JP3761736B2

JP3761736B2 - 摩擦撹拌接合方法

Info

Publication number: JP3761736B2
Application number: JP03682699A
Authority: JP
Inventors: 章弘佐藤; 昌邦江角; 一成福寄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: JP2000233285A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦撹拌接合は、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、接合部に挿入する小径部と、接合部の外面の近傍に位置する大径部とからなる。小径部と大径部は同軸である。回転工具は接合の進行方向に対して、後方に傾斜させている。大径部側を回転させる。小径部と大径部の境は、接合部に若干挿入されている。
【０００３】
また、被接合部の突き合わせ部に凸部を設け、この凸部を含む突き合わせ部に回転工具を挿入して摩擦攪拌接合し、実質的に板厚が減少するのを防止している。これは鉄道車両の車体に適用されている。
【０００４】
また、中空形材の接合にあっては、中空形材の２つの面板を接続するリブの延長線上を突き合わせ部としている。回転工具の延長線上のリブによって回転工具の挿入力を支え、面板の変形を防止している。
【０００５】
また、２つの被接合部材の上方に第３の部材を配置して、３者を摩擦攪拌接合している。
【０００６】
これらは特表平９-５０８０７３号公報（ＥＰ０７５２９２６Ｂ１）、特開平９-３０９１６４号公報（ＥＰ０７９７０４３Ａ２）に示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦撹拌接合を行う際、被接合部材には大きな力が加わる。このため、突き合わせ部の開先の寸法が大きくなることがある。
【０００８】
鉄道車両の車体のように被接合部材が長尺の場合は、被接合部材としてアルミニウム合金の押し出し形材を用いる。この形材の長手方向を車体の長手方向に向けて、複数の形材を並列に並べ、架台に固定する。次に、形材の突き合わせ部を所定間隔でＭＩＧ溶接等で仮止め溶接する。この仮止め溶接は、摩擦攪拌接合時の開先寸法を一定に保つためである。しかる後、摩擦攪拌接合を行う。次に、前記の突き合わせ部の凸部や仮止め溶接の凸部を切削し、表面を平滑にする。次に、車体の表面をヘアライン加工し、車体として仕上げる。
【０００９】
これによれば、無塗装にできる。しかし、仮止め溶接部は車体に残っている。この仮止め溶接部は変色しており、見栄えが悪いものである。この変色は形材の材質と溶接棒の材質との相違によって生じる。
【００１０】
また、一対の被接合部材の間の隙間が大きい場合、第３の部材を接合部の上方に配置して摩擦攪拌接合することが考えられるが、第３の部材が飛び出して良好な接合ができないと考えられる。
【００１１】
本発明の目的は、隙間が大きい場合にも良好な接合ができるようにすることにある。
【００１２】
上記目的は、一対の長尺な被接合部材は、それぞれ長手方向に連続した突き合わせ部を有しており、
前記一対の被接合部材のうち一方の被接合部材の突き合わせ部と前記一対の被接合部材のうちの他方の被接合部材の突き合わせ部とを、回転工具の軸方向の投影範囲内において突き合わせて配置し、
前記一対の被接合部材の各突き合わせ部に該突き合わせ部の厚さ方向に回転工具を回転させながら挿入し、かつ、被接合部材の長手方向に移動させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記一対の被接合部材のうちの少なくとも一方の被接合部材は、その突き合わせ部に前記回転工具の挿入側へ突出した突出部を有し、さらに、被接合部材の端部には他の被接合部材の突き合わせ部側に突出する突出片を有し、該突出片は一対の被接合部材を突き合わせたとき、他の被接合部材端部の裏当てとなると共に、
前記一対の被接合部材の各突き合わせ部を突き合わせる際に、両突き合わせ部と前記突出片との間に充填材を配置しており、
前記充填材は、一方の被接合部材の突出部の板厚寸法よりも低い高さであり、
回転工具の投影範囲内に前記充填材と前記一対の被接合部材の突き合わせ部とが位置した状態で、回転工具を回転させながら前記一方の被接合部材の突出部に挿入し、この際、該回転工具の大径部を前記突出部の板厚の範囲内の深さに挿入し、長手方向に所定の間隔で摩擦攪拌接合する第１の摩擦攪拌接合を行い、
次に、前記充填材と前記一対の被接合部材の突き合わせ部を、回転工具を回転させながら挿入して第２の摩擦攪拌接合を行う際に、前記一対の被接合部材の突き合わせの板厚の全範囲を接合する深さに、前記回転工具の小径部を挿入し、かつ、該回転工具を被接合部材の長手方向に移動させること、によって達成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図１０によって説明する。無塗装の鉄道車両の車体に適用した場合を説明する。図１０において、鉄道車両の車体は、側構体５０、屋根構体６０、床を構成する台枠７０、長手方向の端部の妻構体８０からなる。６１は出入り口、６２は窓である。側構体５０と屋根構体６０等とはＭＩＧ溶接で接合される。
【００１４】
側構体５０は、出入り口６１の左右（または出入り口６１と窓６２との間）の押し出し形材１００、１１０、窓６２の下方の押し出し形材１３０、１４０、窓６２の上方の押し出し形材１６０、これらの上方の押し出し形材１７０からなる。これらの接合部は摩擦攪拌接合されている。
【００１５】
押し出し形材１００、１１０、１３０、１４０、１６０、１７０はアルミニウム合金製の中空形材である。形材１００、１１０の押し出し方向は上下方向である。形材１３０、１４０、１６０、１７０の押し出し方向は車体の長手方向である。このため、形材１１０と形材１３０、１４０、１６０とは押し出し方向が直交している。また、形材１７０と形材１００、１１０とは押し出し方向が直交している。
【００１６】
図５において、接合する形材１００、１１０の接合部の周辺を示す。形材１３０と形材１４０との接合部の形状も同様である。中空形材１００（１１０）は、平行な２枚の面板１０１、１０２（１１１、１１２）と、面板同士を接続するものであって、面板に対して傾斜した複数のリブ１０３（１１３）と、中空形材１００（１１０）の端部において、２つの面板１０１、１０２（１１１、１１２）を接続するものであって、面板に直交したリブ１０５（１１５）とからなる。リブ１０３（１１３）はトラス状に配置されている。リブ１０５（１１５）とこれに隣接するリブ１０３（１１３）との間には面板１０１、１０２（１１１、１１２）がある。２枚の面板は、一方が他方に対して傾斜していてもよい。
【００１７】
図１において、接合部の形状について説明する。ここでは図５の中空形材１００、１１０の上面側の形状を説明するが、下面側の形状も同様である。後述の他の実施例の形状においても、上面の構成と下面の構成は同様である。
【００１８】
中空形材１００の面板１０１はリブ１０５よりも端部側に突出している。一方の中空形材１００の面板１０１の端部は他方の中空形材１１０のリブ１１５の板厚の範囲内に位置している。面板１０１を受け入れるように、中空形材１１０の端部の面板１１１側は凹部になっている。
【００１９】
中空形材１１０の端部はリブ１１５よりも端部側に突出する突出片１１６がある。突出片１１６は面板１０１の端部の裏側に位置して、裏当てになっている。
【００２０】
中空形材１００（１１０）の面板１０１（１１１）の端部の外面側は突出して突出部１０７（１１７）になっている。
【００２１】
面板１０１（１１１）の突出部１０７（１１７）の端部の面は面板１０１（１１１）に直交している。前記凹部の面板１１１側の面（面板１０１の端部が突き合わさられる面）は面板１１１に直交している。前記凹部の面板１１１側の突き合わせ面はリブ１１５の板厚の範囲内にある。凹部に入る突出部１０７の端部は面板１０１に直交しており、凹部の前記直交した面に平行である。
【００２２】
２つの形材１００、１１０の突き合わせ部（中空形材１００の端部と中空形材１１０の端部との突き合わせ部）の間には図１のように隙間があることが多い。
【００２３】
リブ１１５の板厚の延長線上、つまりリブ１１５の板厚の延長線の範囲内に摩擦攪拌接合用の回転工具２００、２２０の中心が位置する。２つの突出部の中間に回転工具２００、２２０の軸心が位置する。このため、リブ１１５は回転工具２００、２２０の挿入力の大部分を支える。回転工具２００、２２０の軸方向の投影範囲内に、接合部の２つの形材１００、１１０の端部が位置する。図１から図４では前記端部は突出部１０７、１１７であるが、図６から図９では一方の形材１３０（１４０）は面板１３１（１４１）である。
【００２４】
以下、接合手順を説明する。まず、２つの形材１００、１１０を架台に載せ、強固に固定する。
【００２５】
接合は、まず、図１から図３において、２つの形材１００、１１０の突出部１０７、１１７の上面を所定間隔（間欠的）で仮止め接合する。これは回転工具２００による摩擦攪拌接合によって行う。
【００２６】
図１はこの仮止めの摩擦攪拌接合を行う状態を示したものである。仮接合は、回転工具２００を回転させながら突出部１０７、１１７に押し当て、所定の位置に達したならば、その状態で回転工具２００を回転させながら数秒間保持する。この数秒間は２つの突出部１０７、１１７を発熱、軟化させ、塑性流動させるためである。これによって２つの突出部１０７、１１７は接合する。突き合わせ部に隙間があれば、軟化した金属が隙間の上部に充填される。Ｗ１は摩擦攪拌接合による接合ビードである。
【００２７】
通常の摩擦攪拌接合は、面板１０１、１１１を接合するものであるので、回転工具２００の小径部２０１の先端の位置は突出片１１６に達する程度が必要である。しかし、ここは仮止め接合であるので、小径部２０１の長さは短くてよい。小径部２０１の先端の位置（挿入代）および大径部２０２の下端の位置（挿入代）は、突出部１０７、１１７の頂と面板１０１、１１１の上面の延長線との間にある。このため、大径部２０２の下端と面板１０１、１１１の上面の延長線との間に隙間がある。回転工具２００の大径部２０２の挿入代は、後工程の回転工具２２０の大径部２２２の挿入代よりも深くならないのがよい。大径部２０２の径は回転工具２００の大径部２２２の径よりも大きくない方が良いと考えられる。回転工具２００の大きさ、挿入代は仮接合の観点で定める。
【００２８】
上記では回転工具２００は突出部１０７、１１７に挿入するのみで、接合線に沿って移動させていない。しかし、回転工具２２０のように接合線に沿って移動させてもよい。この場合の回転工具２００は回転工具２２０と同様に移動方向に対して後方に傾斜していることが望ましい。回転工具２００の移動量は例えば３０ｍｍである。回転工具２００の移動速度は回転工具２２０の移動速度よりも速くできると考えられる。これは小径部２０１の突出代が小さいためである。
【００２９】
このようにして、形材１００、１１０の全長にわたって所定間隔で仮止め接合したならば、回転工具２２０によって２つの形材１００、１１０の全長の接合を行う。図４において、回転工具２２０は小径部２２１と大径部２２２とからなる。小径部２２１は突出片１１６に達する長さを有する。大径部２２２の挿入代（下端の位置）は、突出部１０７、１１７の頂と面板１０１、１１１の上面の延長線との間にある。回転工具２２０は突き合わせ部の接合線に沿って移動する。回転工具２２０は移動方向に対して後方に傾斜している。この接合を本接合という。
【００３０】
次に、形材群（１００、１１０）を反転させて、前記のように仮接合と本接合を行う。
【００３１】
形材１３０、１４０の構造および接合も前記に同様である。形材１６０、１７０の構造も前記に同様である。
【００３２】
このようにして得られた形材群（１００、１１０）、形材群（１３０、１４０）、形材１６０、１７０を架台に置き、固定し、摩擦攪拌接合を行う。
【００３３】
図６において、形材群（１００、１１０）の形材１１０と、形材群（１３０、１４０）との接合を説明する。なお、形材１３０と形材１４０とは接合されており、図６の紙面に対して垂直な方向に形材１４０が位置している。形材群（１３０、１４０）側の形材１１０の端部の形状は、図１の形材１００に突き合わされた形材１１０の端部（突き合わせ部）の形状とほぼ同様である。形材１１０は、突出部１１７ｂ、突出片１１６ｂ、リブ１１５ｂを有する。形材１１０の押し出し方向と形材群（１３０、１４０）の押し出し方向とが直交しているので、形材１１０の接合部には突出部１１７ｂがあるが、形材群１３０（１４０）の突き合わせ部には、前記突出部１１７ｂに相当する突出部がない。形材１３０（１４０）を構成するリブ１３３（１４３）、面板に直交したリブ、突出片は、切削して取り除いている。形材群（１３０、１４０）のリブ１３３、１４３は、図５のリブ１１３に相当し、形材１１０の突出片１１６ｂは、図１の突出片１１６に相当する。形材１１０のリブ１１５ｂは、図１のリブ１１５に相当する。形材１１０の突出片１１６ｂは、形材１３０（１４０）の面板１３１（１４１）の裏面側に挿入されている。形材１３０（１４０）の面板１３１（１４１）の端部は、図６の形材１１０のリブ１１５ｂの板厚の延長線上よりずれた位置で突き合わされている。形材１１０と形材１６０との関係、形材１７０と形材１００、１１０との関係も同様である。
【００３４】
まず、図７から図８において、回転工具２００を用いて仮止め接合を行う。この仮止め接合は、回転工具２００を突出部１１７ｂに挿入した後、接合線に沿って移動させて、接合線の全長に渡って連続して行う。回転工具２００の挿入代は形材１００、１１０の仮接合の場合と同様である。大径部２０２の下端は形材１３０（１４０）の面板１３１（１４１）に接触しないように、大径部２０２の下端と面板１３１（１４１）の上面との間には隙間を有する。この接合によって、突出部１１７ｂの材料は面板１３１（１４１）の上面側に移動させられる。つまり、面板１３１（１４１）においては肉盛りさせられることになる。突き合わせ部に隙間があれば、軟化した突出部の金属が隙間の上部に充填される。Ｗ２は摩擦攪拌接合による接合ビードである。
【００３５】
なお、この連続の仮接合の前に、図１から図３の間欠的な仮接合を行ってもよい。
【００３６】
次に、図９において、回転工具２２０による摩擦攪拌接合を全長にわたって行う。
【００３７】
回転工具２２０の挿入代（この場合は、大径部２２２の下端の位置）は回転工具２００の大径部２０２の下端の位置かそれよりも下方とする。これによって、回転工具２２０は回転工具２００による摩擦攪拌接合部の上面に接するか下方に位置する。このため、２つの形材の間に隙間があっても、隙間の全てを金属で埋めることができる。欠陥の発生の防止のためにも、回転工具２２０の大径部２２２の下端はビードＷ２内に挿入するのがよい。
【００３８】
形材１１０と形材１６０との接合も同様である。
【００３９】
形材１７０と形材群（１００、１１０）、形材１７０と形材１６０との接合は、まず、仮接合を行う。形材群（１００、１１０）と形材１７０との接合は、形材群（１３０、１４０）と形材１１０との接合と同様に連続した仮接合を行う。形材１７０と形材１６０との接合は、接合部の両者に突出部があるので、形材１００、１１０の接合と同様に間欠的な仮接合を行う。次に、形材１７０の一端側から回転工具２２０による連続接合を行う。
【００４０】
次に、上下反転させて同様に接合する。車体の外面側に位置する突出部１０７、１１７、１１７ｂ、ビードＷ２は本接合後いずれかの時点で切削し、面板と同一面に仕上げる。
【００４１】
次に、屋根構体６０等とのＭＩＧ溶接を行う。
【００４２】
次に、車体の外面にヘアライン加工を行う。
【００４３】
以上によれば、仮止め接合はアーク溶接ではなく、摩擦攪拌接合で行っている。このため、他の金属の供給がないので、接合部に変色がなく、見栄えを良くでき、無塗装で仕上げることができるものである。
【００４４】
また、突出部のある端部と突出部のない端部との突き合わせ部の接合に当たって、連続的に仮止め接合を行い、突出部の金属を突出部のない端部側に移動させた後、連続接合をしている。
【００４５】
接合を二度に分けて行うため、接合部に一度に発生する熱量が小さくて済む。これは、１度目は挿入代を小さくして接合を行い、２度目は挿入代は大きいが、突出部への挿入は必要ないので、総合した発熱量を小さくできる。これは、中空形材のように放熱が悪く、熱がこもり接合部が溶融しやすい部材を接合する際に特に効果がある。これによれば、高温時に接合部に発生し易い欠陥を防止できる。
【００４６】
また、押し出し方向が直交した部分の摩擦攪拌接合は、一方の形材を他方に挿入して、他方の形材を支えて行っているので、他方の形材の変形を防止できるものである。
【００４７】
図１において、回転工具２００は、底面に、軸中心に向かって傾斜２０４を設けている。この傾斜により、接合による被接合部材と回転工具２００の相対的な移動の際、該回転工具の進行方向の後方にて、該回転工具の回転により塑性流動した金属が下方へと押し込まれ、接合がより強固になる。傾斜面は回転工具２２０においても同様である。また、回転工具２００は軸上に小径な小径部２０１を有する。この小径部２０１の作用は、被接合部材と回転工具２００との摩擦による発熱を高め、被接合部材を塑性流動し易くすることにある。
【００４８】
回転工具２００のその他の実施例を図１１から図１３によって説明する。図１１は回転工具２００の小径部２０１が無い形状である。図１２は回転工具２００の底面を平らにし、小径部２０１を設けている。この底面は被接合部材との摩擦をより発熱の大きなものとするため、表面を粗く仕上げるのが望ましい。図１３は図１２の底面部から小径部を排したものである。
【００４９】
図１４から図１５の実施例について説明する。この実施例は図６に相当する場合である。一方の形材１１０に突出部１１７ｂが有り、他方の形材１３０には突出部がない。２つの形材１１０、１３０の突き合わせ部の隙間は図６の場合よりも大きい。すなわち、突出部１１７ｂの金属で隙間を埋めることができないほどの隙間がある。
【００５０】
突き合わせ部の隙間に板状の補填材２５０を配置している。補填材２５０の上面は面板１３１の上面と実質的に同一位置にある。少なくとも補填材２５０の上面は突出部１１７ bの頂よりも内面側にある。補填材２５０の材質はアルミニウム合金である。
【００５１】
この状態で、仮接合を全長にわたって行う。図１５は仮接合後の状態である。次に、本接合を行う。
【００５２】
これによれば、仮接合の際に、回転工具２００は補填材２５０には直接は接触しない。回転工具２００を挿入した位置には大きな力が発生している。このため、もし、補填材２５０が回転工具２００に接すると、補填材２５０が上方に飛び出す。しかし、回転工具２００は補填材２５０に接触していないので、補填材２５０には外力が作用せず、外部に飛び出すことはない。
【００５３】
本接合によって補填材２５０は形材１１０、１３０に接合され、隙間を埋める。したがって、隙間が大きくても隙間を埋める接合ができるものである。
【００５４】
本接合の際、補填材２５０は回転工具２２０に接するが、上方はビードＷ２で覆われ、左右は形材１１０、１３０で挟まれているので、飛び出すことはない。
【００５５】
図１５の実施例では、補填材２５０は回転工具２００に接触しないが、接触させることができる。回転工具２００の挿入代は小さく、補填材２５０の下部は連続しており、補填材２５０は左右の形材１１０、１３０で挟まれた位置に有る。このため、補填材２５０は飛び出しにくく、接合を行うことができる。
【００５６】
左右の形材に突出部がある場合にもこの補填材２５０の配置は適用できる。
【００５７】
なお、隙間を埋める材料は突出部や補填材の材料であるように説明したが、これは分かりやすくするための説明である。より正しくは、隙間を埋める材料は回転工具２００、２２０のよって軟化した材料である。
【００５８】
仮接合、本接合、また、隙間への充填材２５０を配置しての接合は、板同士の接合に適用できる。
【００５９】
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およぶものである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、一対の被接合部材の間の隙間が大きい場合には、隙間に補填材を配置した後、仮接合を行い、そして本接合を行っているので、容易に接合を行うこと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仮接合を説明する縦断面図である。
【図２】図１による仮接合後の縦断面図である。
【図３】図１による仮接合後の斜視図である。
【図４】図１の後の本接合を説明する縦断面図である。
【図５】図１において接合する中空形材の組み合わせの縦断面図である。
【図６】本発明において接合する他の実施例の中空形材の組み合わせの縦断面図である。
【図７】図７の中空形材を仮接合する状態の縦断面図である。
【図８】図７の仮接合後の縦断面図である。
【図９】図８の後の本接合を説明する縦断面図である。
【図１０】本発明の一実施例の鉄道車両の車体の斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施例の回転工具の縦断面図である。
【図１２】本発明の他の実施例の回転工具の縦断面図である。
【図１３】本発明の他の実施例の回転工具の縦断面図である。
【図１４】本発明の他の実施例の接合部の縦断面図である。
【図１５】図１４を仮接合した縦断面図である。
【符号の説明】
１００、１１０、１３０、１４０、１６０、１７０：形材、１０１、１１１、１３１、１４１：面板、１０７、１１７、１１７ｂ：突出部、１１５、１１５ｂ：リブ２００、２２０：回転工具、２０１：小径部、２０２：大径部、２５０：補填材

Claims

一対の長尺な被接合部材は、それぞれ長手方向に連続した突き合わせ部を有しており、前記一対の被接合部材のうち一方の被接合部材の突き合わせ部と前記一対の被接合部材のうちの他方の被接合部材の突き合わせ部とを、回転工具の軸方向の投影範囲内において突き合わせて配置し、前記一対の被接合部材の各突き合わせ部に該突き合わせ部の厚さ方向に回転工具を回転させながら挿入し、かつ、被接合部材の長手方向に移動させて摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記一対の被接合部材のうちの少なくとも一方の被接合部材は、その突き合わせ部に前記回転工具の挿入側へ突出した突出部を有し、さらに、被接合部材の端部には他の被接合部材の突き合わせ部側に突出する突出片を有し、該突出片は一対の被接合部材を突き合わせたとき、他の被接合部材端部の裏当てとなると共に、
前記一対の被接合部材の各突き合わせ部を突き合わせる際に、両突き合わせ部と前記突出片との間に充填材を配置しており、
前記充填材は、一方の被接合部材の突出部の板厚寸法よりも低い高さであり、
回転工具の投影範囲内に前記充填材と前記一対の被接合部材の突き合わせ部とが位置した状態で、回転工具を回転させながら前記一方の被接合部材の突出部に挿入し、この際、該回転工具の大径部を前記突出部の板厚の範囲内の深さに挿入し、長手方向に所定の間隔で摩擦攪拌接合する第１の摩擦攪拌接合を行い、
次に、前記充填材と前記一対の被接合部材の突き合わせ部を、回転工具を回転させながら挿入して第２の摩擦攪拌接合を行う際に、前記一対の被接合部材の突き合わせの板厚の全範囲を接合する深さに、前記回転工具の小径部を挿入し、かつ、該回転工具を被接合部材の長手方向に移動させること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第１の摩擦攪拌接合は、前記一対の被接合部材の長手方向に連続して行うこと、を特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第１の摩擦攪拌接合は前記一方の接合部材の突き合わせ部の突出部から接合ビートを形成して、前記充填材の上面を被覆すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合方法。