JP5917196B2 - 鉄道車両の側構体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の側構体を製造する方法に関する。

鉄道車両の側構体では、出入り口や窓の開口部が形成された板部材に枠部材を取り付けている。板部材に枠部材を取り付けるにあたっては、スポット溶接が用いられる場合がある。しかしながら、スポット溶接は不連続な接合態様であるため、車内側に雨水が入り込まないように板部材及び枠部材の接合部に何らかのシール処理が必要であった。これに対して、レーザー溶接で接合部を連続的に接合することが知られている（特許文献１）。

特開２００７−５０７４０号公報

板部材に枠部材を取り付ける場合に、工程全体を考えると、両者を接合する加工処理以外に、例えば鉄道車両の見栄えを向上させるために各部材の表面処理や端部の処理などの様々な加工処理を行う必要がある。鉄道車両の全体を組み立てていくにあたっては、非常に多くの工程が必要であるので、相互に近接した部位に対してそれぞれ異なる加工処理を同時に行うことができれば、製造工程の簡略化ひいては製造工程のスピードアップにつながる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、製造工程を簡略化することができる鉄道車両の側構体の製造方法を提供する。

上記目的を達成するため、本発明によれば、
鉄道車両の側構体の製造方法であって、
側構体の一部を構成する板部材と、その板部材に形成されている戸又は窓に対応する辺に取り付けられる枠部材と、を準備する準備工程と、
前記板部材に対して前記枠部材を配置し、レーザーを照射して前記板部材に前記枠部材を接合する接合工程と、を備え、
前記接合工程において前記レーザーを分割し、一方のレーザーで前記板部材に前記枠部材を接合し、他方のレーザーで前記枠部材の角部を処理する、鉄道車両の側構体の製造方法が提供される。

こうした鉄道車両の側構体の製造方法によれば、板部材と枠部材との接合にあたってレーザーが照射される。このレーザーは、板部材に枠部材を接合するための一方のレーザーと、枠部材の角部を処理するための他方のレーザーと、に分割されるので、レーザー１回の照射で２つの加工処理を同時に行うことができる。その結果、製造工程を簡略化することができる。製造工程にかかる時間を短縮することができ、ひいては側構体の製造コストを低減することができる。

こうした本発明に係る鉄道車両の側構体の製造方法では、一方のレーザーと他方のレーザーとを進行方向において前後させることが好ましい。こうした製造方法によれば、先行するレーザーの加工処理によって生成された余熱を、後行するレーザーの加工処理で利用することができる。従って、後行するレーザーの加工処理では、これまでより低い出力のレーザーが使用されたとしても同等の熱エネルギーを利用することができる。

また、こうした本発明に係る鉄道車両の側構体の製造方法では、他方のレーザーが一方のレーザーよりも先行することが好ましい。こうした製造方法によれば、前述と同様に、先行するレーザーの加工処理によって生成された余熱を、後行するレーザーの加工処理で利用することができる。後行する一方のレーザーは接合工程に利用されるものの、接合工程の方が必要とされる入熱量が多いので、より効率的に熱を利用することができる。

以上のように、本発明によれば、製造工程を簡略化することができる鉄道車両の側構体の製造方法を提供することができる。

一具体例に係る鉄道車両構体の構造を概略的に示す斜視図である。 一具体例に係る枠部材及び板部材の構造を概略的に示す部分拡大図である。 図２の３−３線に沿った断面図である。 板部材及び枠部材を準備する準備工程を説明するための斜視図である。 図３に対応し、板部材に記枠部材を接合する接合工程を説明するため断面図である。 図４に対応し、板部材に記枠部材を接合する接合工程を説明するため斜視図である。 １つのレーザーで加工した場合の温度分布を示すグラフである。 ２つのレーザーで加工した場合の温度分布を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。図１は、一具体例に係る鉄道車両構体ＢＤの構造を概略的に示す斜視図である。この鉄道車両構体ＢＤは、鉄道車両の長手方向に延びつつ水平面に沿って広がる床構体ＦＢと、床構体ＦＢに対向する屋根構体ＣＢと、を備えている。床構体ＦＢ及び屋根構体ＣＢは、鉛直面に沿って相互に平行に広がる一対の側構体ＳＢ、ＳＢと、同様に鉛直面に沿って相互に平行に広がる一対の妻構体ＥＢ、ＥＢと、によって相互に接合されている。

床構体ＦＢは、鉄道車両構体ＢＤの床部を構成する部分であり、屋根構体ＣＢは、鉄道車両構体ＢＤの屋根部を構成する部分である。側構体ＳＢは、鉄道車両本体ＢＤの側部を構成する部分であり、長手方向に直交する鉄道車両構体ＢＤの短手方向に対称に配置されている。妻構体ＥＢは、鉄道車両本体ＢＤの端部を構成する部分であり、車両構体ＢＤの一端すなわち前端と他端すなわち後端とに配置されている。床構体ＦＢ、屋根構体ＣＢ、側構体ＳＢ及び妻構体ＥＢが鉄道車両構体ＢＤの内部空間を形成する。

側構体ＳＢは、ドアユニットＤＵと、ドア上部パネルＤＰと、側構体ブロックＳＢ１と、側構体ブロックＳＢ２と、窓ユニットＷＵ１と、窓ユニットＷＵ２と、を備えている。ドアユニットＤＵは、鉄道車両構体ＢＤの出入り口を構成するユニットであって、一方の側構体ＳＢに４つ配置されており、側構体ＳＢに配置されるドアを構成する。ドア上部パネルＤＰは、ドアユニットＤＵの上縁部と屋根構体ＣＢの側縁部との間に配置されて、屋根構体ＣＢの側縁部に接合されている。

側構体ブロックＳＢ１は、妻構体ＥＢとドアユニットＤＵとの間に配置される部分であって、一方の側構体ＳＢの前端及び後端に２つ配置されている。側構体ブロックＳＢ１は、上側の幕パネルＵＰ１と、一対の吹寄パネルＭＰ１、ＭＰ２と、下側の腰パネルＬＰ１と、を備えている。これら幕パネルＵＰ１、吹寄パネルＭＰ１、ＭＰ２及び腰パネルＬＰ１が窓ユニットＷＵ１を取り囲んでおり、窓ユニットＷＵ１が、側構体ブロックＳＢ１に配置される窓を構成する。

幕パネルＵＰ１は、窓ユニットＷＵ１の上縁部と屋根構体ＣＢとの間に配置されて、屋根構体ＣＢの側縁部に接合されている。吹寄パネルＭＰ１は、妻構体ＥＢと窓ユニットＷＵ１との間に配置される。吹寄パネルＭＰ１、ＭＰ２は、ドアユニットＤＵと窓ユニットＷＵ１との間に配置される。腰パネルＭＰ１は、窓ユニットＷＵ１の下縁部と床構体ＦＢとの間に配置され、床構体ＦＢの側縁部に接合されている。

側構体ブロックＳＢ２は、ドアユニットＤＵ、ＤＵ同士の間に配置される部分であって、一方の側構体ＳＢに３つ配置されている。側構体ブロックＳＢ２は、上側の幕パネルＵＰ２と、一対の吹寄パネルＭＰ３、ＭＰ３と、下側の腰パネルＬＰ２と、を備えている。これら幕パネルＵＰ２、吹寄パネルＭＰ３、ＭＰ３及び腰パネルＬＰ２が窓ユニットＷＵ２を取り囲んでおり、窓ユニットＷＵ２が、側構体ブロックＳＢ２に配置される窓を構成する。

幕パネルＵＰ２は、窓ユニットＷＵ２の上縁部と屋根構体ＣＢとの間に配置されて、屋根構体ＣＢの側縁部に接合されている。吹寄パネルＭＰ３は、妻構体ＥＢと窓ユニットＷＵ２との間に配置される。腰パネルＭＰ１は、窓ユニットＷＵ２の下縁部と床構体ＦＢとの間に配置され、床構体ＦＢの側縁部に接合されている。なお、床構体ＦＢの底面は、車輪やモータなどの各構成部品を組み込んだ例えば２つの台車（図示せず）によって支持されている。

図１の鉄道車両構体ＢＤにおいて、水平面に沿って鉄道車両構体ＢＤの長手方向にｘ軸が設定され、水平面に沿ってこのｘ軸に直交する鉄道車両構体ＢＤの短手方向にｙ軸が設定される。また、水平面に直交する鉛直方向にｚ軸が設定される。言い替えれば、ｘ軸は、鉄道車両構体ＢＤの進行方向に沿って延び、ｙ軸は、レールの各枕木が延在する方向に沿って延び、及び、ｚ軸は鉄道車両構体ＢＤの高さ方向に延びる。

図１に示す鉄道車両構体ＢＤの側構体ＳＤでは、例えばドアユニットＤＵや窓ユニットＷＵは、戸や窓の開口部が形成された板部材（図示せず）を備えている。この板部材には、板部材に形成されている戸又は窓に対応する辺に取り付けられる枠部材（図示せず）が接合される。枠部材と板部材との間の接合部はレーザー溶接によって連続的に接合されている。こうした連続的な接合によって、鉄道車両ＢＤの内部空間への雨水の浸入を防止することができる。

図２は、枠部材ＦＭと板部材ＰＭとの接合部を概略的に示す部分拡大図である。枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭはともに例えば平板状のステンレス鋼板などの金属板から形成されている。枠部材ＦＭはその裏面で板部材ＰＭの表面に受け止められており、枠部材ＦＭは、その側端面の下側の角部で板部材ＰＭの表面に溶接されている。溶接による接合部は枠部材ＦＭの角部に沿って連続的に延びる。その一方で、図３から明らかなように、枠部材ＦＭの側端面の上側の角部は面取りされている。

次に、枠部材ＦＭと板部材ＰＭとを相互に接合する方法を説明する。まず、加工処理前の枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭを準備する準備工程が実施される。図４に示すように、板部材ＰＭに対して枠部材ＦＭを配置して、板部材ＰＭの表面に枠部材ＦＭの裏面を重ね合わせる。枠部材ＦＭの側端面の下側の角部の稜線ＥＬ１が板部材ＰＭの表面上に配置される。枠部材ＦＭの側端面の上側の角部には稜線ＥＬ２が規定されている。本実施形態では、稜線ＥＬ１、ＥＬ２は相互に平行に延びる。枠部材ＦＭの側端面は、例えば戸又は窓の対応する辺に平行に延びる。

次に、枠部材ＦＭの稜線ＥＬ１に沿ってレーザーを照射することによって、板部材ＰＭに枠部材ＦＭを接合する接合工程が実行される。接合工程において、図５に示すように、照射されるレーザーは、枠部材ＦＭの稜線ＥＬ１に沿って枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭに照射されるレーザーＬＲ１と、枠部材ＦＭの稜線ＥＬ２に沿って枠部材ＦＭに照射されるレーザーＬＲ２と、に分割される。レーザーＬＲ１、ＬＲ２の出力条件は相互に同一に設定されてよい。ただし、出力条件は相互に異なっていてもよい。

この接合工程において、図６に示すように、一方のレーザーＬＲ１と他方のレーザーＬＲ２とをレーザーの進行方向Ｄにおいて前後させる。進行方向Ｄは稜線ＥＬ１、ＥＬ２に平行な方向のうちのいずれかの方向であってよい。本実施形態では、他方のレーザーＬＲ２を一方のレーザーＬＲ１よりも先行させる。すなわち、レーザーＬＲ１、ＬＲ２は、進行方向Ｄにおいて所定の間隔を維持しつつ進行方向Ｄに同時に進んでいく。

その結果、先行するレーザーＬＲ２が照射された枠部材ＦＭの角部では溶融によって丸められて面取りが実施されていく。その一方で後行するレーザーＬＲ１が照射された枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭの接合部では、枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭの溶融によって枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭの溶接が実施されていく。こうした進行方向ＤへのレーザーＬＲ１、ＬＲ２の移動によって枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭへの加工処理が実施される。

以上のような側構体ＳＢの製造方法によれば、レーザーを１回照射することによって、枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭを相互に接合する接合工程と、枠部材ＦＭの角部を面取りする面取り工程と、の２つの加工工程を同時に行うことができる。その結果、側構体ＢＤの製造工程を簡略化することができるので、製造工程にかかる時間を短縮することができ、ひいては側構体ＢＤの製造コストを低減することができる。

しかも、レーザーの進行方向ＤにおいてレーザーＬＲ２がレーザーＬＲ１に対して先行することから、レーザーＬＲ２で枠部材ＦＭの上側の角部を面取りする際の枠部材ＦＭの溶融の余熱が、上側の角部に近接した枠部材ＦＭの下側角部にも向かって枠部材ＦＭ内を伝達される。こうした余熱は、レーザーＬＲ１による接合工程に利用することができる。接合工程では面取り工程よりも必要とされる入熱量が多いので、より効率的に熱を利用することができる。

本発明者は、以上のような製造方法の効果を検証した。検証にあたって、稜線ＥＬ１に沿って１つのレーザーＬＲ１のみを照射して接合工程のみを実施した場合の枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭの第１温度分布と、稜線ＥＬ１、ＥＬ１に沿って２つのレーザーＬＲ１、ＬＲ２を照射して接合工程と面取り工程とを同時に実施した場合の枠部材ＦＭ及び板部材ＰＭの第２温度分布と、をシミュレーションによって計測した。

検証にあたって、レーザーＬＲ１、ＬＲ２の出力はともに２ｋＷ、ビームスポットＢＳのスポット径は０．９ｍｍ、及び、進行方向Ｄにおけるレーザーの移動速度は１．５ｍ／ｍｉｎに設定した。すなわち、レーザーＬＲ１とレーザーＬＲ２とは相互に同一の条件に設定した。

第１温度分布は、図６から明らかなように、稜線ＥＬ１上に規定されるｘ軸と、このｘ軸に直交しつつ板部材ＰＭの表面並びに枠部材ＦＭの側端面及び表面上に規定されるｙ軸と、によって形成されるｘｙ平面内でシミュレーションされた。その結果、図７に示すように、レーザーＬＲ１のビームスポットＢＳの中心をｘｙ座標の原点とすると、原点からｘ軸のマイナス方向にずれて溶融部が確立されており、その溶融部から離れるにつれて温度が徐々に低下していった。

その一方で、第２温度分布は、図６から明らかなように、稜線ＥＬ２上に規定されるｘ軸と、このｘ軸に直交しつつ板部材ＰＭの表面並びに枠部材ＦＭの側端面及び表面上に規定されるｙ軸と、によって形成されるｘｙ平面内でシミュレーションされた。その結果、図８に示すように、先行するレーザーＬＲ２からの余熱が、後行するレーザーＬＲ１の加工に利用されていることが確認された。

第１及び第２温度分布の比較から明らかなように、先行するレーザーＬＲ２と、このレーザーＬＲ２に近接しつつ後行するレーザーＬＲ１と、の２つのレーザーによる加工時において、レーザーＬＲ１のみの加工時に比べて、レーザーＬＲ２の加工の余熱によってレーザーＬＲ１の溶融部がより大きな容積で形成されることが確認できた。言い替えれば、レーザーＬＲ２の出力をこれまでより低下させても、これまでと同様の大きさの溶融部を形成することができることが確認できた。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。また、上述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

ＳＢ 側構体
ＰＭ 板部材
ＤＵ 戸（ドアユニット）
ＷＵ 窓（窓ユニット）
ＦＭ 枠部材
ＬＲ レーザー

Claims (1)

1. 鉄道車両の側構体の製造方法であって、
   側構体の一部を構成する板部材と、その板部材に形成されている戸又は窓に対応する辺に取り付けられる枠部材と、を準備する準備工程と、
   前記板部材に対して前記枠部材を配置し、レーザーを照射して前記板部材に前記枠部材を接合する接合工程と、を備え、
   前記接合工程において前記レーザーを分割し、一方のレーザーで前記板部材に前記枠部材を接合し、他方のレーザーで前記枠部材の角部を処理し、
   一方のレーザーと他方のレーザーとを進行方向において前後させ、他方のレーザーが一方のレーザーよりも先行することを特徴とする製造方法。
   
   

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