(57)【要約】【課題】電車等の車両構体を構成する中空押出し形材を接合する際に、摩擦攪拌接合継手を採用する場合は、両面とも摩擦攪拌接合を行うのが従来の方法であるが、一面を摩擦攪拌接合した後に、反転して再度、摩擦攪拌接合しなければならず、摩擦攪拌接合する時間が多大となり、摩擦攪拌接合装置の占有時間も長くなっていた。【解決手段】接合する中空押出し形材同士の少なくとも一方の側端部に縦リブ１４、１４Ａを設け、要求される接合後の強度水準が低かったり、また短尺である等の摩擦攪拌接合する必要の低い部分については、一面の全部ないしは一部に開先部２４、２４Ａを設けて、ＭＩＧやＴＩＧ等のアーク溶接継手とし、接合作業を短縮すると共に、摩擦攪拌接合装置の占有時間を短縮することが可能な構成とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下２枚の面板と、該２枚の面板を接続する複数のリブとから構成される中空押出し形材同士を接合する中空押出し形材の接合構造であって、少なくとも一方の形材の側端部が縦リブを有すると共に、接合する側端部同士の上下の面板の一方側を肉厚として摩擦攪拌接合すると共に、他方側の面板の接合端部を面取りした開先部とし、該開先部に肉盛溶接することを特徴とする中空押出し形材の接合構造。
【請求項２】
前記摩擦攪拌接合する接合ツールが大径の本体ショルダー部と該本体ショルダー部から突出して形成される硬質で小径の接合ピンとを備えており、前記肉厚とした面板の厚みと大きさが、前記接合ピンの長さよりも僅かに短い寸法の厚みであり、前記本体ショルダー部の径よりも大きな幅を有する大きさであることを特徴とする請求項１に記載の中空押出し形材の接合構造。
【請求項３】
上下２枚の面板と、該２枚の面板を接続する複数のリブとから構成される中空押出し形材同士を接合する中空押出し形材の接合構造であって、第一の形材が、側端部に縦リブを有すると共に上下の面板に肉厚部を形成し、第二の形材の上下２枚の面板に係合して案内する案内部材を備えており、前記第二の形材の上下の面板の少なくとも一方の面板に設けた肉厚部と、前記第一の形材の肉厚部とを摩擦攪拌接合する構成としたことを特徴とする中空押出し形材の接合構造。
【請求項４】
上下２枚の面板の一方に肉厚部を形成した前記第二の形材の他方の面板を薄肉とし、且つ面取りした開先部を設けて第一の形材の肉厚部と肉盛溶接する構成としたことを特徴とする請求項３に記載の中空押出し形材の接合構造。
【請求項５】
前記摩擦攪拌接合する接合ツールが大径の本体ショルダー部と該本体ショルダー部から突出して形成される硬質で小径の接合ピンとを備えており、前記第二の形材の肉厚部の厚みと大きさが、前記接合ピンの長さよりも僅かに短い寸法の厚みで、前記本体ショルダー部の径よりも大きな幅を有する大きさであると共に、前記第一の形材に形成される案内部材の大きさが前記接合ピンの径の略２倍かまたは２倍以上の幅を有することを特徴とする請求項３または４に記載の中空押出し形材の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空押出し形材同士を接合する接合構造に関し、特に上下２枚の面板と、該２枚の面板を接続する複数のリブとから構成される中空押出し形材同士を接合する際に好適な中空押出し形材の接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両等の構体の構造体（パネル）として、中空押出し形材（ダブルスキン形材ともいう）を用いたものは種々知られている。また、車体中央部の側構体を構成する長尺な側板を、上記中空押出し形材を複数並べ、溶接構成することで継合わせて形成することも知られている。
【０００３】
また、摩擦攪拌接合により前記中空押出し形材同士を接合する例も知られている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
さらには、中空押出し形材を複数接合する際に、外面板の接合縁を摩擦溶接接合（摩擦攪拌接合）し、他の接合縁を連結板を介装して摩擦溶接以外の溶接（アーク溶接、レーザ溶接等）で接合するとした例も知られている。（例えば、特許文献２参照）
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２８８６６９号公報（第１−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−２８４００１号公報（第１−５頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アーク溶接や従来の抵抗スポット溶接による接合では大容量の電力を必要とし溶接電極の消耗が激しい等の問題があり、リベットやネジによる機械的接合では接合部材を多数必要とする問題がある。
【０００７】
一方、摩擦接合方法は、接合施工中、回転工具（接合ツール）を直下の部材に強く押圧しながら摩擦攪拌を行うため、接合部に下向きの力が働く。このため、本接合法を二面構造体（パネル）の接合に適用する場合、この下向きの力により接合部の継ぎ手部材が下方向に押しやられ、変形を生じ、良好な接合を施工することができなかった。
【０００８】
また、前記特許文献１に記載の発明では、上記強大な押圧力を受けても、接合部の撓みを抑制し変形を防止するような、接合部厚さを備えるホロー材（中空押出し形材）としたものであって、接合面の全てを摩擦攪拌接合するものであり、溶接作業に多大の時間が必要であった。
【０００９】
さらに、特許文献２に記載の発明では、作業工数の削減や作業の簡易化のために接合する中空（押出し）形材同士を、外面板の接合縁を内側から摩擦溶接接合し、該摩擦溶接接合後に他の接合縁を、別途準備する連結板を介装して、摩擦溶接以外の溶接や嵌合、接着等により接合するものである。
【００１０】
そのために、中空押出し形材以外の連結部材が必要であると共に、摩擦溶接接合（摩擦攪拌接合）する際には、接合する両方の中空押出し形材同士の内側から摩擦攪拌接合可能とする空間部を配設しておく必要がある。また、そのために前記空間部を埋める連結板を装着する作業が必要となる。
【００１１】
上記したように、電車等の車両構体を構成する中空押出し形材を接合する際に、両面とも摩擦攪拌接合継手を採用する場合は、一面を摩擦攪拌接合した後に、反転して再度、摩擦攪拌接合しなければならず、摩擦攪拌接合する時間が多大となり、摩擦攪拌接合装置の占有時間も長くなっていた。また、一面を摩擦攪拌接合して、他面にその他の溶接を施す特許文献２に記載の方法では、接合部に摩擦攪拌接合装置が出入する空間部を設ける必要があるために、連結部材無しでは強度を維持することができない構造であるという問題がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、摩擦攪拌接合を施す面と通常の肉盛溶接を施す面とに好適な側端部形状を備える中空押出し形材の接合構造を提供することを目的とする。
【００１３】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、上下２枚の面板と、該２枚の面板を接続する複数のリブとから構成される中空押出し形材同士を接合する中空押出し形材の接合構造であって、少なくとも一方の形材の側端部が縦リブを有すると共に、接合する側端部同士の上下の面板の一方側を肉厚として摩擦攪拌接合すると共に、他方側の面板の接合端部を面取りした開先部とし、該開先部に肉盛溶接することを特徴としている。
【００１４】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、接合する中空押出し形材同士の上下２枚の面板が、摩擦攪拌接合に適した肉厚面と、肉盛溶接に適した開先部を備えることになり、構体の製造が容易な中空押出し形材の接合構造を得ることができる。
【００１５】
請求項２に係わる発明は、前記摩擦攪拌接合する接合ツールが大径の本体ショルダー部と該本体ショルダー部から突出して形成される硬質で小径の接合ピンとを備えており、前記肉厚とした面板の厚みと大きさが、前記接合ピンの長さよりも僅かに短い寸法の厚みであり、前記本体ショルダー部の径よりも大きな幅を有する大きさであることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、確実な摩擦攪拌接合を施すことができる。
【００１７】
請求項３に係わる発明は、上下２枚の面板と、該２枚の面板を接続する複数のリブとから構成される中空押出し形材同士を接合する中空押出し形材の接合構造であって、第一の形材が、側端部に縦リブを有すると共に上下の面板に肉厚部を形成し、第二の形材の上下２枚の面板に係合して案内する案内部材を備えており、前記第二の形材の上下の面板の少なくとも一方の面板に設けた肉厚部と、前記第一の形材の肉厚部とを摩擦攪拌接合する構成としたことを特徴としている。
【００１８】
上記の構成を有する請求項３に係る発明によれば、上下２枚の面板に肉厚部を設けた第一の形材を用意しておき、第二の形材は所望される溶接構造により、摩擦攪拌接合する場合には肉厚部を有する面板とするので、大きな押圧力を掛けながら接合する摩擦攪拌接合であっても、第一の形材の側端部に設けられた縦リブが前記大きな押圧力を受けることで、形材が変形することもなく、また、摩擦攪拌接合部の肉厚が薄くなることもなく、確実に摩擦攪拌接合することができる。
【００１９】
請求項４に係わる発明は、上下２枚の面板の一方に肉厚部を形成した前記第二の形材の他方の面板を薄肉とし、且つ面取りした開先部を設けて第一の形材の肉厚部と肉盛溶接する構成としたことを特徴としている。
【００２０】
上記の構成を有する請求項４に係る発明によれば、第一の形材と第二の形材とを接合する際に、お互いに肉厚部が設けられた面板部を摩擦攪拌接合し、他方の面板部を肉盛溶接するのに適した接合構造とすることができる。
【００２１】
請求項５に係わる発明は、前記摩擦攪拌接合する接合ツールが大径の本体ショルダー部と該本体ショルダー部から突出して形成される硬質で小径の接合ピンとを備えており、前記肉厚な面板の厚みと大きさが、前記接合ピンの長さよりも僅かに短い厚みであり、前記本体ショルダー部の径よりも大きな幅を有する大きさであると共に、前記第一の形材に形成される案内部材の大きさが前記接合ピンの径の略２倍かまたは２倍以上の幅を有することを特徴としている。
【００２２】
上記の構成を有する請求項５に係る発明によれば、確実な摩擦攪拌接合を施すことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る中空押出し形材の接合構造の実施の形態について、図１から図４に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明に係る第一の実施例の接合構造を示す断面図である。図２は本発明に係る第二の実施例の接合構造を示す断面図である。図３は摩擦攪拌接合を施す肉厚部の拡大断面図である。図４は本発明に係る中空押出し形材により構成される構体を備える車両を示す側面図である。
【００２５】
本発明に係る中空押出し形材は例えば図４に示すように、電車等の車両４０の車両構体を構成する長尺な側部材４１や短尺な側部材４２を製造する際に使用される形材である。前記長尺な側部材４１を構成する中空押出し形材は、細長い側板３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを構成するアルミ合金製の形材であり、それぞれの形材を溶接構成にて接合して一枚の側部材４１を形成するものである。また、短尺な側部材４２を構成する中空押出し形材は、短い形材３０Ｄと３０Ｅを溶接構成にて接合して一枚の側部材４２を形成するものである。
【００２６】
前記長尺な側部材４１を製造する際には、長さＬの側板３０Ａと３０Ｂとを接合部３１にて接合し、さらに同じ長さＬの側板３０Ｃを前記側板３０Ｂに接合していく。この際の接合部が３２であり、この接合作業を順次繰り返して、長大な（２０ｍ程度の長さである）側部材４１を形成している。
【００２７】
この時に、図１に示す第一の実施例では、アルミ合金製の中空押出し形材である形材１０と形材２０とを接合する際に、前記形材１０の側端部に設けられた縦リブ１４の外方に突出するように延設される案内部材１５に、他方の形材２０のそれぞれの面板部を差し込んで突き当てて接合作業を実施する。
【００２８】
この時に、摩擦攪拌接合する接合部にはそれぞれの形材の面板に肉厚部が形成されており、形材１０の面板１１には肉厚部１２が設けられ、形材２０の面板２１には肉厚部２２が設けられている。
【００２９】
摩擦攪拌する接合部とは反対側の接合部にはそれぞれの形材の面板に面取り部が形成されており、形材１０の面板１３には面取り部１６が設けられ、形材２０の面板２３には面取りした開先部２４が設けられている。
【００３０】
前記開先部２４は、ＭＩＧやＴＩＧ等のアーク溶接で肉盛溶接し易い形状であり、また、肉眼で開先部を確認することができるので、溶接方法を間違うことがない。
【００３１】
図２に示す第二の実施例では、第一の形材１０Ａの側端部に設けられた縦リブ１４Ａの外方に突出するように延設される案内部材１５Ａに、第二の形材２０Ａのそれぞれの面板部を差し込んで突き当てて接合作業を実施するものであって、一方の接合部は始めから摩擦攪拌接合することが決められていて、該摩擦攪拌接合する接合部にはそれぞれの形材の面板に肉厚部を形成し、形材１０Ａの面板１１Ａには肉厚部１２Ａが設けられ、形材２０Ａの面板２１Ａには肉厚部２２Ａが設けられている。
【００３２】
これとは反対側の接合部は、第一の形材１０Ａの面板１３Ａの側端部と、第二の形材２０Ａの面板２３Ａの側端部とは、接合する方法により、直角な側端部同士の接合部を構成することも、片方又は両方の端部を面取りして開先部を形成することも可能な構造とされている。
【００３３】
長尺な形材を接合する場合のように摩擦攪拌接合を行う際には、上記第一の形材１０Ａの面板１３Ａに設けられた直角に切り落とされた段部１７Ｂに、上記第二の形材２０Ａの面板２３Ａ側端部の直角な端部２４Ｂをそのまま突き当てて、摩擦攪拌接合を実施して高速で接合することができる。また、短尺な形材を接合する場合のようにその他の接合（肉盛溶接）を行う際には、上記第一の形材１０Ａの段部１７Ｂを面取り加工して開先部１７Ａとし、または、上記第二の形材２０Ａの端部２４Ｂを面取り加工して開先部２４Ａを形成して、片方の開先部もしくは両方の開先部同士の接合部にＭＩＧやＴＩＧ等のアーク溶接で肉盛溶接を行う。該肉盛溶接は簡単に手作業にて溶接作業を行うことができるので、必要な箇所のみを溶接することもでき、溶接時間を短縮することができる。
【００３４】
そのために、前もって同一形状の長い形材を準備しておくだけで、所望される長さと溶接タイプ別に対応して、形材の長さと面板の加工を施すことで、全ての要求に簡単に対応することができる。
【００３５】
上記面板１３Ａと面板２３Ａとを摩擦攪拌接合するときには、本体ショルダー部２ａと接合ピン３とを備える接合ツール２（摩擦攪拌接合部材）を、大きな押圧力Ｆで押し付けながら高速回転させることで摩擦熱が発生し、該摩擦熱で接合部を塑性流動化し接合するものである。この時に、前記大きな押圧力Ｆは第一の形材１４Ａに設けられた縦リブ１４Ａが受けて、接合ピン３が侵入し本体ショルダー部２ａが突き当たる部分は案内部材１５Ａの肉厚で受けることになる。
【００３６】
そのために、案内部材１５Ａの肉厚部と同じ厚みの肉厚部１５Ｂが縦リブ１４Ａから形材１０Ａの内側にも延設した形状となっており、案内部材１５Ａの縦リブ１４Ａから外方に突出した幅と、この肉厚部１５Ｂ部分までを含んだ幅Ｗ１を案内部材１５Ａの幅と称する。
【００３７】
図３により摩擦攪拌接合について詳細に説明する。面板１１の側端部に設けられた肉厚部１２と、案内部材１５に嵌合する面板２１の側端部に設けられた肉厚部２２とが当接する接合部１に、高速回転する接合ツール２の先端に突出して設けられる硬質な接合ピン３を大きな押圧力Ｆにて圧入する。大きな押圧力Ｆで圧入するので摩擦熱が発生し、接合ピン３の周囲の接合部材が塑性流動する。また、接合ピン３を圧入した状態のままで前進させていくことで、長尺な接合部を順次塑性流動化後に冷却硬化させて連続的に接合するものである。
【００３８】
そのために、この摩擦攪拌接合方法は長尺な形材を連続的に接合するのに適しており、さらには高速で接合することができるので、接合作業が短時間で実施可能となる。
【００３９】
摩擦攪拌接合する際の前記押圧力Ｆは、それぞれの形材の肉厚部１２，２２と、案内部材１５の肉厚部と、縦リブ１４とによって受ける構成であり、大きな押圧力Ｆで押圧してもそれぞれの形材が撓むことも変形することもない。
【００４０】
面板１１と面板２１とを確実に接合するために、それぞれの肉厚部１２，２２の厚みｔ１は、接合ピン３の長さｔ３よりも僅かに短い寸法の厚みとした。そのために、前記接合ピン３は、肉厚部１２と肉厚部２２との接合部を完全に貫通するように圧入されるので、接合部全域を確実に塑性流動化し接合することができる。
【００４１】
また、大径の本体ショルダー部２ａが当接する肉厚部１２、２２の幅Ｗ２は、高速回転する本体ショルダー部２ａにより塑性流動化するので、該本体ショルダー部の径Ｄよりも大きな寸法の幅を有する大きさであることが好適である。
【００４２】
さらに、前記接合ピン３の先端部が僅かに侵入する前記案内部材の幅Ｗ１は、接合ピン３の径ｄの略２倍かまたはそれ以上の大きさとして、摩擦攪拌接合する際に塑性流動化しない部分を設けておくことが好適である。
【００４３】
そして、最終的に前記押圧力Ｆを受けることになる縦リブ１４の幅ｔ２は、前記押圧力Ｆにより座屈を起こさない程度の厚みであることが望ましい。
【００４４】
以上のように構成することで、摩擦攪拌接合を施しても、形材が撓むことも変形することもなく、確実にまた高速で摩擦攪拌接合することが可能となる。
【００４５】
短尺な形材同士を接合する際には、わざわざ摩擦攪拌接合を施す必要もなく、通常の肉盛溶接で接合すればよい。また、連続溶接ではなく、部分的に断続的に接合していけばよい部分にも、手作業により簡単に溶接作業が実施できる通常の肉盛溶接を施せばよい。
【００４６】
本発明に係る第二の実施例は、上記の摩擦攪拌接合と通常の肉盛溶接を選択可能とする構成を実現するものであり、鉄道車両等の車両構板として、長尺な形材や短尺な形材を接合して構体を形成するのに好適であると言える。
【００４７】
そのために、前もって同一形状の長い形材を準備しておいても、所望される長さと溶接タイプとにより、形材の長さに切断し、面板の加工を施すことで、全ての要求に対応することのできる車両構板を製造可能とする中空押出し形材の接合構造となる。
【００４８】
【発明の効果】
上記したように本発明によれば、上下２枚の面板と、該２枚の面板を接続する複数のリブとから構成される中空押出し形材同士を接合する際に、接合する中空押出し形材同士の上下２枚の面板が、摩擦攪拌接合に適した肉厚面と、肉盛溶接に適した開先部を備えることになり、製造が容易な中空押出し形材の接合構造を得ることができる。
【００４９】
さらには、上下２枚の面板に肉厚部を設けた第一の形材と接合する第二の形材を、摩擦攪拌接合する際には直立状態の側端部とし、肉盛溶接による接合の際には面取りした開先部を備える側端部とすることで、摩擦攪拌接合と通常の肉盛溶接を容易にまた任意に選択可能とする接合構造となる。
【００５０】
また、肉厚部や案内部材や縦リブの形状や大きさを、接合ツールを構成する本体ショルダー部や接合ピンの大きさに対して適当とすることで、撓みや変形を生じずに、確実に摩擦攪拌接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第一の実施例の接合構造を示す断面図である。
【図２】本発明に係る第二の実施例の接合構造を示す断面図である。
【図３】摩擦攪拌接合を施す肉厚部の拡大断面図である。
【図４】本発明に係る中空押出し形材により構成される構体を備える車両を示す側面図である。
【符号の説明】
１  接合部
２  接合ツール
２ａ  本体ショルダー部
３  接合ピン
１０、２０  形材（中空押出し形材）
１０Ａ  第一の形材
２０Ａ  第二の形材
１１、１１Ａ、２１、２１Ａ  面板
１３、１３Ａ、２３、２３Ａ  面板
１２、１２Ａ、２２、２２Ａ  肉厚部
１４、１４Ａ  縦リブ（側端部）
１５、１５Ａ  案内部材
２４、２４Ａ  開先部
ｔ１  肉厚部の厚み
ｔ２  縦リブの厚み
ｔ３  接合ピンの高さ
ｄ  接合ピンの径
Ｄ  （接合ツール）本体ショルダー部の径
Ｆ  押圧力（摩擦攪拌接合時の）
Ｗ１  案内部材の幅
Ｗ２  肉厚部の幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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