レーザ溶接装置
【課題】曲がりをもった二重管を円滑に通過することを可能とし、溶接ヘッドの位置決めや回転機能を容易に付加して、二重管の内管の突き合わせ溶接を効率よく実施できるようにする。
【解決手段】本発明の実施形態によるレーザ溶接装置は、レーザ光を管１の内周面に照射するレーザ光学系とテーパー形状の先端部２１とを有するレーザ溶接ヘッド１２と、管１の管外に設置され、レーザ溶接ヘッド１２を回転駆動する回転駆動装置１４と、回転駆動装置１４で発生したトルクをレーザ溶接ヘッド１２に伝達する可撓性のフレキシブルシャフト３０と、レーザ発振器からのレーザ光をレーザ溶接ヘッド１２に導く光ファイバー３２と、を有する可撓性の多重溶接ケーブル１３と、レーザ溶接ヘッド１２の先端部が着脱自在に嵌合しレーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を位置決めする位置決めストッパ６２と、レーザ溶接ヘッド１２の嵌合した位置決めストッパ６２を管軸上に固定する固定機構と、を有する位置決め固定装置１６と、を備えている。
【解決手段】本発明の実施形態によるレーザ溶接装置は、レーザ光を管１の内周面に照射するレーザ光学系とテーパー形状の先端部２１とを有するレーザ溶接ヘッド１２と、管１の管外に設置され、レーザ溶接ヘッド１２を回転駆動する回転駆動装置１４と、回転駆動装置１４で発生したトルクをレーザ溶接ヘッド１２に伝達する可撓性のフレキシブルシャフト３０と、レーザ発振器からのレーザ光をレーザ溶接ヘッド１２に導く光ファイバー３２と、を有する可撓性の多重溶接ケーブル１３と、レーザ溶接ヘッド１２の先端部が着脱自在に嵌合しレーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置を位置決めする位置決めストッパ６２と、レーザ溶接ヘッド１２の嵌合した位置決めストッパ６２を管軸上に固定する固定機構と、を有する位置決め固定装置１６と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば、高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される二重伝熱管の管内側からの管内面突き合わせ溶接を実施するレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速増殖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。この種の二重伝熱管は、内管と外管とから構成されており、内管と外管の間にある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（組網線部）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、破損をヘリウムガス濃度の上昇により検出することができる。
【０００３】
このような二重伝熱管の単位となる１本の管は、１０ｍから２０ｍの長さをもつ管である。蒸気発生器に用いるには、複数本の管を溶接により継ぎ足している。
【０００４】
二重伝熱管には、上記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、組網線部を塞がないように溶接する必要があり、きわめて高度な溶接技術が要求される。溶接で隙間が埋まらないようにするためには、内側の突き合わせ溶接と外側の管の突き合わせ溶接とは別々に溶接を行うことが必要であり、例えば、特許文献１では、レーザを用いた溶接方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２０１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
二重伝熱管が用いられる原子炉によっては、例えば、小型高速増殖炉のように、蒸気発生器を小型化するために、二重伝熱管を螺旋状に曲げたヘリカル管を用いることがある。この種の二重伝熱管では、蒸気発生器の出入口の連結管からヘリカル管に至る管路中に９０°曲がり管が複数箇所存在する。連結管部とヘリカル管部との最終接合となる溶接箇所は９０°曲がり管の先になるため、レーザ溶接装置のレーザヘッドは、この９０°曲がり管を通過できることが必須の条件になる。しかも、通過させた上で、レーザ溶接ヘッドに溶接を施工する位置に正確に位置決めする機能や、固定する機能、レーザ溶接ヘッドを回転させる機能などが必要である。
【０００７】
ところが、この種の二重伝熱管には、内径が２０mm前後の小口径の管があり、しかも、９０°曲がり管の曲がり半径は１５０mm前後と小さく、このような小口径の曲がり管を通過できるような小型のレーザ溶接装置に、位置決め機構や回転機構を組み込むことは困難である。
【０００８】
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、二重管、とりわけ小口径の曲がりをもった二重管を円滑に通過することが可能であるレーザヘッドを有し、溶接ヘッドの位置決めや回転機能を容易に付加することが可能であり、二重管の内管の突き合わせ溶接を効率よく、高品質に実施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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、前記管の内部からそ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、レーザ光を前記管の内周面に照射するレーザ光学系とテーパー形状の先端部とを有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管外に設置され、前記レーザ溶接ヘッドを回転駆動する回転駆動装置と、前記回転駆動装置で発生したトルクを前記レーザ溶接ヘッドに伝達する可撓性のフレキシブルシャフトと、レーザ発振器からのレーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導く光ファイバーと、を有する可撓性の多重溶接ケーブルと、前記レーザ溶接ヘッドの先端部が着脱自在に嵌合し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ストッパと、前記レーザ溶接ヘッドの嵌合した前記位置決めストッパを管軸上に固定する固定機構と、を有する位置決め固定装置と、を具備することを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】同レーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドと多重溶接ケーブルを示す縦断面図である。
【図３】同レーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッド回転駆動装置の縦断面図である。
【図４】レーザ溶接装ヘッドを位置決めする位置決め固定装置の縦断面図である。
【図５】図４の位置決め固定機構を回収する回収装置の縦断面図である。
【図６】レーザ溶接装ヘッドを位置決めする位置決め固定装置の他の実施形態の縦断面図である。
【図７】図６の位置決め固定機構の回収操作を示す縦断面図である。
【図８】レーザ溶接装ヘッドを位置決めする位置決め固定装置のさらに他の実施形態の縦断面図である。
【図９】図８の位置決め固定機構の回収操作を示す縦断面図である。
【図１０】レーザ溶接ヘッドの他の実施形態を示す縦断面図である。
【図１１】レーザ出力を制御する制御装置のブロック構成図である。
【図１２】レーザ溶接ヘッドの回転速度の時間変化を示すグラフである。
【図１３】レーザ溶接ヘッドが1回する間のレーザ出力を示すグラフである。
【図１４】レーザ出力の時間変化のパターンを示すグラフである。
【図１５】レーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドと多重溶接ケーブルの他の構成例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】
【００１１】
以下、本発明によるレーザ溶接装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ溶接装置の全体構成を示す。図１において、参照番号１は、レーザ溶接が実施される二重管を示し、参照番号１０は、レーザ溶接装置の全体を示している。
【００１２】
二重管１は、外管２と内管３が同軸になっている二重管であり、外管２と内管３の間の隙間には組網線４が挟み込まれている。
【００１３】
この実施形態のレーザ溶接装置１０は、管内側からの突き合わせ溶接を実施し、二重管１を１本１本継ぎ足しながら延長していく。この二重伝熱管は、例えば高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される。
【００１４】
図１において、レーザ溶接装置１０は、大きく分けると、内管３の内面からの周溶接を行うレーザ溶接ヘッド１２と、多重溶接ケーブル１３と、溶接ヘッド１２を回転させるためのヘッド回転駆動装置１４と、レーザ溶接ヘッド１２を二重管１の管内の溶接位置に位置決めしかつ固定するための位置決め固定機構１６と、溶接終了後、位置決め固定機構１６を二重管１の管内から回収するための回収装置１８（図５参照）と、から構成されている。
【００１５】
まず、レーザ溶接ヘッド１２の構成について、図１および図２を参照して説明する。
図２は、レーザ溶接ヘッド１２および多重溶接ケーブル１３の縦断面を示す図である。このレーザ溶接ヘッド１２は、ヘッド本体２０と、このヘッド本体２０に固定されたヘッド先端部２１と、を有している。このヘッド先端部２１は、その先端に向かって縮径していくテーパ形状を有している。このヘッド先端部２１は、レーザヘッド位置決め固定機構１６に着脱可能に嵌合するようになっている。
【００１６】
ヘッド本体２０の後部には、継手部２２が連結されており、この継手部２２には、金属製の蛇腹管２３の先端部が接続されている。この蛇腹管２３の後端部には、ホース連結部２４を介して可撓性を有する多重溶接ケーブル１３が接続されている。ホース連結部２４は、第１ジョイント２６、中間ジョイント２７、第２ジョイント２８とから構成されている。
【００１７】
多重溶接ケーブル１３を構成する可撓性のホース２５の内部には、可撓性のある材料から構成されるフレキシブルシャフト３０が同軸に収容されている。この場合、ホース２５の内周面とフレキシブルシャフト３０の外周面との間には不活性ガスが流れるガス通路３１が形成されている。さらに、フレキシブルシャフト３０は中空になっており、その内部には同軸に光ファイバー３２が組み込まれている。この光ファイバー３２は、中間ジョイント２７、第１ジョイント２６に挿通され、さらに蛇腹管２３の内部を通り、光ファイバー３２の先端３２ａは継手部２２に接続されている。
【００１８】
第２ジョイント２８は、外周部に突起２８ａを有する竹の子形のジョイントであり、ホース２５の先端が圧入されることにより接続されている。第２ジョイント２８の内周面はすべり面になっており、フレキシブルシャフト３０の接続されている中間ジョイント２７が回転自在に嵌合するようになっている。また、第２ジョイント２８の先端側の端面は、中間ジョイント２７のフランジ部２７ａが摺動するすべり面になっており、この滑り面にはホース２５内部のガスを漏洩しないようにＯリング３３が設けられている。
【００１９】
なお、中間ジョイント２７と第１ジョイント２６を貫通するようにガス通路となる複数の貫通孔３４が形成されている。
【００２０】
レーザ溶接ヘッド１２のヘッド本体２０の内部には、光ファイバー３２により伝達されたレーザ光が先端３２ａから照射される空間３５が形成されている。ヘッド先端部２１の背面には、非球面反射ミラー３６が配置されており、この非球面反射ミラー３６で反射したレーザ光Ｌは、直角に方向を変えてヘッド本体２０の側面に開口するノズル口３７から内管３の内面の被溶接部に向けて照射される。
【００２１】
なお、ヘッド本体２０の内部には、ガス通路３８が形成されており、不活性のガスは、ガス出口３９から被溶接部に向けて噴き出るようになっている。
【００２２】
次に、図３は、ホース２５、フレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２からなる多重溶接ケーブル１３の末端が接続され、フレキシブルシャフト３０を介してレーザ溶接ヘッド１２を回転駆動するヘッド回転駆動機構１４の構成を示す。
【００２３】
このヘッド回転駆動機構１４は、ベース部４１を含み、このベース部４１にはフレキシブルシャフト３０を回転させるフレキシブルシャフト回転機構部４０と、レーザ光中継器４２とが設けられている。
【００２４】
ホース２５、フレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２からなる多重溶接ケーブル１３のうち、まずホース２５の末端は、ホースコネクタ４３に接続されている。このホースコネクタ４３は、Ｔ字継手４４に接続されている。このＴ字継手４４の分岐管４４ａには、ガス供給ホース４５が接続されており、アルゴンガスなどの不活性ガスがガス供給ホース４５を通して送られてくる。
【００２５】
他方、フレキシブルシャフト３０の端末は、Ｔ字継手４４を通って中空回転軸４６にロウ付けにより接合されている。光ファイバー３２は、中空回転軸４６に挿通されてさらにレーザ光中継器４２まで延びている。
【００２６】
中空回転軸４６は、ベアリング４７を介して駆動部本体４８に水平に支持されている。駆動部本体４８の上には、ブラケット４９を介して駆動源であるサーボモータ５０が設置されている。このサーボモータ５０の回転軸５１にはタイミングプーリ５２が取り付けられている。中空回転軸４６にもタイミングプーリ５３が取り付けられており、タイミングプーリ５２とタイミングプーリ５３には、タイミングベルト５４が巻き掛けられている。サーボモータ５０の回転は、タイミングベルト５４を介して中空回転軸４６に伝達され、この中空回転軸４６がフレキシブルシャフト３０を回転させることになる。
【００２７】
光ファイバー３２の端末部は、レーザ出力側の光ファイバーコネクタ５５によりレーザ光中継器４２と接続されている。このレーザ光中継器４２は、中空の本体部５６を含む。このレーザ光中継器４２の本体部５６の内部には、組レンズ５７、５７が組み込まれている。レーザ出力側の光ファイバーコネクタ５５は、ベアリング５８によって回転自在に支持されており、光ファイバー３２とともに回転することができるようになっている。他方、レーザ光中継器４２の本体部５６のレーザ入力側には、光ファイバーコネクタ５９を介して光ファイバー６０が接続されている。この光ファイバー６０は、数１０メートル先のレーザ発振ユニット１４０に接続され、レーザ溶接用レーザ光の供給を受けるようになっている。
【００２８】
次に、図４は、レーザ溶接ヘッド１２を二重管１の管内で位置決めする溶接ヘッド位置決め固定機構１６の構成を示す。
この溶接ヘッド位置決め固定機構１６は、位置決めストッパ６２と、二重管１の管内で伸縮し位置決めストッパ６２を固定するパッド付きリンク機構６４と、このパッド付きリンク機構６４の伸縮動作を実現するねじ機構とから構成されている。
【００２９】
位置決めストッパ６２は、レーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１が着脱自在に嵌合するように、すり鉢状の穴部６５を有している。位置決めストッパ６２は、回転軸６６を介してねじ軸６７と同一軸線上に連結されている。このねじ軸６７には雄ねじが切られており、この雄ねじにはナット部材６８が螺合するようになっている。ナット部材６８には、ねじ軸６７を軸中心にして等ピッチに複数のパッド付きリンク機構６４が放射状に配設されている。この実施形態では、パッド付きリンク機構６４は、第１リンク部材６９、第２リンク部材７０、固定パッド７１とから構成されている。第１リンク部材６９の一端部は、ナット部材６８にピンを介して連結され、他端部は第２リンク部材６９の中間位置にピンを介して連結されている。第２リンク部材６９の一端部は、位置決めストッパ６２にピンを介して連結され、他端部は固定パッド７１にピンを介して連結されている。
【００３０】
位置決めストッパ６２とねじ軸６７を連結している回転軸６６の端部には、逆ねじの雌ねじ７２が形成されており、また、雌ねじ７２の奥には、図示しない六角レンチなどの工具が嵌合する６角穴が形成されている。
【００３１】
このような溶接ヘッド位置決め固定機構１６は、リンク機構６４が畳まれた状態で二重管１の管内に搬入される。レーザヘッド位置決め固定機構１６を所定の位置に置いてから、図示しない六角レンチを位置決めストッパ６２の穴部６５から差し込んで、雌ねじ７２奥の六角穴に嵌合させる。そして、六角レンチをつかって回転軸６６を正回転の方向に回していくと、ねじ軸６７もいっしょに回転していく。このねじ軸６７の回転によって、ナット部材６８は図４において矢印方向へ徐々に移動する。そうすると、ナット部材６８は第１リンク部材６９と第２リンク部材７０を二重管１の半径方向に押し出すので、固定パット７１が二重管１の内管３の内周面に押し付けられる。回転軸６６を強く締めていくことで、位置決めストッパ６２の位置を二重管１の管軸上に固定することができる。
【００３２】
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、二重管の内管を突き合わせ溶接するレーザ溶接の工程との関連において、その作用並びに効果について説明する。
まず、図２において、上述したように、一方の二重管１Ａの管内の端部には、他方の二重管１Ｂをレーザ溶接する前に、あらかじめレーザヘッド位置決め固定機構１６が所定の位置に固定されている。
【００３３】
そこで、一方の二重管１Ａの端部には、これから溶接する他方の二重管１Ｂの端部を突き当てた状態にしておく。他方の二重管１Ｂには溶接する端部とは反対側の端部から、レーザ溶接ヘッド１２を入れ、接続されているホース２５を押し込みながらレーザ溶接ヘッド１２を前進させる。
【００３４】
レーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１を、レーザヘッド位置決め固定機構１６の位置決めストッパ６２まで到達させ、ヘッド先端部２１を位置決めストッパ６２の穴部６５に嵌合させる。この穴部６５は、ヘッド先端部２１と同じテーパをもっているので、ヘッド先端部２１が穴部６５に完全に嵌合すると、管軸中心に回転可能な状態でのレーザ溶接ヘッド１２の位置決めが完了する。このとき、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置についても同時に位置決めが完了し、レーザ溶接ヘッド１２は、内管３の溶接部にちょうどレーザ光Ｌが照射される位置にある。また、レーザ光Ｌのピント調整についても、位置決めストッパ６２にヘッド先端２１を嵌合させた状態にあるレーザ溶接ヘッド１２から照射されるレーザ光は内管３の内周面でピントを結ぶように事前に調整されている。
【００３５】
次に、図２において、光ファイバー３２を通してレーザ溶接ヘッド１２に導かれたレーザ光は、非球面反射ミラー３６で反射して、直角に方向を変えてレーザ溶接ヘッド本体２０の側面に開口するノズル口３７から二重管１の内管３内面の被溶接部に向けて照射される。
【００３６】
二重管１の内管３を突き合わせ溶接するためには、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる必要がある。
図３において、ヘッド回転駆動機構１４のサーボモータ５０によって、中空回転軸４６を回転駆動することにより、フレキシブルシャフト３０を回転させる。このフレキシブルシャフト３０は、回転トルクをレーザ溶接ヘッド１２に伝達し、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる。このとき、ヘッド先端部２１は、同じテーパ形状をもつ位置決めストッパ６２に嵌合して支持された状態で回転するので、振れを確実に防止することができ、レーザ光はピントの合った状態で内管３の溶接部を一周するように照射される。
【００３７】
ところで、レーザ溶接ヘッド１２を通す二重管１は、真っ直ぐな管である以外に、曲がっている二重管１である場合がある。このような曲がった二重管１の場合にも次のようにして、レーザ溶接ヘッド１２を円滑に通過させることができる。
【００３８】
レーザ溶接ヘッド１２は、ヘッド本体２０とヘッド先端部２１だけからなり、ヘッド回転駆動用のモータや、ヘッド固定機構は付属していないため、短くかつ小型のヘッド構成とすることができる。しかも、レーザ溶接ヘッド１２は、蛇腹管２３を介して柔軟性に富み曲がり易いホース２５、フレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２の束体と接続されているので、二重管１の曲がった部分を容易に通過させることができる。
【００３９】
また、回転トルクをヘッド回転駆動機構１４からレーザ溶接ヘッド１２に伝達するフレキシブルシャフト３０は、曲がったままでも捻られながら数ｍ先のレーザ溶接ヘッド１２に蛇腹管２３を介して回転トルクを伝達させることが可能である。そして、フレキシブルシャフト３０の中を通っている出力側の光ファイバー３２もいっしょに捻られるが、図３に示すように、光ファイバーコネクタ５５をベアリング５８で回転自在としてレーザ光中継部４２に接続しているので、光ファイバー３２は捻られてもフリーに回転できるので問題は生じないようになっている。
【００４０】
また、フレキシブルシャフト３０とホース２５の接続部では、第２ジョイント２８の内周面はすべり面になっており、フレキシブルシャフト３０の接続されている中間ジョイント２７が回転自在に嵌合するようになっている。また、第２ジョイント２８の先端側の端面は、中間ジョイント２７のフランジ部２７ａが摺動するすべり面になっているので、フレキシブルシャフト３０が回転してもホース２５の方は捻られることがない。
【００４１】
こうして、二重管１の内側管３に対するレーザ溶接が終わったら、フレキシブルシャフト３０を収容しているホース２５を引っ張ってレーザ溶接ヘッド１２を二重管１の管外に回収することになる。レーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１は、位置決めストッパ６２のテーパ付きの穴部６５に嵌合しているだけなので、ヘッド先端部２１を位置決めストッパ６２から簡単に離脱させることができる。
【００４２】
レーザ溶接ヘッド１２をホース２５ごと回収する過程では、二重管１が曲がった管である場合でも、上述したように、曲がり部分を円滑に通過させることができるので、容易に回収することができる。
【００４３】
次に、レーザ溶接ヘッド１２の回収が終了した後は、レーザヘッド位置決め固定機構１６を管外に回収することになる。図５は、レーザヘッド位置決め固定機構１６を管外に回収するための回収機構１８を示す。この実施形態では、フレキシブルシャフト７８が内部に同軸に収容されたガイド管８０を二重管１内に通して、レーザヘッド位置決め固定機構１６を回収する。
【００４４】
ガイド管８０の先端には、端末金具８２が取り付けられている。フレキシブルシャフト７８の先端には、テーパ形状の先端部８３が取り付けられ、この先端部８３は端末金具８２に回転自在に支持されている。先端部８３は、図２に示したレーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１と同様に、位置決めストッパ６２の穴部６５に着脱自在に嵌合するようになっている。そして、先端部８３の先には、逆ねじにねじを切ってある雄ねじ８４が同軸に固着されており、この雄ねじ８４は、レーザヘッド位置決め機構１８の回転軸６６にある逆ねじの雌ねじ７２に螺合するようになっている。なお、参照番号８１は、先端部８３を案内する球体を示す。
【００４５】
フレキシブルシャフト７８の末端は、図３に示した回転駆動機構１４に連結される。レーザヘッド位置決め固定機構１６を回収するときには、図５において、フレキシブルシャフト７８をゆっくりと逆回転方向に回しながら、その先端部８３を位置決めストッパ６２の穴部６５に挿入する。先端部８３の雄ねじ８４は回転軸６６の雌ねじ７２と同様に逆ねじになっているため、雄ねじ８４は、雌ねじ７２に締め込まれていき、回転軸６６とフレキシブルシャフト７８との連結が確立する。さらにフレキシブルシャフト７８を逆回転方向に回していくと、回転軸６６とともにねじ軸６７が逆回転方向に回転し、ナット部材６８は、図５において矢印方向に徐々に移動する。ナット部材６８は、第１リンク部材６９と第２リンク部材７０を介して固定パッド７１を引き寄せるので、それまで二重管の内周面に押し付けられて固定パッド７１が離れて、レーザヘッド位置決め固定機構１６はアンクランプされる。
【００４６】
レーザヘッド位置決め固定機構１６のアンクランプの後、フレキシブルシャフト７８を引く抜くことで、レーザヘッド位置決め固定機構１６を円滑に回収することができる。
【００４７】
また、光ファイバー３２の交換を行う際は、光ファイバー３２の取り付け調整作業が発生する。本実施形態では、レーザ溶接ヘッド１２と多重溶接ケーブルを蛇腹管２３で接続しているので、調整作業の際は蛇腹管２３の接続を解除して蛇腹管２３を折り畳むことで光ファイバー３２を露出させることができるため、作業性が向上する。
【００４８】
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態によるレーザ溶接装置について、図６並びに図７を参照しながら説明する。
【００４９】
この第２実施形態によるレーザ溶接装置では、図６に示すレーザヘッド位置決め固定機構９０が用いられている。これ以外のレーザ溶接ヘッド１２、回転駆動機構１４等の構成は第１実施形態と同様である。
【００５０】
このレーザヘッド位置決め固定機構９０では、回転軸６６とともにねじ軸６７を正回転の方向に回転させてナット部材６８を図６で矢印方向に移動させて固定し、回転軸６６を逆方向に回してナット部材６８を矢印方向と逆方向に移動させて固定状態を解除する点は、図４に示したレーザヘッド位置決め固定機構１６と同様であるが、リンク機構６４と固定パッド７１の替わりに、対をなす細長い板ばね９２、９３を用いて固定力を発生させている点が相違している。
【００５１】
図６に示すように、一方の板バネ９２の一端はナット部材６８に固定されており、この板ばね９２の中間部位は位置決めストッパ６２の角部分に当たって湾曲し先端部９２ａが二重管１の内管３の内周面に当接するようになっている。これに対して、他方の板ばね９３の一端は、位置決めストッパ６２の切欠部６２ａに固定されている。この板ばね９３の中間部位は、ナット部材６８に当たって湾曲し先端部９３ａは二重管１の内管の内周面に当接するようになっている。このような板ばね９２、９３は対をなし、この実施形態では、図示されていないが周方向に等ピッチで３対が配置されている。
【００５２】
以上のようなレーザヘッド位置決め固定機構９０によれば、次のようにしてレーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる。
【００５３】
レーザヘッド位置決め固定機構９０を二重管１管内の所定の位置に置いてから、六角レンチを位置決めストッパ６２の穴部６５から差し込んで、図示しない六角レンチをつかって回転軸６６を正回転の方向に回していくと、ねじ軸６７もいっしょに回転していく。このねじ軸６７の回転によって、ナット部材６８が図６において矢印方向へ徐々に移動すると、一方の板ばね９２ではその途中が位置決めストッパ６２に当たって、先端部９２ａは二重管１の内管の内周面に押し付けられ、板ばね９２の撓みによって固定力を発生する。同じようにして、他方の板ばね９３の固定端側にナット部材６８がせり込んでいくので、先端部９３ａは二重管１の内管１内周面に押し付けられ、板ばね９３の撓みによって固定力を発生する。このような板ばね９２、９３を対にして３対が等ピッチで配設されているので、位置決めストッパ６２を二重管１の管軸上に固定することができる。
【００５４】
こうして、位置決めストッパ６２を固定した後は、一方の二重管１の端部に、これから溶接する他方の二重管１の端部を突き当てた状態にしておく。そして、他方の二重管１には溶接する端部とは反対側の端部から、レーザ溶接ヘッド１２を入れ、接続されているホース１１を押し込みながらレーザ溶接ヘッド１２を前進させると、ヘッド先端部２１が位置決めストッパ６２の穴部６５に嵌合し、レーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる。
【００５５】
レーザ溶接による二重管１の接合が終了した後、レーザヘッド位置決め固定機構９０を回収する場合、次のようにして、位置決めストッパ６２の固定状態を解除する。
【００５６】
図７において、回収用のフレキシブルシャフト７８をゆっくりと逆回転方向に回しながら、その先端部８３を位置決めストッパ６２の穴部６５に挿入する。先端部８３の雄ねじ８４は回転軸６６の雌ねじ７２と同様に逆ねじになっているため、雄ねじ８４は、雌ねじ７２に締め込まれていき、回転軸６６とフレキシブルシャフト７８との連結が確立する。さらにフレキシブルシャフト７８を逆回転方向に回していくと、回転軸６６とともにねじ軸６７が逆回転方向に回転し、ナット部材６８は、図７において矢印方向に徐々に移動する。このナット部材６８の移動によって、板ばね９２、９３の撓み量が少なくなるので、位置決めストッパ６２の固定状態が解除される。以後、フレキシブルシャフト７８を引く抜くことで、レーザヘッド位置決め機構９０を円滑に回収することができる。特に、本実施形態では、固定力の発生と解除を板ばね９２、９３の撓みを利用しているので、第１実施形態のようにリンク機構を使わずに済むので、レーザヘッド位置決め固定機構９０をより小径の二重管に適したものにすることができる。
【００５７】
第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態によるレーザ溶接装置について、図８並びに図９を参照しながら説明する。
【００５８】
この第３実施形態によるレーザ溶接装置では、図８に示すレーザヘッド位置決め固定機構１００が用いられる。これ以外のレーザ溶接ヘッド１２、回転駆動機構１４等の構成は第１実施形態と同様である。
【００５９】
このレーザヘッド位置決め固定機構１００では、ねじ軸６７を正回転の方向に回転させてナット部材６８を矢印方向に移動させてリンク機構６４を伸ばして固定する点は、図４に示したレーザヘッド位置決め固定機構１８と同様である。異なる点は、次のような高圧ガス発生装置を利用して固定状態を解除する点にある。
【００６０】
図８において、参照番号１０２は、燃焼反応によって高圧のガスを発生する化学物質と、この化学物質を燃焼反応させるための着火用火薬と、を内蔵するインフレータを示す。このインフレータ１０２は、例えば、自動車のエアバックシステムでガス発生源として用いられるガス発生装置と同種のものである。
【００６１】
本実施形態では、ねじ軸６７はシリンダ構造を有しており、このねじ軸６７の内部にはプランジャー１０４が移動自在に同軸に内蔵されている。ねじ軸６７の端部には、プランジャー１０４を作動させるシリンダ室１０６が形成されている。この場合、インフレータ１０２は、耐圧ホース１０７によってねじ軸６７の端部と接続されており、インフレータ１０２で発生した高圧ガスは、耐圧ホース１０７を通ってシリンダ室１０６に導入されるようになっている。
【００６２】
シリンダ室１０６側のプランジャー１０４の端部は、シャーピン１０８によって固定されている。シリンダ室１０６に導入された高圧ガスによりプランジャー１０４が加圧されたときにはシャーピン１０８が破断するので、プランジャー１０４は前進して、固定状態が解除されるようになっている。
【００６３】
本実施形態では、二重管１の管外からの操作によってインフレータ１０２の内蔵する着火用火薬に着火するための電気回路が次のように構成されている。
図９において、回収機構１８を構成するフレキシブルシャフト７８の先端部８３やガイド管８０、球体８１、端末金具８２など、これら二重管１の内管３の内周面に接触する可能性のある構成部材の表面は、絶縁体で被覆されており、二重管１の内管３とは電気的に絶縁されている。
【００６４】
フレキシブルシャフト７８は導電性材料からなるシャフトである。このフレキシブルシャフト７８の先端部８３の先に設けられた逆ねじの雄ねじ８４には図示しない電極が設けられており、この電極とフレキシブルシャフト７８とは端末金具８２の内部にある図示ない電線により電気的に接続されている。
【００６５】
さらに、レーザヘッド位置決め固定機構１００では、固定パッド７１は絶縁体で被覆されるか、若しくは絶縁体からなり、二重管１の内管３とは電気的に絶縁されている。その替わりに、ねじ軸６７およびプランジャー１０４は、フレキシブルシャフト７８と電気的に接続される回路の一部を構成し、電線１１０を介してインフレータ１０２の着火用電極であってインフレータ１０２の本体側面に取り付けられている陽極１１１と電気的に接続されている。
【００６６】
他方、インフレータ１０２の着火用の他方の電極である陰極１１２は、陽極１１１と対をなすようにインフレータ１０２の本体側面に取り付けられており、この陰極１１２には、先端が二重管１の内管３の内周面に接触するように、弾性力によって常に押し付けられている板ばね１１４と接続されており、陰極１１２、板ばね１１４、二重管１が着火回路の一部を構成するようになっている。
【００６７】
以上のようなレーザヘッド位置決め固定機構１００によれば、次のようにしてレーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる。
【００６８】
まず、図８において、レーザヘッド位置決め固定機構１００を二重管１管内の所定の位置に置いてから、図示しない六角レンチを位置決めストッパ６２の穴部６５から差し込んで、この六角レンチをつかってプランジャー１０４を正回転の方向に回していく。この場合、プランジャー１０４はシャーピン１０８によりねじ軸６７に固定されているので、プランジャー１０４といっしょにねじ軸６７が回転していく。このねじ軸６７の回転によって、ナット部材６８が図８において矢印方向へ徐々に移動すると、リンク機構６４は固定パット７１を二重管の内管３の内周面に押し付けていくので、位置決めストッパ６２を管軸上に固定することができる。なお、このとき、ねじ軸６７の回転とともに、板ばね１１４が二重管１の内管３の内周面を摺動しながらインフレータ１０２もいっしょに回ることになる。
【００６９】
レーザ溶接による二重管１の接合が終了した後、レーザヘッド位置決め固定機構１００を回収する場合、次のようにして、位置決めストッパ６２の固定状態を解除する。
【００７０】
図９において、レーザヘッド位置決め固定機構１００を回収するときには、回収用のフレキシブルシャフト７８をゆっくりと逆回転方向に回しながら、その先端部８３を位置決めストッパ６２の穴部６５に挿入し、先端部８３の雄ねじ８４を雌ねじ７２に締め込むことで、プランジャー１０４とフレキシブルシャフト７８との連結を確立することができる。
【００７１】
その後、図９において、二重管１の管外からインフレータ１０２の図示しない着火スイッチを入れると、インフレータ１０２の着火用電極である陽極１１１、陰極１１２間に電流が流れ、内蔵されている火薬に着火することができる。インフレータ１０２では、ガス発生用の化学物質が燃焼し、発生した高圧ガスは耐圧ホース１０７を通ってシリンダ室１０６に噴出し、プランジャー１０４を前進させる。このプランジャー１０４は、シャーピン１０８を破断して前進し、位置決めストッパ６２を矢印方向に移動させる結果、ナット部材６８と位置決めストッパ６２との間を連結しているリンク機構６４を強制的に畳ませるので、固定パッド７１は二重管１の内管３の内周面から離れることになる。これにより、位置決めストッパ６２の固定状態が解除される。
【００７２】
以後、フレキシブルシャフト７８を引く抜くことで、レーザヘッド位置決め機構１００を円滑に回収することができる。特に、本実施形態では、インフレータ１０２で発生させる高圧ガスを利用して、固定状態を強制的に開放しているので、レーザヘッド位置決め機構１００の回収をより容易に確実にすることができる。
【００７３】
なお、第２実施形態と同様に、さらにフレキシブルシャフト３０を逆回転方向に回していくと、位置決めストッパ６２の固定状態を開放することも可能である。
【００７４】
第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態によるレーザ溶接装置について、図１０乃至図１４を参照しながら説明する。
【００７５】
この第４実施形態は、図１０に示すレーザ溶接ヘッド１２０を用いて、その回転速度や回転数を検出し、レーザ出力の制御を実行しながら二重管１のレーザ溶接を行うようにした実施の形態である。そこで、まず、図１０を参照しながら、レーザ溶接ヘッド１２０について説明する。
【００７６】
この第４実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２０は、ヘッド本体２０と、このヘッド本体２０に連結されたヘッド先端部１２２と、を有している。この実施形態では、ヘッド本体２０は、図２に示した第１実施形態のレーザ溶接ヘッドと同じ構成のものである。ヘッド本体２０の後部には、継手部２２が連結されており、この継手部２２には、金属製の蛇腹管２３の先端部が接続されている。この蛇腹管２３の後端部には、ホース連結部２４を介してホース２５が接続されている。ホース２５の内部にあるフレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２はレーザ溶接ヘッド本体２０と接続されている。
【００７７】
ヘッド先端部１２２は、先端に向かって縮径していくテーパ形状を有している。このヘッド先端部１２２は、図４に示すレーザヘッド位置決め固定機構１６の位置決めストッパ６２に着脱可能に嵌合するようになっている。
【００７８】
この第４実施形態では、ヘッド先端部１２２は、次のようにして、ヘッド本体２０に回転自在に連結されている。ヘッド本体２０の端面からは、同軸に支持軸１２３が突き出ている。ヘッド先端部１２２にはその後側端面に開口するように軸穴１２４が形成されている。支持軸１２３は軸穴１２４に挿入され、支持軸１２３は軸受１２５によって回転自在に支持されている。
ヘッド本体２０の端面とヘッド先端部１２２の後側端面との間には、所定の間隔の隙間が確保されている。そして、ヘッド先端部１２０の後側端面には、磁気パターンが形成されている磁気シール１２６が貼り付けられている。この磁気シール１２６には、磁気パターンが所定のピッチで周方向に並ぶように形成されている。他方、レーザ溶接ヘッド本体２０の端面には、磁気センサ１２８が埋め込まれており、この磁気センサ１２８で磁気パターンを検出するようになっている。
【００７９】
磁気センサ１２８には、センサに電気を供給する給電ライン上に検出信号を載せることが可能なセンサが用いられており、給電ラインは、次のようなラインによって確立される構成となっている。すなわち、フレキシブルシャフト３０からレーザ溶接ヘッド本体２０に至る経路が陽極側の経路となっており、一方陰極側は、ヘッド先端部１２２からレーザヘッド位置決め機構１６の位置決めストッパ６２、固定パッド７１を経て二重管１に至る経路である。
【００８０】
以上のように構成されるレーザ溶接ヘッド１２０では、ヘッド先端部１２２が位置決めストッパ６２の穴部６５に完全に嵌合すると、レーザ溶接ヘッド１２０は管軸を中心に回転可能な状態で位置決めされる。フレキシブルシャフト３０によって回転トルクが伝達されることで、ヘッド先端部１２２に組み込まれた軸受１２５に支持されながら、レーザ溶接ヘッド本体２０は回転することができる。
【００８１】
レーザ溶接ヘッド本体２０に回転トルクを伝える過程で、フレキシブルシャフト３０は捻れるので、レーザ溶接を実施している間、レーザ溶接ヘッド本体２０を一定の回転速度で回転させることは困難であり、フレキシブルシャフト３０のねじれ特性により、レーザ溶接ヘッド本体２０の回転速度は増減することになる。
【００８２】
本実施形態のレーザ溶接ヘッド１２０では、図２の第１実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２と異なり、ヘッド先端部１２２は位置決めストッパ６２に対して固定されており、ヘッド本体２０は、軸受１２５で支持されて回転する。このため、回転時にはヘッド先端部１２２の位置決めストッパ６２に対する滑りが発生しないので、レーザ溶接ヘッド本体２０の回転速度と回転数を磁気センサ１２８で正確に検出することができる。そこで、検出した回転速度や回転数などの回転状態ついての情報を利用して、以下のように、レーザ光の出力を制御している。
【００８３】
ここで、図１１は、二重管１の溶接部に照射するレーザ光の出力を制御する制御装置のブロック構成図である。
【００８４】
図１１において、ヘッド先端部１２２に配置されている磁気パターン１２６を検出する度に、磁気センサ１２８はＯＮ／ＯＦＦ信号を交互に出力する。この磁気センサ１２８には、信号を増幅するアンプ回路１３０が内蔵されており、ＯＮ／ＯＦＦ信号は、ＤＣパワーライン１３２に合流して、二重管１の管外に設置されている制御装置１３４に送信される。
【００８５】
この制御装置１３４には、ＤＣパワーライン１３２から磁気センサ１２８の出力信号をＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５に変換して分離するＡ／Ｄ変換器１３６と、デジタル／インプット回路１３７を介して取り込んだＯＮ／ＯＦＦデジタル信号を処理し、レーザ溶接ヘッド１２０の回転速度、回転数をリアルタイムに演算し、その結果に基づいてレーザレーザ発振器１４０にレーザ出力の指令値を指令するコンピュータ１３８を備えている。コンピュータ１３８には、ヘッド回転駆動機構１４のサーボモータ５０を制御するサーボモータ制御部１４２が接続され、回転速度、回転数を指令する。また、コンピュータ１３８には、レーザ発振器１４０、レーザ出力状態を表示するとともに、照射操作するための操作・表示器１４３が接続されている。
【００８６】
次に、図１２乃至図１４を参照しながら、二重管１を溶接するときに行うレーザ出力制御の内容について説明する。
まず、図１２（ａ）は、レーザ溶接ヘッド１２０のヘッド本体２０が回転しているときに、磁気センサ１２８の出力信号から得られるヘッド回転速度の時間的変化を示すグラフで、図１２（ｂ）はヘッド本体２０が１回転する時間間隔を表すグラフである。
上述したように、サーボモータ５０の回転トルクはフレキシブルシャフト３０によってヘッド本体２０に伝達されるので、フレキシブルシャフト３０のねじれや伸びの影響を受けて、サーボモータ５０を一定の回転数で回転させた場合でも、実際のヘッド回転速度には変動が生じることになる。このようなヘッド回転速度の変動は、一定時間連続回転を行い十分に回転が安定した状態になると、フレキシブルシャフト３０固有のねじれ特性を反映したパターンでの増減を繰り返す。
【００８７】
本実施形態のレーザ溶接ヘッド１２０では、ヘッド本体２０が軸受１２５で支持されながら回転する。通常、位置決めストッパ６２に対するヘッド先端部１２２の滑りは発生しないので、ヘッド回転速度を正確に計測できると考えられる。この実施形態では、正確な計測を期すために、次のようにしてヘッド先端部１２２と位置決めストッパ６２の間で実際に滑りが生じていないことを確認する。
【００８８】
まず、サーボモータ５０を所定の回転速度で回転させ、フレキシブルシャフト３０により回転トルクが伝達されたヘッド本体２０は連続回転している状態とする。このときのサーボモータ５０の回転速度は、二重管２にレーザ溶接を実際に実施するときの最適な周速度に設定される。
【００８９】
次に、ヘッド本体２０を一定時間連続回転させ、フレキシブルシャフト３０のねじれを伴う回転状態が十分に安定するのを待つ。
【００９０】
フレキシブルシャフト３０が安定して回転するようになったら、磁気センサ１２８で磁気パターン１２６を検出して得られたＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５に基づいて、コンピュータ１３８によりヘッド回転速度を検出する。この場合、磁気パターン１２６の濃淡バターン間のピッチ間隔は、ＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５では、ＯＮとＯＦＦの時間間隔に対応しているので、ＯＮとＯＦＦの時間間隔を計測し、またＯＮ信号をカウントすることでレーザ溶接ヘッドの回転数を計測することができる。このヘッド回転数がサーボモータ５０の回転数とがずれなく一致した場合は、ヘッド先端部１２２と位置決めストッパ６２の間ですべりが生じていないことを確認できたことになる。
【００９１】
一方、サーボモータ５０の回転数が計測したヘッド回転数を上回っている場合は、ヘッド先端部１２２と位置決めストッパ６２の間にすべりが生じている場合である。この場合は、ヘッド先端部１２２が位置決めストッパ６２に完全に嵌合していないなどが原因であると考えられるので、サーボモータ５０の回転数とヘッド回転数が一致するまで、ヘッド先端部１２２の押し込み状態を調整することになる。
【００９２】
以上のような確認を経て、回転が十分に安定した状態においては、図１２（ａ）に示されるように、ヘッド回転速度が変化するパターンは、レーザ溶接ヘッド本体２０の１回転と同期して、ほぼ同じ増減パターンの繰り返しとなっている。
【００９３】
このようにヘッド回転速度は一定のパターンで変化するので、レーザ溶接ヘッド本体２０が一回転する間に照射されるレーザ光の出力が一定であると、ヘッド回転速度の変動に応じてレーザエネルギーにはむらが生じ、高品質の溶接を行えないことになる。
【００９４】
そこで、本実施形態では、次のようにして、磁気センサ１２８で検出したヘッド回転速度と回転数に基づいて、コンピュータ１３８によってレーザ出力を補正する処理を行っている。
まず、磁気センサ１２８で磁気パターン１２６を検出して得られたＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５では、ＯＮとＯＦＦの時間間隔が磁気パターン１２６のピッチ間隔に相当している。ＯＮとＯＦＦの時間間隔を計測し、また、ＯＮ信号をカウントすることで、ピッチ間の回転速度をｖ（ｔ）、回転角度をθとして、回転角度位置θ（ｔ）が演算される。
【００９５】
ここで、レーザ出力の時間的変化をｐ（ｔ）とすると、一定距離Ｌ間に照射するレーザ照射エネルギー（ｐ（ｔ）／Ｌ）が一定となるように、すなわち、図１３において、
ｖ（θ）×ｐ（θ）を０°から３６０°まで積分したものが一定（定数Ｋ）となるようなレーザ出力のパターンｐ（ｔ）が演算される。以上のようにして求めたｐ（ｔ）は、図１４に示すようになる。
【００９６】
ヘッド回転速度の変化を示す図１２と、レーザ出力の時間的変化を示す図１４とを対照させると諒解されるように、ヘッド回転速度が増加する区間ではレーザ出力が増加し、ヘッド回転速度が減少する区間では、レーザ出力は減少するようになっている。
【００９７】
そして、このレーザ出力パターンをベースに、実際のリアルタイムで計測したピッチ間の実回転速度でレーザ出力値を補正してレーザ照射を実施する。
【００９８】
このようにレーザ出力の制御が行われるので、どのタイミングでレーザ光の照射を行うかも重要になってくる。
そこで、レーザ出力の制御と同時に、レーザ発振器１４０でのレーザシャッタ開のタイミングとレーザシャッタ閉のタイミングが次のように制御される。
【００９９】
レーザ発振器１４０のレーザシャッタを開とするポイント、すなわち、レーザ溶接開始のポイントは、図１４において、ヘッド回転速度が最も安定している区間の中から、例えばｔ1の時点が選定される。レーザシャッタを閉とするタイミングは、レーザ溶接ヘッド１２０が３６０°回転し１パスのレーザ周溶接をするのに必要なＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５のカウント数とする。
【０１００】
以上のようなレーザ出力の制御とレーザ光照射のタイミング調整を行いながら、二重管１の内管内周の溶接部に一周だけレーザ溶接が実施される。レーザエネルギー量は、ヘッド回転速度の変動に関わらず一定に保つことができるので、高品位のレーザ溶接を実施することが可能になる。
【０１０１】
第５実施形態
次に、本発明の第５実施形態によるレーザ溶接装置について、図１５を参照しながら説明する。
これまで説明した第１乃至第４形態によるレーザ溶接装置は、レーザ溶接ヘッド１２にフレキシブルシャフト３０を用いて回転トルクを伝動する構成である。これに対して、第５実施形態によるレーザ溶接装置は、フレキシブルシャフト３０の替わりに、中空の自在継手を利用してレーザ溶接ヘッド１２に回転トルクを伝動する構成にした実施形態である。なお、この第５実施形態では、図２と同一の構成要素には、同一の参照符合を付して詳細な説明は省略する。
【０１０２】
図１５において、レーザ溶接ヘッド１２のヘッド本体２０の後部に継手部２２を介して金属製の蛇腹管２３の先端部が接続されている。この蛇腹管２３の後端部には、ジョイント１４４を介して次のような自在継手が接続されている。
【０１０３】
この実施形態による自在継手は、円筒形状の節部材１４５を一単位の関節として、複数の節部材１４５を連続的に繋ぎあわせて二重管１の管外まで延びる自在継手が構成されている。節部材１４５の両端部には、２つ一組の方形片が軸方向に突き出た継手部１４６ａ、１４６ｂが形成されている。隣り合う節部材１４５にあっては、継手部１４６ａと継手部１４６ｂはピンジョイント１４８によって連結されている。そして、ピンジョイント１４８による継手部１４６ａと継手部１４６ｂの連結軸は、交互に９０°ずつ偏位するようになっているので、自在継手全体としては任意の方向に曲がることが可能になっている。
【０１０４】
このような節部材１４５をつなぎ合わせてなる自在継手の内部には、不活性ガスをレーザ溶接ヘッド本体２０に送るガス供給パイプ１５０が収容されている。ジョイント１４４は、外周部に突起を有する竹の子形のジョイント１５１を有し、ガス供給パイプ１５０の先端は圧入により接続されている。さらに、ガス供給パイプ１５０の内部にはレーザ光をヘッド本体２０に導く光ファイバー３２が組み込まれている。
【０１０５】
以上のように構成される第５実施形態によれば、曲がった二重管１の場合にもレーザ溶接ヘッド１２を円滑に通過させ、レーザ溶接を実施することができる。
【０１０６】
また、レーザ溶接ヘッド１２は、ヘッド筐体２０とヘッド先端部１２からなり、ヘッド回転駆動用のモータや、ヘッド固定機構が付属していないため、短く小型のヘッド構成とすることができる上に、節部材１４５を連続してつなげた自在継手は、二重管の曲がった部分を通過できるとともに回転トルクをレーザ溶接ヘッド１２に伝達することができる。しかも、フレキシブルシャフト３０と異なり、ねじれが生じないので、ヘッド回転速度の変動を小さくすることができる。
【０１０７】
以上、本発明によ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で使用される二重伝熱管だけでなく、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】
【０１０８】
１…二重管、２…外管、３…内管、１０…レーザ溶接装置、１２…レーザ溶接ヘッド、１３…多重ケーブル、１６…レーザヘッド位置決め固定機構、１８…回収装置、２０…ヘッド本体、２１…ヘッド先端部、２３…蛇腹管、２５…ホース、３０…フレキシブルシャフト、３２…光ファイバー、４２…レーザ光中継器、４６…中空回転軸、５０…サーボモータ、６２…位置決めストッパ、６４…リンク機構、６５…穴部、６７…ねじ軸、７１…固定パッド、７８…フレキシブルシャフト、８０…ガイド管、８２…端末金具、８３…先端部
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば、高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される二重伝熱管の管内側からの管内面突き合わせ溶接を実施するレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速増殖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。この種の二重伝熱管は、内管と外管とから構成されており、内管と外管の間にある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（組網線部）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、破損をヘリウムガス濃度の上昇により検出することができる。
【０００３】
このような二重伝熱管の単位となる１本の管は、１０ｍから２０ｍの長さをもつ管である。蒸気発生器に用いるには、複数本の管を溶接により継ぎ足している。
【０００４】
二重伝熱管には、上記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、組網線部を塞がないように溶接する必要があり、きわめて高度な溶接技術が要求される。溶接で隙間が埋まらないようにするためには、内側の突き合わせ溶接と外側の管の突き合わせ溶接とは別々に溶接を行うことが必要であり、例えば、特許文献１では、レーザを用いた溶接方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２０１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
二重伝熱管が用いられる原子炉によっては、例えば、小型高速増殖炉のように、蒸気発生器を小型化するために、二重伝熱管を螺旋状に曲げたヘリカル管を用いることがある。この種の二重伝熱管では、蒸気発生器の出入口の連結管からヘリカル管に至る管路中に９０°曲がり管が複数箇所存在する。連結管部とヘリカル管部との最終接合となる溶接箇所は９０°曲がり管の先になるため、レーザ溶接装置のレーザヘッドは、この９０°曲がり管を通過できることが必須の条件になる。しかも、通過させた上で、レーザ溶接ヘッドに溶接を施工する位置に正確に位置決めする機能や、固定する機能、レーザ溶接ヘッドを回転させる機能などが必要である。
【０００７】
ところが、この種の二重伝熱管には、内径が２０mm前後の小口径の管があり、しかも、９０°曲がり管の曲がり半径は１５０mm前後と小さく、このような小口径の曲がり管を通過できるような小型のレーザ溶接装置に、位置決め機構や回転機構を組み込むことは困難である。
【０００８】
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、二重管、とりわけ小口径の曲がりをもった二重管を円滑に通過することが可能であるレーザヘッドを有し、溶接ヘッドの位置決めや回転機能を容易に付加することが可能であり、二重管の内管の突き合わせ溶接を効率よく、高品質に実施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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、前記管の内部からそ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、レーザ光を前記管の内周面に照射するレーザ光学系とテーパー形状の先端部とを有するレーザ溶接ヘッドと、前記管の管外に設置され、前記レーザ溶接ヘッドを回転駆動する回転駆動装置と、前記回転駆動装置で発生したトルクを前記レーザ溶接ヘッドに伝達する可撓性のフレキシブルシャフトと、レーザ発振器からのレーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導く光ファイバーと、を有する可撓性の多重溶接ケーブルと、前記レーザ溶接ヘッドの先端部が着脱自在に嵌合し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ストッパと、前記レーザ溶接ヘッドの嵌合した前記位置決めストッパを管軸上に固定する固定機構と、を有する位置決め固定装置と、を具備することを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】同レーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドと多重溶接ケーブルを示す縦断面図である。
【図３】同レーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッド回転駆動装置の縦断面図である。
【図４】レーザ溶接装ヘッドを位置決めする位置決め固定装置の縦断面図である。
【図５】図４の位置決め固定機構を回収する回収装置の縦断面図である。
【図６】レーザ溶接装ヘッドを位置決めする位置決め固定装置の他の実施形態の縦断面図である。
【図７】図６の位置決め固定機構の回収操作を示す縦断面図である。
【図８】レーザ溶接装ヘッドを位置決めする位置決め固定装置のさらに他の実施形態の縦断面図である。
【図９】図８の位置決め固定機構の回収操作を示す縦断面図である。
【図１０】レーザ溶接ヘッドの他の実施形態を示す縦断面図である。
【図１１】レーザ出力を制御する制御装置のブロック構成図である。
【図１２】レーザ溶接ヘッドの回転速度の時間変化を示すグラフである。
【図１３】レーザ溶接ヘッドが1回する間のレーザ出力を示すグラフである。
【図１４】レーザ出力の時間変化のパターンを示すグラフである。
【図１５】レーザ溶接装置のレーザ溶接ヘッドと多重溶接ケーブルの他の構成例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】
【００１１】
以下、本発明によるレーザ溶接装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ溶接装置の全体構成を示す。図１において、参照番号１は、レーザ溶接が実施される二重管を示し、参照番号１０は、レーザ溶接装置の全体を示している。
【００１２】
二重管１は、外管２と内管３が同軸になっている二重管であり、外管２と内管３の間の隙間には組網線４が挟み込まれている。
【００１３】
この実施形態のレーザ溶接装置１０は、管内側からの突き合わせ溶接を実施し、二重管１を１本１本継ぎ足しながら延長していく。この二重伝熱管は、例えば高速増殖炉の蒸気発生器等で使用される。
【００１４】
図１において、レーザ溶接装置１０は、大きく分けると、内管３の内面からの周溶接を行うレーザ溶接ヘッド１２と、多重溶接ケーブル１３と、溶接ヘッド１２を回転させるためのヘッド回転駆動装置１４と、レーザ溶接ヘッド１２を二重管１の管内の溶接位置に位置決めしかつ固定するための位置決め固定機構１６と、溶接終了後、位置決め固定機構１６を二重管１の管内から回収するための回収装置１８（図５参照）と、から構成されている。
【００１５】
まず、レーザ溶接ヘッド１２の構成について、図１および図２を参照して説明する。
図２は、レーザ溶接ヘッド１２および多重溶接ケーブル１３の縦断面を示す図である。このレーザ溶接ヘッド１２は、ヘッド本体２０と、このヘッド本体２０に固定されたヘッド先端部２１と、を有している。このヘッド先端部２１は、その先端に向かって縮径していくテーパ形状を有している。このヘッド先端部２１は、レーザヘッド位置決め固定機構１６に着脱可能に嵌合するようになっている。
【００１６】
ヘッド本体２０の後部には、継手部２２が連結されており、この継手部２２には、金属製の蛇腹管２３の先端部が接続されている。この蛇腹管２３の後端部には、ホース連結部２４を介して可撓性を有する多重溶接ケーブル１３が接続されている。ホース連結部２４は、第１ジョイント２６、中間ジョイント２７、第２ジョイント２８とから構成されている。
【００１７】
多重溶接ケーブル１３を構成する可撓性のホース２５の内部には、可撓性のある材料から構成されるフレキシブルシャフト３０が同軸に収容されている。この場合、ホース２５の内周面とフレキシブルシャフト３０の外周面との間には不活性ガスが流れるガス通路３１が形成されている。さらに、フレキシブルシャフト３０は中空になっており、その内部には同軸に光ファイバー３２が組み込まれている。この光ファイバー３２は、中間ジョイント２７、第１ジョイント２６に挿通され、さらに蛇腹管２３の内部を通り、光ファイバー３２の先端３２ａは継手部２２に接続されている。
【００１８】
第２ジョイント２８は、外周部に突起２８ａを有する竹の子形のジョイントであり、ホース２５の先端が圧入されることにより接続されている。第２ジョイント２８の内周面はすべり面になっており、フレキシブルシャフト３０の接続されている中間ジョイント２７が回転自在に嵌合するようになっている。また、第２ジョイント２８の先端側の端面は、中間ジョイント２７のフランジ部２７ａが摺動するすべり面になっており、この滑り面にはホース２５内部のガスを漏洩しないようにＯリング３３が設けられている。
【００１９】
なお、中間ジョイント２７と第１ジョイント２６を貫通するようにガス通路となる複数の貫通孔３４が形成されている。
【００２０】
レーザ溶接ヘッド１２のヘッド本体２０の内部には、光ファイバー３２により伝達されたレーザ光が先端３２ａから照射される空間３５が形成されている。ヘッド先端部２１の背面には、非球面反射ミラー３６が配置されており、この非球面反射ミラー３６で反射したレーザ光Ｌは、直角に方向を変えてヘッド本体２０の側面に開口するノズル口３７から内管３の内面の被溶接部に向けて照射される。
【００２１】
なお、ヘッド本体２０の内部には、ガス通路３８が形成されており、不活性のガスは、ガス出口３９から被溶接部に向けて噴き出るようになっている。
【００２２】
次に、図３は、ホース２５、フレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２からなる多重溶接ケーブル１３の末端が接続され、フレキシブルシャフト３０を介してレーザ溶接ヘッド１２を回転駆動するヘッド回転駆動機構１４の構成を示す。
【００２３】
このヘッド回転駆動機構１４は、ベース部４１を含み、このベース部４１にはフレキシブルシャフト３０を回転させるフレキシブルシャフト回転機構部４０と、レーザ光中継器４２とが設けられている。
【００２４】
ホース２５、フレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２からなる多重溶接ケーブル１３のうち、まずホース２５の末端は、ホースコネクタ４３に接続されている。このホースコネクタ４３は、Ｔ字継手４４に接続されている。このＴ字継手４４の分岐管４４ａには、ガス供給ホース４５が接続されており、アルゴンガスなどの不活性ガスがガス供給ホース４５を通して送られてくる。
【００２５】
他方、フレキシブルシャフト３０の端末は、Ｔ字継手４４を通って中空回転軸４６にロウ付けにより接合されている。光ファイバー３２は、中空回転軸４６に挿通されてさらにレーザ光中継器４２まで延びている。
【００２６】
中空回転軸４６は、ベアリング４７を介して駆動部本体４８に水平に支持されている。駆動部本体４８の上には、ブラケット４９を介して駆動源であるサーボモータ５０が設置されている。このサーボモータ５０の回転軸５１にはタイミングプーリ５２が取り付けられている。中空回転軸４６にもタイミングプーリ５３が取り付けられており、タイミングプーリ５２とタイミングプーリ５３には、タイミングベルト５４が巻き掛けられている。サーボモータ５０の回転は、タイミングベルト５４を介して中空回転軸４６に伝達され、この中空回転軸４６がフレキシブルシャフト３０を回転させることになる。
【００２７】
光ファイバー３２の端末部は、レーザ出力側の光ファイバーコネクタ５５によりレーザ光中継器４２と接続されている。このレーザ光中継器４２は、中空の本体部５６を含む。このレーザ光中継器４２の本体部５６の内部には、組レンズ５７、５７が組み込まれている。レーザ出力側の光ファイバーコネクタ５５は、ベアリング５８によって回転自在に支持されており、光ファイバー３２とともに回転することができるようになっている。他方、レーザ光中継器４２の本体部５６のレーザ入力側には、光ファイバーコネクタ５９を介して光ファイバー６０が接続されている。この光ファイバー６０は、数１０メートル先のレーザ発振ユニット１４０に接続され、レーザ溶接用レーザ光の供給を受けるようになっている。
【００２８】
次に、図４は、レーザ溶接ヘッド１２を二重管１の管内で位置決めする溶接ヘッド位置決め固定機構１６の構成を示す。
この溶接ヘッド位置決め固定機構１６は、位置決めストッパ６２と、二重管１の管内で伸縮し位置決めストッパ６２を固定するパッド付きリンク機構６４と、このパッド付きリンク機構６４の伸縮動作を実現するねじ機構とから構成されている。
【００２９】
位置決めストッパ６２は、レーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１が着脱自在に嵌合するように、すり鉢状の穴部６５を有している。位置決めストッパ６２は、回転軸６６を介してねじ軸６７と同一軸線上に連結されている。このねじ軸６７には雄ねじが切られており、この雄ねじにはナット部材６８が螺合するようになっている。ナット部材６８には、ねじ軸６７を軸中心にして等ピッチに複数のパッド付きリンク機構６４が放射状に配設されている。この実施形態では、パッド付きリンク機構６４は、第１リンク部材６９、第２リンク部材７０、固定パッド７１とから構成されている。第１リンク部材６９の一端部は、ナット部材６８にピンを介して連結され、他端部は第２リンク部材６９の中間位置にピンを介して連結されている。第２リンク部材６９の一端部は、位置決めストッパ６２にピンを介して連結され、他端部は固定パッド７１にピンを介して連結されている。
【００３０】
位置決めストッパ６２とねじ軸６７を連結している回転軸６６の端部には、逆ねじの雌ねじ７２が形成されており、また、雌ねじ７２の奥には、図示しない六角レンチなどの工具が嵌合する６角穴が形成されている。
【００３１】
このような溶接ヘッド位置決め固定機構１６は、リンク機構６４が畳まれた状態で二重管１の管内に搬入される。レーザヘッド位置決め固定機構１６を所定の位置に置いてから、図示しない六角レンチを位置決めストッパ６２の穴部６５から差し込んで、雌ねじ７２奥の六角穴に嵌合させる。そして、六角レンチをつかって回転軸６６を正回転の方向に回していくと、ねじ軸６７もいっしょに回転していく。このねじ軸６７の回転によって、ナット部材６８は図４において矢印方向へ徐々に移動する。そうすると、ナット部材６８は第１リンク部材６９と第２リンク部材７０を二重管１の半径方向に押し出すので、固定パット７１が二重管１の内管３の内周面に押し付けられる。回転軸６６を強く締めていくことで、位置決めストッパ６２の位置を二重管１の管軸上に固定することができる。
【００３２】
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、二重管の内管を突き合わせ溶接するレーザ溶接の工程との関連において、その作用並びに効果について説明する。
まず、図２において、上述したように、一方の二重管１Ａの管内の端部には、他方の二重管１Ｂをレーザ溶接する前に、あらかじめレーザヘッド位置決め固定機構１６が所定の位置に固定されている。
【００３３】
そこで、一方の二重管１Ａの端部には、これから溶接する他方の二重管１Ｂの端部を突き当てた状態にしておく。他方の二重管１Ｂには溶接する端部とは反対側の端部から、レーザ溶接ヘッド１２を入れ、接続されているホース２５を押し込みながらレーザ溶接ヘッド１２を前進させる。
【００３４】
レーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１を、レーザヘッド位置決め固定機構１６の位置決めストッパ６２まで到達させ、ヘッド先端部２１を位置決めストッパ６２の穴部６５に嵌合させる。この穴部６５は、ヘッド先端部２１と同じテーパをもっているので、ヘッド先端部２１が穴部６５に完全に嵌合すると、管軸中心に回転可能な状態でのレーザ溶接ヘッド１２の位置決めが完了する。このとき、レーザ溶接ヘッド１２の管軸方向の位置についても同時に位置決めが完了し、レーザ溶接ヘッド１２は、内管３の溶接部にちょうどレーザ光Ｌが照射される位置にある。また、レーザ光Ｌのピント調整についても、位置決めストッパ６２にヘッド先端２１を嵌合させた状態にあるレーザ溶接ヘッド１２から照射されるレーザ光は内管３の内周面でピントを結ぶように事前に調整されている。
【００３５】
次に、図２において、光ファイバー３２を通してレーザ溶接ヘッド１２に導かれたレーザ光は、非球面反射ミラー３６で反射して、直角に方向を変えてレーザ溶接ヘッド本体２０の側面に開口するノズル口３７から二重管１の内管３内面の被溶接部に向けて照射される。
【００３６】
二重管１の内管３を突き合わせ溶接するためには、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる必要がある。
図３において、ヘッド回転駆動機構１４のサーボモータ５０によって、中空回転軸４６を回転駆動することにより、フレキシブルシャフト３０を回転させる。このフレキシブルシャフト３０は、回転トルクをレーザ溶接ヘッド１２に伝達し、レーザ溶接ヘッド１２を回転させる。このとき、ヘッド先端部２１は、同じテーパ形状をもつ位置決めストッパ６２に嵌合して支持された状態で回転するので、振れを確実に防止することができ、レーザ光はピントの合った状態で内管３の溶接部を一周するように照射される。
【００３７】
ところで、レーザ溶接ヘッド１２を通す二重管１は、真っ直ぐな管である以外に、曲がっている二重管１である場合がある。このような曲がった二重管１の場合にも次のようにして、レーザ溶接ヘッド１２を円滑に通過させることができる。
【００３８】
レーザ溶接ヘッド１２は、ヘッド本体２０とヘッド先端部２１だけからなり、ヘッド回転駆動用のモータや、ヘッド固定機構は付属していないため、短くかつ小型のヘッド構成とすることができる。しかも、レーザ溶接ヘッド１２は、蛇腹管２３を介して柔軟性に富み曲がり易いホース２５、フレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２の束体と接続されているので、二重管１の曲がった部分を容易に通過させることができる。
【００３９】
また、回転トルクをヘッド回転駆動機構１４からレーザ溶接ヘッド１２に伝達するフレキシブルシャフト３０は、曲がったままでも捻られながら数ｍ先のレーザ溶接ヘッド１２に蛇腹管２３を介して回転トルクを伝達させることが可能である。そして、フレキシブルシャフト３０の中を通っている出力側の光ファイバー３２もいっしょに捻られるが、図３に示すように、光ファイバーコネクタ５５をベアリング５８で回転自在としてレーザ光中継部４２に接続しているので、光ファイバー３２は捻られてもフリーに回転できるので問題は生じないようになっている。
【００４０】
また、フレキシブルシャフト３０とホース２５の接続部では、第２ジョイント２８の内周面はすべり面になっており、フレキシブルシャフト３０の接続されている中間ジョイント２７が回転自在に嵌合するようになっている。また、第２ジョイント２８の先端側の端面は、中間ジョイント２７のフランジ部２７ａが摺動するすべり面になっているので、フレキシブルシャフト３０が回転してもホース２５の方は捻られることがない。
【００４１】
こうして、二重管１の内側管３に対するレーザ溶接が終わったら、フレキシブルシャフト３０を収容しているホース２５を引っ張ってレーザ溶接ヘッド１２を二重管１の管外に回収することになる。レーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１は、位置決めストッパ６２のテーパ付きの穴部６５に嵌合しているだけなので、ヘッド先端部２１を位置決めストッパ６２から簡単に離脱させることができる。
【００４２】
レーザ溶接ヘッド１２をホース２５ごと回収する過程では、二重管１が曲がった管である場合でも、上述したように、曲がり部分を円滑に通過させることができるので、容易に回収することができる。
【００４３】
次に、レーザ溶接ヘッド１２の回収が終了した後は、レーザヘッド位置決め固定機構１６を管外に回収することになる。図５は、レーザヘッド位置決め固定機構１６を管外に回収するための回収機構１８を示す。この実施形態では、フレキシブルシャフト７８が内部に同軸に収容されたガイド管８０を二重管１内に通して、レーザヘッド位置決め固定機構１６を回収する。
【００４４】
ガイド管８０の先端には、端末金具８２が取り付けられている。フレキシブルシャフト７８の先端には、テーパ形状の先端部８３が取り付けられ、この先端部８３は端末金具８２に回転自在に支持されている。先端部８３は、図２に示したレーザ溶接ヘッド１２のヘッド先端部２１と同様に、位置決めストッパ６２の穴部６５に着脱自在に嵌合するようになっている。そして、先端部８３の先には、逆ねじにねじを切ってある雄ねじ８４が同軸に固着されており、この雄ねじ８４は、レーザヘッド位置決め機構１８の回転軸６６にある逆ねじの雌ねじ７２に螺合するようになっている。なお、参照番号８１は、先端部８３を案内する球体を示す。
【００４５】
フレキシブルシャフト７８の末端は、図３に示した回転駆動機構１４に連結される。レーザヘッド位置決め固定機構１６を回収するときには、図５において、フレキシブルシャフト７８をゆっくりと逆回転方向に回しながら、その先端部８３を位置決めストッパ６２の穴部６５に挿入する。先端部８３の雄ねじ８４は回転軸６６の雌ねじ７２と同様に逆ねじになっているため、雄ねじ８４は、雌ねじ７２に締め込まれていき、回転軸６６とフレキシブルシャフト７８との連結が確立する。さらにフレキシブルシャフト７８を逆回転方向に回していくと、回転軸６６とともにねじ軸６７が逆回転方向に回転し、ナット部材６８は、図５において矢印方向に徐々に移動する。ナット部材６８は、第１リンク部材６９と第２リンク部材７０を介して固定パッド７１を引き寄せるので、それまで二重管の内周面に押し付けられて固定パッド７１が離れて、レーザヘッド位置決め固定機構１６はアンクランプされる。
【００４６】
レーザヘッド位置決め固定機構１６のアンクランプの後、フレキシブルシャフト７８を引く抜くことで、レーザヘッド位置決め固定機構１６を円滑に回収することができる。
【００４７】
また、光ファイバー３２の交換を行う際は、光ファイバー３２の取り付け調整作業が発生する。本実施形態では、レーザ溶接ヘッド１２と多重溶接ケーブルを蛇腹管２３で接続しているので、調整作業の際は蛇腹管２３の接続を解除して蛇腹管２３を折り畳むことで光ファイバー３２を露出させることができるため、作業性が向上する。
【００４８】
第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態によるレーザ溶接装置について、図６並びに図７を参照しながら説明する。
【００４９】
この第２実施形態によるレーザ溶接装置では、図６に示すレーザヘッド位置決め固定機構９０が用いられている。これ以外のレーザ溶接ヘッド１２、回転駆動機構１４等の構成は第１実施形態と同様である。
【００５０】
このレーザヘッド位置決め固定機構９０では、回転軸６６とともにねじ軸６７を正回転の方向に回転させてナット部材６８を図６で矢印方向に移動させて固定し、回転軸６６を逆方向に回してナット部材６８を矢印方向と逆方向に移動させて固定状態を解除する点は、図４に示したレーザヘッド位置決め固定機構１６と同様であるが、リンク機構６４と固定パッド７１の替わりに、対をなす細長い板ばね９２、９３を用いて固定力を発生させている点が相違している。
【００５１】
図６に示すように、一方の板バネ９２の一端はナット部材６８に固定されており、この板ばね９２の中間部位は位置決めストッパ６２の角部分に当たって湾曲し先端部９２ａが二重管１の内管３の内周面に当接するようになっている。これに対して、他方の板ばね９３の一端は、位置決めストッパ６２の切欠部６２ａに固定されている。この板ばね９３の中間部位は、ナット部材６８に当たって湾曲し先端部９３ａは二重管１の内管の内周面に当接するようになっている。このような板ばね９２、９３は対をなし、この実施形態では、図示されていないが周方向に等ピッチで３対が配置されている。
【００５２】
以上のようなレーザヘッド位置決め固定機構９０によれば、次のようにしてレーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる。
【００５３】
レーザヘッド位置決め固定機構９０を二重管１管内の所定の位置に置いてから、六角レンチを位置決めストッパ６２の穴部６５から差し込んで、図示しない六角レンチをつかって回転軸６６を正回転の方向に回していくと、ねじ軸６７もいっしょに回転していく。このねじ軸６７の回転によって、ナット部材６８が図６において矢印方向へ徐々に移動すると、一方の板ばね９２ではその途中が位置決めストッパ６２に当たって、先端部９２ａは二重管１の内管の内周面に押し付けられ、板ばね９２の撓みによって固定力を発生する。同じようにして、他方の板ばね９３の固定端側にナット部材６８がせり込んでいくので、先端部９３ａは二重管１の内管１内周面に押し付けられ、板ばね９３の撓みによって固定力を発生する。このような板ばね９２、９３を対にして３対が等ピッチで配設されているので、位置決めストッパ６２を二重管１の管軸上に固定することができる。
【００５４】
こうして、位置決めストッパ６２を固定した後は、一方の二重管１の端部に、これから溶接する他方の二重管１の端部を突き当てた状態にしておく。そして、他方の二重管１には溶接する端部とは反対側の端部から、レーザ溶接ヘッド１２を入れ、接続されているホース１１を押し込みながらレーザ溶接ヘッド１２を前進させると、ヘッド先端部２１が位置決めストッパ６２の穴部６５に嵌合し、レーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる。
【００５５】
レーザ溶接による二重管１の接合が終了した後、レーザヘッド位置決め固定機構９０を回収する場合、次のようにして、位置決めストッパ６２の固定状態を解除する。
【００５６】
図７において、回収用のフレキシブルシャフト７８をゆっくりと逆回転方向に回しながら、その先端部８３を位置決めストッパ６２の穴部６５に挿入する。先端部８３の雄ねじ８４は回転軸６６の雌ねじ７２と同様に逆ねじになっているため、雄ねじ８４は、雌ねじ７２に締め込まれていき、回転軸６６とフレキシブルシャフト７８との連結が確立する。さらにフレキシブルシャフト７８を逆回転方向に回していくと、回転軸６６とともにねじ軸６７が逆回転方向に回転し、ナット部材６８は、図７において矢印方向に徐々に移動する。このナット部材６８の移動によって、板ばね９２、９３の撓み量が少なくなるので、位置決めストッパ６２の固定状態が解除される。以後、フレキシブルシャフト７８を引く抜くことで、レーザヘッド位置決め機構９０を円滑に回収することができる。特に、本実施形態では、固定力の発生と解除を板ばね９２、９３の撓みを利用しているので、第１実施形態のようにリンク機構を使わずに済むので、レーザヘッド位置決め固定機構９０をより小径の二重管に適したものにすることができる。
【００５７】
第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態によるレーザ溶接装置について、図８並びに図９を参照しながら説明する。
【００５８】
この第３実施形態によるレーザ溶接装置では、図８に示すレーザヘッド位置決め固定機構１００が用いられる。これ以外のレーザ溶接ヘッド１２、回転駆動機構１４等の構成は第１実施形態と同様である。
【００５９】
このレーザヘッド位置決め固定機構１００では、ねじ軸６７を正回転の方向に回転させてナット部材６８を矢印方向に移動させてリンク機構６４を伸ばして固定する点は、図４に示したレーザヘッド位置決め固定機構１８と同様である。異なる点は、次のような高圧ガス発生装置を利用して固定状態を解除する点にある。
【００６０】
図８において、参照番号１０２は、燃焼反応によって高圧のガスを発生する化学物質と、この化学物質を燃焼反応させるための着火用火薬と、を内蔵するインフレータを示す。このインフレータ１０２は、例えば、自動車のエアバックシステムでガス発生源として用いられるガス発生装置と同種のものである。
【００６１】
本実施形態では、ねじ軸６７はシリンダ構造を有しており、このねじ軸６７の内部にはプランジャー１０４が移動自在に同軸に内蔵されている。ねじ軸６７の端部には、プランジャー１０４を作動させるシリンダ室１０６が形成されている。この場合、インフレータ１０２は、耐圧ホース１０７によってねじ軸６７の端部と接続されており、インフレータ１０２で発生した高圧ガスは、耐圧ホース１０７を通ってシリンダ室１０６に導入されるようになっている。
【００６２】
シリンダ室１０６側のプランジャー１０４の端部は、シャーピン１０８によって固定されている。シリンダ室１０６に導入された高圧ガスによりプランジャー１０４が加圧されたときにはシャーピン１０８が破断するので、プランジャー１０４は前進して、固定状態が解除されるようになっている。
【００６３】
本実施形態では、二重管１の管外からの操作によってインフレータ１０２の内蔵する着火用火薬に着火するための電気回路が次のように構成されている。
図９において、回収機構１８を構成するフレキシブルシャフト７８の先端部８３やガイド管８０、球体８１、端末金具８２など、これら二重管１の内管３の内周面に接触する可能性のある構成部材の表面は、絶縁体で被覆されており、二重管１の内管３とは電気的に絶縁されている。
【００６４】
フレキシブルシャフト７８は導電性材料からなるシャフトである。このフレキシブルシャフト７８の先端部８３の先に設けられた逆ねじの雄ねじ８４には図示しない電極が設けられており、この電極とフレキシブルシャフト７８とは端末金具８２の内部にある図示ない電線により電気的に接続されている。
【００６５】
さらに、レーザヘッド位置決め固定機構１００では、固定パッド７１は絶縁体で被覆されるか、若しくは絶縁体からなり、二重管１の内管３とは電気的に絶縁されている。その替わりに、ねじ軸６７およびプランジャー１０４は、フレキシブルシャフト７８と電気的に接続される回路の一部を構成し、電線１１０を介してインフレータ１０２の着火用電極であってインフレータ１０２の本体側面に取り付けられている陽極１１１と電気的に接続されている。
【００６６】
他方、インフレータ１０２の着火用の他方の電極である陰極１１２は、陽極１１１と対をなすようにインフレータ１０２の本体側面に取り付けられており、この陰極１１２には、先端が二重管１の内管３の内周面に接触するように、弾性力によって常に押し付けられている板ばね１１４と接続されており、陰極１１２、板ばね１１４、二重管１が着火回路の一部を構成するようになっている。
【００６７】
以上のようなレーザヘッド位置決め固定機構１００によれば、次のようにしてレーザ溶接ヘッド１２を位置決めすることができる。
【００６８】
まず、図８において、レーザヘッド位置決め固定機構１００を二重管１管内の所定の位置に置いてから、図示しない六角レンチを位置決めストッパ６２の穴部６５から差し込んで、この六角レンチをつかってプランジャー１０４を正回転の方向に回していく。この場合、プランジャー１０４はシャーピン１０８によりねじ軸６７に固定されているので、プランジャー１０４といっしょにねじ軸６７が回転していく。このねじ軸６７の回転によって、ナット部材６８が図８において矢印方向へ徐々に移動すると、リンク機構６４は固定パット７１を二重管の内管３の内周面に押し付けていくので、位置決めストッパ６２を管軸上に固定することができる。なお、このとき、ねじ軸６７の回転とともに、板ばね１１４が二重管１の内管３の内周面を摺動しながらインフレータ１０２もいっしょに回ることになる。
【００６９】
レーザ溶接による二重管１の接合が終了した後、レーザヘッド位置決め固定機構１００を回収する場合、次のようにして、位置決めストッパ６２の固定状態を解除する。
【００７０】
図９において、レーザヘッド位置決め固定機構１００を回収するときには、回収用のフレキシブルシャフト７８をゆっくりと逆回転方向に回しながら、その先端部８３を位置決めストッパ６２の穴部６５に挿入し、先端部８３の雄ねじ８４を雌ねじ７２に締め込むことで、プランジャー１０４とフレキシブルシャフト７８との連結を確立することができる。
【００７１】
その後、図９において、二重管１の管外からインフレータ１０２の図示しない着火スイッチを入れると、インフレータ１０２の着火用電極である陽極１１１、陰極１１２間に電流が流れ、内蔵されている火薬に着火することができる。インフレータ１０２では、ガス発生用の化学物質が燃焼し、発生した高圧ガスは耐圧ホース１０７を通ってシリンダ室１０６に噴出し、プランジャー１０４を前進させる。このプランジャー１０４は、シャーピン１０８を破断して前進し、位置決めストッパ６２を矢印方向に移動させる結果、ナット部材６８と位置決めストッパ６２との間を連結しているリンク機構６４を強制的に畳ませるので、固定パッド７１は二重管１の内管３の内周面から離れることになる。これにより、位置決めストッパ６２の固定状態が解除される。
【００７２】
以後、フレキシブルシャフト７８を引く抜くことで、レーザヘッド位置決め機構１００を円滑に回収することができる。特に、本実施形態では、インフレータ１０２で発生させる高圧ガスを利用して、固定状態を強制的に開放しているので、レーザヘッド位置決め機構１００の回収をより容易に確実にすることができる。
【００７３】
なお、第２実施形態と同様に、さらにフレキシブルシャフト３０を逆回転方向に回していくと、位置決めストッパ６２の固定状態を開放することも可能である。
【００７４】
第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態によるレーザ溶接装置について、図１０乃至図１４を参照しながら説明する。
【００７５】
この第４実施形態は、図１０に示すレーザ溶接ヘッド１２０を用いて、その回転速度や回転数を検出し、レーザ出力の制御を実行しながら二重管１のレーザ溶接を行うようにした実施の形態である。そこで、まず、図１０を参照しながら、レーザ溶接ヘッド１２０について説明する。
【００７６】
この第４実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２０は、ヘッド本体２０と、このヘッド本体２０に連結されたヘッド先端部１２２と、を有している。この実施形態では、ヘッド本体２０は、図２に示した第１実施形態のレーザ溶接ヘッドと同じ構成のものである。ヘッド本体２０の後部には、継手部２２が連結されており、この継手部２２には、金属製の蛇腹管２３の先端部が接続されている。この蛇腹管２３の後端部には、ホース連結部２４を介してホース２５が接続されている。ホース２５の内部にあるフレキシブルシャフト３０、光ファイバー３２はレーザ溶接ヘッド本体２０と接続されている。
【００７７】
ヘッド先端部１２２は、先端に向かって縮径していくテーパ形状を有している。このヘッド先端部１２２は、図４に示すレーザヘッド位置決め固定機構１６の位置決めストッパ６２に着脱可能に嵌合するようになっている。
【００７８】
この第４実施形態では、ヘッド先端部１２２は、次のようにして、ヘッド本体２０に回転自在に連結されている。ヘッド本体２０の端面からは、同軸に支持軸１２３が突き出ている。ヘッド先端部１２２にはその後側端面に開口するように軸穴１２４が形成されている。支持軸１２３は軸穴１２４に挿入され、支持軸１２３は軸受１２５によって回転自在に支持されている。
ヘッド本体２０の端面とヘッド先端部１２２の後側端面との間には、所定の間隔の隙間が確保されている。そして、ヘッド先端部１２０の後側端面には、磁気パターンが形成されている磁気シール１２６が貼り付けられている。この磁気シール１２６には、磁気パターンが所定のピッチで周方向に並ぶように形成されている。他方、レーザ溶接ヘッド本体２０の端面には、磁気センサ１２８が埋め込まれており、この磁気センサ１２８で磁気パターンを検出するようになっている。
【００７９】
磁気センサ１２８には、センサに電気を供給する給電ライン上に検出信号を載せることが可能なセンサが用いられており、給電ラインは、次のようなラインによって確立される構成となっている。すなわち、フレキシブルシャフト３０からレーザ溶接ヘッド本体２０に至る経路が陽極側の経路となっており、一方陰極側は、ヘッド先端部１２２からレーザヘッド位置決め機構１６の位置決めストッパ６２、固定パッド７１を経て二重管１に至る経路である。
【００８０】
以上のように構成されるレーザ溶接ヘッド１２０では、ヘッド先端部１２２が位置決めストッパ６２の穴部６５に完全に嵌合すると、レーザ溶接ヘッド１２０は管軸を中心に回転可能な状態で位置決めされる。フレキシブルシャフト３０によって回転トルクが伝達されることで、ヘッド先端部１２２に組み込まれた軸受１２５に支持されながら、レーザ溶接ヘッド本体２０は回転することができる。
【００８１】
レーザ溶接ヘッド本体２０に回転トルクを伝える過程で、フレキシブルシャフト３０は捻れるので、レーザ溶接を実施している間、レーザ溶接ヘッド本体２０を一定の回転速度で回転させることは困難であり、フレキシブルシャフト３０のねじれ特性により、レーザ溶接ヘッド本体２０の回転速度は増減することになる。
【００８２】
本実施形態のレーザ溶接ヘッド１２０では、図２の第１実施形態によるレーザ溶接ヘッド１２と異なり、ヘッド先端部１２２は位置決めストッパ６２に対して固定されており、ヘッド本体２０は、軸受１２５で支持されて回転する。このため、回転時にはヘッド先端部１２２の位置決めストッパ６２に対する滑りが発生しないので、レーザ溶接ヘッド本体２０の回転速度と回転数を磁気センサ１２８で正確に検出することができる。そこで、検出した回転速度や回転数などの回転状態ついての情報を利用して、以下のように、レーザ光の出力を制御している。
【００８３】
ここで、図１１は、二重管１の溶接部に照射するレーザ光の出力を制御する制御装置のブロック構成図である。
【００８４】
図１１において、ヘッド先端部１２２に配置されている磁気パターン１２６を検出する度に、磁気センサ１２８はＯＮ／ＯＦＦ信号を交互に出力する。この磁気センサ１２８には、信号を増幅するアンプ回路１３０が内蔵されており、ＯＮ／ＯＦＦ信号は、ＤＣパワーライン１３２に合流して、二重管１の管外に設置されている制御装置１３４に送信される。
【００８５】
この制御装置１３４には、ＤＣパワーライン１３２から磁気センサ１２８の出力信号をＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５に変換して分離するＡ／Ｄ変換器１３６と、デジタル／インプット回路１３７を介して取り込んだＯＮ／ＯＦＦデジタル信号を処理し、レーザ溶接ヘッド１２０の回転速度、回転数をリアルタイムに演算し、その結果に基づいてレーザレーザ発振器１４０にレーザ出力の指令値を指令するコンピュータ１３８を備えている。コンピュータ１３８には、ヘッド回転駆動機構１４のサーボモータ５０を制御するサーボモータ制御部１４２が接続され、回転速度、回転数を指令する。また、コンピュータ１３８には、レーザ発振器１４０、レーザ出力状態を表示するとともに、照射操作するための操作・表示器１４３が接続されている。
【００８６】
次に、図１２乃至図１４を参照しながら、二重管１を溶接するときに行うレーザ出力制御の内容について説明する。
まず、図１２（ａ）は、レーザ溶接ヘッド１２０のヘッド本体２０が回転しているときに、磁気センサ１２８の出力信号から得られるヘッド回転速度の時間的変化を示すグラフで、図１２（ｂ）はヘッド本体２０が１回転する時間間隔を表すグラフである。
上述したように、サーボモータ５０の回転トルクはフレキシブルシャフト３０によってヘッド本体２０に伝達されるので、フレキシブルシャフト３０のねじれや伸びの影響を受けて、サーボモータ５０を一定の回転数で回転させた場合でも、実際のヘッド回転速度には変動が生じることになる。このようなヘッド回転速度の変動は、一定時間連続回転を行い十分に回転が安定した状態になると、フレキシブルシャフト３０固有のねじれ特性を反映したパターンでの増減を繰り返す。
【００８７】
本実施形態のレーザ溶接ヘッド１２０では、ヘッド本体２０が軸受１２５で支持されながら回転する。通常、位置決めストッパ６２に対するヘッド先端部１２２の滑りは発生しないので、ヘッド回転速度を正確に計測できると考えられる。この実施形態では、正確な計測を期すために、次のようにしてヘッド先端部１２２と位置決めストッパ６２の間で実際に滑りが生じていないことを確認する。
【００８８】
まず、サーボモータ５０を所定の回転速度で回転させ、フレキシブルシャフト３０により回転トルクが伝達されたヘッド本体２０は連続回転している状態とする。このときのサーボモータ５０の回転速度は、二重管２にレーザ溶接を実際に実施するときの最適な周速度に設定される。
【００８９】
次に、ヘッド本体２０を一定時間連続回転させ、フレキシブルシャフト３０のねじれを伴う回転状態が十分に安定するのを待つ。
【００９０】
フレキシブルシャフト３０が安定して回転するようになったら、磁気センサ１２８で磁気パターン１２６を検出して得られたＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５に基づいて、コンピュータ１３８によりヘッド回転速度を検出する。この場合、磁気パターン１２６の濃淡バターン間のピッチ間隔は、ＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５では、ＯＮとＯＦＦの時間間隔に対応しているので、ＯＮとＯＦＦの時間間隔を計測し、またＯＮ信号をカウントすることでレーザ溶接ヘッドの回転数を計測することができる。このヘッド回転数がサーボモータ５０の回転数とがずれなく一致した場合は、ヘッド先端部１２２と位置決めストッパ６２の間ですべりが生じていないことを確認できたことになる。
【００９１】
一方、サーボモータ５０の回転数が計測したヘッド回転数を上回っている場合は、ヘッド先端部１２２と位置決めストッパ６２の間にすべりが生じている場合である。この場合は、ヘッド先端部１２２が位置決めストッパ６２に完全に嵌合していないなどが原因であると考えられるので、サーボモータ５０の回転数とヘッド回転数が一致するまで、ヘッド先端部１２２の押し込み状態を調整することになる。
【００９２】
以上のような確認を経て、回転が十分に安定した状態においては、図１２（ａ）に示されるように、ヘッド回転速度が変化するパターンは、レーザ溶接ヘッド本体２０の１回転と同期して、ほぼ同じ増減パターンの繰り返しとなっている。
【００９３】
このようにヘッド回転速度は一定のパターンで変化するので、レーザ溶接ヘッド本体２０が一回転する間に照射されるレーザ光の出力が一定であると、ヘッド回転速度の変動に応じてレーザエネルギーにはむらが生じ、高品質の溶接を行えないことになる。
【００９４】
そこで、本実施形態では、次のようにして、磁気センサ１２８で検出したヘッド回転速度と回転数に基づいて、コンピュータ１３８によってレーザ出力を補正する処理を行っている。
まず、磁気センサ１２８で磁気パターン１２６を検出して得られたＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５では、ＯＮとＯＦＦの時間間隔が磁気パターン１２６のピッチ間隔に相当している。ＯＮとＯＦＦの時間間隔を計測し、また、ＯＮ信号をカウントすることで、ピッチ間の回転速度をｖ（ｔ）、回転角度をθとして、回転角度位置θ（ｔ）が演算される。
【００９５】
ここで、レーザ出力の時間的変化をｐ（ｔ）とすると、一定距離Ｌ間に照射するレーザ照射エネルギー（ｐ（ｔ）／Ｌ）が一定となるように、すなわち、図１３において、
ｖ（θ）×ｐ（θ）を０°から３６０°まで積分したものが一定（定数Ｋ）となるようなレーザ出力のパターンｐ（ｔ）が演算される。以上のようにして求めたｐ（ｔ）は、図１４に示すようになる。
【００９６】
ヘッド回転速度の変化を示す図１２と、レーザ出力の時間的変化を示す図１４とを対照させると諒解されるように、ヘッド回転速度が増加する区間ではレーザ出力が増加し、ヘッド回転速度が減少する区間では、レーザ出力は減少するようになっている。
【００９７】
そして、このレーザ出力パターンをベースに、実際のリアルタイムで計測したピッチ間の実回転速度でレーザ出力値を補正してレーザ照射を実施する。
【００９８】
このようにレーザ出力の制御が行われるので、どのタイミングでレーザ光の照射を行うかも重要になってくる。
そこで、レーザ出力の制御と同時に、レーザ発振器１４０でのレーザシャッタ開のタイミングとレーザシャッタ閉のタイミングが次のように制御される。
【００９９】
レーザ発振器１４０のレーザシャッタを開とするポイント、すなわち、レーザ溶接開始のポイントは、図１４において、ヘッド回転速度が最も安定している区間の中から、例えばｔ1の時点が選定される。レーザシャッタを閉とするタイミングは、レーザ溶接ヘッド１２０が３６０°回転し１パスのレーザ周溶接をするのに必要なＯＮ／ＯＦＦデジタル信号１３５のカウント数とする。
【０１００】
以上のようなレーザ出力の制御とレーザ光照射のタイミング調整を行いながら、二重管１の内管内周の溶接部に一周だけレーザ溶接が実施される。レーザエネルギー量は、ヘッド回転速度の変動に関わらず一定に保つことができるので、高品位のレーザ溶接を実施することが可能になる。
【０１０１】
第５実施形態
次に、本発明の第５実施形態によるレーザ溶接装置について、図１５を参照しながら説明する。
これまで説明した第１乃至第４形態によるレーザ溶接装置は、レーザ溶接ヘッド１２にフレキシブルシャフト３０を用いて回転トルクを伝動する構成である。これに対して、第５実施形態によるレーザ溶接装置は、フレキシブルシャフト３０の替わりに、中空の自在継手を利用してレーザ溶接ヘッド１２に回転トルクを伝動する構成にした実施形態である。なお、この第５実施形態では、図２と同一の構成要素には、同一の参照符合を付して詳細な説明は省略する。
【０１０２】
図１５において、レーザ溶接ヘッド１２のヘッド本体２０の後部に継手部２２を介して金属製の蛇腹管２３の先端部が接続されている。この蛇腹管２３の後端部には、ジョイント１４４を介して次のような自在継手が接続されている。
【０１０３】
この実施形態による自在継手は、円筒形状の節部材１４５を一単位の関節として、複数の節部材１４５を連続的に繋ぎあわせて二重管１の管外まで延びる自在継手が構成されている。節部材１４５の両端部には、２つ一組の方形片が軸方向に突き出た継手部１４６ａ、１４６ｂが形成されている。隣り合う節部材１４５にあっては、継手部１４６ａと継手部１４６ｂはピンジョイント１４８によって連結されている。そして、ピンジョイント１４８による継手部１４６ａと継手部１４６ｂの連結軸は、交互に９０°ずつ偏位するようになっているので、自在継手全体としては任意の方向に曲がることが可能になっている。
【０１０４】
このような節部材１４５をつなぎ合わせてなる自在継手の内部には、不活性ガスをレーザ溶接ヘッド本体２０に送るガス供給パイプ１５０が収容されている。ジョイント１４４は、外周部に突起を有する竹の子形のジョイント１５１を有し、ガス供給パイプ１５０の先端は圧入により接続されている。さらに、ガス供給パイプ１５０の内部にはレーザ光をヘッド本体２０に導く光ファイバー３２が組み込まれている。
【０１０５】
以上のように構成される第５実施形態によれば、曲がった二重管１の場合にもレーザ溶接ヘッド１２を円滑に通過させ、レーザ溶接を実施することができる。
【０１０６】
また、レーザ溶接ヘッド１２は、ヘッド筐体２０とヘッド先端部１２からなり、ヘッド回転駆動用のモータや、ヘッド固定機構が付属していないため、短く小型のヘッド構成とすることができる上に、節部材１４５を連続してつなげた自在継手は、二重管の曲がった部分を通過できるとともに回転トルクをレーザ溶接ヘッド１２に伝達することができる。しかも、フレキシブルシャフト３０と異なり、ねじれが生じないので、ヘッド回転速度の変動を小さくすることができる。
【０１０７】
以上、本発明によ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で使用される二重伝熱管だけでなく、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】
【０１０８】
１…二重管、２…外管、３…内管、１０…レーザ溶接装置、１２…レーザ溶接ヘッド、１３…多重ケーブル、１６…レーザヘッド位置決め固定機構、１８…回収装置、２０…ヘッド本体、２１…ヘッド先端部、２３…蛇腹管、２５…ホース、３０…フレキシブルシャフト、３２…光ファイバー、４２…レーザ光中継器、４６…中空回転軸、５０…サーボモータ、６２…位置決めストッパ、６４…リンク機構、６５…穴部、６７…ねじ軸、７１…固定パッド、７８…フレキシブルシャフト、８０…ガイド管、８２…端末金具、８３…先端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管と管の端部を突き合わせ、前記管の内部からそ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、
レーザ光を前記管の内周面に照射するレーザ光学系とテーパー形状の先端部とを有するレーザ溶接ヘッドと
前記管の管外に設置され、前記レーザ溶接ヘッドを回転駆動する回転駆動装置と、
前記回転駆動装置で発生したトルクを前記レーザ溶接ヘッドに伝達する可撓性のフレキシブルシャフトと、レーザ発振器からのレーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導く光ファイバーと、を有する可撓性の多重溶接ケーブルと、
前記レーザ溶接ヘッドの先端部が着脱自在に嵌合し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ストッパと、前記レーザ溶接ヘッドの嵌合した前記位置決めストッパを管軸上に固定する固定機構と、を有する位置決め固定装置と、
を具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記位置決め固定装置の固定機構は、
前記位置決めストッパと回転軸を介して連結され、ナット部材が螺合するねじ軸と、
前記ねじ軸の回転による前記ナット部材の直線移動により前記管の半径方向に伸縮し、前記位置決めストッパを固定するリンク機構と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記位置決め固定装置の固定機構は、
前記位置決めストッパと回転軸を介して連結され、ナット部材が螺合するねじ軸と、
前記ねじ軸の回転によりナットが一の方向に直線移動すると前記管の内面に押し付けられるように撓み前記位置決めストッパを固定する複数のばね板と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記位置決め固定機構の固定機構は、
前記位置決めストッパと回転軸を介して連結され、内部にプランジャーを内蔵しナット部材が螺合するシリンダ型のねじ軸と、
前記ねじ軸の回転によるナットの直線移動により前記管の半径方向に伸縮し、前記位置決めストッパを固定するリンク機構と、
前記ねじ軸に高圧ガスを供給し、前記プランジャーを前進させて前記リンク機構の固定を解除する高圧ガス発生装置と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記固定機構の前記回転軸に形成された逆ねじの雌ねじに螺合する逆ねじの雄ねじを先端に有し、前記位置決めストッパと着脱自在に嵌合するテーパー形状の先端部と、前記先端部が取りつけられた可撓軸と、を有する、前記位置決め固定機構を回収するための回収装置をさらに備えたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれ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のテーパー形状の先端部は、ヘッド本体に回転自在に支持され、前記先端部の後端面と前記ヘッド本体の前端面との間には隙間が形成され、前記先端部の後端面には所定の磁気パターンが形成され、前記ヘッド本体の前端面には当該ヘッド本体の回転速度を検出するセンサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記レーザ溶接ヘッドのヘッド本体の回転速度の変動に応じて変化するレーザ出力の変化パターンに基づき、前記ヘッド本体が１回転する間に、レーザエネルギ密度の一定のレーザ光が溶接部に照射されるように、レーザ発振器のレーザ出力を補正するレーザ出力制御手段をさらに具備したことを特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記レーザ出力制御手段は、前記ヘッド本体の回転速度が安定している区間においてレーザ光が照射されるように、レーザ光照射のタイミングを調整する手段を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記多重溶接ケーブルの一端と前記レーザ溶接ヘッドとは、中空の蛇腹管を介して接続されており、前記多重溶接ケーブルの一端から前記光ファイバーが前記蛇腹管の中を通って前記溶接ヘッドのヘッド本体と接続され、また、前記蛇腹管と前記多重溶接ケーブルのフレキシブルシャフトは共に回転自在に接続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１０】
前記多重溶接ケーブルは、中空で可撓性のフレキシブルシャフトと、レーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導き、前記フレキシブルシャフトに挿通される光ファイバーと、前記フレキシブルシャフトを収容し前記フレキシブルシャフトとの間に不活性ガスの通路を形成する外側可撓管と、からなることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記多重溶接ケーブルは、自在継手の円筒形状の節部材が連続して接続されたフレキシブルシャフトと、レーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導く光ファイバーと、前記光ファイバーを収容し前記光ファイバーとの間に不活性ガスの通路を形成する前記内側可撓管と、からなることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１】
管と管の端部を突き合わせ、前記管の内部からそ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、
レーザ光を前記管の内周面に照射するレーザ光学系とテーパー形状の先端部とを有するレーザ溶接ヘッドと
前記管の管外に設置され、前記レーザ溶接ヘッドを回転駆動する回転駆動装置と、
前記回転駆動装置で発生したトルクを前記レーザ溶接ヘッドに伝達する可撓性のフレキシブルシャフトと、レーザ発振器からのレーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導く光ファイバーと、を有する可撓性の多重溶接ケーブルと、
前記レーザ溶接ヘッドの先端部が着脱自在に嵌合し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ストッパと、前記レーザ溶接ヘッドの嵌合した前記位置決めストッパを管軸上に固定する固定機構と、を有する位置決め固定装置と、
を具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記位置決め固定装置の固定機構は、
前記位置決めストッパと回転軸を介して連結され、ナット部材が螺合するねじ軸と、
前記ねじ軸の回転による前記ナット部材の直線移動により前記管の半径方向に伸縮し、前記位置決めストッパを固定するリンク機構と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記位置決め固定装置の固定機構は、
前記位置決めストッパと回転軸を介して連結され、ナット部材が螺合するねじ軸と、
前記ねじ軸の回転によりナットが一の方向に直線移動すると前記管の内面に押し付けられるように撓み前記位置決めストッパを固定する複数のばね板と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記位置決め固定機構の固定機構は、
前記位置決めストッパと回転軸を介して連結され、内部にプランジャーを内蔵しナット部材が螺合するシリンダ型のねじ軸と、
前記ねじ軸の回転によるナットの直線移動により前記管の半径方向に伸縮し、前記位置決めストッパを固定するリンク機構と、
前記ねじ軸に高圧ガスを供給し、前記プランジャーを前進させて前記リンク機構の固定を解除する高圧ガス発生装置と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記固定機構の前記回転軸に形成された逆ねじの雌ねじに螺合する逆ねじの雄ねじを先端に有し、前記位置決めストッパと着脱自在に嵌合するテーパー形状の先端部と、前記先端部が取りつけられた可撓軸と、を有する、前記位置決め固定機構を回収するための回収装置をさらに備えたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれ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のテーパー形状の先端部は、ヘッド本体に回転自在に支持され、前記先端部の後端面と前記ヘッド本体の前端面との間には隙間が形成され、前記先端部の後端面には所定の磁気パターンが形成され、前記ヘッド本体の前端面には当該ヘッド本体の回転速度を検出するセンサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記レーザ溶接ヘッドのヘッド本体の回転速度の変動に応じて変化するレーザ出力の変化パターンに基づき、前記ヘッド本体が１回転する間に、レーザエネルギ密度の一定のレーザ光が溶接部に照射されるように、レーザ発振器のレーザ出力を補正するレーザ出力制御手段をさらに具備したことを特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記レーザ出力制御手段は、前記ヘッド本体の回転速度が安定している区間においてレーザ光が照射されるように、レーザ光照射のタイミングを調整する手段を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記多重溶接ケーブルの一端と前記レーザ溶接ヘッドとは、中空の蛇腹管を介して接続されており、前記多重溶接ケーブルの一端から前記光ファイバーが前記蛇腹管の中を通って前記溶接ヘッドのヘッド本体と接続され、また、前記蛇腹管と前記多重溶接ケーブルのフレキシブルシャフトは共に回転自在に接続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１０】
前記多重溶接ケーブルは、中空で可撓性のフレキシブルシャフトと、レーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導き、前記フレキシブルシャフトに挿通される光ファイバーと、前記フレキシブルシャフトを収容し前記フレキシブルシャフトとの間に不活性ガスの通路を形成する外側可撓管と、からなることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記多重溶接ケーブルは、自在継手の円筒形状の節部材が連続して接続されたフレキシブルシャフトと、レーザ光を前記レーザ溶接ヘッドに導く光ファイバーと、前記光ファイバーを収容し前記光ファイバーとの間に不活性ガスの通路を形成する前記内側可撓管と、からなることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【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】
【公開番号】特開２０１３−２２５９４（Ｐ２０１３−２２５９４Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５６７１８（Ｐ２０１１−１５６７１８）
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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