(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に没入されたレーザトーチのノズル部から水中にあるワークへレーザ光を照射させてワークを溶接すると共に、ワークのレーザ照射部へ向けて溶接ワイヤを送給することにより必要な肉盛量を確保させるようにする水中レーザ溶接方法において、レーザトーチからワークへのレーザ光の照射を停止させた直後に、溶接ワイヤを僅かに突出させ、レーザ光の予熱などで溶接ワイヤの先端にできる玉の部分がノズル部を通り越すようにすると共に、レーザ光の焦点の位置が溶接ワイヤに合うようにした後、レーザトーチからレーザ光を１パルスないし数パルス分だけ出射させることにより、前記溶接ワイヤの先端にできる玉を切断させることを特徴とする水中レーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水中レーザ溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザ溶接で溶接ワイヤを用いて肉盛を行わせる場合、溶接を中断或いは終了させるためにレーザ光の照射を停止した時に、溶接ワイヤの先端がレーザ光やレーザ光のエネルギーによって発生したプラズマなどの予熱で丸まって玉ができる。
【０００３】
このようにして、溶接ワイヤの先端にできた玉は、一旦溶かされているので、酸化されたり不純物が混入されているおそれがあり、このまま溶接を再開すると、酸化などされている溶接ワイヤが盛り込まれることとなって、溶接欠陥を引き起こすおそれがある。
【０００４】
そのため、地上でレーザ溶接を行う場合には、作業員が溶接ワイヤの先端にできた玉を、溶接を再開する度にいちいち手作業で切断除去するようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、作業員が手作業で溶接ワイヤの先端にできた玉をいちいち切断除去していたのでは煩雑であり、且つ、水中溶接などの場合には、作業員が水中にあるレーザトーチのそばに付き添うことができないので、溶接ワイヤの先端にできた玉を切断除去することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は上述の実情に鑑み、自動的に溶接ワイヤの先端にできた玉を切断除去し得るようにした水中レーザ溶接方法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、水中に没入されたレーザトーチのノズル部から水中にあるワークへレーザ光を照射させてワークを溶接すると共に、ワークのレーザ照射部へ向けて溶接ワイヤを送給することにより必要な肉盛量を確保させるようにする水中レーザ溶接方法において、レーザトーチからワークへのレーザ光の照射を停止させた直後に、溶接ワイヤを僅かに突出させ、レーザ光の予熱などで溶接ワイヤの先端にできる玉の部分がノズル部を通り越すようにすると共に、レーザ光の焦点の位置が溶接ワイヤに合うようにした後、レーザトーチからレーザ光を１パルスないし数パルス分だけ出射させることにより、前記溶接ワイヤの先端にできる玉を切断させることを特徴とする水中レーザ溶接方法にかかるものである。
【０００８】
【作用】
水中に没入されたレーザトーチから水中にあるワークへレーザ光を照射させてワークを溶接すると共に、ワークのレーザ照射部へ向けて溶接ワイヤを送給することにより必要な肉盛量を確保させるようにして水中レーザ溶接を行う。
【０００９】
そして、レーザトーチからワークへのレーザ光の照射を停止させた直後に、溶接ワイヤを僅かに突出させ、レーザ光の予熱などで溶接ワイヤの先端にできる玉の部分がノズル部を通り越すようにすると共に、レーザ光の焦点の位置が溶接ワイヤに合うようにした後、レーザトーチからレーザ光を１パルスないし数パルス分だけ出射させることにより、レーザ光の予熱などで溶接ワイヤの先端にできる玉を切断させるようにする。
【００１０】
このように、溶接ワイヤ先端の玉の部分が切断除去されるため、次に水中溶接を再開するときには、玉のない溶接ワイヤで溶接を開始することができるようになり、酸化などした溶接ワイヤが盛り込まれて溶接欠陥を生じるおそれを取り除くことができるようになる。しかも、レーザ光の焦点の位置を溶接ワイヤに合わせることにより、低い出力のレーザ光で溶接ワイヤ先端の玉の部分を切断除去することができ、且つ、切断除去用のレーザ光のエネルギーによってワークなどが荒らされることが防止できる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１〜図１２は本発明の一実施例であり、うち、図８〜図１２は本発明を実施するための装置を示している。
【００１３】
本実施例では、図８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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
本発明にかかる前記レーザトーチ６は、図９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。
【００１７】
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３０が構成されている。
【００１８】
ここで、前記上部カム１４と下部カム１５のカム面３１，３２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３３，３４が形成されている。
【００１９】
又、前記押子１６，１７は、図１１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３５に昇降可能に係合されている。尚、３６，３７はアリ溝３５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、３８，３９は位置検出器３６，３７を覆うためのセンサ蓋である。
【００２０】
更に、図９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４０が形成され、図１２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４１が、スペーサ４２，４３と、ネジ部４０に螺着されるロックリング４４，４５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４１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４６が螺着されて、下部ノズルボディ４６と上部ノズルボディ１９により昇降可能なノズルボディ４７を構成している。
【００２１】
前記レーザトーチ６の上端部には、図８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４８からの光ファイバ４９が導かれており、前記レーザ発振器４８から発振されるレーザ光５０が光ファイバ４９を介して伝送されるようになっている。
【００２２】
尚、上記レーザ発振器４８は、内部にレーザ光５０を発信するレーザ発信部５１と、レーザ光５０を変調するレーザ変調部５２とを備え、溶接制御装置５３によって制御されるようになっている。
【００２３】
前記光ファイバ４９は、図９に示すように、ファイバチャック５４に通され、該ファイバチャック５４が前記ファイバチャック押部材１８に螺着されることによって、ファイバチャック押部材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４９を介して伝送されたレーザ光５０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４６先端のノズル部５５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５６へ向けて照射され得るようになっている。
【００２４】
又、前記下部ノズルボディ４６には、上下方向に貫通するワイヤ送給孔５７が穿設されている。そして、該ワイヤ送給孔５７の後端には、図８に示すように、ワイヤコンジット５９（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６０から送給される溶接ワイヤ６１が、前記ワイヤコンジット５９及びワイヤ送給孔５７内に挿通されてワイヤ送給孔５７の先端から前記レーザ光５０のレーザ照射部５６へ向けて案内されるようにしてある。
【００２５】
ここで、ワイヤ送給孔５７の下端部分は、レーザ照射部５６へ送られる溶接ワイヤ６１がレーザ照射部５６へ向かうように、レーザ光５０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。
【００２６】
更に、下部ノズルボディ４６における、ワイヤ送給孔５７とは円周方向に位相が異なる位置に、前記ノズル部５５へ連通するシールドガス流路６２が穿設されており、該シールドガス流路６２の後端には、図８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６３（ガス供給源）から導かれたシールドガス供給管６４が接続されており、前記ガスボンベ６３から供給される、シールドガス６５（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６４内を流れてシールドガス流路６２から下部ノズルボディ４６内へ流入し、ノズル部５５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５６へ向けて噴射されるようになっている。
【００２７】
加えて、下部ノズルボディ４６における前記ワイヤ送給孔５７の上部には、水圧よりも高い圧力のドーム形成用ガス６６を供給するためのドーム形成用ガス供給管６７が接続されている。この場合、ドーム形成用ガス６６は、ガスボンベ６３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６３を共用させるようにしている。又、ワイヤ送給孔５７にドーム形成用ガス供給管６７を接続してワイヤ送給孔５７をドーム形成用ガス噴射ノズル部６８として使用させるようにしているが、下部ノズルボディ４６の内部にワイヤ送給孔５７とは別にドーム形成用ガス噴射ノズル部６８を設けるようにしても良い。或いは、下部ノズルボディ４６の外部に独立したドーム形成用ガス噴射ノズル部６８を設けるようにしても良い。
【００２８】
尚、図中、６９は前記シールドガス供給管６４におけるガスボンベ６３の側に備えられた電磁弁、７０はノズル部５５とレーザ照射部５６との間に形成されるドーム形成用ガス６６のドームである。
【００２９】
又、７１はレーザ光５０などの予熱によって溶接ワイヤ６１の先端にできる玉、７２は溶接の結果できた溶接ビード、７３はレーザ光５０によって溶融されている溶融部である。
【００３０】
更に、図７中、７４は溶接出力、７５は変調用パルス、７６は切断用パルスである。
【００３１】
次に、本発明の作動について説明する。
【００３２】
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５６の位置や形状を測定し、得られた位置データなどを溶接制御装置５３に入力しておく。上記位置データなどは、例えば、図８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。
【００３３】
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８の状態に戻すようにする。
【００３４】
この状態で、電磁弁６９を開けてガスボンベ６３からドーム形成用ガス６６をドーム形成用ガス供給管６７を介して下部ノズルボディ４６のワイヤ送給孔５７へ導入させる。すると、該ワイヤ送給孔５７の先端から水圧よりも高い圧力のドーム形成用ガス６６がレーザ照射部５６へ向けて噴射され、レーザ照射部５６が前記ドーム形成用ガス６６によって局所的に強制排水されて、レーザ照射部５６に水１の全くないドーム形成用ガス６６のドーム７０が形成される。これにより、チャンバなどを設けなくとも水１を排除することができる。
【００３５】
こうしてドーム７０が形成されたら、溶接制御装置５３からレーザ発振器４８へ制御信号を送り、レーザ発振器４８内部に設けられたレーザ発信部５１にレーザ光５０を発信させ、レーザ変調部５２によってレーザ光５０を必要な波長などに変調させる。そして、レーザ発振器４８で発振されたレーザ光５０を光ファイバ４９を介して水１中のレーザトーチ６へ導き、レーザ光５０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５５からレーザ照射部５６へ向けて照射させ、水中溶接を開始させる。
【００３６】
この際、ガスボンベ６３からシールドガス供給管６４、下部ノズルボディ４６のシールドガス流路６２、ノズル部５５を介してドーム７０内のレーザ照射部５６へシールドガス６５を噴射させることにより、レーザ照射部５６の酸化を防止させるようにする。
【００３７】
且つ、ワイヤ送給装置６０からの溶接ワイヤ６１を、レーザトーチ６のワイヤ送給孔５７を介してドーム７０内のレーザ照射部５６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。
【００３８】
こうして水中溶接が開始されたら、溶接制御装置５３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。
【００３９】
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、溶接制御装置５３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。
【００４０】
これにより、上部カム１４と下部カム１５のカム面３１，３２に案内される押子１６，１７を介して、ファイバチャック押部材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９或いは図１０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４９側が近接離反動されるので、レーザ光５０の焦点距離が変化される。
【００４１】
尚、押子１６，１７の位置は、位置検出器３６，３７が常時検出して、溶接制御装置５３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。
【００４２】
このように、レーザ光５０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５０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。
【００４３】
更に、上部ノズルボディ１９と一体に、下部ノズルボディ４６も昇降されるようにしているので、下部ノズルボディ４６に形成されたワイヤ送給孔５７を通される溶接ワイヤ６１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５６を狙って送給させることができるようになる。
【００４４】
以上述べたように、本実施例にかかる装置によれば、シールドガス６５とは別に、ドーム形成用ガス６６を水圧より高い圧力でレーザ照射部５６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５６の回りに水１の全くないドーム７０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。
【００４５】
又、ドーム形成用ガス６６をワイヤ送給孔５７を利用して送給させることにより、溶接ワイヤ６１が常に乾いた状態に保たれるので、濡れた溶接ワイヤ６１が送給されて、溶接品質が低下されることが防止される。
【００４６】
更に、光学レンズ１０に対して光ファイバ４９の位置を移動させることによって、レーザ光５０の焦点距離を変化させているので、レーザ照射部５６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。
【００４７】
更に又、光ファイバ４９と共に、ワイヤ送給孔５７が形成された下部ノズルボディ４６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５６へ溶接ワイヤ６１を送給させることが可能となる。
【００４８】
このようにして水中溶接が済み、溶接を中断或いは終了する場合に、そのままレーザ光５０を止めてしまうと、レーザ光５０やレーザ光５０のエネルギーによってプラズマ化されたシールドガス６５などの予熱によって溶接ワイヤ６１の先端に玉７１ができる。該玉７１は、一旦溶かされているので、酸化されたり不純物が混入されている可能性があり、次の溶接時に玉７１の付いた溶接ワイヤ６１をそのまま使用すると、酸化などされている溶接ワイヤ６１が盛り込まれることとなって、溶接欠陥を引き起こすおそれがある。
【００４９】
そこで、本発明では、図１〜図６に示すような手順で、自動的に溶接ワイヤ６１の先端にできた玉７１を切断除去させるようにする。
【００５０】
即ち、図１に示すように、レーザトーチ６先端のノズル部５５からドーム形成用ガス６６のドーム７０によって局所的に覆われたレーザ照射部５６へ向けレーザ光５０を照射させつつ、レーザ照射部５６へ向け溶接ワイヤ６１を送給して、レーザ照射部５６に溶融部７３を形成し、レーザトーチ６を動かすことにより溶接線に沿って溶接ビード７２を形成している状態から溶接を中断或いは停止する場合、図２に示すように、レーザ光５０の照射が停止され（このとき、溶接ワイヤ６１の先端に玉７１が形成される）、更に、図３に示すように、レーザトーチ６の移動が停止される。
【００５１】
この時、図７に示すように、レーザ発振器４８から変調用パルス７５が発信されるので、溶接制御装置５３はこれを検知して溶接の終了又は中断と判断し、図４に示すように、ワイヤ送給装置６０へ指令を送って溶接ワイヤ６１を僅かに突出させ、溶接ワイヤ６１の玉７１の部分がノズル部５５を通り越すようにすると共に、ファイバ移動装置３０に指令を送って光ファイバ４９の位置を調整させ、レーザ光５０の焦点の位置が溶接ワイヤ６１に合うようにした後、レーザ発振器４８へ指令を送って、図５・図７に示すように、切断用パルス７６を発信させ、パルス状のレーザ光５０を１パルスないし数パルス分照射させる。
【００５２】
これによって、図６に示すように、溶接ワイヤ６１先端の玉７１の部分が切断除去され、次に水中溶接を再開するときには、玉７１のない溶接ワイヤ６１で溶接を開始することができるようになって、酸化などした溶接ワイヤ６１が盛り込まれて溶接欠陥を生じるおそれを取り除くことができるようになる。
【００５３】
この場合において、レーザ光５０の焦点の位置を溶接ワイヤ６１に合わせることにより、低い出力のレーザ光５０で溶接ワイヤ６１先端の玉７１の部分を切断除去することができ、且つ、切断除去用のレーザ光５０のエネルギーによってワークなどが荒らされることが防止できる。
【００５４】
尚、本発明の水中レーザ溶接方法は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、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。
【００５５】
【発明の効果】
上記した本発明によれば、自動的に溶接ワイヤの先端にできた玉を切断除去することができ、且つ、切断除去用のレーザ光のエネルギーによってワークなどが荒らされることが防止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】本発明の方法を説明する第一の部分拡大断面図である。
【図２】本発明の方法を説明する第二の部分拡大断面図である。
【図３】本発明の方法を説明する第三の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の方法を説明する第四の部分拡大断面図である。
【図５】本発明の方法を説明する第五の部分拡大断面図である。
【図６】本発明の方法を説明する第六の部分拡大断面図である。
【図７】溶接ワイヤの切断のタイミングを示すレーザ出力と時間との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施例を示す全体概略側面図である。
【図９】図８の部分拡大断面図である。
【図１０】図９の作動図である。
【図１１】図９のアリ溝部分の拡大断面図である。
【図１２】図９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）
６        レーザトーチ
５０    レーザ光
５６    レーザ照射部
６１    溶接ワイヤ
７１    玉
【図１】
0003621755.tif 000002
【図２】
0003621755.tif 000003
【図３】
0003621755.tif 000004
【図４】
0003621755.tif 000005
【図５】
0003621755.tif 000006
【図６】
0003621755.tif 000007
【図７】
0003621755.tif 000008
【図８】
0003621755.tif 000009
【図９】
0003621755.tif 000010
【図１０】
0003621755.tif 000011
【図１１】
0003621755.tif 000012
【図１２】
0003621755.tif 000013