JP3732688B2 - 摩擦攪拌接合方法、車体の側構体の製作方法、構造体、および車体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、アルミニウム合金材等の接合に用いる摩擦攪拌接合に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平9−309164号公報(EP 0797043A2)に示すように、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、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。大径部側を回転させる。摩擦攪拌接合方法による接合は突き合わせ部、重ね部に適用される。
【0003】
また、被接合部材の接合部には大径部側に突出する凸部を設けている。中空の押し出し形材の幅方向の端部に一体に設けている。前記凸部は2つの形材の間の隙間を埋める材料となる。凸部側が製品の外面の場合、接合後、残った凸部は切削される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
押し出し形材に前記凸部を設ける場合は、凸部は押し出し方向に沿って設けることができる。しかし、押し出し方向に対して直角方向の端部には凸部を設けることはできない。このため、押し出し形材同士を直交して配置し、その端部を摩擦攪拌接合する場合、接合部の一方の部材の端部には凸部があるが、他方の部材には凸部がない。このため、良好な接合が行えないと考えられる。
上記は接合部の2つの部材の厚さ方向の表面の高さ位置が異なる場合であるといえる。
【0005】
本発明の目的は、接合部の2つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、良好な接合が得られるようにすることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、接合部の2つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、高さが低い側の部材の端部の表面に高さの高い部材の端部の厚さに相当する肉盛り溶接を行い、次に、接合部の摩擦攪拌接
合を行うこと、によって達成できる。
【0007】
なお、上記「接合部の2つの部材の表面の高さ位置が異なる」とは前記表面側を上方に向けて置いた場合を想定した規定であるが、回転工具を基準としていえば、回転工具から接合部の表面までの距離が異なることをいう。「低い側の部材」とは回転工具からの距離が大きい方の部材をいう。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図1から図6より、鉄道車両の車体への適用について説明する。図6おいて、鉄道車両の側構体20は、複数のアルミニウム合金の押し出し形材30、40、50を組み合わせて構成している。出入り口21と窓25との間の押し出し形材30、30、および、窓25と窓25とに隣接する押し出し形材30のそれぞれの押し出し方向は、図6において縦方向である。窓25の下部の押し出し形材40、40の押し出し方向は、図6において横方向である。つまり、押し出し形材30の押し出し方向と押し出し形材40の押し出し方向とは直交している。出入り口21の上部の押し出し形材50の押し出し方向は図6において横方向である。28は車体の台枠である。これら部材は摩擦攪拌接合や通常のMIG溶接で接合されている。
【0009】
図4から図5によって、押し出し方向を同一方向とした押し出し形材30、30同士の摩擦攪拌接合について説明する。押し出し形材40、40同士の摩擦攪拌接合も同様である。押し出し形材30(40、50も同様)は車外側が平滑な板31であり、車内側に複数のリブ33を有している。リブ33は押し出し形材30(40、50も同様)の押し出し方向に沿ってある。
【0010】
押し出し形材30の幅方向(押し出し形材の押し出し方向に直交する方向)の一方の端部(形材30、30同士を突き合わせる端部)には、車内側(リブ33側)に突出する凸部32がある。突出代はhである。板31の端部および凸部32の端部の面32bは、板31の外面31cに実質的に直交している。このため、2つの押し出し形材30、30を突き合わせたとき、形材30、30の端部の面32b、32b同士は接触できる。但し、これは理想的な場合である。その突き合わせ部はI形開先といえる。
【0011】
摩擦攪拌接合する際には、2つの押し出し形材30、30の間に隙間ができるだけ生じないように(所定値内の隙間になるように)、押し出し形材30、30を架台60に拘束する。押し出し形材30はリブ33および凸部32を上方に向けて、板31を架台60に載せている。また、押し出し形材30、30の端部の接合部が架台60に接触するようにする。架台60は鋼鉄製である。
【0012】
摩擦攪拌接合用の工具である回転工具70は上方から接合部に挿入される。回転工具70は大径の大径部71とその先端(下端)の小径部72とからなる。大径部71と小径部72の境73は大径部71側に凹んだ円弧状になっている。小径部72はねじである。摩擦攪拌接合時において、大径部71の下端の外周部は凸部32内に位置している。つまり、大径部の下端は凸部32の頂32cと板31の内面側の面(非凸部の面)31bの延長線との中間に位置している。接合は回転工具70を回転させながら接合部に挿入して、回転させながら接合線に沿って移動させて行う。回転工具70の軸心は形材40の端面32bに位置するようにする。
【0013】
また、回転工具70の軸心は回転工具70の移動方向に対して大径部71側が後方に傾斜している。このため、回転工具70の大径部71の前端は凸部32の頂32cよりも外面側(図4においては頂32cよりも上方)に位置している。回転工具70の大径部71の後端は凸部32内に位置している(線32dの位置)。すなわち、回転工具70の大径部71の後端は凸部32の頂32cと面31bの延長線との間にある。前記「前端」「後端」は回転工具70の移動方向を基準としている。
【0014】
各部の大きさの関係を説明すると、2つの凸部32、32を突き合わせた際の凸部32、32の頂32c、32cの幅W1は小径部72の径dよりも大きく、大径部71の径Dよりも小さい。または、W1はDよりも大きくてもよい。2つの凸部32、32の基部の幅W2は大径部71の径Dよりも大きい。小径部73の突出代Hは、回転工具70の後端の境73を凸部32内に位置させたとき、小径部72の先端は架台60に近接する大きさを有する。例えば、板31の外面31cと小径部72の先端との距離を0.1mmにする。つまり、小径部72の先端が架台60に接触することがないように位置を管理する。凸部32の頂32cと基部の板31の面31bは斜面32dで接続している。
【0015】
押し出し形材を30、30を架台60に固定した後、摩擦攪拌接合を行う。回転工具70を回転させる装置には、回転工具70の移動に伴って移動するローラを有している。ローラは、回転工具70の移動方向において、回転工具70の前後の左右にある。回転工具70を形材30、30に挿入したとき、ローラは形材30、30の板の面31b、31bに接触し、形材30、30を架台60に押さえつける。
【0016】
図5に摩擦攪拌接合後の状態を示す。大径部71が入っていた凸部32の材料は、2つの形材30、30の間の隙間に供給されたり、切り子のように外面に飛ばされる。また、バリとして残る。このため、2つの凸部32、32の中央部は凹部35になる。2つの形材の間の隙間は回転体70の回転によって軟化した材料によって埋められる。例えば、凸部32の材料が前記隙間に移動し、これを埋める。小径部72の先端よりも下方の隙間にも軟化した材料が移動し、隙間は埋められ、外面31c側の隙間は実質的に板31の外面31cと同一面になる。36は接合ビードである。
【0017】
形材30、30の外面31c側の接合部は形材30、30の外面31cと実質的に同一面になるので、塗装に当たってパテの厚さを薄くできるものである。また、隙間の外面31c側には凹部がないので、無塗装のヘアライン加工で仕上げることがきるものである。
【0018】
このようにして接合した形材30、30の組、形材40、40の組を図6、図1のように架台60に載せ、固定する。事前に、2つの組の突き合わせ部(接合部となる。この接合部は形材40の両端にある)の近傍の形材40のリブ43を切削して形材40を平滑にしている。
これによって、前記接合部を摩擦攪拌接合する場合に、接合部の近傍をローラで押さえることができる。
【0019】
次に、図1から図3において、2つの組の突き合わせ部(接合部)において、形材40、40の端部に肉盛り溶接を行う。肉盛り溶接部42の高さ、幅は形材30の凸部32に相当する高さ、幅であることが望ましい。この肉盛り溶接は接合線に沿って連続して行うことが望ましいが、間欠的に行ってもよい。例えば、1cmの肉盛り溶接を行い、1cm中断し、これを繰り返す。この肉盛り溶接の強度は、摩擦攪拌接合時に、回転工具70の回転によって飛ばされないような強度を有すればよい。回転工具70の大径部71によって切り子の如く飛ばされて凹部35を作ることは許容内である。
【0020】
次に、2つの組を前記のように摩擦攪拌接合を行う。前記のように摩擦攪拌接合され、接合部の外面31c、41c側は板31、41の外面31c、41cと実質的に同一面になる。
【0021】
肉盛り溶接部42がない場合、大径部71、小径部72が形材30、40で覆われることが少なくなるので、凸部32の材料が切り子の如く飛ばされ、隙間への材料の充填が少なくなり、良好な接合ができない。しかし、肉盛り溶接部42が凸部32の代用を果たすので、良好な接合ができるものである。
肉盛り溶接部42は間欠的である。肉盛り溶接部42がない部分においては、一方の形材30の凸部32から形材40側への材料の移動が行われる。また、回転工具70の回転および移動によって、凸部32および肉盛り溶接部42の材料が回転工具70の後方に移動させられる。これらによって、肉盛り溶接のない部分の接合も実質的に良好に行われる。
【0022】
これによって接合部は実質的に図5のようになる。押し出し形材30の凸部32は押し出し形材30と同一部材であり、押し出し形材40の凸部に相当するものは肉盛り溶接によるものである。
【0023】
前記肉盛り溶接側を車体の外面とし、この外面を無塗装で仕上げる場合は、前記肉盛り溶接をTIG溶接で行う。この溶接の溶加材は形材30、40と同一材質とする。例えば、形材30、40を切断して溶加材とする。例えば、形材30、40の端材を用いる。溶接後、例えば、ヘアーライン加工を行う。これによれば、接合部に変色がなく、見栄えをよくできる。溶加材が他の材質の場合は接合部は変色し、見栄えが悪い。
【0024】
上記実施例において、形材40の組を肉盛り溶接後、架台60に設置して、2つの組を突き合わせてもよい。上記実施例は側構体を構成する押し出し形材同士の接合であったが、他の部材にも適用できるものである。
【0025】
図7から図8の実施例を説明する。押し出し形材80はその長手方向を車体の長手方向に向けて配置している。押し出し形材80は中空形材である。押し出し形材80の幅方向の端部の両面には凸部がある。形材80、80同士の接合はこの凸部を利用して摩擦攪拌接合を行う。86は窓、87は出入り口である。
【0026】
90、95は出入り口87の枠を構成する押し出し形材である。90は枠の縦の辺を構成し、95は枠の上辺、下辺を構成する。押し出し形材90、95同士は溶接で接合する。押し出し形材90、95と押し出し形材80とは摩擦攪拌接合で接合する。形材90は中空形材である。形材90は形材80との接合部の端部の両面に凸部92、92を設けている。また、形材80側に突出する突片93、93を有している。突片93、93は中空形材80の2つの板81、82の内側に挿入されている。形材80は突片93、93が入るように内部のリブ83を削除している。形材90の垂直片91の板厚の範囲内に凸部92と形材80との突き合わせ面があるように設けている。形材95の構造も形材90の構造と同一である。2つの板81、82は実質的に平行である。
【0027】
形材80、80を摩擦攪拌接合した後、形材90、95を配置する。形材80、80、90、95を架台60に載せる(凸部92を除く。)。形材90、95に沿って形材80、80…の端部に肉盛り溶接を行う。その後、摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合は、片面づつ、または両面同時に行う。摩擦攪拌接合の後、車外側の凸部92および肉盛り溶接部は切削して平滑にする。
【0028】
上記実施例は窓の枠を摩擦攪拌接合で設置する場合にも適用できるものである。また、上記実施例は中空形材であったが、図1のような形材にも適用できるものである。
【0029】
上記実施例では厚さの異なる部材を突き合わせているが、製作誤差で、接合部の表面の高さ位置が異なる場合に、肉盛り溶接して摩擦接合すればよい。なお、「接合部の表面の高さ位置が異なる」とは前記表面側を上方に向けて置いた場合を想定した規定であるが、回転工具を基準としていえば、回転工具から接合部の表面までの距離が異なることをいう。「低い側の部材」とは回転工具からの距離が大きい方の部材をいう。
【0030】
図9の実施例を説明する。この図9は図8に相当する。中空形材80の端部のリブ83および車体の内側の板82の端部は切削して除いている。押し出し形材100の車外側の端部は板81に突き合わせられている。この端部には車外側に突出する凸部102がある。凸部102を除く押し出し形材100の外面と板81の外面は実質的の同一面である。押し出し形材100の車内側の面の突出片1003は、中空形材80の車内側の板82に重なっている。押し出し形材100は強度の観点から中空形材ではない。押し出し形材100は中実である。
押し出し形材100を架台60に載せた状態で、板81と押し出し形材100との突き合わせ部を上方から摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合は凸部を含めて行う。
【0031】
次に、この構造体を反転し、突出片103と板82とをアーク溶接で隅肉溶接する。
なお、突出片103を設けない場合は、板82と押し出し形材100との突き合わせ部を溶接する。
【0032】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項の記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項の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のも及ぶものである。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、接合部の2つの部材の表面の高さ位置が異なる場合において、良好な接合が得られ、接合部の凹みを実質的に除く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であり、図6の1−1断面図である。
【図2】 図1の斜視図である。
【図3】 図1の3−3断面図である。
【図4】 本発明の他の部分の接合部の縦断面図であり、図6の4−4断面図である。
【図5】 図4の接合後の状態図である。
【図6】 鉄道車両の車体の側面図である。
【図7】 本発明の他の鉄道車両の側面図である。
【図8】 図7の8−8断面図である。
【図9】 本発明の他の実施例の図8相当図である。
【符号の説明】
21、87:出入り口、25、86:窓、30、40、50、80、90、95、100:押し出し形材、31、41:板、32、92、102:凸部、35:凹部、42:肉盛り溶接部、33、43:リブ、60、61:架台、70:回転工具。
Claims (13)
- 突き合わせた2つの部材の接合すべき部分の高さ表面の位置が異なる場合において、低い側の部材の接合部分表面に前記高い側の部材の接合部分の位置に相当する肉盛り溶接を行い、
前記突き合わせた部分を前記肉盛り溶接側から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。 - 請求項1において、前記肉盛り溶接は接合すべき方向に沿って間欠的に行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
- 端部を厚くした第1の部材と、端部の厚さが前記第1の部材の前記端部の厚さよりも薄い第2の部材とを、前記各端部を突き合わせて配置し、
前記第2の部材の前記端部に前記第1の部材の端部の厚さに相当する肉盛り溶接を行い、
前記突き合わせた部分を前記肉盛り溶接側から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。 - 端部を厚くした第1の部材と、端部の厚さが前記第1の部材の前記端部の厚さよりも薄い第2の部材が、前記各端部を突き合わせて配置されており、
前記第2の部材の前記端部には、予め肉盛り溶接が行われており、
前記肉盛り溶接部は、前記第1の部材と前記第2の部材の各端部の厚さの差に相当する高さを有しており、
前記突き合わせた部分を前記肉盛り溶接のある側から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。 - 複数の押し出し形材を摩擦攪拌接合して2組の押し出し形材群を設け、
一方の前記組の端部と他方の前記組の端部とを突き合わせ、前記一方の組の前記押し出し形材の押し出し方向と前記他方の組の前記第2の押し出し方向とは実質的に直交しており、
前記第1の押し出し形材の幅方向の端部は該端部に沿って凸部を有し、
前記突き合わせの前または後において、前記突き合わせ部の前記第2の押し出し形材に前記第1の押し出し形材の凸部に相当する肉盛り溶接を行い、
前記肉盛り溶接のある側から摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする車体の側構体の製作方法。 - 請求項5において、前記肉盛り溶接は、前記第1の押し出し形材または前記第2の押し出し形材と同一材質の溶加材を用いてTIG溶接すること、を特徴とする車体の側構体の製作方法。
- 複数の押し出し形材を摩擦攪拌接合し、
出入り口または窓の枠を構成する部材の端部と前記押し出し形材の端部とを突き合わせ、前記部材は前記端部に沿って凸部を有しており、
前記突き合わせの前または後において、前記突き合わせ部の前記押し出し形材に前記部材の凸部に相当する肉盛り溶接を行い、
前記肉盛り溶接のある側から摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする車体の側構体の製作方法。 - 請求項7において、前記凸部、前記肉盛り溶接、および前記摩擦攪拌接合は車体の車内側から行うこと、を特徴とする車体の側構体の製作方法。
- 第1の部材の端部と第2の部材の端部とが突き合わせて接合されており、
該接合部は前記部材の厚さ方向に突出しており、該接合部の幅方向の中央部は凹んでおり、
前記第1の部材の前記突出した部分は該第1の部材と同一部材であり、前記第2の部材の前記突出した部分は、前記第1の部材の突出した部分に相当する高さを有する肉盛り溶接部であること、
ことを特徴とする構造体。 - 請求項9において、前記第1の部材および前記第2の部材は押し出し形材であり、前記第2の部材の前記端部は前記押し出し形材の押し出し方向の端部であること、を特徴とする構造体。
- 第1の押し出し形材の端部と第2の押し出し形材の端部とが突き合わせて接合されており、
前記第1の押し出し形材の押し出し方向と前記第2の押し出し形材の押し出し方向とは実質的に直交しており、
前記接合部は前記それぞれの押し出し形材の厚さ方向の外方に突出しており、該接合部の幅方向の中央部は凹んでおり、
前記第1の押し出し形材の前記突出した部分は該第1の押し出し形材と同一部材であり、前記第2の押し出し形材の前記突出した部分は、前記第1の押し出し形材の突出した部分に相当する肉盛り溶接部であり、
前記突出した部分は車内側にあること、
を特徴とする車体。 - 請求項11において、前記第1の押し出し形材は複数の押し出し形材を並べて接合したものであり、前記第2の押し出し形材は複数の押し出し形材を並べて接合したものであり、
前記複数の第1の押し出し形材の組の端部と前記複数の第2の押し出し形材の組の端部とを接合しており、該接合部は前記接合部の構成であり、
2つの前記組を車体の側構体に有すること、
を特徴とする車体。 - 請求項11において、前記第2の押し出し形材は出入り口または窓の枠であること、を特徴とする車体。
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