JP2014050877A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大掛かりな溶接チャンバを用意することなく低真空環境下で大型構造物のレーザ溶接を可能にする。
【解決手段】溶接対象物１、２の溶接線３の近傍部を溶接チャンバ側壁部４と溶接チャンバ蓋９で取り囲み、かつ、真空引き用ポンプ７で真空引きすることにより、溶接線３の近傍部に局所的な低真空環境の溶接チャンバ１０を構成し、この低真空環境の溶接チャンバ１０内で溶接対象物１、２のレーザ溶接を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、低真空状態の溶接チャンバを備えたレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接において、深溶け込み溶接を得る方法として単純には単位溶接長当りの入熱を上げる方法が考えられ、レーザのエネルギー密度を上げる、あるいは、レーザの走査速度を下げることが考えられる。レーザのエネルギー密度を上げる方法としては、スポット径を小さくすることも重要であるが、近年、ファイバーレーザやディスクレーザ等発振器の改善により、従来の固体レーザでは得られなかった高出力のレーザが高効率で発振でき、数ＫＷの出力が得られるようになり、大出力の発振器を用いることが容易になってきている。

しかし、高出力のレーザを大気圧の下で溶接金属（溶接母材）に照射するとか、あるいは低速でレーザを走査させる場合、大量のプルーム（金属蒸気）が発生することが知られている。

図１０にレーザ溶接の溶融池近傍の状況を示した模式図を示す。
図１０に示すように、レーザ溶接においては、レーザエネルギーにより発生するプルームが、溶接チャンバに入射されるレーザ光を吸収・散乱して、エネルギー入射効率が減少することが知られている。主な、レーザエネルギーの散逸機構としてはレイリー散乱によるものとされている。

最も実施が容易なプルーム除去方法は、溶融池の直上でプルーム上昇方向に垂直な方向から流速の速いガス流（クロスジェット）を用いて、プルームを吹き飛ばすことである。しかし、この方法においても限界があり、数１０ｋＷクラスのレーザに対しては、溶込み深さの改善の程度は限定的である。
レイリー散乱による散逸係数は粒子密度に比例する。従って粒子密度を下げることができれば、レーザエネルギーの散逸を回避することができる。

図１１は、従来の低真空溶接チャンバを備えたレーザ溶接装置の概略図である。
図１１において、３１はレーザ光Ｒを発生させるレーザ発振機、３２は光ファイバー、３３は加工ヘッド、３４はレーザ光Ｒの焦点を調整するための光学系、３５はガラス板等の透過板、３６は低真空環境下でレーザ溶接を行うためのアクリル樹脂製の溶接チャンバ、３７はシールドガス筒、３８は溶接対象物、３９は溶接対象物３８を移動させるための移送装置である。

なお、シールドガス筒３７の下端部４０は、溶接チャンバ３６の天板４１に設けられた導入口４２の孔縁部に接続されて溶接チャンバ３６内に開口している。さらに、シールドガス筒３７にはガス配管４３を介してシールドガスを供給するためのガスボンベ４４が接続されている。

また、溶接チャンバ３６内を低真空状態にするための減圧手段として真空引き用ポンプ（ＶＰ）４５、４６を接続した排気管４７が接続されている。
このように構成された従来のレーザ溶接装置では、溶接チャンバ３６内の溶接雰囲気を真空引き用ポンプ４５、４６で低真空状態にすることができるため、金属蒸気の粒子密度を下げることができると言われている。

しかし、その反面、溶接対象物３８および移送装置３９を溶接チャンバ３６内に収容した状態で移送装置３９を使用して溶接線の方向に移動させなくてはならず、溶接対象物３８が大型構造物の場合にはこの図１１の装置を適用することが難しいという欠点がある。

また、別の従来技術として、密閉された溶接チャンバ空間部を下ケースと溶接チャンバ蓋とから構成し、溶接チャンバ蓋に設けた光透過窓を介して溶接チャンバ空間部内の被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行う技術もある。しかし、この技術は、レーザ光を被溶接物上に走査させる方法として、レーザ照射ヘッドを移動させるようにしており、移動する溶接ヘッドと溶接線を結ぶ空間の全てが光透過窓となる構造である。したがって、この技術も大型構造物の溶接に適用することは困難である。

特開２０１１−２４０３６５号公報 特開２０１２−９６２６９号公報

川人洋介、他４名,「超高パワー密度ファイバーレーザによるステンレス鋼溶接時のレーザと誘起プラズマ／プルームとの相互作用」、２００７年、溶接学会論文集第２５巻、第３号、ｐ．４６１−４６７

上述したように、従来技術では、溶接対象物全体を低真空状態の溶接チャンバ内に収容した状態で溶接対象物にレーザ光を照射するようにしているため、大型構造物の溶接には不向きであった。

そこで、本発明は溶接対象物全体を低真空状態の溶接チャンバ内に入れる替わりに、溶接線の近傍部を溶接チャンバ側壁部と溶接チャンバ蓋で取り囲んで局所的な低真空状態の溶接チャンバを構成することにより、大型構造物に対しても低真空の状態の下でのレーザ照射を可能としたレーザ溶接装置およびそれを用いたレーザ溶接方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、低真空環境下でレーザ光により平板状の溶接母材を溶接するレーザ溶接装置において、前記平板状の溶接母材の溶接線を取り囲むように当該溶接母材上に気密に設置された枠状の溶接チャンバ側壁部と、レーザ入射孔を備え、前記枠状の溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部に気密かつ摺動可能に設置され、かつ、当該溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部の幅および長さよりも大きい幅および長さを有する平板状の溶接チャンバ蓋と、前記レーザ入射孔に下端部が気密に取り付けられるとともに、上端部にレーザ光を透過するレーザ光透過板を気密に取り付けた筒状のレーザ入射口部と、前記平板状の溶接母材、前記枠状の溶接チャンバ側壁部、前記平板状の溶接チャンバ蓋および前記筒状のレーザ入射口部で構成された溶接チャンバ内を前記低真空状態にする排気装置と、前記平板状の溶接チャンバ蓋を前記平板状の溶接母材の溶接線方向に摺動させる溶接チャンバ蓋駆動機構と、
を備えたことを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接方法は、低真空環境下でレーザ光により平板状の溶接母材を溶接するレーザ溶接装置において、前記平板状の溶接母材の溶接線を取り囲むように当該溶接母材上に気密に設置された枠状の溶接チャンバ側壁部と、レーザ入射孔を備え、前記枠状の溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部に気密かつ摺動可能に設置され、かつ、当該溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部の幅および長さよりも大きい幅および長さを有する平板状の溶接チャンバ蓋と、前記レーザ入射孔に下端部が気密に取り付けられるとともに、上端部にレーザ光を透過するレーザ光透過板を気密に取り付けた筒状のレーザ入射口部と、前記平板状の溶接母材、前記枠状の溶接チャンバ側壁部、前記平板状の溶接チャンバ蓋および前記筒状のレーザ入射口部で構成された溶接チャンバ内を前記低真空状態にする排気装置と、前記平板状の溶接チャンバ蓋を前記平板状の溶接母材の溶接線方向に摺動させる溶接チャンバ蓋駆動機構と、を備え、前記真空引き用ポンプによって前記溶接チャンバ内を低真空環境にした状態で、前記溶接チャンバ蓋駆動機構によって前記溶接チャンバ蓋をレーザビームと同期して溶接線方向に摺動させることにより、前記溶接母材を溶接するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、溶接対象物全体を低真空状態の溶接チャンバ内に収容する替わりに、溶接線の近傍部を溶接チャンバ側壁部と溶接チャンバ蓋で取り囲んで局所的な低真空状態の溶接チャンバを構成することにより、大掛かりな溶接チャンバを用いることなく大型構造物に対しても低真空環境下でレーザ溶接を行なうことができる。

本発明の実施形態１に係るレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバの概要を示す構成図。 図１の低真空溶接チャンバを溶接方向に垂直な面で切断した状態の断面図。 図２の裏当金の詳細構造を示す斜視図。 本発明の実施形態２で使用する溶接母材を示す図。 実施形態２におけるレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバの断面図。 本発明の実施形態２に係るレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバを示す図。 実施形態２における溶接対象物に開先の目違いが発生した状況を示す断面図。 図７の開先の目違いがある溶接対象物に修正した溶接チャンバ側壁部と裏板金とを配置した状態を示す図。 本発明の実施形態３に係るレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバを溶接方向に垂直な面で切断した状態の断面図。 レーザ溶接における溶融池近傍の状況を示した模式図。 従来の低真空溶接チャンバを備えたレーザ溶接装置の概略図。

以下、本発明に係る低真空溶接チャンバを備えたレーザ溶接装置とそれを用いた溶接方法について、図面を参照して説明する。
なお、各図において、共通する部品には同一符号を付与して重複する説明は適宜省略する。

［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１に係るレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバの概要を示す構成図であり、図２は図１の低真空溶接チャンバを溶接方向に垂直な面で切断した断面図であり、図３は図２の裏当金の詳細構造を示す斜視図である。

（構成）
まず、図１乃至図３を参照して本実施形態１に係るレーザ溶接装置の構成について説明する。
符号１および２は溶接対象物（溶接母材とも呼ぶ）であり、軟鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼等の材料で平板状に形成されている。これら平板状の溶接母材１、２の表面（図示上面）上に、溶接線３を局所的に取り囲むように枠状の溶接チャンバ側壁部４が設置されようになっている。

この枠状の溶接チャンバ側壁部４は、オーステナイト系ステンレス鋼で製作された幅が等しく長さが異なる２種類の板材を２枚ずつ用いて長方形の枠状に組み立てたものであり、溶接線３の方向には長尺の板材が配置され、溶接線３と直交する方向には短尺の板材が配置されるようになっている。因みに、長尺板材の長さ方向の寸法は（Ｌ_１）であり、短尺板材の長さ方向の寸法は（Ｌ_２）である。

この枠状の溶接チャンバ側壁部４は、溶接母材１、２の表面に当接する下部開口縁部の全周に亘ってシール溝５ａを穿設し、そのシール溝５ａにフッ素ゴム系の材料で構成されたＯリング等のシール材５を嵌め込んである。この枠状の溶接チャンバ側壁部４を溶接母材１、２の表面上に設置すると、溶接チャンバ側壁部４の自重によってシール材５が圧縮され、溶接母材１、２と溶接チャンバ側壁部４との当接面をシールする。枠状の溶接チャンバ側壁部４は、溶接母材１、２とシール材５との摩擦力によって溶接母材１、２の上を摺動できないようになっている。

さらに、この枠状の溶接チャンバ側壁部４は、４つの側壁部のうちの適当な側壁部（図示の場合、溶接線３方向の側壁部）に排気孔４ａを開けており、この排気孔４ａに排気ダクト６を気密に接続し、この排気ダクト６の中間部に真空引き用ポンプ７を接続している。この真空引き用ポンプ７として、ダイヤフラム型ドライ真空ポンプ、スクロール型ドライ真空ポンプ、油回転真空ポンプ等を用いることができる。

一方、枠状の溶接チャンバ側壁部４の上部開口縁部には、全周に亘ってパッキン溝４ｂが穿設され、このパッキン溝４ｂ内に摺動性に優れているカーボン系材料あるいは炭素繊維系のパッキン材８を嵌め込んであり、このパッキン材８の上にオーステナイト系ステンレス鋼で製作された長方形の平板状の溶接チャンバ蓋９を設置することによって、溶接母材１、２の表面と、枠状の溶接チャンバ側壁部４と、長方形状の溶接チャンバ蓋９とによって気密の溶接チャンバ１０が形成される。

なお、溶接チャンバ蓋９は図示しない駆動装置（溶接チャンバ蓋駆動機構）によって矢印の向きすなわち、溶接母材１、２の溶接線３の方向に摺動されるようになっており、溶接チャンバ蓋９の長辺の寸法（Ｌ_３）は、後述する理由により枠状の溶接チャンバ側壁部４の長手方向の寸法（Ｌ_１）よりもかなり長い寸法（Ｌ_３＞＞Ｌ_１）にしてある。一方、短辺の寸法（Ｌ_４）は溶接チャンバ側壁部４の寸法（Ｌ_２）よりもわずかに余裕をもった寸法（Ｌ_４＞Ｌ_２）にしてある。寸法Ｌ_３とＬ_４の関係は図１で、寸法Ｌ_１とＬ_３の関係は図２で明瞭に示されている。

さらに、この長方形の平板状の溶接チャンバ蓋９は、適当な位置（例えば、中央部）にレーザ入射孔１１が刳り貫かれており、このレーザ入射孔１１の周縁部に筒状に形成されたレーザ入射口部１２が気密に垂直状態で取り付けられている。

このレーザ入射口部１２の頭頂部（溶接チャンバ蓋９とは反対側の端部）にはフランジ１２Ｆが形成されており、このフランジ１２Ｆと同一形状のリング材１３との間にシール材１４、１５を挟んでレーザ光透過板１６をボルトナット１７によって気密に取り付けている。このレーザ光透過板１６はレーザ光Ｒを透過し、かつ、１気圧程度の圧力差に耐え得るガラス板で製作されている。

１８はレーザヘッドであり、図示しないレーザ光源から出力されたレーザ光Ｒを溶接母材１、２の溶接線３に照射し溶接する。このレーザヘッド１８は、図示しない支持部材によって筒状のレーザ入射口部１２と一体となって移動できるように支持されている。なお、レーザ光源としては、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバーレーザ、炭酸ガスレーザ等が適用でき、その出力は１０ｋＷ〜３０ｋＷ程度である。

このように、平板状の溶接母材１、２の表面と、枠状の溶接チャンバ側壁部４と、長方形の平板状の溶接チャンバ蓋９とにより形成された溶接チャンバ１０および筒状のレーザ入射口部１２内部は、シール材５、パッキン材８、レーザ光透過板１６およびシール材１４、１５によって外気に対して気密状態になっている。

なお、溶接母材１、２の溶接線３方向の両端部の突合せ部や、溶接母材１、２の裏面（図示下面）の突合せ部に僅かな隙間があると溶接チャンバ１０内に外気が進入して真空度を高めることができないので、このような隙間がある場合には、溶接母材１、２の両端部の突合せ部の隙間をティグＴＩＧ溶接などによって密閉するとともに、溶接母材１、２裏面の突合せ部の隙間には図３で示した細長い蓋状に形成された裏当金１９を気密に当接する。この裏当金１９の開口縁部には全周にわたってシール溝１９ａが穿設してあり、このシール溝１９ａにシール材２０が嵌め込まれている。

（作用）
次に、本実施形態１によるレーザ溶接方法について説明する。
溶接母材１、２のレーザ溶接作業に入る前に、排気ダクト６に接続してある真空引き用ポンプ７を稼働させ、溶接チャンバ１０内の気圧を１/１０気圧から１/１０００気圧程度の低真空状態にしておく。

そして、この低真空状態の溶接チャンバ１０内でレーザヘッド１８からレーザ光Ｒを照射して溶接母材１、２の溶接線３の溶接を行なう。このとき、溶接母材１、２の溶接線３で発生したプルームは溶接チャンバ１０内に充満することなく排気ダクト６を通して真空引き用ポンプ７によって外部に排出される。このようにプルームが溶接チャンバ１０内から排気されることによって、レーザヘッド１８から溶接チャンバ１０内に入射されるレーザ光Ｒのうち、プルームによって吸収あるいは散乱される量は減少し、それに伴ってエネルギー入射効率を上げることができる。

そして、レーザヘッド１８、レーザ入射口部１２および溶接チャンバ蓋９は図示しない駆動装置によって同期して所定の移動速度で溶接線３の方向（図示矢印の方向）に移動し、溶接母材１、２の溶接箇所３をレーザ溶接する。この場合のレーザヘッド１８の移動範囲は、溶接チャンバ側壁部４の長手方向の寸法Ｌ_１以内である。溶接チャンバ蓋９が溶接チャンバ側壁部４の上部開口縁部を摺動しているときは、前述した様に溶接チャンバ側壁部４は摩擦力によって溶接母材１、２の表面上を移動することはできない。

なお、図１のように、溶接チャンバ側壁部４の長手方向の寸法Ｌ_１に比べて溶接母材１、２の溶接線３の長さが長い場合には、低真空状態下で複数回に分けて溶接するようにしてもよい。

すなわち、最初の溶接時には溶接チャンバ側壁部４を例えば溶接母材１、２の図示右側面と一致した位置に設置して低真空溶接チャンバ１０内でレーザ溶接を行ない、次に溶接チャンバ側壁部４を工具等により図示左側面と一致した位置まで移動させた状態で再び上記と同様に低真空溶接チャンバ１０内でレーザ溶接を行なうようにしてもよい。
このような方法を採用すれば、溶接線３の長さが異なる複数の溶接母材に対して１種類の溶接チャンバ側壁部４で対応できるという長所がある。

（効果）
以上述べたように、本実施形態１のレーザ溶接装置によれば、溶接対象物である溶接母材全体を溶接チャンバに収容する替わりに、溶接線の近傍部を枠状の溶接チャンバ側壁部や溶接チャンバ蓋で取り囲んで局所的な低真空状態の溶接チャンバを構成したので、溶接対象物を大掛かりな溶接チャンバに収容しなくても低真空環境下での大型構造物のレーザ溶接が可能である。

すなわち、溶接対象物である溶接母材１、２の溶接線３を枠状の溶接チャンバ側壁部４で気密状態に取り囲むとともに、溶接チャンバ側壁部４の上部開口縁部を溶接チャンバ蓋９で気密に閉じて真空引きすることにより溶接線３の近傍部に局所的な低真空状態の溶接チャンバ１０を形成し、かつ、溶接チャンバ蓋９をレーザ照射口部１２と同期した状態で溶接線３の方向に摺動可能な構成にしたので、大掛かりな溶接チャンバを用いることなく低真空環境下での大型構造物のレーザ溶接が可能となる。

大型構造物を大気圧中でレーザ溶接した場合と低真空溶接チャンバ内でレーザ溶接した場合とを比較すると、低真空溶接チャンバ内でレーザ溶接した場合は２倍程度の溶込み深さが得られる。
また、溶接チャンバ内を低真空状態にすることにより、溶接チャンバ内の粒子密度を下げることができ、溶接チャンバ内圧力の対大気圧比で散乱係数を下げることができる。

［実施形態２］
次に、図４乃至図８を参照して本発明の実施形態２について説明する。
図４は本発明の実施形態２で使用する溶接母材を示す図であり、図５は本実施形態２におけるレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバの断面図であり、図６は本実施形態２に係るレーザ溶接装置の低真空溶接チャンバを示す図である。また、図７は本実施形態２における溶接対象物に開先の目違いが発生した状況を示す断面図であり、図８は図７の開先の目違いがある溶接対象物に修正した溶接チャンバ側壁部と裏板金とを配置した状態を示す図である。

本実施形態２が前述した実施形態１と相違する主な点は、実施形態１が平板状の溶接母材１、２をレーザ溶接するのに適した低真空溶接チャンバを構成するのに対して、本実施形態２は円筒状の溶接母材をレーザ溶接する場合に適した低真空溶接チャンバを構成するようにしたものである。

図４乃至図６において、１Ａおよび２Ａは円筒状の溶接母材（以下、円筒状溶接母材という）である。４Ａおよび４Ｂは円筒状溶接母材１Ａおよび１Ｂの溶接線（円周溶接開先）３を挟んで両側の適当な位置に平行に嵌合設置された一対の円環状の溶接チャンバ側壁部（以下、円環状溶接チャンバ側壁部という）である。

この一対の円環状溶接チャンバ側壁部４Ａおよび４Ｂは、詳細を図５で示すように内周面に円環状の溝５ａを穿設してシール材５を嵌め込み、また、外周面にも円環状の溝４ｂを穿設してパッキン材８を嵌め込むように形成されている。このように形成された一対の円環状溶接チャンバ側壁部４Ａおよび４Ｂをそれぞれ円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの外周面に対して嵌め込み、さらに一対の円環状溶接チャンバ側壁部４Ａおよび４Ｂの外周面に対して一つの円筒状の溶接チャンバ蓋９Ａを気密にかつ摺動可能に嵌合設置することにより溶接線３の外周に円環状の気密の溶接チャンバ１０Ａが形成される。

なお、一対の円環状溶接チャンバ側壁部４Ａ、４Ｂのうち、例えば、図６のように円環状溶接チャンバ側壁部４Ｂの適当な位置に排気孔を開け、この排気孔に排気ダクト６を気密に接続し、この排気ダクト６の中間部に真空引き用ポンプ７を接続している。また、円筒状溶接チャンバ蓋９Ａには、排気孔に比較的近い位置にレーザ入射孔１１が刳り貫かれており、このレーザ入射孔１１の周縁部に筒状に形成されたレーザ入射口部１２が気密に取り付けられている。

なお、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内周面の突合せ部に僅かな隙間が生じているために溶接チャンバ１０Ａ内の気密保持ができない場合は、以下記載の対策例（ｉ）〜（iii）を講じればよい。

（ｉ）内径が比較的に大きい場合には、図５のように円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内周面の突合せ部に対して裏板金１９Ａを当接し、気密状態を確保する。すなわち、溶接線３を跨ぐように内周面に対して断面がコ字形をした円環状の裏板金１９Ａを嵌合設置し、さらに円環状の裏板金１９Ａの外周面に穿設した円環状の溝１９ａにシール材２０を嵌めることにより内側の気密状態を確保する。

（ii）円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内径が小さい場合には、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内周面に対して裏板金１９Ａを当接せずに、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの開口端を図示しない蓋で閉塞して気密を保持し、この状態で円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内部を真空引き用ポンプ等で排気する。

（iii）円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内径が比較的に小さい場合には、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内周面の突合せ部の隙間に裏板金１９Ａを当接せずに、ＴＩＧ溶接によって突合せ部の隙間を封止溶接する。

次に、円筒状の大型構造物の溶接時に比較的に発生する確率の高い「開先の目違い」の対策について説明する。
大型の円筒状溶接母材１Ａ、２Ａを溶接する際に、万一、図７のように「開先の目違い」すなわち「円筒状溶接母材１Ａおよび２Ａの基準面（図中、一点鎖線で示してある）同士にくい違い」が発生している場合、そのまま円環状の溶接チャンバ側壁部４Ａ、４Ｂを嵌合させると、図７のように円筒状溶接母材２Ａの外周面および内周面の一部分が円筒状溶接母材１Ａのそれよりも外径方向にΔｔだけ出っ張ってしまい、円筒状の溶接チャンバ表面板９Ａを嵌合設置することができない。このような場合、以下の様な対策を講じればよい。

まず、円筒状溶接母材１Ａおよび２Ａの外周面側のくい違い対策を施す。
すなわち、円筒状溶接母材２Ａの外周面に嵌合される円環状の溶接チャンバ側壁部４Ｂの外径側のくい違い分（Δｔ）を４Ｂ´の寸法まで機械加工で削って、図８のように溶接チャンバ側壁部４Ａおよび４Ｂ´の外周面の高さを揃える。すなわち、２つの円環状の溶接チャンバ側壁部４Ａ、４Ｂ´の高低差をなくす。この状態で、溶接チャンバ側壁部４Ａおよび４Ｂ´の外周面に１つの円筒状の溶接チャンバ表面板９Ａを気密にかつ摺動可能に嵌めることにより溶接線３の外周部に円環状の気密の溶接チャンバ１０Ａが形成される。

次に、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの内周面側のくい違い対策を講じる。この場合は、図８に示した裏当金１９に替えて、内径寸法が同じで外径寸法がくい違い分（Δｔ）だけ差のある２個の環状体２９Ａ、２９Ｂを用意し、一方の環状体２９Ａを円筒状溶接母材１Ａの内周面にシール材２０を介して嵌合設置し、同様に他方の環状体２９Ｂを円筒状溶接母材２Ａの内周面にシール材２０を介して嵌合設置し、これら環状体２９Ａ、２９Ｂの内周面にシール材２０を介して筒状体２９Ｃを嵌合設置する。これにより溶接線３の内周部は気密になる。

この状態で真空引き用ポンプ７を稼働させて溶接チャンバ１０Ａを低真空状態にして、円筒状の溶接チャンバ蓋９Ａを溶接線３に沿って、レーザ入射口部１２およびレーザヘッド１８とともに回転させることによって円筒状溶接母材１Ａ、２Ａのレーザ溶接を行なうことができる。

以上述べたように、本実施形態２によれば、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａの外径側に溶接線３を跨いで円環状の気密の溶接チャンバ１０Ａが形成され、内径側の突合せ部から外気が入らない状態にしたあと、真空引き用ポンプ７を稼働させて溶接チャンバ１０Ａを低真空状態にして、円筒状の溶接チャンバ蓋９Ａを図示しない駆動装置によってレーザヘッド１８と同期して溶接線３に沿って矢印方向に摺動回転させ、円筒状溶接母材１Ａ、２Ａのレーザ溶接を行なうことができる。この場合、レーザ溶接の際に発生するプルームは真空引き用ポンプ７によって排気ダクト６から外部に排気されるので、本実施形態２においても、実施形態１と同様に、大掛かりな溶接チャンバを設置することなく低真空環境下で円筒状の大型構造物に対してレーザ溶接が可能となる。

［実施形態３］
次に、図９を参照して本発明の実施形態３を説明する。
本実施形態３は、溶接チャンバ蓋駆動機構に特徴を有するレーザ溶接装置である。

上述した実施形態１および２では、溶接チャンバ蓋９または９Ａを溶接線３方向に摺動させる溶接チャンバ蓋駆動機構については図示していないが、本実施形態３では、同駆動装置をサーボモータ、ピニオンギアおよびラックを組み合わせて構成したことを特徴とするものである。

本実施形態３のレーザ溶接装置は、実施形態１および２の何れにも適用可能であるが、以下の説明では実施形態１に適用した場合を説明する。
図９に示すレーザ溶接装置は、溶接チャンバ蓋９の長手方向（摺動方向）の左右両側面にそれぞれラック（直線歯車）２１_１、２１_２を敷設し、これらのラック２１_１、２１_２にそれぞれピニオンギア２２_１、２２_２を噛み合せる。そして、同期運転されるサーボモータ２３_１、２３_２によってそれぞれピニオンギア２２_１、２２_２を駆動するように構成したものである。

本実施形態３によれば、サーボモータ２３_１、２３_２、ピニオンギア２２_１、２２_２およびラック２１_１、２１_２によって構成された駆動機構によって溶接チャンバ蓋９の両側をレーザヘッド１８と同期した状態で駆動するように構成したので、溶接チャンバ蓋９の摺動移動をスムーズに行なうことができる。

なお、溶接チャンバ蓋駆動機構としては、ピニオンギアおよびラックに替えて、ネジ棒とナットとを組み合わせ、このうちいずれか一方を回転させて他方を直進運動させる機構を用いてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…平板状の溶接対象物（溶接母材）、２…平板状の溶接対象物（溶接母材）、１Ａ…円筒状の溶接対象物（溶接母材）、２Ａ…円筒状の溶接対象物（溶接母材）、３…溶接線、４…枠状の溶接チャンバ側壁部、４ａ…排気孔、４ｂ…パッキン溝、４Ａ…円環状溶接チャンバ側壁部、４Ｂ…円環状溶接チャンバ側壁部、５…シール材、５ａ…シール溝、６…排気ダクト、７…真空引き用ポンプ、８…パッキン材、９…平板状溶接チャンバ蓋、９Ａ…円筒状溶接チャンバ蓋、１０…溶接チャンバ、１１…レーザ入射孔、１２…レーザ入射口部、１２Ｆ…フランジ、１３…リング材、１４…シール材、１５…シール材、１６…レーザ光透過板、１７…ボルトナット、１８…レーザヘッド、１９…裏当金、１９ａ…シール溝、２０…シール材、２１_１，２１_２…ラック、２２_１，２２_２…ピニオンギア、２３_１，２３_２…サーボモータ、２９Ａ，２９Ｂ…環状体、２９Ｃ…筒状体。

Claims (9)

1. 低真空環境下でレーザ光により平板状の溶接母材を溶接するレーザ溶接装置において、
   前記平板状の溶接母材の溶接線を取り囲むように当該溶接母材上に気密に設置された枠状の溶接チャンバ側壁部と、
   レーザ入射孔を備え、前記枠状の溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部に気密かつ摺動可能に設置され、かつ、当該溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部の幅および長さよりも大きい幅および長さを有する平板状の溶接チャンバ蓋と、
   前記レーザ入射孔に下端部が気密に取り付けられるとともに、上端部にレーザ光を透過するレーザ光透過板を気密に取り付けた筒状のレーザ入射口部と、
   前記平板状の溶接母材、前記枠状の溶接チャンバ側壁部、前記平板状の溶接チャンバ蓋および前記筒状のレーザ入射口部で構成された溶接チャンバ内を前記低真空状態にする排気装置と、
   前記平板状の溶接チャンバ蓋を前記平板状の溶接母材の溶接線方向に摺動させる溶接チャンバ蓋駆動機構と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 低真空環境下でレーザ光により円筒状の溶接母材を溶接するレーザ溶接装置において、
   前記円筒状の溶接母材の溶接線を挟むように当該溶接母材の外周にそれぞれ気密に嵌合設置された一対の円環状の溶接チャンバ側壁部と、
   レーザ入射孔を備え、前記一対の環状の溶接チャンバ側壁部の外周縁上にそれぞれ気密かつ摺動可能に嵌合設置された一つの円筒状の溶接チャンバ蓋と、
   前記レーザ入射孔に下端部が気密に取り付けられるとともに、上端部にレーザ光を透過するレーザ光透過板を気密に取り付けた筒状のレーザ入射口部と、
   前記円筒状の溶接母材、前記一対の円環状の溶接チャンバ側壁部、前記円筒状の溶接チャンバ蓋および前記筒状のレーザ入射口部で構成された溶接チャンバ内を前記低真空状態にする排気装置と、
   前記円筒状の溶接チャンバ蓋を前記円筒状の溶接母材の溶接線方向に摺動させる溶接チャンバ蓋駆動機構と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 前記溶接母材と前記溶接チャンバ側壁部との間に、シール材を介挿したことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
4. 前記溶接チャンバ側壁部と前記溶接チャンバ蓋との間に、パッキン材を介挿したことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
5. 前記溶接チャンバを構成する、前記溶接チャンバ側壁部および前記溶接チャンバ蓋の材料として、オーステナイト系ステンレス鋼を用い、前記真空引き用ポンプとして、ダイヤフラム型ドライ真空ポンプ、スクロール型ドライ真空ポンプ、油回転真空ポンプのいずれかを用いたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
6. 前記レーザヘッドから照射されるレーザ出力は、１０ｋＷから３０ｋＷの範囲内であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
7. 低真空環境下でレーザ光により平板状の溶接母材を溶接するレーザ溶接装置において、
   前記平板状の溶接母材の溶接線を取り囲むように当該溶接母材上に気密に設置された枠状の溶接チャンバ側壁部と、
   レーザ入射孔を備え、前記枠状の溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部に気密かつ摺動可能に設置され、かつ、当該溶接チャンバ側壁部の上部開口縁部の幅および長さよりも大きい幅および長さを有する平板状の溶接チャンバ蓋と、
   前記レーザ入射孔に下端部が気密に取り付けられるとともに、上端部にレーザ光を透過するレーザ光透過板を気密に取り付けた筒状のレーザ入射口部と、
   前記平板状の溶接母材、前記枠状の溶接チャンバ側壁部、前記平板状の溶接チャンバ蓋および前記筒状のレーザ入射口部で構成された溶接チャンバ内を前記低真空状態にする排気装置と、
   前記平板状の溶接チャンバ蓋を前記平板状の溶接母材の溶接線方向に摺動させる溶接チャンバ蓋駆動機構と、を備え、
   前記真空引き用ポンプによって前記溶接チャンバ内を低真空環境にした状態で、前記溶接チャンバ蓋駆動機構によって前記溶接チャンバ蓋をレーザビームと同期して溶接線方向に摺動させることにより、前記溶接母材を溶接するようにしたことを特徴とするレーザ溶接方法。
8. 前記平板状の溶接母材の溶接線の長さよりも前記枠状の溶接チャンバ側壁部の長さが短い場合、前記溶接線に沿って前記枠状の溶接チャンバ側壁部を移動させることにより前記溶接母材を溶接するようにしたことを特徴とする請求項７記載のレーザ溶接方法。
9. 突合せ部で目違いがある前記円筒状の溶接母材において、前記溶接線の両側に配置された前記一対の円環状の溶接チャンバ側壁部を目違い分の寸法だけ削って高さを揃え、次に、前記一対の円環状の溶接チャンバ側壁部の外周に前記円筒状の溶接チャンバ蓋を嵌めこむことを特徴とする請求項７または８記載のレーザ溶接方法。

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