JP2006015399A - Apparatus for improving residual stress of piping - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配管加熱装置に関し、特に、配管の残留応力を低減するために使用される配管の残留応力改善装置に関する。 The present invention relates to a pipe heating apparatus, and more particularly, to a pipe residual stress improving apparatus used for reducing the pipe residual stress.
原子力発電所その他の大型プラントで使用される大型の配管を設置する場合に問題になるのは、その配管の残留応力の除去である。溶接が行われると配管には残留応力が発生し、その残留応力によって配管の寿命が短くなる可能性がある。従って、溶接によって発生した残留応力は、除去することが好適である。 When installing large piping used in nuclear power plants and other large plants, the problem is the removal of residual stress in the piping. When welding is performed, residual stress is generated in the pipe, and the residual stress may shorten the life of the pipe. Therefore, it is preferable to remove the residual stress generated by welding.
特許文献1は、配管の溶接部の近傍の残留応力を加熱によって低減するための配管加熱装置を開示している。公知のその装置は、配管の外周側に位置するアーク発生リングと、そのリングを挟むように配置されたリングコイルとを備えている。リングコイルによって磁場が発生されると、アーク発生リングと配管との間にアークが発生し、配管が加熱される。配管が加熱されることにより、配管の残留応力が低減される。 Patent document 1 is disclosing the piping heating apparatus for reducing the residual stress of the vicinity of the welding part of piping by heating. The known device includes an arc generating ring located on the outer peripheral side of the pipe, and a ring coil arranged so as to sandwich the ring. When a magnetic field is generated by the ring coil, an arc is generated between the arc generating ring and the pipe, and the pipe is heated. When the pipe is heated, the residual stress of the pipe is reduced.
特許文献2は、配管の内表面にレーザー光を照射して配管の内表面を表面加工する技術を開示している。公知のその技術では、レーザー光が光ファイバによって配管の内部に導かれ、レーザー光は、光ファイバから出射されて配管の内表面に照射される。 Patent document 2 is disclosing the technique which surface-processes the inner surface of piping by irradiating a laser beam to the inner surface of piping. In the known technique, laser light is guided into a pipe by an optical fiber, and the laser light is emitted from the optical fiber and applied to the inner surface of the pipe.
残留応力を除去するために使用される配管加熱装置に求められる要求の一つは、配管の表面の広い範囲を、均一に加熱できることである。配管の表面の広い範囲を加熱できることは、スループットの向上や残留応力除去性能確保のために重要である。一方、配管を均一に加熱できることは、加熱処理の後に残存する残留応力を小さくするために重要である。この要求を満足させることは、配管が複雑な形状を有している場合、例えば、配管が分岐している場合や厚肉管を対象として特に広範囲を加熱する必要のある場合には簡単なことではない。 One of the requirements for a pipe heating device used to remove residual stress is to be able to uniformly heat a wide range of the pipe surface. The ability to heat a wide range of the surface of the pipe is important for improving throughput and ensuring residual stress removal performance. On the other hand, the ability to heat the piping uniformly is important for reducing the residual stress remaining after the heat treatment. Satisfying this requirement is simple when the pipe has a complicated shape, for example, when the pipe is branched or when a wide area needs to be heated particularly for thick-walled pipes. is not.
このような背景から、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる、とりわけ、配管が複雑な形状であっても配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができ、配管の残留応力を改善できる配管の残留応力改善装置の提供が望まれている。 From such a background, it is possible to uniformly heat a wide range of the surface of the pipe, and in particular, it is possible to uniformly heat a wide range of the surface of the pipe even if the pipe has a complicated shape. It is desired to provide an apparatus for improving residual stress in piping that can improve stress.
本発明の目的は、配管の表面の広い範囲を均一に加熱し、配管の残留応力を改善するために好適な配管の残留応力改善装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a residual stress improving apparatus for piping suitable for uniformly heating a wide range of the surface of the piping and improving the residual stress of the piping.
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段に含まれる技術的事項の記述には、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 In order to achieve the above object, the present invention employs the means described below. In the description of the technical matters included in the means, in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention] Number / symbol used in the best mode for doing this is added. However, the added numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
一の観点において、本発明による配管の残留応力改善装置(10)は、複数のレーザーヘッド(6)と、複数のレーザーヘッド(6)を配管(4)の外表面に対向するように支持する支持機構(1、2、3、5)とを備えている。複数のレーザーヘッド(6)のそれぞれは、加熱用レーザービーム(6a)を配管(4)の外表面に照射する。複数のレーザーヘッド(6)を用いて配管(4)の外表面を加熱することは、加熱用レーザービーム(6a)の強度を個別に制御することを可能にする。これは、配管(4)の形状に応じて加熱用レーザービーム(6a)の強度を個別に制御することを可能にし、複雑な形状の配管(4)の均一な加熱に有利である。 In one aspect, a pipe residual stress improving apparatus (10) according to the present invention supports a plurality of laser heads (6) and a plurality of laser heads (6) so as to face the outer surface of the pipe (4). And a support mechanism (1, 2, 3, 5). Each of the plurality of laser heads (6) irradiates the outer surface of the pipe (4) with a heating laser beam (6a). Heating the outer surface of the pipe (4) using a plurality of laser heads (6) makes it possible to individually control the intensity of the heating laser beam (6a). This makes it possible to individually control the intensity of the heating laser beam (6a) according to the shape of the pipe (4), and is advantageous for uniform heating of the pipe (4) having a complicated shape.
配管(4)の表面の広い範囲を加熱するためには、支持機構(1、2、3、5)は、前記複数のレーザーヘッドを配管(4)の円周方向に走査する駆動機構(2)を含み、複数のレーザーヘッド(6)は、配管(4)の軸方向にずれて配置されていることが好適である。 In order to heat a wide range of the surface of the pipe (4), the support mechanism (1, 2, 3, 5) is a drive mechanism (2 for scanning the plurality of laser heads in the circumferential direction of the pipe (4). It is preferable that the plurality of laser heads (6) are arranged so as to be shifted in the axial direction of the pipe (4).
より少ない個数のレーザー発振器で配管(4)の表面の広い範囲を加熱するためには、支持機構(1、2、3、5)は、複数のレーザーヘッド(6)を、配管(4)の軸方向に走査する駆動機構(25)を含むことが好適である。 In order to heat a wide range of the surface of the pipe (4) with a smaller number of laser oscillators, the support mechanism (1, 2, 3, 5) has a plurality of laser heads (6) connected to the pipe (4). It is preferable to include a drive mechanism (25) that scans in the axial direction.
配管(4)を均一に加熱するためには、複数のレーザーヘッド(6)は、加熱用レーザービーム(6a)のスポットが、配管(4)の外表面上において重なり合うように、加熱用レーザービーム(6a)を照射することが好適である。 In order to uniformly heat the pipe (4), the plurality of laser heads (6) are provided with a heating laser beam so that the spots of the heating laser beam (6a) overlap on the outer surface of the pipe (4). It is preferable to irradiate (6a).
当該配管の残留応力改善装置(10)は、更に、第1レーザービーム(7a)を生成するレーザー発振器(7)と、第1レーザービーム(7a)を分岐して複数の第2レーザービーム(7a’)を生成する分岐器(21、22)とを備え、レーザーヘッド(6)は、その第2レーザービーム(7a’)から加熱用レーザービーム(6a)を生成することが好適である。かかる構成は、少ない数のレーザー発振器(7)で配管(4)の広い範囲を加熱することを可能にする。 The pipe residual stress improving device (10) further includes a laser oscillator (7) for generating a first laser beam (7a) and a plurality of second laser beams (7a) by branching the first laser beam (7a). It is preferable that the laser head (6) generates a heating laser beam (6a) from the second laser beam (7a '). Such a configuration makes it possible to heat a wide area of the pipe (4) with a small number of laser oscillators (7).
この場合、分岐部(21、22)は、複数の第2レーザービーム(7a’)の強度を個別に調節する出力調節機構(22)を備えることが好適である。 In this case, it is preferable that the branch portions (21, 22) include an output adjustment mechanism (22) that individually adjusts the intensities of the plurality of second laser beams (7a ').
他の観点において、本発明の配管の残留応力改善装置は、加熱用レーザービーム(31a)を配管(4)の外表面に照射するレーザーヘッド(31)と、レーザーヘッド(31)を前記配管(4)の円周方向に走査する駆動機構(2)とを備えている。レーザーヘッド(31)は、加熱用レーザービーム(31a)を配管(4)の軸方向に走査する走査機構(35〜37)を備えている。この場合、加熱用レーザービーム(31a)の強度は、加熱用レーザービーム(31a)の配管(4)の外表面上のスポットの位置に応じて制御されることが好適である。これにより、当該配管の残留応力改善装置は、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる。具体的には、走査機構(35〜37)は、ガルバノミラー(35)又はポリゴンミラー(37)を用いて、加熱用レーザービーム(31a)を前記軸方向に走査することが好適である。 In another aspect, the apparatus for improving residual stress in piping according to the present invention includes a laser head (31) that irradiates an outer surface of a pipe (4) with a heating laser beam (31a), and a laser head (31) that is connected to the pipe ( And 4) a drive mechanism (2) for scanning in the circumferential direction. The laser head (31) includes a scanning mechanism (35 to 37) that scans the heating laser beam (31a) in the axial direction of the pipe (4). In this case, the intensity of the heating laser beam (31a) is preferably controlled according to the position of the spot on the outer surface of the pipe (4) of the heating laser beam (31a). Thereby, the residual stress improvement apparatus of the said piping can heat the wide range of the surface of piping uniformly. Specifically, the scanning mechanism (35 to 37) preferably scans the heating laser beam (31a) in the axial direction using a galvanometer mirror (35) or a polygon mirror (37).
更に他の観点において、本発明による配管の残留応力改善装置は、レーザーヘッド(41)と、レーザーヘッド(41)を配管(4)の円周方向に走査する駆動機構(2)とを備えている。レーザーヘッド(41)は、レーザービームが入射されるフライアイレンズ(42)と、フライアイレンズから出射されるレーザービームを配管(4)の軸方向に拡大する拡大光学系(43)とを含む。フライアイレンズ(42)及びシリンドリカルレンズ(45)によって強度が均一化され、楕円に成形されたレーザービームを、配管(4)の軸方向に拡大して配管(4)に照射することにより、本発明による配管の残留応力改善装置は、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる。 In still another aspect, the apparatus for improving residual stress in piping according to the present invention includes a laser head (41) and a drive mechanism (2) that scans the laser head (41) in the circumferential direction of the piping (4). Yes. The laser head (41) includes a fly-eye lens (42) into which a laser beam is incident and an expansion optical system (43) that expands the laser beam emitted from the fly-eye lens in the axial direction of the pipe (4). . The intensity of the fly-eye lens (42) and the cylindrical lens (45) is made uniform, and an elliptical laser beam is expanded in the axial direction of the pipe (4) and irradiated onto the pipe (4). The apparatus for improving residual stress of piping according to the invention can uniformly heat a wide range of the surface of the piping.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームは、光ファイバで伝送されることが好ましい。この構成によれば、装置の自由度が増して、作業性を向上させることができる。また、加熱用レーザービームの照射部が遠隔部であったり、周辺空間が狭い部位であったりする場合であっても、レーザーを伝送することができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the heating laser beam is preferably transmitted by an optical fiber. According to this structure, the freedom degree of an apparatus increases and workability | operativity can be improved. Further, even when the irradiation part of the heating laser beam is a remote part or the peripheral space is a narrow part, the laser can be transmitted.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの光源は、レーザーダイオード又はファイバーレーザーであることが好ましい。この構成によれば、光源を小型化することができるため狭隘部においても設置することができ、加熱用レーザービームの照射部に近接して設置することができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the light source of the heating laser beam is preferably a laser diode or a fiber laser. According to this configuration, since the light source can be reduced in size, it can be installed even in a narrow part, and can be installed close to the irradiation part of the heating laser beam.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの強度は、前記加熱用レーザービームの配管の外表面上のスポットの位置に応じて制御されることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the intensity of the heating laser beam is preferably controlled according to the position of a spot on the outer surface of the piping of the heating laser beam. According to this configuration, even when the irradiation part of the heating laser beam has a complicated shape or a different material part, heating with an appropriate temperature distribution can be performed.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の円周方向にずれて配置されるヘッドが軸方向に複数段、設置されてなり、前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の軸方向に走査するヘッド駆動機構を含むことが好ましい。この構成によれば、配管表面のある位置において、第1段のヘッドが通過する際の加熱により配管肉厚方向に温度分布が生じ、該ヘッドの通過後の冷却に伴って該温度分布の傾斜が緩やかになった後に、第2段のヘッドが通過する際に再加熱が行われるため、配管の内面から外面に亘ってほぼ均一な温度傾斜を有する温度分布にすることができる。 Further, in the apparatus for improving residual stress of piping, the plurality of laser heads are configured such that a plurality of heads arranged in a circumferential direction of the piping are arranged in a plurality of stages in an axial direction, and the support mechanism includes the plurality of laser heads It is preferable to include a head drive mechanism that scans the laser head in the axial direction of the pipe. According to this configuration, a temperature distribution is generated in the pipe thickness direction by heating when the first stage head passes at a position on the pipe surface, and the temperature distribution is inclined with cooling after the head passes. Since the reheating is performed when the second-stage head passes after the gradual decrease, the temperature distribution having a substantially uniform temperature gradient from the inner surface to the outer surface of the pipe can be obtained.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向にずれて配置されるヘッドが円周方向に複数段、設置されてなり、前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査するヘッド駆動機構を含むことが好ましい。この構成によれば、配管表面のある位置において、第1段のヘッドが通過する際の加熱により配管肉厚方向に温度分布が生じ、該ヘッドの通過後の冷却に伴って該温度分布の傾斜が緩やかになった後に、第2段のヘッドが通過する際に再加熱が行われるため、配管の内面から外面に亘ってほぼ均一な温度傾斜を有する温度分布にすることができる。 Further, in the apparatus for improving residual stress of piping, the plurality of laser heads are configured such that a plurality of heads arranged in an axial direction of the piping are arranged in a circumferential direction, and the support mechanism includes the plurality of laser heads. It is preferable to include a head drive mechanism that scans the laser head in the circumferential direction of the pipe. According to this configuration, a temperature distribution is generated in the pipe thickness direction by heating when the first stage head passes at a position on the pipe surface, and the temperature distribution is inclined with cooling after the head passes. Since the reheating is performed when the second-stage head passes after the gradual decrease, the temperature distribution having a substantially uniform temperature gradient from the inner surface to the outer surface of the pipe can be obtained.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの強度は、前記複数のレーザーヘッドごとに調節可能であることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the intensity of the heating laser beam is preferably adjustable for each of the plurality of laser heads. According to this configuration, even when the irradiation part of the heating laser beam has a complicated shape or a different material part, heating with an appropriate temperature distribution can be performed.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドの走査方向の前方には、高周波加熱手段が設けられていてもよい。 In the apparatus for improving residual stress in piping, a high-frequency heating unit may be provided in front of the laser head in the scanning direction.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記配管は、原子炉プラントのステンレス鋼配管であってもよい。このような原子力プラントのステンレス鋼配管ではSCCの発生が懸念されており、既に使用されている配管に適用する場合は、旧配管を撤去して新しい低炭素量の材質の配管を敷設する必要がある。そのため、多大な費用を伴うだけでなく、新たに放射性廃棄物を増加させることになり、廃棄物の保管など新たな費用が発生する。また、定検期間の延長にもつながり、経済性の面で不利である。そこで、本発明装置を適用することで、取替え工事が不要となり、プラントの経済性、信頼性が向上する。 Moreover, in the residual stress improving apparatus for piping, the piping may be a stainless steel piping of a nuclear reactor plant. In such nuclear power plant stainless steel piping, there is concern about the occurrence of SCC, and when it is applied to piping that has already been used, it is necessary to remove the old piping and install new piping with a low carbon content. is there. For this reason, not only is there a great cost, but the amount of radioactive waste is newly increased, and new costs such as storage of waste are generated. It also leads to an extension of the regular inspection period, which is disadvantageous in terms of economy. Therefore, by applying the apparatus of the present invention, replacement work is not necessary, and the economical efficiency and reliability of the plant are improved.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記配管は、BWR(沸騰水型原子力発電)の再循環配管であってもよい。 Moreover, in the residual stress improving apparatus for piping, the piping may be a BWR (boiling water nuclear power generation) recirculation piping.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記配管は、原子力プラントの原子炉容器、加圧器、蒸気発生器のいずれかに接続される低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継ぎ手部であってもよい。 Further, in the residual stress improvement apparatus for piping, the piping is a dissimilar joint of low alloy steel and austenitic stainless steel connected to any one of a nuclear reactor reactor vessel, a pressurizer, and a steam generator. Also good.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向又は円周方向の少なくとも一方にずれて配置されると共に、前記加熱用レーザービームのスポットが、前記配管の表面上において重なり合うように、前記加熱用レーザービームを照射することが好ましい。この構成によれば、広域に亘って任意の強度分布、例えば均一な強度分布を有する加熱用レーザービームとすることができる。 Further, in the apparatus for improving residual stress in piping, the plurality of laser heads are arranged so as to be shifted in at least one of an axial direction or a circumferential direction of the piping, and a spot of the heating laser beam is formed on the piping. It is preferable to irradiate the heating laser beam so as to overlap on the surface. According to this configuration, it is possible to obtain a heating laser beam having an arbitrary intensity distribution, for example, a uniform intensity distribution over a wide area.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、更に、前記配管との距離方向にもずれて配置されることが好ましい。この構成によれば、3次元的に任意の強度分布を有する加熱用レーザービームとすることができ、複雑な形状を有する配管に対しても適切に加熱することができる。 Moreover, in the residual stress improving apparatus for piping, it is preferable that the plurality of laser heads are further shifted in the distance direction from the piping. According to this structure, it can be set as the laser beam for heating which has arbitrary intensity distribution three-dimensionally, and it can heat appropriately also to piping which has a complicated shape.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの強度は、個別に調節可能であることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, it is preferable that the intensity of the heating laser beam can be individually adjusted. According to this configuration, even when the irradiation part of the heating laser beam has a complicated shape or a different material part, heating with an appropriate temperature distribution can be performed.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドは、レーザービームが入射される球面レンズと、前記球面レンズから出射されるレーザービームを前記配管の表面上において一方向に拡大する拡大光学系とを含むことが好ましい。この構成によれば、レーザービームをスポット形状が楕円のビームとすることができ、任意の方向にスポット系を拡大した形態で照射することができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the laser head includes a spherical lens on which a laser beam is incident, and a magnifying optical system that expands the laser beam emitted from the spherical lens in one direction on the surface of the piping. Are preferably included. According to this configuration, the laser beam can be a beam having an elliptical spot shape, and the spot system can be irradiated in an enlarged form in an arbitrary direction.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記拡大光学系は、シリンドリカルレンズから構成することができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the magnifying optical system can be composed of a cylindrical lens.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドは、レーザービームを加工する、集光系、ズーム系又はコリメート系の少なくとも一つの系を備えることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the laser head preferably includes at least one of a condensing system, a zoom system, and a collimating system for processing a laser beam. According to this configuration, even when the irradiation part of the heating laser beam has a complicated shape or a different material part, heating with an appropriate temperature distribution can be performed.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドから出射されるレーザービームは、1つ又は複数の反射手段を介して、前記配管の表面上に照射されることが好ましい。この構成によれば、レーザービームの光路を反射で折り曲げることができるため、例えばプラント配管近傍等の狭隘部であってもレーザーヘッドを設置することができたり、小スペースで長い光路長とすることができるため、例えば狭隘部であってもビームスポット径を拡大することができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the laser beam emitted from the laser head is preferably irradiated on the surface of the piping through one or more reflecting means. According to this configuration, since the optical path of the laser beam can be bent by reflection, for example, a laser head can be installed even in a narrow part near the plant piping, or a long optical path length in a small space. Therefore, for example, the beam spot diameter can be enlarged even in a narrow portion.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記光ファイバ、前記球面レンズ、前記拡大光学系、前記シリンドリカルレンズ、前記集光系、前記ズーム系、前記コリメート系または前記反射手段のうち少なくとも一つを駆動させることにより、前記加熱用レーザービームを前記配管の表面上で走査することが好ましい。この構成によれば、レーザーヘッド自体を大きく走査させずに、又は全く動かすことなく、レーザービームを走査することができる。 In the apparatus for improving residual stress of piping, at least one of the optical fiber, the spherical lens, the magnifying optical system, the cylindrical lens, the condensing system, the zoom system, the collimating system, or the reflecting means is provided. It is preferable to scan the heating laser beam on the surface of the pipe by driving. According to this configuration, it is possible to scan the laser beam without largely moving the laser head itself or without moving it at all.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドは、隣接するレーザーヘッドの間隔、前記配管の表面との距離または前記レーザービームを中心軸とする回転角のうち少なくとも一つを調整する機構を含むことが好ましい。この構成によれば、複数のレーザーヘッド間のアライメントを精密に行うことができる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the laser head adjusts at least one of an interval between adjacent laser heads, a distance from the surface of the piping, or a rotation angle with the laser beam as a central axis. It is preferable to contain. According to this configuration, alignment between a plurality of laser heads can be performed precisely.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザビームを照射し加熱する温度が、固溶化温度以下であることを特徴とする。固溶化温度以下で加熱することによって、被対象物の変形が小さくなり、更に鋭敏化の恐れが無くなる。また、低合金鋼など異材継ぎ手に対しても適用可能となる。 In the apparatus for improving residual stress in piping, the temperature at which the laser beam is irradiated and heated is not higher than the solution temperature. By heating below the solid solution temperature, the deformation of the object is reduced and the risk of sensitization is eliminated. Further, it can be applied to a dissimilar material joint such as a low alloy steel.
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザビームを照射し加熱する領域が2.5√rt以上であることを特徴とする。溶接部を中心として2.5√rt(r:管の平均半径、t:管の板厚)以上を均一に加熱することによって、その部分の残留応力を低減することができる。 In the residual stress improving apparatus for piping, the region to be irradiated with the laser beam and heated may be 2.5√rt or more. By uniformly heating the welded portion at 2.5√rt (r: the average radius of the tube, t: the plate thickness of the tube) or more, the residual stress at that portion can be reduced.
本発明の配管の残留応力改善装置によれば、配管の表面の広い範囲を均一に加熱すること(均熱帯の形成)が容易になる。 According to the apparatus for improving residual stress in piping of the present invention, it is easy to uniformly heat a wide range of the surface of the piping (formation of a soaking zone).
第1 実施の第1形態
1.全体構成
図1は、本発明の実施の第1形態の配管の残留応力改善装置10の構成を示している。配管の残留応力改善装置10は、リングレール1と、回転走行台車2と、加熱光学系3とを備えている。リングレール1は、加熱される配管4の周囲を取り囲むように設けられており、回転走行台車2を配管4の円周方向(θ方向)に沿って移動させる軌道として使用される。回転走行台車2は、それに設けられたアーム5によって加熱光学系3を支持している。
First Embodiment First Embodiment Overall Configuration FIG. 1 shows a configuration of a piping residual stress improving apparatus 10 according to a first embodiment of the present invention. The piping residual stress improving apparatus 10 includes a ring rail 1, a rotating traveling carriage 2, and a heating optical system 3. The ring rail 1 is provided so as to surround the pipe 4 to be heated, and is used as a track for moving the rotary traveling carriage 2 along the circumferential direction (θ direction) of the pipe 4. The rotary traveling carriage 2 supports the heating optical system 3 by means of an
加熱光学系3の中には、配管4の外表面にレーザービーム6aを照射して加熱するためのレーザーヘッド6が複数個、配管4の軸方向(z方向)に並べられて収容されている。レーザーヘッド6の収容にあたっては、溶接部4aを中心として2.5√(rt)(r:管の平均半径、t:管の板厚)以上、好ましくは3√(rt)以上が均一に加熱されるように配置・収容してある。このときの加熱温度は固溶化温度未満とすることが好ましい。配管4の内表面の表面処理を行う場合とは異なり、残留応力の緩和を行う場合には、配管4の外表面にレーザービームを照射する方が、配管の残留応力改善装置10の装置構成を単純化するために有利である。
In the heating optical system 3, a plurality of laser heads 6 for irradiating and heating the outer surface of the pipe 4 with a
図2を参照して、複数のレーザーヘッド6を用いて配管4を加熱することは、配管4の表面の広い範囲を均一に加熱するために好適である。複数のレーザーヘッド6を用いることは、レーザービーム6aの照射面積を増大させるために有効であるのに加え、配管4の形状に関わらず配管4を均一に加熱することを容易にする。複数のレーザーヘッド6の使用は、それから出射されるレーザービーム6aの強度を個別に調節することを可能にする。これは、複雑な形状の配管4をより均一に加熱するために有利である。例えば図1を参照して、配管4が曲がる部分では、レーザービーム6aの配管4の表面におけるスポットの大きさがレーザーヘッド6ごとに異なることがあり得る。この場合、スポットが小さいレーザービーム6aの強度を弱く、スポットが大きいレーザービーム6aの強度を強くすることにより、配管4を均一に加熱することが可能である。このように、複数のレーザーヘッド6を用いることは、配管4の形状に応じてレーザービーム6aの強度を個別に調節することを可能にする。
Referring to FIG. 2, heating the pipe 4 using a plurality of laser heads 6 is suitable for uniformly heating a wide range of the surface of the pipe 4. The use of a plurality of laser heads 6 is effective for increasing the irradiation area of the
図2に示されているように、複数のレーザーヘッド6のそれぞれは、光ファイバ8を介してレーザー発振器7に接続されている。レーザー発振器7は、それぞれレーザービーム7aを発生し、光ファイバ8を介してレーザーヘッド6に供給する。レーザー発振器7は、それぞれが発生するレーザービーム7aの強度を調節する機能を有している。レーザーヘッド6のそれぞれは、レーザー発振器7から供給されるレーザービーム7aを拡大してレーザービーム6aを生成し、配管4の外表面に照射する。レーザービーム6aが照射されることにより、配管4の所望の部分、例えば、配管4の溶接部4aの周辺が加熱される。
As shown in FIG. 2, each of the plurality of laser heads 6 is connected to a
図3に示されているように、レーザーヘッド6は、それぞれが出射するレーザービーム6aのスポット6bが、配管4の外表面上において強度均一領域を最大化するよう重なり合うように配置されている。これは、レーザービーム6aのスポット6bが中心部から外周に向かう程強度が低下するので、ピーク出力の10〜90%の領域を重ねあわせることは、配管4の広範囲な加熱の均一性を高めるために有効である。レーザーヘッド6から出射されるレーザービーム6aは、回転走行台車2をリングレール1に沿って移動させることによって配管4の円周方向に走査可能である。本実施の形態の配管の残留応力改善装置10は、レーザービーム6aを配管4の円周方向に走査することにより、配管4の全体を加熱することができる。
As shown in FIG. 3, the laser heads 6 are arranged so that the
2.配管の残留応力改善装置10の光学系の構造
図4は、レーザーヘッド6の内部の光学系の好適な一実施形態を示している。図4の実施形態では、レーザーヘッド6には、光ファイバ8に接続されるコネクタ11と、球面レンズ12、13が設けられる。球面レンズ12、13は、コネクタ11から出射されるレーザービームの広がり角度を所望の角度に調節し、配管4に照射されるレーザービーム6aを生成する。図4の実施形態では、レーザービーム6aは断面が円形の非平行ビームである。配管4に照射されるレーザービーム6aとして非平行ビームを使用することは、広い範囲にレーザービーム6aを照射することを可能にする点で好適である。
2. FIG. 4 shows a preferred embodiment of the optical system inside the
レーザービーム6aとしては、その長軸が配管4の軸方向(z軸方向)に平行な、非平行の楕円ビームが使用されることも可能である。この場合、図5に示されているように、コリメートレンズ14とシリンドリカルレンズ15とが、それぞれ球面レンズ12、13の代わりに使用される。コリメートレンズ14は、コネクタ11から出射されるレーザービームをコリメートする。シリンドリカルレンズ15は、コリメートレンズ14から出射されるビームを一方向のみに集光することによって楕円ビームに変形し、配管4に照射されるレーザービーム6aを生成する。図6Aに示されているように、レーザーヘッド6は、各レーザービーム6aのスポット6bの長軸が配管4の軸方向に平行であり、且つ、各レーザービーム6aのスポットが配管4の外表面上において重なり合うように配置されている。このようにすると、レーザービームの軸方向の照射駆動速度を早くすることができ、広範囲を加熱するのに好適である。また、図6Bに示されているように、レーザーヘッド6は、各レーザービーム6aのスポット6bの長軸が、配管4の軸方向に垂直であり、且つ、各レーザービーム6aのスポット6bが配管4の外表面上において重なり合うように配置され得る。このようにすると、図6Aの場合と比べて軸方向への駆動速度は遅くなるが円周方向の照射幅を広めることができる。図5のレーザーヘッド6の構成は、配管4の軸方向について広い範囲にレーザービーム6aを照射することを可能にする一方、レーザービーム6aが照射される範囲のエネルギー密度を確保するために好適であり、長軸、短軸の寸法調節により対象に適した加熱状態を付与することが可能である。
As the
レーザービーム6aとしては、平行ビームが使用されることも可能である。平行、且つ、円形のレーザービーム6aを生成するためには、図7Aに示されているように、コリメートレンズ16、17が、球面レンズ12、13の代わりに使用される。一方、平行、且つ、楕円のレーザービーム6aを生成するためには、図7Bに示されているように、コリメートレンズ16とシリンドリカルレンズ18、19とが、球面レンズ12、13の代わりに使用される。加えて、レーザービーム6aとして円形ビーム、楕円ビームのいずれも使用される場合でも、レーザーヘッド6の配置は、図8A、図8Bに示されているように変更される。詳細には、図8Aに示されているように、レーザーヘッド6は、配管4の軸方向に2列に並べられ、レーザーヘッド6の位置は、列ごとに軸方向にずらされている。各レーザーヘッド6が出射するレーザービーム6aの光軸の方向は、配管4の半径方向(r方向)に対して斜めに向けられている。これにより、レーザービーム6aのスポット6bが配管4の表面の上で互いに重なり合わされている。
A parallel beam can also be used as the
図9に示されているように、一つのレーザー発振器7によって発生されるレーザービーム7aが分岐されて複数のレーザーヘッド6に供給されることが可能である。この場合、好適には、配管の残留応力改善装置10の光学系に分岐ミラー21と出力調整機構22とが設けられる。分岐ミラー21とレーザー発振器7とは、光ファイバ23によって接続され、レーザー発振器7によって発生されたレーザービーム7aは、光ファイバ23を介して分岐ミラー21に供給される。分岐ミラー21は、レーザービーム7aを分岐して複数のレーザービームを生成し、出力調整機構22に供給する。出力調整機構22は、それに供給される複数のレーザービームの強度を個別に調整してレーザービーム7a’を生成し、生成されたレーザービーム7a’を、光ファイバ24を介してレーザーヘッド6に供給する。レーザーヘッド6は、レーザービーム7a’から、配管4に照射されるレーザービーム6aを生成する。図9の構成は、少ない数のレーザー発振器7で配管4に照射されるレーザービーム6aを生成可能である点で好適である。加えて、図9の構成は、出力調整機構22によって各レーザーヘッド6が出射するレーザービーム6aを個別に調整し、配管4をより均一に加熱することを可能にする。
As shown in FIG. 9, a
少ない数のレーザー発振器7で、配管4の広い範囲にレーザービーム6aを照射するためには、図10に示されているように、レーザーヘッド6を配管4の軸方向に走査するヘッド駆動機構25が加熱光学系3に設けられることが好適である。レーザーヘッド6の構造としては、図4、図5、図7A、図7Bのいずれの構造も採用可能である。レーザーヘッド6が走査されることにより、少ない数のレーザー発振器7を用いてレーザービーム6aを一層に広い領域に照射することが可能になる。より一層にレーザー発振器7の数を減らすためには、図9の光学系と同様に、レーザー発振器7によって発生されるレーザービーム7aが分岐されてレーザーヘッド6に供給されることが好適である。この場合にも、出力調整機構が設けられ、レーザーヘッド6が出射するレーザービーム6aが個別に調整されることが好適である。
In order to irradiate the
3.まとめ
以上に説明されているように、本実施の形態の配管の残留応力改善装置10は、配管4の表面の広い範囲を均一に加熱するために好適な構成を有している。複数のレーザーヘッド6を用いて配管4を加熱することは、各レーザーヘッド6から出射されるレーザービーム6aの強度を配管4の形状に応じて個別に調整することを可能にし、配管4の表面の広い範囲をより均一に加熱するために効果的である。
3. Summary As described above, the piping residual stress improving apparatus 10 according to the present embodiment has a configuration suitable for uniformly heating a wide range of the surface of the piping 4. Heating the pipes 4 using a plurality of laser heads 6 makes it possible to individually adjust the intensity of the
また、一つのレーザー発振器7によって生成されるレーザービーム7aを分岐して複数のレーザーヘッド6に供給する構成を採用することにより、本実施の形態の配管の残留応力改善装置10は、少ないレーザー発振器7を用いてレーザービーム6aを一層に広い領域に照射することができる。
Further, by adopting a configuration in which the
加えて、レーザーヘッド6を軸方向に走査するヘッド駆動機構25を加熱光学系3に設ける構成を採用することにより、本実施の形態の配管の残留応力改善装置10は少ないレーザー発振器7を用いてレーザービーム6aを広い領域に照射するために好適である。
In addition, by adopting the configuration in which the heating optical system 3 is provided with a head drive mechanism 25 that scans the
第2 実施の第2形態
図11を参照して、実施の第2形態では、複数のレーザーヘッド6の代わりに、レーザービームを軸方向に走査する光学機構を備えた一のレーザーヘッド31が加熱光学系3に搭載される。
Second Embodiment Referring to FIG. 11, in the second embodiment, instead of a plurality of laser heads 6, one laser head 31 having an optical mechanism for scanning a laser beam in the axial direction is heated. It is mounted on the optical system 3.
レーザーヘッド31は、ビームエキスパンダー32と、集光レンズ33と、固定ミラー34と、ガルバノミラー35とを組み合わせ、ガルバノミラー35を駆動するスキャナー36とを備えている。ビームエキスパンダー32は、光ファイバ38を介してレーザー発振器(図示されない)に接続されている。ビームエキスパンダー32は、該レーザー発振器によって発生されたレーザービームを、光ファイバ38を介して受け取り、そのレーザービームを拡大して固定ミラー34に入射する。入射されたレーザービームを固定ミラー34によってガルバノミラー35に入射する。入射されたレーザービームは、配管4の外表面の方向に反射され、集光レンズ33にて集光され、配管4の外表面に照射される。図11において、配管4に照射されるレーザービームは、符号31aによって示されている。
The laser head 31 includes a scanner 36 that drives a galvano mirror 35 by combining a beam expander 32, a condenser lens 33, a fixed mirror 34, and a galvano mirror 35. The beam expander 32 is connected to a laser oscillator (not shown) via an optical fiber 38. The beam expander 32 receives the laser beam generated by the laser oscillator via the optical fiber 38, expands the laser beam, and enters the fixed mirror 34. The incident laser beam is incident on the galvanometer mirror 35 by the fixed mirror 34. The incident laser beam is reflected in the direction of the outer surface of the pipe 4, collected by the condenser lens 33, and irradiated on the outer surface of the pipe 4. In FIG. 11, the laser beam applied to the pipe 4 is indicated by
ガルバノミラー35の角度はスキャナー36によって変更可能であり、ガルバノミラー35の角度が変更されることにより、配管4の外表面に照射されるレーザービーム31aが配管4の軸方向(z方向)に走査される。これにより、配管4の外表面の広い範囲にレーザービーム31aを照射して加熱することができる。
The angle of the galvanometer mirror 35 can be changed by the scanner 36, and the
配管4の均一な加熱を実現するために、配管4に照射されるレーザービーム31aの強度は、レーザービーム31aの配管4の外表面上のスポットの位置に応じて制御される。このような制御は、具体的には、ガルバノミラー35の角度に同期して配管4に照射されるレーザービーム31aの強度を制御することによって実現される。ガルバノミラー35が、レーザービーム31aの配管4の外表面上のスポットが小さくなるような角度、即ち、配管4とレーザーヘッド31との距離が小さくなるような角度であるときには、レーザービーム31aの強度が弱められる。逆に、ガルバノミラー35が、レーザービーム31aの配管4の外表面上のスポットが大きくなるような角度であるときには、レーザービーム31aの強度が強められる。これにより、配管4を均一に加熱することができる。
In order to realize uniform heating of the pipe 4, the intensity of the
固定ミラー34の代わりに、ガルバノミラーが使用されることも可能である。係る構成は、レーザービーム31aの走査範囲を一層に大きくするために好適である。
Instead of the fixed mirror 34, a galvanometer mirror may be used. Such a configuration is suitable for further increasing the scanning range of the
図12に示されているように、ガルバノミラー35の代わりに、ポリゴンミラー37が使用されることも可能である。ポリゴンミラー37が回転されることにより、レーザービーム31aが配管4の軸方向(z方向)に走査される。この場合も、ポリゴンミラー37の角度に同期して配管4に照射されるレーザービーム31aの強度が制御され、これにより、配管4の均一な加熱が実現される。
As shown in FIG. 12, a polygon mirror 37 can be used instead of the galvanometer mirror 35. By rotating the polygon mirror 37, the
第3 実施の第3形態
実施の第3形態では、図13に示されているように、複数のレーザーヘッド6の代わりに、フライアイレンズ42とシリンドリカルレンズ45を搭載するレーザーヘッド41と、ビーム拡大光学系43とが加熱光学系3に搭載される。レーザーヘッド41は、光ファイバ48を介してレーザー発振器(図示されない)に接続されている。ビーム拡大光学系43は、ミラー44にて構成されている。
Third Embodiment In the third embodiment, as shown in FIG. 13, instead of the plurality of laser heads 6, a laser head 41 on which a fly-
レーザーヘッド41は、光ファイバ48から入射されるレーザービームの強度を、フライアイレンズ42を用いて均一化し、強度が均一化されたレーザービームをシリンドリカルレンズ45にて楕円ビームを端軸方向に縮小して出射する。レーザーヘッド41から出射されたレーザービームは、ビーム拡大光学系43のミラー44に入射される。
The laser head 41 equalizes the intensity of the laser beam incident from the optical fiber 48 by using the fly-
ビーム拡大光学系43は、レーザーヘッド41から入射されたレーザービームを、配管4の軸方向に平行な方向に拡大し、拡大されたレーザービームを配管4に照射する。配管4に照射されたレーザービームは、図13では、符号41aで示されている。 The beam expanding optical system 43 expands the laser beam incident from the laser head 41 in a direction parallel to the axial direction of the pipe 4 and irradiates the pipe 4 with the expanded laser beam. The laser beam applied to the pipe 4 is indicated by reference numeral 41a in FIG.
本実施の形態の配管の残留応力改善装置は、フライアイレンズ42を用いてレーザービームの強度を均一化し、強度が均一化されたレーザービームを、配管4の軸方向に拡大して配管4の外表面に照射する。これにより本実施の形態の配管の残留応力改善装置は、配管4の表面の広い範囲を均一に加熱することができる。
The apparatus for improving residual stress in piping according to the present embodiment uses a fly-
<他の実施形態>
本実施形態は、パイプの軸方向に長い加熱幅をもたせて、円周方向に連続して回転させた場合である。加熱する装置構成は図14に示すとおりである。以下、加熱手順について説明する。
<Other embodiments>
In the present embodiment, a long heating width is provided in the axial direction of the pipe, and the pipe is continuously rotated in the circumferential direction. The apparatus configuration for heating is as shown in FIG. Hereinafter, the heating procedure will be described.
(1)予め、同等のパイプ形状の供試体において外面及び内面の温度を計測しながら、加熱試験を行った。加熱は図14に示すように、ロボットアームにレーザ光学系50を搭載し、約500mm/s(30m/min)のスキャン速度で軸方向に往復運動させ、軸方向における約80mm(スキャン距離)を加熱した。往復運動の折り返し地点では速度が0となり、入熱が大きくなるため、水冷銅板のシャッター51を設置して、等速度の領域(シャッター距離)のみを利用して加熱試験を実施した。
(1) A heating test was performed in advance while measuring the temperature of the outer surface and the inner surface of a specimen having an equivalent pipe shape. As shown in FIG. 14, the laser
レーザ発振器としては、4kWYAGレーザを使用し、発振器から光学系50までは光ファイバーでレーザ光を伝送した。パイプ52は回転ポジショナに搭載し、等速度で回転させた。加熱時にはパイプ52の外面に黒鉛を主成分とする吸収剤を塗布した。内外面の温度が所定の温度となる下記加熱条件(レーザ出力とパイプ52の回転速度)を決定した。
As the laser oscillator, a 4 kWYAG laser was used, and laser light was transmitted from the oscillator to the
パイプ形状:直径φ114.3mm,厚さt13.5mm
パイプ材質:SUS304(固溶化温度は1050℃)
レーザ出力:4kW(YAGレーザ)
回転速度:1.4mm/sec(周速)
内外面の温度差:約400℃
外面加熱温度:約450℃
加熱領域:軸方向に約80mm(3√rt:r=57.15mm,t=13.5mm)
円周方向に約15mm(円周方向のスキャンがないときの加熱幅)
Pipe shape: Diameter φ114.3mm, thickness t13.5mm
Pipe material: SUS304 (Solution temperature is 1050 ° C)
Laser output: 4kW (YAG laser)
Rotation speed: 1.4mm / sec (peripheral speed)
Temperature difference between inside and outside: about 400 ° C
External heating temperature: about 450 ° C
Heating area: about 80 mm in the axial direction (3√rt: r = 57.15 mm, t = 13.5 mm)
Approximately 15mm in the circumferential direction (heating width when there is no circumferential scan)
図15は、軸方向の温度分布図である。同図に示すように、軸方向における約80mmをほぼ均熱に約450℃に加熱することができた。 FIG. 15 is a temperature distribution diagram in the axial direction. As shown in the figure, about 80 mm in the axial direction could be heated to about 450 ° C. in a substantially uniform manner.
(2)パイプ52の表面の2ヶ所に温度計測用に熱電対を設置した。2ヶ所に設置した熱電対は、パイプ52の表面において対角となる位置(0°と180°の位置)に設置した。
(2) Thermocouples were installed at two locations on the surface of the
(3)決定した上記加熱条件でレーザ光を照射してパイプ52の周囲1周を加熱した。レーザ光により加熱する箇所以外の内面及び外面は放冷状態とした。また、加熱時の温度履歴を確認するため、前記熱電対から得られた温度履歴を記録計に記録した。
(3) The circumference of the
(4)パイプの円周方向の加熱は、円周方向一周に亘って行った。加熱後、パイプ52は放冷により、室温まで冷却した。図16は、冷却後のパイプ内面の軸方向の残留応力分布を示す図である。同図には、溶接したまま(加熱施工前)の残留応力分布も併せて図示してある。同図から、レーザ加熱によりパイプの内面の残留応力が低減していることがわかる。
(4) The pipe was heated in the circumferential direction over the entire circumference. After heating, the
なお、上記実施形態において、レーザー発振器7としては、レーザーダイオードやファイバーレーザーであることが好ましい。また、加熱対象の配管としては、原子炉プラントのステンレス鋼配管、BWR(沸騰水型原子力発電)の再循環配管、原子力プラントの原子炉容器、加圧器、蒸気発生器のいずれかに接続される低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継ぎ手部、例えばセーフエンド溶接部(特にニッケル基合金部)等が挙げられる。
In the above embodiment, the
また、レーザーヘッド6については、隣接するレーザーヘッド6の間隔の調整、配管4の表面との距離の調整、レーザービームを中心軸とする回転角の調整が可能であることが好ましい。
The
また、レーザーヘッド6の配列方法については、図2,3に配管4の軸方向に1段配列した例を示したが、レーザーヘッド6を配管4の円周方向にずらして配置すると共にこのヘッド列を軸方向に複数段、設置して、該ヘッド群を配管4の軸方向に走査するようにしたり、レーザーヘッド6を配管4の軸方向にずらして配置すると共にこのヘッド列を円周方向に複数段、設置して、該ヘッド群を配管4の円周方向に走査するようにしたりしてもよい。
As for the arrangement method of the laser heads 6, an example in which one stage is arranged in the axial direction of the pipe 4 is shown in FIGS. 2 and 3, but the
この際には、一つのヘッド列と隣接するヘッド列とから照射されるレーザービームが重なるようにしてもよいが(図8Aを参照。)、重ねずにヘッド列間に間隔をもたせることで、配管表面のある位置において、第1段のヘッド列が通過する際の加熱により配管肉厚方向に温度分布が生じ、該ヘッド列の通過後の冷却に伴って該温度分布の傾斜が緩やかになった後に、第2段のヘッド列が通過する際に再加熱が行われるため、配管の内面から外面に亘ってほぼ均一な温度傾斜を有する温度分布にすることができるという、作用、効果を得ることができる。なお、このとき、最前列の加熱を高周波加熱手段により行ってもよい。 In this case, the laser beams emitted from one head row and an adjacent head row may overlap (see FIG. 8A), but by providing an interval between the head rows without overlapping, At a position on the pipe surface, a temperature distribution is generated in the pipe thickness direction due to heating when the first stage head row passes, and the gradient of the temperature distribution becomes gentle with cooling after passing through the head row. After that, since reheating is performed when the second stage head row passes, the temperature distribution having a substantially uniform temperature gradient from the inner surface to the outer surface of the pipe can be obtained. be able to. At this time, the front row may be heated by a high-frequency heating means.
また、レーザーヘッド6の配列方法については、図8Aに、配管4の軸方向に2列に並べると共に、レーザーヘッド6の位置は列ごとに軸方向にずらすようにした例を示したが、この例に限られず、配管4の軸方向又は円周方向の少なくとも一方にずらして配置すればよい。更に、配管4との距離方向にもずらして配置するとよい。 As for the arrangement method of the laser heads 6, FIG. 8A shows an example in which the pipes 4 are arranged in two rows in the axial direction and the positions of the laser heads 6 are shifted in the axial direction for each row. It is not restricted to an example, What is necessary is just to shift and arrange | position at least one of the axial direction of pipe 4 or the circumferential direction. Furthermore, it is good to arrange also in the distance direction with the pipe 4.
また、配管4における照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりした場合の対応策として、複数のレーザービーム6aの強度を個別に制御する例を示したが、この他に、レーザーヘッド6内に、レーザービーム6aを加工する、集光系、ズーム系又はコリメート系の少なくとも一つの系を備えて、これらを制御するようにしてもよい。
Moreover, although the example which controls individually the intensity | strength of the
また、例えば、レーザーヘッド6が比較的大きくて、図10に示すようなヘッド駆動機構25により駆動することに問題が生じる場合には、図11,12において一例を示したように、レンズに対する光ファイバ8,23,24,38,48の位置を変化させたり、球面レンズ12,13、シリンドリカルレンズ15,18,19,45(拡大光学系)、集光系・ズーム系(符号32,33,42等)、コリメートレンズ14,16,17または反射手段34,35,37,44などを駆動させることにより、レーザービーム6aを配管4の表面上で走査することが好ましい。
Further, for example, when the
1:リングレール
2:回転走行台車
3:加熱光学系
4:配管
5:アーム
6:レーザーヘッド
6a:レーザービーム
6b:スポット
7:レーザー発振器
7a:レーザービーム
8:光ファイバ
10:配管の残留応力改善装置
11:コネクタ
12,13:球面レンズ
14:コリメートレンズ
15:シリンドリカルレンズ
16,17:コリメートレンズ
18,19:シリンドリカルレンズ
21:分岐ミラー
22:出力調整機構
23,24:光ファイバ
25:ヘッド駆動機構
31:レーザーヘッド
31a:レーザービーム
32:ビームエキスパンダー
33:集光レンズ
34:固定ミラー
35:ガルバノミラー
36:スキャナー
37:ポリゴンミラー
38:光ファイバ
41:レーザーヘッド
42:フライアイレンズ
43:ビーム拡大光学系
44:ミラー
45:シリンドリカルレンズ
48:光ファイバ
50:レーザ光学系
51:シャッター
52:パイプ
1: Ring rail 2: Rotating traveling carriage 3: Heating optical system 4: Piping 5: Arm 6:
Claims (32)
前記複数のレーザーヘッドを配管の外表面に対向するように支持する支持機構
とを備え、
前記複数のレーザーヘッドのそれぞれは、加熱用レーザービームを前記配管の前記外表面に照射し前記複数のレーザーヘッドにより均熱帯を形成する
配管の残留応力改善装置。 Multiple laser heads,
A support mechanism for supporting the plurality of laser heads so as to face the outer surface of the pipe,
Each of the plurality of laser heads irradiates the outer surface of the pipe with a heating laser beam and forms a soaking zone by the plurality of laser heads.
前記加熱用レーザービームの強度は、個別に調節可能である
配管の残留応力改善装置。 It is the residual stress improvement apparatus of piping of Claim 1, Comprising:
The intensity of the heating laser beam can be individually adjusted.
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査する駆動機構を含み、
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向にずれて配置されている
配管の残留応力改善装置。 It is the residual stress improvement apparatus of piping of Claim 1, Comprising:
The support mechanism includes a drive mechanism that scans the plurality of laser heads in a circumferential direction of the pipe,
The plurality of laser heads are arranged to be shifted in the axial direction of the pipe.
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを、前記配管の前記軸方向に走査するヘッド駆動機構を含む
配管の残留応力改善装置。 The apparatus for improving residual stress of piping according to claim 3,
The support mechanism includes a head drive mechanism that scans the plurality of laser heads in the axial direction of the pipe.
前記複数のレーザーヘッドは、前記加熱用レーザービームのスポットが、前記配管の表面上において重なり合うように、前記加熱用レーザービームを照射する
配管の残留応力改善装置。 The apparatus for improving residual stress of piping according to claim 3,
The plurality of laser heads irradiate the heating laser beam so that spots of the heating laser beam overlap on a surface of the pipe.
更に、
第1レーザービームを生成するレーザー発振器と、
前記第1レーザービームを分岐して複数の第2レーザービームを生成する分岐器
とを備え、
前記レーザーヘッドは、前記複数の第2レーザービームから前記加熱用レーザービームを生成する
配管の残留応力改善装置。 It is the residual stress improvement apparatus of piping of Claim 1, Comprising:
Furthermore,
A laser oscillator for generating a first laser beam;
A branching device for branching the first laser beam to generate a plurality of second laser beams;
The laser head generates the heating laser beam from the plurality of second laser beams.
前記分岐器は、前記複数の第2レーザービームの強度を個別に調節する出力調節機構を含む
配管の残留応力改善装置。 It is the residual stress improvement apparatus of piping of Claim 6, Comprising:
The branching unit includes an output adjusting mechanism for individually adjusting the intensity of the plurality of second laser beams.
前記レーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査する駆動機構
とを備え、
前記レーザーヘッドは、前記加熱用レーザービームを前記配管の軸方向に走査する走査機構を備えた
配管の残留応力改善装置。 A laser head that irradiates the outer surface of the pipe with a laser beam for heating;
A drive mechanism for scanning the laser head in the circumferential direction of the pipe,
The laser head includes a scanning mechanism that scans the heating laser beam in an axial direction of the pipe.
前記加熱用レーザービームの強度は、前記加熱用レーザービームの配管の外表面上のスポットの位置に応じて制御される
配管の残留応力改善装置。 It is a residual stress improvement apparatus of piping of Claim 8, Comprising:
The intensity of the heating laser beam is controlled according to the position of the spot on the outer surface of the piping of the heating laser beam.
前記走査機構は、ガルバノミラー又はポリゴンミラーを用いて、前記加熱用レーザービ
ームを前記軸方向に走査する
配管の残留応力改善装置。 It is a residual stress improvement apparatus of piping of Claim 8, Comprising:
The said scanning mechanism scans the said laser beam for a heating in the said axial direction using a galvanometer mirror or a polygon mirror, The residual stress improvement apparatus of piping.
前記レーザーヘッドを配管の円周方向に走査する駆動機構
とを備え、
前記レーザーヘッドは、
レーザービームが入射されるフライアイレンズと、
前記フライアイレンズから出射されるレーザービームを前記配管の軸方向に拡大する拡大光学系
とを含む
配管の残留応力改善装置。 A laser head,
A drive mechanism for scanning the laser head in the circumferential direction of the pipe,
The laser head is
A fly-eye lens into which the laser beam is incident;
An apparatus for improving residual stress in a pipe, comprising: a magnifying optical system that expands a laser beam emitted from the fly-eye lens in an axial direction of the pipe.
前記加熱用レーザービームは、光ファイバで伝送されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the piping residual stress improvement apparatus in any one of Claims 1 thru | or 11,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the heating laser beam is transmitted by an optical fiber.
前記加熱用レーザービームの光源は、レーザーダイオード又はファイバーレーザーであることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the piping residual stress improvement apparatus in any one of Claims 1 thru | or 11,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein a light source of the heating laser beam is a laser diode or a fiber laser.
前記加熱用レーザービームの強度は、前記加熱用レーザービームの配管の外表面上のスポットの位置に応じて制御されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus of piping described in Claim 1 or 11,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the intensity of the heating laser beam is controlled in accordance with a spot position on an outer surface of the piping of the heating laser beam.
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の円周方向にずれて配置されるヘッドが軸方向に複数段、設置されてなり、
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の軸方向に走査するヘッド駆動機構を含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The plurality of laser heads are arranged in a plurality of stages in the axial direction, with heads arranged to be shifted in the circumferential direction of the pipe,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the support mechanism includes a head driving mechanism that scans the plurality of laser heads in an axial direction of the piping.
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向にずれて配置されるヘッドが円周方向に複数段、設置されてなり、
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査するヘッド駆動機構を含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The plurality of laser heads are arranged in a plurality of stages in the circumferential direction, the heads arranged to be shifted in the axial direction of the pipe,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the support mechanism includes a head driving mechanism that scans the plurality of laser heads in a circumferential direction of the piping.
前記加熱用レーザービームの強度は、前記複数のレーザーヘッドごとに調節可能であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus of piping described in Claim 15 or 16,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the intensity of the heating laser beam is adjustable for each of the plurality of laser heads.
前記レーザーヘッドの走査方向の前方には、高周波加熱手段が設けられていることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 The residual stress improving apparatus for piping according to any one of claims 15 to 17,
An apparatus for improving residual stress in piping, wherein high-frequency heating means is provided in front of the laser head in the scanning direction.
前記配管は、原子炉プラントのステンレス鋼配管であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the piping residual stress improvement apparatus in any one of Claims 1 thru | or 18,
The apparatus for improving residual stress of piping, wherein the piping is stainless steel piping of a nuclear reactor plant.
前記配管は、BWR(沸騰水型原子力発電)の再循環配管であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the piping residual stress improvement apparatus in any one of Claims 1 thru | or 18,
The pipe is a recirculation pipe of BWR (boiling water nuclear power generation).
前記配管は、原子力プラントの原子炉容器、加圧器、蒸気発生器のいずれかに接続される低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継ぎ手部であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the piping residual stress improvement apparatus in any one of Claims 1 thru | or 18,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the piping is a dissimilar material joint of low alloy steel and austenitic stainless steel connected to any of a nuclear reactor reactor vessel, a pressurizer, and a steam generator.
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向又は円周方向の少なくとも一方にずれて配置されると共に、
前記加熱用レーザービームのスポットが、前記配管の表面上において重なり合うように、前記加熱用レーザービームを照射することを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The plurality of laser heads are arranged shifted in at least one of the axial direction or the circumferential direction of the pipe,
The apparatus for improving residual stress of piping, wherein the heating laser beam is irradiated so that spots of the heating laser beam overlap on a surface of the piping.
前記複数のレーザーヘッドは、更に、前記配管との距離方向にもずれて配置されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus of piping described in Claim 22,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the plurality of laser heads are further displaced in the distance direction from the piping.
前記加熱用レーザービームの強度は、個別に調節可能であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus of the piping according to claim 22 or 23,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the intensity of the heating laser beam can be individually adjusted.
前記レーザーヘッドは、レーザービームが入射される球面レンズと、前記球面レンズから出射されるレーザービームを前記配管の表面上において一方向に拡大する拡大光学系とを含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The laser head includes a spherical lens to which a laser beam is incident, and an expansion optical system that expands the laser beam emitted from the spherical lens in one direction on the surface of the pipe. Stress improvement device.
前記拡大光学系は、シリンドリカルレンズから構成されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the piping residual stress improving apparatus according to claim 25,
The apparatus for improving residual stress of piping, wherein the magnifying optical system includes a cylindrical lens.
前記レーザーヘッドは、レーザービームを加工する、集光系、ズーム系又はコリメート系の少なくとも一つの系を備えることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the laser head includes at least one of a condensing system, a zoom system, and a collimating system for processing a laser beam.
前記レーザーヘッドから出射されるレーザービームは、1つ又は複数の反射手段を介して、前記配管の表面上に照射されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein the laser beam emitted from the laser head is irradiated onto the surface of the piping through one or a plurality of reflecting means.
前記光ファイバ、前記球面レンズ、前記拡大光学系、前記シリンドリカルレンズ、前記集光系、前記ズーム系、前記コリメート系または前記反射手段のうち少なくとも一つを駆動させることにより、前記加熱用レーザービームを前記配管の表面上で走査することを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus for piping according to any one of claims 12, 25 to 28,
By driving at least one of the optical fiber, the spherical lens, the magnifying optical system, the cylindrical lens, the condensing system, the zoom system, the collimating system, or the reflecting means, the heating laser beam is changed. An apparatus for improving residual stress in piping, wherein scanning is performed on a surface of the piping.
前記レーザーヘッドは、隣接するレーザーヘッドの間隔、前記配管の表面との距離または前記レーザービームを中心軸とする回転角のうち少なくとも一つを調整する機構を含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improving apparatus for piping according to claim 1,
The laser head includes a mechanism for adjusting at least one of an interval between adjacent laser heads, a distance from a surface of the pipe, and a rotation angle with the laser beam as a central axis. Improvement device.
前記レーザビームを照射し加熱する温度が、固溶化温度以下であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus of the piping in any one of Claims 1 thru | or 30,
The apparatus for improving residual stress in piping, wherein a temperature at which the laser beam is irradiated and heated is equal to or lower than a solution temperature.
前記レーザビームを照射し加熱する領域が2.5√rt以上であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。 In the residual stress improvement apparatus of the piping in any one of Claims 1 thru | or 31,
An apparatus for improving residual stress of piping, wherein a region to be irradiated with the laser beam and heated is 2.5√rt or more.
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