レーザ溶接装置
【課題】被溶接材の溶接部にレーザ光を照射し、レーザ光の照射部に溶接ワイヤを供給しながら開先部を積層溶接するレーザ溶接方法において、特に溶接品質が安定し、連続的な積層溶接が可能なレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザ光を集光し被溶接材に照射する加工ヘッド８と、レーザ光の照射部に溶接ワイヤを給送する給送手段１６と、レーザ光の照射により形成された溶融プールおよびその近傍を保護するシールドガス供給手段６と、加工ヘッドあるいは被溶接材を移動させる手段と、溶融部から生ずる溶接生成物から加工ヘッドの光学部品を保護する加工ヘッド保護手段と、溶接において生じたヒュームを吸引する吸引手段１９と、レーザ光の反射光及び溶接部からの輻射熱から該加工ヘッドを保護する保護手段１８と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段２０とを備える。
【解決手段】レーザ光を集光し被溶接材に照射する加工ヘッド８と、レーザ光の照射部に溶接ワイヤを給送する給送手段１６と、レーザ光の照射により形成された溶融プールおよびその近傍を保護するシールドガス供給手段６と、加工ヘッドあるいは被溶接材を移動させる手段と、溶融部から生ずる溶接生成物から加工ヘッドの光学部品を保護する加工ヘッド保護手段と、溶接において生じたヒュームを吸引する吸引手段１９と、レーザ光の反射光及び溶接部からの輻射熱から該加工ヘッドを保護する保護手段１８と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段２０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接材の溶接部にレーザ光を照射し、レーザ光の照射部に溶接ワイヤを供給しながら開先部を積層溶接するレーザ溶接において、特に溶接品質が高くかつ安定し、しかも連続的な積層溶接が可能なレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、通常のアーク溶接に比べて深い溶込みが得られる。さらに、低歪みで高精度の溶接部が高速度で得られることから、各方面で使用されている。一方、レーザ溶接では、レーザビームの集光スポットサイズが小さいため、溶接部のギャップに対する裕度が低いという難点を有する。従って、突合せ溶接において溶接のギャップが避けられない場合には、溶接ワイヤを供給しながらレーザ溶接が行われている。
【０００３】
さらに、レーザ溶接は高エネルギー密度を有するが、厚板の鋼板を貫通溶接で接合することは容易ではない。世間一般で広く使用されている最大出力数ｋＷから十数ｋＷのレーザにおいても、厚さ２５ｍｍを超える厚板の溶接を行うためには、突合せ溶接の際に開先を設けて、レーザと溶接ワイヤとを併用することにより多層溶接が行われている。
【０００４】
特許文献１には、被溶接部をより狭い開先幅に設定し、溶接ワイヤを供給しつつレーザビームを溶接ワイヤに照射する積層溶接方法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、溶接ワイヤを添加する開先レーザ溶接方法において、溶接ワイヤを予熱して溶接ワイヤを溶融させるのに必要なエネルギーと溶接時間を低減し、溶接部形状が約２以上のアスペクトを有するレーザ溶接方法が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、突合せ部に狭開先を設けることと共に、開先の底部に曲率およびルート面を設け、かつ、溶接金属の溶け込み幅に対する溶け込み深さの比は、１以上１．４以下であるレーザ溶接方法が開示されている。
【０００７】
特許文献４には、加工ヘッドの保護ガラスに溶融部から発生する煙およびスパッタの付着を防止するために、保護ガラスの下部にエア流出手段と、流出されるエアをフィルターを通して吸引する吸引装置を備えたレーザ溶接装置が開示されている。
【０００８】
特許文献５には、連続波またはパルス波の熱加工レーザとパルス波の表面処理用レーザ光を射出する発振器を備えたレーザ加工装置が開示されている。
【０００９】
非特許文献１には、ＣＯ２レーザを用いた開先レーザ溶接方法において、レーザ照射部の溶接進行方向の前方に内径１ｍｍのプラズマ除去サイドノズルを配置し、ガスを吹付けると共に、レーザ照射部に溶接ワイヤを供給しながら溶接するレーザ溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２０１６８７号公報
【特許文献２】特表２００５−５１５８９５号公報
【特許文献３】特開２００７−１９０５８６号公報
【特許文献４】特開昭５９−１６６９２号公報
【特許文献５】特開２００８−２５４００６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Yoshiaki Arata、 Hiroshi Maruo、 Isamu Miyamoto、 Ryoji Nishio. High Power CO2 Laser Welding of Thick Plate. Transactions of JWRI、 15(2)、 1986、 27-34
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
原子力発電プラント用炉心シュラウド等のような円筒形の厚板の大型構造物の溶接において、溶接開先を形成して積層溶接を行う場合、多層溶接は多くの時間を必要とするため連続的に溶接することが望ましい。しかし出力が数ｋＷ以上の大出力のレーザ溶接では、溶接部から発生するヒューム（金属蒸気が凝固することによって発生する金属の微粒子及び金属化合物微粒子）やスパッタ（溶融金属飛散物）等の溶接生成物、および溶融部からの輻射熱及び反射光が多く生じ、長時間の連続溶接が実現されていない。
【００１３】
レーザの多層溶接は図７に示すように被溶接材１ａ、１ｂを突合せ、突合せ部に開先２を形成し、開先２に溶接ワイヤ３を給送しながらレーザ光４を照射し、溶接金属５を積層して溶接を行う。レーザ溶接においては、被溶接材側への溶込みを確保し溶接ワイヤ３を安定的に溶融させるために、レーザ光４は焦点位置をずらしてディフォーカス条件で照射することが行われている。また、開先２を埋める溶接金属量を増加するために、高出力の条件が用いられている。６はシールドガスノズル、７は光学系保護筒、８はレーザ光を集光する光学系を有する加工ヘッド、９はヒューム、１０はレーザ光の反射光、１１は光ファイバである。
【００１４】
レーザ溶接はエネルギー密度が高いので、レーザ照射により被溶接材表面で金属蒸発や溶融金属の飛散が生じ、多量のヒュームやスパッタが発生する。このヒュームやスパッタは、レーザ出力が高い場合やディフォーカス条件では発生量がさらに増加する傾向にある。
【００１５】
特にヒュームについて説明すると、ヒュームは溶融凝固した溶接金属の表面や開先壁に付着する。ヒュームが付着した状態で次層の積層を行うと、融合不良やポロシティ等の溶接欠陥が発生する。ヒュームの溶接金属表面への付着を防止するため、溶接部を空気から遮断し溶接金属の酸化を防止するため、シールド用ガスを溶接部に供給している。
【００１６】
しかし、開先が深い場合にはヒュームの完全な付着防止が困難である。そこで、溶接後にブラシ等で溶接金属及び開先壁に付着したヒュームの溶接生成物を物理的に除去した後で、次層の溶接を行っている。このため、円筒物の周溶接のような場合には、１パス溶接ごとに、溶接金属表面及び開先壁の清掃作業が必要となるため、連続溶接が行えず溶接能率が悪い。また、ヒュームは金属蒸気が凝固することによって発生する金属の微粒子及び金属化合物微粒子であり、吸湿等により一層除去しにくくなるという問題がある。
【００１７】
また、ヒュームやスパッタが加工ヘッドのレーザ光の集光光学系またはその保護ガラス、フィルタ等に付着すると、レーザ出力、ビーム形状等が変化するので安定した溶接が出来ない。そのため、従来は特許文献４のように、保護ガラスの下部にエアを噴出させ、光学系へのヒューム及びスパッタの付着を防止する対策が行われている。しかし、集光光学系を有する加工ヘッドは、溶融金属部からのレーザ光の反射や溶融部ならの輻射熱の影響も受けるため、連続溶接等の長時間溶接においては加工ヘッド並びにヘッド駆動系の温度上昇、反射光による損傷等を生じやすいという課題がある。
【００１８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、連続的に積層溶接を行っても、安定して高品質な溶接部が得られるレーザ溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するための本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光集光のための光学系を有しレーザ光を被溶接材に照射する加工ヘッドと、前記被溶接材のレーザ光照射部に溶接ワイヤを給送するワイヤ給送手段と、レーザ光の照射により前記被溶接材に形成された溶融部及びその近傍をシールドするシールドガス供給手段と、前記加工ヘッド及び被溶接材を相対的に移動させる移動手段とを有し、被溶接材の接合部に形成された開先にレーザ光を照射し溶接ワイヤを給送しつつ前記被溶接材および溶接ワイヤを溶融させ、前記開先を積層溶接するレーザ溶接装置において、前記レーザ溶接装置は、溶接により生じた溶接生成物を吸引する吸引手段と、前記レーザ光の反射光及び溶接部の輻射熱から前記加工ヘッドを保護する加工ヘッド保護手段と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段を有することを特徴とする。
【００２０】
また、レーザ溶接装置において、前記溶融部から生ずる溶接生成物から前記加工ヘッドの光学系を保護する光学系保護手段を有することを特徴とする。
【００２１】
また、レーザ溶接装置において、前記溶接生成物はヒューム及びスパッタの少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００２２】
また、レーザ溶接装置において、前記レーザ光を照射する加工ヘッドと前記溶接生成物の吸引手段の間に、溶接金属を大気から保護し前記溶接生成物の吸引手段による吸引を案内するトレーラ部材を有することを特徴とする。
【００２３】
また、レーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、前記加工ヘッドと被溶接材の間に設置され、前記加工ヘッド及びその付属装置をレーザ反射光及び溶接部輻射熱から保護する板状部材からなることを特徴とする。
【００２４】
また、レーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、凹面状の湾曲面を有することを特徴とする。
【００２５】
また、レーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段はシールドガス供給手段と水冷構造を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【００２６】
さらに、レーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段を備えたことを特徴とする。
【００２７】
さらに、レーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、機械的除去手段を備えたことを特徴とする。
【００２８】
さらに、レーザ溶接装置において、前記クリーニング手段の機械的除去手段は、溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去する回転ブラシと、ガス吹付手段と、除去した溶接生成物を吸引する吸引手段を有することを特徴とする。
【００２９】
さらに、レーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段と機械的除去手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、被溶接材の接合部に形成された開先にレーザ光を照射し溶接ワイヤを給送しつつ前記被溶接材および溶接ワイヤを溶融させ、開先を積層溶接するレーザ溶接装置において、レーザ溶接装置は、溶接により生じた溶接生成物を吸引する吸引手段と、前記レーザ光の反射光及び溶接部の輻射熱から前記加工ヘッドを保護する加工ヘッド保護手段と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段を有することにより、溶接の進行とともに、溶接金属表面及び開先壁面に付着したヒュームやスパッタ等の溶接生成物を除去できるので、高品質のレーザ溶接が可能となる。
【００３１】
また、溶融金属部からのレーザ光の反射、溶融部ならの輻射熱の影響による加工ヘッド並びにその駆動系への影響を排除できるので、長時間の連続溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１のレーザ溶接装置を示す斜視図
【図２】本発明実施例１の溶接構造物を示す模式図
【図３】本発明実施例１の溶接構造物の溶接開先の模式図
【図４】本発明実施例１の溶接ビード断面の模式図
【図５】本発明実施例１のレーザ溶接装置の溶接ヘッド周りの斜視図
【図６】本発明の実施例２を示す模式図
【図７】従来例のレーザ多層溶接装置の溶接ヘッド周りの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明のレーザ溶接装置の実施形態を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００３４】
図１に本発の実施例１の溶接装置の斜視図を示す。レーザ発振器１２から発振されたレーザ光４は光ファイバー１１により伝送され加工ヘッド８に送られる。加工ヘッド８で図示しない集光光学系により集光されたレーザ光４は、被溶接材１ａと１ｂにより形成された開先２内に照射され、被溶接材１ａと１ｂ及び溶接ワイヤ３が溶融して溶融プール１３を形成しながら溶接を行い、溶接ビード５が形成される。
【００３５】
溶接ワイヤ３はワイヤ給送制御装置１７により制御されるワイヤ給送装置１６によって、溶接進行方向の前方から溶融プール１３内に給送される。溶融プール１３及びその近傍は、シールドガスノズル６から噴出されたシールドガスにより大気からシールドされる。シールドガスはガスボンベ１４からガス流量制御装置１５を通してシールドガスノズル６に供給される。
【００３６】
レーザ光４の被溶接材１ａと１ｂへの照射により被溶接材が溶融されるが、その際ヒューム９、及びレーザ光４の反射光１０や溶融部分からの輻射熱が生ずる。加工ヘッド８の集光光学系へのヒューム９付着を防止するために、加工ヘッド８の図示しない集光光学系の集光レンズと保護ガラスの下部に、レーザ光４に対しほぼ直交する方向にエアノズル３６によりエアを流す。さらに加工ヘッド８の集光光学系には、ヒューム９の光学系への付着を防止する光学系保護筒７が取り付けられている。
【００３７】
また、光学系保護筒７の先端にはレーザ光の反射光及び溶接部からの輻射熱から加工ヘッド８を保護する保護板１８が取り付けられている。保護板１８はほぼ皿状の凹面形状をしており、かつ全体が図示しない冷却装置で水冷されている。保護板１８は溶融部から生ずる輻射熱及び溶融プールから反射されたレーザ光の反射光をブロックし、加工ヘッド８及びその周辺の駆動部等を保護する機能を有している。保護板１８は平板状その他任意の形状を持つことができ、その大きさは加工ヘッド８及びその付属設備を十分に保護できる大きさとする。
【００３８】
また、レーザ溶接ではヒュームが発生するが、長時間溶接では特にヒュームの発生量が多量となるので、保護板１８はヒュームの拡散を抑え、かつヒュームの吸引を補助する役目も有している。シールドガスノズル６は保護板１８よりレーザ照射部に近いところに取り付けられ反射光及び輻射熱の影響を受けるので、水冷構造を有している。
【００３９】
開先内及び溶接部近傍のヒューム９はヒューム吸引ノズル１９により吸引される。ヒューム吸引ノズル１９の後部には積層された溶接金属表面及び開先壁面をクリーニングするレーザクリーニングヘッド２０が取り付けられている。レーザクリーニングヘッド２０は高さ方向と前後左右方向への動作が可能な可動関節構造を有し、ヒュームが付着した開先表面を十分に清掃できるように構成する。レーザクリーニングヘッド２０はファイバーを介してパルスレーザ発振器２３に接続されており、レーザクリーニングヘッド２０からパルス状レーザを開先内に照射し、積層された溶接金属及びその周囲の開先壁面に付着しているヒューム９による溶接生成物を除去する。
【００４０】
ヒューム吸引ノズル１９によるヒュームの吸引とレーザクリーニングヘッド２０からのパルスレーザの照射クリーニングを組み合わせることにより、積層された溶接金属及びその周囲の開先壁面に付着しているヒュームによる溶接生成物をほぼ完全に除去することが出来る。ヒュームの吸引あるいはパルスレーザ照射によるクリーニングのいずれか一方のみでも、ほとんどの溶接生成物は除去可能であるが、融合不良及びポロシティ等の溶接欠陥の無い溶接部を得るには、両者を組み合わせて用いることが最も有効である。
【００４１】
レーザ発振器１２、ワイヤ給送制御装置１７、ガス流量制御装置１５及び被溶接材１ａと１ｂを回転制御するポジショナー２１、パルスレーザ発振器２３、ヒューム吸引装置３５は溶接制御装置２２に接続されており、レーザ出力、溶接速度及びワイヤ給送速度等の溶接条件並びに動作タイミング等が制御され溶接が行われる。
【００４２】
実施例１の溶接装置により、図２に示す円筒形の被溶接材１ａと１ｂを突き合せ溶接を行った。円筒被溶接材１ａ、１ｂは直径約６ｍ、板厚５０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ材である。この円筒物は図示しない溶接ポジショナーに載置されて回転しながら円周溶接が出来るように構成されている。溶接は横向き姿勢で両側から溶接を実施した。
【００４３】
図４に突き合せ部２４に形成した溶接開先の断面形状を示す。溶接開先は被溶接材１ａと１ｂを突き合せて形成される。溶接開先の中央部には、お互いの被溶接材表面を合わせたルートフェース２５が形成されており、その両側に開先溝部２６が形成されている。ルートフェース２５の長さＬは、１５ｍｍとした。これは、実施例1で用いたレーザ出力でルートフェース２５の突き合せ面が両面から溶接して完全に溶融できる長さである。ルートフェース２５部分以外の開先溝部２６は、開先底幅Ｗが３ｍｍ、開先角度θが４°の狭開先である。開先の底幅Ｗは開先両側面の延長線と開先底部の延長線との交点間の距離である。なお、開先底面の端部は曲率を有している。
【００４４】
図１では、溶接装置は１組しか図示されていないが、同様な構成の設備が円筒物の反対側の面にも設置されており、レーザ発振器１２から出力されたレーザ光を切替えて、表面方向及び裏面方向から交互に溶接をおこなった。実施例１の被溶接材は円筒物なので、図４上方が円筒物外側、図４下方が内側となる。
【００４５】
レーザ発振器は、波長１０３０ｎｍのレーザ光を発振させるディスクレーザ装置を用いた。レーザはＣＯ２レーザのように発振波長の長いレーザの場合、溶接装置が大型となると共に、プラズマが発生しやすいため溶接部に欠陥を生じやすいので、設備の小型化が可能で、高品質の溶接部が得られ易いＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等のファイバー伝送が可能な波長が１μｍ程度のレーザを用いるのが好ましい。
【００４６】
また、溶接ワイヤ給送装置１６には抵抗発熱等により加熱手段を付加し、加熱された溶接ワイヤを給送する設備を用いても良い。
【００４７】
溶接は、図３の形状に開先組み立てを行った後、外側から開先溝部２６の底部の中心に集光されたレーザ光４を照射し、図４に示すような細く長い形状の溶込み２７を形成し、ルートフェース２５の接合された面の約６０％から７０％を溶融接合させ、次に反対側の内側から同様な方法でルートフェース２５にルートフェース長さＬの６０％から７０％長さの細く長い形状の溶込み２７を形成させ、外側から形成した溶け込みビードと内側から形成した溶込みビードをルートフェース２５の中央付近でラップさせるようにして、ルートフェース２５の突き合せ部を完全溶融接合させる。ルートフェース２５を溶接後、狭開先内に溶接ワイヤ３を給送し、レーザ光４でワイヤを溶融させて積層溶接金属２８で開先を埋めることにより被溶接材同士を溶融接合させる。
【００４８】
この開先溝部の溶接は、溶接ワイヤ３及び被溶接材の溶融により形成された積層溶接金属２８の積層を繰り返すことにより行い、最終的に図４のような溶接部が形成される。この積層は、外側の開先溝部と内側の開先溝部の積層溶接を交互に繰り返して溶接を行っても、どちらか片方の開先溝部の積層を終了した後に、もう一方の開先溝部の積層溶接を行っても良いが、好ましくは溶接変形の点から、内側と外側の積層溶接を交互に行うのが望ましい。
【００４９】
ルートフェース２５及び開先溝部２６の溶接とも、溶融部及びその近傍を保護するシールドガスは窒素ガスを用いた。本実施例の溶接設備を用いて連続的に積層溶接を行った結果、溶接欠陥の無い良好な溶接部を得ることができた。
【００５０】
実施例１のレーザ溶接装置を用いれば、溶接時に発生する輻射熱及び反射光による加工ヘッド及び駆動部等の損傷がなく、溶接進行に併せての溶接金属および開先面へ付着した溶接生成物の除去を行うことが出来、長時間の連続溶接が可能で、高品質な溶接部が得られるレーザ溶接装置を得ることが出来る。
【００５１】
さらに図５のように、加工ヘッド８のレーザ照射部とヒューム吸引ノズル１９の間に、高温部の溶接金属の酸化抑制のために、加工ヘッドの移動に追従してシールドガスを供給するトレーラー部材２９を設置してもよい。トレーラー部材２９は溶接金属の酸化の抑制のみならず、ヒュームの吸引促進にも有効なので、溶接金属表面及び開先壁面に付着する溶接生成物を低減させることが出来る。トレーラー部材２９は、レーザ光の反射光及び溶接部からの輻射熱の影響を受けるので、水冷構造とすることが好ましい。また、トレーラー部材２９はシールドガスの供給を行わない単純な板状のガイド部材でも良い。この場合でもトレーラー部材２９はヒュームの吸引通路を形成するガイド部材として作用することができる。
【実施例２】
【００５２】
図６は本発明の実施例２を示す。図１に示す実施例１では、ヒュームを除去するヒューム吸引ノズル１９の直後に溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物除去手段としてレーザクリーニングヘッド２０を構成した。一方、実施例２では、溶接する加工ヘッド８、シールドガスノズル６及びヒューム吸引ノズル１９等から構成される溶接ヘッド部から離して、溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物を除去する溶接生成物除去手段を設けている。
【００５３】
実施例２では溶接生成物除去手段を、加工ヘッド８の後方で円筒被溶接物中心に対し約９０度の位置に配置した。加工ヘッド８と溶接生成物除去手段を離すことにより、溶接生成物除去手段は溶接部からの輻射熱及び反射光の影響を受けにくくする効果がある。実施例２では、溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物は回転ブラシを用いた機械的物理的方法により除去する。
【００５４】
溶接生成物除去手段において、回転ブラシ３０はブラシ押付装置３１に取り付けられ、回転しながら溶接金属表面及び開先壁面に押付られ、溶接生成物が除去される。回転ブラシ３０の前面にはガス吹付ノズル３２からガスが噴射される、回転ブラシ３０により剥離された溶接生成物は、ガス吹付ノズル３２から噴射されたガスにより運ばれ、回転ブラシ３０の後部に設置された吸引ノズル３３に吸引され除去される。
【００５５】
吸引ノズル３３には、溶接生成物の吸引を補助するために開先内に挿入される吸引補助板３４が取り付けられている。
【００５６】
回転ブラシ３０は、スリットを有する樹脂フィルムを複数枚束ねたものを使用する。実施例２では、溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物除去手段を１台有する構成であるが、これを複数台設けても良い。本構成の装置を用いて板厚３０ｍｍ、直径６００ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４配管材の円周の連続積層溶接を行った結果、溶接装置が損傷されること無く、安定した溶接が行われ、高品質の溶接部が得られた。
【００５７】
このように、本発明のレーザ溶接装置を用いることにより、開先を有する大型構造物の溶接部の積層溶接において、長時間の連続的な積層溶接が可能となる。また溶接品質の安定した溶接部を得ることが出来る。
【００５８】
本発明の実施例では、オーステナイト系ステンレス鋼の円筒物に適用して結果について説明したが、本発明の溶接装置はこれに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５９】
１…被溶接材、 ２…開先、 ３…溶接ワイヤ、 ４…レーザ光、 ７…光学系保護筒、８…加工ヘッド、９…ヒューム、１０…反射光、１１…光ファイバ、１２…レーザ発振器、１３…溶融プール、１８…保護板、１９…ヒューム吸引ノズル、２０…レーザクリーニングヘッド、２２…溶接制御装置、２３…パルスレーザ発振器、２９…トレーラー部材、３０…回転ブラシ、３１…ブラシ押付装置、３２…ガス吹付ノズル、３３…吸引ノズル、３４…吸引補助板、３５…ヒューム吸引装置、３６…エアノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接材の溶接部にレーザ光を照射し、レーザ光の照射部に溶接ワイヤを供給しながら開先部を積層溶接するレーザ溶接において、特に溶接品質が高くかつ安定し、しかも連続的な積層溶接が可能なレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、通常のアーク溶接に比べて深い溶込みが得られる。さらに、低歪みで高精度の溶接部が高速度で得られることから、各方面で使用されている。一方、レーザ溶接では、レーザビームの集光スポットサイズが小さいため、溶接部のギャップに対する裕度が低いという難点を有する。従って、突合せ溶接において溶接のギャップが避けられない場合には、溶接ワイヤを供給しながらレーザ溶接が行われている。
【０００３】
さらに、レーザ溶接は高エネルギー密度を有するが、厚板の鋼板を貫通溶接で接合することは容易ではない。世間一般で広く使用されている最大出力数ｋＷから十数ｋＷのレーザにおいても、厚さ２５ｍｍを超える厚板の溶接を行うためには、突合せ溶接の際に開先を設けて、レーザと溶接ワイヤとを併用することにより多層溶接が行われている。
【０００４】
特許文献１には、被溶接部をより狭い開先幅に設定し、溶接ワイヤを供給しつつレーザビームを溶接ワイヤに照射する積層溶接方法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、溶接ワイヤを添加する開先レーザ溶接方法において、溶接ワイヤを予熱して溶接ワイヤを溶融させるのに必要なエネルギーと溶接時間を低減し、溶接部形状が約２以上のアスペクトを有するレーザ溶接方法が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、突合せ部に狭開先を設けることと共に、開先の底部に曲率およびルート面を設け、かつ、溶接金属の溶け込み幅に対する溶け込み深さの比は、１以上１．４以下であるレーザ溶接方法が開示されている。
【０００７】
特許文献４には、加工ヘッドの保護ガラスに溶融部から発生する煙およびスパッタの付着を防止するために、保護ガラスの下部にエア流出手段と、流出されるエアをフィルターを通して吸引する吸引装置を備えたレーザ溶接装置が開示されている。
【０００８】
特許文献５には、連続波またはパルス波の熱加工レーザとパルス波の表面処理用レーザ光を射出する発振器を備えたレーザ加工装置が開示されている。
【０００９】
非特許文献１には、ＣＯ２レーザを用いた開先レーザ溶接方法において、レーザ照射部の溶接進行方向の前方に内径１ｍｍのプラズマ除去サイドノズルを配置し、ガスを吹付けると共に、レーザ照射部に溶接ワイヤを供給しながら溶接するレーザ溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２０１６８７号公報
【特許文献２】特表２００５−５１５８９５号公報
【特許文献３】特開２００７−１９０５８６号公報
【特許文献４】特開昭５９−１６６９２号公報
【特許文献５】特開２００８−２５４００６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Yoshiaki Arata、 Hiroshi Maruo、 Isamu Miyamoto、 Ryoji Nishio. High Power CO2 Laser Welding of Thick Plate. Transactions of JWRI、 15(2)、 1986、 27-34
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
原子力発電プラント用炉心シュラウド等のような円筒形の厚板の大型構造物の溶接において、溶接開先を形成して積層溶接を行う場合、多層溶接は多くの時間を必要とするため連続的に溶接することが望ましい。しかし出力が数ｋＷ以上の大出力のレーザ溶接では、溶接部から発生するヒューム（金属蒸気が凝固することによって発生する金属の微粒子及び金属化合物微粒子）やスパッタ（溶融金属飛散物）等の溶接生成物、および溶融部からの輻射熱及び反射光が多く生じ、長時間の連続溶接が実現されていない。
【００１３】
レーザの多層溶接は図７に示すように被溶接材１ａ、１ｂを突合せ、突合せ部に開先２を形成し、開先２に溶接ワイヤ３を給送しながらレーザ光４を照射し、溶接金属５を積層して溶接を行う。レーザ溶接においては、被溶接材側への溶込みを確保し溶接ワイヤ３を安定的に溶融させるために、レーザ光４は焦点位置をずらしてディフォーカス条件で照射することが行われている。また、開先２を埋める溶接金属量を増加するために、高出力の条件が用いられている。６はシールドガスノズル、７は光学系保護筒、８はレーザ光を集光する光学系を有する加工ヘッド、９はヒューム、１０はレーザ光の反射光、１１は光ファイバである。
【００１４】
レーザ溶接はエネルギー密度が高いので、レーザ照射により被溶接材表面で金属蒸発や溶融金属の飛散が生じ、多量のヒュームやスパッタが発生する。このヒュームやスパッタは、レーザ出力が高い場合やディフォーカス条件では発生量がさらに増加する傾向にある。
【００１５】
特にヒュームについて説明すると、ヒュームは溶融凝固した溶接金属の表面や開先壁に付着する。ヒュームが付着した状態で次層の積層を行うと、融合不良やポロシティ等の溶接欠陥が発生する。ヒュームの溶接金属表面への付着を防止するため、溶接部を空気から遮断し溶接金属の酸化を防止するため、シールド用ガスを溶接部に供給している。
【００１６】
しかし、開先が深い場合にはヒュームの完全な付着防止が困難である。そこで、溶接後にブラシ等で溶接金属及び開先壁に付着したヒュームの溶接生成物を物理的に除去した後で、次層の溶接を行っている。このため、円筒物の周溶接のような場合には、１パス溶接ごとに、溶接金属表面及び開先壁の清掃作業が必要となるため、連続溶接が行えず溶接能率が悪い。また、ヒュームは金属蒸気が凝固することによって発生する金属の微粒子及び金属化合物微粒子であり、吸湿等により一層除去しにくくなるという問題がある。
【００１７】
また、ヒュームやスパッタが加工ヘッドのレーザ光の集光光学系またはその保護ガラス、フィルタ等に付着すると、レーザ出力、ビーム形状等が変化するので安定した溶接が出来ない。そのため、従来は特許文献４のように、保護ガラスの下部にエアを噴出させ、光学系へのヒューム及びスパッタの付着を防止する対策が行われている。しかし、集光光学系を有する加工ヘッドは、溶融金属部からのレーザ光の反射や溶融部ならの輻射熱の影響も受けるため、連続溶接等の長時間溶接においては加工ヘッド並びにヘッド駆動系の温度上昇、反射光による損傷等を生じやすいという課題がある。
【００１８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、連続的に積層溶接を行っても、安定して高品質な溶接部が得られるレーザ溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するための本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光集光のための光学系を有しレーザ光を被溶接材に照射する加工ヘッドと、前記被溶接材のレーザ光照射部に溶接ワイヤを給送するワイヤ給送手段と、レーザ光の照射により前記被溶接材に形成された溶融部及びその近傍をシールドするシールドガス供給手段と、前記加工ヘッド及び被溶接材を相対的に移動させる移動手段とを有し、被溶接材の接合部に形成された開先にレーザ光を照射し溶接ワイヤを給送しつつ前記被溶接材および溶接ワイヤを溶融させ、前記開先を積層溶接するレーザ溶接装置において、前記レーザ溶接装置は、溶接により生じた溶接生成物を吸引する吸引手段と、前記レーザ光の反射光及び溶接部の輻射熱から前記加工ヘッドを保護する加工ヘッド保護手段と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段を有することを特徴とする。
【００２０】
また、レーザ溶接装置において、前記溶融部から生ずる溶接生成物から前記加工ヘッドの光学系を保護する光学系保護手段を有することを特徴とする。
【００２１】
また、レーザ溶接装置において、前記溶接生成物はヒューム及びスパッタの少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００２２】
また、レーザ溶接装置において、前記レーザ光を照射する加工ヘッドと前記溶接生成物の吸引手段の間に、溶接金属を大気から保護し前記溶接生成物の吸引手段による吸引を案内するトレーラ部材を有することを特徴とする。
【００２３】
また、レーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、前記加工ヘッドと被溶接材の間に設置され、前記加工ヘッド及びその付属装置をレーザ反射光及び溶接部輻射熱から保護する板状部材からなることを特徴とする。
【００２４】
また、レーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、凹面状の湾曲面を有することを特徴とする。
【００２５】
また、レーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段はシールドガス供給手段と水冷構造を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【００２６】
さらに、レーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段を備えたことを特徴とする。
【００２７】
さらに、レーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、機械的除去手段を備えたことを特徴とする。
【００２８】
さらに、レーザ溶接装置において、前記クリーニング手段の機械的除去手段は、溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去する回転ブラシと、ガス吹付手段と、除去した溶接生成物を吸引する吸引手段を有することを特徴とする。
【００２９】
さらに、レーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段と機械的除去手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、被溶接材の接合部に形成された開先にレーザ光を照射し溶接ワイヤを給送しつつ前記被溶接材および溶接ワイヤを溶融させ、開先を積層溶接するレーザ溶接装置において、レーザ溶接装置は、溶接により生じた溶接生成物を吸引する吸引手段と、前記レーザ光の反射光及び溶接部の輻射熱から前記加工ヘッドを保護する加工ヘッド保護手段と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段を有することにより、溶接の進行とともに、溶接金属表面及び開先壁面に付着したヒュームやスパッタ等の溶接生成物を除去できるので、高品質のレーザ溶接が可能となる。
【００３１】
また、溶融金属部からのレーザ光の反射、溶融部ならの輻射熱の影響による加工ヘッド並びにその駆動系への影響を排除できるので、長時間の連続溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１のレーザ溶接装置を示す斜視図
【図２】本発明実施例１の溶接構造物を示す模式図
【図３】本発明実施例１の溶接構造物の溶接開先の模式図
【図４】本発明実施例１の溶接ビード断面の模式図
【図５】本発明実施例１のレーザ溶接装置の溶接ヘッド周りの斜視図
【図６】本発明の実施例２を示す模式図
【図７】従来例のレーザ多層溶接装置の溶接ヘッド周りの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明のレーザ溶接装置の実施形態を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００３４】
図１に本発の実施例１の溶接装置の斜視図を示す。レーザ発振器１２から発振されたレーザ光４は光ファイバー１１により伝送され加工ヘッド８に送られる。加工ヘッド８で図示しない集光光学系により集光されたレーザ光４は、被溶接材１ａと１ｂにより形成された開先２内に照射され、被溶接材１ａと１ｂ及び溶接ワイヤ３が溶融して溶融プール１３を形成しながら溶接を行い、溶接ビード５が形成される。
【００３５】
溶接ワイヤ３はワイヤ給送制御装置１７により制御されるワイヤ給送装置１６によって、溶接進行方向の前方から溶融プール１３内に給送される。溶融プール１３及びその近傍は、シールドガスノズル６から噴出されたシールドガスにより大気からシールドされる。シールドガスはガスボンベ１４からガス流量制御装置１５を通してシールドガスノズル６に供給される。
【００３６】
レーザ光４の被溶接材１ａと１ｂへの照射により被溶接材が溶融されるが、その際ヒューム９、及びレーザ光４の反射光１０や溶融部分からの輻射熱が生ずる。加工ヘッド８の集光光学系へのヒューム９付着を防止するために、加工ヘッド８の図示しない集光光学系の集光レンズと保護ガラスの下部に、レーザ光４に対しほぼ直交する方向にエアノズル３６によりエアを流す。さらに加工ヘッド８の集光光学系には、ヒューム９の光学系への付着を防止する光学系保護筒７が取り付けられている。
【００３７】
また、光学系保護筒７の先端にはレーザ光の反射光及び溶接部からの輻射熱から加工ヘッド８を保護する保護板１８が取り付けられている。保護板１８はほぼ皿状の凹面形状をしており、かつ全体が図示しない冷却装置で水冷されている。保護板１８は溶融部から生ずる輻射熱及び溶融プールから反射されたレーザ光の反射光をブロックし、加工ヘッド８及びその周辺の駆動部等を保護する機能を有している。保護板１８は平板状その他任意の形状を持つことができ、その大きさは加工ヘッド８及びその付属設備を十分に保護できる大きさとする。
【００３８】
また、レーザ溶接ではヒュームが発生するが、長時間溶接では特にヒュームの発生量が多量となるので、保護板１８はヒュームの拡散を抑え、かつヒュームの吸引を補助する役目も有している。シールドガスノズル６は保護板１８よりレーザ照射部に近いところに取り付けられ反射光及び輻射熱の影響を受けるので、水冷構造を有している。
【００３９】
開先内及び溶接部近傍のヒューム９はヒューム吸引ノズル１９により吸引される。ヒューム吸引ノズル１９の後部には積層された溶接金属表面及び開先壁面をクリーニングするレーザクリーニングヘッド２０が取り付けられている。レーザクリーニングヘッド２０は高さ方向と前後左右方向への動作が可能な可動関節構造を有し、ヒュームが付着した開先表面を十分に清掃できるように構成する。レーザクリーニングヘッド２０はファイバーを介してパルスレーザ発振器２３に接続されており、レーザクリーニングヘッド２０からパルス状レーザを開先内に照射し、積層された溶接金属及びその周囲の開先壁面に付着しているヒューム９による溶接生成物を除去する。
【００４０】
ヒューム吸引ノズル１９によるヒュームの吸引とレーザクリーニングヘッド２０からのパルスレーザの照射クリーニングを組み合わせることにより、積層された溶接金属及びその周囲の開先壁面に付着しているヒュームによる溶接生成物をほぼ完全に除去することが出来る。ヒュームの吸引あるいはパルスレーザ照射によるクリーニングのいずれか一方のみでも、ほとんどの溶接生成物は除去可能であるが、融合不良及びポロシティ等の溶接欠陥の無い溶接部を得るには、両者を組み合わせて用いることが最も有効である。
【００４１】
レーザ発振器１２、ワイヤ給送制御装置１７、ガス流量制御装置１５及び被溶接材１ａと１ｂを回転制御するポジショナー２１、パルスレーザ発振器２３、ヒューム吸引装置３５は溶接制御装置２２に接続されており、レーザ出力、溶接速度及びワイヤ給送速度等の溶接条件並びに動作タイミング等が制御され溶接が行われる。
【００４２】
実施例１の溶接装置により、図２に示す円筒形の被溶接材１ａと１ｂを突き合せ溶接を行った。円筒被溶接材１ａ、１ｂは直径約６ｍ、板厚５０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ材である。この円筒物は図示しない溶接ポジショナーに載置されて回転しながら円周溶接が出来るように構成されている。溶接は横向き姿勢で両側から溶接を実施した。
【００４３】
図４に突き合せ部２４に形成した溶接開先の断面形状を示す。溶接開先は被溶接材１ａと１ｂを突き合せて形成される。溶接開先の中央部には、お互いの被溶接材表面を合わせたルートフェース２５が形成されており、その両側に開先溝部２６が形成されている。ルートフェース２５の長さＬは、１５ｍｍとした。これは、実施例1で用いたレーザ出力でルートフェース２５の突き合せ面が両面から溶接して完全に溶融できる長さである。ルートフェース２５部分以外の開先溝部２６は、開先底幅Ｗが３ｍｍ、開先角度θが４°の狭開先である。開先の底幅Ｗは開先両側面の延長線と開先底部の延長線との交点間の距離である。なお、開先底面の端部は曲率を有している。
【００４４】
図１では、溶接装置は１組しか図示されていないが、同様な構成の設備が円筒物の反対側の面にも設置されており、レーザ発振器１２から出力されたレーザ光を切替えて、表面方向及び裏面方向から交互に溶接をおこなった。実施例１の被溶接材は円筒物なので、図４上方が円筒物外側、図４下方が内側となる。
【００４５】
レーザ発振器は、波長１０３０ｎｍのレーザ光を発振させるディスクレーザ装置を用いた。レーザはＣＯ２レーザのように発振波長の長いレーザの場合、溶接装置が大型となると共に、プラズマが発生しやすいため溶接部に欠陥を生じやすいので、設備の小型化が可能で、高品質の溶接部が得られ易いＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等のファイバー伝送が可能な波長が１μｍ程度のレーザを用いるのが好ましい。
【００４６】
また、溶接ワイヤ給送装置１６には抵抗発熱等により加熱手段を付加し、加熱された溶接ワイヤを給送する設備を用いても良い。
【００４７】
溶接は、図３の形状に開先組み立てを行った後、外側から開先溝部２６の底部の中心に集光されたレーザ光４を照射し、図４に示すような細く長い形状の溶込み２７を形成し、ルートフェース２５の接合された面の約６０％から７０％を溶融接合させ、次に反対側の内側から同様な方法でルートフェース２５にルートフェース長さＬの６０％から７０％長さの細く長い形状の溶込み２７を形成させ、外側から形成した溶け込みビードと内側から形成した溶込みビードをルートフェース２５の中央付近でラップさせるようにして、ルートフェース２５の突き合せ部を完全溶融接合させる。ルートフェース２５を溶接後、狭開先内に溶接ワイヤ３を給送し、レーザ光４でワイヤを溶融させて積層溶接金属２８で開先を埋めることにより被溶接材同士を溶融接合させる。
【００４８】
この開先溝部の溶接は、溶接ワイヤ３及び被溶接材の溶融により形成された積層溶接金属２８の積層を繰り返すことにより行い、最終的に図４のような溶接部が形成される。この積層は、外側の開先溝部と内側の開先溝部の積層溶接を交互に繰り返して溶接を行っても、どちらか片方の開先溝部の積層を終了した後に、もう一方の開先溝部の積層溶接を行っても良いが、好ましくは溶接変形の点から、内側と外側の積層溶接を交互に行うのが望ましい。
【００４９】
ルートフェース２５及び開先溝部２６の溶接とも、溶融部及びその近傍を保護するシールドガスは窒素ガスを用いた。本実施例の溶接設備を用いて連続的に積層溶接を行った結果、溶接欠陥の無い良好な溶接部を得ることができた。
【００５０】
実施例１のレーザ溶接装置を用いれば、溶接時に発生する輻射熱及び反射光による加工ヘッド及び駆動部等の損傷がなく、溶接進行に併せての溶接金属および開先面へ付着した溶接生成物の除去を行うことが出来、長時間の連続溶接が可能で、高品質な溶接部が得られるレーザ溶接装置を得ることが出来る。
【００５１】
さらに図５のように、加工ヘッド８のレーザ照射部とヒューム吸引ノズル１９の間に、高温部の溶接金属の酸化抑制のために、加工ヘッドの移動に追従してシールドガスを供給するトレーラー部材２９を設置してもよい。トレーラー部材２９は溶接金属の酸化の抑制のみならず、ヒュームの吸引促進にも有効なので、溶接金属表面及び開先壁面に付着する溶接生成物を低減させることが出来る。トレーラー部材２９は、レーザ光の反射光及び溶接部からの輻射熱の影響を受けるので、水冷構造とすることが好ましい。また、トレーラー部材２９はシールドガスの供給を行わない単純な板状のガイド部材でも良い。この場合でもトレーラー部材２９はヒュームの吸引通路を形成するガイド部材として作用することができる。
【実施例２】
【００５２】
図６は本発明の実施例２を示す。図１に示す実施例１では、ヒュームを除去するヒューム吸引ノズル１９の直後に溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物除去手段としてレーザクリーニングヘッド２０を構成した。一方、実施例２では、溶接する加工ヘッド８、シールドガスノズル６及びヒューム吸引ノズル１９等から構成される溶接ヘッド部から離して、溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物を除去する溶接生成物除去手段を設けている。
【００５３】
実施例２では溶接生成物除去手段を、加工ヘッド８の後方で円筒被溶接物中心に対し約９０度の位置に配置した。加工ヘッド８と溶接生成物除去手段を離すことにより、溶接生成物除去手段は溶接部からの輻射熱及び反射光の影響を受けにくくする効果がある。実施例２では、溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物は回転ブラシを用いた機械的物理的方法により除去する。
【００５４】
溶接生成物除去手段において、回転ブラシ３０はブラシ押付装置３１に取り付けられ、回転しながら溶接金属表面及び開先壁面に押付られ、溶接生成物が除去される。回転ブラシ３０の前面にはガス吹付ノズル３２からガスが噴射される、回転ブラシ３０により剥離された溶接生成物は、ガス吹付ノズル３２から噴射されたガスにより運ばれ、回転ブラシ３０の後部に設置された吸引ノズル３３に吸引され除去される。
【００５５】
吸引ノズル３３には、溶接生成物の吸引を補助するために開先内に挿入される吸引補助板３４が取り付けられている。
【００５６】
回転ブラシ３０は、スリットを有する樹脂フィルムを複数枚束ねたものを使用する。実施例２では、溶接金属表面および開先壁面に付着した溶接生成物除去手段を１台有する構成であるが、これを複数台設けても良い。本構成の装置を用いて板厚３０ｍｍ、直径６００ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４配管材の円周の連続積層溶接を行った結果、溶接装置が損傷されること無く、安定した溶接が行われ、高品質の溶接部が得られた。
【００５７】
このように、本発明のレーザ溶接装置を用いることにより、開先を有する大型構造物の溶接部の積層溶接において、長時間の連続的な積層溶接が可能となる。また溶接品質の安定した溶接部を得ることが出来る。
【００５８】
本発明の実施例では、オーステナイト系ステンレス鋼の円筒物に適用して結果について説明したが、本発明の溶接装置はこれに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５９】
１…被溶接材、 ２…開先、 ３…溶接ワイヤ、 ４…レーザ光、 ７…光学系保護筒、８…加工ヘッド、９…ヒューム、１０…反射光、１１…光ファイバ、１２…レーザ発振器、１３…溶融プール、１８…保護板、１９…ヒューム吸引ノズル、２０…レーザクリーニングヘッド、２２…溶接制御装置、２３…パルスレーザ発振器、２９…トレーラー部材、３０…回転ブラシ、３１…ブラシ押付装置、３２…ガス吹付ノズル、３３…吸引ノズル、３４…吸引補助板、３５…ヒューム吸引装置、３６…エアノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光集光のための光学系を有しレーザ光を被溶接材に照射する加工ヘッドと、前記被溶接材のレーザ光照射部に溶接ワイヤを給送するワイヤ給送手段と、レーザ光の照射により前記被溶接材に形成された溶融部及びその近傍をシールドするシールドガス供給手段と、前記加工ヘッド及び被溶接材を相対的に移動させる移動手段とを有し、被溶接材の接合部に形成された開先にレーザ光を照射し溶接ワイヤを給送しつつ前記被溶接材および溶接ワイヤを溶融させ、前記開先を積層溶接するレーザ溶接装置において、
前記レーザ溶接装置は、溶接により生じた溶接生成物を吸引する吸引手段と、前記レーザ光の反射光及び溶接部の輻射熱から前記加工ヘッドを保護する加工ヘッド保護手段と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ溶接装置において、前記溶融部から生ずる溶接生成物から前記加工ヘッドの光学系を保護する光学系保護手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ溶接装置において、前記溶接生成物はヒューム及びスパッタの少なくとも一つを含むことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のレーザ溶接装置において、前記レーザ光を照射する加工ヘッドと前記溶接生成物の吸引手段の間に、溶接金属を大気から保護し前記溶接生成物の吸引手段による吸引を案内するトレーラ部材を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、前記加工ヘッドと被溶接材の間に設置され、前記加工ヘッド及びその付属装置をレーザ反射光及び溶接部輻射熱から保護する板状部材からなることを特徴とする請求項１及び２記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、凹面状の湾曲面を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載のレーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段はシールドガス供給手段と水冷構造を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の少なくとも１項に記載のレーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項９】
請求項１乃至７の少なくとも１項に記載のレーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、機械的除去手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ溶接装置において、前記クリーニング手段の機械的除去手段は、溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去する回転ブラシと、ガス吹付手段と、除去した溶接生成物を吸引する吸引手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１１】
請求項１乃至７の少なくとも１項に記載のレーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段と機械的除去手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１】
レーザ光集光のための光学系を有しレーザ光を被溶接材に照射する加工ヘッドと、前記被溶接材のレーザ光照射部に溶接ワイヤを給送するワイヤ給送手段と、レーザ光の照射により前記被溶接材に形成された溶融部及びその近傍をシールドするシールドガス供給手段と、前記加工ヘッド及び被溶接材を相対的に移動させる移動手段とを有し、被溶接材の接合部に形成された開先にレーザ光を照射し溶接ワイヤを給送しつつ前記被溶接材および溶接ワイヤを溶融させ、前記開先を積層溶接するレーザ溶接装置において、
前記レーザ溶接装置は、溶接により生じた溶接生成物を吸引する吸引手段と、前記レーザ光の反射光及び溶接部の輻射熱から前記加工ヘッドを保護する加工ヘッド保護手段と、積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ溶接装置において、前記溶融部から生ずる溶接生成物から前記加工ヘッドの光学系を保護する光学系保護手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ溶接装置において、前記溶接生成物はヒューム及びスパッタの少なくとも一つを含むことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のレーザ溶接装置において、前記レーザ光を照射する加工ヘッドと前記溶接生成物の吸引手段の間に、溶接金属を大気から保護し前記溶接生成物の吸引手段による吸引を案内するトレーラ部材を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、前記加工ヘッドと被溶接材の間に設置され、前記加工ヘッド及びその付属装置をレーザ反射光及び溶接部輻射熱から保護する板状部材からなることを特徴とする請求項１及び２記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段は、凹面状の湾曲面を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載のレーザ溶接装置において、前記加工ヘッド保護手段はシールドガス供給手段と水冷構造を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の少なくとも１項に記載のレーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項９】
請求項１乃至７の少なくとも１項に記載のレーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、機械的除去手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ溶接装置において、前記クリーニング手段の機械的除去手段は、溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去する回転ブラシと、ガス吹付手段と、除去した溶接生成物を吸引する吸引手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１１】
請求項１乃至７の少なくとも１項に記載のレーザ溶接装置において、前記積層溶接された溶接金属の表面に堆積した溶接生成物を除去するクリーニング手段は、パルスレーザ照射手段と機械的除去手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６３０（Ｐ２０１２−６３０Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６７６１（Ｐ２０１０−１３６７６１）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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