(57)【要約】【課題】  粉体供給材料を用いたレーザー溶接を手作業で行うための新規であり且つ発明である手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）を提供する。【解決手段】  手持ち式レーザーは、本体（１０４）、ハンドル（１０２）、及びノズルアッセンブリを含む。ノズルは、このノズルから僅かに間隔が隔てられたカバー（１７０）によって取り囲まれている。これらの間の隙間が構成する空間を不活性ガスが流れる遠隔のレーザー光源からのレーザー光がノズルの中央穴を通って出る。ノズル穴（１４４）は、レーザービーム焦点と一致する作用焦点で整合した粉体チャンネル出口（１４８）によって取り囲まれている。
2005516775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
本体（１０４）及び
ガス及びレーザー光を含む光が通過する中央ノズル穴（１４４）を画成する、前記本体（１０４）に取り付けられたノズルアッセンブリ（１４０）を備え、
前記ノズルは、前記中央ノズル穴（１４４）と隣接した作用焦点（２７０）と整合した第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）を画成し、融着粉体は、前記中央ノズル穴（１４４）を通して伝送されたレーザー光によって融合するため、前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）を通して伝達される、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項２】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）に連結され、前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）に融着粉体を供給する粉体供給システム（２９０）を更に含む、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項３】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）は、向き合った位置に配置されており且つテーパしている、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項４】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）に夫々挿入された第１及び第２の粉体流れチューブ（１６０）を有し、これらの第１及び第２の粉体流れチューブ（１６０）は、前記粉体供給システム（２９０）と前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）との間に導管を形成する、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項５】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記ノズル（１４０）は、截頭円錐形中空前区分に取り付けられた中空円筒形後区分を有し、
前記前区分は、前記中央ノズル穴（１４４）を取り囲む平らな環状面（１４６）で終端し、
前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）は、前記ノズル面（１４６）から対称をなして延びており、
前記第１及び第２の粉体流れチャンネル（１５２）への入口（１５０）は前記後区分に配置されており且つ前記前区分と隣接している、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項６】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記ノズル（１４０）に取り付けられたノズルガスカバー（１７０）を更に有し、
前記ノズルガスカバー（１７０）は、前記ノズル穴（１４４）と全体に同軸のカバー穴（１７６）を画成し、
前記ノズルガスカバー（１７０）は、貴ガスを含むガスを導入するためのガス入口（１９０）を画成し、
前記ノズルガスカバー（１７０）は、ガスが前記カバー穴（１７６）を通って出る前に通過できるシュラウドを前記ノズル（１４０）の周囲に形成するように、前記ノズル（１４０）から全体に間隔が隔てられているが近接しており、
ガスは、レーザー光及び融着粉体が作用焦点（２７０）まで通過できる制御された環境を形成するように、前記ノズル（１４０）と前記ノズルガスカバー（１７０）との間に制御自在に導入できる、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項７】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記ノズル（１４０）に関して取り外し自在に連結でき且つ位置決めできるハンドル（１０２）を更に有する、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項８】
請求項１に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記トーチ（１００）に光を選択的に提供するようになった制御装置（２８６）、及び
前記ノズル（１４０）に連結され、前記ノズル穴（１４４）が加工物と隣接したときに前記加工物と係合するようになり、前記加工物が所定位置にあるときに前記溶接トーチ（１００）を選択的に賦勢するように前記制御装置（２８６）への信号状態を変化させる、近接センサ（２２０）を含む、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項９】
請求項８に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
前記近接センサ（２２０）が前記加工物と接触したとき、前記近接センサ（２２０）が前記加工物に連結して閉じた電気回路が形成され、この閉じた回路により前記溶接トーチ（１００）を賦勢でき、前記閉じた回路を開路することにより前記溶接トーチ（１００）を消勢する、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【請求項１０】
請求項８に記載の加工物を処理するための手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ（１００）において、
光を前記トーチ（１００）に選択的に適用するようになった制御装置、
前記加工物が前記近接センサ（２２０）を賦勢したときに入り、前記近接センサ（２２０）が消勢された時に切られるスイッチ（２２２）であって、このスイッチ（２２２）は前記溶接トーチ（１００）を前記スイッチ（２２２）の入り切り状態に従って入れたり切ったりする、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー融接に関し、更に詳細に手持ち式粉体供給レーザー融接トーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、金属製物品の表面の溶接及び／又は合金処理は、レーザービーム及び合金粉体流の同時協働作業によって行われる。これを行うため、現存のシステムは、レーザー源及び焦合装置を一体のパッケージの部品として設けられた粉体送出装置とともに備えている。レーザービームは、物品の表面の比較的小さな領域を溶融し、制御された容積の合金処理粒子を粉体流を介して溶融体プールに送出する。
【０００３】
レーザー融接では、レーザービーム及び合金粉体の同時協働作業によって金属又は他の材料でできた物品の表面に合金処理又は他の処理を施してもよい。代表的には、レーザービームは物品の外面の比較的小さな容積を溶融し、粉体システムが制御された容積の合金処理粒子をこの溶融容積に送出する。合金処理粒子はこの容積に亘って分散し、外層の組成を制御された方法で変更し、補足し又は追加する。加工物をビームの焦点に対して前進させること等によってビームを取り除くことによって、溶融容積を迅速に冷却する。冷却が非常に迅速に行われるため、容積は溶融体混合物の特徴を保持する。
【０００４】
一例として、ジェット機で使用されているようなガスタービンエンジンは、性能上の必要条件が益々高くなるように設計されている。エンジンの注目されるべき一つのエレメントは、高速で回転するブレードの外周と周囲ハウジングとの間に形成されるシールである。注目されるべき別のエレメントは、ジェットエンジンのタービンノズルシステムである。
【０００５】
本発明の所有者であるハネウェル・インターナショナル社は、ジェットフィクス（ＪｅｔＦｉｘ）と呼ばれるプロセスでタービンノズルの修復を行っている。ジェットフィクスプロセスは以下の工程を使用する。即ち、アルミニド製外コーティングを化学的に及び機械的に除去し、亀裂を溶接し、溶接部に熱衝撃を加え（微小亀裂を形成し）、亀裂のフルオライドイオンクリーニングを行い（酸化物を除去し）、ジェットフィクス鑞付け合金を適用し、真空炉で鑞付けし、鑞付けを混合し、アルミニド製コーティングを再度適用し、有効流れ領域をチェックする。
【０００６】
過去１２年間に亘り、レーザー噴流融着（ＬＰＦ）技術が使用されてきた。これには、熱の影響を受けたゾーンがタービンエアフォイルに僅かしか残らないという利点がある。ハネウェル・インターナショナル社が所有しれているような幾つかの修復施設では、５０００００個以上のエアフォイルの修復を成功させている。これらのエアフォイルは、１０００００００時間の飛行時間に亘って順次積み重ねられる。しかしながら、商業的に利用可能なＬＰＦ機械は比較的大型であり、通常は特定の部品の修復について予めプログラムされた経路に沿って移動する。かくして、ＬＰＦの一つの問題点は、修復プロセス中に使用者がレーザートーチを、溶接が行われているときに注文通りに即ちカスタム的に操作することができないということである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、使用者がレーザーの作動時に溶接即ち加工物に対する溶接プロセスを所望の通りに行うことができるＬＰＦ装置が必要とされている。本発明は、この必要を満たすものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、融着粉体の流れにレーザー光を送出することによってカスタム溶接を可能にする手持ち式粉体供給レーザー融接トーチを提供する。このようなコンパクトなレーザー溶接システムを提供できるため、便利さ及び融通性が向上し、溶接者は優れた技術、融通性、及び効率で修復を行うことができる。
【０００９】
金属表面を溶融させるのに十分な強さのレーザー源を使用する高出力レーザー加工を、粉体、ワイヤ、又はロッド形態の金属充填材を金属プールに導入しながら行うことによって、磨耗した又は損傷した金属製部品及びアッセンブリの修復は寸法的復元を行うことができる。液体又は半液体形態の金属先駆物質を表面に適用し、乾燥させ、次いでレーザー加工を行ってもよい。従来のワークステーション型レーザー粉体金属融着機器が加工表面にアクセスできない場合には、コンパクトな手持ち式トーチが好ましい。この他の場合には、不規則でランダムな亀裂が入った部品や、ロボット型又はプログラム可能なワークステーションでは修復不可能な損傷が生じた部品の修復が含まれる。この種の修復を行うためには、レーザー並びに金属充填材の両方に対し、ポータブルで融通性のある送出システムが必要とされる。本発明は、レーザービーム送出構成要素及び金属粉体送出構成要素を単一のコンパクトな手持ち式ユニットで一体化することによって、これらの必要を満たす。レーザー源は、連続波Ｎｄ：ＹＡＧレーザーである。
【００１０】
一実施例では、手持ち式レーザーは、本体及びこの本体に取り付けられたノズルアッセンブリを含み、ノズルアッセンブリは、ガス及びレーザー光を含む光が通過できる中央ノズル穴を画成する。ノズルは、中央ノズル穴と隣接した作用焦点と整合した第１及び第２の粉体流れチャンネルを画成する。融着粉体は、中央ノズル穴を通って伝送されたレーザー光によって融着するため、第１及び第２の粉体流れチャンネルを通って伝達できる。
【００１１】
別の実施例では、形成及び／又は修復を行うため、手作業で加工物のレーザー粉体融接を行うための方法が提供される。手動式の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチを提供できる。このような手作業では、トーチはかなり大きな空間的自由度を備えており、そのため、溶接者は、トーチを様々な多くの容易にとることができる位置に置くことができる。このように、溶接者は、必要に応じて手作業を行うことができ、好ましくはレーザートーチの物理的制約によって制限されない。
【００１２】
本発明のこの他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示する添付図面を参照して好ましい実施例の以下の説明を読むことによりから明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
添付図面と関連して以下に論じる詳細な説明は、本発明の現在の好ましい実施例であって、本発明の構成及び使用の唯一の形態を示すものではない。本発明を形成し作動するための工程の機能及び順序を例示の実施例と関連して説明する。しかしながら、本発明の精神及び範囲内の様々な実施例で、同じ又は等価の機能及び順序を実施できるということは理解されるべきである。
【００１４】
変形例の比較的費用がかからない貫入性プロセスは、手持ち式レーザー粉体融着（ＬＰＦ）トーチを使用し、タービンノズルの亀裂を修復できる。この修復は、コーティング及び亀裂を局所的に除去し、レーザー粉体融接を行い、混合し、アルミナイドコーティングをトーチによって局所的に形成することによって行われる。ＬＰＦ溶接の利点は、熱入力が低く、その結果、熱による悪影響を受けるゾーンが小さいということである。これにより、従来不可能であったタービンノズルで溶接を行うことができる。
【００１５】
金属表面を溶融するのに十分な強さのレーザー源を使用する高出力レーザー加工を、粉体、ワイヤ、又はロッドの形態の金属充填材を溶融体プールに導入しながら行うことによって、磨耗した又は損傷した金属製部品及びアッセンブリの修復及び寸法的復元を行うことができる。液体又は半液体の形態の金属先駆物質を表面に適用し、乾燥させ、次いでレーザー加工を行ってもよい。従来のワークステーション型レーザー粉体金属融着機器では加工表面にアクセスできない場合には、コンパクトな手持ち式トーチが好ましい。この他の場合には、不規則でランダムな亀裂が入った部品やロボット型又はプログラム可能なワークステーションでは修復不可能な損傷が生じた部品の修復が含まれる。この種の修復を行うためには、レーザー並びに金属充填材の両方についてポータブルで融通性のある送出システムが必要とされる。本発明は、レーザービーム構成要素及び金属粉体送出構成要素を単一のコンパクトな手持ち式ユニットで一体化することによってこれらの必要を満たす。現在、好ましいレーザー源は、加工表面の一点に焦合したときに様々な金属を溶融できる中出力乃至高出力（例えば６００Ｗ乃至１０００Ｗ）の連続波Ｎｄ：ＹＡＧレーザーである。ＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザーでは、増幅媒体は、ランタニド金属ネオジミウム（Ｎｄ）のイオンを含むイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）のロッドである。特定の用途について必要とされるように他のレーザー源及び／又は粉体供給源を使用してもよい。
【００１６】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを使用する理由は、
１）基本特性波長が１．０６μｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザーは、可撓性シリカ光ファイバケーブルを通って容易に伝送され、
２）ジェットエンジンで一般的に使用される合金を溶融するのに必要とされる、十分な出力強さ及び均等性を持つ直径１ｍｍ程度の大きさのスポットを形成するために簡単なレンズで焦合させる上で好ましいビーム空間特性を備えており、
３）Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波長はホスト金属によって容易に吸収され、金属を比較的低いレーザー出力設定で溶融できる、ためである。
【００１７】
光ファイバ送出システムにより、レーザー源を、手作業に必要とされるように、手持ち式レーザー溶接トーチから遠方に配置できる。
【００１８】
レーザートーチは、レーザービームを加工物上に焦合させる光学システム、及び焦合させたレーザー放射線によって発生された金属溶融体プールに粉体合金を付着させる一体の金属粉体送出ノズルを含む。トーチアッセンブリは、可撓性光ファイバケーブルを通してレーザー源に光学的に連結される。レーザー源によって放出されたレーザーエネルギは、ファイバケーブルを通して、トーチハウジング内に収容された平行化−焦合光学装置に伝送される。フォーカルスポットの大きさは、できるだけ低いレーザー出力でベース金属を所望の通りに溶融するように選択される。溶融体プールの直径、浸入深さ、熱影響部（ＨＡＺ）の寸法、及び溶接速度を、レーザーのフォーカルスポットの直径及び全レーザー出力と密接に関連させる。スポットの大きさが直径１ｍｍでレーザーの出力が６００Ｗである場合に良好な結果が得られた。ベース金属の特性及び所望の溶接速度の変化に対し、スポットの大きさ及びレーザー出力を様々に設定することを必要とする。スポットの大きさ及び作用焦点距離は、平行化レンズ及び焦合レンズの様々な組み合わせを選択することによって調節される。トーチアッセンブリは、レンズ交換を容易にするため、区分に分解できる。レーザー源の出力を変化させることによって、レーザー出力を調節する。
【００１９】
レーザートーチ内に収容された、又はレーザートーチに取り付けられた一つ又はそれ以上のノズルを通して金属粉体を溶接ゾーンに導入する。一実施例では、粉体ノズルは光ビーム経路と同軸である。この構成は更にコンパクトであり、加工物に対するアクセスが、オフセットノズル設計よりも良好である。同軸設計により、トーチの操作性が更に良好になる。レーザートーチに取り付けられていない別体の手持ち式オフ軸線粉体送出ノズルを使用してもよい。大きさ、重量、バランス、及び人間工学的特徴を組み込み、手作業による制御及び操作を容易にする。制御性を向上するため、随意に即ち選択的に取り外すことができる一体のハンドルが設けられている。取り外し自在で相互交換自在の粉体送出ノズルチップは、６．３５ｍｍ乃至７６．２ｍｍ（０．２５インチ乃至３インチ）の範囲の作用距離をとることができる。
【００２０】
金属粉体を遠隔のフィーダー／ホッパユニットからノズルアッセンブリへ可撓性チューブを通して予め選択された設定した流量で計量供給する。オペレータは、遠隔制御により、流れの開始及び停止を行うことができる。一つ又はそれ以上の一体の安全センサ装置は、加工物に関するトーチの接近性及び配向を作業中に積極的に監視でき、かくして、事故による又は意図せぬ作動が起こらないようにする。
【００２１】
変形例の設計は、光学式焦合アッセンブリに取り付けられた一つ又はそれ以上のオフセットノズルを備えていてもよい。オフセットノズルの角度及び関係は、レーザーフォーカルスポットに関する金属粉体の所望の配置を提供するように調節できる。
【００２２】
図１に示すように、手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ１００は、本体１０４がピン、ねじ、ボルト、リベット１０６、又は他のファスナによって取り付けられた随意のハンドル１０２を含む。リベット１０６等のファスナは、ハンドル１０２の上部分１０８を通る。ハンドル１０２の上部分１０８は、本体１０４の円筒形形体を受け入れるように形成されている。
【００２３】
本体１０４は、以下に更に詳細に説明するように、その後部にレンズプロテクターを有し、ノズル１４０、及びビーム送出アッセンブリ１３０並びにハンドル１２０を相互交換自在に且つ便利に取り付けることができる相互交換自在のエレメントを提供する。上穴１２０は入口として役立ち、この穴を通ってブリードガスをトーチ１００に流入でき、レーザー光による酸化又は他の化学反応が起こらないようにするため、レーザー光が通過できるほぼ不活性の環境を形成する。更に、不活性ガスは、レーザー光が通過できる光学的に予想可能な環境を提供する。更に、上穴１２０を通って流れるブリードガスは、塵埃又は他の粒状物がトーチ１００に、特にノズル１４０等に進入しないようにするのに役立つ。
【００２４】
不活性ガスは、ノズルガスカバー１７０に関して以下に更に詳細に説明する不活性ガスと同じであってもよく、一般的にはトーチ１００の用途に応じてほとんどの又は全ての不活性ガスが含まれる。このような不活性ガスには、ヘリウム、アルゴン、及び窒素が含まれる。ノズルガスカバー１７０を通って流れるガスの流量の単位はリットル毎分（ｌ／ｍ）であり、上穴１２０を通って流れるガスの容積の単位は立方フィート毎時、例えば４立方フィート毎時である。
【００２５】
ハンドル無しトーチ１００を形成するため、ハンドル１０２を本体１０４から取り外すことができる。どのような状況の下であっても、トーチのオペレータは、通常は、溶接箇所からの噴出物及び他の材料からオペレータの手を保護するため、溶接用グローブ等を使用しなければならない。溶接箇所からのこの噴出物は、上穴１２０を通してブリードガスを流すことの理由の一つである。ブリードガスにより、このような噴出物がトーチ１００に戻らないようにする。
【００２６】
本体の下穴１２２は、本体１０４をハンドル１０２に取り付けるためにハンドル１０２及び本体１０４の両方に通したピン又はねじ１０６を受け入れるのに役立つ。
【００２７】
本体１０４は、ねじ山を備えた後フランジ１２４及び前フランジ１２６を有する。これらのフランジには、取り付け用のねじ山が設けられている。後フランジにより、図２に詳細断面図で示すビーム送出アッセンブリ１３０を更にしっかりと固定できる。前フランジ１２６は、本体１０４とノズル１４０との間を良好に固定係合できるようにするのに役立つ。アダプタ本体１０４は、トーチの様々なエレメントに取り付けることができるこの他の手段を備えていてもよい。
【００２８】
アダプタ本体１０４の大きさ及び形状又は長さ及び直径は、レーザートーチ１００で所望の光学的特徴及び他の特徴に従って大きさ及び／又は寸法を定めることができる。例えば焦点距離を比較的大きくするためにノズル１４０又は他の構造を収容するために追加の長さが必要とされる場合、アダプタ本体１０４を長くするのがよい。更に、アダプタ本体１０４の直径もまた、トーチ１００の作動特性に従って調節できる。
【００２９】
更に、変形例では、トーチ１００は、全ての構成要素が単一の一体化ユニットをなすように組み合わせた態様で形成できる。しかしながら、この不使用時の形体は、様々な作業及び仕事に必要な適合性の役に立たない。従って、保守を容易にし、相互交換自在にし、調節自在にするために様々な作動エレメントを互いから取り外すことができるように、レーザートーチ１００を構成要素−エレメント構造にするのが更に有利であるとわかっている。一般的には、光学的特性、ガスの流れ特性、及び粉体の流れ特性に関し、これらの様々な面又は作業に対し、直ちに選択可能な調節を提供することはできない。
【００３０】
従って、一般的には、様々な作動特性を提供するのに必要な構造を提供するため、別々の部品を独自に機械加工しなければならない。これには、例えば、アダプタ本体１０４の直径や、粉体がノズル１４０に流入し、これを通過する角度が含まれる。
【００３１】
ノズル１４０は、その内部が全体に中空であり、その後部１４２に大きな開口部を有し、小さな前開口部１４４を有する。ノズル１４０の後部は全体に円筒形であるが、前部は全体に截頭円錐形であり、平らな前面１４６を備えている。
【００３２】
ノズル１４０の面１４６には四つの粉体流れ穴１４８が設けられている。これらの粉体流れ穴１４８は、円筒形の後部を後粉体流れ穴１５０のところで出るまで、ノズル１４０の本体を通って後方に延びている。図３に示すように、後粉体流れ穴１５０と前粉体流れ穴１４８との間の距離に亘って延びる粉体流れチャンネル１５２は最初は円筒形であり、次いでテーパし、ガスチャンネルが前粉体流れ穴１４８及び面１４６を通って出るまで、チャンネル１５２の広幅の後部の直径から狭幅の前直径まで直径が小さくなっている。
【００３３】
各粉体流れチャンネルの後部には、後粉体流れ穴１５０を通して粉体流れチューブ１６０が挿入される。このチューブは銅製であってもよい。粉体流れチューブ１６０は、粉体を前穴１４８から強制的に出すことによって融着粉体を溶接トーチ１００に供給する粉体流れライン（図示せず）を連結する手段を提供するため、後粉体流れ穴１５０を通して粉体流れチャンネル１５２に導入される。粉体流れチューブ１６０は、粉体供給焦点まで先窄まりになっており、これにより、先窄まりの粉体流れストリームを好ましくはノズルガスカバー１７０の外側で混合できる。
【００３４】
更に、ノズル１４０には、ピン、リベット、ねじ、又はボタンでノズルガスカバー１７０をノズル１４０に固定する二つの連結穴１６６のうちの一方が示してある。
【００３５】
ノズルガスカバー１７０は全体に截頭円錐形形状であり、截頭円錐形前区分１７４に続く円筒形後辺縁部１７２を有する。前区分は截頭されており、内部の平らな環状区分１７８によって取り囲まれた中央前穴１７６を有する。ノズルガスカバー１７０の内部は、ノズル１４０の截頭円錐形前区分１８４を受け入れるため、全体に中空である。
【００３６】
円筒形後辺縁部１７２に沿って貫入窪み１８０が設けられている。これらの窪みは、粉体流れチャンネル１５２から突出した粉体流れチューブ１６０の後端を受け入れるのに役立つ。
【００３７】
全体として、ノズルガスカバー１７０の辺縁部１７２と、ノズル１４０のテーパした截頭円錐形前部分１８４の直前の、円筒形区分とテーパ区分との間で移行する領域の後粉体チャンネル穴１５０と隣接した領域との間がぴったりと嵌着する。これは、ノズル１４０とノズルガスカバー１７０との間に後シールを提供するのを補助する。
【００３８】
ノズル１４０及びノズルガスカバー１７０は、ノズル１４０の前区分１８４の外側とノズルガスカバー１７０の截頭円錐形前区分１７４の内側との間にガスを流すことができるように、僅かにオフセットしており且つ間隔が隔てられている。図３に示すように、以下に更に詳細に説明するようにガスを導入できるプレナム領域１８６を形成するため、ノズルガスカバー１７０の前穴１７６もまたノズル面１４６から間隔が隔てられている。
【００３９】
ノズルガスカバー１７０には、雄−雌直角パイプアダプタ１９２が嵌着するガス穴１９０が設けられている。返しを備えたパイプ導管１９４を雄−雌アダプタ１９２の雌区分に嵌め込み、アダプタ１９２の雄端１９６をガス穴１９０に嵌め込む。
【００４０】
ピン、ねじ、ボルト、又はリベット１９８等の左ファスナ又は右ファスナを円筒形後辺縁部１７２の両側に設けられた穴２００に嵌め込み、ノズル１４０の取り付け穴１６６に通し、ノズルガスカバー１７０をノズル１４０に取り付ける。
【００４１】
トーチ１００を溶接ボックスやグローブボックス等の不活性環境で使用する場合には、ガスカバー１７０及び不活性ガス同伴構造を省略してもよい。更に、比較的清浄な真空を利用できる環境（軌道における環境等）では、ガスカバー１７０を省略できる。このような環境では、センサプローブ２２０が設けられる場合、このプローブはノズル１４０又は他のトーチ構造に取り付けられるべきである。
【００４２】
更に、電力コネクタ２１０がノズルガスカバー１７０に一方のピン１９８によって取り付けられる。図１に示すように、電力コネクタ２１０をガスノズルカバー１７０に取り付けるピン又はねじ１９８は、左ピン又はねじ１９８である。電力コネクタ２１０には電力コネクタクランプ２１２が取り付けられており、このクランプはねじ又はボルト２１４によって所定位置に保持される。ねじ２１４は、更に、ノズル１４０及びノズルガスカバー１７０の夫々の前穴１４４、１７６の前方に溶接対象即ち加工物が存在することを検出する近接スイッチプローブ２２０を所定位置に保持する。
【００４３】
近接プローブ２２０は、延長近接スイッチ２２２が近接ホルダスリーブ２２４から前方及び外方に押圧されるようにばね負荷されている。プローブ２２０は、電力コネクタクランプ２１２及びコネクタねじ又はボルト２１４によって電力コネクタ２１０に関して保持されている。加工物又は対象物は、ばねに打ち勝って近接スイッチを押圧し、これを近接ホルダスリーブ２２４内に移動し、及びかくしてレーザー溶接トーチ１００に対する電力接続を賦勢し、即ち賦勢を可能にする。溶接トーチ１００の全体を図４に組み立てた状態で示す。
【００４４】
図２は、光ビーム送出アッセンブリ１３０を取り付けたレーザートーチ１００を示す。光ビーム送出アッセンブリ１３０は、来入レーザー光２５０を受け取ってこれをノズルガスカバー１７０の前穴１７６の直ぐ前方に焦合するのに役立つ。光ビーム送出アッセンブリ１３０は、全体が光学的に不活性な材料で形成されており、そのため、レーザー光等による悪影響を受けない。光ビーム送出アッセンブリ１３０は、レーザー光２５０を受け取り、この光を最初に第１コリメーターに通す。光ビーム送出アッセンブリ１３０は、第１焦合レンズ即ちコリメーター２５２を有する。これは、６０ｍｍコリメーターであってもよい。第１コリメーター２５２は、全体として、来入レーザー光を受け取り、光が内部即ち光学的コリメーター１３０の全体に円筒形の内面と平行に移動するように光を屈折させる。平行に移動する光は、次いで、焦合レンズ２５４に当たる。これは、９０ｍｍコリメーターであってもよい。焦合レンズ２５４は、次いで、平行に移動する光をノズルガスカバー１７０の前穴１７６の直ぐ前方の点に焦合する。
【００４５】
第１コリメーター２５２及び焦合レンズ２５４は、第１コリメーター２５２に集光品質及び焦合品質を効果的に提供するように、光学的コリメーター１３０の内部で間隔が隔てられている。第１コリメーター２５２は、一般的には、来入レーザー光２５０から第１コリメーターレンズ２５２の焦点距離とほぼ等しい距離のところに置かれる。次いで、焦合レンズ２５４が、光ビーム送出アッセンブリ１３０の、来入レーザー光２５０とは反対側の端部の近くに置かれる。焦合レンズ２５４は、レンズプロテクター２５６によって保護されているため、光学的コリメーター１３０の光出端２５８から間隔が隔てられている。
【００４６】
平行化性能及び焦合性能が最適のビーム送出アッセンブリ１３０は、レーザー光の焦点を粉体流の焦点のところに、焦点の向こう側に又は焦点の手前側に焦合させるのに役立ち、これらの二つの焦点をノズル１４０の端部に関して選択的に配置できるということに着目しなければならない。特定の環境では、レーザー光及び粉体流に対して異なる焦点を提供するのが更に有利である。一般的には、これらの焦点は、レーザートーチ１００の主軸と同一線上にある。しかしながら、本発明は、焦点が同一線上にない変形例を提供できる。
【００４７】
最も好ましい実施例では、効率を比較的高くするため、及びできるだけ多くの来入レーザー光２５０が作用焦点２７０に焦合するように、光学的コリメーター１３０又は溶接トーチ１００に亘り、来入レーザー光２５０の分散又は吸収が起こらない。最大のエネルギを発生してレーザー光に加え、次いでこれを溶接箇所に送出するため、レーザー光の分散が最小であるのが最も望ましい。
【００４８】
好ましくは、粉体流れチューブ１６０及び粉体流れチャンネル１５２を通って移動する来入融着粉体だけが、ノズルを出るとき、焦合させたレーザー光１５０とぶつかるか或いはレーザー光を遮る。粉体流れチューブ１６０及び粉体流れチャンネル１５２は、レーザー光２５０と同じ公称作用焦点２７０を共有する。レーザー光及び粉体流れの焦点の正確な位置は、レーザー及び粉体の相互作用特性を最適にするため、独立して調節できる。次いで、レーザー光のエネルギを融着粉体に焦合し、作用面は、常に、開放した前端１７６及びノズルガスカバー１７０の前方に設定されている。
【００４９】
レーザー及び粉体をこのように独立して調節するため、トーチ１００の本体１０４は相互交換自在であり、様々な直径及び長さを、上述のように、溶接性について適当であるように又は有用であるように、選択的に提供できる。
【００５０】
更に、レーザー光の透過性を向上させるため、レーザー光が透過するレンズに反射防止コーティングを設けてもよい。更に、溶接者がレーザー光の焦点を手動で自発的に調節できるように、ねじ式調節装置を焦合レンズ２５４に設けてもよい。このようなねじ式調節装置は、キャリッジを移動して焦合レンズ２５４を並進させる調節ねじの形態をとってもよい。
【００５１】
作動では、レーザー光が光ファイバ等によって光ビーム送出アッセンブリ１３０の受光端２６２に供給される。レーザー光は、次いで、融着粉体と同時に作用焦点２７０に焦合される。レーザー光のエネルギは、好ましくは、溶接を受ける加工物対象物の少なくとも幾つかの表面部分のところで融着粉体を溶融するのに十分であり、レーザーによって液化した融着粉体と随伴する。この場合、金属又はレーザー溶接を受ける他の表面で、溶接又は他の形成作業を行うことができる。
【００５２】
レーザー溶接トーチ１００を融着粉体なしで使用できるが、融着粉体をレーザー光２５０と関連して使用することによって、修復、シーム、及び他の形成的溶接作用を金属製の物体又はレーザーを加えることができる他の材料に行う手段を提供する。
【００５３】
作動では、返しを備えたパイプ導管１９４は、ぴったりと及び摩擦嵌着により、アルゴン等の不活性ガスの供給源に連結された出口を受け入れる。この場合、アルゴンガスは、不活性ガスをノズル１４０とノズルガスカバー１７０との間の領域及びプレナム１８６に流入させるための截頭円錐形通路を提供するために前ノズル部分１８４がノズルガスカバー１７０の内部から僅かにオフセットしているため、プレナム１８６を溢流させるのに使用される。
【００５４】
不活性ガスは、溶接箇所で溢流中の分子とノズル流れガスとの意図せぬ組み合わせが起こらないようにするために使用される。このような不活性ガスは当該技術分野で周知であり、ＴＩＧ（タングステン−不活性ガス）溶接（ＧＴＡＷ又はタングステンアーク溶接として周知である）で使用されるのと同じであってもよい。不活性ガスは、一般的には、他の材料又は分子と化合しない品質を備えている。ヘリウムは、広く使用されている不活性ガスの一つであり、アルゴンと同様の貴ガスである。しかしながら、環境によっては、窒素を不活性ガスとして使用できる。
【００５５】
更に、溶接箇所をドーピングしようとする場合、又は基材又は供給粉体を越えて物質で意図的に汚染しようとする場合には、ガス輸送システムは、何らかのドーピング化合物又は分子を溶接箇所に送出するのに役立つ。この実施例では、幾つかの実験を行う必要があるが、このような環境では、酸素を不活性ガス中に導入すること等によって制御酸化を行うのが望ましい。溶接箇所の化学的構造をこのように意図的に変化させるため、不活性ガス流にこの他のガスを導入することもできる。
【００５６】
非反応性不活性ガスを適用することによって、来入レーザー光２５０が加えられる粉体及び作用表面は、酸化又は他の何らかの物質との化合が起こらないが、周囲材料と化合する。作用焦点２７０の近くの直接隣接した環境中の自由酸素又はその他のガスは、不活性ガスによって排除される。これにより、加工物対象物及び／又は融着粉体の溶接に関してかなりの量の制御を行うことができる。更に、溶接されるものと考えられる材料だけが、強力な来入レーザー光２５０によって液状にされ又は軟化されるため、燃焼、酸化、及びこれらが起こる可能性が減少する。
【００５７】
本明細書中に説明したように手持ち式粉体供給レーザー融接トーチを提供することによって、航空宇宙の分野の機械技術者又は他の作業員にとって、レーザー溶接作業が遙かに容易になる。更に、粉体供給チューブ１６０と関連して融着粉体を利用できるばかりでなく、強力なレーザー光を光ファイバケーブルを介して利用できるため、溶接トーチは、溶接作業を行うことができる更に有用な手段を提供する。
【００５８】
図５に示すのと同様に、近接プローブ２２０は、加工物２８２に接近するに従って自動的にスイッチング作業を行うため、レーザー源２８０と関連して作動できる。一実施例では、配線が電力コネクタ２１０に接続されており、近接スイッチ２２２は、近接ホルダ２２４に十分に押し込まれたとき、レーザー源２８０を賦勢できる。
【００５９】
一般的には、近接スイッチ２２２は賦勢しか行うことができず、賦勢機構の最後のエレメントである限り、トーチ１００を実際に作動するのには役立たない。近接スイッチ２２２を作動させる必要があるが、これは、トーチ１００を作動させるための十分条件ではない。近接スイッチ２２２を作動させる必要があるが、トーチ１００を作動させるために順次作動させなければならない。しかしながら、近接スイッチ２２２は、これだけではトーチ１００を作動させることができないため、十分条件ではない。トーチ１００に対する追加の制御性を溶接者に提供するため、トーチ１００と関連してトリガー等（図示せず）を使用してもよい。
【００６０】
変形例では、図５に示すように、加工物が導電性である場合には、連動制御回路２８６を介して電気戻し経路２８４が形成される。連動制御回路は、電気供給経路２８８を介する電力供給を制御する。安全プローブ２２０、電気戻し経路２８４、連動制御回路２８６、及び電気供給経路２８８を介して電気回路を閉じたとき、連動制御回路２８６は、レーザートーチ即ちレーザートーチ１００が加工物２８２に十分近接しており、レーザー源２８０を賦勢することによってレーザートーチ１００を賦勢しなければならないということを検出する。連動制御回路２８６は、回路が閉じたことを検出したとき、レーザー源２８０を賦勢を可能化でき、その結果、溶接作業を行うのに十分なレーザー光をレーザー放射経路２８８を介してレーザートーチ１００に伝送できる。更に、連動制御回路２８６は、粉体供給アッセンブリ等の形態の粉体源２９０を制御できる。
【００６１】
粉体供給アッセンブリ２９０は、当該技術分野で周知の粉体供給アッセンブリと同様であってもよい。溶融体用の粉体は、粉体流れチャンネル１５２を通して送るためノズル１４０に圧送等によって送られる。合金粉体用の供給源即ちリザーバは、レーザートーチ１００から所定距離のところに保持されていてもよく、加圧ライン等によってノズル１４０に送出される。
【００６２】
更に、溶接基材からのトーチ１００の近接度及び焦点を計測するため、他の種類のセンサを使用してもよい。このようなセンサには、溶接基材からのトーチ１００の距離を計測するために誘導、静電容量、又は光学的特性を使用する非接触型センサが含まれる。トーチ１００は、本明細書中に説明した溶接作業を行うのに十分なエネルギを送出する、波長が１．０６μｍのレーザー光を使用するものと考えられる。金属粉体の使用で容量式非接触型センサを用いることには或る種の困難がある。更に、トーチが発生する熱エネルギ及び赤外線エネルギは、光学式非接触型センサに対して光学的困難をもたらす。しかしながら、非接触型センサを提供するために特定の他の量を使用してもよく、及び／又は特定の非接触型センサの特性によりこれらの困難を解決してもよい。更に、将来開発される他のセンサをトーチ１００も適用できる。これらのセンサは有利な近接センシングを行うことができ、そのため、トーチ１００に容易に又は有利に組み込むことができる。
【００６３】
図５には示してないけれども、連動制御回路は、融着粉体の供給並びにレーザートーチ１００への不活性ガスの流れを制御できる。
【００６４】
近接プローブ即ちセンサ２２０は、ターゲットを識別し局所に拘束することによって作動上の安全性を向上する。近接プローブ即ちセンサ２２０は、ノズルガスカバー穴１７６から加工物２８２までの正しい作用距離を決定し又は維持することによってプロセス制御を行う。近接センサ２２０は、作用距離の物理的限度、又は閉ループ制御システムの場合に作用距離自動補償装置用の距離フィードバックのいずれかを提供できる。近接センサによって、溶接箇所とトーチ１００との間の相対的位置に関して追加のフィードバックを提供できる。近接センサ２２０は、このような相対的位置に関して溶接者に聴覚的及び／又は資格的フィードバックを提供できる。更に、近接センサは、レーザー光２５０及び粉体流れを自動的に調節できるように十分なフィードバックを提供できる。
【００６５】
手持ち式レーザー溶接トーチ１００は、ばね負荷された入れ子式プローブチップ（規格品として入手できる）２２２を備えた電気的に絶縁された接点プローブ２２０を持つ一体化した安全／近接センサ２２０を備えていてもよい。センサは、レーザートーチの出力端にノズルガスカバー１７０を介して取り付けられている。センサ２２０には、導電性を向上するために金めっきが施してあってもよい。このプローブは、加工物２８２の金属表面とともにレーザープロセスシャッター制御回路２８０の電路を形成する。レーザー出力を放射できるようにするため、安全センサ２２０は、所望の加工物２８２に物理的に及び電気的に両方で連結されなければならない。これを行うにあたり、加工物自体を接地から絶縁し且つ隣接した金属製構成要素から絶縁しなければならない。加工物２８２と接触している際の安全プローブ２２０の位置関係は、レーザー放射の方向を決定し、正しいターゲットが選択されたことを保証する。加工物２８２からレーザープロセスシャッター制御回路２８０までの電気戻し経路２８４を設けなければならない。これは、加工物からプロセス制御システムまでの導線接続を通して形成される。アリゲータークリップ又は他の等価のクランプが加工物に接続するための適当な手段を提供する。
【００６６】
ターゲットの識別は、図５に示すように、必要とされる電気的接触によって行われる。レーザー放射は、安全センサプローブ２２０と加工物２８２との間に直接的電気的接触が形成されない限り行われない。
【００６７】
トーチ−加工物作用距離のプロセス制御もまた、この装置で行われる。近接センサプローブ２２０は、ばね負荷された入れ子式チップ２２２を含む。このチップの移動範囲は、オペレータが手作業で部品の輪郭を辿るとき、作用距離を定義する。別の作用距離及び高さの許容度の範囲は、相互交換自在のプローブチップを選択することによって提供される。チップの交換が容易であるため、通常の磨耗等の必要に応じて新たなチップを設置できる。更に、レーザー焦合技術及び粉体供給技術の発展により、作用焦点２７０をチップ２２２が検出した作用距離に従って調節できる。
【００６８】
別の方法では、上文中に説明した基本的なばね負荷式プローブの代わりに、点接触した線型可変変位トランスジューサー（ＬＶＤＴ）を使用する。ＬＶＤＴプローブは、その変位と比例した電気フィードバック源を提供する。この信号は、レーザー−粉体金属付着システムを積極的に制御し、電動レンズ及び粉体ノズル位置アクチュエータを備えた閉ループフィードバックシステムによってトーチ１００と加工物２８２との間に所定距離を維持するのに使用できる。
【００６９】
別の方法では、一つ又はそれ以上の非接触型センサを溶接トーチ１００に取り付け、安全識別及び位置検出を行うことができる。この方法の利点は、高度の融通性及び精密性が非接触システムによって提供されるということである。点接触センサと比較して広範な形状及び形体の加工物構成要素にアクセスできる。
【００７０】
候補センサは、光学式、容量式、誘導式、又はビデオ技術に基づいていてもよいが、必ずしもこれらに限定されない。必要な程度の部品の識別及び変位解像度を提供するため、一つ以上の種類のセンサの組み合わせを使用してもよい。非接触型センサ技術は、手作業を行うオペレータ又は自動閉ループ制御システムのいずれでも必要な部品距離を維持するために使用できる。
【００７１】
手持ち式粉体供給レーザー融接トーチは、レーザー溶接プロセスを手作業で行い、プログラムを必要としない。湾曲部を持つノズル等の届き難い場所にレーザー出力ワンド（ｗａｎｄ）／トーチを操作するのが容易になる。この特徴により、ランダムな位置で立体的（３Ｄ）溶接を行うことができる。多くの現存のレーザー溶接システムは平面的（２Ｄ）であり、部品間の多くの変化を取り扱うことができないｘ−ｙ移動が最小の自動プログラム必要条件により限定される。
【００７２】
手持ち式粉体供給レーザー融接トーチでは、レーザービーム及び粉体をノズルの外側で焦合する。これにより、ノズル出口が詰まることがないようにする。
【００７３】
溶接領域から酸素及び他の反応性ガスを除去することによって、粉体及び基材を汚染（即ち酸化）から保護するため、シールド不活性ガスを使用する。軽量設計により、トーチは人間工学的に正しいものとなり、使用及び保守が容易になる。ＹＡＧレーザーを光ファイバケーブルとともに使用することにより、レーザービームを溶接領域に送出する際に手持ち式トーチを使用することによる融通性が得られる。
【００７４】
近接センサにより、溶接を焦点のところで開始できる。センサは、焦点が所望の溶接領域に近接している場合にだけレーザービームを開始できるようにする安全装置としても使用される。不活性キャリヤガスを使用して粉体を焦点に送出する。これは、溶接部及び粉体の酸化を回避するためである。ノズルアッセンブリの全ての細部又はエレメントは容易に交換できる。全ての構成要素は、互いに容易にねじ止めされる。
【００７５】
溶接又はレーザートーチ１００の使用に当たり、形成及び／又は修復を行うために加工物のレーザー粉体融接を手作業で行うための方法が提供される。手動式の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチが提供される。このような手動作業では、トーチは、一般的には、空間的自由度がかなり大きく、そのため溶接者は、容易に到達できる様々な及び多くの位置にトーチを置くことができる。このように、溶接者は、手で行う必要がある動作を確認でき、好ましくはレーザートーチの物理的制限によって限定されない。
【００７６】
加工物２８２には、先ず最初に溶剤洗浄等が行われ、加工物をきれいにし、溶接の準備を行う。準備ができた後、溶接トーチ１００をレーザー光源及び融着粉体源とともに使用する準備を完了する。溶接トーチ１００の構造に応じて、近接センサ２２０を加工物２８２と接触させる。溶接者が準備ができた後、トリガー（図示せず）を引いて溶接トーチ１００を賦勢し、加工物２８２に溶接を行う。次いで、レーザー光及び粉体流れをレーザートーチ１００によって作業箇所に送出し、加工物に溶接を行う。
【００７７】
本発明を好ましい実施例又は特定の実施例を参照して説明したが、本発明の範囲又は本発明の概念から逸脱することなく、様々な変更及び追加の変形を行うことができ、等価物に代えることができるということは理解されよう。
【００７８】
詳細には、ファスナが相互交換可能であるため、開示の種類のファスナ又はファスニングの機能の全て又は一部を得るために実施できる全ての種類のファスナ又はファスニングを可能にし開示するものとして、ここに一つの種類のファスナ又はファスニングを表示することを必要とする。例えば、ボルト、ねじ、ピン、リベット、又はだぼは、互いに及び溶接による締結と相互交換可能である。同様に、この他の相互交換自在のエレメント、作業、又は機能は、一つ又はそれ以上のこのような相互交換自在の即ち等価のエレメント、作業、又は機能を開示するとき、本明細書中に同様に開示されたものと考えられる。
【００７９】
更に、本発明の要旨から逸脱することなく本発明の教示に特定の状況又は材料を適合させるため、多くの変更を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために本明細書中に開示した特定の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施例を含む。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による手持ち式粉体供給レーザー融接トーチアッセンブリの分解斜視図である。
【図２】光学式コリメーターを備えており且つノズルガスカバーを備えていない図１の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチの断面図である。
【図３】図８の３−３線に沿った図１の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチの部分断面図である。
【図４】図１の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチの、組み立てた状態での斜視図である。
【図５】近接センサシステムの状態／制御ダイヤグラムである。
【図６】図１の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチの側面図である。
【図７】図６の７−７線に沿った図１の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチの側断面図である。
【図８】図１の手持ち式粉体供給レーザー融接トーチの後側の図である。
【符号の説明】
【００８１】
１００  手持ち式粉体供給レーザー融接トーチ
１０２  ハンドル
１０４  本体
１０６  ファスナ
１０８  上部分
１２０  上穴
１２２  下穴
１２４  後フランジ
１２６  前フランジ
１３０  ビーム送出アッセンブリ
１４０  ノズル
１７０  ノズルガスカバー
【図１】
2005516775.tif 000003
【図２】
2005516775.tif 000004
【図３】
2005516775.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005516775.tif 000007
【図６】
2005516775.tif 000008
【図７】
2005516775.tif 000009
【図８】
2005516775.tif 000010
【国際調査報告】
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2005516775.tif 000012
2005516775.tif 000013