JPH10146684A - レーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 ホルダ４内に収容された光ファイバ２の
先端から被加工材２１に向けてレーザを照射するレーザ
照射装置において、上記ホルダ４を筒体状に形成し、該
ホルダ４内に、その内面から所定間隔を隔てて同軸状に
光ファイバ２を収容し、該光ファイバ２の側面と上記ホ
ルダ４の内面との間に、被加工材２１に向けて不活性ガ
スを噴出するためのガス通路７を形成した。 【効果】 光ファイバの冷却用ガスとレーザ溶接のシー
ルドガスとを兼用したので、装置の小型化および簡素化
を推進できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを光ファイ
バで伝送して被加工材に照射して溶接・切断等を行うレ
ーザ照射装置に係り、特に、光ファイバの冷却用のガス
と切断のアシストガスあるいは溶接のシールドガスとを
兼用させたレーザ照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザを光ファイバで伝送して被加工材
に照射して溶接・切断を行うレーザ照射装置として図４
に示すものが知られている。図示するようにこのレーザ
照射装置は、ケーシングａ内に円柱状のホルダｂを収容
し、そのホルダｂにファイバ被覆ｃで覆われた光ファイ
バｄを挿通して構成されており、光ファイバｄの端部か
ら発射されたレーザをケーシングａ内に取り付けたレン
ズｅで集光して被加工材ｆに照射するものである。

【０００３】光ファイバｄによって高出力レーザ（ＹＡ
Ｇレーザ等）を伝送すると、光ファイバｄの端部では被
加工材ｆからの反射や回折などによって伝送光の一部が
失われ、その光が光ファイバｄおよびそのファイバ被覆
ｃに吸収されて加熱し、焼損を惹き起こす可能性があ
る。そこで、従来、ケーシングａとホルダｄとの間にウ
ォータージャケットｇを形成し、そのジャケットｇに水
入口ジョイントｈと水出口ジョイントｉとを接続して冷
却水を流し、冷却するようにしていた。

【０００４】また、ケーシングａの先端側に設けたガス
ジョイントｊからケーシングａ内にＡｒやＨｅなどの不
活性ガスを導入し、その不活性ガスをレンズ保持部ｋの
近傍に形成されたガスの通路等を通して照射口ｍから被
加工材ｆに噴射し、溶接や切断際のシールドガスやアシ
ストガスとしていた。なお、上記ファイバ被覆ｃは、可
撓性を有するファイバ導管ｏで囲繞され、保護されてい
る。図中ｐは保持用のスペーサである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な水冷構造とすると、ウォータージャケットｇや水入口
ジョイントｈや水出口ジョイントｉなどが必要となるた
め、装置の径方向の寸法が大きくならざるを得ない。よ
って、例えば細径管内に挿入してその内部を溶接する等
の用途に用いることができない。

【０００６】また、原子炉内の部品（細径管等）の補修
に用いるとすると、ウォータージャケットｇを通過する
冷却水が放射能に汚染され、その後処理が問題となるた
め、現実には使用できない。また、冷却のための冷却水
とレーザ溶接のためのシールドガスとを別々に用いてい
るので、それらのジョイントｈ，ｉ，ｊや流路が錯綜
し、径寸法が大きくなるばかりでなく、装置が複雑化し
てしまう。

【０００７】以上の事情を考慮して創案された本発明の
目的は、装置の細径化および簡素化を図ったレーザ照射
装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ホルダ内に収容された光ファイバの先端か
ら被加工材に向けてレーザを照射するレーザ照射装置に
おいて、上記ホルダを筒体状に形成し、該ホルダ内に、
ホルダ内面から所定間隔を隔てて同軸状に光ファイバを
収容し、該光ファイバの側面と上記ホルダの内面との間
に、被加工材に向けてガスを噴出するためのガス通路を
形成したものである。

【０００９】本発明によれば、筒体状のホルダ内面とそ
の内部に収容された光ファイバ側面との間のガス通路を
被加工材に向かって流れるガスは、反射や回折などによ
って発熱する光ファイバを冷却すると共に、溶接や切断
のシールドガスやアシストガスとしても機能する。この
ように、ホルダの軸心に沿って流れるガスを光ファイバ
の冷却用とレーザ溶接・切断のシールド用・アシスト用
とに兼用したので、装置の細径化および簡素化を図るこ
とができる。

【００１０】また、上記光ファイバをその側面から所定
間隔を隔てて可撓性を有する筒体状の導管で囲繞し、該
導管と光ファイバとの間に軸方向に沿ってガスを流す副
ガス通路を形成し、該副ガス通路を上記ホルダ内のガス
通路に同軸的に接続してもよい。こうすれば、ホルダ内
のガス通路と導管内の副ガス通路との取り合いが簡素化
でき、且つシステム全体が軸方向に沿ってスリムになっ
て径方向に肥大する部分がなくなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１２】図１に示すように、筒体状に形成されたケ
ーシング１内に、光ファイバ２およびそのファイバ被覆
３を収容するホルダ４が収容されている。ホルダ４は、
筒体状に形成されており、その内部にファイバ被覆３を
収容する大径穴５と光ファイバ２を収容する小径穴６と
を有している。大径穴５とファイバ被覆３との間の空
間、および小径穴６と光ファイバ２との間の空間は、後
述する不活性ガスが流れるガス通路７となる。

【００１３】上記光ファイバ２は、その端部がレーザ発
生装置８に接続されており、高出力のレーザ（ＹＡＧレ
ーザやヨウ素レーザ等）を伝送する。この光ファイバ２
は、ナイロン等からなるファイバ被覆３によって覆わ
れ、そのファイバ被覆３がステンレス等から蛇腹状に形
成された可撓性を有するファイバ導管９によって囲繞さ
れ、屈曲自在に保護されている。

【００１４】ファイバ導管９には、熱伝導率の高いＨｅ
やＡｒ等の不活性ガスのボンベ１０がバルブ１１を介し
て接続されており、ファイバ導管９とファイバ被覆３と
の間の空間は、不活性ガスが流れる副ガス通路１２とな
っている。すなわち、従来光ファイバ２の保護のみに利
用されていたファイバ導管９とファイバ被覆３との間の
空間を、本実施形態では不活性ガスを流すための副ガス
通路１２としても用いている。

【００１５】上記ファイバ導管９の先端側が所定長さ切
除されて露出したファイバ被覆３が上記大径穴５に挿入
され、ファイバ被覆３の先端側が所定長さ切除されて露
出した光ファイバ２が上記小径穴に挿入されている。フ
ァイバ導管９とファイバ被覆３との間には、ファイバ被
覆３を浮かせて保持するためのスペーサ１３が、副ガス
通路１２を流れる不活性ガスの流れを妨げないように、
周方向に所定間隔を隔てて且つ軸方向にも所定間隔を隔
てて複数設けられている。

【００１６】ファイバ導管９は、上記ケーシング１の一
端に気密に取り付けられた蓋部材１４に、気密に接続さ
れている。これにより、上記ファイバ導管９内の副ガス
通路１２とホルダ４内のガス通路７とが同軸的に連通さ
れる。ケーシング１内面とファイバ被覆３との間には、
ファイバ被覆３を保持するスペーサ１５が、不活性ガス
の流れを妨げないように、周方向に所定間隔を隔てて設
けられている。また、ファイバ被覆３と大径穴５の間に
は、ファイバ被覆３を浮かせて保持するためのスペーサ
１６が、不活性ガスの流れを妨げないように、周方向に
所定間隔を隔てて設けられている。

【００１７】上記ケーシング１の他端には、レンズ保持
用ケーシング１７が気密に接続されている。レンズ保持
用ケーシング１７の内部には、光ファイバ２の端部から
発射されたレーザを集光するためのレンズ１８が取り付
けられている。レンズ１８とその保持部１９との間に
は、上記副ガス通路１２およびガス通路７を通ってレン
ズ保持用ケーシング１７内の空間１９に導入された不活
性ガスを、レンズ保持用ケーシング１７の先端部に形成
された発射口２０側へ流すための図示しないガスの通路
が形成されている。発射口２０からは、レンズ１８で集
光されたレーザが被加工材２１に向けて発射されると共
に、上記不活性ガスが吹き出される。

【００１８】以上の構成からなる本実施形態の作用につ
いて述べる。

【００１９】ボンベ１０からファイバ導管９とファイバ
被覆３との間の副ガス通路１２に導入された不活性ガス
（Ｈｅガスなど）は、副ガス通路１２の長手方向に沿っ
てホルダ４側へ流れ、ホルダ４内のガス通路７を通って
レンズ保持用ケーシング１７内の空間１９に導入され、
レンズ保持部１９のガスの通路を通って発射口２０から
被加工材２１へ吹き出される。

【００２０】ここで、上記不活性ガスは、ホルダ４内の
ガス通路７を通る際に、非加工材料２１からの反射や回
折などによって発熱する光ファイバ２およびファイバ被
覆３を冷却し、その温度上昇を抑える。特に、不活性ガ
スに熱伝送率の高いＨｅガスを用いれば、発熱する光フ
ァイバ２およびファイバ被覆３からＨｅガスへの熱伝導
による冷却作用によって、光ファイバ２およびファイバ
被覆３の温度上昇を効果的に抑えることができる。

【００２１】また、上記不活性ガスは、発射口２０から
吹き出された後には、被加工材２１のレーザ溶接の際に
溶接部を空気から遮断するためのシールドガスとして機
能する。すなわち、上記不活性ガスは、光ファイバ２の
冷却ガスとレーザ溶接のシールドガスとの兼用ガスとな
る。なお、不活性ガスは、光ファイバ２およびファイバ
被覆３と熱交換して暖まった状態で溶接・切断部に吹き
付けられるので、溶接部を過剰に冷却することはない。

【００２２】このように、不活性ガスを溶接のシールド
ガスとしてだけではなく、光ファイバ２の冷却ガスとし
て用い、そのガスをホルダ４の軸心およびファイバ導管
９の軸心に沿って供給するようにしたので、図４に示す
従来のもののような光ファイバ２の冷却水が不要となっ
てそのウォータジャケットｇや水入口ジョイントｈや水
出口ジョイントｉなどが不要となり、装置の径方向の寸
法Ｌを小さくできる。よって、本装置は細径管内に挿入
してその内部を溶接する等の用途に好適なものとなる。

【００２３】また、従来のように水冷式の場合には、原
子炉内の部品（細径管等）の補修に用いると、冷却水が
放射能に汚染され、その後処理が必要となるが、本実施
形態のように不活性ガスによる気体冷却とすれば、その
冷却後の不活性ガスを回収する必要がなくなるため、原
子炉内の部品（細径管等）の補修に好適なものとなる。

【００２４】また、従来のように冷却のための冷却水と
溶接のためのシールドガスとを別々に用いると、それら
のジョイントや流路が錯綜して装置が複雑化してしまう
が、本実施形態のように冷却ガスとシールドガスとを兼
用してホルダ４の軸心に沿って流すようにすれば、装置
の構成を簡素化できる。

【００２５】また、ファイバ導管９とファイバ被覆３と
の間の空間を利用した副ガス通路１２と、装置のホルダ
４内のガス通路７とを同軸的に接続する構成としている
ので、径方向に張り出すジョイント等が不要となるばか
りでなく、これらの取り合いが簡素化できる。

【００２６】なお、本装置をレーザ溶接ではなくレーザ
切断に用いるときには、ガス通路７および副ガス通路１
２を流れるガスの種類は不活性ガスに限られず、切断時
のアシストガスとして機能する乾燥空気や酸素ガス等で
あってもよい。また、溶接・切断のいずれにあっても、
ガスに乾燥させたものを用いれば、光ファイバ２，ファ
イバ被覆３の温度変化によって惹き起こされる結露を防
止できる。

【００２７】別の実施形態を図２および図３に示す。

【００２８】図２に示すように、このレーザ照射装置
は、筒体状に形成されたホルダ４内にその内面から所定
間隔を隔てて同軸状に光ファイバ２およびそのファイバ
被覆３を収容し、光ファイバ２およびファイバ被覆３の
側面とホルダ４の内面との間に、被加工材に向けて不活
性ガスを噴出するためのガス通路７を形成して構成され
ている。

【００２９】詳しくは、上記ホルダ４は、大径穴５と小
径穴６を有し、その大径穴５にファイバ被覆３が挿通さ
れてスペーサ１６（固定金具）によって固定され、小径
穴２にファイバ被覆３が取り除かれた光ファイバ２が挿
通されている。スペーサ１６は、周方向に所定間隔を隔
てて配置されており、ファイバ被覆３を浮かせて固定す
ると共に、光ファイバ２を小径穴６から浮かせて保持す
る。

【００３０】ファイバ被覆３は、ファイバ導管９によっ
て囲繞されている。ファイバ導管９は、ステンレス等か
らなり蛇腹状に形成されて屈曲自在となっている。ファ
イバ導管９とファイバ被覆３との間には、ファイバ被覆
３を浮かせて保持するためのスペーサ１３が、周方向に
所定間隔を隔てて且つ軸方向にも所定間隔を隔てて複数
設けられている。ファイバ導管９とファイバ被覆３との
間は、不活性ガスが流れる副ガス通路１２となる。

【００３１】ファイバ導管９の根元側には、ファイバ導
管９とファイバ被覆３との間の副ガス通路１２にＨｅや
Ａｒなどの不活性ガスを導入するための図示しないボン
ベがバルブを介して接続されている（図１参照）。この
構成によれば、バルブを開くことにより、ボンベ内の不
活性ガスがファイバ導管９とファイバ被覆３との間の副
ガス通路１２に導入されることになる。

【００３２】上記ファイバ導管９は蓋部材１４に気密に
取り付けられている。蓋部材１４はホルダ４の一端にシ
ール２２を介して気密に取り付けられており、これによ
り、上記副ガス通路１２がガス通路７に同軸的に接続さ
れる。ファイバ導管９の内径は大径穴５の内径と略一致
されている。

【００３３】上記ホルダ４の他端側は、図３に示すよう
に回転式レーザトーチの保持フレーム２３に取り付けら
れている。保持フレーム２３には、駆動モータ２４を介
して旋回フレーム２５が取り付けられている。旋回フレ
ーム２５は有底筒体状に形成されており、その底部に反
射鏡２６を有している。この構成によれば、駆動モータ
２４によって旋回フレーム２５を旋回させれば、旋回フ
レーム２５の側面の発射口２７が軸廻りに周回する。旋
回フレーム２５は被加工材としての細径管２８等に挿入
される。

【００３４】他方、上記保持フレーム２３には、旋回フ
レーム２５の内面が摺動する外径を有する筒体状のレン
ズ保持部２９が取り付けられており、そのレンズ保持部
２９内に光ファイバ２の端部から発射されたレーザを集
光するレンズ３０が取り付けられている。レンズ３０と
その保持部３１との間には、図２に示すガス通路７から
レンズ３０の上方の空間３２に吹出された不活性ガス
を、発射口２７側の空間３３へ流すための図示しないガ
スの通路が形成されている。

【００３５】以上の構成からなる本実施形態の作用につ
いて述べる。

【００３６】光ファイバ２の端部から発射されたレーザ
（ＹＡＧレーザ）は、レンズ３０および反射鏡２６を介
して発射口２７から被加工材（細径管２８）の溶接部に
向けて照射され、ホルダ４内のガス通路７からレンズ３
０上方の空間３２に吹出された不活性ガス（Ｈｅガス）
は、発射口２７から溶接部に向けて吹き出される。

【００３７】ここで、不活性ガスは、前実施形態と同様
に、ホルダ４内のガス通路７を流れる際に反射や回折な
どによって発熱する光ファイバ２およびファイバ被覆３
を冷却する冷却ガスとして機能する共に、発射口２７か
ら吹き出された後にはレーザ溶接や切断のシールドガス
やアシストガスとしても機能する。このため、冷却のた
めのウォータジャケットｇや水ジョイントｈ，ｉが不要
となって装置の簡素化および細径化を図ることができ
る。なお、上記ファイバ被覆３がナイロン製の場合、80
℃以下にする必要がある。

【００３８】また、冷却水を使用しないので、冷却水の
放射能汚染を一切心配することなく、原子炉内の細径管
２８の溶接・切断等に用いることができる。また、ファ
イバ導管９とファイバ被覆３との間の空間を利用した副
ガス通路１２と、装置のホルダ４内のガス通路７とを同
軸的に接続する構成としているので、径方向に張り出す
ジョイント等が不要となるばかりでなく、これらの取り
合いが簡素化できる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るレーザ
照射装置によれば、光ファイバの冷却用ガスとレーザ溶
接・切断用のシールドガス・アシストガスとを兼用し、
かかるガスをホルダの軸心に沿って供給するようにした
ので、装置の小径化および簡素化を推進できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すレーザ照射装置の側
断面図である。

【図２】別の実施形態を示すレーザ照射装置の部分側断
面図である。

【図３】図２のレーザ照射装置が取り付けられた回転式
レーザトーチを示す側断面図である。

【図４】従来例を示すレーザ照射装置の側断面図であ
る。

【符号の説明】

２ 光ファイバ ４ ホルダ ７ ガス通路 ９ 導管 １２ 副ガス通路 ２１ 被加工材 ２８ 被加工材としての細径管

フロントページの続き (72)発明者 山岡 弘人 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 西見 昭浩 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホルダ内に収容された光ファイバの先端
   から被加工材に向けてレーザを照射するレーザ照射装置
   において、上記ホルダを筒体状に形成し、該ホルダ内
   に、その内面から所定間隔を隔てて同軸状に光ファイバ
   を収容し、該光ファイバの側面と上記ホルダの内面との
   間に、被加工材に向けてガスを噴出するためのガス通路
   を形成したことを特徴とするレーザ照射装置。
2. 【請求項２】 上記光ファイバをその側面から所定間隔
   を隔てて可撓性を有する筒体状の導管で囲繞し、該導管
   と光ファイバとの間に軸方向に沿ってガスを流す副ガス
   通路を形成し、該副ガス通路を上記ホルダ内のガス通路
   に同軸的に接続した請求項１記載のレーザ照射装置。