JP6200410B2 - 補修溶接方法及び補修溶接用プラグ、並びに原子炉容器 - Google Patents

Description

本開示は、構造物の欠陥部位を補修するための補修溶接方法及び補修溶接用プラグ、並びに原子炉容器に関する。

一般に、構造物に欠陥が生じた場合に、欠陥部位を除去した後、欠陥除去により発生したキャビティを埋め戻すための補修溶接が行われる。補修溶接方法の一つとして、欠陥部位に形成されたキャビティにプラグを嵌め込み、プラグをキャビティに仮付け溶接した後、プラグを含む溶接部位に溶接ワイヤを供給しながらレーザ溶接することによって、キャビティを封止溶接する方法が知られている。

例えば、特許文献１には、原子炉容器に発生した欠陥を補修溶接する方法が記載されている。この方法では、原子炉容器の開先溶接部を除去してプラグ装着部を加工し、このプラグ装着部にプラグを装着して押付荷重を付与した状態でプラグを溶接して固定するようになっている。

特開２０１４−１３０１０９号公報

ところで、特許文献１に記載されるプラグを用いた補修溶接方法においては、キャビティとプラグとの間の隙間の影響により溶接の健全性が損なわれる可能性がある。すなわち、通常、プラグの寸法はキャビティの寸法よりも小さく形成されているため、キャビティにプラグを装着した状態においてキャビティとプラグとの間に隙間が存在する。そのため、この隙間の影響により、溶接時にキャビティとプラグとの境界で溶接ビードが途切れてしまう可能性がある。例えば、溶接の熱影響を抑制する目的から、補修溶接において溶接入熱量を抑えたレーザ溶接を用いることがある。この場合、溶接ビードが小さくなるためビームがキャビティとプラグとの隙間を通過してしまい、この部位で溶接ビードが途切れてしまい溶接施工が困難であった。特に、キャビティにプラグを仮付け溶接する場合には、通常は溶接ワイヤを供給しないため、封止溶接に比べて隙間の影響を受けやすく、更に施工が困難となる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、キャビティとプラグとの間の隙間の影響による溶接施工の困難性を改善し得る補修溶接方法及び補修溶接用プラグ、並びに原子炉容器を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る補修溶接方法は、
母材に形成された凹部の底面にプラグの底面が当接し、且つ、前記凹部の側壁と前記プラグの外周壁との間に隙間が形成されるように、前記凹部に前記プラグを嵌め込むプラグ設置ステップと、
前記凹部に嵌め込まれた前記プラグと前記母材とをレーザ溶接により接合する溶接ステップと、を備える補修溶接方法であって、
前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において、前記プラグの外周縁が前記凹部の外側に位置することを特徴とする。

上記（１）の方法によれば、母材に形成された凹部にプラグが嵌め込まれた状態において、プラグの外周縁が凹部の外側に位置するので、プラグと凹部との隙間がプラグの外周縁で覆われた状態となる。そのため、プラグと母材とをレーザ溶接により接合する際に、凹部とプラグとの隙間をビームが通り抜けてしまうことに起因した溶接ビードの途切れの発生を防止できる。こうして、凹部とプラグとの間の隙間の影響を受けず、健全な補修溶接を行うことが可能となる。
なお、上記（１）の方法において、母材の凹部底面にプラグの底面が当接するようにしているのは、補修溶接後に、プラグに対して圧力が加わったときに、プラグから母材に荷重を適切に伝えるためである。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記凹部の前記側壁は、前記凹部の深さとともに前記凹部の中央に近づくように前記母材の表面の法線に対して傾斜しており、
前記プラグの前記外周壁は、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において前記凹部の前記側壁に沿って前記法線に対して傾斜しており、
前記プラグの厚さは、前記凹部の深さよりも大きい。
上記（２）の方法においては、凹部の側壁が上記したような傾斜を有しており、且つプラグの外周壁も凹部の側壁に沿って傾斜しているため、凹部の深さよりもプラグが厚く形成されることにより、プラグの外周縁が凹部の外側に突出し、凹部とプラグとの隙間がプラグの外周縁によって覆われる。この方法によれば、プラグにフランジ等を設けなくても、プラグの外周縁が凹部の外側に位置する状態をプラグの厚さ管理によって実現できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、
前記プラグは、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれたときに前記凹部の周囲の前記母材を覆うフランジを含み、
前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態で、前記フランジの前記母材に対向する面と、前記母材との間には隙間が形成される。
上記（３）の方法においては、凹部の周囲の母材を覆うフランジをプラグに設けたので、プラグの外周縁（フランジ）が凹部の外側に突出し、凹部とプラグとの隙間がプラグの外周縁（フランジ）によって覆われる。この方法によれば、プラグの外周縁が凹部の外側に位置する状態をプラグのフランジの突出量管理によって実現できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの方法において、
前記溶接ステップでは、前記母材の表面の法線方向に沿った断面内における前記隙間の延在方向に対してレーザ照射方向を傾斜させて前記レーザ溶接の少なくとも一部を行う。
上記（４）の方法によれば、凹部とプラグとの隙間の延在方向に対してレーザ照射方向が傾斜しているので、凹部とプラグとの境界部分へのレーザ照射時において、ビームが凹部とプラグとの隙間を通り抜けることなく、プラグの外周縁又は凹部の側壁にビームを照射することができる。よって、健全な補修溶接を容易に実施することができる。

（５）一実施形態では、上記（４）の方法において、
前記凹部の前記側壁は、前記凹部の深さとともに前記凹部の中央に近づくように前記母材の表面の法線に対して傾斜しており、
前記プラグの前記外周壁は、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において前記凹部の前記側壁に沿って前記法線に対して傾斜しており、
前記溶接ステップでは、前記凹部の前記側壁および前記プラグの前記外周壁の前記法線に対する傾斜方向とは反対側に前記レーザ照射方向を前記法線に対して傾斜させて前記レーザ溶接の少なくとも一部を行う。
上記（５）の方法によれば、凹部とプラグとの境界部分へのレーザ照射時において、母材表面の法線に対して僅かにレーザ照射方向を傾斜させるだけで、前記隙間の延在方向に対してレーザ照射方向がなす適切な角度を確保できる。これにより、ビームが凹部とプラグとの隙間を通り抜けることなく、健全な補修溶接を容易に実施することができる。

（６）一実施形態では、上記（５）の方法において、
前記溶接ステップでは、
レーザ進行方向にレーザヘッドを繰り返し移動させて前記レーザ進行方向に沿った複数本の溶接ビードを形成するとともに、
前記レーザ進行方向に直交する方向における前記レーザ照射方向の前記法線に対する傾斜角を、前記凹部の中心を通り、且つ、前記レーザ進行方向に平行な中央線を挟んで両側に位置する前記凹部の第１領域と第２領域との間で異ならせる。
凹部とプラグとの隙間の延在方向は一定ではなく、凹部の周方向における位置に応じて変化する。このため、凹部の中心を通り、レーザ進行方向に平行な中央線を挟んで両側に位置する凹部の第１領域と第２領域とでは、凹部とプラグとの隙間の延在方向は逆向きとなる。
この点、上記（６）の方法によれば、凹部の第１領域と第２領域との間で、母材表面の法線に対するレーザ照射方向の傾斜角に差を持たせたので、前記隙間の延在方向が逆向きである第１領域と第２領域とについて、それぞれ、前記隙間の延在方向に対してレーザ照射方向がなす適切な角度を確保できる。これにより、ビームが凹部とプラグとの隙間を通り抜けることなく、健全な補修溶接を容易に実施することができる。

（７）一実施形態では、上記（６）の方法において、
前記凹部は、上面視において、前記凹部の前記中心を通る第１軸と、前記中心を通り且つ前記第１軸に直交して前記第１軸よりも長い第２軸を有し、
前記溶接ステップでは、前記第２軸に平行な前記レーザ進行方向に沿って前記溶接ビードを形成する。
上記（７）の方法によれば、凹部とプラグとの境界部分の溶接時の大部分において、前記隙間の延在方向に対するレーザ照射方向の大きな傾斜角を得ることができる。よって、ビームが凹部とプラグとの隙間を通り抜けることに起因した溶接ビードの途切れをより一層効果的に防止でき、健全な補修溶接を容易に実施することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの方法において、
前記溶接ステップでは、
前記プラグの前記外周縁のうち複数箇所を前記母材に対して溶接する仮付け溶接を行った後、
前記プラグの全周に亘って、前記母材に対して封止溶接を行う。
上記（８）の方法によれば、溶接ワイヤを用いずに仮付け溶接する場合であっても、上述したように凹部とプラグとの隙間をビームが通り抜けてしまうことを回避できることから、仮付け溶接によるプラグの安定した固定が可能となる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの方法において、
欠陥を含む前記母材の一部分を除去して前記凹部を形成する凹部形成ステップと、をさらに備える。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの方法において、
前記母材は、母材本体と、前記母材本体を覆うクラッド層と、を含み、
前記母材本体は低合金鋼により構成され、
前記クラッド層はオーステナイト系ステンレス鋼によって構成される。
上記（１０）の方法によれば、低合金鋼により構成される母材本体がオーステナイト系ステンレス鋼により構成されるクラッド層によって覆われているため、母材の耐食性を向上できる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの方法において、
前記母材が、原子炉容器の壁材である。
一般的に、原子炉容器の壁材は低合金鋼から構成されることが多く、低合金鋼からなる母材が中性子の照射を受けると、母材中にヘリウムが発生する可能性がある。ヘリウムを含む母材に溶接を行うと、ヘリウムが溶接熱影響部の結晶粒界に集積して溶接割れが発生することがある。この溶接割れを抑制するためには、溶接入熱量を低減することが求められる。溶接入熱量を抑えたレーザ溶接はビードが小さいため凹部とプラグとの隙間の影響を受けやすいが、上述の実施形態を適用することにより凹部とプラグとの隙間に関わらず健全な補修溶接が可能であるため、原子炉容器の壁材に対して溶接入熱量を抑えたレーザ溶接を用いた補修溶接を適切に実施することができる。

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る補修溶接用プラグは、
母材の補修溶接用のプラグであって、
前記母材に形成された凹部に嵌め込まれたときに、
前記凹部の底面に前記プラグの底面が当接し、
前記凹部の側壁と前記プラグの外周壁との間に隙間が形成され、
前記プラグの外周縁が前記凹部の外側に位置する
ことを特徴とする。
上記（１２）の補修溶接用プラグは、母材に形成された凹部に嵌め込まれたときに、プラグの外周縁が凹部の外側に位置するので、プラグと凹部との隙間がプラグの外周縁で覆われた状態となる。そのため、プラグと母材とをレーザ溶接により接合する際に、凹部とプラグとの隙間をビームが通り抜けてしまうことに起因した溶接ビードの途切れの発生を防止できる。こうして、凹部とプラグとの間の隙間の影響を受けず、健全な補修溶接を行うことが可能となる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、
前記凹部の前記側壁は、前記凹部の深さとともに前記凹部の中央に近づくように前記母材の表面の法線に対して傾斜しており、
前記プラグの前記外周壁は、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において前記凹部の前記側壁に沿って前記法線に対して傾斜しており、
前記プラグの厚さは、前記凹部の深さよりも大きい。
上記（１３）の構成においては、凹部の側壁が上記したような傾斜を有しており、且つプラグの外周壁も凹部の側壁に沿って傾斜しているため、凹部の深さよりもプラグが厚く形成されることにより、プラグの外周縁が凹部の外側に突出し、凹部とプラグとの隙間がプラグの外周縁によって覆われる。この構成によれば、プラグにフランジ等を設けなくても、プラグの外周縁が凹部の外側に位置する状態をプラグの厚さ管理によって実現できる。

（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る原子炉容器は、
燃料集合体を収容する原子炉容器であって、
前記原子炉容器の壁材は、
凹部が形成された母材と、
前記母材の前記凹部に嵌め込まれた状態で前記母材に対して接合された上記（１２）又は（１３）の補修溶接用プラグと、
を含むことを特徴とする。
上記（１４）の原子炉容器によれば、原子炉容器の壁材の補修時に、上述の理由により健全な補修溶接が可能である。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、母材と、該母材の凹部に嵌め込まれたプラグとをレーザ溶接により接合する際に、凹部とプラグとの隙間をビームが通り抜けてしまうことに起因した溶接ビードの途切れの発生を防止できる。そのため、凹部とプラグとの間の隙間の影響を受けず、健全な補修溶接を行うことが可能となる。

幾つかの実施形態に係る原子力発電プラントを示す概略構成図である。 幾つかの実施形態に係る補修溶接方法のフローチャートである。 一実施形態における凹部を示す図であって、（ａ）は凹部を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 一実施形態における溶接前の凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 他の実施形態における溶接前の凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 一実施形態における仮付け溶接を示す図であって、（ａ）は凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＥ部拡大図である。 一実施形態における封止溶接を示す図であって、（ａ）は凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。 一実施形態における補修溶接の手順を示す図であって、（ａ）は凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図であり、（ｃ）は第１領域の溶接時における（ａ）のＨ−Ｈ線断面図であり、（ｄ）は第２領域の溶接時における（ａ）のＨ−Ｈ線断面図である。 他の実施形態における補修溶接の手順を示す図であって、（ａ）は凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図であり、（ｃ）は第１領域の溶接時における（ａ）のＪ−Ｊ線断面図であり、（ｄ）は第２領域の溶接時における（ａ）のＪ−Ｊ線断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１を参照して、本実施形態に係る補修溶接方法が適用される対象構造物の一例として、原子炉容器１１について、その周辺構造とともに説明する。なお、図１は、幾つかの実施形態に係る原子力発電プラント１を示す概略構成図である。

図１に示すように、幾つかの実施形態に係る原子力発電プラント１は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）を含む。加圧水型原子炉は、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用し、炉心全体にわたって沸騰しない高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器１３に送って熱交換により蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気タービン２１へ送って発電機２４で発電する構成となっている。但し、本実施形態に係る原子炉のタイプは、加圧水型原子炉に限定されるものではない。

原子力発電プラント１は、高温高圧の熱水（1次冷却水）を生成するための原子炉系１０と、前記熱水により生成された蒸気（２次冷却水）を利用して発電するためのタービン系２０と、１次冷却水と２次冷却水との熱交換を行う蒸気発生器１３と、を備える。

具体的には、原子炉系１０は、原子炉容器１１と、加圧器１２と、１次冷却水ポンプ１４と、を含んでいる。原子炉系１０の各機器及び蒸気発生器１３の間はそれぞれ配管で接続されており、１次冷却水が循環するようになっている。これらの原子炉容器１１、加圧器１２及び１次冷却水ポンプ１４と、さらに蒸気発生器１３とは、原子炉格納容器１５に格納される。
原子炉容器１１は、炉心及び燃料集合体を収容している。原子炉容器１１で加熱され、加圧器１２で加圧された高温高圧の１次冷却水（熱水）は、蒸気発生器１３に供給される。蒸気発生器１３で熱交換された低温の１次冷却水は、１次冷却水ポンプ１４を介して原子炉容器１１に戻される。

タービン系２０は、高圧タービン２２及び低圧タービン２３を含む蒸気タービン２１と、蒸気タービン２１により駆動されて発電を行うように構成された発電機２４と、湿分分離加熱器２５と、蒸気タービン２１で仕事をした蒸気を冷却して液化する復水器２６と、
復水ポンプ２７と、低圧給水加熱器２８と、脱気器２９と、給水ポンプ３０と、高圧給水加熱器３１と、を含んでいる。タービン系２０の各機器及び蒸気発生器１３の間はそれぞれ配管で接続されており、２次冷却水が循環するようになっている。
蒸気タービン２１は、蒸気発生器１３から供給された蒸気により駆動するように構成されている。
復水器２６は、例えば海水を使って蒸気を冷却して水に戻すように構成されている。
給水ポンプ３０は、復水器２６からの２次冷却水が蒸気発生器１３に供給されるように作動する構成となっている。

次に、原子炉容器１１を補修するための補修溶接方法について説明する。但し、以下の説明では、原子炉容器１１の補修溶接について例示しているが、補修溶接対象はこれに限定されるものではない。
例えば、原子炉容器１１の内面の非破壊検査によって欠陥が検出された場合、通常、欠陥を除去することによって形成された母材の凹部を埋め戻すための補修溶接（以下、埋め戻し補修溶接と称する）を行う。しかし、埋め戻し補修溶接は時間を要することから、応急的な工法として、欠陥除去により母材に形成された凹部に補修溶接用プラグ（以下、プラグと称する）を嵌め込んで該プラグを溶接する封止溶接を実施することがある。以下の実施形態は、主としてこの封止溶接を行うものである。なお、欠陥は、原子炉容器１１の少なくとも一部に生じた割れ（き裂）であってもよい。

以下、図２に示すフローチャートに沿って本実施形態に係る補修溶接方法について詳細に説明する。この説明においては、図３乃至図９に示す各部位の符号を適宜用いている。なお、図２は、幾つかの実施形態に係る補修溶接方法のフローチャートである。

幾つかの実施形態に係る補修溶接方法は、まず、ステップＳ１（凹部形成ステップ）において、欠陥を含む母材４０の一部分を除去して、母材４０に凹部４５を形成する。なお、図３乃至図９では、母材４０の耐久性向上を目的として、母材４０が、低合金鋼により構成される母材本体４２と、該母材本体４２を覆うように設けられ、オーステナイト系ステンレス鋼によって構成されるクラッド層４１と、を含む場合を例示している。但し、母材４０の構成はこれに限定されるものではなく、例えば母材本体４２が炭素鋼で構成されてもよいし、クラッド層４１を有しない構成であってもよい。

凹部４５は、底面４６及び側壁４７を有する。
図３は、一実施形態における凹部４５を示す図であって、（ａ）は凹部４５を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。同図に示す例では、凹部４５は上面視において略楕円形状であり、凹部４５の中心Ｃを通る第１軸４８と、中心Ｃを通り且つ第１軸４８に直交して該第１軸４８よりも長い第２軸４９と、を有している。なお、中心Ｃは、例えば、凹部４５の上面視において、最も短い径（第１軸４８）と最も長い径（第２軸４９）との交点であってもよい。また、凹部４５の側壁４７は、凹部４５の深さとともに凹部４５の中央に近づくように、母材４０の表面の法線Ｎに対して０°以上の角度αを有して傾斜している。すなわち、凹部４５の底面４６の径よりも、凹部４５の開口付近（母材４０の表面付近）の径の方が大きくなるように、側壁４７はテーパ状に傾斜している。また、凹部４５の底面４６又は側壁４７は湾曲した形状であってもよい。なお、凹部４５の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、上面視において略正円形状であってもよいし、略楕円形状であってもよいし、略方形形状であってもよい。あるいは、図９に示すように、凹部４５の側壁４７の延在方向が、母材４０の表面の法線Ｎと概ね一致しており、底面４６に対して側壁４７が略垂直に形成されていてもよい。

次いで、ステップＳ２（プラグ設置ステップの一部）において、凹部４５に対応したプラグ５０を形成する。

図４は、一実施形態における溶接前の凹部４５及びプラグ５０を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。同図に示す例では、プラグ５０は、底面５１、外周壁５２及び外周縁５３を有しており、凹部４５に対応した形状に形成される。すなわち、上面視において略楕円形状であり、且つ、プラグ５０の外周壁５２は、プラグ５０の厚さ方向において底面５１側に向かうにつれてプラグ５０の中央に近づくように、母材４０の表面の法線Ｎに対して０°以上の角度αを有して傾斜している。また、プラグ５０は、凹部４５の底面４６にプラグ５０の底面４６を当接させた状態で、凹部４５の側壁４７とプラグ５０の外周壁５２との間に隙間６０が形成されるような形状となっている。
図５は、他の実施形態における溶接前の凹部４５及びプラグ５０を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。同図に示す例では、プラグ５０は、プラグ５０が凹部４５に嵌め込まれたときに凹部４５の周囲の母材４０を覆うフランジ５４を含む。
なお、プラグ５０は、原則として凹部４５に対応した形状を有しているため、図９に示すように、プラグ５０の外周壁５２の延在方向が、母材４０の表面の法線Ｎと概ね一致しており、底面５１に対して外周壁５２が略垂直に形成された構成であってもよい。

続いて、ステップＳ３（プラグ設置ステップの他の一部）において、図４（ａ）及び（ｂ）、並びに図５に示すように、凹部４５にプラグ５０を嵌め込む。上述したように、プラグ５０は、凹部４５に嵌め込まれた状態で、凹部４５の底面４６にプラグ５０の底面５１が当接し、且つ、凹部４５の側壁４７とプラグ５０の外周壁５２との間に隙間６０が形成される。
例えば、凹部４５の側壁４７とプラグ５０の外周壁５２との間に隙間６０が形成されない場合、プラグ５０を凹部４５に挿入する際に、凹部４５の底面４６にプラグ５０の底面５１が当接する前にプラグ５０が凹部４５の側壁４７に挟まれた状態で止まってしまう可能性がある。この場合、凹部４５の底面４６とプラグ５０の底面５１との間に空間が残存した状態で溶接されるので、補修溶接後にプラグ５０に対して圧力が加わったときに、プラグ５０の底面５１側の空間によってプラグ５０から母材４０に荷重が適切に伝達されない。例えば、補修溶接対象が図１に示す原子炉容器１１であり、容器内空間にプラグ５０が面するように補修溶接が実施された場合、原子炉容器１１の内圧が高くなるとプラグ５０の底面５１側の空間の存在により、母材４０表面からプラグが凹んでしまうおそれがある。
そのため、上記したように、ステップＳ３では、母材４０に形成された凹部４５の底面４６にプラグ５０の底面５１が当接し、且つ、凹部４５の側壁４７とプラグ５０の外周壁５２との間に隙間６０が形成されるように、凹部４５にプラグ５０を嵌め込む。これにより、補修溶接後において、プラグ５０に対して圧力が加わったときに、プラグ５０から母材４０に荷重を適切に伝えることができる。

また、図４（ａ）及び（ｂ）、並びに図５に示すように、プラグ５０が凹部４５に嵌め込まれた状態において、プラグ５０の外周縁５３は凹部４５の外側に位置する。図４（ａ）及び（ｂ）に示す例では、プラグ５０の外周壁５２は、母材４０の法線Ｎに対して傾斜しているので、凹部４５の深さよりもプラグ５０が厚く形成されていることにより、プラグ５０の外周縁５３が凹部４５の外側に突出する。そのため、上面視において、凹部４５とプラグ５０との隙間６０がプラグ５０の外周縁５３によって覆われることとなる。これにより、プラグ５０にフランジ等を設けなくても、プラグ５０の外周縁５３が凹部４５の外側に位置する状態をプラグ５０の厚さ管理によって実現できる。

一方、図５（ａ）及び（ｂ）に示す例では、プラグ５０が凹部４５に嵌め込まれた状態で、フランジ５４の母材４０に対向する面５４ａと、母材４０との間には隙間ｄが形成される。このように、凹部４５の周囲の母材４０を覆うフランジ５４をプラグ５０に設けることによって、プラグ５０の外周縁５３（フランジ５４）が凹部４５の外側に突出し、凹部４５とプラグ５０との隙間６０がプラグ５０の外周縁５３（フランジ５４）によって覆われる。これにより、プラグ５０の外周縁５３が凹部４５の外側に位置する状態をプラグ５０のフランジ５４の突出量管理によって実現できる。

次に、ステップＳ４及びステップＳ５（溶接ステップ）において、母材４０の凹部４５に嵌め込まれたプラグ５０と、母材４０とをレーザ溶接により接合する。
具体的には、ステップＳ４において、プラグ５０の外周縁５３のうち複数箇所を母材４０に対して溶接する仮付け溶接を行った後、ステップＳ５において、プラグ５０の全周に亘って、母材４０に対して封止溶接を行う。

ステップＳ４では、母材４０とプラグ５０との仮付け溶接を行う。
図６は、一実施形態における仮付け溶接を示す図であって、（ａ）は凹部４５及びプラグ５０を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＥ部拡大図である。同図に示すように、母材４０に形成された凹部４５にプラグ５０が嵌め込まれた状態において、プラグ５０の外周縁５３が凹部４５の外側に位置するので、プラグ５０と凹部４５との隙間６０がプラグ５０の外周縁５３で覆われた状態となる。そのため、プラグ５０と母材４０とを仮付け溶接する際に、凹部４５とプラグ５０との隙間６０をビームが通り抜けてしまうことを防止できる。特に、溶接ワイヤを用いずに仮付け溶接する場合であっても、上述したように凹部４５とプラグ５０との隙間６０をビームが通り抜けてしまうことを回避できることから、仮付け溶接によるプラグ５０の安定した固定が可能となる。

ステップＳ５では、母材４０とプラグ５０との封止溶接を行う。
図７は、一実施形態における封止溶接を示す図であって、（ａ）は凹部４５及びプラグ５０を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。同図に示すように、封止溶接においては、プラグ５０が凹部４５に嵌め込まれた状態においてプラグ５０の外周縁５３が凹部４５の外側に位置しており、この状態で、凹部４５に嵌め込まれたプラグ５０と母材４０とをレーザ溶接により接合する。例えば、封止溶接では、レーザ照射装置の光学ヘッド（レーザヘッド）を第２軸４９に平行なレーザ進行方向に沿って移動させて、１ビードずつ溶接ビード６４を形成する。また、レーザ進行方向を第１軸４８に沿ってずらしながら、第１軸４８の方向に複数パスの溶接ビード６４を形成する。そして、プラグ５０の全面を覆う溶接ビード６４が形成されたら、これらの手順を繰り返し行い、厚さ方向に多層の溶接ビード６４を形成する。このステップにおいては、母材４０に形成された凹部４５にプラグ５０が嵌め込まれた状態において、プラグ５０の外周縁５３が凹部４５の外側に位置するので、プラグ５０と凹部４５との隙間６０がプラグ５０の外周縁５３で覆われた状態となる。そのため、プラグ５０と母材４０とをレーザ溶接により接合する際に、凹部４５とプラグ５０との隙間６０をビームが通り抜けてしまうことに起因した溶接ビードの途切れの発生を防止できる。こうして、凹部４５とプラグ５０との間の隙間６０の影響を受けず、健全な補修溶接を行うことが可能となる。

上述した溶接ステップにおいては、以下の手順をさらに備えていてもよい。
図８は、一実施形態における封止溶接の手順を示す図であって、（ａ）は凹部４５及びプラグ５０を上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図であり、（ｃ）は第１領域の溶接時における（ａ）のＨ−Ｈ線断面図であり、（ｄ）は第２領域の溶接時における（ａ）のＨ−Ｈ線断面図である。

同図に示すように、一実施形態において、溶接ステップでは、レーザ照射装置の光学ヘッド（レーザヘッド）７０を直線状のレーザ進行方向に沿って移動させ、１つの溶接ビード６４を施工した後、光学ヘッド７０をレーザ照射方向と直交する方向にずらして、再度、光学ヘッド７０を直線状のレーザ進行方向に沿って移動させて１つの溶接ビード６４を施工する。一つの溶接ビード６４を形成する際、母材４０の表面の法線Ｎの方向に沿った断面内における隙間６０の延在方向に対してレーザ照射方向（レーザ照射装置の光学ヘッド７０）を傾斜させてレーザ溶接の少なくとも一部を行う。このとき、凹部４５の側壁４７およびプラグ５０の外周壁５２の法線Ｎに対する傾斜方向とは反対側にレーザ照射方向を法線Ｎに対して傾斜させてレーザ溶接の少なくとも一部を行ってもよい。これによれば、凹部４５とプラグ５０との隙間６０の延在方向に対してレーザ照射方向が傾斜しているので、凹部４５とプラグ５０との境界部分へのレーザ照射時において、ビームが凹部４５とプラグ５０との隙間６０を通り抜けることなく、プラグ５０の外周縁５３又は凹部４５の側壁４７にビームを照射することができる。よって、健全な補修溶接を容易に実施することができる。また、凹部４５とプラグ５０との境界部分へのレーザ照射時において、母材表面の法線Ｎに対して僅かにレーザ照射方向を傾斜させるだけで、隙間６０の延在方向に対してレーザ照射方向がなす適切な角度を確保できる。これにより、ビームが凹部４５とプラグ５０との隙間６０を通り抜けることなく、健全な補修溶接を容易に実施することができる。

また、レーザ進行方向に直交する方向におけるレーザ照射方向の法線Ｎに対する傾斜角θを、凹部４５の中心Ｃを通り、且つ、レーザ進行方向に平行な中央線６６を挟んで両側に位置する凹部の第１領域と第２領域との間で異ならせてもよい。具体的には、第１領域においては、レーザ照射装置の光学ヘッド７０をプラグ５０の外周壁５２の法線Ｎに対する傾斜方向とは反対側に０°以上の傾斜角θ１で傾斜させる。この状態で、第２軸４９に沿って、プラグ５０の一端側から他端側まで光学ヘッド７０を直線状に移動させながら溶接ビード６４を形成する。溶接ビードが終端まで到達したら、光学ヘッド７０を第１軸に沿った方向にずらして、再度、第２軸４９に沿って、プラグ５０の一端側から他端側まで光学ヘッド７０を直線状に移動させながら溶接ビード６４を形成する。この手順を繰り返して第１領域の封止溶接を行う。そして、光学ヘッド７０が中央線６６を超えて第２領域に侵入したら、光学ヘッド７０の傾斜方向を変更する。第２領域においては、光学ヘッド７０をプラグ５０の外周壁５２の法線Ｎに対する傾斜方向とは反対側に０°以上の傾斜角θ２で傾斜させる。この状態で、上記第１領域と同様にして、第２領域の封止溶接を行う。

通常、凹部４５とプラグ５０との隙間６０の延在方向は一定ではなく、凹部４５の周方向における位置に応じて変化する。このため、凹部４５の中心Ｃを通り、レーザ進行方向に平行な中央線６６を挟んで両側に位置する凹部４５の第１領域と第２領域とでは、凹部４５とプラグ５０との隙間６０の延在方向は逆向きとなる。そのため、上記したように、凹部４５の第１領域と第２領域との間で、母材表面の法線Ｎに対するレーザ照射方向の傾斜角θに差を持たせることによって、隙間６０の延在方向が逆向きである第１領域と第２領域とについて、それぞれ、隙間６０の延在方向に対してレーザ照射方向がなす適切な角度を確保できる。これにより、ビームが凹部４５とプラグ５０との隙間６０を通り抜けることなく、健全な補修溶接を容易に実施することができる。

上述した実施形態に係る補修溶接方法とは別の実施形態として、以下の方法を適用することもできる。
図９は、他の実施形態における補修溶接の手順を示す図であって、（ａ）は凹部及びプラグを上面視した図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図であり、（ｃ）は第１領域の溶接時における（ａ）のＪ−Ｊ線断面図であり、（ｄ）は第２領域の溶接時における（ａ）のＪ−Ｊ線断面図である。
この補修溶接方法では、凹部４５にプラグ５０を嵌め込むプラグ設置ステップと、プラグ５０と母材４０とをレーザ溶接により接合する溶接ステップと、を備える．
プラグ設置ステップでは、母材４０に形成された凹部４５の底面４６にプラグ５０の底面５１が当接し、且つ、凹部４５の側壁４７とプラグ５０の外周壁５２との間に隙間６０が形成されるように、凹部４５にプラグ５０を嵌め込む。このとき、凹部４５の深さと、プラグ５０の厚さは概ね一致している。
溶接ステップでは、母材４０の表面の法線Ｎの方向に沿った断面内における隙間６０の延在方向に対してなす角度（傾斜角）θ１，θ２が大きくなるように、法線Ｎの方向に対してレーザ照射方向を傾斜させてレーザ溶接の少なくとも一部を行う。ここで、図８と同様に、第１領域においては、レーザ照射装置の光学ヘッド７０をプラグ５０の外周壁５２の法線Ｎに対する傾斜方向とは反対側に０°以上の傾斜角θ１で傾斜させ、第２領域においては、法線Ｎに対する傾斜方向とは反対側に０°以上の傾斜角θ２で傾斜させてもよい。

この方法によれば、溶接ステップにおいて、凹部４５とプラグ５０との隙間６０の延在方向に対してレーザ照射方向が傾斜しているので、凹部４５とプラグ５０との境界部分へのレーザ照射時において、ビームが凹部４５とプラグ５０との隙間６０を通り抜けることなく、プラグ５０の外周縁５３又は凹部４５の側壁４７にビームを照射することができる。よって、健全な補修溶接を容易に実施することができる。
なお、図９では、一例としてプラグ５０の外周壁５３の延在方向が母材４０の法線Ｎの方向に沿っている場合について示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図３（ｂ）に示すように、プラグ５０の外周壁５３の延在方向が母材４０の法線Ｎの方向に対して傾斜していてもよい。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、母材４０と、該母材４０の凹部４５に嵌め込まれたプラグ５０とをレーザ溶接により接合する際に、凹部４５とプラグ５０との隙間６０をビームが通り抜けてしまうことに起因した溶接ビード６４の途切れの発生を防止できる。そのため、凹部４５とプラグ５０との間の隙間６０の影響を受けず、健全な補修溶接を行うことが可能となる。

また、上述の実施形態を図１に示した原子炉容器１１に適用することによって、以下の利点が得られる。
一般的に、原子炉容器１１の壁材は低合金鋼から構成されることが多く、低合金鋼からなる母材４０が中性子の照射を受けると、母材４０中にヘリウムが発生する可能性がある。ヘリウムを含む母材４０に溶接を行うと、ヘリウムが溶接熱影響部の結晶粒界に集積して溶接割れが発生することがある。この溶接割れを抑制するためには、溶接入熱量を低減することが求められる。溶接入熱量を抑えたレーザ溶接はビードが小さいため凹部４５とプラグ５０との隙間６０の影響を受けやすいが、上述の実施形態を適用することにより凹部４５とプラグ５０との隙間６０に関わらず健全な補修溶接が可能であるため、原子炉容器１１の壁材に対して溶接入熱量を抑えたレーザ溶接を用いた補修溶接を適切に実施することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述の実施形態では、補修溶接を行う対象として原子炉容器１１の壁材について説明したが、対象構造物はこれに限定されるものではない。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 原子力発電プラント
１０ 原子炉系
１１ 原子炉容器
２０ タービン系
４０ 母材
４１ クラッド層
４２ 母材本体
４５ 凹部
４６ （凹部の）底面
４７ （凹部の）側壁
４８ 第１軸
４９ 第２軸
５０ プラグ
５１ （プラグの）底面
５２ （プラグの）外周壁
５３ （プラグの）外周縁
５４ （プラグの）フランジ
６０ 隙間
６４ 溶接ビード
６６ 中央線
７０ 光学ヘッド
ｄ 隙間

Claims (14)

1. 母材に形成された凹部の底面にプラグの底面が当接し、且つ、前記凹部の側壁と前記プラグの外周壁との間に隙間が形成されるように、前記凹部に前記プラグを嵌め込むプラグ設置ステップと、
   前記凹部に嵌め込まれた前記プラグと前記母材とをレーザ溶接により接合する溶接ステップと、を備える補修溶接方法であって、
   前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において、前記プラグの外周縁が前記凹部の外側に位置することを特徴とする補修溶接方法。
2. 前記凹部の前記側壁は、前記凹部の深さとともに前記凹部の中央に近づくように前記母材の表面の法線に対して傾斜しており、
   前記プラグの前記外周壁は、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において前記凹部の前記側壁に沿って前記法線に対して傾斜しており、
   前記プラグの厚さは、前記凹部の深さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の補修溶接方法。
3. 前記プラグは、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれたときに前記凹部の周囲の前記母材を覆うフランジを含み、
   前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態で、前記フランジの前記母材に対向する面と、前記母材との間には隙間が形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の補修溶接方法。
4. 前記溶接ステップでは、前記母材の表面の法線方向に沿った断面内における前記隙間の延在方向に対してレーザ照射方向を傾斜させて前記レーザ溶接の少なくとも一部を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の補修溶接方法。
5. 前記凹部の前記側壁は、前記凹部の深さとともに前記凹部の中央に近づくように前記母材の表面の法線に対して傾斜しており、
   前記プラグの前記外周壁は、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において前記凹部の前記側壁に沿って前記法線に対して傾斜しており、
   前記溶接ステップでは、前記凹部の前記側壁および前記プラグの前記外周壁の前記法線に対する傾斜方向とは反対側に前記レーザ傾斜方向を前記法線に対して傾斜させて前記レーザ溶接の少なくとも一部を行うことを特徴とする請求項４に記載の補修溶接方法。
6. 前記溶接ステップでは、
   レーザ進行方向にレーザヘッドを繰り返し移動させて前記レーザ進行方向に沿った複数本の溶接ビードを形成するとともに、
   前記レーザ進行方向に直交する方向における前記レーザ照射方向の前記法線に対する傾斜角を、前記凹部の中心を通り、且つ、前記レーザ進行方向に平行な中央線を挟んで両側に位置する前記凹部の第１領域と第２領域との間で異ならせる
   ことを特徴とする請求項５に記載の補修溶接方法。
7. 前記凹部は、上面視において、前記凹部の前記中心を通る第１軸と、前記中心を通り且つ前記第１軸に直交して前記第１軸よりも長い第２軸を有し、
   前記溶接ステップでは、前記第２軸に平行な前記レーザ進行方向に沿って前記溶接ビードを形成することを特徴とする請求項６に記載の補修溶接方法。
8. 前記溶接ステップでは、
   前記プラグの前記外周縁のうち複数箇所を前記母材に対して溶接する仮付け溶接を行った後、
   前記プラグの全周に亘って、前記母材に対して封止溶接を行う
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の補修溶接方法。
9. 欠陥を含む前記母材の一部分を除去して前記凹部を形成する凹部形成ステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の補修溶接方法。
10. 前記母材は、母材本体と、前記母材本体を覆うクラッド層と、を含み、
    前記母材本体は低合金鋼により構成され、
    前記クラッド層はオーステナイト系ステンレス鋼によって構成されたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の補修溶接方法。
11. 前記母材が、原子炉容器の壁材であることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の補修溶接方法。
12. 母材の補修溶接用のプラグであって、
    前記母材に形成された凹部に嵌め込まれたときに、
    前記凹部の底面に前記プラグの底面が当接し、
    前記凹部の側壁と前記プラグの外周壁との間に隙間が形成され、
    前記プラグの外周縁が前記凹部の外側に位置する
    ことを特徴とする補修溶接用プラグ。
13. 前記凹部の前記側壁は、前記凹部の深さとともに前記凹部の中央に近づくように前記母材の表面の法線に対して傾斜しており、
    前記プラグの前記外周壁は、前記プラグが前記凹部に嵌め込まれた状態において前記凹部の前記側壁に沿って前記法線に対して傾斜しており、
    前記プラグの厚さは、前記凹部の深さよりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の補修溶接用プラグ。
14. 燃料集合体を収容する原子炉容器であって、
    前記原子炉容器の壁材は、
    凹部が形成された母材と、
    前記母材の前記凹部に嵌め込まれた状態で前記母材に対して接合された請求項１２又は１３に記載の補修溶接用プラグと、
    を含むことを特徴とする原子炉容器。

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