JPH08504678A - 損傷管の修理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 管（20）の内部表面をクラッド溶接するためのレーザ溶接装置（320）が開示してある。装置は、管の内部に配置された回転スリーブ（324）を含んでいる。回転スリーブの内部に設置されているのが、光ファイバケーブル（340）および溶加材通路（386）である。光ファイバケーブルはレーザ（344）からレーザエネルギーを受け取る。溶加材通路は、回転スリーブと同期運動する溶加材運搬システム（330）から溶加材を受け取る。回転スリーブの端に配置されているのが、ヘッド開口（394）およびレーザエネルギー方向修正アッセンブリ（392）を含んでいる溶接ヘッド（322）である。光ファイバケーブルからのレーザエネルギーは、レーザエネルギー方向修正アッセンブリおよびヘッド開口を経由して、管の内部表面上の選択された溶接位置に運ばれる。溶加材運搬システムからの溶加材もヘッド開口を経由して運ばれ、選択された溶接位置においてレーザエネルギーと交差する。溶加材は管の内部表面と融解して、クラッド溶接部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 損傷管の修理方法および装置 発明の背景 １．発明の技術分野 本発明は、熱交換器管の修理に、より詳細には加圧水型原子炉（PWR）原子力 発電所の蒸気発生器管のレーザ溶接修理に関するものである。 ２．関連技術の説明 加圧水型原子炉サイクルを利用している原子力発電所では、核燃料の核分裂に よって、熱が原子炉内に発生する。原子炉冷却材と称される流体を連続的に循環 させることによって、熱は原子炉から取り出される。原子炉内で加熱された後に 、冷却材は、通常は蒸気発生器と称される熱交換器まで流れ、そこで熱を放出し 、その後、原子炉に戻りさらに加熱される。蒸気発生器内では、原子炉冷却材は 、蒸気タービンを駆動するために使用される２次冷却水を加熱する。蒸気タービ ンから排出された後に、蒸気は、さらに原子炉冷却材による加熱を受けるために 、復水されて、蒸気発生器に戻される。原子炉蒸気発生器冷却材ループは通常は １次ループと称され、蒸気発生器ループは通常は２次ループと称される。 蒸気発生器は、代表的には、胴および多管式熱交換器であり、１次冷却材は熱 交換器管の内部を通過し、２次冷却水は管の外部表面上を流れ、熱交換器の胴内 に収容されている。原子炉冷却材から２次冷却水への熱伝達は、管の全長の大部 分で行われる。管の端をシールし、原子炉冷却材と２次冷却水とが混るのを防ぐ ために、管の端は、管の端を受け取るための貫通開口を有する平らな板からなる 管板に連結されている。シール継ぎ目を形成するために、管の端は、管板にシー ル溶接されているか、あるいは、貫通開口内で拡げられている。管板の外縁は、 蒸気発生器の胴および原子炉冷却水箱に対してシールされている。 蒸気発生器は、通常は、管が一般的には垂直方向にのび、管を直流型またはリ ターンフロー型とすることができるような方向を向けられている。直流型蒸気発 生器では、管は直線で、両端が管板に接続されている。原子炉冷却材は蒸気発生 器の頂部の冷却水箱に入り、管内を貫流し、蒸気発生器の底の冷却水箱に集めら れる。より一般的であるのが、リターンフロー型蒸気発生器であり、管は逆”Ｕ ” 字形で、両端が蒸気発生器の底の同じ管板に接続されている。管板の下方の冷却 水箱は、管入口を含む管板の部分から管出口を含む管板の部分を効果的にシール するような方向を向いた仕切り板を具備している。この方式によって、原子炉冷 却材は、冷却水箱の入口部分に流入し、逆“Ｕ”字管を貫流し、冷却水箱の出口 部分に流入する。直流型蒸気発生器であれ、リターンフロー型蒸気発生器であれ 、管は非常に長く、その全長にわたって支持が必要である。熱交換器の胴内部の 様々な位置に管の全長に沿って支持板を配置することによって、この支持を行う ことができる。支持板は、管が貫通する開口を有しており、その外縁は蒸気発生 器の胴に連結されている。 管の取り付けを簡単にし、管と胴の熱膨張差に対応するために、支持板内の開 口をオーバサイズにして、管が支持板に対して滑動できるようにしてある。しか しながら、支持板内の開口は、管を適正に水平支持し、運転中の管の過剰振動を 防止できないほど大きなものであってはならない。これによって、隙間が支持板 と管の間に形成される。これらの隙間は、蒸気発生器の運転中に異物および腐食 生成物を集め、それによって隙間腐食を促進することになる。それに加えて、前 記の管と管板の間の継ぎ目にも、隙間腐食の原因となる隙間がある。蒸気発生器 管は、数種類の腐食メカニズムに対して弱く、そのことが、最終的には、漏れま たは肉厚減少を招くことがある。これらの腐食メカニズムには、１次冷却水応力 腐食割れ、２次側粒界腐食、２次粒界応力腐食割れ、および２次側損耗がある。 １次側劣化が生じるのは、代表的には、膨張転移帯、内部列Ｕベンド、および管 支持位置のような、残留引張応力が大きな位置である。２次側劣化が起こるのは 、管と管板の間の隙間、支持板と管のインタフェース、振動防止棒インタフェー ス、およびスラッジパイル領域のような、不純物が集まり、腐食が発生する位置 である。腐食によって起こるこれらの問題に対する現在の対策としては、蒸気発 生器の交換、劣化管のプラギング、管内部表面の電気メッキ、および劣化管のス リービングがある。 蒸気発生器の交換は、相当額の資本投資、ならびに、数カ月または数年の発電 所停止および長期の発電所停止に伴う収益の低下を含む、抜本的な解決策である 。 劣化管のプラギングの場合には、劣化管は使用不能になり、蒸気発生器の効率 が低下する。管のプラギングが可能であるかどうかは、各蒸気発生器の使用実績 に基づいて計算される「プラギングマージン」に基づいて判断する。「プラギン グマージン」を超えた場合には、さらに管のプラギングを行うと、蒸気発生器の 能力が低下し、したがって、発電所全体の定格出力を下げ、設計以下の能力で運 転しなければならない。 ニッケルを蒸気発生器管に電気メッキした場合には、管はそのまま使用を続け ることが可能である。さらに、ニッケルメッキによって、小さな漏れがシールさ れ、それ以上の劣化は防止されるが、管の構造的保全性が回復するわけではない 。したがって、電気メッキの場合には、早期発見されたために、管の強度が大き く低下する前に修理可能であった小さな割れだけにしか有効ではない、という大 きな限界がある。 スリービングは比較的費用のかかる手法であるが、管はそのまま使用を続ける ことが可能である。スリービングは、蒸気発生器管の内径よりも外径が少し小さ い短い管状スリーブを蒸気発生器管の損傷部分に挿入し、スリーブを管に溶接す ることによって行われる。スリーブは一般的には管と同じ材料製であり、管の損 傷部分の代わりをする。したがって、この修理方法の場合には、管の構造的保全 性が回復することになる。スリービングが行われるのは、一般的には、蒸気発生 器の「プラギングマージン」に近づいた場合である。 スリービングに関する１つのアプローチが、William E．Pirlによって1991年1 1月19日に発行された米国特許第5,066,846号明細書に開示されている。この特許 では、管の内側に配置されたレーザ光線溶接ヘッドを使用して、スリーブが管に 溶接される。レーザ源からのレーザエネルギーは、光ファイバケーブルによって 、溶接ヘッドに向けられ、傾斜鏡は光線をスリーブの内部表面に向かって反射す る。溶接ヘッドは、スリーブの一端の近くで、管に沿って１つの軸方向に回転し 、レーザ光線は、スリーブ・管インタフェースのまわりの狭い円周帯の中に、ス リーブを管に対して融解させるのに十分な熱を運ぶ。この方法による溶接は一般 的には自生溶接と呼ばれており、スリーブおよび管の母材が溶解および融解し、 溶接作業中に追加の溶加材が添加されることはない。次に、溶接ヘッドはスリー ブの他端に再配置され、もう１つの自生溶接が行われる。 この方式のスリービングは管の保全性を回復することはできるが、数多くの欠 点を伴う。第一に、スリーブが必然的に管通路の内径を小さくすることになり、 蒸気発生器の運転を開始した場合には、管の中の冷却材の流れの圧力低下が増大 する結果となる。さらに、修理部分が、管板のような、管の下部部分にある場合 には、適正な寸法の別のスリーブを取付け済みスリーブの奥側に挿入することが できず、最初のスリーブよりも高い位置の劣化管の以降の修理が妨げられる。そ れに加えて、溶加材を添加せずにスリーブの端に高品質すみ肉溶接を行うことは 非常に難しいために、スリーブの両端の自生溶接部は通常はスリーブの端から凹 形になっている。これらの溶接部はスリーブの端から凹形になっているために、 スリーブと管の間のスリーブの端と溶接部の間の領域には隙間が残る。さらに、 溶接部自体が狭い円周帯であるために、円周帯の間のスリーブの外部帯域は、管 とともに隙間を形成する。割れまたはピンホールのような、修理を必要とする管 の損傷が、水をこの隙間に侵入させる。蒸気発生器の運転を再開した場合には、 これらの隙間帯域も多くの形態の腐食を受けやすい。 損傷管を修理するために、スリーブを使用しないで、管の内側に連続的な自生 溶接部を形成する様々な試みが行われてきた。これらの努力が失敗したのは、損 傷の原因となった腐食が酸化表面を残し、自生溶接を利用した場合には、これら の酸化表面が傷や空隙となったからである。もし溶接作業に溶加材を使用するの であれば、自生溶接に伴う傷や空隙を防止する脱酸剤および粘度調整剤を溶加材 に添加することが可能である。さらに、溶加材の使用によって、管壁を肉盛りす る能力が得られ、したがって、新しい溶着金属が損傷管を構造的に完全に代替す ることになる。 したがって、PWR発電所の将来の需要に応じるためには、技術対策の改善が必 要なことは明白である。管プラギングマージンを利用し尽くし、連続運転を可能 にするために、大量のスリーブ（つまり、管の＞10％）を取り付けると、場合に よっては、管劣化の結果として、蒸気発生器の交換、発電所の定格出力の削減ま たは発電所の運転停止の決定につながることもある。経済的なコストで発電所の 耐用年数の終わりまで管の寿命を延ばすことができる代替修理技術が必要となる 。 発明の開示 装置は、光ファイバによって細長い溶接ヘッドに接続されたレーザエネルギー 源を含んでいる。細長い溶接ヘッドは回転可能であり、45度の角度に傾けられて いる鏡を有する。光ファイバの軸が細長い溶接ヘッドの軸と整列するように、光 ファイバはロータリージョイントによって細長い溶接ヘッドの底に接続されてい る。レーザ源が発生させるレーザ光線は、ロータリージョイントを通じて溶接ヘ ッドに入り、収束レンズを通過し、傾斜鏡によって、損傷管の内部表面に反射さ せられる。レーザ光線を管内部のまわりを周方向に移動させるための手段が具備 されている。収束光線が管の内部表面と接触する位置に溶加材を供給する手段も 具備されている。その結果、管の強度を回復し、将来の腐食発生の可能性となる 隙間を残さず、管の内部表面の平滑なクラッド溶接が行われることになる。それ に加えて、管の内径が管の元の内径に非常に近く、したがって、スリービング方 式の修理に伴う圧力低下が最小限ですみ、最初の修理帯域よりも奥に位置してい る管を後から修理することができる。 もう１つの実施の形態は、蒸気発生器管の内部に配置可能な回転スリーブを具 備した装置を含んでいる。回転スリーブの内部には、光ファイバケーブルおよび 溶加材通路が配置されている。光ファイバケーブルはレーザからレーザエネルギ ーを受け取る。溶加材通路は、回転スリーブと同期運動する溶加材運搬システム から溶加材を受け取る。回転スリーブの端に配置されるのは、ヘッド開口および レーザエネルギー方向修正アッセンブリを含む溶接ヘッドである。光ファイバケ ーブルからのレーザエネルギーは、レーザエネルギー方向修正アッセンブリおよ びヘッド開口を経由して、管の内部表面上の選択された溶接位置に伝達される。 溶加材運搬システムからの溶加材もヘッド開口を経由して運搬され、選択された 溶接位置においてレーザエネルギーと交差する。溶加材は管の内部表面と融解し 、クラッド溶接部を形成する。 図面の簡単な説明 第１図は、加圧水型原子力発電所で使用されている代表的な蒸気発生器を示す 縦断面図である。 第２図は、蒸気発生器管の内部に配置され、溶加材として事前配置された線材 コイルを使用するレーザクラッド溶接修理装置の１つの実施の形態を示す横断面 図である。 第３図は、蒸気発生器の内部の管支持板の近くに配置され、事前配置された溶 加材薄板を管の内部に溶接するレーザクラッド溶接修理装置のもう１つの実施の 形態を示す簡略化した横断面図である。 第４図は、蒸気発生器管の内部に配置され、クラッド溶接すべき帯域のすぐ上 方で事前配置された溶加材線材コイルを使用するレーザクラッド溶接修理装置の さらに別の実施の形態を示す横断面図である。 第５図は、本発明に従って使用される回転装置を示す側面図である。 第６図は、第５図の回転装置の回転スリーブの端に配置された回転溶接ヘッド を示す側横断面図である。 第７図は、ウエッジプリズムを具備したレーザエネルギー方向修正アッセンブ リを示す側面図である。 第８図は、本発明に従って使用される別の回転装置を示す側面図である。 第９図は、第８図の回転装置の回転スリーブ端に配置された回転溶接ヘッドを 示す側横断面図である。 第10図は、カット光ファイバケーブルを具備したレーザエネルギー方向修正ア ッセンブリを示す側面図である。 第11図は、曲がり光ファイバケーブルを具備したレーザエネルギー方向修正ア ッセンブリを示す側面図である。 好ましい実施の形態の説明 本発明は、熱交換器または材料運搬システムのような、多くの用途に使用され る小口径の腐食または損傷管の修理に適用可能である。以下の本発明の装置およ び作用の詳細な説明では、実施例として、加圧水型原子力発電所サイクルで使用 される蒸気発生器として周知の特殊な熱交換器を使用する。 全ての図面において同一の番号は同一の構成要素を示しており、第１図には、 リターン型の代表的な蒸気発生器が図示してある。一般的には10で表してある蒸 気発生器は、胴12、管巣14、管板16、および冷却水箱18からなる。分かりやすく 図解するために、”Ｕ”字形管20は１本だけしか図示してないが、管束14端数千 本の個々の管20から構成されているものと理解されたい。仕切り板22が冷却水箱 18を第１入口部分24と出口部分26とに分割する。運転中には、高温の原子炉冷却 材が、ノズル28を通って、入口部分24または冷却水箱18に入る。入口部分24から 、冷却材は管を通って冷却水箱の出口部分26に流れ、ノズル30を通って原子炉（ 図示されていない）に戻る。２次冷却水はノズル40を通って胴12に入り、管20と の接触によって加熱される。加熱される結果として、２次冷却水は、発生する蒸 気を沸騰させ、この蒸気はノズル42、44を通って蒸気発生器10の頂部から胴12を 出る。このようにして発生した蒸気は蒸気タービン（図示されていない）に送ら れ、そこで膨張させられて、発電機（図示されていない）を駆動する。 蒸気発生器内では、シール溶接を行うか、管板16内の管開口の内部で管を広げ ることによって、管20は管板16に接続される。胴12内の様々な高さの位置に配置 されているのが、管20を通すための貫通開口を含む管支持板50である。管支持板 50内の開口は、直径が管20の外径よりも少し大きく、したがって、管は支持板の 内部を垂直に滑動することができる。蒸気発生器10が稼動され、ゆっくりと運転 温度まで加熱された場合に生じる熱膨張差に対応するために、この相対滑動能力 が必要なのである。すでに説明したように、支持板50と管20の間に形成される隙 間、ならびに、管板16への管20の取り付け位置に生じる隙間は、管20を劣化させ 、最終的には管の破断または破壊を招く腐食を受けやすい。 第２図は、レーザクラッド溶接修理装置の実施の形態の横断面図である。この 図は、小口径管の内部をクラッド溶接するための本発明の装置および使用の全体 を示したものである。図示してあるのは、管支持板を貫通している部分の蒸気発 生器管20である。代表的には、管20の外部表面と支持板50内の開口の内径の間の 隙間はほぼ0.008〜0.015インチ（0.020〜0.038cm）である。したがって、隙間腐 食の可能性が大きいことになる。本実施の形態では、装置は蒸気発生器管の内部 に配置されており、溶加材として事前配置線材コイルを使用する。 レーザ100 は、損傷管20の溶接用熱源である。レーザ100は、溶接に通常使用 される型のものであれば何でもよいが、より一般的にはNd：YAGレーザである。 発明者が使用してきたこの種のレーザの実施例は、Hobart Laser Products社製 の出力2400ワットの2400型である。レーザ100は、レーザ源が発生させたレーザ 出力を溶接ヘッド200に案内する光ファイバ102に接続されている。 溶接ヘッド200は、円筒状回転体202からなる。回転体202の内部には、回転体2 02の軸に対して所定の角度になっている鏡204が収納されている。以下で述べる ように、鏡204の代わりに方向光学装置を使用することもできる。回転体202内に は、レーザ光線用の２つの通路が穿孔されている。第１通路は回転体202の円筒 状軸と同心で、その下部表面から入り、鏡204の表面で終わっている。この方式 によって、第２通路は回転体202の外周から半径方向に穿孔されており、やはり 鏡204の表面で終わっている。この方式によって、回転体202の底に入るレーザ光 線は鏡204から半径方向に管20の内部に反射する。回転体204の底に連結されてい るのが、ロータリージョイント206である。ロータリージョイント206は上部回転 部分202および下部静止部分210からなり、溶接ヘッド200の回転体202をその軸の まわりで回転させる。ロータリージョイント206の静止部分210に連結されている のが、回転ヘッド駆動モータ212である。駆動モータ212は、中空軸小型電動また は空気圧モータであり、溶接ヘッド200の作動中に回転体202を回転させるのに必 要な回転力を与える。鏡204の底は、光ファイバ102を含んだ可撓ケーブル214に よって、レーザ源100に接続されている。駆動モータ212が電動モータである場合 には、動力を与えるために、ケーブル214は電線（図示されていない）をも含ん でいる。溶接ヘッド200の駆動用に空気圧モータを使用する場合には、ケーブル2 14には、モータ212の駆動用に空気圧管（図示されていない）が収納されている 。それに加えて、溶接技術の当業者であれば通常理解できるように、ケーブル21 4は、最終溶接部を改善するために、アルゴンまたはヘリウムのような遮蔽ガス の運搬用の導管（図示されていない）を含むこともできる。遮蔽ガスは、光ファ イバケーブルと電線導管とスリーブの間の隙間を強制送りされることが最も多い のであるが、専用の管または導管を通じて運搬することもできる。次いで、溶接 ヘッドに穿孔することによって、遮蔽ガスを分配して、溶接作業に振り向ける。 モータ212は中空軸を有するので、レーザエネルギーはモータ212とロータリー ジョイント206を通過して鏡に達することができる。モータ212の中空軸内には焦 点レンズ213および215が取り付けられている。これらのレンズは、レーザ エネルギーが管20の内側表面に集中されるように通路の焦点距離を調節すること ができる。同じ溶接ヘッドを内径の異なる管に使用できるように、焦点距離の調 節を可能にするレンズ213とレンズ215の距離を調節するためには、当該技術に熟 練した人にとっては周知の様々な方法を利用することができる。 溶接ヘッド回転体202の頂部に設けられているのが、リング状ベアリング220で ある。相対回転運動が可能になるように、ベアリング220は回転体202に回転でき るように連結されている。ロータリーベアリング220および駆動モータ212に連結 されているのが、その遠位端にシュー224を有する板ばね222である。板ばね222 はシュー224を溶接ヘッド200の中心線から半径方向に外向きに押す。シュー224 は管20の内部壁と係合し、溶接ヘッド200の作動中に溶接ヘッドを管20の中心に 保持する働きを行う。しかし、シュー224と管20との間の摩擦が比較的小さいた めに、溶接ヘッドを管の内部で簡単に軸方向に移動させることができ、したがっ て、溶接作業の際には溶接ヘッドの正確な位置決めを行うことができる。 溶接ヘッド回転体202の頂部で、しかも、リング状ベアリング220の内部には、 溶加材線材送りモータ230も配置されている。溶加材線材送りモータ230は、自動 車産業のような業界においてガスおよびヘリアーク溶接に使用されてきた。した がって、その構造および作動は技術的には一般的に周知のものである。送りモー タ230は、中空軸、および、線材をつかんで、中空軸内を直線的に送る複数の摩 擦輪232を有する。摩擦輪232の回転軸は、溶接ヘッド回転体202の回転軸とはわ ずかに食い違っている。したがって、溶接ヘッド回転体202が回転する結果とし て、摩擦輪は、摩擦輪の接線方向係合表面の間に保持された線材に直線運動を伝 える。送りモータ230の中空軸は、溶加材線材ガイド234と整列しているモータ23 0の下縁のところで終わっている。溶加材線材ガイド234は、溶接ヘッド回転体20 2を貫通している穿孔通路である。ガイド234への上部入口は回転体202の上部表 面にその中心があり、ガイド234の下部出口は回転体202の側面のレーザ光線通路 205の半径方向出口のすぐ上方にある。この方式によって、ガイド234によって送 られる線材は溶接位置に案内されることになる。溶接ヘッド200の上方に図示さ れているのが、溶加材線材240である。溶加材線材240は管20と類似の材料製であ る。腐食割れに対する感受性を低くするために、管材料よりもクロ ム含有量が高いインコネル合金を使用するのが好ましい。インコネル合金625、5 2または72のいずれを使用してもよく、シリコンおよびチタンのような、脱酸剤 および粘度調整剤を含むことができる。溶加材線材240は、管20の内径とほぼ等 しい外径のコイルに予備成形されている。コイル状溶加材線材240と管20の内部 表面との間の摩擦が、溶接ヘッド200の作動中に、線材を正しい位置に保持する 。溶加材線材240の下端は、線材送りモータ内の摩擦車を貫通してガイド234内に 入り、回転体202の側面から出て、溶接位置に達している。溶接ヘッド200は管20 の内部の修理位置に配置される。溶接ヘッド200は光ファイバからのレーザエネ ルギーを半径方向に管20の内部壁に向け直す。 以下では、本発明によって管の修理を行うための手順および作業について説明 する。まず最初に、溶加材線材240をコイル状にするが、その際には、コイルの 外径が管20の内径にほぼ等しくなるようにする。コイルが管20に挿入された場合 には、線材240の下端が管20の中心線上に来るように、下端をコイルの中心に向 かって曲げ、次に下向きに曲げる。次に、溶加材線材のコイルを管20に挿入し、 溶接修理位置よりも少し上方の位置まで押す。管20の内径よりも外径が少し小さ い可撓性中空ホースを使用することによって、変形させずにコイルを管20内で動 かすことができる。線材コイルの位置決めを行った後に、線材送りモータ230を まず最初にして溶接ヘッド200を管20に挿入し、溶接ヘッド220の挿入は、シュー 224を半径方向に内向きに圧縮し、次に溶接ヘッド200を管20に挿入することによ って行うことができる。溶接ヘッド200が修理位置に位置決めされるまで、ケー ブル214を管20内に送り込むことによって、溶接ヘッド200を管内で押す。溶接ヘ ッド200が適正な位置に達すると、事前配置された溶加材線材240コイルの端を摩 擦輪232と係合するように線材送りモータ230の中心に送り込み、溶接を開始する ために、電力または空気圧を、溶接ヘッド回転体202を回転させる駆動モータ212 に印加する。溶接ヘッド回転体202の回転によって、線材送りモータ230が線材24 0を線材ガイド234を通じて管20の内部壁に送る。同時に、レーザ源100のスイッ チを入れ、レーザエネルギーを光ファイバ102および鏡204経由で管20の内部壁に 伝達する。ケーブル214を引っ張ることによって、溶接ヘッド200を管20の内部で 軸方向に動かすことができる。あるいはまた、当業者は周 知の、溶接ヘッド回転体202とリングベアリング220との精密ねじ連結によって、 溶接作業中に溶接ヘッド回転体202を軸方向に均一に前進させることができる。 したがって、ヘッド回転体202が回転する結果として、管20の母材は溶融し、一 方、溶加材線材が溶接位置に送られて、同時に溶融し、それによってクラッド溶 接部を形成する。 第３図は、レーザクラッド溶接装置のもう１つの実施の形態の簡略化した横断 面図である。本実施の形態では、前記溶加材線材240の代わりに、溶加材の薄板2 50が使用される。薄板の形で使用される溶加材は、溶加材線材240用としてすで に説明したような脱酸剤および粘度調整剤を含むことができる。溶加材の薄板25 0は、厚さが約0.025インチで、長さが修理すべき管部分の長さと等しい中空円筒 状に曲げられている。（溶加材の厚さは希望の肉盛りまたはクラッド厚さによっ て決まる）。このようにして形成された円筒の外径は、管20の内径にほぼ等しく 、したがって、線材コイルについてすでに説明したのと類似の方式で円筒の事前 配置を行うことができる。円筒の事前配置が行われた後に、溶接ヘッド200が管 に挿入され、同じ方式で溶接が行われる。形成される溶接部には均一なクラッデ ィングが行われ、管の内径はわずか0.050インチ（0.13cm）しか縮小しない。溶 接部の溶け込み深さは約0.022インチ（0.056cm）で、その結果、クラッド厚さは 0.047インチ（0.12cm）になり、薄板250と管20の結合は良好なものになる。クラ ッド厚さが0.047インチ（0.12cm）であることによって、通常厚さが0.042インチ （0.11cm）である管の元の肉厚および構造的保全性が完全に回復する。溶接パラ メータ（レーザ出力、移動速度、ピッチ、フォイル厚さ等）の選択によって、溶 け込みおよびクラッド厚さを決定することができる、ということが理解されるで あろう。 第４図には、本発明の第３の実施の形態が示されてある。第４図は、蒸気発生 器管の内部に配置され、クラッド溶接すべき帯域のすぐ上方で事前配置溶加材線 材コイルを使用するレーザクラッド溶接修理装置の別の実施例の簡略化した横断 面図である。本実施例では、溶接ヘッド200は、例えば45度の角度で鏡204が頂部 に取り付けられている中空のねじ山付きロッド300からなる。ロッド300は、円形 の内部ねじ山付き上端板302にねじ込まれる。ロッド300の上端は駆動モー タ212用の電機子の役割を果たす。上端板302は、ガイドロッド310によって、ワ ッシャ状下端板306に接続されている。下端および上端板306、302は、板ばね222 およびシュー224によって、管の内部の適正な位置に保持されている。ガイドロ ッド310は、断面が”Ｔ”字形で、溶接ヘッド装置200の中心に向かって半径方向 に内向きに向き合っているセンタフランジによって、ロッド300の軸に対して平 行に位置決めされている。モータ212の固定子312は、ガイドロッド310の縁を受 け入れる縦方向溝314をそれぞれの側に有している。モータ電機子304の底はロー タリージョイント206に取り付けられており、ロータリージョイント206はケーブ ル214に取り付けられている。 作業の際には、しっかりと巻かれた溶加材線材240のコイルが、管20の内部の クラッド溶接を行うべき帯域のすぐ上方の事前配置してある。次に、鏡204が溶 加材線材240の先端よりも少し上になるように、溶接ヘッド200を管に挿入する。 レーザエネルギーを溶接ヘッド200に供給し、モータ212を付勢すると、ロッド30 0および鏡204が回転して、レーザエネルギーを線材240のコイルに向ける。それ に加えて、ロッド300が上部板302の中に入り込み、その回転運動と同期化された 速度で、溶接光線を軸方向に下向きに動かし、コイル状線材240の中を通過させ る。ロッド300の軸方向運動に対応するために、モータ固定子312はガイドロッド 310に沿って滑動するが、ガイドロッド310の縁と係合する溝314によって、回転 しないようになっている。したがって、レーザ光線は管の内部で回転および軸方 向運動し、線材240を管20の内部表面に融接して、均一なクラッド溶接部を形成 する。 第５図は、損傷管20の修理に回転装置320を使用する、本発明の別の実施の形 態を示したものである。本実施例では、第２図〜第４図の実施の形態で使用した 回転ヘッド駆動モータ212および付属のロータリージョイント206の代わりに、多 数の回転エレメントを使用する。特に、回転溶接ヘッド322が回転スリーブ324野 端に配置されている。回転駆動機構325がスリーブ324を回転させる。 回転駆動機構325は、溶加材レセプタクル328および溶加材運搬システム330を 含んだ溶加材アッセンブリ326を同時に回転させる。溶加材レセプタクル328は、 溶接すべき溶加材を保持する。一般的には、溶加材レセプタクル328は、溶 加材線材のリールの形をしたものとなる。溶加材運搬システム330は溶解加材を 受け取り、回転スリーブ324の内部の溶加材通路まで運搬する。回転スリーブ324 と溶加材アッセンブリ326が同期回転する結果、溶加材がもつれることはない。 溶加材運搬システム330は溶加材アッセンブリスリップリング332を通じて動力を 供給される。線材送り速度を変えて、クラッド厚さの制御を行い、レーザ出力レ ベル、移動速度、回転ピッチおよびその他の要素の変動に対応した調節を可能に するために、線材送りモータの速度を変えることができる。 回転装置320は、ガス供給装置338に接続されたガスカプラ336も含んでいる。 回転スリーブ324は回転光ファイバケーブル340を含んでいる。レーザ344がエネ ルギーを固定光ファイバケーブル343に供給する。レーザエネルギーは、光カプ ラ342を通じて、固定光ファイバケーブル343から回転光ファイバケーブル340に 伝達される。 軸351上に取り付けられた軸方向駆動システム350によって、回転装置320はそ の縦軸に沿って動かされる。回転スリーブ324を適正な位置に案内するために、 ガイドロール349を使用することもできる。回転装置駆動機構325、軸方向駆動シ ステム350および溶加材運搬システム330を制御するために、コンピュータコント ローラ353が使用される。特に、コンピュータコントローラ353は、回転装置駆動 機構325の速度、軸方向駆動システム350の位置および溶加材運搬システム330の 溶加材運搬速度を制御するために使用される。 回転溶接ヘッド322の拡大横断面図である第６図を参照すれば、回転装置320の 働きの真価をより完全に理解することができる。回転溶接ヘッド322は、溶加材 通路386を限定している回転体380を含んでいる。「線材導管」とも呼ばれる溶加 材通路386は回転スリーブ324の全長にわたってのびている。溶加材388は溶加材 運搬システム330から、溶加材通路386を経由して、回転体開口394に強制送りさ れる。レーザエネルギーは回転体開口394を通じて運搬され、溶加材388を溶接す る。ガス導管389が遮蔽ガスを溶接ヘッド322に運搬する。ガス導管389は、多数 の位置から開口394にガスを分配する分配路（図示されていない）の中で終わっ ているのが好ましい。 第６図には、回転溶接ヘッド322の回転体380の内部に配置された回転光ファ イバケーブル340も図示してある。回転光ファイバケーブル340は回転スリーブ32 4の全長にわたってのびており、回転スリーブ324に固定されている。回転光ファ イバケーブル340はレーザエネルギー方向修正アッセンブリ392のところで終わっ ている。本発明の前記実施例では、レーザエネルギー方向修正アッセンブリ392 は鏡204の形で開示されていた。このアッセンブリ392は光学アッセンブリとして 形成することもできる。第７図は、入力レンズアッセンブリ396、ウエッジプリ ズム397、および出力レンズアッセンブリ398を含んでいる別のレーザエネルギー 方向修正アッセンブリ392を開示したものである。ウエッジプリズム397はレーザ エネルギーの方向を変える働きを行う。ウエッジプリズム397は、鏡204から得ら れるよりも大きな出力のレーザエネルギーを供給する。 レーザエネルギーは非直交角度で受光表面に向けられているのが望ましい。従 来技術による装置は、レーザエネルギーが直交方式で表面に衝突するようにレー ザエネルギーを表面に向けるために、鏡を使用している。この構造では、反射性 レーザエネルギーが入射レーザエネルギーを分散させることになる。それに加え て、プルームおよびスパッタが発生し、光学装置への損傷を防止するために、こ のプルームおよびスパッタは従来技術によって取り除かなければならない。レー ザエネルギーが、第７図に示したように、例えば45°の角度で衝突した場合には 、反射性レーザエネルギーが入射レーザエネルギーを分散させることはない。 第８図は、本発明のもう１つの実施の形態を示したものである。第８図の実施 の形態は第５図の実施の形態と概して対応しているが、しかしながら、固定内部 管402が回転スリーブ324の内部に配置されている。固定内部管402によって、回 転スリーブ324Aの回転中に、固定光ファイバケーブル343を静止状態に保つこと ができる。つまり、第５図の実施例とは違って、第８図の光ファイバケーブルは 回転しない。光ファイバケーブルが回転しない結果、第５図の光カプラ342は不 要になる。その代わりに、固定内部管支持404が使用される。 第９図は、第８図の装置とともに使用することができる回転溶接ヘッド322Aを 示したものである。図面には、固定内部管402の内部に配置された固定光ファイ バケーブル343が図示してある。回転スリーブ324Aは固定内部管402の軸のまわり を回転する。回転スリーブ324Aはガス導管389を含んでいる。回転スリーブ 324Aは、溶加材通路の役割を果たす機械仕上げ溝（破線で図示されている）を含 んでいる。溶加材通路386Aは回転スリーブ324Aの全長にわたってのびている。本 実施例では、レーザエネルギー方向修正アッセンブリ392Aは回転スリーブ324Aと ともに回転し、レーザエネルギーを静止光ファイバケーブル343から受け取る。 レーザエネルギー方向修正アッセンブリ392Aのもう１つの実施の形態が図示し てあるのが、第10図に示されている。本実施の形態では、ウエッジを形成するた めに、光ファイバケーブル343Aの出力端が面取りされている。この構造は、第７ 図に図示してあるウエッジプリズムと同じ効果をもたらす。本実施の形態は、前 記ではウエッジプリズムまたは鏡を必要としたレーザエネルギー方向修正を行う 。レーザ光線は非直交角度で光ファイバ343Aから出て、収束レンズ406によって 溶接位置に向けられる。この設計の長所は、光学素子（つまり、視準レンズ、中 間集束レンズ、およびウエッジプリズム）の数が減少し、したがって、各インタ フェースにおけるエネルギー損失および光学ヘッドの総コストが減少する、とい う点にある。 第11図は、レーザエネルギー方向修正アッセンブリ392Bの別の実施の形態を図 示したものである。本実施の形態では、表面20に対する所定の非直交角度を得る ために、光ファイバケーブル343Bは曲げられている。光ファイバケーブル343Bか らのレーザエネルギー出力は、集束レンズ408によって、表面20上の溶接位置に 向けられる。方向修正アッセンブリの本実施例では、多数の光学素子が削減され ており、したがって、エネルギー損失が減少する。 第５図〜第11図の実施の形態は、カリフォルニア州リバモアの Hobart LaserP ro-ducts社製の波長が1064ナノメータのHobart 2400ワットレーザを使用して実 現されたものである。第５図の光カプラ342は、カリフォルニア州リバモアのHob art Laser Products社が市販しているものである。 本発明で使用する光ケーブルは、金属可撓性シースに入れられた石英ガラス繊 維製であること好ましい。レーザ光線の表面吸収を防止し、伝達を強化するため に、この石英ガラス繊維には反射性被覆が施してある。光ファイバは、スポット サイズが600〜800ミクロンのものでよい。回転スリーブ324は、ステンレス鋼ま たは可撓性金属管製とすることができる。 回転スリーブ324は、外径が0.5インチ（1.27cm）、内径が0.370インチ（0.940 cm）の環状スリーブである。溶加材通路のサイズは溶加材線材のサイズによって 決められる。溶加材通路396のサイズは線材の直径よりも1000分の数インチ大き いのが好ましい。一般的に使用される線材の直径は、0.020インチ（0.051cm）、 0.025インチ（0.064cm）、0.030インチ（0.076cm）、および0.035インチ（0.089 cm）である。 ガスカプラ336は静止状態に保持され、スリーブ324はカプラ336によって自由 に回転可能な状態になる。ガスカプラ336は、カプラ336の内部のガス圧を維持し ながら、スリーブ324を回転させるために、Ｏリングを含んでいる。ガスをガス 供給装置338からスリーブ324の内部に移送できるようにするために、スリーブ32 4は内部に孔を有している。次に、ガスはガス導管389を通じて溶接ヘッド322に 運搬される。専用ガス導管389を使用する代わりに、光ファイバケーブル340と線 材導管386とスリーブ324の間に隙間を具備することもできる。 回転装置駆動機構325はステッパモータであることが好ましい。駆動機構325は 、ギヤまたはベルトのような慣用技術によって、回転スリーブ324および溶加材 アッセンブリ325に結合されている。 軸方向駆動システム350は、軸351上に取り付けられたステッパモータを使用し て実現されたものである。軸351を手動配置することによって、水平または平面 運動を得ることができる。別の実施の形態では、選択された任意の管20のところ に回転装置320を配置することを可能にするモータ付き平面運動装置（図示され ていない）の中に軸351を配置することもできる。 溶加材運搬システム330は、既存の溶接機で使用されるタイプのものでよい。 例えば、本発明は、カリフォルニア州サンヴァレーのASTRO ARC社製のASTRO ARC 線材フィーダを使用して実現したものである。溶加材運搬システム330に動力を 与えるためには、ヴァージニア州ブラックスバーグのLitton Poly-Scientific社 製のAC4598型スリップリングが使用されている。 第７図のレーザエネルギー方向修正アッセンブリ392は、標準レンズを使用し て実現したものである。視準光線を形成するために、入力レンズアッセンブリ39 6はレーザ光線を視準する。入力レンズアッセンブリ396は、ウインドレンズ396A 、 -20mm f.l．レンズ396B、および＋10mm f.l．レンズ396Cを含んでいる。曲がり 視準光線を形成するために、ウエッジプリズム397は視準光線を（10度から60度 に、好ましくは20度から45度に、最も好ましくは約30度に）曲げる。曲がり視準 光線は、＋20mm f.l．レンズ398Aおよびウインドレンズ398Bを含んでいる出力レ ンズアッセンブリ398に運ばれる。出力レンズアッセンブリ398は、エネルギー密 度が非常に高い小直径の収束視準光線を形成する。光線は溶接地点に最大熱エネ ルギーを供給し、それによって、溶加材および母材の一部を制御された状態で溶 融させる。レーザエネルギー方向修正アッセンブリ392は、出力2400ワットで連 続使用してきたが、故障はなかった。鏡を使用する従来技術装置の場合には、一 般的には、レーザエネルギーに1000ワットという限界があった。 第９図の固定内部管402はステンレス鋼製であるのが好ましい。第９図の回転 管324Aはステンレス鋼製であるのが好ましい。固定内部管402と回転管324Aの間 には、市販のナイロンまたはテフロン製ベアリングを使用する。 本発明の実施の形態に関するこれまでの説明から、当該技術に熟練した人であ れば、本発明の実施に際しては、以下に請求の範囲に定義された本発明の範囲お よび精神から逸脱しないのであれば、設計変更および改良を構想することが可能 であることは明白である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ (72)発明者 フレデリック グレゴリー ジェイ アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 28075 ハーリスバーグ コールドウェル ロード 8300 (72)発明者 ピーターソン アーティー ジー アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 28097 ローカスト エッジウッド ドラ イヴ 116 (72)発明者 チャイルズ ワイリー ジェイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94002 ベルモント ベルモント ウッズ ウェイ 2922

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザと、 前記レーザからレーザエネルギーを受け取る光ファイバケーブルを収納してお り、溶加材通路を含んでいる回転スリーブと、 前記回転スリーブと同期回転し、溶加材を前記回転スリーブの前記溶加材通路 に運搬する溶加材運搬システムと、 前記回転スリーブの端に配置され、ヘッド開口を有する回転溶接ヘッドからな り、前記回転溶接ヘッドが、前記光ファイバケーブルから前記エネルギーを受け 取り、該エネルギーを前記ヘッド開口を通じて前記管の内部表面に向けるための レーザエネルギー方向修正装置と、を含んでおり、前記溶加材通路が前記溶加材 通路の内部の前記溶加材が前記エネルギーと交差し、それによって前記管の内部 表面と融解し、クラッド溶接部を形成する前記ヘッド開口のところで終わってい る、ことを特徴とする管の内部表面のクラッド溶接用レーザ溶接装置。 ２．前記光ファイバケーブルが前記回転スリーブに固定されており、それによっ て前記回転スリーブと同期回転する、請求の範囲１に記載の装置。 ３．前記光ファイバケーブルが光カプラを通じて前記レーザから前記レーザエネ ルギーを受け取る、請求の範囲２に記載の装置。