JP2011073046A

JP2011073046A - レーザ溶接方法

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Publication number: JP2011073046A
Application number: JP2009227374A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Genji; 一夫玄地; Naoki Kawada; 直樹河田; Yosuke Otsuka; 陽介大塚; Toru Takei; 徹武井
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP5476083B2

Abstract

【課題】容易に且つ確実に隅肉溶接を行うことができるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ溶接方法では、接合体２０の裏面となる第１部材２１の端部２２側から溶接予定領域Ｒに沿ってレーザビーム３４を照射する。この溶接予定領域Ｒは、第１部材２１において縁２２ａから後退した位置、つまり、第１部材２１の縁２２ａではなく第１部材２１の平坦面に設定される。そのため、金属材の縁を狙ってレーザビームを照射する従来の方法に比べて、作業者が照射領域を明確に把握することができるので、照射位置にレーザビーム３４を容易に照射することができる。したがって、溶接部２５の形成に高い技術とレーザビームの照射位置の狙い精度とを必要としないため、容易に且つ確実に隅肉溶接を行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

金属材の溶接形態として、一方の金属材の端部と他方の金属材の端部とを重ね合わせて溶接する隅肉溶接がある。例えば特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、一方の金属材の端部と他方の金属材の端部とを重ね合わせて、金属材の表面に対して斜めとなる方向でレーザ光を一方の金属の端部の縁に照射して隅肉溶接をしている。

特開２００２−１８５８３号公報

しかしながら、上記従来の溶接方法では、溶接部の形成に高い技術とレーザビームの照射位置の狙い精度とが要求されるため、作業者の技量によって溶接部の品質にばらつきが生じるおそれがあった。また、レーザビームの照射位置がシビアであるため、レーザビームの照射位置がずれてしまうと、溶接部が形成されなかったり不完全な溶接部が形成されるといった問題があった。特に、鉄道車両に使用する大型の金属材の場合には、不完全な溶接部等が形成されると修正することができず、金属材を破棄しなければならない。

また、フィラーワイヤを供給しながら溶接を行うことで溶接部の損傷等を防止する方法も考えられるが、フィラーワイヤを供給するためのパラメータを設定する必要があり、工程が複雑化するといった問題もある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、容易に且つ確実に隅肉溶接を行うことができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ溶接方法は、金属材同士の重ね合わせ部分にレーザビームを照射して溶接することにより接合体を形成するレーザ溶接方法であって、一方の金属材の端部に他方の金属材の端部を重ね合わせる工程と、重ね合わせ部分を隅肉溶接する溶接工程とを含み、溶接工程では、一方の金属材においては端部の縁を含むように端部を貫通し、且つ他方の金属材においては端部の縁から後退した位置において端部を貫通する溶接部が形成されるように、接合体の裏面となる他方の金属材の端部側からレーザビームを溶接予定領域に沿って照射することを特徴とする。

このレーザ溶接方法では、接合体の裏面となる他方の金属材の端部側から溶接予定領域に沿ってレーザビームを照射する。この溶接予定領域は、他方の金属材において端部の縁から後退した位置、つまり、金属材の縁ではなく金属材の平坦面に設定される。そのため、金属材の縁を狙ってレーザビームを照射する従来の方法に比べて、作業者が照射領域を明確に把握することができるので、照射位置にレーザビームを容易に照射することができる。したがって、溶接部の形成に高い技術とレーザビームの照射位置の狙い精度とを必要としないため、容易に且つ確実に隅肉溶接を行うことができる。

さらに、高い技術が必要なくとも、確実に隅肉溶接を行うことができるので、溶接部の品質が作業者・技術者の技量に依存しない。そのため、作業者の技量の差が溶接品質に与える影響が少なくなり、品質のばらつきを防止することができる。さらに、フィラーワイヤを使用しなくとも、健全な溶接部が形成されるので、フィラーワイヤを使用する従来の方法に比べて、工程を簡略化することができる。

また、溶接予定領域は、一方の金属材の端部の縁から２ｍｍ以下の領域であることが好ましい。この場合には、金属材同士の重ね合わせ部分に確実に隅肉溶接することができる。

また、レーザビームを照射して溶接部を形成した後に、一方の金属材の端部側の溶接部を研磨する研磨工程を更に含むことが好ましい。このレーザ溶接方法では、金属材同士を貫通する溶接部が少なくとも形成される。そのため、たとえ溶接部に不具合が生じたとしても、溶接部の表面の凹凸等であるため、溶接部の表面を研磨するだけで修正できる。また、一方の金属材側に形成される溶接部は、接合体の表面側となる。そのため、その溶接部を研磨することにより、露出される部分の美観を保つことができる。

また、一方の金属材の端部において、レーザビームの照射位置の対向部位にアシストガスを供給することが好ましい。これにより、溶接部の表面の酸化を防止することができる。

また、一方の金属材の端部を囲み、溶接部の表面形状に対応した形状を有する載置治具に金属材を載置した状態でレーザビームの照射を行うことが好ましい。これにより、溶接部をより確実且つ良好に形成することができる。また、溶接部の表面の酸化をより一層確実に防止できる。

また、載置治具は、金属材とは異なる材料で形成されていることが好ましい。この場合には、溶接部を綺麗に形成することができる。

本発明によれば、容易に且つ確実に隅肉溶接を行うことができる。

本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を用いて製造された接合体を用いた鉄道車両構体を示す図である。金属部材同士の接合体の要部を示す断面図である。金属部材同士のレーザ溶接方法を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を用いて製造された接合体を用いた鉄道車両構体を示す斜視図である。同図に示すように、鉄道車両構体１は、その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、車両の底部に位置する台枠２と、車両の両側に位置し、窓部及びドア部を交互に備える側構体３と、車両の前後に位置する妻構体４と、車両の上部に位置する屋根構体５とによって構成されている。

具体的には、台枠２は略矩形状を有し、車両構体１の底部に配置されている。台枠２の周縁には、両側に位置する側構体３と、車両の前側及び後側に位置する妻構体４とが台枠２を囲むように立設されている。アーチ状の屋根構体５は、側構体３と妻構体４とから構成された空間を閉じるように配置されている。

側構体３は、例えば外板１１と外板１１の内側に配置された骨材とによって構成されている。側構体３には、窓用開口１２が４箇所に設けられている。また、窓用開口１２間には、ドア用開口１３が３箇所に設けられている。窓用開口１２は、窓の大きさに対応した矩形の枠部材１４によって画成されており、ドア用開口１３は、ドアの大きさに対応した矩形の枠部材１５によって画成されている。

次に、接合体の構造について説明する。図２は、接合体の要部を示す断面図である。この接合体２０は、例えば、外板１１と枠部材１４とから構成される。

図２（ａ）に示すように、接合体２０では、第１部材２１（例えば、外板１１）の端部２２に対し、第２部材２３（例えば、枠部材１４）の端部２４が車両の外側面となるように重ね合わされている。第１部材２１及び第２部材２３は、例えば厚さ１．５ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０１）板等の鋼板である。重ね合わせ部分Ｐは、窓用開口１２を縁取るように形成されている。重ね合わせ部分Ｐには、レーザ溶接によって形成した溶接部２５が形成されている。溶接部２５は、第１部材２１の端部２２及び第２部材２３の端部２４を貫通するように形成されており、重ね合わせ部分Ｐの隅肉溶接が実現されている。

より具体的には、溶接部２５は、第１部材２１の端部２２において、縁２２ａから所定距離だけ後退した位置において縁２２ａを含まずに形成されており、第２部材２３の端部２２において、縁２４ａを含んで形成されている。

このような接合体２０を形成する場合、図３に示すように、第１部材２１の端部２２が上面となるようにして、第２部材２３の端部２４を第１部材２１の端部２２に重ね合わせる（重ね合わせ工程）。すなわち、接合体２０において、第１部材２１における上面が裏面となり、第２部材２３における下面が表面となるように重ね合わせる。第１部材２１と第２部材２３との重ね合わせにあたっては、載置治具（バックプレート）３０を用いる。

載置治具３０は、例えば銅合金製やセラミックス製の定盤である。載置面３１において、一方の領域３１ａ（図示左側）の高さは、他方の領域３１ｂ（図示右側）の高さよりも第２部材２３の板厚の分だけ高くなっている。そして、第１部材２１と第２部材２３との重ね合わせ部分Ｐに対応した位置には、傾斜面３２が設けられている。この傾斜面３２は、溶接部２５の表面形状（図２（ａ）参照）に対応した形状をなしている。これにより、一方の領域３１ａに第１部材２１を載置し、他方の領域３１ｂに第２部材２２を載置すると、第１部材２１の端部２２、第２部材２３の端部２４及び載置治具３０の傾斜面３２によって、第２部材２３の端部２４（縁２４ａ）を囲む閉空間Ｓが形成される。

第１部材２１と第２部材２３とを載置治具３０に載置した後、加工ヘッド３３を重ね合わせ部分Ｐの上方おいて例えば９３ｍｍの位置に配置し、第１部材２１の端部２２側からレーザビーム３４を照射する。このレーザビーム３４は、出力５ｋｗ、ビーム幅０．５×３．５ｍｍである。このレーザビーム３４の照射により、第１部材２１の端部２２への入熱を第２部材２３の端部２４に伝達させ、端部２２及び端部２４を貫通する溶接部２５を形成する（溶接工程）。

レーザビーム２４の照射時には、図示しない供給装置を導入することにより、端部２４側のレーザビーム３４の照射位置、つまり閉空間Ｓ内に例えば純アルゴンガス等といった不活性のシールドガス（アシストガス）を供給する。レーザビーム３４を重ね合わせ部分Ｐにおいて溶接予定領域Ｒに沿って走査し、重ね合わせ部分Ｐの全てに溶接部２５を形成すると、第１部材２１と第２部材２３との接合体２０が完成する。溶接予定領域Ｒは、第２部材２３の縁２４ａに沿い、且つこの縁２４ａから２ｍｍ以下の領域であり、好ましくは１ｍｍ以下の領域である。この溶接予定領域Ｒは、第１部材２１及び第２部材２３の板厚に応じて、適宜設定される。

ここで、例えば、溶接部２５が図２（ｂ）に示すように断面略矩形状や、溶接部２５の表面に凹凸等が形成された場合、第２部材２３の端部２４及び縁２４ａが溶接部２５の形成時に残存した場合には、例えばグラインダー等によって溶接部２５、端部２４及び縁２４ａの残存部を研磨（除去）する（研磨工程）。これにより、図２（ａ）に示すように、溶接部２５は、断面が傾斜する良好な形状となる。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、接合体２０の裏面となる第１部材２１の端部２２側から溶接予定領域Ｒに沿ってレーザビーム３４を照射する。この溶接予定領域Ｒは、第１部材２１において端部２２の縁２２ａから後退した位置、つまり、第１部材２１の縁２２ａではなく第１部材２１の平坦面に設定される。そのため、金属材の縁を狙ってレーザビームを照射する従来の方法に比べて、作業者が照射領域を明確に把握することができるので、照射位置にレーザビーム３４を容易に照射することができる。したがって、溶接部２５の形成に高い技術とレーザビームの照射位置の狙い精度とを必要としないため、容易に且つ確実に隅肉溶接を行うことができる。

また、上記のように、高い技術が必要なくとも、確実に隅肉溶接を行うことができるので、溶接部２５の品質が作業者・技術者の技量に依存しない。そのため、作業者の技量の差が溶接品質に与える影響が少なくなり、品質のばらつきを防止することができる。さらに、フィラーワイヤを使用しなくとも、健全な溶接部が形成されるので、フィラーワイヤを使用する従来の方法に比べて、工程を簡略化することができる。

また、溶接予定領域Ｒを第２部材２３の縁２４ａから２ｍｍ以下の領域とすることにより、第１及び第２部材２１，２３同士の重ね合わせ部分Ｐに確実に隅肉溶接することができる。

ここで、従来のレーザ溶接方法においては、溶接部の形成を失敗した場合、ＴＩＧ（ティグ）溶接による補修や、溶接部へのレーザビームの再入射といった方法によって修正する必要があり、特別な技量を必要とした。また、特に鉄道車両の用いられるような大型の金属材の溶接にあっては、不完全な溶接部等が形成されると修正することができず、金属材を破棄しなければならない。これに対し、本実施形態のレーザ溶接方法では、第１部材２１と第２部材２３を貫通する溶接部２５が少なくとも形成される、つまり不完全な溶接部は形成されないので、たとえ溶接に不具合が生じたとしても、溶接部２５の表面を研磨するだけで修正できる。その結果、溶接を失敗するたびに金属材を破棄する必要がないので、コストの低減を図ることができる。

また、このレーザ溶接方法では、第１及び第２部材２１，２３とは異なる材質で形成され、端部２４ａを囲む領域を形成する載置治具３０に第１部材２１及び第２部材２３を載置し、閉空間Ｓ内に不活性ガスを流通させながらレーザビーム３４の照射を行っている。これにより、溶接の熱影響によって端部２４ａに形成される溶接部２５の表面に形成される酸化膜を抑制することができる。したがって、車両の外側面に露出する溶接部２５において、光の緩衝による色むらが抑えられて金属光沢が維持されるため、車両の美観も保たれる。

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、上記実施形態では、溶接する金属材として板状の第１部材２１及び第２部材２３を例示しているが、本発明は、レーザ溶接を用いた隅肉溶接であれば、例えば妻構体４における外板とアーチケタとの溶接、屋根構体５における歩み板と屋根板との溶接、或いは外板と機器箱のフランジとの溶接など、様々な箇所に適用できる。

２０…接合体、２１…第１部材（金属材）、２２…端部、２２ａ…縁、２３…第２部材（金属材）、２４…端部、２４ａ…縁、２５…溶接部、３０…載置治具、３４…レーザビーム、Ｐ…重ね合わせ部分、Ｒ…溶接予定領域。

Claims

金属材同士の重ね合わせ部分にレーザビームを照射して溶接することにより接合体を形成するレーザ溶接方法であって、
一方の金属材の端部に他方の金属材の端部を重ね合わせる工程と、
前記重ね合わせ部分を隅肉溶接する溶接工程とを含み、
前記溶接工程では、前記一方の金属材においては前記端部の縁を含むように当該端部を貫通し、且つ前記他方の金属材においては前記端部の縁から後退した位置において当該端部を貫通する溶接部が形成されるように、前記接合体の裏面となる前記他方の金属材の端部側から前記レーザビームを溶接予定領域に沿って照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記溶接予定領域は、前記一方の金属材の前記端部の縁から２ｍｍ以下の領域であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
前記レーザビームを照射して前記溶接部を形成した後に、前記一方の金属材の前記端部側の前記溶接部を研磨する研磨工程を更に含むことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
前記一方の金属材の前記端部において、前記レーザビームの照射位置の対向部位にアシストガスを供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記一方の金属材の前記端部を囲み、前記溶接部の表面形状に対応した形状を有する載置治具に前記金属材を載置した状態で前記レーザビームの照射を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記載置治具は、前記金属材とは異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接方法。