JP2000280087A - 水中レーザ溶接装置及び水中レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水中レーザ溶接を、特に水中での水排除容器等
を使用しないで、確実にドライスポットを形成すること
により、大気中と同等に容易に実施する。 【解決手段】レーザトーチ１２はケーシング１３と支持
板１４によりカプセルを形成して水中にてガスシールド
ノズル１より供給されるシールドガスと水シールドノズ
ル２から吹き出す円錐状の水カーテン１０により形成さ
れるドライスポット中にてレーザ溶接を実施する水中レ
ーザ溶接装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水中レーザ溶接技
術の分野に係る。

【０００２】

【従来の技術】現在、原子力発電プラントや海洋鋼構造
物の溶接補修技術として従来のアーク溶接法だけでなく
レーザによる補修溶接も実施されてきたが、原子力では
補修は、原子炉内部の水をドレンしてから放射線遮蔽の
必要から遮蔽構造物を設置し、補修を実施した後、遮蔽
構造物を除去してから、再度注水するという加工工数の
高い溶接補修方法を採用してきた。

【０００３】また、海洋鋼構造物の冠水部位の補修で
は、水中での溶接作業時、水排除容器設置等により、補
修部位をドライ環境として溶接補修を実施してきた。

【０００４】しかし本従来方法では、水排除装置製作，
設置に多大な工数が必要であった。これらの理由で、水
をドレンして遮蔽構造物を設置、作業終了後の遮蔽構造
物の除去と注水に要する作業工数、あるいは、海洋水中
での水排除装置設置及び作業終了後の水排除装置除去と
復元に要する多大な工数を要し作業性の改善が望まれて
いた。

【０００５】また、特開昭49−79939 号に示すように従
来からＴＩＧ及びＭＩＧ等のアーク溶接では水カーテン
による水中溶接も提案されていた。

【０００６】また、特開平9−10982号に示す水中レーザ
溶接技術では、ガスだけによる水排除によることから、
ドライスポット径が、３mm程度小さく、大気中での補修
溶接と比較して安定した品質の溶接が不可能であった。

【０００７】水カーテンでのドライスポット形成による
補修溶接を行おうとしても、水カーテンの吹き出し速度
と角度、及びシールドガス流量の最適化が知られていな
いから、安定した径３０mm以上のドライスポットが得ら
れず、補修溶接で必ず必要となる開先加工部やコーナー
部での溶接が困難であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水中
環境下のレーザ溶接を大気中環境下と同等に行える様に
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段は、第１手段が、溶接部に照射されるレーザ光と
同軸にして前記溶接部に向けてシールドガスを噴出する
ガスシールドノズルと、前記ガスシールドノズルの外周
囲から水カーテンを形成する水を噴出する水シールドノ
ズルを備えている水中レーザ溶接装置であり、シールド
ガスのみならず、ガスよりも粘性の高い水によって、広
くて崩れ難い強固なドライスポットの空間を水中で形成
する。

【００１０】同じく第２手段は、溶接部に照射されるレ
ーザ光と同軸にして前記溶接部に噴出されるシールドガ
スと水カーテンにより溶接部にドライスポットを形成し
て前記溶接部をレーザを適用して水中溶接する方法であ
って、前記水カーテンの流速を下向きでは、４〜８ｍ／
sec、横向きでは、１０〜２０ｍ／sec、シールドガス流
量を下向きでは、５０〜１２０リットル／sec 、下向き
では１００〜２００リットル／sec とし、水カーテンの
吹き出し角度を下向きでは３０度、横向きでは５０度と
する水中レーザ溶接方法であり、水カーテンの吹き出し
角度と流速，シールドガス流量を最適化することによ
り、開先加工部やコーナー部の溶接を水中ドライスポッ
ト形成により下向きだけでなく横向きでもレーザ溶接が
可能とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例では、図１，図
２，図３のように、レーザトーチ１２の先端部には、ノ
ズル支持フランジ５を介してボルトで、ガスシールドノ
ズル１と水シールドノズル２がレーザ光８の光軸を中心
に同心状に成るように配置されて装備されている。

【００１２】レーザトーチ１２の先端部は水平横向きに
向けられて、同じく垂直な被溶接構造物２０の面に設定
されている溶接部９に向けられている。

【００１３】ガス注入口７から注入されたシールドガス
はガスシールドノズル１からレーザ光８の溶接部９への
照射と同時に溶接部９へ噴出させる。

【００１４】これと同時にガスシールドノズル１外壁面
と水シールドノズル２内壁面との環状の隙間を水注入口
６から注入された水が通って環状の水カーテン１０が形
成される。

【００１５】このようにすると、レーザ光８の光軸と同
心状に中央からシールドガスをガスシールドノズル１か
ら吹き出し溶接部及び溶接ビード９を水及び大気からシ
ールドすることができる。

【００１６】水カーテン１０は、ガスシールドノズル１
と水シールドノズル２とで形成される環状の狭隘な間隙
を水注入口６より注入された水がノズル先端に向って流
れ、ガスシールドノズル１先端に設置されたガスシール
ドチップ３と水シールドノズル２先端に設置された水シ
ールドチップ４により水カーテン吹き出し角度と厚さを
最適化されてガスシールドチップ３と水シールドチップ
先端の間隙から円錐状の形状をなした水膜として図２に
４０゜と表示されているように、開き角度４０度の水カ
ーテン１０を形成する。

【００１７】この水カーテン１０の膜力とガスシールド
ノズル１から吹き出すシールドガス圧力により水中での
円錐状のドライスポット、つまりガス空間を図２と図３
の被溶接構造物２０の溶接部９とガスシールドチップ３
との間隔５ミリの間で溶接部９を覆うように形成する。

【００１８】このガス空間により大気中と同等の条件
で、溶接部９にてレーザ光８の照射でレーザ溶接を水中
にて実施する。

【００１９】図５，図６は下向き溶接用の水中レーザ溶
接装置の全体構成図である。図５，図６でレーザトーチ
１２は、円筒状のケーシング１３とケーシング１３と接
合する支持板１４とノズル支持フランジ５により水の進
入しないカプセル構造となっている。

【００２０】このカプセル構造にシールされたレーザト
ーチ１２はトーチ支持部１６により支持板１４を介して
マニピュレータアーム１５により支持されている。

【００２１】図５，図６の例でも、図１，図２，図３の
例と同様にガスシールドノズル１と水シールドノズル２
とを有し、ガスシールドチップと水シールドノズル２先
端に設置された水シールドチップにより水カーテン吹き
出し角度と厚さを最適化されてガスシールドチップと水
シールドチップ先端の間隙から円錐状の形状をなした水
膜として図５に３０゜と表示されているように、開き角
度３０度の水カーテン１０を形成する。

【００２２】マニピュレータアーム１５によりレーザ水
中溶接装置は溶接部９をトレースして補修溶接を実施す
る。

【００２３】図７にガスシールドチップ３と溶接部との
距離（スタンドオフ）を５mmとした場合の水中での、水
カーテン１０の水流量を横軸にとり、縦軸にガスシール
ドノズル１からのシールドガス流量をとった場合の、水
カーテン角度３０度でのドライスポット成立範囲を示
す。

【００２４】図７から、下向きでスタンドオフ５mmの場
合には水カーテン流速が４〜６ｍ／sec で、シールドガ
ス流量が８０〜１２０リットル／分にて水中での下向き
姿勢でのドライスポットが成立する。

【００２５】実機での施行でも、下向きの水中溶接で
は、水カーテン流量とシールドガス流量を本図設定値に
て施行することにより、大気中と同等の健全な溶接ビー
ドをえることができる。

【００２６】図８にレーザトーチ１２が横向きあるいは
縦向きの場合でのドライスポット成立範囲を示す。スタ
ンドオフを５mmとした場合の水中での、水カーテン１０
の水流量を横軸にとり、縦軸にガスシールドノズル１か
らのシールドガス流量をとった場合の、水カーテン角度
５０度でのドライスポット成立範囲を示す。

【００２７】図８から、横向きでスタンドオフ５mmの場
合には水カーテン流速が１０〜１５ｍ／sec で、シール
ドガス流量が１２０〜２００リットル／分にて水中での
横向き姿勢でのドライスポットが成立する。

【００２８】これらの試験結果から、水カーテン流量と
シールドガス流量を最適化して本発明の水中レーザ溶接
装置を運転することにより、大気中レーザ溶接と比較し
て遜色の無いレーザ溶接が実施される。

【００２９】図７，図８中の表示で一重丸，二重丸，三
重丸の印は安定してドライスポットが形成されているこ
とを示し、丸の数が多いほど安定度が高い。また、同じ
く三角形の印は不安定ながらドライスポットが形成され
ていることを示し、バツ印はドライスポットが成立しな
かったことを示している。尚、図７，図８中の表示でハ
ッチングを施した領域はドライスポットが成立する条件
範囲であると見なした領域である。

【００３０】溶接を実施するレーザ光はＹＡＧレーザだ
けでなく、ＣＯ² レーザも適用する。

【００３１】水中でガスシールドノズル１と溶接部９の
空間を水カーテン１０とガスシールドノズル１より吹き
出すシールドガスによりドライスポットを形成してレー
ザ光８による溶接部９での溶接が可能となる。

【００３２】図４のように溶接部９にフィラーワイヤー
をフィラーワイヤー供給装置１１で供給することによ
り、肉盛溶接が可能となる。そのフィラーワイヤー供給
装置１１は供給先端部が被溶接構造物２０の面に対して
傾斜及び進退自在にしてノズル支持フランジ５側に設置
されている。

【００３３】このようにして、水カーテンの吹き出し角
度と流速，シールドガス流量を最適化することにより、
開先加工部やコーナー部の溶接を水中ドライスポット形
成により下向きだけでなく横向きでもレーザ溶接が可能
とする。

【００３４】本発明の実施例によれば、原子炉補修溶接
及び海洋鋼構造物補修溶接時に水排除及び放射線遮蔽体
の設置すること無く、水中にて下向き及び横向きでのレ
ーザ補修溶接が容易に可能となる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、水中での下向き及び横
向きでのレーザ補修溶接が容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による水中レーザ溶接装置の横
向きのノズル部のノズル先端側から見た図である。

【図２】図１のＢ−Ｂ矢視図である。

【図３】図１のＡ−Ａ矢視図である。

【図４】本発明の実施例による水中レーザ溶接装置の横
向きのノズル部とフィラーワイヤー供給装置先端部の縦
断面図である。

【図５】本発明の実施例による水中レーザ溶接装置の下
向き溶接用トーチ部の全体縦断面図である。

【図６】図５の右側面図である。

【図７】本発明の実施例に適用する水中レーザ溶接装置
の下向き姿勢でのドライスポット成立条件範囲を示すグ
ラフ図である。

【図８】本発明の実施例に適用する水中レーザ溶接装置
の横向き姿勢でのドライスポット成立条件範囲を示すグ
ラフ図である。

【符号の説明】

１…ガスシールドノズル、２…水シールドノズル、３…
ガスシールドチップ、４…水シールドチップ、５…ノズ
ル支持フランジ、６…水注入口、７…ガス注入口、８…
レーザ光、９…溶接部、１０…水カーテン、１１…フィ
ラーワイヤー供給装置、１２…レーザトーチ、１３…ケ
ーシング、１４…支持板、１５…マニピュレータアー
ム、１６…トーチ支持部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 越石 正人 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 Ｆターム(参考） 4E068 BA00 CH02 CH03 CH06 CJ07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接部に照射されるレーザ光と同軸にして
   前記溶接部に向けてシールドガスを噴出するガスシール
   ドノズルと、前記ガスシールドノズルの外周囲から水カ
   ーテンを形成する水を噴出する水シールドノズルを備え
   ている水中レーザ溶接装置。
2. 【請求項２】溶接部に照射されるレーザ光と同軸にして
   前記溶接部に噴出されるシールドガスと水カーテンによ
   り溶接部にドライスポットを形成して前記溶接部をレー
   ザを適用して水中溶接する方法であって、前記水カーテ
   ンの流速を下向きでは、４〜８ｍ／sec、横向きでは、
   １０〜２０ｍ／sec、シールドガス流量を下向きでは、
   ５０〜１２０リットル／sec、下向きでは１００〜２０
   ０リットル／secとし、水カーテンの吹き出し角度を下
   向きでは３０度、横向きでは５０度とする水中レーザ溶
   接方法。