JPS6243798B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は加工物の表面と工具装置とを互にある
予め定められた関係に移動させるように加工物を
装着する装置に係り、特に回転対称でない加工物
の周面或は帯状部を工具装置に対し所定の関係に
移動させることのできる装置に係る。

金属部材を組合わせて有用な製品を製造する技
術としてレーザ溶接が急速に開発されている。レ
ーザ溶接に於ては、レーザビームが接合されるべ
き加工物の表面に正しく結焦されることが重要で
ある。もしレーザビームの焦点が溶接中に変化す
ると多くの問題が生じ、その多くは表面の不適当
な加熱に基く不良溶接を生ずる。円筒状管の如き
回転対称性を有する部材をレーザ溶接する場合に
は、部材はレーザビームを結焦するレンズより一
定の距離の所にある軸線の周りに回転されればよ
いので、正しいビームの結焦を維持することに通
常何らの困難は伴わない。一度焦点が結ばれる
と、部材を単に回転することによつて継ぎ目の周
りに沿つてレーザビームを相対的に移動させるこ
とができる。しかしながら回転対称性を有しない
部材を溶接する場合には、加工物の表面に正しい
ビームの結焦を維持することは困難な問題であ
り、このことがレーザ溶接を生産工程に適応する
ことの妨げとなつていた。

回転対称性を有しないためにレーザビ溶接が困
難であつた部分の一つの例として、ガスタービン
エンジンのブレード内に挿入されそれを通つて冷
却空気を導くガス吹付け管がある。かかるガス吹
付け管の典型的なものはほぼ翼型をなす細長い区
画と楔型の区画を有しており、これらの区画はそ
の接合部に長円状の断面を有する帯状部を有して
いる（第１図及び第２図参照）。従来かかる長円
状の帯状接合部は電子ビーム溶接によつて溶接さ
れており、そのほぼ平面の部分は機械的に溶接さ
れるがその円弧状の部分は手作業によつて溶接さ
れている。勿論かかる溶接技術は時間を要するだ
けでなく、その溶接作業中に多数の溶接調整ステ
ツプを必要とする。かかる帯状接合部全体をレー
ザ溶接せんとする試みはこれまで失敗に終わつて
いた。それは溶接部が平面部より円弧状部へ移動
する際にレーザビームの正しい結焦を維持するこ
とができず、また溶接部が移動してもレーザビー
ムの入射角を正しく維持することができなかつた
ことによつている。

従つて本発明は加工物表面の平面部と円弧状部
とをそれらが露呈される工具装置に対し一つの定
まつた平面内に維持しつつ加工物の長円状帯状部
と工具装置の間に相対的運動を行なわせることの
できる改良された装置を提供することである。か
かる装置は長円状の帯状接合部をレーザ溶接する
場合に特に有用である。何故ならば、かかる装置
によればレーザビームが帯状部の平面部及び円弧
状部の上を移動する時レーザビームの焦点とその
入射角をほぼ不変に維持することができるからで
ある。

本発明の一つの典型的な実施例に於ては、該装
置は工具装置に対し一つの固定された平面内にあ
る基部と、前記基部上に装着された軸受け―軸装
置とを含んでいる。この軸受け―軸装置はその典
型的な例に於ては前記基部に固定された支持部材
に装着された内側軸受けと外側軸受けとを有して
おり、前記内側軸受けはその中心軸線が帯状部の
円弧部の湾曲中心を通る縦軸線に一致しまた外側
軸受けの中心軸線が前記帯状部の他方の円弧部の
湾曲中心を通る縦軸線に一致するように前記外側
軸受け内に偏心して配置される。前記内側軸受け
には一つの軸が軸受けされ、該軸は回転駆動され
る一端と加工物を前記軸受けの軸線に所定の要領
にて保持しまた加工物の平面部を工具装置より正
しい距離に保持するチヤツクを担持する他端を有
している。勿論かかる構成に於て前記軸受けと軸
の軸線は帯状部のうちの円弧状部の湾曲中心を通
る縦軸線と同一平面内にある。加工物帯状部と工
具装置の間の相対的運動を起こさせるために前記
基部と工具装置の間の相対的横方向運動を起こさ
せる装置と、前記軸の前記チヤツクとは反対の側
の端部を回転駆動するための装置とが設けられて
いる。例えば加工物の周りの長円状帯状接合部を
レーザ溶接する典型的な作業に於ては、前記基部
はレーザビーム集光レンズに対しまた前記回転装
置に対しても移動可能とされ、これら両者は前記
基部とは独立に固定装着されている。典型的な例
に於ては前記帯状部の溶接は前記基部を固定され
た構成要素に対し横方向に移動し、これによつて
レーザビームを長円状帯状部の平面部に沿つて横
方向移動させることによつてなされる。次いで前
記帯状部の最初の円弧部に達すると回転装置が作
動され、前記内側軸受け及びその中に前記外側軸
受けに対し偏心して軸受けされている前記軸を回
転すべく前記回転装置が作動される。この偏心運
動は逆に加工物を第一の円弧部を通る縦軸線の周
りに回転させ、加工物の第一の円弧状部をレーザ
ビームへ露出せしめるだけでなく、該円弧面をそ
れに先立つて溶接された加工物の平面部によつて
郭定された平面内に維持し、これにつて集光レン
ズと加工物表面の間に実質的に一定の結焦長さを
維持すると共に加工物正面に対するレーザビーム
の入射角を実質的に一定に維持する。最初の円弧
部が過ぎた後は前記基部は再び集光レンズ及び回
転装置に対し横方向へ移動され、帯状部の他の一
つの平面部を溶接する。最後に第二の円弧部に達
すると回転装置が作動されて前記内側軸受けに軸
受けされた前記軸がそれ自身の軸線の周りに回転
される。この非偏心運動によつて加工物は該他方
の縦軸線の周りに回転され、該第二の円弧部はレ
ーザビームの前を横切つて移動し、このとき該第
二の円弧面は先に溶接された平面部の平面内に維
持される。このように集光レンズに対し加工物を
横方向―回転方向或は回転方向―横方向に順次運
動させることによつて、レーザビームは溶接され
るべき長円状加工物の帯状部の全周に沿つて一様
に移動する。

本発明の一つの好ましい実施例に於ては、前記
軸受け―軸組立て体は種々の寸法の長円状の加工
物帯状部を受入れるための調節可能な構成要素を
含んでおり、即ち前記内側軸受けの偏心量を変え
内外両軸受けの軸線間の距離を変えるための機構
が設けられている。より一層好ましい実施例に於
ては、加工物を保持する前記チヤツクは加工物を
実質的に包む遮蔽と該遮蔽内へ保護雰囲気ガスを
導入する手段を備えている。

以下に添付の図を参照して本発明を好ましい実
施例について詳細に説明する。

まず第１図及び第２図についてみると、ここに
はガスタービンブレードに挿入され冷却空気を導
くよう構成されたガス吹付け管の典型的な例が示
されている。このガス吹付け管は一般に二つの区
画を有するよう構成されており、その一つはほぼ
翼型を有する細長い区画２であり、他の一つは楔
型の根元区画４である。これら二つの区画は帯状
の溶接部６によつて互に接合されている。これら
二つの区画はその接合部即ち帯状溶接部にて図示
の如きほぼ長円形の中空断面を有しており、この
長円形の帯状溶接部は多少とも平らな部扮８ａ及
び８ｂと湾曲部１０ａ及び１０ｂとを含んでい
る。この平らな部分は幾分湾曲しているが、その
湾曲度は本発明の目的を達成する観点からは無視
され得る程小さいものである。

第３図は前記二つの区画が互に留め溶接された
後これら二つの区画の周囲に沿つて帯状溶接部６
をレーザ溶接するに用いられる本発明の装置の好
ましい実施例を示す。この装置は固定集光レンズ
１４に対し固定された平面内に装着された基部１
２を有し、前記基部の平面は前記レンズの軸線に
対し垂直となるように示されている。この基部に
は通常の案内レール及びモータ装置（図には示さ
れていない）が組合わされ、該基部を固定レンズ
１４に対し横方向に移動させ、後述の如くその上
に担持された軸受組立て体１０１全体を第４図の
線L₁に沿つて左右に移させるようになつてい
る。前記基部上には前記レンズに対し加工物を予
め定められた関係に保持し且つ溶接サイクル中そ
れに好ましい回転運動を与えるための軸受組立て
体１０１とそれによつて担持された回転軸組立て
体１０２が装着されている。第４図により詳細に
示されている如く、この軸受組立て体１０１は該
基部に固定された支持体２０に装着された内側軸
受け１６及び外側軸受け１８を含んでおり、前記
内側軸受けは前記外側軸受け内に偏心して配置さ
れている。図に於て外側軸受け１８の回転中心は
X₁にてまた内側軸受け１６の回転中心はX₂にて
示されている。また１９は外側軸受け１８のイン
ナケースである。種々の異なる帯状溶接部寸法を
受入れることができるよう前記内側軸受けはスラ
イド２２内に装着されており、該スライドはスラ
イドホールダ２４内に線L₂に沿う方向に摺動可
能に配置されている。スライドホールダ２４は外
側軸受け１８内に回転可能に配置されており、フ
ランジ２４ａを含み、これらフランジ内に前記ス
ライドが装着されている。内側軸受け１６にはス
ライドホールダに於る切欠き２８を通つて延在す
る第一の軸２６が軸受けされている。この第一の
軸はその一端部に設けられたカツプリング３０が
前記可動基部に対し固定された位置にある独立の
台座３５上に装着された回転装置３４の軸に設け
られた補形形状のカツプリング３２に線L₃に沿
う方向に摺動式に係合することにより回転される
ようになつている。カツプリング３０と３２は前
記回転装置に対し前記基部が横方向移動すると同
時に軸２６が回転することを許すようになつてい
る。軸２６の他端は第二の軸２８′にこれら両軸
に関連するカツプリング３６及び３８によつて前
記第一の回転軸線X₁と第二の回転軸線X₂の両者
に直交する線L₄に沿う方向に相対的変位が調節
され得るように連結されている。以下に説明され
る如く、カツプリング３６及び３８はスライド２
２とカツプリング３０及び３２と共にガス吹付け
管の軸線が内外両軸受けの軸線に整合することを
許すようになつている。第二の軸２８′の他端は
ガス吹付け管をレンズ及び軸受けの軸線に対し適
当な関係に保持するための適当なチヤツク４０を
担持している。

第５ａ図〜第５ｂ図は加工物の所要の運動を達
成するために装置の種々の構成部分の間に確立さ
れるべき軸線関係を解図的に示す。第５ａ図は装
置をその最初の位置に於て示しており、この場合
内外両軸受け１６及び１８の中心軸線は互に一致
し且つ軸２６及び２８の軸線及び管の帯状溶接部
の円弧状部の湾曲中心R₁及びR₂の間の中点を通
る縦軸線Ａとも一致している。第５ｂ図は軸２８
が両軸受けの中心軸線より湾曲中心R₁とR₂の間
の間隔1/2に等しい距離だけ変位した状態を示
す。この変位によつて湾曲中心R₂を通る縦軸線
は内側軸受け１６の中心軸線と一致する。かかる
要領による軸２８の運動はカツプリング３８をカ
ツプリング３６に対し相対的に摺動させ次いでこ
のカツプリングをその所定の位置に設定ねじ４２
によつてロツクすることによつて達成される。カ
ツプリング３６に取付けられたマイクロメータ４
４はかかる変位距離を正確に設定するために用い
られる。第５ｃ図は最終的な整合ステツプを示
し、この場合スライド２２は湾曲中心R₁とR₂の
間の間隔に等しい距離だけ外側軸受けの中心軸線
より変位されている。かかる変位によつて外側軸
受け１８の中心軸線は湾曲中心R₁を通る縦軸線
と一致し、これによつて内側軸受け及び軸２６は
外側軸受けに対し偏心した位置に配置される。マ
イクロメータ４５はスライド２２を正確に位置決
めするために用いられる。第５ｃ図に示す状態に
於ては、回転装置３４が作動されると軸２６及び
２８は外側軸受けの中心軸線のX₁周りに偏心回
転し、かかる運動によつてガス吹付け管は湾曲中
心R₁を通る縦軸線の周りに回転される。しかし
軸受組立て体１０１が第５ｃ図に示されている如
き第一の移動位置より合体として図にて左方へ移
動され、内側軸受け１６及び軸２６の中心軸線
X₂が第５ｄ図に示す如く回転装置３４の回転軸
線と一致する第二の移動位置まで前記基部が横方
向移動されると、この状態で回転装置３４を作動
させることにより、ガス噴射管は図より明らかな
如く湾曲中心R₂を通る縦軸線の周りに回転され
る。内外両軸受け及び二つの軸の軸線は湾曲中心
R₁及びR₂を通る縦軸線と同一平面上にあるの
で、前記回転運動は円弧面部１０ａ及び１０ｂを
集光レンズに対し平面部８ａ及び８ｂによつて確
立された面内に維持する。従つて管の帯状溶接部
の円弧面は結焦の長さ及びビームの投射角を実質
的に一定に保つてレーザビームに曝される。

第６ａ図〜第６ｄ図は前記管に於る二つの区画
の間の長円形状の帯状溶接部を溶接するに用いら
れる典型的な溶接サイクルを解図的に示す。例え
ばレーザビーム５０は湾曲中心R₁と整列して平
面部８ｂ上に焦点を結ぶように調整される。次い
で基部が矢印方向へ横方向移動され、図示の如く
平面部８ｂ上に溶接部５２を形成する。レーザビ
ームが湾曲中心R₂と整列した所で、管は第６ｂ
図に示す如く湾曲中心R₂を通る縦軸線の周りに
回転される。かくして帯状溶接部の半分が既に溶
接されたこととなる。第６ｃ図及び第６ｄ図に於
ては基部は再び平面部８ａを溶接すべく横方向に
移動され、更に湾曲中心R₁を通る縦軸線の周り
に回転され、円弧面１０ａが溶接される。かかる
基部の横方向移動及び管の回転運は数値制御テー
プ、コンピユータその他の自動装置によつて順次
関連制御されるのが好ましい。勿論任意のシーケ
ンスによる横方向移動と回転の組合わせが必要に
応じて用いられてよい。第６図に示す如く自動的
にシーケンスが行なわれる時には、典型的なガス
吹付け管の周りの帯状溶接は約10〜20秒の間に行
なわれる。

長円状の帯状溶接部をレーザ溶接するための本
発明の特に好ましい実施例は、第３図に示す如く
チヤツク装置４０に取付けられてガス吹付け管を
囲む遮蔽装置５４を含んでいる。この遮蔽装置は
何らの出力低下を伴うことなくレーザビームを通
過させる水晶シリンダであつてよい。この遮蔽装
置は適当な管５６によつてガス源に接続されるこ
とによりアルゴン、ヘリウム等の遮蔽ガスを供給
されるようになつていてよい。更にガス吹付け管
の内部を通つて遮蔽ガスを導くよう前記チヤツク
を通つて管或は通路（図には示されていない）が
一体的に配置されていてもよい。軸２６及び２８
には加工物の回転中に管の必要な長さを与えるべ
くリール５８及び６０が設けられていてよい。勿
論本発明の装置が真空室内に閉込められている場
合には水晶の遮蔽装置及びガス供給管は省略され
てよいこては当業者にとつて明らかであろう。

更に上に詳細に記述した装置のある構成要素は
もし加工物の寸法が大きくない時には必要とされ
ないことは明らかであろう。例えばもし同じ加工
物が溶接され或はその他の処理を受ける場合に
は、外側軸受けに対する内側軸受け及び軸２６及
び２８の偏心度を調整するための装置は不必要で
ある。かくしてカツプリング３６，３８マイクロ
メータ４４及び４５は省略され得る。更に加工物
と軸受けと軸芯の間に上述の如き軸線関係が確立
される限り複式変位軸２６及び２８を用いるより
もむしろ内側軸受けに軸受け装着され回転する一
端を有し他端はチヤツク４０を担持している如き
単一の軸が用いられてもよい。

更に本発明は集光レンズ１４と回転装置３４と
が一つの固定基部に対し横方向に移動する如き装
置を提供せんとするものであり、本発明のかかる
目的を達成するために必要な条件はこれら構成要
素の間に所要の相対的運動を得ることである。勿
論当業者にとつては長円形状帯状接合部を有する
その他の加工物が本発明の装置によつて溶接され
或は処理されることは明らかであろう。この明細
書に於ては長円状なる言葉はほぼ長円である形状
及び正確に長円である形状を含むことを意図され
ている。例えば平面部８ａ及び８ｂの僅かの湾曲
の如き正確な長円形状からの幾分かの差異はこの
装置に於ては許されるものである。同様に真の円
弧面からの幾分かの差異もまた許されるものであ
る。真の長円形状からの偏差の許容量は主として
該加工物に対して行なわれる作動の種類によつて
いる。

本発明の装置が長円状の帯状接合部をレーザ溶
接するためにだけでなくTIGその他の溶接プロセ
スに対しても用いられ得るものであることは明ら
かであろう。更に本装置は切断或は研摩の如き機
械加工作業、Ｘ線分析の如き検査作業、塗装作
業、熱処理作業その他工具によつて長円形の加工
物の帯状部にその他の作業を施す場合にも用いら
れるものである。

以上に於ては本発明を一つの実施例について詳
細に説明したが、本発明がかかる実施例にのみ限
られるものではなく、かかる実施例について本発
明の範囲内にて種々の修正が可能であることは当
業者にとつて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンブレードに挿入される典
型的なガス吹付け管の側部立面図である。第２図
は第１図の線２―２による前記管の横断面図であ
る。第３図は本発明による装置の典型的な一つの
実施例を示す斜視図である。第４図は本発明によ
る装置の軸受け―軸組立て体の分解斜視図であ
る。第５ａ図〜第５ｄ図は溶接前及び溶接中の装
置の各構成要素の間の軸線の相対的関係を示す概
略図である。第６ａ図〜第６ｅ図は前記ガス吹付
け管の帯状接合部の平面部及び円弧部の周りに於
る典型的な溶接サイクルを示す概略図である。 ２〜細長区画、４〜根元区画、６〜帯状溶接
部、８ａ，８ｂ〜平面部、１０ａ，１０ｂ〜円弧
部、１２〜基部、１４〜集光レンズ、１６〜内側
軸受け、１８〜外側軸受け、２０〜支持部材、２
２〜スライド、２４〜スライドホールダ、２６〜
第一の軸、２８〜切欠き、３０，３２〜カツプリ
ング、３４〜回転装置、３５〜台座、３６，３８
〜カツプリング、４０〜チヤツク、４２〜設定ね
じ、４４，４５〜マイクロメータ、５０〜レーザ
ビーム、５２〜溶接部、５４〜遮蔽、５６〜管、
５８，６０〜リール、１０１〜軸受組立て体、１
０２〜回転軸組立て体、１０３〜軸受組立て体の
外側構造部、１０４〜軸受組立て体の内側構造
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二つの反対側にある実質的に平面状の面８
   ａ，８ｂと二つの反対側にある円弧面１０ａ，１
   ０ｂとを含む楕円形状横断面を有する加工物の帯
   状部６をレーザビーム５０の如き加工手段に対し
   前記帯状部の各部が実質的に同じ姿勢にて位置決
   めされるよう露呈させるための装置にして、回転
   軸組立て体１０２と、第一の移動位置（Fig.５
   ｃ）と第二の移動位置（Fig.５ｄ）の間に一つの
   線L₁に沿つて前記加工手段に対し相対的に移動
   可能なように支持された外側構造部１０３と前記
   線に実質的に垂直な第一の回転軸線X₁の周りに
   前記外側構造部に対し相対的に回転可能なように
   該外側構造部によつて支持された内側構造部１０
   ４とを含む軸受組立て体１０１とを有し、前記内
   側構造部は前記加工物の前記二つの円弧面の曲率
   中心R₁，R₂の間の距離に相当する距離だけ前記
   第一の回転軸線よりこれに平行に変位された第二
   の回転軸線X₂の周りに回動可能に前記回転軸組
   立て体１０２を支持しており、前記第一及び第二
   の回転軸線に垂直に交差する線L₃に沿う相対的
   変位を許すカツプリング３０，３２を経て前記回
   転軸組立て体１０２と連結された回転装置３４を
   有し、前記軸受組立て体の前記外側構造部１０３
   が前記第一の移動位置（Fig.５ｃ）にあるとき前
   記回転軸組立て体１０２は前記回転装置３４によ
   り前記第一の回転軸線X₁の周りに回転駆動され
   また前記軸受組立て体の前記外側構造部１０３が
   前記第二の移動位置（Fig.５ｄ）にあるとき前記
   回転軸組立て体１０２は前記回転装置３４により
   前記第二の回転軸線X₂の周りに回転駆動される
   ようになつており、前記軸受組立て体の前記外側
   構造部１０３が前記第一の移動位置（Fig.５ｃ）
   にあるとき加工物の前記二つの円弧面の曲率中心
   の一つR₁を前記第一の回転軸線X₁に一致させま
   た前記軸受組立て体の前記外側構造部１０３が前
   記第二の移動位置（Fig.5d）にあるとき加工物の
   前記二つの円弧面の曲率中心の他方R₂を前記第
   二の回転軸線X₂に一致せしめるよう加工物を前
   記回転軸組立て体１０２に対し装着するチヤツク
   ４０を有することを特徴とする装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の装置にして、前記軸
   受組立て体１０１の前記内側構造部１０４は前記
   軸受組立て体の前記外側構造部１０３に回転式に
   係合する第一の部分１９と前記回転軸組立て体と
   回転式に係合する第二の部分１６と前記第一及び
   第二の回転軸線X₁，X₂を垂直に横切る線L₂に沿
   つて該第一の部分に対し該第二の部分を調整可能
   に変位せしめる手段２２，２４とを含んでいるこ
   とを特徴とする装置。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の装置にし
   て、前記回転軸組立て体１０２は前記軸受組立て
   体１０１の前記内側構造部１０４により回転式に
   支持された第一の部分２６と前記チヤツク４０を
   支持する第二の部分２８と前記第一及び第二の回
   転軸線X₁，X₂を垂直に横切る経路L₄に沿つて該
   第一の部分に対し該第二の部分を調整可能に変位
   せしめる手段３６，３８とを含んでいることを特
   徴とする装置。