JP2002515346A - 重なった金属シートを溶接する方法及び対応する鉄道車両車体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、１枚の第１シート（５）が重なりゾーンに沿って金属シートの曲げに耐えるよう構成された重なりゾーン（６）近傍の剛性手段（７４）を具備する溶接方法に関する。この方法は、重なりゾーン（６）内で第１金属シート（５）の少なくとも１つの領域を片持ち式に有する。この剛性手段は該片持ち領域の近傍に配置される。金属シートを重なりゾーン（６）に接触状態で維持するために、別の金属シート（４）にはレーザー溶接装置（２）を支持する機構が当てられる。金属シートは溶接装置を用いて重なりゾーンに沿って溶接される。本発明は鉄道車両の車体の外部を覆うための金属シート同士を互いに透過溶接するのに有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、別のシートとの間の重なりゾーンに沿ってこの別のシートに溶接さ
れる１枚のシートに関する。

【０００２】 本発明は特に、鉄道車両用の鋼板製の車体外殻パネルの透過溶接に適用される
ものである。

【０００３】 レーザー透過溶接では、金属部品同士をそれらの重なった部分で互いに対向す
る面にて互いに溶接することができる。

【０００４】 物を差し込みずらい上記部分において対向面同士の間を溶接するために、これ
らの部品のうち一方にレーザー光線を当ててそれを貫通させて他方の部品を溶か
す。溶けた金属はレーザー光線が通過した後に凝固して溶接シームを形成する。

【０００５】 この透過溶接技術を使用するには溶接しようとする部品の対向面同士の間の間
隙が重なりゾーンの全体の厚さの１０％以下であることが必要である。

【０００６】 この溶接技術を鉄道車両の車体外殻パネルに応用するには、溶接すべき長さが
長いため、上記間隙の制約が問題となる。これらの長さは一般に３０ｍにもなり
得る。

【０００７】 他の分野では小さな部品用に、上記間隙の制約を満たすために、２つの部品を
重なりゾーンの溶接すべき全体の長さに沿って挟むための均等に間隔を開けたラ
ムが使用される。

【０００８】 しかし、この解決策では、部品を比較的長い距離にわたり溶接するにはラムの
数が急増するため特に高価になる。

【０００９】 本発明の目的は比較的長い重なりゾーンにおいて比較的簡単且つ経済的に溶接
可能なシートを提供することにより上記問題を解決することである。

【００１０】 このために、本発明の要旨は、１枚のシートであって、別のシートとの間の重
なりゾーンに沿って該別のシートに溶接される上記１枚のシートにおいて、レー
ザー溶接装置の押圧機構が上記別のシートに対して押圧した時に、上記重なりゾ
ーンに沿って上記１枚のシートの曲げに抵抗するよう構成された剛性手段を前記
重なりゾーンの近傍に有してなるシートである。

【００１１】 特定の実施形態によれば、上記シートは以下の特徴の１つ或いは複数を単独と
して或いは技術的に可能な組合せとして有していても良い； − 上記剛性手段は上記第１シートの一体部分として形成されたプロフィール
部分よりなる； − 上記プロフィール部分は上記第１シートをその近傍の上記重なりゾーンか
ら離れる方向に曲げることにより形成される； − 上記プロフィール部分は上記第１シートの肉厚部である。

【００１２】 本発明の他の要旨は、重なりゾーンに沿って互いに溶接されるよう意図された
シートのコレクションであり、シートのうち少なくとも１枚は上述のように限定
されたことを特徴とする。

【００１３】 本発明の更なる要旨は、少なくとも２枚のシートをその重なりゾーンに沿って
レーザー溶接する方法において、上記シートのうち少なくとも第１シートは上述
のように限定されたシートであり、上記第１シートの少なくとも１つの領域は上
記重なりゾーン内に片持ち式に突出し、上記剛性手段はこの片持ち領域近傍に設
けられ、レーザー溶接装置の押圧機構は他方のシートに対して押圧して上記両シ
ートを上記重なりゾーンの領域で互いに接触状態に保持し、上記レーザー溶接装
置は上記重なりゾーンに沿って上記両シートを溶接するのに使用されることを特
徴とする方法である。

【００１４】 別の形態によれば、上記溶接装置により放射されたレーザー光線が上記他方の
シートを貫通して該他方のシートを、上記重なりゾーンにおいて互いに対向する
両シートの表面で上記第１シートに溶接し、従って上記方法はレーザー透過溶接
方法を構成する。

【００１５】 本発明の最後の要旨は、少なくとも１つの支持フレーム構造と外殻よりなり、
上記外殻は重なりゾーンにて互いに溶接されると共に上記支持構造体にも溶接さ
れたシートのコレクションよりなる鉄道車両の車体にであり、上記外殻の上記シ
ートを接合するための溶接部は上述の方法により形成されてなることを特徴とす
る。

【００１６】 本発明は例を目的としてのみ示す以下の説明を添付図面を参照しながら読むこ
とにより更に理解されよう。

【００１７】 図１は重なりゾーン６に沿って重なった２枚の鋼シート４及び５を互いに溶接
するレーザー溶接装置２を示す。シート４は重なりゾーン６でシート５の上（図
１において上）に置かれている。シート４の下面７（図１において下）は重なり
ゾーン６でシート５の上面８に面している。シート４及び５は図示しない手段に
より互いに対して固定されている。

【００１８】 本質的に装置２は、 − グランド１２に固定されてそれから起立したスタンド１０と、 − スタンド１０に取り付けられた支持構造体１４と、 − スタンド１０に取り付けられたレーザー源１６と、 − 光学的結合手段１９（鎖線で示される）により上記レーザー源１６に光学
的に結合された、レーザー光線の焦点を合わせるためのヘッド１８と、 − 不活性ガスのガス源２０と、 − ヘッド１８により支持されて連結手段２１（二点鎖線により示される）に
より不活性ガス源２０に連結された、不活性ガスを吹き付けるためのノズル２２
と、 − 構造体１４により支持される押圧機構２４と、 − グランド１２に固定されてスタンド１０より低い高さに設けられた、第２
シート５を保持するためのベース２６と、より構成される。

【００１９】 構造体１４は互いに略直交する２本のロッド２８及び３０と、キャリッジ３２
と、マウント３４とより構成される。

【００２０】 略水平なロッド２８は図１の平面に対して垂直な水平方向に摺動自在にスタン
ド１０に取り付けられる。キャリッジ３２は図面で矢印３６に示されるようにロ
ッド２８に沿って水平に摺動自在に取り付けられる。

【００２１】 ロッド３０はキャリッジ３２から略垂直に重なりゾーン６に向けて下方に延び
ている。ロッド３０は図面で矢印３８に示されるように、キャリッジ３２に沿っ
て垂直に摺動自在に取り付けられる。

【００２２】 マウント３４はロッド３０を下方に延ばしている。このマウント３４は図面で
矢印４０に示されるように、ロッド３０の軸線Ｘ−Ｘ回りに回転自在に取り付け
られる。

【００２３】 構造体１４は光学的結合手段１９と連結手段２１を支持している。

【００２４】 ヘッド１８と、ヘッド１８を包囲するノズル２２とはロッド３０及びマウント
３４と同軸に設けられる。ロッド３０の軸線Ｘ−Ｘは重なりゾーン６に略直交し
、ヘッド１８とノズル２２とはこのゾーン６に向けられている。

【００２５】 ヘッド１８及びノズル２２は図面で矢印４２に示すようにマウント３４上で上
下方向に摺動自在に取り付けられ、押圧機構２４はマウント３４に固定されてい
る。従って、ヘッド１８及びノズル２２は、押圧機構２４と独立して上昇し重な
りゾーン６に接近することができる。

【００２６】 図２により詳細に示すように、押圧機構２４はロッド３０と同軸で、ヘッド１
８及びノズル２２を包囲する円形ベースを有する中空の筒４４よりなる。マウン
ト３４に支持されたこの筒４４はマウント３４を下方、従って重なりゾーン６に
向けて延ばす。

【００２７】 この筒４４の下縁面４６には、中にボール５０が保持される開口した環状球路
４８を備えている。このボール５０は球路５０内を自由に走行できる。ボール５
０の下部は縁面４６から下方に突出している。

【００２８】 筒４４の縁面４６及び球路４８は筒４４の軸線Ｘ−Ｘを横断する平面に対して
傾斜しており、従って、重なりゾーン６に対して傾斜している。

【００２９】 ボール５０は筒４４及び構造体１４により、重なりゾーン６の領域内でシート
４に対して押圧されている。

【００３０】 シート５は、図１の平面に対して直交して形成される直線状の溶接シーム５１
の全長に略沿ってシート５の下に延びるベース２６に当接している。

【００３１】 シート４及び５の面７及び８を重なりゾーン６内で互いに溶接するには、ヘッ
ド１８がレーザー源１６により放射されるレーザー光線５２を重なりゾーン６で
焦点を合わせる。このレーザー光線５２は照射領域５３で略直交する方向に重な
りゾーン６に当たる。光線５２はシート４を通過するに従ってシート４を溶かし
、次いでシート５に到達し、シート５を貫通せずにそれを部分的に溶かす。

【００３２】 完全には貫通しない直線状の溶接シーム５１を形成するには、図２の矢印Ｄで
示すように、ヘッド１８を支持する構造体１４を板４及び５の縁部に沿って水平
に、即ち、図１の平面に対して直交する方向に移動させる。重なりゾーン６に対
して平行なこの移動中に、ヘッド１８、ノズル２２及び押圧機構２４は構造体１
４に固定されている。レーザー光線５２及び照射領域５３は矢印Ｄの向き及び方
向に移動する。レーザー光線５２が通過すると、溶けた金属が凝固して溶接シー
ム５１が形成される。

【００３３】 構造体１４の直線移動の間、ヘッド１８の移動の影響を受けるボール５０はシ
ート４に沿って走行し照射領域５３の移動の向きに対して該照射領域５３の前方
にとどまる。従って、ボール５０は図２において領域５３の右側に移動する。シ
ート４に沿って転がるボール５０はシート５の面８に対してシート４の面７を押
圧し、シート５はベース２６により保持される。従って、重なりゾーン６におけ
る部品４と５との間の間隔の制約を満たし、シーム５１を形成することができる
。

【００３４】 移動Ｄの向きに対して照射領域５３の後方では、即ち図２の左側では、シート
４及び５が溶接シーム５１により互いに押圧されて保持される。

【００３５】 ノズル２２はレーザー光線５２の周囲に不活性ガス流５８を形成する。この流
れがシート４の上面５９に当たり、形成された溶接プールを保護する。

【００３６】 支持構造体１４の性質により、ヘッド１８及び押圧機構２４を所定の溶接位置
に移動し、次いでこれらの部材を所定の溶接路に沿って移動することが可能とな
る。押圧機構２４は重なりゾーン６と平行な方向へのヘッド１８の移動、従って
照射領域５３の移動を受ける。

【００３７】 重なりゾーン６と直交する方向のヘッド１８の位置を矢印４２で示すように押
圧機構２４の位置とは独立して変更しても良い。

【００３８】 ボール５０は図２の右側に示すように球路４８の最も低い点に自身を位置決め
する傾向があるため、球路４８を傾斜させることによりボール５０は好適な位置
に来る。従って、図１の矢印４０で示すように、筒４４をロッド３０の軸線Ｘ−
Ｘ回りに回転させることにより、形成される溶接シーム５１の形状に係わらず、
ボール５０を常に光線５２の照射ゾーン５３より前方に位置づけることができる
。

【００３９】 図３は直角を含む溶接シーム５１の形成の一例を示す。

【００４０】 溶接シーム５１の第１直線部５１Ａが形成された後、且つ部分５１Ａに直交す
る溶接シーム５１の第２部５１Ｂが形成される前の状態の押圧機構２４が直角を
なして実線で示されている。図面に矢印５９で示すように図３において筒４４を
時計方向に１／４回転させることにより、ボール５０が適切な位置（図３の下）
にきて溶接シーム５１の第２部５１Ｂ（破線）が形成される。押圧機構２４は溶
接シームの部分５１Ａ及び５１Ｂの形成にそれぞれ対応する２つの位置で鎖線で
示されている。

【００４１】 従って、装置２は透過溶接により、比較的長さの長い、互いに重なったシート
に様々な形状のレーザー溶接シームを形成することができる。局部的な押圧機構
２４により部品４及び５を挟むための多数のラムを使用せずに比較的経済的にこ
れらの溶接シームを形成することができる。

【００４２】 構成要素の種々の要素の構造体１４及びヘッド１８をラム及び／或いは電気モ
ータ等の従来の手段で移動させても良い。

【００４３】 このような装置をロボットにより全て作動させても良いし、或いは種々のモー
タやラムに連結された制御ユニットを使用して自動的に作動させても良い。

【００４４】 図示しない別の形態によれば、マウント３４、従って筒４４をこれらがロッド
３０の軸線Ｘ−Ｘ回りに自由に回転できるように取り付けても良い。この場合、
ボール５０は重なりゾーン６に平行な方向のヘッド１８の移動に対して自動的に
後側に位置決めされる。従って、マウント３４を軸線Ｘ−Ｘ回りに回転させるた
めの手段を必要とせずに、ボール５０はヘッド１８の移動方向がどのような方向
であろうがその方向に対して領域５３の後方に自動的に向けられる。この結果は
、ヘッド１８の移動の向き及び／或いは方向に変化が生じた時に、筒４４を軸線
Ｘ−Ｘ回りに自動的に回転させることにより得られる。

【００４５】 図４に示す別の形態によれば、筒４４の下縁面４６は筒４４の軸線Ｘ−Ｘに対
して略直交している。この下縁面４６には３つのハウジング６０Ａ、６０Ｂ及び
６０Ｃが形成されている。各ハウジングはそれぞれボール５０Ａ、５０Ｂ及び５
０Ｃを保持し、対応するボールと合致する形状を成す。これらのボールは図１〜
図３のボール５０と同様に、照射領域５３の先のシート４に沿って転動させるこ
とを意図したものである。

【００４６】 ハウジング６０Ａ、６０Ｂ及び６０Ｃは角度αを画成する筒４４の縁面４６の
領域に均一に形成されている。この別の形態によれば、シート４及び５の面７及
び８はレーザー光線５２の照射の領域の先でより広い領域にわたり互いに押圧さ
れる。

【００４７】 ハウジング６０Ａ、６０Ｂ及び６０Ｃの形状によりボール５０Ａ、５０Ｂ及び
５０Ｃは照射領域５３の前方で正確に位置決めされる。

【００４８】 図示しないその他の形態では、転動するボールの数はより多くても良く、また
画成される角度αは３６０°と広くても良い。後者の場合、ボールは筒４４の全
体の縁面４６にわたり均一に分配され、押圧機構２４はレーザー光線５２の照射
の領域５３の周囲で直接シート４を押圧する。

【００４９】 図示しない他の実施形態では、構造体１４はラムを備えた関節アームシステム
よりなり、これにより重なった金属部品をより高い自由度で様々な位置で互いに
溶接することができる。

【００５０】 図５及び図６は、それぞれの前縁部６４及び６５が重なった重なりゾーン６に
沿って互いに溶接された２枚のシート４及び５のコレクション６２を示している
。

【００５１】 全体として長方形のシート４及び５はそれぞれの横方向縁部に沿って２つのＵ
字部分７０及び７２に溶接シーム６６〜６９を介して既に溶接されている。

【００５２】 例えばこれらのＵ字部分７０及び７２は鉄道車両の車体のフレーム構造の要素
であり、シート４及び５はこの車体の外殻を形成するためのものである。例えば
溶接シーム６６〜６９は図１〜図３の装置２を使用して透過溶接により形成され
、従ってＵ字部分７０及び７２はベース２６ではなく上記フレーム構造の残りの
部分により支持されている。

【００５３】 シート４及び５はＵ字部分７０と７２との間で延びている。従ってシート４及
び５は互いに対して固定されている。

【００５４】 シート５の前縁部６５はＬ字状中央部分７４により図５及び図６において下方
に延びている。この部分７４はシート５を重なりゾーン６から離れる方向に曲げ
ることにより形成されている。この部分７４は、縁部６５から始まり、シート５
の残りの部分に対して直交するＬを形成する２枚の連続する長方形パネル７６及
び７８よりなる。この部分７４はシート５の縁部６５の曲げ剛性を高める。

【００５５】 溶接シーム５１（図５に破線で示す）を形成するために上記フレーム構造によ
り保持されるＵ字部分７０及び７２により、溶接装置２の押圧機構２４は重なり
ゾーン６の領域でシート４に対して押圧される。剛性部分７４により、Ｕ字部分
７０と７２との間で、且つ重なりゾーン６内にある面８の領域が曲げに抵抗して
シート４及び５の面７及び８がゾーン６内で互いに押圧される。

【００５６】 従って、剛性部７４によれば、Ｕ字部分７０と７２との間で片持ち式に突出す
る縁部６５の領域の下に保持支持構造体を位置決めすることなしに溶接シーム５
１を形成することができる。この特徴により重なったシートを比較的長い長さに
わたり、より容易に透過溶接を行うことができる。

【００５７】 図示しない別の形態では、剛性部分は異なる形状でも良く、特にシートの厚い
領域により形成しても良い。

【００５８】 剛性部分７４を有する何枚かのシートを互いに接合することができる。従って
、前縁部だけが剛性部分７４を有するシートの場合、第１シートは第２シートの
後縁部と前縁部との重なり部で接合され、第２シートの後縁部自身は第３シート
の前縁部との重なり部に接合され、以降同様に順次接合される。

【００５９】 剛性部分７４を有するこのようなシートは鉄道車両の車体フレームを覆うのに
使用することができる。

【００６０】 図７は、本質的にシャーシ８２、トップ或いは屋根８３及び２つの側壁８４よ
りなる鉄道車両の車体８１を示している。

【００６１】 図８により詳細に示すように、屋根８３は車体８１の全長に沿って互いに均等
に配置された、湾曲した横方向の梁８５よりなる支持フレーム構造８４０より構
成され、支持フレーム構造８４０上に外殻８６が固定される。

【００６２】 この外殻８６は波形のシートよりなり、図８にはそのうちの２枚が示されてい
る。これら２枚のシート８７及び８８は車体８１の長手方向、即ち図７及び図８
の平面に対して直交する方向に延びる重なりゾーン８９に沿って溶接されている
。シート８７及び８８は梁８５間の空間でシート８８に設けられた部分７４によ
り互いに溶接されている。上述のように、これらの剛性部分によりシート８７及
び８８は片持ち式に突出したゾーンで互いに溶接されている。

【００６３】 剛性部分を備えるこれらのシートはシャーシ２を形成するのにも使用して良い
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるレーザー溶接装置の正面図である。

【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ線拡大断面図である。

【図３】 図１の装置の１つの使用例を示す２枚の重なったシートの部分平面図である。

【図４】 図１の装置の押圧機構の別の形態を示す底面図である。

【図５】 互いに溶接される２枚の重なったシートの切り欠き部の斜視図である。

【図６】 図１の装置を使用して図５のシートを溶接する状態を示した図５のＶＩ−ＶＩ
線断面図である。

【図７】 鉄道車両の車体断面図である。

【図８】 図７の輪ＶＩＩＩの部分の拡大断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２枚のシート（４、５；８７、８８）をその重な
   りゾーン（６；８９）に沿ってレーザー溶接する方法であって、前記シートのう
   ち少なくとも第１シート（５；８８）は前記重なりゾーン（６；８９）に沿う前
   記シート（５；８８）の曲げに抵抗するよう構成された、前記重なりゾーン近傍
   の剛性手段（７４）を具備していない、前記第１シート（５；８８）の少なくと
   も１つの領域は前記重なりゾーン（６；８９）内に片持ち式に突出し、前記剛性
   手段はこの片持ち領域近傍に設けられ、レーザー溶接装置（２）の押圧機構は他
   方のシート（４；８７）に対して押圧して上記両シートを前記重なりゾーン（６
   ；８９）で互いに接触状態に保持し、前記レーザー溶接装置は前記重なりゾーン
   に沿って前記両シートを溶接するのに使用されることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記剛性手段は前記第１シート（５；８８）の一体部分とし
   て形成されたプロフィール部分（７４）よりなることを特徴とする請求項１に記
   載の方法。
3. 【請求項３】 前記プロフィール部分（７４）は前記第１シート（５；８８
   ）をその近傍の前記重なりゾーン（６；８９）から離れる方向に曲げることによ
   り形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記プロフィール部分は前記第１シート（５；８８）の肉厚
   部であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記溶接装置（２）により放射されたレーザー光線（５２）
   が前記他方のシート（４；８７）を貫通して該他方のシートを、前記重なりゾー
   ン（６；８９）において互いに対向する両シートの表面で前記第１シート（５；
   ８８）に溶接し、従って前記方法はレーザー透過溶接方法を構成することを特徴
   とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 少なくとも１つの支持フレーム構造（８４０）と外殻（８６
   ）よりなり、前記外殻（８６）は重なりゾーン（８９）にて互いに溶接されると
   共に前記支持構造体（８４０）にも溶接されたシート（８７；８８）のコレクシ
   ョンよりなる、鉄道車両の車体（８１）であって、前記外殻の前記シートを接合
   するための溶接部が請求項１から５のいずれか一項に記載の方法により形成され
   ることを特徴とする鉄道車両の車体。