(57)【要約】【課題】  水中において開先形状が計測でき、かつ狭隘部に対応できる水中溶接装置を提供すること。【解決手段】  溶接ワイヤ供給系ならびにレーザ光を集光する光学系を有する溶接ヘッドを備え、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続されて水中において構造物の被溶接部２３を溶接する水中溶接装置において、被溶接部２３に当接して該被溶接部２３の表面形状に応じて変位するスピンドル１２と、スピンドル１２の変位量を測定する位置計測器１４と、スピンドル１２の変位を位置計測器１４に伝達するリンク１３とを有し、溶接ヘッドの先端と被溶接部２３との間のギャップを計測するギャップセンシング機構１８を備える構成とした。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤの供給系ならびにレーザ光を集光する光学系を有する溶接ヘッドを備え、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続されて水中において構造物の被溶接部を溶接する水中溶接装置において、
前記被溶接部に当接して該被溶接部の表面形状に応じて変位するスピンドルと、前記スピンドルの変位量を測定する位置計測器と、前記スピンドルの変位量を前記位置計測器に伝達するリンクとを有し、前記溶接ヘッドと前記被溶接部との間のギャップを計測するギャップセンシング機構をそなえ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において、
前記ギャップセンシング機構は、前記スピンドルを引き上げるための駆動装置をさらに有することを特徴とする水中溶接装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の水中溶接装置において、
前記ギャップセンシング機構と、屈曲性のある部材により構成され、前記被溶接部を囲い込むシールドカバーとをそなえたことを特徴とする水中溶接装置。
【請求項４】
溶接ワイヤの供給系ならびにレーザ光を集光する光学系を有する溶接ヘッドを備え、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続されて水中において構造物の被溶接部を溶接する水中溶接方法において、
前記溶接ヘッドと前記被溶接部との間のギャップを計測することを特徴とする水中溶接方法。
【請求項５】
請求項４記載の水中溶接方法において、
前記被溶接部の周囲にシールドガスを充満させるようにしたことを特徴とする水中溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中溶接装置および水中溶接方法に係り、とくに水中構造物などに亀裂が発生したとき、亀裂を除去した開先部にレーザ光を照射して開先肉盛溶接を行う水中溶接装置および水中溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば原子炉の炉内水中構造物などの部材に亀裂が発生した場合は、その部材全体を交換するか、あるいは亀裂発生部材に補強金具を設置して補修することが行われている。
【０００３】
他方、グラインダや放電加工などによって亀裂を完全除去した後の開先部に肉盛溶接（以下、開先肉盛溶接と称す）を行う方法もある。この開先肉盛溶接を実施するに当っては、溶接ヘッド先端と開先部の間のギャップを一定にして溶接を行う必要があるため、遠隔操作で溶接を行うことを考えると、ギャップを計測することが不可欠である。また、原子炉の炉内水中構造物は複雑に入り組んで構成されていることが多いため、狭隘な環境に対応させることも必要である。
【０００４】
このような加工を行う第１の例として、特許文献１に示した水中溶接を行う水中加工装置が知られており、図８は、その構成を示す断面図である。
【０００５】
図８に示すように、水中環境下にある被溶接材４０を溶接する場合、レーザ発振器１は大気中に設置され、溶接ヘッド本体３が水中に設置される。溶接ヘッド３の内部および溶接部２３の近傍は、水７と接触しないようにシールドガス２２で局部的に水７が排除されている。また、加工状態をモニタリングするため、ＣＣＤカメラ（光学的監視装置）４１が設けられている。
【０００６】
被溶接材４０が平坦な面を持つ場合には、このような構造の溶接ヘッド３でも水中溶接が可能である。ただし、溶接ヘッド先端と開先部との間のギャップを計測することなしに開先肉盛溶接を行うことは困難である。
【０００７】
また、第２の例として、特許文献２に示す水中溶接装置が知られており、図９は、その構成を示す断面図である。
【０００８】
図９に示すように、水中の壁面に吸着しながら移動する水中移動台車に溶接ヘッド３を取りつけ、ＣＣＤカメラ４１で壁面（被溶接材４０）の溶接部位あるいは装置全体の移動方向をモニタリングする。そのデータを基に３次元位置決め機構４３によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸を制御し、溶接ヘッド３を位置決めする。ギャップセンシング方法は不明であるが、位置決めはＣＣＤカメラを利用したシステムで行うため、第１の例と同様の問題がある。
【０００９】
また、第３の例として、特許文献３に示す水中溶接ノズルが知られており、図１０は、その構成を示す断面図である。
【００１０】
図１０に示すように、溶接部２３の近傍をシールド壁（シールドカバー１９）で覆い、その中にシールドガス２２を満たした上で、シールド壁の外周にスカート状にカーテン水４４を噴出しながら、水中溶接を行う。また、溶接ヘッド上部に設けたＣＣＤカメラ４１により溶接状態を観察できるようにした。この例では、ギャップセンシング方法は提案していない。
【００１１】
水中溶接装置に関する上記の従来技術では、開先部のギャップセンシングは提案されていない。一方、開先部のギャップセンシング方法として、気中溶接では以下の提案がある。
【００１２】
その第１の例として、特許文献４に示す溶接自動倣い制御装置が知られており、図１１は、その溶接自動倣い制御装置を備えた自動溶接装置の概略構成図である。
【００１３】
図１１は、スリット投光器４５を利用した変位計の代表例として示す。スリット状の光を溶接線４６付近に照射し、この反射光をカメラ４１で捉え、画像処理装置４７により光の曲がり具合を解析することにより、溶接線４６付近の形状（ここでは隅肉継手）を計測する。亀裂除去後の開先部でも同様にその形状を計測することができると考えられる。しかし、水中では光が揺らぐため、開先形状の計測が正確にできないという問題がある。
【００１４】
また、第２の例として、特許文献５に示す溶接装置が知られており、図１２は、その説明図である。
【００１５】
図１２に示すように、この装置は、自動溶接において溶接位置を補正するためのもので、溶接トーチ４８を溶接位置に移動した後、エアシリンダ５０によりセンサーの触針４９を突き出した状態で、触針４９をＸ方向に移動し、溶接線４６に接触させ、Ｘ方向の溶接位置を検出する。溶接位置を検出した後は、センサーの触針４９をエアシリンダ５０により後退させる。この場合、電気信号を扱う触針４８の漏電が懸念されるため水中では使用することができない点が問題である。
【００１６】
また、第３の例として、特許文献６に示す溶接開先形状計測方法が知られており、図１３は、溶接開先形状計測方法の概略断面図である。
【００１７】
図１３に示すように、開先内の開先断面横方向（Ｙ方向）にタッチセンサ４８を移動させながら、所定のピッチ毎にタッチセンサ５１を下ろして開先側壁１１にタッチさせ、そのときタッチセンサ５１の上下方向移動量を計測して開先形状を求めることができる。水中において開先形状を求める点では問題がないが、タッチセンサ５１のサイズを考えると、溶接ヘッドの高さが大きくなる欠点がある。
【特許文献１】特許第3006370号
【特許文献２】特開平11-216586号公報
【特許文献３】特開2003-88959号公報
【特許文献４】特開2003-48070号公報
【特許文献５】特開平10-29063号公報
【特許文献６】特開平10-193107号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述の水中溶接装置においては、開先形状計測が課題である。また、開先形状計測においては、レーザ変位計やセンサーの触針の適用が水中では困難である。そして、タッチセンサをそのまま用いると、溶接ヘッドの高さが大きくなり、例えば原子炉の炉内水中構造物のような狭隘部で使用できない点が課題である。
【００１９】
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、水中において開先形状が計測でき、かつ狭隘部に対応できる水中溶接装置およびその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】
【００２０】
本発明は上記目的達成のため、
溶接ワイヤの供給源および供給系ならびにレーザ光を集光する光学系を有する溶接ヘッドを備え、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続されて水中において構造物の被溶接部を補修する水中溶接装置において、前記被溶接部に当接して該被溶接部の形状に応じて変位するスピンドル、与えられた機械的変位量を測定する位置計測器および前記スピンドルの変位を前記位置計測器に伝達するリンクを有し、前記溶接ヘッドの先端と前記被溶接部との間のギャップを計測するギャップセンシング機構をそなえたことを特徴とする水中溶接装置、および
溶接ワイヤの供給源および供給系ならびにレーザ光を集光する光学系を有する溶接ヘッドを備え、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続されて水中において構造物の被溶接部を補修する水中溶接方法において、ギャップセンシング機構を用いて、前記溶接ヘッドの先端と前記被溶接部との間のギャップを計測することを特徴とする水中溶接方法、
を提供するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は上述のようなギャップセンシング機構を用いてギャップ測定を行い、これに基づき水中溶接を行うようにしたため、正確に計測された溶接ヘッドと被溶接部との間のギャップを基に、狭隘部でも良好に溶接を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例について、図１ないし図７を参照して説明する。
【００２３】
なお、以下の各実施例では本発明を原子炉圧力容器内での水中溶接作業に適用した場合を示す。また以下の各実施例において共通する構成要素には同一符号を付し重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施例を示す説明図である。図１に示すように、レーザ発振器１およびシールドガス供給源２が原子炉の外部に設置されている。そして、溶接ヘッド３は、レーザ発振器１およびシールドガス供給源２に接続された光伝送用の光ファイバ４、シールドガス供給用のチューブ５および信号伝送用の制御ケーブル６の各先端部に結合された状態で原子炉圧力容器の炉水７に没入され、炉内構造物２７に対向する所定の位置まで吊り下げられる。
【００２５】
この溶接ヘッド３は、溶接ワイヤ２１を巻いたリールを入れる溶接ワイヤケース９と、溶接ワイヤ２１を供給駆動するモータ２６を内蔵した溶接ワイヤ供給機構１０と、溶接ヘッド先端部２９とを有する。
【００２６】
図２は、溶接ヘッド先端部２９を示す説明図である。図２に示すように、溶接ヘッド先端部２９には、屈曲性および適度の耐水圧剛性がある材料により構成され、被溶接部(図示せず)の周囲を囲い込み水からシールドするためのシールドカバー１９、ギャップセンシング機構１８、光学系８が収納されたノーズ部２４が設けられている。
【００２７】
ギャップセンシング機構１８は、被溶接部に当接してこの被溶接部の表面形状に応じて変位するスピンドル１２、スピンドル１２の変位を他の部材に伝達するリンク１３、リンク１３を介して与えられたスピンドル１２の変位量に応じた値を出力する位置計測器１４、スピンドル１２を支持する軸受１６およびリンク１３を支持する支点１７を有する。
【００２８】
位置計測器１４としては、ポテンショメータ、差動変圧器、マイクロメータまたはリニアエンコーダを用いることができる。これらは耐水性およびコンパクト性で選択することが可能である。
【００２９】
また、スピンドル１２の形状は、円柱、または先端に半球もしくは球体がついた円柱、または先端に半球もしくは球体が付いた円錐などから適当なものを用いる。先端の半球もしくは球体の半径が小さいほど細かい凹凸を計測することが可能である。ただし、あまりにその半径が小さいと、計測対象の凹凸に引っ掛かり、場合によっては突き刺さる虞もある。溶接のギャップ裕度から、その半径は例えば0.2〜5mm程度がよい。
【００３０】
このように構成された第１の実施例において、表面に開口部がある亀裂を除去した開先部１１に対して肉盛溶接するためには、まず原子炉の外部に設置されたレーザ発振器１およびシールドガス供給源２と接続する溶接ヘッド３を炉内構造物２７の予定位置に吊り下げた状態で、水中溶接を開始する。
【００３１】
図３は、溶接中の溶接ヘッド３の先端を示す断面図である。まず、レーザ発振器１から出力されるレーザ光が、光ファイバ４を通して溶接ヘッド３に伝送されると、このレーザ光２０は光学系８により集光され、溶接部２３に照射される。
【００３２】
また、溶接ワイヤケース９に内蔵されている溶接ワイヤ２１が、溶接ワイヤ供給機構１０により溶接部２３に供給される。さらに、シールドガス供給源２からのシールドガス２２が、チューブ５を通してレーザ光２０と同じ孔から溶接部２３に供給される。このようにして、溶接部２３に対してレーザ光２０を照射しながら、シールドガスを吹き付け、かつ溶接ワイヤ２１を供給しながら溶接を行う。
【００３３】
下記表１は、溶接条件の一例を示している。レーザ出力は0.8〜4.0kW、溶接速度は0.1〜2m/min、溶接ワイヤのワイヤ径はφ0.6〜1.2mm、ワイヤ速度は0.1〜2m/min、シールドガス流量は20〜80 l/minの条件で、水中で溶接が可能である。
【表１】
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【００３４】
溶接作業時に、溶接方向の前方に設けたスピンドル１２を、開先部１１に接触させた状態で、溶接方向に溶接ヘッド３全体を移動しながら、開先部１１の形状に倣って動くスピンドル１２の上下方向の移動量、いわゆるギャップ２８をリンク１３により左右の動きに変換し、位置計測器１４による計測値としてギャップ２８を求める。
【００３５】
このギャップ２８のデータを基にして、溶接ヘッド先端部２９と開先部１１とのギャップ２８が一定になるように、スピンドル１２と溶接部２３との間隔を考慮したいわゆる遅れ倣いを行いながら溶接を実施する。なお、ギャップ２８のデータを基にした遅れ倣いを含む、各構成要素の動作制御は、図示しない中央制御装置により管理される。
【００３６】
図４は、第２層目溶接中における溶接ヘッド３の先端の模式図である。図４に示すように、第１層目とほぼ同じで、被溶接部２３に対してレーザ光２０を照射しながら、シールドガスを吹き付け、かつ溶接ワイヤ２１を供給しながら溶接を行う。
【００３７】
このとき、溶接方向の前方に設けたスピンドル１２により開先部１１の形状を計測し、その計測データを基にして、溶接ヘッド先端部２９と第１層目の溶接層上部２９とのギャップ２８が一定になるように遅れ倣いを実施する。積層された被溶接部２３の高さが周辺の母材の高さとほぼ同じになった時点で、開先肉盛溶接施工は完了する。
【００３８】
この第１の実施例によれば、開先形状を計測しながら遅れ倣いにより溶接ヘッド先端部２９と開先部、またはすでに積層された被溶接部の上部とのギャップを計測しながら溶接できるので、水中において開先肉盛溶接が可能である。
【実施例２】
【００３９】
第２の実施例では、第１の実施例の構造に加え、スピンドルを引き上げるための駆動装置がついており、かつ第１ステップとしてギャップ計測を、第２ステップとして溶接と分けて開先肉盛溶接を実施する。
【００４０】
図５は、第２の実施例における第１ステップのギャップ計測中における溶接ヘッド先端部２９の断面図である。
【００４１】
まず、レーザ発振器１を駆動しない状態で、スピンドル１２を開先部１１に接触させながら溶接方向に溶接ヘッド３全体を移動する。開先部１１の形状に合わせて動くスピンドル１２の上下方向の移動量、いわゆるギャップ２８をリンク１３により左右の動きに変換し、位置計測器１４による計測値としてギャップ２８を求める。このギャップのデータを基にして、開先部１１のギャップ２８の分布を溶接前に求める。
【００４２】
図６は、第２ステップである溶接中の溶接ヘッド先端部の断面図である。ギャップ２８の計測が終了したら、駆動装置１５によりスピンドル１２を引き上げる。
【００４３】
駆動装置１５としては、エアシリンダ、ラックピニオンとモータの組み合わせ、またはリニアガイドとモータの組み合わせなどを用いることが可能である。この中で、駆動装置１５の小型化にあたっては、エアシリンダが特に有利である。同図では、位置計測器１４と駆動装置１５とは同軸的に直列に配置されているが、別々の軸構造にするなどして並列に配置してもよい。
【００４４】
次に、被溶接部２３に対してレーザ光２０を照射しながら、シールドガスを吹き付け、かつ溶接ワイヤ２１を供給しながら溶接を行う。このとき、スピンドル１２の動きにより予め求めたギャップ分布を基に、溶接ヘッド先端部２９と開先部１１とのギャップ２８が一定になるように制御しながら溶接を実施する。
【００４５】
第２層目以降の溶接も上記の手順と同じく、ギャップ計測と溶接を繰り返しながら、積層された被溶接部２３の高さが周辺の母材の高さとほぼ同じになるまで、開先肉盛溶接施工を繰り返す。
【００４６】
この第２の実施例によれば、予め開先形状を計測し、ギャップ分布を求め、さらに、溶接ヘッド先端部２９と溶接開先１１またはすでに積層された被溶接部２３の上面とのギャップを計測しながら溶接ができる。したがって、水中において開先肉盛溶接が可能である。
【実施例３】
【００４７】
第３の実施例は、第２の実施例と同じく、スピンドルを引き上げるための駆動装置１５が設けられており、ギャップ計測と溶接を同時に行うものである。
【００４８】
図７は、溶接中の溶接ヘッド先端部２９を示す断面図である。被溶接部２３に対してレーザ光２０を照射すると同時に、シールドガスを吹き付け、かつ溶接ワイヤ２１を供給しながら溶接を行う。
【００４９】
また、溶接方向の前方に設けたスピンドル１２を開先部１１に接触させた状態で溶接方向に溶接ヘッド３全体を移動しながら、開先部１１の形状に合わせて動くスピンドル１２の上下方向の移動量、いわゆるギャップ２８をリンク１３により左右の動きに変換し、位置計測器１４による計測値としてギャップ２８を求める。
【００５０】
このギャップのデータを基にして、溶接ヘッド３の先端と開先１１とのギャップ２８が一定になるように、遅れ倣いを行いながら溶接を実施する。そして、積層された被溶接部２３の高さが周辺の母材の高さとほぼ同じになるまで、開先肉盛溶接施工を繰り返す。
【００５１】
この第３の実施例によれば、開先１１の形状を計測しながら遅れ倣いにより溶接ヘッド３の先端と溶接開先１１または既に積層された被溶接部２３の上部とのギャップを制御しながら溶接できるので、水中において開先肉盛溶接が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る水中溶接装置の第１の実施例を示す斜視図。
【図２】図１における装置の溶接ヘッド先端を示す斜視図。
【図３】図１、図２の装置における溶接中の溶接ヘッド先端を示す断面図。
【図４】図１、図２の装置における第２層目溶接中の溶接ヘッド先端を示す断面図。
【図５】本発明に係る水中溶接装置の第２の実施例におけるギャップ計測中の溶接ヘッド先端を示す断面図。
【図６】第２の実施例における溶接中の溶接ヘッド先端を示す断面図。
【図７】本発明に係る水中溶接装置の第３の実施例における溶接中の溶接ヘッド先端を示す断面図。
【図８】従来の水中加工装置の構成例を示す断面図。
【図９】従来の水中溶接装置の構成例を示す断面図。
【図１０】従来の水中溶接ノズルの構成例を示す断面図。
【図１１】従来の溶接自動倣い制御装置を備えた自動溶接装置を示す概略構成図。
【図１２】従来の溶接装置を示す説明図。
【図１３】従来の溶接開先形状計測方法を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００５３】
１  レーザ発振器、２  シールドガス供給源、３  溶接ヘッド、４  光ファイバ、
１１  開先部、１８  ギャップセンシング機構、２０  レーザ光
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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