(57)【要約】【課題】一応組立てた支持格子の各部を溶接する時間を短縮する。【解決手段】複数の溶接箇所が一定の規則で配列された被溶接物を、その被溶接物の溶接箇所の配列に整合して動くレーザ溶接用出射ヘッドを使用して溶接するレーザ溶接方法であって、レーザ光源光を複数の溶接用レーザ光に分割するレーザ光源光分割ステップと、前記レーザ光源光分割ステップにて分割された複数の溶接用レーザ光を、前記レーザ溶接用出射ヘッドから前記被溶接物の複数の溶接箇所に照射する照射ステップを、有しているレーザ溶接方法。前記被溶接物は、同じ形状、寸法の溶接箇所が一定の規則で配列されており、前記レーザ溶接用出射ヘッドは、前記被溶接物の溶接箇所の形状、寸法および配列に整合して動くものであるレーザ溶接方法。前記レーザ光源光分割ステップは、前記レーザ溶接用出射ヘッド内にてレーザ光源光の分割を行うレーザ溶接方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の溶接箇所が一定の規則で配列された被溶接物を、その被溶接物の溶接箇所の配列に整合して動くレーザ溶接用出射ヘッドを使用して溶接するレーザ溶接方法であって、
レーザ光源光を複数の溶接用レーザ光に分割するレーザ光源光分割ステップと、
前記レーザ光源光分割ステップにて分割された複数の溶接用レーザ光を、前記レーザ溶接用出射ヘッドから前記被溶接物の複数の溶接箇所に照射する照射ステップを、
有していることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記被溶接物は、同じ形状、寸法の溶接箇所が一定の規則で配列されており、
前記レーザ溶接用出射ヘッドは、前記被溶接物の溶接箇所の形状、寸法および配列に整合して動くものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記レーザ光源光分割ステップは、前記レーザ溶接用出射ヘッド内にてレーザ光源光の分割を行うものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記レーザ光源光分割ステップは、１つのレーザ光源光を、光学系を使用してエネルギーを均等に分割することを２度行なうものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
前記照射ステップは、直線上に等間隔で配列されたレーザ光を照射するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項６】
前記被溶接物は、原子炉燃料集合体の支持格子であり、
前記照射ステップは、前記支持格子の一定の間隔で配列された同じ形状、寸法の多数の溶接箇所を複数同時に溶接するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項７】
前記照射ステップは、前記支持格子の内部の相互に直交する内ストラップが交差する場所で嵌め込み溝により嵌め込まれている箇所を照射するものであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接方法。
【請求項８】
複数の溶接箇所が一定の規則で配列された被溶接物を、その被溶接物の溶接箇所の配列に整合して動くレーザ溶接用出射ヘッドを使用して溶接するレーザ溶接装置であって、
レーザ光源光を多数の溶接用レーザ光に分割するレーザ光源光分割手段と、
前記レーザ光源光分割手段にて分割された複数の溶接用レーザ光を、前記レーザ溶接用出射ヘッドから前記被溶接物の複数の溶接箇所に照射する照射手段を、
有していることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記被溶接物は、同じ形状、寸法の溶接箇所が一定の規則で配列されており、
前記レーザ溶接用出射ヘッドは、前記被溶接物の溶接箇所の形状、寸法および配列に整合して動くものであることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１０】
前記レーザ光源光分割手段は、前記レーザ溶接用出射ヘッド内にてレーザ光源光の分割を行うものであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記レーザ光源光分割手段は、１つのレーザ光源光を、光学系を使用してエネルギーを均等に分割することを２度行なうものであることを特徴とする請求項８または請求項１０に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１２】
前記照射手段は、直線上に等間隔で配列されたレーザ光を照射するものであることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項１３】
前記被溶接物は、原子炉燃料集合体の支持格子であり、
前記照射手段は、前記支持格子の一定の間隔で配列された同じ形状、寸法の多数の溶接箇所を複数同時に溶接するものであることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項１４】
前記照射手段は、前記支持格子の内部の相互に直交する格子板が交差する場所で嵌め込み溝により嵌め込まれている箇所を照射するものであることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関し、特に多数の同じ形状、寸法の溶接箇所が配列されている原子炉の燃料集合体の支持格子に複数のレーザ光を照射して、複数箇所を同時に溶接するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉の燃料集合体は、上部ノズルと下部ノズルがシンブル管により固定されている。また、燃料棒は、例えば１４×１４、１７×１７等に配列され、その上端部は上部ノズルと一体的になった最上部支持格子（支持グリッド）に固定され、下端部は同じく下部ノズルと一体的になった最下部支持格子に固定され、さらに途中幾箇所かを中間支持格子にて弾性支持されている。
なお、前記燃料棒の１７×１７配列においては、内部に制御棒（ＲＣＣ）、バーナブルポイズン（ＢＰ）、計装装置等が挿入されるシンブル管および計装管が、一部の燃料棒に換えて配置されているのが普通である。
【０００３】
前記最上部、中間および最下部の支持格子は、材料に多少の相違はあるが、基本的な構造は、いずれもほぼ同じであるため、以下中間支持格子を例に挙げて、その構造と製造方法を説明する。
例えば、支持格子は、例えば燃料棒が１７×１７配列であれば、横方向と縦方向のそれぞれに外ストラップ（支持格子の外枠となるフレーム材）２枚と内ストラップ（支持格子を構成する格子板）１６枚の合計１８枚ずつのストラップを碁盤の縦横の線（あるいは格子。以下、便宜上相互に直交する格子板の方向を、「縦方向」と「横方向」と記す）のように配列され、それらが交差する場所（以下、「格子点」とも記す）では相互に嵌め込み溝を使用して嵌合され、さらに溶接された構造物である。そして、横方向の内ストラップと縦方向の内ストラップが交差して形成された各升目内を燃料棒あるいはシンブル管が貫通することとなる。
【０００４】
以下、図面を参照しつつ、支持格子の要部の構造を説明する。図５は、各ストラップを嵌合して支持格子を後記のように一応組立て、その後嵌合部を溶接して各一体となった支持格子を製造する様子を概念的に示す図である。図５において、１０は外ストラップであり、１１はそのガイド部であり、１２はガイド部の上部の嵌め込み用の切欠きであり、１３は外ストラップ１０側面の開口であり、１９は外ストラップ１０相互の突き合せ溶接箇所（端面）であり、２０は横方向の内ストラップであり、２１はその嵌め込み用溝であり、２５はその端部の突出部であり、２６はその上部の突出部であり、３０は縦方向の内ストラップであり、３１はその嵌め込み用溝であり、３５はその端部の突出部であり、３６はその上部の突出部である。
【０００５】
横方向の内ストラップ２０と縦方向の内ストラップ３０に等間隔で形成されている嵌め込み用溝２１、３１を利用して、横方向の内ストラップ２０と縦方向の内ストラップ３０は、格子状に組立てられ（ここでは、このように嵌め合わせで組み立てることをも、組み立てと記述する）、さらに嵌め込まれた箇所が溶接されている。
また、横方向の内ストラップ２０と縦方向の内ストラップ３０の何れにも両端の外ストラップ１０に面する端部に端部の突出部２５、３５（図では２箇所であるが、これに限定されない）があり、これらの突出部２５、３５は、外ストラップ１０の対応する位置に形成されている側面の開口１３を貫通して外部に突出しており、さらに突出箇所が溶接されている。
また、いずれの内ストラップ２０、３０にも両端の外ストラップ１０に面する端部の上方には上部突出部２６、３６があり、これらは外ストラップ１０のガイド部１１の上部の内側に曲がって形成されている嵌め込み用の切欠き１２に入り込む様になっており、さらに入り込んだ箇所が溶接されている。
【０００６】
溶接は、細部をしっかりと固着することが可能であり、溶接歪も少ないため、通常レーザ溶接が採用されている。このため、嵌め込みにより各ストラップを一応組立てた状態の支持格子は、内部にアルゴンや窒素等の不活性ガスが充たされた溶接室に設置されたり、大気中で固定されて溶接箇所やその近傍に不活性ガスが吹き付けられ、この下でレーザ溶接用出射ヘッドが溶接すべき箇所に移動し、溶接すべき線に沿ってレーザ光の焦点を当てて照射しつつ走査していくこととなる。複数の点溶接（スポット溶接）が配列されてなる線状（線が断続的に、即ち線の両端と途中の数箇所が溶接される）であれば、レーザヘッドの移動経路は同様であるが、溶接する箇所においてレーザヘッドが一時停止し、さらに溶接する箇所においてのみレーザ光の照射がなされる。
そして、これらの際のレーザ溶接用出射ヘッドの移動と走査は、レーザ溶接用出射ヘッドまたは支持格子のいずれかが他方に対して相対移動することによりなされる。
【０００７】
このため、例えば組立物である支持格子は固定しておき、レーザ溶接用出射ヘッドを移動させ、走査して溶接するのであれば、ロボットアーム等の単軸または多軸ステージ等の可動機構にレーザ溶接用出射ヘッドを取付け、一応組立てた支持格子の各溶接箇所にレーザ溶接用出射ヘッドを移動させ、さらに当該箇所の溶接線に沿ってレーザ光の焦点を当てつつ走査させることとなる（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１３２７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、支持格子の各升目は１辺が１２〜１６ｍｍ程度であり、移動距離（溶接点ピッチ）が至近である。その一方、非常に高い精度が要求される。このため、正確な移動を確保するためリニヤモータやサーボモータ等のモータ類を使用すれば、モータは最高速度に到達する前に減速を開始しなければならなくなる。この結果、ロボットアーム等の可動機構が複雑となるだけでなく、移動速度が遅くなってしまい、ひいては溶接に要する時間の短縮が困難である。
支持格子には、同じ形状、寸法の溶接箇所が多数並んでいるだけに、１箇所の溶接が終了した後、次の溶接箇所に移動することに時間を取られ、支持格子全体を溶接で組み立てるのに要する時間が増大する。
そしてこれらのことは、シリンダとピストン等の他の移動手段を使用しても同様である。
【０００９】
なお、組立物である支持格子を移動する場合には、いわば一体物であるレーザ溶接用出射ヘッドと異なり、溶接治具や固定枠等の重量物や微細なワークを動かすため、なおさら可動機構が複雑となり、移動速度も遅くなり、溶接に要する時間の短縮が困難となる。
このため、一応組立てた支持格子の各部を溶接する時間が大幅に短縮することが可能となる技術の開発が望まれていた。
以上の他、網目状や格子状の物品をレーザ溶接を使用して製造する場合、同一形状の小さな物品を規則正しく配列して、レーザ溶接を使用して量産する場合にも、同様の課題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、支持格子の溶接箇所が等間隔で配列されているため、レーザ光源光を分割して複数の溶接箇所を同時に溶接すれば、次の溶接箇所に正確に移動するために必要な時間を短くすることができることに着目して本発明を完成させたものである。以下、各請求項の発明を説明する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
複数の溶接箇所が一定の規則で配列された被溶接物を、その被溶接物の溶接箇所の配列に整合して動くレーザ溶接用出射ヘッドを使用して溶接するレーザ溶接方法であって、
レーザ光源光を複数の溶接用レーザ光に分割するレーザ光源光分割ステップと、
前記レーザ光源光分割ステップにて分割された複数の溶接用レーザ光を、前記レーザ溶接用出射ヘッドから前記被溶接物の複数の溶接箇所に照射する照射ステップを、
有していることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００１２】
本請求項の発明においては、被溶接物は複数の溶接箇所が一定の規則で配列されており、レーザ溶接用出射ヘッドを被溶接物の溶接箇所の配列（含む、位置情報）に整合して動かして溶接するが、この際、レーザ溶接であるためＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接と異なり溶接箇所にレーザ光を（焦点を当てて）照射するだけでよいことに着目し、レーザ光源光を複数の溶接用レーザ光に分割し、分割した各レーザ光を被溶接物の複数の溶接箇所に照射して、多点の同時溶接を行うため、溶接の速度が向上し、溶接に要する時間が短縮可能となる。
【００１３】
さらに、レーザ光源光を分割して溶接を行うため、制御対象のレーザ光源も少なくなり、制御も容易となる。
またこの際、溶接箇所の配置や溶接の順番を考慮する、例えば対称の位置を同時溶接する等により、不均等な収縮、膨張を抑え、溶接による変形が少ない被溶接物が得られるようにすることも可能となる。
また、溶接の精度も向上し、装置の寿命も向上する。
【００１４】
ここに、「レーザ光源光」とは、レーザ溶接用出射ヘッドから見てのレーザ光の供給元という意味であり、必ずしも純粋なレーザ光の発生装置（一次発生装置）から直接照射された光に限定されず、一次発生装置からのレーザ光を導いてきたファイバー系や光学系等の装置を経由して送られて来た光も含む。またこのため、「レーザ光源光分割ステップ」には、一次発生装置からのレーザ光を導いてきた多数のファイバー系（グラスファイバーの束）を、グラスファイバーを単位として幾つかのグループに分割することをも含める。
また、「溶接用レーザ光」は、グラスファイバーをグループ分けしたり、ハーフミラーを使用して分岐させたりする等の方法でレーザ光源光を分割して得られ、最終的には被溶接物を溶接するために照射されることとなるレーザ光やレーザ光束を指す。
【００１５】
また、「照射ステップ」においては、点溶接であるならば、照射位置を確認した後に、ミラーや集光レンズからの溶接用レーザ光が溶接箇所を照射する角度、当該角度における吸収率等を考慮して、照射すべきエネルギーあるいは溶接に必要なエネルギーの計算がなされ、この下でレーザ光源のスイッチを所定時間だけオンとしたり、他の場所にレーザ光が拡がらない様に光学系に必要なマスクを被せたりする様な作業がなされる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記のレーザ溶接方法であって、
前記被溶接物は、同じ形状、寸法の溶接箇所が一定の規則で配列されており、
前記レーザ溶接用出射ヘッドは、前記被溶接物の溶接箇所の形状、寸法および配列に整合して動くものであることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００１７】
本請求項の発明においては、同じ形状、寸法の溶接箇所が、例えば直線状に等間隔、行列上、線対称、点対称等の一定の規則で配列されているため、多点同時溶接の制御が容易となる。
ここに、「同じ形状、寸法の溶接箇所が一定の規則で配列された被溶接物」とは、物理的に１個の物品に限定されず、例えば多数の原子炉用燃料棒やマッチ箱型の電池が一定の配列をなして保持具や保持台に固定されている様な場合をも含む。この様な場合には、これら多数の同一形状の物品の同一箇所を封入するため等のレーザ溶接が同時になされることとなる。
【００１８】
また、「被溶接物の溶接箇所の形状、寸法および配列に整合して動く」とは、被溶接物はその溶接箇所の位置をも考慮して溶接用の台の所定の位置に設置され、レーザ溶接用出射ヘッドは溶接箇所の位置情報を認識した上で適切な溶接がなされるように移動することを指す。
なおこの場合、被溶接物は単に台上に設置されているだけの場合に限定されず、どこかを保持具で支持されて実質的に空中に浮かんでいる状態とされていたり、移動や傾斜や回転が可能な台上に設置されており、この台の動きをも反映してレーザ溶接用出射ヘッドが動いたりする場合をも含む。
【００１９】
なお、被溶接物の同時に溶接する箇所が複数ある場合には、１箇所の多点同時溶接が終了すると、原則として溶接用出射ヘッドのみが新たな箇所に移動して他の多点同時溶接を行うこととなるが、前後の多点同時溶接を行う箇所の寸法、形状等が異なるとき等においては、この限りではない。
また、本請求項の発明では、溶接用出射ヘッドが複数装備されており、複数の多点同時溶接が同時になされること、最終的な取付け角度の（照射位置の）決定や溶接開始に際して作業者が各部の確認や微調整を行うこと、画像処理装置が確認をなすこと、画像処理装置を使用して作業者が各部の確認や微調整を行うこと等があり得ること、レーザ光源光と溶接用出射ヘッドの組合せが複数あること等を排除するものではない（かかる場合も本発明に含まれる）。
なお、最終位置の確認のためには、溶接用のレーザ光と同軸の位置確認用のレーザ光の照射がなされたりされ、さらに画像処理装置には予め形状に関するデータが入力されていたりもする。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、前記のレーザ溶接方法であって、
前記レーザ光源光分割ステップは、前記レーザ溶接用出射ヘッド内にてレーザ光源光の分割を行うものであることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００２１】
本請求項の発明においては、レーザ光源光の分割はレーザ溶接用出射ヘッド内にて光学系を使用して分割したり、光伝送用のグラスファイバー束を幾つかのグループに分割したりして行われるため、既存のレーザ光源はそのまま使用可能となる。
また、レーザ溶接用出射ヘッド内の光学系を、被溶接物の溶接箇所の配置に合せて配置することにより、例えば燃料集合体の支持格子の格子点等溶接箇所によっては、レーザ溶接用出射ヘッドを被溶接物の溶接箇所の分布に沿って移動させるだけで、次の溶接箇所の複数点同時溶接が可能となる様に位置合せがなされるようにすることも可能となる。このため、作業性も向上する。
【００２２】
また、ミラーとして電流、電圧で取付け角度を制御することが可能なガルバノミラーを使用したり、ガルバノミラーと同様に通過光の進路や焦点位置を変更することが可能なレンズ系を使用したりすることにより、レーザ光の照射位置や焦点位置の微調整を行うことも容易であり、このため複雑な形状の溶接等も容易となる。
なお、光学系はレンズ、ミラー、フレネルレンズ型の多焦点凸レンズ等からなるため軽量であり、かかる操作のための設備も軽量であるため、レーザ溶接用出射ヘッドの移動性、操作性に悪影響を与えることはない。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、前記のレーザ溶接方法であって、
前記レーザ光源光分割ステップは、１つのレーザ光源光を、光学系を使用してエネルギーを均等に分割することを２度行なうものであることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００２４】
本請求項の発明においては、１つのレーザ光源光のエネルギーを、光学系を使用して均等に分割することを２度行うことによりエネルギーを均等に４分割して４箇所の溶接を同時に行うが、エネルギーを均等に分割することは、例えば３対１等他の比率に分割することに比較して需要が多いため既に多数の光学系がそのために開発され、販売されている。このため、低コストで均等なエネルギー分割を２度行うことが容易であり、形状、寸法、材質等の溶接条件が同じ４箇所を同時に溶接するのに好都合となる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、前記のレーザ溶接方法であって、
前記照射ステップは、直線上に等間隔で配列されたレーザ光を照射するものであることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００２６】
本請求項の発明においては、直線上に等間隔で配列されたレーザ光（含む、レーザ光束）を照射するため、被溶接物に多数の溶接箇所が直線状、かつ等間隔で配列されている場合に好都合となる。
また、実際問題として、前記の多数の原子炉用の燃料棒、箱型の電池等の、かかる被溶接物、溶接箇所を対象とする溶接が多いため、本請求項の発明の適用も拡がる。
また、「直線上に等間隔」とは、２×２、３×２等のマトリックス状の配列を含む。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、前記のレーザ溶接方法であって、
前記被溶接物は、原子炉燃料集合体の支持格子であり、
前記照射ステップは、前記支持格子の一定の間隔で配列された同じ形状、寸法の多数の溶接箇所を複数同時に溶接するものであることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００２８】
本請求項の発明においては、原子炉燃料集合体の支持格子の正方形の４辺を構成する外ストラップと内部の相互に直交する内ストラップとの接続部、内ストラップあるいは外ストラップ相互の接続部等の多数（１７×１７に燃料棒が配列された燃料集合体においては、例えば前者であれば１６×４箇所、後者であれば４箇所）の溶接箇所が複数（例えば、４箇所）同時にレーザ溶接される。
この際、被溶接物が薄い金属板等であるため１箇所を溶接するために必要なエネルギーが少なく、ひいては複数箇所を同時に溶接するために１つのレーザ光源光を分割する際に、レーザ光源として特に出力が大きいものを用いる必要がない。
特に、１７×１７燃料集合体の場合には、同じ寸法、形状の溶接箇所が等間隔で１６×１６個行列状に並んでいるため、４箇所を同時に溶接するのに好都合である。
【００２９】
なおここに、「支持格子」とは、嵌め込みによる一応の（仮の）組立が終了した状態から、全ての溶接箇所の溶接が終了した状態までを指す。
また、「多数」、「複数」を使い分けているのは、同じ形状、寸法の溶接箇所が１６箇所あり、同時に溶接される箇所が４箇所である等、前者の個数が後者の個数より多い場合があることを考慮して使い分けただけのことであり、その他に特に技術的に意味があるわけではない。このため、実際には両方の個数が同じ場合はもちろんのこと、条件によっては逆の場合もあり得る。
【００３０】
請求項７に記載の発明は、
前記照射ステップは、前記支持格子の内部の相互に直交する内ストラップが交差する場所で嵌め込み溝により嵌め込まれている箇所を照射するものであることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【００３１】
本請求項の発明においては、原子炉燃料集合体の支持格子の内部の縦方向の内ストラップと横方向の内ストラップが相互に直角に交差し、嵌め込み溝により嵌め込まれている格子点の位置、即ち同じ形状、寸法かつ直線状に等間隔で多数、例えば１６×１６の行列状に、配列された箇所が複数（例えば、４箇所）同時にレーザ溶接されることとなるため、各種の制御が楽となり、溶接に要する時間が短くなり、本発明の多点同時溶接用出射ヘッドを使用したレーザ溶接の効果を最も発揮し得ることとなる。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、
複数の溶接箇所が一定の規則で配列された被溶接物を、その被溶接物の溶接箇所の配列に整合して動くレーザ溶接用出射ヘッドを使用して溶接するレーザ溶接装置であって、
レーザ光源光を多数の溶接用レーザ光に分割するレーザ光源光分割手段と、
前記レーザ光源光分割手段にて分割された複数の溶接用レーザ光を、前記レーザ溶接用出射ヘッドから前記被溶接物の複数の溶接箇所に照射する照射手段を、
有していることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００３３】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項１の発明を、物の発明として捉えたものである。
【００３４】
請求項９に記載の発明は、前記のレーザ溶接装置であって、
前記被溶接物は、同じ形状、寸法の溶接箇所が一定の規則で配列されており、
前記レーザ溶接用出射ヘッドは、前記被溶接物の溶接箇所の形状、寸法および配列に整合して動くものであることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００３５】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項２の発明を、物の発明として捉えたものである。
【００３６】
請求項１０に記載の発明は、前記のレーザ溶接装置であって、
前記レーザ光源光分割手段は、前記レーザ溶接用出射ヘッド内にてレーザ光源光の分割を行うものであることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００３７】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項３の発明を、物の発明として捉えたものである。
【００３８】
請求項１１に記載の発明は、前記のレーザ溶接装置であって、
前記レーザ光源光分割手段は、１つのレーザ光源光を、光学系を使用してエネルギーを均等に分割することを２度行なうものであることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００３９】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項４の発明を、物の発明として捉えたものである。
【００４０】
請求項１２に記載の発明は、前記のレーザ溶接装置であって、
前記照射手段は、直線上に等間隔で配列されたレーザ光を照射するものであることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００４１】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項５の発明を、物の発明として捉えたものである。
【００４２】
請求項１３に記載の発明は、前記のレーザ溶接装置であって、
前記被溶接物は、原子炉燃料集合体の支持格子であり、
前記照射手段は、前記支持格子の一定の間隔で配列された同じ形状、寸法の多数の溶接箇所を複数同時に溶接するものであることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００４３】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項６の発明を、物の発明として捉えたものである。
【００４４】
請求項１４に記載の発明は、前記のレーザ溶接装置であって、
前記照射手段は、前記支持格子の内部の相互に直交する格子板が交差する場所で嵌め込み溝により嵌め込まれている箇所を照射するものであることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００４５】
本請求項の発明は、製造方法の発明である請求項７の発明を、物の発明として捉えたものである。
【発明の効果】
【００４６】
本発明においては、被溶接物は複数の溶接箇所が一定の規則で配列されており、レーザ溶接用出射ヘッドを被溶接物の溶接箇所の配列（含む、位置情報）に整合して動かして溶接するが、この際、レーザ光源光を複数の溶接用レーザ光に分割し、分割した各レーザ光を被溶接物の複数の溶接箇所に照射して、多点の同時溶接を行うため、溶接の速度が向上し、溶接に要する時間が短縮可能となる。
さらに、レーザ光源光を分割して溶接を行うため、制御対象のレーザ光源も少なくなり、制御も容易となる。
また、溶接箇所の配置や溶接の順番を考慮する、例えば対称の位置を同時溶接する等により、不均等な収縮、膨張を抑え、溶接による変形が少ない被溶接物が得られるようにすることも可能となる。
また、溶接の精度も向上し、装置の寿命も向上する。
【００４７】
また、レーザ光源光の分割は、光伝送用のグラスファイバー束をグループ分けしたり、スプリッター等の光学系を使用したりして行なうため、容易かつエネルギーロスも少なくなる。
特に、原子炉燃料集合体の支持格子、それも内部の相互に直交するストラップの交差部の溶接に際しては、同じ形状、寸法かつ直線上に等間隔で配列された溶接箇所を溶接することとなるため、各種の制御が楽であり、溶接速度も速くなり、溶接歪の発生も一層少なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００４９】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、１個の出射ヘッド内の光学系によりレーザ光源光を４分割し、支持格子内の縦方向と横方向のストラップの交差点、即ち内周溶接点を４箇所同時に溶接することに関する。
以下、図１を参照しつつ本実施の形態を説明する。図１は、多点同時溶接用出射ヘッドを使用して支持格子内の縦方向と横方向のストラップの４箇所の交差点を同時にレーザ溶接している様子を概念的に示す図である。
【００５０】
図１において、４０は一応組立てられた支持格子であり、６３はレーザ光用の光ファイバー束であり、６４は多点同時溶接用出射ヘッドであり、６７は前記多点同時溶接用出射ヘッド内で各々のエネルギーがレーザ光源光の１／４となる様に４つに分割された溶接用レーザ光である。
図１に示す様に、支持格子４０は図示しない台上に設置され、その上方に多点同時溶接用出射ヘッド６４が図示しない移動用の保持装置に保持され、この保持装置がサーボモータ等により所定の動作をなすことにより、合計２５６（＝１６×１６）箇所の格子点のうち直線上に等間隔で並んだ４箇所に、同時に溶接用のレーザ光を照射し、４箇所を同時に溶接することが可能となっている。この際、４箇所は同じ形状、寸法であり、等間隔かつ直線状に並んでいるため、多点同時溶接用出射ヘッド６４は、各一回の移動、位置決め、溶接のための動作で、４箇所の溶接を行うことが可能となる。
【００５１】
次に、多点同時溶接用出射ヘッド６４のハード面について説明する。
レーザ溶接のために使用するレーザ発生装置の構造は、例えば前記特許文献１の段落１４、図１等に記載されている周知技術であるため、説明は省略する。
以下、多点同時溶接用出射ヘッド６４を特徴付けるレーザ光源からのレーザ光を２度等分割し、得られた４つの溶接用のレーザ光を等間隔で出射するための光学系の構造について、図２を参照しつつ説明する。図２は、この光学系５０の要部を概念的に示す図である。
【００５２】
図２において、５０は光学系であり、５１はハーフミラーであり、５２はスプリッター用ミラーであり、５３はスリット型ハーフミラーであり、５４はミラーであり、６５はレーザ光源光であり、６６はレーザ光源光をエネルギー的に均等に２つに分割して得られた２つ（２本）のレーザ光であり、６７は同じく４つに分割して得られたレーザ光である。
図示していないレーザ光源からのレーザ光源光６５は、ハーフミラー５１とスプリッター用ミラー５２からなるスプリッターによる分岐により５０：５０に分割（エネルギー分割）され、さらに２つに分割された２本のレーザ光６６は、各々スリット型ハーフミラー５３とミラー５４からなる光学系により再度５０：５０に分割され、エネルギーが各々レーザ光源光の１／４であるように分割される。これらの４つに分割された４つ（４本）の溶接用のレーザ光６７は、各々支持格子４０の４箇所の内周溶接点（箇所）に導かれ、当該箇所の溶接がなされる。このため、同時に４箇所の溶接がなされることとなる。
【００５３】
この際、４つに分割された４本の溶接用のレーザ光６７を反射する２個のミラー５４と２個のスリット型ハーフミラー５３は支持格子の横方向の内ストラップ２０、縦方向の内ストラップ３０と同じ間隔に設置し、これにより同じ、寸法、形状かつ直線状の４箇所の格子点の溶接を同時に行う際の制御の容易化を図っている。
なお、ハーフミラーやミラーの原理や構造は周知技術であるため、説明は省略する。
また、実際の溶接に際しては、多点同時溶接用出射ヘッド６４のみならず、その内部でのレンズやミラー（ケースに拠ってはガルバノミラー）の取付け（反射）角度の調整、変更等も必要となるであろうが、そのための原理や制御等は、多くの特許公報類に記載されている周知技術である。このため、それらについても説明は省略する。
同じく、ガルバノミラーや凸レンズ等と被照射位置とのレーザ測長機を用いての距離の測定、レーザ測長機や画像処理装置を用いての自動シフト等についても周知技術であるため、それらの説明は省略する。
【００５４】
ここに、４箇所同時に溶接することとしたのは、作業時間の短縮の他に、（１）支持格子は燃料集合体が１７×１７配列されているものが多いため、縦方向の内ストラップと横方向の内ストラップは各１６枚あり、このため溶接箇所は原則として１６やその倍数であること、（２）支持格子の各溶接箇所の形状、寸法、配列は規則的であること、（３）同じく直線状に行う溶接が多いため個別の動作が不必要であること、（４）支持格子は薄い金属板からなるためレーザ発生装置の出力が大きくなくても４箇所を同時に溶接することが可能であること、（５）等分割は容易であるため等エネルギーに分割し易いことを考慮したものである。
【００５５】
各溶接箇所の溶接は、線溶接の場合には、各ミラー５３、５４で反射され、レンズ（図示せず）で集光された溶接用のレーザ光６７の焦点の初期位置を線状の溶接箇所の一端に合せた後、予め定めたプログラムに沿って多点同時溶接用出射ヘッド６４が少しずつ移動したり傾いたりし、これにより照射位置が少しずつ変更されていくことにより、焦点が溶接線の他端の方に移動して行き、他端に到達することにより当該箇所の溶接が終了することとなる。
また、複数の点溶接箇所が１本の線上に並んでいる場合には、初期位置を当該線の一端の溶接箇所に合せた後、予め定めたプログラムに沿って多点同時溶接用出射ヘッド６４が少しずつ線に沿って移動し、点状の溶接箇所に位置した時にのみ、さらに該当する点にのみレーザ光を照射して当該点溶接を行い、線の他端の点状の溶接箇所まで移動していく。
また、複数の点が並んでいる場合には、当該点のある箇所にのみ照射がなされることとなる。
【００５６】
また、レーザ光６７が溶接箇所を照射する角度に応じて単位照射面積当りのエネルギーが変化するが、これらは内蔵するプログラムにのっとってＣＰＵ８０が簡単な計算を行うことにより多点同時溶接用出射ヘッド６４の移動速度やレーザ光源（レーザ発生装置）の出力を調節することにより補償される。
【００５７】
溶接時には、支持格子４０、各種のミラー５１、５２、５３、５４等は、後で説明するＣＰＵ８０等を除き溶接室に設置される。また、レーザ発振機は、ＹＡＧレーザを溶接装置の近くに設置しており、レーザ光は光ファイバーでミラー５１へ導くようにした。なお、例えばＣＯ２レーザ等他のレーザを設置し、固定光学系によりミラー５１へ導くことも可能である。
【００５８】
溶接室は、雰囲気ガスの調節、発生した熱の除去等のための設備を有するだけでなく、外部から作業者が溶接用の各種機器を操作し、溶接の様子を監視するための設備をも有している。ただし、これらは周知技術であるため、その説明は省略する。
なお、各溶接箇所における初期位置の設定は、最終的には作業者の目視や、画像処理装置による自動認識や、画像処理装置を使用しての作業者による目視等にて確認される。
【００５９】
この際の位置合せは、前記の如く溶接箇所は４箇所とも同じ形状、寸法、かつ等間隔で直線状に配列されており、多点同時溶接用出射装置６４の光学系もこれに対応した配置であるため、１箇所だけ位置合せを行えば、残りの３箇所も自動的になされることとなる。
【００６０】
次に、図１と図２に要部を示す本実施の形態の溶接装置が作用を発揮するためのハード面、ソフト面の具体的な内容について、図３を参照しつつ説明する。
図３は、溶接装置全体の構成を、概念的に示す図である。図３において、５０は光学系であり、６０はレーザ発生装置であり、７０は測定系であり、８０はＣＰＵであり、８１はそのメモリ（Ｍ）であり、８２はそのタイマー（Ｔ）であり、８３はその管理テーブル（Ｃ）である。
【００６１】
ＣＰＵ８０のメモリ８１には、予め制御に必要な各種のデータが入力されている。具体的には、（１）支持格子４０の形状、寸法、（２）溶接箇所の種類毎に、その形状、寸法、溶接に必要なエネルギー量、支持格子上での位置（座標）と個数、（３）多点同時溶接用出射ヘッド６４の移動に必要な電力や移動速度と所要電力等の関係、（４）多点同時溶接用出射ヘッド６４の現在の位置や各種の初期条件等である。
【００６２】
また、ＣＰＵ８０には、溶接が開始された時には、多点同時溶接用出射ヘッド６４の移動を制御、監視するためのタイマー（クロック信号発生手段）８２、各溶接箇所の管理を行う管理テーブル（テーブルと一種のカウンター）８３等を内蔵している。
管理テーブル８３は、溶接箇所の種類をＩとし、各種類（Ｉ）における溶接箇所の個数をＪとしたとき、２変数Ｉ、Ｊからなるテーブル（表）を保持し、さらに各箇所の溶接が終了する毎に、テーブルの該当する位置にその旨の印を付す。
【００６３】
図５に示す支持格子４０の溶接箇所の種類であるが、外ストラップ１０相互の接続箇所、横方向若しくは縦方向の内ストラップ２０、３０の端部の上下の突出部２５、３５が外ストラップ１０の開口１３を貫通した箇所、同じく上部の突出部２６、３６が外ストラップのガイド部１１の嵌め込み用の切欠き１２に嵌め込まれた箇所、横方向の内ストラップ２０と縦方向の内ストラップ３０との交差部の合計４種であり、このためＩは１から４の整数値である。
また、例えば外ストラップ１０相互の突合せ箇所をＩ＝１とすれば、Ｉ＝１の種類の溶接箇所は４隅であるため、Ｉ＝１におけるＪは、１から４の整数値である。
【００６４】
なお、各種類の溶接は４箇所同時になされるのが原則であるが、必ずしもそうとは限らない。また、異なる種類の溶接が同時になされることもあり得る。このため、溶接の終了印は、特定のＩにおいては１つのＪについてのみ付されたり、２種のＩについて各１つのＪに印が付されたりすることもあり得る。
そして、全てのＩとＪに終了印が付されれば、当該支持格子の溶接は終了とされる。
【００６５】
なお、前記メモリ８１の、各溶接箇所についての溶接に必要なエネルギー、溶接長さ、支持格子における位置等の情報は、前記管理テーブル８３のＩ及びＪのテーブルに対応して格納されている。
また、光学系５０、レーザ発生装置６０の制御に必要なデータ、具体的には多点同時溶接用出射ヘッド６４の照射角度を認識するための情報も同様に格納されている。
従って、ＣＰＵ８０は、これら格納されているデータを参照しつつ、多点同時溶接用出射ヘッド６４の移動やレーザ発生装置６０の出力を制御することとなる。
【００６６】
また、ＴＩＧ溶接等と異なりレーザ溶接では溶接歪の発生は少ないが、少しでも小さくなる様に、溶接する箇所の順番がＣＰＵ８０に入力されている。ただし、これは操作員の操作により適宜変更可能である。
【００６７】
次に、位置決めの確認とレーザエネルギーの制御について説明する。
位置決めは、予め入力されている支持格子の形状、寸法を基に大よその位置を決め、位置決め用のレーザ光の試照射を行い、画像処理装置による自動認識後に本照射を行う。なお、本実施の形態における自動認識の手法であるが、支持格子は量産品であり、各溶接箇所の形状、寸法は既知である。このため、ＣＣＤカメラやディジタルフイルム等を装備した画像処理装置が、位置決め用のレーザ光の試照射の前後のディジタル映像を、既に入力されている数値化された画像情報と比較照合することにより容易になし得る。
【００６８】
また、溶接用のレーザ光の強度の制御であるが、照射されたレーザ光線は、厳密には全ての光束が小さな円形に収束するあるいは焦点を結ぶのではなく、極く一部は収束部分の周囲に存在する。このため、この収束部分の周囲全域から均等にサンプルの光束を収集して、レーザ光のエネルギーの推定を行って制御する。
【００６９】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、特殊なミラーを使用してレーザ光源からのレーザ光を４分割するものである。図４に、本実施の形態の光学系の要部の構成を示す。図４において、５５は４分割用ミラーであり、５６は集束用のレンズである。
図４に示す様に、４分割用ミラー５５は、反射面が４分割されており、光ファイバー束６３から送られてきたレーザ光源光６５を４方向に分割して反射する。各集光用のレンズ５６は、対応する４分割された溶接用のレーザ光６７の進路を曲げ、被溶接物の溶接箇所、図４では支持格子の格子点に焦点を結ぶ様にし、これにより４箇所のレーザ溶接が同時になされる。
なお、各集光用のレンズ５６は、個々に形状、寸法等が相違するが、特に困難な技術ではないため、その相違の内容の説明は省略する。
【００７０】
また、本実施の形態の変形例として、４分割用ミラー５５に換えてガルバノミラーとし、ガルバノミラーの傾斜角（反射角）を細かい時間毎に４種類に変化させ、これにより反射光を４種類作り、各反射光のエネルギーは１／４とする時分割方式でレーザ光源光６５を４分割し、分割された４つの光が各集光用のレンズ５６に向かう様にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の多点同時溶接用出射ヘッドを使用して溶接を行っている様子を、概念的に示す図である。
【図２】前記実施の形態の多点同時溶接用出射ヘッドの要部の構成を、概念的に示す図である。
【図３】前記実施の形態の多点同時溶接用出射ヘッドを使用して溶接を行う装置の全体構成を概念的に示す図である
【図４】本発明の第２の実施の形態の多点同時溶接用出射ヘッドの要部の構成を、概念的に示す図である。
【図５】支持格子の組立の様子と溶接箇所を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０    外ストラップ
１１    ガイド部
１２    嵌め込み用の切欠き
１３    開口
１９    外ストラップ相互の突き合せ溶接箇所
２０    横方向の内ストラップ
２１    横方向の内ストラップの嵌め込み用溝
２５    横方向の内ストラップの端部の突出部
２６    横方向の内ストラップの上部の突出部
３０    縦方向の内ストラップ
３１    縦方向の内ストラップの嵌め込み用溝
３５    縦方向の内ストラップの端部の突出部
３６    縦方向の内ストラップの上部の突出部
４０    支持格子
５０    光学系
５１    ハーフミラー
５２    スプリッター用ミラー
５３    スリット型ハーフミラー
５４    ミラー
５５    ４分割用ミラー
５６    集光用のレンズ
６０    レーザ発生装置
６３    光ファイバー束
６４    多点同時溶接用出射ヘッド
６５    レーザ光源光
６６    １／２に分岐したレーザ光
６７    １／４に分岐したレーザ光
７０    測定系
８０    ＣＰＵ
８１    メモリ
８２    タイマー
８３    管理テーブル
【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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