(57)【要約】【課題】中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合した後に生じる長手方向の反りを抑制することができる摩擦撹拌接合構造体及び摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】実質的に平行な２つの第１面板１４及び第２面板１５と、当該面板を接続する複数のリブ１７と、こられ面板の幅方向の端部を接続する端部リブ１６とを備える第１部材１０と、実質的に平行な２つの第１面板２４及び第２面板２５と、当該面板を接続する複数のリブ１７とを備える第２部材２０とは、全長が約２０ｍにも及ぶ中空押出形材であり、突き合わせ部を回転工具で撹拌することで接合した摩擦撹拌接合される。突き合わせ部における一方の面板側で接合される肉厚部１１の断面積よりも、他方の面板側で接合される肉厚部１３の断面積を大きくしているので、表裏の摩擦撹拌接合による収縮量を変えて、両部材の長手方向の反り量を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空押出形材からなる第１部材と第２部材とを突き合わせて、突き合わせ部を回転工具で撹拌して接合した摩擦撹拌接合構造体であって、
前記第１部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続する複数のリブと、該第１面板と該第２面板の端部において該第１面板と該第２面板とを接続する端部リブと、からなり、
前記第２部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続するリブと、からなり、
前記突き合わせ部は、
前記第１部材の前記第１面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の第１面板の端部と、からなる第１接合部と、
前記第１部材の前記第２面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の第２面板の端部と、からなる第２接合部と、からなり、
前記第１接合部と前記第２接合部の各々を撹拌して接合した摩擦撹拌接合構造体において、
前記第１接合部の断面積と、前記第２接合部の断面積と、を異ならせたこと、
を特徴とする摩擦撹拌接合構造体。
【請求項２】
中空押出形材からなる第１部材と第２部材とを突き合わせて、突き合わせ部を回転工具で撹拌して接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記第１部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続する複数のリブと、該第１面板と該第２面板の端部において該第１面板と該第２面板とを接続する端部リブと、からなり、
前記第２部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続するリブと、からなり、
前記突き合わせ部は、
前記第１部材の前記第１面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の前記第１面板の端部と、からなる第１接合部と、
前記第１部材の前記第２面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の前記第２面板の端部と、からなる第２接合部と、からなり、
前記第１接合部と前記第２接合部の各々を撹拌して接合する摩擦撹拌接合方法において、
前記第１接合部の断面積は前記第２接合部の断面積よりも小さく形成されており、
まず、前記第１接合部を摩擦撹拌接合し、
次に、前記第２接合部を摩擦撹拌接合すること、
を特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する２枚の面板を複数のリブで接続した中空押出形材同士を突き合わせた後、突き合わせ部の接合線に沿って回転工具を移動させて、突き合わせ部を撹拌することで接合する摩擦撹拌接合構造体、及び摩擦撹拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合方法は、主にアルミニウム又はその合金製の部材同士の突き合わせ部を回転工具で撹拌することで接合する固層接合方法である。この場合、接合される部材の突き合わせ部に不可避的な隙間が生じるため、突き合わせ端部に部材の板の厚さ方向に突出する凸部を設け、凸部側から回転工具を挿入して凸部を含む突き合わせ部の金属を隙間に移動させて、この移動させた金属で隙間を埋めるようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に開示されている摩擦撹拌接合が施されて接合される継ぎ手形状は、形材の高さ（厚さ）寸法は例えば約４０ｍｍであり、摩擦撹拌接合によって接合される形材の突き合わせ部の表面側と裏面側の継手（接続部）の断面形状は同一である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４２０５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
対向する２枚の面板をリブで接続した中空押出形材同士を突き合わせて、その両面の接合部を摩擦撹拌接合する場合、先に接合される一方の面（表面）側の継手部を摩擦撹拌接合した際に生じる収縮の影響下で、次に接合される他方の面（裏面）側の継手部を摩擦撹拌接合するため、先に接合された一方の面（表面）の接合による残留歪みの影響で、後に接合された他方の面（裏面）側の変形量が大きくなる傾向がある。この結果、摩擦撹拌接合された中空押出形材の他方（裏面）の面の変形量が、一方（表面）の変形量より大きくなるため、接合された中空押出形材全体が反る現象、つまり、中空押出形材の長手方向の両端部が水平面より浮いたり、その長手方向の中央部が浮き上がったりする現象が生じる。上述した変形量に差が生じる傾向は、接合線の長さが大きい場合により顕著となる。特に、鉄道車両構体への摩擦撹拌接合を施工する場合など、鉄道車両構体の長さ（全長）は２０ｍ〜２５ｍ前後と大きいため、上述した傾向が顕著となり、低歪接合技術である摩擦撹拌接合をもってしても、歪取り作業等を必要とする変形が生じる場合がある。
【０００６】
上述した中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合した場合の変形（反り）を抑制するため、つまり、一方の面の変形量と、他方の面のそれとをほぼ同じにするため、後に接合される他方の面の変形量を小さくする対策が講じられている。これらの対策は、一般的な溶融溶接と同じく、裏面接合の際に断面方向に逆反りを付与することが多い。こうした対策は、中空押出形材の長手方向に対して横断する方向（押出方向に交差する方向、幅方向）の断面形状の変形には有効であるが、中空押出形材の長手約２０ｍ（押出方向）に渡る反り変形に対してその抑制効果を得ることが難しく、中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合した場合、裏面側（上面側）が凹となる方向に長手方向に反ってしまうことがある。
【０００７】
中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合する場合、接合された中空押出形材がその裏面側を凹とする反りについて、具体的に図５から図７を参照して説明する。
図５は、突き合わせた状態にある２つの部材（中空押出形材）１０，２０の長手方向に直交する面での断面図である。中空押出形材として形成されている第１部材１０においては、対向する２枚の第１面板１４と第２面板１５とが、複数のリブ１７で接続されるとともに、これら第１面板１４と第２面板１５のそれぞれの幅方向の端部において、端部リブ１６によって接続されている。
【０００８】
また、摩擦撹拌接合の相手となる第２部材２０においては、対向する２枚の第１面板２４と第２面板２５とが複数のリブ１７で接続されている。
第１部材１０と第２部材２０とを接合する接合線３０，４０のそれぞれの背面側（端部リブ１６の側）に、肉厚部１１，１２が位置している。肉厚部１１は、第１面板１４と端部リブ１６との接合部と、第１面板２４の突き合わせ部（幅方向の一方の端部）とからなる。同様に、肉厚部１２は、第２面板１５と端部リブ１６との接続部と、第２面板２５の突き合わせ部（幅方向の一方の端部）とからなる。肉厚部１１と肉厚部１２とは、ほぼ同じ形状であり、且つ、ほぼ大きさの断面積を有している。
【０００９】
図６において、突き合わせされた２つの第１部材１０と第２部材２０とは治具６０上に載置される（図６（ｂ）側面参照）。先に、第１面板１４，２４の側の接合線３０（図６（ａ）平面）に沿って部材１０，２０を摩擦撹拌接合した後、第１部材１０と第２部材２０とを上下に反転し、再び治具６０上に載せて、次に、第２面板１５，２５の側の接合線４０に沿って、同じ接合条件（回転工具の回転数、送り速度等）で摩擦撹拌接合する（図７（ａ）平面参照）。この場合、接合された中空押出形材の長手方向をその側面からみた場合、中空押出形材は第１面板側を凸とする変形が生じるとともに、その長手方向の両端部に反り５０が発生する（図７（ｂ）側面参照）。
【００１０】
中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合する場合に生じる長手方向の両端部の反り５０は、先に、第１面板側の接合線３０に沿って突き合わせ部を摩擦撹拌接合した際に発生した圧縮応力に起因して中空押出形材に歪みが残留する状況下で、第２面板側の接合線４０継手部を摩擦撹拌接合するため、先に接合された一方の面（表側）の収縮量よりも、後に接合された他方の面（裏面）の収縮量の方が大きくなることに依るものと考えられる。
製品に摩擦撹拌接合によって接続されたパネルを組み込む時、パネルの長手方向の反り５０が所定の許容寸法を超える反りであった場合には、バーナーなどにより反りが生じたパネルを部分的に加熱収縮させて平滑なパネルに修正する修正作業が必要となる場合があった。
【００１１】
そこで、中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合する場合に生じる、長手方向の反りを低減する点で解決すべき課題がある。
本発明の目的は、中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合した後に生じる長手方向の反りを抑制することのできる摩擦撹拌接合構造体、及びそうした構造体を得るための摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による摩擦撹拌接合構造体は、中空押出形材からなる第１部材と第２部材とを突き合わせて、突き合わせ部を回転工具で撹拌して接合した摩擦撹拌接合構造体であって、前記第１部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続する複数のリブと、該第１面板と該第２面板の端部において該第１面板と該第２面板とを接続する端部リブとからなり、前記第２部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続するリブとからなり、前記突き合わせ部は、前記第１部材の前記第１面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の第１面板の端部とからなる第１接合部と、前記第１部材の前記第２面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の第２面板の端部とからなる第２接合部と、からなり、前記第１接合部と前記第２接合部の各々を撹拌して接合した摩擦撹拌接合構造体において、前記第１接合部の断面積と、前記第２接合部の断面積とを異ならせたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明による摩擦撹拌接合方法は、中空押出形材からなる第１部材と第２部材とを突き合わせて、突き合わせ部を回転工具で撹拌して接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記第１部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続する複数のリブと、該第１面板と該第２面板の端部において該第１面板と該第２面板とを接続する端部リブとからなり、前記第２部材は、対向して配設される第１面板および第２面板と、該第１面板と該第２面板とを接続するリブとからなり、前記突き合わせ部は、前記第１部材の前記第１面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の前記第１面板の端部とからなる第１接合部と、前記第１部材の前記第２面板と前記接続リブとの接続部と、該接続部に突き合わされる前記第２部材の前記第２面板の端部とからなる第２接合部と、からなり、前記第１接合部と前記第２接合部とを撹拌して接合する摩擦撹拌接合方法において、前記第１接合部の断面積を前記第２接合部の断面積よりも小さく形成し、まず前記第１接合部を摩擦撹拌接合し、次に前記第２接合部を摩擦撹拌接合すること、を特徴としている。
【００１４】
本発明によれば、好ましくは中空押出形材として形成される第１部材と第２部材との突き合わせ部における一方の面板側で接合される肉厚部の断面積が、他方の面板側で接合される肉厚部の断面積と異なっているので、一方の面板側から行われる摩擦撹拌接合の変形量と、他方の面板側から行われる摩擦撹拌接合による変形量（収縮量）とをほぼ同じ程度の変形量（収縮量）にすることにより、長手方向の反り量を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による摩擦撹拌接合構造体及び摩擦撹拌接合方法は、一方の面板側と他方の面板側の摩擦撹拌接合される継手部（肉厚部）の断面積を変えることによって、中空押出形材の両面を摩擦撹拌接合した後に生じる長手方向の反りを抑制することができる。摩擦撹拌接合で得られた摩擦撹拌接合構体を例えばパネルとして組み込むような場合、長手方向の反り５０をバーナーなどにより加熱収縮させて平滑なパネルに修正する修正作業が不要になり、作業工数を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による摩擦撹拌接合構造体及び摩擦撹拌接合方法に関して、接合前の突き合わせ部の一例を示す断面図である。
【図２】本発明による摩擦撹拌接合方法における部材組み合わせ工程を示す説明図である。
【図３】本発明による摩擦撹拌接合方法における一方の面の接合工程を示す説明図である。
【図４】本発明による摩擦撹拌接合方法における他方の面の接合工程を示す説明図である。
【図５】従来の摩擦撹拌接合に供される中空押出形材の突き合せ部の一例を示す断面図である。
【図６】従来の摩擦撹拌接合方法の部材組み合わせの工程を示す説明図である。
【図７】従来の中空押出形材を摩擦撹拌接合した場合の長手方向の反り状態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下本発明の一実施例を図１から図４を参照して説明する。図１において、中空押出形材として形成されている第１部材１０は、対向する２枚の第１面板１４と、第２面板１５とを備えており、これら第１面板１４と第２面板１５が複数のリブ１７で接続されるとともに、第１面板１４と第２面板１５はそれぞれの幅方向の端部において端部リブ１６によって接続されている。また、摩擦撹拌接合の相手となる第２部材２０は、対向する２枚の第１面板２４と、第２面板２５とを備えており、これら第１面板２４と第２面板２５とが複数のリブ１７で接続されている。
【００１８】
第１部材１０と第２部材２０とは突き合わせ部が回転工具で撹拌されることで摩擦撹拌接合が行われるが、回転工具が沿って移動するところの第１部材１０および第２部材２０における第１面板側１４，２４（表側）の突き合わせ部の表面形状（接合線３０を含む面）と、第２面板側（裏側）の突き合わせ部の表面形状（接合線４０を含む面）は、図５に示した従来例の場合と同様である（図２（ａ）平面および図３（ａ）平面参照）。
【００１９】
第１部材１０の第１面板１４と端部リブ１６との接続部と、この接続部に突き合わされる第２部材２０の第１面板２４の（幅方向の一方の）端部と、からなる第１接合部が、接合線３０の背面（端部リブ１６の側）に位置する肉厚部１１として形成されている。肉厚部１１は、図５における第１面板１４側の肉厚部１１と同様の形状であり、ほぼ同じ断面積を有している。
また、第１部材１０の第２面板１５と端部リブ１６との接続部と、この接続部に突き合わされる第２部材２０の第２面板２５の（幅方向の一方の）端部と、からなる第２接合部が、接合線４０の背面（裏側）に位置する肉厚部１３として形成されている。肉厚部１３は、図５における第２面板１５側の肉厚部１２と比較して大きい断面積を備えている。つまり、図１において、第１面板１４，２４側の肉厚部１１（第１接合部）の断面積は、第２面板１５，２５側の肉厚部１３（第２接合部）の断面積より小さい。
第１部材１０と第２部材２０との突き合わせ部は、肉厚部１１（第１接合部）と肉厚部１３（第２接合部）とからなっている。
【００２０】
図２において、第１部材１０と第２部材２０を組み合わせた状態で接合線３０が表側になるように治具６０に載せ（図２（ｂ）側面参照）、第１部材１０と第２部材２０とを第１面板１４，２４側の接合線３０に沿って回転工具を移動させながら撹拌することで摩擦撹拌接合する。即ち、まず、小さい断面積を有す肉厚部１１の第１面板側の接合線３０から摩擦撹拌接合をする（図２（ａ）平面参照）。この摩擦撹拌接合による第１面板側の接合後に、第１部材１０と第２部材２０とは長手方向に収縮するので、中空押出形材１０，２０の長手方向の端部に反り５０が生じる（図３（ａ）平面、同（ｂ）側面参照）。次に、その状態で、第１部材１０及び第２部材２０を反転し、表側に位置することになった大きい断面積を有する肉厚部１３の第２面板側の接合線４０に沿って回転工具を移動させながら撹拌することで摩擦撹拌接合が行われる（図４（ａ）平面、同（ｂ）側面参照）。
【００２１】
摩擦撹拌接合によって接合される一方の面板の接合部に備えられる肉厚部の断面積と、他方の面板の接合部に備えられる肉厚部の断面積が同じであると、先に摩擦撹拌接合された一方の面板の接合部に生じた残留応力の影響によって、後に摩擦撹拌接合される他方の面板の接合部の収縮量が先に接合された面板の接合部の収縮量を大きくなることが分かっている。そこで、後に接合される第２面板側の肉厚部１３（第２接合部）の断面積を、先に接合される第１面板側の肉厚部１１（第１接合部）の断面積よりも大きくして、回転工具と接合部との摩擦熱および攪拌に起因する熱よる変形に対する耐性を高める、つまり、熱容量を大きくしたものである。
【００２２】
この構成によって、対向する２枚の面板と、これら面板を複数のリブで接続した中空押出形材同士を摩擦撹拌接合によって接合するとき、一方の面の突き合わせ部を摩擦撹拌接合した時に生じた残留応力の影響がある状況下であっても、他方の面の突き合わせ部を摩擦撹拌接合したときの長手方向の変形量（収縮量）を小さくして、一方の面側の変形量と、他方の面側の変形量とをほぼ同じにすることができる。その結果、第１部材１０及び第２部材２０の両面を、片面毎に摩擦撹拌接合しても、長手方向に反りが抑制されたほぼ平滑な摩擦撹拌接合構造体が製作可能となる。
このため、摩擦撹拌接合を用いて接続したパネル構造体を組立て、６面体の構造物を構成する場合でも、各パネル構造体の反りを矯正して平滑にする修正作業（歪取り作業）が不要になり、製作工数を小さくできる。
【００２３】
なお、図１および図５は、第１部材１０の第１面板１４と第２面板１５とを、第２部材２０の第１面板２４と第２面板２５とのそれぞれに突き合わせた突き合わせ部に、第１面板１４，２４および第２面板１５，２５の板厚方向に突出する凸部を備える突き合わせ部の図であるが、凸部は必ずしも必要ない。
また、図１および図５では、第２部材２０はその第１面板２４と第２面板２５とを、それらの幅方向の端部において接続する端部リブ１６を備えていないが、特許文献１の図１から図３に記されるようにな態様で端部リブ１６を備える場合であってもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１０：第１部材                      ２０：第２部材
１４，２４：第１面板                １５，２５：第２面板
１１：肉厚部（第１接合部）          １２：肉厚部
１３：肉厚部（第２接合部）
１６：端部リブ                      １７：リブ
３０：第１面板側の接合線            ４０：第２面板側の接合線
５０：長手方向の端部の反り          ６０：治具
【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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