JPS5950986A - 管と管板のレ−ザ溶接装置 - 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】 本発明はレーザビーム音用いた溶接装置に係り、特に熱
交換器の管と管板の管端シール溶接に好適な溶接装置に
関する。

熱交換器の管と管板のシール溶接（以下、管端溶接とい
う）は第１図に対象とする管端部の一例？示すように管
板２に配列する多数の管式に配置した管１の組合せ部に
おいて、第２図に示すように管ｌの外周と管式の内周の
接触部すなわち溶接開先に溶接熱全ガスレーザビーム３
等で投射し、かつ開先に沿って正ｍｆ７に走査し、この
動作ゲ各曽に対して順天友抜する方法で何なわバる。最
近溶接熱源として大出力レーザビーム音用いる方法が研
冗さｎ−Ｃいるがレージ８ビーム？用いる管端溶接にお
ける重ソなポイントｅｉ細く絞ったレーザビーム７高い
精度で浴接開先に沿って走査させることにあり、光す４
０調整に一’１′−易ならしめる上からレーザビームｔ
　４＜光学系における屈折、反射の回数ｒ極力少なくす
ることが望ましく、また、レンズ？反射鏡によるレーザ
ビームエネルギーの吸収や散乱による上からも、屈折、
反射の回数？少なくすべきである。

レーザビームを用いる管端溶接の目的に適用する装置と
して、第３図に示す装置（１９７４年刊行、５ｏｃｉｅ
ｔｙ　ｏｆ　ＡｕｔｏｍｏＶ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　、商
出力炭［λガスレーザ溶ｊ妾）があり、深護筒６と、該
１ｖ１）の曲部に設けら１１人入射た炭酸ガスＶ−ザビ
ーム？１区月方向に曲げる反射鏡７と、該反射鏡に対し
所定距離ｒ置いて設置さ九し−ザビーム勿入射方向と同
軸方向に集光する集光鏡８と、保護筒６の入側と曲部に
設けられ回転方向１０と水平１ｉｉｉで１８０度の回転
〒可能とするベアリング９とより（ｆ（Ｉ或Δｎる。こ
のような構成によυ管端ｔ’ｒｂ　ｘレーザビームの先
ｙｉＭが回動し、所望の溶接７行うもりである。

しかし、かかる装置においてｔよ、図より明らかな如く
、反射跳又はその（〒ｊ苛具がレーザビームの径内に掛
る程小径の円周の溶接が不［］Ｊ’　！４１４となる欠
点がある。

第３図の装置゛の欠点ｒ克服するものとして、第４図乃
至第６図に示す装置がある。記４図の装置は、保護節１
１と、該保護筒に装着さｎ入射レーザビームｒ垂直方向
に反射する反射鏡１２と、’に護筒１１にベアリング１
３ン介（〜で回動自在に結合さｎるミラー収納ボックス
１４と、該ボックス内に収納さｎ反射鏡１２よすのレー
ザビーム【９０度ずつ反射し反射鏡１２による反射ビー
ムと同一軸ｒ成すようにする反射鏡１５，１６．１７お
よび集光鏡１８と、集光鏡１８の設置位置ケねじにより
水平方向に移動口」能とする位置調ｇ（賎溝１９と、ミ
ラー収納ボックス１４の集光鏡、１８の下部位置に設け
らｔしるノズル２０とよりｌ’ｆｆ成さ九る。炭酸ガス
レーザビーム５は最終的に反射鏡Ｊ２に、シる反Ｊ（」
ビーム中心に対し光軸がややずｎた状ｊ甜で回転し、脣
板２の溶接金、Ｌ、ｉｊ　４にレーザビーム５が集光さ
ｆｌ、るようにする。

第５図における装置ぺけ、保護向２１と、刻抽°の＋Ｍ
Ｂに設置Ｔ；！さ７Ｌ入射ビーム？■直方向に反射さ亡
る反射鏡２２と、ベアリング２３を介して回動自在に保
諌ｆ’、’ｉｊ　２１に結合されるミラー収納ボックス
２４と、刻ボックス内に収納され反射鏡２２　、、ｌ：
りのレーリ゛ビームヶ９０度ずつ反射する反射鏡２５゜
２６．２７．！：、反射ｉ２７．ｔリル−リ′ビームｒ
管板２而に集光する集光鏡２・；と、ミラー収納ボック
ス２４のビーム通過面に設けられるノズル２９とよシ（
１１Ｇ成される。この装輪°は第４図の装置と同様に集
１鏡２８ケ水平力向に移動１す能であると共しＣ、ミツ
−収納ボックス２４全体が回転して集光ビーム螢管端部
に１口って回転し、溶接が行わノする。

さらに第６図の装置は、ミラー収納ボックス３１と、該
ボックス内に収納され入射レーザビーム構成る角度方向
に反射する反射鏡３２．３３と、反射鏡３３よりのレー
ザビームｒ管板２面に集光する集光鏡３４と、ボックス
３１の底部に設けられレーザビーム紫通過させるノズル
３５とより信成さ九る。この装置は、ボックス内の反射
回数および反射角度が異なるほかは第４図の装置と同一
機能？有している。

しかし、暗４図および第５図の装置によｆＬば、５枚も
の反射鏡ケ使用しているため、光軸調整に高い精度？要
し、調整作業が非常に頻雑となるとともに、各反射鏡で
め乱尺″射および吸収の重畳によりエネルギーロスが多
くなる欠点がある。また第６図の装置はビームを非直角
に反射屈折させるため光軸調整の難度が大となる欠点が
ある。

本発明の目的は、ビームの光軸調整？容易にしながら高
能率に溶接７行うことのできる管と管板のレーザ溶接装
置？提供するものである。

１本発明は、管径の稜線ケ可視光の１〜１．−Ｎ、レー
ザ音用いて検出し管径との比較で正確に管中心位置ケ算
出したのち、光酸ガスレーザｒ用い、このレーザビーム
會前記中心位置ｒ中心に回転させて管端溶接ケ行うと共
に、このビーム回転ケ極座標方式により走査し、反射鏡
と集光鏡が２個で済むようにしたものである−０ 更に本発明の安旨とするところケ述べｆＬば、その第１
点は、開先に対して高精度Ｖこビームを投射する手段と
して、パイロットビームに可視光のＨ，−Ｎ、レーザｒ
、営径の端部稜線と交叉するように走査させ、管端部か
らの反射光の有無により管径稜線ｒ検出し、管径との比
較により、正確に管中心位置？算出し友のち、炭酸ガス
レーヴケ用い、該位＃會中心とした回転運動を行ない管
端溶接ケする方式とし、Ｈ，−Ｎ、レーヤ“および炭酸
ガスレーザ勿同−の光学系ケ用いて、直線と１１４の２
通りの移動全共通化した、２　＋＋ｉｌ＋の移動の組合
わせにより実行する機構としている点にある。１口ち、
円運動は２軸の移動の数値制御により、円弧補間により
、性能的に支障のない分割数により、近似円上画描させ
るようにしている。第２点は、上記、２軸の移動制御に
よシ管端溶接？行なう方式において、反射鏡４０．４１
および集光鏡４４ケ直父座標系で移動させて行なう第７
図（インに示す方式と、極座標系で反射鏡４５および集
光鏡４６ｒ移動させて行なう第７図（ロ）に示す方式に
ついて比較すると、前者は、反射鏡および集光鏡の数が
３個であるのに対して、後者は２個であり、また、管板
上の全管端？溶接するための反射鏡および集光鏡の移動
方向および移動範囲は、前者では第７図（イ）の動作方
向４３および４４の２方向で、各々管板の直径相当の距
離とする必袂があね。それに対して、後者では、第７図
（ｏ）の反射鏡４５と集光鏡４６ケ同期して回転させる
ようにすることにより、移動は動作方向４７の一方向の
みとし、かつ、移動距離も管板２の半径相当の、前者の
２分の１の距離とすることができる。更に、前者では、
鏡の動作４３および４４の相互の直角度が、全移動範囲
に亘って、高精度に保持さルていなければならないのに
対して、後者では、反射鏡４５の回転機構４８と集光鏡
８の移動ガイド機構ケ一体化することにより、動作方向
４７の精度のみ全保持することにより、前者よりも容易
に機能ケ充足することができる。以上の比較から、後者
の方式、すなわち、極座標方式でビームヶ走査するのが
、冒鞘度にビームガイドケ行なう上から有利である。

第３点は、上記、第１および第２点に記述せる極座標系
の駆動数値制御による０ｄ端溶接円駆動の問題点として
、Ｒ軸（極座標の動径）とθ軸（傾角）の移動量制御に
より、同一直径の円ケ描かんと一！ｎは、該管端位置の
極座標原点からのＲ軸方向の距離に応じて、Ｒ軸捗動量
に対するθ軸移動量監変化させる必要があり、各管端毎
に個々に制御量ケ変化させなければならないという頻雑
性の派生が挙げら７’Ｌる。この問題点？解決する手法
としては、比軸に直角方向の移動軸、・Δθ軸（動径直
角）奮設け、Ｒ軸とΔθ軸の駆動数値制御によシ、円弧
補間法により円？描くようにし、管端溶接円、駆動にお
けるθ軸の移動を不要としたこと、即ち、管端中心への
位置決めｔＲ軸、θ軸の２軸ｔ′１３１Ｊ御で、また、
管端溶接円駆動葡比軸、Δθ軸の２軸制御で行なうよう
に分離したことにある。

第４点は、上記第３点に記述せる管中心位置決め動作と
管端溶接円部動作の間に、上記第１点に記述せるＨ、−
Ｎ、Ｌ’−ザパイロットビームによる管端位置検出７行
ない、現品に対する位置の精度の確認と補正ケ行なうよ
うにしたことにある。

この内容？第８図により説明すると、溶接レーザビーム
用光学系の一部ケなす集光鏡５０を介して、発振機５１
より発射せるＨ、７Ｎ、レーザ５２ケパルス駆動機構５
３．５４によりＷ端稜線と交叉するように投射、走査さ
せると、管板２および１１の端部による反射光は半透過
鐘５５により、光２センザー５６に到達し、その受光量
分Ｉｆは第９図のごとくとなり、管内径稜線および外径
稜線ケ検出することが０工能となる。この走査ケ相直父
する方向５７．５８について実施し両交点間距離ｄｉ（
。

ｄΔθと管外径寸法２ｒとの比較をすることにより、数
値制御により位＋＝ｆｆｉ決めしだ点５９と−への肯中
心点６０との偏差δＲ９δΔθ孕制御装置６１によシ演
算し、補正制御を行なうようにしており、この管中心検
出、補正動作７行なったのちに、集光鏡？几方向にｒな
いし、必要に応じた距離だけ移動させ、その点ケ管端溶
接円駆動のスタート点としている。この補正動作を各管
毎に実施することにより、管板直径が数ｉｎにおよぶ大
型熱交換器の管端溶接においても、管式の加工誤差、ビ
ームガイド機構の製作誤差、取付は誤差音吸収し、実用
性のある装置とすること？可能としている点でおる。

第５点は、レーザ溶接におけるレーザビームの焦点位置
の被溶接部表面に対する位置関係がｒ８　Ｕ’ｄ結果に
及ぼす影響が大なることは多くの研死者の報告があり、
ｔｉ、発明者の実聰においても同様結果、第１Ｏ図がえ
らｒＬｌ　この結果よりビーム焦点７表面に対して±０
．５　ｍｍ以下にする必要があることが判明した。即ち
、管板面から集光鏡までの距離ｒ常に一定とするように
ビームガイド機構の棺［’ｆ−高くするとともに、微゛
妙な光軸調整【行なう必要があることｔ示している。こ
の問題の解決手段として、集光鏡として軸外山放物面鏡
を使用するとともに放物面鏡と被溶接部表面までの距離
を一定に維持する調整機構を保有する方式が有効である
。この現象を誇張して示した第１１図において説明する
と、放物面鏡６２によシ溶接用レーザビーム５ｔよ焦点
６３に焦束するが、この時、放物面鏡の支持具６４を利
用して放物面鏡の焦点距離６４に対応する支持具から溶
接部表面までの距離６５を一定になし９る制御做構６６
．６７を具備することにより、仮溶接材の加工精度、ビ
ームガイド機構の製作精度または取付は精度に起因する
レーザビームに対する被溶接部表面の変動１′および２
′に対して、放物面鏡および支持具は、距離６５を同一
とするように、否々６２′および６４の位置に移動する
が、放物面鏡の光学的原理により、焦点は６３′の位置
、即ち、変動した開先部となり、若干の入射角度の変動
はあるものの正常な溶込みの溶接を可能とし、また、上
記の現尿は放物面鏡に対するレーザビームの光軸が変動
した場合についても開先部に焦点を結び、同様に、正常
な溶込みの溶接を可能としている点である。

上記した本発明の特徴を具備した管と管板のレーデ溶接
装置の一実施例を第１２図（イ）、（ロ）、智９に工り
説明する。

本装置は３ｋＷ炭酸ガスレ一ザ発振機７０よりレーザビ
ーム５を発射させ、管板２より構成せゐ熱交換器の管端
溶接を行なう装置で、管板上に設置したガイドレール６
７、反射鏡、集光鏡を宮むビームガイド機構および制御
装置６１より構成さｎている。ビームガイド機構は極座
標系の位置制御を行なうＲ軸方向４７およびθ軸方向７
１に移動し、更に、Ｆモ直角のΔθ方向７２に４多ルυ
する機構としている。各移動軸の機能は前述した通りで
ある。

位置の誤差を補正するためのパイロットビーム５２はＨ
，−Ｎ、レーザ発振機５ｒよシ発射させ、反射鏡７３に
よυ、溶接用レーザビーム５と同一光路、即ち、反射ｊ
ｉｔ１３４５，７４および来光用放物面鏡６２を径て管
端溶接開先部に導き、管端面で反射したビームを半透過
、・−！５５を介して光センサ−５６に入れ、前に詳述
した方法で位置補正動作を行なうようになっておシ、パ
イロットビーム用反射鏡７３は、前述の補正動作中は光
軸上に位ｖｔするが、補正動作が終了し、溶接ビームが
照射されている時間帯では、移動機構７５により、γｄ
接レーザビーム径の範囲外の位＋！！７３’に退避し、
溶接終了後に７３の位置に復帰するようにしている。一
方、補正動作中は、溶接用レーザビームは発振機のビー
ムンヤツター７６により発射しないようにしている。

集光用放物鏡６２は収納ボックス７７内に支持、収納さ
ルており、ボックス７７には、接触セン−シー−を付設
しミラーとボックスの相対位置を考圧し、開先面部にビ
ームが焦へ＆を結びミラーから溶接部表面までの距離を
一定にするよう、駆動機能６６を制御装置６１によシ作
動さビるようにしている。

また、該ボックスにはガス配・Ｕを施し、レーザレ゛−
ム出口部にノズル７８を取シ付け、浴接時、アルゴンガ
スを噴射させ、溶接部の醇化の防止、金属蒸気のボック
ス内への侵入防止を図っている。

上記せる装置によシ、管板上の多数の管の管端溶接を順
次行なう方法は、溶接順序に管式中心位置座標を指示し
たＮＣ紙チー・ブによりｒｉＩＩｌｌＩｌ（Ｉ装置にイ
ンプラｌ−Ｌ、（１）、管中心位置θ１．め、（２）パ
イロットトビームの走査による背端位置検出とＮＣデー
タと真の管中心との偏差の演算および兵の中心位置へ比
軸、Δθイ１０修正動作、（３）Ｒ軸を管半径分の距離
移動、（４）比軸、Δθ軸の移動；１」す御によるビー
ムガイド機構の円運動と発振様ビームシャツイノ−開放
による溶接動作および溶接終了後のビームシャッター閉
鎖のサイクルの繰り返しで実施する。

本装置を使用し、オーステナイト系ステンレスｆＩＪＡ
製のφ１６間、管厚１．２　ＦＪの管と１Ｕ板の管端溶
接をビーム出力］、、　９　ｋ　Ｗ溶接速度１．５　ｍ
　７分で行なった結果、開先に対するレーザビームの追
従精度は土０，２陥以下で、１」外ｆＬ人陥のない溶込
み深さ２薗の溶接ができ、ｌ管端当シ、位置決め、補正
時間２５秒、溶接時ｉｊｌ　７秒、計３２秒の高能率、
自動溶接をイｊなうことができた。

本発明の実施例によｎば、熱交換器の管端溶接にレーザ
を適用するに際して発生するレーザビーム光軸の調整自
動化でき、レーザビーム光軸の変動が吸収できるので、
高密度エネルギーたるレーザを管端溶接に応用でき、溶
接）Ｊに率の大巾な向上と自動連続作業化；＋％ＢＴ能
となる。

以上よシ明らかなように本発明によｎば、レーザビーム
の光軸を容易に行なうことができ、高能率に管と管板の
溶接を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１偽交換器の管端部分の一例を示す斜視図、第
２図はＵ端溶接部の部分断面図、第３図、第４図、第５
図および第６図は従来のレーザビームを用いた溶接装置
の断面図、第７図（イ）（ロ）は本発明のビームガイド
方式の比較を示す説明図、第８図は本発明の管中心検出
および補正の動作原理を示す説明図、第９図は本発明に
おける光センサー出力特性図、第１０図はミラーの焦点
距離とミラーから被溶接部表面までの距離の比が管端溶
接の溶込み深さに及ぼす影響金示す説明図、第１１図は
本発明の係る放物面鏡の嵩ざ位＠制御の原理を示す説明
図、第１２図（イ）、（ロバ（ハ）は本発明の一実施例
を示す正面図、側面図、平面図である。 ４５．７３．７４・・・反射鏡、４６．５０・・・集光
鏡、５１・・・発振器、５３．５４・・・パルス駆動機
構、５５・・・半透過鏡、５６・・・光センサ−，６１
・・・制御装置、６２・・・放物面鏡、６７・・・ガイ
ドレール、７０・・・炭酸ガスレーザ、７５・・・移動
機構、７６・・・ビームシャッター、７７・・・収納ボ
ックス、７８・・・４３７ 第１図 第７図 ｆＪ３図 弔５図 ？ｌ 弔８図 １ 第９図 巴上闇■ｒ鴎

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属板に設けらｎた穴に嵌入さｆＬる金属管の端部
   のシール溶接音、ビームガイド機構によって溶接用レー
   ザビーム？前記管端部に照射しながら行うレーザ溶接装
   置において、前記金属板の中心位（ａ？原点とする極座
   標の動径（１モ軸）、傾角（θ軸）および動径直角（Δ
   θ軸）方向に移動走査するビームガイドと、可視光のレ
   ーザビームｒパイロットビームとし該ビーム金管径の端
   部稜線と交叉するように走査して前記管端面よシの反射
   光の有無により管径稜線ｒ検出し、管径との比較により
   管中心位置ｋｊＸ出する手段とｙｒ　備えたことｔ％徴
   とする管と管板のレーザ溶接装置。 ２、前記比軸及びΔθ軸の２軸の移動全数値制御するこ
   とにより、円弧補間によシ、管端部で管外径の近似円？
   描くように前記ビーム７Ｊイドｒ移動走査する制（ａ１
   手段ケ備えることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の管と管板のレーザ溶接装置。 ３、前記Δθ軸の先端に前記比軸、θ軸およびΔθ軸？
   含む平面に垂直なＺ軸にｅ＊ａｒ能な機構ｒ付設した放
   物面鏡を前記ビームガイドに設けたことケ特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の管と管板のレーザ溶接装置。 ４、前記パイロットビームは、前記溶接用レーザビーム
   の光軸と同一の光軸全経由することケ特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の１αと管板のＶ−ザ溶接装置。