JP2006224129A - レーザ溶接構造及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、金属部材同士の溶接部における外観の平滑化を図ると共に、水密性を向上することを可能にしたレーザ溶接構造及びレーザ溶接方法を提供すること。
【解決手段】 平板状の腰板１６の内側に位置している骨部材２０は、一対のフランジ部２０ａ，２０ｂを有する断面ハット形状をなしており、フランジ部２０ａとフランジ部２０ｂと腰板１６とが密着に重ね合わせられている。このフランジ部２０ａ側の端部２０ｃとフランジ部２０ｂ側の端部２０ｄとが腰板１６の表面に配置されて、それぞれ溶接ビード２２と溶接ビード２４とに覆われている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、金属部材同士、特に鉄道車両構体の製造に用いられる金属部材同士のレーザ溶接構造及びレーザ溶接方法に関する。

鉄道車両構体の製造に用いられる金属部材同士の溶接方法として、スポット溶接方法が広く知られている。例えば特許文献１に記載されているように、外板と骨部材のフランジ部とを重ね合わせて、重ね代部分をスポット溶接で点溶接し、これらの金属部材同士を接合する方法が開示されている。
特開平０９−２０４１４号公報（段落００１５、図３）

しかし、上記のスポット溶接方法では、外板と骨部材との溶接部の表面にスポット溶接用の電極押圧による圧痕や、高温酸化による変色が残るため、車両の外観を損なっている。特に無塗装で使用されるステンレス車両の場合は、スポット溶接後の圧痕の補修作業や変色の洗浄作業が不可欠となるという問題があった。また、スポット溶接により不連続に溶接された外板と骨部材との溶接部は、水密性が低いため、別途の外板と骨部材との重ね合わせ部分の端部におけるシール処理を施す工程が必要であり、製造コスト上昇の一因となっている。さらに、この水密性を保つシールは老朽化により定期的に補修する作業が必要であり、車両のメンテナンス費用が嵩むという問題があった。

本発明の目的は、このような問題に鑑みてなされたものであり、金属部材同士の溶接部における外観の平滑化を図ると共に、水密性を向上することを可能にしたレーザ溶接構造及びレーザ溶接方法を提供することにある。

本発明に係るレーザ溶接方法は、第１金属部材の板状部分の端部が、第２金属部材の上面に配置されるように、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて、これらを連続に接合するレーザ溶接方法であって、第１金属部材の端部を追従しながら、レーザビームを照射することを特徴とする。

本発明によれば、第１金属部材の板状部分の端部が第２金属部材の上面に配置されるように、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて、第１金属部材の端部を追従しがらレーザ溶接することにより、第１金属部材と第２金属部材との溶接部が連続に溶接ビードに覆われることとなる。この溶接ビードは金属部材同士の重ね合わせ部分の内部へ水などが浸入することを防止するため、溶接部の水密性を向上することができる。また、レーザ溶接において、溶接装置が直接に第１金属部材と第２金属部材とを接触することがないため、これらの金属部材の表面にはスポット溶接のように圧痕や高温酸化による変色が発生せず、金属部材同士の溶接部における外観の平滑化を図ることができる。

本発明に係るレーザ溶接方法において、第１金属部材の端部は、面取りされ、または段差がつけられていることが好適である。このようにすれば、第１金属部材の板厚が大きい場合でも、容易に第１金属部材と第２金属部材とを接合することができる。

本発明に係るレーザ溶接構造は、第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせてレーザ溶接により形成されたレーザ溶接構造であって、第１金属部材の溶接された端部が第２金属部材の表面に配置され、溶接ビードにより覆われており、溶接ビードは第２金属部材の内部まで溶け込んでおり、第２金属部材の内部に受け止められていることを特徴とする。

本発明によれば、溶接ビードが第１金属部材の端部を覆い、第２金属部材の内部まで溶け込んでおり、第２金属部材の内部に受け止められていることにより、第１金属部材と第２金属部材との溶接部が連続に溶接ビードに覆われる状態となる。この溶接ビードは金属部材同士の重ね合わせ部分の内部へ水などが浸入することを防止するので、溶接部の水密性を向上することができる。また、レーザ溶接を用いることにより、溶接装置が直接に第１金属部材と第２金属部材とを接触することなく、これらの金属部材の表面にはスポット溶接のように圧痕や高温酸化による変色が発生せず、金属部材同士の溶接部における外観の平滑化を図ることができる。さらに、溶接ビードは第２金属部材の内部まで溶け込んでおり、第２金属部材の内部に受け止められているため、十分な溶接強度が得られると共に、溶接ビードによる第２金属部材の外面に与える影響を最小限に抑えることができ、その外面の変形を防止することができる。

本発明によれば、金属部材同士の溶接部における外観の平滑化を図ると共に、水密性を向上することを可能にしたレーザ溶接構造及びレーザ溶接方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態であり、鉄道車両構体に用いられるレーザ溶接構造及びレーザ溶接方法について詳細に説明する。なお、説明において、同一又は同等の構成要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は第１実施形態に係る鉄道車両構体を示す斜視図である。図１に示すように、鉄道車両構体１は、内部に乗客を収容する空間を有する略箱型の形状をなしており、台枠２と側構体４と屋根構体６と妻構体８とから構成されている。台枠２は矩形状を有し、車両構体１の底部に位置している。台枠２の周縁には、車両の進行方向に対する両側に位置する側構体４と、車両の前側及び後側に位置する妻構体８とが台枠２を囲むように立設されている。車両構体１の上部にはアーチ状の屋根構体６が配置されている。また、屋根構体６には、車室内の冷暖房を行うためのエアコンディショナー７やパンタグラフが据え付けられている。なお、鉄道車両構体１はオールステンレス製であるとする。

側構体４は、４個のドアユニット（第２金属部材）９と５個の側構体ブロック１０とを交互に並設し、接合により構成されている。側構体ブロック１０は、図２に示すように、幕板（第２金属部材）１２と、窓枠パネル１８と、前後一対の吹き寄せ板１４と、腰板（第２金属部材）１６とが互いに接合されて構成されている。窓枠パネル１８は、側構体ブロック１０の中央部に配置されている。幕板１２は、ドアユニット９，９間の長さを有し、窓枠パネル１８の上方に配置され、幕板１２の上辺端部は屋根構体６に接合されており、幕板１２の下辺端部は窓枠パネル１８及び吹き寄せ板１４の上辺端部に接合されている。腰板１６は、ドアユニット９，９間の長さを有し、窓枠パネル１８の下方に配置されており、腰板１６の上辺端部は窓枠パネル１８及び吹き寄せ板１４の下辺端部に接合されており、腰板１６の下辺端部は台枠２と接合されている。吹寄せパネル１４は、窓枠パネル１８と略同じ高さを有し、幕板１２と腰板１６との間で窓枠パネル１８の両側方に配置されており、吹き寄せ板１４の上辺端部は幕板１２の下辺端部に接合され、吹き寄せ板１４の下辺端部は腰板１６の上辺端部に接合されている。さらに、このような側構体ブロック１０では、腰板１６に裾絞り部１７が形成されている。

図２に示すように、腰板１６の内側において、腰板１６と吹き寄せ板１４との隣接側には、吹き寄せ板１４と同じ長さを有する骨部材（第１金属部材）２０が車両の進行方向に沿って腰板１６に溶接されている。また、幕板１２の内側において、幕板１２と吹き寄せ板１４との隣接側には吹き寄せ板１４と同じ長さを有する骨部材（第１金属部材）２２と、骨部材２２と直交する骨部材（第１金属部材）２４とがそれぞれ車両の進行方向と垂直方向に沿って幕板１２に溶接されている。さらに、ドアユニット９の上部には、ドアユニット９の中心に対して左右対称にそれぞれ２本ずつの骨部材（第１金属部材）２６が車両の垂直方向に沿ってドアユニット９に溶接されている。なお、本実施形態において、骨部材２０，２２，２４，２６は一対の板状のフランジ部を有し、断面ハット形状の部材である。

図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断した腰板１６と骨部材２０の溶接構造を示す断面図である。同図に示すように、板状の腰板１６の内側に位置する骨部材２０は、一対のフランジ部２０ａ，２０ｂを有する断面ハット形状をなしており、板状のフランジ部２０ａとフランジ部２０ｂとがそれぞれ腰板１６と密着に重ね合わせられている。フランジ部２０ａ側における溶接された端部２０ｃと、フランジ部２０ｂ側における溶接された端部２０ｄとが腰板１６の表面に配置され、それぞれ溶接ビード２２と溶接ビード２４とに覆われている。この溶接ビード２２，２４は腰板１６と骨部材２０との重ね合わせ部分の内部へ水などが浸入することを防止する効果があり、溶接部の水密性を向上することができる。このため、スポット溶接後の金属部材同士の重ね合わせ部分の端部におけるシール処理工程が不要となり、作業の簡単化を図ることが可能となる。また、このシールの定期補修作業もなくなり、車両のメンテナンス費用の削減効果が期待できる。

図４は、図３に示した骨部材２０のフランジ部２０ａと腰板１６との溶接状態を示す拡大断面図である。同図に示すように、レーザ溶接により形成された溶接ビード２２は骨部材２０の端部２０ｃを覆っており、さらに腰板１６の内部まで溶け込んでいる。その溶け込みは腰板１６を貫通しておらず、一定の深さで腰板１６の内部に受け止められている。これにより、腰板１６と骨部材２０との溶接部の溶接強度が十分に得られると共に、溶接ビード２２による腰板１６の外面１６ａに与える影響を最小限にすることができ、外面１６ａの変形を防止することができる。また、腰板１６の外面１６ａにはスポット溶接のように圧痕や高温酸化による変色が発生せず、平滑な腰板１６の外観が得られる。

次に、図５を参照し、腰板１６と骨部材２０とのレーザ溶接方法を説明する。なお、腰板１６と骨部材２０共にステンレス製の金属部材であることとする。

まず、腰板１６の外面１６ａが下側となるように、平滑な載置面３０ａを有する加工テーブル３０の上に腰板１６を載せて、外面１６ａと載置面３０ａとを密着させる。次に、骨部材２０の板状部分の端部２０ｃと端部２０ｄとを腰板１６の内面（上面）１６ｂに配置させると共に、骨部材２０のフランジ部２０ａとフランジ部２０ｂと内面１６ｂとを密着に重ね合わせて、拘束治具３２により腰板１６と骨部材２０とをそれぞれ拘束させる。

なお、骨部材２０の端部２０ｃは面取りされ、端部２０ｃには面取り部２０ｅが形成されている（図６参照）。同様に、骨部材２０の端部２０ｄも面取りされ、端部２０ｄには面取り部２０ｆが形成されている（図５参照）。また、端部２０ｃ，２０ｄは面取りに代えて段差がつけられてもよい。

次に、レーザ溶接装置３５を骨部材２０の端部２０ｃ（例えば端部２０ｃの上縁）に沿ってティーチング（位置決め）させた後、骨部材２０の端部２０ｃを追従しながら、骨部材２０の配置された方向に沿って一定の速度でレーザビームを照射する。レーザにより照射された骨部材２０の端部２０ｃと腰板１６の該当する部分が加熱され、溶融状態となり、冷却した後にこの溶融部分が固まり、腰板１６と骨部材２０とが接合されることとなる。次に、骨部材２０の端部２０ｄも同様な方法で腰板１６とをレーザ溶接で接合させる。なお、レーザ溶接する際に、溶接ビード２２の溶け込みが腰板１６の外面１６ａに影響を与えないように、レーザの出力や溶接速度等を制御する。また、レーザ溶接装置３５に用いられるレーザとして、ＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザやダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）などが挙げられるが、本実施形態においては、高いビーム吸収率を持つダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）が用いられている。

図５に示すように、腰板１６の外面１６ａと加工テーブル３０とを密着させることにより、レーザ溶接時発生した熱が加工テーブル３０に放熱されるため、熱による板への影響を最小限に抑えることができ、良い溶接品質や高い溶接効率が得られる。従って、加工テーブル３０は熱伝導に優れた材料、例えば銅や銅合金などで形成されることが好ましく、さらに加工テーブル３０を水冷するなどにより放熱効率が一段と向上することができる。

本実施形態によれば、腰板１６と重ね合わせられた骨部材２０の端部２０ｃ，２０ｄを追従しながらレーザ溶接することにより、骨部材２０と腰板１６との溶接部が連続に溶接ビード２２，２４に覆われることとなる。このため、溶接ビード２２，２４は腰板１６と骨部材２０との重ね合わせ部分の内部へ水などが浸入することを防止し、溶接部の水密性を向上することができる。従って、特許文献１のようにスポット溶接後の金属部材同士の重ね合わせ部分の端部におけるシール処理工程が不要となり、作業の簡単化を図ることが可能となる。このシールの定期補修作業がなくなり、車両のメンテナンス費用を削減することができる。また、レーザ溶接を用いることにより、レーザ溶接装置３５が直接に腰板１６及び骨部材２０を接触することがなく、腰板１６と骨部材２０の表面にはスポット溶接のように圧痕や高温酸化による変色が発生することなく、綺麗で平滑な腰板１６と骨部材２０との溶接部の外観が得られる。

また、レーザ溶接により発生した腰板１６と骨部材２０との熱ひずみが同一方向であるため、これらの金属部材の変形が小さく、腰板１６の外面１６ａへの影響を最小限に抑えることができると共に、溶接部の溶接強度を強化することができる。さらに、レーザ溶接は高速溶接を行うことが可能のため、作業工数の低減効果が期待できる。

また、骨部材２０の端部２０ｃ，２０ｄには、面取り部２０ｅ，２０ｆが形成されているため、溶接する際に端部の材料が溶融されやすく、骨部材２０と腰板１６とを容易に溶接することができる。骨部材２０の板厚が大きい場合でも、容易に溶接することができる。さらに、骨部材２０の端部２０ｃ，２０ｄを追従しながらレーザ溶接することにより、従来のスポット溶接のように、「Ｃ」字型の電極を入れるために必要とされる骨部材２０のフランジ部２０ａ，２０ｂの長さは短くすることができ、車体の軽量化を図ることが可能となる。

幕板１２と骨部材２２と、幕板１２と骨部材２４と、ドアユニット９と骨部材２６とについては、溶接構造及び溶接方法が腰板１６と骨部材２０と同様であるため、同様な結果が得られる。ここではその説明を省略する。

次に、図７を参照して本発明に係るレーザ溶接構造の第２実施形態について、板状のステンレス製金属部材を用いて説明する。本実施形態の特徴として、第１金属部材に該当する金属部材が２枚の外板を重ねることにより構成されることである。すなわち、図６に示すように、外板（第１金属部材）４２と外板（第１金属部材）４４と外板（第２金属部材）４０とが密着に重ね合わせられている。外板４２と外板４４との端部４２ａと端部４４ａとが外板４０の表面に配置されており、溶接ビード４６に覆われている。また、溶接ビード４６は外板４０の内部まで溶け込んでおり、外板４０の内部に受け止められている。

第２実施形態に係るレーザ溶接構造は以上の特徴を有するため、レーザ溶接する際に、まず外板４２の端部４２ａを外板４０の上面に配置されるように外板４２と外板４０とを重ね合わせた後、外板４２の上にさらに外板４４を載せる。次に、外板４２の端面と外板４４の端面とを同一平面上になるように揃え、これらの外板を拘束させて端部４２ａと端部４４ａとを追従しながらレーザビームを照射し溶接する。なお、外板４２と外板４４との端面同士は必ずしも同一平面上に揃う必要はなく、外板４０との溶接に影響を与えなければ、多少のずれがあってもよい。また、その他の溶接の手順等については第１実施形態の溶接方法と同様のため、説明を省略する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様な効果が得られる。すなわち、外板４２と外板４４との端部４２ａと端部４４ａとを追従しながらレーザ溶接することにより、外板４０と外板４２と外板４４との溶接部が連続に溶接ビード４６に覆われることとなる。溶接ビード４６は外板４２と外板４４と、外板４０と外板４２とのそれぞれの重ね合わせ部分の内部へ水などが浸入することを防止し、溶接部の水密性を向上することができる。このため、これらの金属部材同士の重ね合わせ部分の端部におけるシール処理工程が不要となり、作業の簡単化を図ることが可能となる。また、このシールの定期補修作業もなくなり、車両のメンテナンス費用の削減効果が期待できる。また、溶接ビード４６の溶け込みが外板４０を貫通しておらず、外板４０の内部に受け止められていることにより、外板４０と外板４２と外板４４との溶接部の溶接強度が十分に得られると共に、溶接ビード４６による外板４０の外面４０ａに与える影響を最小限に抑えることができ、外面４０ａの変形を防止することができる。さらに、レーザ溶接により外板４０の外面４０ａには、スポット溶接のように圧痕や高温酸化による変色が発生せず、平滑な溶接部の外観が得られる。また、レーザ溶接は高速溶接を行うことが可能のため、作業工数の低減効果が期待できる。

なお、第２実施形態では第１金属部材を外板４２と外板４４の２枚重ねのものとしたが、これに限らず、２枚以上の重ねのものを用いてもよい。なお、２枚以上の場合は、外板は薄板であることが好ましい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、骨部材の配置は第１実施形態に記述した場所に限らず、その他の必要とする場所に配置してもよい。また、金属部材の材料をステンレス鋼としたが、高張力鋼、鉄など、あるいはこれらの組み合わせを用いてもよい。

以下に本発明の実施例を示す。板状の第１金属部材と第２金属部材を用いて、上記の溶接方法で溶接したものである。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

第１金属部材材料：ステンレス鋼板ＳＵＳ３０４（板厚１．０ｍｍ）
第２金属部材材料：ステンレス鋼板ＳＵＳ３０１Ｌ−ＤＬＴ（板厚１．２ｍｍ）
ダイレクトダイオードレーザ出力：４ｋＷ
溶接速度：２０００ｍｍ／ｍｉｎ

ここで、溶接後の溶接状態について断面観察を行った。図８は本実施例の溶接状態を示す写真である。同図に示すように、上側に位置する第１金属部材とその下側に位置する第２金属部材とが隙間なく密着に溶接されている。第１金属部材の端部が第２金属部材の上面に配置されており、溶接ビードにより覆われている。この溶接ビードは下側の第２金属部材の内部まで溶け込んでいるが、第２金属部材を貫通しておらず、その内部に受け止められている。第２金属部材の下側（第１金属部材との反対側）の表面が溶接による影響を受けておらず、平滑な状態を保っている。

第１実施形態に係る鉄道車両構体を示す斜視図である。 側構体ブロックの構成を示す側面図である。 図２に示した腰板と骨部材との溶接部の断面図である。 図３における溶接部の溶接状態を示す拡大断面図である。 腰板と骨部材とのレーザ溶接を行う状態を示す説明図である。 骨部材のフランジ端部を示す拡大断面図である。 第２実施形態に係るレーザ溶接構造を示す断面図である。 実施例の溶接状態を示す写真である。

符号の説明

１…鉄道車両構体、９…ドアユニット（第２金属部材）、１２…幕板（第２金属部材）、１６…腰板（第２金属部材）、２０，２２，２４，２６…骨部材（第１金属部材）、２０ｃ，２０ｄ，４２ａ，４４ａ…端部、２２，２４，４６…溶接ビード、４０…外板（第２金属部材）、４２，４４…外板（第１金属部材）。

Claims (3)

1. 第１金属部材の板状部分の端部が、第２金属部材の上面に配置されるように、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを重ね合わせて、これらを連続に接合するレーザ溶接方法であって、
   前記第１金属部材の端部を追従しながら、レーザビームを照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記第１金属部材の端部は、面取りされ、または段差がつけられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせてレーザ溶接により形成されたレーザ溶接構造であって、
   前記第１金属部材の溶接された端部が前記第２金属部材の表面に配置され、溶接ビードにより覆われており、
   前記溶接ビードは前記第２金属部材の内部まで溶け込んでおり、前記第２金属部材の内部に受け止められていることを特徴とするレーザ溶接構造。