JP2004255410A

JP2004255410A - Laser beam machining head for stub welding, and method of producing boiler header using the same

Info

Publication number: JP2004255410A
Application number: JP2003047947A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watanabe; 浩渡辺; Keiji Ueda; 圭司上田; Sukenari Ikeda; 祐成池田
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining head 1 for stub welding which is suitable, e.g., for welding a stub tube 41 tacked to a boiler header 40 or the like, and to provide a method of producing a boiler header 40 using the same. <P>SOLUTION: In the laser beam machining head 1, when a stub 41 mounted on a welding robot and tacked to the weld zone of a header 40 is welded, a wire nozzle 18 and an assist gas nozzle 22 are arranged on the opposite sides across the optical axis E of a laser beam 25, and also arranged so that the extension A in the longitudinal direction of the wire nozzle 18, an extension B in the longitudinal direction of the assist gas nozzle 22 and the optical axis E of the laser beam 25 are crossed at a welding point G of a stub 41 to a tube 40 or the vicinity thereof. A plane C including the extensions A and B and the optical axis E of the laser beam 25 are arranged so as to be crossed at the welding point G or the vicinity thereof, and the plane C is arranged between a line F' parallel to the axis F in the longitudinal direction of the stub 41 and passing through the welding point G and the optical axis E, and welding is performed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ溶接装置とこれを用いた製作方法に係わり、特にボイラヘッダ等に仮付けされたスタッブチューブを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド及びこれを用いたボイラヘッダの製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラでは図１４に示す管群からなる部品が使用されている。ヘッダ４０にはスタッブチューブ４１が溶接されていて、上下のスタッブチューブ間にはフィンチューブ４２が溶接されている。フィンチューブ４２での熱交換効率を高めるために、フィンチューブ４２は非常に狭い間隔で密集していて、スタッブチューブ４１もヘッダ４０に非常に狭い間隔で取り付けられる。スタッブチューブ４１の大きさは直径３８．１ｍｍ、５０．８ｍｍなどのものが使用され、スタッブチューブ４１の管と管の隙間は５５〜６５ｍｍ程度になる。スタッブチューブ４１とヘッダ４０の溶接作業は、特公平４−３１７８４号公報、特開平３−１５５４７０号公報及び特開平７−２１４３２０号公報に開示されているようにロボット溶接により自動化されている。溶接法としては、アーク溶接が適用されていて、多層盛施工が行われている。
【０００３】
一方、レーザ加工は金属、セラミック等の加工に適用され、高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中させることが可能で、従来のアーク熱源よりもより深い溶け込みを得ることができて入熱量を下げることが可能であることから、高能率で高品質な溶接や切断加工が可能で、近年各種の産業で適用されている。特にＹＡＧレーザなどの光ファイバ伝送可能なレーザ加工では、ロボット等と組合せて使用されている。また、レーザ隅肉レーザ溶接装置に関する発明としては、特開昭６１−２２９４８９号公報、特開平８−１８７５８７号公報がある。
【０００４】
さらに、原子力蒸気発生器の管板に支持された数千本の管内にスリーブを収束手段、溶接ミラー手段及び焦点距離維持手段を有する溶接ヘッドを用いてレーザ溶接する方法が特開昭６２−１７３０９２号公報に開示されている。
【０００５】
さらに、特開２００２−５９２８６号公報にはレーザー光のコリメート光学系と反射ミラーと集光光学系と加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの発明が開示されている。
【０００６】
レーザ加工ヘッドの一例となる概略構成を図１３に示す。図１３に示すレーザ加工ヘッド１００は、ハウジング５ｂと、ＹＡＧレーザ光（波長１０６０ｎｍ）を光ファイバ２から被加工物の加工点まで導光する出射光学系と、被加工物の加工点を観察するための観察光学系と、添加ワイヤを溶接部にガイドするワイヤノズル１８ａと、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばし、溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル２２ａなどから構成される。また、レーザ加工ヘッド１００はロボットに搭載するために小型・軽量であることが望ましく、レーザ加工ヘッド１００の重量が重い場合は、大型のロボットを適用する必要がある。
【０００７】
図１３に示すレーザ加工ヘッド１００について、まず出射光学系から説明する。図示されていないレーザ発振器で発生したＹＡＧレーザ光は、光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１００に導光され、光ファイバ端より広角に出射する。光ファイバ２は、光ファイバコネクタ６によりハウジング５ｂに固定されている。出射光学系は、光ファイバ２より出射レーザ光２５を下方に反射するディフレクタ３６と、レーザ光２５の広がりを平行光にするコリメートレンズ３と、レーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようにする集光レンズ４などから構成される。コリメートレンズ３と集光レンズ４は、焦点距離ｆが１００〜２００ｍｍのレンズが一般的に使用される。集光レンズ４の焦点距離ｆが１００〜２００ｍｍと長く、溶接線に沿ってワイヤノズル１８ａとアシストガスノズル２２ａが直線上に配列される。
【０００８】
次に、観察光学系について説明する。レーザ発振器（図示せず）には低出力の位置決め用可視光レーザ出力源が設けてあることが多い。可視光レーザとしては赤色のＨｅＮｅレーザ（波長６３２ｎｍ）が一般に用いられ、ＹＡＧレーザ光と同様に光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１００に導光され、ＨｅＮｅレーザ光スポットを被加工物の加工点において焦点を結ぶようになっている。
【０００９】
レーザ加工ヘッド１００には、レーザ光２５を照射する被加工物の加工点を観察するために観察光学系を備えていることが多い。観察光学系は、加工に先立ちロボットの動作教示を行うために利用され、撮像装置８がハウジング５ｂの上部に取り付けられる。このような観察光学系を設けるために、ディフレクタ３６はＹＡＧレーザ光とＨｅＮｅレーザ光を反射し、可視光を透過するものが用いられる。そして、ディフレクタ３６、コリメートレンズ３、集光レンズ４、撮像装置８はレーザ光および撮像装置８の光軸１０上に一直線上に位置するように設置される。特に、ディフレクタ３６は、光軸１０に対して４５度の傾斜角度になるように配置される。ディフレクタ３６は、コリメートレンズ３と集光レンズ４の有効口径に合わせる必要があり、レーザ加工ヘッド１００を大きくする原因になる。すなわち、レーザ加工ヘッド１００の大きさは、ディフレクタ３６の大きさに依存している。また、レーザ加工ヘッド１００内にディフレクタ３６を設けることにより、このディフレクタ３６での反射によるレーザ光２５のエネルギー損失も発生する。
【００１０】
撮像装置８で撮影された画像は図示されていないモニタテレビに映し出され、被加工物の表面状態を観察できるようになっている。これらのモニタテレビには、電子ライン発生器によりクロスターゲットを発生させることも可能であり、被加工材へのレーザスポット光の照射位置を正確に合わせることが可能である。
【００１１】
次に、レーザ加工ヘッド１００の加工狙い位置および姿勢をロボットに教示する手順について説明する。
まず、ＹＡＧレーザ発振器を停止させ、赤色の可視光を出すＨｅＮｅレーザからなる位置決め用レーザ出力源を作動させ、位置決め用レーザビームを出射させる。オペレータはロボットの先端に取り付けられたレーザ加工ヘッド１００を被加工物の教示位置に移動させ、この赤色の位置決め用レーザビームのスポットにより、レーザ加工ヘッド１００の大まかな狙い位置と作業姿勢を決めて、ロボット制御装置に登録する。被加工物の加工線に沿って、この操作を繰り返して概略の教示作業を行う。
【００１２】
次に、さらに正確な狙い位置と作業姿勢を教示するために、位置決め用可視光レーザ源の作動を停止させ、撮像装置８を作動させて、この撮像装置８で捕らえた被加工物の映像をテレビモニタなどの視覚装置（図示せず）に表示させる。このとき被加工物の映像を鮮明にするため、外部より被加工物を照明する必要がある。オペレータは、先ほどの概略の教示作業により登録した位置にレーザ加工ヘッド１００を移動させ、この視覚装置に表示された映像を見ながら正確な位置決めを実施する。そして、その時の位置と姿勢とを、ロボット制御装置に再登録して教示する。このようにして先ほど行った概略の教示点を全て修正して正確な位置決めを実施し、教示した内容の加工または作業をロボットに再実施させることが可能となる。
【００１３】
【特許文献１】
特公平４−３１７８４号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平３−１５５４７０号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開平７−２１４３２０号公報
【００１６】
【特許文献４】
特開昭６１−２２９４８９号公報
【００１７】
【特許文献５】
特開平８−１８７５８７号公報
【００１８】
【特許文献６】
特開昭６２−１７３０９２号公報
【００１９】
【特許文献７】
特開２００２−５９２８６号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接作業は、アーク溶接ロボットにより自動化された多層盛施工が行われている。
【００２１】
ところが、ヘッダ４０に取り付けられるスタッブチューブ４１は、ヘッダ４０の片側長手方向に一列あるいは複数列の一定ピッチで密集して多数取り付けられるために多大の溶接時間が掛かると同時に溶接による変形によりヘッダ４０が大きく曲るため、曲り修正作業を行う必要があった。また、アーク溶接ではスパッタやスラグが発生して溶接部や溶接部周辺に付着するため、その除去作業を行う必要があった。
【００２２】
アーク溶接に代わり、高能率で低入熱溶接が可能なレーザ溶接法においては、レーザ加工ヘッド１００の集光レンズ４の焦点距離ｆが従来は１００〜２００ｍｍと長く、溶接線に沿ってワイヤノズル１８ａとアシストガスノズル２２ａが直線に配列するため、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接を行おうとすると、溶接対象スタッブチューブ４１の周辺に近接するその他のスタッブチューブ４１とレーザ加工ヘッド１００のハウジング５ｂあるいはワイヤノズル１８ａ、アシストガスノズル２２ａが干渉してしまい溶接を行うことができなかった。
【００２３】
また、ロボットには可搬重量の制約があり、レーザ加工ヘッド１００は軽量にする必要があり、被加工物の加工位置が狭隘部の場合もあるため、小型にした方が適用範囲を広くすることができる。しかるに、レーザ加工ヘッド１００には、ロボット教示作業で必要な監視光学系が設けられているために小型化と重量軽減には限界があり、可搬重量の大きなロボットを適用せざるをえなく、ロボットを小型化すると適用範囲が限定されるといった問題があった。
【００２４】
本発明の課題は、ボイラヘッダ等に仮り付けされたスタッブチューブなどを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド及びこれを用いたボイラヘッダの製作方法を提供することにある。
【００２５】
また、本発明の課題は、溶接対象スタッブチューブ周辺に他のスタッブチューブあるいは障害物があるような狭隘部の溶接が可能なレーザ加工ヘッドで、このレーザ加工ヘッドを使用してボイラヘッダのスタッブチューブを溶接すると高能率で低入熱溶接が可能でヘッダの溶接変形が少なくなり曲り修正作業が無くなり、スパッタやスラグの除去作業も無くなるボイラヘッダの製作方法を提供することにある。
【００２６】
さらに、本発明の課題はロボット教示作業は従来通りに行えて、加工時には加工に必要な出射光学系のみとする、小型、軽量なレーザ加工ヘッドを提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。
すなわち、溶接ロボットに搭載し、被溶接物（４０）の溶接部に仮付けされたスタッブ４１を溶接するレーザ加工ヘッドにおいて、
光ファイバー２から出射したレーザ光２５の広がりを平行光にするコリメートレンズ３と、コリメートされたレーザ光２５を集光する集光レンズ４と、
レーザ光２５を反射して被溶接物（４０）の溶接部に照射する反射ミラー１６と、溶接部からのフューム、スパッタ等から光学系を保護する保護ガラス２９と、該保護ガラス２９と溶接部の間に高速エアーを噴射するエアーブローノズル２６と、添加ワイヤ２１を溶接部にガイドするワイヤノズル１８と、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばして溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル２２とを備え、
ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２をレーザ光２５の光軸（Ｅ）を挟んで反対側に配置し、かつワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）がスタッブ４１のチューブ４０への溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、
ワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）は前記溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、
スタッブ４１の長手方向の軸線（Ｆ）に平行で、前記溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）との間に前記平面（Ｃ）があるように配置し、
前記アシストガスノズル２２は、その形状が管状であり、溶接部に噴射するアシストガスの吹き出し方向が溶接進行方向に、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度であり、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度で傾斜配置され、
前記エアーブローノズル２６は、その形状が薄い箱型であり、そのエアー吹き出し口が薄い長方形であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接進行方向に保護ガラス２９のなす平面に対して傾斜角度θＡｂが０〜１５度であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラス２９の中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度で傾斜配置され、前記ワイヤノズル１８からの添加ワイヤ２１の溶接部への挿入方向が溶接進行方向前方から、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＷａが０〜４０度であり、垂直方向の角度θＷｂが５〜４０度の傾斜角度であるスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドである。
【００２８】
上記レーザ加工ヘッドにおいて、アシストガスとしてＮ_２ガスを用いることができる。また、上記レーザ加工ヘッドにおいて、ロボットの教示プログラムを作成するときに、光ファイバをレーザ加工ヘッドより外してレーザ光軸上に撮像装置を取り付け被加工材の映像を撮影可能にすることができる。
【００２９】
また、本発明の上記課題は次の解決手段により達成される。
すなわち、ボイラヘッダの長手方向に沿って移動する溶接ロボットを用いて、該ボイラヘッダの長手方向に一列あるいは複数列の一定ピッチで仮付けされた同一径で複数のスタッブ４１を溶接するボイラヘッダの製作方法において、溶接ロボットに前記スタッブ溶接用レーザ加工ヘッドを搭載し、ボイラヘッダの長手方向に沿って溶接ロボットを移動させて、ボイラヘッダに仮付けされたスタッブチューブをレーザ溶接法で順次溶接するボイラヘッダの製作方法である。
【００３０】
【作用】
レーザ加工ヘッドにおいて、光ファイバ、コリメートレンズ、集光レンズの出射光学系の集光レンズ後に反射ミラーを設置することにより、レーザ光を反射してヘッダとスタッブチューブの溶接部にレーザ光を照射する。これにより、スタッブチューブと平行にレーザ光を導光することが可能になる。また、コリメートレンズと集光レンズと反射ミラーが配置されるレーザ光の光軸をはさんで、ワイヤノズルと、アシストガスノズルとエアーブローノズルを、ヘッダとスタッブチューブの円周溶接線方向に配置したレーザ加工ヘッドならば、近接するスタッブチューブと干渉することなくレーザ溶接を行うことができる。
【００３１】
そして、アシストガスノズルの形状を管状とし、アシストガスの吹き出し方向が溶接進行方向に、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度の方向となるように溶接部にアシストガスを噴射することにより、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばし、レーザ光を効率的に溶接部に照射させることができると共に、溶接部を空気からシールドし、溶融金属の酸化を防ぐことができる。また、アシストガスとしてＮ_２ガスを用いることにより、ブローホール等の溶接欠陥を低減でき健全な溶接部が得られる。
【００３２】
また、エアーブローノズルを薄い箱型で、吹き出し口も薄い長方形にすることにより、エアーブローの吹き出しを層流状態にし、溶接進行方向に、保護ガラスのなす平面に対して傾斜角度θＡｂが０〜１５度であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラス２９の中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度の傾斜角度で高速エアーの噴射をすることにより、アシストガスへの干渉がなく、高速エアーが対象溶接スタッブチューブと干渉することもなく、溶接部から発生するスパッタやフュームを保護ガラスの手前で払い飛ばし保護ガラスの汚染を極小にすることができる。
【００３３】
また、前記ワイヤノズルからの添加ワイヤを溶接進行方向前方から、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＷａが０〜４０度であり、垂直方向の傾斜角度θＷｂが５〜４０度となるようにの溶接部へ挿入することにより、溶接部にワイヤを安定して挿入でき、そして健全な溶接部を得ることができる。
【００３４】
さらに、光ファイバとコリメートレンズと集光レンズをレーザ光軸上に一直線に配置した出射光学系からなるレーザ加工ヘッドにおいて、光ファイバをレーザ加工ヘッドより外してレーザ光軸上に撮像装置を取り付け簡単に観察光学系を構成することができ、被加工材の映像をモニタテレビで見て教示作業を行うことができる。それによって、教示は従来ヘッド同様に行え、加工時のレーザ加工ヘッドの小型、軽量化を図ることができる。
【００３５】
そして、レーザ加工は高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中させることが可能で、従来のアーク熱源よりもより深い溶け込みを得ることができ入熱量を下げることが可能であることから、高能率で高品質な溶接が可能である。ボイラヘッダの長手方向に沿って移動する溶接ロボットに前記スタッブ溶接用レーザ加工ヘッドを搭載し、ボイラヘッダの長手方向に沿って溶接ロボットを移動させて、ボイラヘッダに仮付けされたスタッブチューブをレーザ溶接法で順次溶接することにより、アーク溶接に比べておよそ溶接時間とヘッダの曲り変形量を半分以下にすることができ、溶接後のヘッダの曲り修正作業を省略することができる。
【００３６】
また、レーザ溶接でもスパッタは発生するが、アーク溶接に比べてスパッタの粒が非常に小さく、量的にも少ないためにヘッダに付着したスパッタはエアーブローなどの簡単な処置で除去することができ、またレーザ溶接ではほとんどスラグの発生が無く、余分な溶接後の作業を省略できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。
図１は本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの側面図である。図２は本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの正面図である。図３は本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す平面図である。図４は本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す正面図である。図５は図１のＡ−Ａ線切断断面図である。図７は溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す平面図である。図８は溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す正面図である。図９は図１のＢ−Ｂ線矢視図である。図１０は図９のＣ−Ｃ線切断断面図である。
【００３８】
図１および図２において、スタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１は以下の構成を備えている。
すなわち、レーザ発振器で発生したレーザ光をレーザ加工ヘッド１に導光する光ファイバ２、光ファイバ２から広角に出射したレーザ光２５を平行光にするコリメートレンズ３、コリメートレンズ３で平行光になったレーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようにする集光レンズ４、光ファイバ２とコリメートレンズ３間のレーザ光２５をカバーするハウジング５、光ファイバ２をハウジング５に固定し、光ファイバ２とコリメートレンズ３のレーザ光２５の光軸を正確に合わせるための光ファイバコネクタ６、レーザ加工ヘッド１をロボットに取り付けるためのアーム７、レーザ光２５の光軸１０、コリメートレンズ３と集光レンズ４を収納するレンズハウジング１１、レンズハウジング１１に取り付けられ、下部のブロックをサポートするサポートブロック１２、レーザ光をカバーするカバー１３、サポートブロック１２と下部のブロックを締結し、支持する柱１４、反射ミラーハウシング１５、レーザ光２５を反射して被溶接物の溶接部に照射する反射ミラー１６、反射ミラー１６を反射ミラーハウシング１５に固定する反射ミラー押さえ１７、添加ワイヤ２１を溶接部に導くためのワイヤノズル１８、ワイヤノズル１８を反射ミラーハウシング１５に固定するためのワイヤノズルサポート１９、ワイヤノズル１８先端に取り付けられ、添加ワイヤの狙い位置を固定するためのワイヤチップ２０、溶接部に添加するワイヤ２１、溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばす効果と溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル２２、アシストガスノズル２２をサポートブロック１２に固定するためのアシストガスノズルサポート２３、アシストガスノズル２２にアシストガスを供給するアシストガス入口２４、レーザ光２５、溶接部からのフューム、スパッタ等を払い飛ばすための高速エアーを噴射するエアーブローノズル２６、エアーブローノズル２６を反射ミラーハウシング１５に固定するためのエアーブローノズルサポート２７、エアーブローノズル２６にエアーを供給するエアー入口２８、溶接部からのフューム、スパッタ等から光学系を保護する保護ガラス２９、保護ガラス２９を反射ミラーハウシング１５に固定する保護ガラス押さえ３０、反射ミラーハウシング１５に冷却水を供給する冷却水入口３１、冷却水出口３２、光学部品やケーシングを冷却するための乾燥エアーをレーザ光学ヘッド１に供給する乾燥エアー出口３３及び乾燥エアー入口３４などである。
【００３９】
図３および図４において、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１との溶接箇所を溶接するロボット４５がＹＡＧレーザ光とＨｅＮｅレーザを発振するレーザ発振器４３とロボット制御装置４４に接続され、レール４７上を走行する走行台車４６上に載置されている。また、ロボット４５の教示を行うためのペンダントボックス４８、支持台４９、ヘッダ４０を固定するための拘束ジグ５０、ヘッドを固定するための拘束台５１などが設けられている。
【００４０】
また、図７と図８に、それぞれ溶接部へのアシストガスノズル２２からの吹き出し方向とワイヤノズル１８からのワイヤ２１の挿入方向を示す平面図と正面図には、ヘッダ４０へのスタッブチューブ４１の溶接線に対する溶接線接線３５を示す。
【００４１】
図３と図４によりレーザ溶接装置全体の説明をする。
スタッブチューブ４１がヘッダ４０に取り付く側が上を向くように、ヘッダ４０を拘束台５１上に拘束ジグ５０で固定する。スタッブチューブ４１は、ヘッダ４０に１列かあるいは３列で仮付けされて固定されている。スタッブチューブ４１が３列でヘッダ４０に取付く場合は、拘束台５１が傾いて各列のスタッブチューブ４１の溶接線が水平になるようにする場合もある。
【００４２】
ロボット４５は走行台車４６によりヘッダ４０の長手方向に沿って移動する。スタッブチューブ４１の溶接手順としては、スタッブチューブ４１をブロックに分けて溶接を行う。まず走行台車４６が停止し、ロボット４５の稼動範囲内にあるスタッブチューブ４１のブロックをロボット４５が溶接を行う。次に、走行台車４６が移動し、次のブロックのスタッブチューブ４１の溶接を行うことを繰り返して全てのスタッブチューブ４１の溶接を完了させる。ロボットのプログラムの教示作業は、ペンダントボックス４８を使用して行う。
【００４３】
図１と図２にそれぞれ示す本発明の一実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの側面図と正面図により本実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドについて説明をする。
【００４４】
レーザ発振器４３（図３）で発生したＹＡＧレーザ光２５（波長１０６０ｎｍ）は、光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１に導光され、光ファイバ端より広角に出射し、コリメートレンズ３で平行光になり、集光レンズ４でレーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようにする。集光中のレーザ光２５は、反射ミラー１６により４５度の角度で曲げられ、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接部に照射するようにする。これにより、スタッブチューブ４１と平行にレーザ光２５を導光することが可能になる。
【００４５】
光ファイバ２は、ハウジング５に光ファイバコネクタ６で固定されていて、簡単に取り外しができ、また光ファイバ２とコリメートレンズ３のレーザ光２５の光軸が正確に合うようになっている。レーザ加工ヘッド１は内部が密閉構造になっていて、外部から埃や溶接のフュームが入らないようになっている。そして、乾燥エアーをハウジング５の乾燥エアー入口３４より供給し、レーザ加工ヘッド１内を流れて、反射ミラーハウジング１５に取りけられた乾燥エアー出口３３より排出して、光学部品とハウジング５、１５の冷却を行う。反射ミラー１６と保護ガラス２９は、集光中の絞られたレーザ光２５が照射されるため、他の光学部品に比べてレーザ光２５による発熱が大きい、そのため反射ミラーハウジング１５は水冷構造になっている。
【００４６】
溶接部にレーザ光２５が照射されると、照射された金属は急激に高温になり蒸発を始め、溶接部からはプラズマやフュームが発生し、このプラズマやフュームがレーザ光２５を吸収あるいはレーザ光２５を散乱させる。そのためプラズマやフュームを吹き飛ばして、レーザ光２５を効率的に溶接部に照射させるために、アシストガスを溶接部に吹き付ける必要がある。またこのアシストガスは、溶接部のシールドガスとしての役目も果たしている。アシストガスの成分としては、Ｎ_２ガスを用いるとブローホール等の溶接欠陥を低減でき、健全な溶接部が得られることが知られている。ワイヤノズル１８は添加ワイヤ２１を溶接部に導き、アシストガスノズル２２はアシストガスを溶接部に吹き付けるため、従来レーザ加工ヘッド１ではワイヤノズル１８と溶接部とアシストガスノズル２２は直列に配置されていた。
【００４７】
ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２の配置について、図５、図６により説明する。
ワイヤノズル１８とアシストガスノズル２２をレーザ光２５の光軸（Ｅ）を挟んで反対側に配置し、かつワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）がスタッブ４１のチューブ４０への溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、
ワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）は前記溶接点（Ｇ）又はその近傍で交わるように配置し、スタッブ４１の長手方向の軸線（Ｆ）に平行で、前記溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）とレーザ光２５の光軸（Ｅ）との間に前記平面（Ｃ）があるように配置する。
【００４８】
上記配置により、ワイヤノズル１８の長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズル２２の長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）がレーザ光２５の光軸（Ｅ）と溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）との間にあることで、レーザ光２５が溶接点（Ｇ）に入射する角度はエネルギー密度が高く、溶接部深くまで照射できる範囲に保たれと同時に林立するスタッブ４１とヘッダ４０との干渉なしにワイヤノズル１３をスタッブ４１の円周に沿って送給できる。
【００４９】
次に、アシストガスノズル２２からのアシストガスの吹き出し方向と、ワイヤノズル１８からのワイヤ２１の溶接部への挿入方向について、図７と図８により説明する。アシストガスノズル２２からのアシストガスの吹き出し方向は溶接進行方向に、溶接線接線３５に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度の方向で溶接部に噴射するのが良い。また、ワイヤノズル１８からのワイヤ２１の溶接部への挿入方向が溶接進行方向前方から、溶接線接線３５に対して水平方向に対する傾斜角度θＷａが０〜４０度、垂直方向に対する傾斜角度θＷｂが５〜４０度の方向で溶接部に挿入するのが良い。
【００５０】
アシストガスは溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばし、溶接部をシールドするために、溶接部に対して真横あるいは斜めの位置から吹き付けるのが良く、アシストガスノズル２２のガス噴出方向と溶接線接線３５のなす角度を大きくするとアシストガスノズル２２とエアーブローノズル２６あるいは反射ミラーハウジング１５とが干渉することになる。
【００５１】
また、溶接進行方向にはワイヤノズル１８が設置されているため、アシストガスノズル２２は溶接進行方向後方に設置するのが良い。溶接部へのワイヤ２１の挿入角度も溶接部に対して真横あるいは斜めの位置からが良く、ワイヤ２１の挿入方向と溶接線接線３５のなす角度が大きくなると、ワイヤ２１が溶融池に立って入ることになるため、ワイヤ２１の溶融池狙い位置の裕度が狭くなる。また、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接では溶融池が小さいために、ワイヤ２１は溶接進行方向から挿入したほうが良い。以上の条件を満足させることにより、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接を安定して行うことができ、健全な溶接部を得るこことができる。
【００５２】
保護ガラス２９は溶接部の近傍にあるため、溶接部から発生するスパッタやフュームにより汚染されやすい。そのためにエアーブローノズル２６より高速エアーを吹き出し、スパッタやフュームを保護ガラス２９の手前で吹き飛ばす必要がある。但し、保護ガラス２９と溶接部の距離が接近しているため、エアーブローによりアシストガスの吹き付け状態が影響されないようにする必要がある。
【００５３】
エアーブローノズル２６の構造を図９と図１０により説明する。
エアーブローノズル２６はエアーブローノズルサポート２７により反射ミラーハウジング１５に固定されている。エアーブローノズル２６は薄い箱型で、吹き出し口も薄い長方形にすることにより、エアーブローの吹き出しを層流状態にすることができる。そして、高速エアーの吹き出し方向を溶接進行方向に、保護ガラス２９のなす平面に対して高速エアーの吹き出し傾斜角度θＡｂが０〜１５度で、高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラスの中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度となるように高速エアーを噴射することにより、アシストガスへの干渉がなく、高速エアーが対象溶接スタッブチューブ４１と干渉することもなく、溶接部から発生するスパッタやフュームを保護ガラス２９の手前で払い飛ばし保護ガラス２９の汚染を極小にすることができた。
【００５４】
保護ガラス２９とエアーブローノズル２６の距離が近接している場合は、スパッタを完全に吹き飛ばすことができず、保護ガラスを汚染し易いので、高速エアーの吹き出し方向の前記角度θＡｂをゼロ度以上の小さな傾斜角度とすることが良い。但し、前記高速エアーの吹き出し傾斜角度θＡｂを１５度より大きくすると、アシストガスと高速エアーが干渉しアシストガスの流れを乱すので良くない。
【００５５】
【その他の実施例】
本発明の他の実施例を図１１と図１２に示す。図１１は、本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１ａの正面図である。図１２は、図１１とは別の本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１ｂで光ファイバ２を取り外し、撮像装置８を取り付けた状態を示すレーザ加工ヘッド１ｂの正面図である。
【００５６】
図１１および図１２において、ＣＣＤカメラ等の撮像装置８をハウジング５または５ａに固定し、撮像装置８とコリメートレンズ３の光軸を正確に合わせるための撮像装置ハウジング９を設け、レーザ光２５および撮像装置８の光軸１０およびＹＡＧレーザ光とＨｅＮｅレーザ光を反射し、可視光を透過するディフレクタ３６が設けられている。
【００５７】
図１１のレーザ加工ヘッド１ａは、図１３に示す従来型レーザ加工ヘッド１００の光学系の構成と同仕様であり、出射光学系にディフレクタ３６を用い、撮像装置８等の観察光学系を搭載している。当然ながらこの構成でも、ヘッダ４０とスタッブチューブ４１の溶接施工を行うことが可能である。ディフレクタ３６は、コリメートレンズ３と集光レンズ４の有効口径に合わせる必要があり、どうしてもレーザ加工ヘッド１ａを大きくする原因になる。すなわち、レーザ加工ヘッド１ａの大きさは、ディフレクタ３６の大きさに依存している。また、レーザ加工ヘッド１ａ内にディフレクタ３６を設けることにより、このディフレクタ３６での反射によるレーザ光２５のエネルギー損失も発生する。
【００５８】
そこで本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１では、ディフレクタ３６を省略して出射光学系をレーザ加工に最低必要な構成とし、観察光学系も取り外した構成にした。
【００５９】
レーザ発振器４３には低出力の位置決め用可視光レーザ出力源が設けてあり、可視光の赤色のＨｅＮｅレーザ（波長６３２ｎｍ）が、ＹＡＧレーザ光と同様に光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１に導光され、レーザ光２５を被加工物の加工点において焦点を結ぶようになっている。
【００６０】
次に、図１２によりロボットの正確な教示を行うための観察光学系を取り付けた状態を説明する。図２に示す光ファイバ２と光ファイバコネクタ６をレーザ加工ヘッド１ｂより取り外し、撮像装置８を撮像装置ハウジング９によりレーザ加工ヘッド１ｂに取り付ける。これにより、加工に先立ちロボットの正確な教示を行うことが可能になる。撮像装置ハウジング９はレーザ加工ヘッド１ｂに簡単に取り外しができるようになっていて、また撮像装置８とコリメートレンズ３の光軸が正確に合うようになっている。撮像装置８で撮影された画像は図示されていないモニタテレビに映し出され、被加工物の表面状態を観察できるようになっている。これらのモニタテレビには、電子ライン発生器によりクロスターゲットを発生させることも可能であり、被加工材へのレーザスポット光の照射位置を正確に合わせることが可能である。
【００６１】
以上の構成において、レーザ加工ヘッド１ｂの加工狙い位置および姿勢をロボットに教示する手順について説明する。
まず、図２に示す構成において、ＹＡＧレーザ発振器を停止させ、赤色の可視光を出すＨｅＮｅレーザからなる位置決め用レーザ出力源を作動させ、位置決め用レーザビームを出射させる。オペレータはロボットのペンダントボックス４８を使用して、ロボット４５の先端に取り付けられたレーザ加工ヘッド１ｂを被加工物の教示位置に移動させ、この赤色の位置決め用レーザビームのスポットにより、レーザ加工ヘッド１ｂの大体の狙い位置と作業姿勢を決めて、ロボット制御装置４４に登録する。被加工物の加工線に沿って、この操作を繰り返して概略の教示作業を行う。
【００６２】
次に、さらに正確な狙い位置と作業姿勢を教示するために、位置決め用可視光レーザ源の作動を停止させ、光ファイバ２と光ファイバコネクタ６をレーザ加工ヘッド１ｂより外して、図１２に示すように、撮像装置８と撮像装置ハウジング９をレーザ加工ヘッド１ｂに取り付け、撮像装置８を作動させて、この撮像装置８で捕らえた被加工物の映像をテレビモニタなどの視覚装置に表示させる。このとき被加工物の映像を鮮明にするため、外部より被加工物を照明する必要がある。オペレータは、先ほどの概略の教示作業により登録した位置にレーザ加工ヘッド１ｂを移動させ、この視覚装置に表示された映像を見ながら正確な位置決めを実施する。そして、その時の位置と姿勢とを、ロボット制御装置４４に再登録して教示する。このようにして先ほど行った概略の教示点を全て修正し、正確な位置決めを実施し、教示した内容の加工または作業をロボット４５に再実施させることが可能となる。レーザ加工を行うために、撮像装置８と撮像装置ハウジング９をレーザ加工ヘッド１ｂより取り外し、光ファイバ２と光ファイバコネクタ６をレーザ加工ヘッド１ｂに取り付けて図２の状態に戻す。
【００６３】
本発明の上記各実施例によりレーザ加工中は、レーザ加工ヘッド１の小型、軽量化が図れ、可搬重量の小さいロボットに適用することができ、加工位置が狭隘な被加工物にも適用可能になり適用範囲を広げることができる。
【００６４】
また、本発明の上記実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドによれば、従来アーク溶接で施工していたヘッダの片側に密集したスタッブチューブの溶接をレーザ溶接により実施できるので、アーク溶接に比べて溶接時間とヘッダの曲り変形量をおよそ半分以下にすることができ、ヘッダの曲り修正作業が省略できる。また、レーザ溶接でもスパッタは発生するが、アーク溶接に比べてスパッタの粒が非常に小さく、量的にも少ないためにヘッダに付着したスパッタはエアーブローなどの簡単な処置で除去することができる。このように上記実施例によれば、レーザ溶接を適用することにより大幅な作業時間の短縮を図ることができる。
【００６５】
そして、本発明の上記実施例のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１は、従来のレーザ加工ヘッド１００のディフレクタ３６を無くした（図１１に示す実施例を除く）ので、レーザ光２５のディフレクタ３６での損失をなくすことができ、また、加工装置が複数台ある場合は、撮像装置８を兼用することができ、設備費を抑えることができ、さらに、加工中は撮像装置８等の余分な部品を外しているため、レーザ加工ヘッド１と被加工物の干渉による故障等が減りメンテナンス性を向上させることができる。
【００６６】
また、本発明の上記実施例によるスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド１によれば、レーザ加工ヘッド１の小型、軽量化が図れ、可搬重量の小さいロボットに適用することができる。そして、従来レーザ加工ヘッドに対してレーザ光の光路にディフレクタ３６等の光学部品を削減できるため、レーザ光の光学部品での損失を少なくすることができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、ボイラヘッダ等に仮り付けされたスタッブチューブを溶接するのに好適なスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド及びこれを用いたボイラヘッダの製作方法を提供するができる。
【００６８】
また、本発明によれば、レーザ加工ヘッドの小型、軽量化が図れ、可搬重量の小さいロボットに適用できるため、溶接対象スタッブチューブ周辺に他のスタッブチューブあるいは障害物があるような狭隘部の溶接が可能なレーザ加工ヘッドを提供でき、このレーザ加工ヘッドを使用してボイラヘッダのスタッブチューブを溶接すると高能率で低入熱溶接が可能でヘッダの溶接変形が少なくなり、曲り修正作業が無くなってスパッタやスラグの除去作業も無くなる。
【００６９】
さらに、本発明によれば、ロボット教示作業は従来通りに行えて、加工時には加工に必要な出射光学系のみとする、小型、軽量なレーザ加工ヘッドを提供することができる。
【００７０】
より具体的には、ワイヤノズルの長手方向の延長線（Ａ）とアシストガスノズルの長手方向の延長線（Ｂ）を含む平面（Ｃ）がレーザ光の光軸（Ｅ）と溶接点（Ｇ）を通る線（Ｆ’）との間にあることで、レーザ光が溶接点（Ｇ）に入射する角度はエネルギー密度が高く、溶接部深くまで照射できる範囲に保たれと同時に林立するスタッブとヘッダとの干渉なしにワイヤノズルをスタッブの円周に沿って送給できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの側面図である。
【図２】本発明の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの正面図である。
【図３】本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す平面図である。
【図４】本発明のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドをロボットに搭載した全体溶接装置を示す正面図である。
【図５】図１のＡ−Ａ線切断断面図である。
【図６】スタッブのヘッドへの溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向とレーザ光との配置関係を示す図である。
【図７】溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す平面図である。
【図８】溶接部へのアシストガス吹き出し方向とワイヤ挿入方向を示す正面図である。
【図９】図１のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ線切断断面図である。
【図１１】本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドの正面図である。
【図１２】本発明のその他の実施例に係るスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドで光ファイバを取り外し、撮像装置を取り付けた状態を示すレーザ加工ヘッドの正面図である。
【図１３】従来のレーザ加工ヘッドの構造を示す概略構成図である。
【図１４】管群を説明する斜視図である。
【符号の名称】
１、１ａ、１ｂレーザ加工ヘッド
２光ファイバ
３コリメートレンズ
４集光レンズ
５、５ａ、５ｂハウジング
６光ファイバコネクタ
７アーム
８撮像装置
９撮像装置ハウジング
１０レーザ光および撮像装置の光軸
１１レンズハウジング
１２サポートブロック
１３カバー
１４柱
１５反射ミラーハウジング
１６反射ミラー
１７反射ミラー押さえ
１８ワイヤノズル
１９ワイヤノズルサポート
２０ワイヤチップ
２１ワイヤ
２２アシストガスノズル
２３アシストガスノズルサポート
２４アシストガス入口
２５レーザ光
２６エアーブローノズル
２７エアーブローノズルサポート
２８エアー入口
２９保護ガラス
３０保護ガラス押さえ
３１冷却水入口
３２冷却水出口
３３乾燥エアー出口
３４乾燥エアー入口
３５溶接線接線
３６ディフレクタ
４０ヘッダ
４１スタッブチューブ
４２フィンチューブ
４３レーザ発振器
４４ロボット制御装置
４５ロボット
４６走行台車
４７レール
４８ペンダントボックス
４９支持台
５０拘束ジグ
５１拘束台
１００レーザ加工ヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser welding apparatus and a manufacturing method using the same, and more particularly to a laser processing head for stub welding suitable for welding a stub tube temporarily attached to a boiler header or the like, and a boiler header manufacturing method using the same. About.
[0002]
[Prior art]
In the power generation boiler, a part composed of a tube group shown in FIG. 14 is used. A stub tube 41 is welded to the header 40, and a fin tube 42 is welded between the upper and lower stub tubes. In order to increase the heat exchange efficiency in the fin tube 42, the fin tubes 42 are densely spaced at a very narrow interval, and the stub tube 41 is also attached to the header 40 at a very narrow interval. The stub tube 41 has a diameter of 38.1 mm, 50.8 mm, etc., and the gap between the tubes of the stub tube 41 is about 55 to 65 mm. The welding operation of the stub tube 41 and the header 40 is automated by robot welding as disclosed in JP-B-4-31784, JP-A-3-155470, and JP-A-7-214320. As a welding method, arc welding is applied, and multi-layer construction is performed.
[0003]
On the other hand, laser processing is applied to processing of metals, ceramics, etc., and it is possible to concentrate high-density energy in a very narrow range, and it is possible to obtain deeper penetration than conventional arc heat sources and to reduce heat input. Since it can be lowered, it is possible to perform high-efficiency and high-quality welding and cutting, and has been applied in various industries in recent years. In particular, laser processing capable of transmitting an optical fiber such as a YAG laser is used in combination with a robot or the like. As inventions related to laser fillet laser welding apparatuses, there are JP-A-61-229489 and JP-A-8-187587.
[0004]
Further, there is disclosed a method for laser welding a sleeve in thousands of tubes supported by a tube plate of a nuclear steam generator using a welding head having a converging means, a welding mirror means and a focal length maintaining means. It is disclosed in the gazette.
[0005]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-59286 discloses an invention of a laser processing head including a laser beam collimating optical system, a reflecting mirror, a condensing optical system, and processing means.
[0006]
FIG. 13 shows a schematic configuration as an example of a laser processing head. A laser processing head 100 shown in FIG. 13 observes a housing 5b, an output optical system that guides YAG laser light (wavelength 1060 nm) from the optical fiber 2 to a processing point of the workpiece, and a processing point of the workpiece. Observing optical system, wire nozzle 18a for guiding the added wire to the welded portion, and assist gas nozzle for blowing off plasma and fumes generated from the welded portion and injecting an assist gas for shielding the welded portion to the welded portion 22a and the like. The laser processing head 100 is desirably small and light in order to be mounted on the robot. When the laser processing head 100 is heavy, it is necessary to apply a large robot.
[0007]
First, the laser processing head 100 shown in FIG. 13 will be described from the emission optical system. A YAG laser beam generated by a laser oscillator (not shown) is guided to the laser processing head 100 by the optical fiber 2 and emitted at a wide angle from the end of the optical fiber. The optical fiber 2 is fixed to the housing 5b by an optical fiber connector 6. The emission optical system includes a deflector 36 that reflects the emission laser beam 25 downward from the optical fiber 2, a collimator lens 3 that makes the spread of the laser beam 25 parallel light, and the laser beam 25 is focused at the processing point of the workpiece. It is composed of a condensing lens 4 to be tied. As the collimating lens 3 and the condensing lens 4, lenses having a focal length f of 100 to 200 mm are generally used. The focal length f of the condenser lens 4 is as long as 100 to 200 mm, and the wire nozzle 18a and the assist gas nozzle 22a are arranged on a straight line along the weld line.
[0008]
Next, the observation optical system will be described. Laser oscillators (not shown) are often provided with a low power visible light laser output source for positioning. As the visible light laser, a red HeNe laser (wavelength 632 nm) is generally used, and is guided to the laser processing head 100 by the optical fiber 2 in the same manner as the YAG laser light, and the HeNe laser light spot is focused at the processing point of the workpiece. It has come to tie.
[0009]
The laser processing head 100 is often provided with an observation optical system for observing the processing point of the workpiece irradiated with the laser beam 25. The observation optical system is used for teaching operation of the robot prior to processing, and the imaging device 8 is attached to the upper part of the housing 5b. In order to provide such an observation optical system, a deflector 36 that reflects YAG laser light and HeNe laser light and transmits visible light is used. The deflector 36, the collimator lens 3, the condenser lens 4, and the imaging device 8 are installed so as to be positioned on a straight line on the laser beam and the optical axis 10 of the imaging device 8. In particular, the deflector 36 is disposed so as to have an inclination angle of 45 degrees with respect to the optical axis 10. The deflector 36 needs to match the effective apertures of the collimating lens 3 and the condensing lens 4, which causes the laser processing head 100 to be enlarged. That is, the size of the laser processing head 100 depends on the size of the deflector 36. Further, by providing the deflector 36 in the laser processing head 100, energy loss of the laser light 25 due to reflection by the deflector 36 also occurs.
[0010]
An image photographed by the imaging device 8 is displayed on a monitor television (not shown) so that the surface state of the workpiece can be observed. In these monitor televisions, a cross target can be generated by an electronic line generator, and the irradiation position of the laser spot light on the workpiece can be accurately adjusted.
[0011]
Next, a procedure for teaching the robot the processing target position and posture of the laser processing head 100 will be described.
First, the YAG laser oscillator is stopped, a positioning laser output source composed of a HeNe laser that emits red visible light is operated, and a positioning laser beam is emitted. The operator moves the laser processing head 100 attached to the tip of the robot to the teaching position of the workpiece, and determines the rough target position and working posture of the laser processing head 100 by using the spot of the red positioning laser beam. And register with the robot controller. This operation is repeated along the processing line of the workpiece to perform a rough teaching operation.
[0012]
Next, in order to teach a more accurate aiming position and working posture, the operation of the visible light laser source for positioning is stopped, the imaging device 8 is operated, and an image of the workpiece captured by the imaging device 8 is displayed. It is displayed on a visual device (not shown) such as a television monitor. At this time, in order to make the image of the workpiece clear, it is necessary to illuminate the workpiece from the outside. The operator moves the laser processing head 100 to the position registered by the general teaching work described above, and performs accurate positioning while viewing the video displayed on the visual device. Then, the position and posture at that time are re-registered and taught in the robot controller. In this way, it is possible to correct all the teaching points that have been performed previously, perform accurate positioning, and cause the robot to perform the processing or work of the taught contents again.
[0013]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 4-31784
[0014]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 3-155470
[0015]
[Patent Document 3]
JP 7-214320 A
[0016]
[Patent Document 4]
JP-A-61-229489
[0017]
[Patent Document 5]
JP-A-8-187487
[0018]
[Patent Document 6]
JP-A-62-173092
[0019]
[Patent Document 7]
JP 2002-59286 A
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional technology, the welding operation of the header 40 and the stub tube 41 is performed by multi-layered construction that is automated by an arc welding robot.
[0021]
However, since many stub tubes 41 attached to the header 40 are densely attached in a single row or a plurality of rows at a constant pitch in the longitudinal direction of one side of the header 40, it takes a lot of welding time and at the same time, the header 40 is deformed by welding. Because it bends greatly, it was necessary to correct the bend. Further, in arc welding, spatter and slag are generated and adhere to the welded part and the vicinity of the welded part, and therefore, it has been necessary to perform the removal work.
[0022]
In a laser welding method capable of high efficiency and low heat input welding instead of arc welding, the focal length f of the condenser lens 4 of the laser processing head 100 is conventionally as long as 100 to 200 mm, and a wire nozzle is formed along the welding line. 18a and the assist gas nozzle 22a are arranged in a straight line, so that when the header 40 and the stub tube 41 are welded, the other stub tube 41 adjacent to the periphery of the stub tube 41 to be welded and the housing 5b or wire of the laser processing head 100 are used. The nozzle 18a and the assist gas nozzle 22a interfered and welding could not be performed.
[0023]
In addition, there is a restriction on the weight of the robot, and the laser processing head 100 needs to be light, and the processing position of the workpiece may be a narrow part. be able to. However, since the laser processing head 100 is provided with a monitoring optical system necessary for robot teaching work, there is a limit to miniaturization and weight reduction, and a robot having a large payload must be applied. When the robot is downsized, there is a problem that the application range is limited.
[0024]
An object of the present invention is to provide a laser processing head for stub welding suitable for welding a stub tube temporarily attached to a boiler header or the like, and a method for manufacturing a boiler header using the same.
[0025]
Another object of the present invention is a laser processing head capable of welding a narrow portion where there is another stub tube or an obstacle around the stub tube to be welded, and the stub tube of a boiler header using this laser processing head It is an object to provide a method for producing a boiler header that enables high-efficiency and low heat input welding, reduces welding deformation of the header, eliminates bending correction work, and eliminates spatter and slag removal work.
[0026]
A further object of the present invention is to provide a small and lightweight laser processing head in which the robot teaching work can be performed as usual and only the emission optical system necessary for processing is used at the time of processing.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
The above object of the present invention is achieved by the following means.
That is, in the laser processing head that is mounted on the welding robot and welds the stub 41 temporarily attached to the welded portion of the workpiece (40),
A collimating lens 3 for collimating the spread of the laser beam 25 emitted from the optical fiber 2, and a condensing lens 4 for condensing the collimated laser beam 25;
A reflection mirror 16 that reflects the laser beam 25 and irradiates the welded portion of the workpiece (40), a protective glass 29 that protects the optical system from fumes, spatters, and the like from the welded portion, and the protective glass 29 and the welded portion. Welding air blow nozzle 26 for injecting high-speed air between them, wire nozzle 18 for guiding additive wire 21 to the welded portion, and assist gas for blowing off plasma and fumes generated from the welded portion to shield the welded portion An assist gas nozzle 22 for injecting into the part,
The wire nozzle 18 and the assist gas nozzle 22 are arranged on opposite sides of the optical axis (E) of the laser beam 25, and the longitudinal extension line (A) of the wire nozzle 18 and the longitudinal extension line of the assist gas nozzle 22 ( B) and the optical axis (E) of the laser beam 25 are arranged so that they intersect at or near the welding point (G) to the tube 40 of the stub 41,
The plane (C) including the extension line (A) in the longitudinal direction of the wire nozzle 18 and the extension line (B) in the longitudinal direction of the assist gas nozzle 22 and the optical axis (E) of the laser beam 25 are the welding point (G) or its Arrange so that they meet in the vicinity,
The plane (C) is between the line (F ′) parallel to the longitudinal axis (F) of the stub 41 and passing through the welding point (G) and the optical axis (E) of the laser beam 25. Place and
The assist gas nozzle 22 is tubular in shape, the blowing direction of the assist gas injected into the welded portion is the welding progress direction, and the inclination angle θGa in the horizontal direction with respect to the tangent to the welding line is 0 to 40 degrees, The vertical inclination angle θGb is inclined at 5 to 40 degrees,
The air blow nozzle 26 has a thin box shape, and the air blowing port is a thin rectangle. The blowing direction of the high-speed air is in the welding progress direction, and the inclination angle θAb is 0 with respect to the plane formed by the protective glass 29. It is ˜15 degrees, and the blowing direction of the high-speed air is inclined and arranged at an inclination angle θAa of 0 to 40 degrees with respect to the center line of the protective glass 29 parallel to the tangent line of the welding line (center line of the protective glass in the welding progress direction), The insertion direction of the additive wire 21 from the wire nozzle 18 into the welded portion is from the front in the welding progress direction, the horizontal inclination angle θWa is 0 to 40 degrees with respect to the tangent to the welding line, and the vertical angle θWb is This is a laser processing head for stub welding having an inclination angle of 5 to 40 degrees.
[0028]
In the laser processing head, N is used as an assist gas. ₂ Gas can be used. In the laser machining head, when creating a robot teaching program, the optical fiber can be removed from the laser machining head, and an image pickup device can be attached on the laser optical axis so that an image of the workpiece can be taken.
[0029]
Further, the above-mentioned problem of the present invention is achieved by the following means for solving.
That is, using a welding robot that moves along the longitudinal direction of the boiler header, a boiler header that welds a plurality of stubs 41 with the same diameter temporarily attached to the longitudinal direction of the boiler header at a fixed pitch of one or more rows. In the production method, the laser processing head for stub welding is mounted on the welding robot, the welding robot is moved along the longitudinal direction of the boiler header, and the stub tube temporarily attached to the boiler header is sequentially welded by the laser welding method. This is a boiler header manufacturing method.
[0030]
[Action]
In the laser processing head, a reflection mirror is installed after the condensing lens of the optical fiber, collimating lens, and condensing lens, and the laser beam is reflected to irradiate the welded portion between the header and the stub tube. . This makes it possible to guide the laser light in parallel with the stub tube. In addition, the wire nozzle, assist gas nozzle, and air blow nozzle are arranged in the direction of the circumferential weld line of the header and stub tube across the optical axis of the laser beam where the collimating lens, condenser lens, and reflecting mirror are arranged. If it is a laser processing head, laser welding can be performed without interfering with the adjacent stub tube.
[0031]
The assist gas nozzle has a tubular shape, the assist gas blowing direction is the welding progress direction, the horizontal inclination angle θGa is 0 to 40 degrees with respect to the tangent to the welding line, and the vertical inclination angle θGb is 5 to 40. By injecting the assist gas to the welded part so that the direction is in the direction, it is possible to blow off the plasma and fumes generated from the welded part, and to efficiently irradiate the welded part with laser light, and the welded part from the air Shield and prevent oxidation of molten metal. N as an assist gas ₂ By using gas, welding defects such as blow holes can be reduced, and a sound weld can be obtained.
[0032]
In addition, by making the air blow nozzle into a thin box shape and making the blowout port into a thin rectangle, the blowout of the air blow is made into a laminar flow state, and the inclination angle θAb is 0 to 0 relative to the plane formed by the protective glass in the welding progress direction. High-speed air is inclined at an inclination angle θAa of 0 to 40 degrees with respect to the center line of the protective glass 29 (the center line of the protective glass in the welding progress direction) where the blowing direction of the high-speed air is parallel to the tangent line of the welding line. By spraying, the high-speed air does not interfere with the target welding stub tube, and spatter and fumes generated from the welded part are blown out before the protective glass to contaminate the protective glass. Can be minimized.
[0033]
Further, the additive wire from the wire nozzle has a horizontal inclination angle θWa of 0 to 40 degrees and a vertical inclination angle θWb of 5 to 40 degrees with respect to the tangent line of the welding line from the front in the welding progress direction. By inserting into such a welded portion, the wire can be stably inserted into the welded portion, and a sound welded portion can be obtained.
[0034]
Furthermore, in a laser processing head consisting of an output optical system in which an optical fiber, a collimating lens, and a condenser lens are arranged in a straight line on the laser optical axis, the optical fiber is removed from the laser processing head, and an image pickup device can be easily mounted on the laser optical axis. In addition, an observation optical system can be configured, and a teaching work can be performed by viewing an image of a workpiece on a monitor television. Thereby, teaching can be performed in the same manner as the conventional head, and the laser processing head can be reduced in size and weight during processing.
[0035]
Laser processing can concentrate high-density energy in a very narrow range, and can achieve deeper penetration than conventional arc heat sources and lower the amount of heat input. High quality welding is possible. The stub welding laser processing head is mounted on a welding robot that moves along the longitudinal direction of the boiler header, and the welding robot is moved along the longitudinal direction of the boiler header to laser the stub tube temporarily attached to the boiler header. By sequentially welding by the welding method, the welding time and the amount of bending deformation of the header can be reduced to about half or less compared to arc welding, and the work of correcting the bending of the header after welding can be omitted.
[0036]
In addition, spatter is generated even in laser welding, but the spatter particles are much smaller and smaller in volume than arc welding, so the spatter adhering to the header can be removed by simple measures such as air blow. In addition, in laser welding, there is almost no generation of slag, and unnecessary post-welding work can be omitted.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the present invention will be described below and will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a side view of a laser processing head for stub welding according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a front view of a laser processing head for stub welding according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a plan view showing an entire welding apparatus in which the laser processing head for stub welding of the present invention is mounted on a robot. FIG. 4 is a front view showing an overall welding apparatus in which the laser processing head for stub welding according to the present invention is mounted on a robot. 5 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. FIG. 7 is a plan view showing the assist gas blowing direction and the wire insertion direction to the weld. FIG. 8 is a front view showing the assist gas blowing direction and the wire insertion direction to the weld. FIG. 9 is a view taken along the line BB in FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
[0038]
1 and 2, the stub welding laser processing head 1 has the following configuration.
That is, the optical fiber 2 that guides the laser beam generated by the laser oscillator to the laser processing head 1, the collimator lens 3 that collimates the laser beam 25 emitted from the optical fiber 2 at a wide angle, and the collimator lens 3 become parallel light. The focusing lens 4 that focuses the laser beam 25 at the processing point of the workpiece, the housing 5 that covers the laser beam 25 between the optical fiber 2 and the collimating lens 3, and the optical fiber 2 are fixed to the housing 5. , An optical fiber connector 6 for accurately aligning the optical axes of the laser light 25 of the optical fiber 2 and the collimating lens 3, an arm 7 for attaching the laser processing head 1 to the robot, an optical axis 10 of the laser light 25, and the collimating lens 3 And a lens housing 11 for housing the condenser lens 4, and a lower block attached to the lens housing 11. The support block 12 to support, the cover 13 to cover the laser beam, the support block 12 and the lower block are fastened, the supporting column 14, the reflection mirror housing 15 and the laser beam 25 are reflected to irradiate the welded portion of the workpiece. The reflecting mirror 16, the reflecting mirror holder 17 for fixing the reflecting mirror 16 to the reflecting mirror housing 15, the wire nozzle 18 for guiding the additive wire 21 to the weld, and the wire nozzle for fixing the wire nozzle 18 to the reflecting mirror housing 15. The support 19 and the wire nozzle 18 are attached to the tip of the wire nozzle 18 to fix the target position of the added wire, the wire 21 to be added to the welded portion, the effect of blowing off plasma and fumes generated from the welded portion, and shielding the welded portion. Assist gas for injecting the assist gas to the weld To remove the gas nozzle 22, the assist gas nozzle support 23 for fixing the assist gas nozzle 22 to the support block 12, the assist gas inlet 24 for supplying the assist gas to the assist gas nozzle 22, the laser beam 25, fume from the welded portion, spatter, etc. An air blow nozzle 26 for injecting high-speed air, an air blow nozzle support 27 for fixing the air blow nozzle 26 to the reflecting mirror housing 15, an air inlet 28 for supplying air to the air blow nozzle 26, a fume from the weld, Protective glass 29 that protects the optical system from spatter and the like, a protective glass holder 30 that fixes the protective glass 29 to the reflecting mirror housing 15, a cooling water inlet 31 that supplies cooling water to the reflecting mirror housing 15, a cooling water outlet 32, and optical components And K These include a dry air outlet 33 and a dry air inlet 34 for supplying dry air for cooling the sing to the laser optical head 1.
[0039]
3 and 4, a robot 45 that welds a welded portion between a header 40 and a stub tube 41 is connected to a laser oscillator 43 that oscillates a YAG laser beam and a HeNe laser, and a robot controller 44, and travels on a rail 47. It is placed on the traveling carriage 46. Further, a pendant box 48 for teaching the robot 45, a support base 49, a restraining jig 50 for fixing the header 40, a restraining base 51 for fixing the head, and the like are provided.
[0040]
FIGS. 7 and 8 are a plan view and a front view showing the blowing direction from the assist gas nozzle 22 to the welded portion and the inserting direction of the wire 21 from the wire nozzle 18, respectively. The stub tube 41 to the header 40 is shown in FIG. A weld line tangent 35 to the weld line is shown.
[0041]
The entire laser welding apparatus will be described with reference to FIGS.
The header 40 is fixed on the restraining table 51 with the restraining jig 50 so that the side on which the stub tube 41 is attached to the header 40 faces upward. The stub tube 41 is temporarily fixed to the header 40 in one or three rows. When the stub tube 41 is attached to the header 40 in three rows, the restraint base 51 may be inclined so that the weld line of the stub tube 41 in each row is horizontal.
[0042]
The robot 45 is moved along the longitudinal direction of the header 40 by the traveling carriage 46. As a welding procedure for the stub tube 41, the stub tube 41 is divided into blocks and welded. First, the traveling carriage 46 stops, and the robot 45 welds the block of the stub tube 41 within the operating range of the robot 45. Next, the traveling carriage 46 moves and repeats the welding of the stub tube 41 of the next block to complete the welding of all the stub tubes 41. The robot program teaching operation is performed using the pendant box 48.
[0043]
The stub welding laser processing head of this embodiment will be described with reference to a side view and a front view of the stub welding laser processing head of one embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, respectively.
[0044]
The YAG laser light 25 (wavelength 1060 nm) generated by the laser oscillator 43 (FIG. 3) is guided to the laser processing head 1 by the optical fiber 2, emitted from the end of the optical fiber at a wide angle, and becomes parallel light by the collimating lens 3. The focusing lens 4 focuses the laser beam 25 at the processing point of the workpiece. The condensing laser beam 25 is bent at an angle of 45 degrees by the reflecting mirror 16 so as to irradiate the welded portion between the header 40 and the stub tube 41. As a result, the laser beam 25 can be guided in parallel with the stub tube 41.
[0045]
The optical fiber 2 is fixed to the housing 5 with an optical fiber connector 6 and can be easily removed, and the optical axis of the laser light 25 of the optical fiber 2 and the collimating lens 3 is accurately aligned. The laser processing head 1 has a sealed structure inside, so that dust and welding fumes do not enter from the outside. Then, the dry air is supplied from the dry air inlet 34 of the housing 5, flows through the laser processing head 1, and is discharged from the dry air outlet 33 attached to the reflection mirror housing 15, so that the optical components and the housings 5, 15 are discharged. Cool down. Since the reflecting mirror 16 and the protective glass 29 are irradiated with the focused laser beam 25, the heat generated by the laser beam 25 is larger than that of other optical components. Therefore, the reflecting mirror housing 15 has a water cooling structure. ing.
[0046]
When the welded portion is irradiated with the laser beam 25, the irradiated metal suddenly becomes high temperature and starts to evaporate, and plasma and fumes are generated from the welded portion, and the plasma and fumes absorb the laser beam 25 or the laser beam. 25 is scattered. Therefore, in order to blow off plasma and fumes and to irradiate the welded portion with the laser beam 25 efficiently, it is necessary to blow assist gas onto the welded portion. The assist gas also serves as a shield gas for the weld. As an assist gas component, N ₂ It is known that when a gas is used, welding defects such as blow holes can be reduced and a sound weld can be obtained. Since the wire nozzle 18 guides the additive wire 21 to the welded portion and the assist gas nozzle 22 sprays the assist gas onto the welded portion, in the conventional laser processing head 1, the wire nozzle 18, the welded portion, and the assist gas nozzle 22 are arranged in series.
[0047]
The arrangement of the wire nozzle 18 and the assist gas nozzle 22 will be described with reference to FIGS.
The wire nozzle 18 and the assist gas nozzle 22 are arranged on opposite sides of the optical axis (E) of the laser beam 25, and the longitudinal extension line (A) of the wire nozzle 18 and the longitudinal extension line of the assist gas nozzle 22 ( B) and the optical axis (E) of the laser beam 25 are arranged so that they intersect at or near the welding point (G) to the tube 40 of the stub 41,
The plane (C) including the extension line (A) in the longitudinal direction of the wire nozzle 18 and the extension line (B) in the longitudinal direction of the assist gas nozzle 22 and the optical axis (E) of the laser beam 25 are the welding point (G) or its It arrange | positions so that it may cross | intersect in the vicinity, It is parallel to the axis line (F) of the longitudinal direction of the stub 41, and between the line (F ') which passes the said welding point (G), and the optical axis (E) of the laser beam 25, Arrange so that there is a plane (C).
[0048]
With the above arrangement, the plane (C) including the longitudinal extension line (A) of the wire nozzle 18 and the longitudinal extension line (B) of the assist gas nozzle 22 is aligned with the optical axis (E) of the laser beam 25 and the welding point (G). ), The angle at which the laser beam 25 is incident on the welding point (G) has a high energy density, and is maintained in a range where it can be irradiated deeply into the welded portion. The wire nozzle 13 can be fed along the circumference of the stub 41 without interference between the header 41 and the header 40.
[0049]
Next, the assist gas blowing direction from the assist gas nozzle 22 and the insertion direction of the wire 21 from the wire nozzle 18 into the welded portion will be described with reference to FIGS. The assist gas is blown out from the assist gas nozzle 22 in the welding progress direction in a direction in which the horizontal inclination angle θGa is 0 to 40 degrees with respect to the welding line tangent 35 and the vertical inclination angle θGb is 5 to 40 degrees. It is good to spray on the part. Further, the insertion direction of the wire 21 from the wire nozzle 18 into the welded portion is from the front in the welding progress direction, the inclination angle θWa with respect to the horizontal direction with respect to the welding line tangent 35 is 0 to 40 degrees, and the inclination angle θWb with respect to the vertical direction is 5 It is good to insert into the weld in the direction of ~ 40 degrees.
[0050]
The assist gas blows away plasma or fumes generated from the welded portion and shields the welded portion, so that it is preferably blown from the side or oblique position with respect to the welded portion. The gas ejection direction of the assist gas nozzle 22 and the welding line tangent 35 are good. When the angle between the assist gas nozzle 22 and the air blow nozzle 26 or the reflecting mirror housing 15 interferes with each other.
[0051]
Moreover, since the wire nozzle 18 is installed in the welding progress direction, the assist gas nozzle 22 is preferably installed behind the welding progress direction. The insertion angle of the wire 21 into the welded portion may be from a position directly beside or oblique with respect to the welded portion. Therefore, the tolerance of the position where the wire 21 is aimed at the molten pool is narrowed. Further, since the weld pool is small in the welding of the header 40 and the stub tube 41, it is better to insert the wire 21 from the welding progress direction. By satisfying the above conditions, the header 40 and the stub tube 41 can be stably welded, and a sound welded portion can be obtained.
[0052]
Since the protective glass 29 is in the vicinity of the welded portion, it is easily contaminated by spatter and fumes generated from the welded portion. Therefore, it is necessary to blow high-speed air from the air blow nozzle 26 and blow off the spatter and fumes before the protective glass 29. However, since the distance between the protective glass 29 and the welded portion is close, it is necessary to prevent the assist gas blowing state from being affected by the air blow.
[0053]
The structure of the air blow nozzle 26 will be described with reference to FIGS.
The air blow nozzle 26 is fixed to the reflection mirror housing 15 by an air blow nozzle support 27. The air blow nozzle 26 is a thin box shape, and the blowout port is also made into a thin rectangle, whereby the blowout of the air blow can be made into a laminar flow state. The high-speed air blowing direction is the welding progress direction, the high-speed air blowing inclination angle θAb is 0 to 15 degrees with respect to the plane formed by the protective glass 29, and the high-speed air blowing direction is parallel to the tangent of the welding line. By injecting high-speed air so that the inclination angle θAa with respect to the glass center line (the center line of the protective glass in the welding progress direction) is 0 to 40 degrees, there is no interference with the assist gas, and the high-speed air is the target welding stub. Spatter and fumes generated from the welded part were removed before the protective glass 29 without interfering with the tube 41, and contamination of the protective glass 29 could be minimized.
[0054]
When the distance between the protective glass 29 and the air blow nozzle 26 is close, the sputtering cannot be completely blown out and the protective glass is easily contaminated. Therefore, the angle θAb in the high-speed air blowing direction is set to zero degrees or more. A small inclination angle is preferable. However, if the high-speed air blowing inclination angle θAb is greater than 15 degrees, the assist gas and the high-speed air interfere with each other and disturb the assist gas flow.
[0055]
[Other examples]
Another embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 11 is a front view of a laser processing head 1a for stub welding according to another embodiment of the present invention. FIG. 12 is a front view of the laser processing head 1b showing a state in which the optical fiber 2 is removed by the stub welding laser processing head 1b according to another embodiment of the present invention different from FIG. is there.
[0056]
11 and 12, an imaging device 8 such as a CCD camera is fixed to the housing 5 or 5a, and an imaging device housing 9 for accurately aligning the optical axes of the imaging device 8 and the collimating lens 3 is provided. An optical axis 10 of the imaging device 8 and a deflector 36 that reflects YAG laser light and HeNe laser light and transmits visible light are provided.
[0057]
The laser processing head 1a of FIG. 11 has the same specifications as the optical system configuration of the conventional laser processing head 100 shown in FIG. 13, and uses a deflector 36 as an output optical system and is equipped with an observation optical system such as an imaging device 8. ing. Of course, it is possible to weld the header 40 and the stub tube 41 with this configuration. The deflector 36 needs to be matched with the effective apertures of the collimating lens 3 and the condensing lens 4 and inevitably causes the laser processing head 1a to be enlarged. In other words, the size of the laser processing head 1 a depends on the size of the deflector 36. Further, by providing the deflector 36 in the laser processing head 1a, energy loss of the laser beam 25 due to reflection by the deflector 36 also occurs.
[0058]
Therefore, in the stub welding laser processing head 1 according to the embodiment of the present invention, the deflector 36 is omitted, the emission optical system is the minimum configuration necessary for laser processing, and the observation optical system is also removed.
[0059]
The laser oscillator 43 is provided with a low-power visible light laser output source for positioning, and a visible red HeNe laser (wavelength 632 nm) is guided to the laser processing head 1 by the optical fiber 2 in the same manner as the YAG laser light. Thus, the laser beam 25 is focused at the processing point of the workpiece.
[0060]
Next, a state in which an observation optical system for accurately teaching the robot is attached will be described with reference to FIG. The optical fiber 2 and the optical fiber connector 6 shown in FIG. 2 are removed from the laser processing head 1b, and the imaging device 8 is attached to the laser processing head 1b by the imaging device housing 9. This makes it possible to accurately teach the robot prior to machining. The image pickup device housing 9 can be easily detached from the laser processing head 1b, and the optical axes of the image pickup device 8 and the collimating lens 3 are accurately aligned. An image photographed by the imaging device 8 is displayed on a monitor television (not shown) so that the surface state of the workpiece can be observed. In these monitor televisions, a cross target can be generated by an electronic line generator, and the irradiation position of the laser spot light on the workpiece can be accurately adjusted.
[0061]
In the above configuration, a procedure for teaching the robot the processing target position and orientation of the laser processing head 1b will be described.
First, in the configuration shown in FIG. 2, the YAG laser oscillator is stopped, the positioning laser output source composed of a HeNe laser that emits red visible light is operated, and the positioning laser beam is emitted. The operator uses the pendant box 48 of the robot to move the laser processing head 1b attached to the tip of the robot 45 to the teaching position of the workpiece, and the laser processing head 1b is spotted by the spot of the red positioning laser beam. Are determined and registered in the robot controller 44. This operation is repeated along the processing line of the workpiece to perform a rough teaching operation.
[0062]
Next, in order to teach a more accurate aiming position and working posture, the operation of the visible light laser source for positioning is stopped, and the optical fiber 2 and the optical fiber connector 6 are removed from the laser processing head 1b, as shown in FIG. As described above, the image pickup device 8 and the image pickup device housing 9 are attached to the laser processing head 1b, the image pickup device 8 is operated, and an image of the workpiece captured by the image pickup device 8 is displayed on a visual device such as a television monitor. At this time, in order to make the image of the workpiece clear, it is necessary to illuminate the workpiece from the outside. The operator moves the laser processing head 1b to the position registered by the general teaching operation described above, and performs accurate positioning while viewing the video displayed on the visual device. Then, the position and orientation at that time are re-registered and taught in the robot controller 44. In this way, it is possible to correct all of the outline teaching points performed previously, perform accurate positioning, and cause the robot 45 to re-execute the processing or work of the taught contents. In order to perform laser processing, the imaging device 8 and the imaging device housing 9 are removed from the laser processing head 1b, and the optical fiber 2 and the optical fiber connector 6 are attached to the laser processing head 1b to return to the state shown in FIG.
[0063]
During laser processing according to the above embodiments of the present invention, the laser processing head 1 can be reduced in size and weight, can be applied to a robot with a small portable weight, and can also be applied to a workpiece with a narrow processing position. Can be expanded.
[0064]
Moreover, according to the laser processing head for stub welding of the above-described embodiment of the present invention, welding of the stub tube densely arranged on one side of the header, which has been conventionally performed by arc welding, can be performed by laser welding, so compared with arc welding. The welding time and the bending deformation amount of the header can be reduced to about half or less, and the header bending correction work can be omitted. In addition, spatter is generated even in laser welding, but the spatter particles are very small compared to arc welding, and the amount of spatter is small, so the spatter adhering to the header can be removed by a simple measure such as air blow. . Thus, according to the said Example, working time can be shortened drastically by applying laser welding.
[0065]
In the stub welding laser processing head 1 according to the above embodiment of the present invention, the deflector 36 of the conventional laser processing head 100 is eliminated (except for the embodiment shown in FIG. 11). Loss can be eliminated, and when there are a plurality of processing devices, the imaging device 8 can also be used, equipment costs can be reduced, and extra parts such as the imaging device 8 can be added during processing. Since it is removed, failure due to interference between the laser processing head 1 and the workpiece can be reduced, and maintenance can be improved.
[0066]
Further, according to the stub welding laser processing head 1 according to the above embodiment of the present invention, the laser processing head 1 can be reduced in size and weight, and can be applied to a robot having a small portable weight. Further, since optical components such as the deflector 36 can be reduced in the optical path of the laser beam with respect to the conventional laser processing head, loss of the laser beam in the optical component can be reduced.
[0067]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a stub welding laser processing head suitable for welding a stub tube temporarily attached to a boiler header or the like, and a boiler header manufacturing method using the same.
[0068]
In addition, according to the present invention, the laser processing head can be reduced in size and weight, and can be applied to a robot having a small payload, so that a narrow portion where there is another stub tube or an obstacle around the stub tube to be welded. We can provide a laser processing head that can be welded. By using this laser processing head to weld the stub tube of the boiler header, high efficiency and low heat input welding is possible, welding deformation of the header is reduced, and bending correction work is eliminated. This eliminates spatter and slag removal.
[0069]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a small and lightweight laser processing head in which the robot teaching work can be performed as usual and only the emission optical system necessary for processing is used at the time of processing.
[0070]
More specifically, the plane (C) including the extension line (A) in the longitudinal direction of the wire nozzle and the extension line (B) in the longitudinal direction of the assist gas nozzle is the optical axis (E) of the laser beam and the welding point (G). Stubs and headers that stand at the same time as the angle at which the laser beam is incident on the welding point (G) with high energy density and can be irradiated deeply into the weld. The wire nozzle can be fed along the circumference of the stub without any interference.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a laser processing head for stub welding according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of a laser processing head for stub welding according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing an overall welding apparatus in which the laser processing head for stub welding of the present invention is mounted on a robot.
FIG. 4 is a front view showing an overall welding apparatus in which a laser processing head for stub welding according to the present invention is mounted on a robot.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
FIG. 6 is a diagram showing an arrangement relationship among an assist gas blowing direction to a welded portion of a stub head, a wire insertion direction, and laser light.
FIG. 7 is a plan view showing an assist gas blowing direction and a wire insertion direction to a welded portion.
FIG. 8 is a front view showing an assist gas blowing direction and a wire insertion direction to a welded portion.
FIG. 9 is a view taken along the line BB in FIG. 1;
10 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 9;
FIG. 11 is a front view of a laser processing head for stub welding according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a front view of a laser processing head showing a state in which an optical fiber is removed by a stub welding laser processing head according to another embodiment of the present invention and an imaging device is attached.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a structure of a conventional laser processing head.
FIG. 14 is a perspective view illustrating a tube group.
[Name of code]
1, 1a, 1b Laser processing head
2 Optical fiber
3 Collimating lens
4 condenser lens
5, 5a, 5b housing
6 Optical fiber connector
7 Arm
8 Imaging device
9 Imaging device housing
10 Laser beam and optical axis of imaging device
11 Lens housing
12 Support block
13 Cover
14 pillars
15 Reflective mirror housing
16 Reflection mirror
17 Reflection mirror holder
18 Wire nozzle
19 Wire nozzle support
20 Wire tip
21 wire
22 Assist gas nozzle
23 Assist gas nozzle support
24 Assist gas inlet
25 Laser light
26 Air blow nozzle
27 Air blow nozzle support
28 Air inlet
29 Protective glass
30 Protection glass holder
31 Cooling water inlet
32 Cooling water outlet
33 Dry air outlet
34 Dry air inlet
35 Welding line tangent
36 Deflector
40 header
41 Stub tube
42 Fin Tube
43 Laser oscillator
44 Robot controller
45 Robot
46 Traveling cart
47 rails
48 pendant box
49 Support stand
50 Restraint jig
51 Restraint stand
100 Laser processing head

Claims

溶接ロボットに搭載し、被溶接物の溶接部に仮付けされたスタッブを溶接するレーザ加工ヘッドにおいて、
光ファイバーから出射したレーザ光の広がりを平行光にするコリメートレンズと、
コリメートされたレーザ光を集光する集光レンズと、
レーザ光を反射して被溶接物の溶接部に照射する反射ミラーと、
溶接部からのフューム、スパッタ等から光学系を保護する保護ガラスと、
該保護ガラスと溶接部の間に高速エアーを噴射するエアーブローノズルと、
添加ワイヤを溶接部にガイドするワイヤノズルと、
溶接部から発生するプラズマやフュームを吹き飛ばして溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズルと
を備え、
ワイヤノズルとアシストガスノズルをレーザ光の光軸を挟んで反対側に配置し、かつ、ワイヤノズルの長手方向の延長線とアシストガスノズルの長手方向の延長線とレーザ光の光軸がスタッブのチューブへの溶接点又はその近傍で交わるように配置し、
ワイヤノズルの長手方向の延長線とアシストガスノズルの長手方向の延長線を含む平面とレーザ光の光軸は前記溶接点又はその近傍で交わるように配置し、
スタッブの長手方向の軸線に平行で、前記溶接点を通る線とレーザ光の光軸との間に前記ワイヤノズルの長手方向の延長線とアシストガスノズルの長手方向の延長線を含む平面があるように配置し、
前記アシストガスノズルは、その形状が管状であり、溶接部に噴射するアシストガスの吹き出し方向が溶接進行方向に、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＧａが０〜４０度であり、垂直方向の傾斜角度θＧｂが５〜４０度で傾斜配置され、
前記エアーブローノズルは、その形状が薄い箱型であり、そのエアー吹き出し口が薄い長方形であり、高速エアーの吹き出し方向が溶接進行方向に保護ガラスのなす平面に対して傾斜角度θＡｂが０〜１５度であり、
高速エアーの吹き出し方向が溶接線の接線に平行な保護ガラスの中心線（溶接進行方向の保護ガラスの中心線）に対する傾斜角度θＡａが０〜４０度で傾斜配置され、
前記ワイヤノズルからの添加ワイヤの溶接部への挿入方向が溶接進行方向前方から、溶接線の接線に対して水平方向の傾斜角度θＷａが０〜４０度であり、垂直方向の角度θＷｂが５〜４０度の傾斜角度である
ことを特徴とするスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド。In a laser processing head that is mounted on a welding robot and welds a stub that is temporarily attached to a welded part of a workpiece,
A collimating lens that collimates the spread of the laser light emitted from the optical fiber;
A condensing lens that condenses the collimated laser beam;
A reflection mirror that reflects the laser beam and irradiates the welded portion of the workpiece,
Protective glass that protects the optical system from fume, spatter, etc. from the weld,
An air blow nozzle that injects high-speed air between the protective glass and the weld;
A wire nozzle that guides the additive wire to the weld;
An assist gas nozzle for spraying an assist gas to blow off plasma and fumes generated from the welded portion to shield the welded portion,
The wire nozzle and the assist gas nozzle are arranged on opposite sides of the optical axis of the laser beam, and the extension line in the longitudinal direction of the wire nozzle, the extension line in the longitudinal direction of the assist gas nozzle, and the optical axis of the laser beam are directed to the stub tube. Arranged so as to intersect at or near the welding point of
The plane including the extension line in the longitudinal direction of the wire nozzle and the extension line in the longitudinal direction of the assist gas nozzle and the optical axis of the laser beam are arranged so as to intersect at or near the welding point,
There is a plane that is parallel to the longitudinal axis of the stub and includes a longitudinal extension of the wire nozzle and a longitudinal extension of the assist gas nozzle between the line passing through the welding point and the optical axis of the laser beam. Placed in
The assist gas nozzle has a tubular shape, the assist gas blowing direction to the welded portion is in the welding progress direction, the horizontal inclination angle θGa is 0 to 40 degrees with respect to the tangent line of the weld line, and the vertical direction is vertical. The inclination angle θGb of the direction is inclined at 5 to 40 degrees,
The air blow nozzle has a thin box shape, and the air blowout port is a thin rectangle. The blowout direction of high-speed air is 0 to 15 with respect to the plane formed by the protective glass in the welding progress direction. Degree,
The high-speed air blowing direction is inclined and arranged at an inclination angle θAa of 0 to 40 degrees with respect to the center line of the protective glass (the center line of the protective glass in the welding progress direction) parallel to the tangent line of the welding line,
The insertion direction of the additive wire from the wire nozzle into the welded portion is from the front of the welding progress direction, the horizontal inclination angle θWa is 0 to 40 degrees with respect to the tangent to the welding line, and the vertical angle θWb is 5 to 5 degrees. A laser processing head for stub welding, which has an inclination angle of 40 degrees.

アシストガスとしてＮ_２ガスを用いることを特徴とする請求項１記載のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド。The laser processing head for stub welding according to claim 1, wherein N ₂ gas is used as the assist gas.

前記溶接ロボットの教示プログラムを作成するときに、前記光ファイバをレーザ加工ヘッドより外してレーザ光軸上に撮像装置を取り付け被加工材の映像を撮影可能にしたことを特徴とする請求項１又は２記載のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッド。2. When creating a teaching program for the welding robot, the optical fiber is detached from a laser processing head, and an image pickup device is attached on a laser optical axis so that an image of a workpiece can be taken. The laser processing head for stub welding according to 2.

ボイラヘッダの長手方向に沿って移動する溶接ロボットを用いて、該ボイラヘッダの長手方向に一列あるいは複数列の一定ピッチで仮付けされた同一径で複数のスタッブチューブを溶接するボイラヘッダの製作方法において、
該溶接ロボットに前記請求項１記載のスタッブ溶接用レーザ加工ヘッドを搭載し、該ボイラヘッダの長手方向に沿って該溶接ロボットを移動させて、該ボイラヘッダに仮付けされたスタッブチューブをレーザ溶接法で順次溶接することを特徴とするボイラヘッダの製作方法。Method of manufacturing a boiler header that uses a welding robot that moves along the longitudinal direction of the boiler header and welds a plurality of stub tubes with the same diameter temporarily attached to the longitudinal direction of the boiler header at a fixed pitch of one or more rows In
The stub welding laser processing head according to claim 1 is mounted on the welding robot, the welding robot is moved along the longitudinal direction of the boiler header, and the stub tube temporarily attached to the boiler header is laser welded. A method of manufacturing a boiler header, characterized by sequential welding by a method.