JP3829936B2 - 中空パネル構造体製造用中空押出形材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空パネル構造体製造用中空押出形材に関し、特に、アルミニウム及びアルミニウム合金等のアルミニウム系材料からなる中空パネル構造体製造用アルミニウム系中空押出形材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トラックのアオリ等は、通常複数のアルミニウム系中空押出形材を相互に嵌合して製造されている。このように嵌合して構築された構造体の水密性を向上させるために摩擦攪拌接合を適用とした技術として、先に本出願人が出願した特願平１０−１５８１９０号（特開平１１−３５０６１６号公報）に提案されたものがある。
【０００３】
又、高強度の要求される鉄道車両の構造体として使用される広幅の二面中空パネル構造体の製造に、表裏一対の平行な面板の間に長さ方向に伸びるリブを形成した複数のアルミニウム系中空押出形材を用い、その接合に摩擦攪拌接合を適用した例としては、特開平９−３０９１６４号公報に開示の技術がある。この公報に開示の技術としては、以下のものがある。
【０００４】
（Ａ）図６（ａ），（ｂ）に示すように、相互に平行な表裏の面板１３３，１３４と、該表裏の面板１３３，１３４をつなぎ長さ方向（図の紙面に垂直な方向）に伸びる斜めのリブ１３５と、前記表裏の面板１３３，１３４の端部をつなぎ長さ方向に伸びる垂直リブ１３６とからなる一対の中空押出形材１３１，１３２の、前記垂直リブ１３６，１３６の外面同士を突き合わせて突合せ部を形成し、凹面の底面１５３を備える回転体１５１と、前記凹面の底面１５３より同軸に前記回転体１５１の外方へ突出する攪拌ピン１５２とからなる回転ツール１５０を用いて、前記突合せ部を表面側から摩擦攪拌接合する。その後、表面側を接合した二面中空パネル構造体を反転し、裏面側から突合せ部を摩擦攪拌接合する。
【０００５】
（Ｂ）図７（ａ），（ｂ）に示すように、相互に平行な表裏の面板１３３，１３４と、該表裏の面板１３３，１３４をつなぎ長さ方向（図の紙面に垂直な方向）に伸びる斜めのリブ１３５と、前記表裏の面板１３３，１３４の端部をつなぎ長さ方向に伸びる垂直リブ１３６とからなる中空押出形材１３１と、前記表裏の面板１３３，１３４の端部をつなぎ長さ方向に伸びる垂直リブ１３６のない中空押出形材１３２を接合するに際し、前記中空押出形材１３１の垂直リブ１３６の垂直方向の角部は、他方の中空押出形材１３２の表裏の面板１３３，１３４の端部の突片１３８ｕ，１３８ｂの先端を載せることができるように、中空押出形材１３１の厚さ方向及びこれに直交する方向（中空押出形材１３２側）に開放した切欠き部１３３ａ，１３４ａを予め形成してある。この切欠き部１３３ａ，１３４ａに前記突片１３８ｕ，１３８ｂの各々の先端を載せた状態で、突合せ部を前記の回転ツール１５０を用いて、前記（Ａ）項で述べたのと同様に表裏両面の各々の側から摩擦攪拌接合する。
【０００６】
（Ｃ）一方のみから上下二面の接合を行えるようにしたものとして、図８に示す技術がある。即ち、中空押出形材１３１，１３２の下面の面板１３４，１３４と同一面から突片１３４ａ、１３４ａをそれぞれ他方の中空押出形材側に大きく突き出している。突片１３４ａ，１３４ａの先端は相互に実質的に接触している。上部の面板１３３，１３３の先端は下部面の面板１３４，１３４の突片１３４ａ，１３４ａの先端よりも後方に位置している。上部の面板１３３，１３３の先端部と下部の面板１３４，１３４とは垂直なリブ１３６，１３６によって接続されている。垂直リブ１３６，１３６は下部の面板１３４，１３４の途中に接続している。垂直リブ１３６，１３６の上部に縦断面Ｔ字形の継ぎ手１６０が重なる切欠き部１３９，１３９がある。継ぎ手１６０を切欠き部１３９，１３９に載せたとき、継ぎ手１６０の上面板１６０ｕの上面は、上部の面板１３３，１３３の上面と同一面になる。二つの垂直リブ１３６，１３６の相互の間隔は回転ツール１５０を挿入できる大きさであり、できるだけ小さい方がよい。摩擦攪拌接合手順は以下のとおりである。
【０００７】
１）図８（ａ）の状態で、回転ツール１５０によって下部の面板１３４，１３４の突片１３４ａ，１３４ａの先端同士を接合する。この時、中空押出形材１３１，１３２は突片１３４ａ，１３４ａの接合部を含めて図示せぬベッドの上に載っている。接合部のベッド（接合部の裏当て）の上面は平らである。回転ツール１５０の攪拌ピン１５２の高さは突片１３４ａ，１３４ａの厚さよりも小さい。
【０００８】
２）図８(ｂ)のように、一対の中空押出形材１３１，１３２の間に継ぎ手１６０を載せる。継ぎ手１６０の上面板１６０ｕの両端を垂直リブ１３６，１３６の上端部の切欠き部１３９，１３９に重ねたとき、垂直片１６１の下端は下面の面板の接合部１４５との間に隙間を有する。垂直片１６１はなくてもよい。
【０００９】
３）図８（ｃ）のように、継ぎ手１６０の上面板１６０ｕと中空押出形材１３１との突合せ部を回転ツール１５０で摩擦攪拌接合する。
【００１０】
４）図８（ｄ）のように、継ぎ手１６０の上面板１６０ｕと中空押出形材１３２との突合せ部を回転ツール１５０で摩擦攪拌接合する。
【００１１】
（Ｄ）中空押出形材１３１，１３２の上下の面板を同時に摩擦攪拌接合するようにしたものとして、図９に示した技術がある。上部の面板１３３，１３３を上方から摩擦攪拌接合する回転ツール１５０ｕの鉛直方向下方に、下部の面板１３４，１３４を接合する回転ツール１５０ｂが配置されている。回転ツール１５０ｂの攪拌ピン１５２ｂは上方を向いている。二つの回転ツール１５０ｕ，１５０ｂを対向させた状態で、同一速度で移動させ、上下同時に摩擦攪拌接合を行う。回転ツール１５０ｕと１５０ｂの回転中心は同一線上にあり、この線上に中空押出形材１３１，１３２の接合部がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記のトラックのアオリのように、中空押出形材を嵌合して製造された中空パネル構造体は、構造体として適用するためには強度及び水密性が不充分であり、さらに振動が付与される場所に使用した場合、嵌合部の摩擦音が発生する等の問題がある。
【００１３】
又、前記特願平１０−１５８１９０号（特開平１１−３５０６１６号公報）に提案された水密構造体では、水密性は改善されるものの、接合強度及び摩擦音の抑制が不充分である。接合強度が不充分な理由は、接合深さが非常に浅いためである。
【００１４】
前記特開平９−３０９１６４号公報に開示の二面中空パネル構造体、摩擦攪拌接合方法及びパネルでは、前記の問題が解消できるが、以下のような問題点がある。
【００１５】
即ち、前記（Ａ）項，（Ｂ）項で説明した技術には、下記のような問題点が存在する。
（１）表裏両面を摩擦攪拌接合する必要があり、一方の面を上方から摩擦攪拌接合した後、中空パネル構造体を反転させる必要がある。そのため、生産性が低く、製造コストが嵩む。
（２）表裏両面を摩擦攪拌接合した場合、両面に回転ツールの底面の回転・移動によって生じる円弧状の模様のついたアンダーカット状の痕跡が残るので、少なくとも化粧面となる側の面板の突合せ部両側の外面を予め周囲の面よりやや高くなるように形成しておくとともに、摩擦攪拌接合後に前記のアンダーカット状の痕跡が消えるように研削・研磨処理することが必要となる。そのため、工程が増えて生産性が低下すると共に、研削・研磨処理設備の設備コスト、ランニングコスト、メンテナンスコスト等が嵩む。
（３）摩擦攪拌接合に際して突合せ部が目開きして接合部欠陥が発生するのを防止するために、幅方向両側から適切な拘束力で拘束する必要があり、幅方向拘束手段を備えた摩擦攪拌接合装置を必要とする。
（４）突合せ部の上面に摩擦攪拌接合用回転ツールによって付加される軸方向即ち中空部側への押圧力によりリブの変形・座屈、あるいは突合せ部両側の垂直リブの内周面側の熱変形による接合部欠陥等の発生の問題があり、このような接合部欠陥等の発生の防止のために、前記押圧力、リブの形状・寸法、摩擦攪拌接合回転ツールの諸元や接合深さ等を相互に関連させて検討し決めてやる等、何らかの対策が必要であった。
（５）広幅の中空パネル構造体の製造のために三以上の中空押出形材の幅方向端部の各々を相互に接合する場合には、表裏両面の突合せ部の数が表裏両面を合わせて非常に多くなり、さらに生産性が低下し、製造コストが増大する。又、熱変形や上面側の摩擦攪拌接合後に反転するために生じる機械的な変形が大きい。
（６）前記（２）項の問題に起因して、摩擦攪拌接合前に、中空パネル構造体の製品における化粧面となる表面を予め陽極酸化処理、電解着色処理や電着塗装処理等の表面処理をしておくことに問題があり、他方摩擦攪拌接合後に前記の研削・研磨処理を行い、その後にこれらの処理を行う場合は、広幅の材料となっているため、大型の処理設備が必要になり、設備コストやメンテナンスコストが嵩む。又、研削・研磨部とその他の押出成形のままの部分の表面状態に微妙な差があり、この表面状態の微妙な差が、特に陽極酸化処理、電解着色処理や電着塗装処理等の表面処理の場合には表面の色調や光沢度の微妙な違いとなって現れ、製品の外観性に問題がある。
【００１６】
前記（２）項及び（６）項の問題点を解決するために、前記（Ｃ）項で説明したような技術が提案されているが、この技術では、以下の問題点がある。
（ａ）断面Ｔ字形の継ぎ手１６０もしくはこの継ぎ手１６０から垂直片１６１を省いた上面板１６０ｕのみからなる継ぎ手を用意し、これを摩擦攪拌接合作業の途中でセットしてやる必要があり、継ぎ手の製作とセットに手間が掛かり製造コストが嵩む。
（ｂ）摩擦攪拌接合を三個所・三度にわたって行う必要があり、作業時間が長く、生産性が低下して製造コストが嵩む。
【００１７】
前記（１）項の問題点を解決するために、前記（Ｄ）項で説明した技術が提案されているが、制御装置を含む設備コスト及びメンテナンスコストが嵩むばかりでなく、下方から摩擦攪拌接合した場合に、塑性流動化（可塑化）した固相が重力で下方に流れやすく、下面側の接合部上部に空洞欠陥が発生しやすいという問題がある。
【００１８】
本発明は前記従来技術の有する問題点を解消し、摩擦攪拌接合時に、突合せ部の中空部側の垂直リブの内周面側の熱変形や垂直リブの最小厚み部の変形・座屈による接合部欠陥を生じることがなく、十分な接合深さをとって高い接合強度の得られる中空パネル構造体製造用中空押出形材の提供を課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
特許請求の範囲及び以下の説明において、「被突合せ部」とは、個々の中空押出形材の幅方向端部に形成され、複数の中空押出形材の幅方向端部同士を接合するに際して、相互に突き合わされ（実質的に接触し合う状態にされ）る部分又は部材を意味する。又、「突合せ部」とは、複数の中空押出形材の個々の幅方向端部又はその近傍に形成された前記被突合せ部同士を相互に突き合わせ（実質的に接触し合う状態にし）て形成された部分を意味する。
【００２０】
本発明の中空パネル構造体製造用中空押出形材は、前記課題を解決するために、複数の中空押出形材の被突合せ部を突き合わせて形成される突合せ部の摩擦攪拌接合における予定接合深さにおいて、該突合せ部に押し込まれる摩擦攪拌接合用回転ツールの攪拌ピンの外面と前記突合せ部の中空部側の垂直リブの内周面との間の最短距離ｗ₁を０．６ｍｍ以上に保つように、予め形成されるとともに、前記垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が下記式１及び下記式２を満足するように、予め形成されたことを特徴とする。
ｗ₂≧ｗ_2A＝｛（Ｆ×Ｈ）／（１４３９×Ｄ）｝^1/3／ｎ −−式１
ｗ₂≧ｗ_2B＝Ｆ／（ｎ×Ｄ×σ_0.2） −−式２
ここで、
ｗ_2A ：第１の変形・座屈限界厚み（ｍｍ）
ｗ_2B ：第２の変形・座屈限界厚み（ｍｍ）
Ｆ ：回転ツールの軸方向押圧力（ｋｇｆ）
Ｄ ：回転ツール底部の直径（ｍｍ）
σ_0.2：中空押出形材の耐力（ｋｇｆ／ｍｍ²）
Ｈ ：中空押出形材の高さ、即ち表裏一対の面板の外面間距離（ｍｍ）
ｎ ：突合せ部における垂直リブの数（１あるいは２）
【００２１】
また、本発明の中空パネル構造体製造用中空押出形材は、前記突合せ部に押し込まれる摩擦攪拌接合用回転ツールの攪拌ピンの外面と前記突合せ部の中空部側の垂直リブの内周面との間の最短距離ｗ₁を１．２ｍｍ以上に保つように、予め形成されていることが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の中空パネル構造体製造用中空押出形材の実施の形態を、添付の図面と具体的な実施例を参照して以下に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の中空パネル構造体製造用中空押出形材の一実施の形態の説明で使用する各種寸法の定義を説明するための断面図である。
【００２４】
図１に示すように、上下の面板１ｕｐ，１ｂｐの厚みがｔ₁（ｍｍ）で、垂直高さＨ（ｍｍ）のアルミニウム系中空押出形材（以後、単に中空押出形材という）１ａの上部面板１ｕｐの端部に形成された最小厚み部の厚みがｗ₂（ｍｍ）の垂直リブ１ａｒの上端部に形成された切欠き部１ａｕｎに、他方の中空押出形材１ｂの上部面板１ｕｐの端部を載せて、突合せ部２を形成する。
【００２５】
凹面又は平面の円形底面３ｂの中央部から軸方向（下向き）に突出する直径ｄ（ｍｍ）の攪拌ピン４を備えた底部の直径Ｄ(ｍｍ)の回転ツール３の、前記攪拌ピン４を突合せ部２の中空押出形材１ａの上部面板１ｕｐと垂直リブ１ａｒの上部及び中空押出形材１ｂの上部面板１ｕｐの中に回転させつつ押し込み、前記回転ツール３の凹面又は平面の円形底面３ｂを突合せ部２の両側の上部面板１ｕｐ，１ｕｐの各々の上面１ａｆ，１ｂｆを押圧力Ｆ（ｋｇｆ）で軸方向（下向き）に押圧しながら、前記回転ツール３を回転しつつ突合せライン（中空押出形材１ａ，１ｂの長手方向）に沿って移動させることにより、突合せ部２が摩擦攪拌接合される。なお、ｗ₁（ｍｍ）は前記攪拌ピン４の外面と中空押出形材１ａの垂直リブ１ａｒの内周面１ａｓ，１ａｓとの間の最短距離を示す。
【００２６】
１．実施例１
図２は、本実施例の摩擦攪拌接合に用いた一対の中空パネル構造体製造用アルミニウム系中空押出形材１ａ，１ｂの形状・寸法と、摩擦攪拌接合用の攪拌ピン４との位置関係を示す縦断面図である。図２において、直径ｄ＝４ｍｍで下端部が曲率半径ｒ＝４ｍｍで面取りされた攪拌ピン４を備えた底部の直径Ｄ＝１５ｍｍの回転ツール３を用い、突合せ部２の両側の上部面板１ｕｐ，１ｕｐの上面１ａｆ、１ｂｆからの攪拌ピン４の外周面下端までの深さ（以下予定接合深さという）ｈが３．０ｍｍ、４．０ｍｍ、５．０ｍｍのそれぞれの場合で、リブ内周面の曲率半径Ｒ＝８ｍｍの場合における、攪拌ピン４の外面とリブ内周面１ａｓ，１ａｓとの最短距離ｗ₁（ｍｍ）を図の垂直リブ１ａｒの右側に示している。又、前記予定接合深さｈが４．０ｍｍでリブ内周面１ａｓ，１ａｓの曲率半径Ｒ＝８ｍｍとＲ＝６ｍｍのそれぞれの場合における、攪拌ピン４の外面とリブ内周面１ａｓ，１ａｓとの最短距離ｗ₁（ｍｍ）を図の垂直リブ１ａｒの左側に示している。なお、用いた材料は、「ＪＩＳ Ｈ ４１００」に示されるアルミニウム合金中空押出形材６０６３−Ｔ５材である。
【００２７】
前記図２のように、リブ内周面の曲率半径Ｒ＝８ｍｍの場合で、攪拌ピン４の高さを変化させることにより予定接合深さｈ（ｍｍ）を変化させて、攪拌ピン４の外面と垂直リブ１ａｒの内周面１ａｓ，１ａｓとの間の最短距離ｗ₁（ｍｍ）が摩擦攪拌接合部の品質に及ぼす影響を調査した。又、予定接合深さｈ（ｍｍ）を固定して、リブ内周面１ａｓ，１ａｓの曲率半径Ｒを変化させ、攪拌ピン４の外面とリブ内周面１ａｓ，１ａｓとの間の最短距離ｗ₁（ｍｍ）が摩擦攪拌接合部の品質に及ぼす影響を調査した。以上の調査結果を下記表１に示した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１に示されるように、ｗ₁が０．５ｍｍ以下の場合は接合部の底部に大きな空洞状の欠陥が発生し、ｗ₁が０．６ｍｍの場合は目視では判別できない小さな点状欠陥が発生した。ｗ₁が１．２ｍｍ以上では全く欠陥のない健全な接合部が得られた。
【００３０】
前記実施例１の表１の結果を総合すると、攪拌ピンの外面と垂直リブ内周面との間の最短距離ｗ₁は少なくとも０．６ｍｍ以上、好ましくは１．２ｍｍ以上とすることが必要である。
【００３１】
ところで、前記のような摩擦攪拌接合部の底部に発生する空洞状欠陥の発生原因について、実験中の観察等も含めて考察すると下記の通りである。
【００３２】
（１）攪拌ピン４の外面と垂直リブ内周面との間の最短距離ｗ₁が０．５ｍｍ以下の場合は、図３（ａ）の左側の図に示すように、前記のような攪拌ピン４の外面と中空押出形材の垂直リブ内周面との間の薄いリブが外側に広がるように大きく変形し、その変形量が大きい場合、攪拌ピン４の下部両側の上部面板１ｕｐ，１ｕｐの上面の接合部の底部の内容積の拡大が目視できる程に大きくなる。従って、図３（ａ)の右側の図に示すように、該接合部底部への塑性流動によるメタルの補充が不足して、その不足量が多いために、接合部の底部に目視で判別可能な程度の大きな空洞状欠陥ｄｆｂが生じる。
【００３３】
（２）攪拌ピン４の外面と垂直リブ内周面との間の最短距離ｗ₁が０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合は、図３（ｂ)の左側の図に示すように、前記のような攪拌ピン４の外面とリブ内周面との間の薄いリブが外側に僅かに広がるように変形することがあるが、その変形量は小さく、従って、攪拌ピン４の下部両側の上部面板１ｕｐ，１ｕｐの上面の接合部底部の内容積の拡大が目視できる程に大きくない。それゆえ、図３（ｂ）の右側の図に示すように、該接合部底部への塑性流動によるメタルの補充が不足しても、その不足量はあまり大きくなく、その結果、接合部の底部に目視で判別できない程度の点状欠陥ｄｆｓが生じる。
【００３４】
（３）攪拌ピン４の外面との垂直リブ内周面との間の最短距離ｗ₁が１．２ｍｍ以上と十分厚くなると、図３（ｃ）の左側の図に示すように、前記（１）、（２）で述べたように垂直リブの内周面側が外側に広がるように変形することが全くなくなり、従って、塑性流動によるメタルの補充が不足することは全くなく、図３（ｃ）の右側の図に示すように、前記のような接合部底部の空洞状あるいは点状の欠陥が発生することがない。
【００３５】
２．実施例２
次に、前記実施例１において、目視判別できない程度の接合部欠陥（点状欠陥）の発生した条件、すなわち、攪拌ピンの外面と中空押出形材の垂直リブ内周面との間の最短距離ｗ₁が０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合に、垂直リブ内周面を、（１）冷却なし（自然冷却）、（２）送風冷却、（３）冷却水噴霧冷却、の３段階の冷却レベルで冷却しつつ摩擦攪拌接合を行い、冷却レベルが摩擦攪拌接合部の品質に及ぼす影響を調査した。その調査結果を下記表２に示した。
【００３６】
【表２】

【００３７】
前記表２に示すように、攪拌ピンの外面とリブ内周面との間の最短距離ｗ₁が０．６ｍｍ以上１．２mm未満の場合に、（１）冷却なし（自然冷却）では、前記表１に示されたのと同様に、目視判別できない程度の接合部欠陥（点状欠陥）の発生を認めたが、（２）送風冷却と、（３）冷却水噴霧冷却の場合には、目視判別できない程度の接合部欠陥（点状欠陥）の発生もなく、良好な摩擦攪拌接合部の品質を得ることができた。従って、攪拌ピンの外面とリブ内周面との間の最短距離ｗ₁が０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合には、リブ内周面を送風冷却法もしくは冷却水噴霧冷却法等による積極的な冷却を行うことが、接合部欠陥の発生を防止し接合部品質を向上させるためには好ましい。
【００３８】
３．実施例３
「ＪＩＳ Ｈ ４１００」に規定されたアルミニウム合金中空押出形材６Ｎ０１−Ｔ５及び６Ｎ０１−Ｔ１材の図４に示すような形状・寸法の一対の中空押出形材１ａ，１ｂを、それぞれの材質同士で、中空押出形材１ａの幅方向端部の垂直リブ１ａｒの上部の切欠き部１ａｕｎと中空押出形材１ｂの上部面板1ｕｐの幅方向端部とを突合せ・接触させて、長手方向（図４の紙面に垂直な方向）に摩擦攪拌接合を行った。この時の接合部深さ（中空押出形材上面から攪拌ピンの外周下端までの深さ）ｈ＝２ｍｍ、攪拌ピンの外面と垂直リブ内周面との間の最短距離ｗ₁＝５ｍｍ、回転ツール底部の直径Ｄ＝１０ｍｍ、回転ツールの軸方向押圧力Ｆ＝２５０ｋｇｆの一定条件の下で、前記中空押出形材の高さＨを５０〜４００mmの間で段階的に変化させて、突合せ部における垂直リブの数ｎ＝１の場合における、前記式１の変形・座屈限界厚みｗ_2A（ｍｍ）と前記式２の変形・座屈限界厚みｗ_2B（ｍｍ）とを変化させ、これら変形・座屈限界厚みｗ_2A，ｗ_2Bと垂直リブ１ａｒの最小厚み部の厚みｗ₂との大小関係が接合部品質に及ぼす影響を調査した。その調査結果を下記表３に示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
前記表３から以下のことがいえる。
（１）６Ｎ０１−Ｔ５材（耐力σ_0.2＝２２５Ｎ／ｍｍ²）では、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が２．０ｍｍの場合は、接合部に欠陥の発生はなかった。この時、中空押出形材の高さＨが５０〜４００mmの何れの場合にも、ｗ₂＞ｗ_2B、かつ、ｗ₂＞ｗ_2Aであった。
（２）前記（１）項と同じ材質で、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が１．５ｍｍの場合は、全ての場合にｗ₂＞ｗ_2Bという条件を満たしていた。そして、中空押出形材の高さＨが１００ｍｍまで、即ち、ｗ₂＞ｗ_2Aの場合は接合部欠陥は発生しなかった。中空押出形材の高さＨ＝２００ｍｍ、即ち、ｗ₂≒ｗ_2Aの場合は目視では判別できない程度の欠陥が発生した。中空押出形材の高さＨ＝３００mm（ｗ₂＜ｗ_2A）では重欠陥が発生し、中空押出形材の高さＨ＝４００mm（ｗ₂＜＜ｗ_2A）では接合不可能であった。
（３）６Ｎ０１−Ｔ１材（耐力σ_0.2＝９０Ｎ／ｍｍ²）では、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が２．０ｍｍの場合は、中空押出形材の高さＨが１００ｍｍ以下の場合でも、接合部欠陥が発生した。このとき、ｗ₂＞ｗ_2Aであったが、ｗ₂＜ｗ_2Bであった。
（４）前記（３）と同じ材質で、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂＝３．０ｍｍに増加した場合、ｗ₂＞ｗ_2B、かつ、ｗ₂＞ｗ_2Aとなり、欠陥のない健全な接合部が得られた。
【００４１】
４．実施例４
前記実施例３と同じ２種の材質で、前記実施例３と同じ図４に示すような形状・寸法の一対の中空押出形材１ａ，１ｂを、それぞれの材質同士で、中空押出形材１ａの幅方向端部の垂直リブ１ａｒの上部の切欠き部１ａｕｎと中空押出形材１ｂの上部面板1ｕｐの幅方向端部とを突合せて、長手方向（図４の紙面に垂直な方向）に摩擦攪拌接合を行った。この時の接合深さｈ＝４ｍｍ、攪拌ピンの外面とリブ内周面との間の最短距離ｗ₁＝５ｍｍ、回転ツール底部の直径Ｄ＝１５ｍｍ、回転ツールの押圧力Ｆ＝４００ｋｇｆの一定条件の下で、前記中空押出形材の垂直高さＨを５０〜４００ｍｍの間で段階的に変化させて、突合せ部における垂直リブの数ｎ＝１の場合の前記式１の変形・座屈限界厚みｗ_2Aと前記式２の変形・座屈限界厚みｗ_2Bを変化させ、これら変形・座屈限界厚みｗ_2A，ｗ_2Bと垂直リブ１ａrの最小厚み部の厚みｗ₂との大小関係が接合部品質に及ぼす影響を調査した。その調査結果を下記表４に示す。
【００４２】
【表４】

【００４３】
前記表４から以下のことがいえる。
（１）６Ｎ０１−Ｔ５材（耐力σ_0.2＝２２５Ｎ／ｍｍ²）では、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が２．０ｍｍの場合、中空押出形材の高さＨが５０〜３００ｍｍの場合には接合部に欠陥の発生はなかった。この時、中空押出形材の高さＨが５０〜３００ｍｍの何れの場合にも、ｗ₂＞ｗ_2A、かつ、ｗ₂＞ｗ_2Bであった。しかし、中空押出形材の高さＨ＝４００ｍｍ（ｗ₂≒ｗ_2A、かつ、ｗ₂＞ｗ_2B）の場合には、接合部に目視では判別できない欠陥が発生した。
（２）前記（１）と同じ材質で、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が１．５ｍｍの場合は、全ての場合にｗ₂＞ｗ_2Bという条件を満たしていた。そして、中空押出形材の高さＨが１００ｍｍまで、すなわち、ｗ₂＞ｗ_2Aの場合は接合部欠陥は発生しなかった。中空押出形材の高さＨ＝２００〜３００ｍｍ、すなわち、ｗ₂＜ｗ_2Aの場合は接合部欠陥が発生した。中空押出形材の高さＨ＝４００ｍｍ（ｗ₂＜＜ｗ_2A）では接合不可能であった。
（３）６Ｎ０１−Ｔ１材（耐力σ_0.2＝９０Ｎ／ｍｍ²）では、垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が２．０ｍｍの場合は、中空押出形材の高さＨが５０ｍｍの場合でも、接合部欠陥が発生した。このとき、ｗ₂＞ｗ_2Aであったが、ｗ₂＜ｗ_2Bであった。
（４）前記（３）と同じ材質で、垂直リブの最小厚み部の厚みをｗ₂＝３．０ｍｍに増加した場合、ｗ₂＞ｗ_2A、かつ、ｗ₂≒ｗ_2Bとなり、目視では判別できない接合部欠陥が発生した。
（５）前記（３）と同じ材質で、リブの最小厚み部の厚みをｗ₂＝４．０ｍｍに増加した場合、ｗ₂＞ｗ_2A、かつ、ｗ₂＞ｗ_2Bとなり、欠陥のない健全な接合部が得られた。
【００４４】
前記実施例３の表３及び実施例４の表４からの知見をまとめると、以下のとおりである。
（１）アルミニウム系中空押出形材の突合せ部の垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂（ｍｍ）が、前記式１で定義された第１の変形・座屈限界厚みｗ_2A（ｍｍ）以上の場合でも、前記式２で定義された第２の変形・座屈限界厚みｗ_2B（ｍｍ）より小さい場合は目視で判別可能な大きな接合部欠陥が発生するか接合不可能となり、又、ｗ₂（ｍｍ）が前記ｗ_2B（ｍｍ）と等しい場合には目視では判別できない程度の欠陥が発生する。このことから、目視では判別できない程度の欠陥の発生を許容するものとして、目視で判別可能な接合部欠陥の発生を防止するためには、ｗ₂≧ｗ_2A、かつ、ｗ₂≧ｗ_2Bとする必要がある。
（２）前記のようにｗ₂≧ｗ_2Bという条件を満たしても、ｗ₂が前記式１で定義された第１の座屈限界厚みｗ_2Aより小さい場合は目視で判別可能な大きな接合部欠陥が発生し、ｗ₂が前記ｗ_2Aと等しい場合には目視では判別できない程度の欠陥が発生する。このことから、目視では判別できない程度の欠陥の発生を許容するものとして、目視で判別可能な接合部欠陥の発生を防止するためには、やはり、ｗ₂≧ｗ_2A、かつ、ｗ₂≧ｗ_2Bとする必要がある。
（３）目視で判別不可能な接合部欠陥の発生をも防止するためには、ｗ₂＞ｗ_2A、かつ、ｗ₂＞ｗ_2Bとする必要がある。
【００４５】
従って、前記摩擦攪拌接合部の目視では判別できない程度の欠陥の発生を許容するものとして、前記の攪拌ピンの外面とリブ内周面との最短距離ｗ₁を０．６ｍｍ以上に保ちつつ、前記突合せ部を形成するリブの最小厚み部の厚みｗ₂（ｍｍ）が下記式１及び下記式２を満足するように、前記摩擦攪拌接合用アルミニウム系中空押出形材を予め形成するか、前記接合深さｈ（ｍｍ）、回転ツールの軸方向押圧力Ｆ（ｋｇｆ）及び／又は回転ツール底部の直径Ｄ（ｍｍ）を選択して摩擦攪拌接合することが望ましい。
ｗ₂≧ｗ_2A＝｛（Ｆ×Ｈ）／（１４３９×Ｄ）｝^1/3／ｎ −−式１
ｗ₂≧ｗ_2B＝Ｆ／（ｎ×Ｄ×σ_0.2） −−式２
ここで、
ｗ_2A ：第１の変形・座屈限界厚み（ｍｍ）
ｗ_2B ：第２の変形・座屈限界厚み（ｍｍ）
Ｆ ：回転ツールの軸方向押圧力（ｋｇｆ）
Ｄ ：回転ツール底部の直径（ｍｍ）
σ_0.2 ：アルミニウム系中空押出形材の耐力（ｋｇｆ／ｍｍ²）
Ｈ ：中空押出形材の高さ、即ち上下面板の外面間距離（ｍｍ）
ｎ ：突合せ部における垂直リブの数（１あるいは２）
【００４６】
さらに、前記摩擦攪拌接合部の目視では判別できない程度の欠陥の発生をも許容できない厳しい用途に用いる場合は、前記の攪拌ピンの外面とリブ内周面との最短距離ｗ₁を１．２ｍｍ以上に保ちつつ、前記突合せ部における垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂(mm)が下記式１’及び下記式２’を満足するように、摩擦攪拌接合用アルミニウム系中空押出形材を予め形成しておくか、前記接合深さｈ（ｍｍ）、回転ツールの軸方向押圧力Ｆ（ｋｇｆ）及び／又は回転ツール底部の直径Ｄ（ｍｍ）を選択して摩擦攪拌接合することが望ましい。
ｗ₂＞ｗ_2A＝｛（Ｆ×Ｈ）／（１４３９×Ｄ）｝^1/3／ｎ −−式１’
ｗ₂＞ｗ_2B＝Ｆ／（ｎ×Ｄ×σ_0.2） −−式２’
【００４７】
なお、前記被突合せ面を形成するリブの最小厚み部の厚みｗ₂が前記のような条件を満足しない場合に発生する接合部欠陥は、以下のようにして生じると考えられる。
【００４８】
（１）垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が、回転ツール３の軸方向押圧力Ｆ（ｋｇｆ）に対して、図５に示すように垂直リブ１ａｒが変形・座屈を起こさない変形・座屈限界厚みとしての、前記式１で与えられるｗ_2Aと前記式２で与えられるｗ_2Bの何れか以下になった場合に、図５に示す一方の中空押出形材１ａの垂直リブ１ａｒの上端部に形成された切欠き部１ａｕと他方の中空押出形材１ｂの上部面板１ｕｐの被突合せ部先端部との間に隙間２ｇｕが生じるような変形・座屈が生じ、こうして生じた隙間２ｇｕが被接合中空押出形材１ａと１ｂの上部の接合部まで及び、接合方向に連続する空洞状欠陥を生じるか、甚だしい場合は接合不可能になるものである。
【００４９】
（２）前記垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が、前記ｗ_2Aとｗ_2Bのいずれか一方の値より十分に大きくて、他の一方の値と略等しい場合は、前記の垂直リブの変形・座屈の程度があまり大きくならず、その結果生じる前記隙間２ｇｕが比較的狭くて済み、目視では判別できない欠陥の発生で済むものと考えられる。
【００５０】
（３）前記垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が、前記ｗ_2Aとｗ_2Bの両者よりも大きい場合は、前記の変形・座屈が生じないか、生じても無視できる程度に小さく、その結果、前記のような隙間２ｇｕが生じないか、生じても影響のない程度に狭く、目視では判別できない欠陥の発生もない健全な接合部が得られるものと考えられる。
【００５１】
以上本発明の実施の形態を、添付の図面と具体的な実施例を参照して説明したが、本発明はこれらに限られるものではなく、発明の構成の主旨を逸脱しない範囲内で、他の実施の形態をも含むことは論を待たない。例えば、前記実施例は、アルミニウム合金中空押出形材の特定の材質を用いた供試材について述べたが、本発明は、前記以外の材質のアルミニウム系材料や、押出成形及び摩擦攪拌接合の適用可能な他の金属材料にも適用できるものである。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は以下のような優れた効果を奏する。即ち、摩擦攪拌接合時に回転ツールの軸方向押圧力による突合せ部の下向きの変形が効果的に防止され、変形に伴う接合部欠陥の発生を抑止可能である。また、摩擦攪拌接合時における突合せ部の中空部側の垂直リブの上部内周面の小さな熱変形による目視判別不可能な接合部底部の空洞状欠陥を許容するものとして、接合部強度がそれほど厳しく要求されない用途にも十分対応可能な摩擦攪拌接合部の品質が得られる。
【００５３】
そこで、予め摩擦攪拌接合条件を決めておき、その条件で摩擦攪拌接合する中空パネル構造体製造用アルミニウム系中空押出形材を設計・製造するにあたり、摩擦攪拌接合用回転ツールの攪拌ピンの外面とリブ内周面との間の最短距離ｗ₁（ｍｍ）とリブの最小厚み部の厚みｗ₂（ｍｍ）を、要求される接合部品質のレベルに応じて適切に設定しておけば、接合部強度がそれほど厳しく要求されない用途に十分対応可能な摩擦攪拌接合部の品質、さらには、接合部強度が比較的厳しく要求される用途にも十分対応可能な摩擦攪拌接合部の品質を選択的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の中空パネル構造体製造用中空押出形材の実施の形態の説明で使用する各所寸法の定義を説明するための断面図である。
【図２】 本発明の実施例１の摩擦攪拌接合に用いた一対の中空パネル構造体製造用アルミニウム系中空押出形材１ａ，１ｂの断面形状・寸法と、摩擦攪拌接合用の攪拌ピン４との位置関係を示す縦断面図である。
【図３】 アルミニウム系中空押出形材１ａの垂直リブ１ａｒの上部内周面側の変形に起因する接合部底部の空洞状欠陥発生のメカニズムを示す断面図である。
【図４】 本発明の実施例３、実施例４で用いた一対の中空パネル構造体製造用アルミニウム系中空押出形材１ａ，１ｂの断面形状・寸法を示す縦断面図である。
【図５】 本発明の実施例３、実施例４で用いた一対の中空パネル構造体製造用アルミニウム系中空押出形材１ａ，１ｂの、突合せ部２の直下の垂直リブ１arの最小厚み部の変形・座屈による接合部欠陥発生のメカニズムを説明するための縦断面図である。
【図６】 特開平９−３０９１６４号公報に開示された従来技術の第１の例を示す縦断面図である。
【図７】 特開平９−３０９１６４号公報に開示された従来技術の第２の例を示す縦断面図である。
【図８】 特開平９−３０９１６４号公報に開示された従来技術の第３の例を示す縦断面図である。
【図９】 特開平９−３０９１６４号公報に開示された従来技術の第４の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 中空押出形材
１ｕｐ 上部面板
１ｂｐ 下部面板
１ａｒ 垂直リブ
１ａ，１ｂ 中空押出形材
１ａｓ 垂直リブ内周面
１ａｆ，１ｂｆ 上部面板の上面
２ 突合せ部
２ｇｕ 隙間
３ 回転ツール
３ｂ 底面
４ 攪拌ピン
ｄｆｂ 目視可能な空洞欠陥
ｄｆｓ 目視不可能な点状空洞欠陥

Claims (2)

1. 複数の中空押出形材の被突合せ部を突き合わせて形成される突合せ部の摩擦攪拌接合における予定接合深さにおいて、該突合せ部に押し込まれる摩擦攪拌接合用回転ツールの攪拌ピンの外面と前記突合せ部の中空部側の垂直リブの内周面との間の最短距離ｗ₁を０．６ｍｍ以上に保つように、予め形成されるとともに、前記垂直リブの最小厚み部の厚みｗ₂が下記式１及び下記式２を満足するように、予め形成されたことを特徴とする中空パネル構造体製造用中空押出形材。
   ｗ₂≧ｗ_2A＝｛（Ｆ×Ｈ）／（１４３９×Ｄ）｝^1/3／ｎ −−式１
   ｗ₂≧ｗ_2B＝Ｆ／（ｎ×Ｄ×σ_0.2） −−式２
   ここで、
   ｗ_2A ：第１の変形・座屈限界厚み（ｍｍ）
   ｗ_2B ：第２の変形・座屈限界厚み（ｍｍ）
   Ｆ ：回転ツールの軸方向押圧力（ｋｇｆ）
   Ｄ ：回転ツール底部の直径（ｍｍ）
   σ_0.2：中空押出形材の耐力（ｋｇｆ／ｍｍ²）
   Ｈ ：中空押出形材の高さ、即ち表裏一対の面板の外面間距離（ｍｍ）
   ｎ ：突合せ部における垂直リブの数（１あるいは２）
2. 前記突合せ部に押し込まれる摩擦攪拌接合用回転ツールの攪拌ピンの外面と前記突合せ部の中空部側の垂直リブの内周面との間の最短距離ｗ₁を１．２ｍｍ以上に保つように、予め形成されたことを特徴とした請求項１に記載の中空パネル構造体製造用中空押出形材。

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