JPH05509040A - 管のレーザ溶接装置および方法 - Google Patents

管のレーザ溶接装置および方法

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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先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 する焦点へ集束される。転向ミラーはプローブの長手軸線に対して45°の角変 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6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。プローブはさらに保護ガス用の流れ管路が設けられており、この 流れ管路はプローブの容器壁内を通って出射口内へ開口し、そして転向ミラーと 溶接部位との間の空間内へ流出する。
従って、この公知の装置においては、溶接個所に直に向かい合う保護ガス流はプ ローブの内部へ向けられた部分ガス流と溶接個所へ向けられた部分ガス流とに分 割される。このことにより出射口の開城には渦流が形成され、それゆえ溶接墓気 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、転向ミラー上および出射口の領域内への溶接痕気の沈 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!および方法を捷供することにある。
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1J16項に記載 の特徴により解決される0本発明による管内へ導入可能なプローブは、a)10 −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の少なくとも1つの結像素子と、b)結像素子によって作 られて転向して集束されたレーザ光線束をプローブから流出させる出射口と、 C)プローブの内部に配置され、少なくとも一部分が出射口を通って流出する保 護ガス流を出射口まで案内する手段と、d)プローブの内部を流動する保護ガス 流の一部分を出射口に到達する前に分流可能でありかつ出射口へ向けられた軸線 方向の流れ成分でもってプローブの外表面へ案内可能である手段と、 を含む。
これによってプローブの外壁と管の内周との間には軸線方向へ向く流れが生じ、 この流れによって、溶接溶融体から飛散した溶接材料は迅速に出射口の領域から プローブのヘッド方向へ導かれるようになる。これによって出射口の領域内およ び結像素子上への溶接莫気の沈積が減少する。
本発明の優れた実施M樟によれば、プローブの内部に画部分ガス流の流量比を調 整するための手段、特に部分ガス流用の流れ管路内に配置された減圧ノズルが設 けられる。
本発明の育利な実施g櫂によれば、外部へ向けて分流された部分ガス流を案内す るためにプローブを取囲むスリーブが設けられ、このスリーブはその内表面に環 状溝が形成され、この環状溝内にはプローブ内を延びる部分ガス流用流れ管路が 開口する。スリーブはプローブのヘッド側のスリーブ端面から環状溝まで延びる 軸線方向孔が設けられる。これによって、プローブと管との間に存在する空所内 に特に均一な軸線方向の保護ガス流が生じる。
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通って 案内する手段が設けられ、これによって転向ミラー上への葵発した溶接材料の沈 積がより一層減少する。
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。
本発明の他の有利な実施IJ様によれば、結像素子が設けられ、この結像素子は プローブの外部に位置する焦点に集束して転向されかつ伝播方向が長手軸線に対 して斜めに向けられたレーザ光線束を生成する。この場合結像素子とは、レーザ 光線の伝播方向を変えることができる光学要素、例えば平面鏡、湾曲表面を備え たミラーまたはレンズを意味する。
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 接向かい合わなければならないことが回避され、それにより出射口の領域および プローブの内部への溶接庫気の沈積が減少する。
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I頃斜角は好適には 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 レーザ光がプローブの内部へ反射されて戻されることが実際上回避される。
本発明の優れた寞施B様によれば、プローブ内には、集束されたレーザ光線を転 向させるために平面状ミラー面を有しその表面法線がプローブの長手軸線に対し て45゛以上、特に50’ 〜60°の大きさの角度を形成する転向ミラーが設 けられる。
本発明の他の実施U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面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 た実施例に比べて増大する。単位面積当たりに転向ミラーに入射する光線量、従 って転向ミラーの局部加勢がそれによって減少する。
本発明の他の優れた実施tIl様によれば、結像系の結像特性を改善するために 、光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いて、光導波路の 端部と凹面状転向ミラーとの間に、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。
特に高勢伝導率の材料、特に!1icuから構成された転向ミラーが設けられる 。
このような措!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 って反射膜の盲動寿命がさらに高まる。
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する保護ガス流に軸 線方向へ向いた流れ成分を与える。
本発明による管をその内周に沿ってレーザ溶接するための方法は以下の特徴、る レーザ光線束から、転向されかつ管の内周の一個所へ集束されるレーザ光線束を 生成し、 b)レーザ光線束は出射口を通ってプローブから出射し、C)プローブにはその 内部において出射口の方向へ流れる保護ガス流が供給され、 d)保護ガス流の一部分は出射口を通って流出し、e)保護ガス流の他の部分は 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、という特徴ををする。
プローブの内部を出射口へ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、軸線方向に向けられた流れ成分を有する別の部分ガス流が分流さ れて、プローブの内部を流れるようにすることによって、転向ミラー上への溶接 材料の沈積がより一層減少する。
方法に関する本発明の優れた実施amによれば、レーザ光線束はプローブの長手 軸線に対して斜めに転向される。
方法に関する本発明の他の有利な実施1!IJIによれば、CW方式で動作する 固定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1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、図3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。
図1によれば、本発明によるプローブ1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lの 長手軸線10に沿って前後に配置されている。プローブl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lのヘッド側の 端部に玉軸受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2 3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2 4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25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。これらの再回転継手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!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0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側の端部に有している。i*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。*面状被嘆としては例えば誘電体膜、特に窒化チタン(TiN)穿たば 金属膜、特に厚着された金(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は従っ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0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10に対して平行に延在している溝46と取付 はピン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として中実の銅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ことろで内周部 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 て駆動されるピLオン49が噛み合っている。このピニオン49は駆動ユニット 8内に配!された電動1181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ピニオン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*59が溶接すべきスリーブ管1 4の内壁へ当たる個所Fが周囲方向へ移動し、環状線を描X。
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。先導波路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 。
先導波路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側の#1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。ビニすン49が回転すると、転向ミラー41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60b、 60cは容器部材60c内に配設された流れ管路70に孔T8a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との間に存在する空所71内へ保護ガス、例えばアルゴ ンを導く、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。fL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78 aを通って空所71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、そしてそこからレンズ65と転向ミラー4 1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の傍を通って流れる保 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って転向ミラー41上 へ溶接襄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の領域から溶接蒸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360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lO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内において軸線方向へ転向し、転向ユニット4側にあるスリー ブ75の端面で管12とプローブ】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維持することが保証され る。さらに溶融の際に発生する溶接蒸気は軸線方向流によって溶接個所から効果 的に排出され、溶接蒸気がプローブ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流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、そしてこの移動ホースは光導波路63と電動機8 1に給電するために必要であるり−F線82とを収容する。
図2の実施例においては、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は袋ナツト 43例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と袋ナンド43の内部において斜めに外部へ向けて延びる孔55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を通ってこの容器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デッド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から出射したレーザ光線束59は管1 4の内表面に対して斜めに焦点Fに入射する。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5日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l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、先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の前には光導波路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 には先導波路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。
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)の内部に配置され、プローブ(1 )の内部を流れる保護ガス流の一部分を集束かつ転向されたレーザ光線束(59 )用の出射口(45)に到達する前に分流して出射口(45)へ向けられた軸線 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手段(73〜76) を含む、これによって、出射口(45)の領域およびプローブ(1)の内部への 溶接材料の沈積が減少する。
図1 国際調査報告

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 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、a)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 び転向させるための少なくとも1つの結像素子(41、65)と、 b)結像素子(41、65)によって作られて転向されて集束されたレーザ光線 束(59)をプローブ(1)から流出させる出射口(45)と、c)プローブ( 1)の内部に配置され、少なくとも一部分が出射口(45)を通って流出する保 護ガス流を出射口まで実内する手段(70、78a、78b、79)と、 d)プローブ(1)の内部を流動する保護ガス流の一部分を出射口(45)に到 達する前に分流可能でありかつ出射口(45)へ向けられた軸線方向の流れ成分 でもってプローブ(1)の外表面へ案内可能である手段(73、74、76)と 、 を備えることを特徴とする管のレーザ溶接装置。
  2. 2.プローブ(1)の内部に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1記載の装置。
  3. 3.部分ガス流用の流れ管路(70)内に減圧ノズル(77)が設けられること を特徴とする請求項2記載の装置。
  4. 4.外部へ向けて分流された部分ガス流を実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、このスリーブはその内表面に環状溝(74)が 形成され、この環状構内にはプローブ(1)内を延びる部分ガス流用流れ管路( 73)が開口し、前記スリーブはプローブ(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)が設けられることを特徴 とする請求項1ないし3の1つに記載の装置。
  5. 5.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て、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1ないし4の 1つに記載の装置。
  6. 6.管路(53、54、55)は転向ミラー(41、141)に形放されて出射 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5記載の装置。
  7. 7.プローブ(1)の外部に位置する焦点(F)に集束して転向され伝播方向が 長手軸線(10)に対して斜めに向けられたレーザ光線束(59)を生放する結 像素子(41、65)が設けられることを特徴とする請求項1ないし6の1つに 記載の装置。
  8. 8.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)は平均的に60°〜80°の大きさであることを特徴とする 請求項7記載の装置。
  9. 9.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°以上の角度(β1)を形成することを特徴とす る請求項9記載の装置。
  10. 10.角度(β1)は50°〜60°の大きさであることを特徴とする請求項7 記載の装置。
  11. 11.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7または8記載 の装置。
  12. 12.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11記載の装置。
  13. 13.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9ないし12の1つに記載の装置。
  14. 14.転向ミラー(41もしくは141)のミラー表面(44、144)は金( Au)が蒸着されることを特徴とする請求項13記載の装置。
  15. 15.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)は出射口(45)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7ないし 14の1つに記載の装置。
  16. 16.管(12、14)をその内周に沿ってレーザ溶接するために、a)管(1 2、14)内へ導入可能なプローブ(1)の内部において主としてその軸線方向 へ伝播するレーザ光線束(57)から、転向されかつ管(14)の内周の一個所 へ集束されるレーザ光線束(59)を生成し、b)レーザ光線束(59)は出射 口(45)を通ってプローブ(1)から出射し、 c)プローブ(1)にはその内部において出射口(45)の方向へ流れる保護ガ ス流が供給され、 d)保護ガス流の一部分は出射口(45)を通って流出し、e)保護ガス流の他 の部分は出射口(45)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(12、14)とプローブ(1)との間に存在する空所内へ導かれる、 ニとを特徴とする管のレーザ溶接方法。
  17. 17.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、軸線方向に向けられ た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記載の方法。
  18. 18.レーザ光線束(57)はプローブ(1)の長手軸線(10)に対して斜め に転向されることを特徴とする請求項16または17に記載の方法。
  19. 19.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18の1つに記載の方法。
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