JPH11314179A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
摩擦攪拌接合方法Info
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- JPH11314179A JPH11314179A JP11053666A JP5366699A JPH11314179A JP H11314179 A JPH11314179 A JP H11314179A JP 11053666 A JP11053666 A JP 11053666A JP 5366699 A JP5366699 A JP 5366699A JP H11314179 A JPH11314179 A JP H11314179A
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- B23K2101/04—Tubular or hollow articles
- B23K2101/045—Hollow panels
Abstract
接合部の凹みの発生を防止する。 【解決手段】 中空型材50,60の接合部の端部は外
側に突出する厚肉部56,66を有する。2つの厚肉部
を突き合せると台形状である。回転体70,70を厚肉
部56,66に挿入し、回転させて接合する。回転体7
0の大径部71を一般部の板51,52,61,62の
外面の延長線上から外側に位置させた状態で、回転させ
る。2つの厚肉部の間に隙間が有っても所望の接合がで
きる。接合後、厚肉部56、66を切削して平滑にす
る。
Description
ウム合金材等の接合に用いる摩擦攪拌接合に関する。
丸棒(回転体という。)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。回転体は、接合部に挿入する
小径部と、外部に位置する大径部とからなる。小径部と
大径部は同軸である。大径部側を回転させる。小径部と
大径部の境は、接合部に若干挿入されている。摩擦攪拌
接合方法による接合は突き合せ部、重ね部に適用され
る。これは特表平7−505090号公報(EP061
5480B1)、Welding & Metal Fabrication, Janua
ry 1995 13頁から16頁に示されている。
平7−505090号公報に示されている。被接合材、
回転体の材質、寸法、回転速度、移動速度については、
溶接学会全国大会講演概要 第56集(‘95−4)2
08頁から209頁に示されている。
々な実験によれば、2つの部材の接合部の上面の一部の
部材は回転体の大径部の回転によって切り子のごとく飛
ばされ、接合部の上面に凹みが生ずる。凹みの両側には
部材の塑性変形による盛上がりが生ずる。
はパテ等を必要とし、高価となる。
の端面の間に隙間がある場合には、接合部に凹み等の欠
陥が発生する。このため、強度低下を生じ、大型構造物
においては特に問題になる。部材が大きくなることによ
って、前記隙間の管理は困難になり、凹みが大きくな
り、また、欠陥が発生しやすくなる。
て、凹みの存在が問題にならない場合は、強度の点を除
けば問題はない。しかし、車両の車体の側面等において
は、見栄えの観点から凹みは除かなければならない。ま
た、見えない場合においても、凹みが性能上問題になる
場合がある。
止することにある。
の端部と第2の部材の端部と突き合せており、前記端部
同士の間には隙間が生じており、前記第1の部材と前記
第2の部材のそれぞれの前記端部は前記部材の厚さ方向
の面から厚さ方向の同一方向に突出する突出部を有して
おり、大径部の先端に小径部を有する回転体を前記突出
部側から挿入しており、前記小径部を前記それぞれの突
出部を含む前記突き合せた部分に挿入した状態で、か
つ、前記面の延長線と前記それぞれの突出部の頂との間
に、前記大径部と前記小径部との境を位置させた状態
で、前記回転体を回転させながら、前記突き合せた部分
に沿って相対的に移動させることによって、前記部材の
材料で前記隙間を埋めること、によって達成できる。
により、鉄道車両の車体への適用について説明する。図
5において、鉄道車両の車体は、側構体41、屋根構体
42、床構体43、長手方向の端部の妻構体44から構
成される。側構体41は、中空の押出し型材(50,6
0)を並列に複数並べ、それを接合して構成している。
接合は図1のように行われる。屋根構体42、床構体4
3も同様に構成される。側構体41と屋根構体42との
接続、側構体41と床構体43との接続はMIG溶接等
で行う。
手部(接合部)を示すものである。中空型材50,60
はアルミニウム合金の押出し型材である。中空型材5
0,60は2つの板51,52,61,62とこれを接
続する斜めの板(リブ)53,63とからなる。斜めの
板53,63はそれぞれ複数あり、トラス状に配置して
いる。板53,63の傾斜の方向は交互である。
(第2)の中空型材60の端部に入っている。中空型材
50の端部の近くには板51と板52とを接合する垂直
な板54がある。55は中空型材60の端部を支える突
出片である。
向)の中心の延長線上に、2つの中空型材50,60の
接合用の厚肉部(突出部)56,66の端部(すなわ
ち、中空型材50,60の突き合せ部の端部(接合部W
の中心))が位置する。接合部Wの近くの板51,5
2,61,62は前面側(中空型材の厚さ方向における
外側、接合作業を行う側、すなわち、接合用工具の回転
体70側である。)に所定の幅で所定高さで突出して厚
肉部になっている。このように、厚肉部56、66は突
出部とその他の部分とからなる。厚肉部56、66の大
きさは後述するように回転体70の大きさや2つの中空
型材50、60の隙間等で決まる。厚肉部56、66は
板51、52、61、62の端部のそれぞれにある。厚
肉部56、66の前面(外面)と板(非突出部)51,
52,61,62の前面(外面)とは滑らかに接続して
おり、傾斜している。2つの厚肉部56,66を突き合
せるとその形状は台形状である。
厚肉部56,66の突き合せとは、2つの型材の端部5
6a、66a同士が接触している場合、および2つの型
材の端部56a、66aの間に隙間がある場合の両方を
いう。
ぞれに接合用工具である回転体70,70を配置してい
る。回転体70は、基部の大径の丸棒(大径部)71の
先端に小径の丸棒(小径部)72を設置している。大径
部71と小径部72とは同軸である。上方の回転体70
の実質的に鉛直方向に下方の回転体70が位置してい
る。2つの回転体70、70は接合線に沿って離れてい
てもよいが、中空型材50、60の曲がりを防止するた
め、大きく離れていない方がよい。回転体70は中空型
材50,60よりも硬い材質である。
ら、小径部72を中空型材50,60の接合部に挿入す
る。そして、2つの中空型材50,60の接合部の長手
方向に沿って水平方向に移動させる。2つの回転体7
0,70は同時に移動させる。
0においては、大径部71と小径部72との境(実質的
に平らである。)73を、一般部(非突出部)の板5
1,61の上面(中空型材50、60の厚さ方向におけ
る外側の面)よりも若干上方(厚肉部56、66の突出
部内)73aに位置するようにする。下側の回転体70
においては、大径部71と小径部72との境73を、一
般部(非突出部)の板51,61の下面(中空型材の厚
さ方向における外側の面)よりも若干下方(厚肉部5
6、66の突出部内)に位置するようにする。つまり、
上下の回転体70、70の境73は非突出部の板51、
61の外側の面の延長線よりも外側(厚肉部56、66
の頂側)で、厚肉部56、66の突出部中に位置してい
る。図1の線73aは境73の位置である。このよう
に、小径部72は突き合せ部にあり、大径部71と小径
部72の境73は、厚肉部56、66を除く部分におけ
る板51、61の外側の面の延長線と厚肉部56、66
の頂との間に位置する。
に載せられ、固定させられている。下面の厚肉部の周囲
には架台はない。回転体70の回転中心は接合部の中
心、即ち板54の厚さの中心にある。
すると、2つの厚肉部56、66を突き合せた際の厚肉
部56、66の頂の幅W1は小径部72の径dよりも大
きく、大径部71の径Dよりも小さい。2つの厚肉部5
6、66の基部の幅W2は大径部71の径Dよりも大き
い。厚肉部56、66の突出部の高さH1は小径部72
の長さよりも大きい。大径部71の下端を厚肉部56、
66の位置73aに位置させたとき、小径部72の先端
は突出片55に至るか、その近傍に位置している。接合
部56、66の頂の板51、61側と基部の板51、6
1側とは斜面56c、66cで接続している。
る。図2は図1の上側の接合部を示している。下側の接
合部は上側の接合部に対して対象である。接合部Wの外
面側には中空型材の内側に向けて凹みKを生じている。
凹みKの両側には厚肉部56T,66Tがある。厚肉部
56T,66Tは厚肉部56,66の残りである。厚肉
部56T,66Tは塑性変形したものを含む。凹みKの
底面は、一般部の板51,61の外面よりも外側の位置
73aにある。
すると、上面の接合部の余分な部分(一般部の板51,
61の上面の延長線上から上側)をグラインダーで切削
し、一般部の板51,61の上面の高さと同一平面にな
るようにする。上面側を切削するので、切削作業が容易
である。下面側にも同様に凹みKと厚肉部56T,66
Tがあるが、車体の内面側とすると、化粧板で覆うので
切削は必要ない。図3は架台111に載せた型材50、
60を上下から接合し、次に、架台111に載せた状態
で上面側の厚肉部56T,66Tを削除した状態を示
す。
止できるものである。このため、肉盛り溶接や、パテに
よる補修を不要にできるものである。
端部56a,66a同士が接触しているが、両者の間に
隙間がある場合は、摩擦攪拌接合によって流動化した厚
肉部56,66の母材がこの隙間に押し込まれる。この
ため、隙間がある場合においても、接合部に欠陥が発生
しない。具体的には厚肉部の高さ(板51、52、6
1、62の外面からの突出代)を1mmにすると隙間が
1mmでも欠陥無く接合できる。また、凹みKの位置
を、板51,52,61,62の外面の延長線上から外
側に位置させることができる。すなわち、凹みの発生を
実質的に容易に防止をできるものである。
71の径Dよりも大きい。厚肉部56,66の頂部の幅
W1は小径部72の径dよりも大きい。これらは回転体
70の中心が厚肉部56,56の中心からずれた場合、
および2つの型材の隙間を考慮して定める。
面56c、66cで接続されている。すなわち、2つの
厚肉部56、66を突き合せたとき、台形状である。こ
のため、厚肉部56,66を斜面56c、66cを有し
ない四角形に突出させた場合に比べて、中空型材に余分
な部分がない。このため、中空型材の材料を少なくで
き、製作を安価にできる。また、グラインダーによる切
削量を少なくでき、簡単にできるものである。厚肉部5
6、66は2つの型材の接合部に金属を補充するもので
あるので、台形状であってもよい。なお、図6に示すよ
うに、非突出部の板51、62の外面から突出部51
a、61aを若干立ち上げた後、突出部56、66の台
形部を設けるようにしてもよい。
よって厚肉部56,66が内側に曲がるのを防止する。
は左端の形状であっても、中空型材60の右端の形状で
あってもよい。中空型材60も同様である。要は2つの
型材を接合できればよい。
出して移動する。厚肉部56、66の斜面56c,66
cを検出して、回転体70の幅方向の位置を定める。図
7はセンシング用の斜面56n,66nを2つの厚肉部
56m,66mが向き合う部分に設けたものである。斜
面56n(66n)はそれぞれの厚肉部56m,66m
に設けても、一方に設けてもよい。
a,66aは回転体70の軸心に平行であるが、2つの
端面56a,66aが回転体70の軸心に対して傾斜し
ていてもよい。例えば、一方の部材50の端面56aが
傾斜しており、これに他方60の部材の端面66aが上
方に重なるようにしてもよい。これによれば、2つの端
面の間隔が大きくても、回転体70の回転によって流動
化した金属が片55との間から流出することを防止でき
るものである。この形状はパイプ同士の接続に適してい
る。
材50,60は架台111,111に載せられ、クラン
プ113で固定されている。2つの中空型材50、60
の突き合せ部は所定の隙間になっている。2つの中空型
材50、60の突き合せ部は適宜仮止め溶接されてい
る。
体121から吊り下げられている。走行体121は門型
の走行体122の上部のフレームに沿って移動する。走
行体122は中空型材50,60両側の長手方向に沿っ
たレール123に沿って走行する。下側の回転体70は
2つの架台111,111の間の走行体131に設置さ
れている。走行体131は走行体132に載せてあり、
幅方向に移動する。走行体132はレール133に沿っ
て中空型材50,60の長手方向に沿って走行する。上
側の回転体70の下方に下側の回転体70がある。走行
体121,131は回転体70,70を上下動させる。
60を押さえるローラ124,134をそれぞれ複数設
置している。ローラ124,134は回転体70,70
の前方において厚肉部56,66の両側にある。ローラ
124,134は走行方向に沿って必要により複数列設
ける。ローラは回転体70の前後に追加できる。
を検出するセンサ(図示せず。)を設置している。セン
サによって走行体121,131を幅方向に移動させ
る。センサとしてレーザを用いた場合には斜面56c,
56c,66c,66cを求め、接合すべきの中心を検
出する。
面を接合した後、架台111、111に型材50、60
を載せた状態で、上面の厚肉部を切削して平滑に仕上げ
る。切削のグラインダー作業は手作業で行うとより平滑
にできる。このため、切削作業する厚肉部は上面にある
と良い。
削し、その後、手作業で切削するようにすると、切削作
業を短くできる。この場合、回転体70の若干後方にお
いて、走行体121に切削工具を設置する。回転体70
が回転する際に切削工具も切削作業を行う。
側の回転体70の後方において、エンドミル126を上
面側の走行体121に設置する。エンドミル126は厚
肉部56、66を切削する。エンドミル126の下端の
位置は中空型材50、60の上面の板51、61の上面
よりも若干上方の位置である。エンドミル126の径は
前記位置の厚肉部56、66の幅よりも十分に大きい。
ローラ124、124はエンドミル126の近傍におい
て上下から押え、エンドミル126による切削量が同一
になるようにしている。
端部にそれぞれ厚肉部があったが、図11のように一方
の中空型材60のみに厚肉部66がある場合でも可能で
ある。厚肉部66の金属は中空型材50、60の隙間お
よび中空型材50の板の上面に移動する。また、一方の
中空型材60においては上面の板61に厚肉部があり、
他方の中空型材50においては下面の板61に厚肉部が
ある場合も同様である。
場合について説明したが、中空でない押出し型材にも適
用できるものである。以下に実施例を示す。
端部に、それぞれ厚肉部34、35を有し、厚肉部3
4、35同士を突き合せて接合する継手形状の例を示
す。この時、押出し型材31、32には裏当て治具(架
台)36を配置している。この裏当て治具36は、接合
部Wとの接合を防止するため、押出し型材31、32よ
りも硬い材質のものを用いる。この継手の突き合せ面に
沿って、回転体70を回転しながら移動させることによ
り、図13に示す接合部Wが得られる。厚肉部34、3
5に対する回転体70の条件は前記実施例と同様であ
る。次に、図14のように、凹みKおよび厚肉部分をグ
ラインダー等で平滑に除去する。接合装置のローラ12
4等は前記実施例と同様である。
場合は、図8の実施例において、下側の回転体70の代
わりに、押出し型材を支えるローラを配置することがで
きる。これによれば、型材31、32の全ての面を支持
する必要がなく、架台の構造を簡単にできるものであ
る。
のリブ39を有し、リブ39とは反対の面に厚肉部34
b、35bを有した押出し型材37、38を摩擦攪拌接
合する場合である。架台36Bはリブ39の下端と厚肉
部34、35の下面を載せる。摩擦攪拌接合は上記実施
例と同様である。
に厚肉部34b、35bを設けた押出し型材37c、3
8cの場合である。これによれば架台36C側は平にな
る。このため、リブ39とは反対側に若干の凹凸があっ
てもよい場合は、平滑にする仕上げ処理を省略すること
ができ、安価に製造することができる。接合部Wは、良
好な接合部となり、所定の厚さを得ることができる。
37c、38cを車体に適用する場合、厚肉部34b、
35bが車内側になるので、厚肉部34b、35bの切
削を不要にできる。しかし、接合部の車外側に未接合部
が生じ易く、厚肉部34bの端部と厚肉部35bの端部
との間をパテで埋め、塗装することが必要になる。しか
し、図15から図17の実施例では車外側には未接合部
はなく、塗装の必要も無い。また、図15から図17の
実施例においては厚肉部34b、35bの周囲にリブ3
9が無いので、ローラ124で押さえやすい。
22において、鉄道車両の側構体416は、複数の押出
し型材150、160を組み合せて構成している。出入
り口171と窓172との間の押出し型材150、15
0、および、窓172と窓172との間の押出し型材1
50、150のそれぞれの押出し方向は、図20におい
て縦方向である。窓172の下部の押出し型材160、
160、および、窓172の上部の押出し型材160、
160のそれぞれの押出し方向は、図20において横方
向である。つまり、押出し型材150の押出し方向と押
出し型材160の押出し方向とは直交している。
150、150同士の接合部、および押出し型材16
0、160同士の接合部は、前記実施例のように、厚肉
部を設けて接合している。
になっている。図21は摩擦攪拌接合の前である。押出
し型材150、160は板の一方側にリブ153、16
3を有する。中空型材ではない。押出し型材150、1
60のリブ153、163の先端、接合部の近傍の板1
51、161を架台36Bに載せている。リブ153、
163側が車内側であり、板151、161側が車外側
である。
突出して厚肉部153を構成している。厚肉部153は
さらに接合する押出し型材160に向けて突出して、突
出部157を構成している。突出部157は押出し型材
160の板161の外面側に重なっている。架台36B
の近傍のリブ163は切削してなくなっている。突出部
157の突出量L2(図23に示す)は、厚肉部の幅L
1と同様である。つまり、突出部157は厚肉部156
に相当する。突出部157の先端は厚肉部156と同様
に斜めになっている。
合を行うと、2つの押出し型材150、160の端部1
50b、160bの間150c(図23に示す)の上方
に突出部157があるので、突出部157等の金属が隙
間150cに供給される。また、押出し型材160の上
方にも金属が供給される。このため、厚肉部156およ
び突出部157が無い場合、または突出部のみが無い場
合に比べて、良好な接合が得られる。
て突出部に重なるようにしているので、突出部157の
近傍の板161を押さえることができ、良好な接合がで
きる。
57をリブ153側に設けたものである。板151、1
61が架台36Cに載っている。端部160bの近傍の
リブ163を切り欠いている。押出し型材160の厚肉
部156および突出部157はリブ153側(車両の内
面側)にある。
型材160の端部160bとの間に相当する位置の厚肉
部156の外面には3角形状の溝158がある。最初に
回転体70の位置を定める際の位置のマークになる。ま
た、センサのマークになる。
は、厚肉部156のみの場合でも可能である。また、隣
接する部材に向けて突出部を設けることは、中空型材等
にも適用できる。また、2つの押出し型材が直交しない
もの、すなわち平行な部材間の場合のも適用できる。
きる。ハニカムパネルは2枚の面板と、2枚の面板の間
のハニカム状の芯材と、芯材の周囲に配置した縁材と、
とからなる。接合すべき対象物はパイプ等にも適用でき
る。この場合、前記実施例の板等の用語は適宜、筒に読
み替える。
各請求項の記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項の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。
場合でも接合部の凹みを実質的に除く接合ができるもの
である。
る。
た状態の縦断面図である。
である。
図である。
る。
る。
る。
ある。
断面図である。
る。
ある。
断面図である。
る。
ある。
り、図22の21−21断面図である。
る。
6、36B,36C:架台、39:リブ、70:接合用
の回転体、71:大径部、72:小径部、50,60:
中空型材、51,52,53,54,61,62,6
3:板、56,66:厚肉部、56c、66c:斜面、
111:架台、150、160:押出し型材、151、
161:板、153、163:リブ、156:厚肉部、
157:突出部。
Claims (8)
- 【請求項1】 第1の部材の端部と第2の部材の端部と
突き合せており、前記端部同士の間には隙間が生じてお
り、前記第1の部材と前記第2の部材のそれぞれの前記
端部は前記部材の厚さ方向の面から厚さ方向の同一方向
に突出する突出部を有しており、 大径部の先端に小径部を有する回転体を前記突出部側か
ら挿入しており、前記小径部を前記それぞれの突出部を
含む前記突き合せた部分に挿入した状態で、かつ、前記
面の延長線と前記それぞれの突出部の頂との間に、前記
大径部と前記小径部との境を位置させた状態で、前記回
転体を回転させながら、前記突き合せた部分に沿って相
対的に移動させることによって、前記部材の材料で前記
隙間を埋めること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項2】 請求項1において、前記第1の部材の前
記凸部は前記端部よりも下方にあり、前記小径部を前記
大径部よりも上方に向けて前記前記相対的移動を行うこ
と、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項3】 請求項1において、前記摩擦攪拌接合の
後、前記部材をその状態で前記突出部を切削すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項4】 請求項3において、前記第1の部材およ
び前記第2の部材は架台に載せられたとき、上下の面に
前記突出部をそれぞれ配置しており、 前記回転体は一方の面側の前記突き合せた部分および他
方の面側の前記突き合せた部分にそれぞれ配置して実質
的に同時に移動させ、 次に、前記第1の部材と前記第2の部材とをその状態の
まま、上面側の前記突出部を切削すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項5】 請求項1において、前記回転体の移動と
共に切削工具を移動させて、前記摩擦攪拌接合の後、前
記突出部を切削すること、を特徴とする摩擦攪拌接合方
法。 - 【請求項6】 請求項5において、前記切削は前記部材
の面側の突出部を残して突出部の頂側を切削すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 【請求項7】 請求項6において、前記切削する前記突
出部を上面側に位置させ、上方から前記摩擦攪拌接合お
よび前記切削を行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方
法。 - 【請求項8】 請求項1において、前記回転体の移動方
向の後方に設置した切削工具によって、前記摩擦攪拌接
合の後、前記回転体の移動と共に前記突出部を切削する
こと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
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-
1999
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