JP5492235B2 - ダブルスキンパネルの組立体及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダブルスキンパネルの組立体及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法に関する。

二枚の金属板を重ねて構成されたダブルスキンパネルは、鉄道車両、航空機、船舶、土木建築構造物等の構造体として用いられている。ダブルスキンパネルは、例えば、特許文献１に記載されているように、外板と、内板と、外板と内板との間に介設される支持板と、を備えている。また、ダブルスキンパネル同士を接合する際には、隣り合うダブルスキンパネルの外板同士の端部及び内板同士の端部を突き合わせてダブルスキンパネルの組立体を形成した後、回転ツールを用いて突き合わせた部分を摩擦攪拌接合することが知られている。

特開２００８−２７２７６８号公報

しかし、ダブルスキンパネルは薄くかつ長尺な金属部材であるため、一対のダブルスキンパネルの外板同士及び内板同士を精度よく突き合わせる作業が困難となる。また、ダブルスキンパネルの組立体を治具で移動不能に固定しても、回転ツールを移動させて接合する際にダブルスキンパネル同士が離間してしまうという問題があった。

このような観点から、本発明は、ダブルスキンパネルを好適に接合することができるダブルスキンパネルの組立体及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、一対のダブルスキンパネルの組立体であって、一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とが係合され、各前記鉤部は、前記外板の厚肉部から延設された薄肉部と、前記薄肉部に連続し板厚方向に張り出した張出部と、を有し、一対の前記張出部同士が係合されているとともに、一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とが係合されずに突き合わされていることを特徴とする。

かかる構成によれば、外板の鉤部同士を係合させることにより、接合する際にダブルスキンパネル同士が離間するのを防ぐことができる。内板にも鉤部を設けると、ダブルスキンパネル同士を突き合わせる作業が困難になるが、本発明では内板には鉤部を設けず端面同士を突き合わせるだけでよい。これにより、ダブルスキンパネルを突き合わせる準備工程の作業を省力化することができる。また、簡易な構成で鉤部を設けることができる。

また、一方の前記ダブルスキンパネルの前記張出部の側部には張出傾斜面が形成されており、他方の前記ダブルスキンパネルの前記厚肉部には前記張出傾斜面に面接触する厚肉傾斜面が形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、傾斜面同士を斜めに摺動させることができるので、ダブルスキンパネル同士を係合させやすい。

また、前記外板と前記内板の間に支持板が介設されており、前記支持板から前記端面までの長さをｃ（ｍｍ）及び前記厚肉部の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、ｃ≦７．０×ｔ＋１８．５ｍｍを満たすように設定されていることが好ましい。支持板から端面までの距離が大きいと、部材の端部側の変形が大きくなるおそれがあるが、かかる構成によれば、部材の端部側の変形が小さくなる。

また、本発明は、一対のダブルスキンパネルの端部同士を摩擦攪拌接合するダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法であって、一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とを係合しつつ、一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とを係合させずに突き合わせる準備工程と、前記準備工程で係合させた係合部及び突き合わせた突合部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含むことを特徴とする。

かかる方法によれば、外板の鉤部同士を係合させることにより、接合する際にダブルスキンパネル同士が離間するのを防ぐことができる。内板にも鉤部を設けると、ダブルスキンパネル同士を突き合わせる作業が困難になるが、本発明では内板には鉤部を設けず端面同士を突き合わせるだけでよい。これにより、ダブルスキンパネルを突き合わせる準備工程の作業を省力化することができる。

また、前記接合工程では、前記係合部を接合した後に、前記突合部を接合することが好ましい。係合部又は突合部のどちらを先に接合しても、接合強度的には問題ないが、係合部を先に接合すると、接合後のダブルスキンパネル同士の角変形量を小さくすることができる。

本発明に係るダブルスキンパネルの組立体及びダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法によればダブルスキンパネルを好適に接合することができる。

本実施形態に係るダブルスキンパネルを示した斜視図である。 本実施形態に係る摩擦攪拌装置を示した斜視図である。 本実施形態に係る摩擦攪拌装置を示した斜視図である。 本実施形態に係るボビンツールを示した側面図である。 本実施形態に係る接合方法の準備工程を示した正面図である。 本実施形態に係る接合方法の第一接合工程を示した斜視図である。 本実施形態に係る接合方法の第二接合工程を示した斜視図である。 係合形態の変形例を示した正面図である。 実施例１の係合形態又は突き合わせ形態を示した正面図であって、（ａ）はタイプＩ、（ｂ）はタイプII、（ｃ）はタイプIIIを示す。 タイプＩの角変形の結果を示したグラフである。 タイプIIの角変形の結果を示したグラフである。 タイプIIIの角変形の結果を示したグラフである。 ボビンツールの回転方向、螺旋溝の巻回方向、係合形態をまとめた表である。 実施例３を示すための図であって（ａ）は供試体を示し、（ｂ）は各条件をまとめた表である。 実施例３の相関関係を示したグラフである。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、本実施形態で用いるダブルスキンパネルについて説明する。説明における上下左右前後は、図１の矢印にしたがう。

ダブルスキンパネル１は、図１に示すように、金属製の薄い長尺部材であって、外板２と、内板３と、支持板４，４とで主に構成されている。各支持板４は、外板２及び内板３に対して垂直になっている。ダブルスキンパネル１は、左右方向に複数枚接合されることにより、例えば鉄道車両、航空機、船舶及び土木建築構造物等の構造体として用いられる。ダブルスキンパネル１の製造方法は特に制限されないが、本実施形態では押出成形で成形されている。ダブルスキンパネル１の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金を用いている。

外板２は、中央部５と、中央部５から右側に延設された右側板状端部１０と、中央部５から左側に延設された左側板状端部２０とで構成されている。

右側板状端部１０は、第一外板厚肉部１１と、第一鉤部１２と、第一肉盛部１３とで構成されている。第一外板厚肉部１１は、支持板４に対して垂直になっており、右側に延設されている。第一鉤部１２は、鉤状になっており、右側に延設された第一薄肉部１４と、第一薄肉部１４から垂直に張り出した第一張出部１５とで構成されている。第一薄肉部１４は、第一外板厚肉部１１の３分の一程度の厚さになっている。

第一張出部１５は、第一薄肉部１４の先端から内板３側に向けて張り出している。第一張出部１５の側部には、内板３側に向かうにつれて支持板４に近づくように傾斜する第一張出傾斜面１６が形成されている。第一肉盛部１３は、第一外板厚肉部１１、第一薄肉部１４及び第一張出部１５の上面から一定の厚みで上方に突出し、厚肉に形成された部位である。

左側板状端部２０は、第二外板厚肉部２１と、第二鉤部２２と、第二肉盛部２３とで主に構成されている。第二外板厚肉部２１は、支持板４に対して垂直になっており、左側に延設されている。第二鉤部２２は、鉤状になっており、左側に延設された第二薄肉部２４と、第二薄肉部２４に対して垂直に張り出した第二張出部２５とで構成されている。第二薄肉部２４は、第二外板厚肉部２１の３分の一程度の厚さになっている。

第二張出部２５は、第二薄肉部２４の先端から内板３とは反対側に向けて張り出している。第二外板厚肉部２１の左端には、内板３側に向かうにつれて支持板４から離間するように傾斜する第二厚肉部傾斜面２６が形成されている。第二厚肉部傾斜面２６は、第一張出傾斜面１６と同じ傾斜角度になっている。第二肉盛部２３は、第二外板厚肉部２１の上面から一定の厚みで上方に突出し、厚肉に形成された部位である。

内板３は、中央部６と、中央部６から右側に延設された右側板状端部３０と、中央部６から左側に延設された左側板状端部４０とで構成されている。

右側板状端部３０は、第一内板厚肉部３１と、第一肉盛部３２と、第一端面３３とで構成されている。第一内板厚肉部３１は、支持板４に対して垂直になっており、右側に延設されている。第一肉盛部３２は、第一内板厚肉部３１の先端側の下面から下方に突出し、厚肉になっている部位である。

左側板状端部４０は、第二内板厚肉部４１と、第二肉盛部４２と、第二端面４３とで構成されている。第二内板厚肉部４１は、支持板４に対して垂直になっており、左側に延設されている。第二肉盛部４２は、第二内板厚肉部４１の先端側の下面から下方に突出し、厚肉になっている部位である。

次に、本実施形態で用いる摩擦攪拌装置について説明する。図２，３に示すように、摩擦攪拌装置６１は、外部ホルダー６２と、外部ホルダー６２の内部に配設される内部ホルダー６３と、内部ホルダー６３内に挿通されるスライド軸６４と、スライド軸６４の先端に取り付けられたボビンツール５１とを有する。

外部ホルダー６２は、円筒状を呈する部材であって内側に内部ホルダー６３を収容する。外部ホルダー６２は、摩擦攪拌装置６１のチャック部（図示省略）に固定される部位であって、摩擦攪拌装置１の回転駆動に伴って上下方向軸回りに回転する。図３に示すように、内部ホルダー６３は、円筒状を呈する部材であって、その外周面には径方向に貫通する長孔６３ａが形成されている。内部ホルダー６３は、外部ホルダー６２に固定されることにより外部ホルダー６２と一体的に回転する。

スライド軸６４は、内部ホルダー６３の内部に挿通される軸部材である。スライド軸６４の側面には、外側に向けて突出する突部６４ａが形成されている。突部６４ａと内部ホルダー６３の長孔６３ａとが係合することで、内部ホルダー６３とスライド軸６４とが一体的に回転する。スライド軸６４は、内部ホルダー６３に対して長孔６３ａの範囲内において、上下方向に移動可能になっている。

ボビンツール５１は、図４に示すように、第一ショルダ５２と、第二ショルダ５３と、第一ショルダ５２と第二ショルダ５３との間に介設されたピン５４とで構成されている。第一ショルダ５２、第二ショルダ５３、ピン５４はいずれも略円柱状を呈し同軸になっている。ボビンツール５１は、ピン５４が接合部分を高速回転しながら移動することにより摩擦攪拌接合するツールである。

第一ショルダ５２は、大径部５２ａと、テーパー部５２ｂと、下端面５２ｃとを備えている。テーパー部５２ｂは、下方に向けて徐々に縮径している。第一ショルダ５２の下端面５２ｃには、図示は省略するが、ピン５４周りに沿って平面視渦巻き形状の凹溝が形成されている。

第二ショルダ５３は、外周面に溝を備えた構成になっている。第二ショルダ５３は、大径部５３ａと、テーパー部５３ｂと、上端面５３ｃとを備えている。テーパー部５３ｂは、上方に向けて徐々に縮径している。大径部５３ａの外径Ｙ１は、大径部５２ａの外径Ｘ１よりも小さくなっている。また、上端面５３ｃの直径Ｙ２は、下端面５２ｃの直径Ｘ２と同等になっている。

ピン５４の外周面には、左ネジで形成された螺旋溝５５が刻設されている。つまり、螺旋溝５５は、上から下に向け左回りとなるように巻回されている。ピン５４の外径Ｖは、直径Ｘ２及び直径Ｙ２よりも小さくなっている。スライド軸６４は、ナットを介して第一ショルダ５２に接続されている。

ボビンツール５１のショルダ間距離（ピン５４の長さ）は、接合する部分の板厚（本実施形態では、第一外板厚肉部１１と第一肉盛部１３との厚さの合計）以下になっていることが好ましい。螺旋溝５５の溝の深さや、ピッチ等は摩擦攪拌する金属板の材料や接合する部分の板厚、ショルダ間距離等に応じて適宜設定すればよい。

ここで、摩擦攪拌接合を行うと、摩擦熱によって接合部分の温度が上昇し、板状端部１０，２０又は板状端部３０，４０が上方又は下方に反ってしまい、ボビンツール５１がその反りに応じて上向き又は下向きの力を受ける。また、摩擦攪拌によって塑性流動化した金属が螺旋溝５５に導かれて流動し、その流動に応じてボビンツール５１が上向き又は下向きの力を受ける。

本実施形態に係る摩擦攪拌装置６１は、スライド軸６４が内部ホルダー６３内を移動可能に形成されているため、板状端部１０，２０（３０，４０）が例えば上方に反った場合や塑性流動化された金属が上向きに流れている場合に、その反りや流動に追従してボビンツール５１が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、摩擦攪拌装置６１は、板状端部１０，２０（３０，４０）が例えば下方に反った場合や塑性流動化された金属が下向きに流れている場合に、その反りや流動に追従してボビンツール５１が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。

なお、螺旋溝に基づく上下方向への金属の流動は、ボビンツール５１のピン５４の回転による周方向での金属の流動に比べて微量に止まるものである。したがって、塑性流動化された金属に基づくボビンツール５１の上下方向の移動も微量に止まるものである。

なお、本実施形態の摩擦攪拌装置６１は、例示であって他の形態であってもよい。例えば、本実施形態ではボビンツール５１が上下方向に移動可能に構成されたフローティングボビンツールを用いたが、ボビンツール５１が上下方向に移動不能に構成された摩擦攪拌装置を用いてもよい。また、ボビン型のツールではなく、一のショルダと、このショルダに垂下されたピンからなる回転ツールを用いてもよい。

次に、本実施形態に係るダブルスキンパネルの接合方法について説明する。ここでは同形状のダブルスキンパネル１を二本併設して接合する場合を例示する。この接合方法では、準備工程と、接合工程とを行う。

準備工程では、図５に示すように、ダブルスキンパネル１，１を突き合わせてダブルスキンパネルの組立体を形成し、その組立体を移動不能に拘束する。なお、説明においては、一方のダブルスキンパネルを「１Ａ」と付し、他方のダブルスキンパネルを「１Ｂ」と付し、それぞれに対応する要素に「Ａ」、「Ｂ」と符号を加えて区別する。

準備工程では、具体的には、ダブルスキンパネル１Ａの第一鉤部１２Ａとダブルスキンパネル１Ｂの第二鉤部２２Ｂとを係合させるとともに、第一端面３３Ａと第二端面４３Ｂとを突き合わせる。これにより、第一鉤部１２Ａと第二鉤部２２Ｂとが隙間なく係合し、係合部Ｍが形成される。一方、第一端面３３Ａと第二端面４３Ｂとが突き合わされて突合部Ｎが形成される。張出部１５Ａと張出部２５Ｂとが係合する箇所及び第一端面３３Ａと第二端面４３Ｂとが突き合わされる箇所の延長線を「センター線Ｃ」とする。

第一肉盛部１３Ａの上面と第二肉盛部２３Ｂの上面とは面一になるとともに、第一外板厚肉部１１Ａの下面と第二外板厚肉部２１Ｂの下面は面一になっている。また、第一内板厚肉部３１Ａの上面と第二内板厚肉部３１Ｂの上面は面一になるとともに、第一肉盛部３２Ａの下面と第二肉盛部４２Ｂの下面とは面一になっている。ダブルスキンパネルの組立体を形成したら、この組立体を治具で移動不能に拘束する。

接合工程では、図６に示すように、ボビンツール５１を用いて係合部Ｍを接合する第一接合工程と、突合部Ｎを接合する第二接合工程を行う。

第一接合工程では、進行方向の左側にダブルスキンパネル１Ａが配置されるようにする。そして、右回転させたボビンツール５１のピン５４の中心を、センター線Ｃ上における係合部Ｍの高さ方向の中心に合わせ、係合部Ｍに突入させる。そして、前側から後側に向けて係合部Ｍに沿って摩擦攪拌接合を行う。なお、係合部Ｍにはボビンツール５１が移動した軌跡に沿って塑性化領域Ｗ１が形成される（図７参照）。

第二接合工程では、図７に示すように、第一接合工程が終えたら、ダブルスキンパネルの組立体を裏返しにして、再度ダブルスキンパネルの組立体を移動不能に拘束する。そして、右回転させたボビンツール５１のピン５４の中心を、センター線Ｃ上における突合部Ｎの高さ方向の中心に合わせ、突合部Ｎに突入させる。そして、前側から後側に向けて突合部Ｎに沿って摩擦攪拌接合を行う。突合部Ｎにはボビンツール５１が移動した軌跡に沿って塑性化領域（図示省略）が形成される。これにより、第一外板２Ａ、第二外板２Ｂ同士、及び、第一内板３Ａ、第二内板３Ｂ同士が接合される。

以上説明した本実施形態にかかる接合方法によれば、第一外板２Ａの第一鉤部１２Ａと第二外板２Ｂの第二鉤部２２Ｂを係合させることにより、摩擦攪拌接合する際にダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂが離間するのを簡易に防ぐことができる。一方、第一内板３Ａ及び第二内板３Ｂには鉤部を設けず第一端面３３Ａ及び第二端面４３Ｂを突き合わせることにより、準備工程の作業やダブルスキンパネルの製造を省力化することができる。ダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂが長尺である場合、第一内板３Ａ及び第二内板３Ｂにも鉤部を設けると係合する作業が困難になるが、本実施形態によれば係合作業が容易となる。

また、準備工程では、第一鉤部１２Ａと第二鉤部２２Ｂとを係合させる際に、第一張出傾斜面１６Ａと第二本体傾斜面２６Ｂとを摺動させながら係合させることができるため、係合作業が容易になる。具体的には、載置されたダブルスキンパネル１Ｂの上方から、ダブルスキンパネル１Ａを降ろす際に、第一張出傾斜面１６Ａと第二本体傾斜面２６Ｂとを摺動させるだけで、係合させることができる。

また、第一張出部１５Ａと第二張出部２５Ｂとを設けることで簡易な構成で係合させることができる。また、肉盛部（１３Ａ，２３Ｂ，３２Ａ，４２Ｂ）を設けることで、摩擦攪拌接合の際に、金属が不足するのを防ぐことができる。本実施形態では、ピン５４に左ネジの螺旋溝５５が刻設されており、ボビンツール５１を右回転させつつ前側から後側に移動させるため、塑性流動化された金属が螺旋溝５５に導かれて第二ショルダ５３側に流動する傾向がある。したがって、肉盛部（１３Ａ，２３Ｂ，３２Ａ，４２Ｂ）を、外板２Ａ，２Ｂ及び内板３Ａ，３Ｂのうち、第一ショルダ５２と対向する側に設けることにより、第一ショルダ５２側における金属不足を回避できる。

また、係合部Ｍ又は突合部Ｎのどちらを先に接合しても、接合強度的には問題ないが、係合部Ｍを先に接合すると、接合後のダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂ同士の角変形量を小さくすることができる。

なお、ダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂの形状や係合形態は両者が離間しない形態であれた特に制限されるものではない。本実施形態のように、ダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂの端部が面一になり、かつ、隙間がなくなるように係合することが好ましい。また、一のダブルスキンパネルの外板２の両端に、第一鉤部１２，１２を設けたものを形成し、他のダブルスキンパネルの外板２の両端に、第二鉤部２２，２２を設けたものを形成し、これらのダブルスキンパネルを交互に併設して係合及び接合してもよい。また、例えば、図８に示すように、第一張出部１５Ａ及び第二張出部２５Ｂの側部に傾斜を設けない形状としてもよい。また、本実施形態では、支持板４は外板２及び内板３に対して垂直に形成したが、斜めであってもよい。

＜実施例１＞
次に、本発明の実施例１について説明する。図９は、実施例１の係合形態又は突き合わせ形態を示した正面図であって、（ａ）はタイプＩ、（ｂ）はタイプII、（ｃ）はタイプIIIを示す。実施例１では、３種類の供試体を用意して、タイプＩ、タイプII及びタイプIIIの部分のみにそれぞれ摩擦攪拌接合を行いそれぞれの角変形を調査した。

タイプＩ〜IIIは、アルミニウム合金６Ｎ０１−Ｔ５材からなるダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂであって、図１及び図５を参照するように、外板厚肉部（第一外板厚肉部１１、第二外板厚肉部２１）の板厚ａ＝３ｍｍ、肉盛部（肉盛部１３Ａ，２３Ｂ，３２Ａ，４２Ｂ）の厚さ寸法ｂ＝０．５ｍｍ、支持板４から第一端面３３までの長さｃ及び支持板４から第二端面４３までの長さｃ＝１５ｍｍ、第一外板２Ａの上面から第一内板３Ａの下面までの長さｄ＝３０ｍｍ、左右幅寸法ｅ＝２００ｍｍ、延長寸法５０００ｍｍに設定されている。

ボビンツール５１は、図４を参照するように、第一ショルダ５２の下端面５２ｃの直径Ｘ２及び第二ショルダ５３の上端面５３ｃの直径Ｙ２＝１０ｍｍ、第二ショルダ５３の外径Ｙ１＝１５ｍｍ、ピン５４の外径Ｖ＝６ｍｍに設定されている。第一ショルダ５２から第二ショルダ５３までの長さ（ピン５４の長さ）は２．９ｍｍに設定されている。第一ショルダ５２の下端面５２ｃに形成された凹溝（図示省略）の形状は平面視渦巻き状であって、溝の深さは０．３ｍｍ、溝のピッチは１．２ｍｍに設定されている。ボビンツール５１は、タイプＩ〜IIIとも図９の（ａ）〜（ｃ）の紙面表側から裏側に向けて移動させる。ボビンツール５１の回転速度は２０００ｒｐｍ、移動速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。

タイプＩは、図９の（ａ）に示すように、ボビンツール５１の進行方向の左側にダブルスキンパネル１Ａを、右側にダブルスキンパネル１Ｂを配置し、第一鉤部１２Ａと第二鉤部２２Ｂとを係合させている。
タイプIIは、図９の（ｂ）に示すように、ボビンツール５１の進行方向の右側にダブルスキンパネル１Ａを、左側にダブルスキンパネル１Ｂを配置し、第一鉤部１２Ａと第二鉤部２２Ｂとを係合させている。
タイプIIIは、図９の（ｃ）に示すように、ボビンツール５１の進行方向の左側にダブルスキンパネル１Ａを配置し、右側にダブルスキンパネル１Ｂを配置し、第一端面３３Ａと第二端面４３Ｂとを突き合わせている。

図１０は、タイプＩの角変形結果を示したグラフである。図１１は、タイプIIの角変形結果を示したグラフである。図１２は、タイプIIIの角変形結果を示したグラフである。横軸は、接合された各供試体の左側端からの幅方向の長さを示している。幅方向＝２００ｍｍの位置は、センター線Ｃの位置を示している。縦軸は、各供試体における任意の基準点からの接合後の高さを示している。各供試体の前端から延長方向の距離５０ｍｍ、２００ｍｍ、４００ｍｍ、６００ｍｍ、８００ｍｍ、９５０ｍｍにおける各地点の高さを計測した。

図１０，１１に示すように、タイプＩ及びタイプIIでは、幅方向＝１８０ｍｍの位置での高さが最も高く、幅方向＝２１０ｍｍの位置での高さが最も低くなっている。つまり、接合部分に少し目違いが発生した形状となっている。また、幅方向＝１８０ｍｍ〜２１０ｍｍの位置での高低差は、タイプＩに比べてタイプIIの方が大きかった。また、幅方向＝２１０ｍｍの位置から供試体の右端までの高低差も、タイプＩに比べてタイプIIの方が大きかった。つまり、タイプＩに比べてタイプIIの方が、角変形が全体的に大きいことが分かった。

これは、図９の（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂがボビンツール５１から受ける力の方向と、ダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂの係合形態の違いに起因するものであると考えられる。本実施形態にかかるボビンツール５１（ピン５４の螺旋溝５５が左ネジ）を右回転させて、図９の紙面の表側から裏側に向けて移動させると、応力Ｆ１が作用すると考えられる。

したがって、図９の（ｂ）に示すタイプIIであると、係合部Ｍの傾斜面Ｍａの傾斜方向が応力Ｆ１の作用方向と略平行であるとともに、センター線Ｃに対して応力Ｆ１の入力位置と傾斜面Ｍａとが同じ側にあるため、ダブルスキンパネル１Ｂが右斜め下側に移動しやすくなり、接合中にダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂが離間する可能性が高くなる。

一方、図９の（ａ）に示すタイプＩであると、係合部Ｍの傾斜面Ｍａの傾斜方向が応力Ｆ１の作用方向と交わるとともに、センター線Ｃに対して応力Ｆ１の入力位置と傾斜面Ｍａとが反対側にあるため、接合中にダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂが離間するのを効果的に防ぐことができる。

他方、図１２に示すように、タイプIIIでは、幅方向が１８０ｍｍの位置及び幅方向が２１０ｍｍの位置における高さが同じくらいであった。つまり、左右端に比べて接合部分の高さが最も高く、正面視して山型になっている。また、タイプIIIの高低差は、タイプＩ，IIの高低差よりも大きくなっている。仮に、ダブルスキンパネルを複数枚（例えば５枚）配設し、タイプIIIのように突合部Ｎ側から摩擦攪拌接合すると、接合されたダブルスキンパネルの全体の角変形量が増大すると考えられる。したがって、突合部Ｎよりも、先に係合部Ｍ側から摩擦攪拌接合することが好ましい。

図１３は、ボビンツールの回転方向、螺旋溝の巻回方向、係合形態をまとめた表である。図１３では、４パターンの好ましい条件１〜４を示している。条件１（本実施形態と同様）に示すように、螺旋溝５５が左ネジのボビンツール５１を右回転させて、図１３の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプＩとすることが好ましい。

つまり、条件１ではボビンツール５１を右回転させるため、センター線Ｃに対して左側から右側方向成分の力が作用するとともに、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて上から下に流動する。したがって、条件１では、係合形態に示すように応力Ｆ１が作用する。そこで、タイプＩでは応力Ｆ１に対向するように、第二鉤部１２Ｂ及び係合部Ｍの傾斜面Ｍａを設定することで、接合中にダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂが離間するのを防ぐことができる。

また、条件２に示すように、螺旋溝５５が右ネジのボビンツール５１を左回転させて、図１３の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプIIとすることが好ましい。

つまり、条件２ではボビンツール５１を左回転させるため、センター線Ｃに対して右側から左側方向成分の力が作用するとともに、塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて上から下に流動する。したがって、条件２では、係合形態に示すように応力Ｆ２が作用する。そこで、タイプIIでは応力Ｆ２に対向するように、第二鉤部１２Ｂ及び係合部Ｍの傾斜面Ｍａを設定することで、ダブルスキンパネル１Ａ，１Ｂの間に隙間が発生するのを防ぐことができる。

同様に、条件３に示すように、螺旋溝５５が右ネジのボビンツール５１を右回転させて、図１３の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプIVとすることが好ましい。
また、同様に、条件４に示すように、螺旋溝５５が左ネジのボビンツール５１を左回転させて、図１３の紙面表側から裏側方向に移動させる場合、係合形態をタイプＶとすることが好ましい。

条件３，４の場合であっても、係合部Ｍの傾斜面Ｍａ’及び第二鉤部１２Ｂ’を応力Ｆ３，Ｆ４に対向するように設定することで、接合中にダブルスキンパネル１Ａ’，１Ｂ’が離間するのを防ぐことができる。

また、条件１，２では第一ショルダ５２側、条件３，４では第二ショルダ５３側に肉盛部を設けることが好ましい。これにより、摩擦攪拌によって金属が不足する側に金属を補充できるため、金属不足になるのを補うことができる。

＜実施例２＞
実施例２では、実施例１とは異なるサイズのダブルスキンパネルを５枚用いて摩擦攪拌接合を行った。図１を参照すると、実施例２のダブルスキンパネルは、外板厚肉部の板厚ａ＝４．０ｍｍｍ、肉盛部の厚さ寸法ｂ＝０．５ｍｍ、左右幅寸法ｅ＝４００ｍｍ、延長寸法１２５００ｍｍに設定されている。

ボビンツールは、図４を参照すると、第一ショルダ５２の下端面５２ｃの直径Ｘ２＝１５ｍｍ、第二ショルダ５３の外径Ｙ１＝１８ｍｍ、第二ショルダ５３の上端面５３ｃの直径Ｙ２＝１５ｍｍ、ピン５４の外径Ｖ＝９ｍｍに設定した。第一ショルダ５２から第二ショルダ５３までの長さ（ピン５４の長さ）は３．７ｍｍに設定されている。また、ボビンツールの回転速度を１０００ｒｐｍに設定した。また、ボビンツール移動速度は、係合部Ｍ側を１０００ｍｍ／ｍｉｎ、突合部Ｎ側を１５００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。

実施例２では、一枚のダブルスキンパネルをテーブルの上にセットし、次のダブルスキンパネルを上方から降ろして係合及び突き合わせた。同様の作業で５枚のダブルスキンパネルを隙間無く係合した後、組立体を移動不能に拘束した。組立体が浮かないように、延長方向に１．５ｍピッチで配置された横押しクランプで押し付けた。また、組立体の四隅を簡単にクランプした。そして、端から順番に摩擦攪拌接合を行った。

実施例２の条件であっても、接合不良の無い面材を製造することができた。ここで、一般的に、金属部材に対して摩擦攪拌接合を行うと、熱収縮が発生するため接合後の金属部材が反ってしまうことがある。仮に、金属部材の表裏において摩擦攪拌接合をする場合、回転ツールの回転速度、移動速度及び移動長さを同じ条件にして、金属部材の表面側に摩擦攪拌接合を行った後、裏面側に摩擦攪拌接合を行うと裏面側が凹状となるように反ってしまうおそれがある。

これは、表面側を摩擦攪拌接合した後は、熱収縮によって金属部材が表面側に凹状となるように沿っているため、沿った金属部材を平坦なテーブルの上に置くとテーブルと金属部材との間の隙間が大きくなる。この状態で、裏面側を摩擦攪拌接合すると、摩擦攪拌による熱がテーブルに抜けていきにくいため、金属部材に残る熱量が大きくなる。その結果、金属部材に残った熱とも相まって裏面側が凹状となるように大きく反ってしまう。

そこで、実施例２のように、係合部Ｍ側よりも突合部Ｎ側におけるボビンツールの移動速度を早く設定すれば、突合部Ｎへの接合時の入熱を小さくすることができる。これにより、接合後のダブルスキンパネルが反るのを防ぐことができる。

＜実施例３＞
実施例３では、板状端部の板厚と長さの関係を調査するために試験を行った。図１４の（ａ）に示すように、断面視コの字状を呈し、同形状からなる供試体１０１，１０１の端部同士を突き合わせ、突合部Ｎに対して摩擦攪拌接合を行った。各供試体１０１は、支持部材１０２と、支持部材１０２から垂直に延設された板状端部１０３と、を備えている。

供試体１０１の高さは３０ｍｍ、延長寸法は５００ｍｍに設定した。図１４の（ａ）及び（ｂ)に示すように、板状端部１０３の板厚ａ及び支持部材１０２から板状端部１０３の先端までの長さｃをパラメータとして各条件において摩擦攪拌接合を行った。図１４の（ｂ）に実施例３の各条件と接合の品質について表にまとめた。ボビンツールの寸法については、図１４の（ｂ）の表に示すとおりである。

図１４の（ｂ）に示すように、板厚ａ＝３ｍｍ、支持部材１０２から板状端部１０３の先端までの長さｃ＝５０ｍｍの場合、接合不良となった。また、板厚ａ＝６ｍｍの場合は、長さｃ＝７０ｍｍ、８０ｍｍのときに接合不良となった。また、板厚ａ＝１２ｍｍの場合は、長さｃ＝１２０ｍｍのときに接合不良となった。つまり、支持部材１０２に対して板状端部１０３の長さが長すぎると、板状端部１０３の先端側が変形しやすくなるため接合不良になりやすい。

図１５は、実施例３の相関関係を示したグラフである。図１５の横軸は板厚ａを示し、縦軸は支持部材から板状端部の先端までの長さｃを示している。このグラフから、支持部材から先端までの長さｃは、長さｃ≦７．０×板厚ａ＋１８．５ｍｍを満たすように設定することが好ましい。この条件であれば、板状端部１０３の変形を抑制できるため、接合不良になりにくい。

１ ダブルスキンパネル
２ 外板
３ 内板
４ 支持板
１０ 右側板状端部
１１ 第一外板厚肉部
１２ 第一鉤部
１３ 第一肉盛部
１４ 第一薄肉部
１５ 第一張出部
１６ 第一張出傾斜面
２０ 左側板状端部
２１ 第二外板厚肉部
２２ 第二鉤部
２３ 第二肉盛部
２４ 第二薄肉部
２５ 第二張出部
２６ 厚肉部傾斜面
３０ 右側板状端部
３１ 第一内板厚肉部
３２ 第一肉盛部
３３ 第一端面
４０ 左側板状端部
４１ 第二内板厚肉部
４２ 第二肉盛部
４２ 第二端面
５１ ボビンツール
５２ 第一ショルダ
５３ 第二ショルダ
５４ ピン
５５ 螺旋溝
ａ 板厚
ｃ 長さ

Claims (5)

1. 一対のダブルスキンパネルの組立体であって、
   一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とが係合され、
   各前記鉤部は、前記外板の厚肉部から延設された薄肉部と、前記薄肉部に連続し板厚方向に張り出した張出部と、を有し、
   一対の前記張出部同士が係合されているとともに、
   一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とが係合されずに突き合わされていることを特徴とするダブルスキンパネルの組立体。
2. 一方の前記ダブルスキンパネルの前記張出部の側部には張出傾斜面が形成されており、
   他方の前記ダブルスキンパネルの前記厚肉部には前記張出傾斜面に面接触する厚肉傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダブルスキンパネルの組立体。
3. 前記外板と前記内板の間に支持板が介設されており、
   前記支持板から前記端面までの長さをｃ（ｍｍ）及び前記厚肉部の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、
   ｃ≦７．０×ｔ＋１８．５ｍｍを満たすように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダブルスキンパネルの組立体。
4. 一対のダブルスキンパネルの端部同士を摩擦攪拌接合するダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法であって、
   一方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部と他方の前記ダブルスキンパネルの外板の端部に形成された鉤部とを係合しつつ、一方の前記ダブルスキンパネルの内板の端部に形成された端面と他方の前記ダブルスキンパネルの内板の端面とを係合させずに突き合わせる準備工程と、
   前記準備工程で係合させた係合部及び突き合わせた突合部に対して摩擦攪拌接合を行う接合工程と、を含むことを特徴とするダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。
5. 前記接合工程では、前記係合部を接合した後に、前記突合部を接合することを特徴とする請求項４に記載のダブルスキンパネルの摩擦攪拌接合方法。

Images