JP2009095851A - 表面き裂の封止方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】表面き裂の内部に水や酸化物などが混入していてもピットなどを残すことなく、良好に表面き裂を封止する。
【解決手段】部材ａのき裂ｃ，ｄ発生領域に加熱用レーザビームＬ１を照射して部材の溶融温度よりも低い温度に加熱する加熱用レーザビーム照射工程と、加熱用レーザビームＬ１に追随させて部材のき裂発生領域に溶接用レーザビームＬ２を照射することにより部材の溶融温度以上の加熱を行い，表面き裂の開口部を封止する溶接用レーザビーム照射工程とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は原子炉構造物などの部材表面に発生したき裂をレーザビームの照射により溶融させて封止する表面き裂の封止方法に関する。
従来、原子炉の構造物などの部材表面にき裂が発生した場合、その構造部材全体を交換するか、あるいは補強材を設置するなどの処置が施されている。また、き裂自体の補修方法としては、き裂部を機械加工または放電加工により除去した後、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接によって肉盛補修する方法、あるいは表面き裂のみを溶接する封止溶接方法が検討されている。
従来の表面き裂の封止方法では、レンズなどで集光されたレーザビームを表面き裂が発生している構造部材の表面に照射して溶融させ、このレーザ溶融部に溶加材として溶接ワイヤを供給し、き裂の表面を溶融して封止している。この従来の方法では、表面き裂である欠陥の内部に水や酸化物などが混入していない場合には、表面き裂を溶融することによりき裂を封止することができる。
しかし、表面き裂内に水や酸化物などが混入している場合には、上述の封止方法を実施した際に、それらの混合物がレーザ加熱によって気化する。そのため、レーザ補修部の溶融金属が吹き飛ばされてピットが発生し、そのピットが残ることにより表面き裂が封止されないことがある。
そこで従来では、先行のレーザビームと後続のレーザビームを共通の軌跡上で走査し、先行のレーザビームにより表面欠陥部位を加熱又は溶融させて表面欠陥内の水分又は汚染物質を除去し、後続レーザビームで表面欠陥の開口部を溶融することによって表面欠陥を封止する方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３２０４７２号公報
上述の従来技術においては、二つのレーザビームを共通の光学系により集光するため、先行のレーザビームと後続のレーザビームのビーム径を独立にコントロールすることが困難であり、そのため先行のレーザビームによる加熱で表面が溶融する。表面が溶融し、表面欠陥が封止されると、封止溶接時の加熱によりき裂内部に残った水や酸化物が蒸発して生じる蒸気圧の上昇により、封止溶接時にピットが生じる場合がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、表面き裂の内部に水や酸化物などが混入していてもピットなどを残すことなく、良好に表面き裂を封止することができる表面き裂の封止方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明では、部材の表面に発生した開口部を有するき裂に沿ってレーザビームを照射し、前記部材のき裂発生領域を加熱により溶融させて前記き裂を封止する表面き裂の封止方法であって、前記部材のき裂発生領域に加熱用レーザビームを照射して前記部材の溶融温度よりも低い温度に加熱する加熱用レーザビーム照射工程と、前記加熱用レーザビームに追随させて前記部材のき裂発生領域に溶接用レーザビームを照射することにより前記部材の溶融温度以上の加熱を行い前記表面き裂の開口部を封止する溶接用レーザビーム照射工程とを備えることを特徴とする表面き裂の封止方法を提供する。
本発明によれば、表面き裂の内部に水や酸化物などが混入していてもピットなどを残すことなく、良好に表面き裂を封止することができる。
以下、本発明に係る表面き裂の封止方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態（図１−図３）］
図１は本発明の第１実施形態による表面き裂の封止方法を示す説明図であり、溶接装置の要部構成および作用を示している。図２および図３は作用説明図である。
図１に示すように、溶接装置１は原子炉点検時等に炉水ｗ中に吊下され、炉内構造物である部材ａの表面ｂに発生した開口部ｃ１、ｄ１を有するき裂ｃ、ｄの封止用として適用される。
図１には、溶接装置１の下端部に配置される溶接ヘッド１ａが示してある。この溶接ヘッド１ａには第１、第２の２組のレーザ装置２，３が設けられている。
第１のレーザ装置２は加熱用レーザ装置であり、部材ａのき裂発生領域に加熱用レーザビームＬ１を照射して部材ａの溶融温度よりも低い温度に加熱するものである。この加熱用レーザ装置２は、溶接ヘッド１ａの下端部に設けられた移動台座７に支持されており、加熱用溶接用光ファイバ８、光学系５およびノズル６を有し、一方向（Ｘ方向）に所定速度で移動される。
第２のレーザ装置３は、加熱用レーザビームＬ１に追随させて部材ａのき裂発生領域に溶接用レーザビームＬ２を照射することにより部材ａの溶融温度以上の加熱を行い、表面き裂ｃ、ｄの開口部ｃ１、ｄ２を封止するものである。この溶接用レーザ装置３は、溶接用光ファイバ８、光学系９ａ，９ｂ，９ｃおよびノズル１０を有し、溶接ヘッド１ａの側部および移動台座７に支持されている。
なお、加熱用光ファイバ４および溶接用光ファイバ８には、溶接部近傍を気相空間とするためのシールドガス２０を同軸にて供給することができる構成となっている。
次に、表面き裂の封止方法について具体的に説明する。図１に示すように、溶接時には、溶接ヘッド１ａを部材ａの表面ｂに吊下し、移動台座７をき裂ｃ、ｄが発生している部位に設置する。そして、加熱用光ファイバ４および溶接用光ファイバ８により伝送されたレーザビームＬ１、Ｌ２をそれぞれ光学系２，５を介して部材ａの表面ｂに集光させる。
第１の光学系２は移動用の台座７に支持され、き裂ｃ，ｄの発生領域を先行して一方向Ｘに沿って移動しつつ加熱用熱源としてレーザビームＬ１を集光し、傾斜方向に照射してき裂ｃ，ｄの発生領域を加熱する。
本実施形態では、溶接前の加熱のためのレーザビームＬ１の照射については、部材ａの表面を溶融させない。そのため、加熱のためのレーザビームＬ１のエネルギ密度は１５００Ｗ／ｃｍ２以下に設定する。
このような加熱により、き裂ｃ，ｄの内部に入り込んでいた水が蒸発する。すなわち、レーザビームＬ１によって部材ａの母材表面およびき裂ｃ，ｄの内部に存在する水を蒸発させることにより、封止性に影響を及ぼすき裂ｃ，ｄ内部の水を確実に排除することができる。
なお、溶接は水中で実施するが、溶接部近傍をシールドガス２０で気相空間を形成するため、加熱用光ファイバ４および溶接用光ファイバ８を使用して同軸にシールドガス２０を供給する。図１には、き裂ｃ，ｄから排除されたシールドガス２０の気泡が水ｗ中に移動した状態を複数の円形で示してある。
また、本実施形態では、加熱用レーザビームＬ１に追随させて第２の光学系２を移動させつつ、部材ａのき裂ｃ，ｄの発生領域にレーザビームＬ２を集光させ、溶接用レーザビームとして照射する。この溶接用レーザビームＬ２は加熱用レーザビームＬ１と相対する傾斜方向から照射する。
これにより、部材ａの溶融温度以上の加熱を行い、表面き裂ｃ，ｄの開口部ｃ１，ｄ１を封止する溶接用レーザビーム照射工程を施す。この溶接のためのレーザビームＬ２のエネルギ密度は７０００Ｗ／ｃｍ２以上に設定し、好ましくはデフォーカスした状態で照射する。これにより、封止溶接層１９が形成される。
以上の溶接により、従来では部材ａの表面を直接溶融させることから、溶接の前にき裂表面を封止してしまい、封止溶接時の加熱によりき裂内部に残った水や酸化物が蒸発して生じる蒸気圧の上昇によって封止溶接時にピットが生じる可能性が高かったのに対し、本実施形態では上述の先行する加熱用レーザビームＬ１によりき裂内に水や酸化物が生じることがない。
一方、加熱のためのレーザビームＬ１の照射による母材やき裂内部の温度上昇は、母材の熱伝導率に制約されるため、たとえば、深さ５ｍｍでの最高温度はレーザビームの照射条件の影響を受けるが、最高温度に到達する時間は照射条件によらずほぼ同等である。
したがって、加熱のためのレーザビームＬ１の照射により最高温度に到達してから封止溶接を行うことにより、封止溶接時におけるき裂内部の蒸気圧の上昇を抑える。そのため、加熱用レーザビームＬ１と溶接用レーザビームＬ２とは、それらの中心間の距離ｓ１を１０ｍｍ以上とする。
図２には、このような加熱用レーザビームＬ１と溶接用レーザビームＬ２との照射位置を示している。図２に示すように、加熱用レーザビームＬ１と溶接用レーザビームＬ２とは、それらの中心間の距離ｓ１を１０ｍｍ以上とする。
また、図２に示すように、加熱用レーザビームＬ１の照射位置と、溶接用レーザビームＬ２の照射位置とを、溶接線と直交する方向において１ｍｍ以上ずらした位置に設定する（Ｓ２）。
このように、加熱のためのレーザビームＬ１の照射位置と、溶接のためのレーザビームＬ２とを、照射する線上に対して１ｍｍ以上ずらすことにより、封止溶接層１９を加熱し、封止溶接層１９の下のき裂から水１５や酸化物１６を排除する。
また、溶接用のためのレーザビームＬ２を照射するノズル１０と加熱のためのレーザビームＬ１を照射するノズル１１の間の距離が大きくなると、その間から水が入ってくる。加熱のためのレーザビームＬ２により水を蒸発させても、封止溶接を行う前に水が再浸入する。そこで、ノズル６とノズル１０との間にシールドカバー１１を取り付け、ノズル６，１０間からの水の侵入を防ぐ。
さらに、本実施形態では、加熱用レーザビームＬ１および溶接用レーザビームＬ２を、それぞれ異なる光ファイバ４，８で伝送する。
図３は、溶接ワイヤ１４を使用する方法を示している。溶接用レーザビームＬ２の集光に際し、加熱用レーザビームＬ１を回避するため、溶接用レーザビームＬ２の照射位置に進行方向に対して傾斜する状態から、ワイヤチップ１３を通して溶接ワイヤ１４を供給する。
このような本実施形態の表面き裂の封止方法によれば、部材ａの表面に開口ｃ１，ｄ１を有する表面き裂ｃ，ｄに対し、加熱用レーザビームＬ２を照射して表面き裂９を含めた母材表面８を加熱することにより、溶接を行う前に表面き裂ｃ，ｄ内部の水や酸化物を蒸発させ、排除することができる。このため、封止溶接時の加熱による水や酸化物の蒸発を抑え、ピットなどを残すことなく良好に表面き裂を封止することができる。
［第２実施形態（図４）］
本実施形態では、レーザビームＬを１本の光ファイバ１４で伝送した後、ハーフミラー１５により、加熱用レーザビームＬ１と溶接用レーザビームＬ２とに分ける表面き裂の封止方法について説明する。なお、本実施形態では、加熱用レーザビームＬ１と溶接用レーザビームＬ２との照射方法以外については第１実施形態と同様であるから、第１実施形態と同様の工程については、図４に図１と同一符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態では、溶接ヘッド１ａのケーシング２１内に、第１実施形態と異なり、ハーフミラー１７および全反射ミラー１８を備えている。これらのハーフミラー１７および全反射ミラー１８により、１本の溶接用光ファイバ１４で伝送されたレーザビームＬを、加熱用レーザビームＬ１と溶接用レーザビームＬ２とに分け、それぞれ集光する。
本実施形態によっても、部材の表面に開口を有する表面き裂ｃ，ｄに対して、加熱のためのレーザビームＬ１を照射して表面き裂ｃ，ｄを含めた母材表面を加熱することにより、溶接を行う前に表面き裂ｃ，ｄ内部の水や酸化物を蒸発させる。このため、溶接時の加熱による水や酸化物の蒸発を抑え、ピットなどを残すことなく良好に表面き裂を封止することができる。また、第１実施形態に比べて構成要素が少ないため、小型でかつ軽い溶接ヘッドとして容易に使用することができる。
本発明の第１実施形態による方法を説明する要部断面図。 前記実施形態におけるレーザビームの配置関係を示す説明。 前記実施形態におけるワイヤチップ送給状態を示す説明図。 本発明の第２実施形態による方法を説明する要部断面図。
符号の説明
１‥溶接装置、１ａ‥溶接ヘッド、２‥加熱用レーザ装置、３‥溶接用レーザ装置、４‥加熱用光ファイバ、５‥光学系、６‥ノズル、７‥移動台座、８‥溶接用光ファイバ、９ａ，９ｂ，９ｃ‥光学系、１０‥ノズル、１１‥シールドカバー、１３‥ワイヤチップ、１４‥光ファイバ、１６ａ，１６ｂ‥光学系、１７‥ハーフミラー、１８‥全反射ミラー、１９‥封止溶接層、２０‥シールドガス、２１‥ケーシング、ｗ‥炉水、ａ‥部材、ｂ‥表面、ｃ１，ｄ１‥開口部、ｃ，ｄ‥き裂、Ｌ１‥加熱用レーザビーム、Ｌ２‥溶接用レーザビーム。

Claims (8)

  1. 部材の表面に発生した開口部を有するき裂に沿ってレーザビームを照射し、前記部材のき裂発生領域を加熱により溶融させて前記き裂を封止する表面き裂の封止方法であって、前記部材のき裂発生領域に加熱用レーザビームを照射して前記部材の溶融温度よりも低い温度に加熱する加熱用レーザビーム照射工程と、前記加熱用レーザビームに追随させて前記部材のき裂発生領域に溶接用レーザビームを照射することにより前記部材の溶融温度以上の加熱を行い前記表面き裂の開口部を封止する溶接用レーザビーム照射工程とを備えることを特徴とする表面き裂の封止方法。
  2. 前記加熱用レーザビームの平均エネルギ密度を、１５００Ｗ／ｃｍ２以下とする請求項１記載の表面き裂の封止方法。
  3. 前記溶接用レーザビームの平均エネルギ密度を、７０００Ｗ／ｃｍ２以上とする請求項１記載の表面き裂の封止方法。
  4. 前記加熱用レーザビームと、前記溶接用レーザビームとのビーム中心間の距離を、溶接進行方向において１０ｍｍ以上とする請求項１記載の表面き裂の封止方法。
  5. 前記加熱用レーザビームおよび前記溶接用レーザビームを、それぞれ異なる光ファイバで伝送する請求項１記載の表面き裂の封止方法。
  6. 前記加熱用レーザビームおよび前記溶接用レーザビームをそれぞれ異なるノズルから照射し、これらのノズル間にカバーを配置して前記き裂の封止を行う請求項１記載の表面き裂の封止方法。
  7. 前記加熱用レーザビームの照射位置と、前記溶接用レーザビームの照射位置とを、溶接線と直交する方向において１ｍｍ以上ずらした位置に設定する請求項１記載の表面き裂の封止方法。
  8. レーザビームを１本の光ファイバで伝送した後、ハーフミラーにより前記加熱用レーザビームと前記溶接用レーザビームとに分ける請求項１記載の表面き裂の封止方法。
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