JP4246878B2 - レーザ補修方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、原子炉の構造物などの基材に欠陥が発生した場合の健全性回復のためのメンテナンスに用いられるレーザ光を用いたレーザ補修方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子炉の構造物などの基材に欠陥が発生したような場合、欠陥を発生した機器全体を交換するか、あるいは、欠陥を発生した構造物に補強材などを設置して欠陥部を補強する方法などがとられていた。
【０００３】
しかしながら、既設の原子炉の場合には、長期間の運転により中性子の照射を受け構造物全体が劣化している可能性があるため、特に、欠陥を発生した構造物に補強材などを設置する方法には、十分な注意が必要であった。
【０００４】
また、このような原子炉の構造物の欠陥は、できるだけ早期に補修することが必要で、欠陥を完全に除去したのちに補修を行うことが望ましく、また、このような構造物の欠陥は、環境雰囲気と隔離させることが最低限の条件でもあるため、構造健全性確保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。
【０００５】
そこで、従来、構造物などの基材の欠陥自体の補修方法として、TIG溶接などを用いたレーザ補修方法が考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなTIG溶接方法を採用したレーザ補修方法によると、原子炉の長期間の運転により中性子の照射を受け構造物全体が劣化している可能性のある基材に対してTIG溶接が行われると、入熱が多いため再度欠陥が発生するおそれがある。また、TIG溶接方法は、基本的に基材とトーチ電極との間にアークを発生させながら基材を溶融する方法であるため、基材に酸化物が付着していたり、欠陥の隙間に酸化物が付着していたり、欠陥の隙間に水が入っていたり、あるいは、ギャップが大きく空いているように場合は、アークが発生せず安定した溶接を行うことができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、確実な欠陥補修を安定して行うことができるレーザ補修方法を提供することにある．
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、材料表面に開口した開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、該埋め込み材の周囲をレーザ溶接して前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面を前記埋め込み材により封止することを特徴としている。
このようにすれば、欠陥削除を行った後に完全に埋め戻しを行い完全な補修が可能で、かつ、補修部とその周辺の健全性も十分に向上させることができる。
【０００９】
このようにすれば、レ−ザ補修により同時に脱鋭敏化が行われるため、補修域とその周辺の健全性（特に応力腐食割れに対する）を向上させることができる。
【００２８】
請求項２記載の発明において、材料表面に開口した開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、該埋め込み材の表面に溶化材を用いてレーザ肉盛溶接して前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面を前記埋め込み材及びレーザ肉盛溶接により封止することを特徴としている。
【００２９】
このようにしても、欠陥削除を行った後に完全に埋め戻しを行い完全な補修が可能で、かつ、補修部とその周辺の健全性も十分向上させることができる。
【００３０】
請求項３記載の発明は、材料表面に開口した開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、該埋め込み材の上から当て板をレーザシーム溶接して前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面を前記埋め込み材及び当て板により封止することを特徴としている。
【００３１】
このようにしても、欠陥削除を行った後に完全に埋め戻しを行い完全な補修が可能で、かつ、補修部とその周辺の健全性も十分向上させることができる。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、レーザ補修部およびその熱影響部に対してピーニングをおこない、材料表面に圧縮残留応力を付与することを特徴としている。
【００３７】
このようにすれば、溶融したことにより発生した引張残留応力を圧縮残留応力に改善することができ、開口欠陥が多少残っていても新たに開口するようなことを防止できる。
【００４０】
請求項５記載の発明は、材料表面に開口した開口欠陥に対し集光されたレーザ光の位置に高耐食性材料のフィーラワイヤを供給するとともに、アルゴンガス、ヘリウムガスあるいは窒素ガスを前記レーザ光と同軸に流すことにより、溶融された前記溶化材を飛散させ、前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面に前記飛散した高耐食性材料の付着金属層を形成して封止することを特徴としている。
【００４１】
このようにすれば、いわゆるレーザ溶射により形成される付着金属層により、開口欠陥を封止することができる。
【００４２】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の発明において、開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部に対して前記飛散された高耐食性材料を付着、積層させることを特徴としている。
【００４３】
このようにすれば、欠陥削除を行った後に埋め戻しを行った状態から、わゆるレーザ溶射により形成される付着金属層により、開口欠陥を封止することができる。
【００４４】
請求項７記載の発明は、請求項５または６に記載の発明において、前記付着された高耐食性材料にレーザ光を照射することにより再溶融することを特徴としている。
【００４５】
このようにすれば、開口欠陥が新たに開口するようなことを確実に防止することができる。
【００４６】
請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明を原子力プラントまたは核融合炉機器の欠陥を対象させることを特徴としている。
【００４７】
このようにすれば、原子力プラントまたは核融合炉機器の応力腐食割れ、疲労、Ｈｅバブル割れなどの欠陥やピットなどの欠陥の補修を行うことができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００５１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成を示している。図において、１は、レーザ発振器で、このレーザ発振器１には、光ファイバ２が接続され、レーザ発振器１から発せられるレーザ光を所定の位置まで導光するようにしている。また、光ファイバ２の先端には、集光レンズ３が配置され、この光ファイバ２の先端から出射されるレーザ光４を集光レンズ３を介して集光し、補修対象５に照射するようにしている。
【００５２】
次に、このようなレーザ発生装置を使用して欠陥補修を行うレーザ補修方法について図２（ａ）（ｂ）により説明する。
【００５３】
この場合、補修対象５として、同図（ａ）に示すようなオーステナイト系ステンレス鋼５０１の組織が、Ｃｒ炭化物が結晶粒界に析出している鋭敏化組織５０２に変化し、その組織に引張応力がかかり微細な開口や深い開口を有する開口欠陥５０３が発生している例を示している。
【００５４】
そして、このようなオーステナイト系ステンレス鋼５０１の開口欠陥５０３に対してレーザ発振器１から発せられるレーザ光４を光ファイバ２を介し集光レンズ３で集光して開口欠陥５０３に沿って走査しながら照射する。この場合、レーザ発振器１からのレーザ光４として、スポット径が約３ｍｍ、出力９００Ｗ、速度０．８ｍ／ｍｉｎのものを使用すると、オーステナイト系ステンレス鋼５０１に照射されることにより、同図（ｂ）に示すように、開口欠陥５０３には、溶融層５０５として、深さが０．３ｍｍ、溶体化層５０４も含めると約０．５５ｍｍの組織改善層が得られた。そして、このような条件で溶融層５０５を重ねていき、開口欠陥５０３の表層部を封止することにより、オーステナイト系ステンレス鋼５０１の鋭敏化組織は、溶融層５０５と溶体化層５０４を含む健全な組織に改善することができた。
【００５５】
なお、このようなレーザ補修方法でのレーザ光４の走査方法は、走査方向に対して直角に微小振動させてオーステナイト系ステンレス鋼５０１表面を溶融することも可能である。また、例えば、レーザ光４の径を０．５ｍｍに集光し、その集光ビームを走査方向に対して振幅５ｍｍで周波数２０Ｈｚでスキャンしながら表面を溶融することで同様な効果が得られた。
【００５６】
図３は、第１の実施の形態で用いられるレーザ光４による補修条件、つまり、レーザ照射条件を示している。この場合、図３に示すグラフは、鋭敏化したオーステナイト系ステンレス鋼５０１に照射されるレーザ光４の施工速度とレーザ出力を変化したときに再鋭敏化組織が発生するかしないかを実験的にもとめたデータで、グラフ中の黒丸は、再鋭敏化なし、白丸は、再鋭敏化ありで、また、直線ａは、入熱量が１ＫＪ／ｃｍの場合、直線ｂは、１．５ＫＪ／ｃｍの場合、直線ｃは、２ＫＪ／ｃｍの場合、直線ｄは、２ＫＪ／ｃｍの場合をそれぞれ示している。そして、このグラフから、再鋭敏化が発生する条件は、約２ＫＪ／ｃｍ以上であることが明らかであるから、上述したレーザ補修方法の限界は、２ＫＪ／ｃｍ以下で施工することが必要となる。
【００５７】
このようにすれば、開口欠陥５０３に対してレーザ光４により表面を溶融および溶体化層を形成することで、開口欠陥５０３を封止できるとともに、材質の改善を図ることもできる。
【００５８】
（第２の実施の形態）
この第２の実施の形態のレーザ補修方法は、材料表面に開口した微小な割れやピッテイングなどの開口欠陥が発生した場合には、レーザ光を走査させずに静止させて加熱し、開口欠陥の表面または、全てを溶融し、開口欠陥を封止することを特徴としている。
【００５９】
図４（ａ）（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第２の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００６０】
この場合、図４（ａ）に示すように直径０．５ｍｍの穴の開口欠陥５０３に対してビーム径３ｍｍ、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を走査させずに静止した状態で３秒間照射するようにした。
【００６１】
このようにしても、同図（ｂ）に示すように開口欠陥５０３の入口を溶融（約０．５ｍｍ）し、溶融層５０５により封止することができた。勿論、この場合、溶融層５０５の下部に溶体化層が存在することは自明である。
【００６２】
（第３の実施の形態）
この第３の実施の形態のレーザ補修方法は、第２の実施の形態で述べたレーザ光を静止させて加熱するプロセスを連続して補修することを特徴としている。
【００６３】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第３の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第３の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００６４】
この場合、図５（ａ）に示すように穴のような開口欠陥５０３が基材に存在し、且つその中に水分などの内在物６が含まれているような場合、同図（ｂ）に示すように第２の実施の形態で述べた条件で繰り返しレーザ光４を照射し、水分を蒸発させて気化物７として除去した後、さらに、レーザ光４を走査させずに静止した状態で照射することで、同図（ｃ）に示すように溶融層５０５により開口欠陥５０３の穴を封止するようにしている。
【００６５】
このようにすれば、開口欠陥５０３の内部にふくまれた内在物６を気化させながら封止することができる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
この第４の実施の形態のレーザ補修方法は、封止部のくぼみを平坦化するため、レ−ザ照射時の溶融部に溶化材を供給することを特徴としている。
【００６７】
図６（ａ）（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第４の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００６８】
この場合、図６（ａ）に示すように開口欠陥５０３の表面からレーザ光４を照射しつつ、溶化材８（あるいはフィラーワイヤ）を供給しながら開口欠陥５０３の表面層に肉盛溶接部９を形成し、開口欠陥５０３を残したままあるいは、完全に封止するかあるいは開口欠陥５０３の下部を残したまま封止するレーザ補修を行うようにしている。
【００６９】
具体的には、レーザ光４の出力を１０００Ｗとし照射時間を３秒、スポット径を３ｍｍとし溶化材（０．６ｍｍ直径）８を１ｍ／ｍｉｎの速度で２秒間供給することにより同図（ｂ）に示すように深さ０．８ｍｍ（基材表面から０，３ｍｍは盛り上がった）のレーザ肉盛溶融部９を形成することができた。これにより、深さ１ｍｍ、直径０．５ｍｍ程度の開口欠陥５０３は、０，５ｍｍだけ残した状態で封止することができた。このようなレーザ補修方法によりピンホールや開口欠陥などを封止することが可能であることがわかった。
【００７０】
（第５の実施の形態）
この第５の実施の形態のレーザ補修方法は、レ−ザ補修溶接により開口欠陥を封止後、表面にくぼみが生じるような場合に同一箇所に溶化材を用いてレ−ザ溶融し表面のくぼみを埋めることを特徴としている。
【００７１】
図７（ａ）（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第５の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００７２】
この場合、図７（ａ）に示すように直径０．５ｍｍの穴の開口欠陥５０３に対してビーム径３ｍｍ、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を走査させずに静止した状態で３秒間照射することにより開口欠陥５０３の入り口を溶融層５０５（約０．５ｍｍ）により封止している。勿論、溶融層５０５の下部に溶体化層が存在することは自明である。
【００７３】
しかし、このままでは、開口欠陥５０３を埋めるための溶融金属が足らずに表面にへこみが発生することがある。そこで、この溶融のみの封止法の後に同図（ｂ）に示すように溶化材８を供給しながら封止を行った。この時のレーザ照射条件は、ビーム径３ｍｍ、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を使用し、このレーザ光４を走査させずに静止した状態で２秒間照射するとともに、溶化材（０．６ｍｍ直径）８を１ｍ／ｍｉｎの速度で２秒間供給することにより、深さ０．８ｍｍ（基材表面から０．３ｍｍは盛り上がった）の若干表面から盛り上がったレーザ肉盛溶融部９を形成することができた。
【００７４】
このようにしても、深さ１ｍｍ、直径０．５ｍｍの開口欠陥５０３を０．５ｍｍだけ残した状態で封止することができた。このようなレーザ補修方法によってもピンホールや開口欠陥などを封止することが可能であることがわかった。
【００７５】
（第６の実施の形態）
この第６の実施の形態のレ−ザ補修方法は、長い開口欠陥があるような場合に上述したレ−ザ補修方法で形成される溶接部の一部をラップするようにして開口欠陥に沿って補修位置を移動させながら補修を繰返することにより開口欠陥を封止することを特徴としている。
【００７６】
図８は、本発明の第６の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第６の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００７７】
この場合、長い開口欠陥５０３の表面からレーザ光４を照射しつつ、溶化材８（あるいはフィラーワイヤ）を供給しながら開口欠陥５０３の表面層に肉盛溶接部９を形成し、開口欠陥５０３を残したままあるいは、完全に封止するかあるいは開口欠陥５０３の下部を残したまま封止するようなレーザ補修を開口欠陥５０３に沿って肉盛溶接部９をオーバーラップさせながら行う。
【００７８】
具体的には、レーザ照射条件として、スポット径３ｍｍ、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を使用し、このレーザ光４の照射時間を２秒とするとともに、溶化材（０．６ｍｍ直径）８を１ｍ／ｍｉｎの速度で２秒間供給することにより深さ０．８ｍｍ（基材表面から０．３ｍｍは盛り上がった）の肉盛溶融部９を形成することができた。つまり、この場合の施工では、開口欠陥５０３に沿って３ｍｍづつレーザ肉盛溶融部９をオーバーラップさせながら開口欠陥５０３を封止することができた。
【００７９】
（第７の実施の形態）
この第７の実施の形態のレ−ザ補修方法は、開口欠陥を封止する前に高周波加熱またはレ−ザ等の加熱源を用いて、対象物の融点未満に加熱して開口欠陥内の水分または油分等の内在物を気化させることを特徴としている。
【００８０】
図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第７の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第７の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００８１】
この場合、開口欠陥５０３の内部に水分などの内在物６が含まれているような場合、レーザ光４の焦点はずし距離１０を大きくとりオーステナイト系ステンレス鋼５０１の表面を照射して加熱することにより開口欠陥５０３内部の水分を気化物７として蒸発させるようにした。
【００８２】
具体的には、図９（ａ）に示すように開口欠陥５０３の表面に対してレーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を焦点はずし距離１０を１０ｍｍに設定するとともに、スポット径を１０ｍｍ程度にして走査あるいは、静止して照射することで過熱したところ、同図（ｂ）に示すように開口欠陥５０３の内部に存在していた水分などの内在物６を蒸発させることができ、その後、同図（ｃ）に示すように焦点はずし距離１０をもとに戻して、レーザ光４をスポット径３ｍｍで出力１０００Ｗに設定して開口欠陥５０３表面を溶融することにより、溶融層５０５により開口欠陥５０３を封止するようにした。
【００８３】
（第８の実施の形態）
この第８の実施の形態のレ−ザ補修方法は、欠陥除去後に、除去部と同一形状の埋め込み材をはめ込み、その周囲をレ−ザ溶接することを特徴としている。
【００８４】
図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第８の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第８の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００８５】
この場合、図１０（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すように欠陥部を機械加工、EDMあるいは、ドリルなどで完全に除去して拡張欠陥部１１を形成し、同図（ｃ）に示すように拡張欠陥部１１の形状と同等あるいは、それに近い形状の埋め込み材１２をはめ込むとともに、この埋め込み材１２をレーザ溶接部１３１により封止を行うようにしている。
【００８６】
具体的には、長さ２０ｍｍ、深さ２ｍｍの開口欠陥５０３を放電加工で長手方向に２５ｍｍ、幅５ｍｍ、深さ２ｍｍの大きさで取り除いて拡張欠陥部１１を形成し、この拡張欠陥部１１の形状と同じ形状のSUS316L材を埋め込み材１２としてはめ込んだ後、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を、速度０．５ｍ／ｍｉｎで走査しつつ、埋め込み材１２周囲を溶接することで開口欠陥５０３を封止するようにした。
【００８７】
（第９の実施の形態）
この第９の実施の形態のレ−ザ補修方法は、欠陥除去後に、除去部と同一形状のはめ込み材を埋め込み、その表面に溶化材を用いてレ−ザ肉盛溶接することを特徴としている。
【００８８】
図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第９の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第９の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００８９】
この場合も図１１（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すように欠陥部を完全に除去して拡張欠陥部１１を形成し、同図（ｃ）に示すように拡張欠陥部１１の形状と同等あるいは、それに近い形状の埋め込み材１２をはめ込み、その後、埋め込み材１２の表面を溶化材８を用いてレーザ肉盛溶接部１３をオーバーラップさせながら封止するようにしている。
【００９０】
具体的には、この場合も開口欠陥５０３を放電加工で２５ｍｍ×５ｍｍ×深さ２ｍｍの大きさで除去したのち同様の形状をSUS316L材の埋め込み材１２としてはめ込み、その後、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を、速度０．５ｍ／ｍｉｎ、スポット径３ｍｍで、フィラーワイヤ（溶化材８）を１ｍ／ｍｉｎで供給しながら走査して、レーザ肉盛溶接部１３をオーバーラップさせながら埋め込み材１２のすべて封止するようにした。このようにすれば、開口欠陥５０３を除去できるとともに、表面を耐食性の良い材料で封止することができる。
【００９１】
（第１０の実施の形態）
この第１０の実施の形態のレ−ザ補修方法は、欠陥除去後に、除去部と同一形状のはめ込み材を埋め込み、その上から当て板をレ−ザシーム溶接することを特徴としている。
【００９２】
図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第１０の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１０の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００９３】
この場合も、図１２（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すように欠陥部を完全に除去して拡張欠陥部１１を形成し、同図（ｃ）に示すように拡張欠陥部１１の形状と同等あるいは、それに近い形状の埋め込み材１２をはめ込み、その後、埋め込み材１２上に当て板１４を設け、この当て板１４周囲をレーザ溶接部１３１により封止するようにしている。
【００９４】
具体的には、この場合も開口欠陥５０３を放電加工で２５ｍｍ×５ｍｍ×深さ２ｍｍの大きさで除去したのち同様の形状をSUS316L材の埋め込み材１２としてはめ込み、その上に当て板１４を設置し、この当て板１４の周囲をレーザ溶接部１３１により封止した。この場合、当て板１４には、１ｍｍの板厚のSUS316L材が用いられ、レーザ出力１０００Ｗのレーザ光４を、速度０．５ｍ／ｍｉｎで走査することで溶接を行った。なお、この方法では、最初から埋め込み材１２に当て板１４が一体に形成されたものをはめ込んでも同じ効果が得られる。
【００９５】
（第１１の実施の形態）
この第１１の実施の形態のレ−ザ補修方法は、欠陥除去後に、除去部に溶化材をレ−ザで溶融させて埋め込み、その上にレ−ザ肉盛り溶接することを特徴としている。
【００９６】
図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明の第１１の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１１の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【００９７】
この場合も、図１３（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すように放電加工により欠陥部を完全に除去して２５ｍｍ×５ｍｍ×深さ２ｍｍを除去し拡張欠陥部１１を形成し、その後、同図（ｃ）に示すように拡張欠陥部１１に溶化材８を供給しながらレーザ光を照射することで溶化材８が溶融し、溶滴１５として肉盛し、溶滴１５が拡張欠陥部１１中に一杯になったところで、同図（ｄ）に示すように拡張欠陥部１１周辺を含む領域に、さらに溶化材８を供給しながら表面にレーザ肉盛溶接部１３を形成し、開口欠陥５０３を封止するようにしている。
【００９８】
このようにしても、開口欠陥５０３の表面のレーザ補修が行えることが確認できた。
【００９９】
（第１２の実施の形態）
この第１２の実施の形態のレ−ザ補修方法は、レ−ザ補修を行った後に、レ−ザ補修部およびその熱影響部の材料表面に入熱２ＫＪ／ｃｍ以下のレ−ザ溶体化処理またはレ−ザ溶融処理または高耐食性材料の溶化材によりレ−ザ肉盛層を形成することを特徴としている。
【０１００】
図１４（ａ）（ｂ）は、本発明の第１２の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１２の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１０１】
この場合、上述した第２の実施の形態のようにレーザ光４を静止させて開口欠陥５０３を封止すると、溶融部では開口欠陥５０３を封止することはできるが、レーザ光４の入熱が多くなると、図１４（ａ）に示すように熱影響部１６に再鋭敏化層などの欠陥が発生することがある。このような状態では、この熱影響部１６から再度開口欠陥が発生するおそれがあることから、さらに２ＫＪ／ｃｍ以下の低入熱の条件で表面を溶融することで表面改質層１７を形成することにより耐食性改善を図るようにしている。
【０１０２】
この場合、第４の実施の形態で述べたように高耐食性材料の溶化材を供給してレ−ザ肉盛層を形成しても同様な効果が得られる。
【０１０３】
（第１３の実施の形態）
この第１３の実施の形態のレーザ補修方法は、レ−ザ補修を行った後に、レーザ補修部およびその熱影響部に対してピーニングをおこない、材料表面に圧縮残留応力を付与することを特徴としている。
【０１０４】
図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第１３の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１３の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１０５】
この場合、図１５（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すように溶化材８を用いてレーザ肉盛溶接部１３をオーバーラップさせながら封止した後、同図（ｃ）に示すようにレーザ肉盛溶接部１３によるレーザ溶融補修部を含む周辺にピーク値の高いＧＷ以上で、パルス幅数１０ｎｓを有したレーザピーニング用レーザ光１８をスキャニング照射することにより溶融させる。これにより溶融したことにより発生した引張残留応力を圧縮残留応力に改善することができ、開口欠陥５０３が下部で多少残っていても新たに開口するようなことを防止できる。
【０１０６】
（第１４の実施の形態）
この第１４の実施の形態のレ−ザ補修方法は、レーザ溶接中に加工点に対して側面からアルゴンガス、ヘリウムガスあるいは、窒素ガスを流すことにより発生するプルームあるいはプラズマを除去し、これにより得られるストレートな溶接ビードを用いて約１ｍｍ以上の開口亀裂の補修を行うもので、比較的深い開口欠陥の深い領域までレーザ補修できることを特徴としている。
【０１０７】
図１６（ａ）（ｂ）は、本発明の第１４の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１４の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１０８】
この場合、図１６（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対してレーザ光４と同軸方向にアルゴンガス、Ｈｅガス、Ｎ２ガスなどを流してレーザ表面溶融、レーザ肉盛溶接などを行う。この場合、これらガスの流速を上げすぎると溶融池を乱れるため流速を下げて流すことが必要である。
【０１０９】
この状態から、キーホール溶接（通常のレーザ溶接で深い溶け込み形状が得られる）を行うと、ワインカップ形状といわれる、表面では、幅の広いビードが得られ、内部では、細い溶け込みビードが得られる。しかし、このようなワインカップ形状の溶接ビードは、表面の幅広い部分と下部の狭い部分での溶接ビードの境界の熱影響などによりＨｅ割れが発生する場合がある。したがって、比較的表面の溶融幅と下部の溶融幅が同じような形状が好ましいが、このときの原因は、レーザ溶接中に材料表面に発生するプラズマやプルームの影響といわれている。
【０１１０】
そこで、図１６（ｂ）に示すように、レーザ光４の光軸に対して直交する方向から流速の速いガス２０を流すことで表面に発生したプラズマやプルームを除去し、比較的ストレートな溶接ビード１９を得るようにしている。また、このようなストレートな溶接ビード１９は、オーバーラップして開口欠陥５０３を比較的深いところまで封止することができた。例えば、レーザ光４として、レーザ出力１５００Ｗを用い、溶接速度０．５ｍ／ｍｉｎの条件で約３ｍｍの深さまで開口欠陥５０３を封止することができた。
【０１１１】
（第１５の実施の形態）
この第１５の実施の形態のレ−ザ補修溶接方法は、開口亀裂や深い欠陥を補修するレーザ補修において、集光されたレーザ光の位置に高耐食性材料の溶化材としてフィラーワイヤを供給しかつアルゴンガス、ヘリウムガスあるいは窒素ガスなどを流速をあげてレーザ光と同軸に流すと、溶融したフィラーワイヤが飛散するが、この飛散した高耐食性材料を開口亀裂中や材料表面に付着させて（レーザ溶射）欠陥を補修することを特徴としている。
【０１１２】
図１７（ａ）（ｂ）は、本発明の第１５の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１５の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１１３】
この場合、図１７（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すようにノズル２１を配置し、このノズル２１からレーザ光４と、このレーザ光４と同軸方向からアルゴンガス、ヘリウムガスあるいは窒素ガスなどの溶融飛散ガス２２を流速を上げて供給する。この場合、ノズル２１の径は、約０．５から２ｍｍと細いものが用いられる。そして、開口欠陥５０３の表面にレーザ光４を照射しつつ高耐食性材料のフィラーワイヤなどの溶化材８を供給する。この場合、開口欠陥５０３の表面に対するノズル２１と溶化材８の位置は、１０ｍｍ以上離しておく。また、溶化材８に照射されるレーザ光４のパワー密度は、10⁵Ｗ／Ｃｍ²以上である。
【０１１４】
この状態で、ノズル２１から流速の速い溶融飛散ガス２２を流すことにより、レーザ光４の高いパワー密度により溶解された高耐食性材料の溶化材８が開口欠陥５０３内部や材料表面に付着する、いわゆるレーザ溶射により付着金属層２３が形成され、開口欠陥５０３を封止することができた。
【０１１５】
（第１６の実施の形態）
この第１６の実施の形態のレーザ補修方法は、開口欠陥をEDMやドリルなど機械加工法により除去したのち、この除去された部分に付着金属層を形成させて封止することを特徴としている。
【０１１６】
図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第１６の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１６の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１１７】
この場合、図１８（ａ）に示すような開口欠陥５０３に対して、同図（ｂ）に示すように欠陥部を機械加工、EDMあるいは、ドリルなどで完全に除去して拡張欠陥部１１を形成し、同図（ｃ）に示すように第１５の実施の形態で述べたと同様なレーザ溶射法により拡張欠陥部１１を付着金属層２３で埋めることにより、開口欠陥５０３を封止するようにしている。
【０１１８】
（第１７の実施の形態）
この第１７の実施の形態は、材料の表面に付着している高耐食性材料を再溶融させて欠陥を封止することを特徴としている。
【０１１９】
図１９は、本発明の第１７の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１７の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１２０】
この場合も、開口欠陥５０３に対して欠陥部を完全に除去して拡張欠陥部１１を形成し、第１５の実施の形態で述べたと同様なレーザ溶射法により拡張欠陥部１１を付着金属層２３で埋める。この場合、高耐食性材料の溶化材８をレーザ溶射することで得られた付着金属層２３は、ポーラスであることから、さらに耐食性を高めるために付着金属層２３の表面を２ＫＪ／ｃｍ以下の入熱でレーザ照射することで溶融層５０５を形成し、開口欠陥５０３を補修する。
【０１２１】
以上の第１の実施の形態から第１７の実施の形態では、開口欠陥や劣化した材料を補修するためのレーザ補修方法を説明したが、これらの実施の対象部位は、原子力構造物や核融合炉の構造物であり、以下にこれらの構造物に対する実施の形態について説明する。
【０１２２】
（第１８の実施の形態）
この第１８の実施の形態のレーザ補修方法は、原子力プラントや核融合炉機器の応力腐食割れ、疲労、Ｈｅバブル割れなどの欠陥やピットなどの欠陥を補修対象とし、焦点深度を可変制御するなどして溶融深さ・幅をコントロールしつつ、開口欠陥を封止することを特徴としている。
【０１２３】
図２０は、本発明の第１８の実施の形態のレーザ補修方法を示すものである。なお、第１８の実施の形態のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成は、図１と同様なので、同図を援用するものとする。
【０１２４】
この場合、図２０に示すように、構造物３０の開口欠陥５０３としては、IGSCC、疲労亀裂、Ｈｅバブルによる亀裂など各種形状のものが考えれるので、それぞれの形状の開口欠陥５０３に応じた適切な溶融形状３１を選択する必要がある。そこで、レーザ光３２の出力、スポット径３３、スキャニングなど走査方向３４および走査速度３５をそれぞれ設定して適切な溶融形状３１を形成することにより、開口欠陥５０３のレーザ補修を行うようにしている。
【０１２５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、疲労亀裂などの劣化により発生した開口欠陥に対して確実な欠陥補修を安定して行うことができ、これにより原子炉や、核融合炉の延命化を可能にし、国内の電力供給の低価格化と安定化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ補修方法が適用されるレーザ発生装置の概略構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図３】第１の実施の形態に用いられるレーザ光による補修条件を説明するための図。
【図４】本発明の第２の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図５】本発明の第３の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図６】本発明の第４の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図７】本発明の第５の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図８】本発明の第６の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図９】本発明の第７の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１１】本発明の第９の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１２】本発明の第１０の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１３】本発明の第１１の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１４】本発明の第１２の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１５】本発明の第１３の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１６】本発明の第１４の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１７】本発明の第１５の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１８】本発明の第１６の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図１９】本発明の第１７の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【図２０】本発明の第１８の実施の形態のレーザ補修方法を説明するための図。
【符号の説明】
１…レーザ発振器
２…光ファイバ
３…集光レンズ
４…レーザ光
５…補修対象
５０１…オーステナイト系ステンレス鋼
５０２…鋭敏化組織
５０３…開口欠陥
５０４…溶体化層
５０５…溶融層
６…内在物
７…気化物
８…溶化材
９…肉盛溶接部
１０…距離
１１…拡張欠陥部
１２…込み材
１３…レーザ肉盛溶接部
１４…当て板
１５…溶滴
１６…熱影響部
１７…表面改質層
１８…レーザピーニング用レーザ光
１９…溶接ビード
２０…ガス
２１…ノズル
２２…溶融飛散ガス
２３…付着金属層
３０…構造物
３１…溶融形状
３２…レーザ光
３３…スポット径
３４…走査方向
３５…走査速度

Claims (8)

1. 材料表面に開口した開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、該埋め込み材の周囲をレーザ溶接して前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面を前記埋め込み材により封止することを特徴としたレーザ補修方法。
2. 材料表面に開口した開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、該埋め込み材の表面に溶化材を用いてレーザ肉盛溶接して前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面を前記埋め込み材及びレーザ肉盛溶接により封止することを特徴としたレーザ補修方法。
3. 材料表面に開口した開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部と同一形状の埋め込み材をはめ込むとともに、該埋め込み材の上から当て板をレーザシーム溶接して前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面を前記埋め込み材及び当て板により封止することを特徴としたレーザ補修方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ補修方法において、レーザ補修部およびその熱影響部に対してピーニングをおこない、材料表面に圧縮残留応力を付与することを特徴としたレーザ補修方法。
5. 材料表面に開口した開口欠陥に対し集光されたレーザ光の位置に高耐食性材料のフィーラワイヤを供給するとともに、アルゴンガス、ヘリウムガスあるいは窒素ガスを前記レーザ光と同軸に流すことにより、溶融された前記溶化材を飛散させ、前記開口欠陥内部の残留を許容して前記開口欠陥表面に前記飛散した高耐食性材料の付着金属層を形成して封止することを特徴としたレーザ補修方法。
6. 請求項５に記載のレーザ補修方法において、開口欠陥を除去して拡張欠陥部を形成した後、該拡張欠陥部に対して前記飛散された高耐食性材料を付着、積層させることを特徴とするレーザ補修方法。
7. 請求項５または６に記載のレーザ補修方法において、前記付着された高耐食性材料にレーザ光を照射することにより再溶融することを特徴とするレーザ補修方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ補修方法は、原子力プラントまたは核融合炉機器の欠陥を対象とすることを特徴とするレーザ補修方法。

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