JP2000137023A - 溶接用不活性ガス純度計測方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不活性ガス中の酸素量だけでなく、窒素やそ
の他の不純物についても直接的且つ正確な計測を行うこ
と。 【解決手段】 不活性ガス供給源からの不活性ガスは切
換弁３を通った後、第１の開閉弁６又は第２の開閉弁７
を通って溶接トーチ９から溶接チャンバ８内へ供給され
る。このときの不活性ガス中の不純物含有量は四重極質
量分析計１３により分析され、不純物含有量が一定レベ
ルを超えると溶接制御装置に異常信号が出力される。分
析計１３に導入される不活性ガスは微量であるため、そ
の分析結果がチャンバ８内の実際の不純物の量と異なる
場合があり得るが、標準ガスボンベ１６から標準ガスを
スポット的に混入させる予備計測を行い、計測限界値を
予め求めておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として、核燃料
集合体の製造設備において用いられる溶接用不活性ガス
純度計測方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】核燃料集合体は、複数本の長尺状原子燃
料棒を束ね、これをスペーサにより結束することにより
構成されたものである。そして、原子燃料棒は、長尺状
の被覆管の両端に端栓を固着することにより形成され、
また、スペーサは、バンド部材の内側に複数の管状セル
をマトリクス状に配列した状態で固着することにより形
成されている。ここで、被覆管と端栓との間の固着、及
びバンド部材と管状セルとの間の固着は、不活性ガスが
満たされた溶接チャンバ内での溶接により行われる。こ
のように、不活性ガスが満たされた溶接チャンバ内で溶
接を行うこととしているのは、上記の被覆管、端栓、バ
ンド部材、及び管状セル等の材質は高温下で酸化しやす
いジルカロイという活性な金属であることから、溶接時
の温度上昇によってこれらの部材が酸化するのを防止す
るためである。

【０００３】上記のように、ジルカロイは高温下で酸素
と結合しやすい活性な金属であるため、溶接時の雰囲気
中からは極力酸素を排除しておくことが要求される。も
し、一定以上の酸素が溶接雰囲気中に含まれていると、
ジルカロイに酸化が発生し、核燃料集合体の各構成部材
に腐食が発生するおそれがあるからである。そこで、上
記の各構成部材に対して溶接を行うにあたっては、不活
性ガス供給源から溶接チャンバに至るまでのガス供給経
路に酸素濃度測定器を配設し、溶接チャンバ内の不活性
ガス中の酸素濃度が所定レベル以下であることを確認す
ることにより、ガス供給経路途中のリークに起因する不
活性ガス純度の低下を防止するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、溶接部の品
質を一定レベル以上に維持するためには、本来、溶接部
の酸化だけでなく窒化についても防止することが必要で
あり、さらに、酸素や窒素以外の不純物の存在に起因す
る溶接劣化についても防止することが好ましい。

【０００５】しかし、不活性ガス中に含まれる酸素以外
の不純物を検出するセンサを設けることは、工程管理上
の観点からも製造設備のコスト削減という観点からも実
用化することは困難であると考えられていた。そのた
め、従来は、空気中に存在する酸素と窒素との比は一定
であるという事象を利用し、不活性ガス中の酸素量のみ
を酸素濃度測定器によって直接測定することとし、窒素
量については測定した酸素量に基づいて推測するという
手法を採用してきた。したがって、従来求められていた
窒素量の値は、このように酸素量の測定結果に基づく推
測値であるため、充分な精度を有する値とは言い難いも
のであった。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、不活性ガス中の酸素量だけでなく、窒素やその他
の不純物についても直接的且つ正確な計測を行うことが
でき、もって溶接部の品質を向上させることが可能な溶
接用不活性ガス純度計測方法及びその装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、請求項１記載の発明は、不活性ガス供給
源から溶接チャンバ内に供給される不活性ガスの不純物
含有量を計測する溶接用不活性ガス純度計測方法におい
て、前記不活性ガス供給源と前記溶接チャンバとの間の
ガス供給経路に、前記不活性ガスの成分についての質量
分析を行う四重極質量分析計を設け、この四重極質量分
析計の質量分析結果に基づき、前記不活性ガスの不純物
含有量を計測する、ことを特徴とする。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、不純物含有量が既知である所定量の標準ガ
スをスポット的に前記ガス供給経路に混入させ、そのと
きの前記四重極質量分析計の分析値を求める予備計測を
行うことにより、この四重極質量分析計による計測限界
値を予め求めておく、ことを特徴とする。

【０００９】請求項３記載の発明は、不活性ガス供給源
から溶接チャンバ内に供給される不活性ガスの不純物含
有量を計測する溶接用不活性ガス純度計測装置におい
て、前記不活性ガス供給源と前記溶接チャンバとの間の
ガス供給経路から不活性ガスを導入し、この不活性ガス
の成分についての質量分析を行う四重極質量分析計を備
えた、ことを特徴とする。

【００１０】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、前記ガス供給経路に配設され、前記溶接チ
ャンバ内で溶接作業が行われている間は開放される第１
の開閉弁と、前記ガス供給経路に前記第１の開閉弁と並
列して配設され、前記溶接チャンバ内で冷却が行われて
いる間は開放される第２の開閉弁と、前記ガス供給経路
から分岐する分岐経路に配設され、前記第１の開閉弁及
び前記第２の開閉弁と共に開放される第３の開閉弁と、
を備え、前記四重極質量分析計の質量分析部は前記第３
の開閉弁と連通している、ことを特徴とする。

【００１１】請求項５記載の発明は、請求項３又は４記
載の発明において、前記ガス供給経路から分岐する混入
経路に接続され、不純物含有量が既知である標準ガスが
充填された標準ガスボンベと、前記混入経路に配設さ
れ、前記標準ガスボンベに充填された標準ガスを前記ガ
ス供給経路に所定量だけスポット的に混入させる混入ガ
ス調節弁と、を備えたことを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき説
明する。図１は、本実施形態に係る装置の構成を示す説
明図である。図１において、図示を省略してある不活性
ガス供給源(この実施形態では、不活性ガスとしてヘリ
ウムガスを用いているものとする。)に、ガス供給経路
を形成する配管１が接続されており、この配管１の途中
に供給弁２が配設されている。配管１は、さらに、一つ
の入力ポートＰ及び二つの出力ポートＡ，Ｂを有する切
換弁３に接続されている。

【００１３】切換弁３の出力ポートＡ，Ｂは、それぞれ
配管４，５に接続されており、これら配管４，５にはそ
れぞれ第１の開閉弁６及び第２の開閉弁７が配設されて
いる。配管５における第２の開閉弁７の下流側は、配管
４における第１の開閉弁６の下流側と合流しており、さ
らに、その下流側は溶接チャンバ８の溶接トーチ９に接
続されている。そして、この溶接トーチ９から不活性ガ
スが送り出され、溶接チャンバ８内が不活性ガスで満た
されるようになっている。なお、図示は省略してある
が、第１の開閉弁６及び第２の開閉弁７の各上流側に
は、溶接チャンバ８内へ供給する不活性ガスの流量を制
御するためのマスフローコントローラが設けられてい
る。

【００１４】配管４，５からは、それぞれ分岐経路とし
ての配管１０，１１が分岐しており、配管１０の途中に
は配管１１の一端側が接続されている。そして、配管１
０は、第３の開閉弁１２を介して四重極質量分析計１３
に接続されている。この四重極質量分析計１３は、不活
性ガス中に存在する各成分の質量分析を行うものであ
り、一定レベル以上の不純物を検出した場合に、図示を
省略した溶接制御装置に異常検出信号を出力するように
なっている。

【００１５】配管１からは、混入経路としての配管１４
が接続されており、この配管１４には調節弁１５が接続
されている。そして、配管１は、この配管１４及び調節
弁１５を介して標準ガスボンベ１６に接続されている。

【００１６】切換弁３、第１の開閉弁６、第２の開閉弁
７、及び第３の開閉弁１２の各開閉状態は、溶接工程の
進捗状況に応じて変化するようになっている。すなわ
ち、溶接工程は、溶接準備作業(溶接部材を溶接チャン
バ８内へ送り込み、これを所定位置に固定する等の作
業)、溶接作業、冷却作業等により構成されており、ま
ず、溶接準備作業中においては、第１の開閉弁６、第２
の開閉弁７、及び第３の開閉弁１２はいずれもオフする
ようになっている。そして、溶接作業中においては、切
換弁３の入力ポートＰは出力ポートＡ側と連通し、第１
の開閉弁６及び第３の開閉弁１２がオンすると共に、第
２の開閉弁７がオフするようになっている。また、冷却
作業中においては、切換弁３の入力ポートＰは出力ポー
トＢ側と連通し、第２の開閉弁７及び第３の開閉弁１２
がオンすると共に、第１の開閉弁６がオフするようにな
っている。

【００１７】上記のように、図１の構成では、不活性ガ
ス中に存在する酸素や窒素等の不純物を検出する手段と
して、四重極質量分析計１３を用いているが、ここで、
この四重極質量分析計１３について説明する。質量分析
計とは、固定した１個の集イオン電極に試料ガスのイオ
ンを集めたときのイオン電流に基づいて質量スペクトル
を得るための計器であり、「偏向型」のものと「非偏向
型」のものとがある。

【００１８】まず、「偏向型」の質量分析計としては、
磁場型質量分析計がある。これは、所定の曲率半径を有
する円形軌道を扇型磁場により形成したものであり、磁
場の強さ及びイオン加速電圧を変化させ、所定の関係式
を満足する質量を持ったイオンのみを電極に到達させる
ことにより質量スペクトルを得るようにしたものであ
る。しかし、この磁場型質量分析計は、扇型磁場を形成
する手段として大きな磁石を用いており、その分析計自
体が溶接機本体を上回るほど大型化してしまうという欠
点を有している。

【００１９】一方、「非偏向型」の質量分析計として上
記の四重極質量分析計がある。これは、直流電圧に高周
波電圧を重畳させた印加電圧により、特定の質量電荷比
を持つ試料ガスのイオンのみを電極に到達させることに
より質量スペクトルを得るようにしたものである。この
四重極質量分析計は、磁場型質量分析計のように大きな
磁石を用いているわけではないのでそれほど大型化する
わけではなく、また、低質量域での感度が高いことや分
析の反応性が高いこと等の長所を有している。本発明で
は、溶接用不活性ガスの純度計測を行う手段として、こ
の四重極質量分析計を用いている。

【００２０】図２は、四重極質量分析計により得られる
質量スペクトルのデータ例を示すものであり、不活性ガ
スとしてヘリウムガスを用いた場合の特性図である。図
示すえるように、それぞれ質量の異なるＨｅガス、Ｎ2
ガス、Ｏ2ガスの各イオン電流が示されている。

【００２１】ところで、図１の構成において、四重極質
量分析計１３を用いるにあたって注意すべき点がある。
それは、不活性ガスの分析は、真空状態に保たれている
分析部で行われるが、第３の開閉弁１２からの不活性ガ
スはオリフィスと呼ばれる非常に小さな孔を通ってこの
分析部に送られてくることである。すなわち、四重極質
量分析計１３の分析部に送られてくる不活性ガスは溶接
チャンバ８内の不活性ガスに比べて微量であるため、不
活性ガス供給源から供給される不活性ガス中に不純物が
均一に拡散している場合は特に問題は生じないが、不活
性ガス中に不純物がスポット的に混入されている場合
は、四重極質量分析計１３による分析結果が溶接チャン
バ８内における不純物の存在状態を正確に反映していな
いおそれがある。標準ガスボンベ１６は、このような事
態に対処するために備えられたもので、この標準ガスボ
ンベ１６には不純物(酸素及び窒素とする)含有量が既知
である標準ガス(ヘリウムガス)が充填されている。そし
て、本実施形態では、予備計測において所定量の標準ガ
スをガス供給経路を形成する配管１に送るようにし、そ
のときの四重極質量分析計１３の結果を解析することに
より、四重極質量分析計１３の計測限界値を予め求めて
おくようにしている。

【００２２】次に、上記のように構成される溶接用不活
性ガスの純度計測装置を用いて行う計測方法の例につき
説明する。作業員は、まず、上記した予備計測を行うこ
とにより四重極質量分析計１３の計測限界値を求めるよ
うにする。すなわち、初めに、調節弁１５をオフ状態に
すると共に、第１の開閉弁６をオン、第２の開閉弁７を
オフ、第３の開閉弁１２をオン状態にして切換弁３の入
力ポートＰを出力ポートＡ側に連通させておく。この状
態で供給弁２をオンにすると、不活性ガス供給源からの
不活性ガスが、切換弁３、第１の開閉弁６及び溶接トー
チ９を通って溶接チャンバ８内に供給され、また、切換
弁３の出力ポートＡから第３の開閉弁１２を通って送ら
れてくる不活性ガスが四重極質量分析計１３により分析
される。

【００２３】次いで、調節弁１５の開度を制御して、標
準ガスボンベ１６の標準ガスを所定量だけ切換弁３に送
出するようにする。この標準ガスは、不活性ガス供給源
からの不活性ガス内に混入して出力ポートＡを出た後、
溶接チャンバ８に送られると共に、四重極質量分析計１
３に送られる。四重極質量分析計１３は、このように標
準ガスが混入された不活性ガス中の各成分の分析を行う
が、このときの不純物についての分析結果は標準ガスが
混入される前の分析結果に対して変化が生じているはず
である。そして、混入された標準ガスの量すなわち不純
物の量は既知であるから、このときの分析結果の変化の
度合いを調べれば、四重極質量分析計１３による不純物
含有量の計測限界をある程度把握することができる。

【００２４】つまり、不活性ガス中に含まれる不純物の
偏在が発生し、溶接チャンバ８内における不活性ガス中
の不純物含有率が大きくなり、一方、四重極質量分析計
１３の検出部における不純物含有率が溶接チャンバ８内
の含有率に比べて実際には小さくなったとしても、この
溶接チャンバ８内での不純物含有率の増大は必ず四重極
質量分析計１３の検出部側にも反映されているはずであ
る。したがって、所定量の不純物を実際に混入した場合
に、四重極質量分析計１３がどのような分析結果を示す
かを前もって調べておくことにより、溶接作業中におい
ては、逆に、この四重極質量分析計１３の分析結果に基
づいて溶接チャンバ８内での不純物含有率を知ることが
できる。なお、四重極質量分析計１３の計測に基づく不
純物含有率が溶接チャンバ８内の実際の不純物含有率よ
りも大きなものである場合は、いわゆる「安全側」の誤
計測であり許容され得るものである。

【００２５】上記のように、標準ガスボンベ１６から切
換弁３に送出する標準ガスの量を繰り返し変化させ、そ
のときの四重極質量分析計１３の分析結果の変化の度合
いを調べることとすれば、四重極質量分析計１３の計測
限界を相当程度正確に把握することができる。

【００２６】作業員は、このように切換弁３の入力ポー
トＰが出力ポートＡ側に連通した状態における四重極質
量分析計１３の計測限界を把握した後、入力ポートＰが
出力ポートＢに連通した状態に切り換え、この状態にお
ける四重極質量分析計１３の計測限界を上記と同様の手
順により正確に把握するようにする。なお、この実施形
態では、標準ガスボンベ１６からの標準ガスが不活性ガ
ス供給源からの不活性ガスに混入される個所は切換弁３
の上流側に位置する配管１となっているが、この混入箇
所は、配管系統の接続状況等を考慮して種々に変えるこ
とができる。

【００２７】上記のようにして予備計測を行い、四重極
質量分析計１３の計測限界を把握した後、作業員は溶接
工程における各作業を開始する(予備計測終了後は調節
弁１５はオフ状態が維持される。)。すなわち、まず、
第１の開閉弁６、第２の開閉弁７、及び第３の開閉弁１
２をいずれもオフして溶接準備作業を行う。次いで、切
換弁３の入力ポートＰを出力ポートＡ側と連通させ、第
１の開閉弁６及び第３の開閉弁１２をオンすると共に、
第２の開閉弁７をオフして溶接作業を行う。このとき、
出力ポートＡ側から溶接チャンバ８側へ供給される不活
性ガスの一部が第３の開閉弁１２を介して四重極質量分
析計１３に送られ、ここで酸素や窒素の不純物の含有量
が計測され、その含有量が一定レベル以上であれば、図
示を省略してある溶接制御装置に異常信号が出力され
る。

【００２８】溶接作業が終了すると、切換弁３の入力ポ
ートＰを出力ポートＢ側と連通させ、第２の開閉弁７及
び第３の開閉弁１２をオンすると共に、第１の開閉弁６
をオフして冷却作業を行う。このとき、上記の場合と同
様に、出力ポートＢ側から溶接チャンバ８側へ供給され
る不活性ガスの一部が第３の開閉弁１２を介して四重極
質量分析計１３に送られ、ここで酸素や窒素の不純物の
含有量が計測され、その含有量が一定レベル以上であれ
ば、図示を省略してある溶接制御装置に異常信号が出力
される。

【００２９】図３は、ヘリウム、窒素、及び酸素の各イ
オン電流について四重極質量分析計１３により観測され
た各時系列観測データを示す特性図である。この図に示
されるように、時刻ｔ1において窒素及び酸素が急激に
増大しており、配管系統のいずれかの部分においてリー
クが発生していることが分かる。

【００３０】上述した溶接用不活性ガスの純度計測方法
及びその装置によれば、不活性ガス供給源と溶接チャン
バ８との間のガス供給経路に四重極質量分析計を設け、
この四重極質量分析計の質量分析結果に基づき、不活性
ガス中の不純物含有量を計測する構成としてあるので、
この計測を直接的且つ正確に行うことができ、溶接部の
品質向上に寄与することが可能となる。

【００３１】すなわち、四重極質量分析計は、「非偏向
型」の質量分析計の特徴として低質量域の感度が高く、
反応速度が速いという性質を有しているため、不活性ガ
ス中の酸素や窒素等の不純物を精度良く検出することが
できる。したがって、酸素だけでなく、窒素の溶接雰囲
気管理を実施することもでき、品質管理の向上を図るこ
とができる。また、一般的な分析能力として５種類程度
の元素(分子)を時系列で確認できる能力を有しており、
酸素及び窒素以外の不純物についても検出することがで
き、より品質管理面の向上を図ることができる。

【００３２】そして、上記の実施形態では、予備計測に
おいて、標準ガスをガス供給経路にスポット的に混入さ
せ、四重極質量分析計の計測限界値を予め求めることが
できるようにしているので、質量分析計がオリフィスと
呼ばれる小さな孔を有するために、不活性ガス中に不純
物が不均一に拡散した場合の計測を必ずしも正確に行う
ことができない場合があり得るという問題をクリアする
ことができる。

【００３３】さらに、本発明では、四重極質量分析計に
おける分析部の四重極に導入されるガスは不活性ガスを
主成分とするものであるから、この四重極の酸化等によ
る感度低下が生じることがなく、安定した分析を長期間
行うことが可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、不活性
ガス供給源と溶接チャンバとの間のガス供給経路に不活
性ガスの成分についての質量分析を行う四重極質量分析
計を設け、この四重極質量分析計の質量分析結果に基づ
き不活性ガスの不純物含有量を計測する構成としている
ので、不活性ガス中の酸素量だけでなく、窒素やその他
の不純物についても直接的且つ正確な計測を行うことが
でき、もって溶接部の品質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る装置の構成を示す説明
図。

【図２】四重極質量分析計により得られる質量スペクト
ルのデータ例を示す特性図。

【図３】ヘリウム、窒素、及び酸素の各イオン電流につ
いて図１における四重極質量分析計１３により観測され
た各時系列観測データを示す特性図。

【符号の説明】

１ 配管 ２ 供給弁 ３ 切換弁 ４ 配管 ５ 配管 ６ 第１の開閉弁 ７ 第２の開閉弁 ８ 溶接チャンバ ９ 溶接トーチ １０ 配管 １１ 配管 １２ 第３の開閉弁 １３ 四重極質量分析計 １４ 配管 １５ 調節弁 １６ 標準ガスボンベ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不活性ガス供給源から溶接チャンバ内に供
   給される不活性ガスの不純物含有量を計測する溶接用不
   活性ガス純度計測方法において、 前記不活性ガス供給源と前記溶接チャンバとの間のガス
   供給経路に、前記不活性ガスの成分についての質量分析
   を行う四重極質量分析計を設け、この四重極質量分析計
   の質量分析結果に基づき、前記不活性ガスの不純物含有
   量を計測する、 ことを特徴とする溶接用不活性ガス純度計測方法。
2. 【請求項２】不純物含有量が既知である所定量の標準ガ
   スをスポット的に前記ガス供給経路に混入させ、そのと
   きの前記四重極質量分析計の分析値を求める予備計測を
   行うことにより、この四重極質量分析計による計測限界
   値を予め求めておく、 ことを特徴とする請求項１記載の溶接用不活性ガス純度
   計測方法。
3. 【請求項３】不活性ガス供給源から溶接チャンバ内に供
   給される不活性ガスの不純物含有量を計測する溶接用不
   活性ガス純度計測装置において、 前記不活性ガス供給源と前記溶接チャンバとの間のガス
   供給経路から不活性ガスを導入し、この不活性ガスの成
   分についての質量分析を行う四重極質量分析計を備え
   た、 ことを特徴とする溶接用不活性ガス純度計測装置。
4. 【請求項４】前記ガス供給経路に配設され、前記溶接チ
   ャンバ内で溶接作業が行われている間は開放される第１
   の開閉弁と、 前記ガス供給経路に前記第１の開閉弁と並列して配設さ
   れ、前記溶接チャンバ内で冷却が行われている間は開放
   される第２の開閉弁と、 前記ガス供給経路から分岐する分岐経路に配設され、前
   記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁と共に開放される
   第３の開閉弁と、 を備え、前記四重極質量分析計の質量分析部は前記第３
   の開閉弁と連通している、 ことを特徴とする請求項３記載の溶接用不活性ガス純度
   計測装置。
5. 【請求項５】前記ガス供給経路から分岐する混入経路に
   接続され、不純物含有量が既知である標準ガスが充填さ
   れた標準ガスボンベと、 前記混入経路に配設され、前記標準ガスボンベに充填さ
   れた標準ガスを前記ガス供給経路に所定量だけスポット
   的に混入させる混入ガス調節弁と、 を備えたことを特徴とする請求項３又は４記載の溶接用
   不活性ガス純度計測装置。