JP5647474B2 - 摩擦撹拌接合の接合端部構造 - Google Patents

Description

本発明は、重ね合わせた被接合部材を摩擦撹拌接合によって接合するものであって、線状に接合した接合部の接合端部における疲労破壊の防止を図った摩擦撹拌接合の接合端部構造に関する。

重ね合わせた被接合板同士の摩擦撹拌接合では、回転させた回転接合工具のプローブが上側の被接合板側から重ね合わせ方向に押し込まれ、被接合板の平面方向に移動する。摩擦によって軟化した被接合部材の材料は塑性流動し、回転接合工具の通過後、重なり合う被接合板同士で混ざり合った材料が冷却固化して接合部が形成される。ところが、こうした線状に形成される接合部は、その接合端部に応力が集中し、疲労破壊を引き起こしてしまうことが問題であった。

下記特許文献１には、そうした疲労破壊に対する強度向上を図った構造が提案されている。図７及び図８は、同文献に開示された摩擦撹拌接合の接合端部構造を示す図であり、図７は、加工前の断面（ａ）と平面（ｂ）を示し、図８は加工後の断面（ａ）と平面（ｂ）を示している。摩擦撹拌接合では、図７（ａ）に示すように、上部材１０１を貫通して下部材１０２の途中までの材料が撹拌された接合部１０５が形成されている。そして、この接合部１０５の先端１１５に応力が集中する。

そこで、図８に示すように、先端１１５からある程度の長さの範囲を先端部分１２５とし、上部材１０１の表面を削り薄肉になるようにした加工が行われる。上部材１０１を徐々に下部材１０２側に薄くなるように加工し、上部材１０１の薄肉部１１１が設けられている。このような文献記載の従来構造は、先端部分１２５での剛性変化が滑らかになり、応力集中の緩和によって疲労破壊が防止されるというものである。

特開２００５−１６９４１３号公報

図８に示す摩擦撹拌接合の接合端部構造では、摩擦撹拌接合による接合工程の後に薄肉部１１１を形成する切削加工が行われる。従って、上部材１０１及び下部材１０２のように平板同士の接合であればともかく、立体的な被接合部材の接合の場合には、接合後の狭い空間で切削加工を行わなければならず、薄肉部１１１の加工作業が困難であった。一方で、予め薄肉部１１１を加工した後に摩擦撹拌接合はできないため、どうしても切削加工は摩擦撹拌接合の後工程になってしまう。摩擦撹拌接合が使用される構造体には、こうした接合端部が複数存在するため、非常に手間のかかる作業になり、その分コストを上げる原因にもなってしまう。

本発明は、かかる課題を解決すべく、疲労破壊の防止に対する接合端部の加工が摩擦撹拌接合前に可能な摩擦撹拌接合の接合端部構造を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造は、一方の第１被接合部材と、その第１被接合部材の接合面に重ねて接合されるフランジ及び当該フランジから起立した状態となるウェブを備えた第２被接合部材とが、摩擦撹拌接合によって接合された場合の、当該接合部の長手方向端部に対応して形成されたものであって、前記第２被接合部材は、前記第２被接合部材と直交し、前記第１被接合部材の接合面に重ねて接合する縦通材を貫通させるための開口部を備えること、前記第２被接合部材は、前記第１被接合部材に対して断続的に摩擦撹拌接合され、前記開口部の両側に摩擦撹拌接合の接合端部があること、前記第２被接合部材は、前記開口部の端部から、前記接合端部に対応して、前記フランジと前記ウェブとを分割する溝形状のスリットが形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造は、前記スリットが、前記フランジ側又は前記ウェブ側に形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造は、前記フランジには、前記接合端部を挟んで前記スリットの反対側に切り欠きが形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造は、前記切り欠きは、前記接合端部に平行に直線状に形成され、又は前記接合端部に沿って、前記開口部に向かって前記フランジの幅を狭くするようにテーパ状に形成されたものであることが好ましい。

本発明によれば、第２被接合部材に対し第１接合部材へ摩擦撹拌接合による接合を行う前にスリットを加工しておくことができる。従って、第１被接合部材へ摩擦撹拌接合によって接合された第２被接合部材には、接合後に疲労強度を向上させるための加工が不要になり、接合作業が簡素化できる。そして、スリットによってフランジがウェブから分離したことで、第１被接合部材の変形に伴う応力集中が緩和し、疲労破壊を防止することができる。

実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した平面図である。 実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した図１のＡ方向から見た側面図である。 実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した図１のＢ−Ｂ断面図である。 他の実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した側面図である。 他の実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した平面図である。 他の実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した平面図である。 摩擦撹拌接合の接合端部を示す図である。 従来の摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した図である。

次に、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１乃至図３は、摩擦撹拌接合の接合端部構造を示した図であり、図１は平面図、図２は図１のＡ方向から見た側面図、そして図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。本実施形態は、航空機の胴体や鉄道車両の構体などに採用される接合構造であって、外板１０に対して縦横に縦通材１１とフレーム１２が骨部材として接合されている。縦通材１１は構体などの長手方向に延びた部材であり、フレーム１２は、その縦通材１１に直交する方向に沿って接合されている。

交差する縦通材１１とフレーム１２は、フレーム１２側に切欠部２１が形成され、縦通材１１がその切欠部２１を通って構体などの長手方向に連続している。縦通材１１及びフレーム１２は、共に外板１０に重ねられるフランジ１１ａ，１２ａと、それに直交するウェブ１１ｂ，１２ｂを備える断面Ｌ字形の骨部材である。図２に示すように、縦通材１１の方がフレーム１２よりウェブ１１ｂの背が低く、フレーム１２に形成された切欠部２１内を通過するようにして配置されている。

縦通材１１及びフレーム１２は、共にフランジ１１ａ，１２ａ側から回転する不図示の回転接合工具のプローブが重ね合わせ方向に押し込まれ、各部材の長手方向に沿って移動する。摩擦によって軟化した被接合材の材料は塑性流動し、回転接合工具の通過後、重なり合う外板１０とフランジ１１ａ，１２ａとの材料が混ざり合い、冷却固化して接合部２２，２３が形成される。

この場合、縦通材１１は、構体などの全長に渡って途切れることなく接合部２２が連続しているため、接合端部は接合部２２の始点と終点の２箇所となる。一方で、フレーム１２は、縦通材１１が交差する位置に形成された切欠部２１によってフランジ１２ａが切断されている。そのため、一つのフレーム１２には、複数本の接合部２３が断続的に形成され、始点及び終点の接合端部２３１が複数存在する。

図示するように、切欠部２１を挟んで接合部２３の接合端部２３１が位置する。外板１０にかかる外力により、接合端部２３１に応力が集中し、剥離など疲労破壊が生じ得る。そこで、本実施形態では、その接合端部２３１が存在する範囲に、フランジ１２ａをウェブ１２ａから切り離すスリット２５が形成されている。このようにスリット２５を形成することにより、当該範囲におけるフレーム１２の剛性を低下させている。断面Ｌ字形の縦通材１１やフレーム１２は、骨部材として機能し、胴体や構体の剛性を高める機能を果たしているため、前記従来例のように薄肉部を形成するだけでは、接合端部２３１に加わる応力を十分には抑えられないからである。

航空機の胴体や鉄道車両の構体に外力が作用した場合、外板１０が変形しようとするのを抑えるようにフランジ１２ａに曲げ応力が作用する。しかし、フランジ１２ａ自体はウェブ１２ｂによって曲げが抑えられるため、フランジ１２ａが薄肉になっても依然として外板１０の曲げに対する剛性は高い。従って、疲労破壊を十分に抑えることはできない。そこで、本実施形態では、フランジ１２ａとウェブ１２ｂを分離し、フランジ１２ａが接合端部２３１が存在する所定の範囲で外板１０の曲げ変形に倣うようにし、応力集中を緩和させるようにした。

こうしたフレーム１２は、外板１０に対して摩擦撹拌接合によって接合する前に切欠部２１が形成される。そこで、切欠部２１の形成が行われる際、スリット２５の加工も合わせて行われる。外板１０に縦通材１１が接合された後、フレーム１２は、切欠部２１によって縦通材１１を跨ぐように配置され、フランジ１２ａに沿って摩擦撹拌接合が行われる。よって、本実施形態によれば、接合後に疲労強度を向上させるための加工が不要になり、接合作業が簡素化された。そして、スリット２５によってフランジ１２ａがウェブ１２ｂから分離したことで、外板１０の変形に伴う応力集中を緩和させ、疲労破壊を防止することができる。

ところで、本実施形態は、フランジ１２ａとウェブ１２ｂとの分割によって、接合端部２３１におけるフレーム１２の剛性低下を行った。そのためにフランジ１２ａ側にスリット２５を形成したものを示したが、そのスリットはウェブ１２ｂ側に形成するものであってもよい。図４は、ウェブ１２ｂにスリット２６を形成した場合の側面図である。この場合も、切欠部２１を形成する際にスリット２６が一緒に形成できるため、接合後に疲労強度を向上させるための加工が不要になり、接合作業が簡素化された。そして、スリット２６によってフランジ１２ａがウェブ１２ｂから分離したことで、外板１０の変形に伴う応力集中を緩和させ、疲労破壊を防止することができる。

更に、フランジ１２ａとウェブ１２ｂとを分割する他、図５及び図６に示すように、図１に示す構造に加え、フランジ１２ａの幅を狭くする直線状の切欠部２７やテーパ状の切欠部２８を形成することも有効である。なお、この切欠部２７，２８は、図４に示すウェブ１２ｂにスリット２６を形成したものとの組み合わせであっても良い。こうして切欠部２７，２８を設けることにより、接合端部２３１におけるフランジ１２ａの断面積が小さくなることにより剛性が低下し、外板１０の変形に伴う応力集中を緩和させ、疲労破壊を防止することができる。特に、テーパ状の切欠部２８は、接合端部２３１に向かって断面積が徐々に小さくなり、外板１０とフランジ１２ａとの間の剛性差も小さくなるため、応力集中の緩和に効果がある。更に、切欠部２７，２８も接合前に加工することができるため、接合作業が簡素化できる。

以上、本発明に係る摩擦撹拌接合の接合端部構造について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１０ 外板
１１ 縦通材
１２ フレーム
２１ 切欠部
２２，２３ 接合部
２５ スリット
２３１ 接合端部
１１ａ，１２ａ フランジ
１１ｂ，１２ｂ ウェブ

Claims (4)

1. 一方の第１被接合部材と、その第１被接合部材の接合面に重ねて接合されるフランジ及び当該フランジから起立した状態となるウェブを備えた第２被接合部材とが、摩擦撹拌接合によって接合された場合の、当該接合部の長手方向端部に対応して形成された摩擦撹拌接合の接合端部構造において、
   前記第２被接合部材は、前記第２被接合部材と直交し、前記第１被接合部材の接合面に重ねて接合する縦通材を貫通させるための開口部を備えること、
   前記第２被接合部材は、前記第１被接合部材に対して断続的に摩擦撹拌接合され、前記開口部の両側に摩擦撹拌接合の接合端部があること、
   前記第２被接合部材は、前記開口部の端部から、前記接合端部に対応して、前記フランジと前記ウェブとを分割する溝形状のスリットが形成されたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合の接合端部構造。
2. 請求項１に記載する摩擦撹拌接合の接合端部構造において、
   前記スリットは、前記フランジ側又は前記ウェブ側に形成されたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合の接合端部構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載する摩擦撹拌接合の接合端部構造において、
   前記フランジには、前記接合端部を挟んで前記スリットの反対側に切り欠きが形成されたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合の接合端部構造。
4. 請求項３に記載する摩擦撹拌接合の接合端部構造において、
   前記切り欠きは、前記接合端部に平行に直線状に形成され、又は前記接合端部に沿って、前記開口部に向かって前記フランジの幅を狭くするようにテーパ状に形成されたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合の接合端部構造。

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