JP3072160B2 - 燃料棒等のレーザ溶接装置 - Google Patents

燃料棒等のレーザ溶接装置

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JP3072160B2
JP3072160B2 JP3260843A JP26084391A JP3072160B2 JP 3072160 B2 JP3072160 B2 JP 3072160B2 JP 3260843 A JP3260843 A JP 3260843A JP 26084391 A JP26084391 A JP 26084391A JP 3072160 B2 JP3072160 B2 JP 3072160B2
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に、原子炉に使用さ
れる燃料棒等のレーザによる溶接技術に関する。本発明
は、より詳しくは、窓が設けられた包囲体と、レーザ源
と、該レーザ源から発射されたレーザビームを窓を通し
て溶接領域に導く手段とを有しており、これらの手段
が、少なくとも１つの集束レンズ及び１つの反射鏡を含
む光学部品を備えている形式のレーザによる１台の溶接
装置に関する。本願において、「燃料棒等」とは、燃料
棒、ガイドチューブ及び取付ロッド（attached rods)を
意味するものと理解すべきである。
【０００２】
【従来の技術】原子炉に使用される燃料棒はジルコニウ
ム合金で作られたクラッドチューブ（被覆チューブ）で
形成されており、該クラッドチューブの両端部には、こ
れを気密シールするための、同じ材料からなるプラグ
（栓）が圧力嵌めされ、次いで溶接される。
【０００３】燃料棒には燃料ペレットの積層体が収容さ
れており、該積層体は、核分裂性カラムと一方のプラグ
（上方のプラグ）との間で圧縮されたばねにより、他方
のプラグ（下方のプラグ）に当たるようにして保持され
ている。上方のプラグは小径のオリフィスを有してお
り、該オリフィスは、溶接（よく、「シール溶接」と呼
ばれている）によりこの孔（オリフィス）を塞ぐ前に燃
料棒を加圧するためのものである。
【０００４】燃料棒の長さは４m 程度であり、その直径
は、肉厚が約0.6 mmのものについて、約１０mmである。
ガイドチューブは、ジルコニウム合金からなるチューブ
で形成されており、その両端部にはプラグ（下端部）及
びスリーブ（上端部）が嵌入され、次いで溶接される。
【０００５】肉厚が約0.5 mmのガイドチューブは、長さ
が約４m のものについて、プラグ側端部で１２mm程度、
スリーブ側端部で１４mmの直径を有している。取付ロッ
ドは、約４m の長さ、１０mm程度の直径及び約0.4 mmの
肉厚を有するステンレス鋼からなるクラッドチューブで
作られており、該クラッドチューブの両端部には、これ
を気密シールするための、同じ材料からなる２つのプラ
グが嵌入され、次いで溶接される。
【０００６】取付ロッドは加圧されず、従ってガイドチ
ューブのように２箇所のみの円周溶接部を有している。
従って、燃料棒等には２箇所の円周溶接作業をしなけれ
ばならず、適当な場合には、シール溶接のためのスポッ
ト溶接をする。ジルコニウム合金からなる部品の場合に
は、これらの溶接作業は、包囲体内で中性ガスの保護下
で行い、溶融金属のいかなる酸化をも防止しなければな
らない。
【０００７】円周溶接は、クラッド（被覆）の厚さに等
しいかこれより大きい溶込みを有し、表面の幅は1.5mm
を超えることがなく、プラグとクラッドとの界面又はス
リーブとクラッドとの界面では幅（嵌合直径）ができる
限り大きくなるようにしなければならない。燃料棒等の
使用及び要求される品質の程度を考慮すると、クラック
の存在又は溶込みタイプ（penetration type) の欠如等
の如何なる欠陥も許されない。
【０００８】シール溶接部の溶接は、高圧ヘリウム（hy
perbaric helium)の雰囲気内で行われ、且つ小径オリフ
ィス（一般に0.8 mm以下) の縁部を押し潰した箇所に存
在する。溶込みは、高い保証レベルが得られるように、
チューブの肉厚に等しいかそれ以上にしなければならな
い。これらの目的を達成するため、例えば英国特許第2,
070,998 号（GB-A-2,070,998) 及び仏国特許第2,305,82
7 号（FR-A-2,305,827) には、実際の技術を説明するこ
となく、レーザによる溶接を行う装置の原理が開示され
ている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、工業
上の条件下で燃料棒等の溶接部を形成できる装置を提供
することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明によれば、反射鏡がレーザビームに対して部
分的に透明であり、光学部品が、レーザビームの入口ア
ームと、包囲体の窓の周囲で包囲体に堅固に固定された
出口アームと、入口アームとは反対側に配置されており
且つ光量の検出器が設けられたアームとを備えたハウジ
ングに堅固に取り付けられていることを特徴とする１台
のレーザ溶接装置が提供される。 本発明の他の特徴は
次の通りである。
【００１１】−ハウジングにはポートが取り付けられて
おり、ハウジングが出口アームの空間内に延入している
ガス入口を備えており、出口アームが窓を介して包囲体
の内部空間と連通していること。 −ポートがハウジングの出口アームに取り付けられてお
り、ガス入口がポートの直ぐ下に設けられており、包囲
体がガス抜き通路を備えていること。
【００１２】−出口アームに取り付けられた集束レンズ
がポートの前に設けられていること。 −ハウジングの入口アームにはコリメータレンズが取り
付けられていること。 −コリメータレンズ及び集束レンズがポートを構成し且
つハウジングの入口アームに取り付けられていること。
【００１３】−反射鏡が可視光に対して透明であり、出
口アームとは反対側に設けられたハウジングのアームに
はカメラが設けられていること。 −レーザビームを導く手段が、ハウジングの入口アーム
に終端している光ファイバを備えており、レーザ源がパ
ルス式ＹＡＧ型であること。 −溶接装置がレーザにより燃料棒等を溶接することを意
図するものである場合には、前記包囲体には、燃料棒を
位置決めし且つ必要に応じて回転駆動する手段が設けら
れていること。
【００１４】−ハウジングの出口アームが、包囲体に直
接堅固に固定されているか、止め弁を介して包囲体に堅
固に固定されていること。 本発明によれば、更に、特に燃料棒等をレーザにより溶
接するユニットであって、単一のレーザー源を有する幾
つかの上記溶接装置と、前記レーザ源を、前記幾つかの
単位体の各々に設けられた光ファイバのいずれか１つに
切り替える手段とを有していることを特徴とするレーザ
溶接ユニットが提供される。
【００１５】燃料棒等を溶接するには、上記１台の溶接
装置が、少なくとも１台の下方プラグ溶接装置と、１台
の上方プラグ溶接装置と、１台のシール溶接装置とを備
えているのが好ましい。
【００１６】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。図１に示す燃料棒等の溶接を行うレーザ溶接
装置は、燃料棒３のチューブ２と該チューブ２の一端に
嵌入されたプラグ４との間の接合部１に円周溶接部を形
成することを意図するものである。このレーザ溶接装置
は、本質的に、包囲体５と、ハウジング６と、出力４０
０ｗのパルス形ＹＡＧレーザ源７と、信号の全期間にわ
たって信号を積算するエネルギ検出器８と、カメラ９と
を有している。
【００１７】包囲体５は水平方向の軸線Ｘ−Ｘをもつキ
ャビティ１０を備えており、該キャビティ１０内には、
チューブ２の周囲に較正された環状ギャップ１２を形成
する通路１１を通して燃料棒３が挿入される。また、包
囲体５は、窓を形成する横方向の開口１３を備えてい
る。燃料棒３のプラグ４がキャビティ１０内に設けられ
たストッパ１４と接触した状態にあるとき、接合部１の
平面は開口１３の垂直方向の軸線Ｙ−Ｙに含まれる。
【００１８】包囲体５の上方に配置されるハウジング６
は平行六面体の中央本体１５を備えており、該中央本体
１５内には、４５°の角度で傾斜する反射鏡１６が取り
付けられている。このハウジング６は、連続する４つの
面が開放しており、これらの面から４つのアームが出て
いる。これらのアームとは次の通りである。 −管状支持体１８と中央本体１５に隣接するコリメータ
レンズ１９とを備えており且つ軸線Ｘ−Ｘに平行な軸線
Ｚ−Ｚをもつ入口アーム１７。光ファイバ２０がレーザ
源７を出て、支持体１８内に終端しており、その端部は
軸線Ｘ−Ｘに沿って配置されている。
【００１９】−中央本体１５から順に、集束レンズ２２
と、ポート２３と、包囲体５の開口１３に連通している
端部開口を備えたマフ（円筒体）２４とを備えている、
軸線Ｙ−Ｙをもつ出口アーム２１。包囲体５の開口１３
には、マフ２４の端フランジ２５がシール構造で固定さ
れている。ポート２３には、一体に組み立てられる出口
アーム２１の２つのフランジの間のシールが取り付けら
れている。このポート２３の直ぐ下には、不活性のシー
ルドガスを供給するためのパイプ２６がスリーブ（マ
フ）２４内に延入している。一方、シールドガスの排出
は上記ギャップ１２を通して行われる。
【００２０】−入口アーム１７とは反対側に配置され
た、軸線Ｚ−Ｚをもつレーザビーム制御アーム２７。こ
のレーザビーム制御アーム２７は、収束光学レンズ２８
及び発散光学レンズ２９を有しており、ビームの直径
が、レーザビーム制御アーム２７の端部に固定されたエ
ネルギ検出器８のサイズになるようにする。 −出口アーム２１とは反対側に配置された、軸線Ｙ−Ｙ
をもつ視覚制御アーム３０。この視覚制御アーム３０
は、収束光学レンズ３１及び発散光学レンズ３２を備え
ており、ビームの集束レンズの直径が、視覚制御アーム
３０の端部に固定されたカメラ９の対物鏡になるように
する。
【００２１】反射鏡１６は、入射レーザビーム（λ＝1.
06ミクロン) の大部分（例えば９７％）を反射し且つそ
の極く一部をエネルギ検出器８に透過させるダイクロイ
ックミラーである。また、この反射鏡１６は、反射集束
（reflex focusing)及び結合（composing)により、カメ
ラ９がレンズ３２、３１、２２、反射鏡１６、ポート２
３及び開口１３を介して燃料棒３をモニターすることを
可能にする可視光に対して透明である。
【００２２】作動に際し、燃料棒３が、これがストッパ
１４に接触するまで包囲体５内に挿入される。次に、燃
料棒３は、図示しない手段により軸線Ｘ−Ｘの回りで回
転駆動され、不活性のシールドガスが、パイプ２６、マ
フ２４及び開口１３を介して包囲体５内に導入される。
保護ガスによる一定時間のパージを行った後、パルス形
レーザビームが、光ファイバ２０を介して伝達され、コ
リメータレンズ１９によりその光軸が平行にされ、反射
鏡１６により反射され、且つ集束レンズ２２により接合
部１上に合焦される。
【００２３】互いに堅固に固定された金属部品により構
成されており且つハウジング６内に堅固に固定された光
学部品からなる装置は、その全体に剛性があるため、レ
ーザビームを溶接箇所にフールプルーフの仕方で確実に
合焦させ、且つ高品質の溶接と優れた再現性とを得るこ
とができる。しかしながら、本発明の装置は取外し可能
であり且つメインテナンスが容易であり、特に、ポート
２３の取外し及びメインテナンスが容易である。また、
ガスがポート２３の直ぐ下に到達するという事実によ
り、ポート２３を、溶接による煙り粒子から有効に遮蔽
（シールド）することができ、この粒子はガスによりギ
ャップ１２を通して包囲体５の外に運び出される。
【００２４】円周溶接が完了し、燃料棒３が冷却された
ならば、包囲体５を不活性ガスの雰囲気下に維持する保
護ガスの流量を減少させ、燃料棒３を包囲体５から取り
出し、溶接すべき別の燃料棒と取り替える。エネルギ検
出器８によりレーザビームのモニターを行うことがで
き、例えば光学部品が劣化したり、レーザ源７が故障し
た場合にはアラームを発生させることができる。また、
カメラ９により包囲体５内の燃料棒３の位置をチェック
し、必要に応じてアラームを発生させることもできる。
【００２５】図２に示す別の実施例は、ポート２３及び
集束レンズ２２がハウジング６の入口アーム１７に移さ
れている点で、図１の実施例とは異なっている。従っ
て、この入口アーム１７は、中央本体１５から順に、レ
ンズ（集束レンズ）２２と、ポート２３と、レンズ（コ
リメータレンズ）１９とを有しており、マフ２４の内部
が中央本体１５の内部と直接連通している。
【００２６】図２の実施例の長所は、検出器（エネルギ
検出器）８が、もはやそれ自体の集束レンズを必要とせ
ず、燃料棒３に実際に伝達されるレーザエネルギを直接
測定するという事実にある。従って、測定に信頼性があ
るため、燃料棒３に加えられる溶接エネルギをより良好
に保証することができる。図１に概略的に示したよう
に、ユニットは、幾つかの溶接装置Ｅ、Ｅ′、Ｅ″と単
一のレーザ源７とで構成するのが好ましい。レーザ源７
により、適当な切換え手段により、レーザビームを、種
々の溶接装置に関連する光ファイバ２０、２０′、２
０″を介して連続的に伝達させ、或る１台が溶接を行っ
ている間に、他の１台には上記の関連工程を行なわせる
ことができる。従って、生産性に優れたユニットが得ら
れる。
【００２７】燃料棒を溶接するユニットにおいては、幾
つかの溶接装置を、例えば或る１台は下方のプラグの溶
接に、他の１台は上方のプラグの溶接に、更に他の１台
はシール溶接に割り当て、各装置にそれぞれの作業をさ
せることができる。従って、シール溶接の場合には、ア
ルゴンを加圧ヘリウムに取り替え、且つ包囲体５を、そ
のレーザビーム入口用の窓が塞ぐべきシール溶接孔に向
くように変更する。シール溶接用の包囲体はその体積が
非常に小さく、且つ燃料棒を回転駆動する手段が設けら
れていない。
【００２８】図３は、１台のシール溶接装置Ｅ′を示す
ものである。ハウジング６は、パイプ２６が約３０バー
ルのヘリウムに連結されているという事実を除き、図１
のハウジング６と同じである。このハウジング６のフラ
ンジ２５には、球状の弁体３５及び回転作動軸３６を備
えた止め弁３４の平行六面体の本体３３により、包囲体
５に対するシールがなされている。
【００２９】マフ２４と同じ軸線Ｙ−Ｙをもつ包囲体５
には、ハウジング６の側に、円筒状の通路３７が設けら
れており、該通路３７は、頂部に向かって開放した段状
の皿座ぐり領域３８内に延入している。この皿座ぐり領
域３８から僅かな距離を隔てた位置において、通路３７
にはリップを備えた形式の環状ガスケット３９が設けら
れている。
【００３０】皿座ぐり領域３８の外側の大径部分には、
支持プレート４０がシール構造により固定されている。
この支持プレート４０の中央には、収斂／拡散形状をも
つ、包囲体５の窓１３が設けられている。この窓１３の
内部４１は、燃料棒３のプラグ４の共役座を形成してい
る。これらのプラグ４は截頭円錐状の形状を有しており
且つ閉塞すべきシール溶接孔を備えている。
【００３１】皿座ぐり領域３８の内部に延入している、
包囲体５のパイプ４２が、方向制御弁（図示せず）を介
して、選択的に、大気圧より僅かに高い圧力下のヘリウ
ム源、真空ポンプ、又は大気に連結してもよいし、さも
なくば閉鎖してもよい。使用に際し、先ず止め弁３４を
閉じておき、燃料棒３が存在しない状態において、パイ
プ４２、皿座ぐり領域３８及び通路３７を介して供給さ
れる低圧ヘリウムで包囲体５をパージする。次に、燃料
棒３を、そのプラグ４が座４１に当たるまで、シール
（ガスケット）３９を通して通路３７内に挿入し、包囲
体５内に設けられたクランプ手段（図示せず）により保
持する。次に、パイプ４２を真空ポンプに連結して燃料
棒３内に入っている空気を排出させた後、パイプ４２を
閉じる。しかしながら、この排気工程は随意に行えばよ
いものである。
【００３２】弁（弁体）３５を開放すると、燃料棒３に
は約３０バールのヘリウムが充填され、且つレーザビー
ムを、弁体３５の円筒状通路４３を通してシール溶接孔
に導くことができるようになる。次に、シール溶接孔の
閉塞を行い、止め弁３４を再び閉じる。また、パイプ４
２を大気圧に設定し、燃料棒３の排気を行い、低圧回路
によるヘリウムで包囲体５を再度パージする。
【００３３】ハウジング６と包囲体５との間に止め弁３
４を設けた上記構成により、プラグ４及び燃料棒３の隣
接部分を包囲する加圧下のヘリウムの死空間を厳格に最
小にすることができ、このため、ユニットによるヘリウ
ムの消費量をも最少にすることができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によるユニットは、レーザによる
溶接装置を任意の数用いることができるためレーザ源の
最適使用が可能になり、且つ種々の産業用部品の高品質
の溶接に適用することができる。また、１台の溶接装置
を、シール溶接孔のドリル加工に用いることもでき、従
って、本願において使用する「溶接」なる用語も最広義
に理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による１台のレーザ溶接装置の一部の縦
断面図である。
【図２】本発明の別の形態の図１と同様な縦断面図であ
る。
【図３】本発明による１台のシール溶接装置の縦断面図
である。
【符号の説明】
１ 接合部 ２ チューブ ３ 燃料棒 ４ プラグ ５ 包囲体 ６ ハウジング ７ パルス形ＹＡＧレーザ源 ８ エネルギ検出器（出力検出器） ９ カメラ １０ キャビティ １１ 燃料棒の通路 １２ ギャップ １３ 横方向の開口（窓） １４ ストッパ １５ 中央本体 １６ 反射鏡 １７ 入口アーム １８ 管状支持体 １９ コリメータレンズ ２０ 光ファイバ ２０′ 光ファイバ ２０″ 光ファイバ ２１ 出口アーム ２２ 集束レンズ ２３ ポート ２４ マフ（円筒体） ２５ 端フランジ ２６ パイプ ２７ レーザビーム制御アーム ２８ 収束光学レンズ ２９ 発散光学レンズ ３０ 視覚制御アーム ３１ 収束光学レンズ ３２ 発散光学レンズ ３３ 弁本体 ３４ 止め弁 ３５ 弁体 ３７ 通路 ３８ 皿座ぐり領域 ３９ ガスケット ４０ 支持プレート ４２ パイプ ４３ 通路 Ｅ 単位体 Ｅ′ 単位体 Ｅ″ 単位体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−81096（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−115391（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−142900（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/12 G21C 21/02

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窓（１３）が設けられた包囲体（５）
    と、レーザ源（７）と、該レーザ源（７）から発射され
    たレーザビームを窓（１３）を通して溶接領域（１）に
    導く手段（１６、１９、２０、２２）とを有しており、
    これらの手段が、少なくとも１つの集束レンズ（２２）
    及び１つの反射鏡（１６）を含む光学部品（１６、１
    ９、２２）を備えている形式のレーザによる溶接装置に
    おいて、 前記反射鏡（１６）がレーザビームに対して部分的に透
    明であり、前記光学部品（１６、１９、２２）が、レー
    ザビームの入口アーム（１７）と、包囲体（５）の窓
    （１３）の周囲で包囲体（５）に堅固に固定された出口
    アーム（２１）と、入口アーム（１７）とは反対側に配
    置されており且つ光量の検出器（８）が設けられたアー
    ム（２７）とを備えたハウジング（６）に堅固に取り付
    けられていることを特徴とするレーザ溶接装置。
  2. 【請求項２】 前記ハウジング（６）にはポート（２
    ３）が取り付けられており、前記ハウジング（６）が出
    口アーム（２１）の空間内に延入しているガス入口（２
    ６）を備えており、前記出口アーム（２１）が窓（１
    ３）を介して包囲体（５）の内部空間と連通しているこ
    とを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
  3. 【請求項３】 前記ポート（２３）がハウジング（６）
    の出口アーム（２１）に取り付けられており、前記ガス
    入口（２６）がポート（２３）の直ぐ下に設けられてお
    り、前記包囲体（５）がガス抜き通路（１２）を備えて
    いることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装
    置。
  4. 【請求項４】 前記出口アーム（２１）に取り付けられ
    た集束レンズ（２２）が、前記ポート（２３）の前に設
    けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ
    溶接装置。
  5. 【請求項５】 前記ハウジング（６）の入口アーム（１
    ７）にはコリメータレンズ（１９）が取り付けられてい
    ることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接装置。
  6. 【請求項６】 前記コリメータレンズ（１９）及び集束
    レンズ（２２）がポート（２３）を構成し且つハウジン
    グ（６）の入口アーム（１７）に取り付けられているこ
    とを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
  7. 【請求項７】 前記反射鏡（１６）が可視光に対して透
    明であり、前記出口アーム（２１）とは反対側に設けら
    れたハウジング（６）のアーム（３０）にはカメラ
    （９）が設けられていることを特徴とする請求項５又は
    ６に記載のレーザ溶接装置。
  8. 【請求項８】 前記レーザビームを導く手段（１６、１
    ９、２０、２２）が、ハウジング（６）の入口アーム
    （１７）に終端している光ファイバ（２０）を備えてお
    り、前記レーザ源（７）がパルス式ＹＡＧ型であること
    を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレー
    ザ溶接装置。
  9. 【請求項９】 レーザにより燃料棒等を溶接することを
    意図しており、前記包囲体（５）には、燃料棒を位置決
    めし且つ必要に応じて回転駆動する手段が設けられてい
    ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載
    のレーザ溶接装置。
  10. 【請求項１０】 前記ハウジング（６）の出口アーム
    （２１）が、包囲体（５）に直接堅固に固定されている
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の
    レーザ溶接装置。
  11. 【請求項１１】 前記ハウジング（６）の出口アーム
    （２１）が、止め弁（３４）を介して包囲体（５）に堅
    固に固定されていることを特徴とする請求項１〜９のい
    ずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
  12. 【請求項１２】 燃料棒等をレーザにより溶接するユニ
    ットにおいて、単一のレーザ源（７）を有する請求項８
    に記載の装置の複数台と、前記レーザ源を、前記複数台
    の装置の各々に設けられた光ファイバ（２０、２０′、
    ２０″）のいずれか１つに切り替える手段とを有してい
    ることを特徴とするレーザ溶接ユニット。
  13. 【請求項１３】 前記装置が、少なくとも１つの下方プ
    ラグ溶接装置と、１つの上方プラグ溶接装置と、１つの
    シール溶接装置とを備えていることを特徴とする請求項
    １２に記載のレーザ溶接ユニット。
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