(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に没入される筒状のレーザトーチ本体と、該レーザトーチ本体の先端部に内装され且つレーザ光を集光する光学レンズと、該光学レンズに向けてレーザ光を出射するようにレーザトーチ本体の後端部に配設した光ファイバと、前記レーザトーチ本体に内装され且つ光ファイバを光学レンズに対して近接離反動させるファイバ移動装置と、前記光学レンズが集光したレーザ光をワークのレーザ照射部へ照射するためのノズル部を有し且つファイバ移動装置により光ファイバと共に移動するようにレーザトーチ本体の先端部に取り付けたノズルボディと、ワークへ向けてレーザ照射部の周囲の水を局部的に強制排水させるためのドーム形成用ガスを噴射するドーム形成用ガス噴射ノズル部とを備え、レーザ照射部へ向けて溶接用ワイヤを送給するワイヤ送給孔をノズルボディに形成したことを特徴とする水中レーザ溶接装置。
【請求項２】
ワイヤ送給孔がドーム形成用ガス噴射ノズル部を兼ねる請求項１記載の水中レーザ溶接装置。
【請求項３】
溶接用ワイヤとワークとの間を接続する電源回路を設け、該電源回路にタッチ検出器を設けた請求項１又は２記載の水中レーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水中レーザ溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中に没しているワーク（被溶接材）を溶接する場合、従来は、水中に没しているワークに対する溶接箇所をチャンバで完全に囲い、チャンバ内の水を抜くと共にチャンバ内をシールドガス雰囲気にした上で、チャンバ内に溶接トーチを挿入し、溶接トーチを用いてワークを溶接させるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワークに対する溶接箇所をチャンバで完全に囲うようにした場合、非常に大掛かりなチャンバが必要になると共に、チャンバには汎用性がないため、ワークに応じてその都度チャンバを製作しなければならず、不経済である。
【０００４】
しかも、チャンバを高精度で製作し且つ位置決めしない限り、チャンバとワークとの間のシール性を確保できないため、チャンバ内部に水が侵入して溶接品質が低下されるおそれがあった。
【０００５】
更に、チャンバ内に挿入された溶接トーチを自由に動かすのは機構的にかなり複雑となるため、溶接箇所の微妙な凹凸に溶接トーチを追随させつつ溶接を行わせることが困難であった。
【０００６】
本発明は上述の実情に鑑み、簡単な構成で高品質の水中溶接を行い得るようにした水中レーザ溶接装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水中に没入される筒状のレーザトーチ本体と、該レーザトーチ本体の先端部に内装され且つレーザ光を集光する光学レンズと、該光学レンズに向けてレーザ光を出射するようにレーザトーチ本体の後端部に配設した光ファイバと、前記レーザトーチ本体に内装され且つ光ファイバを光学レンズに対して近接離反動させるファイバ移動装置と、前記光学レンズが集光したレーザ光をワークのレーザ照射部へ照射するためのノズル部を有し且つファイバ移動装置により光ファイバと共に移動するようにレーザトーチ本体の先端部に取り付けたノズルボディと、ワークへ向けてレーザ照射部の周囲の水を局部的に強制排水させるためのドーム形成用ガスを噴射するドーム形成用ガス噴射ノズル部とを備え、レーザ照射部へ向けて溶接用ワイヤを送給するワイヤ送給孔をノズルボディに形成したことを特徴とする水中レーザ溶接装置にかかるものである。
【００１０】
又、ワイヤ送給孔がドーム形成用ガス噴射ノズル部を兼ねるようにする。
【００１１】
更に、溶接用ワイヤとワークとの間を接続する電源回路を設け、該電源回路にタッチ検出器を設ける。
【００１２】
【作用】
従って本発明では、水中に没入されたレーザトーチ本体へ光ファイバを介して送られたレーザ光は、レーザトーチ本体の先端部に設けられた光学レンズで集光された後、ノズル部からワークのレーザ照射部へ照射される。
【００１３】
この際、レーザトーチ本体に設けられたファイバ移動装置を用いて、光ファイバを光学レンズに対して近接離反動させることにより、レーザ光の焦点距離を変化させることができる。これによって、レーザ照射部に凹凸が有る場合でも、品質の高い溶接を行わせることができる。
【００１４】
又、ファイバ移動装置を用いて、ノズルボディを光ファイバと共に移動させることにより、ノズルボディに形成されたワイヤ送給孔を介してワークのレーザ照射部へ送給される溶接用ワイヤを、焦点距離の移動に伴って、常に正確にレーザ照射部へ送給させることができる。
【００１５】
更に、ドーム形成用ガス噴射ノズル部からワークへ向けてドーム形成用ガスを噴射させることにより、レーザ照射部の周囲の水を局部的に強制排水させて、良好な水中溶接を行わせることができる。
【００１６】
更に又、ワイヤ送給孔をドーム形成用ガス噴射ノズル部として、ワイヤ送給孔からドーム形成用ガスを噴射させるようにすることができる。
【００１７】
加えて、溶接用ワイヤとワークとの間を接続する電源回路にタッチ検出器を設けて、溶接用ワイヤとワークとの接触により、レーザトーチ本体とレーザ照射部との間隔を測定させることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１〜図５は本発明の一実施例を示すものであり、図１に示すように、水１を貯留される大型の金属容器２の底部に対して貫通配置されるワークとしての配管３を、前記金属容器２の底部へ隅肉溶接する場合を例示している。
【００２０】
この場合において、金属容器２の上部に門型のクレーン７を設け、該クレーン７を用いて垂直な支持ロッド４の上端部を支持し、支持ロッド４の下端部に取付けられた多関節ロボット５を金属容器２内部の水１の中へ吊り降ろして、多関節ロボット５の先端に保持されたレーザトーチ６により水中溶接を行わせるようにしている。
【００２１】
尚、前記支持ロッド４は必要な場合には、継ぎ足して使用できるものとする。
【００２２】
本発明にかかる前記レーザトーチ６は、図２に示すように、筒状をしてその下端部にレシーバレンズ８や集光レンズ９などの光学レンズ１０を備えたレーザトーチ本体１１を備えており、レーザトーチ本体１１の内部には、上部支持部１２と下部支持部１３が間隔を置いて一体に設けられ、該上部支持部１２の上部と下部支持部１３の下部には、上部カム１４と下部カム１５がそれぞれレーザトーチ本体１１の周方向へ回転自在となるように配置され、上部カム１４の上部と下部カム１５の下部には、押子１６，１７を介して、ファイバーチャック押部材１８と上部ノズルボディ１９とが、それぞれ昇降可能に嵌合され、上部支持部１２とファイバーチャック押部材１８との間、及び、下部支持部１３と上部ノズルボディ１９との間には引張バネからなる引付用弾性体２０，２１が介装されている。
【００２３】
そして、前記上部支持部１２にはモータなどの駆動装置２２が取付けられ、該駆動装置２２が、ギヤ２３，２４、駆動軸２５、ギヤ２６，２７を介して、上部カム１４と下部カム１５の内周面に形成された内歯のリングギヤ２８，２９に接続され、駆動装置２２により上部カム１４と下部カム１５を同期回転させ得るようにして、ファイバ移動装置７０が構成されている。
【００２４】
ここで、前記上部カム１４と下部カム１５のカム面３０，３１には、互いに平行な勾配がそれぞれ形成されており、上部カム１４と下部カム１５には、中心部に引付用弾性体２０，２１を通すための貫通孔３２，３３が形成されている。
【００２５】
又、前記押子１６，１７は、図４に示すように、レーザトーチ本体１１に形成された上下方向へ延びるアリ溝３４に昇降可能に係合されている。尚、３５，３６はアリ溝３４の奥部に設けられた押子１６，１７の位置を検出するためのリニアイメージセンサなどの位置検出器、３７，３８は位置検出器３５，３６を覆うためのセンサ蓋である。
【００２６】
更に、図２に示すように、前記レーザトーチ本体１１の下部にはネジ部３９が形成され、図５に示すように、各レンズ８，９の周縁部から突設された複数の支持用脚部４４が、スペーサ４０，４１と、ネジ部３９に螺着されるロックリング４２，４３との間で押さえられている。そして、各レンズ８，９の支持用脚部４４間の位置に、先割れ形状とされた上部ノズルボディ１９の下端部が通され、上部ノズルボディ１９の下端部に下部ノズルボディ４５が螺着されて、下部ノズルボディ４５が上部ノズルボディ１９と一体的に昇降可能となるようにされている。
【００２７】
前記レーザトーチ６の上端部には、図１に示すように、金属容器２の外側に配置されたＹＡＧレーザ発振器などのレーザ発振器４６からの光ファイバ４７が導かれており、前記レーザ発振器４６から発振されるレーザ光４８が光ファイバ４７を介して伝送されるようになっている。
【００２８】
前記光ファイバ４７は、図２に示すように、ファイバチャック４９に通され、該ファイバチャック４９が前記ファイバーチャック押部材１８に螺着されることによって、ファイバーチャック押部材１８に固定保持されており、更に、引付用弾性体２０，２１、上部支持部１２と下部支持部１３を通して上部ノズルボディ１９に移動自在に挿通配置され、前記光ファイバ４７を介して伝送されたレーザ光４８が、前記光学レンズ１０により集光されて、下部ノズルボディ４５先端のノズル部５０から前記配管３に対する隅肉溶接部などのレーザ照射部５１へ向けて照射され得るようになっている。
【００２９】
又、前記下部ノズルボディ４５には、上下方向に貫通するワイヤ送給孔５２が穿設されている。そして、該ワイヤ送給孔５２の後端には、図１に示すように、ワイヤコンジット５４（金属線を巻いて形成したフレキシブルチューブの外側をテフロンで被覆したもの）が接続されており、ワイヤ送給装置５５から送給される溶接用ワイヤ５６が、前記ワイヤコンジット５４及びワイヤ送給孔５２内に挿通されてワイヤ送給孔５２の先端から前記レーザ光４８のレーザ照射部５１へ向けて案内されるようにしてある。
【００３０】
ここで、ワイヤ送給孔５２の下端部分は、レーザ照射部５１へ送られる溶接用ワイヤ５６がレーザ照射部５１へ向かうように、レーザ光４８の軸心に対し約１０゜〜１５゜の挿入角度を付けておくようにする。
【００３１】
更に、下部ノズルボディ４５における、ワイヤ送給孔５２とは円周方向に位相が異なる位置に、前記ノズル部５０へ連通するシールドガス流路５７が穿設されており、該シールドガス流路５７の後端には、図１に示すように、金属容器２の外側に配置されたガスボンベ５８（ガス供給源）から導かれたシールドガス供給管５９が接続されており、前記ガスボンベ５８から供給される、シールドガス６０（アルゴンガス等の不活性ガス）が、前記シールドガス供給管５９内を流れてシールドガス流路５７から下部ノズルボディ４５内へ流入し、ノズル部５０の先端から配管３に対する隅肉溶接部などのレーザ照射部５１へ向けて噴射されるようになっている。
【００３２】
加えて、下部ノズルボディ４５における前記ワイヤ送給孔５２の上部には、水圧よりも高い圧力のドーム形成用ガス６８を供給するためのドーム形成用ガス供給管６９が接続されている。この場合、ドーム形成用ガス６８は、ガスボンベ５８とは別系統のガス供給源を用いるようにしても良いが、本実施例ではガスボンベ５８を共用させるようにしている。又、ワイヤ送給孔５２にドーム形成用ガス供給管６９を接続してワイヤ送給孔５２をドーム形成用ガス噴射ノズル部として使用させるようにしているが、下部ノズルボディ４５の内部にワイヤ送給孔５２とは別にドーム形成用ガス噴射ノズル部を設けるようにしても良い。或いは、下部ノズルボディ４５の外部に独立したドーム形成用ガス噴射ノズル部を設けるようにしても良い。
【００３３】
尚、図中、６１は前記シールドガス供給管５９におけるガスボンベ５８の側に備えられた電磁弁、６２はノズル部５０とレーザ照射部５１との間に形成されるドーム形成用ガス６８のドームである。
【００３４】
更に、図１に示すように、前記ワイヤ送給装置５５とワイヤコンジット５４の後端とを接続する銅製のコンジットコネクタ６３には、金属容器２の外側に配置された直流電源６４の正極側が導電線６５を介して接続され、且つ、前記直流電源６４の負極側は導電線６６を介して前記配管３に対して通電可能な部位に接続されて、電源回路７１が構成されている。
【００３５】
ここで、ワイヤ送給装置５５から送給される溶接用ワイヤ５６は、コンジットコネクタ６３の内周面に対し部分的に摺接されつつワイヤコンジット５４へ送り出されるので、溶接用ワイヤ５６は直流電源６４に対して通電された状態になる。
【００３６】
又、配管３に対して通電可能な部位とは、例えば、図示する如く配管３が金属容器２の底部に接触しているのであれば、配管３自体が水中に没しているかどうかに拘らず、前記金属容器２の上端部分で良い。
【００３７】
そして、導電線６５と導電線６６との間に、電流計などのタッチ検出器６７を並列に接続する。
【００３８】
次に、本発明の作動について説明する。
【００３９】
先ず、溶接に先立ち、図示しない接触センサなどを用いて、配管３に対する隅肉溶接部などのレーザ照射部５１の位置や形状を測定し、得られた位置データなどを図示しない溶接制御装置に入力しておく。上記位置データなどは、例えば、図１における多関節ロボット５の先端にレーザトーチ６の代りに接触センサを取付けて、多関節ロボット５を動かしつつ測定させるようにしても良い。
【００４０】
こうして位置などが測定されたら、門型のクレーン７などにより、支持ロッド４ごと接触センサを金属容器２から水１の外へ引き上げて、多関節ロボット５の先端から接触センサを取外し、接触センサの代りにレーザトーチ６を取付けた上で、支持ロッド４ごとレーザトーチ６を水１中へ没入して、支持ロッド４の下端部に取付けられた位置決部材７で配管３の上端部をクランプさせることにより、図１の状態に戻すようにする。
【００４１】
この状態で、先ず、直流電源６４及び導電線６５，６６を介して溶接用ワイヤ５６と配管３に電圧を印加し、且つ、ワイヤ送給装置５５を駆動して、コンジットコネクタ６３及びワイヤコンジット５４を介してレーザトーチ６のワイヤ送給孔５２へ溶接用ワイヤ５６を導き、更に、ワイヤ送給孔５２の先端からレーザ照射部５１へ向けて溶接用ワイヤ５６を突出させる。
【００４２】
すると、溶接用ワイヤ５６の先端がレーザ照射部５１に当った時に強い電流が流れるので、直流電源６４に並列に接続された電流計などのタッチ検出器６７によってこれを検知することができる。このときの溶接用ワイヤ５６の突出し長さが、レーザトーチ６とレーザ照射部５１との間隔である。そこで、先ず、多関節ロボット５や後述するファイバ移動装置７０を動かしてレーザトーチ６とレーザ照射部５１との間隔やレーザ光４８の焦点距離が適正となるように調節し、溶接開始のための位置決めを行わせる。
【００４３】
以上のようにして位置決めができたら、電磁弁６１を開けてガスボンベ５８からドーム形成用ガス６８をドーム形成用ガス供給管６９を介して下部ノズルボディ４５のワイヤ送給孔５２へ導入させる。すると、該ワイヤ送給孔５２の先端から水圧よりも高い圧力のドーム形成用ガス６８がレーザ照射部５１へ向けて噴射され、レーザ照射部５１が前記ドーム形成用ガス６８によって局所的に強制排水されて、レーザ照射部５１に水１の全くないドーム形成用ガス６８のドーム６２が形成される。これにより、チャンバなどを不要とすることができる。
【００４４】
こうしてドーム６２が形成されたら、レーザ発振器４６から発振されたレーザ光４８を光ファイバ４７を介して水中のレーザトーチ６へ導き、レーザ光４８をレーザトーチ６内の光学レンズ１０で集光させた後、ノズル部５０からレーザ照射部５１へ向けて照射させ、水中溶接を開始させる。
【００４５】
この際、ガスボンベ５８からシールドガス供給管５９、下部ノズルボディ４５のシールドガス流路５７、ノズル部５０を介してドーム６２内のレーザ照射部５１へシールドガス６０を噴射させることにより、レーザ照射部５１の酸化を防止させるようにする。
【００４６】
且つ、ワイヤ送給装置５５からの溶接用ワイヤ５６を、レーザトーチ６のワイヤ送給孔５２を介してドーム６２内のレーザ照射部５１へ送給させることにより、必要な肉盛量を確保させるようにする。
【００４７】
こうして水中溶接が開始されたら、図示しない溶接制御装置により、予め測定しておいた配管３に対する隅肉溶接部の位置などのデータに基づき、多関節ロボット５を操作させて、レーザトーチ６を動かすことにより、前記隅肉溶接部を全周にわたって水中溶接させて行く。
【００４８】
この際、多関節ロボット５の動きだけでは、追随しきれない細かい凹凸が配管３に対する隅肉溶接部に有る場合には、図示しない溶接制御装置が、駆動装置２２へ指令を送って駆動装置２２を駆動させ、ギヤ２３，２４、駆動軸２５、ギヤ２６，２７、リングギヤ２８，２９を介して上部カム１４と下部カム１５を回転させる。
【００４９】
これにより、上部カム１４と下部カム１５のカム面３０，３１に案内される押子１６，１７を介して、ファイバーチャック押部材１８と上部ノズルボディ１９が、レーザトーチ本体１１に対し、図２或いは図３に示すように、昇降動され、レーザトーチ本体１１に位置を固定された光学レンズ１０に対して光ファイバ４７側が近接離反動されるので、レーザ光４８の焦点距離が変化される。
【００５０】
尚、押子１６，１７の位置は、位置検出器３５，３６が常時検出して、図示しない溶接制御装置へ送ることにより、正確な焦点距離の制御が行われるようになっている。
【００５１】
このように、レーザ光４８の焦点距離を調整させることにより、隅肉溶接部の細かい凹凸に拘らずレーザ光４８の照射幅を常に一定に保たせることができるようになるので、より高品質な溶接結果を得ることが可能となる。
【００５２】
更に、上部ノズルボディ１９と一体に、下部ノズルボディ４５も昇降されるようにしているので、下部ノズルボディ４５に形成されたワイヤ送給孔５２を通される溶接用ワイヤ５６も、何らの制御を行うことなく、焦点距離の移動に伴い常に正確にレーザ照射部５１を狙って送給させることができるようになる。
【００５３】
以上述べたように、本実施例によれば、シールドガス６０とは別に、ドーム形成用ガス６８を水圧より高い圧力でレーザ照射部５１に直接噴射させることにより、水１を局所的に強制排水させて、レーザ照射部５１の回りに水１の全くないドーム６２を形成することができるので、チャンバなどを用いることなく、簡単に品質の高い水中溶接を行わせることが可能となる。
【００５４】
又、ドーム形成用ガス６８をワイヤ送給孔５２を利用して送給させることにより、溶接用ワイヤ５６が常に乾いた状態に保たれるので、濡れた溶接用ワイヤ５６が送給されて、溶接品質が低下されることが防止される。
【００５５】
更に、光学レンズ１０に対して光ファイバ４７の位置を移動させることによって、レーザ光４８の焦点距離を変化させているので、レーザ照射部５１の細かい凹凸に追従させて高品質な水中溶接を行わせることが可能となる。
【００５６】
更に又、光ファイバ４７と共に、ワイヤ送給孔５２が形成された下部ノズルボディ４５を昇降させるようにしているので、何らの制御を行うことなく、焦点距離の移動に伴い常に正確にレーザ照射部５１へ溶接用ワイヤ５６を送給させることが可能となる。
【００５７】
加えて、溶接用ワイヤ５６と配管３とを結ぶ電源回路７１を設け、該電源回路７１にタッチ検出器６７を設けたので、水中などの遠隔地で溶接を行う場合においても、レーザトーチ６とレーザ照射部５１との間隔を正確に計測することができる。
【００５８】
尚、本発明の水中レーザ溶接装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、実施例においては直流電源を用いて説明してあるが交流電源を用いても良いこと、又、本発明の水中レーザ溶接装置の構成は図示の例以外にも種々の構成を採用し得ること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５９】
【発明の効果】
上記した本発明によれば、簡単な構成で高品質の水中溶接を行うことができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す全体概略側面図である。
【図２】図１の部分拡大断面図である。
【図３】図２の作動図である。
【図４】図２のアリ溝部分の拡大断面図である。
【図５】図２の光学レンズを下側から見た状態を示す図である。
【符号の説明】
１        水
３        ワーク（配管）
１０    光学レンズ
１１    レーザトーチ本体
４５    ノズルボディ（下部ノズルボディ）
４７    光ファイバ
４８    レーザ光
５０    ノズル部
５１    レーザ照射部
５２    ワイヤ送給孔（ドーム形成用ガス噴射ノズル部）
５６    溶接用ワイヤ
６７    タッチ検出器
６８    ドーム形成用ガス
７０    ファイバ移動装置
７１    電源回路
【図１】
0003621754.tif 000002
【図２】
0003621754.tif 000003
【図３】
0003621754.tif 000004
【図４】
0003621754.tif 000005
【図５】
0003621754.tif 000006