特 集 【sustinaシリーズ S13 /S23 /HYBRID

吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
マグネシウム 合 金 は, 既 存 の 実 用 金 属 の 中 でも 軽 量 かつ 高 強 度 である. 現 在 の 高 速 鉄 道 車 両 にはアルミニウ
ム 合 金 が 使 用 されている. 将 来 においてアルミニウム 合 金 よりも 軽 量 であるマグネシウム 合 金 を 鉄 道 車 両 構 体
に 用 いるための 研 究 が 各 所 で 行 われている. 鉄 道 車 両 製 造 には 溶 接 が 必 須 技 術 である.アーク 溶 接 , 抵 抗 スポッ
ト 溶 接 が 鉄 道 車 両 製 造 における 溶 接 方 法 の 主 流 である.このほかに 近 年 ではレーザ 溶 接 や FSW も 広 く 使 用 さ
れている. 当 解 説 ではマグネシウム 合 金 のレーザ 溶 接 について 解 説 する.
当 社 の 製 造 する 鉄 道 車 両 の 大 半 はステンレス 鋼 製 であ
る.これは 主 に 通 勤 車 両 として 使 用 されている. 対 して
特 急 車 や 新 幹 線 車 両 においては 軽 量 なアルミニウム 合 金
が 使 用 されている.
車 体 が 軽 量 であることは 鉄 道 車 両 において 重 要 な 開 発
目 標 の 一 つである. 近 年 ,アルミニウム 合 金 より 軽 量 な
マグネシウム 合 金 を 鉄 道 車 両 用 の 材 料 として 使 用 する 動
きがある.マグネシウム 合 金 は 密 度 がアルミニウム 合 金
の 約 2/3であり, 大 幅 な 軽 量 化 が 見 込 まれる.
マグネシウム 合 金 はアルミニウム 合 金 同 様 に 圧 延 材 ,
押 出 形 材 の 製 作 が 可 能 である. 現 在 ,アルミニウム 合 金
製 車 両 はダブルスキン 押 出 形 材 を 溶 接 により 組 み 立 てて
いる.マグネシウム 合 金 製 車 両 についてはさまざまな 構
造 を 検 討 中 である.
マグネシウム 合 金 の 溶 接 については 種 々の 方 法 が 検 討
されている. 具 体 的 にはアルミニウム 合 金 製 車 両 の 主 な
溶 接 法 であるMIG 溶 接 ,TIG 溶 接 ,このほかにFSW,レ
ーザ 溶 接 等 である.
種 々の 溶 接 法 の 中 でレーザ 溶 接 には 施 工 上 の 利 点 とし
て 低 ひずみ, 高 速 溶 接 がある.これらをマグネシウム 合
金 製 車 両 の 製 造 で 実 現 するため,マグネシウム 合 金 の 溶
接 性 の 確 認 実 験 を 実 施 した.この 結 果 を「マグネシウム
合 金 のレーザ 溶 接 技 術 」として 解 説 する.
鉄 道 車 両 構 体 を 構 成 する 材 料 の 熱 物 性 を 表 1に 示 す.
ただし, 合 金 の 種 類 によって 物 性 値 が 異 なるため, 主 な
構 成 元 素 で 示 した.
表 1よりアルミニウムとマグネシウムでは,ほぼ 同 じ
融 点 , 比 熱 であることがわかる.ただし,マグネシウム
の 熱 伝 導 率 はアルミニウムの 約 2/3 程 度 である.マグネ
シウムと 鉄 では 融 点 , 比 熱 , 熱 伝 導 率 に2 倍 以 上 の 差 が
ある.マグネシウムは 熱 物 性 としてはアルミニウムに 近
い 性 質 がある.
材 融 点 点 比 熱 熱 伝 導 率 ・
質 材 ・ ()・ 融 点 ()・ 点 (J/kg・)・ 比 熱 (W/m・)・ 熱 伝 導 率 ・
Fe・ 質 ・ ()・ 1536・ ()・ 2860・ (J/kg・)・ 456・ (W/m・)・ 78・
Al・
Fe・ 1536・
660・ 2520・
2860・
917・
456・
238・
78・
Mg・
Al・
649・
660・
1090・
2520・
1038・
917・
156・
238・
Mg・ 649・ 1090・ 1038・ 156・
レーザ 溶 接 では 表 1の 熱 物 性 に 加 えて, 材 料 固 有 のレ
ーザ 波 長 に 対 する 吸 収 率 という 性 質 が 重 要 である.これ
は,レーザを 材 料 に 照 射 したとき,どれだけのエネルギ
が 吸 収 されるかを 示 すものである.ここではYAGレー
ザやファイバレーザ, 半 導 体 レーザの 波 長 に 近 い
1000nm 付 近 のデータを 表 2に 示 した.
表 2より,たとえば 鉄 の 場 合 は 吸 収 率 が 約 40%である
から, 投 入 したレーザのエネルギの 約 40%が 熱 となり 加
工 に 寄 与 する. 三 種 の 金 属 を 比 較 するとマグネシウムは
鉄 とアルミの 中 間 に 位 置 する 吸 収 率 を 有 していることが
わかる.
材 質 ・ Fe・ Al・ Mg・
吸 材 収 質 ・率 ・ 約 Fe・ 40%・ 約 Al・ 10%・ 約 Mg・ 25%・
吸 収 率 ・ 約 40%・ 約 10%・ 約 25%・
総 合 車 両 製 作 所 技 報
第 5 号
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