JP6442863B2 - 溶接装置、溶接方法及び溶接部品加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のワークの端部の突合わせ部位に対して溶接を行う溶接装置、溶接方法及び溶接部品加工装置に関する。

特許文献１には、自動車の車体部材の製造に使用できるテーラードブランクの溶接についての開示がある。その際、アーク溶接とレーザ溶接とを組み合わせたハイブリッドアーク／レーザプロセスを適用することで、溶接ビードの欠陥を抑えて溶接品質を高めようにしている。

特開２００２−１８５８２号公報

ところで、テーラードブランクの溶接において、一般的に用いられているレーザ溶接では、母材を溶融させることから、溶接部位（溶接ビード）の厚さが母材の板厚に対して薄くなりやすく、溶接品質の低下を招く恐れがある。

そこで、本発明は、複数のワークの突合わせ部位における溶接品質を高めることを目的としている。

本発明は、複数のワークの端部を互いに当接させた突合わせ部位に対して溶接を行う表面側と反対の裏面側に、溶接によって裏面側に突出する裏側ビードが形成され、複数のワークの端部は、表面側と裏面側との間の全域にわたり互いに接触した状態で突合わされ、裏側ビードが接触することによって裏側ビードの形状を制御する裏当て材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、アーク溶接によって形成した裏側ビードの形状を制御するようにしたので、レーザ溶接に比較して低コストで安定した形状の裏側ビードが得られ、複数のワークの突合わせ部位における溶接品質を高めることができる。

本発明の一実施形態に係わる溶接装置の断面図である。 図１の溶接装置の斜視図である。 （ａ）は図１の溶接装置によって溶接するワークの一部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部における拡大図である。 図１の溶接装置の冷却プレート内の冷却水通路を示す斜視図である。 図１を簡素化した溶接装置を溶接後のワークと共に示す断面図である。 （ａ）は溶接後のワークをプレス成形するための成形装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に係わる溶接装置のそれぞれ断面図及び斜視図である。ここでの被溶接物であるワークＷは、例えば自動車の車体部材の製造に使用できるアークテーラードブランク材である二つの板材Ｗ１，Ｗ２の端部同士を突き合せ、その突合わせ部位１に対してアーク溶接を実施する。

このようなワークＷとしては、例えば、図３（ａ）に示すような自動車用部品であるサスペンションメンバが挙げられる。図３は、中央の板材Ｗ１に対してその両側に別の板材Ｗ２，Ｗ３を溶接接合して一つの部品を構成しており、図１及び図２では、その板材Ｗ１と板材Ｗ２との間の溶接について示している。板材Ｗ１と板材Ｗ３との間の溶接についても、板材Ｗ１と板材Ｗ２との間の溶接と同様して行われる。

図１に示すように、板材Ｗ１，Ｗ２は、突合わせ部位１を中心として互いに離間した位置にて一対のワーク受部としてのワーク受け３，５上にそれぞれ載置されている。この一対のワーク受け３，５と上部の一対のワーク押さえ７，９とで、板材Ｗ１，Ｗ２を上下から挟持して保持している。ワーク押さえ７，９もワーク受け３，５と同様に突合わせ部位１を中心として互いに離間した位置にある。

ここで、ワーク受け３，５及びワーク押さえ７，９、特にワーク受け３，５については、ワークＷよりも硬度が高く耐摩耗性の高い、例えばＳＫＤ１１を使用している。この一対のワーク受け３，５相互間には、裏当て材としての例えば銅で構成したバックメタル１１を配置している。バックメタル１１については、後で詳細に説明する。

上記一対のワーク受け３，５及びバックメタル１１は、冷却プレート１３上に取り付けられ、さらに冷却プレート１３は治具ベース１５上に取り付けられている。冷却プレート１３は、その上面がバックメタル１１の下面及びワーク受け３，５の下面のほぼ全面に接触するように、外側縁部の形状が設定されている。

冷却プレート１３内には、図４にも示すように、冷却媒体である冷却水が流れる冷却水通路１３ａを設けている。冷却水通路１３ａは、図１に示すように、バックメタル１１近傍のワーク受け３，５に対応する位置にて図１中で紙面に直交する方向に延びる入口通路１３ａｉ及び出口通路１３ａｏ、入口通路１３ａｉと出口通路１３ａｏとを連通する連通路１３ａｔ、をそれぞれ備えている。

連通路１３ａｔは、図４に示すように、冷却プレート１３の図１中で紙面表側の端部付近に位置し、入口通路１３ａｉは、図１中で紙面裏側の端部に開口する冷却水導入口１３ａｉ１を備えている。一方、出口通路１３ａｏは、冷却プレート１３の図１中で紙面裏側の端部付近にて入口通路１３ａｉから離れる方向に屈曲して形成される屈曲通路１３ａｏ１を有し、屈曲通路１３ａｏ１の端部に冷却水放出口１３ａｏ２を備えている。

したがって、冷却プレート１３において、冷却水導入口１３ａｉ１から導入される冷却水は、入口通路１３ａｉ、連通路１３ａｔ、出口通路１３ａｏ、屈曲通路１３ａｏ１をそれぞれ通った後、冷却水放出口１３ａｏ２から外部に放出される。

次に、前述したバックメタル１１について説明する。バックメタル１１は、図１に示すように断面ほぼ正方形もしくは長方形の、図１中で紙面に直交する方向に長い直方体形状であり、板材Ｗ１，Ｗ２相互の突合わせ部位１及び、突合わせ部位１近傍の板材Ｗ１，Ｗ２に対応する位置に配置してある。

バックメタル１１は、ワーク受け３，５相互間のほぼ中央の突合わせ部位１を含むワークＷの下面に対向する上面に、凹曲面となる湾曲面１１ａを備えている。湾曲面１１ａの左右両側のワーク受け３，５側の上面は、平面１１ｂ，１１ｃとなっている。平面１１ｂ，１１ｃは板材Ｗ１，Ｗ２に対してそれぞれ離間している。これら湾曲面１１ａ及び平面１１ｂ，１１ｃは、図１中で紙面に直交する方向に延設され、バックメタル１１の全長にわたり形成されている。

また、バックメタル１１の図１中で紙面に直交する方向の両端部は、図２に示すように、板材Ｗ１，Ｗ２相互の突合わせ部位１及び、突合わせ部位１近傍の板材Ｗ１，Ｗ２の同方向の両端部から突出している。すなわち、バックメタル１１の図１中で紙面に直交する方向の長さは、板材Ｗ１，Ｗ２相互の突合わせ部位１及び、突合わせ部位１近傍の板材Ｗ１，Ｗ２の同方向の長さよりも長い。さらに、図２に示すように、ワーク押さえ７，９は、治具ベース１５とともに、ワーク受け３，５よりも図１中で紙面に直交する方向の長さが長い。

次に、上記したような溶接装置を利用して溶接作業を実施する溶接方法について説明する。図１のように、板材Ｗ１，Ｗ２を、その端部同士を突き合せた状態でワーク受け３，５上に載置して、ワーク受け３，５と上部のワーク押さえ７，９とで挟持固定する。このようにしてワークＷを溶接装置にセットした状態でアーク溶接を実施する。

図５（ａ）は、図１に対して簡素化して示した溶接装置の断面図であり、ワークＷは溶接作業後の状態を示している。なお、図５（ａ）ではワーク押さえ７，９や治具ベース１５などを省略しており、図１では図示していない溶接トーチ１７を用いてアーク溶接を実施する。図５（ａ）において、溶接トーチ１７を用い、溶加材１９を及び母材（板材Ｗ１，Ｗ２）を溶融させながら、アーク溶接を実施する。

アーク溶接を実施すると、上記溶融によって板材Ｗ１，Ｗ２相互間に溶接ビード２１が形成される。アーク溶接を実施する際には、図４に示した冷却プレート１３内の冷却水通路１３ａに冷却水を流す。ここで、本実施形態では、溶接ビード２１が、溶接を行う図５（ａ）中の上部の表面側から反対の裏面側に向けて貫通して突出するように、裏波溶接（貫通溶接）を行う。裏波溶接を行うことによって、溶接ビード２１は、図５（ａ）中で下部側のバックメタル１１に向けて突出する裏側ビード２１ａが形成される。

溶接ビード２１は、図５（ｂ）に拡大して示すように、上記した裏側ビード２１ａと、表側ビード２１ｂと、中間ビード２１ｃと、を含んでいる。中間ビード２１ｃは、板材Ｗ１，Ｗ２の板厚と同じ厚さ部分に相当し、中間ビード２１ｃより表面側に突出した部分が表側ビード２１ｂであり、中間ビード２１ｃより裏面側に突出した部分が裏側ビード２１ａである。ただし、ここでの２枚の板材Ｗ１，Ｗ２の厚さはほぼ同じとしている。

表側ビード２１ｂは、そのほぼ全体の表面が凸曲面となっている。すわわち、表側ビード２１ｂは、図５（ｂ）に示すように、一方の板材Ｗ１との境界部２３と、他方の板材Ｗ２との境界部２５との間で、表面が円弧状もしくはアーチ状に形成されている。中間ビード２１ｃは、板材Ｗ１，Ｗ２との境界面２７，２９がほぼ凹曲面であり、かつ、表側ビード２１ｂから裏側ビード２１ａに向けて先細となる形状である。

裏側ビード２１ａは、中間ビード２１ｃの上記した境界面２７，２９の凹曲面に連続する側面３１，３３と、側面３１，３３の先端相互間に形成される凸曲面形状の端面３５と、を含んでいる。側面３１，３３は凹曲面もしくはほぼ平面形状となっている。

裏側ビード２１ａの端面３５は、溶接時の溶融物がバックメタル１１の凹曲面状の湾曲面１１ａに接触することで、湾曲面１１ａに対応した凸曲面形状に形状が制御されている。すなわち、突合わせ部位１に対して溶接を行う表面側と反対の裏面側に、溶接により裏面側に突出する裏側ビード２１ａが形成され、裏側ビード２１ａが接触することで裏側ビード２１ａの形状を制御するバックメタル１１が突合わせ部位１の裏側に配置されている。

このように、本実施形態では、アーク溶接によってテーラードブランクの溶接を行うにあたり、裏側ビード２１ａの形状をバックメタル１１によって制御している。このため、レーザ溶接やプラズマ溶接に比較して低コストで済むアーク溶接によって、安定した形状の裏側ビード２１ａが得られ、テーラードブランク溶接による溶接部位の品質を高めることができる。

バックメタル１１を使用しない場合には、裏側ビードの形状が不均一で不安定なものとなり、溶接後に手直しする必要が生じて作業コストの高騰を招く。仮に、手直しする必要が生じた場合であっても、裏側ビードに対して後加工により手直しすることで、溶接部品を廃却する必要がなく、製品の歩留まりが向上する。一方、レーザ溶接やプラズマ溶接では、手直しするのは困難であり、アーク溶接に比較して製品の歩留まりが悪い。

また、溶接ビード２１として、表側ビード２１ｂに加え、形状が制御された裏側ビード２１ａを備えることで、当該溶接部位の厚さ（図５中で上下方向の厚さ寸法）が、母材である板材Ｗ１，Ｗ２の板厚より厚くなり、溶接部位の強度が高くなって製品の品質向上に寄与することができる。

また、本実施形態では、バックメタル１１を銅製としているので、鉄製とする場合に比較して裏側ビード２１ａが固着しにくく、作業性が向上する。なお、バックメタル１１は、銅に限らず、裏側ビードが固着しにくい材料であればよく、例えばセラミック製としてもよい。すなわち、本実施形態では、バックメタル１１は、裏側ビード２１ａが固着しにくい銅もしくはセラミック材で構成されている。また、冷却プレート１３内の冷却水通路１３ａに冷却水を流すことで、バックメタル１１が冷却されるので、裏側ビード２１ａのバックメタル１１への固着をより確実に抑えることができる。

また、本実施形態では、板材Ｗ１，Ｗ２が載置されるワーク受け３，５は、板材Ｗ１，Ｗ２よりも硬度が高い材料が使用されている。これにより、ワーク受け３，５は、載置される板材Ｗ１，Ｗ２により押し付けられても、摩耗を抑えることができ、繰り返し使用することが可能となる。ワーク受け３，５の摩耗を抑えることで、載置される板材Ｗ１，Ｗ２相互間の図１中で上下方向の位置関係のずれを抑制でき、高精度な突合わせ溶接が可能となる。

また、本実施形態では、バックメタル１１の裏側ビード２１ａが接触する部位は、凹曲面状の湾曲面１１ａとされている。このため、湾曲面１１ａに接触する裏側ビード２１ａの先端側の端面３５は、図５（ｂ）に示すように凸曲面形状となる。凸曲面形状の端面３５は、平面形状と比較して、端面３５と側面３１，３３との境界部である角部３７，３９における内側の角度がより広い鈍角となり、亀裂が発生しにくくなって強度が高まり、溶接品質がより一層向上する。

また、本実施形態では、図３（ａ）のＡ部を拡大して示す図３（ｂ）のように、板材Ｗ１，Ｗ２相互の突合わせ部位１の端部に、切欠４１を形成している。この切欠４１を設けた端部からアーク溶接を開始する。突合わせ部位１は、板材Ｗ１，Ｗ２の端部がいずれもほぼ直線状であり、この直線状部位を互いに突合わせている。

そして、本実施形態では、一例として図３（ｂ）に示すように、一方の板材Ｗ１の端部に傾斜部４３を設けることで、切欠４１を形成している。さらに、切欠４１の開口側（図３（ｂ）中で下部側）の端部における板材Ｗ１，Ｗ２の角部には、面取４５，４７を形成している。

すなわち、本実施形態では、複数の板材Ｗ１，Ｗ２の突合わせ部位１の端部に切欠４１を形成し、該切欠４１を形成した部位からアーク溶接を開始している。これにより、板材Ｗ１，Ｗ２相互間における溶け込みの入りにくい溶接開始部でも、安定した裏波溶接が可能となる。

図６は、上記のようにしてアーク溶接を実施した２つの板材Ｗ１，Ｗ２からなるワークに対してプレス加工を行うプレス装置を簡素化して示している。プレス装置は、上型４９と下型５１とを含む成形型を備えている。そして、上型４９及び下型５１の溶接ビード２１に対応する位置に、逃げ部としての上型凹部４９ａ及び下型凹部５１ａをそれぞれ設けている。

上型凹部４９ａは、その内壁面に、底部４９ａ１と両側部４９ａ２，４９ａ３とを備え、両側部４９ａ２，４９ａ３の下型５１側の開口縁の角部に凸曲面４９ａ４，４９ａ５を形成している。これらの内壁面は、溶接ビード２１（表側ビード２１ｂ）に対して離間している。

一方、下型凹部５１ａは、その内壁面に、底部５１ａ１と両側部５１ａ２，５１ａ３とを備え、両側部５１ａ２，５１ａ３の上型４９側の開口縁の角部に凸曲面５１ａ４，５１ａ５を形成している。これらの内壁面は、溶接ビード２１（裏側ビード２１ａ）に対して離間している。

すなわち、本実施形態では、溶接装置によって形状が制御された裏側ビード２１ａを備える溶接部品に対してプレス成形するプレス装置を備え、プレス装置は、成形型が、裏側ビード２１ａを含む溶接ビード２１に対して離間する逃げ部となる上型凹部４９ａ及び下型凹部５１ａを備えている。溶接装置とプレス装置とで溶接部品加工装置を構成している。

上型４９及び下型５１が上型凹部４９ａ及び下型凹部５１ａをそれぞれ備えることで、厚さが厚く強度が高くなっている溶接ビード２１に上型４９及び下型５１が接触しないので、プレス成形性が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、溶接後の部品として、本実施形態では、自動車部品を例にとって説明したが、他の部品であってもよい。また、ワークとして複数の板材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は、板厚が互いに同等でも異なっていてもよく、さらに材質が同等でも異なっていてもよい。

また、バックメタル１１は銅やセラミックに限らず、裏側ビード２１ａが固着しにくい材料であれば他の材料であってもよい。ワーク受け３，５についても、ＳＫＤ１１に限らず、ワークＷよりも硬度が高く耐摩耗性が高ければ、他の材料であってもよい。さらに、バックメタル１１の裏側ビードが接触する部位は、凹曲面状の湾曲面１１ａに限ることはなく平面形状でもよい。

Ｗ ワーク
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 板材（ワーク）
１ 板材同士の突合わせ部位
３，５ ワーク受け（ワーク受部）
１１ バックメタル（裏当て材）
１１ａ バックメタルの湾曲面（凹曲面）
２１ａ 裏側ビード
４１ 突合わせ部位の切欠
４９ 上型（成形型）
４９ａ 上型凹部（逃げ部）
５１ 下型（成形型）
５１ａ 下型凹部（逃げ部）

Claims (7)

1. 複数のワークの端部を互いに突合わせ、この突合わせ部位をアーク溶接により溶接接合する溶接装置であって、
   前記複数のワークの端部を互いに当接させた前記突合わせ部位に対して溶接を行う表面側と反対の裏面側に、前記表面側から行う溶接によって前記裏面側に突出する裏側ビードが形成され、
   前記複数のワークの端部は、前記表面側と前記裏面側との間の全域にわたり互いに接触した状態で突合わされており、
   前記裏側ビードが接触することによって当該裏側ビードの形状を制御する裏当て材が、前記突合わせ部位の裏面側に配置されていることを特徴とする溶接装置。
2. 前記裏当て材は、前記裏側ビードが固着しにくい銅もしくはセラミック材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記複数のワークが載置されるワーク受部は、前記ワークよりも硬度が高い材料が使用されていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
4. 前記裏当て材の前記裏側ビードが接触する部位は、凹曲面とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
5. 複数のワークの端部を互いに突合わせ、この突合わせ部位をアーク溶接により溶接接合する溶接方法であって、
   前記複数のワークの端部を互いに当接させた前記突合わせ部位に対して溶接を行う表面側と反対の裏面側に裏当て材を配置し、
   前記複数のワークの端部は、前記表面側と前記裏面側との間の全域にわたり互いに接触した状態で突合わされ、
   前記表面側から行う溶接によって前記裏面側に突出する裏側ビードを前記裏当て材に接触させることで、前記裏側ビードの形状を制御することを特徴とする溶接方法。
6. 前記複数のワークの突合わせ部位の端部に切欠を形成し、該切欠を形成した部位から溶接を開始することを特徴とする請求項５に記載の溶接方法。
7. 複数のワークの端部を互いに当接させて突合わせ、この突合わせ部位に対してアーク溶接により溶接を行う表面側と反対の裏面側に、前記表面側から行うアーク溶接によって前記裏面側に突出する裏側ビードが接触して当該裏側ビードの形状を制御する裏当て材が配置されている溶接装置と、
   前記溶接装置によって形状が制御された裏側ビードを備える溶接部品に対してプレス成形するプレス装置と、を備え、
   前記プレス装置は、成形型が、前記裏側ビードを含む溶接ビードに対して離間する逃げ部を備えていることを特徴とする溶接部品加工装置。

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