JP4292039B2 - パネル接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば長尺な中空パネルを接合して鉄道車両の構体などを構成する際のパネル接合構造に関し、特に板を２枚重ねして形成された長尺なパネルでは、一方の板の接合によって他方の板の接合部に歪みが生じるため、その歪みを吸収して接合するようにしたパネル接合構造に関する。

２枚の板からなる中空構造のパネルなどは、例えばアルミニウム合金製の鉄道車両構体や建築材に見ることができる。そうしたパネル同士をつなげる従来のパネル接合構造には、下記特許文献１とした特開平１１−２０７４７４号公報の記載を挙げることができる。図９は、同特許文献１に記載されているパネル接合構造を示した断面図であり、パネルの端部同士を付き合わせて接合する場合の工程図である。

パネル８０，８０は、上面板８１と下面板８２との間に継ぎ部材としてリブ８３が設けられた中空構造の中空型材であり、下面板８２，８２が垂直リブ８４，８４から突き出た分だけ上面板８１，８１より幅方向（図面横方向）に長くなっている。パネル８０，８０同士を接合する場合、下面板８２，８２同士が突き合わせられる一方、上面板８１，８１同士の間には隙間が形成される。垂直リブ８４，８４の上部には、継ぎ手９０が載せられる段部８５，８５が形成され、その段部８５，８５に掛け渡して継ぎ手９０を載せることにより、上面板８１，８１が継ぎ手９０を介して面一になる。

パネル８０，８０の接合時には、垂直リブ８４，８４の間隔で隙間ができ、そこは回転工具５０が挿入できる程度の大きさである。従って、先ず下面板８２，８２が、不図示のベット上にて図９の（Ａ）に示すように端部同士突き当てられ、その突き当て部分が回転工具５０によって摩擦攪拌溶接によって接合される。このとき、回転工具５０の凸部５２の高さは下面板８２，８２の厚さよりも小さくなっているため、接合後の下面は平になり、この下面側を鉄道車両の構体の外面や建築物等の構造物の外面とすることができる。

次に、図９（Ｂ）（Ｃ）に示すように、２つのパネル８０，８０の間に断面Ｔ字状の継ぎ手９０が載せられる。このとき、継ぎ手９０の両端は段部８５，８５に掛けて配置され、垂直片９１の下端は下面板の接合ビードとの間に隙間ができている。なお、この垂直辺９１はなくてもよい。そして、継ぎ手９０とパネル８０，８０との接合部が、それぞれ回転工具５０による摩擦攪拌溶接によって図９（Ｄ）に示すように接合される。
特開平１１−２０７４７４号公報（第４頁、図９）

しかしながら、こうした従来のパネル接合構造によれば、２つのパネル８０，８０が鉄道車両の構体を構成するパネルだとすると、図面を貫く方向に長尺なものであり、下面板８２，８２を接合した時点で歪みが生じて継ぎ手９０を載せる段部８５，８５の距離が不均一になる。すると、図９（Ｂ）に示すように継ぎ手９０は、両パネル８０，８０の段部８５，８５に整然と入り込むことは現実的には難しく、大きく隙間ができたり、乗り上げてしまったりして接合作業がやりにくくなる。このため、接合部の仕上がりを良いものを得ようとすると、生産効率が非常に悪くなり、加工コストの増大を招来することになる。

そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、一方の面板の接合によって生じる歪みを吸収して他方の面板を接合させるパネル接合構造を提供することを目的とする。

本発明のパネル接合構造は、第１面板と、その第１面板より幅寸法が大きい第２面板とが継ぎ部材を介して連結された中空状の長尺なパネルであり、このパネル同士を幅方向につなぎ合わせる場合に、前記第２面板同士は幅方向端部を突き当てて接合し、前記第１面板同士は長手方向に連続して形成される隙間を塞ぐ長尺な帯板を掛け渡して接合するようにしたものであって、前記帯板は前記第１面板の上に載せられるようにして掛け渡されるものであり、前記帯板及び前記第１面板の少なくとも一方に、前記帯板を前記第１面板に対し幅方向に位置決めするための位置決め手段を備え、長手方向に形成された前記位置決め手段には、当該長手方向に剛性を弱める不連続部を有するものであることを特徴とする。

そして、本発明のパネル接合構造は、前記位置決め手段が、前記第１面板の端部に突き当てられるように前記帯板の幅方向の両側に形成された段部であり、その段部には幅方向に切り欠かれた前記不連続部を構成する切欠部が形成されたものであることが望ましい。
また、本発明のパネル接合構造は、前記位置決め手段が、前記帯板及び前記第１面板の一方又は両方に突設された凸部であり、その凸部は、所定の間隔をあけた前記不連続部を構成して長手方向に複数形成されたものであることが望ましい。

また、本発明のパネル接合構造は、前記第２面板が、最端部に位置する継ぎ部材より幅方向に張り出した張出部が肉厚に形成され、その張出部が突き合わされた接合部が摩擦攪拌溶接により接合されたものであることが望ましい。
また、本発明のパネル接合構造は、前記第１面板が、最端部に位置する継ぎ部材より幅方向に張り出した張出部が肉厚に形成され、その張出部とその張出部に載せられた帯板との接合が、ＴＩＧ溶接もしくはＭＩＧ溶接、またはリベット、ボルト、ハックボルトもしくは接着によって行われたものであることが望ましい。

よって、本発明のパネル接合構造によれば、先ず幅寸法の大きい第２面板が接合され、その後第１面板同士の間にできた隙間を塞ぐように帯板が掛け渡され、その第１面板同士も帯板を介して接合される。この場合、製作誤差や第２面板同士を接合する際に生じる歪みによって幅方向に変動が生じたとしても、帯板は第１面板の上に載せられるようにして掛け渡されるので、幅方向に余裕をもって配置でき、また、その配置のための位置決め手段による位置決めによって帯板の設置も容易に行うことができる。

そして、本発明のパネル接合構造では、段部や斜部、或いは凸部などの簡単な構成の位置決め手段によって、前記効果を奏することができる。更に、第２面板同士の接合を摩擦攪拌溶接によって行えば、接合に際して外から熱が入ることがないため大きな歪みを生じさせることなく段差のない面一な意匠面とすることができる。また、摩擦攪拌溶接であれば接合強度が高く、また気密性も高い接合部を得ることができる。一方、反対の第１面板側は帯板を重ねるようにして接合する場合、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などを使用すれば、接合時に摩擦攪拌溶接の際にかかる押し下げ力によって変形を生じさせるようなことなく接合を行うことができる。

本発明は、第１面板と、その第１面板より幅寸法が大きい第２面板とが継ぎ部材を介して連結された中空状の長尺なパネルであり、このパネル同士を幅方向につなぎ合わせる場合に、前記第２面板同士は幅方向端部を突き当てて接合し、前記第１面板同士は長手方向に連続して形成される隙間を塞ぐ長尺な帯板を掛け渡して接合するようにしたものであって、前記帯板を前記第１面板の上に載せて掛け渡し、前記帯板及び前記第１面板の少なくとも一方に、前記帯板を前記第１面板に対し幅方向に位置決めするための位置決め手段を形成するようにしたので、一方の面板の接合によって生じる歪みを吸収して他方の面板を接合させるパネル接合構造を提供することが可能になった。

次に、本発明に係るパネル接合構造の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１乃至図５は、パネル同士を接合する接合構造を示した断面図であり、特に鉄道車両の構体を構成する場合におけるパネル接合構造を示したものである。このパネル１は、図面を貫く方向に長尺なアルミニウム型材であって、図面上側に記載された車体室内側の内側面板１１と、図面下側に記載された車体外側の外側面板１２とが、継ぎ部材である斜めのリブ材１３，１３…によって連結されてなる中空構造をしている。そして、こうした複数のパネル１，１…が、例えば図１乃至図５に示すようにそれぞれ幅方向（図面横方向）に連結され、図８に示す断面のように鉄道車両構体２が構成される。すなわち、この中空構造断面を有するパネル１は、長尺な長方形形状をしたものであり、長手方向側面（幅方向端面）同士が突き当てられて接合され、図８に示すように箱形に形成される。そうしたパネル１同士の具体的な接合構造が図１乃至図５に示すものである。

各々のパネル１，１…は、図面下側の外側面板１２が図面上側の内側面板１１よりも幅寸法が大きく形成されている。そのため、パネル１，１同士を接合するために幅方向端面を同一平面上で突き合わせると、外側面板１２，１２同士は突き当てられるが、内側面板１１，１１の間には隙間１５ができる。この隙間１５は、図面を貫く長手方向に連続して形成される。そのため、外側面板１２，１２同士の接合の後は、長手方向に形成される隙間１５を塞ぐ帯板２１〜２５（まとめて「帯板２０」とする）が当てられ、その帯板２０が外側面板１２，１２に接合される。なお、パネル１，１…は、内側面板１１及び外側面板１２が最端部に位置するリブ材１３よりも張り出しており、その張出部１１ａ，１１ａはそれよりも内側の部分に比べて剛性を高めるため肉厚に形成されている。

そこで、パネル１，１同士を接合する場合には、先ず外側面板１２，１２が図示するように突き合わされた状態で、上方に空いた隙間１５から回転工具５０が挿入され、下方からは別の回転工具５０が対向配置される。上下の回転工具５０，５０は、その回転中心が外側面板１２，１２に対して直交し、かつその回転中心が同軸上に重なるように配置され、長手方向に連続する外側面板１２，１２の突き当て端面部分（接合部）３に沿って同一速度で移動する。従って、回転工具５０，５０は、押圧力のバランスを上下両方向で保ちながら、外側面板１２，１２について、その接合部３の上下同一箇所を順に摩擦攪拌溶接していく。なお、回転工具５０，５０のいずれか一方だけで接合部２の摩擦攪拌溶接することも可能であり、その場合には反対側に裏当てが当てられる。

図１乃至図５に示す場合には、いずれも前述したように外側面板１２，１２の接合が行われ、内側面板１１，１１は、それぞれ次のような特徴を持った接合が行われる。本実施形態における内側面板１１，１１の接合は、隙間１５を塞ぐように帯板２０が幅方向に掛け渡され、これによって隣り合う内側面板１１，１１を接合するようにしている。そして、特に、内側面板１１，１１に載せるようにして掛け渡した帯板２０の位置決めに自由度がある点に特徴を有する。即ち、鉄道車両構体２を構成するパネル１は、その長さが２５ｍもあるのに対してはめ込む隙間１５の間隔が数十センチしかないため、製作誤差や外側面板１２，１２を接合する際に生じる歪みによって幅方向に僅かでも変動が生じる。従って、図９に示す従来例で挙げるように、継ぎ手９０を段部８５，８５に載せるようにしたのでは、僅かな変動で正確な設置ができずに接合に不都合が生じてしまう。そのため、寸法管理が厳しく要求される。

一方、本実施形態では、図９に示す従来例が継ぎ手９０を上面板８１，８１と面一にしているのに対し、帯板２０を内側面板１１，１１の載せて段差ができてもかまわない構成にしている。鉄道車両の場合、パネル１，１…によって構成される構体２は、外側面板１２，１２…は、そのまま塗装されてボディの外形となるため面一に形成されていなければならないが、内側面板１１，１１は、化粧板によって覆われるため室内側から見られるものではないからである。

そこで、先ず図１に示す帯板２１は、図示するように下面側に段差が形成されたものであり、その段差によって形成された凸部２１ａが隙間１５に入り込むようにして、ある程度位置決めがされてパネル１，１の内側面板１１，１１に掛け渡される。このとき帯板２１は、次のような関係で寸法が決定されている。図６は、そうした寸法の関係を示した図である。また、図７は帯板２１を上方から示した平面図である。そして、帯板２１の幅をｗ１、凸部２１ａの幅をｗ２、段差部分の幅をｄ０、隙間の間隔をｇ０、更に張出部１１ａの張出し寸法をｇ１とすると、
ｗ１＝ｗ２＋ｄ０×２ …（１）
ｗ２＝（ｇ０×０．９）−（ｇ１×０．１） …（２）
ｄ０＝（ｇ０×０．０５×２）＋（ｇ１×０．０５×２） …（３）
となる。

ここで、凸部２１ａの幅ｗ２は、隙間ｇ０が１０％程度ずれるのを考慮し、また張出部１１ａの製作誤差がやはり１０％程度生じる場合を考慮して、前記（２）式のようにして求めることとしている。そして、段差部分の幅ｄ０についても、同じように生じる誤差を５％程度考慮して前記（３）式のようにして求めることとしている。更に、前述したように外側面板１２，１２を摩擦攪拌溶接した場合でも、１．５ｍｍ／３ｍ程度の変動が生じてしまう。そこで更に図１に示す実施形態では、図７に示すようにピッチｐ（＝３ｍ）ごとに、凸部２１ａに対して両側から幅ｗ３の間隔になるように切欠溝２１ｂ，２１ｂが形成されている。これは、切欠溝２１ｂ，２１ｂによって、ピッチｐ毎に剛性の低い部分を作り、隙間１５に蛇行が生じてしまっている場合に、その蛇行にならうように帯板２１を強制的に変形させられるようにするためである。

そこで、図１の場合には、外側面板１２，１２が接合された後、隙間１５に凸部２１ａはめ込むようにして帯板２１が内側面板１１，１１に載せられる。その際、凸部２１ａの幅ｗ２は、式（２）に示すように隙間１５の幅ｇ０に比べて小さく寸法が決定されているため、ある程度余裕をもって配置させることができる。一方、外側面板１２，１２の接合の仕上がりによって隙間１５が蛇行してしまったような場合には、その隙間１５に凸部２１ａが入り難くなる。そのため、このままでは帯板２１が浮いた状態になってしまうので、そうした場合は切欠溝２１ｂ，２１ｂによって剛性の低くなった部分で帯板２１を少し変形させて隙間１５に沿うようにしてはめ込まれる。

帯板２１が内側面板１１，１１の張出部１１ａ，１１ａに載せられた後は、その帯板２１の両端が張出部１１ａ，１１ａにＭＩＧ溶接あるいはＴＩＧ溶接によって接合される。更に、接合にはこうした溶接の他に、リベット、ボルト、ハックボルト又は接着によって接合するようにしてもよい。
パネル１，１…は、こうして外側面板１２，１２の張出部１２ａ，１２ａ同士を突き合わせて摩擦攪拌溶接した後、続いて内側面板１１，１１の張出部１１ａ，１１ａの帯板２１を掛け渡して接合することにより、連続する一枚のパネル、強いては鉄道車両構体２が構成される。

続いて、図２乃至図５の場合について説明するが、これらは図１に示す場合と同様に、外側面板１２，１２の張出部１２ａ，１２ａ同士を突き合わせて摩擦攪拌溶接した後に、内側面板１１，１１の張出部１１ａ，１１ａに帯板２０を掛け渡して接合が行われる。そして、図２乃至図５では、図１に示したものと比べてそれぞれ帯板２０（２２〜２５）に変更が加えられている。そのため、これ以降では帯板２０と内側面板１１，１１について説明していく。

そこで先ず、図２の帯板２２は、幅方向両端部にテーパ面２２ａ，２２ａを有し、それが下方に傾斜するように形成されている。従って、外側面板１２，１２が接合された後の隙間１５を塞ぐため、この帯板２２が内側面板１１，１１に掛け渡されると、その帯板２２は、テーパ面２２ａ，２２ａが張出部１１ａ，１１ａの角に当てられて線接触することになる。そのため、多少の製作誤差や接合によるずれなどによって、帯板２２が隙間１５を塞ぐように内側面板１１，１１に対して配置できなくなることはなく、その後に帯板２２を内側面板１１，１１に接合することになんら不都合を生じさせるものではない。帯板２２の接合には、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などが行われる。

次に、図３の帯板２３は、段差やテーパなどが形成されていない平板であり、内側面板１１，１１側にこの帯板２３の位置決めを行うための突起１１ｂ，１１ｂが形成されている。この突起１１ｂ，１１ｂの間隔は、図１の帯板２１の寸法ｗ１を決定するときのように、製作誤差によって１０％程度のずれが生じるのを考慮して帯板２３の幅寸法よりも大きく間隔寸法がとられている。なお、この突起１１ｂ，１１ｂは、長手方向に連続している必要はなく、所定の長さをもって所定のピッチで設けられるようにすればよい。そのため、多少の製作誤差や接合によるずれなどが生じても、帯板２３を突起１１ｂ，１１ｂに簡単にはめ込んで隙間１５を塞ぐことができ、その後に帯板２３を内側面板１１，１１に接合することになんら不都合を生じさせるものではない。そして帯板２３は、摩擦攪拌溶接の他、ＭＩＧ溶接あるいはＴＩＧ溶接、更にリベット、ボルト、ハックボルト又は接着などによって接合される。

次に、図４の帯板２４は、図１において形成した凸部２１ａと同様に、隙間に入り込んで幅方向の位置決めを行う凹部２４ａが形成されている。この帯板２４では、その凹部２４ａによって下面に現れる凸面の幅寸法が、図１に示す凸部２１ａ幅寸法ｗ２と同様に決定される。従って、多少の製作誤差や接合によるずれなどがあっても帯板２４が隙間１５を塞ぐように、内側面板１１，１１の張出部１１ａ，１１ａに載せられた後は、その帯板２４の両端が張出部１１ａ，１１ａに対し、ＭＩＧ溶接あるいはＴＩＧ溶接によって接合される。更に、接合にはこうした溶接の他に、リベット、ボルト、ハックボルト又は接着によって接合するようにしてもよい。

更に、図５の帯板２５においても、図１において示した凸部２１ａと同様に、隙間に入り込んで幅方向の位置決めを行う下方に突設された突起２５ａ，２５ａが形成されている。左右に形成された突起２５ａ，２５ａは、長手方向に連続している必要はなく、所定の長さをもって所定のピッチで設けられるようにすればよい。突起２５ａ，２５ａの幅寸法は、図１に示す凸部２１ａ幅寸法ｗ２と同様に決定される。従って、多少の製作誤差や接合によるずれなどがあっても帯板２５が隙間１５を塞ぐように、内側面板１１，１１の張出部１１ａ，１１ａに載せられ、その後は帯板２４の両端が張出部１１ａ，１１ａに対し、ＭＩＧ溶接あるいはＴＩＧ溶接によって接合される。更に、接合にはこうした溶接の他に、リベット、ボルト、ハックボルト又は接着によって接合するようにしてもよい。

よって、本実施形態のパネル接合構造によれば、先ず幅寸法の大きい外側面板１２，１２が接合され、その後、内側面板１１，１１同士の間にできた隙間１５を塞ぐように帯板２０が掛け渡され、その内側面板１１，１１同士も帯板を介して接合される。この場合、製作誤差や外側面板１２，１２同士を接合する際に生じる歪みによって幅方向に変動が生じたとしても、帯板２０は内側面板１１，１１の上に載せられるようにして掛け渡されるので、幅方向に余裕をもって配置でき、また、その配置のための位置決め手段による位置決めによって帯板の設置も容易に行うことができる。そのため、非常に作業性がよく、また仕上がりよく接合を行うことができる。

また、本実施形態のパネル接合構造では、凸部２１ａやテーパ面２２ａなどの簡単な構成の位置決め手段によって、幅方向に余裕をもって位置決め配置できる。更に、外側面板１２，１２同士の接合を摩擦攪拌溶接によって行うので、接合に際して外部より熱が入ることがないため大きな歪みを生じさせることなく段差のない面一な意匠面とすることができる。また、摩擦攪拌溶接であれば接合強度が高く、また気密性も高い接合部を得ることができる。一方、反対の内側面板１１，１１は帯板２０を重ねるようにして接合する場合、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などを使用すれば、接合時に摩擦攪拌溶接の際にかかる押し下げ力によって変形を生じさせるようなことなく接合を行うことができる。

以上、本発明に係るパネル接合構造の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では位置決め手段として凸部２１ａやテーパ面２２ａなどを示して説明したが、これ以外のものであってもよい。

鉄道車両の構体を構成する場合のパネル接合構造の第１例を示した図である。 鉄道車両の構体を構成する場合のパネル接合構造の第２例を示した図である。 鉄道車両の構体を構成する場合のパネル接合構造の第３例を示した図である。 鉄道車両の構体を構成する場合のパネル接合構造の第４例を示した図である。 鉄道車両の構体を構成する場合のパネル接合構造の第５例を示した図である。 パネル接合構造の第１例において寸法線を入れた図である。 パネル接合構造の第１例において帯板を上方から示した平面図である。 本発明のパネル接合構造を利用して構成する鉄道車両構体を示した断面図である。 従来のパネル接合構造を示した断面図である。

符号の説明

１ パネル
２ 鉄道車両構体
１１ 内側面板
１２ 外側面板
１５ 隙間
２０（２１，２２，２３，２４，２５） 帯板
５０ 回転工具

Claims (5)

1. 第１面板と、その第１面板より幅寸法が大きい第２面板とが継ぎ部材を介して連結された中空状の長尺なパネルであり、このパネル同士を幅方向につなぎ合わせる場合に、前記第２面板同士は幅方向端部を突き当てて接合し、前記第１面板同士は長手方向に連続して形成される隙間を塞ぐ長尺な帯板を掛け渡して接合するようにしたパネル接合構造において、
   前記帯板は前記第１面板の上に載せられるようにして掛け渡されるものであり、前記帯板及び前記第１面板の少なくとも一方に、前記帯板を前記第１面板に対し幅方向に位置決めするための位置決め手段を備え、長手方向に形成された前記位置決め手段には、当該長手方向に剛性を弱める不連続部を有するものであることを特徴とするパネル接合構造。
2. 請求項１に記載するパネル接合構造において、
   前記位置決め手段は、前記第１面板の端部に突き当てられるように前記帯板の幅方向の両側に形成された段部であり、その段部には幅方向に切り欠かれた前記不連続部を構成する切欠部が形成されたものであることを特徴とするパネル接合構造。
3. 請求項１に記載するパネル接合構造において、
   前記位置決め手段は、前記帯板及び前記第１面板の一方又は両方に突設された凸部であり、その凸部は、所定の間隔をあけた前記不連続部を構成して長手方向に複数形成されたものであることを特徴とするパネル接合構造。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載するパネル接合構造において、
   前記第２面板は、最端部に位置する継ぎ部材より幅方向に張り出した張出部が肉厚に形成され、その張出部が突き合わされた接合部が摩擦攪拌溶接により接合されたものであることを特徴とするパネル接合構造。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載するパネル接合構造において、
   前記第１面板は、最端部に位置する継ぎ部材より幅方向に張り出した張出部が肉厚に形成され、その張出部とその張出部に載せられた帯板との接合が、ＴＩＧ溶接もしくはＭＩＧ溶接、またはリベット、ボルト、ハックボルトもしくは接着によって行われたものであることを特徴とするパネル接合構造。

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