(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部から高エネルギーレーザビームを照射する光ファイバーケーブルと、この光ファイバーケーブルから発せられる拡散ビームを並行ビームに屈折する第一凸レンズと、この並行ビームを収束する第二凸レンズとを備え、かつ、上記第二凸レンズの凸面側中央部に、上記並行ビームの入射角に対して直角に位置する平面部を形成したレーザビーム照射トーチを用い、上記第二凸レンズの焦点前後で、上記ビームの照射面積を上記平坦部の面積と略同一にしてレーザビームを照射することを特徴とするレーザビーム照射トーチを用いた照射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、原子炉圧力容器に貫通して取り付けられるインコアモニタハウジングなどの小口径管の内壁に所定の範囲でクラッド部などの補強皮膜を形成するために用いられるレーザビーム照射トーチを用いた照射方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、原子炉設備の中核を成す原子炉圧力容器には、図４に示すように、その下鏡部ａに貫通孔ｂを形成し、その貫通孔ｂにインコアモニタハウジング等の小口径管ｃが貫通して溶接されている。さらに、比較的初期に建設されたプラントではこの小口径管ｃの内壁には、溶接部ｄ周縁領域の亀裂などを防止すべく、その領域の強度を補強するために合金化したクラッド部ｅを施工する場合がある。
【０００３】
このクラッド部ｅの形成方法としては、先ず、図５に示すように、小口径管ｃ内に、例えば、Ｃｒ：４、Ｎｉ：４、Ｍｏ：０．５、Ｆｅ：１の配合割合の混合金属粉末からなるペースト状のクラッド材を約０．３〜０．４ｍｍ厚に塗布した後、図４に示すように、その小口径管ｃ内にレーザビーム照射トーチｆを挿入し、その後、このレーザビーム照射トーチｆを旋回手段ｇによって螺旋状に旋回移動させつつ、レーザ発振部ｈからの高エネルギーレーザビームを図５に示すように、クラッド材の塗布部に照射することにより、このクラッド材を溶融させて小口径管ｃの母材と合金化して約０．２ｍｍ厚程度のクラッド部を溶接するものである。
【０００４】
そして、このレーザビーム照射トーチｆは、図６に示すように、これを旋回駆動するための旋回駆動部ｉに連結され、その軸心部に光ファイバーケーブルｊを備えた筒体ｋに、レーザビームＢを屈折する第一凸レンズｌ及び第二凸レンズｍと、このレーザビームＢを反射するミラーｎを備えたものであり、光ファイバーケーブルｊの端部から発せられた拡散ビームを第一凸レンズｌで並行ビームに屈折すると共に、この並行ビームを第二凸レンズｍで収束ビームに屈折した後、この収束ビームをミラーｎによって筒体ｋの径方向外方に反射し、その照射孔ｏから小口径管ｃ内壁に、収束された高エネルギーのレーザビームを照射して溶接を行うものである。そして、このレーザビーム照射トーチ６によるレーザビームの照射位置は、図７に示すように、照射によるクラッド材の溶融作業を効率的に行うために、すなわち、ある程度の照射面積を確保するために、レーザビームの焦点位置ではなく、その前後になるように制御されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この照射位置でのレーザビームは、図７に示すように、第一凸レンズｌで形成された並行ビームを、そのまま第二凸レンズｍで収束したものであることから、図８に示すように、そのビーム強度分布は、照射位置の中心部がもっとも高く、その周辺部にいくに従って急激に低下するような鋭角な山型となっている。
【０００６】
従って、このようなレーザビームで得られる溶接ビートも、図８に示すように、中央部の溶け込みが深く、かつ幅の狭い形状のものとなるため、母材への熱影響が大きく、しかも、効率の良いクラッド施工を行うのも困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、照射位置でのビーム強度を均一にして、幅の広い均一な溶接ビートを得ることができる新規なレーザビーム照射トーチを用いた照射方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、端部から高エネルギーレーザビームを照射する光ファイバーケーブルと、この光ファイバーケーブルから発せられる拡散ビームを並行ビームに屈折する第一凸レンズと、この並行ビームを収束する第二凸レンズとを備え、かつ、上記第二凸レンズの凸面側中央部に、上記並行ビームの入射角に対して直角に位置する平面部を形成したレーザビーム照射トーチを用い、上記第二凸レンズの焦点前後で、上記ビームの照射面積を上記平坦部の面積と略同一にしてレーザビームを照射することである。
【０００９】
本発明は、上述したように第一凸レンズで得られた並行ビームを収束するための第二凸レンズの凸面側中央部に平面部を形成したことにより、ビーム強度が中心部とその周辺部で略均一なレーザビームが得られる。従って、このようなビーム強度分布を有するレーザビームを小口径管内壁のクラッド材の溶接に用いることで、深さが浅く、かつ幅の広い均一な溶接ビートが得られる。また、この平面部の面積を、照射面積と略同一にすることにより、ビーム強度が中心部より周縁部の方がやや高くなり、このようなレーザビームを用いることにより、さらに良好なる溶接ビートが得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１１】
図１は本発明に係るレーザビーム照射トーチを示したものである。図示するように、このレーザビーム照射トーチは筒体１内に、０．８ｍｍφ程度の光ファイバーケーブル２と、１５ｍｍφ程度の第一凸レンズ３及び第二凸レンズ４とが収容されている。
【００１２】
この光ファイバーケーブル２は筒体１の軸心部に固定され、前述したレーザ発振手段から発生した高エネルギーのレーザビームＢを導いてその端部から拡散ビームとして放射するようになっている。
【００１３】
第一凸レンズ３はファイバーケーブル２側が平面状に形成され、その他面が凸状に加工されており、ファイバーケーブル２の端部から放射された拡散ビームＢ１  を並行ビームＢ２  に屈折するようになっている。
【００１４】
一方、第二凸レンズ４は、その凸部が第一凸レンズ３側に面するように設置されており、第一凸レンズ３で得られた並行ビームＢ２  を収束するように屈折して溶接に用いる収束ビームＢ３  を得るようになっている。また、図２に示すように、この第二凸レンズ４の凸部側中央部には、並行ビームＢ２  の入射角に対して直角に入射するように平面状にカットされた２ｍｍφ程度の円形カット部５が形成されており、そのカット部５に入射した並行ビームＢ２  を収束することなく、そのまま通過させるようになっている。尚、この第二凸レンズ４は、第一凸レンズ３に対して近接離間自在となっており、第一凸レンズ３からの焦点距離を任意に設定できるようになっている。
【００１５】
次に、本実施の形態のレーザビーム照射トーチを用いた照射方法について説明する。図１に示すように、先ず、光ファイバーケーブル２の端部から放射されたレーザビームＢは拡散ビームＢ１となって距離Ｘの位置にある第一凸レンズ３の平面側に達し、ここを通過する際に筐体１の軸心側に屈折されて、並行ビームＢ２となった後、第二凸レンズ４の凸部側に達し、これを通過する。このとき、第二凸レンズ４の周辺部、すなわち球面部を通過する並行ビームＢ２はさらに筐体１の軸心側に屈折されて収束ビームＢ３となり、この第二凸レンズ４から距離Ｚの位置で焦点を形成することになるが、この第二凸レンズ４の中央部のカット部５を通過する並行ビームＢ２はそのまま並行ビームＢ２の状態でこの第二凸レンズ４を通過して、第二凸レンズ４から距離Ｙにある照射位置に達することになる。
【００１６】
このようにして得られた照射位置におけるビームは、図３に示すようにビーム強度が中心部から周辺部にかけて略均一な並行ビームＢ２  と、中心部より周辺部のほうがビーム強度の高い収束ビームＢ３  との合成ビーム（Ｂ２  ＋Ｂ３  ）となり、そのビーム強度分布は、照射位置の中心部より周縁部のほうがやや高くなり、従来のような中心部のビーム強度が大きい山型とは異なり、半径方向ｒに分散して略台形を呈することになる。
【００１７】
そして、このようなビーム強度分布をもつレーザビームＢを用いて上述したようなクラッド施工を行った場合、その溶接ビートは、図３に示すように、幅広で、浅溶け込みのものが得られることになる。尚、このように強度分布が中心部より周辺部の方が大きいビームを用いても、図示するように、溶接ビートの深さが均一になるのは、溶接ビートの中心部では入熱した熱が逃げないのに対し、その周辺部では入熱のうち、ある程度の熱がその周囲に逃げてしまい結果的に中心部と周辺部とでは溶融に要する入熱の総量が均一になるからである。また、本形態においては、この第二凸レンズ４の中央部のカット部５の面積は、レーザビームの照射位置における照射面積と、略同様に設定することが好ましい。すなわち、このカット部５の面積が照射面積より小さすぎると、ビーム強度が中心部に集中し、反対に、このカット部５の面積が大きすぎると、ビームの照射面積も増大してしまい、図３に示すような理想的な溶接ビート形状が得られないからである。
【００１８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、平面部の面積を上記ビームの照射面積と略同一にしてレーザビームを照射することで、深さが浅く、かつ幅の広い均一な溶接ビートが容易に得られ、母材への熱影響を低減することが可能となる上に、効率的なクラッド施行を行うことができる等といった優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係る第二凸レンズを示す斜視図である。
【図３】本発明で得られるビーム強度分布及び溶接ビート形状を示す説明図である。
【図４】従来のレーザクラッド工法の概略を示す説明図である。
【図５】従来のレーザクラッド工法の工程を示す説明図である
【図６】従来のレーザビーム照射トーチの一例を示す縦断面図である。
【図７】従来のレーザビーム照射トーチで得られるビームを示す説明図である。
【図８】従来のレーザビーム照射トーチで得られるビーム強度分布及び溶接ビート形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１  筒体
２  光ファイバーケーブル
３  第一凸レンズ
４  第二凸レンズ
５  平面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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