(57)【要約】【課題】攪拌接合部の始端部又は終端部である継手端部を薄くせずに継手端部の疲労強度を改善して、疲労寿命を大幅に向上させることができるＦＳＷ重ね合わせ継手を提供すること。【解決手段】ＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘは、重ね合わされた外板１０とフレーム２０の平面部２１との接合面４０ｃに、摩擦攪拌接合装置５０の攪拌軸５２ａを挿入して摩擦攪拌接合を行い、攪拌軸５２ａが一方向に移動した領域に攪拌接合部４０が形成されている。フレーム２０の平面部２１の表面２１ａのうち、攪拌接合部４０の終端部４０ｂ及び始端部４０ａから前記一方向で攪拌接合部４０の内側へ少し離れた位置に、表面２１ａから窪んだ内側窪み穴４２，４４が形成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた板状の接合部材と被接合部材との接合面に摩擦攪拌接合装置の攪拌軸を挿入して摩擦攪拌接合を行い、前記攪拌軸が一方向に移動した領域に攪拌接合部が形成されているＦＳＷ重ね合わせ継手において、
前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部の内側へ少し離れた位置に、前記表面から窪んだ内側窪み穴が形成されていることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手。
【請求項２】
請求項１に記載されたＦＳＷ重ね合わせ継手において、
前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、１ｍｍ以上離れていることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手。
【請求項３】
請求項２に記載されたＦＳＷ重ね合わせ継手において、
前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、前記内側窪み穴の半径以上離れていることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載された何れか１つのＦＳＷ重ね合わせ継手において、
前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部より外側へ少し離れた位置に、前記表面から窪んだ外側窪み穴が形成されていることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載されたいずれか１つのＦＳＷ重ね合わせ継手において、
前記被接合部材は、鉄道車両の応力外皮構造を構成するアルミニウム合金の外板であり、
前記接合部材は、前記外板を補強するアルミニウム合金のフレームであることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手。
【請求項６】
重ね合わされた板状の接合部材と被接合部材との接合面に摩擦攪拌接合装置の攪拌軸を挿入して摩擦攪拌接合を行い、前記攪拌軸が一方向に移動した領域に攪拌接合部を形成したＦＳＷ重ね合わせ継手に対して、前記接合部材の表面を押圧して圧縮残留応力を付与するＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法において、
前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部の内側へ少し離れた位置を、前記摩擦攪拌接合装置に取付けられている押圧ツールで押圧して前記表面から窪んだ内側窪み穴を形成することを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法。
【請求項７】
請求項６に記載されたＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法において、
前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、前記内側窪み穴の半径以上離れていることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載されたＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法において、
前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部より外側へ少し離れた位置を、前記押圧ツールで押圧して前記表面から窪んだ外側窪み穴を形成することを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８に記載されたいずれか１つのＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法において、
前記押圧ツールは、前記攪拌軸を有する攪拌ツールであることを特徴とするＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ね合わされた板状の接合部材と被接合部材とが摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）されたＦＳＷ重ね合わせ継手、及びその疲労強度改善方法に関し、疲労寿命を大幅に向上させることができるＦＳＷ重ね合わせ継手及び、その疲労強度改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道車両や航空機等の応力外皮構造に、ＦＳＷ重ね合わせ継手を用いることが注目されている。ＦＳＷ重ね合わせ継手は、アルミニウム合金製の板材が重ね合わされた状態で、摩擦攪拌接合されたものである。摩擦攪拌接合は、攪拌軸を接合部材側から挿入して、攪拌軸の回転による摩擦熱で母材を軟化させ、攪拌軸が一方向に移動した領域に攪拌接合部を形成する技術である。この摩擦攪拌接合では、アーク溶接等の溶融溶接とは異なり固相状態で接合するため、アーク溶接等に比べて入熱量が少なくて、熱収縮による歪みを抑えることができる。
【０００３】
しかし、接合部材が一方向に長い場合、攪拌接合部の始端部及び終端部が、応力集中部になる。つまり、ＦＳＷ重ね合わせ継手のうち、攪拌接合部の始端部及び終端部（以下、攪拌接合部の始端部又は終端部を適宜「継手端部」と呼ぶ）に、外力が一番大きく作用する。この応力集中部では、疲労による亀裂を発生及び進展させるため、引張の外力が繰り返し作用することで、疲労破壊を生じさせることになる。
【０００４】
そこで、応力集中部の疲労強度を改善する方法として、接合部材の表面に、約０．０５〜１．０ｍｍの鋼球を衝突させるショットピーニングを施す方法がある。この方法では、接合部材の表面に圧縮残留応力が付与されるため、亀裂の発生及び進展を抑制することができる。しかし、ショットピーニングでは、接合部材の表面にのみ圧縮残留応力が付与されて、表面から深い位置まで圧縮残留応力が付与されない。従って、応力集中部が接合部材の表面から深い位置に存在すると、疲労破壊を抑制する効果が小さかった。
【０００５】
これに対して、特許文献１には、接合部材の表面から深い位置で圧縮残留応力を付与する疲労強度改善方法が記載されている。この疲労強度改善方法では、図１４（Ａ）に示すように、攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂに、攪拌軸２５２ａを抜き取るときに形成された抜き穴２４５が形成されている。そして、摩擦攪拌接合時より攪拌軸２５２ａの回転数と押し付け力を小さくして、図１４（Ｂ）に示すように、攪拌軸２５２ａを抜き穴２４５に押し付けて、発熱を抑制しつつ回転させ、抜き穴２４５をより深く且つ拡大するようにしごいている。これにより、終端部２４０ｂの深い位置で圧縮残留応力が付与されて、疲労寿命を向上させるようになっている。なお、特許文献１の図４（ｂ）には、抜き穴２４５をしごいた後の疲労寿命が、抜き穴２４５をしごく前の疲労寿命に比べて約６〜７倍に向上することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１６９４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された疲労強度改善方法には、以下の問題点がある。
すなわち、摩擦攪拌接合で形成された抜き穴２４５の深さは、攪拌軸２５２ａが接合部材２２０の表面２２０ａから挿入された長さであるため、接合部材２２０の厚さより大きい。その抜き穴２４５をしごいて更に深くしているため、攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂは、ＦＳＷ重ね合わせ継手２００の中で非常に薄い部分になる。つまり、ＦＳＷ重ね合わせ継手２００は、軽量化のために、約数ｍｍの非常に薄い板材同士が接合されたものであり、上記した疲労強度改善方法により、抜き穴２４５で薄くなっている攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂが非常に薄くなってしまう。
【０００８】
このため、応力集中部である攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂが外力に対して変形し易い部分になり、しごかれた抜き穴２４５によって強度的な安全性を完全に保証できるか不明である。従って、安全上、上記した疲労強度改善方法を実際の構造物に用いることが難しい。こうして、上記した疲労強度改善方法以外によって、継手端部（攪拌接合部の始端部又は終端部）の疲労強度を改善できるＦＳＷ重ね合わせ継手が求められている。
【０００９】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、攪拌接合部の始端部又は終端部である継手端部を薄くせずに継手端部の疲労強度を改善して、疲労寿命を大幅に向上させることができるＦＳＷ重ね合わせ継手、及びその疲労強度改善方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手は、重ね合わされた板状の接合部材と被接合部材との接合面に摩擦攪拌接合装置の攪拌軸を挿入して摩擦攪拌接合を行い、前記攪拌軸が一方向に移動した領域に攪拌接合部が形成されているものであって、前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部の内側へ少し離れた位置に、前記表面から窪んだ内側窪み穴が形成されていることを特徴とする。
また、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、１ｍｍ以上離れていることを特徴とする。
さらに、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、前記内側窪み穴の半径以上離れていることを特徴とする。例えば本実施例では、ツール半径が２ｍｍなので、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、２ｍｍ以上離れていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手によれば、内側窪み穴によって、継手端部（攪拌接合部の始端部又は終端部）から一方向で攪拌接合部の内側へ少し離れた位置に、前記表面から窪んだ内側窪み穴が形成されているので、内側窪み穴を形成するときに、その穴内にあった肉部分が流動されて継手端部に圧縮応力を付与する。そして、付与された圧縮残留応力が継手端部に機能して、継手端部で疲労による亀裂の発生及び進展を抑制することができる。
通常は、応力を与える部分に直接変形を加えれば良いのであるが、本発明の場合には、継手端部付近に直接内側窪み穴を形成すると、継手端部付近の厚みが薄くなり、強度が弱くなる問題があり、その問題を回避するために、内側へ少し離れた位置に内側窪み穴を形成し、その穴内にあった肉部分の流動を利用して、継手端部に圧縮応力を付与しているのである。
この継手によれば、内側窪み穴のみを形成すればよいので、工程数を減少することができる。
特に、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、１ｍｍ以上離れていることを特徴とするので、継手端部が、内側窪み穴の形成により薄くされることがなく、強度を低下させることがない。
さらに、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、前記内側窪み穴の半径以上離れていることを特徴とするので、継手端部が、内側窪み穴の形成により薄くされることがなく、強度を低下させることがない。
【００１２】
また、本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手において、前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部より外側へ少し離れた位置に、前記表面から窪んだ外側窪み穴が形成されていることが好ましい。
この場合には、外側窪み穴及び内側窪み穴によって、継手端部では、一方向の両側から圧縮残留応力が効果的に機能する。このため、継手端部の疲労強度を大きく改善できて、疲労強度をより向上させることができる。２点押し込みは、圧入位置が離れていても効果を得ることができるため、施工に余裕度を与えることができる。
【００１３】
また、外側窪み穴及び内側窪み穴の両方によって圧縮残留応力を付与するため、一つの窪み穴によって圧縮残留応力を付与する場合に比べて、外側窪み穴及び内側窪み穴の深さをそれぞれ小さくすることができる。即ち、外側窪み穴及び内側窪み穴の両方を形成するため、一つの深くて且つ大きい窪み穴を形成する必要がない。これにより、外側窪み穴が形成された部分と内側窪み穴が形成された部分では、薄くて変形し易くなることを抑制できる。
【００１４】
また、本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手において、前記被接合部材は、鉄道車両の応力外皮構造を構成するアルミニウム合金の外板であり、前記接合部材は、前記外板を補強するアルミニウム合金のフレームであると良い。
この場合には、気密圧を繰り返し受ける鉄道車両において、軽量化を達成しつつ、気密圧に対する疲労強度が十分確保された信頼性が高い応力外皮構造を構成することができる。
【００１５】
本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法は、重ね合わされた板状の接合部材と被接合部材との接合面に摩擦攪拌接合装置の攪拌軸を挿入して摩擦攪拌接合を行い、前記攪拌軸が一方向に移動した領域に攪拌接合部を形成したＦＳＷ重ね合わせ継手に対して、前記接合部材の表面を押圧して圧縮残留応力を付与する方法であって、前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部の内側へ少し離れた位置を、前記摩擦攪拌接合装置に取付けられている押圧ツールで押圧して前記表面から窪んだ内側窪み穴を形成することを特徴とする。
また、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、１ｍｍ以上離れていることを特徴とする。
さらに、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、前記内側窪み穴の半径以上離れていることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法によれば、上述した本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手の作用効果で説明したように、継手端部において疲労強度が改善されて、疲労強度を大幅に向上させることができる。更に、摩擦攪拌接合装置に取付けられた押圧ツールで押圧して内側窪み穴を形成するため、押圧ツールを押圧させる機構及び押圧ツールを水平移動させる機構を別途設ける必要がない。つまり、摩擦攪拌接合装置は、攪拌軸を押圧する上下移動機構及び攪拌軸を水平方向に移動させる水平移動機構を予め備えているため、これら上下移動機構及び水平移動機構を利用することで内側窪み穴を簡易に形成することができる。従って、大きな設備変更をする必要がなくて、コスト及び作業労力を低減できる。
【００１７】
また、本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法において、前記接合部材の表面のうち、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から前記一方向で前記攪拌接合部より外側へ少し離れた位置を、前記押圧ツールで押圧して前記表面から窪んだ外側窪み穴を形成することで、内側窪み穴の押し込み位置や深さの施工上の余裕度を大きく取ることができる。すなわち、内側窪み穴をある条件位置まで持ってくると、外側窪み穴の効果を包括できる。
この場合には、継手端部では、外側窪み穴及び内側窪み穴によって一方向の両側から圧縮残留応力が効果的に機能するため、継手端部の疲労強度を大きく改善できて、疲労寿命をより向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法において、前記押圧ツールは、前記攪拌軸を有する攪拌ツールであっても良い。
この場合には、攪拌軸を有する攪拌ツールと窪み穴を形成する押圧ツールとが兼用されるため、摩擦攪拌接合後に、攪拌ツールを押圧ツールに取り換える必要がない。従って、作業効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のＦＳＷ重ね合わせ継手、及びその疲労強度改善方法によれば、攪拌接合部の始端部又は終端部である継手端部を薄くせずに継手端部の疲労強度を改善して、疲労寿命を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】鉄道車両の車体の応力外皮構造を示した斜視図である。
【図２】図１に示したＦＳＷ重ね合わせ継手の縦断面図である。
【図３】外板とフレームの平面部とを摩擦攪拌接合する状態を示した斜視図である。
【図４】（Ａ）外板とフレームの平面部との接合面に攪拌軸を挿入した状態を示した縦断面図である。（Ｂ）攪拌接合部を形成した状態を示した縦断面図である。（Ｃ）攪拌軸を抜き取って抜き穴を形成した状態を示した縦断面図である。（Ｄ）押圧ツールを回転体に取付けた状態を示した縦断面図である。
【図５】押圧ツールを示した正面図である。
【図６】図５のＺ部分を拡大した斜視図である。
【図７】（Ａ）攪拌接合部の終端部の近くに外側窪み穴を形成した状態を示した縦断面図である。（Ｂ）接合攪拌部の終端部の近くに内側窪み穴を形成した状態を示した縦断面図である。（Ｃ）攪拌接合部の始端部の近くに外側窪み穴を形成した状態を示した縦断面図である。（Ｄ）攪拌接合部の始端部の近くに内側窪み穴を形成した状態を示した縦断面図である。
【図８】（Ａ）試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手の平面図である。（Ｂ）試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手の側面図である。（Ｃ）試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手の底面図である。
【図９】試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手の攪拌接合部の終端部及び始端部の近くに、外側窪み穴及び内側窪み穴を形成した状態を示した平面図である。
【図１０】図９に示した試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労試験結果を示した図である。
【図１１】各窪み穴が形成されていない試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労試験結果を示した図である。
【図１２】アルミニウム合金の疲労試験結果を示した図である。
【図１３】疲労試験で破断した図９に示す試験用ＦＳＷ重ね合わせにおいて、攪拌接合部の終端部の近傍を示した拡大縦断面図である。
【図１４】（Ａ）摩擦攪拌接合により形成された攪拌接合部の終端部を示した平面図である。（Ｂ）従来の疲労強度改善方法において、抜き穴を攪拌軸でしごく状態を説明するための図である。
【図１５】継手端部から内側窪み穴中心までの距離と破断寿命との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手及びその疲労強度改善方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手は、鉄道車両の車体の応力外皮構造に適用されている。図１は、その応力外皮構造１を示した斜視図である。図１に示すように、応力外皮構造１は、１枚の外板１０と、車両周方向に延びる各フレーム２０と、車両長手方向に延びる縦通材３０とを備えて構成されている。この応力外皮構造１は、車体のうち側構体、屋根構体、妻構体に用いられている。
【００２２】
外板１０は、車体の外周面を構成するものであり、車両全長に渡って約２０〜２５ｍ車両長手方向に延びている。そして、外板１０は、アルミニウム合金の押出成形によって形成された押出形材であり、車両内側に起立する縦通材３０が一体的に形成されている。この外板１０は、軽量化のため、厚さが約２ｍｍになっている。
【００２３】
各フレーム２０は、外板１０の車両内側に摩擦攪拌接合によって接合されていて、アルミニウム合金の押出成形によって形成された押出形材である。各フレーム２０は、外板１０を補強する部材であり、厚さが約３ｍｍになっている。そして、各フレーム２０は、断面がＬ字状になっていて、平面部２１と起立部２２とを有している。なお、フレーム２０は、断面がＬ字状に形成されたものに限られず、外板１０と重なり合う平面部２１を有するものであれば断面がＺ字状に形成されたものでも良く、その形状は適宜変更可能である。
【００２４】
縦通材３０は、車両長手方向に連続的に延びていて、図示していないが、車両周方向に約２００ｍｍの間隔を空けて複数配置されている。この縦通材３０は、主に車両長手方向の圧縮荷重を外板１０の車両長手方向に沿って分散させて、外板１０の撓み及び座屈を防止するものである。こうして、縦通材３０が車両長手方向に優先的に延びていて、各フレーム２０が車両周方向の一方側と他方側に分かれている。
【００２５】
この応力外皮構造１において、鉄道車両がトンネルを通過する際に、外板１０が外圧と内圧との差である気密圧を受ける。この気密圧は、鉄道車両の走行速度が大きくなる程大きくなり、外板１０に接合された各フレーム２０が、気密荷重を耐えるようになっている。従って、鉄道車両の応力外皮構造１は、繰り返し受ける気密荷重に耐えることができるように、外板１０と各フレーム２０の平面部２１とが強固に接合されている。
【００２６】
本実施形態では、外板１０と各フレーム２０の平面部２１とが、摩擦攪拌接合によって接合されたＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘになっている。このため、外板１０と各フレーム２０には、車両周方向に沿って攪拌接合部４０が形成されている。この外板１０が本発明の「被接合部材」に相当し、各フレーム２０が本発明の「接合部材」に相当する。ＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘでは、リベット接合やスポット溶接と異なり、外板１０の外周面にリベットの頭部やスポット溶接による圧痕が表れないというメリットがある。しかし、摩擦攪拌接合を用いることで、母材より疲労強度が低下して、疲労破壊が生じ易くなるというデメリットがある。
【００２７】
ここで、鉄道車両は、トンネルを何度も通過するため、航空機に比べて気密圧を受ける回数が非常に多い。そして、外板１０と各フレーム２０は軽量化のためにアルミニウム合金で構成されていて、アルミニウム合金は鋼鉄と異なり疲労限界が存在しない。即ち、繰り返し受ける気密荷重の回数が多ければ多いほど、より小さい応力で疲労破壊を起こすことになる。ＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘにおいては、攪拌接合部４０の始端部４０ａ及び終端部４０ｂが応力集中部になり、気密荷重を一番大きく受ける部分になる。このため、従来から、攪拌接合部４０の始端部４０ａ及び終端部４０ｂで、疲労による亀裂を発生及び進展させないように、疲労強度改善方法が考案されている。
【００２８】
従来の疲労強度改善方法として、フレーム２０の平面部２１と外板１０の表面に、約０．０５〜１．０ｍｍの鋼球を衝突させるショットピーニングを施す方法がある。この方法では、フレーム２０の平面部２１の表面２１ａに圧縮残留応力が付与されるため、亀裂の発生及び進展を抑制することができる。しかし、この方法では、表面２１ａにのみ圧縮残留応力が付与されて、その表面２１ａから深い位置まで圧縮残留応力が付与されない。
【００２９】
また、従来の別の疲労強度改善方法として、図１４（Ｂ）に示すように、攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂで攪拌軸２５２ａを抜き取るときに形成された抜き穴２４５に、攪拌軸２５２ａを再び回転させながら押し付けて、抜き穴２４５をより深く且つ拡大するようにしごく方法がある。しかし、この方法では、攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂが抜き穴２４５によって薄くなっているにも拘わらず、その抜き穴２４５をしごくことによって更に薄くなってしまう。このため、応力集中部である攪拌接合部２４０の終端部２４０ｂが気密荷重に対して変形し易い部分になり、強度的な安全性を完全に保証できるか不明である。
【００３０】
そこで、本実施形態では、攪拌接合部４０の始端部４０ａ及び終端部４０ｂを薄くせずに疲労強度を改善して、疲労寿命を大幅に向上させるようになっている。以下、本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘの構成について詳細に説明する。図２は、図１に示したＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘの縦断面図である。なお、図１に示した車両周方向の一方側のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘと他方側のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘは同様の構成であるため、一方側のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘについてのみ説明する。
【００３１】
図２に示すように、攪拌接合部４０は、後述する摩擦攪拌接合装置５０の攪拌軸５２ａ（図３参照）が、フレーム２０の平面部２１の表面２１ａから下方に挿入された状態で、図２の右側から図２の左側（車両周方向）に向かって移動した領域に形成されている。上述したように、フレーム２０の平面部２１の厚さは約３ｍｍであり、外板１０の厚さは約２ｍｍである。攪拌軸５２ａが平面部２１の表面２１ａから挿入された長さ、即ち攪拌接合部４０の厚さは約３．５ｍｍである。このＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘで疲労破壊が生じる場合、通常、攪拌接合部４０の始端部４０ａ及び終端部４０ｂの下側で、外板１０が図２の二点鎖線Ｌ１，Ｌ２で示したように破断することになる。
【００３２】
本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘでは、攪拌接合部４０の終端部４０ｂから車両周方向（図２の左右方向）で攪拌接合部４０から外側（図２の左側）へ少し離れた位置に、表面２１ａから窪んだ外側窪み穴４１が形成されている。また、攪拌接合部４０の終端部４０ｂから車両周方向で攪拌接合部４０の内側（図２の右側）へ少し離れた位置に、表面２１ａから窪んだ内側窪み穴４２が形成されている。これら外側窪み穴４１及び内側窪み穴４２は、応力集中部である攪拌接合部４０の終端部４０ｂに圧縮残留応力を付与するものである。
【００３３】
そして、外側窪み穴４１及び内側窪み穴４２は略円筒状の穴であり、直径が約４．０ｍｍで深さが約１．５ｍｍになっている。攪拌接合部４０の終端部４０ｂから外側窪み穴４１までの距離は約４．０ｍｍであり、攪拌接合部４０の終端部４０ｂから内側窪み穴４２までの距離は約４．０ｍｍである。また、内側窪み穴４２から攪拌接合部４０の内側（図２の右側）に離れた位置に、攪拌軸５２ａを抜き取るときに形成された抜き穴４５が形成されている。なお、上記した寸法は、あくまで本実施形態の一例として示した寸法であって、適宜変更可能である。
【００３４】
こうして、攪拌接合部４０の終端部４０ｂでは、外側窪み穴４１及び内側窪み穴４２によって、表面２１ａから深い位置で且つ車両周方向の両側から圧縮残留応力が付与されていて、疲労強度が効果的に改善されている。このため、攪拌接合部４０の終端部４０ｂで、疲労による亀裂が発生及び進展し難くなっている。そして、外側窪み穴４１、内側窪み穴４２、抜き穴４５が攪拌接合部４０の終端部４０ｂから離れた位置に形成されているため、攪拌接合部４０の終端部４０ｂの位置ではＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘが薄くなっていない。
【００３５】
同様に、攪拌接合部４０の始端部４０ａから車両周方向で攪拌接合部４０より外側（図２の右側）へ少し離れた位置に、外側窪み穴４３が形成されている。また、攪拌接合部４０の始端部４０ａから車両周方向で攪拌接合部４０の内側（図２の左側）へ少し離れた位置に、内側窪み穴４４が形成されている。これら外側窪み穴４３及び内側窪み穴４４は、応力集中部である攪拌接合部４０の始端部４０ａに圧縮残留応力を付与するものである。
【００３６】
そして、外側窪み穴４３及び内側窪み穴４４は略円筒状の穴であり、直径が約４．０ｍｍで深さが約１．５ｍｍになっている。攪拌接合部４０の始端部４０ａから外側窪み穴４３までの距離は約４．０ｍｍであり、攪拌接合部４０の始端部４０ａから内側窪み穴４４までの距離は約４．０ｍｍである。なお、上記した寸法は、あくまで本実施形態の一例として示した寸法であって、適宜変更可能である。
【００３７】
図２では、攪拌接合部４０の両端部４０ａ、４０ｂの各々に、内側窪み穴４２、４４、及び外側窪み穴４１、４３を形成しているが、外側窪み穴４１、４３がなくても破断寿命を十分延ばせることを確認している。
【００３８】
内側窪み穴４２、４４のみを形成した場合と、内側窪み穴４２、４４と外側窪み穴４１、４３を共に形成した場合の破断寿命に関する実験結果を図１５に示す。横軸は、継手端部から窪み穴の中心線までの距離を示し、縦軸は、破断寿命（単位サイクル数）を示す。図１３に、継手端部から内側窪み穴１４２の中心線までの距離をＭで示す。
図１５中Ｍは、内側窪み穴４２、４４のみを設けた場合のデータを示し、Ｎは、内側窪み穴４２、４４と共に外側窪み穴４１、４３を設けた場合のデータを示す。ｍは、内側窪み穴の実験データのばらつきを示している。Ｍは、その平均値を結ぶ線である。
図１５に示すように、継手端部からの距離が１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲では、内側窪み穴４２、４４のみを設けたもので実用上十分な破断寿命（１０数万サイクル）を得ることができる。
【００３９】
さらに、内側窪み穴４２、４４の位置は、内側窪み穴４２、４４の中心位置が、攪拌接合部の始端部又は終端部から、内側窪み穴４２、４４の半径（本実施例では２ｍｍ）以上離れていると、平均寿命が安定して長くなることがわかる。その理由は、内側窪み穴４２、４４の中心位置が、攪拌接合部の始端部又は終端部から、内側窪み穴４２、４４の半径（本実施例では、２ｍｍ）以内であると、継手端部付近の板厚が薄くなり強度が低下し、押し込みの効果が弱められるためである。また、６ｍｍを越えて遠ざかると、肉部分の流動が接合部付近まで届かず、圧縮応力を付与することができない。したがって、内側窪み穴４２、４４の中心位置が、攪拌接合部の始端部又は終端部から、内側窪み穴４２、４４の半径（本実施例では、２ｍｍ）以上、６ｍｍ以下が望ましい。
通常は、応力を与える部分に直接変形を加えれば良いのであるが、本実施例の場合には、継手端部付近に直接内側窪み穴を形成すると、継手端部付近の厚みが薄くなり、強度が弱くなる問題があり、その問題を回避するために、内側へ少し離れた位置に内側窪み穴を形成し、その穴内にあった肉部分の流動を利用して、継手端部に圧縮応力を付与しているのである。
【００４０】
こうして、攪拌接合部４０の始端部４０ａでも、外側窪み穴４３及び内側窪み穴４４によって、表面２１ａから深い位置で且つ車両周方向の両側から圧縮残留応力が付与されていて、疲労強度が効果的に改善されている。このため、攪拌接合部４０の始端部４０ａで、疲労による亀裂が発生及び進展し難くなっている。そして、外側窪み穴４３及び内側窪み穴４４が攪拌接合部４０の始端部４０ａから離れた位置に形成されているため、攪拌接合部４０の始端部４０ａの位置ではＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘが薄くなっていない。
【００４１】
次に、本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手の疲労強度改善方法について、図３〜図７を参照して説明する。図３は、外板１０とフレーム２０の平面部２１とを摩擦攪拌接合する状態を示した図である。図３に示すように、摩擦攪拌接合装置５０は、回転体５１に取付けられている攪拌ツール５２の攪拌軸５２ａを、高速で回転している状態で、重ね合わされた外板１０とフレーム２０の平面部２１との接合面４０ｃ（図２参照）に挿入して摩擦攪拌接合を行う。なお、摩擦攪拌接合装置５０は従来の構成と同様であり、回転体５１を回転させる回転機構と、回転体５１が取付けられた本体部を上下方向に移動させる上下移動機構と、その本体部を水平方向に移動させる水平移動機構とを備えている。
【００４２】
図４（Ａ）に示す状態から図４（Ｂ）に示すように、攪拌軸５２ａが、一方向（図４の左側）に移動し、攪拌軸５２ａの高速回転による摩擦熱で母材が固相状態で攪拌して、攪拌接合部４０が形成される。なお、図４（Ｂ）に示すように、平面部２１の一端２１ｂ及び他端２１ｃにまで、攪拌接合部４０は形成されていない。これは、摩擦攪拌接合する際に、平面部２１の一端２１ｂ及び他端２１ｃでは、攪拌できる母材が十分存在しないためである。従って、平面部２１の一端２１ｂと攪拌接合部４０の始端部４０ａとの間、及び平面部２１の他端２１ｃと攪拌接合部４０の終端部４０ｂとの間には、必ず摩擦攪拌接合されていない部分が存在することになる。そこで、後述するように、この摩擦攪拌接合されていない部分に上述した外側窪み穴４１，４３を形成することになる。
【００４３】
本実施形態の摩擦攪拌接合では、図４（Ｂ）に示す状態から図４（Ｃ）に示すように、攪拌接合部４０の終端部４０ｂまで移動した攪拌軸５２ａが、逆方向に所定量戻って、平面部２１から上方へ抜き取られている。これにより、終端部４０ｂと離れた位置に抜き穴４５が形成されている。こうして、攪拌接合部４０の終端部４０ｂは、ＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘのうち薄い部分になっていない。
【００４４】
その後、図４（Ｄ）に示すように、摩擦攪拌接合装置５０の回転体５１から攪拌ツール５２を取り外して、回転体５１に押圧ツール６０を取付ける。ここで、図５は、押圧ツール６０を示した正面図であり、図６は、図５のＺ部分を拡大した斜視図である。押圧ツール６０は、図５に示すように、回転体５１に取付けられる頭部とこの頭部から延びる軸部とを有し、図６に示すように、軸部の先端に円筒状の突起６１が形成されている。この突起６１が、上述した外側窪み穴４１，４３及び内側窪み穴４２，４４を形成する部分である。
図５では、押圧ツール６０の回転体５１との取付部を頭部としているが、円筒の円周の一部に溝を形成し、それにより動力を伝えるようにしても良い。
【００４５】
こうして、回転体５１に押圧ツール６０を取付けた後、図７（Ａ）に示すように、摩擦攪拌接合装置５０は、突起６１が攪拌接合部４０の終端部４０ｂより外側へ少し離れた位置になるように、水平移動機構によって回転体５１を移動させる。そして、摩擦攪拌接合装置５０は、上下移動機構によって回転体５１を下方へ移動させて、突起６１で平面部２１の表面２１ａを押圧する。これにより、上述した外側窪み穴４１を形成することができる。なお、突起６１は、回転していない状態で平面部２１の表面２１ａを押圧している。
【００４６】
次に、摩擦攪拌接合装置５０は、回転体５１を上方へ移動させた後に、図７（Ｂ）に示すように、突起６１が攪拌接合部４０の終端部４０ｂより内側に少し離れた位置になるように、水平移動機構によって回転体５１を移動させる。そして、摩擦攪拌接合装置５０は、上下移動機構によって回転体５１を下方へ移動させて、回転していない突起６１で平面部２１の表面２１ａを押圧する。これにより、上述した内側窪み穴４２を形成することができる。
【００４７】
続いて、摩擦攪拌接合装置５０は、回転体５１を上方へ移動させた後に、図７（Ｃ）に示すように、突起６１が攪拌接合部４０の始端部４０ａより外側に少し離れた位置になるように、水平移動機構によって回転体５１を移動させる。そして、摩擦攪拌接合装置５０は、上下移動機構によって回転体５１を下方へ移動させて、回転していない突起６１で平面部２１の表面２１ａを押圧する。これにより、上述した外側窪み穴４３を形成することができる。
【００４８】
最後に、摩擦攪拌接合装置５０は、回転体５１を上方へ移動させた後に、図７（Ｄ）に示すように、突起６１が攪拌接合部４０の始端部４０ａより内側に少し離れた位置になるように、水平移動機構によって回転体５１を移動させる。そして、摩擦攪拌接合装置５０は、上下移動機構によって回転体５１を下方へ移動させて、回転していない突起６１で平面部２１の表面２１ａを押圧する。これにより、上述した内側窪み穴４４を形成することができる。こうして、本実施形態の疲労強度改善方法が完了する。なお、本実施形態では、外側窪み穴４１、内側窪み穴４２、外側窪み穴４３、内側窪み穴４４の順番に形成したが、各窪み穴を形成する順番は適宜変更可能である。
【００４９】
次に、本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘの有効性を、疲労試験による試験結果に基づいて説明する。ここでは、図１に示すＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘの仮想モデルとして、図８に示す試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００を用いている。試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００は、図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、長尺状の平板であるプレート１１０の両側に、長尺状の平板である各継手プレート１２０Ａ，１２０Ｂを摩擦攪拌接合したものである。
【００５０】
この試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００（プレート１１０及び各継手プレート１２０Ａ，１２０Ｂ）は、アルミニウム合金で構成されていて、攪拌接合部１４０と抜き穴１４５が形成されている。各攪拌接合部１４０は、摩擦攪拌接合装置の攪拌軸が図８（Ａ）の右側から左側へ移動することによって、形成されている。図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）では、応力集中部になる攪拌接合部１４０の始端部１４０ａ及び終端部１４０ｂが示されていて、寸法ｓ１が３００ｍｍであり、寸法ｓ２が２０ｍｍであり、寸法ｕ１が４０ｍｍであり、寸法ｔ１が２ｍｍであり、寸法ｔ２が３ｍｍである。これらの数値は、一例であり、ｔ１＝１．８ｍｍ、ｔ２＝２．５ｍｍ等でも良い。
【００５１】
この試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００に対して上述した疲労強度改善方法を行い、図９に示すように、外側窪み穴１４１，１４３及び内側窪み穴１４２，１４４が形成されている。寸法ｖ１は、約３５ｍｍである。なお、継手プレート１２０Ａ側に形成された攪拌接合部１４０の始端部１４０ａの近傍には、窪み穴が形成されておらず、継手プレート１２０Ｂ側に形成された攪拌接合部１４０の終端部１４０ｂにも、窪み穴が形成されていない。これは、疲労試験を行う際に、試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００の両端部を把持するためである。
【００５２】
こうして、図９に示した各窪み穴１４１，１４２，１４３，１４４を有する試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００に対して疲労試験を行った試験結果が、図１０に示されている。疲労試験では、試験装置が試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００の両端部を把持して、ピストンの上下動を繰り返し行って、試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００が破断するまで繰り返し所定の引張荷重を付与している。図１０では、各窪み穴１４１，１４２，１４３，１４４を有する試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００が、１８６万回所定の引張荷重が付与されたときに破断したことが示されている。試験結果の図において上側の太い線は、ピストンの変位の上限値を示していて、下側の標準太さの実線は、ピストンの変位の下限値を示している。
【００５３】
これに対して、各窪み穴１４１，１４２，１４３，１４４を形成する前の３つの試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００に対して疲労試験を行った試験結果が、図１１に示されている。図１１では、約１５万回所定の引張荷重が付与されたときに破断した結果と、約１２万回所定の引張荷重が付与されたときに破断した結果と、約７万回所定の引張荷重が付与されたときに破断した結果が示されている。この疲労試験によれば、破断までの繰り返し回数に大きなばらつきがあることがわかる。特に、必要とする１０万回をクリアできないものがあることが問題となる。
【００５４】
ここで、図１２には、摩擦攪拌接合されていない母材であるアルミニウム合金に対して疲労試験を行った試験結果が示されている。図１２に示すように、摩擦攪拌接合されていない母材は応力集中部が無い為、約１０００万回近く所定の引張荷重を付与しても破断しない。つまり、図１１と図１２との比較から、摩擦攪拌接合を行うことによって如何に疲労強度が低減するかが分かる。このことから、本実施形態の疲労強度改善方法は、摩擦攪拌接合によって低下した疲労強度を効果的に改善していると言える。
【００５５】
本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘによれば、外側窪み穴４１，４３及び内側窪み穴４２，４４によって、継手端部（攪拌接合部４０の始端部４０ａ及び終端部４０ｂ）から一方向で外側及び内側へ少し離れた位置に、圧縮残留応力が付与されている。このため、継手端部では、一方向の両側から圧縮残留応力が効果的に機能していて、疲労による亀裂の発生及び進展を抑制することができる。こうして、上記特許文献１のように継手端部を薄くしなくても、継手端部において疲労強度が改善されて、疲労寿命を大幅に向上させることができる。
【００５６】
また、本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘによれば、外側窪み穴４１，４３及び内側窪み穴４２，４４の２点押し込みであるため、圧入位置が離れていても効果を得ることができるため、施工に余裕度を与えることができる。
一方、内側窪み穴４２、４４のみの場合には、１点のみを形成すればよいので、工程数を減少することができる。
【００５７】
そして、本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘは、鉄道車両の応力外皮構造１に相応しいものである。即ち、一般的に、ＦＳＷ重ね合わせ継手はアルミニウム合金の接合部材がアルミニウム合金の被接合部材に摩擦攪拌接合されたものであり、軽量であるものの、疲労寿命が短いことが懸念されている。特に、鉄道車両は、トンネルを何度も通過するため、航空機に比べて気密圧を受ける回数が非常に多くて、繰り返し受ける気密圧に対する疲労強度対策が重要な課題になっている。従って、本実施形態のＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘによれば、軽量化を達成しつつ、上述した疲労強度改善方法によって、気密圧に対する疲労強度を十分確保でき、信頼性が高い応力外皮構造１を構成することができる。
【００５８】
また、本実施形態の疲労強度改善方法によれば、上述したＦＳＷ重ね合わせ継手１Ｘの作用効果に加えて、摩擦攪拌接合装置５０に取付けられた押圧ツール６０で押圧して外側窪み穴４１，４３及び内側窪み穴４２，４４を形成するため、押圧ツール６０を押圧させる機構及び水平移動させる機構を別途設ける必要がない。つまり、摩擦攪拌接合装置５０は、攪拌軸５２ａを押圧する上下移動機構及び攪拌軸を水平方向に移動させる水平移動機構を予め備えているため、これら上下移動機構及び水平移動機構を利用することで外側窪み穴４１，４３及び内側窪み穴４２，４４を簡易に形成することができる。従って、大きな設備変更をする必要がなくて、コスト及び作業労力を低減できる。
【００５９】
ここで、図１３は、疲労試験で破断した図９に示す試験用ＦＳＷ重ね合わせ継手１００において、破断側である攪拌接合部１４０の終端部１４０ｂの近傍を示した拡大縦断面図である。図１３に示すように、攪拌接合部１４０の終端部１４０ｂから二点鎖線Ｌ３の下側１１０ａ部で、プレート１１０が破断する。
【００６０】
内側窪み穴４２、４４のみが形成される継手によれば、内側窪み穴のみを形成すればよいので、工程数を減少することができる。
特に、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、１ｍｍ以上離れていることを特徴とするので、継手端部が、内側窪み穴の形成により薄くされることがなく、強度を低下させることがない。
さらに、前記内側窪み穴の中心位置が、前記攪拌接合部の始端部又は終端部から、前記内側窪み穴の半径以上離れていることを特徴とするので、継手端部が、内側窪み穴の形成により薄くされることがなく、強度を低下させることがない。
【００６１】
図１５に示すように、継手端部からの距離が１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲では、内側窪み穴４２、４４のみを設けたもので実用上十分な破断寿命（１０数万サイクル）を得ることができる。図１１のように、窪みを設けなかった場合には、疲労試験結果に大きなばらつきがあり、１０万回をクリアできないものがあって問題であった。しかし、図１５のように、窪みを形成した場合には、疲労試験の結果が安定し、いずれの場合でも、１０万回以上の繰り返しに耐えることが確認されている。また、図１０、図１１、図１２の疲労強度試験は、試験荷重が６．４ｋＮであるのに対し、図１５では、試験荷重が８ｋＮであり、図１５の結果は、図１０〜１２の試験の数倍の効果を表している。
さらに、内側窪み穴４２、４４の位置は、内側窪み穴４２、４４の中心位置が、攪拌接合部の始端部又は終端部から、内側窪み穴４２、４４の半径（本実施例では２ｍｍ）以上離れていると、平均寿命が安定して長くなることがわかる。その理由は、内側窪み穴４２、４４の中心位置が、継手端部の始端部又は終端部から、内側窪み穴４２、４４の半径（本実施例では、２ｍｍ）以内であると、継手端部付近の板厚が薄くなり強度が低下し、押し込みの効果が弱められるためである。また、５ｍｍを越えて遠ざかると、肉部分の流動が接合部付近まで届かず、圧縮応力を付与することができない。したがって、内側窪み穴４２、４４の中心位置が、攪拌接合部の始端部又は終端部から、内側窪み穴４２、４４の半径（本実施例では、２ｍｍ）以上、５ｍｍ以下が望ましい。
【００６２】
以上、本発明に係るＦＳＷ重ね合わせ継手及びその疲労強度改善方法の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態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。
例えば、本実施形態において、押圧ツール６０を用いて各窪み穴４１，４２，４３，４４を形成したが、攪拌ツール５２を用いて各窪み穴４１，４２，４３，４４を形成しても良い。この場合には、攪拌ツール５２と押圧ツール６０とが兼用されるため、摩擦攪拌接合後に、摩擦攪拌接合装置５０の攪拌ツール５２を押圧ツール６０に取り換える必要がない。従って、作業効率を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施形態において、攪拌接合部４０の始端部４０ａ及び終端部４０ｂの疲労強度を改善するために、それぞれ２個ずつ窪み穴（外側窪み穴４１，４３及び内側窪み穴４２，４４）を形成したが、１つの継手端部の疲労強度を改善するための窪み穴の数は、３個以上であっても良く、適宜変更可能である。
また、本実施形態において、押圧ツール６０の突起６１の形状、及び各窪み穴４１，４２，４３，４４の形状は円筒状であるが、これらの形状は適宜変更可能であり、例えば円錐状であっても良い。
【符号の説明】
【００６４】
１                              応力外皮構造
１Ｘ                            ＦＳＷ重ね合わせ継手
１０                            外板
２０                            フレーム
２１                            平面部
２１ａ                          表面
３０                            縦通材
４０                            攪拌接合部
４０ａ                          始端部
４０ｂ                          終端部
４０ｃ                          接合面
４１，４３                      外側窪み穴
４２，４４                      内側窪み穴
４５                            抜き穴
５０                            摩擦攪拌接合装置
５２                            攪拌ツール
５２ａ                          攪拌軸
６０                            押圧ツール
６１                            突起
【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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