(57)【要約】【課題】ボイラヘッダ４０等に仮り付けされたスタッブチューブ４１などを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１及びこれを用いたボイラヘッダ４０の製作方法を提供すること。【解決手段】溶接ロボットに搭載し、ヘッダ４０の溶接部に仮付けされたスタッブ４１を溶接するに際して、ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２をレーザ光２５の光軸Ｅを挟んで反対側に配置し、かつワイヤノズル１８の長手方向の延長線Ａとアシストガスノズル２２の長手方向の延長線Ｂとレーザ光２５の光軸Ｅがスタッブ４１のチューブ４０への溶接点Ｇ又はその近傍で交わるように配置し、前記延長線ＡとＢを含む平面Ｃとレーザ光２５の光軸Ｅは溶接点Ｇ又はその近傍で交わるように配置し、スタッブ４１の長手方向の軸線Ｆに平行で、溶接点Ｇを通る線Ｆ’と光軸Ｅとの間に前記平面Ｃがあるように配置して溶接するレーザ加工ヘッド１である。【選択図】    図６
2004255410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ロボットに搭載し、被溶接物の溶接部に仮付けされたスタッブを溶接するレーザ加工ヘッドにおいて、
光ファイバーから出射したレーザ光の広がりを平行光にするコリメートレンズと、
コリメートされたレーザ光を集光する集光レンズと、
レーザ光を反射して被溶接物の溶接部に照射する反射ミラーと、
溶接部からのフューム、スパッタ等から光学系を保護する保護ガラスと、
該保護ガラスと溶接部の間に高速エアーを噴射するエアーブローノズルと、
添加ワイヤを溶接部にガイドするワイヤノズルと、
溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばして溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズルと
を備え、
ワイヤノズルとアシストガスノズルをレーザ光の光軸を挟んで反対側に配置し、かつ、ワイヤノズルの長手方向の延長線とアシストガスノズルの長手方向の延長線とレーザ光の光軸がスタッブのチューブへの溶接点又はその近傍で交わるように配置し、
ワイヤノズルの長手方向の延長線とアシストガスノズルの長手方向の延長線を含む平面とレーザ光の光軸は前記溶接点又はその近傍で交わるように配置し、
スタッブの長手方向の軸線に平行で、前記溶接点を通る線とレーザ光の光軸との間に前記ワイヤノズルの長手方向の延長線とアシストガスノズルの長手方向の延長線を含む平面があるように配置し、
前記アシストガスノズルは、その形状が管状であり、溶接部に噴射するアシストガスの吹き出し方向が溶接進行方向に、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度であり、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度で傾斜配置され、
前記エアーブローノズルは、その形状が薄い箱型であり、そのエアー吹き出し口が薄い長方形であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接進行方向に保護ガラスのなす平面に対して傾斜角度θＡｂが０〜１５度であり、
高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラスの中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度で傾斜配置され、
前記ワイヤノズルからの添加ワイヤの溶接部への挿入方向が溶接進行方向前方から、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＷａが０〜４０度であり、垂直方向の角度θＷｂが５〜４０度の傾斜角度である
ことを特徴とするスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド。
【請求項２】
アシストガスとしてＮ２ガスを用いることを特徴とする請求項１記載のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記溶接ロボットの教示プログラムを作成するときに、前記光ファイバをレーザ加工ヘッドより外してレーザ光軸上に撮像装置を取り付け被加工材の映像を撮影可能にしたことを特徴とする請求項１又は２記載のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド。
【請求項４】
ボイラヘッダの長手方向に沿って移動する溶接ロボットを用いて、該ボイラヘッダの長手方向に一列あるいは複数列の一定ピッチで仮付けされた同一径で複数のスタッブチューブを溶接するボイラヘッダの製作方法において、
該溶接ロボットに前記請求項１記載のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドを搭載し、該ボイラヘッダの長手方向に沿って該溶接ロボットを移動させて、該ボイラヘッダに仮付けされたスタッブチューブをレーザ溶接法で順次溶接することを特徴とするボイラヘッダの製作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ溶接装置とこれを用いた製作方法に係わり、特にボイラヘッダ等に仮付けされたスタッブチューブを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド及びこれを用いたボイラヘッダの製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラでは図１４に示す管群からなる部品が使用されている。ヘッダ４０にはスタッブチューブ４１が溶接されていて、上下のスタッブチューブ間にはフィンチューブ４２が溶接されている。フィンチューブ４２での熱交換効率を高めるために、フィンチューブ４２は非常に狭い間隔で密集していて、スタッブチューブ４１もヘッダ４０に非常に狭い間隔で取り付けられる。スタッブチューブ４１の大きさは  直径３８．１ｍｍ、５０．８ｍｍなどのものが使用され、スタッブチューブ４１の管と管の隙間は５５〜６５ｍｍ程度になる。スタッブチューブ４１とヘッダ４０の溶接作業は、特公平４−３１７８４号公報、特開平３−１５５４７０号公報及び特開平７−２１４３２０号公報に開示されているようにロボット溶接により自動化されている。溶接法としては、アーク溶接が適用されていて、多層盛施工が行われている。
【０００３】
一方、レーザ加工は金属、セラミック等の加工に適用され、高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中させることが可能で、従来のアーク熱源よりもより深い溶け込みを得ることができて入熱量を下げることが可能であることから、高能率で高品質な溶接や切断加工が可能で、近年各種の産業で適用されている。特にＹＡＧレーザなどの光ファイバ伝送可能なレーザ加工では、ロボット等と組合せて使用されている。また、レーザ隅肉レーザ溶接装置に関する発明としては、特開昭６１−２２９４８９号公報、特開平８−１８７５８７号公報がある。
【０００４】
さらに、原子力蒸気発生器の管板に支持された数千本の管内にスリーブを収束手段、溶接ミラー手段及び焦点距離維持手段を有する溶接ヘッドを用いてレーザ溶接する方法が特開昭６２−１７３０９２号公報に開示されている。
【０００５】
さらに、特開２００２−５９２８６号公報にはレーザー光のコリメート光学系と反射ミラーと集光光学系と加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの発明が開示されている。
【０００６】
レーザ加工ヘッドの一例となる概略構成を図１３に示す。図１３に示すレーザ加工ヘッド１００は、ハウジング５ｂと、ＹＡＧレーザ光（波長１０６０ｎｍ）を光ファイバ２から被加工物の加工点まで導光する出射光学系と、被加工物の加工点を観察するための観察光学系と、添加ワイヤを溶接部にガイドするワイヤノズル１８ａと、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばし、溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル２２ａなどから構成される。また、レーザ加工ヘッド１００はロボットに搭載するために小型・軽量であることが望ましく、レーザ加工ヘッド１００の重量が重い場合は、大型のロボットを適用する必要がある。
【０００７】
図１３に示すレーザ加工ヘッド１００について、まず出射光学系から説明する。図示されていないレーザ発振器で発生したＹＡＧレーザ光は、光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１００に導光され、光ファイバ端より広角に出射する。光ファイバ２は、光ファイバコネクタ６によりハウジング５ｂに固定されている。出射光学系は、光ファイバ２より出射レーザ光２５を下方に反射するディフレクタ３６と、レーザ光２５の広がりを平行光にするコリメートレンズ３と、レーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようにする集光レンズ４などから構成される。コリメートレンズ３と集光レンズ４は、焦点距離ｆが１００〜２００ｍｍのレンズが一般的に使用される。集光レンズ４の焦点距離ｆが１００〜２００ｍｍと長く、溶接線に沿ってワイヤノズル１８ａとアシストガスノズル２２ａが直線上に配列される。
【０００８】
次に、観察光学系について説明する。レーザ発振器（図示せず）には低出力の位置決め用可視光レーザ出力源が設けてあることが多い。可視光レーザとしては赤色のＨｅＮｅレーザ（波長６３２ｎｍ）が一般に用いられ、ＹＡＧレーザ光と同様に光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１００に導光され、ＨｅＮｅレーザ光スポットを被加工物の加工点において焦点を結ぶようになっている。
【０００９】
レーザ加工ヘッド１００には、レーザ光２５を照射する被加工物の加工点を観察するために観察光学系を備えていることが多い。観察光学系は、加工に先立ちロボットの動作教示を行うために利用され、撮像装置８がハウジング５ｂの上部に取り付けられる。このような観察光学系を設けるために、ディフレクタ３６はＹＡＧレーザ光とＨｅＮｅレーザ光を反射し、可視光を透過するものが用いられる。そして、ディフレクタ３６、コリメートレンズ３、集光レンズ４、撮像装置８はレーザ光および撮像装置８の光軸１０上に一直線上に位置するように設置される。特に、ディフレクタ３６は、光軸１０に対して４５度の傾斜角度になるように配置される。ディフレクタ３６は、コリメートレンズ３と集光レンズ４の有効口径に合わせる必要があり、レーザ加工ヘッド１００を大きくする原因になる。すなわち、レーザ加工ヘッド１００の大きさは、ディフレクタ３６の大きさに依存している。また、レーザ加工ヘッド１００内にディフレクタ３６を設けることにより、このディフレクタ３６での反射によるレーザ光２５のエネルギー損失も発生する。
【００１０】
撮像装置８で撮影された画像は図示されていないモニタテレビに映し出され、被加工物の表面状態を観察できるようになっている。これらのモニタテレビには、電子ライン発生器によりクロスターゲットを発生させることも可能であり、被加工材へのレーザスポット光の照射位置を正確に合わせることが可能である。
【００１１】
次に、レーザ加工ヘッド１００の加工狙い位置および姿勢をロボットに教示する手順について説明する。
まず、ＹＡＧレーザ発振器を停止させ、赤色の可視光を出すＨｅＮｅレーザからなる位置決め用レーザ出力源を作動させ、位置決め用レーザビームを出射させる。オペレータはロボットの先端に取り付けられたレーザ加工ヘッド１００を被加工物の教示位置に移動させ、この赤色の位置決め用レーザビームのスポットにより、レーザ加工ヘッド１００の大まかな狙い位置と作業姿勢を決めて、ロボット制御装置に登録する。被加工物の加工線に沿って、この操作を繰り返して概略の教示作業を行う。
【００１２】
次に、さらに正確な狙い位置と作業姿勢を教示するために、位置決め用可視光レーザ源の作動を停止させ、撮像装置８を作動させて、この撮像装置８で捕らえた被加工物の映像をテレビモニタなどの視覚装置（図示せず）に表示させる。このとき被加工物の映像を鮮明にするため、外部より被加工物を照明する必要がある。オペレータは、先ほどの概略の教示作業により登録した位置にレーザ加工ヘッド１００を移動させ、この視覚装置に表示された映像を見ながら正確な位置決めを実施する。そして、その時の位置と姿勢とを、ロボット制御装置に再登録して教示する。このようにして先ほど行った概略の教示点を全て修正して正確な位置決めを実施し、教示した内容の加工または作業をロボットに再実施させることが可能となる。
【００１３】
【特許文献１】
特公平４−３１７８４号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平３−１５５４７０号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開平７−２１４３２０号公報
【００１６】
【特許文献４】
特開昭６１−２２９４８９号公報
【００１７】
【特許文献５】
特開平８−１８７５８７号公報
【００１８】
【特許文献６】
特開昭６２−１７３０９２号公報
【００１９】
【特許文献７】
特開２００２−５９２８６号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接作業は、アーク溶接ロボットにより自動化された多層盛施工が行われている。
【００２１】
ところが、ヘッダ４０に取り付けられるスタッブチューブ４１は、ヘッダ４０の片側長手方向に一列あるいは複数列の一定ピッチで密集して多数取り付けられるために多大の溶接時間が掛かると同時に溶接による変形によりヘッダ４０が大きく曲るため、曲り修正作業を行う必要があった。また、アーク溶接ではスパッタやスラグが発生して溶接部や溶接部周辺に付着するため、その除去作業を行う必要があった。
【００２２】
アーク溶接に代わり、高能率で低入熱溶接が可能なレーザ溶接法においては、レーザ加工ヘッド１００の集光レンズ４の焦点距離ｆが従来は１００〜２００ｍｍと長く、溶接線に沿ってワイヤノズル１８ａとアシストガスノズル２２ａが直線に配列するため、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接を行おうとすると、溶接対象スタッブチューブ４１の周辺に近接するその他のスタッブチューブ４１とレーザ加工ヘッド１００のハウジング５ｂあるいはワイヤノズル１８ａ、アシストガスノズル２２ａが干渉してしまい溶接を行うことができなかった。
【００２３】
また、ロボットには可搬重量の制約があり、レーザ加工ヘッド１００は軽量にする必要があり、被加工物の加工位置が狭隘部の場合もあるため、小型にした方が適用範囲を広くすることができる。しかるに、レーザ加工ヘッド１００には、ロボット教示作業で必要な監視光学系が設けられているために小型化と重量軽減には限界があり、可搬重量の大きなロボットを適用せざるをえなく、ロボットを小型化すると適用範囲が限定されるといった問題があった。
【００２４】
本発明の課題は、ボイラヘッダ等に仮り付けされたスタッブチューブなどを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド及びこれを用いたボイラヘッダの製作方法を提供することにある。
【００２５】
また、本発明の課題は、溶接対象スタッブチューブ周辺に他のスタッブチューブあるいは障害物があるような狭隘部の溶接が可能なレーザ加工ヘッドで、このレーザ加工ヘッドを使用してボイラヘッダのスタッブチューブを溶接すると高能率で低入熱溶接が可能でヘッダの溶接変形が少なくなり曲り修正作業が無くなり、スパッタやスラグの除去作業も無くなるボイラヘッダの製作方法を提供することにある。
【００２６】
さらに、本発明の課題はロボット教示作業は従来通りに行えて、加工時には加工に必要な出射光学系のみとする、小型、軽量なレーザ加工ヘッドを提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。
すなわち、溶接ロボットに搭載し、被溶接物（４０）の溶接部に仮付けされたスタッブ４１を溶接するレーザ加工ヘッドにおいて、
光ファイバー２から出射したレーザ光２５の広がりを平行光にするコリメートレンズ３と、コリメートされたレーザ光２５を集光する集光レンズ４と、
レーザ光２５を反射して被溶接物（４０）の溶接部に照射する反射ミラー１６と、溶接部からのフューム、スパッタ等から光学系を保護する保護ガラス２９と、該保護ガラス２９と溶接部の間に高速エアーを噴射するエアーブローノズル２６と、添加ワイヤ２１を溶接部にガイドするワイヤノズル１８と、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばして溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル２２とを備え、
ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２をレーザ光２５の光軸（Ｅ）を挟んで反対側に配置し、かつワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）がスタッブ４１のチューブ４０への溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、
ワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）は前記溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、
スタッブ４１の長手方向の軸線（Ｆ）に平行で、前記溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）との間に前記平面（Ｃ）があるように配置し、
前記アシストガスノズル２２は、その形状が管状であり、溶接部に噴射するアシストガスの吹き出し方向が溶接進行方向に、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度であり、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度で傾斜配置され、
前記エアーブローノズル２６は、その形状が薄い箱型であり、そのエアー吹き出し口が薄い長方形であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接進行方向に保護ガラス２９のなす平面に対して傾斜角度θＡｂが０〜１５度であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラス２９の中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度で傾斜配置され、前記ワイヤノズル１８からの添加ワイヤ２１の溶接部への挿入方向が溶接進行方向前方から、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＷａが０〜４０度であり、垂直方向の角度θＷｂが５〜４０度の傾斜角度であるスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドである。
【００２８】
上記レーザ加工ヘッドにおいて、アシストガスとしてＮ２ガスを用いることができる。また、上記レーザ加工ヘッドにおいて、ロボットの教示プログラムを作成するときに、光ファイバをレーザ加工ヘッドより外してレーザ光軸上に撮像装置を取り付け被加工材の映像を撮影可能にすることができる。
【００２９】
また、本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。
すなわち、ボイラヘッダの長手方向に沿って移動する溶接ロボットを用いて、該ボイラヘッダの長手方向に一列あるいは複数列の一定ピッチで仮付けされた同一径で複数のスタッブ４１を溶接するボイラヘッダの製作方法において、溶接ロボットに前記スタッブ溶接用レーザ加工ヘッドを搭載し、ボイラヘッダの長手方向に沿って溶接ロボットを移動させて、ボイラヘッダに仮付けされたスタッブチューブをレーザ溶接法で順次溶接するボイラヘッダの製作方法である。
【００３０】
【作用】
レーザ加工ヘッドにおいて、光ファイバ、コリメートレンズ、集光レンズの出射光学系の集光レンズ後に反射ミラーを設置することにより、レーザ光を反射してヘッダとスタッブチューブの溶接部にレーザ光を照射する。これにより、スタッブチューブと平行にレーザ光を導光することが可能になる。また、コリメートレンズと集光レンズと反射ミラーが配置されるレーザ光の光軸をはさんで、ワイヤノズルと、アシストガスノズルとエアーブローノズルを、ヘッダとスタッブチューブの円周溶接線方向に配置したレーザ加工ヘッドならば、近接するスタッブチューブと干渉することなくレーザ溶接を行うことができる。
【００３１】
そして、アシストガスノズルの形状を管状とし、アシストガスの吹き出し方向が溶接進行方向に、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度の方向となるように溶接部にアシストガスを噴射することにより、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばし、レーザ光を効率的に溶接部に照射させることができると共に、溶接部を空気からシールドし、溶融金属の酸化を防ぐことができる。また、アシストガスとしてＮ２ガスを用いることにより、ブローホール等の溶接欠陥を低減でき健全な溶接部が得られる。
【００３２】
また、エアーブローノズルを薄い箱型で、吹き出し口も薄い長方形にすることにより、エアーブローの吹き出しを層流状態にし、溶接進行方向に、保護ガラスのなす平面に対して傾斜角度θＡｂが０〜１５度であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラス２９の中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度の傾斜角度で高速エアーの噴射をすることにより、アシストガスへの干渉がなく、高速エアーが対象溶接スタッブチューブと干渉することもなく、溶接部から発生するスパッタやフュームを保護ガラスの手前で払い飛ばし保護ガラスの汚染を極小にすることができる。
【００３３】
また、前記ワイヤノズルからの添加ワイヤを溶接進行方向前方から、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＷａが０〜４０度であり、垂直方向の傾斜角度θＷｂが５〜４０度となるようにの溶接部へ挿入することにより、溶接部にワイヤを安定して挿入でき、そして健全な溶接部を得ることができる。
【００３４】
さらに、光ファイバとコリメートレンズと集光レンズをレーザ光軸上に一直線に配置した出射光学系からなるレーザ加工ヘッドにおいて、光ファイバをレーザ加工ヘッドより外してレーザ光軸上に撮像装置を取り付け簡単に観察光学系を構成することができ、被加工材の映像をモニタテレビで見て教示作業を行うことができる。それによって、教示は従来ヘッド同様に行え、加工時のレーザ加工ヘッドの小型、軽量化を図ることができる。
【００３５】
そして、レーザ加工は高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中させることが可能で、従来のアーク熱源よりもより深い溶け込みを得ることができ入熱量を下げることが可能であることから、高能率で高品質な溶接が可能である。ボイラヘッダの長手方向に沿って移動する溶接ロボットに前記スタッブ溶接用レーザ加工ヘッドを搭載し、ボイラヘッダの長手方向に沿って溶接ロボットを移動させて、ボイラヘッダに仮付けされたスタッブチューブをレーザ溶接法で順次溶接することにより、アーク溶接に比べておよそ溶接時間とヘッダの曲り変形量を半分以下にすることができ、溶接後のヘッダの曲り修正作業を省略することができる。
【００３６】
また、レーザ溶接でもスパッタは発生するが、アーク溶接に比べてスパッタの粒が非常に小さく、量的にも少ないためにヘッダに付着したスパッタはエアーブローなどの簡単な処置で除去することができ、またレーザ溶接ではほとんどスラグの発生が無く、余分な溶接後の作業を省略できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。
図１は本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの側面図である。図２は本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの正面図である。図３は本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す平面図である。図４は本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す正面図である。図５は図１のＡ−Ａ線切断断面図である。図７は溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す平面図である。図８は溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す正面図である。図９は図１のＢ−Ｂ線矢視図である。図１０は図９のＣ−Ｃ線切断断面図である。
【００３８】
図１および図２において、スタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１は以下の構成を備えている。
すなわち、レーザ発振器で発生したレーザ光をレーザ加工ヘッド１に導光する光ファイバ２、光ファイバ２から広角に出射したレーザ光２５を平行光にするコリメートレンズ３、コリメートレンズ３で平行光になったレーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようにする集光レンズ４、光ファイバ２とコリメートレンズ３間のレーザ光２５をカバーするハウジング５、光ファイバ２をハウジング５に固定し、光ファイバ２とコリメートレンズ３のレーザ光２５の光軸を正確に合わせるための光ファイバコネクタ６、レーザ加工ヘッド１をロボットに取り付けるためのアーム７、レーザ光２５の光軸１０、コリメートレンズ３と集光レンズ４を収納するレンズハウジング１１、レンズハウジング１１に取り付けられ、下部のブロックをサポートするサポートブロック１２、レーザ光をカバーするカバー１３、サポートブロック１２と下部のブロックを締結し、支持する柱１４、反射ミラーハウシング１５、レーザ光２５を反射して被溶接物の溶接部に照射する反射ミラー１６、反射ミラー１６を反射ミラーハウシング１５に固定する反射ミラー押さえ１７、添加ワイヤ２１を溶接部に導くためのワイヤノズル１８、ワイヤノズル１８を反射ミラーハウシング１５に固定するためのワイヤノズルサポート１９、ワイヤノズル１８先端に取り付けられ、添加ワイヤの狙い位置を固定するためのワイヤチップ２０、溶接部に添加するワイヤ２１、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばす効果と溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル２２、アシストガスノズル２２をサポートブロック１２に固定するためのアシストガスノズルサポート２３、アシストガスノズル２２にアシストガスを供給するアシストガス入口２４、レーザ光２５、溶接部からのフューム、スパッタ等を払い飛ばすための高速エアーを噴射するエアーブローノズル２６、エアーブローノズル２６を反射ミラーハウシング１５に固定するためのエアーブローノズルサポート２７、エアーブローノズル２６にエアーを供給するエアー入口２８、溶接部からのフューム、スパッタ等から光学系を保護する保護ガラス２９、保護ガラス２９を反射ミラーハウシング１５に固定する保護ガラス押さえ３０、反射ミラーハウシング１５に冷却水を供給する冷却水入口３１、冷却水出口３２、光学部品やケーシングを冷却するための乾燥エアーをレーザ光学ヘッド１に供給する乾燥エアー出口３３及び乾燥エアー入口３４などである。
【００３９】
図３および図４において、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１との溶接箇所を溶接するロボット４５がＹＡＧレーザ光とＨｅＮｅレーザを発振するレーザ発振器４３とロボット制御装置４４に接続され、レール４７上を走行する走行台車４６上に載置されている。また、ロボット４５の教示を行うためのペンダントボックス４８、支持台４９、ヘッダ４０を固定するための拘束ジグ５０、ヘッドを固定するための拘束台５１などが設けられている。
【００４０】
また、図７と図８に、それぞれ溶接部へのアシストガスノズル２２からの吹き出し方向とワイヤノズル１８からのワイヤ２１の挿入方向を示す平面図と正面図には、ヘッダ４０へのスタッブチューブ４１の溶接線に対する溶接線接線３５を示す。
【００４１】
図３と図４によりレーザ溶接装置全体の説明をする。
スタッブチューブ４１がヘッダ４０に取り付く側が上を向くように、ヘッダ４０を拘束台５１上に拘束ジグ５０で固定する。スタッブチューブ４１は、ヘッダ４０に１列かあるいは３列で仮付けされて固定されている。スタッブチューブ４１が３列でヘッダ４０に取付く場合は、拘束台５１が傾いて各列のスタッブチューブ４１の溶接線が水平になるようにする場合もある。
【００４２】
ロボット４５は走行台車４６によりヘッダ４０の長手方向に沿って移動する。スタッブチューブ４１の溶接手順としては、スタッブチューブ４１をブロックに分けて溶接を行う。まず走行台車４６が停止し、ロボット４５の稼動範囲内にあるスタッブチューブ４１のブロックをロボット４５が溶接を行う。次に、走行台車４６が移動し、次のブロックのスタッブチューブ４１の溶接を行うことを繰り返して全てのスタッブチューブ４１の溶接を完了させる。ロボットのプログラムの教示作業は、ペンダントボックス４８を使用して行う。
【００４３】
図１と図２にそれぞれ示す本発明の一実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの側面図と正面図により本実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドについて説明をする。
【００４４】
レーザ発振器４３（図３）で発生したＹＡＧレーザ光２５（波長１０６０ｎｍ）は、光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１に導光され、光ファイバ端より広角に出射し、コリメートレンズ３で平行光になり、集光レンズ４でレーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようにする。集光中のレーザ光２５は、反射ミラー１６により４５度の角度で曲げられ、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接部に照射するようにする。これにより、スタッブチューブ４１と平行にレーザ光２５を導光することが可能になる。
【００４５】
光ファイバ２は、ハウジング５に光ファイバコネクタ６で固定されていて、簡単に取り外しができ、また光ファイバ２とコリメートレンズ３のレーザ光２５の光軸が正確に合うようになっている。レーザ加工ヘッド１は内部が密閉構造になっていて、外部から埃や溶接のフュームが入らないようになっている。そして、乾燥エアーをハウジング５の乾燥エアー入口３４より供給し、レーザ加工ヘッド１内を流れて、反射ミラーハウジング１５に取りけられた乾燥エアー出口３３より排出して、光学部品とハウジング５、１５の冷却を行う。反射ミラー１６と保護ガラス２９は、集光中の絞られたレーザ光２５が照射されるため、他の光学部品に比べてレーザ光２５による発熱が大きい、そのため反射ミラーハウジング１５は水冷構造になっている。
【００４６】
溶接部にレーザ光２５が照射されると、照射された金属は急激に高温になり蒸発を始め、溶接部からはプラズマやフュームが発生し、このプラズマやフュームがレーザ光２５を吸収あるいはレーザ光２５を散乱させる。そのためプラズマやフュームを吹き飛ばして、レーザ光２５を効率的に溶接部に照射させるために、アシストガスを溶接部に吹き付ける必要がある。またこのアシストガスは、溶接部のシールドガスとしての役目も果たしている。アシストガスの成分としては、Ｎ２ガスを用いるとブローホール等の溶接欠陥を低減でき、健全な溶接部が得られることが知られている。ワイヤノズル１８は添加ワイヤ２１を溶接部に導き、アシストガスノズル２２はアシストガスを溶接部に吹き付けるため、従来レーザ加工ヘッド１ではワイヤノズル１８と溶接部とアシストガスノズル２２は直列に配置されていた。
【００４７】
ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２の配置について、図５、図６により説明する。
ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２をレーザ光２５の光軸（Ｅ）を挟んで反対側に配置し、かつワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）がスタッブ４１のチューブ４０への溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、
ワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）は前記溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、スタッブ４１の長手方向の軸線（Ｆ）に平行で、前記溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）との間に前記平面（Ｃ）があるように配置する。
【００４８】
上記配置により、ワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）がレーザ光２５の光軸（Ｅ）と溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）との間にあることで、レーザ光２５が溶接点（Ｇ）に入射する角度はエネルギー密度が高く、溶接部深くまで照射できる範囲に保たれと同時に林立するスタッブ４１とヘッダ４０との干渉なしにワイヤノズル１３をスタッブ４１の円周に沿って送給できる。
【００４９】
次に、アシストガスノズル２２からのアシストガスの吹き出し方向と、ワイヤノズル１８からのワイヤ２１の溶接部への挿入方向について、図７と図８により説明する。アシストガスノズル２２からのアシストガスの吹き出し方向は溶接進行方向に、溶接線接線３５に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度の方向で溶接部に噴射するのが良い。また、ワイヤノズル１８からのワイヤ２１の溶接部への挿入方向が溶接進行方向前方から、溶接線接線３５に対して水平方向に対する傾斜角度θＷａが０〜４０度、垂直方向に対する傾斜角度θＷｂが５〜４０度の方向で溶接部に挿入するのが良い。
【００５０】
アシストガスは溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばし、溶接部をシールドするために、溶接部に対して真横あるいは斜めの位置から吹き付けるのが良く、アシストガスノズル２２のガス噴出方向と溶接線接線３５のなす角度を大きくするとアシストガスノズル２２とエアーブローノズル２６あるいは反射ミラーハウジング１５とが干渉することになる。
【００５１】
また、溶接進行方向にはワイヤノズル１８が設置されているため、アシストガスノズル２２は溶接進行方向後方に設置するのが良い。溶接部へのワイヤ２１の挿入角度も溶接部に対して真横あるいは斜めの位置からが良く、ワイヤ２１の挿入方向と溶接線接線３５のなす角度が大きくなると、ワイヤ２１が溶融池に立って入ることになるため、ワイヤ２１の溶融池狙い位置の裕度が狭くなる。また、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接では溶融池が小さいために、ワイヤ２１は溶接進行方向から挿入したほうが良い。以上の条件を満足させることにより、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接を安定して行うことができ、健全な溶接部を得るこことができる。
【００５２】
保護ガラス２９は溶接部の近傍にあるため、溶接部から発生するスパッタやフュームにより汚染されやすい。そのためにエアーブローノズル２６より高速エアーを吹き出し、スパッタやフュームを保護ガラス２９の手前で吹き飛ばす必要がある。但し、保護ガラス２９と溶接部の距離が接近しているため、エアーブローによりアシストガスの吹き付け状態が影響されないようにする必要がある。
【００５３】
エアーブローノズル２６の構造を図９と図１０により説明する。
エアーブローノズル２６はエアーブローノズルサポート２７により反射ミラーハウジング１５に固定されている。エアーブローノズル２６は薄い箱型で、吹き出し口も薄い長方形にすることにより、エアーブローの吹き出しを層流状態にすることができる。そして、高速エアーの吹き出し方向を溶接進行方向に、保護ガラス２９のなす平面に対して高速エアーの吹き出し傾斜角度θＡｂが０〜１５度で、高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラスの中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度となるように高速エアーを噴射することにより、アシストガスへの干渉がなく、高速エアーが対象溶接スタッブチューブ４１と干渉することもなく、溶接部から発生するスパッタやフュームを保護ガラス２９の手前で払い飛ばし保護ガラス２９の汚染を極小にすることができた。
【００５４】
保護ガラス２９とエアーブローノズル２６の距離が近接している場合は、スパッタを完全に吹き飛ばすことができず、保護ガラスを汚染し易いので、高速エアーの吹き出し方向の前記角度θＡｂをゼロ度以上の小さな傾斜角度とすることが良い。但し、前記高速エアーの吹き出し傾斜角度θＡｂを１５度より大きくすると、アシストガスと高速エアーが干渉しアシストガスの流れを乱すので良くない。
【００５５】
【その他の実施例】
本発明の他の実施例を図１１と図１２に示す。図１１は、本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１ａの正面図である。図１２は、図１１とは別の本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１ｂで光ファイバ２を取り外し、撮像装置８を取り付けた状態を示すレーザ加工ヘッド１ｂの正面図である。
【００５６】
図１１および図１２において、ＣＣＤカメラ等の撮像装置８をハウジング５または５ａに固定し、撮像装置８とコリメートレンズ３の光軸を正確に合わせるための撮像装置ハウジング９を設け、レーザ光２５および撮像装置８の光軸１０およびＹＡＧレーザ光とＨｅＮｅレーザ光を反射し、可視光を透過するディフレクタ３６が設けられている。
【００５７】
図１１のレーザ加工ヘッド１ａは、図１３に示す従来型レーザ加工ヘッド１００の光学系の構成と同仕様であり、出射光学系にディフレクタ３６を用い、撮像装置８等の観察光学系を搭載している。当然ながらこの構成でも、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接施工を行うことが可能である。ディフレクタ３６は、コリメートレンズ３と集光レンズ４の有効口径に合わせる必要があり、どうしてもレーザ加工ヘッド１ａを大きくする原因になる。すなわち、レーザ加工ヘッド１ａの大きさは、ディフレクタ３６の大きさに依存している。また、レーザ加工ヘッド１ａ内にディフレクタ３６を設けることにより、このディフレクタ３６での反射によるレーザ光２５のエネルギー損失も発生する。
【００５８】
そこで本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１では、ディフレクタ３６を省略して出射光学系をレーザ加工に最低必要な構成とし、観察光学系も取り外した構成にした。
【００５９】
レーザ発振器４３には低出力の位置決め用可視光レーザ出力源が設けてあり、可視光の赤色のＨｅＮｅレーザ（波長６３２ｎｍ）が、ＹＡＧレーザ光と同様に光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１に導光され、レーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようになっている。
【００６０】
次に、図１２によりロボットの正確な教示を行うための観察光学系を取り付けた状態を説明する。図２に示す光ファイバ２と光ファイバコネクタ６をレーザ加工ヘッド１ｂより取り外し、撮像装置８を撮像装置ハウジング９によりレーザ加工ヘッド１ｂに取り付ける。これにより、加工に先立ちロボットの正確な教示を行うことが可能になる。撮像装置ハウジング９はレーザ加工ヘッド１ｂに簡単に取り外しができるようになっていて、また撮像装置８とコリメートレンズ３の光軸が正確に合うようになっている。撮像装置８で撮影された画像は図示されていないモニタテレビに映し出され、被加工物の表面状態を観察できるようになっている。これらのモニタテレビには、電子ライン発生器によりクロスターゲットを発生させることも可能であり、被加工材へのレーザスポット光の照射位置を正確に合わせることが可能である。
【００６１】
以上の構成において、レーザ加工ヘッド１ｂの加工狙い位置および姿勢をロボットに教示する手順について説明する。
まず、図２に示す構成において、ＹＡＧレーザ発振器を停止させ、赤色の可視光を出すＨｅＮｅレーザからなる位置決め用レーザ出力源を作動させ、位置決め用レーザビームを出射させる。オペレータはロボットのペンダントボックス４８を使用して、ロボット４５の先端に取り付けられたレーザ加工ヘッド１ｂを被加工物の教示位置に移動させ、この赤色の位置決め用レーザビームのスポットにより、レーザ加工ヘッド１ｂの大体の狙い位置と作業姿勢を決めて、ロボット制御装置４４に登録する。被加工物の加工線に沿って、この操作を繰り返して概略の教示作業を行う。
【００６２】
次に、さらに正確な狙い位置と作業姿勢を教示するために、位置決め用可視光レーザ源の作動を停止させ、光ファイバ２と光ファイバコネクタ６をレーザ加工ヘッド１ｂより外して、図１２に示すように、撮像装置８と撮像装置ハウジング９をレーザ加工ヘッド１ｂに取り付け、撮像装置８を作動させて、この撮像装置８で捕らえた被加工物の映像をテレビモニタなどの視覚装置に表示させる。このとき被加工物の映像を鮮明にするため、外部より被加工物を照明する必要がある。オペレータは、先ほどの概略の教示作業により登録した位置にレーザ加工ヘッド１ｂを移動させ、この視覚装置に表示された映像を見ながら正確な位置決めを実施する。そして、その時の位置と姿勢とを、ロボット制御装置４４に再登録して教示する。このようにして先ほど行った概略の教示点を全て修正し、正確な位置決めを実施し、教示した内容の加工または作業をロボット４５に再実施させることが可能となる。レーザ加工を行うために、撮像装置８と撮像装置ハウジング９をレーザ加工ヘッド１ｂより取り外し、光ファイバ２と光ファイバコネクタ６をレーザ加工ヘッド１ｂに取り付けて図２の状態に戻す。
【００６３】
本発明の上記各実施例によりレーザ加工中は、レーザ加工ヘッド１の小型、軽量化が図れ、可搬重量の小さいロボットに適用することができ、加工位置が狭隘な被加工物にも適用可能になり適用範囲を広げることができる。
【００６４】
また、本発明の上記実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドによれば、従来アーク溶接で施工していたヘッダの片側に密集したスタッブチューブの溶接をレーザ溶接により実施できるので、アーク溶接に比べて溶接時間とヘッダの曲り変形量をおよそ半分以下にすることができ、ヘッダの曲り修正作業が省略できる。また、レーザ溶接でもスパッタは発生するが、アーク溶接に比べてスパッタの粒が非常に小さく、量的にも少ないためにヘッダに付着したスパッタはエアーブローなどの簡単な処置で除去することができる。このように上記実施例によれば、レーザ溶接を適用することにより大幅な作業時間の短縮を図ることができる。
【００６５】
そして、本発明の上記実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１は、従来のレーザ加工ヘッド１００のディフレクタ３６を無くした（図１１に示す実施例を除く）ので、レーザ光２５のディフレクタ３６での損失をなくすことができ、また、加工装置が複数台ある場合は、撮像装置８を兼用することができ、設備費を抑えることができ、さらに、加工中は撮像装置８等の余分な部品を外しているため、レーザ加工ヘッド１と被加工物の干渉による故障等が減りメンテナンス性を向上させることができる。
【００６６】
また、本発明の上記実施例によるスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１によれば、レーザ加工ヘッド１の小型、軽量化が図れ、可搬重量の小さいロボットに適用することができる。そして、従来レーザ加工ヘッドに対してレーザ光の光路にディフレクタ３６等の光学部品を削減できるため、レーザ光の光学部品での損失を少なくすることができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、ボイラヘッダ等に仮り付けされたスタッブチューブを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド及びこれを用いたボイラヘッダの製作方法を提供するができる。
【００６８】
また、本発明によれば、レーザ加工ヘッドの小型、軽量化が図れ、可搬重量の小さいロボットに適用できるため、溶接対象スタッブチューブ周辺に他のスタッブチューブあるいは障害物があるような狭隘部の溶接が可能なレーザ加工ヘッドを提供でき、このレーザ加工ヘッドを使用してボイラヘッダのスタッブチューブを溶接すると高能率で低入熱溶接が可能でヘッダの溶接変形が少なくなり、曲り修正作業が無くなってスパッタやスラグの除去作業も無くなる。
【００６９】
さらに、本発明によれば、ロボット教示作業は従来通りに行えて、加工時には加工に必要な出射光学系のみとする、小型、軽量なレーザ加工ヘッドを提供することができる。
【００７０】
より具体的には、ワイヤノズルの長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズルの長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）がレーザ光の光軸（Ｅ）と溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）との間にあることで、レーザ光が溶接点（Ｇ）に入射する角度はエネルギー密度が高く、溶接部深くまで照射できる範囲に保たれと同時に林立するスタッブとヘッダとの干渉なしにワイヤノズルをスタッブの円周に沿って送給できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの側面図である。
【図２】本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの正面図である。
【図３】本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す平面図である。
【図４】本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す正面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ線切断断面図である。
【図６】スタッブのヘッドへの溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向とレーザ光との配置関係を示す図である。
【図７】溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す平面図である。
【図８】溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す正面図である。
【図９】図１のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ線切断断面図である。
【図１１】本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの正面図である。
【図１２】本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドで光ファイバを取り外し、撮像装置を取り付けた状態を示すレーザ加工ヘッドの正面図である。
【図１３】従来のレーザ加工ヘッドの構造を示す概略構成図である。
【図１４】管群を説明する斜視図である。
【符号の名称】
１、１ａ、１ｂ  レーザ加工ヘッド
２  光ファイバ
３  コリメートレンズ
４  集光レンズ
５、５ａ、５ｂ  ハウジング
６  光ファイバコネクタ
７  アーム
８  撮像装置
９  撮像装置ハウジング
１０  レーザ光および撮像装置の光軸
１１  レンズハウジング
１２  サポートブロック
１３  カバー
１４  柱
１５  反射ミラーハウジング
１６  反射ミラー
１７  反射ミラー押さえ
１８  ワイヤノズル
１９  ワイヤノズルサポート
２０  ワイヤチップ
２１  ワイヤ
２２  アシストガスノズル
２３  アシストガスノズルサポート
２４  アシストガス入口
２５  レーザ光
２６  エアーブローノズル
２７  エアーブローノズルサポート
２８  エアー入口
２９  保護ガラス
３０  保護ガラス押さえ
３１  冷却水入口
３２  冷却水出口
３３  乾燥エアー出口
３４  乾燥エアー入口
３５  溶接線接線
３６  ディフレクタ
４０  ヘッダ
４１  スタッブチューブ
４２  フィンチューブ
４３  レーザ発振器
４４  ロボット制御装置
４５  ロボット
４６  走行台車
４７  レール
４８  ペンダントボックス
４９  支持台
５０  拘束ジグ
５１  拘束台
１００  レーザ加工ヘッド
【図１】
2004255410.tif 000003
【図２】
2004255410.tif 000004
【図３】
2004255410.tif 000005
【図４】
2004255410.tif 000006
【図５】
2004255410.tif 000007
【図６】
2004255410.tif 000008
【図７】
2004255410.tif 000009
【図８】
2004255410.tif 000010
【図９】
2004255410.tif 000011
【図１０】
2004255410.tif 000012
【図１１】
2004255410.tif 000013
【図１２】
2004255410.tif 000014
【図１３】
2004255410.tif 000015
【図１４】
2004255410.tif 000016