JP2019032213A - レーザーピーニング装置およびレーザーピーニング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザー光が出力されるアームの先端と照射対象部との位置関係を適切に保ち、精度の高い施工作業を行うことができるレーザーピーニング装置を提供する。
【解決手段】レーザーピーニング装置1は、床6に設置される台座部9から上方向に延びる第1延伸部15と、第1延伸部15から上方向に延びる第2延伸部20と、第2延伸部20の上端に設けられ、加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋2の下面から下方に突出する炉内構造部8に接触する接触部24と、第1延伸部15から上方に延び、ノズル34が設けられた先端を炉内構造部8の照射対象部4に近接させるアーム21と、接触部24を中心としてアーム21を水平方向に旋回させる旋回部18と、ノズル34から照射対象部4に向けて水35を噴出させる水流ポンプ52と、ノズル34から照射対象部4に向けてレーザー光5を出力させる出力部36を備える。
【選択図】 図6
【解決手段】レーザーピーニング装置1は、床6に設置される台座部9から上方向に延びる第1延伸部15と、第1延伸部15から上方向に延びる第2延伸部20と、第2延伸部20の上端に設けられ、加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋2の下面から下方に突出する炉内構造部8に接触する接触部24と、第1延伸部15から上方に延び、ノズル34が設けられた先端を炉内構造部8の照射対象部4に近接させるアーム21と、接触部24を中心としてアーム21を水平方向に旋回させる旋回部18と、ノズル34から照射対象部4に向けて水35を噴出させる水流ポンプ52と、ノズル34から照射対象部4に向けてレーザー光5を出力させる出力部36を備える。
【選択図】 図6
Description
本発明の実施形態は、水が接触している金属材料の表面にレーザー光を照射し、水が瞬間的にプラズマ化したときに生じる衝撃波によって、金属材料に圧縮残留応力を付与し、その強度を向上させるレーザーピーニング技術に関する。
従来、レーザーピーニング装置を用いて、加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋の下面から下方に突出される管台の溶接部の保全を行っている。このようなレーザーピーニング装置では、多関節アーム機構の先端に設けた施工ヘッドから施工対象部に向けてレーザー光を照射している。
レーザーピーニングを行うときには、レーザー光を施工対象部に正確に照射する必要がある。しかしながら、前述の技術にあっては、多関節アーム機構を上方に延伸させたときに、その先端の施工ヘッドが揺れてしまい、適切なレーザーピーニングが行えなくなったり、施工ヘッドの位置決めに時間がかかったりするという課題がある。
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、レーザー光が出力されるアームの先端と照射対象部との位置関係を適切に保ち、精度の高い施工作業を行うことができるレーザーピーニング技術を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係るレーザーピーニング装置は、床に設置される台座部と、前記台座部から上方向に延びる第1延伸部と、前記第1延伸部から上方向に延びる第2延伸部と、前記第2延伸部の上端に設けられ、加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋の下面から下方に突出する炉内構造部に接触する接触部と、前記第1延伸部から上方に延び、ノズルが設けられた先端を前記炉内構造部の照射対象部に近接させるアームと、前記接触部を中心として前記アームを水平方向に旋回させる旋回部と、前記ノズルから前記照射対象部に向けて水を噴出させる水流ポンプと、前記ノズルから前記照射対象部に向けてレーザー光を出力させる出力部と、を備える。
本発明の実施形態により、レーザー光が出力されるアームの先端と照射対象部との位置関係を適切に保ち、精度の高い施工作業を行うことができるレーザーピーニング技術が提供される。
(第1実施形態)
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第1実施形態のレーザーピーニング装置について図1から図9を用いて説明する。図1の符号1は、レーザーピーニング装置である。このレーザーピーニング装置1は、原子力発電プラントの一例である加圧水型原子炉(PWR)の圧力容器の上蓋2の炉内構造部の保全のために、レーザーピーニングを行う装置である。
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第1実施形態のレーザーピーニング装置について図1から図9を用いて説明する。図1の符号1は、レーザーピーニング装置である。このレーザーピーニング装置1は、原子力発電プラントの一例である加圧水型原子炉(PWR)の圧力容器の上蓋2の炉内構造部の保全のために、レーザーピーニングを行う装置である。
なお、レーザーピーニングとは、水が接触している金属材料の表面にレーザー光を照射することで発生するプラズマの衝撃波によって、金属材料に圧縮残留応力を付与する技術である。このレーザーピーニングを施工することで、金属材料の強度を向上させることができる。
より詳しくは、エネルギーの大きなパルスレーザー光を金属材料の表面に照射すると、金属材料を構成する原子のプラズマが瞬間的に発生する。ここで、プラズマの周囲に水が存在している状態では、プラズマの膨張が妨げられる。そして、このプラズマの反力により衝撃波が発生する。その圧力は、数万気圧になる。この衝撃波が金属材料の中を伝播して、金属材料に圧縮残留応力を付与するようになる。この圧縮残留応力が金属材料に付与されることで、金属材料の応力腐食割れや疲労亀裂などを防ぐ効果がある。つまり、レーザーピーニングは、応力腐食割れの原因となる引張残留応力を、圧縮残留応力に変化させることができる。
また、本実施形態では、圧力容器の上蓋2の各種構造物を形成するステンレス鋼に対してレーザーピーニングを施工する。なお、ステンレス鋼以外にレーザーピーニングを施工しても良い。例えば、ニッケル基合金やチタン合金やアルミニウム合金や低合金鋼などの種々の合金にレーザーピーニングを施工しても良い。また、本実施形態では、圧力容器の上蓋2の各種構造物において、溶接された部分にレーザーピーニングを施工し、その強度を向上させる。なお、レーザーピーニングを施工する部分は、溶接された部分以外であっても良い。
なお、圧力容器とは、炉心を構成する燃料集合体を収容した状態で内部の圧力を保持する容器である。また、図示は省略するが、圧力容器の内部には、燃料集合体を囲む炉心シュラウド、燃料集合体を支持する炉心支持部などの炉内構造部が収容される。
加圧水型原子炉では、制御棒(図示略)が燃料集合体の上方から挿入される。そのため、圧力容器の上蓋2には、複数本の制御棒案内管3(炉内構造部)が設けられている。これら制御棒案内管3は、制御棒の上下移動を案内する円筒形状を成す管である。これら制御棒案内管3は、上蓋2を上下方向に貫通している。つまり、制御棒案内管3は、圧力容器の上蓋2の下面から下方に突出する。これら制御棒案内管3は、上蓋2と溶接されている。
本実施形態では、これらの制御棒案内管3の根元の周囲の溶接部4(図5参照)に、レーザー光5を照射してレーザーピーニングを行い、その強度を向上させる。なお、本実施形態の照射対象部は、溶接部4と、この溶接部4近傍の制御棒案内管3の一部と、この溶接部4近傍の上蓋2の下面の一部とを含む。つまり、溶接部4の近傍を含めた範囲が照射対象部となっている。
レーザーピーニングを行う際には、圧力容器本体から取り外された上蓋2が、作業場の床6に設置された作業台7に載せられる。この作業台7の内部には、レーザーピーニング装置1が設置される。なお、上蓋2は、長年の使用により放射化されている。そこで、作業者の被ばくを最小限に抑えるため、レーザーピーニング装置1を設置した後に、作業台7の内部を無人にする。そして、遠隔操作または自動操作によりレーザーピーニング装置1を動作させてレーザーピーニングを行う。
図2に示すように、制御棒案内管3の下部には、下方に向かって漏斗状に広がる漏斗部8(炉内構造部)が設けられる。この漏斗部8は、底面視で円形状を成す。漏斗部8の上端には、雄ネジが形成されるともに、制御棒案内管3の下端には、雌ネジが形成される。漏斗部8は、制御棒案内管3に対して螺合されている。
なお、漏斗部8を取り外してレーザーピーニングを行うことが可能である。しかし、本実施形態では、作業者の被ばくを抑えるために、漏斗部8を取り外す作業を行わずに、漏斗部8を制御棒案内管3に付けた状態でレーザーピーニングを行う。
複数の漏斗部8が並んでいるため、漏斗部8同士の間が狭隘部となっている。例えば、漏斗部8同士の隙間は、約31mm程度である。なお、上蓋2の外周近傍の下面は、ほぼ垂直に傾斜されるので、この上蓋2の下面と漏斗部8との間も狭隘部となっている(図5参照)。
図3に示すように、レーザーピーニング装置1は、床6に設置される台座部9を備える。この台座部9は、複数の車輪10と、これら車輪10を駆動させる床移動モータ11(図8参照)とを備える。つまり、台座部9は、前後方向(X軸方向)および左右方向(Y軸方向)に移動可能となっている。なお、床6にレールを敷設して台座部9を移動可能としても良い。この台座部9を水平方向に走行させることで、レーザーピーニング装置1が施工の目的となる制御棒案内管3の直下に移動される。
台座部9の上部には、前後方向(X軸方向)および左右方向(Y軸方向)に位置を調整可能なXYテーブル12が設けられる。このXYテーブル12の位置は、X軸モータ13およびY軸モータ14(図8参照)を駆動させることで調整される。
XYテーブル12の上部には、上方向(Z軸方向)に延びる第1延伸部15が設けられる。この第1延伸部15は、Z軸モータ16(図8参照)を駆動させることで上方に延びるようになっている。なお、Z軸モータ16を駆動させることで第1延伸部15を縮めることもできる。第1延伸部15は、多段式のスライダを備える伸縮装置となっている。
第1延伸部15の上部には、支持台17が設けられる。この支持台17の高さ位置は、Z軸モータ16を駆動させることで調整される。この支持台17の上部には、旋回部18が設けられる。この旋回部18は、旋回モータ19(図8参照)の駆動により水平方向に回転することができる。なお、旋回部18は、2.5度のピッチで360度以上(±200度)回転することができる。
旋回部18の回転の中心には、上方向に延びる第2延伸部20が設けられる。さらに、旋回部18の外周近傍には、上方に延びるアーム21が設けられている。この旋回部18を回転させることで、第2延伸部20が旋回軸T(図5参照)を中心として回転し、かつ、アーム21が第2延伸部20の周囲を旋回するようになっている。
第2延伸部20は、昇降エアシリンダ22(図8参照)を駆動させることで上方に延びるようになっている。なお、昇降エアシリンダ22は、ピストンシリンダに空気を導入させることで延伸する装置である。この昇降エアシリンダ22の内部の空気圧を上げることで、第2延伸部20が延び、この空気圧を下げることで、第2延伸部20が縮むようになっている。
この昇降エアシリンダ22が本実施形態の伸縮部を構成する。なお、伸縮部をコイルバネなどの弾性を有する部材で構成しても良い。第2延伸部20は、多段式のスライダを備える伸縮装置となっている。
図5に示すように、第2延伸部20の上端には、ベアリング部23を介して水平方向に回転自在に支持される接触部24が設けられる。この接触部24は、第2延伸部20が上方に延びたときに、漏斗部8の内面に接触する(図6参照)。
接触部24は、漏斗部8の内面に接触する傾斜部25を備える。つまり、傾斜部25は、接触部24の外周に形成された略円錐形状を成す部分である。このようにすれば、接触部24の傾斜部25が制御棒案内管3の漏斗部8の内面に保持されるので、接触部24が水平方向および上下方向に位置ずれしないようになる。
接触部24の上端には、位置調整カメラ26が設けられる。この位置調整カメラ26は、そのレンズが直上方向(撮影方向D1)を向き、XYテーブル12の位置の調整を行うときに、漏斗部8の画像を撮影する。このようにすれば、位置調整カメラ26を用いて第1延伸部15および第2延伸部20の水平方向の位置を調整することができる。なお、位置調整カメラ26は、撮影を行うときに投光を行う照明部を備える。
位置調整カメラ26により漏斗部8を底面から撮影し、この漏斗部8の中心が画像の中心になるようにXYテーブル12(図3参照)の前後方向(X軸方向)および左右方向(Y軸方向)の位置を調整する。なお、この画像処理では、漏斗部8の外周円を特定して、その外周円の中心が画像の中心になるように制御する。このようにすれば、接触部24を漏斗部8の直下に配置することができる。
そして、昇降エアシリンダ22の内部の空気圧を上げることで、第2延伸部20が延び、接触部24が漏斗部8内面に接触して位置決めが成される。なお、昇降エアシリンダ22は、接触部24を下方から漏斗部8に押し付ける弾性を有する。この弾性は、昇降エアシリンダ22の空気圧により生じる上向きの弾性力E1(図6参照)である。このようにすれば、第2延伸部20の上下方向の伸縮(ストローク)を吸収して緩衝させるとともに、接触部24が常に漏斗部8に押し付けられるので、位置ずれを生じさせないようにすることができる。
なお、支持台17の高さ位置は、接触部24が漏斗部8に接触するときに、第2延伸部20の延伸長が、その最大延伸長よりも短くなるような位置に調整される。そのため、接触部24を下方から漏斗部8に押し付ける弾性力E1が生じる。
また、昇降エアシリンダ22の空気圧が適宜調整される。そのため、第2延伸部20は、上下方向に伸縮可能になっている。このようにすれば、レーザーピーニング装置1の動作により振動または揺れが生じても、接触部24が接触している漏斗部8に負荷が加わることがなくなるので、漏斗部8および制御棒案内管3の疲労または破損を防止することができる。
図5に示すように、接触部24は、ベアリング部23を介して第2延伸部20に支持されているので、旋回部18の駆動により第2延伸部20が旋回軸Tを中心として回転した場合でも、接触部24が回転しないようになっている。そのため、接触部24が回転により位置ずれを起こすことがなく、漏斗部8の摩耗を防止することができる。なお、旋回部18は、レーザーピーニングの実行前に回転しても良いし、レーザーピーニングの実行中に回転しても良い。
アーム21は、旋回部18に固定された基部27から上方に延びる。このアーム21は、第1関節部28と第2関節部29との2つの関節を備える。さらに、アームは、基部27に固定された第1ロッド31と、この第1ロッド31に第1関節部28を介して接続される第2ロッド32と、この第2ロッド32に第2関節部29を介して接続される第3ロッド33と、この第3ロッド33の先端に設けられるノズル34とを備える。
第1関節部28および第2関節部29のそれぞれの揺動軸R1,R2は、水平方向に延び、互いに平行を成すように上下に並ぶ(図4参照)。つまり、アーム21は、その延設方向の上下2箇所に揺動軸R1,R2を有する。このようにすれば、アーム21を自在に傾斜させることができるので、狭隘部であっても適切なレーザーピーニングを行うことができる。なお、本実施形態では、アーム21が2つの関節部28,29を有しているが、3つ以上の関節部を有していても良い。
レーザーピーニングを行うときには、旋回部18を回転させてアーム21を照射対象となる溶接部4に対応する位置に移動させる。そして、アーム21の2つの関節部28,29の傾斜を適宜調整し、アーム21の先端のノズル34を、制御棒案内管3の根元の溶接部4に近接させる。このノズル34から溶接部4(照射対象部)に向けて水35を噴出させるとともにレーザー光5を出力する。
例えば、図6に示すように、漏斗部8から溶接部4までの距離が近い場合は、第2延伸部20を延ばした状態にして、アーム21を駆動してノズル34を溶接部4まで近づける。一方、図7に示すように、漏斗部8から溶接部4までの距離が遠い場合は、第2延伸部20を縮めた状態にして、アーム21を駆動してノズル34を溶接部4まで近づける。
アーム21は、第2延伸部20および接触部24を中心として旋回することができるので、制御棒案内管3の根元部分の全周に亘ってノズル34を近づけることができる。また、アーム21が旋回するときに、常に、接触部24の位置が漏斗部8に固定されるので、レーザー光5が出力されるアーム21の先端と照射対象部との位置関係を適切に保ち、精度の高い施工作業を行うことができる。
レーザー光5は、照射対象部に対して適切な照射角度に保つ必要がある。例えば、照射対象部の面に対してレーザー光5の照射角度(入射角度)を30〜90度の範囲にする必要がある。本実施形態では、アーム21が、第1関節部28および第2関節部29を備えることで、狭隘部であってもレーザー光5を適切な照射角度にすることができる。なお、後述の楕円補正レンズを用いる場合は、レーザー光5の照射角度を20度にしても良い。
図4に示すように、レーザーピーニング装置1は、レーザー光5を出力する出力部36を備える。この出力部36は、レーザー光5を発振する発振器を含む。なお、図4では、出力部36をアーム21の近傍に配置して図示しているが、この出力部36は、アーム21から離れた位置に設けても良い。そして、所定の光学系を用いて出力部36からアーム21にレーザー光5を導いても良い。
出力部36から出力されたレーザー光5は、第1ロッド31の内部の空洞である導光部37を通って第1関節部28に導かれる。この第1関節部28の内部の空洞には、光路を折り曲げる2つの反射鏡38,39が設けられる。2つの反射鏡38,39の間の光路の中心は、第1関節部28の揺動軸R1と一致する。そのため、第1関節部28が揺動されても光路がずれることがない。なお、2つの反射鏡38,39の替りに2つの直角プリズムを用いて光路を折り曲げても良い。
第1ロッド31には、第1関節モータ42が設けられる。この第1関節モータ42の傘歯車43が第1関節部28の傘歯車44に噛み合うことで動力が伝達される。つまり、第1関節モータ42の駆動により第1関節部28が揺動される。なお、第1関節モータ42の回転軸M1と第1関節部28の揺動軸R1とが直角に交わることで、第1関節モータ42がアーム21から側方に突出せずに済む。
第2ロッド32には、レンズ配置部45が設けられる。このレンズ配置部45の内部には、レーザー光5を集光する集光レンズ46と、この集光レンズ46を移動させるレンズ用モータ47と、レンズ用モータ47の動力を伝達する駆動機構48とが設けられる。なお、駆動機構48は、ボールスプラインなどで構成される。
レンズ用モータ47を駆動させることによって、溶接部4(照射対象部)から集光レンズ46までの光学的距離を変更することができる。そのため、レーザー光5の焦点位置C(照射点)を変更することができる。
本実施形態の集光レンズ46は、レーザー光5の照射形状を楕円形にする楕円補正レンズとなっている。なお、楕円補正レンズ(シリンダレンズ)とは、レーザー光5を所定の平面に垂直に照射したときに、そのレーザー光5の照射範囲の形状が楕円形状になるレンズである。
なお、レーザー光5を所定の平面に垂直に照射したときに、そのレーザー光5の照射範囲の形状が円形状になる通常レンズを、集光レンズ46として用いても良い。また、楕円補正レンズと通常レンズとを切り換えられるようにしても良い。また、楕円補正レンズと通常レンズとを組み合わせて用いても良い。
集光レンズ46として楕円補正レンズを用いることで、所定の平面に対して斜め方向からレーザー光5を当てたときに、レーザー光5の照射形状を円形にすることができる。特に、図7に示すように、上蓋2の下面において、その外周近傍が傾斜面となっている。この傾斜面にある溶接部4にレーザー光5を照射しようとすると、平面に対して斜め方向からレーザー光5が当たる。そのため、レーザー光5を楕円補正レンズで補正して照射すると、溶接部4に当たるレーザー光5の照射形状を円形にすることができる。そのため、適切なレーザーピーニングを行うことができる。
図4に示すように、第1関節部28の反射鏡38,39で導かれたレーザー光5は、第2ロッド32の内部の空洞を通って集光レンズ46に導かれる。この集光レンズ46を通ったレーザー光5は、第2関節部29に導かれる。この第2関節部29の内部の空洞には、光路を折り曲げる2つの反射鏡40,41が設けられる。2つの反射鏡40,41の間の光路の中心は、第2関節部29の揺動軸R2と一致する。そのため、第2関節部29が揺動されても光路がずれることがない。なお、2つの反射鏡40,41の替りに2つの直角プリズムを用いて光路を折り曲げても良い。
第2ロッド32には、第2関節モータ49が設けられる。この第2関節モータ49の傘歯車50が第2関節部29の傘歯車51に噛み合うことで動力が伝達される。つまり、第2関節モータ49の駆動により第2関節部29が揺動される。なお、第2関節モータ49の回転軸M2と第2関節部29の揺動軸R2とが直角に交わることで、第2関節モータ49がアーム21から側方に突出せずに済む。
なお、特に図示はしないが、第1関節モータ42には、第1関節部28の揺動軸R1の傾きを示すセンサが設けられるとともに、第2関節モータ49には、第2関節部29の揺動軸R2の傾きを示すセンサが設けられる。これらの傾きによりアーム21の傾きおよびノズル34の向きを把握することができる。そのため、狭隘部であっても適切なレーザーピーニングを行うことができる。
第2関節部29の反射鏡40,41で導かれたレーザー光5は、第3ロッド33の内部の空洞を通ってノズル34に導かれる。そして、ノズル34から溶接部4に向かってレーザー光5が出力される。なお、第3ロッド33には、水流ポンプ52(図8参照)から延びる水供給ケーブル53が接続される。この水供給ケーブル53を介して水35が、第3ロッド33の内部の空洞に導かれる。そして、ノズル34から溶接部4に向かって水が噴出される。
なお、第3ロッド33の内部と第2関節部29の内部とは、ガラス板54により仕切られている。そのため、第2関節部29よりも下方の空洞(光路)には、水35が浸入しないようになっている。
また、水供給ケーブル53には、水35の流れを整える整流部55が設けられている。水35に乱流が生じるとレーザー光5の照射形状が歪むおそれがある。そこで、本実施形態では、整流部55を設けることで、水35の乱流を防ぐようにしている。
アーム21の先端のノズル34には、溶接部4およびその近傍の部分を走査し、その3次元形状を取得する形状計測器56が設けられる。本実施形態では、レーザーピーニングを行う前に、この形状計測器56を用いて、制御棒案内管3の根元部分の周囲を走査し、溶接部4およびその近傍の部分の形状情報を取得する。なお、形状計測器56は、計測用のレーザー光57を出力するとともに、その反射光を受光することで、3次元形状を取得する装置である。
また、この形状計測器56を用いて、ノズル34から照射対象部までの距離を計測することができる。そして、この距離に基づいて、集光レンズ46の位置を適宜変更する。このようにすれば、予め照射対象部の形状情報を取得することで、レーザー光5の焦点位置Cを適切な位置に調整することができる。つまり、照射対象部から集光レンズ46までの光学的距離を適切な距離に調整することができる。
このようにすれば、狭隘部であっても適切なレーザーピーニングを行うことができ、かつ施工時間を短縮することができる。また、多数の制御棒案内管3および漏斗部8が設けられている施工箇所であっても、各部材の干渉を防いで施工の乱れを防ぐことができる。
なお、形状計測器56の替りに超音波検知部を設けても良い。溶接部4(照射対象部)などの金属材料にレーザー光5が照射されると、金属材料の表面が振動して超音波が発生する。このときの超音波を検知し、金属材料からノズル34までの距離を測定する。そして、測定した距離に基づいて、レーザー光5の焦点位置Cを適切な位置に調整しても良い。
なお、ノズル34の側方には、施工確認カメラ58が設けられている。この施工確認カメラ58の撮影方向D2は、レーザー光5が照射される方向に向けられている。なお、レーザーピーニングが施工された金属材料の表面は、色が変化するので、この色の変化を、施工確認カメラ58を用いて目視または検出された輝度などを測定することで、レーザーピーニングを実行した後の金属材料の状態を確認することができる。すなわち、レーザーピーニングが必要な範囲に施工されたか否かを確認することができる。なお、施工確認カメラ58は、撮影を行うときに投光を行う照明部を備える。
次に、レーザーピーニング装置1のシステム構成を図8に示すブロック図を参照して説明する。
図8に示すように、レーザーピーニング装置1は、作業者が遠隔操作を行うための遠隔操作部59を備える。この遠隔操作部59は、作業台7(図1参照)の外部に設置される。なお、遠隔操作部59は、台座部9に有線接続される。
レーザーピーニング装置1は、水流ポンプ52を備える。この水流ポンプ52は、作業台7(図1参照)の外部に設置される。そして、水流ポンプ52から水供給ケーブル53が延びて作業台7の内部に導入される。この水供給ケーブル53によりノズル34(図4参照)に水35が供給される。
レーザーピーニング装置1は、遠隔操作部59と接続される主制御部60を備える。この主制御部60は、床移動モータ11を制御する。なお、遠隔操作部59の遠隔操作により床移動モータ11が制御されても良い。また、水流ポンプ52は、遠隔操作部59または主制御部60により制御される。
主制御部60は、位置調整カメラ26と、この位置調整カメラ26で撮影した画像に基づいて、第1延伸部15および第2延伸部20を調整する位置調整部61とを制御する。なお、位置調整部61は、X軸モータ13とY軸モータ14とZ軸モータ16と昇降エアシリンダ22とを制御する。つまり、位置調整部61は、第1延伸部15の水平方向の位置を調整するとともに、第1延伸部15および第2延伸部20の伸縮を調整する。この位置調整部61は、位置調整カメラ26で撮影した画像の処理を行う。
主制御部60は、施工確認カメラ58を制御する。施工確認カメラ58で撮影した画像は、遠隔操作部59に送られる。この遠隔操作部59は、施工確認カメラ58で撮影した画像をモニタに表示するとともに、メモリに記憶することができる。
主制御部60は、アーム21を制御するアーム制御部62に接続される。アーム制御部62は、旋回モータ19と第1関節モータ42と第2関節モータ49とを制御する。また、主制御部60は、レーザー光5の焦点位置Cを調整する焦点調整部63に接続される。この焦点調整部63は、レンズ用モータ47を制御して集光レンズ46の位置を調整する。
主制御部60は、形状計測器56を制御する。この形状計測器56を用いて取得した形状情報は、形状取得部64に送られる。この形状取得部64は、形状情報をアーム制御部62と焦点調整部63に送る。そして、アーム制御部62は、形状取得部64により取得した形状情報に基づいて、アーム21を駆動する。また、焦点調整部63は、形状取得部64により取得した形状情報に基づいて、レーザー光5の焦点位置Cを調整する。
主制御部60は、出力部36を制御するピーニング制御部65に接続される。アーム21の駆動によりノズル34が適切な位置に配置され、焦点調整部63によりレーザー光5の焦点位置Cが適切に調整されたときに、ピーニング制御部65が出力部36を制御して、レーザー光5を出力し、レーザーピーニングを行う。
本実施形態の制御部60〜65は、プロセッサおよびメモリなどのハードウェア資源を有し、CPUが各種プログラムを実行することで、ソフトウェアによる情報処理がハードウェア資源を用いて実現されるコンピュータで構成される。さらに、本実施形態のレーザーピーニング方法は、プログラムをコンピュータに実行させることで実現される。
次に、レーザーピーニング装置1が実行する処理について図9のフローチャートを用いて説明する。なお、図8に示すブロック図を適宜参照する。以下のフローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップS11」と記載する箇所を「S11」と略記する。
図9に示すように、まず、上蓋2を作業台7に載せる。この上蓋2が載せられた作業台7の内部に、作業者がレーザーピーニング装置1を設置する(図1参照)。つまり、台座部9を床に設置する作業を行う(S11)。そして、作業台7の内部を無人にする。
次に、作業者が遠隔操作によりレーザーピーニング装置1を起動する。なお、起動の後の処理は、遠隔操作により実行されても良いし、自動操作により実行されても良い。主制御部60は、施工の対象となる制御棒案内管3の直下に台座部9を移動させる(S12)。なお、台座部9の移動を補助するために、床6にマーカを設けても良い。
次に、主制御部60は、位置調整カメラ26で漏斗部8を下方から撮影する(S13)。次に、位置調整部61は、位置調整カメラ26で撮影した画像に基づいて、XYテーブル12の水平方向の位置を微調整する(S14)。ここで、位置調整部61は、位置調整カメラ26の画像の中心が漏斗部8の中心と一致するように、XYテーブル12を移動させる。
次に、位置調整部61は、第1延伸部15を延ばす制御を行う(S15)。ここで、支持台17が所定の高さ位置に調整される。次に、位置調整部61は、第2延伸部20を延ばす制御を行う(S16)。ここで、接触部24が漏斗部8に接触される(S17)。
次に、アーム制御部62は、旋回部18を回転させてアーム21を照射対象となる溶接部4に対応する位置に移動させる(S18)。次に、アーム制御部62は、アーム21の先端のノズル34を、制御棒案内管3の根元の溶接部4に近接させる(S19)。
次に、主制御部60は、形状計測器56を用いて、制御棒案内管3の根元部分の周囲を走査する。そして、形状取得部64は、溶接部4およびその近傍の部分の形状情報を取得する(S20)。
なお、S18〜S20が繰り返されることで、制御棒案内管3の根元部分の全周に亘って3次元形状の取得を行うことができる。
次に、アーム制御部62は、形状取得部64が取得した形状情報に基づいて、アーム21の先端のノズル34を適切な位置に調整する。ここで、焦点調整部63は、形状取得部64が取得した形状情報に基づいて、レーザー光5の焦点位置Cを適切な位置に調整する(S21)。
次に、主制御部60または遠隔操作部59は、水流ポンプ52を駆動させることで、ノズル34から水35を噴出させる(S22)。この水35は、溶接部4およびその近傍に当たる。次に、ピーニング制御部65は、出力部36を制御してレーザー光5を出力する(S23)。このレーザー光5は、ノズル34から出力されて溶接部4およびその近傍に当たる。
なお、S21〜S23には、アーム21の駆動およびアーム21を旋回させる動作も含む。S21〜S23が繰り返されることで、制御棒案内管3の溶接部4(その近傍を含む)の全周に亘ってレーザーピーニングを行うことができる。
次に、1つの制御棒案内管3の溶接部4のレーザーピーニングが終了すると、主制御部60は、施工確認カメラ58により制御棒案内管3の溶接部4の撮影を行う(S24)。このとき撮影された画像でレーザーピーニングの施工状態を確認することができる。
次に、位置調整部61は、第2延伸部20を縮める制御を行う(S25)。次に、位置調整部61は、第1延伸部15を縮める制御を行う(S26)。そして、処理を終了する。
なお、他に施工の対象となる制御棒案内管3がある場合は、その直下に台座部9を移動させる。そして、S12〜S26が繰り返されることで、それぞれの制御棒案内管3の溶接部4にレーザーピーニングを行うことができる。また、他に施工の対象となる制御棒案内管3がない場合は、作業者がレーザーピーニング装置1を撤去する。
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の接触部24Aについて図10を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
次に、第2実施形態の接触部24Aについて図10を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
図10に示すように、第2実施形態の接触部24Aは、その上端が上方に延びた円柱部70を備える。この円柱部70は、制御棒案内管3の内径よりも若干小さい外径を有する円柱形状を成す部分である。この円柱部70は、第2延伸部20が上方に延びたときに、漏斗部8よりも上方に位置し、制御棒案内管3の内部に挿入される。
円柱部70の外周には、制御棒案内管3の内周面に押し付けられる複数の押付部71が設けられる。これらの押付部71は、円柱部70の外周に沿って均等に配置される。例えば、3個または4個の押付部71が、円柱部70の中央の外周に配置される。また、円柱部70の内部には、これらの押付部71を駆動する駆動部72が設けられる。
これらの押付部71は、制御棒案内管3の軸に対して垂直方向に移動する部材である。円柱部70が制御棒案内管3の内部に挿入された状態で、駆動部72により押付部71を円柱部70から突出させる。すると、制御棒案内管3の内周面に円柱部70が押し付けられる。
なお、駆動部72は、エアシリンダで構成される。これら駆動部72の空気圧を上げることで押付部71が突出される。これら駆動部72は、押付部71を制御棒案内管3の内周面に押し付ける弾性を有する。この弾性は、駆動部72の空気圧により生じる横向きの弾性力E2である。このようにすれば、押付部71が常に制御棒案内管3の内周面に押し付けられるので、接触部24Aの位置ずれを生じさせないようにすることができる。
本実施形態に係るレーザーピーニング装置1を第1実施形態から第2実施形態に基づいて説明したが、いずれか1の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い
なお、本実施形態では、台座部9が車輪10を用いて床6を移動可能になっているが、台座部9を床6に固定しても良い。
以上説明した実施形態によれば、加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋の下面から下方に突出する炉内構造部に接触する接触部を備えることにより、レーザー光が出力されるアームの先端と照射対象部との位置関係を適切に保ち、精度の高い施工作業を行うことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1…レーザーピーニング装置、2…上蓋、3…制御棒案内管、4…溶接部、5…レーザー光、6…床、7…作業台、8…漏斗部、9…台座部、10…車輪、11…床移動モータ、12…XYテーブル、13…X軸モータ、14…Y軸モータ、15…第1延伸部、16…Z軸モータ、17…支持台、18…旋回部、19…旋回モータ、20…第2延伸部、21…アーム、22…昇降エアシリンダ、23…ベアリング部、24(24A)…接触部、25…傾斜部、26…位置調整カメラ、27…基部、28…第1関節部、29…第2関節部、31…第1ロッド、32…第2ロッド、33…第3ロッド、34…ノズル、35…水、36…出力部、37…導光部、38,39,40,41…反射鏡、42…第1関節モータ、43,44…傘歯車、45…レンズ配置部、46…集光レンズ、47…レンズ用モータ、48…駆動機構、49…第2関節モータ、50,51…傘歯車、52…水流ポンプ、53…水供給ケーブル、54…ガラス板、55…整流部、56…形状計測器、57…レーザー光、58…施工確認カメラ、59…遠隔操作部、60…主制御部、61…位置調整部、62…アーム制御部、63…焦点調整部、64…形状取得部、65…ピーニング制御部、70…円柱部、71…押付部、72…駆動部、C…焦点位置、D1,D2…撮影方向、E1,E2…弾性力、M1,M2…回転軸、R1,R2…揺動軸、T…旋回軸。
Claims (11)
- 床に設置される台座部と、
前記台座部から上方向に延びる第1延伸部と、
前記第1延伸部から上方向に延びる第2延伸部と、
前記第2延伸部の上端に設けられ、加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋の下面から下方に突出する炉内構造部に接触する接触部と、
前記第1延伸部から上方に延び、ノズルが設けられた先端を前記炉内構造部の照射対象部に近接させるアームと、
前記接触部を中心として前記アームを水平方向に旋回させる旋回部と、
前記ノズルから前記照射対象部に向けて水を噴出させる水流ポンプと、
前記ノズルから前記照射対象部に向けてレーザー光を出力させる出力部と、
を備えるレーザーピーニング装置。 - 前記第2延伸部は、上下方向に伸縮する伸縮部を備える請求項1に記載のレーザーピーニング装置。
- 前記伸縮部は、前記接触部を下方から前記炉内構造部に押し付ける弾性を有する請求項2に記載のレーザーピーニング装置。
- 前記炉内構造部が下方に向かって漏斗状に広がる漏斗部を含み、前記接触部が前記漏斗部の内面に接触する傾斜部を備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。
- 前記アームは、少なくとも2つの関節部を備える請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。
- 前記炉内構造部を下方から撮影するカメラと、
前記カメラで撮影した画像に基づいて、前記第1延伸部の水平方向の位置を調整する位置調整部と、
を備える請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。 - 前記レーザー光の照射形状を楕円形にする楕円補正レンズを備える請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。
- 前記レーザー光を出力する出力部と、
前記出力部から出力された前記レーザー光を導く導光部と、
前記導光部で導かれる前記レーザー光を集光する集光レンズと、
前記レーザー光の焦点位置を調整する焦点調整部と、
を備える請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。 - 少なくとも前記照射対象部の形状を示す形状情報を取得する形状取得部を備え、
前記焦点調整部は、前記形状取得部により取得した形状情報に基づいて、前記レーザー光の焦点位置を調整する請求項8に記載のレーザーピーニング装置。 - 前記ノズルから前記照射対象部に向けて噴出させる水は、前記ノズルに接続されこの水を供給する水供給ケーブルに設けられた整流部によって流れが整えられている請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。
- 台座部を床に設置するステップと、
第1延伸部を前記台座部から上方向に延ばすステップと、
第2延伸部を前記第1延伸から上方向に延ばすステップと、
前記第2延伸部の上端に設けられた接触部を加圧水型原子炉の圧力容器の上蓋の下面から下方に突出する炉内構造部に接触させるステップと、
前記第1延伸部から上方に延びるアームを旋回部により前記接触部を中心として水平方向に旋回させるステップと、
前記アームの先端に設けられたノズルを前記炉内構造部の照射対象部に近接させるステップと、
水流ポンプにより前記ノズルから前記照射対象部に向けて水を噴出させるステップと、
出力部により前記ノズルから前記照射対象部に向けてレーザー光を出力させるステップと、
を含むレーザーピーニング方法。
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JP2017152630A JP2019032213A (ja) | 2017-08-07 | 2017-08-07 | レーザーピーニング装置およびレーザーピーニング方法 |
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2017
- 2017-08-07 JP JP2017152630A patent/JP2019032213A/ja active Pending
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KR102169329B1 (ko) | 2019-01-28 | 2020-10-23 | 한전케이피에스 주식회사 | 원자로 슬리브 수중등 |
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