ハンドトーチ型レーザによる水密溶接技術の開発
Development of Watertight Welding Technology by the Hand Torch Type Laser
遠 藤 翔 太 Shota ENDO
河 田 直 樹 Naoki KAWADA
側 垣 正 Tadashi SOBAGAKI
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
ステンレス製車両の在来工法は，抵抗スポット溶接による点接合が主であるため，その接合点間の水密性は樹脂シールによって確保されている(1)．
「sustina」車両では樹脂シールの劣化に対するメンテナンスを省くため，樹脂シールを廃止しレーザ重ね隅肉溶接を窓と外板および出入り口フレームと外板の接合に適用し水密隅肉溶接部を形成した．今回，倣い性と加工部のシールド性に優れるハンドトーチ型レーザを用いて上記水密隅肉溶接部への適用を検討する．さらに工数の低減・継手品質の安定化・作業従事者の拡大を目指している．

１ はじめにラで操作できるため直感的な操作が可能で使いやすい．

sustina車両では樹脂シールの劣化に対するメンテナン

ハンドトーチ型レーザのように，ある一定のクラスのスを省くため，樹脂シールを廃止しレーザ重ね隅肉溶接

レーザ装置ではレーザと人を分離して安全を確保しなくを窓及び出入り口フレームと外板の接合に適用したが，てはいけないため，レーザ管理区域＝作業範囲の設定を

水密隅肉溶接は大型の門型装置による施工をしていたた行う必要がある．現状ではテストピースレベルの溶接のめ，ロボットのティーチングに多大な時間を要していた．

ため遮光ガラスで作業範囲を囲うことにより，この範囲ロボットによるティーチングは何も無い空間に点を取をレーザ管理区域としている．人がレーザ管理区域に入って倣いをしなければいけないが，ハンドトーチ型レーらなくてはいけない場合，安全を確保するためにレーザ

ザでは，例えば外板と出入り口や窓の溶接において，外に対する危険を最小化しなければならない．その手段の板をガイドに溶接することができるため，安定した倣いひとつとしてインタロック機能がある．インタロックはが可能であり，ティーチングによる工数を低減することある一定の条件を満たさないと作動しない状態のことでができる．

ある．つまり,インタロック機能が動作して始めてレーティーチングの難しい部位やワークギャップに対処ザが出射される仕組みである．

し，工数低減と溶接品質向上のために，溶接部の倣い性

このハンドトーチ型レーザは①フットスイッチ，②ワや加工部のシールド性に優れるハンディタイプのレーザ

ニ口クリップ，③保護メガネ，④トーチ先端チップの接システムを調査した結果，今回のハンドトーチ型レーザ

触，⑤トーチの出射スイッチの5つのインタロックを備を適用することにした．

えており安全性にも配慮した構造となっている．
図1にハンドトーチ型レーザの外観を示す．図に示す
ように冷蔵庫程度の大きさであり，装置自体がコンパク２ ハンドトーチ型レーザ溶接機の概要トであることが分かる．

２．１ 装置の特徴
２．２ 装置の性能，仕様など

ハンドトーチ型レーザとは簡単に言うと，レーザ発振器から光ファイバを介して，トーチ先端部分からレーザ

ハンドトーチ型レーザはピーク出力が最大3000W，平を出射し溶接する装置である．特徴は小型軽量で省スペ

均出力が最大300Wであり，エントリモデルに比べてハースであり本体を移動できること．トーチ先端でワーク

イ パ ワ ー モ デ ル で あ る． 消 費 電 力 は1600W， 単 相に接触することにより倣い性や加工点のガスのシールド

AC200Vで動作する．レーザの集光スポット径は0.6mm性に優れ，初心者でも比較的簡単に溶接ができる点であである．連続発振（CW）とパルス発振（QCW）の出射る（アーク溶接や他の溶接のように技能や技量をそれほが可能であり，溶接の形態によって使い分けることがでど必要としない）．操作もタッチパネル式のコントロー

きる．また，発振器は空冷式でありチラー（冷却水循環

総合車両製作所技報第４号

46ハンドトーチ型レーザによる水密溶接技術の開発

装置）が不要のため装置はより小型でメンテナンスに優れる．
図2にハンドトーチ型レーザの簡単な装置構成を示す．
内部は，発振器，制御盤，カプラから構成されており，発振器から発振されたレーザはカプラ，本体から伸びたファイバケーブルを通りトーチ先端から出射される．
ファイバケーブルは最長で20mまで伸ばすことができるため，20m級の鉄道車両の製造にも対応可能である．

図3
レーザ本体

sustina 車両外観 (1)

図4にsustina車 両 の 側 窓 部 を 示 す． こ の 側 窓 部 は
SUS301L-DLT t1.5（外板）＋SUS304 t1.5（窓フレーム）の重ね隅肉溶接継手で構成されているが，矢印で示した部分にハンドトーチレーザで水密隅肉溶接を適用する予定である．

図1

ハンドトーチ型レーザ装置外観制御スイッチ
制御スイッチ

制御スイッチ

カプラ
カプラ

トーチ

カプラ

制御盤
制御盤

制御盤発振器
発振器
図2

トーチ
トーチ

装置本体
装置本体

図4

装置本体

側窓部 (1)

図5にsustina車両の側出入り口部を示す．この側出入り口はSUS301L-DLT t1.5（外板）＋SUS304 t4.0（出ハンドトーチレーザ装置構成

入り口フレーム）の重ね隅肉溶接継手で構成されているが，矢印で示した部分にハンドトーチレーザで水密隅肉発振器

３ 水密溶接技術の開発溶接を適用する予定である．

sustina車両は外観の見栄え向上のため，窓フレームおまた図6に出入り口と外板の模式図を示すが，始めによび出入り口フレームはすべて内はめ式になっている．

①の外板と出入り口フレームの隅部を隅肉溶接した後

図3にsustina車両の外観を示す．構体強度を担う接合にに，外板はお客様が触れるところでもあるため，②の角関しては従来どおりのスポット溶接にゆだねており，構部を面取り溶接し安全を確保する．

体基本構造を抜本的に変更することなく水密性の高い構造を実現している(2)．図中で囲った窓，出入り口にハンドトーチレーザと抵抗スポット溶接の併用構造による水密隅肉溶接を適用する予定である．

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2015年12月

４．２ 隅肉溶接
板と板を重ねた，重ね隅肉溶接用に使用するチップを図7に示す．図8には重ね隅肉溶接のイメージを示すが，重ねた下板の表面に接触させつつ，上板の端面に沿わせるようにしてチップを当てて溶接する．トーチは手前に引くように動かす．板厚の組み合わせは上板がt4.0，t1.2，t1.5のそれぞれの組み合わせを想定している．図9には溶接後のサンプルを示すが，従来のレーザ溶接などと比べ溶接ビードはやや細く，またパルス発振による溶接のため溶接部がうろこ状になっていることが分かる．
パルス発振（QCW）はピーク出力が大きいがトータルの入熱量が小さいため，溶け込みが局所的である．そ

図 5 側出入り口部 (1)のため同じ部分を繰り返し溶接しても裏面に抜けにく
く，溶け落ちが発生しにくいため，溶接に失敗してもやり直しができる利点がある．

② 面取り
② 面取り

（低出力連続）（低出力連続）

車外側

車外側

車内側

車内側

① 溶接 ① 溶接（パルス）（パルス）

外板

外板

出入口フレーム
出入口フレーム

図6

出入り口フレームと外板の模式図

４ ハンドトーチ型レーザチップの開発
４．１ チップの形状と溶接方法
ハンドトーチ型レーザはトーチの先端にチップを取り付けて溶接する．代表的な隅肉溶接用のチップを図7に示す．溶接用チップの役割はレーザの狙い位置を決めるためのガイドとレーザ溶接における加工点周辺のガスの雰囲気を保つ覆いである．チップは加工形態に応じて必要であるため，それぞれ隅肉溶接用，角部面取り用，端部溶接用がある．また，チップにはカーボン製と銅製がありカーボン製はチップの滑りがよいが，割れやすい．
銅製は耐摩耗性に優れるが，熱変形性に弱いという特性がそれぞれある．

図7

総合車両製作所技報第４号

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隅肉用チップ側面イメージハンドトーチ型レーザによる水密溶接技術の開発

図8

重ね隅肉溶接イメージ

図 10 角部面取り用 t1.5，t1.2 用チップ 正面イメージ

トーチ
トーチワーク
ワーク
図9

図 11

隅肉溶接後のサンプル

面取り
面取り
角部面取りイメージ

４．４ 端部溶接
４．３ 角部面取り

図12に端部溶接用のチップを示す．このチップは図13

図10に角部面取り用チップを示す．このチップは板の狙い位置のイメージに示すように重ねた2枚の板の端材の角部を面取りする際に使用するチップであり，板の部を溶接するために使用するチップであり，重ねた2枚上面と端面で形成する角部にチップの切り欠きを押し当の板の端部にレーザが当たるようチップを沿わせる．

てるようにして使用する．図11に角部面取りのイメージ
図を示す．角部面取りのチップは重ね隅肉継手の角部を面取りする場合，下板が干渉するため板厚に応じてチップの形状を変える必要がある．そのためt1.5，t1.2用の他にt 4.0用がある．

図 1249端部溶接用チップ側面イメージ

2015年12月

ステンレス鋼板板厚1.5 mm

ステンレス鋼板板厚1.5 mm

ステンレス鋼板板厚1.5mm
ステンレス鋼板板厚1.5 mm

定盤

ステンレス鋼板板厚1.5mm
ステンレス鋼板板厚1.5 mm
定盤
図 13 端部溶接レーザ狙い位置イメージ
５ 重ね隅肉継手の評価
sustina車両では構体強度を担う接合に関しては従来どおりのスポット溶接で担保している．構体基本構造を抜本的に変更することなく水密性の高い構造を実現しており(2)，窓，出入り口にハンドトーチレーザと抵抗スポッ

図 15

ト溶接の併用構造による水密隅肉溶接を適用する予定で引張後の試験片外観（20J 継手）ある．水密溶接を評価する方法として水密性，耐食性，強度が挙げられる．本稿では水密溶接部の強度を確認するために引張試験を行った．試験片の材質はSUS301LDLT t1.5+ SUS301L-DLT t1.5である．試験片サイズは
図14に示す通りである．スポット溶接の日常管理用試験
重ねしろ 40 mm
片を使用し継手形態は重ね隅肉溶接継手である．
mm
なお，引張試験速度は10mm/minで実施した．
40 mm

溶接部

重ねしろ 40 mm
125 mm

図 16mm

引張後の試験片

破断部拡大（20J 継手）

40 mm

溶接部

125 mm
図 14

引張試験片イメージ

図15に20Jの継手の引張試験後の試験片外観を図16に破断部の拡大図を示すが破断部の拡大図に注目すると，破断箇所は溶接部であることが分かる．また破断部の溶接ビードは連続しているので少なくとも水密性を考慮した場合に健全な溶接部であるといえる．
図17には10Jの継手の引張試験後の試験片外観を図18には破断部の拡大図を示す．破断部の拡大を見るとやはり10Jの継手も破断箇所は溶接部であり，破断部の溶接ビードは連続した形状であるが，入熱量が少ない分20Jより細い溶接ビードとなっている．

総合車両製作所技報

第４号

図 17

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引張後の試験片外観（10J 継手）

ハンドトーチ型レーザによる水密溶接技術の開発

参考文献（1）遠藤翔太，他：「sustinaステンレス構体水密化のためのレーザすみ肉溶接技術の開発」，総合車両製作所技報第2号，12-13，（2013），（株）総合車両製作所（2）浅賀哲也，他：「sustina国内第1号車両の開発」，総合車両製作所技報 第2号，4-5，（2013），（株）総合車両製作所

図 18

引張後の試験片破断部拡大（10J 継手）
著者紹介

ハンドトーチレーザ，半導体レーザ，抵抗スポット溶
接のそれぞれの溶接方法の最適溶接条件における重ね継遠藤翔太

手（レーザは重ね隅肉）の強度比較を表1に示す．この

生産本部
技術部（接合技術センター）

結果からレーザ溶接，スポット溶接と比較しても遜色ない強度を持っていると言える．このことから，水密部の強度を考慮した場合でも十分な強度を持つと考えられ

河田直樹

る．
表1

博士（工学）
生産本部

他の溶接方法との強度比較技術部（接合技術センター） 主査

溶接方法

引張せん断強度

ハンドトーチレーザ 1（20J）

15.8kN

側垣

ハンドトーチレーザ 2（10J）

10.97kN

生産本部
生産管理部（生産技術） 主査

DDL（半導体レーザ）

12.7kN正吉澤正皓

抵抗スポット（現行条件） 7.5kN

生産本部
技術部（接合技術センター）

６ まとめ
ハンドトーチ型レーザを導入し，溶接チップの開発，継手強度の確認を行ってきた．そして，それぞれに検証を行った結果，チップを使い分けることにより，隅肉溶接や角部面取り，端部溶接が可能であること，継手強度がレーザや抵抗スポットと遜色ないことが分かった．
今後は適正な溶接条件の把握，工数低減，コスト低減，ギャップに対する裕度，利き手ごとの対応などに取り組んでいく．
さらにsustina車両では直線的で長尺の部位は従来レーザとし，曲線や曲面の部位はハンドトーチレーザとするフレキシブルなレーザ溶接を目指している．

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