JP2010094711A - 溶接部整形方法、整形ツール、及び整形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工程の複雑化や装置構成の複雑化を招くことなく、小さい整形荷重によって溶接部を整形することができる溶接部整形方法、整形ツール、及び整形装置を提供すること。
【解決手段】溶接装置１０に、薄板部４５と、薄板部４５の歪を検出する歪ゲージ４７と、薄板部４５の温度を検出する熱電対４８と、歪ゲージ４７と熱電対４８とが配置されるキャビティ４６とを備えた整形ツール１２，１３と、突き合わせ方向に直交する方向において整形ツール１２，１３の各部４０〜４２を溶接部６０に対して進退させる駆動機構１８と、溶接部材３０ａ，３０ｂ同士の突き合わせ荷重を調整する突き合わせ調整機構１９と、歪ゲージ４７及び熱電対４８における各検出結果を取得し、その検出結果に基づいて溶接部６０がＡ３変態点以上の半凝固状態であると判断すると、駆動手段１８及び突き合わせ調整機構１９を制御して溶接部６０の整形を実行させる制御部５０とを設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、溶接部の整形を行うための整形方法、整形ツール、及び整形装置に関する。より詳細には、突き合わせ溶接における溶接部の整形を、低荷重で精度良く行うことができる整形方法、整形ツール、及び整形装置に関するものである。

突き合わせ溶接では、突き合わせ部における隙間をなくすために、溶接部材同士を突き合わせ方向に加圧した状態で位置決めして溶接を実施する。このとき、溶接部材を位置決めした後において、両部材の加圧を維持する場合と加圧を止める場合とがある。そして、溶接時において、加圧力が高い場合や溶融部の熱膨張が大きい場合などには、溶接部の表面形状が凸状になり、逆に、プレス加工で切断された部分が突き合わせ溶接される場合などには、突き合わせ部においてダレや破断面による体積欠損が発生し、溶接部の表面形状が凹状になる。

このため、溶接部における表面形状をレーザセンサや画像処理技術を用いて計測し、表面形状が凹状の場合には、溶接部に対して突き合わせ方向から加圧を行って凸状化して表面を整形すること（アップセット）が行われている。しかしながら、アップセットでは限られた時間内に加圧しなければならないため、加圧力を調整する（変化させる）ことができないので、予め決められた一定の力によって加圧される。このため、凸状化が不安定（成り行き任せ）であり、完全に整形することができなかった。

そこで、一般的には、溶接部が凸状化するように加圧力を設定し、溶接部が凝固した後に、凸部を機械加工によって切削して除去することが行われている。ところが、この場合には凸部を切削加工するための余分な工程が必要であり、また原材料を余分に使用するため製品コストの上昇を招くという問題があった。さらに、溶接部に内部欠陥が存在した場合に、切削加工により欠陥部分が表面に露出してしまい、耐腐食性の悪化や形状効果による機械的強度の低下を招くという問題もあった。

そのため、凸部の切削加工を不要にする技術の１つとして、例えば、特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に開示された技術では、従来のアップセットの代わりに、溶接部を一旦冷却した後、溶接温度以下に再加熱しつつ突き合わせ部を加圧して溶接部を整形するようになっている。
特開２００３−５３５８６号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載された技術では、切削加工に伴い発生する問題点を解消できるが、再加熱の制御などが新たに必要となるために工程が複雑化してしまう。その結果、生産性が低下するとともに製品のコストアップを招くという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、工程の複雑化や装置構成の複雑化を招くことなく、小さい整形荷重によって溶接部を整形することができる溶接部整形方法、整形ツール、及び整形装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、突き合わせ溶接部の表面形状を整形する溶接部整形方法において、突き合わせ溶接の溶接線方向において溶接部の後方で溶接部の温度及び表面形状を計測する計測工程と、前記計測工程にて計測された温度及び表面形状に基づき、溶接部がＡ３変態点以上の半凝固状態となっているときに、溶接部材同士の突き合わせ方法から溶接部を圧縮することにより、又は突き合わせ方向と直交する方向から溶接部を圧縮することにより、溶接部を整形する整形工程と、を含むことを特徴とする。

この溶接部整形方法では、計測工程にて、突き合わせ溶接部の温度及び表面形状が計測される。温度の計測は例えば熱電対を利用して行えばよいし、表面形状の計測は歪ゲージなどを使用して溶接部表面の歪を検出すればよい。そして、整形工程にて、計測工程にて計測された温度及び表面形状に基づき、溶接部がＡ３変態点以上の半凝固状態となっているときに、溶接部に対する所定の整形が実行される。これにより、小さな整形荷重によって溶接部を変形させて整形することができる。また、溶接部を再加熱することなく溶接部を整形することができるため、生産性の低下を防ぐことができる。これらのことから、装置構成の複雑化や工程の複雑化を招くことがないので、製品のコストアップを防止することができる。

そして、本発明に係る溶接部整形方法において、前記整形工程では、前記計測工程での計測結果に基づき溶接部の表面形状が凸状であると判断されると、突き合わせ方向と直交する方向から溶接部を圧縮して溶接部を整形すればよい。

このように、溶接部の表面形状が凸状となっている場合には、溶接部に対して突き合わせ方向と直交する方向から荷重を加える、つまり溶接部表面を圧縮することにより、溶接部表面を変形させて整形することができる。

あるいは、本発明に係る溶接部整形方法において、前記整形工程では、前記計測工程での計測結果に基づき溶接部の表面形状が凹状であると判断されると、突き合わせ方向から溶接部を圧縮して溶接部を整形すればよい。

このように、溶接部の表面形状が凹状となっている場合には、溶接部に対して突き合わせ方向から荷重を加える、つまり溶接部材同士の突き合わせ荷重を高めて溶接部を圧縮して溶接部表面を変形させて整形することができる。

なお、溶接部の表面形状の判断は、計測工程で計測される溶接部表面の歪などに基づき簡単に判断することができる。また、溶接部の表面形状が所望の整形形状になっている場合には、溶接部の整形は行わないようにすればよい。

上記課題を解決するためになされた別形態の発明は、突き合わせ溶接部の表面形状を整形する溶接部整形ツールにおいて、溶接部に当接する当接面の一部に形成された薄板部と、前記薄板部の当接面側とは反対側に形成されたキャビティと、前記薄板部の歪を検出する歪検出手段と、前記薄板部の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記歪検出手段及び前記温度検出手段が前記キャビティ内に配設されていることを特徴とする。

この溶接部整形ツールでは、溶接部に当接する当接面の一部に形成された薄板部と、薄板部の当接面側とは反対側に形成されたキャビティとが形成され、薄板部の歪を検出する歪検出手段と、薄板部の温度を検出する温度検出手段とがキャビティ内に配設されている。ここで、キャビティは、ツール本体の剛性・強度性能を悪化させない小さな内径の孔である。そして、整形ツールを溶接部に当接させると、薄板部が溶接部の表面形状に倣って撓む。この撓みを歪検出手段により検出することで溶接部の表面形状を判断することができる。また、薄板部の温度を温度検出手段により検出することで溶接部の温度を推定することができる。つまり、溶接部がＡ３変態点以上であるか否かを判断することできる。このように、この整形ツールによれば、非常に簡単な構成により溶接部の温度と表面形状を検出することができるので、溶接部がＡ３変態点以上になっているときに小さな整形荷重によって溶接部を変形させて整形することができる。

従って、このような整形ツールを使用することにより、小さな整形荷重によって溶接部を整形することができ、また、溶接部を再加熱することなく溶接部を整形することができるため、生産性の低下を防ぐことができる。これらのことから、装置構成の複雑化や工程の複雑化を招くことがないので、製品のコストアップを防止することができる。

この溶接部整形ツールにおいて、前記薄板部は、ツール本体とは異なる材質により形成されているものであることが望ましい。

薄板部は、ツール本体と同じ材質で形成することもできるが、異なる材質により形成されたものを使用することにより、ツール本体を繰り返しの整形荷重に耐える材料（例えば、処理された鋼材、型材、セラミックなど）で形成し、薄板部を弾性があり強度が高く、熱伝達性がある材料（例えば、鋼材やステンレス材など）で形成することができる。これにより、整形ツールの耐久性を向上させるとともに、溶接部の状態をより正確に検出することができる。

ここで、薄板部がツール本体と同じ材質で形成（一体形成）されている場合には、薄板部がフラット形状となるため、溶接部が凹状になった場合に形状判断を正確に行うことができない。これに対して、薄板部をツール本体と異なる材質で形成することにより、薄板部を、キャビティとは反対側に凸となるように形成することができる。これにより、溶接部が凹状になっている場合でも形状判断を正確に行うことができる。

上記課題を解決するためになされた別形態の発明は、突き合わせ溶接部の表面形状を整形する溶接部整形装置において、上記したいずれか１つの溶接部整形ツールと、突き合わせ方向に直交する方向において前記整形ツールを溶接部に対して進退させる駆動手段と、溶接部材同士の突き合わせ荷重を調整する突き合わせ荷重調整手段と、前記駆動手段の制御により前記整形ツールを溶接部に当接させた際、前記歪検出手段及び前記温度検出手段における各検出結果を取得し、その検出結果に基づいて溶接部がＡ３変態点以上の半凝固状態であると判断すると、前記駆動手段及び前記突き合わせ荷重調整手段を制御して溶接部の整形を実行させる制御手段と、を有することを特徴とする。

この溶接部整形装置では、制御手段により、歪検出手段及び温度検出手段における各検出結果に基づき、溶接部がＡ３変態点以上の半凝固状態であると判断されると、溶接部の表面形状に応じて、駆動手段及び突き合わせ荷重調整手段が制御され溶接部の整形が実行される。このように、溶接部の整形をＡ３変態点以上で行うため、小さな整形荷重によって溶接部を変形させて整形することができる。これにより、装置の小型化を図ることができる。また、溶接部を再加熱することなく溶接部を整形することができるため、生産性の低下を防ぐことができる。これらのことから、装置構成の複雑化や工程の複雑化を招くことがないので、製品のコストアップを防止することができる。

そして、この溶接部整形装置においては、前記制御手段により、歪検出手段の検出結果に基づき溶接部の表面形状が凸状であると判断された場合、駆動手段を制御して整形ツールにより溶接部の表面を圧縮することによって溶接部の整形を実行すればよい。

これにより、溶接表面が圧縮されて溶接部表面が変形し整形される。このとき、突き合わせ荷重調整手段を制御して、溶接部材に一定の圧力が加えられるとともに溶接部の変形（整形）に伴って溶接部材が追従変位（フローティング）するようにすればよい。こうすることにより、溶接部に対して圧縮の荷重がかかった状態で整形を行うことができるため、溶接部が凝固過程において凝固した金属が剥がれたり、クラックが入ったりすることを確実に防止することができる。その結果、溶接部における機械的強度を低下させることなく溶接部を整形することができる。

また、この溶接部整形装置においては、前記制御手段により、歪検出手段の検出結果に基づき溶接部の表面形状が凹状であると判断された場合、突き合わせ荷重調整手段を制御して溶接部を突き合わせ方向から圧縮することによって溶接部の整形を実行すればよい。

これにより、溶接部が突き当て方向から圧縮されて溶接部表面が変形して整形される。このとき、駆動手段を制御して、整形ツールを溶接部表面に当接させた状態で保持するようにすればよい。こうすることにより、溶接部に対して圧縮の荷重がかかった状態で整形を行うことができるため、溶接部が凝固過程において凝固した金属が剥がれたり、クラックが入ったりすることを確実に防止することができる。その結果、溶接部における機械的強度を低下させることなく溶接部を整形することができる。

そして、この溶接部整形装置において、前記整形ツールは、整形前の溶接部の状態を測定する測定部の他に、少なくとも溶接部の整形中に溶接部の状態を確認する整形状態確認部、あるいは整形された溶接部の状態を確認する整形後確認部のいずれか一方を備えていることが望ましい。

整形状態確認部を備えることにより、溶接部がＡ３変態点以上になっている状態で確実に溶接部を整形することができる。また、整形後確認部を備えることにより、整形後の溶接部の表面形状を正確に判断することができる。これにより、整形不良を確実に発見することができ、製品の精度を向上させることができる。そして、整形後における溶接部の表面形状の確認結果を整形条件にフィードバックすることにより、溶接部の整形精度を向上させることができる。

本発明に係る溶接部整形方法、整形ツール、及び整形装置によれば、上記した通り、工程の複雑化や装置構成の複雑化を招くことなく、小さい整形荷重によって溶接部を整形することができ、溶接部の整形によって製品のコストアップを招かないようにすることができる。

以下、本発明を具体化した最も好適な実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。本実施の形態では、平板同士を突き合わせレーザ溶接し、その溶接部をフラットに整形する溶接装置を例示する。そこで、本実施の形態に係る溶接装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、実施の形態に係る溶接装置の概略構成を示す正面図である。図２は、実施の形態に係る溶接装置の概略構成を示す側面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る溶接装置１０には、レーザ溶接ヘッド１１と、上面整形ツール１２、下面整形ツール１３と、ガイド１６ａ，１６ｂと、クランプ１７ａ，１７ｂとを備えている。レーザ溶接ヘッド１１は、溶接部材３０ａ，３０ｂの突き合わせ部にレーザ光を照射し両部材を溶接するものである。このレーザ溶接ヘッド１１は、上面整形ツール１２と一体化されている。

上面整形ツール１２及び下面整形ツール１３は、突き合わせ溶接部の表面を整形するものである。本実施の形態では、上面整形ツール１２が溶接部材３０ａ，３０ｂの溶接部上面を整形し、下面整形ツール１３が溶接部材３０ａ，３０ｂの溶接部下面を整形するようになっている。上面整形ツール１２は、図２に示すように、レーザ溶接ヘッド１１とともに装置本体１０ａから延びるアーム１４に固定されている。一方、下面整形ツール１３は、装置本体１０ａに設けられたアーム１５に固定されている。

上面整形ツール１２及び下面整形ツール１３には、図１に示すように、測定部４０と、整形部４１と、確認部４２とが設けられている。なお、これらの詳細については後述する。そして、これら測定部４０、整形部４１、及び確認部４２を、それぞれ上下方向に独立して移動可能とするサーボ式駆動機構１８が設けられている。この駆動機構１８により、上面整形ツール１２及び下面整形ツール１３に備わる測定部４０、整形部４１、及び確認部４２が、溶接部材３０ａ，３０ｂの溶接部表面（上下面）に当接・離間するようになっている。

ガイド１６ａ，１６ｂは、製品３０すなわち溶接部材３０ａ，３０ｂをセット（載置）するものである。そして、ガイド１６ａ，１６ｂ上にセットされた溶接部材３０ａ，３０ｂは、クランプ１７ａ，１７ｂにより保持・固定されるようになっている。そして、ガイド１６ａ，１６ｂには、図２に示すように、ガイド１６ａ，１６ｂを近接・離間させて溶接部材３０ａ，３０ｂの突き合わせ荷重を調整するサーボ式突き合わせ機構１９が設けられている。なお、ガイド１６ａ，１６ｂは、溶接部材３０ａ，３０ｂを突き合わせた状態で、図３（ａ）（ｂ）に示すように互いに当接することがない裏ポケットと言われる空間２０が形成されようになっている。図３は、ガイドの概略構成を示す断面図であり、（ａ）は同板厚の溶接部材を突き合わせた状態を示し、（ｂ）は異板厚の溶接部材を突き合わせた状態を示す。

また、ガイド１６ａ，１６ｂには、図１に示すように、溶接部材３０ａ，３０ｂを溶接方向（図１中左側）へ移動させるためのサーボ式送り機構２１が設けられている。この送り機構２１により、製品３０を溶接方向へ移動させ、溶接部材３０ａ，３０ｂの突き合わせ部で連続的に溶接を行いつつ、上面整形ツール１２及び下面整形ツール１３により溶接部を整形することができるようになっている。

ここで、上面整形ツール１２及び下面整形ツール１３に備わる測定部４０、整形部４１、及び確認部４２について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、上面整形ツール及び下面整形ツールの概略構成を示す断面図である。図５は、測定部、整形部及び確認部の先端部分の概略構成を示す断面図である。

上面整形ツール１２及び下面整形ツール１３は、図４に示すように、製品３０を挟んで対向して配置され、それぞれに測定部４０、整形部４１、及び確認部４２が設けられている。測定部４０は、製品３０における整形前の溶接部の状態を測定するものである。整形部４１は、溶接部の整形中に溶接部の状態を確認するものである。確認部４２は、整形された溶接部の状態を確認するものである。これら測定部４０、整形部４１、及び確認部４２は、それぞれ同様の構成であるから、以下の説明では測定部４０の構成について説明し、整形部４１及び確認部４２の構成についての説明は省略する。

測定部４０には、製品３０の溶接部に当接する当接面の一部に形成された薄板部４５と、薄板部４５の当接面側とは反対側に形成されたキャビティ４６とが形成されている。薄板部４５は、測定部４０の先端を製品３０の溶接部に当接させると、溶接部の表面形状に倣って撓むようになっている。なお、薄板部４５の厚さは、凝固状態の溶接部が０．５ｍｍ程度凸となっている場合に、０．２ｍｍ程度凹となるように設定されている。また、キャビティ４６の内径は、測定部本体の剛性・強度性能を悪化させないように設定されている。例えば、製品３０の板厚が３ｍｍ程度で溶接部の幅が０．５ｍｍ程度となる場合であれば、キャビティ４６の内径は５ｍｍ程度にすればよい。

そして、キャビティ４６内に、薄板部４５の撓み量を検出する歪ゲージ４７と、薄板部４５の温度を検出する熱電対４８とが設けられている。つまり、薄板部４５の裏面側（溶接部に当接する当接面とは反対側）に歪ゲージ４７と熱電対４８とが貼り付けられている。なお、歪ゲージ４７は、キャビティ４６の中心位置に配置されている。これにより、薄板部４５の撓み量を精度良く計測することができるようになっている。

薄板部４５は、測定部４０とは異なる材質により形成されており、図５に示すように、キャビティ４６とは反対側（当接面側）に凸となるように設けられている。本実施の形態では、測定部４０本体をセラミックで形成し、薄板部４５を金型材料であるＳＫＤ１１で形成している。これにより、測定部４０の耐久性を向上させるとともに、薄板部４５を製品３０の表面形状に応じて撓ませることができるため、歪ゲージ４７によって製品３０の表面形状を精度良く検出することができる。また、ＳＫＤ１１は熱伝達性もあるため、熱電対４８によって製品３０の温度を精度良く検出することができる。

なお、測定部４０は、歪ケージ４７を熱害から守るために、所定の熱勾配を持つように設計されている。本実施の形態では、溶接部の表面温度が１０００℃のときに、薄板部４５の裏面温度が２５０℃程度になるように測定部４０の熱勾配が設定されている。なお、薄板部４５の温度が高くなるよう場合には、空冷フィンなどを設けて測定部４０の実質的な熱容量を増加させればよい。

続いて、上記した溶接装置１０の制御系について図６を参照しながら説明する。図６は、溶接装置１０の制御系ブロック図である。溶接装置１０の制御系は、図６に示すように、各部の動作を統括的に制御する制御部５０を中心にして構成されている。すなわち、測定部４０、整形部４１、確認部４２、突き合わせ機構１９、送り機構２１、及びレーザ溶接ヘッド１１がそれぞれ制御部５０に接続されている。これにより、各部からの各種信号が制御部５０に入力され、制御部５０から各部に対して各種制御信号が出力されるようになっている。

制御部５０には、測定部加圧制御ＰＬＣ５１、整形方法決定ＰＬＣ５２、整形荷重決定ＰＬＣ５３、整形部加圧制御ＰＬＣ５４、整形状態判定ＰＬＣ５５、確認形状判定ＰＬＣ５６、及び治具制御ＰＬＣ５７の７つのシーケンサが備わっている。
測定部加圧制御ＰＬＣ５１は、測定部４０の駆動機構１８と接続されており、駆動機構１８の動作を制御して、予め決められた加圧力で測定部４０を製品３０における溶接部表面に当接させるものである。

整形方法判定ＰＬＣ５２は、測定部４０の歪ゲージ４７と接続されており、歪ゲージ４７からの入力信号に基づき製品３０における溶接部に対する整形方法を判定するものである。また、整形方法判定ＰＬＣ５２は、整形部加圧制御ＰＬＣ５４及び治具制御ＰＬＣ５７にも接続されており、判定結果に基づき生成された制御信号を整形部加圧制御ＰＬＣ５４及び治具制御ＰＬＣ５７に出力するようになっている。

整形荷重決定ＰＬＣ５３は、測定部４０の熱電対４８と接続されており、熱電対４８からの入力信号に基づき、整形部４１による溶接部表面に対する整形荷重を決定するものである。整形荷重決定ＰＬＣ５３のデータレジスタには、製品の材質ごとに整形荷重と溶接部の温度との関係をデータマップ化したものが記憶されている。そして、整形荷重決定ＰＬＣ５３では、測定部４０の熱電対４８からの入力信号に基づき、データマップから整形荷重を決定するようになっている。また、整形荷重判定ＰＬＣ５３は、整形部加圧制御ＰＬＣ５４及び治具制御ＰＬＣ５７にも接続されており、決定結果に基づく制御信号を整形部加圧制御ＰＬＣ５４及び治具制御ＰＬＣ５７に出力するようになっている。

整形部加圧ＰＬＣ５４は、整形部４１の駆動機構１８と接続されており、駆動機構１８の動作を制御して整形部４１の加圧力を調整するものである。すなわち、整形部加圧ＰＬＣ５４は、整形方法判定ＰＬＣ５２及び整形荷重決定ＰＬＣ５３からの制御信号に基づき整形部４１を駆動して製品３０の溶接部の整形を行うようになっている。

整形状態判定ＰＬＣ５５は、整形部４１の歪ゲージ４７及び熱電対４８に接続されており、歪ゲージ４７及び熱電対４８からの入力信号に基づき、整形部４１によって整形される溶接部の状態を判定するものである。

確認形状判定ＰＬＣ５６は、確認部４２の駆動機構１８、歪ゲージ４７、及び熱電対４８と接続されており、駆動機構１８の動作を制御して、予め決められた加圧力で確認部４２を整形後の溶接部表面に当接させ、そのとき歪ゲージ４７及び熱電対４８から入力される信号に基づき、整形後の溶接部の状態を判定するものである。また、確認形状判定ＰＬＣ５６は、整形方法判定ＰＬＣ５２及び整形荷重決定ＰＬＣ５３にも接続されており、判定結果をフィードバックするようになっている。これにより、前回の整形結果が次の整形条件に反映されるので、溶接部の整形精度を向上させることができ、より精度良く溶接部をフラットに整形することができるようになっている。

治具制御ＰＬＣ５７は、突き合わせ機構１９、送り機構２１，及びレーザ溶接ヘッド１１と接続されており、整形方法判定ＰＬＣ５２及び整形荷重決定ＰＬＣ５３からの制御信号に基づき、これらの動作を制御するものである。

次に、上記した構成を有する溶接装置１０の動作について、図７を参照しながら説明する。図７は、溶接装置１０における整形処理の制御内容を示すフローチャート図である。
溶接装置１０にて突き合わせ溶接を行う場合には、図７に示すように、製品３０となる溶接部材３０ａ，３０ｂがガイド１６ａ，１６ｂにセットされ、クランプ１７ａ，１７ｂにより保持固定される（ステップ１）。次いで、突き合わせ機構１９によりガイド１６ａ，１６ｂが互いに近接するように移動させられて、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部同士が一定荷重により突き合わされる（ステップ２）。そして、溶接部材３０ａ，３０ｂ同士の溶接が開始される（ステップ３）。このステップ３では、治具制御ＰＬＣ５７からの指令に基づき、レーザ溶接ヘッド１１から溶接位置に向けてレーザが照射されるとともに、送り機構２１によりガイド１６ａ，１６ｂが溶接方向へ移動させられて溶接部材３０ａ，３０ｂ（製品３０）の送りが開始される。これにより、溶接部材３０ａ，３０ｂが順次溶接されていく。

ここで、ステップ３におけるレーザ溶接を行っている際における製品３０の溶接部（溶接部材３０ａ，３０ｂの突き合わせ部分）の状態について、図８を参照しながら説明する。図８は、溶接部の状態を示す断面図であり、（ａ）は溶接部の外観状態を示し、（ｂ）は溶接部内部における状態変化を模式的に示している。
（１）溶接直前においては、図８（ａ）に示すように、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部同士が一定荷重で突き合わされている。このとき、溶接部６０は、図８（ｂ）に示すように固体状態となっている。
（２）溶接位置においては、図８（ａ）に示すように、レーザが照射された溶接部材３０ａ，３０ｂの端部が溶融する。このとき、溶接部６０には、図８（ａ）（ｂ）に示すように、キーホール６１が形成されてその周辺が溶融状態となっている。
（３）溶融部においては、キーホール６１の周辺で溶融した金属がキーホール６１の進行（製品３０の送り）に伴って、図８（ａ）に示すように、溶接部６０が溶融金属で埋まる。このとき、溶接部６０は、図８（ｂ）に示すように溶融状態となっている。
（４）凝固部においては、図８（ａ）に示すように、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部にて溶融した金属が半凝固あるいは凝固して、溶接部材３０ａ，３０ｂが接合される。ここで、突き合わせ部分において、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部が理想的に平面で全面接触して溶接されたとしても、溶接部６０において溶融した金属が凝固する際の体積膨張や、非溶融部分を含めた溶接部材の変態による体積変化、温度変化による膨張・収縮によって、溶接部材における膨張・収縮量が変化する。このため、凝固した溶接部６０の表面形状が一定にならない。つまり、溶接部６０表面形状が、フラットにならず凸状になったり凹状になったりする。

また、図８（ａ）に示す場合とは異なり、図９に示すように、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部同士が全面接触しない場合、言い換えると、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部において体積欠損が生じていることもある。このような溶接部材の端部における体積欠損は、端面がプレス抜きにより形成された場合などに生じる。一般的に溶接部材は、プレス加工により形成されることが多いため、突き合わせ溶接される溶接部材において、その端部同士が全面接触している場合よりも全面接触していない場合の方が多い。なお、図９は、体積欠損が生じている溶接部材同士の突き合わせ状態を示す断面図である。

そして、溶接部材３０ａ，３０ｂの端部において体積欠損が生じている場合には、図１０（ａ）に示すように、凝固した溶接部６０の表面が凹状となる。一方、溶接部材３０ａ，３０ｂを突き合わせる荷重が大きめに設定されていた場合には、図１０（ｂ）に示すように、溶接部６０の表面が凸状となる。なお、図１０は、溶接後における溶接部の表面状態を示す断面図である。

ここで、一般的には、溶接部表面の形状は、溶接強度及び製品品質からフラットな形状が理想とされている。このため、溶接部表面がフラットになるように溶接条件が管理されている。ところが、溶接部材の端部形状や溶接環境などが常に一定ではないため、溶接条件を厳密に管理しても、安定的に溶接部表面をフラットにすることは困難である。

そこで、溶接装置１０では、整形ツール１２，１３を用いて溶接部６０を整形することにより、溶接部６０の表面を安定的にフラットにするようにしている。この溶接部の整形処理について図７に戻って説明する。溶接部材３０ａ，３０ｂが溶接されていくと、測定部加圧制御ＰＬＣ５１により、整形ツール１２，１３に備わる測定部４０，４０の駆動機構１８，１８が駆動されて、測定部４０，４０が溶接部６０に対して溶接部６０を挟み込むようにして所定荷重で当接させられる（ステップ４）。

そして、溶接部６０の表面形状が検出される（ステップ５）。この表面形状の検出は、測定部４０の歪ゲージ４７からの出力に基づき行われる。具体的には、図１１（ａ）に示すように、溶接部６０の表面形状が凸状になっている場合には、測定部４０の薄板部４５が大きく撓む（薄板部４５が凹状になる）。このときに歪ゲージ４７で測定される歪み量に基づき、溶接部６０の凸量が検出される。一方、図１１（ｂ）に示すように、溶接部６０の表面形状が凹状になっている場合には、測定部４０の薄板部４５がほとんど撓まない（薄板部４５が凸状のままである）。このときに歪ゲージ４７で測定される歪み量に基づき、溶接部６０の凹量が検出される。なお、図１１は、測定部による溶接部の状態検知の様子を示す図であり、（ａ）は溶接部表面が凸状になった場合を示し、（ｂ）は溶接部表面が凹状になった場合を示す。

図７に戻って、溶接部６０の表面形状の検出に続き、溶接部６０の表面温度が推定される（ステップ６）。この表面温度の推定は、測定部４０の熱電対４８からの出力に基づき行われる。つまり、熱電対４８により計測される薄板部４５の裏面温度に基づき、溶接部６０の表面温度を推定する。このときの推定温度は、溶接条件（溶接速度、溶融部の幅・体積など）、薄板部４５の材質（熱伝達率）や薄板部４５に作用する圧力、測定部４０の材質・大きさ（熱容量と熱伝達率）などによって変化する。このため、これらの要素を考慮した上で熱電対４８により計測される薄板部４５の裏面温度と溶接部６０の表面温度との関係式を予め実験的に求めておき、その関係式に用いて溶接部６０の表面温度を推定すればよい。

溶接部６０の表面状態及び温度が検出されると、溶接部６０の整形が可能か否かが判断される（ステップ７）。具体的には、ステップ５で検出された溶接部６０の凸量あるいは凹量が所定値以下であって、かつステップ６で推定された溶接部６０の温度がＡ３変態点以上であるか否かが判断される。そして、溶接部６０の整形が可能であると判断された場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、ステップ８の処理に進む。一方、溶接部６０の整形が不可能であると判断された場合には（Ｓ７：ＮＯ）、溶接装置１０に異常が発生しているおそれがあるためその旨を報知する（ステップ２１）。

ステップ８では、整形荷重決定ＰＬＣ５３により整形荷重が決定される。すなわち、ステップ６で取得された溶接部６０の表面温度から、整形荷重決定ＰＬＣ５３に予め記憶されているデータマップが参照されて、整形荷重が決定される。本実施の形態では、マップデータから得られる成形荷重を１．５倍して整形荷重を決定している。これにより、短時間で確実に溶接部６０を整形するとともに溶接部周辺を損傷しないようにしている。

ここで、整形荷重決定ＰＬＣ５３に予め記憶されているデータマップは、図１２に示す溶接部の表面温度と成形荷重との関係をマップ化したものである。図１２は、溶接部の表面温度と成形荷重との関係を示す図である。金属材料は、溶融状態から温度が下がるにつれて高温変態状態から低温変態状態を経て凝固していく。つまり、溶融金属は、融点を下回ると高温変態状態となり、Ａ３変態点を下回ると低温変態となる。そして、低温変態状態よりも高温変態状態の方が小さい荷重により成形することができる。なお、図１２に示す表面温度と成形荷重との関係は一例であり、溶接部材の材質が変われば表面温度と整形荷重との関係も変化する。

続いて、ステップ９において、整形方法判定ＰＬＣ５２により整形方法が決定される。すなわち、ステップ５で取得された溶接部６０の表面形状に基づき整形方法が決定される。具体的には、溶接部６０の表面形状が凸状である場合には、突き合わせ方向と直交する方向から溶接部６０を圧縮する整形方法とされる。逆に、溶接部６０の表面形状が凹状である場合には、突き合わせ方向から溶接部６０を圧縮する整形方法とされる。なお、溶接部６０の表面形状がフラットである場合には整形を行わないと決定される。

そして、ステップ９で決定された整形方法により、図１３に示すようにして整形部６０に対する整形が実施される（ステップ１０）。図１３は、溶接部に対する整形を実施している状態を示す図であり、（ａ）は溶接部が凸状である場合を示し、（ｂ）は溶接部が凹状である場合を示す。

まず、溶接部６０の表面形状が凸状である場合には、図１３（ａ）に示すように、整形加圧制御ＰＬＣ５４により、整形ツール１２，１３に備わる整形部４１，４１の駆動機構１８，１８が駆動されて、整形部４１，４１が溶接部６０を挟み込むようにして溶接部６０の表面を、ステップ８で決定された整形荷重で加圧する。またこのとき、治具制御ＰＬＣ５７によって突き合わせ機構１９の動作が制御されて、溶接部材３０ａ，３０ｂの突き合わせ荷重が一定状態で溶接部６０の変形に追従して溶接部材３０ａ，３０ｂ（ガイド１６ａ，１６ｂ）が移動する。これにより、溶接部６０に対して圧縮の荷重がかかった状態で凸部をフラットに整形することができるため、溶接部６０が凝固していく過程で既に凝固した金属が剥がれたり、クラックが入ったりすることを確実に防止することができる。その結果、フラットに整形された後に完全に凝固した溶接部６０における機械的強度（溶接強度）を低下させることがない。

次に、溶接部６０の表面形状が凹状である場合には、図１３（ｂ）に示すように、治具制御ＰＬＣ５７により突き合わせ機構１９の動作が制御されて、制御溶接部材３０ａ，３０ｂの突き合わせ荷重がステップ８で決定された整形荷重となるように、ガイド１６ａ，１６ｂが互いに近接する。これにより、溶接部６０がステップ８で決定された整形荷重で突き合わせ方向から加圧される。またこのとき、整形加圧制御ＰＬＣ５４により、整形ツール１２，１３に備わる整形部４１，４１の駆動機構１８，１８が駆動されて、整形部４１，４１が溶接部６０を挟み込むようにして溶接部６０の表面に当接した状態で保持される。これにより、溶接部６０に対して圧縮の荷重がかかった状態で凹部をフラットに整形することができるため、溶接部６０が凝固していく過程で既に凝固した金属が剥がれたり、クラックが入ったりすることを確実に防止することができる。その結果、フラットに整形された後に完全に凝固した溶接部６０における機械的強度（溶接強度）を低下させることがない。

ここで、溶接部６０の整形実行中において、溶接部６０の表面形状が検出されるとともに（ステップ１１）、表面温度が推定されている（ステップ１２）。これら表面形状の検出及び表面温度の推定は、整形部４１に備わる歪ゲージ４７及び熱電対４８からの出力に基づき、上記したステップ５，６と同様にして整形状態判定ＰＬＣ５５によって行われる。そして、溶接部６０の整形が正常に行われているか否かが判断される（ステップ１３）。

ステップ１３では、溶接部６０の表面形状がフラット化され、表面温度が整形開始時よりも低温化し、かつＡ３変態点以上である場合に、溶接部６０に対する整形が正常に行われていると判断する。一方、溶接部６０の表面形状がフラット化されていない場合、表面温度が整形開始時よりも低温化していない場合、あるいはＡ３変態点未満である場合のいずれか１つでも検出されると、溶接部６０に対する整形が正常に行われていないと判断する。

そして、ステップ１３にて、溶接部６０に対する整形が正常に行われていると判断されると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、確認形状判定制御ＰＬＣ５６により、整形ツール１２，１３に備わる確認部４２，４２の駆動機構１８，１８が駆動されて、確認部４２，４２が溶接部６０に対して溶接部６０を挟み込むようにして所定荷重で当接させられる（ステップ１４）。なお、溶接部６０に対する整形が正常に行われていないと判断された場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、溶接装置１０に異常が発生しているおそれがあるためその旨を報知する（ステップ２１）。

なお、ステップ２１における異常報知において、各部４０〜４２で検出される溶接部６０の推定温度が所定範囲から外れている場合には、整形ツール１２，１３が製品３０に対して位置ズレしている可能性がある。なぜなら、整形ツール１２，１３は、測定部４０が半溶融状態の位置に、整形部４１が高温変態状態（Ａ３変態点以上）の位置に、確認部４２が低温変態状態（Ａ３変態点未満）の位置に配置されるようになっているからである。このため、上記のような整形ツール１２，１３の位置ズレが発生した場合には、その位置ズレを修正する必要がある。この位置ズレを修正するために、整形ツール１２，１３と製品３０との相対位置を自動的に調整するサーボ位置決め機構を溶接装置１０に組み込んでもよい。

次いで、溶接部６０に当接させた確認部４２，４２により、整形後の溶接部６０の状態が確認される（ステップ１５〜１７）。すなわち、溶接部６０の表面形状が検出されるとともに（ステップ１５）、表面温度が推定される（ステップ１６）。これら表面形状の検出及び表面温度の推定は、確認部４２に備わる歪ゲージ４７及び熱電対４８からの出力に基づき、上記したステップ５，６と同様にして確認形状判定ＰＬＣ５６によって行われる。

そして、ステップ１５，１６で取得した溶接部６０の表面形状及び表面温度に基づき、整形後の溶接部６０の形状が正常であるか否かが判断される（ステップ１７）。つまり、溶接部６０の形状が製品３０の規格内に収まっているか否かが判断される。このとき、整形後の溶接部６０の形状が製品規格内にあると判断されると（Ｓ１７：ＹＥＳ）、整形後の溶接部６０の表面が完全にフラットになっているか否かが判断される（ステップ１８）。一方、整形後の溶接部６０の形状が製品規格内にないと判断されると（Ｓ１７：ＮＯ）、溶接装置１０に異常が発生しているおそれがあるためその旨を報知する（ステップ２１）。

ステップ１８にて、整形後の溶接部６０の表面が完全にフラットになっているか否かを判断するのは、今回の整形結果を次回の整形にフィードバックして整形精度を向上させるためである。従って、整形精度があまり要求されない場合には、ステップ１８，１９の処理を省略することもできる。

そして、ステップ１８において、整形後の溶接部６０の表面が完全にフラットになっていないと判断されると（Ｓ１８：ＮＯ）、整形荷重を補正するための補正係数が決定される（ステップ１９）。ステップ１９では、整形後の溶接部６０がフラットではなく僅かに凸状になっている場合、整形部４１の整形荷重を増加させるように補正係数が決定される。一方、整形後の溶接部６０がフラットではなく僅かに凹状になっている場合、溶接部材３０ａ，３０ｂの突き当て荷重を増加させるように補正係数が決定される。なお、整形後の溶接部６０の表面が完全にフラットであると判断された場合には（Ｓ１８：ＹＥＳ）、補正係数を設定する必要はないため、ステップ１９の処理を行うことなく直ちにステップ２０の処理に進む。

ステップ２０では、製品３０の送りが終了したか否かが判断される（ステップ２０）。つまり、製品３０の溶接及び整形が終了したか否かが判断される。このとき、製品３０の送りが終了していないと判断された場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、ステップ４の処理に戻り、再度ステップ４〜２０の処理が繰り返し実行される。一方、製品３０の送りが終了していると判断された場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、制御部５０による上記処理ルーチンの実行が終了し、製品３０が完成する。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る溶接装置１０によれば、溶接部６０側に凸に形成された薄板部４５と、薄板部４５の裏面側の歪を検出する歪ゲージ４７と、薄板部４５の裏面側の温度を検出する熱電対４８と、歪ゲージ４７と熱電対４８とが配置されるキャビティ４６とを備えた整形ツール１２，１３と、突き合わせ方向に直交する方向において整形ツール１２，１３の各部４０〜４２を溶接部６０に対して進退させる駆動機構１８と、溶接部材３０ａ，３０ｂ同士の突き合わせ荷重を調整する突き合わせ機構１９と、駆動機構１８の制御により整形ツール１２，１３を溶接部６０に当接させた際、歪ゲージ４７及び熱電対４８における各検出結果を取得し、その検出結果に基づいて溶接部６０がＡ３変態点以上の半凝固状態であると判断すると、駆動機構１８及び突き合わせ機構１９を制御して溶接部６０の整形を実行させる制御部５０とを有している。これにより、溶接装置１０では、溶接部６０の整形を確実にＡ３変態点以上で行うことができるため、小さな整形荷重によって溶接部６０を変形させて整形することができる。従って装置の小型化を図ることができる。また、溶接部６０を再加熱することなく溶接部６０を整形することができるため、生産性の低下を防ぐことができる。これらのことから、装置構成の複雑化や工程の複雑化を招くことがないので、製品のコストアップを防止することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、整形ツール１２，１３の各部４０〜４２の先端部に凸状の薄板部４５を設けたが、図１４に示すように、フラット形状の薄板部４５を設けることもできる。また、薄板部４５をフラット形状にする場合であれば、図１５に示すように、薄板部４５を整形ツール１２，１３の各部４０〜４２の一部で形成するようにしてもよい。ただし、薄板部４５をフラット形状にする場合には、溶接部６０の表面が凹状になった場合、その形状を正確に検出することができないので、溶接部６０の表面が凸状になるように溶接条件を管理する必要がある。

また、上記した実施の形態では、整形ツールに１２，１３として、測定部４０、整形部４１、確認部４２が備わり、各部４０〜１２のそれぞれに歪ゲージ４７と熱電対４８とを設けたものを例示したが、製品精度がさほど要求されない場合などには、図１６に示すように、整形ツール１２，１３を簡易型のものにすることもできる。すなわち、整形ツール１２，１３に、測定部４０と整形部４１のみを設け、測定部４０にのみ歪ゲージ４７と熱電対４８とを設けることもできる。製品精度がさほど要求されない場合などには、このような簡易型の整形ツールを用いることにより、溶接装置１０の構成及び制御を簡素にすることができる。

さらに、上記した実施の形態では、本発明を平板状の溶接部材を溶接・整形する場合に適用した場合について例示したが、本発明は、図１７に示すように、パイプ状の溶接部材を溶接・整形する場合にも適用することができる。なお、この場合には、パイプの拘束（ガイド）としては、例えばローラ等を使用すればよい。

また、上記した実施の形態ではレーザ溶接を例示したが、溶接方法はレーザ以外（例えば、ＭＩＧ，ＭＡＧ，ＴＩＧ、プラズマ溶接など）に対しても本発明を適用することができる。さらに、上記した実施の形態では、整形ツール１２，１３及び溶接ヘッド１１を固定して製品３０を移動させるようにしているが、整形ツール１２，１３及び溶接ヘッド１１を移動させ、製品３０を固定するようにしてもよい。

実施の形態に係る溶接装置の概略構成を示す正面図である。 実施の形態に係る溶接装置の概略構成を示す側面図である。 ガイドの概略構成を示す断面図であり、（ａ）は同板厚の溶接部材を突き合わせた状態を示し、（ｂ）は異板厚の溶接部材を突き合わせた状態を示す。 上面整形ツール及び下面整形ツールの概略構成を示す断面図である。 測定部、整形部及び確認部の先端部分の概略構成を示す断面図である。 溶接装置１０の制御系ブロック図である。 溶接装置１０における整形処理の制御内容を示すフローチャート図である。 溶接部の状態を示す断面図であり、（ａ）は溶接部の外観状態を示し、（ｂ）は溶接部内部における状態変化を模式的に示している。 体積欠損が生じている溶接部材同士の突き合わせ状態を示す断面図である。 測定部による溶接部の状態検知の様子を示す図であり、（ａ）は溶接部表面が凸状になった場合を示し、（ｂ）は溶接部表面が凹状になった場合を示す。 測定部による溶接部の状態検知の様子を示す図であり、（ａ）は溶接部表面が凸状になった場合を示し、（ｂ）は溶接部表面が凹状になった場合を示す。 溶接部の表面温度と成形荷重との関係を示す図である。 溶接部に対する整形を実施している状態を示す図であり、（ａ）は溶接部が凸状である場合を示し、（ｂ）は溶接部が凹状である場合を示す。 薄板部の別形態を示す断面図である。 薄板部の別形態を示す断面図である。 整形ツールの別形態を示す断面図である。 パイプ状の溶接部材における整形の様子を示す図である。

符号の説明

１０ 溶接装置
１１ レーザ溶接ヘッド
１２ 上面整形ツール
１３ 下面整形ツール
１６ａ，１６ｂ ガイド
１８ 駆動機構
１９ 突き合わせ機構
２１ 送り機構
３０ 製品
３０ａ，３０ｂ 溶接部材
４０ 測定部
４１ 整形部
４２ 確認部
４５ 薄板部
４６ キャビティ
４７ 歪ゲージ
４８ 熱電対
５０ 制御部
５１ 測定部加圧制御ＰＬＣ
５２ 整形方法判定ＰＬＣ
５３ 整形荷重決定ＰＬＣ
５４ 整形部加圧制御ＰＬＣ
５５ 整形状態判定ＰＬＣ
５６ 確認形状判定ＰＬＣ
５７ 治具制御ＰＬＣ
６０ 溶接部

Claims (10)

1. 突き合わせ溶接部の表面形状を整形する溶接部整形方法において、
   突き合わせ溶接の溶接線方向において溶接部の後方で溶接部の温度及び表面形状を計測する計測工程と、
   前記計測工程にて計測された温度及び表面形状に基づき、溶接部がＡ３変態点以上の半凝固状態となっているときに、溶接部材同士の突き合わせ方法から溶接部を圧縮することにより、又は突き合わせ方向と直交する方向から溶接部を圧縮することにより、溶接部を整形する整形工程と、
   を含むことを特徴とする溶接部整形方法。
2. 請求項１に記載する溶接部整形方法において、
   前記整形工程では、前記計測工程での計測結果に基づき溶接部の表面形状が凸状であると判断されると、突き合わせ方向と直交する方向から溶接部を圧縮して溶接部を整形する
   ことを特徴とする溶接部整形方法。
3. 請求項１に記載する溶接部整形方法において、
   前記整形工程では、前記計測工程での計測結果に基づき溶接部の表面形状が凹状であると判断されると、突き合わせ方向から溶接部を圧縮して溶接部を整形する
   ことを特徴とする溶接部整形方法。
4. 突き合わせ溶接部の表面形状を整形する溶接部整形ツールにおいて、
   溶接部に当接する当接面の一部に形成された薄板部と、
   前記薄板部の当接面側とは反対側に形成されたキャビティと、
   前記薄板部の歪を検出する歪検出手段と、
   前記薄板部の温度を検出する温度検出手段と、
   を有し、
   前記歪検出手段及び前記温度検出手段が前記キャビティ内に配設されている
   ことを特徴とする溶接部整形ツール。
5. 請求項４に記載する溶接部整形ツールにおいて、
   前記薄板部は、ツール本体とは異なる材質により形成されているものである
   ことを特徴とする溶接部整形ツール。
6. 請求項５に記載する溶接部整形ツールにおいて、
   前記薄板部は、前記キャビティとは反対側に凸となるように形成されている
   ことを特徴とする溶接部整形ツール。
7. 突き合わせ溶接部の表面形状を整形する溶接部整形装置において、
   請求項４から請求項６に記載するいずれか１つの溶接部整形ツールと、
   突き合わせ方向に直交する方向において前記整形ツールを溶接部に対して進退させる駆動手段と、
   溶接部材同士の突き合わせ荷重を調整する突き合わせ荷重調整手段と、
   前記駆動手段の制御により前記整形ツールを溶接部に当接させた際、前記歪検出手段及び前記温度検出手段における各検出結果を取得し、その検出結果に基づいて溶接部がＡ３変態点以上の半凝固状態であると判断すると、前記駆動手段及び前記突き合わせ荷重調整手段を制御して溶接部の整形を実行させる制御手段と、
   を有することを特徴とする溶接部整形装置。
8. 請求項７に記載する溶接部整形装置において、
   前記制御手段は、前記歪検出手段から取得した検出結果に基づき溶接部の表面形状が凸状であると判断すると、前記駆動手段を制御して前記整形ツールにより溶接部の表面を圧縮することによって溶接部の整形を実行させる
   ことを特徴とする溶接部整形装置。
9. 請求項７に記載する溶接部整形装置において、
   前記制御手段は、前記歪検出手段から取得した検出結果に基づき溶接部の表面形状が凹状であると判断すると、前記突き合わせ荷重調整手段を制御して溶接部を突き合わせ方向から圧縮することによって溶接部の整形を実行させる
   ことを特徴とする溶接部整形装置。
10. 請求項７から請求項９に記載する溶接部整形装置において、
    前記整形ツールは、整形前の溶接部の状態を測定する測定部の他に、少なくとも溶接部の整形中に溶接部の状態を確認する整形状態確認部、あるいは整形された溶接部の状態を確認する整形後確認部のいずれか一方を備えている
    ことを特徴とする溶接部整形装置。

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