JP4402061B2 - パネル構造体 - Google Patents

Description

本発明は、パネル構造体に関し、例えば、アルミニウム合金性の鉄道車両や建築物等に使用されるパネルの接合に好適である。

鉄道車両の構体の二面構造体（パネル）は、中空状の型材を用いたものは特許文献１に示され、ハニカムパネルのような積層パネルを用いたものは特許文献２に示されている。

摩擦接合方法は、接合部に挿入した丸棒を回転させて発熱、軟化させ、接合するものである。この接合は突合せ部、重ね部に適用される。これはＷＯ ９３／１０９３５（ＥＰ ０６１５４８０Ｂ１、特表平７−５０５０９０号公報に同一）、Welding & Metal Fabrication, January 1995 13頁から16頁に示されている。
特開平２−２４６８６３号公報 特開平６−１０６６６１号公報

摩擦接合方法は、接合施工中、回転工具（丸棒）の直下の部材が表面へ排出される反作用のため、接合部に下向きの力が働く。このため、本接合法を二面構造体（パネル）の接合に適用する場合、この下向きの力により接合部の継ぎ手部材が下方向に押し流され、変形を生じ、良好な接合を施工することができなかった。

二面構造体（パネル）は、例えば、アルミニウム合金の押し出し型材の中空型材や、ハニカムパネルがある。このパネル同士の接合として、従来ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接が行われている。この継ぎ手形状に摩擦接合を適用すると、摩擦接合の際の押し下げ力によって、継ぎ手が下方に曲がったり、部材が下方に流されたりする。

発明者は種々な実験により上記の現象を発見したものである。

本発明の目的は、摩擦接合によって部材を接合する場合に部材の変形を抑制するパネル構造体を提供することにある。

上記目的は、第１のパネル構造体と第２のパネル構造体とを接合したパネル構造体において、前記第１のパネル構造体は、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記第１の板の幅方向の端部と前記第２の板とを接続しており、かつ前記第１の板と前記第２の板に実質的に垂直な第３の板と、からなり、前記第２のパネルは、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記第１の板と前記第２の板とを接続する第３の板と、からなり、前記第２のパネルの前記第１の板と前記第１のパネルの前記第１の板とは前記第１の板と前記第３の板とを接続する接続部に摩擦撹拌接合されており、前記第１パネルの前記第１の板と前記第２のパネルの前記第１の板との摩擦攪拌接合の部分の接合部のビードは、前記第１のパネルの前記第３の板の板厚の範囲にあること、により達成される。

本発明によれば、２つの板を接続する部分を両面から接合するようにしているので、両面から接合すべき部材の変形を抑えることができ、良好な接合ができるものである。

図１の実施例は、パネルとしての中空型材３１，３２の継ぎ手部の形状が突合せタイプの場合である。中空型材３１，３２の幅方向の端部には垂直の板３６，３６がある。接合前においては、回転工具５０の直下に垂直な板３６，３６があり、板３６，３６同士は向い合っており、接触している。離れている場合は両者の隙間は小さい。隙間は１ｍｍ程度である。板３６，３６の間の延長線上に凸部５２の中心が位置する。板３６，３６は前記下向きの力を支えるだけの剛性を有している。板３６は２つの板３３、３４に直交している。中空型材３１，３２はアルミニウム合金の押出し型材である。中空型材３１の上下の面は中空型材３２の上下の面に一致している。つまり、中空型材３１、３２の厚さは同一である。以下の実施例も同様である。摩擦接合時において、回転工具５０の大径部５１と小径部の凸部５２との境５３が中空型材３１，３２の上面に位置している。３５は２枚の板３６、３６を接続するものであって、トラス状に複数配置している。中空型材３１、３２の端部の形状は左右対称である。中空型材３１、３２は架台（図示せず）に載せられ、移動しないように固定されている。板３６、３６の下方にも架台がある。

摩擦接合は回転工具５０を回転させながら、凸部５２を中空型材３１、３２の接合部に挿入し、接合部に沿って移動させて行う。凸部５２の回転中心は２つの板３６、３６の間にある。

図２は摩擦接合後の状態である。４５は接合後の接合ビードの形状を示したものである。板３６，３６の間の延長線上に接合ビード４５の幅の中心が位置する。板３６、３６の厚さの延長線の範囲にビード４５がある。接合ビード４５の深さは接合部に挿入した回転工具５０の下端の凸部５２の高さによって定まる。

これによれば、板３３、３４に垂直な板３６，３６が摩擦接合時の垂直力を支えるので、接合部が曲がったりせず、図２に示すように良好な接続が得られるものである。板３６はできるだけ板３３、３４に直交させる。

なお、軽量化のために、板３６に穴をあけていても良い。以下の実施例でも同様である。

下面側の接合は中空型材の上下面を反転させて行なう。

図３の実施例は、一方の中空型材３１の端部には板３６があり、他方の中空型材３２の端部には板３６は無い。中空型材３１の板３６の垂直方向の角部は中空型材３２の端部の突片３８，３８の先端を載せることができるように、凹んでいる。この凹部は中空型材３１の厚さ方向およびこれに直交する方向（中空型材３２側）に開放している。凹部に突片３８を載せた（重ねた）とき、図では両者は接触しているが、実際は隙間がある。また、両者の先端同士（突片３８、３８と角部３３ｂ、３４ｂとの間）にも隙間がある。２つの中空型材３１，３２の表面側の突合せ部、すなわち、回転工具５０の中心の直下に前記突合せ部および板３６がある。板３６の厚さの中心の延長線上に凸部５２の回転中心が位置する。つまり、板３６の厚さの中心の延長線上に板３３（３４）と板３３（３４）の接合部が位置する。板３３、３４から凹部に至る角部３３ｂ、３４ｂは板３６の厚さの中心の延長線上にある。または、角部３３ｂ、３４ｂの位置は突片３８との間隔を考慮して、図３において、板３６の厚さの中心の延長線上よりもごくわずか左にある。板３６は前記垂直力を支える剛性を有している。突片３８の先端と中空型材３１との水平方向の間隔は図１の場合と同様である。回転工具５０の凸部５２の高さは突片３８の厚さ程度である。一般に、凸部３８よりも下方まで塑性流動状態になり、摩擦接合される。同様に、凸部５２の径よりも大きく塑性流動状態になる。突片３８の下面と板３６との接触部の下方まで摩擦接合されるようにするのが望ましい。

図４は接合後の状態を示す。板３６の厚さの中心の延長線上に接合ビード４５の幅の中心が位置する。

前記垂直力を支えるために、板３６の厚さの中心部の延長線上に回転工具５０の回転中心があることが望ましい。左右の中空型材３１、３２の接合量を同一にするために、前記延長線上に角部３３b、３４bはあることが望ましい。板３６の厚さの延長線の範囲内に回転工具５０の凸部５２があることが望ましいが、板３６の厚さは前記垂直力、凸部５２の位置、板３６の強度によって定まる。このため、凸部５２の径よりも板３６の厚さの方が小さい場合が考えられる。また、回転工具５０の位置の誤差、角部３３b、３４bの位置の誤差を考えると、板３６の厚さの延長線の範囲に角部３３b、３４ｂがあり、前記範囲に回転工具５０の凸部５２の少なくとも一部が位置することが望ましい。これによれば、板３６は前記垂直力を少しなりとも受けることができ、継ぎ手の変形を実質的に防止し、良好な接合を得ることができる。ビード４５を基準にすれば、ビード４５は凸部５２よりも若干大きいが、前記とほぼ同様なことがいえる。他の実施例においても同様である。

この継ぎ手形状によれば、実験によれば、図１の場合に比べて、一般的に、突片３８と中空型材３１との水平方向の間隔が大きくても、接合部の凹みを少なくできるものである。このため、見栄えが良く、塗装する場合にもパテの量を少なくできるものである。これは、両者の隙間が突片３８の厚さで終了しているためと考えられる。また、一般に軽量にできるものと考えられる。また、一方の中空型材を他方にはめこんでいるので、両者の高さ方向の位置合わせを容易にできるものである。

中空型材３１の端部の形状は左右対称であり、中空型材３２の端部の形状は左右対称である。または、中空型材３１の一端は図３のとおりであり、他端は図３の中空型材３２の端部の形状である。

図５の実施例は、中空型材３１の凹部の角部３３b、３４ｂの直下には垂直な板３６は実質的に無い。角部３３b、３４bの延長線上に板３６の右端がある。この延長線上に回転工具５０の回転中心がある。接合部において下方に位置する突片３７の厚さを厚く、また、突片３７の先端から板３６への接続部の円弧を大きくして、中空型材３１の端部を前記垂直力を支える剛性にしている。他方の中空型材３２の突片３８は図３の実施例と同様に、突片３７の凹部に重なっている。他方の中空型材３２には突片の近くに２つの板３３、３４を接続する板３６を有する。これによって、凹部の角部の直下に垂直な板３６が無くても、接合部に不良は発生しない。ただし、ビード４５の範囲の垂直方向にはパネル３１の板３６がある。図６は接合後の状態を示す。

図５の実施例において、中空型材３２の板３６を除くことも可能である。

図７の実施例は、図５の実施例において、２つの中空型材３１，３２の接合部において、表面側に突出する凸部３７ａ，３８ａを設けたものである。つまり、接合部の肉厚は厚くなっている。凸部３７ａと凸部３８ａ高さは同一である。他の形状は図５と同様であるが、板３６、および突片３７の厚さは若干薄くなっている。

これによれば、摩擦接合の前に、凸部３７ａと凸部３８ａとの間に隙間があっても、摩擦接合によって凸部３７ａ、３８ａの体積が前記隙間を埋める。このため、見栄えがよく、パテの量を少なくできる。

また、従来においては、下向きの力により下方に流失した部材４１の体積分、接合ビードに空孔を生じていた。図７の継ぎ手形状によれば、接合時、回転工具５０により凸部３７ａ，３８ａが塑性流動して下方に押し流され、流失した部材４１の体積分を補うことになるので、空孔の発生を防止し、良好な接合を行なうことができるものである。図８は接合後のビード４５の形状を示したものである。なお、接合後、不要部があれば図のように切削する。

前記凸部３７ａ，３８ａは図１、図３、図５R>５および後述の実施例においても適用できるものである。

図９の実施例は一方側のみから上下二面の接合を行えるようにしたものである。中空型材３１，３２の下面側の端部は下面の板３４，３４と同一面から突片３４ａを他方の中空型材側に大きく突出している。突片３４ａ，３４ａの先端は実質的に接触している。上面の板３３，３３の先端は下面の板３４ａ，３４ａの先端よりも後方に位置している。上面の板３３，３３の先端部と下面の板３４，３４とは垂直な板３６，３６によって接続されている。板３６、３６は板３４の途中に接続している。垂直な板３６，３６の上部に継ぎ手６０が重なる凹部３９，３９がある。継ぎ手６０を凹部３９，３９に載せたとき、継ぎ手６０の上面の板３３，３３の上面と同一面になる。２つの板３６，３６の間隔は回転工具５０を挿入できる程度の大きさであり、できるだけ小さい。板３６と凹部３９との関係は図３、図５、図７の実施例等で説明したとおりである。

接合手順を説明すると、図９の（Ａ）の状態で、回転工具５０によって下面の板３４ａ，３４ａの先端を接合する。この時、中空型材３１，３２は板３４ａ，３４ａの接合部を含めてベッドに載っている。接合部のベッド（接合ビードの裏当て）の上面は平である。回転工具５０の凸部５２の高さは板３４ａ，３４ａの厚さよりも小さい。これによれば、接合後の下面は平になる。このため、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（その表面に化粧板を配置しない面を言う。）に容易にすることができる。一般に、摩擦接合部の上面側（境５３の部分）に凹凸が生じやすい。

次に、（Ｂ）のように２つの中空型材３１，３２の間に継ぎ手６０を載せる。

継ぎ手６０の縦断面はＴ状である。継ぎ手６０の両端を凹部３２，３２に重ねたとき、垂直片６１の下端は下面の板の接合ビードとの間に隙間を有する。垂直辺６１はなくてもよい。

次に、（Ｃ）のように、継ぎ手６０と中空型材３１との接続部を回転工具５０で摩擦接合する。この回転工具５０は（Ａ）の接合工具と同一である必要はない。

次に、（Ｄ）のように、継ぎ手６０と中空型材３２との接続部を回転工具５０で摩擦接合する。

これによれば、一方の面側から接合ができ、反転作業を不要にできるものである。反転作業を省略することで、反転および位置決め時間の省略、反転装置の省略、組立精度向上というメリットを得ることができる。

図１０の実施例は、中空型材５１，５２の上下の面を同時に摩擦接合するようにしたものである。上部の回転工具５０の鉛直方向に下方を接合する回転工具５０ａがある。回転工具５０ａの凸部５２は上方を向いている。２つの回転工具５０，５０ａを対向させた状態で、同一速度で移動させ、摩擦接合を行なう。７０，７０はベッド（架台）である。工具５０、と５０ａの回転中心は同一線上にある。この線上に、中空型材３１、３２の接合部がある。

これによれば、一方の回転工具５０の回転中心の延長線上に他方の回転工具５０ａの回転中心があるので、力がつりあい、接合部の変形が少なく、短時間に接合できる。中空型材３１、３２を反転させる必要が無いので、変形が少なく、作業時間を少なくできる。

この実施例は他の実施例にも適用できる。

上記各実施例はパネルとして中空型材を使用したものである。以下の実施例はハニカムパネルに適用した場合を示すものである。図１１に示すように、ハニカムパネル８０ａ，８０ｂは、２つの面板８１，８２と、ハニカム状のセルを有する芯材８３と、面板８１，８２の端面に沿って配置した縁材８４とからなり、芯材８３、縁材８４は面板８１，８２にろう付けされ、一体になっている。面板８１，８２、芯材８３、および縁材８４はアルミニウム合金である。縁材８４は押出し型材であり、その断面は４角形である。各片の肉厚は板８１，８２の厚さよりも厚い。接触する縁材８４，８４の垂直片の厚さは図１の場合と同様である。２つのハニカムパネル８０ａ，８０ｂの厚さは同一である。

図１１の実施例は図１の実施例に相当するものである。回転工具５０の凸部５２の高さは面板８１，８２の厚さよりも大きい。これによって、面板８１、８２、および縁材８４、８４が接合される。主として縁材８４がパネル８０ａ、８０ｂに作用する荷重を伝達する。パネル８０ａ、８０ｂを製作後、両者を組み合わせ、摩擦接合を行う。

図１２の実施例は図３に相当するものである。ハニカムパネル８０ａの縁材８４は断面がほぼ４角形であり、角部に凹部を有する。ハニカムパネル８０ｂの縁材８４はハニカムパネル８０ｂの端部側が開放したチャンネル状であり、その先端が縁材８０ａの凹部に載る。

図５に相当するハニカムパネルも同様に製作できるものである。

図１３の実施例は、図７に相当するものである。２つのハニカムパネル８０ａ０，８０ｂを組み合わせた後、面板８１，８１の上面に板８６を載せ、板８１，８１に溶接で仮止めしたものである。板８６は塑性流動によって流出する材料を補うものである。また、図１２１２において、ハニカムパネル８０ａの縁材８４の端部側の垂直片を除いたものである。前記垂直力は水平片の厚さおよびその周囲の形状で受けもつ。

図１４の実施例について説明する。図１３までの実施例は２つの面（板）を有するパネルであったが、図１４の実施例は実質的に１つの面（板９４、９４）を有するパネル９１、９２である。但し、パネル９１、９２の端部において、板９４、９４のある外側と、板のない内側の２カ所で、摩擦接合を行う。このため、内側の接合部には幅の小さな面（板９３、９３）がある。板９３、９３は板９６、９６で支えられている。このものでも板９６は板９３、９４に実質的に直交しているといえる。板９３、９４は図７と同様の凸部３７ａ、３８ａを設けている。板９４、９４には所定の間隔で複数の強度部材用のリブ（板）９５、９５を配置している。リブ９５の断面はＴ状である。リブ９５の頂面は接合部の板９３の頂面と同一面である。両者の頂面には強度部材（例えば、柱）を溶接したり、物品の取り付け座になる。また、板９３、９３は工具５０の高さ位置を管理するための座となる。工具５０を備える移動体は板９３、９３をに載って移動する。板９３、９４によって、このパネル９１、９２も２面構造体といえる。パネル９１、９２は押出し型材である。

図１４のパネル９１とパネル９２との接合部の形状は図１と同様に板９６、９６を向き合わせているが、図３、図５、図７、のように、重ねることができる。

図１５は鉄道車両の構体への適用を示す図である。構体は、側構体１０１、屋根構体１０２、床構体１０３、長手方向の端部の妻構体１０４から構成される。

側構体１０１、屋根構体１０２は例えば、パネル３１、３２、８０ａ、８０ｂ、９１、９２の長手方向を車両の長手方向にしている。側構体１０１と屋根構体１０２との接続、側構体１０１と床構体１０３との接続等はＭＩＧ溶接で行う。屋根構体１０２や側構体１０１は円弧状であることが多い。パネル９１、９２を側構体１０２に使用する場合、板９６、リブ９６がある面が車内側であり、前記強度部材は柱となる。

なお、図９のパネル３１、３２を勝手違いに組み合わせることができる。突出した板３４ａ、３４ａの端部が板３２側の凹部３９、３９に重なっている。継ぎ手６０は使用しない。接合部を上下から同時に摩擦接合できる。板３３、３４ａには図７のように凸部を設けることができる。

本発明の技術範囲は、特許請求の範囲の各請求項の記載の文言あるいは発明が解決しようとする課題の項の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。

本発明の一実施例の縦断面図。 図１において摩擦接合後の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 図３において摩擦接合後の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 図５において摩擦接合後の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 図７において摩擦接合後の縦断面図。 本発明の他の実施例の摩擦接合の手順を説明する縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 本発明の他の実施例の縦断面図。 鉄道車両の構体の斜視図。

符号の説明

３１、３２ 中空型材
３３、３４、３４ａ 板
３５ リブ
３６ 板
５０ 接合用の回転体
３３ｂ、３４ｂ 角部
３７ａ、３８ａ 凸部
３９ 凹部
９１、９２ 型材

Claims (8)

1. 第１のパネル構造体と第２のパネル構造体とを接合したパネル構造体において、
   前記第１のパネル構造体は、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記第１の板の幅方向の端部と前記第２の板とを接続しており、かつ前記第１の板と前記第２の板に実質的に垂直な第３の板と、からなり、
   前記第２のパネル構造体は、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記第１の板と前記第２の板とを接続する第３の板と、からなり、
   前記第２のパネル構造体の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の前記第１の板とは前記第１のパネル構造体の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の前記第３の板とを接続する接続部に摩擦撹拌接合されており、
   前記第１のパネル構造体の前記第１の板と前記第２のパネル構造体の前記第１の板との摩擦攪拌接合の部分の接合部のビードは、前記第１のパネル構造体の前記第３の板の板厚の範囲にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
2. 請求項１記載のパネル構造体において、
   前記摩擦攪拌接合した接合ビードの幅方向の中心は、前記第１のパネル構造体の前記第３の板の板厚の範囲にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
3. 請求項１記載のパネル構造体において、
   前記第１のパネル構造体の前記第１の板の外面と、前記第２のパネル構造体の前記第１の板の外面とが実質的に、同一面にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
4. 第１のパネル構造体と第２のパネル構造体を接合したパネル構造体において、
   前記第１のパネル構造体は、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記第１のパネル構造体の幅方向の端部の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の幅方向の端部の前記第２の板とを接続しており、かつ前記第１の板と前記第２の板に実質的に垂直な第３の板と、からなり、
   前記第２のパネル構造体は、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記第１の板と前記第２の板とを接続する第３の板とからなり、
   前記第２のパネル構造体の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の前記第１の板とは前記第１のパネル構造体の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の前記第３の板とを接続する接続部に摩擦撹拌接合されており、
   前記第２のパネル構造体の前記第２の板と前記第１のパネル構造体の前記第２の板とは前記第１のパネル構造体の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の前記第３の板とを接続する接続部に摩擦撹拌接合されており、
   前記第２のパネル構造体の前記第１の板と前記第１のパネル構造体の前記第１の板との前記摩擦攪拌接合した部分の部接合部のビードは、前記第１のパネル構造体の前記第３の板の板厚の範囲にあり、
   前記第２のパネル構造体の前記第２の板と前記第１のパネル構造体の前記第２の板との前記摩擦攪拌接合した部分の接合部のビードは、前記第１のパネル構造体の前記第３の板の板厚の範囲にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
5. 請求項４記載のパネル構造体において、
   前記第１のパネル構造体の前記第１の板の外面と、前記第２のパネル構造体の前記第１の板の外面とが実質的に、同一面にあり、
   前記第１のパネル構造体の前記第２の板の外面と、前記第２のパネル構造体の前記第２の板の外面とが実質的に、同一面にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
6. パネル構造体とパネルとを接合したパネル構造体において、
   前記パネル構造体は、第１の板と、この第１の板に実質的に平行な第２の板と、及び前記パネル構造体の幅方向の端部に接続され、かつ前記第１の板に実質的に垂直な第３の板と、からなり、
   前記パネルは、第１の板からなり、
   前記パネルの前記第１の板は、前記パネル構造体の前記第１の板と前記パネル構造体の前記第３の板との接続部に摩擦撹拌接合されており、
   前記摩擦撹拌接合された部分の接合部のビードは、少なくとも前記パネル構造体の前記第３の板の板厚の範囲にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
7. 請求項６のパネル構造体において、
   前記パネル構造体の前記第１の板の外面と前記パネルの前記第１の板の外面とは実質的に同一面にあること、
   を特徴とするパネル構造体。
8. 請求項６記載のパネル構造体において、
   前記摩擦撹拌接合された部分の接合部のビードの幅方向の中心は、前記パネル構造体の前記第３の板の板厚の範囲にあること、
   を特徴とするパネル構造体。

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