JP3750602B2

JP3750602B2 - 水密構造

Info

Publication number: JP3750602B2
Application number: JP2001390886A
Authority: JP
Inventors: 一浩桑原; 慎也牧田
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: JP2002239755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複数の板材同士を接合することにより形成される水密構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウムまたはアルミニウム合金(以下、アルミニウムと称する)部材は、軽量であると共に耐食性にも優れているため、建築・構築用やトラック等の車両における平面状または立体状の構造に活用されている。この場合、アルミニウム部材同士の接合部における水密構造は、種々のものが考えられていた。
例えば、空間を仕切る壁面等を形成する場合、図２(Ａ)に示すように、複数のアルミニウム製の断面が略平坦な押出形材１４２のＬ形端部１４４同士を重ね合わせ、その重ね合わせ部の凹溝１４５にシーリング１４６を充填することによって、上記形材１４２同士を接合して水密構造１４０を形成している。尚、各形材１４２は、予めネジ１４８により胴縁１４７に固定されている。
【０００３】
また、図２(Ｂ)に示すように、複数のアルミニウム製の中空押出形材１５１同士を用いる水密構造１５０も広く行われている。各押出形材１５１は断面全体が偏平した矩形で、一方の端部に沿って底広凹溝１５２を、他方の端部に沿って先太凸条１５４を有し、且つそれらの両側に断面鋭角な段部１５６を有する。
そして、これら底広凹溝１５２と先太凸条１５４を嵌合すると共に、上記段部１５６同士から形成される図示で上下の各側面の凹部内に、合成樹脂からなる断面台形のパッキン材１５８を強制的に嵌装する。該水密構造１５０は形材１５１同士の接合強度を上記雄雌嵌合部(１５２，１５４)により維持し、形材１５１同士間の水・気密(密封)性を上記パッキン材１５８により確保するものである。
【０００４】
更に、図２(Ｃ)に示すように、断面が偏平チャンネル状を呈するアルミニウム製の押出形材１６２同士を用いる水密構造１６０も行われている。
各押出形材１６２は、端部に直角に曲げて形成されたフランジ１６４同士を薄いパッキン材１６８を挟んで突合わせている。そして、各フランジ１６４に穿設した複数の通し孔にボルト１６６を貫通し、その各雄ネジ部にナット１６７をそれぞれ螺着する。この水密構造１６０は、押出形材１６２間をパッキン材１６８とボルト１６６・ナット１６７とにより水密性を確保している。
【０００５】
更に、図２(Ｄ)に示す水密構造１７０は、カーテンオール(図中右側は屋内、左側は屋外である)の接合部を完全に水密を図る目的で開発されたもので、前記水密構造１５０等で示されるパッキン材１５８，１６８を利用したものを改良したものである。この水密構造１７０は、屋内側において上下の部材１７２,１７３間にパッキン材１７７,１７８を設けて当接させ、屋外側に隙間１７６を形成し、パッキン材１７８等と隙間１７６間に大きな空間１７４を形成したものである。
この水密構造１７０によれば、空間１７４は隙間１７６により外気圧と同じ気圧にあり、圧力差により隙間１７６から空間１７４内に雨水が進入しない。また、運動エネルギを伴って隙間１７６から進入した雨水も空間１７４内に進入するが、パッキン材１７８等は隙間１７６から見通せない高い位置にあるのでこれらにまで達しない。更に、空間１７４内に進入した雨水は、該空間１７４内が外気圧と同じ気圧にあるので重力により隙間１７６よりスムーズに排出される。これにより、空間１７４内でパッキン材１７８等の高さまで進入した水が蓄積されることがなく、これにより完全な水密が図るというものである。
【０００６】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、前記水密構造１４０では、水密性の施工は容易である反面、経年変化により水密性が劣化する、という問題がある。
また、前記水密構造１５０では、押出形材１５１同士を嵌合して容易に接合できると共に、嵌合部の両側に形成される凹部内にパッキン材１５８を強制嵌装するだけで形成できる。しかし、形材１５１間に配設されるパッキン材１５８と各形材１５１とは接着されておらず、その内外(図２(Ｂ)で上下)間に風圧等により気圧の差が生じた場合、パッキン材１５８と形材１５１との間から漏水する、という問題を有する。
【０００７】
更に、前記水密構造１６０も水密構造１５０と同様の問題を有する。
また、前記水密構造１７０では、水密のために接続される部材１７２，１７３間に隣接する部分の部材の形状が複雑になり、その形状に制限が生じると共に、経時変化によるパッキン材１７８等が劣化するという問題を有する。
本発明は、以上に説明した従来における各技術の問題点を解決し、事前の加工や準備作業を最小限とし、建築用や車両用等のアルミニウム製の板材同士間を互いに確実に且つ長期的に接合して水密できると共に、後加工も殆んど不要とできる水密構造を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、板材同士の端部間に沿って、摩擦ピンと表面抑え部とを含む工具を用いる摩擦攪拌接合を僅かな深さで施し、表面が平坦な接合線を形成する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の水密構造(請求項１)は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複数の板材同士の端縁が、互いに巻付くそれぞれ断面略Ｕ字形状の曲折縁であり、各曲折縁を巻付けた重合部に沿い且つ各曲折縁同士の厚さ方向に跨って、摩擦攪拌接合を施し、表面が平坦で内側の曲折縁に至る深さの接合線を形成することにより、上記板材同士間に水密を施した、ことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、互いに重合する板材同士の端部に沿って曲折した端縁同士を、表面が平坦で且つ外側の曲折縁から内側の曲折縁に至る深さに形成された浅い接合線により、金属的に隙間なく確実に接合した水密性を付与した水密構造とすることができる。
尚、係る水密構造は、各種の液体またはガス用のタンク、ボンベ、容器や、水槽またはプール等を容易に形成することができる。
【００１０】
また、本発明には、前記重合部に沿って、摩擦部の長さが０．５〜３．０ｍｍで且つ摩擦部の外径が０．５〜３．０ｍｍの摩擦ピンと、表面抑え部と、を含む工具を用いる摩擦攪拌接合により前記接合線を形成する、水密構造(請求項２)も含まれる。これによれば、表面が平坦な浅い接合線により互いに重合する板材同士をその端部に沿って、金属的に隙間なく確実に接合した水密性を付与した平面的な構造とすることができる。
【００１１】
上記摩擦部の長さを３．０ｍｍ以下としたのは、水密施工は一般に組立現場、工事現場で行われるため、運搬や操作が容易で簡便な前記工具を含む摩擦攪拌接合装置で施工可能にするためである。また、最小長さは確実な接合が行え、水密不良を防ぐため、少なくとも０．５ｍｍとした。
更に、摩擦部の最小外径を０．５ｍｍとしたのは、摩擦ピンが強度上必要とする最小外径に相当するためであり、最大外径は上記接合装置の運搬や操作性の点から３．０ｍｍとされる。即ち、摩擦攪拌接合では、摩擦ピンを押付ける力が大きな要素となるが、係る押付け力が大きくなるに連れて、その接合装置全体が大きくなり、組立現場等での利用に適さなくなるためである。
尚、表面抑え部は摩擦部外径の２〜３倍の径を有する。
【００１２】
尚、本発明に用いる摩擦攪拌溶接(フリクション・スター・ウェルディング)の具体的な説明は、次述する実施の形態において行うが、その原理については例えば特表平９−５０８０７３号公報を参照されたい。
一般に、アルミニウム合金製の部材同士をＭＩＧ等のアーク溶接により溶接する場合、溶接品質が良好で密封性に優れたものとすべく、溶接条件を種々に工夫した発明が提案されている(特開平８−１９７２５５、特開平９−１０３８８４号公報参照)。
しかし、これらは、溶接ワイヤ等を別途に必要とし、且つ溶接条件を厳守して行わざるを得ないため、溶接の管理が煩雑になると共に、場合により形成された溶接ビードの頂部分を研削して除去する後加工も必要となるという問題がある。
【００１３】
そこで、近年アーク溶接に比べて簡単に金属材同士を接合できる前記摩擦攪拌接合が注目され始めている。この摩擦攪拌接合は、図３(Ａ)，(ａ)に示すように、互いに端縁を突合わせ且つ拘束された一対のアルミニウム合金製の平板１８０，１８１間の突合わせ面に沿って、回転する工具１８２を押圧しつつ移動させることにより行う。当該工具１８２は、被接合材より硬度および軟化温度が高い材料からなり、回転円筒体１８４と、その凹んだ底面である表面抑え部１８６と、その中心から同軸に垂下する摩擦ピン１８８からなる。そして、工具１８２は上記突合わせ面に沿ってやや傾けた状態で水平(左)方向に移動され、且つ垂直方向の押し込み力が付加される。尚、上記摩擦ピン１８８の周面には、図示しない水平方向に沿ったネジ状の摩擦攪拌翼が形成されている。
【００１４】
このピン１８８の回転と移動に伴って、各板１８０，１８１の突合わせ面付近のアルミニウムは、摩擦熱により加熱して可塑化されると共に、突合わせ面を挟んで各板１８０，１８１間において水平および垂直方向に流動化される。また、上記表面抑え部１８６は、流動化したアルミニウムの垂直方向の流動を抑制すると共に、摩擦ピン１８８により流動化されたアルミニウムを攪拌する。
これにより、図３(Ｂ)，(Ｃ)に示すように、上記アルミニウムは固相状態で固化した攪拌部１８９となる。且つ、この攪拌部１８９の表面は、平坦で一定の幅を有する接合線１９０となる。従って、従来のアーク溶接等のように盛り上がった溶接ビートがなく、後加工が容易になる。
【００１５】
係る摩擦攪拌接合の従来考えられている用途は、ＭＩＧ溶接等に替わる接合強度を要求される用途であったため、通常摩擦ピンの摩擦部の長さ３〜１５ｍｍ、径３〜１０ｍｍ、表面抑え部の径６〜２５ｍｍと比較的大きいものであった。
また、この場合、工具１８２の回転速度は５００〜１５０００ｒｐｍ、送り速度は０．０５〜２ｍ／分で、工具１８２に加える押し込み力は１ｋＮ〜２０ｋＮで行われていた。
本発明では水密性を目的とし接合強度を目的としないため、接合線の深さと幅が極めて僅か形成すれば良い。従って、摩擦攪拌接合に用いる工具における摩擦ピンの摩擦部の長さが３ｍｍ以下でその範囲は約０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ、摩擦部の外径が０．５ｍｍ以上でその範囲は０．５〜３．０ｍｍにあることを要件としている。尚、表面抑え部の径は摩擦部の外径の約２〜３倍で良い。
【００１６】
この場合、工具の回転速度３０００〜３００００ｒｐｍ、送り速度０．０２〜２ｍ／分で、上記工具に加える押し込み力を約１０Ｎ〜１０００Ｎで行うことができる。上記回転数を大きくしたのは摩擦ピンの外径が小さいため、アルミニウムの軟化に必要な加熱量を得るために必要となるためである。また、押し込み力が小さくてすむのは、摩擦ピンの外径と押し込み深さが小さくなるためである。これにより小型のハンディな装置とすることが可能となり、工事現場等で使用できる可搬式の接合装置になる。更に、上記回転数を得るには通常の電動モータの他、例えば圧縮空気を用いたタービンモータ(例：歯科用ドリル)を用いることで実現することができる。
尚、摩擦ピンの寸法が上記より小さいと加工に高い精度が必要となり、ピン素材自体の寸法精度がかなり必要となって実用的でなく、且つ周面に形成する摩擦攪拌翼も十分に形成することが困難になる。また、上記寸法より大きいと上記の如く工具に大きな力が必要となり装置が大掛かりとなり、ピン素材の大きさも大きくせざるを得なくなり実用的でない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
本発明に用いる工具１０は、図１(Ａ)および(ａ)に示すように、接合すべき板材よりも硬度および軟化温度が高い材料からなり、回転円筒体１２と、その底面であって緩く湾曲して凹んだ外径４ｍｍの表面抑え部１４の中心から同軸にて垂下する摩擦ピン１６とからなる。かかる摩擦ピン１６は、外径が１．８ｍｍ、長さが１．５ｍｍの円柱体で、その外周面には図示しないネジ状の小さな摩擦攪拌翼が形成されている。
【００１８】
そして、図１(Ａ)および(ａ)中の矢印で示すように、上記円筒体１２と摩擦ピン１６の中心軸を、後述する接合すべき板材同士に対して直角から僅かに斜めにした状態で、図示しないモータによって工具１０を回転させると共に、接合すべき板材同士の重合部に向けて下降させる。上記工具１０は、回転速度：３０００〜３００００ｒｐｍ、送り速度：０．０２〜２ｍ／分、押し込み力：約１０Ｎ〜１０００Ｎの範囲内で適宜選択されて活用される。
【００１９】
図１(Ｂ)は、アルミニウム板(板材)６６同士を接合した本発明による平面状の水密構造６５に関する。各アルミニウム板６６は、その板本体６７の端縁が断面略Ｕ字形状に折り曲げられた曲折縁６８を有する。また、隣接する複数のアルミニウム板６６の曲折縁６８同士は、図示のように互いに巻付いて、複数の重合部６９を形成する。そして、各アルミニウム板６６をその長手および幅方向に対し拘束し、何れかの重合部６９に沿って、前記速度で回転する前記工具１０を、押し込みつつ移動させる摩擦攪拌接合を施す。
【００２０】
その結果、図１(Ｂ)に示すように、各アルミニウム板６６の曲折縁６８同士の厚さ方向に跨って、表面が平坦で深さの浅い接合線Ｗが形成される。該接合線Ｗを複数のアルミニウム板６６同士の全周辺における重合部６９に沿って形成することにより、平面状の広い水密構造６５を形成することができる。
かかる水密構造６５によれば、互いに重合する板材６６同士の端部に沿って、互いに重ね合わされた板材６６の曲折縁６８同士を、表面が平坦で且つ外側の曲折縁６８から内側の曲折縁６８に至る深さに形成された接合線Ｗにより、金属的に隙間なく確実に接合した水密性を付与した水密が施される。従って、水密各種の液体またはガス用のタンク、ボンベ、容器や、水槽またはプール等を容易に形成することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の水密構造(請求項１)によれば、互いに重合する板材同士の端部に沿ってそれぞれ断面略Ｕ字形状に曲折した端縁同士を、表面が平坦で且つ外側の曲折縁から内側の曲折縁に至る深さに形成された接合線により、金属的に隙間なく確実に接合した水密性を付与した水密構造とすることができる。
また、請求項２の水密構造によれば、表面が平坦な浅い接合線により互いに重合する板材同士をその端部に沿って、金属的に隙間なく確実に接合した水密性を付与した平面的な構造とすることができる。しかも、前記摩擦ピンと表面抑え部とからなる工具およびこれを含む接合装置も小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(Ａ)，(ａ)は本発明に用いる工具の正面図または側面図、(Ｂ)は本発明の水密構造を断面図。
【図２】(Ａ)〜(Ｄ)は、従来の技術による水密構造を示す部分断面図。
【図３】(Ａ)，(Ｂ)，(ａ)は一般的な摩擦攪拌接合の各工程を示す概略図、(Ｃ)は(Ｂ)中のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１０…工具、１４…表面抑え部、
１６…摩擦ピン、６５…水密構造、
６６…アルミニウム板(板材)、６８…曲折縁、
６９…重合部、Ｗ……接合線

Claims

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複数の板材同士の端縁が、互いに巻付くそれぞれ断面略Ｕ字形状の曲折縁であり、各曲折縁を巻付けた重合部に沿い且つ各曲折縁同士の厚さ方向に跨って、摩擦攪拌接合を施し、表面が平坦で内側の曲折縁に至る深さの接合線を形成することにより、上記板材同士間に水密を施した、ことを特徴とする水密構造。
前記重合部に沿って、摩擦部の長さが０．５〜３．０ｍｍで且つ摩擦部の外径が０．５〜３．０ｍｍの摩擦ピンと、表面抑え部と、を含む工具を用いる摩擦攪拌接合により前記接合線を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の水密構造。