JP5203311B2

JP5203311B2 - 摩擦撹拌接合構造及び摩擦撹拌接合方法

Info

Publication number: JP5203311B2
Application number: JP2009170435A
Authority: JP
Inventors: 昌邦江角; 祐貴橋本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: JP2011025252A

Description

本発明は、摩擦撹拌接合に使用する形材、特にリブで接続される面板が互いに傾斜した摩擦撹拌接合構造及び摩擦撹拌接合方法に関する。

摩擦撹拌接合方法は、特許文献１に示すように、アルミニウムの形材の突き合わせ部に回転工具で撹拌する固層接合である。摩擦撹拌接合用の形材は、二枚の面板を複数のリブで接続して構成されており、好ましくはアルミニウム材の押し出し成形で形成される。両形材の突き合わせ端部に板の厚さ方向に突出する凸部を設けておき、突き合わされた形材同士を摩擦撹拌接合する場合、凸部側から回転工具を挿入して、突き合わせ部に存在する可能性がある隙間を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、残った凸部を摩擦撹拌接合の終了後、グラインダーで切削して除いている。

形材の押し出し方向に交差する幅寸法は約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並べて隣合う形材同士を接合している。このため、凸部の高さは各部同一である。

しかしながら、摩擦撹拌接合の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、場所により形材の高さが異なる場合があり、また、向かい合って形材を構成する二枚の面板が互いに平行ではなく、２０度程度の角度の傾斜が生じる可能性がある。そうすると、両面の接合部に共通した接合荷重を保持するために両面板を接続する縦リブを設けた場合、接合反力による曲げ応力緩和により縦リブを厚くする必要が生じる。また、摩擦撹拌接合に必要となる凸部の面板の板厚方向高さが、同じ接合部で左右高さ違いが生じ、摩擦撹拌接合後の見栄えが劣る場合がある。

図２を参照して、これらの具体的な技術的事情を説明する。図２は、上下の面板１２，１３が互いに平行ではなく２０度程度の角度で傾いている形材１０，１１についての摩擦撹拌接合の様子の一例を示す模式図である。このような形材では、回転工具３０の摩擦撹拌接合時の荷重（両面板１２，１３に交差する方向の荷重）を、両面板１２，１３を接続する一つの縦リブ１５で受けようとする場合、そうした縦リブ１５はどちらの面板１２，１３にも垂直な縦リブとはなり得ない。

そのため、例えば、接合部近傍の構造として、面板１２，１３に対して直角ではなく中間の角度で縦リブ１５を設ける必要がある。この場合、縦リブ１５は両面板１２，１３に対して共に垂直になることはないために、摩擦撹拌接合に必要であるところの回転工具３０の挿入（押し当て）方向に厚みを増した凸部１７の板厚方向高さＨ１と凸部１８の板厚方向高さＨ２、及び凸部１９の板厚方向高さＨ３と凸部２０の板厚方向高さＨ４とがそれぞれで一定の値ではないとともに互いに異なってしまうという問題がある。

また、面板１２側の回転工具３０と面板１３側の回転工具３０の押し当て方向は互いに正対するものの、凸部１７，１８及び凸部１９，２０の回転工具３０，３０が押し当てられる表面はそれぞれ面板１２，１３の表面に対して平行にならない。したがって、摩擦撹拌接合の作業状態は望ましい状態からはほど遠く、良好な摩擦撹拌接合が得られず、接合後の見栄えが低下する、或いは接合後の仕上げ作業が困難になるという不具合がある。

特許第３０１４６５４号公報

そこで、互いに平行でなく傾斜した面板を有する形材同士を摩擦撹拌接合する場合、各接合部において突き合わせられた両面板の摩擦撹拌条件を同じにして、良好な接合となる摩擦撹拌接合用形材、並びにそれを用いた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合構造を得る点で、解決すべき課題がある。

本発明の目的は、互いに平行でなく傾斜した面板を有する形材を摩擦撹拌接合する場合に、摩擦撹拌接合に必要とされる接合部の形状・構造的な摩擦撹拌条件を同じにして、良好な摩擦撹拌接合を得ることができる摩擦撹拌接合用形材、並びにそれを用いた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合構造を提供することである。

本発明による摩擦撹拌接合用形材は、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と、二つの面板を接続する複数のリブとを有し、前記両面板の互いに突き合わされた両継手部における摩擦撹拌接合で接合される摩擦撹拌接合用形材であって、当該摩擦撹拌接合で生じる荷重を受けるため一方の前記面板の前記継手部から他方の前記面板に延びて両面板間に接続される縦リブとを有している摩擦撹拌接合用形材において、前記縦リブは、前記継手部において前記一方の面板に対して垂直に延びていることを特徴とする。

また、本発明による摩擦撹拌接合構造は、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブとを有する第１の摩擦撹拌接合用形材と、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブとを有する第２の摩擦撹拌接合用形材とを、前記両面板の互いに突き合わされた両継手部における摩擦撹拌接合で接合し、前記各摩擦撹拌接合用形材は、当該摩擦撹拌接合で生じる荷重を受けるため一方の前記面板の前記継手部から他方の前記面板に延びて両面板間に接続される縦リブとを有している摩擦撹拌接合構造において、前記各縦リブは、前記継手部において前記一方の各面板に対して垂直に延びていることを特徴とする。

更に、この発明による摩擦撹拌接合方法は、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブとを有する第１の摩擦撹拌接合用形材と、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブとを有する第２の摩擦撹拌接合用形材とを、前記両面板の両継手部において互いに突き合わせ、
突き合わせられた前記両継手部における摩擦撹拌接合で前記両摩擦撹拌接合用形材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記各摩擦撹拌接合用形材は、一方の前記面板の前記継手部から当該一方の面板に対して垂直に他方の前記面板に延びて両面板間に接続される縦リブを有しており、前記摩擦撹拌接合時に生じる荷重を前記縦リブで受けつつ前記摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする。

この発明である摩擦撹拌接合用形材、並びにそれを用いた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合構造によれば、摩擦撹拌接合用形材は、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と、２つの面板を接続する複数のリブとを有し、二つの摩擦撹拌接合用形材が両面板の互いに突き合わされた両継手部における摩擦撹拌接合で接合されるのであるが、この場合、摩擦撹拌接合用形材は摩擦撹拌接合で生じる荷重を受けるため一方の面板の継手部から他方の面板に延びて両面板間に接続される縦リブを有しており、且つその縦リブは継手部において一方の面板に対して垂直に延びている。そのため、継手部において、接合される各面板について摩擦撹拌に必要とされる板厚を増した凸部の板厚方向高さを同一にすることができる、或いは両継手部に摩擦撹拌接合のために作用する力の向きを垂直に延びる縦リブが延びる向きに合わせることによって摩擦撹拌に伴う回転工具の押し当て力が垂直な縦リブによって正対して支えられ、力のバランスが保たれるというように、縦リブが延びる継手部において接合される両面板で各摩擦撹拌接合用形材の摩擦撹拌条件が同じになり、摩擦撹拌接合が左右でバランスが取れて良好な摩擦撹拌接合が得られる。なお、摩擦撹拌接合用形材は、二つの面板と、これらを接続する複数のリブと、縦リブとを一体的に備える中空形材とすることができる。

この発明である摩擦撹拌接合用形材、並びにそれを用いた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合構造によれば、摩擦撹拌接合用形材は摩擦撹拌接合で生じる荷重を受けるため一方の面板の継手部から他方の面板に延びて両面板間に接続される縦リブを有しており、且つその縦リブは継手部において一方の面板に対して垂直に延びているので、両継手部に摩擦撹拌接合のために作用する力の向きを垂直に延びる縦リブが延びる向きに合わせることによって、摩擦撹拌接合用工具の継手部への挿入による力の掛かる状態や接合すべき面板の板厚方向高さ等の縦リブの両側での各摩擦撹拌接合用形材の摩擦撹拌条件が同じになる。それゆえ、摩擦撹拌接合が左右でバランスが保たれて、摩擦撹拌接合の作業状態は望ましい状態が維持され、良好な摩擦撹拌接合が得られる。その結果、摩擦撹拌接合後の見栄えが良く、突き合わされた各面板に板厚方向に高さが揃った凸部の残部、および高さが揃った凸部から生じる接合バリ等を除去する作業となるため、グラインダーの切削面を面板に対して並行に維持することが容易になるとともに、その作業時間も短縮できる。

本発明による摩擦撹拌接合用形材、並びにそれを用いた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合構造の実施例であって、摩擦撹拌接合時の状態を示す正面図である。従来の形材構造での摩擦撹拌接合時の状態を示す正面図である。

本発明による摩擦撹拌接合用形材、並びにそれを用いた摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合構造の実施例を図１により説明する。図１において、摩擦撹拌接合形材（以下、「形材」と略す）１０の面板１２ａ，１３ａ、及び形材１１の面板１２ｂ，１３ｂは互いに平行ではなく傾斜している。この傾斜角度は、例えば２０度程度である。ただし、この例では、面板１２ａと面板１２ｂとは、接合状態では一つの滑らかに連続する面上にあり、面板１３ａと面板１３ｂについても別の滑らかに連続する面上にある。

摩擦撹拌接合用形材１０と摩擦撹拌接合用形材１１との間は、面板１２ａ，１２ｂを摩擦撹拌接合を実施する継手部Ａによって接合される。摩擦撹拌接合時の荷重を受けるため、摩擦撹拌接合用形材１０の接合端には、面板１２ａと面板１３ａとを接続する縦リブ１５が設けてある。縦リブ１５は、面板１３ａに対しては垂直ではないが、継手部Ａにおいては面板１２ａに対して垂直に設けられている。

また、摩擦撹拌接合用形材１０と摩擦撹拌接合用形材１１との間は、面板１３ａ，１３ｂを摩擦撹拌接合を実施する継手部Ｂによって接合される。摩擦撹拌接合時の荷重を受けるため、摩擦撹拌接合用形材１１の接合端には、縦リブ１５とは別に、面板１２ｂと面板１３ｂとを接続する縦リブ１６が設けてある。縦リブ１６は、面板１２ｂに対しては垂直ではなく、また継手部Ａから摩擦撹拌接合用形材１１の幅方向の中央部寄りの内側の部位に接続されているが、継手部Ｂにおいて面板１３ｂに対しては垂直に設けられている。

摩擦撹拌接合用形材１０は、二つの面板１２ａ，１３ａと、当該面板１２ａ，１３ａを接続する複数のリブ１４ａと、縦リブ１５とを一体的に備える中空形材に形成することができる。また、摩擦撹拌接合用形材１１についても、二つの面板１２ｂ，１３ｂと、当該面板１２ｂ，１３ｂを接続する複数のリブ１４ｂと、縦リブ１６とを一体的に備える中空形材に形成することができる。

両継手部Ａ，Ｂにおいて、摩擦撹拌接合のために回転工具３０，３０が作用する挿入力の向きを垂直に延びる縦リブ１５，１６が延びる向きに合わせることによって、面板１２ａ，１２ｂ側の回転工具３０の押し当て方向は縦リブ１５の接続方向と正対することになり、また、面板１３ａ，１３ｂ側の回転工具３０の押し当て方向は縦リブ１５の接続方向と正対することになる。したがって、摩擦撹拌に伴う回転工具３０，３０の押し当て力（挿入力）が垂直な縦リブ１５，１６によって正対して支えられ、両継手部Ａ，Ｂにおける各縦リブ１５，１６の両側での力のバランスが保たれる。

摩擦撹拌接合用形材１０，１１を摩擦撹拌接合する場合に、継手部Ａ，Ｂにおいて摩擦撹拌に必要とされる構造として、面板１２ａ，１２ｂの表面から隆起した凸部１７，１８や、面板１３ａ，１３ｂの表面から隆起した凸部１９，２０がある。摩擦撹拌接合用形材１０，１１が有する上記の構造により、縦リブ１５，１６における回転工具３０，３０の押し当て力のバランスと合わせて、凸部１７，１８が面板１２ａ，１２ｂの表面から隆起した板厚方向の高さを同じ高さｈ１とし、また、凸部１９，２０が面板１３ａ，１３ｂの表面から隆起した板厚方向の高さを同じ高さｈ２にすることで、各継手部Ａ，Ｂにおいて縦リブ１５，１６の両側で同じ摩擦撹拌接合条件が維持される。なお、高さｈ１と高さｈ２とは同じ値にすることができる。凸部１７，１８及び凸部１９，２０の表面は、それぞれ面板１２，１３の表面に対して平行になる。

このように、縦リブ１５，１６の両側で各摩擦撹拌接合用形材１０，１１の摩擦撹拌条件が同じになり、摩擦撹拌接合が左右でバランスが保たれ、良好な摩擦撹拌接合を得ることができる。

１０，１１：摩擦撹拌接合用形材１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ：面板
１４ａ，１４ｂ：リブ１５，１６：縦リブ
１７，１８：凸部１９，２０：凸部
３０：回転工具
Ａ、Ｂ：継手部（摩擦撹拌接合部）

Claims

向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブと一方の面板の継手部から他方の面板に延びて両面板間に接続される縦リブとを有する第１の摩擦撹拌接合用形材と、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブと一方の面板の継手部から他方の面板に延びて両面板間に接続される縦リブとを有する第２の摩擦撹拌接合用形材とを、前記両面板の互いに突き合わされた両継手部における摩擦撹拌接合で接合する摩擦撹拌接合構造において、
前記第１の摩擦撹拌接合用形材の一方の面板の前記継手部から延びる前記縦リブは、前記一方の面板に対して垂直に延びて他方の前記面板の継手部に延びており、前記第２の摩擦撹拌接合用形材の前記第１の摩擦撹拌接合用形材の前記他方の面板に接続する前記継手部から延びる前記縦リブは、前記第２の摩擦撹拌接合用形材の一方の面板に対して垂直に延びて第１の摩擦撹拌接合用形材の前記一方の面板の前記継手部よりも第２の摩擦撹拌接合用形材の幅方向の中央部よりの部位に延びていること
を特徴とする摩擦撹拌接合構造。
前記継手部は、互いに接合される前記面板の表面から隆起する高さが同一となる凸部を備えており、前記摩擦撹拌接合に供される回転工具は前記凸部から前記縦リブの延びる方向に挿入されるとともに、前記摩擦撹拌接合は前記凸部に沿って行われること
を特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合構造。
前記第１の摩擦撹拌接合用形材および前記第２の摩擦撹拌用形材は、前記二つの面板と、当該面板を接続する前記複数のリブと、前記縦リブとを一体的に備える中空形材であること
を特徴とする請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合構造。
向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブと一方の面板の継手部から他方の面板に延びて両面板間に接続される縦リブとを有する第１の摩擦撹拌接合用形材と、向かい合い且つ互いに対して傾斜した二つの面板と当該両面板を接続する複数のリブと一方の面板の継手部から他方の面板に延びて両面板間に接続される縦リブとを有する第２の摩擦撹拌接合用形材とを、前記両面板の両継手部において互いに突き合わせ、
突き合わせられた前記両継手部における摩擦撹拌接合で前記両摩擦撹拌接合用形材を接合する摩擦撹拌接合方法において、
前記第１の摩擦撹拌接合用形材の一方の面板の前記継手部から延びる前記縦リブは、前記一方の面板に対して垂直に延びて他方の前記面板の前記継手部に延びており、前記第２の摩擦撹拌接合用形材の前記第１の摩擦撹拌接合用形材の前記他方の面板に接続する前記継手部から延びる前記縦リブは、前記第２の摩擦撹拌接合用形材の一方の面板に対して垂直に延びて第１の摩擦撹拌接合用形材の前記一方の面板の前記継手部よりも第２の摩擦撹拌接合用形材の幅方向の中央部よりの部位に延びていること
を特徴とする摩擦撹拌接合方法。
前記継手部は、互いに接合される前記面板の表面から隆起する高さが同一となる凸部を備えており、前記摩擦撹拌接合は回転工具を前記凸部から前記縦リブの延びる方向に挿入して行うこと
を特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合方法。
前記回転工具は、前記回転工具の回転軸を前記縦リブの板厚の範囲内に挿入されること
を特徴とする請求項５記載の摩擦撹拌接合方法。
前記第１の摩擦撹拌接合用形材および前記第２の摩擦撹拌接合用形材は、前記二つの面板と、当該面板を接続する前記複数のリブと、前記縦リブとを一体的に備える中空形材であること
を特徴とする請求項４〜６のいずれか一項記載の摩擦撹拌接合方法。