レーザ溶接方法および装置
【課題】管外に回転機構を配置することなく、管の長さに影響を受けることなくレーザ溶接による二重管の突き合わせ溶接を行えるようにする。
【解決手段】光ファイバー３４で導いたレーザ光を反射ミラー３３で反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッド１２と、管の管軸に対してレーザ溶接ヘッド１２の軸線が偏心した位置にレーザ溶接ヘッド１２を支持し、管軸上にある回転軸回りにレーザ溶接ヘッド１２を旋回させる回転機構１４と、回転機構１４と同軸に連結される胴部２０に格納される固定用の複数のパッド２１を管の内周面に対して押し付け、胴部を２０管軸と同軸に固定するとともにレーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を固定する固定機構１６と、からレーザ溶接装置を構成する。
【解決手段】光ファイバー３４で導いたレーザ光を反射ミラー３３で反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッド１２と、管の管軸に対してレーザ溶接ヘッド１２の軸線が偏心した位置にレーザ溶接ヘッド１２を支持し、管軸上にある回転軸回りにレーザ溶接ヘッド１２を旋回させる回転機構１４と、回転機構１４と同軸に連結される胴部２０に格納される固定用の複数のパッド２１を管の内周面に対して押し付け、胴部を２０管軸と同軸に固定するとともにレーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を固定する固定機構１６と、からレーザ溶接装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ溶接に関し、特に、高速増殖炉の蒸気発生器等に使用される二重伝熱管を接合するためのレーザ溶接方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の蒸気発生器では、伝熱管として二重伝熱管が用いられている。この二重伝熱管は、同軸の内管と外管とから構成されており、内管と外管の隙間には網状の組網線が挟み込まれている。この内管と外管の隙間には内管または外管の破損を検知するためのヘリウムガスが流されており、ヘリウムガス濃度の上昇により破損を検出することができる。
このような二重伝熱管では、単位となる１本の管は、長さ１０ｍから２０ｍという長尺な管である。蒸気発生器に用いるためには、複数本の管を溶接により継ぎ足している。
【０００３】
二重伝熱管の溶接では、上述したように内管と外管の隙間に組網線が挟み込まれているので、ヘリウムガスの通気性を確保するためには隙間を塞がないように溶接する必要があり、高度な溶接技術が要求される。
【０００４】
また、最近では、二重管の材料にも改良が加えられており、特に、高速増殖炉の蒸気発生器用の二重伝熱管には、改良9Cr−1Mo鋼を材料とする二重伝熱管の適用が検討されている。溶接方法としては、例えば、レーザを用いた接合方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３４３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の二重伝熱管のレーザ溶接技術では、以下のような問題点が残されている。
【０００７】
まず第１の問題として、二重伝熱管を管延長する実際の溶接接合工程では、一本の管自体が１０ｍから２０ｍという長さがあるため、レーザ溶接ヘッドを回転させるためにヘッド回転機構を管の外に配置しなければならない。従来のレーザ溶接装置では、長い回転軸が必要となり、取り扱い難く、動作精度の保証も困難となる。
【０００８】
第２の問題点として、二重伝熱管では、製造上の理由により管の内径には製作誤差(凡そ内径２０mmに対して１．５mm程度の誤差)を有しており、この誤差はレーザのデフォーカス余裕度の範囲を超えており、レーザのピントを調整できる機構がなければ溶接できないという問題がある。
【０００９】
第３の問題点として、レーザ溶接時にはスパッタが発生し、これがレーザ溶接ヘッドに飛び込み、反射ミラーに付着して、反射ミラーを損傷させるという問題がある。特に、小口径の二重伝熱管の管内溶接では、スパッタによる反射ミラー損傷のリスクが高い。
【００１０】
第４の問題点として、二重伝熱管の材料に使用されている改良9Cr−1Mo鋼は、レーザ溶接時に熱影響部が硬化しやすく、溶接開始前に溶接部周辺の温度が２５０℃程度まで昇温していることが必要となる。このため、予熱を施すことが必要不可欠となる。実際には、二重伝熱管の表面に予熱ヒータを巻き付けて予熱作業を行うことになるが、二重伝熱管の加熱と同時に管内にあるレーザ溶接ヘッドも加熱されてしまう結果、レーザ溶接ヘッドに悪影響を与えるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、管外に回転機構を配置することなく、しかも管の長さに影響を受けることなく二重管の溶接を行えるようにしたレーザ溶接方法及び装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、溶接時にレーザのピント調整を簡便に行え、また、溶接スパッタのレーザヘッドへの飛び込みを防止できるようにしたレーザ溶接装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、二重管の予熱の際にレーザ溶接ヘッドが加熱されることなく、レーザ溶接ヘッドがほぼ常温の状態での溶接を実現できるようにしたレーザ溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本発明は、管と管の端部を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接装置において、光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、前記回転機構と同軸に連結される胴部に格納される固定用の複数のパッドを前記管の内周面に対して押し付け、前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する固定機構と、を具備したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、管と管の端部同士を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接方法において、光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、前記回転機構と同軸に連結される胴部に内蔵される固定用の複数のパッドを前記管の内周面に対して押し付け、前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めする固定機構と、を有するレーザ溶接装置を準備する工程と、前記レーザ溶接装置を一方の管の中の管端部近くに収容し、前記固定機構によって前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する工程と、前記レーザ溶接ヘッドから管の内周面にレーザ光照射の試行を行い、レーザスポットの照射位置、ピント状態を調整する工程と、前記固定機構を開放して前記レーザ溶接装置を他方の管に退避させ、管同士を突き合わせの向きに接近させ、管端部の予熱を行う工程と、前記レーザ溶接装置を他方の管から一方の管に押し込み、前記固定機構によってレーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めし、両方の管を突き合わせ、前記回転機構により前記レーザヘッドを旋回させながらレーザ光を溶接部の内周面に照射してレーザ溶接を行う工程と、溶接終了後に管内からレーザ溶接装置を回収する工程と、からなることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置が二重管の管内に収容されている状態を示す縦断面図である。
【図２】同レーザ溶接装置の構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置の備える固定機構を示す横断面図である。
【図４】図３のレーザ溶接装置の固定機構が作動した状態を示す横断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドの構成を示す縦断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドの他の構成を示す縦断面図である。
【図７】レーザ溶接ヘッドの位置決めに用いる位置決め治具を示す平面図である。
【図８】図７の位置決め治具が開いた状態を示す平面図である。
【図９】レーザ溶接ヘッドに位置決め軸を取り付け、レーザ溶接装置を二重管の中に入れた状態を示す縦断面図である。
【図１０】レーザ溶接ヘッドに位置決め軸を取り付け、レーザ溶接装置を二重管の中に入れて固定機構を作動させた状態を示す縦断面図である。
【図１１】レーザ溶接ヘッドにおけるピント調整の作用を説明する図である。
【図１２】二重管の内面にレーザ光を照射した状況を説明する図である。
【図１３】二重管の内面にレーザ光を照射したときの溶融状況を説明する図である。
【図１４】二重管を溶接する前に予熱する工程を示す縦断面図である。
【図１５】二重管を溶接するために、レーザ溶接装置をセットした状況を示す縦断面図である。
【図１６】二重管を溶接するときの状況を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明によるレーザ溶接方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、二重管内に配置されている本実施形態によるレーザ溶接装置を示す断面図である。この図１において、参照番号１は、二重管を示し、参照番号１０は、レーザ溶接装置を示している。図２は、レーザ溶接装置１０の構成を示す断面図である。
二重伝熱管１は、外管２と内管３が同軸になった二重管で、外管２と内管３の間には、組網線４が挟さみ込まれている。
【００１８】
レーザ溶接装置１０は、二重管１を継ぎ足しながら延長して高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される二重伝熱管の突き合わせ溶接に用いられる。
【００１９】
このレーザ溶接装置１０は、大きく分けると、レーザ溶接ヘッド１２と、このレーザ溶接ヘッド１２を内管３の内周面にそって周方向に旋回させる回転機構１４と、レーザ溶接装置１０の本体部を二重伝熱管１の管内に固定するための固定機構１６と、から構成されている。
【００２０】
まず、固定機構１６について、図１乃至図４を参照して説明する。
この固定機構１６は、駆動源であるエアシリンダ１８と、胴部を構成する円筒状の外側フレーム２０と、パッド２１を含む。エアシリンダ１８は、外側フレーム２０の内側で、軸線上に配置されているシャフト２２と連結されている。このエアシリンダ１８は、シャフト２２を軸方向に移動させることで、外側フレーム２０からパッド２１を半径方向に押し出したり、外側フレーム２０に引き込んだりすることができる。
【００２１】
図３は、固定機構１６の横断面を示す。この実施形態では、３つのパッド２１が等配に１２０°ずつ点対称に配置されている。シャフト２２には、それぞれパッド２１を支持する支持脚２４が取り付けられている。この支持脚２４は、前側と後ろ側で対をなしており、これらの対は３組分等ピッチに３等配割で取り付けられている。
【００２２】
図２に示されるように、支持脚２４の先端部には、パッド２１を半径方向に押し出し、あるいは引き込むためのカム機構を構成するピン２５が取り付けられている。パッド２１には、二重伝熱管１の軸方向に対して傾斜する傾斜溝２６が前後２箇所に形成されている。ピン２５は、傾斜溝２６を形成する外側カム面２６ａと内側カム面２６ｂとの両方の面を摺動可能である。
【００２３】
図３では、３個あるパッド２１が外側フレーム２０の内部に引き込まれた状態を示している。１つ１つのパッド２１は対をなす２本の支持脚２４に挟まれるようにしてピン２５を介して支持されている。外側フレーム２０の側面には、長方形の貫通穴２８が１２０°対称に３箇所形成されている。この貫通穴２８は、穴の長手方向の寸法がパッド２１の長手方向の寸法と対応しており、穴の幅は２本の支持脚２４の幅と対応している。
【００２４】
図４に示すように、エアシリンダ１８が作動してシャフト２２が前進すると、ピン２５は傾斜溝２６の外側カム面２６ａを摺動するので、パッド２１は半径方向に突き出され内管３の内周面に押し付けられることなる。逆に、エアシリンダ１８によりシャフト２２が後退すると、ピン２５は傾斜溝２６の内側カム面２６ｂを摺動するので、パッド２１は外側フレーム２０の内側に引き込まれることになる（図３参照）。
【００２５】
次に、図２、図５を参照してレーザ溶接ヘッド１２について説明する。
このレーザ溶接ヘッド１２は、溶接ヘッドの本体を構成する胴部ケース３０を含む。この胴部ケース３０の内部には、２枚一組の組レンズ３１、３２（組レンズ３１、３２に替えて単体レンズが用いられる場合もある。）と反射ミラー３３が設けられている。レーザ光はレーザ溶接ヘッド１２に光ファイバー３４を用いて導かれ、組レンズ３１、３２によって集光されてから、反射ミラー３３で反射して溶接ノズル３５から照射される。光ファイバー３４は、外筒ホース３６に収納されている。この外筒ホース３６は柔軟性の高い材料で形成されて撓むことができるようになっている。外筒ホース３６の端部は、外筒コネクタ３７を介して胴部ケース３０と接続されている。この場合、外筒コネクタ３７と胴部ケース３０の間に軸受３８が介装されており、外筒コネクタ３７は回転可能に胴部ケース３０に接続されている。
【００２６】
図６は、レーザ溶接ヘッド１２における光学系をレンズ３１、３２と反射ミラー３３の組み合わせに替えて、非球面反射ミラー３９によって構成した例を示す。非球面反射ミラー３９を用いることで、レーザ溶接ヘッド１２ の長さを短くできる利点がある。
【００２７】
以上のようなレーザ溶接ヘッド１２は、回転機構１４を介して固定機構１６と連結されている。
図２において、回転機構１４は、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる駆動源であるサーボモータ４０と、レーザ溶接ヘッド１２を支持する偏心腕４２と、を含む。
図５に示すように、偏心腕４２は、軸部４３と、この軸部から半径方向に直角に延びるフレーム部４４とから構成されている。サーボモータ４０と連結されている減速機の出力軸４０ａは、軸部４３に嵌合させて連結されており、この軸部４３はサーボモータ４０のハウジング４１に軸受４５を介して回転自在に支持されている。
【００２８】
フレーム部４４には、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０が嵌合する円筒部４６が設けられている。胴部ケース３０の端部付近の外周部には、雄ねじ４８が形成されている。固定キャップ５０は、レーザ溶接ヘッド１２をフレーム部４４に固定する部材であって、内径部には、雄ねじ４８に螺合する雌ねじ５１が形成されている。この場合、円筒部４６の外周面にはテーパが形成されている。したがって、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０を円筒部４６に差し込み、固定キャップ５０をねじ込むことにより、くさび作用が効いて、レーザ溶接ヘッド１２を固定できるようになっている。レーザ溶接ヘッド１２がフレーム部４４に固定された状態では、レーザ溶接ヘッド１２の軸線は、内管３の軸心に対して平行であるが、偏心した位置関係にある。
【００２９】
次に、図７、図８は、レーザ溶接ヘッド１２の位置決めに用いられる位置決め治具５６を示す。この実施形態では、位置決め治具５６は、短円柱を半割にした治具本体５７ａ、５７ｂを開閉できるように連結した金具である。
治具本体５７ａ、５７ｂの裏面には、円環状の溝５８が形成されており、この円環状の溝５８は、二重管１の内管３の端部に嵌合する。そして、治具本体５７ａ、５７ｂには、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０が嵌合する半割の貫通穴５９と、空圧ケーブルや電気ケーブル等が通過する半割穴６０が形成されている。治具本体５７ａ、５７ｂは、ヒンジ部３２により開閉自在に連結されている。図７は、治具本体５７ａ、５７ｂが閉じている状態を示し、図８は、治具本体５７ａ、５７ｂが開いている状態を示している。
【００３０】
治具本体５７ａ、５７ｂを閉じてクランプするために、一方の治具本体５７ｂにはクランプボルト６１が回動自在に取り付けられている。治具本体５７ａ、５７ｂには、クランプボルト６１が嵌合する締め付け部６２が形成され、ナット６３をクランプボルト６１に螺合させて締め付けることで、位置決め締め治具５６を二重管の内管３に取り付けてクランプしてレーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる（図９参照）。
【００３１】
本実施形態によるレーザ溶接装置は、以上のように構成されるものであり、次に、このレーザ溶接装置の作用効果について説明する。
まず、図９は、レーザ溶接装置１０が長い方の二重管２に収容されて固定されている状態を示す。二重伝熱管を構成する二重管１の溶接部の開先形状の関係は、次のようになっている。突き合わせ溶接される二重管同士では、一方の二重管１の外管２と内管３とでは、内管３の溶接部が少し突き出ており、他方のこれから継ぎ足す二重管１では、逆に、外管２の溶接部が出ているという関係にある（図１４参照）。
【００３２】
二重管１にレーザ溶接装置１０をセットするときには、レーザ溶接装置１０の固定機構１６の方から入れ、図９に示すように、上述した位置決め治具５６を用いてレーザ溶接ヘッド１２の一部が外に出ている状態になるようにレーザ溶接ヘッド１２は位置決めされる。こうして位置決め治具５６によって、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を決めてから、固定機構１６を作動させる。固定機構１６は、パッド２１を内管３の内周面に押し付け、固定機構１６および回転機構１４を内管３と同軸に固定する。この状態では、図１０に示されるように、レーザ溶接ヘッド１２の軸線は、内管３の中心から偏心した位置にある。
【００３３】
レーザ溶接ヘッド１２には、光ファイバー３４を通じてレーザ光が導かれる。光ファイバー３４の端面から一定の広がり角度で投射されたレーザ光は、組レンズ３１、３２によって一定の距離に集光させられ、集光の途中にある反射ミラー３３で９０度光路を曲げて、胴部ケース３０に開口している溶接ノズル３５から外に投射される。
【００３４】
回転機構１４は、サーボモータ４０により駆動してレーザ溶接ヘッド１２全体を内管３の管軸を中心に旋回させるので、レーザ光は溶接部の全周に亘って照射される。このとき、光ファイバー３４を収納する外筒ホース３６は、可撓性のあるホースである上に、外筒コネクタ３７に内蔵された軸受３８により回転自在となっているので、レーザ溶接ヘッド１２の旋回運動で外筒ホース３６が過度にねじれることを回避することができる。
【００３５】
レーザ溶接ヘッド１２では、溶接部に向かって投射されるレーザー光のピントは次のようにして調節することができる。
【００３６】
図５に示したように、本実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２では、その胴部ケース３０を偏心腕４２の円筒部４６に嵌合させ固定キャップ５０をねじ込むことで胴部ケース３０を固定している。固定キャップ５０を緩めると、胴部ケース３０は組レンズ３１、３２の光軸回りに回すことができるようになっている。
【００３７】
このため、図１１に示すように、固定キャップ５０を緩めて胴部ケース３０を回すことによって、レーザ溶接ヘッド１２を管軸中心から偏心した位置に固定して、レーザ光の照射方向を任意の向きに変えることができるようになっている。向きを調整したら、固定キャップ５０を締め付ければよい。
【００３８】
図１１において、破線で示す円は、胴部ケース３０を３６０°回したときのレーザピントの合っている点の描く軌跡を示す。
【００３９】
図１１（ａ）で示す向きにレーザビームを投射したときは、ピントが内管３の内側で結んでしまっている。そこで、さらに胴部ケース３０ごと回してレーザビームの投射方向を調整すると、図１０（ｂ）に示すように、レーザピントを内管３の内周面に合わせることができる。
【００４０】
また、図１１（ｃ）に示すように、さらに胴部ケース３０を回すと、レーザピント位置は内管３の内周面から外側に合わせることができる。
【００４１】
このようにレーザ溶接ヘッド１２の偏心位置を固定して、胴部ケース３０を左右いずれかに９０°の範囲内で回すと、おおむね、３０°から６０°の範囲で、どこかでピント位置を内管３の内周面に合わせることが可能になっているので、溶接時にレーザのピント調整を簡便に行うことができる。
【００４２】
次に、図１２は、二重管１の溶接部近傍の溶接状況を模式的に示す図である。溶接している間、溶接点からスパッタ７０が発生し周囲に飛散する。通常、スパッタ７０の大半は、矢印の方向で示されるように溶接面から垂直に二重管１の中心に向かって飛び出す。従来のレーザ溶接では、レーザ溶接ヘッド１２は二重管１の中心に位置決めされており、溶接面に対して垂直方向からレーザ照射を行うため、スパッタ７０は容易にレーザ照射ヘッド１２の溶接ノズル３５から内部に飛び込み、反射ミラー３３を損傷してしまうことが頻発した。
【００４３】
これに対して、本実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２は、二重管１の中心から偏心した位置に位置決めされているので、レーザ光軸と管内面とのなす角βは、９０度以上の鈍角になり、管内面に対してある角度で傾いた状態にある。この偏心位置からレーザビーム７２が管内面に対して斜めに照射されると、スパッタ７０の飛ぶ方向には、溶接ノズル３５は位置していないので、スパッタ７０の飛び込みによる反射ミラー３３の損傷リスクを低減させることができる。
【００４４】
次に、図１３は、レーザ溶接ヘッド１２が旋回したときの二重管１の溶接部で溶融状態を示す模式図である。この図１３において、参照番号７４は既溶接領域、７５は未溶接領域である。なお、二重管１は分かりやすくするために直線的に描かれている。
【００４５】
レーザ溶接ヘッド１２は、二重管１の中心から偏心した位置に固定され、この位置からピントを合わせているので、レーザビーム７２は二重管１の内管３の溶接面に対して斜めに入射する。この姿勢で、レーザ溶接ヘッド１２が図１２において鈍角βの方向に旋回するにしたがって、レーザビーム７２は矢印方向に移動しながら二重管１の内面を周方向に溶接していく。
【００４６】
レーザビーム７２が溶接面に照射されると、まず、内管３の外周面から溶融が始まり、図１３に示されるように、溶融池７６が内管３の内周面に向かって斜めに拡がるように形成される。この場合、レーザビーム７２が傾いているので、溶融する箇所も斜めにレーザビームの移動する方向とは反対側に少しずつずれるようになる。
【００４７】
従来のレーザ溶接では、溶接面に対して垂直にレーザビーム７２が入射するので、ガスが抜ける方向に溶融する箇所が集中するので、ガスは抜け難くなりやすい。
これに対して、本実施形態のように、溶接面に対して斜めにレーザビーム７２を入射させると、溶接部で発生するガス７７が抜け易すいように溶融池７６は形成されるので、ブローホールの発生リスクを低減させることができる。
【００４８】
次に、以上説明したレーザ溶接装置を用いて、二重管を接合するレーザ溶接方法について説明する。
溶接される前の一本の二重管１の長さは、１０ｍから２０ｍ程度である。高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される伝熱管の製造では、二重管１同士に突き合せ溶接を実施しながら、長尺な伝熱管につなげていく。突き合せ溶接を続けていくと、二重管１はどんどん長くなっていき、最終的には１本が数十、数百ｍにもなる。
【００４９】
以下、レーザ溶接方法の工程を順を追って説明する。
【００５０】
レーザ溶接ヘッド１２の調整
この調整作業は、レーザ溶接ヘッド１２を二重管１に入れる前に実施する。まず最初に、二重管１の内管３の内径を計測する。そして図１１に示したように、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０を手動で回すことにより、反射ミラー３３の捻り角度を調整して、内管３の内面面にレーザスポットが正確に合うように、照射ノズル３５から照射点までの距離（ワークディスタンス距離）を修正する。
【００５１】
レーザスポットの照射位置、ピント確認
次に、図９において、レーザ溶接ヘッド１２に位置決め治具５６を取り付けておく。そして、溶接する二重管のうち、長い方の二重管１Ａ（継ぎ足される方の管）の中に、固定機構１６の方から入れ、レーザ溶接ヘッド１２に取り付けてある位置決め治具５６を内管３の端面に嵌合させる。
【００５２】
そこで、図１０に示すように、固定機構１６を作動させて、パッド２１を内管３の内面に押し付けることで、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を固定することができる。固定が完了した後、位置決め治具５６を取り外す。
【００５３】
こうしてレーザ溶接装置１０全体の固定が終わったら、次のようにして、レーザスポットの照射位置、ピント状態の確認を行う。
回転機構１４を作動させサーボモータ４０でレーザ溶接ヘッド１２を旋回させながら、光ファイバー３４に赤色レーザなどの可視光を通し、内管３の内面に向けてレーザ照射を行う。その際、目視によって、レーザスポットの位置が内管３の端部の被溶接部にあるかどうか、ピントが合っているかどうか、を確認する。ピント状態が不整合であれば、レーザ溶接装置１０の固定を解除して内管３から取り出し、最初に戻って、反射ミラー３３の捻り角度の再調整を行う。レーザスポットの照射位置が不整合であれば、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０に対する位置決め治具５６の取り付け位置を再調整する。
【００５４】
レーザスポットの照射位置、ピント状態が正常であることが目視により確認されたら、一旦、レーザ溶接装置１０を固定機構１４による固定状態から開放し、内管３から取り出す。
【００５５】
二重管の予熱
次に、図１４において、長い方の二重管１Ａの内管３の端部から、レーザ溶接装置１０の代わりに、予熱器具８０として電磁誘導コイルや予熱ヒータなどを差し込み、管内面を約２５０℃まで予熱するための準備を行う。これと同時に溶接する相手方の短い二重管１Ｂの端部からも予熱器具８２として電磁誘導コイルや予熱ヒータを差し込んでおく。このとき、短い方の二重管１Ｂの溶接端部とは反対側からレーザ溶接装置１０を管内に入れ、溶接端部より１ｍ程度に近づいた位置まで固定機構１４を接近させておくことが好ましい。この状態で、二重管１Ａ、１Ｂのお互いの溶接する管端部を突き合わせの向きにして、Ｖブロック等を用いて一直線上に並べてお互いに接近させ、この状態で、二重管１Ａ、１Ｂの溶接部である管端部の予熱を行う。この予熱を効果的に行うために、二重管１Ａ、１Ｂの外側を断熱材で覆ったり、管端部を断熱ケースで覆うなどして、予熱過程での放熱を防止する措置を併用するようにしてもよい。
【００５６】
このようにして二重管１Ａ、１Ｂの被溶接部を予熱する間、レーザ溶接ヘッド１２は、短い方の二重管１Ｂの内管３の中で予熱器具８０、８２から退避した位置にあり、二重管１Ａ、１Ｂの予熱の際にレーザ溶接ヘッド１２が加熱されることはない。このため、レーザ溶接ヘッド１２をほぼ常温の状態にして、レーザ溶接を行うことができる。
【００５７】
こうして二重管の管端部の内面が、この実施形態の場合、約２５０℃程度まで過熱されたら、素早く予熱器具８０、８２を取り外す。
レーザ溶接
次に、予熱器具８０、８２を取り外した後に、直ちに、短い方の二重管１Ｂの溶接しない方の管端部から外筒ホース３６を送り込むことで、外筒ホース３６と繋がっているレーザ溶接装置１０を長い方の二重管１Ａの内管３の中に押し込み、図１５に示されるように、位置決め治具５６をレーザ溶接ヘッド１２に取り付けてから、固定機構１６を作動させて、パッド２１を内管３の内周面に押し付け、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を固定する。
【００５８】
レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置決めを完了後ただちに、位置決め治具５６をレーザ溶接ヘッド１２から取り外し、図１６に示されるように、二重管１Ａ、１Ｂのお互いの端部を合わせ、適当な図示しない金具によって固定する。
【００５９】
固定完了後、回転機構１４のサーボモータ４０を起動させ、レーザ溶接ヘッド１２を二重管内部で一回転以上旋回させながら、図１２、図１３に示したようにレーザビームを溶接部に照射し、レーザ溶接を実行する。
【００６０】
レーザ溶接が終了したら、固定機構１４による固定を解除し、外筒ホース３６を手繰り寄せてレーザ溶接装置１０を管内から回収する。
【００６１】
以上のようにレーザ溶接装置１０を利用することにより、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる機構を二重管の外に配置することなく、また、継ぎ足していく管の長さに影響を受けることなく二重管の溶接を効率良く行うことができる。
【００６２】
以上、本発明に係るレーザ溶接装置について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、高速増殖炉の蒸気発生器等に利用される二重伝熱管だけでなく、原子炉で利用される二重管あるいは管をつなげていく溶接一般に適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１…二重管、２…外管、３…内管、４…組網線、１０…レーザ溶接装置、１２…レーザ溶接ヘッド、１４…回転機構、１６…固定機構、２１…パッド、３０…胴部ケース、３１，３２…組みレンズ、３３…反射ミラー、３４…光ファイバー、３５…溶接ノズル、３６…外筒ホース、３７…外筒コネクタ、４０…サーボモータ、４２…偏心腕、５０…固定キャップ、５６…位置決め治具
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ溶接に関し、特に、高速増殖炉の蒸気発生器等に使用される二重伝熱管を接合するためのレーザ溶接方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の蒸気発生器では、伝熱管として二重伝熱管が用いられている。この二重伝熱管は、同軸の内管と外管とから構成されており、内管と外管の隙間には網状の組網線が挟み込まれている。この内管と外管の隙間には内管または外管の破損を検知するためのヘリウムガスが流されており、ヘリウムガス濃度の上昇により破損を検出することができる。
このような二重伝熱管では、単位となる１本の管は、長さ１０ｍから２０ｍという長尺な管である。蒸気発生器に用いるためには、複数本の管を溶接により継ぎ足している。
【０００３】
二重伝熱管の溶接では、上述したように内管と外管の隙間に組網線が挟み込まれているので、ヘリウムガスの通気性を確保するためには隙間を塞がないように溶接する必要があり、高度な溶接技術が要求される。
【０００４】
また、最近では、二重管の材料にも改良が加えられており、特に、高速増殖炉の蒸気発生器用の二重伝熱管には、改良9Cr−1Mo鋼を材料とする二重伝熱管の適用が検討されている。溶接方法としては、例えば、レーザを用いた接合方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３４３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の二重伝熱管のレーザ溶接技術では、以下のような問題点が残されている。
【０００７】
まず第１の問題として、二重伝熱管を管延長する実際の溶接接合工程では、一本の管自体が１０ｍから２０ｍという長さがあるため、レーザ溶接ヘッドを回転させるためにヘッド回転機構を管の外に配置しなければならない。従来のレーザ溶接装置では、長い回転軸が必要となり、取り扱い難く、動作精度の保証も困難となる。
【０００８】
第２の問題点として、二重伝熱管では、製造上の理由により管の内径には製作誤差(凡そ内径２０mmに対して１．５mm程度の誤差)を有しており、この誤差はレーザのデフォーカス余裕度の範囲を超えており、レーザのピントを調整できる機構がなければ溶接できないという問題がある。
【０００９】
第３の問題点として、レーザ溶接時にはスパッタが発生し、これがレーザ溶接ヘッドに飛び込み、反射ミラーに付着して、反射ミラーを損傷させるという問題がある。特に、小口径の二重伝熱管の管内溶接では、スパッタによる反射ミラー損傷のリスクが高い。
【００１０】
第４の問題点として、二重伝熱管の材料に使用されている改良9Cr−1Mo鋼は、レーザ溶接時に熱影響部が硬化しやすく、溶接開始前に溶接部周辺の温度が２５０℃程度まで昇温していることが必要となる。このため、予熱を施すことが必要不可欠となる。実際には、二重伝熱管の表面に予熱ヒータを巻き付けて予熱作業を行うことになるが、二重伝熱管の加熱と同時に管内にあるレーザ溶接ヘッドも加熱されてしまう結果、レーザ溶接ヘッドに悪影響を与えるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、管外に回転機構を配置することなく、しかも管の長さに影響を受けることなく二重管の溶接を行えるようにしたレーザ溶接方法及び装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、溶接時にレーザのピント調整を簡便に行え、また、溶接スパッタのレーザヘッドへの飛び込みを防止できるようにしたレーザ溶接装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、二重管の予熱の際にレーザ溶接ヘッドが加熱されることなく、レーザ溶接ヘッドがほぼ常温の状態での溶接を実現できるようにしたレーザ溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本発明は、管と管の端部を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接装置において、光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、前記回転機構と同軸に連結される胴部に格納される固定用の複数のパッドを前記管の内周面に対して押し付け、前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する固定機構と、を具備したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、管と管の端部同士を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接方法において、光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、前記回転機構と同軸に連結される胴部に内蔵される固定用の複数のパッドを前記管の内周面に対して押し付け、前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めする固定機構と、を有するレーザ溶接装置を準備する工程と、前記レーザ溶接装置を一方の管の中の管端部近くに収容し、前記固定機構によって前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する工程と、前記レーザ溶接ヘッドから管の内周面にレーザ光照射の試行を行い、レーザスポットの照射位置、ピント状態を調整する工程と、前記固定機構を開放して前記レーザ溶接装置を他方の管に退避させ、管同士を突き合わせの向きに接近させ、管端部の予熱を行う工程と、前記レーザ溶接装置を他方の管から一方の管に押し込み、前記固定機構によってレーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めし、両方の管を突き合わせ、前記回転機構により前記レーザヘッドを旋回させながらレーザ光を溶接部の内周面に照射してレーザ溶接を行う工程と、溶接終了後に管内からレーザ溶接装置を回収する工程と、からなることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置が二重管の管内に収容されている状態を示す縦断面図である。
【図２】同レーザ溶接装置の構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置の備える固定機構を示す横断面図である。
【図４】図３のレーザ溶接装置の固定機構が作動した状態を示す横断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドの構成を示す縦断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドの他の構成を示す縦断面図である。
【図７】レーザ溶接ヘッドの位置決めに用いる位置決め治具を示す平面図である。
【図８】図７の位置決め治具が開いた状態を示す平面図である。
【図９】レーザ溶接ヘッドに位置決め軸を取り付け、レーザ溶接装置を二重管の中に入れた状態を示す縦断面図である。
【図１０】レーザ溶接ヘッドに位置決め軸を取り付け、レーザ溶接装置を二重管の中に入れて固定機構を作動させた状態を示す縦断面図である。
【図１１】レーザ溶接ヘッドにおけるピント調整の作用を説明する図である。
【図１２】二重管の内面にレーザ光を照射した状況を説明する図である。
【図１３】二重管の内面にレーザ光を照射したときの溶融状況を説明する図である。
【図１４】二重管を溶接する前に予熱する工程を示す縦断面図である。
【図１５】二重管を溶接するために、レーザ溶接装置をセットした状況を示す縦断面図である。
【図１６】二重管を溶接するときの状況を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明によるレーザ溶接方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、二重管内に配置されている本実施形態によるレーザ溶接装置を示す断面図である。この図１において、参照番号１は、二重管を示し、参照番号１０は、レーザ溶接装置を示している。図２は、レーザ溶接装置１０の構成を示す断面図である。
二重伝熱管１は、外管２と内管３が同軸になった二重管で、外管２と内管３の間には、組網線４が挟さみ込まれている。
【００１８】
レーザ溶接装置１０は、二重管１を継ぎ足しながら延長して高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される二重伝熱管の突き合わせ溶接に用いられる。
【００１９】
このレーザ溶接装置１０は、大きく分けると、レーザ溶接ヘッド１２と、このレーザ溶接ヘッド１２を内管３の内周面にそって周方向に旋回させる回転機構１４と、レーザ溶接装置１０の本体部を二重伝熱管１の管内に固定するための固定機構１６と、から構成されている。
【００２０】
まず、固定機構１６について、図１乃至図４を参照して説明する。
この固定機構１６は、駆動源であるエアシリンダ１８と、胴部を構成する円筒状の外側フレーム２０と、パッド２１を含む。エアシリンダ１８は、外側フレーム２０の内側で、軸線上に配置されているシャフト２２と連結されている。このエアシリンダ１８は、シャフト２２を軸方向に移動させることで、外側フレーム２０からパッド２１を半径方向に押し出したり、外側フレーム２０に引き込んだりすることができる。
【００２１】
図３は、固定機構１６の横断面を示す。この実施形態では、３つのパッド２１が等配に１２０°ずつ点対称に配置されている。シャフト２２には、それぞれパッド２１を支持する支持脚２４が取り付けられている。この支持脚２４は、前側と後ろ側で対をなしており、これらの対は３組分等ピッチに３等配割で取り付けられている。
【００２２】
図２に示されるように、支持脚２４の先端部には、パッド２１を半径方向に押し出し、あるいは引き込むためのカム機構を構成するピン２５が取り付けられている。パッド２１には、二重伝熱管１の軸方向に対して傾斜する傾斜溝２６が前後２箇所に形成されている。ピン２５は、傾斜溝２６を形成する外側カム面２６ａと内側カム面２６ｂとの両方の面を摺動可能である。
【００２３】
図３では、３個あるパッド２１が外側フレーム２０の内部に引き込まれた状態を示している。１つ１つのパッド２１は対をなす２本の支持脚２４に挟まれるようにしてピン２５を介して支持されている。外側フレーム２０の側面には、長方形の貫通穴２８が１２０°対称に３箇所形成されている。この貫通穴２８は、穴の長手方向の寸法がパッド２１の長手方向の寸法と対応しており、穴の幅は２本の支持脚２４の幅と対応している。
【００２４】
図４に示すように、エアシリンダ１８が作動してシャフト２２が前進すると、ピン２５は傾斜溝２６の外側カム面２６ａを摺動するので、パッド２１は半径方向に突き出され内管３の内周面に押し付けられることなる。逆に、エアシリンダ１８によりシャフト２２が後退すると、ピン２５は傾斜溝２６の内側カム面２６ｂを摺動するので、パッド２１は外側フレーム２０の内側に引き込まれることになる（図３参照）。
【００２５】
次に、図２、図５を参照してレーザ溶接ヘッド１２について説明する。
このレーザ溶接ヘッド１２は、溶接ヘッドの本体を構成する胴部ケース３０を含む。この胴部ケース３０の内部には、２枚一組の組レンズ３１、３２（組レンズ３１、３２に替えて単体レンズが用いられる場合もある。）と反射ミラー３３が設けられている。レーザ光はレーザ溶接ヘッド１２に光ファイバー３４を用いて導かれ、組レンズ３１、３２によって集光されてから、反射ミラー３３で反射して溶接ノズル３５から照射される。光ファイバー３４は、外筒ホース３６に収納されている。この外筒ホース３６は柔軟性の高い材料で形成されて撓むことができるようになっている。外筒ホース３６の端部は、外筒コネクタ３７を介して胴部ケース３０と接続されている。この場合、外筒コネクタ３７と胴部ケース３０の間に軸受３８が介装されており、外筒コネクタ３７は回転可能に胴部ケース３０に接続されている。
【００２６】
図６は、レーザ溶接ヘッド１２における光学系をレンズ３１、３２と反射ミラー３３の組み合わせに替えて、非球面反射ミラー３９によって構成した例を示す。非球面反射ミラー３９を用いることで、レーザ溶接ヘッド１２ の長さを短くできる利点がある。
【００２７】
以上のようなレーザ溶接ヘッド１２は、回転機構１４を介して固定機構１６と連結されている。
図２において、回転機構１４は、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる駆動源であるサーボモータ４０と、レーザ溶接ヘッド１２を支持する偏心腕４２と、を含む。
図５に示すように、偏心腕４２は、軸部４３と、この軸部から半径方向に直角に延びるフレーム部４４とから構成されている。サーボモータ４０と連結されている減速機の出力軸４０ａは、軸部４３に嵌合させて連結されており、この軸部４３はサーボモータ４０のハウジング４１に軸受４５を介して回転自在に支持されている。
【００２８】
フレーム部４４には、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０が嵌合する円筒部４６が設けられている。胴部ケース３０の端部付近の外周部には、雄ねじ４８が形成されている。固定キャップ５０は、レーザ溶接ヘッド１２をフレーム部４４に固定する部材であって、内径部には、雄ねじ４８に螺合する雌ねじ５１が形成されている。この場合、円筒部４６の外周面にはテーパが形成されている。したがって、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０を円筒部４６に差し込み、固定キャップ５０をねじ込むことにより、くさび作用が効いて、レーザ溶接ヘッド１２を固定できるようになっている。レーザ溶接ヘッド１２がフレーム部４４に固定された状態では、レーザ溶接ヘッド１２の軸線は、内管３の軸心に対して平行であるが、偏心した位置関係にある。
【００２９】
次に、図７、図８は、レーザ溶接ヘッド１２の位置決めに用いられる位置決め治具５６を示す。この実施形態では、位置決め治具５６は、短円柱を半割にした治具本体５７ａ、５７ｂを開閉できるように連結した金具である。
治具本体５７ａ、５７ｂの裏面には、円環状の溝５８が形成されており、この円環状の溝５８は、二重管１の内管３の端部に嵌合する。そして、治具本体５７ａ、５７ｂには、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０が嵌合する半割の貫通穴５９と、空圧ケーブルや電気ケーブル等が通過する半割穴６０が形成されている。治具本体５７ａ、５７ｂは、ヒンジ部３２により開閉自在に連結されている。図７は、治具本体５７ａ、５７ｂが閉じている状態を示し、図８は、治具本体５７ａ、５７ｂが開いている状態を示している。
【００３０】
治具本体５７ａ、５７ｂを閉じてクランプするために、一方の治具本体５７ｂにはクランプボルト６１が回動自在に取り付けられている。治具本体５７ａ、５７ｂには、クランプボルト６１が嵌合する締め付け部６２が形成され、ナット６３をクランプボルト６１に螺合させて締め付けることで、位置決め締め治具５６を二重管の内管３に取り付けてクランプしてレーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる（図９参照）。
【００３１】
本実施形態によるレーザ溶接装置は、以上のように構成されるものであり、次に、このレーザ溶接装置の作用効果について説明する。
まず、図９は、レーザ溶接装置１０が長い方の二重管２に収容されて固定されている状態を示す。二重伝熱管を構成する二重管１の溶接部の開先形状の関係は、次のようになっている。突き合わせ溶接される二重管同士では、一方の二重管１の外管２と内管３とでは、内管３の溶接部が少し突き出ており、他方のこれから継ぎ足す二重管１では、逆に、外管２の溶接部が出ているという関係にある（図１４参照）。
【００３２】
二重管１にレーザ溶接装置１０をセットするときには、レーザ溶接装置１０の固定機構１６の方から入れ、図９に示すように、上述した位置決め治具５６を用いてレーザ溶接ヘッド１２の一部が外に出ている状態になるようにレーザ溶接ヘッド１２は位置決めされる。こうして位置決め治具５６によって、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を決めてから、固定機構１６を作動させる。固定機構１６は、パッド２１を内管３の内周面に押し付け、固定機構１６および回転機構１４を内管３と同軸に固定する。この状態では、図１０に示されるように、レーザ溶接ヘッド１２の軸線は、内管３の中心から偏心した位置にある。
【００３３】
レーザ溶接ヘッド１２には、光ファイバー３４を通じてレーザ光が導かれる。光ファイバー３４の端面から一定の広がり角度で投射されたレーザ光は、組レンズ３１、３２によって一定の距離に集光させられ、集光の途中にある反射ミラー３３で９０度光路を曲げて、胴部ケース３０に開口している溶接ノズル３５から外に投射される。
【００３４】
回転機構１４は、サーボモータ４０により駆動してレーザ溶接ヘッド１２全体を内管３の管軸を中心に旋回させるので、レーザ光は溶接部の全周に亘って照射される。このとき、光ファイバー３４を収納する外筒ホース３６は、可撓性のあるホースである上に、外筒コネクタ３７に内蔵された軸受３８により回転自在となっているので、レーザ溶接ヘッド１２の旋回運動で外筒ホース３６が過度にねじれることを回避することができる。
【００３５】
レーザ溶接ヘッド１２では、溶接部に向かって投射されるレーザー光のピントは次のようにして調節することができる。
【００３６】
図５に示したように、本実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２では、その胴部ケース３０を偏心腕４２の円筒部４６に嵌合させ固定キャップ５０をねじ込むことで胴部ケース３０を固定している。固定キャップ５０を緩めると、胴部ケース３０は組レンズ３１、３２の光軸回りに回すことができるようになっている。
【００３７】
このため、図１１に示すように、固定キャップ５０を緩めて胴部ケース３０を回すことによって、レーザ溶接ヘッド１２を管軸中心から偏心した位置に固定して、レーザ光の照射方向を任意の向きに変えることができるようになっている。向きを調整したら、固定キャップ５０を締め付ければよい。
【００３８】
図１１において、破線で示す円は、胴部ケース３０を３６０°回したときのレーザピントの合っている点の描く軌跡を示す。
【００３９】
図１１（ａ）で示す向きにレーザビームを投射したときは、ピントが内管３の内側で結んでしまっている。そこで、さらに胴部ケース３０ごと回してレーザビームの投射方向を調整すると、図１０（ｂ）に示すように、レーザピントを内管３の内周面に合わせることができる。
【００４０】
また、図１１（ｃ）に示すように、さらに胴部ケース３０を回すと、レーザピント位置は内管３の内周面から外側に合わせることができる。
【００４１】
このようにレーザ溶接ヘッド１２の偏心位置を固定して、胴部ケース３０を左右いずれかに９０°の範囲内で回すと、おおむね、３０°から６０°の範囲で、どこかでピント位置を内管３の内周面に合わせることが可能になっているので、溶接時にレーザのピント調整を簡便に行うことができる。
【００４２】
次に、図１２は、二重管１の溶接部近傍の溶接状況を模式的に示す図である。溶接している間、溶接点からスパッタ７０が発生し周囲に飛散する。通常、スパッタ７０の大半は、矢印の方向で示されるように溶接面から垂直に二重管１の中心に向かって飛び出す。従来のレーザ溶接では、レーザ溶接ヘッド１２は二重管１の中心に位置決めされており、溶接面に対して垂直方向からレーザ照射を行うため、スパッタ７０は容易にレーザ照射ヘッド１２の溶接ノズル３５から内部に飛び込み、反射ミラー３３を損傷してしまうことが頻発した。
【００４３】
これに対して、本実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２は、二重管１の中心から偏心した位置に位置決めされているので、レーザ光軸と管内面とのなす角βは、９０度以上の鈍角になり、管内面に対してある角度で傾いた状態にある。この偏心位置からレーザビーム７２が管内面に対して斜めに照射されると、スパッタ７０の飛ぶ方向には、溶接ノズル３５は位置していないので、スパッタ７０の飛び込みによる反射ミラー３３の損傷リスクを低減させることができる。
【００４４】
次に、図１３は、レーザ溶接ヘッド１２が旋回したときの二重管１の溶接部で溶融状態を示す模式図である。この図１３において、参照番号７４は既溶接領域、７５は未溶接領域である。なお、二重管１は分かりやすくするために直線的に描かれている。
【００４５】
レーザ溶接ヘッド１２は、二重管１の中心から偏心した位置に固定され、この位置からピントを合わせているので、レーザビーム７２は二重管１の内管３の溶接面に対して斜めに入射する。この姿勢で、レーザ溶接ヘッド１２が図１２において鈍角βの方向に旋回するにしたがって、レーザビーム７２は矢印方向に移動しながら二重管１の内面を周方向に溶接していく。
【００４６】
レーザビーム７２が溶接面に照射されると、まず、内管３の外周面から溶融が始まり、図１３に示されるように、溶融池７６が内管３の内周面に向かって斜めに拡がるように形成される。この場合、レーザビーム７２が傾いているので、溶融する箇所も斜めにレーザビームの移動する方向とは反対側に少しずつずれるようになる。
【００４７】
従来のレーザ溶接では、溶接面に対して垂直にレーザビーム７２が入射するので、ガスが抜ける方向に溶融する箇所が集中するので、ガスは抜け難くなりやすい。
これに対して、本実施形態のように、溶接面に対して斜めにレーザビーム７２を入射させると、溶接部で発生するガス７７が抜け易すいように溶融池７６は形成されるので、ブローホールの発生リスクを低減させることができる。
【００４８】
次に、以上説明したレーザ溶接装置を用いて、二重管を接合するレーザ溶接方法について説明する。
溶接される前の一本の二重管１の長さは、１０ｍから２０ｍ程度である。高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される伝熱管の製造では、二重管１同士に突き合せ溶接を実施しながら、長尺な伝熱管につなげていく。突き合せ溶接を続けていくと、二重管１はどんどん長くなっていき、最終的には１本が数十、数百ｍにもなる。
【００４９】
以下、レーザ溶接方法の工程を順を追って説明する。
【００５０】
レーザ溶接ヘッド１２の調整
この調整作業は、レーザ溶接ヘッド１２を二重管１に入れる前に実施する。まず最初に、二重管１の内管３の内径を計測する。そして図１１に示したように、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０を手動で回すことにより、反射ミラー３３の捻り角度を調整して、内管３の内面面にレーザスポットが正確に合うように、照射ノズル３５から照射点までの距離（ワークディスタンス距離）を修正する。
【００５１】
レーザスポットの照射位置、ピント確認
次に、図９において、レーザ溶接ヘッド１２に位置決め治具５６を取り付けておく。そして、溶接する二重管のうち、長い方の二重管１Ａ（継ぎ足される方の管）の中に、固定機構１６の方から入れ、レーザ溶接ヘッド１２に取り付けてある位置決め治具５６を内管３の端面に嵌合させる。
【００５２】
そこで、図１０に示すように、固定機構１６を作動させて、パッド２１を内管３の内面に押し付けることで、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を固定することができる。固定が完了した後、位置決め治具５６を取り外す。
【００５３】
こうしてレーザ溶接装置１０全体の固定が終わったら、次のようにして、レーザスポットの照射位置、ピント状態の確認を行う。
回転機構１４を作動させサーボモータ４０でレーザ溶接ヘッド１２を旋回させながら、光ファイバー３４に赤色レーザなどの可視光を通し、内管３の内面に向けてレーザ照射を行う。その際、目視によって、レーザスポットの位置が内管３の端部の被溶接部にあるかどうか、ピントが合っているかどうか、を確認する。ピント状態が不整合であれば、レーザ溶接装置１０の固定を解除して内管３から取り出し、最初に戻って、反射ミラー３３の捻り角度の再調整を行う。レーザスポットの照射位置が不整合であれば、レーザ溶接ヘッド１２の胴部ケース３０に対する位置決め治具５６の取り付け位置を再調整する。
【００５４】
レーザスポットの照射位置、ピント状態が正常であることが目視により確認されたら、一旦、レーザ溶接装置１０を固定機構１４による固定状態から開放し、内管３から取り出す。
【００５５】
二重管の予熱
次に、図１４において、長い方の二重管１Ａの内管３の端部から、レーザ溶接装置１０の代わりに、予熱器具８０として電磁誘導コイルや予熱ヒータなどを差し込み、管内面を約２５０℃まで予熱するための準備を行う。これと同時に溶接する相手方の短い二重管１Ｂの端部からも予熱器具８２として電磁誘導コイルや予熱ヒータを差し込んでおく。このとき、短い方の二重管１Ｂの溶接端部とは反対側からレーザ溶接装置１０を管内に入れ、溶接端部より１ｍ程度に近づいた位置まで固定機構１４を接近させておくことが好ましい。この状態で、二重管１Ａ、１Ｂのお互いの溶接する管端部を突き合わせの向きにして、Ｖブロック等を用いて一直線上に並べてお互いに接近させ、この状態で、二重管１Ａ、１Ｂの溶接部である管端部の予熱を行う。この予熱を効果的に行うために、二重管１Ａ、１Ｂの外側を断熱材で覆ったり、管端部を断熱ケースで覆うなどして、予熱過程での放熱を防止する措置を併用するようにしてもよい。
【００５６】
このようにして二重管１Ａ、１Ｂの被溶接部を予熱する間、レーザ溶接ヘッド１２は、短い方の二重管１Ｂの内管３の中で予熱器具８０、８２から退避した位置にあり、二重管１Ａ、１Ｂの予熱の際にレーザ溶接ヘッド１２が加熱されることはない。このため、レーザ溶接ヘッド１２をほぼ常温の状態にして、レーザ溶接を行うことができる。
【００５７】
こうして二重管の管端部の内面が、この実施形態の場合、約２５０℃程度まで過熱されたら、素早く予熱器具８０、８２を取り外す。
レーザ溶接
次に、予熱器具８０、８２を取り外した後に、直ちに、短い方の二重管１Ｂの溶接しない方の管端部から外筒ホース３６を送り込むことで、外筒ホース３６と繋がっているレーザ溶接装置１０を長い方の二重管１Ａの内管３の中に押し込み、図１５に示されるように、位置決め治具５６をレーザ溶接ヘッド１２に取り付けてから、固定機構１６を作動させて、パッド２１を内管３の内周面に押し付け、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を固定する。
【００５８】
レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置決めを完了後ただちに、位置決め治具５６をレーザ溶接ヘッド１２から取り外し、図１６に示されるように、二重管１Ａ、１Ｂのお互いの端部を合わせ、適当な図示しない金具によって固定する。
【００５９】
固定完了後、回転機構１４のサーボモータ４０を起動させ、レーザ溶接ヘッド１２を二重管内部で一回転以上旋回させながら、図１２、図１３に示したようにレーザビームを溶接部に照射し、レーザ溶接を実行する。
【００６０】
レーザ溶接が終了したら、固定機構１４による固定を解除し、外筒ホース３６を手繰り寄せてレーザ溶接装置１０を管内から回収する。
【００６１】
以上のようにレーザ溶接装置１０を利用することにより、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる機構を二重管の外に配置することなく、また、継ぎ足していく管の長さに影響を受けることなく二重管の溶接を効率良く行うことができる。
【００６２】
以上、本発明に係るレーザ溶接装置について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、高速増殖炉の蒸気発生器等に利用される二重伝熱管だけでなく、原子炉で利用される二重管あるいは管をつなげていく溶接一般に適用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１…二重管、２…外管、３…内管、４…組網線、１０…レーザ溶接装置、１２…レーザ溶接ヘッド、１４…回転機構、１６…固定機構、２１…パッド、３０…胴部ケース、３１，３２…組みレンズ、３３…反射ミラー、３４…光ファイバー、３５…溶接ノズル、３６…外筒ホース、３７…外筒コネクタ、４０…サーボモータ、４２…偏心腕、５０…固定キャップ、５６…位置決め治具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管と管の端部を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接装置において、
光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、
前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、
前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する固定機構と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記回転機構は、前記回転軸に連結され前記レーザ溶接ヘッドを回転軸から偏心した位置に支持する偏心腕と、前記レーザ溶接ヘッドの反射ミラーで反射するレーザ光の反射方向を光学系の光軸回りに回転させて任意の方向に変え、ピントを調整可能なピント調整手段とを備えた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】
前記ピント調整手段は、前記反射ミラー、レンズが収容される胴部ケースの端部に形成した雄ねじと、前記胴部ケースの雄ねじに螺合する雌ねじを有し、偏心腕に前記胴部ケースを固定する固定キャップからなることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記胴部ケースに接続される光ファイバーは、可撓性のある外筒に収納され、前記外筒は、軸受を有する継手を介して回転可能に前記胴部ケースに接続されたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記固定機構は、駆動源の直動アクチュエータと、
前記胴部の中心軸に関して等ピッチで等配割りに配置され、それぞ前記パッドが取り付けられた複数の支持脚と、
前記直動アクチュエータの管軸方向の進退運動を前記管軸と垂直の方向に前記支持脚の管内周面に対する進退運動に変換する運動変換部と、
を備えた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６】
前記レーザ溶接ヘッドが嵌合する穴を有し、前記レーザ溶接ヘッドを保持する一対の半割構造の治具本体を有し、溶接対象の管の端部に着脱自在に嵌合して前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めする位置決め治具をさらに備えた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７】
前記レーザ溶接ヘッドの光学系には、レンズと反射ミラーの代わりに、１つの非球面反射ミラーによって構成された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８】
管と管の端部同士を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接方法において、
光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めする固定機構と、を有するレーザ溶接装置を準備する工程と、
前記レーザ溶接装置を一方の管の中の管端部近くに収容し、前記固定機構によって前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する工程と、
前記レーザ溶接ヘッドから管の内周面にレーザ光照射の試行を行い、レーザスポットの照射位置、ピント状態を調整する工程と、
前記固定機構を開放して前記レーザ溶接装置を他方の管に退避させ、管同士を突き合わせの向きに接近させ、管端部の予熱を行う工程と、
前記レーザ溶接装置を他方の管から一方の管に押し込み、前記固定機構によってレーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めし、両方の管を突き合わせ、前記回転機構により前記レーザヘッドを旋回させながらレーザ光を溶接部の内周面に照射してレーザ溶接を行う工程と、
溶接終了後に管内からレーザ溶接装置を回収する工程と、
からなることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】
溶接面と入射するレーザ光とがなす角が鈍角となっている方向に、前記レーザ溶接ヘッドを旋回させながら、突き合わせ溶接を行うことを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１０】
前記レーザ溶接装置を管に固定する前に、前記管の内径を計測し、レーザ溶接ヘッドの照射ノズルから照射点までの距離を調整し、前記レーザ溶接ヘッドの反射ミラーで反射するレーザ光の反射方向を光学系の光軸回りに回転させて任意の方向に変えピントをあらかじめ調整しておくことを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１１】
前記前記レーザ溶接ヘッドが嵌合する穴を有し、前記レーザ溶接ヘッドを保持する一対の半割構造の位置決め治具を用い、前記レーザ溶接ヘッドからの照射点が溶接部に位置するように管軸方向の位置決めすることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１２】
前記管は、内管と外管の隙間に網状の組網線が挟み込まれた高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される二重管であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかの項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１】
管と管の端部を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接装置において、
光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、
前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、
前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する固定機構と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記回転機構は、前記回転軸に連結され前記レーザ溶接ヘッドを回転軸から偏心した位置に支持する偏心腕と、前記レーザ溶接ヘッドの反射ミラーで反射するレーザ光の反射方向を光学系の光軸回りに回転させて任意の方向に変え、ピントを調整可能なピント調整手段とを備えた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】
前記ピント調整手段は、前記反射ミラー、レンズが収容される胴部ケースの端部に形成した雄ねじと、前記胴部ケースの雄ねじに螺合する雌ねじを有し、偏心腕に前記胴部ケースを固定する固定キャップからなることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記胴部ケースに接続される光ファイバーは、可撓性のある外筒に収納され、前記外筒は、軸受を有する継手を介して回転可能に前記胴部ケースに接続されたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記固定機構は、駆動源の直動アクチュエータと、
前記胴部の中心軸に関して等ピッチで等配割りに配置され、それぞ前記パッドが取り付けられた複数の支持脚と、
前記直動アクチュエータの管軸方向の進退運動を前記管軸と垂直の方向に前記支持脚の管内周面に対する進退運動に変換する運動変換部と、
を備えた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６】
前記レーザ溶接ヘッドが嵌合する穴を有し、前記レーザ溶接ヘッドを保持する一対の半割構造の治具本体を有し、溶接対象の管の端部に着脱自在に嵌合して前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めする位置決め治具をさらに備えた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７】
前記レーザ溶接ヘッドの光学系には、レンズと反射ミラーの代わりに、１つの非球面反射ミラーによって構成された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８】
管と管の端部同士を突き合わせ、管の内部から該管の内周面にレーザ光を照射して突き合わせ溶接を行うレーザ溶接方法において、
光ファイバーで導いたレーザ光を反射ミラーで反射させて溶接対象物の管の内周面に照射する光学系を有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管軸に対して前記レーザ溶接ヘッドの軸線が偏心した位置に該レーザ溶接ヘッドを支持し、前記管軸上にある回転軸回りに前記レーザ溶接ヘッドを旋回させる回転機構と、前記胴部を管軸と同軸に固定するとともに前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めする固定機構と、を有するレーザ溶接装置を準備する工程と、
前記レーザ溶接装置を一方の管の中の管端部近くに収容し、前記固定機構によって前記レーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を固定する工程と、
前記レーザ溶接ヘッドから管の内周面にレーザ光照射の試行を行い、レーザスポットの照射位置、ピント状態を調整する工程と、
前記固定機構を開放して前記レーザ溶接装置を他方の管に退避させ、管同士を突き合わせの向きに接近させ、管端部の予熱を行う工程と、
前記レーザ溶接装置を他方の管から一方の管に押し込み、前記固定機構によってレーザ溶接ヘッドの管軸方向の位置を位置決めし、両方の管を突き合わせ、前記回転機構により前記レーザヘッドを旋回させながらレーザ光を溶接部の内周面に照射してレーザ溶接を行う工程と、
溶接終了後に管内からレーザ溶接装置を回収する工程と、
からなることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】
溶接面と入射するレーザ光とがなす角が鈍角となっている方向に、前記レーザ溶接ヘッドを旋回させながら、突き合わせ溶接を行うことを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１０】
前記レーザ溶接装置を管に固定する前に、前記管の内径を計測し、レーザ溶接ヘッドの照射ノズルから照射点までの距離を調整し、前記レーザ溶接ヘッドの反射ミラーで反射するレーザ光の反射方向を光学系の光軸回りに回転させて任意の方向に変えピントをあらかじめ調整しておくことを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１１】
前記前記レーザ溶接ヘッドが嵌合する穴を有し、前記レーザ溶接ヘッドを保持する一対の半割構造の位置決め治具を用い、前記レーザ溶接ヘッドからの照射点が溶接部に位置するように管軸方向の位置決めすることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１２】
前記管は、内管と外管の隙間に網状の組網線が挟み込まれた高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される二重管であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかの項に記載のレーザ溶接方法。
【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１５】
【図１６】
【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１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−３０２５４（Ｐ２０１２−３０２５４Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７２２２９（Ｐ２０１０−１７２２２９）
【出願日】平成２２年７月３０日（２０１０．７．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月３０日（２０１０．７．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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