JP2001087880A

JP2001087880A - レーザ溶接装置

Info

Publication number: JP2001087880A
Application number: JP2000231399A
Authority: JP
Inventors: Shinji Fukuda; 伸二福田; Masayoshi Hashiura; 雅義橋浦; Osamu Isshiki; 治一色; Shigetaka Takeuchi; 茂隆竹内; Masaki Murashita; 雅紀村下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】長尺の管状容器を簡単な構成でレーザ溶接で接
合できる装置を得ること。複数個の胴管を低歪なレーザ
溶接により接合し、短い工期で安価な長尺管状容器を製
作する。また、安全にかつ容易に気密試験を行える長尺
管状容器を製作する。【解決手段】胴管接合部の周囲に沿って溶接線を追従可
能なレーザ集光機構を有する溶接ヘッドと、胴管の端部
に位置し、胴管長手方向に平行、かつ、胴管の周囲全周
に亘って連続的にレーザビームを照射することが可能な
レーザビーム回転光学系及びレーザ発振器より構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ溶接装置に係わ
り、特に、ガス絶縁母線およびガス絶縁開閉装置等のよ
うな長尺な管状容器の製作に用いられるレーザ溶接装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガス絶縁母線およびガス絶縁開閉
装置等のような長尺な管状容器は、胴管の両端にフラン
ジをアーク溶接により接合した管状容器を複数個連結し
て形成していた。

【０００３】管状容器が気密を必要とする場合、連結部
は貫通した穴を有するフランジとフランジをボルトとナ
ットにより連結し、一方のフランジに設けられているリ
ング状の溝にＯリングを配置し気密を保持していた。

【０００４】一方、これら長尺な管状容器の胴管とフラ
ンジとをレーザ溶接により接合するものが特開昭59−18
9092号公報で提案されている。

【０００５】これによれば、精度の良い容器が、片側溶
接で短時間に熱変形が極めて少ない状態で製作可能であ
る。

【０００６】ところが、これは特開昭59−189092号公報
に示す様な容器をレーザ装置を用いて製作する際には、
容器を回転させる事が必要であり、既設容器に、更に長
尺管状容器を溶接する場合等、容器を固定して溶接する
際には適用出来なかった。

【０００７】又、特開昭59−189092号公報から推定され
る様に、容器を固定しレーザビーム，溶接用集光系等を
回転させた場合、レーザ発振器から出力されるレーザビ
ームを通過させる光学系のダクトにより、溶接用集光系
とレーザ発振器が連結されているため、容器の長さが種
々有る場合、容器の長さが長い場合等それぞれに対応で
きる装置では実用的ではなかった。

【０００８】これは、大出力レーザとしては、ＣＯ₂ レ
ーザが一般的であり、光ファイバー等の屈曲性の導波路
が使えない場合の大きな課題であった。

【０００９】更に、従来の他の装置は、特開平3−12818
3 号公報に記載のように、熱源としてレーザを用い被加
工物の内周から加工する方式や、特開昭59−191584号公
報、又は、特開昭59−193785号公報の様に、容器外周か
ら加工する方式となっていた。特に、特開平3−128183
号公報の様に、内径にレーザを通す光ファイバーを用い
た場合、薄肉小径管に適した加工方法であり、太径で、
かつ、長尺の容器に採用する場合には、集光レンズ，ミ
ラーを付けた加工ヘッドを支持する支持体の剛性や、加
工前後の加工ヘッドセッティングに多大の工数，スペー
スが必要であった。

【００１０】又、特開昭59−191584号公報の様に、レー
ザビームを容器の外周から入射させた方式では、レーザ
発振器と加工点との距離が加工中に変わり、全姿勢溶接
に適用しようとした場合には、焦点位置を制御する必要
から機構が複雑になる。一方、特開昭59−193785号公報
の例では、倣い機構を付けることで全姿勢溶接への適用
が図れるが、加工ヘッドセッティングに多大の工数が掛
かり、更にレーザビームの光軸合わせ作業が大変であっ
た。

【００１１】又、従来から特公平3−9834 号公報の様
に、光ファイバーを用いて加工することが実施されてい
るが、光ファイバーを屈曲した際の損失については考慮
していないため、大出力のレーザを用いて容器を溶接す
る様な長時間の溶接に使う場合には注意が必要であっ
た。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、胴管の両端にフランジを有する管状容器は、アーク
溶接により銅管とフランジを接合するため歪が生じ管状
容器が変形するため、この管状容器を整形し、両端のフ
ランジ面を機械加工しなければならず手間がかかってい
た。

【００１３】これはレーザ溶接することである程度改善
されるが、ガス絶縁開閉装置に採用される容器は、接合
部が所定の圧力に耐えられねばならないため、接合部の
耐圧（気密）試験を行うことが義務づけられているが、
従来の長尺管状容器は、この点については全く考慮され
ていなかった。

【００１４】一方、上記特開昭59−189092号公報で示さ
れる様な、高精度のレーザ溶接を長尺管状容器の突き合
わせ溶接に適用する場合には、加工ヘッドを容器周囲に
回転させる必要が有る。

【００１５】しかしながら、工業用マニピュレータ等を
使って加工ヘッドを容器周囲で回転させ溶接する場合に
は、三次元加工機等の大規模システムが必要になる。

【００１６】又、接合する容器の一端から、アームの先
端にレーザ加工ヘッドを搭載した直線状のマニュピュレ
ータを容器長手方向に平行に伸ばし、このマニュピュレ
ータが容器周囲を回転運動する様な機構を持つ装置に於
いて、アーム中をレーザビームが通過し、回転動作中も
レーザ加工ヘッドとレーザビームの相対位置が変化しな
い様な剛性を持った装置で溶接が可能であるが、この場
合、接合する容器の長さは、アームの長さに依り限定さ
れ長尺容器には適用出来ないことからアームの長さを長
くすると片持ち梁の固有振動数が低くなり、又、長さの
変化に依り固有振動数が変化し加工ヘッドを容器外周に
倣わせる制御等が困難である等、実用的でなかった。

【００１７】更に、上記従来技術で示されるような、高
精度のレーザ溶接を長尺容器の突き合わせ溶接に適用す
る場合で、特に、管状容器の継手に於いて、内側へのゴ
ミ発生がない条件で外周から全姿勢溶接で施工され、か
つ、接合すべき容器の周囲に十分なスペースが確保出来
ない際には特開昭59−191584号公報、又は特開昭59−19
3785号公報の様な加工法は物理的に採用出来なかった。

【００１８】又、全姿勢溶接で重要な要因となる焦点と
板厚の相対位置を制御する場合、特開昭59−191584号公
報では、ビーム発散角等を考慮する必要が生じ実用的で
なかった。

【００１９】更に、大出力のレーザに用いる場合の光フ
ァイバーの損失を低減し連続溶接を可能にする必要が有
り、従来技術では対応出来なかった。

【００２０】本発明は上述の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、長尺の管状容器を簡単な構成
でレーザで溶接接合できるレーザ溶接装置を提供するに
ある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、レーザの発振器と、レーザビームを容
器長手方向に平行に、かつ、容器の周囲を回転する様に
反射出力させるレーザ出力光学系を、接合する長尺管状
容器接合部の反対の端部に設置し、対象となる接合部に
レーザを集光し溶接する加工ヘッドを含み、この加工ヘ
ッドを容器の周に沿って回転させ、かつ、レーザ出力光
学系から出力されるレーザビームがこの加工ヘッドに常
に入射出来る機能を有する溶接ヘッドを、容器接合部の
周囲に設定することを特徴とする。

【００２２】更に、上記加工ヘッドと、接合部との相対
位置についてリアルタイムで倣い制御を行う事に依り、
溶接品質を安定化させる事が可能となる。又、接合部の
ギャップ，目違い等についても、レーザ反射光を検出す
る検出素子等を上記加工ヘッドに取付け、この出力信号
をフィードバックして溶接速度，レーザ出力を制御する
事で均一な溶接ビードが得られる。

【００２３】上記装置構成に依れば、溶接ヘッドのレー
ザビーム受光中心とレーザ出力光学系のレーザビーム出
力中心が一致すれば溶接可能となる。依って、容器長手
方向垂直断面に於いて上記レーザビーム中心が、溶接中
に於いても一致する様に溶接ヘッドとレーザ出力光学系
内部のミラーをリアルタイムで同調させ駆動すれば矩形
断面容器にも適用出来る。更に、溶接線に対する倣い範
囲を広く採る事で接合部が長手方向垂直断面にない場合
に於いても溶接可能である。

【００２４】更に、本発明の目的を達成するために、管
状容器接合部の周囲に加工ヘッドを回転させる手段と、
接合部倣い手段、及び、接合容器同士を幅寄せ，目違い
修正し固定させる手段を持って、かつ、加工ヘッドへ大
出力のレーザビームを供給するに単数、又は、複数の可
撓性の導波路を加工ヘッドとレーザ発振機の間に設け、
この内部にレーザビームを通過させる手段を持つ装置と
したものである。

【００２５】又、大出力のレーザで連続溶接を行う場
合、可撓性の導波路(光ファイバー等)の損失を低減する
目的で、可撓性導波路の曲率半径を大きくして全姿勢溶
接への適用が図る手段として、可撓性導波路が管状容器
上で螺旋状軌道を倣う機構を用いた装置としたものであ
る。

【００２６】

【作用】本発明は、接合部にレーザを集光し溶接する加
工ヘッドを含み、この加工ヘッドを容器の周に沿って回
転させ、かつ、レーザ出力光学系から出力されるレーザ
ビームがこの加工ヘッドに常に入射出来る機能を有する
溶接ヘッドと、レーザビームを容器長手方向に平行に、
かつ、容器の周囲を回転する様に反射出力させるレーザ
出力光学系が、それぞれレーザビームの受光部，出力部
として働き、容器の長さに依らず、かつ、光学系の伝送
路の慣性や剛性を考える事なく制御可能である。

【００２７】更に、レーザ出力光学系から、レーザビー
ム出力中心の信号を出力し、溶接ヘッド側で、この信号
を元に、長手方向垂直断面に於いて溶接ヘッドのレーザ
ビーム受光中心と、レーザ出力光学系のレーザビーム出
力中心が一致する様に溶接ヘッドとレーザ出力光学系内
部のミラーをリアルタイムで同調させる事が可能であ
り、これに依り初期のレーザビームの芯出しも簡単にな
る。

【００２８】また、単数、又は複数の可撓性の導波路
（光ファイバー等）は、レーザ発振器より出射されたレ
ーザビームを加工ヘッドまで伝送する。この際、加工ヘ
ッドが管状容器全周に亘って回転する際に、容器周囲を
加工ヘッド回転に従って１周、又は複数回巻き付く。こ
の場合、可撓性の導波路は連続した構成でなくてもよ
く、途中に光学的に接合する手段としてレンズ等の結合
機構が有ってもよい。

【００２９】これにより、管状容器の接合部は、連続し
て全姿勢溶接が可能となる。更に、接合容器同士の幅寄
せ，目違い等を修正する手段により、容器の突き合わせ
継手のギャップ、及び板厚方向の目違いをレーザ溶接可
能な許容範囲に固定し、又、加工ヘッドの接合部倣い手
段により、溶接線とレーザ焦点位置，焦点と板厚の相対
位置を一定とすることで溶接の品質を安定させる。

【００３０】全姿勢溶接を行う際に、接合する容器周で
回転している加工ヘッドとレーザ発振器を接続する可撓
性の導波路が、溶接にしたがって容器に巻き付く際に曲
率半径が一定値以上となるように、螺旋状軌道を取らせ
ることで損失を低減し連続溶接を可能とする。

【００３１】

【実施例】以下、図示した実施例に基づいて本発明を説
明する。

【００３２】図４は、本発明の一実施例のレーザ溶接装
置により製作される長尺管状容器であり、胴管１０ａ,
１０ｂ,１０ｃ，１０ｄを軸方向に突き合わせ、この突
き合わせ部９ａ，９ｂ，９ｃをレーザ溶接により接合し
て１つの長尺胴管を形成し、この長尺胴管の両端にネッ
ク付フランジ１２ａ，１２ｂを突き合わせ、この突き合
わせ部１１ａ，１１ｂをレーザ溶接により接合し長尺管
状容器を形成する。

【００３３】図１は、長尺管状容器の胴管と胴管の接合
部における局部気密構造の断面図である。胴管１０ｂと
胴管１０ｃの内側に、あらかじめリング１４と、このリ
ング１４の外周に設けた溝１７ａと１７ｂにシール材１
５ａと１５ｂを装着し、胴管１０ｂと胴管１０ｃの接合
部９ｂの内側に局部気密室１８を設ける。さらに、接合
部９ｂの近傍に気密試験用の孔１６を設け、気密試験
後、図２に示すように孔１６を溶接により封止し局部気
密を密閉する。

【００３４】この密閉は、例えば気密試験用の孔１６を
図３に示すようにネジ穴２３にし、気密試験後、ボルト
２０により封止する。ボルト２０には溝２１を設け、こ
の溝２１にシール材２２を装着し気密を保持しても良
い。

【００３５】さらに、長尺管状容器の胴管と胴管の接合
部における局部気密構造は、図５に示すものでもよい。

【００３６】図５において、胴管３０をあらかじめプレ
ス等の成形装置等により端面の径を大きくしておき、胴
管３０の内側に胴管３１を挿入する。胴管３０と胴管３
１の間にリング状のシール材３２と配置し、胴管３０の
端面近傍にリング３４を配置し、このリング３４と胴管
３０と胴管３１をレーザ溶接により接合すると局部気密
室３６が形成される。胴管３０にこの局部気密室に通ず
る気密試験用の孔３３を設ける。気密試験後、溶接によ
り気密試験用の孔３３を封止する。気密試験用の孔３３
の封止方法は、前記と同様に図３に示す構造でも良い。

【００３７】図６，図７，図８、および図９は、胴管と
胴管の突き合わせ部をレーザ溶接する場合の継手構造を
示すものである。

【００３８】図６，図７，図８、および図９の（ａ）
は、レーザ溶接前の状態を示すものであり、継手４１，
４４，４６，４８のギャップが集光されたレーザビーム
径より小さくなるように胴管同士を突き合わせる。図７
の(ａ)においては、胴管１０ａの内側にリング４３をあ
らかじめ接合しておく。

【００３９】図６，図７，図８、および図９の（ｂ）は
レーザ溶接後の状態を示すものであり、集光されたレー
ザビーム５０は、胴管１０ａと胴管１０ｂの突き合わせ
部に焦点を結びレーザビームが、胴管１０ａ，１０ｂの
内側に出る手前まで溶接を行い胴管１０ａと胴管１０ｂ
を接合する。

【００４０】これによれば、低歪なレーザ溶接で接合を
行うことにより溶接後の成形作業、および大型機械によ
る加工が省略でき、かつ、高速で溶接を行うことができ
るため、大幅な工期短縮を図ることができるとともに、
局部気密気孔を有する接合部を成形したことにより、長
尺管状容器の気密試験が容易になり、かつ、安全に行う
ことができる。また、継手部の構造から、管の内部に溶
接時の溶融金属が入ることがなく、溶接後の仕上作業が
省略でき、またレーザ溶接により、ブローホール，ピン
ホール等の内部欠陥の極めて少ない高品質な接合部が得
られる。

【００４１】次に、本発明のレーザ溶接装置の一実施例
について説明する。

【００４２】図１０に示す如く、管状容器１−Ａとこれ
に対向して、接合位置Ａで接合される管状容器１−Ｂの
周囲には、固定金具２−１，２−２が円周上均等に配置
されている。固定金具２−１，２−２上には、リング状
ベース３−１，３−２があり、リング状ベース３−１，
３−２に明けられたねじ穴Ｍに嵌合する固定ねじ４−
１，４−２により、固定金具２−１，２−２を管状容器
１−Ａ，１−Ｂに締め付けている。リング状ベース３−
１には、管状容器１−Ａの長手方向レ−ル３−３と、転
動体３−４を介して外周フレーム６Ａが取付けられてい
る。この外周フレーム６Ａとリング状ベース３−１は、
移動ねじ５−１とおねじ５−２により管状容器１−Ａ長
手方向に調整可能となっている。

【００４３】一方、外周フレーム６Ａの管状容器１−Ｂ
側はリング状ベース３−２に結合されており、移動ねじ
５−１を回転することで管状容器１−Ａ，１−Ｂの接合
位置Ａのギャップｇを調整できるような構成となってい
る。更に、外周フレーム６Ａにはレールベース７Ａが固
定されており、このレールベース７Ａに固定されたリン
グ状レール８Ａに沿って転動体９Ａが移動可能となって
いる。転動体９Ａには加工ヘッドベース１０Ａが固定さ
れ、加工ヘッドベース１０Ａには、上下レール１０−１
が取付けられ、上下レール１０−１に沿って動く転動体
１０−２が組み合わされている。転動体１０−２には、
テーブル金具１１Ａが固定され、このテーブル金具１１
Ａには長手方向レール１２−１とこれに組み合わされた
転動体１２−２が付いている。更に、この転動体１２−
２には、ステージ１３Ａが取付けられていて、このステ
ージ１３Ａに加工用集光光学系１４Ａが取付けられてい
る。加工用集光光学系１４Ａにレーザを供給する可撓性
導波路（以下、光ファイバー）１６Ａは、ステージ１３
Ａ上の固定金具１７Ａにより固定されている。更に、光
ファイバー１６Ａは、外周フレーム６Ａに固定された円
周方向渦巻きレール１９Ａに沿ってスライドする金具セ
ット１８Ａで把持されている。

【００４４】光ファイバー１６Ａは、図１１に示すよう
に、円周方向渦巻きレール１９Ａの外周端１６−Ｅから
は、金具セット１８Ａから離れて外周フレーム６Ａの外
周に明けられた穴６−Ｗから、外部に伸展するように構
成される。金具セット１８Ａは金具１８−１が円周方向
渦巻きレール１９Ａ上を摺動する摺動部１８−Ａと光フ
ァイバー１６Ａを軽く保持しながらスライド方向に自由
に摺動させる保持部１８−Ｂから構成され、更に、複数
の金具１８−１がテグス１８−２により円周方向渦巻き
レール１９Ａの外周端１６−Ｅからステージ１３Ａ上の
固定金具17Ａまで繋がれている。

【００４５】これにより光ファイバー１６Ａは、固定金
具１７Ａが溶接に連れて回転するに従い、金具セット１
８Ａにより円周方向渦巻きレール１９Ａに沿って外周フ
レーム６Ａ内に巻きつくため、極端に折れ曲がったりせ
ず、又、回転により金具セット１８Ａに加わる力はテグ
ス１８−２に加わるため、光ファイバー１６Ａに外力が
加わることを防止できる。

【００４６】ここで、外周フレーム６Ａ上に加工ヘッド
ベース１０Ａを駆動するモータ31Ａとピニオン３１−１
が取付けられ、加工ヘッドベース１０Ａ上に固定された
ラック３１−２とかみあい、加工ヘッドベース１０Ａの
回転駆動が制御される。同様に加工ヘッドベース１０Ａ
上のモータ３２Ａとおねじ３２−１、及び、テーブル金
具１１Ａ上のめねじ３２−２に依りテーブル金具１１Ａ
は上下方向に駆動され、テーブル金具１１Ａ上のモータ
３３Ａとピニオン３３−１、及び、ステージ１３Ａ上の
ラック３３−２に依りステージ１３Ａが管状容器１−Ａ
と管状容器１−Ｂの長手方向に駆動され、加工用集光光
学系１４Ａが接合部Ａに倣うように駆動可能である。

【００４７】それぞれのモータは後述の制御装置１０１
に依り制御され、ステージ１３Ａには、管状容器１−Ａ
の板厚方向偏差を検出する手段である検出器１５Ａ、及
び接合部Ａを検出する手段であるＩＴＶ（工業用カメ
ラ）２０Ａが固定され、検出信号Ｓを制御装置１０１に
送っている。

【００４８】本構成に依れば、管状容器１−Ａと管状容
器１−Ｂの接合部Ａの周囲をレーザ溶接可能な様に加工
用集光光学系１４Ａが倣うことが可能となる。

【００４９】図１２は、本発明の基本的な構成を示した
図であり、管状容器１−Ａと管状容器１−Ｂの接合部Ａ
の周囲に溶接ヘッド１０２が固定され、溶接ヘッド１０
２の外周フレーム６Ａ上の穴６−Ｗより光ファイバー１
６Ａが引出され、光ファイバー展伸器１０３からレーザ
発振器１０４までもレーザが供給可能な様に光ファイバ
ー１６Ａで結合されている。制御装置１０１は上記装置
を制御する装置である。

【００５０】図１３はＣＯ₂ レーザを使用した装置に於
いて、可撓性導波路である光ファイバー１６Ａを複数本
使用して必要な出力を得ている場合における加工用集光
光学系１４Ａの集光手段の一例であり、パラボリックミ
ラー４０Ａを使用した例である。

【００５１】光ファイバー１６Ａから出射したレーザ光
Ｌは、レンズ４１Ａを通して平行レーザ光Ｌとされパラ
ボリックミラー４０Ａに入射する。この際、ファイバー
取付け金具４２Ａに取付けられた光ファイバー１６Ａ
と、このファイバー取付け金具４２Ａをレンズ保持筒４
３Ａの内部に保持するねじ４２−１とバネ４２−２によ
り、光ファイバー１６Ａの光軸とレンズ保持筒４３Ａの
先端に取付けられたレンズ４１Ａの光軸の傾きをそれぞ
れ調整可能で、かつ、レンズ保持筒４３Ａと加工用集光
光学系ベース１４−１を結合するねじ４１−１とバネ４
１−２により、平行になったレーザ光Ｌ１の光軸とパラ
ボリックミラー４０Ａの光軸とを微調整できる構成とし
た例であり複数のレーザ光をパラボリックミラー４０Ａ
を介して焦点に集光する。

【００５２】図１４は、光ファイバー１６Ａの光ファイ
バー展伸器１０３の一実施例であり、レーザ発振器１０
４からでたレーザ光Ｌをレンズ５０Ａで平行レーザ光Ｌ
１とし受光レンズ５１Ａで光ファイバー１６Ａに入射さ
せる。これらの、光学系はレンズ５０Ａと受光レンズ５
１Ａが回転可能となるように、レンズ５０Ａの保持器５
０−１と受光レンズ５１Ａの保持器５１−１が軸受５２
Ａにより結合されている。保持器５０−１は固定フレー
ム５３Ａに固定され、保持器５１−１にはドラム５４Ａ
が取付けられ、保持器５０−１と一体で回転可能となっ
ている。ドラム５４Ａの周囲には光ファイバー１６Ａが
巻きつき、その一端は溶接ヘッド１０２側に引出される
ようになっている。

【００５３】更に、固定フレーム５３Ａ上のモータ５５
Ａとピニオン５５−１とドラム54Ａに固定されたラック
５５−２により、ドラム５４Ａは回転駆動される。ここ
で、モータ５５Ａと溶接ヘッド１０２の内部のモータ３
１Ａとが同期して動く事で、光ファイバー１６Ａには伸
びの外力等が加わることがなくなる。

【００５４】図１５は、本発明の他の実施例を示した図
である。

【００５５】該図において管状容器１−Ａと管状容器１
−Ｂの接合部Ａの周囲に固定された溶接ヘッド１０２に
は、可撓性導波路（光ファイバー）１６Ａを螺旋軌道に
保持するアーム２００がアーム送り出し装置２０１によ
り送り出され、これによって可撓性導波路（光ファイバ
ー）１６Ａが、加工ヘッド１０２内の加工用集光光学系
１４Ａの回転に沿って管状容器１−Ａと管状容器１−Ｂ
の接合部Ａの周囲を回転する際には、可撓性導波路（光
ファイバー）１６Ａの曲率半径は、およそ（√(ＬＬ)²
＋(π・Ｄ)²／(２・π)）となる。ＬＬは溶接ヘッド１
０２とアーム送り出し装置２０１間の最終的な距離であ
り、Ｄはアーム２００の螺旋状態での長手方向垂直断面
の投影直径。レーザ発振器１０４はアーム２００の一端
に付けられアーム２００がアーム送り出し装置２０１に
より送り出されるに従い移動可能となっている。

【００５６】尚、本実施例に依ればアーム送り出し装置
２０１は管状容器１−Ａ上を移動し、かつ、アーム２０
０を送り出しするため、アーム２００の内部に保持され
た可撓性導波路（光ファイバー）１６Ａには外力が加わ
らない。

【００５７】図１６は、アーム２００とアーム送り出し
装置２０１の一実施例の断面図を示す。

【００５８】可撓性導波路（光ファイバー）１６Ａを支
持するアーム２００の本体、アーム本体２０２は複数の
部材２０２−１より構成され、これらの部材２０２−１
は可撓性導波路（光ファイバー）１６Ａの長手方向断面
にて微小角θ１傾き可能な様にピン２０３で結合され
る。又、ピン２０３が挿入された部材２０２−１のそれ
ぞれの端面２０２−Ａと２０２−Ｂは、図１７に示すよ
うに端面２０２−Ａが外側，端面２０２−Ｂが内側にな
るように組み合わされており、かつ、ピン２０３は２つ
の部材２０２−１のそれぞれの端面２０２−Ａと２０２
−Ｂに空けられた穴Ｅ，Ｆに挿入されている。端面２０
２−Ａの穴Ｅは図の様に長円となっており、ピン２０３
との間に金具２０４−１を挿入することで、２つの部材
２０２−１間には長手方向の軸を中心に微小角θ２のね
じれが生じる。

【００５９】上記部材２０２−１より構成されるアーム
本体２０２は、アーム送り出し装置２０１の回転ローラ
２０５により左に送り出される。回転ローラ２０５の近
傍には金具２０４−１，２０４−２の挿入機構２０６
と、端面２０２−Ａと２０２−Ｂの間に金具２０４−３
を挿入する機構２０７が有り、それぞれ、アーム本体２
０２が部材２０２−１一個に対して微小角θ１傾き、ね
じれ角θ２だけねじれる。これらが連続しアーム本体２
０２内部に通した可撓性導波路(光ファイバー)１６Ａを
加工用集光光学系１４Ａへ接続可能とした。

【００６０】次に、本発明のレーザ装置の更に他の実施
例を図１８乃至図２２を用いて説明する。

【００６１】図１８に示す長尺管状容器１−Ａとこれに
対向し、接合位置Ａで接合される長尺管状容器１−Ｂの
周囲には、固定金具２Ｂが円周上均等に固定されてい
る。固定金具２Ｂ上には、長尺管状容器１−Ａの長手方
向に対して平行長手方向レール３Ｂが付いており、この
長手方向レール３Ｂ上を転動体４ｂ−１がスライド出来
る様になっている。転動体４ｂ−１にはステー４Ｂが付
けられ、更に、外周ガイド５ｂがステー４ｂに依り長尺
管状容器１−Ａと１−Ｂを囲む様に保持されている。

【００６２】更に、外周ガイド５Ｂには、円周方向レー
ル６Ｂが固定され、この円周方向レール６Ｂ上を転動体
７Ｂが走行する。転動体７Ｂは車軸８Ｂで連結され、更
に、軸受９Ｂを介して回転フレーム１０Ｂに取付けられ
る。これに依り、回転フレーム１０Ｂは、外周ガイド５
Ｂに沿って円周方向レール６Ｂ上を転動体７Ｂのコロガ
リ運動に依り正確に円を描く様に回転可能となってい
る。

【００６３】更に、外周ガイド５Ｂに固定されたフレー
ム駆動モータ１１Ｂのピニオン12ｂ−１に依り、ラック
１２ｂ−２に回転モーメントが伝達され、回転フレーム
10Ｂが円周方向に駆動される。回転フレーム１０Ｂには
長尺管状容器板厚方向ガイドレール１４Ｂが固定されて
おり、このレール１４Ｂ上を転動体１４ｂ−１がスライ
ドする。転動体１４ｂ−１には集光系フレーム１６ｂ−
１が固定されている。集光系フレーム１６ｂ−１にはメ
ネジ１５ｂ−１が固定され、メネジ１５ｂ−１にネジ込
まれたオネジ１５ｂ−２を、回転フレーム１０Ｂに固定
された集光系駆動モータ１５ｂにて回転する事で、長尺
管状容器１−Ａ，１−Ｂと集光系フレーム１６ｂ−１と
の間の距離が任意に設定できる。

【００６４】更に、集光系フレーム１６ｂ−１上には、
集光ステージ１９Ｂが有り、レール１６ｂ−２と、転動
体１６ｂ−３に依り長尺容器１−Ａの長手方向に移動出
来、駆動モータ１６ｂ−４とラック１６ｂ−５，ピニオ
ン１６ｂ−６に依り微動可能である。

【００６５】集光ステージ１９Ｂ上に加工ヘッド上下ガ
イドレール１７Ｂが固定され、ガイドレール１７Ｂ上で
転動体１７ｂ−１が移動出来る。この転動体１７ｂ−１
に固定された加工ヘッド１８Ｂは、加工ヘッド駆動モー
タ２０Ｂとメネジ２０ｂ−１，オネジ２０ｂ−２に依
り、長尺容器１−Ａの板厚方向へ微調整出来る様になっ
ている。

【００６６】本実施例では、レーザビームＬは、回転フ
レーム１０Ｂの入射窓Ｗを通り集光ステージ１９Ｂ上に
固定された反射ミラー１３Ｂに入射する。ここで、レー
ザビームＬは長尺管状容器中心軸に直交する方向に反射
され、加工ヘッド１８Ｂに入射する。更に、パラボリッ
クミラー２１Ｂに依り加工位置Ａに集光される。ここ
で、入射窓Ｗの周囲に設置した受光素子２２Ｂは、後で
述べるレーザビーム回転光学系１０４Ｂより発振され
る、センター位置信号Ｓを受光し、この受光信号Ｓ１を
制御装置１０１Ｂに逐次送信する。更に、制御装置１０
１Ｂは受光信号Ｓ１と本来の基準信号Ｓ０とに依り偏差
を補正する制御信号Ｓ２を集光系駆動モータ１５Ｂに送
り、レーザビームＬと入射窓Ｗの芯を常に一致させる。

【００６７】更に、加工ヘッド１８Ｂには、倣いセンサ
２３Ｂが取付けられ、接合位置Ａと加工ヘッド１８Ｂの
長尺管状容器板厚方向相対距離を検出し、制御装置１０
１Ｂに逐次送信する。制御装置１０１Ｂは加工ヘッド駆
動モータ２０Ｂに制御信号を送り距離を補正する。

【００６８】又、入射窓Ｗの反射ミラー１３Ｂ側には、
受光素子２２ｂ−１が取付けられ、溶接時のレーザ反射
光Ｌ１をモニタし制御装置１０１Ｂに溶接状態信号Ｊ１
として送信する。溶接状態信号Ｊ１を演算処理する事
で、レーザパワ−や溶接速度の変化を求め、発振器１０
５Ｂ，レーザビーム回転光学系１０４Ｂ，溶接ヘッド１
０３Ｂを制御し溶接品質を向上させる事が可能となる。

【００６９】本実施例は、集光系駆動モータ１５Ｂをレ
ーザビームＬと入射窓Ｗの芯を常に一致させる制御を行
っているが、レーザビーム回転光学系１０４Ｂのレーザ
ビームＬを回転させる手段に使われているアクチュエー
タ（例えば電気モータ）集光系駆動モータ１５Ｂとの間
で同一の出力による同期運転、又は、回転数フィードバ
ック等による）フィードバック制御を行ってもよい。

【００７０】この場合、回転角をリアルタイムで、測
定，制御する必要から、エンコーダ等の出力を光ファイ
バー伝送等によりリアルタイムで読み出し制御すること
を利用する方法がある。

【００７１】図１９に示す長尺管状容器１−Ａとこれに
対向し、接合位置Ａで接合される長尺容器１−Ｂは、容
器支持装置１０２Ｂに依り固定されている。又、溶接ヘ
ッド１０３Ｂが接合位置Ａの周囲に設定される。この溶
接ヘッド１０３Ｂへはレーザビーム回転光学系１０４Ｂ
に依り屈折、又は反射されたレーザビームＬが供給され
る。更に、このレーザビーム回転光学系１０４Ｂには、
レーザ発振器１０５ＢからレーザビームＬが供給されて
いる。制御装置１０１Ｂは、これらの機器をリアルタイ
ムで制御する制御装置であり、特に、本来のレーザビー
ムセンター位置基準信号Ｓ０と受光信号Ｓ１との偏差を
演算し制御信号Ｓ２を集光系駆動モータ１５Ｂに送る。

【００７２】又、加工ヘッド１８Ｂには、倣いセンサ２
３Ｂが取付けられ、接合位置Ａと加工ヘッド１８Ｂの長
尺管状容器板厚方向相対距離を検出し、制御装置１０１
Ｂに逐次送信する。制御装置１０１Ｂは加工ヘッド駆動
モータ２０Ｂに制御信号を送り距離を補正する。

【００７３】図２０は、装置構成を示した図であり、溶
接ヘッド１０３Ｂとレーザビーム回転光学系１０４が長
尺管状容器１−Ａと平行であるのに対し、レーザ発振器
105Bからレーザビーム回転光学系１０４Ｂへ入射するレ
ーザビーム光軸が任意の角度に設定されているのが特徴
である。施工時の作業スペースが縮小できる特徴があ
る。

【００７４】図２１、及び図２２には、長尺管状容器１
−Ａと長尺管状容器１−Ｂを、接合位置Ａで接合する際
の、容器支持装置１０２Ｂの働きを説明してある。図２
１（ａ），図２１（ｂ）は加工ヘッドが容器支持装置１
０２Ｂの近傍に来た際に、図１８に示す回転フレーム１
０Ｂの回転角に応じて容器支持装置１０２Ｂを下降させ
レーザビームＬとの干渉を防止している。容器支持装置
１０２Ｂの昇降動作は、外周ガイドに設けたセンサ類２
０１−１，２０１−２,２０１−３,２０１−４に依り加
工ヘッド１８Ｂを検出し、この検出信号Ｋ１，Ｋ２，Ｋ
３，Ｋ４を制御装置１０１Ｂで受取、加工ヘッドが、セ
ンサ２０１−１，２０１−２、及び、２０１−３，２０
１−４の間に有る場合、容器支持装置１０２Ｂを下降さ
せる信号を出す事で対応できる。

【００７５】上記、容器支持装置１０２Ｂが吊り下げ式
の場合でも長尺管状容器１−Ｂを直接、又は間接的に把
持する装置であってもよい。（電磁力，真空力、又は、
予め取付けた、容器支持バンドを利用する。）図２３は、加工ヘッド１８Ｂの集光光学系にパラボリッ
クミラー２１Ｂを使用した例であり、ＩＴＶ（工業カメ
ラ）３０１に依り接合部Ａを撮影し、この画像デ−タを
用いて制御装置１０１Ｂで演算処理し開先Ａ−１とレー
ザ焦点の位置補正を行う事もできる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明した本発明のレーザ溶接装置に
よれば、長尺容器を製作する際に、可撓性の導波路（光
ファイバー等）によりレーザが伝送されるため光軸合わ
せが容易で、かつ、加工用集光光学系（加工ヘッド）と
レーザ発振器が分離されており、容器寸法に係らず高品
質な溶接継手を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ溶接装置により製作される長尺
管状容器の局部気密構造の接合部の断面図である。

【図２】図１における気密試験後の状態を示す長尺管状
容器の局部気密構造の接合部の断面図である。

【図３】本長尺管状容器の局部気密構造部の他の例を示
す接合部の断面図である。

【図４】長尺管状容器の一例を示す斜視図である。

【図５】他の例を示す長尺管状容器の局部気密構造の接
合部の断面図である。

【図６】レーザ溶接継手構造を示す断面図である。

【図７】レーザ溶接継手構造を示す断面図である。

【図８】レーザ溶接継手構造を示す断面図である。

【図９】レーザ溶接継手構造を示す断面図である。

【図１０】本発明のレーザ溶接装置の一実施例における
溶接ヘッドを示す断面図である。

【図１１】本発明のレーザ溶接装置に採用される光ファ
イバーの例を示す図である。

【図１２】本発明のレーザ溶接装置の一実施例の基本的
な構成を示した図である。

【図１３】本発明のレーザ溶接装置に採用される加工用
集光光学系（加工ヘッド）の断面図である。

【図１４】本発明のレーザ溶接装置に採用される光ファ
イバーの光ファイバー展伸器の側面図と断面図である。

【図１５】本発明のレーザ溶接装置における光ファイバ
ー螺旋軌道保持方法の構成図である。

【図１６】本発明のレーザ溶接装置に採用されるアーム
送り出し装置の断面図である。

【図１７】本発明のレーザ溶接装置に採用されるアーム
部材の断面図である。

【図１８】本発明のレーザ溶接装置の他の実施例におけ
る溶接ヘッドを示す断面図である。

【図１９】本発明のレーザ溶接装置の模式図である。

【図２０】本発明のレーザ溶接装置の模式図である。

【図２１】本発明のレーザ溶接装置における容器支持装
置の模式図である。

【図２２】本発明のレーザ溶接装置における容器支持装
置の模式図である。

【図２３】本発明のレーザ溶接装置における加工ヘッド
を示す断面図である。

【符号の説明】

１−Ａ，１−Ｂ…管状容器、２−１，２−２，２Ｂ，１
７Ａ…固定金具、３−１，３−２…リング状ベース、３
−３，３Ｂ…長手方向レール、３−４，４ｂ−１，７
Ｂ，９Ａ，１０−２，１２−２…転動体、５Ｂ…外周ガ
イド、６Ａ…外周フレーム、６Ｂ…円周方向レール、７
Ａ…レールベース、８Ａ…リング状ベース、９ａ，９
ｂ，９ｃ…突き合わせ部、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１
０ｄ，３０，３１…胴管、１０Ａ…加工ヘッドベース、
１０Ｂ…回転フレーム、１０−１…上下レール、１１Ａ
…テーブル金具、１２ａ，１２ｂ…ネック付フランジ、
13Ａ…ステージ、１３Ｂ…反射ミラー、１４，３４，４
３…リング、１４Ａ…加工用集光光学系、１５ａ，１５
ｂ，２２，３２…シール材、１５Ａ…検出器、１６，３
３…気密試験用孔、１６Ａ…光ファイバー、１７ａ，１
７ｂ…リングの溝、１７Ｂ…加工ヘッド上下ガイドレー
ル、１８，３６…局部気密室、１８−２…テグス、１８
Ａ…金具セット、１８Ｂ…加工ヘッド、１９Ａ…円周方
向渦巻きレール、１９Ｂ…集光ステージ、２０…ボル
ト、２０Ａ，３０１…工業用カメラ、２１…ボルトの
溝、２１Ｂ，２２Ｂ…受光素子、２３…ネジ穴、２３Ｂ
…倣いセンサ、３１Ａ…モータ、３１−１…ピニオン、
３１−２…ラック、４０Ａ…パラボリックミラー、４
１，４４，４６，４８…継手、４１Ａ，５０Ａ…レン
ズ、４２Ａ…ファイバー取付け金具、４３Ａ…レンズ保
持筒、５０…レーザビーム、５１Ａ…受光レンズ、５３
Ａ…固定フレーム、５４Ａ…ドラム、１０１，101B…制
御装置、１０２，１０３Ｂ…溶接ヘッド、１０３…光フ
ァイバー展伸器、104，１０５Ｂ…レーザ発信器、１０
４Ｂ…レーザビーム回転光学系、２００…アーム、２０
１…送り出し装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２３Ｋ 26/08 Ｂ２３Ｋ 26/08 Ｂ // Ｂ２３Ｋ 101:06 101:06 101:12 101:12 (72)発明者一色治茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者竹内茂隆茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者村下雅紀茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】胴管である管状容器と管状容器との両管端
を突き合わせ、これらを全姿勢でレーザ溶接接合する溶
接接合装置であって、接合される両管端の目違い矯正機
構を有する長手方向移動装置、及び接合するためのレー
ザ光集光装置を含む加工ヘッドを全姿勢で駆動させるた
めの機構から構成されていることを特徴とするレーザ溶
接装置。
【請求項２】胴管である管状容器と管状容器との両管端
を突き合わせ、これらを全姿勢でレーザ溶接接合する溶
接接合装置であって、管状容器接合部の周囲に加工ヘッ
ドを回転させる手段と、接合部倣い手段、及び接合容器
同志を幅寄せると共に、目違いを修正し固定させる手段
とを備え、且つ、前記加工ヘッドへレーザビームを供給
する少なくとも１つの可撓性の導波路を、加工ヘッドと
レーザ発信機との間に設け、この内部にレーザビームを
通過させる手段を有することを特徴とするレーザ溶接装
置。
【請求項３】長尺管状容器の製造に際して、胴管と胴管
を突き合わせ、この突き合わせ部をレーザ溶接にて接合
するレーザ溶接装置において、前記胴管接合部の周囲に
沿って溶接線を追従可能なレーザ集光機構を有する溶接
ヘッドと、胴管の端部に位置し、胴管長手方向に平行、
かつ、胴管の周囲全周に亘って連続的にレーザビームを
照射することが可能なレーザビーム回転光学系、及びレ
ーザ発振器より構成されることを特徴とするレーザ溶接
装置。
【請求項４】長尺管状容器の製造に際して、胴管と胴管
を突き合わせ、この突き合わせ部をレーザ溶接にて接合
するレーザ溶接装置において、レーザの発振器と、レー
ザビームを胴管長手方向に平行に、かつ、胴管の周囲を
回転する様に反射出力させるレーザ出力光学系とを、接
合する長尺管状容器接合部の反対の端部に設置し、対象
となる接合部にレーザを集光し溶接する加工ヘッドを含
み、この加工ヘッドを胴管の周囲に沿って回転させ、か
つ、レーザ出力光学系から出力されるレーザビームがこ
の加工ヘッドに常に入射出来る機能を有する溶接ヘッド
を、容器接合部の周囲に設置したことを特徴とするレー
ザ溶接装置。
【請求項５】請求項３、又は４記載のレーザ溶接装置で
あって、前記レーザビーム回転光学系から溶接ヘッドに
伝播するレーザビームが正確に溶接ヘッドに入射するよ
うに、該溶接ヘッドとレーザビーム回転光学系の入射，
出力位置が溶接中も同調して駆動されることを特徴とす
るレーザ溶接装置。
【請求項６】請求項３、又は４記載の長尺管状容器用の
レーザ溶接装置であって、前記胴管接合部と集光点の目
外れを補正するために、工業カメラを利用した検出器を
有し、目外れ補正軸と駆動系、及び、その制御機構を有
することを特徴とするレーザ溶接装置。