JP2018158350A - レーザ溶接方法及び溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】隅肉溶接において溶接ビード形状を均質に形成できるレーザ溶接方法及び溶接継手を提供する。【解決手段】このレーザ溶接方法は、外板２の端面６ａと出入口枠３の車両外側面４ａとによって形成される隅部１１に溶接予定線Ｌに沿って第１の溶接ビードＢ１を形成する第１の溶接ビード形成工程と、外板２の端面６ａを構成する角部のうち、隅部１１と反対側に位置する角部１２に溶接予定線Ｌに沿って第２の溶接ビードＢ２を形成する第２の溶接ビード形成工程と、外板２の端面６ａに溶接予定線Ｌに沿って第３の溶接ビードＢ３を形成する第３の溶接ビード形成工程と、を備え、第１〜第３の溶接ビード形成工程で形成される第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３を互いに連結する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法及び溶接継手に関する。

レーザ溶接の一形態として隅肉溶接が知られている。例えば鉄道車両構体の分野では、外板２の縁部に出入口フレームの縁部を重ね合わせ、当該重ね合わせ部分をレーザによって隅肉溶接することで、車両の水密性を確保している（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１１２３４３号公報

上述したような隅肉溶接では、溶接部の強度及び美観を確保する観点から、溶接部に形成される溶接ビード形状の均質性が求められている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、隅肉溶接において溶接ビード形状を均質に形成できるレーザ溶接方法及び溶接継手を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るレーザ溶接方法は、板状のワーク同士の重ね合わせ部分に設定された溶接予定線に沿って、一方のワークの端面と他方のワークの一方面とを隅肉溶接するレーザ溶接方法であって、一方のワークの端面と他方のワークの一方面とによって形成される隅部に溶接予定線に沿って第１の溶接ビードを形成する第１の溶接ビード形成工程と、一方のワークの端面を構成する角部のうち、隅部と反対側に位置する角部に溶接予定線に沿って第２の溶接ビードを形成する第２の溶接ビード形成工程と、一方のワークの端面に溶接予定線に沿って第３の溶接ビードを形成する第３の溶接ビード形成工程と、を備え、第１〜第３の溶接ビード形成工程で形成される第１〜第３の溶接ビードを互いに連結する。

このレーザ溶接方法では、第１〜第３の溶接ビード形成工程で形成される第１〜第３の溶接ビードを互いに連結している。これにより、ワークの角部、端面、及び隅部にかけて形成される溶接ビードを一体化した状態とすることができる。溶接ビードを一体化することで、溶接予定線に沿って延在する溶接ビード形状を均質に形成でき、溶接部の強度及び美観を十分に確保できる。

また、第１〜第３の溶接ビード形成工程をこの順で実施し、第３の溶接ビード形成工程で形成される第３の溶接ビードによって第１の溶接ビードと第２の溶接ビードとを連結してもよい。第１の溶接ビード形成工程では、隅部にレーザ光を照射させる必要があるため、レーザ光の走査の安定性が課題となっている。これに対し、第１の溶接ビード形成工程の後に第２及び第３の溶接ビード形成工程を実施することにより、第１の溶接ビード形成工程で他の部位にレーザ光による凹み等が生じた場合でも、後から形成する第２及び第３の溶接ビードによって凹み等を補修することが可能となる。

また、第１〜第３の溶接ビード形成工程において、スポット状の複数の溶接ビードを繋げることによって第１〜第３の溶接ビードを形成してもよい。この場合、連続溶接を行う場合に比べてワークへの入熱量を抑えることができる。また、連続溶接を行う場合に比べて溶接ビードの幅を太くすることが可能となる。したがって、第１〜第３の溶接ビードの連結が容易なものとなる。

また、第２の溶接ビードのナゲット径を第１の溶接ビード及び第３の溶接ビードのナゲット径よりも小さくしてもよい。これにより、第１〜第３の溶接ビードを滑らかに連結することが可能となる。

また、第３の溶接ビード形成工程において、第３の溶接ビードを複数列に形成してもよい。これにより、第１〜第３の溶接ビードの連結が容易なものとなる。

また、第１〜第３の溶接ビード形成において、コンタクトチップを用いてワークへのレーザ照射を行ってもよい。コンタクトチップを用いることで、レーザ光の走査の安定性を高めることができる。

また、本発明の一側面に係る溶接継手は、板状のワーク同士の重ね合わせ部分に設定された溶接予定線に沿って、一方のワークの端面と他方のワークの一方面とに隅肉溶接部が設けられた溶接継手であって、隅肉溶接部は、一方のワークの端面と他方のワークの一方面とによって形成される隅部に溶接予定線に沿って形成された第１の溶接ビードと、一方のワークの端面を構成する角部のうち、隅部と反対側に位置する角部に溶接予定線に沿って形成された第２の溶接ビードと、一方のワークの端面に溶接予定線に沿って形成された第３の溶接ビードと、を有し、第１〜第３の溶接ビードが互いに連結されている。

この溶接継手では、隅肉溶接部を構成する第１〜第３の溶接ビードが互いに連結されている。これにより、ワークの角部、端面、及び隅部にかけて形成される溶接ビードを一体化した状態とすることができる。溶接ビードを一体化することで、溶接予定線に沿って延在する溶接ビード形状を均質に形成でき、溶接部の強度及び美観を十分に確保できる。

また、第１〜第３の溶接ビードのそれぞれは、スポット状の複数の溶接ビードが繋がることによって構成されていてもよい。この場合、連続溶接を行う場合に比べてワークへの入熱量を抑えることができる。また、連続溶接を行う場合に比べて溶接ビードの幅を太くすることが可能となる。したがって、第１〜第３の溶接ビードの連結が容易なものとなる。

また、第２の溶接ビードのナゲット径は、第１の溶接ビード及び第３の溶接ビードのナゲット径よりも小さくなっていてもよい。これにより、第１〜第３の溶接ビードを滑らかに連結することが可能となる。

また、第３の溶接ビードは、複数列に形成されていてもよい。これにより、第１〜第３の溶接ビードの連結が容易なものとなる。

本発明によれば、隅肉溶接において溶接ビード形状を均質に形成できる。

レーザ溶接方法の一実施形態を適用して製造された溶接継手の一例を示す概略断面図である。 隅肉溶接部を示す概略図である。 レーザ溶接方法の一実施形態を示すフローチャートである。 第１の溶接ビード形成工程を示す概略断面図である。 第２の溶接ビード形成工程を示す概略断面図である。 第３の溶接ビード形成工程を示す概略断面図である。

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の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、レーザ溶接方法の一実施形態を適用して製造された溶接継手の一例を示す概略断面図である。同図で例示する溶接継手１は、鉄道車両構体に用いられる外板（一方のワーク）２と、出入口枠（他方のワーク）３との接合体である。

外板２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２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。図１では、外板２は、出入口枠３と等厚となっているが、厚さの大小関係に特に制限はない。外板２は、出入口枠３よりも肉薄の板状部材であってもよい。

出入口枠３は、鉄道車両の側構体に設けられるドア配置空間を形成する枠部材である。出入口枠３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３の一端側は、平坦部４となっており、他端側は、平坦部４から略直角に折れ曲がる折曲部５となっている。

溶接継手１は、折曲部５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３における平坦部４の車両外側面（他方のワークの一方面）４ａに対して外板２の端部６が重ね合されている。外板２における端部６側の端面（一方のワークの端面）６ａと出入口枠３の車両外側面４ａ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（図１の奥行方向）に沿って隅肉溶接部Ｗが形成されている。隅肉溶接部Ｗの形成により、外板２に対して出入口枠３が強固かつ水密に接合されている。

図２は、隅肉溶接部Ｗを示す概略図である。同図では、説明の便宜上、外板２における端部６の車両外側面６ｂと、外板２の端面６ａと、出入口枠３の車両外側面４ａとを平面的に示している。図２に示すように、隅肉溶接部Ｗは、外板２と出入口枠３との重ね合わせ部分Ｐに設定された溶接予定線Ｌに沿って形成されている。隅肉溶接部Ｗは、第１の溶接ビードＢ１と、第２の溶接ビードＢ２と、第３の溶接ビードＢ３とを有し、これらの第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３が互いに連結することによって構成されている。

より具体的には、第１の溶接ビードＢ１は、外板２の端面６ａと出入口枠３の車両外側面４ａによって形成される隅部１１に溶接予定線Ｌに沿って形成されている。第２の溶接ビードＢ２は、外板２の端面６ａを構成する角部のうち、隅部１１と反対側に位置する角部１２に溶接予定線Ｌに沿って形成されている。また、第３の溶接ビードＢ３は、外板２の端面６ａに溶接予定線Ｌに沿って形成されている。

これらの第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３は、いずれも複数のスポット状の溶接ビードＢが互いに繋がることによって構成されている。各溶接ビードＢは、例えば溶接予定線Ｌ方向を長軸とする楕円形状をなしている。隣り合う溶接ビードＢ，Ｂの重なり具合に特に制限はなく、互いに接する程度に溶接ビードＢ，Ｂが重なっていてもよく、中心間距離が長軸半径若しくは短軸半径よりも短くなる程度に溶接ビードＢ，Ｂが重なっていてもよい。

本実施形態では、第１の溶接ビードＢ１は、隅部１１に一列に形成されており、第２の溶接ビードＢ２は、角部１２に一列に形成されている。これに対し、第３の溶接ビードＢ３は、端面６ａに二列に形成されている。また、第２の溶接ビードＢ２における各溶接ビードＢのナゲット径Ｒ２は、第１の溶接ビードＢ１における各溶接ビードＢのナゲット径Ｒ１及び第３の溶接ビードＢ３の各溶接ビードＢのナゲット径Ｒ３よりも小さくなっている。第１の溶接ビードＢ１における各溶接ビードＢのナゲット径Ｒ１と、第３の溶接ビードＢ３の各溶接ビードＢのナゲット径Ｒ３とは、略同径となっている。

次に、上述した隅肉溶接部Ｗを形成するレーザ溶接方法について詳細に説明する。

図３は、レーザ溶接方法の一実施形態を示すフローチャートである。同図に示すように、このレーザ溶接方法は、第１の溶接ビード形成工程（ステップＳ０１）と、第２の溶接ビード形成工程（ステップＳ０２）と、第３の溶接ビード形成工程（ステップＳ０３）と、を備えて構成されている。

第１の溶接ビード形成工程は、外板２の端面６ａと出入口枠３の車両外側面４ａとによって形成される隅部１１に溶接予定線Ｌに沿って第１の溶接ビードＢ１を形成する工程である。第２の溶接ビード形成工程は、外板２の端面６ａを構成する角部のうち、隅部１１と反対側に位置する角部１２に溶接予定線Ｌに沿って第２の溶接ビードＢ２を形成する工程である。第３の溶接ビード形成工程は、外板２の端面６ａに溶接予定線Ｌに沿って第３の溶接ビードＢ３を形成する工程である。

各工程でのレーザ溶接の実施にあたっては、例えばハンドトーチ型のレーザ溶接装置を用いる。レーザ溶接装置は、例えばファイバレーザ発振器からのレーザ光をトーチ部から出射させる装置である。また、トーチ部には、レーザ光の手動による走査をアシストするためのコンタクトチップを取り付けられる。

コンタクトチップは、例えば金属によって形成された中空の円筒状部材であり、コンタクトチップの先端部には、筒状部分の周面を切り欠くことによって、ワークに当接させる複数の当接面が設けられている。コンタクトチップ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。例えばワークがステンレス鋼板である場合、コンタクトチップを形成する導電性材料としては、銅、銅合金、導電性カーボンなどが挙げられる。

第１の溶接ビード形成工程では、図４に示すように、第１のコンタクトチップ２１を用いる。第１のコンタクトチップ２１の凸状の先端部には、筒状部分２２の径方向から見て、中心軸の一方側に位置する露出面２３及び第１当接面２４と、中心軸の他方側に位置する第２当接面２５が設けられている。第１当接面２４と第２当接面２５とのなす角部２７は、直角となっており、筒状部分２２の径方向から見て中心軸と一致している。露出面２３は、筒状部分２２の内部空間を露出させるための面である。溶接時にワークから発生するスラグは、露出面２３から外部に排出される。

第１の溶接ビード形成工程では、第１当接面２４を外板２の端面６ａに当接させ、第２当接面２５を出入口枠３の車両外側面４ａに当接させる。この状態で、第１のコンタクトチップ２１の中心軸に一致するようにレーザ光Ｋを出射させると、レーザ光Ｋが隅部１１に照射され、隅部１１にスポット状の溶接ビードＢが形成される。その後、トーチ部Ｔの位置を溶接予定線Ｌに沿って走査し、スポット状の溶接ビードＢを順次形成することにより、第１の溶接ビードＢ１が溶接予定線Ｌに沿って形成され、外板２と出入口枠３とが接合される。

第２の溶接ビード形成工程では、図５に示すように、第２のコンタクトチップ３１を用いる。第２のコンタクトチップ３１の凹状の先端部には、筒状部分３２の径方向から見て、中心軸の一方側に位置する露出面３３及び第１当接面３４と、中心軸の他方側に位置する第２当接面３５とが設けられている。第１当接面３４と第２当接面３５とがなす角は、直角となっている。

第２の溶接ビード形成工程では、第１当接面３４を外板２の車両外側面６ｂに当接させ、第２当接面３５を外板２の端面６ａに当接させる。この状態で、第２のコンタクトチップ３１の中心軸に一致するようにレーザ光Ｋを出射させると、レーザ光Ｋが外板２の角部１２に照射され、角部１２にスポット状の溶接ビードＢが形成される。その後、トーチ部Ｔの位置を溶接予定線Ｌに沿って走査し、スポット状の溶接ビードＢを順次形成することにより、第２の溶接ビードＢ２が溶接予定線Ｌに沿って形成され、外板２の角部１２が面取りされる。

第３の溶接ビード形成工程では、図６に示すように、第３のコンタクトチップ４１を用いる。第３のコンタクトチップ４１の凸状の先端部には、筒状部分４２の径方向から見て、中心軸の一方側に位置する露出面４３及び第１当接面４４と、中心軸の他方側に位置する第２当接面４５及び第３当接面４６とが設けられている。第３の溶接ビード形成工程では、第１当接面４４を外板２の端面６ａに当接させると共に、第２当接面４５と第３当接面４６とがなす角部４７を出入口枠３の車両外側面４ａに当接させる。この状態で、第１のコンタクトチップ２１の中心軸に一致するようにレーザ光Ｋを出射させると、レーザ光Ｋが外板２の端面６ａに照射され、端面６ａにスポット状の溶接ビードＢが形成される。

その後、トーチ部Ｔの位置を溶接予定線Ｌに沿って走査し、スポット状の溶接ビードＢを順次形成することにより、第３の溶接ビードＢ３が溶接予定線Ｌに沿って形成され、外板２の端面６ａが表面処理される。また、第３の溶接ビードＢ３の形成により、先に形成した第１の溶接ビードＢ１及び第２の溶接ビードＢ２が第３の溶接ビードＢ３によって互いに連結される。

図２に示したように、第３の溶接ビードＢ３を複数列に形成する場合には、第３のコンタクトチップ４１の角度を変え、端面６ａの異なる位置にレーザ光Ｋが照射されるように調整してトーチ部Ｔの走査を実施すればよい。この場合、複数列の第３の溶接ビードＢ３の形成順序は、任意の順序としてよい。

以上説明したように、このレーザ溶接方法では、第１〜第３の溶接ビード形成工程で形成される第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３を互いに連結している。これにより、外板２の角部１２、外板２の端面６ａ、及び外板２と出入口枠３とがなす隅部１１にかけて形成される溶接ビードＢを一体化した状態とすることができる。溶接ビードＢを一体化することで、溶接予定線Ｌに沿って延在する溶接ビード形状を均質に形成でき、隅肉溶接部Ｗの強度及び美観を十分に確保できる。

本実施形態では、第１〜第３の溶接ビード形成工程をこの順で実施し、第３の溶接ビード形成工程で形成される第３の溶接ビードＢ３によって第１の溶接ビードＢ１と第２の溶接ビードＢ２とを連結している。第１の溶接ビード形成工程では、隅部１１にレーザ光Ｋを照射させる必要があるため、レーザ光Ｋの走査の安定性が課題となっている。これに対し、第１の溶接ビード形成工程の後に第２及び第３の溶接ビード形成工程を実施することにより、第１の溶接ビード形成工程で他の部位（例えば角部１２及び端面６ａ）にレーザ光Ｋによる凹み等が生じた場合でも、後から形成する第２及び第３の溶接ビードＢ２，Ｂ３によって凹み等を補修することが可能となる。

また、本実施形態では、第１〜第３の溶接ビード形成工程において、スポット状の複数の溶接ビードＢを繋げることによって第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３をそれぞれ形成している。これにより、連続溶接を行う場合に比べてワークへの入熱量を抑えることができる。また、連続溶接を行う場合に比べて溶接ビードＢの幅（図２の例では短軸方向のナゲット径）を太くすることが可能となる。したがって、第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３の連結が容易なものとなる。

また、本実施形態では、第２の溶接ビードＢ２のナゲット径Ｒ２が第１の溶接ビードＢ１のナゲット径Ｒ１及び第３の溶接ビードＢ３のナゲット径Ｒ３よりも小さくなっている。これにより、第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３を滑らかに連結することが可能となる。また、第２の溶接ビードＢ２による外板２の角部１２の面取りの仕上がりが良好なものとなる。

また、本実施形態では、第３の溶接ビード形成工程において、第３の溶接ビードＢ３が複数列に形成されている。これにより、第１〜第３の溶接ビードＢ１〜Ｂ３の連結が容易なものとなる。

また、本実施形態では、第１〜第３の溶接ビード形成工程において、第１〜第３のコンタクトチップ２１，３１，４１を用いてワークへのレーザ照射を行っている。第１〜第３の溶接ビード形成工程毎に形状の異なる第１〜第３のコンタクトチップ２１，３１，４１を用いることで、レーザ光Ｋの走査の安定性を高めることができる。

なお、上述した実施形態では、第１の溶接ビード形成工程、第２の溶接ビード形成工程、第３の溶接ビード形成工程の順にレーザ溶接を実施しているが、これらの工程は任意の順序で実施してよい。また、上記実施形態では、第３の溶接ビード形成工程において第３の溶接ビードＢ３を複数列に形成しているが、第３の溶接ビードＢ３は、一列に形成してもよい。

１…溶接継手、２…外板（一方のワーク）、３…出入口枠（他方のワーク）、Ｌ…溶接予定線、Ｐ…重ね合わせ部分、４ａ…車両外側面（一方面）、６ａ…端面、１１…隅部、１２…角部、２１…第１のコンタクトチップ（コンタクトチップ）、３１…第２のコンタクトチップ（コンタクトチップ）、４１…第３のコンタクトチップ（コンタクトチップ）、Ｂ…溶接ビード、Ｂ１…第１の溶接ビード、Ｂ２…第２の溶接ビード、Ｂ３…第３の溶接ビード。

Claims (10)

1. 板状のワーク同士の重ね合わせ部分に設定された溶接予定線に沿って、一方のワークの端面と他方のワークの一方面とを隅肉溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記一方のワークの端面と前記他方のワークの一方面とによって形成される隅部に前記溶接予定線に沿って第１の溶接ビードを形成する第１の溶接ビード形成工程と、
   前記一方のワークの端面を構成する角部のうち、前記隅部と反対側に位置する角部に前記溶接予定線に沿って第２の溶接ビードを形成する第２の溶接ビード形成工程と、
   前記一方のワークの端面に前記溶接予定線に沿って第３の溶接ビードを形成する第３の溶接ビード形成工程と、を備え、
   前記第１〜第３の溶接ビード形成工程で形成される前記第１〜第３の溶接ビードを互いに連結するレーザ溶接方法。
2. 前記第１〜第３の溶接ビード形成工程をこの順で実施し、前記第３の溶接ビード形成工程で形成される前記第３の溶接ビードによって前記第１の溶接ビードと前記第２の溶接ビードとを連結する請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記第１〜第３の溶接ビード形成工程において、スポット状の複数の溶接ビードを繋げることによって前記第１〜第３の溶接ビードを形成する請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
4. 前記第２の溶接ビードのナゲット径を前記第１の溶接ビード及び前記第３の溶接ビードのナゲット径よりも小さくする請求項３記載のレーザ溶接方法。
5. 前記第３の溶接ビード形成工程において、前記第３の溶接ビードを複数列に形成する請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
6. 前記第１〜第３の溶接ビード形成において、コンタクトチップを用いて前記ワークへのレーザ照射を行う請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
7. 板状のワーク同士の重ね合わせ部分に設定された溶接予定線に沿って、一方のワークの端面と他方のワークの一方面とに隅肉溶接部が設けられた溶接継手であって、
   前記隅肉溶接部は、
   前記一方のワークの端面と前記他方のワークの一方面とによって形成される隅部に前記溶接予定線に沿って形成された第１の溶接ビードと、
   前記一方のワークの端面を構成する角部のうち、前記隅部と反対側に位置する角部に前記溶接予定線に沿って形成された第２の溶接ビードと、
   前記一方のワークの端面に前記溶接予定線に沿って形成された第３の溶接ビードと、を有し、
   前記第１〜第３の溶接ビードが互いに連結されている溶接継手。
8. 記第１〜第３の溶接ビードのそれぞれは、スポット状の複数の溶接ビードが繋がることによって構成されている請求項７記載の溶接継手。
9. 前記第２の溶接ビードのナゲット径は、前記第１の溶接ビード及び前記第３の溶接ビードのナゲット径よりも小さくなっている請求項７又は８記載の溶接継手。
10. 第３の溶接ビードは、複数列に形成されている請求項７〜９のいずれか一項記載の溶接継手。

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