JP5811613B2 - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。

例えば下記特許文献１には、過給機のタービンロータ軸の電子ビーム溶接方法が開示されている。この溶接方法は、ロータ軸の端部に凸部を形成する一方、当該端部に溶接接合される翼車の基部に凹部を形成し、上記凸部と凹部とを嵌合させた状態（つまりインロー嵌め状態）でロータ軸及び翼車をロータ軸の回転軸周りに回転させつつロータ軸の端部と翼車の基部との当接部に電子ビームを照射することにより、ロータ軸と翼車とを溶接接合するものである。上記ロータ軸の凸部と翼車の凹部とは、ロータ軸の中心軸線と翼車の重心とが一致するように形成されるので、溶接接合されたロータ軸の中心軸線と翼車の重心とは略一致する。

特許第３２９３７１２号公報

ところで、上記従来技術では、インロー嵌めのための上記凸部と凹部とは、確実に嵌合するように若干の嵌め合い余裕をもって形成されている。すなわち、凹部の外形は凸部の外形に対して若干大きめに形成されている。このような嵌め合い余裕は、ロータ軸（支持軸）の軸心（中心軸線の位置）と翼車の重心との位置合わせにおける誤差要因となる。
また、上記従来技術では、溶接変形に起因するロータ軸の中心軸線と翼車の重心との位置合わせ誤差を考慮していない。例えば、ロータ軸の端部と翼車の基部との当接部に対する電子ビームの照射開始位置（溶接開始位置）に応じて翼車の重心はロータ軸の中心軸線に対して変位し、この変位が上記中心軸線と重心との誤差となる。
したがって、上記従来技術では、上述したロータ軸と翼車との嵌め合い余裕及び溶接時の溶接変形に起因して、ロータ軸の軸心と翼車の重心との位置合わせ精度が必ずしも十分ではなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、支持軸の中心軸線と翼車の重心との位置合わせ精度を従来よりも向上させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、溶接方法に係る第１の解決手段として、支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させて接合する溶接方法であって、翼車の重心位置を計測する重心計測工程と、支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線との位置関係を計測する位置計測工程と、該位置計測工程によって中心軸線の位置関係が計測された支持軸及び翼車について、翼車の重心位置及び支持軸周りの溶接開始位置に基づいて溶接変形による重心位置の変位方向及び変位量を特定する重心変位特定工程と、溶接変形後の重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させる位置修正工程と、該位置修正工程によって中心軸線同士が変位した支持軸の端面と翼車の開先面との当接部を溶融接合する接合工程とを備える、という手段を採用する。

溶接方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、重心計測工程では、翼車の背面及び先端面における重心位置をそれぞれ計測し、重心変位特定工程では、溶接変形による各重心位置の変位方向及び変位量を特定し、位置修正工程では、溶接変形後の各重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させる、という手段を採用する。

溶接方法に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、位置合わせ工程では、中心軸線が鉛直方向となるように支持軸を支持すると共に当該支持軸の上端面に開先面を当接させた状態に翼車を載置して支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを位置合わせし、位置修正工程では、開先面が支持軸の端面に当接した翼車の状態で翼車を側方から押圧して翼車の中心軸線を支持軸の中心軸線に対して変位させる、という手段を採用する。

溶接方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、接合工程では、支持軸の端面と翼車の開先面との当接部にレーザービームを照射して接合させる、という手段を採用する。

また、本発明では、溶接装置に係る解決手段として、支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で接合する溶接装置であって、支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線との位置関係を計測する位置計測手段と、該位置計測手段によって中心軸線の位置関係が計測された支持軸及び翼車について、予め記憶した翼車の重心位置及び支持軸周りの溶接開始位置に基づいて、溶接変形後の重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させる位置修正手段と、該位置修正手段によって中心軸線同士が変位した支持軸の端面と翼車の開先面との当接部を溶融接合させる溶融手段とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線との位置関係を計測し、翼車の重心位置及び支持軸周りの溶接開始位置に基づいて溶接変形による重心位置の変位方向及び変位量を特定し、溶接変形後の重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させるので、溶接変形に起因する翼車の重心位置と支持軸の中心軸線との偏差を小さくすることが可能である。したがって、このような本発明によれば、支持軸の中心軸線と翼車の重心との位置合わせ精度を従来よりも向上させることが可能である。
また、本発明によれば、従来のインロー嵌めではなく、支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で接合するので、嵌め合い余裕に起因する翼車の重心位置と支持軸の中心軸線との偏差が発生しない。したがって、本発明によれば、これによっても支持軸の中心軸線と翼車の重心との位置合わせ精度を従来よりも向上させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る溶接方法を示す工程図である。 本発明の一実施形態における翼車２０（タービンインペラ）と支持軸３０（タービン軸）とが一体的に溶接されてなるタービンロータの側面図（ａ）と、当該側面図におけるＡ−Ａ線矢視図（ｂ）である。 本発明の一実施形態に係る溶接装置１の概略構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は第1の側面図である。 本発明の一実施形態に係る溶接装置１の概略構成を示す第２の側面図である。 本発明の一実施形態における翼車２０の各重心位置Ｇ1，Ｇ2と支持軸３０の中心軸線Ｃとの位置関係の一例を示すものであり、（ａ）は翼車２０及び支持軸３０を側方から見た模式図、（ｂ）は翼車２０の上方（先端面側）から見た模式図である。 本発明の一実施形態における支持軸３０の半径Ｒ１の算出手法を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る溶接方法は、図１に示すように５つの主要工程（ステップＳ1〜Ｓ5）からなるものである。以下では、説明の都合上、溶接対象であるワーク及び当該ワークの溶接接合に使用する溶接装置について、図２〜図４を参照して先に説明する。

最初に、本実施形態におけるワークは、図２に示すような翼車２０（タービンインペラ）と支持軸３０（タービン軸）である。これら翼車２０（タービンインペラ）及び支持軸３０（タービン軸）は、過給機用ロータを構成する金属部品である。すなわち、翼車２０が支持軸３０の一端に溶接接合され、また支持軸３０の他端にコンプレッサインペラ（図示略）が装着されることにより過給機用ロータが製造される。このような過給機ロータは、過給機のケーシング内に回転自在に収容され、内燃機関から導かれる排気ガスの運動エネルギーを回転駆動力に変換する。

上記翼車２０は、内燃機関から導かれる排気ガスの流動によって高速回転（例えば、１０万ｒｐｍ以上）する羽根車である。この翼車２０は、高温の排気ガスが流動する領域内で使用されるため、高耐熱性・高剛性の金属材料（例えばインコネル等）を用いて一体的に成形された金属部品であり、図２（ｂ）に示すように、ハブ２１、翼部２２及び翼側開先円２３を備えている。なお、図２（ｂ）では、翼車２０の背面（支持軸３０の接合側）における重心位置を符号Ｇ1で示し、また翼車２０の先端面（上記接合側も反対側）における重心位置を符号Ｇ2で示している。

ハブ２１は、略円錐状に形成された部材であって、翼部２２のベースとなるものである。翼部２２は、ハブ２１の外周面で周方向に複数並んで配置されている。翼部２２は、排気ガスの流動を受けて、翼車２０を回転させるためのものである。翼側開先円２３は、ハブ２１の後端面における中央部に設けられ、支持軸３０との接続に用いられる箇所である。翼側開先円２３は、略円筒状に形成され、その中心軸が前後方向と平行する向きで設置されている。翼側開先円２３の後端面（支持軸３０側の端面）は、前後方向と直交する平面（翼側開先面）である。

支持軸３０は、丸棒形状の金属部品であり、一端が上記翼車２０の翼側開先円２３と一体的に接合されて翼車２０を支持するものである。この支持軸３０は、過給機の軸受ハウジング（図示せず）に回転自在に支持される。支持軸３０は、高剛性を備える一般的な金属材料（例えばクロムモリブデン鋼等）を用いて成形されている。支持軸３０には、軸側接続部３１及び雄ネジ部３３が設けられている。なお、図２（ｂ）では、支持軸３０の中心軸線を符号Ｃで示している。

軸側接続部３１は、支持軸３０の前端側に設けられ、翼車２０の翼側開先円２３との接続に用いられる箇所である。また、軸側接続部３１の前端面（すなわち翼車２０側の端面）は、中心軸線Ｃに直交する平面（軸側開先面）である。この軸側開先面には、翼側開先円２３の翼側開先面が面合わせ状態に当接しており、両部材の当接部の外周近傍領域は後述する溶接装置により一時的に溶融した溶接部Ｗとなっている。雄ネジ部３３は、支持軸３０の後端側に設けられ、コンプレッサインペラを接続するためのものである。なお、この図２（ｂ）では、支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線上に翼車２０の重心位置Ｇ1，Ｇ2が最も近くなるように支持軸３０と翼車２０とが溶接接合された状態を示している。

続いて、このような翼車２０及び支持軸３０を前提として、本実施形態に係る溶接装置１について、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３及び図４では、装置構成の理解を容易とするために、各部材の大きさを意図的に実際の部材の大きさと変えている。

また、以下では、図３（ｂ）及び図４中に示すＸ-Ｙ-Ｚ直交座標系を参照しながら翼車２０及び支持軸３０の位置関係を説明する。図３（ｂ）及び図４では、Ｘ-Ｙ平面が水平面と平行な基準面として設定され、Ｚ軸がＸ-Ｙ平面に直交して鉛直方向に延びる座標軸として設定されている。また、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸とＹ軸との交点を装置原点Ｏとし、この装置原点Ｏを中心としてＸ軸から時計回りに（Ｙ軸側の反対側に）１３５°回転した方向に延びる座標軸をＬ軸とする。

本溶接装置１は、図３及び図４に示すように、ワークテーブル２、チャック３、軸側Ｘ軸アクチュエータ４、軸側Ｙ軸アクチュエータ５、軸側Ｌ軸アクチュエータ６、翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８、翼側Ｌ軸アクチュエータ９、制御装置１０、溶接トーチ４０及びレーザ発振器４１等から構成されている。

これら構成要素のうち、軸側Ｘ軸アクチュエータ４、軸側Ｙ軸アクチュエータ５、軸側Ｌ軸アクチュエータ６、翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８、翼側Ｌ軸アクチュエータ９及び制御装置１０は位置計測手段を構成している。また、翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８、翼側Ｌ軸アクチュエータ９及び制御装置１０は位置修正手段を構成している。また、制御装置１０、溶接トーチ４０及びレーザ発振器４は、溶融手段を構成している。

ワークテーブル２は、基準面（Ｘ-Ｙ平面）に対して平行となるように設置された円板状の回転テーブルである。このワークテーブル２は、制御装置１０による制御の下、モータ等からなる回転駆動機構（図示略）によって回転駆動される。

チャック３は、ワークテーブル２の上面に設置されたワーク把持装置であり、上述した中心軸線Ｃが鉛直方向となる姿勢（つまり中心軸線Ｃが基準面に直交するＺ軸と平行となる姿勢）で支持軸３０を把持する。すなわち、支持軸３０は、軸側接続部３１に設けられた軸側開先面が上側かつ水平面と平行になるようにチャック３に把持される。また、このようなチャック３は、支持軸３０を中心軸線Ｃ回りに回転させる回転駆動機能を備えている。さらに、図示していないが、本溶接装置１には翼車２０を把持するワーク把持装置も設けられており、翼車２０は、当該ワーク把持装置によって、翼側開先円２３の翼側開先面が上記軸側開先面と面合わせした状態で支持軸３０上に載置（仮置き）される。

ここで、図３（ａ）に示す符号Ｍは、ワークテーブル２が回転した時の基準面（Ｘ-Ｙ平面）内における支持軸３０の中心軸線Ｃの移動軌跡を示している。ワークテーブル２は、所定の回転軸周りに回転することにより、支持軸３０の中心軸線Ｃが移動軌跡Ｍに沿って移動し、また基準面に設定された装置原点Ｏの近傍を通過するようにチャック３を移動させる。図３（ｂ）は、このようなワークテーブル２の回転によって、支持軸３０の中心軸線Ｃが装置原点Ｏの近傍に位置決めされた状態を示している。

軸側Ｘ軸アクチュエータ４は、制御装置１０による制御の下、支持軸３０に接触する軸側接触子４ａをＸ軸に沿って移動させる直動アクチュエータである。軸側Ｙ軸アクチュエータ５、制御装置１０による制御の下、支持軸３０に接触する軸側接触子５ａをＹ軸に沿って移動させる直動アクチュエータである。軸側Ｌ軸アクチュエータ６は、制御装置１０による制御の下、支持軸３０に接触する軸側接触子６ａをＬ軸に沿って移動させる直動アクチュエータである。

また、翼側Ｘ軸アクチュエータ７は、制御装置１０による制御の下、翼車２０の翼側開先円２３に接触する翼側接触子７ａをＸ軸に沿って移動させる直動アクチュエータである。翼側Ｙ軸アクチュエータ８は、制御装置１０による制御の下、翼車２０の翼側開先円２３に接触する翼側接触子８ａをＹ軸に沿って移動させる直動アクチュエータである。翼側Ｌ軸アクチュエータ９は、制御装置１０による制御の下、翼車２０の翼側開先円２３に接触する翼側接触子９ａをＬ軸に沿って移動させる直動アクチュエータである。

上記軸側Ｘ軸アクチュエータ４と翼側Ｘ軸アクチュエータ７は、同一構造のアクチュエータであり、Ｚ軸方向に対して重なり合うように配置されている。また、軸側Ｙ軸アクチュエータ５と翼側Ｙ軸アクチュエータ８は、同一構造のアクチュエータであり、Ｚ軸方向に対して重なり合うように配置されている。また、軸側Ｌ軸アクチュエータ６と翼側Ｌ軸アクチュエータ９は、同一構造のアクチュエータであり、Ｚ軸方向に対して重なり合うように配置されている。これら合計６個のアクチュエータ４〜９は、基準面内の装置原点Ｏで交わる３つの座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｌ軸）に沿って、支持軸３０に接触する軸側接触子４ａ、５ａ、６ａ及び翼車２０の翼側開先円２３に接触する翼側接触子７ａ、８ａ、９ａを移動させる。

図３（ａ）に示すように、ワークテーブル２の回転によって支持軸３０の中心軸線Ｃが装置原点Ｏの近傍に位置決めされた状態では、支持軸３０は合計６個のアクチュエータ４〜９によって囲まれた状態となるが、この状態からワークテーブル２が反時計回りに所定角度だけ回転すると、支持軸３０は、図４に示すように溶接トーチ４０と対向する状態となる。

すなわち、溶接トーチ４０は、制御装置１０による制御の下、図示しないトーチ駆動機構によってＺ軸方向の位置（高さ）が翼車２０の翼側開先面と支持軸３０の軸側開先面との面合わせ位置、かつ、軸側開先面の周辺（軸側接続部３１の周面）から所定距離隔てた位置に位置設定される。このような溶接トーチ４０には、レーザ発振器４１から所定出力の溶接用レーザ光が供給される。溶接トーチ４０は、この溶接用レーザ光をレーザービームとしてワーク（翼車２０及び支持軸３０）に向けて照射することにより相互に接合させる。レーザ発振器４１は、例えばＹＡＧレーザであり、制御装置１０による制御の下、溶接用レーザ光を光ファイバを介して溶接トーチ４０に供給する。

制御装置１０は、所定の制御プログラムに基づいて動作する一種のコンピュータであり、当該制御プログラムに基づいて、上記ワークテーブル２、チャック３、各アクチュエータ４〜９及びレーザ発振器４１等を制御する。すなわち、制御装置１０は、制御プログラムに基づいて、ワークテーブル２（詳細には回転駆動機構）を回転制御して支持軸３０の中心軸線Ｃが装置原点Ｏと一致するようにチャック３を移動させた後、各アクチュエータ４〜９を制御して、支持軸３０と各軸側接触子４ａ、５ａ、６ａとの接触位置と、翼車２０の翼側開先円２３と各翼側接触子７ａ、８ａ、９ａとの接触位置とを計測し、このれら計測結果に基づいて支持軸３０の中心軸線Ｃが座標（ｘj，ｙj）及び翼車２０の中心軸線Ｃaが座標（ｘi，ｙi）を演算する。

また、制御装置１０は、例えばＬＡＮ等の通信ネットワークに接続されており、上記制御プログラムに基づいて、上記翼車２０の支持軸３０に対する水平位置の調整に必要なデータを外部から取得して内部に記憶する。上記通信ネットワークには、制御装置１０が上記制御プログラムに基づいて各部を制御するために必要なデータを提供する各種装置が接続されている。この各種装置の１つは、翼車２０の背面及び先端面における重心位置Ｇ1，Ｇ2に関するデータ（重心データ）を当該重心位置Ｇ1，Ｇ2を計測するバランス計測装置であり、周知のものである。

また、制御装置１０は、上記重心データ、支持軸３０の中心軸線Ｃが座標（ｘj，ｙj）及び翼車２０の中心軸線Ｃaが座標（ｘi，ｙi）及び溶接開始位置、また内部メモリに予め記憶された溶接変形データに基づいて、ワーク（翼車２０及び支持軸３０）の溶接変形を特定する。また、制御装置１０は、上記溶接変形に基づいて、翼車２０と支持軸３０との溶接接合後における翼車２０の背面における重心位置Ｇ1と翼車２０の先端面における重心位置Ｇ2とが支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線に最も近くなるように翼車２０の支持軸３０に対する水平位置（Ｘ位置及び／あるいはＹ位置）を調整する。なお、上記溶接変形データの詳細については後述する。

さらに、制御装置１０は、上記制御プログラムに基づいて、上記チャック３、トーチ駆動機構やレーザ発振器４１等を制御することにより、回転状態のワーク（翼車２０及び支持軸３０）に所定のタイミングで溶接トーチ４０からレーザービームを照射することにより支持軸３０と翼車２０とを溶接接合させる。上記溶接開始位置は、回転状態にあるワークの周方向において、レーザービームが最初に照射される部位に相当する位置である。なお、このような制御装置１０の各種処理については、詳細を後述する。

次に、このような溶接装置１、ワーク（翼車２０及び支持軸３０）及びバランス計測装置を用いた本溶接方法について、図１に示す工程図に沿って詳しく説明する。なお、この工程図に示す主要工程（ステップＳ1〜Ｓ5）のうち、重心計測工程（ステップＳ1）は上記バランス計測装置を用いた処理工程であり、残りの位置計測工程（ステップＳ2）、重心変位特定工程（ステップＳ3）、位置修正工程（ステップＳ4）及び接合工程（ステップＳ5）は、溶接装置１を用いた処理工程である。

最初の重心計測工程（ステップＳ1）では、上記バランス計測装置を用いることにより翼車２０の背面における重心位置Ｇ1と翼車２０の先端面における重心位置Ｇ2とが計測される。すなわち、バランス計測装置は、翼車２０の翼側開先円２３をチャッキングして当該翼側開先円２３の中心軸線Ｃａ（回転中心線）周りに回転させることにより、翼車２０の背面における重心位置Ｇ1と翼車２０の先端面における重心位置Ｇ2とを個別に計測する。

このような各重心位置Ｇ1，Ｇ2は、図５（ｂ）に示すように、基準面（Ｘ-Ｙ平面）上において翼車２０の周方向における基準位置Ｐsを起点とする方位角θ1，θ2と当該方位角θにおける回転中心線Ｃａからの変位量ｈ1，ｈ2とによって示される。図５（ｂ）では、一例として方位角θ1，θ2が何れも９０度であり、また背面における重心位置Ｇ1の変位量ｈ1が先端面における重心位置Ｇ2の変位量ｈ2よりも大きい状態を示している。

このように重心計測工程（ステップＳ1）は、バランス計測装置を用いるものであり、溶接装置１を用いたステップＳ2〜Ｓ5の前工程として行われるものである。溶接装置１の制御装置１０は、このような前工程の結果である翼車２０の重心位置Ｇ1，Ｇ2に関するデータ（重心データ）をバランス計測装置からステップＳ2〜Ｓ5に先立って取得して内部メモリに記憶する。

次の位置計測工程（ステップＳ2）では、ワークテーブル２の回転によって支持軸３０の中心軸線Ｃが装置原点Ｏの近傍に位置決めされた図３の状態で、合計６個のアクチュエータ４〜９を用いた翼車２０の中心軸線Ｃａ及び支持軸３０の中心軸線Ｃの計測処理が行われる。すなわち、制御装置１０は、軸側Ｘ軸アクチュエータ４、軸側Ｙ軸アクチュエータ５及び軸側Ｌ軸アクチュエータ６を力制御モードで作動させて各軸側接触子４ａ，５ａ，６ａを支持軸３０へ向けて最小力で移動させ、各軸側接触子４ａ，５ａ，６ａの先端面が支持軸３０の周面に接触して静止した位置を軸側接触位置ＴＸ１，ＴＹ１，ＴＬ１として計測し、この計測結果を内部メモリに記憶する。そして、制御装置１０は、内部メモリに記憶した各軸側接触位置ＴＸ１，ＴＹ１，ＴＬ１を用いて以下のように支持軸３０の半径Ｒ１を算出する。

以下では、図６を参照することにより、支持軸３０の半径Ｒ１及び中心軸線Ｃを計測値である各軸側接触位置ＴＸ１，ＴＹ１，ＴＬ１に基づいて算出する手法を詳説する。図６における符号ＴＸ１，ＴＹ１，ＴＬ１は、上記の軸側接触位置を示し、符号ＴＸ０、ＴＹ０、ＴＬ０は、各軸側接触子４ａ，５ａ，６ａの先端面の初期位置（基準位置）を示している。また、図６における符号Ｘ０は、装置原点Ｏから軸側接触子４ａの初期位置ＴＸ０までのＸ軸方向の距離を示し、符号Ｘ１は、装置原点Ｏから軸側接触子４ａの軸側接触位置ＴＸ１までのＸ軸方向の距離を示し、符号Ｘｍは、軸側接触子４ａの初期位置ＴＸ０から軸側接触位置ＴＸ１までのＸ軸方向の距離を示している。

また、図６における符号Ｙ０は、装置原点Ｏから軸側接触子５ａの初期位置ＴＹ０までのＹ軸方向の距離を示し、符号Ｙ１は、装置原点Ｏから軸側接触子５ａの軸側接触位置ＴＹ１までのＹ軸方向の距離を示し、符号Ｙｍは、軸側接触子５ａの初期位置ＴＹ０から軸側接触位置ＴＹ１までのＹ軸方向の距離を示している。また、図６における符号Ｌ０は、装置原点Ｏから軸側接触子６ａの初期位置ＴＬ０までのＬ軸方向の距離を示し、符号Ｌ１は、装置原点Ｏから軸側接触子６ａの軸側接触位置ＴＬ１までのＬ軸方向の距離を示し、符号Ｌｍは、軸側接触子６ａの初期位置ＴＬ０から軸側接触位置ＴＬ１までのＬ軸方向の距離を示している。

ここで、Ｘ１＝Ｘ０−Ｘｍ、Ｙ１＝Ｙ０−Ｙｍ、Ｌ１＝Ｌ０−Ｌｍの関係式が成立し、距離Ｘ０，Ｙ０，Ｌ０は既知の値であり、距離Ｘｍ，Ｙｍ，Ｌｍは軸側接触位置ＴＸ１、ＴＹ１、ＴＬ１から求まる値であるので、結果的に、距離Ｘ１，Ｙ１，Ｌ１は数値演算によって求めることができる。

また、図６中の符号Ｄで示される直線の長さは、距離Ｘ１，Ｙ１，Ｌ１を用いて下記（１）式で表される。この下記（１）式において、距離Ｘ２は距離Ｌ１のＸ軸成分（＝Ｌ１／√２）であり、距離Ｙ２は距離Ｌ１のＹ軸成分（＝Ｌ１／√２）である。
Ｄ＝Ｘ１＋Ｙ１＋Ｘ２＋Ｙ２
＝Ｘ１＋Ｙ２＋（Ｌ１／√２）＋（Ｌ１／√２）
＝Ｘ１＋Ｙ２＋Ｌ１√２ ・・・（１）

また、符号Ｅで示される直線の長さは、長さＤを用いると下記（２）式で表され、支持軸３０の半径Ｒ１を用いると下記（３）式で表される。従って、支持軸３０の半径Ｒ１は、（２）（３）式から最終的に下記（４）式で表される。
Ｅ＝Ｄ／√２ ・・・（２）
Ｅ＝√２・Ｒ１＋Ｒ１ ・・・（３）
Ｒ１＝Ｄ／√２＋２＝Ｄ／３．４１４２ ・・・（４）
つまり、制御装置１０は、軸側接触位置ＴＸ１，ＴＹ１，ＴＬ１の計測結果から算出した距離Ｘ１，Ｙ１，Ｌ１を上記（１）式に代入して長さＤを求め、さらに、この長さＤを上記（４）式に代入することにより、支持軸３０の半径Ｒ１を算出する。

そして、制御装置１０は、このようにして得られた半径Ｒ１と軸側接触位置ＴＸ１，ＴＹ１とに基づいて基準面（Ｘ-Ｙ平面）における支持軸３０の中心軸線Ｃの座標を計算する。すなわち、中心軸線ＣのＸ座標ｘjは、軸側接触位置ＴＸ１からＸ軸のマイナス方向に半径Ｒ１だけ移動した位置として求められ、また中心軸線ＣのＹ座標ｙjは、軸側接触位置ＴＹ１からＹ軸のマイナス方向に半径Ｒ１だけ移動した位置として求められる。

制御装置１０は、上記のように支持軸３０の半径Ｒ１及び中心軸線Ｃの座標を算出すると、当該算出結果を内部メモリに記録した後、軸側Ｘ軸アクチュエータ４、軸側Ｙ軸アクチュエータ５及び軸側Ｌ軸アクチュエータ６を位置制御モードで作動させて各軸側接触子４ａ、５ａ、６ａを軸側接触位置ＴＸ１，ＴＹ１，ＴＬ１にて固定する。これにより、支持軸３０は、上述した位置計測時の位置つまり中心軸線Ｃが座標（ｘj，ｙj）となる位置に固定される。

続いて、制御装置１０は、翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８及び翼側Ｌ軸アクチュエータ９を力制御モードで作動させることにより各翼側接触子７ａ、８ａ、９ａを翼車２０の翼側開先円２３へ向けて最小力で移動させ、各翼側接触子７ａ、８ａ、９ａがの先端面が翼側開先円２３に接触して静止した位置をそれぞれ翼側接触位置として計測し、当該計測結果を内部メモリに記録する。

そして、制御装置１０は、上述した支持軸３０の位置計測の場合と同様にして、各翼側接触位置の計測結果から翼側開先円２３の半径Ｒ２及び中心軸線Ｃaの座標（ｘi，ｙi）を算出し、当該算出結果を内部メモリに記録する。そして、制御装置１０は、翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８及び翼側Ｌ軸アクチュエータ９を位置制御モードで作動させることにより、中心軸線Ｃaが座標（ｘi，ｙi）となる位置に翼車２０を固定する。

重心変位特定工程（ステップＳ3）では、上記重心データ、位置計測処理の結果及び溶接トーチ４０による溶接開始位置等に基づいて、後工程のステップＳ5におけるワークの溶接に起因する溶接変形後の各重心位置Ｇ1，Ｇ2の変位方向と変位量とが制御装置１０によって特定される。

すなわち、制御装置１０は、内部メモリに記憶した各重心位置Ｇ1，Ｇ2に関する方位角θ1，θ2及び変位量ｈ1，ｈ2、支持軸３０の中心軸線Ｃの座標（ｘj，ｙj）及び翼車２０の中心軸線Ｃaの座標（ｘi，ｙi）、並びにワーク（翼車２０及び支持軸３０）の溶接開始位置（回転状態のワークに対するレーザービームの照射タイミング）等に基づいて、溶接変形後の各重心位置Ｇ1，Ｇ2の変位方向と変位量とを特定する。

以下では、図５（ａ）、（ｂ）を参照して重心変位特定工程における演算処理について詳しく説明する。なお、レーザービームによる翼車２０と支持軸３０との溶接接合に起因する溶接変形は、主に翼車２０の支持軸３０に対する倒れである。

すなわち、翼車２０の翼側開先円２３の下端面である翼側開先面を支持軸３０の軸側接続部３１の上端面である軸側開先面とを面合わせした状態では、翼車２０の中心軸線Ｃaは、基準面（Ｘ-Ｙ平面）に対して垂直な状態、つまり支持軸３０の中心軸線Ｃに対して平行な状態となるが、レーザービームによる入熱によって翼車２０の翼側開先面（つまり支持軸３０の軸側開先面）の高さ位置を起点として支持軸３０の中心軸線Ｃに対して所定角度がけ傾く傾向がある。

この支持軸３０の中心軸線Ｃに対する翼車２０の中心軸線Ｃaの傾き方向θnは、レーザービームによる溶接開始位置に相関があり、また当該傾き量ｈnは、レーザービームの出力や翼車２０及び支持軸３０の材質や性状等に依存する。そして、これら傾き方向θn及び傾き量ｈnは、事前実験によって精度良く見積ることが可能である。

制御装置１０は、溶接開始位置に対応する傾き方向θnと、溶接トーチ４０がワークに照射するレーザービームの出力やワーク（翼車２０及び支持軸３０）に対応する傾き量ｈnとからなる溶接変形データを予め内部メモリに記憶しており、当該溶接変形データに基づいて溶接変形に起因する各重心位置Ｇ1，Ｇ2の変位方向を上記傾き方向θnとして特定すると共に変位量を上記傾き量ｈnとして特定する。

例えば、図５（ｂ）に示す基準位置Ｐsを溶接開始位置とした場合における傾き方向θnが９０度であった場合、翼車２０は、図５（ａ）の右側の図つまり（溶接状態）に示すように、支持軸３０の中心軸線Ｃに対して左側に倒れることになる。なお、上記傾き量ｈnは、レーザービームの出力やワーク（翼車２０及び支持軸３０）の材質等が決定されることによって固定値として与えられるが、傾き方向θnは、溶接開始位置に応じて可変することができる。

位置修正工程（ステップＳ4）では、上記重心変位特定工程（ステップＳ3）の演算結果に基づいて翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８及び翼側Ｌ軸アクチュエータ９を作動させることにより、支持軸３０の中心軸線Ｃに対する翼車２０の水平位置が修正（調整）される。

すなわち、制御装置１０は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交３次元座標系において２つの重心位置Ｇ1，Ｇ2を通る直線の方程式を評価対象方程式Ｌsとして求めると共に、支持軸３０の中心軸線Ｃの方程式を基準直線Ｌrとして、また翼車２０の中心軸線Ｃaの方程式を操作対象直線Ｌｃとして求める。そして、制御装置１０は、評価対象方程式Ｌsの基準直線Ｌrに対する倒れ角φを求め、上記傾き量ｈnが倒れ角φを最小化する溶接開始位置を求める。

例えば、図５（ｂ）に示す場合では、溶接開始位置を基準位置Ｐsに設定した場合に溶接変形による傾き方向θnが評価対象方程式Ｌsの倒れ方向と正反対の方向となるので、倒れ角φが傾き量ｈnによって最小化する。これに対して、例えば溶接開始位置を基準位置Ｐsから１８０度変位した位置に設定した場合には、溶接変形による傾き方向θnが補正対象方程式Ｌsの倒れ方向と同一方向となるので、倒れ角φが傾き量ｈnの分だけ大きくなってしまう。

制御装置１０は、このようにして倒れ角φが傾き量ｈnによって最小化する溶接開始位置を決定すると、評価対象方程式Ｌsを傾き量ｈnによって補正することにより倒れ角φが傾き量ｈnによって最小化された評価対象方程式（修正対象方程式Ｌs1）を求め、さらに当該修正対象方程式Ｌs1上における各重心位置Ｇ1，Ｇ2の修正位置（修正重心位置）を求める。

そして、制御装置１０は、各重心位置Ｇ1，Ｇ2の修正重心位置が基準直線Ｌr（つまり支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線）に最も近くなる、つまり各重心位置Ｇ1，Ｇ2の修正重心位置と基準直線Ｌr（つまり支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線）との距離が最小化する操作対象直線Ｌｃの操作量、つまりＸ軸方向における翼車２０の移動量ｘc及びＹ軸方向における翼車２０の移動量ｙcを計算する。

このような移動量ｘc及び移動量ｙcは、例えば重心位置Ｇ1の修正重心位置と重心位置Ｇ2の修正重心位置とが支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線に対して同一距離となる条件を満足するものとして求められる。すなわち、図５（ｂ）の二点鎖線（仮想線）で示すように、重心位置Ｇ1の修正重心位置と重心位置Ｇ2の修正重心位置とが基準面（Ｘ-Ｙ平面）上で支持軸３０の中心軸線Ｃを挟んで同一距離となるように翼車２０を移動させることにより、２つの修正重心位置は支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線に最も近くなるので、支持軸３０に対する翼車２０のバランス状態が最も良好な状態となる。

そして、制御装置１０は、このようにして翼車２０の移動量ｘc，ｙcを計算すると、翼側Ｘ軸アクチュエータ７、翼側Ｙ軸アクチュエータ８及び翼側Ｌ軸アクチュエータ９を位置制御モードで作動させることにより、翼車２０を支持軸３０に対して上記移動量ｘc，ｙcだけ変位させ、位置修正工程（ステップＳ4）を終了する。

最後の接合工程（ステップＳ5）では、溶接トーチ４０とレーザ発振器４１とが作動することによりワーク（翼車２０及び支持軸３０）が溶接接合される。
すなわち、制御装置１０は、位置修正工程（ステップＳ4）が完了すると、ワークテーブル２を反時計回りに所定角度だけ回転させることにより、支持軸３０を中心軸線Ｃが装置原点Ｏの近傍に位置決めされた状態から溶接トーチ４０に対向する状態に移動させる。そして、制御装置１０は、トーチ駆動機構を作動させることにより溶接トーチ４０を翼車２０の翼側開先面と支持軸３０の軸側開先面との面合わせ位置、かつ、軸側開先面の周辺（軸側接続部３１の周面）から所定距離隔てた位置に位置設定させる。

さらに、制御装置１０は、チャック３に回転指示信号を出力することにより支持軸３０及び翼車２０を回転させ、この回転速度が所定の速度に到達すると、レーザ発振器４１を作動させてレーザ光を溶接トーチ４０に供給する。この結果、翼車２０の翼側開先面と支持軸３０の軸側開先面との当接部の外周にレーザービームが順次照射されて溶接部Ｗが形成され、翼車２０と支持軸３０とが溶接接合される。

このような本実施形態によれば、支持軸３０の軸側開先面に翼車２０の背面に形成された翼側開先面を当接させた状態で支持軸３０の中心軸線Ｃと翼車２０の中心軸線Ｃaとの位置関係を計測し、翼車２０の重心位置Ｃa及び支持軸３０周りの溶接開始位置に基づいて翼車２０の倒れ（溶接変形）による各重心位置Ｇ1，Ｇ２の変位方向θn及び変位量ｈnを特定し、溶接変形後の重心位置が支持軸３０の中心軸線Ｃの延長線に最も近くなるように支持軸３０の中心軸線Ｃに対して翼車２０の中心軸線Ｃaを変位させるので、溶接変形に起因する翼車２０の重心位置Ｇ1，Ｇ２と支持軸３０の中心軸線Ｃとの偏差を小さくすることが可能であり、よって支持軸３０の中心軸線Ｃと翼車２０の重心位置Ｇ1，Ｇ２との位置合わせ精度を従来よりも向上させることが可能である。

また、本発明によれば、従来のインロー嵌めではなく、支持軸３０の軸側開先面（平面）に翼車２０の背面に形成された軸側開先面（平面）を当接させた状態で溶接接合するので、従来のようなインロー嵌めの嵌め合い余裕に起因する翼車の重心位置と支持軸の中心軸線との偏差が発生せず、これによっても支持軸３０の中心軸線Ｃと翼車２０の重心位置Ｇ1，Ｇ２との位置合わせ精度を従来よりも向上させることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、本発明をタービンインペラ２０（翼車）とタービン軸３０（支持軸）との溶接接合に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、タービンインペラ２０及びタービン軸３０以外の様々な回転部材の溶接接合に適用可能である。

（２）上記実施形態では、翼車２０に関する２つの重心位置、つまり背面における重心位置Ｇ1と先端面における重心位置Ｇ2とを求めて支持軸３０と翼車２０とのバランスを最小化する溶接方法について説明したが、本発明はこれに限定さない。例えば、翼車について単一の重心位置を計測して支持軸と溶接接合することは従来から行われている事項であり、本発明は、このような単一の重心位置が計測された翼車にも適用可能である。

（３）上記実施形態では、レーザービームを用いてワーク（翼車２０及び支持軸３０）を溶接したが、本発明はこれに限定されない。例えば電子ビームをワーク（翼車２０及び支持軸３０）に照射して溶接接合してもよい。

１…溶接装置、２…ワークテーブル、３…チャック、４…軸側Ｘ軸アクチュエータ、５…軸側Ｙ軸アクチュエータ、６…軸側Ｌ軸アクチュエータ、７…翼側Ｘ軸アクチュエータ、８…翼側Ｙ軸アクチュエータ、９…翼側Ｌ軸アクチュエータ、１０…制御装置、２０…翼車、３０…支持軸、４０…溶接トーチ、４１…レーザ発振器

Claims (5)

1. 支持軸の端面と翼車の背面に形成された開先面との当接部の外周にレーザービームあるいは電子ビームを照射して接合する溶接方法であって、
   翼車の重心位置を計測する重心計測工程と、
   支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線との位置関係を計測する位置計測工程と、
   該位置計測工程によって中心軸線の位置関係が計測された支持軸及び翼車について、翼車の重心位置及び支持軸周りの溶接開始位置に基づいて溶接変形による重心位置の変位方向及び変位量を特定する重心変位特定工程と、
   溶接変形後の重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させる位置修正工程と、
   該位置修正工程によって中心軸線同士が変位した支持軸の端面と翼車の開先面との当接部を溶融接合する接合工程と
   を備えることを特徴とする溶接方法。
2. 重心計測工程では、翼車の背面及び先端面における重心位置をそれぞれ計測し、
   重心変位特定工程では、溶接変形による各重心位置の変位方向及び変位量を特定し、
   位置修正工程では、溶接変形後の各重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させることを特徴とする請求項１記載の溶接方法。
3. 位置計測工程では、中心軸線が鉛直方向となるように支持軸を支持すると共に当該支持軸の上端面に開先面を当接させた状態に翼車を載置して支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線との位置関係を計測し、
   位置修正工程では、開先面が支持軸の端面に当接した翼車の状態で翼車を側方から押圧して翼車の中心軸線を支持軸の中心軸線に対して変位させる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の溶接方法。
4. 接合工程では、支持軸の端面と翼車の開先面との当接部にレーザービームを照射して接合させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法。
5. 支持軸の端面と翼車の背面に形成された開先面との当接部の外周にレーザービームあるいは電子ビームを照射して接合する溶接装置であって、
   支持軸の端面に翼車の背面に形成された開先面を当接させた状態で支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線との位置関係を計測する位置計測手段と、
   該位置計測手段によって中心軸線の位置関係が計測された支持軸及び翼車について、予め記憶した翼車の重心位置及び支持軸周りの溶接開始位置に基づいて、溶接変形後の重心位置が支持軸の中心軸線の延長線に最も近くなるように支持軸の中心軸線と翼車の中心軸線とを相対的に変位させる位置修正手段と、
   該位置修正手段によって中心軸線同士が変位した支持軸の端面と翼車の開先面との当接部を溶融接合させる溶融手段と
   を備えることを特徴とする溶接装置。

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