JP6392080B2 - 鉄道車両構体 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂シール材を使用せずに水密処理を施した水密構造を備える鉄道車両構体に関するものである。

鉄道車両構体として、例えば図７に示すように、側構体が構体ブロックなどのパーツを接合して組み合わされたものがある。そして、最近の通勤車両では、ステンレス鋼が主に使用されている。この種の鉄道車両構体は、側構体の上部に屋根構体が、前後には妻構体がそれぞれ接合され、更にその下には台枠を接合して構成されている。図７に示す側構体１００は、車端窓ブロック１０２と中間窓ブロック１０３の間、中間窓ブロック１０３と中間窓ブロック１０３の間に、それぞれ側入口ブロック１０４が接合されている。そして、窓枠や入口枠と外板との接合部、あるいは各構体同士の接合部の隙間に水が浸入しないように、それぞれの接合部に対して、樹脂シール材により水密処理が行われている。

特開２０１０−１２８６３号公報

しかしながら、従来の鉄道車両構体の各接合部に設けられた樹脂シール材は、経年劣化によって取り替える必要が生じたり、洗車に使用する洗剤との相性が悪い場合には樹脂シール材を劣化させてしまい、劣化した樹脂シール材の取り替えが必要であった。このように、従来の樹脂シール材による水密処理が施された水密構造を有する鉄道車両構体では、樹脂シール材に関するメンテナンスが面倒であった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、樹脂シール材を使用せずに、窓枠や入口枠と外板との接合部、あるいは各構体同士の接合部のそれぞれに対して水密処理を行ってシールメンテナンスを不要にすることができる鉄道車両構体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、窓開口部を備える窓ブロックと入口開口部を備える側入口ブロックとが接合された側構体と、屋根構体、妻構体及び台枠とがそれぞれ接合された鉄道車両構体において、前記窓開口部の窓枠及び入口開口部の入口枠と外板の接合部、各構体の接合部のそれぞれに対する水密処理が、粉末金属をバインダーに含有させてペースト状に加工したろう材を前記各接合部の隅部に塗布し、その塗布された前記ろう材を覆う範囲にレーザ光を照射して、前記ペースト状のろう材を溶融させて前記隅部をろう付することにより行われていることを特徴とする。

このように、窓開口部の窓枠及び入口開口部の入口枠と外板の接合部、各構体の接合部のそれぞれに対する水密処理が、レーザ照射によるろう付け（レーザブレージング）により行われているため、各接合部の隙間が金属にてシールされる。そのため、水密処理部分において、従来の樹脂シール材のように劣化が生じなくなくなる。従って、定期的なシールメンテナンスが不要になるとともに、半永久的な水密性を確保することができる。
また、レーザブレージングは母材（各枠及び各構体（外板））を溶融させないため、熱ひずみの影響がほとんどなく車両の外観性（見栄え）も向上する。
ここで、ろう材としては、粉末金属をバインダーに含有させてペースト状に加工したものを使用する。このようにすることにより、水密処理部の形状や開先寸法に依存することなく安定してろう材を供給することができるため、ワイヤ状のろう材を用いた場合には困難であった場合（例えば、ワイヤがうまく追従しない、あるいは開先寸法がワイヤの径よりも小さい場合など）でも、安定して確実にレーザブレージングを行うことができる。そのため、例えば、窓枠や入口枠の角部のような小さな曲率半径の部分に対しても、レーザブレージングによる水密処理を安定して確実に施すことができる。
また、ワイヤ状のろう材を用いる場合には、レーザの照射位置とワイヤ先端との位置関係を一定に保つ必要があるために、水密処理を行う装置全体の構成が複雑になり、大型化したり高価なものになってしまう。これに対して、ペースト状のろう材を用いることにより、水密処理部へのろう材の供給に柔軟性を持たせることができ、レーザの照射位置とろう材の供給位置とを独立に決めることができるため、水密処理を行う装置全体の構成を簡素化して低コスト化を図ることができる。
そして、水密処理が、ペースト状のろう材を各接合部の隅部に塗布し、その塗布されたろう材を覆う範囲にレーザ光を照射して、ペースト状のろう材を溶融させて隅部をろう付することにより行われていることにより、ろう材を塗布する装置とレーザを照射する装置を独立に設置することができるため、水密処理を行う装置全体を小型・軽量化することができる。また、各装置の移動速度を独立して設定することができるため、施工条件の選択範囲を大きくすることができる。これにより、各装置を汎用の多軸ロボットの先端に取り付けることで自動化することができるため、窓開口部の窓枠、入口開口部の入口枠、及び各構体の各接合部に対する水密処理を効率的に行うことができる。

上記した鉄道車両構体において、前記各枠及び各構体が、ステンレス鋼板で形成されており、前記レーザブレージングは、ニッケルろうを用いて行われていることが望ましい。

このようにすることにより、無塗装の車両であっても、各接合部における水密処理部と各枠及び各構体の色がほぼ同じになるため、水密処理部の見栄えが良くなり、従来の樹脂シール材を用いる場合に比べて車両の外観性（見栄え）を向上させることができる。

本発明に係る鉄道車両構体によれば、窓枠や入口枠と外板の接合部、あるいは各構体同士の接合部のそれぞれに対して、樹脂シール材を使用せずにレーザブレージングによって各接合部に対する水密処理を行うことにより、シールメンテナンスを不要にすることができる。

実施形態に係る鉄道車両構体の側面図である。 入口枠の部分断面図である。 水密処理の施工手順を示すフローチャートである。 水密処理を行うレーザブレージング装置の全体構成を示す図である。 ろう材ワイヤを用いたレーザブレージングについて説明するための図である。 側構体と妻構体とを接合した接合部を示す断面図である。 鉄道車両の側構体を示す図である。

以下、本発明の係る鉄道車両構体の実施形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施形態の鉄道車両構体は、図１に示すように、従来例と基本的に同じであり、側構体１の上部には屋根構体が、側構体１の下部には台枠が接合されたものであり、更に前後には妻構体が接合されている。そして、その側構体１は、車端窓ブロック１２と中間窓ブロック１３の間、中間窓ブロック１３と中間窓ブロック１３の間に、それぞれ配置された側入口ブロック１４が接合され一体となって構成されている。各構体は、ステンレス鋼の外板１１に骨部材が接合されて構成されている。なお、図１は、鉄道車両構体の側面図である。

そして、車端窓ブロック１２及び中間窓ブロック１３における各窓開口部２０，３０の窓枠２１，３１と外板１１の接合部、側入口ブロック１４における入口開口部４０の入口枠４１と外板１１の接合部、及び各構体同士の接合部のそれぞれに対する水密処理がレーザブレージングにより行われている。

そこで、まず、各枠における水密構造の一例として、側入口ブロックにおける入口枠の水密構造について、図２も参照しながら説明する。図２は、入口枠の部分断面図である。
中間窓ブロック１３は、図１に示すように、窓開口部３０を備える外板１１の車体内側に剛性を保つための骨部材３５（図２参照）が接合されて構成されている。同様に、車端窓ブロック１２も、窓開口部２０を備える外板１１の車体内側に剛性を保つための骨部材などが接合されて構成されている。

側入口ブロック１４は、入口枠４１をメインにして構成されている。その入口枠４１は、入口開口部４０を形成するものであって、入口開口部４０の左右（車両前後方向）に位置する縦フレーム部４１ａと、入口開口部４０の上下に位置する幕板部４１ｂ及び腰板部４１ｃとから構成されている。

こうして構成された側入口ブロック１４が、中間窓ブロック１３あるいは車端窓ブロック１２に対して外側から接合されて鉄道車両構体の側構体１が構成されている。つまり、側入口ブロック１４が中間窓ブロック１３あるいは車端窓ブロック１２に対して車体外側から当てられた状態で接合されている。
具体的に、側入口ブロック１４は、図２に示すように、中間窓ブロック１３あるいは車端窓ブロック１２の外板１１の外面に対して、側入口ブロック１４の入口枠４１の内面が当てられる。こうして車体外側から当てられた側入口ブロック１４の入口枠４１と、中間窓ブロック１３あるいは車端窓ブロック１２の外板１１とが溶接されて接合されている。

そして、入口枠４１と外板１１の接合部の隅部Ｐ（入口枠４１の車体外面と中間窓ブロック１３の外板１１端部との段になった部分）に沿って、レーザブレージングによる水密処理が施されて水密構造が構成されている。そこで、レーザブレージングによる水密処理について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、水密処理の施工手順を示すフローチャートである。図４は、水密処理を行うレーザブレージング装置の全体構成を示す図である。

レーザブレージングによる水密処理は、図３に示すように、まず、隅部Ｐに対して前処理を行う（ステップＳ１）。具体的には、隅部Ｐ周辺に対して、脱脂洗浄や必要に応じてフラックスを塗布する。

次に、ペースト状のニッケルろう材を隅部Ｐに塗布する（ステップＳ２）。具体的には、図４に示すように、ペースト状のニッケルろう材（ろう材ペースト）６０を一定量収容したディスペンサ５１により隅部Ｐに対してニッケルろう材６０を塗布する。なお、ディスペンサ５１は、後述するレーザ照射ユニット５２とは独立して移動可能な多軸ロボットに取り付けられている。これにより、ディスペンサ５１とレーザ照射ユニット５２とは独立して移動可能に制御することができる。

ここで、ニッケルろうはワイヤ状に加工することが困難であるため、粉末金属をバインダーに含有させてペースト状に加工したもの（ろう材ペースト）を使用している。これにより、水密処理部の形状や開先寸法に依存することなく安定してろう材６０を供給することができるため、ワイヤ状のろう材（ろう材ワイヤ）を用いた場合には安定して施工することが困難であった場合（例えば、ろう材ワイヤがうまく追従しない、あるいは開先寸法がろう材ワイヤの径よりも小さい場合など）でも、確実にレーザブレージングによる水密処理を行うことができる。

例えば、ろう材ワイヤを用いた場合、ワイヤ先端をワーク（隅部）に沿うように押し付けることにより、一定の範囲（長さ）のろう材ワイヤＷをワークに接触させてろう材ワイヤＷを拘束することで、図５（Ａ），（Ｃ）に示すように、ろう材ワイヤＷの捩れや振れに影響されずにレーザ光Ｌが照射される部分にろう材ワイヤＷを安定して供給するようになっている。しかしながら、図５（Ｂ）に示すように、入口枠などの角部（四隅の小さな曲率半径部）では、ろう材ワイヤＷを安定供給できる直線部分（図５（Ａ），（Ｃ））に比べて、ろう材ワイヤＷとワーク（隅部）との接触長さが短くなる（Ａ＞Ｂ，Ｃ＞Ｂ）。そのため、角部では直線部に比べて、ろう材ワイヤＷの拘束力が小さくなり、ろう材ワイヤＷの捩れや振れに影響されてレーザ光Ｌの照射部にろう材ワイヤＷを安定して供給することが難しくなり、安定してろう付を行うことが困難になるのである。

これに対して、本実施形態では、ろう材ペーストを使用しているので、入口枠４１などの角部のような小さな曲率半径の部分に対しても、安定してろう材６０を供給することができる。そのため、入口枠４１などの角部のような小さな曲率半径の部分に対しても、レーザブレージングによる水密処理を確実に安定して施すことができる。

また、ろう材ワイヤを用いる場合には、レーザ光の照射位置とワイヤ先端との位置関係を一定に保つ必要があるために装置全体の構成が複雑になり、大型化したり高価なものになってしまう。これに対して、本実施形態のように、ろう材ペーストを用いることにより、隅部（水密処理部）へのろう材の供給に柔軟性を持たせることができ、レーザ光の照射位置とろう材の供給位置とを独立に決めることができるため、装置全体の構成を簡素化して低コスト化を図ることができる。

そして、ペースト状のニッケルろう材６０が隅部Ｐに塗布されると、塗布されたろう材６０に対してレーザ照射ユニット５２からレーザ光Ｌが照射される（ステップＳ３）。このとき、シールドガスノズル５３からレーザ光Ｌが照射される部分にシールドガスが供給される。なお、レーザ照射ユニット５２は、ディスペンサ５１とは独立して移動可能な多軸ロボットに取り付けられている。そして、レーザ照射ユニット５２は、車体外側から隅部Ｐに向けてレーザ光Ｌを照射して、隅部Ｐに塗布されたろう材６０を加熱溶融しながら、隅部Ｐに沿って連続的に移動する。こうすることにより、外板１１と入口枠４１との重なり部分の端部、つまり隅部Ｐがニッケルろう材６０によってろう付されて隙間が封止されて水密処理が施される。

このようにして、入口開口部４０の入口枠４１に対する水密処理がレーザブレージングにより行われているため、隅部Ｐの隙間が金属（ニッケル）にてシールされる。そのため、水密処理部分において、従来の樹脂シール材で発生していた劣化が生じなくなる。従って、定期的なシールメンテナンスが不要になるとともに、半永久的な水密性を確保することができる。

また、レーザブレージングは母材（外板１１及び入口枠４１）を溶融させないため、熱ひずみの影響がほとんどなく車両の外観性（見栄え）も向上する。そして、ニッケルろう材６０を用いてレーザブレージングを行っているため、ステンレス製の外板１１及び入口枠４１と水密処理部分との色がほぼ同じになるので、水密処理部分の見栄えが良くなり、従来の樹脂シール材を用いる場合に比べて車両の外観性（見栄え）を一層向上させることができる。

さらに、ディスペンサ５１及びレーザ照射ユニット５２の移動速度を独立して設定することができるため、レーザブレージングの施工条件の選択範囲を大きくすることができ、ディスペンサ５１及びレーザ照射ユニット５２をそれぞれ汎用の多軸ロボットの先端に取り付けて水密処理の作業を自動化している。従って、水密処理を非常に効率的に行うことができる。

続いて、各構体の接合部における水密構造の一例として、側構体と妻構体の結合部に対する水密構造について、図６を参照しながら説明する。図６は、側構体と妻構体とを接合した接合部であって、車体上下方向の断面を示したものである。

妻構体３と側構体１は、それぞれの外板１１がほぼ直交するように配置され、各外板１１，１１との間には直交するようにした屈曲部にＲが形成された妻隅柱３６が設けられている。妻隅柱３６は、各外板１１，１１の端部に車体内側から当てられ、外板１１，１１の各端部との重なり部分で接合されている。妻隅柱３６は、車体角部に位置する部材であって、側構体１側には直交して屈曲したフランジ部３６ａが形成され、取り扱い易いように剛性が高められている。また、この車体角部には妻隅柱３６の他端の妻構体３側にＺ形の継ぎ手部材３７が接続され、側構体１の外板１１にもＺ形の継ぎ手部材３８が接続されている。

そして、隅部Ｐ１，Ｐ２（妻隅柱３６の車体外面と各外板１１端部との段になった部分）に対して、上記したレーザブレージングによる水密処理が施されている。そのため、隅部Ｐ１，Ｐ２における各隙間がそれぞれ金属（ニッケル）にてシールされている。従って、隅部Ｐ１，Ｐ２における水密構造においても、定期的なシールメンテナンスが不要になるとともに、半永久的な水密性を確保することができる。

以上、詳細に説明したように本実施形態に係る鉄道車両構体によれば、入口開口部４０の入口枠４１と外板１１との接合部（隅部Ｐ）、妻構体３と側構体１の接合部（隅部Ｐ１，Ｐ２）のそれぞれに対する水密処理がレーザブレージングにより行われている。そのため、各接合部（隅部Ｐ，Ｐ１，Ｐ２）の隙間が金属にてシールされる。従って、定期的なシールメンテナンスが不要になるとともに、半永久的な水密性を確保することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施形態では、入口枠４１に対する水密構造を例示したが、中間窓ブロック１３、車端窓ブロック１２に開口する窓開口部３０，２０の周囲に取り付けられている窓枠３１，２１の水密構造に対しても上記のレーザブレージングによるシール処理を行うことができる。つまり、外板１１と窓枠３１，２１とを貼り合わせた箇所にできる段差部分に対して、ペースト状のニッケルろう材６０を用いたレーザブレージングによる水密処理を行うことができる。

また、上記した実施形態では、妻構体３と側構体１との接合部における水密構造を例示したが、側構体１と屋根構体、あるいは側構体１の外板同士の接合など、その他の箇所の接合部における水密構造に対しても、上記のレーザブレージングによる水密処理を行うことができる。つまり、外板同士を貼り合わせた箇所にできる段差部分に対して、ペースト状のニッケルろう材６０を用いたレーザブレージングによる水密処理を行うことができる。

１ 側構体
３ 妻構体
１１ 外板
２０ 窓開口部
２１ 窓枠
３０ 窓開口部
３１ 窓枠
３６ 妻隅柱
４０ 入口開口部
４１ 入口枠
５１ ディスペンサ
５２ レーザ照射ユニット
５３ シールドガスノズル
６０ ニッケルろう材（ろう材ペースト）
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ 隅部
Ｌ レーザ光

Claims (2)

1. 窓開口部を備える窓ブロックと入口開口部を備える側入口ブロックとが接合された側構体と、屋根構体、妻構体及び台枠とがそれぞれ接合された鉄道車両構体において、
   前記窓開口部の窓枠及び入口開口部の入口枠と外板の接合部、各構体の接合部のそれぞれに対する水密処理が、粉末金属をバインダーに含有させてペースト状に加工したろう材を前記各接合部の隅部に塗布し、その塗布された前記ろう材を覆う範囲にレーザ光を照射して、前記ペースト状のろう材を溶融させて前記隅部をろう付することにより行われている
   ことを特徴とする鉄道車両構体。
2. 請求項１に記載する鉄道車両構体において、
   前記各枠及び各構体が、ステンレス鋼板で形成されており、
   前記ろう付は、ニッケルろうを用いて行われている
   ことを特徴とする鉄道車両構体。

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