(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生させる発振器と、
前記発振器で発生したレーザ光を伝送する伝送機構と、
前記伝送機構を通じて伝送されたレーザ光を溶接箇所へ照射する照射機構と、
溶接材料を前記溶接箇所へ供給する供給機構と、
溶接後の溶接材料の形状を計測する形状計測機構と、
前記溶接後の溶接材料の健全性を検査するための検査機構と、
前記形状計測機構による計測結果に基づいて、前記検査機構の位置、ならびに、前記供給機構による前記溶接材料の供給状態および前記レーザ光の照射状態の少なくともいずれかを制御する制御部と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
レーザ光を発生させる発振器と、
前記発振器で発生したレーザ光を伝送する伝送機構と、
前記伝送機構を通じて伝送されたレーザ光を溶接箇所へ照射する照射機構と、
溶接材料を前記溶接箇所へ供給する供給機構と、
溶接後の溶接材料の形状を計測する形状計測機構と、
前記溶接後の溶接材料の健全性を検査するための検査機構と、
前記形状計測機構による計測結果に基づいて前記検査機構の位置を制御するとともに、前記形状計測機構による計測結果に基づいて、前記検査機構によって得られる検査信号から、前記溶接後の溶接材料の表面形状により発生するノイズ信号を除去する制御部と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記溶接材料が前記溶接箇所に供給される前に、前記溶接材料を予備加熱する加熱機構を具備したことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記検査機構が、渦電流探傷センサーを具備したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記渦電流探傷センサーに対して矩形電流を供給して、前記溶接後の溶接材料の内部に生じる渦電流の減衰速度を計測し、予め求めた前記溶接後の溶接材料の厚さと前記渦電流の減衰係数との関係から、前記溶接後の溶接材料の厚みを求めることを特徴とする請求項４記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
レーザ光を発生させる発振器と、
前記発振器で発生したレーザ光を伝送する伝送機構と、
前記伝送機構を通じて伝送されたレーザ光を溶接箇所へ照射する照射機構と、
溶接材料を前記溶接箇所へ供給する供給機構と、
溶接後の溶接材料の形状を計測する形状計測機構と、
前記溶接後の溶接材料の健全性を検査するための渦電流探傷センサーと、
前記形状計測機構による計測結果に基づいて前記渦電流探傷センサーの位置を制御するとともに、前記渦電流探傷センサーに対して矩形電流を供給して前記溶接後の溶接材料の内部に生じる渦電流の減衰速度を計測し、予め求めた前記溶接後の溶接材料の厚さと前記渦電流の減衰係数との関係から求められた前記溶接後の溶接材料の厚みから、多層に溶接した後の前記溶接後の溶接材料の形状を平坦化するように、２層目以降の前記溶接材料の供給量と供給位置を調整する制御部と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項７】
溶接部にレーザ光を照射して加熱する工程と、
溶接材料供給機構により、加熱した前記溶接部に溶接材料を供給して前記溶接材料を溶融させて溶接する工程と、
形状測定機構により、溶接後の溶接材料の形状を計測する工程と、
前記形状測定機構による形状測定結果に基づいて、検査機構の位置、ならびに、前記溶接材料供給機構による前記溶接材料の供給状態および前記レーザ光の照射状態の少なくともいずれかを調整する工程と、
位置を調整した前記検査機構によって、前記溶接後の溶接材料の健全性を検査する工程と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項８】
溶接部にレーザ光を照射して加熱する工程と、
溶接材料供給機構により、加熱した前記溶接部に溶接材料を供給して前記溶接材料を溶融させて溶接する工程と、
形状測定機構により、溶接後の溶接材料の形状を計測する工程と、
前記形状測定機構による形状測定結果に基づいて、検査機構の位置を調整する工程と、
位置を調整した前記検査機構によって、前記溶接後の溶接材料の健全性を検査する工程と、
前記形状計測機構による形状計測結果に基づいて、前記検査機構によって得られる検査信号から、前記溶接後の溶接材料の表面形状により発生するノイズ信号を除去する工程と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】
溶接部にレーザ光を照射して加熱する工程と、
溶接材料供給機構により、加熱した前記溶接部に溶接材料を供給して前記溶接材料を溶融させて溶接する工程と、
形状測定機構により、溶接後の溶接材料の形状を計測する工程と、
前記形状測定機構による形状測定結果に基づいて、渦電流探傷センサーの位置を調整する工程と、
位置を調整した前記渦電流探傷センサーによって、前記溶接後の溶接材料の健全性を検査する工程と、
前記渦電流探傷センサーに対して矩形電流を供給して前記溶接後の溶接材料の内部に生じる渦電流の減衰速度を計測する工程と、
予め求めた前記溶接後の溶接材料の厚さと前記渦電流の減衰係数との関係から求められた前記溶接後の溶接材料の厚みから、多層に溶接した後の前記溶接後の溶接材料の形状を平坦化するように、２層目以降の前記溶接材料の供給量と供給位置を調整する工程と、
を具備したことを特徴とするレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、原子力プラントの炉内構造物や機器等は、長期間使用すると応力腐食割れなどの欠陥が発生する可能性がある。欠陥が発生した場合には、その構造物全体を交換するか、あるいは補助金具を取り付けるなどの処置が施されている。
【０００３】
また、蒸気弁の弁座肉盛施工部分の欠陥補修方法として、レーザ溶接により補修を行う方法が提案されている。この方法では、蒸気弁の弁座肉盛施工部分の欠陥部に溶接材料（ろう）を設けるとともに、欠陥部が不活性ガス雰囲気となるようにシールド板を設け、欠陥部近傍に不活性ガスを吹き付けながらレーザ光を照射して加熱することで溶接材料を欠陥部に浸透させる拡散ろう付けを行う。
【０００４】
上記の拡散ろう付けによる欠陥補修方法では、補修部に溶接材料を設ける置きろうに相当するステップがある。しかしながら、例えば原子炉内の欠陥補修においては、置きろうに相当する当該ステップは望ましくない。
【０００５】
また、原子炉内構造物の補修をレーザ溶接によって行う場合は、補修後に溶接部の健全性を検査する必要がある。検査手法としては超音波探傷検査、渦電流探傷検査などが用いられるが、溶接部の表面を加工した後検査を行うため、溶接部に異常が検知された場合は再施工となり、工期長期化の要因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２８４０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したとおり、従来の技術では、レーザ溶接による欠陥補修に時間を要し、その工期が長期化する傾向にあるという問題があった。また、置きろうではなく、差しろうによりレーザ溶接を行う場合、溶接状態を良好な状態に保つことが難しいという問題もあった。
【０００８】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、工期を短縮することができるレーザ溶接装置及びレーザ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】
【０００９】
本発明のレーザ溶接装置の一態様は、レーザ光を発生させる発振器と、前記発振器で発生したレーザ光を伝送する伝送機構と、前記伝送機構を通じて伝送されたレーザ光を溶接箇所へ照射する照射機構と、溶接材料を前記溶接箇所へ供給する供給機構と、溶接後の溶接材料の形状を計測する形状計測機構と、前記溶接後の溶接材料の健全性を検査するための検査機構と、前記形状計測機構による計測結果に基づいて、前記検査機構の位置、ならびに、前記供給機構による前記溶接材料の供給状態および前記レーザ光の照射状態の少なくともいずれかを制御する制御部と、を具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明のレーザ溶接方法の一態様は、溶接部にレーザ光を照射して加熱する工程と、溶接材料供給機構により、加熱した前記溶接部に溶接材料を供給して前記溶接材料を溶融させて溶接する工程と、形状測定機構により、溶接後の溶接材料の形状を計測する工程と、前記形状測定機構による形状測定結果に基づいて、検査機構の位置、ならびに、前記溶接材料供給機構による前記溶接材料の供給状態および前記レーザ光の照射状態の少なくともいずれかを調整する工程と、位置を調整した前記検査機構によって、前記溶接後の溶接材料の健全性を検査する工程と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、工期を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す図。
【図２】形状計測機構の一例の構成を示す図。
【図３】レーザ光のエネルギー分布の例を示す図。
【図４】溶接を行う工程を示すフロー図。
【図５】渦電流探傷によって得られる検出信号の例を説明するための図。
【図６】矩形波駆動の渦電流探傷センサーの検出信号の例を説明するための図。
【図７】減衰係数と厚みの関係を説明するための図。
【図８】補修材の形状をより平坦にする方法を説明するための図。
【図９】遠隔操作によって欠陥補修を行う場合を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置１００の概略構成を模式的に示すものである。金属部材からなる補修対象１０１に発生した欠陥（き裂）１０２に対して、欠陥１０２の進展を防止するためには、周囲環境と遮断することが有効である。図１に示す実施形態では、環境遮断の方法として、レーザ溶接装置１００により、欠陥１０２に対して肉盛溶接を行う場合を示している。
【００１４】
レーザ溶接装置１００は、レーザ光１０４を発生させるための発振器１０３と、レーザ光１０４を伝送するための伝送機構１０５と、補修部位に配設される照射ヘッド１３０とを具備している。照射ヘッド１３０は筐体１３１を具備しており、筐体１３１の下方には、図1中下側が開口された容器状の構造物からなり、補修部位及びその周辺を外部から隔離するための環境遮蔽機構１１８が配設されている。
【００１５】
筐体１３１及び環境遮蔽機構１１８内には、伝送機構１０５によって伝送されたレーザ光１０４を、溶接部位に照射するための照射機構１０６と、溶接部位に溶接材料（補修材）１１２を供給するための供給機構１１３と、溶接部位に肉盛溶接した溶接後の溶接材料（溶接ビード）１１６の形状を計測するための形状計測機構１１０が配設されている。また、筐体１３１の外側の側方（図１中左側）には、固定アーム１２１によって支持された検査機構１１７が配設されている。検査機構１１７は、溶接後の溶接材料１１６のブローホールや融合不良などの異常を検出するためのものである。
【００１６】
また、レーザ溶接装置１００は、コンピュータ等からなる制御部１５０を具備している。そして、制御部１５０は、発振器１０３、照射機構１０６、形状計測機構１１０、供給機構１１３、検査機構１１７などの動作（レーザ溶接装置１００の全体の動作）を統括的に制御するとともに、形状計測機構１１０からの検出信号、検査機構１１７からの検出信号が入力されるようになっている。
【００１７】
上記伝送機構１０５としては、例えば、光ファイバなどを用いることができる。発振器１０３から発生したレーザ光１０４は伝送機構１０５を通って照射機構１０６へと伝送される。照射機構１０６の内部において、レーザ光１０４は，集光レンズ１０７を通った後、分岐レンズ１０８によって、溶接箇所へ照射される溶接レーザ光１０９と形状計測機構１１０へ送られる形状計測レーザ光１１１とに分けられる。
【００１８】
溶接材料１１２は、供給機構１１３によって溶接部位へと供給される。本実施形態において、溶接材料１１２はワイヤ状であり、ワイヤ供給源１１４にリール状に巻かれている。ワイヤ状の溶接材料１１２は、モータ駆動などの動力源（図示せず。）により、ワイヤ供給源１１４から、筒状の溶接材料加熱機構１１５を通って溶接箇所へと供給される。溶接材料加熱機構１１５は、図示しない加熱手段を具備しており、溶接材料１１２は、溶接材料加熱機構１１５を通る過程で所定の温度へと昇温された状態で溶接箇所へと供給される。加熱機構としては、通電によるジュール熱加熱、レーザ加熱、誘導加熱などを用いることができる。
【００１９】
供給機構１１３の内部において、ワイヤ供給源１１４は、図示しない駆動機構によってｘｙｚ方向へ移動可能とされており、溶接材料加熱機構１１５は、図示しない駆動機構によってθ方向に回動可能とされている。これによって、供給機構１１３では、溶接材料１１２の供給位置を所望の位置に調節できるようになっている。
【００２０】
本実施形態では、形状計測機構１１０がレーザ変位計によって構成されており、計測媒体に、レーザ光を用いる。分岐レンズ１０８にて、溶接レーザ光１０９と分岐された形状計測レーザ光１１１は、形状計測機構１１０の内部を通って、溶接後の溶接材料１１６に照射される。そして、その反射光を形状計測機構１１０で検出することによって、溶接後の溶接材料１１６の高さを検知する。なお、形状計測機構１１０は、溶接後の溶接材料１１６の中央部分の１点の測定を行う構成としてもよく、図１中ｙ方向（溶接ビードの幅方向）の複数点における計測を行う構成としてもよい。複数点における計測を行う構成とした場合、溶接材料がｙ方向において偏在したような場合、その偏在した状態を検出することができる。
【００２１】
形状計測機構１１０は、上記したレーザ変位計に限らず、溶接後の溶接材料（溶接ビード）１１６の形状を計測可能なものであれば、他のセンサーも用いることができる。図２に形状計測機構１１０として、接触式センサーを用いた場合の構成例を示す。この場合、接触子２０１が溶接後の溶接材料１１６に直接接触することで溶接後の溶接材料１１６の形状を計測する。例えば、接触子２０１の表面を接触点感知センサーとすることで溶接後の溶接材料１１６との接触点を求める。接触子２０１が溶接後の溶接材料１１６との接触で破損しないように、緩衝機構２０２を設ける。この緩衝機構２０２がθ方向に回転することで接触子２０１が破損するのを防ぐ。また、シリンダー２０３は接触センサー支持機構２０４のz方向の変位を吸収する。最終的に溶接後の溶接材料１１６の形状は、シリンダー２０３のz方向吸収量、接触センサー支持機構２０４の全長、緩衝機構２０２の吸収角θ、接触子２０１の接触点座標から算出される。
【００２２】
形状計測機構１１０によって計測された溶接後の溶接材料１１６の形状が、予め定められた溶接後の溶接材料１１６の基準形状と、許容範囲を超えて相違する場合、制御部１５０は、溶接後の溶接材料１１６の形状が基準形状となるように、溶接レーザ光１０９の照射状態、溶接材料１１２の供給状態の少なくともいずれか一方を調整する。溶接レーザ光１０９の照射状態の調整は、レーザ光１０４の出力の変更や、分岐レンズ１０８から溶接箇所までの距離であるワークディスタンスなどを変更することによって行う。また、溶接材料１１２の供給状態の調整は、供給機構１１３による溶接材料１１２の供給量、加熱温度、供給角度、供給位置等を変更することによって行う。これによって、差しろうによって行う溶接においても、溶接状態を良好な状態に保つことができる。
【００２３】
本実施形態のレーザ溶接装置１００は、前述したとおり、溶接箇所周辺の雰囲気を周囲から遮蔽する環境遮蔽機構１１８を有する。環境遮蔽機構１１８には、内部に酸化防止のための不活性ガス１１９等を供給するためのガス供給機構１３３が設けられており、環境遮蔽機構１１８の内部を不活性ガス１１９雰囲気とすることができる。環境遮蔽機構１１８の内部に導入された不活性ガス１１９は、環境遮蔽機構１１８と補修対象１０１との隙間１２０から外部へと放出され、環境遮蔽機構１１８内部に水や外気が浸入することを防止できるようになっている。
【００２４】
レーザ光１０４は、図３（ｂ）に示すように、エネルギー分布が均一なレーザ光（トップハット型のレーザ光）を用いることが望ましい。これによって溶接箇所のある一点にエネルギーが集中して過熱する、あるいは低エネルギー部位が生じて加熱が不十分になることを抑制することができる。さらに、予め溶接材料１１２を加熱することで、溶接レーザ光１０９によって加熱された溶接箇所に均一に溶接材料１１２が広がる効果が得られる。従って図３（ａ）に示すようなガウス分布レーザ光を用いる場合と比較すると、同じ発振出力でより幅の広い肉盛溶接を行うことができる。この場合、発振器１０３として、ダイレクトダイオードレーザを用いることができる
【００２５】
検査機構１１７は、溶接後の溶接材料１１６にブローホールや融合不良などが発生した場合の異常検知（健全性検査）に用いる。本実施形態では、検査機構１１７のセンサーとして、渦電流探傷センサー１２３を用いた場合の例を示している。渦電流探傷センサー１２３によって検査行う場合、渦電流探傷センサー１２３を溶接後の溶接材料１１６に近接して配置する必要がある。このため、渦電流探傷センサー１２３を、可動アーム１２２などに把持させた状態で検査を行う。
【００２６】
本実施形態において、渦電流探傷センサー１２３による検査を行う際、形状計測機構１１０によって計測された溶接後の溶接材料１１６の形状に基づいて、可動アーム１２２の駆動を制御することによって渦電流探傷センサー１２３の位置を調節する。これによって、渦電流探傷センサー１２３と溶接後の溶接材料１１６との接触による破損を防ぐとともに、検査面に対して渦電流探傷センサー１２３を略垂直に配置して、精度の良い検査を行うことができる。
【００２７】
図４のフロー図に、本実施形態におけるレーザ溶接工程を示す。図４に示すように、先ず溶接を施工し（工程６０１）、この後、形状計測機構１１０によって溶接後の溶接材料１１６の形状を測定する（工程６０２）。そして、この形状測定結果に基づいて検査機構１１７の位置を調整し（工程６０３）、溶接後の溶接材料１１６の健全性を検査する（工程６０４）。
【００２８】
上記の健全性検査の結果、溶接後の溶接材料１１６が健全であれば、処理を終了する。一方、ブローホールや融合不良などの異常が見出され、溶接後の溶接材料１１６が健全でない場合は、溶接を再施行する（工程６０５，６０６）。そして、溶接を再施行した場合は、上記工程６０２からの工程を繰り返して行う。
【００２９】
ここで、渦電流探傷センサー１２３の検査結果には、縦軸を検出電圧、横軸を時間とした図５（ａ）のグラフに示すように、溶接後の溶接材料１１６の表面形状からのノイズ４０１が発生する可能性が想定される。溶接後の溶接材料１１６の内部の異常による信号４０２を簡便に判断する方法として、信号に閾値４０３を設けて、閾値４０３を超えたものを異常と判断する方法が挙げられる。
【００３０】
しかしながら、図５（ａ）に示すように、溶接後の溶接材料１１６の表面形状によるノイズ４０１が閾値を超える場合は、異常の誤判定につながる。そこで、形状計測機構１１０により計測した溶接後の溶接材料１１６の形状から、渦電流探傷によって発生するノイズ４０１を予め予測して検出信号からノイズを除去する。これによって、縦軸を検出電圧、横軸を時間とした図５（ｂ）のグラフに示すように異常による信号４０４を容易に判定可能な検出信号を得ることができる。
【００３１】
さらに、通常正弦波で駆動する渦電流探傷センサー１２３を矩形の電流（例えば、矩形のパルス電流）で駆動することで、溶接後の溶接材料１１６の内部に過渡的に減衰する渦電流が発生する。この過渡的な渦電流の減衰速度は渦電流が発生する金属の厚みによって決まる。すなわち、縦軸を検出電圧、横軸を時間とした図６のグラフに示すように金属の厚みが増すにつれ減衰が遅くなる。したがって、縦軸を減衰係数、横軸を厚みとした図７のグラフに示すように、減衰曲線５０１の減衰係数と溶接後の溶接材料１１６の厚みとの関係を求めておき、渦電流探傷センサー１２３によって渦電流の減衰時間を検出することで、溶接後の溶接材料１１６の厚みを求めることが可能である。
【００３２】
また、通常駆動の正弦波の周波数と矩形波の基本波の奇数倍高調波成分の周波数を異なる値にすることで、信号検出時の混信を避けることが可能であるため、１つの渦電流探傷センサー１２３で、溶接後の溶接材料１１６内部の異常検知と、その厚みの計測が可能である。
【００３３】
以上のとおり、本実施形態では、検査機構１１７を用いることで、溶接を実施した後、早い段階で溶接状態の不備を検出することができ、再溶接を行うことができるので、後戻り工程を大幅に削減することができる。また、形状計測機構１１０によって溶接後の溶接材料１１６の形状を測定し、検査機構１１７の位置を調整して検査を行うので、精度良く検査を実施することができる。
【００３４】
溶接後の溶接材料１１６の内部に異常が検知されなかった場合、多層に溶接を行う場合は、次に２層目以降の溶接を行う。この場合、１層目の溶接後の溶接材料１１６ａにおける形状計測結果と厚みの計測結果から、２層目以降における溶接材料１１２の供給量と供給位置を、例えば図８に示す２層目の溶接後の溶接材料１１６ｂとなるように調整することで、多層に溶接を行った後の形状を平坦化することができる。すなわち、１層目の溶接後の溶接材料１１６ａの間に溶接材料１１２を供給し、かつ、溶接材料１１２の供給量を、２層目の溶接後の溶接材料１１６ｂの高さが１層目の溶接後の溶接材料１１６ａの高さを超えないように調整する。
【００３５】
本実施形態のレーザ溶接装置１００において、照射機構１０６、供給機構１１３、形状計測機構１１０、検査機構１１７、環境遮蔽機構１１８は図示しない走査機構に把持され、補修対象１０１の補修箇所周辺を走査する。従って図９に示すように、発振器１０３から離れた補修対象１０１に対しても遠隔で補修を行うことができる。
【００３６】
以上のとおり、本実施形態によれば、欠陥補修等に要する時間を短縮することができ工期を短縮することができるとともに、溶接状態を良好な状態に保つことができる。
【００３７】
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】
【００３８】
１００……レーザ溶接装置、１０１……補修対象、１０２……欠陥、１０３……レーザ発振器、１０４……レーザ光、１０５……レーザ光伝送機構、１０６……照射機構、１０７……集光レンズ、１０８……分岐レンズ、１０９……溶接レーザ光、１１０……形状計測機構、１１１……形状計測レーザ光、１１２……溶接材料（補修材）、１１３……供給機構、１１４……ワイヤ供給源、１１５……溶接材料加熱機構、１１６……溶接後の溶接材料（溶接ビード）、１１７……検査機構、１１８……環境遮蔽機構、１１９……不活性ガス、１２０……隙間、１２１……固定アーム、１２２……可動アーム、１２３……渦電流探傷センサー、１３０……照射ヘッド、１３１……筐体、１３３……ガス供給機構、１５０……制御部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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