JP3507062B1 - 溶接装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】不活性ガスの使用量を抑制し、冷却効率を向上
させる。 【解決手段】溶接チャンバー２内の部屋３を略円筒状に
形成し、被覆管４と端栓５の突き合わせ部を溶接部Ａと
して挿入した状態で回転可能に保持する。部屋３と被覆
管４との空隙９を不活性ガス流路とし、空隙９は溶接部
Ａ及びその周辺部を収容する第一流路部９ａとこれより
空隙の間隔の狭い第二流路部９ｂとする。第一流路部９
ａでは、径方向の間隔をｄとし、ｄは４ｍｍ以下に狭く
設定する。溶接時に溶接トーチ１０から不活性ガスを溶
接部Ａに吹きつけ、第一流路部９ａ及び第二流路部９ｂ
内を流す。溶接チャンバー２の本体内には冷却パイプ１
３を収容する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被溶接物、例えば
原子炉に使用される核燃料集合体を構成する燃料棒と端
栓とを溶接チャンバー内で溶接するための溶接装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料棒の被覆管の端部に端栓を嵌
合して突き合わせて溶接部としてＴＩＧ（ティグ）溶接
する場合、溶接チャンバーの部屋内に燃料棒の被覆管に
端栓を封止させた状態で挿入し、被覆管と端栓との溶接
部に溶接トーチのタングステン電極等からなる溶接電極
を対向させた状態で、ヘリウムガス等の不活性ガスをシ
ールドガスとして供給し、不活性ガス雰囲気で溶接電極
から溶接部にアーク放電させる。そして被覆管と端栓と
の溶接部を周方向に回転させながら順次溶接させること
になる。ところで、被覆管や端栓の材質はジルカロイ合
金やチタン等の活性な金属からなるために、酸化や窒化
によって品質の低下を来すおそれがある。そのため溶接
部やその周辺部の酸化や窒化を防止すると共に冷却を十
分促進させるために、溶接時にシールドガスとして高純
度な不活性ガスを溶接部とその周辺部に吹き付けてい
る。また、不活性ガス雰囲気で溶接したとしても、溶接
後に溶接部やその周辺部の冷却が不十分な状態で溶接チ
ャンバーから取り出すと酸化してしまう。そのため、溶
接時や溶接後の冷却のために不活性ガスの流量を制御す
ることで、溶接部やその周辺の酸化や窒化を防止してい
る。このような溶接装置の一例として、例えば下記特許
文献１に記載のものが提案されている。この溶接装置に
よれば、溶接後の冷却中に溶接チャンバー内に供給する
不活性ガスの流量を溶接中の流量よりも十分多くするよ
う制御している。これによって溶接部の冷却を急速に行
える。しかも同一ガス配管系統でガス流量を増減制御す
ることで複数のガス配管系統を設けて切り換え制御する
必要もないとしている。

【０００３】また、他の溶接装置を図３により説明する
と、図３（ａ）に示すように溶接チャンバー４０内の部
屋４１が比較的広い空間として形成され、この部屋４１
内に被覆管４２と端栓４３との溶接部Ａを挿入した状態
で溶接トーチ４４によって溶接する。この場合、端栓４
３をストッパ４５で回転可能に保持した状態で被覆管４
２を回転させつつ、溶接トーチ４４の電極からアークを
放電して溶接部Ａを溶接する。溶接と同時に溶接トーチ
４４の先端開口からヘリウムガス等の不活性ガスを溶接
部Ａに吐出させて溶接部の酸化や窒化を防ぐと共に溶接
部及びその周辺部を冷却するようにしている。

【０００４】

【特許文献１】特許第２９５４５８０号公報（第２−３
頁、図１）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特許文献１記載の溶接装置等では、溶接時と溶接後と
で二段階に分けて不活性ガス流量を吐出させ、しかも溶
接後の吐出量を増大させているため、多量の不活性ガス
を使用するのでコスト高になる欠点がある。しかも多量
の不活性ガスを使用するにもかかわらず溶接後の冷却効
率が十分でなく、溶接の生産性が悪いという欠点があっ
た。また、図３（ａ）に示す他の溶接装置では、溶接ト
ーチ４４から吹き付けられる不活性ガスは図３（ｂ）に
示すように溶接トーチ４４の先端開口に対向する直下の
領域では被覆管４２に対して高速で接触して冷却効果を
期待できるが、その後の不活性ガスの流れは部屋４１内
で被覆管４の周囲や周辺に拡散するために流速が緩慢に
なり、迅速な冷却効果を期待できない。そのために、不
活性ガスの流量が多量であるにもかかわらず冷却効率が
悪いためにコスト高で溶接の生産性が悪いという欠点が
あった。本発明は、このような実情に鑑みて、不活性ガ
スの使用量を少量に抑制すると共に十分な冷却効率を挙
げられ、溶接作業の生産性を向上できるようにした溶接
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による溶接装置
は、溶接チャンバー内の空間を形成する部屋を、１つの
溶接器の開口から不活性ガスを吐出して不活性ガス雰囲
気にして部屋内に位置する被溶接物を溶接するようにし
た溶接装置において、前記被溶接物の溶接部及びその周
辺部に対向する前記部屋の内面と被溶接物との空隙を、
間隔が１．５ｍｍ〜４ｍｍの範囲になるように設定する
ことで、前記溶接部へ向けて吐出された前記不活性ガス
が部屋の内面及び被溶接物に沿って被溶接物の全周を流
れて接面流速を向上させるようにしたことを特徴とする
溶接時に、被溶接物の溶接部を溶接トーチ等の溶接器に
よって溶接すると溶接部とその周辺部が高温になるが、
溶接と同時に不活性ガスを放出して溶接部全周に流し、
溶接部を不活性ガス雰囲気にして酸化や窒化を防止す
る。しかも吐出された不活性ガスが部屋の内面と被溶接
物の外面との空隙を通過して流れることで、部屋の内面
と被溶接物の外面に接触する不活性ガスの接面流速が上
昇することになり、溶接部とその周辺部の熱を奪って高
温となった不活性ガス流が外部へ流れる。また溶接部と
その周辺部の熱は不活性ガスを介して溶接チャンバーへ
熱伝導されて外部へ放熱される。しかも、空隙ｄを４ｍ
ｍ以下に設定することで、不活性ガスの接面流速を確実
に上昇させて総伝熱係数（熱貫流率）を向上させる。ま
た、空隙は１．５ｍｍ以上に設定する。１．５ｍｍ未満
であると、溶接部の周方向（全周囲）への不活性ガスの
流量を確保できず、熱交換による溶接部及びその周辺部
の冷却を十分に行えない。

【０００７】

【０００８】 また、被溶接物の溶接部及びその周辺部
に対向する前記部屋の内面に凹凸部を形成して熱交換効
率を上昇させるようにしてもよい。部屋の内面にフィン
等の凹凸部を形成することで、部屋と溶接部との空隙を
流れる不活性ガスの流れに乱れを生じさせ、部屋の内面
や溶接部及びその周辺部の接面流速を上昇させることが
でき、これによって総伝熱係数（熱貫流率）を向上させ
る。

【０００９】また溶接チャンバーに冷却機構を配設して
もよい。冷却機構は溶接チャンバーの本体内部やその外
面に設けることができ、これによって不活性ガスを介し
て伝導された熱を溶接チャンバーを通して外部に放出し
て冷却を促進できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態による
溶接装置の要部を示すもので、（ａ）は燃料棒の長手方
向に沿う縦断面図、（ｂ）は（ａ）における溶接チャン
バーのＢ−Ｂ線縦断面図である。図１に示す溶接装置１
は、溶接チャンバー２内に例えば略円筒状の空間からな
る部屋３が形成されており、この部屋３内には燃料棒の
被覆管４が被溶接物として挿入されている。被覆管４は
溶接チャンバー２の外部に位置する回転チャック等の回
転手段によって中心軸回りに回転可能に支持されてい
る。尚、被覆管４は両端を端栓で封止され、その内部に
は複数の燃料ペレットが充填されてプレナムスプリング
で一方の端栓側に押圧され且つヘリウムガス等の不活性
ガスを充満させることによって燃料棒を構成する。溶接
チャンバー２の部屋３内では被覆管４の一端に端栓５が
封止状態で突き合わされており、この端栓５は部屋３内
の最奥部でストッパ６（冷やし金）に把持されている。
ストッパ６は部屋３の最奥部内壁に設けられたベアリン
グ７によって回転可能に支持されている。被覆管４は溶
接チャンバー２の略円筒状の部屋３内に例えば同心状に
支持されており、部屋３の内面３ａ、３ｂと被覆管４と
の間の空隙９は略円筒形状の不活性ガス流路を形成し、
突き合わせ部からなる溶接部Ａと溶接チャンバー２の外
部とを連通させている。

【００１１】空隙９は溶接部Ａとその周辺部を含み径方
向の間隔ｄの厚みを有する第一流路部９ａと、第一流路
部９ａから外部の開口へ向けた第二流路部９ｂとで構成
されている。第二通路部９ｂは部屋３の内面３ｂの内径
がガス第一通路部９ａの内面３ａの内径よりも若干小さ
く設定されて空隙９の径方向の間隔（厚み）が間隔ｄよ
り小さく形成され、部屋３内に外部空気が侵入するのを
抑制している。そして溶接チャンバー２の部屋３内に
は、被覆管４と端栓５との溶接部Ａに対し径方向に対向
する位置にＴＩＧ溶接器の溶接トーチ１０（溶接器）が
配設され、溶接トーチ１０の例えばタングステン電極か
らなる電極１１が被覆管４と端栓５との突き合わせ部で
ある溶接部Ａに若干の空隙を以て臨んでいる。溶接トー
チ１０の先端開口からは例えばヘリウムガス等の不活性
ガスが溶接部Ａに向けて吹き出し、空隙９を流れて溶接
チャンバー２の外部へ流れるようになっている。この不
活性ガスによって溶接部の酸化や窒化を防止すると共に
溶接部Ａの冷却を促進する。部屋３即ち空隙９は図３に
示す従来のものより狭窄に設定することで、溶接時に高
温になる溶接部Ａ及びその周辺部の被覆管４を流れる不
活性ガスの流速を、例えば従来より１０倍以上の高速に
設定できる。そのため、この空隙９は第一流路部９ａの
間隔ｄが１．５ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲に設定されてい
る。第一流路部９ａの間隔ｄが１．５ｍｍより小さいと
空隙９内を流れる不活性ガスの周方向全周への流量を確
保できないために冷却効果を十分発揮できず、４．０ｍ
ｍより大きいと不活性ガスの接面流速を十分高速にでき
ないために同じく冷却効果を十分発揮できない。尚、溶
接チャンバー２の本体内には冷却パイプ１３が冷却機構
として配設されており、これによって不活性ガスを介し
て溶接チャンバー２に伝導された被覆管４と端栓６の溶
接時の熱を冷却することができる。また、溶接チャンバ
ー２の外面にも冷却パイプ等の冷却機構を設けてもよ
い。

【００１２】本実施の形態による溶接装置１は上述のよ
うに構成されており、次にその作用について説明する。
先ず図１に示すように被覆管４と端栓５との溶接部Ａを
溶接チャンバー２の部屋３内に同軸に収容し、端栓５を
ストッパ６で回転可能に支持した状態で、溶接トーチ１
０によって溶接部Ａの溶接を行う。溶接トーチ１０の先
端開口から不活性ガスを溶接部Ａに吐出しながら電極１
１からアークを放電させつつ回転チャックで被覆管４を
端栓５と共に中心軸回りに相対回転させる。これによっ
て被覆管４と端栓５の溶接部Ａは全周に亘って順次溶接
され、しかも不活性ガスによって溶接部Ａの酸化や窒化
を防止できる。また溶接部Ａの周辺部も高熱になるが、
不活性ガスが溶接部Ａの全周から空隙９内を外部に向け
て流れる（図１（ｂ）参照）。この時、溶接トーチ１０
からの吐出領域に対して第一流路部９ａの断面積が小さ
く設定されていることで、被覆管４を取り巻く空隙９の
第一流路部９ａ内の不活性ガス流は高速になり、特に接
面流速が高速になる。そして、溶接部Ａやその周辺部の
被覆管４表面の熱伝達を受けて高温状態で第二流路部９
ｂを通して外部へ放出される。しかも溶接部Ａやその周
辺部の被覆管４表面の熱は不活性ガスを介して溶接チャ
ンバー２へ伝達され、冷却パイプ１３で冷却されて外面
から放熱される。このようにして溶接部Ａは全周に亘っ
て溶接され、しかも溶接部Ａとその周辺部は空隙９を高
速で流れる不活性ガスによって迅速に冷却でき、冷却効
率が高い。

【００１３】上述のように本実施の形態によれば、ガス
流路を構成する空隙９が狭いために比較的少ない不活性
ガス流量によって、溶接部Ａとその周辺部の接面流速を
高速にして、溶接部Ａの酸化や窒化を防止すると共に溶
接部Ａとその周辺部を迅速に冷却できて冷却効率が高
く、生産性が高いという効果を奏する。

【００１４】次に本発明の第二の実施の形態を図２によ
り説明するが、上述の第一の実施の形態と同一または同
様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略す
る。本第二の実施の形態による溶接装置２０は、溶接チ
ャンバー２の略円筒状の部屋３内で空隙９の第一流路部
９ａを仕切る略円筒状の内面３ａに連続する凹凸からな
るフィン２１を形成している。このフィン２１は第一流
路部９ａ内で、好ましくは端栓５の領域から被覆管４の
溶接部Ａの周辺部まで延在して形成されており、溶接に
よって高温になる領域に対向して設けられている。図２
（ａ）に示す例では、フィン２１は第一流路部９ａの領
域に距離Ｌ（例えばＬ＝１５ｍｍ）に亘って形成されて
いる。その余の構成は第一の実施の形態による溶接装置
１と同一である。

【００１５】本実施の形態による溶接装置２０は上述の
構成を備えているから、溶接時に溶接トーチ１０の先端
開口から吐出される不活性ガスは溶接部Ａに吹き付けら
れた後に被覆管４の全周に流れて（図２（ｂ）参照）部
屋３内の空隙９を溶接チャンバー２の外部に向けて高速
で流れる。しかも第一流路部９ａでは部屋３の内面３ａ
にフィン２１を設けているために、不活性ガス流はフィ
ン２１の凹凸に沿って流れの方向が変化させられ、流れ
方向に乱れを生じる。これによって溶接部Ａやその周辺
部における部屋３の内面３ａや被覆管４の表面の不活性
ガスの接面流速が上昇し、熱交換効率が上昇する。そし
て溶接部Ａ及びその周辺部と熱交換された不活性ガス流
は高温となって第一流路部９ａ及びより幅の狭い第二流
路部９ｂを通して、高温状態で溶接チャンバー２の外部
へ排出される。また溶接部Ａ及びその周辺部の熱は不活
性ガス流を介して溶接チャンバー２の本体に伝導され、
冷却パイプ１３や外面の冷却パイプで冷却された後に外
部へ放熱される。

【００１６】本第二の実施の形態による溶接装置２０に
よれば、溶接チャンバー２内のガス流路を構成する部屋
３と被覆管４及び端栓５との空隙９を狭い断面積に設定
すると共に、溶接部Ａ及びその周辺部に対向する部屋３
の内面３ａにフィン２１を設けたから、第一の実施の形
態による溶接装置１よりも更に接面流速を上昇させて冷
却効果及び熱交換効率を更に向上させることができる。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。実施
例として第一の実施の形態による溶接装置２０を用い、
従来例として図３に示す溶接装置４０を用いた。燃料棒
の被覆管４は端栓５を嵌合させて封止し、半径５ｍｍ、
溶接チャンバーの部屋３内に挿入される部分の長さは実
施例で２５ｍｍ、従来例で５０ｍｍとした。尚、実施例
による部屋３の容積は、第一流路部９ａにおける部屋３
の内面３ａの内径寸法によって全体を計算し、第二流路
部９ｂにおける内面３ｂの内径の寸法差は無視した。 実施例 溶接チャンバー２の部屋３の内径：φ１４ｍｍ、 溶接チャンバー２の部屋３の長さ：２５ｍｍ 溶接チャンバー２の部屋３の容積：７・７・π・２５＝
３８４６．５ｍｍ^３ 部屋３内での被覆管４及び端栓５の占有体積：５・５．
π・２５＝１９６２．５ｍｍ^３ 部屋３と被覆管４との空隙９の容積：１８８４ｍｍ^３ ガス流路断面積：２ｍｍ・２５ｍｍ＝５０ｍｍ^２ 従来例 溶接チャンバー２の部屋３の内径：φ３０ｍｍ 溶接チャンバー２の部屋３の長さ：５０ｍｍ 溶接チャンバー２の部屋３の容積：１５・１５・π・５
０＝３５３２５ｍｍ^３ 部屋３内での被覆管４及び端栓５の占有体積：５・５．
π・５０＝３９２５ｍｍ^３ 部屋３と被覆管４との空隙の容積：３１４００ｍｍ^３ ガス流路断面積：１０ｍｍ・５０ｍｍ＝５００ｍｍ^２

【００１８】上記構成の実施例と従来例について、同一
の溶接トーチ１０を用いて溶接時の不活性ガスを単位面
積当たり同量吐出して各流速を、部屋３内の溶接部Ａ及
び周辺部の近傍で測定した。その結果は表１に示されて
いる。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１の結果から、実施例によれば第一流路
部９ａ内で従来例の１０倍の不活性ガス流速を得られ
た。尚、上述の実施例では、第一の実施の形態による溶
接チャンバー２を用いた構成を採用しているが、これに
代えて第二の実施形態による溶接チャンバーを用いても
よく、この場合でも同様に従来例の約１０倍以上の不活
性ガス流速を得られた。しかも第一流路部９ａの領域で
部屋３の内面にフィン２１を設けた構成を採用している
ために、ガス流に乱流を発生させることができてガス流
速が上昇して、より一層の冷却効果を得られる。

【００２１】尚、上述の各実施の形態では、被覆管４を
溶接チャンバー２の部屋３内に同軸に挿入したために空
隙９は幅ｄの略円筒形状に形成されているが、本発明は
このような構成に限定されるものではない。例えば略円
筒状の部屋３内に被覆管４が偏心状態で配設されていて
もよい。この場合でも、被覆管４をその中心軸回りに回
転させつつ溶接することで、溶接トーチ１０の電極１１
と溶接部Ａとの距離は同一寸法に設定され、不具合を生
じない。また第二の実施の形態において、フィン２１に
代えて単なる凹凸部を第一流路部９ａにおける部屋３の
内面３ａに形成してもよい。また第二流路部９ｂにおけ
る部屋３の内面３ｂは第一流路部９ａの間隔ｄと同等の
間隔を有していてもよい。この場合には、部屋３の内面
全長に亘って間隔ｄの空隙９を形成できる。またフィン
２１を部屋３の内面３ａだけでなく第二流路部９ｂにお
ける内面３ｂにも設けてもよい。

【００２２】

【発明の効果】上述のように、本発明に係る溶接装置
は、被溶接物の溶接部とその周辺部に対向する部屋の内
面と被溶接物との空隙を、間隔が１．５ｍｍ〜４ｍｍの
範囲になるように設定することで、溶接部へ向けて吐出
された前記不活性ガスが部屋の内面及び被溶接物に沿っ
て被溶接物の全周を流れて接面流速を向上させるによう
にしたから、この空隙での不活性ガスの流速を速く設定
できて溶接部及びその周辺部や部屋の内面での接面流速
を増大させることができて熱伝導係数（熱貫流率）を向
上でき、不活性ガスの流量を低減させたにもかかわら
ず、溶接部及びその周辺部の冷却効率を向上できる。

【００２３】また、本発明に係る溶接装置は、被溶接物
の溶接部とその周辺部に対向する部屋の内面に凹凸部を
形成したから、不活性ガスは流れに変化を付けて乱れた
流動を生じるために流速を向上させ、溶接チャンバー内
面と溶接部及びその周辺部との接面流速を上昇させるこ
とができ、熱伝導係数（熱貫流率）を向上させ、比較的
少ない不活性ガス流量で、溶接部及びその周辺部での効
率的な冷却を行うことができて溶接作業の効率を向上で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は本発明の第一の実施の形態による溶
接装置の要部縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ
線断面図である。

【図２】 （ａ）は本発明の第二の実施の形態による溶
接装置の要部縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ
線断面図である。

【図３】 従来例による溶接装置の要部縦断面図、
（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ線断面図である。

【符号の説明】

１、２０ 溶接装置 ２ 溶接チャンバー ３ 部屋 ４ 被覆管（被溶接物） ５ 端栓（被溶接物） ９ 空隙 ９ａ 第一流路部 １０ 溶接トーチ（溶接器） １３ 冷却パイプ（冷却機構） ２１ フィン（凹凸部） Ａ 溶接部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−99295（ＪＰ，Ａ) 特開2002−346779（ＪＰ，Ａ) 特開2001−33582（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−193119（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−377（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−189694（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/16 B23K 26/00 - 26/42 G21C 21/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接チャンバー内の空間を形成する部屋
   を、１つの溶接器の開口から不活性ガスを吐出して不活
   性ガス雰囲気にして部屋内に位置する被溶接物を溶接す
   るようにした溶接装置において、 前記被溶接物の溶接部及びその周辺部に対向する前記部
   屋の内面と被溶接物との空隙を、間隔が１．５ｍｍ〜４
   ｍｍの範囲になるように設定することで、前記溶接部へ
   向けて吐出された前記不活性ガスが部屋の内面及び被溶
   接物に沿って被溶接物の全周を流れて接面流速を向上さ
   せるようにしたことを特徴とする溶接装置。
2. 【請求項２】 前記被溶接物の溶接部及びその周辺部に
   対向する前記部屋の内面に凹凸部を形成して熱交換効率
   を上昇させるようにしたこと を特徴とする請求項１に記
   載の溶接装置。