JP2014529056A - 核燃料棒のレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

燃料棒１を溶接する方法は、以下のステップを含む。エンドプラグ３および燃料棒の被覆管２は、互いに当接するようにもたらされて、エンドプラグおよび被覆管の材料を溶解させるために溶接ゾーン３６を対象としてレーザービームを適用することによって、溶接される。溶接は、溶接ゾーンからの反射からくるレーザービームの波長を含む第１の波長範囲の放射光を検出することによって、溶解する材料からの赤外線を含む、第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の放射光を検出することによって、および、プラズマからの放射光を含む、第１および第２の波長範囲と異なる第３の波長範囲の放射光を検出することによって、検出される。材料の溶接および溶解は、検出された放射光をモニタすることによって監視される。【選択図】図４

Description

本発明は、一般に核構成要素の溶接、特に、ジルコニウム・ベースの合金でできている核構成要素の溶接に関する。より正確には、本発明は、請求項１の特徴部分より前の部分による方法に関する。

エンドプラグを燃料棒の被覆管に溶接するときに、特定の問題点が発生する。この問題点は、エンドプラグおよび燃料棒が作られる材料、すなわちジルコニウム・ベースの合金（例えば、ジルカロイ−１、ジルカロイ−２、ジルカロイ−４、ＺＩＲＬＯ、ＺＩＲＬＯ−Ｂなど）を含む。ジルコニウム・ベースの合金は、溶融温度で酸化のための高い傾向を有する。

さらなる問題点は、燃料棒の高圧ヘリウムの最終的な充填、シーリングおよび溶接に関連して、大気または他の周囲ガスが燃料棒の内部に入ることは許されないということである。この課題を解決する２つの方法がある。燃料棒は、燃料ペレットで満たされてよい。そして燃料棒は、エンドプラグで閉じられる。エンドプラグは、被覆管に、高圧ヘリウムなしにそれらの最終位置において溶接される。その後、燃料棒は、エンドプラグの１つを通るいわゆる充填孔を通ってヘリウムガスで充填される。次いで、充填孔は、最終的な溶接動作によって閉じられる。あるいは、燃料棒は、エンドプラグの最終的な位置決めおよび溶接の前に、燃料ペレットおよびヘリウムガスで満たされる。ヘリウムで満たされる燃料棒内に広がっている圧力は、概して、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では５〜１０バール、そして加圧水型原子炉（ＰＷＲ）用では３０〜７０バールである。ヘリウムのこれらの圧力の下でエンドプラグを溶接する能力は、さらなる問題点を構成する。しかし、充填孔およびこの種の充填孔を閉じる溶接ステップの必要性を除去する。

特許文献１は、エンドプラグを燃料棒の被覆管に溶接する方法を開示する。この周知の方法は、下エンドプラグを取り付けるステップ、燃料棒の内部を燃料ペレットおよびヘリウムガスで満たすステップ、上エンドプラグを被覆管の上端部に当接するように位置決めするステップ、および、インターフェースにレーザー光源のレーザービームを適用するステップ、を含む。提案されたレーザーは、パルスレーザーである。インターフェースでエンドプラグおよび被覆管の材料を溶解させるために、レーザービームは、インターフェースで溶接ゾーンに導かれる。

特許文献２は、燃料棒を溶接するための、そしてレーザービームをモニタするためのパルスレーザー溶接装置を開示する。ビームが保護レンズを通過する前に、レーザービームはモニタされる。したがって、それは、例えば溶接プロセスから発散するすすからの、保護レンズへの変化を確認することができない。ガース溶接のための溶接装置の準備は、圧力の下ではなされない。ヘリウムの圧力下の溶接は、充填孔のための別の準備においてなされる。したがって、この種の充填孔および溶接プロセスステップの必要性を除去しない。

特許文献３は、高圧の下で、そしてビデオシステムを用いてレーザー位置を制御するために燃料棒を溶接する方法を開示する。この方法は、レーザー窓へのすすの蓄積を防止して、プラズマ形成を制限すると主張する。実際には、これは達成するのが困難である。そして、プロセスは、プラズマの制御なしではおそらく不安定である。

特許文献４は、パルスレーザービームの溶接をモニタするためのレーザー溶接モニタ装置を開示する。このシステムは、赤外線（ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を検出するための１つのセンサと、レーザービームの光の反射を検出するための１つのセンサとの、２つのセンサを備える。この方法は、基本的に、複雑なセンサ曲線を溶接特性に相関させるために、複数の溶接点を用いる試行錯誤法を提案する。

特許文献５も、レーザービームの光学パスのわきに配置される２つのセンサを含む器材によってレーザー溶接をモニタするシステムを開示する。第１のセンサは、溶接点の温度の赤外線を検出する。第２のセンサは、溶接点のプラズマの紫外線放射（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を検出する。経験的テストによって得た予め定められた異常値と比較してさまざまに監視するために、電気信号が使われる。

特許文献６は、さらなるレーザー溶接点モニタ装置を開示する。このシステムは、レーザービームの光学パスのわきに配置される２つのセンサを備える。第１のセンサは、レーザービームの反射光を検出する。第２のセンサ（プラズマティック・センサと呼ばれる）は、溶接ゾーンから発せされる光を検出する。この方法は、信号における実際の変化と予め定められた閾値とを比較するために、周波数スペクトルを使用する。

仏国特許公開第２６２５０２２号 米国特許第５２３１２６１号 米国特許第５９５８２６７号 米国特許第６６７０５７４号 米国特許第５６５１９０３号 米国特許第６７１０２８３号

本発明の目的は、特に、充填孔なしに、エンドプラグを燃料棒の被覆管に溶接する、燃料棒の改良された溶接方法を提供することである。

この目的は、最初に、請求項１の特徴部分の方法ステップによって特徴づけられて定義される方法によって達成される。

溶接ゾーンからの放射光の異なる波長を検出することによって、溶接の品質およびエンドプラグと燃料棒との接合箇所をモニタすることができる。３つの異なる波長範囲は、互いに独立していて、異なる情報を提供する。３つの波長範囲のいずれか１つの範囲内の放射光の正常値からのありうる逸脱は、オペレータに溶接装置を調整させることのできる不適切な溶接プロセスの徴候として用いられてよい。例えば、オペレータは、許容範囲内でレーザー光源の電源を調整してよい。

モニタすることは、溶接プロセスの最中に直接フィードバックを提供する。したがって、何か誤ったことが進む場合、またはある傾向がみえる場合、警告が働く。

第１のセンサによって検出されてよい第１の波長範囲は、溶接ゾーンからの反射からくるレーザービームの波長を含む。この検出された放射光の強度は、レーザービームが通過する保護レンズの透過度のすすまたは他の変化の徴候である。それはまた、工作物への入射レーザー出力の変化、および工作物での反射の変化を示す。

第２のセンサによって検出されてよい第２の波長範囲は、溶接ゾーンの溶解する材料からの赤外線（ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を含む。この放射光（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）の強度は、したがって、溶解する材料の温度および寸法を示す。これはまた、溶接の効果（すなわち溶接の浸透）を示す。

第３のセンサによって検出されてよい第３の波長範囲は、溶接ゾーンのプラズマからの放射光を含む。この放射光の強度は、溶接中に形成されるプラズマの量および拡張の兆候である。プラズマからの増加した信号も、溶接の効果（すなわち溶接の浸透）の減少を示す。

モニタする従来の方法と比較して、この方法は、比較的単純でかつまっすぐな前方の解釈を有する。そして、曲線と比較する溶接特性を見つけるために、多くの試行錯誤の溶接を必要としない。原理的に、１つの良好な溶接だけが、実際の溶接曲線を比較するベースとして必要である。

エンドプラグを燃料棒に接合するためのレーザー溶接は、他の溶接方法（例えば、電子ビーム溶接およびティグ溶接）と比べて複数の利点を有する。例えば、投資経費は低い。なぜなら、溶接される燃料棒の端部を囲むことは、可能だからである。比較的小さい筐体が、したがって用いられてよい。したがって、比較的少ない床面積が、溶接装置によって占められる。いくつかの溶接装置における複数の燃料棒の順次溶接のために、１つの単一のレーザー光源を使用することができる。レーザー溶接は、燃料集合体のスペーサ内に燃料棒を導入するときに重要である滑らかな溶接面の達成を可能にする。合金の劣化は、適切な耐食性を確保して低い。充填孔のティグ・シール溶接からのタングステン汚染の危険がない。

エンドプラグと被覆管との間の接合部を溶接する全時間間隔の間、検出することおよびモニタすることは、起こってよい。レーザービームがインターフェースに沿って燃料棒に対して相対的に移動するように、燃料棒は、溶接の間、回転する。溶接は、燃料棒の１回転、２回転またはそれ以上の回転中に実行されてよい。概して、回転速度は、毎秒約１回転でよい。そしてそれは、被覆管に対するエンドプラグの溶接が約２秒で間に合ってよいことを意味する。

本発明の１つの実施形態によれば、前記反射はまた、光学ビームが通過する保護レンズを含む光学パスにおけるレーザービームの反射または部分反射も含む。

本発明の他の実施形態によれば、第１の波長範囲、第２の波長範囲および第３の波長範囲のうちの少なくとも１つの放射光は、溶接ゾーンの少なくとも付近の光学パスと同軸の方向に沿って検出される。異なるセンサに対する放射光は、したがって、光学パスからインターフェースまで方向転換されてよい。

本発明の他の実施形態によれば、この方法はまた、ビデオカメラによって材料の溶接および溶解の前のおよび／またはそれの間の溶接ゾーンの観察を含む。したがって、オペレータは、溶接が開始される前にインターフェースを検査することができる。都合のよいことに、この方法はまた、観察されるインターフェースによって、インターフェースに対するレーザービームの位置を制御することを含んでよい。さらに、溶接ゾーンの観察は、溶接ゾーンの少なくとも付近の光学パスと同軸の観察方向に沿って起こってよい。

本発明の他の実施形態によれば、この方法はまた、検出された放射光に応答してレーザービームの電源を制御するステップを含む。

本発明の他の実施形態によれば、レーザー装置の準備は、３つの異なる波長からの信号曲線のいかなる異常も用いて最適化されおよび／または制御される。初期の承認された溶接試験からの基準信号曲線と比較して不均等な信号曲線は、溶接領域の不均等なインターフェースまたはぐらつきまたはほこりを示し、そして、孔または不均等な溶接品質に通じてよい。

本発明の他の実施形態によれば、監視ステップは、第１の信号曲線を形成する時間にわたって第１の信号レベルとしての第１の波長範囲の放射光の強度をモニタするステップ、第２の信号曲線を形成する時間にわたって第２の信号レベルとしての第２の波長範囲の放射光の強度をモニタするステップ、および、第３の信号曲線を形成する時間にわたって第３の信号レベルとしての第３の波長範囲の放射光の強度をモニタするステップ、を含む。溶接装置の準備は、３つの異なる波長からの信号レベルを用いて最適化されてよくおよび／または制御されてよい。

本発明の他の実施形態によれば、この方法は、レーザービームの電力レベル、およびレーザービームの反射の放射光を含む第１の波長範囲の信号レベルを有する、レンズおよび／または保護レンズを含む光学パスの配列を含む、溶接装置の準備を最適化して、確認（ｖｅｒｉｆｙ）するステップを含む。溶接の間、例えば溶接ゾーンのちょうど上の保護レンズ上のすすのせいで、伝送されるレーザービームのいかなる変更も制御するために、同じ信号レベルは用いられてよい。

本発明の他の実施形態によれば、この方法は、溶解する材料からの赤外線を含む第２の波長範囲の信号レベルによって、レーザービームの焦点位置、効果および／または浸透を制御するステップを含む。増加した赤外線信号は、溶接点のより深い浸透に対応してよい。

本発明の他の実施形態によれば、この方法は、プラズマからの放射光を含む第３の波長範囲の信号レベルによって、溶接の効果および浸透を制御するステップを含む。増加したプラズマ信号は、溶接点のより少ない浸透に対応してよい。

本発明の他の実施形態によれば、この方法は、溶接ゾーンにおける不均等なインターフェースまたはぐらつきまたはほこり、および／または、穴または不均等な溶接品質の考えられる発生を示すために、基準信号曲線と比較して３つの異なる波長範囲からの信号曲線のいかなる異常もモニタするステップを含む。

本発明の他の実施形態によれば、レーザービームは、連続レーザービームである。連続レーザーは、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）ダイオードによってポンプされる例えばＹｂ：ＹＡＧファイバによって発生することができる。概して、５００Ｗのレーザー出力が使われる。パルスレーザーを用いる実施形態と比較して、単純な安定信号を与える連続レーザービームとともに用いられるときに、本方法はさらに単純化される。

本発明の他の実施形態によれば、レーザービームの波長は、１０５０〜１０９０ナノメートルの範囲に、好ましくは１０６０〜１０８０ナノメートルの範囲に、例えば１０７０ナノメートルである。

本発明の他の実施形態によれば、第２の波長範囲は、１１００〜１８００ナノメートルである。

本発明の他の実施形態によれば、第３の波長は、６００ナノメートル、好ましくは５０〜６００ナノメートル、より好ましくは１００〜６００ナノメートル未満である。３９０ナノメートル以下の紫外光だけを使用する他の実施形態と比較して、プラズマの信号は、改善される。したがって、第３の波長の好適範囲は、３９０〜６００ナノメートルまたは４００〜６００ナノメートルでありえる。

本発明の他の実施形態によれば、溶接は、大気圧よりも上の圧力でヘリウムの気体を含む密閉容器の内部で起こる。プラズマおよびすすの形成を制限して、したがって溶接ゾーンより上のレンズを保護するために、概して毎分５０リットルのガスの流れは、有利でもよい。ガスの流れは、好ましくは保護レンズの下で装置に入り、溶接ゾーンを通るレーザービームと同軸に流れる。この種の密閉容器の内部で溶接を実行することによって、この溶接は、インターフェースに沿った溶接の後で溶接されるべき充填孔を必要とせずに、下プラグのための１つのステップおよび上プラグのための１つのステップ、の２つのステップだけで実行されてよい。充填孔の排除は、経費および異なる仕方の危険を除去する。充填孔を有しない上エンドプラグのための経費は低い。別の充填孔の溶接ステーションは、必要ない。充填孔の溶接の検査装置は、必要ない。シール溶接のための歩留まりロスは、明らかにない。タングステン汚染の危険は、除去される。

溶接は、他の保護ガス（例えばアルゴン）によって実行されてもよい。燃料棒の内部にヘリウムを含まなければならないままで、被覆管に対するエンドプラグの確実かつ密封された取付けの後に、最後のエンドプラグを溶接するときだけ、これはなされることができる。アルゴンを用いる溶接は、より安価である。しかし、溶接の安定性はより低く、そして、アルゴン雰囲気においてプラズマがより大きく形成されるせいで必要とされる溶接電力はより高い。

本発明の他の実施形態によれば、密閉容器は、エンドプラグおよび被覆管の端部を囲む。この方法は、所定の時間間隔の間、被覆管および密閉容器の内部を特定の真空レベルに排気するステップ、および、次いで、密閉容器および被覆管の内部をヘリウムで所定の圧力に充填するステップ、を含んでよい。

さらに、この方法は、排気ステップの前に、エンドプラグを被覆管から所定の間隔を置いて被覆管上に予備配置するステップであって、これにより、被覆管からのおよび被覆管へのガスの自由な流れを許容する、ステップ、および、充填ステップの後で、かつ溶接ステップの前に、被覆管上のエンドプラグを最終的に位置決めするステップ、を含んでよい。都合のよいことに、所定の間隔を置いたエンドプラグの予備配置は、被覆管とエンドプラグとの間の間隔に導入されるために変位可能でよく、そしてそこから引き抜かれてよい機械的ストップによってなされる。

本発明は、ここで、さまざまな実施形態の説明を通して、および添付図面を参照して、より詳細に説明される。

図１は、燃料棒の端部を通る縦断面図を示し、エンドプラグは被覆管から少し離れて位置する。 図２は、燃料棒の端部を通る縦断面図を示し、エンドプラグは被覆管に当接している。 図３は、燃料棒の端部を通る縦断面図を示し、エンドプラグおよび被覆管は溶接される。 図４は、溶接装置の概略図を示す。 図５は、第１の波長範囲の放射光の強度の線図を示す。 図６は、第２の波長範囲の放射光の強度の線図を示す。 図７は、第３の波長範囲の放射光の強度の線図を示す。

図１〜図３は、被覆管２および２つのエンドプラグ３を含み、その１つが示される燃料棒１を示す。燃料棒１は、被覆管２の上端部に上エンドプラグ３を含み、被覆管２の下端部に下エンドプラグを含む。燃料棒１はまた、被覆管２の内部に燃料ペレット４の積み重ねを含む。燃料ペレット４は、下エンドプラグの上に直接載る。燃料ペレットを被覆管２内の適切な位置に維持するために、そして、原子炉内の核分裂プロセスの間に発生するヘリウムおよび核分裂ガスを含むプレナム６を確保するために、燃料ペレット４の積み重ねの上端と上エンドプラグ３との間に、いわゆるプレナムスプリング５が設けられる。原子炉は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）または加圧水型原子炉（ＰＷＲ）でよい。ヘリウムで満たされる燃料棒１内に広がっている初期圧力は、概してＢＷＲ用では５〜１０バール、そしてＰＷＲ用では３０〜７０バールである。

開示される実施形態において、被覆管は、アウターチューブ２’およびインナーチューブ２”（いわゆるライナ）を備える。

図４は、エンドプラグ３を被覆管２に溶接するための溶接装置を示す。溶接装置は、燃料棒を保持して回転させるためのチャック１０と、燃料棒１の端部（すなわち、被覆管２の端部およびエンドプラグ３のうちの１つ）が通路を介して導入される密閉容器１１とを備える。チャック１０は、たとえば毎秒１回転の回転速度で燃料棒を回転させるように構成される。

密閉容器１１は、耐圧壁１２を備えるかまたは耐圧壁１２によって形成される。シーリング１３は、燃料棒１用の通路を閉鎖するために、壁１２を通って延びる。

シーリング１３の反対側の端部に、第１の位置決め装置１４が、壁１２を通って延びるように設けられる。第１の位置決め装置１４は、燃料棒１の長手方向に沿って燃料棒１のエンドプラグ３に作用する可動ピストン１５を備える。

さらに、第２の位置決め装置１６が、壁１２を通って延びるように設けられる。第２の位置決め装置１６は、密閉容器１１内において、図４に示される受動位置と図１に示される能動位置との間で、燃料棒１の長手方向ｘに対して横切る横方向ｙに沿って移動可能に設けられる機械的ストップ１７を備える。機械的ストップ１７は、能動位置にあるとき、燃料棒の内部からガスが排出されてよく、そしてヘリウムが燃料棒１内に満たされてよいように、エンドプラグ３を被覆管２から所定の距離に維持する。機械的ストップ１７が受動位置に引き込まれるとき、エンドプラグ３は、第１の位置決め装置１４によって、最終位置にもたらされてよく、そして被覆管２に対して堅く当接されてよい。

さらに、密閉容器１１は、密閉容器１１の壁１２の一部を形成する第１の保護レンズ２１を備える。第２の保護レンズ２２は、第１の保護レンズ２１の内側に密閉容器の中に設けられる。第１の保護レンズ２１は、比較的厚くて、密閉容器１内に広がっている圧力に耐えるように構成される。第２の保護レンズ２２は、第１の保護レンズ２１よりも薄くて、溶接の間形成されるすすに対して第１の保護レンズを保護するように構成される。

ガス供給装置２３は、密閉容器１１にガス（実施形態ではヘリウム）の流れを供給するために設けられる。ガス供給装置２３は、供給導管２４と、密閉容器１１内に設けられる環状ノズル２５とを備える。環状ノズル２５は、第２の保護レンズ２２と燃料棒１との間に設けられて、第２の保護レンズ２２の周りに延びる。密閉容器へのヘリウムガスの流れは、例えば、毎分約５０リットルでよい。両方のエンドプラグが固定されて、被覆管２に溶接されるときに、燃料棒内で達成されるべきガスに等しいガス圧力を密閉容器内に提供するように、ガス供給装置２３は、構成される。

溶接装置はまた、連続レーザービームを発生するように構成されるレーザー光源３０を備える。レーザー光源３０は、例えば、１０５０〜１０９０ナノメートルの範囲の、好ましくは１０６０〜１０８０ナノメートルの範囲の、例えば１０７０ナノメートルの、Ｙｂ：ＹＡＧファイバ・レーザーを含んでよい。ＹＢ：ＹＡＧファイバは、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）ダイオードによってポンプされてよい。

レーザー光源３０は、ファイバ３１を介して主要な光学部品３２にレーザービームを伝送する。主要な光学部品３２は、二次的な半透明ミラー３４を介して主ミラー３３にレーザービームを伝送する。レーザービームは、主ミラー３３から反射されて、燃料棒１および、エンドプラグ３と被覆管２との間のインターフェース３７での溶接ゾーン３６の方向を目指す。

レーザービームは、したがって、レーザー光源３０から溶接ゾーン３６まで光学パスに沿って延びる。主ミラー３３によって反射されたレーザービームは、光学パスに沿って、少なくとも１つの光学合焦レンズ３５、第１の保護レンズ２１および第２の保護レンズ２２を通過する。

溶接装置はまた、第１のセンサ４１、第２のセンサ４２および第３のセンサ４３を含む検出装置を備える。溶接の間、溶接ゾーン３６からの放射光は、第２の保護レンズ２２、第１の保護レンズ２１および光学レンズ３５を通る光学パスに沿って、センサ４１、４２、４３に伝送される。放射光は、主ミラー３３および二次的なミラー３４によって反射されて、レーザービームの光学パスから離れる。溶接ゾーン３６からの放射光は、したがって、溶接ゾーン３６からまたは二次的なミラー３４まで少なくとも直線に沿って、溶接ゾーン３６の付近の光学パスと同軸である方向に沿って延びる。検出装置は、最高２０ｋＨｚのサンプリング周波数で作動されてよい。

第１の半透明ミラー４４を介して、放射光は、第１のセンサ４１に反射される。第２の半透明ミラー４５を介して、放射光は、第２のセンサ４２に反射される。放射光は、半透明ミラー４４、４５、４６を通過して第３のセンサ４３に届く。

第１のセンサ４１は、溶接ゾーン３６からの第１の波長範囲の放射光を検出するように構成される。そしてそれは、溶接ゾーン３６から反射してくるレーザービームの波長、すなわち、１０５０〜１０９０ナノメートルの範囲の、好ましくは１０６０〜１０８０ナノメートルの範囲の、例えば１０７０ナノメートルの波長を含む。第２の半透明ミラー４５を介して反射される溶接ゾーン３６からの反射はまた、第１および第２の保護レンズ２１、２２および少なくとも１つの光学レンズ３５を含む光学パスにおけるレーザービームの反射または部分反射も含む。

第２のセンサ４２は、溶接ゾーン３６からの第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の放射光を検出するように構成される。放射光は、第３の半透明ミラー４６を介して第２のセンサに反射される。第２の波長範囲は、溶接ゾーン３６において溶解する材料からの赤外線を含む。第２の波長範囲は、１１００〜１８００ナノメートルである。

第３のセンサ４３は、溶接ゾーン３６からの第１の波長範囲および第２の波長範囲と異なる第３の波長範囲の放射光を検出するように構成される。放射光は、半透明ミラー４４、４５、４６を通って第３のセンサに届く。第３の波長範囲は、溶接ゾーン３６のプラズマからの放射光を含む。第３の波長は、６００ナノメートル、好ましくは５０〜６００ナノメートル、より好ましくは、１００〜６００ナノメートル未満である。

溶接装置はまた、検出された放射光をモニタすることによって材料の溶接および溶解をモニタするように構成されるモニタ装置を備える。モニタ装置は、プロセッサ５０と、プロセッサ５０と通信するディスプレイ５１とを備える。センサ４１〜４３は、センサ４１〜４３から３つの波長範囲の放射光の信号を受信するプロセッサ５０と通信する。モニタ装置は、したがって、複数の波長範囲の強度、すなわち、図５に示されるように、第１の信号曲線５６を形成する（数秒の）時間にわたって第１の信号レベル（ボルトの）としての第１の波長範囲の放射光の強度、図６に示されるように、第２の信号曲線５７を形成する（数秒の）時間にわたって第２の信号レベル（ボルトの）としての第２の波長範囲の放射光の強度、および、図７に示されるように、第３の信号曲線５８を形成する（数秒の）時間にわたって第３の信号レベル（ボルトの）としての第３の波長範囲の放射光の強度、をディスプレイ上でオペレータがモニタするように構成される。信号曲線５６〜５８は、参照としての将来の使用または品質保証のためにプロセッサによって保存されることができる。

信号曲線５６〜５７は、上リミット線Ｌ_１および下リミット線Ｌ_２の中にあることを、検査されてよくまたはモニタされてよい。上下のリミット線Ｌ_１、Ｌ_２は、所望の信号レベルから１５％の、または好ましくは１０％の偏差を表してよい。

信号曲線５６〜５７は、あるいは、所望の信号レベルを表す参照線Ｒに関して検査されてもよくまたはモニタされてもよい。線Ｒは、あるいは、１つの良好な溶接からの保存された参照曲線でありえる。線Ｒは、あるいは、いくつかの良好な溶接からの平均値曲線からの保存された参照曲線でありえる。

さらに、溶接装置は、材料の溶接および溶解の前のおよび／またはそれ中の溶接ゾーンを観察することを可能にするように構成される観察装置（ｖｉｅｗｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）を備える。そのために観察装置は、ビデオカメラ６１と、プロセッサ６２と、ディスプレイ６３とを備える。観察装置が溶接の前に使用されることになっている場合、密閉容器１１は、例えばＬＥＤ照明によって照らされてよい。溶接ゾーン３６の観察は、溶接ゾーン３６からまたは二次的なミラー３４まで少なくとも直線に沿って、溶接ゾーン３６の付近の光学パスと同軸の観察方向に沿って起こってよい。観察装置のおかげで、インターフェース３７に関してレーザービームの位置は、ディスプレイ６３上のインターフェース３７を検査するときにオペレータによって手動で、または自動的に制御されてよい。

溶接装置はまた、レーザー光源３０の出力を制御するプロセッサ５０によって検出された放射光に応答してレーザービームの電源を制御するための手段を備えてもよい。制御は、ディスプレイ５１上に表示される信号曲線を検査するときにオペレータによって手動で、または自動的に実行されてよい。

制御は、好ましくは最初の手段として、レーザービームの電力レベル、およびレーザービームの反射の放射光を含む第１の波長範囲の信号レベルを有する光学パスを含む、溶接装置の準備を確認（ｖｅｒｉｆｙ）するステップを含んでよい。

溶接の間、または燃料棒１の溶接と溶接との間、制御は、
−溶解する材料からの赤外線を含む第２の波長範囲の信号レベルによってレーザービームの焦点位置を制御するステップ、および／または、
−プラズマからの放射光を含む波長の信号レベルによって溶接の効果および浸透を制御するステップ、
を含んでよい。

溶接の間、溶接ゾーンにおける不均等なインターフェースまたはぐらつきまたはほこり、および／または、穴または不均等な溶接品質の考えられる発生を示すために、基準信号曲線と比較して任意の３つの異なる波長範囲からの信号曲線のいかなる異常もモニタするもまた、可能である。

この方法および溶接装置は、滑らかなかつ均一な溶接の達成を可能にする。完了した溶接部Ｗの形状は、図３に示される。見て分かるように、周囲の溶接部Ｗの表面は、被覆管２およびエンドプラグ３の表面とともにでさえある。

燃料棒１の溶接は、以下のステップを含んでよい。
−被覆管２の下端部に下エンドプラグを予備配置するステップ、
−下端部を密閉容器１１内に導入して、チャック１０によって燃料棒１を保持するステップ、
−下エンドプラグを被覆管２に対して押圧するために第１の位置決め装置１４を作動させるステップ、
−所定の時間間隔の間、特定の真空レベルまで密閉容器１１を排気するステップ、
−チャック１０によって燃料棒１を回転させるステップ、
−観察装置を用いてインターフェース３７の位置および位置決めを検査するステップ、
−レーザー光源３０によって溶接を開始するステップ、
−３つの波長範囲の強度を示す信号曲線５６〜５８をモニタするステップ、
−密閉容器１１から燃料棒１を取り出すステップ、
−被覆管２の上端部に上エンドプラグ３を予備配置するステップ、
−上端部を密閉容器１１内に導入して、チャック１０によって燃料棒１を保持するステップ、
−上エンドプラグ３と被覆管２との間に所定の間隔を確保するために、機械的ストップ１７を上端部との接触をもたらすように第２の位置決め装置１６を作動させるステップ、
−所定の時間間隔の間、特定の真空レベルまで密閉容器１１を排気するステップ、
−密閉容器１１および燃料棒１の内部をヘリウムで所望の予め定められた圧力まで充填するステップ、
−機械的ストップ１７を取り除くステップ、
−上エンドプラグ３を被覆管２に対して押圧するために第１の位置決め装置１４を作動させるステップ、
−チャック１０によって燃料棒１を回転させるステップ、
−観察装置を用いてインターフェース３７の位置および位置決めを検査するステップ、
−レーザー光源３０によって溶接を開始するステップ、
−３つの波長範囲の強度を示す信号曲線５６〜５８をモニタするステップ、および、
−密閉容器１１から燃料棒１を取り出すステップ。

本発明は、実施形態および上記に与えられる説明に制限されず、以下の請求項の範囲内で変更されてよく、修正されてよい。

Claims (20)

1. ２つのエンドプラグ（３）、被覆管（２）、および被覆管（２）の内部の燃料ペレット（４）の積み重ねを含む核燃料棒を溶接する方法であって、
   １つの前記エンドプラグ（３）および前記被覆管（２）をインターフェース（３７）で互いに当接するようにもたらすステップ、および、
   溶接装置のレーザー光源（３０）のレーザービームを適用することにより、前記溶接装置によって前記エンドプラグ（３）と前記被覆管（２）とを溶接するステップであって、前記レーザービームは、波長を有していて、前記インターフェース（３７）で前記エンドプラグ（３）および前記被覆管（２）の材料を溶解させるために、前記溶接装置の光学パスに沿って前記インターフェース（３７）での溶接ゾーン（３６）を目指す、ステップ、を含み、
   さらに、
   前記溶接ゾーンからの放射光を検出することによって前記溶接を検出するステップであって、
   −前記溶接ゾーン（３６）からの反射からくるレーザービームの波長を含む第１の波長範囲の放射光を検出するステップ、
   −前記溶接ゾーン（３６）において溶解する材料からの赤外線を含む、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の放射光を検出するステップ、および、
   −前記溶接ゾーン（３６）のプラズマからの放射光を含む、前記第１の波長範囲および前記第２の波長範囲と異なる第３の波長範囲の放射光を検出するステップ、を含むステップ、および、
   前記検出された放射光をモニタすることによって材料の溶接および溶解をモニタするステップ、
   を特徴とする方法。
2. 前記反射は、光学ビームが通過する保護レンズ（２１、２２）を含む光学パスのレーザービームの反射を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の波長範囲、前記第２の波長範囲および前記第３の波長範囲のうちの少なくとも１つの放射光は、前記溶接ゾーン（３６）の少なくとも付近の光学パスと同軸である方向に沿って検出される、請求項１または２に記載の方法。
4. ビデオカメラ（６１）によって、材料の溶接および溶解の前および最中の前記溶接ゾーンを観察するステップをも含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記観察によって、前記インターフェース（３７）に関するレーザービームの位置を制御するステップをも含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記溶接ゾーン（３６）の前記観察は、前記溶接ゾーン（３６）の少なくとも付近の前記光学パスと同軸である観察方向に沿って起こる、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記検出された放射光に応答してレーザービームの電源を制御するステップをも含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法であって、
   第１の信号曲線（５６）を形成する時間にわたって第１の信号レベルとしての第１の波長範囲の放射光の強度をモニタするステップ、
   第２の信号曲線（５７）を形成する時間にわたって第２の信号レベルとしての第２の波長範囲の放射光の強度をモニタするステップ、および、
   第３の信号曲線（５８）を形成する時間にわたって第３の信号レベルとしての第３の波長範囲の放射光の強度をモニタするステップ、
   を含む方法。
9. 前記方法は、レーザービームの電力レベル、およびレーザービームの反射の放射光を含む前記第１の波長範囲の前記信号レベルを有する光学パスを含む、前記溶接装置の準備を確認するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記方法は、溶解する材料からの赤外線を含む前記第２の波長範囲の前記信号レベルによってレーザービームの焦点位置を制御するステップを含む、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記方法は、プラズマからの放射光を含む第３の波長範囲の信号レベルによって溶接の効果および浸透を制御するステップを含む、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記方法は、溶接ゾーンにおける不均等なインターフェースまたはぐらつきまたはほこり、および／または、穴または不均等な溶接品質の考えられる発生を示すために、基準信号曲線と比較して任意の３つの異なる波長範囲からの信号曲線のいかなる異常もモニタするステップを含む、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. レーザービームは、連続レーザービームである、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. レーザービームの波長は、１０５０〜１０９０ナノメートルの範囲に、好ましくは１０６０〜１０８０ナノメートルの範囲に、例えば１０７０ナノメートルにある、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記第２の波長範囲は、１１００〜１８００ナノメートルである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記第３の波長は、６００ナノメートル未満である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記第３の波長範囲は、３９０〜６００ナノメートルである、請求項１６に記載の方法。
18. 前記溶接は、大気圧よりも上の圧力でヘリウムの気体を含む密閉容器（１１）の内部で起こる、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記密閉容器（１１）は、エンドプラグ（３）および被覆管（２）の端部を囲む、請求項１８に記載の方法であって、
    −所定の時間間隔の間、前記被覆管および前記密閉容器の内部を特定の真空レベルに排気するステップ、および、
    −次いで、前記密閉容器および前記被覆管の内部をヘリウムで所定の圧力に充填するステップ、
    を含む方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、
    −前記排気ステップの前に、前記エンドプラグ（３）を前記被覆管（２）から所定の間隔を置いて前記被覆管（２）上に予備配置するステップであって、これにより、前記被覆管（２）からのおよび前記被覆管（２）へのガスの自由な流れを許容する、ステップ、および、
    −前記充填ステップの後で、かつ溶接ステップの前に、前記被覆管（２）上の前記エンドプラグ（３）を最終的に位置決めするステップ、
    を含む方法。

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