１は形材１０、２０の端部の空間に入る。裏座２１０が右端に移動すると、右端のチエン２２１を裏座２１０の右端に連結する。
【００１８】
前記空間の左右の延長線上にはそれぞれスプロケット２３２、２３５がある。チエン２２１は裏座２１０を介してエンドレス状に配置している。符号２４０はチエン２２１を張ったり弛めたりする装置である。シリンダー装置２４１のロッドを突出させると、リンク２４２が回転し、チエン２２１を張る。リンク２４２の両端にはチエン２２１支持するスプロケット２４３、２４３がある。符号２４５、２４６はスプロケットである。
【００１９】
チエン２２１を弛めた際や、裏座２１０からチエン２２１を外した際等の場合に、スプロケットからチエン２２１が外れるのを防止するため、必要なスプロケットの近傍にローラがある。これらのスプロケットとローラでチエン２２１を挟んでいる。符号２３３、２３６はスプロケットである。
符号２５０は摩擦攪拌接合用の回転工具２５１を備えた摩擦攪拌接合装置である。摩擦攪拌接合装置２５０は架台２００を跨いでいる。摩擦攪拌接合装置２５０は架台２００に沿って移動する。回転工具２５１は上下方向に移動できる。
【００２０】
裏座２１０にチエン２２１を連結し、裏座２１０を接合部面板１２ｂ、２２ｂに載せたら、装置２４０によってチエン２２１を張る。裏座２１０の上下面には油脂を塗っている。または、接合部面板１２ｂ、２２ｂの上面、突出片１６、２６の下面に油脂を塗る。裏座２１０の長さは数１０ｃｍ程度である。裏座２１０は鉄系である。
【００２１】
次に、接続材３０を突出片１６、２６に載せる。接続材３０の凸部３１側を面板１１の端部に突き合わせる。
次に、接続材３０を面板１１、２１に仮止め溶接する。仮止め溶接は間欠的に行う。または、接続材３０を押さえて、拘束する。
【００２２】
次に、上方から回転工具２５１を挿入して、前記一端側から摩擦攪拌接合を開始する。面板１１と接続材３０との接合部は突き合わせ接合である。面板２１と接続材３０との接合部は突出片２６と接続材３０との重ね接合である。突出片１６、２６は接合時に若干下方に曲げられる。
【００２３】
図２において、回転工具２５１が右端に向けて移動を開始するとともに、駆動機２３４によってスプロケット２３３を回転させて裏座２１０を移動させる。裏座２１０は回転工具２５１の移動に同期して移動させる。裏座２１０を両側から引っ張っているので、裏座２１０は回転工具２５１の移動に同期して移動しやすい。
【００２４】
接続材３０の両端の接合が終了すると、装置２４０を動作させてチエン２２１を弛める。次に、裏座２１０の右と右端のチエン２２１との連結を解除する。右端のチエン２２１を手で除く。
【００２５】
次に、形材１０、２０の左端の外において、左端のチエン２２１を手で引っ張り、チエン２２１と裏座２１０を空間から抜く。
これによれば、突出片１６、２６に作用した回転工具による荷重は裏座２１０、接合部面板１２ｂ、２２ｂを介して架台２００に支持される。つまり、接合部面板１２ｂ、２２ｂは架台２００に、裏座２１０は接合部面板１２ｂ、２２ｂに、面板１１、２１（突出片１６、２６）および接続材３０は裏座２１０にそれぞれあてがわれているので、裏座２１０等は摩擦攪拌接合の際の支えとなる。このため、突出片１６、２６、この近傍の面板１１、２１が下方に大きく曲がったり、リブ１３、１４、２３、２４が大きく変形することがない。このため、リブ１３、２３の板厚を薄くできる。よって、形材１０、２０を軽量にでき、軽量な構造体を得ることができるものである。
【００２６】
面板１１と接続材３０との突き合わせ部の接合には突出片１６は不要である。しかし、突出片１６があるので、軟化した金属が裏座２１０に接触することがない。また、回転工具の挿入量が過大でも突出片１６の厚さの余裕があるので、回転工具が裏座２１０に接触しにくい。このため、裏座２１０が形材１０に接合されにくい。このため、裏座２１０を容易に移動させることができるものである。また、突出片１６があるので、油脂が接合部に触れることがないものである。
裏座２１０の移動方向に沿って、裏座２１０にキャタピラを巻くと、移動が容易である。キャタピラは左右に分かれている。
【００２７】
図５によって、裏座の他の実施例を説明する。摩擦攪拌接合時に裏座２７０は移動させない。裏座２７０の長さは形材１０、２０の長さよりも若干長い。接合部面板１２ｂ、２２ｂを接合した後、左側のウインチ２８１からロープ（チエンでもよい）２８２を繰り出し、空間内に配置し、架台２００の右側のローラ２８６上に置いた裏座２７０の左端に連結する。ウインチ２８１によって裏座２７０を引っ張り、接合部面板１２ｂ、２２ｂに載せる。これが図５の状態である。
【００２８】
摩擦攪拌接合の後、ロープ２８２を裏座２７０から外す。次に、右端のウインチ２８３によって裏座２７０を右端側に引っ張り、抜き、ローラ２８６に載せる。ウインチ２８３と裏座２７０はロープ（チエンでもよい）２８４で連結している。
クレーンで吊り上げた裏座２７０を上方から空間に入れることが考えられる。空間の直前で裏座２７０を斜めにして空間に入れる。
【００２９】
図６の実施例を説明する。裏座２９０は裏座２７０を改良したものである。裏座２９０は、上下のブロック２９１、２９２と、両者の間のエアーバック２９３とからなる。上部のブロック２９１の重量は下部のブロック２９２重量よりも大きい。両ブロック２９１、２９２は側面においてリンク２９５、ピン２９６で連結されている。リンク２９５の上部にはピン２９６が上下に移動できる長穴がある。このリンク２９５等は裏座２９０の長手方向に沿って間欠的にある。エアーバック２９３はブロック２９２の長手方向に沿ってある。裏座２９０の長さは裏座２７０の長さと同様である。エアーバック２９３はホースからなる。
【００３０】
裏座２９０の使用方法は次の２つである。その１つは、接続材３０の摩擦攪拌接合の後、エアーバック２９３に空気を入れ、上部のブロック２９１を上昇させる。下方に曲がっていた突出片１６、２６は上方に曲がる。次に、エアーバック２９３から空気を排出する。上部のブロック２９１の重量で該ブロック２９１は突出片１６、２６から離脱しやすい。必要によって、ブロック２９１をハンマーで下方に叩く。これによってブロック２９１と突出片１６、２６との間に隙間が発生しやすい。よって、裏座２９０を容易に抜くことができるものである。
【００３１】
他の一つは、接合前にエアーバック２９３によって上部のブロック２９１を上昇させておく。これは接続材３０を仮止め溶接した後が望ましい。この状態で接続材３０の摩擦攪拌接合を行う。接合後、エアーバック２９３から空気を排出する。以下は前記のとおりである。
下部のブロック２９２があるので、エアーバック２９３が凸部１２ｃ、２２ｃに接触しないので、エアーバックの傷つきを防止できる。
【００３２】
図７の実施例を説明する。形材５０の２つの面板５１、５２は中空形材４０の面板４１、４２の端部の凹部に突き合わせられている。それぞれの面板は中空形材の外方から摩擦攪拌接合する。上下の突き合わせ部はリブ４３、５３から突出した位置にある。下方の突出片４２ｃには裏座３００が載っており、裏座３００は上方の突出片４１ｃを支えることができる。リブ４３、５３は面板４１、４２、５１、５２に直交している。形材５０の端部の面板５１ｃ、５２ｃは突出片４１ｃ、４２ｃに重なっている。形材４０、５０の下面は架台２１３に載っている。
【００３３】
作業手順を説明すると、架台２１３に置いた中空形材４０の端部の空間に横からロープ２８２を入れる。
次に、形材４０と形材５０とを突き合わせる。そして、突き合わせ部を上方から仮止め溶接する。
次に、ロープ２８２によって裏座３００を２つの中空形材がなす空間に引っ張り込む。裏座３００によって接合部を支えることが可能にした状態にすると、上方から摩擦攪拌接合する。
【００３４】
次に、裏座３００の他端のロープ２８４を引っ張り、裏座３００を抜く。裏座３００とロープ２８２との結合を解除する。ロープ２８２は空間に入ったままである。
次に、形材４０、５０の左端よりも外部のロープ２８２を左右の２つに分離する。
次に、接合した形材からなる構造体を上下反転する。ロープ２８２は空間に入ったままである。
【００３５】
次に、左右に分離したロープ２８２同士を連結する。また、ロープ２８２と裏座３００とを連結する。
次に、ロープ２８２を引っ張って裏座３００を再度空間内に入れる。
次に、上方から摩擦攪拌接合する。
次に、ロープ２８２と裏座３００との結合を解除する。
次に、ロープ２８４を引っ張って裏座３００を抜く。
【００３６】
図８の実施例を説明する。対象の形材６０、６０はＣ状の断面形状となっている。形材６０は、実質的に平行な２つの片６１と、その一端を接続する片６２とからなる。一方の形材の片６１、６１の他端と他方の形材６０の片６１、６１の他端との突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。突き合わせた形材６０、６０の空間には裏座３１０を入れている。形材６０、６０は突き合わせ部を横にして架台２１５に載っている。裏座３１０はクレーンで上方から入れる。架台２１５は下方の形材６０を位置決めするように凹状になっている。摩擦攪拌接合は左右から同時にするとよい。
【００３７】
本発明の技術的範囲は、特許請求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。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、接合時の荷重を裏座で負担できるので、中空形材のリブの板厚を減少でき、軽量にできるものである。
【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】本発明の一実施例の接合装置の側面図。
【図３】対象とする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装置の側面図。
【図６】本発明の他の実施例の裏座の縦断面図。
【図７】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図。
【図８】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、４０、６０：形材、１１、１２、１２ｂ、２２ｂ、２１、２２：面板、１３、１４１４：リブ、２００、２１３、２１５：架台、２１０、２７０、２９０、３００、３１０：裏座、２９３：エアーバック。

Claims (2)

1. 第１の面板と、前記第１の面板に実質的に平行な第２の面板と、前記第１の面板および第２の面板を接続する複数のリブとからなり、
   前記第１の面板および第２の面板は、前記リブとの接続部の位置よりも押し出し形材の幅方向の外側に突出した接合部面板をそれぞれ備えており、前記各接合部面板の端部に摩擦攪拌接合部が形成されており、
   前記第２の面板の接合部面板は、前記第１の面板の接合部面板よりも前記押し出し形材の幅方向の外側に突出しており、
   前記第２の面板を前記第１の面板よりも下方に置いたとき、前記第２の面板の接合部面板の上方であって、該第２の面板の接合部面板の摩擦攪拌接合部よりも前記押し出し形材の幅方向において内側の位置に、前記第１の面板の接合部面板の摩擦攪拌接合部が位置していること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。
2. 請求項１において、前記第１の面板の前記接合部面板の摩擦攪拌接合部には、該第１の面板の上方側および端部側に開放した凹部が形成されており、
   前記第１の面板の前記摩擦攪拌接合部には、前記凹部をなす、前記端部側に向けて突出した突出片が形成されており、
   前記突出片は、前記第２の面板の接合部面板の上方に位置していること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合用押し出し形材。

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