JPWO2019208270A1 - 補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

レーザ発振器２と、レーザ発振器２からのレーザ光Ｌを集光して補修箇所に照射するレーザヘッド４と、レーザ光Ｌが照射された鋼材Ｗの温度分布を検出する温度センサと、制御部９を備え、制御部９は、レーザヘッド４から照射するレーザ光Ｌのスポット径φを３ｍｍ未満に設定し、鋼材Ｗに対するレーザ光Ｌの照射による入熱領域内に亀裂Ｗａを収めるべく、レーザヘッド４を移動させて入熱領域を拡大させ、該入熱領域を拡大するためのレーザ光Ｌの照射を温度センサで検出される鋼材Ｗの力学的溶融温度以下の部位に対して行わせるべくレーザヘッド４を制御する。必要なレーザ出力の低減及び高速施工を実現し、溶接姿勢が下向きの場合も、溶け落ちを生じさせずに簡単且つ確実に亀裂を消去することができる。

Description

本開示は、橋梁や建築物等の既設構造物の構造部材、或いは、機械部品等の機械構成部材に生じた亀裂の補修に用いるのに好適な補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置に関するものである。

従来、橋梁や建築物等の既設構造物の鋼材（構造部材）に、経年劣化や金属疲労によって亀裂が発生した場合には、例えば、レーザ光を用いた溶接補修装置を採用して、亀裂が生じている溶接補修箇所にレーザ光を照射することで、この溶接補修箇所を溶融させて亀裂を消去するようにしていた（特許文献１参照）。

上記した構造部材に生じた亀裂の補修には、まず第１に亀裂を残さないことが要求される。したがって、上記した溶接補修装置によって亀裂をなくす場合には、比較的大きなスポット径（φ３〜７ｍｍ）のレーザ光を亀裂に沿って移動させるようにしていた。

特許第５８６０２６４号公報

ところが、上記した従来の溶接補修装置では、レーザ光のスポット径を大きくすることによるエネルギ密度の低下を補うために、大出力のレーザ光を使用したり、レーザスポットの移動速度を遅くしたりする必要があった。

また、従来の溶接補修装置では、上記したように、大出力のレーザ光を使用したり、レーザスポットの移動速度を遅くしたりした場合において、レーザ光を下方に向けて照射する、いわゆる下向き姿勢での溶接では、溶け落ちが生じ易い。

つまり、上記した従来のレーザ光を用いた溶接補修装置では、下向き姿勢での溶接の場合において、亀裂を残さず且つ溶け落ちを生じさせずに溶接を行うことが容易ではないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。

本開示は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、必要なレーザ出力の低減及び高速施工を実現したうえで、溶接姿勢が例え下向きであったとしても、溶け落ちを生じさせることなく簡単且つ確実に亀裂を消去することが可能な補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置を提供することを目的としている。

本開示の第１の態様は、既設構造物の構造部材に生じた亀裂を溶融させて消去する補修用レーザ溶接方法であって、前記構造部材に対する前記レーザ光の照射による入熱領域内に前記亀裂を収めるべく、スポット径が３ｍｍ未満の前記レーザ光を移動させて前記入熱領域を拡大させ、該入熱領域を拡大するための前記レーザ光の照射は、温度センサで検出される前記構造部材の力学的溶融温度以下の部位、又は、予めデータとして取得した冷却時間が経過して前記構造部材の力学的溶融温度以下になった部位に対して成される構成としている。
ここで、「力学的溶融温度」とは、加熱されて低下する構造部材の降伏強度が失われる温度であり、施工後、放熱によって冷却され、この温度以下になると構造部材の降伏強度は回復する。

本開示において、スポット径を３ｍｍ未満としているのは、高いエネルギ密度を得るためであるが、スポット径を小さくし過ぎると、亀裂を収める入熱領域を拡大するためのレーザ光の移動量が多くなって（亀裂のトレースが困難となって）実用性が損なわれるので、実用に即したスポット径を採用することが望ましい。

本開示の第１の態様に係る補修用レーザ溶接方法では、構造部材に生じている亀裂を補修するに際して、構造部材に対するレーザ光の照射による入熱領域内に亀裂が収まるように、スポット径が３ｍｍ未満のレーザ光を移動させて入熱領域を拡げるので、亀裂残りのない溶接補修が簡単に成されることとなる。例え下向き姿勢の補修溶接であったとしても、レーザ光のスポット径が３ｍｍ未満であるため、同時に力学的溶融温度以上となる範囲が狭く、その結果、溶け落ちが回避されることとなる。

本開示に係る補修用レーザ溶接方法によれば、必要なレーザ出力の低減及び高速施工を実現したうえで、例え下向き姿勢の補修溶接であったとしても、溶け落ちを回避しつつ簡単且つ確実に亀裂を消去することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本開示の一実施形態に係る補修用レーザ溶接方法に用いる補修用レーザ溶接装置を概略的に説明する模式図である。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合のレーザ光を亀裂に沿って３回移動させる際のパス軌跡説明図である。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合のレーザ光を亀裂に沿って７回移動させる際のパス軌跡説明図である。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合の亀裂残りの要因となる溶け込み不足が生じる断面形状における形状係数説明図である。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合の亀裂残りの要因となる溶け込み不足を回避し得る断面形状における形状係数説明図である。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合に溶接施工裕度を確認するのに用いられるグラフである。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合にレーザ光にウィービングを行わせて亀裂を跨がせる際のパス軌跡説明図である。 図１の補修用レーザ溶接装置により亀裂補修を行う場合にレーザ光に複数回亀裂を跨がせる際のパス軌跡説明図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本開示の一実施形態に係る補修用レーザ溶接方法に用いる補修用レーザ溶接装置を示している。

図１に概略的に示すように、この補修用レーザ溶接装置１は、既設構造物の鋼材（構造部材）Ｗに生じた亀裂Ｗａを溶融させて消去するものである。この補修用レーザ溶接装置１は、レーザ発振器２と、このレーザ発振器２から供給されるレーザ光Ｌを内蔵した光学系３により集光して亀裂Ｗａが生じている補修箇所に照射するレーザヘッド４と、レーザ発振器２からのレーザ光Ｌをレーザヘッド４へ導く光ファイバ５と、レーザヘッド４を補修箇所に沿って移動させると共に補修箇所に接近離間させる駆動部６と、レーザ光Ｌが照射された鋼材Ｗの温度分布を検出する図示しない温度センサと、レーザ光Ｌを照射する補修箇所にノズル７を介してシールドガスＧを供給するガス供給源８を備えている。

また、この補修用レーザ溶接装置１は、レーザヘッド４から照射するレーザ光Ｌのスポット径や駆動部６によるレーザヘッド４の移動やガス供給源８からのガス供給量等をコントロールする制御部９を備えている。この制御部９は、レーザ光Ｌの焦点ＬＦが鋼材Ｗの外部に位置するようにレーザヘッド４を制御すると共に、亀裂Ｗａが生じている補修箇所に照射されるレーザ光Ｌのスポット径φが３ｍｍ未満になるようにレーザヘッド４を制御する。

この場合、制御部９は、鋼材Ｗに対するスポット径φが３ｍｍ未満のレーザ光Ｌの照射による入熱領域内に亀裂Ｗａを収めるべく、駆動部６に指令を与えてレーザヘッド４を移動させることで、入熱領域を拡げるようにしている。

具体的に説明すれば、この実施形態において、レーザヘッド４を移動させて、図２Ａに示すように、スポット径φが３ｍｍ未満のレーザスポットＳ（レーザ光Ｌ）を鋼材Ｗの亀裂Ｗａに沿って３回パス（移動）させることで、入熱領域を拡げるようにしている。そして、３回のパスＰ１〜Ｐ３のうちの後続する２，３回目のパスＰ２，Ｐ３を１回目のパスＰ１の両側で行うようにしており、互いに隣接するレーザスポットＳの各周縁部同士が重なるようにすることで、亀裂残りが生じないようにしている。

この際、鋼材Ｗの温度分布が図外の温度センサで検出されており、レーザスポットＳのパスＰ１〜Ｐ３のうちのパスＰ１に続くパスＰ２，Ｐ３は、いずれも制御部９にコントロールされて、鋼材Ｗの力学的溶融温度以下になっている部位に対して行われる。すなわち、先行するパスによる溶融部分が冷却されて力学的溶融温度以下になってから、後行のパスが行われるように制御部９によってコントロールされている。

ここで、レーザスポットＳのパスによる鋼材Ｗの溶融部分が力学的溶融温度以下になるまでの冷却時間を予めデータとして取得して蓄積しておき、この冷却時間が経過してパスＰ１による溶融部分が鋼材Ｗの力学的溶融温度以下になった部位に対してパスＰ１に続くパスＰ２，Ｐ３を行うようにしてもよい。

なお、レーザスポットＳを鋼材Ｗの亀裂Ｗａに沿ってパスさせる回数は、上述した３回のパスに限定されるものではない。例えば、パスさせる回数は、２回や４〜６回でもよいし、図２Ｂに示すように、レーザスポットＳを鋼材Ｗの亀裂Ｗａに沿って７回パスさせるようにしてもよい。

この場合も、７回のパスＰ１〜Ｐ７のうちの後続する２回目以降のパスＰ２〜Ｐ７を１回目のパスＰ１の両側で交互に行い、互いに隣接するレーザスポットＳの各周縁部同士を重ね合わせて亀裂残りが生じないようにすることが望ましい。すなわち、先行するパスによる溶融部分が冷却されて力学的溶融温度以下になってから、後行のパスが行われるように制御部９によってコントロールする。

このように構成された補修用レーザ溶接装置１を用いて鋼材Ｗに生じている亀裂Ｗａを補修するに際しては、制御部９からの指令により駆動部６を動作させて、レーザヘッド４を移動させると共に、制御部９からの指令によりガス供給源８からのシールドガスＧの供給を開始する。

このとき、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌのスポット径φは、制御部９により３ｍｍ未満に設定されており、レーザヘッド４の移動により、図２Ａに示すように、スポット径φが３ｍｍ未満のレーザスポットＳ（レーザ光Ｌ）を鋼材Ｗの亀裂Ｗａに沿って１回パス（移動）させる。

このレーザスポットＳの１回のパスＰ１で亀裂Ｗａをトレースし得ない場合は、パスＰ１に続いて２，３回目のパスＰ２，Ｐ３を行う。これらのパスＰ２，Ｐ３は、１回目のパスＰ１の両側で行い、互いに隣接するレーザスポットＳの各周縁部同士を重ねることで、亀裂残りが生じないようにする。

また、２，３回目のパスＰ２，Ｐ３は、図外の温度センサで検出される鋼材Ｗの温度分布に基づいて、先行するパスＰ１による溶融部分が冷却されて力学的溶融温度以下になってから行われるように制御部９によってコントロールされ、このようなレーザスポットＳの３回のパスＰ１〜Ｐ３によって、鋼材Ｗの亀裂Ｗａが消去されて溶接補修が完了する。

この実施形態に係る補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置１によれば、鋼材Ｗに対するレーザ光Ｌの照射による入熱領域内に亀裂Ｗａが収まるように、スポット径φが３ｍｍ未満のレーザスポットＳを３回パスさせて入熱領域を拡げているので、亀裂残りのない溶接補修が簡単に成されることとなる。また、この実施形態のように、下向き姿勢の補修溶接の場合も、レーザ光Ｌのスポット径φが３ｍｍ未満であるため、同時に力学的溶融温度以上となる範囲が狭く、その結果、溶け落ちが回避されることとなる。

この際、鋼材Ｗに照射するレーザ光Ｌはスポット径φが３ｍｍ未満のエネルギ密度の高いレーザ光なので、必要なレーザ出力が小さくて済むうえ、高速での施工を行い得ることとなる。

また、温度センサで検出される温度情報により、先行するパスによる溶融部分が冷却されて力学的溶融温度以下になってから、後行のパスが行われるように制御部９によってコントロールされているので、補修箇所において降伏強度が回復しない部位が生じることが回避されることとなる。

さらに、この実施形態に係る補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置１では、スポット径φが３ｍｍ未満のレーザスポットＳを亀裂Ｗａに沿って３回パスさせる際に、パスＰ１〜Ｐ３のうちの２，３回目のパスＰ２，Ｐ３を１回目のパスＰ１の両側で行うようにしている。したがって、パスＰ１，Ｐ２，Ｐ３が順次並ぶようにして重ねる場合と比較して、先行のパスによる溶融部分が力学的溶融温度以下になるのを待たなくて済む分だけ、施工時間の短縮が図られることとなる。

そこで、この実施形態に係る補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置１による亀裂補修の施工裕度（補修箇所への入熱量Ｑの範囲）を確かめるべく、形状係数に基づいて良好と判定される場合の補修条件に対応する溶接施工条件でレーザ溶接を実施した。

上記形状係数は、溶接施工後の断面形状における溶け込み深さＨ_ＷＬを鋼材Ｗの厚みｔで除して表され、この形状係数（Ｈ_ＷＬ／ｔ）は、図３Ａに示す亀裂残りの要因となる溶け込み不足の断面形状において１．０よりも小さい。望ましくは、図３Ｂに示す溶け込み不足を回避する断面形状のように、１．０以上に設定することがよく、より望ましくは、形状係数（Ｈ_ＷＬ／ｔ）を１．１程度とする。

図４の形状係数（Ｈ_ＷＬ／ｔ）と入熱量パラメータ（Ｑ／ｔ）［Ｊ／ｍｍ・ｍｍ］との関係を表すグラフに示すように、この実施形態に係る補修用レーザ溶接であるタイプＢ（スポット径φ＝０．８ｍｍ×３パス、シールドガスなし）及びタイプＣ（スポット径φ＝０．８ｍｍ×３パス、シールドガスあり）では、溶接施工後の好ましい断面形状の形状係数を１．１５≧（Ｈ_ＷＬ／ｔ）≧１．００とする。この場合、タイプＢではこの形状係数が１．１５≧（Ｈ_ＷＬ／ｔ）≧１．００に収まる施工裕度が３６Ｊ／ｍｍ・ｍｍであり、同じくタイプＣでは形状係数が１．１５≧（Ｈ_ＷＬ／ｔ）≧１．００に収まる施工裕度が６４Ｊ／ｍｍ・ｍｍであり、いずれも施工の条件範囲が広いことが判る。

これに対して、比較例として行った補修用レーザ溶接であるタイプＡ（スポット径φ＝３．０ｍｍ×１パス、シールドガスなし）では、形状係数が１．１５≧（Ｈ_ＷＬ／ｔ）≧１．００に収まるポイントが１点しかなく、施工裕度（施工の適正条件範囲）が極めて狭いことが判る。これにより、この実施形態に係る補修用レーザ溶接方法では、施工の条件範囲が広いことが実証できた。

この際、シールドガスのないタイプＢとシールドガスがあるタイプＣとを比較すると、シールドガスがあるタイプＣの方の溶け込みが少ないことが判る。したがって、溶接施工時において、シールドガスによる抜熱によって断面形状の微調整を行い得ることが判る。

上記した実施形態では、スポット径φが３ｍｍ未満のレーザスポットＳを亀裂Ｗａに沿って３回（７回）パスさせる場合を示したが、これに限定されるものではない。他のパスパターンとして、図５に示すように、亀裂Ｗａの補修を行う場合に、レーザスポットＳをジグザグのパスｐを描くように移動させて（ウィービングさせて）亀裂Ｗａを跨がせたり、図６に示すように、亀裂Ｗａ補修を行う場合に、レーザスポットＳをパスｐ１〜ｐｎのように細かく移動させて複数回亀裂Ｗａを跨がせたりしてもよい。

本開示に係る補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

本開示の第１の態様に係る補修用レーザ溶接方法は、既設構造物の構造部材に生じた亀裂を溶融させて消去する補修用レーザ溶接方法であって、前記構造部材に対する前記レーザ光の照射による入熱領域内に前記亀裂を収めるべく、スポット径が３ｍｍ未満の前記レーザ光を移動させて前記入熱領域を拡大させ、該入熱領域を拡大するための前記レーザ光の照射は、温度センサで検出される前記構造部材の力学的溶融温度以下の部位、又は、予めデータとして取得した冷却時間が経過して前記構造部材の力学的溶融温度以下になった部位に対して成される構成としている。

本開示の第１の態様では、構造部材に生じている亀裂を補修するに際して、構造部材に対するレーザ光の照射による入熱領域内に亀裂が収まるように、スポット径が３ｍｍ未満のレーザ光を移動させて入熱領域を拡げるので、亀裂残りのない溶接補修が簡単に成されることとなる。例え下向き姿勢の補修溶接であったとしても、レーザ光のスポット径が３ｍｍ未満であるため、同時に力学的溶融温度以上となる範囲が狭く、その結果、溶け落ちが回避されることとなる。

この際、構造部材に照射するレーザ光はスポット径が３ｍｍ未満のエネルギ密度の高いレーザ光なので、必要なレーザ出力が小さくて済むうえ、高速での施工を行い得ることとなる。

また、入熱領域を拡大するためのレーザ光の照射は、温度センサで検出される構造部材の力学的溶融温度以下の部位、又は、予めデータとして取得した冷却時間が経過して前記構造部材の力学的溶融温度以下になった部位に対して成されるので、補修箇所において降伏強度が回復せずに溶け落ちてしまう部位が生じることが回避されることとなる。

また、本開示の第２の態様は、スポット径が３ｍｍ未満の前記レーザ光を前記亀裂に沿って複数回パスさせて、該亀裂を収めるための前記入熱領域を拡大させる構成としており、本開示の第２の態様では、亀裂残りが生じることが回避されることとなる

さらに、本開示の第３の態様は、前記レーザ光の前記亀裂に沿う複数回のパスのうち、２回目以降のパスを初回パスの軌跡の両側で交互に行わせる構成としている。

本開示の第３の態様では、パスが順次並ぶようにして重ねる場合と比較して、先行のパスによる溶融部分が力学的溶融温度以下になるのを待たなくて済む分だけ、施工時間の短縮が図られることとなる。

さらにまた、本開示の第４の態様は、前記レーザ光を照射している部位にシールドガスを供給する構成としており、本開示の第４の態様では、シールドガスによる抜熱によって断面形状の微調整を行い得ることとなる。

一方、本開示の第５の態様に係る補修用レーザ溶接装置は、既設構造物の構造部材に生じた亀裂を溶融させて消去する補修用レーザ溶接装置であって、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から供給されるレーザ光を前記構造部材に照射しつつ移動するレーザヘッドと、前記レーザ光が照射された前記構造部材の温度分布を検出する温度センサと、前記レーザヘッドから照射するレーザ光のスポット径及び前記レーザヘッドの移動をコントロールする制御部を備え、前記制御部は、前記レーザヘッドから照射するレーザ光のスポット径を３ｍｍ未満に設定し、前記レーザ光の照射による入熱領域内に前記亀裂を収めるべく、前記レーザヘッドを移動させて前記入熱領域を拡大させ、該入熱領域を拡大するための前記レーザ光の照射を前記温度センサで検出される前記構造部材の力学的溶融温度以下の部位に対して行わせるべく前記レーザヘッドを制御する構成としている。

本開示の第５の態様では、構造部材に生じている亀裂を補修するに際して、構造部材に対するレーザ光の照射による入熱領域内に亀裂が収まるように、スポット径が３ｍｍ未満のレーザ光を移動させて入熱領域を拡げるので、亀裂残りのない溶接補修が簡単に成される。つまり、例え下向き姿勢の補修溶接であったとしても、レーザ光のスポット径が３ｍｍ未満であるため、同時に力学的溶融温度以上となる範囲が狭い。その結果、溶け落ちが回避されることとなる。

この際、構造部材に照射するレーザ光はスポット径が３ｍｍ未満のエネルギ密度の高いレーザ光なので、必要なレーザ出力が小さくて済むうえ、高速での施工を行い得ることとなる。加えて、入熱領域を拡大するためのレーザ光の照射は、温度センサで検出される構造部材の力学的溶融温度以下の部位に対して成されるので、補修箇所において降伏強度が回復せずに溶け落ちてしまう部位が生じることが回避されることとなる。

本開示の補修用レーザ溶接方法及び補修用レーザ溶接装置において、レーザには、ファイバーレーザやＹＡＧレーザや半導体レーザを用いるのが一般的であるが、これらのものに限定されない。

１ 補修用レーザ溶接装置
２ レーザ発振器
４ レーザヘッド
８ ガス供給源
９ 制御部
Ｇ シールドガス
Ｌ レーザ光
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ７ パス
ｐ，ｐ１〜ｐｎ パス
Ｓ レーザスポット（レーザ光）
Ｗ 鋼材（構造部材）
Ｗａ 亀裂
φ スポット径

Claims (5)

1. 既設構造物の構造部材に生じた亀裂を溶融させて消去する補修用レーザ溶接方法であって、
   前記構造部材に対する前記レーザ光の照射による入熱領域内に前記亀裂を収めるべく、スポット径が３ｍｍ未満の前記レーザ光を移動させて前記入熱領域を拡大させ、
   該入熱領域を拡大するための前記レーザ光の照射は、温度センサで検出される前記構造部材の力学的溶融温度以下の部位、又は、予めデータとして取得した冷却時間が経過して前記構造部材の力学的溶融温度以下になった部位に対して成される補修用レーザ溶接方法。
2. スポット径が３ｍｍ未満の前記レーザ光を前記亀裂に沿って複数回パスさせて、該亀裂を収めるための前記入熱領域を拡大させる請求項１に記載の補修用レーザ溶接方法。
3. 前記レーザ光の前記亀裂に沿う複数回のパスのうち、２回目以降のパスを初回パスの軌跡の両側で交互に行わせる請求項２に記載の補修用レーザ溶接方法。
4. 前記レーザ光を照射している部位にシールドガスを供給する請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の補修用レーザ溶接方法。
5. 既設構造物の構造部材に生じた亀裂を溶融させて消去する補修用レーザ溶接装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から供給されるレーザ光を前記構造部材に照射しつつ移動するレーザヘッドと、
   前記レーザ光が照射された前記構造部材の温度分布を検出する温度センサと、
   前記レーザヘッドから照射するレーザ光のスポット径及び前記レーザヘッドの移動をコントロールする制御部を備え、
   前記制御部は、前記レーザヘッドから照射するレーザ光のスポット径を３ｍｍ未満に設定し、前記レーザ光の照射による入熱領域内に前記亀裂を収めるべく、前記レーザヘッドを移動させて前記入熱領域を拡大させ、該入熱領域を拡大するための前記レーザ光の照射を前記温度センサで検出される前記構造部材の力学的溶融温度以下の部位に対して行わせるべく前記レーザヘッドを制御する補修用レーザ溶接装置。

Images