JP4610522B2 - ダブルスキンパネル及びその接合継手、並びに構造体 - Google Patents

Description

本発明は、上面板と下面板が複数のリブで連結された形状のダブルスキンパネル、そのダブルスキンパネル同士を接合する接合継手および、その接合継手によって複数のダブルスキンパネルが接合して構成された構造体に関する。

最近、鉄道車両や航空機などの外板接合に、アーク溶接などに比べて入熱量が少なく溶接ひずみを抑える摩擦攪拌接合が注目されている。図１０は、ダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合を示した概念図である。被接合部材であるダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂは、上面板１０１と下面板１０２が複数の傾斜したリブ１０３によって連結され、接合端部には垂直な端部リブ１０４が設けられている。そして、ダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂが、図示するように上面板１０１と下面板１０２の接合端面同士突き合わせて配置され、それぞれ摩擦攪拌接合用工具１によって接合される。

ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１は、上面板１０１や下面板１０２を挟み込む上部回転体２と下部回転体３、そしてその間の攪拌軸４を備えて構成されている。回転が与えられた摩擦攪拌接合用工具１は、攪拌軸４が接合部に沿って送られ、機械的攪拌によって周囲の材料を塑性流動化させる。上部回転体２と下部回転体３は、上下方向から上面板１０１や下面板１０２を挟み込んで可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。軟化した材料は、塑性流動化して移動する攪拌軸４の後方に流れ、互いに混じり合った可塑性材は摩擦熱を失って急速に冷却固化し、接合が完結する。ダブルスキンパネル１００Ａ、１００Ｂは、上面板１０１同士が接合され後、反転して下面板１０２同士の接合が同様に行われる。
特開２００４−０４２１１５号公報 特開２００４−２２３５８７号公報

ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具で行う摩擦攪拌接合は、固定ピン式工具では必要な荷重受けリブなどが不要なため、ダブルスキンパネルの重量を軽減させることができる。しかしながら、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具の場合には、被接合部材の接合端面の寸法管理が厳しくなることでダブルスキンパネルの製造コストが上がってしまう問題があった。すなわち、図１０では接合部に隙間１０８が空いているが、この隙間１０８が大きいと接合後の肉厚が薄くなってしまい強度不足になる。一方、強度不足を補うには接合端部を肉厚にすればよいが、鉄道車両用構体などのように全長が長いものでは、接合箇所が多いため全体の車体重量が無視できない。従って、こうした強度不足や重量増の問題を解消するには、接合端部の寸法管理が厳しくなってダブルスキンパネルのコストアップになってしまう。

ここで、図１１は、鉄道車両用構体の外観を示した図である。ダブルスキンパネルを接合した構造体である鉄道車両用構体２００は、側構体２０１、屋根構体２０２そして台枠２０３が周方向に接合され、長手方向端部には妻構体２０４を接合して構成されている。その側構体２０１や屋根構体２０２は、複数の長尺なダブルスキンパネル２１０が幅方向（周方向）に突き合わされ、隣り合うもの同士が車体長さの２０〜２５ｍもの距離に渡り、接合線２１１に沿って摩擦攪拌接合が行われる。従って、前述した寸法管理の問題点は、こうした長い距離を接合する場合に特に顕著である。そこで、鉄道車両用構体２００などの製造においては、ある程度ずれが生じることを前提とし、ずれを修正するため、ダブルスキンパネルの位置決めや固定のための作業や治具を必要とした。従って、この点でも煩雑な作業を行う工数が加わってしまい製造コストを上げることになった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、寸法精度を緩和させたダブルスキンパネルおよびダブルスキンパネルの接合継手、並びにダブルスキンパネルが接続された構造体を提供することを目的とする。

本発明に係るダブルスキンパネルは、上面板と下面板が幅方向に複数並んだリブによって連結され、その上面板又は下面板とリブとの連結部分を基点とし、最端に位置する端部リブの基点から上面板の延長上に面内方向外側へ接合用に突き出した幅方向両側の接合端部と、前記端部リブの基点から下面板の面内方向外側へ突き出した幅方向両側の接合端部が、上面板側の接合端部同士および下面板側の接合端部同士が一組の接合継手として互いに接合可能な形状であって、上面板側の上側接合端部は、その端面同士を突き当ててボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合し、下面板側の下側接合端部は、一方の下側接合端部に対して段差の付けられた他方の下側段付端部を重ね合わせ、アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合するものであり、前記下側段付端部が形成された幅方向一方の端部側では、上側接合端部が下側段付端部よりも突き出し、幅方向反対の端部側では、下側接合端部が上側接合端部の先端より前記下側段付端部が重ねられる重なり幅以上に突き出した位置にあることを特徴とする。

また、本発明に係るダブルスキンパネルは、両端の端部リブが、互いに下面板側が離れる方向に傾斜したものであり、前記下側接合端部と同じ側の上側接合端部の突き出し量は、前記下側段付端部と同じ側の上側接合端部の突き出し量よりも小さいことが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルは、突き出し量が小さい前記上側接合端部は上面板よりも肉厚であり、突き出し量が大きい前記上側接合端部は、その先端部分のみ上面板よりも肉厚であることが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルは、前記端部リブが、上面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した肉厚の屈折部が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルは、両端の端部リブは互いに同じ方向に傾斜したものであり、下面板側が上面板側よりも面内方向外側に位置するように傾斜した端部リブ側に前記下側接合端部が形成されたものであることが好ましい。

本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手は、上面板と下面板が幅方向に複数並んだリブによって連結されたダブルスキンパネルであり、治具上に配置された受け側ダブルスキンパネルに対して被さり側ダブルスキンパネルを幅方向の端部同士組み合わせて配置して接合するため、当該端部に形成されたものであって、前記上面板又は下面板とリブとの連結部分を基点とし、最端に位置する端部リブの基点から上面板の延長上に面内方向外側へ接合用に突き出した接合端部と、前記端部リブの基点から下面板の面内方向外側へ突き出した接合端部とを有し、上面板側の上側接合端部は、その端面同士を突き当ててボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合し、下面板側の下側接合端部は、受け側ダブルスキンパネルとなる一方のパネルの下側接合端部に対して被さり側ダブルスキンパネルとなる他方のパネルの段差の付けられた下側段付端部を重ね合わせ、アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合するものであり、前記受け側ダブルスキンパネルは、その下側接合端部が、上側接合端部の先端より、前記被さり側ダブルスキンパネルの下側段付端部が重ねられる重なり幅以上に突き出した位置にあり、前記被さり側ダブルスキンパネルは、上側接合端部が下側段付端部より突き出していることを特徴とする。

また、本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手は、両ダブルスキンパネル各々の端部リブが、接合部を挟んで互いに下面板側を近づく方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルの上側接合端部の端部リブの突き出し量が、前記被さり側ダブルスキンパネルの上側接合端部の端部リブの突き出し量よりも小さいことが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手は、前記受け側ダブルスキンパネルが、その上側接合端部が上面板よりも肉厚であり、前記被さり側ダブルスキンパネルが、その上側接合端部が先端部分のみ上面板よりも肉厚であることが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手は、前記受け側ダブルスキンパネルの端部リブが、上面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した肉厚の屈折部が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手は、接合部を挟んで位置する端部リブが、互いに同じ方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルの端部リブが、下面板側基点を上面板側基点よりも面内方向において被さり側ダブルスキンパネル寄りになるように傾斜したものであることが好ましい。

本発明に係る構造体は、上面板と下面板が幅方向に複数並んだリブによって連結されたダブルスキンパネル同士が接合されたものであって、前記上面板又は下面板とリブとの連結部分を基点とし、上面板同士は、最端に位置する端部リブの基点から当該上面板の延長上に面内方向外側へ接合用に突き出した上側接合端部が端面同士を突き当てられ、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合され、下面板同士は、端部リブの基点から当該下面板の延長上に面内方向外側へ突き出した一方の下側接合端部に対し、段差の付けられた他方の下側段付端部が重ね合わされ、アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであり、治具上に配置された前記一方の下側接合端部を備えた受け側ダブルスキンパネルに対して、前記他方の下側段付端部を備えた被さり側ダブルスキンパネルを端部同士組み合わせたものであって、前記受け側ダブルスキンパネルは、その下側接合端部が、上側接合端部の先端より、前記被さり側ダブルスキンパネルの下側段付端部が重ねられる重なり幅以上に突き出した位置にあり、前記被さり側ダブルスキンパネルは、上側接合端部が下側段付端部より突き出していることを特徴とする。

また、本発明に係る構造体は、前記受け側ダブルスキンパネルと被さり側ダブルスキンパネルの各々の端部リブは、接合部を挟んで互いに下面板側が近づく方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルに形成された上側接合端部の端部リブの突き出し量が、被さり側ダブルスキンパネルに形成された上側接合端部の端部リブの突き出し量よりも小さいことが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記受け側ダブルスキンパネルの上側接合端部は上面板より肉厚に形成され、前記被さり側ダブルスキンパネルの上側接合端部は先端部分のみが上面板より肉厚に形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記受け側ダブルスキンパネル側の端部リブが、上面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した肉厚の屈折部が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る構造体は、前記受け側ダブルスキンパネルと被さり側ダブルスキンパネルの各々の端部リブは、接合部を挟んで互いに同じ方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルの端部リブは、下面板側を上面板側より前記被さり側ダブルスキンパネル側にして傾斜したものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、受け側ダブルスキンパネルでは下側接合端部が上側接合端部より突き出し、逆に被さり側ダブルスキンパネルでは上側接合端部が下側段付端部より突き出しているので、治具上の受け側ダブルスキンパネルに対して被さり側ダブルスキンパネルを下降させれば、突き出した受け側ダブルスキンパネルでは下側接合端部の上に、被さり側ダブルスキンパネルの下側段付端部を重ね、両方の上側接合端部を突き合わせるように配置でき、長尺なダブルスキンパネルであっても配置作業が容易になる。
そして、ダブルスキンパネルの接合は、下面板同士は寸法許容量が相対的に緩やかなアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接を行うことで、下面板側のある程度のズレは接合時において許容されるので、上下の面板のうち上面板について寸法精度を管理すればよいため、ダブルスキンパネルの寸法精度を緩和させることができる。

次に、本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手及び構造体について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、第１実施形態のダブルスキンパネルの接合継手を示した図である。本実施形態のダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは押出し中空形材であり、上面板１１と下面板１２および、その上面板１１と下面板１２を連結する複数の傾斜したリブ１３によって構成されている。ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは同じ構造をしたものであって、幅方向（図面左右方向）両端に図示するような一組の接合継手が形成されている。そして、左右互いの接合継手が接合され、例えば構造体の一例として図１１に示す鉄道車両用構体２００を構成する。このとき上面板１１が車体外側になって下面板１２が車体内側になる。

本実施形態の接合継手は、上面板１１同士が摩擦攪拌接合によって接合され、下面板１２同士がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合される。接合継手は、上面板１１側では、幅方向の端部に位置する端部リブ１３ａ，１３ｂから面内方向外側に延びて自由端になっており、上面板１１又は下面板１２と端部リブ１３ａ，１３ｂとの連結部分を基点とし、その基点から突き出した部分が上側接合端部１１ａ，１１ｂである。なお、上面板１１や下面板１２の同一面方向を面内方向とし、上面板１１や下面板１２と法線方向を面外方向とする。一方、下面板１２側は、右端では端部リブ１３ｂから面内方向外側に延びて下側接合端部１２ｂが基点から突き出し、左端では下面板１２と端部リブ１３ａとの連結部分に段差を付けた下側段付端部１２ａが面内方向外側に突き出されている。そして、下側段付端部１２ａの段差部分と下側接合端部１２ｂの端面とが傾斜し、図示するような重なり時に開先１４が形成されるようになっている。

そこで、こうした構成のダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂを接合する場合には、上面板１１側では互いに上側接合端部１１ａ，１１ｂの先端が突き合わされ、下面板１２側では下側接合端部１２ｂに下側段付端部１２ａが上から重ねられる。そして、第１接合工程で上面板１１側の上側接合端部１１ａ，１１ｂが摩擦攪拌によって接合され、その後、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂが反転され、第２接合工程で下面板１２側の下側接合端部１２ｂと下側段付端部１２ａがＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等のアーク溶接によって接合される。アーク溶接の他、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合するようにしてもよい。

ところで、第１接合工程の摩擦攪拌接合では、上側接合端部１１ａ，１１ｂの先端が突き当てられ、その接合部が摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体２と下部回転体３によって荷重を加えて上下から挟み込まれる。そして、摩擦攪拌接合用工具１が回転しながら接合線１５に沿って送られることで、攪拌軸４が上側接合端部１１ａ，１１ｂの接合部を摩擦攪拌させ、その周囲の材料を塑性流動化させる。その際、上部回転体２と下部回転体３は、上下から上側接合端部１１ａ，１１ｂを押さえ込んで可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。よって、軟化した材料は塑性流動化して攪拌混練され、攪拌軸４の後方に流れ、その後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合が完結する。

一方、第２接合工程では、反転された下面板１２側が上面になる。接合継手は、下側接合端部１２ｂと下側段付端部１２ａとが重ね合わされており、接合部分に開先１４が形成されている。そこで、その開先１４部分にＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接等のアーク溶接で肉盛溶接が行われ、下面板１２同士が接合される。また、下面板１２の接合は、アーク溶接の他にもレーザ溶接や、ＭＩＧハイブリッドやＴＩＧハイブリッドなど、アーク溶接とレーザ溶接を組み合わせたレーザハイブリッド溶接によって行うようにしてもよい。このことは以下の各形態において同様である。

本実施形態の接合継手では、上面板１１側を摩擦攪拌接合して歪みが生じた場合でも、アーク溶接などを行う下面板１２側は、歪みを吸収した接合が可能である。すなわち、下面板１２側の接合には寸法許容量が相対的に緩やかな開先１４をアーク溶接などによって接合するため、上下両面を摩擦攪拌接合するのに較べて寸法管理が容易になった。よって、この接合継手は、下面板１２の接合がある程度のズレを許容するので、下側接合端部１２ｂと下側段付端部１２ａの寸法精度を緩やかにして、上面板１１の上側接合端部１１ａ，１１ｂについて寸法精度を厳しく管理すればよく、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの製造コストの他、接合時に要する位置決めや固定のためのコスト削減が可能になる。

また、上面板１１側を接合する摩擦攪拌接合では、アーク溶接などのように溶接ビードができないため、鉄道車両用構体２００など、構造体表面の見栄えをよいものとすることができる。そして、上面板１１の接合後に切削仕上げなどの仕上げ加工が不要になれば、工数削減によるコスト削減にもなる。また、摩擦攪拌接合はアーク溶接などに比べて入熱量が少ないので強度低下が小さく、その分、部材の肉厚を薄くできるため構造体の軽量化が可能である。更に、上部回転体２と下部回転体３とで挟み込んで接合するため、固定ピン方式のように荷重を支えるリブが必要ないため、この点でも構造体の軽量化が可能となる。

ところで、上面板１１側と下面板１２側との２箇所で接続する本実施形態の接合継手は、上面板１１側では、上側接合端部１１ａが上側接合端部１１ｂよりも長く形成され、接合線１５の位置がダブルスキンパネル１０Ｂ側に偏っている。これは、図２（ａ）に示すように、先ずダブルスキンパネル１０Ｂを治具８上に置き、後からダブルスキンパネル１０Ａを合わせる場合、下面板１２側で、下側接合端部１２ｂに対する下側段付端部１２ａの重ね合わせを容易にするためである。なお、先に治具８に置かれたダブルスキンパネル１０Ｂが、特許請求の範囲に記載する受け側ダブルスキンパネルであり、後から配置されるダブルスキンパネル１０Ａが被さり側ダブルスキンパネルに相当する。

例えば、図２（ｂ）に示すように、ダブルスキンパネル１１０Ａの下側段付端部１１２ａが上側接合端部１１１ａよりも面内方向外側に突き出していれば、ダブルスキンパネル１１０Ｂの下側接合端部１１２ｂは上側接合端部１１１ｂよりも面内方向内側に引き込んだ形状になる。こうした形状の接合継手では、治具８上に配置された受け側のダブルスキンパネル１１０Ｂに対し、被さり側のダブルスキンパネル１１０Ａを矢印Ｒで示すように移動させる必要がある。すなわち、下側段付端部１１２ａが上側接合端部１１１ｂに当たらないように、ダブルスキンパネル１１０Ａをダブルスキンパネル１１０Ｂから離れた位置で一旦下降させ、そのた後、水平移動させてから再び降ろして下側段付端部１１２ａを下側接合端部１１２ｂに重ね合わせ、上側接合端部１１１ａ，１１１ｂを突き当てる。

或いは、下側段付端部１１２ａは段差によって浮き上がっているため、ダブルスキンパネル１１０Ａをダブルスキンパネル１１０Ｂから離れた位置で治具８上に配置させ、その後ダブルスキンパネル１１０Ａを滑らせ、下側段付端部１１２ａを下側接合端部１１２ｂに重ね合わせ、上側接合端部１１１ａ，１１１ｂを突き当てる方法もある。

ダブルスキンパネル１１０Ａ，１１０Ｂが図１１に示す側構体２０１を構成するダブルスキンパネル２１０である場合、２０ｍ以上の長い距離にわたって正確に位置決めする必要がある。従って、後者の方法では、僅かにでも歪みが生じていると、下側段付端部１１２ａが下側接合端部１１２ｂに載らずに当たってしまう。その場合、無理に力をかけて下側段付端部１１２ａを下側接合端部１１２ｂに載せようとすると、ダブルスキンパネル１１０Ａ自体を変形させてしまう。従って、被さり側であるダブルスキンパネル１１０Ａを配置するには、図２（ｂ）に示すような前者の方法の方が確実であるが、移動が複雑なため、長尺なダブルスキンパネル１１０Ａを保持して移動させることは困難な作業であった。

そこで、本実施形態の接合継手は、ダブルスキンパネル１０Ｂの下側接合端部１２ｂが、上側接合端部１１ｂの先端より、ダブルスキンパネル１０Ａの下側段付端部１２ａが重なる幅以上に面内方向外側に突き出して形成されている。すなわち、ダブルスキンパネル１０Ｂの上側接合端部１１ｂを短くし、ダブルスキンパネル１０Ａの上側接合端部１１ａを長く形成している。そして、こうした構成の接合継手によれば、図２（ａ）に矢印Ｑで示すように、治具８上のダブルスキンパネル１０Ｂに対してダブルスキンパネル１０Ａをほぼ真っ直ぐに下降するだけで、下側接合端部１２ｂに対して下側段付端部１２ａを重ねることができる。従って、長尺なダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂであってもダブルスキンパネル１０Ａの配置作業が容易になり、しかも下側段付端部１２ａを下側接合端部１２ｂに対して無理なく確実に重ねられる。

ここで、図３は、上側接合端部の端部リブ基点からの突き出し量を等しくしたダブルスキンパネル１２０Ａ，１２０Ｂの接合継手を示した図である。左右の上側接合端部１２１ａ，１２１ｂの長さが等しいか、それに近い場合、部材の寸法の誤差によってその先端が正寸位置（一点鎖線で示す位置）からずれてしまうことがある。片持ち支持の上側接合端部１２１ａ，１２１ｂは、端部リブ１２３ａ，１２３ｂからの距離が長いと、特に長尺なダブルスキンパネルＡ，Ｂでは、寸法管理を徹底しても部分的にでも撓みによるずれが生じるおそれがある。従って、図３（ａ）のように、撓んだ方向が揃っている場合は、そのままの位置で接合され、面外方向に誤差が生じたままの仕上がりとなる。また、図３（ｂ）のように上下逆に位置ずれが生じている場合でも、互いに弾性変形することなく、面外方向にずれのあるまま接合された仕上がりとなってしまう。

本実施形態は、こうした仕上がり精度の問題も同時に解消することが可能である。すなわち、ダブルスキンパネル１０Ｂの上側接合端部１１ｂを短くすることは、前述したようにダブルスキンパネルＡ側の配置を確実かつ容易に行うことを可能にする他、上側接合端部１１ｂの長さをより短くして仕上がり精度の向上にも寄与している。なお、板厚等は同じで基点からの突き出し量のみが異なる場合においては、突き出し量が短い方が形材の面外方向の寸法誤差は小さい傾向がある。
片持ち支持の上側接合端部１１ｂは、端部リブ１３ｂからの突き出し量が小さい分モーメントも小さく、面外方向への剛性が高くなる。その一方で、同じ片持ち支持の上側接合端部１１ａは、逆に突き出し量が大きくなるため剛性は低くなる。従って、図４（ａ）に示すように、接合前の上側接合端部１１ａ，１１ｂは、剛性の高い上側接合端部１１ａは一点鎖線で示す正寸位置に対してほとんど誤差は生じていないが、剛性の低い上側接合端部１１ｂは正寸位置に対して誤差が大きくなってしまう。

摩擦攪拌接合時には、上側接合端部１１ａ，１１ｂが摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体２と下部回転体３によって上下から挟み込まれる。すると、上側接合端部１１ａは剛性の低いため挟み込み荷重によって弾性変形し、剛性の高い上側接合端部１１ｂ側に倣うように先端部が面外方向に変位する。従って、摩擦攪拌接合用工具１が回転しながら接合線１５に沿って送られると、図４（ａ）に示すように撓んでいた上側接合端部１１ａが、上側接合端部１１ｂに合うように弾性変形して図４（ｂ）に示すように正寸に近い状態で接合される。こうして本実施形態では、一方の上側接合端部１１ｂを短くして剛性を高め、他方の上側接合端部１１ａを長くして剛性を低くすることで、仕上がり時の寸法誤差を極めて小さいものとすることができた。そして、鉄道車両用構体２００など、構造体を構成した場合、表面の見栄えをよいものとすることができる。

次に、図５は、第１実施形態を変形した第２実施形態のダブルスキンパネルの接合継手を示した図である。ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂは同じ構成の押出し中空形材であり、上面板２１と下面板２２および、その上面板２１と下面板２２を連結する複数の傾斜したリブ２３によって構成され、幅方向の両端部に一組の接合継手が形成されている。そして、ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂは、左右互いの接合継手が接合され、例えば構造体の一例として図１０に示す鉄道車両用構体２００を構成する。その場合、上面板２１が車体外側になって下面板２２が車体内側になる。

接合継手は、上面板２１同士が摩擦攪拌接合によって接合され、下面板２２同士がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合される。そのため、上面板２１側は、端部に位置する左右の端部リブ２３ａ，２３ｂから面内方向外側に上側接合端部２１ａ，２１ｂが突き出している。一方、下面板２２側は、右端の端部リブ２３ｂから面内方向外側に下側接合端部２２ｂが突き出し、左端では端部リブ２３ａと下面板２２の連結部分に段差を付けた下側段付端部２２ａが面内方向外側に突き出されている。

そして、本実施形態では、突き出し量の小さい上側接合端部２１ｂを肉厚にし、より剛性を高めた形状にしている。そして、突き出し量の大きい上側接合端部２１ａは、摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体２と下部回転体３（図１参照）によって挟み込まれる接合部分が、上側接合端部２１ｂの肉厚と同一になるように一部肉厚になっている。
よって、本実施形態の接合継手でも、ダブルスキンパネル２０Ｂの下側接合端部２２ｂが、上側接合端部２１ｂの先端より、ダブルスキンパネル２０Ａの下側段付端部２２ａが重なる幅以上に面内方向外側に突き出して形成されている。そして接合時には、治具８上のダブルスキンパネル２０Ｂに対してダブルスキンパネル２０Ａをほぼ真っ直ぐに下降するだけで、下側接合端部２２ｂに対して下側段付端部２２ａを重ねることができる。そのため、長尺なダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂであってもダブルスキンパネル２０Ａの配置作業が容易になり、しかも下側段付端部２２ａを下側接合端部２２ｂに対して無理なく確実に重ねられる。

また、本実施形態は、肉厚の上側接合端部２１ｂは剛性がより高くなり、上側接合端部２１ａは先端部分のみが肉厚であってより剛性が低くなっている。そのため、摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体２と下部回転体３で荷重を加えて上側接合端部２１ａ，２１ｂを上下から挟み込むと、剛性の低い上側接合端部２１ａ側が剛性の高い上側接合端部２１ｂ側に倣うように弾性変形し、より面外方向の寸法精度の向上した状態で摩擦攪拌接合が行われる。

次に、図６は、第３実施形態のダブルスキンパネルの接合継手を示した図である。ダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂは押出し中空形材であり、上面板３１と下面板３２および、その上面板３１と下面板３２を連結する複数の傾斜したリブ３３によって構成され、幅方向の両端部に一組の接合継手が形成されている。そして、このダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂは、互いに接合され、例えば構造体の一例として図１０に示す鉄道車両用構体２００を構成する。その場合、上面板３１が車体外側になって下面板３２が車体内側になる。

ダブルスキンパネル３０Ａ，３０の接合継手も、上面板３１同士が摩擦攪拌接合によって接合され、下面板３２同士がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合される。そのため、上面板３１側は、端部に位置する左右の端部リブ３３ａ，３３ｂから面内方向外側に延びて自由端になっており、その突き出した部分が上側接合端部３１ａ，３１ｂである。一方、下面板３２側は、右端に位置する端部リブ３３ｂから面内方向外側に延びて下側接合端部３２ｂが突き出し、左端では、端部リブ３３ａと下面板３２の連結部分に段差を付けた下側段付端部３２ａが面内方向外側に突き出されている。

更に本実施形態では、端部リブ３３ａ，３３ｂが上面板３１側に屈折部３１１が形成されている。屈折部３１１は、上面板３１に対して直交し、傾斜部よりも肉厚にして剛性を高くしている。そして、端部リブ３３ａ，３３ｂは、傾斜部の延長線が隣のリブ３３ｃ，３３ｄと上面板３１との連結部Ｐに交わるように形成され、下面板１１も含めて断面が三角形となる仮想トラスを構成するようになっている。本実施形態で端部リブ３３ａ，３３ｂに屈折部３１１を設けたのは、特に端部リブ３３ｂから突き出した上側接合端部３１ｂの突き出し量を小さくするためである。

ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具１によって摩擦攪拌接合する場合、接合部を下側から下部回転体３によって支持するため、その下部回転体３が入るスペースを確保する必要がある。図１に示す第１実施形態のように、上側接合端部１１ｂと端部リブ１３ｂとが鋭角に交わると、その狭くなったスペースに下部回転体３が入らないため、端部リブ１３ｂから遠い位置に接合線１５が位置し、上側接合端部１１ｂが比較的長くなってしまう。そこで、本実施形態の接合継手では、端部リブ３３ｂに屈折部３１１を形成したことにより、下部回転体３の入るスペースが確保でき、あわせて端部リブ３３ｂからの突き出し量を小さくた上側接合端部３１ｂとすることができた。

そこで、摩擦攪拌接合用工具１の上部回転体２と下部回転体３により上側接合端部３１ａ，３１ｂを上下から挟み込むと、剛性の低い上側接合端部３１ａ側が剛性の高い上側接合端部３１ｂ側に倣うように弾性変形する。そのため、摩擦攪拌接合用工具１が回転しながら接合線３５に沿って送られると、上側接合端部３１ａの撓みが生じていた箇所でも、弾性変形して突き出し部先端の面外寸法の誤差が小さくなり、正寸に近い状態で接合される。本実施形態の接合継手では、上側接合端部３１ｂの突き出し量が小さくなる形状によって剛性を高めているため、それに上側接合端部３１ａが倣うことで仕上がり時の寸法誤差をより小さいものとすることができた。なお、端部リブ３３ｂの屈折部３１１は下部回転体３のスペースを確保する目的で形成しているので、他方の端部リブ３３ａ側は屈折部３１１のない図１に示すような直線で形成するようにしてもよい。

また、本実施形態の接合継手でも、ダブルスキンパネル３０Ｂの下側接合端部３２ｂが、上側接合端部３１ｂの先端より、ダブルスキンパネル３０Ａの下側段付端部３２ａが重なる幅以上に面内方向外側に突き出して形成されている。そのため接合時には、ダブルスキンパネル３０Ｂに対してダブルスキンパネル３０Ａをほぼ真っ直ぐに下降するだけで、下側接合端部３２ｂに対して下側段付端部３２ａを重ねることができる。そのため、長尺なダブルスキンパネル３０Ａ，３０Ｂであってもダブルスキンパネル３０Ａの配置作業が容易になり、しかも下側段付端部３２ａを下側接合端部３２ｂに対して無理なく確実に重ねられる。

ところで、左右に並べたダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂ（図１参照）の接合継手では、左側の上側接合端部１１ｂが短くなるように形成され、接合線１５がダブルスキンパネル１０Ｂ側に偏っている。これは、下側段付端部１２ａがダブルスキンパネル１０Ａに形成され、その下側段付端部１２ａが上から重ねられる下側接合端部１２ｂがダブルスキンパネル１０Ｂに形成されているからである。従って、下側段付端部１２ａと下側接合端部１２ｂとの関係が逆であれば、上側接合端部１１ａ，１１ｂの長さも逆転する。
ただし、上記実施形態で上側接合端部１１ｂが短いのは、上面板１１側の接合位置をダブルスキンパネル１０Ｂ側、つまり図面左側の部材である理由は摩擦攪拌接合用工具１の回転方向にもある。ここで、図７は、上面板１１側の接合位置と摩擦攪拌接合用工具１の回転方向との関係を示した図であり、図（ａ）は、上面板側の接合線に沿って送られる摩擦攪拌接合用工具１および接合痕９０を、図（ｂ）は、図１に示す第１実施形態の接合継手をそれぞれ示している。

摩擦攪拌接合用工具１は、接合継手を上方から見て右回転しながら、接合線１５に沿ってＦ方向（図面上方）に送られるとする。接合部では、軟化して塑性流動化した材料が、攪拌軸４の周りを通過して後方に流れて混じり合う。この場合、摩擦攪拌接合用工具１に対する塑性流動化した材料の相対運動は、送りによる相対運動と回転による相対運動の向きが一致する進行方向左側が、相対速度が大きい側（図７に示す「Advancing Side」の側が相当する。）であり、送りによる相対運動と回転による相対運動の向きが逆になる進行方向右側が、相対速度が小さい側（図７に示す「Retreating Side」の側が相当する。）である。相対速度が小さい側の材料は、Ｗ方向に回転を受けて後方に流れるとともに、進行方向Ｆへの送りによって引っ張り作用を受ける。そのため、相対速度が小さい側では材料が疎の状態になって、上側接合端部１１ａは、上部回転体２と下部回転体３の間に引き込まれやすくなり、剛性の高い上側接合端部１１ｂへ倣うように弾性変形し、より正寸に近い状態で接合される。

一方、相対速度が大きい側では、摩擦攪拌接合用工具１の回転によって進行方向Ｆに材料が流れるが、前方に存在する非攪拌部の抵抗を受けて流れが制限されるため、密の状態になって、上側接合端部１１ｂは、上部回転体２と下部回転体３の間に引き込まれ難い状態になる。従って、摩擦攪拌接合する接合端部の長さが異なる場合には、接合端部の突き出し量が小さい方を相対速度が大きい側、突き出し量が大きい方を相対速度が小さい側となるようにすべきである。本実施形態では、こうした点を考慮し、相対速度が大きい側に剛性を高くした突き出し量の小さい上側接合端部１１ｂが形成され、相対速度が小さい側には剛性の低い突き出し量が大きい上側接合端部１１ｂが形成されている。そのため、上側接合端部１１ａ，１１ｂ自身の剛性だけでなく、摩擦攪拌時に生じる上側接合端部１１ａの引き込み作用も利用して正寸に近いより正確な接合を可能にした。

次に、図８は、摩擦撹拌溶接を行った場合の温度分布を示した図である。摩擦攪拌時、摩擦攪拌接合用工具１の周りの材料温度は、相対速度が大きい側の方が相対速度が小さい側よりも高温になる。温度が最高になる箇所は、攪拌軸４の後方であるが、図から分かるように５００℃を超える領域が、相対速度が大きい側に若干偏っている。このような温度分布を生じる理由は、相対速度が大きい側の材料の一部が接合線１５を越えて相対速度が小さい側を回って再び相対速度が大きい側に戻るため、長くツールと接しているからである。

ところで、接合部へ入る熱量が大きいと強度低下を生じることになるため、熱拡散を効率良く行うことが望まれる。この点、前記各実施形態では、図７に示すように、摩擦攪拌接合用工具１の回転方向によって決定される相対速度が大きい側の上側接合端部１１ｂが短く形成されている。こうした構成の接合継手では、上側接合端部１１ｂが短いため端部リブ１３ｂが近く、熱の逃げる経路が多くなる。従って、前記各実施形態では、相対速度が大きい側の熱を端部リブ１３ｂへと逃がして効率よく冷却することができるため、最高温度が抑制され、相対速度が大きい側の温度と相対速度が小さい側の温度の格差が解消される。そして、もともと摩擦攪拌接合は接合時の入熱量が少ないが、より接合強度に関して有利となる。

次に、図９は、第４実施形態のダブルスキンパネルの接合継手を示した図である。これまでの実施形態では摩擦攪拌接合を行う上面板側の接合端部の長さが異なるものであった。それは、接合部を挟んで位置する端部リブ１３ａ，１３ｂ（図１参照）の傾きが逆であって、左右対称形になるからである。しかし、本実施形態のように端部リブ４３ａ，４３ｂが同方向に傾斜している場合、突き出し量を極端に変えることなくほぼ同じ長さにしても第１実施形態の接合継手と同様の効果を奏する。ダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂは、互いに同じ構造をした押出し中空形材であり、上面板４１と下面板４２および複数の傾斜したリブ４３によって構成されている。図９では、幅方向（図面左右方向）の左端部と右端部の接合継手を示している。そして、このダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂも、例えば構造体の一例として図１１に示す鉄道車両用構体２００を構成する。このとき上面板４１が車体外側になって下面板４２が車体内側になる。

上面板４１同士が摩擦攪拌接合によって接合され、下面板４２同士がアーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合される。接合継手の上面板４１側は、端部リブ４３ａ，４３ｂから面内方向外側に延びて自由端になっており、その突き出した部分が上側接合端部４１ａ，４１ｂである。一方、下面板４２側では、右端の端部リブ４３ｂから面内方向外側に延びて下側接合端部４２ｂが突き出し、左端には端部リブ４３ａから面内方向外側に延びて先端に段差が形成された下側段付端部４２ａが突き出して形成されている。下側接合端部４２ｂは、上側接合端部４１ｂの先端より、下側段付端部４２ａが重なる幅以上に面内方向外側に突き出して形成されている。

従って、接合時には、治具８上のダブルスキンパネル４０Ｂに対してダブルスキンパネル４０Ａをほぼ真っ直ぐに下降するだけで、下側接合端部４２ｂに対して下側段付端部４２ａを重ねることができる。そのため、長尺なダブルスキンパネル４０Ａ，４０Ｂであってもダブルスキンパネル４０Ａの配置作業が容易になり、しかも下側段付端部４２ａを下側接合端部４２ｂに対して無理なく確実に重ねられる。

以上、本発明に係るダブルスキンパネルの接合継手及び構造体について実施形態を説明したが、本発明はこれら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。

ダブルスキンパネルの接合継手について第１実施形態を示した図である。 受け側ダブルスキンパネルに対して被さり側ダブルスキンパネルの配置作業状態を示した図である。 上側接合端部が同じ長さの場合に生じ得る接合不良を示した図である。 第１実施形態の接合継手において、摩擦攪拌時に長い上側接合端部が短い上側接合端部に倣う効果を示した図である。 ダブルスキンパネルの接合継手について第２実施形態を示した図である。 ダブルスキンパネルの接合継手について第３実施形態を示した図である。 上側接合端部の接合位置と摩擦攪拌接合用工具の回転方向との関係を示した図であり、（ａ）には上面板側の接合線に沿って送られる摩擦攪拌接合用工具および接合痕を示し、（ｂ）には図１に示す第１実施形態の接合継手を示している。 摩擦撹拌溶接を行った場合の温度分布を示した図である。 ダブルスキンパネルの接合継手について第４実施形態を示した図である。 ダブルスキンパネルの接合継手について従来例を示した図である。 ダブルスキンパネルによって構成される構造体の一例である鉄道車両用構体の外観を示した図である。

１ 摩擦攪拌接合用工具
２ 上部回転体
３ 下部回転体
４ 攪拌軸
１０Ａ，１０Ｂ ダブルスキンパネル
１１ 上面板
１１ａ，１１ｂ 上側接合端部
１２ 下面板
１２ａ 下側段付端部
１２ｂ 下側接合端部
１３ リブ
１３ａ，１３ｂ 端部リブ

Claims (15)

1. 上面板と下面板が幅方向に複数並んだリブによって連結され、その上面板又は下面板とリブとの連結部分を基点とし、最端に位置する端部リブの基点から上面板の延長上に面内方向外側へ接合用に突き出した幅方向両側の接合端部と、前記端部リブの基点から下面板の面内方向外側へ突き出した幅方向両側の接合端部が、上面板側の接合端部同士および下面板側の接合端部同士が一組の接合継手として互いに接合可能な形状のダブルスキンパネルにおいて、
   上面板側の上側接合端部は、その端面同士を突き当ててボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合し、下面板側の下側接合端部は、一方の下側接合端部に対して段差の付けられた他方の下側段付端部を重ね合わせ、アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合するものであり、
   前記下側段付端部が形成された幅方向一方の端部側では、上側接合端部が下側段付端部よりも突き出し、幅方向反対の端部側では、下側接合端部が上側接合端部の先端より前記下側段付端部が重ねられる重なり幅以上に突き出した位置にあることを特徴とするダブルスキンパネル。
2. 請求項１に記載するダブルスキンパネルにおいて、
   両端の端部リブは、互いに下面板側が離れる方向に傾斜したものであり、前記下側接合端部と同じ側の上側接合端部の突き出し量は、前記下側段付端部と同じ側の上側接合端部の突き出し量よりも小さいことを特徴とするダブルスキンパネル。
3. 請求項２に記載するダブルスキンパネルにおいて、
   突き出し量が小さい前記上側接合端部は上面板よりも肉厚であり、突き出し量が大きい前記上側接合端部は、その先端部分のみ上面板よりも肉厚であることを特徴とするダブルスキンパネル。
4. 請求項２に記載するダブルスキンパネルにおいて、
   前記端部リブは、上面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した肉厚の屈折部が形成されたものであることを特徴とするダブルスキンパネル。
5. 請求項１に記載するダブルスキンパネルにおいて、
   両端の端部リブは互いに同じ方向に傾斜したものであり、下面板側が上面板側よりも面内方向外側に位置するように傾斜した端部リブ側に前記下側接合端部が形成されたものであることを特徴とするダブルスキンパネル。
6. 上面板と下面板が幅方向に複数並んだリブによって連結されたダブルスキンパネルであり、治具上に配置された受け側ダブルスキンパネルに対して被さり側ダブルスキンパネルを幅方向の端部同士組み合わせて配置して接合するため、当該端部に形成されたダブルスキンパネルの接合継手において、
   前記上面板又は下面板とリブとの連結部分を基点とし、最端に位置する端部リブの基点から上面板の延長上に面内方向外側へ接合用に突き出した接合端部と、前記端部リブの基点から下面板の面内方向外側へ突き出した接合端部とを有し、上面板側の上側接合端部は、その端面同士を突き当ててボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合し、下面板側の下側接合端部は、受け側ダブルスキンパネルとなる一方のパネルの下側接合端部に対して被さり側ダブルスキンパネルとなる他方のパネルの段差の付けられた下側段付端部を重ね合わせ、アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合するものであり、
   前記受け側ダブルスキンパネルは、その下側接合端部が、上側接合端部の先端より、前記被さり側ダブルスキンパネルの下側段付端部が重ねられる重なり幅以上に突き出した位置にあり、前記被さり側ダブルスキンパネルは、上側接合端部が下側段付端部より突き出していることを特徴とするダブルスキンパネルの接合継手。
7. 請求項６に記載するダブルスキンパネルの接合継手において、
   両ダブルスキンパネル各々の端部リブは、接合部を挟んで互いに下面板側を近づく方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルの上側接合端部の突き出し量が、前記被さり側ダブルスキンパネルの上側接合端部の突き出し量よりも小さいことを特徴とするダブルスキンパネルの接合継手。
8. 請求項７に記載するダブルスキンパネルの接合継手において、
   前記受け側ダブルスキンパネルは、その上側接合端部が上面板よりも肉厚であり、前記被さり側ダブルスキンパネルは、その上側接合端部が先端部分のみ上面板よりも肉厚であることを特徴とするダブルスキンパネルの接合継手。
9. 請求項７に記載するダブルスキンパネルの接合継手において、
   前記受け側ダブルスキンパネルの端部リブは、上面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した肉厚の屈折部が形成されたものであることを特徴とするダブルスキンパネルの接合継手。
10. 請求項６に記載するダブルスキンパネルの接合継手において、
    接合部を挟んで位置する端部リブは、互いに同じ方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルの端部リブが、下面板側基点を上面板側基点よりも面内方向において被さり側ダブルスキンパネル寄りになるように傾斜したものであることを特徴とするダブルスキンパネルの接合継手。
11. 上面板と下面板が幅方向に複数並んだリブによって連結されたダブルスキンパネル同士が接合された構造体において、
    前記上面板又は下面板とリブとの連結部分を基点とし、上面板同士は、最端に位置する端部リブの基点から当該上面板の延長上に面内方向外側へ接合用に突き出した上側接合端部が端面同士を突き当てられ、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具によって摩擦攪拌接合され、下面板同士は、端部リブの基点から当該下面板の延長上に面内方向外側へ突き出した一方の下側接合端部に対し、段差の付けられた他方の下側段付端部が重ね合わされ、アーク溶接、レーザ溶接またはレーザハイブリッド溶接によって接合されたものであり、
    治具上に配置された前記一方の下側接合端部を備えた受け側ダブルスキンパネルに対して、前記他方の下側段付端部を備えた被さり側ダブルスキンパネルを端部同士組み合わせたものであって、前記受け側ダブルスキンパネルは、その下側接合端部が、上側接合端部の先端より、前記被さり側ダブルスキンパネルの下側段付端部が重ねられる重なり幅以上に突き出した位置にあり、前記被さり側ダブルスキンパネルは、上側接合端部が下側段付端部より突き出していることを特徴とする構造体。
12. 請求項１１に記載する構造体において、
    前記受け側ダブルスキンパネルと被さり側ダブルスキンパネルの各々の端部リブは、接合部を挟んで互いに下面板側が近づく方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルに形成された上側接合端部の端部リブの突き出し量が、被さり側ダブルスキンパネルに形成された上側接合端部の端部リブの突き出し量よりも小さいことを特徴とする構造体。
13. 請求項１２に記載する構造体において、
    前記受け側ダブルスキンパネルの上側接合端部は上面板より肉厚に形成され、前記被さり側ダブルスキンパネルの上側接合端部は先端部分のみが上面板より肉厚に形成されたものであることを特徴とする構造体。
14. 請求項１２に記載する構造体において、
    前記受け側ダブルスキンパネル側の端部リブは、上面板に対してほぼ直交するように屈曲して連結した肉厚の屈折部が形成されたものであることを特徴とする構造体。
15. 請求項１１に記載する構造体において、
    前記受け側ダブルスキンパネルと被さり側ダブルスキンパネルの各々の端部リブは、接合部を挟んで互いに同じ方向に傾斜したものであり、前記受け側ダブルスキンパネルの端部リブは、下面板側を上面板側より前記被さり側ダブルスキンパネル側にして傾斜したものであることを特徴とする構造体。

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