JP5523045B2 - コイルの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ等で用いられる、直管の両端をＵ字管で連結した蛇管（以下、コイルという。）を高精度かつ高能率で製造する装置、及びこの製造装置を用いた製造方法に関するものである。

従来、コイルのような蛇管の製造に際しては、直管同士を直列に溶接した長尺のチューブを折り曲げることで製造していた。しかしながら、前記チューブの肉厚が４mmを超えると、前記直管同士の溶接部を折り曲げることになった場合は、当該折り曲げ部にしわなどの損傷が発生したり、所定の形状に折り曲げることが困難である。

そこで、コイルのように、肉厚が４mmを超える場合は、例えば１８０度エルボと直管を溶接することで製造していた（例えば特許文献１）。しかしながら、特許文献１に記載された発明のように、直管１と１８０度エルボやＵ字管２を連結することで、図８に示すようなコイル３を製造する場合、隣接する直管１の隣接する部分１ａに対して垂直に溶接することが難しい。

また、ボイラ等で用いられるコイルを製造するに際しては、管路抵抗、応力集中等を低減させるために、コイルの内面（特に直管とＵ字管との溶接部の内面）が限りなく平らであることが望まれる。

直管とＵ字管との溶接部の内面の余盛りを安定して確保するためには、自動ＴＩＧ溶接を採用することで可能になるが、全周に亘って良好な溶接品質を得るためには、図９に示すようなＵ型に開先形状を形成することが必要である（特許文献２）。また、ＴＩＧ溶接の溶接速度は７cm／min程度であり、生産性が非常に悪い。さらに、厚肉管をＴＩＧ溶接する場合には、図１０に示すような多層溶接が必要で、２パス目からはフィラーワイヤの添加が必要であり、内面の余盛り高さを増加させるおそれがある。

特開昭５９−１１０４２６号公報 特開平０９−１９７６７号公報

本発明が解決しようとする問題点は、直管の両端をＵ字管で連結したコイルをＴＩＧ溶接により製造する場合は、Ｕ型に開先形状を形成する必要があり、また、生産性が非常に悪く、さらに、内面の余盛り高さを増加させるおそれがあるという点である。

本発明のコイルの製造装置は、
高精度かつ高能率での製造を可能にするために、
複数の直管の両端にＵ字管を溶接してコイルを製造する装置であって、
ワークセット治具に位置決め保持された直管と、この直管の両端に仮付けされたＵ字管の開先位置に対して、集光レンズを用いてレーザ光を照射することにより溶接を行うレーザ溶接ヘッドを備えたもので、このレーザ溶接ヘッドは、前記溶接する直管とＵ字管が並べられた方向と直交する方向の前記直管の両側に２台、前記溶接する直管とＵ字管が並べられた方向にそれぞれが移動自在に設けられていることを最も主要な特徴としている。

本発明のコイルの製造装置では、ワークセット治具に位置決め保持した状態で、集光レンズにレーザ光を照射してレーザ溶接するので、隣接する管の隣接する部分に対しての溶接が容易に行えるようになる。

本発明のコイルの製造装置において、前記レーザ溶接ヘッドに、直管とＵ字管の前記開先位置を認識するカメラを備えさせた場合は、レーザ光の照射位置を正確に認識できるので、目外れなく安定した溶接が行えるようになる。

また、本発明のコイルの製造装置において、予熱が必要な場合には、直管とＵ字管の前記開先位置を予熱処理する予熱装置を設ける。この予熱装置を、例えば直管の長手方向と直交する方向の断面が、Ｕ字管と外接する長円より５〜５０mm大きい、長円形又は楕円形の高周波コイルを有する高周波予熱装置とすれば、高周波コイルでＵ字管を囲むようにして効率の良い予熱が行える。その際、予熱装置に直管及びＵ字管の温度を計測する非接触温度計が設けられていれば、予熱終了時点の溶接位置の温度が所定の温度であるか否かを正確に把握できるので望ましい。

本発明のコイルの製造方法は、上記の本発明装置を使用して複数の直管の両端にＵ字管を溶接してコイルを製造する方法であって、
直管との両端に仮付けされたＵ字管を囲むように設置した高周波コイルにより、直管及びＵ字管を所定温度以上になるまで誘導加熱し、
この誘導加熱した直管とＵ字管の温度が所定温度になるのを確認した後、この確認した直管とＵ字管の間の開先位置に対して、集光レンズを用いてレーザ光を照射して溶接することを主要な特徴としている。

本発明では、隣接する直管の隣接する部分に対してもレーザ溶接できるので、フィラーワイヤを使用することなく、高精度に、かつ高能率にコイルの製造が行えるようになる。

レーザ溶接時におけるＩ型の開先を示した図である。 レーザ溶接部の断面を写したマクロ写真であり、上側がパイプの外面、下側がパイプの内面である。 コイルの断面とレーザ溶接時の光軸軌跡を示した図である。 本発明に使用するレーザ溶接ヘッドの一例を説明する概略図である。 本発明に使用する予熱装置の一例を説明する概略図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は高周波コイル部の平面図である。 本発明に使用する予熱装置を用いてコイルを予熱する場合の状態を説明する図である。 本発明のコイル製造装置を構成するレーザ溶接装置と予熱装置の配置関係を示した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ図である。 コイルを製造する場合に、隣接する直管の隣接する部分に対して垂直に溶接することが難しいことを説明する図で、（ａ）はコイルの正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 ＴＩＧ溶接時におけるＵ型の開先を示した図である。 ＴＩＧ溶接時における多層溶接時の積層状態を説明する図である。

本発明では、高精度に、かつ高能率に、直管の両端をＵ字管で連結したコイルの製造を行うという目的を、集光レンズにレーザ光を照射してレーザ溶接することで実現した。

以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図７を用いて詳細に説明する。
レーザ溶接を採用すれば、肉厚が８mmの、直管の両端をＵ字管で連結したコイルであっても、図１に示すようなＩ型の簡単な開先ｗで、図２に示すような内面のビード高さの低い溶接を、７０cm／minもの高速で行うことができる。

しかしながら、前記コイルは、隣接する直管同士の間隔Ｌ（図８参照）が例えば８８．９mmと接近しているので、図３に示すように、隣接する直管１の近接位置では、直管１同士の隣接する部分１ａにレーザ光４を垂直に照射することが難しい。また、レーザ溶接では、レーザ光を小さい箇所に集光してエネルギー密度を高めて溶接するので、溶接位置を正確に認識することが必要になる。

そこで、本発明では、直管１と、この直管１の両端に仮付けされたＵ字管２との溶接を、焦点距離を有する集光レンズを用いてレーザ光を照射することにより行うこととしている。

このように、集光レンズを使用すれば、隣接する直管１の隣接する部分１ａにもレーザ光を垂直に照射することができるようになる。

このレーザ溶接ヘッド１１は、例えば図４に示すように、レーザ発振器１２から照射されたレーザ光１３を平行光に変換するコリメートレンズ１４、集光レンズ１５を介して直管１とＵ字管２との溶接部の開先位置ｗに照射して、直管１とＵ字管２をレーザ溶接する構成である。

また、図４の例では、コリメートレンズ１４と集光レンズ１５の間のレーザ光１３の光軸上に、レーザ光１３は透過するが可視光は反射するビームスプリッター１６ａ、１６ｂを配置して直管１とＵ字管２の前記開先位置ｗを映してカメラ１７で撮像するようにしたものを示している。カメラ１７及びビームスプリッター１６ａはレーザ溶接ヘッド１１の外面に取付け固定されている。

このように直管１とＵ字管２の開先位置ｗをカメラ１７で撮像するようにした場合は、０．５mm程度に集光するレーザ光１３の照射位置を正確に認識できるので、目外れなく安定したレーザ溶接が行えるようになる。

さらに、図４の例では、レーザ溶接前に直管１とＵ字管２の開先位置ｗの温度を測定する非接触温度計１８を備えているものを示している。このように非接触温度計１８を備えさせれば、レーザ溶接する直管１とＵ字管２の開先位置ｗの温度が規定の温度に到達しているか否かを確認することができる。

なお、図４中の１９は前記カメラ１７で写した画像の処理装置、２０は前記画像処理装置１９の画像、及び前記非接触温度計１８で測定した温度を入力され、レーザ発振器１２を制御するレーザコントローラ、２１は前記画像処理装置１９の画像を写すモニタである。

ところで、レーザ溶接は、ＴＩＧ溶接に比べて急速な加熱を行うので、被溶接材料が有する本来の性質を変化させやすい。従って、この変化を防止するためには、溶接に先立って被溶接材料を予熱することが望ましい。そして、この予熱により、急激な加熱・冷却による悪影響を緩和できるので、溶接割れの防止や適切な組織の確保などにも効果がある。

そこで、本例では、図５に示すような、直管１とＵ字管２の開先位置ｗを予熱処理する予熱装置２２を備えさせている。この予熱装置２２として、本例では、直管１の長手方向と直交する方向の断面がＵ字管２と外接する長円より５〜５０mm大きい長円形の高周波コイル２２ａを有する高周波予熱装置を示している。

この高周波コイル２２ａのＵ字管２と外接する長円より大きくする距離は、５mm未満とすれば予熱に際してのセット時に高周波コイル２２ａがＵ字管２に接触し易くなる。一方、５０mmを超えると高周波コイル２２ａと溶接部が離れすぎて所定温度に予熱することが難しくなる。従って、前記距離は５〜５０mmとすることが望ましい。

このような高周波コイル２２ａを使用すれば、高周波コイル２２ａがＵ字管２を囲むので、効率の良い予熱を行うことができる。その際、図５に示すように、予熱装置２２に直管１及びＵ字管２の温度を計測する例えば放射温度計２３を設けておけば、放射温度計２３でモニタされる温度をフィードバックし、溶接位置の温度を正確に制御することができる。

この予熱装置２２は、図７に示すように、ワークセット治具２４に位置決め保持された直管１とＵ字管２が並べられた延長線上の退避位置に位置させておき、予熱時に、予熱位置に移動した後上昇移動して予熱するように構成しておくことが望ましい。

また、本例では、前記構成のレーザ溶接ヘッド１１を移動（回転）自在に取付けたレーザ溶接装置３１を、図７に示すように、ワークセット治具２４に位置決め保持された、直管１とＵ字管２が並べられた方向と直交する方向の、前記直管１とＵ字管２の両側に２台、直管１とＵ字管２を挟むように配置している。そして、これら２台のレーザ溶接装置３１を、前記直管１とＵ字管２が並べられた方向にそれぞれが移動自在なように設けている。

このように配置した２台のレーザ溶接装置３１を、直管１とＵ字管２が並べられた方向に移動させて、レーザ溶接ヘッド１１を用いて直管１の両側から直管１とＵ字管２の接合部を１本ずつ連続的にレーザ溶接することで、短時間に、かつ高能率にコイル３を製造することができる。

その際、直管１とＵ字管２を位置決め保持するワークセット治具２４を、直管１の両端に仮付けされたＵ字管２の位置の入れ替えが可能なように、図７（ｃ）に矢印で示すように、支点２４ａを中心に反転可能に構成しておくことが望ましい。なお、図７中の２５は制御盤を示す。

このようにしておけば、直管１の一方端部におけるＵ字管２との接合が完了した後、ワークセット治具２４を反転するだけで、直管１の他方端部におけるＵ字管２との接合の準備が完了し、同様の操作で他方端部の接合を行うことができる。

以上の構成からなる本発明のコイルの製造装置を用いた、本発明のコイルの製造方法について、以下に説明する。

1)両端にＵ字管２を仮付した直管１をワークセット治具２４にセットする。
2) ワークセット治具２４にセットされた両端にＵ字管２を仮付した直管１のおおよその位置を制御盤２５に入力する。

3) 予熱が必要な場合は、予熱装置２２を移動させ、予熱装置２２を上昇して溶接部を高周波コイル２２ａで囲んで、プログラムに従って予熱（誘導加熱）する。
4) プログラムに従った予熱が終了すると、予熱装置２２を下降し、退避位置まで移動させる。

5) ２台のレーザ溶接ヘッド１１を、それぞれ制御盤２５に入力されたおおよその位置まで移動させた後、カメラ１７で写した溶接位置を画像処理して確認し、正確な溶接位置座標を求める。

6) その後、それぞれのレーザ溶接ヘッド１１を、非接触温度計１８でそれぞれの溶接部の温度を測定できる位置まで退避させ、それぞれの溶接部の温度を測定する。

7) 溶接部の温度が所定の温度になっていることを確認した後は、それぞれのレーザ溶接ヘッド１１を前記正確な溶接位置に移動させ、予めプログラムされた溶接条件に従ってレーザ溶接を行う。

8) ワークセット治具２４にセットされた両端にＵ字管２を仮付した直管１の一方端側の全てについて、上記3)〜7)の手順を繰り返す。
9) 直管１の一方端部におけるＵ字管２との接合が完了した後、ワークセット治具２４を反転し、直管１の他方端部におけるＵ字管２との接合を同様に行う。

本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、上記例では予熱に際し、予熱装置２２を昇降動させるものを示したが、両端にＵ字管２を仮付した直管１を保持したワークセット治具２４を昇降動させても良い。

また、前記溶接作業は自動で行うものに限らず、各工程を溶接士が確認しながら行っても良い。

本発明は、隣接する管を溶接するものであれば、ボイラ等で用いられる、直管の両端をＵ字管で連結したコイル３の製造に限らない。

１ 直管
１ａ 隣接する部分
２ Ｕ字管
３ コイル
１１ レーザ溶接ヘッド
１３ レーザ光
１５ 集光レンズ
１６ａ、１６ｂ ビームスプリッター
１７ カメラ
２２ 予熱装置
２２ａ 高周波コイル
２３ 放射温度計
２４ ワークセット治具
２４ａ 支点
３１ レーザ溶接装置

Claims (7)

1. 複数の直管の両端にＵ字管を溶接してコイルを製造する装置であって、
   ワークセット治具に位置決め保持された直管と、この直管の両端に仮付けされたＵ字管の開先位置に対して、集光レンズを用いてレーザ光を照射することにより溶接を行うレーザ溶接ヘッドを備えたもので、このレーザ溶接ヘッドは、前記溶接する直管とＵ字管が並べられた方向と直交する方向の前記直管の両側に２台、前記溶接する直管とＵ字管が並べられた方向にそれぞれが移動自在に設けられていることを特徴とするコイルの製造装置。
2. 前記レーザ溶接ヘッドに、直管とＵ字管の前記開先位置を認識するカメラを備えさせたことを特徴とする請求項１に記載のコイルの製造装置。
3. 直管とＵ字管の前記開先位置を予熱処理する予熱装置を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のコイルの製造装置。
4. 前記予熱装置は、直管の長手方向と直交する方向の断面が、Ｕ字管と外接する長円より５〜５０mm大きい、長円形又は楕円形の高周波コイルを有する高周波予熱装置であることを特徴とする請求項３に記載のコイルの製造装置。
5. 前記予熱装置には、直管及びＵ字管の温度を計測する非接触温度計が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載のコイルの製造装置。
6. 前記ワークセット治具が、直管の両端に仮付けされたＵ字管の位置の入れ替えが可能なように反転可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のコイルの製造装置。
7. 複数の直管の両端にＵ字管を溶接してコイルを製造する方法であって、
   直管との両端に仮付けされたＵ字管を囲むように設置した高周波コイルにより、直管及びＵ字管を所定温度以上になるまで誘導加熱し、
   この誘導加熱した直管とＵ字管の温度が所定温度になるのを確認した後、この確認した直管とＵ字管の間の開先位置に対して、集光レンズを用いてレーザ光を照射して溶接することを特徴とするコイルの製造方法。