JP5681055B2 - 抵抗溶接用電極及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料集合体を構成する各要素である被覆管や水管の如き管状部材の端部に抵抗溶接で端栓を溶接するのに適した電極及びこの電極を用いる溶接方法に関するものである。

軽水炉用燃料集合体を構成する燃料棒は、ジルコニウム合金製の被覆管とこの被覆管の内部に装填された燃料ペレットと被覆管の両端にはめ込まれた端栓とから成り、端栓は、被覆管に溶接して固定することにより密封されている。更に、詳細に述べると、被覆管の一端側に端栓を溶接した後、被覆管内に燃料ペレット及びプレナムスプリング等の内装品を挿入するとともに加圧したヘリウムガスを導入し、その後、他端側に端栓を溶接固定して密封される。また、高速増殖炉、黒鉛減速炉、その他の実験炉では、被覆管及び端栓の材質としてステンレス鋼やマグネシウム合金、アルミニウム合金等が使用される。

一般に、被覆管と端栓とを溶接する方法としては、ＴＩＧ溶接や抵抗溶接が用いられており、日本ではＴＩＧ溶接が最も実績のある方法として採用されている。また、海外ではＴＩＧ溶接とともに抵抗溶接も採用されている。

管状部材と端栓を抵抗溶接する際には、溶接時に管状部材と端栓を同軸上で突き合わせて押圧しながら通電し、管状部材と端栓の接触部分の電気抵抗により発熱、溶融させる（特許文献１乃至３参照）。この際、溶融した部分は、管状部材の内面側と外面側にそれぞれ突出するが、外面側に突出した部分は、溶接品の取扱い時に他の物体と引っ掛かりを生じるトラブルの原因になる。また、外面側の突出を管状部材側の電極で押さえ込んで平滑な外表面を形成する方法が知られているが、溶融部分が外面側に突出する際の方向が不適切であった場合には、溶融した部分が電極に接触して通電経路が変わり、管端面の外面側が溶融しないで溶け残りを生じる欠点があった。更に、溶接部を評価するために超音波検査を行う際に、外面側に突出した部分が障害となって溶接部の欠陥を検出できないことがある。

管状部材と端栓を抵抗溶接法により溶接する場合、電極により外面側への突出を抑える方法として、電極で突出部を成型することが知られているが、溶融部分の逃げを作るため、管状部材（被覆管に相当、以下この項では被覆管と称する）の外径よりも端栓の外径を小さくすることにより、溶融部分を端栓側に逃がす方法がある（特許文献１の図１参照）。この場合、溶融部分は、端栓の端部を覆うように軸方向に流れ出るが、電極は、被覆管に装着するために２つ割となっており、従って、特に、この２つ割部分の接合部で溶融部分と被覆管端面との間に微小な隙間や段差を生じる場合があって被覆管の端面を完全に覆いつくすことが難しい。このように、溶融部と被覆管の端面との間に隙間が生じて被覆管の端面のエッジが露出すると、被覆管が原子炉内で照射された際に、被覆管の端面のエッジ部分は腐食し易くなるため、この微小な隙間が生じた部分から腐食が進展し破損することが懸念される。また通常、原子炉用燃料被覆管の集合組織は、最密六方晶のＣ面が被覆管の径方向を向いていることから、腐食の進展とともに生成するジルコニウム水素化物が被覆管の周方向に板状に析出する傾向があるため、被覆管の端面が露出したまま腐食が進行すると、被覆管の端面を径方向に押し広げるように水素化物が生成して被覆管の端面を起点として被覆管軸方向に水素化物が成長する。この水素化物の生成により体積膨張が生ずるため、被覆管の端面からの腐食は、被覆管の変形や腐食の加速などの悪影響を及ぼすことになる。

特開平６−１９４４７４号公報 特開平７−３０６２９５号公報 特開平８−１２２４７２号公報

本発明が解決しようとする１つの課題は、管状部材と端栓とを抵抗溶接により接合する際に、管状部材の端面を露出させることなく、抵抗溶接することにより上記の欠点を解消することができる抵抗溶接用電極を提供することにある。

本発明が解決しようとする他の課題は、管状部材と端栓とを抵抗溶接により接合する際に、管状部材の端面を露出させることなく、抵抗溶接することにより上記の欠点を解消することができる抵抗溶接方法を提供することにある。

本発明の第１の課題解決手段は、管状部材の端部を封止する端栓を抵抗溶接により前記管状部材の端部に溶接するのに用いられ、前記管状部材に接触する管状部材側電極と前記端栓に接触する端栓側電極とを含み、前記管状部材側電極は２つ割であるが、前記端栓側電極は一体の環状の形態であり、前記管状部材と前記端栓との溶融が生じる箇所が前記端栓側電極の内部に無接触で位置するように前記管状部材と前記端栓との接触部が入り込む凹部が前記端栓側電極に設けられていることを特徴とする抵抗溶接用電極を提供することにある。

本発明の第１の課題解決手段において、前記端栓と端栓側電極との接触は、前記端栓と端栓側電極とが前記管状部材側に向けて拡径して相互に接触するテ―パ面で行われるように前記端栓側電極は、前記端栓のテ―パ面に相応するテ―パ面を有するのが好ましいが、テーパ面以外の面接触であってもよい。いずれの場合も、端栓と端栓側電極との接触は、相互に軸線方向に押圧を受けることができる面接触であることが必要である。

本発明の第２の課題解決手段は、管状部材に接触する２つ割の管状部材側電極と前記管状部材の端部を封止する端栓に接触する一体の環状の端栓側電極とを介して前記管状部材と前記端栓とに通電し前記管状部材の端部と前記端栓とを抵抗溶接するが、抵抗溶接前には前記管状部材が前記端栓側電極に接触することがないように前記管状部材と前記端栓との接触部が前記端栓側電極の凹部に入り込んでおり、溶接開始後に前記管状部材と前記端栓との溶融部が前記端栓側電極の内部で前記端栓側電極と前記管状部材の端面とに跨って接触して前記管状部材と前記端栓とを溶接することを特徴とする溶接方法を提供することにある。

本発明の第２の課題解決手段において、前記端栓と端栓側電極との接触は、前記端栓と端栓側電極とが前記管状部材側に向けて拡径して相互に接触するテ―パ面で行われるのが好ましいが、テーパ面以外の面接触であってもよい。いずれの場合も、端栓と端栓側電極との接触は、相互に軸線方向に押圧を受けることができる面接触であることが必要である。

本発明の第２の課題解決手段において、管状部材の外径と端栓の外径とは、端栓側電極の凹部の内径よりも小さく設定されているのが好ましく、端栓は、管状部材より小さい外径を有するのが望ましい。

本発明の第２の課題解決手段において、管状部材は、燃料ペレットが装填される被覆管であり、前記管状部材に前記端栓を溶接して固定して燃料集合体を製造するのに用いることができる。

本発明によれば、燃料集合体の被覆管の如き管状部材と端栓とを抵抗溶接により溶接する揚合において、端栓側電極は、管状部材と端栓との溶融が生じる箇所が端栓側電極の内部に無接触で配置され、管状部材と端栓との抵抗溶接前には管状部材と端栓側電極とが接触しないような構造であるので、通電開始当初の溶接電流は、管状部材と端栓との接触部分に電流が流れるが、接触部分が加熱とともに押圧されることにより溶融した部分が管状部材の外面側に押し出されて端栓側電極に接触すると、この溶融部を通して端栓側電極から直接管状部材に向かって電流が流れるので、管状部材の端面を十分に溶融させることができるとともに、溶融部分が一体環状の端栓側電極の形状に沿って成型されるため、溶融部が管状部材の端面を隙間なく完全に覆うように平滑に成型され、従って管状部材の端面エッジからの腐食を生ずることがなく、燃料棒の製造に好適に使用することができる効果がある。

本発明の電極を用いて管状部材と端栓とを抵抗溶接する際の抵抗溶接開始前の管状部材と端栓と電極との配置関係を示す縦断面図である。 図１の配置関係における溶接状態を示し、同図（Ａ）は、抵抗溶接開始直後の溶融状態を示す上半部の縦断面図、同図（Ｂ）は、図２（Ａ）の溶接状態が更に進んだ状態を示す縦断面図である。 図２Ｂの溶融状態から溶融部が端栓側電極に接触した状態を示す縦断面図である。 図３の状態から抵抗溶接が更に進行して管状部材の端部が変形した状態を示す縦断面図である。 抵抗溶接が終了した状態の上半部の縦断面図である。 抵抗溶接装置から取出されて得られた管状部材と端栓との溶接部の上半部の縦断面図である。

本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、本発明は、特に、原子炉用燃料集合体を構成する燃料要素の製造工程に適用するのに好適な抵抗溶接用電極１０に関するものであり、この電極１０は、図１に示すように、燃料集合体用の被覆管の如き管状部材２０とこの管状部材の端部を封止する端栓３０(図面では一方の端栓、例えば下部端栓であるのが示されている。) とにそれぞれ接触する管状部材側電極１０Ｐと端栓側電極１０Ｅとを含んでいる。

図示の形態では、端栓３０は、管状部材２０よりも小径の外径を有する。端栓３０は、管状部材２０の端部に入り込む突部３０Ｐを有して管状部材２０の端面に接合するフランジ３０Ｆとこのフランジ３０Ｆの突部３０Ｐとは反対側にテ―パ面３０Ｔを介して延びる栓本体３０Ｂとから成っている。テ―パ面３０Ｔは、後に述べる端栓３０のテ―パ面に相応する。

管状部材側電極１０Ｐは、管状部材２０の外周面に接触する２つ割りの環状電極であり、この電極１０Ｐは、上下の半環状電極部分１０ＰＵ、１０ＰＤを管状部材２０の上下から挟むように図示しない手段によって相互に締め付けて管状部材２０に接触させる。

端栓側電極１０Ｅは、端栓３０の外周面に接触する一体環状（２つ割りではない）電極であり、この電極１０Ｅは、図示の形態では、後に述べるテ―パ面で端栓３０に面接触させる。この端栓側電極１０Ｅは、図１に示すように、管状部材２０と端栓３０との溶融が生じる箇所が端栓側電極１０Ｅの内部に無接触で位置するように管状部材２０と端栓３０との接触部４０が入り込む凹部１０ＥＲを管状部材２０側に有しており、この凹部１０ＥＲは、端栓３０のテ―パ面３０Ｔに接触するテ―パ面１０ＥＲＴを有する。従って、管状部材２０の外径をｄ１、端栓３０のフランジ３０Ｆの外径をｄ２、端栓側電極１０Ｅの凹部１０ＥＲの内径をｄ３とすると、ｄ３＞ｄ１、ｄ３＞ｄ２とすることが必要であり、また、後に詳細に述べるように、ｄ１＞ｄ２とするのが好ましい。

なお、図示の形態では、端栓３０と端栓側電極１０Ｅとはテ―パ面３０Ｔ、１０ＥＲＴで接触しているが、端栓３０と端栓側電極１０Ｅとは、テ―パ面以外に端栓側電極１０Ｅを管状部材２０側に向けて軸線方向に押し付けることによって端栓３０と端栓側電極１０Ｅとが面接触することができれば、テ―パ面以外に、例えば、端栓３０のフランジ３０Ｆの後面肩部と端栓側電極１０Ｅ内部の段部との係合によって行うことができる。実際上、被覆管の他方の端栓（上部端栓）は、テーパ面がなく、従って上部端栓側では段部による面接触の態様とすることになる。

次に、上記電極１０を用いて管状部材（例えば、燃料棒用の被覆管）２０とこの管状部材２０の端部を封止する(下部) 端栓３０とを抵抗溶接により接続する溶接方法を以下に説明する。

まず、図１に示すように、２つ割の電極１０Ｐが取り付けられ締め付けられた管状部材２０と一体環状の電極１０Ｅが取り付けられた端栓３０とを同軸状に配置し、管状部材側電極１０Ｐから突出する管状部材部分の端面２０Ｅを端栓側電極１０Ｅの凹部１０ＥＲ内で端栓３０のフランジ３０Ｆの端面に接触させ押圧する。この状態で両電極１０Ｐ、１０Ｅ間に溶接電圧を印加すると、管状部材側電極１０Ｐ、管状部材２０、その端面２０Ｅ、端栓３０のフランジ３０Ｆ、端栓３０のテーパ面３０Ｔ、端栓側電極１０Ｅのテ―パ面１０ＥＲＴを経て通電されるが、抵抗溶接開始前は、管状部材２０と端栓側電極１０Ｅとは接触していない(図１参照)。このようにして、電極１０Ｐ、１０Ｅ間を通電すると、図２（Ａ）に示すように、管状部材２０の端面２０Ｅと端栓３０のフランジ３０Ｆの端面との接触部が溶融し、この溶融部Ｍの一部が外周面側に突出する。このため、この溶融部Ｍが端栓側電極１０Ｅの凹部１０ＥＲの内面に接触する(図２（Ｂ）参照)。

従って、端栓側電極１０Ｅから溶融部Ｍを経由して管状部材２０へ電流が流れる新たな通電経路が形成される。この新たな通電経路は、管状部材側電極１０Ｐ、管状部材２０、その端面２０Ｅ、溶融部Ｍ、端栓側電極１０Ｅとなる。溶融部Ｍは、図２（Ａ）に示すように、管状部材２０と端栓３０の間に勢いよく突出するが、管状部材２０と溶融部Ｍとの間又は溶融部Ｍと端栓３０との間に隙間Ｇ２０、Ｇ３０を生じても（図２（Ｂ）参照）溶融部Ｍを通して管状部材２０と端栓側電極１０Ｅとに電流が流れ発熱が生じ溶融が進む（図３参照）。また、このように溶融部Ｍを通して電流が流れると、端栓側電極１０Ｅの管状部材２０側への押し付けによって管状部材２０端部の加熱溶融に続く管状部材２０の端部が外側に押し広げられるような変形が生じ（図４の符号２０ＥＦ参照）、管状部材２０のこの端部変形部２０ＥＦが電極１０Ｅに接触して通電経路が変わり、端栓側電極１０Ｅに接触した管状部材２０の端部が通電経路となり、管状部材２０の端部を十分に溶融させることができるようになる。端栓側電極１０Ｅは一体環状であるため、管状部材２０の端部変形部２０ＥＦに溶融部Ｍが全周に亘って密接に係合するので、管状部材２０の端部のエッジ２０ＥＥが溶融部Ｍによって密接して覆われる。従って、このようにして端栓３０が溶接されて製造された燃料棒は、原子炉内での腐食の際に管状部材端面が露出して腐食することがない。

管状部材２０と端栓３０とを押圧しながら抵抗溶接を行うと、上記のように、通電により発熱した箇所が図４に示すように軟化し塑性変形するが、管状部材２０の外側に向かって軟化した部分が突出する際には、この軟化部分が管状部材２０の軸線方向に沿って管状部材２０の端面側とは逆方向（図４の左側方向）に塑性変形しながら飛び出すため、管状部材２０の端面と溶融部分Ｍとの間に隙間が生じる揚合がある。しかし、図３に示すように、溶融部分Ｍが端栓側電極１０Ｅに接触すると、この接触部分が新たな通電経路となり、端栓側電極１０Ｅから溶融部Ｍを通って直接管状部材２０に通電し、これにより、溶融部Ｍに隣接する箇所である管状部材２０の端面を発熱させ、溶融させる。更に、端栓側電極１０Ｅから端栓３０への通電は、この電極１０Ｅで端栓３０を押圧する面（テ―パ面３０Ｔ）を通してなされるが、一般に、通電経路は、電気抵抗の大きいジルコニウム基合金よりも、クロム銅、銅タングステン、銀タングステンのような電気抵抗が低い電極材料を通り易く、且つ通電は、距離の短い経路を取るため、端栓３０のフランジ３０Ｆではなく、距離が短く、導電性が高い溶融部Ｍが端栓側電極１０Ｅに接触した箇所が新たな通電経路となり、その後管状部材２０の端面が変形して電極１０Ｅに接触すると、通電経路が端栓３０から管状部材２０側に徐々にシフトするため、管状部材２０の端面が十分に発熱し溶融し、通電開始直後の端栓３０のフランジ３０Ｆ側の溶融と相俟って管状部材２０の端面と端栓３０のフランジ３０Ｆとが溶融部Ｍを介して接合される。

また、このように、溶融部Ｍが管状部材２０の外周面側に突出する際、この突出した溶融部Ｍは、端栓側電極１０Ｅの凹部１０ＥＲの内面形状に成型されて図５及び図６に示すように溶融成型部ＭＭとなる。溶融の初期に外周面側に突出する溶融部Ｍは、管状部材２０の軸方向に沿って管状部材２０の端面とは逆方向（図２Ｂの左側方向）に流れ易いが、通電経路が管状部材２０にシフトするにつれて管状部材２０側で溶融が生じるため、管状部材２０の端面２０Ｅが十分に溶融し、管状部材２０の端面と溶融部Ｍとの隙間が生じることはない

本発明によれば、管状部材と端栓とを抵抗溶接する際に、当初は、溶接電流が管状部材と端栓との接触部とを通して流れるが、接触部が溶融し、この溶融部が管状部材の外周側に流れるにつれてこの溶融部が端栓側電極と管状部材とを直接通電する経路となって管状部材の端面を一層溶融するように作用し、また端栓側電極は、一体環状の形態を有するので、管状部材と端栓とを隙間なく有効に接合することができ、高い産業上の利用性を有する。

１０ 電極
１０Ｐ 管状部材側電極
１０Ｅ 端栓側電極
１０ＥＲ 端栓側電極の凹部
１０ＥＲＴ 凹部のテ―パ面
２０ 管状部材
２０Ｅ 管状部材の端面
２０ＥＥ 管状部材の端部のエッジ
２０ＥＦ 端部変形部
３０ 端栓
３０Ｐ 端栓の突部
３０Ｆ 端栓のフランジ
３０Ｔ 端栓のテ―パ面
３０Ｂ 栓本体
４０ 接触部
Ｍ 溶融部
ＭＭ 溶融成型部
ｄ１ 管状部材の外径
ｄ２ 端栓のフランジの外径
ｄ３ 端栓側電極の凹部の内径
Ｇ２０、Ｇ３０ 隙間

Claims (9)

1. 管状部材の端部を封止する端栓を抵抗溶接により前記管状部材に溶接するのに用いられるものであること、および、
   前記管状部材に接触する管状部材側電極と端栓に接触する端栓側電極とを含むものであること、および、
   前記管状部材側電極は２つ割であるが、前記端栓側電極は一体の環状の形態であること、および、
   前記管状部材と前記端栓との溶融が生じる箇所が前記端栓側電極の内部に無接触で位置して前記端栓側電極で覆われるように、前記端栓側電極には前記管状部材と前記端栓との接触部が入り込む凹部が設けられているものであること、および、
   前記端栓側電極の凹部については、前記管状部材や前記端栓との相対関係において、前記管状部材の外径をｄ１、前記端栓の外径をｄ２、前記凹部の内径をｄ３とした場合に、［ｄ３＞ｄ１］と［ｄ３＞ｄ２］とを満足させるものであること
   を特徴とする抵抗溶接用電極。
2. 請求項１に記載の抵抗溶接用電極であって、
   前記端栓と端栓側電極との接触は、相互に軸線方向に押圧を受けることができる面接触であること
   を特徴とする抵抗溶接用電極。
3. 請求項２に記載の抵抗溶接用電極であって、
   前記端栓と端栓側電極との接触が、前記管状部材側に向けて拡径して相互に接触するテーパ面で行われるように、前記端栓側電極は、前記端栓のテーパ面に相応するテーパ面を有すること
   を特徴とする抵抗溶接用電極。
4. 管状部材に接触する２つ割の管状部材側電極と前記管状部材の端部を封止する端栓に接触する一体の環状の端栓側電極とを介して前記管状部材と前記端栓とに通電し前記管状部材の端部と前記端栓とを抵抗溶接すること、および、
   前記端栓側電極としては、前記管状部材と前記端栓との接触部が入り込む凹部が設けられたもの、かつ、前記管状部材としては、その外径が前記凹部の内径よりも小さいもの、かつ、前記端栓としては、その外径が前記凹部の内径よりも小さいものをそれぞれ用いること、および、
   抵抗溶接前には前記管状部材が前記端栓側電極に接触することがないように前記管状部材と前記端栓との接触部が前記端栓側電極の凹部に入り込んでおり、かつ、前記管状部材と前記端栓との溶融が生じる箇所が前記端栓側電極の凹部内に無接触で位置して前記端栓側電極により覆われていること、および、
   溶接開始後に前記管状部材と前記端栓との溶融部が前記端栓側電極の内部で前記端栓側電極と前記管状部材の端面とに跨って接触して前記管状部材と前記端栓とを溶接すること を特徴とする溶接方法。
5. 請求項４に記載の溶接方法であって、
   前記端栓と端栓側電極との接触は、相互に軸線方向に押圧を受けることができる面接触であること
   を特徴とする溶接方法。
6. 請求項５に記載の溶接方法であって、
   前記端栓と端栓側電極との接触は、前記端栓と端栓側電極とが前記管状部材側に向けて拡径して相互に接触するテーパ面で行われること
   を特徴とする溶接方法。
7. 請求項４乃至６のいずれかに記載の溶接方法であって、
   前記端栓として、前記管状部材よりも小さい外径を有するものを用いること
   を特徴とする溶接方法。
8. 請求項４乃至７のいずれかに記載の溶接方法であって、
   前記管状部材及び端栓として、ジルコニウム基合金から形成されているものを用いること
   を特徴とする溶接方法。
9. 請求項４乃至８のいずれかに記載の溶接方法であって、
   前記管状部材は、燃料ペレットが装填される燃料集合体用の被覆管であり、
   前記燃料集合体を製造するために前記管状部材に前記端栓を溶接すること
   を特徴とする溶接方法。

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