JP5352226B2 - ダブルスキンパネルのレーザ溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、押出中空形材のダブルスキンパネル同士をレーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接するためのレーザ溶接継手に関し、特にアンダーフィルを防止した接合を行うためのダブルスキンパネルのレーザ溶接継手に関する。

鉄道車両などでは、車体軽量化に対応すべく軽量なアルミニウム合金材によるダブルスキンパネルを利用した車両構体が採用され、そうしたアルミニウム合金部材の接合にはレーザ溶接が使用されている。更に、同接合には、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接が試みられている。ところが、レーザ溶接を行う継手には高い寸法精度が要求され、特に最近ではレーザの性能が高まり、接合部の僅かな隙間を通り過ぎてしまう。そうすると、接合部へ十分な熱が与えられずに接合不良を引き起こすことになり、更には通り過ぎたレーザが反対側の面板に照射されて、悪影響を及ぼすことにもなる。

そこで、下記特許文献１では、接合する面板に形成された継手が、突き合わせ端面を平行なものではレーザ光が通過してしまうため、突き当てられる接合端面を斜面とした継手や、上下に段差部が噛み合うようにした継手が開示されている。これにより、面板に対して直交する方向（端面の突き合わせ方向に直交するレーザの照射方向）には、必ず重なる部分が存在するため、同方向から照射されるレーザ光がそのまま通過してしまうことが防止できる。
特開平９−２２５６６３号公報

しかし、接合端面を傾斜させたり段差にする継手形状を採用したとしても、レーザ光が通過してしまう隙間を無くすことはできるものの、突き合わせ方向には隙間が生じてしまい、接合部分の材料が不足してしまう。そうした状態でレーザ溶接が行われると、溶接部の材料不足によってアンダーフィルが生じてしまうことになる。溶接部に生じるアンダーフィルは、表面の凹部が外観を損なうほか、その部分に応力集中が生じてしまうため強度低下が懸念される。特に、高速鉄道車両のように２０〜２５ｍもの長い距離を接合する場合には、ダブルスキンパネルの寸法管理が困難であり、隙間の発生によってアンダーフィルが生じ易くなる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、アンダーフィルを防止したダブルスキンパネルのレーザ溶接継手を提供することを目的とする。

本発明に係るダブルスキンパネルのレーザ溶接継手は、略平行な２枚の第１面板と第２面板とを複数のリブによって連結した押出中空形材のダブルスキンパネル同士を、その押出し方向である長手方向と直交する幅方向に突き合わせ、レーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接によって前記突き合わせ部分を接合するため、前記第１面板及び第２面板の幅方向端部に形成されたものであって、前記ダブルスキンパネルの幅方向端部には、前記第１面板及び第２面板に略直交する端部リブを有し、その端部リブと前記第１面板と第２面板との各交点部分に、前記第１面板同士及び前記第２面板同士を突き合わせる一対の継手部が形成され、前記一対の継手部には、前記第１面板や第２面板の外面との直交方向に突出した突起部と、前記第１面板同士及び前記第２面板同士の突き合わせ時に、前記直交方向に重なるように前記幅方向に突出した外側凸部と内側凸部のいずれか一方ずつが形成され、前記外側凸部又は内側凸部の端面が対となる前記継手部に当たる前記突き合わせ状態で前記一対の継手部の突起部の間には前記幅方向に隙間が生じ、前記外側凸部及び内側凸部の端面が対となる前記継手部に一部当たらない前記突き合わせ状態でも、当該部分の前記外側凸部と内側凸部とが前記直交方向に重なりを生じさせるものであり、前記外側凸部及び内側凸部は、その端面が傾斜面であって、前記一対の継手部は、前記傾斜面同士を当てて前記第１面板同士及び前記第２面板同士を突き合わせるものであることを特徴とする。

また、本発明に係るダブルスキンパネルのレーザ溶接継手は、前記一対の継手部が、前記第１面板側と第２面板側とで対称形状であることが好ましい。
また、本発明に係るダブルスキンパネルのレーザ溶接継手は、前記内側凸部が形成された前記継手部には、対となる前記継手部の前記外側凸部の先端部分が入り込む嵌合凹部が形成されたものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、前記第１面板同士及び前記第２面同士の突き合わせが十分な場合にでも突起部の間に隙間があり、その突起部を通してレーザ光を照射するため、接合部を溶融するための時間ロスを無くすことができ、また、突き合わせが十分でない場合にでも前記外側凸部と内側凸部とが重なり部分を有するため、レーザ光が通過してしまわずに接合部を溶融するエネルギーロスを無くした接合が可能になる。そして、突起部を有することでアンダーフィルを防止した接合が可能になる。

次に、本発明に係るダブルスキンパネルのレーザ溶接継手の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態のレーザ溶接継手は、ダブルスキンパネルの面板同士を突き合わせ、その突き合わせ部分をレーザ溶接や、レーザ溶接とＭＩＧ溶接或いはＴＩＧ溶接を併用したレーザ・アークハイブリッド溶接が行われるものである。そして、こうしたダブルスキンパネル同士の接合によって、例えば図３に示す鉄道車両構体が構成される。

この鉄道車両８０は、左右の面を形成する側構体８１と、屋根を形成する屋根構体８２と、車体長手方向に対して両端を閉鎖する面を形成する妻構体８３と、床面を形成する台枠８４とから構成されている。そして、その側構体８１や屋根構体８２は、車体一両分の長さで押出し成形されたダブルスキンパネル１００が幅方向に複数接合されている。従って、一枚のダブルスキンパネル１００は２０〜２５メートルもの長さになり、その全長にわたってレーザ溶接などによる接合が行われる。

こうした長尺なダブルスキンパネル１００では、その接合端部全体において完全な加工精度を維持することは困難であり、そのため前記課題でも述べたように、接合端面同士の隙間によって接合不良が生じないように、端面を傾斜させたり、段差にする継手形状が提案されてきた。しかし、それではアンダーフィルの問題を解決できないため、本実施形態では、図１及び図２に示すようなダブルスキンパネルのレーザ溶接継手を提案する。

図１は、第１実施形態のレーザ溶接継手であって、レーザ溶接する一対のダブルスキンパネル端部の嵌合状態を示した図である。図１（ａ）は、ダブルスキンパネルの幅方向への突き合わせが十分な場合を示し、図１（ｂ）は、ダブルスキンパネルの幅方向への突き合わせが十分でない場合を示している。
図示する一対のダブルスキンパネル１，１は、図３に示す鉄道車両８０を構成するダブルスキンパネル１００に相当するものであり、図面左右の幅方向の端部に図示するようなレーザ溶接継手が形成されている。ダブルスキンパネル１は、図示するように右側端部用継手部１０Ａと左側端部用の継手部１０Ｂによってーザ溶接継手１０が構成され、幅方向に並べられた隣り合うもの同士が突き合わされ、レーザ溶接が行われるようになっている。

ダブルスキンパネル１は、ほぼ平行な上面板１０１と下面板１０２とが幅方向に傾斜した複数のリブ１０３によって連結され、トラス状の断面が形成されている。ダブルスキンパネル１が、幅方向に並んだ複数のリブ１０３のうち最端部に位置する端部リブ１０５は、上面板１０１及び下面板１０２に対して直交して形成されている。そして、端部リブ１０５と上面板１０１又は下面板１０２との交点部分に継手部１０Ａ，１０Ｂが形成されている。なお、継手部１０Ａ，１０Ｂからなるレーザ溶接継手１０は、上面板１０１と下面板１０２とで上下対称になるように形成されている。

継手部１０Ａ，１０Ｂは、共に上面板１０１や下面板１０２から、そのパネル外面に直交する方向（以下、「面外方向」という）に突き出した突起部１１が形成され肉厚になっている。この突起部１１は、上面板１０１や下面板１０２の端部にあって、レーザ溶接継手１０が構成されるダブルスキンパネル１の長手方向に連続して形成されている。そして、上面板１０１や下面板１０２に沿った幅方向（以下、「面内方向」という）には継手部１０Ａの外側凸部１３と、継手部１０Ｂに形成された内側凸部１４とが形成されている。この外側凸部１３と内側凸部１４は、図示するように断面が矩形であって、継手部１０Ａ，１０Ｂを突き合わせた場合に、面外方向に重なるように形成されている。

そして、継手部１０Ｂ側には、突起部１１の肉厚によって、反対の継手部１０Ａ側に形成された外側凸部１３が入り込む嵌合凹部１５が形成されている。この継手部１０Ａ，１０Ｂは、精度良く突き合わされた場合には図１（ａ）に示すように、外側凸部１３と内側凸部１４が他方に突き当てられた状態で重なり合い、突起部１１の間にレーザ光Ｌが通る隙間１６が形成されるようになっている。

また、端部リブ１０５からは、幅方向外側に向けて上下の２箇所において受け突起１０６が突設されている。継手部１０Ａ，１０Ｂに形成された受け突起１０６は、継手部１０Ｂ側の端部リブ１０５から突き出し、継手部１０Ａの端部リブ１０５側へ伸び、レーザ溶接時には、図示するように接合部をレーザ光Ｌの反照射面側から塞ぐように形成されている。受け突起１０６は、レーザ接合時にシールドガスを溜める空間を形成する。

そこで、本実施形態のレーザ溶接継手１０によってダブルスキンパネル１同士をレーザ溶接する場合、長い距離の溶接部分には継手部１０Ａ，１０Ｂが図１（ａ）に示すように突き合わせが十分な箇所や、図１（ｂ）に示すように突き合わせが十分でない箇所が生じる。しかし、図１（ｂ）に示すような接合箇所であっても、対向する継手部１０Ａ，１０Ｂの外側凸部１３と内側凸部１４とが面外方向に重なり部分を有しているため、その面外方向から照射されるレーザ光Ｌがそのまま継手部分を通り過ぎてしまうことはない。

継手部１０Ａ，１０Ｂの接合部にはレーザ光Ｌが照射され、それと同時に照射側からシールドガスが噴射される。レーザ溶接では、集中的な加熱による溶融によって溶接が行われるが、その際、レーザ光Ｌの照射部分には端面間の隙間があって、その隙間からシールドガスが入り込む。そのため、シールドガスが受け突起１０６の空間や、端部リブ１０５によって囲まれた空間内に充填されてバックシールドガスとなる。

そして、図１（ａ），（ｂ）に示すいずれの突き合わせ状態でも、外側凸部１３と内側凸部１４とが重なっているため、照射されたレーザ光Ｌが接合部分に当たり、当該部分を加熱することで突起部１１を含む周辺を溶融する。その際、図１（ｂ）の場合には、外側凸部１３と嵌合凹部１５との隙間を埋めるように、特に溶融した突起部１１の材料が流れて接合が行われる。溶接後は、面板表面に沿って突起部１１が切削加工によって削り取られ、接合された上面板１０１同士或いは下面板１０２同士の平面仕上げが行われる。

従って、図１（ａ）の場合には隙間１６からレーザ光Ｌが入って接合部を直接溶融するため、突起部１５が存在していても時間ロスを抑えることができ、図１（ｂ）の場合には、レーザ光Ｌを外側凸部１３や内側凸部１４に当て通過させてしまうことがないため、エネルギーロスを無くすことができた。その結果、図１（ｂ）のように突き合わせが十分でない箇所でも溶接時間を無駄にすることなく、全体での溶接速度を上げることが可能になった。
また、図１（ｂ）の場合に、突起部１１が外側凸部１３と嵌合凹部１５との隙間を埋めるので、アンダーフィルを防止することができるようになった。
また、継手部１０Ａ，１０Ｂをそれぞれ上下対称に形成したので、ダブルスキンパネル１同士が嵌合し、レーザ溶接に当たって組み付けやすくなった。

このレーザ溶接継手１０に対しては、レーザ溶接の他、ＭＩＧ溶接或いはＴＩＧ溶接を併用したレーザ・アークハイブリッド溶接であってもよい。レーザ・アークハイブリッド溶接は、レーザ光Ｌの照射と接合部の前方からレーザ用シールドガスが供給され、その後方からは例えばＭＩＧトーチを使用したＭＩＧ溶接が行われる。これによれば、前述したレーザ溶接と同様に、時間を無駄にすることなく、欠陥を生じさせないことが可能になり、図１（ｂ）の場合のように外側凸部１３と嵌合凹部１５との隙間が大きい場合でも、ＭＩＧ溶接のフィラーワイヤで埋めていくので、確実にアンダーフィルを防止することができる。

次に、図２は、第２実施形態のレーザ溶接継手であって、レーザ溶接する一対のダブルスキンパネル端部の嵌合状態を示した図である。図２（ａ）は、ダブルスキンパネルの幅方向への突き合わせが十分な場合を示し、図２（ｂ）は、ダブルスキンパネルの幅方向への突き合わせが十分でない場合を示している。
図示する一対のダブルスキンパネル２，２も、図３に示す鉄道車両８０を構成するダブルスキンパネル１００に相当するものであり、図面左右の幅方向の端部に図示するようなレーザ溶接継手が形成されている。ダブルスキンパネル２は、図示するように右側端部用の継手部２０Ａと左側端部用の継手部２０Ｂによってレーザ溶接継手２０が構成され、幅方向に並べられた隣り合うもの同士が突き合わされ、レーザ溶接が行われるようになっている。

ダブルスキンパネル２は、第１実施形態と同様に、ほぼ平行な上面板１０１と下面板１０２とが幅方向に傾斜した複数のリブ１０３によって連結され、トラス状の断面が形成されている。ダブルスキンパネル２は、幅方向に並んだ複数のリブ１０３のうち最端部に位置する端部リブ１０５が、上面板１０１及び下面板１０２に対して直交して形成されている。そして、端部リブ１０５と上面板１０１又は下面板１０２との交点部分に継手部２０Ａ，２０Ｂが形成されている。継手部２０Ａ，２０Ｂからなるレーザ溶接継手２０も、上面板１０１と下面板１０２とで上下対称になるように形成されている。

継手部２０Ａ，２０Ｂには、上面板１０１や下面板１０２の端部に突起部２１があって、レーザ溶接継手２０が構成されるダブルスキンパネル２の長手方向に連続した肉厚部分が形成されている。その肉厚の継手部２０Ａ，２０Ｂは、端部リブ１０５から面内方向に突出した外側凸部２３と内側凸部２４が形成され、端面には同じ角度で斜面が形成されている。こうして外側凸部２３と内側凸部２４を形成することによって、継手部２０Ａ，２０Ｂは、突き合わせた場合に、面外方向に重なるようになる。継手部２０Ｂ側には、突起部２１の肉厚によって、反対の継手部２０Ａ側に形成された外側凸部２３の先端部が入り込む嵌合凹部２５が形成されている。

そこで、本実施形態のレーザ溶接継手２０によってダブルスキンパネル２同士をレーザ溶接する場合、長い距離の溶接部分には継手部２０Ａ，２０Ｂが図２（ａ）に示すように突き合わせが十分な箇所や、図２（ｂ）に示すように突き合わせが十分でない箇所が生じる。しかし、図２（ｂ）に示すような接合箇所であって、対向する継手部２０Ａ，２０Ｂの外側凸部２３と内側凸部２４とに斜めの隙間が空いていても、面外方向に重なり部分を有しているため、その面外方向から照射されるレーザ光Ｌがそのまま継手部分を通り過ぎてしまうことはない。

継手部２０Ａ，２０Ｂの接合部にはレーザ光Ｌが照射され、それと同時に照射側からシールドガスが噴射される。レーザ溶接では、集中的な加熱による溶融によって溶接が行われるが、その際、レーザ光Ｌの照射部分には端面間の隙間があって、その隙間からシールドガスが入り込む。そのため、シールドガスが受け突起１０６の空間や、端部リブ１０５によって囲まれた空間内に充填されてバックシールドガスとなる。

そして、図２（ａ），（ｂ）に示すいずれの突き合わせ状態でも、照射されたレーザ光Ｌが外側凸部２３や内側凸部２４に当たり、当該部分を加熱することで突起部２１を含む周辺を溶融する。その際、図２（ｂ）の場合には、外側凸部２３と嵌合凹部２５との隙間を埋めるように、特に溶融した突起部２１の材料が流れて接合が行われる。溶接後は、面板表面に沿って突起部２１が切削加工によって削り取られ、接合された上面板１０１同士或いは下面板１０２同士の平面仕上げが行われる。

従って、図２（ａ）の場合には隙間２６からレーザ光Ｌが入って接合部を直接溶融するため、突起部２１が存在していても時間ロスを抑えることができ、図２（ｂ）の場合には、レーザ光Ｌを確実に継手部２０Ａ，２０Ｂに当てるため、エネルギーロスを無くすことができた。その結果、図２（ｂ）のように突き合わせが十分でない箇所でも溶接時間を無駄にすることなく、全体での溶接速度を上げることが可能になった。
また、図２（ｂ）の場合に、突起部２１が外側凸部２３と内側凸部２４の隙間を埋めるので、アンダーフィルを防止することができるようになった。
また、継手部２０Ａ，２０Ｂをそれぞれ上下対称に形成したので、ダブルスキンパネル２同士が嵌合し、レーザ溶接に当たって組み付けやすくなった。

また、このレーザ溶接継手２０に対しては、レーザ溶接の他、ＭＩＧ溶接或いはＴＩＧ溶接を併用したレーザ・アークハイブリッド溶接であってもよい。レーザ・アークハイブリッド溶接は、レーザ光Ｌの照射と接合部の前方からレーザ用シールドガスが供給され、その後方からは例えばＭＩＧトーチを使用したＭＩＧ溶接が行われる。これによれば、前述したレーザ溶接と同様に、時間を無駄にすることなく、欠陥を生じさせないことが可能になり、図２（ｂ）の場合のように外側凸部２３と内側凸部２４の隙間が大きい場合でも、ＭＩＧ溶接のフィラーワイヤで埋めていくので、確実にアンダーフィルを防止することができる。

以上、本発明に係るダブルスキンパネルのレーザ溶接継手の一実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、受け突起１０６を形成していたが、本発明ではレーザ光Ｌが継手部分をそのまま通過してしまうことはないため、受け突起１０６を無くした形状のものであってもよい。

第１実施形態のレーザ溶接継手を示した図である。 第２実施形態のレーザ溶接継手を示した図である。 レーザ溶接継手を有するダブルスキンパネルによって構成された鉄道車両用構体を示した図である。

符号の説明

１ ダブルスキンパネル
１０ レーザ溶接継手
１０Ａ，１０Ｂ 継手部
１１ 突起部
１３ 外側凸部
１４ 内側凸部
１５ 嵌合凹部
１６ 隙間
１０１ 上面板
１０２ 下面板
１０３ リブ
１０５ 端部リブ

Claims (3)

1. 略平行な２枚の第１面板と第２面板とを複数のリブによって連結した押出中空形材のダブルスキンパネル同士を、その押出し方向である長手方向と直交する幅方向に突き合わせ、レーザ溶接又はレーザ・アークハイブリッド溶接によって前記突き合わせ部分を接合するため、前記第１面板及び第２面板の幅方向端部に形成されたレーザ溶接継手において、
   前記ダブルスキンパネルの幅方向端部には、前記第１面板及び第２面板に略直交する端部リブを有し、その端部リブと前記第１面板と第２面板との各交点部分に、前記第１面板同士及び前記第２面板同士を突き合わせる一対の継手部が形成され、
   前記一対の継手部には、前記第１面板や第２面板の外面との直交方向に突出した突起部と、前記第１面板同士及び前記第２面板同士の突き合わせ時に、前記直交方向に重なるように前記幅方向に突出した外側凸部と内側凸部のいずれか一方ずつが形成され、
   前記外側凸部又は内側凸部の端面が対となる前記継手部に当たる前記突き合わせ状態で前記一対の継手部の突起部の間には前記幅方向に隙間が生じ、前記外側凸部及び内側凸部の端面が対となる前記継手部に一部当たらない前記突き合わせ状態でも、当該部分の前記外側凸部と内側凸部とが前記直交方向に重なりを生じさせるものであり、
   前記外側凸部及び内側凸部は、その端面が傾斜面であって、前記一対の継手部は、前記傾斜面同士を当てて前記第１面板同士及び前記第２面板同士を突き合わせるものであることを特徴とするダブルスキンパネルのレーザ溶接継手。
2. 請求項１に記載するダブルスキンパネルのレーザ溶接継手において、
   前記一対の継手部は、前記第１面板側と第２面板側とで対称形状であることを特徴とするダブルスキンパネルのレーザ溶接継手。
3. 請求項１又は請求項２に記載するダブルスキンパネルのレーザ溶接継手において、
   前記内側凸部が形成された前記継手部には、対となる前記継手部の前記外側凸部の先端部分が入り込む嵌合凹部が形成されたものであることを特徴とするダブルスキンパネルのレーザ溶接継手。

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