(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中において、シールドガスにより水を遮断してレーザ加工ヘッドで溶接を行う場合に、前記レーザ加工ヘッドからのレーザとは別の照明用のレーザにより当該溶接の部分近傍を照明する水中レーザ溶接モニター用レーザ照射器であって、
配管の一端に前記照明用のレーザを導く光ファイバを接続し、この一端近傍に冷却ガスを供給するラインの接続口を有し、他端より前記照明用のレーザを出射し冷却ガスを排出するようにし、
前記他端は、前記シールドガス内に入れられる、ことを特徴とする水中レーザ溶接モニター用レーザ照射器。
【請求項２】
前記配管の他端に前記照明用のレーザを拡散するボールレンズを設け、このボールレンズ取付け部近傍の配管に冷却ガス排出用開口を設け、たことを特徴とする請求項１記載の水中レーザ溶接モニター用レーザ照射器。
【請求項３】
前記ボールレンズは、前記配管における前記他端の開口を塞ぐように設けられ、前記冷却ガス排出用開口は前記ボールレンズと前記接続口との間に位置することで、前記接続口から前記配管内に流れ込んだ前記冷却ガスが該配管内を前記ボールレンズに向かって流れ前記冷却ガス排出用開口から配管外部へ排出されるようになっていることを特徴とする請求項２記載の水中レーザ溶接モニター用レーザ照射器。
【請求項４】
水中において、シールドガスにより水を遮断してレーザ加工ヘッドで溶接を行う場合に、前記レーザ加工ヘッドからのレーザとは別の照明用のレーザにより当該溶接の部分近傍を照明する水中レーザ溶接モニター用レーザ照射方法であって、
配管の一端に前記照明用のレーザを導く光ファイバを接続し、この一端近傍に冷却ガスを供給するラインの接続口を有し、他端より前記照明用のレーザを出射し冷却ガスを排出するようにし、
前記他端は、前記シールドガス内に入れられる、ことを特徴とする水中レーザ溶接モニター用レーザ照射方法。
【請求項５】
前記配管の他端に前記照明用のレーザを拡散するボールレンズを設け、このボールレンズ取付け部近傍の配管に冷却ガス排出用開口を設け、たことを特徴とする請求項４記載の水中レーザ溶接モニター用レーザ照射方法。
【請求項６】
前記ボールレンズは、前記配管における前記他端の開口を塞ぐように設けられ、前記冷却ガス排出用開口は前記ボールレンズと前記接続口との間に位置することで、前記接続口から前記配管内に流れ込んだ前記冷却ガスが該配管内を前記ボールレンズに向かって流れ前記冷却ガス排出用開口から配管外部へ排出されることを特徴とする請求項５記載の水中レーザ溶接モニター用レーザ照射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中レーザ溶接を撮像するために用いるレーザ照明器と水中レーザ溶接モニター用レーザ照射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、空気中のレーザ溶接は、母材２にレーザ加工ヘッド１を設定し、シールドガス４で空気を遮断し、レーザを照射して溶接棒３を溶融し母材２を接合する。この溶接状態を撮影するため、光ファイバ８からのレーザで溶接部７近傍を照明しＣＣＤカメラ５で撮影する。レーザ照明は、強く輝く溶接部７に対し遙かに暗い背景（母材２、溶接棒３、溶着金属など）を明るくし、かつシャッター速度を短くして、溶接部３と背景をほぼ同じ明るさにして撮像するために用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水中でレーザ溶接する場合、シールドガス４により水を遮断して溶接が行われる。この場合、ＣＣＤカメラ５と光ファイバ８はシールドガス４内に先端部を入れる必要がある。しかし、シールドガス４内は溶接部７に近く高温であるため、照明用の光ファイバ８をシールドガス４内に入れると溶融するという問題があった。
【０００４】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高温に耐えるレーザ照射器と水中レーザ溶接モニター用レーザ照射方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１、４の発明では、水中において、シールドガスにより水を遮断してレーザ加工ヘッドで溶接を行う場合に、前記レーザ加工ヘッドからのレーザとは別の照明用のレーザにより当該溶接の部分近傍を照明する水中レーザ溶接モニター用レーザ照射器であって、
配管の一端に前記照明用のレーザを導く光ファイバを接続し、この一端近傍に冷却ガスを供給するラインの接続口を有し、他端より前記照明用のレーザを出射し冷却ガスを排出するようにし、前記他端は、前記シールドガス内に入れられる。
【０００６】
光ファイバに配管を接続しレーザの導波路を形成し、かつ水の侵入を防止し配管を冷却するためこの配管内に冷却ガスを供給するようにする。かかる構成により、配管の先端をシールドガス内に入れて照明すればよいので、光ファイバを溶接による熱から保護することができる。
【０００７】
請求項２、５の発明では、前記配管の他端に前記照明用のレーザを拡散するボールレンズを設け、このボールレンズ取付け部近傍の配管に冷却ガス排出用開口を設ける。
請求項３、６の発明では、前記ボールレンズは、前記配管における前記他端の開口を塞ぐように設けられ、前記冷却ガス排出用開口は前記ボールレンズと前記接続口との間に位置することで、前記接続口から前記配管内に流れ込んだ前記冷却ガスが該配管内を前記ボールレンズに向かって流れ前記冷却ガス排出用開口から配管外部へ排出される。
【０００８】
シールドガス中に入れる配管の先端にボールレンズを設ける。ボールレンズは配管内を導波してくるレーザを集光した後、これを拡散する。これにより照明エリアを拡大することができる。またボールレンズ取付け部近傍の配管に冷却ガス排出用開口を設けることにより、配管とボールレンズとに冷却ガスが接して流れ、これらの冷却が行われる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、実施形態のレーザ照射器を用いた水中レーザ溶接の撮影状態を示す図である。水中の母材２に対しレーザ加工ヘッド１を設定しレーザを照射しシールドガス４を排出して水を遮断した中で溶接が行われる。このシールドガス４内にＣＣＤカメラ５の先端とレーザ照射器６の先端を入れ、溶接部７とその背景（母材２、溶接棒３、溶着金属など）の撮像が行われる。
【００１０】
図２は実施形態のレーザ照射器の構成を示す図で、（Ａ）は縦断面図を示し、（Ｂ）は配管先端を曲げて照射方向を代えた場合を示し、（Ｃ）は配管の先端に配管軸とボールレンズの中心を合わせて設けた場合を示し、（Ｄ）は配管の先端に配管軸とボールレンズの中心をずらして設けた場合を示す。
【００１１】
図２（Ａ）に示すように、レーザ照射器６は、配管１０の一端１１にレーザを導く光ファイバ１２を接続し、この近傍に冷却ガスラインに接続する冷却ガスライン接続口１３を設けている。冷却ガスとしてはアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを用いる。また配管内面は鏡面としレーザの伝達ロスを防止するようにするとよい。配管１０の先端１４よりレーザを照射し、冷却ガスを排出する。かかる構成により、図１に示すシールドガス４内に配管１０の先端１４を入れてレーザを照射しても溶接熱に耐えることができる。
【００１２】
図２（Ｂ）は配管１０の先端部を曲げて照射方向を変えたものである。（Ｃ）は配管１０の先端１４にボールレンズ１５を設け、配管軸とボールレンズ１５の中心を合わせて配置したものである。またボールレンズ１５のつけ根には排出口１６を設け、冷却ガスを排出する。ボールレンズ１５はレーザを集光し拡散する働きをする。冷却ガスは配管１０とボールレンズ１５を冷却する。（Ｄ）はボールレンズ１５の中心と配管軸をずらし、レーザを配管軸に対して曲げて出射するようにしたもので、他は（Ｃ）と同じである。かかる構成により、高温のシールドガス内を照射できるコンパクトなレーザ照射器６を得ることができる。
【００１３】
次に、かかるレーザ照射器６を用いた溶接部撮像装置について説明する。図３は溶接部撮像装置の構成を示す図である。母材２に対しレーザ加工ヘッド１を垂直に配置し、溶接棒３をレーザ加工ヘッド１からのレーザにより溶融して溶着金属２ａを形成する。溶接部７とその近傍のもの（背景と称し、レーザ加工ヘッド１，母材２，溶接棒３，溶着金属２ａ等）を撮像するＣＣＤカメラ５とこれらを照明するレーザ照射器６が配置されている。溶接部７は明るく輝くアークやプラズマ等であり、背景は暗いレーザ加工ヘッド１、溶接棒３、溶着金属２ａ、母材２ｄ等である。ＣＣＤカメラ５は溶接部７を中心に背景を映すように配置され、フレーム信号抽出部２１はＣＣＤカメラ５のビデオ信号からフレーム信号を抽出する。ＣＣＤカメラ５からのビデオ信号はビデオデッキ２２ａで録画されモニタ２２ｂで画像表示される。
【００１４】
１／ｎディカウンタ２３はフレーム信号の周期を整数で割って周期を長くする装置である。ＣＣＤカメラ５のフレーム周期はテレビ信号と同じく３０Ｈｚ（正確には２９．９７Ｈｚ）のものが用いられている。通常ｎ＝１，２，３の３０Ｈｚ，１５Ｈｚ，１０Ｈｚが用いられ、スイッチでいずれかに切り換えられるようになっている。遅延回路２４は１／ｎディカウンタ２３より出力された周期をｎ（ｎは整数で通常はｎ＝１）周期遅れた周期の信号を出力する。これにより１周期未満の遅れ周期を排除することができ、フレーム周期とパルスレーザ周期を確実に同期させることができる。パルスレーザ発生装置２５は、例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの場合、フラッシュランプをパルス的に放電し励起して発振させる。この励起するパルスの周期を遅延回路２４の信号で行なうことにより、３０Ｈｚ，１５Ｈｚ，１０Ｈｚのパルスレーザを出力することができる。レーザ照射器６はパルスレーザ発生装置２５で発生したパルスレーザを拡散して溶接部７と背景を照射する。
【００１５】
次に動作について説明する。ＣＣＤカメラ５のＣＣＤは電荷蓄積時間に対象物の映像を電荷にし、その後電気信号として送りだす。この電荷蓄積時間はフレーム周期で発生する。この電荷蓄積時間中に照明用のパルスレーザを照射する。このためパルスレーザの周期もフレーム周期に同期させる必要がある。図４はこの状況を示す。溶接部７の映像は電荷蓄積時間の間電荷に変換されてゆく。これに対して背景の映像はパルスレーザが照射された時間の間に電荷に変換される。このため電荷蓄積時間がパルスレーザの照射時間よりある程度以上長いと溶接部７のみが明るくなるハレーションを起し、溶接部７と背景の画像が得られない。これを解決するため図５に示すように電荷蓄積時間を大幅に短くし、溶接部７からの入光を制限し、溶接部７と背景からの入光量を同じ程度にすると両者の鮮明な画像が得られる。この電荷蓄積時間を短くすることを電子シャッタと言い、大幅に短くする場合を高速電子シャッタと言う。このように電荷蓄積時間を短くすると、この電荷蓄積時間の間にパルスレーザを照射する必要があり、ＣＣＤのフレーム周期とパルスレーザの周期を厳密に同期させる必要がある。このため従来はパルスレーザ発生装置２５に高価な高精度のクロック装置を装備していたが、上述の本装置はフレーム周期でパルスレーザを発生させることにより簡単な装置で同期を実現したものである。
【００１６】
図６はＣＣＤカメラ５のフレーム周期とパルスレーザの周期との同期を示す図である。Ａは電子シャッタが作用しない通常の電荷蓄積時のＣＣＤフレーム周期で３０Ｈｚの場合を示す。Ｂは高速シャッタ時で電荷蓄積時間を大幅に絞り、溶接部７を撮像する場合で、周期は変わらず３０Ｈｚである。Ｃはパルスレーザを３０Ｈｚに同期して発生させた周期を示す。Ｄはパルスレーザを１５Ｈｚで発生させフレーム信号に同期させた場合を示し、Ｅはパルスレーザを１０Ｈｚで発生させフレーム信号に同期させた場合を示す。Ｄ，Ｅのように周波数を低くするとパルスレーザ発生装置２５が簡単になり低価格となる。しかし、レーザが照射されていない画面では溶接部７のみの画面になり、画面がちらつき、鮮明さが低下する。この場合、パルスレーザを照射した１周期前の画像をメモリに記憶し、パルスレーザが照射されていない周期のときこの記憶した画像を表示するようにすると、ちらつきのない鮮明な画像が得られる。しかもいつも１周期前の画像を用いるため溶接部１の変化にもほぼ追従できるので、利用価値は大きい。
【００１７】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、レーザ照射器を配管で構成しレーザを導く光ファイバを一端に接続しさらに冷却ガスを配管内に供給することにより、高温の溶接部近傍を照射することができる。さらにこの配管の先端にボールレンズを設けることによりレーザを拡散させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水中レーザ溶接の撮影状況を示す図である。
【図２】本発明の実施形態のレーザ照射器の構成を示す図である。
【図３】水中レーザ溶接撮像装置の構成を示す図である。
【図４】通常のＣＣＤ電荷蓄積時間を説明する図である。
【図５】高速電子シャッタを使用したＣＣＤとパルスレーザとの同期を示す図である。
【図６】水中レーザ溶接撮像装置の周波数同期を示す図である。
【図７】空気中のレーザ溶接を撮像する状況を示す図である。
【符号の説明】
１  レーザ加工ヘッド
２  母材
２ａ  溶着金属
３  溶接棒
４  シールドガス
５  ＣＣＤカメラ
６  レーザ照射器
７  溶接部
１０  配管
１１  一端
１２  光ハァイバ
１３  冷却ガスライン接続口
１４  先端
１５  ボールレンズ
１６  排出口
２１  フレーム信号抽出部
２２ａ  ビデオデッキ
２２ｂ  モニタ
２３  １／ｎ  ディカウンタ
２４  遅延回路
２５  パルスレーザ発生装置
【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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