(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続され水中に浸漬された被補修物の部材面上に移動可能に設置される加工ヘッドを備え、この加工ヘッドは、溶接ワイヤの供給源および供給系と、レーザ光を集束し前記部材面上の溶接個所に照射する光学系と、シールドガス、レーザ光および溶接ワイヤの出口において前記部材面とのあいだに気体環境を形成する円盤状のノズルとを備えたことを特徴とする水中レーザ補修溶接装置。
【請求項２】
ノズルは中心孔を有し、内外径差1.5ｍｍ以上の円盤状であることを特徴とする請求項１記載の水中レーザ補修溶接装置。
【請求項３】
ノズルは、被補修物の部材面に対向する端面に三角形または矩形または円形の円周溝を有することを特徴とする請求項２記載の水中レーザ補修溶接装置。
【請求項４】
ノズルの中心孔内部に溶接ワイヤを導くワイヤチップを備えたことを特徴とする請求項２記載の水中レーザ補修溶接装置。
【請求項５】
レーザ発振器から加工ヘッドへレーザ光を導く光ファイバと溶接個所との間に、溶接部から反射したレーザ光が加工ヘッド内部に入らないよう、小さい内径を有したブッシュを設けたことを特徴とする請求項１記載の水中レーザ補修溶接装置。
【請求項６】
加工ヘッドは、被補修物の部材面上を転動する倣いローラを備え、ばね機構を介して加工機に取付けられていることを特徴とする請求項１記載の水中レーザ補修溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉の構造物などの部材に欠陥が発生した場合に、健全性回復のためにレーザ光を用いて水中で補修溶接をおこなう水中レーザ補修溶接装置に関する。
【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、その部材全体を交換するか、あるいは補強金具の設置などの方法が取られている。また、欠陥自体の補修方法としては、ＹＡＧ溶接が検討されており、とくに原子炉内の水を抜かずに補修する方法が要求されることが多い。
【０００３】
このような欠陥は、早期に補修することが必要であり、グラインダー等によって欠陥を完全に除去した後に肉盛り等の補修溶接を行うことが望ましい。また、原子炉の構造物などにおいて欠陥の成長を抑制するには環境雰囲気と隔離させることが最低限の条件であるため、構造欠陥が確認できれば、構造物表面の開口欠陥の封止も有効な手段となる。
上記欠陥の補修を目的とし水中で行うレーザ光を用いた補修溶接の技術は、特開平９−10977号公報、特開平10−180476号公報等に開示されている。
【０００４】
図８に、従来の水中レーザ溶接装置の例を示す。すなわち、円筒状の加工ヘッド１内には、複数枚のレンズ２からなる光学系３が保持されており、光ファイバ４により加工ヘッド１まで伝送されたレーザ光５が、光学系３によって集光されて加工ヘッド１の先端から配管等のワーク（被補修物）６の溶接部に向け照射されるようになっている。
【０００５】
また、加工ヘッド１のケーシング先端を、レーザスポット付近まで延びる先細り形状のノズル７として形成し、溶接ワイヤ８をレーザスポットに案内するワイヤ供給路９と、ガス供給源から供給されるシールドガス10を前記ノズル７内に供給するためのガス流路11とをおのおの穿設している。
【０００６】
そして、外部のＹＡＧレーザ発振器によって発振された前記レーザ光５を、前記光ファイバ４を介して水12中の前記加工ヘッド１に導き、この加工ヘッド１内の光学系３を介して集光したレーザ光５を加工ヘッド１先端から水12中のワーク６の溶接部に向けて照射して溶接作業を行う際に、加工ヘッド１の外部にあるワイヤ供給装置から供給される溶接ワイヤが加工ヘッド１のケーシングに穿設されたワイヤ供給路９を通してレーザスポットに案内される。
【０００７】
また、外部のガスボンベから供給されるシールドガス10が、加工ヘッド１のケーシングに穿設されたガス流路11を通してノズル７内に供給され、ノズル７の先端からレーザスポットに向け噴射され、ワーク６の溶接部周囲がシールドガス10により局所的に強制排水されて溶接可能な状態とされる。また、溶接ワイヤ８はシールドガス10によりドライ状態に保持される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の水中レーザ溶接装置においては、レーザスポットに溶接ワイヤ８を供給するための供給装置が加工ヘッド１から遠く離れた位置にある。そのため、溶接ワイヤ８がワイヤ供給路９との摩擦で送りにくくなり、溶接ワイヤ８の供給速度を上げることが困難になる。さらに、溶接ワイヤ８がつまれば、溶接ワイヤ８の供給装置の近くで溶接ワイヤ８が座屈するおそれが高く、溶接ワイヤ８の安定供給が難しい。
【０００９】
さらに、この従来の装置では、水12中で溶接施行するため、シールドガス10を連続的に供給しながら、溶接個所の近傍で局所的に水を排出して気体環境13を形成する。しかし、シールドガス10が気泡13ａを形成して、水中に放出されるとき、気泡13ａに見合う体積だけ水12が浸入するため、加工ヘッド１の先端のノズル７の形状が鋭角でその内外径差が小さいと、気体環境13を保持することが困難になる。とくに、横向きの姿勢では、気体環境13形成が困難である。
【００１０】
また、従来の装置では、レーザ光５がワーク６に対して垂直に照射されるため、ワーク６からの反射光により、光学系３を構成するレンズ２や光ファイバ４を破壊するおそれが高い。
【００１１】
また、ノズル７の端面とワーク６との間の距離、すなわちノズルギャップは、気体環境13の形成と溶接ビードの形成に影響を及ぼすが、ワーク６の凹凸に合わせてノズル７端面を上下させて、ノズルギャップを一定にするための機構がなく、水中レーザ補修溶接性が安定しない一因となっている。さらに、従来の装置では、水12中での溶接施行であり溶接個所の確認が難しい。
【００１２】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、ワーク上の溶接個所における気体環境を安定的に形成し、また、溶接ワイヤを円滑に安定的に供給して高品質の水中レーザ補修溶接を行うことのできる水中レーザ補修溶接装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【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の発明の水中レーザ補修溶接装置は、レーザ発振器およびシールドガス供給源に接続され水中に浸漬された被補修物の部材面上に移動可能に設置される加工ヘッドを備え、この加工ヘッドは、溶接ワイヤの供給源および供給系と、レーザ光を集束し前記部材面上の溶接個所に照射する光学系と、シールドガス、レーザ光および溶接ワイヤの出口において前記部材面とのあいだに気体環境を形成する円盤状のノズルとを備えた構成とする。
この構成の水中レーザ補修溶接装置を用いることにより、溶接ワイヤの供給に不安定さがなく、また、水中において溶接個所近傍に局所的に安定して気体環境を形成させることができ、安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明の水中レーザ補修溶接装置において、ノズルは中心孔を有し、内外径差1.5ｍｍ以上の円盤状である構成とする。
この構成の水中レーザ補修溶接装置を用いることにより、水中において溶接個所近傍のみ局所的に安定して気体環境を形成させることができ、安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００１５】
請求項３の発明は、ノズルは、被補修物の部材面に対向する端面に三角形または矩形または円形の円周溝を有する構成とする。
この構成の水中レーザ補修溶接装置を用いることにより、水中において溶接個所近傍のみ局所的に安定して気体環境を形成させることができ、安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００１６】
請求項４の発明は、ノズルの中心孔内部に溶接ワイヤを導くワイヤチップを備えた構成とする。
この構成の水中レーザ補修溶接装置を用いることにより、水中において局所的に形成させた気体環境に溶接ワイヤを供給することができ、安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１の発明の水中レーザ補修溶接装置において、レーザ発振器から加工ヘッドへレーザ光を導く光ファイバと溶接個所との間に、溶接部から反射したレーザ光が加工ヘッド内部に入らないよう、小さい内径を有したブッシュを設けた構成とする。
この構成の水中レーザ補修溶接装置を用いることにより、ワークから加工ヘッド内部へのレーザ反射光を回避することができ、光学系の損傷を防いで安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００２２】
請求項６の発明は、加工ヘッドは、被補修物の部材面上を転動する倣いローラを備え、ばね機構を介して加工機に取付けられている構成とする。
この構成の水中レーザ補修溶接装置を用いることにより、ノズルと被補修物の部材表面とのギャップを一定にでき、安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置を図１を参照して説明する。
すなわち、加工ヘッド１の内部には、光ファイバ４と、複数枚のコリメータレンズ15と集光レンズ16および屈折ミラー17からなる光学系３と、溶接ワイヤ８を供給するワイヤ供給装置14とを備えている。
【００２５】
光学系３は、光ファイバ４から出たレーザ光５を、複数枚のコリメータレンズ15により平行光にして伝送し、溶接個所近傍で集光レンズ16により集光し、最後に屈折ミラー17で屈折して、ワーク６表面にレーザ光５を照射する。
【００２６】
レーザ光５はワーク６に対して垂直にではなく、10°〜20°で傾けて照射し、反射光19が加工ヘッド１内部に入ってくるのを回避する。さらに、光ファイバ４の後方端面、もしくは集光レンズ16の後方に細い内径のブッシュ18を設け、上と同様に、反射光19が加工ヘッド１内部に入らないようにする。
【００２７】
溶接ワイヤ８を供給するワイヤ供給装置14は、リール20、圧着ローラ21、小型モータ22、ワイヤ供給パイプ23、ワイヤチップ24からなる。加工ヘッド１の後方部に設けた小型モータ22で駆動された圧着ローラ21により、溶接ワイヤ８をワイヤ供給パイプ23に送り出し、このワイヤ供給パイプ23にろう付け接続されたワイヤチップ24から溶接個所31に供給する。
【００２８】
このような構成の本実施の形態の水中レーザ補修溶接装置においては、ワイヤ供給装置14が加工ヘッド１内にあり溶接個所31に近いため、溶接ワイヤ８を滑らかに供給することができる。また、ワイヤ供給パイプ23とワイヤチップ24はろう付けにより接続されており、溶接ワイヤ８を水でぬらすことなく溶接個所31に供給することができる。さらに、ワイヤチップ24をノズル孔25の内部に入れることにより、溶接ワイヤ８をシールドガス10によって乾燥されたドライな状態で溶接個所31に供給することができる。
【００２９】
また、加工ヘッド１の後方部に倣いローラ26を取り付け、かつ加工ヘッド１と加工機27とをばね機構28を介して結合する。例えば、ワーク６に大きな凹凸があるような場合、倣いローラ26がワーク６面に接触することにより、ワーク６表面の凹凸に合わせてばね機構28が伸びたり縮んだりして、加工ヘッド１全体が左右に移動する。この機構により、ノズル29の端面とワーク６の距離、すなわちノズルギャップを一定にする。ノズルギャップは、気体環境形成と溶接ビード形成に影響を及ぼすため、これを一定に保つことにより、安定した水中レーザ補修溶接を施すことができる。
【００３０】
加工ヘッド１の先端には、上記のように円盤状のノズル29が取り付けられているが、図２に、ノズル29をワーク６側から見た端面の図を示す。図２（ａ）に示すように、ノズル29の中央にはノズル孔25がある。ノズル29の内外径差33が大きいほど、気体環境13形成の安定化に効果がある。とくに、内外径差33が1.5ｍｍ以上で顕著である。
【００３１】
また、図２（ｂ）に示すように、ノズル29の端面に、溝34を加工してもよい。溝34の断面形状は、矩形、くさび形、半円等のいずれであってもよく、この溝34により、気泡13ａ放出にともなう水12の進入に対する抵抗となり、気体環境13形成の安定化に効果がある。
【００３２】
本実施の形態の水中レーザ補修溶接装置の全体の構成を図３に示す。すなわち、本装置は、（ＹＡＧレーザ）発振器35、加工機27および加工ヘッド１を主たる構成要素とする。まず、発振器35は、ガスボンベ32とともにワーク６の外部の大気中に設置される。発振器35から出射されたＹＡＧレーザ光を伝えるため、加工ヘッド１まで光ファイバ４で結ばれている。ここで、光ファイバ４の保護カバー30を利用して、シールドガス10を加工ヘッド１まで送る。この機構により、シールドガス10用に別途チューブを設ける必要がない。
【００３３】
加工機27は、例えば円筒状のワーク６上部に設けられた梁36に中心軸を支持された回転装置37と、前記中心軸から半径方向に移動する水平方向スライダ38と、この水平方向スライダ38の先端から鉛直下向きに移動する鉛直方向スライダ39で構成され、鉛直方向スライダ39の下端に加工ヘッド１が取り付けられる。この機構により、加工ヘッド１を溶接個所31に大まかに位置決めする。鉛直方向スライダ39の下端では、吸着パッド40によりスライダ39をワーク６に固定し、マジックハンド41により加工ヘッド１の最終的な位置決めをし、２軸スライダ42により加工ヘッド１を移動しながら加工を行なう。
【００３４】
ここで、水中レーザ補修溶接の加工条件の一例を図４に示す。すなわち、ＹＡＧレーザ発振器を用い、波長1.06μｍ、出力0.5〜4.0ｋＷ、加工速度0.1〜５ｍ／ｍｉｎ、溶接ワイヤ直径0.4〜1.0ｍｍ、ワイヤ供給速度0.5〜８ｍ／ｍｉｎの範囲で行なうと、安定した水中レーザ補修溶接ができる。
【００３５】
さらに、図５に、水中レーザ補修溶接施工の前処理の工程を示す。稼働中の原子炉内の構造物を対象としているため、ワーク表面にスラグや酸化皮膜が付着しているおそれが高い。安定した水中レーザ補修溶接を行なうには、施工部位近辺のスラグ除去、酸化皮膜除去が不可避である。施工手順としては、ワイヤブラシまたはグラインダにより、まずスラグ除去をおこなう。次に、レーザ光を用いた酸化皮膜除去を行なう。これら２つの工程も水中でおこなう。以上の前処理により、安定した水中レーザ補修溶接を行なうことができる。
【００３６】
このように本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置においては、（ＹＡＧレーザ）発振器35から発振されるレーザ光５を光ファイバ４を通して水12中の加工ヘッド１に導き、加工ヘッド１内の光学系３を通して集光したレーザ光５をワーク６表面に照射する。加工ヘッド１は、光ファイバ４から出たレーザ光５を集光するための複数枚のコリメータレンズ15と集光レンズ16および屈折ミラー17からなる光学系３と、溶接ワイヤ８を供給するワイヤ供給装置14とを備えている。
【００３７】
レーザ光５はワーク６に対して傾けて照射され、光ファイバ４の後方端面または集光レンズ16後方に細い内径のブッシュ18を設けている。
ワイヤ供給装置14では、小型モータ22で駆動される圧着ローラ21により、溶接ワイヤ８をワイヤ供給パイプ23に送り出し、ワイヤチップ24から溶接個所31に供給する。ワイヤ供給パイプ23とワイヤチップ24はろう付けにより接続されている。また、ワイヤチップ24はノズルの中心孔25に挿入されている。
【００３８】
さらに、加工ヘッド１の後方部に倣いローラ26を取り付け、かつ加工ヘッド１と加工機27とをばね機構28を介して結合してある。加工ヘッド１の先端には、円盤状のノズル29が取り付けられ、その内外径差33は1.5ｍｍ程度である。また、ノズル29の端面に矩形、三角、円形等の断面形状を持つ溝34を設けてある。そして光ファイバ４の保護カバー30を利用して、シールドガス10を供給する。
【００３９】
したがって、加工ヘッド１にワイヤ供給装置14と光学系３を一体化して内蔵しているため、複雑かつ大型のドライ化装置を用いることなく、溶接個所31に気体環境13を形成し安定した水中レーザ補修溶接をおこなうことができる。また、レーザ光５をワーク６に対して傾け、かつ光ファイバ４の後方端面または集光レンズ16後方に小さい内径のブッシュ18を設けているので、ワーク６からの反射光19による光学系３の破損を回避することができる。
【００４０】
ワイヤ供給装置14では、小型モータ22で駆動する圧着ローラ21により、溶接ワイヤ８をワイヤ供給パイプ23に送り出し、ワイヤチップ24から溶接個所31に供給するため、溶接ワイヤ８を送給する距離を短くすることができ、溶接ワイヤ８を安定して供給できる。ワイヤ供給パイプ23とワイヤチップ24はろう付けにより接続され、かつワイヤチップ24はノズル孔25に挿入されているので、溶接ワイヤ８をドライな状態で溶接個所31に供給することができる。
【００４１】
また、加工ヘッド１の後方に倣いローラ26を取り付け、かつ加工ヘッド１と加工機27とをばね機構28を介して結合してあるので、ワーク６に大きな凹凸があるような場合、倣いローラ26がワーク６面に接触することにより、ワーク６表面の凹凸に合わせてばね機構28が伸縮して、加工ヘッド１全体が左右に移動する。この機構により、ノズル29の端面とワーク６の距離、すなわちノズルギャップを一定に保つことができる。ノズルギャップは、溶接個所31の気体環境13形成と溶接ビード形成に影響を及ぼすため、これを一定に保つことにより、安定した水中レーザ補修溶接を実施することができる。
【００４２】
また、加工ヘッド１の先端には、円盤状のノズル29を取り付け、その端面に矩形、三角、円形等の断面形状を持つ溝34を設けた構成であるので、溶接個所における気体環境形成を安定化することができる。
【００４３】
以上のように、本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置によれば、縦向きあるいは傾斜した部材表面に対して溶接個所31における気体環境形成と溶接ワイヤ８の供給を安定化することにより、安定した水中レーザ補修溶接を行なうことができる。
【００４４】
図６は、本発明の第２の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置を示す断面図である。加工ヘッド１を構成する要素は、第１の実施の形態とほとんど同じである。ただし、屈折ミラー17を用いず、レーザ光５を曲げないため、下向き姿勢での施工に適する。
【００４５】
図７は、本発明の第３の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置を示す断面図である。加工ヘッド１における光学系３において、コリメータレンズ15と集光レンズ16の間に、レーザ光を透過し可視光を反射するダイクロイックミラー43を45°に傾けた状態で設置し、このダイクロイックミラー43の後方に集光レンズ44と耐放射線性のＣＣＤカメラ45を取り付ける。このような構成とすることにより、施工前及び施工中の溶接個所31の状態を観察することができる。とくに、施工前の溶接個所の観察は、最終的な位置決めの精度向上に有効である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の水中レーザ補修溶接装置によれば、ワーク上の溶接個所における気体環境が安定して形成され、また溶接ワイヤが円滑に安定して供給されるので、高品質の水中レーザ補修溶接を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置を示し、（ａ）は加工ヘッドの断面図、（ｂ）は加工ヘッド先端の詳細図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置におけるノズルの端面を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置全体を示し、（ａ）は全体構成を示す図、（ｂ）は加工ヘッドの支持のための構成を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置による加工条件の一例を示す表。
【図５】本発明の水中レーザ補修方法を示す工程図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置を示し、（ａ）は加工ヘッドの断面図、（ｂ）は加工ヘッド先端の詳細図。
【図７】本発明の第３の実施の形態の水中レーザ補修溶接装置を示し、（ａ）は加工ヘッドの断面図、（ｂ）は観察のための構成を示す断面図。
【図８】従来の水中レーザ溶接装置の加工ヘッドを示す断面図。
【符号の説明】
１…加工ヘッド、２…レンズ、３…光学系、４…光ファイバ、５…レーザ光、６…ワーク、７…ノズル、８…溶接ワイヤ、９…ワイヤ供給路、10…シールドガス、11…ガス流路、12…水、13…気体環境、13ａ…気泡、14…ワイヤ供給装置、15…コリメータレンズ、16…集光レンズ、17…屈折ミラー、18…ブッシュ、19…反射光、20…リール、21…圧着ローラ、22…小型モータ、23…ワイヤ供給パイプ、24…ワイヤチップ、25…ノズル孔、26…倣いローラ、27…加工機、28…ばね機構、29…ノズル、30…保護カバー、31…溶接個所、32…ガスボンベ、33…内外径差、34…溝、35…発振器、36…梁、37…回転装置、38…水平方向スライダ、39…鉛直方向スライダ、40…吸着パッド、41…マジックハンド、42…２軸スライダ、43…ダイクロイックミラー、44…集光レンズ、45…ＣＣＤカメラ。
【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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