(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端近傍側部に開口を有するトーチ本体と、該トーチ本体の内部に配置され且つトーチ本体の基端部から内部に入射するレーザ光を集光する２枚の集光レンズと、これら集光レンズごとに設けられ且つ互いに間隙をおくようにトーチ本体に内接して集光レンズを支持するレンズ枠と、トーチ本体の先端内部に配置され且つ集光レンズにより集光されるレーザ光を反射して前記の開口からトーチ本体の外部へ出射させる反射ミラーと、トーチ本体の内部において集光レンズが設けられている部分よりも基端部寄りに位置する部分に連通する冷却ガス供給管とを備え、各レンズ支持枠にレーザ光軸方向に貫通する冷却ガス流路を設けたことを特徴とするレーザ照射トーチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ照射トーチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、配管等の管材の内面に生じた腐食等に起因する凹損部を補修する手段として、レーザクラッド工法が実施されている。
【０００３】
図３はレーザクラッド工法に用いるレーザ照射トーチの一例を示すもので、１は中空構造の芯出し金具であり、芯出し金具１の内部には、その先端部側（図３のＢ側）から基端部側（図３のＡ側）の外方へ延びる光ファイバ２が挿通されており、該光ファイバ２の基端部には、レーザ光３を発振するＹＡＧレーザ発振器４が接続されるようになっている。
【０００４】
芯出し金具１の基端部（図３に示すＡ側端部）には、内面を補修すべき配管等の管材５に挿入可能なフランジ６が設けられ、芯出し金具１の先端部（図３に示すＢ側端部）には、前記の光ファイバ２によって搬送されてきたレーザ光３を外部へ出射させるためのレーザ出射口７が形成されている。
【０００５】
また、芯出し金具１のフランジ６の基端部寄りの部分には、筒状のスペーサ８が遊嵌され、該スペーサ８は、基端部（図３に示すＡ側）の近傍をベアリング９を介して保持部材１０に回転可能に内嵌・支持されている。
【０００６】
１１はモータ支持部材であり、該モータ支持部材１１は、先に述べたフランジ６及び保持部材１０と、ロッド１３によって一体的に連結されており、前記のスペーサ８の先端部（図３に示すＢ側）の近傍をベアリング１２を介して回転可能に支持している。
【０００７】
１４はスパーギヤであり、該スパーギヤ１４は、前記のスペーサ８の先端部に同軸に固着されている。
【０００８】
１５は回転用サーボモータであり、該回転用サーボモータ１５は、その出力軸１６が前記の芯出し金具１と平行になるようにモータ支持部材１１に固定されている。
【０００９】
また、回転用サーボモータ１５の出力軸１６には、前記のスパーギヤ１４と噛み合うようにピニオン１７が取り付けられている。
【００１０】
１８は回転筒であり、該回転筒１８は、前記の芯出し金具１の先端部寄りの部分に対して遊嵌され且つ基端部（図３のＡ側端部）が前記のスパーギヤ１４に締結されており、前記の回転用サーボモータ１５の回転力が、ピニオン１７、スパーギヤ１４を介して回転筒１８に伝達されるようになっている。
【００１１】
この回転筒１８の外周壁の先端部（図３のＡ側端部）寄りに位置する部分には、開口１９が穿設されている。
【００１２】
２０は中空構造の回転支持部材であり、該回転支持部材２０は、前記の回転筒１８の内部に同軸に配置され且つ芯出し金具１の先端部にベアリング２１，２２を介して回転可能に外嵌されている。
【００１３】
また、回転支持部材２０の基端部（図３のＡ側端部）は、前記回転筒１８に対して固定されており、芯出し金具１を中心として回転筒１８とともに周方向に回転し得るようになっている。
【００１４】
２３は集光筒であり、該集光筒２３は、前記の回転筒１８の内部に同軸に配置され且つ回転支持部材２０の先端部（図３のＢ側端部）に固着されており、集光筒２３の内部には、前記のレーザ出射口７から出射されるレーザ光３を集光するための集光レンズ２４ａ，２４ｂが配置されている。
【００１５】
この集光レンズ２４ａ，２４ｂは、各集光レンズ２４ａ，２４ｂに外嵌された環状のレンズ枠２５ａ，２５ｂを介して集光筒２３に取り付けられている。
【００１６】
２６は反射ミラーであり、該反射ミラー２６は、前記の集光レンズ２４ａ，２４ｂによって集光されるレーザ光３を反射して前記の回転筒１８に設けられている開口１９から外部へ向って出射するように、回転筒１８の内部の先端部（図３のＢ側端部）寄りの部分に配置されている。
【００１７】
なお、図中、２７はクロム、ニッケル、鉄、モリブデンのペースト状金属粉末であり、該ペースト状金属粉末２７は、腐食等に起因する凹損部２８を被覆するように管材５の内面に遠隔操作で塗布されている。
【００１８】
以下、図３に示すレーザ照射トーチを用いて管材５の内面に生じた凹損部２８を発見し補修する手順を説明する。
【００１９】
マニプレータ等の遠隔操作装置によって管材５の内面の凹損部２８にペースト状金属粉末２７を略均一に塗布したうえ、レーザ照射トーチを管材５にその双方の軸心が一致するように挿入する。
【００２０】
このとき、回転用サーボモータ１５を回動させると、出力軸１６の回動がピニオン１７、スパーギヤ１４を介して回転筒１８に伝達され、該回転筒１８が周方向に回動することにより開口１９の位置が管材５の周方向に変位する。
【００２１】
次いで、光ファイバ２の基端部にＹＡＧレーザ発振器４を接続し、開口１９がペースト状金属粉末２７を塗布した凹損部２８と対峙するように、回転筒１８を回動させた後、ＹＡＧレーザ発振器４を作動させる。
【００２２】
ＹＡＧレーザ発振器４を作動させると、該ＹＡＧレーザ発振器４から発振されるレーザ光３が、光ファイバ２、集光レンズ２４ａ，２４ｂ、反射ミラー２６、開口１９を経てペースト状金属粉末２７に対して照射され、このレーザ光３によりペースト状金属粉末２７が溶融する。
【００２３】
更に、ペースト状金属粉末２７を溶融させた後、ＹＡＧレーザ発振器４の作動を停止させると、溶融した金属が凹損部２８を覆うように管材５の内面に一体的に凝固し、これにより凹損部２８が補修される。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図３に示すレーザ照射トーチを用いて上述したようなレーザクラッド工法による管材５の補修作業を連続して行うと、レーザ光３により集光レンズ２４ａ，２４ｂ及び反射ミラー２６が昇温され、これら集光レンズ２４ａ，２４ｂ及び反射ミラー２６の熱膨張によってレーザ光３のビーム形状が変形する。
【００２５】
管材５に塗布したペースト状金属粉末２７に照射されるべきレーザ光３のビーム形状が変形すると、該レーザ光３の光強度分布が不均一になって、ペースト状金属粉末２７が溶融することにより管材５の内面に形成される金属被覆層に溶け込み不足や外観不良が生じることがある。
【００２６】
本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、長時間にわたってレーザ光を出射させても集光レンズや反射ミラーに熱膨張が生じないレーザ照射トーチを提供することを目的としている。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のレーザ照射トーチでは、先端近傍側部に開口を有するトーチ本体と、該トーチ本体の内部に配置され且つトーチ本体の基端部から内部に入射するレーザ光を集光する２枚の集光レンズと、これら集光レンズごとに設けられ且つ互いに間隙をおくようにトーチ本体に内接して集光レンズを支持するレンズ枠と、トーチ本体の先端内部に配置され且つ集光レンズにより集光されるレーザ光を反射して前記の開口からトーチ本体の外部へ出射させる反射ミラーと、トーチ本体の内部において集光レンズが設けられている部分よりも基端部寄りに位置する部分に連通する冷却ガス供給管とを備え、各レンズ支持枠にレーザ光軸方向に貫通する冷却ガス流路を設ける。
【００２８】
本発明のレーザ照射トーチにおいては、冷却ガス供給管からトーチ本体の集光レンズが設けられている部分よりも基端部寄りの部分に供給された冷却ガスが、集光レンズの外周部とトーチ本体の内周部との間に設けられた冷却ガス流路を流通する間に集光レンズを冷却し、さらにトーチ本体の内部を上昇してトーチ本体の開口から外部へ流出する間に反射ミラーに接近して反射ミラーを冷却する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００３０】
図１及び図２は本発明のレーザ照射トーチの実施の形態の一例を示すものであり、図中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表している。
【００３１】
図１及び図２に示すレーザ照射トーチにおいては、回転筒１８の内部の集光レンズ２４ａ，２４ｂが設けられている部分よりも基端部（図１のＡ側）寄りに位置する部分に、冷却ガス供給管路２９を連通させ、前記の集光レンズ２４ａ，２４ｂの外周部と集光筒２３の内周部との間に冷却ガス流路３０を設けている。
【００３２】
冷却ガス供給管路２９は、回転筒１８の外部から回転筒１８及び集光筒２３の周壁を貫通し且つ集光筒２３の内部の集光レンズ２４ａ，２４ｂが設けられている部分よりも集光筒２３の基端部（図１のＡ側）寄りに位置する部分へ連通する冷却ガス供給路３１と、回転筒１８の外周に開口する前記冷却ガス供給路３１の一端に連結された冷却ガス供給管本体３２とによって構成されている。
【００３３】
冷却ガス供給管本体３２は、回転筒１８の回転を阻害しないように、回転筒１８の回転に追随し得る可撓性と長さの余裕度とを備えている。
【００３４】
また、冷却ガス供給管本体３２の基端部には、冷却ガス供給源（図示せず）が接続されており、この冷却ガス供給源から送出される冷却ガス（図１の矢印ａ）が冷却ガス供給管本体３２及び冷却ガス供給路３１を経て、集光筒２３の内部に供給されるようになっている。
【００３５】
冷却ガス流路３０は、集光レンズ２４ａ，２４ｂを集光筒２３に支持しているレンズ枠２５ａ，２５ｂに、集光レンズ２４ａ，２４ｂの周方向に等間隔に位置し且つレンズ枠２５ａ，２５ｂを厚さ方向に貫通するように穿設されており、この冷却ガス流路３０によって、集光筒２３の内部における集光レンズ２４ａの下方空間から集光レンズ２４ａ，２４ｂの間の空間、及び集光レンズ２４ａ，２４ｂの間の空間から集光レンズ２４ｂの上方空間へと冷却ガスａが流通し得るようになっている。
【００３６】
次に作動について説明する。
【００３７】
ＹＡＧレーザ発振器４から発振されるレーザ光３を、光ファイバ２、集光レンズ２４ａ，２４ｂ、反射ミラー２６を介してペースト状金属粉末２７に対して照射する際には、冷却ガス供給源から冷却ガス供給管路２９の冷却ガス供給管本体３２及び冷却ガス供給路３１を介して集光筒２３の内部の集光レンズ２４ａが設けられている部分よりも基端部寄りの部分（集光レンズ２４ａの下方空間）へアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、二酸化炭素（ＣＯ2）等を冷却ガスａとして供給する。
【００３８】
集光筒２３の内部に供給される冷却ガスａは、集光レンズ２４ａの下方空間から集光レンズ２４ａ外周のレンズ枠２５ａに設けられた冷却ガス流路３０を通過して集光レンズ２４ａ，２４ｂの間の空間へ流入し、集光レンズ２４ａ，２４ｂの間の空間から集光レンズ２４ｂの外周のレンズ枠２５ｂに設けられた冷却ガス流路３０を通過して集光レンズ２４ｂの上方空間へ流出する。
【００３９】
このとき、上述したように集光筒２３の内部を流通する冷却ガスａによって、集光レンズ２４ａ，２４ｂが冷却される。
【００４０】
さらに、冷却ガスａは、回転筒１８の内部を上昇して回転筒１８の先端部寄りに穿設された開口１９から外部へ流出する際に反射ミラー２６に沿って流れ、この冷却ガスａによって、反射ミラー２６が冷却される。
【００４１】
また、開口１９から回転筒１８の外部へ流出する冷却ガスａによって、管材５の内部が不活性ガス雰囲気になる。
【００４２】
このように、図１及び図２に示すレーザ照射トーチでは、回転筒１８及び集光筒２３の内部に冷却ガスａを流通させるので、レーザクラッド工法による管材５の補修作業を行う際に、長時間にわたってレーザ光３を出射させても、該レーザ光３によって集光レンズ２４ａ，２４ｂ及び反射ミラー２６が昇温されることがなく、これら集光レンズ２４ａ，２４ｂ及び反射ミラー２６の熱膨張が起こらないので、レーザ光３のビーム形状が変形せず、レーザ光３の光強度分布の均一性が保持されて、ペースト状金属粉末２７が溶融することにより管材５の内面に形成される金属被覆層に溶け込み不足や外観不良が生じることがない。
【００４３】
また、回転筒１８の外部へ流出する冷却ガスａによって、管材５の内部が不活性ガス雰囲気になるので、管材５の内面に形成される金属被覆層に酸化物が形成されない。
【００４４】
なお、本発明のレーザ照射トーチは上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明のレーザ照射トーチを医療分野等のレーザクラッド工法以外の作業に適用すること、ＹＡＧレーザ発振器以外のレーザ発振器を用いるようにすること、トーチ本体に対する冷却ガス供給管路の取り付け位置を適宜変更すること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のレーザ照射トーチによれば、下記のような種々の優れた効果を奏し得る。
【００４６】
（１）冷却ガス供給管からトーチ本体の内部に供給される冷却ガスによって集光レンズと反射ミラーとを冷却し、レーザ光による集光レンズ及び反射ミラーの昇温を防止するので、集光レンズ及び反射ミラーの熱膨張に起因したレーザ光のビーム形状の変形が発生せず、よって、レーザ光の光強度分布の均一性が保持される。
【００４７】
（２）トーチ本体の外部に流出する冷却ガスによってレーザ光の照射対象物付近が冷却ガス雰囲気になるので、冷却ガスに不活性ガスを用い、レーザクラッド工法による管材の補修作業に適用した場合には、ペースト状金属粉末が溶融することにより管材の内面に形成される金属被覆層に酸化物が形成されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ照射トーチの実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。
【図３】従来のレーザ照射トーチの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３    レーザ光
１８    回転筒（トーチ本体）
１９    開口
２３    集光筒（トーチ本体）
２４ａ  集光レンズ
２４ｂ  集光レンズ
２６    反射ミラー
２９    冷却ガス供給管路（冷却ガス供給管）
３０    冷却ガス流路
【図１】
0003684680.tif 000002
【図２】
0003684680.tif 000003
【図３】
0003684680.tif 000004