JP4544790B2

JP4544790B2 - 金属管被覆光ファイバ製造方法および装置

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Publication number: JP4544790B2
Application number: JP2001210871A
Authority: JP
Inventors: 敏夫大西; 秀明菅村; 謙一七條
Original assignee: Nippon Kinzoku Co Ltd
Current assignee: Nippon Kinzoku Co Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003029100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接によって金属管を成形する金属管被覆光ファイバ製造方法及び装置、並びに、金属管被覆光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７−１４６４２５号公報には、プラズマ溶接機等の溶接機を使用した金属管被覆光ファイバの製造方法が記載されている。この製造方法では、細長いテープ状の金属箔を複数の管成形機を通過させながら、金属箔テープを少しずつ曲げて細長い管状に成形していく。テープが管に成形される途中に光ファイバ導入管が設けられており、この導入管から、成形されつつある金属管の中に、光ファイバが導入される。光ファイバが導入され、金属箔テープが管状に曲げられた後、テープ両端の突き合わせ部を溶接して、金属被覆管が成形される。
【０００３】
また、国際公開番号WO 91/08500号公報には、金属管被覆光ファイバケーブルの製造装置及び製造方法が記載されている。この製造装置では、金属ストリップを複数組の成形ローラの間を通すことによって管状に成形し、次いで、金属ストリップの突き合わせ部にガスレーザ、特に、ＣＯ₂レーザを照射することによって、金属ストリップを溶接している。溶接に使用するＣＯ₂レーザは、そのレーザ光の焦点を金属ストリップの溶接面に一致させずに、適当なビーム径をもって突き合わせ部に当たるように厳密に調整されている。
【０００４】
更に、特開平３−１９８９９１号公報には、ＹＡＧレーザによる極薄金属パイプの製造方法及び装置が記載されている。この製造装置においても、テープ状の金属箔を管状に曲げ、レーザ溶接することによって金属パイプを成形している。
この製造装置では、テープ状の金属箔を、成形されるべきパイプの内側に配置されたマンドレル、及び、パイプの外側に配置されたカリバーロール、押え板、スクイズロール、押えロール等によってパイプ状に成形している。また、ＹＡＧレーザによる溶接装置は、金属箔の端部同士が突き合わせられる直前に配置され、レーザ光によって金属箔が溶融した直後にそれらを当接させることによって端部同士を溶接している。このため、ＹＡＧレーザのスポット径は、金属箔の各端部に適当な幅の溶融部分が形成されるように厳密に調整する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−１４６４２５号公報に記載された従来のプラズマ溶接による金属管被覆光ファイバ製造装置では、長時間の連続使用により、プラズマ溶接機のタングステン製溶接トーチの先端が丸く変形し、安定したアークが発生できなくなるという問題がある。このため、プラズマ溶接による製造装置では、最近、海底ケーブル用等の用途で要求されている７０００〜１００００ｍを越える長さの金属管被覆光ファイバを製造することができないという問題がある。
【０００６】
そこで、国際公開番号WO 91/08500号公報に記載されているように、プラズマ溶接のような摩耗部分がなく、長時間連続使用できるＣＯ₂レーザ溶接機を使用した金属管被覆光ファイバ製造装置が開発されている。しかしながら、ＣＯ₂レーザは、波長が１０．６μｍであり、金属一般に対して吸収率が約２０％程度、鉄に対しては１０％程度である。従って、照射したレーザエネルギーの約８０％以上が、溶接に使用されずに無駄になり、吸収されずに反射したレーザ光が、レーザ溶接機周辺の部品を不要に加熱してしまうことになる。このため、ＣＯ₂レーザによる金属管被覆光ファイバ製造装置では、過大なエネルギーのレーザ光が必要になり、また、レーザ光が溶接部に照射される際のビーム径等を厳密に調整することが必要になる。即ち、溶接部に照射されるレーザ光のビーム径が小さすぎると、溶接すべき金属が蒸発し、或いは飛散して金属管に穴があいてしまい、また、ビーム径が大きすぎると、金属を十分に溶融させることができなくなる。
従って、レーザ光のビーム径を厳密に調整することができるように、金属管及びレーザ照射装置をミクロンオーダーで厳密に位置決めする必要があり、これにより装置が複雑化するという問題がある。また、製造装置の稼働中、溶接熱の影響により位置決めの調整に狂いが生じるので、再調整が必要になるという問題がある。
【０００７】
また、特開平３−１９８９９１号公報に記載されている極薄金属パイプの製造装置ではＹＡＧレーザを使用して溶接を行っている。ＹＡＧレーザは、波長がＣＯ₂レーザの約１／１０の１．０６μｍであり、金属に対する吸収率が高い。特に、鉄に対しては吸収率が約４０％であり、金属の溶接部を効率良く加熱することができる。これにより、ＣＯ₂レーザ溶接装置を使用した場合の問題点の多くを回避することができる。しかしながら、特開平３−１９８９９１号公報に記載されている装置においても、溶接部のビード幅を適正に保ち、且つ、溶接部の突き合わせの精度を確保するために、レーザ光の焦点を溶接面から外し、更に、レーザビーム径を適当な値に保つ必要がある。このため、同公報に記載の極薄金属パイプの製造装置においても、レーザ光の焦点ずれ量を厳密に調整する必要があることには何ら変わりがない。
【０００８】
そこで、本発明の金属管被覆光ファイバ製造方法および装置は、レーザ溶接に使用するレーザ光の溶接許容範囲の拡大を図ることを目的としており、特に、レーザ光の焦点が溶接面に一致した場合にも使用することができる金属管被覆光ファイバ製造方法および装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属管被覆光ファイバ製造方法は、金属ベルトを管成形手段に導入する段階と、管成形手段によって金属ベルトを幅方向に曲げて管状に成形する段階と、管成形手段によって成形された管内に、光ファイバ導入手段から光ファイバを導入する段階と、管成形手段によって成形された管の突き合わせ部に、Ｍ²値が２乃至１２の間のレーザ光を照射することによって突き合わせ部をレーザ溶接する段階と、を有し、レーザ溶接の段階は、突き合わせ部にＹＡＧレーザ光を照射することによって行うことを特徴としている。
【００１０】
この方法では、金属ベルトは管成形手段によって幅方向に曲げられ、管状に成形される。金属ベルトを管状に成形する途中で、光ファイバが、光ファイバ導入手段によって管内に導入される。次いで、管成形手段によって成形された管の突き合わせ部に、Ｍ²値が２乃至１２の間のレーザ光を照射することによって、突き合わせ部がレーザ溶接される。
この方法によれば、溶接すべき管の突き合わせ部が、レーザ光の焦点位置を含む広い範囲に亘ってレーザ光の光軸方向に移動した場合にも適正に溶接を行うことができる。
【００１１】
従来のレーザ溶接装置では、レーザ光の射出部から溶接対象物までの距離が変化すると、それに伴いレーザ光が照射されるスポット径が著しく変化するため、適正な溶接を行うには、レーザ光射出部から溶接対象物までの距離をミクロンオーダーで厳密に規定する必要があった。また、一般に、溶接対象物を射出レーザ光の焦点位置に配置すると、レーザスポット径が非常に小さくなり、微少面積にレーザエネルギーが集中するため、溶接部分に穴あき欠陥等を発生することがある。そこで、溶接対象物を射出レーザ光の焦点位置からずれた位置に配置して溶接を行うのが一般的であった。
【００１２】
本願発明者は、このようなレーザ光の焦点位置調整を容易にすべく研究開発を行い、射出レーザ光のＭ²値が２乃至１２の範囲にある場合には、焦点位置前後の広い範囲で適正な溶接を行うことができることを見出した。Ｍ²値とは、レーザビームモードの品質を表すパラメータの一つであり、理想的なガウシャンビーム（Gaussian beam）の理論的な拡り角と、実際のビームの拡り角との比で表される。即ち、理想的なガウシャンビームでは、Ｍ²値は１となる。理想的なガウシャンビームを集光レンズ等の或る光学系で集光したときのスポット径をｄとすれば、Ｍ²値が１０であるレーザ光をその光学系で集光したときのスポット径は１０ｄとなる。
【００１３】
この現象により、Ｍ²値が２乃至１２の範囲では、レーザ光の焦点位置前後の広い範囲に亘ってビーム径がほぼ一定に維持されるので、広い範囲で適正な溶接を行うことができる。また、Ｍ²値が２よりも小さいと、光学系でレーザ光を集光した場合にスポット径が小さくなりすぎ、穴あき欠陥が発生する等、焦点位置において適正な溶接を行うことができなくなる。さらに、Ｍ²値が１２よりも大きいと、レーザ光を光学系で十分に集光することができず、溶接に必要な単位面積当たりのエネルギーを確保することが難しくなる。
【００１４】
さらに、本発明の金属管被覆光ファイバ製造装置は、金属ベルトを幅方向に曲げて管状に成形するための管成形手段と、金属ベルトから成形された口を開いた概略円形状の管内に光ファイバを導入するための光ファイバ導入手段と、管成形手段によって曲げられ、突き合わせられた金属ベルトの幅方向両側縁部を溶接するための、Ｍ²値が２乃至１２の間レーザ光を発生するレーザ溶接装置と、を有し、レーザ光の焦点位置が、突き合わせ部の最高点に一致する場合にも溶接可能であり、レーザ溶接装置は、ＹＡＧレーザ光を使用したものであることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態による金属管被覆光ファイバ製造装置１の概略側面図を示し、図２はその溶接部付近の拡大斜視図を示す。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の金属管被覆光ファイバ製造装置１は、金属ベルトＢを供給するためのアンコイラ２と、金属ベルトＢ及びそれを管状に加工した被覆管を送るための複数の送りローラ４と、帯状の金属ベルトＢを幅方向に曲げることによって、金属ベルトＢを管状に成形する管成形手段である複数組のフォーミングロール６と、このフォーミングロール６によって管状に成形されることにより突き合わせられた金属ベルトＢの幅方向両側縁部を溶接するためのレーザ溶接装置１８と、完成した金属管被覆光ファイバを巻き取るための巻取機１２とを有する。
【００１９】
更に、図２に示すように、金属管被覆光ファイバ製造装置１は、光ファイバＦを供給するための光ファイバ供給ロール１４と、この光ファイバ供給ロール１４から供給された光ファイバＦを管状に成形された金属ベルトの中に導入するための光ファイバ導入手段１６とを有する。また、レーザ溶接装置１８の前後には、管状に成形された金属ベルトＢを水平方向に位置決めするための規制手段８、及び、管状に成形された金属ベルトＢの上方への位置ずれを規制するためのタッチロール１０が夫々設けられている。
【００２０】
アンコイラ２には、金属管被覆光ファイバ製造装置１に供給すべき金属ベルトＢが巻かれており、回転可能に支持されている。２つの送りローラ４ａは、アンコイラ２の下流側に設けられ、各送りローラ４ａの間に金属ベルトＢを挟みながらアンコイラ２から供給された金属ベルトＢを巻取機１２の方へ送る。送りローラ４ａの下流側には、中央部が窪んだ概略円柱形のフォーミングロール６ａが設けられている。このフォーミングロール６ａは、金属ベルトＢの両側に夫々配置され、それらの間を通過する金属ベルトＢを幅方向に曲げて管状に成形するように構成されている。
【００２１】
同様に、フォーミングロール６ａから下流方向へ、送りローラ４ｂ、フォーミングロール６ｂ、送りローラ４ｃ、フォーミングロール６ｃが順次配置されている。フォーミングロール６ｂと送りローラ４ｃとの間には、光ファイバ導入手段１６が設けられている。光ファイバ導入手段１６は、中に光ファイバＦを通すことができる細いパイプによって構成されており、管状に曲げられた金属ベルトＢの間から管の中に挿入されている。光ファイバ導入手段１６の先端は、レーザ溶接装置１８よりも下流側まで延びている。
【００２２】
フォーミングロール６ｃの下流側には、規制手段８ａが設けられている。規制手段８は中央部が窪んだ概略円柱形状を有し、金属ベルトＢから成形された管の両側に配置されて、管を水平方向に位置決めする。規制手段８ａの下流側の管の上方には、円柱状のタッチロール１０ａが設けられており、管の上方への移動を規制する。タッチロール１０ａの下流側には、レーザ溶接装置１８が設けられ、各フォーミングロール６によって円管状に成形された金属ベルトＢの両側側縁部を突き合わせ溶接するように構成される。レーザ溶接装置１８の下流側には、同様にタッチロール１０ｂ、規制手段８ｂが順に設けられている。規制手段８ｂの下流側には、送りローラ４ｄ、４ｅが設けられ、完成した金属管被覆光ファイバを巻取機１２に案内する。
【００２３】
レーザ溶接装置１８は、レーザ光の焦点位置を含む広い範囲に亘って溶接対象物を溶接することができるように構成されている。即ち、レーザ溶接装置１８の射出レンズと、溶接すべき管の突き合わせ部との間の距離が変動した場合にも、照射されるレーザ光のスポット径が適正に維持され、欠陥のない溶接を行うことができるように構成されている。本実施形態では、レーザ光として、Ｍ²値が約１０、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザを使用し、約φ０．４５のスポット径を得ている。
【００２４】
また、本実施形態では、金属ベルトＢとして、幅５．０２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのステンレスの帯鋼を加工し、直径１．６ｍｍのステンレス被覆管を製造した。また、ステンレス被覆管の中に導入する光ファイバはφ０．２６のものを使用した。勿論、金属ベルトＢの幅、厚さ、材質等を任意に変更して、異なる直径の被覆管を製造することもできる。また、被覆管の中に導入する光ファイバも任意の直径のものに変更することができる。
【００２５】
送りローラ４、フォーミングロール６、規制手段８、タッチロール１０等の形状、配列、及び、個数は適用に応じて任意に変更することができる。送りローラ４は、全てを駆動ローラとしても良いし、或いは送りローラのうちの幾つかのローラだけを駆動ローラとしても良い。また、光ファイバ導入手段１６の配置も任意に変更することができる。更に、溶接による金属ベルトＢ等の酸化を防止するために、管の内部及び／又は外部に不活性ガス等を流すための手段（図示せず）を設けても良い。また、溶接による熱で溶接部付近が過熱することのないように、冷却手段（図示せず）を設けても良い。また、溶接部と巻取機１２の間に必要に応じて縮径手段（図示せず）を設けても良く、仕様に応じて溶接部下流にてジェリ等の充填物を注入しても良い。
【００２６】
次に、本実施形態による金属管被覆光ファイバ製造装置１の作用を説明する。
アンコイラ２に巻かれた金属ベルトＢは、送りローラ４ａによって、フォーミングロール６ａに送られる。金属ベルトＢは、フォーミングロール６ａの間を通過すると、フォーミングロール６ａの側面の窪みに沿って幅方向に曲げられる。フォーミングロール６ａによって曲げられた金属ベルトＢは、同様に、送りローラ４ｂによって送られ、フォーミングロール６ｂによって更に幅方向に曲げられる。平面帯状の金属ベルトＢは、フォーミングロール６ａ、６ｂを通過することによって幅方向に曲げられ、次第に円管状に成形されていく。フォーミングロール６ｂを通過した地点では、金属ベルトＢは、僅かに口を開いた概略円管状に成形されている。この概略円管状に成形された金属ベルトの開口部から光ファイバ導入手段１６が挿入されており、光ファイバ供給ロール１４から供給される光ファイバＦは、光ファイバ導入手段１６の内部を通って被覆管の中に導入される。光ファイバ導入手段１６は、レーザ溶接装置１８よりも下流まで延びていることに加え、本実施形態においては、溶接のために加えられた熱の大部分が被覆用金属管に吸収されることから、光ファイバ導入手段１６の中を通る光ファイバＦは、溶接による熱から保護される。
【００２７】
次いで、円管状に成形された金属ベルトＢは、送りローラ４ｃによって、フォーミングロール６ｃに送られる。フォーミングロール６ｃは、鉛直上方に僅かに口を開いた概略円管状に成形された金属ベルトＢを、幅方向に更に曲げて、僅かに開いた口を閉じる。即ち、金属ベルトＢの両側縁部が突き合わせられ、円管状になる。
【００２８】
フォーミングロール６ｃを通過して、円管状に成形された金属ベルトＢは、規制手段８ａの間を通過する。規制手段８ａは、主に円管状の金属ベルトＢの水平方向の振れを規制する。更に、円管状の金属ベルトＢは、タッチロール１０ａの下方を通過する。円管状の金属ベルトＢの適正位置においては、タッチロール１０ａは金属ベルトＢと接触していないが、金属ベルトＢが適正位置よりも所定量だけ上方に移動すると、タッチロール１０ａが金属ベルトＢと接触して位置を規制する。
【００２９】
タッチロール１０ａの下流側では、レーザ溶接装置１８が、円管状に成形された金属ベルトＢの突き合わせ部をレーザ溶接し、金属被覆管を完成させる。照射されるレーザ光線の焦点位置は、適正位置に配置された金属ベルトＢの両側縁の突き合わせ点と一致するように調整されている。本実施形態では、円管状に成形された金属ベルトＢの突き合わせ部は、鉛直上方に向けられているため、レーザ溶接装置１８は、突き合わせ部の最高点を溶接することになる。
【００３０】
また、本実施形態におけるレーザ溶接装置１８では、レーザ光の焦点位置の前後、広い範囲でレーザ光のスポット径がほぼ一定に維持されるので、円管状に変形された金属ベルトＢが適正位置から上方、又は、下方へある程度ずれた場合にも、適正に溶接を行うことができる。
【００３１】
レーザ溶接装置１８の下流側には、タッチロール１０ｂ、規制手段８ｂが設けられ、タッチロール１０ａ、規制手段８ａと同様に、金属被覆管の位置を規制する。レーザ溶接装置１８によって溶接され、完成された金属管被覆光ファイバは各送りローラ４ｄ、４ｅによって案内され、巻取機１２に巻き取られる。
【００３２】
次に、図３及び図４を参照して、金属ベルトＢの突き合わせ部の最高点が適正位置からずれた場合の溶接結果について説明する。図３及び図４は、レーザ溶接装置１８のレーザ光の焦点位置を突き合わせ部の最高点から上下にずらして調整した場合の溶接結果を示すグラフである。グラフの横軸は焦点位置のずれ量を表し、縦軸は溶接によって得られたビード幅、即ち、溶接によって成形された溶着範囲の幅を表している。なお、プラスの焦点位置ずれ量は、焦点位置が突き合わせ部の最高点から上方にずれたことを表し、マイナスのずれ量は、焦点位置が下方にずれたことを表している。図３は、金属ベルトＢを４ｍ／ｍｉｎの速度で送り、レーザ溶接装置１８の溶接電流を１６．５Ａ、出力を１４０Ｗとした場合の結果であり、図４は、夫々１５ｍ／ｍｉｎ、２３Ａ、４３６Ｗとした場合の結果である。グラフ中の各プロット点は、各条件について夫々１００ｍづつ金属管被覆光ファイバを製造し、レーザ光の焦点位置毎に各部のビード幅を測定することによって得られたもである。
【００３３】
図３の溶接条件においては、焦点位置−１．７ｍｍ乃至３．２ｍｍの範囲、図４の溶接条件においては、焦点位置−０．８ｍｍ乃至０．３ｍｍの範囲で溶接が可能であることがわかる。また、これらの範囲では、ほぼ一定の適正なビード幅が得られていることもわかる。また、それらの範囲では、溶着部分の厚さであるビード厚も０．１５ｍｍ程度で安定しており、溶接部に穴あきが発生したり、溶接ビードが形成されない等の溶接欠陥の発生も見られなかった。さらに、金属被覆管の中の光ファイバが溶接の熱によって変質、或いは、損傷されることもなかった。なお、図３の溶接条件においては、装置の構造上、焦点位置をプラス側に３．２ｍｍ以上ずらすことができないため、プラス側の溶接可能な上限値を求めることはできなかった。また、溶接電流等を適宜調整することにより、１５ｍ／ｍｉｎ以上の送り速度でも溶接が可能であることが確認されている。
【００３４】
本実施形態によれば、レーザ溶接装置１８の焦点位置を、溶接すべき突き合わせ部の最高点上下の非常に広い範囲に亘って設定することができるので、円管状に変形された金属ベルトＢがある程度上下に移動したとしても溶接欠陥を生じることがない。これにより、レーザ溶接装置１８の溶接点における金属被覆管の位置決めが容易になり、規制手段８やタッチロール１０だけで実用上十分な位置調整ができる。また、ＣＯ₂レーザのようにミクロンオーダーでの高精度の位置決めを必要としないので、規制手段８やタッチロール１０は金属被覆管に軽く押し当てるだけで良い。従って、規制手段８やタッチロール１０により付加される金属ベルトＢの送り抵抗が小さく、金属ベルトＢを小さな駆動力で駆動することができる。
【００３５】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、開示した実施形態に種々の変更を加えることができる。本実施形態では、金属被覆管の突き合わせ部が鉛直上方に向けられているが、突き合わせ部を、側方、下方等、任意の方向に向けて溶接を行うこともできる。また、成形される金属被覆管の断面形状は、必ずしも円形である必要はなく、楕円形、長円形等、任意の形状にすることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の金属管被覆光ファイバ製造方法および装置により、レーザ溶接に使用するレーザ光の溶接許容範囲を拡大することができた。
また、本発明の金属管被覆光ファイバ製造方法および装置では、レーザ光の焦点が溶接面に一致した場合にも溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による金属管被覆光ファイバ製造装置の概略側面図である。
【図２】本発明の実施形態による金属管被覆光ファイバ製造装置の溶接部付近の拡大斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による金属管被覆光ファイバ製造装置において、レーザ光の焦点位置を上下にずらした際に形成されるビード幅を示すグラフである。
【図４】異なる溶接条件における図３と同様のグラフである。
【符号の説明】
Ｂ金属ベルト
Ｆ光ファイバ
１金属管被覆光ファイバ製造装置
２アンコイラ
４送りローラ
６フォーミングロール
８規制手段
１０タッチロール
１２巻取機
１４光ファイバ供給ロール
１６光ファイバ導入手段
１８レーザ溶接装置

Claims

金属ベルトを管成形手段に導入する段階と、
前記管成形手段によって前記金属ベルトを幅方向に曲げて管状に成形する段階と、
前記管成形手段によって成形された管内に、光ファイバ導入手段から光ファイバを導入する段階と、
前記管成形手段によって成形された管の突き合わせ部に、Ｍ²値が２乃至１２の間のレーザ光を照射することによって前記突き合わせ部をレーザ溶接する段階と、
を有し、
前記レーザ溶接する段階が、前記突き合わせ部にＹＡＧレーザ光を照射することによって行われることを特徴とする金属管被覆光ファイバ製造方法。
金属ベルトを幅方向に曲げて管状に成形するための管成形手段と、
金属ベルトから成形された口を開いた概略円形状の管内に光ファイバを導入するための光ファイバ導入手段と、
前記管成形手段によって曲げられ、突き合わせられた金属ベルトの幅方向両側縁部を溶接するための、Ｍ²値が２乃至１２の間レーザ光を発生するレーザ溶接装置と、を有し、
前記レーザ光の焦点位置が、突き合わせ部の最高点に一致する場合にも溶接可能であり、
前記レーザ溶接装置が、ＹＡＧレーザ光を使用したものであることを特徴とする金属管被覆光ファイバ製造装置。