JP2016182634A - アルミニウム押出形材の溶接接合方法及びその方法により形成される継手 - Google Patents

Abstract

【課題】形材同士の当接状態に対する制約が少なく、研削後の継手における凹部を防止できる形材同士の溶接接合方法を提供する。【解決手段】第１の方向Ｄｗに延在する第１の面Ｓｅ１と第１の面に対して傾斜する第１の傾斜面Ｇ１と第１の面に設けられた第１の突起Ｐｒ１とを有する第１の形材Ｅ１と、第１の方向に延在する第２の面Ｓｅ２と第２の面に対して傾斜する第２の傾斜面Ｇ２と第２の面に設けられた第２の突起Ｐｒ２とを有する第２の形材Ｅ２とを突き合わせて第１及び第２の傾斜面の間に第２の方向Ｄｅに沿って形成されるＶ形開先Ｇを形成する工程と、溶融した溶加材Ｍｍを、Ｖ形開先をはみ出して第１及び第２の突起の表面上まで供給する工程と、溶加材を固化させて第１の形材と第２の形材とを結合する工程と、固化した溶加材の第１の面及び第２の面より上の部分を第１及び第２の突起と共に除去する工程とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両用構体を構成するアルミニウム押出形材同士の溶接接合方法、より詳しくは、アルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合方法及びその方法により形成される継手に関する。

鉄道車両の車体構体は、一般に、金属材料で予め個別に製作された１つの屋根構体、２つの側構体、２つの妻構体、及び台枠構体（以降、必要に応じて「構体」と総称する）が互いに接合されて構成される。アルミニウム合金製の車体を構成する構体は、通常、アルミニウム形材（特に、アルミニウム押出形材）同士が溶接により接合されて製作される。アルミニウム押出形材同士の溶接接合には、摩擦溶接、アーク溶接、レーザー溶接、及びレーザーアークハイブリッド溶接等の溶接方法が使われる。これらの溶接方法は、溶接歪みの多寡、溶接速度、溶接部の強度、及び被接合部材の形状や強度に対する制約の多寡等の特性が異なり、用途に応じて使い分けられている。

溶接速度の向上と被接合部材の形状及び強度の自由度確保との両立という観点からは、アーク溶接、レーザー溶接、あるいはレーザーアークハイブリッド溶接が好ましい。アーク溶接、レーザー溶接、あるいはレーザーアークハイブリッド溶接によりアルミニウム押出形材同士の接合を行う場合、接合された形材の溶接部（溶接金属及び母材の熱影響部）の表面に、接合に供せられる材料（以降、「接合材料」）の過剰あるいは不足に起因して凸部や凹部が形成されることがある。溶接部の表面に形成された凸部や凹部は、接合された形材の外観を損なうだけでなく、その部分に応力集中が生じるため接合された形材の強度低下をもたらす恐れがある。

溶接部の表面に形成された凸部や凹部のうち、凸部は研削によって除去することができる。凹部に対しては別材料で埋めることが考えられるが、アルミニウム合金製等の塗装を行わない車体構体を構成する構体の場合は、美観を損なったり強度劣化を招いたりする。この観点から、凸部と同様に、表面に形成される凹部を周囲の母材部分と共に除去することが好ましい。溶接部の表面に形成される凹部としては、アンダーフィルとアンダーカットの２種類がある。アンダーフィルは、ビード表面が、隣接する母材表面より低い状態を指す。アンダーカットは、溶接ビード止端部に沿って母材が掘られて、掘られた部分に接合材料が満たされずに溝となって残っている部分を指す。

図１３に、特許文献１に提案されている、接合材料の不足に起因する凹部の一例であるアンダーフィルによる影響の抑制を目的の一つとした被接合部材の接合方法によって得られた溶接接合体の継手部分を示す。特許文献１に記載の接合方法はレーザを使用し、レーザ溶接のメリットである溶接速度の高速化と、溶接部に生じるアンダーフィルによる影響の抑制との両立を図っている。後述するように、特許文献１に記載の接合方法は、溶接部においてアンダーフィルを招く凹部の発生位置を制限すると共に、発生した凹部を周囲の被接合部材（母材）の一部と共に削り取るものである。つまり、後述するように、凹部の最下点が削り取られた後の被接合部材（母材）の上面より上に位置するように考案されている。

図１３（ａ）に示すように、鉄道車両用構体の側構体を構成する外板である被接合部材２１及び２２は、それぞれ、同図に示す端面形状が同図に対して垂直な方向に連続して板状に成形されている。そして、被接合部材２１及び被接合部材２２とは垂直な端面同士が平行に突き当てられて所謂Ｉ型開先が形成されている。Ｉ形開先の重ね合わせによってできた接合線２４に沿って照射されたレーザが被接合部材２１及び２２の延在方向に移動されて溶接が行われる。一般的に、互いに突き合わせされる２つの被接合部材の対向する２つの端面によって構成される溝を開先と言う。被接合部材２１及び２２の開先の近傍部がレーザによって溶融され、この溶融した被接合部材（以降、「溶融材」）が開先（溝）に充填されることによって、２つの被接合部材２１及び２２が溶接される。つまり、被接合部材は自身が溶融材の供給源でもある。被接合部材の対向端面を開先端面と呼び、溶接部が開先端面を横切って被接合部材と交わる（置き換わる）部分をルートと呼び、開先断面間の最小距離をルート間距離と呼ぶ。

特許文献１に示されているＩ形開先構造においては、被接合部材２１及び被接合部材２２は、開先端面が互いに平行に対向するように突き合わされる。被接合部材２１及び２２の押し出し成形方向に延在する長尺面である開先端面間に、押し出し成形方向に延在する矩形状の溝が開先として形成される。よって、ルート間距離は対向する平行端面間の距離であり、好ましくはゼロ（零）である。被接合部材２１及び２２の端部の継手部分の上面には、レーザビームが照射される上方に向けて所定量（肉厚ｔ２２×延在長Ｌ２３）だけ突出した突出部２３が形成されている。被接合部材２１及び２２の接合は、レーザビームの照射によって継手部分（接合線２４近傍）の材料（母材）から溶融した部分（溶融材）が開先（矩形状の溝）に充填されることによって行われる。

レーザビームが照射されてできた溶接部２６では、図１３（ｂ）に示すように、被接合部材２１及び突出部２３からの溶融材が溶融して流れてしまい、溶接部２６に凹部２５が生じる。但し、凹部２５が被接合部材２１及び２２の上面より下に位置しないように、開先の大きさ（容積）に対して十分な量（体積）の溶融材を供給できるように突出部２３の肉厚ｔ２２及び延在長Ｌ２３が予め決定されている。結果、凹部２５は被接合部材２１及び２２の上面位置には至らないので、凹部２５が生じた突出部２３が削り取られることにより、図１３（ｃ）に示すように被接合部材２１及び２２の継手部分の表面は凹部２５が除去されて平らになる。

突出部２３の突出量は、アンダーフィルによって生じる凹部２５を取り除くために切削する分（肉厚ｔ２２×延在長Ｌ２３）だけである。よって、凹部２５が除去された溶接部２６の肉厚は被接合部材２１及び２２の肉厚ｔ２１と同じになる。しかし、溶接部は溶接により強度が低下するために、アンダーフィルが除去された溶接部に要求される構造強度を満たせないことがある。これに対しては、アンダーフィルの除去後の溶接部２６の肉厚が厚さｔ２１より大きくなるように、突出部２３の肉厚ｔ２２を大きく形成することが開示されている。

つまり、特許文献１においては、被接合部材２１及び２２に設けられる突出部２３の領域（肉厚ｔ２２）内にアンダーフィルの原因となる凹部２５を閉じ込めるに十分な溶融材の量を確保するべく所定の肉厚ｔ２２を有する突出部２３が設けられている。そのために、Ｉ形開先を形成する平行な２つの開先端面のそれぞれがレーザーの移動方向である溶接方向における全長に渡って所定の平面度を有し、ルート間距離が所定値（好ましくはゼロ）であるように形成されることが前提になっている。

しかしながら、被接合部材２１及び２２の全長（鉄道車両用構体の側構体を構成する外板の場合は、例えば２０ｍ〜２５ｍ）にわたって、「Ｉ形開先を形成する平行な２つの開先端面のそれぞれが全長に渡って所定の平面度を有し、両者が所定の平行度を有し、設計的にルート間距離が所定値（好ましくはゼロ）であるように形成される」という前提通りに構成することは非常に困難である。長尺状の両端面の上下方向及び長さ（レーザーの移動／溶接）方向の任意の位置に生じる出っ張りや変形は相互に干渉して、ルート間距離を増大させ、接合線２４をより幅広の溝状にしてしまう。

つまり、垂直な端面（Ｉ形開先の開先端面）同士を全面で隙間無く当接させることができず、実際のルート間距離である端面同士の当接状態にばらつきが生じてしまう。Ｉ型開先における開先端面間の実際のルート間距離は、対向する開先端面の長さ（押し出し成形）方向と高さとで規定される長尺面の全面における開先端面の平面度によって決まる。つまり、被接合部材がレーザー移動方向／溶接方向に長い程、本来はゼロであるべく設計されたルート間距離が遙かに大きくなる。平行な被接合部材間には大きな隙間（空間）が生じて開先（矩形状の溝）が拡大する。

開先が拡大するとレーザーを照射する範囲を大きくする必要があり、より高出力のレーザーが必要となる。また、ルート間距離が大きくなれば接合線２４が溝状になり、開先の容積も大きくなるので溶融した被接合部材（接合材料である溶融材）を受け入れることによりアンダーフィルが突出部２３の域内から肉厚ｔ２１の領域にはみ出（凹部２５が被接合部材２１の上面より下に位置）してしまう。これを防ぐためには、突出部２３の体積をより大きく構成する必要がある。これは、主に肉厚ｔ２２を大きくすることによって行われる。

このような場合、溶接後の切削対象が、肉厚ｔ２２を大きくした突出部２３となり、溶接速度が高速であると言うレーザー溶接のメリットが、溶接後の切削作業により損なわれてしまう。さらに、Ｉ形開先の容積が小さい部分でも、容積が最大の部分に合わせて突出部２３を過剰に溶融させるために、レーザ溶接の高速化及びエネルギー効率も大幅に損なわれてしまう。

特許文献１において、被接合部材２１及び２２の間に隙間（溝）が生じる或いは開先（溝）が拡大すれば、この隙間を介して、アンダーフィルの原因として認識されている溶融した接合材料の流れが増大するので、アンダーフィルがより生じ易くなる。そのため、開先を充填するためにより多くの接合材料（溶融材）を必要とする。つまり、被接合部材に所定の（一定の）高さの突出部２３を設けるだけでは被接合部材同士の当接状態のばらつきにより、レーザー移動方向／溶接方向に関して増減する開先容積に応じて、接合材料の必要量を確保することはできず、溶接部にアンダーフィルが生じる可能性が隙間（矩形状溝）の大きさに応じて大きくなり、溶接部の溶接品質にばらつきが生じ得るという問題がある。

開先の拡大による接合材料の不足に対応するには、隙間の最大容量に備えて、突出部２３の肉厚ｔ２２を大幅に大きく形成しておく必要がある。この場合、開先の容量が最大でない箇所（隙間）では、必要以上に突出部２３を溶融させると共に、アンダーフィル除去のための切削量が大きくなるので、資源（溶融化エネルギーと突出部２３）の無駄と共に溶接時間及び作業量の増大を招いてしまう。

また、溶接部の構造強度を確保するためには、突出部２３の肉厚ｔ２２を開先の拡大に備えて増大させる必要がある。このように、構造強度確保のための突出部２３の肉厚増大が開先の最大容積部に十分対応できていない場合には、アンダーフィル除去後の溶接部の肉厚は不十分になる。

上述のように、特許文献１の溶接接合体におけるＩ形開先構造に起因する問題に対して、被接合部材同士の当接状態（ルート間距離）に対する前提条件の少ない開先構造を用いて溶接接合することが考えられる。そのような溶接接合の例として、被接合部材にＶ形開先を設けて行う突合せ溶接（以降、「Ｖ形開先突合せ溶接」）を挙げることができる。Ｖ形開先突合せ溶接において、溶接接合される母材である２つの被接合部材同士の接合は、母材間に形成される開先に、外部から供給される溶加材と、母材の溶融した部分とが凝固することにより行われる。母材が溶融された溶融材ではなく、外部から供給される溶加材が用いられるので、接合に対する溶融した母材（特に、特許文献１における突出部２３）の寄与率が特許文献１の接合方法に比して低い。そのため、開先容積の最大容量に備えて、溶融材の供給源としての突出部２３の肉厚ｔ２２を大幅に大きく形成しておく必要がない。

さらに、Ｖ形開先を形成する、対向する２つの傾斜した開先端面は、Ｉ形開先における開先端面と同程度の平面度を有する。しかし、Ｖ形開先におけるルート間距離は、Ｉ形開先においては平行な端面の長尺の矩形面の全域における平面度によって決まるのに対して、傾斜した端面の下部端（エッジ）によって決まる。また、Ｖ形開先においては、実際のルート間距離（隙間）のばらつきによる開先容積のばらつきは、Ｉ形開先に比べて遙かに小さい。よって、開先容積のばらつきに対しては、溶加材の供給量の調整量を小さく、または調整を無くすことができる。

以下に、図１４、図１５、図１６、及び図１７を参照して、Ｖ形開先突合せ溶接の一例として、従来アルミニウム合金車両の構体の製造に用いられている、アーク溶接（ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接）を用いたアルミニウム押出形材の突合せ溶接接合作業を３つの段階に分けて説明する。

図１４に、Ｖ形開先突合せ溶接接合される母材である２つのアルミニウム押出形材（以降、「形材」）Ｅｃ１及びＥｃ２の一部を示す。形材Ｅｃ１及びＥｃ２はそれぞれ、同図に対して垂直な方向（押出方向Ｄｅ）にアルミニウム合金が押し出し成形されたものであり、同図に示す押出方向Ｄｅに対して垂直な方向Ｄｗに延在する端面形状が押出方向Ｄｅに連続して形成されている。方向Ｄｗは形材Ｅｃ１及びＥｃ２の幅方向であり、以降幅方向Ｄｗと称する。

形材Ｅｃ１は、所定の厚さを有する平板状の部材である。形材Ｅｃ２は、謂わば２つの平板状の部材Ｐｃ２及びＰｃｂが部分的に重ね合わされたような形状を有する。同図において、二点鎖線で分けて示されているが、部材Ｐｃ２と部材Ｐｃｂとは一体的に成形されている。形材Ｅｃ１及びＥｃ２それぞれの上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２は、幅方向Ｄｗに延在する。本例においては、形材Ｅｃ１及び部材Ｐｃ２（形材Ｅｃ２）の厚さｔｃは約３ｍｍである。形材Ｅｃ１の、形材Ｅｃ２（部材Ｐｃ２）と突合せ溶接される端部Ｅｗｃ１（以降、「溶接端部Ｅｗｃ１」）には上面Ｓｅｃ１に対して所定の角度を成して傾斜する開先部Ｇｃ１が設けられている。部材Ｐｃ２（形材Ｅｃ２）の、形材Ｅｃ１と突合せ溶接される端部Ｅｗｃ２（以降、「溶接端部Ｅｗｃ２」）には上面Ｓｅｃ２に対して所定の角度を成して傾斜する開先部Ｇｃ２が設けられている。

形材Ｅｃ１と形材Ｅｃ２とは、形材Ｅｃ１が部材Ｐｃｂ（形材Ｅｃ２）の上に載置されて、溶接端部Ｅｗｃ１及びＥｗｃ２がほぼ同一の面内に位置して所定の間隔Ｌｃで対向するように位置決めされる。溶接端部Ｅｗｃ１の先端部Ｅｅｗｃ１と溶接端部Ｅｗｃ２の先端部Ｅｅｗｃ２との間の間隔Ｌｃが、形材Ｅｃ１と形材Ｅｃ２とのルート間距離（以降、「ルート間隔Ｌｃ」）である。

開先部Ｇｃ１及びＧｃ２と、部材Ｐｃｂの上面とにより開先Ｇｃが押出方向Ｄｅに沿って形成される。開先Ｇｃはアーク溶接により供給される溶融した接合材料（溶融材）を受け入れるべく、アーク溶接側（溶接端部Ｅｗｃ１及びＥｗｃ２の上面側）に向かってＶ字状に開いた所定の開先角度θｃを有する溝である。なお、開先角度θｃは約７０°である。この状態で、形材Ｅｃ１と形材Ｅｃ２とは、突合せ溶接される継手（以降、「溶接前継手」）Ｊｃを構成している。開先Ｇｃの底面を形成する部材Ｐｃｂは、謂わば溶接前継手Ｊｃの裏当て金として機能すると共に、溶接部に対する構造強度要求を満たすために溶接部の肉厚を増加させるべく機能している。この意味において、部材Ｐｃｂを裏当て金Ｐｃｂと呼ぶ。裏当て金Ｐｃｂは、形材Ｅｃ１と一体に形成されていてもよい。

なお、裏当て金Ｐｃｂは、溶接部に対応する開先Ｇｃの反対側（底部）に設けられているので、後述する溶着金属隆起部の除去によってその厚みは変化しない。つまり開先の状態が溶接部の肉厚に影響を与えないことが、Ｉ形開先における場合と異なる。

図１５及び図１６に分けて、上述の溶接前継手Ｊｃに施されるアーク溶接について述べる。形材Ｅｃ１及びＥｃ２は、溶接端部Ｅｗｃ１及びＥｗｃ２の上面側から、溶加材及びシールドガスを供給する溶接トーチ（不図示）によりアーク溶接される。開先Ｇｃには、溶加材から移行した金属（以降、「溶融溶加材Ｍｍ」）が供給される。ビード表面でアンダーフィル或いは形材Ｅｃ１及びＥｃ２それぞれの上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２上でのアンダーカットを生じないように、裏当て金Ｐｃｂと開先部Ｇｃ１及びＧｃ２によって規定される開先Ｇｃの容積に対して多めに溶融溶加材Ｍｍが供給される。

図１５に、溶接前継手Ｊｃに溶融溶加材Ｍｍが供給された状態を示す。上述のように、ビード表面でのアンダーフィル或いは上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２上でのアンダーカットを防止するために、溶融溶加材Ｍｍは、開先Ｇｃから上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２上にはみ出すように供給される。溶融溶加材Ｍｍは表面張力により上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２から開先Ｇｃの上部に向かって凸状に盛り上がる。なお、開先Ｇｃに供給された溶融溶加材Ｍｍは、開先部Ｇｃ１及び開先部Ｇｃ２の一部を溶かすと共に混ざり合って溶着金属となるが、説明の便宜上、図１５では溶融溶加材Ｍｍによる開先部Ｇｃ１及びＧｃ２の端面の溶融は開始していない状態が示されている。溶融溶加材Ｍｍの外周端部と上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２との境界をそれぞれ、溶接ビード止端Ｔｗｍ１及びＴｗｍ２と呼ぶ。溶着金属は時間の経過と共に冷却されて凝固する。

図１６に、溶接前継手Ｊｃが凝固した溶着金属（以降、「凝固後溶着金属Ｍｗ」）によって接合された一例を示す。同状態の溶接前継手Ｊｃを溶接後継手Ｊｃｗと呼んで識別する。同様に接合された形材Ｅｃ２（部材Ｐｃ２、裏当て金Ｐｃｂ）及び形材Ｅｃ１もそれぞれ溶接後形材Ｅｃ２ｗ（溶接後部材Ｐｃ２ｗ、溶接後裏当て金Ｐｃｂｗ）及び溶接後形材Ｅｃ１ｗと呼んで識別する。凝固後溶着金属Ｍｗによって、溶接後形材Ｅｃ１ｗと溶接後形材Ｅｃ２ｗとが互いに接合されて、溶接後継手Ｊｃｗ（突合せ溶接された継手）を構成している。

同図に見て取れるように、凝固後溶着金属Ｍｗの中央及びその周辺部は溶接後形材Ｅｃ１ｗの上面Ｓｅｃ１及び溶接後形材Ｅｃ２ｗの上面Ｓｅｃ２より上方に盛り上がっている。凝固後溶着金属Ｍｗの、上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２より上方に位置する部分を溶着金属隆起部Ｂｍｃと呼ぶ。一方、凝固後溶着金属Ｍｗの外周縁部は上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２より下方に位置し且つ開先部Ｇｃ１及びＧｃ２のそれぞれの端面より溶接端部Ｅｗｃ１及びＥｗｃ２の内部に侵入して、凝固後溶着金属Ｍｗの外周縁である溶接ビード止端部Ｔｗｃ１及びＴｗｃ２がそれぞれが、溶接ビード止端Ｔｗｍ１及びＴｗｍ２を外縁として上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２に較べて低い位置に形成されている。つまり、上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２よりも下方の位置に凹みＤが、溶接後形材Ｅｃ１ｗあるいはＥｃ２ｗ（母材）と凝固後溶着金属Ｍｗとの境界にある溶接ビード止端部Ｔｗｃ１あるいはＴｗｃ２に沿って形成される場合がある。

凹みＤは、アークによって、母材が溶接ビード止端部Ｔｗｃ１或いはＴｗｃ２に沿って浸食（溶か）された部分が、溶着金属（溶融溶加材Ｍｍ）の不足によりできた溝で、上述のアンダーカットである。以降、凹みＤを必要に応じてアンダーカットＤと呼ぶ。そして、アンダーカットＤが形成された状態で、溶接後形材Ｅｃ１ｗ及びＥｃ２ｗのそれぞれの上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２と溶接部（凝固後溶着金属Ｍｗ）が面一になるように、研削により凝固後溶着金属Ｍｗから溶着金属隆起部Ｂｍｃが除去される。

図１７に、上述の溶接後継手Ｊｃｗにおいて、溶着金属隆起部Ｂｍｃが除去された状態を示す。以降、溶着金属隆起部Ｂｍｃの除去後の溶接後継手Ｊｃｗを研削後継手Ｊｃｇと呼んで識別する。研削後継手Ｊｃｇは、凝固後溶着金属Ｍｗから溶着金属隆起部Ｂｍｃが除去された点を除けば、基本的には溶接後継手Ｊｃｗと同一のものである。凝固後溶着金属Ｍｗから溶着金属隆起部Ｂｍｃが除去された残りの部分を、平坦化溶着金属Ｍｗｇと呼ぶ。平坦化溶着金属Ｍｗｇの上面は、平坦且つ上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２と面一になっている。しかし、上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２より下位に形成されたアンダーカットＤは除去されない。つまり、凹みＤの上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２からの深さをｔｄとすると、研削後継手Ｊｃｇの上面には深さｔｄのアンダーカットＤが形成されたままとなる。

特開２００７−２２９７７７号公報

Ｖ形開先突合せ溶接（図１４〜図１７）は、母材同士の接合に外部から開先に供給される量の調整が容易な溶加材を用いるため、母材のルート間距離（母材同士の対向／当接状態）に対する要求精度が高くなく、溶接品質が母材同士の対向／当接状態に依存する度合が小さいという利点がある。そのためＶ形開先突合せ溶接においては、溶接部の中央部分における接合材料の不足に起因する凹部の形成（図１３におけるアンダーフィルによる凹部２５）の防止は容易である。しかしながら、Ｖ形開先突合せ溶接においては、アンダーカット、つまり溶接ビード止端部に沿って形成される凹部Ｄの形成防止は非常に困難である。

開先突合せ溶接に対しては、車両構体の生産性向上のため、溶接速度を向上させる要望がある。溶接速度を大きくするためには溶接電流を増加する必要があるが、溶接電流を増加すると、アークが大きくなり、形材Ｅｃ１あるいはＥｃ２（母材）のより広い範囲が容易に掘られて、アンダーカットＤがいっそう形成されやすくなる。

研削後継手ＪｃｇからアンダーカットＤを完全に無くすためには、凝固後溶着金属Ｍｗを溶着金属隆起部Ｂｍｃの下部よりさらにアンダーカット深さｔｄまで研削除去する共に、溶接端部Ｅｗｃ１及びＥｗｃ２の上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２からアンダーカット深さｔｄまで研削する必要がある。この研削により溶接後形材Ｅｃ１ｗ及びＥｃ２ｗ（溶接後部材Ｐｃ２ｗ）の厚さｔｃが（ｔｃ−ｔｄ）に減少する。結果、多大な作業時間及び資源の無駄を招く上に、強度が低下する。

本発明は、上述の問題に鑑みて、被接合部材同士の当接状態に対する制約が少なく、研削後の継手における凹部を防止できるアルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合方法及びその方法により形成される継手を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する為に、本発明に係る形材の接合方法は、第１の方向に延在する第１の面と当該第１の面に対して第１の所定の角度を成して傾斜する第１の傾斜面と当該第１の面に第１の所定の高さだけ突出して設けられた第１の突起とを有する第１の形材と、
当該第１の方向に延在する第２の面と当該第２の面に対して第２の所定の角度を成して傾斜する第２の傾斜面と当該第２の面に第２の所定の高さだけ突出して設けられた第２の突起とを有する第２の形材とを突き合わせて当該第１の傾斜面と当該第２の傾斜面との間に当該第１の方向に直交する第２の方向に沿って形成されるＶ形開先を形成する突合せ工程と、
溶融した溶加材を、前記Ｖ形開先をはみ出して、前記第１の突起と前記第２の突起の表面上まで供給する溶加材供給工程と、
前記供給された溶加材を固化させて前記第１の形材と前記第２の形材とを結合する結合工程と、
前記固化した溶加材の前記第１の面及び前記第２の面より上の部分を前記第１の突起及び前記第２の突起と共に除去する除去工程とを備える。

本発明に係るアルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合方法によると、研削後の継手における凹部を防止できると共に、当該方法により形成される継手の構造強度が確保される。

本発明に係る突合せ溶接の技術的特徴の説明図であって、溶接後の状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る、アルミニウム押出形材の突合せ溶接の説明図である。 図２において、アルミニウム押出形材を押出方向に見た、突合せ溶接前の状態を示す端面図である。 図３に示すアルミニウム押出形材の拡張開先部の部分拡大図である。 図２に示すアルミニウム押出形材の開先部突起の突起開先部内に溶融溶加材を閉じ込める構成の説明図である。 図２に示すアルミニウム押出形材の開先部突起の突起開先部から突起上面部に掛けて溶融溶加材を閉じ込める構成の説明図である。 図２に示すアルミニウム押出形材の開先部突起の突起開先部から突起外端部に掛けて溶融溶加材を閉じ込める構成の説明図である。 図３に示した開先部突起の第１の変形例を示す図である。 図３に示した開先部突起の第２の変形例を示す図である。 図３に示した開先部突起の第３の変形例を示す図である。 図３に示した開先部突起の第４の変形例を示す図である。 図３に示した開先部突起の第５の変形例を示す図である。 特許文献１に提案されている被接合部材の接合方法と、その接合方法によって得られた溶接接合体の継手部分とを示す端面図である。 継手を構成する従来のアルミニウム押出形材の突合せ溶接前の状態を示す端面図である。 図１４に示すアルミニウム押出形材の開先に溶加材が供給された後の状態を模式的に示した端面図である。 図１４に示すアルミニウム押出形材が、溶接された状態を示す端面図である。 図１６に示す突合せ溶接後のアルミニウム押出形材に表面研削を施して完成される突合せ継手の端面図である。

本発明の実施の形態に係るアルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合方法について具体的に述べる前に、図１を参照して本発明の技術的特徴について説明する。本発明に係るアルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合は、従来と同様に、形材の端部同士を突合せる突合せ工程と、突合せされた形材同士を溶接により接合（結合）して継手を形成する結合工程と、溶接後の形材（継手）の表面（上面）を除去する除去工程とを含む。

本発明は、溶加材の供給量を調整することによって、接合工程に於ける接合材料の溶加材不足に起因する凹部（アンダーフィル）の形成の防止を図ると共に、溶接速度を大きくすることなどによる凹部（アンダーカット）の形成される位置を所望の範囲に制限する（除去工程で除去される部分に凹部が形成されるようにする）手段を溶接前の形材に設けることに大きな特徴がある。なお、除去工程は、溶接部に生じる凹部と共に形材の一部を除去できる方法であれば何でもよく、本発明においても一例として従来と同様に研削によって行われる。

凹部が形成される位置を所望の範囲に制限するために、被接合部材の開先に供給される接合材料の供給量の調整が容易であることが前提となる。母材自身からではなく外部から接合材料として溶加材を供給する溶接方法が好ましい。そして供給された溶加材（接合材料）の被接合部材に対する比率の変動を抑えるためには、溶接送り方向に関して開先容積の変動が小さいＶ形開先突合せ溶接が好ましい。この観点から、本発明においては、Ｖ形開先突合せアーク溶接が採用される。さらに、溶接速度及び母材に対する熱影響の観点からレーザーアークハイブリッド溶接がより好ましい。

上述の従来のＶ形開先突合溶接においては、凝固後溶着金属Ｍｗの最上点が上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２より所定の距離だけ高い位置に形成されるが、溶融溶加材Ｍｍの外周端部は上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２上に位置し、凝固後溶着金属Ｍｗの表面の最下点（アンダーカットＤ部）は上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２より下位に形成される。これに対して、本発明においては、凝固後溶着金属Ｍｗの表面の最下点及び外周端部も以下に述べる除去面Ｐｆ（上面Ｓｅｃ１及びＳｅｃ２に相当）より所定の距離だけ高い位置に形成される。以下に、図１を参照して、本発明における溶接部に形成される凹部の位置（場所）の制限について説明する。

図１は、本発明に係る継手のＶ形開先に供給された溶融溶加材Ｍｍ（不図示）が、母材Ｍｂを部分的に溶融させると共に混ざり合った状態で凝固（固化）して、ビードＢが形成された状態を、Ｖ形開先の延在方向（溶接送り方向）に見た状態を示す。図１において実線及び二点鎖線で示すＥｇは、所定の開先角度θを成して突き合わされた、図２に示す被接合部材である形材Ｅ１（平板部Ｐ１）及び形材Ｅ２（平板部Ｐ２）のＶ形開先の端面（以降、「開先端面Ｅｇ」）を示す。

実線Ｐｍは母材Ｍｂの下面（以降、「母材下面Ｐｍ」）を示す。符号Ｅｍｒは溶接ビード表面と開先端面Ｅｇとの境界（以降、「溶接ビード止端Ｅｍｒ」）を示す。二点鎖線Ｐｆは、母材Ｍｂが溶接によって結合された後に、母材Ｍｂ（形材Ｅ１及びＥ２）の上部と共に溶接部上部が、或いは溶接部の上部のみが研削などの手段により除去された後の上面（以降、「除去面Ｐｆ」）を示す。

矢印Ｈｍ１ｒは除去面Ｐｆから溶接ビード止端Ｅｍｒまでの距離（以降、「溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒ」）を示す。矢印Ｈｅｇは、除去面Ｐｆから開先端面Ｅｇの上端部までの距離（以降、「開先端高Ｈｅｇ」）を示す。

実線Ｓｂは、溶融溶加材Ｍｍが冷却されて凝固した凝固後溶着金属Ｍｗによって形成されるビードＢの上面（以降、「ビード上面Ｓｂ」）を示し、符号Ｂｂはビード上面Ｓｂと開先端面Ｅｇとの境界（以降、「ビード境界Ｂｂ」）を示し、矢印Ｈｂ１は除去面Ｐｆからビード境界Ｂｂ迄の距離（以降、「ビード境界高Ｈｂ１」）を示し、矢印Ｈｂ２は除去面Ｐｆからビード上面Ｓｂまでの距離（以降、「ビード高Ｈｂ２」）を示している。

開先に供給された溶融溶加材Ｍｍは表面張力によって凸状或いは凹状になる。ビード高Ｈｂ２は、ビード上面Ｓｂが凸状（図１）の場合は、ビード上面Ｓｂの最上位部までの距離であるビード高Ｈｂ２＞ビード境界高Ｈｂ１となる。一方、ビード上面Ｓｂが凹状の場合はビード上面Ｓｂの最下位部までの距離であるビード高Ｈｂ２＜ビード境界高Ｈｂ１となる。何れの場合においても、溶接ビード止端Ｅｍｒ及びビード境界Ｂｂが除去面Ｐｆより所定の高さに形成されるように、溶加材が供給される。

溶接ビード止端Ｅｍｒとビード境界Ｂｂとの間から母材Ｍｂの下方に向かって凹部Ｕｃが形成される場合がある。この凹部ＵｃがアンダーカットＵｃである。矢印Ｈｕｃは、除去面ＰｆからアンダーカットＵｃの下端部までの距離（以降、「アンダーカット高Ｈｕｃ」）を示す。溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒとアンダーカット高Ｈｕｃとの差であるＤｈ（以降、「アンダーカット深Ｄｈ」）は開先端面ＥｇにおけるアンダーカットＵｃの高さ方向の大きさを示している。ビードＢ及び母材Ｍｂにおいて、除去面Ｐｆより上方に位置する部分をビード隆起部Ｂｍと呼ぶ。ビード隆起部Ｂｍが削除されることにより、母材Ｍｂ及び溶接部にアンダーフィル及びアンダーカットＵｃが存在しない継手を得ることができる。

矢印Ｄｍｉｎは、アンダーカット高Ｈｕｃとビード高Ｈｂ２との差（Ｈｂ２−Ｈｕｃ）を示しており、母材Ｍｂ及び溶接部にアンダーフィル及びアンダーカットを存在させないために除去するビード隆起部Ｂｍの最小深さ（以降、「溶接部最少除去深さＤｍｉｎ」）を示している。なお、ビードＢ（凝固後溶着金属Ｍｗ）が凹状に形成される場合には、アンダーカット高Ｈｕｃとビード高Ｈｂ２との差（Ｈｕｃ―Ｈｂ２）が溶接部最少除去深さＤｍｉｎである。母材Ｍｂ及び溶接部にアンダーフィル及びアンダーカットを存在させないためだけであれば、ビード隆起部Ｂｍのアンダーカット高Ｈｕｃより上部だけを削除すればよい。この場合、アンダーカット高Ｈｕｃだけ母材Ｍｂより肉厚を大きくして強度補強をすることも出来る。

本発明においては、上述のように、基本的には、アンダーフィルの原因となる凹部が溶接部に生じない或いは被接合母材の上面である除去面より上位に生じるように、十分な量の溶加材を外部から供給している。そして、溶融溶加材の外周端部で生じるアンダーカットが被接合部材の上面である除去面より上位になるように考案されている。言い換えれば、溶接後に除去不能或いは除去が好ましくない母材Ｍｂ上ではなく、除去可能な溶接部の一部（ビード隆起部Ｂｍ及びその近傍）に凹部（アンダーフィル、アンダーカットＵｃ）を生じさせるように溶加材（接合材料）の供給量を制御する。

次に、開先端高Ｈｅｇの設定について述べる。上述のように、Ｖ形開先は、断面面積はＩ形開先よりも大きいため、開先が延在する溶接方向における容積の変動（ばらつき）は、Ｖ形開先の方がＩ形開先に比べて遙かに小さい。また、溶融材として溶加材を外部から供給するアーク溶接は、母材の一部を溶融させて溶融材とするレーザ溶接に比べて、溶融材の供給量（体積）が大きく且つ調整が容易である。

Ｖ形開先の容量をＶｇ（以降、「Ｖ形開先容量Ｖｇ」）とし、外部からＶ形開先に供給され母材と溶着した溶加材の体積をＶｍ（以降、「溶加材溶着体積Ｖｍ」）とすると、Ｖ形開先（開先Ｇ）に対する溶加材溶着体積Ｖｍの割合である開先溶加材比Ｒは、次式（１）で表される。
Ｒ＝Ｖｍ／Ｖｇ ・・（１）

開先溶加材比Ｒに応じて、溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒの大きさは異なり、開先溶加材比Ｒが最小値の時に最小の溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒ（ｍｉｎ）となり、開先溶加材比Ｒが最大値の時に最大の溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒ（ｍａｘ）となる。よって、開先端高Ｈｅｇは、溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒ（ｍａｘ）以上の値に設定される。

本発明に係る溶接前の形材においては、アンダーカットＵｃのアンダーカット高Ｈｕｃが除去面Ｐｆより上部になるように構成されている。開先端面Ｅｇが従来の溶接前形材Ｅｃ１及びＥｃ２（図１４）の開先端面（開先部Ｇｃ１及びＧｃ２）より上方まで延在する。従って溶接前形材の開先の容積（Ｖ形開先容量Ｖｇ）は、他の条件が同じであれば、従来の溶接前形材の開先Ｇｃの容積に比して大きい。アンダーカットＵｃを除去工程で除去される部分に形成させるためには、容積が従来より大きい開先に対して、従来より多い量（溶加材溶着体積Ｖｍ）の溶融溶加材Ｍｍを供給する必要がある。

開先に供給される溶融溶加材Ｍｍの必要量（溶加材溶着体積Ｖｍ）の増大は、溶接に要する時間及び母材Ｍｂが受ける熱量の増大を招く。溶接時間及び母材Ｍｂが受ける熱量の増大を抑制しながら溶融溶加材境界（溶接ビード止端Ｅｍｒ）を除去面Ｐｆより上部の位置、つまり従来より高い位置に形成するためには、開先角度θを小さくして開先の容積（溶融溶加材Ｍｍの必要量）の増大を抑えることが考えられる。しかしながら、単に開先角度を小さくすると開先の底面（母材下面Ｐｍ）近傍の部分の開先端面間の距離が特に小さくなり、アークによる母材Ｍｂの溶け込みが不十分であったり、溶融溶加材Ｍｍが開先の底面近傍の部分に十分に供給されない等の問題が生じる。

上述に鑑みて、本発明に係るアルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合の方法として、レーザーとアークを熱源とするレーザーアークハイブリッド溶接が採用される。レーザービームの照射により、開先角度θを小さくしても母材Ｍｂの溶け込みが十分に得られ、溶融溶加材Ｍｍは開先の底面近傍の部分にも十分に供給される。レーザーをアークと合わせて使用することで、アークのみの時より狭い範囲を深く溶融させることができ、また溶融溶加材Ｍｍを少なくできるため、溶接前継手Ｊｐの溶接に要する時間は従来の溶接前継手Ｊｃの溶接に要する時間より短い。溶接前継手Ｊｐが溶接時に受ける熱量も、従来の溶接前継手Ｊｃが受ける熱量よりも低減される。また、開先角度θを小さくすることにより開先の容積（溶融溶加材Ｍｍの必要量）の増大を抑制しても、所望の溶接品質及び溶接速度を得ることができる。

本発明においては、溶接前の形材（母材）を所定の形状に、具体的には開先端面を構成する部分がアンダーカット高Ｈｕｃが除去面Ｐｆより上部になる形状及び大きさを有するように成形することにより凹部（アンダーカット）が形成される位置を制限する。なお、図１に示すように、アンダーカット高Ｈｕｃは、除去面ＰｆからアンダーカットＵｃの下端部迄の距離である。言い換えると、凹部（アンダーカット）が溶接後の除去工程で形材から除去される部分に形成されるように、溶接前の形材を成形する。

アンダーカット高Ｈｕｃが除去面Ｐｆより上部になるのであれば、アンダーカットＵｃは、図１に示す例のように開先端面Ｅｇに形成されても、母材の開先端面を構成する部分の上面や側面に形成されてもよい。アンダーカットＵｃが母材の開先端面を構成する部分の上面や側面に形成される場合については、以下に図２、図３、図４、図５、図６、及び図７を参照して説明する。

次に、図２〜図７を参照して、本発明の実施の形態に係るアルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合方法について説明する。本実施の形態に係る溶接前の形材は、開先を規定する端部の上面から溶接が行われる側に突出するように突起（以降、「開先部突起Ｐｒ」）が設けられた形状に予め成形される。開先部突起Ｐｒは、形材の全長にわたって設けられて、図４を参照して後述するように、開先の上部に溶融溶加材Ｍｍを受け入れる空間を形成（追加）する。開先部突起Ｐｒは、謂わば開先の拡張手段でもある。このように、開先部突起Ｐｒによって拡張された開先Ｇを拡張開先部Ｇｅと呼ぶとともに、後程図３及び図４を参照して詳述する。

このように成形された溶接前の形材の、開先部突起Ｐｒによって拡張された開先に対して、溶融溶加材Ｍｍを形材の上面より上方の位置まで、具体的には開先部突起Ｐｒの表面上まで供給することが可能である。これにより、アンダーカットが形成され得る溶接ビード止端部（図１におけるビード境界Ｂｂ近傍に相当）が形材の上面より上方の位置に形成される。溶接後の形材において形材の上面（図１における除去面Ｐｆに相当）より上方に位置する部分は、研削工程において除去される。つまり溶接ビード止端部は、除去工程で除去される部分に形成される。

図２に、本実施の形態に係る、レーザーアークハイブリッド溶接によるＶ形開先突合せ溶接接合作業が行われている途中の状態の溶接前継手Ｊｐを示す。溶接前継手Ｊｐの奥（右上方向）から手前（左下方向）に向かってレーザーアークハイブリッド溶接が行われて、押出方向Ｄｅ方向に延在する開先Ｇの途中まで溶融溶加材Ｍｍが供給されている状態が表されている。なお、溶接前継手Ｊｐ及び溶融溶加材Ｍｍ以外の溶加材供給手段やレーザービームやシールドガス等は表されていない。

まず、図２を参照して、溶接前継手Ｊｐを構成する被接合部材である形材Ｅ１及びＥ２の特徴について簡単に説明する。形材Ｅ１及びＥ２は、アルミニウム合金車両の構体の製造に用いられる部材であって、押出方向Ｄｅにアルミニウム合金が押し出し成形されたものであり、同図に示す端面形状が押出方向Ｄｅに連続して形成されている。後程、図３を参照して詳述するように、形材Ｅ１は、上述の従来の形材Ｅｃ１に相当する平板部Ｐ１の上面に開先部Ｇ１に連続して開先部突起Ｐｒ１が設けられた構造を有している。同様に、形材Ｅ２は、従来の形材Ｅｃ２の部材Ｐｃ２に相当する平板部Ｐ２の上面に開先部Ｇ２に連続して開先部突起Ｐｒ２が設けられている。開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２は、形材Ｅ１及びＥ２のそれぞれにおいて上述の母材Ｍｂ（図１）に於けるアンダーカット高Ｈｕｃを確保する手段である。

上述の溶接前継手Ｊｐをアーク溶接が施されていない側（図２において左下部）からみた端面を示す図３を参照して、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２に関して説明する。形材Ｅ１は平板部Ｐ１と開先部突起Ｐｒ１とを含み、形材Ｅ２は平板部Ｐ２と開先部突起Ｐｒ２と裏板Ｐｂとを含む。平板部Ｐ１及びＰ２はそれぞれ、所定の厚さＴｅ１及びＴｅ２を有する。厚さＴｅ１及びＴｅ２は２ｍｍ〜４ｍｍ程度であり、本実施の形態においては約３ｍｍである。平板部Ｐ１の、形材Ｅ２と突合せ溶接される端部Ｅｗ１（以降、「溶接端部Ｅｗ１」）には、平板部Ｐ１の上面Ｓｅ１に対して所定の角度を成して傾斜する傾斜面である開先部Ｇ１が設けられている。平板部Ｐ２の、形材Ｅ１と突合せ溶接される端部Ｅｗ２（以降、「溶接端部Ｅｗ２」）には、平板部Ｐ２の上面Ｓｅ２に対して所定の角度を成して傾斜する傾斜面である開先部Ｇ２が設けられている。開先部Ｇ１及びＧ２は、開先Ｇ（図４）の開先端面（上述の開先端面Ｅｇ（図１）の一部に相当する）を構成している。溶接端部Ｅｗ１の先端部Ｅｅｗ１と溶接端部Ｅｗ２の先端部Ｅｅｗ２との間の間隔が、形材Ｅ１と形材Ｅ２とのルート間距離Ｌである。なお、開先Ｇは、図１４を参照して説明した、従来の溶接前継手Ｊｃにおける開先Ｇｃに相当する。

形材Ｅ１と形材Ｅ２とは、上述したように、溶接端部Ｅｗ１及びＥｗ２がほぼ同一の面内に位置して対向するように位置決めされる。この状態で、形材Ｅ１と形材Ｅ２とは、溶接前継手Ｊｐを構成している。溶接前継手Ｊｐにおいて、溶接端部Ｅｗ１及びＥｗ２は互いに接触する必要は無い。溶接前継手Ｊｐの拡張開先部Ｇｅは、開先部Ｇ１及びＧ２と裏板Ｐｂの上面と開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉ（後程詳述）とにより規定される。裏板Ｐｂの上面は、上述の母材下面Ｐｍ（図１）に相当し、開先Ｇの底面を構成する。開先部Ｇ１及びＧ２と、突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉとが、上述の開先端面Ｅｇ（図１）に相当する。なお、開先Ｇの開先角度θは、０°＜θ＜７０°を満たす範囲内で、好ましくは３５°≦θ＜７０°を満たす範囲内で設定される。本実施の形態においては、開先角度θは約３５°である。上述の開先部Ｇ１及びＧ２が、上面Ｓｅ１及びＳｅ２に対してそれぞれ成す角度は、好ましくは（（π−θ）／２）°である。

なお、レーザーＭＩＧハイブリッド溶接の場合は、レーザ照射により深い溶け込みが得られるので、θ≧0°から実施できる。開先角度θが小さいほうが良いが、θ＝0°の場合はＩ形開先となるため、Ｖ形開先に較べてルート間距離の変動の影響が大きく、溶け込みを安定させることが難しい。このように、本実施の形態においてはレーザーアークハイブリッド溶接を用いることによって、アーク溶接の場合に比べて開先角度θ及びルート間距離Ｌをより小さく、つまりＶ形開先容量Ｖｇを小さくし、必要とする溶加材量（溶加材溶着体積Ｖｍ）の低減を可能にしている。溶加材量の低減により、溶接前継手Ｊｐに対する溶接時の熱影響も低減できる。なお、開先角度θ及びルート間距離Ｌが大きくなることを除けば、本発明はレーザーアークハイブリッド溶接と同様にレーザー照射を伴わないアーク溶接にも適用できる。

開先部突起Ｐｒ１は、突起開先部Ｓｒ１ｉと、突起上面部Ｓｒ１ｔと、突起外端部Ｓｒ１ｏとによって規定される台形状の断面形状を有している。なお、突起上面部Ｓｒ１ｔは台形の上底に相当する、上面Ｓｅ１に概ね平行な上面部であり、その両端部のそれぞれで突起開先部Ｓｒ１ｉ及び突起外端部Ｓｒ１ｏに連続している。突起外端部Ｓｒ１ｏは、台形の左側の脚に相当し、上端部で突起上面部Ｓｒ１ｔに連続し、下端部で上面Ｓｅ１に連続している。突起開先部Ｓｒ１ｉは台形の右側の脚に相当し、その下端と突起外端部Ｓｒ１ｏの下端を結ぶ線が台形の下底であると共に、上面Ｓｅ１に一致する。突起上面部Ｓｒ１ｔの長さ、つまり突起開先部Ｓｒ１ｉ及び突起外端部Ｓｒ１ｏの上端部間の距離を開先部突起幅Ｗｓ１とする。突起上面部Ｓｒ１ｔの高さ、つまり上面Ｓｅ１との距離を突起高Ｈ１とする。突起開先部Ｓｒ１ｉ及び突起外端部Ｓｒ１ｏの突起上面部Ｓｒ１ｔと平行な方向への長さをそれぞれ突起開先幅Ｗｉ１及び突起外端幅Ｗｏ１とする。

同様に、開先部突起Ｐｒ２は、突起開先部Ｓｒ２ｉと、突起上面部Ｓｒ２ｔと、突起外端部Ｓｒ２ｏとによって規定される台形状の断面形状を有している。突起上面部Ｓｒ２ｔは台形の上底に相当し、上面Ｓｅ２に概ね平行な上面部であり、その両端部のそれぞれで突起開先部Ｓｒ２ｉ及び突起外端部Ｓｒ２ｏに連続している。突起外端部Ｓｒ２ｏは、台形の右脚に相当し、上端部で突起上面部Ｓｒ２ｔに連続し、下端部で上面Ｓｅ２に連続している。突起開先部Ｓｒ２ｉは台形の左脚に相当し、その下端と突起外端部Ｓｒ２ｏの下端を結ぶ線が台形の下底であると共に、上面Ｓｅ２に一致する。突起上面部Ｓｒ２ｔの長さ、つまり突起開先部Ｓｒ２ｉ及び突起外端部Ｓｒ２ｏの上端部間の距離を開先部突起幅Ｗｓ２とする。突起上面部Ｓｒ２ｔの高さ、つまり上面Ｓｅ２との距離を突起高Ｈ２とする。突起開先部Ｓｒ２ｉ及び突起外端部Ｓｒ２ｏの突起上面部Ｓｒ２ｔと平行な方向への長さをそれぞれ突起開先幅Ｗｉ２及び突起外端幅Ｗｏ２とする。

形材Ｅ１及びＥ２のそれぞれに於ける開先端面を開先端面Ｅｇ１及びＥｇ２と識別する。開先端面Ｅｇ１は、形材Ｅｃ１の開先部Ｇｃ１（図１４）に相当する開先部Ｇ１と、開先部突起Ｐｒ１の開先端部である突起開先部Ｓｒ１ｉとを含む。同様に、開先端面Ｅｇ２は形材Ｅｃ２の開先部Ｇｃ２（図１４）に相当する開先部Ｇ２と、開先部突起Ｐｒ２の開先端部である突起開先部Ｓｒ２ｉとを含む。つまり、開先端面Ｅｇ１及びＥｇ２と裏板Ｐｂとの間に、上述の如く開先Ｇの容量が拡張された拡張開先部Ｇｅが形成される。なお、開先角度θ或いはルート間距離Ｌはそれぞれ、従来の溶接前継手Ｊｃの開先角度θｃ或いはルート間隔Ｌｃより小さい。これは、通常のアーク溶接に加えてレーザー照射が用いられることによるものであり、上述の通りである。

次に図４を参照して、拡張開先部Ｇｅについて説明する。開先端面Ｅｇ１の開先部Ｇ１と、開先端面Ｅｇ２の開先部Ｇ２と、裏板Ｐｂとの間に開先Ｇが形成されるのは、上述の通りである。開先端面Ｅｇ１の突起開先部Ｓｒ１ｉと、開先端面Ｅｇ２の突起開先部Ｓｒ２ｉとの間には、空間Ｇｂが開先Ｇに連続的に付加形成されている。空間Ｇｂの容積を付加容量Ｖｂとすると、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２によって、開先ＧのＶ形開先容量Ｖｇ以上、つまり容量（Ｖｇ＋Ｖｂ）に相当する体積の溶融溶加材Ｍｍの受け入れを可能としている。この意味において、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２は開先Ｇを付加容量Ｖｂだけ拡張している。

図２に示される例では、母材Ｍｂ（形材Ｅ１及びＥ２）と溶融溶加材Ｍｍとの境界である溶接ビード止端部Ｔｗｐ１は開先部突起Ｐｒ１の表面の一部である突起上面部Ｓｒ１ｔ上に形成され、溶接ビード止端部Ｔｗｐ２は開先部突起Ｐｒ２の表面の一部である突起上面部Ｓｒ２ｔ上に形成されている。つまり、溶接ビード止端部Ｔｗｐ１及びＴｗｐ２は高さ方向Ｄｖにおいて、平板部Ｐ１及びＰ２それぞれの上面Ｓｅ１及びＳｅ２より突起高Ｈ１（Ｈ２）だけ上方に位置する。つまり、溶接ビード止端部Ｔｗｐ１及びＴｗｐ２は、アンダーカット高Ｈｕｃが除去面Ｐｆより上部になる位置に形成される。この意味において開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２は、アンダーカットＵｃ（図１）を除去工程で除去される部分に形成されるようにする手段であると言える。溶接ビード止端部Ｔｗｐ１及びＴｗｐ２の生成位置については、後程図５、図６、及び図７を参照して詳述する。

溶接前継手Ｊｐにおいて、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２は所定の距離Ｄｐｒを置いて互いに対向している。なお、開先Ｇの底面を構成する裏板Ｐｂは、謂わば溶接前継手Ｊｐの裏当て金として機能すると共に、溶接部に対する構造強度要求を満たすために溶接部の肉厚を増加させるべく機能している。裏板Ｐｂは形材Ｅ２とでは無く形材Ｅ１と一体に形成されていてもよい。

本実施の形態に係る突合せ溶接接合方法においては、開先Ｇに供給される溶融溶加材Ｍｍ（図２）の量を、溶融溶加材Ｍｍが開先Ｇをはみ出して溶接ビード止端部Ｔｗｐ１及びＴｗｐ２（図２）が形材の平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２より上方に位置する開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２に形成されるように制御する。溶接ビード止端部Ｔｗｐ１及びＴｗｐ２が形成される場所は、高さ方向Ｄｖにおいて平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２（除去面Ｐｆ（図１）に相当）より上方であれば、つまり開先部突起Ｐｒの表面上であればよい。具体的には、開先部突起Ｐｒの突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉであっても、突起上面部Ｓｒ１ｔ及びＳｒ２ｔであってもよい。あるいは、突起外端部Ｓｒ１ｏ及びＳｒ２ｏであってもよい。

つまり、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の断面形状を略台形状に構成することにより、高さＨ１及びＨ２を無闇に大きくしなくても、アンダーカットＵｃ（図１）が除去工程で除去される部分である開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２に形成されるようにすることができる。上述のように、開先部突起Ｐｒ１及び開先部突起Ｐｒ２は開先ＧのＶ形開先容量Ｖｇに対する溶融溶加材Ｍｍの供給量（溶加材溶着体積Ｖｍ）の割合の変動に関わらずアンダーカットＵｃが開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２に形成されるように設定されている。以下に、図５、図６、及び図７を参照して、所定範囲内に在る開先溶加材比Ｒに関して、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２のそれぞれ異なる設定方法について具体的に説明する。

次に図５を参照して、全溶融溶加材Ｍｍを拡張開先部Ｇｅの内部に閉じ込める、換言すると溶融溶加材Ｍｍを開先Ｇからはみ出して拡張開先部Ｇｅ（空間Ｇｂ）の内部に収まらせる開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の構成について述べる。つまり、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２は、溶接ビード止端Ｅｍｒが開先端面Ｅｇ１及びＥｇ２の突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉ内に位置するように閉じ込めるように構成されている。同図において、符号Ｓｂ（ｍｉｎ）は開先溶加材比Ｒが最小時の溶接ビード上面Ｓｂの下限位置（以降、「溶接ビード上面下限Ｓｂ（ｍｉｎ）」）を示し、符号Ｓｂ（ｍａｘ）は、開先溶加材比Ｒが最大時の溶接ビード上面Ｓｂの上限位置（以降、「溶融溶加材上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）」を示している。

溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）の開先端面Ｅｇ（突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉ）上での除去面Ｐｆ（上面Ｓｅ１及びＳｅ２）からの高さを、それぞれＨＳｍ（ｍａｘ）とし、以降「溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）」と称する。同様に、溶接ビード上面下限Ｓｂ（ｍｉｎ）の開先端面Ｅｇ（突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉ）上での除去面Ｐｆ（上面Ｓｅ１及びＳｅ２）からの高さを、ＨＳｍ（ｍｉｎ）とし、以降「溶接ビード上面下限高ＨＳｍ（ｍｉｎ）」と称する。突起高Ｈ１及びＨ２と、溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）及び溶接ビード上面下限高ＨＳｍ（ｍｉｎ）との間には次式（２）に示す関係がある。
Ｈ１（Ｈ２）≧ＨＳｍ（ｍａｘ）＞ＨＳｍ（ｍｉｎ）≧Ｈｕｃ ・・・（２）

これは、図１に示した、溶融溶加材Ｍｍを拡張開先部Ｇｅの内部、つまり溶接ビード止端Ｅｍｒを開先端面Ｅｇ１及びＥｇ２の突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉに閉じ込める構成である。溶接ビード上面下限Ｓｂ（ｍｉｎ）及び溶接ビード上面下限高ＨＳｍ（ｍｉｎ）は、図６及び図７を参照して後述する例において同一であるが、溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）及び溶融溶加材上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）はそれぞれ異なる。

よって、後程図６及び図７を参照して詳述する開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２と区別するために、本例に示す開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２、突起高Ｈ１及びＨ２、開先部突起幅Ｗｓ１及びＷｓ２、突起外端幅Ｗｏ１及びＷｏ２、突起開先幅Ｗｉ１及びＷｉ２並びに溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）をそれぞれ、開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉ、突起高Ｈ１ｉ及びＨ２ｉ、開先部突起幅Ｗｓ１ｉ及びＷｓ２ｉ、突起外端幅Ｗｏ１ｉ及びＷｏ２ｉ、突起開先幅Ｗｉ１ｉ及びＷｉ２ｉ、並びに溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）ｉ及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）ｉと呼んで識別する。なお、作図上の都合により、溶接ビード上面下限高ＨＳｍ（ｍｉｎ）及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）ｉは図示されていない。

アンダーカットＵｃは、開先部突起Ｐｒ１において突起開先部Ｓｒ１ｉ上の上面Ｓｅ１よりアンダーカット深Ｄｈ以上高い位置に生成される。開先部突起Ｐｒ２においても同様に、突起開先部Ｓｒ２ｉ上の上面Ｓｅ２よりアンダーカット深Ｄｈ以上高い位置にアンダーカットＵｃが生成される。後程図６及び図７を参照して述べる場合に較べて、突起高Ｈ１ｉ及びＨ２ｉは大きく設定される一方、開先部突起幅Ｗｓ１ｉ及びＷｓ２ｉは小さく設定される。本例に係る開先部突起Ｐｒ１ｉ及び開先部突起Ｐｒ２ｉは高さはあるものの根元の細い針状に近い形状に形成されるので、開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉの体積つまり溶接後の除去工程における切削量が低減できる。

次に、図６を参照して、溶融溶加材Ｍｍを拡張開先部Ｇｅ（開先Ｇ）の内部からはみ出すことを許す開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２について述べる。つまり、溶接ビード止端Ｅｍｒが開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の表面の一部である突起上面部Ｓｒ１ｔ及びＳｒ２ｔ上に位置することが許されるように、開先部突起Ｐｒ１及び開先部突起Ｐｒ２が構成されている。図５を参照して上述した開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉ並びに図７を参照して詳述する開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２と区別するために、本例に示す開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２、溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）、突起高Ｈ１及びＨ２、開先部突起幅Ｗｓ１及びＷｓ２、突起外端幅Ｗｏ１及びＷｏ２、並びに突起開先幅Ｗｉ１及びＷｉ２をそれぞれ、開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔ、溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）ｔ及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）ｔ、突起高Ｈ１ｔ及びＨ２ｔ、開先部突起幅Ｗｓ１ｔ及びＷｓ２ｔ、突起外端幅Ｗｏ１ｔ及びＷｏ２ｔ、並びに突起開先幅Ｗｉ１ｔ及びＷｉ２ｔと呼んで識別する。

このように溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）ｔの外周端部が突起上面部Ｓｒ１ｔ及び突起上面部Ｓｒ２ｔに位置すること、つまりアンダーカットＵｃが突起上面部Ｓｒ１ｔ及び突起上面部Ｓｒ２ｔに生成されることを許すために、突起高Ｈ１ｔ及びＨ２ｔは突起高Ｈ１ｉ及びＨ２ｉのそれぞれより低く設定される。それに応じて、開先部突起幅Ｗｓ１ｔ及びＷｓ２ｔは開先部突起幅Ｗｓ１ｉ及びＷｓ２ｉのそれぞれより長く設定される。但し、突起高Ｈ１ｔ及び突起高Ｈ２ｔの最小値は共にアンダーカット深Ｄｈである。

このように、溶接ビード止端Ｅｍｒを開先端面Ｅｇ１及びＥｇ２の突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉから突起上面部Ｓｒ１ｔ及び突起上面部Ｓｒ２ｔに逃がすことにより、溶接ビード止端高Ｈｍ１ｒが低くなる。結果、開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉに較べて、開先端高Ｈｅｇ（突起高Ｈ１ｔ及び突起高Ｈ２ｔ）は、低く幅広な形状に形成される。開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔは、このような低く幅広な形状のおかげで、開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉに較べて押し出し成形性が良く、且つ溶接後の切削時の局所的負荷を低下できる。

次に、図７を参照して、溶融溶加材Ｍｍを拡張開先部Ｇｅ（開先Ｇ）の内部から、突起上面部Ｓｒ１ｔ及びＳｒ２ｔを超えてさらに開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の表面の一部である突起外端部Ｓｒ１ｏ及びＳｒ２ｏにはみ出すことを許す開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２について述べる。つまり、溶接ビード止端Ｅｍｒが突起外端部Ｓｒ１ｏ及びＳｒ２ｏ上に位置することが許されるように、開先部突起Ｐｒ１及び開先部突起Ｐｒ２が構成されている。図５及び図６を参照して上述した開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉ並びに開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔと区別するために、本例に示す開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２、溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）、突起高Ｈ１及びＨ２、開先部突起幅Ｗｓ１及びＷｓ２、突起外端幅Ｗｏ１及びＷｏ２、並びに突起開先幅Ｗｉ１及びＷｉ２をそれぞれ開先部突起Ｐｒ１ｏ及びＰｒ２ｏ、溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）ｏ及び溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）ｏ、突起高Ｈ１ｏ及びＨ２ｏ、開先部突起幅Ｗｓ１ｏ及びＷｓ２ｏ、突起外端幅Ｗｏ１ｏ及びＷｏ２ｏ、並びに突起開先幅Ｗｉ１ｏ及びＷｉ２ｏと呼んで識別する。

突起高Ｈ１ｏ及び突起高Ｈ２ｏの最小値が共にアンダーカット深Ｄｈであることを満たしながら、溶接ビード上面上限Ｓｂ（ｍａｘ）ｏの外周端部が、突起外端部Ｓｒ１ｏ及び突起外端部Ｓｒ２ｏに位置する。アンダーカットＵｃが突起外端部Ｓｒ１ｏ及び突起外端部Ｓｒ２ｏに生成されることを許すために、突起高Ｈ１ｏ及びＨ２ｏは突起高Ｈ１ｉ及びＨ２ｉ並びに突起高Ｈ１ｔ及びＨ２ｔのそれぞれより低く設定できる。さらに、開先部突起幅Ｗｓ１ｏ及びＷｓ２ｏも、開先部突起幅Ｗｓ１ｉ及びＷｓ２ｉ並びに開先部突起幅Ｗｓ１ｔ及びＷｓ２ｔより短く設定できる。そして、突起外端幅Ｗｏ１ｏ及びＷｏ２ｏを突起外端幅Ｗｏ１ｉ及びＷｏ２ｉ並びに突起外端幅Ｗｏ１ｔ及びＷｏ２ｔに較べて長く設定する、つまり突起外端部Ｓｒ１ｏ及びＳｒ２ｏの傾斜をなだらかに形成することにより、突起高Ｈ１ｏ及びＨ２ｏ並びに開先部突起幅Ｗｓ１ｏ及びＷｓ２ｏを更に小さく設定できる。このように、開先部突起Ｐｒ１ｏ及びＰｒ２ｏは、開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔに較べて低く幅広に形成することができので、押し出し成形性及び溶接後の切削時の局所的負荷が改善できる。

突起上面部Ｓｒ１ｔ及びＳｒ２ｔは自身にアンダーカットＵｃが生じることによって、開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔをより低く形成する手段である。突起外端部Ｓｒ１ｏ及びＳｒ２ｏも自身にアンダーカットＵｃが生じることによって、開先部突起Ｐｒ１ｏ及びＰｒ２ｏを更に低く形成させる手段である。開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉ、開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔ、並びに開先部突起Ｐｒ１ｏ及びＰｒ２ｏは形材Ｅ１及びＥ２と共に押し出し成型性や、溶接部の除去負荷に関して異なる特徴を有している。溶接条件に応じて、開先部突起Ｐｒが選択される。

以上より、開先部突起Ｐｒ１は、好ましくは次式（３）、（４）、及び（５）を満足するように構成される。
Ｈ１ｉ＞Ｈ１ｔ＞Ｈ１ｏ ・・・（３）
Ｗｓ１ｔ≧Ｗｓ１ｏ≧Ｗｓ１ｉ ・・・（４）
Ｗｏ１ｏ≧Ｗｏ１ｉ＞Ｗｏ１ｔ ・・・（５）

同様に、開先部突起Ｐｒ２も、好ましくは次式（６）、（７）、及び（８）を満足するように構成される。
Ｈ２ｉ＞Ｈ２ｔ＞Ｈ２ｏ ・・・（６）
Ｗｓ２ｔ≧Ｗｓ２ｏ≧Ｗｓ２ｉ ・・・（７）
Ｗｏ２ｏ≧Ｗｏ２ｉ＞Ｗｏ２ｔ ・・・（８）

開先部突起Ｐｒ１ｉ及びＰｒ２ｉ、開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔ、並びに開先部突起Ｐｒ１ｏ及びＰｒ２ｏは、開先溶加材比Ｒの変動を所望の所定範囲内に収めることが前提になっている。しかしながら、実際の作業現場において、溶接前継手Ｊｐを構成する形材Ｅ１とＥ２とのルート間距離Ｌは必ずしも同一に保つことは非常に困難で有り、押出方向Ｄｅに関するＶ形開先容量Ｖｇも変動する。また、溶融溶加材Ｍｍの溶着量を一定に保つことは非常に困難であり、押出方向Ｄｅに関する溶加材溶着体積Ｖｍも変動する。結果、押出方向Ｄｅに関する開先溶加材比Ｒの変動は程度の差はあるものの不可避である。そのために、溶接ビード上面上限高ＨＳｍ（ｍａｘ）ｉ、ＨＳｍ（ｍａｘ）ｔ、及びＨＳｍ（ｍａｘ）ｏや溶接ビード上面下限高ＨＳｍ（ｍｉｎ）を、図５、図６、及び図７にそれぞれ例示したように厳密に保つことは非現実的ともいえる。

また、仮に開先溶加材比Ｒの変動を所望範囲内に収めることが出来る場合であっても、溶接現場では形材Ｅ１及びＥ２と溶接トーチＴとは相対的に移動している。その移動に伴う振動により、供給された溶融溶加材Ｍｍの形状が崩れて突起開先部Ｓｒ１ｉ（Ｓｒ２ｉ）から突起上面部Ｓｒ１ｔ（Ｓｒ２ｔ）へ、或いは突起上面部Ｓｒ１ｔ（Ｓｒ２ｔ）から突起外端部Ｓｒ１ｏ（Ｓｒ２ｏ）へ、或いは突起外端部Ｓｒ１ｏ（Ｓｒ２ｏ）から上面Ｓｅ１（Ｓｅ２）へとあふれ出して、ユーザーの意図に反する位置にアンダーカットＵｃが形成されることがある。特に、上面Ｓｅ１及びＳｅ２上にあふれ出した場合には、アンダーカットＵｃが上面Ｓｅ１及びＳｅ２に形成されて除去できない。

このような観点から、本実施の形態においては、図２に例示したように、溶接ビード止端部Ｔｗｐ１及びＴｗｐ２が突起上面部Ｓｒ１ｔ及び突起上面部Ｓｒ２ｔ上の好ましくは中心部に形成されるように設定して、開先端高Ｈｅｇ（突起高Ｈ１及びＨ２）を低くする。そして、突起上面部Ｓｒ１ｔ及びＳｒ２ｔの外側部及び突起外端部Ｓｒ１ｏ及びＳｒ２ｏを、開先溶加材比Ｒや溶加材供給が所望範囲以上に変動したり、溶接時の変動によるはみ出した溶融溶加材Ｍｍを受け止めて、上面Ｓｅ１及びＳｅ２上でのアンダーカットＵｃの生成を防止する手段として機能させることが好適である。このような構成は、図６を参照して説明した開先部突起Ｐｒ１ｔ及びＰｒ２ｔによって実現できる。

次に、図３に戻って、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法について述べる。開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法（高さＨ１及びＨ２、並びに幅Ｗｓ１及びＷｓ２）は、事前の実験や経験に基づいて把握されたアンダーカットが形成されそうな位置及びアンダーカットＵｃの大きさやアンダーカット深Ｄｈに基づいて決定される。

以下に述べるのは、事前に実験を行って、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ程度のアンダーカットができる可能性があると判明した場合の開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法の決め方である。なお、図３において開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２が設けられている位置は、事前実験において溶接後継手Ｊｃｗ（図１６）においてアンダーカットが形成された位置の近傍である。

開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法（高さＨ１及びＨ２、幅Ｗｓ１及びＷｓ２）は、事前実験において形成されたアンダーカットの寸法（深さ及び幅）より若干大きく設定することが好ましい。開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法を下記実施例（１）、（２）、及び（３）の３通りに設定して溶接前継手を成形し、それら３つの実施例の溶接前継手をそれぞれレーザーアークハイブリッド溶接して溶接後継手の品質を比較した。

実施例（１）においては、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法、及び突起間の距離Ｄｐｒは下記の通りである。
高さＨ１＝高さＨ２＝０．５ｍｍ、
幅Ｗｓ１＝幅Ｗｓ２＝１．２ｍｍ、
距離Ｄｐｒ＝３．２ｍｍ。

実施例（２）においては、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法、及び突起間の距離Ｄｐｒは下記の通りである。
高さＨ１＝高さＨ２＝０．５ｍｍ、
幅Ｗｓ１＝幅Ｗｓ２＝２ｍｍ、
距離Ｄｐｒ＝３．２ｍｍ。

実施例（３）においては、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法、及び突起間の距離Ｄｐｒは下記の通りである。
高さＨ１＝高さＨ２＝１ｍｍ、
幅Ｗｓ１＝幅Ｗｓ２＝２ｍｍ、
距離Ｄｐｒ＝３．５ｍｍ。

実施例（１）〜（３）の溶接前継手をそれぞれレーザーアークハイブリッド溶接したところ、いずれの実施例の溶接後継手においても、アンダーカットが形成された場合でもアンダーカットの下端部が形材の平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２より上方に形成された。

開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の寸法（高さＨ１及びＨ２、幅Ｗｓ１及びＷｓ２）が小さすぎると、溶接後継手（図５、図６、図７）において平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２より上方に位置するビード隆起部Ｂｍの体積が不足してアンダーカットが平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２より下方の位置に形成される恐れがある。この傾向は、平板部Ｐ１が裏板Ｐｂから浮き上がって隙間が生じた状態で突き合わされた形材Ｅ１と形材Ｅ２に対して、供給される溶融溶加材Ｍｍが隙間から逃げ出して不足するような場合に顕著である。これに対して、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２を大きめに形成することによって、Ｖ形開先容量Ｖｇを大きめにし、過剰な溶加材溶着体積Ｖｍの溶融溶加材Ｍｍを供給されたときにも、隙間の有無に関わらずアンダーカットの発生が防止されているものである。

本実施の形態において開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２は、台形状の端面形状を有し、平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２における開先Ｇの開口に隣接する部分に、それぞれの突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉが平板部の開先部Ｇ１及びＧ２に連続して延在するように設けられる。しかしながら、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２が設けられる位置は、事前実験においてアンダーカットが形成された位置の近傍であればよい。後述するように、必ずしも、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２の突起開先部Ｓｒ１ｉ及びＳｒ２ｉが、開先部Ｇ１及びＧ２に連続して延在しなくてもよい。また、開先部突起の形状は、溶融溶加材Ｍｍを形材Ｅ１及びＥ２の上面Ｓｅ１及びＳｅ２より上方の位置まで供給することを可能にする形状であれば、任意の形状であってよい。

以下に図８、図９、図１０、図１１、及び図１２を順次参照して、開先部突起Ｐｒ（Ｐｒ１及びＰｒ２）の変形例について説明する。図８〜図１２に示す、第１〜第５の変形例に係る開先部突起は、当該開先部突起が設けられる位置や（開先部突起の）端面形状が図３に示す開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２と異なる。

まず、図８を参照して、開先部突起Ｐｒの第１の変形例について説明する。本変形例に係る開先部突起Ｐｒ１ａ及びＰｒ２ａは、平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２において当該開先部突起Ｐｒ１ａ及びＰｒ２ａが設けられる位置を除いて、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２（図３）と同様に構成されている。開先部突起Ｐｒ１ａの突起開先部Ｓｒ１ｉａの（高さ方向Ｄｖにおける）下端は、開先部Ｇ１の（高さ方向Ｄｖにおける）上端より幅方向Ｄｗに所定の距離Ｌｉ１（以降、「離間距離Ｌｉ１」）だけ離間している。同様に、開先部突起Ｐｒ２ａの突起開先部Ｓｒ２ｉａの下端は、開先部Ｇ２の上端より幅方向Ｄｗに所定の距離Ｌｉ２（以降、「離間距離Ｌｉ２」）だけ離間している。

次に、図９を参照して、開先部突起Ｐｒの第２の変形例について説明する。本変形例に係る開先部突起Ｐｒ１ｂ及びＰｒ２ｂは、幅方向Ｄｗに延在する端面形状が、開先部突起Ｐｒ１及びＰｒ２（図３）と異なる。

開先部突起Ｐｒ１ｂ及びＰｒ２ｂの端面形状は、謂わば台形と台形に隣接する四辺形とが一体に成形された形状である。開先部突起Ｐｒ１ｂの突起開先部において、上述の四辺形の一辺が開先部Ｇ１に連続して延在する。四辺形の下辺の幅方向Ｄｗの長さは離間距離Ｌｉ１である。高さ方向Ｄｖにおける四辺形の下辺と上辺との距離は、アンダーカット深Ｄｈである。同様に、開先部突起Ｐｒ２ｂの突起開先部において、上述の四辺形の一辺が開先部Ｇ２に連続して延在する。四辺形の下辺の幅方向Ｄｗの長さは離間距離Ｌｉ２である。高さ方向Ｄｖにおける四辺形の下辺と上辺との距離は、アンダーカット深Ｄｈである。

図９に見て取れるように、開先部突起Ｐｒ１ｂ及びＰｒ２ｂによって規定される拡張開先部は開先端面にステップ（段）が形成されている。ステップ（特にその上面）は、拡張開先部に溶融溶加材Ｍｍを供給する際の目印として利用できる。

次に、図１０を参照して、開先部突起Ｐｒの第３の変形例について説明する。本変形例に係る開先部突起Ｐｒ１ｃ及びＰｒ２ｃの幅方向Ｄｗに延在する端面形状は、半円状である。

次に、図１１を参照して、開先部突起Ｐｒの第４の変形例について説明する。本変形例に係る開先部突起Ｐｒ１ｄ及びＰｒ２ｄは、平板部の上面Ｓｅ１及びＳｅ２において当該開先部突起Ｐｒ１ｄ及びＰｒ２ｄが設けられる位置を除いて、開先部突起Ｐｒ１ｃ及びＰｒ２ｃ（図１０）と同様に構成されている。開先部突起Ｐｒ１ｄは、開先部Ｇ１の上端より幅方向Ｄｗに離間距離Ｌｉ１だけ離間している。同様に、開先部突起Ｐｒ２ｄは、開先部Ｇ２の上端より幅方向Ｄｗに離間距離Ｌｉ２だけ離間している。

次に、図１２を参照して、開先部突起Ｐｒの第５の変形例について説明する。本変形例に係る開先部突起Ｐｒ１ｅ及びＰｒ２ｅの端面形状は、謂わば半円形と半円形に隣接する四辺形とが一体に成形された形状である。開先部突起Ｐｒ１ｅの突起開先部において、上述の四辺形の一辺が開先部Ｇ１に連続して延在する。四辺形の下辺の幅方向Ｄｗの長さは離間距離Ｌｉ１である。高さ方向Ｄｖにおける四辺形の下辺と上辺との距離は、アンダーカット深Ｄｈである。同様に、開先部突起Ｐｒ２ｅの突起開先部において、上述の四辺形の一辺が開先部Ｇ２に連続して延在する。四辺形の下辺の幅方向Ｄｗの長さは離間距離Ｌｉ２である。高さ方向Ｄｖにおける四辺形の下辺と上辺との距離は、アンダーカット深Ｄｈである。

なお、開先部突起Ｐｒ（図３）及び開先部突起Ｐｒの第１〜第５の変形例（図８〜図１２）のいずれかを組み合わせて用いてもよい。

本実施の形態において形材Ｅ１及びＥ２は、押出方向Ｄｅにアルミニウム合金が押し出し成形されたものである。しかしながら、形材Ｅ１及びＥ２は、所定の断面形状が所定の方向に連続して形成されたものであればよく、押し出し成形以外の方法によって成形されたものでもよい。また、形材Ｅ１及びＥ２はアルミニウム合金以外の金属であってもよい。

本発明は、アルミニウム押出形材同士の突合せ溶接接合に利用できる。

Ｊｐ、Ｊｃ 溶接前継手
Ｊｃｗ 溶接後継手
Ｊｃｇ 研削後継手
Ｍｂ 母材
Ｅ１、Ｅ２、Ｅｃ１、Ｅｃ２ 形材
Ｐ１、Ｐ２、Ｐｃ２ 平板部
Ｐｂ、Ｐｃｂ 裏板
Ｐｒ１、Ｐｒ２、Ｐｒ１ｉ、Ｐｒ２ｉ、Ｐｒ１ｔ、Ｐｒ２ｔ、Ｐｒ１ｏ、Ｐｒ２ｏ、Ｐｒ１ａ、Ｐｒ２ａ、Ｐｒ１ｂ、Ｐｒ２ｂ、Ｐｒ１ｃ、Ｐｒ２ｃ、Ｐｒ１ｄ、Ｐｒ２ｄ、Ｐｒ１ｅ、Ｐｒ２ｅ 開先部突起
Ｇ、Ｇｃ 開先
Ｇｅ 拡張開先部
Ｇｂ 空間
Ｇ１、Ｇ２、Ｇｃ１、Ｇｃ２ 開先部
Ｅｇ、Ｅｇ１、Ｅｇ２ 開先端面
θ、θｃ 開先角度
Ｌ、Ｌｃ ルート間距離
Ｄｐｒ 距離
Ｓｅ１、Ｓｅ２、Ｓｅｃ１、Ｓｅｃ２ 上面
Ｐｆ 除去面
Ｓｒ１ｉ、Ｓｒ２ｉ 突起開先部
Ｓｒ１ｔ、Ｓｒ２ｔ 突起上面部
Ｓｒ１ｏ、Ｓｒ２ｏ 突起外端部
Ｈ１、Ｈ２ 突起高
Ｗｉ１、Ｗｉ２、Ｗｉ１ｉ、Ｗｉ２ｉ、Ｗｉ１ｔ、Ｗｉ２ｔ、Ｗｉ１ｏ、Ｗｉ２ｏ 突起開先幅
Ｗｓ１、Ｗｓ２、Ｗｓ１ｉ、Ｗｓ２ｉ、Ｗｓ１ｔ、Ｗｓ２ｔ、Ｗｓ１ｏ、Ｗｓ２ｏ 開先部突起幅
Ｗｏ１、Ｗｏ２、Ｗｏ１ｉ、Ｗｏ２ｉ、Ｗｏ１ｔ、Ｗｏ２ｔ、Ｗｏ１ｏ、Ｗｏ２ｏ 突起外端幅
Ｌｉ１、Ｌｉ２ 離間距離
Ｍｍ 溶融溶加材
Ｍｗ 凝固後溶着金属
Ｍｗｇ 平坦化溶着金属
Ｂ ビード
Ｂｍ ビード隆起部
Ｂｍｃ 溶着金属隆起部
Ｄ 凹み（アンダーカット）
Ｕｃ アンダーカット
Ｔｗｃ１、Ｔｗｃ２ 溶接ビード止端部
Ｅｍｒ 溶接ビード止端
Ｂｂ ビード境界
Ｓｂ、Ｓｂ（ｍｉｎ）、Ｓｂ（ｍａｘ）ｉ、Ｓｂ（ｍａｘ）ｔ、Ｓｂ（ｍａｘ）ｏ ビード上面
Ｈｅｇ 開先端高
Ｈｍ１ｒ 溶接ビード止端高
Ｈｂ１ ビード境界高
Ｈｂ２ ビード高
Ｈｕｃ アンダーカット高
Ｄｈ アンダーカット深
Ｄｍｉｎ 溶接部最少除去深さ
Ｄｅ 押出方向
Ｄｖ 高さ方向
Ｄｗ 幅方向

Claims (17)

1. 第１の方向に延在する第１の面と当該第１の面に対して第１の所定の角度を成して傾斜する第１の傾斜面と当該第１の面に第１の所定の高さだけ突出して設けられた第１の突起とを有する第１の形材と、
   当該第１の方向に延在する第２の面と当該第２の面に対して第２の所定の角度を成して傾斜する第２の傾斜面と当該第２の面に第２の所定の高さだけ突出して設けられた第２の突起とを有する第２の形材とを突き合わせて当該第１の傾斜面と当該第２の傾斜面との間に当該第１の方向に直交する第２の方向に沿って形成されるＶ形開先を形成する突合せ工程と、
   溶融した溶加材を、前記Ｖ形開先をはみ出して、前記第１の突起と前記第２の突起の表面上まで供給する溶加材供給工程と、
   前記供給された溶加材を固化させて前記第１の形材と前記第２の形材とを結合する結合工程と、
   前記固化した溶加材の前記第１の面及び前記第２の面より上の部分を前記第１の突起及び前記第２の突起と共に除去する除去工程とを備える形材の接合方法。
2. 前記第１の突起は、前記第１の傾斜面に連続することを特徴とする、請求項１に記載の形材の接合方法。
3. 前記第２の突起は、前記第２の傾斜面に連続することを特徴とする、請求項１及び請求項２の何れかに記載の形材の接合方法。
4. 前記第１の突起は、前記第１の傾斜面の上端より前記第１の方向に第１の所定の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項１に記載の形材の接合方法。
5. 前記第２の突起は、前記第２の傾斜面の上端より前記第１の方向に第２の所定の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項１、請求項２、及び請求項４の何れか一項に記載の形材の接合方法。
6. 前記第１の突起は、前記第２の方向に延在する台形状断面形状を有することを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、及び請求項５の何れか一項に記載の形材の接合方法。
7. 前記溶加材供給工程はアーク溶接によって行われることを特徴とする、請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の形材の接合方法。
8. 前記アーク溶接は、レーザー照射を伴うレーザーアークハイブリッド溶接であることを特徴とする、請求項７に記載の形材の接合方法。
9. 前記第１の形材及び前記第２の形材は、前記第２の方向に押し出し成形されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の形材の接合方法。
10. 前記第１の形材及び前記第２の形材は、アルミニウム合金製であることを特徴とする、請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の形材の接合方法。
11. 前記第１の形材及び前記第２の形材は、鉄道車両の構体を構成する形材であることを特徴とする、請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の形材の接合方法。
12. 互いに突き合わせられて形成される第１の方向に延在するＶ形開先に溶融した溶加材が供給されて形成される継手に用いられる形材であって、
    前記第１の方向に直交する第２の方向に延在する面と当該面に対して所定の角度を成して傾斜する傾斜面と当該面に所定の高さだけ突出して設けられた突起とを有する形材。
13. 前記突起は、前記傾斜面に連続することを特徴とする、請求項１２に記載の形材。
14. 前記突起は、前記傾斜面の上端より前記第２の方向に所定の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項１２に記載の形材。
15. 前記突起は、前記第１の方向に延在する台形状断面形状を有することを特徴とする、請求項１２、請求項１３、及び請求項１４の何れか一項に記載の形材。
16. 前記第１の方向に押し出し成形されていることを特徴とする、請求項１２乃至請求項１５の何れか一項に記載の形材。
17. アルミニウム合金製であることを特徴とする、請求項１２乃至請求項１６の何れか一項に記載の形材。