JP2008246548A

JP2008246548A - 金属材の接合方法及びフィラー

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Publication number: JP2008246548A
Application number: JP2007092674A
Authority: JP
Inventors: Takeji Arai; 武二新井
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP5170860B2

Abstract

【課題】溶接線の形状や作業スペースの広狭によらずに適用可能な金属材の接合方法、及びこれに用いるフィラーを提供する。
【解決手段】この金属材の接合方法では、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂを含む面と、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａを含む面との交線Ｌ１に沿って、当該交線Ｌ１の形状に対応させて予め成形した円環状のフィラー４を配置する。このため、側梁１と横梁２とを接合する際には、フィラー４に向けてのレーザビームの光路を確立するためのスペースを確保しさえすればよい。かかるレーザビームの光路は、光学系の調整によって容易に行うことができる。したがって、狭小な領域を溶接する場合や、溶接線が閉曲線その他の複雑な形状をなしているような場合であっても、側梁１と横梁２との接合を適切に行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材の接合方法及びフィラーに関する。

この種の分野に関連する技術として、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接方法がある。この従来のレーザ溶接方法では、ワーク上でのレーザビームの照射位置に対し、溶接進行方向の前方側となる位置にサイドノズルを配置している。そして、サイドノズルの内部を通すようにして、レーザビームの照射位置に向けてフィラーワイヤを供給している。
特開２００２−１０３０７８号公報

しかしながら、上述した従来のレーザ溶接方法のように、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給する場合、溶接の開始から終了に至るまで、照射位置とサイドノズルとの位置関係を保っておく必要がある。そのため、サイドノズルが届かないような狭小な領域を溶接する場合には適用が困難であるし、溶接線が閉曲線その他の複雑な形状をなしているような場合には、サイドノズルの取り回しや旋回を行うための作業スペースの確保が必要であった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接線の形状や作業スペースの広狭によらずに適用可能な金属材の接合方法、及びこれに用いるフィラーを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る金属材の接合方法は、互いに当接又は交差させた第１の金属材及び第２の金属材をレーザ溶接によって接合する金属材の接合方法であって、第１の金属材の外周面を含む面と、第２の金属材の外周面を含む面との交線に沿って、当該交線の形状に対応させて予め成形したフィラーを配置する配置工程と、フィラーに向けてレーザビームを照射し、フィラーを溶融・凝固させて形成したブリッジによって第１の金属材と第２の金属材とを接合する接合工程とを備えたことを特徴としている。

この金属材の接合方法では、第１の金属材の外周面を含む面と、第２の金属材の外周面を含む面との交線に沿って、交線の形状に対応させて予め成形したフィラーを配置する。このため、第１の金属材と第２の金属材とを接合する際には、フィラーに向けてのレーザビームの光路を確立するためのスペースを確保しさえすればよい。かかるレーザビームの光路は、光学系の調整によって容易に行うことができる。したがって、レーザビームの照射位置に向けてフィラーワイヤの供給ノズルを配置する場合とは異なり、狭小な領域を溶接する場合や、溶接線が閉曲線その他の複雑な形状をなしているような場合であっても、第１の金属材と第２の金属材との接合を適切に行うことが可能となる。また、予め成形したフィラーを配置することは、接合時の作業性の向上を実現すると共に、フィラーの供給ムラの抑制も実現する。

また、本発明に係るフィラーは、互いに当接又は交差させた第１の金属材及び第２の金属材のレーザ溶接に用いるフィラーであって、第１の金属材の外周面を含む面と、第２の金属材の外周面を含む面との交線に沿って、交線の形状に対応させて予め成形されていることを特徴としている。

このフィラーを用いた場合、第１の金属材と第２の金属材とを接合する際には、フィラーに向けてのレーザビームの光路を確立するためのスペースを確保しさえすればよい。かかるレーザビームの光路は、光学系の調整によって容易に行うことができる。したがって、レーザビームの照射位置に向けてフィラーワイヤの供給ノズルを配置する場合とは異なり、狭小な領域を溶接する場合や、溶接線が閉曲線その他の複雑な形状をなしているような場合であっても、第１の金属材と第２の金属材との接合を適切に行うことが可能となる。また、予め成形したフィラーを配置することは、接合時の作業性の向上を実現すると共に、フィラーの供給ムラの抑制も実現する。

また、フィラーは、互いに離間するように配置された複数の部分に分割されていることが好ましい。このようなフィラーの構成は、第１の金属材と第２の金属材とを点接合する際に有効となる。

また、複数の部分は、線状の連結部材によって互いに連結されていることが好ましい。この場合、連結部材を第１の金属材或いは第２の金属材に引っ掛けることにより、溶接線が鉛直方向に延びるような場合であっても、フィラーの複数の部分を第１の金属材の外周面を含む面と第２の金属材の外周面を含む面との交線に沿って配置することが可能となる。また、第１の金属材と第２の金属材との当接部分又は交差部分に隙間が生じているような場合でも、当該隙間に線状の連結部材が入り込むことで、より強固な接合を行うことができる。

また、連結部材は、複数の部分よりも融点が高い部材によって形成されていることが好ましい。この場合、フィラーの複数の部分の溶融が十分に行われた後、連結部材が溶融し、第１の金属材と第２の金属材との間の隙間を埋めることができる。

本発明に係る金属材の接合方法及びフィラーによれば、溶接線の形状や作業スペースの広狭によらずに金属材の接合を行うことが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る金属材の接合方法及びフィラーの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属材の接合方法を用いて接合した金属材の一例を示す斜視図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示す例では、鉄道車両の台車を構成する一方の側梁（第１の金属材）１と、一方の側梁１と他方の側梁（図示せず）を連結する横梁（第２の金属材）２とを接合している。

側梁１は、鉄道車両の長手方向に沿って配置される部材である。側梁１は、例えばステンレス鋼によって形成され、断面矩形の長尺の中空部材となっている。側梁１の各壁の厚さは、例えば約９ｍｍとなっている。側梁１の側壁１０，１１の端部には、横梁２の外径と略一致する径の円形の開口部１０ａ，１１ａがそれぞれ設けられている。

横梁２は、鉄道車両の幅方向に沿って配置される部材である。横梁２は、側梁１と同様に、例えばステンレス鋼によって形成され、断面円形の長尺の中空部材となっている。横梁２の壁部２０の厚さは、側梁１の各壁と同じく例えば約９ｍｍとなっている。

横梁２の一端側は、側梁１の開口部１０ａ，１１ａに通されている。これにより、側梁１と横梁２とは略直角に交差し、横梁２の一端側の端部２ａは、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂから横梁２の壁部２０の厚さの数倍程度突出した状態となっている。図示しないが、横梁２の他端側の構成も同様なものとなっている。

側梁１と横梁２との接合にあたっては、ブリッジ３が形成されている。ブリッジ３は、フィラー４（図３参照）にレーザビームを照射することにより、フィラー４を溶融・凝固させて形成される。フィラー４としては、例えば側梁１及び横梁２と同じステンレス鋼が用いられる。ブリッジ３の表面改質を行う場合には、例えばフィラー４にモリブデン粉末を混入させることもできる。

このブリッジ３は、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂを含む面（第１の金属材の外周面を含む面）と、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａを含む面（第２の金属材の外周面を含む面）との交線Ｌ１に沿って形成されている。図１及び図２に示す例では、交線Ｌ１は、横梁２の外径と略一致する円環状をなしている。したがって、ブリッジ３も交線Ｌ１に沿って円環状となっており、ブリッジ３の内径は、横梁２の外径と略一致している。

なお、交線Ｌ１の定義にあたって、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂを含む面、及び横梁２における壁部２０の外壁面２０ａを含む面を規定したのは、側梁１及び横梁２の製造ばらつきなどにより、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂと、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａとの間に隙間が生じているような場合を考慮したものである。

ブリッジ３の断面形状は、図２に示すように、側梁１と横梁２との交線Ｌ１に対応する内角が略直角となるような略二等辺三角形状となっている。ブリッジ３において、長さが等しい２つの辺に対応する面、すなわち、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂに接する面３ａ、及び横梁２における壁部２０の外壁面２０ａに接する面３ｂの長さは、それぞれ約３ｍｍとなっている。また、ブリッジ３の断面形状において、斜辺に対応する面３ｃは、交線Ｌ１側に向かって凹状に湾曲している。このような湾曲形状により、ブリッジ３に対する過度の応力集中の回避が図られている。

続いて、上述した側梁１と横梁２との接合方法について説明する。

まず、図３に示すように、ブリッジ３の形成材料であるフィラー４を用意する。フィラー４は、例えばプレス成型によって予め円環状に形成されており、フィラー４の内径は、横梁２の外径と略一致している。フィラー４の断面形状は、形成するブリッジ３に対応して略二等辺三角形状となっている。

フィラー４において、長さが等しい２つの辺に対応する面４ａ，４ｂの長さは、ブリッジ３の面３ａ，３ｂに対応させて、それぞれ約３ｍｍとなっている。また、この時点では、フィラー４の斜辺に対応する面４ｃは、凹状の湾曲をなしておらず、平面状となっている。

次に、図４に示すように、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂから突出している横梁２の一端側の端部２ａにフィラー４を嵌め込み、フィラー４の面４ａ，４ｂを側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂ、及び横梁２における壁部２０の外壁面２０ａにそれぞれ当接させる。これにより、フィラー４は、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂを含む面と、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａを含む面との交線Ｌ１に沿って配置される。なお、フィラー４を横梁２に嵌め込んだ後、治具（図示せず）等を用いてフィラー４を側梁１の外壁面１０ｂに向けて押さえ付ける工程、或いは、フィラー４を横梁２の壁部２０に対して締め付ける工程を行うようにしてもよい。

フィラー４の配置を終えた後、図５に示すように、レーザ溶接ヘッド５をフィラー４の斜辺に対応する面４ｃに直交するように配置する。そして、レーザ溶接ヘッド５を交線Ｌ１に沿って例えば０．５ｍ／分の速度で移動させながら、レーザ溶接ヘッド５の先端から例えば波長１．０６４μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザを出射させる。加工ガスには例えばアルゴンガスを使用し、ＹＡＧレーザの照射位置に向けて例えば３０リットル／分の流量で供給する。

これにより、フィラー４の斜辺に対応する面４ｃの略中央部分に沿って順次ＹＡＧレーザを照射し、フィラー４を溶融・凝固させる。このフィラー４の溶融・凝固の際に、フィラー４の斜辺に対応する面４ｃが交線Ｌ１側に向かって凹状に湾曲し、上述したブリッジ３が形成される。そして、ブリッジ３により、側梁１と横梁２とが強固に接合され、図１及び図２に示した側梁１と横梁２との接合体が完成する。

以上説明したように、この金属材の接合方法では、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂを含む面と、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａを含む面との交線Ｌ１に沿って、当該交線Ｌ１の形状に対応させて予め成形した円環状のフィラー４を配置する。このため、側梁１と横梁２とを接合する際には、フィラー４に向けてのレーザビームの光路を確立するためのスペースを確保しさえすればよい。かかるレーザビームの光路は、光学系の調整によって容易に行うことができる。

したがって、レーザビームの照射位置に向けてフィラーワイヤの供給ノズルを配置する場合とは異なり、狭小な領域を溶接する場合や、溶接線が閉曲線その他の複雑な形状をなしているような場合であっても、側梁１と横梁２との接合を適切に行うことが可能となる。また、予め成形したフィラー４を配置することは、接合時の作業性の向上を実現すると共に、フィラー４の供給ムラの抑制も実現する。

さらに、この金属材の接合方法では、フィラー４の斜辺に対応する面４ｃの略中央部分に沿ってレーザビームを照射している。このため、母材である側梁１及び横梁２自体が全部溶融してしまうことは殆どない。通常、母材を直接溶融させるような溶接では、溶接エンド（溶接線の終端部分）に窪みが生じるため、強度確保及び応力集中の回避の観点から、溶接エンドにおけるレーザビームの出力制御といった窪み処理が必要となる。これに対し、この金属材の接合方法では、かかる窪みの処理は不要となるため、一層の作業性の向上が図られる。

次に、本発明に係る金属材の接合方法の別の実施形態について説明する。この別の実施形態は、互いに離間するように配置された複数の部分４１に分割されたフィラー４０を用いる点で、円環状に一体的に成形されたフィラー４を用いる上記実施形態と異なっている。このフィラー４０は、側梁１と横梁２とを点接合する場合に有効である。

この実施形態では、まず、図６に示すように、例えばステンレス鋼からなるフィラー４０を用意する。フィラー４０は、例えばプレス成型によって予め形成された複数（ここでは６個）の部分４１を有している。各部分４１の断面形状は、側梁１と横梁２との交線Ｌ１に対応する内角が略直角となるような略二等辺三角形状となっており、長さが等しい２つの辺に対応する面４１ａ，４１ｂの長さは、それぞれ約３ｍｍとなっている。また、この時点では、各部分４１の斜辺に対応する面４１ｃは、凹状の湾曲をなしておらず、平面状となっている。そして、各部分４１は、約６０°の位相角をもって互いに離間するように円環状に配列されている。

また、各部分４１において、略直角となる内角に対応する角部４１ｄは、例えば直径０．２ｍｍ程度の線状の連結部材４２によって、隣接する各部分４１の角部４１ｄと連結されている。連結部材４２は、例えばＳＵＳ４３０系ステンレスのように、各部分４１よりも融点が高い部材によって形成されている。

次に、図７に示すように、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂから突出している横梁２の一端側の端部２ａにフィラー４を嵌め込み、フィラー４における各部分４１の面４１ａ，４１ｂを側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂ、及び横梁２における壁部２０の外壁面２０ａにそれぞれ当接させる。

このとき、各部分４１は、連結部材４２によって互いに連結されているため、連結部材４２を横梁２の端部２ａに引っ掛けることにより、各部分４１を交線Ｌ１に沿って配置することができる。また、連結部材４２は、交線Ｌ１に沿って配置されるが、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂと、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａとの間に隙間が生じているような場合には、その隙間を埋めるように配置されることとなる。

以下、上述した実施形態と同様に、フィラー４における各部分４１の斜辺に対応する面４１ｃの略中央部分に順次レーザビームを照射することにより、フィラー４が溶融・凝固してブリッジ（図示せず）が形成され、側梁１と横梁２とが強固に接合される。

このような実施形態においても、側梁１と横梁２とを接合する際に、フィラー４に向けてのレーザビームの光路を確立するためのスペースを確保しさえすればよいため、狭小な領域を溶接する場合や、溶接線が閉曲線その他の複雑な形状をなしているような場合であっても、側梁１と横梁２との接合を適切に行うことが可能となる。

また、連結部材４２にレーザビームを照射することにより、側梁１における側壁１０の外壁面１０ｂと、横梁２における壁部２０の外壁面２０ａとの間に隙間が生じているような場合であっても、当該隙間にブリッジを形成することが可能となる。これにより、側梁１と横梁２との強固な接合が可能となる。さらに、連結部材４２として、フィラー４の各部分４１よりも融点の高い部材を用いることで、フィラー４の各部分４１の溶融が十分に行われた後、連結部材４２が溶融して側梁１と横梁２との間の隙間を埋めることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、側梁１及び横梁２の材質は、ステンレス鋼に限られず、アルミ合金、高張力鋼、その他の一般鋼であってもよい。また、フィラー４の断面形状は、二等辺三角形状に限られず、円形状であってもよい。この場合であっても、レーザビームの照射によってフィラー４が溶融・凝固すると、図２に示したものと同様の形状のブリッジを得ることができる。

また、例えば上記実施形態では、断面矩形の中空の側梁１と断面円形の中空の横梁２との接合を例示したが、本発明に係る金属材の接合方法は、図８に示すように、平板状の金属材５０の一方面５０ａと、Ｈ型鋼５１の端部５１ａとの突き合わせ溶接に適用することもできる。この場合、金属材５０の一方面５０ａを含む面と、Ｈ型鋼５１における側壁の外壁面５２を含む面とがなす交線Ｌ２に沿って、当該交線Ｌ２の形状に対応させて予め成形したＨ字状のフィラー５３をＨ型鋼５１の端部５１ａに嵌め込むようにする。

また、本発明に係る金属材の接合方法は、図９に示すように、Ｈ型鋼６０の側壁面６０ａと、Ｃ型鋼６１の端部６１ａとの突き合わせ溶接に適用することもできる。この場合、Ｈ型鋼６０の側壁面６０ａを含む面と、Ｃ型鋼６１における側壁の外壁面６２を含む面とがなす交線Ｌ３に沿って、当該交線Ｌ３の形状に対応させて予め成形したＣ字状のフィラー６３をＣ型鋼６１の端部６１ａに嵌め込むようにする。

さらに、図１０に示すように、Ｖ字開先となっている平板状の金属材７０，７１の端部７０ａ，７１ａ同士の突き合わせ溶接において、突き合わせ部分の隙間を埋めるように、金属材７０の一方面７０ｂを含む面と、金属材７１の一方面７１ｂとの交線Ｌ４に沿って断面三角形状の線状のフィラー７２を配置してもよい。

また、図１１に示すように、平板状の金属材８０の一方面８０ａと、Ｖ字開先となっている平板状の金属材８１の端部８１ｂとの突き合わせ溶接において、突き合わせ部分の隙間を埋めるように、金属材８０の一方面８０ａを含む面と、金属材８１の一方面８１ａとの交線Ｌ５に沿って断面三角形状の線状のフィラー８２を配置してもよい。

本発明の一実施形態に係る金属材の接合方法を用いて接合した金属材の一例を示す斜視図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。本発明の一実施形態に係るフィラーの斜視図である。本発明の一実施形態に係る金属材の接合方法の工程を示す図である。図４の後続の工程を示す図である。本発明の別の実施形態に係るフィラーの斜視図である。本発明の別の実施形態に係る金属材の接合方法の工程を示す図である。本発明に係る金属材の接合方法における別の適用例を示す図である。本発明に係る金属材の接合方法における更に別の適用例を示す図である。本発明に係る金属材の接合方法における更に別の適用例を示す図である。本発明に係る金属材の接合方法における更に別の適用例を示す図である。

符号の説明

１…側梁（第１の金属材）、２…横梁（第２の金属材）、３…ブリッジ、４，４０，５３，６３，７２，８２…フィラー、１０ｂ…外壁面（第１の金属材の外周面）、２０ａ…外壁面（第２の金属材の外周面）、４１…複数の部分、４２…連結部材、５０…金属材（第１の金属材）、５０ａ…一方面（第１の金属材の外周面）、５１…Ｈ型鋼（第２の金属材）、５２…外壁面（第２の金属材の外周面）、６０…Ｈ型鋼（第１の金属材）、６０ａ…側壁面（第１の金属材の外周面）、６１…Ｃ型鋼（第２の金属材）、６２…外壁面（第２の金属材の外周面）、７０，８０…金属材（第１の金属材）、７０ｂ，８０ａ…一方面（第１の金属材の外周面）、７１ｂ，８１ａ…一方面（第２の金属材の外周面）、７１，８１…金属材（第２の金属材）、Ｌ１〜Ｌ５…交線。

Claims

互いに当接又は交差させた第１の金属材及び第２の金属材をレーザ溶接によって接合する金属材の接合方法であって、
前記第１の金属材の外周面を含む面と、前記第２の金属材の外周面を含む面との交線に沿って、前記交線の形状に対応させて予め成形したフィラーを配置する配置工程と、
前記フィラーに向けてレーザビームを照射し、前記フィラーを溶融・凝固させて形成したブリッジによって前記第１の金属材と前記第２の金属材とを接合する接合工程とを備えたことを特徴とする金属材の接合方法。
前記フィラーは、互いに離間するように配置された複数の部分に分割されていることを特徴とする請求項１記載の金属材の接合方法。
前記複数の部分は、線状の連結部材によって互いに連結されていることを特徴とする請求項２記載の金属材の接合方法。
前記連結部材は、前記複数の部分よりも融点が高い部材によって形成されていることを特徴とする請求項３記載の金属材の接合方法。
互いに当接又は交差させた第１の金属材及び第２の金属材のレーザ溶接に用いるフィラーであって、
前記第１の金属材の外周面を含む面と、前記第２の金属材の外周面を含む面との交線に沿って、前記交線の形状に対応させて予め成形されていることを特徴とするフィラー。
互いに離間するように配置された複数の部分に分割されていることを特徴とする請求項５記載のフィラー
前記複数の部分は、線状の連結部材によって互いに連結されていることを特徴とする請求項６記載のフィラー。
前記連結部材は、前記複数の部分よりも融点が高い部材によって形成されていることを特徴とする請求項７記載のフィラー。