JP2017006953A - レーザ溶接方法及びレーザ溶接機 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者の熟練度に依存せずにトーチ部の走査精度を担保でき、形成される溶接部の品質ばらつきを抑えることができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接機を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接方法は、出入口枠（第１のワーク）１２の車両外側面（主面）１４ａに外板１３の端部１６を重ね合わせる配置工程と、ハンドトーチ型のレーザ溶接機１を用い、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６側の端面１６ａとに重ね合わせ部分Ｐに沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２を形成する溶接工程と、を備え、溶接工程において、レーザ溶接機１のトーチ部４を台車４１に支持し、トーチ部４の先端に取り付けたコンタクトチップ７を出入口枠１２及び外板１３の少なくとも一方に当接させた状態で、台車４１を手動で走行させることによりトーチ部４を走査する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接方法及びレーザ溶接機に関する。

ステンレス鋼製の鉄道車両構体の形成には、主に抵抗スポット溶接が用いられてきた。鉄道車両構体における溶接箇所としては、例えば外板と出入口枠との溶接が挙げられる。出入口枠は、車両のドアなどが配置される部分であり、雨などが車両内に入り込まないように水密性が要求される。抵抗スポット溶接では、溶接部自体によってワークの水密性を確保することが難しいため、溶接個所に対応して樹脂シールを配置して水密性の確保が行われていた。しかしながら、樹脂シールは劣化が早く、水密性の維持のためのメンテナンスが不可欠となる。

このような問題に対し、近年では、溶接部自体によってワークの水密性を確保可能な技術としてレーザ溶接が着目されている。例えば特許文献１に記載の鉄道車両用構体では、外板の端部の外面側に出入口枠の端部を重ね合わせ、出入口枠の端部と外板の主面とをレーザ溶接によって連続溶接している。

特開２００７−１１２３４３号公報

現状、レーザ溶接を行うに当たっては、溶接予定線に沿って自動でレーザ光を走査する溶接機が用いられている。しかしながら、自動溶接では、上述した外板と出入口枠との溶接のように立体的なワーク同士を溶接する場合に、レーザ光の倣い性（溶接予定線への沿わせ易さ）を確保しにくいという問題がある。自動溶接においてレーザ光の倣い性を確保するためには、ワークの形状に応じた複数点のティーチング（コンピュータへの加工座標の入力）がその都度必要となるため、溶接の作業性の向上が課題となっている。

このような課題に対し、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いることが考えられる。ハンドトーチ型のレーザ溶接機では、レーザを出射させるトーチ部を手動で走査してワーク同士の溶接を実施するので、溶接前の複雑なティーチング作業は不要となる。一方、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いる場合、手元のぶれなどが生じるため、トーチ部の走査の直線精度や曲線精度が作業者の熟練度に依存し易いという問題がある。作業者ごとにトーチ部の走査の直線精度や曲線精度がばらつくと、ワークに形成される溶接部の溶接品質がばらつくこととなり、品質の管理項目が増加してしまうおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、作業者の熟練度に依存せずにトーチ部の走査精度を担保でき、形成される溶接部の品質ばらつきを抑えることができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接機を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係るレーザ溶接方法は、第１のワークの主面に第２のワークの端部を重ね合わせる配置工程と、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用い、第１のワークの主面と第２のワークの端部側の端面とに重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接部を形成する溶接工程と、を備え、溶接工程において、レーザ溶接機のトーチ部を台車に支持し、トーチ部の先端に取り付けたコンタクトチップを第１のワーク及び第２のワークの少なくとも一方に当接させた状態で、台車を手動で走行させることによりトーチ部を走査する。

このレーザ溶接方法では、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いることで、自動溶接の場合とは異なり、レーザ光の倣い性を確保するための複雑なティーチング作業が不要となり、溶接の作業性を向上できる。また、このレーザ溶接方法では、手作業でレーザ溶接を行うにあたり、トーチ部を台車に支持し、トーチ部の先端のコンタクトチップをワークに当接させた状態で台車を走行させてトーチ部を走査する。これにより、ワークをガイドとして台車を走行させることが可能となるので、トーチ部を走査する際の手元のぶれを抑制できる。したがって、作業者の熟練度に依存せずにトーチ部の走査精度を担保できる。

また、台車にトーチ部を角度調整自在に支持する支持部を設け、溶接工程において、第１のワーク及び第２のワークに対するトーチ部の角度を支持部によって調整した後、コンタクトチップを第１のワーク及び第２のワークの少なくとも一方に当接させてもよい。こうすると、コンタクトチップを第１のワーク及び第２のワークに最適な角度で当接させることができる。

また、溶接工程において、トーチ部の走査距離を測距部によって計測してもよい。測距部によって走査距離を計測することで、レーザ溶接によって得られる接合体のトレーサビリティの確立が可能となる。

また、台車に導電性材料によって形成された走行ローラ及び本体部を設け、溶接工程において、レーザ溶接機のアースを本体部に対して接続した状態で、台車を第１のワークの主面に載置して移動させてもよい。この場合、レーザ溶接機からトーチ部、ワーク、台車、アースを経由する通電回路を形成できる。したがって、通電の有無によるレーザ溶接機のインターロック機能を実現でき、レーザ溶接作業の安全性を向上できる。

また、本発明の一側面に係るレーザ溶接機は、第１のワークの主面と第２のワークの端部との重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接機を形成するハンドトーチ型のレーザ溶接機であって、第１のワーク及び第２のワークの少なくとも一方に当接するコンタクトチップを取り付け可能なトーチ部と、トーチ部を支持して手動で走行する台車と、を備える。

このレーザ溶接機では、自動溶接の場合とは異なり、レーザ光の倣い性を確保するための複雑なティーチング作業が不要となり、溶接の作業性を向上できる。また、このレーザ溶接機は、トーチ部を支持して手動で走行する台車を備えており、手作業でレーザ溶接を行うにあたり、トーチ部の先端のコンタクトチップをワークに当接させた状態で台車を走行させてトーチ部を走査することができる。これにより、ワークをガイドとして台車を走行させることが可能となるので、トーチ部を走査する際の手元のぶれを抑制できる。したがって、作業者の熟練度に依存せずにトーチ部の走査精度を担保できる。

また、台車は、トーチ部を角度調整自在に支持する支持部を有していてもよい。こうすると、コンタクトチップを第１のワーク及び第２のワークに最適な角度で当接させることができる。

また、レーザ溶接機は、トーチ部の走査距離を計測する測距部を更に備えていてもよい。測距部によって走査距離を計測することで、レーザ溶接によって得られる接合体のトレーサビリティの確立が可能となる。

また、台車は、導電性材料によって形成された走行ローラ及び本体部を有し、本体部に対して接続されたアースを更に備えていてもよい。この場合、レーザ溶接機からトーチ部、ワーク、台車、アースを経由する通電回路を形成できる。したがって、通電の有無によるレーザ溶接機のインターロック機能を実現でき、レーザ溶接作業の安全性を向上できる。

本発明によれば、作業者の熟練度に依存せずにトーチ部の走査精度を担保でき、形成される溶接部の品質ばらつきを抑えることができる。

本発明に係るレーザ溶接機の一実施形態を示す概略正面図である。 図１に示したレーザ溶接機に付属する台車の一例を示す斜視図である。 レーザ溶接機を用いて形成される接合体の一例を示す断面図である。 図３に示した接合体を製造するレーザ溶接方法における配置工程の一例を示す断面図である。 溶接工程でレーザ溶接機に適用する第１のコンタクトチップの一例を示す図である。 溶接工程の一例を示す斜視図である。 図６におけるレーザ照射位置近傍の断面図である。 加工工程でレーザ溶接機に適用する第２のコンタクトチップの一例を示す図である。 加工工程の一例を示す斜視図である。 図９におけるレーザ照射位置近傍の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接機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機の一実施形態を示す概略正面図である。同図に示すように、レーザ溶接機１は、ワーク同士を所定の溶接予定線に沿ってレーザ溶接する装置として構成されている。レーザ溶接機１は、いわゆるハンドトーチ型のレーザ溶接機であり、例えばファイバレーザ発振器を内蔵する箱状の本体部２と、本体部２から延びる可撓性のケーブル３の先端に設けられたトーチ部４とを備えている。

本体部２は、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスク等を備えたコンピュータシステムを内蔵し、レーザ発振条件等の制御を行う部分である。本体部２の上面側には、ディスプレイ５が設置されている。ディスプレイ５には、レーザ光の出力値やパルス幅などの諸条件の設定値、レーザ発振器の実温度・実出力値などが表示されるようになっている。また、本体部２の底面側には、キャスター６が設けられており、レーザ溶接機１が移動自在となっている。

トーチ部４は、ファイバレーザ発振器からのレーザ光を外部に出射する部分である。トーチ部４は、レーザ溶接を行う作業者が把持しやすい外径の略円筒状をなしている。トーチ部４の周面には、滑り止めや保護ガラスなどが設けられている。トーチ部４の先端には、コンタクトチップ７が着脱自在に取り付けられる。コンタクトチップ７は、中空の筒状部材であり、トーチ部４を通ったレーザ光は、コンタクトチップ７の先端から外部に出射する。レーザ溶接機１では、溶接対象や用途に応じて、先端形状の異なるコンタクトチップ７が用意されている。

レーザ溶接機１には、保護メガネ（不図示）が付属している。保護メガネの左右のレンズには、トーチ部４から出射するレーザ光に対応する波長の光をカットする機能が付加されている。このような保護メガネを装着することにより、レーザ溶接の際にレーザ光（若しくはその反射光）が作業者の目に直接入射してしまうことを防止でき、レーザ溶接時における作業者の安全性の向上が図られる。また、レーザ溶接機１には、インターロック機構のためのアース８（図６参照）が設けられている。

図２は、図１に示したレーザ溶接機に付属する台車の一例を示す斜視図である。同図に示す台車４１は、トーチ部４を用いて作業者が手動でレーザ溶接を行う際に、トーチ部４の走査をサポートする装置である。台車４１は、図２に示すように、本体部４２と、支持部４３と、操作部４４と、測距部４５とを備えて構成されている。

本体部４２は、例えば金属などの導電性材料によって略直方体状に形成されている。本体部４２の底面側には、台車４１を任意の方向に走行させる複数の走行ローラ４６が設けられている。ここでは、本体部４２の底面側の四隅にそれぞれ走行ローラ４６が設けられている。走行ローラ４６の本体部分は、例えばアルミニウム合金、ステンレス鋼、銅合金などによって形成されている。また、ワークとの接触面となる走行ローラ４６の表面は、本体部分と同材料によって形成されていてもよく、銅、導電性カーボンなどの他の導電性材料によって形成されていてもよい。

支持部４３は、回転盤４７と、支柱４８と、回転軸４９とによって構成されている。回転盤４７は、本体部４２の上面に取り付けられ、本体部４２の上面の中心周りに回転自在となっている。回転盤４７に対しては、例えば止めネジなどの回り止めが設けられており、任意の回転位置での固定が可能となっている。

また、支柱４８は、肉厚の板状をなしており、回転盤４７上に立設されている。支柱４８の略中央部分には、断面円形の貫通孔が厚み方向に設けられている。回転軸４９は、支柱４８の貫通孔に挿通され、軸回りに回転自在となっている。回転軸４９に対しては、例えば止めネジなどの回り止めが設けられており、任意の回転位置での固定が可能となっている。回転軸４９における貫通孔からの突出部分の一端側には、断面円形の貫通孔が径方向に設けられている。この貫通孔には、レーザ溶接機１のトーチ部４が着脱自在に挿通可能となっている。トーチ部４に対しては、例えば止めネジなどの回り止めが設けられており、長さ方向及び軸回りの回転方向について任意の位置での固定が可能となっている。また、貫通孔の内壁には、ゴムなどの絶縁性部材が設けられており、回転軸４９に固定されたトーチ部４と台車４１とが電気的に絶縁されるようになっている。

かかる支持部４３の構成により、支持部４３に支持されるトーチ部４は、本体部４２の上面の面内方向（水平方向）と、これに直交する垂直面内方向（垂直方向）との２軸に角度調整可能となっている。これにより、台車４１をワークに対してセットした際に、ワークの主面内方向に対するトーチ部４の角度調整と、ワークの主面に対するトーチ部４の傾き角度の調整とをそれぞれ実施することができる。

操作部４４は、作業者が台車４１を走行させる際に把持する部分である。操作部４４は、支持部４３によるトーチ部４の支持位置と反対側に位置する本体部４２の側面に固定された一対の支柱５０，５０と、支柱５０，５０の先端同士を連結するように設けられた把持部５１とを有している。支柱５０，５０は、支持部４３の支柱４８よりも上方に延びており、把持部５１は、支柱４８よりも高い位置に設けられている。これにより、把持部５１を把持して台車４１を走行させる際に支持部４３によって操作が阻害されることを防止できる。把持部５１のグリップ部分には、滑り止めなどが施されていることが好適である。

測距部４５は、台車４１に支持されるトーチ部４の走査距離を計測する部分である。測距部４５は、例えば走行ローラ４６の回転数を検出する検出センサによって構成されている。測距部４５は、検出結果を示す結果情報をレーザ溶接機１に対して送信する。結果情報を受信したレーザ溶接機１側では、形成する接合体の識別番号などと関連付けて結果情報を格納する。また、レーザ溶接機１側では、結果情報に基づくトーチ部４の走査距離と、結果情報の受信時刻とに基づいて、トーチ部４の走査速度を算出するようにしてもよい。この場合、トーチ部４の走査速度が適切な範囲となっているか否かをレーザ溶接機１側で判断することが可能となる。

図３は、レーザ溶接機を用いて形成される接合体の一例を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態で例示する接合体１１は、ステンレス鋼製の鉄道車両の出入口枠（第１のワーク）１２を外板（第２のワーク）１３に溶接してなる接合体である。

出入口枠１２は、鉄道車両の側構体に設けられるドアの配置空間を形成する枠部材である。出入口枠１２は、例えば厚さ１．０ｍｍ〜６．０ｍｍ程度のステンレス鋼によって形成されている。出入口枠１２の一端側は平坦部１４となっており、他端側は平坦部１４から折れ曲がる折曲部１５となっている。また、外板１３は、鉄道車両の側構体の外郭部分を形成する平板部材である。外板１３は、例えば厚さ１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ程度のステンレス鋼によって形成されている。外板１３は、例えば出入口枠１２よりも薄いが、厚さの大小関係に特に制限はない。外板１３と出入口枠１２とが等厚であってもよい。

接合体１１は、折曲部１５の折れ曲がり方向が車内側を向くように、鉄道車両構体に適用される。本実施形態では、出入口枠１２における平坦部１４の車両外側面（主面）１４ａに対して外板１３の端部１６が重ね合されている。出入口枠１２と外板１３との重ね合わせ部分Ｐには、レーザ溶接又は抵抗スポット溶接が施されており、当該重ね合わせ部分Ｐの延在方向（ここでは図３の奥行方向）に沿って所定の間隔でスポット溶接部Ｗ１が形成されている。

また、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３における端部１６側の端面１６ａとには、レーザ溶接による隅肉溶接が施されており、重ね合わせ部分Ｐの延在方向に沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２が形成されている。このような連続的なレーザ溶接部Ｗ２の形成により、出入口枠１２と外板１３とが強固かつ水密に接合されている。

外板１３における端部１６の車両外側の角部１６ｂには、面取り加工が施されている。接合体１１では、出入口枠１２の車両外側に外板１３が重ね合されており、外板１３の車両外側に出入口枠１２が重ね合される場合と比較すると、鉄道車両の側構体に出入口枠１２の厚さ分の張り出しが生じることがなく、良好な外観を形成できる。一方、出入口枠１２の近傍に外板１３の端部１６が位置しているため、接合体１１を側構体に適用した鉄道車両では、乗客等が外板１３の端部１６に触れる可能性がある。したがって、外板１３の角部１６ｂを面取り加工によってＲ形状としておくことが好適である。

続いて、上述した接合体１１の製造工程について説明する。なお、以下の図面では、説明の便宜上、出入口枠１２の折曲部１５を省略する。

接合体１１を製造するにあたっては、図４に示すように、まず、出入口枠１２及び外板１３を用意し、出入口枠１２の車両外側面１４ａに外板１３の端部１６を重ね合わせる（配置工程）。次に、抵抗スポット溶接機などを用い、出入口枠１２と外板１３との重ね合わせ部分Ｐにスポット溶接部Ｗ１を形成する。

スポット溶接部Ｗ１の形成の後、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６側の端面１６ａとの重ね合わせ部分Ｐに沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２を形成する（溶接工程）。図５は、溶接工程でレーザ溶接機に適用する第１のコンタクトチップ７Ａの一例を示す図である。同図に示すように、第１のコンタクトチップ７Ａは、例えば導電性材料によって形成され、中空の円筒状をなしている。第１のコンタクトチップ７Ａを形成する導電性材料は、ワークに傷を発生させない観点から、ワークの形成材料よりも硬度が低い材料であることが好適である。このような導電性材料としては、例えば銅、銅合金、導電性カーボンなどが挙げられる。

第１のコンタクトチップ７Ａは、ワークに対して所定の傾斜角をもって接触するように設計されている。ここでは、出入口枠１２及び外板１３に対し、第１のコンタクトチップ７Ａが４５°傾斜して接触するように設計されている。また、第１のコンタクトチップ７Ａは、トーチ部４の先端に取り付けられた状態において、第１のコンタクトチップ７Ａの中心軸Ｌ１とレーザ溶接機１の本体部２から導光されるレーザ光の光軸とが略一致するように設計されている。

第１のコンタクトチップ７Ａの先端側には、凸状部２１と、切欠部２２とが設けられている。凸状部２１は、レーザ溶接の際にワークに接触する部分である。凸状部２１は、出入口枠１２の車両外側面１４ａに接する第１面２３と、外板１３の端面１６ａに接する第２面２４とによって構成されている。第１面２３と第２面２４とは、第１のコンタクトチップ７Ａの先端において略直角をなしている。第１面２３と第２面２４とがなす角部２５は、第１のコンタクトチップ７Ａの中心軸Ｌ１上に位置している。この角部２５には、Ｒ形状の切欠部２６が設けられている。

切欠部２２は、レーザ溶接の際にワークから発生する溶接ヒュームを第１のコンタクトチップ７Ａの外部に放出する部分である。溶接ヒュームとは、溶接時にワークの表面で発生した金属蒸気が空気中で凝固した粉塵である。切欠部２２は、第１のコンタクトチップ７Ａの周面の一部を第２面２４に連続して矩形に切り欠くことによって形成されている。切欠部２２により、凸状部２１をワークに接触させた状態においても凸状部２１の近傍の内部空間が外部に露出し、溶接ヒュームの放出経路が形成される。

溶接工程では、図６及び図７に示すように、上記の第１のコンタクトチップ７Ａをトーチ部４の先端に取り付ける。また、第１のコンタクトチップ７Ａを取り付けたトーチ部４を台車４１の支持部４３に取り付け、出入口枠１２の車両外側面１４ａ及び外板１３の車両外側面１６ｃに対するトーチ部４の角度を支持部４３によって調整する。そして、第１のコンタクトチップ７Ａが出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６との重ね合わせ部分Ｐを臨むように、台車４１を出入口枠１２の車両外側面１４ａ上に載置する。

ここでは、平面視において、トーチ部４の長手方向の角度を溶接予定線に直交するように調整し、出入口枠１２の車両外側面１４ａ及び外板１３の車両外側面１６ｃに対するトーチ部４の傾き角度を４５°に調整する。また、図６に示すように、レーザ溶接機１のアース８を台車４１の本体部４２に対して接続する。

トーチ部４の角度調整及び本体部４２へのアース８の接続を行った後、台車４１を操作し、第１のコンタクトチップ７Ａにおける凸状部２１の第１面２３を出入口枠１２の車両外側面１４ａに接触させると共に、第２面２４を外板１３の端面１６ａに接触させる。このとき、第１のコンタクトチップ７Ａの切欠部２６は、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端面１６ａとがなす隅部に対向する。

この状態で、トーチ部４からレーザ光を照射し、第１のコンタクトチップ７Ａが当接する出入口枠１２の車両外側面１４ａ及び外板１３の端面１６ａをガイドとしながら、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６との重ね合わせ部分Ｐに沿って台車４１を手動で走行させる。これにより、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端面１６ａとが隅肉溶接され、レーザ溶接部Ｗ２によって出入口枠１２と外板１３とが水密かつ強固に接合される。台車４１によるトーチ部４の走査開始位置から走行終了位置までの走査距離は、測距部４５によって計測され、レーザ溶接機１に送信される。結果情報を受信したレーザ溶接機１側では、形成する接合体の識別番号などと関連付けて結果情報を格納する。

なお、溶接工程においては、台車４１の本体部４２、走行ローラ４６、及び第１のコンタクトチップ７Ａが導電性材料によって形成されているので、トーチ部４、ワーク、台車４１、及びアース８を介した回路の通電状態に基づいて、レーザ溶接機１のインターロック機構を実現できる。例えば、第１のコンタクトチップ７Ａがワークに接触しておらず、回路の通電状態がオフとなっている場合に、レーザ溶接機１からのレーザ光の出射を禁止することで、作業の安全性を担保できる。

レーザ溶接部Ｗ２の形成の後、外板１３の端部１６の面取り加工を行う（加工工程）。図８は、溶接工程でレーザ溶接機に適用する第２のコンタクトチップ７Ｂの一例を示す図である。同図に示すように、第２のコンタクトチップ７Ｂは、第１のコンタクトチップ７Ａと同様に、例えば銅、銅合金、導電性カーボンなどの導電性材料によって形成され、中空の円筒状をなしている。

第２のコンタクトチップ７Ｂは、ワークに対して所定の傾斜角をもって接触するように設計されている。ここでは、出入口枠１２及び外板１３に対し第２のコンタクトチップ７Ｂが４５°傾斜して接触するように設計されている。また、第２のコンタクトチップ７Ｂは、トーチ部４の先端に取り付けられた状態において、第２のコンタクトチップ７Ｂの中心軸Ｌ２とレーザ溶接機１の本体部２から導光されるレーザ光の光軸とが略一致するように設計されている。

第２のコンタクトチップ７Ｂの先端側には、凹状部３１と、切欠部３２とが設けられている。凹状部３１は、レーザ溶接の際にワークに接触する部分である。凹状部３１は、外板１３の車両外側面（主面）１６ｃに接する第１面３３と、外板１３の端面１６ａに接する第２面３４とによって構成されている。第１面３３と第２面３４とは、第２のコンタクトチップ７Ｂの先端において略直角をなしている。第１面３３と第２面３４とがなす隅部３５は、第２のコンタクトチップ７Ｂの中心軸Ｌ２上に位置している。この隅部３５には、Ｒ形状の切欠部３６が設けられている。

切欠部３２は、第１のコンタクトチップ７Ａの切欠部２２と同様に、レーザ溶接の際にワークから発生する溶接ヒュームを第２のコンタクトチップ７Ｂの外部に放出する部分である。切欠部３２は、第２のコンタクトチップ７Ｂの周面の一部を第１面３３に連続して矩形に切り欠くことによって形成されている。切欠部３２により、凹状部３１をワークに接触させた状態においても凹状部３１の近傍の内部空間が外部に露出し、溶接ヒュームの放出経路が形成される。

また、第２のコンタクトチップ７Ｂの先端側には、出入口枠１２の車両外側面１４ａに接する第３面３７が設けられている。第３面３７は、第２面３４に連続して切欠部３２の反対側に形成されている。第２面３４と第３面３７とは、第２のコンタクトチップ７Ｂの先端において略直角をなしている。第２面３４と第３面３７とがなす角部３８は、第２のコンタクトチップ７Ｂの中心軸Ｌ２に対し、切欠部３２の反対側にずれて位置している。

加工工程では、図９及び図１０に示すように、上記の第２のコンタクトチップ７Ｂをトーチ部４の先端に取り付ける。また、第２のコンタクトチップ７Ｂを取り付けたトーチ部４を台車４１の支持部４３に取り付け、出入口枠１２の車両外側面１４ａ及び外板１３の車両外側面１６ｃに対するトーチ部４の角度を支持部４３によって調整する。そして、第２のコンタクトチップ７Ｂが出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６との重ね合わせ部分Ｐを臨むように、台車４１を出入口枠１２の車両外側面１４ａ上に載置する。

ここでは、平面視において、トーチ部４の長手方向の角度を溶接予定線に直交するように調整し、出入口枠１２の車両外側面１４ａ及び外板１３の車両外側面１６ｃに対するトーチ部４の傾き角度を４５°に調整する。また、台車４１の本体部４２へのアース８の接続は、溶接工程に引き続いて継続する。

トーチ部４の角度調整を行った後、台車４１を操作し、第２のコンタクトチップ７Ｂにおける凹状部３１の第１面３３を外板１３の車両外側面１６ｃに接触させると共に、第２面３４を外板１３の端面１６ａに接触させる。また、第２のコンタクトチップ７Ｂの第３面３７を出入口枠１２の車両外側面１４ａに接触させる。このとき、第２のコンタクトチップ７Ｂの切欠部３６は、外板１３の端部１６の角部１６ｂに対向する。

この状態で、トーチ部４からレーザ光を照射し、第２のコンタクトチップ７Ｂが当接する出入口枠１２の車両外側面１４ａ、外板１３の端面１６ａ及び車両外側面１６ｃをガイドとしながら、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６との重ね合わせ部分Ｐに沿って台車４１を手動で走行させる。これにより、外板１３の端部１６の角部１６ｂがＲ状に加工される。角部１６ｂの面取り加工により、角部１６ｂ及びその近傍に生じていたバリ等も同時に除去される。以上の工程により、図３に示した接合体１１が得られる。

加工工程においても、台車４１によるトーチ部４の走査開始位置から走行終了位置までの走査距離は、測距部４５によって計測され、レーザ溶接機１に送信される。結果情報を受信したレーザ溶接機１側では、形成する接合体の識別番号などと関連付けて結果情報を格納する。また、加工工程においても、台車４１の本体部４２、走行ローラ４６、及び第２のコンタクトチップ７Ｂが導電性材料によって形成されているので、トーチ部４、ワーク、台車４１、及びアース８を介した回路の通電状態に基づいて、レーザ溶接機１のインターロック機構を実現できる。

上述の工程では、外板１３に出入口枠１２を重ねわせる配置工程の後、レーザ溶接部Ｗ２を形成する溶接工程の前に、出入口枠１２と外板１３とをスポット溶接部Ｗ１によって接合している。外板１３の厚さに比べて出入口枠１２の厚さが大きい場合、レーザ溶接のみでは溶接強度の確保に必要な入熱量が過剰になることが考えられる。したがって、スポット溶接部Ｗ１によって出入口枠１２と外板１３の溶接強度を十分に確保した上で、水密性確保のためのレーザ溶接を組み合わせることで、レーザ溶接時のワークへの入熱量を抑えることができる。

本実施形態では、溶接工程において、レーザ溶接機１からパルスレーザを出射してレーザ溶接部Ｗ２を形成する。レーザ溶接の条件は、例えばパルス幅１０ｍｓ〜３０ｍｓ、周波数１０Ｈｚ〜３０Ｈｚ、入熱量１０Ｊ〜３０Ｊ程度である。レーザ溶接部Ｗ２は、個々のナゲットをオーバーラップさせることによって形成してもよい。また、加工工程においては、レーザ溶接機１からＣＷレーザを出射して面取り加工を行う。この場合のＣＷレーザの出力は、例えば２００Ｗ〜２５０Ｗ程度である。

以上説明したように、このレーザ溶接方法では、ハンドトーチ型のレーザ溶接機１を用いることで、自動溶接の場合とは異なり、レーザ光の倣い性を確保するための複雑なティーチング作業が不要となり、溶接の作業性を向上できる。また、このレーザ溶接方法では、手作業でレーザ溶接を行うにあたり、トーチ部４を台車４１に支持し、トーチ部４の先端のコンタクトチップ７をワークに当接させた状態で台車４１を走行させてトーチ部４を走査する。これにより、ワークをガイドとして台車４１を走行させることが可能となるので、トーチ部４を走査する際の手元のぶれを抑制できる。したがって、作業者の熟練度に依存せずにトーチ部４の走査精度を担保できる。

また、このレーザ溶接方法では、台車４１にトーチ部４を角度調整自在に支持する支持部４３を設け、溶接工程において、ワークに対するトーチ部４の角度を支持部４３によって調整した後、コンタクトチップ７をワークの少なくとも一方に当接させている。これにより、コンタクトチップ７をワーク対して最適な角度で当接させることができる。このような手法は、本実施形態で例示する出入口枠１２及び外板１３の接合のように、長尺のワーク同士のレーザ溶接を実施する場合に特に有用であり、ワークの主面及び端面の面精度の確保が難しい場合でも、レーザ光の照射位置を適切に調整することが可能となる。また、溶接継手を変更する場合の対応も容易となる。

また、このレーザ溶接方法では、溶接工程において、トーチ部４の走査距離を測距部４５によって計測している。測距部４５によって走査距離を計測し、レーザ溶接機１側で接合体１１の識別情報と共に計測結果を格納しておくことで、レーザ溶接によって得られる接合体１１のトレーサビリティの確立が可能となる。

また、このレーザ溶接方法では、台車４１に導電性材料によって形成された走行ローラ４６及び本体部４２を設け、溶接工程において、レーザ溶接機１のアース８を本体部４２に対して接続した状態で、台車４１を出入口枠１２の車両外側面１４ａに載置して移動させる。これにより、レーザ溶接機１の本体部２からトーチ部４、ワーク、台車４１、アース８を経由する通電回路を形成できる。したがって、通電の有無によるレーザ溶接機１のインターロック機能を実現でき、レーザ溶接作業の安全性を向上できる。

アース８をワークに直接接続する場合、台車４１によってトーチ部４が走査されてコンタクトチップ７とワークとの接触位置がアース８とワークとの接続位置から離れるに従って通電回路での電圧降下が生じ、レーザ溶接機１のインターロック機能が適切に作動しなくなるおそれがある。これに対し、アース８を台車４１の本体部４２に接続する場合、トーチ部４の走査距離に関わらず、コンタクトチップ７とワークとの接触位置と、アース８と台車４１との接続位置との間隔は一定となる。したがって、通電回路の電圧降下の問題は生じず、レーザ溶接機１のインターロック機能を適切に作動させることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、第１のワークとして出入口枠１２を例示したが、第１のワークは、鉄道車両構体における開口部を保持する他の枠部材であってもよい。このような枠部材としては、例えば窓枠や幌枠などが挙げられる。また、第２のワークは、外板に限られない。本発明は、第１のワークと第２のワークとの隅肉溶接に広く適用可能である。また、本発明は、アルミニウム合金製の鉄道車両構体に用いられるワーク、マグネシウム合金製の鉄道車両構体のワークなどにも適用可能である。

また、台車４１に対してリニアガイドを取り付け、リニアガイドによって台車４１の走行方向を更にガイドさせるようにしてもよい。この場合、測距部４５は、リニアガイドに内蔵させたリニアスケール又はロータリエンコーダによって構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、第２のコンタクトチップ７Ｂの第１面３３を外板１３の車両外側面１６ｃに接触させると共に、第２面３４を外板１３の端面１６ａに接触させ、第３面３７を出入口枠１２の車両外側面１４ａに接触させているが、第３面３７は、必ずしも出入口枠１２の車両外側面１４ａに接していなくてもよい。この場合でも、第１面３３が外板１３の車両外側面１６ｃに接し、第２面３４が外板１３の端面１６ａに接することで、台車４１を走行させる際のガイド機能が十分に奏される。

さらに、上記実施形態では、出入口枠１２及び外板１３に対し、第１のコンタクトチップ７Ａ及び第２のコンタクトチップ７Ｂが４５°傾斜するように凸状部２１及び凹状部３１が設計されているが、当該傾斜角が４５°〜７５°となる範囲で凸状部２１及び凹状部３１が設計されていてもよい。いずれの傾斜角の場合においても、第１のコンタクトチップ７Ａ及び第２のコンタクトチップ７Ｂは、トーチ部４に対して同軸に取り付けられることが好ましい。

１…レーザ溶接機、４…トーチ部、７…コンタクトチップ、８…アース、１２…出入口枠（第１のワーク）、１３…外板（第２のワーク）、１４ａ…車両外側面（主面）、１６…端部、１６ａ…端面、４１…台車、４２…本体部、４３…支持部、４５…測距部、４６…走行ローラ、Ｐ…重ね合わせ部分、Ｗ２…レーザ溶接部。

Claims (8)

1. 第１のワークの主面に第２のワークの端部を重ね合わせる配置工程と、
   ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用い、前記第１のワークの前記主面と前記第２のワークの前記端部側の端面とに重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接部を形成する溶接工程と、を備え、
   前記溶接工程において、前記レーザ溶接機のトーチ部を台車に支持し、前記トーチ部の先端に取り付けたコンタクトチップを前記第１のワーク及び前記第２のワークの少なくとも一方に当接させた状態で、前記台車を手動で走行させることにより前記トーチ部を走査するレーザ溶接方法。
2. 前記台車に前記トーチ部を角度調整自在に支持する支持部を設け、
   前記溶接工程において、前記第１のワーク及び前記第２のワークに対する前記トーチ部の角度を前記支持部によって調整した後、前記コンタクトチップを前記第１のワーク及び前記第２のワークの少なくとも一方に当接させる請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記溶接工程において、前記トーチ部の走査距離を測距部によって計測する請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
4. 前記台車に導電性材料によって形成された走行ローラ及び本体部を設け、
   前記溶接工程において、前記レーザ溶接機のアースを前記本体部に対して接続した状態で、前記台車を前記第１のワークの前記主面に載置して移動させる請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
5. 第１のワークの主面と第２のワークの端部との重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接機を形成するハンドトーチ型のレーザ溶接機であって、
   前記第１のワーク及び前記第２のワークの少なくとも一方に当接するコンタクトチップを取り付け可能なトーチ部と、
   前記トーチ部を支持して手動で走行する台車と、を備えたレーザ溶接機。
6. 前記台車は、前記トーチ部を角度調整自在に支持する支持部を有している請求項５記載のレーザ溶接機。
7. 前記トーチ部の走査距離を計測する測距部を更に備えた請求項５又は６記載のレーザ溶接機。
8. 前記台車は、導電性材料によって形成された走行ローラ及び本体部を有し、
   前記本体部に対して接続されたアースを更に備えた請求項５〜７のいずれか一項記載のレーザ溶接機。

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