JP4363933B2 - 水中レーザ補修溶接装置及び水中レーザ補修溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば原子炉の炉内水中構造物などの部品に亀裂が発生した場合に、健全性回復のために水中にてレーザ光を照射して補修溶接を行なう水中レーザ補修溶接装置及び水中レーザ補修溶接方法に関する。

例えば、原子炉の炉内水中構造物などの部材に亀裂が発生した場合には、その部材全体を交換するか、あるいは亀裂発生部材に補強金具を設置するなどの方法が採られている。このような亀裂は、早期に補修することが必要であり、グラインダなどによって亀裂を完全に除去した後に肉盛溶接などにより補修を行なうことが望ましい。

しかしながら、原子炉の炉内水中構造物の中には強度に余裕があり、ある程度の亀裂を許容できる部位もあり、このような部位においては、亀裂のさらなる成長を抑制するため、亀裂を炉水から隔離することが有効である。そのためには、上記亀裂の表面開口部を肉盛溶接層により補修する必要がある。

一方、水中でも施工可能な補修溶接技術としては幾つかあるが、何れも溶接部近傍を局所的にドライにすることにより、水中における補修溶接を可能にしている。

ところで、加工点近傍の局所的なドライ環境を確保する方法としては、大量のシールドガスを供給し、加工点近傍をシールドするシールドガス法、高速の水を加工点の周囲に流す水カーテン法、溶接装置全体を覆うチャンバーを設置し、ドライな環境を確保するチャンバー法がある。

これらの方法は、いずれも一長一短があるが、その中でもシールドガス法は装置に組込むことが容易で、小型化が可能なため有利であるが、周囲環境の影響を最も受け易いため、安定したシールドの確保が求められる。

従来、シールドガス法をベースとして、シールドの安定性を高めた水中加工装置としては、水中ＴＩＧ溶接加工装置が知られている（特許文献１）。

図７は、この水中ＴＩＧ溶接加工装置の構成例を示す斜視図である。

図７に示すように、水中環境下にある被溶接材３４を溶接する場合、ＴＩＧ溶接電源４２は大気中に設置され、アーク４３が発生する溶接トーチ４４だけが水中に設置される。ここで、溶接トーチ４４及び溶接部４５は水と接触しないようにシールドガス３０で局部的に水が排除されている。この例では、シールド手段として約５ｍｍ厚さのカーボン繊維で織られたフェルト状の布からなる弾力性の高い固体壁４７とＡｒガスとの併用によるシールド法が用いられている。

このように構成された水中ＴＩＧ溶接加工装置においては、加工点近傍をドライな環境にすることにより、水中環境下でも安定した溶接が可能であるが、亀裂の表面開口部を肉盛溶接層により封止することは困難である。これは、亀裂内の水分までガスシールドによりドライにすることが困難なため、その水分が溶接時の熱により瞬間的に蒸発し、亀裂真上の溶接ビードの形成を阻害し、結果的に亀裂封止ができないと考えられる。
特開平７−１３２３７２号公報

このように従来の水中ＴＩＧ溶接加工装置においては、肉盛溶接層により亀裂の表面開口部を封止する、いわゆる亀裂封止ができないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、表面に開口部がある亀裂を有する水中構造物に対して、レーザ補修溶接の施工が可能で、且つ亀裂の表面開口部を封止することができる水中レーザ補修溶接装置及び水中レーザ補修溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により水中レーザ補修溶接装置を構成し、この装置を用いて水中補修を行なうものである。

本発明は、レーザ発振器及びシールドガス供給源に接続され、溶接ワイヤの供給源と供給系、レーザ光を集光する光学系を有する水中溶接ヘッドを備えて水中構造物の被溶接部を補修溶接する水中レーザ補修溶接装置において、前記水中溶接ヘッドの先端に取付けられたノズル部に、水中構造物の被溶接部に向けてレーザを照射するとともにホースを介してシールドガスをレーザ光と同軸に供給するノズル中央穴と、このノズル中央穴に隣接して設けられ、被溶接部のレーザ光未照射部位表面に対してシールドガスを噴出する先行穴とを設けてなり、かつこの先行穴から噴出されるシールドガスは、ノズル中央穴のホースとは別系統のホースによって供給され、かつ被溶接部のレーザ光未照射部位表面の亀裂の内部に存在する水を除去するように噴出されるよう設定される。

本発明は、表面に開口部がある亀裂を有する構造物に対して上記水中レーザ補修溶接装置を用いて水中で補修溶接を施す方法であって、水中溶接ヘッドの先行穴からシールドガスを噴出して構造物表面の亀裂の内部に存在する水を除去する工程と、構造物表面のうち亀裂の内部の水を除去した部位に対して、水中溶接ヘッドのノズル中央穴からレーザ光を照射するとともにシールドガスをレーザ光と同軸に供給する工程とを有する。

本発明によれば、先行ガスにより亀裂内部の水を排除するようにしたので、表面に開口部がある亀裂を有する水中構造物に対して、レーザ補修溶接の施工が可能で、且つ亀裂の表面開口部を封止することができる水中レーザ補修溶接装置及び水中レーザ補修溶接方法を提供できる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明による水中レーザ補修溶接装置の第１の実施形態を示す斜視図である。

図１において、１は原子炉の外部に設置されたレーザ発振器、２はこのレーザ発振器１と共に設けられたシールドガス供給源である。

水中レーザ溶接ヘッド３はこれらレーザ発振器１及びシールドガス供給源２に接続された光ファイバ４及びホース５を同軸的に設けたケーブル６の先端部に結合され、且つ水７中に没入されている原子炉５１の炉内構造物の予定位置に吊下げられるものである。

上記水中レーザ溶接ヘッド３は、図２に示すようにヘッド本体３ａとこのヘッド本体３ａに繋がるガイド部３ｂとを有し、このガイド部３ｂの先端にその軸方向と直交する方向に連通させて円盤状のノズル２０が取付けられている。

ヘッド本体３ａには、図３（ａ），（ｂ）に示すようにリール１５、圧接ローラ１６及び図示しない小型モータとを備え、ガイド部３ｂの外周面に軸方向に沿って配設されたワイヤ供給パイプ１８とこのワイヤ供給パイプ１８の先端にろう付け接合されたワイヤチップ１９とを通してノズル２０側へ向けて溶接ワイヤ１３を供給するワイヤ供給装置１４が内蔵されている。

また、ガイド部３ｂには、その上部に複数枚のコリメータレンズ９、下部に集光レンズ１０および反射ミラー１１を備え、光ファイバ４を通してヘッド本体３ａ内に導入されたレーザ光３３をノズル２０側へ送光する光学系１２が内蔵されている。

さらに、円盤状のノズル２０には、図３（ｂ）に示すように中心部にレーザ光３３を構造物の被溶接部３４に向けてレーザ光を照射すると共に、シールドガス３０を噴出する中央穴２１が設けられ、さらにこの中央穴２１とは別に溶接の進行方向にシールドガスの先行穴２２が設けられている。この場合、先行穴２２にはシールドガス供給源２に接続された前述したケーブル６内のホースとは別系統のホース３５（図２に示す）が接続される。また、先行穴２２の形状としては、図４（ａ）に示すようにＹ字形のスリット、同図（ｂ）に示すように直線状のスリット、同図（ｃ）に示すように円又は楕円状の丸穴があるが、シールドガスを溶接ビードに直接吹付けず、比較的長時間にわたって亀裂内部の水分を排除する上ではＹ字形のスリットが最も好ましい。

このような構成の水中レーザ補修溶接装置において、表面に開口部がある亀裂を有する炉内水中構造物に対して、亀裂の表面開口部を補修するには、まず原子炉の上方外部に設置されたレーザ発振器１及びシールドガス供給源２に接続されたケーブル６を炉内構造物５１の予定位置に吊下し、この状態でレーザ補修溶接が開始される。

まず、レーザ発振器１から出力されるレーザ光が、ケーブル６内の光ファイバ４を通して水中レーザ溶接ヘッド３のヘッド本体３ａに伝送されると、このレーザ光３３はガイド部３ｂ内の複数枚のコリメータレンズ９により平行光として伝送され、溶接箇所近傍で集光レンズ１０により集光され、最後に反射ミラー１１で反射されて円盤状のノズル２０の中央穴２１より被溶接部３４の表面に照射される。

また、ヘッド本体３ａ内の設けられたワイヤ供給装置１４より供給される溶接ワイヤ１３は、小型モータにより駆動される圧着ローラ１６によりワイヤ供給パイプ１８の中に送り出され、このワイヤ供給パイプ１８を通ってワイヤチップ１９から被溶接部３４に供給される。

このときシールドガス供給源２からシールドガス３０がケーブル６内の光ファイバー４と同軸のチューブ５を通してヘッド本体３ａに流入し、レーザ光３３と同様にガイド部３ｂ内を通してノズル２０の中央穴２１より被溶接部３４の表面に供給される。

このようにして、被溶接部３４に対してレーザ光３３を照射すると同時に、シールドガスを吹付け、且つワイヤ供給装置１４より溶接ワイヤ１３の供給を受けながらレーザ溶接が行なわれるが、その際に図３（ｂ）に示すように円盤状のノズル２０に溶接方向の前方に向けて設けられた先行穴２２から前記中央穴２１より吹出される中央ガス３１とは別系統から供給される先行ガス３２により、亀裂内部の水を吹飛ばしながらレーザ溶接を行なう。

この亀裂内部の水は、レーザ光３３と同軸のシールドガス３０もガス流量を増加させることにより、亀裂内部の水を排除することが可能であるが、溶接ビードの形成を乱すため、中央穴２１からのシールドガス３０の供給過剰は好ましくない。

本実施形態のように中央穴２１より吹出される中央ガス３１に先行して被溶接部３４の溶接方向に先行ガス３２を吹付けながら溶接を行なうことにより、中央ガス３１を増加させず、溶接ビードの形成を阻害せずに、亀裂内部の水を排除することが可能となり、亀裂の開口部を肉盛溶接層により封止することができる。

図５（ａ）は、本発明による水中レーザ補修溶接装置の第２の実施形態における水中レーザ溶接ヘッドを示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図で、図３（ａ），（ｂ）と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第２の実施形態は、図５（ａ），（ｂ）に示すようにヘッド本体３ａに繋がるガイド部３ｂの先端に取付けられた円盤状のノズル２０の外周部に、被溶接部３４を囲み且つ被溶接部側を開口した直方体からなる箱体２４とこの箱体２４の開口端部に被溶接面と接触可能に取付けられたシリコンゴムなどの弾性体２５からなるシールドボックス２６を設けるようにしたものである。

なお、シールドボックス２６の形状としては、円筒状または円錐台形状などであっても良い。

このようにノズル２０の外周部に箱体２４およびその開口端部に取付けられた弾性体２５からなるシールドボックス２６を設けることにより、レーザ溶接時に被溶接部３４の水を排除して被溶接部３４付近のシールドを確保することができる。また、先行穴２２からの先行ガス３２が供給されてから、中央穴２１からの中央ガス３１が供給されるまでのわずかの間に、先行ガス３１により亀裂内部から排除した水７が再度亀裂内部に侵入することがあるが、対象となる亀裂の周囲をシールドボックス２６で覆うことにより、水７の亀裂への再浸入を防ぐことができる。

また、上記弾性体２５として用いたシリコンゴムは透明であり、多くのレーザ光３３を透過するため、溶接時の反射光がシリコンゴムに直接あたっても吸収されず、シリコンゴムの劣化が少ない。

上記実施形態では、弾性体２５としてシリコンゴムを用いたが、このシリコンゴムに代えてフッ素ゴムを用いてもシールドボックス２６によるシールド確保や水の再浸入阻止は可能である。ただし、フッ素ゴムは不透明であり、シリコンゴムに比べて溶接時の反射光があたると吸収されるため、フッ素ゴムの劣化が進む傾向にある。

弾性体２５として用いられるシリコンゴムまたはフッ素ゴムの内面に金をコーティングすることにより、劣化を防止できる。

さらに、上記実施形態では、シールドボックス２６として箱体２４の開口端部に弾性体２５を取付けるようにしたが、この弾性体２５の形状およびその取付け構造として、図６（ａ）に示すように箱体２４の胴部を肉厚にし、この胴部に環状溝を形成し、この環状溝に被溶接部３４側にテーパ状に広がる環状弾性体２５を嵌め込んで取付けるようにしてもよい。

弾性体２５の粘着性が高い場合、被溶接部３４と密着するため、水中レーザ溶接ヘッド３を移動しようとしても、移動しにくくなることがある。

この場合には、図６（ｂ）に示すように箱体２４の胴部を肉厚にし、この胴部に二重の環状溝を形成し、この二重の環状溝に断面Ｕ字形の環状弾性体を嵌め込んで、そのＵ字状部の先端曲面部を被溶接面に接触させる。このようにすれば、弾性体２５と被溶接部３４の間の接触している面積が減少し、水中レーザ溶接ヘッド３の移動がし易くなり、かつ被溶接部３４付近のシールドを確保することも可能である。

このように本実施形態によれば、先行ガスとシールドボックスとの作用により、亀裂内部の水を排除し、さらに水の亀裂内部への再侵入を防止することが可能となるので、亀裂の開口部を肉盛溶接層により封止することができる。

なお、上記各実施形態では、原子炉の炉内水中構造物の被溶接部をレーザ補修溶接する場合について述べたが、本発明は炉内水中構造物以外の水中構造物のレーザ補修溶接にも前述同様に適用実施できることは言うまでもない。

本発明による水中レーザ補修溶接装置の第１の実施形態を示す斜視図。 同実施形態における水中レーザ溶接ヘッドの外観を示す斜視図。 （ａ）は同実施形態における水中レーザ溶接ヘッドの内部構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。 （ａ）〜（ｃ）は同実施形態における円盤状ノズルに設けられる異なる先行穴の形状をそれぞれ示す図。 （ａ）は本発明による水中レーザ補修溶接装置の第２の実施形態における水中レーザ溶接ヘッドの内部構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。 （ａ），（ｂ）は同実施形態における円盤状ノズルに取付けられる弾性体の形状とその取付け構造を説明するためのタ洗面図。 従来の水中ＴＩＧ溶接加工装置の構成例を示す斜視図。

符号の説明

１…レーザ発振器、２…シールドガス供給源、３…水中レーザ溶接ヘッド、３ａ…ヘッド本体、３ｂ…ガイド部、９…コリメータレンズ、１０…集光レンズ、１１…反射ミラー、１４…ワイヤ供給装置、１５…リール、１６…圧接ローラ、１８…ワイヤ供給パイプ、１９…ワイヤチップ、２０…ノズル、２１…中央穴、２２…先行穴、２４…箱体、２５…弾性体、２６…シールドボックス、３０…シールドガス、３１…中央ガス、３２…先行ガス、３３…レーザ光、３４…被溶接部、４２…ＴＩＧ溶接電源、４３…アーク、４４…溶接トーチ、４５…溶接部、４７…固体壁。

Claims (7)

1. レーザ発振器及びシールドガス供給源に接続され、溶接ワイヤの供給源と供給系、レーザ光を集光する光学系を有する水中溶接ヘッドを備えて水中構造物の被溶接部を補修溶接する水中レーザ補修溶接装置において、
   前記水中溶接ヘッドの先端に取付けられたノズル部に、水中構造物の被溶接部に向けてレーザを照射するとともにホースを介してシールドガスをレーザ光と同軸に供給するノズル中央穴と、このノズル中央穴に隣接して設けられ、被溶接部のレーザ光未照射部位表面に対してシールドガスを噴出する先行穴とを設けてなり、
   かつこの先行穴から噴出されるシールドガスは、ノズル中央穴のホースとは別系統のホースによって供給され、かつ被溶接部のレーザ光未照射部位表面の亀裂の内部に存在する水を除去するように噴出されるよう設定されたことを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
2. 請求項１記載の水中レーザ補修溶接装置において、前記ノズル中央穴、前記先行穴及び前記ノズルの外周部に弾性体で溶接箇所を囲むシールドボックスを具備することを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の水中レーザ補修溶接装置において、前記先行穴は、直線状のスリット、Ｙ字形のスリット、円形又は楕円形の丸穴のいずれかの形状であることを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
4. 請求項２記載の水中レーザ補修溶接装置において、前記弾性体として、シリコンゴム又はフッ素ゴムを用いることを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
5. 請求項２記載の水中レーザ補修溶接装置において、前記弾性体の内面に金をコーティングすることを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
6. 請求項２記載の水中レーザ補修溶接装置において、前記弾性体は、被溶接面に対してテーパ状に広がる環状体又は断面Ｕ字形の環状体に形成されることを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
7. 表面に開口部がある亀裂を有する構造物に対して請求項１乃至請求項６の何れかに記載の水中レーザ補修溶接装置を用いて水中で補修溶接を施す方法であって、
   水中溶接ヘッドの先行穴からシールドガスを噴出してこの構造物表面の亀裂の内部に存在する水を除去する工程と、
   構造物表面のうち亀裂の内部の水を除去した部位に対して、水中溶接ヘッドのノズル中央穴からレーザ光を照射するとともにシールドガスをレーザ光と同軸に供給する工程と
   を有することを特徴とする水中レーザ補修溶接方法。

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