(57)【要約】【課題】加熱しすぎること無く、確実に残留応力を改善できる管体の残留応力改善方法及び装置を提供する。【解決手段】管体への照射開始角度θsから第１所定角度θ1までの間は、レーザ光の出力を、０．５から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０とし（出力増加工程）、第１所定角度θ1から第２所定角度θ2までの間は、レーザ光の出力を出力比１．０とし（定常出力工程）、第２所定角度θ2から照射終了角度θeまでの間は、レーザ光の出力を、出力比１．０から徐々に減少して、０．５とし（出力減少工程）、照射終了角度θeで、レーザ光の出力を０として（出力停止工程）、これらの全工程を１周の周回で行う管体の残留応力改善方法及び装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項２】
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項３】
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度で、前記レーザ光の出力を、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とし、前記照射開始角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とするする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項４】
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０から徐々に増加して、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から前記開始角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から、前記開始角度を通過した照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０とする出力減少工程とを有し、
前記管体における前記出力増加工程の角度の範囲と前記出力減少工程の角度の範囲を一部重ねると共に、前記重なる角度の範囲では、該各工程における前記レーザ光の出力の和を、前記定常出力の０．８〜０．９の比率として、前記全工程を１周以上２周未満の周回で行うことを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の管体の残留応力改善方法において、
前記全工程からなる周回を２回以上行い、且つ、加熱された前記管体を周回毎に雰囲気温度まで冷却すると共に、
前記管体の照射開始角度及び照射終了角度を、周回毎に異なる角度とすることを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項６】
請求項５に記載の管体の残留応力改善方法において、
全ての周回において前記定常出力工程が行われる管体の角度の範囲であって、該角度の範囲の端部の角度位置のみに、前記管体の温度を測定する温度センサを設置し、
前記周回の際、前記温度センサにより前記管体の最高到達温度を監視することを特徴とする管体の残留応力改善方法。
【請求項７】
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項８】
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項９】
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度で、前記レーザ光の出力を、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とし、前記照射開始角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とするする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１０】
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０から徐々に増加して、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から、前記開始角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から、前記開始角度を通過した照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０とする出力減少工程とを有し、
前記管体における前記出力増加工程の角度の範囲と前記出力減少工程の角度の範囲を一部重ねると共に、前記重なる角度の範囲では、該各工程における前記レーザ光の出力の和を、前記定常出力の０．８〜０．９の比率として、前記全工程を１周以上２周未満の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記全工程からなる周回を２回以上行い、かつ、加熱された前記管体を周回毎に雰囲気温度まで冷却すると共に、
前記管体の照射開始角度及び照射終了角度を、周回毎に異なる角度とすることを特徴とする管体の残留応力改善装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の管体の残留応力改善装置において、
全ての周回において前記定常出力工程が行われる管体の角度の範囲であって、該角度の範囲の端部の角度位置のみに、前記管体の温度を測定する温度センサを設け、
前記制御手段は、
前記周回の際、前記温度センサにより前記管体の最高到達温度を監視することを特徴とする管体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、配管等の管体の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所、大型プラント等において、大型の配管等の管体を設置する場合、溶接した際に配管に残留する応力の除去が問題となる。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おそれがあるため、溶接によって発生した残留応力は、除去することが望ましい。
【０００３】
配管に残留する応力の除去方法として、高周波加熱残留応力改善法（Induction Heating Stress Improvement Process；以降、ＩＨＳＩ法と呼ぶ。）が提案されている。このＩＨＳＩ法は、配管の応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking；以降、ＳＣＣと呼ぶ。）条件を満たしている部分近傍の厚み方向に温度勾配ができるように、管内面を流水により強制冷却しながら外面側から高周波誘導加熱コイルを利用して誘導加熱で昇温した後、加熱を停止し、配管の厚み方向が略均一な温度となるまで内面に水を流すことで冷却し続け、結果として、溶接部近傍の引張状態の残留応力を低減又は圧縮状態にするものである（特許文献１〜３）。
【０００４】
又、配管に残留する応力の除去方法として、レーザ照射を用いて、ステンレス鋼等の配管の表面を溶体化温度加熱あるいは溶融することにより、裏面の残留応力を低減する方法も提案されている（特許文献４〜７）。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−７００９５号公報
【特許文献２】特開２００１−１５０１７８号公報
【特許文献３】特開平１０−２７２５８６号公報
【特許文献４】特開２００３−００４８９０号公報
【特許文献５】特開平８−５７７３号公報
【特許文献６】特開２０００−２５４７７６号公報
【特許文献７】特開２００４−１３０３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＩＨＳＩ法においては、加熱終了時に管外周面と管内周面との間には一定以上の温度差が必要である。このため、既に据え付けられ、内部を水流による冷却が可能な配管に対しては実施しやすいが、管内部に流水状態を確保できない管体に対しては実施が困難である。又、ＩＨＳＩ法は、管の厚み方向に温度勾配をつけるために高周波誘導加熱を行うものであるが、高周波誘導コイルによる加熱の場合、管体の材質（誘電率）によって、熱が伝わる深さ及び範囲が異なり、その加熱範囲の限定が難しい。又、装置も大掛かりでエネルギー消費量も大きく、更に、異材継手等、誘電率が異なる部材が混じっている場合には、厚み方向に一定の温度勾配をつけるのが難しい。
【０００７】
又、上述した、レーザ照射を用いて、ステンレス鋼等の配管の表面を溶体化温度加熱あるいは溶融することにより、裏面の残留応力を低減する方法おいては、加熱が不足したり、加熱しすぎたりする可能性がある。加熱不足の場合には、残留応力を十分改善することができず、ＳＣＣを確実に防止できないおそれがある。又、加熱しすぎた場合、加熱領域の近傍に鋭敏化温度に晒される領域が発生し、材料自体に悪影響を与えてしまう。この場合、加熱面に酸化スケールが形成され、スケールを除去する必要が生じ、原子力発電所内での施工では、被ばくが増加するおそれがある。特に、配管同士を溶接した際には、その溶接部分の外面を周方向に移動しながら線状にレーザ照射して、残留応力を低減しているが、レーザ照射の開始角度と終了角度においては、レーザ照射による加熱領域が重複することにより加熱しすぎてしまい、配管を鋭敏化温度に晒して、材料自体に悪影響を与えるおそれがあった。
【０００８】
例えば、レーザ照射の開始角度を周方向位置の０度とし、終了角度を３６０度とし、一定のレーザ照射の出力（ここでは、所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる出力を１．０とする。）を用いた場合、図１２に示すように、レーザ照射の開始角度、終了角度において、所望の温度より１００℃以上高いオーバーヒートとなる領域が発生していた。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、加熱しすぎること無く、確実に残留応力を改善できる管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置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】
上記課題を解決する第１の発明に記載の管体の残留応力改善方法は、
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第２の発明に記載の管体の残留応力改善方法は、
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第３の発明に記載の管体の残留応力改善方法は、
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度で、前記レーザ光の出力を、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とし、前記照射開始角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とするする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第４の発明に記載の管体の残留応力改善方法は、
レーザ光を円筒状管体の溶接部分の外周面に局所的に照射すると共に、前記レーザ光の照射領域を所定の周回速度で前記管体の外周上を周回させることにより、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善する管体の残留応力改善方法において、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０から徐々に増加して、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から前記開始角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から、前記開始角度を通過した照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０とする出力減少工程とを有し、
前記管体における前記出力増加工程の角度の範囲と前記出力減少工程の角度の範囲を一部重ねると共に、前記重なる角度の範囲では、該各工程における前記レーザ光の出力の和を、前記定常出力の０．８〜０．９の比率として、前記全工程を１周以上２周未満の周回で行うことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第５の発明に記載の管体の残留応力改善方法は、
上記第１〜第４の発明に記載の管体の残留応力改善方法において、
前記全工程からなる周回を２回以上行い、且つ、加熱された前記管体を周回毎に雰囲気温度まで冷却すると共に、
前記管体の照射開始角度及び照射終了角度を、周回毎に異なる角度とすることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第６の発明に記載の管体の残留応力改善方法は、
上記第５の発明に記載の管体の残留応力改善方法において、
全ての周回において前記定常出力工程が行われる管体の角度の範囲であって、該角度の範囲の端部の角度位置のみに、前記管体の温度を測定する温度センサを設置し、
前記周回の際、前記温度センサにより前記管体の最高到達温度を監視することを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第７の発明に記載の管体の残留応力改善装置は、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第８の発明に記載の管体の残留応力改善装置は、
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０、若しくは、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力より小さい出力から徐々に増加して、前記定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第９の発明に記載の管体の残留応力改善装置は、
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度で、前記レーザ光の出力を、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とし、前記照射開始角度から、前記照射開始角度と同じ位置である照射終了角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から前記照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０、若しくは、前記定常出力より小さい出力とするする出力減少工程と、
前記照射終了角度で、前記レーザ光の出力を０とする出力停止工程とを有し、
前記全工程を１周の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第１０の発明に記載の管体の残留応力改善装置は、
円筒状管体の外周を所定の周回速度で周回移動可能な周回移動手段と、
前記周回移動手段に支持され、前記管体の溶接部分の外周面に局所的にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記レーザ光照射手段によるレーザ光の出力を制御すると共に、前記周回移動手段によるレーザ光照射手段の周回角度位置及び周回速度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記管体への照射開始角度から第１所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を、０から徐々に増加して、前記所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力とする出力増加工程と、
前記第１所定角度から、前記開始角度に対して手前の位置にある第２所定角度までの間は、前記レーザ光の出力を前記定常出力とする定常出力工程と、
前記第２所定角度から、前記開始角度を通過した照射終了角度までの間は、前記レーザ光の出力を、前記定常出力から徐々に減少して、０とする出力減少工程とを有し、
前記管体における前記出力増加工程の角度の範囲と前記出力減少工程の角度の範囲を一部重ねると共に、前記重なる角度の範囲では、該各工程における前記レーザ光の出力の和を、前記定常出力の０．８〜０．９の比率として、前記全工程を１周以上２周未満の周回で行うことにより、前記レーザ光の照射領域を前記管体の外周上を周回させ、前記溶接部分全周を加熱して、前記溶接部分全周の残留応力を改善することを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する第１１の発明に記載の管体の残留応力改善装置は、
上記第７〜第１０の発明に記載の管体の残留応力改善装置において、
前記制御手段は、
前記全工程からなる周回を２回以上行い、且つ、加熱された前記管体を周回毎に雰囲気温度まで冷却すると共に、
前記管体の照射開始角度及び照射終了角度を、周回毎に異なる角度とすることを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第１２の発明に記載の管体の残留応力改善装置は、
上記第１１の発明に記載の管体の残留応力改善装置において、
全ての周回において前記定常出力工程が行われる管体の角度の範囲であって、該角度の範囲の端部の角度位置のみに、前記管体の温度を測定する温度センサを設け、
前記制御手段は、
前記周回の際、前記温度センサにより前記管体の最高到達温度を監視することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、１周の周回のレーザ照射の開始角度及び終了角度において、レーザ照射の出力を適宜に増加、減少させるので、管体を加熱しすぎること無く、レーザ加熱により管体内面の溶接残留応力（引張応力）を確実に改善することができる。又、レーザ照射の開始角度及び終了角度を周回毎に異なる角度として、複数の周回の開始角度及び終了角度において、レーザ照射の出力を適宜に増加、減少させるので、管体の全周に渡って、最高到達温度を均一にすることができる。従って、原子力プラント等に設置された配管で発生するＳＣＣを、確実に防止することができる。
【００２３】
又、所定の周回速度において所望の加熱温度が得られる定常出力のレーザ光を照射する定常出力工程が全ての周回で行われる管体の角度位置のみに、温度センサを設けるので、少ない温度センサの数でも、過剰な加熱を確実に監視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る管体の残留応力改善方法及び残留応力改善装置を、図１〜図１１を用いて、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明に係る管体の残留応力改善装置及びその原理を説明する図である。
図１（ａ）に示すように、残留応力改善装置１は、円筒状の管体である配管２の軸方向Ｌに延設されると共に、図示しない周回移動装置により配管２の外周を配管２と同軸に周回可能な支持部４と、支持部４に支持され、配管２の溶接部分の外周面の所定領域にレーザ光を照射する光学ヘッド５と、光ファイバ６により光学ヘッド５と接続され、光ファイバ６を介してレーザ光を光学ヘッド５に供給するレーザ発振器７と、周回移動装置、レーザ発振器７等を制御する制御部８とを有するものである。又、配管２の外周面のレーザ光が照射される領域には、配管２の外面の温度を測定する熱電対等の温度センサ９が設置されており、温度センサ９で測定した温度を制御部８が取得して、周回移動装置による周回速度、周回角度位置やレーザ発振器７の出力等を制御している。
【００２６】
光学ヘッド５、光ファイバ６、レーザ発振器７は、レーザ光照射手段を構成しており、レーザ光による線状熱源となる加熱光学系となっている。レーザ光照射手段では、支持部４に沿って、光学ヘッド５の位置を軸方向Ｌに移動することにより、その照射領域を配管２の軸方向に移動可能である。そして、支持部４と共に光学ヘッド５を、配管２の周方向Ｒに周回移動することにより、光学ヘッド５からのレーザ光を、配管２の溶接部分の外周面を周回して照射し、配管２の外面の所定領域を周方向に均一に加熱するようにしている。光学ヘッド５においては、光学ヘッド５自体、若しくは、光学ヘッド５を構成するレンズ、ミラー等の位置変更を行うことで、周方向照射幅、軸方向照射幅を調整して、加熱する領域を調整している。なお、照射領域の大きさによっては、複数の光学ヘッド５を支持部４に設けてもよい。
【００２７】
又、支持部４、周回移動装置は、周回移動手段を構成している。その具体的な構成は、例えば、その内周側が配管２を保持し、その外周側が支持部４を支持して、支持部４を周回可能とするものであればどのような構成でもよい。
【００２８】
残留応力を改善する際には、本発明に係る残留応力改善装置１において、予め、光学ヘッド５の調整により加熱領域を調整し、制御部８により、レーザ発振器７の出力を制御すると共に周回移動装置を所定の移動速度に制御して周回移動させることで、光学ヘッド５から照射されるレーザ光が、配管２の外周を周回移動しながら配管２の外周面の所定領域に照射されて、配管２の外周面の所定領域が加熱されることになる。このとき、加熱時に発生する配管２の内外面の温度差を利用し、内面を引張降伏させることにより、冷却後の内面の残留応力を低減若しくは圧縮応力に改善している。なお、加熱温度としては、固溶化温度未満とすることが好ましい。又、本発明の場合、配管２の内面側を必ずしも強制冷却する必要はない。
【００２９】
上記残留応力改善方法の原理を、図１（ｂ）を参照して説明すると、残留応力を改善したい管体の所定領域において、その外面にレーザ照射を行うと、レーザ照射による加熱により、その外面と内面との間（図１（ａ）におけるＡ−Ａ線の間）に所定の温度差が生じるような温度分布が形成される（（１）参照）。このとき、外面側は圧縮応力状態、内面側は引張応力状態、更には、外面の表面側は、対象配管を構成する材料の圧縮降伏応力を越える圧縮降伏状態、内面の表面側は、対象配管を構成する材料の引張降伏応力を越える引張降伏状態となる（（２）参照）。
【００３０】
加熱後、上記所定領域の内面及び外面を冷却すると、その外面と内面との間の温度は一定となる（（３）参照）。このとき、外面は引張応力状態になり、内面は圧縮応力状態になり、内面の残留応力を引張応力状態から圧縮応力状態に改善することが可能となる（（４）参照）。このように、降伏応力相当以上の応力の大きさ（ひずみ量）をレーザ照射による加熱により発生させることにより、管体内面に生じている残留応力を引張状態から圧縮状態に改善して、管体内面の応力腐食割れを防ぐことが可能となる。従って、本発明に係る残留応力改善装置１を用いて、配管２の外周面を加熱する場合、加熱時に発生する応力が降伏応力以上のひずみとなるように、レーザ照射の条件を設定すればよい。
【００３１】
ところが、レーザ照射の条件が、上記条件であれば、どのようなものでもよいわけではなく、加熱しすぎた場合、加熱領域の近傍に鋭敏化温度に晒される領域が発生し、材料自体に悪影響を与えることになる。特に、配管同士を溶接したとき、その溶接部分の外面を周方向に回転移動して線状にレーザ照射して、残留応力を低減する際には、レーザ照射の開始角度と終了角度において、レーザ照射による加熱領域が重複することにより加熱しすぎてしまい、配管を鋭敏化温度に晒して、材料自体に悪影響を与えるおそれがあった。
【００３２】
そこで、本発明においては、レーザ照射の開始角度、終了角度において、そのレーザ照射の強度（レーザ発振器７の出力）を制御することにより、レーザ照射の開始角度、終了角度における加熱領域のオーバーヒートを防止して、配管２の外面の周方向における加熱温度を均一にするようにしている。
【００３３】
具体的には、図２に示すように、管体へのレーザ照射の開始角度θsを周方向位置の０度とし、終了角度θeを３６０度とする場合、つまり、開始角度θs＝終了角度θeとする場合、開始角度θs＝０度から第１所定角度θ1までの間に、レーザ光の出力を出力比０．５から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ1から終了角度θeに対して手前の位置にある第２所定角度θ2までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ2から終了角度θeまでの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０．５へ徐々に減少し（出力減少工程）、終了角度θe＝３６０度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。そして、管体２へのレーザ照射は、これらの全工程が１周の周回で行われている。
【００３４】
本実施例においては、開始角度θs及び終了角度θeにおける出力比を０．５としているが、加熱しすぎなければ、つまり、定常出力より小さい出力であれば、例えば、開始角度θs及び終了角度θeにおける出力比を０として、レーザ光の出力を、出力比０から出力比１．０へ増加し、出力比１．０から出力比０へ減少するようにしてもよい。
【００３５】
なお、本発明では、本実施例及び後述の他の実施例も含めて、所定の一定の周回速度において、配管２の外面の温度を所望の加熱温度（例えば、６００℃程度）とするレーザ光の出力を、定常出力と規定して説明を行うと共に、定常出力を出力比１．０として、レーザ光の出力の変化を示している。例えば、図２では、第１所定角度θ1から第２所定角度θ2の間の出力が、定常出力の出力比１．０となり、他の角度範囲のレーザ光の出力は、定常出力の出力比１．０を基準に、その出力比が示されている。
【００３６】
このように、レーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、レーザ光の出力を徐々に増加し、そして、レーザ光の出力を徐々に減少することにより、図２に示すように、開始角度θs及び終了角度θeにおける温度を、定常出力でレーザ照射する領域の温度と略同等として、配管２の全周において、加熱温度を略均一とすることができる。その結果、レーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、照射するレーザ光の重なりが有っても、図１２に示すようなオーバーヒート領域が発生することを防止することができ、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【００３７】
なお、第１所定角度θ1、第２所定角度θ2及びレーザ光の出力の増減は、配管２の形状、大きさ、材質、レーザ照射の周回速度等の条件によって、適宜に設定される。
【実施例２】
【００３８】
図３は、本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例を説明する図である。
なお、本実施例は、実施例１に示した残留応力改善装置１を前提に説明を行う。従って、残留応力改善装置１自体の構成の説明は省略する。又、以下に示す実施例３〜５においても、実施例１に示した残留応力改善装置１を前提に説明を行うため、同じく、残留応力改善装置１自体の構成の説明は省略する。
【００３９】
図３に示すように、本実施例では、管体へのレーザ照射の開始角度θsを周方向位置の０度とし、終了角度θeを３６０度とする場合、つまり、開始角度θs＝終了角度θeとする場合、開始角度θs＝０度から第１所定角度θ1までの間に、レーザ光の出力を出力比０から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ1から終了角度θeまでの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持しており（定常出力工程）、終了角度θe＝３６０度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。そして、管体２へのレーザ照射は、これらの全工程が１周の周回で行われている。
【００４０】
本実施例においては、開始角度θsにおける出力比を０から開始しているが、加熱しすぎなければ、つまり、定常出力より小さい出力であれば、例えば、実施例１のように、開始角度θsにおける出力比を０．５から開始して、レーザ光の出力を、出力比０．５から出力比１．０へ増加するようにしてもよい。
【００４１】
このように、レーザ照射の開始角度θs近傍において、レーザ光の出力を徐々に増加し、そして、終了角度θeにおいて、レーザ光の出力を０とすることにより、開始角度θs、終了角度θe近傍における温度を、定常出力でレーザ照射する領域の温度と略同等として、配管２の全周において、加熱温度を略均一とすることができる。その結果、レーザ照射の開始角度θs、終了角度θe近傍において、照射するレーザ光の重なりが有っても、オーバーヒート領域が発生することを防止することができ、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【実施例３】
【００４２】
図４は、本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例を説明する図である。
【００４３】
図４に示すように、本実施例では、管体へのレーザ照射の開始角度θsを周方向位置の０度とし、終了角度θeを３６０度とする場合、つまり、開始角度θs＝終了角度θeとする場合、開始角度θs＝０度で、レーザ光の出力を定常出力である出力比１．０とし、開始角度θsから終了角度θeに対して手前の位置にある第２所定角度θ2までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ2から終了角度θeまでの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０へ徐々に減少し（出力減少工程）、終了角度θe＝３６０度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。そして、管体２へのレーザ照射は、これらの全工程が１周の周回で行われている。
【００４４】
本実施例においては、終了角度θeにおいて出力比を０としているが、加熱しすぎなければ、つまり、定常出力より小さい出力であれば、例えば、実施例１のように、出力比１．０から出力を減少し、終了角度θeにおけるレーザ光の出力を、出力比０．５とした後、出力比０としてもよい。
【００４５】
このように、レーザ照射の終了角度θe近傍において、レーザ光の出力を徐々に減少することにより、開始角度θs及び終了角度θeにおける温度を、定常出力でレーザ照射する領域の温度と略同等として、配管２の全周において、加熱温度を略均一とすることができる。その結果、レーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、照射するレーザ光の重なりが有っても、オーバーヒート領域が発生することを防止することができ、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【実施例４】
【００４６】
図５は、本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例を説明する図である。
【００４７】
図５に示すように、本実施例では、管体へのレーザ照射の開始角度θsを周方向位置の６０度とし、終了角度θeを、開始角度θsを１周通過後の１００度の位置としており、実施例１〜３では開始角度θsと終了角度θeの位置が一致するのに対して、本実施例では開始角度θsと終了角度θeが相違するものである。この場合、開始角度θs＝６０度から第１所定角度θ1までの間に、レーザ光の出力を出力比０から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ1から、開始角度θsに対して手前の位置にある第２所定角度θ2までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ2から開始角度θsを通過した終了角度θeまでの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０へ徐々に減少している（出力減少工程）。
【００４８】
上記出力増加工程→定常出力工程→出力減少工程により、配管２に対するレーザ照射において、出力増加工程の角度の範囲（開始角度θs→第１所定角度θ1間）と出力減少工程の角度の範囲（第２所定角度θ2→終了角度θe間）が一部重なるようにしている。つまり、実施例１〜３とは異なり、開始角度θs→終了角度θe間に、レーザ照射の重なる範囲が存在しており、管体２へのレーザ照射は、これらの全工程（１回の周回工程）が１周以上２周未満で行われている。そして、レーザ照射が重なる角度の範囲（開始角度θs→終了角度θe間）では、出力増加工程におけるレーザ光の出力と出力減少工程におけるレーザ光の出力の和が、定常出力の出力比１．０に対して、出力比０．８〜０．９となるように、レーザ光の出力を制御している。これは、定常出力（第１所定角度θ1→第２所定角度θ2間）における加熱温度に対して、出力制限時（開始角度θs→終了角度θe）における加熱温度が、高くなりすぎず、かつ、低くなりすぎないようにするために行うものである。
【００４９】
このように、レーザ照射が重なる角度の範囲を設けると共に、その角度の範囲におけるレーザ照射の出力を適宜に制限することにより、その角度の範囲における温度を、定常出力でレーザ照射する領域の温度と略同等として、配管２の全周において、加熱温度を略均一とすることができる。その結果、レーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、オーバーヒート領域が発生することを防止することができ、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。又、レーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、レーザ照射の重なる範囲を設けることにより、配管２の全周を均一な最高到達温度に加熱することができ、全周に同等の残留応力改善を施すことができる。
【実施例５】
【００５０】
図６は、本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例を説明する図であり、周方向移動に伴うレーザ光の出力の変化を、レーダーチャートとして記載したものである。
【００５１】
上記実施例１〜４においては、１周若しくは２周未満の周回におけるレーザ照射により、配管２の残留応力改善を図るものであるが、加熱しすぎることがなければ、１回の周回に限定する必要はなく、２回以上の複数の周回におけるレーザ照射により、配管２の残留応力改善を図るようにしてもよい。ここでは、具体的な例として、実施例１に示した残留応力改善方法を適用した方法を説明するが、同様に、実施例２〜４に示した残留応力改善方法も適用可能である。
【００５２】
図６に示すように、本実施例では、複数の周回として、２回（＝２周）の周回を行うものであり、周回毎に開始角度、終了角度を１８０度変えて行うものである。
【００５３】
具体的には、１回目の周回として、レーザ照射の開始角度θs1を１３５度とし、終了角度θe1を同じく１３５度としている。最初に、開始角度θs1＝１３５度から第１所定角度θ11までの間に、レーザ光の出力を出力比０から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ11から終了角度θe1に対して手前の位置にある第２所定角度θ21までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ21から終了角度θe1までの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０へ徐々に減少し（出力減少工程）、終了角度θe2＝１３５度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。
【００５４】
そして、加熱した配管２を雰囲気温度まで冷却した後、２回目の周回として、レーザ照射の開始角度θs2を３１５度とし、終了角度θe2を同じく３１５度として、つまり、１回目の周回の開始角度θs1、終了角度θe1から１８０度移動した位置としている。最初に、開始角度θs2＝３１５度から第１所定角度θ12までの間に、レーザ光の出力を出力比０から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ12から終了角度θe2に対して手前の位置にある第２所定角度θ22までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ22から終了角度θe2までの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０へ徐々に減少し（出力減少工程）、終了角度θe2＝３１５度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。
【００５５】
つまり、出力増加工程→定常出力工程→出力減少工程→出力停止工程からなる周回を２回（＝２周）行うと共に、加熱された管体２を周回毎に雰囲気温度まで冷却しており、更に、開始角度及び終了角度を、周回毎に異なる角度としている。
【００５６】
なお、図６においては、１回目の周回（１ラン）と２回目の周回（２ラン）におけるレーザ光の出力の変化がわかるように、少しずらして記載しているが、１ランの第１所定角度θ11〜第２所定角度θ21間のレーザ光の出力と、２ランの第１所定角度θ12〜第２所定角度θ22間のレーザ光の出力は、共に、出力比１．０である。
【００５７】
このように、各周回のレーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、レーザ光の出力を徐々に増加し、そして、レーザ光の出力を徐々に減少することにより、開始角度θs及び終了角度θeにおける温度を、定常出力でレーザ照射する領域の温度と略同等として、配管２の全周において、加熱温度を略均一とすることができる。その結果、レーザ照射の開始角度θs及び終了角度θe近傍において、オーバーヒート領域が発生することを防止することができ、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【００５８】
更に、上記実施例１〜４においては、又は、本実施例の１回だけの周回においては、レーザ照射の条件、レーザ照射対象である配管２の状態によっては、全周に渡って、最高加熱温度を均一とすることが難しい場合もあり得る。しかしながら、本実施例の場合、１回目の周回と２回目の周回の開始角度、終了角度を、互いに１８０度ずらすことにより、１回目の周回の開始角度、終了角度の近傍の領域は、２回目の周回においては、定常出力でレーザ照射する領域となる。その結果、最高到達温度の温度履歴としては、配管２の全周に渡って均一とすることができ、全周に渡って均一な残留応力改善を施すことができる。又、１回目の周回後、配管２の温度が室温まで冷却した後、２回目の周回を行うので、オーバーヒート領域が発生することはなく、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【００５９】
なお、レーザ照射の周回は、２回と限定する必要はなく、例えば、３回、４回等の複数回としてもよい。例えば、３回の場合には、１回目の周回、２回目の周回、３回目の周回の開始角度、終了角度を、互いに１２０度ずつずらし、４回の場合には、１回目の周回、２回目の周回、３回目の周回、４回目の周回の開始角度、終了角度を、互いに９０度ずつずらして、レーザ照射の周回を行う。これらの場合でも、上記と同等の効果を得られ、配管２の全周に渡って、均一な最高到達温度に加熱することができ、全周に渡って均一な残留応力改善を施すことができ、又、各周回後、配管２の温度が室温まで冷却した後、次の周回を行うので、オーバーヒート領域が発生することはなく、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【００６０】
本実施例の効果を確認するため、１回目の周回における出力比の変化と配管２の溶接部中央外面における最高到達温度のグラフを図７に、又、１回目、２回目の周回における出力比の変化と、加熱前後における配管２の溶接部中央内面の周方向残留応力分布の変化を図８に示した。なお、図７においては、０度と１８０度の位置における配管２の軸方向での最高到達温度も併記した。又、本実施例においては、内面に手直し溶接を行っているため、図８における３１５度付近には施工前に大きな残留応力（引張応力）が生じており、この引張応力が大きい箇所を、２回目の周回の開始角度＝終了角度とすることで、本実施例の効果を確認している。更に、図８には、比較のため、従来方法（一定出力による１周一括のレーザ照射）による残留応力を示した。又、本実施例において、レーザ照射の対象となる配管２は、低合金鋼とステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）を、ニッケルクロム鉄合金で溶接した異材継ぎ手であり、その形状は、板厚２２ｍｍ×外径１４９ｍｍである。又、レーザ光は、周方向に約１００ｍｍ、軸方向に約１５０ｍｍの範囲に照射され、移動速度６ｍｍ／ｓで施工している。
【００６１】
図７に示すように、周方向移動と共にレーザ光の出力を変化させることにより、１回目の周回の開始角度、終了角度である１３５度近傍においては、配管２の外面の最高到達温度が、定常出力によるレーザ照射の最高到達温度より低いが、少なくともオーバーヒートは発生しておらず、オーバーヒートを確実に防止できることがわかる。なお、定常出力によるレーザ照射の最高到達温度は、周方向だけでなく、軸方向においても、その最高到達温度が均一であることがわかる。
【００６２】
そして、このようなレーザ照射を、２回目の周回の開始角度、終了角度を１８０度ずらして行えば、全周に渡って、均一な最高到達温度の加熱が可能となる。つまり、１回目の周回において、最高到達温度が低い領域が有っても、２回目の周回のレーザ照射により、その領域の最高到達温度も、定常出力時の最高到達温度と同等にすることが可能となる。その結果、図８に示すように、溶接後（レーザ照射による加熱前）引張応力であった残留応力を、本実施例のレーザ照射による加熱により、全周で圧縮応力となり、残留応力の改善が行われることが確認できた。この結果を、従来の１周一括のレーザ照射の加熱による残留応力と比較しても、略同等の結果、若しくは、周回の開始角度、終了角度（１３５度近傍）においては、よりよい結果が得られている。
【００６３】
本実施例では、開始角度θs1＝終了角度θe1及び開始角度θs2＝終了角度θe2において、レーザ光の出力０としているが、図７の最高到達温度の測定結果を参照すると、定常出力（１５５度→１０５度間）における最高到達温度に対して、出力制限時（１０５度→１５５度間）における最高到達温度が低くなりすぎないようにすることが、より望ましい。従って、実施例１と同様に、このときの出力を定常出力における出力の半分程度としてもよい。
【００６４】
又、本実施例は、レーザ照射時に何らかのトラブルが発生して、所定のレーザ照射が完了しなかった場合でも、その照射履歴（例えば、開始角度、終了角度、レーザ光の出力）を確認し、次周回のレーザ照射において、前周回のレーザ照射の開始角度、終了角度と異なる角度から開始して、上記レーザ照射を行えば、何の問題もなく、残留応力の改善を行うことが可能である。
【実施例６】
【００６５】
図９は、本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例を説明する図である。ここでは、実施例４に示した残留応力改善方法を上記実施例５に適用した方法である。
【００６６】
本実施例では、図９に示すように、複数の周回として、２回（２周以上）の周回を行うと共に、周回毎にレーザ照射の開始角度及び終了角度が１８０度異なり、かつ、各周回におけるレーザ照射の開始角度と終了角度も相違し、開始角度と終了角度の近傍において、レーザ照射の重なる範囲を設けることにより、配管２の残留応力改善を図るようにするものである。
【００６７】
具体的には、１回目の周回として、レーザ照射の開始角度θs1を３４０度とし、終了角度θe1を、開始角度θs1を１周通過後の２０度としている。最初に、開始角度θs1＝３４０度から第１所定角度θ11までの間に、レーザ光の出力を出力比０から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ11から開始角度θs1に対して手前の位置にある第２所定角度θ21までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ21から終了角度θe1までの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０へ徐々に減少し（出力減少工程）、終了角度θe2＝２０度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。ここでは、上記出力増加工程→定常出力工程→出力減少工程→出力停止工程により、配管２に対するレーザ照射において、出力増加工程の角度の範囲（開始角度θs1→第１所定角度θ11間）と出力減少工程の角度の範囲（第２所定角度θ21→終了角度θe1間）が一部重なるようにしている。
【００６８】
そして、加熱した配管２を雰囲気温度まで冷却した後、２回目の周回として、レーザ照射の開始角度θs2を１６０度とし、終了角度θe2を、開始角度θs2を１周通過後の２００度として、開始角度θs2、終了角度θe2を、１回目の周回の開始角度θs1、終了角度θe1から１８０度移動した位置としている。最初に、開始角度θs2＝１６０度から第１所定角度θ12までの間に、レーザ光の出力を出力比０から徐々に増加して、定常出力である出力比１．０としている（出力増加工程）。次に、第１所定角度θ12から開始角度θs2に対して手前の位置にある第２所定角度θ22までの間は、レーザ光の出力として出力比１．０を維持している（定常出力工程）。次に、第２所定角度θ22から終了角度θe2までの間に、レーザ光の出力を出力比１．０から出力比０へ徐々に減少し（出力減少工程）、終了角度θe2＝２００度において、レーザ光の出力を０としている（出力停止工程）。ここでも、上記出力増加工程→定常出力工程→出力減少工程→出力停止工程により、配管２に対するレーザ照射において、出力増加工程の角度の範囲（開始角度θs2→第１所定角度θ12間）と出力減少工程の角度の範囲（第２所定角度θ22→終了角度θe2間）が一部重なるようにしている。
【００６９】
つまり、出力増加工程→定常出力工程→出力減少工程→出力停止工程からなる周回を２回（２周以上）行うと共に、加熱された管体２を周回毎に雰囲気温度まで冷却しており、更に、開始角度及び終了角度を、周回毎に異なる角度とし、加えて、１回目のレーザ照射の開始角度θs1、終了角度θe1近傍（開始角度θs1→終了角度θe1間）及び２回目のレーザ照射の開始角度θs2、終了角度θe2近傍（開始角度θs2→終了角度θe2間）において、レーザ照射の重なる範囲を設けている。
【００７０】
なお、レーザ照射が重なる角度の範囲（開始角度θs2→第１所定角度θ12間、第２所定角度θ22→終了角度θe2間）では、出力増加工程におけるレーザ光の出力と出力減少工程におけるレーザ光の出力の和が、定常出力の出力比１．０に対して、出力比０．８〜０．９となるように、レーザ光の出力を制御している。これは、定常出力（第１所定角度θ11→第２所定角度θ21間、第１所定角度θ12→第２所定角度θ22間）における加熱温度に対して、出力制限時（開始角度θs2→第１所定角度θ12間、第２所定角度θ22→終了角度θe2間）における加熱温度が、高くなりすぎず、かつ、低くなりすぎないようにするために行うものである。
【００７１】
このように、各周回において、レーザ照射が重なる角度の範囲を設けると共に、その角度の範囲におけるレーザ照射の出力を制限することにより、その角度の範囲における温度を、定常出力でレーザ照射する領域の温度と略同等、若しくは、それ以下とすることが可能である。その結果、レーザ照射の開始角度（θs1、θs2）及び終了角度（θe1、θe2）近傍において、オーバーヒート領域が発生することを防止することができ、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。又、レーザ照射の開始角度（θs1、θs2）及び終了角度（θe1、θe2）近傍において、レーザ照射の重なる範囲を設けると共にレーザ照射の出力を適宜に制限することにより、配管２の全周を均一な最高到達温度に加熱することができ、全周に同等の残留応力改善を施すことができる。
【００７２】
又、本実施例の場合、１回目の周回と２回目の周回の開始角度、終了角度を、互いに１８０度ずらすことにより、１回目の周回の開始角度、終了角度の近傍の領域は、２回目の周回においては、定常出力でレーザ照射する領域となる。その結果、最高到達温度の温度履歴としては、配管２の全周に渡って均一とすることができ、全周に渡って均一な残留応力改善を施すことができる。又、１回目の周回後、配管２の温度が室温まで冷却した後、２回目の周回を行うので、オーバーヒート領域が発生することはなく、材料自体に悪影響を与えることなく、残留応力を改善することができる。
【００７３】
なお、本実施例の場合も、実施例５と同様に、レーザ照射の周回は、２回と限定する必要はなく、例えば、３回、４回等の複数回としてもよく、これらの場合でも、上記と同等の効果を得られる。
【００７４】
本実施例の効果を確認するため、１回目の周回における配管２の溶接部中央外面における最高到達温度のグラフを図１０に、又、加熱前後における配管２の溶接部中央内面の残留応力分布の変化を図１１に示した。本実施例において、レーザ照射の対象となる配管２は、板厚１３．５ｍｍ×外径１１４．３ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６）の鋼管を突合わせ溶接したものである。レーザ光は、周方向に約８０ｍｍ、軸方向に約１００ｍｍの範囲に照射され、移動速度２７ｍｍ／ｓで施工している。
【００７５】
図１０に示すように、周方向移動と共にレーザ光の出力を変化させることにより、１回目の周回の開始角度、終了角度近傍においては、配管２の外面の最高到達温度が、定常出力によるレーザ照射の最高到達温度より低いが、少なくともオーバーヒートは発生しておらず、オーバーヒートを確実に防止できることがわかる。なお、定常出力によるレーザ照射の最高到達温度は、周方向において、その最高到達温度が均一であり、狙い通りの５５０℃であることがわかる。
【００７６】
そして、このようなレーザ照射を、２回目の周回の開始角度、終了角度を１８０度ずらして行えば、全周に渡って、均一な最高到達温度の加熱が可能となる。つまり、１回目の周回において、最高到達温度が低い領域が有っても、２回目の周回のレーザ照射により、その領域の最高到達温度も、定常出力時の最高到達温度と同等にすることが可能となる。その結果、図１１に示すように、溶接後（レーザ照射による加熱前）、溶接中央部内面において、周方向応力で２００ＭＰａの引張応力、軸方向応力で２８０ＭＰａの引張応力であった残留応力を、本実施例のレーザ照射による加熱により、溶接中央部内面の周方向応力、軸方向応力共に、全周で圧縮応力となり、残留応力の改善が行われることが確認できた。
【実施例７】
【００７７】
本実施例は、実施例１に示した残留応力改善装置１を前提に、実施例４に示した残留応力改善方法を行う場合に適用するものである。従って、図１（ａ）、図６を参照すると共に重複する説明は省略して、本実施例を説明する。
【００７８】
本実施例は、複数回の周回によりレーザ照射を行う際、温度の計測点を少なくしても、配管２の温度、特に、最高到達温度を確実に把握できるように、レーザ照射の出力の変化に応じて、図１（ａ）に示す温度センサ９を配管２の外面の適切な周方向位置に取り付けるようにしたものである。
【００７９】
具体的には、図６に示すように、１回目の周回の開始角度、終了角度を１３５度とし、２回目の周回の開始角度、終了角度を３１５度として、２回目の周回で、周回の開始角度、終了角度を互いに１８０度ずらす場合には、温度センサ９を９０度ピッチで周方向４点として、例えば、図６では、０度、９０度、１８０度、２７０度を設置位置としている。これらの設置位置は、１回目の周回及び２回目の全ての周回において、定常出力におけるレーザ照射（定常出力工程）が行われる管体２の角度の範囲であって、この範囲の端部の角度位置あるため、オーバーヒートが発生する可能性がある位置の温度を計測することとなり、４点の温度計測であっても、レーザ照射の際、全周における最高到達温度を確実に把握し、監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る管体の残留応力改善装置及びその原理を説明する図である。
【図２】本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の一例（実施例１）を説明する図である。
【図３】本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例（実施例２）を説明する図である。
【図４】本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例（実施例３）を説明する図である。
【図５】本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例（実施例４）を説明する図である。
【図６】本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例（実施例５）を説明する図である。
【図７】実施例５の管体の残留応力改善方法において、１ランにおけるレーザ光の出力及び加熱温度を説明するグラフである。
【図８】実施例５の管体の残留応力改善方法における残留応力の改善効果を検証したグラフである。
【図９】本発明に係る管体の残留応力改善方法の実施形態の他の一例（実施例６）を説明する図である。
【図１０】実施例６の管体の残留応力改善方法において、１ランにおける加熱温度を説明するグラフである。
【図１１】実施例６の管体の残留応力改善方法における残留応力の改善効果を検証したグラフである。
【図１２】従来の管体の残留応力改善装置におけるレーザ光の出力及び加熱温度を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
１    残留応力改善装置
２    配管
４    支持部
５    光学ヘッド
６    光ファイバ
７    レーザ発振器
８    制御部
９    温度センサ
【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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