JP4619999B2 - ダブルスキンパネル及びその継手構造、並びに構造体 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用構体などの構造体を構成するダブルスキンパネル同士の継手構造に関し、接合端面の寸法精度を緩和させて生産コストを下げることが可能であって、しかも人目に触れる外側の接合部を摩擦攪拌接合によって低歪化し、仕上げを向上するようにしたダブルスキンパネル及び継手構造、並びに構造体に関する。

鉄道車両や航空機などでは、その外板同士の接合に対して摩擦攪拌接合が使用される。摩擦攪拌接合は、アーク溶接などと比べて入熱量が少なく溶接ひずみを抑えることができる。そうした摩擦攪拌接合に使用される工具には、固定ピン式とボビンツール式がある。その一つである固定ピン式の摩擦攪拌接合用工具は、工具ショルダ面から攪拌ピンが突設されたものであり、回転しながら被接合部材に押し付けられ、接合部に挿入した攪拌ピンによって摩擦攪拌が行われる。そして、工具ショルダ面との摩擦熱による入熱によって軟化した材料が塑性流動化して攪拌混練され、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。

もう一方のボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具では、図３に示すように摩擦攪拌接合が行われる。図３は、ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具を使用したダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合を示した図である。被接合部材のダブルスキンパネル１００Ａ，１００Ｂは、第１面板１０１と第２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、図示するように第１面板１０１と第２面板１０２の接合端面同士突き合わせて配置され、上下の面板１０１，１０２が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、第１面板１０１や第２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が接合部に沿って移動し、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、上下方向から第１面板１０１や第２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、第１面板１０１同士が接合され後、反転して第２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１で接合する場合、図３に示すように第１面板１０１を同じ高さに配置し、その接合端面同士の突き合わせ部分を攪拌して接合する。図面では隙間１１０が記載されているが、この隙間１１０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。そのため、接合端部を肉厚にすることが考えられる。しかし、全長が２０数ｍもある長尺の鉄道車両用構体などの場合、その被接合部材の寸法公差を厳しく管理した製作や、接合時にも突き合わせの位置決め固定を行う煩雑な作業が行われる。そして、これでは二次的な機械加工や固定作業などによる工数増加、或いはそのための装置が必要になるため製造コストが上がってしまう。

また例えば、鉄道車両用構体を製造する場合には、第１面板の接合後に反転して行う第２面板の接合や、ダブルスキンパネルを所定枚数毎に接合した後に、更にこれらをまとめて一体にする接合の場合、先の接合工程で生じた熱歪みが、接合端面同士の突き合わせを難しくしてしまう。しかし、摩擦攪拌接合では、接合部分に部材を付け足すことができない一方で、接合部の寸法を合わせるために接合端部を変形させることも困難であり、この点でも煩雑な作業を行う工数が加わることになり製造コストを上げる結果となる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、接合端部の寸法精度を緩和させて生産コストを下げることが可能なダブルスキンパネル及び継手構造、並びに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、第１面板と第２面板とが複数のリブによって連結され、最端に位置する端部リブから第１面板及び第２面板の面内方向に突き出した接合端部が形成され、その接合端部によって互いに接合可能な一組の接合継手が両端部に形成されたものであって、一方の接合継手は、端部リブが前記第１面板と第２面板とにほぼ直交する直交端部リブであり、前記接合端部が第１面板や第２面板と表面が同一面になるように形成され、他方の接合継手は、端部リブが前記第１面板との連結部が前記第２面板との連結部よりも面内方向の他方の突き出し側に位置する傾斜端部リブであり、前記第１面板側の接合端部が、前記直交端部リブの位置で前記一方の接合継手に重ねるようにした接合端部であり、前記第２面板側の接合端部は、前記一方の接合端部に形成された第２面板側の接合端部に対して端面を突き当てるようにした接合端部で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、前記第１面板側の接合端部が、その第１面板に対して段差を付けて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、前記第１面板が前記他方の接合継手側にかけて前記第２面板との距離が徐々に広がるように形成され、前記第１面板側の接合端部が、その第１面板と表面が同一面をなすように延長して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継手構造は、第１面板と第２面板とが複数のリブによって連結した形状のダブルスキンパネル同士を第１面板側と第２面板側で摩擦攪拌接合するものであって、一方のダブルスキンパネルは、前記第１面板と第２面板とにほぼ直交するようにした最端に位置する直交端部リブから、前記第１面板及び第２面板と表面が同一面になるように面内方向に突き出した接合端部が形成され、他方のダブルスキンパネルは、前記第１面板との連結部が前記第２面板との連結部よりも面内方向の他方の突き出し側に位置するようにした最端に位置する傾斜端部リブが形成され、その傾斜端部リブから面内方向に突き出した第１面板側の接合端部が、前記直交端部リブの位置で前記一方のダブルスキンパネルに重ねられ、前記傾斜端部リブから面内方向に突き出した第２面板側の接合端部は、前記一方の接合端部に形成された第２面板側の接合端部に対して端面を突き当てられるように形成され、前記第２面板側では、端面を突き当てた前記接合端部が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、第１面板側では、固定ピン式の摩擦攪拌接合用工具によって、前記直交端部リブの位置で前記他方のダブルスキンパネルの接合端部が前記一方のダブルスキンパネルに摩擦攪拌接合されたもので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の継手構造は、前記他方のダブルスキンパネルの第１面板側の接合端部が、その第１面板に対して段差を付けて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継手構造は、前記重ね接合端部が一方の面板が他方の面板に対して徐々に距離が広がるように形成され、前記他方のダブルスキンパネルの第１面板側の接合端部が、その第１面板と表面が同一面をなすように延長して形成されたものであることが好ましい。

本発明に係る構造体は、複数のダブルスキンパネルを接合して構成するものであって、前記請求項４乃至請求項６のいずれかに記載するダブルスキンパネルの継手構造によってダブルスキンパネル同士が接合されたものであることを特徴とする。

よって、本発明によれば、第１面板側の接合を重ね合わせにし、固定ピン式工具によって摩擦攪拌接合するようにしたため、両面をボビンツール式工具によって接合していた従来方法に比べて精密な寸法管理を要する接合箇所が減り、接合端部の寸法精度が緩和されて生産コストを下げることが可能になる。

次に、本発明に係るダブルスキンパネル及び継手構造、並びに構造体について図面を参照しながら以下に説明する。
ここで図４は、鉄道車両用構体の外観を示した図である。鉄道車両用構体２００は、側構体２０１や屋根構体２０２、更に台枠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る。側構体２０１や屋根構体２０２は、例えば所定の幅で形成された車体方向に長いダブルスキンパネル２１０が幅方向（周方向）に突き合わされ、その突き合わせの接合線２１１に沿って車体長さの２０〜２５ｍもの距離に渡った接合が行われる。側構体２０１では、５枚のダブルスキンパネル２１０（２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄ，２１０ｅ）が用意され、それらが幅方向に突き合わされて各接合部について摩擦攪拌接合が行われる。

図１は、そうしたダブルスキンパネルの継手構造について第１実施形態を示した図である。本実施形態のダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは押出し中空型材であり、第１面板１１と第２面板１２および、その第１面板１１と第２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。そして、そのダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの左右両端には、互いが接合可能な接合継手が形成されている。

特に本実施形態のダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂは、その第１面板１１側が固定ピン式の摩擦攪拌接合用工具（以下、「固定ピン式工具」とする）５によって摩擦攪拌接合され、第２面板１２はボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具（以下、「ボビンツール式工具」とする）１によっていずれも摩擦攪拌による接合が行われる。ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの左右両端にはそのための接合継手が形成されている。

そこで、左側端部には、ダブルスキンパネル１０Ａに示すように端部リブ１３ａが第１面板１１及び第２面板１２に対してほぼ直交するように形成され、その端部リブ１３ａからは、第１面板１１及び第２面板１２の面内方向（第１面板１１又は第２面板１２の平面方向）に突き出た接合端部１１ａ，１２ａが形成されている。一方、右側端部には、ダブルスキンパネル１０Ｂに示すように端部リブ１３ｂが傾斜しており、第１面板１１側との連結部が第２面板１２側との連結部よりも面内方向外側に位置している。そして、その端部リブ１３ｂから面内方向外側に突き出した接合端部１１ｂ，１２ｂが形成されている。第２面板１２側の接合端部１２ｂは、第２面板１２と同一面で形成されているが、第１面板１１側の接合端部１１ｂは、第１面板１１に対して段差を付けて形成されている。

ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの接合継手は、こうした接合端部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂなどによって形成されている。第２面板１２側では、接合端部１２ａ，１２ｂの端面同士が突き当てられる。短い方の接合端部１２ａは全体が第２面板１２よりも肉厚で形成され、長い方の接合端部１２ｂは摩擦攪拌が行われる先端部分が肉厚で形成されている。一方、第１面板１１側では、段差を付けて形成された接合端部１１ｂが他方の接合端部１１ａの上に重ね合わせた状態で接合が行われるように構成されている。

重ね合わせた接合端部１１ｂの下には端部リブ１３ａが存在するが、固定ピン式工具５では、その回転中心がこの端部リブ１３ａの中心線上に重なる位置で摩擦攪拌が行われるようになっている。つまり、この端部リブ１３ａは、固定ピン式工具５による加工時の荷重を受けるためのものである。このように、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂの継手構造では、二箇所ある接合箇所の一方の第１面板１１側で接合端部１１ａ，１１ｂが重ねられるため、接合端部１１ａ，１１ｂの寸法管理が緩やかになり、第２面板１２の接合端面同士の突き合わせの寸法管理が精密に行われる構成になっている。

こうした継手構造の接合は、先ず第１工程として第２面板１２側の接合が行われる。それには、接合端部１２ａ，１２ｂの端面同士が突き当てられ、その接合部がボビンツール式工具１の回転体によって荷重を加えて上下から挟み込まれる。そして、ボビンツール式工具１が回転しながら接合線に沿って移動すると、攪拌軸によって摩擦攪拌された接合端部１２ａ，１２ｂ同士が接合される。
次に、第２面板１２が接合された後は、第２工程として第１面板１１同士が接合される。その第１面板１１側では、接合端部１１ｂが接合端部１１ａ側に上から重ね合わされる。そして、端部リブ１３ａの中心線に固定ピン式工具５の回転中心を合わせるようにして摩擦攪拌接合が行われる。固定ピン式工具５が接合端部１１ｂを押さえ付け、回転する攪拌軸が下のダブルスキンパネル１０Ａ側にまで達し、重ねられた接合端部１１ｂが摩擦攪拌接合される。

よって、本実施形態では、第１面板１１側の接合を重ね合わせにし、固定ピン式工具５によって摩擦攪拌接合するようにしたため、両面をボビンツール式工具１によって接合していた従来方法に比べて精密な寸法管理を要する接合箇所が減った。すなわち、第１面板１１側に生じるある程度のズレは、重ね合わせ量の変化によって許容されるため、第２面板１２側についてだけ寸法精度を厳しく管理すればよいので、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った。

また、第２面板１２の摩擦攪拌接合によって歪みが生じると、従来例では接合端面の突き合わせを優先させなければならなかったが、本実施形態では、接合端部１１ａの重なり量によって歪みを吸収することが可能な柔軟性があるため、接合後に正寸となるような配置を工夫することが可能である。そのため、例えば図４に示すダブルスキンパネル２１０でできたダブルスキンパネル２１０ａ，２１０ｂの組みと、ダブルスキンパネル２１０ｃ，２１０ｄ，２１０ｅの組みをそれぞれまとめて接合した後、更にその２組を接合する場合、先の接合が正寸で接合できているため後の接合でも第１面板１１の寸法管理が容易である。更に、ダブルスキンパネル１０Ａ，１０Ｂを接合して構成した鉄道車両用構体などの構造体表面は、第２面板１２が面一であるため見栄えのよいものとすることができる。

次に、図２は、ダブルスキンパネルの継手構造について第２実施形態を示した図である。本実施形態のダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂも押出し中空型材であり、第１面板２１と第２面板２２および、その第１面板２１と第２面板２２を連結する複数の傾斜したリブ２３によって構成されている。そして、本実施形態のダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂは共に同じものであって、幅方向（図面左右方向）の両端部をそれぞれ示したものである。すなわち、ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂには、左右両端に互いが接合可能な接合継手が形成されている。

すなわち、本実施形態でも第１面板２１側が固定ピン式工具５によって摩擦攪拌接合が行われ、また第２面板２２側はボビンツール式工具１によって摩擦攪拌接合が行われる。ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂの左右両端には、そのための接合継手が形成されている。
ダブルスキンパネルの図面左側端部は、ダブルスキンパネル２０Ａに示すように端部リブ２３ａが第１面板２１及び第２面板２２に対してほぼ直交するように形成され、その端部リブ２３ａからは、第１面板２１や第２面板２２の延長上に突き出た接合端部２１ａ，２２ａが形成されている。

一方、ダブルスキンパネルの図面右側端部は、ダブルスキンパネル２０Ｂに示すように端部リブ２３ｂが傾斜しており、第１面板２１側との連結部が第２面板２２との連結部よりもダブルスキンパネル２０Ａに近づくように傾斜している。そして、その端部リブ２３ｂから第１面板２１及び第２面板２２の面内方向に接合端部２１ｂ，２２ｂが突き出して形成されている。第１面板２１と第２面板２２は、ほぼ平行に形成されているが、右端の接合端部２１ｂが左端の接合端部２１ａに上から重なるように、右側端部に向けて徐々に間隔が広くなるように第１面板２１側が僅かに傾斜して形成されている。

ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂの接合継手は、こうした接合端部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂなどによって構成されている。そして、第２面板２２側では、接合端部２２ａ，２２ｂの端面同士が突き当てられる。短い方の接合端部２２ａは全体が第２面板２２よりも肉厚で形成され、長い方の接合端部２２ｂは摩擦攪拌が行われる先端部分が肉厚で形成されている。一方、第１面板２１側は、前述したように接合端部２１ｂが他方の接合端部２１ａに重ね合わせ、接合端部２１ｂの下に端部リブ２３ａが位置し、加工時に固定ピン式工具５から受ける荷重を支える構成になっている。

そこで、接合時には、先ず第１工程で第２面板２２同士の摩擦攪拌接合が行われる。すなわち、接合端部２２ａ，２２ｂの接合端面が突き当てられ、その接合部がボビンツール式工具１の回転体によって荷重を加えて上下から挟み込まれる。そして、ボビンツール式工具１が回転しながら接合線に沿って移動し、突き合わされた接合端面部分が摩擦攪拌接合される。そして、第２面板２２が接合された後は、第２工程として第１面板２１同士の摩擦攪拌接合が行われる。第１面板２１側では、接合端部２１ｂが接合端部２１ａ側に上から重ね合わされ、端部リブ２３ａの中心線に固定ピン式工具５の回転中心が合わせられる。そして、固定ピン式工具５が接合端部２１ｂを押さえ付け、回転する攪拌軸が下のダブルスキンパネル２０Ａ側にまで達し、重ねられた接合端部２１ｂが摩擦攪拌接合される。

よって、本実施形態でも、第１面板２１側の接合を重ね合わせにし、固定ピン式工具５によって摩擦攪拌接合するようにしたため、両面をボビンツール式工具１によって接合していた従来方法に比べて精密な寸法管理を要する接合箇所が減った。すなわち、第１面板２１側に生じるある程度のズレは、重ね合わせ量の変化によって許容されるため、第２面板２２側についてだけ寸法精度を厳しく管理すればよいので、ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂ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った。

また、第２面板２２の摩擦攪拌接合によって歪みが生じると、従来例では接合端面の突き合わせを優先させなければならなかったが、本実施形態では、接合端部２１ａの重なり量によって歪みを吸収することが可能な柔軟性があるため、接合後に正寸となるような配置を工夫することが可能である。更に、ダブルスキンパネル２０Ａ，２０Ｂを接合して構成した鉄道車両用構体などの構造体表面は、第２面板２２が面一であるため見栄えのよいものとすることができる。

なお、本発明は前記実施形態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継手構造について第１実施形態を示した図である。 ダブルスキンパネルの継手構造について第２実施形態を示した図である。 ボビンツール式の摩擦攪拌接合用工具を使用したダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合を示した図である。 鉄道車両用構体の外観を示した図である。

符号の説明

１ ボビンツール式工具
５ 固定ピン式工具
１０Ａ，１０Ｂ ダブルスキンパネル
１１ 第１面板
１１ａ，１１ｂ 接合端部
１２ 第２面板
１２ａ，１２ｂ 接合端部
１３ リブ
１３ａ，１３ｂ 端部リブ

Claims (7)

1. 第１面板と第２面板とが複数のリブによって連結され、最端に位置する端部リブから第１面板及び第２面板の面内方向に突き出した接合端部が形成され、その接合端部によって互いに接合可能な一組の接合継手が両端部に形成されたダブルスキンパネルにおいて、
   一方の接合継手は、端部リブが前記第１面板と第２面板とにほぼ直交する直交端部リブであり、前記接合端部が第１面板や第２面板と表面が同一面になるように形成され、
   他方の接合継手は、端部リブが前記第１面板との連結部が前記第２面板との連結部よりも面内方向の他方の突き出し側に位置する傾斜端部リブであり、前記第１面板側の接合端部が、前記直交端部リブの位置で前記一方の接合継手に重ねるようにした接合端部であり、前記第２面板側の接合端部は、前記一方の接合端部に形成された第２面板側の接合端部に対して端面を突き当てるようにした接合端部で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、
   前記第１面板側の接合端部は、その第１面板に対して段差を付けて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。
3. 請求項１に記載するダブルスキンパネルにおいて、
   前記第１面板は、前記他方の接合継手側にかけて前記第２面板との距離が徐々に広がるように形成され、前記第１面板側の接合端部は、その第１面板と表面が同一面をなすように延長して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。
4. 第１面板と第２面板とが複数のリブによって連結した形状のダブルスキンパネル同士を第１面板側と第２面板側で摩擦攪拌接合するダブルスキンパネルの継手構造において、
   一方のダブルスキンパネルは、前記第１面板と第２面板とにほぼ直交するようにした最端に位置する直交端部リブから、前記第１面板及び第２面板と表面が同一面になるように面内方向に突き出した接合端部が形成され、
   他方のダブルスキンパネルは、前記第１面板との連結部が前記第２面板との連結部よりも面内方向の他方の突き出し側に位置するようにした最端に位置する傾斜端部リブが形成され、その傾斜端部リブから面内方向に突き出した第１面板側の接合端部が、前記直交端部リブの位置で前記一方のダブルスキンパネルに重ねられ、前記傾斜端部リブから面内方向に突き出した第２面板側の接合端部は、前記一方の接合端部に形成された第２面板側の接合端部に対して端面を突き当てられるように形成され、
   前記第２面板側では、端面を突き当てた前記接合端部が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、第１面板側では、固定ピン式の摩擦攪拌接合用工具によって、前記直交端部リブの位置で前記他方のダブルスキンパネルの接合端部が前記一方のダブルスキンパネルに摩擦攪拌接合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継手構造。
5. 請求項４に記載するダブルスキンパネルの継手構造において、
   前記他方のダブルスキンパネルの第１面板側の接合端部が、その第１面板に対して段差を付けて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継手構造。
6. 請求項４に記載するダブルスキンパネルの継手構造において、
   前記重ね接合端部は、一方の面板が他方の面板に対して徐々に距離が広がるように形成され、前記他方のダブルスキンパネルの第１面板側の接合端部が、その第１面板と表面が同一面をなすように延長して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継手構造。
7. 複数のダブルスキンパネルを接合して構成する構造体において、
   前記請求項４乃至請求項６のいずれかに記載するダブルスキンパネルの継手構造によってダブルスキンパネル同士が接合されたものであることを特徴とする構造体。

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