JPS62173092A - 蒸気発生器管内へのスリ−ブ溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 免」へｉｔ　　一 本発明は一般に、熱交換器の管のための溶接装置に関し
、特に、原子力蒸気発生器の放射性環境内で゛、レーザ
ビームを用いて、管内にスリーブを溶接するための溶接
装置に関するものである。

管壁熱交換器においては、熱交換器の管を介して第１の
流体が流れ、管の外部の回りを第２の流体が流れて　こ
れ等の２つの流体間で熱交換が行なわれるようにな−）
でいる。時として、管の１つに欠陥が生じ、漏洩が発生
して上記２つの流体が混合してしまうような事Ｙルが起
り得る。このような事態が生じた場合、場合により、管
を栓塞して流体が管を流れないようにするが或は管を修
理して管からの漏洩を阻止することが必要となる。

原子力発電プラントにおいては、管壁熱交換器は一般に
蒸気発生器と称されている。原子力蒸気発生器の管に、
管内の冷却材が管外部の冷却材と混合することを許容す
るような欠陥が生じた場合には、由々しい問題が起こる
。このような事態は、熱交換器の実効性を損うばかりで
はなく、放射能汚染という問題を発生ずる。原子力蒸気
発生器の管内を流れている流体は一般に放射性であるの
で、管から漏れて、管の回りを流れる流体を汚染しない
ようにすることが重要である。従って、原子力蒸気発生
器の熱交換管に漏洩が止した場合には、該熱交換管を栓
塞するが或は修理して冷却材が管から漏れないようにし
なければならない。これにより、管の回りを流れる流体
の汚染は阻止される。

従来、熱交換管を修理するのに幾つかの方法が知られて
いる。しかし、これ等の方法の多くは、管に対する接近
が容易でない熱交換管の修理には適用できない。例えば
、原子力蒸気発生器においては、欠陥のある熱交換管に
対する物理的接近が不可能であること及び熱交換管を取
り巻く環境が放射性であることから、通常、他の熱交換
器には存在しないような特殊な問題が熱交換管の修理に
際して生ずる。このような理由から、原子力蒸気発生器
における熱交換管の修理の目的で特別な方法が開発され
ている。原子力蒸気発生器における熱交換管を修理する
のに用いられる方法の典型的な例として、欠陥管の内径
よりも若干小さい外径を有する金属製のスリーブを欠陥
管内に挿入して欠陥管に固着し、管の欠陥領域を橋絡す
る方法がある。この種の修理方法は、一般にスリーピン
グ（ｓｌｅｅｖｉｎｇ）もしくはスリーブ付けと称され
ている。

従来のスリーピング作業は、ろう付け、アーク溶接、爆
発溶接又は他の結合手段によりスリーブと管との間に比
教的に耐漏性のある継目を実現することに関心を持って
いた。しかし、これ等の冶金学的結合技術は、清浄性、
密着嵌合、加熱及び雰囲気制御等の必要性に起因し、人
間の接近が制限されている原子力蒸気発生器のような領
域においては容易に解決できない問題を呈している。

本出願人のフランス特許願第８６７１４６８０号明細書
に開示されているようなろう付はスリーピング方法にお
いては、スリーブと管との間にろう付は結合を形成する
ために、ろう利金属を融点まで加熱する必要がある。ろ
う材を加熱する１つの方法として、本出願人のフランス
特許第２，５８０，１３４号明細書に開示されているよ
うな加熱装置を、管の内部のスリーブ内に挿入すること
により実施する方法がある。この方法では、ろう材を含
む四部が設けられた特別に造られているスリーブを用い
、ろう材を含むスリーブの部分を注意深く拡開して管壁
と接触させ、加熱装置をスリーブ内でろう材の個所に正
確に位置付けることが要求されるが、これ等の全ての作
業は、作業領域への近付き難さのため妨害を受ける。

熱交換器において管にスリーブを内部から溶接する溶接
方法は、特別に設計された溶接設備を必要とする。この
ような装置の１つとして、本出願人の米国特許第４，５
１０，３７２号明細書に記述されている装置がある。こ
の装置を用いる場合には、スリーブ及び管かアークで穿
孔されるのを回避するように注意を払わなければならな
い。

レーザ溶接は、高速性を有し然も熱影響を受ける領域が
小さいという理由から、金属を結合するためのアーク溶
接及びろう付けに代わる魅惑的な方法である。しかし、
従来、空間的制約から原子力蒸気発生器管の管・スリー
ブ溶接にレーザ溶接を使用することはできなかった。と
言うのは、溶接に十分な出力を発生することができるレ
ーザは高張るためである。本発明は、このような溶接の
ための方法及び装置を提案するものである。

１呼へ」」 本発明は、広い態様において、レーザビームを用いてス
リーブと管との間の境界部を溶融することによりスリー
ブを管内に溶接するために放射性環境内て使用する遠隔
制御式レーザ溶接ヘッド装置であって、上記スリーブ内
に軸方向に挿入され“るように適応されて一端部に開口
を有し、一側にある排出口手段と、上記開口から軸方向
に延び上記排出口と連通している中空部分とを有する円
筒状のハウジング手段を備え、更に、上記開口と排出口
手段との間で、上記中空部分を介して伝達されるレーザ
ビームを集束するために上記ハウジング手段の中空部分
内に取り付けられた集束手段と、上記排出口手段の近傍
で上記ハウジング手段の中空部分内に設けられて、集束
されたレーザビームを、上記排出口手段を介し反射して
スリーブと接触させ該スリーブを管に融きするための溶
接ミラー手段と、上記溶接ヘッド装置の上記円筒状ハウ
ジング手段を回転させて、上記レーザビームで上記スリ
ーブの内壁の回りに融接路を円形に描き、上記スリーブ
と管との間の境界部を溶融することにより上記スリーブ
を管に結合するための溶接ヘッド回転手段とを備えてい
る遠隔制御式レーザ溶接ヘッド装置にある。

追って説明するように、好適な実施例は、スリーブ内に
挿入されるように適応されて一端に開口する円筒状のハ
ウジング手段と、その一側に設けられた排出口手段と、
該排出口手段に連通関係で上記開口から軸方向に延びる
中空部分と、上記開口及び排出口手段の間でハウジング
手段の中空部分内に取り付けられて該中空部分を通るよ
うに指向されたレーザビームを集束するための集束手段
と、排出口手段の近傍でハウジング手段の中空部分内に
取り付けられて、集束されたレーザビームを、上記排出
口手段を介しスリーブと接触するように反射して、スリ
ーブを管に融着するための溶接ミラー手段とを備える。

また、レーザ溶接ヘッドは、スリーブの内面から予め定
められた距離だけ溶接ミラー手段を離間して維持するた
めの焦点距離維持手段と、上記円筒状のハウジング手段
を、スリーブの内面に円形の融接路を描くように回転さ
せてスリーブと管との境界部を溶解することによりスリ
ーブを管に結きするための溶接ヘッド回転手段とを備え
る。

レーザ溶接ヘッドは、更に、ハウジング手段を介してシ
ールドガスを流し、排出口手段を介して該シールドガス
を排出してスリーブと接触させ、溶接領域を遮蔽するた
めのシールドガス流路手段を備える。排出口手段は、レ
ーザビームにより溶解された金属が排出口手段を介して
溶接ミラー手段に飛散するのを阻止するための窪んだ排
出開口を有しており、排出口手段は、シールドガスを溶
接領域に亘り分布するように窪んだ開口手段から実質的
に外向きに円錐状に開いている。シールドガス流路手段
は、ハウジング手段を介して流れるシールドガスを集束
手段と接触させて該集束手段を冷却するように、集束手
段の周辺を取り巻くガス流通過手段を備える６ レーザ溶接ヘッドは、更に、伝搬されて来たレーザビー
ムを受けて、実質的に管の中心を通ずべくビーｌ＼を再
指向するように調節可箭に取り付けられたビーム指向手
段を有するベース部を備える。

焦点距離維持手段は、排出口手段と軸方向に整列してハ
ウジング手段の周辺の周りに取り付けられたボールプラ
ンジャ手段と、該ボールプランジャ手段をスリーブ内壁
と接触関係に維持するためのばね負荷されたピン・トグ
ルアーム手段とを備え、該ボールプランジャ手段は、ハ
ウジング手段の半径に対して固定的に取り付けられて、
排出口手段の外縁をスリーブの内壁から所定距離だけ離
間して位置付け、それにより溶接ミラー手段をスリーブ
内壁から所定距離だけ離間して維持する。溶接ヘッド回
転手段は、駆動軸を有するモータ手段を備えており、該
駆動軸はそれと共に回転するように固着された駆動歯車
を有し、該駆動歯車は、円筒状ハウジング手段に固着さ
れた被駆動歯車と噛み合い、モータ手段が駆動軸を回転
する際にハウジングを回転する。

また、レーザ溶接ヘッド装置は、ハウジング手段を溶接
領域に対し軸方向に位置付けるための軸方向位置付は手
段をも備える。

また、本発明は、原子力蒸気発生器の管と所定の溶接場
所で密接するように最初に拡開されたスリーブを、該管
内て溶接するための方法であって、高出力レーザを蒸気
発生器のマンホールに隣接して位置付（プ、レーザビー
ム送光手段を該マンポールを介し蒸気発生器内に挿入し
、遠隔レーザビーム受光手段及び被溶接管の下方に溶接
ミラー手段を有する溶接ヘッドを備えた溶接ヘッド装置
を位置付けて、該溶接ヘッドを所定の溶接場所へと軸方
向に挿入し、レーザビーム受光手段による最適な送光及
びレーザビーム受光手段による最適な受光が実現される
ように遠隔レーザビーム受光手段をレーザビーム送光手
段と整列し、高出力レーザを作動して高出力レーザビー
ムをビーム送光手段を介してビーム受光手段に向は且つ
管内で溶接ヘッドへと上方に指向させ、レーザビームを
溶接ミラー手段でスリーブと接触するように反射し、所
定速度で溶接ヘッドを回転させてスリーブの周辺に沿い
スリーブと管との間の境界部を溶融する諸ステップを含
む方法をも提案する。この方法は更に、溶接場所をシー
ルドガスで遮蔽するステップを含む。

また、本発明は、蒸気発生器の管と密接するように各端
部で拡開されたスリーブを蒸気発生器の管内で溶接する
ための方法であって、高出力レーザからの高出力レーザ
ビームを、溶接ヘッドを有しスリーブの一端部近傍で管
内に配置された溶接ヘッド装置に伝送し、スリーブの内
周面に完結した融接路をレーザビームで円形に描くよう
に溶接ヘッドを回転することによりスリーブを管に融着
し、溶接ヘッド装置へのレーザビームの伝送を遮断し、
溶接ヘッドをスリーブの他端部近傍へと軸方向に割り出
し、溶接ヘッド装置に高出力レーザビームを伝送し、ス
リーブの内周面にレーザビームで第２の完結した融接路
を円形に描くように溶接ヘッドを回転することによりス
リーブを管に融着し、溶接ヘット装置へのレーザビーム
の伝送を遮断する諸ステップを含む方法を提案する。

レーザ溶接ヘッド装置の１つの好適な実施例においては
、ハウジング手段がスリーブ内で回転される際に該ハウ
ジング手段を連続的に並進するための軸方向並進手段が
設けられ、この並進手段は、ハウジング手段の各回転に
おいて融接路の幅よりも小さい距離だけハウジング手段
を移動するように作用し、それにより並進手段はスリー
ブと管との間に重なり合うスパイラル融接路を形成する
。

レーザ溶接ヘッド装置の別の実施例においては、スリー
ブ内でハウジング手段を所定距離だけ軸方向に並進する
軸方向並進手段が設けられて、それにより、溶接ヘッド
装置は、第１の融接路に隣接する第２の離散融接路に沿
い溶接を行う。

本発明は、添付図面を参照しての例示的具体例に関する
以下の説明から一層明瞭に理解されるであろう。

好ｊＩｒス」Ｅ伝！Ｉ勤朋− 第１図は、レーザ溶接装置１０の好適な実施例を略示す
る図である。以下の幾つかの文節で装置の全体的構成に
ついて概略的に説明し、それに続いて各構成要素の詳細
な説明を行うことにする。

第１図を参照するに、典型例として示しである原子力蒸
気発生器は、数千木の管１４からなる管束を備えている
が、図示を明瞭にするためにそのうち４木の管の端部だ
けを示すに留めた。スリーブ・管レーザ溶接装置１０は
、欠陥部を修理するためにスリーブを溶接すべく蒸気発
生器の管板３１の回りの種／Ｚの個所に存在する管１４
に接近することができなければならない。少なくとも５
００Ｗ、そして好ましくは８００ＷのＣ０２レーザとす
ることがてきる高出力レーザ１８は相当に高張るもので
あって、氷室２０内に挿入することはできない。従って
、レーザ１８は、氷室の外部に配置し、高出力レーザビ
ーム２２をマンホール２３を介して氷室２０内に送り、
レーザビーム伝送系を用いて高出力レーザビーム２２を
レーザ１８から遠隔の溶接ヘッド２６に向けることがで
きる。レーザビームを遠隔の溶接ヘッド２６に向けるの
に適当な伝送系としては多くの形態のものが存在するが
、第１図に示したシステム形態が有利である。と言うの
は、これによれば、溶接ヘッドが接近可能である管の範
囲が制約されないからである。

第１図に示しであるレーザビーム伝送系は、レーザビー
ム送光器３４のようなレーザビーム送光手段からの高出
力レーザビーム２２を、該送出手段に対して物理的に接
続されていないレーザビーム受光器３６のような遠隔の
レーザビーム受光手段に向ける。レーザビームを最適な
ビーノ＼路に沿って指向し所要の入射角でビームを受け
るようにビーム伝送系の構成要素を整合もしくはアライ
ンメントするためにレーザビーム整合装置が用いられる
。

このレーザビーム整合装置は、然もなければ生ずるてあ
ろうところの損傷を阻止するために、ビーム伝送装置又
は蒸気発生器の如何なる構成要素も高出力ビームで不適
当に照射されないようにするためのものである。初期の
粗整合もしくは粗アラインメントの目的で、好適なレー
ザビーム整合装置は、低出力のＨｅ　Ｎ　ｅレーザ３８
或は別の可視光源、低出力ビーム検出器４０．４２及び
４４、並びに幾つかのビデオカメラ４５．４６及び４９
又は他の視覚観察装置を用いる。高出力レーザ１８の前
部には、高出力レーザビームと長期間直接接触すること
に耐え得る高出力ビーム検出器を用いて該レーザ１８を
整合するために、ビーム減衰器（ビーノ＼反射器と呼ぶ
こともある）５２のような部分ビーム反射器・ビーム強
度減衰器手段が配置される。

レーザ１８を作動すると、高出力レーザビーム２２がレ
ーザビーム送光器３４に向けられ、該送光器３４はレー
ザビームを遠隔レーザビーム受光器３６に送出する。ビ
ームの直径は、レンズ５４及び５６により減少され、そ
してレーザビームはベース部２９内で、１管１４内の溶
接ヘッド２６へと上向きに再指向される。

ビームは、好ましくはレンズ５８のような集束手段によ
り集束されて出口６２を介しミラー６０のような反射手
段により溶接ヘッドから送り出される。ビーム２２はス
リーブ１２の材料を溶融し、管１４とスリーブ１２との
間の境界部６４を溶融する。モータ６６により溶接ヘッ
ド２６を回転することによって、スリーブ１２と管１４
との間に漏れの無い密封部を形成する溶接が実現される
。レーザ溶接装置の各主構成要素については追って詳細
に説明する。

レーザビーム整ム　び−゛二 第１図に示しであるレーザビーム整合及び伝送系は、遠
隔レーザビーム受光器３６に高出力レーザビーｌ＼２２
を送り且つ該受光器３６により受光されるように高出力
レーザ１８からの高出力レーザビーム２２を整合し、そ
して該遠隔レーザビーム受光器３６からビームはスリー
ブ１２を内部に溶接される管１４内に配置されている遠
隔レーザ溶接ヘッド２６に送られる。用いられているレ
ーザ１８は、好ましくは４００〜８００Ｗの範囲内の高
出力レーザて゛あるので、高出力ビーム２２の整合もし
くはアラインメントが不適切であれば、該ビームが、整
合及び伝送系又は蒸気発生器の構成要素と接触し、該構
成要素を損傷する可能性がある。従って、最初に、ＩＩ
　ｅ　Ｎ　ｅレーザのような低出力レーザからの可視光
ビームを用い、次いで、ビーム強度減衰器を通３ａ′−
た高出力ビームを用いる多段整合もしくはアラインメン
ト方式が有利である。

第２図には、高出力レーザ１８の整合もしくはアライン
メントにおいて用いられる高出力レーザビーム路２２に
沿って低出力レーザ３８からの可視光ビームを向けるの
に用いられる好適な装置が示しである。この実施例にお
いては、低出力レーザビームロ８は最初に、薄膜７０の
ような薄膜手段と接触し、該薄膜手段は、ビーｌ＼の一
部分、好ましくは約５０％の部分を第２のビーム路７２
に沿って反射する。

その場き、残りのビーム部分は偏向ミラー７４及び７６
により部分ビーム反射器／ビーム強度減衰器５２と接触
するように反射される。ビデオカメラ４５のような観察
手段が、薄膜７０を介して低出力ビームロ８を観察する
目的て配置されている。この薄膜７０は、低出力レーザ
３８からの光に対して半透明であり、ビーｌ＼６８を適
切なビーム路７２に沿って反射するようにビデオカメラ
４５を観察することにより調節され、反射されたビーム
は、ビーム反射器５２により高出力ビーム路２２に沿う
ように再指向される。

薄膜７０とビデオカメラ４５との間には小さい不透明な
１円板７８が配置されており、薄膜手段７０により低出
力レーザ放射がビデオカメラ４５に向かって散乱される
のを阻止する。

第３図及び第４図には、部分ビーム反射器／ビーム強度
減衰器５２の２つの可能な実施例が示しである。各実施
例において、ビーム減衰器の両側は反射性である。ビー
ム強度減衰器５２は、高出力ビーム２２の光路に沿い低
出力レーザ３８からのビーノ、を反射することに加えて
、高出力ビームの大きさを、整合もしくはアラインメン
１〜にとって安全なレベルに減少するのに用いられる。

高出力ビームのヒーム強度を減少するために、ビーム強
度減衰器５２か高出力ヒームの光路に配置されており、
モータ（図示せず）により回転される。高出力レーザビ
ーム２２は、好ましくは、第３図のビーム強度減衰器５
２のスロット８０に類似したスロット手段及び第４図の
ビーム強度減衰器５２の好ましくは単一のアパーチャ８
２のようなアパーチャ手段を通る。但し、上記スロット
手段及びアパーチャ手段がビーム路と整列していること
か前提である。スロット８０及びアパーチャ８２が回転
されてビーム路から外れている場合には、ビーノ＼は、
ビーム強度減衰器５２の反射表面に当り、慣用のビーム
ダンプ部８４に向けられて無害にされる。

ビーム強度減衰器５２を通過するレーザビーム出力の大
きさは、スロワＩ〜８０及びアパーチャ８２の寸法及び
配置に依存する。好適な正味透過範囲は５〜１０％の間
である。第３図のビーム強度減衰器５２には、４５度ず
つ離間して配置されてそれぞれ３度の角度に亘って延び
る８個のスロット８０を設けるのが好ましい。従って、
ビームは、３［３０度の回転中２６度に対応する期間、
強度減衰器５２を通過し、正味の透過率は６７％となる
。８００Ｗのレーザの場合には、伝送される減衰された
大きさは約５４Ｗである。

第４図は好適なビーム強度減衰器５２を示す。この例に
おいては、第３図のスロット８０の代わりに、ビーム全
体を通過させるのに充分な大きさの単一のアパーチャ８
２が設けられている。この強度減衰器５２の平均透過率
は約７％である。第４図に示した強度減衰器の方が有利
である。と言うのは、第３図に示した強度減衰器の場合
には溶接中、該減衰器をビーム路から取り外す必要があ
るが、第４図の減衰器の場合にはその必要がないからで
ある。

アパーチャ８２は、光路と単に整列されるだけで、ビー
ムは妨害されることなく該アパーチャを通過することが
できる。

多重アパーチャ、種々の大きさ及び配置のアパーチャ、
並びにスロットを含め他のビーム強度減衰器の構成が可
能である。また、２つ以上の減衰器を直列に設けて使用
することもできよう。

固定のハウジング８８内に設けられているミラー８６の
ような反射手段は、ビーム路２２がらの高出力又は低出
力ビームを光路９０に沿いビーム送光器３４に向ける。

ビーム送光器３４及び遠隔ビーム受光器３６の好適な実
施例は、第１図及び第５図に示されており、また、第６
図にも略示しである。ビーム路９０に沿い指向されたビ
ームは、回転可能なハウジング９４内に取り付けられて
いる好ましくは反射器９２のような第１の調節可能な反
射手段により偏向される。この第１の反射器９２は、ビ
ームを、回転可能なハウジング９８内に取り叶けられて
いる好ましくは反射器９６のような第２の調節可能な反
射手段に向ける。第１のモータ１００は、歯車アセンブ
リ１０２を介して、反射器９２を備えているハウジング
９４を静止ハウジング８８に対して回転し、そして第１
図に一部分なけが示されている第２のモータ１０４は、
歯車アセンブリ１０６を介し、反射器９６を格納してい
るハウジング９８をハウジング９４に対して回転する。

反射器９２及び反射器９６が調節可能であることにより
、ビーム送光器３４は、レーザビームを、スリーピング
修理が要求される管板３１の周りの任意の位置に指向す
ることができる。なお、第１図には、管板３１はその一
部分だけが示しである。

遠隔ビーム受光器３６は、溶接ヘッドにビームを伝送す
るためにビームを受けることができるように調節可能て
なければならない。ビーム受光器３６が適切に整列され
ている場合には、受光器３４からのビームは、回転可能
なハウジング１１０内に取り付けられている好ましくは
反射器１０８のような調節可能な反射手段に当たり、回
転可能なハウジング１１４内に収り付けられている好ま
しくは反射器１１２のような第２の調節可能な反射手段
へ反射され、該第２の調節可能な反射手段は、ビームを
、非回転ヘース部２９内に反射し、このベース部２９に
おいてヒーム径はレンズ５４及び５６により減少されて
、レーザ溶接ヘッド２６へと再指向される。モータ１１
６て、歯車アセンブリ１１８を介しハウジング１１０を
ハウジング１１４に対して回転することにより反射器１
０８は調節される。また、第１図に一部分なけが示され
ているモータ１２０で、歯車アセンブリ１２２を介して
ハウジング１１４をベース部２９に対して回転すること
により反射器１１２が調節される。

ビームが、反射器１１２へと反射され、ベース部２９及
び２８を経て溶接ヘッド２６へと反射されるためには、
ビームは、反射器１０８の中心に適切な角度で直接当た
らなければならない。初期整合は、ハウジング４７に取
り付けられている好ましくはビデオカメラ４６のような
観察手段を用いて行なわれる。

なお、該ハウジング４７は、ビーム送光器３４のハウジ
ング９８に取り付けられているものてあって、反射器４
８を介してビーム受光器３６の位置及び配向を観察する
ことができるように該ハウジング９８と共に運動可能で
ある。次に、先に述べたように、高−２３＝ 出力レーザビームが辿るビーム路と整列して低出力レー
ザ３８又は他の可視光源が付勢され、光ビームがビーム
送光器３４により送出される。ビーム路１２４に沿って
ハウジング９８を出る際に、ビームは、ハウジング９８
に運動可能に取り付けられている薄膜１２６のような薄
膜手段に衝突する。なお、このハウジング９８は、流体
圧シリンダ１３１によりスライド１３０上でビーム路か
ら出るように摺動可能にハウジング１２８内に取り付け
るのが好ましい。薄膜１２６は、ビーム路１３２に沿う
ビーム部分を検出器４０のような二軸ビーム検出手段に
向ける。該検出器４０はＸ−Ｙ座標で衝突点を識別する
信号を送出する。ビームがビーム検出器４０の中心に衝
突したことを表わす信号は、ビームが、ビーム送光器３
４から反射器９６により適切に指向されていることを意
味する。ビームの残りの部分はビーム路１２４を辿る。

ビーム路１３２に指向されるビームの割合は、異なった
反射率を有する薄膜１２６と交換することにより調節す
ることができる。ビーム路１３２に沿いビームの約３分
の１の部分を反射するのが好ましい。

ビーｌ−受光器３６には、好ましくは、流体圧シリング
１３７によりスライド部材１３６上で運動可能にハウジ
ング１３４が取り付けられており、このハウジング１３
４は、検出器４２のような第２の二軸検出手段及び部分
反射ミラー１３８のような部分反射ミラー手段を収容し
ている。ビーム路１２４に沿って進行するビームの部分
は、部分的に反射性のミラー１３８を通過して、検出器
４２に入射する。この検出器４２は、Ｘ−Ｙ座標で入射
点を識別する信号を送出する。中心入射を表わす信号は
、整合が適切であることを意味し、そして離心入射を表
わす信号は、正しい整合を行うためにビーム送光器３４
及び受光器３６を調節するのに用いられる。しかし、検
出器４２は、ビーム受光器３６に対するビームの入射角
を表示するのに用いることはてきない。この目的で、部
分反射ミラー１３８に入射するビームの一部分が反射さ
れる。ビーム送光器３４及びビーム受光器３６が適切に
整合されている場合には、この反射された部分は実質的
にビーム路１′１４に沿って逆方向に進行する。ハウジ
ング１１０に取り付けられているハウジング５０に装着
されたビデオカメラ４９とするのが好ましい観察手段は
、反射器５１を介してビーム送光器３４に対する反射さ
れたビーム部分の配向を観察するのに用いられる。最適
に整合がなされている場合には、反射された部分はビー
ム路１２４に沿って進行し、薄膜１２６に当たり、ビー
ム路１４０に沿い反射されて、検出器４４のようなビー
ム検出手段の中心に入射する。Ｘ−Ｙ座標で中心部以外
における入射点を表わす検出器４４からの信号は、ビー
ム送光器３４及びビーム受光器３６を調節するのに用い
られる。レンズ１４２．１４４及び１４６は、ビームが
検出器に入射する前に最大精度でビームを集束するのに
用いることができよう。

また、レンズ１４２．１．４４及び１４６の代わりにフ
ィルタを用いることもてきるし、また、レンズ１４２．
１４４及び１４６と組み合わせてフィルタを使用し、不
所望な波長、例えばバックグラウンドの照明からの波長
を検出器４０．４２又は４４に入射する前に除去するこ
とができよう。反射器９２．９６．１０８及び１１２の
調節が、検出器４０．４２及び４４がらの信号に応答し
て動作するモータ１００．１０４．１１６及び］、　２
０　ニより達成されたならば、整合（アラインメント）
過程の第１の局面は完了したことになる。

第２の整合の局面においては、高出力レーザ１８が用い
られ、低出力検出器４０．４２及び４４は、好ましくは
それぞれ流体圧シリンダ１３１及び１３７を作動するこ
とによりハウジング１２８及び１３４をスライド部材１
３０及び１３６上でビーム路１２４から出るように摺動
することによりビーｌ入路から取り外すことが要求され
る。低出力レーザ３８からの可視光ビームはオフに切り
換えられ、そして高出力レーザ１８及び部分ビーム反射
器／強度減衰器５２が作動される。強度減衰器５２によ
り全強度の５〜１０％に減衰された高出力ビームは、ミ
ラー８６によりビーム送光器３４に向けられ、反射器９
２及び９６によりビーム送光器３４から取り出される。

第６図に見ることができ、第７因に詳細に示されている
好ましくは環状ビーム検出器１４８のような第１の高出
力ビーム検出手段がハウジング９８がらのビーム出口点
に配置されていて、ビームが適切な角度で反射器９６に
より送光器３４から出ているか否かを検出する。

ワンダリング（＋＋＋ａｎｄｅｒ　ｒｉｎｇ）とも称さ
れるこの環状検出器１４８は、幾つかの熱検出器１５０
、好ましくは４個の熱検出器１５０から構成されており
、ビームと検出器との間に最小の隙間を伴うようにして
、検出器１５０のいずれとも接触することなくビームが
該環状検出器１４８の中心を通過することができるよう
な寸法で実現されている。送光器３４から適切な方向に
送光されたビームは、検出器１３０のいずれとも接触す
ることはない。ワンダリングもしくは環状検出器は、別
法として、適切に指向されたビームが全ての検出器１５
０と僅かに接触するような寸法で構成することも可能で
ある。また、環状検出器１４８の代わりに板状検出器を
用いることもできよう。その場合、板状検出器は、初期
の整合もしくはアラインメントの目的ではビーム路１２
４内に摺動し、そして整合過程の残りの期間は該ビーム
路１２４から取り出しておく必要があろう。

板状検出器１５２のような第２の高出力ビーム検＝２８
− 山手段が、ビーム受光器３６に隣接しビーム路１２４に
配置されており、Ｘ−Ｙ座標でビームの入射点を表わす
信号を発生する。中心入射点信号は、適切な整合もしく
はアラインメントを表わす。しかし、角度整合をも検査
しなければならない。この目的で、ハウジング１３４は
、ビームの一部分を部分反射ミラー１３８を通るように
反射するために、ビーム路１２４内に摺動し戻される。

最適な整合が達成されたならば、上記の反射されたビー
ム部分は、環状検出器１４８を逆方向に通過し、その場
合、検出器１５０はいずれの方向においてもビームと接
触することはなく、板状検出器１５２は中心入射を表わ
す信号を発生する。板状検出器１５２は、検出器４２に
対する損傷を回避するために、部分反射ミラー１３８と
検出器４２との間に配置しなければならない。ハウジン
グ１３４及び板状検出器１５２をそこでビーム′路１２
４から摺動し出す。レーザ装置はレーザ溶接のために適
切に整合された状態となる。

溶接中、ビームが連続して送光器３４から適切に送り出
されていることを確保するなめに環状検出器１４８を使
用することができる。

溶接には全ビーｌ＼出力が必要とされるので、ビーム強
度減衰器５２は減勢しなければならない。即ち、第３図
に示した強度減衰器５２は、物理的にビーム路から取り
出さなければならない。しかし、第４図に示した好適な
強度減衰器５２の場合、それを単に回転してアパーチャ
８２をビーム路と整列してその位置にロックするだけで
良く、それによりビームは全強度で該アパーチャを通過
することがてきる。

ｋ　（耐花皿−ＮＬＬ支り 第１図、第８図、第９図及び第１０図は、好適なレーザ
溶接ヘッド装置２４を示す。管板３１の下方にはロボッ
Ｉ−アーム（腕）３０により板２５が配置されている。

該ロボットアーム３０は、リング３７で板２５に取り付
けられている。第８図及び第９図に見ることができる３
つの線形ポテンショメータ１９は、管板３１に接触する
ことにより押し下げられた時に信号を発生し、管板３１
の下方における板２５のレベルの位置決めを可能にする
。溶接ヘッド２６は、修理すべき管１４の底部と整合さ
れ、そしてカムロック２７がシリンダ２１により近傍の
管内に伸長せしめられる。該シリンダ２１は、液圧シリ
ンダ或は空気圧シリンダとすることができ、装置を支持
するように固定される。板２５には静止ベース部２９が
取り付けられ、そして親ねじ３３をモータ３５で回転す
ることにより、板２５に収り付りられているスライド部
材３２上を摺動ベース部２８が昇降し、摺動ベース部２
８に装着されているレーザ溶接ヘッド２６を、溶接場所
に向かい管１４内へと軸方向に挿入する。レーザビーム
は、反射器１１２によりベース部２９内に指向される。

レーザビームは、ベース部２９内の反射器１１３のよう
な反射手段に当たり、そして該反射器１１３はビームを
して、レンズ５４及び５６を通過せしめ、それによりビ
ーム直径が減少される。ビームの直径は、レンズ５４及
び５６を通過する前には、０．６２５〜Ｏ’、７５上口
（１５，８８〜１９．０５Ｎ肩）であり、通過後は０．
２５０〜０．３１２５ｉｎ（６，３５〜７．９４Ｎ肩）
とするのが好ましい。このように直径を減少しない場合
には、ビームがレーザ溶接ヘッド２６により受容されな
い可能性がある。

第１１図、第８図、第９図及び第１０図に示したビーム
受光器３６は、管板３１の殆んどの管内にスリーブを溶
接するのに使用することができる。幾つかの管には、こ
の装置により接近することができない。と言うのは、溶
接ヘッド２６がスリーブを溶接すべき予め選択された管
の入口と整合し得る前に、シリンダ１３７が水室１６と
接触してしまうからである。これ等の管内で溶接を行う
ためには、第２のビーム受光器（図示せず）を用いるの
が好ましい。

この第２のビーム受光器には、ビーム受光器３６と同じ
構成要素が全て設けられる。しかし、静止ベース部２９
は、図示のように、摺動ベース部２８の右側ではなく左
側に配設するのが有利であろう。ハウジング１１０及び
１１４、カメラ４９並びにシリンダ１３７も第１図で見
て摺動ベース部２８の左方に延び、溶接ヘッド２６を管
板３１の全ての近傍の管の入口と整合することを可能に
する。

ビームはベース部２９を出て、好ましくはセレン化亜鉛
から形成されている窓１５４を介し摺動ベース部２８内
に入る。該窓１５４は、シールドガスを摺動ベース部２
８内に閉じ込める働きをする。摺動ベース部２８内で、
ビームは、反射器１５６により、好ましくは反射器１５
８のようなビーム指向手段へと反射され、該ビーム指向
手段もしくは反射器１５８は、第１１図に詳細に示され
ているようにベース部２８に回転可能に接続されてレー
ザ溶接ヘッド２６に達している中空の円筒状部材１６０
を通るようにビームを指向する。ビームは、溶接ヘッド
２６の円筒状ハウジング１６３内の中央の中空部分もし
くは空所１６２を通過し、レンズ５８のような集束手段
により集束されて、ミラー６０のような溶接ミラー手段
によりヘッド２６から出口６２を介して出るように指向
される。中実の円筒状ハウジングを有する溶接ヘッドが
好ましいが、ミラー及びレンズを支持するためのケージ
その他の手段を代わりに使用することかで・きよう。

レーザビームは、被溶接領域に集束しなければならない
。好ましくはセレン化亜鉛から形成されている集束レン
ズ５８を通った後に、ビームは、好ましくは、銀被覆側
又は研磨されたモリブデンから形成されている溶接ミラ
ー６０により溶接場所へと反射される。溶接ヘッド２６
及び該ヘッド内に取り付けられている溶接ミラー６０を
、管内のスリーブの内壁から所定距離に維持し、ビーム
が溶接のためにスリーブの内壁に集束された状態を保持
するためには、焦点距離維持手段が要求される。第１Ｚ
図に描かれたヘッド２６の断面図に最も明瞭に示されて
いる好適な焦点距離維持手段は、好ましくは鋼製のばね
荷重された球からなるボールプランジャ１６４と、該ボ
ールプランジャ１６４をスリーブの内壁と接触した状態
に維持する手段、例えばばね１６６によりスリーブの内
壁に当接されたトグルアーム１６５とを備えている。該
トグルアーム１６５は、スリーブの溶接中に受ける高温
に耐えることができる鋼又はセラミック材料から造るの
が好ましい。溶接ヘッド２６の回転中、ボールプランジ
ャ１６４をスリーブの内壁に連続的に圧接して、それに
より、円筒状ハウジング１６３及び溶接ミラー６０をス
リーブ内壁から所定距離だけ離間して維持すべく、ばね
１６６は、１／４〜ｉ／２ｊ！ｂ（０，１，１４〜０．
２２７Ａｇ）の力を与えるようにするのが好ましい。ト
グルアーム１６５はその上部１６５ａと円筒状ハウジン
グ１６３の部分１６３ａとの接触によりその移動範囲が
制限される。ボールプランジャには、管の由々しい狭搾
部に遭遇した場合を除き、運動しないように２〜５ｆｆ
ｉｂ（０，９１〜２．１２ｋｇ）の力を付与するのが有
利である。

第１３図及び第１４図に示しである焦点距離維持手段の
別の実施例においては、ローラ１６８をスリーブ内壁と
接触するように付勢する少なくとも２つのばね荷重され
た圧縮ピン１６７が用いられる。ローラ１６８は、スリ
ーブ内でヘッドが回転することを可能にし、他方、ピン
１６７内のばね１６９は、ローラ１６８をスリーブ内壁
との係合間係に維持し、それにより、溶接ミラー６０を
レンズ５８によるスリーブ内壁へのビー１８集束に必要
な所定距離だけスリーブ内壁から隙間して維持する。

酸素、水素及び他の有害な汚染物による溶接汚染を阻止
するために、溶接に対しシールドガスとして作用するよ
うに、ヘリウム、アルゴン又はそれ等の２つの混合物の
ような不活性ガスが溶接ヘッド２６に供給される。この
ガスは、管路（図示せず）を介して第９図に示す入口１
７０に供給され、ガスを円筒状部材１６０内で空所１６
２内へと上向きに向けるシールドガス流路に沿い流れレ
ンズ５８に衝突し、レンズ５８の周辺部を経て、ガス流
路１７１を介しミラー６０と接触し、そして出口（排出
口手段）６２に設けられている開口１７２から流出する
。

また、シールドガスは、ヘッドＺ６から流出する前に、
レンズ５８及びミラー６０に対して均等に分布された冷
却作用を与える。

出口６２は円錐形又は釣り鐘状に窪んだ開口１７２から
外向きに開いている。窪んだ開口１７Ｚから拡開された
出口６２の形態により、溶接個所に対するシールドガス
の分布が助勢され、レーザ溶接で発生する煙やガスがレ
ーザビーム路を閉塞するのを阻止する。ボールプランジ
ャ１６４は、ヘッド２６を、スリーブ内壁から所定の調
節可能な僅かな距離だけ離間し、それにより環状隙間が
形成され、そこを通って、煙やカスが溶接場所から追い
出される。

また、開口１７２の小さい寸法及び窪んだ位置付けで、
溶融した金属が空所１６２内に飛散したりミラー６０又
はレンズ５８上に飛散するのが最小限度に抑えられる。

レンズ５８の焦点は、スペーサ１７４及び１７５と異な
った寸法のスペーサと交換することにより変えることが
できる。上側ハウジング部分１７６は、止めねじ１７８
を取り外した後に、下側ハウジング部分１７７から取り
外すことができる。再組立時には、スペーサ及びレンズ
５８は下側ハウジング部分１７７の段部１８０に対して
荷重を加えるばね１７９により所定位置に維持される。

上側ハウジング部分１７６の先端１８１には、管の端部
への挿入を容易にするために、テーパ部１８２を設ける
のが好ましい。

ヘッド２６は、円筒状のハウジング１６３に取り付けら
れたコネクタ１８４によって、ベース部２８の円筒状部
材１６０に突出するように確りと固定することができる
。スリーブはその上端及び下端近傍で溶接しなければな
らず、下端部は通常管板３１内に位置し、上端部は管１
４内に３０〜６０ｉｎ（０，７６〜１．５ｍ）延びてい
るので、溶接ヘッド装置の好適な実施例においては、管
板３１から種々の距離でヘッド２６を位置付けることが
できる軸方向位置付は手段が要求される。好適な軸方向
位置付は手段においては、円筒状ハウジング１６３を円
筒状部材１６０に結合するための種々の長さの伸長コネ
クタ１８４の代わりに、ヘッド２６をベース部２８から
更に大きい距離だけ離間する働きをなす長いコネクタ１
８４を使用することが考えられる。

管に対するスリーブの漏れのない溶接には、スリーブの
周辺を取り巻く融接路が必要とされるので、溶接ヘッド
回転手段が要求される。第８図及び第９図に見られる好
適な溶接ヘッド回転手段では、モータ取付部１８６を介
してベース部２８に取り付けられているモータ６６のよ
うなモータ手段が用いられる。このモータ手段は、後述
する歯車アセンブリのような駆動手段を介して溶接ヘッ
ド２６を回転する。モータ軸１８８には、駆動歯車１９
０が固定されており、この歯車１９０は被駆動歯車１９
２と噛み合う。被駆動歯車１９２は、ベース部２８に回
転自在に取り付けられている円筒状部材１６０に固着さ
れているので、モータ６６の作動による歯車１９０の回
転で、円筒状部材１６０か回転される。円筒状ハウジン
グ１６３と円筒状部材１６０とは相対回転しないように
接続されているので、上側スリーブ継目を溶接する際、
コネクタもしくは接続部１８４による接続で、円筒状ハ
ウジング１６３は円筒状部材１６０と共に回転せしめら
れる。

単層溶接には、オーバーラツプスパイラル溶接パターン
が好適であることが判明している。従って、溶接ヘッド
の各回転毎に溶接幅よりも僅かに小さい距離だけ溶接ヘ
ッドを連続的に前進するための前進手段が必要とされる
。第８図に示しである好適な前進手段は、主として、ベ
ース部２８に非回転的に取り付けられて、円筒状部材１
６０の一部分に設けられている雄ねじと係合する雌ねじ
を有するブシュ１９４から構成される。このねじ式の前
進手段は、円筒状部材１６０が回転される際に、該円筒
状部材１６０をブシュ１９４及びベース部２８に対−３
９＝ して上向き又は下向きに並進し、その結果、溶接ヘッド
２６の相応の軸方向運動が実現されて、スパイラル（螺
旋状〉融接路が得られる。

別法としてマルヂパス溶接を用いることができ、そ・の
場合好適な多層溶接は、互いに近接した離散的な単層溶
接からなる。この形式の溶接の場合には、溶接ヘッドを
溶接幅よりも若干大きい距離だけ軸方向に位置割出しす
る前進手段が必要とされる。図示は省いであるが、この
ような前進手段は、液圧、空気圧或は機械的前進手段と
することができ、上述のねじ式の前進機構の代わりに用
いることができよう。

管・スリーブレー　゛ 遠隔場所へのレーザビームの伝送と関連して生ずるエネ
ルギ損失及び光学系に固有のエネルギ損失があるため、
レーザ１８は、工作物に対しできるだけ近傍に配設する
のが推奨される。原子力発電プラントの蒸気発生器に対
するアクセスは制限されているので、管・スリーブ溶接
には、市販品として入手可能な最大出力レーザを使用す
ることはできない。また、約５００Ｗの最小出力が要求
されるところから他の入手可能なレーザ装置も除外され
る。Ｃ０２レーザが好適ではあるが、溶接ヘッド２６に
５００Ｗ　を供給することができるレーザならば如何な
るレーザも使用することができよう。好適なレーザは、
蒸気発生器のマンボール２４に隣接する場所に移送する
ことができ、８００Ｗのレーザビームを発生することか
できるレーザである。このようなレーザは、現在、米国
マサチューセッツ州つェイクフィールドのレーザコーポ
レーション・オブ・アメリカ（Ｌａｓｅｒ　Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａ＋ｎｅｒｉｃａ）により製作さ
れている。

既述のビーム整合及び伝送系には多くの異なったレンズ
及びミラー材料を使用することができよう。レンズ及び
窓に対する好適な材料はセレン化亜鉛である。しかし、
他の公知の認容できるレンズ及び窓材料として、塩化カ
リウム、塩化ナトリウム及び臭化カリウノ＼が挙げられ
る。また、好適なミラー材料としては、研磨された銅、
モリブデン、タングステン或は銀被覆鋼がある。薄膜は
、緊張状態で張架されて部分的に反射性の被覆材料で被
覆された薄肉のプラスチックシート材から形成するのが
好ましい。しかし、他の慣用の薄膜或はビーム分割器を
用いることも可能である。

低温度におけるスリーブの内壁の反射率を考慮した場合
、高出力ビームの反射を最小にし、光学系の構成要素に
対し潜在的に生じ得る損傷を最小限度にするためには、
スリーブ壁を高速加熱するように直ちにレーザを全出力
にすることが望ましい。しかし、レーザを急激に遮断し
た場合には、溶接に悪影響が及ぼされ得る。遮断前にレ
ーザ出力を４００〜５００Ｗの範囲に線形的に減少すれ
ば溶接の不完全性は最小限度に抑えられることが判明し
た。従って、管・スリーブ溶接中におけるレーザの好適
な出力曲線は第１５図に示すような曲線となる。

レーザが設定され、ロボットアーム３０によりレーザ溶
接ヘッド２６が欠陥管１４内に溶接すべきスリーブ１２
に対する入口の下方に位置付けられ、そしてカムロック
２７が作動されたならば、システムを整合しなければな
らない。第２図には、粗整合にとって有用な可視光を発
生する好ましくはＨｅ　Ｎ　ｅレーザとすることができ
る低出力レーザ３８が示しである。低出力ビームロ８は
、薄膜７０に入射する。この薄膜７０は、ビームの一部
分、好ましくは約５０％をビーム路７２に沿って反射し
、この反射されたビームは、偏向ミラー７４及び７６に
より部分ビーム反射器／強度減衰器５２に入射するよう
に指向される。

可視ビームは、低出力ビームに対して半透明である薄膜
７０を介し不透明円板７８の周囲でビデオカメラ４５に
より観察することができる。このビデオカメラ４５は、
高出力ビーム路２２に沿いビーム反射器５２によって反
射されるようにビーム６８を適切なビーム路７２に沿い
反射するように薄膜７０を調節する上で有用である。

反射器５２（この反射器として好適な反射器は第４図に
示してあり、またその代わりに用いられる反射器は第３
図に示しである）の反射性部分に当った後に、低出力ビ
ームは高出力ビーム路２２に沿って進むように指向され
る。次いでビーム６８は、静止ハウジング８８内でミラ
ー８６により、第１図に見られるビーム送光器３４に至
るビーム路９０に沿って進むように指向される６回転可
能なハウジング９４内にある第１の調節可能な反射器９
２はビームを、回転可能なハウジング９８内の第２の調
節可能な反射器９６へと反射する。該第２の調節可能な
反射器９６は、ビーム６８をビーム送光器３４から送出
する。

ビームをビーム受光器３６に指向するように送光器３４
を整合すべくビーム送出路を調整する目的で、反射器４
８を介してビーノ＼を観察する“ためにビデオカメラ４
６が用いられる。モータ１００は、ビーム６８が反射器
９２に入射した後にビーム６８のビーム路を調節するた
めに歯車アセンブリ１０２を介してハウジング９４を回
転し、モータ１０４は、ビームが反射器９６により反射
された後にビーム路を調節する目的で歯車アセンブリ１
０６を介してハウジング９８を回転する。

遠隔ビーム受光器３６も、２つの回転可能なハウジング
１１０及び１１４を備えており、これ等のハウジング内
には調節可能な反射器１０８及び１１２が取り付けられ
ている。モータ１１６及び１２０は、それぞれの歯車ア
センブリ１１８及び１２２を介してハウジング１１０及
び１１４を回転する。最適ビーム路には、部分的に反射
性のミラー１３８が設けられている。反射器５１を介し
て送光器３４を観察するために、ハウジング１１０に取
り付けられているハウジング５０にはビデオカメラ４９
が装着されている。

可視レーザ３８が作動され、そしてビーム路２Ｚに沿い
反射器５２により反射されるようにビデオカメラ４５に
より整合がなされた後に、ビーム送光器３４及び受光器
３６は、カメラ４６及び４９を介して粗整合することが
できる。カメラ４６は、送光器３４から出射された後の
ビーム６８の進行路を観察し、ビーム６８が部分反射ミ
ラー１３８に向かうように、回転ハウジング９４及び９
８を介して反射器９２及び９６の調節を可能にする。ビ
ーム受光器３６がビームを受光するように′適切に整合
されている場合には、ビームの一部分は、実質的に同じ
ビーム路を辿ってビーム送光器へと反射し戻される。こ
のビーム部分が上記のように反射されるまで、ビデオカ
メラ４９を用いてハウジング１１０及び１１４の整合を
調節する。

ハウジング９４及び９８は、部分反射ミラー１３８の再
位置割出し後ビームが該ミラー１３８に当たるように再
調整することがてきる。

粗整合が達成された後にレーザ検出器を用いて更に正確
な整合を実現する。ビーム６８がハウジング９８を出る
際に、該ビームは薄膜１２６に衝突し、該薄膜はビーノ
＼の一部分をビーム路１３２に沿うように偏向する。ビ
ームが、最適ビーム路に沿いビーム送光器から出射され
ている場合、薄膜１２６は、ビームの一部分をビーム検
出器４０の中心部に入射するように指向する。パイロ電
気（熱電気）型とするのが好ましいビーム検出器４０は
、Ｘ−Ｙ座標でビーム入射位置を表わす信号を発生し、
この信号は、反射器５２又は８６を動かす等によりビー
ム出射路を調節するのに用いられる。

低出力ビームの残りの部分は、部分反射ミラー１３８に
入射し、該ミラー１３８は、ビームの一部分を透過し、
この透過ビームは、適切な整合が達成されている場合に
は検出器４２の中心に入射する。

やはりパイロ電気型とするのが好ましいレーザ検出器４
２は、ｘ　−ｙ座標で入射位置を表わす信号を発生し、
この信号は、検出器ｔｉ２に対する中心入射が達成され
るように受光器及び送光器を調節するのに用いられる。

ヒームの残りの部分は部分反射ミラー１３８により反射
される。適切な整きが達成されている場合には、このビ
ーム部分は実質的にその送光路に沿って逆方向に進行し
、薄膜１２６に入射し、そしてヒーム路１４０に沿い偏
向されて検出器４４の中心に入射する。好ましくはパイ
ロ電気型の検出器４４も入射位置を表わすＸ−Ｙ座標信
号を発生し、この信号は、更に送光器３４及び受光器３
６を調節するのに用いられる。検出器４０．４２及び４
４のそれぞれに対し正確な入射位置にビーム部分を集束
することがてきるようにするためにレンズ１４２．１４
４及び１４６か用いられる。検出器の調整精度は、近似
的に、０．０００１４ｉｎ（０，００３６＋ｘ）である
。

低出力レーザによる咀整合が完了したら、高出力レーザ
自体での整合を行って、高出力ビームの最適な送光及び
受光を確保するのが好ましい。この場合、低出力レーザ
検出器４０．４２及び４４は、それに対する損傷を阻止
するためにビーム路から取り出される。これ等の検出器
、薄膜１２５及び部分反射ミラー１３８は、それぞれ流
体圧シリンダ１３１及び１３７によりスライド部材１３
０及び１３６に沿って容易に運動可能なように、第１図
、第５図、第６図及び第１０図に示したハウジング１２
８及び１３４のような摺動ハウジング内に取り付けるの
が有利である。部分反射ミラー１３８の代わりに、板状
検出器１５２が該ミラー１３８の位置に摺動で設定され
る。ビーム強度減衰器５２がモータ（図示せず）により
回転され、高出力レーザ１８が付勢される。ビーム強度
減衰器５２は整合に使用するためにビーム路２２に沿い
ビームの５〜１０％を通過しビームの残りの部分は慣用
のビームダンプ部８４に向けられる。

レーザを全出力で使用した場合には、レーザによる連続
的な直接照射に耐えることができない構成要素（板状検
出器１５２を含む）が損傷される可能性がある。しかし
、低出力に設定されたレーザの作動により放出されるビ
ームは、溶接に用いられる一４８＝ 高出力設定で発生されるビームと同じ挙動をしない場１
があり、不正確な整合が斎らされる可能性がある。従っ
て、整合の目的ては、高出力ビームの一部分だけを伝送
するために、ビーム強度減衰器が用いられるのである。

第６図及び第７図に示されている、ワンダリング（ｕ＋
ａｎｄｅｒ　ｒｉｎｇ）とも称され、Ｘ−Ｙ座標でビー
ム位置を表わす信号を発生する環状検出器１４８のよう
な第２の高出力レーザ検出器が、ビームがハウジング９
８からアパーチャ１９６の中心を経て出射されることを
確保するのに用いられる。ビームは、次いで、ビーム路
１２４に沿って進行し、板状検出器１５２に入射する。

中心で結合された梨形の高温熱電対から構成するのが好
ましい板状検出器１５２は、Ｘ−Ｙ座標でビームの入射
点位置を表わす信号を発生ずる。低出力レーザ検出器４
２を保護するための支援手段として、部分反射ミラー１
３８を板状検出器１５２と共にビーム路１２４内に摺動
設定する。高出力ビームの一部分は部分反射ミラー１３
８により反射され、そして、ビーム送光器３４及びビ−
ム受光器３６が最適に整合している場合には、この反射
されたビームは実質的にビーム路１２４に沿い且つ環状
検出器１４８の中心を通って逆方向に進行する。検出器
１４８は、そこを通過するビームの位置を表わす信号を
発生ずる。検出器１４８及び１５２からの信号を用いて
、レーザビームが最適ビーム路に沿って伝送され且つ最
適ビーム受光が実現されるようにビーム送光器３４及び
ビーム受光器３６の整合を行うのに用いられたならば、
整合は完了し、高出力レーザ１８はオフに切換えられる
。

高出力レーザ１８からのビームの強度は、管内にスリー
ブを実際に溶接する時には、減衰しない方が有利である
。第４図に示しであるようなビーム強度減衰器５２を使
用する際には、アパーチャ８２をビーム路２２内に回転
して位置付け、ビームが該アパーチャを全強度で通過゛
てきるようにする。第３図に示しであるようなビーム強
度減衰器５２が用いられる場合には、この減衰器５２は
溶接の際ビーム路から取り外さなければならない。

次いで、モータ６６が作動され、モータ軸１８８が回転
されて、取り付けられている駆動歯車１９０が回転する
。駆動歯車１９０により被駆動歯車１９２が回転されて
、取り付けられている円筒状部材６ｏが回転される。溶
接ヘッド２６は、円筒状ハウジング１６３を介して円筒
状部材１６０に結合されていることにより回転され、ま
た、上側の管・スリーブ継目を溶接する際には、伸長コ
ネクタ１８４によりハウジング１６３が円筒状部材１６
０に結きされることにより回転する。ヘリウムとするの
が好ましいシールドガスが、入口１７０を介してベース
部２８に供給され、中空の円筒状部材１６０を経て空所
１６２に流れ、ミラー５８の周辺部を通りアパーチャ１
７１　を経て、出口６２の窪んだ開口１７２がら流出し
てスリーブ１２と接触する。

次いで、レーザ１８を全溶接出力、好ましくは前述した
ように、７００ヘ−８００Ｗで作動する。高出力ビーム
は、ビーム路２２に沿って進行し、反射器８６によりビ
ーム路９０へと偏向され、反射器９２により反射器９６
に反射され、ビーノ＼路１２４に沿って反射器１０８に
送られ、そこでビームは反射器１２２に反射され、該反
射器１２２によりビームはレーザ溶接ベース部２９内に
向けられる。反゛射器１１３は、レンズ５４及び５６を
通るようにビームを指向し、該レンズによりビーム径が
減少された後、ビームは反射器１５６及び１５８により
中空の円筒状部材１６０を経て円筒状ハウジング１６３
内の空所１６２内に送られる６ビームはレンズ５８によ
り集束され、溶接ヘッド２６から、出口６２の窪んだ開
口１７２を経てスリーブ１２と接触する。

第１６図は、スリーブ１２の上部近傍の平坦化された境
界部もしくは溶接場所６４におけるスリーブ１２及び管
１４の拡大断面図である。スリーブは、圧延、液圧拡開
又は他の拡開方法により、溶接場所６４で管１４と接触
するように拡開される。しかし、スリーブ材料の弾性復
帰力で、溶接場所６４の管・スリーブ界面には小さい隙
間が生し得る。スリーブろう付は加工では、非常に小さ
い範囲の隙間寸法しか許容できないが、レーザ溶接によ
れば、ｏ、ｏｏｓｉｎまでの隙間が存在していても有効
な溶接継目を形成することができる。また、ろう付けで
は、均質なろうの流れを実現するために比較的奇麗な表
面が必要とされ、通常、ろう付は前にホーニングその他
の清浄加工が必要とされる。これに対して相当な表面酸
化が存在しても有効なレーザ溶接継目を形成することが
できる。

多くの原子力蒸気発生器においては、０．０４０〜０．
０５５ｉｎ（１，０２〜１．．４０ｘｘ）の範囲内の厚
さを有するインコネル管が用いられている。このような
管に対する好適なスリーブ材料は、約０．０４ｉｎ（１
，０２ｘｘ）の壁厚を有するインコネルである。第１１
図及び第１２図に示されているボールプランジャ１６４
及びばね荷重されたトグルアーム１６５のような焦点距
離維持手段がハウジング１６０の外縁２０４がスリーブ
１２の内壁から所定距離だけ離間し、それにより溶接ミ
ラー６０がスリーブ１２の内壁から所定距離だけ離間し
て維持されるように、溶接ヘッド２６をスリーブ１２内
に回転可能に支持する。レンズ５８及びミラー６０は協
働して、高山カビ−１１をスリーブに指向し、スリーブ
内壁の下方の好ましくは０．０２０〜０．０３０ｉｎ（
０，５１〜０．７６Ｍ杓の点、例えばスリーブ１２の壁
厚の２分の１〜・７１分の１だけスリーブ内壁から下方
に有る点にビームを焦束する。

第１７図は、溶接ヘッド装置を用いて形成された典型的
な溶接１９８を横断面で示す図である。最も重要な２つ
の溶接パラメータは、スリーブ１２と管１４との間の境
界部６４における溶接幅２００と、溶接深さ２０２もし
くは管１４内への溶は込みである。境界部における好適
な溶接幅は、少なくとも０．０４６ｉｎ（１，１７Ｍｚ
）であり、他方理想的な溶接深さは少なくとも０．０２
５ｉｎ（０，６４ｕｍ）である。このような最適溶接パ
ラメータを達成するためには、溶接場所に供給されるレ
ーザ出力は５００〜７００Ｗとすべきてあり、レーザビ
ームは毎分７．５〜１５ｉｎ　（１９〜３８ｃｍ）で溶
接表面を横切って移動し、２６００〜５３００ジユール
／　１ｎ（１０２，４〜２０８．７ジユ一ル／ＩＩｍ）
の比エネルギーを供給すべきである。好適な範囲は、１
０．０〜１２．５ｉｎ／分（２５４，０〜３１７．５ｘ
ｚ／分）の移動速度で加えられる６００〜７００Ｗであ
る。なお、上記移動速度は、４．０〜７．５ｒｐｍの溶
接ヘッドの好適な回転速度に対応するものであるが、こ
の速度は、管及びスリーブの直径並びに加えられるレー
ザ出力に依存して変り得る。溶接ヘッドの回転速度が過
度に低い場合には、溶接個所に過度に高い比エネルギー
が加えられることとなり、その結果、レーザで管壁が焼
抜かれてしまうことが起り得る。また、溶接ヘッド２６
の過度に早い回転は、管１４に対するスリーブ１２の均
質な融合を阻止する可能性がある。

溶接１９８は、窪んな開口１７２を介して溶接ヘッド２
６から流出しスリーブ１２の内部及び管１４の一部を満
たず好ましくはヘリウムのようなシールドガスにより汚
染から遮蔽される。溶接ヘッド２６の表面２０４に面す
る窪んだ開口１７２からの排出口６２の円錐形状により
溶解した溶接液相材料のプールが、該開口１７２を介し
て溶接ヘッド２６内に飛散してミラー６０及びレンズ５
８を損傷することが阻止される。

スリーブ内での単層溶接てスリーブと管との間には融接
路に沿い漏洩のない継目が形成される。

しかし、高い耐漏性及び劣化した管の補強のための充分
な溶接強さを確保するためには、多層溶接の方が好まし
い。スリーブの多層溶接を行う２つの好適な方法が第１
８図及び第１９図に示しである。

即ち、第１８図には境界部６４でスリーブ周辺全体に亘
ってそれぞれ延在する２つの離散した溶接１９８が示し
である。これを実現するためには、１つの融接路に沿う
溶接が完了した後にレーザ溶接ヘッドを境界部における
溶接幅よりも大きい距離だけ上方又は下方に割出し、２
回目のパスを行う。付加的なパスは有害ではない。第１
９図には、スリーブの内部を取り巻く連続したスパイラ
ル（螺旋）融接路に沿い３回溶接を行って形成された溶
接２０６が示されており、この場合各パスは、境界部に
おいて、好ましくは少なくとも０．００５ｉｎ（０，１
３ｉｘ）だけ先行の溶接にオーバーラツプする。各溶接
の明瞭な溶接ルート２０８が観察できる。境界部６４に
おける受容される幅のスパイラル溶接に対しては２回又
は３回以上の回転が要求されよう。第３の好適な実施例
として、境界部６４で少なくとも０．００５ｉｎ（０，
１３ａ＋ｘ）だけオーバーラツプする２回又は３回以上
の別々の溶接パスを行うことができよう。このようにし
て形成された溶接は、横断面は第１９図の溶接に類似す
るが、しかしこの実施例の場合には、溶接パスはスパイ
ラルてはない。上述の３つの多層溶接型式によれば、全
て、受容し得る溶接が形成される。第１５図に示すよう
に、レーザ出力は、レーザを遮断する前に、約５００Ｗ
の有効出力となるまで線形的に減少される。

スリーブの一端を管に溶接した後に、溶接へ・ンドは、
スリーブの他端を管に結合すべく管内て位置割出ししな
ければならない。管１４内に深く位置するスリーブの端
に溶接ヘッド２６を割出す好適な方法によれば、所定の
長さを有する伸長コネクタ１８４が、円筒状ハウジング
１６３と円筒状部材１６０との間に挿入されて、管内で
溶接ヘッド２６を所要の如く持ち上げる働きをする。ス
リーブの各端の溶接に続いて、ロボットアーム３０によ
り溶接へ・ンドを管１４かち取り出し、スリーブ溶接に
よる修理を必要とする次の管内に再び位置付けられる。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、これ
等の実施例の多くの変更が可能であり、本発明は、ここ
に開示した実施例に限定されるものでないことを述べて
おく。

【図面の簡単な説明】

第１図は、蒸気発生器内に取り付けられた本発明の一実
施例によるレーザ溶接装置を、部分的に切除して立面図
て略示する図、第２図は、低出力レーザを高出力レーザ
と整合もしくは整列するのに用いられる装置を模式的に
示す図、第３図は、第２図の部分ビーム反射器／ビーム
強度減衰器の好適な実施例の１つを示ず拡大立面図、第
４図は、部分ビーム反射器／ビーム強度減衰器の別の好
適な実施例を示す拡大立面図、第５図は、好適なビーム
送光器及びビーム受光器を示す斜視立面図、第６図は好
適なビーム送光器及びビーム受光器を部分的に断面で示
ず立面図、第７図は、好適な環状検出器（ワンダリング
）の立面図、第８図は、板、摺動ベース部及び溶接ヘッ
ドを部分的に断面でしかも部分的に切除して示す立面図
、第９図は、板及び摺動ベース部を部分的に切除して示
す平面図、第１０図は、好適なビーム受光器を部分的に
断面で示ず拡大図、第１１図は、好適なレーザ溶接ヘッ
ドの縦断面図、第１２図は、第１１図の線■−■におけ
る断面図であって、焦点距離維持手段を示す図、第１３
図は、別の溶接ヘッドの］二側部分を示す立面図、第１
４図は、第１３図の線ＸＩ　Ｖ　−ＸＩ　Ｖにおける断
面図であって別の焦点距離維持手段を示す図、第１５図
は、時間の関数として供給されるレーザ出力を描くタイ
ムチャートを示す図、第１６図は、スリーブを管と接触
するように拡開した後に平坦化した溶接場所の拡大縦断
面図、第１７図は、本発明に従いスリーブと管との間に
形成された溶接部の拡大縦断面図、第１８図は、スリー
ブの一端部に形成された２つの離散した溶接部の拡大縦
断面図、そして第１９図は、３回のパスて形成されたス
パイラル融接路の拡大縦断面図である。 １２・・・スリーブ　　　１４・・・管１６・・放射性
環境く水室） ２２・・・レーザビーム ２４・・・レーザ溶接ヘッド装置 ２６・・・溶接ヘッド　　３１・・・管板５８・・・集
束手段くレンズ） ６０・・・溶接ミラー手段（ミラー） ６２・・・排出口手段（出口）　・ ６４・・・境界部もしくは溶接場所 ６６・・・溶接ヘッド回転手段（モータ）１６２・・・
ハウジング手段の中空部分く空所）１６３・・・ハウジ
ング手段（ハウジング）１６４・・・焦点距離維持手段
（ボールプランジャ）１６５・・・焦点距離維持手段（
トグルアーム）１６６・・・焦点距離維持手段（ばね）
１６７・・・焦点距離維持手段（圧縮ピン）′１６８・
・・焦点距離維持手段（ローラ）出願人　ウェスチング
ハウス・エレクトリック・６Ｏ− ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　１３ ＦＩＧ、　＋５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）管板により支持された複数の管を有する蒸気発生器
   の前記管内で、所定の溶接場所において前記管と近接関
   係で配置されているスリーブを溶接する方法であって、 集束手段、溶接ミラー手段及び焦点距離維持手段を有す
   る溶接ヘッドを前記管内で前記所定の溶接場所に位置付
   け、 レーザビームを前記溶接ヘッドに向け、 前記レーザビームを前記集束手段で集束し、集束された
   前記レーザビームを前記溶接ミラー手段で、前記所定の
   溶接場所において前記スリーブの一部分と接触するよう
   に反射する、 諸ステップを含む蒸気発生器管内へのスリーブの溶接方
   法において、 前記焦点距離維持手段で前記溶接ミラー手段と前記スリ
   ーブの内面との間に所定の焦点距離を維持し、 前記溶接ヘッドを所定速度で回転して、前記スリーブの
   内周面に円形の融接路を完結し、該融接路に沿い前記ス
   リーブを前記管に融着する、ことを特徴とする蒸気発生
   器管内へのスリーブ溶接方法。 ２）レーザビームを用いてスリーブと管との間の境界部
   を溶融することにより前記スリーブを前記管内に溶接す
   るために放射性環境内で使用する遠隔制御式レーザ溶接
   ヘッド装置であって、 前記スリーブ内に軸方向に挿入されるように適応されて
   一端部に開口を有すると共に、一側にある排出口手段と
   、前記開口から軸方向に延び前記排出口手段に連通する
   中空部分とを有する円筒状のハウジング手段を備えるも
   のにおいて、 前記開口と前記排出口手段との間で、前記ハウジング手
   段の前記中空部分を介して伝達されるレーザビームを集
   束するために前記中空部分内に取り付けられた集束手段
   と、 前記排出口手段の近傍で前記ハウジング手段の前記中空
   部分内に設けられて、集束されたレーザビームを、前記
   排出口手段を介し反射させて前記スリーブと接触させ、
   該スリーブを前記管に融着するための溶接ミラー手段と
   、 前記レーザ溶接ヘッド装置の前記ハウジング手段を回転
   させて、前記レーザビームで前記スリーブの内壁に融接
   路を円形に描き、前記スリーブと前記管との間の境界部
   を溶融することにより前記スリーブを前記管に結合する
   ための溶接ヘッド回転手段と、 を備えていることを特徴とする遠隔制御式レーザ溶接ヘ
   ッド装置。