(57)【要約】【課題】従来に比べて均一にろう付けを行うことができ、欠陥の補修を良好に行うことのできる欠陥補修装置及び欠陥補修方法を提供する。【解決手段】金属部材に形成された欠陥を補修する欠陥補修装置であって、金属部材の補修箇所に、第１のレーザ光を走査照射するための第１のレーザ光照射機構と、第１のレーザ光が照射された金属部材の補修箇所の複数の部位の温度を測定する温度測定機構と、第１のレーザ光が照射された金属部材の補修箇所に、第２のレーザ光を走査照射するための第２のレーザ光照射機構と、温度測定機構による温度検出結果に基づき、第２のレーザ光の走査照射の状態を制御する制御機構と、金属部材の補修箇所に補修材を供給する補修材供給機構とを具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材に形成された欠陥を補修する欠陥補修装置であって、
前記金属部材の補修箇所に、第１のレーザ光を走査照射するための第１のレーザ光照射機構と、
前記第１のレーザ光が照射された前記金属部材の補修箇所の複数の部位の温度を測定する温度測定機構と、
前記第１のレーザ光が照射された前記金属部材の補修箇所に、第２のレーザ光を走査照射するための第２のレーザ光照射機構と、
前記温度測定機構による温度検出結果に基づき、前記第２のレーザ光の走査照射の状態を制御する制御機構と、
前記金属部材の補修箇所に補修材を供給する補修材供給機構と
を具備したことを特徴とする欠陥補修装置。
【請求項２】
レーザ発振器からのレーザ光を、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とに分割する光分割手段を具備したことを特徴とする請求項１記載の欠陥補修装置。
【請求項３】
金属部材に形成された欠陥を補修する欠陥補修方法であって、
前記金属部材の補修箇所を周囲の環境から遮蔽する環境遮蔽工程と、
環境遮蔽された領域に所定のガスを供給して所定のガス雰囲気としつつ、前記金属部材の補修箇所に第１のレーザ光を照射し、前記金属部材の補修箇所をクリーニング及び加熱する工程と、
前記第１のレーザ光を照射した部位の、前記金属部材の温度を複数箇所で検出する温度検出工程と、
前記温度検出工程による温度検出結果に基づいて照射状態を調整しつつ前記第１のレーザ光を照射した部位に第２のレーザ光を照射する工程と、
前記第２のレーザ光を照射した後、前記金属部材の補修箇所に補修材を供給して溶融させ、前記欠陥の内部又は表面に補修部を形成する工程と、
を具備したことを特徴とする欠陥補修方法。
【請求項４】
前記第２のレーザ光を照射した後、前記第２のレーザ光を照射した部位の温度を複数箇所で検出する第２の温度検出工程を具備し、
前記第２の温度検出工程において検出された温度が所定温度範囲内の場合に、前記金属部材の補修箇所に補修材を供給する
ことを特徴とする請求項３記載の欠陥補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、欠陥補修装置及び欠陥補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントの炉内構造物や機器は、長期間使用すると応力腐食割れなどの欠陥が発生する可能性がある。欠陥が発生した場合には、その構造物全体を交換するか、あるいは補助金具を取り付けるなどの処置が施されている。また、欠陥全体の補修方法としては、ＴＩＧ溶接などが検討されている。しかしながら、ＴＩＧ溶接は、基本的に基材とトーチ電極との間にアークを発生させながら基材を溶融する方法なので、基材に酸化皮膜が付着していたり、開口欠陥の内部に酸化物が付着していたり、水が入り込んでいる場合には、アークが不安定になり安定した溶接が行えない欠点がある。
【０００３】
このため、近年レーザ溶接による補修法が提案されている。レーザ溶接による補修法によれば、構造物に発生した欠陥を除去し、または欠陥の表面開口部を封止すると共に、補修溶接部の表面における引張残留応力を低減して欠陥の再発生を抑制することが可能である。
【０００４】
一方、ガスタービンやジェットエンジンなど高温熱サイクルが負荷される機器において、静翼などの部材に欠陥が発生した場合には、拡散ろう付による補修方法が用いられている。拡散ろう付は、基材成分を含む粉末にろう材成分の粉末を混合してペースト状にし、クリーニングした補修部に塗布して加熱することでろう材を溶融させて拡散浸透させる技術である。
【０００５】
拡散浸透させることで、ろう付部は基材とほぼ同等の強度が得られるが、加熱炉を用いて静翼を加熱する必要があるため、加熱炉に入る大きさの物の補修に限定される欠点がある。また、欠陥部のクリーニングについても、本当に欠陥内部までクリーニングできたかどうかその場で確認できないという欠点、仮にフラックスを用いたろう材を用いるとフラックスの残存により品質が低下する可能性があるという欠点がある。
【０００６】
こうした課題を解決するために、蒸気弁の弁座肉盛施工部分の欠陥補修方法として、加熱炉を用いずに拡散ろう付を行う方法が提案されている。この方法では、蒸気弁の弁座肉盛施工部分の欠陥部に補修材を設けるとともに、欠陥部が不活性ガス雰囲気となるようにシールド板を設け、欠陥部近傍に不活性ガスを吹き付けながらレーザ光を照射して加熱することで補修材を欠陥部に浸透させる。この方法では、フラックスを用いずに不活性ガスを吹きつけながらレーザ光を照射して被補修部材を欠陥部に浸透させるので、酸化作用の影響を回避して、より高い品質の補修が可能となる（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２８４０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のレーザ光を用いた拡散ろう付による欠陥補修方法では、レーザビームの中心部に高いピークを持つガウス分布型の強度分布となっているレーザ光を用いている。そのため、高いピークを中心とした温度上昇となるため、被補修対象物の加熱領域に温度勾配が発生し易い。また、大型の被補修対象物を対象とした場合加熱領域の中央部と端部においても温度勾配が発生し易い。このため、レーザ光での加熱後にろう材を供給するとその温度勾配が原因でろう材の拡がりにばらつきが生じ、結果的に不均一なろう付けしか得られないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて均一にろう付けを行うことができ、欠陥の補修を良好に行うことのできる欠陥補修装置及び欠陥補修方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の欠陥補修装置の一態様は、金属部材に形成された欠陥を補修する欠陥補修装置であって、前記金属部材の補修箇所に、第１のレーザ光を走査照射するための第１のレーザ光照射機構と、前記第１のレーザ光が照射された前記金属部材の補修箇所の複数の部位の温度を測定する温度測定機構と、前記第１のレーザ光が照射された前記金属部材の補修箇所に、第２のレーザ光を走査照射するための第２のレーザ光照射機構と、前記温度測定機構による温度検出結果に基づき、前記第２のレーザ光の走査照射の状態を制御する制御機構と、前記金属部材の補修箇所に補修材を供給する補修材供給機構とを具備したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の欠陥補修方法の一態様は、金属部材に形成された欠陥を補修する欠陥補修方法であって、前記金属部材の補修箇所を周囲の環境から遮蔽する環境遮蔽工程と、環境遮蔽された領域に所定のガスを供給して所定のガス雰囲気としつつ、前記金属部材の補修箇所に第１のレーザ光を照射し、前記金属部材の補修箇所をクリーニング及び加熱する工程と、前記第１のレーザ光を照射した部位の、前記金属部材の温度を複数箇所で検出する温度検出工程と、前記温度検出工程による温度検出結果に基づいて照射状態を調整しつつ前記第１のレーザ光を照射した部位に第２のレーザ光を照射する工程と、前記第２のレーザ光を照射した後、前記金属部材の補修箇所に補修材を供給して溶融させ、前記欠陥の内部又は表面に補修部を形成する工程と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、従来に比べて均一にろう付けを行うことができ、欠陥の補修を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を説明するための図。
【図２】本発明の一実施形態に係る欠陥補修方法を示すフローチャート。
【図３】本発明の第１実施形態に係る欠陥補修装置の概略構成を示す図。
【図４】図３の欠陥補修装置の要部構成を示す図。
【図５】図３の欠陥補修装置において補修材を供給する状況を示す図。
【図６】レーザ光の強度分布を示す図。
【図７】レーザ光の集光状況を示す図。
【図８】欠陥補修状況を示す図。
【図９】本発明の第２実施形態に係る欠陥補修装置の概略構成を示す図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る欠陥補修装置の概略構成を示す図。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る欠陥補修装置の概略構成を示す図。
【図１２】水中で欠陥補修を行う実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態の構成を説明するための図である。この実施形態では、第１のレーザ光２ａと、第２のレーザ光２ｂを、被補修対象物の加熱領域１３に照射して欠陥を補修する。なお、被補修対象物の加熱領域１３は後述する環境遮蔽機構３１によって、周囲の環境から遮蔽され、後述する雰囲気ガス供給機構３２によって、所定の雰囲気ガスが充填された状態となっている。本実施形態では、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂは、所定の長さ（例えば、１０ｍｍ〜５０ｍｍ）を有するライン状とされており、第１のレーザ光２ａと第２のレーザ光２ｂとの間には、例えば１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の間隔が設けられている。なお、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂは、ライン状のビームに限らずスポット状のビームを用い、ライン状に走査してもよい。
【００１６】
また、図１中に×印で示す温度測定点５１１〜５１４において、後述する検出機構３０により被補修対象物の加熱領域１３の表面の温度を測定するようになっている。なお、図１中に示す矢印の方向が、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの走査方向となっている。
【００１７】
したがって、図２のフローチャートにも示すように、被補修対象物の加熱領域１３に第１のレーザ光２ａを照射した後（ステップ１０１）、温度測定点５１１、温度測定点５１２において表面の温度を測定する（ステップ１０２）。この後、第２のレーザ光２ｂを被補修対象物の加熱領域１３に照射し（ステップ１０３）、その後、温度測定点５１３、温度測定点５１４において温度を測定するようになっている（ステップ１０４）。ここで、第２のレーザ光２ｂを照射する際に、ステップ１０２における温度測定結果に基づいて、ステップ１０３における第２のレーザ光２ｂの照射状態（出力、スポット形状、走査軌道等）を調整する。
【００１８】
温度測定点５１１及び温度測定点５１３は、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂが照射された部位のうち、ビームの略中央部に対応する部位の温度を測定するためのもので、温度測定点５１２及び温度測定点５１４は、ビームの端部近傍に対応する部位の温度を測定するためのものである。被補修対象物は、原子炉内の構造物等大型のものであり、このため第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂが照射された部位のうち、ビームの略中央部に対応する部位の温度よりビームの端部近傍に対応する部位の温度の方が低下する傾向にある。
【００１９】
補修材を供給して所定の範囲に補修材を拡散させる場合、加熱領域（補修領域）内の金属部材表面の温度分布にばらつきが生じると、補修材の拡がりにもばらつきが生じる。すなわちこの場合、補修材の拡散範囲が所定の範囲以下になったり、拡散後の補修材の厚みが変動することが想定される。このため、本実施形態では、温度測定点５１１、温度測定点５１２における温度測定の結果に基づいて第２のレーザ光２ｂの照射状態（出力、スポット形状、走査軌道等）を調整することによって、加熱領域内の温度を所定の温度範囲内、すなわち最高温度の部分が高過ぎる温度にはならず、かつ、最低温度の部分が低過ぎる温度とならないようにする。また、更には温度の低い部分へのレーザ照射量が多くなるようにして加熱領域内の温度分布を均一化する。
【００２０】
そして、第２のレーザ光２ｂを照射した後、温度測定点５１３、温度測定点５１４における温度測定の結果が所定の温度範囲内である場合は、被補修対象物に対して補修材を供給し補修を行う（ステップ１０６）。この後、補修状態を確認し（ステップ１０７）、補修状態が良好であれば処理を終了する。
【００２１】
一方、被補修対象物の温度測定の結果が所定の温度範囲内でない場合は、再度ステップ１０１からの処理を実施する。また、補修状態が良好でない場合についても、再度ステップ１０１からの処理を実施する。
【００２２】
上記のように本実施形態では、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを用い、第１のレーザ光２ａの照射後の温度測定結果に基づいて、第２のレーザ光２ｂの照射状態を調節することによって、加熱領域１３内の各部の温度を所定の温度範囲内とし、また温度分布を均一化することができる。これによって、補修材の溶融状態を均一化することができ、所定の領域内に所定量の補修材を均一に供給することができる。
【００２３】
次に、実施形態に係る欠陥補修装置１００の構成について説明する。図３は、本実施形態に係る欠陥補修装置１００の概略構成を模式的に示すものである。この欠陥補修装置１００は、レーザ光２を発生させるレーザ発振器１を具備しており、レーザ光２を用いて被補修対象物１１に形成された欠陥（き裂）１２を補修する。本実施形態では、レーザ発振器１として、ダイレクトダイオードレーザを用いている。
【００２４】
欠陥補修装置１００は、被補修対象物１１のレーザ光２の照射部位近傍に配設される筺体（照射ヘッド本体）３を具備しており、この筺体３とレーザ発振器１との間は、導光管、光ファイバ、レンズ、ミラー等の光学機器を組み合わせて構成されたレーザ光伝送機構４によって接続されている。筺体３は、図３中下側が開口された容器状に形成されている。この筺体３には、筺体３と同様に図３中下側が開口された容器状の構造物からなる環境遮蔽機構３１が配設されている。これらのレーザ光伝送機構４、筺体３、環境遮蔽機構３１によって、レーザ発振器１からのレーザ光２が、外部環境と隔離された状態で、被補修対象物１１の照射位置まで伝送される構成となっている。
【００２５】
筺体３内には、レーザ光反射機構としてのガルバノミラー５が配設されている。また、筺体３内には、レーザ光２の光路内に位置するように、光分割手段６が配設されている。この光分割手段６によって、レーザ光２は、所定の出力比（例えば、第１のレーザ光出力／第２のレーザ光出力＝４／１〜９／１等）の２つのレーザ光（第１のレーザ光２ａと第２のレーザ光２ｂ）に分割され、被補修対象物１１表面に照射される。さらに、ガルバノミラー５を駆動することによって、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを走査し、被補修対象物１１における照射位置を変更できるようになっている。なお、光分割手段６を用いずに、２つのレーザ発振器１を用いてもよい。
【００２６】
図３には、光分割手段６によって分割された第２のレーザ光２ｂを照射する機構が示されており、図３において図面に垂直な奥方向に、同様な構成の第１のレーザ光２ａを照射するための機構（図４参照）が配置されている。そして、図４に矢印で示すように、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射位置を第１のレーザ光２ａ側（図４中左方向）に走査する構成となっている。
【００２７】
図３に示すように、筺体３には、環境遮蔽機構３１内に位置するように、補修材塗布機構２３が配設されている。この補修材塗布機構２３は、補修材伝送機構２２を介して補修材供給機構２１に接続されている。補修材塗布機構２３は、駆動機構を有しており、補修材供給機構２１から供給される補修材２４を、図５に示すように、環境遮蔽機構３１によって覆われた被補修対象物１１の表面の所定範囲に供給可能とされている。補修材供給機構２１には、補修材２４を予熱するためのヒータからなる図示しない加熱機構が配設されている。
【００２８】
さらに、環境遮蔽機構３１には、雰囲気ガス供給機構３２が配設されており、図示しないポンプやタンク等で構成される流体供給源から環境遮蔽機構３１内に所定のガス、例えば、Ａｒ等の不活性ガス、又は水素ガス等の還元ガスを含む不活性ガスを供給できるようになっている。
【００２９】
また、本実施形態の欠陥補修装置１００は、複数の検出機構３０（図３には１つのみ図示。）を具備している。この検出機構３０としては、例えば、赤外線センサーを用いることができる。赤外線センサーを用いれば、被補修対象物１１表面の温度を検出することができ、また、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを照射した際の温度差により欠陥１２の位置を検出することができる。検出機構３０として、赤外線センサーに加えて、例えば、超音波探傷センサーや渦電流探傷センサーを用いれば、欠陥１２の位置や深さも検出することができる。
【００３０】
検出機構３０によって検出された検出信号１４は、制御部１９に入力されるようになっている。そして、制御部１９は、検出機構３０からの検出信号１４に基づいて各部の動作を制御する。
【００３１】
具体的には、検出機構３０からの検出信号１４が温度検出信号の場合、制御部１９は、走査軌道指令信号１５によってガルバノミラー５の駆動を制御し、分割比指令信号１６で光分割手段６におけるレーザ光２の出力の分割比を制御し、出力指令信号１８でレーザ発振器１からのレーザ光２の出力を制御する。また、制御部１９は、補修材供給指令信号１７によって補修材供給機構２１からの補修材２４の供給を制御する。これによって、被補修対象物１１表面の温度分布を均一化し、補修材の溶融状態を均一化する。
【００３２】
ここで、従来の欠陥補修装置では、被補修対象物の表面に照射されるレーザ光が、図６（ａ）に示すように中心の強度が高いガウス分布型のレーザ光となっている。そのため、レーザ光を、被補修対象物の表面に照射した場合、レーザ光が照射された部位の中央部近傍だけが強く加熱され、被補修対象物の表面を均一に加熱することが困難となる。また、光学系によりレーザ光を集光すると、使用する光学系の仕様にもよるが、図７（ａ）に示すように、焦点を結んで前後に一定の広がり角を有するレーザ光が形成される。ここで、ろう付に使用するレーザ光のビーム径が、例えば焦点の前後のビーム径と仮定するとａ１の範囲、焦点よりも大きなビーム径であれば、例えばａ２乃至ａ２’の範囲において加工を行うことができる。しかし、裕度が狭い欠点がある。
【００３３】
これに対し、本実施形態において、ダイレクトダイオードレーザからなるレーザ発振器１から照射されたレーザ光２は、図６（ｂ）に示すように明確にピーク強度の高い部位を持たない、強度の均一なトップハット型のレーザ光である。このため、仮にレンズを用いて集光したとしても、焦点がガウス分布の場合のように小さく絞られることはない。その結果、図７（ｃ）に示すように、使用可能なレーザ光２の範囲Ｃ１を広くとれ、裕度が広くなる。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、レーザ発振器１としてダイレクトダイオードレーザを用いることで、レーザ光２の強度分布としてトップハット型強度分布が得られ、光学系の設定により定めた一定の範囲を均一に加熱することができる。ガウス分布型のレーザ光を用いていた従来は、焦点裕度範囲が小さいため、高精度に機器を制御する必要があったが、トップハット型の強度分布を有するレーザ光２を用いた場合、レーザ光２（第１のレーザ光２ａ、第２のレーザ光２ｂ）を小さい径に絞ることができない反面、一定のビーム径を保ったままの状態を焦点距離方向に長く保つことが可能となるため、従来に比べて機器の制御が容易となる。
【００３５】
上記構成の欠陥補修装置１００を用いた欠陥補修では、先ず、環境遮蔽機構３１を被補修対象物１１の欠陥１２の部位に設置し、欠陥１２及びその周囲の加熱範囲の環境を外部と遮断する環境遮蔽工程を実施する。この場合、例えば、図３、図４に示すように、環境遮蔽機構３１は、被補修対象物１１に第１のレーザ光２ａ、第２のレーザ光２ｂが照射される範囲をカバーするように配置される。
【００３６】
次に、環境遮蔽手段３１によって環境遮断された領域（環境遮蔽手段３１の内部）に、雰囲気ガス導入口３２を介して所定の雰囲気ガス３３を充填する。
【００３７】
次に、雰囲気ガス３３を供給しつつ、被補修対象物１１に、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを照射し、被補修対象物１１のクリーニング及び加熱を行う。この場合、ガルバノミラー５を駆動することによって、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂをライン状に走査し、かつ、図４に矢印で示すように、図示しない駆動機構により、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射位置を走査する。なお、図３に模式的に加熱範囲１３を示す。
【００３８】
このように、本実施形態では、ガルバノミラー５で第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを走査するので、照射範囲が広くなり、筺体３（照射ヘッド本体）が被補修対象物１１と干渉する可能性を低減することができ、さらに、高速で走査することができるため一定の範囲を均一に加熱することができる。なお、図１に示したようにライン状の第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを用いた場合、上記したガルバノミラー５による走査は行わない。
【００３９】
なお、ガウス分布型の強度分布を有するレーザ光を用いた場合、局部的に急激に温度が上昇するため、一定の領域を加熱するためには被補修対象物１１を溶融させなければならない場合が多く、また急激に温度が低下するために均一な温度とすることができる範囲が狭くなる。一方、本実施形態ではトップハット型の強度分布を有するレーザ光を用いているため、被補修対象物１１の温度は局部的に急激に上昇することはなく、徐々に温度が上昇していくようになり、一定の範囲を所定の温度に加熱できる。また、加熱温度については用いる補修材２４の融点に応じて決定され、被補修対象物１１を溶融させることなく所定の温度に加熱することができる。さらに、図示しないロボットと組合せれば、複雑な形状の被補修対象物１１にも対応も可能となる。
【００４０】
ここで、雰囲気ガス３３として、還元性ガス（例えば水素ガスを含む不活性ガス）を供給しながら第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを照射することで、被補修対象物１１の表面に存在する酸化物を除去してクリーニングすることが可能となる。なお、還元反応を連続して行うために、水素ガスを含む不活性ガスは、供給と吸引を繰り返して行うことが望ましい。雰囲気ガス３３としては、アルゴン、窒素などの不活性なガスのみを供給してもよい。また、雰囲気ガスの導入口を図示しない真空ポンプと接続すれば、環境遮蔽機構３１の内部を減圧雰囲気として第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射を行うことも可能となる。
【００４１】
図５に示すように、補修材塗布機構２３は、駆動機構を具備しており、塗布方向（図５中矢印で示す。）を第２のレーザ光２ｂの照射範囲において変えることが可能であり、補修範囲全面に補修材２４を塗布することができる。補修材２４の形態としては、基材粉末とろう材粉末とを混合した粉末や、この粉末にバインダーを混合してペースト状にしたもの等を好適に使用することができる。また、ワイヤ、コアードワイヤ、シートなどの形態のものでもよい。
【００４２】
供給する補修材２４が粉末形状の場合には、不活性ガス流などにより供給することができる。また、ワイヤやシートのような形状の場合には、予め円筒状の芯に巻きつけたワイヤやシートを回転トルクで押し出すなどの方法を用いて供給することができる。
【００４３】
第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射により予め所定温度に加熱された被補修対象物１１表面に、補修材２４が供給されると、被補修対象物１１の熱により補修材２４が溶融する。補修材２４の溶融による補修の態様は、被補修対象物１１の予熱温度と用いる補修材の融点により異なる。例えば、図８（ａ）に示すように欠陥表面を覆った状態、図８（ｂ）に示すように欠陥の表面近傍まで補修材２４が浸透した状態、図８（ｃ）に示すように欠陥の内部まで完全に補修材２４が浸透した状態などを使い分けることが可能である。
【００４４】
以上の工程により、欠陥補修装置１００を用いた被補修対象物１１の欠陥１２の補修が完了する。補修終了後に検出機構３０を用いて表面の状態を検出することにより、欠陥補修状態、表面に形成された補修材２４の厚さなどを測定することができ、補修処理後の補修部の品質についても情報を得ることができる。この結果補修が不十分な場合は、再度第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射及び補修材２４の供給等を実施する。
【００４５】
ところで、予熱した被補修対象物１１に、常温の補修材２４を塗布すると、予熱温度が低下する可能性がある。このため、補修材２４を予備加熱するための加熱機構２５を設けることが好ましい。補修材２４の予熱は、ヒータにより加熱する方法の他、例えばワイヤであれば電気を流して温度を上昇させるなどの方法を用いることができる。
【００４６】
補修材２４を塗布する際、補修材２４が供給された箇所に第１のレーザ光２ａ、第２のレーザ光２ｂを照射すると補修材２４が過熱されてしまう。このため、被補修対象物１１を第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂで加熱後、補修材２４を供給することで、被補修対象物１１表面の温度低下を防止し、かつ補修材２４によって形成される補修部の品質を安定させることができる。
【００４７】
また、補修材２４の供給時の温度低下を防止する方法としては、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射によって加熱された部位に補修材２４を供給しつつ、他の部位に第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを照射して加熱を行う方法、補修部を複数の領域に分割して第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射と補修材２４の供給を交互に行う方法などを用いることもできる。一方で、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射によって加熱した後、補修材２４を供給する際に補修材２４の温度が高くなりすぎると、供給された補修材２４が球状になってしまう可能性がある。補修材２４と被補修対象物１１は、同程度の温度であることが好ましい。
【００４８】
また、被補修対象物１１表面で溶融した補修材２４について、第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂにより再加熱することで、例えば、図８（ｄ）に示すように、被補修対象物１１の欠陥１２内へ溶融した補修材２４を拡散させて充填することも可能である。このように拡散処理を行うことで、補修部は被補修対象物１１の基材とほぼ同等の強度まで回復することができる。拡散処理の際には、第１のレーザ光２ａ、第２のレーザ光２ｂの照射中に検出機構３０で、欠陥１２の周辺の情報を検出し、照射時間や範囲を調整することも可能である。
【００４９】
例えば、加圧水型原子力発電所の炉内計装筒や管台、沸騰水型原子力発電所のシュラウド、スタブチューブなどに代表される原子炉炉内構造物の溶接部や溶接部近傍の熱影響部で応力腐食割れが発生した場合、本実施形態の欠陥補修装置１００により欠陥を補修することが可能である。欠陥を補修することで、原子炉炉内構造物の信頼性向上を図れ、寿命を延伸することが可能となる。
【００５０】
図９は、レーザ光２の強度分布がガウス分布のレーザ発振器１を用いた場合の第２実施形態の欠陥補修装置２００の構成を示す図である。図９に示すようにレーザ発振器１から照射され、光ファイバ等からなるレーザ光伝送機構４によって伝送されたガウス分布のレーザ光２を、ホモジナイザを含む光学系３４を用いてビーム強度分布を図６(ｂ)に示すようなトップハット型とし、また集光する。これによって、図３に示した欠陥補修装置１００と同様の効果が得られる。ホモジナイザは、レーザ発振器１とガルバノミラー５の間であればどこに配置してもよい。なお、欠陥補修装置２００において、他の部分は前述した図３に示す欠陥補修装置１００と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００５１】
ガウス分布のレーザ光を用いた場合でも、ホモジナイザ等を用いて強度分布を均一化することにより、レーザ光の状態が、例えば図７（ｂ）に示すように均一に拡散した状態となり、図７（ａ）に示す通常のガウス分布のレーザ光の場合と比較して、裕度を広く取ることが可能となる。
【００５２】
また、図１０に示す第３実施形態の欠陥補修装置３００のように、上記したホモジナイザを含む光学系３４等からなるレーザ光の照射機構をロボットアーム５１の先端に取り付け、ロボットアーム５１によって走査する構成とすることもできる。この場合、ガルバノミラー５ほどの高速な走査はできないが、より複雑な形状を走査することができる。例えば、曲面を持つ金属構造物の表面に沿った走査軌道や停止と移動を繰り返す走査軌道などが挙げられる。この場合、レーザ発振器１から出たレーザ光２を、レーザ光伝送機構４に送る前に光分割手段６を用いて所定の出力比に分割し、２台のロボットアーム５１で第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂを照射する構成とすることもできる。なお、欠陥補修装置３００において、他の部分は前述した図３に示す欠陥補修装置１００と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００５３】
次に、図１１を参照して、第４実施形態に係る欠陥補修装置４００について説明する。図１１に示す欠陥補修装置４００は、流体３４を噴出するための流体噴出機構からなる環境遮蔽機構３５を具備している。なお、欠陥補修装置４００において、他の部分は前述した図３に示す欠陥補修装置１００と同様に構成されているので、対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００５４】
上記構成の欠陥補修装置４００において、補修部を周囲の環境と遮蔽するために用いる流体３４としては、水などの液体の他に、アルゴンや窒素などの不活性なガスに代表される気体を用いてもよい。環境遮蔽機構３５から流体３４を噴出することにより、レーザ照射部位近傍に大気や水蒸気など酸素を含む流体が浸入することを防止することができる。さらに、雰囲気ガス供給機構３２から雰囲気ガス３３を供給しながら第１のレーザ光２ａ及び第２のレーザ光２ｂの照射を行うことで、加熱部位周辺を所定のガス雰囲気として加熱することが可能となる。また、環境遮蔽機構３５を可動式とすることで、レーザ加熱範囲に応じて任意に遮蔽範囲を設定することが可能となる。
【００５５】
なお、図１２に示すように、欠陥補修装置１００によれば、環境遮蔽機構３１で周囲の環境と遮蔽しつつ、容器状の構造物である環境遮蔽機構３１内に、雰囲気ガス供給機構３２から雰囲気ガス３３を供給することにより、水５０の中で欠陥１２を補修することができる。この場合、レーザ発振器１を大気中に配置し、レーザ光伝送機構４によってレーザ光２を水５０の中まで伝送させる構成とすることが好ましい。
【００５６】
以上の通り、本実施形態では、被補修対象物１１の一定の範囲を均一に加熱することができ、かつ、補修材２４が局部的に蒸発することや、基材が深く溶け込むことによって補修材２４成分が希釈するなどして、ろう付けの状態が不均一になることがなく、良好に欠陥１２の補修を行うことができる。
【００５７】
さらに、レーザ加熱後に検出機構３０を用いて表面の検査を行うことにより、欠陥補修状態、表面に形成された補修材２４の厚さなどを測定することができ、処理後の補修部の品質についても情報を得ることが可能となる。
【００５８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１……レーザ発振器、２……レーザ光、２ａ……第１のレーザ光、２ｂ……第２のレーザ光、３……筺体、４……レーザ光伝送機構、５……ガルバノミラー、６……光分割手段、１１……被補修対象物、１２……欠陥、１４……検出信号、１５……走査軌道指令信号、１６……分割比指令信号、１７……補修材供給指令信号、１８……出力指令信号、１９……制御部、２１……補修材供給機構、２２……補修材伝送機構、２３……補修材塗布機構、２４……補修材、２５……加熱機構、３０……検出機構、３１……環境遮蔽機構、３２……雰囲気ガス供給機構、３３……雰囲気ガス、１００……欠陥補修装置。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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