JP3682598B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶接装置に係わり、特に原子炉圧力容器の下鏡とこの下鏡上の各所に設置される制御棒駆動機構（ＣＲＤ）用スタブとの溶接を行うのに好適な溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）の内部を示しており、燃料集合体や気水分離器の内部装置を撤去したときの様子を示すものである。原子炉圧力容器１８の下部は半球状板構造の下鏡9で構成されており、この下鏡９には核燃料の反応を制御する制御棒を駆動するための貫通孔が多数形成されている。それぞれの貫通孔の位置で下鏡９上には円筒状のＣＲＤスタブ８が直接溶接され、各ＣＲＤスタブ８上にそれぞれＣＲＤハウジング１７が溶接されている。ＣＲＤスタブ８は全てその中心軸（ときに軸という）が原子炉圧力容器１８の中心軸と平行になるように溶接されている。一方、ＣＲＤスタブ８と下鏡９間に形成される溶接開先溝は下鏡の傾斜にしたがって、楕円状に３次元的に変化するため、その溶接施工を行うためには特殊な溶接装置が必要であり、各種の溶接装置が開発されている。これに関連する溶接装置として、特開平４−３３６０２７号公報、特開平８−２２４６６６号公報、特開平９−１３２８号公報に開示された装置が挙げられる。これらの装置はいずれもティグ溶接法を用いるものである。
上記のように楕円状に３次元的に変化する溶接開先溝を有するスタブを多層多パスで溶接する場合、溶接トーチ動作としては、スタブの円周を回転する、上下に移動する、スタブに対して半径方向に接離する、スタプの軸に対して溶接トーチの傾斜角を変える、溶接トーチの軸方向（電極の向く方向）に前後移動する、溶接トーチの自身の軸周りに回転する動作が必要である。このうち、溶接トーチの傾斜角は例えば開先の上部分を溶接するときと下部分溶接するときにそれぞれ角度を変える。溶接トーチの軸方向の前後移動は溶接アーク長を一定に保持するために必要であり、溶接トーチの自身の軸周りに回転は溶接トーチに取り付けられたフィラワイヤノズルの向きを変えるもので、アークにより溶融した溶接開先部分の溶融池に対してフィラワイヤの挿入方向を溶接開先溝の位置によって調整する。
実際、発明者らが改良に当たった従来の溶接装置では、スタプの軸心に対する溶接トーチの傾斜角の調整と、溶接トーチの自身の軸周りに回転させて行なうフィラワイヤの挿入方向の調整に問題があった。すなわち、オペレータは、溶接トーチの進行にしたがい、絶えず溶接状況を確認し、制御装置に接続するペンダントボックスにより溶接トーチの傾斜角とフィラワイヤの進入方向を調整しなければならなかった。中でも、フィラワイヤの進入方向については、上り溶接（図８(ａ)参照）と下り溶接（図８(ｂ)参照）では、溶融池の湯流れの違いから、溶融池に合わせた位置にフィラワイヤを挿入する必要があり、フィラワイヤの挿入位置がずれると、溶接欠陥を引き起こす原因となった。また溶接トーチを該軸周りに回転させると溶接トーチに取り付けたフィラワイヤノズルが開先面に当たる恐れがあるため特に注意して調整する必要があった。原子炉圧力容器では図７に示すように、スタッブが下鏡に林立しており、隣のスタブとの距離が近く、非常に狭隘部の溶接になる。そのため、オペレイタは神経をつかって監視作業をする必要があった。
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、原子炉圧力容器の下鏡とスタッブ間に形成される溶接開先溝は楕円状に３次元的に変化するため、従来の溶接装置によれば、オペレータは、溶接トーチの進行につれて、絶えず溶接状況を確認して、溶接トーチの傾斜角と溶接トーチに取り付けられたフィラワイヤノズルを通じて送給するフィラワイヤの進入方向を調整しなければならなかった。溶融池に対してフィラワイヤの挿入位置がずれると、溶接欠陥を引き起こす原因となり、また溶接トーチの傾斜角または溶接トーチの該軸周り回転角が悪いと、溶接トーチに取り付けたフィラワイヤノズルが開先面に当たり、ときに溶接不良を起こすという問題があった。
【０００３】
本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決して、原子炉圧力容器の下鏡とスタブ間に形成された楕円状で３次元的に変化する溶接開先溝の溶接の際に、自動的に適切な方向からフィラワイヤノズルを通じてフィラワイヤを開先内に供給し、かつフィラワイヤノズルが開先面にあたることを防止する溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の溶接装置は、原子炉圧力容器下部を構成し半球状内面を有する下鏡と該下鏡の内面上に配置された円筒状のスタブとの間に形成された突き合わせ溶接開先を溶接対象として、下鏡に形成された貫通穴を通じて挿入され該貫通穴の軸心周りに回転する回転機構(Ｒ)及び上下昇降機構(Ｖ) を有する駆動パイプと、スタブ上方で駆動パイプ上に搭載され該パイプの半径方向に移動するスライド機構(Ｄ)と、該スライド機構上に搭載され溶接開先を溶接するティグ溶接トーチを吊り下げ該ティグ溶接トーチの軸とスタブの軸とのなす角度を変えるトーチ傾斜角調整機構(Ｉ)と、ティグ溶接トーチ先端の電極と溶接開先間に形成されるアーク長を一定にするようティグ溶接トーチを軸方向に移動させる定アーク長機構(Ａ)と、ティグ溶接トーチを自身の軸周りに回転して該ティグ溶接トーチに取り付けられたフィラワイヤノズルの向きを変えるワイヤ挿入方向調整機構(Ｔ)とを備え、回転機構(Ｒ)、上下昇降機構(Ｖ)、各スライド機構(Ｄ)及び定アーク長機構(Ａ)の設定値を記憶し該機構を制御する制御装置を備えた溶接装置において、トーチ傾斜角調整機構(Ｉ)とワイヤ挿入方向調整機構(Ｔ)は、スタブの円周を複数に等分割した各位置にあたる溶接開先でのトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向を設定し、ティグ溶接トーチが分割位置の一つから次の分割位置に進む間、一つの分割位置から次の分割位置までの距離に対して一つの分割位置からティグ溶接トーチが進んだ距離に比例して一つの分割位置に設定されたトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向を次の分割位置に設定されたトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向に変化させるように制御する手段を設けたものである。
【０００４】
上記溶接装置において、スタブを置く位置での下鏡の各種の傾斜に対応して、スタブの円周を複数に等分割した各位置にあたる溶接開先でのトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向を制御装置に記憶させておくことが好ましい。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面により説明する。図１は本発明の一実施の形態となる溶接装置の全体構成を示す図、図２は溶接ヘッドの構成を示す詳細図、図３はフィラワイヤノズルを取り付けた溶接トーチの軸回り回転機構を示す図、図４は溶接装置に溶接電源、制御ペンダントを設置したシステムを示す図、図５は溶接装置の溶接トーチの位置、姿勢を変える各種駆動軸を説明する図である。
【０００５】
図１に示すように、本発明の一実施の形態となる溶接装置は、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）下部を構成する半球状内面を有する下鏡９と下鏡９の傾斜面上に配置された円筒状のスタブ８との間に形成された突き合わせ溶接開先を溶接する溶接装置である。この溶接装置は、下鏡９に形成された貫通穴を通じて挿入され貫通穴の軸心周りに回転する回転機構及び上下昇降機構を有する駆動パイプ２と、スタブ８上方で駆動パイプ２上に搭載された溶接ヘッド１と、駆動パイプ２を支持する支持パイプ５と、支持パイプ５を下鏡９の貫通孔に保持するクランプ６と、駆動パイプ２の下部に接続する上下駆動モータ３および回転駆動モータ４とから構成されている。上下駆動モータ３は送りネジ２２及びベース２３を介して駆動パイプ２を昇降する。
溶接ヘッド１は、図２に示すように、駆動パイプ２の上に設置されたスライドベース１６（スライド機構）と、スライドベース１６上に搭載され溶接開先を溶接する溶接トーチ７（ティグ溶接トーチ）を吊り下げ溶接トーチ７の軸とスタブ８の軸とのなす角度θを変える傾斜リンク１５（トーチ傾斜角調整機構）と、溶接トーチ７先端の電極と溶接開先間に形成されるアーク長を一定にするよう溶接トーチ７を軸方向に移動させる定アーク長機構（図示なし）と、溶接トーチ７を自身の軸周りに回転して溶接トーチ７に固定されたフィラワイヤノズル２７の方向を変えるワイヤ挿入方向調整機構（図３参照）とを備えている。なお、溶接ヘッド１は駆動パイプ２の上にハンドル１４によりねじ締めし固定される。また溶接トーチ７は傾斜リンク１５の先端に固定されている。
【０００６】
ワイヤ挿入方向調整機構は、図３に示すように、傾斜リンク１５には取り付けられたトーチ回転モータ２４からチェーン２５、傘歯車１６を介して溶接トーチ７を回転し、溶接トーチ７に固定されたフィラワイヤノズル２７をトーチ７の軸回りに回転させるように構成されている。これにより、フィラワイヤの挿入角度を溶接姿勢により変更できる。
上記のように構成された溶接装置において、回転駆動モータ４は溶接ヘッド１を回転することにより溶接トーチ７をスタブ６の外周を旋回させ、上下駆動モータ４は溶接ヘッド１を昇降することにより溶接トーチ７の上下移動させ、スライドベース１６はモータ駆動でスタブ８の半径方向に移動することにより溶接トーチを該半径方向に移動させる。
図４は、溶接装置の付帯設備を含むシステムを示し、図１に示す溶接装置１０は制御装置１１により全ての駆動制御が行われる。その他、溶接電源１２と手元操作を行うためのペンダントボックス１３が備わっている。
【０００７】
図５は、溶接装置における溶接トーチの制御軸を示すものである。図５に示すようにＣＲＤスタブ８の軸を中心に回転する回転軸Ｒ、この軸方向に上下動する上下軸Ｖがあり、この２つの軸は前述した下部駆動部の回転駆動モータ４および上下駆動モータ３により駆動する。さらに、溶接トーチ７の回転直径を変化させるための直径軸Ｄ、溶接中のアーク長を一定に保つためのアーク長一定制御（ＡＶＣ）軸Ａ、フィラワイヤの挿入方向を変えるために溶接トーチをその軸回りに回転させるトーチ回転軸Ｔ、トーチの傾斜角度θそのものを変えるトーチ傾斜軸Ｉの４軸が溶接ヘッド１にあり、合計６軸で溶接の駆動制御を行うようになっている。各軸には、エンコーダ等の位置検出器を取付、各軸とも数値制御が行えるようになっている。
【０００８】
ＣＲＤスタブ８と下鏡９が作る溶接開先内を３次元で溶接トーチ７を倣わせるのは、前記下部駆動部の駆動制御で行う。図１に示す回転駆動モータ４により駆動パイプ２を回転させると同時に、上下駆動モータ３により送りネジ２２を回転させて駆動パイプ２が固定されているベース２３を動かし駆動パイプ２そのものを上下に駆動する。
【０００９】
それぞれの軸の移動速度は、溶接トーチ先端の回転直径ｄ、ＣＲＤスタブ８の下鏡９への取付角度β、設定された溶接速度Ｖｔ、回転軸の回転角α（この時、回転の原点は下鏡９の中心方向とする）から計算できる。回転速度ｒは、ｒ＝ｆ（Ｖｔ，ｄ，α，β）、上下移動速度ｖは、ｖ＝ｇ（ｒ，ｄ，α，β）の関数で求め、２つのサーボモータを同期制御する。さらに、上下移動速度ｖは実際の上下位置と計算で得られる上下位置の差をフィードバックし、その差がなくなるようにすることで開先倣いを行う。
【００１０】
本溶接装置では、溶接開先の傾斜角度と溶接トーチの回転半径から駆動パイプの回転速度と上下速度を計算し、この回転速度と上下速度を同期して駆動させることにより、その合成速度が予め設定された溶接速度となるようにし、かつ、３次元で変化する開先内を自動的に追随し制御するように構成されている。さらに溶接条件を予め複数組記憶することができ、かつ、それぞれの溶接条件で溶接位置によりその値を補正できるような制御機能を備えている。
【００１１】
ＣＲＤ用スタブの溶接は多層、多パス溶接になるが、本溶接装置で１パスの溶接を行う場合、図５に示す軸の内、回転軸Ｒと上下軸Ｖは前述した方法で制御すればよく、直径軸Ｄは固定でよい。また、アーク長一定制御軸Ａはアーク電圧を一定にするように制御すればよい。
【００１２】
しかし、フィラワイヤ２８の挿入方向を変えるためのトーチ回転軸Ｔの回転角γは、回転軸Ｒの回転角α（この時、回転角の原点（０度）は下鏡９の中心方向とする）とＣＲＤスタブ８の下鏡９への取付角度βの関数になり、γ＝ｈ（α，β）で表せるが、非常に複雑である。図８に示すように上り溶接（ａ）と下り溶接（ｂ）では、溶融池の湯流れの違いから、溶融池に合わせた位置にフィラワイヤ２８を挿入する必要があり、フィラワイヤ２８の挿入位置がずれると、溶接欠陥を引き起こす。また、トーチの傾斜角度θそのものを変えるトーチ傾斜軸Ｉは、開先形状に合わせて変える必要がある。
【００１３】
次に本発明を特徴づけるトーチ傾斜角θの調整とワイヤ挿入方向の調整について説明する。図６は、ＣＲＤスタブの溶接開先の一例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。ＣＲＤスタブ８は円筒状バッキング２１を用いて下鏡９に開先合わせされている。このＣＲＤスタブの一周を８等分割する。図面で示す▲１▼の位置は下鏡９の中心方向で、溶接のスタート位置になり回転軸Ｒの原点位置とする。
【００１４】
まず溶接前に、▲１▼の位置で、トーチ回転軸Ｔと傾斜軸Ｉを溶接中の最適位置にペンダントボックス１３により調整し、Ｔ軸、Ｉ軸の最適位置（具体的にはエンコーダ値）を制御装置１１のメモリに記憶させる。次に、順次▲２▼〜▲８▼の位置で、同様の操作を行う。この時、当然のことながら、溶接トーチに固定されたワイヤノズルが開先面と干渉しないようにトーチ回転軸Ｔと傾斜軸Ｉを設定する。
【００１５】
次に溶接中のＴ軸とＩ軸の制御方法について説明する。溶接は▲１▼の位置からスタートさせるが、▲１▼〜▲２▼の区間は▲２▼の位置で記憶したエンコーダ値を目標に動作させる。具体的には、▲１▼〜▲２▼までのＴ軸とＩ軸のエンコーダ値の差を出し、▲１▼〜▲２▼の回転軸角度４５°と現在位置の回転角度の差より比例計算により、Ｔ軸とＩ軸の目標位置を出し、この位置をキープするようにＴ軸とＩ軸を動作させ制御する。同様に、▲２▼、▲３▼、▲４▼……▲８▼の各区間、▲８▼〜▲１▼の区間も上記方法により、Ｔ軸とＩ軸の制御を行う。これらの制御は、制御装置１１のプログラムにより自動的に行われる。
このスタブを８等分割したＴ軸とＩ軸の位置データは、スタブの取付角度βが違うと、違ってくるので複数種類必要になる、そこで必要数だけ制御装置１１に記憶できるようにした。
【００１６】
上記のように制御することにより、スタブを溶接する際、オペレータが付きっきりで監視する必要がなくなり、１人で複数台の溶接装置を使用して作業を行えるようになる。また、非常に狭隘部のＣＲＤスタブ溶接を自動で行うことにより、溶接部の品質を安定化させることができる。
【発明の効果】
本発明によれば、溶接装置は、ＲＰＶの下鏡とスタブ間の３次元楕円状の開先溝のティグ溶接するために、回転機構、昇降機構をもつ駆動パイプと、スタブ上方で駆動パイプ上に搭載されたスライド機構上からティグ溶接トーチを吊り下げるトーチ傾斜角調整機構と、定アーク長機構と、ティグ溶接トーチ軸周りに回転しティグ溶接トーチに固定のフィラワイヤノズルの方向を変えるワイヤ挿入方向調整機構とを備えた溶接装置において、トーチ傾斜角調整機構とワイヤ挿入方向調整機構を、スタブの円周を複数に等分割した各位置にあたるトーチ傾斜角、ワイヤ挿入方向を各溶接パス毎に設定し、溶接トーチが分割位置の一つから次の分割位置の区間を進む間、区間距離に対して溶接トーチが進んだ距離に比例して一つの分割位置のトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向を次の分割位置のそれらに変化させるように制御するようにように構成したので、自動的に適切な方向からフィラワイヤを供給でき、オペレータの付きっきりの監視をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接装置の構成を示す図である。
【図２】溶接ヘッドの構成を示す図である。
【図３】溶接ヘッドのトーチ回転軸の構成を示す図である。
【図４】溶接装置に溶接電源等付帯設備を加えたシステムのブロック図である。
【図５】溶接装置の駆動軸の動きを示す説明図である。
【図６】スタブと下鏡間に形成された溶接開先とフィラーワイヤ挿入方向の設定位置を示す図である。
【図７】原子炉圧力容器の内部構造を説明する斜視図である。
【図８】上り溶接と下り溶接それぞれにおける溶接トーチとワイヤノズルの姿勢を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶接ヘッド
２ 駆動パイプ
３ 上下駆動モータ
４ 回転駆動モータ
５ 支持パイプ
６ クランプ
７ 溶接トーチ
８ スタブ
９ 下鏡
１７ ＣＲＤハウジング
１８ 原子炉圧力容器

Claims (2)

1. 原子炉圧力容器下部を構成し半球状内面を有する下鏡と該下鏡内面上に配置された円筒状のスタブとの間に形成された突き合わせ溶接開先を溶接対象として、前記下鏡に形成された貫通穴を通じて挿入され該貫通穴の軸心周りに回転する回転機構及び上下昇降機構を有する駆動パイプと、前記スタブ上方で前記駆動パイプ上に搭載され該パイプの半径方向に移動するスライド機構と、該スライド機構上に搭載され前記溶接開先を溶接するティグ溶接トーチを吊り下げ該ティグ溶接トーチの軸と前記スタブの軸とのなす角度を変えるトーチ傾斜角調整機構と、前記ティグ溶接トーチ先端の電極と前記溶接開先間に形成されるアーク長を一定にするよう前記ティグ溶接トーチを軸方向に移動させる定アーク長機構と、前記ティグ溶接トーチを自身の軸周りに回転して該ティグ溶接トーチに固定されたフィラワイヤノズルの方向を変えるワイヤ挿入方向調整機構とを備え、前記回転機構、前記上下昇降機構、前記各スライド機構及び前記定アーク長機構の設定値を記憶し該機構を制御する制御装置を備えた溶接装置において、前記トーチ傾斜角調整機構と前記ワイヤ挿入方向調整機構は、前記スタブの円周を複数に等分割した各位置にあたる溶接開先でのトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向を設定し、前記ティグ溶接トーチが前記分割位置の一つから次の分割位置に進む間、前記一つの分割位置から次の分割位置までの距離に対して前記一つの分割位置から前記ティグ溶接トーチが進んだ距離に比例して前記一つの分割位置に設定されたトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向を前記次の分割位置に設定されたトーチ傾斜角及びワイヤ挿入方向に変化させるように制御する手段を設けたことを特徴とする溶接装置。
2. 前記スタブを配置する位置での前記下鏡の各種の傾斜に対応して、前記スタブの円周を複数に等分割した各位置にあたる溶接開先での前記トーチ傾斜角及び前記ワイヤ挿入方向を前記制御装置に記憶させておくことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。

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