JP7228346B2 - 溶接補修方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーザ光を用いた溶接補修方法に関する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）および加圧水型原子炉（ＰＷＲ）等の原子力発電プラントでは、原子炉内の構造物や機器にき裂等の損傷が発生した場合、その構造健全性評価と並行して損傷した機器の交換あるいは補修を行い、機器の機能、健全性および耐久性等を維持し、継続的に運転している。

原子炉構造物や機器に生じる代表的な損傷には、材料、環境および応力の三因子が重畳して発生する応力腐食割れ（ＳＣＣ）が挙げられる。また、原子炉の炉心機器特有の損傷事例として中性子照射の蓄積により発生する照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）が知られている。さらに、温度変動、流体振動等に起因して発生する負荷応力による疲労破壊、配管等で発生するキャビテーションよる減肉、損耗等が知られている。このような損傷の発生部位が局所的な場合、損傷の程度が低い場合等には、機械的あるいは溶接補修により対策が講じられる。

溶接による欠陥補修は、汎用性が高く、最も広く採用されている補修方法である。具体的には、ＳＣＣによる損傷に対して開口き裂を封止溶接により環境から隔離して、さらなるき裂の進展を抑制する技術、き裂を機械的に除去した後、耐食性の高い溶接金属で肉盛溶接を行う補修方法等が採用されている。

原子炉内機器を対象とする欠陥補修の場合は、水中における遠隔工事となるため、投入エネルギーの制御性、伝送性、溶接機器の可搬性等の観点からレーザ溶接が広く用いられている。特に、中性子照射を受けた原子炉炉心機器は溶接による入熱により核変換ヘリウムが結晶粒界に集まり、それに起因した溶接割れを起こすことが懸念されており、他の溶接プロセスに比較して入熱量の上限を低く抑えられるレーザ溶接は有望な技術である。しかしながら、今後、さらなる原子炉の高経年化に対応して、炉心機器の中性子照射量は増大し、ヘリウム濃度の増加に起因して、溶接補修時の溶接割れ発生のリスクは益々増大し、レーザ溶接の補修対象機器も限定的になると考えられる。

従来のＹＡＧレーザ等は集光照射することにより高エネルギー密度の熱源として溶接等にも適用されている。近年、レーザを熱源に特殊な光学系であるホモジナイザを採用することにより、広い領域を均一に加熱する熱源も開発されている。

特開２０１５－１３６７１８号公報 特許第６０９３１６５号公報 特開平８－１０４９４９号公報

強度分布を均一化したレーザ光を熱源として利用して溶接による欠陥補修を行う技術は知られていない。

広い領域を均一に加熱する熱源を原子炉内構造物の補修技術として採用することにより、材料に対する単位面積当たりの入熱量の上限は低く抑えられ、従来のレーザ溶接技術では不可能であった高い照射量の材料も補修が可能となり適用機器、領域の拡大が期待される。また、一度に、大面積の施工が可能なため、特に、施工期間の長期化によるコスト増加が課題となる炉内機器の遠隔施工には、高効率な補修技術としての適用が期待される。さらに、強度分布を均一化したレーザ光を、局所的な溶接後熱処理による低合金鋼の靱性回復、ＳＣＣ対策として脱鋭敏化熱処理等の熱源として適用することにより、温度制御性に優れた高効率で信頼性の高い熱処理が可能となる。

本発明の実施形態は上記事情に鑑みて考えられたものであって、対象材料に対する単位面積当たりのレーザ光照射量の上限を低く抑え、施工期間の短縮を図り、または高効率な補修が可能な溶接補修方法を提供することを目的とする。

また、本発明の実施形態に係る溶接補修方法は、基材の表面に形成された欠陥を覆うように板状の補修材を配置する補修材配置ステップと、前記補修材配置ステップの後に、前記基材と前記補修材から成る照射対象物の照射表面上で所定の第１の方向に広がった照射部を形成するように、照射ヘッドから発せられるレーザ光を照射する照射ステップと、前記照射対象物および前記照射ヘッドの少なくとも一方を、前記照射表面に平行で前記第１の方向と異なる第２の方向に相対的に移動させる移動ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、施工期間の短縮を図り、または高効率な補修が可能な溶接補修方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る溶接補修装置を用いた溶接補修方法を行う状況を示すブロック図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線矢視平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る溶接補修装置を用いた溶接補修方法を行う状況を示すブロック図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線矢視平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る溶接補修装置を用いた溶接補修方法を行う状況を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態に係る溶接補修装置を用いた補修の対象となる原子炉圧力容器ノズル部の異材継手溶接補修部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る溶接補修装置および溶接補修方法について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る溶接補修装置を用いた溶接補修方法を行う状況を示すブロック図である。また、図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線矢視平面図である。

溶接補修装置１１は、照射対象物１２の照射表面１３にレーザ光を照射するものである。溶接補修装置１１は、レーザ発振器１５と、照射ヘッド１６と、レーザ発振器１５で発生したレーザ光を照射ヘッド１６に導く光学機構１７と、レーザ発振器１５の出力を制御する出力制御装置１８と、照射対象物１２を移動させる移動機構１９とを有する。光学機構１７はホモジナイザ２０を備えている。

この実施形態では、照射対象物１２は、基材２２と、基材の表面の一部を覆うように配置された補修用薄板２３とからなる。基材２２の表面に切り欠き状の欠陥２４が形成され、その欠陥２４を覆うように補修用薄板２３が配置されている。

レーザ発振器１５としては、たとえば、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等が適用可能である。従来の通常のレーザ光の強度分布は、ビーム中央部にピークを有するガウシアン分布であるが、この実施形態では、ホモジナイザ２０により、レーザ光の強度分布が均一化される。ホモジナイザ２０を含む光学機構１７を変更することにより、照射表面１３の形状に合わせて任意の照射部２５の形状を形成することができる。

照射ヘッド１６から射出されたレーザ光は、強度分布が均一化されていて、照射表面１３にほぼ長方形の照射部２５が形成される。照射部２５の長手方向をＸ軸方向（第１の方向）とし、照射表面１３に沿ってＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向（第２の方向）とする。照射部２５のＸ軸方向の幅は、好ましくは、補修用薄板２３のＸ軸方向の幅とほぼ等しいか、補修用薄板２３のＸ軸方向の幅よりもわずかに大きい。照射部２５の幅が補修用薄板２３の幅よりも著しく大きいと、補修用薄板２３を外れた位置で無駄なレーザ光照射を行うことになるので、好ましくない。逆に、照射部２５の幅が補修用薄板２３の幅よりもわずかに小さい場合であっても、照射されたレーザ光の熱が拡散で伝わる程度の幅の差であれば、問題ない場合もありうる。

移動機構１９は、照射対象物１２をＹ軸方向に移動させる機構である。なお、この実施形態では、照射対象物１２と照射ヘッド１６がＹ軸方向に相対的に移動すればよいのであって、変形例として、照射対象物１２を固定して、照射ヘッド１６をＹ軸方向に移動させてもよい。さらに、照射対象物１２と照射ヘッド１６の両方を移動させてもよい。

照射部２５へのレーザ照射を行いながら、移動機構１９を動作させて、照射表面１３上の照射部２５を照射表面１３に沿ってＹ軸方向に移動させる。これにより、補修用薄板２３は基材２２の表面に溶接され、欠陥２４が封止されて補修が行われる。このとき、照射部２５がＸ軸方向に長い長方形であり、照射部２５が照射表面１３に沿ってＹ軸方向に相対的に移動するので、短時間で照射表面１３全体の溶接を行うことができる。しかも、ホモジナイザ２０によりレーザ光の強度分布が均一化されているので、溶接部全体が均質となり、良質な溶接を行うことができる。

実際に、基材２２として厚さ１０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の厚板材を用い、補修用薄板２３として厚さ０．５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の薄板材を用い、レーザ出力５０００Ｗ、照射部２５の形状をＸ軸方向、Ｙ軸方向とも６ｍｍの長方形（この場合は正方形）とし、Ｙ軸方向の溶接速度を０．６ｍｍ／ｍｉｎの条件で溶接を行った。その結果、照射部２５で、基材２２と補修用薄板２３との接合が確認された。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来のレーザ溶接に比較して、１パスで広範囲な接合あるいは溶接が可能であり、高効率な補修を行うことができる。

また、移動方向（Ｙ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸方向）の長さが長い長方形ビームを採用することにより、溶接効率に優れた溶接補修を実施できる。たとえば、原子炉構造物の溶接補修としては、き裂の封止溶接、損傷部位を除去した凹部への肉盛溶接、耐食性を改善するためのクラッド溶接等として適用できる。さらに、熱処理としては、原子炉圧力容器に付属する機器の溶接補修後の後熱処理、ＳＣＣが問題となる炉内構造物溶接部の脱鋭敏化処理等に適用することができる。これにより、原子炉機器等の信頼性向上、プラントの稼働率向上、寿命延長に貢献できる。

なお、図２に示す例では、照射部２５のＸ軸方向の幅が照射表面１３のＸ軸方向の幅よりも大きいので、照射ヘッド１６をＹ軸方向に１回移動するだけで照射表面１３全体に照射部２５を移動させることができる。照射部２５のＸ軸方向の幅が照射表面１３のＸ軸方向の幅よりも小さい場合は、照射ヘッド１６をＹ軸方向に移動させるだけではなく、Ｘ軸方向に移動させる工程を含めてもよい。その場合でも、照射ヘッド１６をＹ軸方向に１回移動することによる溶接部の面積が大きいので、Ｘ軸方向への移動の頻度を少なくでき、効率的に補修作業を行うことができる。

上記説明で、照射部２５は長方形であるとしたが、厳密に長方形である必要はなく、たとえば角部が丸みを帯びた形状であってもよい。また、楕円形であるものも含み、この場合楕円の長径が長方形の長辺に、楕円の短径が長方形の短辺に対応する。また、上記説明で、Ｘ軸方向とＹ軸方向が垂直であるとしたが、Ｘ軸方向とＹ軸方向とが異なる方向であれば、厳密に垂直である必要はない。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る溶接補修装置を用いた溶接補修方法を行う状況を示すブロック図である。また、図４は図３のＩＶ－ＩＶ線矢視平面図である。

この第２の実施形態に係る溶接補修装置１１は、第１の実施形態に係る溶接補修装置１１の構成要素に加えて、溶加材供給装置３０を有する。溶加材供給装置３０は、基材２２の表面上にシート状の溶加材３１を供給する。シート状の溶加材３１のＸ軸方向の幅は、好ましくは、照射部２５のＸ軸方向の幅よりも若干短い。第１の実施形態の場合と相違して、基材２２の表面上に補修用薄板２３（図１、図２）が配置されていない。

上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。

この第２の実施形態では、基材２２の表面上にシート状の溶加材３１を供給しながら、溶加材３１が基材２２と溶接されるように、照射ヘッド１６からレーザ光を照射する。このとき、移動機構１９を用いて照射対象物１２を、照射ヘッド１６および溶加材供給装置３０に対して相対的に、Ｙ軸方向（図３および図４の矢印Ａの方向）に移動させる。これにより、照射部２５では、溶加材供給装置３０による溶加材３１の供給を受けると同時に照射ヘッド１６からのレーザ光の照射を受けて、溶接が進行する。

実際に、基材２２として厚さ１０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の厚板材を用い、溶加材３１として厚さ０．４ｍｍ、幅２５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０８Ｌ）のシートを用い、レーザ出力４５００Ｗ、照射部２５の形状をＸ軸方向２６ｍｍ、Ｙ軸方向３ｍｍの長方形とし、Ｙ軸方向の溶接速度を０．０５ｍｍ／ｍｉｎとする条件で溶接を行った。その結果、溶加材３１の幅２５ｍｍ全体で十分な溶接が行われた。

以上説明したように、この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、従来のレーザ溶接に比較して、１パスで広範囲な接合あるいは溶接が可能であり、高効率な補修を行うことができる。また、移動方向（Ｙ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸方向）の長さが長い長方形ビームを採用することにより、溶接効率に優れた溶接補修を実施できる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る溶接補修装置を用いた溶接補修方法を行う状況を示す平面図である。この第３の実施形態は上述の第２の実施形態の変形であって、第３の実施形態では、溶加材供給装置３０ａは、ワイヤ状の溶加材３１ａを照射部２５に供給する。そして、溶加材供給装置３０ａは照射部２５のＸ軸方向の幅でＸ軸方向に走査できるものとする。

溶加材供給装置３０ａのＸ軸方向の走査は、移動機構１９によるＹ軸方向の移動と同期を取って行われる。Ｘ軸方向に細長い長方形の照射部２５の各部に対して適当な量の溶加材３１ａが適当な時期に供給されてＸ軸方向およびＹ軸方向に均質な溶接が行われるように制御される。これにより、シート状の溶加材３１を供給する第２の実施形態の場合と結果的には同様に、照射部２５のＸ軸方向の幅に溶加材３１ａを供給することができる。

この第３の実施形態によれば、第１および２第の実施形態と同様に、従来のレーザ溶接に比較して、１パスで広範囲な接合あるいは溶接が可能であり、高効率な補修を行うことができる。また、移動方向（Ｙ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸方向）の長さが長い長方形ビームを採用することにより、溶接効率に優れた溶接補修を実施できる。

さらに、この第３の実施形態によれば、汎用のワイヤ状の溶加材３１ａを用いることができるので、シート状の溶加材を用いる場合に比べて、溶加材３１ａの取り扱い、調達、在庫管理等の点で有利である。

［第４の実施形態］
図６は、本発明の第４の実施形態に係る溶接補修装置を用いた補修の対象となる原子炉圧力容器ノズル部の異材継手溶接補修部を示す断面図である。

上記第１～第３の実施形態の説明では、平板状の基材２２に欠陥２４がある場合に、その欠陥２４を封止するための溶接補修を行う場合を図示して説明した。それに対して、この第４の実施形態では、異材溶接部の補修を行う場合について説明する。

図６に示す例では、たとえば、低合金鋼からなるＰＷＲの圧力容器の管台４０と、図示しないステンレス鋼配管とを接続するためにセーフエンド４１と呼ばれる短管が溶接によって接合されている。この接合に用いられる溶接金属部４２には、一次系環境中においてＳＣＣ感受性を有するニッケル基溶接金属が使われている。プラントの高経年化により溶接金属部４２にＳＣＣによるき裂が発見された場合には、放電加工（ＥＤＭ）あるいは機械的手法によりＳＣＣき裂を除去した後、耐ＳＣＣ性にさらに優れたニッケル基溶接金属による肉盛溶接部４３を形成する補修が行われる。なお、図６に示すように、圧力容器の管台４０の表面には耐食クラッド層４４が形成されている。

図６に示す構造の、肉盛溶接部４３の形成に当たり、前述の第１～第３の実施形態のいずれかの溶接補修装置を用いることができる。

このような補修に当たって従来の溶接補修装置を用いる場合は、肉盛溶接部４３に近い管台４０の低合金鋼部材は、溶接入熱の影響で靱性が低下する。そのため、靱性回復のための後熱処理（ＰＷＨＴ）工程を削減するために溶接時の入熱量、溶接ビード厚さ、ピッチ等を制御したテンパービード溶接が行われていた。通常のＴＩＧ溶接あるいはレーザ溶接によりテンパービード条件を満足するパラメータ制御を行うには、精緻な溶接条件管理が必要となり、工数の増加による施工コストの増加を招いていた。

一方、本実施形態の溶接補修装置によれば、温度制御性に優れ、一パスで広い面積の溶接が可能であるため、従来よりも信頼性の高く、高効率なテンパービード溶接が実現できる。さらに、低合金鋼の圧力容器の管台４０から離れた部位の肉盛溶接に対しても、シート状溶加材、熱源形状に合せたワイヤ状溶加材の採用等により、工期の大幅な短縮が可能である。

［他の実施形態］
上記第１～第３の実施形態の説明では、平板状の基材２２に欠陥２４がある場合に、その欠陥２４を封止するための溶接補修を行う場合を図示して説明した。また、第４の実施形態では、異材継手溶接部の補修の例を示した。

その他の適用例として、たとえば、原子炉構造物の表面に予防保全として耐食性の良好な肉盛層を形成するに当たって、上述の実施形態の溶接補修装置を用いることもできる。

初期の軽水炉プラントは、高温高圧環境中でＳＣＣ等の経年劣化の発生が指摘されており、発生防止対策として高耐食性材料の肉盛溶接を行う予防保全対策が行われる。対象部位として、劣化が予想される溶接部、中性子照射量が高い部位が想定されるが、通常、広範囲に及ぶ肉盛溶接を行う必要がある。上述の溶接補修装置を用いることにより、工期短縮、施工コストの削減が可能である。

さらに、原子炉構造物の表面に耐摩耗性に優れた肉盛層を形成するに当たって上述の実施形態の溶接補修装置を用いることもできる。たとえば、耐摩耗性が要求される部品において、経年劣化により初期状態に比べ肉盛層が減肉する可能性がある。そのため、摩耗層の減肉が想定される部位について、上述の実施形態の溶接補修装置による高効率な溶接プロセスを適用することにより、工期短縮、施工コストの削減が可能である。

上記実施形態の説明で「平面図」という表現を用いたが、これは説明の便宜のために用いたものであって、上記説明で重力の方向の影響はない。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…溶接補修装置、 １２…照射対象物、 １３…照射表面、 １５…レーザ発振器、 １６…照射ヘッド、 １７…光学機構、 １８…出力制御装置、 １９…移動機構、 ２０…ホモジナイザ、 ２２…基材、 ２３…補修用薄板、 ２４…欠陥、 ２５…照射部、 ３０，３０ａ…溶加材供給装置、 ３１，３１ａ…溶加材

Claims (1)

1. 基材の表面に形成された欠陥を覆うように板状の補修材を配置する補修材配置ステップと、
   前記補修材配置ステップの後に、前記基材と前記補修材から成る照射対象物の照射表面上で所定の第１の方向に広がった照射部を形成するように、照射ヘッドから発せられるレーザ光を照射する照射ステップと、
   前記照射対象物および前記照射ヘッドの少なくとも一方を、前記照射表面に平行で前記第１の方向と異なる第２の方向に相対的に移動させる移動ステップと、
   を有することを特徴とする溶接補修方法。

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