JPH0788665A - レーザ溶接装置及び方法 - Google Patents

レーザ溶接装置及び方法

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JPH0788665A
JPH0788665A JP6247122A JP24712294A JPH0788665A JP H0788665 A JPH0788665 A JP H0788665A JP 6247122 A JP6247122 A JP 6247122A JP 24712294 A JP24712294 A JP 24712294A JP H0788665 A JPH0788665 A JP H0788665A
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laser welding
sleeve
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JP6247122A
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William E Pirl
ウイリアム・イー・ピール
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Westinghouse Electric Corp
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/10—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam
    • B23K26/103—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam the laser beam rotating around the fixed workpiece
    • B23K26/106—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam the laser beam rotating around the fixed workpiece inside the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • B23K26/21—Bonding by welding
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸気発生器の伝熱管内に設けられた補修用ス
リーブの内面を適切にレーザ溶接する装置及び方法を提
供する。 【構成】 スリーブ（210 ）を伝熱管（50）の内周部に
融着させるのに十分な強さのレーザ光を発生するレーザ
を用いる。光ファイバーケーブル（230 ）がレーザに光
結合されていて、レーザ光を導く。光ファイバーケーブ
ルはレーザ光を均質化するような所定の形状になってお
り、レーザ光は光ファイバーケーブルから放出される
と、所望の空間干渉性を得るようになっている。反射鏡
（240 ）が光ファイバーケーブルに光結合されていて光
ファイバーケーブルから放出された均質化されている光
ビームを受ける。この反射鏡はスリーブの内周部にも光
学的に結合されていて、均質化されている光ビームを反
射してスリーブの内周部上に差し向け、スリーブを伝熱
管の内周部に融着又は溶着させる。このようにスリーブ
を伝熱管の内面に溶接して伝熱管を補修する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に溶接装置及び方法
に関し、特に原子炉用熱交換器の伝熱管内に設けられる
補修用スリーブである管状部材の内面をレーザ溶接する
装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】レーザ
溶接装置及び方法は公知であるが、かかる装置及び方法
には、原子炉用熱交換器（蒸気発生器）の伝熱管内に設
けられる補修用スリーブである管状部材の内面を溶接す
ることに関し、完全には満足できない多くの操作上の課
題があることが分かっている。しかしながら、かかる課
題を理解するには、それに先立って代表的な原子炉用熱
交換器についての構造及び作動原理に関する技術的背景
を或る程度知ることが望ましい。
【０００３】代表的な原子炉用の熱交換器、即ち、蒸気
発生器では、加熱された放射性の一次流体が複数本のＵ
字管を通って流れ、Ｕ字管は各々、流体入口端及び流体
出口端を有する。Ｕ字管の入口端部及び出口端部は熱交
換器内に配置されている管板に設けられた孔に嵌め込ま
れている。熱交換器は管板の下に入口プレナム室を備
え、入口プレナム室はＵ字管の入口端部と連通してい
る。熱交換器は又、管板の下に位置し、入口プレナム室
から隔離された状態の出口プレナム室を備え、出口プレ
ナム室はＵ字管の出口端部と連通している。熱交換器の
作動中、加熱された放射性の一次流体は入口プレナム室
に流入してＵ字管の入口端部に入り、Ｕ字管を通って流
れる。次いで、一次流体はＵ字管の出口端部を通って流
れ、出口プレナム室内へ流入する。次に、一次流体は出
口プレナム室から流れ出て熱交換器を出る。一次流体が
Ｕ字管を通って流れているときに、それと同時に温度が
一次流体よりも低い非放射性の二次流体が管板の上方で
Ｕ字管の外面の周りを流れる。一次流体がＵ字管を通っ
て流れているとき、一次流体はその熱をＵ字管の外面の
周りの二次流体に与えて蒸気を発生させ、当該技術分野
で周知の方法でこの蒸気を利用して発電を行わせる。
【０００４】熱交換器の運転中における応力及び腐食に
より生じる管壁の粒間割れに起因して、熱交換器の伝熱
管が劣化して漏れ止め状態を維持できなくなる場合があ
る。したがって、伝熱管を点検して、かかる応力腐食割
れ又は劣化を生じた管を検出することが望ましい。この
点検を行うには一般に、点検用プローブ、例えば、渦電
流プローブ又は超音波プローブを伝熱管内へ挿入してプ
ローブを管内面に沿って動かす。もし点検用プローブに
より応力腐食割れが特定の場所に存在し、或いは顕著で
あることが分かると、管をその場所で「スリーブ補修」
する。スリーブ補修を行う場合、管状スリーブを伝熱管
内へ差し込んで伝熱管の劣化部分を覆い、そしてスリー
ブを拡張して伝熱管に密着させることにより伝熱管に固
定する。当該技術分野で公知の幾つかの方法、例えば、
油圧拡張法、ハードローリング法、又は他の拡張法によ
りスリーブを拡張して伝熱管に係合させる。このように
すると、スリーブ補修された伝熱管は、劣化していても
使用状態を保つことができる。
【０００５】しかしながら、スリーブの弾性特性により
スリーブは拡張後に「スプリングバック（spring bac
k)」を生じる場合がある。この「スプリングバック」と
いう現象が起こると、比較的狭い間隙がスリーブと伝熱
管の境界部に生じることになる。かかる間隙は望ましく
ないが、その理由は、間隙がスリーブと伝熱管との間の
流路となり、かかる流路により望ましくないことには一
次流体が二次流体と混じり合うからである。したがっ
て、例えばスリーブを包囲する２つの間隔を置いた溶接
部を形成して間隙及びこれにより形成される流路を密封
することによりスリーブを伝熱管に融着させることが望
ましい。間隙が比較的狭い場合にはこれをロウ付け法に
より密封する。しかしながら、比較的大きな間隙（例え
ば、最大約０．２０３mm又は０．００８インチ）であれ
ばレーザ溶接を用いて密封するのが好ましい。さらに、
ロウ付けを行うには、均一なロウの流れを得るために例
えばスリーブ表面のホーニング仕上げをして表面酸化物
を除去することにより予備洗浄を行う必要がある。他
方、レーザ溶接ではかかる表面予備洗浄が不要である。
【０００６】レーザビームによりスリーブを伝熱管に融
着させるのに通常はＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられてい
る。しかしながら、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いてレーザ
ビームを発生させる場合、レーザビームの開き角は比較
的大きくて約２０〜３０１mradであり、それによりレー
ザビームを溶接されるべきスリーブの比較的小さな所定
の領域に正確に限定するのが困難になる。したがって、
当該技術分野における課題は、正確に限定されるレーザ
ビーム、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより得られるレ
ーザビームを提供することである。
【０００７】さらに、Ｎｄ：ＹＡＧレーザにより生じた
レーザビームの空間干渉性は一般に、十分な許容レベル
よりも低く、それによりレーザビームは、スリーブの溶
接時における所望の高い出力密度にならないという結果
が生じる。出力密度が所望レベルよりも低いと、溶接部
はスリーブを伝熱管に完全には融着させないということ
になる。したがって、当該技術分野における課題は、高
出力密度を有するレーザビーム、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザに得られるレーザビームを提供することにある。
【０００８】さらに、代表的なレーザ溶接装置は、レー
ザビームをスリーブ上に反射させる少なくとも一つの反
射鏡及びレーザビームを反射鏡上に合焦させる少なくと
も一枚のレンズを利用する。しかしながら、反射鏡及び
レンズは、溶接作業中に生じる溶接煙に同伴される溶接
スパッタ及び微小な屑による汚れの影響を受けやすい。
その上、かかる溶接スパッタ及び溶接屑は、レーザビー
ムがレンズを通って反射鏡へ進む際にレーザビームを遮
る。かかる反射鏡とレンズの汚れは、反射鏡及びレンズ
の有効寿命を縮め、満足の行く程度の溶接装置の溶接性
を損ねるので望ましくない。従来型のレーザ溶接装置で
は、遮蔽ガス、例えば酸素、水素等を反射鏡及びレンズ
上に強制的に供給して汚れ及びビームの遮断の影響を無
くすようにしているが、本発明者の所見では、かかる強
制ガス流は全体としてはあまり効果がない。したがっ
て、当該技術分野におけるさらにもう一つの課題は、反
射鏡及びレンズが汚れの影響を受けにくく、しかもレー
ザビームが容易には遮られない方法でレーザ溶接を実施
することである。
【０００９】レーザビームを用いてスリーブと管の境界
部を融着させることによりスリーブを管内に溶接するレ
ーザ溶接ヘッドが、１９８７年９月１５日にフィリップ
・ジェイ・ホーキンズ氏に付与され、本出願人に譲渡さ
れた米国特許第４，６９４，１３７号（発明の名称：La
ser Welding Head For Sleeve-To-Tube Welding)に開示
されている。しかしながら、この米国特許は、正確に限
定され、所望の高い出力密度をもつレーザビームを提供
するという課題に対する解決策とはなっていないように
思われる。その上、この米国特許は、溶接作業中におけ
る反射鏡及びレンズの汚れを満足の行く程度に減少させ
るレーザ溶接装置を開示しているようには思われない。
【００１０】本発明の目的は、管状部材（例えば、原子
炉用蒸気発生器の伝熱管内に設けられた補修用スリー
ブ）の内面を適切にレーザ溶接する装置及び方法を提供
することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、広義に
は、第１の管状部材の内周部を第２の管状部材の内周部
内に設けた状態で溶接し、それにより第１の管状部材を
第２の管状部材に融着させるための装置において、第１
の管状部材を第２の管状部材に融着させるのに十分に高
い強さのレーザ光を発生するレーザと、レーザ光を導く
ようレーザに光結合され、レーザ光を均質化して均質化
された光ビームを放出するようになった光ファイバーケ
ーブルと、第１の管状部材の内周部内に配置されるよう
に寸法決めされたハウジングと、ハウジングに取り付け
られた反射器とを有し、反射器は、光ファイバーケーブ
ルから放出された均質化されている光ビームを反射する
よう光ファイバーケーブルに光結合されると共に均質化
光ビームを反射し、第１の管状部材の内周部に当てて第
１の管状部材を第２の管状部材に溶接するよう第１の管
状部材の内周部に光結合されており、第１の管状部材を
第２の管状部材に溶接すると、第１の管状部材は第２の
管状部材に融着することを特徴とするレーザ溶接装置に
ある。
【００１２】本発明の要旨は又、広義には、第１の管状
部材の内周部を第２の管状部材の内周部内に設けた状態
で溶接し、それにより第１の管状部材を第２の管状部材
に融着させるための方法において、レーザの作動によ
り、第１の管状部材を第２の管状部材に融着させるのに
十分に高い強さのレーザ光を発生させ、レーザ光を導い
ているときにレーザ光を均質化するよう形作られていて
レーザに光結合されている光ファイバーケーブルにレー
ザ光を通すことにより均質化されたレーザビームを放出
させ、第１の管状部材の内周部内に配置されるように寸
法決めされたハウジングを準備し、ハウジングに取り付
けられていて、光ファイバーケーブルに光結合されると
共に第１の管状部材の内周部にも光結合された反射器に
よって、均質化されたレーザビームを反射させて第１の
管状部材の内周部に当て、第１の管状部材の内周部を溶
接し、第１の管状部材を第２の管状部材に溶接すると、
第１の管状部材は第２の管状部材に融着することを特徴
とするレーザ溶接方法にある。
【００１３】本発明の特徴は、管状部材の内面をレーザ
溶接するための装置を設けたことにあり、このレーザ溶
接装置は、レーザ光発生手段に光結合されていてレーザ
光を導く導光手段を有し、この導光手段は、レーザ光を
均質化するような形状になっており、均質化されたレー
ザビームを放出する。
【００１４】本発明のもう一つの特徴は、管状部材の内
面のレーザ溶接法であり、このレーザ溶接法は、レーザ
光を均質化させるような形状の導光手段でレーザ光を導
くことにより均質化されたレーザビームを放出する段階
を有する。
【００１５】本発明の更にもう一つの特徴は、スリーブ
の内面に対して所定の角度に傾斜させた反射鏡を使用し
たことにあり、反射鏡は溶接作業中に生じた溶接煙によ
る汚れの影響を受けにくいようになっている。
【００１６】本発明の利点は、スリーブが、スリーブを
管に完全に融着させるための限定された比較的狭い所定
の領域にわたり正確に溶接されることにある。
【００１７】本発明のもう一つの目的は、スリーブの内
面を正確に溶接するための空間干渉性のあるレーザ光ビ
ームが得られることにある。
【００１８】本発明のさらにもう一つの目的は、反射鏡
が溶接作業中に生じる溶接煙による汚れの影響を受けに
くいので、反射鏡の有効寿命が伸びることにある。
【００１９】本発明の内容は、添付の図面を参照して以
下の説明を読むと、一層明らかになろう。
【００２０】
【実施例】図１を参照すると、蒸気を発生させるための
全体を符号１０で示す代表的な原子炉用熱交換器または
蒸気発生器が示されている。熱交換器１０は上部３０及
び下部４０を備えたシェル又は胴２０を含む。下部４０
内には、放射性の一次流体（図示せず）を循環させるた
めの複数本の鉛直方向に差し向けられた逆Ｕ字形の伝熱
管（「細管」ともいう）５０が配置されている。各伝熱
管５０は複数の水平方向に差し向けられた支持プレート
７０に設けられた対応関係をなす孔６０を貫通してい
る。各伝熱管５０は内面又は内周部８０（図３参照）を
有する。図１に示すように、伝熱管５０の端部１１０を
受け入れる複数の孔１００を備えた水平方向の管板９０
が、下部４０内に設けられていて、これに取り付けられ
ている。シェル２０には、一次側入口ノズル１２０及び
一次側出口ノズル１３０がそれぞれ入口プレナム室１４
０及び出口プレナム室１５０と連通状態に配置されてい
る。入口プレナム室１４０及び出口プレナム室１５０に
接近できるようにするための複数のマンホール又は出入
口１６０（一つしか図示せず）が管板１００の下でシェ
ル２０を貫通して形成されている。さらに、非放射性の
二次流体（図示せず）を上部３０に流入させるための二
次側入口ノズル１７０が伝熱管５０の上方でシェル２０
を貫通して形成されている。熱交換器１０から蒸気を出
すための二次側出口ノズル１８０が上部３０の頂部に取
り付けられている。
【００２１】しかしながら、応力又は腐食によって生じ
る管壁の粒界割れ又は劣化に起因して、伝熱管５０のう
ち何本かは漏れ止め状態ではなくなる場合がある。劣化
の存在が疑われると伝熱管の劣化部分（図示せず）をス
リーブ補修することによって、伝熱管５０の使用を（劣
化しているにもかかわらず）続ける。以下に詳細に説明
するように、本発明の装置及び方法は、レーザ光エネル
ギを用いることによってかかる劣化した伝熱管を適切に
スリーブ補修することができる。
【００２２】従って、図２及び図３を参照すると、第１
の管状部材、例えばスリーブ２１０の内面又は内周部２
００を、スリーブ２１０を第２の管状部材（即ち、伝熱
管５０）の内面又は内周部８０に固定し又は融着させる
ようレーザ溶接するための本発明の要旨である全体を符
号１９０で示す装置が示されている。このようにして、
スリーブ２１０は伝熱管５０の劣化部分を覆うので伝熱
管５０がたとえ劣化していても使用できるようになる。
【００２３】引き続き図２及び図３を参照すると、スリ
ーブ２１０を伝熱管５０の内面８０に溶接又は融着させ
るのに充分な強さのレーザ光を発生してスリーブ２１０
と伝熱管５０がその境界面で密封的に接合されるように
するためのレーザ光発生手段、例えばＮｄ：ＹＡＧレー
ザ２２０を含む。レーザ２２０は、例えば英国ワーウィ
ックシャー（Warwickshire）に所在のルモニックス・リ
ミテッド（Lumonics Limited）から入手できる形式のも
のであるのがよい。システム１９０はさらに、レーザ２
２０に光結合されていて、レーザ光を導くための導光手
段、例えば細長い可撓性の光ファイバーケーブル２３０
を含む。光ファイバーケーブル２３０を、レーザ２２０
の放出電磁スペクトルに対して透明であって、レーザ光
を適切に導くためのシリカ製の光ファイバーで作るのが
好ましい。光ファイバーケーブル２３０は、レーザ２２
０と光通信状態にある第１の端部２３５及び後述する第
２の端部２３７を有する。以下に詳細に説明するよう
に、光ファイバーケーブル２３０は、レーザ光をレーザ
２２０から受け入れて、レーザ光を「均質化（homogeni
ze）」して、「均質化された」光ビーム（以下、「均質
化光ビーム」という）を放出するよう形作られている。
本発明においては、均質化光ビームは、許容しうる空間
干渉性をもつ光ビームである。この点に関し、光ファイ
バーケーブル２３０は、光を均質化させるよう所定の部
分又は所定の長さ部分に沿って全体としてＳ字の形状、
即ち、曲率又は曲りを有する。許容レベルの空間干渉性
をもつレーザ光ビームを発生し、それにより比較的高い
出力密度をもつレーザ光ビームを発生させるためには、
光ビームを均質化させることが重要である。装置１９０
は、光ファイバーケーブル２３０の第２の端部２３７に
光結合されていて、光ファイバーケーブル２３０の第２
の端部２３７から放出された均質化された光ビームを受
け入れるための光反射手段、例えば平らなミラー又は反
射鏡２４０をさらに有する。反射鏡２４０は、高反射能
の表面を得ると共に酸化に耐えるよう磨き銅、モリブデ
ン、タングステン、銀で被覆された銅などであるのがよ
い。平らな反射鏡２４０はまた、スリーブ２１０の内面
２００に光結合されていて、均質化光ビームを内面２０
０上に反射するようになっている。反射鏡２４０は、反
射鏡２４０の汚れを防止するよう内面２００に対して所
定の向き（即ち、約２０°の所定の角度“φ”が約２０
°の傾斜角度）をなしており、もしそのようにしなけれ
ば、溶接作業中に内面２００から生じる溶接煙（図示せ
ず）中に同伴される溶接スパッタ及び微小な屑により汚
れが生じる。
【００２４】依然として図２及び図３を参照すると、装
置１９０は、レーザ２２０から延びて出口プレナム室１
５０又は入口プレナム室１４０に入る可撓性の導管２５
０をさらに有する。導管２５０は、スリーブ補修される
べき伝熱管５０の部分に応じて、入口プレナム室１４０
又は出口プレナム室１５０のいずれかの中に延びる。光
ファイバーケーブル２３０が導管２５０を貫通してい
る。従って、導管２５０は光ファイバーケーブル２３０
を損傷から守るために光ファイバーケーブル２３０を包
囲している。導管２５０をスリーブ２１０の内周部２０
０に沿い、且つ伝熱管５０の内周部８０の内側で軸方向
に駆動するための導管駆動装置２６０が導管２５０に係
合している。なお、このスリーブ２１０は伝熱管５０の
中に同心状に設けられている。即ち、導管駆動装置２６
０は後述の理由で導管２５０をスリーブ２１０及び伝熱
管５０の長さ方向軸線に沿って押し込んだり引っ込めた
りすることができる。さらに、遮蔽ガス（例えば、窒
素）を毎分約３０〜１００リットルの流量でスリーブ２
１０の溶接域に供給するための加圧遮蔽ガス供給装置２
７０が導管２５０の内面とガス連通状態にある。
【００２５】次に、図３及び図４及び図５を参照する
と、導管２５０は例えばコネクタ２８０によって全体と
して管状のハウジング２９０に連結されている。ハウジ
ング２９０の中には回転手段、例えば比較的小型のモー
タ組立体ハウジング３００が設けられており、この小型
モータ組立体ハウジング３００は歯車箱シャフト又は駆
動シャフト３０５に連結されていて駆動シャフト３０５
を回転させるようになっている。モータ組立体ハウジン
グ３００は歯車装置又は「歯車箱」（これまた図示せ
ず）に係合し、それに従って駆動シャフト３０５に係合
する変速モータ（図示せず）を収容している。モータの
動作を制御するためのエンコーダ（図示せず）がモータ
に電気的に接続されている。モータの動作を制御するこ
とにより、以下に一層詳細に説明するように、駆動シャ
フト３０５の回転を制御する。さらに、電線（図示せ
ず）がモータを作動させるためにモータに接続されてお
り、他の電線（図示せず）がエンコーダを動作させるた
めにエンコーダに接続されている。モータ組立体ハウジ
ング３００は、それに沿って設けられていて、光ファイ
バーケーブル２３０をぴったりと受け入れる長さ方向に
延びる「平らな」側部３０２及び「平らな」側部３０２
に形成されていて、適当な遮蔽ガスを通過させるための
溝３０３を有する。モータ組立体ハウジング３００は、
フロリダ州セントピーターズバーグに所在のマイクロ・
モ（Micro Mo）社から入手できる形式のものであるのが
よい。後述の理由により、全体を符号３１０で示す歯車
組立体がモータ組立体ハウジング３００の上部に設けら
れている。歯車組立体３１０は第１の端部３３０及び第
２の端部３４０を備えた細長い全体として円筒形の第１
の支持部材３２０を有する。第１の端部３３０は駆動シ
ャフト３０５を受け入れるためのボア３５０を有し、ま
た後述の理由によりほぼＳ字形の湾曲部を画定する貫通
チャンネル３５５を有する。さらに、細長い車軸３７０
を受け入れるためのキャビティ３６０が第１の支持部材
３２０に形成されている。車軸３７０は、第１の自在継
手３８５によって駆動シャフト３０５に連結されてい
て、車軸３７０が駆動シャフト３０５の回転時に回転す
るようにする第１の端部３８０を有する。また、車軸３
７０は、第２の自在継手３８７によって回転自在な駆動
歯車４００に連結された第２の端部３８２を有してい
て、従って駆動歯車４００は車軸３７０の回転につれて
回転するようになっている。車軸３７０は、第２の自在
継手３８７のところの回転速度及びトルクが第１の自在
継手３８５のところの回転速度及びトルクと実質的に同
一であるように駆動シャフト３０５の中心軸線に対して
傾斜していている。このように、駆動歯車４００及び被
動歯車４１０の回転速度は駆動シャフト３０５の回転速
度と実質的に同じである。以下に一層詳細に説明するよ
うに、スリーブ２１０の内周部２００周りにおける円周
方向溶接部の形成速度は、駆動歯車４００及び被動歯車
４１０の回転速度と同じである。上述の説明から分かる
ように、エンコーダはスリーブ２１０の内周部２００周
りにおける円周方向溶接部の形成速度を制御する。とい
うのは、エンコーダはモータの動作を制御するからであ
り、それにより駆動歯車４００及び被動歯車４１０の回
転速度が制御される。本発明者は、円周方向溶接部の形
成速度を制御することが重要であることに気付いた。こ
れが重要である理由は、円周方向溶接部の形成速度はス
リーブ２１０と伝熱管５０との間の融着の度合いを定め
る重要なパラメータであるからである。
【００２６】図３、図４及び図５を引き続き参照する
と、駆動歯車４００は、図３で最もよく示されているよ
うに、第１の支持部材３２０を包囲した状態でこれに固
定された被動歯車４１０に係合する。かくして、上述の
説明から分かるように、第１の支持部材３２０はシャフ
ト３７０、駆動歯車４００及び被動歯車４１０を支持す
る。貫通したボア４３０を有する全体として円筒形の第
２の支持部材４２０が、第１の支持部材３２０の第２の
端部３５０を包囲していて例えば第１の回転止めピン４
１５によってこれに連結されている。光ファイバーケー
ブル２３０は、溝３０３の中に設けられ、チャンネル３
５５を貫通すると共にボア４３０を貫通している。
【００２７】図３、図４、図５、図６、図７及び図８を
参照すると、光ファイバーケーブル２３０から放出され
た均質化レーザービームを合焦させ、次にこれを反射さ
せるための全体として符号３５０で示す光学系組立体
が、例えば第２の回転止めピン４４０により第２の支持
本体４２０に連結されると共にこれによって支持されて
いる。光学系組立体４５０は、第２の回転止めピン４４
０によって第２の支持本体４２０に連結された全体とし
て管状のレンズハウジング４６０を有する。レンズハウ
ジング４６０は、光ファイバーケーブル２３０を受け入
れるためのボア４７０を有し、また少なくとも１つのレ
ンズ４８０を収容するために形成された開放室４７５を
有している。限定的な例としてではなく例示としてのみ
述べると、レンズ４８０は、レーザ光にとって耐酸性の
透明な合焦媒体となるようにセレン化亜鉛、石英、溶融
シリカ、塩化カリウム、塩化ナトリウム、臭化カリウム
等であるのがよい。さらに、反射鏡２４０を包囲するた
めの全体として管状のエンクロージャ４９０がレンズハ
ウジング４６０を包囲した状態でこれに取り付けられて
いる。以下により詳細に説明するように、反射鏡２４０
は、溶接作業中に生じた溶接煙中に同伴される溶接スパ
ッタまたは微小な溶接屑の反射鏡２４０上への付着を防
止するよう内面２００に対してほぼ１０°〜２０°の所
定の角度に配向又は傾斜している。このようにすると、
反射鏡２４０の有効寿命は相当延びる。一層詳細には、
本発明者は、反射鏡をスリーブ２１０の内面２００に対
して約２０°傾斜させると、反射鏡２４０の汚れが実質
的に回避されてその有効寿命が約２倍になることを発見
した。これとは対照的に、従来型の反射鏡の傾斜角度
は、通常は０°〜１０°なのでかかる汚れの影響を受け
やすくなる。
【００２８】依然として、図３、図４、図５、図６、図
７及び図８を参照すると、エンクロージャ４９０の壁を
貫通してポート５００が設けられており、このポート５
００は、レーザビームを通すよう平らな反射鏡２４０の
中央部分と整列している。さらに、直ぐ後に述べる理由
により、交換可能なインサート５０５がポート５００に
隣接した状態でエンクロージャ４９０に取り付けられて
いる。この点に関し、従来技術における問題点は、ポー
ト５００の周りの領域が、望ましくはないことにはレー
ザ光ビームによって損傷を受けるような形でレーザ光ビ
ームを不注意にも遮る場合があることである。本発明に
よればこの問題点は発明者によるインサート５０５によ
って解決され、また、このインサート５０５は、たとえ
レーザ光ビームによって損傷しても交換が容易である。
このように、エンクロージャ４９０は損傷しないよう保
護される。加うるに、レーザ溶接ヘッドをスリーブ２１
０及び伝熱管５０の中で心出しするための全体を５１０
で示す心出し手段がエンクロージャ４９０の上方に設け
られ、これに連結されている。心出し手段５１０は、ロ
ーラ５４０が連結されている少なくとも一対のリンク部
材５３０を支持するようになった支持シャフト５２０を
有し、ローラ５４０は伝熱管５０の内面８０に摺動自在
に係合することができる。支持シャフト５２０に固定さ
れている固定リング部材５６０から間隔をおいて位置し
た摺動リング部材５５０が支持シャフト５２０の周りに
適切に位置している。摺動リング部材５５０を下方へ押
圧するための圧縮ばね５７０が摺動リング部材５５０と
固定リング部材５６０との間に設けられている。リンク
部材５３０のうち一方の一端部は摺動リング部材５５０
に取り付けられ、その他端はローラ５４０に取り付けら
れている。他方のリンク部材５３０の一端部は支持シャ
フト５２０に取り付けられ、その他端部はローラ５４０
に取り付けられている。リンク部材５３０、リング部材
５５０／５６０及びばね５６０は協働することにより、
ローラ５４０は適切に外方へ延びて伝熱管５０の内面８
０に摺動的に係合することができ、従って溶接ヘッドを
異なる直径の伝熱管の中で心出しすることができるよう
になる。さらに、心出し手段５１０は光学系組立体４５
０をスリーブ２１０内で心出しすることができ、光学系
組立体４５０は伝熱管５０内に同心状に設けられるよう
になる。レーザビームをスリーブ２１０の内面２１０に
正確に合焦させてスリーブ２１０を伝熱管５０に正確に
融着させるようにするためには、光学系組立体４５０を
スリーブ２１０内で心出しすることが重要である。
【００２９】図３に最も良く示されているように、光フ
ァイバーケーブル２３０は、第１の支持部材３２０に形
成されていて、上述の全体としてＳ字形の曲率部または
湾曲部を有するチャンネル３５５の曲率にぴったりと適
合する。かくして、光ファイバーケーブル２３０は、第
１の支持部材３２０のチャンネル３５５を貫通すると全
体としてＳ字の形又は曲率形状となる。これは、以下に
より詳細に説明する方法で光ファイバーケーブル２３０
を通って導かれているレーザ光を「均質化」するために
重要である。
【００３０】この点に関し、本発明者は、光ファイバー
ケーブル２３０の幾何学的な形状が光ファイバーケーブ
ル２３０から放出されるレーザビームの空間干渉性また
は均質性を決定することを発見した。非均質レーザビー
ムは例えば光のない中央部分または光のない同心リング
部分を備えた光ビームとなる。より詳細には、本発明者
の光ファイバーケーブル２３０は、空間干渉性のある、
即ち均質性の光ビームが得られるようにする所定の全体
的にＳ字の形状に形成されている。その上、光ファイバ
ーケーブル２３０がこのように全体的にＳ字の形になる
ことにより、市販の小型モータ、歯車箱及びエンコーダ
を所要の長さの光ファイバーケーブルと併用することが
できる。
【００３１】図２に戻ると、装置１９０は、ハウジング
２９０と協働して、ハウジング２９０をスリーブ２１０
の内周部２００と同心状に整列させるためのマニプレー
タアーム５９０を備えた全体を符号５８０で示す遠隔操
作自在なマニプレータをさらに有する。この点に関し、
マニプレータ５８０は、ペンシルベニヤ州ピッツバーグ
所在のウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレ
イションにより入手できる適当なロボット装置、例えば
ＲＯＳＡ（Remotely Operated Service Arm ）であるの
がよい。加うるに、スリーブ２１０の底端部を位置決め
して溶接ヘッドをスリーブ２１０内で位置決めするよう
にするためのプローブ６００（これは、渦電流プローブ
または超音波プローブであるのがよい）が、コネクタ２
８０に取り付けられている。さらに、コネクタ２８０
は、流体（例えば、遮蔽ガス）をコネクタ２８０の周り
に設けられた半径方向に膨張自在な袋６２０に導くため
の流れチャンネルを有するのがよい。膨張自在な袋は、
半径方向に膨張して伝熱管５０の内面８０に密着して溶
接ヘッドを内面８０に固定することができ、従って溶接
ヘッドはスリーブ２１０の溶接中、軸方向に移動しない
ようになっている。溶接ヘッドの軸方向の動きを防止す
ることにより、スリーブ２１０をその所定の軸方向位置
で正確に溶接するのことができる。
【００３２】上記の溶接ヘッドは、比較的小さな内周部
８０を備えた伝熱管８０にスリーブ２１０を融着するの
に特に役立つ。限定的な例ではなく例示としてのみ述べ
ると、本発明の溶接ヘッドは、スリーブ２１０を伝熱管
５０（この内径は比較的小さく、約０．７５０インチで
ある）に融着させるために外形が約０．５１２インチで
ある。さらに、モータ、歯車箱及びエンコーダの最大径
は、伝熱管５０の比較的小さな内周部８０及びスリーブ
２１０の比較的小さな内周部２００を通過するよう寸法
決めされたモータ組立体３００の中に納まるために、そ
れぞれ約１０mmであるのがよい。
【００３３】動 作 原 理 当該技術分野における従来方法で蒸気発生器１０の運転
を停止させ、装置１９０を蒸気発生器１０に十分近接し
て配置して所要のレーザ溶接を実施する。当然のことな
がら、スリーブ２１０は前もって拡張させて伝熱管５０
に係合させ、スリーブ２１０を伝熱管５０に連結してお
く。スリーブ２１０を、伝熱管５０の劣化部分を被覆し
またはブリッジするようなやり方で伝熱管５０内に位置
決めする。しかしながら、スリーブ２１０の弾性特性よ
り、スリーブ２１０は拡張後に「スプリングバック」す
る場合がある。このスプリングバックが生じると、比較
的小さな隙間がスリーブと伝熱管の境界部に生じるよう
になる。かかる隙間は、スリーブ２１０と伝熱管５０の
間で、そして伝熱管５０の劣化部分を通る一次流体の流
路となり、この流路により、望ましくないことには、一
次流体が二次流体と混じり合う場合がある。従って、こ
の隙間を以下により詳細に述べる方法で封止することが
望ましい。
【００３４】この点に関し、ハウジング２９０をマニプ
レータアーム５９０に連結し、マニプレータ５８０を操
作してマニプレータアーム５９０を、スリーブ補修され
るべき伝熱管５０の部分に応じて、出口プレナム室１５
０内へ、又は入口プレナム室１４０内へ伸長させる。導
管駆動装置２６０を作動させて導管２５０及びこれと関
連の光ファイバーケーブル２３０を伝熱管５０の内面８
０及びスリーブ２１０の内面２００に沿って軸方向に駆
動させる。それと同時にプローブ６００を作動させてス
リーブ２１０の底端部を正確に位置決めする。その目的
は、溶接ヘッドを補修されるべきスリーブ２１０の部分
に隣接して位置決めするためである。
【００３５】レーザ２２０を作動させてレーザ光を光フ
ァイバーケーブル２３０の第１の端部２３５内へ導入す
る。レーザ光が光ファイバーケーブル２３０を通って導
かれると、レーザ光は光ファイバーケーブル２３０の曲
り部またはＳ字形部分に遭遇し、均質化されて空間干渉
性のレーザ光ビームとなる。光ファイバーケーブル２３
０のＳ字形曲率部はレーザ光が壁２３５から跳ね飛ぶよ
うなものである。レーザ光が光ファイバーケーブル２３
０の内壁２３５に多数回当たることにより、レーザ光の
拡散の度合いが小さくなって一層コヒーレントの状態に
なり「均質化された」レーザ光ビームを生ずるようにな
る。すると、均質化レーザ光ビームは光ファイバーケー
ブル２３０の第２の端部から出てレンズ４８０を通って
進み、レンズ４８０は光ビームを反射鏡２４０上に合焦
させ、この反射鏡２４０は光ビームを反射してポート５
００を通過させる。ポート５００の通過後、光ビームは
スリーブ２１０の内面２００によって遮られ、スリーブ
２１０を伝熱管５０の内周部８０に融着させて上述の隙
間を密封し、またスリーブ２１０を伝熱管５０に密封的
に固定する。
【００３６】さらに、装置１９０はスリーブ２１０を伝
熱管５０の周りにぐるりと融着させることができる。こ
の点に関し、モータ組立体ハウジング３００を作動させ
て車軸３７０を回転させ、それにより駆動歯車４００を
回転させる。駆動歯車４００が回転すると、被動歯車４
１０は同程度回転して第２の支持本体４２０を回転させ
る。第２の支持本体が回転すると、ハウジング４６０内
に設けられていてこれに取り付けられている反射鏡２４
０が回転する。反射鏡２４０及びハウジング４６０が同
時に回転すると、反射鏡２４０から反射し、ポート５０
０を通過した光ビームはスリーブ２１０の周りに進んで
スリーブ２１０を伝熱管５０の内面８０に連続的に円周
方向に融着させる。同様に、所望ならば、多数の間隔を
おいた溶接部をスリーブ２１０の周りに設けてもよい。
【００３７】しかしながら、本発明の方法により得られ
る溶接部は不純物が無く、したがって応力腐食割れの影
響を受けないものであるべきである。従って、遮蔽ガス
を溶接中の内面２００の部分上に流して溶接域の酸化を
防止し、不純物が溶接域（即ち、溶接中のスリーブ２１
０の部分）に移動しないようにする。また、遮蔽ガスを
溶接域の付近に供給すると、溶接煙（図示せず）が反射
鏡２４０から吹き飛ばされて反射鏡２４０の汚れが防止
されるようになる。溶接煙が反射鏡２４０を汚さないよ
うにするのに加えて、反射鏡２４０と溶接煙との接触を
実質的に回避し、或いは遮断するために反射鏡２４０は
スリーブ２１０の内面２００に対してほぼ２０°の角度
をなして傾斜している。反射鏡２４０の汚れを回避する
と、反射鏡２４０の有効寿命が増す。
【００３８】伝熱管を必要な本数についてスリーブ補修
した後、装置１９０を熱交換器１０の付近から取り外
し、次に熱交換器１０を使用状態にする。
【００３９】上述の説明から分かるように、本発明の利
点は、スリーブをその比較的狭い制限された領域にわた
って溶接し、それによりスリーブを伝熱管に適切に融着
させることができることである。上述の説明から分かる
ように、本発明のもう１つの利点は、スリーブの内面を
正確に溶接するための比較的高い出力密度の空間干渉性
のあるレーザ光ビームが得られることである。加うる
に、上述の説明から理解されるように、本発明のさらに
もう１つの利点は、反射反射鏡の有効寿命が延びること
であり、その理由は、反射反射鏡が傾斜していて溶接作
業中に生じる溶接煙による汚れを受けにくいからであ
る。
【００４０】本発明をその好ましい実施例において図示
説明したが、本発明は図示の細部に限定されるものでは
ない。というのは、本発明に関する種々の変形例を本発
明の精神またはその均等範囲から逸脱することなく想倒
できるからである。例えば、一層高い出力密度を望なら
ば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザに代えてＣＯ2 レーザを用いて
もよい。別の例として、反射鏡２４０を回転させ、それ
と同時に溶接ヘッドを伝熱管５０内で軸方向に並進さ
せ、それによりスリーブ２１０の内面上に螺旋状の溶接
部を形成してもよい。螺旋状溶接部は、スリーブ２１０
を伝熱管５０に密封的に融着させる効果がさらに高い。
【００４１】かくして、原子炉用熱交換器の伝熱管内に
配置される補修用スリーブである管状部材の内面をレー
ザ溶接するための装置及び方法を開示した。
【００４２】
【図面の簡単な説明】
【図１】複数本のＵ字形伝熱管が設けられた代表的な原
子炉用熱交換器の部分側面図であり、明確化のために一
部を切り欠いて示す図である。
【図２】補修用スリーブを伝熱管のうち選択された１本
の内面に溶接するために作動状態にある本発明の装置を
示す図である。
【図３】スリーブを伝熱管をレーザ溶接するために、選
択された伝熱管の中に配置された導光手段及び光反射手
段の部分側面図である。
【図４】図３の４−４線における断面図である。
【図５】スリー部内に配置された導光手段を示す部分立
面図である。
【図６】スリーブ内に配置された光反射手段の部分立面
図である。
【図７】図６の６−６線における断面図である。
【図８】スリーブを伝熱管に融着する均質化レーザビー
ムを示す部分立面図である。
【図９】本発明の一部をなす光ファイバーケーブルによ
って放出されている均質化レーザビームの部分立面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 蒸気発生器 ５０ 伝熱管 １００ 管板 １９０ レーザ溶接装置 ２１０ スリーブ ２２０ Ｎｄ：ＹＡＧレーザ ２３０ 光ファイバーケーブル ２４０ 反射鏡 ３１０ 歯車組立体 ４５０ 光学系組立体 ５１０ 心出し手段 ５８０ マニプレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｄ 1/00 Ｈ０１Ｓ 3/101

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の管状部材の内周部を第２の管状部
    材の内周部内に設けた状態で溶接し、それにより第１の
    管状部材を第２の管状部材に融着させるための装置にお
    いて、第１の管状部材を第２の管状部材に融着させるの
    に十分に高い強さのレーザ光を発生するレーザと、レー
    ザ光を導くようレーザに光結合され、レーザ光を均質化
    して均質化された光ビームを放出するようになった光フ
    ァイバーケーブルと、第１の管状部材の内周部内に配置
    されるように寸法決めされたハウジングと、ハウジング
    に取り付けられた反射器とを有し、反射器は、光ファイ
    バーケーブルから放出された均質化されている光ビーム
    を反射するよう光ファイバーケーブルに光結合されると
    共に均質化光ビームを反射し、第１の管状部材の内周部
    に当てて第１の管状部材を第２の管状部材に溶接するよ
    う第１の管状部材の内周部に光結合されており、第１の
    管状部材を第２の管状部材に溶接すると、第１の管状部
    材は第２の管状部材に融着することを特徴とするレーザ
    溶接装置。
  2. 【請求項２】 光ファイバーケーブルは、レーザ光を均
    質化するように所定の全体的にＳ字の形状になっている
    ことを特徴とする請求項１のレーザ溶接装置。
  3. 【請求項３】 反射器は反射鏡であり、第１の管状部材
    の内周部を溶接しているときの反射鏡の汚れを防止する
    ため、反射鏡は第１の管状部材の内面に対して所定の向
    きをなしていることを特徴とする請求項１のレーザ溶接
    装置。
  4. 【請求項４】 ハウジング内に設けられ、反射器に連結
    されていて、反射器を回転させて第１の管状部材の内周
    部周りに溶接をぐるりと行わせるための回転器を更に有
    することを特徴とする請求項１のレーザ溶接装置。
  5. 【請求項５】 ハウジングに連結されていて、ハウジン
    グを第１の管状部材の内周部に沿って軸方向に移動させ
    るための導管を更に有することを特徴とする請求項１の
    レーザ溶接装置。
  6. 【請求項６】 導管に係合して導管を第１の管状部材の
    内周部に沿って軸方向に移動させる導管駆動装置を更に
    有し、ハウジングは、導管駆動装置が導管を駆動する
    と、第１の管状部材の内周部に沿って軸方向に移動する
    ことを特徴とする請求項５のレーザ溶接装置。
  7. 【請求項７】 ハウジングに連結されていて、ハウジン
    グを操作して第１の管状部材と同心状に整列させるマニ
    プレータを更に有することを特徴とする請求項７のレー
    ザ溶接装置。
  8. 【請求項８】 第１の管状部材の内周部とガス連通して
    いて、遮蔽ガスを該内周部に供給し、不純物を該内周部
    から除去して不純物の無い溶接部が形成されるようにす
    る遮蔽ガス供給装置を更に有することを特徴とする請求
    項７のレーザ溶接装置。
  9. 【請求項９】 ハウジングに連結されていて、溶接され
    るべき第１の管状部材の内周部の部分の位置を識別する
    プローブを更に有することを特徴とする請求項８のレー
    ザ溶接装置。
  10. 【請求項１０】 第１の管状部材の内周部を第２の管状
    部材の内周部内に設けた状態で溶接し、それにより第１
    の管状部材を第２の管状部材に融着させるための方法に
    おいて、レーザの作動により、第１の管状部材を第２の
    管状部材に融着させるのに十分に高い強さのレーザ光を
    発生させ、レーザ光を導いているときにレーザ光を均質
    化するよう形作られていてレーザに光結合されている光
    ファイバーケーブルにレーザ光を通すことにより均質化
    されたレーザビームを放出させ、第１の管状部材の内周
    部内に配置されるように寸法決めされたハウジングを準
    備し、ハウジングに取り付けられていて、光ファイバー
    ケーブルに光結合されると共に第１の管状部材の内周部
    にも光結合された反射器によって、均質化されたレーザ
    ビームを反射させて第１の管状部材の内周部に当て、第
    １の管状部材の内周部を溶接し、第１の管状部材を第２
    の管状部材に溶接すると、第１の管状部材は第２の管状
    部材に融着することを特徴とするレーザ溶接方法。
  11. 【請求項１１】 レーザビームを反射させる段階におい
    て、反射器を第１の管状部材の内周部に対して所定の角
    度に差し向けることにより反射器の汚れを防止すること
    を特徴とする請求項１０のレーザ溶接方法。
  12. 【請求項１２】 ハウジング内に設けられると共に反射
    器に連結されて反射器を回転させるための回転器を操作
    することにより第１の管状部材の内周部周りに溶接を行
    う段階を更に有することを特徴とする請求項１０のレー
    ザ溶接方法。
  13. 【請求項１３】 可撓性導管が連結されたハウジングを
    第１の管状部材の内周部に沿って軸方向に移動させる段
    階を更に有することを特徴とする請求項１０のレーザ溶
    接方法。
  14. 【請求項１４】 ハウジングを第１の管状部材の内周部
    に沿って軸方向に移動させる段階において、光ファイバ
    ーケーブルに係合する導管駆動装置を作動させることに
    より導管を第１の管状部材の内周部に沿って軸方向に駆
    動する段階を更に有することを特徴とする請求項１３の
    レーザ溶接方法。
  15. 【請求項１５】 ハウジングに連結されたマニプレータ
    を操作することによりハウジングを第１の管状部材の内
    周部と同心状に整列させる段階を更に有することを特徴
    とする請求項１４のレーザ溶接方法。
  16. 【請求項１６】 遮蔽ガスを第１の管状部材の内周部に
    供給して第１の管状部材の内周部から不純物を除去する
    ことにより不純物の無い溶接部を得る段階を更に有する
    ことを特徴とする請求項１５のレーザ溶接方法。
  17. 【請求項１７】 ハウジングが第１の管状部材の内周部
    に沿って軸方向に移動しているときにハウジングに連結
    されたプローブを付勢することにより、溶接されるべき
    第１の管状部材の部分の位置を識別する段階を更に有す
    ることを特徴とする請求項１６のレーザ溶接方法。
JP6247122A 1993-09-13 1994-09-13 レーザ溶接装置及び方法 Withdrawn JPH0788665A (ja)

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