JP5185557B2 - 管体の残留応力改善装置 - Google Patents

Description

本発明は、配管等の管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置に関する。

原子力発電所、大型プラント等において、大型の配管等の管体を設置する場合、溶接した際に配管に残留する応力の除去が問題となる。溶接が行われると配管には残留応力が発生し、その残留応力によって配管の寿命が短くなるおそれがあるため、溶接によって発生した残留応力は、除去することが望ましい。

配管に残留する残留応力の改善方法として、本願の発明者等は、レーザを周回移動させながら配管の外周面に照射し、材料に悪影響を及ぼさない温度に急速加熱して、配管の内外面に温度差を形成することにより、配管の残留応力を低減する方法を提案している（特許文献１〜４）。

特開２００６−０３５２９２号公報 特開２００６−０１５３９９号公報 特開２００６−０３７１９９号公報 特開２００５−２３２５８６号公報

特許文献１〜４等のように、レーザ照射により配管の残留応力を低減する方法においては、照射対象とする配管の径が比較的に小さい場合、配管の周方向において、配管の周囲へ逃げる光が多くなり、その結果、光の漏れ量が多くなると共に、照射領域の端部での十分な光強度の確保が困難となる問題があった。又、配管の軸方向においても、必要とする領域外への照射があるため、所望の領域内に所望の入熱特性を得るためには、レーザ出力が余分に必要となっていた。加えて、配管の径が変化するテーパ形状の配管を照射対象とした場合には、配管のテーパ部分とストレート部分との境界部で、入熱分布が急激に変化するため、配管のテーパ部分とストレート部分に対して、所望の入熱分布を得ることは困難であった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、レーザ光の光路を制御して、不必要な領域への照射を抑制する管体の残留応力改善装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に複数照射すると共に、前記複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
前記複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、
少なくとも１つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射すると共に、
他のレーザ光の光学系に、台形側面を前記管体の軸方向に向けて配設した台形プリズムを有し、該台形プリズムにより、各レーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１の発明に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、一方の端部のレーザ光の光学系が前記レンズを有する場合、他方の端部のレーザ光の光学系に、前記レーザ光の光軸をずらすレンズに替えて、台形側面を前記管体の周方向に向けて配設した他の台形プリズムを有し、該他の台形プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１又は第２の発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記台形プリズムに替えて、出射側の面が３つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする。
上記課題を解決する第４の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第２の発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記台形プリズム、前記他の台形プリズムに替えて、出射側の面が３つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第２の発明に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記他の台形プリズムに替えて、切頭型の四角錐からなる六面体プリズムを用い、該六面体プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折すると共に、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に１つ若しくは複数照射すると共に、前記１つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
前記１つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部は、少なくとも１つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射することを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１から第６のいずれか１つの発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記レーザ光の光学系を、１つの筐体内に配置することを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る管体の残留応力改善装置は、
上記第１から第７のいずれか１つの発明に記載した管体の残留応力改善装置において、
前記光制御部の光学系に非球面レンズを用いることを特徴とする。

第１〜第５の発明によれば、プリズムを用いて、レーザ光の裾野部分の光を内側に屈折するので、照射領域の端部において、十分な照射強度を確保すると共に、不必要な領域へのレーザ光の照射を抑制して、レーザ光の出力のムダを低減することができる。

第１、第６の発明によれば、軸ずらしレンズを用いて、照射面でのレーザ光のピーク位置が軸方向外側にシフトするように、レーザ光の光軸をずらすので、照射領域の軸方向端部において、十分な照射強度を確保すると共に、不必要な領域へのレーザ光の照射を抑制して、レーザ光の出力のムダを低減することができる。

第７の発明によれば、複数の光学系を１つの筐体内に配置するので、各光学系の調整範囲を大きくできると共に、漏れ光を抑制して、装置が損傷したり、災害が発生したりすることを防止することができる。

第８の発明によれば、光学系に非球面レンズを用いるので、使用するレンズ枚数を低減して、光制御部の構成を簡単且つ小さくすることができる。又、非球面レンズを照射対象の形状に応じて形成することにより、所望の照射プロファイルを形成することができる。

本発明に係る管体の残留応力改善装置を、図１〜図１４を用いて、詳細に説明する。

参考例１

図１は、本発明に係る管体の残留応力改善装置を示す概略構成図である。
図１に示すように、残留応力改善装置１は、円筒状の管体である配管２の外周を周回移動可能に配置され、周方向移動速度を制御可能な回転駆動装置３（回転駆動手段）と、回転駆動装置３に支持されると共に配管２の軸方向に延設され、配管２の周囲を配管２と同軸に周回可能なアーム部４と、アーム部４に保持され、配管２の溶接部Ｗの外周面の所定領域に複数のレーザ光９を照射する光制御部５と、複数の光ファイバ６により光制御部５と接続され、光ファイバ６を介してレーザ光を光制御部５に供給するレーザ発振器７と、回転駆動装置３、レーザ発振器７等を制御する制御部８とを有するものである。

回転駆動装置３は、配管２の外周に脱着可能なものであり、残留応力を改善したい箇所例えば、溶接部Ｗ等の周囲に自由に設置可能である。なお、回転駆動装置３は、その内周側が配管２を保持し、アーム部４を支持する外周側が周回可能であればどのような構成でもよく、例えば、内周側において、配管２を保持する固定部と、外周側において、アーム部４を支持すると共に配管２の周囲を配管２と同軸に周回する周回部とを有するような構成でもよい。

光制御部５、光ファイバ６、レーザ発振器７は、加熱光学系を構成しており、配管２の軸方向に沿ってアーム部４に配置された光制御部５により、複数のレーザ光９を配管２の外周面の所定領域に照射し、所定領域を均一に加熱するようにしている。詳細は後述するが、光制御部５においては、光制御部５を構成するレンズ、ミラー等の位置を調整することで、周方向照射幅、軸方向照射幅を調整して、所望の加熱領域を調整している。なお、ここでは、一例として、光ファイバ６の数を複数とし、各々の光ファイバ６に対応して、配管２に照射されるレーザ光９も、Ｐ１〜Ｐｎとしているが、光ファイバ６や照射されるレーザ光９の数は、照射条件によって適宜に変更可能なものであり、少なくとも１つ以上のレーザ光９を照射する構成であればよい。

残留応力を改善する際には、本発明に係る残留応力改善装置１において、予め、光制御部５の調整により加熱領域を調整し、制御部８により、レーザ発振器７の出力を制御すると共に回転駆動装置３を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、光制御部５から照射されるレーザ光９が、配管２の外周を周回移動しながら配管２の外周面の所定領域に照射され、配管２の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管２の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。周回数としては、１回の周回でもよいが、複数の周回としてもよく、複数の周回の場合は、始終端の位置を変更するようにしてもよい。又、加熱温度としては、固溶化温度未満とすることが好ましい。更に、本発明の場合、配管２の内面側を必ずしも強制冷却する必要はない。

最初に、本発明に係る管体の残留応力改善装置において、残留応力を改善する原理を簡単に説明する。

配管２の溶接部Ｗ近傍の所定領域の残留応力を改善する場合、本発明においては、配管２の外周面をレーザ光で加熱して、配管２の外面と内面との間に所定の温度差が生じるように加熱する。このような加熱を行うと、外面は圧縮応力状態、内面は引張応力状態、更には、内面は引張降伏状態になる。加熱後、上記所定領域の内面及び外面の温度差が無くなり、常温付近まで温度が低下すると、外面が引張応力状態になり、内面が圧縮応力状態になり、降伏応力により内面の残留応力を引張応力状態から圧縮応力状態に改善することが可能となる。このとき、加熱時に発生させる応力の大きさ（ひずみ量）は、少なくとも降伏応力相当以上のひずみ量となるように、レーザ加熱時の条件を設定することが望ましい。このようにして、配管２の内面に生じている残留応力を引張状態から圧縮状態に改善することができ、その結果、管体内面の応力腐食割れを防ぐことが可能となる。

このように、配管２の外周面（溶接部Ｗ近傍）をレーザ加熱して、所望のひずみ量を得るためには、軸方向照射幅、周方向照射幅を適切な範囲に制御する必要がある。軸方向照射幅、周方向照射幅は、配管２の形状（具体的には、配管２の径、板厚）、更には、配管２の材料、設置環境等に左右されるため、それらの条件に応じて、適切な軸方向照射幅、周方向照射幅を設定するようにしている。

ところが、光制御部５に供給されるレーザ光は、光ファイバ６等を用いて供給されるため、元々の照射領域が広くなく、所望の軸方向照射幅、周方向照射幅とするためには、レンズ、凹面鏡等を用いて、照射領域を拡げる必要があった。その場合、照射領域の端部においては、十分な光強度を確保することが難しく、その部分を入熱のための照射領域とみなすことができず、無駄な照射領域となっていた。従って、軸方向照射幅、周方向照射幅の端部において、所望の入熱を得るためには、より大きなレーザ出力が必要となっていた。又、照射対象の配管２の径が比較的小さい場合には、照射領域の周方向端部の光が配管２の外側へ逃げてしまい、光の漏れ量が多くなると共に、実質的に照射された配管２の照射部分の周方向端部において、十分な光強度を確保することが難しい状況であった。

そこで、本発明に係る管体の残留応力改善装置においては、上述したような課題を克服するべく、光制御部５における光学系の構成を工夫している。なお、以下の説明においては、特に断らない限り、周方向とは、配管２の周方向を意味し、軸方向とは、配管２の軸方向を意味する。

図２（ａ）に、光制御部５の実施形態の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図２（ａ）においては、見やすくするため、複数のレーザ光のうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、本参考例における特徴的光路のみ図示する。

本参考例の光制御部５Ａは、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎを制御するものである。各光路上の光学系は、同等の構成を有しており、例えば、レーザ光Ｐ１においては、図２（ａ）に示すように、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス１１、レンズ１２、ミラー１３、レンズ１４を有している。従って、レーザ光Ｐ１においては、光ファイバ６から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス１１へ入射され、保護ガラス１１を透過したレーザ光がレンズ１２により拡大され、その後、レンズ１２により拡大されたレーザ光が、ミラー１３により配管２の方向へ反射され、ミラー１３により反射されたレーザ光が、レンズ１４により、更に拡大されて、配管２の所望の領域に照射されている。

しかしながら、上記光学系のみでは、照射領域の周方向端部の光強度は、不十分なままであるため、本参考例においては、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの光学系の最終段であり、かつ、配管２に照射されるそれらのレーザ光の光学系の最終的な光路に対し、それらの光路の周方向両側に、１対のミラー２１、２２を配設している。これらのミラー２１、２２は、拡大されたレーザ光の周方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管２の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されている。

このような構成により、配管２の照射領域の周方向端部では、レンズ１４を透過して直接配管２に照射されたレーザ光と、レンズ１４を透過し、ミラー２１、２２にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。その結果、逃げ光を抑制して、出力を有効活用することができ、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。なお、ここでは、調整が容易となることを考慮して、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの全ての光学系に共用可能な１対のミラー２１、２２を設けたが、共用可能なミラー２１、２２に替えて、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの各々に独立してミラーを設けるようにしてもよい。

従って、従来は、配管２の外側に逃げていた光や必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、ミラー２１、２２により有効に利用して、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができ、例えば、図２（ｂ）の領域Ａに示すように、周方向両端部が急峻に立ち上がったプロファイルに制御可能である。

参考例２

図３（ａ）に、光制御部５の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図３（ａ）においても、見やすくするため、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、本参考例における特徴的光路のみ図示する。

図３（ａ）に示す光制御部５Ｂは、ミラーの構成を除き、参考例１の図２（ａ）に示した光制御部５Ａと同等の構成を有するものである。従って、参考例１の光制御部５Ａと同等の構成については、重複する説明を省略して、光制御部５Ｂの構成を説明する。

本参考例においては、照射領域の軸方向端部の光強度を確保するため、配管２に照射されるレーザ光Ｐ１〜Ｐｎの両端部、つまり、レーザ光Ｐ１、Ｐｎの光学系の最終段であり、かつ、それらのレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光学系の最終的な光路に対し、それらの光路の軸方向両端側に、１対のミラー２３、２４を配設している。ミラー２３は、拡大されたレーザ光Ｐ１の軸方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管２の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されており、ミラー２４は、拡大されたレーザ光Ｐｎの軸方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管２の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されている。なお、配管２へ照射するレーザ光が１系統である場合には、例えば、レーザ光Ｐ１のみを用いて、配管２へ照射する場合には、レーザ光Ｐ１の光学系の最終段であり、かつ、そのレーザ光Ｐ１の光学系の最終的な光路に対し、その光路の軸方向両端側に、１対のミラー２３、２４を配設すればよい。

このような構成により、配管２の照射領域の軸方向の端部では、レンズ１４を透過して直接配管２に照射されたレーザ光と、レンズ１４を透過し、ミラー２３、２４にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。その結果、必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管２の照射領域の軸方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。

従って、従来は、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、ミラー２３、２４により有効に利用して、配管２の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。例えば、図３（ｂ）において、プロファイルＰ１、Ｐｎは、ミラー２３、２４が無ければ、ガウス分布状のプロファイルであったが、ミラー２３、２４を配置することにより、図３（ｂ）の領域Ｂに示すように、軸方向両端部が急峻に立ち上がったプロファイルに制御可能であり、配管２に与える温度分布も、図３（ｂ）に示すような温度プロファイルに制御することができる。なお、図３（ｂ）においては、Ｐ１、Ｐｎ以外のプロファイル、例えば、Ｐ２等のプロファイルは省略している。

参考例３

図４に、光制御部５の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図４においても、見やすくするため、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、本参考例における特徴的光路のみ図示する。

図４に示す光制御部５Ｃは、ミラーの構成を除き、参考例１の図２（ａ）に示した光制御部５Ａ、参考例２の図３（ａ）に示した光制御部５Ｂと同等の構成を有するものである。更に具体的には、図４に示す光制御部５Ｃでは、光制御部５Ａにおけるミラー２１、２２と光制御部５Ｂにおけるミラー２３、２４とを組み合わせて、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの光学系を、ミラー２１〜２４で囲んで、ボックス化した構成である。従って、参考例１の光制御部５Ａ及び参考例２の光制御部５Ｂと同等の構成については、重複する説明を省略して、光制御部５Ｃの構成を説明する。

本参考例においては、照射領域の周方向端部及び軸方向端部の光強度を確保するため、光学系の最終段であり、レーザ光の最終的な光路に対して、周方向の両側にミラー２１、２２を配設すると共に、軸方向の両側にミラー２３、２４を配設している。ミラー２１、２２は、拡大されたレーザ光Ｐ１〜Ｐｎの周方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管２の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置され、ミラー２３、２４は、拡大されたレーザ光Ｐ１、Ｐｎの軸方向における裾野部分のレーザ光を反射し、配管２の所望の照射領域にレーザ光を折り返すように配置されている。

このような構成により、配管２の照射領域の周方向の端部では、レンズ１４を透過して直接配管２に照射されたレーザ光と、レンズ１４を透過し、ミラー２１、２２にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。又、配管２の照射領域の軸方向の端部では、レンズ１４を透過して直接配管２に照射されたレーザ光と、レンズ１４を透過し、ミラー２３、２４にて反射されたレーザ光とが重なるように照射されることになる。その結果、逃げ光や必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管２の照射領域の周方向端部及び軸方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。

従って、従来は、配管２の外側に逃げていた光や必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の周方向の裾野部分を、ミラー２１、２２により有効に利用して、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができ、加えて、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の軸方向の裾野部分を、ミラー２３、２４により有効に利用して、配管２の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。又、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの光学系を、ミラー２１〜２４で囲んで、ボックス化したので、周辺への漏れ光を抑制でき、漏れ光対策（防護板等）が不要となる。

参考例４

図５に、光制御部５の実施形態の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図５においても、見やすくするため、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、主な光路のみ図示している。

図５に示すように、本参考例の光制御部５Ｄも、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎを制御するものである。各光路上の光学系は、同等の構成を有しており、例えば、レーザ光Ｐｎにおいては、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス３１、台形プリズム３２、レンズ３３、ミラー３５、保護ガラス３６を有している。つまり、光学系のいずれかに、例えば、光学系の前段側に、台形プリズム３２を有する構成である。

本参考例では、上記参考例１〜３と異なり、ミラーに替えて、台形側面側が軸方向に向かって（周方向に平行に）配置された台形プリズム３２を用いて、周方向における裾野部分のレーザ光の光路を内側に屈折させて、照射領域の周方向端部の光強度を確保するようにしている。

従って、例えば、レーザ光Ｐｎにおいては、光ファイバ６から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス３１へ入射され、保護ガラス１１を透過したレーザ光が周方向における裾野部分のレーザ光の光路を調整する台形プリズム３２により屈折され、台形プリズム３２により屈折されたレーザ光がレンズ３３により拡大され、その後、レンズ３３により拡大されたレーザ光が、ミラー３５により配管２の方向へ反射され、ミラー３５により反射されたレーザ光が、保護ガラス３６を透過して、配管２の所望の領域に照射されている。なお、レンズ３３としては、球面レンズを用いているが、例えば、シリンドリカルレンズ等を用いてもよく、１つのシリンドリカルレンズを周方向調整用に用い、他の１つのレンズを軸方向調整用に用いてもよい。

このような構成により、従来逃げ光や必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、配管２の照射領域の周方向の端部に屈折させて、照射することになる。その結果、逃げ光を抑制して、出力を有効活用することができ、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。なお、ここでは、調整が容易となることを考慮して、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの全ての光学系に共通なミラー３５、保護ガラス３６を設けたが、共通のミラー３５、保護ガラス３６に替えて、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎの各々に独立してミラー、保護ガラスを設けるようにしてもよい。

従って、従来は、配管２の外側に逃げていた光や必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、台形プリズム３２により有効に利用して、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができる。そして、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎ毎に、台形プリズム３２を調整すれば、小径管を対象とする場合にも、レーザ光のビーム裾野でのエネルギ密度の低下を抑制することができる。

図６（ａ）に、光制御部５の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図６（ａ）においても、見やすくするため、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、主な光路のみ図示している。

図６（ａ）に示す光制御部５Ｅは、レーザ光Ｐ１の光学系の構成を除き、参考例４の図５に示した光制御部５Ｄと同等の構成を有するものである。従って、参考例４の光制御部５Ｄと同等の構成については、重複する説明を省略して、光制御部５Ｅの構成を説明する。

本実施例においては、一方の端部側のレーザ光Ｐ１の光学系に、台形プリズム３２に替えて、台形プリズム３７を配設している。つまり、光学系のいずれかに、例えば、光学系の前段側に、台形プリズム３７を有する構成である。台形プリズム３７は、台形プリズム３２とは異なり、台形側面側が周方向に向かって（軸方向に平行に）配置されたものであり、軸方向における裾野部分のレーザ光の光路を内側に屈折させて、照射領域の軸方向端部の光強度を確保するようにしている。なお、同様の台形プリズム３７を、他方の端部側のレーザ光Ｐｎの光学系に設けるようにしてもよい。

従って、例えば、レーザ光Ｐ１においては、光ファイバ６から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス３１へ入射され、保護ガラス１１を透過したレーザ光が軸方向における裾野部分のレーザ光の光路を調整する台形プリズム３７により屈折され、台形プリズム３７により屈折されたレーザ光がレンズ３３により拡大され、その後、レンズ３３により拡大されたレーザ光が、ミラー３５により配管２の方向へ反射され、ミラー３５により反射されたレーザ光が、保護ガラス３６を透過して、配管２の所望の領域に照射されている。

このような構成により、従来必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、配管２の照射領域の軸方向の端部に屈折させて、照射することになる。その結果、必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。

従って、従来は、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、台形プリズム３７により有効に利用して、配管２の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。例えば、図６（ｂ）において、従来は、台形プリズム３７が無ければ、プロファイルＰ１も、プロファイルＰｎのような通常のガウス分布状のプロファイルであったが、台形プリズム３７により、端部側のプロファイルが立ち上がり、頂上部が平坦な台形状のプロファイルに制御可能であり、配管２に与える温度分布も、図６（ｂ）に示すような温度プロファイルに制御することができる。なお、図６（ｂ）においても、Ｐ１、Ｐｎ以外のプロファイル、例えば、Ｐ２等のプロファイルは省略している。

図７（ａ）、（ｂ）に、光制御部５の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図７（ａ）は、その上面視であり、図７（ｂ）は、その斜視である。又、図７（ａ）、（ｂ）においても、見やすくするため、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、主な光路のみ図示している。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施例の光制御部５Ｆは、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎを制御するものである。本実施例においては、レーザ光Ｐ１、Ｐｎ以外の光学系については、上記参考例４におけるレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光学系と同等の構成を有しており、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス３１、台形プリズム３２、レンズ３３、ミラー３５、保護ガラス３６を有している。

但し、本実施例では、上記参考例４、実施例１におけるレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光学系とは、その構成が異なっている。具体的には、レーザ光Ｐ１、Ｐｎの光学系においては、レーザ光の進行方向に向かって、順に、保護ガラス３１、レンズ４１、光軸ずらしレンズ４３、ミラー３５、保護ガラス３６を有している。つまり、光軸ずらしレンズ４３は、レーザ光Ｐ１、Ｐｎの光軸をずらして入光するように配置したものである。ここでは、レーザ光Ｐ１、Ｐｎの光学系において、光軸ずらしレンズ４３により、照射面でのレーザ光のピーク強度が軸方向外側にシフトするように、光軸をずらすことにより、軸方向における裾野部分のレーザ光の光路を内側にずらして、照射領域の軸方向の端部の光強度を確保するようにしている。

従って、レーザ光Ｐ１、Ｐｎにおいては、光ファイバ６から出射されたレーザ光が、光学系を保護する保護ガラス３１へ入射され、保護ガラス３１を透過したレーザ光がレンズ４１により拡大され、その後、レンズ４１により拡大されたレーザ光が光軸ずらしレンズ４３により軸方向内側に光軸がずらされ、光軸ずらしレンズ４３により光軸がずらされたレーザ光が、ミラー３５により配管２の方向へ反射され、ミラー３５により反射されたレーザ光が、保護ガラス３６を透過して、配管２の所望の領域に照射されている。

このような構成により、従来、必要領域への入熱にほとんど寄与しないレーザ光の裾野部分となっていた部分を、配管２の表面上の照射領域の軸方向内側にずらして、照射することになる。その結果、必要領域外への照射を抑制して、出力を有効活用することができ、配管２の照射領域の軸方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。

従って、従来は、必要領域への入熱にほとんど寄与しなかったレーザ光の裾野部分を、光軸ずらしレンズ４３により有効に利用して、配管２の照射領域の軸方向端部の光強度を確保することができる。例えば、図８において、光軸ずらしレンズ４３が無い場合、プロファイルＰ１、Ｐｎも、ガウス分布状のプロファイルであったが、光軸ずらしレンズ４３により、軸方向のピーク位置を端部側にシフトさせて、端部側のプロファイルが急峻に立ち上がるような非対称のプロファイルとすることが可能である。なお、図８においても、Ｐ１、Ｐｎ以外のプロファイル、例えば、Ｐ２等のプロファイルは省略している。

上述した参考例４、実施例１、２において、台形プリズム３２、３７は、台形側面を有するプリズムであり、入射側である底面に対して、出射側に３つの面を有するものであったが、参考例４、実施例１、２の変形例として、台形プリズム３２、３７に替えて、図９に示すように、出射側に３つより多い数の面を有する多面プリズム４８を用いるようにしてもよい。なお、図９では、底面に対して、５つの面を有する多面プリズムであるが、所望の入熱プロファイルに応じて、より多くの面を形成した多面プリズムでもよい。このような多面プリズムを用いることにより、より滑らかな入熱プロファイルに調整可能となる。

又、上述した参考例４、実施例１、２において、台形プリズム３２、３７は、周方向又は軸方向のいずれか一方の側面が台形となるプリズムであったが、参考例４、実施例１、２の変形例として、台形プリズム３２、３７に替えて、図１０に示すような、切頭型の四角錐からなる６面体プリズム４９を用いるようにしてもよい。これは、周方向及び軸方向共に、断面が台形断面となるプリズムである。このような６面体プリズムを用いることにより、周方向及び軸方向の入熱プロファイルを同時に調整可能となる。

又、従来は、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎは、各々独立した構成であり、各々独立した筐体内に配置されていたが、上述した参考例４、実施例１、２の変形例として、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎを、１つの筐体内に配置する構成としてもよい。レーザ光Ｐ１〜Ｐｎを、１つの筐体内に配置することにより、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎにおける各光学系のピッチ調整量を大きく確保することができる。

参考例５

図１１に、光制御部５の実施形態の他の一例となる概略構成図を示して、その構成を説明する。なお、図１１においても、見やすくするため、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのうち、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのみの光学系を図示すると共に、実際は、レンズやミラー等により、拡大されたり、反射されたりしているレーザ光Ｐ１、Ｐｎの光路のうち、主な光路のみ図示している。

図１１に示すように、本参考例の光制御部５Ｇも、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎを制御するものである。例えば、レーザ光Ｐ１の光学系は、レーザ光の進行方向に向かって、順に、ライトパイプ５１、レンズ５２、ミラー５４、レンズ５５を有している。つまり、光学系の前段側に、ライトパイプ５１を有する構成である。なお、レンズ５２としては、球面レンズが使用される。

本参考例では、上記参考例１〜３のミラーや上記参考例４、実施例１、２の台形プリズムに替えて、出射光のエネルギ密度が均一化されると共にその照射形状が整えられる長方形断面形状又は正方形断面形状のライトパイプ５１を用いている。図１２（ａ）から判るように、ライトパイプ５１を用いることにより、レーザ光Ｐ１、Ｐｎのプロファイルは、立ち上がりが急峻で、頂上部が平坦な台形状のプロファイルとなる。このように、プロファイル形状を整えられるライトパイプ５１を用いることにより、照射領域の端部の光強度が不十分な状態にならないようにしている。なお、図１２（ａ）においても、Ｐ１、Ｐｎ以外のプロファイル、例えば、Ｐ２等のプロファイルは省略している。

従って、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎにおいては、光ファイバ６から出射されたレーザ光が、出射光のエネルギ密度が均一化され、照射形状が整えられるライトパイプ５１へ入射され、ライトパイプ５１によりエネルギ密度が均一化され、照射形状が整えられたレーザ光が球面レンズ５２により拡大され、その後、球面レンズ５２により拡大されたレーザ光がミラー５４により配管２の方向へ反射され、ミラー５４により反射されたレーザ光が、球面レンズ５５により拡大されて、配管２の所望の領域に結像投影されて、照射されることになる。ライトパイプ５１を用いることにより、ファイバ６の端面の結像に対して、レンズ５２等を介した光学系の投影倍率を小さく設定でき、その結果、収差抑制が容易となる。又、レンズ５２は、小径レンズでも対応可能となり、製造性が良好なレンズの組合せで光学系を構成することが可能となる。

このような構成により、照射領域のプロファイルが調整されて、必要領域外への照射されることが無くなり、その結果、配管２の照射領域の軸方向端部及び周方向端部の光強度を制御して、その立上りを急峻にすることができる。

従って、図１２（ａ）に示すように、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎにおいて、照射領域のプロファイルが調整されて、端部側のプロファイルが急峻に立ち上がるような台形状のプロファイルとすることが可能であり、配管２に与える温度分布も、図１２（ａ）に示すような温度プロファイルに制御することができる。

又、周方向に関しても、ライトパイプ５１により照射領域のプロファイルが調整されて、端部側のプロファイルが急峻に立ち上がるような台形状のプロファイルにして、配管２の照射領域の周方向端部の光強度を確保することができる。そして、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎのライトパイプ５１を調整することで、例えば、図１２（ｂ）に示すように、軸方向において、入熱の周方向幅をステップ状に制御可能である。このような入熱幅の変化は、異材境界等で周方向照射幅を変化させる場合に有効である。

参考例６

上記参考例５において、ライトパイプ５１は、長方形断面形状又は正方形断面形状のものであったが、参考例５の変形例として、長方形断面形状又は正方形断面形状のライトパイプ５１に替えて、照射領域の形状に対応した断面形状、例えば、台形断面形状のライトパイプを用いるようにしてもよい。例えば、照射対象の配管２にテーパ部分がある場合には、その部分への照射領域形状は台形状とすることが望ましいため、台形断面形状のライトパイプを用いることにより、台形状の照射形状を容易に配管２のテーパ部分に投影照射することができる。このように、ライトパイプの断面形状を、照射領域に応じた形状にすることで、照射対象にマッチした照射を容易に行うことができる。なお、レーザ出力に余裕のある場合には、円形断面又は楕円形断面のライトパイプを用いてもよい。

参考例７

上記参考例５は、ライトパイプ５１を用いて、その断面形状を照射対象の配管２上に投影することにより、入熱を行うものである。所望の入熱プロファイル、照射面積にするためには、その投影形状だけではなく、その投影像の均一性も制御する必要がある。ところが、レーザ発振器７から光ファイバ６を介して、ライトパイプ５１に到達するレーザ光の広がり方は、いくらかの個体差を有しており、必ずしも、レーザ光Ｐ１〜Ｐｎ全てで一様ではない。そこで、図１３に示すように、ライトパイプ５１ａ、５１ｂを、光源毎に（レーザ光Ｐ１〜Ｐｎ毎に）対応した長さとすることで、ライトパイプ５１へ入射するレーザ光のプロファイルが変化しても、その違いを吸収することができる（後述する図１４（ｂ）参照）。このように、ライトパイプ５１の長さを、光源毎に異なる長さにすることで、所望の照射形状で均一に照射することができる。

又、このような光源毎の特性差を吸収するように、ライトパイプ５１ａ、５１ｂを、光源毎の特性差を吸収可能な程度長くして用いるようにしてもよい。又、光ファイバの端面位置を変化させてもよい。光源側の特性が変化した場合に備え、長さ可変式のライトパイプを用いてもよい。又、長さ可変式のライトパイプとしては、例えば、銅製の筒状筐体の内部をミラーコーティングしたものを複数用い、これらをスライド可能に構成することで、長さを可変とするライトパイプを実現できる。このように、ライトパイプを長くすることにより、ライトパイプ内で多数回の反射を繰り返すことになり、エネルギ密度が均一化するため、レーザ光の拡がり特性差をキャンセル可能である。

例えば、図１４（ａ）は、用いたライトパイプが短い場合のレーザ光のプロファイルであるが、この場合には、光源によっては、照射領域の裾野部分がきれいに立ち上がった形状でなかったり、頂上部分のプロファイルが大きく凹んだり、必ずしも、所望のプロファイルが得られてはいない。一方、光源に応じて、ライトパイプの長さを長くすると（例えば、２倍程度の長さ）、図１４（ｂ）のように、略台形状のプロファイルが得られことになる。このように、ライトパイプに入射するレーザ光のプロファイルが変化したとしても、ライトパイプをある程度長くすることにより、その変化を吸収して、所望のプロファイルを得ることができる。

又、上述した参考例１〜７、実施例１〜５において、レンズ１２、３３、５２等は、球面レンズであったが、参考例１〜７、実施例１〜５の変形例として、レンズ１２、３３、５２に替えて、非球面レンズやシリンドリカルレンズを用いてもよい。非球面レンズを用いると、使用するレンズ枚数を抑制でき、光制御部５を狭隘箇所でも使用可能な簡単な構成にすることができ、又、シリンドリカルレンズを用いると、配管２の周方向、軸方向へのレーザ光の制御を独立して行うことができる。非球面レンズにより、レンズ枚数を抑制した場合、光学系におけるレーザ光のロスも抑制できるため、装置出力の裕度を向上させたり、装置コストを低減したりすることができる。参考例１〜５、実施例１〜５の場合には、例えば、異径配管に入熱する場合、テーパ部分−ストレート部分の境界の形状差に起因する入熱の急激な変化を抑制するように、非球面レンズを形成することにより、形状に応じた滑らかなプロファイルとすることができる。参考例６、７の場合には、非球面レンズを用いることにより、所望の投影照射形状を得られると共に、収差補正も容易となる。又、照射領域の寸法を変化させる場合であっても、照射領域の端部が急峻に立ち上がるプロファイルの形成が可能である。加えて、照射領域の中心部分／裾野部分で、その照射強度比を所望の比率に調整可能である。

本発明は、円筒状配管の残留応力の改善に好適なものである。

本発明に係る管体の残留応力改善装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。 （ａ）は、本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の一例（参考例１）を示す概略構成図であり、（ｂ）は、その効果を説明するグラフである。 （ａ）は、本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の他の一例（参考例２）を示す概略構成図であり、（ｂ）は、その効果を説明するグラフである。 本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の他の一例（参考例３）を示す概略構成図である。 本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の他の一例（参考例４）を示す概略構成図である。 （ａ）は、本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の他の一例（実施例１）を示す概略構成図であり、（ｂ）は、その効果を説明するグラフである。 本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の他の一例（実施例２）を示す概略構成図であり、（ａ）は、その上方視であり、（ｂ）は、その斜視である。 図７に示した光制御部の効果を説明するグラフである。 本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部に用いる多面プリズムの一例を示す斜視図である。 本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部に用いる６面体プリズムの一例を示す斜視図である。 本発明に係る管体の残留応力改善装置において、その光制御部の実施形態の他の一例（参考例５）を示す概略構成図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１１に示した光制御部の効果を説明するグラフである。 図１１に示した本発明に係る管体の残留応力改善装置の変形例を示す概略構成図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１３に示した光制御部の効果を説明するグラフである。

１ 残留応力改善装置
２ 配管
３ 回転駆動装置
４ アーム部
５ 光制御部
６ 光ファイバ
７ レーザ発振器
８ 制御部
９ レーザ光
２１、２２、２３、２４ ミラー
３２、３７ 台形プリズム
４３ 軸ずらしレンズ
４８ 多面プリズム
４９ 六面体プリズム
５１ ライトパイプ

Claims (8)

1. 円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に複数照射すると共に、前記複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
   前記複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
   前記光制御部は、
   少なくとも１つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射すると共に、
   他のレーザ光の光学系に、台形側面を前記管体の軸方向に向けて配設した台形プリズムを有し、該台形プリズムにより、各レーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
2. 請求項１に記載の管体の残留応力改善装置において、
   前記光制御部は、一方の端部のレーザ光の光学系が前記レンズを有する場合、他方の端部のレーザ光の光学系に、前記レーザ光の光軸をずらすレンズに替えて、台形側面を前記管体の周方向に向けて配設した他の台形プリズムを有し、該他の台形プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載した管体の残留応力改善装置において、
   前記台形プリズムに替えて、出射側の面が３つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする管体の残留応力改善装置。
4. 請求項２に記載した管体の残留応力改善装置において、
   前記台形プリズム、前記他の台形プリズムに替えて、出射側の面が３つより多い数の面を有する多面プリズムを用いることを特徴とする管体の残留応力改善装置。
5. 請求項２に記載の管体の残留応力改善装置において、
   前記他の台形プリズムに替えて、切頭型の四角錐からなる六面体プリズムを用い、該六面体プリズムにより、端部のレーザ光の前記管体の周方向における裾野部分を内側に屈折すると共に、端部のレーザ光の前記管体の軸方向における裾野部分を内側に屈折して、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
6. 円筒状の管体の外周を周回移動する回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段に保持され、レーザ光源からのレーザ光を前記管体の溶接部分の外周面に１つ若しくは複数照射すると共に、前記１つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を調整可能な光制御部とを有し、
   前記１つ若しくは複数のレーザ光による照射領域を前記管体の周方向に移動することにより、管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善装置において、
   前記光制御部は、少なくとも１つの端部のレーザ光の光学系に、該光学系におけるレーザ光の光軸をずらすレンズを有し、該レンズにより、端部のレーザ光の強度ピークが前記管体の軸方向の外側に偏るように該レーザ光の光軸をずらして、前記管体へ照射することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１つの請求項に記載した管体の残留応力改善装置において、
   前記レーザ光の光学系を、１つの筐体内に配置することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１つの請求項に記載した管体の残留応力改善装置において、
   前記光制御部の光学系に非球面レンズを用いることを特徴とする管体の残留応力改善装置。

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