溶接装置及び溶接方法
【課題】入熱量の偏りに起因する溶接対象物の溶接変形量を最小限に抑える。
【解決手段】溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接装置であって、一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンに基づいて前記溶接用ビームの出力及び前記溶接対象物の回転状態を制御する制御部を備え、前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されている。
【解決手段】溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接装置であって、一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンに基づいて前記溶接用ビームの出力及び前記溶接対象物の回転状態を制御する制御部を備え、前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、軸物回転部品や自動車の燃料噴射弁等、高精度な加工技術を必要とする軸物部品の溶接法の１つとして、レーザ溶接が注目されている。このような軸物部品に対してレーザ溶接を行う場合、（１）一定のレーザ出力で１周（０°〜３６０°）溶接し、（２）同じレーザ出力で３６０°の位置から所定位置（例えば３９６°）まで溶接することでビードの一部を重ね合わせ（ビードラップ）、さらに、（３）上記所定位置から溶接終了位置（例えば５７６°）までレーザ出力を徐々に下げながら溶接を行う（スロープダウン）、という３つのプロセスを連続的に実施することが一般的である。
【０００３】
実際のレーザ溶接装置では、一定速度で軸物部品を回転させた場合に、回転角が０°（溶接開始位置）から３９６°（ビードラップ終了位置）までの範囲ではレーザ出力が一定となるように、回転角が３９６°から５７６°（溶接終了位置）までの範囲ではレーザ出力が徐々に低下するように、レーザ出力と溶接時間（言い換えれば軸物部品の回転時間）との対応関係を示す溶接パターンを設定しておき、溶接時にはこの溶接パターンに基づいてレーザ出力の制御及び軸物部品の回転制御を行っている。
【０００４】
上記のような３つのプロセスの内、ビードラップは確実に軸物部品の周全体を溶接するために必要であり、スロープダウンは欠陥防止（急激にレーザ出力を下げると溶接終了位置にて欠陥が生じる）のために必要であるが、これらビードラップ及びスロープダウンに起因して２周目、つまり３６０°から５７６°の範囲で入熱量が増大し、周方向において入熱量の偏りが発生する。このような入熱量の偏りは軸物部品の変形（入熱量の大きい位置に収縮応力が発生し、その入熱量の大きい方向に曲がる）を招くことになる。
【０００５】
例えば、下記特許文献１には、入熱量の偏りに起因する溶接対象物の変形に対して、１周目の溶接部に重なるように、連続して２周目、３周目と複数回に亘ってレーザ溶接を行うことにより、溶接対象物の周方向における入熱量の均一化を図り、以って溶接対象物の変形を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６９６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような入熱量の偏りに起因する溶接対象物の変形に対しては、後工程での製品組み立て時にバランス修正を行うという方法もあるが、この方法ではバランス修正作業が大きな負担となり、また、変形量が大きいとバランス修正できず歩留まり悪化につながる。例えば、軸物回転部品は、バランス修正の加工代が小さい設計となっており、溶接変形量を最小限に抑えることが可能な非常に高精度な溶接法が必要不可欠である。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、入熱量の偏りに起因する溶接対象物の溶接変形量を最小限に抑えることが可能な溶接装置及び溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る溶接装置は、溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接装置であって、一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンに基づいて前記溶接用ビームの出力及び前記溶接対象物の回転状態を制御する制御部を備え、前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る溶接装置において、前記二次溶接パターンは、一定速度で前記溶接対象物を回転させた場合に、回転角が０°からビードラップ終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が一定となるように、回転角がビードラップ終了位置から溶接終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が徐々に低下するように設定されており、前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる入熱量の偏りと対向する側に別の入熱量の偏りが生じるように、所定範囲で前記溶接用ビームの出力が一定となるよう設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る溶接装置において、前記溶接用ビームは、レーザ光または電子ビームであることに加えて、プラズマ等、十分に制御されたものであることを特徴とする。具体的には、例えば、溶け込みの幅／深さ比が１／１以上（幅より深さ値が大きい）となるように制御された溶接用ビームを使用することが望ましい。また、溶接用ビームの熱源としては、出力変動が小さい熱源であること、入力した溶接パターンと熱源の追従精度が良い（ON/OFF、スロープダウン等）熱源であることが望ましい。
【００１１】
一方、本発明に係る溶接方法は、溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接方法であって、一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、前記二次溶接によって前記溶接対象物に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように前記一次溶接を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、二次溶接によって溶接対象物に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように一次溶接を行うことにより、二次溶接によって変形が生じたとしても、元々、一次溶接によってその逆方向に変形が生じているため、両方の変形は互いに相殺され、その結果、入熱量の偏りに起因する溶接対象物の溶接変形量を最小限に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置１の構成概略図である。
【図２】レーザ溶接装置１で使用される溶接パターン６４ａの一例を示す図である。
【図３】レーザ溶接装置１の制御部６５が溶接動作時に実行する処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】実験で使用したワークＷの構成及び溶接条件を示す図である。
【図５】実験で使用した溶接パターンの第１ケースである。
【図６】実験で使用した溶接パターンの第２ケースである。
【図７】実験結果を示す第１図である。
【図８】溶接パターンの作成方法の手順を示すフローチャートである。
【図９】溶接パターンの作成方法に関する補足説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。なお、以下では、本発明に係る溶接装置として、レーザ光を溶接用ビームとして使用するレーザ溶接装置を例示して説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態におけるレーザ溶接装置１の構成概略図である。この図１に示すように、レーザ溶接装置１は、ワークＷ（溶接対象物）を回転させながらレーザ光Ｌを照射することでワークＷの溶接を行うものであり、ＸＹステージ１０、回転ポジショナ２０、センタ押し台３０、レーザヘッド４０、レーザ発振器５０及び制御盤６０から構成されている。
【００１６】
ＸＹステージ１０は、不図示の駆動機構により図中のＸＹ平面（水平面）内を移動可能な平板ステージである。このＸＹステージ１０の位置（ＸＹ座標）は、後述の制御盤６０（詳細には制御部６５）によって制御される。ＸＹステージ１０の近傍には、レーザヘッド４０を固定するためのレーザヘッド固定治具１１が図中のＺ軸方向（鉛直方向）に沿って移動可能に取り付けられたＺ軸位置決めアーム１２が設置されている。
【００１７】
回転ポジショナ２０は、ＸＹステージ１０上に設置された回転駆動機構であり、Ｘ軸を回転軸として回転するワーク取付チャック２１を備えている。ワークＷは、Ｘ軸と平行になるようにワーク取付チャック２１に取り付けられており、ワーク取付チャック２１の回転に伴って自身も回転することになる。
【００１８】
また、上記の回転ポジショナ２０は、信号ケーブル２２を介して制御盤６０と接続されており、制御盤６０（詳細には制御部６５）から信号ケーブル２２を介して送信される回転制御信号によってワーク取付チャック２１の回転状態（つまりワークＷの回転状態）が制御される。なお、図１では図示を省略しているが、この回転ポジショナ２０には、ワーク取付チャック２１を回転させるモータと、制御盤６０から送信される上記の回転制御信号に応じてモータに供給すべき駆動信号を生成する駆動回路とが内蔵されている。
【００１９】
センタ押し台３０は、ＸＹステージ１０上において回転ポジショナ２０と対向する側に、Ｘ軸方向に移動可能に設置されている。図１に示すように、このセンタ押し台３０の先端部がワーク取付チャック２１に取り付けられたワークＷの回転中心に当接するように、センタ押し台３０の位置調整を行うことにより、ワークＷのセンター押しを行う。
【００２０】
レーザヘッド４０は、先端部に設けられたレーザノズルが鉛直下向きになるように、レーザヘッド固定治具１１によって固定されていると共に、光ファイバ４１を介してレーザ発振器５０と接続されており、レーザ発振器５０から光ファイバ４１を介して受光したレーザ光Ｌを集光してレーザノズルから照射するものである。また、このレーザヘッド４０は、レーザ光Ｌの照射時において、不図示のシールドガス供給装置から供給されるシールドガスをレーザノズルから噴射する機構も備えている。また、溶接部の側面からノズルを伸ばし、シールドガスを別途当てる機構も備えている（サイドシールド）。
【００２１】
レーザヘッド４０のＺ軸上の位置（高さ）は、レーザヘッド固定治具１１をＺ軸位置決めアーム１２上で移動させることで調整可能である。つまり、レーザヘッド４０のＺ軸上の位置を調整することで適切な高さ（適切な溶け込み深さを実現できる高さ）からレーザ光ＬをワークＷに照射することが可能となる。なお、当然、ＸＹステージ１０のＸＹ座標は、レーザ光ＬがワークＷ上の溶接箇所に照射されるように調整される。
【００２２】
レーザ発振器５０は、信号ケーブル５１を介して制御盤６０と接続されており、制御盤６０（詳細には制御部６５）から信号ケーブル５１を介して送信されるレーザ出力制御信号に応じて所定出力のレーザ光Ｌを生成し、当該生成したレーザ光Ｌを光ファイバ４１を介してレーザヘッド４０に出力するものである。このレーザ発振器５０としては、例えばＹｂ−ファイバレーザ発振器を用いることができる。なお、本実施形態では、レーザ発振器５０の内部においてレーザ光Ｌの光路に設けられたシャッタの開度を調整することで、レーザ光Ｌの出力（以下、レーザ出力と略す）を制御するものとする。
【００２３】
制御盤６０は、作業者による操作に応じてレーザ溶接装置１の溶接動作を制御するものであり、操作部６１、表示部６２、Ｉ／Ｆ６３、記憶部６４及び制御部６５から構成されている。操作部６１は、電源キーや数値入力キー、溶接パターン選択キー、溶接スタートキー、非常停止キー等の各種操作キーから構成されており、作業者による操作入力に応じた操作信号を制御部６５に出力する。表示部６２は、例えば液晶パネルであり、制御部６５から入力される画像データに応じた画像（例えば選択中の溶接パターンやワークＷの回転速度等の設定情報）を表示する。
【００２４】
Ｉ／Ｆ６３は、信号ケーブル２２を介して回転ポジショナ２０と接続されていると共に、信号ケーブル５１を介してレーザ発振器５０と接続されており、制御部６５と回転ポジショナ２０との間の通信、制御部６５とレーザ発振器５０との間の通信を中継するインタフェースである。記憶部６４は、例えばフラッシュメモリ等の書き換え可能な不揮発性メモリであり、レーザ出力と溶接時間（言い換えればワークＷの回転時間）との対応関係を示す溶接パターン６４ａやワークＷの回転速度等の設定情報を記憶している。
【００２５】
図２（ａ）は、本実施形態で使用する溶接パターン６４ａの一例を示す図である。なお、図２（ａ）の溶接パターン６４ａは、ワークＷの回転速度を３００ｒｐｍと設定した場合、つまりワークＷが２００ｍｓｅｃで１回転する場合を想定して設定されたものである。この図２（ａ）に示すように、本実施形態における溶接パターン６４ａは、一次溶接に供する一次溶接パターン（０〜２００ｍｓｅｃの範囲のパターン）と、二次溶接に供する二次溶接パターン（２００〜５２０ｍｓｅｃの範囲のパターン）とを含んでいる。
【００２６】
ワークＷの回転角０°を溶接開始位置とし、これに対応する溶接時間０を溶接開始時刻とすると、一次溶接パターンは、回転角１８９°に対応する１０５ｍｓｅｃから回転角２９７°に対応する１６５ｍｓｅｃまでの範囲において、レーザ出力が１．４ｋＷ一定となるように設定されている。この一次溶接パターンは、後述の二次溶接パターンに基づいてワークＷの溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されているものである。なお、一例としてレーザ出力が１.４ｋＷに設定されている場合を示したが、希望の溶け込み深さによってこの数値は変動するものである。つまり、溶け込み深さはワークＷの径に依存するため、ワークＷの径に応じてレーザ出力を適宜設定すれば良い。
【００２７】
二次溶接パターンは、２周目の回転角０°に対応する２００ｍｓｅｃから３６０°（０°）に対応する４００ｍｓｅｃまでの範囲において、レーザ出力が１．４ｋＷ一定となるように設定され、回転角３６０°（０°：３周目）に対応する４００ｍｓｅｃから３９６°（３６°）に対応する４２０ｍｓｅｃまでの範囲において、同じくレーザ出力が１．４ｋＷ一定となるように設定され（ビードラップ）、さらに、回転角３９６°（３６°）に対応する４２０ｍｓｅｃから５７６°（２１６°）に対応する５２０ｍｓｅｃまでの範囲において、レーザ出力が徐々に低下するように設定されている（スロープダウン）。
【００２８】
上述した溶接パターン６４ａにおいて、二次溶接パターンは、従来のレーザ溶接で一般的に用いられる溶接パターンと同様である。つまり、二次溶接パターン単独では、ワークＷの周方向において入熱量の偏りが生じてしまい、その結果、ワークＷの変形が生じる。そこで、本実施形態では、二次溶接パターンの前に、二次溶接パターンに基づいてワークＷの溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定された一次溶接パターンを加えることで、入熱量の偏りに起因するワークＷの溶接変形量を最小限に抑えることを可能としている。
【００２９】
図１に戻り、制御部６５は、例えばマイクロコンピュータであり、操作部６１から入力される操作信号と、記憶部６４に記憶されている溶接パターン６４ａに基づいてレーザ溶接装置１の溶接動作を統括制御するものである。具体的には、この制御部６５は、作業者による操作部６１の操作によって選択された溶接パターン６４ａを記憶部６４から読み出し、その溶接パターン６４ａに基づいてレーザ出力制御信号をレーザ発振器５０へ送信すると共に回転制御信号を回転ポジショナ２０へ送信することで、レーザ出力及びワークＷの回転状態を制御する。
【００３０】
次に、上記のように構成されたレーザ溶接装置１の溶接動作について詳細に説明する。
図３は、溶接動作時において制御部６５が実行する処理の流れを示すフローチャートである。この図３に示すように、制御部６５は、まず、作業者による操作部６１の操作によってワークＷの溶接に使用すべき溶接パターン６４ａが選択されると、その選択された溶接パターン６４ａを記憶部６４から読み出す（ステップＳ１）。
そして、制御部６５は、溶接時間のタイマカウントをスタートさせると同時に、回転制御信号を回転ポジショナ２０へ送信することで、ワーク取付チャック２１（つまりワークＷ）を３００ｒｐｍの回転速度で回転させる（ステップＳ２）。
【００３１】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが１０５ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が１８９°に達したか否かを判定し（ステップＳ３）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全開を指示する（ステップＳ４）。つまり、シャッタ全開時には、１．４ｋＷのレーザ出力を有するレーザ光Ｌがレーザ発振器５０からレーザヘッド４０へ出力され、レーザヘッド４０からワークＷに向けて１．４ｋＷ一定のレーザ光Ｌが照射される。
【００３２】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが１６５ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が２９７°に達したか否かを判定し（ステップＳ５）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全閉を指示する（ステップＳ６）。つまり、シャッタ全閉時には、レーザ光Ｌがレーザ発振器５０からレーザヘッド４０へ出力されず（つまりレーザ出力０）、ワークＷに対するレーザ照射が停止される。
以上のステップＳ２〜Ｓ６までの処理によって、溶接パターン６４ａの一次溶接パターンに基づく一次溶接が実施されることになる。
【００３３】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが２００ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が２周目の０°に達したか否かを判定し（ステップＳ７）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全開を指示する（ステップＳ８）。これにより、再び、レーザヘッド４０からワークＷに向けて１．４ｋＷ一定のレーザ光Ｌが照射される。
【００３４】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが４２０ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が３９６°（ビードラップ終了位置）に達したか否かを判定し（ステップＳ９）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信して、溶接時間の経過に伴いレーザ出力が徐々に低下するようにシャッタ開度を制御する（ステップＳ１０）。これにより、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌのレーザ出力は、溶接時間の経過に伴い、１．４ｋＷから０ｋＷに向けて徐々に低下することになる。
【００３５】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが５２０ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が５７６°（溶接終了位置）に達したか否かを判定し（ステップＳ１１）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全閉を指示する（ステップＳ１２）。これにより、ワークＷに対するレーザ照射が停止される。
以上のステップＳ７〜Ｓ１２の処理によって、溶接パターン６４ａの二次溶接パターンに基づく二次溶接が実施されることになる。
上記のように二次溶接が終了すると、制御部６５は、溶接時間のタイマカウントを停止すると共に回転ポジショナ２０に回転停止を指示して溶接動作を終了する（ステップＳ１３）。
【００３６】
図２（ｃ）は、上述したステップＳ２〜Ｓ６までの処理によって実施される一次溶接に供する一次溶接パターンを示し、図２（ｄ）は、その一次溶接においてワークＷの周方向に照射されたレーザ光Ｌの総出力分布を示した図である。この図２（ｄ）に示すように、一次溶接パターンを用いた一次溶接では、ワークＷの１８９°から２９７°の範囲でレーザ出力は１．４ｋＷ一定となっていることがわかる。
【００３７】
図２（ｅ）は、上述したステップＳ７〜Ｓ１２までの処理によって実施される二次溶接に供する二次溶接パターンを示し、図２（ｆ）は、その二次溶接においてワークＷの周方向に照射されたレーザ光Ｌの総出力分布を示した図である。この図２（ｆ）に示すように、二次溶接パターンを用いた二次溶接では、ビードラップ及びスロープダウンが行われた３６０°（０°）から５７６°（２１６°）の範囲でレーザ出力が増加していることがわかる。つまり、二次溶接単独では、ワークＷの周方向において入熱量の偏りが生じていることがわかる。詳細は後述するが、本願発明者が実験を行った結果、上記のような二次溶接単独では、入熱量の偏りに起因して大きな変形（振れ角度０．３７°）が生じることが確認されている。
【００３８】
図２（ａ）は、上記の一次溶接パターンと二次溶接パターンとを加えた溶接パターン６４ａを示し、図２（ｂ）は、溶接パターン６４ａに基づいて一次溶接と二次溶接とを連続して行った場合（つまり、上記ステップＳ２〜１２を連続して行った場合）において、ワークＷの周方向に照射されたレーザ光Ｌの総出力分布を示した図である。この図２（ｂ）に示すように、二次溶接においてビードラップ及びスロープダウンが行われた３６０°（０°）から５７６°（２１６°）の範囲だけでなく、一次溶接が行われた１８９°から２９７°の範囲でもレーザ出力が増加していることがわかる。つまり、一次溶接パターンと二次溶接パターンとを加えた溶接パターン６４ａを用いた場合、二次溶接で生じる入熱量の偏りと対向する側に一次溶接による入熱量の偏りが生じることになる。
【００３９】
このような一次溶接による入熱量の偏りは、二次溶接による変形とは逆方向の変形を生じさせる。そのため、二次溶接によって変形が生じたとしても、元々、一次溶接によってその逆方向に変形が生じているため、両方の変形は互いに相殺され、その結果、入熱量の偏りに起因するワークＷの溶接変形量を最小限に抑えることが可能となる。
本願発明者が実験を行った結果、図２（ａ）に示す溶接パターン６４ａを用いてレーザ溶接を行った場合、入熱量の偏りに起因する変形量（振れ角度）を０．０１°から０．０２°程度まで抑えることが可能であることが確認された。
【００４０】
〔実験結果〕
以下では、本願発明者が行った実験とその結果について詳細に説明する。
図４（ａ）は、本実験で使用したワークＷの構成図である。この図に示すように、本実験では、軸物回転部品をワークＷとして採用し、第１試験片１００と第２試験片２００とをインローで組み合わせた構成としている。上記の第２試験片２００をチャッキング後、初期の振れ角度が極小となるようにダイヤルゲージを用いて調整し、第１試験片１００のセンター穴にてセンター押しを行って固定した。
【００４１】
そして、図４（ｂ）に示す溶接条件において、一次溶接の溶接範囲を１６２°から３２４°の範囲内で複数選択し、各溶接範囲の一次溶接と二次溶接との組み合わせによってワークＷの溶接を行い、溶接後における第１試験片１００の振れ角度を計測・記録した。なお、二次溶接は、一般的な溶接パターン、つまり、図２（ａ）に示した溶接パターン６４ａにおいて回転角０°を溶接開始位置とする二次溶接パターンと同様なパターンを使用した。
【００４２】
図５は、一次溶接を行わず、二次溶接のみを行った場合における、ワークＷに照射されたレーザ光の総出力分布及び溶接パターンを示している。この時使用したワークＷの試験片番号をＴＰ（１−１）とする。図５のケースは従来の溶接方法と同様であり、一次溶接を行った場合と比較するために実施したものである。
【００４３】
図６は、一次溶接として、１．４ｋＷ一定のレーザ光を１８９°から２９７°の範囲に照射した場合におけるレーザ光の総出力分布及び溶接パターンを示している（つまり、上記実施形態で使用した溶接パターン６４ａに相当）。この時使用したワークＷの試験片番号をＴＰ（７−１、７−２、８−１）とする。同様に、一次溶接として、２５２°から３２４°の範囲を溶接したものをＴＰ（２−２）、１８０°から２８８°の範囲を溶接したものをＴＰ（３−１、３−２、８−３）、２１６°から２５２°の範囲を溶接したものをＴＰ（３−５）、１６２°から２７０°の範囲を溶接したものをＴＰ（５−２）とする。
【００４４】
図７は、上記試験片番号の各々についての、溶接前と溶接後の振れ角度（変形量）の計測結果である。この実験結果である図７からわかるように、一次溶接を導入した場合は導入しないケースと比べて、入熱量の偏りに起因する振れ角度を軽減できることがわかる。
【００４５】
本願発明者は、以上のような実験結果から、一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、二次溶接によってワークＷに生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように一次溶接を行うことにより、二次溶接によって変形が生じたとしても、元々、一次溶接によってその逆方向に変形が生じているため、両方の変形は互いに相殺され、その結果、入熱量の偏りに起因するワークＷの溶接変形量を最小限に抑えることが可能であることを見出し、本願発明を出願するに至った。
【００４６】
〔溶接パターンの作成方法〕
次に、一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンの作成方法について説明する。
図８は、溶接パターンの作成方法の順序を示すフローチャートである。この図８に示すように、まず、ノーマルの溶接パターン、つまり二次溶接パターンの周方向−出力チャート（図９（ａ）参照）を作成する（ステップＳ２１）。
【００４７】
続いて、二次溶接パターンに従ってワークＷの溶接を行い（ステップＳ２２）、溶接終了後にワークＷの振れ量及び振れ方向を特定（計測）する（ステップＳ２３）。続いて、図９（ｂ）に示すように、溶接終了後のワークＷにおける入熱量の偏り方向及び量と、振れ量及び振れ方向とから総合的に判断して、予め溶接する範囲とレーザ出力を決定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４の決定結果から一次溶接パターンを作成し、この一次溶接パターンと二次溶接パターンを含む溶接パターンを作成する（ステップＳ２５）。
【００４８】
そして、上記ステップＳ２５で作成した溶接パターンに従って再度ワークＷの溶接を行い（ステップＳ２６）、溶接終了後にワークＷの振れ量及び振れ方向を特定（計測）する（ステップＳ２７）。そして、振れ量が目標値まで減少したか否かを判断し（ステップＳ２８）、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ２４に戻り、「Ｙｅｓ」の場合には最終的に使用する溶接パターンが完成する（ステップＳ２５）。
なお、図９（ｃ）及び（ｄ）は、入熱量の偏りの見積もりが妥当でない場合を示しており、それぞれの振れ量は１５４μｍ、１４６μｍとノーマルの溶接パターンよりは振れ量が減少するものの大きな効果は期待できない。そのため、上記ステップ２８において、振れ量が目標値に達していない場合にはステップＳ２４に戻ることにより、最適な一次溶接パターンを探し出すことができる。
【００４９】
〔変形例〕
本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、溶接用ビームとしてレーザ光を使用するレーザ溶接装置１を例示して説明したが、溶接用ビームとして電子ビームを使用する電子ビーム溶接装置であっても本発明を適用することができる。また、レーザ光や電子ビームの他、プラズマ等の十分に制御された高エネルギー密度の溶接用ビームを使用する溶接装置であれば本発明を適用することができる。具体的には、例えば、溶け込みの幅／深さ比が１／１以上（幅より深さ値が大きい）となるように制御された溶接用ビームを使用することが望ましい。また、溶接用ビームの熱源としては、出力変動が小さい熱源であること、入力した溶接パターンと熱源の追従精度が良い（ON/OFF、スロープダウン等）熱源であることが望ましい。
【００５０】
（２）上記実施形態では、図２（ａ）に示すような溶接パターン６４ａを使用する場合を想定して説明したが、この溶接パターン６４ａはあくまで一例であり、二次溶接パターンやワークＷの材質、寸法などによって最適な一次溶接パターンは変わるため、上述した溶接パターンの作成方法を用いて最適な一次溶接パターンを探し出し、最終的に使用する溶接パターンを作成すれば良い。
【００５１】
（３）上記実施形態では、溶接対象物であるワークＷとして軸物回転部品を想定して説明したが、自動車の燃料噴射弁等、その他の軸物部品が溶接対象物であっても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１…レーザ溶接装置、１０…ＸＹステージ、２０…回転ポジショナ、３０…センタ押し台、４０…レーザヘッド、５０…レーザ発振器、６０…制御盤、６１…操作部、６２…表示部、６３…Ｉ／Ｆ、６４…記憶部、６４ａ…溶接パターン、６５…制御部、Ｌ…レーザ光、Ｗ…ワーク（溶接対象物）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、軸物回転部品や自動車の燃料噴射弁等、高精度な加工技術を必要とする軸物部品の溶接法の１つとして、レーザ溶接が注目されている。このような軸物部品に対してレーザ溶接を行う場合、（１）一定のレーザ出力で１周（０°〜３６０°）溶接し、（２）同じレーザ出力で３６０°の位置から所定位置（例えば３９６°）まで溶接することでビードの一部を重ね合わせ（ビードラップ）、さらに、（３）上記所定位置から溶接終了位置（例えば５７６°）までレーザ出力を徐々に下げながら溶接を行う（スロープダウン）、という３つのプロセスを連続的に実施することが一般的である。
【０００３】
実際のレーザ溶接装置では、一定速度で軸物部品を回転させた場合に、回転角が０°（溶接開始位置）から３９６°（ビードラップ終了位置）までの範囲ではレーザ出力が一定となるように、回転角が３９６°から５７６°（溶接終了位置）までの範囲ではレーザ出力が徐々に低下するように、レーザ出力と溶接時間（言い換えれば軸物部品の回転時間）との対応関係を示す溶接パターンを設定しておき、溶接時にはこの溶接パターンに基づいてレーザ出力の制御及び軸物部品の回転制御を行っている。
【０００４】
上記のような３つのプロセスの内、ビードラップは確実に軸物部品の周全体を溶接するために必要であり、スロープダウンは欠陥防止（急激にレーザ出力を下げると溶接終了位置にて欠陥が生じる）のために必要であるが、これらビードラップ及びスロープダウンに起因して２周目、つまり３６０°から５７６°の範囲で入熱量が増大し、周方向において入熱量の偏りが発生する。このような入熱量の偏りは軸物部品の変形（入熱量の大きい位置に収縮応力が発生し、その入熱量の大きい方向に曲がる）を招くことになる。
【０００５】
例えば、下記特許文献１には、入熱量の偏りに起因する溶接対象物の変形に対して、１周目の溶接部に重なるように、連続して２周目、３周目と複数回に亘ってレーザ溶接を行うことにより、溶接対象物の周方向における入熱量の均一化を図り、以って溶接対象物の変形を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１６９６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような入熱量の偏りに起因する溶接対象物の変形に対しては、後工程での製品組み立て時にバランス修正を行うという方法もあるが、この方法ではバランス修正作業が大きな負担となり、また、変形量が大きいとバランス修正できず歩留まり悪化につながる。例えば、軸物回転部品は、バランス修正の加工代が小さい設計となっており、溶接変形量を最小限に抑えることが可能な非常に高精度な溶接法が必要不可欠である。
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、入熱量の偏りに起因する溶接対象物の溶接変形量を最小限に抑えることが可能な溶接装置及び溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る溶接装置は、溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接装置であって、一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンに基づいて前記溶接用ビームの出力及び前記溶接対象物の回転状態を制御する制御部を備え、前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る溶接装置において、前記二次溶接パターンは、一定速度で前記溶接対象物を回転させた場合に、回転角が０°からビードラップ終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が一定となるように、回転角がビードラップ終了位置から溶接終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が徐々に低下するように設定されており、前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる入熱量の偏りと対向する側に別の入熱量の偏りが生じるように、所定範囲で前記溶接用ビームの出力が一定となるよう設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る溶接装置において、前記溶接用ビームは、レーザ光または電子ビームであることに加えて、プラズマ等、十分に制御されたものであることを特徴とする。具体的には、例えば、溶け込みの幅／深さ比が１／１以上（幅より深さ値が大きい）となるように制御された溶接用ビームを使用することが望ましい。また、溶接用ビームの熱源としては、出力変動が小さい熱源であること、入力した溶接パターンと熱源の追従精度が良い（ON/OFF、スロープダウン等）熱源であることが望ましい。
【００１１】
一方、本発明に係る溶接方法は、溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接方法であって、一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、前記二次溶接によって前記溶接対象物に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように前記一次溶接を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、二次溶接によって溶接対象物に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように一次溶接を行うことにより、二次溶接によって変形が生じたとしても、元々、一次溶接によってその逆方向に変形が生じているため、両方の変形は互いに相殺され、その結果、入熱量の偏りに起因する溶接対象物の溶接変形量を最小限に抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置１の構成概略図である。
【図２】レーザ溶接装置１で使用される溶接パターン６４ａの一例を示す図である。
【図３】レーザ溶接装置１の制御部６５が溶接動作時に実行する処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】実験で使用したワークＷの構成及び溶接条件を示す図である。
【図５】実験で使用した溶接パターンの第１ケースである。
【図６】実験で使用した溶接パターンの第２ケースである。
【図７】実験結果を示す第１図である。
【図８】溶接パターンの作成方法の手順を示すフローチャートである。
【図９】溶接パターンの作成方法に関する補足説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。なお、以下では、本発明に係る溶接装置として、レーザ光を溶接用ビームとして使用するレーザ溶接装置を例示して説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態におけるレーザ溶接装置１の構成概略図である。この図１に示すように、レーザ溶接装置１は、ワークＷ（溶接対象物）を回転させながらレーザ光Ｌを照射することでワークＷの溶接を行うものであり、ＸＹステージ１０、回転ポジショナ２０、センタ押し台３０、レーザヘッド４０、レーザ発振器５０及び制御盤６０から構成されている。
【００１６】
ＸＹステージ１０は、不図示の駆動機構により図中のＸＹ平面（水平面）内を移動可能な平板ステージである。このＸＹステージ１０の位置（ＸＹ座標）は、後述の制御盤６０（詳細には制御部６５）によって制御される。ＸＹステージ１０の近傍には、レーザヘッド４０を固定するためのレーザヘッド固定治具１１が図中のＺ軸方向（鉛直方向）に沿って移動可能に取り付けられたＺ軸位置決めアーム１２が設置されている。
【００１７】
回転ポジショナ２０は、ＸＹステージ１０上に設置された回転駆動機構であり、Ｘ軸を回転軸として回転するワーク取付チャック２１を備えている。ワークＷは、Ｘ軸と平行になるようにワーク取付チャック２１に取り付けられており、ワーク取付チャック２１の回転に伴って自身も回転することになる。
【００１８】
また、上記の回転ポジショナ２０は、信号ケーブル２２を介して制御盤６０と接続されており、制御盤６０（詳細には制御部６５）から信号ケーブル２２を介して送信される回転制御信号によってワーク取付チャック２１の回転状態（つまりワークＷの回転状態）が制御される。なお、図１では図示を省略しているが、この回転ポジショナ２０には、ワーク取付チャック２１を回転させるモータと、制御盤６０から送信される上記の回転制御信号に応じてモータに供給すべき駆動信号を生成する駆動回路とが内蔵されている。
【００１９】
センタ押し台３０は、ＸＹステージ１０上において回転ポジショナ２０と対向する側に、Ｘ軸方向に移動可能に設置されている。図１に示すように、このセンタ押し台３０の先端部がワーク取付チャック２１に取り付けられたワークＷの回転中心に当接するように、センタ押し台３０の位置調整を行うことにより、ワークＷのセンター押しを行う。
【００２０】
レーザヘッド４０は、先端部に設けられたレーザノズルが鉛直下向きになるように、レーザヘッド固定治具１１によって固定されていると共に、光ファイバ４１を介してレーザ発振器５０と接続されており、レーザ発振器５０から光ファイバ４１を介して受光したレーザ光Ｌを集光してレーザノズルから照射するものである。また、このレーザヘッド４０は、レーザ光Ｌの照射時において、不図示のシールドガス供給装置から供給されるシールドガスをレーザノズルから噴射する機構も備えている。また、溶接部の側面からノズルを伸ばし、シールドガスを別途当てる機構も備えている（サイドシールド）。
【００２１】
レーザヘッド４０のＺ軸上の位置（高さ）は、レーザヘッド固定治具１１をＺ軸位置決めアーム１２上で移動させることで調整可能である。つまり、レーザヘッド４０のＺ軸上の位置を調整することで適切な高さ（適切な溶け込み深さを実現できる高さ）からレーザ光ＬをワークＷに照射することが可能となる。なお、当然、ＸＹステージ１０のＸＹ座標は、レーザ光ＬがワークＷ上の溶接箇所に照射されるように調整される。
【００２２】
レーザ発振器５０は、信号ケーブル５１を介して制御盤６０と接続されており、制御盤６０（詳細には制御部６５）から信号ケーブル５１を介して送信されるレーザ出力制御信号に応じて所定出力のレーザ光Ｌを生成し、当該生成したレーザ光Ｌを光ファイバ４１を介してレーザヘッド４０に出力するものである。このレーザ発振器５０としては、例えばＹｂ−ファイバレーザ発振器を用いることができる。なお、本実施形態では、レーザ発振器５０の内部においてレーザ光Ｌの光路に設けられたシャッタの開度を調整することで、レーザ光Ｌの出力（以下、レーザ出力と略す）を制御するものとする。
【００２３】
制御盤６０は、作業者による操作に応じてレーザ溶接装置１の溶接動作を制御するものであり、操作部６１、表示部６２、Ｉ／Ｆ６３、記憶部６４及び制御部６５から構成されている。操作部６１は、電源キーや数値入力キー、溶接パターン選択キー、溶接スタートキー、非常停止キー等の各種操作キーから構成されており、作業者による操作入力に応じた操作信号を制御部６５に出力する。表示部６２は、例えば液晶パネルであり、制御部６５から入力される画像データに応じた画像（例えば選択中の溶接パターンやワークＷの回転速度等の設定情報）を表示する。
【００２４】
Ｉ／Ｆ６３は、信号ケーブル２２を介して回転ポジショナ２０と接続されていると共に、信号ケーブル５１を介してレーザ発振器５０と接続されており、制御部６５と回転ポジショナ２０との間の通信、制御部６５とレーザ発振器５０との間の通信を中継するインタフェースである。記憶部６４は、例えばフラッシュメモリ等の書き換え可能な不揮発性メモリであり、レーザ出力と溶接時間（言い換えればワークＷの回転時間）との対応関係を示す溶接パターン６４ａやワークＷの回転速度等の設定情報を記憶している。
【００２５】
図２（ａ）は、本実施形態で使用する溶接パターン６４ａの一例を示す図である。なお、図２（ａ）の溶接パターン６４ａは、ワークＷの回転速度を３００ｒｐｍと設定した場合、つまりワークＷが２００ｍｓｅｃで１回転する場合を想定して設定されたものである。この図２（ａ）に示すように、本実施形態における溶接パターン６４ａは、一次溶接に供する一次溶接パターン（０〜２００ｍｓｅｃの範囲のパターン）と、二次溶接に供する二次溶接パターン（２００〜５２０ｍｓｅｃの範囲のパターン）とを含んでいる。
【００２６】
ワークＷの回転角０°を溶接開始位置とし、これに対応する溶接時間０を溶接開始時刻とすると、一次溶接パターンは、回転角１８９°に対応する１０５ｍｓｅｃから回転角２９７°に対応する１６５ｍｓｅｃまでの範囲において、レーザ出力が１．４ｋＷ一定となるように設定されている。この一次溶接パターンは、後述の二次溶接パターンに基づいてワークＷの溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されているものである。なお、一例としてレーザ出力が１.４ｋＷに設定されている場合を示したが、希望の溶け込み深さによってこの数値は変動するものである。つまり、溶け込み深さはワークＷの径に依存するため、ワークＷの径に応じてレーザ出力を適宜設定すれば良い。
【００２７】
二次溶接パターンは、２周目の回転角０°に対応する２００ｍｓｅｃから３６０°（０°）に対応する４００ｍｓｅｃまでの範囲において、レーザ出力が１．４ｋＷ一定となるように設定され、回転角３６０°（０°：３周目）に対応する４００ｍｓｅｃから３９６°（３６°）に対応する４２０ｍｓｅｃまでの範囲において、同じくレーザ出力が１．４ｋＷ一定となるように設定され（ビードラップ）、さらに、回転角３９６°（３６°）に対応する４２０ｍｓｅｃから５７６°（２１６°）に対応する５２０ｍｓｅｃまでの範囲において、レーザ出力が徐々に低下するように設定されている（スロープダウン）。
【００２８】
上述した溶接パターン６４ａにおいて、二次溶接パターンは、従来のレーザ溶接で一般的に用いられる溶接パターンと同様である。つまり、二次溶接パターン単独では、ワークＷの周方向において入熱量の偏りが生じてしまい、その結果、ワークＷの変形が生じる。そこで、本実施形態では、二次溶接パターンの前に、二次溶接パターンに基づいてワークＷの溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定された一次溶接パターンを加えることで、入熱量の偏りに起因するワークＷの溶接変形量を最小限に抑えることを可能としている。
【００２９】
図１に戻り、制御部６５は、例えばマイクロコンピュータであり、操作部６１から入力される操作信号と、記憶部６４に記憶されている溶接パターン６４ａに基づいてレーザ溶接装置１の溶接動作を統括制御するものである。具体的には、この制御部６５は、作業者による操作部６１の操作によって選択された溶接パターン６４ａを記憶部６４から読み出し、その溶接パターン６４ａに基づいてレーザ出力制御信号をレーザ発振器５０へ送信すると共に回転制御信号を回転ポジショナ２０へ送信することで、レーザ出力及びワークＷの回転状態を制御する。
【００３０】
次に、上記のように構成されたレーザ溶接装置１の溶接動作について詳細に説明する。
図３は、溶接動作時において制御部６５が実行する処理の流れを示すフローチャートである。この図３に示すように、制御部６５は、まず、作業者による操作部６１の操作によってワークＷの溶接に使用すべき溶接パターン６４ａが選択されると、その選択された溶接パターン６４ａを記憶部６４から読み出す（ステップＳ１）。
そして、制御部６５は、溶接時間のタイマカウントをスタートさせると同時に、回転制御信号を回転ポジショナ２０へ送信することで、ワーク取付チャック２１（つまりワークＷ）を３００ｒｐｍの回転速度で回転させる（ステップＳ２）。
【００３１】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが１０５ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が１８９°に達したか否かを判定し（ステップＳ３）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全開を指示する（ステップＳ４）。つまり、シャッタ全開時には、１．４ｋＷのレーザ出力を有するレーザ光Ｌがレーザ発振器５０からレーザヘッド４０へ出力され、レーザヘッド４０からワークＷに向けて１．４ｋＷ一定のレーザ光Ｌが照射される。
【００３２】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが１６５ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が２９７°に達したか否かを判定し（ステップＳ５）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全閉を指示する（ステップＳ６）。つまり、シャッタ全閉時には、レーザ光Ｌがレーザ発振器５０からレーザヘッド４０へ出力されず（つまりレーザ出力０）、ワークＷに対するレーザ照射が停止される。
以上のステップＳ２〜Ｓ６までの処理によって、溶接パターン６４ａの一次溶接パターンに基づく一次溶接が実施されることになる。
【００３３】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが２００ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が２周目の０°に達したか否かを判定し（ステップＳ７）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全開を指示する（ステップＳ８）。これにより、再び、レーザヘッド４０からワークＷに向けて１．４ｋＷ一定のレーザ光Ｌが照射される。
【００３４】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが４２０ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が３９６°（ビードラップ終了位置）に達したか否かを判定し（ステップＳ９）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信して、溶接時間の経過に伴いレーザ出力が徐々に低下するようにシャッタ開度を制御する（ステップＳ１０）。これにより、ワークＷに照射されるレーザ光Ｌのレーザ出力は、溶接時間の経過に伴い、１．４ｋＷから０ｋＷに向けて徐々に低下することになる。
【００３５】
続いて、制御部６５は、溶接パターン６４ａに基づき、溶接時間のタイマカウントが５２０ｍｓｅｃに達したか否か、つまりワークＷの回転角が５７６°（溶接終了位置）に達したか否かを判定し（ステップＳ１１）、「Ｙｅｓ」の場合には、レーザ出力制御信号をレーザ発振器５０に送信してシャッタ全閉を指示する（ステップＳ１２）。これにより、ワークＷに対するレーザ照射が停止される。
以上のステップＳ７〜Ｓ１２の処理によって、溶接パターン６４ａの二次溶接パターンに基づく二次溶接が実施されることになる。
上記のように二次溶接が終了すると、制御部６５は、溶接時間のタイマカウントを停止すると共に回転ポジショナ２０に回転停止を指示して溶接動作を終了する（ステップＳ１３）。
【００３６】
図２（ｃ）は、上述したステップＳ２〜Ｓ６までの処理によって実施される一次溶接に供する一次溶接パターンを示し、図２（ｄ）は、その一次溶接においてワークＷの周方向に照射されたレーザ光Ｌの総出力分布を示した図である。この図２（ｄ）に示すように、一次溶接パターンを用いた一次溶接では、ワークＷの１８９°から２９７°の範囲でレーザ出力は１．４ｋＷ一定となっていることがわかる。
【００３７】
図２（ｅ）は、上述したステップＳ７〜Ｓ１２までの処理によって実施される二次溶接に供する二次溶接パターンを示し、図２（ｆ）は、その二次溶接においてワークＷの周方向に照射されたレーザ光Ｌの総出力分布を示した図である。この図２（ｆ）に示すように、二次溶接パターンを用いた二次溶接では、ビードラップ及びスロープダウンが行われた３６０°（０°）から５７６°（２１６°）の範囲でレーザ出力が増加していることがわかる。つまり、二次溶接単独では、ワークＷの周方向において入熱量の偏りが生じていることがわかる。詳細は後述するが、本願発明者が実験を行った結果、上記のような二次溶接単独では、入熱量の偏りに起因して大きな変形（振れ角度０．３７°）が生じることが確認されている。
【００３８】
図２（ａ）は、上記の一次溶接パターンと二次溶接パターンとを加えた溶接パターン６４ａを示し、図２（ｂ）は、溶接パターン６４ａに基づいて一次溶接と二次溶接とを連続して行った場合（つまり、上記ステップＳ２〜１２を連続して行った場合）において、ワークＷの周方向に照射されたレーザ光Ｌの総出力分布を示した図である。この図２（ｂ）に示すように、二次溶接においてビードラップ及びスロープダウンが行われた３６０°（０°）から５７６°（２１６°）の範囲だけでなく、一次溶接が行われた１８９°から２９７°の範囲でもレーザ出力が増加していることがわかる。つまり、一次溶接パターンと二次溶接パターンとを加えた溶接パターン６４ａを用いた場合、二次溶接で生じる入熱量の偏りと対向する側に一次溶接による入熱量の偏りが生じることになる。
【００３９】
このような一次溶接による入熱量の偏りは、二次溶接による変形とは逆方向の変形を生じさせる。そのため、二次溶接によって変形が生じたとしても、元々、一次溶接によってその逆方向に変形が生じているため、両方の変形は互いに相殺され、その結果、入熱量の偏りに起因するワークＷの溶接変形量を最小限に抑えることが可能となる。
本願発明者が実験を行った結果、図２（ａ）に示す溶接パターン６４ａを用いてレーザ溶接を行った場合、入熱量の偏りに起因する変形量（振れ角度）を０．０１°から０．０２°程度まで抑えることが可能であることが確認された。
【００４０】
〔実験結果〕
以下では、本願発明者が行った実験とその結果について詳細に説明する。
図４（ａ）は、本実験で使用したワークＷの構成図である。この図に示すように、本実験では、軸物回転部品をワークＷとして採用し、第１試験片１００と第２試験片２００とをインローで組み合わせた構成としている。上記の第２試験片２００をチャッキング後、初期の振れ角度が極小となるようにダイヤルゲージを用いて調整し、第１試験片１００のセンター穴にてセンター押しを行って固定した。
【００４１】
そして、図４（ｂ）に示す溶接条件において、一次溶接の溶接範囲を１６２°から３２４°の範囲内で複数選択し、各溶接範囲の一次溶接と二次溶接との組み合わせによってワークＷの溶接を行い、溶接後における第１試験片１００の振れ角度を計測・記録した。なお、二次溶接は、一般的な溶接パターン、つまり、図２（ａ）に示した溶接パターン６４ａにおいて回転角０°を溶接開始位置とする二次溶接パターンと同様なパターンを使用した。
【００４２】
図５は、一次溶接を行わず、二次溶接のみを行った場合における、ワークＷに照射されたレーザ光の総出力分布及び溶接パターンを示している。この時使用したワークＷの試験片番号をＴＰ（１−１）とする。図５のケースは従来の溶接方法と同様であり、一次溶接を行った場合と比較するために実施したものである。
【００４３】
図６は、一次溶接として、１．４ｋＷ一定のレーザ光を１８９°から２９７°の範囲に照射した場合におけるレーザ光の総出力分布及び溶接パターンを示している（つまり、上記実施形態で使用した溶接パターン６４ａに相当）。この時使用したワークＷの試験片番号をＴＰ（７−１、７−２、８−１）とする。同様に、一次溶接として、２５２°から３２４°の範囲を溶接したものをＴＰ（２−２）、１８０°から２８８°の範囲を溶接したものをＴＰ（３−１、３−２、８−３）、２１６°から２５２°の範囲を溶接したものをＴＰ（３−５）、１６２°から２７０°の範囲を溶接したものをＴＰ（５−２）とする。
【００４４】
図７は、上記試験片番号の各々についての、溶接前と溶接後の振れ角度（変形量）の計測結果である。この実験結果である図７からわかるように、一次溶接を導入した場合は導入しないケースと比べて、入熱量の偏りに起因する振れ角度を軽減できることがわかる。
【００４５】
本願発明者は、以上のような実験結果から、一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、二次溶接によってワークＷに生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように一次溶接を行うことにより、二次溶接によって変形が生じたとしても、元々、一次溶接によってその逆方向に変形が生じているため、両方の変形は互いに相殺され、その結果、入熱量の偏りに起因するワークＷの溶接変形量を最小限に抑えることが可能であることを見出し、本願発明を出願するに至った。
【００４６】
〔溶接パターンの作成方法〕
次に、一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンの作成方法について説明する。
図８は、溶接パターンの作成方法の順序を示すフローチャートである。この図８に示すように、まず、ノーマルの溶接パターン、つまり二次溶接パターンの周方向−出力チャート（図９（ａ）参照）を作成する（ステップＳ２１）。
【００４７】
続いて、二次溶接パターンに従ってワークＷの溶接を行い（ステップＳ２２）、溶接終了後にワークＷの振れ量及び振れ方向を特定（計測）する（ステップＳ２３）。続いて、図９（ｂ）に示すように、溶接終了後のワークＷにおける入熱量の偏り方向及び量と、振れ量及び振れ方向とから総合的に判断して、予め溶接する範囲とレーザ出力を決定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４の決定結果から一次溶接パターンを作成し、この一次溶接パターンと二次溶接パターンを含む溶接パターンを作成する（ステップＳ２５）。
【００４８】
そして、上記ステップＳ２５で作成した溶接パターンに従って再度ワークＷの溶接を行い（ステップＳ２６）、溶接終了後にワークＷの振れ量及び振れ方向を特定（計測）する（ステップＳ２７）。そして、振れ量が目標値まで減少したか否かを判断し（ステップＳ２８）、「Ｎｏ」の場合にはステップＳ２４に戻り、「Ｙｅｓ」の場合には最終的に使用する溶接パターンが完成する（ステップＳ２５）。
なお、図９（ｃ）及び（ｄ）は、入熱量の偏りの見積もりが妥当でない場合を示しており、それぞれの振れ量は１５４μｍ、１４６μｍとノーマルの溶接パターンよりは振れ量が減少するものの大きな効果は期待できない。そのため、上記ステップ２８において、振れ量が目標値に達していない場合にはステップＳ２４に戻ることにより、最適な一次溶接パターンを探し出すことができる。
【００４９】
〔変形例〕
本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、溶接用ビームとしてレーザ光を使用するレーザ溶接装置１を例示して説明したが、溶接用ビームとして電子ビームを使用する電子ビーム溶接装置であっても本発明を適用することができる。また、レーザ光や電子ビームの他、プラズマ等の十分に制御された高エネルギー密度の溶接用ビームを使用する溶接装置であれば本発明を適用することができる。具体的には、例えば、溶け込みの幅／深さ比が１／１以上（幅より深さ値が大きい）となるように制御された溶接用ビームを使用することが望ましい。また、溶接用ビームの熱源としては、出力変動が小さい熱源であること、入力した溶接パターンと熱源の追従精度が良い（ON/OFF、スロープダウン等）熱源であることが望ましい。
【００５０】
（２）上記実施形態では、図２（ａ）に示すような溶接パターン６４ａを使用する場合を想定して説明したが、この溶接パターン６４ａはあくまで一例であり、二次溶接パターンやワークＷの材質、寸法などによって最適な一次溶接パターンは変わるため、上述した溶接パターンの作成方法を用いて最適な一次溶接パターンを探し出し、最終的に使用する溶接パターンを作成すれば良い。
【００５１】
（３）上記実施形態では、溶接対象物であるワークＷとして軸物回転部品を想定して説明したが、自動車の燃料噴射弁等、その他の軸物部品が溶接対象物であっても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１…レーザ溶接装置、１０…ＸＹステージ、２０…回転ポジショナ、３０…センタ押し台、４０…レーザヘッド、５０…レーザ発振器、６０…制御盤、６１…操作部、６２…表示部、６３…Ｉ／Ｆ、６４…記憶部、６４ａ…溶接パターン、６５…制御部、Ｌ…レーザ光、Ｗ…ワーク（溶接対象物）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接装置であって、
一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンに基づいて前記溶接用ビームの出力及び前記溶接対象物の回転状態を制御する制御部を備え、
前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されていることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記二次溶接パターンは、一定速度で前記溶接対象物を回転させた場合に、回転角が０°からビードラップ終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が一定となるように、回転角がビードラップ終了位置から溶接終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が徐々に低下するように設定されており、
前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる入熱量の偏りと対向する側に別の入熱量の偏りが生じるように、所定範囲で前記溶接用ビームの出力が一定となるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
前記溶接用ビームは、レーザ光または電子ビームであ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。
【請求項４】
溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接方法であって、
一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、前記二次溶接によって前記溶接対象物に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように前記一次溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
【請求項１】
溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接装置であって、
一次溶接に供する一次溶接パターンと、二次溶接に供する二次溶接パターンとを含む溶接パターンに基づいて前記溶接用ビームの出力及び前記溶接対象物の回転状態を制御する制御部を備え、
前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように設定されていることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
前記二次溶接パターンは、一定速度で前記溶接対象物を回転させた場合に、回転角が０°からビードラップ終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が一定となるように、回転角がビードラップ終了位置から溶接終了位置までの範囲では前記溶接用ビームの出力が徐々に低下するように設定されており、
前記一次溶接パターンは、前記二次溶接パターンに基づいて前記溶接対象物の溶接を行った場合に生じる入熱量の偏りと対向する側に別の入熱量の偏りが生じるように、所定範囲で前記溶接用ビームの出力が一定となるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の溶接装置。
【請求項３】
前記溶接用ビームは、レーザ光または電子ビームであ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。
【請求項４】
溶接対象物を回転させながら溶接用ビームを照射することで前記溶接対象物を溶接する溶接方法であって、
一次溶接と二次溶接とを連続的に行う際に、前記二次溶接によって前記溶接対象物に生じる変形を相殺する方向に変形を生じさせるように前記一次溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５６５８４（Ｐ２０１１−１５６５８４Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２２２９（Ｐ２０１０−２２２２９）
【出願日】平成２２年２月３日（２０１０．２．３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月３日（２０１０．２．３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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