JP3866731B2 - 構造体の摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は中空形材による構造体およびその製作方法に関するものである。例えば、鉄道車両や建築物等に使用されるアルミニウム合金製の中空の押し出し形材による構造体の製作に好適である。

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。これは特許文献１に示されている。
この特許文献１の図９には中空の押し出し形材の二面の接合を一方の面から行うことが示されている。また、中空形材の変形を防止する継ぎ手が示されている。
特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）

前記特許文献１の図９のように、中空形材を一方の面から摩擦攪拌接合する場合を考える。この場合は、２つの中空形材３１、３２の上面の板３３、３３の間隔（つまり、凹部３９、３９の間隔）、およびこの部分に配置する継ぎ手６０の幅の精度が重要である。上面の板３３、３３の間隔が継ぎ手６０の幅よりも小さければ、継ぎ手６０を配置できない。逆に、上面の板３３、３３の間隔が継ぎ手６０の幅よりも大きければ、摩擦攪拌接合が困難である。すなわち、板３３と継ぎ手６０との突き合わせ部の隙間が小さいことが重要である。

しかし、中空型材３１、３２や継ぎ手６０の押し出し加工の製作公差から突き合わせ部に大きな隙間が発生しやすい。鉄道車両の車体の接合の場合のように、多数の中空形材を並べて接合する場合には、これが顕著になる。
一方、凹部３９に継ぎ手６０を重ね接合することが考えられる。これによれば、凹部３９、３９の間隔（板３３、３３の間隔）は継ぎ手６０よりも十分に大きくでき、形材３１、３２の容易に製作できる。

しかしながら、板３３と凹部３９との接続部において屈曲する。このため、この部分に応力が集中して発生応力が高くなる。しかも、この屈曲部の近くを摩擦攪拌接合するので、この接合による熱の影響を受けて強度が低下する。これらの強度低下因子が相乗することにより許容応力を大幅に低下させる。

本発明の目的は、重ね接合の位置決めを容易に行えるようにすることにある。

上記目的は、二枚の面板の間を複数のリブで接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも突出させた２つの中空形材を準備し、該中空形材の外面の前記面板のそれぞれは実質的に平らであり、前記突出させた面板同士を前記他方の面板側から摩擦攪拌接合によって接合し、次に、前記突出した一方の面板に実質的に平行な１つの接続板を前記中空形材のそれぞれの前記他方の面板の端部に重ね、該重ねる際に、前記他方の面板に重なる前記接続材の面の幅方向の略中央部に凹部があり、前記他方の面板に設けた凸部を前記凹部に挿入し、また、該接続板の前記重ね面の反対側の面には反対側に突出する第２の凸部があり、前記凹部、および凸部の幅は、前記第２の凸部の幅よりも小さく、前記第２の凸部側から、前記挿入した部分及び前記重ねた部分を摩擦攪拌接合すること、によって達成できる。

本発明によれば、中空形材等の寸法精度にとらわれずに、中空形材を一方の面から接合ができ、また、継ぎ手を高強度にできるものである。
また、摩擦攪拌接合に当たって、位置決めを容易にできるものである。

本発明の参考例を図１から図４により説明する。以下の説明において、図１に記載のない部品番号を使用することがある。その場合はその部品番号から１０を減算した部品番号が右半分の部品番号の部品に相当する。図１は図２の要部拡大図、図２は図３の要部拡大図、図３は図４の側構体の要部の縦断面図である。

車体２００は、側面を構成する側構体２０１、屋根を構成する屋根構体２０２、床を構成する台枠２０３、長手方向の端部を構成する妻構体２０４からなる。側構体２０１、屋根構体２０２、台枠２０３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車体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。

側構体２０１を構成する中空形材１０、２０の構成および接合方法について説明する。他の箇所、他の構体も同様である。
中空形材１０、２０は二枚の面板１１、１２、２１、２２とトラス状に配置した複数のリブ１３、２３からなる。二枚の面板１１、１２（２１、２２）は実質的に平行である。リブ１３、２３によるトラスのピッチは同一である。トラスはリブ１３、２３、面板１１、１２、２１、２２の板厚の中心線によって構成される。頂点は面板１１、１２、２１、２２側にある。

車内側のトラスの頂点付近には機器を取り付けるためのレール１９、２９を一体に設けている。レール１９、２９はＬ状の２つの部材からなる。レールは内装板や椅子等の機器の取り付け座になる。
車体の外面側に位置する面板１２、２２の端部は車内側の面板１１、２１の端部よりも隣接する中空形材２０、１０側に突出している。この突出した面板を１２ｂ、２２ｂと呼ぶ。面板１２ｂ、２２ｂの端部同士を突き合わせて摩擦攪拌接合している。突き合わせ部の隙間が小さくなるように突き合わせている。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。

中空形材１０、２０は面板１２、２２を下方にしてベッド２４０に載っている。面板１１、２１側を上方にしている。上方から回転工具２５０を接合部に挿入して摩擦攪拌接合をする。車内側から摩擦攪拌接合すると言える。
面板１２ｂ、２２ｂの端部には車内側（すなわち面板１１、２１側）に突出する凸部１６、２６がある。凸部１６、２６の幅高さは実質的に同一である。

車内側の面板１１の端部と面板２１との端部との間は接続材３０を介して接合している。接続材３０は面板１１、２１に載っている（重なっている。）。接合部は、リブ２３Ａ（１３Ａ）とリブ２３Ｂ（１３Ｂ）との交点にある。
接続材３０の両端には上方に突出する凸部３５がある。凸部３５の上面にはＶ字状の溝３６がある。溝３６は凸部３５の幅の中心にある。凸部３５の幅は回転工具２５０の大径部２５２の径よりも大きい。溝３６は回転工具２５０を導くための位置検出用の対象物となる。レーザセンサで溝３６を検出し、回転工具２５０の軸心が溝３６に一致するようにしている。溝３６の延長線上すなわち回転工具２５０の軸心上に、２つのリブ１３Ａ（２３Ａ）と１３Ｂ（２３Ｂ）の交点がある。

凸部３５、３５とは反対側の面には凸部３７、３７がある。凸部３７、３７の間隔は面板１１、２１の端部の間隔よりも小さい。凸部３７の幅は凸部３５の幅よりも小さい。
接続材３０と面板１１、２１との重ね面は、平面で起伏がなく、両者は接触している。接続材３０は中空形材１０、２０と同一材質の押し出し形材である。接続材３０の長さは中空形材１０、２０の長さと同一である。

面板１１の端部から面板２１の端部までの距離Ｐ（中空形材１０の端部のトラスの頂点から中空形材２０の端部のトラスの頂点までの距離）は他の位置のトラスのピッチＰと同一である。
中空形材のトラスは、面板１１、１２、２１、２２側を頂点としたとき、２等辺３角形である。しかし、中空形材１０、２０の端部のトラスは２等辺３角形ではない。中空形材１０、２０の端部のトラスを構成するリブ１３Ａ、２３Ａが鉛直線に対して成す角度はθ１である。前記端部のトラスを構成するリブ１３Ａ、２３Ｂが鉛直線に対して成す角度はθ２である。θ１＜θ２である。
このため、リブ１３Ａ（２３Ａ）は面板１２（２２）の途中に接続している。リブ１３Ａと面板１２との接続部と、リブ２３Ａと面板２２との接続部との間には摩擦攪拌接合装置を挿入する空間が生じる。

リブ１３Ａ、２３Ａはリブ１３Ｂ、２３Ａに比べて立っている（θ１が小さい）ので、リブ１３Ａ、２３Ａの板厚はリブ１３Ｂ、２３Ａの板厚よりも大きい。リブ１３Ｂ、２３Ｂの板厚は他のリブ１３の板厚よりも大きい。リブ１３Ａ、１３Ｂ、１３と面板１１、１２、２１、２２との接続部は円弧状である。また、接続部の厚さは強度の観点から定めている。

この構造体の製作方法を説明する。中空形材１０、２０はベッド２４０に載せられ、固定されている。面板１２ｂ、２２ｂの端部の突き合わせ部は接触しているか近接している。面板１２、２２の突き合わせ部の凸部１６、２６を上方からアーク溶接によって仮止めする。仮止め溶接は間欠的である。
面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部が載るベッド２４０の上面は平らである。面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部付近、リブ１３Ａ、２３Ａと面板１２ｂ、２２ｂとの交点付近、リブ１３Ｂ、２３Ｂと面板１２、２２との交点付近の三者は同一高さのベッド２４０に載っている。

この状態において、摩擦攪拌接合装置の回転工具２５０を上方から凸部１６、２６の突き合わせ部に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦攪拌接合する。回転工具２５０の軸心は鉛直方向（接合部の法線に沿った方向）である。ただし、回転工具２５０の進行方向に対しては軸心は公知のように傾斜している。２つの凸部１６、２６の突き合わせ部を前記センサで検出して突き合わせ部の隙間の位置を求め、この隙間に回転工具２５０の軸心を位置させる。

回転工具２５０は大径部２５２とその先端の小径部２５１とからなる。小径部２５１の先端は面板１２ｂ、２２ｂの下面の近傍に位置している。大径部２５２の下端は凸部１６、２６の頂と面板１２ｂ、２２ｂの車内側の面（面板１１、２１側の面）との間に位置している。大径部２５２の径は２つの凸部１６、２６からなる幅よりも小さい。小径部２５１はねじである。

この摩擦攪拌接合によって、面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の隙間は埋められて、接合される。突き合わせ部の外面側（車外側）は平らに接合される。面板１２ｂ、２２ｂの外面側には接合線の凹部はない。
凸部１６、２６の上面は回転工具２５０の大径部２５２によって凹状になる。凹部の両側には未接合部がある。

次に、面板１１、２１に接続材３０を載せる。凸部３７、３７によって、接続材３０と面板１１、２１との重なり量は所定になる。次に、接続材３０の端部を面板１１、２１に対してそれぞれアーク溶接によって仮止めする。仮止め溶接は間欠的である。これは隅肉溶接である。

次に、面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部の摩擦攪拌接合に用いた摩擦攪拌接合装置を用いて接続材３０と面板１１、２１との重ね接合を行う。回転工具２５０を上方から接続材３０と面板２１（１１）との重ねた部分に挿入した状態で、接合線に沿って（すなわち、溝３６に沿って）移動させ、摩擦攪拌接合する。接合線は形材の長手方向にある。

凸部３５の幅は回転工具２５０の大径部２５２の径よりも大きい。凸部３５の幅の中心に溝３６がある。回転工具２５０の回転軸心を溝３６に一致させる。このため、回転工具２５０の位置は、接続材３０の端部に摩擦攪拌接合されない部分を有する内側の位置である。また、回転工具２５０の小径部２５１の先端は面板１１、２１の外面よりも深く挿入している。これによって、重ね接合が行われる。大径部２５２の下端は非凸部の接続材３０の上面と凸部３５の頂との間にある。

凸部３５の上面は回転工具２５０の大径部２５２によって凹状になる。凹部の両側には未接合部がある。
摩擦攪拌接合装置の前記センサは溝３６を検出して、溝３６に沿って回転工具２５０を移動させる。このため、面板１２ｂ、２２ｂの突き合わせ部を接合する際の回転工具２５０とセンサとの位置関係をそのまま利用できる。その他の回転工具と接合部との関係は前記のとおりである。
回転工具２５０の軸心は２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）によるトラスの頂点またはその近傍を通る鉛直線上にある。偏芯に対しては、リブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の板厚の増大、リブと面板とを接続する円弧の形状、接続部の厚さ等によって対応する。

接続材３０の接合は面板１１との接合を行い、次に面板２１との接合を行う。２つの回転工具を用いれば、接続材３０の両端の接合を同時にできる。
これによれば、接続材３０の接合は重ね接合であり、突き合わせ接合ではない。このため、二つの中空形材１０、２０の製作公差、二つの中空形材の配置の間隔の公差により、二つの中空形材１０、２０の隙間が変わっても接続材３０を接合できるものである。特に、多数の中空形材を並べて一度の接合する場合は誤差が大きくなる。この場合、重ね接合であるので、容易に接合できるものである。

また、接続材３０を面板１１、２１に重ねて接合しているので、形材１０、２０の面板側の屈曲した箇所がなくなり、応力集中がなくなるものである。
また、中空形材の両面の接合を片面側から行うことができる。このため、一方の面を接合した構造体を反転させる必要がない。したがって、安価に、また高精度に製作できるものである。

また、面板１２ｂ、２２ｂの接合部の外面は平らに接合できる。凸部１６、２６、３５は構造体内や車内側にあり、平滑な面が要求される箇所（外面側、車外側）にはない。また、車外側には回転工具によって切削されて生じる凹部もない。このため、凸部の切削等を不要にでき、車体を安価に製作できるものである。

また、接続材３０の接合の際の挿入力は、回転工具２５０の軸心に向けて配置した２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）によって支えられる。このため、リブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の曲がりを抑制できる。１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の板厚を薄くでき、軽量にできるものである。もちろん面板１１、２１、３０の曲がりも抑制できる。
リブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）を支えるベッド２４０は同一高さにあるので、面板１２、２２の曲がりも防止できる。

また、接合後、構造体として用いる場合を考えると、実質的にすべてをトラス構造で構成したことになる。中空形材１０、２０の接合部もトラス構造である。このため、面外曲げ剛性が向上し、軽量にできるものである。
なお、接続材３０、リブ１３Ａ、２３Ａの間の面板１２ｂ、２２ｂ、リブ１３Ａ、２３Ａは実質的にトラスを構成するので、この部分が特に弱いことはない。ただし、板厚は検討すべきである。

また、リブ１３Ａ、２３Ａの傾斜角θ１をリブ１３Ｂ、２３Ｂの傾斜角θ２よりも大きくすることができる。これによれば、接続材３０の幅が大きくなり、その板厚を厚くする必要が生じ、重量が大きくなる。しかし、摩擦攪拌接合装置の挿入の為に大きな開口が必要な場合に利用できる。
リブの傾斜角θ１、θ２を同一にして、２等辺３角形にすることができる。これによればリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の板厚を同一にできる。また、リブ１３Ａ、２３Ａの板厚を図１の場合よりも薄くできよう。ただし、この２等辺３角形のトラスの大きさを他の個所のトラスの大きさと同一にすれば、接続材３０の幅は大きくなる。

しかし、２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の傾斜角θ１、θ２を図１の傾斜角θ１とすれば、端部のトラスを小さい２等辺３角形にすることができる。この端部のトラスの底辺の大きさは他の個所のトラスの底辺の大きさよりも小さい。これによれば、リブ１３Ｂ（２３Ｂ）と面板１２（２２）との交点から中空形材１０（２０）の端部までの距離を小さくできる。したがって、接続材３０の幅を図１の接続材３０の幅と同様にできる。

接続材３０の部分を含めて全てのトラスのピッチは同一である。端部のトラスを除き、トラスの大きさは同一である。このため、中空形材の設計を標準化できる。
２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）による頂点は面板２１、３１よりも外面側にあってもよい。
また、２つのリブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）が成す角度の中間に向けた角度で回転工具２５０を挿入してもよい。この場合の軸心はトラスの頂点に向ける。

上記参考例では接続材３０の接合は摩擦攪拌接合で行っているが、アーク溶接との併用で行ってもよい。上記摩擦攪拌接合は重ね接合であるので、突き合わせ接合に比べて、接合強度が弱い。このため、接続材３０の端部と面板２１、３１との突き合わせ部をアーク溶接する。アーク溶接の箇所は例えば強度が弱い領域である。また、アーク溶接を補修用として使用することができる。

上記参考例では接続材３０の両端を摩擦攪拌接合で接合しているが、一端を摩擦攪拌接合、他端をアーク溶接で接合するようにしてもよい。アーク溶接の方が歪みが大きいので、先に摩擦攪拌接合を行う。

上記参考例は面板１１、１２、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。
リブ１３Ａ、１３Ｂ（２３Ａ、２３Ｂ）の板厚において、面板１１、２１側の板厚を面板１２、２２側よりも厚くする。面板１１、２１側を厚くするのは、接合時に高温になりやすいからである。

上記参考例では接合部の面板が水平であったが、接合部の面板の法線が傾斜していても同様に接合できる。これは側構体２０１の端部の接合線に生じ易い。この場合の回転体の軸心は面板の法線に沿っている。
溝３６は凸部に変えることができる。

図５の本発明の一実施例を説明する。接続材３０の凸部３７、３７を廃止し、面板２１の上面に三角状の凸部２８を設けたものである。面板１１にも同様に凸部がある。一対の凸部２８の間隔は接続材３０の幅よりも大きい。これによれば、凸部２８と接続材３０の端部の間隔を目視によって容易に確認することができ、面板１１、２１に対して接続材３０が所定位置に重なっていることを容易に確認できるものである。

図６の本発明の他の実施例を説明する。回転工具２５０を挿入する位置（２つのリブ２３Ａ、２３Ｂの交点の近傍）の面板２１（１１）の上面に凸部２９を設けている。接続材３０の下面には凸部２９が入る凹部３９がある。凹部３９の幅は一対の凸部２９の間隔の公差を考慮して、凸部２９の幅よりも十分に大きい。凹部３９の幅は回転工具２５０の小径部２５１の径よりも小さい。小径部２５１の下端が凸部２９の基部よりも下方（面板２１の上面よりも下方）に達するまで回転工具２５０を挿入する。凹部３９および凸部２９の幅は凸部３５の幅よりも小さい。
これによれば、凹部３９と凸部の２９との間の空間は凸部３５の材料を補填源として充填される。回転工具２５０の大径部２５２によって該部の材料は下方に押されているので、前記空間は埋められる。凸部３０の材料が前記空間に移動するとは限らない。

摩擦攪拌接合により接続材３０と中空形材２０とを接合する場合、両者の間にできるだけ隙間が生じないように接触させる。しかし、凹部３９と凸部２９との間には製作公差を吸収するための空間が存在する。当該空間が存在したまま摩擦攪拌接合を行うと、補填すべき材料が不足しやすい。そのため、接合部の内部または外部に欠陥が生じ易い。

そこで、凹部３９と凸部２９との空間に、粉状または繊維状の補填材料を充填した後、摩擦攪拌接合を行う。この材料は接続材３０または中空形材２０と同一材料または同一系統の材料とする。粉状または繊維状の物質は容易に変形するので、凹部３９と凸部２９の位置関係に関わらず、公差を吸収して空間を充填することができる。
面板３１の上面に凹部を設け、接続材３０の下面に、前記凹部に入る凸部を設けてもよい。この場合は中空形材２０側の接合部の厚さが厚くなる。

図７の本発明の他の実施例を説明する。中空形材１０Ｃの端部のリブ１３Ｃは面板１１Ｃ、１２Ｃに直交している（面板の法線に沿っている。）。リブ１３Ｃの板厚の範囲内に回転工具２５０の回転軸心、溝３６、凹部３９、凸部１９がある。凸部１９は凸部２９に相当する。このものでは摩擦攪拌接合時の挿入力をリブで支える。１７Ｃｂは接続材３０を載せる突出片である。他方の中空形材の端部のリブもこのようにできる。
位置合わせの手段として、凸部３７、凸部２８、凹部３９、凸部２９を説明してきたが、これは中空形材の摩擦攪拌接合のみに使用できるものではなく、部材の重ね接合に使用できるものである。

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。

本発明の参考例の接合部の要部の縦断面図。 本発明の参考例の接合部の縦断面図。 本発明の参考例の一組の中空形材の縦断面図。 鉄道車両の車体の斜視図。 本発明の一実施例の要部の縦断面図。 本発明の他の実施例の要部の縦断面図。 本発明の他の実施例の要部の縦断面図。

符号の説明

１０、１０Ｃ、２０ 中空形材
１１、１１Ｃ、１２、１１ｂ、１２Ｃ、２１、２２、２２ｂ 面板
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、２３、２３Ａ、２３Ｂ リブ
１６、１９、２６、２８、２９ 凸部
３０ 接続材
３５、３７ 凸部
３９ 凹部
２０１ 側構体
２０２ 屋根構体
２０３ 台枠
２４０ ベッド
２５０ 回転工具

Claims (1)

1. 二枚の面板の間を複数のリブで接続しており、一方の面板の端部は他方の面板の端部よりも突出させた２つの中空形材を準備し、該中空形材の外面の前記面板のそれぞれは実質的に平らであり、
   前記突出させた面板同士を前記他方の面板側から摩擦攪拌接合によって接合し、
   次に、前記突出した一方の面板に実質的に平行な１つの接続板を前記中空形材のそれぞれの前記他方の面板の端部に重ね、該重ねる際に、前記他方の面板に重なる前記接続材の面の幅方向の略中央部に凹部があり、前記他方の面板に設けた凸部を前記凹部に挿入し、
   また、該接続板の前記重ね面の反対側の面には反対側に突出する第２の凸部があり、
   前記凹部、および凸部の幅は、前記第２の凸部の幅よりも小さく、
   前記第２の凸部側から、前記挿入した部分及び前記重ねた部分を摩擦撹拌接合すること、
   を特徴とする構造体の摩擦攪拌接合方法。

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