(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材の継ぎ手部において、実質的に平行なそれぞれの面に前記２つの部材を接合する接合ビードがあり、
前記継ぎ手部であって、前記接合ビードに接続する非接合部において、それぞれの前記部材は前記面に対して同一方向に傾斜しており、
それぞれの前記傾斜した面は前記接合ビードに接続し、または前記接合ビードの近くにおいて傾斜しており、
一方の前記部材の前記傾斜した面は、他方の前記部材の前記傾斜した面に実質的に接触しており、
一方の前記面の前記接合ビードの位置において前記面に対して直交する線上に実質的に他方の前記面の前記接合ビードが位置しており、
前記接合ビードと前記接合ビードとの間の非接合部において、前記一方の部材は前記他方の部材に向けて突出しており、この突出部の前記一方の面および他方の面のそれぞれに前記傾斜した面を設けており、
前記他方の部材は前記突出した部分を受け入れる凹部を備え、該凹部に前記一方の部材の前記傾斜した面に接触するそれぞれ傾斜した面を設けていること、
を特徴とする構造体。
【請求項２】
２つの部材の継ぎ手部において、実質的に平行なそれぞれの面に前記２つの部材を接合する接合ビードがあり、
前記継ぎ手部であって、前記接合ビードに接続する非接合部において、それぞれの前記部材は前記面に対して同一方向に傾斜しており、
それぞれの前記傾斜した面は前記接合ビードに接続し、または前記接合ビードの近くにおいて傾斜しており、
一方の前記部材の前記傾斜した面は、他方の前記部材の前記傾斜した面に実質的に接触しており、
一方の前記面の前記接合ビードの位置において前記面に対して直交する線上に実質的に他方の前記面の前記接合ビードが位置しており、
前記接合ビードと前記接合ビードとの間の非接合部において、前記一方の部材の前記一方の面の側の端部は前記他方の部材に向けて突出しており、この突出部の前記一方の面の側に前記傾斜した面を設けており、
前記非接合部において、前記他方の部材の前記他方の面の側の端部は前記一方の部材に向けて突出しており、この突出部の前記他方の面の側に前記傾斜した面を設けており、
前記それぞれの部材は前記それぞれの突出部を受け入れる凹部を備え、該凹部に前記突出部の前記傾斜した面に接触するそれぞれ傾斜した面を設けていること、
を特徴とする構造体。
【請求項３】
２つの面板と両者を接続するリブとからなる第１の部材と、
２つの面板と両者を接続するリブとからなる第２の部材と、からなり、
前記第１の部材の前記２つの面板と前記第２の部材の前記２つの面板とは接合ビードによって接合されており、
前記接合ビードの近傍の前記第１の部材の前記リブと前記第２の部材の前記リブとの間に空間があり、
前記接合ビードの近傍の前記第１の部材または前記第２の部材の少なくとも一方の面の前記面板は前記部材の厚さ方向の外方に突出する突出部を備え、
前記部材の幅方向における前記突出部の範囲内に前記第１の部材の前記リブと前記第２の部材の前記リブがあること、
を特徴とする構造体。
【請求項４】
２つの面板と両者を接続するリブとからなる第１の部材と、
２つの面板と両者を接続するリブとからなる第２の部材と、からなり、
前記第１の部材の前記２つの面板と前記第２の部材の前記２つの面板とは接合ビードによって接合されており、
前記接合ビードの近傍の前記第１の部材の前記リブと前記第２の部材の前記リブとの間に空間があり、
前記部材の幅方向における前記接合ビードの範囲内に、前記第１の部材の前記リブと前記第２の部材の前記リブがあること、
を特徴とする構造体。
【請求項５】
２つの面板と両者を接続するリブとからなる部材において、
前記部材の少なくとも一方の端部のそれぞれの面板は、該部材の厚さ方向の外方に突出する突出部を備えており、
前記端部の前記リブは、前記端部の前記突出部の端部よりも前記部材の幅方向において内側に入った位置にあり、
該リブは前記幅方向における前記突出部の範囲内にあること、
を特徴とする部材。
【請求項６】
２つの面板と両者を接続する２つのリブとからなる第１の部材の端部の前記面板に第２の部材を突合わせ、
該突合わせにあたって、前記２つのリブの間に前記第２の部材の端部が位置するようにし、
前記突合わせ部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。
【請求項７】
請求項６おいて、摩擦攪拌接合用工具の回転体の中心から一方のリブまでの距離と、前記回転体の中心から他方のリブまでの距離とは実質的に同一であること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項６において、前記突合わせ部に挿入する摩擦攪拌接合用工具の回転体の径は前記２つのリブの間隔よりも大きいこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
２つの面板と該面板に垂直であって、前記面板の両者を接続する２つのリブとからなる第１の部材と、
前記２つの面板にそれぞれ接合ビードを介して接合された２つの第２の部材と、からなり、
前記接合ビードの中心は前記２つのリブの間にあること、
を特徴とする構造体。
【請求項１０】
２つの面板と両者を接続するリブとからなる部材において、
前記部材の端部に２つの前記リブを備え、
該２つのリブの間にそれぞれの前記面板の端部があり、該面板の端部から前記端部の前記リブとの間は他方の前記面板側に引っ込んでいること、
を特徴とする部材。
【請求項１１】
２つの部材を摩擦攪拌接合で接合する方法において、
前記２つの部材の接合線の始端、終端の少なくとも一方にタブを配置し、
前記タブの位置が前記始端であれば、該タブの位置から摩擦攪拌接合を開始し、前記タブの位置が終端であれば、該タブの位置で摩擦攪拌接合を終了する、
摩擦攪拌接合方法において、前記部材の厚さは前記摩擦攪拌接合による接合ビードの深さよりも厚く、
前記タブは第１の板と第２の板とからなり、
前記第１の板の厚さは前記接合ビードの深さと実質的に同一かそれよりも厚く、前記第２の板の厚さは前記部材の厚さから前記第１の板の厚さを引いた厚さであり、
前記第１の板と前記第２の板とを厚さ方向に重ねた状態で、摩擦攪拌接合を行う側に前記第１の板が位置し、摩擦攪拌接合を行わない側に前記第２の板が位置するように、前記タブとして配置し、
その後、摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記第１の板の厚さは前記接合ビードの深さよりも厚いこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１３】
請求項１１において、前記部材および前記タブをベッドに載せ、
前記タブの前記第２の板と前記部材とを溶接しないで、前記部材および前記タブを前記ベッドに拘束し、
前記摩擦攪拌接合および前記拘束の解除の後、前記第２の板を除き、
その後、前記第１の板と前記部材との接合部を切断すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１４】
請求項１１において、前記部材の一方の面の側とこれに実質的に平行な他方の面の側をそれぞれを摩擦攪拌接合するものであり、前記一方の面の側の摩擦攪拌接合の接合ビードと前記他方の面の側の摩擦攪拌接合の接合ビードとの間に摩擦攪拌接合しない部分を有するように摩擦攪拌接合を行うものであり、
前記タブは第１の板、第２の板、第３の板とからなり、
前記第１の板の厚さは前記一方の面の側の接合ビードの深さと実質的に同一かそれよりも厚く、前記第２の板の厚さは前記他方の面の側の接合ビードの深さと実質的に同一かそれよりも厚く、前記第３の板の厚さは前記部材の厚さから前記第１の板の厚さと前記第２の板の厚さとを引いた厚さであり、
前記第１の板と前記第２の板との間に前記第３の板を介在させて、この３つの板を厚さ方向に重ね、前記第１の板を前記一方の面の側に位置させ、前記第２の板を前記他方の面の側に位置させて、前記タブとして配置し、
その後、摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１５】
請求項１４において、前記第１の板および前記第２の板のそれぞれの厚さは前記それぞれの接合ビードの深さよりも厚いこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１６】
請求項１４において、前記部材および前記タブをベッドに載せ、
前記タブの前記第３の板と前記部材とを溶接しないで、前記部材および前記タブを前記ベッドに拘束し、
前記摩擦攪拌接合および前記拘束の解除の後、前記第３の板を除き、
その後、前記第１の板、前記第２の板と前記部材との接合部を切断すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【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（ＥＰ  ０６１５４８０Ｂ１）、Welding & Metal Fabrication, January 1995  １３頁から１６頁に示されている。
【０００３】
特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ  ０７９７０４３Ａ２）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２０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２０ｂによってその動きは抑制される。その結果、部材３１０、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。
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。
本発明の目的は、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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、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。
【００１１】
【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。
【００１２】
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１０、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。
【００１３】
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１０、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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１０、１１の傾斜面１２を接触できた場合に、効果が大きい。
【００１８】
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。
傾斜面１２は直線または上方に若干凸の円弧でもよい。
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。
【００１９】
図３および図４の実施例は、部材１０、１１の摩擦攪拌接合による接合部の突合わせ面は垂直面１３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、１１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２０ｂ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１２の上端に位置する。ｈ２≦ｈ１である。
【００２０】
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２１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１４、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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１ｍｍ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。
【００２３】
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。
【００２４】
図５の実施例は、図１の実施例の部材１０、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１０、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、１３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。例えば、凹部の傾斜面１２、１２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。
【００２８】
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。
【００２９】
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１６を設けている。これによれば、上下の垂直面１３、１３の接触が容易になるものである。
【００３０】
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、３４１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。
【００３１】
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、３５６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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図８および図９において、押し出し形材６０、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６２、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６６、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５０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。
【００３５】
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。
【００３６】
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６２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６２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。
【００３７】
上記継ぎ手は、面板６５、６６、６６（７５、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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１０１、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。
【００４０】
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（１１１、１１２）に対して直交している。１０９、１１９は中空部である。
【００４１】
形材１００、１１０の端部には垂直面１２１、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１１０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１０４、１１４はそれぞれの面板１０１、１０２、１１１、１１２の端部にある。
【００４２】
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１２１がある。リブ１１６の板厚はリブ１０６の板厚よりも厚い。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
また、形材１００の傾斜面１２２とリブ１０６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。
【００４６】
図１３の実施例はリブ１０６とリブ１１６ｂ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、１１６ｂの板厚は同一である。２つのリブ１０６、１１６ｂの間隔Ｌ５は小径部２１の径よりも大きく、大径部２０ｂ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。
【００４７】
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２０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１０４、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。
【００４８】
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１０１、１１６ｂに略同様に荷重がかかるので、リブ１０１、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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１０１、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。接合ビードの中心は２つのリブ１０６、１１６ｂ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。
【００５１】
上記の大径部２０ａの径Ｄ１、大径部２０ａ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１０４、１１４の範囲内にあるといえる。
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図１５の実施例は、接合部の２つのリブ１０６ｃ、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１００、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１１６ｃ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。
【００５４】
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（１０１）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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
１つの接合部には２つの突出部１０４、１１４があるが、１つの突出部１０４（１１４）であってもよい。
【００５８】
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。
【００５９】
第４の目的に対する実施例を図１６、図１７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２１１、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２２１、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。
【００６０】
形材２１１同士、形材２１１とタブ２２１、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。
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。
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２２３、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
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、２１１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。
【００６３】
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２２３、２２４を除く。
【００６４】
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。
【００６５】
一方、回転体２０を被接合部材の形材２１１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。
【００６６】
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、２２５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。
【００６７】
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２２２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。
【００６８】
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。
【００６９】
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２２５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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
【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、１１６、１１６ｂ、１１６ｃ…リブ、１１７…突出片、１２１…垂直面、１２２…傾斜面、２１１…形材、２２１、２２５…タブ、２２２、２２３、２２４…板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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