JP6129672B2 - 摩擦撹拌接合用継手及びこの継手を用いた摩擦撹拌接合部 - Google Patents

Description

本発明は、金属の板材と板材とを突き合わせた突き合わせ部に沿って摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合用継手に関するものであり、特に、アルミニウム合金製の部材同士を摩擦撹拌接合によって接合する継手の構造及びこの継手を用いた摩擦撹拌接合部に関するものである。

摩擦撹拌接合は、定盤の上に載置された被接合部材の突き合わせ部に沿って、先端に突起のある円筒状の工具を回転させながら押し込むことによって摩擦熱を発生させ、被接合部材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺の部材を塑性流動（撹拌）させて接合するものである。
摩擦撹拌接合の接合部の温度は、被接合部材の融点より低い温度域（固相接合）において接合されるため、従来の溶融溶接に比較してシールドガスが不要であることに加えて入熱量が小さく、被接合部材の熱変形（歪み）量が小さいなどの利点がある。

しかしながら、回転工具を大きな力で被接合部材に挿入する必要があるため、通常、被接合部材は強固な定盤の上に載置された状態で接合される。さらに、被接合部材の突き合せ部の表面（回転工具が挿入される側の面）から裏面（定盤に載置される側の面）に至る範囲を完全に接合することが望ましいため、回転工具の先端部が定盤に当接する寸前に到るまで、精度の高い位置決め制御が求められる。

特に、被接合部材がアルミニウム合金の押出形材である場合には、押出公差の範囲内において、被接合部材の突き合せ部の厚さ（高さ）が異なったり、被接合部材の反り、または、曲がりなどによって、部分的に突き合わせ部（面）の間隔（隙間）に目違いが生じたりすることがある。この目違いにより、突き合わせ部において、被接合部材が定盤側に屈曲しているような場合には、回転工具の挿入量が部分的に不足する場合がある。このため、被接合部材の接合部の表面から裏面に至る範囲の接合がなされず、接合端面部にルート割れの起点となり得る未溶着部を残存することがあった。

これらの問題点を解決するため、特許文献１には、被接合部材を突き合わせ部を接合する際に、被接合部材の突き合わせ部の裏面に突き合わせ部に沿って板厚方向に厚みを増した余肉部を備え、回転工具の突起部をこの余肉部まで挿入して接合した後、この余肉部を切削する技術が開示されている。

特開平１０−２２５７８０号公報

特許文献１に開示される摩擦撹拌接合では、接合後にルート割れの起点となり得る未溶着部の発生を、確実に余肉部内にとどめ、これを削除することにより未溶着部を削除することを前提としている。
このため、ルート割れに起因する接合不良（未溶着部）を低減できるものの、摩擦撹拌接合による接合工程と、余肉部を切削する工程の２工程が必要となる。

ところで、摩擦撹拌接合を行う形材には、１枚のアルミニウム合金製面板からなる、いわゆるシングルスキン形材と、リブにより結合された上下２枚のアルミニウム合金製面板からなるダブルスキン形材とがある。
ダブルスキン形材同士を接合する際は、リブ直上に形成された突き合わせ面の外方から、回転工具を挿入して摩擦撹拌接合を行うので、回転工具を挿入した面板の裏側は、外方に露出することなく、仕上げ工程を行う必要はない。そもそも、他方の面板により、仕上げ工具自体がアクセスできない。

一方、シングルスキン形材同士を接合する際は、回転工具を挿入した面板の裏側が外方に露出し、回転工具の末端が摩擦撹拌接合に伴いバリ等を形成し、外観を損ねる場合があり、このような場合には、バリ等を削除する仕上げ工程を行う必要がある。
しかし、特許文献１に開示される摩擦撹拌接合では、例えば、鉄道車両において、内装パネルで覆われる部位等、製品の外観や意匠性に関係がなく、必ずしも平滑に仕上げる必要のない接合部についても、余肉部削除工程を経ない限り、未溶着部が残存し、ルート割れの起点となってしまうため、製造コストを削減する点において、改善すべき課題がある。

そこで、本発明の目的は、ダブルスキン形材のみならず、シングルスキン形材同士を接合する場合でも、余肉部を必ずしも削除することなく、接合部材のルート割れの原因となり得る未溶着部の発生を確実に防止できる摩擦撹拌接合用継手及びこれを用いた摩擦撹拌接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の摩擦撹拌接合用継手は、回転工具によって、一方の部材の端部と他方の部材の端部とを突き合わせ部を摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合用継手であって、前記摩擦撹拌接合用継手は、前記端部の両面に前記部材の厚さ方向に厚みを増した凸部を備える前記一方の部材と、前記端部の両面に前記部材の厚さ方向に厚みを増した凸部を備えるとともに、前記端部の下面の前記凸部から前記一方の部材の前記凸部の下面に沿って延伸する延伸部を有する前記他方の部材とからなり、前記一方の部材の前記端部を前記延伸部の上面に載置するとともに、前記回転工具の先端部を該延伸部の厚さの範囲内まで圧入して摩擦攪接合が行われるようにした。

また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、回転工具によって、一方の部材の端部と他方の部材の端部との突き合わせ面を摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記一方の部材の下面を、前記他方の部材の端部下方に形成した延伸部の上面に載置する第１の工程と、前記一方の部材の端部と前記他方の部材の端部を突き合わせた状態で、前記延伸部の下面を定盤上に位置決め、固定する第２の工程と、前記一方の部材の端部と前記他方の部材の端部の突き合わせ面の上端から、回転工具を圧入し、その先端が、前記突き合わせ面を貫通し、延伸部の厚さの範囲内となるように位置決めする第３の工程と、圧入させた前記回転工具を、前記突き合わせ面に沿って移動させ、該突き合わせ面の周辺を塑性流動させて接合する第４の工程とから構成した。

本発明によれば、他方の部材の端部が、突き合わせ面の下端から一方の部材の下面に沿って延びる延伸部を備えており、この延伸部の厚さの範囲内で突き合わせ面の摩擦撹拌接合が行われるので、接合部材のルート割れの起点となり得る未溶着部を確実に排除するとともに、余肉部の削除を必要としない摩擦撹拌接合用継手を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本実施例による摩擦撹拌接合用継手を備える鉄道車両用構体の斜視図である。 図２は、図１に示す摩擦撹拌接合用継手の継手部のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図２のＡ部に示す回転工具と摩擦撹拌接合用継手部の拡大図である。 図４は、一方の面の側から回転工具を用いて摩擦撹拌接合した継手部の断面図である。 図５は、摩擦撹拌接合した継手部の両面を切削した断面図である。

本発明の実施例を、図１〜図５を用いて説明する。

図１は、本実施例による摩擦撹拌接合用継手を備える鉄道車両用構体の斜視図である。鉄道車両構体１は、床面をなす台枠３と、台枠３の幅方向１１０の両端部に立設される側構体２と、台枠３の長手方向の両端部に立設される妻構体５と、側構体４と妻構体５の上端部に載置される屋根構体（図示なし）とから構成されている。

本実施例では、特に、側構体２を製作する際の摩擦撹拌接合用継手を例に説明する。
側構体２は、鉄道車両構体１の長手方向に沿って並べられた複数のアルミ合金製押出形材をその全長にわたって接合して製作されている。なお、面板状の側構体２の所定の部位に、採光のための窓開口部や、乗客等の乗降に供される出入り口開口部が形成される。

図２は、図１に示す継手のＡ−Ａ断面図であり、回転工具３０が位置する側が、鉄道車両構体１の車内側であり、以下、摩擦撹拌接合開始時に、回転工具３０が位置する側を上方あるいは上面、その反対側を下方あるいは下面と称することとする。
側構体２は、対向する２枚の面板をリブで接続した部位であるダブルスキン部Ｗと、このダブルスキン部Ｗに接続する一枚の板部からなるシングルスキン部Ｓとを有する第１押出形材１０と、第１押出形材１０と同様の構造を備える第２押出形材２０とを、摩擦撹拌接合で接合することによって構成されている。
ここで、継手Ｃを、第１押出形材１０のシングルスキン部Ｓの端部と、第２押出形材２０のシングルスキン部Ｓの端部とを、幅方向１１０の方向に突き合わせた際の突き合わせ部位と定義する。

回転工具３０は、円筒状の大径部３１と、大径部３１の下端面３５に大径部３１と同軸に設けられた小径部（突起部）３２とを備えている。
回転工具３０を回転した状態で、上述した継手Ｃに小径部３２を圧入するとともに、継手Ｃの接合線（突き合わせ面Ｐ）に沿って被接続部材を押圧しながら移動する。大径部３１及び小径部３２からなる回転工具３０は、被接合部材の材質よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐え得る耐熱材料によって構成されている。

図３は、図２のＡ部に示す回転工具と、摩擦撹拌接合用継手の継手部の拡大図である。第１押出形材１０及び第２押出形材２０の上面には、突き合わせ面Ｐの上端に沿って、所定幅の第１上面凸部１１及び第２上面凸部２１が形成されており、それぞれ、シングルスキン部Ｓの表面から板厚方向に同等の厚さを形成している。

第１押出形材１０の下面には、突き合わせ面Ｐの下端に沿って、板厚方向にその厚みを大きくした第１下面凸部１２が形成されており、第２押出形材２０の下面の第２凸部２２には、突き合わせ面Ｐの下端から、第１下面凸部１２の下面に沿って延出し、所定の厚さを備えた延伸部２３が一体に備えられている。
摩擦撹拌接合を行う際に、第１押出形材１０の突き合わせ端部と第２押出形材２０の突き合わせ端部は、突き合わせ面Ｐで突き合わせられるとともに、第１押出形材１０の第１下面凸部１２が、第２押出形材２０と一体に成型される延伸部２３の上面に載置された状態で、定盤に位置決め、固定される。

このような構造の継手Ｃを、回転工具３０によって接合する場合、回転工具３０の大径部３１の下端面３５が、継手Ｃの第１上面凸部Ａ１１及び第２上面凸部２１の厚さの範囲内のＨ１に至るまで圧入されるとともに、回転工具３０の小径部３２の先端面３３を第１下面凸部１２下方で、延伸部２３の厚さの範囲内のＨ２まで圧入される。
すなわち、回転工具３０の大径部３１の下端面３５が、第１上面凸部１１及び第２上面凸部２１の厚さ分に相当するＨ１まで押し込まれた時点で、回転工具３０の小径部３２の先端面３３が、突き合わせ面Ｐを越えて、延伸部２３の厚さ内に収まるよう、小径部３２の高さ（大径部３１の下端面３５から小径部３２の先端面３３に到る距離）と各凸部１１、２１の厚さの関係が定められている。

この状態で、継手Ｃの突き合わせ面Ｐ（図３参照）に沿って回転工具３０が紙面垂直方向に移動することによって、第１押出形材１０と第２押出形材２０とが接合される。
上述したように、回転工具３０の小径部３２の先端面３３が、第２下面凸部２２及び延伸部２３の厚さの範囲内に到るまで圧入され、しかも、継手Ｃを構成する第２押出形材２０に第２延伸部２３が形成されているので、摩擦撹拌部が、第１押出形材１０と第２押出形材２０との突き合わせ面Ｐを突き抜け、未溶着部が存在しない。
このため、鉄道車両構体１を構成する第１押出形材１０及び第２押出形材２０の接続部である継手Ｃに、第１押出形材１０と第２押出形材２０とを引き離す方向に荷重が作用したとしても、突き合わせ面Ｐに未溶着部が存在しないため、それがルート割れの起点となることはない。

さらに、継手Ｃを回転工具３０の挿入方向と反対の方向からみると、第１押出形材１０と延伸部２３との段差があるものの、摩擦撹拌接合部が延伸部２３の厚さ内に収まっているため、回転工具３０の挿入方向の反対側の面が、段差が問題とならない車外側であれば、必ずしも切削する必要もない。
つまり、本実施例による継手Ｃには未溶着部が存在しないので、接合部の割れ（ルート割れ等）が生じる可能性が小さい高品質な接続部が得られる摩擦撹拌接合用継手を提供することができる。また、継手Ｃの回転工具が挿入される側の反対側の面の切削工程を省略して、低コストの接続部が得られる摩擦撹拌接合用継手を提供することができる。

なお、第１押出形材１０の第１上面凸部１１と、第２押出形材２０の第２上面凸部２１とは、第１押出形材２０と第２押出形材とを突き合わせた際、押出形材の公差等に起因して、突き合わせ面Ｐに発生するおそれのある隙間を、摩擦撹拌時の流動により埋め、突き合わせ面の接合品質の劣化を抑制するための設けられたものである。このため、上述した隙間の存在を許容できるのであれば必ずしも設けなくてよい。

図４は、一方の面の側から回転工具を用いて摩擦撹拌接合した継手の断面図であり、図５は、摩擦撹拌接合した継手部の両面を切削した断面図である。回転工具３０が継手Ｃを接合しながら通過する際に、第１上面凸部１１や第２上面凸部２１等が継手Ｃに沿ってバリ５５となって残る。図４に示すように、バリ５５が残存する面は、車内側の面であり、且つ、断熱材や内装パネルで覆われるので、必ずしもバリ５５を除去する必要はないが、必要に応じてグラインダ等で切削しても良い。（図５参照）

第１押出形材１０と第２押出形材２０とを突き合わせた継手Ｃの車外側の面（図５参照、回転工具３０を挿入した面の反対側の面）は、意匠性等の理由から第１凸部下面１２、第２延伸部及び第２下面凸部２２を切削して平滑に仕上げた方が望ましい場合がある。鉄道車両構体１の場合では、継手Ｃが鉄道車両構体１の長手方向に沿って約２０ｍから２５ｍもの長さにおよぶため、通常、機械化されたグラインダ等の切削装置を自動運転することによって切削される。

例えば、グラインダで継手Ｃの延伸部２３及び第２下面凸部２２を切削する場合、継手Ｃの長手方向の平面度や切削装置のグラインダの位置決め誤差等を勘案しつつ、シングルスキン部Ｓの板厚Ｔ１が必要以上に削り込まれることを避けなければならない。このため、被接合部材の板厚方向のグラインダの送り量が不足して、本来であれば切削されて取り除かれなければならない延伸部２３の一部等が薄く残存して、後の塗装工程等に支障が生じる恐れがある。

本実施例では、延伸部２３に載置される第１押出形材１０に第１下面凸部１２が設けてあるため、この第１下面凸部１２の厚みを上述した交差や誤差の削り代として活用しながらグラインダを位置決めできる。このため、グラインダが第１押出形材１０（第２押出形材２０）のシングルスキン部Ｓを余分に削り込むことなく、シングルスキン部Ｓを所定の板厚ｔ１に維持しながら不要な部分（第１下面凸部１２、延伸部２３、第２下面凸部２２）を削除して、平滑な面を得ることができる効果を奏する。

なお、第１押出形材１０の第２下面凸部１２は、特に自動化された切削装置で切削する際の削り代としての役割を担うために設けられたものである。このため、被接合材の寸法精度が高く、且つ、グラインダ等の送りを精密に位置決め制御できる場合など削り代を必要としない場合は、第２下面凸部１２は必ずしも必要でない。この場合、第１押出形材１０のシングルスキン部Ｓの端部が第２押出形材２０の延伸部２３の上面に載置される態様で継手Ｃが構成される。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：鉄道車両構体
２：側構体 ３：台枠 ４：屋根構体 ５：妻構体
１０：第１押出形材
１１：第１上面凸部 １２：第１下面凸部
２０：第２押出形材
２１：第２上面凸部 ２２：第２下面凸部 ２３；延伸部
３０：回転工具
３１：大径部 ３２：小径部 ３３：小径部先端面 ３５：大径下端面
５５：バリ
Ｃ：継手
Ｓ：シングルスキン部 Ｗ：ダブルスキン部 Ｐ：突き合わせ面

Claims (4)

1. 回転工具によって、一方の部材の端部と他方の部材の端部との突き合わせ面を摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合用継手であって、
   前記摩擦撹拌接合用継手は、
   前記一方の部材の端部の両面に前記一方の部材の厚さ方向に厚みを増した凸部を備える前記一方の部材と、
   前記他方の部材の端部の両面に前記他方の部材の厚さ方向に厚みを増した凸部を備えるとともに、前記他方の部材の端部の下面の前記凸部から前記一方の部材の前記凸部の下面に沿って延伸する延伸部を有する前記他方の部材と、
   からなり、
   前記一方の部材の前記端部を前記延伸部の上面に載置するとともに、前記回転工具の先端部を該延伸部の厚さの範囲内まで圧入して摩擦撹拌接合が行われるようにしたこと
   を特徴とする摩擦撹拌接合用継手。
2. 前記回転工具は、大径部と、該大径部の下面から下方に延び前記突き合わせ面に圧入される小径部とを有し、前記大径部の下面が、前記突き合わせ面の上端に達した状態で、前記小径部の先端面が前記延伸部の厚さの範囲内に収まるよう、前記小径部の高さと前記延伸部の厚さの関係が定められていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合用継手。
3. 回転工具によって、一方の部材の端部と他方の部材の端部との突き合わせ面を摩擦撹拌接合によって接合した摩擦撹拌接合部であって、
   前記摩擦撹拌接合部は、
   前記一方の部材の端部の両面に前記一方の部材の厚さ方向に厚みを増した凸部を備える前記一方の部材と、
   前記他方の部材の端部の両面に前記他方の部材の厚さ方向に厚みを増した凸部を備えるとともに、前記他方の部材の端部の下面の前記凸部から前記一方の部材の前記凸部の下面に沿って延伸する延伸部を有する前記他方の部材と、
   からなり、
   前記一方の部材の前記端部が前記延伸部の上面に載置された状態で、前記回転工具の先端部を該延伸部の厚さの範囲内まで圧入することにより、摩擦撹拌部が前記延伸部に至るまで形成されていること
   を特徴とする摩擦撹拌接合部。
4. 前記回転工具は、大径部と、該大径部の下面から下方に延び前記突き合わせ面に圧入される小径部とを有し、前記大径部の下面が、前記突き合わせ面の上端に達した状態で、前記小径部の先端面が前記延伸部の厚さの範囲内に収まるよう、前記小径部の高さと前記延伸部の厚さの関係が定められていることを特徴とする請求項３に記載の摩擦撹拌接合部。

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