JP3862239B2 - 高パワーレーザ溶接用途のための回転式光ファイバカプラー - Google Patents

Description

本発明は、１９９４年２月７日付けで出願された、“Rotating Apparatus for Repairing Damaged Tubes（損傷したチューブを修復するための回転装置）”という名称の特許出願第08/192,556号の一部係属出願であり、前者は、１９９３年２月１７日付けで出願された、“Method and Apparatus for Repairing Damaged Tubes（損傷したチューブを修復するための方法および装置）”という名称の特許出願第08/018,644号の一部係属出願である。
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、熱交換器のチューブ、例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）原子力発電所において使用される蒸気発生器のチューブの修復に関する。より詳細には、本発明は、熱交換器のチューブの高パワーレーザ溶接を容易にするために使用される回転光ファイバカプラーに関する。
２．関連する技術の説明
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）サイクルを利用する原子力発電所においては、原子炉内における核燃料の融合によって熱が放出される。熱は、原子炉から、原子炉冷媒と呼ばれる流体を絶えず循環させることによって、排除される。冷媒は、原子炉内において加熱された後に、通常、蒸気発生器と呼ばれる熱交換器に流され、ここで熱を放出し、その後、原子炉に戻り、再び加熱される。蒸気発生器内においては、原子炉からの冷媒は、二次水を加熱し、この加熱された二次水は、蒸気発生器を駆動するために使用される。蒸気発生器を出たのち、蒸気は、凝縮され、その後、蒸気発生器に再び戻され、原子炉冷媒によって再び加熱される。原子炉から蒸気発生器に至る冷媒のループは、通常、一次ループと呼ばれ、蒸気発生器から蒸気発生器に至るループは、通常、二次ループと呼ばれる。
蒸気発生器は、シェルとチューブを備える円筒多管式熱交換器であり、一次冷媒は、熱交換器のチューブの内側を流れ、二次水は、これらチューブの外側表面上を流れ、熱交換器のシェルに貯蔵される。原子炉冷媒から、二次水への熱の伝達が、これらチューブのほぼ全長を通じて起こる。チューブの端を密閉することによって、原子炉冷媒と二次水とが混合するのを防ぐために、チューブの端は、チューブの端を受けるための貫通する開口を持つ平坦なプレートを含むチューブシートに接続される。チューブの端は、チューブシートに密封溶接されるか、あるいは、開口内で膨張することによって密封接合が達成される。チューブシートの周辺エッジは、蒸気発生器のシェル、および、原子炉冷媒用の水ボックスに密封される。
蒸気発生器は、通常は、チューブが概ね垂直方向に延びるように方位され、ストレートスルータイプ（直流タイプ）、あるいはリターンフロータイプとされる。ストレートスルータイプの蒸気発生器の場合は、チューブは、真っすぐであり、両端が、チューブシートに接続される。原子炉冷媒は、蒸気発生器の上部の水ボックスに入り、チューブを通って流れ、蒸気発生器の下部の水ボックスに集められる。リターンフロータイプの方がより一般的であるが、このタイプでは、チューブは、反転“Ｕ”形状を持ち、両端が、蒸気発生器の下部において同一のチューブシートに接続される。チューブシートの下側の水ボックスは、分離プレートを含み、分離プレートによって、チューブシートの、チューブインレットを含む部分と、アウトレットを含む部分とが、互いに分離され、密封される。こうして、原子炉冷媒は、水ボックスのインレット部分内に流れこみ、その後、反転“Ｕ”型チューブを通って、水ボックスのアウトレット部分へと流れる。ストレートスルータイプ、リターンタイプのいずれの蒸気発生器においても、これらチューブは、非常に長く、これらの全長を通じて、サポートを必要とする。これは、熱交換器のシェル内に、チューブの全長に沿ってさまざまな位置にサポートプレートを置くことによって達成される。これらサポートプレートは、その中をチューブが通る開口を含み、これらサポートプレートの周辺エッジは、蒸気発生器のシェルに接続される。
チューブの据付けを容易にし、チューブとシェルとの間の熱膨張の差異を許容するために、サポートプレート内の開口は、サポートプレートと比べて、チューブがスライドできるように、大きめのサイズにされる。ただし、このサポートプレート内の開口は、チューブに対して十分な水平方向のサポートを与え、動作の際に、過剰なチューブの振動を防ぐために十分な程度に小さくすることが要求される。このために、サポートプレートとチューブの間には、クレバス（割目）が、形成される。これらクレバスは、蒸気発生器の運転の際に、破片や腐食生成物を集め、クレバス腐食を促進する。加えて、上述したチューブとチューブシートとの間の接合箇所もクレバスを含み、クレバス腐食の原因となる。
蒸気発生器のチューブは、終局的には、漏れを起こしたり、壁の厚さを大幅に低減させる複数のタイプの腐食メカニズムにさらされる。これら腐食メカニズムには、一次水側の応力腐食割れ、二次側の粒間腐食アタック、二次側の粒間応力腐食割れ、二次側の消耗などが含まれる。一次側の劣化（応力腐食割れ）は、典型的には、引張り残留応力が高い箇所、例えば、膨張遷移領域、内側列のＵベンド、チューブ支持位置などにおいて発生する。二次側の劣化は、不純物が濃縮され、腐食サイトを形成するような箇所、例えば、チューブとチューブシートの間のクレバス、チューブ支持プレートとチューブとの間の境界面、耐振バー間の境界面、スラッジを貯める領域などにおいて発生する。これら腐食誘導型の問題に対する現在の緩和（延命）技術としては、蒸気発生器の交換、劣化したチューブのプラッギング（目つぶし）、チューブの内側表面の電気メッキ、および劣化したチューブのスリービング（内張り）が含まれる。
蒸気発生器の交換は、抜本的な解決策ではあるが、莫大な資金と、何ヵ月、あるいは何年もの工場停止時間を要し、加えて、長期間に渡る工場停止に伴う付随する収益の損失も被る。劣化したチューブのプラッギングの場合は、チューブが使用から外され、蒸気発生器の効率が低減する。また、チューブをプラッギングできるか否かは、各蒸気発生器に対する運転上の経験に基づいて計算される“プラッギングマージン”に依存し、“プラッギングマージン”が全て消費されてしまうと、チューブをそれ以上プラッギングすると、蒸気発生器の容量が低減し、このため、工場全体のレーティングを落とすこと、つまり、低減された容量にて運転することが必要となる。
蒸気発生器のチューブをニッケルにて電気メッキする方法では、チューブは引き続いて使用することが許される。さらに、ニッケルメッキでは、小さな漏れが密封され、さらなる劣化も防止される。ただし、この方法では、チューブの構造上の保全性を回復することはできない。従って、電気メッキは、早期に検出された小さな割れについてのみ有効であり、チューブの強度が著しく劣化した後においては、修復は不能であるという制約を持つ。
スリービング（内張り）は、より高価な緩和（延命）技術であるが、チューブは、引き続いて使用することが可能である。スリービングは、蒸気発生器のチューブの損傷した部分内に、蒸気発生器のチューブの内径よりも少し小さな外径を持つ短なチューブ状のスリーブを挿入し、このスリーブをチューブに溶接することによって達成される。このスリーブは、通常は、チューブと同一の材料から作られ、事実上、チューブの損傷した部分を置換する。従って、この方法による修復では、チューブの構造上の保全性も回復できる。スリービングは、通常は、蒸気発生器の“プラッギングマージン”が尽きたときに遂行される。スリービングに対する一つのアプローチが、１９９１年１１月１９日付けで、William E.Pirlに交付された、参照することによってここに組み入れられる米国特許第5,066,846号において開示されている。この特許においては、スリーブは、チューブの内側に置かれたレーザ光線溶接ヘッドを使用して、チューブに溶接される。レーザ源からのレーザエネルギーは、光ファイバケーブルを通じて溶接ヘッドに導かれ、ここで、この光線は、密封型の鏡によって、スリーブの内側表面上に反射される。この溶接ヘッドは、チューブに沿っての、スリーブの片方の端の付近の、一つの軸線線位置内で回転し、レーザ光線によって十分な熱が供給され、スリーブは、スリーブ／チューブ境界面の付近で溶け、細い円周の帯状に、チューブに溶接される。この方法によって達成される溶接は、スリーブのベース金属とチューブが溶けて融合し、溶融プロセスの際に、追加のフィラー金属が供給されないために、当分野において、一般的に、自生溶法接とよばれるものに該当する。次に、溶接ヘッドが、スリーブの他端に位置決めされ、もう一つの自生溶接法が達成される。
スリービングは、こうして、チューブの構造上の保全性を回復することはできるが、ただし、幾つかの短所を有する。第一に、スリーブは、必然的に、チューブ通路の内径を低減し、蒸気発生器が稼働されたとき、チューブを通っての冷却液に対する圧力低下を増加させる。また、第一の修復がチューブの下側部分、例えば、チューブシートの所でなされた場合は、この第一のスリーブより上で発生したチューブの劣化のその後の修復は、第二のスリーブが既に取り付けらている第一のスリーブを通って挿入することができないために、不可能となる。加えて、スリーブの両端の所での自生溶接は、通常は、フィラー金属を加えることなくスリーブの端の所で高品質の隅肉溶接を達成することは非常に困難であるために、チューブの端から後退した所で行なわれる。そして、溶接がスリーブの端から後退した所で行なわれるために、スリーブの端と溶接部分との間の領域の、スリーブとチューブの間に、クレバスが残される。さらに、溶接部自身は、細い円周の帯状であるために、スリーブのこの帯と帯の間の外側エリアは、チューブとの間にクレバスを形成する。そして、元の修復を必要としたチューブの損傷、例えば、割れ、あるいはピンホールのために、このクレバスに水が浸入するのが可能となる。これらクレバス領域は、蒸気発生器が再び稼働されたとき、再び、様々な形態の腐食が可能となる。
損傷したチューブを修復する目的で、スリーブを使用することなく、チューブの内側で連続自生溶接を使用することが試みられている。ただし、これらの試みは、損傷の原因となった腐食が、酸化された表面を残し、自生溶接が使用された場合、この酸化表面が、きず、あるいは、空隙を作ることから、失敗に終わっている。ところで、溶接プロセスにおいてフィラー材料を使用することができれば、このフィラー材料に、脱酸素剤および粘度調節剤を加えることによって、自生溶接と関連する傷（不連続）および空隙を阻止することが可能になると考えられる。さらに、フィラー材料を使用すると、チューブの壁の厚さを増加することが可能であり、この新に溶接された堆積層を代替として、損傷したチューブ壁の構造上の保全性を完全に回復することが可能であると考えられる。
上述から、ＰＷＲ原子力発電所の将来の需要を満たすために、改良された緩和技術が必要とされていることが明らかである。運転の継続するために、チューブのプラッギングマージンが使い尽くされ、スリーブが許される限度（例えば、チューブの１０％以上）まで使い尽くされた場合は、終局的には、チューブがそれ以上の劣化したときは、蒸気発生器を交換すること、発電所の評価を下げること、あるいは設備を閉鎖することが必要となるが、このような状況に至り、発電所の寿命が終わるまで、低コストにて、チューブの寿命を少しでも長く延ばすための代替の修復技術が必要とされている。
発明の要約
本発明は、チューブの内側表面をクラッド溶接するためのレーザ溶接装置に関する。本発明の装置は、光ファイバケーブルを収容する回転スリーブを含む。固定レーザによって、回転スリーブによって遂行される溶接動作のためのエネルギーが生成される。光学カプラーがレーザと回転スリーブとの間に置かれる。回転ケーブルインタフェースアセンブリは、固定光学アセンブリからの平行にされ、集束された光エネルギーを受け、これを回転スリーブの光ファイバケーブルに供給する。光ファイバケーブルは、次に、この光エネルギーを、チューブの内側表面に供給し、この光エネルギーがクラッド溶接を達成するために使用される。回転ケーブルインタフェースアセンブリは、同心方向整合デバイス、並びに、固定光学アセンブリと回転ケーブルインタフェースアセンブリとの間の整合に関する光学フィードバック（信号）を生成するためのモニタ空洞を含む。回転ケーブルインタフェースアセンブリは、安全光ファイバ、および付随する安全光ファイバ光電池を含むように構成することもできるが、光電池は、レーザからの過剰な光エネルギーが使用されていないか評価するために使用される。
【図面の簡単な説明】
図１は、加圧水型原子力発電所において使用される典型的な蒸気発生器の立断面図である。
図２は、蒸気発生器のチューブ内に置かれた、フィラー金属として予め位置決めされたフィラーワイヤのコイルを使用する、レーザクラッド溶接修復装置の一つの実施例の断面図である。
図３は、蒸気発生器のチューブ内に、チューブ支持プレート近傍に置かれた、レーザクラッド溶接装置のもう一つの実施例の略断面図である。
図４は、蒸気発生器のチューブ内に置かれた、クラッド溶接されるべき領域のすぐ上に予め位置決めされたフィラー金属ワイヤのコイルを使用する、代替実施例の断面図である。
図５は、本発明に従って利用される回転装置の側面図である。
図６は、図５の回転装置の回転スリーブの端に取り付けられた回転溶接ヘッドの側断面図である。
図７は、くさび型プリズムにて実現されたレーザエネルギー方向修正アセンブリの側面図である。
図８は、本発明に従って利用される代替の回転装置の側面図である。
図９は、図８の回転装置の回転スリーブの端に取り付けられた回転溶接ヘッドの側断面図である。
図１０は、カットされた光ファイバケーブルにて実現されたレーザエネルギー方向修正アセンブリの側面図である。
図１１は、曲げられた光ファイバケーブルにて実現されたレーザエネルギー方向修正アセンブリの側面図である。
図１２は、図８の装置との関連で使用することが可能な光学カプラーの側立面図である。
図１３は、図１２の光学カプラーの固定光学アセンブリの拡大側立面図である。
図１４は、図１２の光学カプラーの回転ケーブルインタフェースアセンブリの拡大側立面図である。
図１５は、安全光ファイバと対応する安全光ファイバ光電池を含む回転ケーブルインタフェースの拡大側断面図である。
図１６は、回転スリーブの端に取り付けられた、非回転保護鞘を含む回転溶接ヘッドの側断面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明は、熱交換器あるいは物質輸送システムなどのあらゆる分野において使用される腐食あるいは損傷した径の小さなチューブの修復に適用できる。本発明の装置および動作についての以下の詳細な説明は、一例として、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）原子力発電所における発電サイクルにおいて使用される蒸気発生器として知られている専用の熱交換器との関連で開示される。
図面の説明に入る前に、以下の複数の図面の全てにおいて、類似する参照番号は、類似する要素を示すことに注意する。
図１には、リターンタイプの典型的な蒸気発生器が示される。全体として参照番号１０として示されるこの蒸気発生器は、シェル１２、チューブネスト１４、チューブシート１６、水ボックス１８を含む。説明を明解にするために、“Ｕ”型のチューブ２０が一つのみ示されるが、チューブ束１４は、幾千もの個別の複数のチューブ２０から構成されることを理解されたい。水ボックス１８は、分離プレート２２によって、第一の入口セクション２４と出口セクション２６に分離される。動作において、熱くなった原子炉冷却液は、ノズル２８を通って、水ボックス１８の入口セクション２４に入る。次に、この冷却液は、入口セクション２４から、チューブ２０を通って、水ボックスの出口セクション２６へと流れ、その後、ノズル３０を通って、原子炉（図示せず）へと戻る。二次水は、ノズル４０を通って、シェル１２に入り、チューブ２０との接触によって加熱される。二次水が加熱されると、これは、沸騰し、蒸気を生成するが、この蒸気は、蒸気発生器１０の上部の所のノズル４２、４４を通って、シェル１２から出る。こうして生成された蒸気は、蒸気発生器（図示せず）に送られ、ここで、膨張され、発電機（図示せず）を駆動するために用いられる。
蒸気発生器内において、チューブ２０は、チューブシート１６に接続されるが、これは、チューブ２０をチューブシート１６に漏れどめ溶接することによって、あるいは、チューブをチューブシート１６内のチューブ開口内で膨張させることによって達成される。シェル１２の様々な高さの所に、チューブ支持プレート５０が置かれるが、これは、チューブ２０の通路のための内部を貫通する開口を持つ。チューブ支持プレート５０内のこれらの開口は、チューブ２０の外径よりも少し大きな直径を持ち、これによって、チューブが、これら支持プレート内を、垂直方向に、すべることができるようにされる。この相対的にすべることができる性質は、蒸気発生器１０が、現場に運ばれ、動作温度に向けて徐々に加熱されるときに示す熱膨張の差を収容するために必要である。上述したように、支持プレート５０とチューブ２０の間に形成されるクレビス、並びに、チューブ２０がチューブシート１６に取り付けられた所に形成されるクレビスは、腐食に弱く、この腐食の結果、チューブ２０は、劣化し、最終的には、チューブ２０が、破裂あるいは故障したりする
図２には、本発明によるレーザクラッド溶接修復装置の一つの実施例が断面図にて示される。この図は、小径のチューブの内側面をクラッド溶接するための、本発明の全体としての据付け、および使用法を示す。図には、蒸気発生器のチューブ２０がチューブ支持プレート５０を貫通する部分が示される。典型的には、チューブ２０の外側面と、支持プレート５０を貫通する開口の内径との間の間隙（クリアラン）は、０.２０〜０.３８mm（０.００８〜０.０１５インチ）の桁であり、このために、クレバス腐食が発生する環境が整っているといえる。この実施例においては、本発明の装置は、蒸気発生器のチューブ２０の内部に置かれ、また、フィラー金属として、予め位置決めされたワイヤのコイルが使用される。
レーザ１００が、損傷したチューブ２０を溶接するための熱源として使用される。レーザ１００としては、溶接のために通常に使用される任意のタイプのものを用いることができるが、ただし、より典型的には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが使用される。本発明においては、このようなレーザの一例として、Hobart Laser Products社製の２４００ワットの電力を生成するモデル２４００が使用される。レーザ１００は、光ファイバ１０２に接続されるが、光ファイバ１０２は、レーザ源１００によって生成されたレーザパワーを溶接ヘッド２００に導く。
溶接ヘッド２００は、円筒状の回転本体２０２を含む。回転本体２０２の内側には、鏡２０４が収容されるが、これは、回転本体２０２の軸線に対して、所定の角度に方位される。後に説明されるように、鏡２０４の代わりに、方向決め光学系を用いることも可能である。回転本体２０２の内部には、レーザ光線のための二つの通路があけられる。第一の通路２０３は、回転本体２０２の円筒軸線と同心円的に設けられ、回転本体の下側面からあけられ、鏡２０４の表面の所に終端する。第二の通路２０５は、回転本体２０２の円周（周辺）から径方向にあけられ、これも、鏡２０４の表面の所に終端する。こうして、回転本体２０２の下部から入ったレーザ光線は、鏡２０４から、径方向に、チューブ２０の内側表面へと反射される。
回転本体２０２の下部には、回転ジョイント２０６が接続される。回転ジョイント２０６は、上側の回転部分２０８と、下側の固定部分２１０を含み、これによって、溶接ヘッド２００の回転本体２０２が、自身の軸線を中心に回転できるようにされる。回転ジョイント２０６の固定部分２１０には、回転ヘッド駆動モータ２１２が接続される。駆動モータ２１２は、電気方式あるいは真空方式の、中空のシャフトを持つ、小型のモータであり、これは、溶接ヘッド２００の動作の際に回転本体２０２を回転するために必要とされる回転力を与える。
駆動モータ２１２の下部は、フレキシブルケーブル２１４に接続されるが、このフレキシブルケーブル２１４は、レーザ源１００に接続され、光ファイバ１０２を含む。ケーブル２１４は、さらに、電気方式が使用される場合は、駆動モータ２１２に電力を供給するための電気ワイヤ（図示せず）を含む。
溶接ヘッド２００を駆動するために真空方式のモータが使用される場合は、ケーブル２１４は、駆動モータ２１２を駆動するために真空チューブ（図示せず）を収容する。加えて、ケーブル２１４は、溶接の分野において熟達するものであれば当然理解できるように、最終的な溶接の晶質を向上させる目的で、遮蔽ガス、例えば、アルゴンあるいはヘリウムを送るための導管（図示せず）を含むこともできる。この遮蔽ガスは、専用のチューブあるいは導管を通じて送ることもできるが、ただし、最も一般的には、光ファイバケーブル、ワイヤ導管、およびスリーブの間の間隙を通じて強制的に送られる。このガスは、次に、溶接ヘッド内にあけられたガスを送るための穴を通じて、溶接点に向けて、分配される。
駆動モータ２１２は、上述のように中空のシャフトを持つために、レーザエネルギーは、駆動モータ２１２および回転ジョイント２０６を通り抜けて鏡２０４に到達することができる。駆動モータ２１２の中空のシャフト内には、フォーカス（集束）レンズ２１３および２１５が含まれる。これらレンズによって、通路の焦点距離が調節され、レーザエネルギーが、チューブ２０の内側表面上に集中される。当業者においては、レンズ２１３とレンズ２１５の間の距離を調節するための様々な方法が周知であるが、これらの様々な方法を用いて焦点距離を調節することにより、同一の溶接ヘッド２００を、異なる内径を持つさまざまなチューブに使用することが可能にされる。
溶接ヘッドの回転本体２０２の上部には、環状のベアリング２２０が搭載される。ベアリング２２０は、回転本体２０２に、相対的に回転運動ができるように、回転可能に接続される。回転ベアリング２２０と駆動モータ２１２には、板ばね２２２が接続されるが、これは、これらの遠方端に搭載されたシュー２２４を持つ。板ばね２２２は、シュー２２４を、溶接ヘッド２００の中央軸線から径方向に外側に押し付ける。こうして、シュー２２４は、チューブ２０の内壁と噛み合い、溶接ヘッド２００を、溶接ヘッドが動作している最中、チューブ２０の中央に保持する。ただし、シュー２２４とチューブ２０との間の摩擦は、比較的小さく、このために、溶接ヘッド２００は、溶接ヘッド２００を溶接動作のために正確に位置決めするために、チューブ内を、軸線方向に、簡単に移動することができる。
さらに、溶接ヘッドの回転本体２０２の上部の、かつ、環状のベアリング２２０の内側には、フィラーワイヤ供給モータ２３０が搭載される。フィラーワイヤ供給モータ２３０は、自動車産業などの業界において、不活性ガス遮蔽アーク溶接用途において以前から使用されている。従って、これらの構造および動作は、当分野において周知である。フィラーワイヤ供給モータ２３０は、中空のシャフトおよび複数の摩擦ホイール２３２を持つが、摩擦ホイール２３２は、ワイヤをつかみ、ワイヤを、中空のシャフト内に直線的に供給する。摩擦ホイールの回転軸線は、溶接ヘッドの回転本体２０２の回転軸線から、少しオフセットされ、このために、溶接ヘッドの回転本体２０２が回転すると、摩擦ホイールは、ホイールの接線方向に噛み合う表面の間に保持されたワイヤに直線方向の運動を与える。フィラーワイヤ供給モータ２３０の中空のシャフトは、モータ２３０の下側端の所で、フィラーワイヤガイド２３４と整合するように終端する。
フィラーワイヤガイド２３４は、溶接ヘッドの回転本体２０２内を貫通してあけられた通路である。フィラーワイヤガイド２３４への上側の入口は、回転本体２０２の上側表面の中央に位置され、ガイド２３４の下側の出口は、回転本体２０２の側面の、かつ、レーザ光線経路２０５の径方向の出口のすぐ上の所に位置される。こうして、フィラーワイヤガイド２３４を通って供給されるワイヤは、溶接位置へと導かれる。ワイヤヘッド２００の上にフィラーワイヤ２４０が示される。
フィラーワイヤ２４０は、チューブ２０と類似する材料から作られる。好ましくは、チューブ材料よりも高いクロム含量を持つInconel（登録商標）合金が、腐食割れに対する耐性を高めるに使用される。Inconel（登録商標）合金６２５、５２、あるいは７２を使用し、シリコンやチタンなどの脱酸素剤や粘度調節剤を加えることも可能である。
フィラーワイヤ２４０は、チューブ２０の内径と概ね一致する外径を持つコイルの形状に予め成形される。フィラーワイヤ２４０は、溶接ヘッド２００の動作の際に、コイル状にされたフィラーワイヤ２４０とチューブ２０の内側表面との間の摩擦によって所定の位置に保持される。
フィラーワイヤ２４０の下端は、フィラーワイヤ供給モータ２３０内の摩擦ホイール２３２を通ってフィラーワイヤカイド２３４内に入り、次に、溶接位置の所で、回転本体２０２の外側に出る。溶接ヘッド２００は、チューブ２０内の修復されるべき箇所に位置決めされる。溶接ヘッド２００は、光ファイバから来るレーザエネルギーの方向を、チューブ２０の内壁に対して径方向に向け変える。
以下では、本発明を用いてチューブの修復を達成するために使用される手続きおよび動作について説明する。最初に、フィラーワイヤ２４０が、コイルの外径がチューブ２０の内径と概ね一致するようなコイル状に成形される。フィラーワイヤ２４０の下端が、まず、コイルの中心に向けて曲げられ、次に、コイルがチューブ内に挿入されたとき、下端がチューブ２０の中心線に来るように、下方に向けて曲げられる。フィラーワイヤのコイルが次にチューブ２０内に挿入され、意図される溶接による修復箇所の少し上の位置まで押し込められる。フィラーワイヤのコイルは、チューブ２０の内径よりも少し小さな外径を持つフレキシブルな中空のホースを使用することによって、その形状を変形させることなく、チューブ内を移動させることもできる。
フィラーワイヤのコイルを所定の位置に位置決めした後に、溶接ヘッド２００が、ワイヤ供給モータ２３０を先頭に、チューブ２０内に挿入される。溶接ヘッド２００の挿入に当たっては、最初に、シュー２２４が径方向に内側に押され、次に、溶接ヘッド２００がチューブ２０内に挿入される。溶接ヘッド２００は、次に、チューブ２０内を、供給ケーブル２１４を用いて、溶接ヘッド２００が修復位置に達するまで押される。溶接ヘッドが適当な位置に到達した時点で、最初に挿入されたフィラーワイヤ２４０のコイルの先端は、ワイヤ供給モータ２３０の中央に送られ、摩擦ホイール２３２によって噛まれた状態となる。別の方法として、フィラーワイヤのコイルは、溶接ヘッドの上部に搭載された円筒内に収容し、溶接ヘッドとフィラーワイヤの両方を、同時に、チューブ内に挿入することも可能である。
溶接を開始するためには、電気方式あるいは真空方式によるパワーが、駆動モータ２１２に加えられ、これによって、溶接ヘッドの回転本体２０２が回転させられる。この溶接ヘッドの回転本体２０２の回転により、フィラーワイヤ供給モータ２３０によってフィラーワイヤ２４０が、チューブ２０の内壁へと供給される。同時に、レーザ源１００がオンされ、レーザエネルギーが、光ファイバ１０２および鏡２０４を介して、チューブ２０の内壁に送られる。溶接ヘッド２００は、チューブ２０内で、ケーブル２１４を引っ張ることによって、軸線方向に移動することができる。別の方法として、当業者において周知のように、回転溶接本体２０２と環状のベアリング２２０との間に、精密なねじ接続を用いることにより、溶接動作の際に、溶接ヘッドの回転本体２０２を、軸線方向に、一様に進めることも可能である。こうして、溶接ヘッドの回転本体２０２が回転するのに伴って、チューブ２０のベースメタルが溶け、同時に、フィラーワイヤが、溶接の位置に供給され、フィラーワイヤが溶け、クラッド溶接が達成される。
図３には、本発明によるレーザクラッド溶接装置のもう一つの実施例が略断面図にて示される。この実施例においては、前の実施例において使用されたフィラーワイヤ２４０の代わりに、溶接フィラー材料から成る薄板２５０が用いられる。この薄板に使用される溶接フィラー材料は、フィラーワイヤ２４０の場合について上に説明されたのと同様に、脱酸素剤あるいは粘度調節剤を含むこともできる。このフィラー金属の薄板２５０は、概ね０.０２５インチの厚さにされ、修復されるべきチューブセクションの長さと同一長の中空の円筒が形成されるように曲げられる。（フィラー金属の厚さは、要望される堆積層、つまり、クラッド層の厚さによって決定される）。こうして形成される円筒の外径は、チューブ２０の内径と概ね等しくされ、このために、この円筒のフィラー材料は、ワイヤコイル２４０の場合について上に説明されたのと同様な方法にて、予め所定の位置に位置決めすることが可能である。
円筒のフィラー材料が所定の位置に置かれた後に、溶接ヘッド２００がチューブ内に挿入され、溶接が、前の実施例と同様な方法にて達成される。この溶接の結果として、一様なクラッド層が得られる。チューブの内径は、たった、１.２７mm（０.０５０インチ）小さくなるのみである。より詳細には、溶接の進入の深さは、概ね０.５６mm（０.０２２インチ）であり、結果として、１.１９mm（０.０４７インチ）の厚さのクラッドの形成され、かつ、薄板２５０とチューブ２０との間には、優れた結合が達成される。この１.１９mm（０.０４７インチ）の厚さのクラッド層によって、元は、公称上、１.０７mm（０.０４２インチ）の厚さを持つチューブの、壁厚と、構造上の保全性が、完全に回復される。勿論、進入の深さと、クラッドの厚さは、選択される溶接パラメータ（レーザ出力、前進速度、ピッチ、フィラー材料の薄板の厚さなど）によって支配されることを理解できるものである。
次に、図４との関連で、本発明の第三の実施例について説明する。図４には、蒸気発生器のチューブの内に置かれた、クラッド溶接されるべき領域の直ぐ上に予め位置決めされたフィラー金属のワイヤから成るコイルを使用する、本発明によるレーザクラッド溶接修復装置のもう一つの実施例が略断面図にて示される。この実施例においては、溶接ヘッド２００は、中空の、ねじ山のついたロッド３００から成り、鏡２０４は、上部に、所定の角度、例えば、４５度の角度に搭載される。ロッド３００は、円形で、内側にねじ山のついた上端プレート３０２内にねじ込まれる。ロッド３００の下端は、駆動モータ２１２のための電気子３０４として機能する。上端プレート３０２は、ガイドロッド３１０によって、座金状の下端プレート３０６に接続される。下端プレート３０６と上端プレート３０２は、チューブ２０内に、板ばね２２２と、シュー２２４によって保持される。ガイドロッド３１０は、“Ｔ”状の断面を持ち、ロッド３００の軸線に平行に、中央フランジ（縁）が、溶接ヘッド装置２００の中央に向って内側を向くように設置される。モータ２１２の固定子３１２は、両側に、細長い溝３１４を持ち、これによって、ガイドロッド３１０の端が受けられる。モータの電気子３０４の下部は、回転ジョイント２０６に取り付けられ、回転ジョイント２０６は、ケーブル２１４に取り付けられる。
動作においては、フィラーワイヤ２４０から成る堅く巻かれたコイルが、チューブ２０内の、クラッド溶接されるべき領域の直ぐ上の所に、予め位置決めされる。次に、溶接ヘッド２００が、チューブ内に、鏡２０４が、フィラーワイヤ２４０の上部の少し上にくるように挿入される。レーザエネルギーが、溶接ヘッド２００に供給され、モータ２１２が付勢されると、ロッド３００と鏡２０４が回転し、レーザエネルギーが、フィラーワイヤのコイル２４０に向けられる。加えて、ロッド３００のねじ山と、上端プレート３０２のねじ山とが噛み合い、結果として、溶接光線は、コイル状にされたワイヤ２４０に沿って、回転速度と同期された速度にて、軸線方向の下向きに進む。ロッド３００のこの軸線方向の運動を収容するために、モータの固定子３１２は、ガイドロッド３１０に沿って滑るが、ただし、これは、ガイドロッド３１０のエッジと噛み合う溝３１４によって、回転することは阻止される。こうして、レーザ光線が回転しながらチューブ内を軸線方向に進行し、この結果として、フィラーワイヤのコイル２４０が、溶かされ、チューブ２０の内側表面に一様なクラッド溶接が形成される。
図５には、損傷したチューブ２０を修復するために、回転装置３２０が使用される本発明のもう一つの代替実施例が示される。この実施例においては、図２から図４の実施例において利用された回転ヘッドの駆動モータ２１２と付随する回転ジョイント２０６の代わりに、複数の回転要素が使用される。より詳細には、回転溶接ヘッド３２２が、回転スリーブ３２４の端に取り付けられる。回転駆動機構３２５によって回転スリーブ３２４が回転される。
回転駆動機構３２５は、同時に、フィラーアセンブリ３２６を回転させるが、フィラーアセンブリ３２６は、フィラー金属容器３２８と、フィラー金属供給システム３３０を含む。フィラー金属容器３２８は、溶接されるべきフィラー金属を保持する。一般的には、フィラー金属容器３２８は、フィラー金属ワイヤのリールの形式を持つ。フィラー金属供給システム３３０は、フィラー金属を受け取り、これを、回転スリーブ３２４内のフィラー通路に送る。回転スリーブ３２４とフィラーアセンブリ３２６は、同期して回転するために、フィラー金属は、からむことはない。
フィラー金属供給システム３３０は、フィラーアセンブリのスリップリング３３２を通じてパワーを得る。フィラーワイヤ供給モータの速度は、変化させることができ、これによって、フィラーワイヤの供給速度をさまざまに変化させてクラッドの厚さを制御したり、あるいは、レーザ出力のレベル、進行速度、回転ピッチ、その他の要因の、変動を収容することが可能である。
回転装置３２０は、さらに、ガスカプラー３３６を含むが、これは、ガス源３３８に接続される。回転スリーブ３２４は、回転光ファイバケーブル３４０を含む。レーザ３３４は、固定光ファイバケーブル３４３にエネルギーを供給する。レーザエネルギーは、固定光ファイバケーブル３４３から、回転光ファイバケーブル３４０に、光学カプラー３４２を通じて送られるが、光学カプラー３４２のこの好ましい実施例についは後に説明される。
回転装置３２０は、縦軸線に沿って、シャフト３５１上に搭載された、軸線方向駆動システム３５０によって移動される。ガイドロール３４９が、回転スリーブ３２４を所定の位置にガイドするために使用される。コンピュータによるコントローラ３５３が、回転装置の駆動機構３２５、軸線方向駆動システム３５０、およびフィラー金属供給システム３３０の動作を制御するために用いられる。より詳細には、コンピュータによるコントローラ３５３が、回転装置の駆動機構３２５の速度、軸線方向駆動システム３５０の位置、および、フィラー金属供給システム３３０のフィラー供給速度を設定するために用いられる。
次に、回転溶接ヘッド３２２の拡大断面図を示す図６との関連で、回転装置３２０の動作について説明される。回転溶接ヘッド３２２は、フィラー通路３８６を形成する本体３８０を含む。“ワイヤ導管”とも呼ばれるフィラー通路３８６は、回転スリーブ３２４の全長を通じて延びる。フィラー３８８は、フィラー金属供給システム３３０から、フィラー通路３８６を通って本体の開口３９４に強制的に送られる。レーザエネルギーは、本体の開口３９４を通じて送られ、フィラー３８８を溶接する。ガス導管３８９によって、遮蔽ガスが溶接ヘッド３２２に送られる。好ましくは、ガス導管３８９は、ガスを開口３９４に、複数の位置から分配する分配チャネル（図示せず）内に終端される。
図６には、さらに、回転溶接ヘッド３２２の本体３８０内に置かれた回転光ファイバケーブル３４０が示される。回転光ファイバケーブル３４０は、回転スリーブ３２４の全長を通じて延び、回転スリーブ３２４に付着される。
回転光ファイバケーブル３４０は、レーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２の所に終端する。本発明のこれまでに説明された実施例においては、このレーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２は、鏡２０４の形式にて開示された。代替として、このレーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２は、光学アセンブリとして形成することもできる。図７には、インプットレンズアセンブリ３９６、くさび型プリズム３９７、およびアウトプットレンズアセンブリ３９８を含む代替のレーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２が開示される。くさび型プリズム３９７は、レーザエネルギーの方向を変える機能を持つ。くさび型プリズム３９７は、鏡２０４によって得られるよりも高いレーザエネルギースループットを与える。
好ましくは、レーザエネルギーは、溶接表面に、非直角な角度にて、向けられる。従来の技術によるデバイスは、鏡を使用し、レーザエネルギーを、レーザエネルギーが溶接表面に直角に入るように向ける。ただし、このような構成では、レーザの反射エネルギーによって、入りレーザエネルギーが妨害を受ける。加えて、従来の技術では、プラーム（柱）とスパッタ（はね）が形成され、光学アセンブリの損傷を防ぐために、これらを除去することが必要とされた。レーザエネルギーが、溶接されるべき表面２０に、図７に示されるように、例えば、４５°にて当てられた場合は、レーザの反射エネルギーによって、入りエネルギーが妨害を受けることはない。
図８には、本発明のもう一つの実施例が示される。図８の実施例は、図５の実施例と概ね等しいが、ただし、回転スリーブ３２４内に、固定内側チューブ４０２が置かれる点が異なる。この固定内側チューブ４０２は、固定光ファイバケーブル３４３が、回転スリーブ３２４Ａが回転しても、固定されることを許す。換言すれば、図５の実施例とは異なり、図８の光ファイバケーブルは、回転しない。光ファイバケーブルが回転しないために、図５の光学カプラー３４２は、必要とされない。代わりに、固定内側チューブサポート４０４が使用される。
図９には、図８の装置との関連で使用することが可能な回転溶接ヘッド３３２Ａが示される。この図には、さらに、固定内側チューブ４０２の内側に置かれた固定光ファイバケーブル３４３が示される。回転スリーブ３２４Ａは、固定内側チューブ４０２のまわりを回転する。回転スリーブ３２４Ａは、ガス導管３８９を含む。回転スリーブ３２４Ａは、フィラーの通路として機能する加工された溝３８６Ａ（点線で示される）を含む。フィラーの通路３８６Ａは、回転スリーブ３２４Ａの全長を通じて延びる。フィラーの通路は、代替として、回転スリーブ３２４Ａの全長を通じて延びる小さなチューブとして形成することも可能である。このような実施例においては、レーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２は、回転スリーブ３２４Ａと共に回転し、レーザエネルギーを固定光ファイバケーブル３４３から受ける。
図１０には、方向修正アセンブリ３９２Ａのもう一つの実施例が示される。この実施例においては、光ファイバケーブル３４３Ａは、そのアウトプット端４０５の所で、くさび型を形成するように、斜めに切断される。この構造は、図７に示されるくさび型プリズムと同一の効果を与える。この実施例では、以前は、くさび型プリズムあるいは鏡を使用して実現された、レーザエネルギーの方向の修正を、これ無しに達成できる。レーザ光線は、ファイバ３４３Ａの所から、非直角な角度で出て、フォーカス（集束）レンズ４０６を通じて、溶接位置に向けられる。この設計では長所として、光学要素の数が低減され（例えば、コリメートレンズ、中間のフォーカス（集束）レンズ、および、くさび型プリズムが排除され）、従って、各界面の所でのエネルギー損失が低減され、また、光学ヘッドの総コストも低減される。
図１１には、もう一つの代替のレーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２Ｂが示される。この実施例においては、光ファイバケーブル３４３Ｂは、表面２０に対して所定の非直角な角度が得られるように曲げられる。光ファイバケーブル３４３Ｂからのレーザエネルギー出力は、フォーカス（集束）レンズ４０８を通じて、表面２０上の溶接位置に向けられる。方向修正アセンブリのこの実施例は、光学要素の数を削減し、従って、エネルギー損失を低減する。
図５〜１１の実施例は、Hobart Laser Products,Inc.,Livermore,Californiaから市販される１０６４ナノメートルの波長を持つHobart ２４００ワットレーザを使用して実現される。本発明において使用される光ファイバケーブルは、好ましくは、石英ガラスファイバから形成され、金属のフレキシブルな鞘内に収められる。ファイバの表面は、レーザビームの表面吸収を防止し、伝送を促進するために、反射コーティングを塗布される。光ファイバケーブルは、６００〜８００ミクロンのスポットサイズを持つ。回転スリーブ３２４は、ステンレス鋼、あるいは、フレキシブルな金属チューブから形成される。
回転スリーブ３２４は、１２.７mm（０.５インチ）の外径と、９.４mm（０.３７０インチ）の内径を持つ円形スリーブを用いて実現された。フィラーの通路３８６のサイズは、フィラーワイヤのサイズによって決定され、フィラーの通路３８６は、好ましくは、フィラーワイヤの直径よりも２５.４mm（１インチ）の数千分の一だけ大きくされる。一般的には、５.０８、６.３８、７.６２、８.８９ミリ（０.２０、０.２５、０.３０、および０.３５インチ）の直径のフィラーワイヤが利用される。
ガスカプラー３３６は、固定され、スリーブ３２４は、カプラー３３６内を自由に回転できるようにされる。ガスカプラー３３６は、スリーブ３２４の回転を許し、他方で、カプラー３３６内にガス圧を維持するために、Ｏ−リングが用いられる。スリーブ３２４は、この中に穴を持ち、ガスがガス源３３８からスリーブ３２４の内側に流れることができるようにされる。このガスは、次に、ガス導管３８９を通じて溶接ヘッド３２２に送られる。専用のガス導管３８９を使用する代わりに、光ファイバケーブル３４０、ワイヤ導管３８６、およびスリーブ３２４の間に、間隙を設けることも可能である。
回転装置の駆動機構３２５としては、好ましくは、ステッパモータが使用される。駆動機構３２５は、従来の技術、例えば、歯車あるいはベルトによって、回転スリーブ３２４とフィラーアセンブリ３２６に結合される。
軸線駆動システム３５０は、シャフト３５１上に搭載されたステッパモータを使用して実現される。水平あるいは平面方向の移動は、シャフト３５１を手操作にて位置決めすることによって得られる。ただし、代替の実施例においては、シャフト３５１は、回転装置３２０を、任意の選択されたチューブ２０の所に位置決めすることを可能にする、電動式の水平移動デバイス（図示せず）内に搭載される。
フィラー金属供給システム３３０としては、現存の溶接機において使用されるタイプのものを使用することができる。例えば、本発明は、ASTRO ARC,INC.,Sun Valley,Californiaから市販されるASTRO ARCワイヤ供給システムを用いて実現された。そして、フィラー金属供給システム３３０にパワーを与えるためには、Litton Poly-Scientific,Blacksburg,Virginiaから市販されるスリップリングモデルＡＣ４５９８が使用された。
図７のレーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２は、従来のレンズを用いて実現された。インプットレンズアセンブリ３９６によって、レーザ光線が平行にされ、平行な光線が形成される。インプットレンズアセンブリ３９６には、ウインドウレンズ３９６Ａ、焦点距離−２０ｍｍのレンズ３９６Ｂ、および焦点距離＋１０ｍｍのレンズ３９６Ｃが含まれる。くさび型プリズム３９７は、平行な光線を、曲げることにより（１０〜６０度、好ましくは、２０〜４５度、最も好ましくは、約３０度曲げることにより）、曲がった、平行な光線を形成する。こうして、曲がった、平行な光線は、焦点距離＋２０ｍｍのレンズ３９８Ａと、ウインドウレンズ３９８Ｂを含むアウトプットレンズアセンブリ３９８に運ばれる。アウトプットレンズアセンブリ３９８は、非常に高いエネルギー密度を持つ小さな直径の集束された平行な光線を形成する。この光線は、溶接箇所に最大の熱エネルギーを与え、これによって、フィラー材料とベースメタルの一部分を制御下で溶かす。レーザエネルギー方向修正アセンブリ３９２は、２４００ワット連続出力にて使用されたが、問題はなかった。これとの関連で、鏡を使用する従来のデバイスでは、通常、レーザエネルギーは、１０００ワットまでに制限される。
図９の固定内側チューブ４０２は、好ましくは、ステンレス鋼から作られる。図９の回転チューブ３２４Ａは、好ましくは、ステンレス鋼から作られる。固定内側チューブ４０２と回転チューブ３２４Ａとの間には、市販のNylon（ナイロン）あるいはTeflon（登録商標）が使用される。
図１２〜１４は、本発明において使用可能な光学カプラー３４２を示し、図１５は、光学カプラー３４２の一つの機能の代替実施例を示す。
図１２に示されるように（図５も参照）、光学カプラー３４２は、固定光ファイバケーブル３４３と、回転スリーブ３２４との間のインタフェース（接続）を形成するが、これは、回転光ファイバケーブル３４０を収容する。光学カプラー３４２は、固定光学アセンブリ４５２と、回転ケーブルインタフェースアセンブリ４５４を支持するベースプレート４５０を含む。
最初に、図１３に示される固定光学アセンブリ４５２について説明する。固定光学アセンブリ４５２は、光学ソケットアセンブリ４６０を含むが、これは、チューブあるいはセットの独立した台として実現される。好ましくは、固定光学アセンブリ４５２は、コリメーティングレンズアセンブリ４６２を含むが、これは、光線の発散を低減するための第一のレンズ４６４、球面収差低減レンズ４６６、光線の発散を低減するための第二のレンズ４６８、およびコリメーティングレンズ４７０を含む。固定光学アセンブリ４５２は、好ましくは、さらに、フォーカス（集束）レンズ４７２を含む。固定光学アセンブリ４５２のこれらのオプティクスは、レーザ光線４８２の光のエネルギーを、平行にし、集束する機能を持つ。当業者においては周知のように、この目的のために、様々な光学構成を使用することが可能である。
固定光学アセンブリ４５２は、好ましくは、軸線方向と、同心方向との独立した整合を得るための位置決めデバイスを含む。図１３には、光学ソケットアセンブリ４６０のための軸線方向搭載ステージ４７４が示される。軸線方向搭載ステージ４７４は、軸線方向整合デバイス４７６を使用して、回転光ファイバケーブル３４０と固定光ファイバケーブル３４３によって定義される軸線に沿って、位置決めすることができる。軸線方向整合デバイス４７６は、軸線歯車、あるいは類似する構造を、調節するためのねじ山付きのねじとして実現することもできるが、これらの多くが、当業者においては周知である。
図１３には、さらに、横方向サポート４７８が示されるが、これによって、回転光ファイバケーブル３４０と固定光ファイバケーブル３４３によって定義される軸線を横断する軸線に沿っての位置決めが行なわれる。さらに、横方向整合デバイス４８０が、軸線方向搭載ステージ４７４を、さらに、指定される横（同心）方向に位置決めするために用いられる。横方向整合デバイス４８０は、軸線歯車、あるいは同等な構造を、調節するためのねじ山付きのねじとして実現することができる。
図１４には、本発明の回転ケーブルインタフェースアセンブリ４５４の一つの実施例が示される。固定光ファイバアセンブリ４５２によって形成された集束された平行なレーザ光線４８２は、インタフェース受光構造４８７によって受光される。インタフェース受光装置の内側の、かつ、回転ケーブルインタフェースアセンブリ４５４の軸線に沿って、回転光ファイバケーブル３４０が置かれる。回転光ファイバケーブル３４０は、石英ガラスから成る単一フィラメントファイバであり、石英ガラスのクラッドを持つ。回転スリーブ３２４は、ポリマー被膜、緩衝層、およびポリエチレンカバーを含む保護金属鞘を含む。
回転ケーブルインタフェースアセンブリ４５４は、第一のインタフェースサポート４８４と、第二のインタフェースサポート４８６を含むが、両方ともベースプレート４５０に接続される。第一のインタフェースサポート４８４と、第二のインタフェースサポート４８６は、整合チューブ５０４によって包囲される搭載スリーブ５００を支持するために使用される。整合チューブ５０４は、それぞれ、第一のインタフェースサポート４８４と、第二のインタフェースサポート４８６内に置かれたセットのベアリング５０６Ａと５０６Ｂ内を回転する。整合チューブ５０４は、歯車５１０によって駆動される。整合チューブ５０４の位置は、セットの調節ねじ５０８Ａ、５０８Ｂ、５０８Ｃ、５０８Ｄによって調節される。本発明の一つの実施例においては、整合チューブ４０５の各端に、４つの整合ねじ５０８が与えられる。
名前が示すように、整合チューブ５０４は、光ファイバケーブル３４０の位置を、入りレーザ光線４８２と整合するために使用される。好ましくは、整合の精度が、搭載スリーブ５００の内側に置かれたモニタ空洞５０２を使用して測定される。光電池５１２が光学的にモニタ空洞５０２に接続される。光電池５１２は、モニタ空洞５０２内の光の量に比例する電圧を生成する。電圧（出力）信号は、導体５１６を通じて、スリップリング５１４に運ばれる。スリップリングは、光電池５１２の出力に対応する信号を生成するデジタル電圧計などの装置（図示せず）の固定片に接続される。光ファイバケーブル３４０から放射される光のレベルが、全ての回転位置に対して、最大であり、光ファイバケーブル３４０の出力が、全ての回転位置に対して、最大である場合に、適当な軸線方向および同心方向の整合が達成されたものとみなされる。整合ねじ５０８がこれを達成するために調節される。調節の過程において、軸線方向整合デバイス４７６および横（同心）方向整合デバイス４８０が使用される。
図１５には、本発明において使用が可能な回転ケーブルインタフェースアセンブリ４５４Ａの代替の実施例が示される。本発明のこの実施例は、安全光ファイバ５２０を含む。安全光ファイバ５２０は、溶接点の所で反射された光をモニタする。反射光は、安全光ファイバ５２０を通じて、光電池検出器に送られ、ここで分析される。検出された光のレベルが通常の動作を示さない場合は、レーザエネルギーは中断される。このモニタデバイスの使用は、光学要素内での光エネルギーの反射に起因する光学損傷を最小に押さえるために重要である。
安全光ファイバ５２０の使用は、固定溶接デバイスにおいては周知であるが、本発明は、安全光ファイバ５２０を、回転溶接装置に導入する。より詳細には、回転スリーブ３２４は、追加の光ファイバ５２０を収容する。この追加の光ファイバ５２０は、回転スリーブ３２４の全長を通じて伸び、回転溶接ヘッド３２２の所に終端する。回転スリーブ３２４の他端においては、完全光ファイバ５２０は、この実施例においては、モニタ空洞５０２内に置かれる安全光ファイバ光電池５２２の所に終端する。安全光ファイバ光電池５２２からの出力信号は、第二の導体５２４を通じて、スリップリング５１４に運ばれる。スリップリングからの信号は、次に、パワー伝送用の光ファイバ４８８との関連で説明されたような装置の固定片によって分析される。
図１５には、回転スリーブ３２４が、非回転保護鞘５３０内に収容されるのが示される。ベアリング５３２が、回転スリーブ３２４と、非回転保護鞘５３０との間に置かれる。非回転保護鞘５３０は、この中に置かれる回転スリーブ３２４と回転光ファイバケーブル３４０が損傷および磨耗するのを防止するための保護カバーを提供する。非回転保護鞘５３０は、また、軸線方向駆動機構が、非回転保護鞘５３０を直接につかみ、これによって、回転光ファイバケーブル３４０を所望の軸線位置に位置決めすることを可能にする。
図１６には、非回転保護鞘５３０内に収容された回転溶接ヘッド３２２が示される。好ましくは、ベアリング５３２が、回転溶接ヘッドの本体３８０と非回転保護鞘５３０との間に提供される。
典型的な実施例においては、ベアリング５３２が、回転溶接ヘッド３２２内と、回転スリーブ３２４に沿って、概ね１２インチの間隔で、提供される。代替の実施例においては、回転スリーブ３２４と非回転保護鞘５３０との間にグリースあるいは重油の潤滑剤が使用される。非回転保護鞘５３０は、ナイロンあるいはプラスチックから形成され、編んだステンレン鋼によって強化される。
非回転保護スリーブ５３０の多数のバリエーションが可能である。例えば、図１６には、ガス導管３８９が示される。代替として、このガス導管３８９は除去し、代わりに、ガスを、回転スリーブ３２４と非回転保護鞘５３０との間に形成される空隙５３４を通じて送ることも可能である。この構成では、ガスのための供給ヘッドが、回転溶接ヘッド３２２の所に提供される。
当業者においては、図１２〜１５のデバイスと関連するさまざまな長所を認識できるものである。第一に、このデバイスは、固定光ファイバケーブル３４３と回転光ファイバケーブル３４０との間の精密な整合を可能にする。この特徴は、光ファイバは、決して同一のものはなく、このために、生来的に光学上の整合ミスが生じるという事実の観点から、極めて重要であるが、本発明は、この問題を解決する。本発明は、また、回転装置内に安全光ファイバ５２０を導入するという利点を持つ。さらに、本発明の装置は、１００ＲＰＭを超える速度にて使用が可能である。
当業者においては、さらに、本発明の装置全体と関連する様々な利益を認識できるものである。最も基本的な機能として、本発明は、損傷したチューブを修復するための単純で簡単な方法を提供する。こうして、本発明は、蒸気発生器のチューブを、蒸気発生器の大規模な分解を必要とすることなく、修復することを可能にする。結果として、本発明は、蒸気発生器のチューブのプラッギング（亀裂の目つぶし）の必要性と、プラッギングの結果としての蒸気発生器の容量の損失、を最小限に押さえる。
本発明の一例としての実施例が解説されたが、当業者においては、ここに請求される発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明の実現におけるさまざまな設計上の変更および修正を考えられるものである。

Claims (11)

1. チューブの内側表面を溶接するためのレーザ溶接装置であって、
   光エネルギーを生成する固定レーザと、
   回転可能な光ファイバーケーブルを収容する回転スリーブと、
   固定レーザと回転スリーブの間に設けられた光学カプラーとを備えており、光学カプラーは回転ケーブルインターフェースアセンブリを有して、固定レーザから光エネルギーを受光するとともに、光エネルギーを回転スリーブの回転可能な光ファイバーケーブルに付与するようにし、回転ケーブルインターフェースアセンブリはフォトセルを有して、固定レーザと回転ケーブルインターフェースアセンブリを整合するようにした、レーザ溶接装置。
2. 前記光学カプラーは位置調整手段を有して、前記光エネルギーを回転可能な光ファイバーケーブルと位置的に整合させるようにした、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記回転ケーブルインターフェースアセンブリはモニター空洞を画定しているチャンバーを有している、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記フォトセルに電気接続されたスリップリングを更に備えて、前記出力信号を受信するようにした、請求項３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記モニター空洞内に設置された安全光ファイバーと、
   安全光ファイバーに光学接続された安全光ファイバーフォトセルとを更に備えている、請求項３に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記回転スリーブの周囲に設置された非回転式の保護鞘部材を更に備えている、請求項１に記載のレーザ溶接装置。
7. レーザ溶接装置は、
   光エネルギーを生成する固定レーザと、
   回転可能な光ファイバーケーブルを収容する回転スリーブと、
   固定レーザと回転スリーブの間に設置された光学カプラーとを備えており、
   該光学カプラーは、
   固定レーザから光エネルギーを受光して、平行な光エネルギーおよび収束した光エネルギーを生成するようにした非回転式の光学アセンブリと、
   非回転式の光学アセンブリから平行な光エネルギーおよび収束した光エネルギーを受光して、受光した光エネルギーを回転スリーブの回転可能な光ファイバーケーブルに付与するようにした回転ケーブルインターフェースアセンブリと、
   非回転式の光学アセンブリからの収束した光エネルギーが回転ケーブルインターフェイスアセンブリと交差する位置の軸線方向及び回転方向の位置を独立して変動させるようにした位置決め装置とを有している、
   レーザー溶接装置。
8. 前記位置決め装置は、
   前記非回転式の光学アセンブリを保持するようにした軸線方向搭載台と、
   軸線方向搭載台を軸線方向に位置決めするようにした軸線方向整合装置とを有している、請求項７に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記位置決め装置は、
   前記軸線方向搭載台の横断方向支持部材と、
   軸線方向搭載台を同心設置させるようにした横断方向整合装置とを有している、請求項８に記載のレーザ溶接装置。
10. 前記回転ケーブルインターフェイスアセンブリは、
    第１のベアリングを据えるための第１のインターフェイス支持部材と、
    第２のベアリングを据えるための第２のインターフェイス支持部材と、
    第１のベアリングおよび第２のベアリングの内部に設置された整合チューブと、
    整合チューブの内部に設置されたモニタースリーブとを有しており、モニタースリーブは回転スリーブの回転可能な光ファイバーケーブルを支持している、請求項７に記載のレーザ溶接装置。
11. 前記位置決め装置は、前記整合チューブの内部に設置されて前記モニタースリーブの同心位置を調整するようにした１組の整合ねじを有している、請求項１０に記載のレーザ溶接装置。

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