JP2005313236A - 突き合わせ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビーム溶接装置を有して充填材料を使用することなく連続ライン処理設備で、とくに、溶接すべき帯状体の厚さを考慮して、順次の２個の帯状体間の溶接ビードの厚さを制御し、順次接合して連続帯状体にする方法を得る。
【解決手段】充填材料なしにレーザビームで突き合わせ溶接すべき帯状体の切断端縁１０，２０が互いに基準距離Ｄ′だけ離れるように帯状体をジョーＳ１，Ｓ２にクランプし、可動ジョーＳ２を移動量Ｃにわたり移動する。移動量Ｃは、基準距離Ｄ′とは、帯状体の厚さに関連して計算しかつ切断端縁１０，２０の位置精度および切断精度を考慮したプリセットあそび量だけ異なるものとする。このプリセットあそび量は＋側もしくは−側にとり、このプリセットあそび量の＋側、−側もしくはプリセットあそび量に等しい実際許容値をとる最終溶接位置が、切断端縁１０，２０間に得られるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームによって２個の帯状体、例えば、シートメタルを突き合わせ溶接する方法に関するものである。この方法は、とくに、鉄鋼業界で使用されている基地の連続ライン処理設備の入口でシートメタルリール相互を接合する溶接に適用する。

実際、製鉄、変形およびコーティングラインは、今日連続稼動向けに設計されており、中間のリールを製造する、したがって、時間と材料を浪費せずに幾つかのプロセスをチェーン式に結合して処理するようにしている。

このため、このうような設備は、入口部に溶接でリール相互を接合する部分を設ける。このような溶接作業を行う種々の手段があるが、一般的には、溶接部は、リールを接合することによって生ずる特別な問題に対処しなければならない。

溶接機は、一般的には、２個のクランプ手段を有し、これらクランプ手段は、シートメタルを固定する２個のジョーを有する。一方のクランプ手段は、帯状体即ち、シートメタルが移動する方向に見て下流側に配置し、ラインに挿入されていたリールに属する帯状体の尾部を固定し、他方のクランプ手段を上流側に配置し、先行する帯状体に接合すべくラインに挿入しなければならない帯状体の先頭部を固定する。

種々の心決め装置によって、ジョー間にクランプする前に、双方のリールのシートメタルを整列させることができる。溶接機は、さらに、接合すべき帯状体の端部を正確かつきれいに切断することができる一体剪断部材を有する。剪断部材の作用は、得られる溶接ビードの品質および厚さにとって重要である。

既知のように、最も一般的なやり方としては、帯状体の端部を準備する最終切断を溶接機で行う。シートメタルは、クランプジョーから突出した状態で固定し、シートメタルをクランプしているジョーの端部に対して各シートメタルに僅かなオーバーハング（突出）量を生ずるよう、シートメタル端部を正確な寸法に切断することができるようにする。実際、シートメタルの端部が変形せずに正しい挙動を示すようにするため、ジョーは、このジョーに近接するエネルギ源から発生する熱を吸収する危険がある塊状部分であり、したがって、溶接プロセスはジョーに接近させ過ぎないで行うべきである。

ライン上で行うプロセスのタイプにしたがって、溶接ビードの厚さは、考慮すべき重要なパラメータである。この厚さは、接合すべきシートメタルの厚さに等しい値、または異なる値とし、過剰な厚さは容認できるか、できないかのいずれかである。

原則的には、溶接の確かさの現れであるめ、所定の過剰厚さを生ずるよう溶接することが望ましく、プロセスラインは、設備の作動回復までの長い停止を招く溶接破断を容認できない。

しかし、種々のプロセスは、過剰な厚さは容認できない。

とくに、圧延ラインもしくは連続圧延ラインに結合されるのが一般的なエッチングラインは、入口部で同一面突き合わせ溶接機を有し、生じた未処理溶接ビードは、ラインに配置する帯状体バックアップロールに損傷を与え、またロールスタンドのロール間を通過するときに破断を生ぜしめるような不規則なパッド部分を有する。したがって、溶接機は、接合するシートメタルの各々の厚さよりも僅かな寸法までパッドを減少できる平削り機もしくは研磨機を装着する。しかし、このような平削りによる機械加工は、とくに、平削り機が誤整列を引き起こしていたり、ツールが損傷していたりした場合に溶接ビードを脆弱化させる。

他のラインでは、使用する溶接機が、双方のシートメタルを部分的にオーバーラップさせて溶接プロセスを行わなければならないキャスタータイプの場合がある。このような溶接箇所は、溶接を行っているときに溶接キャスターホイール自体、また特別に設計したローラでつぶれることもある。注意しているにもかかわらず、溶接ビードは、厚さが０．３ミリメートル〜１ミリメートルのオーダーである場合のシートメタルの厚さの約１０％にもなる過剰厚さの溶接ビードを生じ、また約０．１５ミリメートルの極めて薄いシートメタルにとってはその厚さよりもずっと大きい厚さとなる場合がある。このような過剰厚さは、スキンパスロールスタンド(skin pass roll stand)を有するラインにおいては容認されるが、他の場合、例えば、過剰厚さがラインの出口側でエンボスされ、シートメタルに多数の渦巻き痕跡を生ずる光沢亜鉛メッキしたシートメタルでは容認できない。

他の技術、例えば、プラズマ溶接、マイクロプラズマ溶接、およびレーザ溶接も、帯状体を溶接して接合するのに使用される。プラズマ溶接に関連する欠点は、熱の影響を受ける領域が拡大し、この領域における金属の硬化を生じ、溶接ビードを一層脆弱化する点である。しかし、このような欠点は、極めて薄いシートメタル用に使用されるマイクロプラズマ溶接によって解決された。ただし、この処理は、とくに、小さい寸法部分の溶接に使用され、極めて幅広いシートメタル用には向かないものである。

基本的に、レーザ溶接は、熱の影響を受ける領域が少ないので、レーザ溶接はこのような問題点を解決する。しかし、極めて高い精度の切断が必要とされる。実際、ビームの極めて小さい寸法を考慮すると、シートメタルが厳密に連続していない場合、加熱されないもしくはほとんど加熱されない部分があり、したがって、溶接ビードの品質が悪くなる問題がある。

まず切断作業をする前に、帯状体の厚さに適用される適正なオーバーハング量および切断角度を選択し、次にレーザ溶接作業をする前に、プレートの一方を他方のプレートに対して同一平面上に整列するよう回転させることにより、長さ全体にわたり評価される溶接される帯状体の端部間の最大間隔を短くするものがある。（例えば、特許文献１参照。）しかし、この手法は、得られる溶接ビードの品質の問題点を部分的にしか解決しない。即ち、間隔が依然として大きいからである。さらに、帯状体を整列させる装置は複雑なのもであり、また実施するのが高価となる。
米国特許第４，６２６，６５１号明細書

この欠点を解決するため、レーザビームを掃射するとき大きな力でシートメタルの端縁相互を互いに押し付け合い、端部間のギャップのなくすようにすることが提案された。しかし、金属がペースト状になって溶接部分が球根状に膨大し、制御しなければならない過剰厚さの問題点が再浮上する。さらに、この手法は、極めて薄い厚さのものには適用できない。実際、クランプジョーの端縁に対するシートメタルのオーバーハング量のため、過剰圧力は、シートメタル端部を屈曲させる。

帯状体の端部相互に圧力を加えることを回避するため、端部を完全に直線的かつ平行に保持する。シートメタルの案内および心決めをする種々の装置によって、できるだけ整列および位置決めを行い、次に例えば、ギロチンタイプの機械的剪断部材を使用して、もしくはレーザビームを使用して端部を切断する。帯状体の端部を準備するシーケンス後に、双方のシートメタルを互いに隣接させ、溶接プロセスをレーザビームによって行う。

並進および回動機構を使用して帯状体を整列させることも既知である。（例えば、特許文献２参照。）この既知の装置では整列を行うため、光学的装置により制御すべき双方のシートメタルの端部間の間隔を維持する。電流を制御する磁気クランプ手段により、極めて薄いシートメタルを変形を生ずることのないように不動に固定する。
しばしば重複されるこのような装置は、溶接装置の価格を押し上げ、またその実施のシーケンスも帯状体接合サイクルを比較的長くする。
さらに、これら作業のすべて、並びにシートメタルおよびジョー自体の移動および位置決めは、ある程度の不正確さをもって行われてきた。帯状体端部相互の公差範囲をゼロにするのが目的ではあるが、操作の数が増えれば増えるほど、端縁を突き合わせるときに得られる許容範囲の値に関する不正確さは増大する。
したがって、このような不正確さを考慮し、また極めて正確な光学的制御に失敗した場合、シートメタルの端部が極めて小さい許容範囲で突き合わさるか、もしくは課題な許容範囲で突き合わさるかの危険性がある。
米国特許第４，８５４，４９３号明細書

このような不正確さは百分の数ミリメートルに達し、ジョーが移動に関する公差に注意を払わないで公称移動量の移動を行うと、場合によっては、シートメタルは、百分の２または３ミリメートルだけ互いに押し付け合わされたり、同じ程度のオーダーのギャップがシートメタル端部間に残存したりすることになる。このことは、溶接ビードの品質に極めて有害であり、シートメタルの端部間の許容範囲に関して得られる結果がつねに同一ではなく品質にムラを生ずることになる。シートメタルは、ジョー間でオーバーハング量が２または３ミリメートル程度の僅かなものになるように位置決めされるのが一般的であり、百分の２または３ミリメートルの過剰移動はすでに大きな圧力を発生することになり、接触する端部が発熱して一層大きな膨張を生じ、圧力がさらに増大することにさえなる。

厚さのあるシートメタルに対しては、この現象は、溶接ビードに過剰な厚さを生ずることになる。厚さが薄い（例えば、０．１５ミリメートル〜０．３５ミリメートル）シートメタルに対しては、上述のような圧力が端部を屈曲させ、溶接ビードの品質を損ねる。逆に、互いに接近させる移動距離が不十分であると、溶接ビードは破断し、帯状体接合がもろくなる。

本発明は、レーザビーム溶接装置を有して充填材料を使用することなく連続ライン処理設備で、とくに、溶接すべき帯状体の厚さを考慮して、順次の２個の帯状体間の溶接ビードの厚さを制御することができる方法によって上述の問題点のすべてを解決することを目的とする。

本発明は、全般的に、連続ライン処理設備で、レーザビームもしくはレーザビームに等価の手段を使用し、充填材料を使用することなく、長手方向に順次に移動する２個の帯状体を突き合わせ溶接する方法であって、移動方向に見て第１帯状体の下流側端部と第２帯状体とを、２個の二重式ジョーによるクランプ手段によってそれぞれ保持し、充填材料を使用することなく前記レーザビームを照射することによって溶接し、またクランプ手段によりクランプおよび固定した後に直線的かつ互いに平行となる２個の端縁を生ずるよう前記帯状体の端部を切断し、これら端部をジョーの対応端部からオーバーハング量だけ互いに離れた状態にし、次に前記クランプ手段を互いに接近する方向に相対移動することにより前記切断端縁を接触させ、前記端縁間の接触面に沿って前記レーザビームを掃射することにより溶接ビードを形成することよりなる突き合わせ溶接方法に関するものである。

本発明はこのような突き合わせ溶接方法において、前記切断端縁を切断後に基準距離だけ互いに離れた状態にし、前記クランプ手段を互いに接近する方向に移動させる操作を、前記基準距離とはプリセットあそび量の分だけ異なる移動量にわたり移動制御し、前記プリセットあそび量は予め帯状体の厚さに関連させるとともに、前記切断端縁の位置決め精度および切断精度を考慮して計算するものとし、また前記プリセットあそび量は、接近させる移動量を決定する上での基準距離に対して引いたりもしくは足したりする公差範囲の＋側もしくは−側のあそび量として設定し、前記双方の帯状体の端縁間に、前記プリセットあそび量に等しい＋側もしくは−側の実際許容値が存在するよう最終溶接位置をとるよう移動させることを特徴とする。

本発明の第１実施例として、予めの計算により、−側もしくはゼロのプリセットあそび量、および−側もしくはゼロの値の実際許容値となるようにすることにより、溶接ビードは、溶接すべき各帯状体の厚さよりも僅かに厚い厚さにすることができ、過剰な厚さを制御することができる。

本発明の他の実施例として、計算ステップにおいて、プリセットあそび量、および次にゼロでない＋側の値の実際許容値を求めることにより、溶接すべきシートメタルの各々の厚さよりも僅かに薄い溶接ビードを得ることができる。

好適な実施例においては、プリセットあそび量を計算するため、シートメタルの各端部の切断精度、可動ジョーの位置決め公差、およびシートメタルの端部における膨張を考慮し、オーバーハング距離の合計Ｌ１＋Ｌ２の最大値で、最終溶接位置における実際許容値を取得し、この実際許容値は、プリセットあそび量の選択した値に基づき、シートメタルの厚さの関数として溶接ビードの厚さを制御することができる公差範囲内に含まれるものとする。

一般的に、クランプ手段のうちの一方を固定し、他方を、切断後に双方の帯状体の端縁を相対的に接近させるよう、クランプ手段のうちの一方を固定し、他方を可動とする。

好適な実施例においては、可動ジョーの位置は、予期される公差範囲内の実際許容値を得るため、少なくとも１個の調整自在な機械的止め部に対する可動ジョーに関連する基準面を適用することによって得る。

好適には、ジョーを最終溶接位置に接近させるステップ後に、双方の帯状体間に存在する残余許容値を測定し、可動ジョーの移動限界を調整する止め部の位置を変更することによってこの残余許容値で可動ジョーの位置を修正する。

好適な実施例においては、可動ジョーを最終溶接位置に配置した後、双方の帯状体間に存在する残余許容値を一つのポイントで測定し、可動ジョーの移動限界を調整する止め部位置を測定値に等しい差分量だけ変更するにより可動ジョーの位置を修正する。

他の好適な実施例においては、可動ジョーを最終溶接位置に配置した後、双方の帯状体間に存在する残余許容値を二つのポイントで測定し、可動ジョーの移動限界を調整する止め部位置を二つのポイントでの測定値の差分量だけ変更するにより可動ジョーの位置を修正する。

本発明の好適な実施例においては、溶接すべき帯状体の端部の切断ステップは、ブレード剪断装置を使用する。

本発明の好適な実施例においては、溶接すべき帯状体の端部の切断ステップは、溶接ビームを発生するレーザとして同一光源を使用したレーザビームにより行う。

次に、図面につき本発明の好適な実施例を説明する。

一般的には、シートメタルのような帯状体（バンド）を溶接によって接合する装置は、帯状体を互いに接近させるバンドクランプ手段と、帯状体の端部を切断する切断手段と、図示しない溶接装置とを有する。

図１に、本発明方法を説明するため、レーザ溶接装置の構成部材の一般的構成を示す。通常クランプジョーと称されるクランプ手段Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ２個のジョーを有しており、帯状体が移動する平面と同一レベルに位置する下側ジョー１１，２１と、垂直方向に可動の上側ジョー１２，２２とによりなる。これらクランプ手段Ｓ１，Ｓ２は、距離Ｄだけ互いに離れた位置にある状態を示し、この距離Ｄは、順次の２個の帯状体Ｍ１，Ｍ２の端部をカットすることができる距離である。帯状体がＳ１からＳ２の方向に移動する場合、Ｓ１は入口ジョー、Ｓ２は出口ジョーと称される。帯状体の端部１，２を切断するため、剪断手段が位置Ｘ１，Ｘ２に配置され、これら切断位置は、ジョーＳ１の端縁１３からの距離Ｌ１、およびジョーＳ２の端縁２３からの距離Ｌ２の位置となる。第１リールの端部が移動するとき、帯状体の尾端は、ジョーＳ２の端縁の僅かに上流側で距離Ｄよりも小さい任意の距離に停止させておく。次に、剪断部材を、ジョーＳ２の端縁２３からオーバーハング量Ｌ２だけ突出する位置Ｘ２で帯状体の端部２を切断するよう挿入する。さらに、次のリールからの帯状体Ｍ１の先端を、入口ジョーＳ１から距離Ｄよりも小さい任意の長さだけ突出させることにより、装置に挿入する。このとき、剪断部材を位置Ｘ１に挿入し、入口ジョーの端縁１３に対してオーバーハング量Ｌ１だけ突出させて帯状体Ｍ１の端部１を切断する。このすべてのプロセスは、種々の文献に記載されており、キャスター型(castor-type）溶接機のような他のタイプの溶接装置と原理は変わらず、装置および動作についての詳細を説明する必要はないであろう。切断部材はシングルタイプとするか、もしくは２個の異なる切断手段を有する装置とすることができる。好適には、ギロチン型の機械的剪断装置とするか、もしくはレーザビームを使用して帯状体を切断することもできる。好適には、同一の切断部材を使用して双方の帯状体の端部１，２を切断し、好適には、互いに平行な切断端縁１０，２０が得られるようにする。

このとき、本発明による方法を実施することができ、双方の帯状体の端部相互を突き合わせ、溶接ビードの厚さが望ましくなるよう制御しつつ溶接する。このようにするため、双方のジョーの少なくとも一方を移動させ、他方のジョーに接近させる。例えば、出口ジョーＳ２を適宜移動させる。この場合、並進するよう案内される図示しない構体に取り付け、帯状体の移動軸線に平行に移動させる。このようにするため、帯状体の移動ゾーンの外側で両側に配置した２個のアクチュエータの作用の下に移動させる。これらアクチュエータには、可動ジョーの走行を制御できる位置センサを装着する。

しかし、本発明による実施例では、アクチュエータにより可動ジョーを調整自在の機械的止め部に押し付ける。この調整自在の止め部は、このとき、可動ジョーが随行する正確な移動量Ｃを精度高く決定する。好適には、止め部は、可動ジョーの各側面に配置し、各移動制御アクチュエータの移動をたどるようにする。この調整自在の止め部は、楔形タイプとし、楔相互を相対移動することによって調整する。ギヤモータおよびねじ‐ナット装置により、楔の移動を制御することができる。モータのシャフトに取り付けたパルスジェネレータタイプのセンサによれば、楔の位置、および止め部の位置を極めて正確に調整することができる。同一のモータにより、両側に配置した双方の止め部を同期させて制御すると好適である。移動の終了時では、可動ジョーに一体の基準面が機械的止め部に当接する。

本発明の好適な実施例においては、さらに、例えば、楔形タイプの調整自在止め部の各々に、調整手段を組み込む。この場合、パルスジェネレータを両方の制御モータの各々に組み込み、異なる作用を行うことができるようにする。このことにより、必要に応じて、各止め部を独立的に調整し、帯状体の端部における平行誤差のような非対称切断欠陥に気付いた際の補正を行うことができる。

Ｄは、互いに離れたジョーの双方の端部１３，２３間の初期距離であり、この距離内に双方の帯状体の端部が配置され、また切断され、切断端縁１０，２０が互いに平行になりかつ基準距離Ｄ′＝Ｄ−（Ｌ１＋Ｌ２）だけ互いに離れる。

可動ジョーＳ２の移動量Ｃは、理論的には、切断端縁１０，２０が接触するためのこの基準距離Ｄ′に等しい。

しかし、本発明によれば、実際の接近移動量Ｃは、溶接ビードの厚さを制御するための基準距離Ｄ′とは僅かに異なり、この差である（Ｄ′−Ｃ）は、プリセットの遊びｅ（＋側または−側）に等しく、切断端縁の精度およびジョーの位置決め精度を考慮して、シートメタルの厚さの関数として予め計算される。

ジョーＳ１、Ｓ２を、このように計算した移動量Ｃにわたり互いに接近させた後、ジョー間の実際の距離Ｌは、双方のシートメタルの端縁１０，２０間で、プリセットの遊びｅとして、＋もしくは−の同一符号を有する実際の許容あそび量Ｊ＝（Ｄ′−Ｃ）は、シートメタルの厚さの関数として溶接ビード厚さを制御できる公差範囲内になる。

＋側の許容あそび量Ｊは、双方の帯状体の端縁１０，２０間に僅かな間隙があるときに相当し、一方−側の許容あそび量Ｊは、移動量Ｃが帯状体間の端部接触に理論的に対応する基準距離Ｄ′よりも大きいため、端縁を絞り込むのに相当する。

実際的には、Ｌ１およびＬ２は、溶接すべきシートメタルの厚さに関連して設定したオーバーハング量であり、ジョーの移動量Ｃは、ジョーの端部１３，２３間の最終距離であるＬ＝（Ｄ−Ｃ）を得るよう止め部によってプリセットしたものであり、＋側もしくは−側の実際の許容あそび量Ｊ＝Ｌ−（Ｌ１＋Ｌ２）となる。互いに溶接すべきシートメタルの厚さにしたがって計算されたプリセットあそびに対応する実際の許容あそび量により、厚みのあるシートメタルのための 僅かなアンダー厚さ、および薄いシートメタルのための僅かなオーバー厚さを確実にする。

実際、上述したように、シートメタルの厚さにしたがって、＋側の実際許容あそび量にするか、ゼロあそび量にするか、−側の許容あそび量にするかを決めるのが望ましい。

例えば、ギロチンタイプの通常の機械的剪断部材を有する従来型切断装置においては、得られる精度は、±０．０２ミリメートルである。さらに、本発明による装置では、可動ジョーの移動は、＋０／＋０．０２ミリメートルの精度が得られるよう調整することができる機械的止め部によって制御する。レーザビーム溶融タイプの切断装置を使用する場合には、より高い精度、例えば、±０．０１ミリメートルが想定される。

金属の局所的溶融を引き起こすレーザビームによって行われる加熱サイクル中、オーバーハングゾーン全体の温度は上昇し、帯状体の端部の膨張を引き起こす。したがって、このオーバーハングゾーンは、レーザによって加熱されたゾーンに僅かな増長が見られ、帯状体端部相互がより一層接近するようになる。

したがって、各端部に３ｍｍのオーバーハング量を持ってジョー間に意義する６ｍｍの厚さのシートメタルに対しては、各端縁に約８．８マイクロメートル（ミクロン）の膨張量となることが計算されている。デフォルト（標準）で計算されるこの値は、端部相互を０．０２〜０．０２５ミリメートル程度にわたり一層接近させる。

例えば、オーバーハング量が１．５ｍｍで厚さが０．２ｍｍの薄いシートメタルに対しては、溶接プロセス中の膨張は、各端縁につき５．７マイクロメートル（ミクロン）となり、即ち、全体的に端部相互を０．０１〜０．０１５ミリメートル程度一層近接させる。これらの値は、固定ジョーに向かう可動ジョーの追加移動量δとして見なされる。

したがって、可動ジョーの移動を決定するために、溶接すべきシートメタルの厚さに関連する精度および後の用途に基づいて計算したプリセットあそびを設定することが重要である。

図２は、比較的厚い（数ミリメートルの）シートメタルの溶接ビードの形成状態を線図的に示す。

帯状体Ｍ１，Ｍ２の双方の端部にレーザビームで発生する熱の作用の下に、液状メタル帯状部Ｂが形成され、表面張力Ｆ，Ｆ′の作用の下にバランスがとれている。実際、双方とも、一方では重力の作用（Ｐ＝ｍｇ）を、他方では、帯状部の端部の表面に現れる表面張力を受ける。これら値Ｆ＝∬t.ｄｓ（ただし、ｔは表面張力の値、ｄｓは表面要素とする）である。

金属、とくに、スチールの表面張力現象は、よく知られており、例えば、連続鋳造プロセスにおけるメニスカス形成における数多くの研究の主題である。

厚いシートメタルの場合、表面要素は重要であり、金属浴（メタルバス）Ｂを支持する力は、かなり大きい。溶接ビードを形成するため、可動ジョーを、＋側の公差範囲内に位置決めし、このとき、図２に示すように帯状体Ｍ１，Ｍ２の少なくとも上面に僅かに窪んだ溶接ビードを生ずる。反対に、厚さのオーダーが１０分の数ミリメートルの極めて薄いシートメタルの場合、液浴Ｂを支持する表面張力を発生する表面要素は、極めて小さい。浴の重量は、帯状体Ｍ１，Ｍ２の端部間の距離を短くすることによって減少する。このような場合、可動ジョーの位置は、公差範囲を−側もしくはゼロに選択する。

双方の位置決めの場合を図３Ａおよび図３Ｂで示し、これら図面においては、溶接位置に接近させた後の固定ジョー１の端部１３と可動ジョー２の端部２３との相対位置を線図的に示す。

実験例１
図３Ａは、それぞれ数ミリメートルの厚さを有する２個の帯状体を、ギロチンタイプの機械的剪断部材を装着した溶接機で突き合わせ溶接する場合を示す。これらシートメタルの厚さは、後工程で冷間ロールスタンドにおいて減少する。したがって、溶接ビードが何ら過剰な厚さを呈しないことが重要である。さらに、シートメタルの厚さを考慮すると、液状の金属浴は、十分に供給され、また反対側の表面には表面張力によって金属浴を支持する大きな面積を有する。

上述したように、機械的剪断部材により得られる切断精度は±０．０２ｍｍである。可動ジョーの機械的止め部に対する位置は、＋０／＋０．０２ｍｍの公差範囲内で得られ、溶接中のオーバーハング部分の膨張は、δ＝０．０２〜０．０２５ｍｍである。

オーバーハング量Ｌ１，Ｌ２を考慮すると、帯状体の端縁間の単なる接触を生ぜしめるには、可動ジョーの端部２３′を、固定ジョーの端部１３から距離Ｌ１＋Ｌ２だけ離して配置するが、各端縁の切断の際の不確定要素±０．２ｍｍを考慮すると、この距離は、０．０４ｍｍだけ増減し、可動ジョーの端部の理論的位置２３′は、図３Ａで見て、ポイント２３′ａと２３′ｂとの間に位置する。

本発明によれば、可動ジョーの移動量Ｃは、比較的厚いシートメタルの場合に＋側であるプリセットあそび量ｅだけジョーの端部間の距離Ｌが、合計Ｌ１＋Ｌ２の値と異なるように決定する。

しかし、オーバーハング量Ｌ１およびＬ２、並びに位置決め公差＋０／＋０．０２ｍｍを増大させる膨張δを考慮しなければならない。

可動ジョーの端部の理論的位置２３′と、実際の位置２３との間のプリセットあそび量ｅは、したがって、この公差即ち、０．０２ｍｍだけ減少する。

この場合、本発明によれば、可動ジョーがＣ＝Ｄ−Ｌの移動量に追随し、Ｌがオーバーハング量の合計よりも小さく、Ｌ＋δ＝Ｌ１＋Ｌ２＋ｅの関係を有するように調整自在の止め部を配置する。

図３Ａに示すように、可動ジョーの端部２３は、シートメタルの端縁１０，２０間の＋側の実際許容値の公差範囲内に位置させ、ポイント２３′ａと２３ａとの間の距離に対応する最小許容値Ｊmin と、ポイント２３′ｂと２３との間の距離に対応する最大許容値Ｊmax とにより構成される。

帯状体の厚さおよび公差の上述の値によれば、＋側のプリセットあそび量ｅ＝＋０．１ｍｍを選択し、実際の許容範囲がＪmin ＝０．０４ｍｍと、Ｊmax ＝０．１４ｍｍとの間の値となり、このことにより、すべての場合に溶接ビードを僅かに沈み込ませることができる。

この調整のタイプは、例えば、厚さが１ミリメートルと数ミリメートルとの間の範囲である熱間ロールスチールリールを接合する場合に使用する。このようなリールは、火花突き合わせ溶接によって接合するのが一般的であり、次に溶接ビードを削らなければならない。即ち、このようなリールは、厚さを減少するよう冷間で巻き取り、この巻き取り操作はいかなる過剰な厚さも容認できないためである。

本発明方法は、接合すべきシートメタルよりも僅かに薄い溶接ビードが得られ、いかなる削り出しも不要であるため、より一層信頼性の高いレーザ溶接ビードを形成することができる。

実験例２
図３Ａとは逆に、図３Ｂは、１０分の数ミリメートル、例えば、１０分の１ミリメートルしかない厚さの極めて薄いシートメタルの場合を示す。

この実験例では、２個のシートメタルをレーザビーム突き合わせ溶接で接合し、この溶接機は、レーザビームによって溶融分離で帯状体の端部を切断することもできる。

この溶接機においては、切断精度は、±０．０１ｍｍと予想され、調整自在の止め部を使用する可動ジョーの位置決め精度は、＋０／＋０．２ｍｍとする。０．２ｍｍの厚さのシートメタルの場合、帯状体Ｍ１，Ｍ２の端部は、約１．５ｍｍのオーバーハング量でジョーＳ１，Ｓ２にそれぞれ保持し、このような場合、レーザビーム加熱で生ずる総膨張は０．０１〜０．０１５ｍｍの間となる。

上述の場合、端部間の接触のみに対応する可動ジョー２の端部の理論的位置２３′は、ポイント２３′ａとポイント２３′ｂとの間であり、切断精度が±０．０１ｍｍのときには０．０４ｍｍ離れた位置にする。

膨張δを考慮し、ジョーが接近した後には、可動ジョーの端部の有効位置２３は、固定ジョーの端部１３からＬ＋ｄに等しい距離に配置する。薄いシートメタルの場合、調整自在の止め部は、可動ジョーが距離Ｃ＝Ｄ−Ｌにわたり移動するよう位置決めし、この距離は、基準距離Ｄ′よりも僅かに大きいものとし、この場合、あそび量ｅは−側にとる。

図３Ｂに示すように、可動ジョーの位置決め精度を考慮すると、可動ジョーの端部２３は、−側の実際許容値になる即ち、２個のシートメタルが緩衝する公差範囲に配置する。シートメタルの端縁１０，２０間における−側の実際許容値は、ポイント２３とポイント２３′ｂとの間の距離に対応する最小許容値Ｊmin と、ポイント２３ａとポイント２３′ａとの間の距離に対応する最大許容値Ｊmax との間となる。

厚さおよび精度の上述の数値によれば、プリセットあそび量ｅ＝−０．０３ｍｍを選択し、Ｊmin ＝−０．０１ｍｍと、Ｊmax ＝−０．０７ｍｍとの間の−側の実際許容値とする。

この精度の場合、公差範囲内に選択した調整移動によれば、膨張δは、２個の薄いシートメタルを互いに接触状態に維持し、過剰圧力が屈曲を生じない程度に小さく、しかし金属浴Ｂを支持する程度に大きく、不連続性のない品質の高い溶接ビードを形成する。

しかし、シートメタルＭ１，Ｍ２の厚さによれば過剰の厚さを生じ、この調整方法を、冷間ロール機で順次に処理しないシートメタルに使用する。

例えば、スキンパスロールスタンドおよび整形機に適合することができる亜鉛めっきラインでは、溶接は、キャスタータイプの溶接機によって行い、帯状体の厚さの１０％のオーダーにもなる過剰厚さも完全に容認されることが知られている。本発明方法によれば、このタイプの溶接ビードは、完全に信頼できる状態で実現でき、過剰厚さもゼロに近い値まで減少できる。

このようにして、本発明によれば、帯状体の厚さに関連し、また溶接ビードの厚さを制御するための精度を考慮して、＋側の実際許容値、または−側実際許容値、またはゼロの実際許容値を得ることができる。

しかし、場合によっては、常に＋側の実際許容値をとるように測定するのが望ましい場合もある。本発明の好適な実施例においては、本発明方法に、可動ジョーＳ２を位置決めした後に帯状体Ｍ１，Ｍ２の端部相互間の残余間隙を測定し、調整自在止め部の位置の測定値を修正することを含めるようにする。

このようにすることによって、後工程において、公差範囲によって保証されない溶接ビードの高い品質が要求される場合に、本発明方法を予調整として使用し、この後帯状体Ｍ１，Ｍ２の端部相互間の残余実際許容値を測定し、この測定した値だけ調整自在の機械的止め部を移動することによって可動ジョーＳ２ょ位置を修正するようにする。

実際、好適な実施例においては、楔型装置で調整自在にした止め部を使用する。この場合、可動ジョーには止め部に衝合するアクチュエータを恒久的に取り付ける。移動が完了した後、楔型装置は、負荷状態での調整を変更することができる。シートメタルの双方の端縁１０，２０間の実際許容値を所定位置で一度測定するため、米国特許第４，８５４，４９３号に記載されているような光学的システムを使用するか、又は他の適当な磁気的、空気的、もしくは容量的装置を使用することができる。

双方の止め部を互いに独立的に調整する特別な実施例では、双方のシートメタル間の２ポイントにおける実際許容値を測定し、例えば、誤整列のある２個の機械的剪断部材が剪断装置に初期的に装着されているような切断欠陥が予想される平行関係誤差を保証することもできる。

最後に、本発明の特別な実施例においては、帯状体Ｍ１，Ｍ２の端部１，２の切断ステップをレーザビームの溶融分離によって行うことができる。このとき、同一のレーザ光源を双方のビームを発生するのに使用することができる。このような場合、切断ビームを帯状体Ｍ１のための平面Ｘ１と、帯状体Ｍ２のための平面Ｘ２とに沿う異なるビーム案内および集中光路を設け、また接合すべき双方の帯状体を端部が突き合わさるよう移動した平面となる平面Ｘ１に沿って溶接ビールを移動させる光路を設ける。

これらすべての実施例は、本発明を限定するものではなく、可動ジョーの案内および制御が異なる装置、並びに止め部の構成および調整方法が異なる装置を使用することができる。さらに、移動量センサによる可動ジョーの直接制御、および遠隔操作による制御も本発明の範囲内である。

図面における参照符号および記号は、単に例示のためであり、本発明の範囲を制限するものではないことに注意されたい。

本発明によるレーザ溶接機のクランプジョーの相対位置を示す線図的説明図である。 溶接ビードの形成状態を示す説明図である。 本発明方法による可動ジョーの移動調整状況の説明図である。

符号の説明

１ 帯状体の端部
２ 帯状体の端部
１０ 帯状体の切断端縁
１１ 下側ジョー
１２ 上側ジョー
１３ ジョーＳ１の端縁
２０ 帯状体の切断端縁
２１ 下側ジョー
２２ 上側ジョー
２３ ジョーＳ２の端縁
M1,M2 帯状体（シートメタル）
Ｓ１ クランプ装置（入口ジョー）
Ｓ２ クランプ装置（出口ジョー）

Claims (11)

1. 連続ライン処理設備で、レーザビームもしくはレーザビームに等価の手段を使用し、充填材料を使用することなく、長手方向に順次に移動する２個の帯状体を突き合わせ溶接する方法であって、移動方向に見て第１帯状体（Ｍ１）の下流側端部と第２帯状体（Ｍ２）とを、２個の二重式ジョーによるクランプ手段（Ｓ１，Ｓ２）によってそれぞれ保持し、充填材料を使用することなく前記レーザビームを照射することによって溶接し、またクランプ手段によりクランプおよび固定した後に直線的かつ互いに平行となる２個の端縁（１０，２０）を生ずるよう前記帯状体の端部（１，２）を切断し、これら端部をジョーの対応端部からオーバーハング量（Ｌ１，Ｌ２）だけ互いに離れた状態にし、次に前記クランプ手段を互いに接近する方向に相対移動することにより前記切断端縁を接触させ、前記端縁（１０，２０）間の接触面に沿って前記レーザビームを掃射することにより溶接ビードを形成することよりなる突き合わせ溶接方法において、前記切断端縁（１０，２０）を切断後に基準距離（Ｄ′）だけ互いに離れた状態にし、前記クランプ手段を互いに接近する方向に移動させる操作を、前記基準距離（Ｄ′）とはプリセットあそび量の分だけ異なる移動量（Ｃ）にわたり移動制御し、前記プリセットあそび量は予め帯状体の厚さに関連させるとともに、前記切断端縁（１０，２０）の位置決め精度および切断精度を考慮して計算するものとし、また前記プリセットあそび量は、接近させる移動量（Ｃ）を決定する上での基準距離（Ｄ′）に対して引いたりもしくは足したりする公差範囲の＋側もしくは−側のあそび量として設定し、前記双方の帯状体の端縁（１０，２０）間に、前記プリセットあそび量に等しい＋側もしくは−側の実際許容値が存在するよう最終溶接位置をとるよう移動させることを特徴とする突き合わせ溶接方法。
2. 前記プリセットあそび量を、溶接すべき各帯状体よりも厚さの厚い溶接ビードを得るよう公差範囲の−側もしくはゼロの値に設定する請求項１記載の突き合わせ溶接方法。
3. 前記プリセットあそび量を、溶接すべき各帯状体よりも厚さの薄い溶接ビードを得るようち公差範囲のゼロでない＋側の値に設定する請求項１記載の突き合わせ溶接方法。
4. 前記プリセットあそび量を計算するため、前記帯状体の各端部の切断精度、可動ジョーの位置決め公差、帯状体端部の膨張量（δ）を考慮し、最終溶接位置における実際許容値（Ｊ）を得るようにし、この実際許容値（Ｊ）の大きさを、前記プリセットあそび量の選択した値に依存するが、帯状体の厚さの関数として溶接ビードの厚さを制御することができる公差範囲内に留まるものとした請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の突き合わせ溶接方法。
5. 前記クランプ手段のうちの一方を可動ジョーとし、この可動ジョー（Ｓ２）の最終位置（Ｘ１）を、少なくとも１個の調整自在の機械的止め部に対して関連する基準面によって得られるようにし、実際の許容値を得るようにした請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の突き合わせ溶接方法。
6. 可動ジョー（Ｓ２）を最終溶接位置（Ｘ１）に配置した後、双方の帯状体間に存在する残余許容値を測定し、可動ジョー（Ｓ２）の移動限界を調整する止め部位置の変更により可動ジョーの位置を修正する請求項５記載の突き合わせ溶接方法。
7. 可動ジョー（Ｓ２）を最終溶接位置（Ｘ１）に配置した後、双方の帯状体間に存在する残余許容値を一つのポイントで測定し、可動ジョー（Ｓ２）の移動限界を調整する止め部位置を測定値に等しい量だけ変更するにより可動ジョーの位置を修正する請求項６記載の突き合わせ溶接方法。
8. 可動ジョー（Ｓ２）を最終溶接位置（Ｘ１）に配置した後、双方の帯状体間に存在する残余許容値を二つのポイントで測定し、可動ジョー（Ｓ２）の移動限界を調整する止め部位置を二つのポイントでの測定値の差分量だけ変更するにより可動ジョーの位置を修正する請求項６記載の突き合わせ溶接方法。
9. 溶接すべき帯状体の端部の切断ステップは、ブレード剪断装置を使用して行う請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の突き合わせ溶接方法。
10. 溶接すべき帯状体の端部の切断ステップは、レーザビームを使用して行う請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の突き合わせ溶接方法。
11. 溶接すべき帯状体の端部の切断ステップは、溶接ビームを発生するレーザとして同一光源を使用したレーザビームにより行う請求項１０に記載の突き合わせ溶接方法。

Images