JP4440522B2

JP4440522B2 - 摩擦攪拌接合用中空形材

Info

Publication number: JP4440522B2
Application number: JP2002265699A
Authority: JP
Inventors: 昌邦江角; 一成福寄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2021-04-16
Also published as: JP2003094179A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摩擦攪拌接合方法に係わり、特に、中空形材の摩擦攪拌接合に好適である。
【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、軟化させて塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は大径部と小径部からなる。小径部を接合すべき部材に挿入し、大径部の端面を前記部材に接触させている。小径部にはねじを設けている。
【０００３】
接合すべき２つの部材の回転工具の挿入側に凸部を設け、この凸部の金属を原資として２つの部材の間の隙間を埋めるようにしている。回転工具の大径部は凸部内に入れている。
回転工具を接合部の金属に挿入しなければならないので、接合部には大きな力がかかる。このため、中空形材を接合する際には、中空形材の２つの面板を接続する接続板の部分を他方の中空形材との摩擦攪拌接合位置としている。これは前記接続板で前記力を支え、中空形材の変形を防止しながら摩擦攪拌接合するものである。
これらは特許文献１、特許文献２に示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）
【特許文献２】
特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
２つの板の突き合わせ部を溶接（または摩擦攪拌接合）すると、溶接熱によって変形する。その変形の１つとして板の厚さ方向に板が変形する。このため、溶接部の一方の板と他方の板との間に段差が生じ、平面度が悪くなりやすい。このため、中空形材においては、溶接部の近傍には並列な２つの面板を接続する板を設け、面板が厚さ方向に変形するのを防止する。この接続板は中空形材のそれぞれの溶接部の近傍に設けている。この接続板は面板に直交している。
【０００６】
摩擦攪拌接合はアーク溶接に比べて接合温度は低いので、変形は少ないが、それなりの変形が考えられる。このため、特許文献１、特許文献２でも前記接合板を設けている。特許文献２ではそれぞれの中空形材の端部に前記接続板を設けている。このため、強度を無視して議論すれば、接続板によって質量が増大する。
【０００７】
なお、特許文献１では摩擦攪拌接合する一対の中空形材の一方のみに接続板を設けている。
本発明の目的は、軽量で良好な接合ができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の中空形材の幅方向の端部と第２の中空形材の幅方向の端部とを突き合わせて、該突き合わせた部分を摩擦攪拌接合するための中空形材において、前記第１の中空形材は、２つの面板と、両者を接続するものであって、少なくとも一端は前記端部を除いた位置に接続した第１の接続板と、前記２つの面板の端部同士を接続するものであって、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、前記第２の接続板と前記２つの面板とのそれぞれの接続部に設けられ、第２の接続板の両端部を板厚方向に延長して形成される突出片と、２つの面板の端部を板厚方向に外方へ延長した垂直面で形成される凹部と、前記凹部の垂直面に設けられる前記面板の長手方向に沿って開口した溝と、からなり、前記溝は前記第２の接続板の板厚の中心の延長線上に位置していること、によって達成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図３によって説明する。鉄道車両の車体５００は、側面を構成する側構体５０１、屋根を構成する屋根構体５０２、床を構成する台枠５０３、長手方向の端部を構成する妻構体５０４からなる。側構体５０１、屋根構体５０２、台枠５０４は、それぞれ複数の押し出し形材１０、２０を接合して構成している。押し出し形材１０、２０の長手方向（押し出し方向）を車体５００の長手方向に向け、車体５００の周方向に多数並べている。押し出し形材１０、２０はアルミニウム合金製の中空形材である。
【００１２】
側構体５０１を構成する中空形材１０と２０との接合部について説明する。他の箇所の中空形材の接合部も同様にできる。
中空形材１０（２０）は、実質的に平行な２枚の面板１１（２１）、１２（２２）と、この２枚の面板を接続する複数の接続板１３（２３）、１４と、からなる。接続板１３（２３）は面板１１（２１）、１２（２２）に対して傾斜している。つまり、面板１１（２１）、１２（２２）、接続板１３（２３）によってトラスを構成している。中空形材１０、２０の使用個所によっては、一方の面板１１、２１は他方の面板１２、２２に対して傾斜したり、円弧状になったり、全体が円弧状になっている。
【００１３】
中空形材１０の幅方向の端部の接続板１４は面板１１、１２に対して実質的に直交している。中空形材２０の端部には面板２１、２２に対して直交する接続板はない。接続板１４と面板１１、１２とのそれぞれの接続部には中空形材２０の面板２１、２２の端部が重なる凹部がある。前記それぞれの接続部には面板２１、２２を支える突出片１５がある。突出片１５は接続板１４から中空形材１０の幅方向の端部側に突出している。前記凹部は面板１１（１２）、接続板１４、突出片１５から構成される。凹部は中空形材１０の幅方向の外方および厚さ方向の外方に向けて開口している。凹部に面板２１、２２を重ねたとき、面板２１、２２の端面と面板１１、１２の端面とが突き合わせられる。
【００１４】
面板１１、１２（２１、２２）の端部には中空形材１０、２０の厚さ方向の外側に突出する凸部１７（２７）がそれぞれある。面板１１、１２（２１、２２）の端面および凸部１７（２７）の端面は中空形材１０（２０）の厚さ方向に沿っている。面板１１、１２および凸部１７の端面（中空形材１０の幅方向の端部）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上にある。面板２１、２２および凸部２７の端面（中空形材２０の幅方向の端部）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上にある。
【００１５】
中空形材１０と中空形材２０とを組み合わせたとき、接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、面板１１、１２、２１、２２および凸部１７、１７、２７，２７の端面がある。この組み合わせによって、中空形材１０の面板１１（１２）および凸部１７（１７）の端面と中空形材２０の面板２１（２２）および凸部２７（２７）の端面とが突き合わせられる。このとき、突き合わせ部の隙間はできるだけ小さくなるように各部を設けている。すなわち、面板２１、２２の間隔、凹部の間隔を定めている。
【００１６】
中空形材１０、２０を突き合わせた時、面板１１、１２の外面と面板２１、２２の外面とは実質的に同一面にあり、凸部１７、２７の突出代は同一である。２つの凸部１７、２７の幅は同一である。２つの凸部１７、２７を合わせた幅は回転工具５０の大径部５１の径よりも大きい。凸部１７、２７の金属は、突き合わせた部分の隙間を埋める金属の原資となる。
【００１７】
中空形材１０の突き合わせ部の端面（中空形材１０の厚さ方向に沿った凹部の面（面板１１、１２に実質的に直交する面、中心Ｃに沿った面。））には中空形材１０の長手方向に沿って溝１８、１８がある。中空形材２０の突き合わせ部の端面（面板２１、２２に実質的に直交する面、中心Ｃに沿った面。）には中空形材２０の長手方向に沿って凸部２８、２８がある。凸部２８は溝１８に入る。
【００１８】
凸部２８を溝１８に挿入しやすくするため、溝１８および凸部２８を台形状にしている。凸部２８の幅は先端側が基部よりも小さい。溝１８の幅は底部が開口部側よりも小さい。溝１８、凸部２８のそれぞれの角部は円弧状にしている。両者を組み合わせたとき、両者の間の隙間は小さくなるように、凸部２８、溝１８の大きさを定めている。特に、中空形材１０、２０の厚さ方向における溝１８と凸部２８との間の隙間は小さくしている。または、中空形材１０、２０の厚さ方向において、溝１８と凸部２８とは接触していることが望ましい。
【００１９】
中空形材１０（２０）の厚さ方向における溝１８（凸部２８）の位置は面板１１、１２（２１、２２）と凸部１７、１７（２７、２７）とを合わせた厚さの範囲内にあればよい。
面板１１、１２、２１、２２の突き合わせ部の板厚は他の部分の厚さよりも厚くしている。中空形材の厚さ方向の外面側は実質的に平らにしなければならないので、面板の内面側に向けて突出させて、厚くしている。この厚さは突き合わせ部から遠ざかるにしたがって徐々に薄くしている。凹部の底面は面板１１、１２、２１、２２の外面に実質的に平行である。
【００２０】
接合に当たって、２つの中空形材１０、２０を図１のように嵌め合わせる。凸部２８、２８が溝１８、１８に入る。溝１８は中空形材の幅方向の端部側に向けて開口し、凸部は中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しているので、嵌め合わせは容易にできる。
嵌め合わせたら、中空形材１０、２０を架台１００に固定する。１０１は下面の凸部１７、２７が入る溝である。固定後、突き合わせ部の上面側を間欠的に仮止め溶接する。
【００２１】
回転工具５０は大径部５１の先端に小径部５２を設けている。小径部５２にはねじを設けている。接合に際しては、突き合わせ部に回転工具５０を挿入する。回転工具５０の軸心は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させる。大径部５１の下端は面板１１、２１（１２、２２）の外面の延長線と凸部１７、２７（１７、２７）の頂面との間に位置させる。小径部５２は面板１１（１２）と面板２１（２２）との突き合わせ部に挿入する。小径部５２の下端は突出片１５の上面（凹部の底面）よりも若干挿入している。少なくとも突出片１５まで塑性流動するように、小径部５２を挿入する。
【００２２】
回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させたとき、溝１８は小径部５２の径の範囲内に位置する。凸部２８は小径部５２の径の範囲内に位置する。この状態で、回転工具５０を回転させながら、突き合わせ部の接合線に沿って移動させる。
【００２３】
一方の面側の摩擦攪拌接合が終了したら、中空形材１０、２０を上下に反転させ、同様に摩擦攪拌接合を行う。
【００２４】
次に、車体５００の外面側に位置する凸部１７、２７を切削して、接合部の外面を面板１１、２１（１２,２２）の外面と同一面にする。
これによれば、摩擦攪拌接合による摩擦熱によって面板２１（２２）が変形しようとしても、凸部２８と溝１８とが嵌め合わせられているので、面板２１（２２）の上下方向の移動を防止または抑制する。このため、面板１１（１２）と面板２１（２２）との間に段差の少ない接合ができる。
【００２５】
このため、摩擦攪拌接合後、前記段差を少なくする切削作業を少なくできる。このため、安価にできるものである。また、中空形材２０の端部において面板２１、２２に直交する接続板を予め除くことができる。このため、中空形材２０を安価で、軽量にできるものである。
【００２６】
回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させたとき、溝１８は小径部５２の径の範囲内に位置する。凸部２８は小径部５２の径の範囲内に位置する。このため、溝１８と凸部２８との間に隙間があっても、隙間は埋められ、接合される。溝１８および凸部２８が小径部５２の径の範囲内に位置しなくても、小径部５２によって、溝１８および凸部２８が塑性流動するように、溝１８および凸部２８の位置および大きさを定める。
【００２７】
回転工具５０は接続板１４の板厚の延長線上に位置するので、摩擦接合の際の荷重は接続板１４で支えられ、接合部が変形することが少ない。接続板１４はこの荷重を支える剛性を有する。接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に回転工具５０の軸心が位置するのがよい。
【００２８】
面板１１、２１、１２、２２（凸部１７、２７の部分を除く）の外面の延長線よりも外面側の凸部１７、２７の部分（凸部１７、２７の突出代の部分）に、溝１８および凸部２８の一部を設置しているので、所要の大きさの溝１８および凸部２８を容易に設けることができるものである。
接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、回転工具５０の軸心、凸部１７、２７の端部が実質的に位置しているのが望ましい。
【００２９】
上記実施例では中空形材１０の凹部に溝１８を設け、中空形材２０に凸部２８を設けているが、中空形材１０の凹部に凸部２８を設け、中空形材２０の面板２１、２２の端部に溝１８を設けることができる。しかし、前者の方が、押し出し形材を製作する際に正確にできると考えられる。
【００３０】
また、一方の面板１１側（一方の凹部側）に溝１８を設け、他方の面板１２側（他方の凹部側）に凸部２８を設け、一方の面板２１に凸部２８を設け、他方の面板２２に溝１８を設けることができる。
【００３１】
図４、図５の実施例を説明する。接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、溝１８の深さの中心が位置する。このため、面板１１、１２および凸部１７の突き合わせ部の端面は接続板１４の板厚の中心Ｃよりも中空形材１０の端部側に突出している。中空形材２０の突き合わせ部はこれに対応して設けている。すなわち、面板２１、２２および凸部２７の突き合わせ部の端面（凸部２８を除く。）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上よりも中空形材１０の幅方向の他端側に突出している。このため、凸部１７の幅が凸部２７の幅よりも大きい。
【００３２】
回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させて摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合に当たって、凸部１７、２７の突き合わせ部の位置を求め、その位置から中空形材１０側に所定量偏寄させた位置を回転工具５０の位置とする。
これによれば、溝１８および凸部２８に対する回転工具５０（小径部５２）の軸心の位置ずれの許容量を大きくできるものである。
接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、回転工具５０の軸心、溝１８の深さの中心が実質的に位置しているのが望ましい。
【００３３】
上記各実施例では、摩擦攪拌接合時の荷重を支持するために、接続板１４を設けている。しかし、面板１１、１２、２１、２２、および接続板１３、２３からなる空間に支持部材を配置して、前記荷重を支持するようにすれば、接続板１４を除くことができる。中空形材１０、２０の幅方向の端部の位置（溝１８、凸部２８の位置、すなわち突き合わせ部の位置）は実質的に同一位置にある。支持部材は例えば下方の面板１２、２２に載る。
【００３４】
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。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のよれば、軽量で良好な摩擦攪拌接合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中空形材の接合部の縦断面図。
【図２】図１の中空形材の接合部の全体の縦断面図。
【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中空形材１０の接合部の縦断面図。
【図５】図４の接合部に用いる中空形材２０の接合部の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０：中空形材、１１、１２、２１、２２：面板、１５：突出片、１７、２７：凸部、１８：溝、２８：凸部、５０：回転工具、５１：大径部、５２：小径部。

Claims

第１の中空形材の幅方向の端部と第２の中空形材の幅方向の端部とを突き合わせて、該突き合わせた部分を摩擦攪拌接合するための中空形材において、
前記第１の中空形材は、２つの面板と、前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記端部を除いた位置に接続した第１の接続板と、前記２つの面板の端部同士を接続するものであって、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、前記第２の接続板と前記２つの面板とのそれぞれの接続部に設けられ、前記第２の接続板の両端部を板厚方向に延長して形成される突出片と、前記２つの面板の端部を板厚方向に外方へ延長した垂直面とで形成される凹部と、前記凹部の垂直面に設けられる前記面板の長手方向に沿って開口した溝と、からなり、
前記溝は前記第２の接続板の板厚の中心の延長線上に位置していること、
を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。
第１の中空形材の幅方向の端部と第２の中空形材の幅方向の端部とを突き合わせて、前記突き合わせた部分を摩擦攪拌接合するための中空形材において、
前記第２の中空形材は、２つの面板と、前記２つの面板とを接続するものであって、少なくとも一端は前記端部を除いた位置に接続した接続板と、該中空形材の前記端部において、一方の前記面板に設けた凸部と、からなり、
前記第１の中空形材は、２つの面板と、前記２つの面板とを接続するものであって、少なくとも一端は前記端部を除いた位置に接続した第１の接続板と、前記２つの面板の端部同士を接続するものであって、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、前記第２の接続板と前記２つの面板とのそれぞれの接続部に設けられ、前記第２の接続板の両端部を板厚方向に延長して形成される突出片と、２つの面板の端部を板厚方向に外方へ延長した垂直面とで形成される凹部と、前記凹部の垂直面に設けられる前記面板の長手方向に沿って開口した溝と、からなり、
前記第２の中空形材の前記凸部を前記第１の中空形材の前記溝に挿入したとき、前記第２の中空形材の前記凸部は、前記第１の中空形材の前記第２の接続板の板厚の中心の延長線上に位置していること、
を特徴とする摩擦攪拌接合用中空形材。