(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の中空形材の幅方向端部の突き合わせ部と、第２の中空形材の幅方向端部の突き合わせ部とを突き合わせて接合する摩擦撹拌接合方法において、
前記第１の中空形材は、
幅方向端部が前記突合せ部をなす２つの面板と、
前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記面板の突き合わせ部を除いた位置に接続した第１の接続板と、
前記２つの面板の突き合わせ部同士を接続するものであって、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、からなり、
前記第２の接続板と前記２つの面板の突き合わせ部との接続部には、中空形材の幅方向の外方および厚さ方向の外方に向けて開口した凹部が形成されており、
前記２つの面板のうちの一方の面板の突き合わせ部と前記第２の接続板との接続部に形成された前記凹部には、溝または凸部が形成されており、
前記２つの面板のうちの他方の面板の突き合わせ部と前記第２の接続板との接続部に形成された前記凹部には、溝または凸部が形成されており、
前記溝は、中空形材の幅方向の端部側に向けて開口しており、
前記凸部は、中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しており、
前記第２の中空形材は、
幅方向端部が前記突合せ部をなす２つの面板と、
前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記突き合わせ部を除いた位置に接続した第１の接続板と、からなり、
該第２の中空形材の前記２つの面板の突き合わせ部には、凸部または溝が形成されており、
前記溝は、中空形材の幅方向の端部側に向けて開口しており、
前記凸部は、中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しており、
前記第１の中空形材と前記第２の中空形材とを突き合わせたとき、前記溝に前記凸部が入っており、このとき一方の中空形材が他方の中空形材に対して該中空形材の厚さ方向への移動を実質的に抑制するように入っており、
前記第２の接続板の板厚の延長線上に、回転工具を位置させて、前記中空形材の厚さ方向の外方から、前記突き合わせた部分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。
【請求項２】
請求項１の摩擦攪拌接合方法において、
前記第１の中空形材と前記第２の中空形材とを突き合わせたとき、
前記溝部と前記凸部とが回転工具の小径部の範囲内に位置した状態で接合すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
第１の中空形材の幅方向端部の突き合わせ部と、第２の中空形材の幅方向端部の突き合わせ部とを突き合わせて接合する摩擦撹拌接合方法において、
前記第１の中空形材は、
幅方向端部が前記突合せ部をなす２つの面板と、
前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記面板の突き合わせ部を除いた位置に接続した第１の接続板と、
前記２つの面板の突き合わせ部同士を接続するものであって、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、からなり、
前記第２の接続板と前記２つの面板の突き合わせ部との接続部には、該中空形材の幅方向の外方および厚さ方向の外方に向けて開口した凹部が形成されており、
前記２つの面板のうちの一方の面板の突き合わせ部と前記第２の接続板との接続部に形成された前記凹部には、溝または凸部が形成されており、
前記２つの面板のうちの他方の面板の突き合わせ部と前記第２の接続板との接続部に形成された前記凹部には、溝または凸部が形成されており、
前記溝は、中空形材の幅方向の端部側に向けて開口しており、
前記凸部は、中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しており、
前記第２の中空形材は、
幅方向端部が前記突合せ部をなす２つの面板と、
前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記突き合わせ部を除いた位置に接続した第１の接続板と、からなり、
該第２の中空形材の前記２つの面板の突き合わせ部には、凸部または溝が形成されており、
前記溝は、中空形材の幅方向の端部側に向けて開口しており、
前記凸部は、中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しており、
前記第１の中空形材と前記第２の中空形材とを突き合わせたとき、前記溝に前記凸部が入っており、
前記第２の接続板の板厚の延長線上に、回転工具を位置させて、前記中空形材の厚さ方向の外方から、前記突き合わせた部分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。
【請求項４】
請求項３の摩擦攪拌接合方法において、前記第１の中空形材と前記第２の中空形材の突き合わせた各面板の突き合わせ部、および突き合わせた前記溝と前記凸部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。
【請求項５】
請求項４の摩擦攪拌接合方法において、前記中空形材に挿入される前記回転工具の小径部の径の範囲内に、前記溝と前記凸部とを位置させた状態で、前記摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
請求項５の摩擦攪拌接合方法において、前記回転工具の軸心を前記溝の深さの範囲内に位置させて前記摩擦攪拌接合を行うこと、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
請求項４の摩擦攪拌接合方法において、前記回転工具の軸心を前記溝の深さの範囲内に位置させて前記摩擦攪拌接合を行うこと、
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に係わり、特に、中空形材の摩擦攪拌接合に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、接合部に挿入した丸棒（回転工具という）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させて塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は大径部と小径部からなる。小径部を接合すべき部材に挿入し、大径部の端面を前記部材に接触させている。小径部にはねじを設けている。
【０００３】
接合すべき２つの部材の回転工具の挿入側に凸部を設け、この凸部の金属を原資として２つの部材の間の隙間を埋めるようにしている。回転工具の大径部は凸部内に入れている。
回転工具を接合部の金属に挿入しなければならないので、接合部には大きな力がかかる。このため、中空形材を接合する際には、中空形材の２つの面板を接続する接続板の部分を他方の中空形材との摩擦攪拌接合位置としている。これは前記接続板で前記力を支え、中空形材の変形を防止しながら摩擦攪拌接合するものである。
これらは特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）、特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）に示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
２つの板の突き合わせ部を溶接（または摩擦攪拌接合）すると、溶接熱によって変形する。その変形の１つとして板の厚さ方向に板が変形する。このため、溶接部の一方の板と他方の板との間に段差が生じ、平面度が悪くなりやすい。このため、中空形材においては、溶接部の近傍には並列な２つの面板を接続する板を設け、面板が厚さ方向に変形するのを防止する。この接続板は中空形材のそれぞれの溶接部の近傍に設けている。この接続板は面板に直交している。
【０００５】
摩擦攪拌接合はアーク溶接に比べて接合温度は低いので、変形は少ないが、それなりの変形が考えられる。このため、前記特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）、特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）でも前記接合板を設けている。前記特開平１１−９０６５５号公報（ＵＳＰ６０５０４７４）ではそれぞれの中空形材の端部に前記接続板を設けている。このため、強度を無視して議論すれば、接続板によって質量が増大する。
【０００６】
なお、前記特開平９−３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）では摩擦攪拌接合する一対の中空形材の一方のみに接続板を設けている。
本発明の目的は、軽量で良好な接合ができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の中空形材の幅方向端部の突き合わせ部と、第２の中空形材の幅方向端部の突き合わせ部とを突き合わせて接合する摩擦撹拌接合方法において、前記第１の中空形材は、幅方向端部が前記突合せ部をなす２つの面板と、前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記面板の突き合わせ部を除いた位置に接続した第１の接続板と、前記２つの面板の突き合わせ部同士を接続するものであって、前記面板に実質的に直交した第２の接続板と、からなり、前記第２の接続板と前記２つの面板の突き合わせ部との接続部には、該中空形材の幅方向の外方および厚さ方向の外方に向けて開口した凹部が形成されており、前記２つの面板のうちの一方の面板の突き合わせ部と前記第２の接続板との接続部に形成された前記凹部には、溝または凸部が形成されており、前記２つの面板のうちの他方の面板の突き合わせ部と前記第２の接続板のとの接続部に形成された前記凹部には、溝または凸部が形成されており、前記溝は、中空形材の幅方向の端部側に向けて開口しており、前記凸部は、中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しており、前記第２の中空形材は、幅方向端部が前記突合せ部をなす２つの面板と、前記２つの面板を接続するものであって、少なくとも一端は前記突き合わせ部を除いた位置に接続した第１の接続板と、からなり、該第２の中空形材の前記２つの面板の突き合わせ部には、凸部または溝が形成されており、前記溝は、中空形材の幅方向の端部側に向けて開口しており、前記凸部は、中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しており、前記第１の中空形材と前記第２の中空形材とを突き合わせたとき、前記溝に前記凸部が入っており、このとき一方の中空形材が他方の中空形材に対して該中空形材の厚さ方向への移動を実質的に抑制するように入っており、前記第２の接続板の板厚の延長線上に、回転工具を位置させて、前記中空形材の厚さ方向の外方から、前記突き合わせた部分を摩擦攪拌接合すること、により達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図３によって説明する。鉄道車両の車体５００は、側面を構成する側構体５０１、屋根を構成する屋根構体５０２、床を構成する台枠５０３、長手方向の端部を構成する妻構体５０４からなる。側構体５０１、屋根構体５０２、台枠５０３は、それぞれ複数の押し出し形材１０、２０を接合して構成している。押し出し形材１０、２０の長手方向（押し出し方向）を車体５００の長手方向に向け、車体５００の周方向に多数並べている。押し出し形材１０、２０はアルミニウム合金製の中空形材である。
【００１１】
側構体５０１を構成する中空形材１０と２０との接合部について説明する。他の箇所の中空形材の接合部も同様にできる。
中空形材１０（２０）は、実質的に平行な２枚の面板１１（２１）、１２（２２）と、この２枚の面板を接続する複数の接続板１３（２３）、１４と、からなる。接続板１３（２３）は面板１１（２１）、１２（２２）に対して傾斜している。つまり、面板１１（２１）、１２（２２）、接続板１３（２３）によってトラスを構成している。中空形材１０、２０の使用個所によっては、一方の面板１１、２１は他方の面板１２、２２に対して傾斜したり、円弧状になったり、全体が円弧状になっている。
【００１２】
中空形材１０の幅方向の端部の接続板１４は面板１１、１２に対して実質的に直交している。中空形材２０の端部には面板２１、２２に対して直交する接続板はない。接続板１４と面板１１、１２とのそれぞれの接続部には中空形材２０の面板２１、２２の端部が重なる凹部がある。前記それぞれの接続部には面板２１、２２を支える突出片１５がある。突出片１５は接続板１４から中空形材１０の幅方向の端部側に突出している。前記凹部は面板１１（１２）、接続板１４、突出片１５から構成される。凹部は中空形材１０の幅方向の外方および厚さ方向の外方に向けて開口している。凹部に面板２１、２２を重ねたとき、面板２１、２２の端面と面板１１、１２の端面とが突き合わせられる。
【００１３】
面板１１、１２（２１、２２）の端部には中空形材１０、２０の厚さ方向の外側に突出する凸部１７（２７）がそれぞれある。面板１１、１２（２１、２２）の端面および凸部１７（２７）の端面は中空形材１０（２０）の厚さ方向に沿っている。面板１１、１２および凸部１７の端面（中空形材１０の幅方向の端部）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上にある。面板２１、２２および凸部２７の端面（中空形材２０の幅方向の端部）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上にある。
【００１４】
中空形材１０と中空形材２０とを組み合わせたとき、接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、面板１１、１２、２１、２２および凸部１７、１７、２７，２７の端面がある。この組み合わせによって、中空形材１０の面板１１（１２）および凸部１７（１７）の端面と中空形材２０の面板２１（２２）および凸部２７（２７）の端面とが突き合わせられる。このとき、突き合わせ部の隙間はできるだけ小さくなるように各部を設けている。すなわち、面板２１、２２の間隔、凹部の間隔を定めている。
【００１５】
中空形材１０、２０を突き合わせた時、面板１１、１２の外面と面板２１、２２の外面とは実質的に同一面にあり、凸部１７、２７の突出代は同一である。２つの凸部１７、２７の幅は同一である。２つの凸部１７、２７を合わせた幅は回転工具５０の大径部５１の径よりも大きい。凸部１７、２７の金属は、突き合わせた部分の隙間を埋める金属の原資となる。
【００１６】
中空形材１０の突き合わせ部の端面（中空形材１０の厚さ方向に沿った凹部の面（面板１１、１２に実質的に直交する面、中心Ｃに沿った面。））には中空形材１０の長手方向に沿って溝１８、１８がある。中空形材２０の突き合わせ部の端面（面板２１、２２に実質的に直交する面、中心Ｃに沿った面。）には中空形材２０の長手方向に沿って凸部２８、２８がある。凸部２８は溝１８に入る。
【００１７】
凸部２８を溝１８に挿入しやすくするため、溝１８および凸部２８を台形状にしている。凸部２８の幅は先端側が基部よりも小さい。溝１８の幅は底部が開口部側よりも小さい。溝１８、凸部２８のそれぞれの角部は円弧状にしている。両者を組み合わせたとき、両者の間の隙間は小さくなるように、凸部２８、溝１８の大きさを定めている。特に、中空形材１０、２０の厚さ方向における溝１８と凸部２８との間の隙間は小さくしている。または、中空形材１０、２０の厚さ方向において、溝１８と凸部２８とは接触していることが望ましい。
【００１８】
中空形材１０（２０）の厚さ方向における溝１８（凸部２８）の位置は面板１１、１２（２１、２２）と凸部１７、１７（２７、２７）とを合わせた厚さの範囲内にあればよい。
面板１１、１２、２１、２２の突き合わせ部の板厚は他の部分の厚さよりも厚くしている。中空形材の厚さ方向の外面側は実質的に平らにしなければならないので、面板の内面側に向けて突出させて、厚くしている。この厚さは突き合わせ部から遠ざかるにしたがって徐々に薄くしている。凹部の底面は面板１１、１２、２１、２２の外面に実質的に平行である。
【００１９】
接合に当たって、２つの中空形材１０、２０を図１のように嵌め合わせる。凸部２８、２８が溝１８、１８に入る。溝１８は中空形材の幅方向の端部側に向けて開口し、凸部は中空形材の幅方向の端部側に向けて突出しているので、嵌め合わせは容易にできる。
嵌め合わせたら、中空形材１０、２０を架台１００に固定する。１０１は下面の凸部１７、２７が入る溝である。固定後、突き合わせ部の上面側を間欠的に仮止め溶接する。
【００２０】
回転工具５０は大径部５１の先端に小径部５２を設けている。小径部５２にはねじを設けている。接合に際しては、突き合わせ部に回転工具５０を挿入する。回転工具５０の軸心は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させる。大径部５１の下端は面板１１、２１（１２、２２）の外面の延長線と凸部１７、２７（１７、２７）の頂面との間に位置させる。小径部５２は面板１１（１２）と面板２１（２２）との突き合わせ部に挿入する。小径部５２の下端は突出片１５の上面（凹部の底面）よりも若干挿入している。少なくとも突出片１５まで塑性流動するように、小径部５２を挿入する。
【００２１】
回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させたとき、溝１８は小径部５２の径の範囲内に位置する。凸部２８は小径部５２の径の範囲内に位置する。この状態で、回転工具５０を回転させながら、突き合わせ部の接合線に沿って移動させる。
【００２２】
一方の面側の摩擦攪拌接合が終了したら、中空形材１０、２０を上下に反転させ、同様に摩擦攪拌接合を行う。
【００２３】
次に、車体５００の外面側に位置する凸部１７、２７を切削して、接合部の外面を面板１１、２１（１２,２２）の外面と同一面にする。
これによれば、摩擦攪拌接合による摩擦熱によって面板２１（２２）が変形しようとしても、凸部２８と溝１８とが嵌め合わせられているので、面板２１（２２）の上下方向の移動を防止または抑制する。このため、面板１１（１２）と面板２１（２２）との間に段差の少ない接合ができる。
【００２４】
このため、摩擦攪拌接合後、前記段差を少なくする切削作業を少なくできる。このため、安価にできるものである。また、中空形材２０の端部において面板２１、２２に直交する接続板を予め除くことができる。このため、中空形材２０を安価で、軽量にできるものである。
【００２５】
回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させたとき、溝１８は小径部５２の径の範囲内に位置する。凸部２８は小径部５２の径の範囲内に位置する。このため、溝１８と凸部２８との間に隙間があっても、隙間は埋められ、接合される。溝１８および凸部２８が小径部５２の径の範囲内に位置しなくても、小径部５２によって、溝１８および凸部２８が塑性流動するように、溝１８および凸部２８の位置および大きさを定める。
【００２６】
回転工具５０は接続板１４の板厚の延長線上に位置するので、摩擦接合の際の荷重は接続板１４で支えられ、接合部が変形することが少ない。接続板１４はこの荷重を支える剛性を有する。接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に回転工具５０の軸心が位置するのがよい。
【００２７】
面板１１、２１、１２、２２（凸部１７、２７の部分を除く）の外面の延長線よりも外面側の凸部１７、２７の部分（凸部１７、２７の突出代の部分）に、溝１８および凸部２８の一部を設置しているので、所要の大きさの溝１８および凸部２８を容易に設けることができるものである。
接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、回転工具５０の軸心、凸部１７、２７の端部が実質的に位置しているのが望ましい。
【００２８】
上記実施例では中空形材１０の凹部に溝１８を設け、中空形材２０に凸部２８を設けているが、中空形材１０の凹部に凸部を設け、中空形材２０の面板２１、２２の端部に溝を設けることができる。しかし、前者の方が、押し出し形材を製作する際に正確にできると考えられる。
【００２９】
また、一方の面板１１側（一方の凹部側）に溝を設け、他方の面板１２側（他方の凹部側）に凸部を設け、一方の面板２１に凸部を設け、他方の面板２２に溝を設けることができる。
【００３０】
図４、図５の実施例を説明する。接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、溝１８の深さの中心が位置する。このため、面板１１、１２および凸部１７の突き合わせ部の端面は接続板１４の板厚の中心Ｃよりも中空形材１０の端部側に突出している。中空形材２０の突き合わせ部はこれに対応して設けている。すなわち、面板２１、２２および凸部２７の突き合わせ部の端面（凸部２８を除く。）は接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上よりも中空形材１０の幅方向の他端側に突出している。このため、凸部１７の幅が凸部２７の幅よりも大きい。
【００３１】
回転工具５０の軸心を接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に位置させて摩擦攪拌接合を行う。摩擦攪拌接合に当たって、凸部１７、２７の突き合わせ部の位置を求め、その位置から中空形材１０側に所定量偏寄させた位置を回転工具５０の位置とする。
これによれば、溝１８および凸部２８に対する回転工具５０（小径部５２）の軸心の位置ずれの許容量を大きくできるものである。
接続板１４の板厚の中心Ｃの延長線上に、回転工具５０の軸心、溝１８の深さの中心が実質的に位置しているのが望ましい。
【００３２】
上記各実施例では、摩擦攪拌接合時の荷重を支持するために、接続板１４を設けている。しかし、面板１１、１２、２１、２２、および接続板１３、２３からなる空間に支持部材を配置して、前記荷重を支持するようにすれば、接続板１４を除くことができる。中空形材１０、２０の幅方向の端部の位置（溝１８、凸部２８の位置、すなわち突き合わせ部の位置）は実質的に同一位置にある。支持部材は例えば下方の面板１２、２２に載る。
【００３３】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のよれば、軽量で良好な摩擦攪拌接合ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の中空形材の接合部の縦断面図。
【図２】図１の中空形材の接合部の全体の縦断面図。
【図３】鉄道車両の車体の斜視図。
【図４】本発明の他の実施例の中空形材１０の接合部の縦断面図。
【図５】図４の接合部に用いる中空形材２０の接合部の縦断面図。
【符号の説明】
１０、２０：中空形材、１１、１２、２１、２２：面板、１５：突出片、１７、２７：凸部、１８：溝、２８：凸部、５０：回転工具、５１：大径部、５２：小径部。
【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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