JP4786470B2 - レーザピーニング方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラント等における予防保全技術に係わり、とくにプラント内機器等を補修するレーザピーニング方法および装置に関する。

原子力プラントでは、長期運転を保障すべく種々の予防保全技術、各機器の交換、補修技術開発が行われており、プラントの定期点検時に自動機器を炉内に設置して炉内機器にアクセスし、各種対策工法を実施している。

その中でも、溶接部に残留している引張応力に起因した応力腐食割れ対策として、レーザピーニング方法および装置、すなわちパルスレーザ光を材料表面に照射した際に発生する高圧プラズマにより誘起される衝撃波によって応力改善処理し、引張残留応力を低減あるいは圧縮応力に変換することにより、その発生を効果的に防止する方法および装置が開発されている（特許文献１および非特許文献１，２参照）。

レーザピーニングは、ショットピーニングやウォータジェットピーニング等の他のピーニング技術と比べて効果が材料強度にあまり依存せず、板厚の内部まで（材料表面から１ｍｍ程度の深さまで）改善効果が及ぶという特徴がある。また、レーザピーニングにウォータジェットピーニングを組み合わせ、処理能力の向上を図る試みも提案されている（特許文献２参照）。
特開平８−２０６８６９号公報 特開２００２−３４６８４７号公報 日本原子力学会誌、Vol.42, No.6, pp.567-573 (2000) 日本材料学会誌「材料」、Vol.49, No.2, pp.193-199 (2000)

レーザピーニングにおいては、被照射材料の内部（表面からの深さが約２０μｍ以上）の応力改善効果がレーザ照射スポットのエネルギー密度や単位面積当りのレーザ光照射回数を増すと共に増加し、一箇所に３回程度パルスレーザ光を重ね打ちすると圧縮残留応力値はほぼ飽和して十分な応力改善効果を得ることができる。

一方、被照射材料の表面（表面から深さ約２０μｍ以内の範囲）に関しては、あるしきい値の範囲にレーザ光照射スポットのエネルギー密度を維持しないと被照射材料の表面の残留応力が圧縮応力になり難いという性質があり、これは、被照射材料のごく表面近くにおいてはレーザ光により形成されるプラズマの熱影響があるためと推測されている。

被照射材料の表面に塗料等を塗布して、被照射材料に直接レーザ光が当たらないようにすることで、被照射材料の表面にプラズマの熱影響が及ばないようにする方法も存在する。しかし、処理に時間がかかる上、原子力プラントのように容易に人間が近付くことができないような場所では実用的ではない。

そこで、従来、単位面積当りのパルスレーザ光の照射回数を増やすことにより、被照射材料の表面の残留応力がより圧縮応力傾向になることを利用して、被照射材料の内部は十分圧縮応力となっているにも拘わらず照射回数を増やす施工を行っており、結果として施工時間の増加を招いているという問題がある。

一方、ウォータジェットピーニングは、高速の水流により発生する多数のキャビテーションを用い、このキャビテーションが崩壊する際に発生する衝撃波により応力改善を行う技術である。しかし、衝撃波一つずつのエネルギーがレーザピーニングに比べると小さいため、材料内部まで効果が及ばないという欠点がある。

特許文献２では、図９に示すように、レーザピーニングとウォータジェットピーニングとを組み合わせて処理能力の向上を図ろうとしている。このような構成では、レーザ光の光路上にキャビテーションの気泡が存在するため、レーザ光が散乱してレーザピーニングの効果が阻害されるという問題がある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、短時間で被照射材料の表面から１ｍｍ程度の深さまで応力改善が可能なレーザピーニング方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本願では、第１の発明であるレーザピーニング方法、および第２の発明であるレーザピーニング装置の各発明を提供する。

第1の発明は、
被照射材料の表面に液体を通してパルスレーザ光を連続的に照射し、前記被照射材料とレーザ光とを相対的に移動させることにより、前記被照射材料の表面の引張残留応力を低減あるいは圧縮応力に変換するレーザピーニング方法において、
あるパルスで発生した前記パルスレーザ光により形成されるキャビテーションを、当該パルスまたはそれ以前のパルスで発生した前記パルスレーザ光が照射された前記被照射材料の表面上に導いて応力改善を行うことを特徴とする。

第2の発明は、
レーザ発振器、およびこのレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光を被照射材料の表面に導くための光学装置により構成されるレーザ照射装置と、前記被照射材料の表面を液体に濡れた雰囲気に保つための液体供給装置と、前記被照射材料の表面に沿って前記パルスレーザ光を相対的に移動させるための駆動装置を備えたレーザピーニング装置において、
前記レーザ照射装置のレーザ出射端に、前記被照射材料の表面に対して鋭角をなすように配置され、前記パルスレーザ光と同軸状に前記液体を出射する噴射ノズルを備え、
あるパルスで発生した前記パルスレーザ光により形成されるキャビテーションを、当該パルスまたはそれ以前のパルスで発生した前記パルスレーザ光が照射された前記被照射材料の表面上に導かれるようにレーザ光を相対的に駆動して応力改善を行うことを特徴とする。

本発明によれば、パルスレーザ光を照射した被照射材料の表面に、その後に照射したパルスレーザ光により形成されるキャビテーションを導いて応力改善を行うようにしたため、応力改善効果を十分に挙げることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施形態につき、図１ないし図５を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態は、レーザ光１と液体供給配管９から供給される液体６とを噴射するための噴射ノズル８が、レーザ照射装置１０のレーザ出射端に設けられた構成となっている。噴射ノズル８は、被照射材料３に対して鋭角（被照射材料３の面に対して９０度未満の角度）に配置され、既にレーザ照射済みの表面１２が噴射ノズル８からの液体の流れ１１の下流側となるように設置されている。

レーザ照射装置１０は、液体の流れ１１の下流側から上流側に向かって、レーザ光を被照射材料３に対して相対的に移動しながら照射を行う。このように構成された実施形態１において、レーザ光１により形成されるキャビテーション７が、液体の流れ１１によって既にレーザ照射済みの被照射材料３の表面１２に導かれる。

図２(a)，(b)は、レーザ照射スポットのエネルギー密度と表面残留応力との関係（図２(a)）、および単位面積当りの照射回数と表面残留応力との関係（図２(b)）を示している。エネルギー密度と表面残留応力との関係では、エネルギー密度が特に大きいか小さい領域では引張り応力となり、中間値領域では圧縮応力となる。また、照射回数と表面残留応力との関係では、照射回数が増すほど引っ張り応力から圧縮応力に連続的に変っていく関係にある。

図３は、レーザピーニングの原理を示す概念図である。パルス幅１０^−８秒程度以下のパルスレーザ光１を、集光レンズ２で直径１ｍｍ程度のスポットに集光して被照射材料３の表面に照射すると、被照射材料３の表面がエネルギーを吸収してプラズマ化する。

プラズマ４の周囲が、パルスレーザ光１の波長に対して透明な液体６により覆われている場合、プラズマ４の膨張が妨げられてプラズマ４の内部圧力は数GPa程度に達し、被照射材料３の表面を叩く。その際に強力な衝撃波５が発生し、材料内部に伝播して塑性変形を引き起こし、残留応力を圧縮状態に変える。通常の施工条件での応力改善は、被照射材料３の表面から深さ１ｍｍ程度まで可能である。

その後、図４の概念図に示すように、プラズマ４は、液体により冷却されて膨張が止まり、内部が真空のキャビテーション７が形成される。このキャビテーション７は、レーザ光の照射から約１０^−３秒ないし１０^−２秒の間に急速に崩壊し、衝撃波５を再度発生する。

キャビテーション７により発生する衝撃波５は、プラズマ４の場合と比較してエネルギーが弱く、応力改善可能な深さは２００μｍ程度である。従来は、キャビテーション７による弱い応力改善効果がなくても、プラズマ４による応力改善効果のみで表面から内部まで十分な応力改善効果が得られるように照射回数を設定しており、キャビテーション７の効果を有効利用していなかつた。

レーザ光の照射回数を減らした場合、図２に示すように、表面残留応力（圧縮）が減少するか、あるいは引張応力となる可能性があるが、このキャビテーション７を既にレーザ照射済みの表面１２の上に常に導くことにより、表面から深さ２０μｍ程度の応力改善効果が劣る部分の応力改善処理を行う。

そのためには、キャビテーション７が崩壊するまでに移動させなければならず、移動距離をプラズマ直径と同等程度の１ｍｍとすると、液体の流れ１１の流速は１ｍ／秒以上とする必要がある。ＳＵＳ３０４を被照射材料として使用した例では、通常の半分の照射回数で同様の応力改善効果を得ることができた。

この実施形態１によれば、レーザ照射装置１０のレーザ出射端に、レーザ光１と液体６とが同軸で出射される噴射ノズル８を設け、かつ噴射ノズル８を被照射材料の表面に対して鋭角に配置し、パルスレーザ光１を既に照射した表面１２上に、その後のパルスレーザ光１により形成されるキャビテーション７が導かれるようにパルスレーザ光１を相対的に駆動している。

これにより応力改善が行われ、レーザピーニング時に発生するキャビテーション７を有効利用することができ、少ない照射回数で良好な応力改善効果が得られる。この結果、従来に比べレーザピーニング施工時間を短縮することができる。

次に、本発明の第２の実施形態につき図６を用いて説明する。なお、実施形態１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６において、実施形態２は、レーザ光１と液体供給配管９により供給される液体６とを噴射するための噴射ノズル８が、レーザ照射装置１０のレーザ出射端のレーザ出射ノズル１６とは別の位置に設けられた構成となっている。

噴射ノズル８は、被照射材料３に対して鋭角に配置され、キャビテーション７と既にレーザ光を照射済みの表面１２が噴射ノズル８からの液体の流れ１１の下流側となるように設置されている。そしてレーザ照射装置１０により、液体の流れ１１の下流側から上流側に向かって、レーザ光を材料に対して相対的に移動しながら照射を行う。

この実施形態２では、実施形態１のようにレーザ光１を被照射材料３に対して斜めに照射した場合、構造物との干渉により任意の角度が保持できないといった問題を解決することができる。

また、この実施形態２によれば、レーザ照射装置１０のレーザ出射端とは別に液体６が噴射される噴射ノズル８を設け、かつ噴射ノズル８を被照射材料３の表面１２に対して鋭角に配置し、パルスレーザ光１を既に照射した表面１２の上に、その後のパルスレーザ光１により形成されるキャビテーション７が導かれるように、パルスレーザ光１を相対的に駆動する。

これにより、応力改善を行うことができ、構造物との干渉を避けながら施工時間を短縮することができる。

次に、本発明の第３の実施形態につき、図７を用いて説明する。なお、実施形態１，２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図７に示すように、実施形態３は、レーザ光１と液体供給配管９により供給される液体６とを噴射するための噴射ノズル８が、レーザ照射装置１０のレーザ出射端のレーザ出射ノズル１６とは別の位置に設けられた構成となっており、かつ噴射ノズル８は、レーザ出射ノズル１６の周囲を回転し、任意の位置に遠隔で移動できる構造となっている。

噴射ノズル８は、被照射材料３に対して鋭角に配置され、しかもキャビテーション７および既にレーザ照射済みの表面１２が、噴射ノズル８からの液体の流れ１１の下流側となるように設置されている。そして、レーザ照射装置１０は、液体の流れ１１の下流側から上流側に向かって、レーザ光１を被照射材料３に対して相対的に移動しながら照射を行う。

このような構成とすることで、図７のように狭隘部の隅肉溶接部を施工するときなど、装置全体を移動させることなく、噴射ノズル８を回転させるだけで任意の方向への施工が可能となる。

この実施形態３によれば、実施形態２に示すようなレーザピーニング装置に対し、液体６が噴射される噴射ノズル８の位置を遠隔で可変できる構造とすることで、複雑な構造の施工部でも施工装置全体を移動することなく任意の方向へ施工することが可能となる。

次に、本発明に係るレーザピーニング装置の第４の実施形態につき、図８を用いて説明する。なお、実施形態１,２,３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８に示すように、実施形態４は、レーザ照射装置１０のレーザ出射端にパルスレーザ光１と液体６とが同軸で出射される第１の噴射ノズル８を設け、かつ第１の噴射ノズル８の近傍に、キャビテーション７を供給する第２のキャビテーション噴射ノズル１５を設ける。そして、パルスレーザ光１を既に照射した被照射材料３の表面１２上に、第２のキャビテーション噴射ノズル１５からキャビテーション７が導かれるように、レーザ光１を相対的に駆動して応力改善処理を行う構成となっている。

このような構成とすることで、パルスレーザ光１により発生するキャビテーションに比べ、より多数のキャビテーションを発生することにより、より効率的に被処理材料３の表面層を応力改善することが可能である。

キャビテーション７を発生する手段としては、ノズル８からの高速の液体６の噴射、超音波振動波あるいはパルスレーザ光の照射のいずれの方法でも可能である。高速の液体６のノズル８からの噴射では、特別な装置が不要であってノズル８と加圧機構の追加のみで足り、超音波振動子は効率的で制御性のよい超音波発生が可能である。

また、パルスレーザ光では、レーザピーニング用のパルスレーザ光１を分岐して用いることも可能であり、被照射材料３により発生させるのに比べ、常に均一な条件で効率的にレーザ光を発生させることができる。

この第４の実施形態によれば、レーザ照射装置１０のレーザ出射端に、パルスレーザ光１および液体６が同軸で出射される第１の噴射ノズル８を設け、かつ第１の噴射ノズル８の近傍にキャビテーション７を供給する第２のキャビテーション噴射ノズル１５を設け、パルスレーザ光１を既に照射した被照射材料３の表面１２上に、第２のキャビテーション噴射ノズル１５からキャビテーション７が導かれるように、パルスレーザ光１を相対的に駆動する。

これにより応力改善処理を行うことができ、多数のキャビテーションを発生することができるので、より効率的に表面層を応力改善することが可能である。

以上複数の実施形態を説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形をとることができる。例えば、上述した第１ないし第４の実施形態に説明した特徴を任意に組み合わせたところのレーザピーニング方法を構成してもよい。

本発明の第１の実施形態のレーザピーニング装置の構造を示す平面図。 パルスレーザ光の照射スポットのエネルギー密度と表面残留応力との関係および単位面積当りの照射回数と表面残留応力との関係を示す特性図。 図１のレーザピーニングの原理を示す概念図。 図１のレーザピーニングの原理を示す概念図。 材料表面へのパルスレーザ光の照射シーケンスを示す概念図。 本発明の第２の実施形態のレーザピーニング装置の構造を示す平面図。 本発明の第３の実施形態のレーザピーニング装置の構造を示す平面図。 本発明の第４の実施形態のレーザピーニング装置の構造を示す平面図。 従来のレーザピーニング装置の構成を示す平面図。

符号の説明

１…パルスレーザ光、２…集光レンズ、３…被照射材料、４…プラズマ、
５…衝撃波、６…液体、７…キャビテーション、８…液体噴射ノズル、
９…液体供給配管、１０…レーザ照射装置、１１…液体の流れ、
１２…レーザ照射済みの表面、１３…レーザ照射開始位置、
１４…レーザ照射終了位置、１５…キャビテーション噴射ノズル、
１６…レーザ出射ノズル。

Claims (8)

1. 被照射材料の表面に液体を通してパルスレーザ光を連続的に照射し、前記被照射材料とレーザ光とを相対的に移動させることにより、前記被照射材料の表面の引張残留応力を低減あるいは圧縮応力に変換するレーザピーニング方法において、
   あるパルスで発生した前記パルスレーザ光により形成されるキャビテーションを、当該パルスまたはそれ以前のパルスで発生した前記パルスレーザ光が照射された前記被照射材料の表面上に導いて応力改善を行うことを特徴とするレーザピーニング方法。
2. 前記パルスレーザ光を前記被照射材料に対して鋭角に照射し、前記レーザ光と同軸に液体を流し、前記パルスレーザ光の照射位置を前記液体の上流方向に移動させながら行うことを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング方法。
3. レーザ発振器、およびこのレーザ発振器から出射されたパルスレーザ光を被照射材料の表面に導くための光学装置により構成されるレーザ照射装置と、前記被照射材料の表面を液体に濡れた雰囲気に保つための液体供給装置と、前記被照射材料の表面に沿って前記パルスレーザ光を相対的に移動させるための駆動装置を備えたレーザピーニング装置において、
   前記レーザ照射装置のレーザ出射端に、前記被照射材料の表面に対して鋭角をなすように配置され、前記パルスレーザ光と同軸状に前記液体を出射する噴射ノズルを備え、
   あるパルスで発生した前記パルスレーザ光により形成されるキャビテーションを、当該パルスまたはそれ以前のパルスで発生した前記パルスレーザ光が照射された前記被照射材料の表面上に導かれるようにレーザ光を相対的に駆動して応力改善を行うことを特徴とするレーザピーニング装置。
4. 前記被照射材料の表面に対して鋭角をなすように配置され、前記レーザ照射装置のレーザ出射端とは別に液体が噴射される噴射ノズルを備え、
   前記パルスレーザ光を既に照射した前記被照射材料の表面上に、その後に前記パルスレーザ光により形成されるキャビテーションが導かれるように前記パルスレーザ光を相対的に駆動して応力改善を行うことを特徴とする、請求項３記載のレーザピーニング装置。
5. 前記パルスレーザ光の駆動方向が前記噴射ノズルから噴射される前記液体の上流方向であることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザピーニング装置。
6. 液体が噴射される噴射ノズルの位置を遠隔で移動できる構造とした、請求項４記載のレーザピーニング装置。
7. 前記レーザ照射装置のレーザ出射端に前記パルスレーザ光と前記液体とを同軸で出射する第１の噴射ノズルと、前記第１の噴射ノズルの近傍にキャビテーションを供給する第２の噴射ノズルとを備え、
   前記第２の噴射ノズルは、前記パルスレーザ光を既に照射された前記被照射材料の表面上に向けてキャビテーションを供給し、かつ、前記第２噴射ノズルは前記第１噴射ノズルに対して前記レーザ光の駆動方向と逆側に配置されたことを特徴とする、請求項３または４記載のレーザピーニング装置。
8. キャビテーションが噴射される第２の噴射ノズルの位置を遠隔で移動できる構造とした、請求項７記載のレーザピーニング装置。

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