JP2016140903A - 母材溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】横向き姿勢又は上向き姿勢でアーク溶接を行う際にブローホールとなる気泡を残留しにくくする。
【解決手段】溶接方法は、横向き姿勢でアーク溶接を行うことが可能に、接続形材１５の上端面２１ａ，２２ａと側構体１２の下端面３１ａ，３２ａとの間に開先４１，４２を形成する開先形成工程と、アーク溶接によって開先４１，４２に溶融金属を充填して接続形材１５と側構体１２とを溶接する溶接工程とを含む。開先形成工程において、開先４１，４２を底部側から大気に連通させる隙間Ｓ１，Ｓ２を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、２つの母材を溶接するための母材溶接方法に関する。

特許文献１には、中空押出形材からなる腰板形材及び窓部形材を突き合わせ、横向き姿勢のアーク溶接によって腰板形材と窓部形材とを溶接してなる鉄道車両構体について記載されている。この鉄道車両構体において、腰板形材は、内板、外板、幅板との角部より突出し途中外面に開先面を構成する段差を設けた雄形突片を有し、窓部形材は、内板、外板、幅板との角部より突出し先端面に開先面が形成された雌形突片を有する。そして、雄形突片の段差（開先面）より先端の部分が雌形突片の内側に嵌合されることで、横向き姿勢でアーク溶接が可能な開先が構成される。この開先にアーク溶接が行われることで、腰板形材と窓部形材とが接合される。

特開平１０−１７５５４２号公報

上記特許文献１に記載の鉄道車両構体の腰板形材と窓部形材とがなす開先は、横向き姿勢でアーク溶接が可能なものであり、開先の底部を構成する雄形突片の先端部分は雌形突片に内側から密着している。このように水平方向の一方向にだけ向かって開口する開先でアーク溶接が行われる場合、溶融金属中の気泡は当該開口からしか逃げられない。気泡はアークや浮力によって溶融金属中を移動し、開口に到達したものは大気に逃がすことが可能である。しかしながら、溶融金属は比較的短時間で凝固するため、開先の底部側に存在する又は底部側に一旦流動してきた気泡は開口に到達する前に、溶融金属が凝固する。この結果、溶接部には多くのブローホールが形成されてしまう。また、上向き姿勢でアーク溶接を行う際も、開先は下方を向いて開口するため、横向き姿勢の溶接と同様に、溶接部には多くのブローホールが形成されてしまう。このように溶接部に多くのブローホール（欠陥）が形成されると、継ぎ手の機械的性能が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、横向き姿勢又は上向き姿勢でアーク溶接を行う際にブローホールとなる気泡が残留しにくくなる母材溶接方法を提供することである。

本発明の母材溶接方法は、横向き姿勢又は上向き姿勢でアーク溶接を行うことが可能に、母材の端面を別の母材の端面に向かい合わせてその間に開先を形成する開先形成工程と、前記アーク溶接によって前記開先に溶融金属を充填して前記２つの母材を溶接する溶接工程とを含む母材溶接方法において、前記開先形成工程において、前記２つの母材に亘り且つ前記開先の底部を構成する裏当て板部と少なくとも一方の母材との間に、前記開先を前記底部側から大気に連通させる隙間を形成する。

これによると、溶接工程において生じる溶融金属中の気泡を、開先の底部側から隙間を介して大気に逃がすことが可能となる。このため、溶接部にブローホールが形成されにくくなる。

本発明において、前記開先形成工程において、前記横向き姿勢で前記アーク溶接を行うことが可能に、且つ、前記隙間が前記開先の底部から上方に延在するように、前記２つの母材及び前記裏当て板部を配置させることが好ましい。これにより、隙間を介して溶融金属中の気泡を効果的に大気に逃がすことが可能となる。

また、本発明において、前記２つの母材は、互いに嵌合可能な中空押出形材から構成されており、前記開先形成工程において、前記２つの母材を嵌合させることで前記開先を形成することが好ましい。これにより、開先を容易に形成することが可能となる。

また、本発明において、前記裏当て板部は、前記一方の母材に一体的に形成されていることが好ましい。これにより、隙間の調整がしやすくなる。

また、本発明において、前記裏当て板部には、前記隙間を構成する溝が形成されていることが好ましい。これにより、隙間を容易に形成しやすくなる。

本発明の母材溶接方法によると、溶接工程において生じる溶融金属中の気泡を、開先の底部側から隙間を介して大気に逃がすことが可能となる。このため、溶接部にブローホールが形成されにくくなる。

本発明の一実施形態である母材溶接方法によって製造された鉄道車両の車体構造を示す概略斜視図である。 図１中右方にある側構体と接続形材とを嵌合したときの要部断面図である。 側構体と接続形材とを溶接したときの溶融金属中の気泡の状況を示す状況図である。 本発明の母材溶接方法の変形例であり、隙間が別部材の裏当て板部と２つの外面板との間に形成されている状況を示す要部断面図である。 本発明の母材溶接方法の別の変形例であり、上向き姿勢でアーク溶接可能に開先が形成されている状況を示す要部断面図である。

以下、本発明の一実施形態である母材溶接方法によって製造された鉄道車両の車体構造について、図１を参照しつつ説明する。車体１は、床面を形成する台枠１１と、車体１の左右の面を形成する一対の側構体１２と、屋根を形成する屋根構体１３と、車体１の長手方向Ａに対して両端を閉鎖する面を形成する一対の妻構体（不図示）とから構成されている。

台枠１１の幅方向Ｂ（長手方向Ａと直交する方向）の両端部には、Ｌ字断面形状を有する接続形材１５が設けられている。側構体１２、屋根構体１３及び接続形材１５は、長手方向Ａに長尺な中空押出形材からなり、これら形材同士の端部が上下方向Ｃ（長手方向Ａ及び幅方向Ｂと直交する方向）に嵌合された状態で長手方向Ａに沿って溶接されることで、車体１が構成される。また、本実施形態の車体１は、側構体１２、屋根構体１３及び接続形材１５に、アルミニウム製のダブルスキン構造の構体材が採用されているが、特にこれに限定するものではない。

続いて、車両１を構成する接続形材１５及び側構体１２の溶接方法について、図２及び図３を参照しつつ、以下に説明する。図２は、図１中右方にある側構体１２と接続形材１５とを嵌合したときの要部断面図である。先ずは、接続形材（母材）１５及び側構体（母材）１２の概略構成について説明する。接続形材（母材）１５及び側構体（母材）１２は、図２に示すように、押出し成形によってつくり出された中空押出形材であって、接続形材１５の上端部と側構体１２の下端部とが上下方向Ｃに嵌合可能に構成される。接続形材１５及び側構体１２は、図２中右方に配置された外面板２１，３１と図２中左方に配置された内面板２２，３２とが複数の中板２３，３３，３４によって連結されたものである。中板２３は接続形材１５の上端に形成され、中板３３は側構体１２の下端に形成されている。

接続形材１５には、図２に示すように、外面板２１の上端面２１ａから上方に突出した裏当て板部２５が一体的に形成されている。外面板２１の上端面２１ａは、外側（図２中右側）に向かうに連れて下方に位置するように傾斜している。中板２３は裏当て板部２５の上端と繋がっている。内面板２２は中板２３よりも上方に突出して形成されており、その上端面２２ａが内側（図２中左側）に向かうに連れて下方に位置するように傾斜している。

側構体１２には、図２に示すように、内面板３２と中板３３とが連結された角部から下方に突出した裏当て板部３５が一体的に形成されている。内面板３２の下端面３２ａは、内側に向かうに連れて上方に位置するように傾斜している。外面板３１は中板３３よりも下方に突出して形成されており、その下端面３１ａが外側に向かうに連れて上方に位置するように傾斜している。

接続形材１５と側構体１２は、図２に示すように、端面２１ａと端面３１ａとが、端面２２ａと端面３２ａとが上下方向Ｃに対向するように配置されるとともに、各端面間に開先４１，４２が形成されるように、嵌合される。各裏当て板部２５，３５は、接続形材１５と側構体１２とを嵌合させたときに、外面板３１及び内面板２２よりも内側において、接続形材１５と側構体１２とに亘るように形成され、開先４１，４２の底部を構成する。

裏当て板部２５，３５には、図２に示すように、溝２５ａ，３５ａが形成されている。本実施形態における溝２５ａ，３５ａの深さは、０．２ｍｍであるが、これに限定するものではない。溝２５ａは、開先４１の底部から上方に延在し、開先４１の底部と連通する隙間Ｓ１を構成する。また、溝２５ａは、長手方向Ａに延在しており、接続形材１５の長手方向Ａ全体に亘って形成されている。これにより、隙間Ｓ１が溝２５ａの長手方向Ａの両端で大気と連通する。このため、接続形材１５と側構体１２とを嵌合させたときに、開先４１の底部は、溝２５ａが構成する隙間Ｓ１によって大気と連通する。なお、裏当て板部２５には、上下方向Ｃ又は幅方向Ｂに延在し、長手方向Ａに沿って互いに離隔して配置された複数の大気連通孔（不図示）が形成されていてもよい。これら大気連通孔は、溝２５ａの長手方向Ａの途中部位にそれぞれ接続される。こうすることで、溝２５ａによって構成される隙間Ｓ１が大気連通孔を介しても大気と連通する。

溝３５ａは、開先４２の底部から下方に延在し、開先４２の底部と連通する隙間Ｓ２を構成する。また、溝３５ａは、長手方向Ａに延在しており、側構体１２の長手方向Ａ全体に亘って形成されている。これにより、隙間Ｓ２が溝３５ａの長手方向Ａの両端で大気と連通する。このため、接続形材１５と側構体１２とを嵌合させたときに、開先４２の底部は、溝３５ａが構成する隙間Ｓ２によって大気と連通する。なお、裏当て板部３５にも、上下方向Ｃ又は幅方向Ｂに延在し、長手方向Ａに沿って互いに離隔して配置された複数の大気連通孔（不図示）が形成されていてもよい。これら大気連通孔は、溝３５ａの長手方向Ａの途中部位にそれぞれ接続される。こうすることで、溝３５ａによって構成される隙間Ｓ２が大気連通孔を介しても大気と連通する。

このような接続形材１５に側構体１２を溶接することで、側構体１２と台枠１１とが連結される。本実施形態においては、接続形材１５と側構体１２とをミグ溶接するが、これに限定するものではなく、ミグ溶接以外のアーク溶接によって溶接されてもよい。ミグ溶接をする場合、まず、図２に示すように、接続形材１５と側構体１２とを嵌合させて、図示しない治具で接続形材１５と側構体１２とを固定する。このとき、外面板２１，３１の端面２１ａ，３１ａ間、内面板２２，３２の端面２２ａ，３２ａ間に開先４１，４２を形成する（開先形成工程）。このとき形成される開先４１，４２は、ともに長手方向Ａに延在し、且つ水平方向に向かって開口している。このため、これら接続形材１５と側構体１２と溶接は横向き姿勢で行われる。なお、開先４１，４２部分は、予め前処理として脱脂される。

次に、図３（ａ）に示すように、開先４１に対してミグ溶接を行う。本実施形態における溶接条件としては、溶接電流が２０６Ａ、電圧が２３．４Ｖ、トーチ仰角が１５°、前進角が１５°で行う。ミグ溶接が実行されると、ノズル５１の先端面であって溶接ワイヤ５２の周囲からは、矢印Ｇ方向、すなわち開先４１に向けてシールドガス（不活性ガス）が供給される。これにより、開先４１及びその周囲近傍にシールドガスが充填され、シールドガス雰囲気がつくられる。なお、シールドガスは、開先４１を介して溝２５ａが構成する隙間Ｓ１にも充填される。そして、溶接ワイヤ５２と開先４１との間にアークが発生し、開先４１に溶融金属が充填される（溶接工程）。

このとき、図３（ａ）に示すように、開先４１部分（母材）及び溶接ワイヤ表面の付着物及び内部の水素、シールドガス、周囲の空気などにより溶融金属中に複数の気泡Ｅが発生する。溶融金属は、アーク流Ｆによって矢印Ｄに示すように、開先４１の開口→底部→開口というように流動する。このため、複数の気泡Ｅは、溶融金属の流れ及び自身の浮力などにより、溶融金属中を移動する。

複数の気泡Ｅのうち、開先４１の開口側へと移動し且つ当該開口に到達した気泡Ｅ１は、図３（ｂ）に示すように、大気へと逃げる。溶融金属は比較的短時間で凝固するため、開先４１の底部側に存在する気泡Ｅ２は開先４１の開口に到達できないため、当該開口から大気へと逃げられない。しかしながら、本実施形態における裏当て板部２５には、溝２５ａによって開先４１の底部と連通する隙間Ｓ１が形成されているため、気泡Ｅ２がアーク流によって隙間Ｓ１に到達しやすい。気泡Ｅ２は、隙間Ｓ１に到達すると当該隙間Ｓ１を介して大気へと逃げる。このため、溶融金属中に気泡が極めて少なくなり、溶融金属が凝固したときに溶接部１６（図３（ｃ）参照）にブローホールが形成されにくくなる。

また、溝２５ａは、開先４１の底部から上方へと延在している。つまり、隙間Ｓ１が開先４１の底部から上方へと延在している。気泡Ｅ２はアーク流に加えて浮力も生じるため、開先４１の底部上方に集まりやすい。このため、隙間Ｓ１を介して気泡Ｅ２を効果的に大気へと逃がすことができる。

次に、開先４２に対してミグ溶接を行う（溶接工程）。この場合は、開先４１に対する溶接条件と同じ条件で実行される。開先４２に対する溶接においても、上述と同様に、溶融金属中に複数の気泡が発生すると、そのほとんどが開先４２の開口及び溝３５ａが構成する隙間Ｓ２から大気へと逃げる。溝３５ａは、開先４２の底部から下方に延在している。つまり、隙間Ｓ２も開先４２の底部から下方に延在している。このため、開先４２の底部上方に留まる気泡を大気へと逃がしにくくなるが、底部近傍の気泡Ｅ２はアーク流によって底部近傍を移動するため、隙間Ｓ２に到達しやすい。このため、開先４２の底部近傍に留まる気泡の大部分を大気へと逃がすことが可能となる。このため、開先４２における溶融金属中に気泡が極めて少なくなり、溶融金属が凝固したときに溶接部１６にブローホールが形成されにくくなる。

接続形材１５及び側構体１２との溶接が終了すると、図３（ｃ）に示すように、溶接部１６の表面（開先４１の開口側）であって外面板２１，３１の表面から盛り上がった余盛り部分が削られる。なお、溶接部の表面（開先４２の開口側）であって内面板２２，３２の表面から盛り上がった余盛り部分も削られる。この仕上げ工程で、溶接部１６の表面側に形成されたブローホールが除去される。

上述の開先４１，４２の溶接部１６における溶接長５００ｍｍ中のブローホールの数を調べた結果、開先４１の溶接部１６においては、１０〜２０個程度のブローホールが確認され、開先４２の溶接部においては、１００個程度のブローホールが確認された。また、隙間Ｓ１を設けた状態で、端面２１ａ，３１ａを水平面として互いに離隔させてなる開先に、同じ溶接条件で溶接を行った溶接部における溶接長５００ｍｍ中においては、４０個程度のブローホールが確認された。また、溝２５ａが形成されていない裏当て板部２５を外面板３１に密着させて隙間Ｓ１を設けずに、同じ溶接条件で開先４１に溶接を行った溶接部における溶接長５００ｍｍ中においては、２００個程度のブローホールが確認された。これより、開先４１，４２及び開先を底部側から大気に連通させる隙間を構成することで、溶融金属中の気泡を大気へと逃がしやすくなって、ブローホールの数が大幅に減少することがわかる。

以上に述べたように、本実施形態の溶接方法においては、溶接工程において生じる溶融金属中の気泡を、開先４１，４２の底部側から隙間Ｓ１，Ｓ２を介して大気に逃がすことが可能となる。このため、溶接部１６にブローホールが形成されにくくなる。

また、隙間Ｓ１が開先４１の底部から上方に延在していることで、隙間Ｓ１を介して溶融金属中の気泡を効果的に大気に逃がすことが可能となる。

また、開先４１，４２が、接続形材１５及び側構体１２を嵌合させることで形成される。これにより、開先４１，４２を容易に形成することが可能となる。

また、裏当て板部２５は接続形材１５に、裏当て板部３５は側構体１２に一体的に形成されている。これにより、接続形材１５及び側構体１２を嵌合するだけで、隙間Ｓ１，Ｓ２を形成することが可能となるため、隙間Ｓ１，Ｓ２の調整がしやすくなる。

本実施形態においては、裏当て板部２５，３５が接続形材１５及び側構体１２に一体的に形成されているが、別部材であってもよい。この変形例においては、図４に示すように、開先形成工程において、溝１２５ａを有する裏当て板部１２５を、外面板２１，３１とほぼ同様な構成である２つの外面板１２１，１３１に亘るように配置して開先１４１の底部を構成する。このとき、溝１２５ａが上下方向Ｃに延在し且つ開先１４１の底部と連通する隙間Ｓ３を構成するように、裏当て板部１２５の上端部及び下端部を、図示しない治具により、外面板１２１，１３１に当接させた状態で保持する。開先１４１は、外面板１２１の上端面１２１ａ及び外面板１３１の下端面１３１ａ間に形成される。隙間Ｓ３は大気と連通している。これにおいても、横向き姿勢で開先１４１にアーク溶接が実行されても、上述の実施形態と同様な効果を得ることができる。さらに本変形例においては、隙間Ｓ３が開先１４１の底部から上下に延在している。このため、開先１４１の底部に存在する溶融金属中の気泡を、効果的に大気へと逃がすことが可能となる。なお、裏当て板部１２５は、外面板１２１，１３１のいずれか一方と離隔していてもよい。好ましくは、上方に位置する外面板１３１と離隔することが好ましい。こうすれば、隙間Ｓ３が開先１４１の底部から上方に延在することとなり、上述の実施形態と同様な効果を得ることができる。

また、別の変形例として、裏当て板部２５，３５に溝２５ａ，３５ａが形成されていなくてもよい。この場合、接続形材１５と側構体１２とを嵌合させるときに、裏当て板部２５の上端部と外面板３１との間、及び、裏当て板部３５の下端部と内面板２２との間に、例えば、０．２ｍｍのライナープレートを挟んで開先４１，４２の底部側に隙間を形成してもよい。なお、ライナープレートは、長手方向Ａに互いに離隔して複数配置してもよいし、長手方向Ａに長尺な１枚のライナープレートを採用してもよい。また、ライナープレートの厚みは０．２ｍｍ以外でもよく、適宜選択すればよい。これにおいても、開先４１，４２の底部が隙間と連通し、且つ隙間は大気と連通しているため、上述と同様な効果を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。例えば、上述の実施形態においては、横向き姿勢でアーク溶接が実行されていたが、上向き姿勢で行ってもよい。つまり、図５に示すように、開先形成工程において、外面板２１，３１とほぼ同様な構成を有する外面板２２１，２３１が、開先２４１が斜め下方を向くように形成されていても、２つの外面板２２１，２３１に亘り且つ開先２４１の底部（上部側）を構成する裏当て板部２２５に形成された溝２２５ａによって隙間Ｓ４が構成されている。このため、当該開先２４１にアーク溶接が実行されても、溶融金属中の気泡が、上述の実施形態と同様に、隙間Ｓ４を通って大気へと逃げる。この結果、溶接部にブローホールが形成されにくくなる。

上述の実施形態においては、開先形成工程において、接続形材１５と側構体１２とがなす開先４１，４２が底部側で連通する隙間Ｓ１，Ｓ２を形成していたが、これら隙間は、側構体１２を構成する長手方向Ａに長尺な複数の中空押出形材間の開先と底部側で連通する位置に形成すればよい。要するに、横向き又は上向き姿勢でアーク溶接を行うことが可能に、母材の端面を別の母材の端面に向かい合わせて、その間に開先を形成する際に、２つの母材に亘り且つ当該開先の底部を構成する裏当て板部と２つの母材のうちの少なくとも一方との間で開先と底部側で連通し且つ大気と連通する隙間を形成すればよい。こうすれば、上述の実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、母材としては、中空押出形材以外でもよく、単なる板状部材であってもよい。

また、上述の実施形態においては、開先４１を構成する外面板２１の上端面２１ａ及び外面板３１の下端面３１ａと、開先４２を構成する内面板２２の上端面２２ａ及び内面板３２の下端面３２ａとは、開先形状を取るために互いに傾斜していたが、互いに平行であってもよい。

１２ 側構体（母材）
１５ 接続形材（母材）
２１ａ，２２ａ，１２１ａ 上端面（端面）
２５，３５，１２５，２２５ 裏当て板部
２５ａ，３５ａ，２２５ａ 溝
３１ａ，３２ａ，１３１ａ 下端面（端面）
４１，４２，１４１，２４１ 開先
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 隙間

Claims (5)

1. 横向き姿勢又は上向き姿勢でアーク溶接を行うことが可能に、母材の端面を別の母材の端面に向かい合わせてその間に開先を形成する開先形成工程と、
   前記アーク溶接によって前記開先に溶融金属を充填して前記２つの母材を溶接する溶接工程とを含む母材溶接方法において、
   前記開先形成工程において、前記２つの母材に亘り且つ前記開先の底部を構成する裏当て板部と少なくとも一方の母材との間に、前記開先を前記底部側から大気に連通させる隙間を形成することを特徴とする母材溶接方法。
2. 前記開先形成工程において、前記横向き姿勢で前記アーク溶接を行うことが可能に、且つ、前記隙間が前記開先の底部から上方に延在するように、前記２つの母材及び前記裏当て板部を配置させることを特徴とする請求項１に記載の母材溶接方法。
3. 前記２つの母材は、互いに嵌合可能な中空押出形材から構成されており、
   前記開先形成工程において、前記２つの母材を嵌合させることで前記開先を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の母材溶接方法。
4. 前記裏当て板部は、前記一方の母材に一体的に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の母材溶接方法。
5. 前記裏当て板部には、前記隙間を構成する溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の母材溶接方法。

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