JP2006231342A - 溶接冷やし金 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接部の割れを防止し、溶接変形を低減することができ、溶接部近傍ヘの着脱が容易な溶接冷やし金を得る。
【解決手段】 溶接対象の筒状部材の内壁面に配置される溶接冷やし金１０において、前記筒状部材の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記筒状部材の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロック１１と、個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面１３を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマ１４と、前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備えたもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒状部材の溶接の際、特に、高速炉燃料集合体を製造する工程の内、ハンドリングヘッドとラッパ管とを溶接する工程において、溶接変形を防止するために用いられる溶接冷やし金に関するものである。

図４は高速炉用燃料集合体の外観を表す説明図である。図に示す通り、高速炉用燃料集合体４１は、プルトニウムとウランとの混合酸化物を焼結したペレット４４を被覆管４３内に充填し、ヘリウムガスとともに密封して燃料ピン４２とし、これを正六角形状のラッパ管４５と呼ばれるステンレス鋼製の鞘のなかに束ねて収納した構成である。燃料集合体４１は上部にはハンドリングヘッド４９を、下部にはエン卜ランスノズル４６を、燃料ピン４２束の下には中性子反射体４７を有する。（非特許文献１参照）

ラッパ管４５内の燃料ピン４２の配列は、炉心の出力密度を高くし、増殖性能を向上させるため、稠密な正三角形格子配列としている。燃料ピン４２はその下端部のみを固定され、燃料ピン４２間隔は燃料ピン１本毎に巻かれたワイヤスペーサ４８で保たれている。この方式は構造が簡単であり、中性子照射下での燃料ピン４２の寸法変化に対しても、比較的柔軟に対応できる特徴がある。

ラッパ管４５には、隣接する燃料集合体との間隔を保持するためのスペーサパッド５０が中間部に設けられている。ハンドリングヘッド４９とラッパ管４５には、タングステン不活性ガス溶接法（ＴＩＧ溶接法）あるいは電子ビーム溶接法（ＥＢ溶接法）等により加熱・溶融し接合する方法が一般的である。また、高速実験炉「常陽」の炉心燃料集合体には、ハンドリングヘッド内部に凸部を有する内側燃料集合体と、凸部を有しない外側燃料集合体とがある（非特許文献２参照）

原子力百科事典ATOMICA、＜大項目＞ 開発中の原子炉および研究炉等、＜中項目＞ 高速増殖炉、＜小項目＞ 高速増殖炉の構造と特徴、＜タイトル＞高速増殖炉の燃料集合体 (03-01-02-13)、＜更新年月＞ 1996年03月、［平成１６年８月１１日検索］＜URL:http://www-atm.jst.go.jp:/atomica/03010213_1.html＞ PNC TN1340 97-004, 動燃技報No.104, 1997年12月, 48頁

しかしながら、ハンドリングヘッド４９とラッパ管４５の接合には次のような問題点があった。即ち、第１に溶接部には高い機械的強度が要求されるので、溶け込み深さを確保するために大量の熱を投入する必要があり、溶接変形が大きくなりやすい。第２に溶接変形を防止するためには、溶接部を拘束しながら入熱することが望ましいが、ハンドリングヘッドは内部と比較して入口が狭い構造であり、かつ入口から溶接部までの距離が長いため、拘束治具の着脱が困難となる。

本発明では、溶接部の割れを防止し、溶接変形を低減することができ、溶接部近傍ヘの着脱が容易な溶接冷やし金を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係る溶接冷やし金は、溶接対象の筒状部材の内壁面に配置される溶接冷やし金において、
前記筒状部材の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記筒状部材の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロックと、
個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマと、
前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係る高速炉燃料集合体用溶接冷やし金は、高速炉用燃料集合体に用いられる正六角形状のラッパ管とハンドリングヘッドとの溶接の際に用いられる溶接冷やし金において、
ハンドリングヘッド又はラッパ管の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記ハンドリングヘッド又はラッパ管の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロックと、
個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマと、
前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係る高速炉燃料集合体用溶接冷やし金は、請求項２に記載のテーパコマ移動手段が、ねじ機構によるテーパコマの移動を含むことを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明に係る高速炉燃料集合体用溶接冷やし金は、請求項２又は３に記載の冷却ブロックが銅製であることを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明に係る高速炉燃料集合体用溶接冷やし金は、請求項２から３の何れか１項に記載の冷却ブロック表面に硬質クロムを始めとする金属メッキ皮膜層が設けられていることを特徴とするものである。

本発明は、第１に、冷却速度を速くでき、投入された熱による温度分布の不均一化を低減でき、溶接部の割れを防止すること、溶接変形を低減することができる。第２に、溶接時の温度分布の不均一化による変形を拘束し、溶接変形を防止できる。第３に、溶接冷やし金を組み立てた状態でハンドリングヘッド入口を通過させることができるとともに、溶接部近傍ヘの着脱が容易であるという効果を奏する。

本発明は、溶接対象の筒状部材の内壁面に配置される溶接冷やし金において、前記筒状部材の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記筒状部材の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロックと、個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマと、前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備える。これにより、溶接部の割れを防止し、溶接変形を低減することができ、溶接部近傍ヘの着脱が容易な溶接冷やし金を得ることができる。

本発明の溶接冷やし金は、特に、高速炉用燃料集合体に用いられる正六角形状のラッパ管とハンドリングヘッドとの溶接のような高い機械的強度が要求される場合に用いられることにより、冷却速度を速くでき、投入された熱による温度分布の不均一化を低減できる。即ち、高速炉用燃料集合体に用いられる正六角形状のラッパ管とハンドリングヘッドとの溶接の際に用いられる溶接冷やし金において、ハンドリングヘッド又はラッパ管の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記ハンドリングヘッド又はラッパ管の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロックと、個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマと、前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備える。

本発明による溶接冷やし金の原理を図１に示す。本発明の溶接冷やし金１０は、ハンドリングヘッド９の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割された冷却ブロック１１と、個々の冷却ブロック１１に内側から当接するテーパ面１５を備えたテーパコマ１４と、テーパコマ１４を軸方向に移動させるテーパコマ移動手段１６から主に構成されている。

冷却ブロック１１の各ブロックにはハンドリングヘッド９の内壁面９ａに当接する当接面１２と、その当接面１２の対応する中心側にはテーパコマ１４に当接するテーパ当接面１３とを備える。テーパコマ１４は、テーパコマ移動手段によって軸方向に移動されることによりテーパ面１５上にテーパ当接面１３を摺動させて個々の当接面１２をハンドリングヘッド９の内壁面９ａに押付ける。

より具体的には、テーパコマ１４のテーパ面１５上に複数に分割された冷却ブロック１１をほぼ均等に配置し、ハンドリングヘッド９内部に挿入する。ここで、冷却ブロック１１のテーパコマ１４と接するテーパ当接面１３は、テーパコマ１４のテーパ面１５の角度と同一の角度としている。ここで、テーパコマ１４および冷却ブロック１１のテーパ角度は１０〜５０°とするのが好ましい。

何故なら、テーパ角度が小さすぎると、テーパコマ１４を移動させる際の抵抗は小さくなるが、移動させる距離を大きくしなければならず、効率的ではなく、テーパ角度が大きすぎると、テーパコマ１４を移動させる距離は小さくできるが、移動させる際の抵抗が大きくなり、移動させることが困難となるからである。

その後、適当な方法で冷却ブロック１１の軸方向位置を溶接部近傍に固定した状態で、テーパコマ移動手段１６によりテーパコマ１４を左側に移動させると、冷却ブロック１１はテーパコマ１４のテーパ面上を滑りながら径方向に広がってハンドリングヘッド９内壁の溶接部近傍に密着する。

冷却ブロック１１がハンドリングへッド９内壁に密着しているので、溶接部近傍の体積が実質的に増加し、許容熱容量が増加することとなるため、溶接による熱により溶接部近傍の温度が上昇し難くなる。また、冷却速度を速くでき、投入された熱による温度分布の不均一が低減する。更に、冷却ブロックにより溶接部近傍は内側から押し広げられているので、溶接変形を防止できる。

溶接部及びその近傍が十分に冷却された後、テーパコマ移動手段１６によりテーパコマ１４を右側に移動させると、冷却ブロック１１は径方向に縮みハンドリングヘッド９から離れるので、ハンドリングヘッド９から抜き取ることができる。この際、分割された冷却ブロック１１同士をばね等で連結しておくことにより、冷却ブロック１１が径方向ヘ縮む動作をより確実にすることができる。尚、図１に示した例では、冷却ブロック１１をハンドリングヘッド９の内壁面に当接する例を示したが、ラッパ管５の内壁面に当接させてもよい。その場合には、冷却ブロック１１の当接面１２の形状をラッパ管５の内壁面形状とする。

本発明の溶接冷やし金のテーパコマ移動手段としては、テーパコマを軸方向に移動させるものであればよく、移動形態は限定されない。例えば、油圧あるいは空気圧シリンダによる駆動を始めとして、ねじ機構によるテーパコマの移動を含むものである。

本発明の溶接冷やし金の冷却ブロックとしては、溶接部近傍に密着して溶接部近傍の体積を実質的に増加させ、許容熱容量を増加させ、溶接による熱による溶接部近傍の温度を上昇し難くするものであればよい。従って、好ましくは熱伝導性のよい金属、より好ましくは熱伝導性のもっともよい金属の一つである銅製が選択される。

本発明の溶接冷やし金は、より好ましい態様としては、冷却ブロック表面に硬質クロムを始めとする金属メッキ皮膜層を設ける。これにより、硬度が向上し耐摩耗性が向上するため、耐久性を向上させることができる。

図２及び図３に本発明を高速実験炉「常陽」炉心燃料集合体のハンドリングヘッドとラッパ管との溶接に適用した例を示す。尚、前述の通り、高速実験炉「常陽」炉心燃料集合体には、ハンドリングヘッド内部に凸部を有する内側燃料集合体と、凸部を有しない外側燃料集合体とがあり（非特許文献２参照）、内側燃料集合体に本発明による溶接冷やし金を適用した例を図２に、外側燃料集合体に本発明による溶接冷やし金を適用した例を図３に示す。

図２の溶接冷やし金２０は、２つのテーパコマ２４を３つの冷却ブロック２１ではさみ、３つの冷却ブロック２１が分離しないように２つのリング状のスプリング２９で冷却ブロック２１をまとめている。ハンドリングヘッド内部に凸部９ｂを有するため、冷却ブロック１１は凸部９ｂに合致するように凹部２８が形成されている。

２つのテーパコマ２４は対向して配置され、各々のテーパ面２５が冷却ブロック２１のテーパ当接面２３に当接される。テーパコマ２４同士はハンドリングヘッド９の軸心上に配置された雄ネジ棒２６で連結されており、図に示す左側のテーパコマ２４は雄ネジ棒２６が貫通されて雌ネジ棒２７内部に螺合して配される。従って、テーパコマ移動手段として雄ネジ棒２６に対して雌ネジ棒２７を回動することにより、２つのテーパコマ２４間の距離が伸縮する。

ハンドリングヘッド９内部に溶接冷やし金２０を挿入する際には、２つのテーパコマ２４の距離を離すことにより、スプリング２９で個々の冷却ブロック２１を近づかせて外接円径を小さくしておき、ハンドリングヘッド９に挿入した後に右側のテーパコマ２４を左側に移動させることにより冷却ブロック２１の外接円径を大きくして冷却ブロック２１の当接面２２をハンドリングヘッド９の内壁面９ａに密着させる。

図３の溶接冷やし金は、１つのテーパコマ３４の周囲に６つの冷却ブロック３１を配置し、冷却ブロック３１の端部に設けた摺動凸部３９を冷却ブロック支持部３７に設けた摺動凹部３８に嵌合させて冷却ブロック３１を支持する構造としている。

テーパコマ３４のテーパ面３５が冷却ブロック３１の各々のブロックのテーパ当接面３３に当接される。テーパコマ３４は冷却ブロック支持部３７の端部からハンドリングヘッド９の軸心上に螺合されたネジ３６で端部が連結されている。従って、テーパコマ移動手段としてネジ３６を回動することにより、テーパコマ３４が冷却ブロック支持部材３７に対して出入りすることにより、個々の冷却ブロック３１が径方向に伸縮する。

ハンドリングヘッド９内部に溶接冷やし金３０を挿入する際にはテーパコマ３４を図に示す右側に押し出すことにより冷却ブロックの外接円径を小さくしておき、ハンドリングヘッド９に挿入した後にテーパコマ３４を左側に移動させることにより冷却ブロック３１の外接円径を大きくして冷却ブロック３１の当接面３２をハンドリングヘッド９の内壁面９ａに密着させる。

図２及び図３の溶接冷やし金２０，３０を用いて、図の矢印で示したハンドリングヘッド９とラッパ管５との接合部をＥＢ溶接法により接合した結果、定められた溶け込み深さを確保しつつ、矯正が不要な程度に溶接変形を減少させることができた。また、溶接冷やし金の着脱も容易であった。

尚、本実施例では、冷却ブロックを３あるいは６に分割したが、分割数はこれに限定されない。必要に応じて分割数を変化させることができる。また、冷却ブロック２１，３１の材質は、冷却速度を早くするという観点から銅製とするのがよい。その際、冷却ブロック２１，３１がハンドリングヘッド９とこすれてハンドリングへッド９に銅が付着することを防止するため、またテーパコマのテーパ上をすべることによつて磨耗することを防止するため、冷却ブロック表面には硬質クロムメッキ等の適当な皮膜を付けることが望ましい。

また、実施例ではねじの締結力を利用してテーパコマを移動させたが、移動方法はこれに限定されない。例えば、油圧あるいは空気圧シリンダによる駆動方法も有効である。

本発明による効果は次の通りである。
１ 冷却ブロックがハンドリングヘッド内壁に密着しているので、溶接部近傍の体積が増加、冷却速度を速くでき、投入された熱による温度分布の不均一化を低減できる。このため、溶接部の割れを防止すること、溶接変形を低減することができる。
２ 冷却ブロックにより溶接部近傍は内側から押し広げられているので、溶接時の温度分布の不均一化による変形を拘束し、溶接変形を防止できる。
３ 冷却ブロックをテーパコマのテーパ上をすべらせることによって冷却ブロックの外接円径を増減できるので、溶接冷やし金を組み立てた状態でハンドリングヘッド入口を通過させることができるとともに、溶接部近傍ヘの着脱が容易である。

本発明の溶接冷やし金の概念を表す図であり、ａ図は冷却ブロックがハンドリングヘッドに密着した状態を表し、ｂ図は冷却ブロックがハンドリングヘッドから離れた状態を表した図である。 本発明の溶接冷やし金の一実施例の構成を示す説明図であり、内部に凸部を有するハンドリングへッドに適した形状の溶接冷やし金である。 本発明の溶接冷やし金の別の実施例の構成を示す説明図であり、内部に凸部を有しないハンドリングヘッドに適した形状の溶接冷やし金である。 高速炉燃料集合体の外観を表す図である。

符号の説明

５…ラッパ管、
９…ハンドリングヘッド、
９ａ…内壁面、
９ｂ…凸部、
１０、２０、３０…溶接冷やし金、
１１、２１、３１…冷却ブロック、
１２、２２、３２…当接面、
１３、２３、３３…テーパ当接面、
１４、２４、３４…テーパコマ、
１５、２５、３５…テーパ面、
１６ …ネジ機構（テーパコマ移動手段）、
２６ …雄ネジ棒（テーパコマ移動手段）、
２７ …雌ネジ棒（テーパコマ移動手段）、
２８ …凹部、
２９ …スプリング、
３６…ネジ（テーパコマ移動手段）、
３７…冷却ブロック支持部材、
３８…摺動凹部、
３９…摺動凸部、

Claims (5)

1. 溶接対象の筒状部材の内壁面に配置される溶接冷やし金において、
   前記筒状部材の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記筒状部材の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロックと、
   個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマと、
   前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備えたことを特徴とする溶接冷やし金。
2. 高速炉用燃料集合体に用いられる正六角形状のラッパ管とハンドリングヘッドとの溶接の際に用いられる溶接冷やし金において、
   ハンドリングヘッド又はラッパ管の長手軸を中心とした径方向に各々可動な複数ブロックに分割され、各ブロックは前記ハンドリングヘッド又はラッパ管の内壁面に当接する当接面を備えた冷却ブロックと、
   個々の前記冷却ブロックの当接面に対向する中心側壁面に当接するテーパ面を備え、軸方向に移動させることにより中心側壁面を前記テーパ面上で摺動させて個々の当接面を内壁面に押付けるテーパコマと、
   前記テーパコマを軸方向に移動させるテーパコマ移動手段とを備えたことを特徴とする高速炉燃料集合体用溶接冷やし金。
3. 前記テーパコマ移動手段が、ねじ機構によるテーパコマの移動を含むことを特徴とする請求項２に記載の高速炉燃料集合体用溶接冷やし金。
4. 前記冷却ブロックが銅製であることを特徴とする請求項２又は３に記載の高速炉燃料集合体用溶接冷やし金。
5. 前記冷却ブロツク表面に硬質クロムを始めとする金属メッキ皮膜層が設けられていることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の高速炉燃料集合体用溶接冷やし金。
   

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