(57)【要約】【課題】入熱の増大を抑制し、溶加材を使用せずに、ギャップによる影響を低減させたレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】ギャップ判定工程により、一対の板材１００，２００の間のギャップｇの大きさが判定される。レーザ照射工程により、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１に対して、レーザ５０を照射する領域５１の中心５２の側から外縁５３の側に向かう渦巻等を描くように、レーザ５０が照射される。レーザ照射工程では、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数が多くされる。これにより、一定の時間に特定の領域５１に対してギャップｇの大きさに対応した適切な入熱が与えられる。そのため、レーザ溶接において、入熱の増大を抑制し、溶加材を使用せずに、ギャップｇによる影響を低減させることができる。【選択図】図１
2018069285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料により形成された一対の板材を重ね合せ、一方の前記板材における他方の前記板材と重ね合わされた面とは反対側の面にレーザを照射して、一対の前記板材を互いに溶接するレーザ溶接方法であって、
一対の前記板材の間のギャップの大きさを判定するギャップ判定工程と、
前記ギャップ判定工程により判定された前記ギャップの大きさに応じて、一方の前記板材における他方の前記板材と重ね合わされた面とは反対側の面の領域に前記レーザを照射するレーザ照射工程と、
を備え、
前記レーザ照射工程では、
一方の前記板材における他方の前記板材と重ね合わされた面とは反対側の面に対して、前記レーザを照射する前記領域の中心の側から外縁の側に向かう渦巻及び前記レーザを照射する前記領域の外縁の側から中心の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、前記レーザを照射し、
前記ギャップ判定工程により判定された前記ギャップの大きさが大きいほど、前記渦巻の巻き数を多くする、レーザ溶接方法。
【請求項２】
前記レーザ照射工程では、
一方の前記板材の板厚及び前記レーザの出力に対して設定された前記ギャップの大きさの閾値に対して、前記ギャップ判定工程により判定された前記ギャップの大きさが前記閾値以上であるときは、前記ギャップ判定工程により判定された前記ギャップの大きさが前記閾値未満であるときよりも前記渦巻の前記巻き数を多くする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記ギャップ判定工程では、一方の前記板材に印加され他方の前記板材で検出された振動の波形及び他方の前記板材に印加され一方の前記板材で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいて前記ギャップの大きさを判定する、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
鉄系材料により形成された一対の板材を重ね合せ、一方の前記板材における他方の前記板材と重ね合わされた面とは反対側の面にレーザを照射して、一対の前記板材を互いに溶接するレーザ溶接装置であって、
一対の前記板材の間のギャップの大きさを判定するギャップ判定部と、
前記ギャップ判定部により判定された前記ギャップの大きさに応じて、一方の前記板材における他方の前記板材と重ね合わされた面とは反対側の面の領域に前記レーザを照射するレーザ照射部と、
を備え、
前記レーザ照射部は、
一方の前記板材における他方の前記板材と重ね合わされた面とは反対側の面に対して、前記レーザを照射する前記領域の中心の側から外縁の側に向かう渦巻及び前記レーザを照射する前記領域の外縁の側から中心の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、前記レーザを照射し、
前記ギャップ判定部により判定された前記ギャップの大きさが大きいほど、前記渦巻の巻き数を多くする、レーザ溶接装置。
【請求項５】
前記レーザ照射部は、
一方の前記板材の板厚及び前記レーザの出力に対して設定された前記ギャップの大きさの閾値に対して、前記ギャップ判定部により判定された前記ギャップの大きさが前記閾値以上であるときは、前記ギャップ判定部により判定された前記ギャップの大きさが前記閾値未満であるときよりも前記渦巻の前記巻き数を多くする、請求項４に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記ギャップ判定部は、
前記板材に振動を印加する振動印加部と、
前記板材の振動を検出する振動検出部と、
を有し、
前記振動印加部により一方の前記板材に印加され前記振動検出部により他方の前記板材で検出された振動の波形及び前記振動印加部により他方の前記板材に印加され前記振動検出部により一方の前記板材で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいて前記ギャップの大きさを判定する、請求項４又は５に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼及びステンレス鋼等の鉄系材料により形成された鉄道車両構体の製造では、アーク溶接に比べて歪みの少ないレーザ溶接の適用が望まれている。ステンレス鋼のレーザ溶接は、熱エネルギーを高密度に集中でき、かつステンレス鋼の持つ熱伝導の悪さが溶接にとって有利に働き、結果として低入熱な溶接を達成している。しかしながら、これら性質は特に薄板の溶接では、被溶接材料間の隙間（ギャップ）によって，溶け落ちや溶け込み不良が発生する欠点となる。経験的には被溶接材料の板厚の１０％程度のギャップがレーザ溶接の限界であることが判っている。そのため、鉄道車両構体における屋根構体、側構体、妻構体、床構体及び台枠等の間の接合のようなギャップが大きい場合には、レーザ溶接は適用し難い欠点がある。そのため、特許文献１には、先行するレーザ溶接により高速で細く深い溶け込みを図りながら、その直後をＭＩＧ溶接により追随するレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により鉄道車両構体を製造することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７‐１３０６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような技術では、ギャップによる影響を低減できるものの、被接合物への入熱が増大し、熱歪みが発生し易くなる欠点がある。また、溶加材が必要となり、コストが増大する欠点もある。そのため、上記のような技術では、レーザ溶接の長所を十分に発揮させることができず、改善が望まれている。
【０００５】
そこで本発明は、入熱の増大を抑制し、溶加材を使用せずに、ギャップによる影響を低減させたレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置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】
本発明は、鉄系材料により形成された一対の板材を重ね合せ、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面にレーザを照射して、一対の板材を互いに溶接するレーザ溶接方法であって、一対の板材の間のギャップの大きさを判定するギャップ判定工程と、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさに応じて、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面の領域にレーザを照射するレーザ照射工程とを備え、レーザ照射工程では、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面に対して、レーザを照射する領域の中心の側から外縁の側に向かう渦巻及びレーザを照射する領域の外縁の側から中心の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、レーザを照射し、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数を多くするレーザ溶接方法である。
【０００７】
この構成によれば、ギャップ判定工程により、一対の板材の間のギャップの大きさが判定される。また、レーザ照射工程により、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面に対して、レーザを照射する領域の中心の側から外縁の側に向かう渦巻及びレーザを照射する領域の外縁の側から中心の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、レーザが照射される。さらに、レーザ照射工程では、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数が多くされる。これにより、一定の時間に特定の領域に対してギャップの大きさに対応した適切な入熱が与えられる。そのため、レーザ溶接において、入熱の増大を抑制し、溶加材を使用せずに、ギャップによる影響を低減させることができる。
【０００８】
この場合、レーザ照射工程では、一方の板材の板厚及びレーザの出力に対して設定されたギャップの大きさの閾値に対して、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが閾値以上であるときは、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが閾値未満であるときよりも渦巻の前記巻き数を多くすることが好適である。
【０００９】
この構成によれば、レーザ照射工程では、一方の板材の板厚及びレーザの出力に対して設定されたギャップの大きさの閾値に対して、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが閾値以上であるときは、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが閾値未満であるときよりも渦巻の巻き数が多くされる。これにより、レーザが照射される側の板材の板厚、レーザの出力及びギャップの大きさに対応したより適切な入熱を与えることができる。
【００１０】
また、ギャップ判定工程では、一方の板材に印加され他方の板材で検出された振動の波形及び他方の板材に印加され一方の板材で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいてギャップの大きさを判定することが好適である。
【００１１】
この構成によれば、ギャップ判定工程では、一方の板材に印加され他方の板材で検出された振動の波形及び他方の板材に印加され一方の板材で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいてギャップの大きさが判定される。これにより、製造現場において簡易な方法で短時間にギャップの大きさを判定することができる。
【００１２】
また、本発明は、鉄系材料により形成された一対の板材を重ね合せ、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面にレーザを照射して、一対の板材を互いに溶接するレーザ溶接装置であって、一対の板材の間のギャップの大きさを判定するギャップ判定部と、ギャップ判定部により判定されたギャップの大きさに応じて、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面の領域にレーザを照射するレーザ照射部とを備え、レーザ照射部は、一方の板材における他方の板材と重ね合わされた面とは反対側の面に対して、レーザを照射する領域の中心の側から外縁の側に向かう渦巻及びレーザを照射する領域の外縁の側から中心の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、レーザを照射し、ギャップ判定部により判定されたギャップの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数を多くするレーザ溶接装置である。
【００１３】
この場合、レーザ照射部は、一方の板材の板厚及びレーザの出力に対して設定されたギャップの大きさの閾値に対して、ギャップ判定部により判定されたギャップの大きさが閾値以上であるときは、ギャップ判定部により判定されたギャップの大きさが閾値未満であるときよりも渦巻の巻き数を多くすることが好適である。
【００１４】
また、ギャップ判定部は、板材に振動を印加する振動印加部と、板材の振動を検出する振動検出部とを有し、振動印加部により一方の板材に印加され振動検出部により他方の板材で検出された振動の波形及び振動印加部により他方の板材に印加され振動検出部により一方の板材で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいてギャップの大きさを判定することが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置によれば、レーザ溶接において、入熱の増大を抑制し、溶加材を使用せずに、ギャップによる影響を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態のレーザ溶接装置を示す図である。
【図２】図１のレーザ溶接装置によりレーザ溶接される一対の板材、プローブ及びＡＥセンサの配置を示す側面図である。
【図３】実施形態のレーザ溶接方法の工程を示すフローチャートである。
【図４】（Ａ）は実施形態のレーザ溶接方法によりレーザが照射された領域を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ‐Ｂ線による断面図である。
【図５】図３のレーザ照射工程の詳細を示すフローチャートである。
【図６】実施形態のレーザ溶接方法の巻き数ごとのレーザが照射された領域を示す平面図である。
【図７】実施形態のレーザ溶接方法が適用される従来の鉄道車両構体の屋根構体、側構体、側柱及びガセットを客室内から視た状態を示す斜視図である。
【図８】（Ａ）は従来のガセットの正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の栓溶接孔を廃止したガセットの正面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の上部ベースプレートにリブを取付けたガセットの正面図である。
【図９】実施形態のレーザ溶接方法が適用された鉄道車両構体の屋根構体、側構体、側柱及びガセットを客室内から視た状態を示す斜視図である。
【図１０】実験例のギャップごとのギャップ判定工程の振動の生波形、累積二乗和、判定値及び巻き数を示す図である。
【図１１】実験例の結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態のレーザ溶接方法では、鉄道車両構体に用いられる鋼及びステンレス鋼等の鉄系材料により形成された板材１００，２００をレーザ溶接により接合する。板材１００は面１０１及び面１０２を有し、板材２００は面２０１及び面２０２を有する。本実施形態のレーザ溶接装置１は、鉄系材料により形成された一対の板材１００，２００を重ね合せ、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１にレーザ５０を照射して、一対の板材１００，２００を互いに溶接する。レーザ溶接装置１は、ギャップ判定部１０とレーザ照射部２０とを備える。
【００１８】
ギャップ判定部１０は、一対の板材１００，２００の間のギャップ（隙間）の大きさを判定する。ギャップ判定部１０は、板材１００に振動を印加する振動印加部１１と、板材２００の振動を検出する振動検出部１２とを有する。振動印加部１１は、パルス信号を発生するパルス信号発生器１３と、パルス信号発生器１３から送出されたパルス信号による振動を板材１００の面１０１に印加するプローブ１４とを含む。振動検出部１２は、板材１００から板材２００を伝搬したＡＥ（AcousticEmission）波等の振動を検出するＡＥセンサ１５と、ＡＥセンサ１５により送出された信号を増幅するアンプ１６とを含む。
【００１９】
ＡＥ波は、材料が変形あるいは破壊する際に内部に蓄えていた弾性エネルギーが放出されることによる振動である。ＡＥセンサ１５は、材料の状態を検査するためにＡＥ波を検出するセンサであり、本実施形態のレーザ溶接装置１に適用することができる。ＡＥセンサ１５は、振動センサでもよい。
【００２０】
図２に示すように、プローブ１４はレーザ５０が照射される板材１００の面１０１に振動を印加し、ＡＥセンサ１５はレーザ５０が照射される板材１００が重ね合わされた板材２００の面２０１に伝搬した振動を検出する。なお、プローブ１４はレーザ５０が照射される板材１００が重ね合わされた板材２００に振動を印加してもよく、ＡＥセンサ１５はレーザ５０が照射される板材１００に伝搬した振動を検出してもよい。また、プローブ１４は面１０１及び面１０２のいずれに振動を印加してもよく、ＡＥセンサ１５は面２０１及び面２０２のいずれに伝搬した振動を検出してもよい。また、プローブ１４は面２０１及び面２０２のいずれに振動を印加してもよく、ＡＥセンサ１５は面１０１及び面１０２のいずれに伝搬した振動を検出してもよい。
【００２１】
図１に戻り、ギャップ判定部１０は、アンプ１６により増幅されたアナログ信号をデジタル信号の数値データに変換するＡ／Ｄ変換器１７と、Ａ／Ｄ変換器１７からのデジタル信号による数値データに基づいて、ギャップの大きさを判定する演算部１８とを有する。ギャップ判定部１０の演算部１８は、振動印加部１１により一方の板材１００に印加され振動検出部１２により他方の板材２００で検出された振動の波形及び振動印加部１１により他方の板材２００に印加され振動検出部１２により一方の板材１００で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値（累積二乗和）に基づいてギャップの大きさを判定する。演算部１８は、１波形分のデータを切り取り、収束値である累積二乗和を算出する。累積二乗和は、ギャップの大きさを反映した値であり、ギャップの大きさが大きいほど減少する。
【００２２】
つまり、ギャップの大きさは、０．２［ｍｍ］等の長さや、板材１００，２００の板厚に対して１０％［％］等の割合だけではなく、１．５２３等の振動の波形の累積二乗和の数値データとして判定されてもよい。振動の波形の累積二乗和の数値データがどの程度のギャップの大きさに相当するかは、予め測定試験等を行うことにより決定することができる。
【００２３】
レーザ照射部２０は、ギャップ判定部１０により判定されたギャップの大きさに応じて、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１の領域５１にレーザ５０を照射する。レーザ照射部２０は、レーザ５０の照射を制御する制御部２１と、制御部２１からの制御信号に従ってレーザ５０によるリモートレーザ溶接を行うレーザ溶接ヘッド２２とを有する。なお、ギャップ判定部１０の演算部１８とレーザ照射部２０の制御部２１とは、パーソナルコンピュータ（Personal Computer、ＰＣ）やプログラマブルロジックコントローラ（Programmable LogicController、ＰＬＣ）により構成されていてもよい。
【００２４】
後述するように、レーザ照射部２０は、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１に対して、レーザ５０を照射する領域５１の中心の側から外縁の側に向かう渦巻及びレーザ５０を照射する領域５１の外縁の側から中心の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、レーザ５０を照射する。また、レーザ照射部２０は、ギャップ判定部１０により判定されたギャップの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数を多くする。
【００２５】
以下、本実施形態のレーザ溶接方法について説明する。以下の説明では、一対の板材１００，２００の板厚が互いに等しい場合について説明する。図３に示すように、レーザ溶接装置１のギャップ判定部１０により、一対の板材１００，２００の間のギャップの大きさを判定するギャップ判定工程が行われる（Ｓ１）。ギャップ判定工程では、振動印加部１１により一方の板材１００に印加され振動検出部１２により他方の板材２００で検出された振動の波形及び振動印加部１１により他方の板材２００に印加され振動検出部１２により一方の板材１００で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいてギャップの大きさが判定される。
【００２６】
レーザ溶接装置１のレーザ照射部２０により、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさに応じて、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１の領域５１にレーザ５０を照射するレーザ照射工程が行われる（Ｓ２）。図４（Ａ）に示すように、レーザ照射部２０により、レーザ照射工程では、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１に対して、レーザ５０を照射する領域５１の中心５２の側から外縁５３の側に向かう渦巻の軌跡５４を描くようにレーザ５０が照射される。なお、レーザ照射工程では、レーザ５０を照射する領域５１の外縁５３の側から中心５２の側に向かう渦巻の軌跡５４を描くようにレーザ５０が照射されてもよい。
【００２７】
レーザ照射部２０により、レーザ照射工程では、ギャップ判定工程により判定されたギャップの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数が多くされる。図４（Ｂ）に示すように、板材１００の面１０２と板材２００の面２０１とのギャップｇの大きさが大きい場合がある。この場合に、単に領域５１の外縁５３を一周するようにレーザ５０を照射すると、レーザ５０による板材１００の面１０１からの入熱が板材２００に十分に伝達される前に板材１００の溶融金属が冷え固まり、板材１００の外縁５３のみが穴が開いたように板材２００に溶け落ちる溶け落ちや、未接合部が生じることがある。一方、ギャップｇの大きさに応じて渦巻の巻き数が多くされることにより、図４（Ｂ）に示すように溶融金属３００が領域５１のほぼ全体に亘って板材１００と板材２００との間に架橋するため、溶け落ちや未接合部を防ぐことができる。
【００２８】
図５に示すように、レーザ照射部２０により、レーザ照射工程では、一方の板材１００の板厚及びレーザの出力に対して設定されたギャップｇの大きさの閾値に対して、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが閾値以上であるときは、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが閾値未満であるときよりも渦巻の巻き数が多くされる。同じ板材１００の板厚に対して複数の段階の閾値が設定され、複数の段階で渦巻の巻き数が変更されてもよい。以下、板厚が２．０［ｍｍ］のＳＵＳ３０１Ｌ‐ＨＴ材（日本工業規格）の板材１００，２００に対して、３．７［ｋＷ］のレーザ５０によりレーザ溶接が行われる場合の例について説明する。ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが互いに板厚が等しい一対の板材１００，２００の板厚の１０％未満のときは（Ｓ２１）、レーザ５０を照射する領域５１の外縁５３を一周するようにレーザ５０が照射される（Ｓ２２）。ギャップｇの大きさが板厚の１０％未満であるか否かは、例えば、ギャップ判定工程により判定された累積二乗和が予め設定された閾値Ａ以上である場合にギャップｇの大きさが板厚の１０％未満であると判定し、レーザ５０を照射する領域５１の外縁５３を一周するようにレーザ５０を照射することができる。領域５１の外縁５３を一周するようにレーザ５０が照射された場合の領域５１は、図６に示すようになる。
【００２９】
図５に示すように、レーザ照射部２０により、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが互いに板厚が等しい一対の板材１００，２００の板厚の１０％以上２５％未満のときは（Ｓ２１，Ｓ２３）、渦巻の巻き数が３にされる（Ｓ２４）。ギャップｇの大きさが板厚の２５％未満であるか否かは、例えば、ギャップ判定工程により判定された累積二乗和が閾値Ａよりも小さい予め設定された閾値Ｂ以上である場合にギャップｇの大きさが板厚の２５％未満であると判定し、渦巻の巻き数を３にすることができる。渦巻の巻き数が３の場合のレーザ５０が照射された領域５１は、図６に示すようになる。
【００３０】
図５に示すように、レーザ照射部２０により、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが互いに板厚が等しい一対の板材１００，２００の板厚の２５％以上５０％未満のときは（Ｓ２３，Ｓ２５）、渦巻の巻き数が６にされる（Ｓ２６）。ギャップｇの大きさが板厚の５０％未満であるか否かは、例えば、ギャップ判定工程により判定された累積二乗和が閾値Ｂよりも小さい予め設定された閾値Ｃ以上である場合にギャップｇの大きさが板厚の５０％未満であると判定し、渦巻の巻き数を６にすることができる。渦巻の巻き数が６の場合のレーザ５０が照射された領域５１は、図６に示すようになる。なお、渦巻の巻き数の多少に関わらず、レーザ５０を照射する領域５１の外縁５３を一周するようにレーザ５０が照射されてもよい。これにより、領域５１の強度を向上させることができる。
【００３１】
図５に示すように、レーザ照射部２０により、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが互いに板厚が等しい一対の板材１００，２００の板厚の５０％以上のときは（Ｓ２５）、溶接施工不可とされ（Ｓ２７）、レーザ溶接は中止される。ギャップｇの大きさが板厚の５０％以上であるか否かは、例えば、ギャップ判定工程により判定された累積二乗和が閾値Ｃ未満である場合にギャップｇの大きさが板厚の５０％以上であると判定し、レーザ溶接を中止することができる。レーザ溶接が中止された場合は、治具等により固定された板材１００，２００の固定の状態の変更や、板材１００，２００の形状の修正等が行われた後に、図３及び図５に示したギャップ判定工程及びレーザ溶接工程が行われる。
【００３２】
以下、本実施形態のレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を鉄道車両構体の製造に適用した例について説明する。図７に示すように、従来の鉄道車両構体においては、客室内から視て、鉄道車両の上部を形成する屋根構体４０１と、鉄道車両の側面部を形成する側構体４０２に取付けられた側柱４０３とが、ガセット４０４を介して抵抗スポット溶接等により接合されている。
【００３３】
ガセット４０４は、その上端部に屋根構体４０１と接合される上部ベースプレート４０５を含み、その下端部に側柱４０３と接合される下部ベースプレート４０６を含む。上部ベースプレート４０５と屋根構体４０１との接合の際には、抵抗スポット溶接機のＣタイプの溶接ガンが届かない。そのため、上部ベースプレート４０５には、予め栓溶接用孔４０７が削孔され、屋根構体４０１と当接させた上部ベースプレート４０５の栓溶接用孔４０７の内周を重ね隅肉溶接によって接合する栓溶接が行われている。側構体４０２の出入り口の下部も同様の栓溶接が行われる箇所が有る。
【００３４】
本実施形態では、これらの栓溶接をレーザ溶接に切り替えるため、ガセット４０４の形状を以下のように改変する。図８（Ａ）に示すガセット４０４の上部ベースプレート４０５の栓溶接用孔４０７を図８（Ｂ）に示すように廃止する。図８（Ｃ）及び図９に示すように、上部ベースプレート４０５の両方の側端部を延長して折り曲げリブ４０８として上部ベースプレート４０５の剛性を高める。これにより、ギャップｇの発生やレーザ溶接の際の熱歪みによる変形を防止することができる。図９に示すように、本実施形態では、上記のように改変したガセット４０４が、上部ベースプレート４０５及び下部ベースプレート４０６の領域５１において、上記説明したようにレーザ溶接により屋根構体４０１及び側柱４０３に直接に接合される。
【００３５】
本実施形態では、側構体４０２の出入り口の下部で側構体４０２と台枠との接合が行われるが、従来は当該部位にも栓溶接が行われる箇所がある。上述した屋根構体４０１と側構体４０２との接合と同様に、栓溶接用孔が廃止され、直接にレーザ溶接が行われる。当該部位には、必ずギャップｇが存在するため、ギャップｇの大きさに応じて渦巻の巻き数が変更される。
【００３６】
本実施形態では、ギャップ判定工程により、一対の板材１００，２００の間のギャップｇの大きさが判定される。また、レーザ照射工程により、一方の板材１００における他方の板材２００と重ね合わされた面１０２とは反対側の面１０１に対して、レーザ５０を照射する領域５１の中心５２の側から外縁５３の側に向かう渦巻及びレーザ５０を照射する領域５１の外縁５３の側から中心５２の側に向かう渦巻のいずれかを描くように、レーザ５０が照射される。さらに、レーザ照射工程では、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが大きいほど、渦巻の巻き数が多くされる。これにより、一定の時間に特定の領域５１に対してギャップｇの大きさに対応した適切な入熱が与えられる。そのため、レーザ溶接において、入熱の増大を抑制し、溶加材を使用せずに、ギャップｇによる影響を低減させることができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、レーザ照射工程では、一方の板材１００の板厚及びレーザ５０の出力に対して設定されたギャップｇの大きさの閾値に対して、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが閾値以上であるときは、ギャップ判定工程により判定されたギャップｇの大きさが閾値未満であるときよりも渦巻の巻き数が多くされる。これにより、レーザ５０が照射される側の板材１００の板厚、レーザ５０の出力及びギャップｇの大きさに対応したより適切な入熱を与えることができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、ギャップ判定工程では、一方の板材１００に印加され他方の板材２００で検出された振動の波形及び他方の板材２００に印加され一方の板材１００で検出された振動の波形のいずれかの振幅の二乗の積分値に基づいてギャップｇの大きさが判定される。これにより、製造現場において簡易な方法で短時間にギャップの大きさを判定することができる。特に、ギャップの部位が隠れており、直接の測定が不可能である場合に本実施形態は有効である。
【００３９】
また、本実施形態よれば、アーク溶接によって施工されていた鉄道車両構体の製造における接合がレーザ溶接に代わることで、全体の入熱を下げ、鉄道車両構体の組み立て後の歪みに対する修正工数の低減が見込める。また、アーク溶接は作業者の技量に依存しているが、レーザ溶接による自動化によって溶接品質の平準化が見込める。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。例えば、レーザ溶接装置１のギャップ判定部１０によるギャップ判定工程では、レーザ変位計等によりギャップの大きさが判定されてもよい。
【００４１】
（実験例）
以下、本発明の実験例について説明する。図１に示したレーザ溶接装置により、板厚が２．０［ｍｍ］のＳＵＳ３０１Ｌ‐ＨＴ材（日本工業規格）の板材１００，２００のレーザ溶接を行った。レーザ５０の出力は３．７［ｋＷ］とした。レーザ５０を照射する領域５１の外縁５３を一周する溶接条件選択の閾値Ａ＝５．０、巻き数３とする溶接条件選択の閾値Ｂ＝１．０及び巻き数６とする溶接条件選択の閾値Ｃ＝０．１に設定した。ＡＥセンサ１５による生波形、演算部１８により算出された累積二乗和、累積二乗和の判定値（収束値）、制御部２１により決定された巻き数等は、図１０に示すようになった。
【００４２】
図１１に示すように、板材１００と板材２００とが密着している場合と、板材１００と板材２００とのギャップｇが板厚２．０［ｍｍ］の２５［％］である場合とについて（ギャップｇが０．５［ｍｍ］）、渦巻の巻き数及び溶接径（領域５１の外縁５３の径）を変更しつつ、レーザ溶接された継手の破断荷重を測定した。図１１に示すように、いずれの場合も、板材１００と板材２００とが密着している場合と、板材１００と板材２００とのギャップｇが板厚２．０［ｍｍ］の２５［％］である場合とで同等の破断荷重が得られた。
【符号の説明】
【００４３】
１…レーザ溶接装置、１０…ギャップ判定部、１１…振動印加部、１２…振動検出部、１３…パルス信号発生器、１４…プローブ、１５…ＡＥセンサ、１６…アンプ、１７…Ａ／Ｄ変換器、１８…演算部、２０…レーザ照射部、２１…制御部、２２…レーザ溶接ヘッド、５０…レーザ、５１…領域、５２…中心、５３…外縁、５４…軌跡、１００…板材、１０１，１０２…面、２００…板材、２０１，２０２…面、３００…溶融金属、４０１…屋根構体、４０２…側構体、４０３…側柱、４０４…ガセット、４０５…上部ベースプレート、４０６…下部ベースプレート、４０７…栓溶接用孔、４０８…リブ、ｇ…ギャップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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