(57)【要約】【課題】部品を巧みに取り扱えるようにすると同時に、使用者が負傷する危険性を低減することもできるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザビーム１８を発生させるレーザ１６を用いて金属部品を溶接する方法であって、その方法は、金属部品５０に隣接しかつレーザビーム１８の通路にあるフィラ材料５２の連続する部分を手動で送ることと、レーザビーム１８を発生させてフィラ材料５２を溶融させることと、溶融したフィラ材料５２を冷却してフィラ材料５２を金属部品５０に結合することと、を含む。この方法はさらに、レーザビーム１８に対する使用者の手２６の検出位置に基づいてレーザビームの強度を制御することを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを発生させるレーザを用いて金属部品を溶接する方法であって、
前記金属部品に隣接しかつ前記レーザビームの通路にある加工位置に、フィラ材料の連続する部分を使用者の手を使用して手動で送り、
前記レーザビームを発生させ、このレーザビームは、前記フィラ材料の前記手動で送られた連続する部分を溶融させ、
前記フィラ材料の前記溶融された連続する部分を冷却し、それによって、前記溶融された連続する部分が前記金属部品と結合するのを可能にし、
前記レーザビームに対する前記使用者の手の検出位置に基づいて前記レーザビームの強度を制御する方法。
【請求項２】
上記フィラ材料は、ワイヤおよび棒材からなるグループから選択した形態で供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記加工位置は、上記レーザビームの収束部分に配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記金属部品は外面を有する管からなり、上記フィラ材料の上記溶融された連続する部分の少なくとも一部は前記外面と結合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
さらに、センサを用いて上記使用者の手の位置を検出することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記使用者の手の上記位置の検出は、上記センサと上記使用者の手に機能的に連結された信号発生素子との間の距離に依存することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
上記レーザは、上記使用者の手の上記検出位置に基づいて上記レーザビームの強度を動作レベルから待機レベルに落とすように制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記レーザは、上記使用者の手が上記レーザビームの基準危険区域に入った場合に、上記レーザビームの強度を上記待機レベルに落とすように制御されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
さらに、手動で上記金属部品の位置を変えることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
レーザビームを発生させるレーザを用いて金属部品を溶接する方法であって、
非作動状態と作動状態の間でアクチュエータを切り換え、
前記金属部品に隣接しかつ前記レーザビームの通路にある加工位置に、フィラ材料の連続する部分を使用者の手を使用して手動で送り、
前記レーザビームに対する前記使用者の手の検出位置に基づき第１の状態から第２の状態に切り換わるセンサを用いて、前記使用者の手の位置を検出し、
前記アクチュエータが前記作動状態にあり、かつ前記センサが前記第１の状態にある場合に、前記レーザビームを動作レベルで発生させるように前記レーザを制御し、前記レーザビームは、前記フィラ材料の前記手動で送られた連続する部分を溶融させる方法。
【請求項１１】
上記フィラ材料は、ワイヤおよび棒材からなるグループから選択した形態で供給されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記加工位置は、上記レーザビームの収束部分にあることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、上記使用者の手を保護バリア内に収容することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
上記レーザは、上記使用者の手の上記検出位置に基づいて上記レーザビームの強度を上記動作レベルから待機レベルに落とすように制御されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、手動で上記金属部品の位置を変えることを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
レーザビームを発生させるレーザを用いて金属部品の表面を修復する方法であって、
前記金属部品の前記表面を前記レーザビームの通路に配置し、
フィラ材料を使用者の手で保持し、
前記金属部品の前記表面に隣接してかつ前記レーザビームの通路内に前記フィラ材料を手動で配置し、
前記使用者の手が前記レーザビームの基準危険区域に入った場合に第１の状態から第２の状態に切り換わるセンサを用いて、前記使用者の手の位置を検出し、
前記センサが前記第１の状態にある場合に、前記レーザビームを動作レベルで発生させるように前記レーザを制御し、前記レーザビームは前記フィラ材料を溶融させ、それによって、前記溶融されたフィラ材料が前記金属部品の前記表面と結合するのを可能にする方法。
【請求項１７】
さらに、上記使用者の手を保護バリア内に収容することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
上記レーザは、上記センサが上記第２の状態になったときに、上記レーザビームの強度を上記動作レベルから待機レベルに落とすように制御されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
上記使用者の手の上記位置の検出は、上記センサと上記使用者の手に機能的に連結された信号発生素子との間の距離に依存することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
上記レーザは、上記使用者の手が上記レーザビームの基準危険区域に入った場合に、上記レーザビームの強度を待機レベルに落とすように制御されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接技術に関する。特に、本発明は、安全な制御システムで使用者を保護しながら、レーザを用いて金属部品を手動溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、レーザ溶接などの各種工業への応用に使用されるレーザビームを発生させる。レーザ溶接は、損傷を受けた金属部品の修復や、複数の金属部品を接合するのに適した技術である。損傷を受けた金属部品の修復に関していえば、工業用金属部品は、長期にわたる使用による化学的および摩擦的浸食のために損傷を受けることがある。通常、このような損傷には、金属部品内のクラックや穴が含まれ、これらは金属部品が正しく機能するのを妨げる。損傷した金属部品を新品の部品に交換する代わりに、損傷した部品を溶接加工（例えば、レーザ溶接）によって修復することができ、溶接加工では、フィラ材料がクラックおよび穴上で溶融、結合されて損傷部を塞ぐ。その後、修復された金属部品は、所与の工業用途に再使用することができる。
【０００３】
レーザビームの性質上、使用者を身体の負傷から保護するために様々な安全措置が講じられてきた。安全への関心に答えて、米国安全協会（ＡＮＳＩ）は、各種レーザの安全使用に向けたガイドラインと勧告を与えるＡＮＳＩ  Ｚ１３６．１−２０００を提示した。レーザビームを誤って浴びたことによるけがおよび火傷を回避する１つの一般的な技術には、使用者との直接的な相互作用がない、自動化されたレーザ溶接システムを使用するものがある。自動レーザ溶接システムは、コンピュータ視覚、神経回路網、およびコンピュータアルゴリズムによって手動溶接を模倣しようとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、必要とされる部品構成が多岐にわたるため、部品を巧みに取り扱えるようにすると同時に、使用者が負傷する危険性を低減することもできるレーザ溶接技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、レーザビームを発生させるレーザを用いて金属部品を溶接する方法に関する。この方法は、金属部品に隣接しかつレーザビームの通路にある加工位置に、フィラ材料の連続した部分を使用者の手を使用して手動で送ることを含む。この方法はまた、フィラ材料の手動で送られた連続部分を溶融させるレーザビームを発生させ、フィラ材料の溶融した連続部分を冷却し、それによって、溶融した連続部分が金属部品に結合できるようにすることを含む。さらに、この方法は、レーザビームに対する使用者の手の検出位置に基づいてレーザビームの強度を制御することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１〜図４は、レーザ装置１０の側面図であり、このレーザ装置は、レーザ放射線によって金属部品を溶接するのに適した工業用レーザシステムである。本明細書で使用する「溶接」という用語は、熱（例えば、レーザ放射線からの熱）を加えることで少なくとも２つの金属部品を接合する技術を指し、フィラ材料を用いた修復溶接およびろう付けを含む。レーザ装置１０は、ベース１２、ハウジング１４、レーザ１６、レーザビーム１８、制御部２０、ペダルアクチュエータ２２、および安全システム２４を有する。
【０００７】
図１〜図３は、レーザビーム１８からずれた位置で基準危険区域２８の外に配置された使用者の手２６を示し、基準危険区域では、金属部品を溶接するために、レーザビーム１８が動作レベルの強度でレーザ１６から発生している。図４はレーザビーム１８の基準危険区域２８内に置かれた使用者の手２６を示している。以下で説明するように、安全システム２４は、使用者の手２６がレーザビーム１８の基準危険区域２８内に移動した場合に、レーザ１６を制御してレーザビーム１８の強度を動作レベルから待機レベルに落とす。これは、レーザビーム１８への暴露により起こり得る負傷についての危険性を低める。
【０００８】
図１に示すように、ベース１２はレーザ１６を用いて作業するための支持用ベースであり、面３０を有する。ハウジング１４はベース１２に取り外し可能に固定され、ハウジング１４の外に位置する使用者をレーザビーム１８から保護する。ハウジング１４は開口３２を有し、使用者は、この開口から手２６を伸ばしてハウジング１４内に達することができる。ハウジング１４は、板金、安全ガラス、ならびにこれら材料と他の材料を組み合わせたものなど各種保護材料から作ることができる。ハウジング１４はまた、使用者がハウジング１４内に手２６を挿入できるようにするポート孔を有してもよい。ハウジング１４は、レーザ溶接を行う前に使用者が１つまたはそれ以上の金属部品を面３０上に挿入できるように、ベース１２に対して手動式または機械式で昇降することができる。さらに、ハウジング１４は、金属部品を挿入するハウジングドアを有してもよい。
【０００９】
レーザ１６は、１つまたはそれ以上の金属部品をレーザ溶接するように構成された工業用レーザである。レーザ１６は、ハウジング１４内に配置されてレーザビーム１８を発生させる。レーザ１６は完全にハウジング１４内にあるように示されているが、その代わりに、レーザビーム１８がハウジング１４内に放射される限り、レーザ１６の一部がハウジング１４の外に配置されてもよい。
【００１０】
レーザビーム１８は、金属部品を加工することができるレーザビーム１８の一部である焦点１８ａで最大出力密度となる。レーザビーム１８はまた、レーザ１６と焦点１８ａの間にある収束部分１８ｂと、焦点１８ａと面３０の間にある発散部分１８ｃとを有する。収束部分１８ｂでは、レーザビーム１８の出力密度は焦点１８ａに向かって収束する。これに対して、発散部分１８ｃでは、レーザビーム１８の出力密度は焦点１８ａから発散する。
【００１１】
レーザ１６は、レーザビーム１８の焦点１８ａの位置を垂直方向に調整するために、面３０に対して垂直方向に昇降することができる。これは、金属部品を異なる高さで加工するのに有用である。焦点１８ａは、レーザ１６の光学設定に基づいて、レーザ１６に対して一定の距離だけずれている。したがって、レーザ１６を垂直方向に移動させると、焦点１８ａも同じだけ移動する。これに対して、レーザ１６が垂直方向に移動された場合に、収束部分１８ｂの体積寸法は変わらないままである。一方、発散部分１８ｃの体積寸法は、レーザ１６と面３０の間の距離によって変わる。
【００１２】
収束部分１８ｂの適切な体積寸法の一例には、レーザ１６と焦点１８ａの間の高さが約５ｃｍから約１５ｃｍの範囲で、上部のベース直径が約５ｃｍの逆円錐形が挙げられる。発散部分１８ｃの適切な体積寸法の一例には、焦点１８ａと面３０の間の高さが約７ｃｍから約４０ｃｍの範囲で収束部分１８ｂと同一ベクトルの円錐形が挙げられる。
【００１３】
制御部２０は、ペダルアクチュエータ２２および安全システム２４からの信号を含む受信信号に基づきレーザ１６の動作を制御するプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）である。制御部２０は、様々な態様でレーザ１６の動作を制御することができる。例えば、制御部２０により、レーザ１６が動作レベルの強度を有するレーザビーム１８を発生させるようにすることができる。この動作レベルは、レーザビーム１８が金属部品をレーザ溶接するのに適切な出力をもたらす。さらに、制御部２０により、レーザ１６が動作レベルから低強度レベルまたはゼロ強度レベルの待機レベルに、レーザビーム１８の強度を落とすようにすることができる。レーザビーム１８の適切な待機レベルの一例には、ＡＮＳＩ  Ｚ１３６．１−２０００に記載された照射線量制限を実質的に満たす強度が挙げられる。レーザビーム１８の強度は、レーザ１６への電力供給を制限する、レーザ１６への電力供給を止める、レーザビーム１８の焦点をずらす、レーザビーム１８の向きを換える、ビームを減衰させる（例えば、水冷式ビームダンプにレーザビーム１８を向ける）、これらを組み合わせる、などによって落とすことができる。
【００１４】
使用者は、レーザ１６を動作させるペダル作動のアクチュエータスイッチであるペダルアクチュエータ２２を用いてレーザ１６を動作させる。ペダルアクチュエータ２２は、ベース１２に隣接して配置され、伝送線３４を介して制御部２０とつながっている。ペダルアクチュエータ２２は、使用者がペダルアクチュエータ２２を押下したときに第１の状態から第２の状態に切り換わり、ペダルアクチュエータ２２の状態により、制御部２０によるレーザ１６の制御が規定される。（押下しない）第１の状態を受けて、制御部２０は、レーザ１６を停止状態にするか、あるいはレーザ１６が待機レベルでレーザビーム１８を発生させるようにする。（押下した）第２の状態になったのを受けて、制御部２０は、レーザ１６が動作レベルでレーザビーム１８を発生させるようにする。したがって、レーザ１６がレーザ溶接用の動作レベルでレーザビーム１８を発生させるには、使用者がペダルアクチュエータ２２を手動で押下することが必要である。
【００１５】
１つの実施形態では、使用者が手動でどこまでペダルアクチュエータ２２を押下したかに基づいて、レーザビーム１８の強度が増強される。この実施形態では、レーザビーム１８の動作レベルは、例えば、ペダルアクチュエータ２２をいっぱいに押下することで得ることができる。使用者が動作レベルに比べて低い強度でレーザビーム１８を発生させたいと望むならば、ペダルアクチュエータ２２を途中まで押下することができる。この実施形態では、レーザビーム１８の強度に関する手動制御の範囲がより広くなる。
【００１６】
レーザビーム１８の基準危険区域２８は、レーザビーム１８への皮膚暴露の危険性が最も高い領域を示す、レーザビーム１８を囲んで配置された砂時計形状の空間である。したがって、動作レベルでレーザビーム１８を直接浴びる危険性を低減するために、レーザビーム１８が発生している間、使用者の手２６は基準危険区域２８の外にあるべきである。
【００１７】
基準危険区域２８は、垂直方向に焦点１８ａを中心として、収束部分１８ｂおよび発散部分１８ｃを囲んで広がる。基準危険区域２８が焦点１８ａの上下に広がる垂直距離は、レーザビーム１８の出力強度に応じて変えることができる。図１に示す１つの実施形態では、基準危険区域２８は、その距離を越えるとレーザビーム１８の強度が低いリスクレベルになる垂直距離まで焦点１８ａの上下に延びている。基準危険区域２８が焦点１８ａから延びる適切な垂直距離の一例には、焦点１８ａより上に約８ｃｍ、焦点１８ａより下に約８ｃｍとするものがある。代替の実施形態では、基準危険区域２８は、レーザ１６と面３０の間の垂直距離全体に延びることができる。これは、レーザビーム１８の空間全体を包含する。
【００１８】
さらに図１に示すように、基準危険区域２８は、収束部分１８ｂおよび発散部分１８ｃからの半径方向距離よりも焦点１８ａからの半径方向距離の方が長く延びている。これは、レーザビーム１８による負傷の危険性が最も高いのは、レーザビーム１８が最も高い強度となる焦点部分１８ａであることから望ましい。焦点１８ａと基準危険区域２８との間の適切な半径方向距離の例を挙げると、約０．５ｃｍから約２．５ｃｍの範囲となる。収束部分１８ｂ／発散部分１８ｃと基準危険区域２８との間の適切な半径方向距離の例を挙げると、半径方向距離がないものからおよそ上記の焦点１８ａと基準危険区域２８との間の半径方向距離までの範囲となる。基準危険区域２８は、本明細書において砂時計形状の空間として説明されているが、当然ながら、基準危険区域２８は、レーザビーム１８を浴びる危険性が最も高い領域を表す。したがって、基準危険区域２８は、レーザビーム１８がどのようにしてレーザ１６から発生したかに応じて、様々な形状をとることができる。
【００１９】
基準危険区域２８ではないハウジング１４内の残りの空間は、レーザビーム１８の第２の危険区域３６とみなされ、目に見える危険区域である。レーザ溶接中に、レーザビーム１８の一部は、金属部品から様々な方向に反射もしくは散乱する恐れがある。ハウジング１４は、レーザビーム１８の反射および散乱した部分がハウジング１４の外にある使用者の部位、特に使用者の目に直接到達するのを阻止する。しかし、ハウジング１４は、使用者の手２６がハウジング１４内に置かれている間、これを直接に保護することはない。
【００２０】
本発明の安全システム２４は、使用者がハウジング１４内の金属部品を取り扱うときになどに、使用者の手２６がハウジング内にある間、これを保護する。安全システム２４は、手袋３８、ロープ４０、プーリ４２、マグネット４４、センサ４６、および伝送線４８を有する。手袋３８は、手２６を受け入れることができる保護バリアであり、開口３２の周囲でハウジング１４に固定されている。手袋３８は、矢印Ａの方向にハウジング１４に向かって付勢される手袋３８のアコーディオン状もしくはベローズ状部分である波形部分４９を有する。したがって、手袋３８は、図１に示すように後退位置に向かって付勢される。
【００２１】
手袋３８の材料は、第２の危険区域３６にあるレーザビーム１８の反射、散乱した部分を吸収する。これは、手２６がハウジング１４内に置かれている間に、手２６のレーザ放射線への起こり得る暴露についての危険性を低減する。手袋３８用の適切な材料の例には、ニトリルベースの合成物、ネオプレンベースの合成物、スチレンブタジエンベースの合成物、およびそれらの組み合わせなどの標準的なゴム手袋用合成物がある。代替の実施形態では、手袋３８は、暴露から保護する他の保護バリアの代わりとすることができる。
【００２２】
手袋３８による暴露保護に加えて、安全システム２４はまた、手２６がレーザビーム１８の基準危険区域２８内にある場合に、レーザビーム１８の強度を待機レベルまで落とすことにより使用者を保護する。これは、マグネット４４およびセンサ４６を用いて行われ、センサ４６は、マグネット４４とセンサ４６の間の距離に基づいてハウジング１４内の手の位置を判定する。マグネット４４は、磁界を発生させる信号生成素子であり、ロープ４０を介して手袋３８に連結されている。
【００２３】
ロープ４０は手袋３８に連結された第１の端部４０ａとマグネット４４に連結された第２の端部４０ｂとを有する。代替の実施形態では、ロープ４０は手袋３８と一体で形成することができる。手袋３８が使用されない別の代替実施形態では、ロープ４０の第１の端部４０ａは、使用者の手２６（例えば、手首など）に取り付けることができる。プーリ４２は、ベース１２およびハウジング１４から外れた固定位置に回転可能に固定されている。ロープ４０は、ロープ４０の第１の端部４０ａの横方向運動がロープ４０の第２の端部４０ｂの垂直方向運動に変換されるように、プーリ４２に架張されている。
【００２４】
センサ４６は、マグネット４４の磁界を検出できる磁気作動式スイッチである。センサ４６に適した素子の例には、ホールセンサおよびリードスイッチがある。センサ４６はベース１２に固定され、伝送線４８を介して制御部２０につながっている。センサ４６は、センサ４６がマグネット４４の磁界を検出したかどうかに基づいて、第１の状態と第２の状態の間で切り換わる。センサ４６は、磁界が検出されていない場合に第１の状態をとり、磁界が検出されたときに第２の状態に切り換わる。
【００２５】
センサ４６の状態により、制御部２０によるレーザ１６の制御を管理する。センサ４６が第１の状態であるのを受けて、制御部２０が特定の態様でレーザ１６を制御することはない。したがって、使用者がペダルアクチュエータ２２を押下すると、レーザ１６は動作レベルでレーザビーム１８を発生させる。一方、センサ４６が第２の状態になったのを受けて、制御部２０は、他の受信信号にかかわらず、レーザ１６がレーザビーム１８の強度を動作レベルから待機レベルに落とすようにする。したがって、センサ４６の第２の状態を示す信号は、ペダルアクチュエータ２２からの信号を無効にし、ペダルアクチュエータ２２が第２の状態であっても、レーザビーム１８の強度を待機レベルまで落とさせる。
【００２６】
センサ４６がマグネット４４の磁界を検出するかどうかは、通常、マグネット４４とセンサ４６の間の距離に依存し、そのことは、使用者の手２６の位置に依存するのと同等である。例えば、手２６が図１に示す後退位置にあると、マグネット４４がセンサ４６から離れすぎていて、センサ４６はマグネット４４の磁界を検出できない。したがって、レーザ１６は、レーザ加工用の動作レベルでレーザビーム１８を発生させることができる。一方、手２６が後退位置から十分遠い位置まで移動して基準危険区域２８に入ると、マグネット４４はセンサ４６に十分接近するまで移動し、センサ４６はマグネット４４の磁界を検出する。したがって、レーザビーム１８の強度が待機レベルに落とされて、レーザビーム１８を浴びることから使用者の手２６を保護する。
【００２７】
本発明の代替の実施形態では、マグネット４４およびセンサ４６は、リニアエンコーダ、信号強度を信号下限値と比較する信号しきい値センサ、および当技術分野で公知の他の素子などの信号生成素子およびそれに対応するセンサからなる他の形態で置き換えることができる。加えて、マグネット４４は、マグネット４４の横移動の範囲を制限するために、ガイドレールに移動可能に連結されてもよい。さらに、ハウジング１４に連結された（例えば、チェーンやケーブルなどの）タイバックによって手袋３８を物理的に拘束してもよい。ハウジング１４と手袋３８の間のタイバックの長さは、手袋３８が基準危険区域２８に入るのを物理的に阻止するように選択することができる。さらなる実施形態では、物理バリアをレーザビーム１８の通路に隣接して置いて、手２６がレーザビーム１８に届くのを防止してもよい。収束部分１８ｂを囲んで、例えば、金属製、樹脂製、またはガラス製の円錐体を置くことができ、それによって、手２６が収束部分１８ｂに届くのを物理的に防止する。
【００２８】
図２に示すように、金属管５０がハウジング１４内に置かれ、支持体５１を介して面３０上に保持されている。金属管５０は、この実施例の場合、損傷を受け、再使用のために修復が必要であるとされる外面５０ａを有する。示すとおりに、金属管５０は、焦点１８ａが外面５０ａと交差するように配置されている。その結果、発散部分１８ｃは形成されない。それでもなお、基準危険区域２８が基本的にレーザビーム１８の通路にあり、一時的にレーザビーム１８の一部と交差する金属部品とは無関係であることから、基準危険区域２８は変わらないままである。
【００２９】
さらに図２に示すように、レーザ装置１０はまた、ワイヤ５２および供給スプール５３を有しており、ワイヤ５２は、供給スプール５３から送出されるフィラ材料からなる連続ワイヤである。ワイヤ５２用の適切なフィラ材料の例には、金属管５０の外面５０ａを修復するためにレーザビーム１８で溶融することができる任意のタイプの金属（例えば、鋼、鉄、銅、ニッケル、コバルト、チタニウム、黄銅、およびそれらの合金など）が挙げられる。代替の実施形態では、フィラ材料は、レーザ溶接加工中に使用者が取り扱う剛性の棒材として用意することもできる。
【００３０】
図３は、半ば伸長した位置にある手袋３８を示しており、レーザ１６を用いた溶接加工中に使用者がワイヤ５２を取り扱っている。使用者は、波形部分４９によって生じた付勢力よりも大きい反対方向力を加えることで手袋３８を後退位置から伸長させている。手袋３８は、後退位置から、後退位置と伸長位置を含むそれらの間の様々な位置に移動させることができる。使用者は、軸回転運動を含むハウジング１４内の任意の方向に手袋３８を移動させることもできる。したがって、手袋３８は、ハウジング１４内を高いレベルで自由に移動できるようにし、使用者が金属部品（例えば、ワイヤ５２）を把持し、取り扱うのを可能にする。これは、金属部品を取り扱うのに高いレベルの器用さが必要とされることがあるレーザ溶接加工にとって特に有益である。
【００３１】
溶接作業時に、使用者は金属管５０を支持体３１に置き、焦点１８ａがおよそ金属管５０の外面５０ａに配置されるようにレーザ１６の高さを調整する。次いで、使用者は、図３に示すように、手２６でワイヤ５２を把持し、外面５０ａに隣接しかつレーザビーム１８の通路にある加工位置にワイヤ５２を手動で送る。通常、ある長さのワイヤ５２が溶接加工の前に供給スプール５３から切り分けられる。次いで、使用者はペダル２２を押下し、それによって、レーザ溶接用の動作レベルでレーザビーム１８を発生させる。レーザビーム１８は、ワイヤ５２のうちのレーザビーム１８の通路にある部分を溶融させ、ワイヤ５２の溶融部分が外面５０ａと結合するのを可能にする。
【００３２】
上記に説明したように、外面５０ａは、およそ焦点１８ａに配置される。その結果、ワイヤ５２は収束部分１８ｂ内に置かれる。この配置は、収束部分１８ｂでは焦点１８ａと比べてレーザビーム１８のエネルギがあまり集中しないために有益である。これにより、加えた熱がワイヤ５２のより広い領域にわたって分散し、それによって、ワイヤ５２の溶融をより均一化し、ワイヤ５２が過熱状態になる危険性を低減する。
【００３３】
レーザ１６は固定されたレーザであるので、金属管５０の連続した部分を溶接するために、金属管５０およびワイヤ５２はレーザビーム１８に対して移動される。手２６は安全システム２４によって保護されているので、金属管５０およびワイヤ５２は手動で移動させることができる。例えば、手２６は金属管５０とワイヤ５２をともに把持し、レーザビーム１８に対してこれらを移動させて、ワイヤ５２の連続した部分を溶融させ、このワイヤ５２の連続した部分は、金属管５０を構成する外面５０ａの連続した部分と結合する。あるいは、使用者は第２の手（図示せず）を使用して金属管５０を移動させてもよい。どの代替案であっても、ワイヤ５２の連続した部分は、フィラ材料を外面５０ａに溶接する加工位置に手２６を使用して手動で送られる。金属管５０の連続した溶接済み部分がレーザビーム１８の通路から出ると、溶融したフィラ材料は冷えて外面５０ａと結合し、それによって、外面５０ａを修復する。
【００３４】
金属部品の大きな穴、例えば、外面５０ａの大きな穴などを溶接する場合、フィラ材料の連続した部分は、外面５０ａおよびフィラ材料の先に結合された部分に、平行の態様で結合されるのが望ましい。この技術によって、結合された材料からなる多数の平行なビードをなすパスが順次溶接されて外面５０ａの穴を封止する。各パスは、前に溶接したパスの約３０％から約５０％を使用するのが望ましい。これは形成した溶接部の強度を上げる。
【００３５】
使用者はワイヤ５２を手動で取り扱うので、様々な加工因子を考慮して取り扱いを調整することができる。例えば、ワイヤ５２のフィラ材料は通常、供給スプール５３に起因する曲がりを保持する記憶材料である。ワイヤ５２が供給スプール５３の周りに締め付けた状態で曲げられているために、この湾曲度はまた、ワイヤ５２を供給スプール５３から引き出して使用するときに増大する。ワイヤ５２を加工位置に手動で置くことにより、使用者は、この増大した湾曲度や、フィラ材料からなるワイヤの送出に関連した他の溶接異常を修正することができる。
【００３６】
上記で説明したように、レーザ溶接作業時に、安全システム２４は、レーザビーム１８への暴露のために起こり得る負傷についての危険性を低減する。１つの実施形態では、マグネット４４およびセンサ４６は、使用者の手２６が基準危険区域２８に入ったときに、センサ４６がマグネット４４の磁界を検出し、状態を切り換えるように配置される。使用者が手２６を後退位置から基準危険区域２８に向かって伸ばしたときに、マグネット４４は垂直方向に上昇する。したがって、マグネット４４はセンサ４６に近づく。手２６が基準危険区域２８に到達すると、マグネット４４は、センサ４６がマグネット４４の磁界を検出するのに十分なだけセンサ４６に近接する。次いで、上記で説明したように、制御部２０は、レーザ１６がレーザビーム１８の強度を待機レベルまで落とすようにする。これは、使用者の手２６が基準危険区域２８内にある間、レーザビーム１８の強度を安全レベルもしくはゼロ強度レベルまで自動的に落とすものである。したがって、使用者は、基準危険区域２８内で作業するために、手動でレーザを止める必要がない。
【００３７】
図４は、伸長位置にある手袋３８を示しており、使用者の手２６が基準危険区域２８内に伸びている。この状況では、レーザビーム１８の強度は、レーザビーム１８が手２６を傷つけるのを防止する待機レベルまで落とされている。使用者が手２６を後退位置に向かって動かすと、マグネット４４は垂直方向に下降し、それによって、センサ４６から離れる。手２６が基準危険区域２８を出ると、センサ４６はもはやマグネット４４の磁界を検出しない。このとき、センサ４６は切り換わって第１の状態に戻り、レーザビーム１８の強度は、使用者がペダルアクチュエータ２２を押下したのに応答して強くなり動作レベルに戻る。
【００３８】
したがって、ペダルアクチュエータ２２を押下している間、使用者は、誤ってレーザビーム１８を浴びる懸念なしに、手２６を基準危険区域２８に繰り返し出入りさせることができる。安全システム２４は、手２６が基準危険区域２８にある間、レーザビーム１８の強度を安全レベルもしくはゼロ強度レベルまで落とし、手２６が基準危険区域２８を出たときに、レーザ１６の強度が強くなって動作レベルに戻るのを可能にする。これは、レーザビーム１８を浴びる危険性を低減し、それによって、レーザ１６で溶接する際の安全性を高める。
【００３９】
図５〜図７は、レーザ放射線で加工物を加工するのに適した別の工業用レーザシステムであるレーザ装置１１０の側面図である。図５に示すように、レーザ装置１１０は、安全システム１２４が安全システム２４の代わりに使用されているのを除いて、図１〜図４のレーザ装置１０と同様である（各参照符号は１００が足されている）。安全システム１２４は、使用者が金属部品（例えば、金属管１５０およびワイヤ１５２）をハウジング１１４内で取り扱っているときなど、使用者の手２６がハウジング１１４内に置かれている間、手２６を保護する。安全システム１２４は、手袋１３８と、伝送線１４８を介して制御部１２０とつながっている放射装置／センサ１５４とを有する。
【００４０】
手袋１３８は、手袋３８について図１でもって上記に説明したのと同様の態様で機能する。手袋１３８は、第２の危険区域１３６内でレーザビーム１１８の反射、散乱した部分を吸収することができ、ハウジング１１４内を高いレベルで自由に動けるようにする。さらに、手袋１３８は、放射装置／センサ１５４がハウジング１１４内にある使用者の手１２６の位置を検出するのを可能にするために、蛍光性材料（例えば、インク、顔料、および染料などの紫外線（ＵＶ）発光材料）を含むことができる。手袋１３８を作るのに使用する成型材料に蛍光材料を入れてもよいし、あるいは蛍光材料を含む被覆、フィルム、またはラップで手袋１３８を覆ってもよい。
【００４１】
蛍光材料は、手袋１３８が紫外波長光を吸収したときに、手袋１３８が特定の波長の光（本明細書では「信号波長光」と呼ぶ）を放射することができるようにする。特に、紫外波長光が手袋１３８に向けられたときに、手袋１３８内にある蛍光材料の電子が紫外波長光から光子を吸収し、それにより、その電子はもとのエネルギ状態から高い方のエネルギ状態にジャンプする。次いで、電子が低い方のエネルギ状態に落ちると、光子は手袋１３８から解放される。ただし、得られた低い方のエネルギ状態は、もとのエネルギ状態とは異なっており、そのために、解放された光子は、波長が紫外波長光より長くなる。手袋１３８から放射された光子（すなわち、信号波長光）の特定の波長は、通常、使用する蛍光材料のタイプおよび濃度に依存する。
【００４２】
放射装置／センサ１５４はハウジング１１４内に配置されており、紫外線ビーム放射装置１５６およびセンサ１５８を有する統合された放射装置／センサシステムである。放射装置／センサ１５４に適したシステムの例には、オハイオ州クリーブランドに所在のＥＭＸインダストリ−ズ社から市販の、商品名「ＵＶＸ１００」および「ＵＶＸ３００」蛍光センサがある。
【００４３】
紫外線ビーム放射装置１５６は、紫外線ビーム１６０を放射する信号発生素子である。図５に示すように、紫外線ビーム１６０は、面１３０に向けられた発散ビームであり、レーザビーム１１８のまわりに広がっている。面１３０および金属管１５０は通常、蛍光材料を含まないので、信号波長光を放射しない。一方、手袋１３８は蛍光材料を含むために、紫外線ビーム１６０内に置かれているときに紫外線ビーム１６０の一部を吸収し、信号波長光を放射する。
【００４４】
紫外線ビーム１６０は、レーザビーム１１８の出力密度が最大になる位置にあるレーザビーム１１８の焦点１１８ａを包含するように配置されるのが望ましい。さらに望ましいのは、紫外線ビーム１６０が、図１でもって上記に説明した基準危険区域２８と同様なレーザビーム１１８の基準危険区域（図示せず）を実質的に包含するように配置されることである。これにより、手袋１３８がレーザビーム１１８の基準危険区域に入ったときに、紫外線ビーム１６０を手袋１３８に向けることができるようになる。
【００４５】
センサ１５８は、放射装置／センサ１５４に向かって放射された信号波長光を検出するセンサである。センサ１５８は、伝送線１４８を介して制御部１２０に送る出力信号を生成する電子部品を有する。出力信号は、前もって設定したしきい値に等しいかまたはそれを超える強度の信号波長光をセンサ１５８が検出したかどうかに基づいた第１の状態および第２の状態を有する。センサ１５８の出力信号は、センサ１５８が信号波長光を検出しない場合か、あるいは検出した信号波長光の強度が前もって設定したしきい値を超えない場合に第１の状態となる。センサ１５８の出力信号は、検出した信号波長光の強度が前もって設定したしきい値に等しいか、またはこれを超える場合に第２の状態に切り換わる。
【００４６】
前もって設定したしきい値は、ノイズにある信号波長光を検出したためにセンサ１５８の出力信号が誤って第２の状態に切り換わるのを防止する。例えば、レーザ溶接作業中に、測定可能な量の信号波長光がワイヤ１５２の溶融金属から放射されることがある。したがって、前もって設定したしきい値は、このようなノイズにある信号波長光の強度より上に設定されるのが望ましい。これは、センサ１５８が手袋１３８から放射された信号波長光とノイズにある信号波長光とを区別できるようにする。したがって、紫外線ビーム放射装置１５６は、手袋１３８が前もって設定したしきい値よりも強い強度で信号波長光を放射できるようにする強度で紫外線ビーム１６０を放射するのが望ましい。これは、信号波長光のうちの手袋１３８から放射装置／センサ１５４に向かって放射された部分が前もって設定したしきい値を超えることができるようにする。
【００４７】
センサ４６について図１でもって上記に説明したものと同様の態様で、制御部１２０によるレーザ１１６の制御をセンサ１５８の出力信号の状態により管理する。出力信号が第１の状態にあるのを受けて、制御部１２０が特定の態様でレーザ１１６を制御することはない。したがって、レーザ１１６は、使用者がペダルアクチュエータ１２２を押下したときに、動作レベルでレーザビーム１１８を発生させる。一方、出力信号が第２の状態にあるのを受けて、制御部１２０は、他の受信信号に関係なく、レーザ１１６がレーザビーム１１８の強度を動作レベルから待機レベルに落とすようにする。したがって、センサ１５８が第２の状態にある場合の出力信号は、ペダルアクチュエータ１２２からの信号を無効にし、ペダルアクチュエータ１２２が第２の状態にある場合でも、レーザビーム１１８の強度を待機レベルまで落とす。
【００４８】
レーザ１１６を使用した溶接加工時に、図６に示すように、使用者がワイヤ１５２を取り扱っている間、手袋１３８は半ば伸長位置にある。使用者は、波形部分１４９によって発生した付勢力よりも大きな反対方向力を加えることで手袋１３８を後退位置から伸長させる。手袋１３８は、後退位置から、後退位置と伸長位置を含めたそれらの間の様々な位置に移動することができる。
【００４９】
図６に示すように、溶接作業時に、使用者は手１２６でワイヤ１５２を把持し、外面１５０ａに隣接しかつレーザビーム１１８の通路にある加工位置に、ワイヤ１５２を手動で送る。次いで、使用者はペダル１２２を押下し、それによって、レーザ溶接用の動作レベルでレーザビーム１１８を発生させる。レーザビーム１１８は、ワイヤ１５２のうちのレーザビーム１１８の通路にある部分を溶融させ、ワイヤ１５２の溶融部分が外面１５０ａと結合するのを可能にする。
【００５０】
使用者は、溶接作業時にワイヤ１５２を取り扱いながら、手１２６および手袋１３８をハウジング１１４内の様々な位置に移動させる。センサ１５８が信号波長光を検出するかどうかは、通常、使用者の手１２６および手袋１３８の位置による。例えば、手袋１３８が（図５に示すように）後退位置にあるか、または（図６に示すように）半ば伸長位置にある場合、手袋１３８が紫外線ビーム１６０内に配置されることはない。したがって、レーザ１１６は、レーザ加工用の動作レベルでレーザビーム１１８を発生させることができる。一方、手１２６が後退位置から十分遠くに移動した場合、手袋１３８は紫外線ビーム１６０に入り、それによって、紫外線ビーム１６０の一部を吸収し、放射装置／センサ１５４に向かって信号波長光を放射する。検出された信号波長光は、前もって設定したしきい値を超えているので、したがって、レーザビーム１１８の強度が待機レベルに落とされて、レーザビーム１１８への暴露から使用者の手１２６を保護する。
【００５１】
図７は、伸長位置にある手袋１３８を示しており、使用者の手１２６が紫外線ビーム１６０内に伸長している。使用者が手１２６を紫外線ビーム１６０内に伸長させると、紫外線ビーム１６０の一部は手袋１３８に吸収され、それにより、信号波長光が手袋１３８から放射される。放射した信号波長光はハウジング１１４内に散乱するが、信号波長光の一部は放射装置／センサ１５４の方に向けられる。したがって、センサ１５８が信号波長光のこれらの部分を検出する。信号波長光の検出された部分は手袋１３８から放射されるので、その強度は前もって設定したしきい値を超える。次いで、制御部１２０は、それに相応して、レーザ１１６がレーザビーム１１８の強度を待機レベルに落とすようにする。これは、使用者の手１２６が紫外線ビーム１６０内に置かれている間、レーザビーム１１８の強度を安全レベルまたはゼロ強度レベルに自動的に落とす。したがって、紫外線ビーム１６０の領域で作業するために、使用者が手動でレーザ１１６を停止させる必要はない。
【００５２】
使用者が手１２６を後退位置に向かって移動させると、手袋１３８は紫外線ビーム１６０から出る。その結果、センサ１５８はもはや信号波長光を検出しない。したがって、センサ１５８の出力信号が切り換わって第１の状態に戻り、使用者がペダルアクチュエータ１２２を押下したのに応答して、レーザビーム１１８の強度が強くなって動作レベルに戻る。したがって、ペダルアクチュエータ１２２を押下している間、使用者は、誤ってレーザビーム１１８を浴びる懸念なしに、紫外線ビーム１６０に手１２６を繰り返し出入りさせることができる。安全システム１２４は、手１２６が紫外線ビーム１６０内にある間、レーザビーム１１８の強度を安全レベルもしくはゼロ強度レベルに落とし、手１２６が紫外線ビーム１６０から出たときに、レーザ１１６の強度が強くなって動作レベルに戻るのを可能にする。これは、レーザビーム１１８を浴びる危険性を低減し、それによって、レーザ１１６で溶接する際の安全性を高める。
【００５３】
図５〜図７に開示したものに対する代替の実施形態では、放射装置／センサ１５４は、代替案として、（紫外波長光ではなく）特定の色の光波長を放射し、検出してもよい。放射装置／センサ１５４用の色を基本とした適切なシステムの例には、オハイオ州クリーブランド所在のＥＭＸインダストリーズ社から市販の、商品名「ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００  ＤＩＳＣＲＥＴＥ」、「ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００  ＨＥＸ」、「ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００  ＲＧＢ」カラーセンサがある。この実施形態では、手袋１３８は、手袋１３８が所与の色のビームに入ったときに検出用のカラーセンサに対応した所与の色を反射するか、または放出する材料を含むことができる。
【００５４】
好ましい実施形態に関連させて本発明を説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、基本形態および細部にわたって変更が可能であると当業者ならば分かるであろう。例えば、レーザ装置１０、１１０は、単一の安全システム（例えば、安全システム２４、１２４）を有するものとしてそれぞれ上記に開示されているが、本発明の複数の安全システムを使用することもできる。特に、使用者がハウジング１４内で両手を使って安全に作業できるように、１対の安全システム２４を使用することが望ましい。あるいは、紫外線ビーム１６０の空間範囲を増加させるために、多数の安全システム１２４を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】後退位置にある手袋を有するレーザ制御安全システムを含むレーザ装置の側面図である。
【図２】後退位置にある手袋を有するレーザ制御安全システムを含み、さらに、金属管およびフィラ材料供給スプールを含むレーザ装置の側面図である。
【図３】レーザ溶接加工時に、半ば伸長した位置にある手袋を有するレーザ制御安全システムを含むレーザ装置の側面図である。
【図４】伸長した位置にある手袋を有するレーザ制御安全システムを含むレーザ装置の側面図である。
【図５】後退位置にある手袋を有する代替のレーザ制御安全システムを含むレーザ装置の側面図である。
【図６】レーザ溶接加工時に、半ば伸長した位置にある手袋を有する代替のレーザ制御安全システムを含むレーザ装置の側面図である。
【図７】伸長した位置にある手袋を有する代替のレーザ制御安全システムを含むレーザ装置の側面図である。
【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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