溶接方法と溶接用レーザ加工ヘッド
【課題】ルーフパネルのルーフサイド部でのブレージングに際して、しわや応力の集中による表面ひずみの発生を抑制できるようにした方法を提供する。
【解決手段】ルーフパネル１のフロントエンド部１ａおよびリアエンド部１ｂのレーザブレージングに続いて、双方のルーフサイド部１ｃをルーフサイドレールと接合するべくレーザブレージングを施す。その際、ルーフサイド部１ｃの長手方向中央部を終点として矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示すように１パス目のブレージング行い、それに続いて同じく長手方向中央部を終点として矢印ＰＬ２，ＰＲ２で示すように２パス目のブレージング行う。その結果、ルーフパネル１の中央部においてブレージングに伴うしわや応力を広く分散させて、表面ひずみを抑制できる。
【解決手段】ルーフパネル１のフロントエンド部１ａおよびリアエンド部１ｂのレーザブレージングに続いて、双方のルーフサイド部１ｃをルーフサイドレールと接合するべくレーザブレージングを施す。その際、ルーフサイド部１ｃの長手方向中央部を終点として矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示すように１パス目のブレージング行い、それに続いて同じく長手方向中央部を終点として矢印ＰＬ２，ＰＲ２で示すように２パス目のブレージング行う。その結果、ルーフパネル１の中央部においてブレージングに伴うしわや応力を広く分散させて、表面ひずみを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法と溶接用レーザ加工ヘッドに関し、例えばレーザ光を用いて連続溶接を施す場合の溶接ひずみの抑制を考慮した溶接方法とその溶接に好適なレーザ加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
なお、ここでの溶接の語は広義で用いるものとし、ろう付（ブレージング）やはんだ付等のいわゆるろう接をも含むものとする。
【背景技術】
【０００３】
自動車の車体の軽量化を目的として車体パネルの一部を鋼板からアルミニウム系金属板に置き換えるにあたり、リベットやメカニカルクリンチによるかしめ工法に代えて、鋼板とアルミニウム系金属板との異種金属同士を溶加材である金属のワイヤを溶かしてろう付けするブレージング工法の採用が検討されている。ここで、ブレージング工法は連続接合により十分な強度と剛性が得られ、また構造そのものによる制約が少ないことから鉄系金属とアルミニウム系金属との接合工法として好適であるとされている。
【０００４】
その一方、アルミニウム系金属は鉄に比べて熱による変形量が大きいため、鉄系金属と同じような接合条件や治具の採用だけでは変形を十分に抑制することができない。
【０００５】
そこで、このような溶接ひずみ対策として、例えば特許文献１に記載のように、いわゆる逆ひずみを与える方法のほか、特許文献２に記載のように、アルミニウム系金属板の摩擦溶接の直後にひずみ取り機にてひずみ取りを行う方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−７１１３０号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、設備が大型で高価且つ複雑であることに加え、フラットな板材の場合にはともかく、自動車の車体パネルのような剛性の高い部品に予め溶接ひずみを見込んだ逆ひずみを与えることは困難である。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、上記と同様にフラットな板材の場合には溶接後にひずみを除去ずることが可能ではあっても、上記のように自動車の車体パネルのような剛性の高い部品では溶接後にその溶接ひずみを除去することは困難である。
【０００８】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、例えば自動車の車体パネルのように比較的剛性の高いパネル類を溶接するに際して、従来のように逆ひずみを与えたり、あるいはひずみ取りを行うことなしに、熱による母材の変形、すなわち溶接ひずみそのものの発生を抑制できるように考慮された溶接方法と溶接用レーザ加工ヘッドを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、少なくとも四隅のそれぞれが接合をもって相手側部材に拘束されることになる略矩形状のワークの少なくとも一辺部に連続溶接を施す方法であって、上記一辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって溶接を行った後に、上記一辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって溶接を行い、上記一辺部の長手方向中央部が溶接ビードの合流部となるように溶接を施すことを特徴とする。
【００１０】
上記溶接は、例えば産業用ロボットに持たせたレーザ加工ヘッドにて行うとともに、溶加材として溶接ワイヤを併用するものとし、同時に上記溶接には溶接ワイヤとしてろう材ワイヤを併用したブレージグをも含むものである。
【００１１】
また、上記相手側部材とワークとの組み合わせは、例えば鉄系金属とアルミニウム系金属との異種金属同士の組み合わせとし、より具体的には、例えば上記相手側部材が自動車の車体における鋼板製のルーフレールであり、ワークがアルミニウム合金製のルーフパネルである場合を想定している。
【００１２】
したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、略矩形状のワークの一辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって溶接を行った後に、上記一辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって溶接を行うことは、いずれも拘束の強い部位を溶接の始点とし、拘束の少ない部位を溶接の終点として連続溶接を行うことにほかならない。その結果として、溶接の終端部に集中するしわ寄せや応力を分散させて、溶接跡のワーク表面のひずみの発生を抑制または軽減できるようになる。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の溶接を含むレーザ溶接に用いるレーザ加工ヘッドであって、このレーザ加工ヘッドは、少なくともワーク上の溶接点に向けてレーザ光を照射する機能のほか、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給するワイヤ供給ノズルを備えていて、溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えた時に、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給できるようにワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようになっていることを特徴とする。
【００１４】
したがって、請求項７に記載の発明では、単一のレーザ加工ヘッドにて溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えて溶接を行う場合に、それに応じてワイヤ供給ノズルの向きが切り換わることから、いずれの向きの溶接の場合にも、常に溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給できるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、ワークのうち比較的拘束の強い四隅ではなく、相対的に拘束の弱い特定の辺部の長手方向中央部が溶接の終点となるように溶接を施すようにしたので、溶接の終端部に集中するしわ寄せや応力を分散させて、溶接跡のワーク表面のひずみの発生を抑制または軽減できる。
【００１６】
請求項７に記載の発明によれば、溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えた場合にそれに応じてそれに応じてワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようにしたので、いずれの向きの溶接でも常に溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給でき、溶接の向きが変わっても同じ条件で溶接を行うことができ、溶接品質の向上に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１〜７は本発明のより具体的な実施の形態を示す図であり、図１，２に示すように、自動車のルーフパネル１のうち両側のルーフサイドレール４に沿う部分の接合フランジ部３をブレージング工法をもってルーフサイドレール４と接合する場合の例を示している。
【００１８】
図１，２に示すように、自動車の車体の一部を構成することになる略矩形状のルーフパネル１はアルミニウム合金製のものであって、その中央部にはサンルーフ開口部２が形成されている。ルーフパネル１はその前端部であるフロントエンド部１ａが図示外のフロントルーフレールに、後端部であるリアエンド部１ｂが同じく図示外のリアルーフレールにそれぞれブレージングにて接合されるとともに、ルーフパネル１の両側のルーフサイド部１ｃではルーフサイドレール４に沿う部分の接合フランジ部３がブレージングにて鋼板製のルーフサイドレール４と接合される。なお、溶接ビードたるブレージングビード部を同図に符号Ｂｒで示す。
【００１９】
ルーフサイドレール４は、周知のようにアウタパネル４ａとインナパネル４ｂおよびレインフォース４ｃとをもって閉断面構造のものとして予め形成されていて、ルーフパネル１側の接合フランジ部３とアウタパネル４ａとの間に溝部５を形成しながら、そのルーフパネル１側の接合フランジ部３がアウタパネル４ａに対して連続したブレージグビード部Ｂｒをもって接合される。
【００２０】
ブレージングの手順としては、ルーフパネル１のフロントエンド部１ａおよびリアエンド部１ｂのブレージングを施した後にルーフサイド部１ｃの接合フランジ部３のブレージングを施すものとする。特に接合フランジ部３でのブレージングについては、図３に示すようなレーザ加工ヘッド６を例えば産業用ロボット（以下、単にロボットという。）７のアーム１３の先端に支持させた上で、そのレーザ加工ヘッド６を図２の溝部５に沿って所定速度で連続的に移動させながらブレージングを行う。
【００２１】
図３に示したレーザ加工ヘッド６は、周知のように光ファイバー８等にて導入されたレーザ光を所定のスポット径に集光した上でレーザ光Ｌａとして接合フランジ部３に照射するための光学系が内蔵されたヘッド本体９のほか、ブレージング位置近傍を加圧拘束して隙間を矯正するための加圧手段としての回転可能な加圧ローラ１０、および溶加材（溶接ワイヤ）としてのろう材ワイヤ（フィラーワイヤ）１１をブレージング位置に向けて供給するためのワイヤ供給ノズル１２とを備えている。なお、レーザ加工ヘッド６は、アーム１３の各関節の駆動による自由度とは別に、アーム１３の先端の旋回軸部１４の軸心１４ａ（この軸心１４ａはレーザ光Ｌａの光軸と平行に設定される。）を回転中心として矢印Ｍ方向に１８０°首振り旋回可能となっている。
【００２２】
そして、図２に示すようにルーフサイドレール４のアウタパネル４ａに重ね合わせた接合フランジ部３に加圧ローラ１０を押し付け、レーザ光Ｌａの照射とともにレーザ加工ヘッド９を所定速度で連続移動させると加圧ローラ１０が接合フランジ部３上を転動することでその接合フランジ部３が加圧拘束されることから、それと同時にワイヤ供給ノズル１２からレーザ光照射位置に向けてフィラーワイヤ１１を連続的に繰り出しながらブレージングを施す。この場合、フィラーワイヤ１１は溶接点または接合点であるレーザ光照射位置に向けて常にブレージング進行方向前方側から供給するものとする。
【００２３】
ここで、図４に示すように、双方のルーフサイド部１ｃについて矢印Ｐ１で示すようにルーフパネル１の例えばそのリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向けて、あるいは矢印Ｐ２で示すように逆にルーフパネル１のフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向けて、レーザ加工ヘッド６を同時並行的に同じ向きで移動させてブレージングを施すことが効率的である。ところが、ルーフパネル１のフロントエンド部１ａとリアエンド部１ｂ、特にルーフパネル１の四隅では既にブレージングが施されていわゆる接合状態の凍結をもって当該部位が拘束されていることから、上記のように既に拘束済みのルーフパネル１のフロントエンド部１ａまたはリアエンド部１ｂの隅部をブレージングの終点としてブレージングを施すと、ブレージングの終点位置にしわや応力が集中したまま分散させることができなくなり、その結果としてブレージング後のルーフパネル１の表面にひずみが発生することがある。
【００２４】
そこで、本実施の形態では、図４に矢印Ｐ１，Ｐ２で示したように、双方のルーフサイド部１ｃについてルーフパネル１の例えばそのフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向けて、あるいは逆にルーフパネル１のリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向けていわゆる１パスでブレージングを施すのではなく、同図に矢印ＰＬ１およびＰＲ１で示すように、例えばルーフパネル１のリアエンド部１ｂ側をブレージングの始点としてフロントエンド部１ａ側に向けてブレージングを開始したならば、ルーフサイド部１ｃの長手方向中間部をブレージングの終点として一旦１パス目のブレージングを終える。そして、今度はルーフパネル１のフロントエンド部１ａ側をブレージングの始点として矢印ＰＬ２およびＰＲ２で示すようにリアエンド部１ｂ側に向けて２パス目のブレージングを開始し、ルーフサイド部１ｃの長手方向中間部をブレージングの終点としてその２パス目のブレージングを終える。この場合において、ブレージングの終点位置においては一パス目と二パス目のブレージングのビード部Ｂｒ同士が合流することになるため、接合強度の向上やシー性確保の上では、そのビード部Ｂｒ同士を所定長さにわたり相互にオーバーラップさせることが望ましい。
【００２５】
より詳しくは、図５，６に示すように、ルーフパネル１をはさんでその両側にほぼ左右対称となるように２台のロボット７Ａ，７Ｂを対向配置し、一方のロボット７Ａには一方のルーフサイド部１ｃについてリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向かって矢印ＰＬ１で示す１パス目のブレージングを行わせるとともに、これと並行して、他方のロボット７Ｂには他方のルーフサイド部１ｃについて同様にリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向かって矢印ＰＲ１で示す１パス目のブレージングを行わせる。
【００２６】
こうして、双方のルーフサイド部１ｃでの１パス目のブレージグ、すなわち矢印ＰＬ１およびＰＲ１で示すブレージングを終えたならば、左右のルーフサイド部１ｃ，１ｃ間でロボット７Ａと７Ｂとの入れ換えを行う。この時のロボット７Ａ，７Ｂでの入れ換えのための移動軌跡を図６に符号ＰＬ３およびＰＲ３で示す。そして、双方のロボット７Ａ，７Ｂにおいて、図３に示した旋回軸部１４の自由度を使ってレーザ加工ヘッド６をそれぞれに１８０°首振り旋回させた上で、一方のロボット７Ａには１パス目とは反対側のルーフサイド部１ｃについてフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向かって矢印ＰＲ２で示す２パス目のブレージングを行わせるとともに、これと並行して、他方のロボット７Ｂには同じく１パス目とは反対側のルーフサイド部１ｃについてフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向かって矢印ＰＬ２で示す２パス目のブレージングを行わせる。
【００２７】
このように双方のロボット７Ａ，７Ｂの入れ換えとともにレーザ加工ヘッド６を首振り旋回動作させているのは、矢印ＰＬ１およびＰＲ１で示す１パス目のブレージグ時と矢印ＰＬ２およびＰＲ２で示す２パス目のブレージグ時とでその加工条件を同一とするためである。すなわち、矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示す１パス目のブレージグ時、および矢印ＰＬ２，ＰＲ２で示す２パス目のブレージグ時共に、先にも説明したように常にブレージグの進行方向先方側からワイヤ供給ノズル１２にてフィラーワイヤ１１を供給する必要があり、同時に加圧ローラ１０とレーザ光Ｌａの照射位置との関係として、車幅方向において加圧ローラ１０よりも外側にレーザ光Ｌａの照射位置があることが条件とされるからである。
【００２８】
このように、既にフロントルーフレールやリアルーフレールと接合されて拘束されているルーフパネル１のフロントエンド部１ａやリアエンド部１ｂのブレージングに続いて、ルーフパネル１のルーフサイド部１ｃのブレージングを行う際に、その長手方向の一端から長手方向中央部に向かって矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示す１パス目のブレージングを施した後に、そのルーフサイド部１ｃの長手方向の他端から長手方向中央部に向かって矢印ＰＬ２，ＰＲ２で示す２パス目のブレージングを施すようにすると、ブレージングの進行に伴いしわや応力がルーフパネル１の長手方向中央部に寄せ集められることになるものの、その長手方向中央部ではルーフパネル１の四隅に比べて接合による拘束の度合いが低いために、双方のルーフサイド部１ｃのブレージングが終了した時点では、ルーフパネル１の長手方向中央部の広い範囲にしわや応力を分散させることができるようになり、当該部位での応力集中を回避してルーフパネル１のひずみの発生を未然に防止できるようになる。
【００２９】
ここで、図７は図５におけるルーフパネル１をリアエンド部１ｂ側から見た図である。図５，７から明らかなように、ほぼ左右対称に配置した２台のロボット７Ａ，７Ｂにて同時並行的にブレージング作業を行うことから、矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示す１パス目のブレージグの際には特に問題とならないもの、矢印ＰＬ２，Ｐ２で示す２パス目のブレージングを同時並行的に行う際には、双方のロボット７Ａ，７Ｂのアーム１３，１３同士が干渉するおそれがある。そこで、図７に示すように、双方のロボット７Ａ，７Ｂのレーザ加工ヘッド６，６同士を上下方向で所定量だけオフセットさせるべく、例えば一方のロボット７Ｂのアーム１３とレーザ加工ヘッド６との間にエクステンションブラケット１４を介在させることが望ましい。
【００３０】
ここで、ルーフパネル１の左右のルーフサイド部１ｃでのブレージグに際して、矢印ＰＬ１，ＰＲ２およびＰＬ２，ＰＲ２で示す部位のブレージング条件を共に同一にするためには、常にブレージグの進行方向先方側からワイヤ供給ノズル１２にてフィラーワイヤ１１を供給する必要があること、および加圧ローラ１０とレーザ光Ｌａの照射位置との関係として、車幅方向において加圧ローラ１０よりも外側にレーザ光Ｌａの照射位置があることが必要とされることは先に述べたとおりである。
【００３１】
このようなことから、ルーフパネル１の双方のルーフサイド部１ｃのブレージグに対応するためには、レーザ加工ヘッド６が図３に示した旋回軸部１４における軸心１４ａ回りの旋回自由度を有しているのに加えて、先に図５，７に示したように２台のロボット７Ａ，７Ｂが必要となることになる。
【００３２】
これは、レーザ加工ヘッド６のヘッド本体９に対してワイヤ供給ノズル１２の向きが一定しているからにほかならず、レーザ加工ヘッド６が軸心１４ａ回りの旋回自由度を有しているのに加えて、レーザ加工ヘッド６の移動方向に応じてワイヤ供給ノズル１２の向きを切り換えることが可能であれば、例えば図４，６に矢印ＰＬ１，ＰＲ１およびＰＬ２，ＰＲ２で示した１パス目ならびに２パス目のブレージングを１台のロボットで処理することが可能となる。
【００３３】
そこで、上記のようにブレージングの進行方向の向きの変更に併せてワイヤ供給ノズル１２の向きを変えることが可能なレーザ加工ヘッド１６の例を図８，９に示す。なお、このレーザ加工ヘッド１６は図３のレーザ加工ヘッド６に代えて旋回軸部１４を介してロボット７のアーム１３の先端に装着されるものである。
【００３４】
図８，９に示すように、このレーザ加工ヘッド１６は、図３に示したものと同様にヘッド本体１５のほか加圧手段としての回転可能な加圧ローラ１７とワイヤ供給ノズル１８を主要素として構成されているものであるが、加圧ローラ１７が上下動可能であるとともに、ワイヤ供給ノズル１８に接続されたワイヤチューブ１９がワイヤ供給ノズル１８とともに可動式のものとなっている。
【００３５】
ヘッド本体１５には略Ｌ字状のリテーナ２０が装着されているとともに、リテーナ２０にはアッパーブラケット２１が固定されている。さらに、アッパーブラケット２１には中間ブラケット２２が上下動可能に案内支持されているとともに、中間ブラケット２２にはロアブラケット２３が上下動可能に案内支持されている。さらに、ロアブラケット２３に略円錐台形状の加圧ローラ１７が軸２４を介して回転可能に装着されている。
【００３６】
そして、アッパーブラケット２１と中間ブラケット２２との間には弾性体である圧縮コイルスプリング２５が、中間ブラケット２２とロアブラケット２３との間には同じく圧縮コイルスプリング２６がそれぞれ介装されていて、アッパーブラケット２１に対して中間ブラケット２２が常時下方に付勢されているとともに、中間ブラケット２２に対してロアブラケット２３が常時下方に付勢されている。ただし、圧縮コイルスプリング２５のばね力（ばね定数）はその下方の圧縮コイルスプリング２６のばね力よりも予め小さく設定されている。
【００３７】
アッパーブラケット２１にはアーム２７が上下動可能に案内支持されているとともに、先端にワイヤ供給ノズル１８が接続された剛性のあるワイヤチューブ、例えば銅管製のワイヤチューブ１９がロアホルダ２８を介してアーム２７に支持されている。アッパーブラケット２１側にはピン２９が突設されている一方、アーム２７側にはピン２９に係合する長穴状のガイドスロット３０が上下方向に沿って形成されている。アーム２７はそのアーム２７と上方のアッパーホルダ３１との間に介装された弾性体たる圧縮コイルスプリング３２の力によって常時下方に付勢されているものの、ガイドスロット３０の上端部とピン２９との当接によってアッパーブラケット２１に対するアーム２７の下降限位置が規制されている。これにより、アーム２７はガイドスロット３０に沿って上下動可能であるとともに、ピン２９を回転中心として揺動可能となっている。
【００３８】
中間ブラケット２２には、アッパーブラケット２１に対するその中間ブラケット２２の上昇限位置を規制するためのアッパーストッパー３３が設けられているとともに、中間ブラケット２２にはその中間ブラケット２２とアーム２７との相対位置、すなわち中間ブラケット２２に対するアーム２７の下降限位置を規制するためのロアストッパー３４が設けられている。なお、後述するように、中間ブラケット２２とロアブラケット２３とが上下方向に相対移動したとしても、中間ブラケット２２に設けられたロアストッパー３４はロアブラケット２３と干渉しないように考慮されている。
【００３９】
ロアホルダ２８は、図８のほか図１０に示すように、アーム２７の前方側にほぼ直角に張り出しているとともに、その根元部側はアーム２７に対しピン３５により回転可能に連結されている。つまり、ロアホルダ２８は図９に示すようにアーム２７に対し矢印ａ方向に揺動可能となっている。ロアホルダ２８には長穴状のガイドスロット３６が形成されていて、このガイドスロット３６にワイヤチューブ１９が遊嵌的に、すなわちガイドスロット３６内で回転可能に且つガイドスロット３６の長手方向に沿って変位可能に挿通・支持されている。
【００４０】
ここで、ロアホルダ２８に挿通・支持されているワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８は、後述するように少なくとも加圧ローラ１７がルーフパネル１の接合フランジ部３に圧接した状態で常時レーザ光照射位置を指向するように設定されている（ただし、図８では後述するようにアーム２７が中立位置にあるために、ワイヤ供給ノズル１８はレーザ光照射位置を指向していない）。その一方、ロアホルダ２８が装着されているアーム２７自体がピン２９を回転中心として揺動可能であることから、仮にアーム２７自体が揺動変位したとしてもワイヤ供給ノズル１８はそのアーム２７の動きに追従してレーザ光照射位置を指向し続ける必要がある。
【００４１】
そこで、本実施の形態では、例えばアーム２７自体が中立位置（図８，９の状態）から図１３，１４に示すように前後いずれかの方向に揺動変位したとしても、ワイヤ供給ノズル１８がレーザ光照射位置を指向し続けることができるようにワイヤチューブ１９を予め屈曲させてあるとともに、ワイヤチューブ１９の途中に図１１に示すような回転型の管継手（ロータリージョイントもしくはスイベルジョイントまたは回り継手）３７を介在させてある。なお、この回転型の管継手３７は、図１１に示すようにワイヤチューブ１９との接続状態において一方の継手要素３７ａと他方の継手要素３７ｂとが相対回転可能となっている構造のものである。
【００４２】
このようにロアホルダ２８のガイドスロット３６にワイヤチューブ１９を遊嵌的に挿入・支持させてあることと相俟って、ワイヤチューブ１９を予め屈曲させるとともにそのワイヤチューブ１９の途中に回転型の管継手３７を介在させてあることにより、アーム２７の動きにワイヤチューブ１９が追従変位することが可能であり、なお且つその変位位置にかかわらずワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８がレーザ光照射位置を指向し続けることができるようになっている。
【００４３】
このように構成されたレーザ加工ヘッド１６を用いて先に述べたブレージングを行うにあたり、ブレージングの進行方向の切り換えに応じそのブレージングの進行方向前方側から常にフィラーワイヤ１１を供給できるようにワイヤ供給ノズル１８の向きを変更する手順を図１２〜１４に示す。
【００４４】
図１２の（Ａ−１）および（Ａ−２）は図８，９と同じ状態を示しており、同図に示すように、ブレージングに際してロボット７の自律動作によりブレージング開始位置までレーザ加工ヘッド１６を移動させる。この時には、アッパーブラケット２１に対して中間ブラケット２２が最も下降した状態にあるとともに、その中間ブラケット２２に対してロアブラケット２３が最も下降した状態にあり、さらにアッパーブラケット２１に対してアーム２７が最も下降した状態にある。同時に、アーム２７は同図に示すように前後いずれの方向にも揺動変位していないいわゆる中立位置にある。
【００４５】
図９および図１２の（Ａ−１）は加圧ローラ１７がルーフパネル１の接合フランジ部３に接触した瞬間の状態を示しており、この状態から同じくロボット７の自律動作により加圧ローラ１７を接合フランジ部３に対してさらに押し付けると、アッパーブラケット２１が下降して、加圧ローラ１７が接合フランジ部３に及ぼす加圧力が一段と大きくなる。これにより、これからブレージングを施そうとする部位においてその接合フランジ部３とルーフサイドレール４との間の隙間が実質的になくなるように矯正される。
【００４６】
より詳しくは、先にも説明したように、中間ブラケット２２を下向きに付勢しているばね力よりもロアブラケット２３を下向きに付勢しているばね力の方が大きいために、加圧ローラ１７がアッパーブラケット２１に対してロアブラケット２３および中間ブラケット２２とともに相対的に上動変位する。そして、加圧ローラ１７がロアブラケット２３および中間ブラケット２２とともにある程度上動すると、図１２の（Ｂ−１）および（Ｂ−２）に示すように最初にアーム２７の下端が中間ブラケット２２側のロアストッパー３４に当接し、アーム２７はロアストッパー３４と圧縮コイルスプリング３２との間に挟み込まれるようになるとともに、やがてはそれよりも遅れて中間ブラケット２２側のロアストッパー３３がアッパーブラケット２１の下端に当接するようになる。これをもって少なくともアッパーブラケット２１と中間ブラケット２２との相対移動は阻止されることになる。
【００４７】
さらにレーザ加工ヘッド１６を押し続けると、同図（Ｃ−１）および（Ｃ−２）に示すように、代わって中間ブラケット２２に対してロアブラケット２３が加圧ローラ１７とともに相対的に上動変位し、ロアストッパー３４と圧縮コイルスプリング３２との間に挟み込まれているアーム２７の下端が加圧ローラ１７に当接し、これをもって各部の動きが一旦停止することになる。
【００４８】
この状態で連続的なブレージングを施すべく、例えば図１２の（Ｂ−１）の右方向に向かってレーザ加工ヘッド１６を動かすと、都合フランジ部３上を加圧ローラ１７が転動することから、それに伴い図１３に示すように加圧ローラ１７とアーム２７との摩擦力のためにアーム２７はピン２９を中心として加圧ローラ１７の転動方向に揺動する。同時に、このアーム２７の揺動変位にそのアーム２７自体に支持されているワイヤチューブ１９が追従し、図１３に示すようにアーム２７が揺動変位したとしてもワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８は、ブレージングの進行方向前方側からレーザ光照射位置を指向し続けることが可能となる。
【００４９】
より詳しくは、ロアホルダ２８を介してアーム２７に支持されているワイヤチューブ１９は、ロアホルダ２８に形成されたガイドスロット３６（図１０参照）に遊嵌的に挿入・支持されているとともに、途中に回転型の管継手３７による回転自由度を有していて、しかもロアホルダ２８それ自体がアーム２７に対し図９の矢印ａのような回転自由度を有していることから、アーム２７の揺動変位に追従してワイヤチューブ１９の一部が回転型の管継手３７を支点として旋回し、最終的には図１３に図示した位置まで変位することが可能となる。そのために、ワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８は、ブレージングの進行方向前方側からレーザ光照射位置を指向し続けることが可能となる。
【００５０】
また、図１４に示すようにレーザ加工ヘッド１６を反対方向に移動させて、加圧ローラ１７を先の場合と逆転方向に転動させた場合にも同様の挙動を行わせることができる。
【００５１】
なお、図１３，１４の状態のように加圧ローラ１７を転動させながらレーザ加工ヘッド１６のヘッド本体１５からレーザ光Ｌａを照射するとともに、そのレーザ光照射位置に向けてワイヤ供給ノズル１８からフィラーワイヤ１１（図３参照）を繰り出すようにして供給することでルーフパネル１の接合フランジ部３とルーフサイドレール４との接合のためのブレージングを連続的に施すことが可能となる。
【００５２】
また、ブレージングの終点に到達した時点でレーザ加工ヘッド１６を接合フランジ部３から離れる方向に持ち上げると、図１３または１４の状態から図８，９の状態に自律的に復帰することになる。
【００５３】
このように、ワイヤ供給ノズル１８の向きの切り換えが可能なレーザ加工ヘッド１６を用いると、左右いずれか一方のルーフサイド部１ｃでのブレージグを共通の１台のロボット７にて処理することができ、例えば例えば図４，６に矢印ＰＬ１で示す１パス目のブレージグに続いて矢印ＰＬ２で示す２パス目のブレージグを行うことができることはもちろんのこと、図３に示した軸心１４ａ回りの旋回自由度を併用することで、例えば図４，６に矢印ＰＬ１，ＰＲ１およびＰＬ２，ＰＲ２で示した１パス目ならびに２パス目の全てのブレージングを１台の共通のロボット７で処理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明での溶接（ブレージング）に供されるワークの一例として自動車のルーフパネルの概略を示す説明図。
【図２】図２のＱ部の拡大説明図。
【図３】ブレージング用のレーザ加工ヘッドを示す要部斜視図。
【図４】図１に示したルーフパネルのブレージグを１パス目と２パス目に分けて行う場合の軌跡の説明図。
【図５】図４の軌跡でブレージングを行う場合のロボットによるレーザ加工ヘッドの動きを示す斜視図。
【図６】図４の軌跡に図５に示したロボットの動きの軌跡を重ね合わせた説明図。
【図７】図５のルーフパネルをリアエンド部側から見た説明図。
【図８】ブレージグを司るレーザ加工ヘッドの第２の実施の形態を示す説明図。
【図９】図８の左側面説明図。
【図１０】図８のａ方向矢視に相当する拡大説明図。
【図１１】図９における回転型の管継手の拡大説明図。
【図１２】図８，９に示したレーザ加工ヘッドの作動説明図で、（Ａ−１）、（Ｂ−１）および（Ｃ−１）は正面説明図、（Ａ−２）、（Ｂ−２）および（Ｃ−２）は（Ａ−１）、（Ｂ−１）および（Ｃ−１）の側面説明図。
【図１３】図１２の（Ｃ−１）に続く作動説明図。
【図１４】同じく図１２の（Ｃ−１）に続く作動説明図。
【符号の説明】
【００５５】
１…ルーフパネル（ワーク）
１ａ…フロントエンド部
１ｂ…リアエンド部
１ｃ…ルーフサイド部（一辺部）
３…接合フランジ部
４…ルーフサイドレール（相手側部材）
７…産業用ロボット
７Ａ，７Ｂ…産業用ロボット
９…ヘッド本体
１０…加圧手段としての加圧ローラ
１１…溶接ワイヤとしてのろう材ワイヤ（フィラーワイヤ）
１２…ワイヤ供給ノズル
１５…ヘッド本体
１６…レーザ加工ヘッド
１７…加圧手段としての加圧ローラ
１８…ワイヤ供給ノズル
１９…ワイヤチューブ
２１…アッパーブラケット
２２…中間ブラケット
２３…ロアブラケット
２７…アーム
ＰＬ１…１パス目の軌跡
ＰＲ１…１パス目の軌跡
ＰＬ２…２パス目の軌跡
ＰＲ２…２パス目の軌跡
Ｌａ…レーザ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法と溶接用レーザ加工ヘッドに関し、例えばレーザ光を用いて連続溶接を施す場合の溶接ひずみの抑制を考慮した溶接方法とその溶接に好適なレーザ加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
なお、ここでの溶接の語は広義で用いるものとし、ろう付（ブレージング）やはんだ付等のいわゆるろう接をも含むものとする。
【背景技術】
【０００３】
自動車の車体の軽量化を目的として車体パネルの一部を鋼板からアルミニウム系金属板に置き換えるにあたり、リベットやメカニカルクリンチによるかしめ工法に代えて、鋼板とアルミニウム系金属板との異種金属同士を溶加材である金属のワイヤを溶かしてろう付けするブレージング工法の採用が検討されている。ここで、ブレージング工法は連続接合により十分な強度と剛性が得られ、また構造そのものによる制約が少ないことから鉄系金属とアルミニウム系金属との接合工法として好適であるとされている。
【０００４】
その一方、アルミニウム系金属は鉄に比べて熱による変形量が大きいため、鉄系金属と同じような接合条件や治具の採用だけでは変形を十分に抑制することができない。
【０００５】
そこで、このような溶接ひずみ対策として、例えば特許文献１に記載のように、いわゆる逆ひずみを与える方法のほか、特許文献２に記載のように、アルミニウム系金属板の摩擦溶接の直後にひずみ取り機にてひずみ取りを行う方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−７１１３０号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、設備が大型で高価且つ複雑であることに加え、フラットな板材の場合にはともかく、自動車の車体パネルのような剛性の高い部品に予め溶接ひずみを見込んだ逆ひずみを与えることは困難である。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、上記と同様にフラットな板材の場合には溶接後にひずみを除去ずることが可能ではあっても、上記のように自動車の車体パネルのような剛性の高い部品では溶接後にその溶接ひずみを除去することは困難である。
【０００８】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、例えば自動車の車体パネルのように比較的剛性の高いパネル類を溶接するに際して、従来のように逆ひずみを与えたり、あるいはひずみ取りを行うことなしに、熱による母材の変形、すなわち溶接ひずみそのものの発生を抑制できるように考慮された溶接方法と溶接用レーザ加工ヘッドを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、少なくとも四隅のそれぞれが接合をもって相手側部材に拘束されることになる略矩形状のワークの少なくとも一辺部に連続溶接を施す方法であって、上記一辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって溶接を行った後に、上記一辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって溶接を行い、上記一辺部の長手方向中央部が溶接ビードの合流部となるように溶接を施すことを特徴とする。
【００１０】
上記溶接は、例えば産業用ロボットに持たせたレーザ加工ヘッドにて行うとともに、溶加材として溶接ワイヤを併用するものとし、同時に上記溶接には溶接ワイヤとしてろう材ワイヤを併用したブレージグをも含むものである。
【００１１】
また、上記相手側部材とワークとの組み合わせは、例えば鉄系金属とアルミニウム系金属との異種金属同士の組み合わせとし、より具体的には、例えば上記相手側部材が自動車の車体における鋼板製のルーフレールであり、ワークがアルミニウム合金製のルーフパネルである場合を想定している。
【００１２】
したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、略矩形状のワークの一辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって溶接を行った後に、上記一辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって溶接を行うことは、いずれも拘束の強い部位を溶接の始点とし、拘束の少ない部位を溶接の終点として連続溶接を行うことにほかならない。その結果として、溶接の終端部に集中するしわ寄せや応力を分散させて、溶接跡のワーク表面のひずみの発生を抑制または軽減できるようになる。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の溶接を含むレーザ溶接に用いるレーザ加工ヘッドであって、このレーザ加工ヘッドは、少なくともワーク上の溶接点に向けてレーザ光を照射する機能のほか、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給するワイヤ供給ノズルを備えていて、溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えた時に、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給できるようにワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようになっていることを特徴とする。
【００１４】
したがって、請求項７に記載の発明では、単一のレーザ加工ヘッドにて溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えて溶接を行う場合に、それに応じてワイヤ供給ノズルの向きが切り換わることから、いずれの向きの溶接の場合にも、常に溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給できるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、ワークのうち比較的拘束の強い四隅ではなく、相対的に拘束の弱い特定の辺部の長手方向中央部が溶接の終点となるように溶接を施すようにしたので、溶接の終端部に集中するしわ寄せや応力を分散させて、溶接跡のワーク表面のひずみの発生を抑制または軽減できる。
【００１６】
請求項７に記載の発明によれば、溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えた場合にそれに応じてそれに応じてワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようにしたので、いずれの向きの溶接でも常に溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給でき、溶接の向きが変わっても同じ条件で溶接を行うことができ、溶接品質の向上に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１〜７は本発明のより具体的な実施の形態を示す図であり、図１，２に示すように、自動車のルーフパネル１のうち両側のルーフサイドレール４に沿う部分の接合フランジ部３をブレージング工法をもってルーフサイドレール４と接合する場合の例を示している。
【００１８】
図１，２に示すように、自動車の車体の一部を構成することになる略矩形状のルーフパネル１はアルミニウム合金製のものであって、その中央部にはサンルーフ開口部２が形成されている。ルーフパネル１はその前端部であるフロントエンド部１ａが図示外のフロントルーフレールに、後端部であるリアエンド部１ｂが同じく図示外のリアルーフレールにそれぞれブレージングにて接合されるとともに、ルーフパネル１の両側のルーフサイド部１ｃではルーフサイドレール４に沿う部分の接合フランジ部３がブレージングにて鋼板製のルーフサイドレール４と接合される。なお、溶接ビードたるブレージングビード部を同図に符号Ｂｒで示す。
【００１９】
ルーフサイドレール４は、周知のようにアウタパネル４ａとインナパネル４ｂおよびレインフォース４ｃとをもって閉断面構造のものとして予め形成されていて、ルーフパネル１側の接合フランジ部３とアウタパネル４ａとの間に溝部５を形成しながら、そのルーフパネル１側の接合フランジ部３がアウタパネル４ａに対して連続したブレージグビード部Ｂｒをもって接合される。
【００２０】
ブレージングの手順としては、ルーフパネル１のフロントエンド部１ａおよびリアエンド部１ｂのブレージングを施した後にルーフサイド部１ｃの接合フランジ部３のブレージングを施すものとする。特に接合フランジ部３でのブレージングについては、図３に示すようなレーザ加工ヘッド６を例えば産業用ロボット（以下、単にロボットという。）７のアーム１３の先端に支持させた上で、そのレーザ加工ヘッド６を図２の溝部５に沿って所定速度で連続的に移動させながらブレージングを行う。
【００２１】
図３に示したレーザ加工ヘッド６は、周知のように光ファイバー８等にて導入されたレーザ光を所定のスポット径に集光した上でレーザ光Ｌａとして接合フランジ部３に照射するための光学系が内蔵されたヘッド本体９のほか、ブレージング位置近傍を加圧拘束して隙間を矯正するための加圧手段としての回転可能な加圧ローラ１０、および溶加材（溶接ワイヤ）としてのろう材ワイヤ（フィラーワイヤ）１１をブレージング位置に向けて供給するためのワイヤ供給ノズル１２とを備えている。なお、レーザ加工ヘッド６は、アーム１３の各関節の駆動による自由度とは別に、アーム１３の先端の旋回軸部１４の軸心１４ａ（この軸心１４ａはレーザ光Ｌａの光軸と平行に設定される。）を回転中心として矢印Ｍ方向に１８０°首振り旋回可能となっている。
【００２２】
そして、図２に示すようにルーフサイドレール４のアウタパネル４ａに重ね合わせた接合フランジ部３に加圧ローラ１０を押し付け、レーザ光Ｌａの照射とともにレーザ加工ヘッド９を所定速度で連続移動させると加圧ローラ１０が接合フランジ部３上を転動することでその接合フランジ部３が加圧拘束されることから、それと同時にワイヤ供給ノズル１２からレーザ光照射位置に向けてフィラーワイヤ１１を連続的に繰り出しながらブレージングを施す。この場合、フィラーワイヤ１１は溶接点または接合点であるレーザ光照射位置に向けて常にブレージング進行方向前方側から供給するものとする。
【００２３】
ここで、図４に示すように、双方のルーフサイド部１ｃについて矢印Ｐ１で示すようにルーフパネル１の例えばそのリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向けて、あるいは矢印Ｐ２で示すように逆にルーフパネル１のフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向けて、レーザ加工ヘッド６を同時並行的に同じ向きで移動させてブレージングを施すことが効率的である。ところが、ルーフパネル１のフロントエンド部１ａとリアエンド部１ｂ、特にルーフパネル１の四隅では既にブレージングが施されていわゆる接合状態の凍結をもって当該部位が拘束されていることから、上記のように既に拘束済みのルーフパネル１のフロントエンド部１ａまたはリアエンド部１ｂの隅部をブレージングの終点としてブレージングを施すと、ブレージングの終点位置にしわや応力が集中したまま分散させることができなくなり、その結果としてブレージング後のルーフパネル１の表面にひずみが発生することがある。
【００２４】
そこで、本実施の形態では、図４に矢印Ｐ１，Ｐ２で示したように、双方のルーフサイド部１ｃについてルーフパネル１の例えばそのフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向けて、あるいは逆にルーフパネル１のリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向けていわゆる１パスでブレージングを施すのではなく、同図に矢印ＰＬ１およびＰＲ１で示すように、例えばルーフパネル１のリアエンド部１ｂ側をブレージングの始点としてフロントエンド部１ａ側に向けてブレージングを開始したならば、ルーフサイド部１ｃの長手方向中間部をブレージングの終点として一旦１パス目のブレージングを終える。そして、今度はルーフパネル１のフロントエンド部１ａ側をブレージングの始点として矢印ＰＬ２およびＰＲ２で示すようにリアエンド部１ｂ側に向けて２パス目のブレージングを開始し、ルーフサイド部１ｃの長手方向中間部をブレージングの終点としてその２パス目のブレージングを終える。この場合において、ブレージングの終点位置においては一パス目と二パス目のブレージングのビード部Ｂｒ同士が合流することになるため、接合強度の向上やシー性確保の上では、そのビード部Ｂｒ同士を所定長さにわたり相互にオーバーラップさせることが望ましい。
【００２５】
より詳しくは、図５，６に示すように、ルーフパネル１をはさんでその両側にほぼ左右対称となるように２台のロボット７Ａ，７Ｂを対向配置し、一方のロボット７Ａには一方のルーフサイド部１ｃについてリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向かって矢印ＰＬ１で示す１パス目のブレージングを行わせるとともに、これと並行して、他方のロボット７Ｂには他方のルーフサイド部１ｃについて同様にリアエンド部１ｂ側からフロントエンド部１ａ側に向かって矢印ＰＲ１で示す１パス目のブレージングを行わせる。
【００２６】
こうして、双方のルーフサイド部１ｃでの１パス目のブレージグ、すなわち矢印ＰＬ１およびＰＲ１で示すブレージングを終えたならば、左右のルーフサイド部１ｃ，１ｃ間でロボット７Ａと７Ｂとの入れ換えを行う。この時のロボット７Ａ，７Ｂでの入れ換えのための移動軌跡を図６に符号ＰＬ３およびＰＲ３で示す。そして、双方のロボット７Ａ，７Ｂにおいて、図３に示した旋回軸部１４の自由度を使ってレーザ加工ヘッド６をそれぞれに１８０°首振り旋回させた上で、一方のロボット７Ａには１パス目とは反対側のルーフサイド部１ｃについてフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向かって矢印ＰＲ２で示す２パス目のブレージングを行わせるとともに、これと並行して、他方のロボット７Ｂには同じく１パス目とは反対側のルーフサイド部１ｃについてフロントエンド部１ａ側からリアエンド部１ｂ側に向かって矢印ＰＬ２で示す２パス目のブレージングを行わせる。
【００２７】
このように双方のロボット７Ａ，７Ｂの入れ換えとともにレーザ加工ヘッド６を首振り旋回動作させているのは、矢印ＰＬ１およびＰＲ１で示す１パス目のブレージグ時と矢印ＰＬ２およびＰＲ２で示す２パス目のブレージグ時とでその加工条件を同一とするためである。すなわち、矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示す１パス目のブレージグ時、および矢印ＰＬ２，ＰＲ２で示す２パス目のブレージグ時共に、先にも説明したように常にブレージグの進行方向先方側からワイヤ供給ノズル１２にてフィラーワイヤ１１を供給する必要があり、同時に加圧ローラ１０とレーザ光Ｌａの照射位置との関係として、車幅方向において加圧ローラ１０よりも外側にレーザ光Ｌａの照射位置があることが条件とされるからである。
【００２８】
このように、既にフロントルーフレールやリアルーフレールと接合されて拘束されているルーフパネル１のフロントエンド部１ａやリアエンド部１ｂのブレージングに続いて、ルーフパネル１のルーフサイド部１ｃのブレージングを行う際に、その長手方向の一端から長手方向中央部に向かって矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示す１パス目のブレージングを施した後に、そのルーフサイド部１ｃの長手方向の他端から長手方向中央部に向かって矢印ＰＬ２，ＰＲ２で示す２パス目のブレージングを施すようにすると、ブレージングの進行に伴いしわや応力がルーフパネル１の長手方向中央部に寄せ集められることになるものの、その長手方向中央部ではルーフパネル１の四隅に比べて接合による拘束の度合いが低いために、双方のルーフサイド部１ｃのブレージングが終了した時点では、ルーフパネル１の長手方向中央部の広い範囲にしわや応力を分散させることができるようになり、当該部位での応力集中を回避してルーフパネル１のひずみの発生を未然に防止できるようになる。
【００２９】
ここで、図７は図５におけるルーフパネル１をリアエンド部１ｂ側から見た図である。図５，７から明らかなように、ほぼ左右対称に配置した２台のロボット７Ａ，７Ｂにて同時並行的にブレージング作業を行うことから、矢印ＰＬ１，ＰＲ１で示す１パス目のブレージグの際には特に問題とならないもの、矢印ＰＬ２，Ｐ２で示す２パス目のブレージングを同時並行的に行う際には、双方のロボット７Ａ，７Ｂのアーム１３，１３同士が干渉するおそれがある。そこで、図７に示すように、双方のロボット７Ａ，７Ｂのレーザ加工ヘッド６，６同士を上下方向で所定量だけオフセットさせるべく、例えば一方のロボット７Ｂのアーム１３とレーザ加工ヘッド６との間にエクステンションブラケット１４を介在させることが望ましい。
【００３０】
ここで、ルーフパネル１の左右のルーフサイド部１ｃでのブレージグに際して、矢印ＰＬ１，ＰＲ２およびＰＬ２，ＰＲ２で示す部位のブレージング条件を共に同一にするためには、常にブレージグの進行方向先方側からワイヤ供給ノズル１２にてフィラーワイヤ１１を供給する必要があること、および加圧ローラ１０とレーザ光Ｌａの照射位置との関係として、車幅方向において加圧ローラ１０よりも外側にレーザ光Ｌａの照射位置があることが必要とされることは先に述べたとおりである。
【００３１】
このようなことから、ルーフパネル１の双方のルーフサイド部１ｃのブレージグに対応するためには、レーザ加工ヘッド６が図３に示した旋回軸部１４における軸心１４ａ回りの旋回自由度を有しているのに加えて、先に図５，７に示したように２台のロボット７Ａ，７Ｂが必要となることになる。
【００３２】
これは、レーザ加工ヘッド６のヘッド本体９に対してワイヤ供給ノズル１２の向きが一定しているからにほかならず、レーザ加工ヘッド６が軸心１４ａ回りの旋回自由度を有しているのに加えて、レーザ加工ヘッド６の移動方向に応じてワイヤ供給ノズル１２の向きを切り換えることが可能であれば、例えば図４，６に矢印ＰＬ１，ＰＲ１およびＰＬ２，ＰＲ２で示した１パス目ならびに２パス目のブレージングを１台のロボットで処理することが可能となる。
【００３３】
そこで、上記のようにブレージングの進行方向の向きの変更に併せてワイヤ供給ノズル１２の向きを変えることが可能なレーザ加工ヘッド１６の例を図８，９に示す。なお、このレーザ加工ヘッド１６は図３のレーザ加工ヘッド６に代えて旋回軸部１４を介してロボット７のアーム１３の先端に装着されるものである。
【００３４】
図８，９に示すように、このレーザ加工ヘッド１６は、図３に示したものと同様にヘッド本体１５のほか加圧手段としての回転可能な加圧ローラ１７とワイヤ供給ノズル１８を主要素として構成されているものであるが、加圧ローラ１７が上下動可能であるとともに、ワイヤ供給ノズル１８に接続されたワイヤチューブ１９がワイヤ供給ノズル１８とともに可動式のものとなっている。
【００３５】
ヘッド本体１５には略Ｌ字状のリテーナ２０が装着されているとともに、リテーナ２０にはアッパーブラケット２１が固定されている。さらに、アッパーブラケット２１には中間ブラケット２２が上下動可能に案内支持されているとともに、中間ブラケット２２にはロアブラケット２３が上下動可能に案内支持されている。さらに、ロアブラケット２３に略円錐台形状の加圧ローラ１７が軸２４を介して回転可能に装着されている。
【００３６】
そして、アッパーブラケット２１と中間ブラケット２２との間には弾性体である圧縮コイルスプリング２５が、中間ブラケット２２とロアブラケット２３との間には同じく圧縮コイルスプリング２６がそれぞれ介装されていて、アッパーブラケット２１に対して中間ブラケット２２が常時下方に付勢されているとともに、中間ブラケット２２に対してロアブラケット２３が常時下方に付勢されている。ただし、圧縮コイルスプリング２５のばね力（ばね定数）はその下方の圧縮コイルスプリング２６のばね力よりも予め小さく設定されている。
【００３７】
アッパーブラケット２１にはアーム２７が上下動可能に案内支持されているとともに、先端にワイヤ供給ノズル１８が接続された剛性のあるワイヤチューブ、例えば銅管製のワイヤチューブ１９がロアホルダ２８を介してアーム２７に支持されている。アッパーブラケット２１側にはピン２９が突設されている一方、アーム２７側にはピン２９に係合する長穴状のガイドスロット３０が上下方向に沿って形成されている。アーム２７はそのアーム２７と上方のアッパーホルダ３１との間に介装された弾性体たる圧縮コイルスプリング３２の力によって常時下方に付勢されているものの、ガイドスロット３０の上端部とピン２９との当接によってアッパーブラケット２１に対するアーム２７の下降限位置が規制されている。これにより、アーム２７はガイドスロット３０に沿って上下動可能であるとともに、ピン２９を回転中心として揺動可能となっている。
【００３８】
中間ブラケット２２には、アッパーブラケット２１に対するその中間ブラケット２２の上昇限位置を規制するためのアッパーストッパー３３が設けられているとともに、中間ブラケット２２にはその中間ブラケット２２とアーム２７との相対位置、すなわち中間ブラケット２２に対するアーム２７の下降限位置を規制するためのロアストッパー３４が設けられている。なお、後述するように、中間ブラケット２２とロアブラケット２３とが上下方向に相対移動したとしても、中間ブラケット２２に設けられたロアストッパー３４はロアブラケット２３と干渉しないように考慮されている。
【００３９】
ロアホルダ２８は、図８のほか図１０に示すように、アーム２７の前方側にほぼ直角に張り出しているとともに、その根元部側はアーム２７に対しピン３５により回転可能に連結されている。つまり、ロアホルダ２８は図９に示すようにアーム２７に対し矢印ａ方向に揺動可能となっている。ロアホルダ２８には長穴状のガイドスロット３６が形成されていて、このガイドスロット３６にワイヤチューブ１９が遊嵌的に、すなわちガイドスロット３６内で回転可能に且つガイドスロット３６の長手方向に沿って変位可能に挿通・支持されている。
【００４０】
ここで、ロアホルダ２８に挿通・支持されているワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８は、後述するように少なくとも加圧ローラ１７がルーフパネル１の接合フランジ部３に圧接した状態で常時レーザ光照射位置を指向するように設定されている（ただし、図８では後述するようにアーム２７が中立位置にあるために、ワイヤ供給ノズル１８はレーザ光照射位置を指向していない）。その一方、ロアホルダ２８が装着されているアーム２７自体がピン２９を回転中心として揺動可能であることから、仮にアーム２７自体が揺動変位したとしてもワイヤ供給ノズル１８はそのアーム２７の動きに追従してレーザ光照射位置を指向し続ける必要がある。
【００４１】
そこで、本実施の形態では、例えばアーム２７自体が中立位置（図８，９の状態）から図１３，１４に示すように前後いずれかの方向に揺動変位したとしても、ワイヤ供給ノズル１８がレーザ光照射位置を指向し続けることができるようにワイヤチューブ１９を予め屈曲させてあるとともに、ワイヤチューブ１９の途中に図１１に示すような回転型の管継手（ロータリージョイントもしくはスイベルジョイントまたは回り継手）３７を介在させてある。なお、この回転型の管継手３７は、図１１に示すようにワイヤチューブ１９との接続状態において一方の継手要素３７ａと他方の継手要素３７ｂとが相対回転可能となっている構造のものである。
【００４２】
このようにロアホルダ２８のガイドスロット３６にワイヤチューブ１９を遊嵌的に挿入・支持させてあることと相俟って、ワイヤチューブ１９を予め屈曲させるとともにそのワイヤチューブ１９の途中に回転型の管継手３７を介在させてあることにより、アーム２７の動きにワイヤチューブ１９が追従変位することが可能であり、なお且つその変位位置にかかわらずワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８がレーザ光照射位置を指向し続けることができるようになっている。
【００４３】
このように構成されたレーザ加工ヘッド１６を用いて先に述べたブレージングを行うにあたり、ブレージングの進行方向の切り換えに応じそのブレージングの進行方向前方側から常にフィラーワイヤ１１を供給できるようにワイヤ供給ノズル１８の向きを変更する手順を図１２〜１４に示す。
【００４４】
図１２の（Ａ−１）および（Ａ−２）は図８，９と同じ状態を示しており、同図に示すように、ブレージングに際してロボット７の自律動作によりブレージング開始位置までレーザ加工ヘッド１６を移動させる。この時には、アッパーブラケット２１に対して中間ブラケット２２が最も下降した状態にあるとともに、その中間ブラケット２２に対してロアブラケット２３が最も下降した状態にあり、さらにアッパーブラケット２１に対してアーム２７が最も下降した状態にある。同時に、アーム２７は同図に示すように前後いずれの方向にも揺動変位していないいわゆる中立位置にある。
【００４５】
図９および図１２の（Ａ−１）は加圧ローラ１７がルーフパネル１の接合フランジ部３に接触した瞬間の状態を示しており、この状態から同じくロボット７の自律動作により加圧ローラ１７を接合フランジ部３に対してさらに押し付けると、アッパーブラケット２１が下降して、加圧ローラ１７が接合フランジ部３に及ぼす加圧力が一段と大きくなる。これにより、これからブレージングを施そうとする部位においてその接合フランジ部３とルーフサイドレール４との間の隙間が実質的になくなるように矯正される。
【００４６】
より詳しくは、先にも説明したように、中間ブラケット２２を下向きに付勢しているばね力よりもロアブラケット２３を下向きに付勢しているばね力の方が大きいために、加圧ローラ１７がアッパーブラケット２１に対してロアブラケット２３および中間ブラケット２２とともに相対的に上動変位する。そして、加圧ローラ１７がロアブラケット２３および中間ブラケット２２とともにある程度上動すると、図１２の（Ｂ−１）および（Ｂ−２）に示すように最初にアーム２７の下端が中間ブラケット２２側のロアストッパー３４に当接し、アーム２７はロアストッパー３４と圧縮コイルスプリング３２との間に挟み込まれるようになるとともに、やがてはそれよりも遅れて中間ブラケット２２側のロアストッパー３３がアッパーブラケット２１の下端に当接するようになる。これをもって少なくともアッパーブラケット２１と中間ブラケット２２との相対移動は阻止されることになる。
【００４７】
さらにレーザ加工ヘッド１６を押し続けると、同図（Ｃ−１）および（Ｃ−２）に示すように、代わって中間ブラケット２２に対してロアブラケット２３が加圧ローラ１７とともに相対的に上動変位し、ロアストッパー３４と圧縮コイルスプリング３２との間に挟み込まれているアーム２７の下端が加圧ローラ１７に当接し、これをもって各部の動きが一旦停止することになる。
【００４８】
この状態で連続的なブレージングを施すべく、例えば図１２の（Ｂ−１）の右方向に向かってレーザ加工ヘッド１６を動かすと、都合フランジ部３上を加圧ローラ１７が転動することから、それに伴い図１３に示すように加圧ローラ１７とアーム２７との摩擦力のためにアーム２７はピン２９を中心として加圧ローラ１７の転動方向に揺動する。同時に、このアーム２７の揺動変位にそのアーム２７自体に支持されているワイヤチューブ１９が追従し、図１３に示すようにアーム２７が揺動変位したとしてもワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８は、ブレージングの進行方向前方側からレーザ光照射位置を指向し続けることが可能となる。
【００４９】
より詳しくは、ロアホルダ２８を介してアーム２７に支持されているワイヤチューブ１９は、ロアホルダ２８に形成されたガイドスロット３６（図１０参照）に遊嵌的に挿入・支持されているとともに、途中に回転型の管継手３７による回転自由度を有していて、しかもロアホルダ２８それ自体がアーム２７に対し図９の矢印ａのような回転自由度を有していることから、アーム２７の揺動変位に追従してワイヤチューブ１９の一部が回転型の管継手３７を支点として旋回し、最終的には図１３に図示した位置まで変位することが可能となる。そのために、ワイヤチューブ１９の先端のワイヤ供給ノズル１８は、ブレージングの進行方向前方側からレーザ光照射位置を指向し続けることが可能となる。
【００５０】
また、図１４に示すようにレーザ加工ヘッド１６を反対方向に移動させて、加圧ローラ１７を先の場合と逆転方向に転動させた場合にも同様の挙動を行わせることができる。
【００５１】
なお、図１３，１４の状態のように加圧ローラ１７を転動させながらレーザ加工ヘッド１６のヘッド本体１５からレーザ光Ｌａを照射するとともに、そのレーザ光照射位置に向けてワイヤ供給ノズル１８からフィラーワイヤ１１（図３参照）を繰り出すようにして供給することでルーフパネル１の接合フランジ部３とルーフサイドレール４との接合のためのブレージングを連続的に施すことが可能となる。
【００５２】
また、ブレージングの終点に到達した時点でレーザ加工ヘッド１６を接合フランジ部３から離れる方向に持ち上げると、図１３または１４の状態から図８，９の状態に自律的に復帰することになる。
【００５３】
このように、ワイヤ供給ノズル１８の向きの切り換えが可能なレーザ加工ヘッド１６を用いると、左右いずれか一方のルーフサイド部１ｃでのブレージグを共通の１台のロボット７にて処理することができ、例えば例えば図４，６に矢印ＰＬ１で示す１パス目のブレージグに続いて矢印ＰＬ２で示す２パス目のブレージグを行うことができることはもちろんのこと、図３に示した軸心１４ａ回りの旋回自由度を併用することで、例えば図４，６に矢印ＰＬ１，ＰＲ１およびＰＬ２，ＰＲ２で示した１パス目ならびに２パス目の全てのブレージングを１台の共通のロボット７で処理することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明での溶接（ブレージング）に供されるワークの一例として自動車のルーフパネルの概略を示す説明図。
【図２】図２のＱ部の拡大説明図。
【図３】ブレージング用のレーザ加工ヘッドを示す要部斜視図。
【図４】図１に示したルーフパネルのブレージグを１パス目と２パス目に分けて行う場合の軌跡の説明図。
【図５】図４の軌跡でブレージングを行う場合のロボットによるレーザ加工ヘッドの動きを示す斜視図。
【図６】図４の軌跡に図５に示したロボットの動きの軌跡を重ね合わせた説明図。
【図７】図５のルーフパネルをリアエンド部側から見た説明図。
【図８】ブレージグを司るレーザ加工ヘッドの第２の実施の形態を示す説明図。
【図９】図８の左側面説明図。
【図１０】図８のａ方向矢視に相当する拡大説明図。
【図１１】図９における回転型の管継手の拡大説明図。
【図１２】図８，９に示したレーザ加工ヘッドの作動説明図で、（Ａ−１）、（Ｂ−１）および（Ｃ−１）は正面説明図、（Ａ−２）、（Ｂ−２）および（Ｃ−２）は（Ａ−１）、（Ｂ−１）および（Ｃ−１）の側面説明図。
【図１３】図１２の（Ｃ−１）に続く作動説明図。
【図１４】同じく図１２の（Ｃ−１）に続く作動説明図。
【符号の説明】
【００５５】
１…ルーフパネル（ワーク）
１ａ…フロントエンド部
１ｂ…リアエンド部
１ｃ…ルーフサイド部（一辺部）
３…接合フランジ部
４…ルーフサイドレール（相手側部材）
７…産業用ロボット
７Ａ，７Ｂ…産業用ロボット
９…ヘッド本体
１０…加圧手段としての加圧ローラ
１１…溶接ワイヤとしてのろう材ワイヤ（フィラーワイヤ）
１２…ワイヤ供給ノズル
１５…ヘッド本体
１６…レーザ加工ヘッド
１７…加圧手段としての加圧ローラ
１８…ワイヤ供給ノズル
１９…ワイヤチューブ
２１…アッパーブラケット
２２…中間ブラケット
２３…ロアブラケット
２７…アーム
ＰＬ１…１パス目の軌跡
ＰＲ１…１パス目の軌跡
ＰＬ２…２パス目の軌跡
ＰＲ２…２パス目の軌跡
Ｌａ…レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも四隅のそれぞれが接合をもって相手側部材に拘束されることになる略矩形状のワークの少なくとも一辺部に連続溶接を施す方法であって、
上記一辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって溶接を行った後に、上記一辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって溶接を行い、
上記一辺部の長手方向中央部が溶接ビードの合流部となるように溶接を施すことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
上記溶接は産業用ロボットに持たせたレーザ加工ヘッドにて行うとともに、溶加材として溶接ワイヤを併用することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
上記溶接が溶接ワイヤとしてろう材ワイヤを併用したブレージグであることを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
上記相手側部材とワークとの組み合わせが鉄系金属とアルミニウム系金属との異種金属同士の組み合わせであることを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。
【請求項５】
上記相手側部材が自動車の車体における鋼板製のルーフレールであり、ワークがアルミニウム合金製のルーフパネルであることを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
【請求項６】
上記溶接ビード同士の合流部では溶接ビード同士を所定長さにわたり互いにオーバーラップさせることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項７】
レーザ溶接に用いるレーザ加工ヘッドであって、
このレーザ加工ヘッドは、少なくともワーク上の溶接点に向けてレーザ光を照射する機能のほか、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給するワイヤ供給ノズルを備えていて、
溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えた時に、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給できるようにワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようになっていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
上記レーザ加工ヘッドは溶接部近傍を加圧拘束する加圧手段としてワーク上を転動する回転可能な加圧ローラを備えていて、
溶接進行方向の向きを変えた時に加圧ローラの回転方向が変化するのに伴ってワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようになっていることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項９】
請求項２に記載の溶接方法であって、
レーザ加工ヘッドは少なくとも１８０度首振り旋回可能となっていて、
略矩形状のワークの対向二辺部に各辺部ごとに独立した産業用ロボットにて各辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって同じ向きで並行して溶接を施す一次溶接工程と、
対向二辺部のそれぞれに溶接を施す産業用ロボットを一次工程とは相互に入れ換えるとともに、各レーザ加工ヘッドを１８０度首振り旋回させた上で、各辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって同じ向きで並行して溶接を施す二次溶接工程と、
を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項１０】
ロボットアームに対するレーザ加工ヘッドの高さ方向での取付位置を２台の産業用ロボット間で相互にオフセットさせてあることを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
【請求項１】
少なくとも四隅のそれぞれが接合をもって相手側部材に拘束されることになる略矩形状のワークの少なくとも一辺部に連続溶接を施す方法であって、
上記一辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって溶接を行った後に、上記一辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって溶接を行い、
上記一辺部の長手方向中央部が溶接ビードの合流部となるように溶接を施すことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
上記溶接は産業用ロボットに持たせたレーザ加工ヘッドにて行うとともに、溶加材として溶接ワイヤを併用することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
上記溶接が溶接ワイヤとしてろう材ワイヤを併用したブレージグであることを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
上記相手側部材とワークとの組み合わせが鉄系金属とアルミニウム系金属との異種金属同士の組み合わせであることを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。
【請求項５】
上記相手側部材が自動車の車体における鋼板製のルーフレールであり、ワークがアルミニウム合金製のルーフパネルであることを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
【請求項６】
上記溶接ビード同士の合流部では溶接ビード同士を所定長さにわたり互いにオーバーラップさせることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項７】
レーザ溶接に用いるレーザ加工ヘッドであって、
このレーザ加工ヘッドは、少なくともワーク上の溶接点に向けてレーザ光を照射する機能のほか、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給するワイヤ供給ノズルを備えていて、
溶接方向においてその溶接進行方向の向きを変えた時に、溶接点に向けて溶接方向前方側から溶接ワイヤを供給できるようにワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようになっていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
上記レーザ加工ヘッドは溶接部近傍を加圧拘束する加圧手段としてワーク上を転動する回転可能な加圧ローラを備えていて、
溶接進行方向の向きを変えた時に加圧ローラの回転方向が変化するのに伴ってワイヤ供給ノズルの向きが切り換わるようになっていることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項９】
請求項２に記載の溶接方法であって、
レーザ加工ヘッドは少なくとも１８０度首振り旋回可能となっていて、
略矩形状のワークの対向二辺部に各辺部ごとに独立した産業用ロボットにて各辺部の長手方向の一端から長手方向中央部に向かって同じ向きで並行して溶接を施す一次溶接工程と、
対向二辺部のそれぞれに溶接を施す産業用ロボットを一次工程とは相互に入れ換えるとともに、各レーザ加工ヘッドを１８０度首振り旋回させた上で、各辺部の長手方向の他端から長手方向中央部に向かって同じ向きで並行して溶接を施す二次溶接工程と、
を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項１０】
ロボットアームに対するレーザ加工ヘッドの高さ方向での取付位置を２台の産業用ロボット間で相互にオフセットさせてあることを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−５６５０８（Ｐ２００９−５６５０８Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２８４３６（Ｐ２００７−２２８４３６）
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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