(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材の表面において水中に開口部を有する表面欠陥に対して、施工ヘッドの一方の端部に互いに近接して固定された第１の熱照射源と第２の熱照射源からレーザ光を出射し、前記施工ヘッド内に設けられた同一のレンズ系により第１の熱スポットと第２の熱スポットを形成して共通の軌跡上で走査し、前記第１の熱スポットによって前記開口部を有する表面欠陥部位を加熱して当該表面欠陥内の水を除去し、この水が除去された当該表面欠陥の開口部を前記第２の熱スポットによって溶融封止することを特徴とする表面欠陥の封止方法。
【請求項２】
前記表面欠陥に対して、施工ヘッドの出射口から噴出されるシールドガスによって気相空間を形成することを特徴とする請求項１記載の表面欠陥の封止方法。
【請求項３】
前記第１の熱スポットによる熱量は前記第２の熱スポットによる熱量よりも高いことを特徴とする請求項１又は２記載の表面欠陥の封止方法。
【請求項４】
前記第１の熱スポットの熱量は前記第２の熱スポットの熱量の1.5倍から４倍であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の表面欠陥の封止方法。
【請求項５】
前記第２の熱スポットに溶加材を供給して肉盛溶接を行うことを特徴とする請求項１記載の表面欠陥の封止方法。
【請求項６】
施工ヘッドの一方の端部に接続されレーザ光を出射する第１の熱照射源と第２の熱照射源と、前記施工ヘッド内に設けられ第1の熱スポットと第２の熱スポットを形成する一つのレンズ系と、前記施工ヘッドのもう一方の端部に設けられた出射孔と、を有する表面欠陥封止装置であって、
前記第１の熱照射源と第２の熱照射源は前記施工ヘッドの軌跡の方向に対して並列に配置されるとともに、前記第１の熱スポットによって開口部を有する表面欠陥部位を加熱して当該表面欠陥内の水を除去し、この水が除去された当該表面欠陥の開口部を前記第２の熱スポットによって溶融封止することを特徴とする表面欠陥封止装置。
【請求項７】
施工ヘッドの一方の端部に接続されレーザ光を出射する第１の熱照射源と、前記第１の熱照射源と直交するように前記施工ヘッドに接続されレーザ光を出射する第２の熱照射源と、前記施工ヘッド内に設けられ第１の熱スポットと第２の熱スポットを形成するレンズ系と、前記施工ヘッドのもう一方の端部に設けられた出射孔と、を有する表面欠陥封止装置であって、
前記レンズ系は、第１の熱照射源から出射するレーザ光を透過し第２の熱照射源から出射するレーザ光を反射するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーで合成されたレーザービームを成形するレンズとを有し、前記第１の熱スポットによって開口部を有する表面欠陥部位を加熱して当該表面欠陥内の水を除去し、この水が除去された当該表面欠陥の開口部を前記第２の熱スポットによって溶融封止することを特徴とする表面欠陥封止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力プラントなどの構造部材に表面欠陥が発生した場合に構造部材の健全性を回復するために表面欠陥を封止する方法及び表面欠陥封止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子炉の構造物などの部材に欠陥が発生した場合には、その構造部材全体を交換するか補強金具を取付ける等の処置が施されている。また、欠陥自体の補修方法としては、欠陥部を機械加工または放電加工で削除後、TIG溶接やレーザ溶接によって肉盛補修する方法や欠陥部表面のみを溶接する封止方法が検討されている。
【０００３】
従来の表面欠陥の封止方法は、図６に示すように、レンズ等で成形されたレーザビーム27を表面欠陥14が発生している構造部材29の表面に照射し、レーザ溶融部28に溶加材としてフィラーワイヤ10を供給して表面欠陥14の表面を溶融して封止する方法である。この従来の方法では、表面欠陥14の内部に水や酸化物等の汚染物質が混入していない場合には、表面欠陥部表面を溶融して表面欠陥14を封止することが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来封止方法においては、表面欠陥内に水や酸化物等の汚染物質が混入している場合、レーザによる加熱によってそれらの混入物が気化する。そのため、レーザ補修部の溶融金属を吹き飛ばしてピットが発生し、そのピットが残ることにより表面欠陥が封止されないことがある。
【０００５】
そこで本発明は、表面欠陥の内部に水や酸化物等の汚染物質が混入していてもピット等を残すことなく良好に表面欠陥を封止することのできる表面欠陥の封止方法及び封止装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の表面欠陥の封止方法は、部材の表面において水中に開口部を有する表面欠陥に対して、施工ヘッドの一方の端部に互いに近接して固定された第１の熱照射源と第２の熱照射源からレーザ光を出射し、前記施工ヘッド内に設けられた同一のレンズ系により第１の熱スポットと第２の熱スポットを形成して共通の軌跡上で走査し、前記第１の熱スポットによって前記開口部を有する表面欠陥部位を加熱して当該表面欠陥内の水を除去し、この水が除去された当該表面欠陥の開口部を前記第２の熱スポットによって溶融封止することを特徴とする。
請求項２の発明は、前記表面欠陥に対して、施工ヘッドの出射口から噴出されるシールドガスによって気相空間を形成することを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明は、前記第１の熱スポットによる熱量は前記第２の熱スポットによる熱量よりも高いことを特徴とする。
請求項４の発明は、前記第１の熱スポットの熱量は前記第２の熱スポットの熱量の1.5倍から４倍であることを特徴とする。
請求項５の発明は、前記第２の熱スポットに溶加材を供給して肉盛溶接を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項６の表面欠陥封止装置は、施工ヘッドの一方の端部に接続されレーザ光を出射する第１の熱照射源と第２の熱照射源と、前記施工ヘッド内に設けられ第1の熱スポットと第２の熱スポットを形成する一つのレンズ系と、前記施工ヘッドのもう一方の端部に設けられた出射孔と、を有する表面欠陥封止装置であって、前記第１の熱照射源と第２の熱照射源は前記施工ヘッドの軌跡の方向に対して並列に配置されるとともに、前記第１の熱スポットによって開口部を有する表面欠陥部位を加熱して当該表面欠陥内の水を除去し、この水が除去された当該表面欠陥の開口部を前記第２の熱スポットによって溶融封止することを特徴とする。
【０００９】
請求項７の表面欠陥封止装置は、施工ヘッドの一方の端部に接続されレーザ光を出射する第１の熱照射源と、前記第１の熱照射源と直交するように前記施工ヘッドに接続されレーザ光を出射する第２の熱照射源と、前記施工ヘッド内に設けられ第１の熱スポットと第２の熱スポットを形成するレンズ系と、前記施工ヘッドのもう一方の端部に設けられた出射孔と、を有する表面欠陥封止装置であって、前記レンズ系は、第１の熱照射源から出射するレーザ光を透過し第２の熱照射源から出射するレーザ光を反射するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーで合成されたレーザービームを成形するレンズとを有し、前記第１の熱スポットによって開口部を有する表面欠陥部位を加熱して当該表面欠陥内の水を除去し、この水が除去された当該表面欠陥の開口部を前記第２の熱スポットによって溶融封止することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の表面欠陥の封止方法及び封止装置を説明する。
本発明の第１の実施の形態の表面欠陥の封止方法は、図１に示すように、施工ヘッド30に接続された第１の光ファイバー１と第２の光ファイバー２から出射された第１のレーザビーム３と第２のレーザビーム４を施工ヘッドケーシング30ａ内に設けられた同一のレンズ系５を介して、先行レーザビーム（第１の熱スポット）６および後続レーザビーム（第２の熱スポット）７として、構造部材29上の表面欠陥を含む被施工部８に水中で照射する。
【００１１】
すなわち、先行レーザビーム６と後続レーザビーム７は、被施工部８上を共通の軌跡上で走査される。熱照射源である第１の光ファイバー１と第２の光ファイバー２は、前記軌跡の方向に対して並列になるように、施工ヘッド30に固定されている。後続レーザビーム照射部９には、図示しないフィラーワイヤ送給装置から送給されるフィラーワイヤ10が溶加材として供給される。
【００１２】
ここで、先行レーザビーム６のレーザ出力（熱量）は後続レーザビーム７のレーザ出力（熱量）の２倍に設定されている。また、先行レーザビーム６と後続レーザビーム７が出射されるレーザビーム出射口11からはシールドガス12が噴出しており、先行レーザビーム６および後続レーザビーム７の照射部には気相空間13が形成される。シールドガス12としては、Ar、He、N2等の不活性ガスが使用される。
【００１３】
本実施の形態の表面欠陥の封止方法においては、図２(a)に示すように、表面欠陥14が発生している被施工部８の表面に先行レーザビーム６および後続レーザビーム７が共通の軌跡で照射され、それぞれ先行レーザビームによる溶融層15と後続レーザビームによる溶融層16を形成しながら走査方向に進む。ここで、構造部材29は水中にあるので、表面欠陥14の内部には水17が浸入している。
【００１４】
このような状態で、図２(b)に示すように先行レーザビーム６が表面欠陥14を通過すると、先行レーザビーム６によって100℃以上に加熱された領域の水17は蒸発するため、先行レーザビームによる溶融層15は吹き飛ばされてピット18が形成される。次に、図２(c)に示すようにピット18を後続レーザビーム７が通過して、ピット18の表面を加熱し溶融して、後続レーザビームによる溶融層16によって封止する。
【００１５】
本実施の形態によれば、先行レーザビーム６の加熱効果によって、先行レーザビームによる溶融層15にピット18が形成されるものの、表面欠陥14内の水分や汚染物質が除去される。被施工部８上の先行レーザビーム６および後続レーザビーム７が照射される部位には気相空間13が形成されているため、再びピット18内に水が浸入することはなく、後続レーザビーム７によって容易にピット18が封止される。
【００１６】
また、先行レーザビーム６のレーザ出力（熱量）を後続レーザビーム７のレーザ出力（熱量）よりも高い値、現実的には1.5倍から４倍に設定すると、先行レーザビーム６による水分や汚染物質の除去効果は後続レーザビーム７の熱影響範囲より広範囲に及ぶため、効果的な表面欠陥の封止が可能となる。さらに、後続レーザビーム照射部９に、溶加材としてフィラーワイヤー10を供給することによってピット18の封止がさらに確実となる。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施の形態の表面欠陥の封止方法を図３を用いて説明する。すなわち、第１の光ファイバー１と第２の光ファイバー２から出射された第１のレーザビーム３と第２のレーザビーム４はそれぞれ先行レーザビームレンズ系19と後続レーザビームレンズ系20によって成形及び屈折されて、先行レーザビーム６及び後続レーザビーム７として、被施工部８に照射される。先行レーザビームレンズ系19は、先行レーザビーム６が被施工部８に集光されるように構成されている。
【００１８】
本実施の形態によれば、第１の光ファイバー１と第２の光ファイバー２から出射された第１のレーザビーム３と第２のレーザビーム４をそれぞれ異なるレンズ系19，20を用いて成形することによって、被施工部８での先行レーザビーム６と後続レーザビーム７のビーム径を異らせることが可能となる。ここで、先行レーザビーム６の集光度を高くすることによって、熱量を増加させ、深い溶け込みが得られるキーホール溶接が可能となる。こうして、先行レーザビームによる溶融層15を深くすることによって表面欠陥内の水及び汚染物質を十分に除去して、後続レーザビームによる溶融層16によって表面欠陥を封止することができる。
【００１９】
次に、本発明に係る表面欠陥の封止方法の第３の実施の形態を図４を用いて説明する。すなわち、第１の光ファイバー１と第２の光ファイバー２を直交するように配置し、それぞれの光ファイバーに波長が異なるレーザ光を伝送する。第１の光ファイバー１及び第２の光ファイバー２から出射される第１のレーザビーム３と第２のレーザビーム４はそれぞれ第１のレンズ21と第２のレンズ22を介してダイクロイックミラー23に伝送される。ダイクロイックミラー23は第１のレーザビーム３を透過し、第２のレーザビーム４を反射するように誘電体多層膜がコーティングされている。
【００２０】
ダイクロイックミラー23によって合成された２波長のレーザビームは第３のレンズ24によって成形されて、先行レーザビーム６及び後続レーザビーム７として被施工部８に照射される。このとき、第１の光ファイバー１の中心軸と第１のレンズ21の中心軸を変位させることによって、先行レーザビーム６と後続レーザビーム７の照射位置を調節できる。
【００２１】
本実施の形態によれば、第１のレンズ21と第２のレンズ22の曲率を適宜選定することによって被施工部８での先行レーザビーム６と後続レーザビーム７のビーム径を変化させることが可能である。こうして、先行レーザビーム６をより強く集光させることによって、熱量を増加させ、深い溶け込みの溶融層が形成できる。さらに、ダイクロイックミラー23で２波長のレーザビーム３，４を合成することで一部のレンズ系を共有することが可能となり、コンパクトな構成となる。
【００２２】
次に、本発明に係る表面欠陥の封止方法の第４の実施の形態を図５を用いて説明する。すなわち、前記第１，２，３の実施の形態における先行レーザビーム６の代わりに、アーク電極25から被施工部８に対してアーク（第１の熱スポット）26を発生させて、アーク加熱を行った後、後続レーザビーム（第２の熱スポット）７によって封止を行う。
【００２３】
本実施の形態によれば、先行する大入熱のアーク26によって、広範囲に加熱し、表面欠陥内の水分及び汚染物質を広範囲に除去することが可能となり、後続レーザビーム７による封止が容易となる。
【００２４】
なお、上記各実施の形態においては水中でのレーザ作業について説明したが、表面欠陥の内部に水や酸化物等の汚染物質が混入した状態であればいかなるレーザ作業にも適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の表面欠陥の封止方法によれば、表面欠陥の内部に水や酸化物等の汚染物質が混入していてもピット等を残すことなく良好に表面欠陥を封止することのできる表面欠陥の封止方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の表面欠陥の封止方法を説明する断面図。
【図２】上記第１の実施の形態の表面欠陥の封止方法の作用を説明する図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の表面欠陥の封止方法を説明する断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の表面欠陥の封止方法を説明する断面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態の表面欠陥の封止方法を説明する断面図。
【図６】従来の表面欠陥の封止方法を説明する図。
【符号の説明】
１…第１の光ファイバー、２…第２の光ファイバー、３…第１のレーザビーム、４…第２のレーザビーム、５…レンズ系、６…先行レーザビーム（第１の熱スポット）、７…後続レーザビーム（第２の熱スポット）、８…被施工部、９…後続レーザビーム照射部、10…フィラーワイヤ、11…レーザビーム出射口、12…シールドガス、13…気相空間、13ａ…気泡、14…表面欠陥、15…先行レーザビームによる溶融層、16…後続レーザビームによる溶融層、17…水、18…ピット、19…先行レーザビームレンズ系、20…後続レーザビームレンズ系、21…第１のレンズ、22…第２のレンズ、23…ダイクロイックミラー、24…第３のレンズ、25…アーク電極、26…アーク（第１の熱スポット）、27…レーザビーム、28…レーザ溶接部、29…構造部材、30…施工ヘッド、30ａ…施工ヘッドケーシング。
【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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