(57)【要約】【課題】速度、歪み、ルートギャップ許容度の関係を良好にできるようにする。【解決手段】アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキン構造またはダブルスキン構造を有した構体材対１、２の側縁間において、面板１０、２０どうしの突き合せ部のグルーブ１７を、レーザ・ＭＩＧハイブリッドの溶接ヘッド６により溶接して接合し屋根構体１１などを形成するようにして、上記の目的を達成する。【選択図】図３
2007130683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキンまたはダブルスキン構造を有した構体材対の側縁間において、面板どうしの突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して接合し構体を形成することを特徴とする鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項２】
アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキンまたはダブルスキン構造を有した構体材対の側縁間において、面板どうしのＭＩＧ溶接による従来開先に比し狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接によりＭＩＧ溶接の場合よりも高速で溶接して接合し構体を形成することを特徴とする鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項３】
アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキンまたはダブルスキン構造を有した構体材対の側縁間において、面板どうしの５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して接合し構体を形成することを特徴とする鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項４】
構体材対は、一方の構体材の側縁の面板の上に、他方の構体材の側縁の面板を上乗せした重なり状態にて開先が露出した突き合せ部を形成し、溶接を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項５】
一方の構体材の面板に他方の構体材の面板を上乗せする際に、それら面板どうしの重なり境界面の一方に設けておいた凹部と他方に設けておいた凸部とを嵌め合せて、構体材対を所定の開先形成位置に位置決めし、この位置決め状態で溶接を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項６】
凹部は、面板間の開先によるルートの当て板部がなす重なり境界面に形成し、凸部は、面板の前記当て板部上への重なり板部がなす重なり境界面に形成しておく請求項５に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項７】
凸部は、面板の前記当て板部への重なり板部における、開先の直近で溶接接合後の疲労強度弱点域に対応して設けておく請求項６に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項８】
ダブルスキン構造の構体材であって、外面板、内面板の、疲労強度弱点域に対応して、通常値よりも増厚する請求項４〜７のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項９】
増厚域は、外面板、内面板の開先から疲労破壊域よりも遠くに生じる静強度弱点域をも含む請求項８に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項１０】
増厚は通常値よりも３割以上とする請求項８、９のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法によって溶接接合される構体材であって、面板に、ＭＩＧ溶接による従来開先に比し狭開先とした突き合せ部を有していることを特徴とする鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法によって溶接接合される構体材であって、面板に５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした突き合せ部を有したことを特徴とする鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材溶接接合方法によって溶接接合される構体材であって、側縁の面板が、他の構体材の側縁の面板とそれぞれ載せ、あるいは載せられた重なり状態にて開先が露出した突き合せ部を形成し、前記溶接に供する鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１４】
前記構体材の面板に他の構体材の面板を載せる際に、それら面板どうしの重なり境界面間にて嵌り合う凹部または凸部を形成している請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１５】
凹部は、面板間の開先によるルートへの当て板部がなす重なり境界面に形成し、凸部は、面板の前記当て板部への重なり板部がなす重なり境界面に形成した請求項１４に記載の鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１６】
凸部は、面板の前記当て板部上への重なり板部における、開先の直近で溶接接合後の疲労強度弱点域に対応している請求項１５に記載の鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１７】
構体材がダブルスキン構造であって、外面板、内面板の疲労強度弱点域に対応して、通常値よりも増厚している請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１８】
増厚域は、外面板、内面板の開先から疲労破壊域よりも遠くに生じる静強度弱点域をも含む請求項１７に記載の鉄道車両の構体材の継手構造。
【請求項１９】
増厚は通常値よりも３割以上としてある請求項１７、１８のいずれか１項に記載の構体材の継手構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキンまたはダブルスキン構造を有した構体材を溶接接合して鉄道車両の台枠、側枠構体、屋根構体などを形成する構体材溶接接合方法とそれに用いる継手構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両、特に新幹線車両では昭和６１年度国鉄技術課題から始り、高速性能性向上、ランニングコスト、製作コスト低減のために徹底した軽量化が必要であるとの認識から、アルミニウム合金大型中空押出形材を構体材として用い、従来構造の柱、梁、垂木、補強などの多数の内部骨組部材の全く無い車体が試作され、ダブルスキン構造をなす中空材とすることにより車体の内、外面を直接溶接するのみで、十分な溶接強度が確保され、熱影響による歪み発生もなく、全自動溶接、車体回転治具の採用も容易なものになったとされている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
前記のような構体材の溶接にはシングルスキン構造、ダブルスキン構造を問わずＭＩＧのアーク溶接が一般的に採用され、溶接接合する構体材対は図７（ａ）（ｂ）（非特許文献１の写真４−１−４）に示すように、一方の構体材ａの側縁における外面板ａ１および内面板ａ２間に、他方の構体材ｂにおける外面板ｂ１および内面板ｂ２を嵌め合せる嵌合継手をなして突き合せ、外面板ａ１、ｂ１間、内面板ａ２、ｂ２間に形成した開先部ｃにてＭＩＧ溶接するようにしている。開先部ｃの角度θは一般に７０°程度とされている。
【０００４】
別に、同じような嵌合形式であるが、外面板どうし、内面板どうしをそれらの端部にてＩ型開先に突き合せ、ＦＳＷ方式にて摩擦接合するようにしたものも知られている（例えば、特許文献１参照。）。一般に摩擦拡散接合などと称される溶接方法である。また、外面板どうしをＩ型開先に突き合せた部分を内面側から摩擦溶接することで、外面の後加工が不要になるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。なお、外面板どうしの突き合せ部を摩擦溶接するために内面板間に形成していた開放部は蓋板を当てがい両側の内面板と突き合せた２箇所を摩擦溶接するようにしている。
【０００５】
また、別に、摩擦接合には時間が掛かることから、外面板どうし、内面板どうしの一方を摩擦溶接し、他方をＭＩＧまたはＴＩＧのアーク溶接するようにした技術も知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
さらに、突き合せ構造ではないが、鉄道車両にレーザ溶接を適用する技術も知られている（例えば、特許文献４、５参照。）。
【非特許文献１】軽金属車両委員会報告書Ｎｏ．５  昭和５９年―平成２年、平成３                  軟５月発行（軽金属車両委員会編集）４１〜４３頁
【特許文献１】特開２０００−２０２６５０号公報
【特許文献２】特開２０００−２０５２１８号公報
【特許文献３】特開２００４−２２３５８７号公報
【特許文献４】特開２００２−３６１４５４号公報
【特許文献５】特開平１０−２３０８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、本発明者は鉄道車両のアルミニウム製でシングルスキン構造またはダブルスキン構造の構体材どうしを溶接接合して構体などを形成するのに、溶接の、特に、速度、歪み、ルートギャップの許容度の関係を最善にすべく研究、開発をするなか、既述した従来の溶接方法ではそれぞれに一長一短があり、現状の問題を回避するのは困難であることを知見した。
【０００８】
例えば、ＭＩＧ溶接は、図５の２）に示すように溶け込み幅が大きく、溶接強度、ルートギャップの許容度、継手の自由度は高いが、溶接速度を上げにくく、溶接歪みが大きくなってしまう。また、太く高いビードができるので溶接部の仕上げで削除する部分が多い。レーザ溶接では、図５の３）に示すように溶け込み幅が小さく、溶接速度が速く、溶接歪みが少なく、溶接強度も高いし、溶接部の仕上げの研削量が少なくなるのに、ルートギャップに対する許容度が低い。鉄道車両の構体を形成するための押出し形材は長尺であるため、波打ちなどがどうしても生じ、それが規格内であるにしても構体材どうしを突き合せた場合双方の波打ちが相乗しルートギャップが部分的に大きくなるような部分のギャップにはレーザ溶接では対応できないことがある。従って、部分的な溶接不良を生じることがある。これらの面からも継手の自由度が低い。ＦＳＷ溶接では、溶接歪みや溶接強度の面では問題はないが、既述した溶接速度が遅いことのほか、特許文献１、３に記載の摩擦溶接部は仕上げに手間が掛かる。特許文献２に記載の外面は図５の４）に下向きに示すように熱拡散の影響がなく仕上げが要らなくても、内面側は２箇所摩擦溶接しなければならない不便がある。また、ルートギャップに対する許容度はレーザ溶接の場合と同様の問題がある。波打ちによるルートギャップに対する問題は構体材どうしの各部を強く押し付けて位置決めすることで幾分対応することはできるが、手間が掛かるし装置が大型で高価なものとなる。
【０００９】
本発明の目的は、主として速度、歪み、ルートギャップ許容度の関係を良好にできる鉄道車両の構体材溶接接合方法とそれに用いる継手構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような課題を達成するために、本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法は、
アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキン構造またはダブルスキン構造を有した構体材対の側縁間において、面板どうしの突き合わせ部とを、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して接合し構体を形成することを１つの特徴としている。
【００１１】
このような構成では、ルートの母材部に対し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ことでルートギャップの許容度を持った溶け込み幅と所定の溶け込み深さでの高速な溶け込みを実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアークの誘導と、このアークを誘導する電子の飛翔域つまり誘導域を開先によるグルーブの断面形状によって制限できることとで、アークの放電域をルートギャップの許容に対する必要最小限に見合う溶け込み幅域に制御することができる。
【００１２】
本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法は、また、アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキン構造またはダブルスキン構造を有した構体材対の側縁間において、面板どうしのＭＩＧ溶接による従来開先に比し狭開先とした突き合わせ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接によりＭＩＧ溶接の場合よりも高速で溶接して接合し構体を形成することを別の特徴としている。
【００１３】
このような構成では、ルートの母材部に対し従来よりも狭開先なのを生かしながら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ことでルートギャップの許容度を持った溶け込み幅と所定の溶け込み深さでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアークの誘導と、このアークを誘導する電子の飛翔域つまり誘導域を従来よりも狭開先とした開先によるグルーブの断面形状によって制限し、アークの放電域をルートギャップの許容に必要な範囲に見合う溶け込み幅域に制御することができる。
【００１４】
このような溶接接合方法には、面板に、ＭＩＧ溶接による従来開先に比し狭開先とした突き合せ部を有していることを特徴とする鉄道車両の構体材の継手構造を用いればよい。
【００１５】
本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法は、また、アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキン構造またはダブルスキン構造を有した構体材対の側縁間において、面板どうしの５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して接合し構体を形成することを他の特徴としている。
【００１６】
このような構成では、ルートの母材部に対し従来よりもさらに狭開先なのを生かしながら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ことで必要なルートギャップの許容度を持った溶け込み幅と所定の溶け込み深さでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアークの誘導と、このアークを誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をルートの５０°未満または開先開口幅／板厚＜０．９とより一層の狭開先によるグルーブの断面形状によって十分に制限し、アークの放電域をルートギャップの許容に必要な範囲に見合う溶け込み幅域に制御することができる。
【００１７】
このような溶接接合方法には、面板に５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした突き合せ部を有したことを特徴とする鉄道車両の構体材の継手構造を用いればよい。
【００１８】
構体材対が、一方の構体材の側縁の面板の上に、他方の構体材の側縁の面板を上乗せした重なり状態にて開先が露出した突き合せ部を形成し、溶接を行う、さらなる構成では、
一方の構体材を作業治具の上に載置しておき、その側縁の面板の上に、他方の構体材の側縁の面板を上乗せするのに、シングルスキン構造、ダブルスキン構造の別を問わないが、特にダブルスキン構造において、他方の構体材を作業治具上にある一方の構体材の横に載置する動きの最終段階で治具上へ前記重なりのための横移動成分を持った斜め方向の動きを伴い斜め方向に載置しさえすれば、そのときの重なりによって面板どうしの各一方がルート部の当て板部となる開先を持った突き合わせを終えて、開先部での溶接接合を達成することができる。
【００１９】
一方の構体材の面板に他方の構体材の面板を上乗せする際に、それら面板どうしの重なり境界面の一方に設けておいた凹部と他方に設けておいた凸部とを嵌め合せて、構体材対を所定の開先形成位置に位置決めし、この位置決め状態で溶接を行う、さらなる構成では、
一方の構体材の面板に他方の構体材の面板を上乗せするのと同時に、前記上乗せによって重なりあった面板どうしの重なり境界面にある凹凸部が互いに嵌り合うので、特別な動作なく双方の構体材を所定の位置関係に位置決めができ、ルートギャップが通常以上に開いてしまうのを防止することができる。また、ダブルスキン構造の構体材間では特に、内外面板どうしの一方を溶接接合すると、溶接部の凝固ないしは固化に伴なう収縮にて溶接接合していない側で構体材どうしが開く溶接接合部を基点としたいわゆる角折れ現象が生じるのを、溶接接合していない側での凹凸部の嵌め合いによって阻止し、この側の開先におけるルートギャップが通常以上に開いてしまうようなことを防止することができる。
【００２０】
凹部は、面板間の開先によるルートへの当て板部がなす重なり境界面に形成し、凸部は、面板の前記当て板部上への重なり板部がなす重なり境界面に形成しておく、さらなる構成では、
凸部を、上乗せの重なり構造上、面板の当て板部上に重なる重なり板部に設けておくことにより、凸部による増厚分だけ溶接接合部近傍のウイークポイントを増強することができるし、凹部が上乗せの重なり構造上、面板のルートの当て板部がなす重なり境界面に形成される関係上、凹部による肉盗み部が溶接による接合域外になって溶接強度に影響しないようにすることができる。
【００２１】
凸部は、面板の前記当て板部上への重なり板部における、開先の直近で溶接接合後の疲労強度弱点域に対応して設けておく、さらなる構成では、
凸部が増厚となって、開先の直近の溶接接合後の疲労強度弱点域を増強することができる。なお、凸部は開先端部に位置するほど増強効果は大きいが、開先先端部から少し離しておくことで溶加材が開先から凹凸嵌合部へ入り込むことを防止することができる。
【００２２】
ダブルスキン構造の構体材であって、外面板、内面板の疲労強度弱点域に対応して、通常値よりも増厚する、さらなる構成では、
開先の直近の溶接接合後の疲労強度弱点域を、凸部なしの嵌め合い機能のない増厚だけでも増強することができる。
【００２３】
この場合、増厚域は、外面板、内面板の開先から疲労破壊域よりも遠くに生じる静強度弱点域をも含む、さらなる構成では、
凸部に左右されない増厚によって、開先から疲労破壊域よりも遠くに生じる静強度弱点域をも増強することができる。
【００２４】
増厚は通常値よりも３割以上とする、さらなる構成では、
Ａ６Ｎ０１−Ｔ５の熱処理アルミ系を採用した継手構造において、ＪＩＳ  Ｅ  ４０５０が継手効率７０％を許容限界とされているところを、３割以上の増厚による増強によってＪＩＳ基準での継手効率を１００％以上とすることができる。
【００２５】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて種々な組合せで複合して用いることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法の１つの特徴によれば、先行するレーザ溶接と、追随するＭＩＧ溶接との組合せにより、ルートギャップの許容度を持った溶け込み幅で所定深さの高速な溶け込みを実現して、高速度溶接、入熱量減少による歪みの低減、十分な溶接強度を確保し、かつ、レーザ溶接による昇温、溶融環境で飛翔電子がアークを誘導する誘導域をルートの断面形状で制限しアークの放電域、従って溶け込み幅をルートギャッを許容する必要最小限に制御し、溶け込み幅が徒に大きくなって前記溶接の品質が低下するのを防止しやすい。
【００２７】
本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法の別の特徴によれば、１つの特徴の場合に加え、さらに、従来よりも狭開先としたルート断面形状によって電子のアーク誘導域に対する制限度を高め、アークの放電域がルートギャップの許容範囲以上になるのを確実に防止し、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。
【００２８】
本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法の他の特徴によれば、別の特徴の場合に加え、さらに、開先が５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９と狭い分だけ、アークの放電域がルートギャップの許容範囲以上になるのを、板厚によって溶接強度上許容される、より狭く、あるいは開先０度にも対応して、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。
【００２９】
また、上記の各場合において、一方の構体材を作業治具の上に載置しておき、他方の構体材をその横に寄せながら上乗せするだけで、そのときの重なりによって面板どうしの各一方がルートの当て板部となる開先を持った突き合わせを終え、開先部での溶接接合を達成し、従来の嵌合方式に比し作業性を高められる。
【００３０】
また、前記上乗せ時に、面板どうしの重なり境界面にある凹凸部の嵌り合いにより、特別な動作なく双方の構体材を所定の位置関係に位置決めができ、ルートギャップが波打ちによる通常以上に開くのを防止し、板厚に応じた最小限度の開先角度での溶接性能を保証することができる。また、ダブルスキン構造の構体材間では特に、内外面板どうしの一方を溶接接合したときの角折れ現象で非溶接接合部側が開くのを前記凹凸部の嵌め合い部の引っ掛かりによって阻止し、ルートギャップが通常以上に開くのを防止し、板厚に応じた最小限度の開先角度での溶接性能を保証することができる。
【００３１】
前記凸部を、上乗せの重なり構造上、面板の当て板部上に重なる重なり板部に設けて、凸部による増厚分だけ溶接接合部近傍のウイークポイントを増強することができるし、これにより凹部は面板のルートの当て板部がなす重なり境界面に設けられるが、凹部による肉盗み部が溶接強度に影響せず凹部のために増厚などの補強が不要になる。
【００３２】
この凸部の位置によって、それがなす部分的な増厚分にて、開先の直近の溶接接合後の疲労強度弱点域を増強することができるし、凸部を開先先端部から少し離せば溶加材が凹凸嵌合部に入り込むのを防止できる。
【００３３】
ダブルスキン構造の構体材で、開先の直近の溶接接合後の疲労強度弱点域を、凸部を設けない嵌め合い機能のない増厚だけで増強することができ、溶加材が入り込む心配もない。しかし、凸部の併用はできる。
【００３４】
増厚域によっては、凸部に左右されない増厚にて、開先から疲労破壊域よりも遠くに生じる静強度弱点域をも増強することができる。
【００３５】
Ａ６Ｎ０１−Ｔ５の熱処理アルミ系を採用した継手構造において、ＪＩＳ  Ｅ  ４０５０が継手効率７０％を許容限界とされているところを、３割以上の増厚による増強によってＪＩＳ基準での継手効率を１００％以上とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の鉄道車両の構体材溶接接合方法とそれに用いる継手構造に係る実施の形態につき、図１〜図５を参照しながら具体的に説明し、本発明の理解に供する。しかし、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【００３７】
本実施の形態の鉄道車両の構体材溶接接合方法は、アルミニウム系の押出し形材よりなり、図１（ａ）、図３に示すようなダブルスキン構造、または図６に示すようなシングルスキン構造を有した構体材対１、２の側縁１ａ、２ａ間において、それらの面板１０、２０どうし、さらに具体的にはダブルスキン構造では図１（ａ），図３に示すように外面板１ｂ、２ｂどうしの突き合せ部と、内面板１ｃ、２ｃどうしの突き合わせ部とを、シングルスキン構造では図６に示すように面板１０、２０どうしの突き合せ部を、図３にダブルスキン構造で代表して示し、図４に共通して示すようにレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して溶接接合し、図３に示すような屋根構体１１を始めとする各種の構体を形成する。この溶接には例えば、図３に示すようなレーザビームヘッド６、ＭＩＧ溶接トーチ４、位置決めセンサ５を持った溶接ヘッド６を自走式の溶接ロボット７に搭載し、屋根構体１１の形状に合わせて設計し、あるいは調節した図示しない支持部を有する作業治具８上に載置し、寄せ合わせクランプ１２、押さえクランプ１３の組合せで屋根構体１１の形状に位置決めした必要数の構体材１、２の隣合うものどうしにつき、それらの外面板１ｂ、２ｂ間、内面板１ｃ、２ｃ間の表面に露出しているルート１７にて位置決めセンサ５による光学的な位置認識のもとに自動的に溶接し接合する。
【００３８】
基本的には高速性、高性能の面から自動溶接とするが、溶接の作業方式を特にとうものではない。図３、図４に示すようにレーザビーム１４の照射によるレーザ溶接を先行し、ＭＩＧ溶接トーチ４からのアーク１５の放電によるＭＩＧ溶接を追随させる。レーザビーム１４の照射位置とアーク１５の放電位置とは近接しているのがよく、通常は２〜３ｍｍ程度に設定される。これは先行するレーザ溶接により形成される図４に示すような細く深い溶け込みを呈するいわゆるキーホール１６の存在を必要な溶け込み幅Ｂが得られるアーク溶接に生すためのレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接特有の条件である。レーザは半導体レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなど種々なものを採用することができる。
【００３９】
上記のような溶接接合によると、図１、図３、図４に示すグルーブ１７ないしはそのルート１７ａ部の母材部に対し図３、図４に示すように先行するレーザ溶接により高速で細く深い図４に示すようなキーホール１６をなす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ことでルートギャップの許容度を持った溶け込み幅Ｂと所定の溶け込み深さＨでの高速な溶け込みを実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ４側に飛翔してくる電子によるアーク１５の誘導と、このアーク１５を誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をグルーブ１７の図１、図２に例示するような断面形状によって制限できることとで、アーク１５の図４に示す放電域１８をルートギャップの許容に対する必要最小限に見合う溶け込み幅域に制御することができる。
【００４０】
以上のような、先行するレーザ溶接と、追随するＭＩＧ溶接との組合せの結果、ルートギャップの許容度を持った溶け込み幅Ｂで所定深さＨの高速な溶け込みを実現して、高速度溶接とそれによる構体製造コストの低減、入熱量減少による歪みの低減、十分な溶接強度を確保し、かつ、レーザ溶接による昇温、溶融環境で飛翔電子がアーク１５を誘導する誘導域をルート１７の断面形状で制限しアーク１５の放電域１８、従って溶け込み幅Ｂをルートギャッを許容する必要最小限に制御し、溶け込み幅Ｂが徒に大きくなって前記溶接の品質が低下するのを防止しやすい。また、溶接強度保証には溶接後の図３、図４に示すようにビード１７ａが盛り上がる程度の溶加材の供与が不可欠であっても、溶け込み幅Ｂを制限する分だけ溶接後の仕上げでの研削量が少なく作業が楽になる。
【００４１】
また、グルーブ１７をなす開先は、ＭＩＧ溶接による図７に示すような従来開先に比し角度θが小さい図１、図２や図６に例示するような狭開先としてレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接することにより、グルーブ１７の母材部に対しグルーブ１７の従来よりも狭開先なのを生かしながら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ことでルートギャップの許容度を持った溶け込み幅と所定深さでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアーク１５の誘導と、このアーク１５を誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をグルーブ１７の従来よりも狭開先とした断面形状によって電子のアーク誘導域に対する制限度を高め、アーク１５の放電域１８がルートギャップの許容範囲以上になるのを確実に防止し、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。
【００４２】
特に、グルーブ１７の開先を、ＪＩＳが５０°以上とするのよりも小さい、５０°未
満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とすれば、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ことで必要なルートギャップの許容度を持った溶け込み幅Ｂと所定の溶け込み深さＨでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアーク１５の誘導と、このアーク１５を誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をルート１７の５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした断面形状によって十分に制限し、アーク１５の放電域１８をルートギャップの許容に必要な範囲に見合う溶け込み幅域に制御することができる。要するに、開先が狭くなった分だけ、アーク１５の放電域１８がルートギャップの許容範囲以上になるのを、板厚によって溶接強度上許容される、より狭く、あるいは開先０度にも対応して、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。本発明者の実験ではＡ６Ｎ０１−Ｔ５の熱処理したアルミニウム合金よりなる板厚が３ｍｍの構体材１、２を用いた場合、開先０°のＩ型として、図５の１）に例示する溶接状態が得られ、図５の３）に示すレーザ溶接の場合に比し、溶け込み幅Ｂは少し大きい程度で、溶け込み深さＨ全体の溶け込み幅の差が小さくなる良好な溶接状態が得られ、溶接強度に問題なく溶け込み幅Ｂを最小として高速溶接性、ひずみの大幅な低減が図れる。同時に仕上げでの研削の手間、具体的には研削量も低減するし、継手の自由度が向上する。
【００４３】
図１、図３に示すダブルスキン構造の構体材１、２の場合を代表して、以下、さらに詳述するが、その多くは図６に示すようなシングルスキン構造の構態材１、２にも同様に適用できる。図１（ａ）（ｂ）に示すように、構体材対１、２が、一方の構体材１の側縁１ａの外面板１ｂと内面板１ｃとの上に、他方の構体材２の側縁の外面板２ｂと内面板２ｃとをそれぞれ上乗せした重なり状態にてグルーブ１７を形成する開先が露出した突き合せ部を形成し、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接を行うようにしている。このような上乗せは、一方の構体材１を図３に示すように作業治具８の上に載置しておき、その側縁１ａの外面板１ｂと内面板１ｃとの上に、他方の構体材２の側縁２ａの外面板２ｂと内面板２ｃを上乗せするのに、他方の構体材２を作業治具上にある一方の構体材１の横に載置する動きの最終段階で治具上へ前記重なりの横移動成分を持った斜め方向の動きを伴い載置しさえすれば、そのときの重なりによって外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの各一方がグルーブ１７底部への当て板部１ｄ、２ｄとなる開先を持った突き合わせを終えて、グルーブ１７をなす開先部での溶接接合を達成することができる。これにより、一方の構体材１を作業治具の上に載置しておき、他方の構体材２をその横に寄せながら上乗せするだけで、そのときの重なりによって外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの各一方がグルーブ１７部の当て板部１ｄ、２ｄとなる開先を持った突き合わせを終え、グルーブ１７の開先部での溶接接合を達成し、従来のダブルスキン構造での嵌合方式に比し作業性を高められ、これも製造コスト低減に貢献する。
【００４４】
また、図１（ａ）（ｂ）に示すように、一方の構体材１の外面板１ｂおよび内面板１ｃに他方の構体材２の外面板２ｂおよび内面板２ｃを上乗せする際に、それら外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの重なり境界面１ｆ、２ｆの一方に設けておいた凹部２１と他方に設けておいた凸部２２とを嵌め合せて、構体材対１、２を所定の開先形成位置に位置決めし、この位置決め状態で溶接を行うようにしている。これにより、一方の構体材１の外面板１ｂおよび内面板１ｃに他方の構体材２の外面板２ｂおよび内面板２ｃを上乗せするのと同時に、前記上乗せによって重なりあった外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの重なり境界面１ｆ、２ｆにある凹凸部２１、２２が互いに嵌り合うので、特別な動作なく双方の構体材１、２を所定の位置関係に位置決めができ、ルートギャップが通常以上に開いてしまうのを防止することができる。また、外面板１ｂ、２ｂどうしまたは内面板１ｃ、２ｃどうしの一方を溶接接合すると、溶接部の凝固ないしは固化に伴なう収縮にて溶接接合していない側で構体材１、２どうしが開く溶接接合部を基点としたいわゆる角折れ現象が生じるのを、溶接接合していない側での凹凸部２１、２２の嵌め合いによって阻止し、この側の開先におけるルートギャップが通常以上に開いてしまうようなことを防止することができる。
【００４５】
この結果、前記上乗せ時に、外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの重なり境界面１ｆ、２ｆにある凹凸部２１、２２の嵌り合いにより、特別な動作なく双方の構体材１、２を所定の位置関係に位置決めができ、ルートギャップが構体材１、２の押出し成形時の波打ちによる通常以上に開くのを防止し、板厚に応じた最小限度の開先角度θでの溶接性能を保証することができる。また、外面板１ｂ、２ｂどうしまたは内面板１ｃ、２ｃどうしの一方を溶接接合したときの角折れ現象で非溶接接合部側が開くのを前記凹凸部２１、２２の嵌め合い部の引っ掛かりによって阻止し、ルートギャップが通常以上に開くのを防止し、板厚に応じた最小限度の開先角度での溶接性能を保証することができる。このことは、図２（ｂ）に例示する従来の広い開先でのグルーブ１７が左側のギャップ０からギャップΔＧに拡大した場合の、ΔＧ／グルーブ開口幅Ｇ０の比に対し、図２（ａ）に示すように本実施の形態のように狭開先でのルート１７が左側のギャップ０からギャップΔＧに同じだけ拡大した場合の、ΔＧ／グルーブ開口幅Ｇの比の方が大きく、開き量ΔＧでも溶接への影響度が大きいので、この開き量ΔＧを通常の変化範囲に抑えられる意味は、狭開先の本実施の形態において特に重要であるし、構体材１、２どうしを強く押し付けあう必要がないので溶接設備も簡単で小型な低コストなものでよくなる利点もある。
【００４６】
特に、前記凹部２１は、重なり合う外面板１ｂ、２ｂ間、重なり合う内面板１ｃ、２ｃ間の開先によるグルーブ１７の底部であるルート１７ａの当て板部１ｄ、２ｄがなす重なり境界面１ｆ、２ｆに形成し、凸部２２は、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃの前記当て板部１１ｄ、２ｄ上への重なり板部１ｇ、２ｇがなす重なり境界面１ｆ、２ｆに形成してある。このように、凸部２２を、上乗せの重なり構造上、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃの当て板部１ｄ、２ｄと重なる重なり板部１ｇ、２ｇに設けておくことにより、凸部２２による増厚分だけ溶接接合部近傍のウイークポイントを増強することができる。また、凹部２１が上乗せの重なり構造上、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃのグルーブ１７のルート１７ａへの当て板部１ｄ、２ｄがなす重なり境界面１ｆ、２ｆに形成する関係上、凹部２１による肉盗み部が溶接による接合域外となって溶接強度に影響せず、凹部２１を設けても増厚などの補強は要らない利点がある。しかも、凸部２２は、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃの前記当て板部１ｄ、２ｄ上への重なり板部１ｇ、２ｇにおける、開先の直近で溶接接合後の図１（ｂ）に示す疲労強度弱点域３１に対応して設けていることにより、凸部２２が増厚となって、開先の直近の溶接接合後の疲労強度弱点域３１を増強することができる。なお、凸部２２は開先端部に位置するほど増強効果は大きいが、開先先端部から図示するように少し離しておくことで溶加材が開先から凹凸部２１、２２の嵌合部へ入り込み、グルーブ１７での充填効率が低下するようなことを防止することができる。
【００４７】
図１（ｃ）に示す例では外面板１ｂ、２ｂ、内面板１ｃ、２ｃの疲労強度弱点域３１に対応して、仮想線で示す図１（ｂ）の場合の凸部２２に代えて、あるいは図１（ｄ）に示す例では凸部２２を持って、図１（ｃ）に仮想線で示す通常値よりも増厚した増厚部４１としている。これによると、グルーブ１７の開先の直近を含む溶接接合後の疲労強度弱点域３１を、凸部２２による嵌め合い機能のない、あるいは嵌め合い機能をも満足した増厚によって増強することができる。要するに、凸部２２の位置によって、それがなす部分的な増厚分にて、開先の直近の溶接接合後の疲労強度弱点域３１を増強することができるし、凸部２２を開先先端部に設けてもよいが、溶加材の流れ込みの原因になるので、図示するように開先から少し離せば溶加材が凹凸嵌合部に入り込むのを防止できる。ここで、増厚域の長さによっては、凸部２２に左右されない増厚によって、図１（ｃ）（ｄ）に示すように開先から疲労強度弱点域３１よりも遠くに生じる熱処理アルミニウムに特異な静強度弱点域３２をも増強することができる。このような増厚は、Ａ６Ｎ０１−Ｔ５の熱処理アルミ系を採用した継手構造において、ＪＩＳ  Ｅ  ４０５０が継手効率７０％を許容限界とされているところを、３割以上とすることによってＪＩＳ基準での継手効率を１００％以上とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は鉄道車両のアルミニウム系構体材どうしをレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接にて接合して必要な大きさの構体を得るのに実用でき、溶接の高速度性、溶接強度、歪みの低減、製造コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接に用いる継手構造を有したダブルスキン構造の構体材の例を示し、（ａ）は溶接できる状態に突き合せた構体材対の端面図、（ｂ）は突合せ部の拡大図、（ｃ）は強度弱点域を増厚により増強した１つの例を示す突合せ部の一部拡大図、（ｄ）は強度弱点域を増厚により増強した別の例を示す突合せ部の一部拡大図である。
【図２】本実施の形態での溶接を行うグルーブにおける開先の広狭によるルートギャップが開いたときの影響を示す説明図であり、（ａ）は広（大）開先の場合、（ｂ）は狭（小）開先の場合の説明図である。
【図３】図１（ａ）の構体材対を必要数並べて自動溶接する様子を示す概略斜視図である。
【図４】本実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接の状態を模式的に示す説明図である。
【図５】本実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接を含む各種溶接での溶け込み状態の違いを示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接に用いる継手構造を有したシングルスキン構造の構体材の例を示し、溶接できる状態に突き合せた構体材対の端面図である。
【図７】従来のＭＩＧ溶接に用いていた継手構造を有した構体材の例を示し、（ａ）は溶接できる状態に突き合せた構体材対の端面図、（ｂ）は突合せ部の拡大端面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１、２  構体材
１０、２０  面板
１ａ、２ａ、１０ａ、２０ａ  側縁
１ｂ、２ｂ  外面板
１ｃ、２ｃ  内面板
１ｄ、２ｄ、２０ｄ  当て板部
１ｆ、２ｆ  重なり境界面
１ｇ、２ｇ、１０ｇ  重なり板部
６  溶接ヘッド
７  溶接ロボット
１１  屋根構体
１４  レーザビーム
１５  アーク
１６  キーホール
１７  ルート
１８  放電域
２１  凹部
２２  凸部
３１  疲労強度弱点域
３２  静強度弱点域
４１  増厚部
Ｂ  溶け込み幅
Ｈ  溶け込み深さ
【図１】
2007130683.tif 000003
【図２】
2007130683.tif 000004
【図３】
2007130683.tif 000005
【図４】
2007130683.tif 000006
【図５】
2007130683.tif 000007
【図６】
2007130683.tif 000008
【図７】
2007130683.tif 000009