(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合による接合線の向きが大きく変化している場合に、
前記摩擦攪拌接合を行う回転工具が前記接合線の向きが変化する位置に至ると、前記回転工具を被接合部材から退避させ、
退避した状態で、新たの接合方向に対して回転工具の軸心を傾斜させ、
実質的に前記退避させた位置において、前記被接合部材に回転工具を再度挿入し、
新たな接合線に沿って前記回転工具を移動させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１の摩擦攪拌接合において、前記向きの変更は、前記退避の後、前記回転工具を支持する装置を回転させて、前記移動方向に対する前記回転工具の傾斜角度を変えて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１の摩擦攪拌接合において、前記回転工具の傾斜角度の変更は、前記退避させた位置を基準として傾斜させて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１の摩擦攪拌接合において、前記回転工具の傾斜角度の変更は、前記回転工具の先端を基準として傾斜させて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項１の摩擦攪拌接合において、前記再挿入時の前記回転工具の挿入深さは、前記退避位置における前記回転工具の挿入深さよりも深く挿入すること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
請求項５の摩擦攪拌接合において、前記退避を行う前から前記回転工具の挿入深さを徐々に浅くし、前記再挿入時に、前記挿入深さを徐々に浅くする前の挿入深さに、前記回転工具を挿入すること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
請求項５の摩擦攪拌接合において、前記際挿入時に退避前の前記回転工具の挿入深さよりも深く挿入し、前記移動開始後、徐々に浅くすること、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項１の摩擦攪拌接合において、前記退避の際、前記回転工具の移動を停止させて行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
請求項１の摩擦撹拌接合方法において、前記向きの変更は、前記退避の後、前記被接合部材を回転させて前記移動方向に対する前記回転工具の傾斜角度を変えて行うこと、を特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【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関し、鉄道車両等の輸送機器、産業機械、科学機械、家庭電化品等において、アルミニウム合金の部材を接合に好適である。
【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、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。小径部側を向いた大径部の端面は円錐状に傾斜している。この円錐面は凹んでいる。回転工具の軸心は回転工具の移動方向に対して傾斜している。すなわち、移動方向に対して後方に傾斜している。
【０００３】
また、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、突き合わせ部に回転工具の小径部を挿入すると共に、回転工具の大径部を凸部内に挿入して、摩擦攪拌接合を行う。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ものである。凸部は一方の部材のみに設けてもよい。これは部材を押し出し形材で作り、押し出し方向を直交させた部分を摩擦攪拌接合する場合に用いる。
【０００４】
また、鉄道車両の車体のように窓のあるものを摩擦攪拌接合する場合において、複数の回転工具を１つの移動体に複数の回転工具を設置して行う。窓の直前の位置で移動体の移動を停止させ、全ての回転工具を被接合部材から退避させ、窓のない部分の回転工具は再度挿入し、移動を再開させ、摩擦攪拌接合を再開させる。
【０００５】
これらは特表平９−５０８０７３号公報（ＥＰ０７５２９２６Ｂ１）、特開２０００−３４３２４８号公報（ＥＰ１０５７５７６Ａ２）に示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鉄道車両の側面には乗員等のための出入り口がある。出入り口には大きな荷重が加わるので、車体の側面の板に厚い縁材を溶接している。縁材は押し出し形材からなる。車体の板と縁材とを摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合用の回転工具は縁材に沿って移動させる。
【０００７】
縁材は一般に押し出し形材をＵ状に曲げて構成する。曲げた角部は円弧状になる。
【０００８】
ここでは左右の片と上片の３つの押し出し形材を溶接して縁材を製作する場合を考える。各片は実質的に直交している。この場合、左片と上片との接続部、また、上片と右片との接続部は直角である。このような縁材を有する出入り口は乗務員の出入り口に多い。
【０００９】
この縁材とその周辺の車体の板とを摩擦攪拌接合する場合は、前記接続部（直角部）において、回転工具の向き（すなわち、移動方向）を９０度変えなければならない。これは、回転工具は移動方向に対して傾斜させなければならないためである。向きの変更は、回転工具の向きを変えるまたは接合すべき部材の向きを変えて行う。
【００１０】
向きを変更する場合には、回転工具の移動は停止しなければなならない。移動は停止しているが、回転工具は接合すべき部材に挿入された状態で回転している。このため、回転工具と接合すべき部材との摩擦熱が過大になる。このため、摩擦攪拌接合に不良が発生することがある。
【００１１】
移動方向の変更が９０度よりも大きくても小さくても同様の問題が発生する。また、このような向きを変えなければならないものは、出入り口の縁材のみでなく、建築物の各種部材、産業機器等、構造上や意匠上の観点で、各種で考えられる。
【００１２】
突き合わせ部に回転工具を挿入するために、光学センサーで突き合わせ部を検出して回転工具を誘導しているが、前記のように移動方向（接合線の方向）が９０度のように大きく変わる場合は、曲がる点の近傍になると、突き合わせ部を検出できない。
【００１３】
また、車体や出入り口の縁材は押し出し形材で製作し、その押し出し方向が直交していることなどから、突き合わせ部の隙間を埋める原資となる凸部を一方の部材にしか設置できない。このため、接合不良が発生しやすい。
【００１４】
本発明の目的は、接合線の角度が大きく変化する場合において、良好な摩擦攪拌接合を行えるようにすることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、摩擦攪拌接合による接合線の向きが大きく変化している場合に、前記摩擦攪拌接合を行う回転工具が前記接合線の向きが変化する位置に至ると、前記回転工具を被接合部材から退避させ、退避した状態で、新たの接合方向に対して回転工具の軸心を傾斜させ、実質的に前記退避させた位置において、前記被接合部材に回転工具を再度挿入し、新たな接合線に沿って前記回転工具を移動させること、によって達成できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図７によって説明する。図１の（Ａ）の被接合部材の接合線は直交している。図１の（Ｂ）は直交する接合線を直線状に延ばして示している。
【００２０】
鉄道車両の車体１００は、側面を構成する側構体１０１、屋根を構成する屋根構体１０２、床を構成する台枠１０３、長手方向の端部を構成する妻構体１０４とからなる。側構体１０１、屋根構体１０２、台枠１０４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１００の長手方向に向けている。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。
【００２１】
側構体１０１には複数の窓１３０があり、また、人の出入り口１１０，１４０がある。出入り口１１０は運転手等の乗務員のための出入り口であリ、その幅は比較的小さい。出入り口１４０は運転手等の乗務員のための出入り口であリ、その幅は大きい。出入り口１１０，１４０の開口の縁には縁材１２０，１４１が接合されている。
【００２２】
側構体１０１を構成する押し出し形材１０，２０の押出し方向は車体すなわち側構体１０１の長手方向である。縁材１２０（１４１）も押し出し形材であるので、縁材１２０（１４１）の左右の片は、縁材１２０（１４１）の押し出し方向と、形材１０，２０の押し出し方向とは直交している。押し出し形材１０，２０は中空形材である。
【００２３】
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（２４）と、からなる。
【００２４】
中空形材１０（２０）の幅方向の端部の接続板１４（２４）は面板１１，１２（２１，２２）に対して直交している。接続板１４と面板１１（１２）との接続部の外面側には中空形材２０の面板２１（２２）が重なる凹部がある。面板１１，２２の端部には面板２１，２２を支える突出片１５がある。突出片１５は接続板１４から突出している。突出片１５は前記凹部に接続している。中空形材２０の面板２１，２２の端部は中空形材１０の凹部および突出片１５に重なる。
【００２５】
面板１１，１２（２１，２２）の端部には中空形材１０，２０の外面側（厚さ方向の外側）に突出する凸部１７（２７）がある。面板１１，２１および凸部１７の端面（すなわち、凹部の面板１１，１２側）は接続板１４の板厚の中心付近にある。中空形材１０の面板１１（１２）および凸部１７の端面と中空形材２０の面板２１（２２）および凸部２７の端面とが突き合わせられている。
【００２６】
面板１１（１２）の外面と面板２１（２２）の外面とは同一面にあり、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つの凸部の幅は回転工具２００の大径部２０１の径よりも大きい。
【００２７】
まず、形材１０と形材２０とを接合する。図５において、接合に当たって、２つの中空形材１０，２０は架台３１０に載せて固定する。回転工具２００は大径部２１０の先端に小径部２２０を設けている。小径部２２０にはねじを設けている。小径部２２０側を向いた大径部２１０の端面は軸心側が凹んだ円錐状になっている。
【００２８】
接合に際しては、突き合わせ部に回転工具２００を挿入する。大径部２１０の下端は面板１１，２１よりも上方の凸部１７，２７内に位置させる。小径部２２０は面板１１，２１の突き合わせ部に入れる。小径部２２０の下端は突出片１５に若干挿入している。回転工具２００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。回転工具２００の軸心は移動方向に対して傾斜している。小径部２２０側が大径部２１０側よりも先行している。凸部１７，２７の金属は突き合わせ部の隙間を埋める原資となる。図５では突き合わせ部に隙間を示していない。
【００２９】
図５の上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。
【００３０】
このようにして、側構体１０１を構成するすべての中空形材１０，２０を接合したならば、車内側を上方にして、窓１３０や出入り口１１０，１４０の開口の周囲の不要部分を切削で除去する。この切削によって、窓１３０や出入り口１１０，１４０の開口部分において、車外側の面板２１（１１）の端部は車内側の面板２２（１２）や接続板２３，２４（１３，１４）の端部よりも開口側に突出する。
【００３１】
次に、上記のように加工した側構体１１０に縁材１２０，１４１を摩擦攪拌接合する。図３において、縁材１２０は直線状の３つの押し出し形材１２０Ｌ，１２０Ｃ，１２０Ｒを溶接してＵ状に構成している。中央片１２０Ｃと板１１（２１）との接合線に対して、片１２０Ｌ，１２０Ｒと板１１（２１）との接合線は直交している。
【００３２】
縁材１２０は、中空形材１０，２０の端部を閉鎖する片１２１と、車外側の面板２１（１１）の外面よりも外方に突出する凸部１２３と、面板２１（１１）の内面に重なる突出片１２５と、車内側の面板の外面２２（１２）に重なる突出片１２７とからなる。凸部１２３を除く片１２１の車外側の端面は面板２１（１１）の外面と実質的に同一面にある。車外側の突出片１２５は車外側から凹んだ位置にある。面板２１（１１）の端部は縁材１２０に突き合わせられている。車内側の突出片１２７は車内側の面板２２（１２）の外側に重なり、隅肉溶接している。この溶接は摩擦攪拌接合の前後の適宜な時期に溶接する。
【００３３】
縁材１２０と突き合わせる面板２１，１１の端部は押し出し方向の端部であるので、面板１１，２１には凸部１７，２７が無い。Ｕ状の縁材１２０の中央片１２０Ｃに接する中空形材１０は幅方向の端部を切削しているので、凸部１７，２７が無い。
【００３４】
図４は摩擦攪拌接合直前の状態を示すもので、突き合わせ部の隙間を示していない。縁材１２０および側構体１１０は架台３２０に固定している。図６において、縁材１２０と妻構体１０４との間に中空形材１０，２０を配置しているが、単なる板の場合がある。
【００３５】
面板２１（１１）と縁材１２０との突き合わせ部を上方から摩擦攪拌接合する。回転工具２００の小径部２２０は突き合わせ部に挿入する。小径部２２０の先端は突出片１２５に若干挿入されている。大径部２１０の一部は凸部１２３に入る。大径部２１０の下端と面板２１（１１）の上面との間に若干の隙間があるように挿入する。回転工具２００は移動方向に対して大径部２１０側を後方に傾斜させて挿入するので、傾斜した大径部２１０の最下端と面板２１（１１）の上面との間に隙間があるようにする。
【００３６】
上記縁材１２０の突き合わせ部において、隙間の原資となる凸部は、縁材１２０に凸部１２３があり、中空形材１０，２０には凸部１７，２７がない。このように突き合わせ部の一方にしか凸部がない。この状態でも摩擦攪拌接合は可能であるが、凸部は両方にあることが望ましい。このため、側構体１０１に縁材１２０を配置したら、縁材１２０に沿って、中空形材１０，２０の面板１１、２１に肉盛り溶接を行う。肉盛り溶接の高さおよび幅は凸部１２３に相当する大きさが望ましいが、それよりも小さくてもそれなりの効果がある。回転工具２００の大径部２１０の端部は、凸部１２３の場合と同様に肉盛り溶接の金属中に入れて、摩擦攪拌接合することが望ましい。この肉盛り溶接１２３Ｗは図４のみに示している。
【００３７】
この肉盛り溶接は摩擦攪拌接合の際に飛ばない程度に面板１１、２１に着いていればよい。面板１１、２１を縁材１２０に強固に溶接する必要はない。また、溶接した場合に、面板１１、２１が突出片１２５に接触していることが望ましいが、肉盛り溶接を行う場合はその必要もない。肉盛り溶接がない場合は、回転工具２００の大径部２１０と面板２１（１１）との間に隙間があるので、面板２１（１１）は突出片１２５に接触しないことがあり、接合不良となりやすい。しかし、肉盛り溶接をしておけば、この金属が大径部２１０と面板２１（１１）との間に介在するので、面板２１８１１９を突出片１２５に密着させることができる。このため、良好な接合ができる。また、肉盛り溶接を簡単にできるものである。
【００３８】
肉盛り溶接を行うと、光学センサーでは突き合わせ部の位置の検出が困難になる。また、接合線の向きがが大きく変化している場合、例えば、接合線が小半径の場合や接合線が直交している場合は、光学センサーで接合線を検出することは困難になる。この場合は数値制御によって回転工具を誘導するのがよい。
【００３９】
図３において、回転工具２００は縁材１２０の左片１２０Ｌの下端の突き合わせ部に挿入され、ここから摩擦攪拌接合を開始する。回転工具２００は左片１２０Ｌから中央片１２０Ｃ、右片１２０Ｒを順次経由し、右片１２０Ｒの下端で接合を終了する。
【００４０】
回転工具２００を接合すべき部分に挿入した後、回転工具２００を回転させながら、接合線に沿って移動させる。移動方向をＸで示している。回転工具２００の軸心は縁材１２０と面板２１（１１）との突き合わせ部の中間にある。
【００４１】
図７において、側構体１０１は架台３２０に載せている。架台３２０の上方を摩擦攪拌接合装置４００の走行体４１０が走行する。走行体４１０は架台３２０の両側のレール３５０に沿って走行する。走行体４１０のガーダ４１１には摩擦攪拌接合装置４３０を載せている。装置４３０は、ガーダ４１１に沿って走行する走行体４３１、走行体４３１に対して昇降する昇降体４３３、昇降体４３３に対して回転する回転装置４３５、回転装置４３５に対して傾斜して設置され、回転工具２００を回転させる回転装置４３７からなる。走行体４１０，４３１の走行によって回転工具２００はＸＹ方向に移動できる。回転装置４３５によって接合線に対する回転工具２００の傾斜の方向を変えることができる。昇降体４３３は回転工具２００を昇降させる。走行体４２０，４３１、回転装置４３５、回転工具２００の高さ位置等は数値制御によって駆動される。
【００４２】
図１、図２において、回転工具２００を回転させながら接合すべき部材１０，１２０Ｌの所定位置に挿入し、Ｘ方向に移動させ、摩擦攪拌接合を開始する。左片１２０Ｌから中央片１２０Ｃに至る角部の手前の所定位置Ｐ３（角部から所定距離手前）に至ると、回転工具２００の上昇を開始させる。上昇速度は遅い。回転工具２００の移動は継続させている。このため回転工具２００の挿入深さは徐々に浅くなる。前記所定距離は例えば５０ｍｍである。前記所定距離の間の回転工具の上昇距離は例えば０．５ｍｍである。所定位置は走行体３２０の走行距離で求める。なお、図１の回転工具の高さ位置の“０”は接合すべき部材１２０の上面の高さ位置を言う（ステップＳ１０，Ｓ３０）。
【００４３】
摩擦攪拌接合を開始するに当たって、回転を停止した回転工具２００の先端を側構体１０１の所定位置に合わせし、原点を制御装置にテーチングする。原点は、例えば、中央片１２０Ｃの長さ方向の中央であって、上辺に設ける。この位置にあらかじめ原点をけがいておく。または、出入り口１２０の開口の幅の中央であって上辺にけがいておく。縁材１２０の大きさ等は制御装置に入力している。制御装置は摩擦攪拌接合の開始によって、走行体４２０，４３１、回転装置４３５、回転工具２００の高さ位置等を数値制御で駆動する。
【００４４】
次に、左片１２０Ｒから中央片１２０Ｃに至る角部Ｐ５に至ると、回転工具２００の回転を継続させた状態で、回転工具２００の移動を停止させると共に、回転工具２００を上方に移動させ、接合すべき部材から回転工具２００を退避させる（抜く）。回転工具２００は傾斜した状態で、抜く。走行体３２０の移動距離で求める。回転工具２００を抜くと、小径部２２０とほぼ同一の大きさの孔が生じる（ステップＳ５０，Ｓ７０）。
【００４５】
次に、回転装置４３５によって回転工具２００を水平回転させ、これからの接合線（中央片１２０Ｃに沿った接合線）に対して回転工具２００を傾斜させる。すなわち、回転工具２００の傾斜方向をこれまでの傾斜方向に対して９０度変更する。回転工具２００の小径部２２０の下端を中心として傾斜させる。このため、傾斜を変更した回転工具２００の小径部２２０の下端の位置は、退避させた（抜いた）際の小径部２２０の下端の位置と実質的に同一である（ステップＳ９０）。
【００４６】
次に、回転工具２００を回転させながら、回転工具２００を下降させ、所定位置まで挿入する。回転工具２００を下降させると、小径部２２０は抜いたとき生じた孔に入る。このため、抜いた際の孔を含めて摩擦攪拌接合され、孔はなくなる。回転工具２００の挿入深さは回転工具２００を抜く際の挿入深さよりも深い。すなわち、回転工具２００の上昇開始前の挿入深さ、位置Ｐ３の挿入深さと同一である。なお、図１では、回転工具２００を上昇させる位置と下降させる位置が異なっているが、図示を容易にするために異ならせたものである（ステップＳ１１０）。
【００４７】
回転工具２００を所定深さまで挿入したら、回転工具２００を中央片１２０Ｃに沿って移動させる（ステップＳ１３０）。
【００４８】
中央片１２０Ｃと右片１２０Ｒとの角部Ｐ５の前方の位置Ｐ３、そして次の角部Ｐ５において、前記と同様に行う。右片１２０Ｒの下端に至ると、回転工具２００を抜き、摩擦攪拌接合を終了する。接合線の終端に残った孔は溶接等で埋める。この終端から先の未接合部は溶接で接合する。また、左片１２０Ｌの接合開始点よりも手前の未接合部は溶接で接合する。
【００４９】
これによれば、角部Ｐ５で回転工具２００を抜き、傾斜方向の向きを変えるので、向きを変えるのに時間がかかっても、接合すべき部材の温度が過大にならないので、良好な摩擦攪拌接合ができる。向きを変更する際に、回転工具２００が接合すべき部材に挿入されていると、回転工具２００を回転させていなければならないので、摩擦熱が過大になり、欠陥が発生すると考えられる。
【００５０】
また、位置Ｐ３において回転工具２００の挿入深さを徐々に浅くして移動させ、位置Ｐ５において移動を停止させて回転工具２００を抜き、再挿入の際は移動を停止させる前（抜く前、退避前）の挿入深さよりも深く挿入して移動を開始（摩擦攪拌接合開始）させている。退避前の挿入深さと再挿入したときの挿入深さが同一の場合は、摩擦攪拌接合が不良になることが多い。不良は回転工具２００の小径部２２０の先端の近傍で発生しやすい。しかし、前記のように、退避前よりも深く挿入して摩擦攪拌接合を再開すると、不良の発生を防止できる。
【００５１】
上記実施例は退避前に徐々に挿入深さを浅くし、この浅くなったものに対して深く挿入していたが、次のようにできる。角部Ｐ５まで同一深さで接合を行い、再挿入はそれよりも若干深く挿入し(例えば０．５ｍｍ)、移動を開始してから徐々に挿入深さを浅くし、角部Ｐ５までの挿入深さと同一になると、深さの変更を停止する。例えば、５０ｍｍの移動後、角部Ｐ５よりも前の挿入深さと同一にする。
【００５２】
縁材１４１と側構体１０１との接合は前記のように行う。肉盛り溶接も同様に行う。但し、縁材１４１の角部は円弧状のため、回転工具２００を退避させないで、円弧状の接合線に沿って回転工具２００を移動させることによって、連続的に摩擦攪拌接合ができる。最後に、車体の外面側の凸部１２３や肉盛り溶接１２３Ｗの凸部はグラインダー等で切削して、面板１１、２１の外面と同一面にする。
【００５３】
上記実施例は回転工具の移動方向を９０度変えていたが、それ以下でもそれ以上に変える場合にも、回転工具を退避させて向きを変えれば、良好な摩擦攪拌接合ができるものである。つまり、移動方向を大きく直線的に大きく変える場合に適用できる。
【００５４】
上記実施例は回転工具２００を回転させて向きを変えていたが、回転工具２００を退避させた後、接合すべき部材を回転させることによって、回転工具２００の向きを変えてもよい。これも回転工具２００の移動方向を変えるに相当する。
【００５５】
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。
【００５６】
【発明の効果】
本発明のよれば、接合線の角度が大きく変化する場合において、良好な摩擦攪拌接合が行えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の動作説明図。
【図２】本発明の一実施例のフローチャート。
【図３】本発明の一実施例の側構体の出入り口の正面図。
【図４】図３のIV−IV断面図。
【図５】図３のＶ−Ｖ縦断面図。
【図６】鉄道車両の車体の斜視図。
【図７】摩擦攪拌接合装置の斜視図。
【符号の説明】
１０，２０：中空形材、１１，１２，２１，２２：面板、１１０：出入り口、１２０：縁材、２００：回転工具。
【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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