(57)【要約】【課題】  配管の表面の広い範囲を均一に加熱して残留応力を改善するために好適な配管の残留応力改善装置を提供する。【解決手段】  一の観点において、本発明による配管の残留応力改善装置１０は、複数のレーザーヘッド６と、複数のレーザーヘッド６を配管４の外表面に対向するように支持する支持機構とを備えている。複数のレーザーヘッド６のそれぞれは、加熱用レーザービーム６ａを配管４の外表面に照射する。複数のレーザーヘッド６を用いて配管４の外表面を加熱することは、配管４の形状に応じて加熱用レーザービーム６ａの強度を個別に制御することを可能にし、もって複雑な形状の配管４を均一に加熱することを可能にする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザーヘッドと、
前記複数のレーザーヘッドを配管の外表面に対向するように支持する支持機構
とを備え、
前記複数のレーザーヘッドのそれぞれは、加熱用レーザービームを前記配管の前記外表面に照射し前記複数のレーザーヘッドにより均熱帯を形成する
配管の残留応力改善装置。
【請求項２】
請求項１に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記加熱用レーザービームの強度は、個別に調節可能である
配管の残留応力改善装置。
【請求項３】
請求項１に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査する駆動機構を含み、
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向にずれて配置されている
配管の残留応力改善装置。
【請求項４】
請求項３に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを、前記配管の前記軸方向に走査するヘッド駆動機構を含む
配管の残留応力改善装置。
【請求項５】
請求項３に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記複数のレーザーヘッドは、前記加熱用レーザービームのスポットが、前記配管の表面上において重なり合うように、前記加熱用レーザービームを照射する
配管の残留応力改善装置。
【請求項６】
請求項１に記載の配管の残留応力改善装置であって、
更に、
第１レーザービームを生成するレーザー発振器と、
前記第１レーザービームを分岐して複数の第２レーザービームを生成する分岐器
とを備え、
前記レーザーヘッドは、前記複数の第２レーザービームから前記加熱用レーザービームを生成する
配管の残留応力改善装置。
【請求項７】
請求項６に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記分岐器は、前記複数の第２レーザービームの強度を個別に調節する出力調節機構を含む
配管の残留応力改善装置。
【請求項８】
加熱用レーザービームを配管の外表面に照射するレーザーヘッドと、
前記レーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査する駆動機構
とを備え、
前記レーザーヘッドは、前記加熱用レーザービームを前記配管の軸方向に走査する走査機構を備えた
配管の残留応力改善装置。
【請求項９】
請求項８に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記加熱用レーザービームの強度は、前記加熱用レーザービームの配管の外表面上のスポットの位置に応じて制御される
配管の残留応力改善装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の配管の残留応力改善装置であって、
前記走査機構は、ガルバノミラー又はポリゴンミラーを用いて、前記加熱用レーザービ
ームを前記軸方向に走査する
配管の残留応力改善装置。
【請求項１１】
レーザーヘッドと、
前記レーザーヘッドを配管の円周方向に走査する駆動機構
とを備え、
前記レーザーヘッドは、
レーザービームが入射されるフライアイレンズと、
前記フライアイレンズから出射されるレーザービームを前記配管の軸方向に拡大する拡大光学系
とを含む
配管の残留応力改善装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記加熱用レーザービームは、光ファイバで伝送されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記加熱用レーザービームの光源は、レーザーダイオード又はファイバーレーザーであることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１４】
請求項１又は１１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記加熱用レーザービームの強度は、前記加熱用レーザービームの配管の外表面上のスポットの位置に応じて制御されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１５】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の円周方向にずれて配置されるヘッドが軸方向に複数段、設置されてなり、
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の軸方向に走査するヘッド駆動機構を含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１６】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向にずれて配置されるヘッドが円周方向に複数段、設置されてなり、
前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査するヘッド駆動機構を含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記加熱用レーザービームの強度は、前記複数のレーザーヘッドごとに調節可能であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１８】
請求項１５ないし１７のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザーヘッドの走査方向の前方には、高周波加熱手段が設けられていることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項１９】
請求項１ないし１８のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記配管は、原子炉プラントのステンレス鋼配管であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２０】
請求項１ないし１８のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記配管は、ＢＷＲ（沸騰水型原子力発電）の再循環配管であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２１】
請求項１ないし１８のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記配管は、原子力プラントの原子炉容器、加圧器、蒸気発生器のいずれかに接続される低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継ぎ手部であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２２】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向又は円周方向の少なくとも一方にずれて配置されると共に、
前記加熱用レーザービームのスポットが、前記配管の表面上において重なり合うように、前記加熱用レーザービームを照射することを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記複数のレーザーヘッドは、更に、前記配管との距離方向にもずれて配置されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２４】
請求項２２又は２３に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記加熱用レーザービームの強度は、個別に調節可能であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２５】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザーヘッドは、レーザービームが入射される球面レンズと、前記球面レンズから出射されるレーザービームを前記配管の表面上において一方向に拡大する拡大光学系とを含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記拡大光学系は、シリンドリカルレンズから構成されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２７】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザーヘッドは、レーザービームを加工する、集光系、ズーム系又はコリメート系の少なくとも一つの系を備えることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２８】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザーヘッドから出射されるレーザービームは、１つ又は複数の反射手段を介して、前記配管の表面上に照射されることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項２９】
請求項１２、２５ないし２８のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記光ファイバ、前記球面レンズ、前記拡大光学系、前記シリンドリカルレンズ、前記集光系、前記ズーム系、前記コリメート系または前記反射手段のうち少なくとも一つを駆動させることにより、前記加熱用レーザービームを前記配管の表面上で走査することを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項３０】
請求項１に記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザーヘッドは、隣接するレーザーヘッドの間隔、前記配管の表面との距離または前記レーザービームを中心軸とする回転角のうち少なくとも一つを調整する機構を含むことを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項３１】
請求項１ないし３０のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザビームを照射し加熱する温度が、固溶化温度以下であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【請求項３２】
請求項１ないし３１のいずれかに記載する配管の残留応力改善装置において、
前記レーザビームを照射し加熱する領域が２．５√ｒｔ以上であることを特徴とする配管の残留応力改善装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管加熱装置に関し、特に、配管の残留応力を低減するために使用される配管の残留応力改善装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所その他の大型プラントで使用される大型の配管を設置する場合に問題になるのは、その配管の残留応力の除去である。溶接が行われると配管には残留応力が発生し、その残留応力によって配管の寿命が短くなる可能性がある。従って、溶接によって発生した残留応力は、除去することが好適である。
【０００３】
特許文献１は、配管の溶接部の近傍の残留応力を加熱によって低減するための配管加熱装置を開示している。公知のその装置は、配管の外周側に位置するアーク発生リングと、そのリングを挟むように配置されたリングコイルとを備えている。リングコイルによって磁場が発生されると、アーク発生リングと配管との間にアークが発生し、配管が加熱される。配管が加熱されることにより、配管の残留応力が低減される。
【０００４】
特許文献２は、配管の内表面にレーザー光を照射して配管の内表面を表面加工する技術を開示している。公知のその技術では、レーザー光が光ファイバによって配管の内部に導かれ、レーザー光は、光ファイバから出射されて配管の内表面に照射される。
【０００５】
残留応力を除去するために使用される配管加熱装置に求められる要求の一つは、配管の表面の広い範囲を、均一に加熱できることである。配管の表面の広い範囲を加熱できることは、スループットの向上や残留応力除去性能確保のために重要である。一方、配管を均一に加熱できることは、加熱処理の後に残存する残留応力を小さくするために重要である。この要求を満足させることは、配管が複雑な形状を有している場合、例えば、配管が分岐している場合や厚肉管を対象として特に広範囲を加熱する必要のある場合には簡単なことではない。
【０００６】
このような背景から、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる、とりわけ、配管が複雑な形状であっても配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができ、配管の残留応力を改善できる配管の残留応力改善装置の提供が望まれている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１-１５０１７８号公報
【特許文献２】特開平８-１９８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、配管の表面の広い範囲を均一に加熱し、配管の残留応力を改善するために好適な配管の残留応力改善装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段に含まれる技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
一の観点において、本発明による配管の残留応力改善装置（１０）は、複数のレーザーヘッド（６）と、複数のレーザーヘッド（６）を配管（４）の外表面に対向するように支持する支持機構（１、２、３、５）とを備えている。複数のレーザーヘッド（６）のそれぞれは、加熱用レーザービーム（６ａ）を配管（４）の外表面に照射する。複数のレーザーヘッド（６）を用いて配管（４）の外表面を加熱することは、加熱用レーザービーム（６ａ）の強度を個別に制御することを可能にする。これは、配管（４）の形状に応じて加熱用レーザービーム（６ａ）の強度を個別に制御することを可能にし、複雑な形状の配管（４）の均一な加熱に有利である。
【００１１】
配管（４）の表面の広い範囲を加熱するためには、支持機構（１、２、３、５）は、前記複数のレーザーヘッドを配管（４）の円周方向に走査する駆動機構（２）を含み、複数のレーザーヘッド（６）は、配管（４）の軸方向にずれて配置されていることが好適である。
【００１２】
より少ない個数のレーザー発振器で配管（４）の表面の広い範囲を加熱するためには、支持機構（１、２、３、５）は、複数のレーザーヘッド（６）を、配管（４）の軸方向に走査する駆動機構（２５）を含むことが好適である。
【００１３】
配管（４）を均一に加熱するためには、複数のレーザーヘッド（６）は、加熱用レーザービーム（６ａ）のスポットが、配管（４）の外表面上において重なり合うように、加熱用レーザービーム（６ａ）を照射することが好適である。
【００１４】
当該配管の残留応力改善装置（１０）は、更に、第１レーザービーム（７ａ）を生成するレーザー発振器（７）と、第１レーザービーム（７ａ）を分岐して複数の第２レーザービーム（７ａ’）を生成する分岐器（２１、２２）とを備え、レーザーヘッド（６）は、その第２レーザービーム（７ａ’）から加熱用レーザービーム（６ａ）を生成することが好適である。かかる構成は、少ない数のレーザー発振器（７）で配管（４）の広い範囲を加熱することを可能にする。
【００１５】
この場合、分岐部（２１、２２）は、複数の第２レーザービーム（７ａ’）の強度を個別に調節する出力調節機構（２２）を備えることが好適である。
【００１６】
他の観点において、本発明の配管の残留応力改善装置は、加熱用レーザービーム（３１ａ）を配管（４）の外表面に照射するレーザーヘッド（３１）と、レーザーヘッド（３１）を前記配管（４）の円周方向に走査する駆動機構（２）とを備えている。レーザーヘッド（３１）は、加熱用レーザービーム（３１ａ）を配管（４）の軸方向に走査する走査機構（３５〜３７）を備えている。この場合、加熱用レーザービーム（３１ａ）の強度は、加熱用レーザービーム（３１ａ）の配管（４）の外表面上のスポットの位置に応じて制御されることが好適である。これにより、当該配管の残留応力改善装置は、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる。具体的には、走査機構（３５〜３７）は、ガルバノミラー（３５）又はポリゴンミラー（３７）を用いて、加熱用レーザービーム（３１ａ）を前記軸方向に走査することが好適である。
【００１７】
更に他の観点において、本発明による配管の残留応力改善装置は、レーザーヘッド（４１）と、レーザーヘッド（４１）を配管（４）の円周方向に走査する駆動機構（２）とを備えている。レーザーヘッド（４１）は、レーザービームが入射されるフライアイレンズ（４２）と、フライアイレンズから出射されるレーザービームを配管（４）の軸方向に拡大する拡大光学系（４３）とを含む。フライアイレンズ（４２）及びシリンドリカルレンズ（４５）によって強度が均一化され、楕円に成形されたレーザービームを、配管（４）の軸方向に拡大して配管（４）に照射することにより、本発明による配管の残留応力改善装置は、配管の表面の広い範囲を均一に加熱することができる。
【００１８】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームは、光ファイバで伝送されることが好ましい。この構成によれば、装置の自由度が増して、作業性を向上させることができる。また、加熱用レーザービームの照射部が遠隔部であったり、周辺空間が狭い部位であったりする場合であっても、レーザーを伝送することができる。
【００１９】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの光源は、レーザーダイオード又はファイバーレーザーであることが好ましい。この構成によれば、光源を小型化することができるため狭隘部においても設置することができ、加熱用レーザービームの照射部に近接して設置することができる。
【００２０】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの強度は、前記加熱用レーザービームの配管の外表面上のスポットの位置に応じて制御されることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。
【００２１】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の円周方向にずれて配置されるヘッドが軸方向に複数段、設置されてなり、前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の軸方向に走査するヘッド駆動機構を含むことが好ましい。この構成によれば、配管表面のある位置において、第１段のヘッドが通過する際の加熱により配管肉厚方向に温度分布が生じ、該ヘッドの通過後の冷却に伴って該温度分布の傾斜が緩やかになった後に、第２段のヘッドが通過する際に再加熱が行われるため、配管の内面から外面に亘ってほぼ均一な温度傾斜を有する温度分布にすることができる。
【００２２】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向にずれて配置されるヘッドが円周方向に複数段、設置されてなり、前記支持機構は、前記複数のレーザーヘッドを前記配管の円周方向に走査するヘッド駆動機構を含むことが好ましい。この構成によれば、配管表面のある位置において、第１段のヘッドが通過する際の加熱により配管肉厚方向に温度分布が生じ、該ヘッドの通過後の冷却に伴って該温度分布の傾斜が緩やかになった後に、第２段のヘッドが通過する際に再加熱が行われるため、配管の内面から外面に亘ってほぼ均一な温度傾斜を有する温度分布にすることができる。
【００２３】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの強度は、前記複数のレーザーヘッドごとに調節可能であることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。
【００２４】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドの走査方向の前方には、高周波加熱手段が設けられていてもよい。
【００２５】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記配管は、原子炉プラントのステンレス鋼配管であってもよい。このような原子力プラントのステンレス鋼配管ではＳＣＣの発生が懸念されており、既に使用されている配管に適用する場合は、旧配管を撤去して新しい低炭素量の材質の配管を敷設する必要がある。そのため、多大な費用を伴うだけでなく、新たに放射性廃棄物を増加させることになり、廃棄物の保管など新たな費用が発生する。また、定検期間の延長にもつながり、経済性の面で不利である。そこで、本発明装置を適用することで、取替え工事が不要となり、プラントの経済性、信頼性が向上する。
【００２６】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記配管は、ＢＷＲ（沸騰水型原子力発電）の再循環配管であってもよい。
【００２７】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記配管は、原子力プラントの原子炉容器、加圧器、蒸気発生器のいずれかに接続される低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継ぎ手部であってもよい。
【００２８】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、前記配管の軸方向又は円周方向の少なくとも一方にずれて配置されると共に、前記加熱用レーザービームのスポットが、前記配管の表面上において重なり合うように、前記加熱用レーザービームを照射することが好ましい。この構成によれば、広域に亘って任意の強度分布、例えば均一な強度分布を有する加熱用レーザービームとすることができる。
【００２９】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記複数のレーザーヘッドは、更に、前記配管との距離方向にもずれて配置されることが好ましい。この構成によれば、３次元的に任意の強度分布を有する加熱用レーザービームとすることができ、複雑な形状を有する配管に対しても適切に加熱することができる。
【００３０】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記加熱用レーザービームの強度は、個別に調節可能であることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。
【００３１】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドは、レーザービームが入射される球面レンズと、前記球面レンズから出射されるレーザービームを前記配管の表面上において一方向に拡大する拡大光学系とを含むことが好ましい。この構成によれば、レーザービームをスポット形状が楕円のビームとすることができ、任意の方向にスポット系を拡大した形態で照射することができる。
【００３２】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記拡大光学系は、シリンドリカルレンズから構成することができる。
【００３３】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドは、レーザービームを加工する、集光系、ズーム系又はコリメート系の少なくとも一つの系を備えることが好ましい。この構成によれば、加熱用レーザービームの照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりしても、適切な温度分布の加熱を行うことができる。
【００３４】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドから出射されるレーザービームは、１つ又は複数の反射手段を介して、前記配管の表面上に照射されることが好ましい。この構成によれば、レーザービームの光路を反射で折り曲げることができるため、例えばプラント配管近傍等の狭隘部であってもレーザーヘッドを設置することができたり、小スペースで長い光路長とすることができるため、例えば狭隘部であってもビームスポット径を拡大することができる。
【００３５】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記光ファイバ、前記球面レンズ、前記拡大光学系、前記シリンドリカルレンズ、前記集光系、前記ズーム系、前記コリメート系または前記反射手段のうち少なくとも一つを駆動させることにより、前記加熱用レーザービームを前記配管の表面上で走査することが好ましい。この構成によれば、レーザーヘッド自体を大きく走査させずに、又は全く動かすことなく、レーザービームを走査することができる。
【００３６】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザーヘッドは、隣接するレーザーヘッドの間隔、前記配管の表面との距離または前記レーザービームを中心軸とする回転角のうち少なくとも一つを調整する機構を含むことが好ましい。この構成によれば、複数のレーザーヘッド間のアライメントを精密に行うことができる。
【００３７】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザビームを照射し加熱する温度が、固溶化温度以下であることを特徴とする。固溶化温度以下で加熱することによって、被対象物の変形が小さくなり、更に鋭敏化の恐れが無くなる。また、低合金鋼など異材継ぎ手に対しても適用可能となる。
【００３８】
また、上記配管の残留応力改善装置において、前記レーザビームを照射し加熱する領域が２．５√ｒｔ以上であることを特徴とする。溶接部を中心として２．５√ｒｔ（ｒ：管の平均半径、ｔ：管の板厚）以上を均一に加熱することによって、その部分の残留応力を低減することができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の配管の残留応力改善装置によれば、配管の表面の広い範囲を均一に加熱すること（均熱帯の形成）が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
第１  実施の第１形態
１．全体構成
図１は、本発明の実施の第１形態の配管の残留応力改善装置１０の構成を示している。配管の残留応力改善装置１０は、リングレール１と、回転走行台車２と、加熱光学系３とを備えている。リングレール１は、加熱される配管４の周囲を取り囲むように設けられており、回転走行台車２を配管４の円周方向（θ方向）に沿って移動させる軌道として使用される。回転走行台車２は、それに設けられたアーム５によって加熱光学系３を支持している。
【００４１】
加熱光学系３の中には、配管４の外表面にレーザービーム６ａを照射して加熱するためのレーザーヘッド６が複数個、配管４の軸方向（ｚ方向）に並べられて収容されている。レーザーヘッド６の収容にあたっては、溶接部４ａを中心として２．５√（ｒｔ）（ｒ：管の平均半径、ｔ：管の板厚）以上、好ましくは３√（ｒｔ）以上が均一に加熱されるように配置・収容してある。このときの加熱温度は固溶化温度未満とすることが好ましい。配管４の内表面の表面処理を行う場合とは異なり、残留応力の緩和を行う場合には、配管４の外表面にレーザービームを照射する方が、配管の残留応力改善装置１０の装置構成を単純化するために有利である。
【００４２】
図２を参照して、複数のレーザーヘッド６を用いて配管４を加熱することは、配管４の表面の広い範囲を均一に加熱するために好適である。複数のレーザーヘッド６を用いることは、レーザービーム６ａの照射面積を増大させるために有効であるのに加え、配管４の形状に関わらず配管４を均一に加熱することを容易にする。複数のレーザーヘッド６の使用は、それから出射されるレーザービーム６ａの強度を個別に調節することを可能にする。これは、複雑な形状の配管４をより均一に加熱するために有利である。例えば図１を参照して、配管４が曲がる部分では、レーザービーム６ａの配管４の表面におけるスポットの大きさがレーザーヘッド６ごとに異なることがあり得る。この場合、スポットが小さいレーザービーム６ａの強度を弱く、スポットが大きいレーザービーム６ａの強度を強くすることにより、配管４を均一に加熱することが可能である。このように、複数のレーザーヘッド６を用いることは、配管４の形状に応じてレーザービーム６ａの強度を個別に調節することを可能にする。
【００４３】
図２に示されているように、複数のレーザーヘッド６のそれぞれは、光ファイバ８を介してレーザー発振器７に接続されている。レーザー発振器７は、それぞれレーザービーム７ａを発生し、光ファイバ８を介してレーザーヘッド６に供給する。レーザー発振器７は、それぞれが発生するレーザービーム７ａの強度を調節する機能を有している。レーザーヘッド６のそれぞれは、レーザー発振器７から供給されるレーザービーム７ａを拡大してレーザービーム６ａを生成し、配管４の外表面に照射する。レーザービーム６ａが照射されることにより、配管４の所望の部分、例えば、配管４の溶接部４ａの周辺が加熱される。
【００４４】
図３に示されているように、レーザーヘッド６は、それぞれが出射するレーザービーム６ａのスポット６ｂが、配管４の外表面上において強度均一領域を最大化するよう重なり合うように配置されている。これは、レーザービーム６ａのスポット６ｂが中心部から外周に向かう程強度が低下するので、ピーク出力の１０〜９０％の領域を重ねあわせることは、配管４の広範囲な加熱の均一性を高めるために有効である。レーザーヘッド６から出射されるレーザービーム６ａは、回転走行台車２をリングレール１に沿って移動させることによって配管４の円周方向に走査可能である。本実施の形態の配管の残留応力改善装置１０は、レーザービーム６ａを配管４の円周方向に走査することにより、配管４の全体を加熱することができる。
【００４５】
２．配管の残留応力改善装置１０の光学系の構造
図４は、レーザーヘッド６の内部の光学系の好適な一実施形態を示している。図４の実施形態では、レーザーヘッド６には、光ファイバ８に接続されるコネクタ１１と、球面レンズ１２、１３が設けられる。球面レンズ１２、１３は、コネクタ１１から出射されるレーザービームの広がり角度を所望の角度に調節し、配管４に照射されるレーザービーム６ａを生成する。図４の実施形態では、レーザービーム６ａは断面が円形の非平行ビームである。配管４に照射されるレーザービーム６ａとして非平行ビームを使用することは、広い範囲にレーザービーム６ａを照射することを可能にする点で好適である。
【００４６】
レーザービーム６ａとしては、その長軸が配管４の軸方向（ｚ軸方向）に平行な、非平行の楕円ビームが使用されることも可能である。この場合、図５に示されているように、コリメートレンズ１４とシリンドリカルレンズ１５とが、それぞれ球面レンズ１２、１３の代わりに使用される。コリメートレンズ１４は、コネクタ１１から出射されるレーザービームをコリメートする。シリンドリカルレンズ１５は、コリメートレンズ１４から出射されるビームを一方向のみに集光することによって楕円ビームに変形し、配管４に照射されるレーザービーム６ａを生成する。図６Ａに示されているように、レーザーヘッド６は、各レーザービーム６ａのスポット６ｂの長軸が配管４の軸方向に平行であり、且つ、各レーザービーム６ａのスポットが配管４の外表面上において重なり合うように配置されている。このようにすると、レーザービームの軸方向の照射駆動速度を早くすることができ、広範囲を加熱するのに好適である。また、図６Ｂに示されているように、レーザーヘッド６は、各レーザービーム６ａのスポット６ｂの長軸が、配管４の軸方向に垂直であり、且つ、各レーザービーム６ａのスポット６ｂが配管４の外表面上において重なり合うように配置され得る。このようにすると、図６Ａの場合と比べて軸方向への駆動速度は遅くなるが円周方向の照射幅を広めることができる。図５のレーザーヘッド６の構成は、配管４の軸方向について広い範囲にレーザービーム６ａを照射することを可能にする一方、レーザービーム６ａが照射される範囲のエネルギー密度を確保するために好適であり、長軸、短軸の寸法調節により対象に適した加熱状態を付与することが可能である。
【００４７】
レーザービーム６ａとしては、平行ビームが使用されることも可能である。平行、且つ、円形のレーザービーム６ａを生成するためには、図７Ａに示されているように、コリメートレンズ１６、１７が、球面レンズ１２、１３の代わりに使用される。一方、平行、且つ、楕円のレーザービーム６ａを生成するためには、図７Ｂに示されているように、コリメートレンズ１６とシリンドリカルレンズ１８、１９とが、球面レンズ１２、１３の代わりに使用される。加えて、レーザービーム６ａとして円形ビーム、楕円ビームのいずれも使用される場合でも、レーザーヘッド６の配置は、図８Ａ、図８Ｂに示されているように変更される。詳細には、図８Ａに示されているように、レーザーヘッド６は、配管４の軸方向に２列に並べられ、レーザーヘッド６の位置は、列ごとに軸方向にずらされている。各レーザーヘッド６が出射するレーザービーム６ａの光軸の方向は、配管４の半径方向（ｒ方向）に対して斜めに向けられている。これにより、レーザービーム６ａのスポット６ｂが配管４の表面の上で互いに重なり合わされている。
【００４８】
図９に示されているように、一つのレーザー発振器７によって発生されるレーザービーム７ａが分岐されて複数のレーザーヘッド６に供給されることが可能である。この場合、好適には、配管の残留応力改善装置１０の光学系に分岐ミラー２１と出力調整機構２２とが設けられる。分岐ミラー２１とレーザー発振器７とは、光ファイバ２３によって接続され、レーザー発振器７によって発生されたレーザービーム７ａは、光ファイバ２３を介して分岐ミラー２１に供給される。分岐ミラー２１は、レーザービーム７ａを分岐して複数のレーザービームを生成し、出力調整機構２２に供給する。出力調整機構２２は、それに供給される複数のレーザービームの強度を個別に調整してレーザービーム７ａ’を生成し、生成されたレーザービーム７ａ’を、光ファイバ２４を介してレーザーヘッド６に供給する。レーザーヘッド６は、レーザービーム７ａ’から、配管４に照射されるレーザービーム６ａを生成する。図９の構成は、少ない数のレーザー発振器７で配管４に照射されるレーザービーム６ａを生成可能である点で好適である。加えて、図９の構成は、出力調整機構２２によって各レーザーヘッド６が出射するレーザービーム６ａを個別に調整し、配管４をより均一に加熱することを可能にする。
【００４９】
少ない数のレーザー発振器７で、配管４の広い範囲にレーザービーム６ａを照射するためには、図１０に示されているように、レーザーヘッド６を配管４の軸方向に走査するヘッド駆動機構２５が加熱光学系３に設けられることが好適である。レーザーヘッド６の構造としては、図４、図５、図７Ａ、図７Ｂのいずれの構造も採用可能である。レーザーヘッド６が走査されることにより、少ない数のレーザー発振器７を用いてレーザービーム６ａを一層に広い領域に照射することが可能になる。より一層にレーザー発振器７の数を減らすためには、図９の光学系と同様に、レーザー発振器７によって発生されるレーザービーム７ａが分岐されてレーザーヘッド６に供給されることが好適である。この場合にも、出力調整機構が設けられ、レーザーヘッド６が出射するレーザービーム６ａが個別に調整されることが好適である。
【００５０】
３．まとめ
以上に説明されているように、本実施の形態の配管の残留応力改善装置１０は、配管４の表面の広い範囲を均一に加熱するために好適な構成を有している。複数のレーザーヘッド６を用いて配管４を加熱することは、各レーザーヘッド６から出射されるレーザービーム６ａの強度を配管４の形状に応じて個別に調整することを可能にし、配管４の表面の広い範囲をより均一に加熱するために効果的である。
【００５１】
また、一つのレーザー発振器７によって生成されるレーザービーム７ａを分岐して複数のレーザーヘッド６に供給する構成を採用することにより、本実施の形態の配管の残留応力改善装置１０は、少ないレーザー発振器７を用いてレーザービーム６ａを一層に広い領域に照射することができる。
【００５２】
加えて、レーザーヘッド６を軸方向に走査するヘッド駆動機構２５を加熱光学系３に設ける構成を採用することにより、本実施の形態の配管の残留応力改善装置１０は少ないレーザー発振器７を用いてレーザービーム６ａを広い領域に照射するために好適である。
【００５３】
第２  実施の第２形態
図１１を参照して、実施の第２形態では、複数のレーザーヘッド６の代わりに、レーザービームを軸方向に走査する光学機構を備えた一のレーザーヘッド３１が加熱光学系３に搭載される。
【００５４】
レーザーヘッド３１は、ビームエキスパンダー３２と、集光レンズ３３と、固定ミラー３４と、ガルバノミラー３５とを組み合わせ、ガルバノミラー３５を駆動するスキャナー３６とを備えている。ビームエキスパンダー３２は、光ファイバ３８を介してレーザー発振器（図示されない）に接続されている。ビームエキスパンダー３２は、該レーザー発振器によって発生されたレーザービームを、光ファイバ３８を介して受け取り、そのレーザービームを拡大して固定ミラー３４に入射する。入射されたレーザービームを固定ミラー３４によってガルバノミラー３５に入射する。入射されたレーザービームは、配管４の外表面の方向に反射され、集光レンズ３３にて集光され、配管４の外表面に照射される。図１１において、配管４に照射されるレーザービームは、符号３１ａによって示されている。
【００５５】
ガルバノミラー３５の角度はスキャナー３６によって変更可能であり、ガルバノミラー３５の角度が変更されることにより、配管４の外表面に照射されるレーザービーム３１ａが配管４の軸方向（ｚ方向）に走査される。これにより、配管４の外表面の広い範囲にレーザービーム３１ａを照射して加熱することができる。
【００５６】
配管４の均一な加熱を実現するために、配管４に照射されるレーザービーム３１ａの強度は、レーザービーム３１ａの配管４の外表面上のスポットの位置に応じて制御される。このような制御は、具体的には、ガルバノミラー３５の角度に同期して配管４に照射されるレーザービーム３１ａの強度を制御することによって実現される。ガルバノミラー３５が、レーザービーム３１ａの配管４の外表面上のスポットが小さくなるような角度、即ち、配管４とレーザーヘッド３１との距離が小さくなるような角度であるときには、レーザービーム３１ａの強度が弱められる。逆に、ガルバノミラー３５が、レーザービーム３１ａの配管４の外表面上のスポットが大きくなるような角度であるときには、レーザービーム３１ａの強度が強められる。これにより、配管４を均一に加熱することができる。
【００５７】
固定ミラー３４の代わりに、ガルバノミラーが使用されることも可能である。係る構成は、レーザービーム３１ａの走査範囲を一層に大きくするために好適である。
【００５８】
図１２に示されているように、ガルバノミラー３５の代わりに、ポリゴンミラー３７が使用されることも可能である。ポリゴンミラー３７が回転されることにより、レーザービーム３１ａが配管４の軸方向（ｚ方向）に走査される。この場合も、ポリゴンミラー３７の角度に同期して配管４に照射されるレーザービーム３１ａの強度が制御され、これにより、配管４の均一な加熱が実現される。
【００５９】
第３  実施の第３形態
実施の第３形態では、図１３に示されているように、複数のレーザーヘッド６の代わりに、フライアイレンズ４２とシリンドリカルレンズ４５を搭載するレーザーヘッド４１と、ビーム拡大光学系４３とが加熱光学系３に搭載される。レーザーヘッド４１は、光ファイバ４８を介してレーザー発振器（図示されない）に接続されている。ビーム拡大光学系４３は、ミラー４４にて構成されている。
【００６０】
レーザーヘッド４１は、光ファイバ４８から入射されるレーザービームの強度を、フライアイレンズ４２を用いて均一化し、強度が均一化されたレーザービームをシリンドリカルレンズ４５にて楕円ビームを端軸方向に縮小して出射する。レーザーヘッド４１から出射されたレーザービームは、ビーム拡大光学系４３のミラー４４に入射される。
【００６１】
ビーム拡大光学系４３は、レーザーヘッド４１から入射されたレーザービームを、配管４の軸方向に平行な方向に拡大し、拡大されたレーザービームを配管４に照射する。配管４に照射されたレーザービームは、図１３では、符号４１ａで示されている。
【００６２】
本実施の形態の配管の残留応力改善装置は、フライアイレンズ４２を用いてレーザービームの強度を均一化し、強度が均一化されたレーザービームを、配管４の軸方向に拡大して配管４の外表面に照射する。これにより本実施の形態の配管の残留応力改善装置は、配管４の表面の広い範囲を均一に加熱することができる。
【００６３】
＜他の実施形態＞
本実施形態は、パイプの軸方向に長い加熱幅をもたせて、円周方向に連続して回転させた場合である。加熱する装置構成は図１４に示すとおりである。以下、加熱手順について説明する。
【００６４】
（１）予め、同等のパイプ形状の供試体において外面及び内面の温度を計測しながら、加熱試験を行った。加熱は図１４に示すように、ロボットアームにレーザ光学系５０を搭載し、約５００ｍｍ／ｓ（３０ｍ／ｍｉｎ）のスキャン速度で軸方向に往復運動させ、軸方向における約８０ｍｍ（スキャン距離）を加熱した。往復運動の折り返し地点では速度が０となり、入熱が大きくなるため、水冷銅板のシャッター５１を設置して、等速度の領域（シャッター距離）のみを利用して加熱試験を実施した。
【００６５】
レーザ発振器としては、４ｋＷＹＡＧレーザを使用し、発振器から光学系５０までは光ファイバーでレーザ光を伝送した。パイプ５２は回転ポジショナに搭載し、等速度で回転させた。加熱時にはパイプ５２の外面に黒鉛を主成分とする吸収剤を塗布した。内外面の温度が所定の温度となる下記加熱条件（レーザ出力とパイプ５２の回転速度）を決定した。
【００６６】
パイプ形状：直径φ１１４．３ｍｍ，厚さｔ１３．５ｍｍ
パイプ材質：ＳＵＳ３０４（固溶化温度は１０５０℃）
レーザ出力：４ｋＷ（ＹＡＧレーザ）
回転速度：１．４ｍｍ／ｓｅｃ（周速）
内外面の温度差：約４００℃
外面加熱温度：約４５０℃
加熱領域：軸方向に約８０ｍｍ（３√ｒｔ：ｒ＝５７．１５ｍｍ，ｔ＝１３．５ｍｍ）
円周方向に約１５ｍｍ（円周方向のスキャンがないときの加熱幅）
【００６７】
図１５は、軸方向の温度分布図である。同図に示すように、軸方向における約８０ｍｍをほぼ均熱に約４５０℃に加熱することができた。
【００６８】
（２）パイプ５２の表面の２ヶ所に温度計測用に熱電対を設置した。２ヶ所に設置した熱電対は、パイプ５２の表面において対角となる位置（０°と１８０°の位置）に設置した。
【００６９】
（３）決定した上記加熱条件でレーザ光を照射してパイプ５２の周囲１周を加熱した。レーザ光により加熱する箇所以外の内面及び外面は放冷状態とした。また、加熱時の温度履歴を確認するため、前記熱電対から得られた温度履歴を記録計に記録した。
【００７０】
（４）パイプの円周方向の加熱は、円周方向一周に亘って行った。加熱後、パイプ５２は放冷により、室温まで冷却した。図１６は、冷却後のパイプ内面の軸方向の残留応力分布を示す図である。同図には、溶接したまま（加熱施工前）の残留応力分布も併せて図示してある。同図から、レーザ加熱によりパイプの内面の残留応力が低減していることがわかる。
【００７１】
なお、上記実施形態において、レーザー発振器７としては、レーザーダイオードやファイバーレーザーであることが好ましい。また、加熱対象の配管としては、原子炉プラントのステンレス鋼配管、ＢＷＲ（沸騰水型原子力発電）の再循環配管、原子力プラントの原子炉容器、加圧器、蒸気発生器のいずれかに接続される低合金鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の異材継ぎ手部、例えばセーフエンド溶接部（特にニッケル基合金部）等が挙げられる。
【００７２】
また、レーザーヘッド６については、隣接するレーザーヘッド６の間隔の調整、配管４の表面との距離の調整、レーザービームを中心軸とする回転角の調整が可能であることが好ましい。
【００７３】
また、レーザーヘッド６の配列方法については、図２，３に配管４の軸方向に１段配列した例を示したが、レーザーヘッド６を配管４の円周方向にずらして配置すると共にこのヘッド列を軸方向に複数段、設置して、該ヘッド群を配管４の軸方向に走査するようにしたり、レーザーヘッド６を配管４の軸方向にずらして配置すると共にこのヘッド列を円周方向に複数段、設置して、該ヘッド群を配管４の円周方向に走査するようにしたりしてもよい。
【００７４】
この際には、一つのヘッド列と隣接するヘッド列とから照射されるレーザービームが重なるようにしてもよいが（図８Ａを参照。）、重ねずにヘッド列間に間隔をもたせることで、配管表面のある位置において、第１段のヘッド列が通過する際の加熱により配管肉厚方向に温度分布が生じ、該ヘッド列の通過後の冷却に伴って該温度分布の傾斜が緩やかになった後に、第２段のヘッド列が通過する際に再加熱が行われるため、配管の内面から外面に亘ってほぼ均一な温度傾斜を有する温度分布にすることができるという、作用、効果を得ることができる。なお、このとき、最前列の加熱を高周波加熱手段により行ってもよい。
【００７５】
また、レーザーヘッド６の配列方法については、図８Ａに、配管４の軸方向に２列に並べると共に、レーザーヘッド６の位置は列ごとに軸方向にずらすようにした例を示したが、この例に限られず、配管４の軸方向又は円周方向の少なくとも一方にずらして配置すればよい。更に、配管４との距離方向にもずらして配置するとよい。
【００７６】
また、配管４における照射部が、複雑形状であったり、異材部位であったりした場合の対応策として、複数のレーザービーム６ａの強度を個別に制御する例を示したが、この他に、レーザーヘッド６内に、レーザービーム６ａを加工する、集光系、ズーム系又はコリメート系の少なくとも一つの系を備えて、これらを制御するようにしてもよい。
【００７７】
また、例えば、レーザーヘッド６が比較的大きくて、図１０に示すようなヘッド駆動機構２５により駆動することに問題が生じる場合には、図１１，１２において一例を示したように、レンズに対する光ファイバ8,23,24,38,48の位置を変化させたり、球面レンズ12,13、シリンドリカルレンズ15,18,19,45（拡大光学系）、集光系・ズーム系（符号32,33,42等）、コリメートレンズ14,16,17または反射手段34,35,37,44などを駆動させることにより、レーザービーム６ａを配管４の表面上で走査することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明の実施の第１形態に係る配管の残留応力改善装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の第１形態に係る配管の残留応力改善装置の光学系の構成を示す図である。
【図３】図３は、レーザーヘッドから出射されるレーザービームのスポットの形状及び配置を示す平面図である。
【図４】図４は、レーザーヘッドの内部の光学系の構成を示す図である。
【図５】図５は、レーザーヘッドの内部の光学系の他の構成を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、レーザーヘッドから出射されるレーザービームのスポットの、他の形状及び配置を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、レーザーヘッドから出射されるレーザービームのスポットの、更に他の形状及び配置を示す平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、レーザーヘッドの内部の光学系の、更に他の構成を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、レーザーヘッドの内部の光学系の、更に他の構成を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、オシレータの内部におけるレーザーヘッドの好適な配置を示す上面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、オシレータの内部におけるレーザーヘッドの好適な配置を示す側面図である。
【図９】図９は、実施の第１形態に係る配管の残留応力改善装置の光学系の、好適な構成を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の第１形態に係る配管の残留応力改善装置の光学系の、他の好適な構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の第２形態に係る配管の残留応力改善装置のレーザーヘッドの光学系の構成を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の第２形態に係る配管の残留応力改善装置のレーザーヘッドの光学系の他の構成を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の第３形態に係る配管の残留応力改善装置の、オシレータの内部の光学系の構成を示す上面図である。
【図１４】他の実施形態に係る加熱する装置構成を示す図である。
【図１５】軸方向の温度分布図を示す図である。
【図１６】冷却後のパイプ内面の軸方向の残留応力分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１：リングレール
２：回転走行台車
３：加熱光学系
４：配管
５：アーム
６：レーザーヘッド
６ａ：レーザービーム
６ｂ：スポット
７：レーザー発振器
７ａ：レーザービーム
８：光ファイバ
１０：配管の残留応力改善装置
１１：コネクタ
１２，１３：球面レンズ
１４：コリメートレンズ
１５：シリンドリカルレンズ
１６，１７：コリメートレンズ
１８，１９：シリンドリカルレンズ
２１：分岐ミラー
２２：出力調整機構
２３，２４：光ファイバ
２５：ヘッド駆動機構
３１：レーザーヘッド
３１ａ：レーザービーム
３２：ビームエキスパンダー
３３：集光レンズ
３４：固定ミラー
３５：ガルバノミラー
３６：スキャナー
３７：ポリゴンミラー
３８：光ファイバ
４１：レーザーヘッド
４２：フライアイレンズ
４３：ビーム拡大光学系
４４：ミラー
４５：シリンドリカルレンズ
４８：光ファイバ
５０：レーザ光学系
５１：シャッター
５２：パイプ
【図１】
2006015399.tif 000003
【図２】
2006015399.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006015399.tif 000006
【図５】
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【図６Ａ】
2006015399.tif 000008
【図６Ｂ】
2006015399.tif 000009
【図７Ａ】
2006015399.tif 000010
【図７Ｂ】
2006015399.tif 000011
【図８Ａ】
2006015399.tif 000012
【図８Ｂ】
2006015399.tif 000013
【図９】
2006015399.tif 000014
【図１０】
2006015399.tif 000015
【図１１】
2006015399.tif 000016
【図１２】
2006015399.tif 000017
【図１３】
2006015399.tif 000018
【図１４】
2006015399.tif 000019
【図１５】
2006015399.tif 000020
【図１６】
2006015399.tif 000021