JP6559454B2

JP6559454B2 - レーザ溶接ヘッド

Info

Publication number: JP6559454B2
Application number: JP2015075980A
Authority: JP
Inventors: 大治小林; 雅貴田村; 剛前原; 山口　修; 修山口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: CN106041302B; US10245679B2; KR20160118933A; US20160288260A1; JP2016196011A; EP3075484A1; EP3075484B1; CN106041302A

Description

本発明の実施形態は、レーザ溶接ヘッドに関する。

原子炉の補修作業を行う場合、狭隘部などの部位はアクセス性が困難な部位であることから、アクセス性を高めるため低入熱であって小型化が可能なレーザ溶接装置の開発が進められている。原子炉補修におけるレーザ溶接作業に用いられるレーザ溶接ヘッドとしては、母材からの反射光および溶融池からの輻射熱によってレーザ溶接ヘッドに損傷が生じるのを低減させるため、各種の構成が提案されている。

この種の構成を採用したものとしては、水中溶接装置（特許文献１参照）や、肉盛溶接装置及び原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法（特許文献２参照）などが提案されている。特許文献１に記載された発明では、レーザ溶接ヘッド（特許文献１では、溶接チャンバーを構成する筐体）を熱伝導率の高いアルミ合金や銅合金で構成することで、機械的及び熱的に耐え得る構造にしている。

また、特許文献２に記載された発明では、シールドガス噴射ノズルの出口におけるシールドガスの流速を６〜１４m/sにすることで、溶融池が凹みレーザ光が母材に近い位置に照射されることができ、溶け込み深さを増加させている。そして、入熱量を増やすことなく、融合不良や溶接割れの発生を抑制することができる。

特開２０１４−１２８８３２号公報特開２０１４−８７８０９号公報

特許文献２に記載された発明では、シールドガス噴射ノズルの出口と溶融池の距離が離れると、シールドガスの流速は遅くなり溶け込み深さを増加させる効果は少なくなる。そのため、シールドガス噴射ノズルを溶融池に近づけた配置でレーザ溶接作業を行うことになる。

シールドガス噴射ノズルを介して母材等に照射したレーザ光は、母材等によって反射されてシールドガス噴射ノズル部に戻ってくる。そのため、シールドガス噴射ノズルを溶融池に近づけた配置構成にすると、このときの反射光の影響が大きくなるため、溶接ヘッド（シールドガス噴射ノズルを含む）が、溶融・変形・欠損などによって損傷してしまうことを防止しなければならないという課題が生じる。

本発明に係る実施形態では、上述した課題を解決するために、反射光による影響の低減を図ることのできるレーザ溶接ヘッドの提供を目的としている。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係るレーザ溶接ヘッドでは、施工面にレーザ光を照射するとともに、シールドガスを供給するシールドガス噴射ノズルと、前記施工面に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給ノズルとを備えたレーザ溶接ヘッドにおいて、前記シールドガス噴射ノズル及び前記溶接ワイヤ供給ノズルを超硬合金もしくはセラミックで構成し、前記シールドガス噴射ノズル及び前記溶接ワイヤ供給ノズルの内周面にそれぞれ形成された所望の厚さを有する高熱伝導性の第１金属部材と、前記第１金属部材に接続され、前記レーザ溶接ヘッドの基部内側端面に形成された高熱伝導性の第２金属部材を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係るレーザ溶接ヘッドでは、反射光による影響の低減を図ることができ、レーザ溶接ヘッドが、溶融・変形・欠損などによって損傷してしまうことを防止できる。

レーザ溶接ヘッドの概要を模式的に示した断面図である。（実施形態１）レーザ溶接ヘッドの概要を模式的に示した断面図である。（実施形態２）放熱フィンを設けたレーザ溶接ヘッドの概要を模式的に示した断面図である。（実施形態２）

以下、本発明に係るレーザ溶接ヘッドの実施形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、共通する部材には同一の部材符号を付与して、重複する説明は適宜省略する。

［実施形態１］
（構成）
図１を用いて実施形態１の構成を説明する。レーザ溶接ヘッド９は、その基部１２にシールドガス３を供給するシールドガス供給部４と、シールドガス３及びレーザ光５を母材の施工面１に対して照射するシールドガス噴射ノズル２と、施工面１に対して溶接ワイヤ７を供給する溶接ワイヤ供給ノズル６と、施工面１を局所的に気中空間にするためのシールドガスカバー８を有して構成されている。

このように構成されたシールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６を、融点が高い超硬合金もしくはセラミックにて構成している。超硬合金としては、タングステンカーバイト（ＷＣ）や、タングステンカーバイトとコバルト（Ｃｏ）系との合金などを用いることができる。また、セラミックとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、サイアロン、炭化ケイ素等を用いることができる。

（効果）
シールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６を超硬合金もしくはセラミックを用いて構成しておくことにより、施工面１に照射したレーザ光が施工面１より反射した場合においても、シールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６の損傷を防止することができる。そして、施工途中でのシールドガス噴射ノズル２もしくは溶接ワイヤ供給ノズル６の損傷による溶接品質の悪化を防ぐことができ、損傷による交換・段取り替えに要する作業時間を低減することができる。

［実施形態２］
図２を用いて、本発明に係るレーザ溶接ヘッドの実施形態２の構成を説明する。なお、実施形態１と同一の構成には同一の符号を付しており、重複する説明は省略する。

（構成）
実施形態２では、超硬合金もしくはセラミックで製作されたシールドガス噴射ノズル２の内周面には円筒形状をした高熱伝導性の第１金属部材１０ａが形成されており、同じく超硬合金もしくはセラミックで製作された溶接ワイヤ供給ノズル６の内周面には円筒形状をした高熱伝導性の第１金属部材１０ｂが形成されている。

また、レーザ溶接ヘッド９の基部１２における内側端面１１には、第１金属部材１０ａ、１０ｂの端部側に接続した第２金属部材１０ｃが形成されている。第１金属部材１０ａ、１０ｂ及び第２金属部材１０ｃは、熱伝導性を高めるため所望の厚さを有した構成になっている。

第２金属部材１０ｃの面には、図３に示すように放熱フィン１３を形成しておくことができる。
なお、図２に示すように、レーザ溶接ヘッド９の基部１２において、施工面１から離れた端部の面を内側端面１１と称している。

第１金属部材１０ａ、１０ｂ及び第２金属部材１０ｃとしては、銅合金、アルミニウム合金、金や銀の地金又は合金等を用いることができる。第１金属部材１０ａ、１０ｂは、シールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６を構成している超硬合金もしくはセラミックに対して、機械的に結合した構成にしたり、蒸着や溶射によって所望の厚さとなるように付着させたりしておくことができる。逆に、第１金属部材１０ａ、１０ｂ及び第２金属部材１０ｃに対して、超硬合金もしくはセラミックを溶射により付着させた構成にしておくこともできる。

（効果）
シールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６を構成している超硬合金もしくはセラミックの内面に第１金属部材１０ａ、１０ｂを形成しておくことにより、レーザ反射光によってシールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６が熱の影響を受けたとしても、第１金属部材１０ａ、１０ｂを介して熱を外部に逃がすことができる。しかも、第１金属部材１０ａ、１０ｂの端部は、第２金属部材１０ｃに接続しているので、放熱効果を高めている。

しかも、第１金属部材１０ａ、１０ｂ及び第２金属部材１０ｃとしては、所望の厚さを有しているので、第１金属部材１０ａ、１０ｂ及び第２金属部材１０ｃを薄板とした場合に比べて熱の伝達性を大幅に向上させることができる。また、第２金属部材１０ｃに放熱フィン１３を設けておくことにより、放熱効果をより一層高めることができる。

このように、シールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６に生じた熱の影響を、第１金属部材１０ａ、１０ｂを介して外部に逃がすと共に、第２金属部材１０ｃを介して外部に放熱させることができるので、シールドガス噴射ノズル２及び溶接ワイヤ供給ノズル６の温度が上昇して損傷するのを防止できる。

以上、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、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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。

１…施工面、２…シールドガス噴射ノズル、３…シールドガス、４…シールドガス供給部、５…レーザ光、６…溶接ワイヤ供給ノズル、７…溶接ワイヤ、８…シールドガスカバー、９…レーザ溶接ヘッド、１０ａ、１０ｂ…第１金属部材、１０ｃ…第２金属部材、１１…内側端面、１２…基部、１３…放熱フィン

Claims

施工面にレーザ光を照射するとともに、シールドガスを供給するシールドガス噴射ノズルと、前記施工面に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給ノズルとを備えたレーザ溶接ヘッドにおいて、
前記シールドガス噴射ノズル及び前記溶接ワイヤ供給ノズルを超硬合金もしくはセラミックで構成し、
前記シールドガス噴射ノズル及び前記溶接ワイヤ供給ノズルの内周面にそれぞれ形成された所望の厚さを有する高熱伝導性の第１金属部材と、前記第１金属部材に接続され、前記レーザ溶接ヘッドの基部内側端面に形成された高熱伝導性の第２金属部材を備えることを特徴とするレーザ溶接ヘッド。
前記第２金属部材に放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接ヘッド。
前記超硬合金は、タングステンカーバイト又はタングステンカーバイトとコバルト系との合金であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接ヘッド。
前記セラミックは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、サイアロン、炭化珪素の何れかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ溶接ヘッド。
前記第１金属部材及び第２金属部材は、銅合金、アルミニウム合金、金や銀の地金又は合金の何れかであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザ溶接ヘッド。