JP2003311463A

JP2003311463A - 亀裂状欠陥の補修方法

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Publication number: JP2003311463A
Application number: JP2002114094A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Takahashi; 克仁高橋; Takeshi Tsukamoto; 武志塚本; Mitsuo Nakamura; 満夫中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-11-05
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: JP4304913B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】表面に亀裂状欠陥が発生し、前記欠陥の内部に
水，酸化物等の介在物を含む構造物、好適には原子炉炉
内機器の補修方法を提供する。【解決手段】表面に亀裂状欠陥１０２を有し、該欠陥の
内部に水，酸化物等の介在物を含む構造物例えば原子炉
炉内機器に対し、前記亀裂状欠陥を肉盛溶接または表面
溶融処理により封止する補修方法において、不活性ガス
２０６に添加する酸素の分圧を制御した雰囲気下で前記
肉盛溶接または表面溶融処理を行い、肉盛金属１０３又
は溶融凝固層を繰返しラップさせて、前記欠陥が発生し
た部分を被覆層で覆い、前記介在物ごと封止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は亀裂状の欠陥が発生
した構造物の補修方法に係わり、特に亀裂状の欠陥の内
部に水，酸化物等の介在物を含む金属材料に対して、雰
囲気中の酸素分圧を制御した雰囲気下で肉盛溶接または
表面溶融処理することにより、亀裂状の欠陥を封止し、
前記亀裂状欠陥内部の更なる腐食や亀裂状欠陥の成長を
防ぐ技術に関する。本発明は水中構造物や原子炉炉内機
器の亀裂状欠陥の補修に好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来、亀裂状の欠陥が発生した原子炉炉
内機器の補修方法として、亀裂状の欠陥が発生した部分
を、溶融層で被覆したり、補修板材で被覆したりしてそ
れを溶接する補修方法（特開平８−２９５８０号公報）
や、金属材料に含まれるヘリウム量に応じて入熱量を制
御しながら、肉盛層で被覆する補修方法（特開２０００
−２３０９９６号公報）が知られているが、亀裂状の欠
陥の内部に水，酸化物等の介在物が欠陥封止性に及ぼす
影響については触れられていない。

【０００３】また、亀裂状の欠陥内に介在物を含む欠陥
部の補修方法（特開２００１−２４２２８０号公報，特
開２００１−２８７０６２号公報）が知られているが、
これらは酸化物等の介在物を積極的に加熱して解離させ
るか、介在物を溶融除去するなどしてから肉盛溶接を施
す補修方法である。

【０００４】これらの公知例を含む従来の溶接や表面溶
融処理は、補修部の酸化を防ぐために、不活性ガスの雰
囲気下や還元性を有するガスの雰囲気下で行われる。

【０００５】また、不活性ガスであるアルゴンと活性ガ
スである酸素の混合ガスを雰囲気に用いる補修溶接法
（特開平１１−２８５６５号公報，特開２００１−７１
１３５号公報）が知られている。特開平１１−２８５６
５号公報に記載の方法は、大気圧より圧力の高い雰囲気
下で溶接を行う場合に適用され、酸素との反応による溶
接金属中のマンガンの損失を低減するために、不活性ガ
スの分圧を調整して、活性ガスの分圧を大気圧での分圧
と等しくなるようにするものである。

【０００６】特開２００１−７１１３５号公報に記載の
方法はアーク溶接の電極用ワイヤやワークの材質により
変化する溶接条件に合わせるためのものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】亀裂状欠陥の補修にお
いて、亀裂状欠陥内に水，酸化物等の介在物が含まれる
場合には、溶接時の加熱により介在物が変化し、反応生
成物が溶融池で噴出し、欠陥部を完全に被覆できないこ
とが特開２００１−２４２２８０号公報により指摘され
ている。

【０００８】本発明者らも、内部に水，酸化物等の介在
物を大量に含む亀裂状欠陥が発生した構造物の表面を、
単に肉盛層を繰返しラップさせて、表面を肉盛層で被覆
する補修方法では、水，酸化物からの反応生成物による
と推定される噴出しが溶融池において起こり、完全に封
止できない場合があることを確認した。

【０００９】本発明は、亀裂状欠陥の内部に介在物、特
に水，酸化物を含む場合に、不活性ガスに混合する酸素
の分圧を制御することにより、水，酸化物等の介在物か
らの反応生成物の発生を抑制し、亀裂状の欠陥を生じた
部分を介在物ごと肉盛溶接して封止し、亀裂状欠陥の内
部に更なる腐食が生じたりあるいは亀裂状欠陥が成長す
るのを防ぐ補修方法を提供するものである。

【００１０】本発明は、耐食性が低下した金属材料に対
して、耐食性を向上させるための表面溶融処理に適用す
ることができ、亀裂内部の介在物、特に水，酸化物が原
因となる溶融部におけるガスの噴出しを低減した補修方
法を提供できる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下のとおり
である。（１）構造物の表面に発生した、内部に水，酸化物等の
介在物を含む亀裂状欠陥を、レーザを溶接熱源とし、肉
盛溶接により形成した肉盛金属で表面を被覆する補修方
法において、不活性ガスに混合する酸素の分圧を制御し
た雰囲気下で、前記亀裂状欠陥が発生した部分を前記肉
盛金属で被覆することを特徴とする。（２）構造物の表面に発生した、内部に水，酸化物等の
介在物を含む亀裂状欠陥がある領域を、レーザを溶接熱
源とし、表面溶融処理により形成した溶融凝固層で表面
を被覆する補修方法において、不活性ガスに混合する酸
素の分圧を制御した雰囲気下で、前記亀裂状欠陥が発生
した部分を前記溶融凝固層で被覆することを特徴とす
る。（３）先の（１）または（２）の発明において、前記酸
素分圧は、溶接入熱量に応じて制御することを特徴とす
る。（４）先の（１）または（２）の発明において、前記溶
接入熱量は亀裂状欠陥の開口幅が最も広いところを基準
にして決定することを特徴とする。（５）先の（１）または（２）の発明において、前記酸
素分圧は、前記介在物の種類に応じて制御することを特
徴とする。（６）先の発明において、前記補修を水中環境下にて、
欠陥部の水を局所的に排除しながら行うことを特徴とし
ている。（７）先の発明において、不活性ガスに酸素を混合した
雰囲気下での被覆を多層に重ねることを特徴とする。（８）先の発明において、不活性ガスに酸素を混合した
雰囲気下で被覆を行い、前記被覆を施した部分を覆うよ
うに、複数回、不活性ガス雰囲気下または還元性を有す
る雰囲気下で被覆することを特徴とする。（９）先の発明において、複数回重ねる被覆は、前層の
被覆よりも溶接入熱量または溶融入熱量を小さくして行
うことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は亀裂状欠陥の補修に関し
て、不活性ガスに添加する酸素の分圧を制御した雰囲気
下で溶接を行うことにあり、酸素の分圧は溶接入熱量や
亀裂状欠陥内に含まれる介在物の種類によって決定され
る。

【００１３】原子炉炉内機器を構成する金属材料は主に
低合金鋼やステンレス鋼等の鉄基合金，ニッケル基合金
である。本発明はこれらの金属材料のような構造物に対
して適用可能である。以下、実施例に基づいて詳細に説
明する。

【００１４】〔第１実施例〕図１により、原子炉内機器
の補修方法および補修装置について説明する。原子炉炉
内機器を構成する金属材料１０１には応力腐食割れによ
り亀裂状欠陥１０２が発生している。金属材料１０１
は、ステンレス鋼等の鉄基合金、または、Alloy600（イ
ンコネル社の商標）等のニッケル基合金であり、亀裂状
欠陥１０２は、内部に水，酸化物等の介在物を含んでい
る。

【００１５】Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器２０１から発せ
られたレーザ光２０２を、光ファイバー２０３または導
光管を介してトーチ２０４へ導く。トーチ２０４先端に
装着したノズル２０５より不活性ガスと酸素とが混合し
た不活性ガス・酸素混合ガス２０６を噴出する。ここ
で、不活性ガスとはヘリウム，アルゴン等の希ガス，窒
素である。レーザ光２０２を照射することにより形成さ
れる溶融池にフィラーワイヤ２０７を供給しながら、ト
ーチ２０４を金属材料１０１に対し移動させて肉盛金属
１０３を形成する。監視や非破壊検査等により欠陥開口
部の幅を求め、開口幅から溶接入熱量を決定する。溶接
入熱量はレーザの出力やトーチ２０４の移動速度を変え
ることによって調整する。フィラーワイヤ２０７の材質
については、金属材料１０１と同じ成分のもの、金属材
料１０１よりも耐食性に優れているものを用いると良
い。

【００１６】さらに、肉盛金属１０３をラップさせなが
ら、亀裂が発生した欠陥部分を肉盛金属で被覆する。肉
盛層と肉盛層とが重なり合う割合は、ビード幅の１／４
〜１／２すると良い。

【００１７】内部に水，酸化物等の介在物を含まない場
合、溶接入熱量が大きい程、亀裂状欠陥は封止しやす
い。本発明者らは実験により、最低でも０.６ｋＪ／cm
の溶接入熱量があれば、開口幅０.７mm の亀裂状欠陥を
封止できることを明らかにした。

【００１８】しかし、内部に水，酸化物等の介在物を含
まない場合には封止可能であっても、内部に水，酸化物
を含む場合では、補修部に不具合を生じてしまい、うま
く封止することができないことがある。

【００１９】そこで、本発明では内部に水，酸化物を含
む亀裂状欠陥に対しては、不活性ガスに酸素を添加した
雰囲気において補修を行う。

【００２０】酸素分圧を制御した雰囲気において補修す
ることにより、補修部における不具合が低減される理由
について、鉄系酸化物のＦｅ₃Ｏ₄，ＦｅＯを例に説明す
る。酸化物生成自由エネルギー温度酸素圧線図を図２に
示す。縦軸は酸化物の生成自由エネルギー、横軸は温度
を表しており、図中の太い実線は酸化還元反応６FeO＋
Ｏ₂＝２Ｆｅ₃Ｏ₄ の平衡状態を、点線は各酸素分圧にお
ける酸素圧線を表している。（大気圧下での酸素含有量
に換算して表した。）大気圧下で、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を加熱した場合に
おいて、市販されている普通純度のアルゴンガスは０.
００１パーセント程度の酸素を含有している。この場
合、酸素分圧は１×１０^-5atm であるから、１８５０Ｋ
付近から酸化物の解離が起こる。

【００２１】一方で不活性ガスに酸素が体積比で２０パ
ーセント混合した雰囲気下ではおよそ２３５０Ｋになら
ないと酸化物の解離は起こらないことになる。

【００２２】本発明者らは、雰囲気中の酸素含有量を系
統的に変化させ、内部にＦｅ₃Ｏ₄を含む開口幅０.５mm
の亀裂状の欠陥に対して、溶接入熱量を０.６ｋＪ／cm
にして肉盛溶接を行った。

【００２３】酸素の分圧が０.０１atmの雰囲気下では、
補修部に不具合が発生したが、酸素分圧が０.２atmの雰
囲気下では、補修部における反応生成物の噴出しが抑え
られた。

【００２４】また、Ｆｅ₂Ｏ₃よりも解離し易いとされる
Ｆｅ₃Ｏ₄，ＮｉＯを内部に含む亀裂状欠陥についても同
様の結果が得られ、封止が可能であることを確認した。

【００２５】介在物が加熱される温度が分かれば、不活
性ガス・酸素混合ガス中の酸素の分圧を、図２より決定
することができる。

【００２６】しかし、実際に介在物が加熱される温度を
求めることは困難である。

【００２７】また、加熱される温度が求まったとして、
図２より酸素分圧を決定しても、混合ガス中の酸素が溶
融金属との反応に費やされ、実際に酸化物に到達する混
合ガスの酸素分圧が低下してしまい、効果が得られない
ことも考えられる。

【００２８】さらに、実際の亀裂状欠陥の内部に含まれ
る酸化物は鉄系の酸化物，ニッケル系の酸化物，クロム
系の酸化物、それらの複合酸化物が考えられ、想定され
る酸化物の種類により解離特性が異なり、それに従い、
適切な酸素分圧も変化する。

【００２９】そこで、予測される状況を模擬した試験を
行い、試験結果から溶接入熱量に応じて酸素分圧を決定
すると良い。

【００３０】さらに、補修対象箇所のサンプリング等に
より、介在物の種類を予め同定しておいて、それに応じ
て酸素分圧を決定するとなお良い。

【００３１】肉盛層が１層だけでは亀裂状欠陥を封止で
きなかった場合、または、肉盛層が１層だけでは耐久性
に乏しい場合には、図３に示すように肉盛層を多層に積
み重ねる。

【００３２】本発明を適用する亀裂状の欠陥が発生した
部分は必ずしも平坦である必要はなく、円筒の内側の曲
面に対してや、放電加工や切削によっても亀裂状の欠陥
を完全に除去しきれなかった凹部に対して適用しても良
い。

【００３３】酸素が混合した雰囲気下で肉盛溶接を行う
と、肉盛金属１０３の表面は酸化してしまう。そこで図
４に示すように、肉盛金属１０３を不活性ガス、または
還元性を有する雰囲気下で肉盛溶接して被覆することに
よって、表面の酸化が少ない肉盛金属１０４を得ること
ができる。後者の処理を行う場合、肉盛金属で封止され
た前記欠陥内の介在物を再び加熱しまうことがないよう
に、後者の溶接入熱量は小さくした方が良い。肉盛金属
を形成するパスごとに雰囲気を変えるのではなく、パス
の途中で雰囲気を変えても良い。

【００３４】〔第２実施例〕本発明を水中で適用する実
施例を説明する。加工部との間のレーザの光路および加
工部周辺の領域の水を排除することにより、水中にて本
発明を行う。実際には、亀裂状欠陥内部の水を完全に排
除することは難しく、亀裂状欠陥のある金属材料表面に
水が残っていると、肉盛金属の溶着が妨げられ、〔第１
実施例〕にくらべて溶接条件の範囲が狭くなってしま
う。それを低減するために溶接入熱量を大きくして積極
的に水分を蒸発させることができるが、一方で、欠陥内
部の介在物を加熱してしまうことになり、酸化物の解離
や欠陥内部での水蒸気の発生を促進してしまい、溶融部
での噴出しを活発にすることになる。そこで、噴出しの
原因となる介在物の反応を抑えるために、不活性ガスに
酸素を添加した雰囲気にて補修を行う。

【００３５】まず、水中補修装置の一例を示す。図５の
ように不活性ガスと酸素との混合ガス２０８をノズル２
０５先端より噴射して、水を排除する。それと同時に噴
射口と加工部周辺との間に形成した気相空間を不活性ガ
スと酸素との混合ガス雰囲気とすることができる。

【００３６】そして、第１実施例と同様にＮｄ：ＹＡＧ
等のレーザ発振器２０１から発せられたレーザ光２０２
を導光管、または光ファイバー２０３を介してトーチへ
導く。さらに、レーザ光２０２の光軸と金属材料１０１
の交点近傍にフィラーワイヤ２０７を供給しながら、ト
ーチ２０４を金属材料１０１に対し移動させて肉盛金属
１０３を形成する。溶接入熱量は、監視により欠陥開口
部の幅から決定し、レーザの出力やトーチ２０４の移動
速度を変えることによって調整する。フィラーワイヤ２
０７の材質については、金属材料１０１と同じ成分のも
の、金属材料１０１よりも耐食性に優れているものを用
いると良い。

【００３７】さらに、肉盛金属１０３をラップさせなが
ら、亀裂が発生した欠陥部分を肉盛金属で被覆する。ビ
ードとビードとが重なり合う割合は、ビード幅の１／４
〜１／２にすると良い。

【００３８】水の排除方法については、必ずしもノズル
先端より噴出させるガスによって水を排除するものでな
くても良く、レーザの光路および溶接部の水を排除する
ことができる方法であれば良い。具体的な水の排除方法
として、例えば、固体隔壁方式や水カーテン方式があ
る。

【００３９】〔第３実施例〕オーステナイト系ステンレ
ス鋼の経年変化として、応力腐食割れが重要な問題とな
っている。

【００４０】オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部近
傍等の熱影響を受けた領域では、構成元素であるクロム
と、不純物として含まれる炭素とが粒界近傍でクロム炭
化物を形成することによりクロムが粒界で欠乏し、粒界
の耐食性が低下する現象が発生する。この様な材料の変
化を、ここでは鋭敏化ということにする。鋭敏化した材
料に、外部からの応力や溶接による残留応力が加わり、
さらに、酸素，塩素などの有害な物質が含まる環境に曝
されることにより、応力腐食割れが発生する。

【００４１】応力腐食割れは、材料因子，応力因子，環
境因子の３つの因子が相乗的に寄与することにより発生
するとされており、応力腐食割れ防止法として、３因子
のうちのいずれかを改良する方法がとられている。

【００４２】材料因子である材料鋭敏化対策の１つとし
て、材料をある温度に一定時間保持するか溶融して、ク
ロムや炭素を均一に固溶させた後、急冷する表面改質処
理がとられる。そこで本発明を、鋭敏化が発生し、さら
に、内部に酸化物等の介在物を含む亀裂状欠陥がある部
分を溶融して、表面改質処理する補修方法に適用し、そ
の実施例について説明する。鋭敏化した金属材料１０５
で、さらに、内部に酸化物等の介在物を含む亀裂状欠陥
１０２がある部分を溶融して、溶融層で金属材料を被覆
する実施例について説明する。まず、不活性ガスと酸素
が混合した雰囲気下で表面溶融処理を行うことによって
亀裂状欠陥１０２ごと溶融してしまうか、前記欠陥１０
２を溶融凝固層１０６で封止する。このままでは、表面
が酸化したままなので、表面が酸化した溶融凝固層に重
ねて不活性ガス雰囲気下または還元性を有する雰囲気下
で溶融処理すると良い。酸化層が還元されることによ
り、表面の酸化が少ない溶融凝固層を得ることができ
る。後者の処理を行う場合、溶融凝固層で封止された前
記欠陥内の介在物を再び加熱しまうと溶融凝固層に不具
合を生じるから、後者の表面溶融処理の入熱量は小さく
した方が良い。入熱量を減らせば、溶融凝固層の幅は小
さくなると予想されるから、間隔を減らすと良い。溶融
凝固層と溶融凝固層とが重なり合う割合は、溶融凝固層
の１／４〜１／２にすると良い。〔第３実施例〕の方法
は金属材料が鋭敏化していなくても、内部に酸化物等の
介在物を含む亀裂状欠陥を溶融して封止する場合に実施
しても良い。また、鋭敏化した金属材料１０５の表面に
肉盛溶接をしても良い。

【００４３】

【発明の効果】本発明を補修作業に適用すれば、構造物
の亀裂状欠陥が発生した金属材料に対して、更なる亀裂
内部の腐食や亀裂の成長を阻止することが可能である。
本発明は、原子炉の長寿命化，予防保全に効果がある。
また、水中環境下で行えば、補修作業を効率的に行うこ
とができ、作業員の安全に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の補修方法に関して、補修装置と本
発明を適用した施工方法を説明するために、施工方向に
平行な面から見た断面図。

【図２】酸化物の生成自由エネルギー温度−酸素圧線
図。

【図３】第１実施例の補修方法に関して、多層に肉盛す
る場合の肉盛溶接の施工方法を説明するために、施工方
向に垂直な面から見た断面図。

【図４】第１実施例の補修方法に関して、雰囲気を変え
て肉盛する場合の肉盛溶接の施工方法を説明するため
に、施工方向に垂直な面から見た断面図。

【図５】第２実施例の補修方法に関して、水中におけ
る、補修装置と本発明を適用した施工方法を説明するた
めに、施工方向に平行な面から見た断面図。

【図６】第３実施例の補修方法に関して、鋭敏化した金
属材料を表面溶融して耐食性を改善する施工方法を説明
するために、施工方向に垂直な面から見た断面図。

【符号の説明】

１０１…金属材料、１０２…亀裂状欠陥、１０３，１０
４…肉盛金属、１０５…鋭敏化した金属材料、１０６…
溶融凝固層、２０１…レーザ発振器、２０２…レーザ
光、２０３…光ファイバー、２０４…トーチ、２０５…
ノズル、２０６…不活性ガス・酸素混合ガス、２０７…
フィラーワイヤ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村満夫茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 4E068 BB00 CJ01 CJ04 CJ05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物の表面に発生した、内部に水，酸化
物等の介在物を含む亀裂状欠陥の表面を、レーザを溶接
熱源とし、肉盛溶接により形成した肉盛金属で被覆する
補修方法において、前記肉盛溶接を不活性ガスに混合す
る酸素の分圧を制御した雰囲気下で行うことを特徴とす
る亀裂状欠陥の補修方法。
【請求項２】構造物の表面に発生した、内部に水，酸化
物等の介在物を含む亀裂状欠陥がある領域の表面を、レ
ーザを溶接熱源とし、表面溶融処理により形成した溶融
凝固層で被覆する補修方法において、前記表面溶融処理
を不活性ガスに混合する酸素の分圧を制御した雰囲気下
で行うことを特徴とする亀裂状欠陥の補修方法。
【請求項３】請求項１または２記載の補修方法におい
て、前記酸素分圧を、溶接入熱量に応じて制御すること
を特徴とする亀裂状欠陥の補修方法。
【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の補修方
法において、前記溶接入熱量を、亀裂状欠陥の開口幅が
最も広いところを基準にして決定することを特徴とする
亀裂状欠陥の補修方法。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の補修方
法において、前記酸素分圧を、前記介在物の種類に応じ
て制御することを特徴とする亀裂状欠陥の補修方法。
【請求項６】請求項１から５のいずれか１項記載の補修
方法において、前記補修を水中環境下にて、欠陥部の水
を局所的に排除しながら行うことを特徴とする亀裂状欠
陥の補修方法。
【請求項７】請求項１から６のいずれか１項記載の補修
方法において、不活性ガスに酸素を混合した雰囲気下で
の被覆を多層に重ねることを特徴とする亀裂状欠陥の補
修方法。
【請求項８】請求項１から７のいずれか１項記載の補修
方法において、不活性ガスに酸素を混合した雰囲気下で
被覆を行い、前記被覆を施した部分を覆うように、複数
回、不活性ガス雰囲気下または還元性を有する雰囲気下
で被覆することを特徴とする亀裂状欠陥の補修方法。
【請求項９】請求項１から８のいずれか１項記載の補修
方法において、複数回重ねる被覆は、前層の被覆よりも
溶接入熱量を小さくして行うことを特徴とする亀裂状欠
陥の補修方法。