JPH0966382A - レーザ照射トーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザクラッド工法により形成されるビード
の幅を広くし且つビードの溶け込みを適切な状態にさせ
る。 【解決手段】 ２基のＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９
ｂからそれぞれ発振されるレーザ光５，５を別箇に導光
する光ファイバ２８ａ，２８ｂと、光ファイバ２８ａ，
２８ｂより出射されるレーザ光５，５を集光する集光レ
ンズ２２ａ，２２ｂと、集光レンズ２２ａ，２２ｂによ
り集光されるレーザ光５，５を管材３の凹損部２５に塗
布したペースト状金属粉末２６に向って反射する反射ミ
ラー２３とを備え、反射ミラー２３から出射されるレー
ザ光５，５のビーム断面の一部分がペースト状金属粉末
２６の表面において重なり合うように、光ファイバ２８
ａ，２８ｂの先端部の相対位置を設定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ照射トーチ、
特にレーザクラッド工法に適用するレーザ照射トーチに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、配管等の管材の内面に生じた腐食
等に起因する凹損部を補修する手段として、レーザクラ
ッド工法が実施されている。

【０００３】図７は、レーザクラッド工法に用いるレー
ザ照射トーチの一例を示すもので、１は中空構造の芯出
し金具であり、芯出し金具１の内部には、その一端Ａ側
端部から他端Ｂ側端部の外方へ延びる光ファイバ２が挿
通されており、該光ファイバ２の基端部には、レーザ光
５を発振するＹＡＧレーザ発振器２７が接続されるよう
になっている。

【０００４】芯出し金具１の一端Ａ側端部には、内面を
補修すべき配管等の管材３に挿入可能なフランジ４が設
けられ、芯出し金具１の他端Ｂ側端部には、前記の光フ
ァイバ２によって搬送されてきたレーザ光５を外部へ出
射させるためのレーザ出射口６が形成されている。

【０００５】また、芯出し金具１のフランジ４の他端Ｂ
側寄りの部分には、筒状のスペーサ７が遊嵌され、該ス
ペーサ７の一端Ａ側寄りの部分には、ベアリング９を介
して保持部材８が回転可能に外嵌されている。

【０００６】１０はモータ支持部材であり、該モータ支
持部材１０は、前記のスペーサ７の外側面の他端Ｂ側寄
りの部分に、ベアリング１１を介して回転可能に支持さ
れている。

【０００７】このモータ支持部材１０と先に述べたフラ
ンジ４及び保持部材８とは、ロッド２４によって一体的
に連結されている。

【０００８】１２はスパーギヤであり、該スパーギヤ１
２は、前記のスペーサ７の他端Ｂ側端部に同軸に固着さ
れている。

【０００９】１３は回転用サーボモータであり、該回転
用サーボモータ１３は、その出力軸１５が前記の芯出し
金具１と平行になるようにモータ支持部材１０に固定さ
れている。

【００１０】また、回転用サーボモータ１３の出力軸１
５には、前記のスパーギヤ１２と噛合するようにピニオ
ンギヤ１４が取り付けられている。

【００１１】１６は回転筒であり、該回転筒１６は、前
記の芯出し金具１の他端Ｂ側端部寄りの部分に対して遊
嵌され且つ一端Ａ側端部が前記のスパーギヤ１２に締結
されており、前記の回転用サーボモータ１３の回転力
が、ピニオンギヤ１４、スパーギヤ１２を介して回転筒
１６に伝達されるようになっている。

【００１２】この回転筒１６の外周壁の他端Ｂ側端部寄
りに位置する部分には、開口１７が穿設されている。

【００１３】１８は中空構造の回転支持部材であり、該
回転支持部材１８は、前記の回転筒１６の内部に同軸に
配置され且つ芯出し金具１の他端Ｂ側端部にベアリング
１９，２０を介して回転可能に外嵌されている。

【００１４】また、回転支持部材１８の一端Ａ側端部
は、前記回転筒１６に対して固定されており、回転支持
部材１８は、芯出し金具１を中心として回転筒１６とと
もに周方向に回転し得るようになっている。

【００１５】２１は集光筒であり、該集光筒２１は、前
記の回転筒１６の内部に同軸に配置され且つ回転支持部
材１８の他端Ｂ側端部に固着されており、集光筒２１の
内部には、前記のレーザ出射口６から出射されるレーザ
光５を集光する集光レンズ２２ａ，２２ｂが配置されて
いる。

【００１６】２３は反射ミラーであり、該反射ミラー２
３は、上記の集光レンズ２２ａ，２２ｂによって集光さ
れるレーザ光５を反射して開口１７から外部へ向って出
射するように、前記の回転筒１６の内部の他端Ｂ側端部
寄りの部分に配置されている。

【００１７】なお、図中、２６はクロム、ニッケル、
鉄、モリブデンのペースト状金属粉末であり、該ペース
ト状金属粉末２６は、腐食等に起因する凹損部２５を被
覆するように管材３の内面に塗布されている。

【００１８】以下、図７に示すレーザ照射トーチを用い
て管材３の内面に生じた凹損部２５を発見補修する手順
を説明する。

【００１９】光ファイバ２の基端部にテレビカメラ（図
示せず）と照明用ランプ（図示せず）とを接続したう
え、レーザ照射トーチを管材３にその双方の軸心が一致
するように挿入する。

【００２０】次いで、前記の照明用ランプを点灯させた
うえ、テレビカメラを作動させると、照明用ランプより
発せられる光が光ファイバ２、集光レンズ２２ａ，２２
ｂ、反射ミラー２３、開口１７を経て管材３の内面に照
射され、管材３の光が照射されている部分の状態が前記
のテレビカメラにより撮影される。

【００２１】このとき、回転用サーボモータ１３を回動
させると、出力軸１５の回動がピニオンギヤ１４、スパ
ーギヤ１２を介して回転筒１６に伝達され、該回転筒１
６が周方向に回動することにより開口１７の位置が管材
３の周方向に変位する。

【００２２】よって、テレビカメラにより管材３の内面
の状態が周方向全周にわたって撮影されることになる。

【００２３】管材３の内面を撮影することにより、該管
材３の内面に凹損部２５を発見したならば、一旦、レー
ザ照射トーチを管材３の外部へ取り出し、マニプレータ
等の遠隔操作装置を用いて前記の凹損部２５にペースト
状金属粉末２６を略均一に塗布する。

【００２４】更に、光ファイバ２の基端部にＹＡＧレー
ザ発振器２７を接続し、開口１７がペースト状金属粉末
２６を塗布した凹損部２５と対峙するように、再びレー
ザ照射トーチを管材３に挿入した後、ＹＡＧレーザ発振
器２７を作動させる。

【００２５】ＹＡＧレーザ発振器２７を作動させると、
該ＹＡＧレーザ発振器２７から発振されるレーザ光５
が、光ファイバ２、集光レンズ２２ａ，２２ｂ、反射ミ
ラー２３、開口１７を経てペースト状金属粉末２６に対
して照射され、このレーザ光５によりペースト状金属粉
末２６が溶融する。

【００２６】更に、ペースト状金属粉末２６を溶融させ
た後、ＹＡＧレーザ発振器２７の作動を停止させると、
溶融した金属が凹損部２５を覆うように管材３の内面に
一体的に凝固し、これにより凹損部２５が補修される。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図７に示す
レーザ照射トーチにおいて、ペースト状金属粉末２６の
表面におけるレーザ光５の光強度分布は、図８に実線で
示すように、照射範囲中心が高く、照射範囲中心から照
射範囲の縁部に近づくほど低くなる傾向を呈するので、
レーザ光５の照射範囲中心付近では、ペースト状金属粉
末２６が溶融するだけでなく管材３の表層部も溶融し、
図９に交差斜線で範囲を示すように、レーザ光５の光強
度分布に応じた深い溶け込みビードが形成されることに
なる。

【００２８】また、溶融したペースト状金属粉末２６が
凝固することにより形成されるビードの幅は、レーザ光
５の照射範囲に応じたものとなる。

【００２９】一方、上記のビードの幅の拡大を図るため
に、図７における集光レンズ２２ａ，２２ｂを他のもの
と置き換えてレーザ光５のビーム径を拡大したとする
と、ペースト状金属粉末２６の表面におけるレーザ光５
の光強度分布は、図８に一点鎖線で示すように、ビーム
径を拡大する前に比べて全体的に低くなり、ペースト状
金属粉末２６を充分に溶融させることができなくなる。

【００３０】また、レーザ光５のビーム径が拡大するよ
うに、集光レンズ２２ａ，２２ｂを他のものと置き換え
ることに加え、レーザ光５の出射源であるＹＡＧレーザ
発振器２７を高出力のものとした場合には、ペースト状
金属粉末２６の表面における光強度分布は、図８に破線
で示すようになり、前記のビードの幅を拡大させること
はできるが、レーザ光５の照射範囲中心付近では、ペー
スト状金属粉末２６が溶融するだけでなく管材３の表層
部も溶融し、図９に単一斜線で範囲を示すように、レー
ザ光５のビーム径を拡大する前に比べて更に深い溶け込
みビードが形成されることになる。

【００３１】本発明は上述した実情に鑑みてなしたもの
で、適切な光強度分布及び照射範囲を有するレーザ光を
照射することが可能なレーザ照射トーチを提供すること
を目的としている。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のレーザ照射装置においては、複数のレーザ
発振器からそれぞれ発振されるレーザ光を別箇に導光す
るレーザ発振器と同数の光ファイバと、各光ファイバよ
りそれぞれ出射されるレーザ光を集光する集光レンズ
と、該集光レンズにより集光されるレーザ光を照射対象
物に向って反射する反射ミラーとを備え、該反射ミラー
から出射されるレーザ光のビーム断面の一部分が照射対
象物の表面において重なり合うように、各光ファイバの
先端部の相対位置を設定している。

【００３３】本発明のレーザ照射装置では、各光ファイ
バの先端部から出射されるレーザ光をビーム断面の一部
分が重なり合うように照射対象物の表面に入射させ、照
射対象物の表面における照射範囲を広げるとともに、光
強度分布を適切な状態にする。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００３５】図１から図３は本発明のレーザ照射トーチ
の実施の形態の一例を示すものであり、図中、図７と同
一の符号を付した部分は同一物を表している。

【００３６】図１から図３に示すレーザ照射トーチにお
いては、先に述べた図７に示すレーザ照射トーチにおけ
る光ファイバ２に替えて、芯出し金具１の内部に、その
一端Ａ側端部から他端Ｂ側端部の外方へ延びる２本の光
ファイバ２８ａ，２８ｂを挿通させており、該光ファイ
バ２８ａ，２８ｂには、それぞれレーザ光５を出射する
ＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９ｂが接続されるように
なっている（図１参照）。

【００３７】光ファイバ２８ａ，２８ｂの先端から出射
されるレーザ光５，５は、集光レンズ２２ａ，２２ｂに
並んで入射し、該集光レンズ２２ａ，２２ｂにより集光
されるレーザ光５，５が反射ミラー２３を介して開口１
７より回転筒１６の外部へ出射されるようになってい
る。

【００３８】また、光ファイバ２８ａ，２８ｂの先端部
には、照射角度調整機構３０が設けられている（図２及
び図３参照）。

【００３９】照射角度調整機構３０は、光ファイバ２８
ａ，２８ｂの先端部に外嵌固着された筒状のファイバ固
定カラー３１ａ，３１ｂと、一方のファイバ固定カラー
３１ａに固着され且つ他方のファイバ固定カラー３１ｂ
へ向って延びる角度調整ピース３２ａと、他方のファイ
バ固定カラー３１ｂに固着され且つ一方のファイバ固定
カラー３１ａへ向って延びる角度調整ピース３２ｂと、
角度調整ピース３２ａ，３２ｂを相互に締結するボルト
３３ａ及びナット３３ｂによって構成されている。

【００４０】また、ボルト３３ａを中心とした角度調整
ピース３２ａ，３２ｂの角度は、図４に示すように、照
射対象面Ｓ（具体的には、管材３の凹損部２５に塗布さ
れたペースト状金属粉末２６の表面、但し、図４では反
射ミラー２３は省略されている）に光ファイバ２８ａ，
２８ｂの先端より出射されるレーザ光５，５が、双方の
ビーム断面の一部分が重なり合って入射するように設定
されている。

【００４１】更に、上記の照射対象面Ｓにおけるレーザ
光５，５のビーム断面の重なり合いは、前記のボルト３
３ａを中心とする角度調整ピース３２ａ，３２ｂの角度
を調整することによって、適宜増減させることができる
ようになっている。

【００４２】以下、図１から図３に示すレーザ照射トー
チを用いて管材３の内面に生じた凹損部２５を補修する
手順を説明する。

【００４３】光ファイバ２８ａ，２８ｂの基端部に、そ
れぞれＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９ｂを接続したう
え、開口１７がペースト状金属粉末２６を塗布した凹損
部２５と対峙するようにレーザ照射トーチを管材３に挿
入した後、ＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９ｂを作動さ
せる。

【００４４】ＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９ｂを作動
させると、該ＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９ｂから発
振されるレーザ光５，５が、光ファイバ２８ａ，２８
ｂ、集光レンズ２２ａ，２２ｂ、反射ミラー２３、開口
１７を経てペースト状金属粉末２６に対して照射され、
このレーザ光５，５によりペースト状金属粉末２６が溶
融する。

【００４５】更に、ペースト状金属粉末２６を溶融させ
た後、ＹＡＧレーザ発振器２９ａ，２９ｂの作動を停止
させると、溶融した金属が凹損部２５を覆うように管材
３の内面に一体的に凝固し、これにより凹損部２５が補
修される。

【００４６】上述した光ファイバ２８ａ，２８ｂの先端
から出射されるレーザ光５，５は、双方のビーム断面の
一部分が重なりあってペースト状金属粉末２６の表面に
入射するので、ペースト状金属粉末２６の表面における
レーザ光５，５の光強度分布は、図５に実線で示すよう
に、照射範囲中心からその近傍部分に向って高くなり、
照射範囲中心の近傍部分から照射範囲の縁部に近づくほ
ど低くなる傾向を呈する。

【００４７】従って、図１から図３に示すレーザ照射ト
ーチにおいては、レーザ光５の照射範囲中心付近におけ
る管材３の溶融が抑制され、図６に単一斜線で範囲を示
すように、幅が広く且つ適切な溶け込みのビードが形成
されることになる。

【００４８】なお、本発明のレーザ照射トーチは上述し
た実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の
レーザ照射トーチをレーザクラッド工法以外の作業に適
用すること、レーザ発振器及び光ファイバの数を適宜増
加させること、ＹＡＧレーザ発振器以外のレーザ発振器
を用いるようにすること、その他、本発明の要旨を逸脱
しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論であ
る。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のレーザ照射
トーチにおいては、各光ファイバの先端部から出射され
るレーザ光が、ビーム断面の一部分が重なり合うように
照射対象物の表面に入射し、照射対象物の表面における
照射範囲が広がるとともに、光強度分布が適切な状態に
なるので、特に本発明のレーザ照射トーチをレーザクラ
ッド工法に適用した場合には、幅が広く且つ適切な溶け
込みのビードを形成することができる、という優れた効
果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ照射トーチの実施の形態の一例
を示す断面図である。

【図２】図１に示すレーザ照射トーチにおける照射角度
調整機構の詳細を示す部分切断図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。

【図４】図１に示すレーザ照射トーチにおいて光ファイ
バより出射されるレーザ光が照射対象面に入射するまで
の光路を示す模式図である。

【図５】図１に示すレーザ照射トーチから出射されるレ
ーザ光の光強度分布を示すグラフである。

【図６】図１に示すレーザ照射トーチによって形成され
るビードの溶け込み深さとビード幅との関係を示すグラ
フである。

【図７】従来のレーザ照射トーチの一例を示す断面図で
ある。

【図８】図７に示すレーザ照射トーチから出射されるレ
ーザ光の光強度分布を示すグラフである。

【図９】図７に示すレーザ照射トーチによって形成され
るビードの溶け込み深さとビード幅との関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

５ レーザ光 ２２ａ，２２ｂ 集光レンズ ２３ 反射ミラー ２６ ペースト状金属粉末（照射対象物） ２８ａ，２８ｂ 光ファイバ ２９ａ，２９ｂ ＹＡＧレーザ発振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 27/14 Ｇ０２Ｂ 27/14

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のレーザ発振器からそれぞれ発振さ
   れるレーザ光を別箇に導光するレーザ発振器と同数の光
   ファイバと、各光ファイバよりそれぞれ出射されるレー
   ザ光を集光する集光レンズと、該集光レンズにより集光
   されるレーザ光を照射対象物に向って反射する反射ミラ
   ーとを備え、該反射ミラーから出射されるレーザ光のビ
   ーム断面の一部分が照射対象物の表面において重なり合
   うように、各光ファイバの先端部の相対位置を設定した
   ことを特徴とするレーザ照射トーチ。