JP2001239377A - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合方法

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JP2001239377A
JP2001239377A JP2000056359A JP2000056359A JP2001239377A JP 2001239377 A JP2001239377 A JP 2001239377A JP 2000056359 A JP2000056359 A JP 2000056359A JP 2000056359 A JP2000056359 A JP 2000056359A JP 2001239377 A JP2001239377 A JP 2001239377A
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connecting member
hollow
groove
stir welding
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JP2000056359A
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Masakuni Esumi
昌邦 江角
Kazunari Fukuyori
一成 福寄
Tetsuya Matsunaga
徹也 松永
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Hitachi Ltd
Hitachi Kasado Engineering Co Ltd
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Hitachi Ltd
Hitachi Kasado Engineering Co Ltd
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

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  • Joining Of Building Structures In Genera (AREA)
  • Panels For Use In Building Construction (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空形材を一方の面側から接合するにあたっ
て、接続材の仮止め溶接を少なくする。 【解決手段】 形材10、20の面板12b、22bの
突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。次に、接続材30を
形材10、20の座に載せる。接続材30の一端の突出
部34を形材10の面板11の端部の溝14に挿入す
る。次に、接続材30の他端を他方の中空形材20の面
板21の仮止め溶接する。この状態で、面板11と接続
材30との突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。接続材3
0の他端と形材20との重ね部を摩擦攪拌接合する。

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よる
構造体の製作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中空の
押し出し形材による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とからなる。小
径部と大径部は同軸である。小径部と大径部との境は接
合部に若干挿入されている。これは特開平9−3091
64号公報(EP0797043A2)に示されてい
る。
【0003】この文献の図9には中空の押し出し形材の
二面の接合を一方の面の側から行うことが示されてい
る。すなわち、前記一方の面の板を突き合わせ、他方の
面側から摩擦攪拌接合をしている。前記板の外面側は平
らに接合される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記特開平9−309
164号公報(EP0797043A2)の図9のよう
に、中空形材を一方の面から摩擦攪拌接合する場合を考
える。この場合は、継手60を摩擦攪拌接合するため
に、継手60を強固に固定しておくことが必要である。
このため、継手60を中空形材31、32に仮止め溶接
する。継手60の板厚は薄いので、溶接熱で継手60が
厚さ方向に歪む。このため、構造体の精度等の問題を発
生しやすい。本発明の目的は、接続材の仮止め溶接を少
なくすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的は、いわゆる中
空形材の一方の面板を接続材を用いて接合する場合にお
いて、接続材の一端を中空形材の溝に挿入して位置決め
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から図5
により説明する。図1は図4の要部拡大図、図4は図5
の側構体の要部の縦断面図である。
【0007】車体200は、側面を構成する側構体20
1、屋根を構成する屋根構体202、床を構成する台枠
203、長手方向の端部を構成する妻構体204からな
る。側構体201、屋根構体202、台枠203は、そ
れぞれ複数の押し出し形材を接合して構成している。押
し出し形材の長手方向を車体の長手方向にしている。押
し出し形材はアルミニウム合金製の中空形材である。側
構体201を構成する摩擦攪拌接合用の中空形材10、
20の構成および接合方法について説明する。他の箇
所、他の構体も同様である。
【0008】中空形材10、20は二枚の面板11、1
2、21、22とトラス状に配置した複数のリブ13、
23からなる。二枚の面板11、12(21、22)は
実質的に平行である。リブ13、23によるトラスのピ
ッチは同一である。トラスはリブ13、23、面板1
1、12、21、22の板厚の中心線によって構成され
る。頂点は面板11、12、21、22側にある。車内
側のトラスの頂点付近には機器を取り付けるためのレー
ル19、29を一体に設けている。レール19、29は
L状の2つの部材からなる。レールは内装板や椅子等の
機器の取り付け座になる。
【0009】車体の外面側に位置する面板12、22の
端部は車内側の面板11、21の端部よりも隣接する中
空形材20、10側に突出している。この突出した面板
を12b、22bと呼ぶ。面板12b、22bの端部同
士を突き合わせて摩擦攪拌接合している。突き合わせ部
の隙間が小さくなるように突き合わせている。面板12
b、22bの板厚は他の部分の面板12、22の板厚よ
りも厚い。
【0010】中空形材10、20は面板12、22を下
方にしてベッド240に載っている。面板11、21側
を上方にしている。上方から回転工具250を接合部に
挿入して摩擦攪拌接合をする。車内側から摩擦攪拌接合
すると言える。面板12b、22bの端部(突き合わせ
部)には車内側(すなわち面板11、21側)に突出す
る凸部16、26がある。凸部16、26の幅、および
高さは実質的に同一である。
【0011】車内側の面板11の端部と面板21との端
部との間は板状の接続材30を介して接合している。接
続材30の端部はトラスの頂点に設けた座17、27に
載っている(重なっている。)。座17、27は面板1
1、21の外面(上面)よりも凹んでいる。
【0012】座17は、リブ13Aとリブ13Bとの交
点を通る法線よりも中空形材10の端部側にある。座1
7の上面から面板11の外面(上面)に至る面は前記法
線上にある。座17側の面板11の端部には外面(上
面)側に突出する凸部11bがある。接続材30の端部
には上面側に突出する凸部32がある。凸部11b、3
2の幅および高さは凸部16、26のそれと同様であ
る。座17の幅は凸部32の幅と同様である。
【0013】面板11の端部の垂直面には自己の中空形
材10の端部(面板12bの端部、他方の中空形材2
0)に向けて開放した溝14がある。溝14は中空形材
10の長手方向に連続している。溝14は台形状であ
る。台形状の高さは溝14の開放側が大きい。溝14に
は接続材30の端部の台形状の突出部34が入る。2つ
の台形状の大きさは溝14の方が突出部34よりも大き
い。面板11の端部の垂直面はトラスの交点を通る法線
に一致している。このため、垂直面は回転工具250の
軸心に一致している。溝14の深さは回転工具250の
小径部251の径の半分未満である。溝14に突出部3
4を挿入したとき、接続材30の下面が座17の上面に
接触し、また、突出部34の上側の面が溝14の上側の
面に接触するように設計するとよい。
【0014】突出部34の高さは接続材30の端部の厚
さよりも薄い。溝14および突出部34は凸部11b、
32を含めた板の厚さの範囲内にあればよい。溝14お
よび突出部34の上端は、面板14の上面および接続材
30の凸部32を除く板部の上面の延長線よりも上方
(凸部11b、32の頂側)にある。凸部11b、32
があるので、面板11や接続材30の板厚が薄くても、
所要の高さの溝14および突出部34を設けることがで
きる。
【0015】座27は、リブ23Aとリブ23Bとの交
点を中心としてある。座27の幅の中央に前記交点があ
る。つまり、端部のトラスの頂点は座27の幅の中央部
にある。座27から面板22に至る面は接続材30との
アーク溶接用の開先として傾斜している。座27に載る
接続材30の端部には凸部35がある。凸部35の高さ
は凸部16、26、11b、32のそれと同様である。
幅は凸部16、26を合わせたものと同様である。
【0016】接続材30は面板11、21の表面があた
かも連続しているようにすることを目的として配置して
いる。接続材30の両端を除いた中央は板31であり、
その板厚は面板11、21の板厚と実質的に同一であ
る。凸部35の上面にはV字状の溝36がある。溝36
は凸部35の幅の中心にある。凸部35の幅は回転工具
250の大径部252の径よりも大きい。溝36は回転
工具250を導くための位置検出用の対象物となる。レ
ーザセンサで溝36を検出し、回転工具250の軸心が
溝36に一致するようにしている。溝36の延長線上す
なわち回転工具250の軸心上に2つのリブ23Aと2
3Bの交点がある。
【0017】接続材30の幅は二つの中空形材10、2
0の面板11、21の間隔よりも小さい。接続材30は
中空形材10、20と同一材質の押し出し形材である。
接続材30の長さは例えば1m程度である。この接続材
を中空形材10、20の長さ方向に複数配置する。接続
材30同士の隙間はできるだけ小さく配置し、あたかも
一つの接続材30が連続しているように配置する。これ
は接続材30にリブがないので、板の厚さ方向に曲がり
やすく、搬送等が困難なためである。
【0018】面板11の端部から面板21の端部までの
距離P(中空形材10の端部のトラスの頂点から中空形
材20の端部のトラスの頂点までの距離)は他の位置の
トラスのピッチPと同一である。中空形材のトラスは、
面板11、12、21、22側を頂点としたとき、2等
辺3角形である。しかし、中空形材10、20の端部の
トラスは2等辺3角形ではない。このため、リブ13A
(23A)は面板12(22)の途中に接続している。
リブ13Aと面板12との接続部と、リブ23Aと面板
22との接続部との間には摩擦攪拌接合装置を挿入する
空間が生じる。
【0019】この構造体の製作方法を説明する。中空形
材10、20をベッド240に載せる。次に、面板12
b、22bを突き合わせる。次に、この中空形材10、
20をベッド240に固定する。次に、端面12d、2
2dの部分を上方からアーク溶接によって仮止めする。
仮止め溶接は間欠的である。
【0020】面板12b、22bの突き合わせ部が載る
ベッド240の上面は平らである。面板12b、22b
の突き合わせ部付近、リブ13A、23Aと面板12
b、22bとの交点付近、リブ13B、23Bと面板1
2、22との交点付近の三者は同一高さのベッド240
に載っている。
【0021】この状態において、摩擦攪拌接合装置の回
転工具250を上方から凸部16、26の突き合わせ部
に挿入した状態で、接合線に沿って移動させ、摩擦攪拌
接合する。回転工具250の軸心は鉛直方向(接合部の
法線に沿った方向)である。ただし、回転工具250の
進行方向に対しては軸心は公知のように傾斜している。
【0022】回転工具250は大径部252とその先端
の小径部251とからなる。小径部251の先端(下
端)は面板12b、22bの下面の近傍に位置してい
る。大径部252の下端は凸部16、26の頂と面板1
2b、22bの車内側の面(面板11、21側の面)と
の間に位置している。大径部252の径は2つの凸部1
6、26からなる幅よりも小さい。小径部251はねじ
である。摩擦攪拌接合の際、凸部16、26の頂面を回
転工具250とともに移動するローラで下方に押さえて
いる。
【0023】レーザセンサで凸部16、26を検出す
る。これによって凸部16、26の高さ位置を求め、回
転工具250の挿入量を定める。又、凸部15、26の
突き合わせ部の隙間を求め、この位置に回転工具250
の軸心を一致させる。
【0024】この摩擦攪拌接合によって、面板12b、
22bの突き合わせ部の隙間は埋められて、接合され
る。隙間を埋める金属の原資は凸部16、26である。
面板12b、22bの外面側(車外側)は実質的に平ら
に接合される。面板12b、22b外面側には接合線の
凹部はない。凸部16、26の上面は回転工具250の
大径部252によって凹状になる。凹部の両側には凸部
16、26が残る。
【0025】次に、面板11、21の座17、27に接
続材30を載せる。接続材30の一端の突出部34を溝
14に挿入する。接続材30の一端の垂直面(突出部3
4を除く。)を面板11の端部の垂直面(溝14を除
く)に突き合わせる。両者の垂直面の間隔はできるだけ
小さい。中空形材の長手方向の接続材30の端部と隣接
する接続材30の端部との間隔はできるだけ小さい。
【0026】溝14への突出部34の挿入は、中空形材
10、20の長手方向の一端側から挿入することによっ
て配置することができる。または、面板11の垂直面か
ら斜面27bまでの距離を接続材30の幅よりも大きく
設け、座17、27に接続材30を載せた後、接続材3
0を面板11側に移動させて、溝14に突出部34を挿
入する。または、斜め上方から突出部34を溝14に挿
入する。例えば、接続材30を座17と斜面27bに載
せ、接続材30を面板11側に移動させる。溝14、突
出部34の位置、形状、および大きさは上記斜め上方か
らの挿入ができるように設ける。
【0027】次に、接続材30の凸部35の端部と面板
21の端部27bとをアーク溶接によって仮止めする。
仮止め溶接は間欠的である。接続材30の面板11側は
溝14に挿入しているので、上下方向等には移動しな
い。このためこの部分の仮止め溶接は必要ない。仮止め
溶接する場合は溶接数を少なくできる。仮止め溶接は凸
部32と凸部11bとを溶接する。このため、接続材3
0や中空形材10の熱歪みを少なくできる。
【0028】次に、面板12b、22bの突き合わせ部
の摩擦攪拌接合に用いた摩擦攪拌接合装置を用いて接続
材30の一端と面板11の端部との突き合わせ部の接合
を上方から行う。これは凸部16、26の突き合わせ部
の接合と同様である。回転工具250の小径部251の
下端が座17に到達するように挿入する。溝14と突出
部34との間の空間は凸部11b、32を原資として埋
められる。このため、溝14があっても通常の突き合わ
せ部の接合のように接合できる。
【0029】次に、座27と接続材30の他端との接合
を行う。これは回転工具250を上方から接続材30と
座27を重ねた部分に挿入した状態で、接合線に沿って
移動させ、摩擦攪拌接合する。凸部35の幅は回転工具
250の大径部252の径よりも大きい。凸部35の幅
の中心に溝36がある。回転工具250の回転軸心を溝
36に一致させる。回転工具250の小径部251の先
端は座17、27に深く挿入している。これによって、
重ね接合が行われる。大径部252の下端は非凸部の接
続材30の上面と凸部35の頂との間にある。
【0030】凸部35の上面は回転工具250の大径部
252によって凹状になる。凸部35の上面は回転工具
250の大径部252によって凹状になる。凹部の両側
には凸部35が残る。摩擦攪拌接合装置の前記センサは
溝36を検出して、溝36に沿って回転工具250を移
動させる。
【0031】図3は接合後の接合部の状態を模試的に示
すものである。ハッチングは接合部を示すものである。
回転工具250の軸心は2つのリブ13A、13B(2
3A、23B)によるトラスの頂点またはその近傍を通
る鉛直線上にある。偏芯に対しては、リブ13A、13
B(23A、23B)の板厚の増大、リブと面板とを接
続する円弧の形状、接続部の厚さ、座17、27の厚さ
等によって対応する。
【0032】これによれば、一方の継手(凸部11b、
32の継手)を突き合わせ継手とすることができるの
で、継手効率の向上および屈曲部における応力集中の低
減により、強度を向上させることができるものである。
また、接続材30の一端のアーク溶接による固定は不要
になるか少なくできるので、構造体の熱歪みを少なくで
き、見栄えを向上でき、また内装材の取り付けを容易に
行うことができる。中空形材の両面の接合を片面側から
行っている。このため、一方の面を接合した構造体を反
転させる必要がない。したがって、安価に、また高精度
に製作できるものである。
【0033】また、面板12b、22bの接合部の外面
は平らに接合できる。凸部16、26、35は構造体内
や車内側にあり、平滑な面が要求される箇所(外面側、
車外側)にはない。また、車外側には回転工具によって
切削されて生じる凹部もない。このため、凸部の切削等
を不要にでき、車体を安価に製作できるものである。ま
た、ベッド240はローラなどの裏当てで代用できる。
また、突き合わせ部を最初に接合し、次に重ね部を接合
するようにしている。このため、逆の場合に比べて、摩
擦攪拌接合を良好にできると考えられる。
【0034】重ね部の接合部(座27と接続材30との
接合部)の強度および面板21の屈曲部の強度は突き合
わせ部(面板11と接続材30との接合部)の強度より
も劣ると考えられる。この場合は、接続材30の端部と
面板21の端部とをアーク溶接する。この溶接は強度が
より必要な箇所、例えば窓隅部に近い位置のみでよい。
また、上記によって接合したものは建築物などの構造物
の外面(目視できる面)に使用できる。
【0035】接続材30を載せる箇所は摩擦攪拌接合時
の荷重に耐える構造、箇所であればよい。例えば、前記
特開平9−309164号公報(EP0797043A
2)の図9のようにできる。中空形材10と接続材30
との接合は突き合わせ部を接合しているが、この部分も
重ね接合にできる。座17を座27と同様に大きくす
る。接続材の両端に凸部35、溝36を設ける。中空形
材10側の接続材の端部に突出部34を設ける。突出具
を除く端部を重ね接合する。接合の位置はトラスの交点
の位置(溝36の位置)とする。
【0036】図6の実施例を説明する。これは3つ以上
の中空形材を接合して大きな構造体を製作する場合に適
している。例えば、側構体201を構成する。左側の中
空形材10、20、および接続材30の関係は図1の実
施例と同様である。中央の中空形材20の他端(右端)
に中空形材10B、接続材30Bを接合している。中空
形材10Bの左端、接続材30Bは、中空形材20の左
端、接続材30に同一である。中空形材20の他端(右
端)の構造は中空形材10の右端の構造と同一である。
この中空形材20の右端に接合する中空形材10Bの左
端の構造は中空形材20の左端の構造と同一である。接
続材30Bの構造および向きは接続材30と同一であ
る。
【0037】中空形材20の左端および中空形材10は
図6において上部に示している。中空形材20の右端お
よび中空形材10Bは図6において下部に示している。
すなわち、3つの中空形材を接合するとき、中央の中空
形材20の面板21の一端(左端)には斜面27bを設
け、面板21の他端(右端)には凸部11b、溝14を
設ける。これによれば、中央の中空形材20の両側の接
続材30、30Bの凸部32および突出部34の向きは
すべて左方を向くことになる。このため、複数の接続材
30の凸部32および突出部34の向きが同一方向にな
り、接続材30の配置を間違えることが少なくできるも
のである。接合手順は、3つの中空形材をベッド240
に載せ、拘束する。以下は図1の場合と同様である。
【0038】図7の実施例を説明する。面板12b、2
2b、リブ13A、23A、接続材30が構成する空間
に支え台40を配置している。支え台40は面板12
b、22bに載っている。接続材30の端部は面板1
1、21の端部の突出片11f、21fに載っている。
突出片11f、21fを含むと突き合わせ部の下方は支
え台40に載っている。接続材30bの両端に凸部32
がある。両端とも突き合わせ接合する。一方の端部に突
出部34bを有する。面板11、21と接続材30とは
突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。面板21と接続材3
0との突き合わせ部を接合しているのは、高精度に組み
合わせることができる場合である。摩擦攪拌接合後、支
え台40を長手方向に抜く。
【0039】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。
【0040】
【発明の効果】本発明によれば、接続材のアーク溶接を
少なくできるので、高精度の構造体を提供できるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の接合部の接合前の縦断面
図。
【図2】図1の本発明の要部の縦断面図。
【図3】本発明の一実施例の接合部の接合後の縦断面
図。
【図4】本発明の一実施例の接合部の中空形材の縦断面
図。
【図5】鉄道車両の車体の斜視図。
【図6】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図。
【図7】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図。
【符号の説明】
10,10B,20 中空形材 11,12,12b,21,22,22b 面板 11b,32,35 凸部 14 溝 30,30B 接続材 34 突出部 201 側構体 202 屋根構体 203 台枠 240 ベッド 250 回転工具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) E04C 2/32 B23K 103:10 // B23K 103:10 E04B 1/60 503Z (72)発明者 福寄 一成 山口県下松市大字東豊井794番地 日立笠 戸機械工業株式会社内 (72)発明者 松永 徹也 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 Fターム(参考) 2E125 AA70 AD02 AE14 AG20 BB03 BB29 BD02 BE08 CA90 2E162 CB08 GB07 4E001 AA03 DG02 4E067 AA05 BG00 DA17 EB00

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の形材と第2の形材を準備し、 前記第1の中空形材と第2の中空形材のそれぞれは、第
    1の面板と、これに実質的に平行であり、前記第1の面
    板の端部よりも面板に沿って突出した第2の面板と、前
    記第1の面板と前記第2の面板とを接続する第3の板と
    からなり、 前記第2の面板の端部同士を前記第1の面板側から摩擦
    攪拌接合によって接合し、 次に、前記第1の形材の前記第1の面板の端部と前記第
    2の形材の前記第1の面板の端部との間に、接続材のそ
    れぞれの端部を配置し、 前記配置の際に、前記第1の形材の前記第1の面板の端
    部において前記第2の形材側に向けて開放した溝に、前
    記接続材の一端を挿入し、 次に、前記接続材の他端を、前記第2の形材の前記第1
    の面板の端部に仮止め溶接し、 次に、前記第1の形材の前記第1の面板の端部と前記接
    続材の一端とを摩擦攪拌接合すると共に、前記第2の形
    材の前記第1の面板の端部と前記接続材の他端とを摩擦
    攪拌接合すること、 を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006193129A (ja) * 2004-12-16 2006-07-27 Hitachi Ltd 鉄道車両用台車枠の製作方法及びその台車枠

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