(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ヘッドを備え水中施工すべき部材の表面に設置されて密閉室を画成する施工ヘッドと、前記施工ヘッドに光ファイバーで接続され前記溶接ヘッドにレーザ光を伝送するレーザ発振器と、前記施工ヘッドにガスホースで接続され前記溶接ヘッドと前記水中施工すべき部材の間にシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、前記施工ヘッドに給排水ラインで接続され前記施工ヘッドに水を供給すると共に排出する給排水装置と、前記溶接ヘッドによる施工によって生じる二次生成物を前記給排水ラインを介して回収する回収装置と、を備えていることを特徴とする水中施工装置。
【請求項２】
前記施工ヘッドは前記水中施工すべき部材に対して前記溶接ヘッドを保持する側板を備え、前記側板の外周にはシール部材および施工前後に施工範囲を洗浄する研磨装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の水中施工装置。
【請求項３】
前記給排水ラインは前記施工ヘッドとの接続部において上部ラインと下部ラインに分岐していることを特徴とする請求項１記載の水中施工装置。
【請求項４】
前記上部ラインおよび下部ラインに送水用のスクリューを備えていることを特徴とする請求項３記載の水中施工装置。
【請求項５】
前記給排水ラインは前記回収装置への入口側で給水ラインと排水ラインに分岐され、前記給水ラインと排水ラインは分岐部にそれぞれ逆止弁を備えていることを特徴とする請求項１記載の水中施工装置。
【請求項６】
前記排水ラインに流速計を備えていることを特徴とする請求項５記載の水中施工装置。
【請求項７】
前記回収装置は二次生成物を捕集するフィルターを備え、前記フィルターは前記流速計の測定値を指標として交換されることを特徴とする請求項７記載の水中施工装置。
【請求項８】
施工ヘッドを水中施工すべき部材の表面に設置しこの施工ヘッドを構成する側板で密閉室を形成する密閉室形成ステップと、この密閉室で密閉された水中施工すべき部材をガスでシールドするガスシールドステップと、前記施工ヘッドにレーザ光を伝送するレーザ光伝送ステップと、前記施工ヘッドに給排水ラインで接続され前記施工ヘッドに水を供給すると共に排出する給排水ステップと、前記溶接ヘッドによる施工によって生じる二次生成物を前記給排水ラインを介して回収する回収ステップと、を有することを特徴とする水中施工方法。
【請求項９】
前記給排水ステップにおいて、施工範囲洗浄中は給水を第１のラインから行い、排水を第２のラインから行い、レーザ肉盛溶接中は給水を第２のラインから行い、排水を第１のラインから行うことを特徴とする請求項８記載の水中施工方法。
【請求項１０】
前記レーザ光伝送ステップにおいて、レーザパワー密度14ｋＷ／ｃｍ2以下でレーザ肉盛溶接を行うことを特徴とする請求項８記載の水中施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中で加工を行う装置および方法に関するもので、施工方法としては切断、溶接、表面処理などで、本施工装置および方法は原子力装置、船舶、マリン装置、橋梁関連機器等の設置、修理、加工に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
原子力装置、船舶、マリン装置、橋梁関連機器等の設置、修理、加工の分野においては水中施工技術が開発されているが（特許文献１参照）、原子炉の構造物などの放射化された部材を水中において施工する際には、ガスおよび加工屑の発生を避けることはできず、ガスに含まれるフュームは放射化されているため環境の汚染や被爆の原因となる。さらに、フュームや加工屑は、水に混入すると運転時において燃料損傷等の重大事故を起こす危険性をはらんでいる。これらの危険性を未然に回避するために施工部近傍において発生したガスおよび加工屑等の二次生成物を回収する技術が必要である。
【０００３】
そこで、施工部分の周囲をフード等で囲い、そのフードの中からガスおよび加工屑をポンプで吸引・回収する方法、フード等を使用せずに施工部近傍に設けたノズルから加工屑を吸引し、水中を浮上してくるガスを集気カバーで回収する方法等が考えられている。例えば特許文献２には、二次生成物の回収にポンプ等の動力を使用する発明が開示されている。しかし、いずれの方法においても、大きな揚程のポンプが必要となるため装置が大掛りになったり、また、施工範囲が十分閉じられていないため、ガスを含めた二次生成物を漏らさず回収することはできない。
【特許文献１】特開平７−１３２３７２号公報
【特許文献２】特開２００１−２１９３１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の水中レーザ溶接方法において、水中レーザ肉盛溶接法により封止溶接が行われている。  
しかしながら、溶接フュームなどによる原子炉水の汚れが放射化されているので環境の汚染や被曝の原因となる、という課題があった。
【０００５】
本発明は、上記の事情に対処してなされたものであり、レーザ溶接、レーザ切断等の水中施工の際に発生する二次生成物を、容易かつ確実に回収することのできる水中施工装置および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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の水中レーザ肉盛溶接装置は、溶接ヘッドを備え水中施工すべき部材の表面に設置されて密閉室を画成する施工ヘッドと、前記施工ヘッドに光ファイバーで接続され前記溶接ヘッドにレーザ光を伝送するレーザ発振器と、前記施工ヘッドにガスホースで接続され前記溶接ヘッドと前記水中施工すべき部材の間にシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、前記施工ヘッドに給排水ラインで接続され前記施工ヘッドに水を供給すると共に排出する給排水装置と、前記溶接ヘッドによる施工によって生じる二次生成物を前記給排水ラインを介して回収する回収装置と、を備えている構成とする。
【０００７】
また、本発明の水中施工方法は、施工ヘッドを水中施工すべき部材の表面に設置しこの施工ヘッドを構成する側板で密閉室を形成する密閉室形成ステップと、この密閉室で密閉された水中施工すべき部材をガスでシールドするガスシールドステップと、前記施工ヘッドにレーザ光を伝送するレーザ光伝送ステップと、前記施工ヘッドに給排水ラインで接続され前記施工ヘッドに水を供給すると共に排出する給排水ステップと、前記溶接ヘッドによる施工によって生じる二次生成物を前記給排水ラインを介して回収する回収ステップと、を有する方法とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の水中施工装置および方法によれば、レーザ溶接、レーザ切断等の水中施工の際に発生する二次生成物を、容易かつ確実に回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る水中施工装置および方法の実施の形態について図１〜図７を参照して説明する。
本実施の形態の水中施工装置は、その全体構成を図１に示すように、原子炉容器１のノズル２に設置された施工ヘッド２５と、原子炉容器１の外に設けられ、光ファイバー５、ガスホース２７あるいは給排水ライン１５によって施工ヘッド２５に接続されたレーザ発振器６、シールドガス供給装置２８、回収装置１７および給排水装置２６から構成されている。
【００１０】
施工ヘッド２５は、図２に示すように、施工範囲を仕切る２枚の円板状の側板４と、側板４の中心を連結する形で設けられた駆動装置７と、駆動装置７に取り付けられた溶接ヘッド３を備えており、施工対象であるノズル２と側板４によって密閉室を画成している。駆動装置７には光ファイバー５とガスホース２７が接続されている。側板４には給排水ライン１５が分岐した上部ライン１５ａと下部ライン１５ｂが接続され、側板４の外周にはフラップホイールおよびスチールブラシからなり施工範囲を洗浄清掃する研磨装置８とシール部材９および研磨装置駆動装置１０が設けられている。上部ライン１５ａと下部ライン１５ｂによって施工ヘッド２５内の密閉室に水を給排する。
【００１１】
施工ヘッド２５の右端部を図３に拡大して示すように、上部ライン１５ａと下部ライン１５ｂにはスクリュー１６が設けられている。給排水ライン１５の上端は、図４に示すように、逆止弁１８を経て給水ライン１９と排水ライン２０に分岐し、排水ライン２０には回収装置１７と流速計２２が設けられて、給水ライン１９と排水ライン２０は給排水装置２６に接続されている。回収装置１７には、図５に示すようにフィルター２１が設けられている。
【００１２】
このような構成において、レーザ発振器６において発振されたレーザ光１１は光ファイバー５によって溶接ヘッド３まで伝送される。そのレーザ光１１を集光レンズ１２を用いて集光し、所定のビーム径にて施工範囲に照射する。その際、シールドガス１４を供給して、部分的に炉水を除いてガス空間を形成し、その空間でフィラーワイヤー１３を供給しながらレーザ溶接を実施する。
【００１３】
まず、施工を行う前に排水を行わない状態にて側板４の一方に接続された上部ライン１５ａと下部ライン１５ｂ内のスクリュー１６を回転させることにより、施工ヘッド２５内に水の流れを作り、側板４を駆動装置７にてノズル２の施工範囲の前後に移動させながら、側板４外周に搭載された研磨装置８にてノズル２の内面に付着した錆やよごれを洗浄する。洗浄により発生した二次生成物は、給排水ライン１５によって施工ヘッド２５から排出され回収装置１７内に設置されたフィルター２１により二次生成物を除去した後、排水ライン２０より排出される。このとき、側板４に接続した上部ライン１５ａから給水し、下部ライン１５ｂから排水を行う。
【００１４】
研磨装置８にてノズル２の施工範囲を洗浄することにより、施工範囲には酸化膜等のない清浄な面が現われる。洗浄中には給排水ライン１５から新しい水を供給し、施工範囲内に水の流れを作る。側板４の外周にはシール部材９を備えているため、洗浄中に発生した二次生成物が回収装置１７を通らずに外部に流出することはない。また、給排水ライン１５の給水ライン１９と排水ライン２０の分岐点には逆止弁１８が設置されており、一度回収装置１７に回収された二次生成物等が施工範囲に逆流してくることはない。洗浄後、水中レーザ肉盛溶接を行う。
【００１５】
水中レーザ肉盛溶接は、例えばコア径φ０．８ｍｍの光ファイバー５で伝送した波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光１１を、溶接ヘッド３を駆動装置７にて移動させながら、フィラーワイヤー１３を供給しつつ実施する。例えば、肉盛溶接条件の一例として、入熱１〜４ｋＪ／ｃｍ、溶接速度３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤ供給速度５００〜３０００ｍｍ／ｍｉｎ、シールドガス２０〜１５０リットル／ｍｉｎを設定する。
【００１６】
レーザ溶接中は側板４の上部に接続した上部ライン１５ａから排水し、下部に接続した下部ライン１５ｂから給水を行う。レーザ溶接中に発生するガス等の二次生成物は、上部ライン１５ａから排出され、回収装置１７に設けたフィルター２１によって除去した後、ガスと水は排水ライン２０より排出される。また、溶接中に供給するシールドガス１４は施工ヘッド２５の上部に溜まり、溜まったシールドガスも同時に排出される。また、水中レーザ肉盛溶接中には給水ライン１９より新しい水を供給し、施工範囲内に水の流れを作る。レーザ溶接後は、側板４を駆動装置７にて移動させながら、施工後の施工範囲に再付着したフューム等を側板４の外周に設けた研磨装置８にて洗浄する。このとき、上部ライン１５ａから給水し、下部ライン１５ｂから排水を行う。
【００１７】
このように本実施の形態の水中施工装置によれば、炉水１ａを抜くことなく、また、作業者の被爆線量を減少させるために大掛りな遮蔽物を設置することなく、事前に施工範囲を洗浄することにより原子炉容器１の配管の水中施工を健全に施工することができる。また、給水と排水をスクリュー１６により作った水流で行うことにより、ポンプ等の大掛りな装置が必要でなく、スクリュー１６の回転方向を切換えることにより排水ライン２０と給水ライン１９とを切換えて洗浄中と施工中に発生する二次生成物を効率良く回収することができる。
【００１８】
洗浄中および水中レーザ肉盛溶接中に発生した二次生成物やフュームを効率良く回収するためには、フィルター２１の状態を管理することが重要である。そこで回収装置１７後の排水ライン２０内の流速を計測してフィルター２１の状態を管理する。
【００１９】
図５、図６を用いて、フィルター２１の管理方法について説明する。すなわち、排水ライン２０に設置した流速計２２により、排水の流速を計測する。フィルター２１が清浄な状態では、排水の流速は十分保たれるが、二次生成物等の付着によりフィルター２１が汚れると、フィルター２１を通る抵抗が大きくなるため排水の流速が低下する。ここでは、流速が、５０％程度低下したら汚れたフィルターを巻き取り、新しいフィルターに交換する。流速計２２の代りに流量計を用いてもよい。
【００２０】
このようにして洗浄中および水中レーザ肉盛溶接中に発生した二次生成物やフュームを効率良く回収することができる。
原子炉容器中の肉盛溶接では、炉水を汚染しないために、溶接フュームの発生防止が重要である。溶接フュームはレーザ出力と照射ビーム径から算出されるパワー密度をある程度に抑えることで、発生を防止できることができる。
【００２１】
図７にレーザのパワー密度と溶接フューム発生量の関係を示す。すなわち、レーザパワー密度を14ｋＷ／ｃｍ2以下に設定することにより、溶接フュームを抑制することができ、また、７ｋＷ／ｃｍ2以下では、ワイヤの安定した溶融が難しくなるので、それ以上に設定する。
【００２２】
このように、レーザパワー密度を７〜14ｋＷ／ｃｍ2にすることによって、肉盛溶接を安定に実施し、溶接フュームの発生を抑制して、炉水の汚損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の水中施工装置の構成を示す図。
【図２】本発明の実施の形態の水中施工装置に備えられる施工ヘッドの構成を示す断面図。
【図３】図２のIII部分の詳細を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態の水中施工装置のに備えられる給排水装置まわりの接続を示す図。
【図５】本発明の実施の形態の水中施工装置に備えられる回収装置を示す図。
【図６】本発明の実施の形態の水中施工装置に備えられる回収装置の管理方法を示すグラフ。
【図７】本発明の実施の形態の水中施工方法を説明するグラフ。
【符号の説明】
【００２４】
１…原子炉容器、１ａ…炉水、２…ノズル、３…溶接ヘッド、４…側板、５…光ファイバー、６…レーザ発振器、７…駆動装置、８…研磨装置、９…シール部材、１０…研磨装置駆動装置、１１…レーザ光、１２…集光レンズ、１３…フィラーワイヤー、１４…シールドガス、１５…給排水ライン、１５ａ…上部ライン、１５ｂ…下部ライン、１６…スクリュー、１７…回収装置、１８…逆止弁、１９…給水ライン、２０…排水ライン、２１…フィルター、２２…流速計、２５…施工ヘッド、２６…給排水装置、２７…ガスホース、２８…シールドガス供給装置。
【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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