(57)【要約】【課題】パルス放電肉盛法では、被工作物表面上に液滴を多数堆積することにより肉盛部を形成するため、液滴間の密着不良及びガスの混入に起因する空隙の残存が懸念される。肉盛部表面に空隙が表れると、その箇所から腐食やき裂が進展し、耐食性及び機械的強度の低下を引き起こす可能性がある。【解決手段】パルス放電により電極材を溶融させ被工作物に肉盛部を形成するパルス放電肉盛方法において被工作物を加熱した後に、被工作物にパルス放電肉盛を施工する。これにより、肉盛部の空隙を低減することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス放電により電極材を溶融させ被工作物に肉盛部を形成するパルス放電肉盛方法において、前記被工作物を加熱した後、前記被工作物にパルス放電肉盛を施工することを特徴とするパルス放電肉盛方法。
【請求項２】
パルス放電により電極材を溶融させ被工作物に肉盛部を形成するパルス放電肉盛方法において、前記肉盛部の空隙率が０．５％  以下となる温度に前記被工作物を加熱した後、前記被工作物にパルス放電肉盛を施工することを特徴とするパルス放電肉盛方法。
【請求項３】
パルス放電により電極材を溶融させ被工作物に肉盛部を形成するパルス放電肉盛方法において、
前記被工作物の材質並びにパルス放電肉盛で用いる電極材及びシールドガスに基づいて、前記被工作物の加熱温度を選定し、
前記選定した温度に前記被工作物を加熱し、
前記電極材及び前記シールドガスを用いて、前記被工作物にパルス放電肉盛を施工することを特徴とするパルス放電肉盛方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記被工作物はＳＵＳ３０４ステンレス鋼であり、電極材はインコネル６００であり、シールドガスはアルゴンであり、前記被工作物の加熱温度は１００℃以上１３０℃未満であることを特徴とするパルス放電肉盛方法。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記被工作物はＳＵＳ３０４ステンレス鋼であり、電極材はＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼であり、シールドガスはアルゴンであり、前記被工作物の加熱温度は４０℃以上８０℃未満であることを特徴とするパルス放電肉盛方法。
【請求項６】
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記被工作物はＳＵＳ３０４ステンレス鋼であり、電極材はＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼であり、シールドガスは窒素であり、前記被工作物の加熱温度は５０℃以上８０℃未満であることを特徴とするパルス放電肉盛方法。
【請求項７】
パルス電源と、
パルスが印加される電極と、
前記電極と被工作物表面との間にシールドガスを供給するガス供給装置と、
前記電極を前記被工作物表面上で走査させる走査装置と、
前記被工作物の温度を調整する温度調整装置と、を備えることを特徴とするパルス放電肉盛装置。
【請求項８】
請求項７において、前記温度調整装置が調整する前記被工作物の温度は、パルス放電肉盛により形成される肉盛部の空隙率が０．５％  以下となる温度であることを特徴とするパルス放電肉盛装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス放電を利用した被工作物表面の肉盛方法における肉盛部の空隙低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
経年劣化や摩耗により生じる被工作物表面のき裂及び減肉等の損傷箇所を肉盛することで、元来の特性を維持させる要求がある。肉盛方法の中で代表的なものとして、プラズマ肉盛法が挙げられる。同法は、プラズマアークなどの熱源の中にワイヤ状の肉盛材料を投入し、熱源の中でその先端部を溶融させ、被工作物表面に付着させて肉盛するものである。同法によれば、厚い肉盛部を得ることが出来るが、肉盛部の温度が上昇するため被工作物の熱変形が生じる問題がある。
【０００３】
このことから、低入熱で施工できる肉盛技術が求められている。低入熱で施工できる肉盛技術として、パルス放電肉盛法がある（例えば、非特許文献１参照）。パルス放電肉盛法とは、電極と被工作物の間にパルスで電圧を印加することにより放電させ、放電時に発生するジュール熱及びアーク熱により電極先端を溶融させ、電極の溶融により発生した液滴を被工作物の損傷箇所に堆積させることにより肉盛する方法である。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｐａｒｋ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，  Ｒｏｇｅｒ  Ｎ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｔ．Ｓ  Ｓｕｄａｒｓｈａｎ  ａｎｄ  Ｄ．Ｇ  Ｂｈａｔ  Ｔｈｅ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９８８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パルス放電肉盛法では、被工作物の損傷箇所に液滴を多数堆積することにより肉盛する。そのため、プラズマ肉盛法とは異なり、被工作物表面上に溶融池は形成されない。そのため肉盛部内に液滴間の堆積不良及びガスの混入に起因する空隙の残存が懸念される。肉盛部表面に空隙が存在すると、その箇所から腐食やき裂が進展し、耐食性及び機械的強度の低下を引き起こす可能性がある。
【０００６】
本発明は、パルス放電肉盛法を用いて被工作物表面の損傷箇所を肉盛する際に、肉盛部の空隙を低減する方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
パルス放電により電極材を溶融させ被工作物に肉盛部を形成するパルス放電肉盛方法において、被工作物を加熱した後に、被工作物にパルス放電肉盛を施工する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
発明者がパルス放電肉盛法について検討した結果、パルス放電肉盛施工前に被工作物を雰囲気温度以上に加熱することにより肉盛部の空隙率が減少することを、新たな知見として得た。以下、その実験方法と結果について説明する。
【０００９】
予め被工作物を加熱した後にパルス放電肉盛を施工した場合における肉盛部空隙率と被工作物温度との関係を図１に示す。図１（ａ）は本実験の施工条件を示しており、図１（ｂ）は肉盛部空隙率の被工作物温度依存性を示している。本実験での空隙率は、肉盛部断面組織を倍率１０００倍にて観察し、視野全体に占める空隙の面積比として評価した。また、被工作物はＳＵＳ３０４ステンレス鋼であり、電極材はＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼及びインコネル６００材、シールドガスは純アルゴン及び純窒素を用いた。図１（ｂ）から、何れの電極材とシールドガスの組合せ条件においても、パルス放電肉盛施工前に予め被工作物を雰囲気温度（２７℃）以上に加熱しておくことにより、加熱しない場合に比べ、空隙率を減少できることが分かった。
【００１０】
ここで、空隙率と浸透探傷試験の関係について説明する。図２（ａ）は浸透探傷試験の概略、図２（ｂ）は浸透探傷試験による肉盛部表面の開口欠陥の検出感度と肉盛部の空隙率との関係を測定した結果である。図２（ａ）に示すように、浸透探傷試験は、（１）被工作物表面に浸透液を塗布し、（２）過剰な浸透液を洗浄し、（３）被工作物表面に現像液を塗布することにより行われる。（３）において、探傷箇所の浸透液が浸出することにより、開口欠陥が検出される。図２（ｂ）の測定結果から、肉盛部の空隙率が０．５％  以下であれば浸透探傷試験による開口欠陥が検出限界以下となることがわかった。ここで、浸透探傷試験による開口欠陥が検出限界以下となっていれば、肉盛部の品質基準を満たすこととなる。また、空隙率が０．５％  より大きい場合は、開口欠陥が検出されることとなるが、この場合でも、開口欠陥同士の距離間隔が基準値以上であること等を満たせば、肉盛部の品質基準を満たすこととなる。従って、肉盛施工の際には、まず、浸透探傷試験において、当該肉盛部が開口欠陥検出限界以下、つまり空隙率が０．５％  以下となっていることが望ましい。ここで、図１（ｂ）から、空隙率が０．５％  以下となるための被工作物加熱温度（以下、「最適被工作物加熱温度」という。）は、（１）電極材としてインコネル６００、シールドガスとしてアルゴンを用いた場合は１００〜１３０℃、（２）電極材としてＳＵＳ３１６Ｌ、シールドガスとしてアルゴンを用いた場合は４０〜８０℃、（３）電極材としてＳＵＳ３１６Ｌ、シールドガスとして窒素を用いた場合は５０〜８０℃となる。最適被工作物加熱温度は電極材とシールドガスに依存する。被工作物を加熱する際は、電極材及びシールドガスの選定に対して、適切な加熱温度を選定する必要がある。ここで、最適被工作物加熱温度は、空隙率が０．５％  以下を満たす加熱温度であり、ある程度の幅を有する。
【００１１】
以上、図１及び図２から、パルス放電肉盛施工前に予め被工作物を加熱しておくことにより、空隙率を減少することができる。また、被工作物の加熱温度を、最適被工作物加熱温度とすることにより、空隙率を０．５％  以下、つまり開口部欠陥の検出感度以下とすることができる。
【００１２】
また、発明者は、投入熱量Ｗ及び被工作物加熱温度Ｔの上限値について検討した。図３は、投入熱量Ｗと被工作物温度Ｔとの関係を示す概念図であり、Ｗｍａｘ  及びＴｍａｘ  はそれぞれＨｅ割れを起こさない投入熱量Ｗと被工作物温度Ｔの上限値を示している。電極から被工作物への投入熱量Ｗは、パルス電圧値Ｖ，電流値Ａ，パルス周波数ｆ，パルス幅ｔ及び電極走査速度Ｓを乗じることにより概算できる。肉盛部の品質は、施工時の冷却速度（液滴と被工作物の温度差にほぼ比例）に依存するため、肉盛部の品質を保つためには一定の冷却速度（温度差）を保持する必要がある。従って、投入熱量Ｗ（液滴の温度）を増大させる場合、被工作物温度Ｔも増大させる必要がある。しかし、シュラウド等の中性子照射量が高い部材に熱が加わると、Ｈｅ割れを起こす場合がある。従って、投入熱量Ｗ及び被工作物温度Ｔを、Ｈｅ割れを起こさない上限値（Ｗｍａｘ  ，Ｔｍａｘ  ）以下とすることにより、被工作物が中性子照射量の高い部材であっても、Ｈｅ割れを防ぐことができる。
【００１３】
さらに、発明者は、被工作物温度に対するガス流量の依存性について検討した。図４（ａ）は測定方法の概略、図４（ｂ）は被工作物温度のガス流量依存性の実験結果を示している。図４（ａ）に示すように、母材としてＳＵＳ３０４Ｌ、電極材としてＳＵＳ３１６Ｌを用いてパルス放電肉盛法で肉盛を行うとともに、被工作物裏面（肉盛面とは逆の面）に取り付けた熱電対により被工作物の温度を測定した。施工条件は図１（ａ）と同様とし、施行前の被工作物温度として６０℃を設定した。被工作物の温度が６０℃に達した後、ガス流量のみを変化させ、６０秒間肉盛を行った。その結果、ガス流量を４０Ｌ／ｍｉｎ  噴射しながら肉盛した場合、被工作物の温度は最大で１００℃程度となった。一方、ガス流量が０Ｌ／ｍｉｎ  、すなわちガスを噴射せずに肉盛した場合は、被工作物の温度は最大で３５０℃に達し、施工点はさらに高温まで上昇していると推定される。この実験では６０秒間の肉盛を行ったが、より長時間施工した場合、被工作物温度はＨｅ割れを引き起こす温度域まで達する可能性がある。従って、中性子照射量が高い被工作物を肉盛する場合、施工に伴い温度が上昇してもＨｅ割れを起こす温度を超えないように、被工作物温度及び施工条件を調整することが必要となる。
【００１４】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例を説明する。第１の実施例は、原子炉容器内の被工作物に対して、本発明のパルス放電肉盛法を施工する場合の実施例である。
【００１５】
図５は、本発明のパルス放電肉盛法をＢＷＲ（沸騰水型原子力発電プラント）炉内へ適用する装置の概略を示している。電極１が走査アーム５に取り付けられ、圧力容器内の被工作物２表面上を移動しながら放電し、被工作物２表面の損傷箇所をパルス放電により肉盛する。電極１には、圧力容器外に設置されたパルス電源３から電源ケーブル８を通りパルスが印加される。放電に際しては、シールドガスが圧力容器外に設置されたガスボンベ６より供給され、ガス配管１２を通り電極先端周囲から噴射される。このシールドガスにより、水の排除及び酸化を抑制する。
【００１６】
図６は、本実施例の作業手順を示すフローチャートである。まず、定期検査開始の命令を下し、原子炉運転停止，燃料取り出し及び圧力容器開放を行う（Ｓ１〜Ｓ４）。そして、検査用機材を搬入し、炉内の検査を行い、検査により確認された損傷箇所と損傷状態のデータをデータベース（検査データベース）に格納する（Ｓ５〜Ｓ７）。検査終了後、検査用の機材を撤去する（Ｓ８）。検査により損傷が確認された場合は、補修用機材を搬入し、損傷部をＳ７で得られた検査データに基づいて決定された施工条件により、本発明のパルス放電肉盛法により補修を行う（Ｓ９〜Ｓ１２）。補修終了後、補修用機材を撤去する（Ｓ１３）。その後、圧力容器を閉止し、燃料を復旧することにより定期検査を終了し、原子炉の運転を再開する（Ｓ１４〜Ｓ１７）。検査により損傷が確認されなかった場合或いは補修するには至らない損傷の場合は、補修（Ｓ１０〜Ｓ１３）を実施せずに、圧力容器を閉止し、燃料を復旧することにより定期検査を終了し、原子炉の運転を再開する（Ｓ１４〜Ｓ１７）。
【００１７】
図７は、図１における補修（Ｓ１２）の詳細手順を記したフローチャートである。補修開始命令が下されると、Ｓ７で得られた検査データを基に損傷箇所の損傷状態を把握する（Ｓ１２−１，Ｓ１２−２）。次に、把握した損傷状態及び被工作物の材質を基に、予め作成しておいた施工データベースにより、被補修材である電極材，被工作物への入熱量やシールドガスなどを制御する施工条件、及び被工作物の加熱温度を選定し、それぞれを取り付けあるいは設定する（Ｓ１２−３〜Ｓ１２−５）。必要に応じて、Ｈｅ割れを防止するため、加熱温度はＴｍａｘ  以下と設定する。ここで、施工データベースの作成手順を、図８を用いて説明する。施行データベースは、被工作物材質及び肉盛部品質に対する最適な電極材，施工条件及び被工作物加熱温度を予め調査し、データベース化したものである。まず、試験用被工作物の損傷箇所及び損傷状態並びに肉盛部品質等の施工仕様を入力する（ａ）。次に、施工仕様を満足するための電極材を選定する（ｂ）。被工作物への入熱量は、施工条件と被工作物加熱温度により決定されるが、主として前者に支配される。従って、被工作物加熱温度の選定に先立ち、まず施工条件の最適化を行う。施工条件最適化の手順を以下に示す。電圧値，パルス形状，パルス周波数，電極径，スタンドオフ（スタンドオフは電極と被工作物の間隔であり、肉盛するためには絶縁破壊を起こす距離以内を保たなければいけない。スタンドオフが０、すなわち電極と被工作物が接触すると短絡し、被工作物を研削してしまう可能性がある。）、シールドガス等で構成される因子の組合せである施工条件を調整後（ｃ）、当該施行条件にて肉盛を施行する。肉盛施行後、当該肉盛部品質を調査し（ｄ）、施工条件と肉盛部品質との相関関係をデータベース化（データベース１）する。所定の施工条件で肉盛施行，当該肉盛部品質調査及びデータベース化を繰り返した後、データベース１に基づいて肉盛部品質に対して最適な施工条件を選定する（ｅ）。次に、被工作物加熱温度の選定手順を示す。被工作物加熱温度を選定するため、被工作物の温度を調整し（ｆ）、当該温度で肉盛を施行する。肉盛施行後、肉盛部品質を調査し（ｇ）、被工作物加熱温度と肉盛部品質との相関関係をデータベース化（データベース２）する。所定の施工条件で肉盛施行，当該肉盛部品質調査及びデータベース化を繰り返した後、データベース２に基づいて肉盛部品質に対して最適な被工作物加熱温度を選定する（ｈ）。以上の手順で被工作物材質，肉盛部品質，選定した電極材，最適施工条件，被工作物加熱温度等のデータをデータベース化（施工データベース）する。
【００１８】
その後補修の実作業（肉盛）を開始する（Ｓ１２−６）。施行データを基に肉盛範囲を設定する（Ｓ１２−７）。次に、被工作物２に温度調整装置４を取り付け、所定の温度に到達するまで被工作物２表面を加熱し、一定保持する（Ｓ１２−８，Ｓ１２−９）。その後施工を開始する（Ｓ１２−１０）。選定した施工条件にて被工作物２表面の損傷箇所へ肉盛を開始し、所定の条件を満たすまで（損傷箇所を十分に覆う面積、及び応力や腐食に耐えうる厚さとなるまで）、肉盛を行う（Ｓ１２−１１，Ｓ１２−１２）。所定の面積及び厚さを肉盛した後、肉盛を終了する（Ｓ１２−１３）。肉盛業終了後、ＵＴ（超音波探傷試験）やＶＴ（目視試験）等により肉盛部表面の開口欠陥（堆積ムラにより発生する孔）の有無を検査し、肉盛部の健全性を確認する（Ｓ１２−１４）。健全性を確認できた場合、肉盛を終了し、補修を終了する（Ｓ１２−１５〜Ｓ１２−１７）。健全性を確認できなかった場合、再度肉盛を行う。
【００１９】
本実施によれば、パルス放電肉盛施工前に予め被工作物を加熱しておくことにより、空隙率を減少することができる。さらに、被工作物温度をＴｍａｘ  以下になるように設定すれば、Ｈｅ割れを防止することもできる。
【００２０】
（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例を説明する。第２の実施例は、小型部品など現場施工する必要のない被工作物２に対して、本発明のパルス放電肉盛を施工する場合の実施例である。
【００２１】
本実施例で適用する肉盛装置を図９に示す。電極１が走査アーム５先端に取り付けられ、電極位置制御装置１０から通信ケーブル１１を通り送信される走査パターンに従い走査される。走査パターン及び電極１のＸＹＺ座標等の電極位置情報は、電極位置制御装置１０内の画面上に表示される。電極１には、パルス電源３より電源ケーブル８を通りパルスが印加される。ガスボンベ６から供給されるシールドガスは、ガス配管１２を通り電極１先端付近より噴射される。電圧値，パルス形状，パルス周期，電極径，スタンドオフ等のパルス情報が、パルス情報表示装置７画面上に表示される。被工作物２表面には温度測定装置９が取り付けられ、実測した温度データは温度調整装置４に送信される。被工作物２の温度が所定の被工作物加熱温度で一定保持するように、温度調整装置４により制御する。
【００２２】
施行条件及び被工作物加熱温度の選定並びに肉盛施行方法等の詳細は、実施例１と同様なので省略する。
【００２３】
本実施によれば、パルス放電肉盛施工前に予め被工作物を加熱しておくことにより、空隙率を減少することができる。さらに、被工作物温度をＴｍａｘ  以下になるように設定すれば、Ｈｅ割れを防止することもできる。
【００２４】
また、本実施例によれば、小型部品など現場施工する必要のない被工作物２に対して本発明のパルス放電肉盛を施行するため、温度調整装置４の取り付け及び温度制御が容易となる。
【００２５】
上記各実施例において、被工作物の加熱温度として最適被工作物加熱温度を選定することができる。被工作物の加熱温度として最適被工作物加熱温度を選定することにより、肉盛部の空隙率を０．５％  以下、つまり開口部欠陥の検出感度以下とすることができる。
【００２６】
上記各実施例において、パルス放電肉盛施工で用いる電極を、回転運動を加えた電極とすることができる。図１０は、回転運動を加えた電極を備える肉盛装置を示している。電極１は施工中に軸方向あるいは半径方向に回転運動が加えられる。これにより、電極１が被工作物２と接触した際の溶着を防止することができる。
【００２７】
上記各実施例において、温度調整装置４を被工作物２の形状に応じて成形することができる。図１１は、被工作物２の形状に応じて成形した温度調整装置を示している。複雑な形状の被工作物２に対し、温度調整部が平面の温度調整装置を用いた場合、温度調整装置４と被工作物２間との間隔を一定とすることができない。そのため、熱伝達性が不均一となり、被工作物２温度も不均一となりやすい。これに対し、被工作物２の形状に応じて形成された温度調整装置４を用いることにより、温度調整装置４と被工作物２間の間隔を一定とすることができ、複雑な形状を有する被工作物２であっても、温度を均一に調整することができる。
【００２８】
上記各実施例において、温度調整手段としてガスを適用することができる。図１２は、被工作物２の温度加熱手段としてガスを適用した場合を示している。ガスをガス温度調整装置１４により温度調整した後、電極１先端周囲から噴射し、ガスを媒体として被工作物２表面を所定の温度に加熱する。熱伝達性を考慮に入れ、ガス温度は所望の被工作物加熱温度よりも高く設定し、被工作物２表面が所定温度に到達するよう調整する。ガスと接する表面全体を温度調整することができるため、複雑形状の被工作物２の加熱が容易になる。また、直接被工作物２を温度調整しないため、ガスの温度調整装置４を遠隔に設置でき、狭い環境への適用が容易になる。
【００２９】
上記各実施例において、温度調整手段として水１３を適用することができる。図１３は、被工作物２の温度加熱手段として水１３を適用した場合を示している。被工作物２を水１３中に設置し、水１３を温度調整装置１５により所定の温度に加熱し、水を媒体として被工作物２を加熱する。この場合、熱伝達性を考慮に入れ、水温は所望の被工作物加熱温度よりも高く設定する必要がある。これにより、複雑形状の被工作物の加熱が容易になり、さらに被工作物２温度を均一に保つことができる。本実施例で加熱に用いる媒体は水に限定されず、被工作物の加熱に適した液体であればよい。
【００３０】
【発明の効果】
パルス放電により電極材を溶融させ被工作物に肉盛部を形成するパルス放電肉盛方法において、前記被工作物を加熱した後に被工作物にパルス放電肉盛を施工することにより、肉盛部の空隙を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】肉盛部の空隙率と被工作物温度との関係を示す図。
【図２】開口欠陥検出限界と空隙率との関係を示す図。
【図３】被工作物温度と投入熱量との関係を示す概念図。
【図４】被工作物温度のガス流量依存性を示す図。
【図５】本発明のパルス放電肉盛装置を示す図。
【図６】第１の実施例の手順を示すフローチャート。
【図７】補修の手順を示すフローチャート。
【図８】施行データベースの作成手順を示すフローチャート。
【図９】本発明のパルス放電肉盛装置を示す図。
【図１０】回転運動を加えた電極を備える肉盛装置を示す図。
【図１１】被工作物に類似した形状に成型された温度調整装置を示す図。
【図１２】加熱手段としてガスを適用した場合の温度調整手段を示す図。
【図１３】加熱手段として水を適用した場合の温度調整手段を示す図。
【符号の説明】
１…電極、２…被工作物、３…パルス電源、４，１５…温度調整装置、５…走査アーム、９…温度測定装置、１０…電極位置制御装置、１３…水、１４…ガス温度調整装置。
【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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【図１３】
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