JP6682344B2 - 補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、補修方法に関し、特に、溶接継手部内部に生じた欠陥を補修する場合に適用して有用な補修方法に関する。

従来、溶接継手部に欠陥が生じた場合、前記欠陥を完全に除去し、除去した箇所を再溶接することにより、前記溶接継手部を補修している。

下記特許文献１には、開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、当該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、当該埋め込み材の周囲をレーザ溶接して前記開口欠陥の表面を前記埋め込み材により封止するレーザ補修方法が開示されている。

特許第４２４６８７８号公報

ところで、厚板多層溶接や、特殊な形状の溶接にて、溶接継手部内部に欠陥が生じた場合には、欠陥を局所的に除去し、補修溶接することは難しいことから、健全部を含めた広い範囲を全て加工除去した後に開先加工して再溶接する必要があった。そのため、補修作業が煩雑であり、多大な時間を要していた。

上記特許文献１には、材料表面に開口した開口欠陥を補修するレーザ補修方法について開示されているものの、材料表面に開口せず材料内部の欠陥を補修することについては開示も示唆もなかった。また、上記レーザ補修方法を、溶接継手部内部に欠陥が生じた場合の補修に適用することが考えられるが、欠陥を除去して形成された拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材を用いることから、拡張欠陥部の形状に応じて埋め込み材を用意しなければならず、補修作業が煩雑であり、多大な時間を要する可能性があった。

以上のことから、本発明は、上述したような課題を解決するために為されたものであって、溶接継手部内部の欠陥を比較的容易に除去することができる補修方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る補修方法は、溶接継手部に生じた欠陥を補修する方法であって、
前記欠陥に向けて高エネルギ密度の小径のレーザビームを照射しつつ、前記溶接継手部が溶融されてなる溶融池が前記欠陥のある領域まで広がるように前記レーザビームの出力が制御される溶融工程と、
前記溶融池にて、上方向の凝固速度が横方向の凝固速度よりも速くなるように前記レーザビームの出力が制御される凝固工程と
を有する、ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る補修方法は、第１の発明に係る補修方法であって、
前記溶融工程にて、前記レーザビームの出力が漸増される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る補修方法は、第１の発明に係る補修方法であって、
前記溶融工程にて、前記レーザビームの出力が漸増される一方、前記レーザビームの出力の漸増に伴い、前記レーザビームの焦点位置が前記溶接継手部の表面から当該溶接継手部の内部に向けて移動されることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る補修方法は、第１から第３の何れか一つの発明に係る補修方法であって、
前記凝固工程にて、前記レーザビームの出力が漸減される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る補修方法は、第１から第３の何れか一つの発明に係る補修方法であって、
前記凝固工程にて、前記レーザビームの出力が漸減される一方、前記レーザビームの出力の漸減に伴い、前記レーザビームの焦点位置が前記溶接継手部の内部から当該溶接継手部の表面に向けて移動されることを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る補修方法は、第１から第５の何れか一つの発明に係る補修方法であって、
前記欠陥のある領域まで前記溶融池が広がると当該溶融池の大きさを所定時間維持するように前記レーザビームの出力が制御される中間工程をさらに有する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る補修方法は、第６の発明に係る補修方法であって、
前記中間工程にて、前記レーザビームの出力が所定時間保持される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係る補修方法は、第６の発明に係る補修方法であって、
前記中間工程にて、前記レーザビームの出力が所定時間保持されると共に、前記レーザビームの焦点位置が所定時間保持される
ことを特徴とする。

本発明によれば、溶融工程にて、溶接継手部が溶融されてなる溶融池が欠陥のある領域まで広げられることから、前記欠陥が前記溶融池を上昇して溶融池の外へ出ていくことになる。また、凝固工程では、溶融池にて、上方向の凝固速度が横方向の凝固速度よりも速くなるようにレーザビームの出力が制御されることから、当該溶融池にて凝固界面の横方向の会合による欠陥の発生を防ぐことができる。よって、欠陥を切削除去する作業が不要となることから、溶接継手部内部の欠陥を比較的容易に除去することができる。

本発明の第一の実施形態に係る補修方法の説明図であって、図１（ａ）に補修時のレーザビームの出力特性を示し、図１（ｂ）に補修時のレーザビームの焦点特性を示し、図１（ｃ）にレーザビームの焦点位置と溶融池（補修溶接部）の関係を示す。 前記補修方法による補修箇所の説明図であって、図２（ａ）に溶融工程の場合を示し、図２（ｂ）に凝固工程（初期段階）の場合を示し、図２（ｃ）および図２（ｄ）に凝固工程（中期段階）の場合を示し、図２（ｅ）に凝固工程（終了段階）の場合を示す。 前記補修方法で用いられるレーザ補修装置の説明図であって、図３（ａ）にレーザビームの焦点位置を溶接面と一致させた場合を示し、図３（ｂ）にレーザビームの焦点位置を溶接面から上方にずらした場合を示す。 本発明の第二の実施形態に係る補修方法による補修時のレーザビームの出力特性を示す特性図である。

本発明に係る補修方法の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態に係る補修方法について、図１〜図３を用いて説明する。
なお、本実施形態では、レーザビームの焦点位置制御において、溶融工程ａ２がレーザビームの出力制御の溶融工程ａ１と同じ期間であり、中間工程ｂ２がレーザビームの出力制御の中間工程ｂ１と同じ期間であり、凝固工程ｃ２がレーザビームの出力制御の凝固工程ｃ１と同じ期間である場合を示している。図１（ｂ），（ｃ）において、＋（プラス）が溶接面（表面）を基準としたときの上方位置を示し、−（マイナス）が溶接面を基準としたときの下方位置を示している。

本実施形態に係る補修方法では、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すような、レーザ補修装置を用いることが可能である。前記レーザ補修装置は、光ファイバ２１と、光ファイバ２１の先端部側に接続される光学系２２と、光ファイバ２１の基端部側に接続されるレーザ発振器２３と、光学系２２およびレーザ発振器２３を制御する制御装置２４とを備える。光学系２２として、レーザビーム３１の焦点位置３１ａを調整可能な機器であり、例えば、集光レンズなどを用いることが可能である。制御装置２４がレーザ発振器２３を制御することにより、光学系２２を介して照射されるレーザビーム３１の出力が調整可能になっている。また、制御装置２４が光学系２２を制御することにより、光学系２２を介して照射されるレーザビーム３１の焦点位置３１ａが調整可能になっている。レーザビームの焦点位置３１ａは、例えば、母材１１，１２の溶接継手部１３の溶接面１３ａを基準に上下方向に調整可能になっている。

上述のレーザ補修装置は、シングルモードファイバレーザの小径（例えば、直径０．２ｍｍ以下）のビームを照射可能になっている。

ここで、上述のレーザ補修装置を用いた補修方法について、以下に説明する。
なお、溶接継手部１３に生じた欠陥（例えば、ポロシティ）１５は、従来の非破壊検査方法により検出されて位置（水平方向の位置および鉛直方向の位置）が特定されているとする。

従来の補修方法とは異なり、切削加工などで欠陥を除去せず、溶接継手部１３に生じた欠陥１５と正対するように前記レーザ補修装置の光学系２２などを配置し、制御装置２４が、溶接継手部１３の表面１３ａ側から欠陥１５に向けてレーザビーム３１を照射しつつ、レーザビーム３１が所定の出力特性となり、レーザビーム３１が所定の焦点位置となるようにレーザ発振器２３および光学系２２を制御する。

制御装置２４は、レーザビーム３１の出力が漸増するようにレーザ発振器２３を制御すると共に、レーザビーム３１の焦点位置３１ａが溶接面（表面）１３ａから深さ方向へ少しずつ移動するように光学系２２を制御する。これにより、溶接継手部１３においては、溶融池（溶融領域）１４が水平方向で所定の範囲内であって、深さ方向へ拡大していくことになる。

具体的には、先ず、補修の開始に伴い、速やかにレーザビーム３１の出力を定常値まで立ち上げる（溶融工程（スロープアップ部）ａ１）。このとき、図２（ａ）に示すように、溶接継手部１３が溶融してなる溶融池（溶融領域）１４が溶接継手部１３の溶接面１３ａ（表面）側から下方（深さ方向）に向かって広がっていくことになる。レーザビーム３１の焦点位置３１ａは、溶融池（溶融領域）１４の境界部１４ａの下方への進行に伴い、溶接継手部１３の溶接面１３ａ（表面）から下方（深さ方向）に向かって少しずつ移動される（溶融工程（インフォーカス制御部）ａ２）。すなわち、レーザビーム３１の出力を漸増しつつ、これに伴い、レーザビーム３１の焦点位置３１ａを少しずつ下方へ移動させる。

続いて、レーザビーム３１の出力が所定の出力値Ｗ１に到達すると共に、レーザビーム３１の焦点位置３１ａが所定の位置Ｐ１に到達すると、レーザビーム３１の出力が前記出力値Ｗ１で所定時間保持される（中間工程（定常部）ｂ１）と共に、レーザビーム３１の焦点位置３１ａが前記所定の位置Ｐ１で所定時間保持される（中間工程（定常部）ｂ２）。これにより、図２（ｂ）に示すように、溶接継手部１３にて欠陥１５がある深さＰ３より深い位置Ｐ１まで溶融池１４が広がり、欠陥（ポロシティ）１５が溶融池１４内を符号Ｘで示す上方向へ移動して溶融池１４の外側へ到達することになる。

続いて、溶融池１４内から欠陥（ポロシティ）１５が無くなると、レーザビーム３１の出力を緩やかに漸減する（凝固工程（スロープダウン部）ｃ１）と共に、レーザビーム３１の焦点位置３１ａを少しずつ上方へ移動され、最終的に溶接面１３ａの上方の所定位置Ｐ２まで移動される（凝固工程（アウトフォーカス制御部）ｃ２）。このとき、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、凝固領域１６の境界部１６ａが溶融池１４の外側から進行し、鉛直方向（上方向）凝固速度Ｖ１が水平方向（横方向）凝固速度Ｖ２よりも速くなるようにレーザビーム３１の出力およびレーザビーム３１の焦点位置３１ａが制御される。すなわち、側部方向境界部１６ａｂでの横方向の凝固速度Ｖ２よりも底部側境界部１６ａａでの上方向の凝固速度Ｖ１が速く、溶融池１４の中央部で凝固界面が横方向で会合しないようにレーザビーム３１の出力および焦点位置３１ａが制御される。これにより、凝固工程ｃ１，ｃ２の最終段階においては、図２（ｅ）に示すように、溶融池１４全体が凝固領域１６となる。これにより、補修が終了となる。

したがって、本実施形態に係る補修方法によれば、溶融工程ａ１，ａ２にて、溶接継手部１３が溶融されてなる溶融池１４が欠陥１５のある領域まで広げられることから、前記欠陥１５が前記溶融池１４を上昇して溶融池１４の外へ出ていくことになる。また、凝固工程ｃ１，ｃ２では、溶融池１４にて、上方向の凝固速度Ｖ１が横方向の凝固速度Ｖ２よりも速くなるようにレーザビーム３１の出力が制御されることから、当該溶融池１４にて凝固界面の横方向の会合による欠陥の発生を防ぐことができる。よって、欠陥１５を切削除去する作業が不要となることから、溶接継手部１３内部の欠陥１５を比較的容易に除去することができる。

溶融工程ａ１，ａ２にて、レーザビーム３１の出力が漸増される一方、レーザビーム３１の出力の漸増に伴い、レーザビーム３１の焦点位置３１ａが溶接継手部１３の表面１３ａから当該溶接継手部１３の内部に向けて移動されることから、レーザビーム３１の出力のみを制御する場合と比べて、溶融池１４をすぐに大きくすることができ、その分作業時間を短くすることができる。

凝固工程ｃ１，ｃ２にて、レーザビーム３１の出力が漸減される一方、レーザビーム３１の出力の漸減に伴い、レーザビーム３１の焦点位置３１ａが溶接継手部１３の内部から当該溶接継手部１３の表面１３ａに向けて移動されることから、レーザビーム３１の出力のみを制御する場合と比べて、溶融池１４にて、上方向の凝固速度Ｖ１が横方向の凝固速度Ｖ２よりも速くなるようにより正確に制御することができ、欠陥の発生をより確実に防ぐことができる。

また、欠陥１５のある領域まで溶融池１４が広がると当該溶融池１４の大きさを所定時間維持するようにレーザビーム３１の出力が制御される中間工程ｂ１，ｂ２をさらに有することにより、欠陥１５が溶融池１４内で上昇して当該溶融池１４の外へ出て拡散する時間を確保することができ、溶融池１４内から欠陥１５より確実に除去することができる。

中間工程ｂ１，ｂ２にて、レーザビーム３１の出力が所定時間保持されると共に、レーザビーム３１の焦点位置３１ａが所定時間保持されることにより、所定時間に亘って溶融池１４の大きさをより確実に維持することができる。

［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態に係る補修方法について、図４を用いて説明する。
なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態に係る補修方法とは異なり、レーザビームの出力のみを制御している。
本実施形態において、上述した第一の実施形態に係る補修方法と同様、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すようなレーザ補修装置を用いることが可能である。

本実施形態に係る補修方法では、上述の第一の実施形態に係る補修方法と同様、溶接継手部１３に生じた欠陥（例えば、ポロシティ）１５は、従来の検査方法により検出されて位置（水平方向の位置および鉛直方向の位置）が特定されているとする。

従来の補修方法とは異なり、切削加工などで欠陥を除去せず、溶接継手部１３に生じた欠陥１５と正対するように前記レーザ補修装置の光学系２２などを配置し、制御装置２４が、溶接継手部１３の表面１３ａ側から欠陥１５に向けてレーザビーム３１を照射しつつ、レーザビーム３１が所定の出力特性となるようにレーザ発振器２３を制御する。

制御装置２４は、レーザビーム３１の出力が漸増するようにレーザ発振器２３を制御する。これにより、溶接継手部１３においては、溶融池（溶融領域）１４が水平方向で所定の範囲内であって、深さ方向へ拡大していくことになる。

具体的には、先ず、補修の開始に伴い、速やかにレーザビーム３１の出力を定常値まで立ち上げる（溶融工程（スロープアップ部）ａ１）。このとき、図２（ａ）に示すように、溶接継手部１３が溶融してなる溶融池（溶融領域）１４が溶接継手部１３の溶接面（表面）１３ａ側から下方（深さ方向）に向かって広がっていくことになる。すなわち、レーザビーム３１の出力を漸増させる。

続いて、レーザビーム３１の出力が所定の出力値Ｗ１に到達すると、レーザビーム３１の出力が前記出力値Ｗ１で所定時間保持される（中間工程（定常部）ｂ１）。これにより、図２（ｂ）に示すように、溶接継手部１３にて欠陥１５がある深さＰ３より深い位置Ｐ１まで溶融池１４が広がり、欠陥（ポロシティ）１５が溶融池１４内を符号Ｘで示す上方向へ移動して溶融池１４の外側へ到達することになる。

続いて、溶融池１４内から欠陥（ポロシティ）１５が無くなると、レーザビーム３１の出力を緩やかに漸減する（凝固工程（スロープダウン部）ｃ１ａ）。このとき、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、凝固領域１６が溶融池１４の外側から進行し、鉛直方向（上方向）凝固速度Ｖ１が水平方向（横方向）凝固速度Ｖ２よりも速くなるようにレーザビーム３１の出力が制御される。すなわち、側部方向境界部１６ａｂでの横方向の凝固速度Ｖ２よりも底部側境界部１６ａａでの上方向の凝固速度Ｖ１が速く、溶融池１４の中央部で凝固界面が横方向で会合しないようにレーザビーム３１の出力および焦点位置３１ａが制御される。凝固工程ｃ１ａのスロープダウン部の傾斜角θ２ａは、上述の第一の実施形態の補修方法での凝固工程ｃ１のスロープダウン部の傾斜角θ２と比べて小さくなっている。これにより、レーザビーム３１の出力制御における凝固工程ｃ１ａの最終段階においては、上述の第一の実施形態の補修方法と同様、図２（ｅに示すように、溶融池１４全体が凝固領域１６となる。これにより、補修が終了となる。

したがって、本実施形態に係る補修方法によれば、溶融工程ａ１にて、溶接継手部１３が溶融されてなる溶融池１４が欠陥１５のある領域まで広げられることから、前記欠陥１５が前記溶融池１４を上昇して溶融池１４の外へ出ていくことになる。また、凝固工程ｃ１ａでは、溶融池１４にて、上方向の凝固速度Ｖ１が横方向の凝固速度Ｖ２よりも速くなるようにレーザビーム３１の出力が制御されることから、当該溶融池１４にて凝固界面の横方向の会合による欠陥の発生を防ぐことができる。よって、欠陥１５を切削除去する作業が不要となることから、溶接継手部１３内部の欠陥１５を比較的容易に除去することができる。

溶融工程ａ１にて、レーザビーム３１の出力が漸増されることにより、溶融池１４が欠陥１５のある領域まで容易に広げられる。

凝固工程ｃ１ａにて、レーザビーム３１の出力が漸減されることにより、上方向の凝固速度Ｖ１が横方向の凝固速度Ｖ２よりも速くなるようにより容易に制御することができ、欠陥の発生をより確実に防ぐことができる。

また、欠陥１５のある領域まで溶融池１４が広がると当該溶融池１４の大きさを所定時間維持するようにレーザビーム３１の出力が制御される中間工程ｂ１をさらに有することにより、欠陥１５が溶融池１４内で上昇して当該溶融池１４の外へ出て拡散する時間を確保することができ、溶融池１４内から欠陥１５より確実に除去することができる。

中間工程ｂ１にて、レーザビーム３１の出力が所定時間保持されることにより、所定時間に亘って溶融池１４の大きさをより容易に維持することができる。

［他の実施形態］
上記では、レーザビームの出力とレーザビームの焦点位置との両方を制御することで溶接継手部に生じた欠陥（例えば、ポロシティ）を除去する補修方法や、レーザビームの出力のみを制御することで溶接継手部に生じた欠陥（例えば、ポロシティ）を除去する補修方法を用いて説明したが、レーザビームの焦点位置のみを制御することにより溶接継手部に生じた欠陥（例えば、ポロシティ）を除去する補修方法とすることも可能である。このような補修方法であっても、上述した補修方法と同様な作用効果を奏する。

上記では、レーザビームの出力制御とレーザビームの焦点位置制御において、溶融工程ａ１と溶融工程ａ２、中間工程ｂ１と中間工程ｂ２、凝固工程ｃ１と凝固工程ｃ２をそれぞれ同じ期間とした補修方法を用いて説明したが、これらの期間がそれぞれ異なる補修方法とすることも可能である。このような補修方法であっても、上述した第一の実施形態に係る補修方法と同様な作用効果を奏する。

レーザビームの出力制御にて、溶融工程ａ１および凝固工程ｃ１を有し、レーザビームの焦点位置制御にて、溶融工程ａ２および凝固工程ｃ２を有する補修方法とすることも可能である。溶融工程にて、レーザビームの出力およびレーザビームの焦点位置をそれぞれ制御し、凝固工程にて、レーザビームの出力のみを制御する補修方法とすることも可能である。このような補修方法であっても、上述した補修方法と同様な作用効果を奏する。

本発明に係る補修方法は、溶接継手部内部の欠陥を比較的容易に除去することができるため、産業上、極めて有益に利用することができる。

１１，１２ 母材
１３ 溶接継手部（溶接領域）
１３ａ 表面（溶接面）
１４ 溶融池（溶融領域）
１４ａ 境界部
１５ 欠陥（溶接欠陥）
１６ 凝固領域（補修溶接部）
１６ａ 境界部
１６ａａ 底部側境界部
１６ａｂ 側部方向境界部
２１ 光ファイバ
２２ 光学系
２３ レーザ発振器
２４ 制御装置
３１ レーザビーム
３１ａ 焦点位置
ａ１ 溶融工程（レーザビームの出力制御のスロープアップ部）
ａ２ 溶融工程（レーザビームの焦点位置制御のインフォーカス制御部）
ｂ１ 中間工程（レーザビームの出力制御の定常部）
ｂ２ 中間工程（レーザビームの焦点位置制御の定常部）
ｃ１ 凝固工程（レーザビームの出力制御のスロープダウン部）
ｃ１ａ 凝固工程（レーザビームの出力制御のスロープダウン部）
ｃ２ 凝固工程（レーザビームの焦点位置制御のアウトフォーカス制御部）
Ｐ１ レーザビーム焦点下方位置
Ｐ２ レーザビーム焦点上方位置
Ｐ３ 欠陥の位置
Ｖ１ 鉛直方向（上方向）凝固速度
Ｖ２ 水平方向（横方向）凝固速度
Ｗ１ レーザビームの所定の出力値
Ｘ 欠陥の移動方向
θ１ スロープアップ部の傾斜角
θ２ スロープダウン部の傾斜角
θ２ａ スロープダウン部の傾斜角

Claims (8)

1. 溶接継手部に生じた欠陥を補修する方法であって、
   前記欠陥に向けて高エネルギ密度の小径のレーザビームを照射しつつ、前記溶接継手部が溶融されてなる溶融池が前記欠陥のある領域まで広がるように前記レーザビームの出力が制御される溶融工程と、
   前記溶融池にて、上方向の凝固速度が横方向の凝固速度よりも速くなるように前記レーザビームの出力が制御される凝固工程と
   を有する、ことを特徴とする補修方法。
2. 請求項１に記載された補修方法であって、
   前記溶融工程にて、前記レーザビームの出力が漸増されることを特徴とする補修方法。
3. 請求項１に記載された補修方法であって、
   前記溶融工程にて、前記レーザビームの出力が漸増される一方、前記レーザビームの出力の漸増に伴い、前記レーザビームの焦点位置が前記溶接継手部の表面から当該溶接継手部の内部に向けて移動されることを特徴とする補修方法。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載された補修方法であって、
   前記凝固工程にて、前記レーザビームの出力が漸減されることを特徴とする補修方法。
5. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載された補修方法であって、
   前記凝固工程にて、前記レーザビームの出力が漸減される一方、前記レーザビームの出力の漸減に伴い、前記レーザビームの焦点位置が前記溶接継手部の内部から当該溶接継手部の表面に向けて移動されることを特徴とする補修方法。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載された補修方法であって、
   前記欠陥のある領域まで前記溶融池が広がると当該溶融池の大きさを所定時間維持するように前記レーザビームの出力が制御される中間工程をさらに有することを特徴とする補修方法。
7. 請求項６に記載された補修方法であって、
   前記中間工程にて、前記レーザビームの出力が所定時間保持されることを特徴とする補修方法。
8. 請求項６に記載された補修方法であって、
   前記中間工程にて、前記レーザビームの出力が所定時間保持されると共に、前記レーザビームの焦点位置が所定時間保持されることを特徴とする補修方法。

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