(57)【要約】【課題】接合線の検出が確実にでき、またレーザによる入熱を効率良く行うことができるようにしたレーザ溶接用接合継手および接合体を提供すること。【解決手段】被接合部材１Ａ，１Ｂ同士の接合端面１３，１４を突き合わせた接合部を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接合するため、被接合部材１Ａ，１Ｂに形成されたものであって、接合部のレーザ照射面側に、被接合部材（１１，２）の板厚よりも浅い溶接溝１０が形成されたレーザ溶接用接合継手。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材同士の接合端面を突き合わせた接合部を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接合するため、当該被接合部材に形成されたレーザ溶接用接合継手において、
前記接合部のレーザ照射面側に、被接合部材の板厚よりも浅い溶接溝が形成されたものであることを特徴とするレーザ溶接用接合継手。
【請求項２】
請求項１に記載するレーザ溶接用接合継手において、
接合部をレーザ溶接にて接合する場合、前記溶接溝の深さが板厚の３分の１以下であることを特徴とするレーザ溶接用接合継手。
【請求項３】
請求項１に記載するレーザ溶接用接合継手において、
接合部をレーザ・アークハイブリッド溶接にて接合する場合、前記溶接溝の深さが板厚の３分の２以下であることを特徴とするレーザ溶接用接合継手。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載するレーザ溶接用接合継手において、
前記溶接溝は、前記被接合部材の接合端面部分が面取りして構成されたものであり、断面がＶ字形をしたものであることを特徴とするレーザ溶接用接合継手。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載するレーザ溶接用接合継手において、
前記被接合部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金材からなるものであることを特徴とするレーザ溶接用接合継手。
【請求項６】
接合端面同士を突き合わせた接合部を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接合するレーザ溶接用接合継手を備えた被接合部材からなる接合体において、
前記レーザ溶接用接合継手が、前記接合部のレーザ照射面側に被接合部材の板厚よりも浅い溶接溝が形成されたものであることを特徴とする接合体。
【請求項７】
請求項６に記載する接合体において、
前記被接合部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金材からなるものであることを特徴とする接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金材からなる被接合部材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用接合継手に関し、特に、突き合わせた接合部のセンサによる確認が確実に行える検出部を有し、しかもその検出部が容易に形成できるレーザ溶接用接合継手および接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
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車両構体が採用されている。アルミニウム合金部材の接合には、溶接ワイヤを消耗電極として溶着するＭＩＧ溶接などが採用されている。例えば図５は、鉄道車両用構体構体を構成する外板１０１，１０２の継手形状部分を示した斜視図である。外板１０１，１０２は、端面同士を突き合わせた接合線１１０に沿って溶接が行われる。外板１０１，１０２の接合継手１１１，１１２は、肉厚であって、面方向に直交する接合端面が形成され、その接合端面同士が図示するように突き合わされている。この外板１０１，１０２は、押出し形成された押出形材であって、接合線１１０と平行にリブ１０５が立設されている。
【０００３】
こうした外板１０１，１０２の接合は、図示するように接合継手１１１，１１２の接合端面同士を突き当てられ、例えば、その接合線１１０に沿ってＭＩＧ溶接や摩擦攪拌接合が行われる。しかし、ＭＩＧ溶接は、被接合部材に対する入熱が多くなってしまい、板厚が数ミリの板材を接合するには溶接による歪みへの影響が大きくなってしまう。これに対して摩擦攪拌接合は、入熱量が少ないため溶接による歪みは小さくて好ましいが、溶接速度がＭＩＧ自動溶接と同程度であって高速化することができず、製作コストの低減が困難である。
【０００４】
また、摩擦攪拌接合は、被接合部材が図示した平板ではない中空押出形材のようなものでは、施工時に回転工具からの負荷に耐え得る接合部の強度・剛性を確保する必要があるため接合体の軽量化が困難であった。そこで、現在では、高速な接合とそれに伴う接合部への入熱を抑える接合方法としてレーザ溶接、或いはレーザ溶接とＴＩＧ溶接や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期待されている。また、レーザ溶接などでは、接合部の強度確保のための重量増もないため、鉄道車両などの車体軽量化が可能な点でも期待されている。
【特許文献１】特開平１１−１３８２８２号公報
【特許文献２】特開２０００−１５８１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図６に示すような鉄道車両用構体８０では、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、側構体８１や屋根構体８２は、車体一両分の長さの押出中空形材８８が幅方向に複数溶接接合されている。すると、鉄道車両用構体８０の製造時には、２０ｍ以上もの長さの溶接線を接続することになる。レーザ溶接やレーザ・アークハイブリッド溶接では、レーザ装置を被接合部材の突き合わせ面に沿って移動させる必要があるが、それには予め溶接する接合線を記憶させてレーザ装置を移動させるか、或いは接合線を画像処理などで検知して作業ルートを探りながら移動させるようにする。
【０００６】
予めレーザ溶接するための作業ルートを記憶させておくことは作業効率が悪くなり、また記憶したルートが接合中の歪みなどによって変化して正確に接合できなくなる問題があった。そのため、画像処理などで作業ルートを確認しながらレーザ溶接する方法が有効であるが、品質の良い溶接を自動的に行うためには溶接線を精度良く検出することが重要となる。しかしながら、図５に示すような接合継手では、部品の精度が良いほど接合端面同士の密着度が良くなり、接合線の検出が難しくなってしまう。特に、押出形材の場合には表面に線が現れるため、更に接合線との区別がつきにくく検出が困難になってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、接合線の検出が確実にでき、またレーザによる入熱を効率良く行うことができるようにしたレーザ溶接用接合継手および接合体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】
【０００８】
本発明のレーザ溶接用接合継手は、被接合部材同士の接合端面を突き合わせた接合部を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接合するため、当該被接合部材に形成されたものであって、前記接合部のレーザ照射面側に、被接合部材の板厚よりも浅い溶接溝が形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明のレーザ溶接用接合継手は、接合部をレーザ溶接にて接合する場合、前記溶接溝の深さが板厚の３分の１以下であることが好ましい。
また、本発明のレーザ溶接用接合継手は、接合部をレーザ・アークハイブリッド溶接にて接合する場合、前記溶接溝の深さが板厚の３分の２以下であることが好ましい。
また、本発明のレーザ溶接用接合継手は、前記溶接溝が、前記被接合部材の接合端面部分が面取りして構成されたものであり、断面がＶ字形をしたものであることが好ましい。
また、本発明のレーザ溶接用接合継手は、前記被接合部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金材からなるものであることが好ましい。
【０００９】
本発明の接合体は、接合端面同士を突き合わせた接合部を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接合するレーザ溶接用接合継手を備えた被接合部材からなるものであって、前記レーザ溶接用接合継手が、前記接合部のレーザ照射面側に被接合部材の板厚よりも浅い溶接溝が形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明の接合体は、前記被接合部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金材からなるものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
よって、本発明のレーザ溶接用接合継手によれば、レーザビームの照射面に溶接溝が現れるため、接合線の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になる。そして、例えば断面がＶ字形の溶接溝では、そこに照射されたレーザビームが反射を繰り返して効率良く接合部を加熱することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係るレーザ溶接用接合継手および接合体について図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態では、被接合部材同士をレーザ溶接やレーザ・アークハイブリッド溶接で接合するためのレーザ溶接用接合継手であって、そのレーザ溶接用接合継手を備えた被接合部材の接合によって図６に示すような鉄道車両用構体８０が構成される。ここで、図１は、鉄道車両用構体を構成する被接合部材であって、押出中空形材のレーザ溶接用接合継手を示した図である。
【００１２】
この押出中空形材１Ａ，１Ｂは、押出し成形によって形成されたアルミニウム合金による形材であり、鉄道車両用構体８０を構成する押出中空形材８８に相当するものである。押出中空形材１Ａ，１Ｂは、上面板２と下面板３とが複数のリブ４によって連結されたものであり、図示するようにリブ４が斜めに配置して断面がトラス状になっている。押出中空形材１Ａ，１Ｂの図面左右方向の端部には、上面板２と下面板３とに直交する端部リブ５，６が設けられ、幅方向には閉じられた形状をしている。押出中空形材１Ａ，１Ｂは、そうした幅方向端部がレーザ溶接やレーザ・アークハイブリッド溶接で接合するためのレーザ溶接用接合継手が形成されている。
【００１３】
一方の押出中空形材１Ａでは、端部リブ５から上面板２と下面板３の延長上にそれぞれ接合突起１１，１２が突き出るように形成され、他方の押出中空形材１Ｂでは、端部リブ６から、上下の接合突起１１，１１の間に嵌り込むように接合突起１２，１２が突出するように形成されている。従って、押出中空形材１Ａ，１Ｂを接合する場合には、図示するように接合突起１１，１１の間に接合突起１２，１２が嵌め込まれ、接合突起１１，１１の接合端面１３と、接合突起１２，１２によって段差部になった接合端面１４とが突き当てられるようになっている。
【００１４】
接合端面１３，１４が突き当てられて接合部となり、図面を貫く方向に連続して形材表面に接合線が形成される。そして、本実施形態のレーザ溶接用接合継手では、この接合線に沿って溶接溝１０が構成されている。溶接溝１０は、接合端面１３，１４の形材表面側が面取して形成されたものであり、図示するように断面がＶ字状に形成されている。この溶接溝１０は、例えば上面板２や下面板３の肉厚が３ｍｍに対して１ｍｍ程度、或いはそれ以下の深さで形成されている。なお、レーザ溶接の場合には継手強度が低下しないように、溶接溝１０の深さは板厚の３分の１程度であることが好ましい。レーザ・アークハイブリッド溶接の場合でも、接合速度を高速にするためには溶接溝１０を深くせず、板厚の３分の１程度であるのが好ましい。
【００１５】
そこで、図示するように押出中空形材１Ａ，１Ｂの継手同士が組み合わされると、レーザ照射面である上面板２や下面板３の表面側に溶接溝１０が現れるため、レーザ溶接などに際しては、この溶接溝１０に従って溶接が行われる。接合端面１３，１４が突き合わされた接合部にはレーザビームが照射され、同時にシールドガスが噴射される。レーザビームは、溶接溝１０に沿って押出中空形材１Ａ，１Ｂの長手方向に沿って移動するが、そのレーザ装置よりも先行して例えば検出手段としてＣＣＤカメラが移動する。それにより、溶接溝１０をＣＣＤカメラが撮像し、その撮像データから作業ルートである接合線が検出され、後方のレーザ装置をその接合線に沿って移動するように位置制御が行われる。
【００１６】
よって、本実施形態のレーザ溶接用接合継手によれば、押出中空形材１Ａ，１Ｂを組み合わせた場合にレーザビームの照射面に溶接溝１０が現れるようにしたため、接合線の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になった。そして、従来は高性能な検出装置が必要であったが、接合線を溶接溝１０によって検出し易くなったため検出装置が安価なものでも対応することができるようになった。
なお、溶接方法は、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による接合であってもよい。レーザ・アークハイブリッド溶接では、やはり溶接溝にレーザビームが照射され、進行方向の前方からはシールドガスが供給され、進行方向後方にはＭＩＧトーチによりＭＩＧアークを供給することで溶接が行われる。
【００１７】
ところで、アルミニウムは反射率が高く、熱伝達率も高いため、照射面が平面であるとレーザビームが反射してしまい、また、照射によって接合部に与えられた熱が拡散してしまう。そのため、入熱が少ないと接合不良を起こすため、確実な溶接を行うにはレーザビームの照射時間を増やす必要がある。しかし、それではアーク溶接や摩擦撹拌接合などに比べて接合スピードが速いレーザ溶接やレーザ・アークハイブリッド溶接の利点が損なわれる。更に、照射時間が長くなると押出中空形材１Ａ，１Ｂ全体に熱が入りすぎて歪みを生じさせてしまうが、それでは押出中空形材１Ａ，１Ｂを長い距離に渡ってレーザ溶接する鉄道車両用構体８０では、その品質を低下させることになる。
【００１８】
その点、本実施形態では、接合部にＶ字形の溶接溝１０が構成されるので、照射されたレーザビームが左右の斜面で反射を繰り返して効率良く接合部を加熱することになる。従って、図５に示すような平面の接合部に比べて本実施形態では、レーザビームを過度に照射することなく十分な熱を接合部に与えることができる。従って、本実施形態のレーザ溶接用接合継手によれば、ある程度の溶接スピードを維持しながら効率良く溶接することが可能になる。
【００１９】
前記実施形態では、押出中空形材の継手について説明したが、その他の被接合部材であっても同様にレーザ溶接用接合継手が形成される。図２乃至図４は、レーザ溶接用接合継手について他の実施形態を示した図である。
図２は、平板２１Ａ，２１Ｂを接合する場合のレーザ溶接用接合継手を示した図である。本実施形態では、接合端面同士を突き合わせた接合部に溶接溝２２が構成されるが、その溶接溝２２は、前記実施形態の半分の大きさである。すなわち、一方の平板２１Ａ側にのみレーザ照射面側に面取りが形成され、他方の平板２１Ｂの端面は直交した矩形形状のままになっている。
【００２０】
レーザ溶接用接合継手は、こうした楔形の溶接溝２２が構成され、溶接時には検出装置がレーザ装置に先行して溶接溝２２を検出する。そのため、作業ルートである接合線が溶接溝２２によって検出され、後方のレーザ装置がその接合線に沿って移動する位置制御が行われる。レーザビームの照射面に溶接溝２２が現れるため、接合線の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が安価な検出装置でも可能になる。溶接溝２２は、片側だけに傾斜面に形成されているが、溝内に照射されたレーザビームが左右の反射を繰り返して効率良く接合部を加熱する。そのため、レーザビームを過度に照射することなく十分な熱を接合部に与えることができ、ある程度の溶接スピードを維持しながら効率良く溶接することが可能になる。
【００２１】
図３は、押出形材２３Ａ，２３Ｂを接合する場合のレーザ溶接用接合継手を示した図であり、図４は、押出形材２５Ａ，２５Ｂを接合する場合のレーザ溶接用接合継手を示した図である。いずれも、両方の形材端面部においてレーザ照射面側に面取りが形成され、接合端面同士を突き合わせた接合部に、図１に示す実施形態と同様にＶ字形の溶接溝２４，２７が構成される。このレーザ溶接用接合継手はレーザ・アークハイブリッド溶接に対応し、板厚の３分の２以下の深さで形成されている。また、図４の継手には押出形材２５Ａ，２５Ｂの端部に肉厚部２６が形成され、図３の場合よりも突き合わされる接合端面の面積を大きくして接合強度が高くなるようにしたものである。
【００２２】
本実施形態でも溶接溝２４，２７が構成され、溶接時には検出装置がレーザ装置に先行して溶接溝２４，２７を検出する。そのため、作業ルートである接合線が溶接溝２４，２７によって検出され、後方のレーザ装置がその接合線に沿って移動する位置制御が行われる。レーザビームの照射面に溶接溝２４，２７が現れるため、接合線の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が安価な検出装置でも可能になる。溶接溝２４，２７は、片側だけに傾斜面に形成されているが、溝内に照射されたレーザビームが左右の反射を繰り返して効率良く接合部を加熱する。そのため、レーザビームを過度に照射することなく十分な熱を接合部に与えることができ、ある程度の溶接スピードを維持しながら効率良く溶接することが可能になる。
【００２３】
以上、本発明に係るレーザ溶接用接合継手および接合体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、溶接溝は、実施形態で示したＶ字形のものの他、傾斜した面が平面以外の曲面であったり、角度も任意に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】鉄道車両用構体を構成する被接合部材であって、押出中空形材のレーザ溶接用接合継手を示した図である。
【図２】平板を接合する場合のレーザ溶接用接合継手を示した図である。
【図３】押出形材を接合する場合のレーザ溶接用接合継手を示した図である。
【図４】押出形材を接合する場合のレーザ溶接用接合継手を示した図である。
【図５】鉄道車両用構体を構成する外板の継手形状部分を示した斜視図である。
【図６】レーザ溶接やレーザ・ハイブリッド溶接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】
【００２５】
１Ａ，１Ｂ  押出中空形材
２  上面板
３  下面板
５，６  端部リブ
１０  溶接溝
１１，１２  接合突起
１３，１４  接合端面
８０  鉄道車両用構体
【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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