JP6559584B2 - 導圧管の溶接構造および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧の流体を保持する圧力容器において、圧力伝達用に設けられる導圧管を当該容器に貫通させて接合するための溶接技術に関する。

高圧または高温の気体・液体の流体が保持される圧力容器に関して、例えば大きくは原子炉における原子炉容器、小さくはガスクロマトグラフィその他の計測装置において、圧力信号を導圧管により外部へ又は外部から接続するために導圧管が設置される。

まず、特許文献１に示された発明では、原子炉容器に導圧管などを接合する方法を提示していて、そこでは、従来のロウ付け接合の問題点を指摘している。ロウ付け接合では強度的に信頼性に乏しく、また気泡が生じやすいなどの問題があった。この発明では、圧力容器に貫通スリーブを備えて、その端面に導圧管をソケットを介して設置し、貫通スリーブとソケットとを溶接により接合して、貫通部からの流体の漏えいを防止することを図るものであった。

一方、特許文献２の発明では、ゼロ死空間及び漏れのない封止を保証することで、クロマトグラフィの性能を向上させる流体接続システムを提供することを目的とする。端部封止面及びねじ壁を備えた毛細管受け部を有するポートを含む流体接続システムを提供する。この流体接続システムは、封止した状態でポートの端部封止面に当接する前端面を有する毛細管が貫通するのを可能にする軸方向穴と、ポートのねじ壁に対応する対合ねじ壁とを有する取り付けナットを設けている。この封止要素はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を材料とする。

特開昭６２−１４５２００号公報 特開２０１４−０９５７００号公報

特許文献１の発明では、その大規模構造ゆえに、圧力容器の壁面から貫通スリーブおよびソケットの突出部分が大きい。一方、特許文献２の発明では、貫通ポートに毛細管を取り付け、所謂ゼロ死空間を実現するために、毛細管の外部側からさらに取り付けナットでねじ込む構造を呈し、やはりその取り付け長さの問題があった。

本願発明は、外径Φ１ｍｍ、肉厚１００μｍレベルの細管である導圧管を、圧力容器間に最短距離で接合する構造及び方法を主眼とする。そのため図１で示すような差圧センサシステムでは、圧力容器１及び２に保持された流体の圧力の差圧を求めるために導圧管１０が接続される。導圧管長が長くなると伝送遅れが生じ、圧力損失も大きくなり計測精度が落ちるので、できる限り導圧管長は短くする必要がある。

本願発明は、圧力容器に導圧管を溶接する構造において、先端部にレーザー溶接されたフランジを備えた導圧管と、貫通部にポートを設けた圧力容器と、を備えて、
前記フランジにはテーパー部を備え、前記ポートにはポート孔に開口部が設けられており、前記開口部の内径角部で前記フランジのテーパー部がスポット抵抗溶接されて接合することを特徴とする導圧管の溶接構造である。

また、本願発明は、圧力容器に導圧管を溶接する方法において、
テーパー部を備えたフランジと、導圧管と、貫通部ポートを備えた圧力容器を用意するステップと、前記フランジを前記導圧管の先端部に装着して先端部開先にレーザー溶接するステップと、前記フランジを備えた導圧管を貫通部ポートに押圧するステップと、前記圧力容器に前記導圧管を、前記ポート孔の所定のスポットで抵抗溶接するステップと、からなる導圧管の溶接方法である。

本願発明によれば、簡易な二段階の溶接のみで、導圧管を圧力容器に接合することができる。フランジを圧力容器の貫通ポートに差し込んで溶接するので、導圧管の外部の余分な突出高さ（図１例のｄＨ）を極力短くでき、できる限り導圧管長を短くできる効果がある。

本願発明の実施の態様にかかる差圧センサの全体構成図 本願発明に実施の態様にかかる導圧管とフランジ装着の詳細図 本願発明の実施の態様にかかる圧力容器の貫通ポートの詳細図 本願発明の実施の態様にかかる圧力容器の貫通ポートへの導圧管の溶接状況図 本願発明の実施例である溶接方法のフローチャート

（１） 本願発明の適用例
図１に差圧センサの構成図を示す。圧力容器１と２で高圧と低圧の圧力をダイアフラム等で受信して、当該圧力容器の内部の所定のセンサで差圧を計測するため、各圧力容器を連結する導圧管１０が配管接続される。本願発明は圧力容器への導圧管の溶接にかかるもののため、圧力計測についての説明は省略する。

圧力容器１または２の貫通ポート１１０（貫通部として設けられたポートであり、以降「貫通ポート」と称する）から観た外部の突出高さｄＨはなるべく短くする必要があるので、導圧管１０に接続されるフランジ１００をもって貫通ポート１１０に直接的に接合される。

以降の図面で、図１の左側（図中矢印Ａの方向）から観た断面図などに基づいて、本願発明の主要部を説明する。

（２） 本願発明の実施の形態
図２は、本願発明に実施の態様にかかる導圧管１０とフランジ１００の装着の様子を示す。上段図は立体形状を俯瞰したものであり、導圧管１０の先端に円錐状のフランジ１００が通される。
本稿に登場する部材は金属であって、ステンレス（ＳＵＳ３０４）相当である。

フランジ１００は、先端に円柱形上の開先１０１があり、続いてテーパー部１０２が備えられる。さらに座金形状のワッシャー部１０３がある。これらは一体の金属で加工されるものである。

そして、導圧管１０の適宜位置に通されたワッシャー１００は、レーザー溶接により開先１０１で導圧管１０に接合される。図中点線１０８で示したようにレーザービームを照射する。これで全周レーザー溶接を行う。なお、レーザービーム１０８の角度は導圧管の垂直方向から２０°程度の傾斜角で行われると接合度合いが良い。

図２下段で、その断面図を示す。フランジ１００のテーパー部１０２のテーパー角度Θが記されている。略３０〜６０度でテーパーが施されている。

次に図３で、圧力容器１（２も同様である）の貫通ポート１１０の断面形状を示す。貫通ポートは、導圧管による圧力容器へ流体の入口又は出口の役目を果たす。

貫通ポートの作成方法は、図３からわかるように、まず圧力容器１の壁にやや大きめの穴を所定の深さまで切削する。次に小穴のポート孔１１１を掘って圧力容器１を貫通する。すると、ポート孔１１１の外側にはバリが残るので、それをリーマなどで面取りする。そしてできたものが面取り部１１２である（図ではやや誇張して表示）。これはポート孔１１１の外角に全周でできる。

この面取り部１１２の開口角度Γを示してある。この開口角度には所定の条件がある。
開口角度Γ ＞ フランジのテーパー角度Θ ・・・・・（１）
数式（１）のとおり、面取り部の開口角度はフランジ１００のテーパー角度よりも広いことが必須である。さすればポート孔１１１の内径角部（頂部）である溶接スポット１１４において、フランジ１００のテーパー１０２の一部が接触するようになる。

それでは、その溶接状況を図４で説明する。上述の圧力容器１の貫通ポート１１０に、フランジ１００が接合された導圧管１０を挿入する。フランジ１００のテーパー１０２は溶接スポット１１４で溶接対象に接触する。なお、本例テーパーは円形状のため溶接スポットは１１４で示す周で接触する。

ここで、フランジ１００のワッシャー部１０３を外部から押圧する（図右側の矢印）。
具体的には、抵抗溶接機２０および変圧器２１から配線された電極２２ａでワッシャー部１０３の外側から押圧する。そして、もう一方の電極２２ｂは圧力容器１の他端に接続する。

そして、抵抗溶接機２０から大電流を印加すれば、貫通ポート１１０のポート孔１１１にかかる溶接スポット１１４と、フランジ１００のテーパー部１０２とで全周ナゲットが発生してダイレクトに溶接される。溶接条件は、電圧２．５Ｖ、電流２ｋＡ、押圧１６ｋＧｆで、数十ｍＳｅｃ程度の瞬間印加することで十分である。

（３） 方法発明の実施例
本溶接フローをそのステップで図５（図中ＳｔｅｐをＳｎで印す）に基づいて説明する。まずＳｔｅｐ０から作業開始する。

＜Ｓｔｅｐ１＞ あらかじめ加工した金属部材であるところの、テーパー形状に加工されたフランジ１００、導圧管１０、および貫通ポート１１０が設けられた圧力容器１を用意する。

＜Ｓｔｅｐ２＞ 導圧管１０にフランジ１００を通して、適宜所定の位置で、その開先１０１を目掛けてレーザー溶接で導圧管１０にフランジ１００を接合する。

＜Ｓｔｅｐ３＞ 圧力容器１の貫通ポート１１０にフランジ１００付きの導圧管１０を挿入し押圧する。

＜Ｓｔｅｐ４＞ 圧力容器１に導圧管１０をダイレクトに抵抗溶接する。その溶接スポットは前述のとおり溶接スポット１１４の全周で接合が行われる。

＜Ｓｔｅｐ５＞ 溶接結果を確認して、問題なければ導圧管の溶接の完成である（Ｓｔｅｐ６へ）。もし、接合状態に不備があるようであれば、抵抗溶接機２０などの調整のための制御処理を行って（Ｓｔｅｐ１０）、Ｓｔｅｐ１へループし、やり直しである。

以上の例では、フランジ１００のテーパー部１０２は円錐状のものを意味し説明したが、そのような線形テーパーに限らず放物形状、球状のものでも可能である。テーパー角度はその接線傾斜で求めればよい。当該フランジ１００のテーパー部１０２がポート孔１１１の内径角部の溶接スポット１１４の一点（一周）で抵抗溶接が行われ圧力封止ができるので、例えば外径角部で行うよりも、ポート孔１１１内部での圧力に偏りが少なくできる。

本願発明は差圧センサ以外のセンサ全般の導圧管を利用する機器の製作に有用な発明である。

１、２ 圧力容器
１０ 導圧管
２０ 抵抗溶接機
２１ 変圧器
２２ａ，ｂ 電極
１００ フランジ
１０１ 開先
１０２ テーパー部
１０３ ワッシャー部
１０８ レーザービーム
１１０ 貫通ポート
１１１ ポート孔
１１２ 面取り部
１１４ 溶接スポット

Claims (2)

1. 圧力容器に導圧管を溶接する構造において、
   先端部にレーザー溶接されたフランジを備えた前記導圧管と、
   貫通部にポートを設けた前記圧力容器と、を用いて、
   前記フランジにはテーパー部を備え、
   前記ポートにはポート孔に開口部が設けられており、前記開口部の内径角部で前記フランジの前記テーパー部がスポット抵抗溶接されて接合することを特徴とする導圧管の溶接構造。
2. 圧力容器に導圧管を溶接する方法において、
   テーパー部を備えたフランジと、導圧管と、貫通部にポートが設けられ、前記ポートのポート孔に開口部が設けられている圧力容器とを用意するステップと、
   前記フランジを前記導圧管の先端部に装着して前記先端部の開先にレーザー溶接するステップと、
   前記フランジを備えた前記導圧管を前記圧力容器に設けられた前記貫通部の前記ポートに押圧するステップと、
   前記開口部の内径角部で前記フランジの前記テーパー部をスポット抵抗溶接するステップと、
   からなる導圧管の溶接方法。
   

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