(57)【要約】【課題】被溶接物が大型のものや溶接線が曲線等であっても、深溶け込み溶接を効率的に行う。【解決手段】被溶接物２を覆うように配置され、上板５と側板４を備える減圧室１と、下部に円筒状の回転ツール１２が設けられた溶接装置３と、前記回転ツールの周囲に設けられ、当該回転ツールを前記上板に対して押圧回転させるツール回転装置１３と、を備えた減圧溶接装置であって、前記回転ツールは下面に突部１２ｂが設けられているとともに内部に貫通孔１２ｃが形成され、前記上板は塑性流動性を有する材料から構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物を覆うように配置され、上板と側板を備える減圧室と、下部に円筒状の回転ツールが設けられた溶接装置と、前記回転ツールの周囲に設けられ、当該回転ツールを前記上板に対して押圧回転させるツール回転装置と、を備えた減圧溶接装置であって、
前記回転ツールは下面に突部が設けられているとともに内部に貫通孔が形成され、
前記上板は塑性流動性を有する材料から構成されることを特徴とする減圧溶接装置。
【請求項２】
前記溶接装置はレーザ溶接装置であることを特徴とする請求項１記載の減圧溶接装置。
【請求項３】
前記上板はアルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１又は２記載の減圧溶接装置。
【請求項４】
前記減圧室を減圧状態に維持するための排気装置を当該減圧室に接続したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の減圧溶接装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の減圧溶接装置を用いた減圧溶接方法であって、
減圧室の上板を塑性流動性を有する材料から構成し、回転ツールを前記上板に対して押圧回転させることで前記上板を塑性流動化させるとともに、前記回転ツールを含む溶接装置を被溶接物の溶接線に沿って移動させることで被溶接物の溶接を行うことを特徴とする減圧溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、摩擦撹拌接合技術（ＦＳＷ；Friction Stir Welding）を用いた減圧溶接装置及び減圧溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接において、深溶け込み溶接を行うためには、単純には単位溶接長当りの入熱を上げる必要があり、そのためにはレーザ光のエネルギー密度を上げるか、又はレーザ光の走査速度を下げることが考えられる。レーザ光のエネルギー密度を上げる方法としては、スポット径を小さくすることが考えられるが、近年、ファイバーレーザやディスクレーザ等、発振器の改善により、従来の固体レーザでは得られなかった高出力のレーザ光が高効率で発振できるようになってきており、数ｋＷの大出力の発振器を用いることが容易になってきている。
【０００３】
しかし、高出力のレーザ光を母材に大気圧下で照射したり、又は低速でレーザ光を走査させると、大量のプルーム（金属蒸気）が発生し、入射レーザ光がプルームにより吸収・散乱され、エネルギー入射効率が減少することが知られている。
【０００４】
このプルームによる入射レーザの吸収・散乱は、プルームの粒子密度に比例するため、溶接雰囲気を減圧することによってプルームの粒子密度を下げ、エネルギー入射効率の減少を抑制する手段が用いられている。
【０００５】
減圧雰囲気下で行う従来のレーザ溶接装置は、図６に示すように、被溶接物２を収容した減圧室１と、レーザ溶接装置３から構成され、レーザ光Ｒは照射窓２１を介して減圧室１内へ導入され、被溶接物２を移動装置２２によって移動させることによってレーザ溶接を行っている。
【０００６】
また、被溶接物が大型の場合、被溶接物の上面に減圧室を設置し、レーザ溶接装置を溶接線に沿って移動させることで溶接を行うレーザ溶接装置も提案されている（図示せず）。
【０００７】
また、被溶接物を溶融させずに接合する接合手段として、摩擦撹拌接合技術（ＦＳＷ；Friction Stir Welding）を用いた接合手段が知られている。このＦＳＷ接合手段は、図５に示すように、先端部にショルダ部１２ａと突部１２ｂを有する回転ツール１２を被溶接物２に押し付けながら、回転移動させることで被溶接物２を溶接線２０に沿って接合する。被溶接物２は回転ツール１２のショルダ部１２ａとの摩擦により加熱し、突部１２ｂとショルダ部１２ａによって被溶接物２の組織を撹拌し、塑性流動を生じさせることによって被溶接物２を接合するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２４０３６５号公報
【特許文献２】特開２０１４−０５０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のレーザ溶接装置において、減圧室に収容する被溶接物が大型の場合、減圧室も大型化する必要があり、排気設備等を含めレーザ溶接装置全体が大型化し、スペース効率、費用効率が悪化するという課題がある。
【００１０】
また、減圧室を被溶接物の上面に設置してレーザ溶接を行う従来のレーザ溶接装置では、被溶接物上に局部的な減圧空間を形成することで被溶接物が大型の場合も対応可能であるが、溶接線が曲線等の場合にレーザ溶接装置の移動調整が困難になるという課題がある。
【００１１】
本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたもので、大型の溶接対象物にも適用可能で、曲線等の溶接線にも追随して溶接することができる減圧溶接装置及び減圧溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本実施形態に係る減圧溶接装置は、被溶接物を覆うように配置され、上板と側板を備える減圧室と、下部に円筒状の回転ツールが設けられた溶接装置と、前記回転ツールの周囲に設けられ、当該回転ツールを前記上板に対して押圧回転させるツール回転装置と、を備えた減圧溶接装置であって、前記回転ツールは下面に突部が設けられているとともに内部に貫通孔が形成され、前記上板は塑性流動性を有する材料から構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本実施形態に係る減圧溶接方法は、本実施形態に係る減圧溶接装置を用いた減圧溶接方法であって、減圧室の上板を塑性流動性を有する材料から構成し、回転ツールを前記上板に対して押圧回転させることで前記上板を塑性流動化させるとともに、前記回転ツールを含む溶接装置を被溶接物の溶接線に沿って移動させることで被溶接物の溶接を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、減圧室の上板として塑性流動性を有する材料を用いたことで、被溶接物が大型のものや溶接線が曲線等であっても、深溶け込み溶接を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る減圧溶接装置の全体構成図。
【図２】第１の実施形態に係る回転ツールの動作図。
【図３】第１の実施形態に係る回転ツールの構成図。
【図４】第２の実施形態に係る減圧溶接装置の全体構成図。
【図５】摩擦撹拌接合技術の概念図。
【図６】従来のレーザ溶接装置の全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る減圧溶接装置及び溶接方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明では溶接装置がレーザ溶接装置の例について説明するが、アーク溶接等他の溶接装置にも適用できることはもちろんである。
【００１７】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る減圧溶接装置及び減圧溶接方法を、図１〜図３を用いて説明する。
（全体構成）
第１の実施形態に係る減圧溶接装置は、図１に示すように、被溶接物２の上面に設置される減圧室１と、減圧室１の上部に設置され溶接線２０に沿って移動するレーザ溶接装置３と、から構成される。
【００１８】
本実施形態では被溶接物２として２つの板状の母材を溶接線２０に沿ってレーザ溶接接合する例について説明するが、具体例としては、厚みが２５ｍｍ以上のシュラウド、コアシュラウド、コアバレル、配管、給水加熱器、湿分分離再加熱器等の原子炉内構造物の溶接に本実施形態の減圧溶接装置に用いることが好適である。
【００１９】
（減圧室）
減圧室１は、矩形状の側板４と、側板４の上面を覆うように設けられた上板５と、側板４に設けられた開口７とから構成され、開口７は配管等を介して真空ポンプ等からなる排気設備に接続されている（図示せず）。
【００２０】
側板４と上板５は、図１に示すように、位置ずれが生じないように凹凸部により嵌合結合され、その接続部にはフッ素ゴム系等の耐熱性のＯリング等からなるシール部材６ａが設けられている。また、側板４の下部にも減圧室１の気密を保持するために耐熱性のＯリング等からなるシール部材６ｂが設けられている。
【００２１】
上板５は厚みが３〜５ｍｍ程度で、工業用純アルミ（１０００番系）、アルミニウム−マグネシウム合金（５０００番系）、アルミニウム−マグネシウム−ケイ素合金（６０００番系）等の、摩擦攪拌性能が良好な材料、すなわち塑性流動化が生じやすい材料が用いられる。
【００２２】
減圧室１の材料として、オーステナイト系ステンレス鋼等が用いられ、減圧室１を減圧状態とするために、ダイヤフラム型ドライ真空ポンプ、スクロール型ドライ真空ポンプ、油回転真空ポンプ等が用いられる。
【００２３】
（レーザ溶接装置）
レーザ溶接装置３は、筐体１１内に収容されるレーザヘッド１０と、筐体１１の下面に摺動パッキン１５を介して回転可能に設けられる回転ツール１２と、回転ツール１２の周囲に設けられ、回転ツール１２を下方向に押圧しながら回転させるツール回転装置１３と、から構成される。ツール回転装置１３はモータ１３ａ、加圧機構１３ｂ、歯車機構１３ｃ等から構成される。
【００２４】
レーザ光源としては、出力が１０ｋＷから３０ｋＷのＹＡＧレーザ、ディスクレーザ又はファイバーレーザが用いられる。
また、筐体１１には、筐体１１内にアルゴン等のシールドガスを供給するための開口１４が設けられている。
また、回転ツール１２を含むレーザ溶接装置３には、レーザ溶接装置３を被溶接物２の溶接線２０に沿って移動させるための駆動装置が設けられている（図示せず）。
【００２５】
（回転ツール）
回転ツール１２は、撹拌摩擦接合技術（ＦＳＷ）で使用されている回転ツールが用いられる。ただし、撹拌摩擦接合技術では、回転ツールは例えば２つの板材を接合するために用いられるが、本発明の実施形態では接合のためではなく貫通孔を形成するために用いられる。その詳細は後述する。
【００２６】
回転ツール１２は、図３に示すように、円筒状の筒体からなり、その下端面１２ａ（「ショルダ部」ともいう）には突部１２ｂが形成されている。回転ツール１２及び突部１２ｂの内部にはレーザ光Ｒを透過させるための、例えば逆円錐状の貫通孔１２ｃが形成されている。
【００２７】
本実施形態では、回転ツール１２の外径は１２〜１５ｍｍ、突部１２ｂの外径は４〜８ｍｍで突出高さは５〜７ｍｍに設定されている。なお、摩擦力を大きくするために突部１２ｂの外周にねじ状の溝を形成してもよい。
【００２８】
（作用）
上記のように構成されたレーザ溶接装置により被溶接物２を溶接線２０に沿って溶接接合する例について説明する。
【００２９】
〈回転ツールの動作〉
まず、回転ツール１２を溶接線２０の始点の直上になるように位置決めし、上板５の上面に対し、ツール回転装置１３により回転ツール１２を下方向に押圧回転させ、回転ツールの突部１２ｂを上板５の下面から突出させ、貫通孔８を形成する。
【００３０】
次に、図２に示すように、回転ツール１２のショルダ部１２ａが上板５の上面に密着した状態で、溶接線２０の終点に向けて回転ツール１２を下方向に押圧回転させて移動させる。
【００３１】
上述したように、上板５は塑性流動化しやすい材料から構成されるため、ショルダ部１２ａと突部１２ｂの回転摩擦熱により上板５は容易に塑性流動化し、回転ツール１２を含むレーザ溶接装置３は溶接線２０に沿ってスムースに移動することができる。その際、突部１２ｂも上板５の下面から僅かに突出した状態で移動するが、突部１２ｂにより形成された孔は、周囲の上板５が塑性流動化状態にあるため順次塞がれていく。これにより減圧室１の減圧状態を維持することができる。
【００３２】
このような回転ツール１２の動作を行わせるために、回転ツールの移動速度、回転速度、加圧力が適宜調整される。例えば、回転ツールの移動速度は５００〜１，５００ｍｍ／分、回転速度は１，５００〜２，０００ｒｐｍ、加圧力は１０〜１４ｋＮに設定され、上板５の厚みや材質、ショルダ部１２ａや突部１２ｂの外径等によって最適な値が選択される。
【００３３】
〈レーザ溶接〉
図１及び図２に示すように、回転ツール１２を上板５に押圧回転させながら、回転ツール１２が装着されたレーザ溶接装置３を溶接線２０に沿って移動させることで被溶接物２の接合溶接を行う。レーザ溶接装置３の開口１４から導入されたシールドガスは、回転ツール１２の貫通孔１２ｃをとおって溶接部に供給され、開口７から外部へ排気される。これにより減圧室１の減圧状態が維持される。
上述したように、回転ツール１２はＦＳＷ技術により移動自由度が高いため、溶接線が直線又は曲線であっても容易に追随することができる。
【００３４】
このように、回転ツール１２は上板５の当接箇所を塑性流動化状態にして移動することが可能となり、溶接の際に減圧室１又は被溶接物２を移動するための駆動機構を省略することができるため、減圧室１の構成を簡素化することができる。
【００３５】
なお、溶接線２０が長い場合には溶接線を分割し、減圧室１をマニピュレータ等によって持ち上げ適宜移動させるようにしてもよい（図示せず）。これにより減圧室１のサイズを小型化することができる。
さらに、被溶接物２の突き合わせ部の裏面から大気が進入するのを防止するため、裏面部にシール部材６ｃを備えた裏当金１８を配置してもよい。
【００３６】
（効果）
本実施形態によれば、減圧室１の上板５として摩擦攪拌性能が良好な材料、すなわち塑性流動化が生じやすい材料を用い、回転ツール１２が上板５の当接箇所を塑性流動化状態にして移動することで、レーザ溶接装置３は、溶接線２０が直線又は曲線であっても容易に追随することができるため、被溶接物２の深溶け込み溶接を効率的に行うことができる。
【００３７】
また、減圧室１内に被溶接物２を収容するのではなく、減圧室１を被溶接物２の表面に配置するため、減圧室１をコンパクト化することができるとともに、被溶接物２が大型の場合でも適用可能である。
また、溶接の際に減圧室１又は被溶接物２を移動するための駆動機構を省略することができるため、減圧室１の構成を簡素化することができる。
【００３８】
（変形例）
上記実施形態では、溶接の開始時に回転ツール１２により上板５に貫通孔８を形成しているが、予めドリル等の公知の穿孔手段により上板５に貫通孔８を形成するようにしてもよい。
【００３９】
また、回転ツール１２により上板５に貫通孔８を形成する場合、突部１２ｂ内の貫通孔１２ｃ内に上板５の塑性流動物が侵入する恐れがあるが、これを防止するため突部１２ｂの貫通孔１２ｃに取り除き可能の栓を設けてもよい（図示せず）。
【００４０】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る減圧溶接方法及び溶接装置を、図４を用いて説明する。
上記第１の実施形態ではレーザヘッド１０を筐体１１内に収容しているが、本第２の実施形態では、図４に示すように、筐体１１を省略して保護ガラス１７を通して、レーザ光Ｒを減圧室１へ導入している。
他の構成は上記第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４１】
本第２の実施形態によれば、筐体１１を省略することで、減圧溶接装置全体の重量を小さくすることができるため、装置のコンパクト化、駆動手段の負荷の軽減化を図ることができる。
【００４２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１…減圧室、２…被溶接物、３…レーザ溶接装置、４…側板、５…上板、６ａ〜６ｃ…シール部材、７…開口、８…貫通孔、１０…レーザヘッド、１１…筐体、１２…回転ツール、１２ａ…ショルダ部、１２ｂ…突部、１２ｃ…貫通孔、１３…ツール回転装置、１４…開口、１５…摺動パッキン、１７…保護ガラス、１８…裏当金、２０…溶接線、２１…照射窓、２２…移動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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