(57)【要約】【課題】圧縮耐力の強い溶接構造部材を製造する。【解決手段】溶接ロボットＦを構成するレーザ溶接装置Ｅにおいて、被溶接部材の板厚に対する溶け込み面積および／または溶け込み深さを必要最小にする溶け込み性状の制御部１０を備えた。また、溶け込み性状を制御するために少なくとも材質、入熱、ねらい位置、ビームプロファイルに関する実験に裏付けられた溶け込み目標となる断面形状の見本画像をパターン化した形状見本データを記憶したデータベースと、溶接金属断面積と熱影響部断面積の和を板厚の二乗で除した値に対する圧縮耐力特性を記憶したデータベースと、を備え、制御部１０はデータベースから読み出した形状見本データおよび／または圧縮耐力特性を参照して溶け込み性状を制御する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ロボットを構成するレーザ溶接装置において、
被溶接部材の板厚に対する溶け込み面積および／または溶け込み深さを必要最小にする溶け込み性状の制御部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記溶け込み性状を制御するために少なくとも材質、入熱、ねらい位置、ビームプロファイルに関する実験に裏付けられた溶け込み目標となる断面形状の見本画像をパターン化した形状見本データを記憶したデータベースと、
溶接金属断面積と熱影響部断面積の和を板厚の二乗で除した値に対する圧縮耐力特性を記憶したデータベースと、を備え、
前記制御部は前記データベースから読み出した形状見本データおよび／または圧縮耐力特性を参照して前記溶け込み性状を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記制御部には、
溶接前の被溶接部材の寸法を計測する三次元写真計測手段と、
前記三次元写真計測手段により計測された寸法の被溶接部材に近い前記形状見本データを前記データベースから検索して参照に供する検索手段と、
前記被溶接部材の溶け込み面積を必要最小限に管理する管理項目と、
溶け込み深さを必要最小限に管理する管理項目と、を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記制御部にはレーザ溶接の条件として、少なくとも、レーザ出力と、溶接速度と、焦点外し距離と、シールドガスの種類と、前記シールドガスの流量と、を含む制御自在の制御項目を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに１項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
溶接ロボットによるレーザ溶接方法において、
被溶接部材の板厚に対する溶け込み面積および／または溶け込み深さを必要最小にするように溶け込み性状を管理することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項６】
溶接金属断面積と熱影響部断面積の和を板厚の二乗で除した値を必要最小にする溶け込み性状にして溶接構造部材を製造することを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
衝突時の圧縮荷重の設定を広い領域で容易に設定でき、重量当たりの衝突エネルギ吸収量を増大しかつ安定した圧縮荷重を発生させる車体フレーム構造が知られている（例えば、特許文献１）。具体的には、Ｖ字状断面形に曲折した２枚の板材を、曲折部同士を突き合わせて結合して、正方形の対角線となる板状中リブ部を形成し、４枚の外周部板材により正方形の外形を形成し、外周部板材と板状中リブ部との角部近傍間を連結用板材を介して連結し、それぞれレーザ溶接により結合して中空部材のフレームを形成する。連結用板材と外周部板材との結合点と角部（頂点）との間の距離を短くすることができ、角部の剛性を高め得るため、角部における圧縮変形時の座屈により生じた波形における高さを表す座屈波長が小さくなり、座屈時の荷重変動の少ない安定した衝突エネルギの吸収が可能となる、というものである。
【特許文献１】特開２００３−２２０９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に開示された技術は、角部の剛性を高めるため、角部における圧縮変形時の座屈に強くなるように、外周部板材と板状中リブ部との角部近傍間を連結用板材を介して連結し、レーザ溶接によりそれぞれを結合して中空部材のフレームを形成する技術である。しかし、レーザ溶接による接合部の接合強度を向上させた圧縮耐力に強い溶接構造部材を製造する点では改善余地が残されていた。本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、実験データの裏づけに基づいて、強い圧縮耐力の溶接構造部材を製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題を解決するために、本発明に係るレーザ溶接装置では、第１の手段として、溶接ロボットを構成するレーザ溶接装置において、被溶接部材の板厚に対する溶け込み面積および／または溶け込み深さを必要最小にする溶け込み性状の制御部を採用した。このようにして、実験データの裏づけにより熱影響部断面積を必要最小にすることで残留応力が最小になるため、被溶接部材の圧縮耐力を向上させることが可能となる。
【０００５】
また、第２の手段として、前記第１の手段に係るレーザ溶接装置において、前記溶け込み性状を制御するために少なくとも材質、入熱、ねらい位置、ビームプロファイルに関する実験に裏付けられた溶け込み目標となる断面形状の見本画像をパターン化した形状見本データを記憶したデータベースと、溶接金属断面積と熱影響部断面積の和を板厚の二乗で除した値に対する圧縮耐力特性を記憶したデータベースと、を備え、前記制御部は前記データベースから読み出した形状見本データおよび／または圧縮耐力特性を参照して前記溶け込み性状を制御することを採用した。
【０００６】
第２の手段に係るレーザ溶接装置によれば、制御部が、データベースから読み出した形状見本データおよび圧縮耐力特性を参照して溶け込み性状を制御する。そのために、データベースから読み出した材質、入熱、ねらい位置、ビームプロファイルに関する制御データと、溶接金属断面積と熱影響部断面積の和を板厚の二乗で除した値に対する圧縮耐力特性データと、を用いて目標とする溶け込み形状に近づくように自動溶接する。
【０００７】
第３の手段として、前記第１または２の手段に係るレーザ溶接装置において、前記制御部には、溶接前の被溶接部材の寸法を計測する三次元写真計測手段と、前記三次元写真計測手段により計測された寸法の被溶接部材に近い前記形状見本データを前記データベースから検索して参照に供する検索手段と、前記被溶接部材の溶け込み面積を必要最小限に管理する管理項目と、溶け込み深さを必要最小限に管理する管理項目と、を採用した。
【０００８】
第３の手段に係るレーザ溶接装置によれば、まず、三次元写真計測手段により計測された溶接前の被溶接部材の寸法に近い形状見本データを、検索手段がデータベースから検索して制御部制御項目に提供する。そして、制御部は、被溶接部材の寸法に近い形状見本データを参照すると共に、被溶接部材の溶け込み面積を必要最小限に管理する管理項目と、溶け込み深さを必要最小限に管理する管理項目と、に関してデータベースの制御データを用いて溶接ロボットを制御する。
そうすることにより、実験データに忠実で、より強い圧縮耐力の溶接構造部材を製造することが可能となる。
【０００９】
第４の手段として、前記第１ないし第３の何れかに１つの手段に係るレーザ溶接装置において、前記制御部にはレーザ溶接の条件として、少なくとも、レーザ出力と、溶接速度と、焦点外し距離と、シールドガスの種類と、前記シールドガスの流量と、を含む制御自在の制御項目を採用した。そうすることで、より確実に圧縮耐力の溶接構造部材を製造することが可能となる。
【００１０】
第５の手段として、溶接ロボットによるレーザ溶接方法において、被溶接部材の板厚に対する溶け込み面積および／または溶け込み深さを必要最小にするように溶け込み性状を管理することを採用した。この方法によれば、溶接変形および／または残留応力が最小になるため、被溶接部材の圧縮耐力を向上させることが可能となる。
【００１１】
第６の手段として、溶接構造部材を製造するレーザ溶接方法において、溶接金属断面積と熱影響部断面積の和を板厚の二乗で除した値を必要最小にする溶け込み性状にして溶接構造部材を製造する方法を採用した。この方法によれば、実験の裏づけに基づいて、被溶接部材の圧縮耐力を確実に向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るレーザ溶接装置によれば、実験データの裏づけに基づき、残留応力を最小にして、強い圧縮耐力の溶接構造部材を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態（以下、「本実施形態」という）について図面を参照して説明する。まず、図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置（以下、「本装置」ともいう）Ｅによる圧縮耐力向上施工の手順を示すフローチャートである。
【００１４】
図１に示すレーザ溶接装置は溶接ロボットを構成しているので、本装置Ｅのことを適宜に溶接ロボットともいう。この溶接ロボットによって、溶接構造部材（以下、「被溶接部材」、「溶接部材」または「部材」ともいう）の製作を開始する。なお、ここでいう製作とは規格品のような同一形状の溶接構造部材をロット単位で大量生産することを意味している。
【００１５】
まず、データベースＤＢ１，ＤＢ２から読み出したデータを参照し、溶接変形および／または残留応力が最小になるように、溶接ロボットの制御部１０により入熱範囲を制御する（Ｓ１）。この制御部１０にはレーザ溶接の条件として、少なくとも、レーザ出力と、溶接速度と、焦点外し距離と、シールドガスの種類と、シールドガスの流量と、を含む制御自在の制御項目を備えている。なお、データベースＤＢ１には溶け込み性状を制御するための見本に用いる形状見本データを記憶している。この形状見本データは、少なくとも部材の材質、入熱、ねらい位置、ビームプロファイルに関する実験に裏付けられたものである。
【００１６】
すなわち、実験計画法に基づいて各パラメータを変化させた溶接実験における試料の断面写真を検索容易に標準化して集大成されている。図２に沿って後述するように、溶け込み目標となる断面形状に関する多数の断面写真を基礎データとして、これらの断面写真を標準的な線画にデータ変換して各部の寸法を記入し、検索符号をつける等により検索自在にパターン化した形状見本データを記憶している。
【００１７】
また、データベースＤＢ２には、図３に沿って後述するように、溶接金属断面積ＡＷ．Ｍと熱影響部断面積ＡＨＡＺの和を板厚ｔの二乗で除した値に対する圧縮耐力（Ultimate strength）特性「（終局耐力特性）ともいう」を記憶している。溶接ロボットの制御部１０はデータベースＤＢ１，ＤＢ２から読み出した形状見本データおよび圧縮耐力特性を参照して溶け込み性状を制御する。その結果、被溶接部材の板厚ｔに対する溶接金属断面積ＡＷＭと熱影響部断面積ＡＨＡＺの和（以下、「溶け込み面積」ともいう）Ａを必要最小にする溶け込み性状にした溶接構造部材を、本装置Ｅによって製造することが可能となる。なお、図１において「熱影響部」を「ＨＡＺ」と略記した箇所がある。
【００１８】
そして、入熱面積を確認するように施工管理する（Ｓ２）。具体的には溶接後の該当部を切断して三次元写真計測して規格仕様と照合する。この規格仕様は形状見本データの中から入熱面積に関する数値を抜き出して用いてもよい。
【００１９】
なお、制御部１０は、図示せぬ三次元写真計測手段１１と、形状見本データを検索する検索手段１２と、形状見本データに対する三次元写真計測結果との照合手段と、を備えている。この制御部１０によって、データベースＤＢ１，ＤＢ２から形状見本データ等を検索して参照に供する（Ｓ３）。すなわち、溶接前後の被溶接部材の各部寸法を三次元写真計測手段１１により計測された寸法の被溶接部材に近い形状見本データをデータベースＤＢ１，ＤＢ２から検索して参照し、規定範囲内であるか否かによってロットの品質管理の判断を支援する（Ｓ３）。
【００２０】
そして、大量生産された１ロットから統計的手法に基づいて抜き取った試料を破壊検査して部材精度（初期形状）を確認するように施工管理する（Ｓ４）。すなわち、抜き取りによって破壊検査した結果、形状見本データの示す寸法精度に対して所定誤差範囲内であれば１ロットの全数を合格（ＯＫ）とし、高耐力部材として使用するように仕分けする（Ｓ５）。一方、抜き取り検査の結果が所定誤差範囲外であれば、１ロットの全数を不合格（ＮＧ）として、通常の設計耐力範囲で部材を使用するように仕分けする（Ｓ６）。
【００２１】
ここで破壊検査した試料を製品化することは不可能だから、商業目的においては、１ロットの全数を破壊検査する代わりに抜き取り検査して全数を推定するのである。すなわち、所定管理のもとに大量生産された１ロットは、あるバラツキの範囲内でほぼ均一な品質に製造されていると見なせるので、統計的手法に基づいて１ロットから抜き取りによる破壊検査する。その抜き取り検査の結果に応じて、ロット単位で製品を格付けして用途を決定するので、無駄なく合理的な製品仕分けが可能となる。なお、バラツキの程度を意味する標準偏差σ等のデータは、予め研究目的におけるロットの全数を破壊検査した試料に基づいて集大成されたデータをデータベースＤＢ１，ＤＢ２から検索して参照する。
【００２２】
このように製造ラインを溶接ロボットで構成するレーザ溶接装置において、被溶接部材の板厚ｔに対する溶接金属断面積ＡＷＭと熱影響部断面積ＡＨＡＺの和Ａを必要最小にする溶け込み性状の制御部１０を採用した。すなわち、このような制御によって溶け込み面積Ａを必要最小にすることにより溶接変形および／または残留応力が最小になるため、被溶接部材の圧縮耐力（以下、図においても「部材耐力」と略記することがある）を向上させることが可能となる。このことは、実験データの裏づけに基づいている。
【００２３】
つまり、制御部１０は、被溶接部材の溶け込み面積Ａ＝ＡＷＭ＋ＡＨＡＺを必要最小限に管理する管理項目１３と、溶け込み深さδを必要最小限に管理する管理項目１３と、を採用している。これら２つの管理項目１３である溶け込み面積Ａと溶け込み深さδの関係は、図２（ａ）からも明らかなように、一方の管理項目１３を管理するだけでも、他方または両方を管理したことに匹敵する結果を呼ぶので、管理し易い方だけを管理するようにしても構わない。
【００２４】
このように、制御部１０はデータベースＤＢ１，ＤＢ２から読み出した形状見本データおよび圧縮耐力特性を参照して溶け込み性状を制御する。その結果、本装置Ｅは被溶接部材の板厚ｔに対する溶け込み面積Ａを必要最小にする溶け込み性状にした溶接構造部材を製造することが可能となる。そうすることにより、実験データに忠実で、より強い圧縮耐力の溶接構造部材を製造することが可能となる。
【００２５】
図２は本実施形態に係るレーザ溶接装置のデータベースＤＢ１に記憶された情報であって、(ａ)溶接部材の溶け込み性状規定図、（ｂ）圧縮耐力特性図である。図２(ａ)に示すように、溶接部材の溶け込み性状規定図として、溶け込み深さ（Depth of Penetration）δのほか、熱影響部の各部寸法（ Upper Fillet size, Lower Fillet size）を、正規化または標準化することにより検索容易に規定して情報検索の便宜を図っている。
【００２６】
詳しくは、実験計画法に基づいて多数の溶接実験した試料の断面写真である画像情報を、線画パターンおよび規定寸法からなる数値パターンに、変換して集大成し、形状見本データとして検索自在にデータベースＤＢ１に記憶されている。そして、情報検索する際、例えば、溶け込み深さδのほか、熱影響部ＨＡＺの各部寸法または板厚ｔの数値等を検索キーとして、最も適する形状見本データを検索することが可能である。
【００２７】
また、図２（ｂ）の圧縮耐力特性図に示すように、圧縮耐力特性図の縦軸は圧縮耐力（Ｆｍａｘ／ＦＹ）、横軸は入熱範囲率＝（ＡＷ．Ｍ  ＋  ＡＨＡＺ）／ｔ2  であり、例えば、板厚が同一ならば、幅厚比パラメータＲが小さい程、圧縮耐力が大きくなることの実験データおよび／または理論計算値等によりデータベースＤＢ２を構築している。なお、幅厚比パラメータＲ＝０にした場合、溶接しなかったことを意味するので、入熱範囲率＝０にはしないで、必要最小限を目標値に制御する。
【００２８】
なお、図２（ｂ）には圧縮耐力特性図のグラフとして示したが、説明の便宜上の表示方法あり、本装置Ｅにおける制御用のデータとしては、必ずしも目視して直感的理解の得やすいグラフである必要はなく、数値対応データ、すなわち数値テーブルがデータベースＤＢ１，ＤＢ２にデータ構成されていれば足りる。
ＡＷ．Ｍ  ：溶接金属断面積
ＡＨＡＺ  :熱影響部断面積
ｔ      ：板厚
【００２９】
図２（ｂ）の圧縮耐力特性グラフ上にプロットされた各プロットα，βはそれぞれ、つぎのとおりである。
プロットα：ＬＢＷ      レーザ溶接構造部材。
プロットβ：ＧＭＡＷ    従来型溶接構造部材。
すなわち、板厚が同一ならば、レーザ溶接構造部材ＬＢＷによるプロットαのほうが、入熱範囲率が小さいので、従来型溶接構造部材ＧＭＡＷによるプロットβよりも、圧縮耐力が大きくなることが示されている。
【００３０】
図３は本実施形態に係るレーザ溶接装置による圧縮耐力特性図である。図３に示すように、圧縮耐力特性図の縦軸は圧縮耐力（Ｆｍａｘ／ＦＹ）、横軸は幅厚比パラメータの代表値（Ｒ）であり、理論値であるオイラー座屈耐力と、船級協会耐力曲線と、日本道路協会耐力曲線を重ねて表示している。
【００３１】
この圧縮耐力特性図において、つぎの実験データをプロット１〜４に示している。これらは、同一の部材を同じ人が、つぎに示す各プロット１〜４別の相違点のみを変えて、溶接構造部材を製作した実験結果である。なお、プロット１，２はプロット３，４よりも１．５倍の板厚部材によるデータである。
プロット１：○  改良型レーザ溶接構造部材
プロット２：●  アーク溶接構造部材
プロット３：△  従来型溶接構造部材
プロット４：▲  アーク溶接構造部材
【００３２】
このように、本発明に係るレーザ溶接装置によれば、プロット１で示すように、理論値であるオイラー座屈耐力に示される限界近くまで圧縮耐力を向上させることが確認できた。このように、実験データの裏づけに基づいた本発明に係るレーザ溶接装置によれば、残留応力を最小にして、強い圧縮耐力の溶接構造部材を製造することが可能となる。
【００３３】
つまり、被溶接部材の溶け込み面積を必要最小限に管理する管理項目１３と、溶け込み深さδを必要最小限に管理する管理項目１３と、を採用している溶接ロボットの制御部１０は、データベースＤＢ１，ＤＢ２から読み出した形状見本データおよび圧縮耐力特性を参照して溶け込み性状を制御する。その結果、本装置Ｅは被溶接部材の板厚ｔに対する溶接金属断面積ＡＷ．Ｍと熱影響部断面積ＡＨＡＺを必要最小にする溶け込み性状にした溶接構造部材を製造することが可能となる。そうすることにより、実験データに忠実で、より強い圧縮耐力の溶接構造部材を製造することが可能となる。
【００３４】
図４は本実施形態に係るレーザ溶接装置Ｅによる入熱パラメータ（Ｑ／ｔ２）［Ｊ／ｍｍ２］に対する残留応力（σＲ／σＹ）の特性図である。残留応力とは、溶接によって熱溶解した金属が収縮しながら凝固するために、母材および溶接部である金属内部に残留する応力のことである。すなわち、溶接部には母材に引っ張られる応力が残留する一方、母材には溶接部に引っ張られる応力に対抗して縮もうとする応力が残留する。
【００３５】
図５は本実施形態に係るレーザ溶接装置Ｅによる残留応力（σＲ／σＹ）に対する最高耐力（Ｆｍａｘ／ＦＹ）の特性図である。なお、図３においては最高耐力（Ｆｍａｘ／ＦＹ）といわずに圧縮耐力（Ｆｍａｘ／ＦＹ）と表記している。
【００３６】
図６は本実施形態に係るレーザ溶接装置Ｅの概念図である。図６に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置Ｅは、主に大量生産用の溶接ロボットＦを構成している。この溶接ロボットＦの制御部１０は、被溶接部材の板厚ｔに対する溶け込み面積Ａおよび／または溶け込み深さδを必要最小にするように溶け込み性状を管理する。この制御部１０は、溶接前の被溶接部材の寸法を計測する三次元写真計測手段１１と、三次元写真計測手段１１により計測された寸法の被溶接部材に近い形状見本データをデータベースＤＢ１，ＤＢ２から検索して参照に供する検索手段１２と、被溶接部材の溶け込み面積Ａを必要最小限に管理するための管理項目１３と、溶け込み深さを必要最小限に管理する管理項目１３と、を備えて構成されている。
【００３７】
このように、本装置Ｅは溶接ロボットＲで製造ライン等を構成するレーザ溶接装置Ｅにおいて、被溶接部材の板厚ｔに対し、溶接金属断面積ＡＷ．Ｍと熱影響部断面積ＡＨＡＺに関して、下式よって規定される「溶け込み性状」を必要最小化する制御部１０を採用した。
入熱範囲率（Heat input ratio）＝（ＡＷ．Ｍ  ＋  ＡＨＡＺ）／ｔ2 
この制御部１０が溶接金属断面積ＡＷ．Ｍと熱影響部断面積ＡＨＡＺの和Ａを必要最小に管理することにより、溶接応力および／または残留応力を最小化し、溶接構造部材の圧縮耐力を向上させることが可能となる。このことは、実験データの裏づけに基づいている。
この点が本発明の本質であり、この技術思想を実現するための各種ロボット、自動化設備、制御装置類を含んだレーザ溶接装置および／または溶接方法は全て本発明に含まれると見なし得る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態（本実施形態）に係るレーザ溶接装置による圧縮耐力向上施工の手順を示すフローチャートである。
【図２】本実施形態に係るレーザ溶接装置のデータベースに記憶された情報であって、(ａ)溶接部材の溶け込み性状規定図、（ｂ）圧縮耐力特性図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ溶接装置による圧縮耐力特性図である。
【図４】本実施形態に係るレーザ溶接装置による入熱パラメータに対する残留応力の特性図である。
【図５】本実施形態に係るレーザ溶接装置による残留応力に対する最高耐力の特性図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ溶接装置の概念図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０…制御部
１１…三次元写真計測手段
１２…検索手段
１４…制御項目
Ａ…溶け込み面積
ＤＢ１，ＤＢ２…データベース
Ｅ…レーザ溶接装置（本装置）
Ｆ…溶接ロボット
ｔ…板厚
δ…溶け込み深さ
【図１】
2008246499.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008246499.tif 000005
【図４】
2008246499.tif 000006
【図５】
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【図６】
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