鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報
レーザ溶接部の塑性加工性の検討
Study of the Laser Welding Part of the Stainless Steel Sheets for Railway-car-body-shell
1st Report, Feasibility Study of the Plastic Processing of a Laser Welding Part及 川 昌 志 Masashi OIKAWA
越川
純 Jun KOSHIKAWA
ステンレス鋼製鉄道車両構体のほとんどはJISで規定するSUS301Lと呼ぶステンレス鋼板を多用している．その特徴は，炭素量が300ppm以下と低く，溶接部やその周辺で生じるCr欠乏層の発生を抑制し耐食性を維持できることと，同じ鋼種でも調質圧延により耐力・強度を選択できるので鉄道車両に作用する応力に応じて使い分けができ，鉄道車両構体の軽量化に寄与できることである．本報では，ステンレス鋼製鉄道車両の軽量化や製造プロセスの簡素化を狙い，ステンレス鋼をレーザ突合せ溶接後に塑性加工する工法を検討したので報告する．
Many stainless steel sheets called SUS301L are used for the railway-car-body-shell of stainless steel. The feature ishigh corrosion resistance for low carbon contains which less than 30ppm and the weight saving of the car-body-shellfor the yielding stress and tensile strength of base material.
We studied the weight saving of the railway-car-body-shell of stainless steel, and the simplification of the manufacturing process to be purposes, and we examined the new construction method which carries out the plastic processing of the stainless steel after laser butt welding.

１ はじめに

２

方法

ステンレス鋼製鉄道車両構体のほとんどはJISで規定

今回，実験検討に用いた材料はステンレス鋼製鉄道車するSUS301Lと呼ぶステンレス鋼板を多用している．

両に多く用いるSUS301Lで，板厚は0.6mmである．主要

その特徴は，炭素量が300ppm以下と低く，溶接部やそ化学成分を表1に示す．また，本材料の塑性加工性の調の周辺で生じるCr欠乏層の発生を抑制し耐食性を維持査を目的に，r 値（1）と成形限界特性を求め，これらの値できることと，同じ鋼種でも調質圧延により耐力・強度を用いて塑性加工性を数値シミュレーションモデルによを選択できるので鉄道車両に作用する応力に応じて使いって解析した．なお，塑性加工シミュレーションには市分けができ，鉄道車両構体の軽量化に寄与できることで販のソフトウエアを用いている．同時にレーザ溶接部のある．

機械的特性を調査し，レーザ溶接後の塑性加工の可能性を検討した．

このようなステンレス鋼を用いた車両の組み立てには，ほとんどが電気抵抗スポット溶接法やアーク溶接法を用いているが，近年はレーザスポット溶接やレーザ連

表1 SUS301L鋼の主要化学成分（実測値）続溶接も用いられている．これらは高速溶接による低熱ひずみを目的にし，電気抵抗スポット溶接法の代用に留元素名

CSiMnP

まり，自動車部品の組み立てで用いるテーラドブランク

含有量%

0.019

0.51

1.2500.024

元素名SNiCr

N

含有量%

0.006

6.77

16.84

0.119

工法のような構造体の軽量化に寄与するような製造プロ
セス革新には至っていない．
そこで，本報では，ステンレス鋼製鉄道車両の軽量化や製造プロセスの簡素化を狙い，ステンレス鋼をレーザ突合せ溶接後に塑性加工する工法を検討したので報告する．

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創刊号

22鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討

３

結果

３．１

なお，Swift式は，σ=K（ε0＋ε ）であり，Kは加工p n

基本的機械的特性の調査

硬化係数，nは加工硬化指数である．試験後の試験体を市場に多く流通するSUS304鋼やSUS430鋼の物性値

図3に示す．

は文献などで公開されているものの，SUS301L鋼の塑性加工性に関わる物性値は無く，SUS301L鋼の塑性加機械的特性を把握した．引張試験から母材の耐力と強度，㻝㻞㻜㻜および，r値を求めた．また，中島法（1）による成形試験㻝㻜㻜㻜┿ᛂຊ㻛㻹㻼㼍

工数値シミュレーション実験をするにあたり，基本的な㻝㻠㻜㻜によって成形限界特性を求めた．
図1，表2に引張試験結果を示す．試験体はJISで規定㻯㻙㻠㼟㼣㼕㼒㼠㻌㻲㼕㼠㼠㼕㼚㼓⠊ᅖ䃔㻜㻚㻝㻙㻜㻚㻟㻞㼟㼣㼕㼒㼠㻌㻲㼕㼠㼠㼕㼚㼓⠊ᅖ䃔඲ᇦ㻌㻌
㻌
㻌㻌
㻌

㻤㻜㻜
㻢㻜㻜
㻠㻜㻜

する5号引張試験体であり，材料の圧延方向のみの試験を実施した．なお，試験速度は10mm/minで一定とした．
また，Swift式パラメータ算出を行った．表3にSwift式（1）

㻞㻜㻜㻜
㻜

㻜㻚㻝

㻜㻚㻞
㻜㻚㻟
┿䜂䛪䜏

パラメータを示し，図2にFitting図を示す．図1に示す応力－ひずみ線図（真応力-真ひずみ）の塑性領域で変曲㻜㻚㻠

図2

Swift Fitting の 結 果

図3

引張試験後の試験体㻜㻚㻡点が存在するので，Fittting範囲を変曲点以降（範囲ε0.1～0.32）と全域の2通りで求めた．全域Fittingでは変曲点以降で差が生じている．
C-41400

真応力/MPa

1200
1000
8006004002000

表4，図4にr 値測定結果を示す．r 値は材料の圧延方真ひずみ

向（L方向），圧延方向とは直角方向（C方向），圧延方

図1 SUS301L鋼の引張試験結果

向とは45度の角度をなす方向（D方向）を調査した．

表2 SUS301L鋼の引張試験結果
厚さmm

幅mm

標点距離mm

降伏応力MPa

表4

r 値の測定結果

歪量

試験前

試験前

試験後

0.60

25.02

50646%

GL

幅GLmmmmmm

L方向202025.0223.84

引張強度MPa

一様伸び%

全伸び%

D 方向

202025.0223.83880

4145

C 方向

202025.0223.83

表3 Swift式パラメータ
SwiftFitting 範囲K

ε0ε0.1-0.32

22700.0688

ε全域20300.1320

試験後幅mm

各方向
r値

L 方向

23.130.800.664

D 方向

23.040.890.673

C 方向

22.980.95

n2323

平均 r値
0.88

2013年１月

1.00.95

0.9

0.90

0.8

0.850.7

᭱኱ࡦࡎࡳ
最大ひずみ
Major strain

ｒ値

1.000.80
0.75

0.6
0.5
0.40.70
r0r450.3

r900.2

図4 r 値の測定結果

0.1

次に本材料の成形限界線図を求めた．種々の試験体幅0.0で球頭張出し試験を行う中島法によって成形限界特性をMinorstrain

最小ひずみ最小ひずみ求めた．なお，成形限界線図を求める方法には，中島法

図5 成形限界線図の他にM-K（Marciniak and Kuczynski）
法（1）がある．実際にプレス加工では潤滑剤を使うが，潤滑剤の種類で変わる成形限界の調査は中島法が適しているので本手法を採用した．
試験体の寸法は圧延とは直角方向に200 mm，幅は110 mm，120 mm，130 mm，140 mmとした．スクライブド
格子は 2 mmとし，ポンチは直径 100 mmの球頭ポンチであり，ロックビードを加工している．試験速度は25mm/min，BHFは30tonであり，破断部のひずみを測定して幅 110mm

幅 120 mm

幅 130mm

幅 140 mmいる．
なお，最大ひずみ（ε1）と最小ひずみ（ε2）は標点距離を2mm格子5個分の10mmとし，ひずみは（1），（2）式を用いて算出した．
ε1＝ln（l 1／l 0）（1）

ε2＝ln（l 2／l 0）（2）

図6 試験後の試験体
３．２（mm），l2を最小ひずみ
なお，l1を最大ひずみ方向長さ

塑性加工性の検討

方向長さ（mm），l 0を10mmとした．平面ひずみ測定結果

前節で求めた機械的特性をもとに，成形性を検討した

およびFLD（成形限界線図）を表5，図5に示す．また、モデルを図7に示す．本モデルは鉄道車両用屋根材を想成形品外観を図6に示す．平面ひずみは0.28であった．

定した．板幅は815mmとし，この間に9山の凸部を形成した．なお，両端（図では上下の凸部）はロックビードである．なお，連続加工を想定し位置決めのためのロッ

表5 平面ひずみ測定結果

試験体幅mm

測定値（mm）
l2

110

14.7549.135

0.39-0.09120

14.1589.441

0.35-0.06

13013.42210.0740.290.01

140

13.27610.0170.28

0.00創刊号

野の長さは30mm，凸部の間隔は76mmである．今回は材料の長手方向（凸部が連続する方向）の検討を行わず，Major
Minor
strain ε1 strain ε2l1

総合車両製作所技報

クピンを配している．凸部の高さは15mmであり，すそひずみ
ε1（ 2 ）= ln（ l1(2) /10）

幅方向の成形性の検討を行った．シミュレーションの結果を図8に示す．図中の緑部分は板厚の減少がほとんど無い部位であり，黄色から赤色になるにしたがい板厚の減少値が大きくなる．図中に示すように，凸部の頂部よりやや下がった部分の板厚の減少値が大きくなり，最大で約15%減少していることがわかる．

2424

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4−φ10パイロットピン

捨て形状（可動）

図9 試作した鉄道車両用屋根材
３．４

プレス加工前のレーザ溶接適用の検討

本試験に用いたSUS301L鋼をレーザによって突合せ

図7 鉄道車両用屋根の解析モデル

溶接を行い接合した．レーザはファイバ伝送型であり，加工点のビーム径を0.6 mm，出力4.0kW，溶接速度6.0m/minとした．なお，レーザ照射点とその裏面にはArを供給している．レーザ照射部裏面へは，レーザ照射部の裏面に配置したチャネルにArを供給し，レーザプルームの成長を抑制させ，過度な溶融を防止した．レー
ザ溶接部の外観を図10に示し，断面写真を図11に示す．

-O. 150

図8 塑性加工の数値シミュレーション解析結果

３．３

シミュレーションモデルの妥当性検討

鉄道車両用屋根材に用いるSUS301L鋼の塑性加工数
値シミュレーションを，実験検討によって求めた物性値を用いて解析することができた．本シミュレーションモ
デルの妥当性を検討するため，図7に示す仕様の金型を

図10 レーザ溶接部の外観試作しプレス加工を行い，板厚の減少値を実測した．図（写真中央の上下に伸びる変色部分がレーザ溶接部である）

9に試験結果を示す．

2525

2013年１月

1.80
1.60

r値

1.40
1.20
1.00
0.80
0.60

r0r 45r 90

図13 SUS304鋼のr値の測定結果
また，試験によって得たSUS301L鋼の機械的特性を図11 レーザ溶接部の断面用いた塑性加工の数値シミュレーション解析では，実図10に示すレーザ突合せ溶接後のSUS301L鋼にプレ際に試作した屋根材と一致する傾向にあった．板厚の減ス加工を行った材料を図12に示す．溶接部からの破断少値は，シミュレーションでは最大15%であったが，実は無く健全な形成ができることがわかった．

測値では約16.7%であった．
板厚が減少することによって，機械的特性が変化すると考え，試験に用いた同様のSUS301L鋼を塑性加工（圧延）によって20%減厚させ，機械的特性を調査した．
また，レーザ溶接部の引張試験を行い破断箇所とその応力を求め，拡張性を検討した．図14に示すように板厚を20%減少させた材料の0.2%耐力と引張強度は，母材L方向の0.2%耐力646MPa，引張強度880MPaと比較し20%以上高くなっていることがわかった．圧延による減厚とプレス加工による伸びでは残留応力が異なり，耐力，強度ともに差があるが，減厚した分の耐力と強度の低下は補える範囲であると考える．
㻝㻟㻜㻜㻜㻚㻞䠂⪏ຊ䚸ᘬᙇᙉᗘ㻛㻹㻼㼍

図12 レーザ溶接後にプレス加工した材料の外観（凸部表面の変色部分がレーザ溶接部である）
考察

本試験で得たr 値はC方向が高い傾向にある．これと比較して図13に示すようにSUS304鋼ではD方向が高い㻝㻝㻜㻜㻝㻜㻜㻜

㻜㻚㻞㻑⪏ຊᘬᙇᙉᗘ

㻥㻜㻜㻤㻜㻜㻣㻜㻜㻸᪉ྥ㻰᪉ྥ

㻯᪉ྥ㻰᪉ྥ㻸᪉ྥ

㻯᪉ྥ㻰᪉ྥ

㻸᪉ྥ

すなわち，すべり方向が影響するためである．結晶構造がBCCの場合には，圧延率は高くなるとすべり方向㻯᪉ྥ傾向にある．これは，一般に r 値は圧延条件（圧延率），

㻰᪉ྥ

㻢㻜㻜

㻸᪉ྥ

４

㻝㻞㻜㻜㻯᪉ྥ

図14 20%減厚したSUS301L鋼の機械的特性が揃い圧延方向の r 値も高くなる。一方，ステンレス

また，図15にレーザ溶接部の引張試験結果を示す．図鋼板（FCC構造）の場合は，すべり方向が異なり，圧15から破断箇所は溶接部近傍の熱影響部が起点であり，延条件にもよるがD方向が高くなると考えられる．

その耐力は377MPa，引張強度は752MPaである．母材の耐力 646MPaに比べ，熱影響部の耐力と考えられる値は377MPaと大きく減少している一方，引張強度は母材880MPaに対し，752MPaであり減少はするが，耐総合車両製作所技報

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26

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力ほど減少の度合いは大きくない．これはレーザ溶接に著者紹介

伴い強度は低下するものの，耐力が低下し塑性加工しや及川昌志

すくなったとも考えられる．したがって，図12に示すよ博士（工学）
生産本部技術部（sustina）主任技師

うにSUS301L 鋼であってもレーザ溶接後に塑性加工できる可能性を得たと考える．

越川
図15 レーザ溶接部の引張強度の調査
５

純生産本部
生産管理部（生産技術）

結言

SUS301L鋼の機械的特性の調査と塑性加工数値シミュレーションモデルの妥当性を検証し，さらにはレーザ溶接後に塑性加工を行う探索的実験を行い次の結論を得た．
（1）SUS301L鋼の塑性加工に関わる基本的な機械的特性のうち r 値と成形限界特性を調査した．
（2）SUS301L 鋼の r 値と成形限界特性を用い，鉄道車両用屋根材の塑性加工数値シミュレーションを行った結果と，試作した金型によってプレス加工した実サンプルを比較し，板厚の一致を確認し，また，数値シミュレーションの妥当性を確認するとともに，その実用の可能性を得た．
（3）SUS301L 鋼に対して，レーザ溶接後にプレス加工するテーラドブランク加工を探索的に実施し，その実現の可能性を得ることができた．
今後はレーザ溶接部の詳細な解析を行い，課題の抽出と解決を行う．
参考文献（1）薄鋼板成形技術研究会，プレス成形難易ハンドブック
第3版，（2007），日刊工業新聞社

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2013年１月