JP2587895Y2 - 回転式レーザトーチ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、筒状のケーシングの先
端に回転自在に筒状のトーチを設け、そのトーチ内に、
ケーシングを挿通して設けられた光ファイバからのレー
ザ光を出射するレーザ出射手段を設けるとともにそのレ
ーザ出射光をケーシングの軸心に対して直交する方向に
反射する反射ミラーを設け、かつ、そのトーチにレーザ
光の出射口を形成した回転式レーザトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉に用いられる小口径配管は、その
交換が容易でないため耐蝕性を向上させることで寿命を
延長させる必要がある。そのため内側表面を改質（表面
改質）することが行われている。また、この種の配管は
多数本近接した状態で配置されており、溶接を行う際に
は外部からの溶接が容易でないため配管の内側から継手
部にレーザ光を照射することが行われている。これらの
表面改質や溶接（内面溶接）には回転式レーザトーチが
用いられる。

【０００３】図８は従来のこの種の回転式レーザトーチ
の概念図である。

【０００４】図に示すように、回転式レーザトーチは、
主に光ファイバ１から出射するレーザ光（ＹＡＧレーザ
光等）を集光レンズ２で集光するとともに軸心に直交す
る方向に反射ミラー３で照射するトーチ４と、トーチ４
を回転可能に支持するケーシング５と、トーチ４の軸心
と同軸なケーシング５内に設けられ、減速機６を介して
トーチ４を回転するモータ７とで形成されている。

【０００５】このような回転式レーザトーチを、原子炉
の配管内に挿入してレーザ照射させるとともに回転及び
配管の軸方向に前進させて内面溶接或いは表面改質を行
っている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】ところで、この回転式
レーザトーチは、長時間レーザ光を出射させると、反射
ミラーにレーザ光のスポットが照射された部分が発熱す
ることにより溶けて表面に荒れ（くもり）が生じて反射
率が低下し、内面溶接や表面改質が不完全になってしま
う。反射ミラーにくもりが生じたときは交換しなければ
ならないが、反射ミラーの交換作業は非常に面倒であ
る。

【０００７】そこでこのようなくもりを防止するため反
射ミラーを冷却する必要がある。反射ミラーの冷却には
水冷式が最も効果的ではあるが、原子炉用の配管の外径
は３０〜４０ｍｍ程度と細いため、配管内に挿入される
トーチは配管の内径よりさらに細く形成しなければなら
ない。しかもトーチは回転するようになっているので、
このようなトーチに設けられた反射ミラーに冷却水を供
給し、かつその冷却水を排水するのは非常に困難であ
る。

【０００８】そのため、配管の表面改質や内面溶接する
ときは反射ミラーにくもりが生じないように一定時間ご
とにレーザ光の出射を停止して反射ミラーが自然冷却に
よって温度が低下するまで待機することが行われてい
た。

【０００９】しかしながら、自然冷却によって温度が低
下するまで待機するのは非常に時間がかかり作業能率が
悪化してしまう。

【００１０】そこで、本考案の目的は、上記課題を解決
し、レーザ光を長時間連続照射してもくもりが発生しな
い反射ミラーを備えた回転式レーザトーチを提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本考案は、筒状のケーシングの先端に回転自在に筒状
のトーチを設け、そのトーチ内に、筒状のケーシングを
挿通して設けられた光ファイバからのレーザ光を出射す
るレーザ出射手段を設けるとともにそのレーザ光をケー
シングの軸心に対して略直交する方向に反射する反射ミ
ラーを設け、かつ、そのトーチにレーザ光の出射窓を形
成した回転式レーザトーチにおいて、反射ミラーを、ト
ーチ先端に嵌合した無酸素銅からなる金属円柱の下部を
斜めに切断した鏡面で形成し、かつ、その金属円柱の外
周に冷却フィンを形成し、さらにケーシング及び冷却フ
ィンに冷却ガスを流す冷却通路を形成したものである。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、反射ミラーを、トーチ先端
に嵌合した金属円柱の下部を斜めに切断した鏡面で形成
したので、反射ミラーの熱容量が増大して温度上昇速度
が低下し反射ミラーが過熱されるのが抑制される。金属
円柱の材質には無酸素銅を用いたので、レーザ光が照射
されるときの熱による酸化が防止される。金属円柱の外
周に冷却フィンを形成したので表面積が増加し冷却効果
が向上する。ケーシング及び冷却フィンに冷却通路を形
成したので、冷却ガスを、回転するトーチ内に供給する
ことができる。従って反射ミラーが冷却されてくもりの
発生が防止され、長時間トーチからレーザ光を出射する
ことができる。

【００１３】

【実施例】以下、本考案の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００１４】図２〜図５は本考案の回転式レーザトーチ
の一実施例の概略図であり、図２は筒状のトーチ上部を
示し、図３はトーチ下部と筒状のケーシング上部との連
結部を示し、図４（ａ）はモータおよびその平面図を示
し、同図（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ線矢視図を示し、
図５はスリップリング部、筒状のケーシング底部および
周辺装置を示している。尚、説明を簡単にするため、ト
ーチ等の回転系は右下がりの斜線で示され、筒状のケー
シング等の固定系は右上がりの斜線で示されている。

【００１５】図２において、Ｘは本実施例の回転式レー
ザトーチが挿入される小口径配管である。筒状のトーチ
１０はトーチ上部１０ａおよびトーチ下部１０ｂからな
っている。トーチ上部１０ａは、筒状部材１０ｃと、筒
状部材１０ｃ内に設けられトーチ上部１０ａの軸心と同
軸かつ上側方向にレーザ光を出射する光ファイバ１１
と、光ファイバ１１から出射するレーザ光の光軸Ｌ₁ 上
に設けられそのレーザ光を集光する集光レンズ１３ａ、
１３ｂと、集光レンズ１３ａ、１３ｂの出射側に設けら
れ集光されたレーザ光を、トーチ上部１０ａの光軸Ｌ₁
と略垂直な方向に反射する反射ミラー１４が形成された
金属円柱１５と、反射ミラー１４からの反射レーザ光を
透過させるように筒状部材１０ｃの側面に形成された出
射窓１６とを有している。

【００１６】金属円柱１５内には、レーザ光が反射ミラ
ー１４で反射したときに生じる熱により加熱しているか
否かを監視するための熱電対１７が設けられている。筒
状部材１０ｃの外部には、出射窓１６を透過した後小口
径配管Ｘ内で乱反射したレーザ光Ｌ₂ を受光することに
より、光ファイバ１１からレーザ光が正常に出射されて
いるか否かを監視するためのフォトセンサ１８が設けら
れている。

【００１７】光ファイバ１１は、保護パイプ１９内に収
納されており、この保護パイプ１９は、ベアリング２０
を介して筒状部材２１に支持されており、筒状部材２１
は筒状流路２２を介して筒状部材１０ｃに固定されてい
る。従って、トーチ１０の回転力が保護パイプ１９に伝
達されることなく、かつ、保護パイプ１９がトーチ１０
の軸心位置に固定された状態に保持されるようになって
いる。

【００１８】光ファイバ１１および保護パイプ１９の先
端部（上部）には、レーザ光の光軸Ｌ₁ が回転軸と一致
するように保持するとともにレーザ出射手段としての光
ファイバ保持部２３が設けられている。

【００１９】筒状流路２２の下部には円柱体１０ａａが
設けられ、この円柱体１０ａａには、光軸Ｌ₁ と同軸か
つ保護パイプ１９の外径より大きな内径を有する軸孔１
０ａｂが形成されている。保護パイプ１９はこの軸孔１
０ａｂを貫通している。

【００２０】円柱体１０ａａには、光軸Ｌ₁ と同軸の中
空回転軸２４が一体的に形成されているとともに、筒状
部材２５が、光軸Ｌ₁ と同軸かつ中空回転軸２４の外側
に筒状部材１０ｃと一体的に形成されている。

【００２１】中空回転軸２４には保護パイプ１９が挿通
されて収納されている。この中空回転軸２４の内径は、
例えば軸孔１０ａｂと同一の内径を有しており、保護パ
イプ１９の外壁と中空回転軸２４の内壁との間の隙間に
はガスが通過できるようになっている。すなわち、トー
チ下部１０ｂは、中空回転軸２４と筒状部材２５からな
る二重管構造を有している。筒状部材２５内には冷却ガ
スを通過させるための通路２５ａが形成されている。筒
状部材２５の下端部には貫通口２５ｂが形成されてい
る。

【００２２】一方、図２および図３に示すように、中空
回転軸２４は光軸Ｌ₁ と同軸の筒状部材２６内に貫通し
て設けられており、筒状部材２５はベアリング２７およ
びリング状のシール２８を介して筒状ケーシングの一部
としての筒状部材２９内に設けられている。筒状部材２
６の上端部の外壁と筒状部材２５の内壁との間にはリン
グ状のシール３０が設けられている。これら両筒状部材
２６、２９は、光軸Ｌ₁ と同軸かつ二重管構造を有して
おり、軸孔３１を有する円柱体３２と一体的に形成され
ている。軸孔３１は、光軸Ｌ₁ と同軸かつ筒状部材２６
の内径と同一の内径を有している。さらに円柱体３２に
は冷却ガスを通過させるための通路３２ａが形成されて
いる。通路３２ａの上側の開口は筒状部材２５と筒状部
材２６との間の隙間に位置している。

【００２３】筒状部材２５の下端と円柱体３２との間に
は軸受３３が設けられ、軸孔３１の内壁と中空回転軸２
４との間にはベアリング３４が設けられており、中空回
転軸２４と筒状部材２５とが回転可能になっている。従
って、これら筒状部材２５、２６、２９、ベアリング２
７およびシール３０で連結部が形成されている。

【００２４】円柱体３２の底面には、光軸Ｌ₁ と同軸の
筒状のケーシングの一部としての筒状部材３５が一体的
に形成されており、通路３２ａは後述する冷却ガスパイ
プ４９に連通している。

【００２５】図４（ａ）および同図（ａ）のＤ−Ｄ矢視
図である同図（ｂ）において、円柱状部材３５内には、
中空回転軸２４と保護パイプ１９との間にアシストガス
を通過させるための接続通路３６と、中空回転軸２４と
同軸の軸孔３８とが形成された円柱状部材３９が設けら
れている。接続通路３６は後述するアシストガスパイプ
４８に連通して接続されている。円柱状部材３９には中
空回転軸２４の下端部がブッシュ４０、４１を介して回
転可能に貫通して設けられている。中空回転軸２４には
接続通路３６に対向する位置に、径方向に貫通口２４ａ
が形成されている。

【００２６】中空回転軸２４の下端部と保護パイプ１９
との間には、保護パイプ１９と中空回転軸２４との間を
通過するアシストガスが漏れるのを防止するためのブッ
シュ４２が設けられている。尚、ブッシュ４０、４１も
アシストガスが漏れるのを防止する。

【００２７】中空回転軸２４は、継手４３を介して、筒
状部材３５内に設けられた減速ギヤの中空かつ保護パイ
プ１９と同軸の中空の出力軸４５に接続されている。減
速ギヤの下側には、減速ギヤの中空の入力軸に接続され
保護パイプ１９と同軸の中空回転軸４６を有するモータ
４７が設けられている。このモータ４７の外周部にはア
シストガスパイプ４８および冷却ガスパイプ４９を貫通
させるための貫通口４７ａ、４７ｂおよび４７ｃが保護
パイプ１９と平行に形成されている。

【００２８】図５において、筒状部材３５内にはスリッ
プリング５０が設けられており、これはトーチ１０等の
回転系に設けられた熱電対１７およびフォトセンサ１８
からの信号線（破線で示す）１７ａ、１７ｂ、１８ａ、
１８ｂに電気的に接続するものである。

【００２９】筒状部材３５の底壁３５ａにおいて、アシ
ストガスパイプ４８はアシストガス供給装置５１に接続
され、冷却ガスパイプ４９は冷却ガス供給装置５２に接
続されている。保護パイプ１９はシール部材３５ｂを介
して底壁３５ａに回転可能に接続されている。保護パイ
プ１９内に収容された光ファイバ１１はレーザ発振装置
５３に接続され、スリップリング５０からの信号線は測
定装置５４にそれぞれ接続されている。

【００３０】図１（ａ）は図２（ａ）に示した回転式レ
ーザトーチに用いられる反射ミラーが形成された金属円
柱の平面図であり、図１（ｂ）はその側面の部分断面図
である。

【００３１】同図（ａ）および（ｂ）に示すように、金
属円柱１５の下部には斜めに切断されて鏡面加工された
反射ミラー１４が形成されており、その金属円柱１５の
中間部の外周には複数の冷却フィン１５ａが形成されて
いる。冷却フィン１５ａの外径は金属円柱１５の外径よ
り小さくなっており、トーチ上部１０ａとの間に冷却ガ
スの流路１５ｂを形成するようになっており、レーザ光
によって加熱された反射ミラー１４の表面を均一に冷却
するようになっている。冷却フィン１５ａの枚数、厚
さ、幅及び冷却ガスの流量等は、金属円柱１５が過剰に
冷却されることなく、かつ、反射ミラー１４の表面が均
一に冷却されるように設定されている。

【００３２】金属円柱１５は、その下側端面を軸心に対
して約４５°〜５５°の傾斜面となるように加工し、こ
の傾斜面を鏡面加工することにより反射ミラー１４とし
ている。そして集光レンズ１３ａ、１３ｂを透過したレ
ーザ光を反射ミラー１４で反射させて小口径配管Ｘの内
面に向かわせるようになっている。この金属円柱１５
は、トーチ上部１０ａの内面に嵌合する外径寸法を有し
ており、トーチ上部１０ａの壁面を貫通して形成された
反射ミラー取り付け孔１５ｃに挿入されたボルト５５に
よって固定されている。金属円柱１５の材質には無酸素
銅が好ましい。これはレーザ光が照射されるときの熱に
よる酸化の防止に効果があるためである。

【００３３】また、金属円柱１５の上端周辺部には、冷
却ガスをトーチ上部１０ａから小口径配管Ｘ内に排出す
るための排出口１５ｄが形成されており、この排出口１
５ｄは冷却フィン１５ａとトーチ上部１０ａの内壁とが
形成する流路１５ｂに連通するようになっている。

【００３４】さらに金属円柱１５の上端の中心部には、
熱電対１７を押し付けボルト５６用のネジ孔１５ｅが形
成されており、このネジ孔１５ｅは熱電対１７の先端部
を挿入するための挿入孔１５ｆと底部で連通している。

【００３５】ここで、図６は図２の回転式レーザトーチ
におけるＡ−Ａ線断面図であり、図７はＢ−Ｂ線断面図
である。

【００３６】図６および図７に示すように、トーチ１０
ａの壁面内には壁内供給路５７が紙面に垂直な方向に形
成されている。この壁内供給路５７は筒状部材２５に形
成された通路２５ａに連通するように形成されている。

【００３７】トーチ１０及び筒状ケーシングの一部とし
ての筒状部材３５には、両者を貫通して、金属円柱１５
に形成された冷却フィン１５ａの近傍に、冷却ガスとし
ての不活性ガス（好ましくはヘリウムガス）を挿通させ
る冷却ガス通路及びアシストガスを挿通させるアシスト
ガス通路が形成されている。

【００３８】冷却ガス通路は、図２〜図７に示すよう
に、筒状部材３５の後端から冷却ガスを円柱体３２まで
導く冷却ガスパイプ４９と、円柱体３２に形成された通
路３２ａと、貫通口２５ｂと、通路２５ａと、壁内供給
路５７と、流路１５ｂと、排出口１５ｄとからなってい
る。

【００３９】アシストガス通路は、アシストガスパイプ
４８と、接続通路３６と、貫通口２４ａと、軸孔１０ａ
ｂと保護パイプ１９との間の隙間と、筒状流路２２と、
筒状部材１０ｃと筒状部材２１との間の隙間と、集光レ
ンズ１３ａ、１３ｂと筒状部材１０ｃとの間の隙間と、
出射窓１６とからなっている。

【００４０】従って、冷却ガス供給装置５２から冷却ガ
スを筒状部材３５内の冷却ガスパイプ４９に供給する
と、冷却ガスは、実線矢印Ｇｃの方向に、冷却ガスパイ
プ４９、通路３２ａ、貫通口２５ｂ、通路２５ａ、壁内
供給路５７、流路１５ｂを通って排出口１５ｄから小口
径配管Ｘ内に排出される。

【００４１】また、アシストガス供給装置５１からアシ
ストガスを筒状部材３５内のアシストガスパイプ４８に
供給すると、アシストガスは、破線矢印Ｇａの方向に、
アシストガスパイプ４８、接続通路、貫通口２４ａ、軸
孔１０ａｂと保護パイプ１９との間の隙間、筒状流路２
２、筒状部材１０ｃと筒状部材２１との間の隙間、集光
レンズ１３ａ、１３ｂと筒状部材１０ｃとの間の隙間を
通って出射窓１６から小口径配管Ｘ内に排出される。

【００４２】尚、アシストガス及び冷却ガスはいずれも
不活性ガス（好ましくはヘリウムガス）であってレーザ
光が照射されるレンズ支持筒及びトーチの内壁表面を流
通させることにより、内壁面の冷却及び酸化防止を図る
ものである。冷却ガスの流量は約５０〜１５０リッター
／分程度である。

【００４３】このような回転式レーザトーチを原子炉の
パイプ内に挿入してレーザ発振器５３からレーザ光を光
ファイバに入射し、トーチ１０の出射窓１６から出射さ
せるとともに回転及び前進（上昇）させることにより内
面溶接或いは表面改質を行うことができる。

【００４４】次に実施例の作用を述べる。

【００４５】反射ミラー１４を、トーチ上部１０ａの先
端に嵌合した金属円柱１５の下部を斜めに切断して形成
したので、反射ミラー１４の熱容量が増大して温度上昇
速度が低下し金属円柱１５の加熱が抑制される。金属円
柱１５の外周に冷却フィン１５ａを形成したので表面積
が増加し冷却効果が向上する。またトーチ１０、筒状部
材３５内および金属円柱１５に冷却通路を形成したの
で、冷却ガスを、回転するトーチ１０内に供給すること
ができる。従って反射ミラー１４が冷却されてくもりの
発生が防止され、トーチ１０からレーザ光を長時間にわ
たって出射することができる。

【００４６】以上において、本実施例によれば反射ミラ
ーを、トーチ先端に嵌合した金属円柱の下部を斜めに切
断して形成し、かつその金属円柱の外周に冷却フィンを
形成し、さらにケーシング（筒状部材）及び冷却フィン
に冷却ガスを流す冷却通路を形成したので、レーザ光を
長時間連続照射してもくもりが発生しない反射ミラーを
備えた回転式レーザトーチを実現することができる。

【００４７】尚、本実施例では冷却フィンは層状に形成
されているが、これに限定されるものではなく冷却フィ
ンを螺旋状に形成してもよい。また、排出口の数も図で
は４個であるがこれに限定されるものではない。

【００４８】

【考案の効果】以上要するに本考案によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００４９】(1) 内面溶接や表面改質を行うときレーザ
光の照射を一定時間ごとに停止することがなくなり作業
能率が向上する。

【００５０】(2) 反射ミラーのくもりが防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本考案の回転式レーザトーチに用いら
れる反射ミラーが形成された金属円柱の平面図であり、
（ｂ）はその側面の部分断面図である。

【図２】本考案の回転式レーザトーチのトーチ上部を示
す図である。

【図３】トーチ下部と筒状のケーシング上部との連結部
を示す図である。

【図４】（ａ）はモータおよびその平面図を示し、
（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ矢視図を示す図である。

【図５】スリップリング部、筒状のケーシング底部およ
び周辺装置を示している。

【図６】図２に示した回転式レーザトーチにおけるＡ−
Ａ線断面図である。

【図７】図２に示した回転式レーザトーチにおけるＢ−
Ｂ線断面図である。

【図８】従来のこの種の回転式レーザトーチの概念図で
ある。

【符号の説明】

１０ａ トーチ上部 １４ 反射ミラー １５ 金属円柱 １５ａ 冷却フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 森重 徳男 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石川島播磨重工業株式会社 技術研究所 内 (72)考案者 入沢 敏夫 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石川島播磨重工業株式会社 技術研究所 内 (56)参考文献 特表 平５−509040（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−33478（ＪＰ，Ｕ) 国際公開92／3249（ＷＯ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状のケーシングの先端に回転自在に筒
   状のトーチを設け、そのトーチ内に、前記筒状のケーシ
   ングを挿通して設けられた光ファイバからのレーザ光を
   出射するレーザ出射手段を設けるとともにそのレーザ光
   をケーシングの軸心に対して略直交する方向に反射する
   反射ミラーを設け、かつ、そのトーチにレーザ光の出射
   窓を形成した回転式レーザトーチにおいて、上記反射ミ
   ラーを、トーチ先端に嵌合した無酸素銅からなる金属円
   柱の下部を斜めに切断した鏡面で形成し、かつ、その金
   属円柱の外周に冷却フィンを形成し、さらに上記ケーシ
   ング及び上記冷却フィンに冷却ガスを流す冷却通路を形
   成したことを特徴とする回転式レーザトーチ。