JP2008272773A

JP2008272773A - 表面き裂の封止方法

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Publication number: JP2008272773A
Application number: JP2007117048A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tamura; 雅貴田村; Wataru Kono; 渉河野; Yoshinobu Makino; 吉延牧野; Katsunori Shiihara; 克典椎原; Yoshimi Tanaka; 義美田中; Masaki Yoda; 正樹依田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】表面き裂の内部に水や酸化物などがあっても、ピットを残すことなく、表面き裂を良好に封止することが可能な表面き裂の封止方法を提供する。
【解決手段】表面き裂の封止方法は、内部に水や酸化物が浸入した表面き裂１２に対して、ヒーター５を設けたシールドガス供給用パイプ４から、２００℃以上に加熱した高温のシールドガス１３を吹き付けて、表面き裂１２が発生した部位を加熱して表面き裂１２内の水や酸化物などを気化させてから、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給し肉盛溶接層１６を形成して表面き裂１２を封止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば原子炉の配管などの構造部材の表面にき裂が発生した場合の、表面き裂の封止方法に関する。

従来から、原子炉の配管などの構造部材の表面にき裂が発生した場合には、該構造部材全体を交換したり、もしくは、き裂が発生した部位に補強材を設置している。

き裂自体を補修する場合には、一般に、機械加工、放電加工で表面き裂を取り除いた後、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接などで肉盛溶接する方法、もしくは、表面き裂が生じた箇所にレーザビームを照射しながら溶接ワイヤを供給して肉盛溶接して表面き裂の開口を封止する方法などが使用されている。

しかし、表面き裂が水中に存在する配管などで生じた場合には、表面き裂の内部に水や酸化物が浸入する。このような水や酸化物が浸入した表面き裂に対して、上述したような表面き裂を封止する方法、すなわち、レーザビームを照射しながら溶接ワイヤを加熱溶融させて肉盛溶接することで表面き裂の開口を封止すると、封止された表面き裂内の水分が気化して該き裂の開口を封止する溶融金属を吹き飛ばし、ピットを形成する。

そこで、表面き裂を封止する溶融金属を吹き飛ばして形成されたピットに、レーザビームを照射しながら溶接ワイヤを供給して肉盛溶接して封止する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、水中で使用するレーザ溶接装置として、ノズル部先端からシールドガスをレーザ照射位置に噴射して局所的に排水してから、溶接ワイヤで肉盛溶接する装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、例えば特許文献２に記載されているような従来の装置を使用しても、表面き裂に浸入した水や酸化物を確実に取り除き難く、ピットが発生して、これが残ることにより表面き裂が確実に封止されない場合があった。
特開２００３−３２０４７２号公報特開平９−１０９７７号公報

本発明の目的は、表面き裂の内部に水や酸化物があっても、ピットを残すことなく表面き裂を良好に封止することが可能な表面き裂の封止方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る表面き裂の封止方法は、部材の表面に開口を有する表面き裂に対して、ヒーターによって加熱されたシールドガスを吹き付けて加熱した後、レーザビームの照射により前記表面き裂の開口を封止することを特徴としている。

本発明の別の態様に係る表面き裂の封止方法は、部材の表面に開口を有する表面き裂に対して、ヒーターによって加熱されたシールドガスを吹き付けるとともに、前記表面き裂に吹きつけられたシールドガスと、前記表面き裂にある水と酸化物とを吸引した後、レーザビームの照射により前記表面き裂の開口を封止することを特徴としている。

本発明のさらに別の態様に係る表面き裂の封止方法は、部材の表面に開口を有する表面き裂に対して、前記表面き裂にある水や酸化物をシールドガスとともに吸引した後、レーザビームの照射により前記表面き裂の開口を封止することを特徴としている。

上記構成によれば、表面き裂の内部に水や酸化物などがあっても、ピットを残すことなく表面き裂を良好に封止することができる。

以下、本発明の表面き裂の封止方法を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る表面き裂の封止方法について図１と図２を用いて説明する。図１は、第１の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図である。図２は、レーザビーム照射部位とシールドガス供給用パイプとの位置関係を示す図である。表面き裂１２は、水中に存在する例えば配管のような部材１０（構造部材）で発生しており、溶接ヘッド１は、水中に位置している。

溶接ヘッド１は、溶接ヘッドケーシング２と、レンズ系３と、シールドガス供給用パイプ４と、ヒーター５と、溶接ワイヤ６と、ワイヤチップ７と、を備えている。

溶接ヘッドケーシング２内には、レンズ系３が内蔵されている。レンズ系３は、光ファイバー８により伝送されたレーザビーム９を集光するものであり、集光されたレーザビーム９は、部材１０の表面に発生した表面き裂１２に照射される。このレーザビーム９と同軸で、センターガスとしてのシールドガス１１が表面き裂１２に供給される。シールドガス１１としては、不活性ガスを用いることができ、例えばヘリウム、アルゴン、窒素などが挙げられる。

シールドガス供給用パイプ４は、センターガスとしてのシールドガス１１とは別系統で、溶接方向（図１中、矢印方向）の前方から、先方ガスとして、表面き裂１２内に侵入した水を蒸発させることを目的として、２００℃以上、好ましくは、部材１０が８００℃以上では酸化する可能性があることから、２００〜８００℃にヒーター５によって加熱された高温のシールドガス１３を表面き裂１２が発生した部位に供給するパイプである。シールドガス供給用パイプ４は、部材１０を効率よく加熱する上で、高温のシールドガス１３が通過する中空部１４の断面積を、シールドガス１３が表面き裂１２に入り込む流速４０ｍ／ｓｅｃ以下とすることを目的として、８０ｍｍ^２以下、また、２００ｌ／ｍｉｎのシールドガス１３の流量を確保するために、１０〜８０ｍｍ^２にすることが好ましい。また、シールド供給用パイプ４は、高温のシールドガス１３がレーザビーム９の照射部位（以下、レーザビーム照射部位１５とする。）から５〜２０ｍｍ離れた部位に吹き付けられるように設置されることが好ましい。これにより、先方ガスとしての高温のシールドガス１３に部材１０が接触する時間を増やして、部材１０の加熱温度を高めることができる。

ヒーター５は、シールドガス供給用パイプ４に接続することでパイプ４内のシールドガスを２００℃以上の高温に加熱するものである。これにより、高温のシールドガス１３が表面き裂１２の発生した部位に供給される。

ワイヤチップ７は、溶接ワイヤ６を溶接方向の斜め前方に供給するものである。レーザビーム９が照射されるレーザ照射部位１５に、ワイヤチップ７から溶接ワイヤ６を供給して肉盛溶接層１６を形成する。

以下、この溶接ヘッド１を用いた、本実施形態の表面き裂の封止方法について説明する。

まず、表面き裂１２が発生し、この表面き裂１２内に水や酸素が浸入した部材１０の表面に対して、溶接ヘッド１を溶接方向に動かす。溶接方向の前方から、先行ガスとして２００℃以上に加熱された高温のシールドガス１３を表面き裂１２が発生した部位に吹きつけて、部材１０全体を加熱し、表面き裂１２内の水や酸化物を気化、蒸発させる。このとき、溶接ヘッド１は、水中にあるため、気相空間１７と気泡１８が形成される。

この後、水や酸化物が気化した表面き裂１２に、センターガスとしてのシールドガス１１を供給しながらレーザビーム９を照射し、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給してこれを加熱溶融させて、肉盛溶接層１６を形成する。

この肉盛溶接層１６によって、表面き裂１５の開口が封止される。

以上説明したように、本実施形態によれば、２００℃以上に加熱した高温のシールドガス１３を水や酸化物のある表面き裂１２が発生した部位に吹き付けて、部材１０全体を加熱し、表面き裂１２内の水や酸化物を気化させてから、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給して肉盛溶接層１６を形成し、表面き裂１２を封止することで、表面き裂１２内に残存した水や酸化物が気化して発生するピットを抑制することができる。これにより、ピットを残すことなく、良好に表面き裂１２を封止することができる。

また、先行ガスとしての２００℃以上に加熱された高温のシールドガス１３を部材１０へ供給するシールドガス供給用パイプ４について、該シールドガス１３が通過する中空部１４の断面積を８０ｍｍ^２以下とすることで、表面き裂１２が発生した部材１０を効率よく加熱することができ、表面き裂１２内の水や酸化物を容易かつ確実に気化させることができる。

また、先方ガスとしての２００℃以上に加熱された高温のシールドガス１３をレーザビーム照射部位１５から５〜２０ｍｍ離れた部位に吹き付けることで、高温のシールドガス１３と部材１０が接触する時間を増やすことができる。これにより、部材１０の加熱温度を高めることができ、表面き裂１２内の水や酸化物を容易かつ確実に気化させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る表面き裂の封止方法について図３と図４を用いて説明する。図３は、第２の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図である。図４は、レーザビーム照射部位と吸引用パイプとの位置関係を示す図である。本実施形態に係る溶接ヘッドは、第１の実施形態とは、ヒーターとシールドガス供給用パイプを設けずに、吸引用パイプを溶接方向の前方に設ける点が異なる。第１の実施形態と同一の構成部分については、同一の符号を付す。

溶接ヘッド２１は、溶接ヘッドケーシング２と、レンズ系３と、溶接ワイヤ６と、ワイヤチップ７と、吸引用パイプ２２と、を備えている。

吸引用パイプ２２は、溶接方向の前方に設けられており、センターガスとして表面き裂１２が発生した部位に供給されたシールドガス１１とともに、表面き裂１２内に浸入した水や酸化物を吸引するパイプである。

以下、この溶接ヘッド２１を用いた、本実施形態の表面き裂の封止方法について説明する。

まず、表面き裂１２が発生し、この表面き裂１２に水や酸素が浸入した部材１０の表面に対して、溶接ヘッド２１を溶接方向に動かす。センターガスとしてのシールドガス１１を表面き裂１２が発生した部位に吹き付けながら、溶接方向の前方から、吸引用パイプ２２で、前記センターガスとしてのシールドガス１１とともに表面き裂１２内の水や酸化物を吸引して、取り除く。

この後、水や酸化物が取り除かれた表面き裂１２が発生した部位にレーザビーム９を照射し、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給してこれを溶融し、肉盛溶接層１６を形成する。

この肉盛溶接層１６によって、表面き裂１２の開口が封止される。

以上説明したように、本実施形態によれば、吸引用パイプ２２で、表面き裂１２内の水や酸化物を吸引して取り除いてから、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給して肉盛溶接層１６を形成し、表面き裂１２を封止することで、ピットを残すことなく、良好に表面き裂１２を封止することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る表面き裂の封止方法について図５と図６を用いて説明する。図５は、第３の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図である。図６は、レーザビーム照射部位と、吸引用パイプと、シールドガス供給用パイプとの位置関係を示す図である。本実施形態に係る溶接ヘッドは、第１の実施形態とは、さらに、吸引用パイプを設けている点が異なる。第１の実施形態と同一の構成部分については、同一の符号を付す。

溶接ヘッド３１は、溶接ヘッドケーシング２と、レンズ系３と、シールドガス供給用パイプ４と、ヒーター５と、吸引用パイプ２２と、溶接ワイヤ６と、ワイヤチップ７と、を備えている。

吸引用パイプ２２は、溶接ヘッドケーシング２と、シールドガス供給用パイプ４との間に設けられており、センターガスとしてのシールドガス１１と、シールドガス供給用パイプ４から供給された先行ガスとしての高温のシールドガス１３ととともに、表面き裂１２内の水や酸化物を吸引するパイプである。

シールドガス供給用パイプ４は、該パイプ４にヒーター５を取り付けることで、該パイプ４から先行ガスとして２００℃以上に加熱された高温のシールドガス１３が表面き裂１２の発生した部位に供給されることは、第１の実施形態で説明したとおりである。

また、シールドガス供給用パイプ４は、先行ガスとしての高温のシールドガス１３が通過する中空部１４の断面積を８０ｍｍ^２以下にすること、高温のシールドガス１３がレーザビーム照射部位１５から５〜２０ｍｍ離れた部位に吹き付けられるように設置されることについては、第１の実施形態で説明してとおりである。

以下、この溶接ヘッド３１を用いた、本実施形態の表面き裂の封止方法について説明する。

まず、表面き裂１２が発生し、該き裂１２内に水や酸素が浸入している部材１０の表面に対して、溶接ヘッド３１を溶接方向に動かす。溶接方向の前方から、表面き裂１２が発生した部位に先行ガスとして２００℃以上に加熱された高温のシールドガス１３を吹きつけて、部材１０全体を加熱し、表面き裂１２内の水や酸化物を気化、蒸発させる。このとき、先行ガスとしての高温のシールドガス１３を吹き付けながら、溶接方向前方から吸引用パイプ２２で、先方ガスとしての高温のシールドガス１３とともに、表面き裂１２内の水や酸化物を吸引して、取り除く。

この後、水や酸化物が気化して取り除かれた表面き裂１２に、センターガスとしてのシールドガス１１を供給しながらレーザビーム９を照射し、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給して肉盛溶接層１６を形成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、２００℃以上に加熱した高温のシールドガス１３を水や酸化物のある表面き裂１２が発生した部位に吹き付けて、部材１０全体を加熱し、表面き裂１２内の水や酸化物などを気化させながら、吸引用パイプ２２で高温のシールドガス１３とともに、表面き裂１２内に残存した水や酸化物を吸引して取り除き、この後で、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給して肉盛溶接層１６を形成し、表面き裂１２を封止することで、ピットを残すことなく、良好に表面き裂１２を封止することができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る表面き裂の封止方法について図７と図８を用いて説明する。図７は、第４の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図である。図８は、レーザビーム照射部位と二重管との位置関係を示す図である。本実施形態に係る溶接ヘッドは、第３の実施形態とは、シールド供給用パイプと吸引用パイプとから構成された二重管を設けている点が異なる。第１の実施形態と同一の構成部分については、同一の符号を付す。

二重管４２は、溶接方向の前方に設けられ、シールドガス供給用パイプ４と吸引用パイプ２２とから構成され、二重管４２の端部は、外側の孔４３と内側の孔４４とを有する。外側の孔４３は、シールドガス供給用パイプ４と接続されており、外側の孔４３からは、ヒーター５で２００℃以上に加熱された先行ガスとしての高温のシールドガス１３が表面き裂１２の発生した部位に供給される。内側の孔４４は、吸引用パイプ２２と接続され、表面き裂１２内に浸入した水や酸化物を吸引する。

この溶接ヘッド４１を用いた、本実施形態の表面き裂の封止方法について、第４の実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態によれば、二重管４２の外側の孔４３から、先行ガスとして２００℃以上の高温のシールドガス１３を表面き裂１２が発生した部位に供給し、二重管４２の内側の孔４４から、表面き裂１２内に残存した水や酸化物を前記高温のシールドガス１３とともに吸引して取り除くことで、複雑で狭小な箇所に表面き裂１２が発生した場合に良好な作業性、操作性を付与することができる。さらには、上述した第３の実施形態と同様に、表面き裂１２内の水や酸化物を容易かつ確実に取り除くことができ、ピットを残すことなく、良好に表面き裂１２を封止することができる。

なお、上記第１〜４の実施形態では、レーザビーム照射部位１５に溶接ワイヤ６を供給して肉盛溶接を行ったが、溶接ワイヤ６を使用せずに、レーザビーム９の照射のみで表面き裂１２を封止することもできる。

また、上記第１〜４の実施形態では、表面き裂１２が水中に存在する配管などの部材１０で発生した場合について説明したが、表面き裂１２内に水や酸化物が存在する状態であれば、水中に限らず、いかなる状況においても適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図。レーザビーム照射部位とシールドガス供給用パイプとの位置関係を示す図。本発明の第２の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図。レーザビーム照射部位と吸引用パイプとの位置関係を示す図。本発明の第３の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図。レーザビーム照射部位と、吸引用パイプと、シールドガス供給用パイプとの位置関係を示す図。本発明の第４の実施形態に係る表面き裂の封止方法で用いる溶接装置の溶接ヘッドを模式的に示す断面図。レーザビーム照射部位と二重管との位置関係を示す図。

符号の説明

１，２１，３１，４１…溶接ヘッド、２…溶接ヘッドケーシング、３…レンズ系、４…シールドガス供給用パイプ、５…ヒーター、６…溶接ワイヤ、７…ワイヤチップ、９…レーザビーム、１０…部材、１１…シールドガス（センターガス）、１２…表面き裂、１３…高温のシールドガス（先行ガス）、１５…レーザビーム照射部位、１６…肉盛溶接層、１８…気泡、２２…吸引用パイプ、４２…二重管。

Claims

部材の表面に開口を有する表面き裂に対して、ヒーターによって加熱されたシールドガスを吹き付けて加熱した後、レーザビームの照射により前記表面き裂の開口を封止することを特徴とする表面き裂の封止方法。
前記シールドガスは、該ガスが通過する中空部の断面積が８０ｍｍ^２以下のパイプによって、前記表面き裂に対して吹きつけられることを特徴とする請求項１記載の表面き裂の封止方法。
前記シールドガスは、レーザビームの照射部位から５〜２０ｍｍ離れた部位に吹きつけられることを特徴とする請求項１または２記載の表面き裂の封止方法。
部材の表面に開口を有する表面き裂に対して、ヒーターによって加熱されたシールドガスを吹き付けるとともに、前記表面き裂に吹きつけられたシールドガスと、前記表面き裂にある水と酸化物とを吸引した後、レーザビームの照射により前記表面き裂の開口を封止することを特徴とする表面き裂の封止方法。
二重管の外側から前記シールドガスを表面き裂に対して吹き付けるとともに、該二重管の内側から前記表面き裂にある水や酸化物を吸引することを特徴とする請求項４記載の表面き裂の封止方法。
前記シールドガスは、２００℃以上の温度に加熱されて、前記表面き裂に対して吹き付けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の表面き裂の封止方法。
部材の表面に開口を有する表面き裂に対して、前記表面き裂にある水や酸化物をシールドガスとともに吸引した後、レーザビームの照射により前記表面き裂の開口を封止することを特徴とする表面き裂の封止方法。
前記レーザビームの照射部位に溶接ワイヤを供給して肉盛溶接を行い前記表面き裂の開口を封止することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の表面き裂の封止方法。