JPH05508808A - 管のレーザ溶接装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 管のレーザ溶接装置および方法 本発明は管内に導入可能なプローブを用いて管内周に沿って管をレーザ溶接する ための装置および方法に関する。

管内に導入可能なプローブを用いて管をレーザ溶接するための装置は例えばヨー ロッパ特許出願公開第０３００４５８号公報によって公知である。この公開公報 に記載されたプローブは光導波路を介してＮｄ　：ＹＡＧ固体レーザに接続され ている。プローブの内部において光導波路の一端部から出射したレーザ光は複数 のレンズから構成されたレンズ系および転向ミラーを通ってプローブの外部に位 置する僑点へ集束される。転向ミラーはプローブの長手軸線に対して４５°の角 度で傾斜しており、レンズ系によって集束されてプローブの内部においてレンズ 系と転向ミラーとの間を伝播するレーザ光線を９０°転向させる。転向したレー ザ光線はプローブの容器内に半径方向へ配置された円筒状出射口を通ってプロー ブから出射する。従って、溶接すべき管の内表面上に集束されるレーザ光線は出 射口に直接向かい合って平均的に内表面に垂直に当たる。

従って、この公知の装置においては、管の内表面に当たるレーザ光線束の主要部 分はそれ自体の内部へ従ってプローブの内部へ反射されて戻る。このことにより プローブの内部に配置された光学要素の熱負荷が増大する。レーザ光線の出射口 は溶接部位に直接向かい合っているので、溶接蒸気または溶接プラズマおよび特 にパルス状レーザを使用する際には溶融体から飛散する滴が転向ミラー上および 出射口のところに沈積し、プローブの寿命が著しく短縮する。

そこで、本発明の課題は、プローブ内に配置された光学要素の熱負荷および転向 ミラー上および出射口の領域内への溶接蒸気の沈積が大幅に減少するような、管 内に導入可能なプローブを用いて管内周に沿って管をレーザ溶接するための装置 および方法を提供することにある。

上述の課題は本発明によればそれぞれ請求の範囲第１項および第１６項に記載の 特徴により解決される。プローブの内部において主としてその長手軸線に沿って 伝播するレーザ光線束を集束および転向させるために、プローブの外部に位置す る焦点に集束され伝播方向が前記長手軸線に対して斜めに同くレーデ光線束を生 成する少なくとも１つの結像素子が設けられるので、溶接個所に当たるレーザ光 線がプローブの内部へ反射して戻るのが実際上回避される。結像素子とはこの場 合にはレーザ光線の伝播方向を変えることができる光学素子、例えば平面鏡、凹 面鏡またはレンズを意味する。管の内表面から反射したレーザ光線はその反射に 基づいてプローブの外被だけに当たるが、この外被は熱負荷に感応しない、さら に転向したレーザ光線束を斜めに出射させることによって、出射口が溶接部位に 直接向かい合って存在しなければならないことが回避され、それゆえ出射口の領 域内および結像素子上への溶接１気の沈積が減少する。

本発明の優れた実施態様によれば、プローブヘッドに対して斜めに前方へ同けて 転向されたレーザ光線束を生成する結像素子が設けられる。

転向したレーザ光線がプローブの長手軸線に対して形成する傾斜角度は特に６０ °〜８０°の大きさである。これによって、レーザ光の出射口が大きくてもプロ ーブの内部ヘレーザ光が反射されて戻るのが実際上回避される。

本発明の特に優れた実施Ｂ捧によれば、プローブ内には、集束されたレーザ光線 を転向するために、表面法線がプローブの長手軸線に対して４５゛以上、特に５ ０°〜６０”の大きさの角度を形成する平面状ミラー面を有する転向ミラーが設 けられる。

本発明の他の実施態様によれば、平均的にプローブの長手軸線に沿って伝播する レーザ光線を集束および転向させるために凹蘭状転向ミラーが設けられる。これ によって転向ミラーに当たるレーザ光線束の断面積は平面状転向ミラーを備えた 実施例に比較して増大する。単位面積当たりに転向ミラーに与えられる光線量、 従って同様に転向ミラーの局部加熱がそれによって減少する。

本発明の他の優れた実施Ｍ樟によれば、先導波路を介してレーザに光学的に結合 されたプローブにおける結像系の結像特性を改善するために、先導波路の端部と 凹面状転向ミラーとの間には光導波路から出射したレーザ光線束をコリメートす るための手段が設けられる。

特に高熱伝導率を育する材料、好適には特に１ｉｉ（Ｃｕ）から成る転向ミラー が設けられる。

このような措置を施すことによって、転向ミラーの熱負荷がより一層減少し、従 つて反射膜の有効寿命が高まる。

本発明の優れた実施態様によれば、転向したレーザ光線束をプローブから出射さ せるために出射口が設けられ、この出射口は出射口から流出した保護ガス流に軸 線方向に向く流れ成分を与える。

転向ミラー上への蒸発した溶接材料の沈積は、本発明の他の実施態様によれば、 プローブの内部を流動する保護ガス流から出射口のところで部分ガス流を分流さ せてプローブの内部に位置する管路を遭って案内する手段が設けられることによ ってさらに減らされる。

特に管路は転向ミラーに形成されて出射口に直接向かい合っている切欠内へ開口 する。

さらに、本発明の他の有利な寛施！ｆ１楢によれば、プローブ内には、プローブ の内部において転向ミラーの方向へ流れる保護ガスの一部分を転向ミラーへ到達 する前に分流させかつ軸線方向の流れ成分でもってプローブの外表面へ案内する 流れ管路が設けられる。これによってプローブと管との間にはプローブ上および 転向ミラー上への溶接算気の沈積を補助的に減少させる軸線方向の保護ガス流が 生じる０本発明の１つの優れた実施態様によれば、画部分ガス流の流量比を調整 するための手段が設けられる。

管内へ導入可能なプローブを用いて管内周に沿って管をレーザ溶接する方法にお いては、プローブの内部において主としてその長手軸線に沿って伝播するレーザ 光線束がプローブの長手軸線に対して斜めに転向され、管の内周の一個所に集束 される。

特に溶接部位は、転向されかつ集束されたレーザ光線束用の出射口から軸線方向 へ離れるように向く流れ成分を有する保護ガス流を与えられる。

本発明による方法の他の優れた実施！ＩＡ＃Ｉによれば、プローブの内部を出射 口へ向けて流れる保護ガス流の一部分は出射口へ到達する前に分流され、軸線方 向の流れ成分でもって管とプローブとの間に存在する空所内へ導かれる。

プローブの内部を出射口へ向けて流れる保護ガス流から、プローブの内部におい て出射口のところで軸線方間へ向く流れ成分を有する別の部分ガス流を分流させ ることによって、転向ミラー上へ溶接材料が沈積するのがさらに減少する。

本発明による他の有利な実施１１様によれば、ＣＷ方式で動作する固体レーザが 使用される。これによって溶接溶融体から滴が飛散するのが回避される。

次に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図４は管内に挿入された本発明によるプローブの拡大縦断面図である。

図２、ｒｊ！Ｊ１３および図４は転向装置の領域におけるプローブのそれぞれ異 なった実施例の拡大断面図である。

１ｆｆｌｌによれば、本発明によるプローブｌは心出しユニット２と、転向ユニ ット４と、集束ユニット６と、駆動ユニット８とを含んでおり、これらはプロー ブ１の長手軸線１０に沿って前後に配置されている。プローブ１は加工すべき管 １２内に導入され、転向ユニット４を含むそのヘッド部が管１２内に導入されて この管１２に溶接されるべきスリーブ管１４の内部に突入している。

心出しユニット２は軸２１を含んでおり、この軸２１はプローブ１のヘッド側端 部のところに玉軸受２２によって転向ユニット４に回転可能に支持されかつ袋ナ ツト２３によって軸線方向に固定されている。心出しユニット２は少なくとも３ 個のローラ２４を含んでおり（但し図にはそのうち２個のローラしか示されてい ない）、これらのローラは２個のリンク２５を有する回転継手機構によってそれ ぞれ弾性的に支持されている０両リンク２５は二等辺三角形の辺対を形成し、ロ ーラ２４に取付けられた回転継手２６に接触している。軸２１上には両リンク２ ５が同様に回転継手２８によって移動可能に支持されている。これらの両回転継 手２８の一方は軸２１を取囲む可動フランジ２９に力結合されている。軸２１の 自由端部には別のフランジ３０が固定されている。フランジ２９とフランジ３０ との間にはコイルばね３１が配置され、それゆえローラ２６の半径方向へ内部に 向けた移動はこのコイルばね３１の作用に抗して行われる。軸２１上に配置され た間隔スリーブ２７は回転継手２６の折りたたみを阻止し、管１２内へのプロー ブ１の導入を容易にする。

転向ユニット４は転向ミラー４１が配置されている円筒状容器４０を含んでいる 。転向ミラー４１は中実の円柱状銅ブロックから構成されており、この銅ブロッ クは袋ナツト４３によって転向ミラー４１を軸線方向に固定するために使われる フランジ状拡大部４２を心出しユニット２例の端部に育している。銅ブロックは フランジ状拡大部４２とは反対側の端部にその長手軸線に対して斜めに向く端面 が形成されている。この端面ば鏡面状被膜によって覆われ、鏡面４４を形成して いる。鏡面状被膜としては例えば誘電体膜、特に窒化チタン（Ｔ　ｉ　Ｎ）また は金属膜、特に蒸着された金（Ａｕ）が設けられる０反射膜にはさらに石英製保 護膜を設けてもよい。

鏡面４４はその法線１８がプローブ１の長手軸線１０に対して４５°以上、特に ５０°〜６０°の大きさの角度β１を形成するようにプローブ１の内部に配置さ れる。平均的に長手軸線１０に沿って伝播して鏡面４４に入射するレーザ光線束 ５８は従つて斜めに前方へ向けて転向される。転向したレーザ光線束５９の中心 光線は長手軸線１０に対して６０”〜８０°の角度β２にて容器４０から出射口 ４５を通って出射する１図の例では出射口４５として長手軸線１０に対して同様 に斜めに延びる孔が設けられている。

転向ミラー４１はさらに長手軸線ｌＯに対して平行に延在している溝４６と取付 はビン４７とによって容器４０内に回動不能に取付けられている。

転向ミラー４１として中実の鰐ブロックを使用することによって、レーザ光線５ ８によるミラー面の加熱が減少し、ミラー被膜の寿命が延びる。

転向ユニット４の容器４０は転向ミラー４１とは反対側の端部のところで内周部 に歯車リム４８が設けられており、この歯車リム４８には駆動ユニット８によっ て駆動されるビニオン４９が嗜み合っている。このビニオン４９は駆動ユニット ８内に配置された電動機８１の駆動軸に結合された可撓軸５０とトルク結合され ている。電動機８１によって駆動されるビニオン４９によって容器４０が回転運 動を行わされ、それにより出射したレーザ光線５９が溶接すべきスリーブ管１４ の内壁へ当たる個所Ｆが周囲方向へ移動し、環状線を措く。

転向ユニット４と駆動ユニット８との間には集束ユニット６が配置されており、 その容器６０は駆動ユニット８の容器８０に強固に結合されている。容器６０は 中心孔６１を含んでおり、この中心孔６１内には駆動ユニット８側に先導波路６ ３を収容するためのスリーブ６２が挿入されている。光導波路６３はその自由端 部６４が孔６１内へ開口し、スリーブ６２によって軸線方向へ心出しされている 。

光導波路６３はその他端部が図示されていないレーザ、特に固体レーザ、特にＮ ｄ　：　ＹＡＣ；レーザに結合されている。

集束ユニット６の転向ミラー４１例の端部には集束素子、特にレンズ６５または レンズ系が配置され、このレンズ６５は光導波路６３の端部６４から出射した発 散レーザ光線束５７を集束する。レーザ光線束５９の焦点Ｆの位置は端部６４と レンズ６５との間の間隔を変えることによって調整することができる。

容器４０はレンズ６５の領域において容器６０と係合し、玉軸受６６および間隔 スリーブ６８によって容器６０上に回転可能に支持され、この容器６０に力結合 されている。ビニオン４９が回転すると、転向ミラー４Ｌを担持している容器４ ０だけが回転運動を行う、レンズ６５および光導波路６３はこの回転運動に関与 しない。

レンズ６５は容器４０の内部へ突入しており複数個の互いに力結合して回転しな い容器部材６０ａ、６０ｂ、６０ｃによって支持されている。容器部材６０ｂ５ ６０ｃは容器部材６０ｃ内に配設された流れ管路７０に孔７８ａを介して連通ず るほぼＶ字状の空所７１を形成している。この流れ管路７０はレンズ６５と光導 波路６３の自由端部６４．！：の間に存在する空所７１内へ保護ガス、例えばア ルゴンを導＜、流れ管路７０内には断面を狭くされた減圧ノズル７７が挿入され ている。流れ管路７０内において減圧ノズル７７の上方へ流れる保護ガスは孔７ ８ａを遣って空所７エ内へ流入し、容器部材６０ｂの孔７８ｂを通って空所７１ を流出して、環状管路７９内へ流入し、そこからレンズ６５と転向ミラー４１と の間に存在する空所７２内へ到達する。

このようにしてレンズ６５の周囲を流れて転向ミラー４１の傍を這って流れる保 護ガスは出射口４５を通ってプローブから流出する。これによって溶接個所に保 護ガスが吹付けられると共に、さらにレーザ光線５７．５８を与えられる結像素 子の冷却が行われる。さらに外部へ流出する保護ガスによ、て転向ミラー４１上 へ溶接著気が沈積するのが防止される。

出射口４５は図の例では容器４０の壁内に斜めに前方へ向けられた孔によって形 成されている。これによって出射口４５を通って流れる保護ガスはさらに出射口 ４５の領域から溶接茶気を排出するのを助成する軸線方向の流れ成分を与えられ る。

流れ管路７０はさらに半径方向に分岐している流れ管路７３に連通しており、こ の流れ管路７３は容器６０の環状溝７４を取囲むスリーブ７５内へ開口している 。このスリーブ７５はプローブ１の鍔状拡大部を形成している。プローブ１の長 手軸線１０に対して平行にスリーブ７５には環状溝７４に連通ずる多数の孔７６ が設けられている。横方向管路７３によって、駆動ユニット８から出発して流れ 管路７０内へ流入する保護ガス流から半径方向の部分ガスが分流され、この部分 ガスは環状溝７４内においてＩＩｋｗＡ方向へ転向し、スリーブ７５の転向ユニ ット４倒の端面で管１２にプローブ１の外被との間に存在する管路内へ流入する 。これによって溶接個所の領域に有効な保護ガス雰囲気を特待することが保証さ れる。

さらに溶融の際に発生する溶接茶気は軸線方向波によって溶接個所から効果的に 排出され、溶接著気がプローブ１の内部へ沈積する危険が減少する。

プローブ１の内部において転向ミラー４１へ向けて流れる保護ガス流と半径方向 へ外部へ向けて排出される保護ガス流との間の濱量比を調整するために、流れ管 路７０内に挿入された減圧ノズル７７が設けられている。

駆動ユニット８の容器８０は図示されていない移動ホースを収容するために集束 ユニット６とは反対側の端部に設けられている。なおこの移動ホースによって保 護ガスがプローブへ輸送され、この移動ホースは先導波ｌｌ６３と電動機８１に 給電するために必要であるリード線８２とを収容する。

図２の実施例において２．ま、転向ミラー４１にはフランジ状拡大部４２から出 発して転向ミラー４１の内部へ案内されている中心孔５１が設けられており、こ の中心孔５１は斜めに外部へ向けて延びて出射口４５の領域のミラー面４４のと ころで切欠５６内へ通じる孔５２に連通している。フランジ状拡大部４２には袋 ナツト４３側の端面に多数の半径方向溝５４が設けられている。この半径方向溝 ５４は中心孔５１と袋ナツト４３の内部において斜めに外部へ向けて延びる孔５ ５とを連通ずる。

容器４０の内部において転向ミラー４１に沿って流動する保護ガス流は従って出 射口４５を遭ってこの容器４０から流出する前にもう一度分流する。この部分ガ ス流は孔５２を通って転向ミラー４１の孔５１内へ到達し、そして袋ナツト４３ 内の孔５５を通ってプローブ１から流出する。転向ミラー４１の内部におけるこ のガス流によって転向ミラー４１の冷却が改善され、その寿命が延びる。

出射口４５と切欠５６とは直接つながっており、それゆえ保護ガスの流れに関係 しないデッドスペースの形成が回避される。転向ミラー４１と出射口４５が配設 されている容器壁との間に形成されるこのようなプントスペースによって渦流が 発生し、それによりミラー面４４上への溶接材料の沈積が多くなる。

図からさらに明らかなように、プローブ１から出射した１ノ−ザ光線束５９は管 １４の内表面に対して斜めに焦点Ｆに入射する７、、焦点Ｆから出て管１４の内 表面上に直立する法線１６とレーザ光線束５９の中心光線とは特に１０”〜３０ ゜の大きさの角度β３を形成する。

図３の実施例においては、転向ユニット４内にはミラー面１４４が凹面状に湾曲 している転向ミラー１４１が設けられている。転向ミラー１４１はこの実施例に おいてはプローブの内部を伝播するレーザ光線束５８を転向させるためおよびこ のレーザ光線束５８をプローブ１の外部に位置する焦点Ｆへ集束させるために使 われる。この実施例においては、光導波路から出射したレーザ光線を集束させる ためのレンズ装置はもはや必要ではない。

図４によれば、凹面状転向ミラー１４１ａの前には先導波路６３から出射したレ ーザ光線束５７を平行束５８ａにコリメートするコリメータレンズ６５ａが配置 されている。なおその平行束５８ａは転向ミラー１４１ａによって集束されて転 向される。これによって転向ミラー１４１ａからの焦点Ｆの距離が等しい場合に は光導波路６３と転向ミラー１４１ａとの間の間隔を大きくすることが可能とな る。

ＩＧ　２ 要約書 管（１４）内に導入可能なプローブ（１）を用いて管内周に沿って管〔１４）を レーザ溶接するための装置は、プローブ（１）の内部において主としてその長手 軸線（１０）に沿って伝播するレーザ光線束（５７）を集束および転向させるた めに、プローブ（１）の外部に位置する無点（Ｆ）に集束されて転向され伝播方 向が前記長手軸線（ｌＯ）に対して斜めに向くレーザ光線束（５９）を生成する 少なくとも１つの結像素子（４１，６５）を含む、これによってプローブ（１） の内部に配置された結像素子（４１，６５）の熱負荷とプローブ（１）の内部へ の溶接材料の沈積とが減少する。

図１ 国Ｒ１１４査報告 −１．−＾１．ｋ１１．嚇ＰＣＴ／ＤＥ　９１１００５９７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．管（１２、１４）内に導入可能なプローブ（１）を用いて管内周に沿って管 （１２、１４）をレーザ溶接するために、プローブ（１）はこのプローブ（１） の内部において主としてその長手軸線（１０）に沿って伝播するレーザ光線束（ ５７）を集束および転向させるために、プローブ（１）の外部に位置する焦点（ Ｆ）に集束されて転向され伝播方向が前記長手軸線（１０）に対して斜めに向く レーザ光線束（５９）を生成する少なくとも１つの結像素子（４１、６５）を含 むことを特徴とする管のレーザ溶接装置。 ２．転向したレーザ光線束（５９）の中心光線が長手軸線（１０）に対して形成 する傾斜角（β２）は６０°〜８０°の大きさであることを特徴とする請求項１ 記載の装置。 ３．プローブ（１）は少なくとも１つのレンズ（６５）を備えた集束ユニット（ ６）と、平面状ミラー面（４４）を有する転向ミラー（４１）を備えた転向ユニ ット（４）とを含み、ミラー面（４４）の表面法線（１８）はプローブ（１）の 長手軸線（１０）に対して４５°以上の角皮（β１）を形成することを特徴とす る請求項１記載の装置。 ４．角度（β１）は５０°〜６０°の大きさであることを特徴とする請求項３記 載の装置。 ５．プローブ（１）はレーザ光線束（５７）の集束および転向のために設けられ た凹面状転向ミラー（１４１）を含むことを特徴とする請求項１または２記載の 装置。 ６．光導波路（６３）を介してレーザに光学的に結合されたプローブ（１）にお いて、光導波路（６３）の端部（６４）と凹面状転向ミラー（１４１）との間に 、光導波路（６３）から出射したレーザ光線束（５７）をコリメートするための 手段が設けられることを特徴とする請求項５記載の装置。 ７．転向ミラー（４１、１４１）は高熱伝導率の材料から構成されることを特徴 とする請求項３ないし６の１つに記載の装置。 ８．転向ミラー（４１もしくは１４１）のミラー表面（４４、１４４）には金（ Ａｕ）が蒸着されることを特徴とする請求項７記載の装置。 ９．転向したレーザ光線束（５９）をプローブ（１）から出射させるために出射 口（４５〕が設けられ、この出射口（４５）はそこから流出する保護ガス流に軸 線方向へ向いた流れ成分を与えることを特徴とする請求項１ないし８の１つに記 載の装置。 １０．プローブ（１）の内部を流動する保護ガス流から出射口（４５）のところ で部分ガス流を分流させかつプローブ（１）の内部に位置する管路（５３、５４ 、５５）を通って案内する手段が設けられることを特徴とする請求項９記載の装 置。 １１．管路（５３、５４、５５）は転向ミラー（４１、１４１）に形成されて出 射口（４５）に直接向かい合っている切欠（５６）内へ開口することを特徴とす る請求項１０記載の装置。 １２．プローブ（１）内には、プローブ（１）の内部において転向ミラー（４１ 、１４１）の方向へ流れる保護ガスの一部分を転向ミラー（４１、１４１）へ到 達する前に分流させかつ軸線方向の流れ成分でもってプローブ（１）の外表面へ 案内する流れ管路（７３、７４、７５）が設けられることを特徴とする請求項１ ないし１１の１つに記載の装置。 １３．プローブ（１）の内部には両部分ガス流の流量比を調整するための手段（ ７７）が設けられることを特徴とする請求項１２記載の装置。 １４．部分ガス流用の流れ管路（７０）内には減圧ノズル（７７）が設けられる ことを特徴とする請求項１３記載の装置。 １５．外部へ向けて分流した部分ガス流を案内するためにプローブ（１）を取囲 むスリーブ（７５）が設けられ、このスリーブ（７５）はその内表面に環状溝（ ７４）を備え、この環状溝内にはプローブ（１）内を延びている部分ガス流用の 流れ管路（７３）が開口し、かつこの環状溝はプローブ（１）のヘッド側のスリ ーブ（７５）端面から環状溝（７４）まで延びる軸線方向孔（７６）を備えるこ とを特徴とする請求項１２ないし１４の１つに記載の装置。 １６．管（１２、１４）内に導入可能なプローブ（１）を用いて管内周に沿って 管（１２、１４）をレーザ溶接するために、プローブの内部において主としてそ の長手軸線に沿って伝播するレーザ光線束（５７）がプローブ（１）の長手軸線 （１０）に対して斜めに転向され、管（１４）の内周の一個所に集束されること を特徴とする管のレーザ溶接方法。 １７．溶接部位は、転向されかつ集束されたレーザ光線束（５９）用の出射口（ ４５）から軸線方向へ離れるように向く流れ成分を有する保護ガス流を与えられ ることを特徴とする請求項１６記載の方法。 １８．プローブ（１）の内部を出射口（４５）へ向けて流れる保護ガス流の一部 分は出射口（４５）へ到達する前に分流され、軸線方向流れ成分でもって管（１ ４）とプローブ（１）との間に存在する空所内へ導かれることを特徴とする請求 項１７記載の方法。 １９．プローブ（１）の内部を出射口（４５）へ向けて流れる保護ガス流から、 プローブ（１）の内部において出射口（４５）のところで、軸線方向へ向く流れ 成分を有する別の部分ガス流が分流されて、プローブ（１）の内部を流れること を特徴とする請求項１６ないし１８の１つに記載の方法。 ２０．ＣＷ方式で動作する固定レーザが使用されることを特徴とする請求項１６ ないし１９の１つに記載の方法。