JP2005305985A

JP2005305985A - 管材の接合方法、管材とサドルの接合方法及びレーザ接合装置

Info

Publication number: JP2005305985A
Application number: JP2004139561A
Authority: JP
Inventors: Jun Hayakawa; 順早川; Kyoji Koda; 京司国府田; Hiromi Suhara; 広美栖原; Toshiji Oki; 利治大木; Tsutomu Katayama; 勉片山; Yoshiharu Ikenaka; 芳治池中
Original assignee: Fine Device Kk; Fine Device Co Ltd
Current assignee: Fine Device Kk; Fine Device Co Ltd
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】使い捨ての電熱線や危険な溶剤を用いることなく、樹脂製の管材同士を敷設現場において簡易迅速に接合可能な技術の実現。
【解決手段】レーザ透過性樹脂材よりなる第１の管材12及び第２の管材14を、レーザ透過性樹脂材よりなる継手10を介して接合するに際し、各管材12，14の外周面にレーザ吸収体18を被着させ、継手10の開口部に各管材12，14の端部を挿入し、継手10の外周面側からレーザビームＬを照射して、継手10と管材12，14との間に介装されたレーザ吸収体18を加熱し、その伝導熱によって継手10の内周面及び管材12，14の外周面との間を融着させる。この際、レーザ吸収体18として管材12，14の樹脂材及び継手10の樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、レーザビームとしてファイバーレーザを用いる。
【選択図】図２

Description

この発明は管材の接合技術に係り、特に、一対の管材の端部を継手内に嵌装させた状態で継手の表面にレーザビームを照射することより、各管材と継手との間を融着させる技術、管材の表面に分岐管増設用のサドルを載置した状態でサドルの接触部にレーザビームを照射することより、管材とサドルの接触部との間を融着させる技術、及びこれらの接合を実現するのに好適なレーザ接合装置に関する。

ガス管や水道管などの管材を接合するに際し、これまでは図１５に示す電気溶着用継手90が用いられてきた。この継手90は合成樹脂製の筒状体91を備え、その内周面に沿って電熱線92がコイル状に埋設された構造を備えている。
この筒状体91の一端開口部から一方の管材93の端部を挿入させると共に、他端開口部から他方の管材94の端部を挿入させた状態で、電熱線92の両端子95,96に所定の電圧を印加すると、電熱線92からのジュール熱によって筒状体91の内周面と管材93,94の外周面間が溶着する仕組みである。
この電気溶着用継手90を用いることにより、スペースの限られたガス管や水道管の敷設現場において管材同士を接合することが可能となる。
特開平９−239839 特開2000−320984

しかしながら、この接合方法にあっては、上記のように接合個所毎に電熱線92を内装した電気溶着用継手90を用いる必要があり、その分コスト高となるのはもちろん、電熱線92が使い捨てとなるため省資源の観点からも問題があった。
また、電熱線92からの加熱によって溶着を完了した後には、接合部分を自然冷却させる必要があり、つぎの工程に移行するまでに相当の待ち時間を要し、作業性に劣るという問題もあった。

このように使い捨ての電熱線92を内蔵した電気溶着用継手90を用いる代わりに、バイブレーション法やバット法など機械的な接合方法も提案されてはいるが、何れも作業性や所要時間などの点で満足のいくものではなかった。
あるいは、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂よりなる管材と継手を過激な溶剤を用いて溶着させることも理論的には可能であるが、健康被害や環境汚染の観点から実際上は利用できなかった。

この発明は、従来の接合方法が抱えていた上記問題点を解決するために案出されたものであり、使い捨ての電熱線や危険な溶剤を用いることなく、管材同士を敷設現場において簡易迅速に接合可能な技術を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載した管材の接合方法は、レーザ透過性樹脂材よりなる一対の管材を、レーザ透過性樹脂材よりなる継手を介して接合する方法であって、上記継手の内周面及び管材の外周面の少なくとも一方にレーザ吸収体を配置させる工程と、上記継手の開口部に各管材の一端を挿入する工程と、上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面と管材の外周面との間に介装されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴としている。
また、「溶融点」とは、樹脂材が適度に加熱されて溶融し、他方の樹脂材との接合に適した様態となる温度を意味しており、樹脂材の種類によって異なる。
さらに、上記「特性劣化点」とは、過剰加熱によって樹脂材の発泡や燃焼、有毒ガスの発生、引火等の不具合が生じる温度を意味しており、樹脂材の種類によって異なる。

請求項２に記載した管材の接合方法は、内周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる継手の開口部に、レーザ透過性樹脂材よりなる管材の端部を挿入する工程と、上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴としている。
例えば、二色成形（ダブルモールド）技術を用いることにより、上記の「内周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる継手」が形成される（以下同旨）。

請求項３に記載した管材の接合方法は、レーザ透過性樹脂材よりなる継手の開口部に、外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、内周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる管材の端部を挿入する工程と、上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、管材の外周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴としている。

請求項４に記載した管材の接合方法は、内周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる継手の開口部に、外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、内周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる管材の端部を挿入する工程と、上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面側及び管材の外周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴としている。

請求項５に記載した管材の接合方法は、請求項１〜４の接合方法を前提とし、さらに上記継手を構成するレーザ透過性樹脂材として、可視光の透過性を備えた樹脂材を用い、上記レーザ吸収体として、レーザビームの照射によって変色する物質を用いることを特徴としている。

請求項６に記載した管材とサドルの接合方法は、レーザ透過性樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを接合する方法であって、間にレーザ吸収体を介装させた状態で、管材の外周面にサドルの接触部を載置する工程と、上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、接触部の内面と管材の外周面との間に介装されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴としている。

請求項７に記載した管材とサドルの接合方法は、少なくとも外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを載置する工程と、上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、管材の外周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴としている。

請求項８に記載した管材とサドルの接合方法は、レーザ透過性樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部の内面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外面側がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを載置する工程と、上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、接触部の内面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴としている。

請求項９に記載した管材とサドルの接合方法は、少なくとも外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部の内面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外面側がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを載置する工程と、上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、管材の外周面側及び接触部の内面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴としている。

請求項１０に記載した管材とサドルの接合方法は、請求項６〜９の接合方法を前提としており、さらに上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及びサドルの接触部を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴としている。

請求項１１に記載したレーザ接合装置は、管材をその中心部に導入するための切欠部を備えたメインギアと、このメインギアを、その切欠部に導入した管材を中心に回動可能な状態で収納する本体部と、メインギア回動用のモータと、メインギアに一端が接続され、他端が本体部の外部に導出されたアームと、このアームの他端側に取り付けられたレーザヘッドと、本体部を管材に固定するための固定手段とを備えたことを特徴としている。

請求項１２に記載したレーザ接合装置は、請求項１１の接合装置を前提としており、さらに上記固定手段が、本体部を管材に対して垂直状態で固定する第１の固定位置と、管材に対して所定の傾斜角度で固定する第２の固定位置との切り換えを実現する角度変位機構を備えたものであることを特徴としている。

請求項１３に記載したレーザ接合装置は、請求項１１の接合装置を前提としており、さらに上記アームの他端に、付勢手段によって常時本体部側に付勢される揺動板が接続されると共に、この揺動板に上記レーザヘッドが取り付けられており、上記アームの回動に応じて揺動板の角度を変位させるためのカムを備えたことを特徴としている。

請求項１４に記載したレーザ接合装置は、管材をその中心部に導入するための切欠部を備えたメインギアと、このメインギアを、その切欠部に導入した管材を中心に回動可能な状態で収納する本体部と、メインギア回動用のモータと、メインギアに一端が接続され、他端が本体部の外部に導出されたアームと、このアームの他端側に接続されたレーザヘッドの摺動機構と、本体部を管材に固定するための固定手段とを備え、上記レーザヘッドの摺動機構は、管材と平行に延設された水平板と、この水平板に往復自在に取り付けられたレーザヘッドと、レーザヘッドを往復移動させるためのモータとを備えたことを特徴としている。

請求項１５に記載したレーザ接合装置は、請求項１１〜１４の接合装置を前提としており、さらに上記レーザヘッドが、ファイバーレーザ発振器に接続されていることを特徴としている。

請求項１〜４に記載の管材の接合方法は、継手の外周面にレーザビームを照射し、これを透過したレーザビームによってレーザ吸収体を加熱し、その発熱作用によって継手の内周面と管材の外周面管を融着させる仕組みを基本的に備えているため、従来のように電熱線を用いることなく、管材同士を継手を介して接合可能となる。
また、レーザによる加熱処理は瞬間的かつ局所的なものであるため、長い冷却時間を確保することなく、つぎの作用に移行できる利点も有する。

また、レーザ発振源として装置全体の小型軽量化が可能なファイバーレーザを用いることにより、現場施工も可能となる。
しかも、ファイバーレーザは平行度の極めて高いレーザビームであるため、レーザ発振源として半導体レーザを用いた場合のように、ワークとレーザヘッドとの間に集光用のｆθレンズを配置する必要がないという特性を備えている。
継手及び管材の表面は一般に大きく湾曲しており、レーザビームを管材と交差する方向に走査させた場合には照射位置が上下するため、ワークとレーザヘッドとの間にｆθレンズを介装させた場合には照射位置に応じて焦点合わせを行うことが不可欠となる。
これに対し、この発明の場合にはｆθレンズ不要のファイバーレーザを用いているため、照射位置に応じて一々焦点合せを行う必要がなく、接合作業の効率化及び接合装置の構成の簡素化を図れる。
また、透過レーザビームを利用して裏側のレーザ吸収体を加熱し、上下２箇所の接合を同時に実現することも可能となる。

また、レーザ吸収体として、管材や継手を構成する樹脂材の溶融点よりも高く特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を選定しているため、レーザ吸収体が樹脂材の特性劣化点以上の温度に達した時点でレーザ吸収特性が低下し、それ以上の発熱作用が自然に抑制される仕組みとなっている。
このため、レーザビームの出力を比較的高めに設定さえしておけば、照射パターンに応じて微妙な制御を行うまでもなく、安定した接合品質を実現することが可能となる。
すなわち、例え過剰エネルギの投入となっても、レーザ吸収体のレーザ吸収機能自体が低下するため、自動的に樹脂材に対する過剰加熱が防止され、発泡や燃焼、有毒ガスの発生、あるいは引火等の不具合が生じる危険性が回避される。
したがって、比較的熟練度の低い作業者であっても、配管現場において安全確実に管材の接合を行うことが可能となる。

請求項５の接合方法にあっては、継手のレーザ透過性樹脂材が可視光に対する透過性を備え、上記レーザ吸収体としてレーザビームの照射によって変色する物質を用いることにより、レーザ吸収体の発熱に基づく管材と継手との融着具合を外部から視認でき、接合不良個所を発見した場合にはその場で対処可能となる。

請求項６〜１０に記載の管材とサドルの接合方法は、基本的に上記した管材と継手との接合方法を管材とサドルとの接合方法に応用したものであり、接着剤等を用いることなく、施工現場において分岐管増設用のサドルを簡易迅速にレーザ溶着することが可能となる。

請求項１１〜１５に記載のレーザ接合装置によれば、接合対象である管材を切欠部内に導入した状態でメインギアが回動し、この結果アーム等を介してメインギアに接続されたレーザヘッドが管材の外周面に沿って回動する基本構造を備えているため、管材の外周面に対し広い範囲でレーザビームを照射することが可能となり、上記した管材の接合方法及び管材とサドルの接合方法を効果的に実現することが可能となる。
また、請求項１２のレーザ接合装置によれば、管材に対して垂直方向からレーザビームを照射すると共に、所定の傾斜角度からレーザビームを照射することが可能となる。
請求項１３のレーザ接合装置によれば、カムの形状によってレーザビームの傾斜角度を変化させることが可能となる。
請求項１４のレーザ接合装置によれば、摺動機構によってレーザヘッドが管材の長手方向に沿って往復移動すると共に、アームの回動によって摺動機構が管材と交差する方向に往復移動するため、レーザビームの照射位置をＸＹ方向に移動させることが可能となる。

以下、この発明に係る管材の接合方法を添付図面に沿って説明する。まず、図１に示すように、管材の敷設現場において筒状の継手10の両端開口部に接合対象となる第１の管材12及び第２の管材14の一端をそれぞれ挿入し、連結体16を形成する。
上記継手10は、ナイロン１２やポリエチレン、アクリル等、レーザビーム及び可視光に対する透過性を備えた樹脂材より構成される。ただし、継手10は完全な透明体である必要はなく、半透明体であってもよい。
上記第１の管材12及び第２の管材14も、それぞれナイロン１２やポリエチレン、アクリル等のレーザ透過性を備えた合成樹脂材よりなり、その端部外周面にはレーザ吸収体18が膜状に被着形成されている。
このレーザ吸収体18は、例えば樹脂粉末にメチルエチルケトン及びフタロシアン系色素を混入させたものよりなる。
以上の結果、継手10の内周面と各管材12,14の端部外周面との間には、レーザ吸収体18が介装されることとなる。

つぎに、図２に示すように、上記連結体16に対して第１のレーザ接合装置20を装着する。
この第１のレーザ接合装置20は、ファイバーレーザ発振器22と、レーザヘッド24と、ビームエキスパンダ26と、Ｘ軸ガルバノミラー28と、ガルバノミラー28の回動部材30と、制御ユニット32とを備えた本体部34を有している。
また、本体部34の下方には、連結体16への固定手段であるチャッキング部材36を備えている。
ファイバーレーザ発振器22から出力されたレーザビームは、光ファイバ38を経由してレーザヘッド24から出射され、ビームエキスパンダ26によって光径が拡張された後、ガルバノミラー28に入射し、そこで反射されて加工対象物の表面に照射される。

上記制御ユニット32には、制御プログラムを格納した記憶素子や、CPU、電源回路、ドライバ回路等が設けられている。
ファイバーレーザ発振器22、ガルバノミラー28、及び回動部材30の駆動制御は、制御ユニット32からの制御信号によって実現される。

ガルバノミラー28を左右に回動させることにより、レーザビームの照射位置を継手10の表面においてＸ軸方向（管材12と直交する方向）に往復移動させることができる。
また、ガルバノミラーの回動部材30を駆動させることによってガルバノミラー28を前後方向に回動させることができ、この結果、レーザビームの照射位置を継手10や管材12の表面においてＹ軸方向（管材の長手方向）に往復移動させることができる。

ファイバーレーザ発振器22は、本体内部に複数のファイバー付き半導体レーザ素子とダブルクラッドファイバーとを備えており、励起光源である半導体レーザ素子から出力されたレーザビーム（波長：920nm）をレーザ媒質であるダブルクラッドファイバーに集め、ダブルクラッドファイバー内で共振されたレーザビームを外部に出射する機能を備えている。
このファイバーレーザ発振器22の特性として、従来の半導体レーザ発振器に比べ、極めて集光性及び直進性の高いレーザビームが得られることが挙げられる。
具体的には、半導体レーザ発振器の場合には出射ビームの広がり角が100mrad程度であるのに対し、ファイバーレーザ発振器22の場合には広がり角がわずか1.0mradと格段に小さくなる。

ファイバーレーザ発振器22から出射されたレーザビームのコア径は0.1mmであり、そのままでは樹脂溶着の目的には径が小さすぎるため、ビームエキスパンダ26のレンズ群によって0.6mm程度までコア径が拡張される。
また、ビームエキスパンダ26によって広径化される過程で、レーザビームの広がり角が0.03radまで抑制され、一段と平行度が高められる。

上記のようにして、第１のレーザ接合装置20を連結体16に装着した後、ファイバーレーザ発振器22をONすると、ビームエキスパンダ26を通過したレーザビームＬは、ガルバノミラー28によって偏向された後、レーザ透過性樹脂材よりなる継手10の表面に入射し、これを透過してレーザ吸収体18を加熱する。
そして、図３に示すように、レーザ吸収体18からの伝導熱により、継手10の内周面と第１の管材12の外周面が溶融し、両者間が第１の融着部40ａを介して強固に接合される。

さらに、第１の管材12を透過したレーザビームＬが下方に位置する第１の管材12の内周面に再度入射し、継手10の内面間に充填されたレーザ吸収体18を加熱する。
この結果、第１の管材12の外周面と継手10の内周面が溶融し、両者間が第２の融着部40ｂを介して強固に接合される。

図示は省略したが、継手10と第１の管材12との接合を完了した後、第１のレーザ接合装置20の装着位置を変更し、上記と同様の手順に従って継手10と第２の管材14との接合を行うことにより、第１の管材12と第２の管材14とが継手10を介して接合されることとなる。

ファイバーレーザ発振器22から出射され、ビームエキスパンダ26を通過したレーザビームＬは極めて高い平行度を備えているため、半導体レーザ発振器を用いた従来のレーザ接合装置のようにｆθレンズで集光する必要がなく、したがって、図３に示したようにレーザ照射位置が上下する場合であってもフォーカシングすることなく、両照射位置における接合を行うことができる。

上記継手10、第１の管材12及び第２の管材14を構成しているナイロン１２の融点は摂氏１７８度であり、これが摂氏３００度以上に達すると発泡や燃焼、有毒ガスの発生といった特性劣化が生じる。
これに対し、上記レーザ吸収体の有効温度は摂氏２５０度であり、これを越える温度に達した時点で透明に変色し、レーザ吸収体としての機能が著しく低下することとなる。
したがって、レーザの照射パターン（照射形状）や照射位置に応じて必要とされるエネルギ出力に高低の差が存在している場合には、高い方の出力に設定しておけば済み、出力を高精度で制御する必要がなくなる。
これは、本来低い出力で加工すべき箇所に高い出力のレーザビームが照射されても、レーザ吸収体が摂氏２５０度以上に上昇することはなく、継手10や管材12，14に特性劣化が生じる危険性がないためである。

このレーザビームを連続的に照射した状態で、ガルバノミラー28の駆動によって照射位置を継手10と直交する方向に往復移動させることにより（図３のＡからＢ間）、継手10の内周面と第１の管材12の外周面との間に介装されたレーザ吸収体18が上下同時に溶融され、継手10の内周面と第１の管材12の外周面との間を円環状の融着部に沿って接合させることが可能となる。

上記レーザ吸収体18は、フタロシアン系色素の影響で通常は薄緑色を備えているが、レーザビームＬの照射によって加熱・溶融され、上下の樹脂間を融着させた後は上記のように無色透明に変色するという特性を備えている。
このため、図４の(ａ)に示すように、接合前の時点においてはレーザ吸収体18の色彩が継手10を透過して表面に浮き出ている。
つぎに、(ｂ)に示すように、レーザヘッド24からレーザビームＬを照射して継手10と第１の管材12間を融着させた後は、その照射部分が透明化することにより、円環状の融着ラインαが現れることとなる。
因みに、(ｂ)においてはガルバノミラー28を上下に回動変位させることにより、複数の融着ラインαが円周に沿って形成されている様子が描かれている。

このように、レーザビームＬの照射による接合が完了した部分には融着ラインαが現れ、これを継手10の表面から視認することが可能となるため、配管の施工現場において簡単に接合具合をチェックすることが可能となる。
また、レーザビームＬの照射による加熱・溶融はきわめて瞬時に完了するため、電熱線によって加熱・溶融する場合に比べて冷却時間を大幅に短縮することができる。

上記のように、継手10の外周面側からレーザビームを照射する代わりに、図５に示すように、第１の管材12の外周面に斜め方向からレーザビームＬを照射し、これを透過しさらに第１の管材12の内周面をも透過したレーザビームＬによって地面側のレーザ吸収体18を加熱し、継手10の内周面と第１の管材12の外周面間を融着させることも当然に可能である。

上記のように、レーザ透過性樹脂材よりなる継手10と管材12、14との間にレーザ吸収体18を配置させる代わりに、二色成形技術等を用いることにより、予め継手10の内周面側、及び管材12、14の外周面側の少なくとも一方を、レーザ吸収体を混入させた樹脂材によって構成しておくこともできる。
この場合、レーザ吸収体18を被着させる手間を省くことが可能となる。

図６は第２のレーザ接合装置42を示す側面図であり、図７はその斜視図である。
この第２のレーザ接合装置42は、本体部43と、本体部43に接続されたチャッキング部材44と、本体部43に接続されたモータ収納部45と、ビームエキスパンダを内蔵したレーザヘッド46と、レーザヘッド46の摺動機構47と、この摺動機構47と接続されたアーム48とを備えている。

上記摺動機構47は、ガイド溝49を備えた水平板50と、この水平板50と並行に配置されたボールネジ51と、水平板50の基端部に取り付けられたボールネジ回転用モータ52と、ギアボックス53と、水平板50の先端部に取り付けられた軸受板54と、レーザヘッド46の固定部55とを備えている。
上記水平板50は、接合対象である管材56の軸方向に沿うように配置されており、アームの先端部に接続されている。

上記固定部55は、上記ボールネジ51と螺合されており、その突起部57は上記水平板50のガイド溝49に摺動自在に嵌合されている。
また、レーザヘッド46の後端部は、このガイド溝49を貫通して上方に取り出されている。

上記ボールネジ51の一端は上記軸受板54の軸受凹部に係合され、他端はギアボックス53から突出した回転軸58に接続されている。
また、ボールネジ回転用モータ52の回転が、上記ギアボックス53内に収納された複数の図示しないギアを介して上記回転軸58に減速伝動される仕組みを備えている。
この結果、上記モータ52の正転／逆転に呼応してボールネジ51が正転／逆転し、レーザヘッド46の固定部55が水平板50に沿って往復移動することとなる。

上記本体部43内には、図８に示すように、メインギア59が収納されている。
また、上記モータ収納部45内には、メインギア59を駆動するためのギヤードモータ60が収納されている。

図９(ａ)〜(ｃ)に示すように、このメインギア59の外周面には複数の支持用ギア61と、モータ60の駆動軸に接続された駆動用ギア62が噛合されている。
この結果、メインギア59は、本体部43内において回動自在に支持されることとなる。
このメインギア59には、管材56をメインギア59の中心部まで導入するための切欠部63が形成されている。
また、メインギア59の表面の中心付近には、上記アーム48の基端部48ａが接続されている。

上記レーザヘッド46の後端部には光ファイバ87が接続されており、この光ファイバ87を介して図示しないファイバレーザ発振器に接続されている。
また、各モータ52、60は図示しない制御ユニットに接続されており、この制御ユニットから駆動用の電源が供給される。

この第２のレーザ接合装置42を管材56に装着する際には、本体部43の下端開口部64（図７）を管材56の上に被せ、メインギア59の切欠部63に管材56を填め入れ（図９）、チャッキング部材44によって固定する。
この際、管材56の中心軸とメインギア59の中心軸とが一致するように、予め各部の位置決めがなされている。
この結果、モータ60の駆動によってメインギア59が左方向に回動すると、図９(ｂ)に示すように、アーム48も管材56を中心にして左方向に回動する。
また、モータ60の駆動によってメインギア59が右方向に回動すると、図９(ｃ)に示すように、アーム48も管材56を中心にして右方向に回動する。

上記のように、アーム48にはレーザヘッド46の摺動機構47が取り付けられているため、アーム48の回動により、レーザヘッド46も管材56の外周面に沿って回動することとなる。
この際、アーム48は管材56の中心軸と同軸で回動するため、レーザヘッド46と管材56の表面との間の距離は一定に保たれることとなる。

この第２のレーザ接合装置42の場合、アーム48の回動によってレーザヘッド46から照射されるファイバレーザの照射位置が管材56と直交する方向に移動すると共に、ボールネジ51を回転させてレーザヘッド46の固定部55を摺動させることにより、照射位置を管材56の長手方向に往復移動させることも可能となる。
この結果、この第２のレーザ接合装置42を用いることにより、図６及び図７に示したように、管材56に対して分岐管増設用のサドル65を接合することが可能となる。

このサドル65は、管材56と等しい曲率を備えた接触部としての湾曲面66と、この湾曲面66に対し垂直に取り付けられた接続管67と、この接続管67と湾曲面66との境界部分に接続管67に対して直交する方向で取り付けられた工具収納管68とを備えている。
この工具収納管68内には、回転式の切削工具が仕込まれており、コック69を回転させることによってこの切削工具が管内を前進する仕組みを備えている。
このため、サドル65の湾曲面66を管材56の表面に気密に接合させた状態で工具収納管68のコック69を回転させると、切削工具によって管材56の表面が切り欠かれ、接続管67との連通状態が実現される。
すなわち、このサドル65の接続管67に予め分岐管（図示省略）を接続させた状態で既設のガス管や水道管に湾曲面66を接合させ、工具収納管68のコック69を絞り込むことにより、ガスや水道水の供給を停止することなく、分岐管を増設することが可能となる仕掛けである。

このサドル65を第２の接合装42置を用いて管材56に接合する場合、サドル65の湾曲面66及び管材56をレーザ透過性樹脂材によって構成しておく。
また、湾曲面66の内面と管材56の外周面との間には、上記と同様のレーザ吸収体を配置させておく。

この第２のレーザ接合装置42は、上記のようにアーム48を回動させることによってレーザ照射位置を管材56と直交する方向に移動させることができると共に、ボールネジ51の回転によってレーザ照射位置を管材56の長手方向に沿って移動させることも可能であるため、図６及び図７の点線で示すように、サドル65の湾曲面66と管材56との間に一筆書きの要領で連続して融着ラインβを形成することができ、途中で装置の装着位置を変更する必要がない。

もちろん、この第２のレーザ接合装置42を用いることにより、一対の管材を継手を介して接合することも可能である。
この場合、レーザビームを照射しながらアーム48を回動させることによって第１の管材12と継手10間を溶着した後、ボールネジ51を回転させてレーザ照射位置を変更することによって直ちに第２の管材14と継手10間の接合動作に移行することができ、装置の装着位置を変更する必要がない。

なお、上記のように駆動用ギア62によってメインギア59を直接回動させる代わりに、駆動用ギア62と各支持用ギア61との間にメインギア59と接する環状のチェーンを掛け渡し、このチェーンによって駆動用ギア62を回動させるように構成してもよい。

図１０及び図１１は、第３のレーザ接合装置70を示す斜視図である。
この第３のレーザ接合装置70は、本体部43と、本体部43に接続されたチャッキング部材44と、モータ収納部45と、ギアボックス71と、半月状のカム板72と、アーム48と、ヒンジ73を介してアーム48に接続された揺動板74と、固定部88を介してこの揺動板74の表面に装着されたレーザヘッド46とを備えている。
上記揺動板74は、図示しない付勢手段（例えばバネ）によって本体部43側に常時付勢されているため、揺動板74の背面はカム板72に当接している。

上記本体部43内には、図１２に示すようにメインギア59が収納されており、モータ収納部45内にはメインギア駆動用のギヤードモータ60が収納されている。
このメインギア59は、図示は省略したが、上記と同様の管材導入用の切欠部63を備えている（図９参照）。また、メインギア59の外周面には、複数の支持用ギア61と、モータ60によって回転される駆動用ギア62が噛合されている。
ギアボックス71内には、モータ60の駆動軸に接続された第１の傘歯車75と、駆動用ギア62のシャフト76に接続された第２の傘歯車77とが噛合されている。
さらに、メインギア59の表面の中心付近には、上記アーム48の基端部48ａが接続されている。

以上の構成を備える結果、モータ60の正転／逆転に呼応して上記アーム48が左右に回動し、レーザヘッド46が管材56と直交する方向に往復移動可能となる。
この際、揺動板74がカム板72の外周面に沿って折れ曲がるため、図１１に示すように、カム板72の左右両端部に近づくほど管材56に対するレーザヘッド46の傾斜角度が大きくなり、斜め方向から回り込むようにレーザビームが照射されることとなる。
一方向からレーザビームを照射し、サドル65の湾曲面66と管材56との間を接合した後、第３のレーザ接合装置70を反対側に取り付け、同様にレーザビームを回り込むように照射することにより、図１０に示すように、接続管67の付け根部分を取り囲むように融着ラインβを形成することが可能となる。
このように、接続管67の付け根部分を取り囲むように気密に接合することにより、工具収納管68のコック69を絞って管材56の表面に切欠を設けても、管内を流通するガスや水道水が周囲に漏れ出ることがない。

図１３及び図１４は、第４のレーザ接合装置78を示す側面図である。
この第４のレーザ接合装置78は、本体部43と、本体部43の支持フレーム79と、この支持フレーム79に接続されたチャッキング部材44と、モータ収納部45と、ギアボックス71と、アーム48と、固定部88を介してアーム48に接続されたレーザヘッド46とを備えている。
上記本体部43は、ヒンジ80を介して支持フレーム79に回動可能に係合されており、チャッキング部材44を介して管材に装置を取り付けた際に、所定の角度（例えば45度）で本体部43を傾斜させた状態で固定することが可能となされている（図１４）。すなわち、支持フレーム79、ヒンジ80、チャッキング部材44によって、請求項１２の角度変位機構が構成されることとなる。

上記本体部43内には、図示は省略したが、第２のレーザ接合装置42及び第３のレーザ接合装置70と同様のメインギア59が収納されており、モータ収納部45内にはメインギア駆動用のギヤードモータ60が収納されている。
このメインギア59は、上記と同様の管材導入用の切欠部63を備えている。
また、メインギア59の外周面には、複数の支持用ギア61と、モータ60によって回転される駆動用ギア62が噛合されている。
ギアボックス71内には、モータ60の駆動軸に接続された第１の傘歯車75と、駆動用ギア62のシャフト76に接続された第２の傘歯車77とが噛合されている。
さらに、メインギア59の表面の中心付近には、上記アーム48の基端部48ａが接続されている。
以上の結果、モータ60の正転／逆転に呼応して上記アーム48が左右に回動し、レーザヘッド46が管材と直交する方向に往復移動可能となる。

この第４のレーザ接合装置78を管材に装着する際には、本体部43の下端開口部からメインギア59の切欠部63に管材を填め入れ、チャッキング部材44によって固定する。
例えば図１３に示すように、本体部43を第１の管材12に対して垂直に配置した状態で、第１の管材12と係合された継手10の表面にレーザビームを照射し、アーム48を左右に回動させると、第１の管材12と継手10間のレーザ吸収体が加熱・溶融し、両者間の接合が実現される。
つぎに、第４のレーザ接合装置78を反対側に装着し直し、第２の管材14と係合された継手10の表面にレーザビームを照射し、アーム48を左右に回動させると、第２の管材14と継手10間の接合が実現される。

これに対し、図１４に示すように、本体部43を傾斜させた状態で、管材56の表面に配置されたサドル65の湾曲面66にレーザビームを照射し、アーム48を左右に回動させると、接続管67の付け根付近に斜めの融着ラインβが現れる。
つぎに、第４のレーザ接合装置78を反対側に取り付け、同様にレーザビームを斜め方向から照射することにより、接続管67の付け根付近にＶ字型の融着ラインβが現れる。
このように、接続管67の付け根部分を取り囲むように接合することにより、工具収納管68のコック69を絞って管材56の表面に切欠を設けても、管内を流通するガスや水道水が周囲に漏れ出ることがない。

筒状の継手の両端開口部に第１の管材及び第２の管材の一端をそれぞれ挿入して連結体を形成する様子を示す断面図である。上記連結体に第１のレーザ接合装置を装着させた状態を示す側面概念図である。上記連結体にレーザビームを照射する様子を示す断面図である。継手の表面に透明の融着ラインが現れる様子を示す説明図である。上記連結体に第１のレーザ接合装置を装着させた状態を示す側面概念図である。第２のレーザ接合装置を示す側面図である。第２のレーザ接合装置を示す斜視図である。第２のレーザ接合装置の本体部等の内部構造を示す概念図である。第２のレーザ接合装置のメインギアの構成及びその動作を示す概念図である。第３のレーザ接合装置を示す斜視図である。第３のレーザ接合装置を示す斜視図である。第３のレーザ接合装置の本体部等の内部構造を示す概念図である。第４のレーザ接合装置を示す側面図である。第４のレーザ接合装置を示す側面図である。電気溶着用継手を用いた従来の管材の接合方法を示す断面図である。

符号の説明

10 継手
12 第１の管材
14 第２の管材
16 連結体
18 レーザ吸収体
20 第１のレーザ接合装置
22 レーザ発振器
24 レーザヘッド
26 ビームエキスパンダ
28 Ｘ軸ガルバノミラー
30 ガルバノミラーの回動部材
32 制御ユニット
34 本体部
36 チャッキング部材
38 光ファイバ
40ａ第１の融着部
40ｂ第２の融着部
42 第２のレーザ接合装置
43 本体部
44 チャッキング部材
45 モータ収納部
46 レーザヘッド
47 摺動機構
48 アーム
48ａアームの基端部
49 ガイド溝
50 水平板
51 ボールネジ
52 ボールネジ回転用モータ
53 ギアボックス
54 軸受板
55 固定部
56 管材
57 突起部
58 回転軸
59 メインギア
60 ギヤードモータ
61 支持用ギア
62 駆動用ギア
63 切欠部
64 下端開口部
65 サドル
66 湾曲面
67 接続管
68 工具収納管
69 コック
70 第３のレーザ接合装置
71 ギアボックス
72 カム板
73 ヒンジ
74 揺動板
75 傘歯車
76 シャフト
77 傘歯車
78 第４のレーザ接合装置
79 支持フレーム
80 ヒンジ
87 光ファイバ
88 固定部
Ｌレーザビーム
α 融着ライン
β 融着ライン

Claims

レーザ透過性樹脂材よりなる一対の管材を、レーザ透過性樹脂材よりなる継手を介して接合する方法であって、
上記継手の内周面及び管材の外周面の少なくとも一方にレーザ吸収体を配置させる工程と、
上記継手の開口部に管材の一端を挿入する工程と、
上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面と管材の外周面との間に介装されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、
上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、
上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴とする管材の接合方法。
内周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる継手の開口部に、レーザ透過性樹脂材よりなる管材の端部を挿入する工程と、
上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、
上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、
上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴とする管材の接合方法。
レーザ透過性樹脂材よりなる継手の開口部に、外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、内周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる管材の端部を挿入する工程と、
上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、管材の外周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、
上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、
上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴とする管材の接合方法。
内周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる継手の開口部に、外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、内周面側がレーザ透過性樹脂材よりなる管材の端部を挿入する工程と、
上記継手の外周面側からレーザビームを照射して、継手の内周面側及び管材の外周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によって継手の内周面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備え、
上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及び継手を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、
上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴とする管材の接合方法。
上記継手を構成するレーザ透過性樹脂材として、可視光の透過性を備えた樹脂材を用い、
上記レーザ吸収体として、レーザビームの照射によって変色する物質を用いることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の管材の接合方法。
レーザ透過性樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを接合する方法であって、
間にレーザ吸収体を介装させた状態で、管材の外周面にサドルの接触部を載置する工程と、
上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、接触部の内面と管材の外周面との間に介装されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴とする管材とサドルの接合方法。
少なくとも外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを載置する工程と、
上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、管材の外周面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴とする管材とサドルの接合方法。
レーザ透過性樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部の内面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外面側がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを載置する工程と、
上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、接触部の内面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴とする管材とサドルの接合方法。
少なくとも外周面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなる管材の外周面に、少なくとも管材との接触部の内面側がレーザ吸収体を含む樹脂材よりなり、外面側がレーザ透過性樹脂材によって構成された分岐管増設用のサドルを載置する工程と、
上記サドルの接触部にレーザビームを照射して、管材の外周面側及び接触部の内面側に配置されたレーザ吸収体を加熱する工程と、
上記レーザ吸収体からの伝導熱によってサドルの接触部の内面及び管材の外周面との間を融着させる工程とを備えたことを特徴とする管材とサドルの接合方法。
上記レーザ吸収体として、管材を構成している樹脂材及びサドルの接触部を構成している樹脂材の少なくとも一方の溶融点よりも高く、特性劣化点よりも低い温度でレーザ吸収特性が劣化する物質を用い、
上記レーザビームとして、ファイバーレーザを用いることを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載の管材とサドルの接合方法。
管材をその中心部に導入するための切欠部を備えたメインギアと、
このメインギアを、その切欠部に導入した管材を中心に回動可能な状態で収納する本体部と、
メインギア回動用のモータと、
メインギアに一端が接続され、他端が本体部の外部に導出されたアームと、
このアームの他端側に取り付けられたレーザヘッドと、
本体部を管材に固定するための固定手段とを備えたことを特徴とするレーザ接合装置。
上記固定手段が、本体部を管材に対して垂直状態で固定する第１の固定位置と、管材に対して所定の傾斜角度で固定する第２の固定位置との切り換えを実現する角度変位機構を備えたものであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ接合装置。
上記アームの他端に、付勢手段によって常時本体部側に付勢される揺動板が接続されると共に、この揺動板に上記レーザヘッドが取り付けられており、
上記アームの回動に応じて揺動板の角度を変位させるためのカムを備えたことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ接合装置。
管材をその中心部に導入するための切欠部を備えたメインギアと、
このメインギアを、その切欠部に導入した管材を中心に回動可能な状態で収納する本体部と、
メインギア回動用のモータと、
メインギアに一端が接続され、他端が本体部の外部に導出されたアームと、
このアームの他端側に接続されたレーザヘッドの摺動機構と、
本体部を管材に固定するための固定手段とを備え、
上記レーザヘッドの摺動機構は、管材と平行に延設された水平板と、
この水平板に往復自在に取り付けられたレーザヘッドと、
レーザヘッドを往復移動させるためのモータとを備えたことを特徴とするレーザ接合装置。
上記レーザヘッドが、ファイバーレーザ発振器に接続されていることを特徴とする請求項１１〜１４の何れかに記載のレーザ接合装置。