JP4298451B2 - パネル接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば長尺な中空パネルを摩擦攪拌溶接を利用して接合し、鉄道車両の構体などを構成するためのパネル接合構造に関し、特に中空パネルについて高精度な前処理を必要としないで接合することができるパネル接合構造に関する。

２枚の板からなる中空構造のパネルなどは、例えばアルミニウム合金製の鉄道車両構体や建築材に見ることができる。そうしたパネル同士をつなげる従来のパネル接合構造には、下記特許文献１として示した特開平１１−２０７４７５号公報を挙げることができる。図６及び図７は、同特許文献１に記載されているパネル接合構造を示した断面図であり、パネルの端部同士を付き合わせて接合する場合の工程図である。

先ず、図６に示すように、中空形材（パネル）１０１の端には凹んだ角部１０３，１０４が形成され、中空形材（パネル）１０２の端部の突片１０５，１０６の先端が角部１０３，１０４にはめ合わされている。このとき、２つのパネル１０１，１０２の突き合わせ部分、すなわち回転工具５０が押圧されることになる位置には支持板１０７が存在している。そこに回転工具５０が回転を与えながら突き合わせ部分に当たられると、パネル１０１，１０２は突片１０５，１０６下方までが塑性流動状態になり、摩擦攪拌溶接され接合される。同様に、凸部５２の径よりも大きく塑性流動状態になる。そして、接合においては、突片１０５，１０６と支持板１０７との接触部まで摩擦攪拌溶接される。そして、図７に示すように、支持板１０７の厚さの中心の延長線上に接合ビード１１０の幅の中心が位置するように接合された状態となる。
特開平１１−２０７４７５号公報（第４−５頁、図３、図４）

摩擦攪拌溶接は、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などに比べると、接合時の歪みが相当に少ないことと、接合による入熱量が少ないため接合部の強度が向上することにより接合方法として利用が増えつつある。しかし、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などに比べ、同溶接に必要となる接合部の加工精度より相当高度な前処理精度が要求されるという製作上の問題があった。つまり、従来のパネル接合構造では、接合する両パネルの突き当て部分を溶接ポイントとして連続溶接していたので、その突き当て部分を確実に溶接できるようにするため高精度な前処理を行わなければならなかった。そして、従来からこれを解決するのに接合部端部に様々な工夫がなされているが、いずれも製作コストの増加や効率的な作業の阻害となってしまっていた。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、高精度な前処理を必要としないパネル接合構造を提供することを目的とする。

本発明のパネル接合構造は、第１面板と第２面板とが長手方向に直交する幅方向に並んだ複数の継ぎ部材で連結され、鉄道車両構体を構成する中空状の長尺なパネルであって、その第１面板同士および第２面板同士をそれぞれ摩擦攪拌溶接を利用して幅方向に接合するものであり、前記第１面板は、前記鉄道車両構体の車体外側に位置する外側面板であって、前記継ぎ部材よりも幅方向に突き出た突出部がその突出部以外の部分の板厚より厚い肉厚で形成されたものであり、こうした第１面板同士が、突出部の端面同士を突き当てた接合線に沿って貫通摩擦攪拌型の回転工具が移動することにより貫通接合され、前記第２面板は、前記鉄道車両構体の内側に位置する内側面板であって、前記継ぎ部材よりも幅方向に突き出た突出部がその突出部以外の部分の板厚とほぼ同じ厚さで形成されたものであり、こうした第２面板同士が、突出部同士を重ね、その重なり部分が接合されたものであることを特徴とする。
そして、前記第２面板同士の摩擦攪拌溶接は、スポット的に行われるようにしたものであることが望ましい。

パネル接合構造には、第１面板と第２面板とが継ぎ部材で連結されてなる中空状の長尺なパネルであって、その第１面板同士および第２面板同士をそれぞれ摩擦攪拌溶接を利用して幅方向に接合するものであって、前記第１面板及び第２面板は、前記継ぎ部材よりも幅方向に突き出た突出部がその突出部以外の部分の板厚より厚い肉厚で形成されたものであり、こうした第１面板同士或いは第２面板同士が、突出部の端面同士を突き当てた接合線に沿って貫通摩擦攪拌型の回転工具が移動することにより貫通接合するようにしたものも考えられる。

よって、本発明のパネル接合構造では、第１面板、あるいは第２面板についても、その突出部を単純な平面形状として肉厚を厚くし、突出部同士の突き当て面を貫通摩擦攪拌型の回転工具を使用して摩擦攪拌溶接を行うようにしたので、接合部分に関して高い加工精度が要求されることがなくなり、高精度な前処理が必要でなくなった。
また、一方で、第２面板についてその突出部を重ね合わせて摩擦攪拌溶接する場合には、接合可能な範囲が広いため高精度な前処理を行わなくても確実に溶接することができ、製作工程を単純化することができる。そして、摩擦攪拌溶接をスポット的に行うことにより、入熱量を少なくして歪みを格段に抑えたパネル接合構造とすることができる。

次に、本発明に係るパネル接合構造の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、パネル接合構造の第１実施形態を示したパネル端面の図であり、特に鉄道車両の構体を構成する場合におけるパネル接合構造を示したものである。このパネル１は、図面を貫く方向に長尺なアルミニウム形材であって、図面上側に記載された車体外側の外側面板１１と、図面下側に記載された車体室内側の内側面板１２とが、継ぎ部材である斜めのリブ材１３，１３…によって連結さてなる中空構造をしたものである。そして、こうした複数のパネル１，１…が幅方向（図面左右方向）に連結され、図３に示す断面のように鉄道車両構体５が構成される。すなわち、この中空構造断面を有するパネル１は、長尺な長方形形状をしたものであり、長手方向側部（幅方向端部）同士が接合され、図３に示すように箱形の鉄道車両構体５が形成される。そうしたパネル１同士の具体的な接合構造が図１に示すものである。

パネル１の外側面板１１及び内側面板１２は、幅方向の両端に、最端のリブ材１３から突き出た突出部１１ａ，１１ｂと突出部１２ａ，１２ｂとが形成されている。外側面板１１は、突出部１１ａ，１１ｂの肉厚がその他の部分の肉厚よりも厚く形成されている。一方、内側面板１２は、突出部１２ａ，１２ｂを含む全体がほぼ同じ肉厚で形成されている。ただし、突出部１２ａには段差１２ｇが形成されている。そこで、パネル１，１同士を接合する場合には、図示するように外側面板１１，１１は、その突出部１１ａ，１１ｂの端面同士が互いに突き当てられ、内側面板１２，１２同士は、突出部１２ａの段差１２ｇに突出部１２ｂが重ねられる。

こうした内側面板１１，１１と外側面板１２，１２とは、いずれも摩擦攪拌溶接によって接合される。具体的に、外側面板１１，１１側では、その突出部１１ａ，１１ｂ同士が突き当てられた接合線Ｌ部分を貫通し、更にその突出部１１ａ，１１ｂを上下に挟み込んだ貫通摩擦攪拌型の回転工具６０により、接合線Ｌに沿って摩擦攪拌溶接が行われる。一方、内側面板１２，１２側では、その突出部１２ａ，１２ｂが重なった部分を一方（図面下方）から回転する攪拌ピンを加圧させる回転工具５０により摩擦攪拌溶接が行われる。

ここで、図４は、回転工具６０による外側面板１１，１１の摩擦攪拌溶接の様子を示した斜視図であり、図５は、その断面図である。
貫通摩擦攪拌型の回転工具６０は、回転軸６１と、その回転軸６１と同心に突き出た攪拌ピン６２、そしてこの攪拌ピン６２の先端に設けられ裏当て部６３を有するものである。こうした回転工具６０は、裏当て部６３を備えることにより、回転工具５０に必要となる裏当てを使うことなく摩擦攪拌溶接を可能としている。

そこで、この回転工具６０で摩擦攪拌溶接を行う場合には、その回転する攪拌ピン６２が図示するパネル１，１の端面部分から接合線Ｌに沿って、突出部１１ａ，１１ｂの突き当て部分に押し込まれる。そして、回転工具６０が接合線Ｌに沿って移動するとき、それぞれ回転する回転軸６１の下面と裏当て部６３の上面とが接合線Ｌ部分を上下から挟みつけている。これにより回転する攪拌ピン６２と外側面板１１，１１の突出部１１ａ，１１ｂとの間に摩擦熱が生じ、更に回転軸６１の下面および裏当て部６３の上面と、その両面の挟まれた突出部１１ａ，１１ｂの上下の面との間にも摩擦熱が生じる。そのため、塑性流動固相Ｗの生成とその非可塑化・一体化を順次続けていくことによって突出部１１ａ，１１ｂが貫通接合される。

次に、内側面板１２，１２の接合は、突出部１２ａの段差１２ｇに突出部１２ｂが重ね合わされ、その重なり部分に図面の下方から押しつけられた回転工具５０によって摩擦攪拌溶接が行われて接合される。その際、パネル１の外側に位置する回転工具５０に対し、パネル１，１の内側には、接合時の押圧荷重を受けるため裏当てが行われる。内側面板１２，１２の接合は、突出部１２ａ，１２ｂの重なり部分を接合線Ｌに沿うように摩擦攪拌溶接していくが、ここではスポット的に溶接するようにしている。スポット的に溶接することにより、摩擦攪拌溶接時の入熱量を減らしてパネル１，１に歪みが生じるのを防止できるからである。また、室内側になる内側面板１２，１２は、外側のように気密性が要求されない点で連続溶接が必要とされないからである。

ところで、このパネル１，１…は、接合された外側面板１１，１１…が鉄道車両構体５の外形面、すなわち鉄道車両の外観をなす意匠面となるため、突出部１１ａ，１１ｂが連続して面一になること、そして接合部分には段差や凹みがないことが必要である。その点、本実施形態では、図５に示すように、同じ厚さの突出部１１ａ，１１ｂ同士の突き当て部分が摩擦攪拌溶接され、塑性流動固相Ｗが生成されて段差や凹みのないよう接合される。一方、内側面板１２，１２も面一となるように突出部１１ｂが入り込む段差１２ｇが形成されているが、室内を構成する化粧板によって覆われるため、必ずしも面一でなくてもよく、また接合部分に生じる多少の隙間は問題とならない。

よって、本実施形態のパネル接合構造によれば、突出部１１ａ，１１ｂの肉厚を厚くすることにより、裏当て部６３を備えた貫通摩擦攪拌型の回転工具６０によって摩擦攪拌溶接を行うようにしたので、突出部１１ａ，１１ｂを単純な平面形状として、その突き当て面も高い加工精度が要求されることもなくなった。このように、比較的仕上がりの良さが要求される外側面板１１，１１同士の接合についても、そのために高精度な前処理を行う必要がなくなった。一方、内側面板１２の突出部１２ａ，１２ｂに関しては、突出部１２ａと突出部１２ｂとの重ね合わせ部分を攪拌摩擦溶接しているため、図６及び図７に示すような従来例のように接合部分に高い加工精度は要求されない。従って、高精度な前処理も必要ない。

従って、外側面板１１及び内側面板１２ともに従来のような高い加工精度が要求されないため、パネル１の成型用の型の作成が容易になった。そして、接合前に行う前処理も簡単になった。また、突出部１１ａ，１１ｂの突き当て、及び突出部１２ａ，１２ｂの重ね合わせをそれぞれ摩擦攪拌溶接するパネル接合構造は、接合作業が容易で、簡略な接合構造であるため強度上の信頼性が高い。更に、内側面板１２側は、摩擦攪拌溶接をスポット的に行うことにより、入熱量を少なくして歪みを抑えることができ、接合工作費の低減となった。

次に、パネル接合構造の他の例について、図面を参照しながら以下に説明する。図２は、本例のパネル接合構造を示した図であり、図１に示した第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付している。本例のパネル接合構造も、図３に示す箱形の鉄道車両構体５に関するものである。

パネル２は、前記第１実施形態のパネル１と同様、図面を貫く方向に長尺なアルミニウム形材であって、図面上側に記載された車体外側の外側面板１１と、図面下側に記載された車体室内側の内側面板１２とが、継ぎ部材である斜めのリブ材１３，１３…によって連結さてなる中空構造をしている。そして、外側面板１１には突出部１１ａ，１１ｂが設けられている。このパネル２が第１実施形態のパネル１と異なるのは、内側面板１２の突出部ｃ，１２ｄが内側面板１１と同様に他の板厚より厚くした肉厚の平板とした点である。そして、接合には突出部１１ａ，１１ｂの端面同士と、その突出部１２ｃ，１２ｄの端面同士とを突き当てて摩擦攪拌溶接するようにした。

すなわち、パネル２，２同士の接合は、突出部１１ａ，１１ｂ同士及び突出部１２ｃ，１２ｄ同士が突き当てられた接合線Ｌに沿って貫通摩擦攪拌型の回転工具６０が押し込まれる。こうした摩擦攪拌溶接では（図４及び図５参照）、回転工具６０が接合線Ｌに沿って移動するとき、それぞれ回転する回転軸６１の下面と裏当て部６３の上面とが、突出部１１ａ，１１ｂあるいは突出部１２ｃ，１２ｄの接合線Ｌ部分を上下から挟みつけている。これにより回転する攪拌ピン６２と突出部１１ａ，１１ｂあるいは突出部１２ｃ，１２ｄとの間に摩擦熱が生じ、更に回転軸６１の下面および裏当て部６３の上面と、その両面の挟まれた突出部１１ａ，１１ｂあるいは突出部１２ｃ，１２ｄの上下の面との間にも摩擦熱が生じる。そのため、塑性流動固相Ｗの生成とその非可塑化・一体化を順次続けていくことによって突出部１１ａ，１１ｂ、および突出部１２ｃ，１２ｄが貫通接合される。

よって、このパネル接合構造によれば、突出部１１ａ，１１ｂ，１２ｃ，１２ｄの肉厚を厚くすることにより、裏当て部６３を備えた回転工具６０によって摩擦攪拌溶接を行うようにしたので、突出部１１ａ，１１ｂ，１２ｃ，１２ｄを単純な平面形状として、その突き当て面も高い加工精度が要求されることもなくなった。外側面板１１，１１同士の接合は比較的仕上がりの良さが要求されるが、そのための高精度な前処理を必要としなくなった。一方、内側面板１２側も外側面板１１側と同様に接合される。

従って、外側面板１１及び内側面板１２ともに従来のような高い加工精度が要求されないため、パネル１の成型用の型の作成が容易になった。そして、接合前に行う前処理も簡単になった。更に、突出部１１ａ，１１ｂ及び突出部１２ａ，１２ｂの突き当部てを摩擦攪拌溶接するパネル接合構造は、接合作業が容易で、簡略な接合構造であるため強度上の信頼性が高い。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では図３に示すように鉄道車両構体５を構成する場合のパネル接合構造について説明したが、建物の外壁を構成する建築材に関するパネル接合構造であってもよい。

パネル接合構造の第１実施形態を示した端面部分の図である。 パネル接合構造の他の例を示した端面部分の図である。 パネルを接合して構成した鉄道車両構体を示した断面図である。 貫通摩擦攪拌型の回転工具による摩擦攪拌溶接の様子を示した斜視図である。 貫通摩擦攪拌型の回転工具による摩擦攪拌溶接の様子を示した断面図である。 従来のパネル接合構造を示した断面図である。 従来のパネル接合構造を示した断面図である。

符号の説明

１，２ パネル
１１ 外側面板
１２ 内側面板
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 突出部
１３ リブ材
６０ 貫通摩擦攪拌型の回転工具

Claims (2)

1. 第１面板と第２面板とが長手方向に直交する幅方向に並んだ複数の継ぎ部材で連結され、鉄道車両構体を構成する中空状の長尺なパネルであって、その第１面板同士および第２面板同士をそれぞれ摩擦攪拌溶接を利用して幅方向に接合するパネル接合構造において、
   前記第１面板は、前記鉄道車両構体の車体外側に位置する外側面板であって、前記継ぎ部材よりも幅方向に突き出た突出部がその突出部以外の部分の板厚より厚い肉厚で形成されたものであり、こうした第１面板同士が、突出部の端面同士を突き当てた接合線に沿って貫通摩擦攪拌型の回転工具が移動することにより貫通接合され、
   前記第２面板は、前記鉄道車両構体の内側に位置する内側面板であって、前記継ぎ部材よりも幅方向に突き出た突出部がその突出部以外の部分の板厚とほぼ同じ厚さで形成されたものであり、こうした第２面板同士が、突出部同士を重ね、その重なり部分が接合されたものであることを特徴とするパネル接合構造。
2. 請求項１に記載するパネル接合構造において、
   前記第２面板同士の摩擦攪拌溶接は、スポット的に行われるようにしたものであることを特徴とするパネル接合構造。

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