JP4723081B2 - 構造体の製作方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の製作方法に関するものである。例えば、アルミニウム合金製の鉄道車両や建築物等の構造体の製作に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿入する小径部と外部に位置する大径部からなる。小径部と大径部は、同軸である。小径部と大径部の境は、接合部に若干挿入されている。これは特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ6050474）に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、部材を摩擦攪拌接合した場合、回転工具と部材間に発生する摩擦熱の影響によって、接合部近傍の強度が低下する。このため、摩擦攪拌接合を用いて製作した構造体に荷重が作用した場合、摩擦熱の影響のない母材部の強度が十分であるにも関わらず、強度が低下した接合部近傍において、構造体が容易に破壊してしまうことがある。
【０００４】
このような接合部近傍における構造体の容易な破壊を防止する手段が、特開平１１−２５４１５５号公報に示されている。これは板材の一方の面に凸部を設け、接合部近傍の硬さの違いに応じて接合部近傍の板厚を増加させ、接合部近傍の強度を向上させている。しかし、板厚が上下対称にならず、所定の強度が確保できない。
本発明の目的は、強度の高い構造体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、板の端部において両面にそれぞれ突出高さが実質的に同一の第１の凸部を有し、一方の前記第１の凸部に第２の凸部を有する第１の部材及び第２の部材を準備し、前記第１の部材の前記端部と前記第２の部材の前記端部とを突き合わせると共に、前記第２の凸部同士を突き合わせ、回転工具の小径部を前記突き合わせ部分に挿入すると共に、前記回転工具の大径部を前記第２の凸部に挿入した状態で、摩擦攪拌接合し、前記第２の凸部を切削すること、によって達成できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１、２、３により説明する。車体１００は、床を構成する台枠１０１、屋根を構成する屋根構体１０２、側面を構成する側構体１０３、長手方向の端部を構成する妻構体１０４からなる。台枠１０１、屋根構体１０２、側構体１０３は、それぞれ複数の押し出し形材を接合することにより製作される。押し出し形材の長手方向は、車体の長手方向と一致している。押し出し形材は、アルミニウム合金製である。
【０００７】
台枠１０１を構成する板材１０、２０の接合部近傍の構成および接合方法を説明する。板材１０（２０）の端部の一方側の面には凸部１１（２１）、他方側の面には凸部１２（２２）が存在する。凸部１１（２１）には凸部１３（２３）が存在する。板材１０、２０の板厚は、同等である。凸部１３、２３を除いた凸部１１、２１の高さ、幅は、同等である。凸部１２、２２の高さ、幅は、同等である。凸部１３、２３の高さ、幅は、同等である。凸部１１、２１の幅は凸部１３、２３の幅よりも大きい。凸部１１、１２、２１、２２の頂から板材１０、２０の面までは斜めに接続している。凸部１３と２３を合わせた幅は回転工具５０の大径部５２の径よりも大きい。
【０００８】
凸部１２、２２側の面を下方にして、板材１０、２０をベッド３０に載せる。板材１０、２０の端面を突き合わせ、板材１０、２０をベッド３０に強固に固定する。突き合わせ面４０は、ベッド３０に垂直である。板材１０、２０の板厚中心は、実質的に一致している。
【０００９】
かかる構成において、板材１０、２０を摩擦攪拌接合する。回転工具５０の先端の小径部５１を突き合わせ面４０に挿入し、接合線に沿って移動させる。回転工具５０は、小径部５１と大径部５２からなる。小径部５１と大径部５２は、同軸である。回転工具５０の軸心と突き合わせ面４０は、実質的に一致している。ただし、公知のように、回転工具５０は、接合方向に若干傾斜している。小径部５１の下端は、凸部１２、２２の下面のわずか上方に位置する。大径部５２の下端は、凸部１３、２３を除いた凸部１１、２１の上面のわずか上方に位置する。この摩擦攪拌接合によって、突き合わせ面４０の隙間が埋められ、板材１０、２０が接合される。
【００１０】
最後に、凸部１３、２３を切削し、凸部１１、２１の高さと凸部１２、２２の高さｔを、実質的に同等とする。
【００１１】
以上の方法により製作された台枠１０１は、接合線の直角方向に引張荷重が作用した場合、接合部近傍の板厚が増加しているにも関わらず、接合部近傍に曲げ変形を生じない。よって、接合部近傍に発生する応力を低減でき、高い引張荷重に耐えることが可能となる。これより、車体１００のトンネル通過時等、接合線の直角方向に高い引張荷重が作用する場合には、上記構造が、強度的に大きな効果を発揮するものと考えられる。上記実施例は台枠１０１に適用したが、屋根構体１０２に適用することができる。
【００１２】
本発明の他の実施例を図４，５，６により説明する。中空押し出し形材２１０（２２０）は、２枚の面板２１１、２１２（２２１、２２２）とトラス状に配置した複数のリブ２１３（２２３）からなる。２枚の面板２１１、２１２（２２１、２２２）は、実質的に平行である。リブ２１３（２２３）のピッチは同一である。２枚の面板２１１、２１２（２２１、２２２）の端面の押し出し方向に直角な方向の位置は、実質的に一致する。面板２１１、２２１の端部同士、面板２１２、２２２の端部同士を接合することにより、構造体を製作する。なお、中空押し出し形材２１０、２２０は、アルミニウム合金製である。
【００１３】
中空押し出し形材２１０、２２０の接合部近傍の構成および接合方法を説明する。ここで、面板２１１、２２１の接合部と面板２１２、２２２の接合部の形状は同一である。よって、面板２１２、２２２の接合部近傍の構成および接合方法のみを説明する。
【００１４】
面板２１２（２２２）の端部の一方側の面には凸部２１４（２２４）、他方側の面には凸部２１５（２２５）が存在する。凸部２１４（２２４）には凸部２１６（２２６）が存在する。面板２１２、２２２の板厚は、同等である。凸部２１６、２２６を除いた凸部２１４、２２４の高さ、幅は、同等である。凸部２１６、２２６の高さ、幅は、同等である。凸部２１６、２２６を除いた凸部２１４、２２４の高さ、幅は、凸部２１５、２２５の高さ、幅と同等である。凸部２１４、２２４の幅は凸部２１６、２２６の幅よりも大きい。凸部２１４、２１５、２２４、２２５の頂から面板２１２、２２２の面までは斜めに接続している。凸部２１６と２２６を合わせた幅は回転工具２５０の大径部２５２の径よりも大きい。つまり、接合部の構成は図１の実施例の構成と同等である。
【００１５】
面板２１１、２２１側の面を下方にして、中空押し出し形材２１０、２２０をベッド２３０に載せ、両者を突き合わせ、ベッド２３０に強固に固定する。突き合わせ面２４０は、ベッド２３０に垂直である。面板２１２、２２２の板厚中心は、実質的に一致している。
【００１６】
かかる構成において、面板２１２、２２２を摩擦攪拌接合する。回転工具２５０として、小径部２５１の軸心の両端に大径部２５２、２５３を有するものを用いる。大径部２５２、２５３の径は同等である。小径部２５１を接合線の端部から突き合わせ面２４０に挿入し、接合線に沿って移動させる。大径部２５２の下端は前記実施例と同様に凸部２１６、２２６内に入っている。回転工具２５０の軸心と突き合わせ面２４０は、実質的に一致している。ただし、回転工具２５０は、接合方向に若干傾斜している。すなわち、大径部の２５２の軸心が大径部２５３の軸心よりも移動方向において後方に存在するように後ろに傾斜している。大径部２５２の下端は、凸部２１６、２２６を除いた凸部２１４、２２４の上面よりも上に位置する。大径部２５３の上端は、凸部２１５、２２５の下端に接するがごとき位置にある。
【００１７】
この摩擦攪拌接合によって、突き合わせ面２４０の隙間が埋められ、面板２１２、２２２が接合される。その後、凸部２１６、２２６を切削する。これにより、凸部２１４、２２４の高さと凸部２１５、２２５の高さは、実質的に同等となる。
【００１８】
なお、凸部２１５、２２５の下面には、接合によって若干の凸部が生じるが、誤差の範囲として許容できる。同様に、凸部２１６、２２６の切削も不要にできる場合がある。
上面側の突き合わせ部の接合が完了したら、中空形材を上下反転させ、同様に接合を行う。
【００１９】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に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。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、接合線の直角方向に引張荷重が作用した場合、接合部近傍に発生する応力を低減できるので、強度の高い構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部近傍の縦断面図。
【図２】図１によって接合したものを仕上げた状態の縦断面図。
【図３】鉄道車両の車体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の接合部近傍の縦断面図。
【図５】図４によって接合したものを仕上げた状態の縦断面図。
【図６】中空押し出し形材の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０：板材、１１、１２、２１、２２：凸部、１３、２３：凸部、３０：ベッド、４０：接合面、５０：回転工具、５１：小径部、５２：大径部、１００：車体、１０１：台枠、１０２：屋根構体、１０３：側構体、１０４：妻構体、２１０、２２０：中空押し出し形材、２１１、２１２、２２１、２２２：面板、２１３、２２３：リブ、２１４、２１５、２１６、２２４、２２５、２２６：凸部、２３０：ベッド、２４０：接合面、２５０：回転工具、２５１：小径部、２５２、２５３：大径部
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の製作方法に関するものである。例えば、アルミニウム合金製の鉄道車両や建築物等の構造体の製作に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した丸棒（回転工具という。）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は、接合部に挿入する小径部と外部に位置する大径部からなる。小径部と大径部は、同軸である。小径部と大径部の境は、接合部に若干挿入されている。これは特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ6050474）に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、部材を摩擦攪拌接合した場合、回転工具と部材間に発生する摩擦熱の影響によって、接合部近傍の強度が低下する。このため、摩擦攪拌接合を用いて製作した構造体に荷重が作用した場合、摩擦熱の影響のない母材部の強度が十分であるにも関わらず、強度が低下した接合部近傍において、構造体が容易に破壊してしまうことがある。
【０００４】
このような接合部近傍における構造体の容易な破壊を防止する手段が、特開平１１−２５４１５５号公報に示されている。これは板材の一方の面に凸部を設け、接合部近傍の硬さの違いに応じて接合部近傍の板厚を増加させ、接合部近傍の強度を向上させている。しかし、板厚が上下対称にならず、所定の強度が確保できない。
本発明の目的は、強度の高い構造体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、板の端部において両面にそれぞれ突出高さが実質的に同一の第１の凸部を有し、一方の前記第１の凸部に第２の凸部を有する第１の部材及び第２の部材を準備し、前記第１の部材の前記端部と前記第２の部材の前記端部とを突き合わせると共に、前記第２の凸部同士を突き合わせ、回転工具の小径部を前記突き合わせ部分に挿入すると共に、前記回転工具の大径部を前記第２の凸部に挿入した状態で、摩擦攪拌接合し、前記第２の凸部を切削すること、によって達成できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１、２、３により説明する。車体１００は、床を構成する台枠１０１、屋根を構成する屋根構体１０２、側面を構成する側構体１０３、長手方向の端部を構成する妻構体１０４からなる。台枠１０１、屋根構体１０２、側構体１０３は、それぞれ複数の押し出し形材を接合することにより製作される。押し出し形材の長手方向は、車体の長手方向と一致している。押し出し形材は、アルミニウム合金製である。
【０００７】
台枠１０１を構成する板材１０、２０の接合部近傍の構成および接合方法を説明する。板材１０（２０）の端部の一方側の面には凸部１１（２１）、他方側の面には凸部１２（２２）が存在する。凸部１１（２１）には凸部１３（２３）が存在する。板材１０、２０の板厚は、同等である。凸部１３、２３を除いた凸部１１、２１の高さ、幅は、同等である。凸部１２、２２の高さ、幅は、同等である。凸部１３、２３の高さ、幅は、同等である。凸部１１、２１の幅は凸部１３、２３の幅よりも大きい。凸部１１、１２、２１、２２の頂から板材１０、２０の面までは斜めに接続している。凸部１３と２３を合わせた幅は回転工具５０の大径部５２の径よりも大きい。
【０００８】
凸部１２、２２側の面を下方にして、板材１０、２０をベッド３０に載せる。板材１０、２０の端面を突き合わせ、板材１０、２０をベッド３０に強固に固定する。突き合わせ面４０は、ベッド３０に垂直である。板材１０、２０の板厚中心は、実質的に一致している。
【０００９】
かかる構成において、板材１０、２０を摩擦攪拌接合する。回転工具５０の先端の小径部５１を突き合わせ面４０に挿入し、接合線に沿って移動させる。回転工具５０は、小径部５１と大径部５２からなる。小径部５１と大径部５２は、同軸である。回転工具５０の軸心と突き合わせ面４０は、実質的に一致している。ただし、公知のように、回転工具５０は、接合方向に若干傾斜している。小径部５１の下端は、凸部１２、２２の下面のわずか上方に位置する。大径部５２の下端は、凸部１３、２３を除いた凸部１１、２１の上面のわずか上方に位置する。この摩擦攪拌接合によって、突き合わせ面４０の隙間が埋められ、板材１０、２０が接合される。
【００１０】
最後に、凸部１３、２３を切削し、凸部１１、２１の高さと凸部１２、２２の高さｔを、実質的に同等とする。
【００１１】
以上の方法により製作された台枠１０１は、接合線の直角方向に引張荷重が作用した場合、接合部近傍の板厚が増加しているにも関わらず、接合部近傍に曲げ変形を生じない。よって、接合部近傍に発生する応力を低減でき、高い引張荷重に耐えることが可能となる。これより、車体１００のトンネル通過時等、接合線の直角方向に高い引張荷重が作用する場合には、上記構造が、強度的に大きな効果を発揮するものと考えられる。上記実施例は台枠１０１に適用したが、屋根構体１０２に適用することができる。
【００１２】
本発明の他の実施例を図４，５，６により説明する。中空押し出し形材２１０（２２０）は、２枚の面板２１１、２１２（２２１、２２２）とトラス状に配置した複数のリブ２１３（２２３）からなる。２枚の面板２１１、２１２（２２１、２２２）は、実質的に平行である。リブ２１３（２２３）のピッチは同一である。２枚の面板２１１、２１２（２２１、２２２）の端面の押し出し方向に直角な方向の位置は、実質的に一致する。面板２１１、２２１の端部同士、面板２１２、２２２の端部同士を接合することにより、構造体を製作する。なお、中空押し出し形材２１０、２２０は、アルミニウム合金製である。
【００１３】
中空押し出し形材２１０、２２０の接合部近傍の構成および接合方法を説明する。ここで、面板２１１、２２１の接合部と面板２１２、２２２の接合部の形状は同一である。よって、面板２１２、２２２の接合部近傍の構成および接合方法のみを説明する。
【００１４】
面板２１２（２２２）の端部の一方側の面には凸部２１４（２２４）、他方側の面には凸部２１５（２２５）が存在する。凸部２１４（２２４）には凸部２１６（２２６）が存在する。面板２１２、２２２の板厚は、同等である。凸部２１６、２２６を除いた凸部２１４、２２４の高さ、幅は、同等である。凸部２１６、２２６の高さ、幅は、同等である。凸部２１６、２２６を除いた凸部２１４、２２４の高さ、幅は、凸部２１５、２２５の高さ、幅と同等である。凸部２１４、２２４の幅は凸部２１６、２２６の幅よりも大きい。凸部２１４、２１５、２２４、２２５の頂から面板２１２、２２２の面までは斜めに接続している。凸部２１６と２２６を合わせた幅は回転工具２５０の大径部２５２の径よりも大きい。つまり、接合部の構成は図１の実施例の構成と同等である。
【００１５】
面板２１１、２２１側の面を下方にして、中空押し出し形材２１０、２２０をベッド２３０に載せ、両者を突き合わせ、ベッド２３０に強固に固定する。突き合わせ面２４０は、ベッド２３０に垂直である。面板２１２、２２２の板厚中心は、実質的に一致している。
【００１６】
かかる構成において、面板２１２、２２２を摩擦攪拌接合する。回転工具２５０として、小径部２５１の軸心の両端に大径部２５２、２５３を有するものを用いる。大径部２５２、２５３の径は同等である。小径部２５１を接合線の端部から突き合わせ面２４０に挿入し、接合線に沿って移動させる。大径部２５２の下端は前記実施例と同様に凸部２１６、２２６内に入っている。回転工具２５０の軸心と突き合わせ面２４０は、実質的に一致している。ただし、回転工具２５０は、接合方向に若干傾斜している。すなわち、大径部の２５２の軸心が大径部２５３の軸心よりも移動方向において後方に存在するように後ろに傾斜している。大径部２５２の下端は、凸部２１６、２２６を除いた凸部２１４、２２４の上面よりも上に位置する。大径部２５３の上端は、凸部２１５、２２５の下端に接するがごとき位置にある。
【００１７】
この摩擦攪拌接合によって、突き合わせ面２４０の隙間が埋められ、面板２１２、２２２が接合される。その後、凸部２１６、２２６を切削する。これにより、凸部２１４、２２４の高さと凸部２１５、２２５の高さは、実質的に同等となる。
【００１８】
なお、凸部２１５、２２５の下面には、接合によって若干の凸部が生じるが、誤差の範囲として許容できる。同様に、凸部２１６、２２６の切削も不要にできる場合がある。
上面側の突き合わせ部の接合が完了したら、中空形材を上下反転させ、同様に接合を行う。
【００１９】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に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。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、接合線の直角方向に引張荷重が作用した場合、接合部近傍に発生する応力を低減できるので、強度の高い構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合部近傍の縦断面図。
【図２】図１によって接合したものを仕上げた状態の縦断面図。
【図３】鉄道車両の車体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の接合部近傍の縦断面図。
【図５】図４によって接合したものを仕上げた状態の縦断面図。
【図６】中空押し出し形材の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０：板材、１１、１２、２１、２２：凸部、１３、２３：凸部、３０：ベッド、４０：接合面、５０：回転工具、５１：小径部、５２：大径部、１００：車体、１０１：台枠、１０２：屋根構体、１０３：側構体、１０４：妻構体、２１０、２２０：中空押し出し形材、２１１、２１２、２２１、２２２：面板、２１３、２２３：リブ、２１４、２１５、２１６、２２４、２２５、２２６：凸部、２３０：ベッド、２４０：接合面、２５０：回転工具、２５１：小径部、２５２、２５３：大径部
Claims (4)
- 板の端部において両面にそれぞれ突出高さが実質的に同一の第１の凸部を有し、一方の前記第１の凸部に第２の凸部を有する第１の部材及び第２の部材を準備し、
前記第１の部材の前記端部と前記第２の部材の前記端部とを突き合わせると共に、前記第２の凸部同士を突き合わせ、
回転工具の小径部を前記突き合わせ部分に挿入すると共に、前記回転工具の大径部を前記第２の凸部に挿入した状態で、摩擦攪拌接合し、
前記第２の凸部を切削すること、
を特徴とする構造体の製作方法。 - 請求項１の構造体の製作方法において、前記回転工具は前記小径部の軸方向の両端にそれぞれ大径部を有するものであり、
一方の前記大径部は前記第２の凸部内に位置させ、他方の前記大径部は前記第２の凸部ではない側に位置させて、前記摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする構造体の製作方法。 - 請求項１の構造体の製作方法において、それぞれの前記第１の凸部の頂部と前記板の面とは傾斜した面で接続しており、かかる前記第１の部材と前記第２の部材を突き合わせて前記摩擦攪拌接合をすること、を特徴とする構造体の製作方法。
- 構造体は鉄道車両の構造体である請求項１乃至３のいずれかに記載の構造体の製作方法。
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| JP2000362841A JP4723081B2 (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | 構造体の製作方法 |
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