JP3840029B2

JP3840029B2 - 中空形材

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Publication number: JP3840029B2
Application number: JP2000055193A
Authority: JP
Inventors: 英之中村; 健川崎; 俊昭牧野; 佳彦稲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: JP2001207553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空状の部材の摩擦攪拌接合に関する。例えば、アルミニウム合金製の中空の押し出し形材を摩擦攪拌接合した鉄道車両や建築物等の構造体、及び、同じくアルミニウム合金製の中空の押し出し形材に関するものである。
【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】
摩擦攪拌接合がアーク溶接と異なる点は、回転工具の挿入によって、大きな荷重が被接合部材に作用することである。この荷重は主として回転工具の挿入方向（軸心の方向）に作用する。つまり、回転工具の挿入力が被接合部材に作用する。二枚の面板と該面板を接続するリブとを有する部材を摩擦攪拌接合する場合、接合部周辺の面板や該面板を接続するリブに対して前記挿入力が作用し、継ぎ手部が変形する。このことから、継ぎ手部の変形を防止する構造が必要となる。
【０００４】
この変形防止手段が前記特開平０９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されている。これは、接合部に、二枚の面板を接続する垂直な板（縦リブという。）を設けたものである。縦リブは二枚の面板を接続するリブの一つである。縦リブは回転工具の軸心の延長線上にある。この方法によると、縦リブが前記挿入力を支えるため、継ぎ手部の変形が防止される。しかし、大きな荷重が縦リブに集中的に作用するため、応力集中のある縦リブと面板との接続部において高応力が発生する。これにより、縦リブが破壊される恐れがある。
【０００５】
これを防止する一つの手段として、縦リブと面板との接続部の外形線を、部材側に凹んだ径の大きな円弧にし、縦リブと面板とを滑らかに接続することによって、縦リブと面板との接続部の応力集中を緩和する方法がある。しかし、該円弧の径を大きくするほど、継ぎ手部の断面積が増加し、継ぎ手部の重量が増大する。このため、該方法においては、部材の軽量化に限界がある。すなわち、該部材からなる構造体の軽量化に限界がある。
【０００６】
本発明の目的は、二枚の面板と該面板を接続するリブとを有する部材を軽量化することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、リブとそれぞれの面板との接続部の少なくとも一つの外形を部材の実側に凹んだ曲線から構成し、該曲線は、二つの連続した円弧の組み合わせで構成され、該二つの円弧のうち、面板側の円弧の径は、リブ側の円弧の径よりも小さく設けること、によって達成できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図３により説明する。鉄道車両構体５００は、側面を構成する側構体５０１、屋根を構成する屋根構体５０２、床を構成する台枠５０３、長手方向の端部を構成する妻構体５０４からなる。側構体５０１、屋根構体５０２、台枠５０３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鉄道車両構体５００の長手方向にしている。押し出し形材はアルミニウム合金製の中空形材である。
【０００９】
側構体５０１を構成する中空形材１０、２０の構造について説明する。他の箇所、他の構体も同様である。
中空形材１０（２０）は、実質的に平行な二枚の面板１１（２１）、１２（２２）と、この二枚の面板を接続する複数のリブ１３（２３）、１４（２４）とからなる。端部のリブ２４と面板２１、２２との接続部は凹部の座２５、２６になっている。凹部２５、２６の端部は隣接する中空形材１０の方向に突出した突出片２５ｂ、２６ｂを有する。
【００１０】
二枚の面板１１（１１）、１２（１２）は実質的に平行である。リブ１３（２３）はトラス状に配置され、そのトラスのピッチは同一である。リブ１４（２４）は、二枚の面板１１（２１）、１２（２２）に実質的に直交している。
中空形材２０の端部のリブ２４の板厚は、他の箇所のリブ１３、１４、２３の板厚よりも厚い。
【００１１】
面板１１、１２の端部は座２５、２６に重なっている。面板１１、１２の先端の端部は面板２１、２２の端部と突き合わせられている。この突き合わせ部は摩擦攪拌接合される。面板２１（２２）の端部は、端部のリブ２４の板厚の延長線の範囲内に位置している。面板２１（２２）の端部の面は面板２１（２２）に実質的に直交している。
【００１２】
次に、面板２１、２２とリブ２４との接続部の詳細な構造について説明する。
面板２１（２２）とリブ２４との接続部の外形線は、円弧３１、３２により構成される滑らかな曲線、及び、円弧３３、３４により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧３１、３２はリブ２４の一方の面と面板２１（２２）との接続線である。円弧３３、３４はリブ２４の他方の面と突出片２５ｂ（２６ｂ）との接続線である。円弧３１、３２、３３、３４は中空形材２０の実側に凹んだ円弧である。面板２１（２２）側の円弧３１の径はリブ２４側の円弧３２の径より小さく、突出片２５ｂ（２６ｂ）側の円弧３３の径はリブ２４側の円弧３４の径より小さい。なお、突出片２５ｂ（２６ｂ）も面板の一部といえる。
【００１３】
摩擦攪拌接合時、２つの中空形材１０、２０の突き合わせ部に回転工具５０の軸心が位置する。このため、回転工具５０の軸心方向の大きな荷重がリブ２４に集中的に作用する。これにより、リブ２４直近の位置に高応力が発生する。
【００１４】
本実施例においては、面板２１、２２の端部とリブ２４との接続部の外形線が、中空形材２０側に凹んだ円弧により構成される滑らかな曲線により構成されている。また、高応力発生位置における面板２１、２２の端部とリブ２４との接続部の外形線のうち、リブ２４側の円弧３２、３４の径が大きいので、面板２１、２２の端部とリブ２４との接続部の応力集中が緩和され、発生応力が小さくなる。一方、面板２１（２２）、突出片２５ｂ（２６ｂ）側の円弧３１、３３の径は小さいので、該部の断面積が小さくなる。このように、２つの円弧で構成しているので、継ぎ手部の断面積が小さくなり、継ぎ手部の重量が小さくなるものである。
【００１５】
代案として、面板２１、２２、突出片２５ｂ、２６ｂとリブ２４との接続部の円弧を大きな１つの円弧で接続することが考えられる。これによって、発生応力を上記実施例の発生応力と等しくするものである。したがって、この代案では該部の断面積が大きくなり、重量低減にならない。
【００１６】
上記実施例は、中空形材１０、２０の二箇所の接合部の接合方法が両方とも摩擦攪拌接合であったが、いずれか一方の接合部の接合方法がアーク溶接であってもよい。
上記実施例は、中空形材１０、２０の接合部の接合方法が突き合わせの摩擦攪拌接合であったが、重ね合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。
上記実施例は、面板１１、１２及び面板２１、２２が平行であったが、一方の面板が他方の面板に対して傾斜している場合にも対応できるものである。
【００１７】
図４の実施例は、図１の実施例の円弧３２、３４の径が無限大である場合の例である。すなわち、円弧３２、３４に相当する部分が直線である場合の例である。この実施例における直線３５、３６は、リブ２４に対して傾斜している。他は図１の実施例に同様である。
【００１８】
本発明の他の実施例を図５、図６により説明する。この実施例は端部のリブがトラスの１つになった例である。このトラスの頂点の近傍を摩擦接合するようにしている。このトラスを構成する１つのリブの摩擦攪拌接合の力が作用する。このため、この２つのリブに前記円弧を採用している。
【００１９】
中空形材１００（１１０）は、二枚の面板１０１（１１１）、１０２（１１２）と複数のリブ１０３（１１３）、１０４（１１４）、１０５（１１５）とからなる。
二枚の面板１０１（１１１）、１０２（１１２）は実質的に平行である。車外側の面板１０２（１１２）の端部は、面板１０１（１１１）の端部よりも隣接する中空形材１１０（１００）側に突出している。この突出した面板１０２ｂ、１１２ｂは突き合わせられ、上方（車内側）から摩擦攪拌接合される。
【００２０】
リブ１０３（１１３）、１４（１１４）、１０５（１１５）は二枚の面板１０１（１１１）、１０２（１１２）に対して傾斜しており、トラス状に配置されている。端部のリブ１０５（１１５）とリブ１４（１１４）との交点（トラスの頂点の近傍）は凹部になっている。この凹部は接続板２００を載せる座１０７（１１７）になっている。接続板２００は座１０７（１１７）に重なっている。この重なり部を回転工具５０によって摩擦攪拌接合する。
【００２１】
リブ１４（１１４）、１０５（１１５）の板厚は、他の箇所のリブ１０３（１１３）の板厚よりも厚い。面板１０２（１１２）に対するリブ１０５（２０５）の傾斜角度はリブ１０４（１１４）の傾斜角度よりも大きい。このため、リブ１０５（１１５）の板厚はリブ１０４（１１４）の板厚よりも大きい。
【００２２】
接合手順を説明すると、中空形材１００、２００の面板１０２、１１２を架台に載せ、面板１０２ｂ、１１２ｂを突き合わせる。この状態で、突き合わせ部に、上方から回転工具５０を挿入して摩擦攪拌接合を行う。
【００２３】
次に、座１０７、１１７に接続板２００を載せ、その端部を面板１０１、１１１に仮止め溶接をする。仮止め溶接は接合線に沿って間欠的である。
次に、上方（車内側）から回転工具５０によって接続板２００を座１０７（１１７）に摩擦攪拌接合をする。回転工具５０の挿入位置は２つのリブ１０３、１０４（２０４、２０５）の交点の位置（トラスの頂点の位置）の近傍である。
【００２４】
次に、面板１１１の端部とリブ１１５との接続部及び面板１１２とリブ１１５との接続部の詳細な構造について説明する。
面板１１１の端部とリブ１１５との接続部の外形線は、円弧１３１、１３２により構成される滑らかな曲線、及び、円弧１３３、１３４により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧１３１、１３２、１３３、１３４は中空形材１１０の実側に凹んだ円弧である。円弧１３１の径は円弧１３２の径より小さく、円弧１３３の径は円弧１３４の径より小さい。
【００２５】
面板１１２（１１２ｂ）とリブ１１５との接続部の外形線は、円弧１３５、１３６により構成される滑らかな曲線、及び、円弧１３７、１３８により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧１３５、１３６、１３７、１３８は中空形材１１０の実側に凹んだ円弧である。円弧１３５の径は円弧１３６の径より小さく、円弧１３７の径は円弧１３８の径より小さい。
【００２６】
面板１１１の端部とリブ１１４との接続部の外形線は、円弧１４１、１４２により構成される滑らかな曲線、及び、円弧１４３、１４４により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧１４１、１４２、１４３、１４４は中空形材１１０の実側に凹んだ円弧である。円弧１４１の径は円弧１４２の径より小さく、円弧１４３の径は円弧１４４の径より小さい。
【００２７】
面板１１２とリブ１１４との接続部の外形線は、円弧１４５、１４６により構成される滑らかな曲線、及び、円弧１４７、１４８により構成される滑らかな曲線により構成されている。円弧１４５、１４６、１４７、１４８は中空形材１１０の実側に凹んだ円弧である。円弧１４５の径は円弧１４６の径より小さく、円弧１４７の径は円弧１４８の径より小さい。
中空形材１００も中空形材１１０と同様の構成である。
【００２８】
かかる構成によれば、面板１１１（１１２）とリブ１１４、１１５との接続部の外形線が、中空形材１１０の実側に凹んだ円弧により構成される滑らかな曲線により構成されており、高応力発生位置の円弧の径が大きいので、応力集中が緩和され発生応力が小さくなる。このため、継ぎ手部の重量が小さくなる。
【００２９】
なお、本実施例における回転工具５０の挿入力は回転工具５０の軸心に向けて配置された二つのリブ１１４、１１５によって支えられるため、図１の実施例のように回転工具５０の挿入力を一つのリブで支える構造と比較して、リブ１１４、１１５の板厚を薄くでき部材を軽量にできる。
【００３０】
上記実施例は、中空形材１００、１１０の三箇所の接合部の接合方法が全て摩擦攪拌接合であったが、そのうちの一箇所もしくは二箇所の接合部の接合方法がアーク溶接であってもよい。
上記実施例は、中空形材１００、１１０と平板２００との接合部の接合方法が重ね合わせの摩擦攪拌接合であったが、突き合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。
上記実施例は、中空形材１００、１１０同士の接合部の接合方法が突き合わせの摩擦攪拌接合であったが、重ね合わせの摩擦攪拌接合であってもよい。
上記実施例は、面板１０１、１０２及び面板１１１、１１２が平行であったが、一方の面板が他方の面板に対して傾斜している場合にも対応できるものである。
【００３１】
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。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、二枚の面板と該面板を接続するリブとを有する部材を摩擦攪拌接合した構造体を軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図２】本発明の一実施例の接合部近傍の縦断面図。
【図３】鉄道車両構体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図５】本発明の他の実施例の接合部の要部の縦断面図。
【図６】本発明の他の実施例の接合部近傍の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０、１００、１１０中空形材
１１、１２、２１、２２、１０１、１０２、１１１、１１２面板
１３、１４、２４、２５、１０３、１０４、１９５、１１３、１１４、１１５リブ
１５、２５、１０５、１１５、１１６座
３１、３２、３３、３４、１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６、１３７、１３８円弧
５０回転工具

Claims

二枚の面板を有し、一方の前記面板と他方の前記面板とをリブで接続した第１の部材と、該第１の部材の前記一方の面板と前記リブとの接続部の前記面板側に、第２の部材を摩擦攪拌接合する中空形材において、
前記第１の部材の前記リブとそれぞれの前記面板との接続部の少なくとも一つの外形線は、前記第１の部材の実側に凹んだ曲線からなり、
該曲線は前記面板側にあり、
該曲線は前記リブの側面に対して傾斜した直線に接続していること、
を特徴とする中空形材。
請求項１の中空形材において、前記リブは前記面板に直交していること、
を特徴とする中空形材。