JP5248346B2

JP5248346B2 - レーザ溶接方法及び鉄道車両用外板

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Publication number: JP5248346B2
Application number: JP2009011208A
Authority: JP
Inventors: 昌志及川; 直樹河田; 純越川
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: JP2010167434A

Description

本発明は、レーザ溶接方法及びこの方法を用いて作製される鉄道車両用外板に関する。

レーザ溶接を適用する溶接形態の一つとして、金属板の端部同士の突き合せ部分に沿って溶接部を形成する突き合わせ溶接がある。突き合わせ溶接で健全な溶接部を形成するにあたっては、金属板の端部のギャップ管理が非常に重要なものとなっている。そのため、一般的には、金属板の端部同士を突き合わせた際のギャップは、板厚の１／１０以下（或いはピーク出力の８６％以上となるビーム径以下）に抑えることが望ましいとされている。

ところが、金属板の端部をレーザ切断等で切り出す場合、加工精度の限界によって金属板の端部同士を突き合わせた際のギャップが局所的に板厚の１／１０を超えてしまうことが多い。例えば鉄道車両構体などに用いる長尺の金属板では溶接長が５ｍ近くになることがあり、このようなギャップ管理の困難性は特に顕著になる。

突き合わせ溶接のギャップ管理に関する技術として、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接方法がある。この従来のレーザ溶接方法では、一方の金属板の溶接開始端に予めレーザ照射をし、この部分を溶融させることで、端部間のギャップを小さくした状態で突き合わせ部分のレーザ溶接を行っている。

特開平７−１３２３８７号公報

しかしながら、上述した従来のレーザ溶接方法は、溶接開始端を溶融させているに過ぎないので、長尺状の金属板の突き合わせ溶接に対しては、ギャップを小さくする効果はあまり期待できないと考えられる。また、溶接開始端に形成された溶融部分自体は溶接に寄与しないので、レーザ溶接の終了後に溶接開始端の近傍を金属板から切除する工程も必要となり、工程の複雑化が生じるという問題もある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、長尺状の金属板同士の突き合わせ溶接において、複雑なギャップ管理を行なうことなく健全な溶接部を形成できるレーザ溶接方法、及びこの方法を用いて作製される鉄道車両用外板を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接方法は、長尺状の第１の金属板の端部と、長尺状の第２の金属板の端部との突き合わせ部分をレーザビームの照射によって接合するレーザ溶接方法であって、第１の金属板の端部には、当該第１の金属板の本体部分に対して鋭角に屈曲する第１の屈曲片が形成され、第２の金属板の端部には、第１の屈曲片に対応して当該第２の金属板の本体部分に対して鈍角に屈曲する第２の屈曲片が形成され、第１の屈曲片と第２の屈曲片とが当接するように第１の金属板の端部と第２の金属板の端部とを突き合わせた状態で、第２の屈曲片側から端部の突き合わせ部分にレーザビームを照射することを特徴としている。

このレーザ溶接方法では、鋭角に屈曲する第１の屈曲片と、これに対応して鈍角に屈曲する第２の屈曲片とが当接するように第１の金属板の端部と第２の金属板の端部とを突き合わせている。レーザ溶接の対象である長尺の金属板では、レーザ切断等で切り出された端部に比べて、屈曲片と本体部分とがなす頂部で画成される端部の方が高い直線性が得られる。したがって、このレーザ溶接方法では、複雑なギャップ管理を行わなくとも、第１の屈曲片と第２の屈曲片とを当接させるだけで端部間のギャップが抑えられ、健全な溶接部を形成できる。

また、第１の屈曲片及び第２の屈曲片は、プレス加工によって形成されていることが好ましい。この場合、屈曲片と本体部分とがなす頂部で画成される端部の直線性をより確保できる。したがって、端部間のギャップを一層抑えることができる。

また、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給することが好ましい。こうすると、溶接の健全性を一層確保できる。

また、突き合わせ部分へのレーザビームの照射に先立って、第１の屈曲片の先端部と第２の屈曲片の先端部とを電気抵抗スポット溶接によって仮固定することが好ましい。これにより、端部間のギャップを一層抑えることができる。

また、レーザビームの照射位置に対応して設けられた凹部を有する載置台に第１の金属板及び第２の金属板を載置し、凹部の開口部分で第１の金属板の端部と第２の金属板の端部とを突き合わせ、第１の金属板、第２の金属板、及び凹部で形成される空間にアシストガスを流通させながらレーザビームの照射を行うことが好ましい。この場合、溶接部表面での酸化膜の形成が抑制され、接合体の外観が良好なものとなる。

また、本発明に係る鉄道車両用外板は、上記のレーザ溶接方法によって接合された第１の金属板及び第２の金属板の接合体からなることを特徴としている。

この鉄道車両用外板では、端部間のギャップが抑えられた状態で第１の金属板及び第２の金属板がレーザ溶接されるので、健全な溶接部によって第１の金属板及び第２の金属板が強固に接合され、十分な剛性が得られる。

また、第１の屈曲片及び第２の屈曲片を覆うように、突き合わせ部分に沿って長尺の骨部材が接合されていることが好ましい。これにより、第１の金属板と第２の金属板との間で効率良く力の伝達がなされる。

本発明によれば、長尺状の金属板同士の突き合わせ溶接において、複雑なギャップ管理を行なうことなく健全な溶接部を形成できる。

本発明に係るレーザ溶接方法を適用して作製された鉄道車両用外板の一実施形態を示す斜視図である。第１の金属板及び第２の金属板の斜視図である。本発明に係るレーザ溶接方法を示す断面図である。図３の後続の工程を示す断面図である。図４の後続の工程を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接方法及び鉄道車両用外板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方法を適用して作製された鉄道車両用外板の一実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、外板１は、長尺状の第１の金属板１１及び第２の金属板２１と、これらの金属板１１，２１の接合部分に沿って設けられた骨部材３１とによって構成されている。なお、図１では、骨部材３１の一部を切り欠いて図示している。

第１の金属板１１及び第２の金属板２１は、例えば厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０１Ｌ）からなり、長さは５ｍ程度となっている。第１の金属板１１の端部１２には、図２（ａ）に示すように、第１の金属板１１の本体部分１３に対して例えば６０°（鋭角）に屈曲する第１の屈曲片１４がプレス成型によって形成され、第２の金属板２１の端部２２には、図２（ｂ）に示すように、第２の金属板２１の本体部分２３に対して例えば１２０°（鈍角）に屈曲する第２の屈曲片２４がプレス成型によって形成されている。第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４の幅は、例えば２０ｍｍとなっている。

第１の金属板１１と第２の金属板２１とは、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とが当接するように端部１２，２２同士が突き合わされており、この突き合わせ部分Ｐに沿って連続的に形成されたレーザ溶接部Ｗ１によって互いに強固に接合されている。

一方、骨部材３１は、長尺状の平面部３２と、平面部３２における幅方向の端部から起立する一対の側部３３，３３と、側部３３，３３の先端から外側に向かってそれぞれ突出する一対のフランジ部３４，３４とによって断面ハット状をなしている。骨部材３１は、平面部３２と側部３３，３３とによって第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４が覆われるように突き合わせ部分Ｐに沿って配置され、フランジ部３４，３４のそれぞれに沿って連続的に形成されたレーザ溶接部Ｗ２，Ｗ２によって第１の金属板１１及び第２の金属板２１に強固に接合されている。

以上の構成を有する外板１は、第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４が上方を向き、かつ骨部材３１が内側を向いた状態で、鉄道車両の側構体の一部として用いられる。

続いて、上述した外板１の製造方法について説明する。

まず、第１の金属板１１と第２の金属板２１とを用意し、図３に示すように、これらを載置台４１に載置する。この載置台４１には、レーザビームの照射位置に対応して断面矩形の長尺状の凹部４２が設けられている。第１の金属板１１と第２の金属板２１とを載置台４１に載置した後、凹部４２における開口部分の略中央で、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とが当接するように第１の金属板１１の端部１２と第２の金属板２１の端部２２とを突き合わせる。

これにより、載置台４１には、第１の金属板１１の端部１２、第２の金属板２１の端部２２、及び凹部４２によって断面矩形の長尺状の空間Ｓが形成され、第１の金属板１１の端部１２と第２の金属板２１の端部２２との突き合わせ部分Ｐの真下に空間Ｓが位置することとなる。この後、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４の先端側を電極４３，４３で挟んで局所的に電流及び圧力を付与し、例えば８０ｍｍピッチでスポット溶接部Ｗ３を形成する。これにより、第１の金属板１１と第２の金属板２１とが仮固定される。

第１の金属板１１と第２の金属板２１とを仮固定した後、図４に示すように、第２の金属板２１における第２の屈曲片２４と本体部分２３とがなす頂部２５に向けてレーザヘッド４４からレーザビームＬを照射し、突き合わせ部分Ｐに沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ１を形成する。このとき、レーザビームＬの照射位置には、フィラーワイヤ供給ノズル４５をセットし、その先端からフィラーワイヤ４６を供給する。また、レーザビームＬの照射位置及び空間Ｓにアシストガスを供給し、突き合わせ部分Ｐの両面の酸素パージを行う。

溶接に用いるレーザは、例えばＹＡＧレーザであり、出力は約４ｋＷである。また、レーザヘッド４４の走査速度は、例えば３ｍ／ｍｉｎである。また、フィラーワイヤ４６は、第１の金属板１１及び第２の金属板２１と同様のステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０８）であり、直径は約０．８ｍｍである。アシストガスは、例えばアルゴンガスであり、約３０リットル／ｍｉｎで供給される。

レーザ溶接部Ｗ１を形成した後、骨部材３１を突き合わせ部分Ｐに沿って配置し、平面部３２と側部３３，３３とによって第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４が覆われるようにして、フランジ部３４，３４を第１の金属板１１の本体部分１３及び第２の金属板２１の本体部分２３にそれぞれ当接させる。そして、図５に示すように、フランジ部３４，３４に向けてレーザビームＬを照射することにより、フランジ部３４，３４のそれぞれに沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２，Ｗ２を形成する。これにより、図１に示した外板１が完成する。

従来のようにレーザ切断等で金属板の端部を切り出す場合、厚さ１．５ｍｍ程度の金属板では、端部間のギャップを板厚の１／１０以下に抑えるには、金属板の端部の直線性を０．０７５ｍｍ程度に保つ必要があり、例えば長さが５ｍに及ぶ長尺の金属板においてこのような直線性を確保することは困難であった。

これに対し、上述したレーザ溶接方法では、プレス成型によって第１の金属板１１の端部１２に鋭角に屈曲する第１の屈曲片１４を設けると共に、第２の金属板２１の端部２２に第１の屈曲片１４の角度に対応して鈍角に屈曲する第２の屈曲片２４を設け、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とが当接するように第１の金属板１１の端部１２と第２の金属板２１の端部２２とを突き合わせている。

ここで、プレス成型における金型では、加工材の長さに関わらず０．０５０ｍｍ程度の直線性を達成できる。このため、第１の金属板１１の端部１２及び第２の金属板２１の端部２２の直線性は、プレスの金型の直線性が転写されることによって当該金型と同等の０．０５０ｍｍ程度まで向上させることが可能となる。したがって、このレーザ溶接方法では、複雑なギャップ管理を行わなくとも、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とを当接させるだけで端部１２，２２間のギャップが抑えられ、レーザ溶接部Ｗ１を健全に形成できる。

本実施形態では、レーザ溶接に先立って、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とを電気抵抗スポット溶接で仮固定しているので、端部１２，２２間のギャップがより確実に抑えられている。また、レーザ溶接部Ｗ１の健全性は、レーザビームＬの照射位置へのフィラーワイヤ４６の供給によって一層担保されている。

また、このレーザ溶接方法では、第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４を形成することにより、第１の金属板１１の端部１２及び第２の金属板２１の端部２２の剛性が予め高められている。したがって、第１の金属板１１及び第２の金属板２１のハンドリング性が向上し、第１の金属板１１及び第２の金属板２１を載置台４１に載置する際などの、端部１２，２２の変形を抑えることもできる。剛性が高められた第１の金属板１１の端部１２と第２の金属板２１の端部２２とを接合することで、接合体である外板１の剛性を十分に確保できる。さらに、第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４は、レーザ溶接の際の位置合わせ部材としても機能し、レーザビームＬを第２の金属板２１の頂部２５に対して位置合わせすることが容易となる。

上述したレーザ溶接方法を適用して作製された外板１では、端部１２，２２間のギャップが抑えられた状態で第１の金属板１１及び第２の金属板２１がレーザ溶接されるので、健全なレーザ溶接部Ｗ１によって第１の金属板１１及び第２の金属板２１が強固に接合され、十分な剛性が得られる。また、骨部材３１によって第１の金属板１１と第２の金属板２１との間で効率良く力の伝達がなされる。

また、レーザ溶接の際、レーザビームＬの照射位置と、第１の金属板１１、第２の金属板２１、及び載置台４１の凹部４２で形成される空間Ｓとに向けてアシストガスを流通させ、突き合わせ部分Ｐの両面の酸素パージを行っている。このため、レーザ溶接部Ｗ１の表面での酸化膜の形成が抑制され、接合体の外観が良好なものとなる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、第１の金属板１１と第２の金属板２１との接合体に断面ハット状の骨部材３１を接合して外板１としているが、骨部材の断面形状は、種々の形状を適用できる。また、必ずしも第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４が骨部材で覆われていなくてもよく、この場合、車両の内側で上方に突出する第１の屈曲片１４及び第２の屈曲片２４を、網棚などの車室内構造を取り付けるための取付片として利用してもよい。

なお、上述した実施形態では、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とを電気抵抗スポット溶接で仮固定しているが、ボルトやリベットによる機械的な締結で仮固定を行ってもよく、第１の屈曲片１４と第２の屈曲片２４とに凸部及び凹部を設け、これらの嵌合によって仮固定を行ってもよい。

１…外板、１１…第１の金属板、１２…端部、１３…本体部分、１４…第１の屈曲片、２１…第２の金属板、２２…端部、２３…本体部分、２４…第２の屈曲片、３１…骨部材、４１…載置台、４２…凹部、４６…フィラーワイヤ、Ｌ…レーザビーム、Ｐ…突き合わせ部分、Ｓ…空間、Ｗ１…レーザ溶接部、Ｗ３…スポット溶接部。

Claims

長尺状の第１の金属板の端部と、長尺状の第２の金属板の端部との突き合わせ部分をレーザビームの照射によって接合するレーザ溶接方法であって、
前記第１の金属板の端部には、当該第１の金属板の本体部分に対して鋭角に屈曲する第１の屈曲片が形成され、
前記第２の金属板の端部には、前記第１の屈曲片に対応して当該第２の金属板の本体部分に対して鈍角に屈曲する第２の屈曲片が形成され、
前記第１の屈曲片と前記第２の屈曲片とが当接するように前記第１の金属板の端部と前記第２の金属板の端部とを突き合わせた状態で、前記端部の突き合わせ部分において前記第２の屈曲片と前記第２の金属板の本体部分とがなす頂部に前記第２の屈曲片側から前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１の屈曲片及び前記第２の屈曲片は、プレス加工によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
前記レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
前記突き合わせ部分への前記レーザビームの照射に先立って、前記第１の屈曲片の先端部と前記第２の屈曲片の先端部とを電気抵抗スポット溶接によって仮固定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記レーザビームの照射位置に対応して設けられた凹部を有する載置台に前記第１の金属板及び前記第２の金属板を載置し、
前記凹部の開口部分で前記第１の金属板の端部と前記第２の金属板の端部とを突き合わせ、
前記第１の金属板、前記第２の金属板、及び前記凹部で形成される空間にアシストガスを流通させながら前記レーザビームの照射を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザ溶接方法によって接合された第１の金属板及び前記第２の金属板の接合体からなることを特徴とする鉄道車両用外板。
前記第１の屈曲片及び前記第２の屈曲片を覆うように、前記突き合わせ部分に沿って長尺の骨部材が接合されていることを特徴とする請求項６記載の鉄道車両用外板。