JP2014087809A - 肉盛溶接装置及び原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入熱量を増やすことなく、炉内構造物への溶込みを最適にすることで、融合不良等の欠陥が生じることがない肉盛溶接装置及び原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法を提供する。
【解決手段】肉盛溶接装置８の先端部に取り付けられた溶接ヘッド９と、前記溶接ヘッド９を被溶接部１１に沿って移動させる駆動装置と、前記溶接ヘッド９の先端に設けられ前記被溶接部１１にシールドガス１５を噴射するためのノズル１７と、前記被溶接部１１に溶接ワイヤ１４を供給する溶接ワイヤ供給部７と、前記被溶接部１１にレーザ光１２を照射するための集光光学系５と、前記溶接ヘッド９の先端部に取り付けられ前記被溶接部１１を気相に保持するシールドガスカバー１８と、を備えた肉盛溶接装置８において、前記ノズル１７にガス流のはく離層が形成されたガス流はく離層形成手段１７ａ、１７ｂを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉炉内構造物等の構造物を改質するための肉盛溶接装置及び原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法に関する。

従来、原子炉の炉内構造物、例えば給水ノズル、制御棒ハウジング等の耐食性、耐摩耗性の向上を図るために、肉盛溶接によって炉内構造物の改質処理を行うことが知られている。この肉盛溶接作業では例えばレーザ光を用いた溶接装置が用いられるが、原子炉内に水が満たされた状態で行われるため、溶接箇所から水を排除して溶接作業が行われる（特許文献１）。

このような溶接装置８は、図９に示すように、原子炉圧力容器１の外部に設置されたレーザ発振器２、シールドガス供給部３、制御部４に接続され、遠隔操作装置（図示せず）により溶接対象の炉内構造物１０に設置される。溶接装置８の先端に取り付けられた溶接ヘッド９は、図１に示すように、レンズ等からなる集光光学系５と、シールドガス導入部６と、溶接ワイヤ１４を被溶接部１１に供給する溶接ワイヤ供給部７と、シールドガス１５を被溶接部１１に噴射するノズル１７と、被溶接部１１を気相に保持するシールドカバー１８とから構成され、溶接ヘッド９は駆動手段（図示せず）により所定の速度（溶接速度）で被溶接部１１を移動する。

溶接の際は、シールドガス１５がノズル１７から被溶接部１１に噴射されてシールドカバー１８内の水を排除して気相状態とし、溶接ヘッド９を被溶接部１１に沿って移動させながら、被溶接部１１をレーザ光で照射するとともに、溶接ワイヤ１４及びシールドガス１５を供給して溶接を行っている。

特許第３１１７１８６号公報

上述した従来の溶接手段では、耐食性を改善するために溶接ワイヤ１４を多量に供給する必要があるが、これにより炉内構造物１０の被溶接部１１への溶込みが不足し、融合不良が発生するという課題がある。

また、被溶接部１１に混入した不純物の成分量が多い場合、入熱量を大きくする必要があるが、入熱量を大きくすると溶接割れが発生する恐れがあるため入熱量を増やすことができない。これにより融合不良の発生リスクが高まるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、入熱量を増やすことなく、炉内構造物への溶込み深さを最適にすることで、融合不良等の欠陥が生じることがない肉盛溶接装置及び原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る肉盛溶接装置は、肉盛溶接装置の先端部に取り付けられた溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドを被溶接部に沿って移動させる駆動装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられ前記被溶接部にシールドガスを噴射するためのノズルと、前記被溶接部に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給部と、前記被溶接部にレーザ光を照射するための集光光学系と、前記溶接ヘッドの先端部に取り付けられ前記被溶接部を気相に保持するシールドガスカバーと、を備えた肉盛溶接装置において、前記ノズルにガス流のはく離層が形成されたガス流はく離層形成手段を設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法は、肉盛溶接装置の先端部に取り付けられた溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドを被溶接部に沿って移動させる駆動装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられ前記被溶接部にシールドガスを噴射するためのノズルと、前記被溶接部に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給部と、前記被溶接部にレーザ光を照射するための集光光学系と、前記溶接ヘッドの先端部に取り付けられ前記被溶接部を気相に保持するシールドガスカバーと、を備えた肉盛溶接装置によって炉内構造物の被溶接部を肉盛溶接する原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法において、前記溶接ヘッドの溶接速度を０．３〜０．５ｍ／分とし、前記ノズルから噴射される前記シールドガスのガス速度を６〜１４ｍ／秒とすることを特徴とする。

本発明によれば、被溶接部への溶接金属の溶込み深さを最適にすることで、入熱条件を変えることなく、融合不良等の欠陥の発生を抑制することが可能な肉盛溶接装置及び方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る溶接ヘッドの断面構成図。 （ａ）は第１の実施形態に係る炉内構造物及び溶接ワイヤの組成表、（ｂ）は各種溶接条件を示す表。 第１の実施形態に係る肉盛溶接方法のガス流速と溶込み深さの関係を示す図。 第１の実施形態に係る肉盛溶接方法の溶込み形状及び溶融池の形状を示す模式図。 第２の実施形態に係る溶接ヘッドの断面構成図。 第３の実施形態に係る溶接ヘッドの断面構成図。 第３の実施形態の変形例に係る溶接ヘッドの断面構成図。 第４の実施形態に係る溶接ヘッドの断面構成図。 溶接装置が装着された原子炉圧力容器の断面構成図。

以下、本発明に係る肉盛溶接装置及び原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法の実施形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る肉盛溶接装置及び方法を図１乃至４により説明する。

（構成）
本実施形態に係る溶接ヘッド９は、図１に示ように、レンズ、ミラー等からなる集光光学系５と、シールドガス導入部６と、溶接ワイヤ１４を被溶接部１１に供給する溶接ワイヤ供給部７と、シールドガス１５を被溶接部１１に噴射するノズル１７と、被溶接部１１を気相に保持するシールドカバー１８とから構成され、駆動手段（図示せず）により所定の速度（溶接速度）で被溶接部１１に沿って移動する。

ここで、本実施形態に係る肉盛溶接の対象となる炉内構造物（母材）１０は、６００合金、オーステナイト系ステンレス鋼３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌ等の材料から構成され、溶接ワイヤ１４は、６９０合金、オーステナイト系ステンレス鋼３０８Ｌ等が用いられる。図２（ａ）は、６９０合金（溶接ワイヤ）及び６００合金（炉内構造物）の成分組成表である。

肉盛溶接の際は、溶接ヘッド９を肉盛溶接対象の炉内構造物１０の被溶接部１１に位置決めし、シールドガス１５をノズル１７から被溶接部１１に噴射してシールドカバー１８内の水を排除して気相状態とする。次に、その状態でシールドガス１５を所定のガス流速でノズル１７から噴出させながら、レーザ光で被溶接部１１を照射するとともに溶接ワイヤ１４を供給することで溶融池を形成して肉盛溶接を行う。

この肉盛溶接作業は溶接ヘッド９を移動させながら被溶接部全体にわたって行われるが、その際、溶接ヘッド９の溶接速度は０．３〜０．５ｍ／分、ノズル１７から噴射されるシールドガス１５のガス速度は６〜１４ｍ／秒に調整される。
本実施形態では、前記ガス速度を得るためにノズル先端部の径が３〜８ｍｍに調整されている。

（実施例）
このように構成された肉盛溶接装置を用いて、図２（ｂ）に示す溶接条件で溶接試験を行った。
炉内構造物（母材） ６００合金
溶接ワイヤ ６９０合金
溶接ワイヤ径 １．１ｍｍ
溶接ワイヤ供給速度 ０．６〜１．５ｍ／分
レーザ波長（ＹＡＧレーザ発振器） １．０６μｍ
レーザ出力（ＹＡＧレーザ発振器） ２〜３ｋＷ
溶接速度 ０．３〜０．５ｍ／分
ガス流速 １〜１５ｍ／秒

図３はガス流速に対する肉盛溶接後の中央部における溶込み深さの関係図であり、図４はガス流速が１〜３ｍ／秒、６〜１４ｍ／秒の場合の、溶込み形状、溶込み深さ及び肉盛溶接中の溶融池の挙動を示す模式図である。

図４の溶融池の挙動からわかるように、ガス流速が大きくなるにつれて、溶融池がシールドガスにより後方に押し流され、レーザ光は母材に近い位置に照射されるため、溶込み深さが増加する。

ここで溶込み深さが０．１５〜０．７ｍｍ（ガス流速６〜１４ｍ／秒）、好ましくは０．３〜０．７ｍｍ（ガス流速８〜１４ｍ／秒）であれば、融合不良や溶接割れの発生を抑制できることが確認された。溶込み深さ０．１ｍｍ以下の深さでは、融合不良が発生する可能性が高く、０．７ｍｍ以上では、ガス流速を１５ｍ／秒以上とする必要があり、溶融池が被溶接部１１の表面より深く掘り込まれるため、ビード形成が不安定となりビードの表面凹凸が増え（図示せず）、安定した肉盛溶接を行うことができない。

（効果）
本実施形態によれば、ノズル１７先端部の径を小さくすることで適切なガス流速を有するシールドガスを被溶接部に噴射させ、これにより、入熱条件を変えることなく、適切な溶込み深さを有する肉盛溶接を行うことができる。このようにして形成された肉盛溶接部は融合不良や溶接割れ等の欠陥の発生が抑制されるため、炉内構造物の耐食性、耐摩耗性等を改善することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る肉盛溶接装置を図５により説明する。なお、上記実施形態の肉盛溶接装置と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。

本第２の実施形態では、ノズル１７の内面に凹凸部１７ａを設けたことを特徴とする。
これにより、シールドガス１５がノズル１７を通るときに、内面の凹凸部１７ａにより抵抗が大きくなり、ほとんどガスの流れがないはく離層が形成されるため、実質的にシールドガスの通過流が小さくなり、これによりガス流速を大きくすることができる。このようにガス流はく離形成手段として凹凸部１７ａを有するノズル１７を使用することで、同じガス流速を得るためのガス流量を減少させることができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る肉盛溶接装置を図６により説明する。なお、上記実施形態の肉盛溶接装置と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。

本第３の実施形態では、ノズル１７の先端部まで大きい内径とし、ノズル１７の先端部に段部を形成して絞り部１７ｂとし小さい内径とすることを特徴とする。
これにより、ノズル１７の先端部近傍の絞り部１７ｂでほとんどガスの流れがないはく離層が形成され、実質的にシールドガス１５の通過流域が小さくなることでガス流速を大きくすることができる。このようにガス流はく離形成手段として先端部を絞り部１７ｂにより細くしたノズル１７を使用することで、同じガス流速を得るためのガス流量を減少させることができる。

また、図７は本実施形態の変形例を示すもので、ノズル１７の先端部近傍に環状部材１９を挿入し、シールドガス１５の通過流域を小さくする。これにより、上記実施形態体と同様な作用効果が得られる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る肉盛溶接装置を図８により説明する。なお、上記実施形態の肉盛溶接装置と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。

本第４の実施形態では、ノズル１７の側部に流通孔２０を設け、一旦、ノズル１７から噴出されたシールドガス１５を再度流通孔２０を通して被溶接部１１に供給する。これにより、被溶接部１１に噴射されるガス流量を実質的に増やすことで、ガス流速を高めることができる。この流通孔２０を有するノズル１７を使用することで、同じガス流速を得るためのガス流量を減少させることができる。

以上説明したように、上述した実施形態に係る肉盛溶接装置及び方法によれば、ガス流速を高めることで溶込み形状を改善し、これにより、入熱条件を変えることなく、融合不良等の欠陥の発生を抑制することができる肉盛溶接が可能となる。その結果、原子炉炉内構造物の改質処理を的確かつ効率的に行うことができる。

以上、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。これら新規な実施形態は、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、組み合わせ、置き換え、変更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ともに、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。

１…原子炉圧力容器、２…レーザ発振器、３…シールドガス供給部、４…制御部、５…集光光学系、６…シールドガス導入部、７…溶接ワイヤ供給部、８…肉盛溶接装置、９…溶接ヘッド、１０…炉内構造物、１１…被溶接部、１２…レーザ光、１４…溶接ワイヤ、１５…シールドガス、１７…ノズル、１７ａ…凹凸部、１７ｂ…絞り部、１８…シールドガスカバー、１９…環状部材、２０…流通孔。

Claims (7)

1. 肉盛溶接装置の先端部に取り付けられた溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドを被溶接部に沿って移動させる駆動装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられ前記被溶接部にシールドガスを噴射するためのノズルと、前記被溶接部に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給部と、前記被溶接部にレーザ光を照射するための集光光学系と、前記溶接ヘッドの先端部に取り付けられ前記被溶接部を気相に保持するシールドガスカバーと、を備えた肉盛溶接装置において、前記ノズルにガス流のはく離層が形成されたガス流はく離層形成手段を設けたことを特徴とする肉盛溶接装置。
2. 前記ガス流はく離層形成手段は、前記ノズルの内面に形成された凹凸部であることを特徴とする請求項１記載の肉盛溶接装置。
3. 前記ガス流はく離層形成手段は、前記ノズルの先端部の内部に設けられた環状部材であることを特徴とする請求項１記載の肉盛溶接装置。
4. 肉盛溶接装置の先端部に取り付けられた溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドを被溶接部に沿って移動させる駆動装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられ前記被溶接部にシールドガスを噴射するためのノズルと、前記被溶接部に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給部と、前記被溶接部にレーザ光を照射するための集光光学系と、前記溶接ヘッドの先端部に取り付けられ前記被溶接部を気相に保持するシールドガスカバーと、を備えた肉盛溶接装置において、
   前記ノズルの側部に前記被溶接部に噴射されたシールドガスが再流入する流通孔を設けたことを特徴とする肉盛溶接装置。
5. 前記被溶接部は６００合金又はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、前記溶接ワイヤは６９０合金又はオーステナイト系ステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の肉盛溶接装置。
6. 肉盛溶接装置の先端部に取り付けられた溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドを被溶接部に沿って移動させる駆動装置と、前記溶接ヘッドの先端に設けられ前記被溶接部にシールドガスを噴射するためのノズルと、前記被溶接部に溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給部と、前記被溶接部にレーザ光を照射するための集光光学系と、前記溶接ヘッドの先端部に取り付けられ前記被溶接部を気相に保持するシールドガスカバーと、を備えた肉盛溶接装置によって炉内構造物の被溶接部を肉盛溶接する原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法において、
   前記溶接ヘッドの溶接速度を０．３〜０．５ｍ／分とし、前記ノズルから噴射される前記シールドガスのガス速度を６〜１４ｍ／秒とすることを特徴とする原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法。
7. 請求項１乃至５いずれか１項に記載の肉盛溶接装置によって炉内構造物の被溶接部を肉盛溶接する原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法において、
   前記溶接ヘッドの溶接速度を０．３〜０．５ｍ／分とし、前記ノズルから噴射される前記シールドガスのガス速度を６〜１４ｍ／秒とすることを特徴とする原子炉炉内構造物の肉盛溶接方法。

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