レーザ溶接方法
【課題】溶接の歩留まりを向上でき、かつ接合体の反りを抑えることができる金属材の接合方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接方法では、枠部材１４の端部１４ａに比べてヒートマスが十分に大きい外板１１の平坦部１１ａ側からレーザビーム３５を照射する。このため、平坦部１１ａにはレーザビーム３５による十分な入熱が生じ、レーザビーム３５の照射位置３７が端部１４ａの位置から多少ずれたとしても、平坦部１１ａに入熱した熱が端部１４ａに伝達して好適な溶接部２２が形成される。したがって、このレーザ溶接方法では、レーザビーム３５の照射位置３７の許容範囲を拡大でき、溶接の歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【解決手段】このレーザ溶接方法では、枠部材１４の端部１４ａに比べてヒートマスが十分に大きい外板１１の平坦部１１ａ側からレーザビーム３５を照射する。このため、平坦部１１ａにはレーザビーム３５による十分な入熱が生じ、レーザビーム３５の照射位置３７が端部１４ａの位置から多少ずれたとしても、平坦部１１ａに入熱した熱が端部１４ａに伝達して好適な溶接部２２が形成される。したがって、このレーザ溶接方法では、レーザビーム３５の照射位置３７の許容範囲を拡大でき、溶接の歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材の溶接形態として、一方の金属材の端部と他方の金属材の平坦部とを重ね合わせて溶接する隅肉溶接がある。例えば特許文献１に記載の鉄道車両構体では、側構体の入口枠を構成する外板に対し、窓ブロックの外板端部をレーザによって連続的に隅肉溶接している。
【特許文献１】特許第４０４０６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来の一般的な隅肉溶接では、一方の金属材の端部にレーザビームを照射し、金属材の重ね合わせ部分に沿って非貫通の溶接部を形成している。しかしながら、この従来の手法では、レーザビームの照射位置が端部の位置よりも外側にずれると溶接部が形成されず、照射位置が端部の位置よりも内側にずれると、ヒートマスの小さい端部が溶接中に切断され、不完全な溶接部が形成されてしまうおそれがあった。
【０００４】
そのため、レーザビームの照射位置の許容範囲が狭く、溶接の歩留まりの向上を図ることが困難であった。また、非貫通の溶接部を形成しているため、熱歪みによって２つの金属材の内部応力に差が生じ、溶接後の接合体に反りが生じてしまうという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接の歩留まりを向上でき、かつ接合体の反りを抑えることができる金属材の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接方法は、一方の金属材の端部を他方の金属材の平坦部に重ね合わせ、平坦部側からレーザビームを照射して平坦部及び端部を貫通する溶接部を形成することにより、重ね合わせ部分を隅肉溶接することを特徴としている。
【０００７】
このレーザ溶接方法では、金属材の端部に比べてヒートマスが十分に大きい金属材の平坦部側からレーザビームを照射する。このため、平坦部にはレーザビームによる十分な入熱が生じ、レーザビームの照射位置が端部の位置から多少ずれたとしても、平坦部に入熱した熱が端部に伝達して好適な溶接部が形成される。したがって、このレーザ溶接方法では、レーザビームの照射位置の許容範囲を拡大でき、溶接の歩留まりの向上を図ることが可能となる。また、溶接部を平坦部側から端部側まで貫通させるので、非貫通の溶接部を形成する場合とは異なり、熱歪みによる２つの金属材の内部応力が互いに相殺されるため、接合体の反りを抑えることができる。
【０００８】
また、平坦部において、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、金属材の隙間に対する許容範囲が広くなるため、より簡単に好適な溶接部を形成できる。
【０００９】
また、端部において、レーザビームの照射位置の対向部位にシールドガスを供給することが好ましい。これにより、溶接部の表面の酸化を防止できる。
【００１０】
端部を囲む閉空間を形成する載置治具に金属材を載置した状態でレーザビームの照射を行うことが好ましい。これにより、溶接部の表面の酸化を一層確実に防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ溶接方法では、溶接の歩留まりを向上でき、かつ接合体の反りを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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接合体を用いた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１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２と、車両の両側に位置し、窓部及びドア部を交互に備える側構体３と、車両の前後に位置する妻構体４と、車両の上部に位置する屋根構体５とによって構成されている。
【００１４】
具体的には、台枠２は略矩形状を有し、車両構体１の底部に配置されている。台枠２の周縁には、両側に位置する側構体３と、車両の前側及び後側に位置する妻構体４とが台枠２を囲むように立設されている。アーチ状の屋根構体５は、側構体３と妻構体４とから構成された空間を閉じるように配置されている。
【００１５】
側構体３は、例えば外板１１（図２参照）と外板１１の内側に配置された骨材とによって構成されている。側構体３には、窓用開口１２が４箇所に設けられている。また、窓用開口１２，１２間には、ドア用開口１３が３箇所に設けられている。窓用開口１２は、窓の大きさに対応した矩形の枠部材１４によって画成されており、ドア用開口１３は、ドアの大きさに対応した矩形の枠部材１５によって画成されている。
【００１６】
次に、外板１１と枠部材１４との接合体の構造について説明する。図２は、接合体２１の要部を示す断面図である。
【００１７】
同図に示すように、接合体２１では、外板１１の平坦部１１ａに対し、枠部材１４の端部１４ａが車両の外側面となるように重ね合わされている。重ね合わせ部分Ｐは、窓用開口１２を縁取るように形成されている。重ね合わせ部分Ｐには、レーザ溶接によって形成した溶接部２２が形成されている。溶接部２２は、外板１１の平坦部１１ａ及び枠部材１４の端部１４ａを貫通するように形成されており、重ね合わせ部分Ｐの隅肉溶接が実現されている。
【００１８】
このような接合体２１を形成する場合、図３に示すように、外板１１の平坦部１１ａが上面となるようにして、枠部材１４の端部１４ａを外板１１の平坦部１１ａに重ね合わせる。枠部材１４と外板１１との重ね合わせにあたっては、載置治具３１を用いる。
【００１９】
載置治具３１は、例えば金属製の定盤である。載置治具３１の載置面３２には、枠部材１４と外板１１との重ね合わせ部分Ｐに対応した長さの凹部３３が設けられている。載置面３２において、凹部を挟んだ一方の領域３２ａの高さは、他方の領域３２ｂの高さよりも枠部材１４の板厚の分だけ高くなっている。これにより、一方の領域３２ａに外板１１を載置し、他方の領域３２ｂに枠部材１４を載置すると、外板１１、枠部材１４、及び載置治具３１の凹部３３によって枠部材１４の端部１４ａを囲む閉空間Ｓが形成される。
【００２０】
枠部材１４と外板１１とを載置治具３１に載置した後、加工ヘッド３４を重ね合わせ部分Ｐの上方に配置し、外板１１の平坦部１１ａ側からレーザビーム３５を照射する。これにより、平坦部１１ａへの入熱を端部１４ａに伝達させ、平坦部１１ａ及び端部１４ａを貫通する溶接部２２を形成する。
【００２１】
レーザビーム３５の照射時には、例えば枠部材１４及び外板と同材質のフィラーワイヤ３６を照射位置３７に向けて供給する。また、図示しないガス供給装置を導入することにより、閉空間Ｓ内にシールドガスを流通させる。レーザビーム３５を重ね合わせ部分Ｐに沿って走査し、重ね合わせ部分Ｐの全てに溶接部２２を形成すると、外板１１と枠部材１４との接合体２１が完成する。
【００２２】
以上説明したように、このレーザ溶接方法では、枠部材１４の端部１４ａに比べてヒートマスが十分に大きい外板１１の平坦部１１ａ側からレーザビーム３５を照射する。このため、平坦部１１ａにはレーザビーム３５による十分な入熱が生じ、レーザビーム３５の照射位置３７が端部１４ａの位置から多少ずれたとしても、平坦部１１ａに入熱した熱が端部１４ａに伝達して好適な溶接部２２が形成される。
【００２３】
したがって、このレーザ溶接方法では、レーザビーム３５の照射位置３７の許容範囲を拡大でき、溶接の歩留まりの向上を図ることが可能となる。なお、本実施形態におけるレーザビーム３５の照射位置３７の許容範囲は、レーザビーム３５の有効径をφとした場合、端部１４ａを中心として外側に３φ程度、内側に５φ程度となる（図３参照）。
【００２４】
また、このレーザ溶接方法では、溶接部２２を平坦部１１ａ側から端部１４ａ側まで貫通させている。このため、非貫通の溶接部２２によって隅肉溶接を行う場合とは異なり、外板１１の内部応力と枠部材１４と内部応力とが互いに相殺されるため、レーザ溶接時の熱歪みによる接合体２１の反りを抑えることができる。
【００２５】
また、このレーザ溶接方法では、平坦部１１ａにおいて、レーザビーム３５の照射位置３７にフィラーワイヤ３６を供給している。これにより、外板１１と枠部材１４との間の隙間に対する許容範囲が広くなるため、より簡単に好適な溶接部２２を形成できる。
【００２６】
また、このレーザ溶接方法では、端部１４ａを囲む閉空間Ｓを形成する載置治具３１に外板１１及び枠部材１４を載置し、閉空間Ｓ内にシールドガスを流通させながらレーザビーム３５の照射を行っている。このように、レーザ溶接中に端部１４ａを閉空間Ｓで囲むことにより、端部１４ａに形成される溶接部２２の表面に形成される酸化膜を２００ｎｍ以下に抑えることができる。これにより、車両の外側面に露出する溶接部２２において、光の緩衝による色ムラが抑えられて金属光沢が維持されるため、車両の美観も保たれる。
【００２７】
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、溶接する金属材として外板１１及び枠部材１４を例示しているが、本発明は、レーザ溶接を用いた隅肉溶接であれば、例えば妻構体４における外板とアーチケタとの溶接、屋根構体５における歩み板と屋根板との溶接、或いは外板と機器箱のフランジとの溶接など、様々な箇所に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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接合体を用いた鉄道車両構体を示す斜視図である。
【図２】外板と枠部材との接合体の要部を示す断面図である。
【図３】外板と枠部材とのレーザ溶接方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１…外板（金属材）、１１ａ…平坦部、１４…枠部材（金属材）、１４ａ…端部、２２…溶接部、３１…載置治具、３５…レーザビーム、３６…フィラーワイヤ、３７…照射位置、Ｐ…重ね合わせ部分、Ｓ…閉空間。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材の溶接形態として、一方の金属材の端部と他方の金属材の平坦部とを重ね合わせて溶接する隅肉溶接がある。例えば特許文献１に記載の鉄道車両構体では、側構体の入口枠を構成する外板に対し、窓ブロックの外板端部をレーザによって連続的に隅肉溶接している。
【特許文献１】特許第４０４０６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来の一般的な隅肉溶接では、一方の金属材の端部にレーザビームを照射し、金属材の重ね合わせ部分に沿って非貫通の溶接部を形成している。しかしながら、この従来の手法では、レーザビームの照射位置が端部の位置よりも外側にずれると溶接部が形成されず、照射位置が端部の位置よりも内側にずれると、ヒートマスの小さい端部が溶接中に切断され、不完全な溶接部が形成されてしまうおそれがあった。
【０００４】
そのため、レーザビームの照射位置の許容範囲が狭く、溶接の歩留まりの向上を図ることが困難であった。また、非貫通の溶接部を形成しているため、熱歪みによって２つの金属材の内部応力に差が生じ、溶接後の接合体に反りが生じてしまうという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接の歩留まりを向上でき、かつ接合体の反りを抑えることができる金属材の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接方法は、一方の金属材の端部を他方の金属材の平坦部に重ね合わせ、平坦部側からレーザビームを照射して平坦部及び端部を貫通する溶接部を形成することにより、重ね合わせ部分を隅肉溶接することを特徴としている。
【０００７】
このレーザ溶接方法では、金属材の端部に比べてヒートマスが十分に大きい金属材の平坦部側からレーザビームを照射する。このため、平坦部にはレーザビームによる十分な入熱が生じ、レーザビームの照射位置が端部の位置から多少ずれたとしても、平坦部に入熱した熱が端部に伝達して好適な溶接部が形成される。したがって、このレーザ溶接方法では、レーザビームの照射位置の許容範囲を拡大でき、溶接の歩留まりの向上を図ることが可能となる。また、溶接部を平坦部側から端部側まで貫通させるので、非貫通の溶接部を形成する場合とは異なり、熱歪みによる２つの金属材の内部応力が互いに相殺されるため、接合体の反りを抑えることができる。
【０００８】
また、平坦部において、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、金属材の隙間に対する許容範囲が広くなるため、より簡単に好適な溶接部を形成できる。
【０００９】
また、端部において、レーザビームの照射位置の対向部位にシールドガスを供給することが好ましい。これにより、溶接部の表面の酸化を防止できる。
【００１０】
端部を囲む閉空間を形成する載置治具に金属材を載置した状態でレーザビームの照射を行うことが好ましい。これにより、溶接部の表面の酸化を一層確実に防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ溶接方法では、溶接の歩留まりを向上でき、かつ接合体の反りを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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接合体を用いた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１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２と、車両の両側に位置し、窓部及びドア部を交互に備える側構体３と、車両の前後に位置する妻構体４と、車両の上部に位置する屋根構体５とによって構成されている。
【００１４】
具体的には、台枠２は略矩形状を有し、車両構体１の底部に配置されている。台枠２の周縁には、両側に位置する側構体３と、車両の前側及び後側に位置する妻構体４とが台枠２を囲むように立設されている。アーチ状の屋根構体５は、側構体３と妻構体４とから構成された空間を閉じるように配置されている。
【００１５】
側構体３は、例えば外板１１（図２参照）と外板１１の内側に配置された骨材とによって構成されている。側構体３には、窓用開口１２が４箇所に設けられている。また、窓用開口１２，１２間には、ドア用開口１３が３箇所に設けられている。窓用開口１２は、窓の大きさに対応した矩形の枠部材１４によって画成されており、ドア用開口１３は、ドアの大きさに対応した矩形の枠部材１５によって画成されている。
【００１６】
次に、外板１１と枠部材１４との接合体の構造について説明する。図２は、接合体２１の要部を示す断面図である。
【００１７】
同図に示すように、接合体２１では、外板１１の平坦部１１ａに対し、枠部材１４の端部１４ａが車両の外側面となるように重ね合わされている。重ね合わせ部分Ｐは、窓用開口１２を縁取るように形成されている。重ね合わせ部分Ｐには、レーザ溶接によって形成した溶接部２２が形成されている。溶接部２２は、外板１１の平坦部１１ａ及び枠部材１４の端部１４ａを貫通するように形成されており、重ね合わせ部分Ｐの隅肉溶接が実現されている。
【００１８】
このような接合体２１を形成する場合、図３に示すように、外板１１の平坦部１１ａが上面となるようにして、枠部材１４の端部１４ａを外板１１の平坦部１１ａに重ね合わせる。枠部材１４と外板１１との重ね合わせにあたっては、載置治具３１を用いる。
【００１９】
載置治具３１は、例えば金属製の定盤である。載置治具３１の載置面３２には、枠部材１４と外板１１との重ね合わせ部分Ｐに対応した長さの凹部３３が設けられている。載置面３２において、凹部を挟んだ一方の領域３２ａの高さは、他方の領域３２ｂの高さよりも枠部材１４の板厚の分だけ高くなっている。これにより、一方の領域３２ａに外板１１を載置し、他方の領域３２ｂに枠部材１４を載置すると、外板１１、枠部材１４、及び載置治具３１の凹部３３によって枠部材１４の端部１４ａを囲む閉空間Ｓが形成される。
【００２０】
枠部材１４と外板１１とを載置治具３１に載置した後、加工ヘッド３４を重ね合わせ部分Ｐの上方に配置し、外板１１の平坦部１１ａ側からレーザビーム３５を照射する。これにより、平坦部１１ａへの入熱を端部１４ａに伝達させ、平坦部１１ａ及び端部１４ａを貫通する溶接部２２を形成する。
【００２１】
レーザビーム３５の照射時には、例えば枠部材１４及び外板と同材質のフィラーワイヤ３６を照射位置３７に向けて供給する。また、図示しないガス供給装置を導入することにより、閉空間Ｓ内にシールドガスを流通させる。レーザビーム３５を重ね合わせ部分Ｐに沿って走査し、重ね合わせ部分Ｐの全てに溶接部２２を形成すると、外板１１と枠部材１４との接合体２１が完成する。
【００２２】
以上説明したように、このレーザ溶接方法では、枠部材１４の端部１４ａに比べてヒートマスが十分に大きい外板１１の平坦部１１ａ側からレーザビーム３５を照射する。このため、平坦部１１ａにはレーザビーム３５による十分な入熱が生じ、レーザビーム３５の照射位置３７が端部１４ａの位置から多少ずれたとしても、平坦部１１ａに入熱した熱が端部１４ａに伝達して好適な溶接部２２が形成される。
【００２３】
したがって、このレーザ溶接方法では、レーザビーム３５の照射位置３７の許容範囲を拡大でき、溶接の歩留まりの向上を図ることが可能となる。なお、本実施形態におけるレーザビーム３５の照射位置３７の許容範囲は、レーザビーム３５の有効径をφとした場合、端部１４ａを中心として外側に３φ程度、内側に５φ程度となる（図３参照）。
【００２４】
また、このレーザ溶接方法では、溶接部２２を平坦部１１ａ側から端部１４ａ側まで貫通させている。このため、非貫通の溶接部２２によって隅肉溶接を行う場合とは異なり、外板１１の内部応力と枠部材１４と内部応力とが互いに相殺されるため、レーザ溶接時の熱歪みによる接合体２１の反りを抑えることができる。
【００２５】
また、このレーザ溶接方法では、平坦部１１ａにおいて、レーザビーム３５の照射位置３７にフィラーワイヤ３６を供給している。これにより、外板１１と枠部材１４との間の隙間に対する許容範囲が広くなるため、より簡単に好適な溶接部２２を形成できる。
【００２６】
また、このレーザ溶接方法では、端部１４ａを囲む閉空間Ｓを形成する載置治具３１に外板１１及び枠部材１４を載置し、閉空間Ｓ内にシールドガスを流通させながらレーザビーム３５の照射を行っている。このように、レーザ溶接中に端部１４ａを閉空間Ｓで囲むことにより、端部１４ａに形成される溶接部２２の表面に形成される酸化膜を２００ｎｍ以下に抑えることができる。これにより、車両の外側面に露出する溶接部２２において、光の緩衝による色ムラが抑えられて金属光沢が維持されるため、車両の美観も保たれる。
【００２７】
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、溶接する金属材として外板１１及び枠部材１４を例示しているが、本発明は、レーザ溶接を用いた隅肉溶接であれば、例えば妻構体４における外板とアーチケタとの溶接、屋根構体５における歩み板と屋根板との溶接、或いは外板と機器箱のフランジとの溶接など、様々な箇所に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】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接合体を用いた鉄道車両構体を示す斜視図である。
【図２】外板と枠部材との接合体の要部を示す断面図である。
【図３】外板と枠部材とのレーザ溶接方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１…外板（金属材）、１１ａ…平坦部、１４…枠部材（金属材）、１４ａ…端部、２２…溶接部、３１…載置治具、３５…レーザビーム、３６…フィラーワイヤ、３７…照射位置、Ｐ…重ね合わせ部分、Ｓ…閉空間。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の金属材の端部を他方の金属材の平坦部に重ね合わせ、前記平坦部側からレーザビームを照射して前記平坦部及び前記端部を貫通する溶接部を形成することにより、前記重ね合わせ部分を隅肉溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記平坦部において、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記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記端部において、前記レーザビームの照射位置の対向部位にアシストガス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。
【請求項４】
前記端部を囲む閉空間を形成する載置治具に前記金属材を載置した状態で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１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
【請求項１】
一方の金属材の端部を他方の金属材の平坦部に重ね合わせ、前記平坦部側からレーザビームを照射して前記平坦部及び前記端部を貫通する溶接部を形成することにより、前記重ね合わせ部分を隅肉溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記平坦部において、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記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記端部において、前記レーザビームの照射位置の対向部位にアシストガス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。
【請求項４】
前記端部を囲む閉空間を形成する載置治具に前記金属材を載置した状態で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１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２４１１１７（Ｐ２００９−２４１１１７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９１５９６（Ｐ２００８−９１５９６）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
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