JP4097775B2

JP4097775B2 - 燃料棒の溶接方法

Info

Publication number: JP4097775B2
Application number: JP11759698A
Authority: JP
Inventors: 英志米田; 光照菅野
Original assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2018-04-27
Also published as: US6103996A; JPH11311695A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉に使用される核燃料棒の被覆管と端栓との溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば軽水炉の原子炉に使用される核燃料集合体の燃料棒として図４に示すものがある。図４に示す燃料棒１は、ジルカロイ合金からなる被覆管２の内部に例えばＵＯ₂の燃料ペレット３が充填され、プレナムスプリング４で押圧された状態で、被覆管２の両端に端栓５，６が封止されている。そして、被覆管２の両端と両端栓５，６との接続部がＴＩＧ（ティグ）溶接によって密封されている。
ＴＩＧ溶接によって被覆管２と端栓５，６が溶接されたことで、溶接部Ｍのビード（約２ｍｍ幅）７の両側に同じく約２ｍｍ幅の熱影響部８が形成される。そして、溶接終了後にそのまま放冷することで冷却されるが、放冷の際、溶接後の熱影響部８は、通常１００℃／秒程度の冷却速度で冷却されるといわれている。
【０００３】
このような場合、溶接前の被覆管２は加工組織を有しており、端栓５，６は等軸晶組織を有しているが、ＴＩＧ溶接することにより形成される溶接部Ｍのビード７及び熱影響部８は組織が変化し、ビード７は急冷されることによって非常に微細な針状晶組織になり、そして熱影響部８はジルコニウム高温安定相であるβ（ｂ．ｃ．ｃ．）相或いはαとβとが混在する領域の温度から急冷されることにより、等軸晶組織と針状晶組織が混在する組織に変化する。
【０００４】
ところで、近年、電力供給源として原子力発電の比重が高まるにつれて原子力発電の経済性向上が求められ、軽水炉の高効率運転が要求されている。そのためには燃料棒の耐食性を向上させて燃料棒の交換回数を減らす必要があった。
そのために、従来のジルカロイ合金よりも長期間の耐腐食性を有するＮｂ及びＦｅを含有するジルカロイ合金（即ち、Ｎｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒ及び不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金）からなる被覆管が提案されている。
【０００５】
このＮｂ及びＦｅを含有するジルコニウム合金からなる被覆管２は、特開平１０−５４８９１号公報に記載されたように、従来のジルカロイ２（ＪＩＳＨ４７５１ＺｒＮＴ８０２Ｄ）やジルカロイ４（ＪＩＳＨ４７５１ＺｒＮＴ８０４Ｄ）からなる被覆管２よりも耐食性が向上している。
このＮｂ及びＦｅを含有するジルコニウム合金からなる被覆管２を使用してＴＩＧ溶接した場合、図５に示されるように等軸晶組織９や針状晶組織１０等の各結晶粒界１１にそれぞれＮｂやＦｅが偏析し、これら結晶粒界１１でのＮｂやＦｅの濃度はそれぞれ最大でＮｂ：３．５重量％でかつＦｅ：０．６重量％となる。
ところが、Ｎｂ及びＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管２の溶接部Ｍの熱影響部８は、ジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管２の熱影響部８よりも耐食性に劣ることがあった。
【０００６】
原子炉内で起こる腐食速度を炉外で評価する手法の１つとして、例えば温度：３６０℃、圧力がその温度での飽和蒸気圧である約１９０気圧で実施するオートクレープ試験がある。
Ｎｂ及びＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管２について、オートクレープ試験を行った場合、ビード部７及び端栓側の熱影響部８は、非溶接部と同様に黒色の酸化膜で覆われ、耐食性についての問題はないが、肉厚の薄い被覆管側の熱影響部８に白色の酸化膜が発生する。酸化膜は他の部分より酸化の進行が速く、寿命を低下させる原因となるものであった。
【０００７】
そのため、上述の特開平１０−５４８９１号公報に記載されているように、このＮｂ及びＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管側の熱影響部８を、ＴＩＧ溶接が終了した後に、通常の冷却速度（１００℃／秒程度）よりも遅い冷却速度の７０℃／秒〜５℃／秒で冷却すると、熱影響部８の結晶粒界１１に偏析するＮｂおよびＦｅの偏析量が増加して、熱影響部８の結晶粒界１１におけるＮｂおよびＦｅ偏析量がそれぞれＮｂ：４．０〜３０重量％でかつＦｅ：０．９〜２０重量％となり、このようなＮｂおよびＦｅ濃度の偏析を有する結晶粒界１１を有する被覆管２の熱影響部８には白色の酸化膜が発生せず、耐食性が一段と向上することになる。
ここで、熱影響部８の冷却速度が７０℃／秒を越えると、結晶粒界１１のＮｂおよびＦｅの濃度がそれぞれＮｂ：４重量％未満でかつＦｅ：０．９重量％未満となり、耐食性が不十分となり、一方、熱影響部８の冷却速度が５℃／秒未満では、冷却速度をこれ以上遅くしても熱影響部８の結晶粒界１１のＮｂおよびＦｅの濃度がそれぞれＮｂ：３０重量％を越え、かつＦｅ：２０重量％を越えることがなく、耐食性の改善効果は得られず、かえって燃料棒に要求される強度の低下を招くので好ましくない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のようなＴＩＧ溶接後の熱影響部８の冷却速度を７０℃／秒から５℃／秒の範囲に制御する具体的手段として、（１）冷却用のガスの溶接部Ｍへの放出流量の低減調整、（２）溶接部Ｍ冷却用の冷やし金の取り外し、（３）溶接後に加熱装置を配設して溶接部Ｍを加熱（誘導加熱または直接通電加熱）して熱処理すること等が上げられているが、（１）や（２）では冷却速度が依然として大きいために耐食性向上という効果が不十分であり、（３）の場合には温度管理できるために耐食性向上の効果はあるが、新たに別個の加熱装置を配設する必要があり、装置導入コストやランニングコストが嵩むという問題が生じる。
本発明は、このような課題に鑑みて、溶接後に耐食性の向上に有効な熱処理ができると共にコストが低廉な燃料棒の溶接方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料棒の製造方法は、燃料棒の被覆管と端栓をアーク放電で溶接する燃料棒の溶接方法において、被覆管と端栓との溶接が終了した後に、溶接時よりも低いアーク電流でアーク放電を行うと共に、アーク放電する電極に対する前記被覆管の相対回転速度を、溶接終了後に溶接時より高速に制御するようにしたことを特徴とする
本発明によれば、別個の加熱装置を用いることなく、溶接終了後に溶接時よりも低いアーク電流を流すことで溶接部の熱影響部における温度低下速度を小さくして、７０℃／秒〜５℃／秒の範囲内の適宜の大きさに収め、耐食性を向上できる。
【００１０】
更に溶接終了後に、被覆管及び端栓の回転速度を溶接時より高速にすることで、溶接部の周方向の温度についてアーク放電のポイントとこのポイントから離れた領域との温度差を小さくして熱影響部における冷却速度のより均一化を進め、耐食性を向上させることができる。
尚、溶接終了後の熱処理工程におけるアーク電流を１〜１０Ａに制御すると共に、被覆管の回転速度を３０rpm以上に制御するようにしてもよい。
アーク電流が１Ａに満たないとアークが飛ばないために熱処理ができず、１０Ａを越えると溶接部の温度が上昇して熱影響部が溶融するおそれがある。また被覆管の回転速度が３０rpm未満であると、溶接部におけるアーク放電のポイントと他の領域との温度差が大きく、温度の低い領域の温度低下が大きくなり、アーク放電のポイントでは溶接部が再溶融するおそれが生じる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１により説明するが、上述した従来技術と同一の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図１は本発明の実施の形態による燃料棒周溶接装置を示す要部構成図である。
図１に示す燃料棒周溶接装置１３において、燃料棒１の被覆管２は回転チャック１４によってその中心軸線回りに回転させられるように支持されており、この被覆管２の先端部はその先端を封止する端栓５（６）と共に例えば箱形の溶接チャンバー１５内に位置している。
回転チャック１４は回転速度制御装置１６によって駆動制御させられる駆動モータ１７に接続されており、回転チャック１４で把持する被覆管２の回転速度が駆動モータ１７で制御させられるようになっている。
【００１２】
溶接チャンバー１５内には、燃料棒１の溶接チャンバー１５内に位置する被覆管２の先端に封止された端栓５がストッパ１８（冷やし金）に把持されており、ストッパ１８は溶接チャンバー１５の内壁に設けられたベアリング１９によって回転可能に支持されている。溶接チャンバー１５内にはアーク溶接器のガスノズル２２が設けられ、溶接チャンバー１５内に位置する被覆管２と端栓５との突き合わせ部ａに臨んでガスノズル２２の電極２３が配設されている。
またガスノズル２２はアーク電流量とアーク電流供給時間を調整するアーク制御手段２４に接続されている。
尚、溶接終了後の熱処理工程におけるアーク電流値ｉｂは、溶接工程のアーク電流値ｉａよりも低い１〜１０Ａに制御することが好ましい。また、熱処理工程における被覆管２の回転速度Ｖｂは、溶接工程の回転速度Ｖａよりも高い３０rpm以上に制御することが好ましい。
ここで、アーク電流値ｉｂが１Ａに満たないと電極２３からアークが飛ばないために、溶接部Ｍの温度低下速度を低減する熱処理ができず、また１０Ａを越えると溶接部Ｍの温度が上昇して熱影響部８が溶融するおそれがある。また熱処理工程での被覆管２の回転速度Ｖｂが３０rpm未満であると、溶接部Ｍにおけるアーク放電のポイントと周方向の他の領域との温度差が大きく、そのために温度の低い領域の温度低下が大きくて耐食性向上の効果が得られず、他方、アーク放電のポイントでは高温のために溶接部Ｍが再溶融するおそれが生じる。
【００１３】
本実施の形態による燃料棒周溶接装置１３は上述のように構成されているから、被覆管２を支持する回転チャック１４をモータ１７で作動させることで、回転チャック１４を介して被覆管２と端栓５は溶接チャンバー１５内で一体回転することになる。被覆管２と端栓５の回転に応じて、被覆管２と端栓５との突き合わせ部ａに臨んで配置されたガスノズル２２にはアーク制御手段２４で電流値ｉａと供給時間ｔａが制御されたアーク電流が供給され、ガスノズル２２から放出されるヘリウムガス等のシールドガス雰囲気において、電極２３から突き合わせ部ａにアーク放電される。
そのため、被覆管２と端栓５との突き合わせ部ａが周方向に回転させられつつ順次溶接させられ、溶接部Ｍにはビード部７とその両側の熱影響部８ができる。
【００１４】
ここで、制御手段２４からガスノズル２２に供給されるアーク電流ｉの制御について説明すると、突き合わせ部ａの溶接時には所定の大きさのアーク電流値ｉａがガスノズル２２に供給され、被覆管２と端栓５との突き合わせ部ａを所定速度Ｖａで一周させる間の時間ｔａだけアーク電流ｉａに維持される。そのため、アーク放電による熱量が大きく、突き合わせ部ａは全周に亘って確実に溶接される。
そしてその後に、溶接部Ｍにクレータが残らないようにアーク電流量ｉをｉａから次第に減らして、溶接部Ｍの温度を次第に低下させ、ｉｂ（＜ｉａ）まで低下させる。これによって溶接工程が終了する。
アーク電流値ｉが保持電流値ｉｂとされた時点で、溶接工程から熱処理工程に移行する。これと同時に、モータ制御手段１６による駆動モータ１７の回転速度Ｖは溶接時の速度Ｖａから高速Ｖｂ（＞Ｖａ）に切り替えられ、突き合わせ部ａは高速Ｖｂで回転させられる。この状態で、アーク電流は保持電流値ｉｂに所定時間ｔｂだけ維持される。
アーク電流ｉｂによって、電極２３から放電させられるアークは溶接時よりも放電量が小さくなり、しかも被覆管２及び端栓５が回転速度Ｖｂで高速回転させられることで溶接部Ｍ（ビード部７及び熱影響部８＝突き合わせ部ａおよびその周辺）の温度が全周に亘ってより均一化され、周方向の温度差が小さくなる。これによって溶接部Ｍの特に被覆管側の熱影響部８の温度低下が小さく抑制させられ、温度低下速度が７０℃／秒〜５℃／秒の範囲内の適宜の値に制御させられる。
【００１５】
このように溶接部Ｍの温度が、７０℃／秒〜５℃／秒の範囲の低下速度で冷却させられると、熱影響部８の結晶粒界に偏析するＮｂおよびＦｅの偏析量が増加して、熱影響部の結晶粒界におけるＮｂおよびＦｅ偏析量がそれぞれＮｂ：４．０〜３０重量％でかつＦｅ：０．９〜２０重量％となる。このようなＮｂおよびＦｅ濃度の偏析が生じた結晶粒界を有する被覆管２の熱影響部８には、従来オートクレープ試験で生じる白色の酸化膜が発生しない。そのため、被覆管２側の熱影響部を含めて溶接部Ｍの耐食性が一段と向上することになる。
そして、所定時間ｔｂ経過後にアーク電流ｉｂの供給は停止させられる。
【００１６】
上述のように本実施の形態によれば、ガスノズル１６を用いて突き合わせ部ａの溶接工程とその後の熱処理工程とを連続してシーケンシャルに行うことができ、溶接後に安定した熱処理が可能となり、しかも熱処理に際して別個の装置を配設することがないから、装置導入コストやランニングコストの上昇を抑制できる。
【００１７】
次に本発明の実施例について説明する。
実施例として、ＴＩＧ溶接のためのガスノズル２２について、電極２３の径を１．０ｍｍとし、シールドガスとしてヘリウムガスを用い、ワークとして被覆管２及び端栓５の突き合わせ部の外径を９．５ｍｍとした。
そして、ガスノズル２２に供給するアーク電流値は、溶接時の電流ｉａを３０Ａとして、アーク電流供給時間ｔａを５秒とし、クレータ処理用のアーク電流低下速度を１１Ａ／秒とした。
熱処理工程におけるアーク放電の保持電流値ｉｂを３．５Ａとして、保持電流値ｉｂでの保持時間ｔｂを３．５秒とした。
また、被覆管２及び端栓５の回転速度は、溶接時には１８rpmとし、熱処理時には４０rpmとする。
また、比較例として、上述の実施例と同一のガスノズル２２を用い、溶接時のアーク電流値ｉａを３０Ａ、アーク電流供給時間ｔａを５秒、クレータ処理用のアーク電流低下速度を１１Ａ／秒とし、溶接工程を実施例と同一条件としたが、熱処理は行わなかった。
【００１８】
上述のような条件下で、実施例と比較例について、被覆管２と端栓５との突き合わせ部ａのＴＩＧ溶接を行い、アーク電流値に対する溶接部Ｍの温度の変化を測定した。実施例のアーク電流に対する溶接部Ｍの温度測定値は図２に示され、比較例では図３に示されるようになった。
実施例では、図２に示すように、クレータ処理後の溶接部Ｍの温度低下速度が、図３に示す比較例よりも小さくなり、溶接部Ｍの温度が３００℃に低下するまでの時間は、比較例よりも約３秒長くなった。また、熱処理時の温度低下速度は、実施例で約６５℃／秒、比較例では溶接終了後の温度低下速度は約１００℃／秒となった。
そのため、実施例の方が溶接部Ｍの耐食性が向上した。
【００１９】
尚、上述の実施の形態において、熱処理時に溶接部Ｍの温度を測定し、この測定温度をＴＩＧ溶接器の制御手段２４にフィードバックすることで、測定温度に基づいて冷却速度が所望の値に制御されるように、アーク電流ｉｂを増減制御するようにしてもよい。
これによって、一層正確に熱処理温度を制御することができる。
また、熱処理工程におけるアーク電流値ｉｂについて、上述の実施例では一定の値に設定したが、これに限定されることなく、溶接部Ｍの温度低下速度が７０℃／秒〜５℃／秒の範囲内であれば、漸次低下させたり、増大させたりしてもよく、任意に増減調整するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料棒の溶接方法は、被覆管と端栓との溶接が終了した後に、溶接時よりも低いアーク電流でアーク放電を行うようにしたから、別個の加熱装置を用いることなく、溶接部の温度低下速度を小さくして７０℃／秒〜５℃／秒の範囲内の適宜の大きさに収め、被覆管の熱影響部を含めて溶接部の耐食性を向上できる。
【００２１】
しかも、電極に対する被覆管の相対回転速度を、溶接終了後に溶接時より高速に制御するようにしたから、溶接部の周方向の温度についてアーク放電のポイントとこのポイントから離れた周方向領域との温度差を小さくして熱影響部における冷却速度のより一層の均一化を進め、耐食性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による燃料棒の溶接装置を示す要部構成図である。
【図２】本発明の実施例に関するもので、アーク電流と溶接部の温度の変化を示す図である。
【図３】比較例を示すもので、アーク電流と溶接部の温度の変化を示す図である。
【図４】被覆管と端栓との溶接部を含めて、燃料棒の概略構成を示す縦断面図である。
【図５】Ｎｂ及びＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管のＴＩＧ溶接で形成された熱影響部の組織における結晶粒界の説明図である。
【符号の説明】
１燃料棒
２被覆管
５端栓
１３燃料棒周溶接装置
２２ガスノズル
２３電極
ａ突き合わせ部

Claims

燃料棒の被覆管と端栓をアーク放電で溶接する燃料棒の溶接方法において、前記被覆管と端栓との溶接が終了した後に、溶接時よりも低いアーク電流でアーク放電を行うと共に、
アーク放電する電極に対する前記被覆管の相対回転速度を、溶接終了後に溶接時より高速に制御するようにしたことを特徴とする燃料棒の溶接方法。