(57)【要約】【課題】シールドカバーの劣化を抑制することができ、長期に亘り安定的に水中における溶接作業を実行することのできる水中溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続され、溶接ワイヤ供給系と、レーザ光を集光する光学系とを有する水中溶接ヘッドを具備し、当該水中溶接ヘッドを水中に配置して水中で構造物の被溶接部を溶接する水中溶接装置において、前記水中溶接ヘッド先端側に位置しレーザ光を射出するノズル部の周辺に、レーザ光の反射光を吸収する反射光吸収体を設けるとともに、前記反射光吸収体の周囲に、弾性部材からなり、前記水中溶接ヘッドの先端側に気中を形成するためのシールドカバーを設けた水中溶接装置。【選択図】図１
2011016153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続され、レーザ光を集光する光学系を有する水中溶接ヘッドを水中に配置して水中で構造物の被溶接部を溶接する水中溶接装置において、
前記水中溶接ヘッド先端側のレーザ光を射出するノズル部の周辺に、レーザ光の反射光を吸収する反射光吸収体を設けるとともに、前記反射光吸収体の周囲に、弾性部材からなり、前記水中溶接ヘッドの先端側に気中を形成するためのシールドカバーを設けたことを特徴とする水中溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載の水中溶接装置であって、
前記反射光吸収体が、少なくとも表面がレーザ光を吸収する吸収体からなる板状部材によって構成されていることを特徴とする水中溶接装置。
【請求項３】
請求項２記載の水中溶接装置であって、
前記板状部材がカーボン製の板体又は表面を酸化させたステンレス製の板体であることを特徴とする水中溶接装置。
【請求項４】
請求項１記載の水中溶接装置であって、
前記反射光吸収体が、レーザ光を吸収する酸化物の膜、レーザ光を吸収する塗料を塗布して形成された塗布膜、レーザ光を吸収する物質をコーティングしたコーティング膜のいずれかから構成されていることを特徴とする水中溶接装置。
【請求項５】
請求項１記載の水中溶接装置であって、
前記反射光吸収体が、金網状の構造物によって構成されていることを特徴とする水中溶接装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の水中溶接装置であって、
前記反射光吸収体を冷却するための冷媒を循環させる冷却機構を具備したことを特徴とする水中溶接装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載の水中溶接装置であって、
前記シールドカバーが、第１シールドカバーと、当該第１シールドカバーの外側に設けられた第２シールドカバーとによって、少なくとも２重に形成されていることを特徴とする水中溶接装置。
【請求項８】
請求項７記載の水中溶接装置であって、
前記第１シールドカバーより前記第２シールドカバーの長さが短いことを特徴とする水中溶接装置。
【請求項９】
請求項１〜６いずれか１項記載の水中溶接装置であって、
前記シールドカバーが、前記水中溶接ヘッド側から前記構造物側へ向かう中間部分が外周側に向かって膨出する曲率を有することを特徴とする水中溶接装置。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれか１項記載の水中溶接装置であって、
前記シールドカバーに沿って前記シールドカバーの内側からシールドガスを吹き付ける機構を有することを特徴とする水中溶接装置。
【請求項１１】
請求項１〜６いずれか１項記載の水中溶接装置であって、
前記シールドカバーが、チューブ状の形状とされていることを特徴とする水中溶接装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の水中溶接装置であって、
チューブ状の前記シールドカバーのチューブの内部にガス圧を印加するためのガス供給機構を具備したことを特徴とする水中溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば原子炉の炉水中における炉内構造物の溶接など、水中での溶接を行うための水中溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から水中で溶接を行う水中溶接装置、例えば、原子炉の炉水中で炉内構造物の補修等を行う水中溶接装置が知られている。このような水中溶接装置では、水中において気中を形成することが必要であるが、装置を小型化するため、部分的なシールドを行うことによって気中を形成するいろいろな方法が提案されている。
【０００３】
溶接部周辺を局部的に被うシールドカバー方式は、シールドの確保と装置の小型化をしやすい特徴がある。このような水中溶接装置として、例えば、加工部を局部的に被うシールドカバーを有する装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
また、このような水中溶接装置としては、例えば、気中を形成するためのシールドカバーのシールド性を向上させるため、少なくとも２重の可撓性がある固体隔壁を設けるようにした装置が提案されている。
【０００５】
さらに、上記のような水中溶接装置において、特に開先肉盛溶接を行う場合、開先傾斜部からシールドカバーが浮き、シールドカバー内部に水が浸入する。このため、シールドカバーを支える部材をノズルから独立させばねで母材に押圧する機構、及び、シールドカバーの外側に高速流体を噴き付け、シールドカバーを母材に押し付ける機構を併用することが知られている。しかしながら、かかる構成を採用した場合、加工ヘッドのノズル周辺の構造が複雑かつ大型になってしまう。
【０００６】
また、レーザ溶接に使用する場合、図７に示すように、溶接部７０に照射されたレーザ光７１の反射光７２を反射する反射シールド機構７３を設け、この反射シールド機構７３からの反射光を溶接部７０に照射して溶接エネルギーとして利用することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３００６３７０号公報
【特許文献２】特許第３００６４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したとおり、従来から水中溶接装置では、加工部を局部的に被うシールドカバーを設け、水中において気中を形成することが行われている。しかしながら、かかる構成の水中溶接装置でレーザ光を用いた溶接を行った場合、溶接部からの反射光がシールドカバーにあたり、シールドカバーに劣化が生じ、シールドカバーに穴が開くこともあり、徐々に気中形成が困難になるという問題があった。
【０００９】
このような問題は、例えば水中において開先肉盛溶接を行う場合に開先傾斜部におけるシールド性を確保するため、シールドカバーの長さを延長したような場合に特に顕著となる傾向があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、シールドカバーの劣化を抑制することができ、長期に亘り安定的に水中における溶接作業を実行することのできる水中溶接装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続され、レーザ光を集光する光学系を有する水中溶接ヘッドを水中に配置して水中で構造物の被溶接部を溶接する水中溶接装置において、前記水中溶接ヘッド先端側のレーザ光を射出するノズル部の周辺に、レーザ光の反射光を吸収する反射光吸収体を設けるとともに、前記反射光吸収体の周囲に、弾性部材からなり、前記水中溶接ヘッドの先端側に気中を形成するためのシールドカバーを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シールドカバーの劣化を抑制することができ、長期に亘り安定的に水中における溶接作業を実行することのできる水中溶接装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水中溶接装置の全体の概略構成を示す図。
【図２】第１実施形態の水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図。
【図３】第２実施形態に係る水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図。
【図４】第３実施形態に係る水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図。
【図５】第４実施形態に係る水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図。
【図６】第５実施形態に係る水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図。
【図７】従来の水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の水中溶接装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態に係る水中溶接装置の全体の概略構成を示す図であり、図２は、第１実施形態の水中溶接装置の水中溶接ヘッドの断面概略構成を示す図である。なお、図１では、後述するシールドカバー１１の一部を切り欠いて内部の状態を示してある。
【００１６】
図１に示すように、水中環境下にある被溶接材１を溶接する場合、レーザ発振器２は大気中に設置され、水中溶接ヘッド４の部分だけが水中に設置される。そして、大気中に設置されたレーザ発振器２から照射されたレーザ光３は光ファイバー５を通して水中溶接ヘッド４に伝送される。また、シールドガス１２も、大気中から水中溶接ヘッド４に供給されるようになっている。
【００１７】
水中溶接ヘッド４は、略円筒状に形成されている。そして、図２に示すように、水中溶接ヘッド４の内部にはレーザ光３を集光するための光学系６が設けられている。水中溶接ヘッド４の先端側（図１，２の下側）には、外周方向に向けてフランジ状に突出する大径部４ａが設けられ、この大径部４ａの略中央部に、光学系６によって集光されたレーザ光３を射出するとともに、シールドガス１２を吐出するためのノズル部１３が設けられている。
【００１８】
上記大径部４ａの先端側の面には、ノズル部１３の周囲を囲むように、レーザ光３の反射光９を吸収するための反射光吸収体１５が設けられている。本実施形態では、反射光吸収体１５は、環状に形成された板状部材から構成されており、大径部４ａの先端側の面に形成された溝１４内に嵌合されるようにして配置されている。反射光吸収体１５を構成する板状部材としては、例えばカーボン板を好適に使用することができる。また、例えば表面を黒くなるまで酸化させたステンレス鋼製の板材等、酸化した金属板を用いることもできる。さらに、入射した反射光９が内部で乱反射し外部に漏洩しないように構成された金網状の構造物を用いてもよい。
【００１９】
また、反射光吸収体１５としては、上記のように板状部材等の部材を配置するのではなく、大径部４ａの先端側（図２の下側）の面に、反射光９を吸収する酸化物の膜、反射光９を吸収する塗料を塗布して形成された塗布膜、反射光９を吸収する物質を溶射等によってコーティングしたコーティング膜等の反射光９を吸収する膜等を用いてもよい。このような反射光吸収体１５としては、反射光９（レーザ光３）の反射率が低くその大部分を吸収するものが好ましく、少なくとも、反射光９（レーザ光３）が垂直入射した際の反射率が２０％以下で、８０％以上を吸収するものが好ましく、反射率が１０％以下で、９０％以上を吸収するものがさらに好ましい。
【００２０】
上記反射光吸収体１５の周囲には、溶接部の周囲に気中を形成するためのシールドカバー１１が設けられている。このシールドカバー１１は、内側シールドカバー１１ａと、この内側シールドカバー１１ａの外側に設けられた外側シールドカバー１１ｂの２重構造とされている。内側シールドカバー１１ａの内部には、シールドガス１２と、図示しない溶接ワイヤ供給系から溶接ワイヤ７が供給されるようになっている。
【００２１】
上記内側シールドカバー１１ａとしては、厚さが比較的薄い弾性部材、例えば厚さが０．３〜０．５ｍｍのシリコンゴム等を用いることが好ましい。これによって、耐水性と変形する機能を確保することができる。一方、外側シールドカバー１１ｂは、内側シールドカバー１１ａより厚い弾性部材、例えば厚さが１．０〜２．０ｍｍのシリコンゴム等を用いることが好ましい。また、内側シールドカバー１１ａを長くし、外側シールドカバー１１ｂを短くすることで内側シールドカバー１１ａが変形することを阻害しない構造とすることができる。
【００２２】
上記の構成とすることにより、例えば、開先肉盛溶接に適用する場合、良好なシールド性を確保することができる。すなわち、薄く長い内側シールドカバー１１ａが開先傾斜部１６に沿って変形するため、シールド性の確保が容易になる。また、このような内側シールドカバー１１ａだけでは強度が低く大きく変形するとシールドガス１２が逃げるため、外側シールドカバー１１ｂによって内側シールドカバー１１ａの変形を抑え、これによって良好なシールド性を確保することができる。なお、シールドカバー１１の耐久性や強度が不足している場合は、シールドカバー１１を３重又はそれ以上の多重の構造としてもよい。その場合、シールドカバーの長さは外周側ほど短くし、厚さは外周側ほど厚くする、又は同等とすることが好ましい。
【００２３】
上記構成の水中溶接装置では、光ファイバー５によって水中溶接ヘッド４に伝送されたレーザ光３は、水中溶接ヘッド４の内部に設けられた光学系６により集光され、ノズル部１３から被溶接部に向けて照射される。これとともに、溶接ワイヤ７が供給され、被溶接部に溶接池８が形成され、溶接作業が実行される。
【００２４】
上記の溶接作業の際、ノズル部１３から被溶接部に向けて照射されたレーザ光３の一部は、被溶接部及びその近傍で反射して反射光９となり、大径部４ａの先端側（図２の下側）の面にあたる。本実施形態では、この反射光９があたる部分に反射光９を吸収するための反射光吸収体１５が設けられているので、反射光９は反射光吸収体１５によってその大部分が吸収され、さらに反射を繰り返して内側シールドカバー１１ａに反射光９が到達する可能性を従来に比べて大幅に低減することができる。
【００２５】
これによって、反射光９により内側シールドカバー１１ａが損傷を受け、穴が開くなどして気中形成が困難になることを抑制することができ、長期に亘り安定的に水中における溶接作業を実行することができる。
【００２６】
図３は、本発明の第２実施形態に係る水中溶接装置の構成を示すものである。この第２実施形態の水中溶接装置では、冷却水等の冷媒を循環するための冷媒流路からなる冷却機構１９が設けられており、反射光吸収体１５を冷却することができるようになっている。すなわち、反射光吸収体１５は、レーザ光である反射光９を吸収するため、その温度が上昇し、その周囲に設けられた内側シールドカバー１１ａを熱により損傷させる可能性がある。このため、第２実施形態では、冷却機構１９によって反射光吸収体１５を冷却し、内側シールドカバー１１ａの熱による損傷を防止できるようになっている。
【００２７】
図４は、本発明の第３実施形態に係る水中溶接装置の構成を示すものである。この第３実施形態の水中溶接装置では、周囲の炉水等の水を冷媒として循環するための冷媒流路からなる冷却機構１９ａが設けられており、反射光吸収体１５を冷却することができるようになっている。この冷却機構１９ａでは、冷媒流路内に周囲の炉水等が流入し、この炉水等によって反射光吸収体１５を冷却する。また、反射光吸収体１５を冷却することによって温度上昇した炉水等は上昇するため、冷媒流路内に自然対流が形成される。したがって、冷却水を外部から供給するための機構等を必要とせず、簡易に反射光吸収体１５の冷却を行うことができる。
【００２８】
なお、図３の第２実施形態及び図４の第３実施形態において、上記の部分以外は、前述した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。
【００２９】
次に、図５を参照して第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、前述した第１〜第３実施形態のシールドカバー１１とは異なった形状のシールドカバー１１１を用いている。このシールドカバー１１１は、その基端側（水中溶接ヘッド４側）から先端側へ向かう中間部分が外周側に向かって膨出する曲率を有する形状となっている。
【００３０】
シールドカバー１１１をこのような形状とすることにより、開先傾斜部１６に沿ったシールドカバー１１１の変形が容易となる。このため、シールドガス１２がシールドカバー１１１の外側に漏れ難くなり、シールドカバー１１１内に水が浸入し難くすることができる。
【００３１】
また、シールドカバー１１１の内側からシールドカバー１１１に向かってシールドガス１２を噴きつけることにより、シールドカバー１１１の外周側に向かって膨出する形状を保つことができる。このような構造の水中溶接装置を用いることにより、シールドカバー１１１が損傷を受け、穴が開くなどして気中形成が困難になることを抑制することができ、長期に亘り安定的に水中における溶接作業を実行することができるとともに、開先傾斜部１６においてもシールド性を確保することができ、健全な溶接を行うことができる。
【００３２】
なお、図５の第４実施形態において、上記の部分以外は、前述した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。
【００３３】
次に、図６を参照して第５実施形態について説明する。この第５実施形態では、前述した第１〜第３実施形態のシールドカバー１１とは異なった形状のシールドカバー２１１を用いている。このシールドカバー２１１は、その断面形状が環状のチューブ形状とされている。
【００３４】
シールドカバー２１１をこのような形状とすることにより、開先傾斜部１６に沿ったシールドカバー２１１の変形が容易となる。このため、シールドガス１２がシールドカバー２１１の外側に漏れ難くなり、シールドカバー２１１内に水が浸入し難くすることができる。また、シールドカバー２１１をチューブ形状とすることによって、シールドカバー２１１の内側の部分が損傷を受けた場合においても、外側の部分においてシールド性を維持することができる。
【００３５】
また、水圧によってはチューブ形状のシールドカバー２１１がつぶれる可能性もあるため、シールドガス１２をチューブ形状のシールドカバー２１１内に供給するためのガス流路１２ａを形成し、チューブ形状のシールドカバー２１１内に水圧以上のガス圧をかけることによって水圧によるつぶれを抑制し、シールド性を確保することができる。このような構造の水中溶接装置を用いることにより、シールドカバー２１１が損傷を受け、穴が開くなどして気中形成が困難になることを抑制することができ、長期に亘り安定的に水中における溶接作業を実行することができるとともに、開先傾斜部１６においてもシールド性を確保することができ、健全な溶接を行うことができる。
【００３６】
なお、図６の第５実施形態において、上記の部分以外は、前述した第１実施形態と同様に構成されているので、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。
【符号の説明】
【００３７】
１……被溶接材、２……レーザ発振器、３……レーザ光、４……水中溶接ヘッド、５……光ファイバー、６……光学系、７……溶接ワイヤ、８……溶接池、９……反射光、１１……シールドカバー、１２……シールドガス、１３……ノズル部、１４……溝、１５……反射光吸収体、１６……開先傾斜部、１９……冷却水。
【図１】
2011016153.tif 000003
【図２】
2011016153.tif 000004
【図３】
2011016153.tif 000005
【図４】
2011016153.tif 000006
【図５】
2011016153.tif 000007
【図６】
2011016153.tif 000008
【図７】
2011016153.tif 000009