JPH11333573A - 構造体および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部材の接合を摩擦攪拌接合で施工する場合に
おいて、接合による継ぎ手部の隙間の発生を押さえ、良
好な接合部を得る継ぎ手形状を提供する。 【解決手段】 部材１０、１１の接合部の突合わせ面を
傾斜面１２とする。上方から摩擦攪拌接合を行う。接合
ビード３０に接続して、または近接して傾斜面１２が位
置するように接合を行う。傾斜面１２があるので、部材
の流出を抑制でき、接合部の曲がりを抑制できる。ま
た、接合の始端、終端にタブを配置して、接合を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合に関
するものであり、その継ぎ手形状およびその接合方法に
関するものである。例えば、鉄道車両や建築物等に使用
されるアルミニウム合金製の部材の接合に適した摩擦攪
拌接合に関するものである。

【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合わせ部、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。

【０００３】特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ ０
７９７０４３Ａ２）は中空形材の摩擦攪拌接合に関する
もので、２つの面板を接続するリブを中心として摩擦攪
拌接合を行うことが示されている。また、接合部の面板
に凸部を設けている。なお、このものは本願発明の最初
の出願の後の公開である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合は、接合
用工具の回転体を被接合部材に挿入するので、被接合部
材に大きな力が働く。これに対し、従来行われているア
ーク溶融溶接では、溶接部を溶融し接合するため、摩擦
攪拌接合作業時に働く力は発生しない。このため、摩擦
攪拌接合方法を従来のアーク溶融溶接用Ｉ形継ぎ手形状
に適用すると、継ぎ手に隙間が発生し、良好な接合を得
ることができない。

【０００５】これを具体的に図１８から図２０によって
説明する。接合する２つの部材（例えば、アルミニウム
合金）３１０、３１１は、実質的に接合部の厚さが等し
く、互いに平行で、且つ、垂直な突合わせ面３１３を有
する。突合わせ面３１３同士を接触させた状態で、部材
を３１０、３１１をベッド４０に固定した状態で、摩擦
攪拌接合を行う。下端に小径の凸部２１を有する丸棒か
らなる接合用工具の回転体２０を回転させながら、継ぎ
手部に凸状の小径部２１を挿入し、この状態で回転体２
０を部材３１０、３１１の突合わせ部に沿って移動させ
て接合する。小径部２１とその上方の大径部２０ａとの
実質的に平らな境２０ｂは部材３１０、３１１の上面よ
りもわずか下方に位置している。小径部２１の長さは部
材３１０、３１１の厚さよりも小さいので、接合は部材
３１０、３１１の上面側のみ行われる。つまり、非貫通
の摩擦攪拌接合が行われる。

【０００６】図１９において、回転体２０の近傍は塑性
流動状態となっている。この塑性流動領域３０の塑性流
動体は表面に排出されようとするが、この大部分は境２
０ｂによってその動きは抑制される。その結果、部材３
１０、３１１の突合わせ面３１３に下向きおよび横方向
の力が働く。このため、塑性流動領域３０の塑性流動体
は突合わせ面３１３、３１３の間の下方に押し出され、
突合わせ面３１３、３１３の隙間が拡大する。

【０００７】この結果、図２０のように、塑性流動領域
３０の下方に塑性流動体３１が流出し、その下方に拡大
した隙間３１３ｓが発生する。また、塑性流動領域３０
には流出した塑性流動体３１の体積分が不足するので、
塑性流動領域３０には欠陥である空孔３８０が発生す
る。このように正常な接合ができない。なお、塑性流動
領域３０は実質的に接合ビード３０となる。

【０００８】発明者は種々な実験により上記現象を発見
したものである。上記のような非貫通のＩ形継ぎ手形状
においては、接合前の突合わせ面３１３、３１３の隙間
が0.2ｍｍ以上ある場合は良好な接合ができないことを
発見した。また、摩擦攪拌接合は上記のように突合わせ
面３１３、３１３の隙間が極めて小さいことを前提にし
ている。大型構造物、例えば、鉄道車両の車体のよう
に、約２５ｍの押し出し形材を摩擦攪拌接合する場合
は、押し出し形材の精度から隙間は大きくなり、接合が
困難である。

【０００９】また、中空形材を接合する場合は、面板が
凹み、良好な接合ができない。

【００１０】また、接合の開始点は良好な接合が困難で
ある。また、接合の終了点でも同様である。

【００１１】本発明の第１の目的は、良好な摩擦攪拌接
合が得られるようにすることにある。

【００１２】本発明の第２の目的は、中空形材のような
部材を良好に接合できるようにすることにある。

【００１３】本発明の第３の目的は、中空形材のような
部材を軽量にすることにある。

【００１４】本発明の第４の目的は、接合の開始点、終
了点において、良好な接合を行えるようにすることにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、２つ
の部材を接合する突合わせ面に傾斜面を設け、この傾斜
面の近傍を摩擦攪拌接合で接合すること、によって達成
できる。

【００１６】第２の目的は、一方の中空部材の端部にＶ
状の突出部を設け、他方の中空部材の端部に前記突出部
が入る凹部を設けること、によって達成できる。

【００１７】第３の目的は、一方の中空部材の２つの面
板を接続するリブと他方の中空部材の２つの面板を接続
するリブとの間隔よりも大きな径の回転体で摩擦攪拌接
合すること、によって達成できる。

【００１８】第４の目的は、接合の開始点、終了点にタ
ブを配置して、これを含めて接合すること、によって達
成できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図１から図１０
により説明する。図１から図７は基本構成を示すもので
ある。被接合部材の金属部材１０、１１の材料は例えば
アルミニウム合金製である。いずれも図８から図１０に
示す鉄道車両の車体へ適用できる。

【００２０】図１および図２の実施例を説明する。接合
する部材（例えば、アルミニウム合金製）１０、１１の
突合わせ面の全面に傾斜面１２を設けている。部材１
０、１１の上面側の突合わせ部に、回転体２０の小径部
２１の中心が位置する。回転体２０は大径の丸棒の先端
に小径の小径部２１を設けたものである。接合は回転体
２０を回転させて部材１０、１１に挿入して、接合線に
沿って移動させて行う。

【００２１】回転体２０の大径部２０ａと小径部２１と
の境２０ｂは大径部２０ａ側に凹んだ円弧状になってい
る。小径部２１はねじである。接合作業時において、回
転体２０の軸心は回転体２０の移動方向に対して大径部
２０ａ側が後方に傾斜している。このため、境２０ｂの
後端は部材１０、１１に入っているが、前端は部材１
０、１１の上方に位置している。前記「後端」、「前
端」等は回転体２０の移動方向を基準としている。小径
部２１の先端は部材１０、２１を貫通していない。

【００２２】接合にあたって、部材１０、１１はベッド
４０に万力や装置で上方から押さえられて拘束されてい
る。部材１０、１１の水平方向の間隔は小さくして、傾
斜面１２を接触させるか、突合わせ面の隙間はできるだ
け小さくしている。傾斜面１２の接触は、部材１０を部
材１１に向けて（図１において左右方向）押し付けるこ
とによって行う。接合作業時には回転体２０の左右を上
方からベッド４０に押さえている。

【００２３】傾斜面１２は実質的に接触しているので、
下方に流出する塑性流動体の流れが抑制される。このた
め、部材の流出による隙間の発生を抑制し、図２に示す
ような良好な摩擦攪拌接合が可能となる。３０は摩擦攪
拌接合による接合ビードである。図２の接合ビード３０
の形状は模式的に示す。

【００２４】上方側の部材１０の接合ビード３０の部分
は下側の部材１１の傾斜面１２で支えられている。この
ため、摩擦攪拌接合作業時に作用する大きな垂直力によ
って、接合ビード３０の近傍の部材１０が曲がることが
ないものである。これは、部材１１から傾斜面１２を除
けば、容易に理解できるであろう。

【００２５】また、傾斜面１２を有するので、部材１１
は部材１０に対して上方に位置することができないの
で、上面の高さのずれを少なくできる。特に、部材１
０、１１の傾斜面１２を接触できた場合に、効果が大き
い。

【００２６】これらによって、例えば、接合前の突合わ
せ面の隙間が０.２ｍｍ以上でも良好な接合ができる。
２つの部材１０、１１の接合によって構造体になる。

【００２７】傾斜面１２は直線または上方に若干凸の円
弧でもよい。

【００２８】突合わせ面の下方側の接合は部材を反転さ
せて行うか、図５の実施例のように行う。

【００２９】図３および図４の実施例は、部材１０、１
１の摩擦攪拌接合による接合部の突合わせ面は垂直面１
３とし、その下方を傾斜面１２としたものである。少な
くとも、接合ビード３０よりも下方に傾斜面１２を有す
る。傾斜面１２は接合ビードに接触していることが望ま
しい。垂直面１３は部材１０、１１の上方の外面に直交
している。また、垂直面１３の上方には、部材１０、１
１の外面から外方（図３において上方）に突出する突出
部１４を設けている。突出部１４の形状は、２つの突出
部１４、１４を突き合わせると図３のように台形状にな
る。接合中において、境２０ｂは部材１０、１１の非突
出部の外面よりも外方の位置にある。すなわち、境２０
ｂは突出部１４の頂きと非突出部との間、すなわち、突
出部１４内に位置している。回転体２０の移動方向の前
端は突出部１４、１４の上面よりも上方に位置してい
る。小径部２１の先端（図３において下端）は傾斜面１
２の上端に位置する。ｈ２≦ｈ１である。

【００３０】これによれば、図１の場合に比較して、接
合部（接合ビード３０）が垂直面であるので、小径部２
１を中心として接合部を対称にできるものである。ま
た、部材１０、１１の間の隙間が大きくても、突出部１
４、１４を有するので、突出部１４、１４において塑性
流動化した部材が垂直面１３の隙間に流出する。このた
め、接合ビード３０に空孔が発生することが無いもので
ある。部材１０、１１の端部を突合わせたとき、垂直面
１３、１３同士は接触しなくても、傾斜面１２、１２同
士は接触するか、近接するように、寸法管理している。

【００３１】なお、接合作業時において、回転体２０の
小径部２１と大径部２０ａとの境２０ｂの高さ位置は突
出部１４内である。すなわち、境２０ｂは高さｈ３の範
囲内に位置する。突出部２０ａの中心は垂直面１３に位
置する。２つの突出部１４、１４の上端の幅Ｌ１は回転
体の大径部２０ａの径よりも大きい。これは小径部２１
の位置が垂直面に対してずれた場合を考慮している。摩
擦攪拌接合をした後、鉄道車両の車体の外側である突出
部１４、１４は切削する。回転体２０の境２０ｂの高さ
位置は前記のように突出部１４内であるので、切削代を
有する。このため突出部１４、１４を切削すれば平面に
なり、凹みはない。このため、突出部１４側を車体の外
側にするのがよい。

【００３２】回転体２０によって、突出部１４、１４の
金属は垂直面１３、１３の隙間に移動し、埋める。この
ため、接合前の垂直面１３、１３の隙間の許容値を約１
ｍｍまで拡大できることを、アルミニウム合金製の部材
における実験により明らかにした。

【００３３】接合中において、小径部２１の下端の位置
は、部材１０、１１の突合わせ面の傾斜面１２と垂直面
１３との連結部より少し上方の垂直面１３に位置して
も、良好な接合が行われる。

【００３４】図５の実施例は、図１の実施例の部材１
０、１１を上下両面から同時に摩擦攪拌接合を行うもの
である。部材１０、１１の上面側の突合わせ面に、上方
の回転体２０の小径部２１の中心が位置する。部材１
０、１１の下面側の突合わせ面に、下方の回転体２０の
小径部２１の中心が位置する。下方の回転体２０の小径
部２１は上方を向いている。２つの回転体２０、２０の
移動方向における位置を同一位置にした状態で、２つの
回転体２０、２０を同一速度で移動させ、摩擦攪拌接合
を行う。つまり、上方の回転体２０による荷重（回転体
２０を部材に挿入する力）の作用点と下方の回転体２０
による荷重の作用点とが大きく離れないようにする。こ
れは部材１０、１１の曲がりを防止するためである。下
方の回転体２０の周囲にはベッド４０が無い。上方の回
転体２０の垂直方向にベッド４０が位置する。

【００３５】下方の接合において、部材１１の接合部は
部材１１の傾斜面で支えられているので、該部の曲がり
が抑制される。

【００３６】図６の実施例は、部材１０、１１の上下の
面側の突合わせ面を垂直面１３、１３にしている。上方
の垂直面１３の垂直方向には下方の垂直面１３はない。
両者の間を傾斜面１２で接続している。上下の面に突出
部１４をそれぞれ有する。これによれば、上下の回転体
２０、２０の間隔は図５に比較して小さくできるので、
部材１０、１１の曲がりを少なくできる。

【００３７】図７の実施例は、部材１０、１１の上下の
面側の突合わせ面を垂直面１３、１３にしている。上部
の垂直面１３、１３の延長線上に下部の垂直面１３、１
３がある。上下の垂直面１３、１３の間の突合わせ面は
横向きのＶ状の斜面１２、１２である。部材１１の端部
はＶ状の凸部であり、部材１０の端部はＶ状の凹部であ
る。部材１０、１１の端部を突合わせたとき、垂直面１
３、１３同士は接触しなくても、傾斜面１２、１２同士
は接触するか、近接するように、寸法管理している。例
えば、凹部の傾斜面１２、１２の間隔を凸部の傾斜面１
２、１２の間隔よりも小さく設けている。

【００３８】これによれば、上方の回転体２０の下方に
下方の回転体２０が実質的に位置するので、部材１０、
１１の曲がりをより少なくできる。また、Ｖ状の傾斜面
１２によって、部材１０、１１は上下方向のずれが防止
される。このため良好な摩擦攪拌接合が得られる。

【００３９】また、部材１０のＶ状の凹部の底部、部材
１１のＶ状の凸部の頂部はなく、台形状にしている。ま
た、部材１０、１１の垂直面１５、１５との間に隙間１
６を設けている。これによれば、上下の垂直面１３、１
３の接触が容易になるものである。

【００４０】部材１０、１１の傾斜面１２によって摩擦
攪拌接合時の金属の流出を防止している。図２１のよう
に、傾斜面１２に相当する構成として、部材３４０、３
４１の外面に平行な面３４５、３４６を設け、これによ
って金属の流出を防止することが考えられる。しかし、
部材３４０の面３４５、３４５の間隔は、部材３４１の
面３５６、３５６の間隔よりも大きいことが必要であ
る。面３４５と面３５６との間には隙間がある。このた
め、この隙間に塑性流動体が流出し、欠陥が発生しやす
い。または、部材３４０のフランジ３４３、３４３が内
側に曲がる。突出部１４が無い場合はこの曲がりを見る
ことができる。突出部１４を設ける場合は前記隙間を考
慮して、突出部１４を大きくしておくことが必要で、高
価になる。図７の実施例において、部材１０、１１の間
隔が離れた場合は、同様なことが発生するが、斜面があ
るので、強度的に強くなり、部材１０の端部の曲がりが
少なくなるものである。

【００４１】以上のように、図２１の形状の場合、次の
２つの隙間が発生しやすい。その１つは、面３４５、３
５６の間の隙間である。他の１つは、フランジ３４３の
先端(垂直面)と形材３４１の接合面(垂直面)との間の隙
間である。この２つの隙間が摩擦攪拌接合に大きく影響
を与える。これを考慮したのが、特に図７から図１３の
実施例である。すなわち、傾斜面１２を接触するように
しているので、隙間は垂直１３の隙間にのみになり、接
合条件を良好にできる。

【００４２】図８から図１５の実施例は、鉄道車両の車
体への適用例を示すものである。図１０において、鉄道
車両の車体は、車体の側面を構成する側構体５０、上面
の屋根構体５１、下面の床構体５２、長手方向の端部の
妻構体５３から構成される。

【００４３】側構体５０は押し出し形材６０、７０を並
列に複数並べ、その突合わせ部を摩擦攪拌接合により接
合して構成している。屋根構体５１、床構体５２も側構
体５０と同様に構成される。側構体５０と屋根構体５１
との接合、側構体５０と床構体５２との接合はＭＩＧ溶
接等で行う。

【００４４】図８および図９において、押し出し形材６
０、７０は図１から図７の実施例の部材１０、１１にそ
れぞれ相当する。押し出し形材６０、７０は、車体の外
面を構成する面板６１、７１、車内側の複数のリブ６
２、６３、７２、７３、リブの先端に設けた面板６５、
６６、７５、７６からなる。リブ６３、７３、面板６
６、７６は押し出し形材６０、７０の幅方向に沿って複
数ある。面板６５、６６、７５、７６には柱（側構体５
０の場合。図示せず）、垂木（屋根構体５１の場合。図
示せず）、横梁（床構体５２の場合。図示せず）や、各
種の部品の取り付け座を溶接する。継ぎ手の形状は実質
的に図７と同様である。図７の実施例と同様に上下両面
を同時に摩擦攪拌接合を行う。

【００４５】上方の回転体２０を支えるローラ（図示せ
ず）は面板６５、７５に載る。形材６０の一端は凸の台
形状であり、形材７０の一端は凹の台形状である。形材
６０の他端は形材７０の前記一端の形状または形材６０
の前記一端の形状である。２つの形材を組み合わせるこ
とができるようになっている。

【００４６】押し出し形材６０、７０は上記のように２
面構造である。一方の面は面板６１、７１であり、他方
の面は面板６５、６６、７５、７６である。このように
２面構造に対して外側から摩擦攪拌接合を行うと、この
接合時の前記垂直荷重によって接合部の面板が他方の面
板側に向けて曲がることが考えられる。しかし、図８の
継ぎ手形状であると、押し出し形材６０の端部にリブ６
２があり、この部分の上部、下部を摩擦攪拌接合してい
るので、形材６０、７０の接合部に曲がりは生じないも
のである。つまり、リブ６２は摩擦攪拌接合時の垂直荷
重を受ける支えになる。つまり、垂直面１３、１３を接
続する線上にリブ６２がある。一方、形材７０はリブ６
２の斜面に載っており、また接合部の近傍にリブ７２が
あるので、形材７０の接合部に曲がりは生じないもので
ある。このことは図１９と比較すれば理解できるであろ
う。つまり、リブ６２の板厚の延長線の範囲内に垂直面
１３、１３がある。前記範囲内に接合ビード３０、３０
の少なくとも一部が位置する。

【００４７】上記継ぎ手は、面板６５、６６、６６（７
５、７６、７７）を接続した中空の押し出し形材にも適
用できるものである。

【００４８】側構体５０を製作した後、突出部１４を切
削し、外面を平滑にする。車内側の突出部１４の切削は
必ずしも必要ではない。その後、塗装して仕上げてもよ
いが、塗装しない場合について説明する。その後、ヘア
ライン加工、または透明な塗装を行う。摩擦攪拌接合で
あるので、ＭＩＧ溶接に比べて接合部を目視で確認する
ことができない。このため、地肌を見ることができて
も、側構体の見栄えをよくできるものである。安価にで
きる。側構体５０と、屋根構体５１、床構体５２、妻構
体５３との溶接部は、側構体側であっても見えにくい位
置とする。

【００４９】二面構造体の一つの中空押し出し形材の継
手を図１１から図１２によって説明する。中空押し出し
形材１００（１１０）は実質的に平行な２つの面板１０
１、１０２（１１１、１１２）と、両者を接続する複数
のリブ１０３、１０６（１１３、１１６）と、接合部の
端部において形材１００、１１０の厚さ方向に突出した
突出部１０４（１１４）と、端部のリブ１０６から相手
の形材１１０に向けて突出した突出片１１７、１１７
と、からなる。

【００５０】リブ１０３、１１３は形材１００、１１０
の幅方向に沿って複数ある。リブ１０３（１１３）は面
板１０１、１０２（１１１、１１２）に対して傾斜して
いる。リブ１０６（１１６）は面板１０１、１０２（１
１１、１１２）に対して直交している。１０９、１１９
は中空部である。

【００５１】形材１００、１１０の端部には垂直面１２
１、傾斜面１２２がそれぞれある。垂直面１２１は面板
１０１、１０２、１１１、１１２の端部にある。形材１
１０の傾斜面１２２は突出片１１７の面板側の面にあ
る。形材１００の傾斜面１２２は突出片１１７を受け入
れる凹部にある。傾斜面１２２は垂直面１２１を形材の
厚さ方向に入った位置から傾斜している。突出部１１７
は形材１１０の垂直面１２１よりも形材１００の幅方向
の外方（形材１００側）に突出している。突出部１０
４、１１４はそれぞれの面板１０１、１０２、１１１、
１１２の端部にある。

【００５２】形材１１０のリブ１１６は接合部の延長線
上に位置している。リブ１１６の板厚の中心の延長線上
に回転体２０の軸心が位置することを想定している。形
材１１０の垂直面１２１は、リブ１１６の板厚の中心よ
りも若干形材１１０の幅方向の中心側に位置している。
リブ１１６の板厚の延長線の範囲内に２つの垂直面１２
１がある。リブ１１６の板厚はリブ１０６の板厚よりも
厚い。

【００５３】形材１００、１１０を組み合わせて傾斜面
１２２、１２２を接触させたとき、形材１００の垂直面
１２１と形材１１０の垂直面１２１の間に若干の隙間が
あるように設けている。例えば、凹部の傾斜面１２２、
１２２の間隔を凸部の傾斜面１２、１２の間隔よりも小
さく設けている。あるいは、傾斜面１２２の隙間は小さ
くなるように設けている。

【００５４】形材１００にリブ１０６があるので、端部
に突出部１０４や傾斜面１２２の厚肉部を精度よく容易
に製作できるものである。

【００５５】また、形材１００の傾斜面１２２とリブ１
０６との接続部１２５は、形材１００の傾斜面１２２の
延長線よりも面板１０１、１０２側に凹んでいる。これ
によって、突出片１１７とリブ１０６との接触を防止で
き、垂直面１２１からリブ１０６までの距離を短くでき
る。このため、形材１００の端部の断面積を小さくで
き、軽量化を図ることができる。

【００５６】図１３の実施例はリブ１０６とリブ１１６
ｂとの間の中間に突合わせ部が位置するようにしたもの
である。形材１００の垂直面１２１からリブ１０６まで
の距離と形材１１０の垂直面１２１からリブ１１６ｂま
での距離は実質的に同一である。２つのリブ１０６、１
１６ｂの板厚は同一である。２つのリブ１０６、１１６
ｂの間隔Ｌ５は小径部２１の径よりも大きく、大径部２
０ｂの径Ｄ１よりも小さい。突出部１０４の幅（形材の
幅方向に同一）と突出部１１４の幅は同一である。

【００５７】垂直面１２１、１２１を光学センサで検出
して、回転体２０の軸心を垂直面１２１、１２１の中間
に位置させて摩擦攪拌接合を行う。結果的に、回転体２
０の軸心は２つのリブ１０６、１１６ｂの中間に位置す
ることになる。また、回転体２０の軸心は突出部１０
４、１１４の幅の中間に位置することになる。接合ビー
ドの中心は２つのリブ１０６、１１６ｂの中間にでき
る。回転体２０の大きさおよび位置、その他の構成は前
記実施例のとおりである。

【００５８】これによれば、接合作業時の荷重は２つの
リブ１０６、１１６ｂで負担するので、リブ１１６ｂの
板厚を図１２の実施例よりも薄くできる。このため、２
つのリブ１０６、１１６ｂの板厚の合計値を図１２の実
施例よりも小さくできる。このため、軽量にできる。ま
た、図１２の実施例ではリブ１０６、１１６のうちリブ
１１６に集中的に荷重がかかるので、リブ１１６が曲が
りやすい。しかし、図１３の実施例では２つのリブ１０
１、１１６ｂに略同様に荷重がかかるので、リブ１０
１、１１６ｂの曲げ変形が発生しにくい。リブ１０６か
ら回転体２０の軸心までの距離と、リブ１１６ｂから回
転体２０の軸心までの距離とは実質的に同一にするのが
よい。

【００５９】２つのリブ１０６、１１６ｂの間隔Ｌ５は
回転体２０の大径部２０ａの径Ｄ１よりも小さい。この
ため、大径部２０ａによる荷重はリブ１０６、１１６ｂ
に加わり、面板１０１、１１１の曲げ変形が少なくな
る。

【００６０】回転体２０の位置の誤差を考慮して、突出
部１０４、１１４の幅Ｌ１は大径部２０ａの径Ｄ１より
も大きく作るので、Ｌ１>Ｄ１である。また、摩擦攪拌
接合が終了すると、大径部２０ａ、小径部２１に沿って
それよりも若干大きい接合ビードができる。その後、一
方の面または両方の面の突出部１０４、１１４を面板１
０１、１１１、１０２、１１２に沿って切削する。残っ
た突出部１０４、１１４には大径部２０ａの接合ビード
が残る。この接合ビードの大きさ（径）はＬ５よりも大
きい。接合ビードのの中心は２つのリブ１０６、１１６
ｂの中心（実質的に）にあるといえる。また、接合前の
形材１００、１１０において、垂直面１２１、１２１か
らリブ１０６、１１６ｂまでの距離（≒Ｌ５／２）は突
出１０４、１１４の幅（≒Ｌ１／２）よりも小さい。リ
ブ１０６、１１６ｂは垂直面１２１、１２１よりも形材
の幅方向の他端側にある。

【００６１】上記の大径部２０ａの径Ｄ１、大径部２０
ａによる接合ビードの大きさ、リブ１０６、１１６ｂの
位置は、形材１００、１１０の幅方向において突出部１
０４、１１４の範囲内にあるといえる。

【００６２】形材１００、１１０は傾斜面１２２を有す
るが、突出片１１７があれば、従来の図２１のようであ
ってもよい。

【００６３】図１４の実施例は、図１３の実施例に比べ
て、面板１１２の側の突出片１１７をリブ１０６側に設
置したものである。

【００６４】図１５の実施例は、接合部の２つのリブ１
０６ｃ、１１６ｃを形材１１０に設置したものである。
２つのリブ１０６ｃ、１１６ｃの中間に２つの形材１０
０、１１０の面板１０１、１０２、１１１、１１２の端
部がある。２つのリブ１０６ｃ、１１６ｃは回転体２０
による荷重を支える。また、リブ１０６ｃとリブ１１６
ｃとをリブ１１６ｄで接続している。これによれば、接
合作業時のリブ１０６ｃ、１１６ｃの座屈が生じにくく
なる。

【００６５】傾斜面はない。面板１０１、１０２は水平
面１２２ｂに重なっている。面板１０１（１０２）の端
部の裏面１０１ｂ（１０２ｂ）は他方の面板１０２（１
０１）の側に突出して、面板１０１（１０２）の板厚よ
りも厚くなっている。これは他の実施例にも適用でき
る。

【００６６】上記各実施例において、面板（または、外
面）が平行とは、実質的に沿っているという程度であ
る。また、面板に直交するも実質的の意味である。鉄道
車両の場合、側構体や屋根構体は円弧状であり、２つの
面板を平行にできない場合がある。本発明はこのものに
も適用できるものである。また、パイプやその他の構造
体に適用できる。

【００６７】一対の垂直面１３、１２１は角度が大きく
なければＶ状であってもよい。Ｖ状の空間への金属の補
充のため、突出部１４、１０４、１１４を大きくする必
要がある。このため、垂直面は実質的に垂直面がよい
が、若干傾斜していてもよい。

【００６８】垂直面１２１と傾斜面１２２との接続部に
突出部１０４の頂に平行な面があっても小さければよ
い。

【００６９】１つの接合部には２つの突出部１０４、１
１４があるが、１つの突出部１０４（１１４）であって
もよい。図１１から図１３の実施例は図８の二面構造体
にも適用できる。また、図１１から図１３の摩擦攪拌接
合は、上下両面を同時に行っても、片面ずつ行ってもよ
い。

【００７０】第４の目的に対する実施例を図１６、図１
７によって説明する。被接合部材は図５から図８のよう
に上下の両面を実質的の同時に接合する部材であり、例
えば、厚い押し出し形材２１１、２１１である。形材２
１１、２１１の突き合わせ面は図１から図１５のような
形状であっても、図１８、図２１の形状でもよい。形材
２１１、２１１をベッド４０、４０に載せて拘束する。
また、形材２１１、２１１の接合線の端部にタブ２２
１、２２５を配置して、ベッド４０、４０に載せて拘束
する。これらの拘束は万力で挟んで行ったり、装置によ
って上方からベッド４０、４０に押さえることによって
行う。タブ２２１、２２５はベッド４０、４０を貫通す
るボルトで、挟んでベッド４０、４０に拘束してもよ
い。形材２１１、２１１とタブ２２１、２２５との間の
隙間はできるだけ小さくする。形材２１１、２１１は２
つに分かれているが、タブ２２１、２２５は一つであ
る。前記実施例のように、ベッド４０は２つに分かれて
いる。

【００７１】形材２１１同士、形材２１１とタブ２２
１、２２５を仮溶接してもよいが、一般にその必要はな
い。以下、仮溶接をしないとして説明する。

【００７２】タブ２２１、２２５の厚さは形材２１１の
厚さと実質的に同一である。形材２１１の厚さが厚いの
で、タブ２２１、２２５はそれぞれ３枚の板からなる。

【００７３】タブ２２１を代表例として説明する。厚板
２２２の上下に板２２３、２２４を重ねている。３枚の
板は接合前に重ねられ、ベッド４０に拘束される。板２
２３、２２４は形材２１１と同一の材質か、似た材質で
ある。板２２２はアルミニウム合金製や鉄系製である。
板２２２は運搬の点から軽いアルミニウム合金製がよ
い。板２２２は中空形材にすることができる。

【００７４】形材２１１の外面からの接合ビード３０の
深さをｔ１０とした時、板２２３、２２４の厚さｔ１１
はｔ１０よりも大きい。このとき、タブ２２１の外面は
形材２１１の外面と同一面になっている。形材２１１に
突出部１４（１０４、１１４）があれば、タブ２２１の
外面は突出部１４の頂面に位置する。部材２１１に突出
部１４があれば、ｔ１０は突出部１４の切削前の接合ビ
ードの深さである。タブ２２１とタブ２２５は同様であ
る。

【００７５】板２２２、２２３、２２４は形材２１１に
溶接しない。少なくとも板２２２は形材２１１に溶接し
ない。

【００７６】形材２１１、２１１、タブ２２１、２２５
をベッド４０、４０に拘束した後、摩擦攪拌接合を行
う。回転体２０はタブ２２１の端部の上方（下面の接合
は下方である。）から、回転させながらタブ２２１に挿
入し、形材２１１、２１１の接合線に向かって移動させ
る。タブ２２１の位置における挿入代は形材２１１、２
１１の位置における挿入代と同様である。形材２１１、
２１１を接合した後、タブ２２５の端部で回転体２０を
上方（同じく、下方）に抜く。

【００７７】次に、形材２１１、タブ２２１、２２５の
拘束を解き、中央の厚い板２２２をハンマでたたいて除
く。次に、タブ２２１、２２５の板２２３、２２４と形
材２１１との接合部をグラインダ等で切断し、板２２
３、２２４を除く。

【００７８】種々の実験によれば、摩擦攪拌接合の開始
直後は良好な接合が得られないことが多い。上記実施例
ではタブ２２１を配置して、良好な接合が得られるよう
になってから形材２１１の接合を行うので、形材２１１
の始端の接合を良好にすることができる。タブ２２１に
おける摩擦攪拌接合の長さは３０ｍｍあれば十分であ
る。

【００７９】一方、回転体２０を被接合部材の形材２１
１から抜くと、被接合部材に小径部２１に相当する穴が
生じる。タブ２２５の位置で回転体２０を抜くので、製
品である被接合部材の形材２１１には穴が生じない。こ
のため、製品の補修が不要になる。

【００８０】また、摩擦攪拌接合では、回転体２０によ
って金属が移動するので、接合の始点、終点では厚さが
薄くなり易い。タブ２２１において接合を開始し、２２
５で接合を終えるので、製品の形材２１１の全長にわた
って厚さの同一な接合を得ることができる。

【００８１】タブ２２１、２２５の外面側の板２２３、
２２４の厚さは接合ビード３０の深さｔ１０よりも厚
い。このため、中央の板２２２は接合されない。このた
め、板２２２は容易に除くことができる。このため、板
２２２を事前に取り除いているので、板２２３、２２４
の切断作業が容易になるものである。また、板２２２は
摩擦攪拌接合による接合がないので、再度使用する際に
グラインダ等で平滑にする必要が無い。このため、板２
２２は容易に繰り返し利用でき、安価にできるものであ
る。また、板２２２は安価な材料にできる。

【００８２】板２２３、２２４の厚さが接合ビード３０
の深さｔ１０と同一であって、板２２２が接合されたと
しても、板２２２の接合ビードの深さは小さいので、板
２２２を容易に分離できる。

【００８３】なお、タブ２２１への回転体２０の挿入は
タブの上面からではなく、タブ２２１の左側の端部の外
側からタブ２２１に向けて移動させて行ってもよい。ま
た、タブ２２５からの回転体２０を抜く場合も、タブ２
２５の右側よりも外側に移動させて行ってもよい。図１
のように片面の接合の場合は、板２２２、２２３とす
る。また、板２２３、２２４を形材２１１、２１１に仮
止め溶接をしておけば、ベッド４０への拘束を不要にで
きる。溶接位置は形材２１１、２１１の接合線の延長線
上にできる。

【００８４】被接合部材としては、傾斜面を有しないも
の、片面のみを接合するもの、板が薄くて非接合部を有
しないもの、にも適用できる。また、摩擦攪拌接合は側
方から行うことができる。

【００８５】本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の
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。

【００８６】

【発明の効果】本発明によれば、部材の接合に摩擦攪拌
接合方法を適用する場合において良好な接合を行うこと
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦断
面図である。

【図２】図１における摩擦攪拌接合後の縦断面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦
断面図である。

【図４】図３における摩擦攪拌接合後の縦断面図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦
断面図である。

【図６】本発明の他の実施例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦
断面図である。

【図７】本発明の他の実施例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦
断面図である。

【図８】本発明の他の実施例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦
断面図である。

【図９】図８における摩擦攪拌接合後の縦断面図であ
る。

【図１０】本発明を適用する鉄道車両の車体の一実施例
の斜視図である。

【図１１】本発明の他の実施例の接合前の縦断面図であ
る。

【図１２】図１１の要部の接合前の拡大図である。

【図１３】本発明の他の実施例の接合前の縦断面図であ
る。

【図１４】本発明の他の実施例の接合前の縦断面図であ
る。

【図１５】本発明の他の実施例の接合前の縦断面図であ
る。

【図１６】本発明の一実施例の摩擦攪拌接合時の平面図
である。

【図１７】図１６の要部の拡大断面図である。

【図１８】比較例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦断面図であ
る。

【図１９】図１８における摩擦攪拌接合中の縦断面図で
ある。

【図２０】図１８における摩擦攪拌接合後の縦断面図で
ある。

【図２１】比較例の摩擦攪拌接合継ぎ手の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１０、１１…部材、１２…傾斜面、１３…垂直面、１４
…突出部、１５…垂直面、２０…回転体、２１…小径
部、３０…接合ビード、４０…ベッド、６０、７０…押
し出し形材、６１、６５、６６、７１、７５、７６…面
板、６２、６３、７２、７３…リブ、１００、１１０…
押し出し形材、１０１、１０２、１１１、１１２…面
板、１０４、１１４…突出部、１０６、１１６ｃ、１１
６、１１６ｂ、１１６ｃ…リブ、１１７…突出片、１２
１…垂直面、１２２…傾斜面、２１１…形材、２２１、
２２５…タブ、２２２、２２３、２２４…板。

フロントページの続き (72)発明者 川崎 健 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の部材の端部の傾斜面と第２の部材
   の端部の傾斜面とを、前記傾斜面同士が接触するかまた
   は近接するように突合わせ、 前記傾斜面の端部側を前記部材の外面側から摩擦攪拌接
   合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。