JP2000094176A - レーザ式遠隔溶接・切断装置 - Google Patents

レーザ式遠隔溶接・切断装置

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JP2000094176A JP10261469A JP26146998A JP2000094176A JP 2000094176 A JP2000094176 A JP 2000094176A JP 10261469 A JP10261469 A JP 10261469A JP 26146998 A JP26146998 A JP 26146998A JP 2000094176 A JP2000094176 A JP 2000094176A
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潔 岡
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聡 角舘
Eisuke Tada
栄介 多田
Noriaki Takahashi
範明 高橋
Toshio Osaki
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Shinichi Sato
真一 佐藤
Shunichi Kuriki
俊一 栗木
Kozo Yasuda
耕三 安田
Takashi Sakurai
隆 桜井
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    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 狭隘空間に位置する構造部材の溶接、切断作
業を円滑に且つ能率よく行うことができるレーザ式遠隔
溶接・切断装置を提供する。 【解決手段】 狭隘隙間に挿入し得る幅のヘッドフレー
ムと、該ヘッドフレームの先端部に直角に一側方に突設
した溶接・切断用ノズル8と、ヘッドフレームに支持さ
れ溶接・切断用ノズルに光ファイバ10からの出射レー
ザのビームを集束させる光学系レーザビーム装置9と、
ヘッドフレームを支持した支持ボックス37と、該支持
ボックスに設けられ溶接部にフィラーワイヤを送給し且
つフィラーワイヤ位置を調整する遠隔操作のワイヤ供給
装置39と、支持ボックス内に設けられ光学系レーザビ
ーム装置を駆動する遠隔操作の駆動装置とより成るレー
ザ式遠隔溶接・切断装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、核融合炉
内の構成部材である狭隘空間に位置するブランケットの
支持脚を、バックプレートの支持リブに溶接したり、支
持リブから切断したりするのに用い、また、バックプレ
ートの溶接、切断、穴明け等に用い、さらには真空容器
の二重壁の溶接、切断、穴明け等に用い、その他電磁コ
イルの切断にも用いるレーザ式遠隔溶接・切断装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】核融合炉において、ブランケットをバッ
クプレートに取り付けるには、一つの方法として溶接に
よる締結がある。溶接については、バックプレートに支
持リブを突設し、ブランケットの背面に支持脚を設け、
この支持脚を前記支持リブにキー嵌合し、支持脚と支持
リブの突き合わせ面の外側端を溶接することも考えられ
るが、高温の熱負荷や機械的衝撃荷重に耐え得ないこと
が懸念される。この為、ブランケットの支持脚を直接バ
ックプレートの支持リブに溶接して、ブランケットをバ
ックプレートに取り付ける方法が最適と考えられる。
【0003】ブランケットの支持脚を直接バックプレー
トの支持リブに溶接するには、従来は狭隘TIG溶接や
プラズマ切断などの比較的小型のヘッドを用いて支持脚
にアクセスすることが考えられていたが、隣接するブラ
ンケット間が20mm程度の狭隘隙間であることから、
ブランケットの正面側から挿入することは不可能であ
る。このため、バックプレートとプランケットの間にポ
ートを通じてヘッドを挿入し、溶接・切断するブランケ
ットの支持脚までヘッドを移動させて溶接・切断するこ
とが考えられているが、電気配線などの引き回しや遠隔
操作性と共に、故障時の回収が困難であるなど実用化に
は数多くの課題を有する。従って、ブランケット正面か
ら直接的にアクセス可能で、かつ溶接変形、ひずみ、応
力を極力小さくすることのできる方法が要望されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、レー
ザを用いることによりブランケットの正面側から隣接す
るブランケット間の狭隘隙間を通してブランケット支持
脚にアクセスして溶接作業や切断作業をすることがで
き、しかもファイバ導光を用いることにより、伝達経路
の光軸設定を容易にして遠隔操作性を著しく向上させ、
溶接後の変形、ひずみ、応力も小さくでき、またブラン
ケット支持脚の溶接、切断以外に、バックプレートの溶
接、切断、穴明け、真空容器の二重壁の溶接、切断、穴
明け、電磁コイルの切断、その他各種構造部材の狭隘空
間を通しての溶接、切断、穴明け等でも適宜加工できる
ようにしたレーザ式遠隔溶接・切断装置を提供しようと
するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のレーザ式遠隔溶接・切断装置は、狭隘隙間に
挿入し得る幅のヘッドフレームと、該ヘッドフレームの
先端部に直角に一側方に突設した溶接・切断用ノズル
と、ヘッドフレームに支持され溶接・切断用ノズルに光
ファイバからの出射レーザのビームを集束させる光学系
レーザビーム装置と、ヘッドフレームを支持した支持ボ
ックスと、該支持ボックスに設けられ溶接部にフィラー
ワイヤを送給し且つフィラーワイヤ位置を調整する遠隔
操作のワイヤ供給装置と、支持ボックス内に設けられ光
学系レーザビーム装置を駆動する遠隔操作の駆動装置と
より成るものである。
【0006】上記のレーザ式遠隔溶接・切断装置におけ
る光学系レーザビーム装置は、光ファイバの先端部を保
持して切断時前進させ溶接時後退させる光ファイバ進退
装置と、溶接時光ファイバからの出射レーザのビームの
途中に下降させ出射レーザを平行にコリメートし切断時
出射レーザのビーム外に上昇させる溶接用コリメートレ
ンズと、光ファイバからの出射レーザを下方に反射させ
る45度傾斜の全反射ミラーと、切断時広がった反射レ
ーザのビームを集束させ溶接時反射レーザのビーム外に
後退させる回転可能な切断用集束レンズと、溶接時反射
レーザのビームの途中に前進させ且つ光軸に沿って移動
させ切断時反射レーザのビーム外に後退させる溶接用集
束レンズと、溶接・切断用ノズルの方向に反射レーザの
向きを変換する45度傾斜の全反射ミラーと、溶接・切
断用ノズル内に光軸と直角に設けた保護ガラスとより成
るものである。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明のレーザ式遠隔溶接・切断
装置の実施形態を図によって説明する。図1において、
1は核融合炉のブランケットで、このブランケット1は
組立時背面の支持脚2を、バックプレート3の支持リブ
4に溶接して取り付けたり、メンテナンス時溶接部を切
断して取り外したりする。これを行う本発明のレーザ式
遠隔溶接・切断装置は、図1に示される隣接するブラン
ケット1間の狭隘な隙間(約20mm)5に挿入し得る
幅(約18mm)の図2、図3に示すヘッドフレーム6
の先端部の垂直支持板7の下側にて直角に一側方に溶接
・切断用ノズル8を突設してあり、ヘッドフレーム6全
体には前記溶接・切断用ノズル8に後述の光ファイバか
らの出射レーザを集束させる光学系レーザビーム装置9
が支持されている。
【0008】この光学系レーザビーム装置9を図2によ
って説明すると、ヘッドフレーム6内の上部に、光ファ
イバ10の先端部をスライダ11に固定したファイバホ
ルダ12に保持して、図1に示される支持脚2の切断時
光ファイバ10を前進させ、支持脚2の溶接時図2に示
されるように光ファイバ10を後退させる光ファイバ進
退装置13が設けられている。光ファイバ10からの出
射レーザ14のビームの途中に、支持脚2の溶接時に下
降位置させて出射レーザ14を平行にコリメートし、支
持脚2の切断時に出射レーザ14のビーム外に上昇させ
る溶接用コリメートレンズ15が設けられており、この
溶接用コリメートレンズ15の上昇、下降は、前記光フ
ァイバ進退装置13の進退と連動するようにしてある。
即ち、溶接用コリメートレンズ15を保持したレンズホ
ルダ16が垂直ガイド17に沿って上下動可能に垂設さ
れてその下端のテーパ面18が光ファイバ進退装置13
のスライダ11の先端のテーパ面19に当接しており、
このレンズホルダ16の上端にワイヤ20が結合され、
ワイヤ20がヘッドフレーム6の上面に設けた滑車2
1,22、さらにヘッドフレーム6の中間の垂直杆に横
向きに設けた滑車23を経て光ファイバ進退装置13の
スライダ11の後端に結合され、前記レンズホルダ16
がスプリング24にて下方に付勢されるようになってい
る。従って、光ファイバ進退装置13のスライダ11が
後退するとワイヤ20の緊張が解かれる結果、レンズホ
ルダ16がスプリング24の付勢力により下降せしめら
れて溶接用コリメートレンズ15が出射レーザ14のビ
ームの途中に位置し、スライダ11が前進するとワイヤ
20にてレンズホルダ16がスプリング24に抗して引
き上げられて溶接用コリメートレンズ15が出射レーザ
14のビーム外に位置する。
【0009】ヘッドフレーム6の先端部の垂直支持板7
の上側には、出射レーザ14を下方に反射させる45度
傾斜の全反射ミラー25が設けられている。反射したレ
ーザ26のビームの途中には、切断用集束レンズ27と
溶接用集束レンズ28が夫々交互に位置するように進退
可能、上下動可能且つ回転可能に設けられている。即
ち、切断用集束レンズ27はヘッドフレーム6の先端側
に進退可能に設けたスライダ29に上下動可能且つ回転
可能に支持せる丸棒30の先端のホルダ31に保持さ
れ、溶接用集束レンズ28は、ヘッドフレーム6の先端
側に進退可能に設けたスライダ32に回転可能に支持せ
る丸棒33の先端の上下動可能なホルダ34に保持され
ている。ヘッドフレーム6の先端部の垂直支持板7の下
側には、反射したレーザ26を溶接・切断用ノズル8の
方向に反射させて向きを変える45度傾斜の全反射ミラ
ー35が設けられている。前記溶接・切断用ノズル8内
には光軸と直角に保護ガラス36が設けられている。
【0010】前記ヘッドフレーム6は、図4に示すよう
に支持ボックス37に基端が結合支持され、また支持ボ
ックス37には溶接部にフィラーワイヤ38を送給し且
つフィラーワイヤ38の位置を調整する遠隔操作のワイ
ヤ供給装置39がヘッドフレーム6の上側から前端面に
沿って設けられている。そして、支持ボックス37内に
は前記光ファイバ進退装置13、スライダ29、スライ
ダ32を夫々進退させ、また、切断面集束レンズ27を
回転且つ上下させ、さらに溶接用集束レンズ28を回転
させ、またさらにワイヤ供給装置39を進退、回転、上
下させる遠隔操作の駆動制御装置40が設けられてい
る。この駆動制御装置40には、夫々の機器を各々動作
させるモータが設けられ、これらが遠隔操作によりコン
トロールされるようになっている。また、支持ボックス
37が遠隔操作によりコントロールされるモータにより
進退するようになされている。
【0011】次に上述の如く構成されたレーザ式遠隔溶
接・切断装置によりブランケット1の支持脚2をバック
プレート3の支持リブ4に溶接する場合について説明す
ると、先ず図5に示すように遠隔操作により支持ボック
ス37を前進させ、縦横に配列保持されたブランケット
1の上下左右の隙間5の交差する部分に正面から一側方
に溶接・切断用ノズル8が突設したヘッドフレーム6を
挿入し、図6に示すように隣接する左右のブランケット
1の支持脚2間の空間5′に溶接・切断用ノズル8を位
置させる。次にヘッドフレーム6に支持されている光学
系レーザビーム装置9の光ファイバ進退装置13を支持
ボックス37内の駆動制御装置40により図2に示すよ
うに後退せしめる。これに伴い溶接用コリメートレンズ
15のレンズホルダ16がスプリング24の付勢力によ
り下降せしめられて光ファイバ10の軸線上に位置せし
められる。またホルダ31に保持された切断用集束レン
ズ27を駆動制御装置40により丸棒30、スライダ2
9と共に後退せしめる。さらにホルダ34に保持された
溶接用集束レンズ28を駆動制御装置40により丸棒3
3、スライダ32と共に前進せしめて全反射ミラー2
5,35間に位置せしめる。然して、図6に示されるブ
ランケット1の支持脚2をバックプレート3の支持リブ
4に溶接するには、ヘッドフレーム6を僅かに下降して
溶接・切断用ノズル8を支持脚2の溶接部に向かせる。
そして光ファイバ10より沃素レーザを出射し、この出
射レーザ14を溶接用コリメートレンズ15により平行
にコリメートして全反射ミラー25にて下方に垂直に反
射させ、この反射したレーザ26のビームを、溶接用集
束レンズ28を適宜に上下させて適切に集束しながら、
全反射ミラー35にて溶接・切断用ノズル8の方向に反
射させて、図3に示すように溶接・切断用ノズル8から
溶接部にレーザ照射すると同時に、溶接部の開先にワイ
ヤ供給装置39によりフィラーワイヤ38を遠隔操作に
より供給充填して溶接を行いながら徐々にヘッドフレー
ム6を隣接するブランケット1間の隙間5を下降させ
て、支持脚2と支持リブ4とを垂直長手方向に溶接して
いく。この溶接加工においては、溶接開先の底から表面
まで逐次焦点の位置をずらして溶接を行うことと、開先
に充填したフィラーワイヤ38を溶融すると同時に、溶
接開先の側面も加熱溶融する必要があることとにより、
集束性はあまり高くなく、結像比は低く、焦点深度の深
いビームとなる。
【0012】次いでブランケット1の支持脚2をバック
プレート3の支持リブ4から切断する場合について説明
すると、先ず図5に示すように縦横に配列されバックプ
レート3に溶接されたブランケット1の上下左右の隙間
5の交差する部分に正面から一側方に溶接・切断用ノズ
ル8が突設したヘッドフレーム6を挿入し、図6に示す
ように隣接する左右のブランケット1の支持脚2間の空
間5′に溶接・切断用ノズル8を位置させる。次にヘッ
ドフレーム6に支持されている光学系レーザビーム装置
9の光ファイバ進退装置13を支持ボックス37内の駆
動制御装置40により、図7に示すように前進せしめ
る。これに伴い溶接用コリメートレンズ15のレンズホ
ルダ16がワイヤ20の引っ張りによりスプリング24
に抗して引き上げられ、溶接用コリメートレンズ15が
光ファイバ10の軸線上から外される。またホルダ31
に保持された切断用集束レンズ27を駆動制御装置40
により丸棒30、スライダ29と共に前進せしめた後、
90度回転せしめて全反射ミラー25,35間に位置せ
しめる。さらにホルダ34に保持された溶接用集束レン
ズ28を駆動制御装置40により丸棒33、スライダ3
2と共に、後退せしめられて全反射ミラー25,35間
から外す。然して図6に示されるブランケット1の支持
脚2をバックプレート3の支持リブ4から切断するに
は、ヘッドフレーム6を僅かに下降して溶接・切断用ノ
ズル8を支持脚2の切断部に向かわせる。そして光ファ
イバ10より沃素レーザを出射し、この出射レーザ14
を全反射ミラー25にて下方に拡大反射させ、この反射
したレーザ26を切断用集束レンズ27を適宜に上下さ
せて適切に集束しながら全反射ミラー35にて溶接・切
断用ノズル8の方向に反射させて、図8に示すように溶
接・切断用ノズル8から切断部にレーザ照射して切断を
行いながら、徐々にヘッドフレーム6を隣接するブラン
ケット1間の隙間5を下降させて支持脚2を支持リブ4
から垂直長手方向に切断していく。この切断加工におい
ては、集束性が高くてエネルギー密度が集束部で高いこ
とが必要で、結像比は低く、焦点深度の浅いビームとな
る。
【0013】尚、上記実施形態のレーザ式遠隔溶接・切
断装置における溶接・切断用ノズル8は、ヘッドフレー
ム6の先端部一側方に突設しているが、これは隣接する
ブランケット1の支持脚2間の空間5′で支持脚2をバ
ックプレート3の支持リブ4に溶接したり、ブランケッ
ト1の交換、補修時に支持脚2を支持リブ4から切断し
たりするためで、バックプレート3をブランケット1の
正面側から溶接したり、切断したり、穴明けしたりする
場合は、図9、図10に示すようにベアリング機構41
でヘッドフレーム6の先端部のツール42の下端とメタ
ルタッチしているノズル支持部材43全体を回転可能に
なして、溶接・切断用ノズル8を水平方向に回転させ
て、ヘッドフレーム6の前方に突出せしめるようにする
とよい。このようにした場合、バックプレート3を切断
或いは穴明けした部分からさらにその外側の真空容器の
二重壁の溶接、切断、穴明け等の加工ができる。
【0014】また、上記実施形態のレーザ式遠隔溶接・
切断装置においては、光ファイバ10より沃素レーザを
出射しているが、これは支持脚2のように肉厚寸法の大
きい構成材料を溶接・切断するのに高出力を要するため
で、肉厚寸法の小さい構成材料を溶接、切断、穴明けし
たりする場合は低出力でもよいので、沃素レーザをYA
Gレーザに代替してもよい。
【0015】
【発明の効果】以上の説明で判るように本発明のレーザ
式遠隔溶接・切断装置によれば、狭隘空間に位置する構
造部材、例えばブランケット背面の支持脚の溶接、切断
作業を、ブランケット正面側から隣接するブランケット
間の隙間を通してアクセスすることができて、溶接、切
断作業以外の作業は不要であり、しかも遠隔操作により
前記溶接、切断作業を円滑に且つ能率よく行うことがで
きる。また、ブランケット支持脚の溶接、切断以外に、
バックプレートの溶接、切断、穴明け、真空容器の二重
壁の溶接、切断、穴明け等の作業もブランケット正面側
からアクセスすることができて、極めて効率のよい作業
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】核融合炉のブランケットのバックプレートへの
取付状態を示す平面図である。
【図2】本発明によるレーザ式遠隔溶接・切断装置のブ
ランケット支持脚を溶接する時の側面図である。
【図3】図2の正面図である。
【図4】図2のレーザ式遠隔溶接・切断装置におけるヘ
ッドフレームの支持ボックスを示す縦断側面図である。
【図5】核融合炉内のブランケットの正面から図2のレ
ーザ式遠隔溶接・切断装置をアクセスする状態を示す概
略斜視図である。
【図6】隣接するブランケット間の隙間に図2のレーザ
式遠隔溶接・切断装置を挿入し、隣接するブランケット
の支持脚間の空間に溶接・切断用ノズルを位置させた状
態を示す平面図である。
【図7】本発明のレーザ式遠隔溶接・切断装置のブラン
ケット支持脚を切断する時の側面図である。
【図8】図7の正面図である。
【図9】本発明のレーザ式遠隔溶接・切断装置のヘッド
フレーム先端部のツールを回転可能にした例を示す要部
側面図である。
【図10】図9の正面図である。
【符号の説明】
1 ブランケット 5 隙間 6 ヘッドフレーム 8 溶接・切断用ノズル 9 光学系レーザビーム装置 10 光ファイバ 13 光ファイバ進退装置 14 出射レーザ 15 溶接用コリメートレンズ 25 全反射ミラー 26 反射したレーザ 27 切断用集束レンズ 28 溶接用集束レンズ 35 全反射ミラー 36 保護ガラス 37 支持ボックス 38 フィラーワイヤ 39 ワイヤ供給装置 40 駆動制御装置 41 ベアリング機構 42 ツール 43 ノズル支持部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡 潔 茨城県那珂郡東海村白方白根2−4 日本 原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 角舘 聡 茨城県那珂郡東海村白方白根2−4 日本 原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 多田 栄介 茨城県那珂郡東海村白方白根2−4 日本 原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 高橋 範明 東京都江東区南砂2丁目6番5号 川崎重 工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者 大崎 敏雄 東京都江東区南砂2丁目6番5号 川崎重 工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者 佐藤 真一 東京都江東区南砂2丁目6番5号 川崎重 工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者 栗木 俊一 東京都江東区南砂2丁目6番5号 川崎重 工業株式会社東京設計事務所内 (72)発明者 安田 耕三 千葉県野田市二ツ塚118 川崎重工業株式 会社野田工場内 (72)発明者 桜井 隆 千葉県野田市二ツ塚118 川崎重工業株式 会社野田工場内 (72)発明者 早川 明良 千葉県野田市二ツ塚118 川崎重工業株式 会社野田工場内 Fターム(参考) 4E068 AE00 BA06 CB05 CE02 CE08 DA07

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 狭隘隙間に挿入し得る幅のヘッドフレー
    ムと、該ヘッドフレームの先端部に直角に一側方に突設
    した溶接・切断用ノズルと、ヘッドフレームに支持され
    溶接・切断用ノズルに光ファイバからの出射レーザのビ
    ームを集束させる光学系レーザビーム装置と、ヘッドフ
    レームを支持した支持ボックスと、該支持ボックスに設
    けられ溶接部にフィラーワイヤを送給し且つフィラーワ
    イヤ位置を調整する遠隔操作のワイヤ供給装置と、支持
    ボックス内に設けられ光学系レーザビーム装置を駆動す
    る遠隔操作の駆動制御装置とより成るレーザ式遠隔溶接
    ・切断装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のレーザ式遠隔溶接・切断
    装置における光学系レーザビーム装置が、光ファイバの
    先端部を保持して切断時前進させ溶接時後退させる光フ
    ァイバ進退装置と、溶接時光ファイバからの出射レーザ
    のビームの途中に下降させ出射レーザを平行にコリメー
    トし切断時出射レーザのビーム外に上昇させる溶接用コ
    リメートレンズと、光ファイバからの出射レーザを下方
    に反射させる45度傾斜の全反射ミラーと、切断時広が
    った反射レーザのビームを集束させ溶接時反射レーザの
    ビーム外に後退させる回転可能な切断用集束レンズと、
    溶接時反射レーザのビームの途中に前進させ且つ光軸に
    沿って移動させ切断時反射レーザのビーム外に後退させ
    る溶接用集束レンズと、溶接・切断用ノズルの方向に反
    射レーザの向きを変換する45度傾斜の全反射ミラー
    と、溶接・切断用ノズル内に光軸と直角に設けた保護ガ
    ラスとより成るものであることを特徴とするレーザ式遠
    隔溶接・切断装置。
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Cited By (4)

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