JP4607207B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は摩擦攪拌接合方法に関する。

摩擦攪拌接合方法は、下記特許文献１のように、アルミニウムの形材の突き合せ部に回転工具を挿入して攪拌し、形材を軟化させ、固層接合する方法である。
この場合、部材の端部に、部材の板の厚さ方向に突出する凸部を設け、凸部側から回転工具を挿入して、突き合せ部に隙間がある場合に、隙間を該凸部の金属で埋めるようにしている。凸部は接合部に若干残るので、残った凸部を摩擦攪拌接合の終了後、グラインダーで切削して除いている。
形材の幅寸法は約３０ｃｍから４０ｃｍであるので、これより広い部材を得る場合には複数個の形材を接合している。凸部の高さは各部同一である。
特許第３０１４６５４号

しかしながら、鉄道車両構体への実際の施行を考えると、鉄道車両の構体では、場所により、板厚が異なるので、回転工具の小径部の長さは板厚とほぼ同一にしなければならない。そうすると、接合個所毎に回転工具の大きさが異なり、回転工具の取り扱い、管理が必要になり、面倒である。

具体的に図７から図９で説明する。これは鉄道車両の側構体であり、ここでは３つの形材（中空形材）１０，１１，１２を突き合せ、治具１５上に載っている。車両構体の形材はもっと多いが、ここでは３枚とする。２つの接合部Ａ，Ｂがある。形材１０，１１，１２は面板１４の上面に強度用のリブ１７があるが、形材１１のみに示し、他の形材１０、１２は省略している。リブには補強部材（図示せず）を溶接する。形材１０，１１，１２の幅方向の端部の突き合せ部には凸部１８が面板１４の板厚の外方（図７の上方）に突出してある。

形材１０の面板１４の厚さが他の形材１１，１２の面板１４の板厚よりも厚い。これは，形材１０には窓（図示せず）があり、他の形材１１，１２には窓がないためである。このため、中央部の形材１１の面板１４は形材１０側が形材１０の面板１４の厚さと同一であり、形材１２との接合部側の板厚は形材１２の面板１４の厚さと同一である。

形材１０と形材１１との突き合せ部Ａの凸部１８，１８の突出代は同一である。凸部１８，１８の幅も同一である。凸部１８の突出代は、回転工具３０の大径部３１と小径部３２との境３３が凸部１８の内部に位置するようにして、摩擦攪拌接合するのを考慮している。小径部３２と凸部１８の重なり代が零（面板１４の外面の延長線上に境３３が位置する）であれば、面板１４の外面がへこむため、これを除くために境３３を凸部１８内に位置させている。小径部３２の長さは小径部３２の先端が面板１４の裏面（治具１５）近傍に位置する長さである。

形材１１と１２との突き合せ部Ｂの凸部１８、１８の高さ、幅は同一であり、形材１０、１１の凸部の大きさと同一である。回転工具３０の大径部３１と小径部３２との境３３が凸部１８の内部に位置するようにして、摩擦攪拌接合する。小径部３２の長さは小径部３２の先端が面板１４の裏面（治具１５）近傍に位置する長さである。

面板１４の板厚について一例を説明すると、形材１０の面板１４の板厚：４ｍｍ、形材１２の面板１３の板厚：３ｍｍ，形材１１の面板１４の板厚：形材１０側が４ｍｍ，形材１２側が３ｍｍである。接合部Ａの凸部１８の突出代：２ｍｍ、接合部Ｂの凸部１８の突出代２ｍｍである。凸部１８の幅：６．５ｍｍである。

このため、回転工具３０は接合部Ａの回転工具３０の小径部３２の長さ：５ｍｍ、接合部Ｂの回転工具３０の小径部３２の長さ：３ｍｍとなり、接合部Ａ，Ｂに対応して小径部３２の長さが異なる回転工具３０が必要になる。

このため、複数の摩擦接合個所がある場合、摩擦攪拌接合個所毎に回転工具を準備しなければならない。
本発明の目的は、回転工具３０の大きさを同一にできるようにすることにある。

上記目的は、板部の両端部に板厚方向に突出する凸部を有する第１の形材と、板部の両端部に板厚方向に突出する凸部を有し、かつ、当該板部の板厚が前記第１の形材の板部と異なる厚さ寸法に形成された第２の形材と、板部の両端部に板厚方向に突出する凸部を有し、かつ、前記第１の形材および第２の形材を接続する第３の形材とを用意し、前記第１の形材と前記第３の形材とを突き合せ、前記第２の形材と前記第３の形材とを突き合せ、各突き合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、前記第３の形材の前記第１の形材側の板部は、前記第１の形材の板部と実質的に同一の厚さ寸法に形成されており、前記第３の形材の前記第２の形材側の板部は、前記第２の形材の板部と実質的に同一の厚さ寸法に形成されており、前記第３の形材と前記第１の形材との突き合せ部において、板部の厚さ寸法と凸部の板部からの突出代の寸法の加算値が実質的に同一であり、前記第３の形材と前記第２の形材との突き合せ部において、板部の厚さ寸法と凸部の板部からの突出代の寸法の加算値が実質的に同一であり、前記第３の形材と前記第１の形材との突き合せ部および前記第３の形材と前記第２の形材との突き合せ部を摩擦攪拌接合すること、によって達成できる。

以下、本発明の実施例を説明する。

以下本発明の一実施例を図１から図３により説明する。図１において、形材１０、１１、１２の面板１４の厚さは図７と同一である。形材１０の面板１４の板厚は４ｍｍ、形材１２の面板１４の板厚は３ｍｍ、形材１１の面板１４の板厚は、形材１０側が４ｍｍ、形材１２側が３ｍｍである。

形材１０と形材１１との接合部Ａの凸部１８、１８の突出代は、２ｍｍ、形材１２と形材１１との接合部Ｂの凸部１８、１８の突出代は、３ｍｍであり、接合部Ｂの凸部の突出代が接合部Ａの凸部１８の突出代よりも大きい。このため、複数の形材１０，１１における、凸部１８，面板１４を含む形材１０，１１の厚さは全て同一である。

回転工具３０の小径部３２の長さは、全ての接合部Ａ，Ｂの回転工具とも同一である。すなわち，接合部Ｂの回転工具３０の小径部３２の長さは、接合部Ａの回転工具と同一である。小径部３２の長さは、面板１４の板厚が厚い個所の板厚よりも長い。具体的には、板厚１４が厚い個所Ａの板厚が４ｍｍであれば、回転工具の小径部３２の長さは５ｍｍであり、凸部１８と小径部３２との重なり代は１ｍｍである。板厚が薄い個所Ｂの板厚が３ｍｍであれば、凸部１８と小径部３２との重なり代は２ｍｍである。各接合部Ａ，Ｂの回転工具３０の大径部３１の外径は同一である。小径部３２の外径も同一である。

かかる構成において、各接合部Ａ，Ｂに前記大きさの回転工具３０を配置し、摩擦攪拌接合を行う。板厚が厚い個所の接合部Ａでは回転工具の小径部３２の挿入代が従来と同様のため、従来と同様に摩擦攪拌接合が行われる。

板厚が薄い個所の接合部Ｂでは、小径部３２と大径部３１との境３３を面板１４の上面から１ｍｍ下方に位置させ、摩擦攪拌接合を行う。回転工具３０の小径部３２の挿入代は全て同一にする管理を行う。この下方１ｍｍの挿入代は接合部Ａ，Ｂで同一である。

このため、接合部Ａ、Ｂ毎に、回転工具３０の大きさを変える必要がなく、また、回転工具３０の挿入代も同一でよい。
したがって、作業を容易に行えるものである。

凸部１８側が構体の外面側であれば、摩擦攪拌接合後、凸部１８を切削して除き、面板１４の外面と同一面にする。

上記実施例では接合部毎に回転工具を配置し、同時に摩擦攪拌作業を行っているが、一方の接合部Ａを摩擦攪拌接合し、次に他方の接合部Ｂを接合部Ａに使用した回転工具３０を用いて摩擦攪拌作業を行ってもよい。

また、アルミ押し出し形材ではなく、他の部材にも適用できる。

上記実施例はシングルスキン形材であったが、ダブルスキン形材（中空形材）であっても利用できる。中空形材は接合部の裏面が治具１５に接していないので、回転工具３０の接合厚さは明確に言えないが、基本的には板厚である。

図４において、中空形材１００、１１０、１２０は、２枚の実質的に平行な面板１３，１４と、面板１３，１４を接続する接続板１６，１７，形材の幅方向の端部の凸部１８とからなる。形材１００，１１０，１２０の面板１３，１４の厚さは図５の面板１４の板厚と同一である。形材１００の面板１３，１４の板厚は形材１２０の面板１３，１４の板厚よりも厚い（形材１２０の面板１３，１４の板厚は薄い）。形材１１０と１２０の接合部Ｂの近傍の形材１１０の面板１３，１４の板厚は薄く、形材１００と１１０との接合部Ａの近傍の形材１１０の面板１３，１４の板厚は厚い。

突き合せ部の凸部１８は面板１３，１４の端部に中空形材の外面に突出してある。凸部１８の突出代は、接合部Ａについては前記と同様である。接合部Ｂの凸部１８の突出代については、接合部Ａの突出代よりも大きい。複数の接合個所Ａ，Ｂに用いる回転工具３０，３０の大きさ、および挿入代は全て同一である。具体的には、面板１４の厚い個所の板厚が例えば４ｍｍであれば、回転工具の小径部の長さは５ｍｍであり、凸部１８と小径部３２との重なり代は約１ｍｍである。板厚が薄い個所Ｂの面板１３，１４の板厚が３ｍｍであれば、凸部１８と小径部３２との重なり代は約２ｍｍである（小径部３２の長さが５ｍｍのため）。したがって、凸部１８、面板１３，１４を含む形材１００，１１０，１２０の厚さはすべて同一である。

回転工具の大径部３１の外形は接合部Ａの回転工具３０と同一である。小径部３２の外形も接合部Ｂの回転工具３０と同一である。

接合部Ａ，Ｂにおいて、一方の形材１１０，１２０の端部には他方の形材１００，１１０の端部が挿入している。接続板１６の板厚の中心の延長線上に、凸部１８，１８（面板１３，１４）の端部がある。接続板１６と凸部１８（面板１３，１４）との接合部は凹部になっている。この凹部に他方の中空形材の面板１３，１４が入っている。

形材１００，１１０，１２０は治具１５に載っており、摩擦攪拌接合しない側の面板１３の凸部１８の頂面が治具１５に載っている。

かかる構成において、各接合部に前記大きさの回転工具３０をそれぞれ配置し、摩擦攪拌接合を行う。板厚が厚い個所の接合部Ａでは回転工具の小径部３２の挿入代が従来と同様のため、従来と同様に摩擦攪拌接合が行われる。

板厚が薄い個所の接合部Ｂでは、小径部３２と大径部３１との境３３を面板の上面から２ｍｍ上方に位置させ、摩擦攪拌接合を行う。挿入した回転工具３０の挿入力は凸部１８，１８から、接続板１６、凸部１８，１８を介して治具１５に伝えられる。

このため、接合部Ａ、Ｂ毎に、回転工具３０の大きさを変える必要がなく、また、回転工具３０の挿入代も同一でよい。

面板１４側の摩擦攪拌接合が終了したら、形材１００，１１０，１２０をうら返し、面板１３側の凸部を上方に突出させ、同一の回転工具３０を用い、同一の挿入量で摩擦攪拌接合を行う。

本発明の一実施例の摩擦攪拌接合時の側構体の縦断面図。 図１のＡ部の縦断面図。 図１のＢ部の縦断面図。 本発明の他の実施例の側構体の摩擦攪拌接合時の正面図。 図４のＡ部縦断面図。 図４のＢ部縦断面図。 従来の側構体の摩擦攪拌接合時の正面図。 図７のＡ部縦断面図。 図７のＢ部縦断面図。

符号の説明

１０，１１，１２，１００，１１０，１２０：形材
１３，１４：面板
１５：治具
１８：凸部
３０：回転工具
３１：大径部
３２：小径部
Ａ、Ｂ：摩擦攪拌接合部

Claims (2)

1. 板部の両端部に板厚方向に突出する凸部を有する第１の形材と、板部の両端部に板厚方向に突出する凸部を有し、かつ、当該板部の板厚が前記第１の形材の板部と異なる厚さ寸法に形成された第２の形材と、板部の両端部に板厚方向に突出する凸部を有し、かつ、前記第１の形材および第２の形材を接続する第３の形材とを用意し、前記第１の形材と前記第３の形材とを突き合せ、前記第２の形材と前記第３の形材とを突き合せ、各突き合せ部を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
   前記第３の形材の前記第１の形材側の板部は、前記第１の形材の板部と実質的に同一の厚さ寸法に形成されており、
   前記第３の形材の前記第２の形材側の板部は、前記第２の形材の板部と実質的に同一の厚さ寸法に形成されており、
   前記第３の形材と前記第１の形材との突き合せ部において、板部の厚さ寸法と凸部の板部からの突出代の寸法の加算値が実質的に同一であり、
   前記第３の形材と前記第２の形材との突き合せ部において、板部の厚さ寸法と凸部の板部からの突出代の寸法の加算値が実質的に同一であり、
   前記第３の形材と前記第１の形材との突き合せ部および前記第３の形材と前記第２の形材との突き合せ部を摩擦攪拌接合すること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記第１の形材、前記第２の形材、前記第３の形材が、実質的に平行な２枚の板部材と当該２枚の板部材を接続する接続板とから構成された第１の中空形材、第２の中空形材、第３の中空形材であり、
   前記第３の中空形材の前記第１の中空形材側の各板部材は、前記第１の中空形材の板部材と実質的に同一の厚さ寸法に形成されており、
   前記第３の中空形材の前記第２の中空形材側の各板部材は、前記第２の中空形材の板部材と実質的に同一の厚さ寸法に形成されており、
   前記第３の中空形材と前記第１の中空形材との突き合せ部において、各板部材の厚さ寸法と各凸部の板部材からの突出代の寸法の加算値が実質的に同一であり、
   前記第３の中空形材と前記第２の中空形材との突き合せ部において、各板部材の厚さ寸法と各凸部の板部材からの突出代の寸法の加算値が実質的に同一であり、
   前記第３の中空形材と前記第１の中空形材との突き合せ部および前記第３の中空形材と前記第２の中空形材との突き合せ部を摩擦攪拌接合すること、
   を特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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