JPH10328860A

JPH10328860A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置

Info

Publication number: JPH10328860A
Application number: JP9149527A
Authority: JP
Inventors: Wataru Kono; 野渉河; Seiichiro Kimura; 村盛一郎木; Nami Sasaki; 奈美佐々木; Tetsuo Nishimura; 村哲郎西
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba FA Systems Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba FA Systems Engineering Corp
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 1998-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】遠隔操作で溶接施工を行う場合等のレーザ照射
位置の位置決め精度を十分に向上させることができない
環境下においても、確実に高品質の溶接を行うことが可
能となるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】本発明によるレーザ溶接方法を用いて突
き合わせ溶接を行う場合、部材３、４の突き合わせ部１
を挟んだ所定領域内でレーザ光２の走査が複数回行われ
る。溶接工程において、レーザ光２は、形成される単位
ビード１１〜１５が隣接する単位ビードと重複する領域
を有するように、徐々にその走査軌跡がずらされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配管、平板材等の
被溶接材をレーザビームを用いて溶接する方法およびこ
の溶接方法を実施するために適した溶接装置に係り、と
りわけ、原子炉、核融合炉内の構造物を遠隔操作にて取
り替え作業および補修作業を実施する際に適したレーザ
溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】配管等のパイプ材や平板材の突き合わせ
溶接をレーザ溶接法にて行う場合の従来の技術を以下に
説明する。図１６（ａ）に示すように、一対の被溶接材
３、４は、突き合わせ部の開先形状がＩ型開先となるよ
うに、すなわち突き合わせ面１が突き合わせ方向に対し
て垂直な面となるように加工された後、互いに突き合わ
される。しかる後、突き合わせ部に沿ってレーザ光２が
一回限り走査され、これにより図１６（ｂ）に示すよう
な溶接ビード５０が形成されるようになっている。この
場合、レーザ光照射位置２ａの位置決めは、目視あるい
は治具を用いた機械的手法等により行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、原子炉およ
び核融合炉内の構造物のメンテナンス、例えば構造物の
取り替えおよび補修等を行うために溶接作業を実施する
際には、被溶接物が放射線環境下にあるため、作業者が
被溶接物に近づいて作業を行うことが不可能である。こ
のため、溶接作業は遠隔操作される溶接装置により実施
される。

【０００４】しかし、前述したようなレーザ溶接方法を
用いると、レーザ光照射位置の位置決めや被溶接材のセ
ッティングに問題が生じてくる場合もある。例えば、厚
さ３ｍｍのステンレス鋼をレーザ溶接する場合、突き合
わせ面に対するレーザ照射位置のずれは±０．３ｍｍ程
度に納めないと、目はずれを起こすことになる。しか
し、遠隔作業用ロボットを用いて、このような精度でレ
ーザ照射位置の位置決めを行うことは非常に困難であ
る。

【０００５】また、炉内構造物の交換を行う場合、新規
部材を炉内にセットしなければならないが、Ｉ型開先の
場合突き合わせ部がずれないように遠隔操作でセットす
るのは非常に困難である。さらに、遠隔操作の必要如何
にかかわらず、一般のレーザ溶接ではアンダーカット
（図１６（ｂ）の符号５１参照）等の表面欠陥が発生し
やすい。

【０００６】上述したような、目はずれ、被溶接材のセ
ット不良に起因する溶接不良が発生したり、アンダーカ
ット等の溶接欠陥に起因して応力集中が発生した場合、
構造物の破壊を招く恐れがある。

【０００７】本発明は、上述したような事情に鑑みてな
されたものであって、原子炉、核融合炉内構造物等の取
り替えおよび補修時の溶接を行う際に、容易に且つ能率
良く溶接作業を行うことができ、さらに、確実かつ健全
な溶接を行うことができるレーザ溶接方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の手段は、２つの部材をレーザ光を用いて突き合
わせ溶接するレーザ溶接方法において、所定の形状を有
する突き合わせ部を有する２つの部材を準備する準備工
程と、両部材の突き合わせ面を突き合わせる突き合わせ
工程と、両部材の突き合わせ部を挟んだ所定領域内にレ
ーザ光を複数回走査し、各回の走査により形成される各
単位ビードがそれぞれ隣接する単位ビードと重複領域を
有するように、複数の単位ビードからなる溶接ビードを
形成する溶接工程と、を備えたことを特徴とするもので
ある。

【０００９】この第１の手段によれば、レーザ照射位置
の位置決め精度を十分に向上させることができない環境
下においても、確実に高品質の溶接を行うことが可能と
なる。

【００１０】また、第２の手段は、第１の手段におい
て、前記溶接工程は、前記各単位ビードが、その深さ方
向全域に対して、隣接する単位ビードと重複する領域を
有し、かつ、突き合わせ部近傍全域が溶融組織となるよ
うに行われることを特徴とするものである。

【００１１】また、第３の手段は、第１の手段におい
て、前記溶接工程においてレーザ光を複数回走査させる
場合、第１回目のレーザ光の走査が両部材の突き合わせ
部を挟んだ所定領域の一端側で行われ、第２回目以降の
レーザー光の走査が、前記所定領域の他端側に向けて順
次ずれた位置で行われることを特徴とするものである。
また、第４の手段は、第１の手段において、前記溶接工
程において、複数回なされるレーザー光の走査方向が突
き合わせ面が延びる方向と平行であることを特徴とする
ものである。

【００１２】また、第５の手段は、第１乃至第３の手段
において、前記２つの部材はパイプ材からなり、前記溶
接工程において、両部材の突き合わせ部を挟んだ所定領
域の一端側から他端側に向けてレーザ光を螺旋状に走査
させることにより螺旋の周回数に対応した複数回の走査
が行われることを特徴とするものである。

【００１３】また、第６の手段は、第５の手段におい
て、前記準備工程において、前記突き合わせ面の傾斜角
度αが４５〜９０度とされ、前記溶接工程において、レ
ーザ光の照射角度βが前記傾斜角度αと略同一の条件で
溶接が行われることを特徴とするものである。

【００１４】また、第７の手段は、第５の手段におい
て、前記準備工程において、前記突き合わせ面の傾斜角
度αが４５〜９０度とされ、前記溶接工程において、レ
ーザ光の照射角度βが前記傾斜角度αより大きい条件で
溶接が行われることを特徴とするものである。

【００１５】また、第８の手段は、第１乃至第５の手段
において、前記準備工程において、両部材の突き合わせ
面に段差が形成され、前記突き合わせ工程において、両
部材は、各々の段差が噛み合うように突き合わされ、前
記溶接工程において、両部材の噛み合い部近傍の全域が
溶融組織となるように溶接が行われることを特徴とする
ものである。

【００１６】また、第９の手段は、第１乃至第５の手段
において、前記準備工程において、前記突き合わせ面の
傾斜角度αが４５〜９０度とされるとともに、一方の部
材の端部に他方の端部が重なるようにオーバラップ部が
形成され、前記突き合わせ工程において、前記オーバラ
ップ部が他方の部材に重ねられるとともに両部材の突き
合わせ面が突き合わされ、前記溶接工程において、オー
バーラップ部および突き合わせ部の近傍の全体が溶融組
織となるように溶接が行われることを特徴とするもので
ある。

【００１７】また、第１０の手段は、第１乃至第５の手
段において、前記溶接工程が終了した後、溶接ビード表
面にレーザ光を照射して溶接ビードの全表面層を再溶融
する表面溶融処理工程を更に備えたことを特徴とするも
のである。

【００１８】また、第１１の手段は、第１乃至第５の手
段において、前記溶接工程が終了した後、フィラーワイ
ヤを用いて溶接ビードの全面にレーザ肉盛りを施す工程
を更に備えたことを特徴とするものである。

【００１９】また、第１２の手段は、第１乃至第５の手
段において、前記準備工程において、２つの部材の突き
合わせ部に切欠き溝が形成され、前記溶接工程におい
て、レーザ光の走査は両部材の切欠き溝底においてなさ
れ、前記溶接工程の後、前記切欠き溝の断面形状に対応
した部材が前記切欠き溝にはめ込む工程と、はめ込まれ
た部材およびこのはめ込まれた部材の近傍の２つの部材
の表面に対してレーザ光を照射して、はめ込まれた部材
の全体およびはめ込まれた部材の近傍の２つの部材の一
部を溶かして溶接ビードを形成する第２の溶接工程と、
が更に実施されることを特徴とするものである。

【００２０】また、第１３の手段は、第１乃至第１２の
手段において、前記溶接工程において、２つの部材の突
き合わせ部の裏面に、突き合わせ部を覆うようにスパッ
タ飛散防止具を取り付けた状態で溶接が行われることを
特徴とするものである。

【００２１】これら第２乃至第１３の手段によれば、よ
り高品質な突き合わせ溶接を行うことができる。

【００２２】また、第１４の手段は、２つの部材をレー
ザ光を用い重ね合わせ溶接する溶接方法において、所定
の形状を有する２つの部材を準備する準備工程と、一方
の部材を他方の部材に重ね合わせる重ね合わせ工程と、
前記一方の部材の端縁に沿う方向と略平行な方向にレー
ザ光を複数回走査し、各回の走査により形成される各単
位ビードがそれぞれ隣接する単位ビードと重複領域を有
するように、複数の単位ビードからなる溶接ビードを形
成する溶接工程と、を備え、前記複数回のレーザ光の走
査は、第１回目の走査が一方の部材の端縁より内側に所
定量ずれた位置で行われ、第２回目以降の走査が他方の
部材側に順次ずれてゆくようになされることを特徴とす
るものである。

【００２３】また、第１５の手段は、第１４の手段にお
いて、前記溶接工程は、前記各単位ビードが、その深さ
方向全域に対して、隣接する単位ビードと重複する領域
を有し、かつ、突き合わせ部近傍全域が溶融組織となる
ように行われることを特徴とするものである。

【００２４】また、第１６の手段は、第１４または第１
５の手段において、前記２つの部材のうち、前記一方の
部材は相対的に肉厚の厚い部材であり、前記他方の部材
は前記一方の部材にあてがわれて溶接される相対的に肉
厚の薄くかつ相対的に小さい部材であることを特徴とす
るものである。

【００２５】また、第１７の手段は、レーザ溶接装置に
おいて、レーザ光を伝送するためのレーザ光伝送用光フ
ァイバーと、前記レーザ光伝送用光ファイバーから出射
されたレーザ光を被溶接部材に集光するレーザ集光レン
ズと、前記レーザ光伝送用光ファイバーの周囲に設けら
れた画像伝送用のイメージファイバーと、を備え、溶接
部近傍の画像をレーザ集光レンズを介してイメージファ
イバ一端部に結像させ、結像した画像をイメージファイ
バーによって伝送し、イメージファイバー他端に設けら
れた画像処理装置によって溶接部近傍を観察することを
特徴とするものである。

【００２６】また、第１８の手段は、レーザ溶接装置に
おいて、レーザ光を伝送するためのレーザ光伝送用光フ
ァイバーと、前記レーザ光伝送用光ファイバーから出射
されたレーザ光を被溶接部材に集光するレーザ集光レン
ズと、前記レーザ光伝送用光ファイバーの周囲に設けら
れた反射鏡と、画像伝送用のイメージファイバーと、を
備え、溶接部近傍の画像を前記レーザ集光レンズおよび
前記反射鏡を介してイメージファイバ一端部に結像さ
せ、結像した画像をイメージファイバーによって伝送
し、イメージファイバー他端に設けられた画像処理装置
によって溶接部近傍を観察することを特徴とするもので
ある。

【００２７】これら、第１７乃至第１８の手段によれ
ば、溶接部近傍の状況を確認できるため、より高品質の
溶接を行うことができる。

【００２８】また、第１９の手段は、上記手段によるレ
ーザ溶接装置を用い、上記各工程のうち少なくとも一つ
の工程の前後または工程中に、溶接部近傍の観察が行な
われることを特徴とするレーザ溶接方法である。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００３０】まず、本発明によるレーザ溶接方法を用い
て２つの部材を突き合わせ溶接する方法について図１に
より説明する。

【００３１】まず、２つの部材３、４の突き合わせ面１
が所定形状に整えられる。

【００３２】次に、図１（ａ）に示すように、第１回目
のレーザ光の走査が行われる。この第１回目の走査は、
両板材３、４の突き合わせ面１から一方の部材４側に所
定量、好ましくは０〜５ｍｍずらした位置おいて、好ま
しくは図１（ａ）に示すように突き合わせ面１の延びる
方向と平行な方向にレーザ光２の走査を行うことにより
実施される。この第１回目のレーザ光２の走査により、
図１（ｂ）に示すような単位ビード１１が形成される。

【００３３】なお、本明細書において、「単位ビード」
なる用語は、１回のレーザ光の走査により形成される溶
接ビードを意味する。さらに本明細書において「レーザ
光の走査回数」は、突き合わせ面１の長さｘに実質的に
対応する距離分の走査が行われるごとに１回の走査が行
われたものとして数えるものとする。

【００３４】次に、図１（ｃ）に示すように、第２回目
のレーザ光２の走査が行われる。この第２回目の走査
は、第１回目のレーザ光２の走査により形成された単位
ビード１１のうち単位ビード幅が最小となっている部分
１１ａ（以下「最小ビード幅部分」という。図１（ｂ）
参照）と、第２回目のレーザ光２の走査により形成され
た単位ビード１２の最小ビード幅部分が互いに重なり合
うように、すなわち単位ビード１１，１２がその深さ方
向全域に対して互いに重複する部分を有するように第１
回目の走査におけるレーザ光２の照射位置から突き合わ
せ面１側にずれた位置において、レーザ光２の走査を行
うことにより実施される。第２回目のレーザ光２の走査
軌跡と第１回目のレーザ光の走査軌跡Ｌとは互いに平行
であり、被溶接部材に対するレーザ光２の入射角度は第
１回目と第２回目において互いに略同一である。

【００３５】更に、図１（ｃ）に示すように、レーザ光
２の走査軌跡を徐々に他方の部材３側にずらしながら、
複数回のレーザ光２の走査が行われる。この場合、各回
におけるレーザ光２の走査により形成される単位ビード
と、当該回の１回前のレーザ光２の走査により形成され
る単位ビードとの関係は、第１回目の走査により形成さ
れる単位ビード１１と第２回目の走査により形成される
単位ビード１２との関係と同一である。

【００３６】レーザ光２の走査、好ましくは、図１
（ｃ）に示すように、突き合わせ面１を含まない単位ビ
ード１６が他方の板材３に形成されるまで続けられる。

【００３７】以上のようにして、レーザ光２の走査を複
数回行うことにより、図１（ｃ）に示すような複数の単
位ビード１１、１２・・・、１６が形成される。なお、
各単位ビードの深さは部材３、４の板厚と同一となって
る。

【００３８】なお、以下、本明細書において、互いに隣
接する単位ビードの最小ビード幅部分が互いに重複する
ように複数回レーザ光を走査することに実施される溶接
を「多重パス溶接」といい、互いに隣接する単位ビード
の最小ビード幅部分が互いに重複している溶接ビードか
らなる溶接部を「多重パス溶接部」という。多重パス溶
接部は、図１（ｃ）において符号１０で示される。な
お、上記説明においてはレーザ光の走査を６回行うこと
により多重パス溶接部１０を形成するようにしたが、こ
れに限定されるものではなく、レーザ光の走査回数は２
回以上の任意の回数であればよい。

【００３９】以上のようにして、図１（ｃ）に示すよう
な多重パス溶接ビード１０を形成することにより、被溶
接部材３、４の突き合わせ面１を挟む一定領域は全て溶
融組織となり、突き合わせ部は確実に溶接される。

【００４０】以上においては、被溶接部材３、４の形状
を限定することなく基本的な溶接方法の説明を行った
が、被溶接部材がパイプ材である場合には更に改良を加
えることが好ましい。この改良について以下説明する。

【００４１】パイプ材２１、２２を突き合わせ溶接する
場合には、まずパイプ材２１、２２の突き合わせ面１が
所定形状に整えられる。すなわち、図２に示すように、
一方のパイプ材２２の突き合わせ面１がパイプ材２２の
内表面２３に対してなす角度（すなわち突き合わせ面の
傾斜角度）がαとされ、他方のパイプ材２１の突き合わ
せ面１がパイプ材２１の内表面２３に対してなす角度が
１８０度−αとされる。この場合、αの値は好ましくは
４５度以上９０度未満の範囲に設定される。

【００４２】なお、αの値は、パイプ材２１を基準とし
て測定した場合と、パイプ材２２を基準として測定した
場合とで異なるが（パイプ材２１を基準として測定した
場合には、１８０度−αがαとなる）、本明細書におい
てはαが鋭角となるようなパイプ材を基準として測定す
るものとする。

【００４３】次に、２つのパイプ材２１、２２が突き合
わされる。この場合、各パイプ材の突き合わせ面１が上
述した形状となっているため、パイプ材２１、２２を互
いに押しつけることにより、両パイプ材は各々の軸線が
一致した状態でずれなく噛み合う。

【００４４】次に、図３に示すように突き合わせ面１か
ら両パイプ材の軸線方向に関してパイプ材２１側に所定
量、好ましくは０〜５ｍｍずれた位置を始点として、レ
ーザ光２により螺旋状にパイプ材２１、２２の内面が走
査される。この螺旋状の走査は、好ましくはレーザ光２
の走査軌跡Ｌが突き合わせ面１を超え、パイプ材２２側
に移行するまで行われる。

【００４５】レーザ光２の走査は、第ｎ（ｎは自然数）
周目のレーザ光２の走査により形成される溶接ビードの
最小ビード幅部分と、第ｎ＋１周目のレーザ光２の走査
により形成される溶接ビードの最小ビード幅部分とが互
いに重なりあうように、レーザ光２の照射位置がパイプ
材の軸線方向に対して徐々にずれてゆくように行われ
る。これにより多重パス溶接部１０が形成される。

【００４６】なお、前述した「レーザ光の走査回数」の
定義より、１周分のレーザ光の走査により、１回のレー
ザ光の走査が行われることとなる。従って、ｎ周分のレ
ーザ光の走査が行われると、ｎ個の単位ビードが形成さ
れることになる。

【００４７】なお、図３においては、レーザ光２は４周
半走査されるようになっているが、これに限定されるも
のではなく、多重パス溶接部が形成される限りにおい
て、レーザ光２の走査周回数に制限はない。すなわち最
低２周の走査が行われていればよい。

【００４８】なお、通常の場合、レーザ光２の照射角度
β（この角度βは角度αの測定基準としたパイプ材、こ
の場合パイプ材２２の内表面２３を基準として測定され
る）は、図４（ａ）に示すように、突き合わせ面１の傾
斜角度αと略同一となるように設定されが、突き合わせ
面１にバリがある等の要因により、突き合わせ面１に間
隙が生じている場合には、レーザ光２は間隙を通過して
溶接が行えない場合もある。このような事象が想定され
る場合には、レーザ光２の照射角度βを突き合わせ面１
の傾斜角αと異なる角度、好ましくは図４（ｂ）に示す
ようにレーザ光２の照射角度βを突き合わせ面の傾斜角
αより大きな角度として、多重パス溶接を実施すること
が好ましい。このように、突き合わせ面１とレーザ光２
が交差するようにレーザ光２を照射することで、突き合
わせ面１、１の間にに多少の間隙がある場合でも溶接を
行うことが可能となる。

【００４９】上述したようなレーザ光２の螺旋状の走査
により得られる溶接部は、図５に示すようなものとな
る。すなわち被溶接部材であるパイプ材２１、２２の突
き合わせ面１を挟む一定領域は全て溶融組織となり、突
き合わせ部は確実に溶接される。以上説明したようにし
て溶接を行うことにより、レーザ照射位置の位置決め精
度の向上が困難な場合でも、容易かつ確実にレーザ溶接
を行うことができる。

【００５０】なお、上記説明においては、突き合わせ面
１の形状は、平面的なものであったが、これに限定され
るものではない。すなわち、例えば、図６に示すよう
に、２つのパイプ材の突き合わせ面１に段差２５を設け
てもよい。この場合、突き合わせ面１、１同士が噛み合
うように、２つのパイプ材２１、２２を突き合わせ、２
パイプ材２１、２２の噛み合い部の近傍全体を「多重パ
ス溶接」によって溶融させて溶接すればよい。このよう
にした場合も、パイプ材同士の軸ずれを少なくすること
ができる。

【００５１】また、図７に示すように、突き合わせ部１
の裏面に、突き合わせ部１を覆うようにスパッタ飛散防
止具３０を取り付けて突き合わせ溶接を行うことも好ま
しい。これにより、溶接加工中に溶接部裏面から飛散す
るスパッタ３１の大部分を回収することができ、スパッ
タの後処理を容易に行うことができる。また溶接部近傍
の部材の損傷を防止することができる。

【００５２】ところで、周知の通り、レーザ溶接を行う
際には、溶接ビード表面にアンダーカットという溶接欠
陥（図１６（ｂ）の符号５１参照）が発生しやすい。ア
ンダーカットが発生すると、アンダーカット部への応力
集中や板厚の減少によって溶接部の強度低下の原因とな
るため対策を講じることが好ましい。以下に、アンダー
カットの対策手法について説明する。

【００５３】［第１の対策手法］まず、第１の対策手法
について、図８により説明する。第１の対策手法は、溶
接部の継手構造を変更するものである。

【００５４】この場合、２つのパイプ材２１、２２の突
き合わせ面１の傾斜角度αは図４に示したものと同様に
４５〜９０度の範囲とする。

【００５５】そして一方のパイプ材２１の端部に他方の
パイプ材２２の端部に重なるオーバラップ部２６を形成
しておく。

【００５６】次に、図８に示すように、このオーバラッ
プ部２６を他方のパイプ材２２に重ねつつ両パイプ材２
１、２２の突き合わせ面１、１を互いに突き合わせ、図
６または図７で示した照射角度βでレーザ光２を照射し
て、オーバーラップ部２６全体および両パイプ材の突き
合わせ面１の近傍領域が溶融するように「多重パス溶
接」を実施する。これにより、アンダーカットの発生を
抑制することができる。

【００５７】［第２の対策手法］次に、第２の対策手法
について図９により説明する。

【００５８】本対策手法は、２つのパイプ材２１、２２
を「多重パス溶接」によって溶接した後、その「多重パ
ス溶接部」１０の表面にレーザ光２を照射して、多重パ
ス溶接部１０の表層部を再溶融して、表面溶融処理層２
７を形成するものである。この溶融処理を用いて溶接ビ
ードの表面をなめらかにすることによりアンダーカット
を消失させることができる。

【００５９】［第３の対策手法］次に、第３の対策手法
について図１０により説明する。

【００６０】本対策手法は、２つの部材を多重パスレー
ザ溶接によって溶接した後、その多重パス溶接部１０の
表面に母材と同質の溶加材２８を供給しつつレーザ光２
を照射して、多重パス溶接部１０の表層部に肉盛溶接部
２９を形成するものである。この肉盛溶接によってアン
ダーカットを消失させることができる。

【００６１】なお、以上説明した３つの対策手法を適宜
組み合わせて実施することも可能である。

【００６２】［第１の応用例］次に、「多重パス溶接」
を応用したレーザ溶接方法について図１１により説明す
る。本応用例は、レーザ溶接が可能な限界板厚以上の厚
板を突き合わせ溶接する場合に有効である。

【００６３】まず、図１１（ａ）に示すように、両厚板
材３４、３５の突き合わせ部に切欠き溝３２を形成す
る。

【００６４】次に、両厚板材３４、３５の突き合わせ面
１を突き合わせ、切欠き溝３２の底部において、第１の
「多重パス溶接」を実施する。これにより第１の多重パ
ス溶接部１０Ａが形成される。

【００６５】次に、図１１（ｂ）に示すように、所定形
状の帯状部材、好ましくは厚さが切欠き溝３２の深さ以
上であり、かつ溝の深さプラス１ｍｍ以下の帯状部材３
３を切欠き溝３２にはめ込む。

【００６６】次に、一方の厚板材３４の表面から、はめ
込まれた帯状部材３３の表面を経由して、他方の厚板材
３５の表面に至るように、順次レーザ光の走査軌跡をず
らしながら第２の「多重パス溶接」を実施する。なお、
この場合、両厚板材３４、３５の帯状部材３３と切欠き
溝３２との境界部近傍の全域と、帯状部材３３の全部が
溶融組織となるように「多重パス溶接」が実施される。
これにより第２の多重パス溶接部１０Ｂが形成される。

【００６７】以上のようにして溶接を行うことにより、
レーザ貫通溶接が可能な限界板厚以上の厚板同士の突き
合わせ溶接を行う場合においても、溶接欠陥のない溶接
部を得ることができる。この手法は、厚板材の板厚がレ
ーザ貫通溶接が可能な限界板厚の２倍以下の場合に適用
することができる。

【００６８】［第２の応用例］次に、第２の応用例につ
いて説明する。第２の応用例は、図１２（ａ）に示すよ
うに、厚板材３６の表面に応力腐食割れ等の欠陥３９が
発生した場合、薄板材３７を欠陥３９を覆うようにして
あてがい溶接して環境隔離を行う場合に適用されるもの
である。

【００６９】このような「あて板溶接」をレーザ溶接法
を用いて行う場合には、図１２（ｂ）に示すように、あ
て板として好ましくは０．１〜２ｍｍの板厚を有する薄
板材３７を厚板材３６にあてがい、この薄板材３７の外
縁３７ａから内側に所定量、好ましくは０〜５ｍｍずら
した位置から薄板材３７の外縁方向に沿って第１回目の
レーザ光２の走査を行い、次いでレーザ光の走査軌跡を
順次厚板材３６側（外側）に移行させることにより「多
重パス溶接」を実施し、薄板材４０の外縁部近傍の薄板
材４０および厚板材３６の全域を溶融させ、あて板溶接
を行う。

【００７０】本応用例によれば、薄板材と厚板材の間に
隙間を作ることなく、確実に溶接を行うことができる。
なお、本応用例は一般的な重ね合わせ溶接に適用するこ
とができる。

【００７１】なお、上記説明においては、主としてパイ
プ材同士の溶接に適した溶接方法について説明したが、
上記方法は、他の形状を有する２つの部材、例えば板材
同士の溶接を行う場合にも適用することができるのは言
うまでもない。

【００７２】［遠隔操作によるレーザ溶接の実施に適し
た溶接装置］上述した溶接方法を適用することにより、
確実に高品質の溶接を行うことができるが、遠隔操作に
よりレーザ溶接を行う場合には、溶接に先立ち突き合わ
せ状態の確認や、溶接後の溶接ビード品質を確認するこ
とができれば更に好ましいといえる。以下に、遠隔操作
によるレーザ溶接の実施に適した溶接装置について説明
する。

【００７３】図１３に、溶接装置の第１の実施形態の光
学系を示す。レーザ光伝送用光ファイバ４０の回りに一
本以上（本例においては４本）のイメージファイバ４１
がファイバホルダ４２によって固定され、さらに、イメ
ージファイバ用集光レンズ４３が、各イメージファイバ
４１のそれぞれの光軸上であって、かつレーザ集光レン
ズ４４の手前において、イメージファイバ用集光レンズ
固定具４５により固定されている。

【００７４】レーザ光伝送用光ファイバ４０から出射さ
れたレーザ光４６は、レーザ集光レンズ４４によって集
光され、被溶接材４７に照射される。また、レーザ溶接
前後のレーザ照射部近傍を観察するため、被溶接材４７
の表面の観察範囲４８の画像光はレーザ集光レンズ４４
およびイメージファイバ用集光レンズ４３を介してイメ
ージファイバ４１の端面に結像され、イメージファイバ
４１によって伝送される。イメージファイバ４１の他端
は図示しない画像処理装置に接続されており、この画像
処理装置によりレーザ照射部近傍の状態を観察すること
ができる。

【００７５】図１４は、溶接装置の第２の実施形態の光
学系を示す。レーザ光伝送用光ファイバ４０とレーザ集
光レンズ４４との間には、反射ミラー４９が設けられて
おり、その反射ミラー４９中央に設けられたレーザ光通
過孔５０をレーザ光４６が通過する構造となっている。

【００７６】このレーザ光４６はレーザ集光レンズ４４
によって集光され被溶接材４７に照射されるが、被溶接
材４７の表面の観察範囲４８の画像光は集光レンズ４４
を介した後、反射ミラー４９によって９０度折り返さ
れ、最終的にイメージファイバ用集光レンズ４３によっ
てイメージファイバ４１の端面に結像される。

【００７７】結像された画像はイメージファイバ４１を
伝送され、イメージファイバ４１の他端に設けられた図
示しない画像処理装置によって、レーザ照射部近傍の状
態を観察することができる。なお、この場合、光学系の
構成から離解できるように、レーザ光４６の合焦位置を
中心とした円形の領域４８を１本のイメージファイバに
より観察することができる。このため、複数本のイメー
ジファイバを用いた場合のようにモニタ画像が分割され
ることはなく、より容易に観察を行なうことができる。

【００７８】図１５は、溶接装置の第３の実施形態の光
学系を示す。図１５に示すように、レーザ光伝送用光フ
ァイバ４０およびイメージファイバ４１は各々の中心軸
５２、５３が互いに平行な方向を向くように切換装置５
４に取付けられている。

【００７９】レーザ溶接時においては、図１５に示すよ
うにレーザ集光レンズ４４の中心軸５１にレーザ光伝送
用光ファイバ４０の中心軸５２が一致するようにセット
され、レーザ光伝送用光ファイバ４０から出射されたレ
ーザ光４６は集光レンズ４４によって集光され、被溶接
材４７に照射される。

【００８０】一方、レーザ照射部近傍の観察時には、イ
メージファイバ４１の中心軸５３とレーザ集光レンズ４
４の中心軸５１が一致するように、切換装置２１によっ
て、２種類の光ファイバはスライドされるようになって
いる。これにより、レーザ照射部近傍の画像はレーザ集
光レンズ４４とイメージファイバ用集光レンズ４３とに
より、イメージファイバ４１の端面に結像される。

【００８１】結像された画像はイメージファイバ４１を
伝送され、他端に設けられた図示しない画像処理装置に
よって、レーザ照射部近傍の状態を観察することができ
る。以上３つの実施形態に示す光学系を有する溶接装置
を使用して、溶接前に突き合わせ部の突き合わせ状況
を、溶接後に形成された溶接ビードの状況を、またレー
ザ光照射中にレーザ光の照射位置を観察することによ
り、より高品質の溶接を行うことができる。レーザ照射
位置決め精度の向上も可能となる。なお、上記溶接装置
は、レーザ集光レンズが観察用光学系の一部を構成する
ようになっているため、光学系をコンパクトに構成する
ことができる。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
例えば核融合炉や原子炉内構造物の補修溶接のように、
遠隔操作で溶接施工を行う場合に、レーザ照射位置の位
置決め精度を十分に向上させることができない環境下に
おいても、確実に高品質の溶接を行うことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ溶接方法を用いて板材同士を突
き合わせ溶接する方法を説明する図。

【図２】本発明のレーザ溶接方法を用いてパイプ材同士
を突き合わせ溶接する方法を説明する図であって、突き
合わせ面の好ましい形状を示す断面図。

【図３】本発明のレーザ溶接方法を用いてパイプ材同士
を突き合わせ溶接する方法を説明する図であって、レー
ザ光の走査軌跡を示す図。

【図４】本発明のレーザ溶接方法を用いてパイプ材同士
を突き合わせ溶接する方法を説明する図であって、突き
合わせ面の傾斜角度とレーザ光の照射角度との関係を示
す図。

【図５】本発明のレーザ溶接方法を用いてパイプ材同士
を突き合わせ溶接する方法を説明する図であって、溶接
終了後の状態を示す図。

【図６】パイプ同士の突き合わせ溶接する際に適用可能
な、他の好ましい突き合わせ面の形状を示す断面図。

【図７】スパッタの飛散を防止する方法を示す図。

【図８】アンダーカットの対策手法を示す図。

【図９】他のアンダーカット対策手法を示す図。

【図１０】更に他のアンダーカット対策手法を示す図。

【図１１】多重パス溶接を応用した厚板材を突き合わせ
溶接する方法を示す図。

【図１２】多重パス溶接を応用したあて板を溶接する方
法を示す図。

【図１３】本発明の実施に適した溶接装置の要部を示す
図であって、図１３（ａ）はレーザ光光軸を含む断面図
を示す図、図１３（ｂ）はファイバホルダの正面図。

【図１４】本発明の実施に適した他の溶接装置の要部を
示す図であって、レーザ光光軸を含む断面を示す図。

【図１５】本発明の実施に適した更に他の溶接装置の要
部を示す図であって、レーザ光光軸を含む断面を示す
図。

【図１６】従来のレーザ溶接方法を示す図。

【符号の説明】

１突き合わせ面２レーザ光３、４、２１、２２被溶接部材４０レーザ光伝送用光ファイバ４１イメージファイバ４３イメージファイバ用集光レンズ４４レーザ集光レンズ４９反射鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村盛一郎東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者佐々木奈美東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者西村哲郎東京都府中市晴見町２丁目24番地の１東芝エフエーシステムエンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの部材をレーザ光を用いて突き合わせ
溶接するレーザ溶接方法において、所定の形状を有する突き合わせ部を有する２つの部材を
準備する準備工程と、両部材の突き合わせ面を突き合わせる突き合わせ工程
と、両部材の突き合わせ部を挟んだ所定領域内にレーザ光を
複数回走査し、各回の走査により形成される各単位ビー
ドがそれぞれ隣接する単位ビードと重複領域を有するよ
うに、複数の単位ビードからなる溶接ビードを形成する
溶接工程と、を備えたことを特徴とするレーザ溶接方
法。
【請求項２】前記溶接工程は、前記各単位ビードが、そ
の深さ方向全域に対して、隣接する単位ビードと重複す
る領域を有し、かつ、突き合わせ部近傍全域が溶融組織
となるように行われることを特徴とする、請求項１に記
載のレーザ溶接方法。
【請求項３】前記溶接工程においてレーザ光を複数回走
査させる場合、第１回目のレーザ光の走査が両部材の突き合わせ部を挟
んだ所定領域の一端側で行われ、第２回目以降のレーザー光の走査が、前記所定領域の他
端側に向けて順次ずれた位置で行われることを特徴とす
る、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】前記溶接工程において、複数回なされるレ
ーザー光の走査方向が突き合わせ面が延びる方向と平行
であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接
方法。
【請求項５】前記２つの部材はパイプ材からなり、前記溶接工程において、両部材の突き合わせ部を挟んだ
所定領域の一端側から他端側に向けてレーザ光を螺旋状
に走査させることにより螺旋の周回数に対応した複数回
の走査が行われることを特徴とする、請求項１乃至３の
いずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項６】前記準備工程において、前記突き合わせ面
の傾斜角度αは４５〜９０度とされ、前記溶接工程において、レーザ光の照射角度βが前記傾
斜角度αと略同一の条件で溶接が行われることを特徴と
する、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
【請求項７】前記準備工程において、前記突き合わせ面
の傾斜角度αは４５〜９０度とされ、前記溶接工程において、レーザ光の照射角度βが前記傾
斜角度αより大きい条件で溶接が行われることを特徴と
する、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
【請求項８】前記準備工程において、両部材の突き合わ
せ面に段差が形成され、前記突き合わせ工程において、両部材は、各々の段差が
噛み合うように突き合わされ、前記溶接工程において、両部材の噛み合い部近傍の全域
が溶融組織となるように溶接が行われることを特徴とす
る、請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ溶接方
法。
【請求項９】前記準備工程において、前記突き合わせ面
の傾斜角度αが４５〜９０度とされるとともに、一方の
部材の端部に他方の端部が重なるようにオーバラップ部
が形成され、前記突き合わせ工程において、前記オーバラップ部が他
方の部材に重ねられるとともに両部材の突き合わせ面が
突き合わされ、前記溶接工程において、オーバーラップ部および突き合
わせ部の近傍の全体が溶融組織となるように溶接が行わ
れることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記
載のレーザ溶接方法。
【請求項１０】前記溶接工程が終了した後、溶接ビード
表面にレーザ光を照射して溶接ビードの全表面層を再溶
融する表面溶融処理工程を更に備えたことを特徴とす
る、請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ溶接方
法。
【請求項１１】前記溶接工程が終了した後、フィラーワ
イヤを用いて溶接ビードの全面にレーザ肉盛りを施す工
程を更に備えたことを特徴とする、請求項１乃至５のい
ずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項１２】前記準備工程において、２つの部材の突
き合わせ部に切欠き溝が形成され、前記溶接工程において、レーザ光の走査は両部材の切欠
き溝底においてなされ、前記溶接工程の後、前記切欠き溝の断面形状に対応した
部材が前記切欠き溝にはめ込む工程と、はめ込まれた部材およびこのはめ込まれた部材の近傍の
２つの部材の表面に対してレーザ光を照射して、はめ込
まれた部材の全体およびはめ込まれた部材の近傍の２つ
の部材の一部を溶かして溶接ビードを形成する第２の溶
接工程と、が更に実施されることを特徴とする、請求項
１乃至５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項１３】前記溶接工程において、２つの部材の突
き合わせ部の裏面に、突き合わせ部を覆うようにスパッ
タ飛散防止具を取り付けた状態で溶接が行われることを
特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載のレー
ザ溶接方法。
【請求項１４】２つの部材をレーザ光を用い重ね合わせ
溶接する溶接方法において、所定の形状を有する２つの部材を準備する準備工程と、一方の部材を他方の部材に重ね合わせる重ね合わせ工程
と、前記一方の部材の端縁に沿う方向と略平行な方向にレー
ザ光を複数回走査し、各回の走査により形成される各単
位ビードがそれぞれ隣接する単位ビードと重複領域を有
するように、複数の単位ビードからなる溶接ビードを形
成する溶接工程と、を備え、前記複数回のレーザ光の走査は、第１回目の走査が一方
の部材の端縁より内側に所定量ずれた位置で行われ、第
２回目以降の走査が他方の部材側に順次ずれてゆくよう
になされることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項１５】前記溶接工程は、前記各単位ビードが、
その深さ方向全域に対して、隣接する単位ビードと重複
する領域を有し、かつ、突き合わせ部近傍全域が溶融組
織となるように行われることを特徴とする、請求項１４
に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１６】前記２つの部材のうち、前記一方の部材
は相対的に肉厚の厚い部材であり、前記他方の部材は前
記一方の部材にあてがわれて溶接される相対的に肉厚の
薄くかつ相対的に小さい部材であることを特徴とする、
請求項１４または１５に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１７】レーザ光を伝送するためのレーザ光伝送
用光ファイバーと、前記レーザ光伝送用光ファイバーから出射されたレーザ
光を被溶接部材に集光するレーザ集光レンズと、前記レーザ光伝送用光ファイバーの周囲に設けられた画
像伝送用のイメージファイバーと、を備え、溶接部近傍の画像をレーザ集光レンズを介してイメージ
ファイバ一端部に結像させ、結像した画像をイメージフ
ァイバーによって伝送し、イメージファイバー他端に設
けられた画像処理装置によって溶接部近傍を観察するこ
とを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１８】レーザ光を伝送するためのレーザ光伝送
用光ファイバーと、前記レーザ光伝送用光ファイバーから出射されたレーザ
光を被溶接部材に集光するレーザ集光レンズと、前記レーザ光伝送用光ファイバーの周囲に設けられた反
射鏡と、画像伝送用のイメージファイバーと、を備え、溶接部近傍の画像を前記レーザ集光レンズおよび前記反
射鏡を介してイメージファイバ一端部に結像させ、結像
した画像をイメージファイバーによって伝送し、イメー
ジファイバー他端に設けられた画像処理装置によって溶
接部近傍を観察することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１９】請求項１７または１８に記載のレーザ溶
接装置を用い、上記各工程のうち少なくとも一つの工程
の前後または工程中に、溶接部近傍の観察が行なわれる
ことを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれかに記載
のレーザ溶接方法。