JP4643379B2

JP4643379B2 - レーザ照射装置

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Publication number: JP4643379B2
Application number: JP2005199467A
Authority: JP
Inventors: 誠落合; 深長方; 英彦黒田; 崇広三浦; 健太郎土橋; 光明島村; 昌弘吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-07-07
Also published as: JP2007017299A

Description

本発明は、レーザ照射装置に係り、特に照射ヘッドに改良を加えたレーザ照射装置に関する。

例えば、原子力発電プラントの炉内構造物など、供与期間中に機器や構造材料の劣化を未然に防止する予防保全技術、あるいは万が一劣化が発生した後の補修、保全、劣化進展防止などの事後保全技術が、最近、特にその重要性を増している。

一方、これら保全技術に適用されるレーザ技術は、高いエネルギ密度、ピークパワー、可干渉性、直進性などを巧みに利用したものであり、材料表面の応力改善、溶体化処理、クラッディング、付着物除去、研磨、亀裂除去、溶接、切断等の材料の改質、または加工、亀裂、検出、亀裂寸法計測、応力計測、材料組成計測、距離計測、振動計測、形状計測、温度測定等の材料検査あるいは計測に採用されている。

このレーザ技術は、原理的に、対象物が高温、高所、高放射線場、複雑な形状部など接触が困難であったり、近接できず遠隔非接触の検査が求められる部分や位置等の場合に有効な技術手段である。

また、狭隘部、遮蔽物の内側、配管内面など、レーザビームを保全部分まで空間的に伝達することが難しい場合でも、光ファイバ技術は、効率的に行うことができるようになっている。

ところで、レーザ技術を用いた表面検査技術には、レーザ超音波法がある。

この技術は、パルスレーザ光を材料に照射した際に発生する弾性領域の歪みを利用して超音波を送信し、別途、材料に照射した受信用のレーザ光の干渉効果を用いて、その超音波を振動信号として計測するものであり、例えば非特許文献１に開示されている。

この技術によれば、送受信された超音波は、通常の接触型の素子で送受信した超音波と同じように、種々の亀裂検査や材料や材料計測に用いることができるようになっている。

また、レーザ超音波法を用いた欠陥探傷法には、例えば特許文献１が公開されている。

この公開された特許は、励起した超音波が亀裂により反射された反射エコーから亀裂を見つけ、見つけた亀裂に対し、レーザの送受信位置を挟み込むように、レーザを照射し、励起した超音波の減衰度合いから亀裂の深さを計測する構成になっている。

また、レーザ超音波法を用いた別の検査技術、例えば原子炉内構造物の円筒内面検査技術には、例えば特許文献２が公表されている。

この技術は、図１６に示すように、検査対象である細管等の円筒部ＣＹに光学系容器２、光ファイバ３等からなる照射ヘッド１を挿通し、円筒部ＣＹの内面に対し、送信レーザ光（超音波励起用レーザ光）Ｌ１と受信レーザ光（亀裂検査計測用レーザ光）Ｌ２の２本のレーザ光を円筒部ＣＹの同じ方向で、かつ円筒部ＣＹの軸方向に向って位置をずらして照射するようになっている。

照射された送信レーザ光Ｌ１、受信レーザ光Ｌ２のうち、送信レーザ光Ｌ１は、図１７に示すように、送信点Ｅで励起し、超音波を発生する。

送信点Ｅで励起し、発生した超音波のうち、短い伝播時間で受信点Ｒ（受信レーザ光Ｌ２の照射位置）に到達する直達表面波４ａは、円筒部ＣＹの軸方向に対し、周方向に発生する亀裂を検出している。

また、長い伝播時間で円筒部ＣＹを周回し、受信点Ｒに到達する周回表面波４ｂは、円筒部ＣＹの軸方向に発生する亀裂を検出している。

このように特許文献２に開示された技術では、２つの超音波信号が利用され、検査対象位置の亀裂が検査できるようになっている。
特開２０００−１８０４１８号公報特開２００５−４０８０９号公報山脇："レーザ超音波と非接触材料評価"溶接学会誌、第６４巻、ＮＯ．２，Ｐ１０４〜Ｐ１０８（１９９５）

亀裂の検査対象が上述のように円筒内面の場合、ノイズ、亀裂の深さ計測等、幾つかの問題を抱えている。

すなわち、亀裂の検査対象が円筒内面では、比較的閉じた空間になっているため、送信レーザ光Ｌ１による衝撃波など他モード超音波信号がノイズとして混在する。また、亀裂深さ計測する場合、送信レーザ光Ｌ１と受信レーザ光Ｌ２との２つのレーザ光で亀裂を挟み込むように照射しなければならないが、今までのように、同じ方向で、距離を離して照射するだけの送受信の位置になっていると、検査対象の軸方向に発生している亀裂に対し、亀裂を挟み込むことができず、亀裂の深さの計測が難しくなっていた。

また、内部に光学素子を収容する照明ヘッドの形状は、照射ヘッドの形状によっては検査対象である円筒内面に微小な曲り部分などがあると、照射ヘッドの検査対象である円筒部からの挿入、抜出しの際、作業効率が悪くなる等の問題点があった。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、ノイズの混入を防止し、検査対象の軸方向および周方向に発生する亀裂およびその深さを容易かつ正確に検出できるようにするとともに、照射ヘッドの挿入、抜出し作業を容易に行い得るようにするレーザ照射装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ照射装置は、上述した課題を解決するため、請求項１に記載したように、円筒状の検査対象を検査計測する受信レーザ光を検査対象内面に照射させる第１光学素子と、超音波を励起させる送信レーザ光を検査対象内面に照射させる第２光学素子と、前記第１光学素子と前記第２光学素子を収容する光学系容器とを備え、前記第１光学素子による前記受信レーザ光の反射方向と前記第２光学素子による前記送信レーザ光の反射方向とが検査対象の周方向に沿って異なる角度となるよう構成されたことを特徴とする。

本発明に係るレーザ照射装置は、検査対象の軸方向および周方向に発生する亀裂およびその深さを、容易かつ正確に検出することができる。

以下、本発明に係るレーザ照射装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第１実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、亀裂等の検査にあたり、例示として原子炉内に収容する細管等の円筒部ＣＹの内面を適用対象としている。

この円筒部ＣＹ内を挿通する照射ヘッド１０は、光ファイバ１１、光学系容器１２を備えている。

また、光学系容器１２には、円筒部ＣＹの軸方向に沿い、かつ距離を離し、レーザ光の進む方向に向って順に、ミラーを構成する第１光学系１３と、ミラーを構成する第２光学素子１４とが設けられている。

これら第１光学素子１３と第２光学素子１４は、レーザ光の照射位置を光学系容器１２の周方向に沿って互いがずれる位置に配置している。これら互いがずれる位置の角度θは、３０°≦θ≦６０°の範囲内に設定されることが好ましい。

このような構成を備えた照射ヘッド１０において、光ファイバ１１から伝播された送信レーザ光Ｌ１と受信レーザ光Ｌ２のうち、受信レーザ光Ｌ２は、第１光学素子１３で反射し、第１出口窓１５を経て円筒部ＣＹを照射する。

また、送信レーザ光Ｌ１は、第１光学素子１３を透過し、第２光学素子１４で反射し、第２出口窓１６を経て円筒部ＣＹを照射する。

なお、ミラーを構成する第１光学素子１３は、受信レーザ光Ｌ２だけを反射させ、送信レーザ光Ｌ１を透過させるコート層で被覆するとともに、反射した受信レーザ光Ｌ２が検査対象の円筒部ＣＹから戻されたとき、その戻された受信レーザ光Ｌ２を往路と同様の経路（復路）で光ファイバ１１に入射させる曲率面を備えている。

また、ミラーを構成する第２光学素子１４も、送信レーザ光Ｌ１を円筒部ＣＹに集光させて照射するための曲率面を備えている。

一方、円筒部ＣＹを照射する送信レーザ光Ｌ１は、図２に示すように、送信点Ｅに集光し、ここで励起して超音波を発生させ、発生した超音波のうち、直達表面波１７が受信点Ｒに伝播する。

この受信点Ｒは、図１で示した送信レーザ光Ｌ１から角度θだけ周方向に向い、かつ円筒部ＣＹの軸方向に向ってずらした受信レーザ光Ｌ２の照射位置である。

図３〜図６は、円筒部ＣＹの亀裂を検出および深さ計測する際、送信レーザ光Ｌ１が円筒部ＣＹで励起して発生する超音波の挙動を示す図である。

なお、図３〜図５は、検査対象である円筒部ＣＹの展開平面図であり、亀裂１８が円筒部ＣＹの軸方向に沿って発生している場合を示している。

また、図４〜図６も検査対象である円筒部ＣＹの展開平面図であり、亀裂１８が円筒部ＣＹの軸方向に対し、横断方向に沿って発生している場合を示している。

図３に示すように、円筒部ＣＹの軸方向に沿って亀裂１８が発生していると、受信点Ｒにおいて送信レーザ光Ｌ１が送信点Ｅで励起して発生した超音波が直達表面波１７と反射波１９として検出される。

また、図４に示すように、円筒部ＣＹの軸方向に対し、横断方向に沿って亀裂１８が発生していると、受信点Ｒにおいて、送信レーザ光Ｌ１が送信点Ｅで励起して発生した超音波が上述と同様に直達表面波１７と反射波１９として検出される。

図５，図６は、送信点Ｅと受信点Ｒとが亀裂１８を境に対向配置し、互いが亀裂１８を挟み込む位置になっているので、亀裂１８の深さを計測することができる。

このように、本実施形態は、第１光学素子１３の受信レーザ光の反射位置と第２光学素子１４の送信レーザ光の反射位置とを光学系容器１２の周方向に沿って角度θずれる位置に配置する構成にしたので、検査対象である円筒部ＣＹの内面の軸方向および周方向に発生する亀裂１８の位置およびその深さを容易かつ正確に計測することができる。

また、角度θ方向に伝播する表面波で亀裂を検査するので伝播距離が短くなるためノイズの混入を防止できる。

図７は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第２実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、照射ヘッド１０の光学系容器１２内に光路変更素子として、集光レンズ２０とウェッジ板２１を加えたものである。

光ファイバ１１内を伝播する送信レーザＬ１および受信レーザＬ２は、特定の広がり（ＮＡ：開口数）を持って光ファイバ１１から出る。

このため、光ファイバ１１から、直接、光学素子にレーザ光を入射する場合、レーザ光を反射させる第１光学素子１３および第２光学素子１４の反射面を大きくしなければならない。

また、送信レーザ光Ｌ１は第１光学素子１３を透過し、第２光学素子１４に入射する際、第１光学素子１３を透過するとき、光路がずれることがある。

本実施形態は、このような点に着目したもので、光ファイバ１１と第１光学素子１３との間に集光レンズ２０を備え、第１光学素子１３および第２光学素子１４の反射面を小さくさせるとともに、第１光学素子１３と第２光学素子１４との間にウェッジ板２１を備え、光路のずれを補正する構成にしたので、照射ヘッド１０の全体を小型化することができ、正しい光路にして円筒部の亀裂を的確に検出することができる。

図８および図９は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第３実施形態を示す概念図である。

なお、図８および図９中、図８は、照射ヘッドの外観を示す外観図であり、図９は、図８のＡ−Ａ矢印から見て切断した切断断面図である。

また、第１実施形態および第２実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、照射ヘッド１０の光学系容器１２を、中間位置を外側に向わせる膨出曲面２２を備えた紡錘形状に形成したものである。

光学系容器１２を円筒形状にした場合、検査対象位置に微小な曲り部や収縮部があると、照射ヘッド１０は、良好に移動できないことがある。

本実施形態は、このような点を考慮したもので、照射ヘッド２０の光学系容器１２を紡錘形に形成し、照射ヘッド１０の移動を良好にさせたものである。

したがって、本実施形態によれば、検査対象である円筒部ＣＹからの照射ヘッド１０の挿入、抜き出しを容易に行うことができ、作業効率をより一層向上させることができる。

図１０および図１１は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第４実施形態を示す概念図である。

なお、図１０および図１１中、図１０は、照射ヘッドの外観を示す外観図であり、図１１は、図１０のＢ−Ｂ矢印から見て切断した切断断面図である。

また、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、照射ヘッド１０の光学系容器１２に通水通路２３を設け、この通水通路２３を流れる水を矢印ＡＲの方向に向って流す構成にしたものである。

送信レーザ光Ｌ１は、比較的高いエネルギを持っているため、円筒部ＣＹに照射する際に表面からダストやドロスが発生し、これらの粒子がレーザ光の光路に乱れを与える等の悪影響をもたらすことがある。

本実施形態は、この点を考慮したもので、光ファイバ１１と同心的に通水通路２３を光学系容器１２内に設け、通水通路２３を流れる水を矢印ＡＲの方向に向って流し、ダスト等の異物を光学系容器１２等から取り除き、第１出口窓１５および第２出口窓１６から流出させたものである。

このように、本実施形態は、光学系容器１２に通水通路２３を設け、この通水通路２３に水を流し、ダスト等の異物を取り除く構成にしたので、レーザ光の光路に乱れを与えない等光路を安定状態に維持させることができる。

図１２は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第５実施形態を示す概念図である。

なお、第１実施形態〜第４実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、照射ヘッド１０の光学系容器１２を吸音材２４で作製したものである。

照射ヘッド１０を水等の超音波良導体環境で使用する場合、送信レーザ光Ｌ１および受信レーザ光Ｌ２の検査対象位置への照射により音波振動が発生することがある。この音波振動は、ノイズとして検査に外乱を与える等の悪影響になる。

本実施形態は、この点を考慮したもので、光学系容器１２を吸音材２４で作製し、レーザ光の円筒部ＣＹへの照射の際に発生する音波振動を吸収させたものである。

したがって、本実施形態によれば、光学系容器１２を吸音材２４で作製し、音波振動を吸収させる構成にしたので、レーザ光を安定状態にして円筒部ＣＹに照射させることができ、円筒部ＣＹの亀裂の検出を正確に行うことができる。

なお、本実施形態は、光学系容器１２を吸音材２４で作製したが、この例に限らず、光学系容器１２に吸音材２４を被着させてもよい。

図１３は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第６実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、第１光学素子１３から円筒部ＣＹに照射する受信レーザ光Ｌ２の照射位置と第２光学素子１４から円筒部ＣＹに照射する送信レーザ光Ｌ１の照射位置が光学系容器１２の軸方向に対し、左右対象の位置になるよう第１光学素子１３の反射位置と第２光学素子１４の反射位置とを変えたものである。

送信レーザ光Ｌ１の光路および受信レーザ光Ｌ２の光路のそれぞれと平行位置に亀裂がある場合、亀裂の検出はできても亀裂の深さを計測することは難しい。

本実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、第１光学素子１３の反射位置と第２光学素子１４の反射位置とを光学系容器１２の軸方向に対し、左右対象の位置に配置したものである。

したがって、本実施形態によれば、第１光学素子１３の反射位置と第２光学素子１４の反射位置とを光学系容器１２の軸方向に対し、左右対象の位置に配置する構成にしたので、円筒部ＣＹに発生する亀裂の深さを確実に計測することができる。

図１４および図１５は、本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第７実施形態を示す概念図である。

なお、図１４および図１５中、図１４は、照射ヘッドの外観を示す外観図であり、図１５は、図１４のＣ−Ｃ矢印から見て切断した切断断面図である。

また、第１実施形態および第４実施形態の構成要素と同一構成要素には、同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係るレーザ照射装置は、送信レーザ光Ｌ１と受信レーザ光Ｌ２とが光学系容器１２の軸方向に対し、交差することなくその頭部側とその底部側とのそれぞれの位置に照射することができるように、第１光学素子１３を光学系容器１２の頭部側に、また第２光学素子１４を光学系容器１２の底部側に配置させたものである。

この場合、第１光学素子１３は、送信レーザ光Ｌ１を反射させ、受信レーザ光Ｌ２を透過させるようにコーティングを行っている。また、第２光学素子１４は、受信レーザ光Ｌ２を反射させるコーティングを行っている。

そして、第２光学素子１４は、受信レーザ光Ｌ２を反射させた後、検査対象物である円筒部ＣＹから反射してきた受信レーザ光Ｌ２の反射成分を往路と同様の経路で光ファイバ１１に入射させる曲率面を備えたミラーで構成されている。

送信レーザ光Ｌ１と受信レーザ光Ｌ２は、異なる波長のものを使用しているが、送信レーザ光Ｌ１の波長より受信レーザ光Ｌ２の波長が長い場合、第１光学素子１３の反射面のコーティング層は、短波長を反射させ、長波長を透過させる方が製作が容易である。

このように、本実施形態は、光学系容器１２の頭部側に第１光学素子１３を位置させ、光学系容器１２の底部側に第２光学素子１４を位置させる構成にしたので、送信レーザ光Ｌ１と受信レーザ光Ｌ２とが交差することがなく、各レーザ光Ｌ１，Ｌ２を安定状態にして伝播させることができる。

また、本実施形態は、第１光学素子１３を、送信レーザ光Ｌ１を反射させ、受信レーザ光Ｌ２を透過させるコーティング層を備えたので、短波長を反射させ、長波長を透過させる場合、第１光学素子１３の作製を容易に行うことができる。

本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第１実施形態を示す概念図。図１に示した第１実施形態において、送信レーザ光の挙動を示す図。図１に示した第１実施形態において、円筒部の軸方向に沿って亀裂が発生している場合に、送信レーザ光の挙動を示す図。図１に示した第１実施形態において、円筒部の軸方向に対し、横断方向に沿って亀裂が発生している場合に、送信レーザ光の挙動を示す図。図１に示した第１実施形態において、円筒部の軸方向に沿って亀裂が発生し、その亀裂の深さを計測する場合に、送信レーザ光の挙動を示す図。図１に示した第１実施形態において、円筒部の軸方向に対し、横断方向に沿って亀裂が発生し、その亀裂の深さを計測する場合、送信レーザ光の挙動を示す図。本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第２実施形態を示す概念図。本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第３実施形態を示す概念図。図８のＡ−Ａ矢視方向から見て切断した切断断面図。本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第４実施形態を示す概念図。図１０のＢ−Ｂ矢視方向から見て切断した切断断面図。本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第５実施形態を示す概念図。本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第６実施形態を示す概念図。本発明に係るレーザ照射装置に適用する照射ヘッドの第７実施形態を示す概念図。図１４のＣ−Ｃ矢視方向から見て切断した切断断面図。従来のレーザ照射装置に適用する照射ヘッドを示す概念図。従来の照射ヘッドにおいて、送信レーザ光の挙動を示す図。

符号の説明

１照射ヘッド
２光学系容器
３光ファイバ
４ａ直達表面波
４ｂ周回表面波
１０照射ヘッド
１１光ファイバ
１２光学系容器
１３第１光学素子
１４第２光学素子
１５第１出口窓
１６第２出口窓
１７直達表面波
１８亀裂
１９直達分岐表面波
２０集光レンズ
２１ウェッジ板
２２膨出曲面
２３通水通路
２４吸音材

Claims

円筒状の検査対象を検査計測する受信レーザ光を検査対象内面に照射させる第１光学素子と、
超音波を励起させる送信レーザ光を検査対象内面に照射させる第２光学素子と、
前記第１光学素子と前記第２光学素子を収容する光学系容器とを備え、
前記第１光学素子による前記受信レーザ光の反射方向と前記第２光学素子による前記送信レーザ光の反射方向とが検査対象の周方向に沿って異なる角度となるよう構成されたことを特徴とするレーザ照射装置。
円筒状の検査対象に超音波を励起させる送信レーザ光と前記検査対象の欠陥を検出する受信レーザ光とを伝送する光ファイバと、前記送信レーザ光および前記受信レーザ光のそれぞれを前記検査対象内面に入射し、前記送信レーザ光を透過させるとともに、前記受信レーザ光を前記検査対象位置に照射し、かつ検査対象位置から反射された前記受信レーザ光の反射成分を往路と逆経路で前記光ファイバに入射させる第１光学素子と、この第１光学素子を透過した前記送信レーザ光を検査対象位置に照射する第２光学素子と、前記光ファイバの一端に接続され、前記第１光学素子および前記第２光学素子を収容する光学系容器とで構成する照射ヘッドを備えたレーザ照射装置において、前記第１光学素子による前記受信レーザ光の反射方向と前記第２光学素子による前記送信レーザ光の反射方向とが検査対象の周方向に沿って異なる角度となるよう構成されたことを特徴とするレーザ照射装置。
送信レーザ光を反射させる第２光学素子の反射位置と受信レーザ光を反射させる第１光学素子の反射位置は、光学系容器の周方向に沿って角度３０°〜６０°の範囲内に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ照射装置。
前記光学系容器は、少なくとも１つ以上の光路変更素子を収容させたことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ照射装置。
前記光路変更素子は、集光レンズとウェッジ板であることを特徴とする請求項４記載のレーザ照射装置。
前記光学系容器は中間部分を外側に向って膨出曲面に形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ照射装置。
前記光学系容器は、通水通路を備えたことを特徴とする請求項１〜５記載のいずれかに記載のレーザ照射装置。
前記光学系容器は、吸音材で作製したことを特徴とする請求項１〜５記載のいずれかに記載のレーザ照射装置。
前記光学系容器は、吸音材を被着させたことを特徴とする請求項１〜５記載のいずれかに記載のレーザ照射装置。
送信レーザ光と受信レーザ光とが前記光学系容器の軸方向に対して対称位置で照射するように前記第１光学素子および前記第２光学素子を配置させたことを特徴とする請求項１〜５記載のいずれかに記載のレーザ照射装置。
送信レーザ光と受信レーザ光とが交差しないように前記光学系容器の軸方向に対して第１光学素子を前記光学系容器の頭部側に、また第２光学素子を前記光学系容器の底部側にそれぞれ配置させたことを特徴とする請求項１〜５記載のいずれかに記載のレーザ照射装置。