JP2007307576A - 溶接装置とそれによる溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接の作業能率を上げられ、溶接物製品のコストの低減が図れるようにする。
【解決手段】２つの溶接作業域Ｚ１、Ｚ２に配置されて被溶接材１、２を受載し溶接に供する定盤８１、８２、これら定盤８１、８２に受載されるどの被溶接材１、２をも溶接できるよう自走機能を有し、単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つにより溶接を行う溶接ロボット７、溶接ロボット７の１つの定盤８１または８２での溶接作業域Ｚ１またはＺ２を単独で、あるいは他の設備、設置物８３、建造物などの静止物と協働して覆う大きさおよび形状を持ち、一方の定盤８１での溶接作業域Ｚ１と他方の定盤８２での溶接作業域Ｚ２とに移動できる自走機能を有したレーザ漏れ防止カバー体８４、を備えて、上記の目的を達成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、主として、長尺な構体材を溶接接合して鉄道車両の台枠、側枠構体、屋根構体などを形成するのに好適な溶接装置とそれによる溶接方法に関するものである。

鉄道車両では、昭和５８年当時から、ダブルスキン構造である大型薄肉中空形材やシングルスキン構造である大型薄肉形材を車体長手方向に車体の全断面にわたって配置し、各形材接続部を連続溶接して組み立てた構体で、組立ての自動化、機械化を拡大して生産を合理化し、アルミニウム合金製車体のコスト低減を図ることが既に実用され知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、新幹線車両では、昭和６１年当時から、高速性能性向上、ランニングコスト、製作コスト低減のために徹底した軽量化が必要であるとの認識から、アルミニウム合金大型中空押出形材を構体材として用い、従来構造の柱、梁、垂木、補強などの多数の内部骨組部材の全く無い車体が試作され、ダブルスキン構造をなす中空材とすることにより車体の内、外面を直接溶接するのみで、十分な溶接強度が確保され、熱影響による歪み発生もなく、全自動溶接、車体回転治具の採用も容易なものになったとされている（例えば、非特許文献２参照。）。

溶接接合する構体材対はダブルスキン構造の場合を例にとると、図８（ａ）（ｂ）（非特許文献２の写真４−１−４）に示すように、一方の構体材ａの側縁における外面板ａ１および内面板ａ２間に、他方の構体材ｂにおける外面板ｂ１および内面板ｂ２を嵌め合せる嵌合継手をなして突き合せ、外面板ａ１、ｂ１間、内面板ａ２、ｂ２間に形成した開先部ｃにてＭＩＧ溶接するようにしている。開先部ｃの角度θは一般に７０°程度とされている。

別に、同じような嵌合形式であるが、外面板どうし、内面板どうしをそれらの端部にてＩ型開先に突き合せ、ＦＳＷ方式にて摩擦接合するようにしたものも知られている（例えば、特許文献１参照。）。一般に摩擦拡散接合などと称される溶接方法である。また、外面板どうしをＩ型開先に突き合せた部分を内面側から摩擦溶接することで、外面の後加工が不要になるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。なお、外面板どうしの突き合せ部を摩擦溶接するために内面板間に形成していた開放部は蓋板を当てがい両側の内面板と突き合せた２箇所を摩擦溶接するようにしている。

また、別に、摩擦接合には時間が掛かることから、外面板どうし、内面板どうしの一方を摩擦溶接し、他方をＭＩＧまたはＴＩＧのアーク溶接するようにした技術も知られている（例えば、特許文献３参照。）。

さらに、突き合せ構造ではないが、鉄道車両にレーザ溶接を適用する技術も知られている（例えば、特許文献４、５参照。）。

ところで、上記のようなアルミニウム合金製の構体材どうしのレーザを用いた溶接のために、本出願人は、例えば図９に示すような溶接装置を先願である特願２００５−１７１２６１号などにて先に提案し、使用している。この溶接装置の例では図示するように、レーザ漏れ防止カバーｄで四周および天を覆った１つの溶接作業域ｆ内に溶接方向に自走できる溶接ロボットｇを設置するのに併せ、この溶接ロボットｇによって溶接する構体材を構体形成状態に組合わせて受載し溶接に共する受載治具付きの定盤を、溶接作業域ｆの左右、つまり前記溶接方向両側に配置して、自走機能を有した治具台車ｈ１、ｈ２とし、左右の治具台車ｈ１、ｈ２は車体の側、屋根、妻などの構体などを構成する構体材の組合せ体を支持して溶接作業域ｆへ交互に進入してレーザ溶接に供することを繰り返し、溶接作業域ｆから出る都度溶接によって製作した構体を取外して新たな構体材の組合せ体と交換する。

これによると、上記のようなアルミニウム合金製のシングルスキン構造やダブルスキン構造の構体材どうしの全長にわたる連続した溶接に便利であるが、外板や骨材の構体材の組み合わせ体の不連続な、また、縦横に走る溶接も適用している。また、溶接ロボットｇにどのような溶接ヘッドを搭載するかで、複数異種レーザどうしのハイブリッド、レーザとアークとのハイブリッド、特にレーザとＭＩＧアークとのハイブリッドなどでの溶接もできる。
軽金属車両委員会報告書Ｎｏ．４ 昭和５３年―昭和５８年（軽金 属車両委員会編集）１８０〜１８４頁 軽金属車両委員会報告書Ｎｏ．５ 昭和５９年―平成２年（軽金属 車両委員会編集）４１〜４３頁 特開２０００−２０２６５０号公報 特開２０００−２０５２１８号公報 特開２００４−２２３５８７号公報 特開２００２−３６１４５４号公報 特開平１０−２３０８４５号公報

ところで、本発明者等は、生産性の向上、コストの低減をさらに図るべく、研究、開発に取り組み種々に実験をし検討を重ねているなか、先願のようにレーザを用いる溶接では、ＭＩＧ溶接を併用するハイブリッド溶接とすることにより、溶接接合する突合せ部を７０°の開先に対してＭＩＧ溶接している従来の場合に比し、狭開先での溶接にて、十分な溶け込み深さと所定のビード幅が得られ、溶接強度を満足して、溶接速度の向上、入熱量の低減による歪みの低減、仕上げ加工量の減少といった特徴を発揮することができ、生産性の向上と、コストの低減が図れることを知見している。

しかし、本発明者は、既述のような溶接装置の使用においてそのような溶接速度の高速化に対応しようとしているが、溶接装置全体の稼動効率を向上するには問題がある。具体的には、現新幹線車両の車体長が２５ｍ程度と長尺で、それを支持する治具台車ｈ１、ｈ２の一台の重量は約１９ｔｏｎ弱という大重量物となっている。その内訳は定盤が約１８ｔｏｎ、治具が約１ｔｏｎである。このため、左右の治具台車ｈ１、ｈ２を１つの溶接作業域ｆに対して交互に進入させる動作の高速化が困難である。比較的大きな駆動トルクによっても大重量物は極く低速でしか動き始めず、動き出しても停止させるエネルギを考えればさほどの高速化はできない。また、さほどの高速でないにしても所定位置に無理なく停止させるには十分に減速していくことが必要となり、シングルスキン構造に対し重量が倍増以上となるダブルスキン構造の構体材を取り扱う場合はなおさらで、治具台車ｈ１、ｈ２の移動時間による溶接の待ち時間が長くなってしまい、全体として溶接作業能率があまり上がらない結果となっている。

そこで、溶接作業域ｆを覆うレーザ漏れカバー体ｄの重量は治具台車ｈ１、ｈ２の一台分の重量のほぼ半分程度であることに着目し、溶接の作業能率を十分に上げられる溶接方式を実現するに至った。

本発明の目的は、上記のように溶接の作業能率を上げられ、溶接物製品のコストの低減が図れる溶接装置とそれによる溶接方法を提供することにある。

上記のような課題を達成するために、本発明の溶接装置は、２つの溶接作業域のそれぞれに配置され、被溶接材を受載し溶接に供する定盤と、各溶接作業域にある定盤のいずれに受載される被溶接材をも溶接できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有し、単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つにより溶接を行う溶接ロボットと、溶接ロボットの１つの定盤での溶接作業域を単独で、あるいは他の設備、設置物、建造物などの静止物と協働して覆う大きさおよび形状を持ち、一方の定盤での溶接作業域と他方の定盤での溶接作業域とに移動できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有したレーザ漏れ防止カバー体と、を備えたことを１つの特徴としている。

このような構成では、２つの溶接作業域の一方の定盤上に被溶接材を初期配置するか先の溶接済みの溶接物に換えて配置した後、そこに溶接ロボットおよびレーザ漏れ防止カバー体を自走させて、一方の溶接作業域を溶接ロボットと共にレーザ漏れ防止カバー体で覆った状態として、一方の溶接作業域の定盤上に配置した被溶接材に対し、溶接ロボットの自走を伴い単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つによる溶接を行うのに併せ、他方の溶接作業域の定盤上に被溶接材を初期配置するか先の溶接済みの溶接物に換えて配置することと、一方の溶接作業域での溶接作業後、溶接ロボットおよびレーザ漏れ防止カバー体を他方の溶接作業域に自走させて他方の溶接作業域を溶接ロボットと共にレーザ漏れ防止カバー体で覆った状態として、他方の溶接作業域の定盤上に初期配置しまたは先のものに換えて配置している被溶接材に対し、溶接ロボットの自走を伴い単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つによる溶接を行うのに併せ、一方の溶接作業域の定盤上の溶接済みの溶接物に換えて次の被溶接材を配置することと、を繰り返し、多数の溶接物を得ることを特徴とした溶接方法が実現する。

それによって、２箇所に設けた溶接作業域での治具付き定盤を移動させることなく、従って、治具つき定盤を移動させることによる溶接作業能率への影響なく、それらの位置に溶接ロボットが交互に自走して各定盤の上に受載する被溶接材につき、少なくともレーザによる溶接を行うことができ、併せ、２つの溶接作業域に対して１つのレーザ漏れ防止カバーを交互に移動させて前記溶接時にレーザが外部に漏れるのを防止でき、しかも、レーザ漏れ防止カバー体の移動重量が治具付き定盤２つ分の移動重量に比し約１／４と軽量でその分だけ高速移動ができ、移動の待ち時間を軽減しまたは無くせる。

本発明の容接装置は、また、２つの溶接作業域のそれぞれに配置され、被溶接材を受載し溶接に供する定盤と、各溶接作業域にある定盤のいずれに受載される被溶接材をも溶接できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有し、単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つにより溶接を行う溶接ロボットと、溶接ロボットの１つの定盤での溶接作業域を単独で、あるいは他の設備、設置物、建造物などの静止物と協働して覆う大きさおよび形状を持ち、一方の定盤での溶接作業域と他方の定盤での溶接作業域とに移動できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有したレーザ漏れ防止カバー体と、を備え、レーザ漏れ防止カバー体は少なくとも溶接作業域配置方向に２分割されて、それぞれに自走機能を有したものであることを別の特徴としている。

このような構成では、１つの特徴の場合に加え、さらに、レーザ漏れ防止カバー体を溶接作業域配置方向に分割しておき、その分割カバー体どうしが互いに離間するように少なくとも一方を自走させて、溶接ロボットをその自走を伴いまたは伴なわないでまわりを開放させ、ティーチング、消耗材の交換や補充、メンテナンスを行う溶接方法が実現する。

この結果、レーザ漏れ防止カバー体は少なくとも溶接作業域配置方向に２分割されて、それぞれに自走でき、時間差を持った移動によりレーザ漏れ防止カバー体はその分割部分で離間して開くので、溶接ロボットをその自走を伴い、または伴なわないで、レーザ漏れ防止カバー体の自走方向両端の端部壁の邪魔無しにまわりを開放させられるので、ティーチング、ＭＩＧ溶接のための溶加材の補給、メンテナンスを行うことができる。特に、溶加材は線材をコイル状に巻いてドラム缶状容器に収容して用いるもので、その重量は１００ｋｇ程度とこれもかなりな重量物でクレーンによる持ち運びとなるが前記開放空間を利用して難なく行える。

レーザ漏れ防止カバー体は、側壁にドア付きの出入り口を有している、さらなる構成では、
レーザ漏れ防止カバー体が停止してさえいれば、分割部で開放する動作を省略して出入り口を通じて出入りし、メンテナンスなど各種の作業ができる。

レーザを発振するレーザ発振系と、溶接ロボットおよびレーザ漏れ防止カバー体の動作を伴なう溶接動作をプログラムに従い制御する制御系と、この制御系を通じ溶接作業の開始、停止、レーザ漏れ防止カバー体の移動の開始、の指令を行う操作系とを備えた、さらなる構成では、
制御系によってプログラムに従い溶接作業を制御するのに、広域で大掛かりな溶接作業を作業者が監視しながら、操作系によって溶接作業の開始、停止、レーザ防止カバー体の移動の開始、の指令を行い、制御系を通じ実行することで、制御の混乱無しに作業者が溶接作業を思うように進められる。

レーザ発振系が、２つの溶接作業域が並んだ溶接作業ラインの一側に設定した副作業域側に設置し、操作系は単独であるいは制御系と共に、前記溶接作業ラインの他側に設定した主作業域側に設置した、さらなる構成では、
大きなレーザ漏れ防止カバー体が２つの溶接作業域を往復する作業環境において、溶接作業ラインの一側に大きなレーザ発振系を設置しながらも作業頻度の低い副作業域として動きが制限される小スペースとし、他側に小さな単独または制御系と共の操作系を設置してそれが邪魔になりにくい作業頻度の高い主作業域として大掛かりなクレーンなどを取り扱える広域スペースとし、作業頻度と作業内容による住み分けに対応できる。

レーザ漏れ防止カバー体の停止位置には、レーザ漏れ防止カバー体の到達を検出して制御系に停止信号を出力する停止用センサを設け、停止位置の手前には、レーザ漏れ防止カバー体の到達を検出して制御系に低速化信号を出力する低速化センサを設けた、さらなる構成では、
治具台車に対して軽量であるが、なお重量物であるレーザ漏れ防止カバー体を移動させるのに、停止位置近くの低速化センサによるレーザ漏れ防止カバー体が到達したことにより以降低速化されるようにする働きと、停止位置の停止センサによるレーザ漏れ防止カバー体が到達したことにより停止されるようにする働きとの、協働により、レーザ漏れ防止カバー体を上限速度で移動させながらも、停止位置へ無理無く確実に停止させられる。

制御系は、レーザ漏れ防止カバー体の自走中、レーザ漏れ防止カバー体が溶接ロボットの位置する溶接作業域にないとき、のいずれも溶接ロボットによる溶接作業を停止する、さらなる構成では、
溶接ロボットが位置した溶接作業域が、停止したレーザ漏れ防止カバー体によって覆われた安全な条件でのみ、溶接作業が実行される。

副作業域とレーザ漏れ防止カバー体の自走域との間は仕切り壁によって仕切り、レーザ漏れ防止カバー体はこの仕切り壁と協働して溶接作業域を覆う、さらなる構成では、
副作業域側に対し、レーザ漏れ防止カバー体の自走域および主作業域側を仕切り壁によって仕切って作業空間としての独立性を確保しながら、その仕切り壁を作業域のレーザ漏れ防止覆いに利用して、レーザ漏れ防止カバー体の仕切り壁側の壁を無くし、走行重量を軽減することができる。

レーザ漏れ防止カバー体は、仕切り壁側開口の上縁部に、仕切り壁に設けたレールに案内される走行輪を持ち、仕切り壁と反対側の側壁の下縁部に、床面に設けたレールに案内される走行輪を持っている、さらなる構成では、
仕切り壁側の側壁がないレーザ漏れ防止カバー体であっても、仕切り壁側の開口の上縁部と、仕切り壁と反対側の側壁の下縁部との自走方向への連続性を有効利用した複数位置でのガイドにより安定して走行させられる。

レーザ漏れ防止カバー体は、静止物との対向縁に、その静止物に近接、当接または摺接するゴム製のシール材を設けている、さらなる構成では、
レーザ漏れ防止カバー体が走行するのに、静止物との対向縁に設けたゴム製のシール材が静止物に近接、当接または摺接してシールするので、静止物と対向縁とのハード部材どうしの干渉を避けながら、対向部間からレーザが漏れるのを防止することができる。

側壁のシール材は、床面のレールを敷設した凹部内に入り込んでいる、さらなる構成では、
側壁のシール材が床面のレールを敷設した凹部内に入り込むことで、側壁の下縁が対向する床側と近接する程度でレーザの漏れを確度よく遮断することができる。

レーザ漏れ防止カバー体は、自走方向で見た両端部の端部壁に定盤とこれに受載される被溶接材との干渉を避ける開口を持ち、この開口を溶接作業時に閉じるように設けたシャッタの下縁にもシール材を有している、さらなる構成では、
レーザ漏れ防止カバー体の自走時に、自走方向両端の端部壁の開口にて、定盤やそれに受載された被溶接材との干渉が解消され、被溶接材などをクレーンなどにて交換するような作業に対し、レーザ漏れ防止カバー体を分割部で開放する作業が省略できる。また、この開口にはシャッタが設けられて、溶接作業域に到達したときにはこれを閉じることで、開口によるレーザ漏れを防止することができるし、シャッタの下縁に設けたゴム製のシール材が床面に近接、当接または圧接するので、それらの対向部分でのレーザ漏れも防止することができる。

溶接は、どのような継手でも行えるが、特に、被溶接材どうしの突合せ部を溶接接合する溶接方法の場合、被溶接材を、鉄道車両用の構体材として、１車両分の特定の構体を形成する連続状態で定盤上に保持しておき、１つの溶接作業域にて車両の長手方向に走る複数の溶接対象箇所を１箇所ずつ溶接ロボットの自走により連続溶接して、鉄道車両の構体を形成することができる。

構体材は、アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキンまたはダブルスキン構造を有し、それらの側縁間において、面板どうしのＭＩＧ溶接による従来開先に比し狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接によりＭＩＧ溶接の場合よりも高速で溶接して接合し構体を形成する、さらなる溶接方法では、
ルートの母材部に対し先行するレーザ溶接により高速で細く深い溶け込みを図りながら、その直後をＭＩＧ溶接により追随することでルートギャップの許容度を持ったビード幅と所定の溶け込み深さでの高速な溶け込みを実現することができる。

特に、面板どうしの５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して接合し構体を形成する、さらなる構成では、
ルートの母材部に対し従来よりもさらに狭開先なのを生かしながら先行するレーザ溶接により高速で細く深い溶け込みを図りながら、その直後をＭＩＧ溶接により追随することで必要なルートギャップの許容度を持ったビード幅と所定の溶け込み深さでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、ルートの５０°未満または開先開口幅／板厚＜０．９とより一層の狭開先によるグルーブの断面形状によって十分に制限し、アークの放電域をルートギャップの許容に必要な範囲に見合うビード幅域に制御することができる。

本発明の溶接装置の１つの特徴によれば、溶接ロボットの自走と、２つの治具付き定盤に比し約１／４程度と軽量なレーザ漏れカバー体の自走とを伴い、２箇所の溶接作業域を交互に利用した作業能率のよい溶接を、レーザ漏れに対する安全を確保して、移動負荷少なく、従って、高速性を発揮して実現し、溶接物製品の生産性の向上とコストの低減が図れる。

また、レーザ漏れ防止カバー体の分割カバー体どうしが溶接作業域配置方向に離間するように自走することで、レーザ漏れ防止機能を損なうことなく、溶接ロボットのまわりを開放させて、ティーチングや溶加材などの重量物消耗材の交換や補充、メンテナンスを目視しながら、また、大掛かりな重量物取り扱い機器の使用などにおいてまわりとの干渉なしに、容易に行なえる。

また、停止したレーザ漏れ防止カバー体の出入り口を通じて人が出入りし、メンテナンスなど各種の作業が手軽にできる。

また、大掛かりな溶接作業であっても、作業者による溶接作業やまわりの状況の判断に基づき、制御系と共にあるいは単独で大きなレーザ発振系から独立した操作系によって作業者が優先して制御系を通じた自動的な溶接作業を的確かつ安全に進行させられるし、メンテナンスなどにも自由に対応できる。

また、２つの溶接作業域が並んだ溶接作業ラインの一側を制御系を配した作業頻度が低く作業スペースが小さくてよいがデリケートな機器の安全を確保したい副作業域側と、溶接作業ラインの他側を操作系を配して作業頻度が高くレーザ漏れ防止カバーの走行やクレーン操作などの広域作業を含む主作業域側とに住み分けて、それぞれに必要な作業環境が無駄なく的確に得られる。

また、レーザ漏れ防止カバー体を移動させるのに、停止位置近くからの低速化と、それに続く停止位置への停止とを、レーザ漏れ防止カバー体のセンサによる位置検出の基に的確に達成することができる。

また、制御系により、溶接作業域に溶接ロボットが位置し、それらを覆ったレーザ漏れ防止カバー体が停止した安全な条件でのみ、溶接作業が実行される。

また、付帯しているクレーンをレーザ発振系から制御系と共にあるいは単独で独立した操作系を利用した作業者の操作により、制御系を通じ溶接作業の遂行と相互の安全を確保しながら、作業者優先で重量物である溶加材をクレーンにて取り扱い、補充や交換などができる。

また、副作業域とレーザ漏れ防止カバー体の自走域とを仕切り壁によって互いの独立性を確保しながら、仕切り壁を作業域のレーザ漏れ防止覆いに利用し、レーザ漏れ防止カバー体の走行重量を軽減することができる。

また、仕切り壁併用側の側壁を省略し開口とした断面Γ型のレーザ漏れ防止カバー体でも、その開口の上縁部と反対側の側壁の下縁部との連続性を利用したガイドにて安定に走行させられる。

また、レーザ漏れ防止カバー体は走行するが、静止物に対して対向縁がゴム製のシール材にて近接、当接または摺接し、相互間のハード部材どうしが干渉し合うことなく、レーザが漏れ出てまわりの器物や機器、人に影響するのを防止することができる。

また、レーザ漏れ防止カバー体の側壁のシール材が床面のレールを敷設した凹部内に入り込むことで、前記近接する程度の相互関係にてレーザの漏れを確度よく遮断することができる。

また、レーザ漏れ防止カバー体はその自走方向両端の開口にて定盤や被溶接材との干渉なく自走して溶接作業域を開放できるので、被溶接材などをクレーンなどにて交換するような作業に対し、レーザ漏れ防止カバー体を分割部で開放する作業が省略できる。しかも、溶接作業域を覆うときは開口をシャッタで閉じ、かつ、シャッタ下縁のゴム製のシール材が床面に近接、当接または圧接するので、レーザ漏れを十分に防止することができる。

また、溶接は被溶接材どうしの突合せ溶接とすることにより、被溶接材を鉄道車両用のシングルスキン構造またはダブルスキン構造を持った構体材として、１車両分の特定の構体を形成する連続状態にし、１つの溶接作業域にて車両の長手方向に連続溶接することを、必要な突合せ部数だけ行い、鉄道の在来線車両や新幹線車両の構体をより能率よく、より低コストに形成することができる。

また、先行するレーザ溶接と、追随するＭＩＧ溶接とにより、ルートギャップの許容度を持ったビード幅で所定深さの高速な溶け込みを実現して、高速度溶接、入熱量減少による歪みの低減、十分な溶接強度を確保し、かつ、レーザ溶接による昇温、溶融環境で飛翔電子がアークを誘導する誘導域をルートの断面形状で制限しアークの放電域、従ってビード幅をルートギャップを許容する必要最小限に制御し、ビード幅が徒に大きくなって前記溶接の品質が低下するのを防止しやすい。

特に、５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９と、従来よりもさらに狭開先なのを、レーザ溶接とＭＩＧ溶接の組み合わせに生かし、アークの放電域がルートギャップの許容範囲以上になるのを、板厚によって溶接強度上許容される、より狭く、あるいは開先０度にも対応して、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。

本発明の溶接装置とそれによる溶接方法に係る実施の形態につき、図１〜図７を参照しながら具体的に説明し、本発明の理解に供する。しかし、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。

本実施の形態の溶接装置は図１、図４に示すように、２つの溶接作業域Ｚ１、Ｚ２のそれぞれに配置され、例えば図５、図６に示すような鉄道車両の構体材１、２などの被溶接材を、図１（ａ）〜（ｃ）、図４に示すように受載し溶接に供する治具８１ａ、８２ａ付きの定盤８１、８２と、各溶接作業域Ｚ１、Ｚ２にある定盤８１、８２のいずれに受載される構体材１、２をも溶接できるよう溶接作業域配置方向である縦方向Ｘ−Ｘでの自走機能を有し、レーザ発振系８６からの単独レーザビーム１４、溶接特性の異なるＬＤレーザとＹＡＧレーザなどの複数異種レーザによるハイブリッド、図７に示すようなレーザビーム１４とアーク１５によるハイブリッドの１つにより溶接を行う溶接ロボット７と、溶接ロボット７の１つの定盤８１または８２での溶接作業域Ｚ１またはＺ２を単独で、あるいは他の設備、図１（ａ）、図３、図４に示すような設置物８３、建造物などの静止物と協働して覆う大きさおよび形状を持ち、一方の定盤８１での溶接作業域Ｚ１と他方の定盤８２での溶接作業域Ｚ２とに移動できるよう溶接作業域配置方向Ｘ−Ｘでの自走機能を有したレーザ漏れ防止カバー体８４とを備えている。

図示する例では、溶接ロボット７は溶接方式に対応した溶接ヘッド、具体的には図７に示すようなレーザビーム１４を照射する図示しないレーザビームヘッドおよびアーク１５を放電させるトーチ４を持った溶接ヘッド６を持ち、各溶接作業域Ｚ１、Ｚ２に亘って自走し溶接を行う溶接作業ライン８０の両側に敷設した縦方向Ｘ−Ｘのレール８５、８５によって案内され自走するための図示しない左右の車輪を左右の脚７ａ、７ｂの前後に有した門型形態をなして定盤８１、８２に跨がる状態で溶接作業ライン８０に沿って自走し、各溶接作業域Ｚ１、Ｚ２での溶接を交互に行う。自走は溶接ロボット７に搭載し図示しない車輪を回転駆動する電動モータを制御系２９７により駆動制御して適時に行う。また、溶接ヘッド６は縦方向Ｘ−Ｘに直交する横方向Ｙ−Ｙに移動できるように搭載されており、制御系２９７からの制御によって適時に横移動され、横方向の溶接のほか、縦向きの溶接位置への移動などが行われる。また、縦方向Ｘ−Ｘ、横方向Ｙ−Ｙが複合した移動を含めどのような溶接にも対応できる。

また、レーザ漏れ防止カバー体８４はレーザビーム１４が照射後各部に反射して万一にも外部に漏れ出るのを防止するもので、図２、図３に示すような金属製の骨組８７に金属パネル８８を張り合わせるなどしたものであるが、照射するレーザビーム１４を遮断し、かつレーザビームに侵食されなければどのようなものでもよく、目に見えないレーザビーム１４である場合に特に有益である。覆い形態としては通常、箱体をうつ伏せにして溶接ロボット７をそれが設置された床面８９上で四周および天を覆うものとなり、溶接ロボット７用のレール８５、８５の外側に敷設したレール９１、９１上を車輪９２により自走できるようにすればよい。しかし、図１（ａ）、図３、図４に示すように溶接作業ライン８０の一方側に、溶接作業ライン８０とレーザ発振系８６とを仕切る仕切り壁としての設置物８３が位置していることにより、これと協働して溶接作業域Ｚ１、Ｚ２を個別に覆えるようにしている。これによって、レーザ漏れ防止カバー体８４は前記箱をうつ伏せにした形態から設置物８３側の側壁を省略して開口８４ｄとした簡易形態をなしている。また、これに関連して、車輪９２はレーザ漏れ防止カバー体８４の開口８４ｄとは反対の側の側壁８４ｅの下縁の前後に設けて床面のレール９１によって案内するようにしているが、開口８４ｄの側では、図３に示すようにレーザ漏れ防止カバー体８４の開口８４ｄの上縁部８４ｆの前後に車輪９２を設けて、設置物８３の壁面に敷設したレール９１によって案内するようにしている。この場合も、車輪９２を回転駆動する電動モータ９３を制御系２９７によって駆動制御し適時に自走させる。

このような溶接装置では、２つの溶接作業域Ｚ１、Ｚ２の一方の定盤８１上に構体材１、２を初期配置するか先の溶接済みの溶接物に換えて配置した後、そこに溶接ロボット７およびレーザ漏れ防止カバー体８４を自走させて、一方の溶接作業域Ｚ１を溶接ロボット７と共に、レーザ漏れ防止カバー体８４で覆った状態として、一方の溶接作業域Ｚ１の定盤８１上に配置した構体材１、２に対し、溶接ロボット７の自走を伴い単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザビーム１４とアーク１５によるハイブリッドの１つによる溶接を行うのに併せ、他方の溶接作業域Ｚ２の定盤８２上に構体材１、２を初期配置するか先の溶接済みの溶接物に換えて配置することと、一方の溶接作業域Ｚ１での溶接作業後、溶接ロボット７およびレーザ漏れ防止カバー体８４を他方の溶接作業域Ｚ２に自走させて他方の溶接作業域Ｚ２を溶接ロボット７と共に、レーザ漏れ防止カバー体８４で覆った状態として、他方の溶接作業域Ｚ２の定盤８２上に初期配置しまたは先のものに換えて配置している構体材１、２に対し、溶接ロボット７の自走を伴い単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザビーム１４とアーク１５によるハイブリッドの１つによる溶接を行うのに併せ、一方の溶接作業域Ｚ１の定盤８１上の溶接済みの溶接物に換えて次の構体材１、２を配置することと、を繰り返し、多数の溶接物を得るような溶接方法が実現する。

これによって、２箇所に設けた溶接作業域Ｚ１、Ｚ２での治具８１ａ、８２ａ付き定盤８１、８２を移動させることなく、従って、治具８１ａ、８２ａ付き定盤８１、８２を移動させることによる溶接作業能率への影響なく、それらの位置に溶接ロボット７が交互に自走して各定盤８１、８２の上に受載する構体材１、２につき、少なくともレーザビーム１４による溶接を行うことができ、併せ、２つの溶接作業域Ｚ１、Ｚ２に対して１つのレーザ漏れ防止カバー体８４を交互に移動させて前記溶接時にレーザビーム１４が反射などを伴い外部に漏れ出るのを防止でき、しかも、レーザ漏れ防止カバー体８４の移動重量が治具８１ａ、８２ａ付き定盤８１、８２分の移動重量に比し約１／４と軽量でその分だけ高速移動ができ、溶接の待ち時間を軽減しまたは無くせる。この結果、溶接ロボット７の自走と、２つの治具８１ａ、８２ａ付き定盤８１、８２に比し約１／４程度と軽量なレーザ漏れ防止カバー体８４の自走とを伴い、２箇所の溶接作業域Ｚ１、Ｚ２を交互に利用した作業能率のよい溶接を、レーザ漏れに対する安全を確保して、移動負荷少なく、従って、高速性を発揮して実現し、鉄道車両の構体といった各種の溶接物製品の生産性の向上とコストの低減が図れる。

特に、レーザ漏れ防止カバー体８４は図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図４に示す分割カバー体８４ａ〜８４ｃのような３つ以上でもよいが、少なくとも縦方向Ｘ−Ｘに２分割されて、それぞれに車輪９２および電動モータ９３などによる自走機能を有したものとする。このように、レーザ漏れ防止カバー体８４を縦方向Ｘ−Ｘに分割しておき、例えば、図１（ｃ）に示すように分割カバー体８４ａと分割カバー体８４ｂ、８４ｃ組とが、互いに離間するように少なくとも一方を自走させて、溶接ロボット７をその自走を伴いまたは伴なわないでまわりを開放させ、ダイレクトティーチングなどのティーチング、消耗材の交換や補充、メンテナンスを行う溶接方法が実現する。このように、レーザ漏れ防止カバー体８４は少なくとも縦方向Ｘ−Ｘに２分割されて、それぞれに自走でき、時間差を持った移動によりレーザ漏れ防止カバー体８４はその分割部分で離間して開くので、溶接ロボット７をその自走を伴い、または伴なわないで、レーザ漏れ防止カバー体８４の自走方向両端の端部壁８４ｇ、８４ｈの邪魔無しにまわりを開放させられるので、ティーチング、ＭＩＧ溶接する場合の溶加材の補給、メンテナンスを行うことができる。特に、溶加材は線材をコイル状に巻いてドラム缶状容器に収容して用いるもので、その重量は１００ｋｇ程度とこれもかなりな重量物でクレーンによる持ち運びとなるが前記開放空間を利用して難なく行える。なお、溶接ロボット７は図１（ａ）〜（ｃ）に示すような溶加材供給部９４を有し、この溶加材供給部９４に溶加材を補給することになる。もっとも、ＭＩＧ溶接トーチ４への初期挿入は作業員によって実施することになる。この結果、レーザ漏れ防止カバー体８４の分割カバー体８４ａと分割カバー体８４ｂ、８４ｃとが縦方向Ｘ−Ｘに離間するように自走することで、レーザ漏れ防止機能を損なうことなく、溶接ロボット７のまわりを開放させて、ティーチングや溶加材などの重量物消耗材の交換や補充、メンテナンスを目視しながら、また、大掛かりな重量物、例えば図４に例示するような天井クレーン１９７などの取り扱い機器の使用などにおいてまわりとの干渉なしに、容易に行なえる。

また、レーザ漏れ防止カバー体８４は、大掛かりで溶接作業ライン８０が長尺となるほど大型となるが、図１、図４に示すように３分割などとその分割数を増大することにより、その製作が楽になり、１つ１つの自走重量を軽減して慣性や移動負荷を軽減し、移動速度を上げやすくすることはできる。しかし、それでは分割カバー８４ａ、８４ｂ、８４ｃごとに自走機構が必要となる。そこで、レーザ漏れ防止カバー体８４は、その分割数に関係なく前記のように溶接ロボット７を開放するのに必要な一箇所を除いた分割部を連結し、１つのものとして取り扱えるようにすることもでき、それによって分割数にかかわらず自走機構は２つでよくなる。側壁８４ｅに図２、図４に示すようなドア６６付きの出入り口６５を有している。これにより、レーザ漏れ防止カバー体８４が停止してさえいれば、分割部で開放する動作を省略して出入り口６５を通じて出入りし、メンテナンスなど各種の作業が手軽にできる。また、設置物８３の適所にもドア付き出入り口８３ａが設けられ、作業者が出入りできるようにしている。

さらに、本実施の形態の溶接装置は、溶接ロボット７およびレーザ漏れ防止カバー体８４の動作を伴なう溶接に必要な各種の動作をプログラムに従い制御する既述したような制御系２９７に、この制御系２９７を通じ溶接作業の開始、停止、レーザ防止カバー体の移動の開始、の指令を行う図１（ａ）に示すような操作系９７を備え、前記レーザ発振系８６から独立したものとしている。これにより、制御系２９７によってプログラムに従い溶接作業の動作を制御するのに、広域で大掛かりな溶接作業を作業者が監視しながら、操作系９７によって溶接作業の開始、停止、レーザ防止カバー体の移動の開始、の指令を行い、制御系２９７を通じ実行することで、制御の混乱無しに作業者が溶接作業を思うように進められる。従って、在来線や新幹線車両の構体を製造する場合のような大掛かりな溶接作業であっても、作業者による溶接作業やまわりの状況の判断に基づき、独立した操作系９７によって作業者が優先して制御系２９７による自動的な溶接作業を的確かつ安全に進行させられるし、メンテナンスなどにも自由に対応できる。ここに、制御系２９７はレーザ発振系８６に比し格段に小さくかつ危険性もないので本実施の形態のように操作系９７と一体に設置することで相互間に必要な多数の信号ラインを内部配線構造とすることができる。

また、図１に示すように、レーザ発振系８６は溶接作業ライン８０の一側に設定した副作業域ＳＷ側に設置し、操作系９７は制御系２９７と共にレーザ発振系８６から独立して溶接作業ライン８０の他側に設定した主作業域ＳＭ側に設置している。これにより、大きなレーザ漏れ防止カバー体８４が２つの溶接作業域Ｚ１、Ｚ２を往復する作業環境において、溶接作業ライン８０の一側に大きく万一の場合に危険でもあるレーザ発振系８６を設置しながらも作業頻度の低い副作業域ＳＷとして動きが制限される小スペースとし、他側に小さな単独または制御系２９７を伴なう操作系９７を設置してそれが邪魔になりにくい作業頻度の高い主作業域ＳＭとして大掛かりな天井クレーン１９７などを取り扱える広域スペースとし、作業頻度と作業内容による住み分けに対応し、それぞれに必要な作業環境が無駄なく的確に得られる。

また、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、レーザ漏れ防止カバー体８４の停止位置には、レーザ漏れ防止カバー体８４の到達を検出して制御系２９７に停止信号を出力する停止用センサＳＳを設け、停止位置の手前には、レーザ漏れ防止カバー体８４の到達を検出して制御系２９７に低速化信号を出力する低速化センサＳＬを設けている。これは分割カバー体８４ａ〜８４ｃの移動単位ごとにもうける。これにより、従来の治具台車に対しては軽量であるが、なお重量物であるレーザ漏れ防止カバー体８４を移動させるのに、停止位置近くの低速化センサＳＬによるレーザ漏れ防止カバー体８４が到達したことにより以降低速化されるようにする働きと、停止位置の停止用センサＳＳによるレーザ漏れ防止カバー体８４が到達したことにより停止されるようにする働きとの、協働により、レーザ漏れ防止カバー体８４を経済性や安全性の面からの上限速度で移動させながらも、停止位置へ無理無く確実に停止させられる利点があり、レーザ漏れ防止カバー体８４を移動させるのに、停止位置近くからの低速化と、それに続く停止位置への停止とを、レーザ漏れ防止カバー体８４のセンサＳＳ、ＳＬによる位置検出の基に的確に達成することができる。

しかも、制御系２９７は、レーザ漏れ防止カバー体８４の自走中、レーザ漏れ防止カバー体８４が溶接ロボット７の位置する溶接作業域Ｚ１やＺ２にないとき、のいずれも溶接ロボット７による溶接作業を停止するように制御するようプログラムを作成しておく。これにより、溶接ロボット７が位置した溶接作業域Ｚ１またはＺ２が、停止したレーザ漏れ防止カバー体８４によって覆われた安全な条件でのみ、溶接作業が実行される。
このような制御系２９７の制御にて、溶接作業域Ｚ１またはＺ２に溶接ロボット７が位置し、それらを覆ったレーザ漏れ防止カバー体８４が停止した安全な条件でのみ、溶接作業が実行される。

また、既述したように、副作業域ＳＷとレーザ漏れ防止カバー体８４の自走域である溶接作業ライン８０との間は仕切り壁である設置物８３によって仕切り、レーザ漏れ防止カバー体８４はこの設置物８３と協働して溶接作業域を覆うようにしていることにより、副作業域ＳＷ側に対し、レーザ漏れ防止カバー体８４の自走域である溶接作業ライン８０および主作業域ＳＭ側を仕切り壁によって仕切って作業空間としての独立性を確保しながら、仕切り壁を作業域のレーザ漏れ防止覆いに利用して、レーザ漏れ防止カバー体８４の設置物８３側の壁を無くし、走行重量を軽減することができる。しかも、レーザ漏れ防止カバー体８４は、設置物８３側の開口８４ｄの上縁部８４ｆに、設置物８３に設けたレール９１に案内される走行輪９２を持ち、設置物８３と反対側の側壁８４ｅの下縁部に、床面８９に設けたレール９１に案内される走行輪９２を持っていることにより、設置物８３側の側壁がない横断面Γ型のレーザ漏れ防止カバー体８４であっても、設置物８３側の開口８４ｄの上縁部８４ｆと、その反対側の側壁８４ｅの下縁部との自走方向への連続性を有効利用した複数位置での走行輪９２に対するガイドにより安定して走行させられる。

また、レーザ漏れ防止カバー体８４は、治具８１ａ、８２ａ、定盤８１、８２、その上の設置物８３や床面８９、レール８５、９１といった静止物との対向縁に、その静止物に近接、当接または摺接する図２〜図４に示すようなゴム製のシール材１０１を設けている。これにより、レーザ漏れ防止カバー体８４が走行するのに、静止物との対向縁に設けたゴム製のシール材１０１が静止物に近接、当接または摺接してシールするので、静止物と対向縁とのハード部材どうしの干渉を避けながら、対向部間からレーザビーム１４が漏れるのを防止することができる。しかも、側壁８４ｅのシール材１０１は、図２、図３に示すように床面８９のレール９１を敷設した凹部１０２内に入り込むようにしている。これにより、側壁８４ｅのシール材１０１が床面８９のレール９１を敷設した凹部１０２内に入り込むことで、側壁８４ｅの下縁が対向する床面８９側と近接する程度でレーザビーム１４の漏れを確度よく遮断することができる。

また、レーザ漏れ防止カバー体８４は図２〜図４に示すように、自走方向である縦方向Ｘ−Ｘで見た両端部の端部壁８４ｇ、８４ｈに治具８１ａ、８２ａ付き定盤８１、８２とこれに受載される構体材１、２との干渉を避ける開口９５のシャッタ９６の下縁にもシール材１０１を有している。これにより、レーザ漏れ防止カバー体８４の自走時に、端部壁８４ｇ、８４ｈの開口９５にて、定盤８１、８２やそれに受載された構体材１、２との干渉が解消され、構体材１、２などをクレーンなどにて交換するような作業に対し、レーザ漏れ防止カバー体８４を分割部で開放する作業が省略できる。また、この開口９５のシャッタ９６を、溶接作業域Ｚ１、Ｚ２に到達したときに閉じることで、開口９５によるレーザ漏れを防止することができるし、シャッタ９６の下縁に設けたゴム製のシール材１０１が床面８９に近接、当接または圧接するので、それらの対向部分でのレーザ漏れも防止することができる。この結果、レーザ漏れ防止カバー体８４はその開口９５にて定盤８１、８２や構体材１、２との干渉なく自走して溶接作業域Ｚ１やＺ２を開放して、構体材１、２などを天井クレーン１９７などにて交換するような作業に対し、レーザ漏れ防止カバー体８４を分割部で開放する作業が省略できる。しかも、溶接作業域Ｚ１、Ｚ２を覆うときは開口９５をシャッタ９６で閉じ、かつ、シャッタ９６下縁のゴム製のシール材１０１が床面８９やそれよりも上に突出しているレール８５などに近接、当接または圧接するので、レーザ漏れを十分に防止することができる。

ところで、溶接は、どのような方式によっても行える。しかし、本実施の形態の図６、図７に示すような被溶接材である構体材１、２どうしの突合せ部を溶接接合する溶接方法の場合、構体材１、２を１車両分の特定の構体、例えば図４に示すような屋根構体を形成する連続状態で定盤８１、８２上に治具８１ａ、８２ａで保持しておき、１つの溶接作業域Ｚ１またはＺ２にて車両の長手方向に走る複数の溶接対象箇所１１１を１箇所ずつ溶接ロボットの自走により連続溶接して、鉄道車両の屋根構体などを形成することができる。特に、本実施の形態では、アルミニウム系の押出し形材よりなり、図５（ａ）、図４に示すようなダブルスキン構造、または図６に示すようなシングルスキン構造を有した構体材対１、２の側縁１ａ、２ａ間において、それらの面板１０、２０どうし、さらに具体的にはダブルスキン構造では図５（ａ）に示すように外面板１ｂ、２ｂどうしの突き合せ部と、内面板１ｃ、２ｃどうしの突き合わせ部とを、シングルスキン構造では図７に示すように面板１０、２０どうしの突き合せ部を、図７に共通して示すようにレーザビーム１４およびＭＩＧのアーク１５を併用したレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して溶接接合し、図４に示すような屋根構体を始めとする各種の構体を形成する。

なお、レーザビーム１４の照射位置とアーク１５の放電位置とは近接しているのがよく、通常は２〜３ｍｍ程度に設定される。これは先行するレーザ溶接により形成される図７に示すような細く深い溶け込みを呈するいわゆるキーホール１６の存在を必要なビード幅Ｂが得られるアーク溶接に生すためのレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接特有の条件である。レーザは半導体レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなど種々なものを採用することができる。

上記のような溶接接合によると、図５、図６に示すグルーブ１７ないしはそのルート１７ａ部の母材部に対し図７に示すように先行するレーザ溶接により高速で細く深いキーホール１６をなす溶け込みを図りながら、その直後をＭＩＧ溶接により追随することでルートギャップの許容度を持ったビード幅Ｂと所定の溶け込み深さＨでの高速な溶接を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部分からＭＩＧ溶接トーチ４側に飛翔してくる電子によるアーク１５の誘導と、このアーク１５を誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をグルーブ１７の図５、図６に例示するような断面形状によって制限できることとで、アーク１５の図７に示す放電域１８をルートギャップの許容に対する必要最小限に見合うビード幅域に制御することができる。

以上のような、先行するレーザ溶接と、追随するＭＩＧ溶接との組合せの結果、ルートギャップの許容度を持ったビード幅Ｂで所定の溶け込み深さＨの高速な溶け込みを実現して、高速度溶接とそれによる構体製造コストの低減、入熱量減少による歪みの低減、十分な溶接強度を確保し、かつ、レーザ溶接による昇温、溶融環境で飛翔電子がアーク１５を誘導する誘導域をグルーブ１７の断面形状で制限しアーク１５の放電域１８、従ってビード幅Ｂをルートギャップを許容する必要最小限に制御し、ビード幅Ｂが徒に大きくなって前記溶接の品質が低下するのを防止しやすい。また、溶接強度保証には溶接後の図７に示すようにビード１７ａが盛り上がる程度の溶加材の供与が不可欠であっても、ビード幅Ｂを制限する分だけ溶接後の仕上げでの研削量が少なく作業が楽になる。

また、グルーブ１７をなす開先は、ＭＩＧ溶接による図８に示すような従来開先に比し角度θが小さい図５や図６に例示するような狭開先としてレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接することにより、グルーブ１７の母材部に対しグルーブ１７の従来よりも狭開先なのを生かしながら先行するレーザ溶接により高速で細く深い溶け込みを図りながら、その直後をＭＩＧ溶接により追随することでルートギャップの許容度を持ったビード幅と所定深さでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアーク１５の誘導と、このアーク１５を誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をグルーブ１７の従来よりも狭開先とした断面形状によって電子のアーク誘導域に対する制限度を高め、アーク１５の放電域１８がルートギャップの許容範囲以上になるのを確実に防止し、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。

特に、グルーブ１７の開先を、ＪＩＳが５０°以上とするのよりも小さい、５０°未
満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とすれば、先行するレーザ溶接により高速で細く深い溶け込みを図りながら、その直後をＭＩＧ溶接により追随することで必要なルートギャップの許容度を持ったビード幅Ｂと所定の溶け込み深さＨでの高速な溶け込みと溶加材充填を実現し、しかも、先行するレーザ溶接により昇温し、また溶融している母材部部分からＭＩＧ溶接トーチ側に飛翔してくる電子によるアーク１５の誘導と、このアーク１５を誘導する電子の飛翔域つまり誘導域をグルーブ１７の５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした断面形状によって十分に制限し、アーク１５の放電域１８をルートギャップの許容に必要な範囲に見合うビード幅域に制御することができる。要するに、開先が狭くなった分だけ、アーク１５の放電域１８がルートギャップの許容範囲以上になるのを、板厚によって溶接強度上許容される、より狭く、あるいは開先０度にも対応して、溶接速度の向上と入熱量の減少を限度一杯まで図れる。本発明者の実験ではＡ６Ｎ０１−Ｔ５の熱処理したアルミニウム合金よりなる板厚が３ｍｍの構体材１、２を用いた場合、開先０°のＩ型として十分な溶接状態が得られ、レーザ溶接の場合に比しビード幅Ｂは少し大きい程度で、溶け込み深さＨ全体のビード幅Ｂの差が小さくなる良好な溶接状態が得られ、溶接強度に問題なくビード幅Ｂを最小として高速溶接性、ひずみの大幅な低減が図れる。同時に仕上げでの研削の手間、具体的には研削量も低減するし、継手の自由度が向上する。

図５、図４に示すダブルスキン構造の構体材１、２の場合を代表して、以下、さらに詳述するが、その多くは図６に示すようなシングルスキン構造の構体材１、２にも同様に適用できる。図５（ａ）（ｂ）に示すように、構体材対１、２が、一方の構体材１の側縁１ａの外面板１ｂと内面板１ｃとの上に、他方の構体材２の側縁の外面板２ｂと内面板２ｃとをそれぞれ上乗せした重なり状態にてグルーブ１７を形成する開先がまわりを開放した突き合せ部を形成し、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接を行うようにしている。このような上乗せは、一方の構体材１を図４に示すように治具８１ａ、８２ａの上に載置しておき、その側縁１ａの外面板１ｂと内面板１ｃとの上に、他方の構体材２の側縁２ａの外面板２ｂと内面板２ｃを上乗せするのに、他方の構体材２を作業治具上にある一方の構体材１の横に載置する動きの最終段階で治具上へ前記重なりの横移動成分を持った斜め方向の動きを伴い載置しさえすれば、そのときの重なりによって外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの各一方がグルーブ１７底部への当て板部１ｄ、２ｄとなる開先を持った突き合わせを終えて、グルーブ１７をなす開先部での溶接接合を達成することができる。これにより、一方の構体材１を作業治具の上に載置しておき、他方の構体材２をその横に寄せながら上乗せするだけで、そのときの重なりによって外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの各一方がグルーブ１７部の当て板部１ｄ、２ｄとなる開先を持った突き合わせを終え、グルーブ１７の開先部での溶接接合を達成し、従来のダブルスキン構造での嵌合方式に比し作業性を高められ、これも製造コスト低減に貢献する。

また、図５（ａ）（ｂ）に示すように、一方の構体材１の外面板１ｂおよび内面板１ｃに他方の構体材２の外面板２ｂおよび内面板２ｃを上乗せする際に、それら外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの重なり境界面１ｆ、２ｆの一方に設けておいた凹部２１と他方に設けておいた凸部２２とを嵌め合せて、構体材対１、２を所定の開先形成位置に位置決めし、この位置決め状態で溶接を行うようにしている。これにより、一方の構体材１の外面板１ｂおよび内面板１ｃに他方の構体材２の外面板２ｂおよび内面板２ｃを上乗せするのと同時に、前記上乗せによって重なりあった外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの重なり境界面１ｆ、２ｆにある凹凸部２１、２２が互いに嵌り合うので、特別な動作なく双方の構体材１、２を所定の位置関係に位置決めができ、ルートギャップが通常以上に開いてしまうのを防止することができる。また、外面板１ｂ、２ｂどうしまたは内面板１ｃ、２ｃどうしの一方を溶接接合すると、溶接部の凝固ないしは固化に伴なう収縮にて溶接接合していない側で構体材１、２どうしが開く溶接接合部を基点としたいわゆる角折れ現象が生じるのを、溶接接合していない側での凹凸部２１、２２の嵌め合いによって阻止し、この側の開先におけるルートギャップが通常以上に開いてしまうようなことを防止することができる。

この結果、前記上乗せ時に、外面板１ｂ、２ｂどうし、内面板１ｃ、２ｃどうしの重なり境界面１ｆ、２ｆにある凹凸部２１、２２の嵌り合いにより、特別な動作なく双方の構体材１、２を所定の位置関係に位置決めができ、ルートギャップが構体材１、２の押出し成形時の波打ちによる通常以上に開くのを防止し、板厚に応じた最小限度の開先角度θでの溶接性能を保証することができる。また、外面板１ｂ、２ｂどうしまたは内面板１ｃ、２ｃどうしの一方を溶接接合したときの角折れ現象で非溶接接合部側が開くのを前記凹凸部２１、２２の嵌め合い部の引っ掛かりによって阻止し、ルートギャップが通常以上に開くのを防止し、板厚に応じた最小限度の開先角度での溶接性能を保証することができる。このことは、図８に例示する従来の広い開先でのグルーブが拡大した場合に対し、本実施の形態のように狭開先でのグルーブ１７が拡大した場合の開き割合が大きく、同じ開き量でも溶接への影響度が大きいので、この開き量を通常の変化範囲に抑えられる意味は、狭開先の本実施の形態において特に重要であるし、構体材１、２どうしを強く押し付けあう必要がないので溶接設備も簡単で小型な低コストなものでよくなる利点もある。

また、前記凹部２１は、重なり合う外面板１ｂ、２ｂ間、重なり合う内面板１ｃ、２ｃ間の開先によるグルーブ１７の底部であるルート１７ａの当て板部１ｄ、２ｄがなす重なり境界面１ｆ、２ｆに形成し、凸部２２は、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃの前記当て板部１ｄ、２ｄ上への重なり板部１ｇ、２ｇがなす重なり境界面１ｆ、２ｆに形成してある。このように、凸部２２を、上乗せの重なり構造上、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃの当て板部１ｄ、２ｄと重なる重なり板部１ｇ、２ｇに設けておくことにより、凸部２２による増厚分だけ溶接接合部近傍のウイークポイントを増強することができる。また、凹部２１が上乗せの重なり構造上、外面板１ｂ、２ｂまたは内面板１ｃ、２ｃのグルーブ１７のルート１７ａへの当て板部１ｄ、２ｄがなす重なり境界面１ｆ、２ｆに形成する関係上、凹部２１による肉盗み部が溶接による接合域外となって溶接強度に影響せず、凹部２１を設けても増厚などの補強は要らない利点がある。

しかし、このような凹部２１と凸部２２との嵌合による作用効果は、図８に示す従来の嵌合形式による継手構造での重なり部に実施しても同様に得られる。

本発明は鉄道車両のアルミニウム系構体材どうしを溶接にて接合して必要な大きさの構体を得るのに好適で、生産性の向上、製造コストの低減が図れる。

本実施の形態の溶接装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）はレーザ漏れ防止カバー体開放状態での側面図である。 図１の溶接装置のレーザ漏れ防止カバー体の右端の分割カバー体を示す側面図である。 図２の分割カバー体の端部壁側から見た端面図である。 図１（ｃ）の状態の溶接装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接に用いる継手構造を有したダブルスキン構造の構体材の例を示し、（ａ）は溶接できる状態に突き合せた構体材対の端面図、（ｂ）は突合せ部の拡大図である。 本発明の実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接に用いる継手構造を有したシングルスキン構造の構体材の例を示す端面図である。 本実施の形態におけるレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接の状態を模式的に示す説明図である。 従来のＭＩＧ溶接に用いていた継手構造を有した構体材の例を示し、（ａ）は溶接できる状態に突き合せた構体材対の端面図、（ｂ）は突合せ部の拡大端面図である。 従来の溶接装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１、２ 構体材
１０、２０ 面板
１ａ、２ａ、１０ａ、２０ａ 側縁
１ｂ、２ｂ 外面板
１ｃ、２ｃ 内面板
６ 溶接ヘッド
７ 溶接ロボット
１４ レーザビーム
１５ アーク
８０ 溶接作業ライン
８１、８２ 定盤
８１ａ、８２ａ 治具
８３ 設置物
８４ レーザ漏れ防止カバー体
８４ａ、８４ｂ、８４ｃ 分割カバー体
８５、９１ レール
８６ レーザ発振系
８９ 床面
９２ 走行輪
９３ 電動モータ
９４ 溶加材供給部
９５ 開口
９６ シャッタ
９７ 操作系
２９７ 制御系
１０１ シール材
１０２ 凹部
１１１ 溶接対象個所
１９７ 天井クレーン
Ｂ ビード幅
Ｈ 溶け込み深さ
ＳＭ 主作業域
ＳＷ 副作業域
Ｚ１、Ｚ２ 溶接作業域
ＳＳ 停止用センサ
ＳＬ 低速化センサ

Claims (19)

1. ２つの溶接作業域のそれぞれに配置され、被溶接材を受載し溶接に供する定盤と、各溶接作業域にある定盤のいずれに受載される被溶接材をも溶接できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有し、単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つにより溶接を行う溶接ロボットと、溶接ロボットの１つの定盤での溶接作業域を単独で、あるいは他の設備、設置物、建造物などの静止物と協働して覆う大きさおよび形状を持ち、一方の定盤での溶接作業域と他方の定盤での溶接作業域とに移動できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有したレーザ漏れ防止カバー体と、を備えたことを特徴とする溶接装置。
2. ２つの溶接作業域のそれぞれに配置され、被溶接材を受載し溶接に供する定盤と、各溶接作業域にある定盤のいずれに受載される被溶接材をも溶接できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有し、単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つにより溶接を行う溶接ロボットと、溶接ロボットの１つの定盤での溶接作業域を単独で、あるいは他の設備、設置物、建造物などの静止物と協働して覆う大きさおよび形状を持ち、一方の定盤での溶接作業域と他方の定盤での溶接作業域とに移動できるよう溶接作業域配置方向での自走機能を有したレーザ漏れ防止カバー体と、を備え、レーザ漏れ防止カバー体は少なくとも溶接作業域配置方向に２分割されて、それぞれに自走機能を有したものであることを特徴とする溶接装置。
3. レーザ漏れ防止カバー体は、側壁にドア付きの出入り口を有している請求項１、２のいずれか１項に記載の溶接装置。
4. レーザを発振するレーザ発振系と、溶接ロボットおよびレーザ漏れ防止カバー体の動作を伴なう溶接動作をプログラムに従い制御する制御系と、この制御系を通じ溶接作業の開始、停止、レーザ漏れ防止カバー体の移動の開始、の指令を行う操作系とを備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接装置。
5. レーザ発振系は、２つの溶接作業域が並んだ溶接作業ラインの一側に設定した副作業域側に設置し、操作系は単独であるいは制御系と共に、前記溶接作業ラインの他側に設定した主作業域側に設置した請求項４に記載の溶接装置。
6. レーザ漏れ防止カバー体の停止位置には、レーザ漏れ防止カバー体の到達を検出して制御系に停止信号を出力する停止用センサを設け、停止位置の手前には、レーザ漏れ防止カバー体の到達を検出して制御系に低速化信号を出力する低速化センサを設けた請求項４、５のいずれか１項に記載の溶接装置。
7. 制御系は、レーザ漏れ防止カバー体の自走中、レーザ漏れ防止カバー体が溶接ロボットの位置する溶接作業域にないとき、のいずれも溶接ロボットによる溶接作業を停止する請求項４〜６のいずれか１項に記載の溶接装置。
8. 副作業域とレーザ漏れ防止カバー体の自走域との間は仕切り壁によって仕切り、レーザ漏れ防止カバー体はこの仕切り壁と協働して溶接作業域を覆う請求項５〜７の何れか１項に記載の溶接装置。
9. レーザ漏れ防止カバー体は、仕切り壁側開口の上縁部に、仕切り壁に設けたレールに案内される走行輪を持ち、仕切り壁と反対側の側壁の下縁部に、床面に設けたレールに案内される走行輪を持っている請求項８に記載の溶接装置。
10. レーザ漏れ防止カバー体は、静止物との対向縁に、その静止物に近接、当接または摺接するゴム製のシール材を設けている請求項１〜９のいずれか１項に記載の溶接装置。
11. 側壁のシール材は、床面のレールを敷設した凹部内に入り込んでいる請求項１０に記載の溶接装置。
12. レーザ漏れ防止カバー体は、自走方向で見た両端部の端部壁に定盤とこれに受載される被溶接材との干渉を避ける開口を持ち、この開口を溶接作業時に閉じるように設けたシャッタの下縁にもシール材を有している請求項１０、１１のいずれか１項に記載の溶接装置。
13. ２つの溶接作業域の一方の定盤上に被溶接材を初期配置するか先の溶接済みの溶接物に換えて配置した後、そこに溶接ロボットおよびレーザ漏れ防止カバー体を自走させて、一方の溶接作業域を溶接ロボットと共にレーザ漏れ防止カバー体で覆った状態として、一方の溶接作業域の定盤上に配置した被溶接材に対し、溶接ロボットの自走を伴い単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つによる溶接を行うのに併せ、他方の溶接作業域の定盤上に被溶接材を初期配置するか先の溶接済みの溶接物に換えて配置することと、一方の溶接作業域での溶接作業後、溶接ロボットおよびレーザ漏れ防止カバー体を他方の溶接作業域に自走させて他方の溶接作業域を溶接ロボットと共にレーザ漏れ防止カバー体で覆った状態として、他方の溶接作業域の定盤上に初期配置しまたは先のものに換えて配置している被溶接材に対し、溶接ロボットの自走を伴い単独レーザ、複数異種レーザによるハイブリッド、レーザとアークによるハイブリッドの１つによる溶接を行うのに併せ、一方の溶接作業域の定盤上の溶接済みの溶接物に換えて次の被溶接材を配置することと、を繰り返し、多数の溶接物を得ることを特徴とする溶接方法。
14. レーザ漏れ防止カバー体を溶接作業域配置方向に分割しておき、その分割カバー体どうしが互いに離間するように少なくとも一方を自走させて、溶接ロボットをその自走を伴いまたは伴なわないでまわりを開放させ、ティーチング、消耗材の交換や補充、メンテナンスを行う請求項１３に記載の溶接方法。
15. 消耗材の交換や補充は、レーザ漏れ防止カバー体の自走域の一側の副作業域に設けた制御系を通じ、自走域の他側の主作業域の定位置にある操作系での操作によって行う請求項１４に記載の溶接方法。
16. 溶接は、被溶接材どうしを溶接接合するものである請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の溶接方法。
17. 被溶接材は、鉄道車両用の構体材であって、１車両分の特定の構体を形成する連続状態で定盤上に保持しておき、１つの溶接作業域にて溶接対象箇所を溶接して、鉄道車両の構体を形成する請求項１６に記載の溶接方法。
18. 構体材は、アルミニウム系の押出し形材よりなりシングルスキンまたはダブルスキン構造を有し、それらの側縁間において、面板どうしのＭＩＧ溶接による従来開先に比し狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接によりＭＩＧ溶接の場合よりも高速で溶接して接合し構体を形成する請求項１７に記載の溶接方法。
19. 面板どうしの５０°未満またはグルーブ開口幅／板厚＜０．９の狭開先とした突き合せ部を、レーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接により溶接して接合し構体を形成する請求項１８に記載の溶接方法。
    

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