JP5767900B2 - 水中溶接装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えば原子炉の炉水中における炉内構造物など、水中で溶接を行うための水中溶接装置及び方法に関する。

従来から水中で溶接を行う水中溶接装置として、例えば原子炉の炉水中で炉内構造物の補修などを行う水中溶接装置が知られている。このような水中溶接装置は、水中において溶接中に少なくとも溶融池の周りにガスにより水が排除された空間を形成することが必要である。このため、溶融池の回りに水が排除された空間を形成する部分的なシールドを確保するために種々の方式が提案されている。

例えば、特許文献１に記載された水中加工装置では、図７に示すように水中環境下にある被溶接材である被加工材１を溶接する場合、ＴＩＧ溶接電源２は大気中に設置され、アーク３の発生する溶接ヘッドである溶接トーチ４の部分だけが水中に設置される。ここで、溶接トーチ４及び溶接部５は水と接触しないように、シールドガス６で局部的に水が排除（溶接部はシールド）されている。

また、特許文献１に記載された水中加工装置は、水を排除するシールド手段として、約５ｍｍの厚さのカーボン繊維で織られたフェルト状の布からなる弾力性の高いシールドカバー（固体壁）７とＡｒガスとの併用による手段を用いている。

特許第３００６３７０号公報

ところで、上述した特許文献１に記載されたシールド手段では、水中で管台部などの円筒上で連続した開先肉盛溶接を行う場合、シールドカバー７のめくれなどにより、シールドカバー７の内部（以下、チャンバーという）に水が混入する場合がある。

また、装置設置時には、シールドカバー７内に水が溜まった状態となる。このシールドカバー７のチャンバー内に水が混入した場合、その水は、チャンバー内に充満した不活性ガスの内圧により、シールドカバー７の押し付け面から主に排出される。

しかしながら、溶接ヘッドである溶接トーチ４の姿勢によっては、例えば上向きあるいは横向き姿勢では、完全に水を排出することができず、一部の水がチャンバー内に残留することがある。このような場合には、逆止弁などを設けて残留した水を排出する必要があった。

ところで、溶接時には数μｍ〜数十μｍの大きさの金属粉塵（以下、ヒュームともいう）が発生する。特にレーザ溶接では、ヒュームの発生は著しく、水と混ざると粘着性の高い粘土状の物質となり、上記逆止弁の弁座あるいは流路内部に付着し、その機能を阻害する問題があった。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、シールドカバー外の水の混入を未然に防止するとともに、シールドカバー内に混入した金属粉塵を含んだ水及びシールドガスを確実かつ容易に排出可能な水中溶接装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る水中溶接装置は、水中に配置されてレーザ光を射出するノズル部を先端に備えた水中溶接ヘッドと、前記ノズル部の周辺に設けられ、弾性部材からなり、前記水中溶接ヘッドの先端側にシールドガスにより水が排除された空間を形成するためのシールドカバーと、前記シールドカバー内から金属粉塵を含んだ水とシールドガスを排出する排出孔が形成され、前記シールドカバー内の圧力上昇により前記排出孔の大きさが拡大し、前記シールドカバー内の圧力下降により前記排出孔の大きさが縮小する膨縮部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る水中溶接方法は、水中溶接ヘッドを水中に配置して水中で構造物の被溶接部を溶接する水中溶接方法において、前記水中溶接ヘッド先端側のレーザ光を射出するノズル部の周辺に設けられた弾性部材からなるシールドカバーを用いて、前記水中溶接ヘッドの先端側にシールドガスにより水が排除された空間を形成するためのステップと、前記シールドカバー内の金属粉塵を含んだ水とシールドガスを排出する排出孔が形成され、前記シールドカバー内の圧力上昇により前記排出孔の大きさが拡大し、前記シールドカバー内の圧力下降により前記排出孔の大きさが縮小する膨縮部材の前記排出孔から前記金属粉塵を含んだ水と前記シールドガスを排出するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、シールドカバー外の水の混入を未然に防止するとともに、シールドカバー内に混入した金属粉塵を含んだ水及びシールドガスを確実かつ容易に排出することができる。

本発明に係る水中溶接装置の第１実施形態を示す立断面図である。 図１の膨縮バルブを示す拡大立断面図である。 図１の膨縮バルブを示す拡大斜視図である。 本発明に係る水中溶接装置の第２実施形態を示す立断面図である。 図４の膨縮バルブ及び保護管を示す拡大立断面図である。 本発明に係る水中溶接装置の第３実施形態を示す立断面図である。 従来の水中溶接装置を示す全体構成図である。

以下に、本発明に係る水中溶接装置の各実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る水中溶接装置の第１実施形態を示す立断面図である。図２は図１の膨縮バルブを示す拡大断面図である。図３は図１の膨縮バルブを示す拡大斜視図である。

本実施形態は、図１に示すように水中環境下にある被溶接材１０を溶接する場合、図示しないレーザ発振器は大気中に設置され、水中溶接ヘッド１１の部分のみが水中に設置される。そして、大気中に設置された上記レーザ発振器から照射されたレーザ光は光ファイバー１２を通して水中溶接ヘッド１１に伝送される。また、シールドガスとしての不活性ガスも、大気中に設けられた図示しないシールドガス供給源から不活性ガス注入口１３を通して水中溶接ヘッド１１に供給される。

水中溶接ヘッド１１は、略円筒状に形成されている。そして、水中溶接ヘッド１１の内部には、レーザ光１４を集光するための光学系１５が設けられている。水中溶接ヘッド１１の先端側（図１の左側）には、外周方向に向けてフランジ状に突出する大径部１１ａが設けられ、この大径部１１ａの略中央部に、光学系１５によって集光されたレーザ光１４を射出するとともに、不活性ガスを吐出するためのノズル部１６が設けられている。

上記大径部１１ａの先端側の面には、ノズル部１６の周囲を囲むように、レーザ光１４の反射光を吸収するための反射光吸収体１７が設けられている。本実施形態では、反射光吸収体１７は、環状に形成された板状部材から形成されており、大径部１１ａに固着されている。反射光吸収体１７を構成する板状部材としては、例えばカーボン板を好適に使用することができる。

上記反射光吸収体１７の周囲であって、大径部１１ａの先端外周面には、溶接部の周囲にシールドガスにより水が排除された空間を形成するためのシールドカバー１８が設けられている。このシールドカバー１８内は、不活性ガスを充満させるチャンバー１９が形成される。このシールドカバー１８としては、厚さが比較的薄い弾性部材であるシリコーンゴムなどを用いることが好ましい。これによって、耐水性と変形する機能を確保することができる。

また、大径部１１ａ内は、上下に排出経路２０ａ，２０ｂが形成されている。これらの排出経路２０ａ，２０ｂは、チャンバー１９内に混入した水を排出する。大径部１１ａの下部に形成された排出経路２０ｂには、膨縮部材としての膨縮バルブ２１が接続されている。

膨縮バルブ２１は、図２及び図３に示すようにゴムチューブの片側を閉じた紡錘形の袋状に形成されている。膨縮バルブ２１は、チャンバー１９内の圧力に合わせて全体が膨張及び収縮（膨縮）が可能である。具体的には、膨縮バルブ２１は、チャンバー１９内の圧力上昇により膨張する一方、チャンバー１９内の圧力下降により収縮する。また、膨縮バルブ２１は、その側面にバルブ排出孔２２，２２が形成され、これらのバルブ排出孔２２，２２からヒューム２３を含む水２４及びガスが排出されるようになっている。

したがって、バルブ排出孔２２，２２は、膨縮バルブ２１の全体が膨張及び収縮が可能であることから、チャンバー１９内の圧力に合わせて口径が広がったり、あるいは狭くなったりする。具体的には、バルブ排出孔２２，２２は、チャンバー１９内の圧力上昇により口径が拡大する一方、チャンバー１９内の圧力下降により口径が縮小する。

次に、本実施形態の作用を説明する。

上記構成の水中溶接装置では、光ファイバー１２によって水中溶接ヘッド１１に伝送されたレーザ光１４は、水中溶接ヘッド１１の内部に設けられた光学系１５により集光され、ノズル部１６から被溶接材１０に向けて照射される。これとともに、図示しない溶接ワイヤが供給され、被溶接材１０に溶接池２５が形成され、溶接作業が実行される。

上記の溶接作業の際、ノズル部１６から被溶接材１０に向けて照射されたレーザ光１４の一部は、被溶接材１０及びその近傍で反射して反射光となる。ここで、本実施形態の水中溶接装置では、水中溶接ヘッド１１の先端側（図１の左側）の反射光が照射される部分に反射光を吸収するための反射光吸収体１７が設けられているので、その反射光は反射光吸収体１７によってその大部分が吸収され、さらに反射を繰り返してシールドカバー１８に反射光が到達する可能性を大幅に低減することができる。

ところで、本実施形態では、チャンバー１９内に水２４が浸入した場合、その水２４はチャンバー１９内に発生したヒューム２３と混ざり、シールドカバー１８内に水２４が溜まる。

このとき、チャンバー１９内に不活性ガスが充満することにより、チャンバー１９内に溜まった水２４は、大径部１１ａに設けた排出経路２０ｂから、膨縮バルブ２１に設けられたバルブ排出孔２２から排出される。

ここで、バルブ排出孔２２からヒューム２３を含んだ水２４が排出される場合、バルブ排出孔２２にヒューム２３が堆積しバルブ排出孔２２が詰まる。そして、バルブ排出孔２２が詰まると、膨縮バルブ２１は、チャンバー１９の内圧により、膨張してバルブ排出孔２２が広がり、水２４が排出される。このとき、バルブ排出孔２２は、チャンバー１９の内圧に合わせて口径が広がるため、外部から水が混入しないことになる。

このように本実施形態によれば、膨縮バルブ２１がチャンバー１９の内圧に合わせて伸び縮みすることで、ヒューム２３がバルブ排出孔２２に堆積されるのを未然に防止するとともに、外部から水が逆流するのを防ぐことができる。

（第２実施形態）
図４は本発明に係る水中溶接装置の第２実施形態を示す立断面図である。図５は図４の膨縮バルブ及び保護管を示す拡大断面図である。なお、前記第１実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。その他の実施形態も同様である。

図４及び図５に示すように、本実施形態では、膨縮バルブ２１の周囲に保護管２６が配置されている。この保護管２６は、紡錘形に形成された膨縮バルブ２１を囲むように金属から成形されている。保護管２６の下端は、膨縮バルブ２１のバルブ排出孔２２の近傍まで延びている。したがって、膨縮バルブ２１は、チャンバー１９の内圧により膨張した際、保護管２６に対してバルブ排出孔２２が露出する。その結果、バルブ排出孔２２は、チャンバー１９の内圧に合わせて口径が広がることが可能となる。

このように本実施形態によれば、膨縮バルブ２１の周囲に保護管２６を配置したことにより、バルブ排出孔２２がヒューム２３の堆積により詰まり、過度の内圧上昇により膨縮バルブ２１が膨張したとしても、膨縮バルブ２１の破裂を未然に防止することができる。

（第３実施形態）
図６は本発明に係る水中溶接装置の第３実施形態を示す立断面図である。

図６に示すように、本実施形態では、シールドカバー１８に膨縮バルブ２１が直接設けられている。この膨縮バルブ２１は、シールドカバー１８の周方向に沿って一定の間隔をおいて接着により複数設けられている。本実施形態の膨縮バルブ２１は、シールドカバー１８より薄い弾性部材で形成され、過度の内圧上昇が生ずると、シールドカバー１８より早く膨張するようになっている。

このように本実施形態によれば、シールドカバー１８に膨縮バルブ２１を直接設けたことにより、大径部１１ａに排出経路２０ａ，２０ｂに設ける必要がなくなるため、水中溶接ヘッド１１の構造の簡素化を図ることができる。

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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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例は、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。

例えば、上記各実施形態では、膨縮バルブ２１の材質としてゴムを用いたが、こりに限らず、チャンバー１９の内圧に合わせて膨張及び収縮し、かつその膨張及び収縮によりバルブ排出孔２２の径が拡大及び縮小可能なものであれば、他の材質のものでもよい。

１０…被溶接材、１１…水中溶接ヘッド、１１ａ…大径部、１２…光ファイバー、１３…不活性ガス注入口、１４…レーザ光、１５…光学系、１６…ノズル部、１７…反射光吸収体、１８…シールドカバー、１９…チャンバー、２０ａ，２０ｂ…排出経路、２１…膨縮バルブ（膨縮部材）、２２…バルブ排出孔、２３…ヒューム、２４…水、２５…溶接池、２６…保護管

Claims (4)

1. 水中に配置されてレーザ光を射出するノズル部を先端に備えた水中溶接ヘッドと、
   前記ノズル部の周辺に設けられ、弾性部材からなり、前記水中溶接ヘッドの先端側にシールドガスにより水が排除された空間を形成するためのシールドカバーと、
   前記シールドカバー内から金属粉塵を含んだ水とシールドガスを排出する排出孔が形成され、前記シールドカバー内の圧力上昇により前記排出孔の大きさが拡大し、前記シールドカバー内の圧力下降により前記排出孔の大きさが縮小する膨縮部材と、
   を備えることを特徴とする水中溶接装置。
2. 前記膨縮部材は、伸縮性のゴムチューブから形成され、周囲に保護管が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水中溶接装置。
3. 前記膨縮部材は、前記シールドカバーに設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中溶接装置。
4. 水中溶接ヘッドを水中に配置して水中で構造物の被溶接部を溶接する水中溶接方法において、
   前記水中溶接ヘッド先端側のレーザ光を射出するノズル部の周辺に設けられた弾性部材からなるシールドカバーを用いて、前記水中溶接ヘッドの先端側にシールドガスにより水が排除された空間を形成するためのステップと、
   前記シールドカバー内の金属粉塵を含んだ水とシールドガスを排出する排出孔が形成され、前記シールドカバー内の圧力上昇により前記排出孔の大きさが拡大し、前記シールドカバー内の圧力下降により前記排出孔の大きさが縮小する膨縮部材の前記排出孔から前記金属粉塵を含んだ水と前記シールドガスを排出するステップと、
   を有することを特徴とする水中溶接方法。

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