摩擦搅拌连接方法和车体的制作方法

专利名称：摩擦搅拌连接方法和车体的制作方法
技术领域：
本发明涉及摩擦搅拌连接方法。特别是涉及适合于制作在轨道 上行驶的车辆，例如铁道车辆的车体的制作的连接方法。
背景技术：
摩擦搅拌连接方法是使插入连接部的圆棒(称为旋转工具)一 边旋转一边沿连接线移动，使连接部发热、软化，使之塑性流动， 固相连接的方法。旋转工具由大直径部和小直径部来组成。把小直 径部插入待连接构件，使大直径部的端面接触于前述构件。在小直 径部上设有螺旋部。在待连接的两个构件的对接部设置凸部，从此 一凸部侧插入旋转工具，制成靠凸部的金属填埋两个构件之间的间 隙。使旋转工具的大直径部进入凸部内。中空型材的摩擦搅拌连接 以连接两个面板的连接板为支撑板把中空型材彼此摩擦搅拌连接。 这些示于专利第3070735号公报(USP6050474 )，特开2000 - 334581 号公报(EP1055478A1)中。
此外，在特开2000 - 233285号公报的图14中，把填补料配置 在两个构件之间的间隙中进行摩擦搅拌连接。此外，在特开2000-167677号公报(EP0992314A2)中，在摩擦搅拌连接有凸部的笫1 构件和没有凸部的第2构件时，在第2构件侧间断地进行堆焊，然 后进行摩擦搅拌连接。
如果在待连接的两个构件之间有间隙，则无法摩擦搅拌连接。 因此，在旋转工具插入侧设置凸部，靠凸部的金属填埋间隙。但是， 现实地说如果间隙例如超过lmm则良好的连接是困难的。如果间隙 加大虽然可以考虑加大旋转工具的直径，但是容易发生问题。
铁道车辆等轨道车辆的车体由构成车内侧面的侧构架，屋顶构 架，构成地面的底架等来组成。车体的制作步骤首先连接多个按压 型材，分别制作侧构架、屋顶构架、底架。接着把它们连接成车体。
由于侧构架、屋顶构架、底架长度约20m,宽度约3m，所以其制作 误差很大。因此，连接部的间隙很容易就超过lmm.

发明内容
本发明的目的在于提供一种即使间隙大也能良好地连接的连接 方法。
本发明的笫2目的在于提供一种容易地进行牟体的底架与侧构 架的摩擦搅拌连接，或者侧构架与屋顶构架的摩擦搅拌连接的连接 方法。
上迷目的可以通过在两个构件的对接部的间隙中配置填埋间隙 构件，然后进行摩擦搅拌连接来实现。
此外，填埋间隙构件也可以切削两个构件的对接部而设置间隙，
把填埋间隙构件配置在此一间隙中。
此外，也可以通过切削两个构件的对接部，使两者接近之后进 行摩擦搅拌连接来实现。
上述笫2目的的底架与侧构架的摩擦搅拌连接，由于在成为支 撑底架面板的机构的两个侧构架之间配置支撑装置而进行，所以容 易进行。
侧构架与屋顶构架的摩擦搅拌连接，由于在两个侧构架之间配 置支撑装置而进行，所以容易进行。


图l是本发明的一个实施例的连接过程图。 图2是图1的II-II剖视图，
图3是图1的in-in剖视图。
图4是图1的IV-IV剖视图。
图5是本发明的另一个实施例的连接装置的构成图。
图6是本发明的另一个实施例的连接装置的主视图。 图7是图6的VII - VII剖视图。 图8是图7的VIII - VIII剖视图。 图9是图6的底架与侧构架的连接部的纵剖视图。 图IO是本发明的另一个实施例的与图9相当的图。 图ll是本发明的另一个实施例的与图9相当的图。 图12是本发明的另一个实施例的连接装置的主视图。 图13是图12的侧构架与屋顶构架的连接部的纵剖视图. 图14是本发明的另一个实施例的连接装置的主视图。
图15是本发明的另一个实施例的连接过程图。
具体实施例方式
首先用图1至图4来说明本发明的基本实施例。在图1中，连 接作业按从(A)到(D)的顺序来进行。
在图1 (A)中，把板状的两个构件10、 20放在架座50上使之 对接。两个构件IO、 20对接成间隙尽可能小。在构件10上沿着与构 件20的对接部有突出片15,构件20放在其上。构件IO、 20在对接 部的上表面侧设有凸部12、 22。在此一状态下用夹具(未画出)把 构件IO、 20固定于架座50上。构件IO、 20为铝合金制的。把对接 部称为连接线。
上述这样约束后，用切削工具60从上方切削两个构件10、 20 的对接面。借此在对接面产生一定宽度的间隙(沟槽)40。切削的 宽度(间隙，沟槽)40大于使构件10、 20对接之际产生的间隙。间 隙40的下面(切削的下面)直到突出片15的上表面。(图1 (A))
用检测器检测两个凸部12、 22的宽度，4吏切削工具60的中心 位于其中心，进行切削。检测凸部12、 22的上表面的位置而把切削 工具60的插入深度保持恒定。切削进行千切削。用压缩空气吹散切 屑，用吸尘器吸引。作为切削工具60虽然在图1中示出端面铣刀， 但是也可以是圃锯。
接着把填补料30配置在通过切屑产生的间隙40中。填补料30
的高度尺寸为填补料30的上表面位于凸部12、22的上表面下方的大 小。填补料30的上表面位于去掉凸部12、 22的构件10、 20的板11、 21的上表面延长线的上方.填补料30的宽度尽可能接近间隙40的 宽度，最好是容易插入的大小。间隙40的宽度与填补料30的宽度之 差小于lmm,(图1 (B)，图2)
接着从上方按压间隙40附近的凸部12、 22的上表面，使凸部 12、 22的角部向间隙40侧弯曲。借此向下方推压填补料30，固定于 构件IO、 20。此一固定是为了在用旋转工具80进行摩擦搅拌连接之 际，填补料30不移动.
此一敛缝作业通过使滚轮70沿着间隙40行走来进行。滚轮70 的前端为梯形。滚轮70的宽度中心位于两个构件10、 20的中心(间 隙40的中心)。靠滚轮70梯形的斜面来按压凸部12、 22的角部。 借此凸部12、 22的角部被敛缝。用检测器检测两个凸部12、 22的宽 度，使滚轮70的中心位于其中心，进行按压。用检测器检测两个凸 部12、 22的宽度，使滚轮70的中心位于其中心。(图1(B)，图 3)
滚轮70借助于气缸装置75以规定的力把凸部12、22向沟槽40 按压。气缸装置75伸缩自如以便允许凸部12、 22的高度位置的变化。 如果有下文述及的定位焊缝，则滚轮70越过它们。
接着，把旋转工具80从上方插入对接部，把构件10、 20和填 补料30三者摩擦搅拌连接。旋转工具80沿着连接线移动。旋转工具 80的小直径部82的前端达到突出片15。小直径部82的直径大于间 隙40的宽度。由检测器来检测两个凸部12、 22的宽度，使旋转工具 80的中心位于其中心，进行摩擦搅拌连接。旋转工具80的插入深度， 检测凸部12、 22的上表面的位置而保持恒定。(图1(C)、 (D)， 图4)
摩擦搅拌连接之后，根据需要切削掉板ll、 21的上表面以上的 凸部12、 22和连接部，使之平滑。
说明各部的大小之一例。间隙40的宽度3mm,间隙40的深
度6mm，板ll、 21的厚度4mm,凸部12、 22的高度(除板11、 21部分之外)2mm，凸部12、 22的宽度8mm，填补料30的宽 度2.5mm，填补料30的高度5.5mm，旋转工具80的大直径部81 的直径15mm，小直径部82的直径6mm，旋转工具80的倾斜角 4°。在摩擦搅拌连接时大直径部81与小直径部82的边界(准确地说 是大直径部81的最下端)位于板11、 21的上表面与填补料:30的上 表面之间。
这样一来，在使两个构件对接之际即使沿着连接线有lmm以上 的间隙，也由于通过切削来扩大成规定的间隙，接着配置填补料30 使间隙不足lmm,接着进行摩擦搅拌连接，所以也能够是良好的连 接。与板ll、 21的厚度相当的部分的间隙40和填补料30的间隙， 利用凸部ll、 21和填补料30上部的金属来填埋。
在仅靠敛缝不能充分固定填补料30的场合，通过弧焊把填补料 30间断地定位焊接于凸部11、 21。
说明图5的实施例。61是作为切削工具的圆锯。在圃锯61的后 方，由吸引口65吸引切屑。此外，切屑靠橡胶制的排除板66而不会 进到后方。填补料30巻绕在滚筒90上。填补料从滚筒90借助于导 向辊93b、 93c、 93d顺利地弯曲成圆孤形，经由筒形导向器95插入 间隙40。这种滚轮93b、 93c、 93d，导向器95适当地位于滚筒90 与滚轮之间。填补料30—进入间隙40，就靠滚轮70固定，靠旋转 工具80来摩擦搅拌连接。这些元件设置在一个台车上。滚筒90随着 台车的行走而放出填补料30.
在把凸部12、 22敛缝而固定填补料30之际， 一开始可以通过 焊接把填补料30的端部固定于凸部12、 22,
虽然在上述实施例中使填补料30进入间隙40的滚轮70和把凸 部12、 22敛缝的滚轮70是同一个，但是两者可以由各自的滚轮来进 行。把填补料30插入间隙40的滚轮按压填补料30的上表面。
此外，虽然靠滚轮70把凸部12、 22敛缝而固定填补料30,但 是也可以靠滚轮70按压填补料30的上表面而使之固定。可以使填补 料30的上表面比凸部U、 22的上表面突出，可以沿着台车的行走方 向设置多个滚轮70而牢固地固定。
此外，虽然靠滚轮70按压凸部12、 22而进行，但是可以间歇 地敲击两个凸部12、 22而进行，敲击构件像凿子那样制成小断面积。 此外，可以吹出压缩空气来排除切削沟槽40之际的切屑。
在进行摩擦搅拌连接、平滑之后，进行发线精加工的场合，填 补料30的材质可以用与母材的构件10、 20相同材质。用与母材不同 材质的填补料，在连接部不涂漆而进行发线精加工的场合，容易看 到连接部变色，美观性变差。但是，如果用与母材相同材质的填补 料，则变色减少，美观性不恶化。
说明图6至图9的实施例。这适用于轨道车辆例如铁道车辆的 车体的制作。轨道车辆的车体由成为地面的底架110，构成侧面的侧 构架120、 120，成为屋顶的屋顶构架130等来组成。首先，把屋顶 构架130放在一对侧构架120、 120的上部并连接成一体。接着，把 这些放在底架上并连接成一体。这里说明底架与侧构架的摩擦搅拌 连接装置。
底架110放在并固定于架座210,把侧构架120、 120放在底架 110上。屋顶构架130连接于侧构架120、 120的上部。把侧构架120、 120与屋顶构架130连接之后，放在底架110上。
侧构架120的上部靠支撑装置230从侧方来支撑，支撑装置230 设置在沿车体两侧面设置的框架220上。支撑装置230在水平方向上 伸缩自如。在车体的内侧配置支撑装置240，规定一对侧构架120、 120的间隔或垂直度。支撑装置240位于侧构架120、 120的上部与 上部之间、下部与下部之间、以及上部与下部之间。支撑装置240 是加大两个侧构架120、 120的间隔的支撑棒或减小间隔的链条等。 两者全都带有松紧螺丝扣，能够变更间隔。链条挂在窗子等上并拉 紧。此外，侧构架120的下端被从车外侧推向车内侧。
在车体的两侧面上有连接装置300、 300。连接装置300的上下 靠轨道301、 302来支撑，沿着车体直线状地行走。连接装置300设
置在台车310上。连接装置300经由滚轮架在下部的轨道301上，此 外有接触于轨道的左右表面的滚轮。此外，在连接装置300的上部 有接触于上部轨道302的左右表面的滚轮。轨道302设置在框架220 的上部。
连接装置300是前述实施例的元件。连接装置300设置在台车 310的升降台320上。升降台320被台车310的四角形框架左右的柱 子导向而升降。在升降台的上部有沿上下方向旋转的座330.在此一 旋转座330的上面有沿水平方向移动的座340。在移动座340的上面 有上下动的座350。在此一上下动座350、 350上设置前述实施例的 元件。也就是说，在一方的座350上设置着圃锯61,其驱动装置， 吸引口65，排除板66，传感器等。在另一方的座350上设置着滚轮 70、 93b、 93c、 93d，导向器95，旋转工具80，其驱动装置，传感 器等。滚筒90设置在台车310的上部。
各个前述传感器检测凸部的宽度、位置，使水平座340、上下 动座350移动，控制圃锯61、旋转工具80的位置、深度。水平移动 座340改变对车体的距离。
旋转座330用于待连接部分的车体形状对垂直面倾斜的场合。
在图9中，底架IIO、侧构架120分别连接多个中空型材。使侧 构架120下端的中空型材121各自的面板121b、121c对接于底架110 端部的中空型材lll。中空型材lll称为侧梁，高度或板厚大于另一 个中空型材112。
车内侧的面板121c放在中空型材111上面的面板lllb上。两 者实质上正交。从车内侧用弧焊来角焊此一对接部。
牟外侧的面板121b对接于中空型材111上部的角部的凹部 llld，搭接于凹部llld。从车外侧摩擦搅拌连接此一对接部。
凹部llld位于中空型材111上面的面板lllb和车外侧的垂直 板lllc的连接部。凹部111d分别向上方和车外侧开口。在凹部llld 上有向上突出的突出片lllf。突出片111f搭接于面板121b的背面。 圃锯61厚度的中心也就是旋转工具80的轴心延长线位于面板 lllb板厚的范围内。借此靠面板lllb来支撑摩擦搅拌连接时的栽荷， 防止连接部的变形，使良好的连接成为可能.
底架110的中空型材111、 112上面的面板lllb、 112b实质上 位于同一平面。在面板121b下端的车外侧，和连接板lllc上端的车 外侧分别有凸部12、 22。
左侧的侧构架120和底架110的连接部的构成与以上构成相同。
说明连接步骤。把底架110放在架座210上，把侧构架120、 120 放于其上，靠支撑装置230、 240把侧构架120固定于规定位置。从 车内侧、车外侧间断地定位焊接底架IIO和侧构架120、 120。接着， 车内侧正式地孤焊面板121b和lllb。
接着，使左右连接装置300、 300同步行走，同步地进行连接。 借助于连接装置300的圃锯61在连接部设沟槽40，把填补料30配 置于其中，最后进行摩擦搅拌连接。
从车体纵长方向的端部用圃锯61开始作成沟槽(间隙)40的 切削，如果作成规定长度的沟槽40则停止台车310的行走，从滚筒 90放出填补料30，插入沟槽40。
接着，把插入沟槽40的填补料30定位焊接于凸部12、 22。烊 接位置是插入沟槽40的填补料30的起始端.接着，使滚轮70向沟 槽40—侧突出到规定位置，开始台车310的行走。再次开始切削。 开始填补料30向沟槽40的插入，并且靠滚轮70来进行固定。
摩擦搅拌连接装置的旋转工具80 —移动到连接线的起始端，就 使台车310的行走停止。 一边使旋转工具80旋转， 一边使之插入待 连接部分.接着，再次开始台车310的行走.
使左右的连接装置300、 300同步地进行摩擦搅拌连接。也就是 说，实质上左侧连接装置的旋转工具80的轴心位于右连接装置300 的旋转工具80的轴心延长线上。在两者之间有底架110的面板lllb、 112b。因此，借此来支撑摩擦搅拌连接时的大栽荷，可以防止底架 110的变形。
但是， 一般来说，旋转工具80的轴心对行走方向倾斜。因此，
另一方旋转工具80往往不存在于一方的旋转工具轴心延长线上。在 此一场合也是，虽然不能靠另一方的旋转工具80来支撑一方的旋转 工具糾的栽荷，但是支撐着附近。因此，可以防止底架等的变形而 进行摩擦搅拌连接。
作为靠另一方侧来支撑一方的旋转工具80的栽荷的装置，靠滚 轮来支撑前述一方的旋转工具80的轴心延长线上，与前述一方的旋 转工具80同步地行走。在滚轮由多个组成的场合沿连接线设置。此 外，设置支撑另一方的连接部周围的支撑装置来支撑。对前述一方 的旋转工具80也可以是除掉旋转工具80的支撑装置。在此一场合， 支撑装置支撑连接部或未连接部。
车体通常设有中凸形。如果在底车架110上设有中凸形，则切 削的高度位置、摩擦搅拌连接的高度位置随着中凸形而上下移动。 在此一场合端面铣刀比圃锯更合适。
虽然在上述实施例中稳定时通过凸部12、 22的敛缝来固定填补 料，但是也可以通过焊接按规定间隔来固定。焊接位置设在圃锯61 与导向器95之间。
中空型材121的面板121b与中空型材111的面板lllc的连接 实际上可以靠连接平行的两个面板(一个是lllc)的连接板lllg和 面板lllc的连接部lllh来进行。连接部lllh以上的面板lllc凹下 以便面板121b搭接。借此面板121b的下端对接于连接部lllh以上 的面板lllc。连接板lllc位于旋转工具80轴心延长线上。借此可 以支撑旋转工具80的载荷。面板121c的端部焊接于面板lllb。
说明图10的实施例。在底架IIO端部的中空型材111的车外侧 有向上突出的片(相当于面板)lllj。使侧构架的中空型材121的车 外侧面板121b对接于它。在片111j与面板121b的对接部的背面有 连接内外的面板121b、 121c的连接板121d,连接板121d实质上正 交于面板121b、 121c。因此，连接板121d位于连接时的旋转工具 80轴心延长线上.在连接板121d与面板121b的连接部上与前述实 施例同样有搭接于面板121b的凹部和突出片。 把面板121c与面板lllb焊接后，把支撑装置250配置成接触 于面板121c,支撑装置250沿车体的纵长方向设置多个.支撑装置 250伸缩自如。接着，进行摩擦搅拌连接。 一方的旋转工具80的载 荷经由支撑装置250传递到另一方的旋转工具80 —侧。
说明图ll的实施例。在中空型材lll的上方突出着两个突出片 lllp、 lllp。两个突出片(相当于面板)lllp、 lllp靠连接片lllq 连接着。连接片lllq与连接片121d同样地设置着。在连接片lllq 与突出片lllp、 lllp的连接部上与前述实施例同样有搭接于面板 121b、 121c的凹部和突出片。
把面板121c与突出片lllp焊接后，配置支撑装置250。最好是 支撑装置250接触于面板121c、突出片lllp两方。使连接板lllq 位于旋转工具80轴心延长线上，进行摩擦搅拌连接。
再者，在本实施例中，由于如果缩短突出片lllp的长度，则底 架110强固，所以可以不要支撑装置250,
说明图12至图13的实施例，这是屋顶构架130与侧构架120、 120的连接装置。把侧构架120、 120竖立放在架座210B上，把屋顶 构架130放在它们之上。借助于支撑装置230B、 240B从车体的内外 来支撑它们。支撑装置240B从车内侧伸长并推压屋顶构架130、侧 构架120。支撑装置230B、 240B相当于前述实施例的支撑装置230、 240。此外，侧构架120的下端进入架座210B的凹部而被定位。
借助于支撑装置240B把侧构架120、 120，屋顶构架130固定 于规定位置，弧焊侧构架120、 120和屋顶构架130的车内侧的对接 部。把支撑装置250配置在焊接了的此一左右的焊接部之间。支撑 装置250支撑焊接部附近.支撑装置250是支撑棒。
接着，如前所述使左右的台车310B、 310B行走，靠连接装置 300B、 300B来切削沟槽，填充填补料，进行摩擦搅拌连接。摩擦搅 拌连接的栽荷经由连接部的连接板123c、支撑装置250支撑于另一 方的连接板123c、旋转工具80。
说明侧构架120上端的中空型材126和屋顶构架130下端的中
空型材131的连接部的构成。中空型材126 (131)的两个面板126b、 126c (131b、 131c)桁架状地配置连接板126d (131d )。面板131b 的端部与面板131c的端部靠倾斜的连接板131d来连接，没有连接面 板126b的端部与面板126c的端部的连接板。因此，面板131c( 126b ) 的端部比面板131b (126c)更向端部一侧突出。在面板131b与两个 连接板131d、 131d的连接部(交点)上与前述实施例同样有凹部， 在背面有突出片。在面板126c与端部的连接板126d的连接部(交点) 上与前述实施例同样有凹部，在背面有突出片。中空型材126的面
板126b搭接于面板131b的凹部和突出片。中空型材131的面板131c 搭接于面板126c的凹部和突出片。在车外侧的面板126b、 131b的 对接部上有凸部12、 22。圃锯61的厚度的中心、旋转工具80轴心 延长线位于两个连接板131d、 131d的交点。
摩擦搅拌连接时的载荷经由两个连接板131d、 131d传递到面板 126c。然后经由支撑装置250传递到另一方的侧构架120。
说明图14的实施例。在两个侧构架120、 120之间有设置在架 座210B上的支撑装置250B，设置着支撑装置250。焊接了车内侧之 后，靠支撑装置250来支撑。支撑装置250像前述实施例那样可以是 滚轮或旋转工具。在是滚轮或旋转工具的场合支撐装置250与旋转 工具80同步移动。
说明图15的实施例。如前所述把两个构件10、 20对接之后， 沿连接线进行弧焊。沿连接线连续地进行。特别是，焊接存在着间 隙的部位，尽可能填埋间隙。(图15(A)、 (B))
接着，靠旋转工具80来进行摩擦搅拌连接。在此一场合，在凸 部12、 22中判断隆起的焊缝B而进行。也就是说，使旋转工具80 的大直径部81的最下端位于隆起的焊缝B内进行摩擦搅拌连接。再 者，也可以焊接在构件10、 20上设有凸部12、 22者。(图15(C)、 (D))
前述焊接是作为间隙的填补料来进行的。由于本来没有间隙地 对接，所以其对接部为I型坡口。因此，有时间隙的下部没有焊缝(填
补料)。但是，隆起的烀缝B或凸部12、 22成为填补料。此一焊接 的强度为没有摩擦搅拌连接部分的焊缝B不因摩擦搅拌的力而剥离 的程度就可以了。
使两个构件对接，进行切削，接着移动对接以便使两个构件的 沟槽减小或消除，在此一状态下可以进行摩擦搅拌连接。
本发明的技术范围不限于权利要求书的各权利要求记栽的词句 或者解决问题用的手段项中记栽的词句，凡是同行据此容易置换的 范围全都包括在内。
如果用本发明，则由于在两个构件对接部的间隙中配置填埋间 隙的构件，然后进行摩擦搅拌连接，所以可以是良好的连接。
此外，如果切削两个构件的对接部，使两者接近之后进行摩擦 搅拌连接，则可以是良好的连接。
车体的底架与侧构架的摩擦搅拌连接，由于在成为支撑底架面 板的机构的两个侧构架之间配置支撑装置而进行，所以容易进行。
侧构架与屋顶构架的摩擦搅拌连接，由于在两个侧构架之间配 置支撑装置而进行，所以容易进行。
权利要求
1.一种车体制作方法，其特征在于，把侧构架放在底架一端的中空型材上，在对前述侧构架的车外侧与前述中空型材的车外侧进行摩擦搅拌连接的旋转工具的轴心延长线上，实质上布置连接前述中空型材的两个面板的连接板的状态下，由前述旋转工具来进行摩擦搅拌连接。
全文摘要
本发明提供一种即使两个构件的对接部的间隙大也可以良好的连接的方法。用切削工具(60)沿两个构件(10、20)的对接部切削。把填补料(30)插入通过切削产生的间隙(40)，靠滚轮(70)推压凸部(12、22)，使凸部(12、22)敛缝而固定填补料(30)。接着靠旋转工具(80)摩擦搅拌连接凸部(12、22)、填补料(30)。也可以不进行切削而进行焊接使填补料填埋间隙。此外，也可以进行切削，使两个构件接近，进行摩擦搅拌连接。
文档编号B29C65/06GK101096063SQ20061008773
公开日2008年1月2日 申请日期2001年7月25日 优先权日2001年1月17日
发明者江角昌邦, 福寄一成 申请人:株式会社日立制作所