JP2006231403A - 中性子照射材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶加材と中性子照射材とが溶融してなる溶接金属内に生じるポロシティの数量を減少させると共に、その大きさを縮小させる中性子照射材の溶接方法を提供することにある。
【解決手段】溶加材（図示せず）を添加しながら中性子照射材１を溶接し、前記溶加材と中性子照射材１とが溶融してなる溶接金属２を、前記溶加材を添加せずに再溶融溶接したことにより、溶接金属２内のポロシティ３ａを大気中に浮上させて、再溶融した溶接金属４内のポロシティ３ｂの数量を減少させると共に、その大きさを縮小させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、中性子照射材の溶接方法に関する。

原子炉内では、核分裂により中性子が発生している。前記原子炉を覆う原子炉容器では、その材料である低合金鋼中に含まれるＢ（ボロン）に前記中性子が衝突することによりＨｅ（ヘリウム）に核変換されている。

前記原子炉容器が損傷した場合、図７（ａ）に示すように、非消耗式ワーク溶接、すなわち、電極５１の先端近傍に不活性ガスであるＡｒガス５２を吹き付けながら電極５１と低合金鋼５３の損傷した部位５３ａとの間に電圧をかけてアーク５４を発生させ、その熱によって低合金鋼５３と溶加材５５とを溶接している。このとき、低合金鋼５３と溶加材５５とが溶融して、図７（ｂ）に示すように、溶接金属（ビード）５６が生成する。このような溶接を溶接継手に沿って複数回、図示例では６回行い損傷部位５３ａの全体を溶接している。

特開平８−２５４５９５号公報 特開平６−２８９１８４号公報

上述したような材料を溶接したとき、溶融させた低合金鋼５３中に含まれるＨｅが溶接金属５６中に溶解する。

そのため、上述したような非消耗式ワーク溶接にて、低合金鋼と同じ成分系の溶加材を用いた場合、低合金鋼５３中に生じたＨｅ（図示せず）が溶接金属５６内に入り込み、図７（ｂ）に示すように、溶接金属５６が凝固したときに前記Ｈｅが気泡（ポロシティ）５７となっていた。

ポロシティ５７の大きさ及びその数量は、低合金鋼５３中に含まれるＨｅ量が多いほど、また溶接入熱が高く低合金鋼５３を溶融させる量が多いほど増加していた。

ポロシティ５７が溶接金属５６内に多数存在すると溶接欠陥、すなわち、低合金鋼５３自体の強度が低下してしまったり、低合金鋼５３に亀裂が生じると、その亀裂の進展ルートとなったりしてしまう。

上記特許文献１に記載の照射材の溶接方法に関する技術では、原子炉構造物及び炉内機器などの構成材料について、溶接時に、中性子照射を受けることにより、その内部に生じたヘリウム原子が拡散し粒界に集合して生成するバブルを抑制するものの、溶加材と上述した原子炉構造物及び炉内機器などの構成材料とを溶接してなる溶接金属中に生じるポロシティを抑制することはできなかった。

上記特許文献２に記載の中性子照射材の補修溶接施工方法では、照射材中のＨｅガスが材料結晶粒界にヘリウムガスが集積されることによる中性子照射材の溶接割れを抑制するものの、溶加材と前記中性子照射材とを溶接してなる溶接金属中に生じるポロシティを抑制することはできなかった。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、溶加材と中性子照射材とが溶融してなる溶接金属内に生じるポロシティの数量を減少させると共に、その大きさを縮小させる中性子照射材の溶接方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る中性子照射材の溶接方法は、中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、溶加材を添加しながら中性子照射材を溶接し、前記溶加材と前記中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を、前記溶加材を添加せずに再溶融溶接したことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る中性子照射材の溶接方法は、中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、溶加材を添加しながら中性子照射材の溶接を連続して行った後、前記溶加材と前記中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を、前記溶加材を添加せずに再溶融溶接したことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る中性子照射材の溶接方法は、中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、溶加材を添加しながら中性子照射材の溶接と、前記溶加材と前記中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を、前記溶加材を添加せずに行う再溶融溶接とを交互に行ったことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る中性子照射材の溶接方法は、中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、中性子照射材をレーザ溶接により溶接したことを特徴とする。前記レーザ溶接としては、例えばＹＡＧレーザ溶接やＣＯ₂レーザ溶接などが挙げられる。

上述した課題を解決する第５の発明に係る中性子照射材の溶接方法は、中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、ステンレスまたはＮｉ基合金のどちらかの溶加材を添加しながら中性子照射材を溶接したことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る中性子照射材の溶接方法は、ステンレスまたはＮｉ基合金と同等の表面張力を有する溶加材を添加しながら中性子照射材を溶接したことを特徴とする。

第１の発明に係る中性子照射材の溶接方法によれば、溶加材と中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を再溶融溶接したことにより、前記溶接金属内にあるポロシティの数量が減少すると共に、その大きさが縮小するので、前記ポロシティに起因した前記中性子照射材の強度の低下を抑制することができ、前記中性子照射材に亀裂が生じたときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

第２の発明に係る中性子照射材の溶接方法によれば、溶加材と中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を再溶融溶接したことにより、前記溶接金属内にあるポロシティの数量が減少すると共に、その大きさが縮小するので、前記ポロシティに起因した前記中性子照射材の強度の低下を抑制することができ、前記中性子照射材に亀裂が生じたときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

第３の発明に係る中性子照射材の溶接方法によれば、前記溶接金属の再溶融溶接を１回の溶接が終わる度に行うこととなり、再溶融溶接の範囲を前記溶接金属内により確実に留めることができるので、前記溶接金属内にあるポロシティの数量がより確実に減少すると共に、その大きさがより確実に縮小し、前記ポロシティに起因した前記中性子照射材の強度の低下を抑制することができ、前記中性子照射材に亀裂が生じたときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

第４の発明に係る中性子照射材の溶接方法によれば、ステンレスまたはＮｉ基合金の溶加材と中性子照射材とが溶融してなる溶接金属内に前記溶加材が溶融していることにより、前記溶接金属における表面張力が大きくなり、溶接金属が凝固する際に、溶解度を越えて過飽和になったヘリウムガスがポロシティになることが抑制される。また、ステンレスまたはＮｉ基合金と同等な表面張力を有する溶加材を用いることで、ステンレスまたはＮｉ基合金の溶加材を用いたときと同様に、ポロシティになることを抑制する効果が得られる。よって、前記溶接金属内のポロシティの数量がより確実に減少すると共に、その大きさがより確実に縮小し、前記ポロシティに起因した前記中性子照射材の強度の低下を抑制することができ、前記中性子照射材に亀裂が生じたときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

以下に、本発明に係る中性子照射材の溶接方法を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。以下、原子炉を覆う原子炉容器など、中性子が照射される材料を本発明では中性子照射材と称する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。

本発明の第１の実施例に係る中性子照射材の溶接方法は、図１（ａ）に示すように、最初に非消耗式アーク溶接、すなわち、電極（図示せず）の先端近傍に不活性ガスであるＡｒガス（図示せず）を吹き付けながら前記電極と、低合金鋼からなる中性子照射材１の損傷した部位（図示せず）との間に電圧をかけてアーク（図示せず）を発生させ、その熱によって中性子照射材１と添加した溶加材とを溶融して溶接する。この溶接を溶接継手に沿って連続して行って、図示例では６回行って、６つの溶接金属（ビード）が作られる。このときには、溶接金属２内にはポロシティ３ａが存在する。

続いて、上述したような溶接を行った後、前記溶加材を添加せずに非消耗式アーク溶接により、溶接金属２を再溶融溶接して、溶接金属２内のポロシティ３ａが大気中に浮上し、図１（ｂ）に示すように、再溶融した溶接金属４内のポロシティ３ｂは、溶接金属２内のポロシティ３ａと比べて、その数量が減少すると共に、その大きさが縮小する。ただし、再溶融溶接する範囲を溶接金属２の大きさに留め、中性子照射材１を溶融させないようにする。

したがって、本発明の第１の実施例に係る中性子照射材の溶接方法によれば、溶接金属４内のポロシティ３ｂの数量が減少すると共に、その大きさが縮小するので、ポロシティ３ｂに起因した中性子照射材１の強度の低下を抑制することができると共に、中性子照射材１が亀裂したときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

以下に、本発明の第２の実施例に係る中性子照射材の溶接方法について、図を用いて具体的に説明する。第２の実施例に係る中性子照射材の溶接方法は、上述した第１の実施例に係る中性子照射材の溶接方法における手順を変えたものである。

図２は、本発明の第２の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。

本発明の第２の実施例に係る中性子照射材の溶接方法は、図２（ａ）に示すように、最初に、非消耗式アーク溶接、すなわち、電極１２の先端近傍に不活性ガスであるＡｒガス１１を吹き付けながら電極１２と、低合金鋼からなる中性子照射材１の損傷した部位（図示せず）との間に電圧をかけてアーク１３を発生させ、その熱によって中性子照射材１と、添加した溶加材１４とを溶融して、１層１ビードの溶接金属１５が生成する。ただし、この１層１ビードの溶接金属１５内にはポロシティ１６ａが存在する。

続いて、図２（ｂ）に示すように、１層１ビードの溶接金属１５を再溶融溶接する。すなわち、Ａｒガス１１を電極１２の先端近傍に吹き付けながら、電極１２と１層１ビードの溶接金属１５との間に電圧をかけアーク１３を発生させその熱により１層１ビードの溶接金属１５を再溶融溶接して、その中に存在していたポロシティ１６ａが大気中に浮上する。ただし、再溶融溶接する範囲を溶接金属１５の大きさに留め、中性子照射材１を溶融させないようにする。よって、再溶融した溶接金属１７内のポロシティ１６ｂは、溶接金属１５内のポロシティ１６ａと比べて、その数量が減少すると共に、その大きさが縮小する。

続いて、図２（ｃ）に示すように、１層１ビードの溶接金属１５を生成するときと同様に、Ａｒガス１１を電極１２の先端近傍に吹き付けながら、電極１２と中性子照射材１との間に電圧をかけアーク１３を発生させその熱により中性子照射材１と添加した溶加材１４とを溶融して、１層２ビードの溶接金属１８が生成する。ただし、この１層２ビードの溶接金属１８内にはポロシティ１６ｃが存在する。

続いて、図２（ｄ）に示すように、１層１ビードの溶接金属１５を再溶融するときと同様に、Ａｒガス１１を電極１２の先端近傍に吹き付けながら、電極１２と１層２ビードの溶接金属１８との間に電圧をかけアーク１３を発生させその熱により１層２ビードの溶接金属１８を再溶融溶接して、その中に存在していたポロシティ１６ｃが大気中に浮上する。ただし、再溶融溶接する範囲を溶接金属１８の大きさに留め、中性子照射材１を溶融させないようにする。よって、再溶融した溶接金属１９内のポロシティ１６ｄは、溶接金属１８内のポロシティ１６ｃと比べて、その数量が減少すると共に、その大きさが縮小する。

上述した操作、すなわち、溶加材１４を添加しながら中性子照射材１の溶接と、前記溶接による溶接金属の再溶融溶接とを交互に、中性子照射材１の損傷部位（図示せず）の全体に対して行う。

したがって、本発明の第２の実施例に係る中性子照射材の溶接方法によれば、溶接金属１７，１９内のポロシティ１６ｂ、１６ｄの数量がより確実に減少すると共に、その大きさがより確実に縮小するので、ポロシティ１６ｂ、１６ｄに起因した中性子照射材１の強度の低下を抑制することができると共に、中性子照射材１が亀裂したときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

以下に、本発明の第３の実施例に係る中性子照射材の溶接方法について、図を用いて具体的に説明する。

図３は、本発明の第３の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。

本発明の第３の実施例に係る中性子照射材の溶接方法は、低合金鋼からなる中性子照射材１の損傷部位（図示せず）をレーザ溶接、例えばＣＯ₂レーザ溶接やＹＡＧレーザ溶接により図示しない溶加材と中性子照射材１とを溶融して溶接する。前述したレーザ溶接では、溶接時の溶接入熱が前記非消耗式アーク溶接に比べて小さいため、図３に示すように、レーザ溶接による中性子照射材１の溶け込み面積Ｓ₁は、図３（ｂ）に示す従来の非消耗式アーク溶接による中性子照射材１の溶け込み面積Ｓ₂に比べて小さくなる。よって、中性子照射材１の溶け込み面積Ｓ₁が小さいので、前記溶加材と中性子照射材１とが溶融してなる溶接金属２１内のポロシティ２２は、前記非消耗式アーク溶接による溶接金属２３のポロシティ２４に比べて、その数量が減少すると共に、その大きさが縮小する。

したがって、本発明の第３の実施例に係る中性子照射材の溶接方法によれば、上述した本発明の第１の実施例と同様に、溶接金属２１内のポロシティ２２の数量が減少すると共に、その大きさが縮小するので、ポロシティ２２に起因した中性子照射材１の強度の低下を抑制することができると共に、中性子照射材１が亀裂したときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

以下に、本発明の第４の実施例に係る中性子照射材の溶接方法について、図を用いて具体的に説明する。

図４は、本発明の第４の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。

本発明の第４の実施例に係る中性子照射材の溶接方法は、図４（ａ）に示すように、低合金鋼からなる中性子照射材１の損傷部位（図示せず）を補修する際に、溶加材としてステンレスまたはＮｉ基合金を用い、非消耗式アーク溶接にて溶接する。すなわち、ステンレスまたはＮｉ基合金のどちらかの溶加材を添加しながら中性子照射材１を溶接する。表面張力が小さい低合金鋼を溶加材として用いた溶接では、図４（ｂ）に示すように、前記溶加材と中性子照射材１とが溶融してなる溶接金属３２内にはポロシティ３３が生じていたが、ステンレスまたはＮｉ基合金の溶加材を用いた溶接では、前記溶加材と中性子照射材１とが溶融してなる溶接金属３１内に前記溶加材が溶融していることにより、溶接金属３１における表面張力が大きくなり、溶接金属３１が凝固する際に、溶解度を越えて過飽和になったヘリウムガスがポロシティになることが抑制され、溶接金属３１内にはポロシティは生じない。また、ステンレスまたはＮｉ基合金の代わりに、ステンレスまたはＮｉ基合金と同程度の表面張力を有するように、不純物元素の添加量が調整された低合金鋼の溶加材を用いた場合でも、ステンレスまたはＮｉ基合金の溶加材を用いたときと同様に、ポロシティになることを抑制する効果を得ることができる。

したがって、本発明の第４の実施例に係る中性子照射材の溶接方法によれば、溶接金属３１内のポロシティの数量がより確実に減少すると共に、その大きさがより確実に縮小し、前記ポロシティに起因した中性子照射材１の強度の低下を抑制することができ、中性子照射材１に亀裂が生じたときの亀裂の進展ルートとなることを抑制することができる。

[評価]
図５に本発明の中性子照射材の溶接方法による溶接金属の概略と従来の中性子照射材の溶接方法による溶接金属の概略とを示し、図５（ａ）には、本発明の第１の実施例に係る中性子照射材の溶接方法（小入熱（２．５ｋＪ／ｃｍ）、通常溶加材量＋再溶融（溶接条件１））による溶接金属の概略、図５（ｂ）には、本発明の第３の実施例に係る中性子照射材の溶接方法（極小入熱（０．８ｋＪ／ｃｍ）（溶接条件２））に相当する入熱による溶接金属の概略、図５（ｃ）には、溶接条件２における溶加材量を１．５倍としたとき（溶接条件３）の溶接金属の概略、図５（ｄ）には、従来の中性子照射材の溶接方法(小入熱（２．５ｋＪ／ｃｍ）（溶接条件４）による溶接金属の概略を示す。図６は、図５の各溶接条件における溶接入熱量とポロシティ総面積との関係を示すグラフである。

図５に示すように、溶接条件１における溶接金属４１のポロシティ４２、溶接条件２における溶接金属４３のポロシティ４４、および溶接条件３における溶接金属４５のポロシティ４６は、溶接条件４における溶接金属４７のポロシティ４８に比べて、それらの大きさが縮小していることが分かる。

さらに、図５（ｂ）に示す溶接条件２による溶接金属４３における中性子照射材１の溶け込み面積Ｓ₃は、図５（ｃ）に示す溶接条件３による溶接金属４５における中性子照射材１の溶け込み面積Ｓ₃よりも小さくなっていることが分かる。よって、溶接条件３の溶接金属４５では、溶接条件２の溶接金属４３に比べて、中性子照射材１の中に存在するヘリウムが溶接金属内に溶け込んでなるポロシティの生成は抑制される。

図６に示すように、溶接入熱量に関わらず、溶接条件４の溶接金属４７に比べて、溶接条件１〜３の各溶接金属４１，４３，４５では、溶接金属４１，４３，４５内のポロシティ４２，４４，４６の総面積がそれぞれ小さくなっていることが分かる。

したがって、本発明の中性子照射材の溶接方法によれば、溶接金属内に生じるポロシティの数量を減少させることができると共に、その大きさを縮小させることができ、中性子照射材１自体の強度の低下を抑制することができる。さらに、中性子照射材１に亀裂が生じたときの亀裂の進展ルートとなりにくくなる。

本発明は、中性子照射材の溶接方法に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。 本発明の第２の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。 本発明の第３の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。 本発明の第４の実施例に係る中性子照射材の溶接方法の説明図である。 本発明の中性子照射材の溶接方法による溶接金属と従来の中性子照射材の溶接方法による溶接金属との概略図である。 図５の各溶接条件における溶接入熱量とポロシティ総面積との関係を示すグラフである。 従来の中性子照射材の溶接方法の説明図である。

符号の説明

１ 中性子照射材
２ 溶接金属（ビード）
３ ポロシティ
４ 再溶融した溶接金属
１１ Ａｒガス
１２ 電極
１３ アーク
１４ 溶加材
１５ １層１ビードの溶接金属
１６ ポロシティ
１７ 再溶融した溶接金属
１８ １層２ビードの溶接金属
１９ 再溶融した溶接金属

Claims (6)

1. 中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、
   溶加材を添加しながら中性子照射材を溶接し、前記溶加材と前記中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を、前記溶加材を添加せずに再溶融溶接した
   ことを特徴とする中性子照射材の溶接方法。
2. 中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、
   溶加材を添加しながら中性子照射材の溶接を連続して行った後、前記溶加材と前記中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を、前記溶加材を添加せずに再溶融溶接した
   ことを特徴とする中性子照射材の溶接方法。
3. 中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、
   溶加材を添加しながら中性子照射材の溶接と、前記溶加材と前記中性子照射材とが溶融してなる溶接金属を、前記溶加材を添加せずに行う再溶融溶接とを交互に行った
   ことを特徴とする中性子照射材の溶接方法。
4. 中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、
   中性子照射材をレーザ溶接により溶接した
   ことを特徴とする中性子照射材の溶接方法。
5. 中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、
   ステンレスまたはＮｉ基合金のどちらかの溶加材を添加しながら中性子照射材を溶接した
   ことを特徴とする中性子照射材の溶接方法。
6. 中性子が照射される中性子照射材の溶接方法であって、
   ステンレスまたはＮｉ基合金と同等の表面張力を有する溶加材を添加しながら中性子照射材を溶接した
   ことを特徴とする中性子照射材の溶接方法。

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