JP2009022979A - レーザ溶接継手および当該継手を用いた接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したシールドガス雰囲気をつくり、熱伝導のバランスが良いレーザ溶接継手および当該継手を用いた接合体を提供すること。
【解決手段】一対の被接合部材１０Ａ，１０Ｂの端部同士を突き合わせ、その突き合わせた接合部に対してシールドガスを噴射しながら行われるレーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接を行うためのものであって、一対の被接合部材１０Ａ，１０Ｂに対し、両方の被接合部材の端面から突き出した一対の接合突起１７，１８と、一方の被接合部材の端面から突き出した副突起１９とが形成され、一対の接合突起１７，１８を突き合わせた場合に、副突起１９を他方の被接合部材の端面側に突き当てることにより、一対の接合突起１７，１８と副突起１９とによって囲んだ裏側空間２０を形成するレーザ溶接継手。
【選択図】 図１

Description

本発明は、押出中空形材同士の端部を突き合わせ、レーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接によって接合するためのレーザ溶接継手および当該レーザ溶接継手によって組み立てられた車両用構体を有する接合体に関する。

鉄道車両などでは、車体軽量化に対応すべく軽量なアルミニウム合金材による車両構体などが採用され、部材同士がレーザ溶接やレーザ・アークハイブリッド溶接によって接合されている。図４は、下記特許文献１に開示された鉄道車両におけるパネル溶接構造の要部縦断面図である。これは、一対のハニカムパネル１０１が、接合部材１０２に対して上部面板１０３及び下部面板１０４が予めロウ材１０５によって接合して構成されている。そして、接合部材１０２同士は、上下の突き合わせ面がそれぞれレーザ溶接によって接合される。

一方、同じくレーザ溶接によって接合を行う下記特許文献２には、図５に示すようなレーザ溶接継手が開示されている。係合凸部２０５と係合凹部２０６が形成され、その嵌め合わせによって接合端部の突合せ状態が維持できるようになっている。そして、突き合わされた溶接突起２０３，２０４の内側には、レーザビームＬの照射方向反対側に裏側空間１０７，１０８が形成されている。そこで、接合時には溶接突部２０３，２０４の突き合わせ部にレーザビームが照射され、空隙１０７，１０８にシールドガスが流し込まれてシールドガス雰囲気になる。これにより、空隙１０７，１０８内における酸化が防止され、ビード部への酸化物の巻込みを回避した強度低下を阻止できる。
特開平７−８８６４３号公報 特開平８−５７６７０号公報 特開２００７−１２５５７３号公報

ところで、特許文献１に記載するレーザ溶接継手は、上下で突き合わされた接合部材１０２，１０２内の空間１１０が大きすぎて、仮にシールドガスを入れてもシールド環境が安定しない。また、図面上方をレーザ溶接している場合に溶滴が落ちた場合や、レーザビームが突き抜けてしまった場合には、反対側の接合部に悪影響を及ぼすことになる。
その一方で、特許文献２のレーザ溶接継手には、裏側空間１０７，１０８が形成されシールドガスが供給される。しかし、直接シールドガスを供給した場合、裏側空間１０７，１０８内の圧力が高くなってしまうと、逆に溶融部にガスが入り込んでブローホールを生じさせてしまう。

その点、上記特許文献３には、本出願人が提案した図６に示す押出中空形材３０１，３０２の溶接継手が開示されている。これは、重ね合わせた突起３１１，３１２の間に、突起３１２側に形成した溝３１５からなる裏側空間が形成され、開先３１３に行われるレーザ・アークハイブリッド溶接に際してシールドガスがレーザビームＬと同方向から吹き付けられ、溝３１５の裏側空間にシールドガス雰囲気をつくっている。しかし、この溶接継手の裏側空間は、容積が小さいため圧力が高くなってしまうおそれがあり、また、接合位置が溝３１５の端になるためシールドガスが流れにくいことも考えられる。更に、接合部は片側のみが突起３１１になっているため、熱伝導率の高いアルミなどでは左右の熱分散に偏りが生じて溶接品質を低下させることが懸念される。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、安定したシールドガス雰囲気をつくり、熱伝導のバランスが良いレーザ溶接継手および当該継手を用いた接合体を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ溶接継手は、一対の被接合部材の端部同士を突き合わせ、その突き合わせた接合部に対してシールドガスを噴射しながら行われるレーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接を行うためのものであって、前記一対の被接合部材に対し、両方の被接合部材の端面から突き出した一対の接合突起と、一方の被接合部材の端面から突き出した副突起とが形成され、前記一対の接合突起を突き合わせた場合に、前記副突起を他方の被接合部材の端面側に突き当てることにより、前記一対の接合突起と副突起とによって囲んだ裏側空間を形成するものであることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ溶接継手は、前記一対の接合突起と副突起とが、レーザビームと同方向から噴射され前記裏側空間内に入ったシールドガスによる雰囲気になる所定断面積の裏側空間を形成するようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係るレーザ溶接継手は、前記被接合部材が、上面板と下面板とを複数の斜めに配置されたリブによって接続した押出中空形材であって、その端部には上面板および下面板に直交する端部リブが形成され、前記接合突起および副突起は、その上面板側と下面板側とに対称的にそれぞれ端部リブから突き出して形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係るレーザ溶接継手は、前記接合突起と端部リブとがＲ面によって連続して形成され、上面板側と下面板側とのそれぞれについて接合突起同士を突き合わせた際、前記副突起は、曲面によって形成された先端部が前記Ｒ面付近に位置するようにしたものであることが好ましい。

本発明に係る接合体は、一対の被接合部材の端部に形成されたレーザ溶接継手に対し、シールドガスを噴射しながら行われるレーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接により、被接合部材同士を接合して構成されたものであって、前記レーザ溶接継手が、前記一対の被接合部材に対し、両方の被接合部材の端面から突き出した一対の接合突起と、一方の被接合部材の端面から突き出した副突起とが形成され、前記一対の接合突起を突き合わせた場合に、前記副突起を他方の被接合部材の端面側に突き当てることにより、前記一対の接合突起と副突起とによって囲む裏側空間を形成するものであることを特徴とする。
また、本発明に係る接合体は、前記被接合部材が、上面板と下面板とを複数の斜めに配置されたリブによって接続した鉄道車両用の長尺な押出中空形材であって、前記レーザ溶接継手は、押出中空形材の幅方向端部に前記上面板および下面板に直交する端部リブが形成され、前記接合突起および副突起が、その上面板側と下面板側とに対称的にそれぞれ端部リブから突き出して形成されたものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、一対の接合突起と副突起とによって囲んだ裏側空間を形成した接合部にレーザ溶接などを行うようにしたので、副突起の形状などによって裏側空間の容積を自由に設定することができ、安定したシールドガス雰囲気をつくってブローホールの発生を効果的に防止することが可能になるとともに、一対の接合突起の突き合わせ部分にレーザビームが照射されるため、両接合部材への熱伝導のバランスが良く、溶接品質を高いものにすることができる。

次に、本発明に係るレーザ溶接継手および当該継手を用いた接合体について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。
先ず図３は、本発明に係るレーザ溶接継手を用いた鉄道車両を示す斜視図である。この鉄道車両８０は、側面の側構体８１、屋根を形成する屋根構体８２、車体長手方向に対して両端を閉鎖する妻構体８３、そして床面を形成する台枠８４によって構成されている。特に、側構体８１と屋根構体８２は、車体一両分の長さ（２０ｍ程）の押出中空型材１０が幅方向に突き合わされ、レーザ溶接によって接合されている。

ここで、図１は、押出中空形材１０（１０Ａ，１０Ｂ）同士を接続するためのレーザ溶接継手を示した図である。この押出中空型材１０Ａ，１０Ｂは、車体軽量化に対応すべくアルミやアルミニウム合金を使用して押出し成形によってつくり出されたものである。具体的には、上面板１１と下面板１２とが幅方向に並べられた複数のリブ１３によって連結され、トラス構造をした断面形状を構成している。なお、図面を貫く方向が車体長手方向であり、図面の左右が幅方向である。そうした押出中空型材１０Ａ，１０Ｂ同士は、幅方向端部が図示するように嵌め合わされた接合部がレーザ溶接によって接合される。そのため、押出中空型材１０Ａ，１０Ｂには、幅方向端部に一組のレーザ溶接継手が形成されている。

一対の組合せからなそのレーザ溶接継手は、一方が押出中空型材１０Ａの右端部に表されているように、上面板１１および下面板１２に直交する右端の端部リブ１５を備え、その端部リブ１５から幅方向に突き出るように接合突起１７が形成されている。また、他方は、押出中空型材１０Ｂの左端部に表されているように、上面板１１および下面板１２に直交する左端の端部リブ１６が形成され、その端部リブ１５から幅方向に突き出るように接合突起１８と副突起１９が形成されている。この副突起１９は、接合突起１７，１８を突き合わせた接合部の裏側にシールドガス雰囲気をつくる裏側空間２０を形成するためのものである。

ここで図２は、上面板１１側のレーザ溶接継手の接合部を拡大して示した図である。なお、レーザ溶接継手は、図１に示すように上面板１１側と下面板１２側とで対称的な形状で形成されている。
接合突起１７，１８は、上面板１１や下面板１２の延長上に形成され、接合強度を確保するため肉厚に形成されている。そして、本実施形態では、レーザ溶接が行われる接合突起１７，１８が端部リブ１５，１６から共に突設されている。すなわち、押出中空型材１０Ａ，１０Ｂを構成するアルミは熱伝導率が高いため、特に接合突起１８側において接合部の偏った熱分散を抑えるため、左右両方の熱容量が同じになるように構成されている。

副突起１９は、端部リブ１６の付け根部分から上面板１１側（或いは下面板１２側）に傾斜或いは湾曲し、その曲面の先端が接合突起１７と端部リブ１５とが連続するＲ面２１付近に当たるように形成されている。これは、押出中空型材１０Ａ，１０Ｂの嵌め合わせが容易になるように構成したものである。つまり、上面板１１と下面板１２の両側で接合突起１７，１８を突き当てた際、上下の副突起１９がそれぞれのＲ面２１付近に位置決めされ、図１に示すように、押出中空型材１０Ａ，１０Ｂを正しい状態で容易に嵌め合わせるようになっている。

ところで、接合部の裏側にできた裏側空間２０に対し、直接レーザ溶接時にシールドガスが供給すると、シールドガスの圧力が高い場合、溶融した接合部にガスが入り込んでしまいブローホールが生じやすくなる。そこで、本実施形態のレーザ溶接継手を使用した溶接では、シールドガスを副突起１９によってできた裏側空間２０へ直接供給することはせず、レーザビームＬと同方向から噴射するものだけとする。

その際、接合部裏側でのシールド環境が安定したものとなるようにするためは、裏側空間２０が所定の容積で形成されていることが必要である。容積の大小によって裏側空間２０内のシールドガス圧力が高すぎたり、低すぎたりすることによってブローホールが発生してしまうからである。そこで本実施形態では、裏側空間２０の容積が適切な値になるように、検討結果に基づいて、図２に示す当該断面積が６〜１５ｍｍ² となるように形成されている。

具体的には、接合突起１７，１８の端部リブ１５，１６の外面からの突出量が０．５〜３ｍｍの間で形成され、副突起１９の端部リブ１６の外面からの突出量が１０ｍｍ以下で形成される。更に、その副突起１９と接合突起１８の向かい合う面同士であって、最も離れた位置での距離が３ｍｍ以下になるようにして形成されている。また、裏側空間２０のシールド環境が安定するように、副突起１９の先端が端部リブ１５側から離間してしまう場合であっても、その隙間が２ｍｍ以下になるように形成されている。

次に、鉄道車両８０では、こうしたレーザ溶接継手を有する押出中空形材１０（１０Ａ，１０Ｂ）が幅方向に突き合わされ、その接合部分がレーザ溶接によって接合され側構体８１や屋根構体８２が構成される。押出中空型材１０Ａ，１０Ｂを接合する場合、接合突起１７，１８の突き合わせ面が接合部２２となる。従って、そのレーザ溶接継手には、図１に示すように上面板１１及び下面板１２の外側からそれぞれ接合部２２にレーザビームＬが照射される。

そして、接合部２２には、レーザビームＬと同方向から同時にシールドガスが吹き付けられる。接合部２２は、押出中空形材１０Ａ，１０Ｂの長手方向に連続する接合線となるため、レーザ溶接では、レーザビームＬがその接合線に沿って連続照射され、シールドガスがその進行方向前方から吹き付けられる。レーザビームが照射された接合部２２では、集中的な加熱によって接合突起１７，１８が溶融して溶接が行われる。その際、レーザビームＬの照射部分には隙間ができるため、そこからシールドガスが反対側に流れ込んで裏側空間２０内にシールドガス雰囲気がつくられる。

本実施形態のレーザ溶接継手によれば、所定容積の裏側空間２０が形成され、安定したシールドガス雰囲気がつくられるので、レーザ溶接によって発生し得るブローホールなどの欠陥を効果的に防止することができる。そのため、品質の良いレーザ溶接によってできた鉄道車両を提供することが可能になる。また、本実施形態では、副突起１９を設けて裏側空間２０を形成する簡単な構成によって、シールドガス雰囲気をつくり、それによって接合部の品質を高めることができた。更に、接合部２２の左右両側が同じ断面の接合突起１７，１８であるため、偏った熱分散を抑えることができ、熱伝導率が高いアルミであっても、左右両方の熱容量を同じにして溶接品質を高めることが可能になった。

また、本実施形態のレーザ溶接継手では、上面板１１及び下面板１２の両側に副突起１９を形成し、それをＲ面２１付近に当てるようにして押出中空型材１０Ａ，１０Ｂの端部同士を嵌め合わすため、極めて容易に厚さ方向（図面上下方向）の位置合わせを行うことができるようになった。更に、副突起１９があることにより、例えば上面板１１側の接合時に、接合部２２が溶融して生じた溶滴を受けることによって、反対の下面板１２側への溶滴による影響を防止することができるようになった。また、仮に接合部２２をレーザビームＬが貫通してしまった場合があっても、副突起１９に当たることで反対の溶接部への影響を防止することができる。

本実施形態のレーザ溶接継手を備えた押出中空形材１０（１０Ａ，１０Ｂ）は、端部リブ１５，１６が形成されているので、上面板１１や下面板１２が薄肉（２〜３ｍｍ）であっても幅方向端部の剛性を高めることができた。従って、鉄道車両を構成する押出中空形材１０は、２０ｍ程の長尺な部材であるため、端部リブ１５，１６がないもののように、車体組み立て時に上面板１１や下面板１２を変形させてしまうおそれがなくなった。すなわち、押出中空形材１０の取り扱いが容易になった。

ところで、本実施形態のレーザ溶接継手は、レーザ・アークハイブリッド溶接による接合方法の場合にも有効である。レーザ・アークハイブリッド溶接では、嵌め合わせた押出中空型材１０Ａ，１０Ｂの接合部２２に対し、レーザビームＬの照射とともに、進行方向の前方からはシールドガスが吹き付けられる。更に、進行方向後方には、例えばＭＩＧトーチによりＭＩＧアークが供給されることで溶接が行われる。その際、前述したレーザ溶接の場合と同様に、接合部２２に吹き付けられたシールドガスが裏側空間２０内に入り込んでシールドガス雰囲気がつくられる。そして、レーザ溶接と同様の効果を奏する。

以上、本発明に係るレーザ溶接継手および当該継手を用いた接合体の一実施形態について説明したが、本発明はこれ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。

レーザ溶接継手の一実施形態を示した図である。 図１に示すレーザ溶接継手を拡大して示した図である。 レーザ溶接継手を用いた鉄道車両を示す斜視図である。 特許文献１に開示された鉄道車両におけるパネル溶接構造の要部縦断面図である。 従来のレーザ溶接継手を示した図である。 従来のレーザ溶接継手を示した図である。

符号の説明

１０（１０Ａ，１０Ｂ） 押出中空形材
１１ 上面板
１２ 下面板
１３ リブ
１５，１６ 端部リブ
１７，１８ 接合突起
１９ 副突起
２０ 裏側空間

Claims (6)

1. 一対の被接合部材の端部同士を突き合わせ、その突き合わせた接合部に対してシールドガスを噴射しながら行われるレーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接を行うためのレーザ溶接継手において、
   前記一対の被接合部材に対し、両方の被接合部材の端面から突き出した一対の接合突起と、一方の被接合部材の端面から突き出した副突起とが形成され、
   前記一対の接合突起を突き合わせた場合に、前記副突起を他方の被接合部材の端面側に突き当てることにより、前記一対の接合突起と副突起とによって囲んだ裏側空間を形成するものであることを特徴とするレーザ溶接継手。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接継手において、
   前記一対の接合突起と副突起とは、レーザビームと同方向から噴射され前記裏側空間内に入ったシールドガスによる雰囲気になる所定断面積の裏側空間を形成するようにしたものであることを特徴とするレーザ溶接継手。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレーザ溶接継手において、
   前記被接合部材が、上面板と下面板とを複数の斜めに配置されたリブによって接続した押出中空形材であって、その端部には上面板および下面板に直交する端部リブが形成され、前記接合突起および副突起は、その上面板側と下面板側とに対称的にそれぞれ端部リブから突き出して形成されたものであることを特徴とするレーザ溶接継手。
4. 請求項３に記載のレーザ溶接継手において、
   前記接合突起と端部リブとがＲ面によって連続して形成され、上面板側と下面板側とのそれぞれについて接合突起同士を突き合わせた際、前記副突起は、曲面によって形成された先端部が前記Ｒ面付近に位置するようにしたものであることを特徴とするレーザ溶接継手。
5. 一対の被接合部材の端部に形成されたレーザ溶接継手に対し、シールドガスを噴射しながら行われるレーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接により、被接合部材同士を接合して構成された接合体において、
   前記レーザ溶接継手が、前記一対の被接合部材に対し、両方の被接合部材の端面から突き出した一対の接合突起と、一方の被接合部材の端面から突き出した副突起とが形成され、前記一対の接合突起を突き合わせた場合に、前記副突起を他方の被接合部材の端面側に突き当てることにより、前記一対の接合突起と副突起とによって囲む裏側空間を形成するものであることを特徴とする接合体。
6. 請求項５に記載の接合体において、
   前記被接合部材が、上面板と下面板とを複数の斜めに配置されたリブによって接続した鉄道車両用の長尺な押出中空形材であって、前記レーザ溶接継手は、押出中空形材の幅方向端部に前記上面板および下面板に直交する端部リブが形成され、前記接合突起および副突起が、その上面板側と下面板側とに対称的にそれぞれ端部リブから突き出して形成されたものであることを特徴とする接合体。

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