(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材を突合せ、
前記突合せた接合線に沿って切削加工し、
該切削加工によって得られた溝に補填材を配置し、
２つの部材の外面側であって、少なくとも一方の部材と前記補填材の前記外面側とを第１の回転工具によって摩擦攪拌接合し、
次に、前記摩擦攪拌接合の接合深さよりも深く、前記２つの部材と前記補填材とを第２の回転工具によって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２】
請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第１の回転工具による摩擦攪拌接合は、前記外面側の前記２つの部材と前記外面側の前記補填材と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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合方法及び装置に係り、鉄道車両、特に車体の製造に好適な接合加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、部材の接合部に挿入した工具を回転させながら部材に対して相対的に移動させ、工具に近接した領域の部材を塑性流動させ、部材を固相接合する方法である。
【０００３】
この場合、突合せた部材間の隙間が重要である。隙間が過大になると、良好に接合できない。鉄道車両の車体のように、長さが約２０ｍで、幅が３ｍになると、部材の製作誤差が大きくなりやすく、隙間が過大になりやすい。
【０００４】
特開２０００−２３３２８５号公報では、接合すべき２つの部材の突合せ部の隙間に補填材を配置して摩擦攪拌接合をしている。
【０００５】
また、特許第３０７０７５号公報（ＵＳ６０５０４７４）では、突合せ部の近傍のそれぞれの部材突部を設け、摩擦攪拌接合の際、突部の金属を原資として隙間を埋めるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
接合すべき部材の間に隙間に補填材を入れた場合、この補填材が摩擦攪拌接合の際、隙間から離脱しないように強固に固定しておくことが重要である。
この場合、補填材を接合すべき部材に溶接によって固定することが考えられるが、溶接すると、その高温の溶接熱で、部材の歪が考えられる。また、摩擦攪拌接合した後、表面を無塗装とする場合、溶接部が変色として残り、美観を損ねるものである。
【０００７】
本発明は、良好な接合と美観のよい外観が得られる摩擦攪拌接合方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、２つの部材を突合せ、前記突合せた接合線に沿って切削加工し、該切削加工によって得られた溝に補填材を配置し、２つの部材の外面側であって、少なくとも一方の部材と前記補填材の前記外面側とを第１の回転工具によって摩擦攪拌接合し、次に、前記摩擦攪拌接合の接合深さよりも深く、前記２つの部材と前記補填材とを第２の回転工具によって摩擦攪拌接合すること、によって、達成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明一実施例を図１〜図１０に従って説明する。ただし、本発明方法の技術的範囲は、以下に記載の実施の形態及び実施例の数値に限られず、その記載に基づき当該技術の分野における通常の知識を有する者なら、容易に実施することができる範囲に及ぶものである。
【００１０】
板状の２つの部材１０，２０を架台２５に載せて、部材１０，２０の縁が対向するように突合せる。この状態で部材を固定する。突合せ部には隙間が生じることが多い。２つの部材１０，２０の対向する突合せ部の上面側には、部材１０，２０にそれぞれ突部１２，２２を設けている。また、部材２０の突合せ部の下側面には、部材１０の突合せ部の下面側に突出する突出片２３を設けている。
【００１１】
上記部材１０，２０間の隙間４０はできるだけ狭くするように、できれば隙間がないように、隙間４０があっても所定隙間よりも小さくなるように、２つ部材１０，２０同士を押し付けて、架台２５に固定している。前記所定隙間は後述する溝４１と同一かそれよりも実質的に小さい。
【００１２】
部材１０，２０は、アルミニュウム合金の押出し形材である。２つの部材１０，２０の突合せ部（面）を接合線という。後述する補填材３０の材質は部材１０，２０の材質と同一である。
【００１３】
摩擦摩擦攪拌接合装置は、図１及び図２の機器（部材１０，２０及び架台２５を除く。補填材３０の供給装置を含む。）からなり、走行体の設置されており、部材１０，２０を固着した架台２５に対して、所定の速度で、移動する。図１において、右側から左側に移動する（中白の大形矢印で示す方向）。図２では右側から左側に移動する。部材１０，２０に対し、左側に示す切削工具６０の加工から始まって、右側の摩擦攪拌接合工具８１の加工の方向に進行する。
【００１４】
部材１０，２０を架台２５に固定したならば、接合線（隙間４０の位置）を上側から切削工具６０を用いて所定の溝４１に切削する。溝４１は長方形である。溝４１の対向辺（部材１０，２０の端部）は平行である。
【００１５】
この切削幅は、少なくとも、隙間４０を形成する両側壁面が残らない程度に大きくする。切削深さは突出片２３の上面迄とする。切削はドライ切削により行う。
【００１６】
上記では、切削工具６０を丸鋸で示したが、みぞフライス又はエンドミルでも同効である。要するに、切削の幅と深さが、一定であることが要求されている。
【００１７】
次に、切削工具６０による切り屑を切り屑除去ノズル５０からの圧縮空気で吹き飛ばすか、集塵機で吸引して除去する。
【００１８】
切り屑除去ノズル５０の後方には、突部１２，２２の上面、その外側の部材１０，２０の上面、さらには溝４１内の突出片２３に接するゴム板９５を配置している。これによって、切り屑が後方に移動しないように遮っている。
【００１９】
溝４１を製作したならば、溝４１に補填材３０を挿入する。これはリール９０の補填材３０を伸ばし、溝４１に導き、押えローラ７０で補填材３０を下方に押して、挿入する。押えローラ７０は、空気シリンダ装置７１（又は、圧縮バネ）によって、補填材３０の上面を溝４１の下底面に向けて押し付けている。
【００２０】
補填材３０の下面を突出片２３の上面に接触させたときに、補填材３０の上面が突部１２，２２の上面よりも僅かに高い位置を占めるように、補填材３０の高さ寸法を定めている。
【００２１】
補填材３０の断面形状は、ほぼ溝４１のそれと同形である。補填材３０の幅は溝４１の幅とほぼ同一である。但し、補填材３０は押えローラ７０によって比較的容易に溝４１に入るが、部材１０（２０）と補填材３０との間に過大な隙間が空かないようにしている。補填材３０の幅と溝４１の幅との差は、１ｍｍ未満の大きさとする。
【００２２】
補填材３０は回転自在なリール９０に巻かれており、矯正ローラ９１ａ，９１ｂ，９１ｃ、送給ローラ９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆを順次経由して押えローラ７０に至る。これらのローラは補填材３０に接触している。
【００２３】
矯正ローラ９１ａ，９１ｂ，９１ｃはリール９０に巻かれていた補填材３０を挟んで、補填材３０の巻き癖をとって、直線状にするためものである。矯正ローラ９１ａ，９１ｂは主としてリール９０に巻いていた補填材３０の内側の面に接する。矯正ローラ９１ｃは主としてリール９０に巻いていた補填材３０の外側の面に接する。矯正ローラ９１ａ，９１ｂ，９１ｃは補填材３０への接触部（ローラの外周部）は凹状である。この凹部に補填材３０が入る。
【００２４】
送給ローラ９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄは補填材３０をリール９０から巻き戻し、溝３０に供給するためのローラである。この送給ローラは補填材３０の高さ方向の面（溝４１の高さ方向に沿った面）に接触する。この送給ローラは補填材３０への接触部は凹状である。この凹部に補填材３０が入る。送給ローラ９２ａ，９２ｃは、トルクリミッタを介してモータで駆動される。これによって、所定の力で補填材３０を長手方向に送る。送給ローラ９２ａ，９２ｃは送給ローラ９２ｂ，９２ｄにそれぞれ連結している。例えば、送給ローラ９２ａ，９２ｃ，９２ｂ，９２ｄの外周部にはギアがあり、送給ローラ９２ａ，９２ｃのギアは送給ローラ９２ｂ，９２ｄのギアに噛み合っている。
【００２５】
送給ローラ９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ，９２ｅ，９２ｆは、補填材３０の案内ローラである。送給ローラ９２ｅ，９２ｆにはモータがない。送給ローラ９２ｅ，９２ｆは補填材３０の高さ方向の面（溝４１の高さ方向に沿った面）に接触する。この送給ローラは補填材３０への接触部は凹状である。この凹部に補填材３０が入る。
【００２６】
補填材３０を溝４１に挿入したら、押えローラ７０の後方において、回転工具８０によって、補填材３０を部材１０，２０に仮付け接合する。この接合は回転工具８０による摩擦攪拌接合である。
【００２７】
通常、摩擦攪拌接合の回転工具は大径部の先端に小径部を有するが、この回転工具８０は小径部を有していない。回転工具８０の先端は平である。回転工具８０は上方から、部材１０，２０及び補填材３０に挿入する。回転工具８０の軸心は通常の回転工具と同様に傾斜している。傾斜方向は同一である。回転工具８０は回転している。
【００２８】
回転工具８０の径は溝４１の幅よりも若干大きい程度である。例えば、溝４１の幅が３ｍｍのとき、回転工具８０の径は６ｍｍである。突部１２，２２への回転工具８０の挿入深さは、仮付けであるので、少しである。例えば、突部１２，２２の上面から１．０ｍｍである。この仮付け接合は、後述する回転工具８１による摩擦攪拌接合の際に、補填材３０が溝４１から離脱しない接合強度にする。すなわち、この接合強度が得られる挿入深さとする。
【００２９】
補填材３０の上端は突部１２，２２の頂よりも高い位置にある。補填材３０は突部１２，２２よりも突部になっている。このため、補填材３０と溝４１の製作誤差によって両者の間に隙間があっても、補填材３０の突部によって、この隙間を埋めることができる。したがって、補填材３０を部材１０，２０に強固に固定できる。また、補填材３０を押えローラ７０で押えて挿入するとき、補填材３０を突出片２３に密着させることができ、強固な接合につなげることができる。
【００３０】
回転工具８０によって接合したとき、接合部の上面側は若干凹む。図７、図８では接合部の上面を平らに図示している。
【００３１】
回転工具８０の大径部の外周面にはネジを設けてないので、摩擦攪拌接合時に、補填材３０、突部１２，２２を回転工具８０の軸方向に押し出すおそれがない。
【００３２】
回転工具８０の位置は、できるだけ押えローラ７０の位置に近接させることが望ましい。
【００３３】
次に、回転工具８１で、突部１２，２２及び補填材３０の３者を摩擦攪拌接合する。この接合は部材１０，２０を本格的に接合するためのものである。
【００３４】
回転工具８１は大径部の先端に小径部を有するものである。小径部の径は補填材３０の幅、及び溝４１の幅よりも若干大きい。摩擦攪拌接合時、回転工具８１の大径部と小径部との境の下端は、突部１２、２２を除く部材１２、２２の上面よりも上方であって、突部１２，２２の頂よりも下方に位置する。同じく、回転工具８１の小径部の先端は、突出片２３の上面の近傍かまたは突出片２３の内部に位置する。
【００３５】
前記のように補填材３０と部材１０，２０との間に隙間があったとき、突部１２，２２を除く部材１０，２０の上面よりも上方の突部１２，２２、および補填材３０を原資として、前記隙間を埋める。接合部の上面側は若干凹む。
【００３６】
次に、必用であれば、突部１２，２２を除く部材１０，２０の上面よりも上方の突部１２，２２、及び補填材３０（接合部になっている）を切削加工して、平滑にする。
【００３７】
図９は、摩擦摩擦攪拌接合部のうち、部材１０，２０の表平面よりも上の突部１２，２２及び接合部を切除し、平滑にした摩擦攪拌接合部の断面を示す。４３は摩擦攪拌接合部である。
【００３８】
切削工具６０、回転工具８０，８１はそれぞれ接合線の直角方向、すなわち隙間４０（溝４１）の幅方向に単独で移動できるようにしている。これは、接合線（隙間４０、溝４１）の位置を検出してその中心に切削工具６０、回転工具８０，８１を位置させるためである。また、切削工具６０、回転工具８０，８１は、それぞれ単独で上下動できる。これは切削工具６０による切削深さ（溝４１の深さ）、回転工具８０，８１による接合深さを所定にするためである。
【００３９】
このため、突部１２，２２を検出する光学センサ（図示せず）をそれぞれ備えている。光学センサは２つの突部１２，２２の幅の位置を検出し、この幅の中心の位置に切削工具６０、回転工具８０，８１を位置させる。また、突部１２，２２の頂の位置を検出して、切削工具６０、回転工具８０，８１の挿入深さを所定にする。
【００４０】
送給ローラ９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄによる補填材３０の駆動力は、回転工具８１で摩擦攪拌接合する際、補填材３０を押し戻す力が発生するので、この押し戻し力に対向する力でなければならない。
【００４１】
送給ローラ９２ｅ，９２ｆから押えローラ７０までの距離、押えローラ７０から回転工具８０までの距離、回転工具８０から回転工具８１までの距離は、前記補填材３０を押し戻す力によって、それぞれの個所で補填材３０が座屈を発生しない距離でなければならない。
【００４２】
この実施例によれば、２つの部材を突合せ接合する場合、接合線に沿って若干の隙間が存在することがあっても、接合線を切削して所定の隙間に成形し、次に補填材を挿入して、接合線の隙間を実質的に除去し、摩擦摩擦攪拌接合を施すので、良好な接合を行うことができる。
【００４３】
摩擦摩擦攪拌接合後、接合部を平滑にし、ヘアーライン加工仕上げを施す場合、補填材３０の材質は母材（部材１０，２０）と同一材質であるので、接合部の変色が少なく、見栄えが悪くならない。
【００４４】
なお、回転工具８０は回転工具８１と同様に、大径部の先端に小径部を有するものであってもよい。
【００４５】
図１１の本発明の他の実施例を説明する。同図中の符号で図１〜図１０と同一符号は実質的に同一部材である。この実施例は、主として、仮接合を廃止したものである。
【００４６】
送給ローラ９２ａ，９２ｂ，９２ｃ、９２ｄは、図２の場合に比べて、９０度向きを変えて設置している。矯正ローラ９１ａ〜９１ｂから送給ローラ９３ａ〜９３ｄまでの間にガイドローラがあっても良いが、ここでは除き、代わりに、ガイドチューブ９４を設けている。ガイドチューブ９４は対磨耗性で、剛性があり、かつ可撓性があるものである。例えば、テフロン(登録商標)チューブである。ガイドチューブ９４の内径と補填材３０との間には適宜な隙間がある。ガイドチューブ９４の両端は、この摩擦攪拌接合装置を設置した走行体（図示せず）に固定している。図１１において、ガイドチューブ９４内の補填材３０を実線で示している。押えローラ７０はあっても良いが、ここでは除いている。仮接合用の回転工具８０は除いている。
【００４７】
送給ローラ９２ａ〜９２ｄの送給力は、回転工具８１による前記押し戻す力に対して補填材３０を供給できる力である。送給ローラ９３ａ〜９３ｄから回転工具８１までの距離は、前記押し戻す力によって補填材３０が座屈しない距離である。これによって、回転工具８０の仮接合を省略することができる。
【００４８】
送給ローラ９２ａ〜９２ｆを用いる場合、これらを走行体に対して移動自在に設けなければならないが、代わりに、ガイドチューブ９４を用いると、構成を簡単にできるものである。
【００４９】
上記本発明方法を実施する際に使用される、各部の大きさの一例について、以下に説明する。
部材１０，２０、及び補填材３０の材質：アルミニューム合金、
部材１０，２０の板厚（突部１２，２２の厚さを除く）：４ｍｍ、
突部１２，２２の幅：８ｍｍ、
突部１２，２２の高さ（部材１０，２０の板厚を除く）：２ｍｍ、
溝４１の幅：３ｍｍ、
溝４１の深さ：６ｍｍ、
補填材３０の幅：３ｍｍ、
補填材３０高さ：６．５ｍｍ、
回転工具８０の径：６ｍｍ、
回転工具８０の摩擦攪拌接合深さ：突部１２，２２の表面から１．０ｍｍ。
【００５０】
【発明の効果】
本発明方法によれば、２つの部材の突合せ部の間隙を切削して、隙間を埋める部材を埋設し、実質的に突合せ部材間の隙間を除去した上で、摩擦攪拌接合を施すので、良好な摩擦攪拌接合を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の工程を示す模式斜視図。
【図２】本発明の一実施例の工程、特に補填材の供給装置の側面略図。
【図３】図１におけるIII−III断面図。
【図４】図１、図２におけるIV−IV断面図。
【図５】図１、図２におけるＶ−Ｖ断面図。
【図６】図１、図２におけるVI−VI断面図。
【図７】図１、図２におけるＶII−ＶII断面図。
【図８】図１におけるVIII−VIII断面図。
【図９】突合せ摩擦攪拌接合部を平滑加工した部材の接合部断面図。
【図１０】図２におけるＸ矢視図。
【図１１】本発明の他の実施例の工程、特に補填材の供給装置の側面略図。
【符号の説明】
１０，２０  部材
１２，２２  突部
２３  突出片
２５  架台
３０  補填材
４０  隙間
４１  溝
４３  摩擦攪拌接合部
５０  切り屑除去ノズル
６０  切削工具
７０  押えローラ
７１  空気シリンダ装置
８０，８１  回転工具
８３  回転工具の小径部
９０  リール
９１ａ〜９１ｃ  矯正ローラ
９２ａ〜９２ｆ  送給ローラ
９３ａ〜９３ｄ  送給ローラ
９４  ガイドチューブ
９５  切り屑排除板
【図１】
0003795824.tif 000002
【図２】
0003795824.tif 000003
【図３】
0003795824.tif 000004
【図４】
0003795824.tif 000005
【図５】
0003795824.tif 000006
【図６】
0003795824.tif 000007
【図７】
0003795824.tif 000008
【図８】
0003795824.tif 000009
【図９】
0003795824.tif 000010
【図１０】
0003795824.tif 000011
【図１１】
0003795824.tif 000012