(57)【要約】【課題】被接合材間に隙間があっても、切削などの特別な作業を行うことなく、良好に接合することができる摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２を突き合わせてそれらの間に接合線を形成する。接合線に沿って接合ツール１を所定の接合速度でもって移動させつつ、フィラーＳを供給することにより摩擦撹拌接合する。２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間の大きさ及び前記接合速度に基づいて、フィラーＳの供給速度を決定する。フィラーＳは、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２と同一の材料またはそれらの溶接材料となり得る材料である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの被接合材を突き合わせてそれらの間に接合線を形成し、前記接合線に沿って接合ツールを回転させつつ所定の移動速度でもって移動させることにより摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記２つの被接合材の間に形成される隙間に対し、前記２つの被接合材と同一の材料又はそれらの溶接材料となるフィラーを供給しつつ、前記接合線に沿って摩擦撹拌接合することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記接合ツールの移動に先立って前記２つの被接合材の隙間の大きさを計測し、その隙間の大きさと接合ツールの移動速度とに基づいて、前記フィラーを前記隙間に対し供給する供給速度を求める請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記２つの被接合材の隙間は、前記２つの被接合材の上側から撮影手段によって撮影し、
その撮影結果に基づいて、前記隙間の幅を前記隙間の大きさとして検出するものである請求項２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
前記フィラーを、前記隙間に供給する前に温める請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合方法に関し、特に鉄道車両の構体の製造に用いる押し出し形材の接合に適するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両の構体（車体）は、車体の側面部を構成する側構体と、車体の屋根部を構成する屋根構体と、床部を構成する台車枠とを備えるものである。そのような構体を製造する場合には、まず、複数の押し出し形材を接合して、側構体、屋根構体、台枠をそれぞれ製作する。
【０００３】
側構体、屋根構体、台枠の製作に用いる押し出し形材は、長さが２０ｍ程度で幅が３５cm程度もあるので、その製作誤差が大きい。このため、このような大型の押し出し形材を突き合わせて接合しようとすると、その突き合わせ部分に生じる隙間が大きくなる場合がある。
【０００４】
例えば図３（ａ）（ｂ）に示すように、２つの被接合材Ｐ１１，Ｐ１２あるいはＰ１１’，Ｐ１２’を突き合わせた場合に、それらの間に一様でない隙間Ｔ、Ｔ’が生じる。
【０００５】
この開先の隙間Ｔ，Ｔ’がΔｔ（Δｔ’）＝１．０mmを超えるぐらいに大きくなると、前記アルミニウム合金製の中空押し出し形材の場合には、内部欠陥が生ずる。
【０００６】
そこで、２つの被接合材の間に隙間があっても、良好に接合することができるように、２つの被接合材の突き合わせ部の隙間に予め板状の充填材を配置し、接合ツールの投影範囲内に前記充填材及び２つの被接合材が位置した状態で前記３者を摩擦撹拌接合することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、被接合材間の隙間が大きい場合であっても、良好に接合することができるように、２つの被接合材を突き合わせ、接合線に沿って突き合わせ面を切削し、前記切削によって生じた隙間に補填材を挿入し、前記接合線に沿って摩擦撹拌接合することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２３３２８５号公報（段落番号００４９〜００５３及び図１４、図１５参照）
【特許文献２】特開２００３−１５４４７３号公報（段落番号００１０〜００１９及び図１、図２参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
接合作業に先立って、上記特許文献１に記載の技術では、２つの被接合材の突き合わせ部の隙間に予め板状の充填材を配置する必要があり、また、上記特許文献２に記載の技術では、接合線に沿って突き合わせ面を切削しなければならず、接合作業に先立っての作業が面倒である。
【０００９】
本発明は、作業に先立って、充填材の配置や切削などの特別な作業を行うことなく、被接合材間に隙間があっても、良好に接合することができる摩擦撹拌接合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】
請求項１の発明は、２つの被接合材を突き合わせてそれらの間に接合線を形成し、前記接合線に沿って接合ツールを回転させつつ所定の移動速度でもって移動させることにより摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記２つの被接合材の間に形成される隙間に対し、前記２つの被接合材と同一の材料又はそれらの溶接材料となるフィラー（溶加材）を供給しつつ、前記接合線に沿って摩擦撹拌接合することを特徴とする。ここで、フィラーの供給は、供給装置などを用いて機械的に自動供給する場合のほか、作業者が手作業で供給する場合も含まれる。自動供給する場合には、接合ツールの移動速度又はフィラーの供給速度が前記隙間に応じて適宜調整される。手作業で供給する場合には、作業者が隙間をみながら供給速度を適宜調整することになる。
【００１１】
このようにすれば、２つの被接合材の間に形成される隙間に対し、前記２つの被接合材と同一の材料又はそれらの溶接材料となるフィラーが供給されるので、摩擦撹拌接合時には、フィラーが２つの被接合材と一緒に撹拌され、フィラーによって前記隙間に相当する材料不足が補われる。よって、従来方法のように、作業に先立って、充填材の配置や切削などの特別な作業を行うことなく、２つの被接合材間に隙間があっても、良好に摩擦撹拌接合することが可能となる。
【００１２】
請求項２に記載のように、前記接合ツールの移動に先立って前記２つの被接合材の隙間の大きさを計測し、その隙間の大きさと接合ツールの移動速度とに基づいて、前記フィラーを前記隙間に対し供給する供給速度を求めることが望ましい。
【００１３】
このようにすれば、２つの被接合材の隙間を計測し、その隙間の大きさと接合ツールの移動速度に基づいて決定された供給速度でもってフィラーを供給するので、隙間の大きさが一様でなく変化していても、接合ツールの移動速度が一定でなく変化していても、供給されるフィラーの量が隙間の大きさに応じて調整され、良好に摩擦撹拌接合される。
【００１４】
その場合、請求項３に記載のように、前記２つの被接合材の隙間は、前記２つの被接合材の隙間は、前記２つの被接合材の上側から撮影手段（例えば、ＣＣＤカメラ）によって撮影し、その撮影結果に基づいて、前記隙間の幅を前記隙間の大きさとして検出するものである構成とすることができる。この幅の検出は、連続的に行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。
【００１５】
このようにすれば、２つの被接合材の隙間を撮影手段によって、接合（撹拌）に先立って（２つの被接合材の）上側から撮影することで、隙間の幅を検出するようにしているので、撮影手段よりの画像信号を画像処理するなどにより隙間の幅が簡単に計算される。上側から簡単に計測することができる隙間の幅でもって隙間の大きさを近似しているので、隙間の大きさの検出が簡単である。
【００１６】
請求項４に記載のように、前記フィラーを、前記隙間に供給する前に温めることも場合によっては有効である。予め温められたフィラーが隙間に供給されるので、その温められたフィラーが、接合ツールによる撹拌の際に、母材（２つの被接合材）と一緒にスムーズに撹拌されるからである。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように構成したから、本発明は、２つの被接合材の隙間に、前記２つの被接合材と同一の材料又はそれらの溶接材料となるフィラー供給しつつそれらを摩擦撹拌接合するので、フィラーを２つの被接合材（母材）と一緒に撹拌し、開先の隙間の大きさにかかわらず、良好に接合することができる。よって、開先の隙間の裕度が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を沿って説明する。
【００１９】
図１は本発明の摩擦撹拌接合方法に用いる摩擦撹拌接合装置の要部を示す概略側面図、図２は同概略平面図である。
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の摩擦撹拌接合方法に用いる摩擦撹拌接合装置は、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２を摩擦撹拌接合するための接合ツール１の前側に、フィラーＳ（ワイヤー）を供給するフィラー供給装置２が設けられている。フィラー供給装置２によってフィラーＳが供給されるのは、接合ツール１によって現に摩擦撹拌接合されている部分かあるいはそれより少し前方の部分である。
【００２１】
接合ツール１及びフィラー供給装置２は、図示しない可動フレームに取り付けられ、一定の位置関係を保持して一緒に移動するように構成されている。ここで、フィラー供給装置２は、具体的に図示していないが、フィラーＳの供給速度を調整できるものであり、フィラーＳは、被接合材Ｐ１，Ｐ２と摩擦撹拌接合できるように、それらと同一の材料又はそれらの溶接材料となる材料が用いられる。
【００２２】
接合ツール１は、中央ピン１ａが下側になるほど進行方向の前側になるように傾斜状態に設けられている。摩擦撹拌接合する際には、周知のように、接合ツール１を回転させながら下降させ、架台の上側に載置された被接合材Ｐ１，Ｐ２間の接合線上を移動させる。これにより、接合ツール１のショルダー部１ｂと被接合材Ｐ１，Ｐ２との接触部分で摩擦熱を発生させ、ショルダー部１ｂ及び接合線近傍の被接合材Ｐ１，Ｐ２を撹拌し、塑性流動化により両部材を摩擦撹拌接合するものである。
【００２３】
また、前記可動フレームには、接合ツール１及びフィラー供給装置２に加えて、ＣＣＤカメラ３（撮影手段）が接合ツール１の前側に一定間隔だけ離れて設けられている。このＣＣＤカメラ３は、レンズ３ａを通じて接合ツール１の進行方向の前方を上側から撮影するように取り付けられている。このＣＣＤカメラ３は、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の幅（隙間）を上側から撮影するもので、その撮影信号が図示しないコントローラ（例えばマイクロコンピュータからなる）に送られ、画像処理などの一定の処理を施すことで、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間の大きさが求められる。つまり、このようにして、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間の大きさが計測される。また、ＣＣＤカメラ３には、撮影する部分を照明する照明装置４が取付ブラケット５を介して取り付けられている。
【００２４】
フィラー供給装置２は、接合ツール１の通過に先立って、２つの部材Ｐ１，Ｐ２間の隙間に対して、フィラーＳを供給するもので、摩擦撹拌接合時には、被接合材Ｐ１，Ｐ２の接合線付近の材料と一緒にフィラーＳも撹拌され、塑性流動化する。このフィラーの供給速度は、隙間の大きさ（ＣＣＤカメラ３による撮影などによって計測される）と接合ツール１の移動速度（摩擦撹拌接合装置の操作盤上において設定される）とに基づいて前記コントローラによって演算され、決定される。この演算・決定は、後述する数式に基づいてなされるものであり、隙間の大きさが大きいほど、また、接合ツールの移動速度が速いほど、フィラーＳの供給速度は速くなる。
【００２５】
このようにして、適量のフィラーＳを２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間に対して供給することで、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２について、それらの間に隙間がない場合とほとんど変わりなく、良好な接合部が形成される。なお、その後、接合ツール１を上方に引き抜き、接合部が冷却硬化すれば摩擦撹拌接合は終了する。
【００２６】
続いて、上記装置を用いて、摩擦撹拌接合する方法について説明する。
【００２７】
まず、２つの板状の被接合材Ｐ１，Ｐ２（アルミニウム合金製の長尺の押し出し形材）を、架台上に載せ、それらの被接合材Ｐ１，Ｐ２の接合端縁を突き合わせ（この突き合わせ部分が接合線となる）、その状態にクランプされる。
【００２８】
それから、必要に応じて、被接合材Ｐ１，Ｐ２の突き合わせ部を所定間隔でＭＩＧ溶接などで仮止め溶接する。これは、摩擦撹拌接合を行っている際に、ワークがバラバラに分解しないようにするためである。
【００２９】
可動フレームの移動により、ＣＣＤカメラ３は、接合ツール１及びフィラー供給装置２と一緒に移動し、接合ツール１の進行方向の前方（これはフィラー供給装置２がフィラーを供給する部位の前方でもある）の接合線上を上側から常時撮影する。つまり、２つの接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間を撮影する。照明装置４により照明しつつ撮影するので、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間の幅が、摩擦撹拌接合に先立って明瞭に撮影される。
【００３０】
そして、摩擦撹拌接合する際には、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の突き合わせ部分である接合線上を接合ツール１が回転しながら移動する。この接合ツール１の移動する部分（接合線を構成する隙間の部分）には、後述するように決定されるフィラー供給速度Ｖ１でもってフィラーＳが供給される。この供給されるフィラーＳは、常温で供給すれば足りるが、摩擦撹拌接合の効率を高めるために、図示しない加熱装置（例えば、フィラー供給装置２に内蔵される）によって予め温めてから供給するようにすることも可能である。
【００３１】
前記接合線に沿って接合ツール１が回転しながら所定の移動速度（接合速度）でもって移動するが、その部分には前記隙間を埋めるためのフィラーＳが予め供給されているので、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２とフィラーＳとが一緒に撹拌され、その結果、２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２が前記接合線において良好に摩擦撹拌接合される。
【００３２】
このとき、可動フレームによって一緒に運ばれるＣＣＤカメラ３が、接合ツール１の進行方向の前方を撮影し、その撮影信号が、図示しない画像処理装置を含むコントローラに送られる。コントローラにおいては、画像処理装置による周知の画像処理などにより前記撮影信号に対して一定の処理が施され、前記２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間が演算される。このようにして、前記２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間を計測することになる。
【００３３】
それから、コントローラにおいて、その隙間の大きさ（幅）及び前記接合速度（可動フレームの移動速度）に基づいてフィラー供給速度Ｖ１が決定される。具体的には、フィラーの供給速度Ｖ１は、次の数式により計算される。なお、次の式は、突き合わされる２つの被接合材Ｐ１，Ｐ２の隙間が厚さ方向において一様幅である、と仮定して計算するものである。
|Ｖ１|＝|ｂ・ｔ／（π・ｄ2／４）・Ｖ|−|Ｖ|
Ｖ１：フィラーの供給速度
ｂ  ：開先隙間
ｔ  ：接合板厚
π  ：円周率
ｄ  ：フィラー直径
Ｖ  ：接合ツール１の接合速度
例えばアルミニウム合金で厚さ４．５mmの被接合材（母材）で、接合ツールの移動速度が６００mm/min、開先の隙間（幅）が０．５mmの場合には、被接合材に適合するフィラー（直径１．６mm）を前記被接合材の隙間（接合線）に対し、相対速度７１mm/minの供給速度でもって供給すればよいことになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の摩擦撹拌接合方法に用いる摩擦撹拌接合装置の要部を示す概略側面図である。
【図２】同概略平面図である。
【図３】２つの被接合材を突き合わせた状態の説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
Ｐ１，Ｐ２    被接合材
１    接合ツール
２    フィラー供給装置
３    ＣＣＤカメラ（撮影手段）
３ａ    レンズ
４    照明装置
５    取付ブラケット
Ｓ    フィラー
【図１】
2005111533.tif 000003
【図２】
2005111533.tif 000004
【図３】
2005111533.tif 000005