JP2010173468A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状の載置治具を用いることなく、良好な歩留まりで屋根板と垂木部材との溶接を行うことができるレーザ接合方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接方法では、垂木部材２６を配列する垂木配列工程と、屋根板２２を垂木部材２６上に載置する屋根板載置工程とを備える。これにより、複雑な形状の載置治具を用いることなく、屋根板２２に対して垂木部材２６のフランジ部２６ａを当接させることができる。また、レーザビーム３４の照射ピッチＰ２を垂木部材２６の配列ピッチＰ１と一致させると共に、レーザビーム３４の照射幅Ｗ２を、屋根板２２の底面２２ｂとフランジ部２６ａとの当接幅Ｗ１よりも大きくしている。これにより、垂木部材２６の配列ピッチＰ１やレーザビーム３４の照射ピッチＰ２が多少ずれたとしても、良好な歩留まりで屋根板２２にフランジ部２６ａを溶接することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、鉄道車両の屋根構体を構成する屋根板に垂木部材のフランジ部を溶接するレーザ溶接方法に関する。

この種の分野に関する従来技術として、例えば特許文献１に記載の鉄道車両がある。この鉄道車両では、車両の長手方向に沿って屋根板の内側面に断面Ｔ字状のリブが形成されており、リブのフランジ部に垂木部材が溶接されている。また、近年では、鉄道車両構体の各部材同士の溶接方法として、レーザ溶接が注目されている。レーザ溶接では、従来のＭＩＧ溶接等に比べて部材への入熱量を抑えることが可能となり、歪みの少ない鉄道車両構体を形成できるという利点がある。

特許第２７３４３２８号公報

ところで、鉄道車両の屋根構体は、上方に向かって凸となるような湾曲形状をなしている場合が多い。そこで、上述した特許文献１では、屋根板の形状に一致する湾曲面を有する載置治具によって屋根板を支持し、その表面に垂木部材を設置して両者の溶接を行っている（特許文献１の図１参照）。しかしながら、この溶接方法では、屋根板の湾曲形状に合わせて複雑な形状の載置治具を用意しなくてはならず、製造コストの面で問題がある。

一方、載置治具を使用しない方法として、予め垂木部材を所定の配列ピッチで配列しておき、垂木部材の枠体の上に屋根板を載置する方法が考えられる。この場合、複雑な形状の載置治具は不要となるものの、屋根板に遮蔽されて垂木部材の配列位置を視認しにくくなるという問題が生じる。したがって、屋根板と垂木部材との溶接にレーザ溶接を適用しようとすると、垂木部材の配列ピッチの精度やレーザビームの照射ピッチの精度によっては、レーザビームの照射位置が屋根板と垂木部材との当接部分における溶接予定位置から外れ、溶接の歩留まりが低下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、複雑な形状の載置治具を用いることなく、良好な歩留まりで屋根板と垂木部材との溶接を行うことができるレーザ接合方法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、鉄道車両の屋根構体を構成する屋根板に垂木部材のフランジ部を溶接するレーザ溶接方法であって、垂木部材を所定の配列ピッチで並列に配列する垂木配列工程と、垂木部材が鉄道車両の幅方向に延在するように屋根板を垂木部材上に載置し、垂木部材のフランジ部と屋根板の底面とを当接させる屋根板載置工程と、屋根板の上面側から垂木部材の配列方向に沿ってレーザビームを照射するレーザビーム照射工程と、を備え、レーザビーム照射工程において、レーザビームの照射ピッチを垂木部材の配列ピッチと一致させると共に、レーザビームの照射幅を、屋根板の底面と垂木部材のフランジ部との当接幅よりも大きくすることを特徴とする。

本発明に係るレーザ溶接方法では、予め所定の配列ピッチで垂木部材を配列することにより垂木部材で枠体を構成し、この枠体上に屋根板を載置している。これにより、屋根板が湾曲形状を有する場合であっても、複雑な形状の載置治具を用いることなく、屋根板に対して垂木部材のフランジ部を当接させることができる。一方、このような屋根板及び垂木部材の配置構成では、レーザビーム照射工程において、屋根板に遮蔽されて垂木部材の配列位置が視認しにくくなる。しかしながら、本発明に係るレーザ溶接方法では、レーザビームの照射ピッチを垂木部材の配列ピッチと一致させた上で、レーザビームの照射幅を屋根板の底面と垂木部材のフランジ部との当接幅よりも大きくしている。これにより、垂木部材の配列ピッチやレーザビームの照射ピッチが多少ずれたとしても、レーザビームの照射位置が屋根板の底面と垂木部材のフランジ部との当接部分から外れてしまうことを防止でき、良好な歩留まりで屋根板に垂木部材のフランジ部を溶接することができる。

本発明に係るレーザ溶接方法では、複雑な形状の載置治具を用いることなく、良好な歩留まりで屋根板と垂木部材との溶接を行うことができる。

本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を用いて製造された屋根構体を備える鉄道車両構体を示す斜視図である。 図１に示した屋根構体の詳細な構造を示す斜視図である。 屋根板と垂木部材とのレーザ溶接の手順を示す図である。 図３の後続の工程の手順を示す図である。 図４の後続の工程の手順を示す図である。

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の一実施形態を用いて製造された屋根構体を備える鉄道車両構体を示す斜視図である。同図に示すように、鉄道車両構体１０は、その内部に乗客を収容する空間を有する略箱型の形状をなしており、車両の底部に位置する台枠１２と、車両の両側に位置し、複数の車窓を備える側構体１４と、車両の前後に位置する妻構体１６と、車両の上部に位置する屋根構体１８とによって構成されている。

具体的には、台枠１２は略矩形状を有し、車両構体１０の底部に配置されている。台枠１２の周縁には、両側に位置する側構体１４と、車両の前側及び後側に位置する妻構体１６とが台枠１２を囲むように立設されている。屋根構体１８は、上方に向かって凸となるようにアーチ状に湾曲し、側構体１４と妻構体１６とから構成された空間を閉じるように配置されている。

次に、屋根構体１８について詳細に説明する。図２は、図１に示した屋根構体１８の詳細な構造を示す斜視図である。屋根構体１８は、屋根板２２と、複数の垂木部材２６とにより構成されている。

屋根板２２は、例えばＪＩＳで規定するＳＵＳ３０１Ｌ等のステンレス鋼を用いて形成されている。屋根板２２の板厚は、例えば０．６ｍｍ〜０．８ｍｍとなっており、長さは７５００ｍｍ、幅は２．７ｍ〜２．８５ｍとなっている。屋根板２２の曲率半径は、屋根板２２の幅方向の両端では例えば１５００ｍｍ、中央部では例えば５０００ｍｍとなっており、全体として、上方に向かって凸となるようにアーチ状に湾曲している。

屋根板２２の上面２２ａには、屋根板２２の長手方向に延在する突起部２４が複数形成されている。突起部２４は、例えばロールフォーミング加工によって平板部分と一体に形成されている。突起部２４は、互いに並列に配列されており、突起部２４の配列ピッチは、例えば１００ｍｍ〜１５０ｍｍとなっている。また、突起部２４の高さは、例えば１０ｍｍ〜１５ｍｍとなっている。これらの突起部２４は、屋根板２２の強度を担保する補強材として機能している。

垂木部材２６は、例えばＪＩＳで規定するＳＵＳ３０１Ｌ等のステンレス鋼により形成されている。垂木部材２６は、フランジ部２６ａと、フランジ部２６ａの幅方向の端部から直角に垂下するウェブ部２６ｂと、ウェブ部２６ｂの下端部からフランジ部２６ａと反対側に突出するフランジ部２６ｃとによって、断面略Ｚ形状の長尺状をなしている。また、垂木部材２６は、屋根板２２の形状に一致するように、上方に向かって凸となるようにアーチ状に湾曲している。フランジ部２６ａ，２６ｃの幅は、例えば３０ｍｍとなっている。また、ウェブ部２６ｂの高さは、例えば４０ｍｍとなっており、厚みは例えば１．０ｍｍ〜１．５ｍｍとなっている。

垂木部材２６は、屋根板２２の幅方向に延在するように配列ピッチＰ１をもって並列に配列されており、屋根板２２の底面２２ｂ側で枠体２７を形成している。垂木部材２６の配列ピッチＰ１は、例えば一の垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの先端の位置から、隣接する垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの先端の位置までの間隔で定義され、例えば３００ｍｍ〜５００ｍｍとなっている。なお、屋根板２２の長手方向の端部２２ｃから、この端部２２ｃに最も近接する垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの先端の位置までの間隔も、配列ピッチＰ１に準拠している。

屋根板２２と垂木部材２６とは、各垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの上面を、フランジ部２６ａの幅に一致する当接幅Ｗ１をもって屋根板２２の底面２２ｂに当接させた状態で、溶接部２８によって強固に接合されている。溶接部２８は、例えばレーザ溶接によって形成され、例えば屋根板２２の上面２２ａから垂木部材２６のフランジ部２６ａの略半分の深さに至る、いわゆる非貫通溶接部となっている。

屋根板２２と垂木部材２６とを接合する溶接部２８は、図２に示すように、屋根板２２の隣接する突起部２４，２４間にそれぞれ２本形成された溶接ラインＬ１，Ｌ２上に形成されている。溶接部２８は、各溶接ラインＬ１，Ｌ２上において、垂木部材２６の配列方向に配列ピッチＰ２をもって配列されている。配列ピッチＰ２は、一の溶接部２８の始点から、隣接する溶接部２８の始点までの間隔で定義され、垂木部材２６の配列ピッチＰ１と一致するように、例えば３００ｍｍ〜５００ｍｍとなっている。また、屋根板２２の上面２２ａ側から見て、溶接部２８の始点から終点までの幅Ｗ２は、例えば４０ｍｍとなっており、屋根板２２の底面２２ｂとフランジ部２６ａとの当接幅Ｗ１と概ね中心が一致した状態で、当接幅Ｗ１よりも１０ｍｍ程度大きくなっている。

続いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。図３は、屋根板２２と垂木部材２６とのレーザ溶接の手順を示す図であり、図４は、図３の後続の工程の手順を示す図であり、図５は、図４の後続の工程の手順を示す図である。本実施形態に係るレーザ溶接方法は、垂木配列工程と、屋根板載置工程と、レーザビーム照射工程とを備えている。

垂木配列工程では、図３に示すように、複数の垂木部材２６を用意する。そして、垂木部材２６を配列ピッチＰ１で並列に配列し、垂木部材２６の枠体２７を形成する。次の屋根板載置工程では、例えばロールフォーミング加工により突起部２４が形成された屋根板２２を準備する。そして、垂木部材２６が車両構体１０の幅方向に延在するように屋根板２２を枠体２７上に載置し、屋根板２２の底面２２ｂとフランジ部２６ａの上面とを当接させる。屋根板２２の載置の際、屋根板２２の長手方向の端部２２ｃから、この端部２２ｃに最も近接する垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの先端の位置までの間隔を配列ピッチＰ１に準拠させる。

レーザビーム照射工程では、まず、レーザビームを出射する加工ヘッド３２を、屋根板２２の端部２２ｃの上方に配置する。次に、図４（ａ）に示すように、加工ヘッド３２を垂木部材２６の配列方向に沿って走査し、最初の垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの先端の手前の位置からレーザビーム３４の照射を開始する。そして、レーザビーム３４の照射を開始した点からの照射幅がＷ２に達した時点でレーザビーム３４の照射を停止する。これにより、レーザビーム３４の照射部分には、図４（ｂ）に示すように、照射幅Ｗ２と一致する幅Ｗ２の溶接部２８が形成される。

次に、図５（ａ）に示すように、レーザビーム３４をオフにした状態で、始めに形成した溶接部２８の始点からの距離が垂木部材２６の配列ピッチＰ１と一致する照射ピッチＰ２となる位置まで加工ヘッド３２を走査し、２番目の垂木部材２６におけるフランジ部２６ａの先端の手前の位置からレーザビーム３４の照射を開始する。以後、同様の手順を繰り返すことにより、図５（ｂ）に示すように、溶接ラインＬ１上において、屋根板２２と各垂木部材２６とが溶接部２８によって強固に固定される。

この後、溶接ラインＬ２についても同様の手順で屋根板２２と各垂木部材２６とを溶接し、突起部２４，２４間の全てに溶接ラインＬ１，Ｌ２を形成すると、図１及び図２に示した屋根構体１８が得られる。

なお、レーザビーム照射工程におけるレーザ出力及び溶接速度は、屋根板２２及びフランジ部２６ａの厚さ等に応じて適宜調節することができる。本実施形態では、例えば屋根板２２の上面２２ａからフランジ部２６ａの略半分の深さまで伝熱するように、レーザ出力及び溶接速度が予め調節されており、レーザ出力は例えば４ｋＷに調節され、溶接速度は例えば６ｍ／ｍｉｎに調節されている。

レーザビーム３４を出力する装置としては、公知のレーザ加工装置を使用することができる。レーザビーム３４の照射位置には、屋根板２２や垂木部材２６と同材質のフィラーワイヤを必要に応じて供給してもよい。また、溶接部２８の酸化防止等を目的として、レーザビーム３４の照射位置にシールドガスを供給してもよい。シールドガスには、例えばアルゴンガスを用いることができる。上述した実施形態においてアルゴンガスを供給する場合には、その供給量を例えば３０リットル／ｍｉｎとすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、予め所定の配列ピッチＰ１で並列に垂木部材２６を配列することにより垂木部材２６の枠体２７を構成し、この枠体２７上に屋根板２２を載置している。これにより、本実施形態のように屋根板２２が上方に向かって湾曲形状を有する場合であっても、屋根板２２の形状に合わせて複雑な形状の載置治具を用いることなく、屋根板２２に垂木部材２６のフランジ部２６ａを当接させることができる。

一方、このような屋根板２２及び垂木部材２６の配置構成では、レーザビーム照射工程において、屋根板２２に遮蔽されて垂木部材２６の配列位置が視認しにくくなる。しかしながら、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザビーム３４の照射ピッチＰ２を垂木部材２６の配列ピッチＰ１と一致させた上で、レーザビーム３４の照射幅Ｗ２を屋根板２２の底面２２ｂとフランジ部２６ａとの当接幅Ｗ１よりも大きくしている。これにより、垂木部材２６の配列ピッチＰ１やレーザビーム３４の照射ピッチＰ２が多少ずれたとしても、レーザビーム３４の照射位置が屋根板２２の底面２２ｂとフランジ部２６ａとの当接部分から外れてしまうことを防止できる。したがって、屋根板２２に遮蔽されて垂木部材２６が視認しにくい配置構成を採用しているにも関わらず、良好な歩留まりで屋根板２２に垂木部材２６のフランジ部２６ａを溶接することができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、屋根板載置工程において、屋根板２２の長手方向の端部２２ｃと、端部２２ｃに最も近接する垂木部材２６との間のピッチが配列ピッチＰ１に準拠するように、屋根板２２を枠体２７上に載置している。この場合、レーザビーム照射工程において、屋根板２２の端部２２ｃを基準にすることで、屋根板２２とフランジ部２６ａとの当接部分の位置を容易に把握することができる。これにより、屋根板２２とフランジ部２６ａとの当接部分に溶接部２８を確実に形成することができる。したがって、溶接の歩留まりを更に良好なものとすることができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、溶接部２８の幅Ｗ２は、屋根板２２の底面２２ｂとフランジ部２６ａとの当接幅Ｗ１と概ね中心が一致するようにされている。これにより、屋根板２２とフランジ部２６ａとの当接部分の幅方向の一端部から他端部にかけて溶接部２８が形成されることとなり、屋根板２２と垂木部材２６とを更に強固に接合することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。上述した実施形態では、溶接ラインは、隣接する突起部２４，２４間に２本ずつ形成されているが、１本又は３本以上形成されていてもよい。また、溶接部２８は、屋根板２２とフランジ部２６ａとの当接部分の少なくとも一部に形成されていればよい。更に、上述した実施形態では、溶接部２８は非貫通溶接部となっているが、溶接部２８は、フランジ部２６ａの底面に露出する、いわゆる貫通溶接部であってもよい。垂木部材２６は、断面略Ｚ形状に限られず、種々の断面形状の部材を用いることができる。

１０…車両構体、１８…屋根構体、２２…屋根板、２２ａ…上面、２２ｂ…底面、２６…垂木部材、２６ａ，２６ｃ…フランジ部、２８…溶接部、３４…レーザビーム、Ｐ１…配列ピッチ、Ｐ２…照射ピッチ、Ｗ１…当接幅、Ｗ２…照射幅。

Claims (1)

1. 鉄道車両の屋根構体を構成する屋根板に垂木部材のフランジ部を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記垂木部材を所定の配列ピッチで並列に配列する垂木配列工程と、
   前記垂木部材が前記鉄道車両の幅方向に延在するように前記屋根板を前記垂木部材上に載置し、前記垂木部材の前記フランジ部と前記屋根板の底面とを当接させる屋根板載置工程と、
   前記屋根板の上面側から前記垂木部材の配列方向に沿ってレーザビームを照射するレーザビーム照射工程と、を備え、
   前記レーザビーム照射工程において、前記レーザビームの照射ピッチを前記垂木部材の前記配列ピッチと一致させると共に、前記レーザビームの照射幅を、前記屋根板の前記底面と前記垂木部材の前記フランジ部との当接幅よりも大きくすることを特徴とするレーザ溶接方法。

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