JP4607064B2 - ストッパー溶接装置 - Google Patents

Description

本発明はストッパー溶接装置に関し、特に支持格子の移動を防止するためにシンブル管へ取付けるストッパーをレーザ溶接で取付ける際に用いるストッパー溶接装置に関する。

加圧水型原子炉の燃料集合体は、上部ノズルと下部ノズルがシンブル管により固定されている。また、燃料棒は、例えば１７×１７の行列状に配置され、その上端部は上部ノズルと一体的になった最上部支持格子（支持グリッド）に固定され、下端部は同じく下部ノズルと一体的になった最下部支持格子に固定され、さらに途中幾箇所かを幾つかの支持格子にて弾性支持されている（特許文献１の図８）。
なお、前記の１７×１７の行列状の配置においては、２６４本の燃料棒の他に、内部に制御棒、可燃毒物棒が挿入される２４本の制御棒案内シンブル管及び計装装置等が挿入される１本の炉内計装用案内シンブル管が配置されているのが普通である。

支持格子は、例えば前記の１７×１７の行列状の配置であれば、外枠用のフレーム材を含めて横方向と縦方向に１８枚ずつの格子板（ストラップ）が碁盤の縦横の線（あるいは格子。以下、便宜上相互に直交する格子板の方向を、「縦方向」と「横方向」と記す）のように配列され、それらが交差する場所では相互に嵌合され、さらに溶接された構造物である（特許文献１の図４、図７）。そして、横方向と縦方向の格子板が交差して形成された各升目内を燃料棒あるいはシンブル管が貫通することとなる。

前記２４本の制御棒案内シンブル管のうち８本には、途中段の各支持格子を貫通する箇所に、冷却水の流れ等のために支持格子が上下方向に移動しないように、ストッパーが原則として１個、場合によっては２個レーザ溶接により取付けられている。このストッパーは、シンブル管に直面する箇所は円筒面であるが、その他の面は平面であり、このため使用時の水平方向断面は厳密には長方形ではないが、全体として上下方向に細長い、ほぼ直方体の形状をした小片である。

特開２００４−１３２７９３号公報

しかしながら、支持格子の各升目は、例えば前記の１７×１７の行列状の配置であれば、１辺が１２．６ｍｍ程度であり、このためシンブル管は外径が約１２．２ｍｍと細く、特に制御棒案内シンブル管の肉厚は０．４ｍｍと薄く、またストッパーは上下方向の長さが１０ｍｍ、幅と厚さは共に１〜２ｍｍ程度と非常に小さい。その一方、原子炉の燃料集合体であるため、シンブル管への取付けには非常に高い精度と信頼性が要求される。
これらのため、ストッパーをシンブル管の長さ方向に沿って溶接でしっかりと取付けることは、細心の注意と高度の熟練が必要であり、時間もかかる。

シンブル管へストッパーを取付けるためにＴＩＧ溶接を用いれば、どうしてもビード幅が大きくなり、入熱量も多くなるが、シンブル管は薄肉であり、ストッパーは小さい。この結果、若干の位置決めのずれが溶接不良に繋がりかねない。

また、レーザ溶接を採用すれば、前記ＴＩＧ溶接の問題点は解決されるが、レーザ照射の位置決めを作業者の目視で行うため、過誤による位置ずれが発生する恐れがあり、シンブル管が薄肉であるだけに、最悪の場合には穴あき等の溶接不良が発生しかねない。
また、同じく焦点位置の合せも、溶接毎にシンブル管とストッパーの、即ちワークの形状が微小ではあるが相違するため、なかなか困難であり、微妙な相違が溶接不良に繋がりかねない。

また、従来のレーザ溶接は片側ずつで溶接しているため、小さなストッパーに溶接歪が生じたり、その結果取付け位置精度に悪影響を及ぼしたりしないようにするためには、細心の注意と高度な技術が必要である。

さらに、位置ずれを防ぐため、ストッパーの両端の４点を仮止めスポット溶接でシンブル管に固定し、その後上下方向に細長いストッパーの長さ方向の側面の接着箇所に沿ってレーザビームの照射を走査して本溶接を行うことも考えられるが、ストッパーは寸法が小さく、細長いだけに、シンブル管とストッパーに溶接歪が発生しないようにするには、細心の注意や高度の熟練を必要とする。

このため、シンブル管にストッパーを取付ける際に、溶接不良の発生の防止や正確な位置決め等のために細心の注意や高度の熟練を必要とせず、溶接歪の発生が抑制され、取付け位置精度が良好となり、溶接不良の発生が抑制され、短時間で溶接することが可能な技術の開発が望まれていた。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、レーザ溶接をストッパーの相互に対称となる側面で同時に行う様にし、レーザ光の照射に種々の工夫を凝らしたものである。以下、各請求項の発明を説明する。

請求項１に記載の発明は
シンブル管の外表面にその長さ方向に設置された直方体状のストッパーの長さ方向の両方の側面を、レーザ光を使用してシンブル管に同時に溶接するレーザ溶接機構を有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明においては、直方体状のストッパーの両方の側面を、入熱が少ないレーザ溶接で同時にシンブル管に取付けるための溶接を行うため、溶接不良の発生の防止や正確な位置決め等のために細心の注意や高度の熟練を必要とせず、溶接歪の発生が抑制され、取付け位置精度が良好となり、溶接不良の発生が抑制され、短時間で溶接することが可能となる。
この際、レーザ溶接であるためシンブル管の両側から同時に溶接することが容易であり、取付け精度も良好となる。

なお、「シンブル管の外表面にその長さ方向に設置された」とは、レーザ溶接されている状態では、原則として水平に設置されているシンブル管の上部に、直方体状のストッパーがその長さ方向をシンブル管の長さ方向に合わせて載せられていることを指す。
また、「直方体状」とは、円管状のシンブル管に取付けるため、取付け面にはシンブル管の外形に沿った円弧状の凹みが形成されていたり、頂点部分が縁取りで丸みを帯びていたりするため、厳密には直方体でない場合があり得ることを指す。

なお、レーザ照射においては、最初に照射位置を確認した後、レーザヘッドあるいは溶接用の集光レンズからのレーザ光が溶接箇所に照射（入射）する角度、当該角度における吸収率等を考慮して、照射すべきエネルギーあるいは溶接に必要なエネルギーの計算がなされ、この下でレーザヘッドの移動用電源やレーザ光源のスイッチを所定時間だけオンとしたり電圧を調整したりする様な作業がなされる。
また、最終的な照射位置の決定や溶接開始に際して、作業者が各部の確認や微調整を行うこともなされ得る。

また、「シンブル管用のストッパー溶接装置」と装置の用途を限定しているが、本発明の構成を有する限り、即ち、レーザ光源光を２つに分岐させ、シンブル管と同じ様に細長い薄肉の管（管の直径、肉厚さはシンブル管の２倍以内）にストッパーと同じ様にほぼ直方体の小片（幅と板厚さはストッパーの２倍以内）を両側から対称に溶接することに使用する限り、本発明の装置に含まれる。

請求項２に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記レーザ溶接機構は、
レーザ光源光を２つに分岐させる分岐用光学系と、
前記ストッパーの両方の側面の溶接箇所に、前記分岐用光学系により分岐されたレーザ光を照射する２個のレーザ照射部と、
前記２個のレーザ照射部が、前記ストッパーの長さ方向の中心線を基準にして線対称にレーザ光を照射する様に制御する照射方向制御部を、
有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明においては、シンブル管の外表面にその長さ方向に沿って位置決めして設置されたほぼ直方体のストッパーの両方の側面の溶接箇所に、分岐用光学系により１つのレーザ光源光を２つに分岐させて得られたレーザ光を、前記ストッパーの長さ方向の中心線を基準にして線対称にレーザ光を照射するため、溶接歪が少なくなり、溶接時間も短縮されるだけなく、レーザ照射部の照射位置の制御等も容易になる。特に、両側面ともストッパーの支持格子に当接する側の端部から他方の端部に溶接して行けば、ストッパーの溶接歪は一層少なくなり、位置決めと取付け位置精度は一層向上する。
なおこの際、ストッパーの両端の４点を仮止めスポット溶接でシンブル管に固定し、その後上下方向に細長いストッパーの長さ方向の側面を、炉内におけるストッパーの下部側両端から上部側両端の方向にレーザビームの照射を走査して本溶接を行うことが、取付け位置の寸法精度の確保の面からは好ましい。

ここに、「レーザ光源光を２つに分岐させる分岐用光学系」は、レーザ光源光を溶接用のレーザヘッド（レーザ照射部あるいはその一部）に送ってくるレーザファイバー束を２つに分岐させても（２つの束に分けても）良いし、スプリッター等の光学機器を使用してレーザ光源光を２つに分割しても良いし、その他の方法であっても良い。要は、レーザ溶接装置とレーザ発振器の仕様やそれらの製造メーカの都合等に応じて、最適な方法が採用される。
スプリッター等の光学機器を使用する場合には、レーザ光源光を完全に等分割することが、スプリッター等の入手や、２個のレーザ照射部の製造や制御の面から好ましい。ただし、実際にレーザを照射する２個のレーザヘッドの配置等の都合で、完全に等分割すれば逆に照射エネルギーが等しくならない場合には、２個のレーザヘッドの配置等の都合により生じる不均等を補償する様に分割する様になされていても良い。
なお、エネルギー的に等分割する、例えばＰ波とＳ波等に分割する、ためのスプリッターは、他の分割比とするよりも分割比が正確であり、かつそのための光学機器も安価に販売されている。

請求項３に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記レーザ溶接機構は、
レーザ光源光を４つに分岐させる分岐用光学系と、
前記ストッパーの両方の側面の溶接箇所に、前記分岐用光学系により分岐されたレーザ光を照射する４個のレーザ照射部と、
前記４個のレーザ照射部が、前記ストッパーの中心点を基準にして点対称または中心線を基準にして線対称にレーザ光を照射する様に制御する照射方向制御部を、
有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明においては、１つのレーザ光源光が４つに分割され、分割された各レーザ光は、ストッパーの長さ方向の両方の側面の溶接箇所に前記ストッパーの中心点を基準にして点対称または中心線を基準にして線対称に照射されるため、溶接歪が少なくなり、溶接時間も短縮されるだけなく、レーザ照射部の照射位置の制御等も容易になる。
ここに、４分割は原則として等エネルギー分割であり、また光学系としてスプリッター等の光学機器を使用する場合には、その手配等の面からは、等分割を２度行うことが好ましい。

また、照射位置の走査は、取付け位置の寸法精度を確保する面からは、上下両端の４点をレーザパルスを使用した仮止めスポット溶接でシンブル管に固定されているストッパーの左右両側の側面とも、炉内でシンブル管の下部側の端部となる位置からシンブル管の上部側となる位置の端部に向かって溶接することにより、下部側位置の寸法精度を確保することが好ましい。具体的には、４分割したレーザ光のうち２つでストッパーの炉内における下部側両端から中央部に向かって溶接し、他の２つのレーザ光でストッパーの中央部両側から上部側両端に向かって溶接することとなる。
なお、特に高い寸法精度が要求されない場合には、その両側の中央部に各２箇所からレーザ光が照射され、照射位置は左右両側とも側面に沿って長さ方向の端部まで移動していく方法を採用しても良い。
なお、レーザパルスを使用する仮止めスポット溶接は、４分割したレーザ光源光を使用して一度に行うことが、取付け位置精度の確保と溶接時間を短縮する面から好ましい。

請求項４に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記レーザ照射部を、前記ストッパーの側面に垂直な線に対して、上方に１５度から４５度傾斜した角度でレーザ光を照射する様に制御する照射角度制御部を有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明においては、溶接のために照射されるレーザ光は、シンブル管の肉厚方向に対してかなり傾斜することとなるため、薄肉の制御棒案内シンブル管壁の過度の溶け込みが防止できる。
なお、ポロシティ発生防止等の面からは、傾射角は３０±５度程度が好ましい。

請求項５に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点が、前記シンブル管とストッパーの長方形状の接触箇所の長さ方向の中心線のある位置を基準にして、０．１ｍｍから０．３ｍｍストッパー寄りにある様に、前記レーザ照射部を制御する照射位置制御部を有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明においては、ストッパーとシンブル管の外表面（ストッパーの側面とシンブル管の上面の照射位置）における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点が、ストッパーの側面がシンブル管の外表面と接触する箇所（下側）ではなく、溶接時に原則として水平に設置されているシンブル管とストッパーの長方形状の接触箇所の長さ方向の中心線のある位置（頂点の位置）を基準にして０．１ｍｍから０．３ｍｍストッパー寄り（上方）に寄った（シフトした）位置としている。このため、シンブル管とストッパーの円筒面状の接触箇所の内部にまでレーザ光が入り込み、溶け込み深さが大きくなり、良好な溶接が得られる。
また、ストッパーとシンブル管の外表面におけるレーザ光の照射の広がりは、直径０．５〜１．０ｍｍ程度であるのが好ましく、レーザのピーク出力は１０００〜１５００ｋＷ、好ましくは１２００〜１３００ｋＷ程度である。

請求項６に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記照射位置制御部は、溶接箇所を撮像する撮像部と、
前記撮像部の撮影した映像を画像処理して、前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点を見出す画像処理部と、
前記画像処理部が見出した中心点を基に、前記レーザ照射部を制御する中心点位置制御部を有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明においては、レーザ光が照射された箇所を撮像し、撮像されたデータを画像処理して前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点を求め、その上で中心点の位置を制御するため、位置ずれが生じ難くなる。

なお、画像処理は、具体的には、例えば以下のような方法にて行なう。
撮像部は、絞りを強めたり、足切りを行なったりして、溶接用のレーザ光を照射されて強く輝く箇所のみ撮像する。
画像処理部は、撮像部が撮像した強く輝く箇所の中心点を求めるが、この際強く輝く箇所は本来円形に広がる筈であるが、ストッパーの側面は垂直であり、シンブル管の表面は円筒形であり、さらにレーザ光は斜め上方から照射されていること（請求項４）等を考慮する。

請求項７に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記レーザ照射部が照射するレーザ光の焦点距離は１６０〜２００ｍｍであり、
レーザ光の焦点が、前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点から１ｍｍないし５ｍｍレーザ照射部側にある様に前記レーザ照射部を制御する焦点位置制御部を有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明では、前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点から１ｍｍないし５ｍｍレーザ照射部側に焦点があるようにレーザ光を照射するため、シンブル管とストッパーの円筒面状の接触箇所の内部にまでレーザ光が入り込み、溶け込み深さが大きくなり、良好な溶接が得られる。
なお、焦点位置のずれは、１ｍｍないし３ｍｍが好ましい。

請求項８に記載の発明は、前記のストッパー溶接装置であって、
前記焦点位置制御部は、前記レーザ照射部に同軸で装着されたレーザ距離測定部と、
前記レーザ距離測定部が測定した距離を基に前記レーザ照射部の照射距離を制御する照射距離制御部を有していることを特徴とするストッパー溶接装置である。

本請求項の発明では、レーザ照射部に同軸で装着されたレーザ距離測定部の測定結果を用いてレーザ照射部の照射距離が制御されるため、請求項７の発明における焦点位置の制御が正確となる。
なお、「レーザ照射部に同軸」とは、実際にレーザを照射するレーザヘッドやレーザヘッドの集光用レンズと一体的に動き、かつ溶接用のレーザ光（の中心線）と距離測定用のレーザ光とが平行であることを指す。

本発明においては、シンブル管にストッパーを取付ける際に、溶接不良の発生の防止や正確な位置決め等のために細心の注意や高度の熟練を必要とせず、溶接歪の発生が抑制され、取付け位置精度が良好となり、溶接不良の発生が抑制され、短時間で溶接することが可能となる。
即ち、１つのレーザ発生装置からのレーザ光源光を、レーザファイバーを分岐させたり、スプリッター等の光学機器で分岐させたりして、ストッパーの相互に線対称となる２箇所を同時に溶接するため、溶接歪の発生が少なくなる。
また、レーザ発生装置からのレーザ光源光を、レーザファイバーを分岐させたり、スプリッター等の光学機器で分岐させたりして、ストッパーの相互に点対称または線対称となる４個所を同時に溶接するため、溶接歪の発生が少なくなる。

また、レーザ光の照射角度、照射位置、焦点距離を工夫したため、位置決めに対する余裕が増大し、溶け込みが深く、ポロシティの発生が少なく、制御が楽であり、速度も速い溶接をなし得る。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（第１の実施の形態）
本実施の形態は、ＹＡＧレーザ源からのレーザ光を、光学系を用いて等エネルギーに分岐させ、ストッパーの左右両側面を、相互に線対称に、同じ出力で、同時に溶接することに関する。
以下、本発明を特徴付ける構造、作用、効果について、図１を参照しつつ説明する。
図１は、シンブル管にストッパーをレーザ溶接で取付けている様子を概念的に示す図である。図１において、１０はストッパーであり、２０はシンブル管であり、３０はレーザヘッドであり、３１はレーザビームであり、３２はストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の照射位置における光束の中心点であり、３３はレーザビームの焦点である。

本図１の上の図は、水平に設置されたシンブル管２０の外表面の上部（紙面の上側）中央にほぼ直方体のジルカロイ合金製のストッパー１０を、シンブル管２０の長さ方向に位置合せをして置き、その両端の４点をレーザパルスを使用した仮止めスポット溶接でシンブル管に固定し、その後ストッパー１０の炉内における下側の両端から炉内における上側の両端の方へ向かってレーザビームの照射を走査し、ストッパー１０とシンブル管２０の本溶接を行っている途中の様子を示す図である。なお、図１の上の図において、図の上側が炉内における上部側であり、図の下側が炉内における下部側である。また、矢印は、左右のレーザヘッド３０が各々、ストッパー１０の炉内における下側の左右両端から炉内における上側の左右両端の方に向かって同時に動いて行くことを示す。なお、この下の左の図は、前記の状態で溶接している様子を、シンブル管２０の長さ方向に直交する方向から見た図である。また、下の右の図は、下の左の図の実際の溶接箇所を拡大し、レーザ光の照射の様子を概念的に示す図である。

ストッパー１０とシンブル管２０の溶接は、ストッパー１０とシンブル管２０とが接触している箇所にレーザ光を照射するのではなく、図１の下の右の図に示す様に、レーザ光は水平面に対して３０度傾けられ、ストッパー１０とシンブル管２０の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の照射位置における光束の中心点３２は、ストッパー１０とシンブル管２０の接触箇所ではなく、その上方に（ストッパー側１０）に０．２ｍｍ寄った（シフトした）位置としている。これを、ｔで示す。さらに、レーザヘッドと同軸のワーク距離測定用レーザ（図示せず）を使用して、レーザ光の焦点がストッパー１０の側面とシンブル管の表面へのレーザ光の照射位置の中心３２から２、３ｍｍレーザヘッド側に寄る様に制御している。即ち、レーザの焦点距離をＸｍｍとしたとき、レーザヘッドの先端と、ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点３２との距離を、Ｘｍｍより２、３ｍｍ大きく保持する様にしている。

このため、レーザヘッド３０には、同軸でレーザ距離測定器（図示せず）が装着されており、さらにレーザヘッド３０の移動を制御するＣＰＵ（図示せず）には、レーザ光の焦点距離等のデータが予め入力されている。

また、レーザ光の照射位置の中心の制御には、画像処理技術を用いている。具体的には、溶接箇所の近傍をレーザヘッドと同軸のＣＣＤカメラ（図示せず）で写し、得られた画像データを２値データ化する。さらに、レーザ光の照射される箇所の広がりは本来円形であるが、シンブル管２０の被照射箇所は水平に設置された円筒面であり、ストッパー１０の被照射箇所は垂直面であり、またレーザ光は斜め上方から照射されていること、ほぼ水平の円筒面と垂直な面で、照射されるレーザ光のエネルギー密度が、ひいては照度が相違すること等を考慮して、レーザ光が照射される箇所の中心を求める。

なおこの際、レーザヘッド３０の移動を制御するＣＰＵには、別途レーザヘッド３０とストッパー１０及びシンブル管２０の位置情報も与えられているため、このデータを基に必要な修正も行い、さらにレーザヘッド３０の照射位置の制御も行なう。
これらにより、溶接の開始に際してストッパー１０の位置決めや照射位置や焦点合わせが正確となり、その上それらの誤差に対する許容度が高くなる。

レーザ溶接に際しては、最初に、集光用レンズで収束されたレーザ光の焦点や広がりの中心位置、照射角度、照射エネルギー等が適切となる様に、シンブル管とストッパーに対するレーザ溶接装置の初期位置の設定、出力の調整等がなされる。次に、溶接箇所は左右とも直線状（線分）であるため、予めプログラムされた速度でレーザヘッド３０が少しずつ溶接線の下端から上端に向かって移動して行き、併せて必要な修正がなされつつ照射位置が上端に到達することにより、溶接が完了することとなる。

なお、実際に照射されたレーザ光のエネルギーの測定は、照射されたレーザ光線は厳密には全ての光束が小さな円形に収束するあるいは焦点を結ぶのではなく、ごく一部は収束部分の周囲に存在する。このため、この収束部分の周囲全域から均等にサンプルの光束を収集して実際の照射エネルギーを測定し、適切な照射エネルギーとなる様に制御を行う。
以上の結果、溶け込みが深く、ポロシティの無い溶接が得られることとなる。
なお、各溶接箇所は、最終的には作業者により確認される。

ここに、２箇所同時に溶接することとしたのは、溶接歪の発生を防止することと作業時間を短縮することの他に、（１）ストッパーとシンブル管は形状が比較的簡単であり、また２つの溶接箇所はいずれも直線状であり対象に配置されているため、位置情報を正確に管理することが可能であること、（２）溶接対象物は小さい金属板であるため、現在用いられているレーザ発生装置の出力上複数箇所を同時に溶接することが可能であることをも考慮したものである。

なお、レーザ発生装置の構造は、例えば前記特許文献１の段落１４、図１等に記載されている周知技術であるため、説明は省略する。
また、レーザヘッドあるいはその溶接用の集光レンズと被照射位置との距離の測定、画像処理装置等を用いてのレーザヘッドの自動シフト、最終位置の確認等についても周知技術であるため、それらの説明は省略する。

なお、各種のレンズの取付け（反射）角度の調整、変更、制御等の光学系に関する技術ついては、例えば特開２００３−１６７２１１号公報、特開２０００−２７５５７３号公報等に記載されている様な技術と基本的には同じである。

また、溶接時には、ストッパー１０、シンブル管２０、レーザヘッド３０、その他レーザ発振器（図示せず）等は溶接室に設置され、さらに溶接室は雰囲気ガスを調節する設備等を有しているが、これらも周知技術であるため、説明は省略する。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、ストッパーの中心点を基準にして、点対象に４箇所同時に溶接することに関する。
図２を参照しつつ本実施の形態の特徴部分を説明する。図２は、水平に設置されたシンブル管２０の外表面の上部中央にほぼ直方体のストッパー１０をシンブル管２０の長さ方向に置き、上下両端の４箇所をレーザ光源光を４分割したレーザパルスを照射して一度に仮止めスポット溶接し、次いでストッパー１０の左右両側にある溶接箇所を、４分割したレーザ光のうち２つでストッパーの炉内における下部側の両端から中央に向かって溶接し、他の２つのレーザ光でストッパーの中央部両側から上部側両端に向かって溶接している途中の様子を上方から見た図である。
ここに、４箇所同時に溶接することとしたのは、ストッパー１０はほぼ直方体であり、溶接箇所はその中心点を基準に点対象となっているからである。

溶接箇所は４箇所とも５ｍｍとごく短い線分であるため、ストッパー１０の左右両側とも、各々集光用レンズで収束されたレーザ光の焦点の初期位置を線状の溶接箇所の下部側端部および中央に前記のシフト量や焦点距離のずれを踏まえて合せた後、予めプログラムされた速度で、図２の矢印に示す様に、各レーザヘッド３０がストッパー１０の上部側端部方向に移動して行き、中央部および端部に到達することにより完了することとなる。なお、各溶接箇所は、最終的には作業者により確認される。

溶接装置のＣＰＵのメモリには、予め制御に必要な各種のデータが入力されている。具体的には、（１）ストッパーとシンブル管の形状、寸法（２）各集光レンズの取付け角と取付け角度の変更に必要な電力と角度の変化する速度等の関係、（３）各集光レンズの現在の取付け角度や各種の初期条件、（４）被溶接物であるストッパーとシンブル管およびレーザヘッドを含む溶接装置間の位置情報等である。
従って、ＣＰＵはこれらの格納されているデータを参照しつつ、各集光レンズの取り付け角やレーザ発生装置の出力を制御することとなる。

本発明の第１の実施の形態における溶接の様子を、概念的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態における溶接の様子を、概念的に示す図である。

符号の説明

１０ ストッパー
２０ シンブル管
３０ レーザヘッド
３１ レーザビーム
３２ 照射位置における光束の中心点
３３ レーザビームの焦点

Claims (8)

1. シンブル管の外表面にその長さ方向に設置された直方体状のストッパーの長さ方向の両方の側面を、レーザ光を使用してシンブル管に同時に溶接するレーザ溶接機構を有していることを特徴とするストッパー溶接装置。
2. 前記レーザ溶接機構は、
   レーザ光源光を２つに分岐させる分岐用光学系と、
   前記ストッパーの両方の側面の溶接箇所に、前記分岐用光学系により分岐されたレーザ光を照射する２個のレーザ照射部と、
   前記２個のレーザ照射部が、前記ストッパーの長さ方向の中心線を基準にして線対称にレーザ光を照射する様に制御する照射方向制御部を、
   有していることを特徴とする請求項１に記載のストッパー溶接装置。
3. 前記レーザ溶接機構は、
   レーザ光源光を４つに分岐させる分岐用光学系と、
   前記ストッパーの両方の側面の溶接箇所に、前記分岐用光学系により分岐されたレーザ光を照射する４個のレーザ照射部と、
   前記４個のレーザ照射部が、前記ストッパーの中心点を基準にして点対称または中心線を基準にして線対称にレーザ光を照射する様に制御する照射方向制御部を、
   有していることを特徴とする請求項１に記載のストッパー溶接装置。
4. 前記レーザ照射部を、前記ストッパーの側面に垂直な線に対して、上方に１５度から４５度傾斜した角度でレーザ光を照射する様に制御する照射角度制御部を有していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のストッパー溶接装置。
5. 前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点が、前記シンブル管とストッパーの長方形状の接触箇所の長さ方向の中心線のある位置を基準にして、０．１ｍｍから０．３ｍｍストッパー寄りにある様に、前記レーザ照射部を制御する照射位置制御部を有していることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のストッパー溶接装置。
6. 前記照射位置制御部は、溶接箇所を撮像する撮像部と、
   前記撮像部の撮影した映像を画像処理して、前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点を見出す画像処理部と、
   前記画像処理部が見出した中心点を基に、前記レーザ照射部を制御する中心点位置制御部を有していることを特徴とする請求項５に記載のストッパー溶接装置。
7. 前記レーザ照射部が照射するレーザ光の焦点距離は１６０〜２００ｍｍであり、
   レーザ光の焦点が、前記ストッパーとシンブル管の外表面における、溶接のために照射したレーザ光の光束の中心点から１ｍｍないし５ｍｍレーザ照射部側にある様に前記レーザ照射部を制御する焦点位置制御部を有していることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれかに記載のストッパー溶接装置。
8. 前記焦点位置制御部は、前記レーザ照射部に同軸で装着されたレーザ距離測定部と、
   前記レーザ距離測定部が測定した距離を基に前記レーザ照射部の照射距離を制御する照射距離制御部を有していることを特徴とする請求項７に記載のストッパー溶接装置。
   

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