JP5127480B2

JP5127480B2 - 金属製容器製造方法および溶接装置

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Publication number: JP5127480B2
Application number: JP2008018469A
Authority: JP
Inventors: 剛史小川; 知浅井; 健志太田; 敏幸峯村; 哲宮崎; 秀幸南
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: JP2009178727A

Description

本発明は、金属製容器製造方法およびその製造方法に用いる溶接装置に関する。

核燃料サイクルの終期において、燃焼を終えた核燃料集合体は使用済燃料と称されている。この使用済み燃料は、高放射性物質を含んでいるので、核分裂反応によって熱を発生している。このため、例えば、原子力発電所では、使用済み燃料を冷却ピットで、数ヶ月間冷却した後、キャスク（遮蔽容器）と称されている金属製の容器に収容し、トラックや船舶等で移送し、再処理施設に貯蔵している。

一般的なキャスクは、使用済燃料を貯蔵する炭素鋼製の内筒と、外部からの衝撃を吸収する炭素鋼製の外筒を有している。内筒と外筒の間には、使用済燃料の熱を外部に逃がすための純銅製の複数の伝熱フィンが配置されている。これらの伝熱フィンは、内筒および外筒それぞれに溶接されている。また、これらの伝熱フィンの間には、使用済燃料から放出される放射線を吸収するためのレジンが充填されている。

従来、この純銅製の伝熱フィンを炭素鋼製の内筒および外筒に接合する手段として、ＴＩＧ溶接などが適用されている。ＴＩＧ溶接は、伝熱フィン端部にアークを発生させて形成された溶融池に、純銅製のフィラワイヤを添加して溶接している。

また、特許文献１に開示されているように、溶接工程の前に、ＴＩＧ、ＹＡＧ、および高周波コイル等の母材を加熱する手段を設けて、伝熱フィンを予熱しながらＭＩＧ溶接する方法などが知られている。
特開２００２−３６１４６９号公報特開平８−２５７７４６号公報

ところが、ＴＩＧ溶接では、純銅製のフィラワイヤを添加して溶接しているが、熱伝導率が比較的高い銅材の溶接では、熱の拡散が速いために溶融池が小さくなる。よって、ＴＩＧ溶接には、ビードの脚長の確保やビードの濡れ性の確保が難しいこと、溶接狙い位置の微小なズレによって炭素鋼材と銅材の境界部の溶け込みが不足しやすいこと等の問題が発生する場合がある。

これらの問題を回避するために、伝熱フィンと内筒、または伝熱フィンと外筒との位置合わせや溶接狙い位置において、高い精度が要求されている。なお、トーチ位置の位置決め精度を向上させる手法は、特許文献２に開示されているように、溶接線に平行な案内レールに設けた走行台車を走行させて、溶接トーチを伝熱空間内に挿入することにより伝熱フィンを内筒および外筒に溶接する方法などが知られている。

また、高い除熱性能が要求されて脚長を大きくとらなければならない場合には、多パス溶接する必要がある。このため溶接装置が複雑になり装置の製造工数も多くなる。

一方、ＭＩＧ溶接では脚長は確保できるが、ビードの濡れ性の確保が難しい。また、上述の特許文献１で開示されているように、溶接手段の前近傍にアークや高周波コイル等の磁気を発生する手段を設けると、電磁気力により溶接手段のアーク挙動が不安定になり健全な溶接が行えない場合がある。

溶接アークに影響しないように距離を離して配置すると、予熱の効果が小さくなるため装置を大型化する必要がある。装置の大型化に伴い溶接対象構造物との干渉により溶接できない部位が発生する。また、レーザを用いる場合、光の反射率が高い銅製の母材の場合には、当該母材を十分に加熱することができない。

本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、銅製の母材を予熱する手段と溶接する手段とを近距離に配置して溶接装置を小型化して、予熱効果の高い安定した溶接を行うことである。

上記目的を達成するため本発明に係る金属製容器製造方法は、純銅製のＭＩＧワイヤと、このＭＩＧワイヤを取り囲むように配置されるＭＩＧ電極と、このＭＩＧ電極を取り囲むように配置されるプラズマ電極と、を有する溶接装置により、炭素鋼製の内筒および外筒に銅製の伝熱フィンを取り付ける金属製容器製造方法であって、前記ＭＩＧワイヤからＭＩＧアークを発生させるＭＩＧ溶接工程と、前記プラズマ電極により前記ＭＩＧアークを取り囲むように同軸上にプラズマアークを発生させるプラズマ溶接工程と、を並行して行い、前記溶接装置は、前記プラズマ電極を取り囲むように配置されたプラズマノズルと、このプラズマノズルを取り囲むように配置されたシールドノズルと、前記ＭＩＧ電極の外側で前記プラズマ電極の内側に形成された第１の流路と、前記プラズマ電極の外側で前記プラズマノズルの内側に形成された第２の流路と、前記プラズマノズルの外側で前記シールドノズルの内側に形成された第３の流路と、をさらに有し、前記第１の流路にはＡｒガスを流通させて、前記第２の流路にはＨｅガスを流通させて、第３の流路にはＡｒガスを流通させて、前記ＭＩＧ溶接工程およびプラズマ溶接工程は、前記伝熱フィンと水平面のなす角を１５〜２０度とし前記伝熱フィンと前記内筒のなす角を７５度以上に配置して前記ＭＩＧアークおよびプラズマアークを下向きに発生させ、前記伝熱フィンの端部の上方で前記伝熱フィンの端部を通る鉛直線上から伝熱フィン側に水平に平行移動した位置から、前記ＭＩＧアークを発生させること、を特徴とする。

また、本発明に係る溶接装置は、炭素鋼製の内筒および外筒に銅製の伝熱フィンを取り付ける溶接装置であって、純銅製のＭＩＧワイヤと、このＭＩＧワイヤを取り囲むように配置されたＭＩＧ電極と、を具備し、このＭＩＧワイヤからＭＩＧアークを発生させるように構成されたＭＩＧ溶接手段と、前記ＭＩＧ電極を取り囲むように配置されたプラズマ電極を具備し、このプラズマ電極により前記ＭＩＧアークを取り囲むように同軸上にプラズマアークを発生させるように構成されたプラズマ溶接手段と、前記プラズマ電極を取り囲むように配置されたプラズマノズルと、前記プラズマノズルを取り囲むように配置されたシールドノズルと、前記ＭＩＧ電極の外側で前記プラズマ電極の内側に形成された第１のガス流路と、前記プラズマ電極の外側で前記プラズマノズルの内側に形成された第２のガス流路と、前記プラズマノズルの外側で前記シールドノズルの内側に形成された第３のガス流路と、を有し、前記第１の流路にはＡｒガスを流通させて、前記第２の流路にはＨｅガスを流通させて、第３の流路にはＡｒガスを流通させるように構成されて、前記ＭＩＧ溶接手段およびプラズマ溶接手段は、前記伝熱フィンと水平面のなす角を１５〜２０度とし前記伝熱フィンと前記内筒のなす角を７５度以上に配置して前記ＭＩＧアークおよびプラズマアークを下向きに発生させ、前記伝熱フィンの端部の上方で前記伝熱フィンの端部を通る鉛直線上から伝熱フィン側に水平に平行移動した位置から、前記ＭＩＧアークを発生させること、を特徴とする。

本発明によれば、銅製の母材を予熱する手段と溶接する手段とを近距離に配置して溶接装置を小型化して、予熱効果の高い安定した溶接を行うことが可能となる。

以下、本発明に係る金属製容器製造方法の一実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。

図１は、本発明に係る金属製容器製造方法に用いる溶接装置の溶接トーチ１９の一実施形態の構造を示す概略断面図である。図２は、カーブトーチ１０およびワイヤ送給装置９に図１の溶接トーチ１９を接続した状態の一例を示す概略正面図である。図３は、内筒１および外筒３に伝熱フィン２が溶接された金属製容器の一例を示す概略平断面図である。図４は、図３のIV部拡大平断面図である。図５は、図１の溶接トーチ１９の溶接時のトーチ狙い位置を示す立断面図である。図６は、図１の溶接トーチ１９による溶接後のビード外観を示す斜視図である。

本実施形態の金属製容器、例えば原子力発電所で使用された使用済み燃料を収容するキャスクの製造方法に用いる溶接装置の溶接トーチ１９の構成について以下に説明する。

図１に示すように、溶接トーチ１９は、略円筒状でその長手方向に垂直な断面のほぼ中心を通る中心軸近傍に当該軸方向に延びるＭＩＧ電極５が配置されている。ＭＩＧ電極５は、ＭＩＧ溶接電源６から正極の電源が供給される。このＭＩＧ電極５には、長手方向に垂直な断面の中心を通り長手方向に延びた貫通孔が形成されている。その孔には、例えば純銅製のＭＩＧワイヤ７が貫通配置されている。ＭＩＧ電極５を通ってＭＩＧワイヤ７に通電することにより、溶接対象物３３とＭＩＧワイヤ７の間でＭＩＧアーク８が発生する。なお、溶接トーチ１９の形状は、円筒状に限らず、例えば直方体形状でもよい。

ＭＩＧ電極５には、その外周にＭＩＧ電極５を取り囲むようにプラズマ電極１１が配置されている。ＭＩＧ電極５とは電気的に絶縁されている。プラズマ電極１１には、プラズマ溶接電源１２から正極の電源が供給されている。さらに、プラズマ電極１１を取り囲むようにプラズマノズル１４が配置されている。

ＭＩＧ電極５の外周側でプラズマ電極１１の内側には、センターガスが流通する円環状の第１のガス流路１３が形成されている。センターガスには、例えば流量が１．７×１０^−４〜３．３×１０^−４ｍ^３／ｓ（１０〜２０Ｌ／ｍｉｎ）のＡｒガスを使用する。

プラズマ電極１１の外側でプラズマノズル１４の内側には、プラズマガスが流通する円環状の第２のガス流路１５が形成されている。プラズマガスには、例えば流量が８．３×１０^−５〜３．３×１０^−４ｍ^３／ｓのＨｅガスを使用する。

プラズマ電極１１と母材との放電により、第１のガス流路１３を流通するセンターガスおよび第２のガス流路１５を流通するプラズマガスがプラズマ化して、ＭＩＧアーク８の周囲にプラズマアーク１６を発生させる。

さらに、プラズマノズル１４の外周には、プラズマノズル１４を取り囲むようにシールドノズル１７が配置されている。プラズマノズル１４の外側でシールドノズル１７の内側には、シールドガス１８が流通する第３のガス流路２８が円環状に形成されている。このシールドガス１８には、例えば流量が８．３×１０^−５〜３．３×１０^−４ｍ^３／ｓのＡｒガスを使用する。このシールドガス１８は、第３のガス流路２８の出口部から外部に流通してプラズマアーク１６が発生している外周付近を滞留している。

第２のガス流路１５に用いられているＨｅガスは、熱伝導率が高いため、プラズマアーク１６による予熱効果、ＭＩＧアーク８の溶け込み確保が容易である。ただし、第１のガス流路１３にＨｅガスを使用すると、Ｈｅガスの熱伝導率の高さから、中心のＭＩＧ電極５付近が高温となり、ＭＩＧ電極５が溶融しやすく、トーチの耐久性が悪化する虞がある。このため、第１のガス流路１３にはＡｒガスを用いる。第３のガス流路２８には、Ｈｅガスを使用するとＡｒガスよりも分子量が小さく、ガスが拡散し易いため、溶接金属酸化防止の効果が薄れてしまう虞がある。このため、第３のガス流路２８にはＡｒガスを用いる。

図２に示すように、ＭＩＧワイヤ７は、溶接トーチ１９近傍に配置したワイヤ送給装置９により、溶接対象物３３の溶接ポイントに近づく方向に送り出されて、カーブトーチ１０内を貫通して、このカーブトーチ１０の曲がった形状に沿って曲げられる。このカーブトーチ１０は、狭隘部の溶接に対応する機能を有している。

図３および図４に示す金属製容器（キャスク）は、内筒１と、内筒１を取り囲むように配置される外筒３と、内筒１の外側で外筒３の内側に配置される伝熱フィンを有している。内筒１および外筒３には、強度の高い炭素鋼材が用いられている。伝熱フィン２は、熱伝導率の高い銅材が用いられて、溶接部３２で内筒１および外筒３に溶接されている。なお、伝熱フィン２は純銅製でもよい。また、これらの伝熱フィン２の間には、例えば使用済燃料から放出される放射線を吸収するためのレジン４が充填されている。本実施形態では、溶接トーチ１９で伝熱フィン２と、内筒１とを溶接する場合について、以下に説明する。

図５および図６に示すように、伝熱フィン２と、この伝熱フィン２が取り付けられる内筒１の表面とのなす角θ１を約７５度の傾きで予め仮止めしておく。さらに、図５において点線で示した水平面３０と伝熱フィン２とのなす角θ２を１５〜２０度となるように、伝熱フィン２および内筒１を固定する。

このとき、溶接トーチ１９のＭＩＧワイヤ７は、鉛直方向に延びるように保持して、ＭＩＧワイヤ７の先端は、伝熱フィン２の上方に配置する。さらに、ＭＩＧワイヤ７の先端の位置と伝熱フィン端部３１との水平距離Ｌ１が２〜７ｍｍとなる位置に、ＭＩＧワイヤ７を配置する。この状態で溶接トーチ１９の位置を固定して、ＭＩＧ溶接およびプラズマ溶接を行う。

なお、溶接条件は、ＭＩＧ電流を１００〜２００Ａ、プラズマ電流を１００〜２００Ａ、溶接速度を３．３〜６．７ｍｍ／ｓとすることが望ましい。

プラズマアーク１６により、ＭＩＧアーク８が発生する領域の外側に、溶接部３２の短手方向に約１５〜２０ｍｍの範囲に、プラズマ加熱領域２０が形成されている。なお、プラズマ加熱により炭素鋼製および銅製の母材が溶融することはない。これに並行して、プラズマ加熱領域２０の中心部において、ＭＩＧアーク８により銅製の母材が溶融して、さらに純銅製のＭＩＧワイヤ７の溶滴移行も行われて溶融池２１が形成される。このとき、溶融池２１および凝固後の溶接ビード２２はシールドガス１８により酸化が防止されている。

溶接トーチ１９の位置を伝熱フィン端部３１から伝熱フィン２側に水平にオフセットさせることにより、熱伝導率の高い銅製の母材側のプラズマ加熱領域２０を増加させて、銅製の母材の温度上昇を促して溶融を速める。

よって、上記トーチ位置、ＭＩＧ電流、プラズマ電流、およびガス流量等の溶接条件により、炭素鋼製の母材が溶融する前に銅製の母材が溶融することになる。

このとき、プラズマアーク１６とＭＩＧアーク８はほぼ同軸上に発生するため、プラズマ電流により発生するＭＩＧアーク８に対する電磁気力は相殺される。

また、溶接手段であるＭＩＧアーク８と加熱手段であるプラズマアーク１６を１つの溶接トーチ１９で発生させている。このため溶接トーチ１９の構造を単純かつ小型化できる。

また、純銅製のＭＩＧワイヤ７は、溶接トーチ１９近傍にワイヤ送給装置９を設けることにより、カーブトーチ１０によるワイヤ送給抵抗の増加に対して、常に安定して溶接を行えるように、例えば一定の速度でワイヤを送り続けている。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、銅製の母材が十分に予熱された状態でアーク溶接を行うため、溶け込み不足がなくビード濡れ性の良好な溶接を行うことが可能となる。

従来のＭＩＧ溶接は、ろう材等の不純物を銅に混ぜた溶接ワイヤを用いており、溶接部での熱伝導性を損なうという課題があった。これに対して本実施形態によれば、銅に不純物を混ぜて濡れ性を向上する必要が無くなり、溶接部での熱伝導性を損なうことがなくなる。また、脚長が大きくなることから、熱伝導性が良好になるため、伝熱フィンの枚数を減らすことができる。よって、製造工数を減らすことが可能となる。

さらに、溶融池のサイズが大きくなるため、溶接狙い位置ズレによる溶接不良の発生を抑制することが可能となる。また、溶接手段および予熱手段が隣接した状態においても、電磁気力による溶接アーク挙動への影響がないため、安定した溶接を行うことが可能となる。

また、従来のＴＩＧ溶接およびＭＩＧ溶接による溶接方法では、銅を添加する装置のトーチ、並びに母材を予熱する装置のトーチを必要としていた。これに対して本実施形態によれば、１つのトーチで溶接を行うことが可能となるため、溶接装置の単純化および小型化することができ、溶接対象機器との干渉がなくなる。したがって、自動溶接の適用範囲を広げることが可能となる。

さらに、カーブトーチ１０を用いてワイヤ送給速度を一定にすることにより、狭隘部でもアーク長変動を抑制して、溶接品質が安定する。

以上、実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、伝熱フィン２と内筒１の溶接について説明したが、図３および図４に示すように、伝熱フィン２と外筒３の溶接についても、同様の溶接方法を行うことが可能である。

また、上記実施形態では、キャスクの伝熱フィン２と内筒１または外筒３との溶接について説明したが、これに限らない。すなわち、炭素鋼製材料と銅製材料との溶接であれば、上記実施形態の溶接装置を利用することが可能である。

本発明に係る金属製容器の製造方法に用いる溶接装置の溶接トーチの一実施形態の構造を示す概略断面図である。カーブトーチおよびワイヤ送給装置に図１の溶接トーチを接続した状態の一例を示す概略正面図である。内筒および外筒に伝熱フィンが溶接された金属製容器の一例を示す平断面図である。図３のIV部拡大平断面図である。図１の溶接トーチの溶接時のトーチ狙い位置を示す立断面図である。図１の溶接トーチによる溶接後のビード外観を示す概略斜視図である。

符号の説明

１…内筒、２…伝熱フィン、３…外筒、４…レジン、５…ＭＩＧ電極、６…ＭＩＧ溶接電源、７…ＭＩＧワイヤ、８…ＭＩＧアーク、９…ワイヤ送給装置、１０…カーブトーチ、１１…プラズマ電極、１２…プラズマ溶接電源、１３…第１のガス流路、１４…プラズマノズル、１５…第２のガス流路、１６…プラズマアーク、１７…シールドノズル、１８…シールドガス、１９…溶接トーチ、２０…プラズマ加熱領域、２１…溶融池、２２…溶接ビード、２８…第３のガス流路、３０…水平面、３１…伝熱フィン端部、３２…溶接部、３３…溶接対象物

Claims

純銅製のＭＩＧワイヤと、このＭＩＧワイヤを取り囲むように配置されるＭＩＧ電極と、このＭＩＧ電極を取り囲むように配置されるプラズマ電極と、を有する溶接装置により、炭素鋼製の内筒および外筒に銅製の伝熱フィンを取り付ける金属製容器製造方法であって、
前記ＭＩＧワイヤからＭＩＧアークを発生させるＭＩＧ溶接工程と、
前記プラズマ電極により前記ＭＩＧアークを取り囲むように同軸上にプラズマアークを発生させるプラズマ溶接工程と、
を並行して行い、
前記溶接装置は、前記プラズマ電極を取り囲むように配置されたプラズマノズルと、このプラズマノズルを取り囲むように配置されたシールドノズルと、前記ＭＩＧ電極の外側で前記プラズマ電極の内側に形成された第１の流路と、前記プラズマ電極の外側で前記プラズマノズルの内側に形成された第２の流路と、前記プラズマノズルの外側で前記シールドノズルの内側に形成された第３の流路と、をさらに有し、
前記第１の流路にはＡｒガスを流通させて、前記第２の流路にはＨｅガスを流通させて、第３の流路にはＡｒガスを流通させて、
前記ＭＩＧ溶接工程およびプラズマ溶接工程は、前記伝熱フィンと水平面のなす角を１５〜２０度とし前記伝熱フィンと前記内筒のなす角を７５度以上に配置して前記ＭＩＧアークおよびプラズマアークを下向きに発生させ、
前記伝熱フィンの端部の上方で前記伝熱フィンの端部を通る鉛直線上から伝熱フィン側に水平に平行移動した位置から、前記ＭＩＧアークを発生させること、
を特徴とする金属製容器製造方法。
前記プラズマアークの加熱範囲が前記ＭＩＧアークによる加熱範囲より広くなるように、前記プラズマアークを発生させることを特徴とする請求項１に記載の金属製容器製造方法。
母材を溶融させない程度に加熱するように前記プラズマアークを発生させて、溶融池を形成するように前記ＭＩＧアークを発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属製容器製造方法。
前記第１の流路、第２の流路、および第３の流路それぞれに互いに異なる流量の不活性ガスを流通させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の金属製容器製造方法。
炭素鋼製の内筒および外筒に銅製の伝熱フィンを取り付ける溶接装置であって、
純銅製のＭＩＧワイヤと、このＭＩＧワイヤを取り囲むように配置されたＭＩＧ電極と、を具備し、このＭＩＧワイヤからＭＩＧアークを発生させるように構成されたＭＩＧ溶接手段と、
前記ＭＩＧ電極を取り囲むように配置されたプラズマ電極を具備し、このプラズマ電極により前記ＭＩＧアークを取り囲むように同軸上にプラズマアークを発生させるように構成されたプラズマ溶接手段と、
前記プラズマ電極を取り囲むように配置されたプラズマノズルと、
前記プラズマノズルを取り囲むように配置されたシールドノズルと、
前記ＭＩＧ電極の外側で前記プラズマ電極の内側に形成された第１のガス流路と、
前記プラズマ電極の外側で前記プラズマノズルの内側に形成された第２のガス流路と、
前記プラズマノズルの外側で前記シールドノズルの内側に形成された第３のガス流路と、
を有し、
前記第１の流路にはＡｒガスを流通させて、前記第２の流路にはＨｅガスを流通させて、第３の流路にはＡｒガスを流通させるように構成されて、
前記ＭＩＧ溶接手段およびプラズマ溶接手段は、前記伝熱フィンと水平面のなす角を１５〜２０度とし前記伝熱フィンと前記内筒のなす角を７５度以上に配置して前記ＭＩＧアークおよびプラズマアークを下向きに発生させ、
前記伝熱フィンの端部の上方で前記伝熱フィンの端部を通る鉛直線上から伝熱フィン側に水平に平行移動した位置から、前記ＭＩＧアークを発生させること、
を特徴とする溶接装置。