JP3124132B2 - 細管レーザ溶接補修装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、給水加熱器のヒータチ
ューブ等の細管に発生した破損箇所に挿入される補修ス
リーブと細管との円周溶接を行うレーザ溶接補修装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子力発電所（ＢＷＲ）の主要
設備の一つに、復水を原子炉内に供給する際、水温をあ
る一定の温度に上昇させるための給水加熱器がある。こ
の給水加熱器は、原子炉で加熱され発生した主蒸気がタ
ービン翼を回転させた後、復水器により復水され復水脱
塩器等を経て再び冷却材として原子炉内に供給される際
に、一定の水温に調整するために用いられる一種の多管
円筒型熱交換器である。このような原子炉に配設される
配管系統については、材質、溶接施工法等十分な品質管
理が行われるとともに、運転後においても定期的に検査
が実施されている。そして、給水加熱器等の細管の一部
に破損等の異常が発生した場合には、放射能漏洩を阻止
するために迅速な処置を行う必要があるが、従来の処置
方法としては細管の両端を溶接により蓋をして閉鎖する
方法が多くとられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の処置方法では、給水加熱器のヒータチューブ
においては、その閉鎖数が多くなるにしたがって機能低
下が著しくなり、発電効率が低下するばかりでなく、発
電所全体のトラブルにつながる要因となる。

【０００４】本発明は、このような従来の問題点を解決
するためになされたもので、給水加熱器のヒータチュー
ブ等の細管の破損箇所を容易に補修することができる細
管レーザ溶接補修装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】すなわち、上記問題点を
解決するために、本発明の細管レーザ溶接補修装置は、
レーザビーム伝送用の光ファイバーを内部に保持し、先
端側が補修対象管内に挿入される導菅と、この導管の先
端に接続され、光ファイバーの先端から出射するレーザ
ビームを集光レンズにより収束し反射鏡により反射して
ビーム通過穴を通って補修対象管内の補修スリーブが嵌
込まれた加工点に集光する出射集光光学系と、この出射
集光光学系のビーム通過穴より下方の周囲を形成し、補
修対象管内に摺動可能に挿入されて出射集光光学系の光
軸を補修対象管の中心軸からビーム通過穴と反対側にず
れた位置に保持するガイドと、このガイドを含めた出射
集光光学系の中心軸を回転軸として導管の下端を保持す
る回転駆動機構と、導管の下方よりシールドガスを導入
し、補修対象管内の加工点にシールドガスを噴出させる
シールドガス流通手段とを具備することを特徴とする。

【０００６】この細管レーザ溶接補修装置において、ガ
イドを含む出射集光光学系の中心軸が回転軸と一致しか
つ補修スリーブが嵌込まれた補修対象管内で円滑に回転
可能とするために、ガイドの外径と補修スリーブの内径
との直径の差が0.05〜0.5 mmであることが好ましい。

【０００７】また、本発明の細管レーザ溶接補修装置に
おいては、出射集光光学系の光軸を精度よく安定して保
つために、導管は光ファイバーの先端近傍を少なくとも
２箇所保持する保持部を有することを特徴とする。

【０００８】さらに、本発明の細管レーザ溶接補修装置
は、補修対象管内の加工点にレーザビームをやや傾斜し
て照射するために、出射集光光学系の反射鏡の表面角度
を出射集光光学系の横断面に対して45°より大きく55°
以下の範囲に設定することを特徴とする。

【０００９】さらにまた、本発明の細管レーザ溶接補修
装置においては、シールドガス流通手段が、導管の下方
に接続されるシールドガス供給管と、導管内に形成され
シールドガス供給管から供給されるシールドガスを出射
集光光学系に導くシールドガス導入経路と、出射集光光
学系内に形成され導管から導入されるシールドガスの一
部を集光レンズを経て反射鏡へ導きビーム通過穴より加
工点に噴出させる冷却保護用ガス経路と、冷却保護用ガ
ス経路と分岐してガイドに形成され導管から導入される
シールドガスの一部をビーム通過穴の外側下方より加工
点に噴出させるヒューム除去用ガス経路とから構成され
ることを特徴とする。

【００１０】

【作用】上記構成により、出射集光光学系はガイドによ
り被補修管内の溶接箇所に嵌込まれた補修スリーブ内に
摺動可能に挿入される。補修スリーブ内に挿入された時
点で出射集光光学系の回転軸は被補修管の中心軸と同軸
に保持される。所定の溶接位置に挿入された状態で出射
集光光学系は、光ファイバーにより伝送される溶接用レ
ーザビームを集光レンズにより収束し反射鏡により反射
してビーム通過穴から補修スリーブの内周面に集光させ
る。このとき、反射鏡の表面角度を出射集光光学系の横
断面に対して45°より大きく55°以下の範囲に設定し
て、出射集光光学系から出射されるレーザビームを水平
方向よりやや上方に傾斜させることにより、加工点で反
射した光が出射集光光学系に戻らないようにする。ま
た、このレーザビームの照射方向を上方に傾斜させるこ
とにより、溶接時に発生するヒュームやスパッタがビー
ム通過穴内に分散する割合を低減することができる。レ
ーザビームの出射と同時に、導管の下端に接続される回
転駆動機構は導管とともに出射集光光学系を回転駆動
し、レーザビームの集光点を補修スリーブの内周面に環
状に走査させる。

【００１１】さらに、溶接時には、シールドガス供給管
より導管の下方へシールドガスが供給され、加工点に噴
射されることにより、溶接時に発生するヒュームやスパ
ッタ、プラズマ等が除去されるとともに、加工点の酸化
防止のシールドが施される。例えば、シールドガス供給
管より供給されたシールドガスは、導管内のシールドガ
ス導入経路を通って出射集光光学系に入り、２つに分流
して、一方は冷却保護用ガス経路を通って出射集光光学
系を冷却するとともに、ビーム通過穴より噴出し、溶接
により加工点から飛散するヒュームやスパッタの反射鏡
への付着を防止しかつ加工点をシールドする。他方は、
ガイドに形成されたヒューム除去用ガス経路を通ってビ
ーム通過穴の外側下方より加工点に噴出することによっ
て、溶接時に発生するをヒュームやスパッタ、プラズマ
等を速かに除去し排出するとともに加工点をシールドす
る。

【００１２】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。

【００１３】図１および図２は、本発明の細管レーザ溶
接補修装置の一実施例を示す縦断面図であり、図３〜６
はそれぞれ図１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄにお
ける矢視断面図、図７は図２のＥ−Ｅ矢視断面図であ
る。

【００１４】図１に示すように、導管１内に挿通される
光ファイバー３は、先端部と下端部においてスリーブ５
ａ、スリーブ５ｂで保持される。スリーブ５ａ、５ｂに
は、図３に示すように、スリット７が４方向に設けら
れ、押えネジ９ａ、９ｂで締めることにより、光ファイ
バー３は導管１内の中心に高精度に保持される構造とな
っている。さらに、光ファイバー３の先端は、ファイバ
ークラッド３ａがファイバー支え１１により精度よく保
持されることにより、中心位置に安定してより精度よく
設定される。そして、先端部の各保持具には、図３、４
に示すように、シールドガス供給管１３を通じて導管１
へ供給されるＡｒ、Ｈｅ等の不活性ガスからなるシール
ドガスの通路１５となる溝が設けられている。

【００１５】導管１の先端には、光ファイバー３の先端
から出射されるレーザビーム１７を図示しない補修スリ
ーブ内周面の加工点１９に導く出射集光光学系２１が取
り付けられている。この出射集光光学系２１において
は、光ファイバー３の先端から出射されるレーザビーム
１７を平行光にする第１のレンズ２３ａとこの平行光を
収束する第２のレンズ２３ｂからなる集光レンズがレン
ズホルダ２５と押えねじ２７によって保持され、この集
光レンズの上方にミラーホルダ２９と押えねじ３１によ
って保持された反射鏡３３が設置されている。そして、
ミラーホルダ２９にはビーム通過穴３５が穿設され、反
射鏡３３の表面で反射したレーザビーム１７がビーム通
過穴３５を通って加工点１９に集光するよう構成されて
いる。。このとき、加工点１９で反射した光が反射鏡３
３を介してファイバークラッド３ａに戻らないように、
反射鏡３３の表面角度θは、45°＜θ≦55°の範囲で、
好ましくは約50°に設定され、レーザビーム１７の照射
角度が好ましくは約10°上方に傾斜するように設定され
る。また、このように照射方向をやや上方に傾斜させる
ことによって、溶接時に加工点１９より発生するフュー
ムおよびスパッタが反射鏡３３の表面に付着するのを防
止する効果も得られる。

【００１６】集光レンズを保持する出射集光光学系２１
の外周部として、補修スリーブ内で摺動可能な外径を有
するガイド３７が、その中心軸が光軸よりビーム通過穴
３５側に若干ずれるように形成されている。ガイド３７
の外径と補修スリーブの内径との直径の寸法差は、出射
集光光学系２１の回転に支障なく、かつガイド３７の形
成された出射集光光学系２１が補修スリーブと同心に保
持可能となる程度に、0.05〜0.5 mmの範囲に設計され
る。そして、このガイド３７には、第１のレンズ２３ａ
の手前で出射集光光学系２１の内部空間に連通し、ビー
ム通過穴３５の外側下方で開口するシールドガス通過孔
３９が穿設されている。

【００１７】また、集光レンズの第１のレンズ２３ａと
第２のレンズ２３ｂには、図５に示すように、それぞれ
レンズ切欠部４１が設けられており、導管１を介して出
射集光光学系２１に導入されるシールドガスは、レンズ
切欠部４１を通って反射鏡３３を介してビーム通過穴３
５へ至る冷却保護用ガス経路と、シールドガス通過孔３
９を経由するヒューム除去用ガス経路とに分流して加工
点１９に噴出されるようになっている。このとき、冷却
保護用ガス経路とヒューム除去用ガス経路に流れるシー
ルドガスの流量が等しくなるように、レンズ切欠部４１
とシールドガス通過孔３９は断面積が同じに形成され
る。冷却保護用ガス経路に流れるシールドガスは、レー
ザビーム１７によって熱せられる集光レンズおよび反射
鏡３３を冷却するとともに、ビーム通過穴３５から加工
点１９に噴出することによって、溶接時に発生するフュ
ームやスパッタによる反射鏡３３の汚染を防止するよう
作用する。ヒューム除去用ガス経路に流れるシールドガ
スは、ビーム通過穴３５の外側下方より加工点１９に噴
出することによって、溶接時のフューム、スパッタ、プ
ラズマを良好に除去する作用を有する。

【００１８】先端に上記出射集光光学系２１を装着した
導管１は、図２に示すように、下端部において図示しな
い回転駆動機構および昇降駆動機構に装着されたハウジ
ング４３とスリーブ４５によって保持される。このと
き、回転軸がガイド３７を含む出射集光光学系２１の中
心軸と一致するようにハウジング４３に取り付けられ
る。 次に、上記構成の細管レーザ溶接補修装置におい
て、給水加熱器のヒータチューブに発生した破損箇所を
補修する際の動作について説明する。

【００１９】まず、溶接するにあたっては、ヒータチュ
ーブ内面をステンレスブラシ等で清浄にし、板厚1.5 mm
の補修スリーブを内側に挿入する。ついで、補修スリー
ブをヒータチューブ内面に密着させるために、適当な手
段で少なくとも出射集光光学系２１が挿入される部分を
拡管する。

【００２０】このような前処理を行った後、本実施例の
細管レーザ溶接補修装置を昇降駆動機構によりヒータチ
ューブ内に挿入し、補修スリーブを嵌め込まれた予め決
められた溶接位置に出射集光光学系２１を設置する。こ
の状態で、出射集光光学系２１と補修スリーブは同心に
保持される。

【００２１】ついで、シールドガス供給管１３より導管
１にシールドガスを供給し、出射集光光学系２１より補
修スリーブ内周面にレーザビーム１７を照射させると同
時に回転駆動機構により導管１を回転させる。これによ
り、出射集光光学系２１はその中心軸を回転軸として回
転し、レーザビーム１７の焦点が補修スリーブ内周面上
を環状に走査して、欠陥のない円周溶接が行われる。

【００２２】このとき、レーザビーム１７は補修スリー
ブ内周面に対してやや上方に傾斜して照射されるので、
補修スリーブ内周面で反射した光がビーム通過穴３５お
よび反射鏡３３を介して光ファイバークラッド３ａに戻
る可能性は少ない。また、レーザビーム１７の照射によ
って発生するフューム、スパッタ等の反射鏡３３への付
着の可能性も低減される。さらに、シールドガスがビー
ム通過穴３５より加工点１９に噴射され、かつシールド
ガス通過孔３９より上方へ加工点１９に噴射されるの
で、フューム、スパッタ等を速やかに除去し、フュー
ム、スパッタ等による反射鏡３３および集光レンズの汚
染を防止するとともに、加工点１９の酸化を防ぐことが
できる。以上のようにして、溶接条件として、パルス繰
り返し数50Hz、デューティ（duty）50％、加工速度0.5m
/mim〜1.0m/mimで行ったところ良好な結果が得られた。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
出射集光光学系を補修スリーブ内周面に摺動可能に構成
し、回転駆動機構を外部に配置することにより、細管に
挿入する部分の簡素化と小型化を図ることができる。ま
た、出射集光光学系に接続される導管において、光ファ
イバーの先端部分を少なくとも２か所保持することによ
り、精度よく安定して光軸を設定することができる。ま
た、レーザビームの照射角度をやや上方に傾斜させるこ
とによって、補修スリーブ内周面で反射した光が出射集
光光学系に戻って出射集光光学系を損傷する可能性を少
なくすることができるとともに、溶接時に発生するフュ
ームやスパッタ等が反射鏡に付着するのを防ぐことがで
きる。さらに、加工点に供給されるシールドガスの通路
として、集光レンズ部を通る冷却保護用ガス経路と出射
集光光学系のガイド部を通るヒューム除去用ガス経路と
を設けることにより、集光レンズおよび反射鏡の冷却効
果を高めることができるとともに、出射集光光学系の汚
損防止効果を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の細管レーザ溶接補修装置の
主要部を示す縦断面図である。

【図２】本発明の一実施例の細管レーザ溶接補修装置の
下端部を示す縦断面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。

【図５】図１のＣ−Ｃ矢視断面図である。

【図６】図１のＤ−Ｄ矢視断面図である。

【図７】図２のＥ−Ｅ矢視断面図である。

【符号の説明】

１………導管 ３………光ファイバー ３ａ……光ファイバークラッド ５ａ……スリーブ ５ｂ……スリーブ ７………スリット ９ａ……押えネジ ９ｂ……押えネジ １１………ファイバー支え １３………シールドガス供給管 １５………シールドガス通路 １７………レーザビーム １９………加工点 ２１………出射集光光学系 ２３ａ……第１のレンズ ２３ｂ……第２のレンズ ２５………レンズホルダ ２７………押えねじ ２９………ミラーホルダ ３１………押えねじ ３３………反射鏡 ３５………ビーム通過穴 ３７………ガイド ３９………シールドガス通過孔 ４１………レンズ切欠部 ４３………ハウジング ４５………スリーブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平４−33478（ＪＰ，Ｕ) 国際公開92／3248（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビーム伝送用の光ファイバーを内
   部に保持し、先端側が補修対象管内に挿入される導菅
   と、 この導管の先端に接続され、前記光ファイバーの先端か
   ら出射するレーザビームを集光レンズにより収束し反射
   鏡により反射してビーム通過穴を通って前記補修対象管
   内の補修スリーブが嵌込まれた加工点に集光する出射集
   光光学系と、 この出射集光光学系のビーム通過穴より下方の周囲を形
   成し、前記補修対象管内に摺動可能に挿入されて前記出
   射集光光学系の光軸を前記補修対象管の中心軸から前記
   ビーム通過穴と反対側にずれた位置に保持するガイド
   と、 このガイドを含めた出射集光光学系の中心軸を回転軸と
   して前記導管の下端を保持する回転駆動機構と、 前記導管の下方よりシールドガスを導入し、前記補修対
   象管内の加工点にシールドガスを噴出させるシールドガ
   ス流通手段とを具備することを特徴とする細管レーザ溶
   接補修装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の細管レーザ溶接補修装置
   において、前記ガイドの外径と前記補修対象管内に嵌込
   まれた補修スリーブの内径との直径の差が0.05〜0.5 mm
   であることを特徴とする細管レーザ溶接補修装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の細管レーザ溶接
   補修装置において、前記導管は光ファイバーの先端近傍
   を少なくとも２箇所保持する保持部を有することを特徴
   とする細管レーザ溶接補修装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１項記載の
   細管レーザ溶接補修装置において、前記出射集光光学系
   の反射鏡の表面角度を出射集光光学系の横断面に対して
   45°より大きく55°以下の範囲に設定することを特徴と
   する細管レーザ溶接補修装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項記載の
   細管レーザ溶接補修装置において、シールドガス流通手
   段は、 前記導管の下方に接続されるシールドガス供給管と、 前記導管内に形成され、前記シールドガス供給管から供
   給されるシールドガスを前記出射集光光学系に導くシー
   ルドガス導入経路と、 前記出射集光光学系内に形成され、前記導管から導入さ
   れるシールドガスの一部を前記集光レンズを経て前記反
   射鏡へ導き前記ビーム通過穴より前記加工点に噴出させ
   る冷却保護用ガス経路と、 前記冷却保護用ガス経路と分岐して前記ガイドに形成さ
   れ、前記導管から導入されるシールドガスの一部を前記
   ビーム通過穴の外側下方より前記加工点に噴出させるヒ
   ューム除去用ガス経路とを具備することを特徴とする細
   管レーザ溶接補修装置。