(57)【要約】【課題】溶接施工部位が水平面に対して傾斜している場合でも、溶接ワイヤの先端部と溶接施工部位とが接触した状態を保ちながら溶接を行うレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、レーザ溶接装置は、レーザ光の照射方向を開口にし、溶接施工部位５にレーザ光を照射するレーザ照射ヘッド１と、溶接ワイヤ４の先端部が溶接施工部位５と接触するように、溶接ワイヤ４を順次送り込む溶接ワイヤ送り管１４と、溶接ワイヤ４の先端部を、少なくとも溶接施工部位５の進行方向に対して交差する方向に移動させるように首振り可能な首振り機構２０を有する溶接ワイヤ接触機構８とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射方向を開口にし、溶接施工部位に前記レーザ光を照射するレーザ照射ヘッドと、
溶接ワイヤの先端部が前記溶接施工部位と接触するように、前記溶接ワイヤを順次送り込む溶接ワイヤ送り管と、
前記溶接ワイヤの先端部を、少なくとも前記溶接施工部位の進行方向に対して交差する方向に移動させるように首振り可能な首振り機構を有する溶接ワイヤ接触機構と、
を備えることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記レーザ照射ヘッドの内部に不活性ガスを供給して、前記レーザ照射ヘッド内のレーザ光路内の水を遮断して気相に保持するガス供給管と、
前記レーザ照射ヘッドの開口部に取り付けられて、前記溶接施工部位に前記不活性ガスを噴射するガス噴射ノズルと、
を設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記溶接ワイヤ接触機構は、前記溶接ワイヤの先端部を前記溶接施工部位に押し付ける弾性部材を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記首振り機構は、前記溶接ワイヤ送り管に接続された複数の直動アクチュエータから構成され、これらの直動アクチュエータの伸縮動作に従って前記溶接ワイヤの先端部の向きを変更することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記直動アクチュエータは、導電性高分子アクチュエータ、電流供給に伴う発熱に応じて伸縮長さが変化する形状記憶合金およびバイメタルのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記首振り機構は、前記溶接ワイヤ送り管の外周面に取り付けられた複数の永久磁石と、これらの永久磁石の周囲にそれぞれ対向するように配置された複数のコイルとを有し、
前記複数のコイルのいずれかを励磁することにより対向する永久磁石を吸着して前記溶接ワイヤ送り管の向きを変更することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記首振り機構は、前記溶接ワイヤ送り管を保持するガイド棒と、このガイド棒の後端側の外周面に等間隔で各一端が固定された４本の操作ワイヤとを有し、これら操作ワイヤの他端のいずれかを巻き取ったり、繰り出したりして前記溶接ワイヤ送り管を上下左右に首振り可能としたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記レーザ照射ヘッドの先端部と前記溶接施工部位との距離を計測する計測手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記溶接ワイヤ接触機構は、
前記ガス噴射ノズル近傍に配置された回転軸と、
前記回転軸の回転角度を検出する回転センサと、
一端が前記回転軸に連結されて、他端が前記溶接施工部位付近の前記溶接ワイヤ送り管を支持するように形成された支持部材と、
を有し、
前記弾性部材は、前記ガス噴射ノズル付近の外枠と前記支持部材とを連結するように形成されて、
前記溶接ワイヤの先端部が回動する角度を前記回転センサによって検出して、この検出結果に基づいて前記照射側の先端部と前記溶接施工部位との距離を導き出すことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１０】
前記外枠の内部で前記レーザ照射ヘッドの近傍に配置されて前記溶接施工部位を撮影する内蔵カメラを設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記溶接ワイヤ送り管の外周面に歪みゲージが取り付けられ、この歪みゲージは、前記レーザ光が前記溶接施工部位に照射されたときに発生する音による歪みを検出し、この検出結果に基づいて前記レーザ照射ヘッドの先端部と前記溶接施工部位との距離を計測することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１２】
レーザ照射ヘッドの開口部から溶接施工部位にレーザ光の照射するレーザ光照射ステップと、
溶接ワイヤの先端部が前記溶接施工部位と接触するように、前記溶接ワイヤを順次送り込む溶接ワイヤ送りステップと、
前記溶接ワイヤの先端部を、少なくとも前記溶接施工部位の進行方向に対して交差する方向に移動させるように首振り可能な首振り機構により前記溶接ワイヤの先端部を前記溶接施工部位に押し付けながら接触させる溶接ワイヤ接触ステップと、
を有する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】
本発明の実施形態は、レーザ溶接装置およびその装置を用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子炉の構造物などの部材に欠陥が発生した場合に、健全性回復のためにレーザ溶接による補修を行う技術が知られている。
【０００３】
このようなレーザ溶接装置としては、水中で溶融部近傍に大量のガスを噴き付けて部分的に乾き状態を実現し、この乾いた金属表面にレーザ光を照射し、母材および溶接ワイヤの先端部を溶融させて、欠陥部を補修するというものがある。
【０００４】
レーザ溶接装置は、例えば特許文献１に開示されているように、水中でレーザ溶接を行うことができるレーザ溶接装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７９７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した水中下のレーザ溶接においては、既設の溶接構造物は図面との誤差が大きい場合、溶接施工部位に曲面が形成されている場合、溶接施工部位に段差が形成されている場合、および溶接施工部位が水平面に対して傾斜している場合などには、レーザ溶接ヘッドと溶接施工部位との間隔を一定に保つのが困難になることがある。これらの場合には、安定したレーザ溶接ヘッドと溶接施工部位との位置関係が得られなくなり、高品質な溶接を行うことができないという課題があった。
【０００７】
本発明の実施形態は、溶接施工部位が水平面に対して傾斜している場合でも、溶接ワイヤの先端部と溶接施工部位とが接触した状態を保ちながら溶接を行うレーザ溶接装置およ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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係るレーザ溶接装置は、レーザ光の照射方向を開口にし、溶接施工部位に前記レーザ光を照射するレーザ照射ヘッドと、溶接ワイヤの先端部が前記溶接施工部位と接触するように、前記溶接ワイヤを順次送り込む溶接ワイヤ送り管と、前記溶接ワイヤの先端部を、少なくとも前記溶接施工部位の進行方向に対して交差する方向に移動させるように首振り可能な首振り機構を有する溶接ワイヤ接触機構と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ照射ヘッドの開口部から溶接施工部位にレーザ光の照射するレーザ光照射ステップと、溶接ワイヤの先端部が前記溶接施工部位と接触するように、前記溶接ワイヤを順次送り込む溶接ワイヤ送りステップと、前記溶接ワイヤの先端部を、少なくとも前記溶接施工部位の進行方向に対して交差する方向に移動させるように首振り可能な首振り機構により前記溶接ワイヤの先端部を前記溶接施工部位に押し付けながら接触させる溶接ワイヤ接触ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、溶接施工部位が水平面に対して傾斜している場合でも、溶接ワイヤの先端部と溶接施工部位とが接触した状態を保ちながら溶接を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置の第１実施形態を示す正断面図である。
【図２】本発明に係るレーザ溶接装置の第２実施形態を示す正断面図である。
【図３】本発明に係るレーザ溶接装置の第３実施形態を示す正断面図である。
【図４】溶接が正常に行われている状態を内蔵カメラで撮影した画像の例を示した図である。
【図５】本発明に係るレーザ溶接装置の第４実施形態における首振り機構を示す拡大図である。
【図６】本発明に係るレーザ溶接装置の第４実施形態における直動アクチュエータの変形例を示す拡大図である。
【図７】本発明に係るレーザ溶接装置の第５実施形態における首振り機構を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明に係るレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は本発明に係るレーザ溶接装置の第１実施形態を示す正断面図である。なお、以下の実施形態では、溶接ワイヤの先端部を向ける方向の下方向とは、溶接ワイヤが溶接施工部位を押し付ける方向、上方向はその押し付け方向と逆方向、左右方向はレーザ溶接装置本体の走行方向に対して左右の方向をいう。これらの方向に従って各構成部材の上下左右方向の位置および移動方向が規定されている。
【００１４】
まず、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００の構成について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００は、溶接施工部位５に対して垂直上方に位置するレーザ照射ヘッド１と、このレーザ照射ヘッド１にレーザ光を供給する光ファイバー２と、レーザ照射ヘッド１に不活性ガスを供給するガス供給管３と、溶接ワイヤ４を溶接施工部位５に送り込む溶接ワイヤ送り機構６と、これらを覆って内部に水が流入しないように形成された外枠７と、を有する。さらに、このレーザ溶接装置本体１００は、溶接ワイヤ４を溶接施工部位５に所定の押付け力を作用させながら接触させる溶接ワイヤ接触機構８を有している。
【００１６】
レーザ照射ヘッド１は、例えば筒状に形成され、その内部はガラスなどの透光性および反射性を有する平板状の仕切り部材１０によって、光源側１ａと照射側１ｂとに仕切られている。この仕切り部材１０は、その面がレーザ光軸方向に対して所定の傾きを有するように固定されている。
【００１７】
このレーザ照射ヘッド１の光源側１ａの端部には、レーザ光を供給する光ファイバー２が接続されている。レーザ照射ヘッド１の内部の光源側１ａには、例えばレンズなどの複数の光学素子１１が配置されている。これらの光学素子１１は、例えば溶接対象物の溶接施工部位５におけるレーザ光の焦点などを調整する機能を有しており、光ファイバー２から供給されたレーザ光のうち、所定の波長帯域の光が透過されるように構成されている。
【００１８】
照射側１ｂの端部には、レーザ光を照射する開口部１２が形成されている。この開口部１２の外側には、ガス噴射ノズル１３が直列に連結されている。
【００１９】
ガス供給管３は、レーザ溶接装置本体１００の外部から外枠７の内部を通ってレーザ照射ヘッド１の照射側１ｂの側面に接続されている。不活性ガスは、このガス供給管３から供給されて、照射側１ｂに配置された仕切り部材１０に吹き付けられて、ガス噴射ノズル１３から溶接施工部位５に向かって噴射される。仕切り部材１０は、レーザ照射ヘッド１の側面からレーザ光軸にほぼ垂直方向に流通して供給された不活性ガスを、レーザ光軸方向に流通方向を変化させながらガス噴射ノズル１３側に供給するように傾斜している。
【００２０】
ガス噴射ノズル１３は、レーザ光が照射されるとともに、不活性ガスが噴射されるように構成されている。
【００２１】
溶接ワイヤ送り機構６は、外枠７内でレーザ照射ヘッド１に隣接して配置されて、溶接ワイヤ４の先端部を所定の速度で溶接施工部位５に送り出すように構成されている。この溶接ワイヤ送り機構６から溶接対象物の溶接施工部位５の近傍まで、溶接ワイヤ送り管１４が延びている。溶接ワイヤ４の先端部は、この溶接ワイヤ送り管１４の内部を通って、溶接ワイヤ送り管１４のワイヤ出口部１５から溶接ワイヤ送り管１４の外部に送り出されて、溶接施工部位５に接触するように形成されている。
【００２２】
溶接施工部位５近傍に配置されている溶接ワイヤ送り管１４は、レーザ光軸方向に対して、所定の傾きを有する方向に延びている。
【００２３】
溶接ワイヤ接触機構８は、溶接ワイヤ送り管１４の変位量を検出してレーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を計測する計測手段としての位置センサ１６、溶接ワイヤ送り管１４を支持する例えば金属材料で形成される支持金具１７、溶接ワイヤ送り管１４の先端近傍に溶接ワイヤ送り管１４と同一軸線上に固定された筒状の先端支持部１８、この先端支持部１８と支持金具１７との間に取り付けられた首振り機構２０を有している。先端支持部１８は、例えば球面座に設けられ、軸線方向を上下左右に容易に変更可能である。
【００２４】
首振り機構２０は、４本の導電性高分子アクチュエータから構成されている。これら導電性高分子アクチュエータの一端は、先端支持部１８の周方向に９０度の間隔をおいて固着され、他端がそれぞれ支持金具１７に９０度の間隔をおいて固着されている。つまり、４本の導電性高分子アクチュエータは、溶接ワイヤ送り管１４の軸線と直交する面に対して上下左右に配置されている。この導電性高分子アクチュエータは、電圧を印加することにより伸縮する。具体的には、導電性高分子アクチュエータは、プラスの電圧を印加すると伸び、マイナスの電圧を印加すると縮むように構成されている。
【００２５】
溶接ワイヤ送り管１４の先端部から送り出された溶接ワイヤ４は、首振り機構２０により任意の方向、すなわち溶接施工部位５に対して左右方向と、溶接施工部位５を押し付ける方向と、その押し付け方向と逆方向に向けることができる。
【００２６】
具体的には、溶接ワイヤ送り管１４の先端部を右方向に向ける場合には、溶接ワイヤ送り管１４の軸線と直交する面に対して上下左右に配置された導電性高分子アクチュエータのうち、右に配置された導電性高分子アクチュエータを他の導電性高分子アクチュエータに対して縮める。同様に、左方向に向ける場合には、左に配置された導電性高分子アクチュエータを他の導電性高分子アクチュエータに対して縮める。また、下方向（溶接ワイヤ４が溶接施工部位５を押し付ける方向）に向ける場合には、下に配置された導電性高分子アクチュエータを他の導電性高分子アクチュエータに対して縮め、上方向（押し付け方向と逆方向）に向ける場合には、上に配置された導電性高分子アクチュエータを他の導電性高分子アクチュエータに対して縮める。したがって、首振り機構２０は、溶接ワイヤ４の先端部を、少なくとも溶接施工部位５の進行方向に対して交差する方向に移動させるように首振り可能である。
【００２７】
このようにして溶接ワイヤ４の先端部は、溶接対象物の溶接施工部位５に、首振り機構２０の導電性高分子アクチュエータによって所定の押付け力を作用させながら接触している。この押付け力によって、溶接ワイヤ４の先端部は、溶接施工部位５から離れることがなく常に接触状態を保持することが可能である。
【００２８】
また、この溶接ワイヤ接触機構８は、位置センサ１６によって、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５付近に配置された溶接ワイヤ４の先端部（溶接施工部位５）との距離を計測することが可能である。
【００２９】
なお、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００が溶接中に走行する方向は、例えば図１の矢印Ａに示す方向に向かって走行する。溶接施工部位５付近の溶接ワイヤ４が溶接施工部位５から離れる方に延びる方向と矢印Ａの方向とが、例えば鋭角となるように設定されている。このため、溶接施工部位５に想定外の例えば凸形状の段差部などがあった場合には、この段差部が溶接ワイヤ４の側部に接触することになる。
【００３０】
溶接ワイヤ４の先端部が溶接施工部位５に作用する押付け力は、溶接ワイヤ４の側部に段差部が接触した場合、水平面に対して傾斜している場合などには、溶接ワイヤ４の先端部が段差部形状や傾斜面形状に追従し、溶接ワイヤ４の先端部と溶接施工部位５との接触が維持される。
【００３１】
なお、このレーザ溶接装置本体１００の駆動装置（図示せず）は、図１に示す矢印Ａの方向に駆動する横方向駆動部とレーザ光軸方向に沿って駆動させる縦方向駆動部を有する。
【００３２】
続いて、レーザ光の光路および不活性ガスの流路について説明する。
【００３３】
光ファイバー２から供給されたレーザ光は、レーザ照射ヘッド１の光源側１ａに供給される。このレーザ光は、光源側１ａに複数配置された光学素子１１を透過する。これらの光学素子１１を透過したレーザ光は、仕切り部材１０を透過して照射側１ｂに供給されて、ガス噴射ノズル１３に送られる。
【００３４】
一方、不活性ガスは、ガス供給管３を流通してレーザ照射ヘッド１の照射側１ｂに供給される。照射側１ｂに供給された不活性ガスは、仕切り部材１０に吹き付けられながら、ガス噴射ノズル１３に送られる。
【００３５】
このときガス噴射ノズル１３では、レーザ光の照射および不活性ガスの噴射が並行して行われている。これによりレーザ溶接装置本体１００は、溶接施工部位５に対して溶接を行う。
【００３６】
次に、本実施形態のレーザ溶接装置による溶接方法について説明する。
【００３７】
溶接作業前の段取りとして、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離において、予め溶接に最適な距離を設定しておく。さらに、この溶接に最適な距離に対して、レーザ照射ヘッド１の先端部が溶接施工部位５に近づく方向および離れる方向における溶接可能な距離、すなわち溶接可能な距離の変動範囲も設定しておく。このときの溶接可能な変動範囲内とは、溶接施工部位５にレーザ光が照射されたときに、溶接ワイヤ４の先端部が溶融して溶接可能な状態を保つことができる変動範囲内であることをいう。
【００３８】
続いて、このレーザ溶接装置本体１００を溶接しない状態、例えばレーザ光を照射していない状態で、溶接施工部位５に沿ってプレ走行（施工前のテスト走行）させる。このとき、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を、位置センサ１６などを用いて求めておく。
【００３９】
このプレ走行で求めた上記距離に基づいて、レーザ溶接装置本体１００の最適な走行動作を算出する。すなわち、上記距離が溶接可能な距離を保ちながら走行できるように、レーザ溶接装置本体１００の移動経路を補正する。算出された走行動作に基づいて、レーザ溶接装置本体１００は、レーザ光軸方向に対して溶接に最適な距離を保ちながら走行して溶接を行う。例えば、溶接施工部位５がレーザ光軸方向に対して凹凸を有する場合には、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を溶接可能な範囲に保つように縦方向駆動部を制御する。
【００４０】
また、溶接施工部位５がレーザ光軸方向に対して傾斜している場合には、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を溶接可能な範囲に保つように横方向駆動部を制御する。
【００４１】
レーザ溶接装置本体１００は、上記の通り溶接方向に沿って溶接を行いながら移動するように構成されている。プレ走行のときおよび溶接しているときの溶接ワイヤ４の先端部は、常にレーザ光軸と所定の角度を保って、溶接施工部位５に所定の押付け力を作用させながら接触している。
【００４２】
溶接施工部位５が平坦な面の場合には、レーザ溶接装置本体１００は平坦面に沿って移動する。このとき、溶接ワイヤ４の先端は、ほぼ一定の押付け力を作用させながら溶接施工部位５に接触しながら、離れることなく移動する。
【００４３】
溶接施工部位５が、レーザ光軸に対して凹凸を有する面や傾斜している面である場合であっても、平坦面の場合と同様に、レーザ溶接装置本体１００は、凹凸や傾斜する溶接施工部位５に沿って離れることなく、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を溶接可能な距離を保ちながら溶接するように構成されている。
【００４４】
溶接施工部位５の凹凸形状および傾斜面形状において、レーザ光軸方向に対する最高部と最低部との距離の差、すなわち凹凸形状および傾斜面形状のＰＶ値（面精度）が溶接可能な距離の変動範囲内であれば、レーザ溶接装置本体１００が凹凸形状および傾斜面形状に倣って走行しなくとも、溶接することが可能である。
【００４５】
この場合には、首振り機構２０による押付け力によって、溶接ワイヤ４の先端部は、凹凸形状および傾斜面形状に倣うようにレーザ光軸方向に沿って揺動動作を行いながら、溶接施工部位５から離れることなく接触を保持して溶接を行うことが可能である。したがって、レーザ溶接装置本体１００ごと移動するよりも、制御を容易に行うことが可能である。
【００４６】
また、このレーザ溶接装置本体１００は、プレ走行により予め溶接施工部位５の表面形状を測定する必要は必ずしもない。例えば、レーザ照射ヘッド１の先端部および溶接ワイヤ４の先端部の距離を位置センサ１６で計測しておけば、その距離を計測しながら、溶接を行うことも可能である。すなわち、このレーザ溶接装置本体１００は、上記距離の計測結果に基づいて、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を常に所定の範囲となるように補正しながら溶接を行うことができる。
【００４７】
なお、この場合、仮にレーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離が、溶接可能な範囲から外れたと判断された場合には、溶接ワイヤ４の先端部を溶接施工部位５から離れる方向に移動するように制御する。このとき、溶接ワイヤ４の先端部のみを溶接施工部位５から離してもよいが、レーザ溶接装置本体１００ごと溶接施工部位５から離れるように制御してもよい。
【００４８】
溶接施工部位５から溶接ワイヤ４の先端部を離した後に、再度レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接ワイヤ４の先端部との距離を計測して、最適な溶接距離となるようにレーザ溶接装置本体１００を移動させて、溶接を再開させてもよい。
【００４９】
また、このレーザ溶接装置本体１００は、仕切り部材１０に向けて、アルゴンガスなどの乾いた不活性ガスを吹き付けるため、仕切り部材１０に付着した水を吹き飛ばすことが可能である。よって、水中下においても、部分的な気中空間を形成して仕切り部材１０の表面を乾いた状態に保つことが可能であるため、このレーザ溶接装置本体１００は、水中下でも溶接することが可能である。
【００５０】
このように本実施形態によれば、溶接施工部位５が水平面に対して傾斜してレーザ照射ヘッド１と溶接施工部位５までの距離に誤差が生じても、溶接ワイヤ４の先端は、溶接施工部位５に首振り機構２０で常に押し付けられるため、適正な隙間でなくても溶接ワイヤ４が溶接施工部位５から離れることがなく、常に接触した状態を保ちながら溶接を行うことが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態では水中における施工を想定した装置構成となっているが、気中でも運用可能である。気中で運用する場合、外枠は水が流入しない構造でなくてもよい。
【００５２】
（第２実施形態）
図２は本発明に係るレーザ溶接装置の第２実施形態を示す正断面図である。
【００５３】
本実施形態は、前記第１実施形態の変形例であって、前記第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。その他の実施形態も同様とする。
【００５４】
前記第１実施形態では、溶接ワイヤ送り管１４の先端部を首振り機構２０により上下左右方向に向けることができるようにしたが、本実施形態では、溶接ワイヤ送り管１４の先端部を上下方向に向ける場合に弾性部材を用い、左右方向に向ける場合に左右首振り機構を用いている。
【００５５】
図２に示すように、本実施形態の溶接ワイヤ接触機構８は、回転角度を検出する回転センサ２１、溶接ワイヤ送り管１４を支持する例えば金属材料で形成される支持金具１７、一端が支持金具１７に接続された弾性部材２２を有している。
【００５６】
回転センサ２１は、ガス噴射ノズル１３の近傍の外枠７に配置され、その回転軸２３がレーザ光軸に垂直な方向に延びるように配置されている。
【００５７】
この回転軸２３の例えば端部には、先端が溶接施工部位５付近まで延びた溶接ワイヤ送り管１４を支持する支持金具１７が接続されている。この支持金具１７は、例えば長方形状の平板であって、この支持金具１７の一方の短辺側は、回転軸２３の端部に回転軸２３方向に垂直に取り付けられている。他方の短辺側は、溶接ワイヤ送り管１４と連結されて、この溶接ワイヤ送り管１４を支持している。
【００５８】
回転センサ２１の回転軸２３が回転することによって、この回転に伴い支持金具１７が回動するように構成されている。すなわち、この回転軸２３を中心として、溶接施工部位５近傍で溶接ワイヤ送り管１４の先端が回動する。よって、この回転軸２３の回転に伴って、溶接ワイヤ送り管１４から送り出された溶接ワイヤ４の先端部が回動する。この溶接ワイヤ４の先端部は、回転センサ２１の回転軸２３方向に対して垂直で且つレーザ光軸を含む平面上に沿って動作する。
【００５９】
溶接ワイヤ４の先端部は、厳密には回転軸２３の回転に伴って回動するが、回動量（移動量）が少ないため、レーザ光軸方向に沿って揺動するように移動するものとして捉えてもよい。以後、本実施形態においては、溶接ワイヤ４の回動動作を揺動動作と捉えて説明する。
【００６０】
溶接施工部位５近傍の溶接ワイヤ送り管１４は、回転センサ２１の近傍の外枠７に、例えば、ばねやゴムなどで引っ張られた弾性部材２２によって連結されている。この弾性部材２２は、引張ばねに限らず圧縮ばねや回転軸２３に対するひねりばねを用いてもよい。
【００６１】
溶接ワイヤ４の先端部は、溶接対象物の溶接施工部位５に、引っ張られた弾性部材２２の反力によって所定の押付け力を作用させながら接触している。この押付け力によって、溶接ワイヤ４の先端部は、溶接施工部位５から離れることがなく常に接触状態を保持することが可能である。
【００６２】
具体的には、溶接ワイヤ送り管１４は、支持金具１７を介して弾性部材２２で引っ張られるため、回転軸２３を軸として溶接ワイヤ送り管１４は、矢印Ｂ方向に回転される。その結果、溶接ワイヤ送り管１４の内部を通過する溶接ワイヤ４の先端は、溶接施工部位５に常に押し付けられる。
【００６３】
また、この溶接ワイヤ接触機構８は、回転センサ２１によって、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５付近に配置された溶接ワイヤ４の先端部との距離を計測することが可能である。
【００６４】
さらに、この溶接ワイヤ接触機構８は、回転センサ２１で検出された回転角度および幾何学計算に基づいて、レーザ照射ヘッド１の先端と溶接ワイヤ４の先端部（溶接施工部位５）までの距離を計測することが可能である。
【００６５】
そして、回転センサ２１により距離を計測することが可能なため、事前に溶接ルートをスキャンして位置ずれ量を事前に計測し、その位置ずれ分を補正してから溶接操作を行うことも、溶接しながら位置補正することも可能である。そのため、溶接施工部位５に対して溶接ワイヤ４の適切な挿入ポジションを維持することが可能となる。
【００６６】
したがって、本実施形態は、弾性部材２２により溶接ワイヤ４の先端部を溶接施工部位５に押し付けながら接触させることができる。
【００６７】
そして、本実施形態の溶接ワイヤ接触機構８は、左右首振り機構２５を有している。この左右首振り機構２５は、２本の導電性高分子アクチュエータから構成されている。これら導電性高分子アクチュエータの一端は、先端支持部１８の周方向に１８０度の間隔をおいて固着され、他端がそれぞれ支持金具１７に１８０度の間隔をおいて固着されている。つまり、２本の導電性高分子アクチュエータは、溶接ワイヤ送り管１４の軸線と直交する面に対して左右に配置されている。
【００６８】
溶接ワイヤ送り管１４の先端部は、左右首振り機構２５により左右の任意の方向、すなわち左右方向に向けることができる。具体的には、溶接ワイヤ送り管１４の先端部を右方向に向ける場合には、溶接ワイヤ送り管１４の軸線に対して左右に配置され導電性高分子アクチュエータのうち、右に配置された導電性高分子アクチュエータを他の導電性高分子アクチュエータに対して縮める。また、溶接ワイヤ送り管１４の先端部を左方向に向ける場合には、左に配置された導電性高分子アクチュエータを他の導電性高分子アクチュエータに対して縮める。
【００６９】
このようにして溶接ワイヤ４の先端部は、溶接対象物の溶接施工部位５に、弾性部材２２によって所定の押付け力を作用させながら接触している。この押付け力によって、溶接ワイヤ４の先端部は、溶接施工部位５から離れることがなく常に接触状態を保持することが可能である。
【００７０】
このように本実施形態によれば、溶接施工部位５が水平面に対して傾斜してレーザ照射ヘッド１と溶接施工部位５との距離に誤差が生じても、溶接ワイヤ４の先端は、溶接施工部位５に弾性部材２２および左右首振り機構２５で常に押し付けられるため、適正な隙間でなくても溶接ワイヤ４が溶接施工部位５から離れることがなく、常に接触した状態を保ちながら溶接を行うことが可能となる。
【００７１】
（第３実施形態）
図３は本発明に係るレーザ溶接装置の第３実施形態を示す正断面図である。図４は溶接が正常に行われている状態を内蔵カメラで撮影した画像の例を示した図である。
【００７２】
本実施形態では、図３に示すように、溶接施工部位５を観察するために内蔵カメラ２６がレーザ照射ヘッド１の近傍に取り付けられている。また、レーザ照射ヘッド１の仕切り部材１０は、例えば可視光などの特定波長を反射して、例えば赤外光の溶接用のレーザ光を透過するように形成されている。この仕切り部材１０と内蔵カメラ２６との光路間には、光学フィルタ２７などを設けてもよい。
【００７３】
溶接施工部位５の溶接状態は、先ずレーザ照射ヘッド１に配置された仕切り部材１０に映し出される。仕切り部材１０に映し出された画像は、この仕切り部材１０を反射して、反射板２８に映し出され、その後に、光学フィルタ２７を介して内蔵カメラ２６に取り込まれる。この内蔵カメラ２６に取り込まれた画像データは、内蔵カメラ２６に接続されて外枠７の外部に延びたカメラケーブル２９を介して例えば画像処理装置（図示せず）に伝送される。この画像処理装置により解析されて出力された画面などによって、溶接作業者がレーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を計測するとともに、溶接状態の良否を判断することができる。ここで、溶接が正常に行われている状態を内蔵カメラ２６で撮影した画像を図４に示す。
【００７４】
なお、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離が、溶接可能な距離の変動範囲であるときに、内蔵カメラ２６の溶接施工部位５に対する焦点が合うように設定しておくことが望ましい。
【００７５】
このように本実施形態によれば、レーザ照射点（溶接施工部位５）をレーザ照射方向と同じ方向から監視することができる。これによって、例えば溶接ワイヤ４の先端部の位置、溶融状態、溶接ビードの状態、および溶融池の状態などを容易に確認することができるため、溶接状態の異常診断を容易に行うことが可能となる。
【００７６】
（第４実施形態）
図５は本発明に係るレーザ溶接装置の第４実施形態における首振り機構を示す拡大図である。
【００７７】
なお、図５では、インナワイヤ、アウタチューブおよび直動アクチュエータを３本しか図示していないが、実際にはそれぞれ４本設けられている。具体的には、前記第１実施形態と同様に溶接ワイヤ送り管１４の軸線と直交する平面に対して上下左右に配置されている。つまり、インナワイヤ３０ｂ，アウタチューブ３１ｂ，直動アクチュエータ３２ｂの紙面奥側に４本目のインナワイヤ、アウタチューブ、直動アクチュエータが存在する。
【００７８】
図５に示すように、本実施形態の溶接ワイヤ接触機構８は、溶接ワイヤ送り管１４の変位量を検出する位置センサ１６、溶接ワイヤ送り管１４を支持する例えば金属材料で形成される支持金具１７、溶接ワイヤ送り管１４の先端近傍に溶接ワイヤ送り管１４と同一軸線上に固定された筒状の先端支持部１８、この先端支持部１８と支持金具１７に取り付けられた首振り機構３０を有している。先端支持部１８は、例えば球面座に設けられ、軸線方向を上下左右に容易に変更可能である。
【００７９】
首振り機構３０は、インナワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…と、これらインナワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…が挿通するアウタチューブ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，…と、インナワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…をそれぞれ伸縮させる直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…と、を備えている。この直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…には、例えばエアシリンダが用いられる。
【００８０】
支持金具１７には、アウタチューブ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，…の一端が接続され、その他端は直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…の固定部または外枠７などに固定されている。
【００８１】
また、溶接ワイヤ送り管１４に設けた先端支持部１８には、インナワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…の一端が固定され、その他端がアウタチューブ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，…の内部を通って直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…の可動部に接続されている
したがって、本実施形態では、直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…のいずれかを作動させてインナワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…を引っ張ることにより、溶接ワイヤ送り管１４の先端部を任意の方向、すなわち上下左右方向に向けることができる。
【００８２】
このように本実施形態によれば、溶接ワイヤ送り管１４の先端部には、インナワイヤ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…だけが取り付けられているため、溶接ワイヤ接触機構８の小型化が可能になる。また、直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…を外枠７などに固定したことで、溶接施工部位５から離間させることができる。
【００８３】
さらに、本実施形態によれば、直動アクチュエータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，…にエアシリンダを用いたことにより、部品点数を削減するとともに、壊れにくく堅牢にすることができる。
【００８４】
（第４実施形態の変形例）
図６は本発明に係るレーザ溶接装置の第４実施形態における直動アクチュエータの変形例を示す拡大図である。
【００８５】
図６に示すように、本実施形態の直動アクチュエータ３５は、ケーブル３６に接続された駆動源としてのモータ３７、このモータ３７の出力軸に取り付けられた傘歯車３８、この傘歯車３８と噛み合う傘歯車３９が固定されてインナワイヤ４０を繰り出したり、巻き取ったりするワイヤ巻車４１、インナワイヤ４０が挿通するアウタチューブ４２を備えている。モータ３７およびワイヤ巻車４１は、取付板４３に固定されている。モータ３７は、ステッピングモータまたはサーボモータなどが用いられる。
【００８６】
したがって、本実施形態の直動アクチュエータ３５は、モータ３７を駆動させてモータ３７の出力軸を一方向に回転させると、傘歯車３８、傘歯車３９を介してワイヤ巻車４１が回転し、インナワイヤ４０を繰り出す。また、モータ３７を駆動させてモータ３７の出力軸を他方向に回転させると、傘歯車３８、傘歯車３９を介してワイヤ巻車４１が上記と逆方向に回転し、インナワイヤ４０を巻き取る。
【００８７】
このように本変形例によれば、モータ３７を駆動制御してインナワイヤ４０を繰り出すことにより、インナワイヤ４０の繰出し量を精密に制御することができる。
【００８８】
（第５実施形態）
図７は本発明に係るレーザ溶接装置の第５実施形態における首振り機構を示す拡大図である。
【００８９】
図７に示すように、本実施形態の首振り機構５０は、溶接ワイヤ４を送り出すための溶接ワイヤ送り管１４を、保持部５１を介して保持するガイド棒５２、このガイド棒５２内を摺動可能に設けられた摺動ロッド５３、ガイド棒５２の後端側に固定された筒状のワイヤ固定部５４、このワイヤ固定部５４の外周面に等間隔で一端が固定された２本の操作ワイヤ５５、これらの操作ワイヤ５５がそれぞれ巻き掛けられる滑車５６を備えている。操作ワイヤ５５の他端は、図示しない駆動手段に固定されている。
【００９０】
なお、図７では、図示を省略しているが操作ワイヤ５５は、ワイヤ固定部５４における紙面の奥側と手前側の位置にも設けられている。そのため、ガイド棒５２は、紙面の上下方向と、奥手前方向に揺動可能である。
【００９１】
したがって、本実施形態は、ガイド棒５２の後端側に固定した操作ワイヤ５５を巻き取ったり、繰り出したりすることで、溶接ワイヤ４の先端部を溶接対象物の溶接施工部位５に、首振り機構５０によって所定の押付け力を作用させながら接触している。この押付け力によって、溶接ワイヤ４の先端部は、溶接施工部位５から離れることがなく常に接触状態を保持することが可能である。
【００９２】
このように本実施形態によれば、首振り機構５０を溶接ワイヤ送り管１４の先端近傍に設けずに済むため、溶接施工部位５に近接する溶接ワイヤ接触機構の構造を簡素化することができる。
【００９３】
（その他の実施形態）
以上のように本発明の各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。これらの実施形態やその変形例は、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。
【００９４】
なお、その他の実施形態では、上下左右方向は、便宜上、重力の向きに対してどのように配置してもよい。
【００９５】
前記第１実施形態において、溶接ワイヤ送り管１４を上下、左右に首振りを行うための手段として、溶接ワイヤ送り管１４が上下に首振る回転(チルト)軸とスプリングを設け、さらに左右に首振る旋回（パン）軸を設け、旋回（パン）軸を動作させるアクチュエータを設けるようにしてもよい。
【００９６】
また、前記第４実施形態およびその変形例以外の直動アクチュエータとしては、電流供給に伴う発熱に応じて伸縮長さが変化する２つのばね状の形状記憶合金またはバイメタルを用いてもよい。
【００９７】
２つの形状記憶合金の場合は、一方の形状記憶合金に直接電流を流すと、その電流を流した形状記憶合金の電気抵抗により合金自体が発熱し温度が上がって変態温度に近づき、縮み方向に張力が発生する。この形状記憶合金の変態時の収縮弾性力は非変態時の弾性力よりも高いので、電流を流していない他方の形状記憶合金は伸張され、両方の張力の釣合うポイントまで移動する。これにより、直動アクチュエータを構成することができる。なお、バイメタルの場合も同様の作用を有する。
【００９８】
首振り機構としては、上記実施形態以外に、溶接ワイヤ送り管１４の外周面に取り付けられた複数の永久磁石と、これらの永久磁石の周囲にそれぞれ対向するように配置された複数のコイルとを有し、複数のコイルのいずれかを励磁することにより対向する永久磁石を吸着して溶接ワイヤ送り管１４の向きを変更するものを用いてもよい。
【００９９】
上記各実施形態でレーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位５との距離を計測するには、位置センサ１６および回転センサ２１を用いるようにしたが、これに限らず例えば溶接ワイヤ送り管１４の外周面に歪みゲージを取り付け、この歪みゲージは、レーザ光が溶接施工部位５に照射されたときに発生する音による歪みを検出し、この検出結果に基づいて上記距離を計測するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１…レーザ照射ヘッド、１ａ…光源側、１ｂ…照射側、２…光ファイバー、３…ガス供給管、４…溶接ワイヤ、５…溶接施工部位、６…溶接ワイヤ送り機構、７…外枠、８…溶接ワイヤ接触機構、１０…仕切り部材、１１…光学素子、１２…開口部、１３…ガス噴射ノズル、１４…溶接ワイヤ送り管、１５…ワイヤ出口部、１６…位置センサ（計測手段）、１７…支持金具、１８…先端支持部、２０…首振り機構、２１…回転センサ、２２…弾性部材、２３…回転軸、２５…左右首振り機構、２６…内蔵カメラ、２７…光学フィルタ、２８…反射板、２９…カメラケーブル、３０…首振り機構、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…インナワイヤ、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…アウタチューブ、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…直動アクチュエータ、３５…直動アクチュエータ、３６…ケーブル、３７…モータ、３８…傘歯車、３９…傘歯車、４０…インナワイヤ、４１…ワイヤ巻車、４２…アウタチューブ、４３…取付板、５０…首振り機構、５１…保持部、５２…ガイド棒、５３…摺動ロッド、５４…ワイヤ固定部、５５…操作ワイヤ、５６…滑車、１００…レーザ溶接装置本体
【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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