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

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

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。

特開２００８−２６８１５１号公報

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。

作業台に載せられた上蓋を示す断面図。 （Ａ）は漏斗部を示す側面図、（Ｂ）は漏斗部を示す底面図。 第１実施形態のレーザーピーニング装置を示す側面図。 アームを示す断面図。 位置調整を実行中の状態を示す側面図。 レーザーピーニングを実行中の状態を示す側面図。 レーザーピーニングを実行中の状態を示す側面図。 レーザーピーニング装置を示すブロック図。 レーザーピーニング方法を示すフローチャート。 第２実施形態の接触部を示す側面図。

（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。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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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