JP2013202645A

JP2013202645A - 金属材の加工方法

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Publication number: JP2013202645A
Application number: JP2012073420A
Authority: JP
Inventors: Jun Koshikawa; 純越川; Masashi Oikawa; 昌志及川
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】曲げ加工によるクラックの発生を抑制することが可能な金属材の加工方法を提供する。
【解決手段】板状の金属材１に対し曲げ予定線Ｌに沿って曲げ加工を行う金属材１の加工方法であって、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分を所定耐力まで低下させるように金属材１の曲げ予定線Ｌに沿ってレーザ光３を照射する工程と、レーザ光３を照射する工程の後、曲げ予定線Ｌを基準として曲がるように金属材１に力を加える工程と、を備え、金属材１全体の性質を変えることなく、金属材１を折り曲げる部分にのみレーザ光３で局所的に熱を加える。そして、金属材１の折り曲げる部部のみ耐力（機械的強度）を低下させ、その後に金属材１を曲げ予定線Ｌに沿って折り曲げる。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属材の加工方法に関する。

従来、鉄道車両の製造等において金属材を折り曲げて加工する技術が知られている。この種の技術として、例えば下記の特許文献１には、２枚の板状部材それぞれの端縁部を内方に折り曲げて、この折り曲げた部分同士を突き合わせ、突き合わせた箇所を溶接によって接合させた構造を有する鉄道車両の側構体が開示されている。

特許４３７１９６１号公報

ところで、上記のように例えば鉄道車両の製造に伴って金属材の曲げ加工を行う場合、その曲げた部分の強度が劣化してクラックが発生するという問題がある。

そこで、本発明は、曲げ加工によるクラックの発生を抑制することが可能な金属材の加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る金属材の加工方法は、鉄道車両の製造に用いられ、板状の金属材に対し曲げ予定線に沿って曲げ加工を行う金属材の加工方法であって、金属材の曲げ予定線に対応する部分を所定耐力まで低下させるように金属材の曲げ予定線に沿ってレーザ光を照射する工程と、レーザ光を照射する工程の後、曲げ予定線を基準として曲がるように金属材に力を加える工程と、を備えたことを特徴とする。

この金属材の加工方法では、金属材に力を加える前にその曲げ予定線に沿ってレーザ光が照射され、金属材全体の性質を変えることなく、金属材を折り曲げる部分にのみレーザ光で局所的に熱が加えられ、金属材の折り曲げる部分のみ耐力（機械的強度）が低下されることとなる。よって、その後に金属材を曲げ予定線に沿って折り曲げることにより、クラックの発生を抑制することが可能となる。

また、金属材はステンレス鋼であってもよい。この場合、レーザ光を照射する工程においては、レーザ光を照射することにより、金属材の曲げ予定線に対応する部分を、求める金属材の機械的特性に応じた最高到達温度に昇温させることが好ましい。これにより、ステンレス鋼の金属材について所望の機械的特性を容易に得ることができる。

また、金属材は、炭素鋼であってもよい。この場合、レーザ光を照射する工程においては、レーザ光を照射することにより、金属材の曲げ予定線に対応する部分をＡ１変態点以上かつ金属材の融点以下に昇温させることが好ましい。これにより、レーザ光の照射後、金属材の熱歪み等の問題なく金属材を緩冷却できる。

また、レーザ光を照射する工程においては、金属材を冷却させる冷却部材を金属材に接触させることが好ましい。この場合、レーザ光の照射による金属材の熱歪みによる変形を確実に防止することができる。

本発明によれば、曲げ加工によるクラックの発生を抑制することが可能となる。

第１実施形態に係る金属材の加工方法に用いられる金属板を上方から見た斜視図である。第１実施形態に係る金属材の加工方法におけるレーザ光の照射を説明するための説明図である。第１実施形態に係る金属材の加工方法によって折り曲げた金属材を上方から見た斜視図である。ステンレス鋼における耐力と再加熱温度との関係を示すグラフである。第２実施形態に係る金属材の加工方法において金属材にレーザ光を照射した場合におけるレーザ照射面の温度分布を示すグラフである。金属材にレーザ光を照射した場合における金属材の横断面の温度分布を示すグラフである。金属材にレーザ光を照射した場合における金属材の厚み方向の位置と温度変化との関係を説明するための説明図である。第３実施形態に係る金属材の加工方法を説明するための説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る金属材の加工方法では、金属材にレーザ光を照射して局所的に昇温させた後に、曲げ加工を行って金属材を所望の形状に加工する。本実施形態における金属材は、例えば鉄道車両の構体、外板又は補強材等の製造に用いられ、金属材としてはステンレス鋼及び炭素鋼等が挙げられる。まず、以下では、金属材がステンレス鋼である場合を第１実施形態として図１〜図４を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る金属材の加工方法に用いられる金属材１を上方から見た斜視図、図２は、本実施形態に係る金属材の加工方法におけるレーザ光３の照射を説明するための説明図、図３は、本実施形態に係る金属材の加工方法によって折り曲げた金属材１を上方から見た斜視図、図４は、ステンレス鋼における耐力と再加熱温度との関係を示すグラフである。

図１に示すように、金属材１は板状に形成されており、金属材１には、金属材１を曲げるための曲げ予定線Ｌが形成されている。ここでの金属材１としては、例えばＳＡＳ３０１系オーステナイト系ステンレスが用いられている。曲げ予定線Ｌは、直線状に延びた仮想線である。また、金属材１の加工を行うにあたっては、治具等によって金属材１を固定した状態となっている。なお、曲げ予定線Ｌは、仮想線に限らず金属材１の表面に実際に引かれた線、連続もしくは不連続に形成された線、曲線または３次元的に表されたものであってもよい。

図２に示すように、レーザ光３を金属材１に照射する際には、金属材１の上方における曲げ予定線Ｌの一端にレーザヘッド２を配置し、レーザ光３の照射を行いながら曲げ予定線Ｌに沿ってレーザヘッド２（レーザ光３）を走査し、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分を昇温させる。なお、金属材１へのレーザ光３の照射条件としては、例えばパワーを２ｋＷ、走査速度を５ｍ／ｍｉｎとすることができる。

このような照射条件でレーザ光３の照射を行うことにより、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分を所定耐力まで低下させる。そして、プレス加工等により金属材１に力を加えることによって、例えば図３に示すように、金属材１が曲げ予定線Ｌを基準として好適に折り曲げられ、金属材１が所望の形状とされる。

ところで、ステンレス鋼における温度と耐力との関係は、例えば図４に示すグラフのようになっており、ステンレス鋼の機械的特性は温度に応じて変化するようになっている。具体的には、温度の上昇に応じて耐力及び引張強さが減少するようになっており、一例として室温で耐力が８００ＭＰａであったステンレス鋼を１２００度に昇温させると、その耐力が６００ＭＰａにまで低下する。

よって、本実施形態では、レーザ光３を照射することにより、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分を、求める金属材１の機械的特性に応じた最高到達温度に昇温させており、例えば、曲げ予定線Ｌに対応する部分を６００ＭＰａにまで低下させる場合には、この曲げ予定線Ｌに対応する部分の温度をレーザ光３で１２００度にまで昇温させている。

ところで、本実施形態の金属材１における鉄鋼材料については、例えば自動車用鋼板としてデュアルフェーズ鋼と呼ばれる鋼種を用いることができる。このデュアルフェーズ鋼には、フェライト組織とマルテンサイト組織とが混在されており、高い耐力及び塑性加工性を備えている。フェライト組織は塑性加工性が高くマルテンサイト組織は耐力が高いことで知られており、マルテンサイト組織の硬度は概ねＨＶ６００以上である。また、マルテンサイト組織は、塑性加工の自由度に制約を与え、例えばプレス加工によって所望の形状に成形することが難しいことで知られている。そこで、例えば直線状の曲げ加工であれば、本実施形態のように曲げ部分のみに限定して熱処理を行って、耐力の制御を行うことが好ましい。

また、マルテンサイト組織は準安定組織であり、３００度程度に加熱することで歪みが解放され、いわゆる手温度の焼戻しが可能である。そして、マルテンサイト組織では、加熱時の最高到達温度と、その保持時間とによって焼戻しの効果が異なることが実験的に知られており、例えば材料全体を加熱する（局所的に加熱を行わない）場合には材料全体の耐力が低下してしまう。そのため、材料の耐力を局所的に低下させるべく材料に集中したエネルギを与えることが好ましい。そこで、本実施形態のように熱源をレーザ光３にすれば、材料全体の耐力が低下することなく上記の諸問題を解決することができる。なお、ステンレス鋼材料でも、高強度の材料は圧延による加工歪みの増加によって耐力を制御しているため、入熱量に応じて加工歪みの解放を行うことにより塑性加工性を改善させることができる。

以上のように、本実施形態では、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分を所定耐力まで低下させるように金属材１の曲げ予定線Ｌに沿ってレーザ光３を照射する工程と、レーザ光３を照射する工程の後、曲げ予定線Ｌを基準として曲がるように金属材１に力を加える工程とを備える。

よって、本実施形態では、金属材１に力を加える前に曲げ予定線Ｌに沿ってレーザ光３が照射されるため、金属材１全体の性質を変えることなく、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分にのみレーザ光３で局所的に熱が加えられ、これにより、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分のみ局所的に耐力（機械的強度）が低下されることとなる。従って、その後に金属材１を曲げ予定線Ｌに沿って折り曲げることにより、クラックの発生を抑制することが可能となる。

また、金属材１がステンレス鋼である本実施形態では、レーザ光３を照射して金属材の曲げ予定線Ｌに対応する部分を、求める金属材の機械的特性に応じた最高到達温度に局所的に昇温させており、これにより、ステンレス鋼の金属材について所望の機械的特性を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

第２実施形態に係る金属材の加工方法が上記第１実施形態と異なる点は、金属材１が炭素鋼である点と、レーザ光３を照射する工程の内容が異なる点である。具体的には、金属材１としては、鉄と炭素の合金である炭素鋼（いわゆる、普通鋼）が用いられている。また、レーザ光３を照射する工程において、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分をＡ１変態点（約７２３度）以上で融点（約１５３４度）以下に局所的に昇温させ、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分を所定耐力まで低下させている。

また、本実施形態では例えば金属材１にレーザ光３を照射した後、再加熱温度を約３５０度から５００度として焼戻しを行うことにより、金属材１の耐力を４００ＭＰａ程度に低下させることができる。ここで、金属材１にレーザ光３を照射して焼戻しを行った場合の金属材１の温度分布は、図５及び図６に示すようになる。

図５は、炭素鋼にレーザ光を照射した場合におけるレーザ照射面の温度分布を示すグラフ、図６は、炭素鋼にレーザ光を照射した場合における金属材の横断面の温度分布を示すグラフであり、曲げ予定線Ｌの延在方向がＸ−Ｘ'方向、金属材１表面における曲げ予定線Ｌに直交する方向がＹ−Ｙ'方向、金属材１の厚さ方向がＺ−Ｚ'となっている。また、図５及び図６に示すグラフ中の原点は、レーザ光３の現在の照射位置を示しており、原点に対してＸ方向にレーザヘッド２が走査される。なお、図５及び図６のレーザ光３の照射条件は、パワーが５００Ｗ、走査速度が１．５ｍｍ／ｍｉｎ、焦点外し距離が７０ｍｍとなっている。

ちなみに、金属材１にレーザ光３を照射した場合、金属材１の厚み方向の位置と温度変化は、図７に示す関係を有している。図７（ａ）は金属材１の深さ位置を表し、位置Ａは金属材１の曲げ予定線Ｌが存在する表面位置、位置Ｂは位置Ａより所定距離だけ深い位置、位置Ｃは位置Ｂより更に所定距離だけ深い位置である。また、図７（ｂ）は金属材１の深さ位置と温度変化との関係を示し、曲線ａは位置Ａの時間ｔと温度Ｔとの関係を、曲線ｂは位置Ｂの時間ｔと温度Ｔとの関係を、曲線ｃは位置Ｃの時間ｔと温度Ｔとの関係を、それぞれ示す。図７（ｂ）に示すように、曲げ予定線Ｌ上にレーザ光３が照射されると、位置Ａ，位置Ｂ，位置Ｃの順に温度が上昇し、最高到達温度は位置Ａが最も高く位置Ｃが最も低い。

以上、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて、金属材１が炭素鋼である本実施形態の場合、金属材１の曲げ予定線Ｌに対応する部分をＡ１変態点以上かつ金属材１の融点以下に局所的に昇温させており、これにより、レーザ光３の照射後において、金属材１の熱歪み等の問題なく金属材１を緩冷却可能となる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図８は、本発明の第３実施形態に係る金属材の加工方法を説明するための図である。図８に示すように、本実施形態に係る金属材の加工方法が上記第１又は第２実施形態と異なる点は、レーザ光３の金属材１への照射時に冷却板４及び冷却板５を用いた点である。

冷却板４及び冷却板５は、例えば銅板であり、金属材１を冷却させるために設けられる。冷却板４は金属材１のレーザ照射面に、冷却板５は金属材１のレーザ照射面の反対側の面に、それぞれ当接される。また、冷却板４において曲げ予定線Ｌに対応する領域には、隙間４ａが形成されており、この隙間４ａから金属材１の曲げ予定線Ｌが露出するように冷却板４を配置することにより、冷却板４及び冷却板５を配置した状態でレーザ光３を曲げ予定線Ｌに沿って金属材１に照射することが可能となる。

以上、本実施形態においても、上記第１又は第２実施形態と同様の効果を奏する。また、本実施形態では、レーザ光３を照射する工程において、金属材１を冷却させる冷却部材である冷却板４及び冷却板５を金属材１に接触させるため、レーザ光３の照射による金属材１の熱歪みによる変形を確実に防止することができる。

また、本実施形態の冷却板４及び冷却板５については、金属材１がステンレス鋼であっても炭素鋼であっても採用することができる。特に、金属材１が炭素鋼であって冷却板４及び冷却板５を当接させつつＡ１変態点以上かつ金属材１の融点以下に昇温した場合、冷却速度の制御が可能となり、結晶の金属組織を調整できる。一方、金属材１が炭素鋼であって、レーザ光３によって金属材１をＡ１変態点以上かつ金属材１の融点以下に昇温させる場合には、特に冷却板４及び冷却板５を用いなくても、金属材１の熱歪み等の問題なく緩冷却可能である。他方、金属材１が炭素鋼であって金属材１をＡ１変態点未満の温度に昇温させる場合には、加工硬化による歪みを除去できるため、熱歪みによる変形防止のため冷却板４及び冷却板５を当接させることが好ましい。

なお、本実施形態において、必ずしも冷却板４及び冷却板５を両方用いる必要はなく、冷却板４又は冷却板５のいずれかを用いるようにしてもよい。また、必ずしも冷却板４及び冷却板５が銅板である必要もなく、異なる材料を用いたものであってもよい。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されない。すなわち、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、金属材１の鋼種として、ステンレス鋼と炭素鋼とを用いた例について説明したが、別の鋼種を用いてもよい。また、上記実施形態では、図３に示すように、金属材１の曲げ予定線Ｌを有する面を山折りする例について説明したが、この例に限られず、金属材１の曲げ予定線Ｌを有する面を谷折りするようにしてもよい。

また、上記実施形態では、プレス加工により金属材１に力を加えて金属材１を折り曲げる例について説明したが、プレス加工に限定されず、種々の工法を用いて金属材１に力を加えることができる。

１…金属材、２…レーザ加工装置、３…レーザ光、４…冷却板（冷却部材）、５…冷却板（冷却部材）、Ｌ…曲げ予定線。

Claims

鉄道車両の製造に用いられ、板状の金属材に対し曲げ予定線に沿って曲げ加工を行う金属材の加工方法であって、
前記金属材の前記曲げ予定線に対応する部分を所定耐力まで低下させるように前記金属材の曲げ予定線に沿ってレーザ光を照射する工程と、
前記レーザ光を照射する工程の後、前記曲げ予定線を基準として曲がるように前記金属材に力を加える工程と、を備えたことを特徴とする金属材の加工方法。
前記金属材は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の金属材の加工方法。
前記レーザ光を照射する工程においては、前記レーザ光を照射することにより、前記金属材の前記曲げ予定線に対応する部分を、求める前記金属材の機械的特性に応じた最高到達温度に昇温させることを特徴とする請求項２に記載の金属材の加工方法。
前記金属材は、炭素鋼であることを特徴とする請求項１に記載の金属材の加工方法。
前記レーザ光を照射する工程においては、前記レーザ光を照射することにより、前記金属材の前記曲げ予定線に対応する部分をＡ１変態点以上かつ前記金属材の融点以下に昇温させることを特徴とする請求項４に記載の金属材の加工方法。
前記レーザ光を照射する工程においては、前記金属材を冷却させる冷却部材を前記金属材に接触させること、を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属材の加工方法。