特開 2024-139190 鉄道車両構体の製造方法及び鉄道車両構体の接合構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024139190

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】鉄道車両構体の製造方法及び鉄道車両構体の接合構造

(51)【国際特許分類】

   B23K 11/14 20060101AFI20241002BHJP

【ＦＩ】

B23K11/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023050021

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】712004783

【氏名又は名称】株式会社総合車両製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】市川 龍

(72)【発明者】

【氏名】本馬 淳

(72)【発明者】

【氏名】宮田 博典

(72)【発明者】

【氏名】大塚 陽介

(72)【発明者】

【氏名】渥美 健太郎

(57)【要約】

【課題】ステンレス製鉄道車両構体の接合強度及び外観品質を確保することが可能な鉄道車両構体の製造方法及び鉄道車両構体の接合構造を提供する。
【解決手段】継手部材１５（内板部材）の溶接位置に凸部２３を半切加工（塑性加工）により形成し、部材合せ部２０の溶接位置をプロジェクション溶接により接合した。これにより、板厚（体積）が小さい凸部２３の連結部２８が通電初期の抵抗発熱により溶融し、潰れた凸部２３が半切加工により形成された凹部２７内に入り込む（押し戻される）ので、溶接位置の溶融が促進され、接合強度が確保される。また、吹寄せ部材３（外板部材）と電極との間に電極プレートを介在させたので、外観面（外側面６）に平坦な溶接痕を形成することが可能となり、高い外観品質を確保することができる。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外板部材と内板部材とを重ね合わせ、前記外板部材に押し当てられた電極と前記内板部材に押し当てられた電極との間に通電して板部材界面に溶融部を形成することにより前記外板部材と前記内板部材とを接合する鉄道車両構体の製造方法であって、
前記内板部材の溶接位置に、隣接する板部材に向かって突出する凸部を形成する工程を含み、
前記凸部は、前記内板部材を塑性加工することにより形成することを特徴とする鉄道車両構体の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車両構体の製造方法であって、
前記凸部は、前記内板部材を半切加工することにより円柱形に形成することを特徴とする鉄道車両構体の製造方法。

【請求項3】

請求項１に記載の鉄道車両構体の製造方法であって、
前記凸部は、前記内板部材を絞り加工することにより円錐台形に形成することを特徴とする鉄道車両構体の製造方法。

【請求項4】

外板部材と内板部材とを重ね合わせ、前記外板部材に押し当てられた電極と前記内板部材に押し当てられた電極との間に通電することで板部材界面に溶融部が形成される鉄道車両構体の接合構造であって、
前記内板部材の溶接位置には、塑性加工により形成された凸部が形成されていることを特徴とする鉄道車両構体の接合構造。

【請求項5】

請求項４に記載の鉄道車両構体の接合構造であって、
前記凸部は、前記内板部材を半切加工することにより円柱形に形成されていることを特徴とする鉄道車両構体の接合構造。

【請求項6】

請求項４に記載の鉄道車両構体の接合構造であって、
前記凸部は、前記内板部材を絞り加工することにより円錐台形に形成されていることを特徴とする鉄道車両構体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両構体の製造方法及び鉄道車両構体の接合構造に関し、特にプロジェクション溶接を用いた鉄道車両構体の製造方法、及び該製造方法により製造される鉄道車両構体の接合構造に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、鉄道車両における鉄道車両構体の外板２１の、腰板部分２１Ａ、吹き寄せ・窓周り部分２１Ｂ、及び幕板部分２１Ｃの内側に、断面ハット形状の内板パネル２５～２９を部分溶け込みレーザ溶接（以下「レーザ溶接」と称する）により接合することが記載されている。レーザ溶接の適用は、ステンレス製鉄道車両構体の外観品質を高めるうえで有利である。

【0003】

ところで、レーザ溶接は、応力が集中する側窓周縁部の四隅の接合強度を確保するのが難しいため、レーザ溶接を適用している場合であっても、当該側窓周縁部の四隅の接合にはスポット溶接が適用されていた。しかし、側窓周縁部の四隅は、鉄道利用者の目に触れやすい部位であるため、特に、塗装をしないステンレス製鉄道車両構体を有する鉄道車両においては、スポット溶接による圧痕が外観品質を損なわせる原因になっていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－３２９４１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、ステンレス製鉄道車両構体の接合強度及び外観品質を確保することが可能な鉄道車両構体の製造方法及び鉄道車両構体の接合構造を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の鉄道車両構体の製造方法は、外板部材と内板部材とを重ね合わせ、前記外板部材に押し当てられた電極と前記内板部材に押し当てられた電極との間に通電して板部材界面に溶融部を形成することにより前記外板部材と前記内板部材とを接合する鉄道車両構体の製造方法であって、前記内板部材の溶接位置に、隣接する板部材に向かって突出する凸部を形成する工程を含み、前記凸部は、前記内板部材を塑性加工することにより形成することを特徴とする。
また、本発明の鉄道車両構体の接合構造は、外板部材と内板部材とを重ね合わせ、前記外板部材に押し当てられた電極と前記内板部材に押し当てられた電極との間に通電することで板部材界面に溶融部が形成される鉄道車両構体の接合構造であって、前記内板部材の溶接位置には、塑性加工により形成された凸部が形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ステンレス製鉄道車両構体の接合強度及び外観品質を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】鉄道車両の鉄道車両構体の斜視図である。

【図2】吹寄せ部材の側窓周縁部の四隅（図中一側のみ表示）に羽目板部材及び継手部材が接合された状態を示す図である。

【図3】第１実施形態の説明図であって、部材合せ部が抵抗スポット溶接装置の一対の電極により挟圧された状態を示す概念図である。

【図4】第１実施形態における凸部の概念図である。

【図5】第１実施形態の説明図であって、部材合せ部が加圧された状態を示す概念図である。

【図6】第１実施形態の説明図であって、連結部が溶融して凸部が潰れた状態を示す概念図である。

【図7】第１実施形態の説明図であって、部材合せ部の溶接位置の部材界面にナゲットが形成された状態を示す概念図である。

【図8】第１実施形態の他の形態の説明図であって、部材合せ部が加圧された状態を示す概念図である。

【図9】第２実施形態の説明図であって、部材合せ部をインダイレクトプロジェクション溶接する工程の概念図である。

【図10】第３実施形態における凸部の概念図である。

【図11】第３実施形態の説明図であって、部材合せ部が加圧された状態を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を添付した図を参照して説明する。
第１実施形態では、図３に示されるように、鉄道車両構体１（図１参照）の側構えを構成する吹寄せ部材３と、該吹寄せ部材３の内側に設けられる羽目板部材１０と、吹寄せ部材３の側窓４の周縁部５（以下「側窓周縁部５」と称する）の四隅に配置される継手部材１５とを順次重ね合わせ、溶接位置Ｐ（図２参照）をプロジェクション溶接により接合する方法及び接合構造を説明する。便宜上、吹寄せ部材３（外板部材）と羽目板部材１０及び継手部材１５（内板部材）とを重ね合わせた部分（被接合部）を部材合せ部２０と称する。

【0010】

ここで、吹寄せ部材３、羽目板部材１０、及び継手部材１５の各部材は、従来の車両構体の各部材と同一である。よって、明細書の記載を簡潔にすることを目的に、吹寄せ部材３、羽目板部材１０、及び継手部材１５の形状等の詳細な説明を省略する。なお、第１実施形態では、吹寄せ部材３に板厚２．０ｍｍのステンレス鋼板、羽目板部材１０に板厚１．５ｍｍのステンレス鋼板、及び継手部材１５に板厚１．５ｍｍのステンレス鋼板が使用される。

【0011】

図４に示されるように、継手部材１５の設計上の各溶接位置Ｐには、外側面１６側に突出する凸部２３、換言すれば、隣接する羽目板部材１０の内側面１２に向かって突出する凸部２３が設けられる。該凸部２３は、プレス装置（図示省略）に装着された半切金型により継手部材１５を半切加工（塑性加工）することで円柱形に成形される。凸部２３の外側面１６からの突出高さＨ１は、例えば０．５～１．０ｍｍであり、継手部材１５の板厚Ｔ１よりも小さい。また、凸部２３の外径Ｄ１は、例えば３ｍｍであり、当該継手部材１５の板厚Ｔ１よりも大きく、かつ抵抗スポット溶接装置（図示省略）の電極３５の外径Ｄ２（図３参照）よりも小さい。

【0012】

なお、凸部２３の外径Ｄ１と、半切金型により凸部２３と同時に成形される凹部２７の内径ｄ１との差の１／２は、使用する半切金型のクリアランスによるが、例えば０．２ｍｍである。また、凸部２３の環状の連結部２８の板厚Ｔ２は、例えば０．５ｍｍであり、凸部２３の突出高さＨ１によるが、当該継手部材１５の板厚Ｔ１の１／３程度である。

【0013】

溶接装置には、抵抗スポット溶接装置（図示省略）を使用する。一方の電極３１（図３参照）には、先端部３２が平坦もしくは平坦に近い曲率半径の大きい電極を使用する。他方の電極３５、即ち継手部材１５の内側面１７（部材合せ部２０の内側面）に接触させる電極３５には、電極３１よりも先端部の曲率半径が小さいストレート形電極を使用する。なお、電極３１と吹寄せ部材３の外側面６（外観面）との間には、電極プレート３３を介在させる。

【0014】

そして、プロジェクション溶接工程では、図５に示されるように、まず、部材合せ部２０の溶接位置Ｐ（図２参照）を一対の電極３１，３５（図３参照）により挟圧する。この状態で、一対の電極３１，３５間に通電すると、溶接電流は、電極３１から、電極プレート３３、吹寄せ部材３、及び羽目板部材１０を経由し、継手部材１５の凸部２３の端面２４に入電される。凸部２３に入電された溶接電流は、凸部２３の環状の連結部２８、及び凹部２７の外周を通って電極３５へ流れる。

【0015】

このとき、相対的に板厚（体積）が小さい凸部２３の連結部２８が通電初期の抵抗発熱により溶融し、図６に示されるように、円柱形の凸部２３が潰れて凹部２７内に入り込むことにより、押し戻された凸部２３の周囲の溶融が促進される。この状態で、一対の電極３１，３５（図３参照）による加圧を維持し、通電を一定時間（サイクル）継続することにより、図７に示されるように、部材合せ部２０の溶接位置Ｐの部材界面にナゲット２１（溶融部）が形成される。

【0016】

第１実施形態では、加圧力（８．５ｋＮ）、通電時間（２０サイクル）、電流値（７．０ｋＡ）程度の溶接条件で、外径５．６ｍｍから６．４ｍｍのナゲット２１が形成され、部材合せ部２０の必要な接合強度を確保することができた。また、外観面（吹寄せ部材３の外側面６）には、凸部２３の外周に沿った円形の焼けが僅かに見られるものの、凹凸（圧痕）がない平坦な溶接痕が形成された。

【0017】

ここで、鉄道車両構体がレーザ溶接により接合されるステンレス製の鉄道車両構体では、接合強度を確保するため、側窓周縁部の四隅の接合にスポット溶接を用いていたが、側窓周縁部の四隅は、鉄道利用者の目に触れやすく、外観品質を確保するため、スポット溶接による圧痕の修正を要していた。

【0018】

これに対し、第１実施形態では、継手部材１５（内板部材）の溶接位置Ｐに、羽目板部材１０側へ（隣接する板部材に向かって）突出する凸部２３を半切加工（塑性加工）により形成し、吹寄せ部材３（外板部材）と羽目板部材１０及び継手部材１５（内板部材）とを重ね合わせて形成した部材合せ部２０の溶接位置Ｐを、一対の電極３１，３５により挟圧してプロジェクション溶接により接合した。

【0019】

第１実施形態によれば、板厚（体積）が小さい凸部２３の連結部２８が、通電初期の抵抗発熱により溶融し、潰れた凸部２３が半切加工により形成された凹部２７内に入り込む（押し戻される）ので、溶接位置Ｐの溶融が促進され、部材合せ部２０の溶接位置Ｐの部材界面に良好なナゲット径及び溶け込み率のナゲット２１（溶融部）を形成することができる。また、第１実施形態では、吹寄せ部材３と電極３１との間に電極プレート３３を介在させたことで、外観面（外側面６）に凹凸がない平坦な溶接痕を形成することが可能となり、圧痕の修正にかかる工数を削減することができる。このように、第１実施形態では、プロジェクション溶接による高い接合強度と高い外観品質とを両立することができる。

【0020】

ここで、図８に示されるように、継手部材１５の内側面１７に長方形の補強部材３７（図２参照）をさらに重ねて部材合せ部２０を形成し、補強部材３７の設計上の各溶接位置Ｐに、外側面４２側に突出する凸部２３、換言すれば、隣接する継手部材１５の内側面１７に向かって突出する凸部２３を半切加工により形成し、前述した溶接条件と同一条件で、当該部材合せ部２０の溶接位置Ｐをプロジェクション溶接により接合してもよい。なお、補強部材３７には、継手部材１５と同じ板厚１．５ｍｍのステンレス鋼板を使用した。

【0021】

この場合、部材合せ部２０の、補強部材３７が重ねられた部分の各溶接位置Ｐには、外径７．５ｍｍから８．５ｍｍのナゲットが形成され、必要とする接合強度を確保することができた。また、外観面（吹寄せ部材３の外側面６）には、前述した第１実施形態と同等の溶接痕を得ることができた。なお、溶接条件は、ステンレス鋼板の板厚や重ね合わせる板の枚数に応じて適宜設定する。

【0022】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９を参照して説明する。便宜上、第１実施形態の構成と同一又は相当する第２実施形態の構成については、同一の名称及び符号を付与する。
第１実施形態では、鉄道車両構体１（図１参照）の側構えを構成する吹寄せ部材３と、該吹寄せ部材３の内側に設けられる羽目板部材１０と、側窓周縁部５の四隅に配置される継手部材１５とを順次重ね合わせ、溶接位置Ｐをプロジェクション溶接により接合した。

【0023】

これに対し、第２実施形態では、側構体を構成する腰板４１（外板部材）と、長土台４５及び台枠を構成する側梁４７（内板部材）とを順次重ね合わせ、溶接位置（図示省略）をインダイレクトプロジェクション溶接により接合する。便宜上、腰板４１、長土台４５、及び側梁４７を重ね合わせた部分（被接合部）を部材合せ部５０と称する。

【0024】

ここで、腰板４１、長土台４５、及び側梁４７の各部材は、従来の車両構体の各部材と同一である。よって、明細書の記載を簡潔にすることを目的に、腰板４１、長土台４５、及び側梁４７の形状等の詳細な説明を省略する。なお、第２実施形態では、腰板４１に板厚１．５ｍｍのステンレス鋼板、長土台４５に板厚１．５ｍｍのステンレス鋼板、側梁４７に板厚３．０ｍｍのステンレス鋼板が使用される。

【0025】

第２実施形態では、長土台４５（内板部材）の溶接位置に、側梁４７側へ（隣接する板部材に向かって）突出する凸部２３を半切加工（塑性加工）により形成する。そして、第２実施形態におけるインダイレクトプロジェクション溶接工程では、抵抗スポット溶接装置（図示省略）の電極３１が部材合せ部５０の溶接位置に位置決めされる。このとき、電極３１と側梁４７との間には、電極３１側から順に、電極プレート３３、腰板４１、及び長土台４５が配置される。また、他方の電極３５（バック電極）は、側梁４７の下面４８に押し当てられる。

【0026】

この状態で、電極プレート３３を介して電極３１を部材合せ部５０の溶接位置に加圧接触させ、一対の電極３１，３５間に通電すると、溶接電流は、電極３１から、電極プレート３３、腰板４１、長土台４５に形成された凹部２７の外周、長土台４５に形成された凸部２３の環状の連結部２８、凸部２３、及び側梁４７を通って電極３５へ流れる。

【0027】

このとき、相対的に板厚（体積）が小さい凸部２３の連結部２８が通電初期の抵抗発熱により溶融し、円柱形の凸部２３が潰れて凹部２７内に入り込むことにより、押し戻された凸部２３の周囲の溶融が促進される。この状態で、電極３１による加圧を維持し、通電を一定時間（サイクル）継続することにより、部材合せ部５０の溶接位置の部材界面にナゲット２１（図７参照）が形成される。
第２実施形態では、前述した第１実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

【0028】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１０、図１１を参照して説明する。便宜上、第１実施形態の構成と同一又は相当する第３実施形態の構成については、同一の名称及び符号を付与する。
第１実施形態では、継手部材１５の溶接位置Ｐに、半切加工により成形した円柱形の凸部２３を形成した。

【0029】

これに対し、第３実施形態では、継手部材１５（内板部材）の溶接位置Ｐ（図２参照）に、絞り加工により成形した円錐台形の凸部５３を形成した。ここで、凸部５３の外側面１６からの突出高さＨ２は、継手部材１５の板厚Ｔ１よりも小さい。また、凸部５３の板厚Ｔ３は、継手部材１５の板厚Ｔ１よりも小さく、凸部５３の突出高さＨ２よりも僅かに大きい。さらに、凸部５３の円形の端面５４の外径Ｄ３は、継手部材１５の板厚Ｔ１よりも大きい。

【0030】

そして、プロジェクション溶接工程では、部材合せ部２０の溶接位置Ｐを一対の電極３１，３５（図３参照）により挟圧する。この状態で、一対の電極３１，３５間に通電すると、溶接電流は、電極３１から、電極プレート３３、吹寄せ部材３（外板部材）、及び羽目板部材１０（内板部材）を経由し、継手部材１５の凸部５３の端面５４に入電される。凸部５３に入電された溶接電流は、凸部５３と同時に成形された凹部５７の外周を通って電極３５へ流れる。

【0031】

このとき、相対的に板厚（体積）が小さい凸部５３が通電初期の抵抗発熱により溶融し、円錐台形の凸部５３が潰れて凹部５７内に入り込むことにより、押し戻された凸部５３の周囲の溶融が促進される。この状態で、一対の電極３１，３５（図３参照）による加圧を維持し、通電を一定時間（サイクル）継続することにより、部材合せ部２０の溶接位置Ｐの部材界面にナゲット２１（図７参照）が形成される。

【0032】

第３実施形態では、前述した第１実施形態と同等の作用効果を得ることができる。
なお、第３実施形態は、側構体を構成する腰板４１（外板部材）と、長土台４５及び台枠を構成する側梁４７（内板部材）とを重ね合わせた部材合せ部５０の溶接位置Ｐをインダイレクトプロジェクション溶接により接合する第２実施形態にも適用することができる。この場合も、第１実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0033】

１ 鉄道車両構体、３ 吹寄せ部材（外板部材）、１５ 継手部材（内板部材）、２３ 凸部、３１，３５ 電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】