(57)【要約】【課題】最適な溶接条件によって被溶接部材を溶接することにより、組み付け精度不良を引き起こす溶接不良を防止するとともに、加工精度の高い原子炉制御棒の製造方法を提供する。【解決手段】原子炉制御棒のシース５とコマ６とを溶接する前に、前記シース５に形成されたコマ用孔８とこのコマ用孔８に挿入されたコマ６の溶接部位１２を溶接装置のヘッド９に取り付けられた撮像手段１０によって撮像し、この撮像された画像を画像処理することにより前記コマ用孔８の中心と前記コマ６の中心を検出し、次に前記コマ用孔８の中心と前記コマ６の中心とのずれ量を検出し、前記ずれ量に基づいて溶接の可否を判断し、次に前記溶接装置のヘッド９に取り付けられたハイトセンサー２０によって溶接装置のヘッド９から溶接部位１２までの溶接拒離を検出し、前記ヘッド９を上下動させることにより溶接拒離を最適値に調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉制御棒のシースとコマとを溶接する前に、前記シースに形成されたコマ用孔とこのコマ用孔に挿入されたコマの溶接部位を溶接装置のヘッドに取り付けられた撮像手段によって撮像し、この撮像された画像を画像処理することにより前記コマ用孔の中心と前記コマの中心を検出し、次に前記コマ用孔の中心と前記コマの中心とのずれ量を検出し、前記ずれ量に基づいて溶接の可否を判断し、次に前記溶接装置のヘッドに取り付けられたハイトセンサーによって溶接装置のヘッドから溶接部位までの溶接拒離を検出し、前記ヘッドを上下動させることにより溶接拒離を最適値に調整することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項２】
原子炉制御棒のタイロッドとシースを溶接する前に、タイロッドの先端部に形成された段差部と前記シースの溶接部位を溶接装置のヘッドに取り付けられた撮像手段によって撮像し、前記撮像された画像を画像処理することにより前記タイロッドの先端部の段差部と前記シースとの重なり位置を検出し、前記重なり位置と予め定められた溶接可能位置とを比較することにより溶接の可否を判断することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項３】
原子炉制御棒のタイロッドとシースを溶接する前に、タイロッドの先端部に形成された段差部と前記シースの溶接部位を溶接装置のヘッドに取り付けられた撮像手段によって撮像し、前記撮像された画像を画像処理することにより前記シースの端部と前記タイロッドの段差部の側面との間のギャップの幅を検出し、前記ギャップの幅から被溶接部の断面積を求め、この断面積に基づいて断面積が予め定められた設定範囲内の場合に溶接可と判断することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項４】
前記求められた断面積によって溶接条件を求め、前記溶接装置を制御することを特徴とする請求項３記載の原子炉制御棒の製造方法。
【請求項５】
前記ギャップに第１パス溶接をおこない、次に画像処理により前記第１パス目の溶接ビード幅を検出し、次に、前記ギャップの幅を前記溶接ビード幅で割ることにより施工溶接パス数を求めることを特徴とする請求項３記載の原子炉制御棒の製造方法。
【請求項６】
原子炉制御棒のタイロッドとシースを溶接する前に、溶接装置のヘッドに取り付けられたハイトセンサーによって前記溶接装置のヘッドと前記タイロッドの肩部及び底面との間の距離及び前記溶接装置のヘッドと前記シースとの間の距離を検出し、前記検出された距離と前記シースの厚みから前記シースとタイロッドの段差部の底面との間の高さ方向のギャップ量を求め、前記高さ方向のギャップ量に基づいてギャップ量が予め定められた設定範囲内の場合に溶接可と判断することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項７】
前記溶接装置のヘッドに取り付けられたハイトセンサーによって溶接装置のヘッドから溶接部位までの溶接拒離を検出し、前記ヘッドを上下動させることにより溶接拒離を最適値に調整することを特徴とする請求項２乃至６いずれか１項に記載の原子炉制御棒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理又はハイトセンサーを用いた原子炉制御棒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の出力を制御する原子炉制御棒の構造図を図１（ａ）に示す。制御棒の全長は約４．５ｍであり、十字形のブレード１と、このブレード１の上端部に取り付けられたハンドル２と、ブレード１の下端部に取り付けられた下部ブレード３から構成される。また、ブレード１は４枚一組としてタイロッド７、ハンドル２及び下部ブレード３に接合されている。
【０００３】
ブレード１は、図１（ｂ）に示すように中性子吸収材４と、これを収納するシース５と、中性子吸収材４とシース５の間に水が流れる空間を確保するために挿入されたコマ６とから構成されている。中性子吸収材４として、ハフニウム（Ｈｆ）または炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）が用いられている。なお、中性子吸収材としてＢ４Ｃを用いるタイプの制御棒にはコマは採用されていない。
【０００４】
制御棒は燃料集合体間に挿入・引抜されることにより出力を制御するため、製造時において高い加工精度が求められる。各構造材の接合方法として、ＴＩＣ溶接およびスポット溶接を用いているが、それぞれ入熱量が大きく、溶接による変形が大きくなる傾向がある。また、溶接速度が遅いため、生産性が低いという問題もある。
【０００５】
そこで、ＴＩＧ溶接やスポット溶接と比較すると入熱量が小さいレーザ溶接を用いること、及び画像処理により被溶接部の溶接開始・終了位置等の溶接条件を補正する方法等が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２９８８５号公報
【特許文献２】特開２００３−１８５７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の画像処理を用いた溶接方法では、被溶接部の溶接開始・終了位置を補正するだけで、被溶接部の位置、被溶接部材間の重なり位置及びギャップ量は考慮しておらず、また、被溶接部の高さが変化した場合も想定していない。そのため、従来の方法で制御棒のような大型かつ複雑形状である部材を高加工精度で製造する場合、溶接不良を防止することができず、各部品の組付け精度にバラツキが発生したり組込みミスが生じる問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、画像処理又はハイトセンサーを用いて被溶接部の位置、被溶接部材間の重なり位置、ギャップ量及び被溶接部の高さを検出することにより溶接条件を修正し、最適な溶接条件によって被溶接部材を溶接することにより、組み付け精度不良を引き起こす溶接不良を防止するとともに、加工精度の高い原子炉制御棒の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る原子炉制御棒の製造方法は、原子炉制御棒のシースとコマとを溶接する前に、前記シースに形成されたコマ用孔とこのコマ用孔に挿入されたコマの溶接部位を溶接装置のヘッドに取り付けられた撮像手段によって撮像し、この撮像された画像を画像処理することにより前記コマ用孔の中心と前記コマの中心を検出し、次に前記コマ用孔の中心と前記コマの中心とのずれ量を検出し、前記ずれ量に基づいて溶接の可否を判断し、次に前記溶接装置のヘッドに取り付けられたハイトセンサーによって溶接装置のヘッドから溶接部位までの溶接拒離を検出し、前記ヘッドを上下動させることにより溶接拒離を最適値に調整することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る原子炉制御棒の製造方法は、原子炉制御棒のタイロッドとシースを溶接する前に、タイロッドの先端部に形成された段差部と前記シースの溶接部位を溶接装置のヘッドに取り付けられた撮像手段によって撮像し、前記撮像された画像を画像処理することにより前記タイロッドの先端部の段差部と前記シースとの重なり位置を検出し、前記重なり位置と予め定められた溶接可能位置とを比較することにより溶接の可否を判断することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る原子炉制御棒の製造方法は、原子炉制御棒のタイロッドとシースを溶接する前に、タイロッドの先端部に形成された段差部と前記シースの溶接部位を溶接装置のヘッドに取り付けられた撮像手段によって撮像し、前記撮像された画像を画像処理することにより前記シースの端部と前記タイロッドの段差部の側面との間のギャップの幅を検出し、前記ギャップの幅から被溶接部の断面積を求め、この断面積に基づいて断面積が予め定められた設定範囲内の場合に溶接可と判断することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る原子炉制御棒の製造方法は、原子炉制御棒のタイロッドとシースを溶接する前に、溶接装置のヘッドに取り付けられたハイトセンサーによって前記溶接装置のヘッドと前記タイロッドの肩部及び底面との間の距離及び前記溶接装置のヘッドと前記シースとの間の距離を検出し、前記検出された距離と前記シースの厚みから前記シースとタイロッドの段差部の底面との間の高さ方向のギャップ量を求め、前記高さ方向のギャップ量に基づいてギャップ量が予め定められた設定範囲内の場合に溶接可と判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、画像処理又はハイトセンサーを用いて被溶接部の位置、被溶接部材間の重なり位置、ギャップ量及び被溶接部の高さを検出することにより溶接条件を修正し、最適な溶接条件によって被溶接部材を溶接することにより、組み付け精度不良を引き起こす溶接不良を防止するとともに、加工精度の高い原子炉制御棒の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は原子炉制御棒の構造図、（ｂ）はブレードの拡大断面図。
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係るシースとコマの溶接概要図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るシースとタイロッドの溶接概要図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係るシースとタイロッドの溶接概要図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るシースとタイロッドの溶接概要図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るシースとタイロッドの溶接概要図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係るシースとタイロッドの溶接概要図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係るシースとタイロッドの溶接概要図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る原子炉制御棒の製造方法の実施形態について図を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１実施形態を、図２を用いて説明する。図２に示すように本発明の第１の実施形態はシース５とコマ６との溶接に関する。
【００１７】
コマ６は、図２（ａ）に示すようにシース５に設けられたコマ用孔８にセットされ、ＣＣＤカメラ１０を搭載した溶接ヘッド９によりシース５に溶接される。
【００１８】
溶接前に溶接ヘッド９に取り付けられたＣＣＤカメラ１０はコマ用孔８にセットされたコマ６とシース５の溶接部位１２を撮像する。図２（ｂ）はＣＣＤカメラ１０にて撮像された画像（イメージ）の例である。この画像は画像処理装置（図示せず）により画像処理されコマ用孔８の中心とコマ６の中心を認識する。また、コマ６の中心の認識には、あらかじめコマ６の中心に加工されたセンター孔１１を用いてもよい。この認識結果よりシース５に設けられたコマ用孔８の中心を基準として、この基準とコマ６の中心のずれ量を検出する。ずれ量が設定範囲内の場合は溶接可と判断する。一方、設定範囲から外れている場合は溶接不可と判断する。
【００１９】
また、シース５の板厚は製品によって異なり、また、ブレード１のたわみ等により、溶接ヘッド９の先端から溶接箇所までの溶接距離２３も異なる。そこで、溶接可能と判断された場合には、溶接装置ヘッド９に取り付けたハイトセンサー２０により、溶接前に溶接ヘッド９の先端からコマ６とシース５の溶接部位までの溶接距離２３を検出する。溶接距離２３を検出した後、溶接ヘッド９を上下動させることにより、溶接距離２３を最適値に調整したうえで溶接を行う。
【００２０】
本第１の実施形態によれば、溶接前にコマ用孔８の中心とコマ６の中心のずれ量を検出し被溶接部の溶接可否を判断することにより、また、ハイトセンサーによって溶接拒離を検出調整することにより、最適な溶接条件によって被溶接部材を溶接することが可能となるので、溶接不良の発生を防止することができるとともに、加工精度の高い原子炉制御棒を製造することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を、図３及び図４を用いて説明する。図３に示すように本発明の第２の実施形態はシース５とタイロッド７との溶接に関する。
【００２２】
図３にブレード１を構成するシース５とタイロッド７の溶接部位１２を示す。図４に示すように断面十字型形状のタイロッド７には各辺先端部にシース５を固定するための段差部１３を備えているが、図４（ａ）、（ｂ）はシース５の先端部１４がタイロッド７の段差部１３に正常にセットされていない状態、すなわち図４（ａ）のようにシース５の先端部１４がタイロッド７の段差部１３の肩１５の上に載っている状態、また、図４（ｂ）のようにシース５の先端部１４がタイロッド７の段差部１３に少なくとも一部しか接触していない状態を示している。一方、図４（ｃ）はシース５の先端部１４がタイロッド７の段差部１３に正常にセットされている状態を示している。
【００２３】
この段差部１３にシース５の先端部１４を組込んで溶接する際、図４（ａ）、（ｂ）のような状態で溶接を行うと組付け不良を起因とした溶接不良が生じる。
【００２４】
そこで、溶接ヘッド９に取り付けられたＣＣＤカメラ１０を用いて、溶接前にタイロッド７とシース５の溶接部位１２を撮像し画像処理によってタイロッド7に対するシース５の重なり位置、すなわち段差部１３と先端部１４のギャップ幅Ｃ、またはギャップ幅Ｃに相当する画素数を検出する。この検出結果と予め定められた溶接可能位置とを比較することにより、図４（ｃ）に示すようにシース５の先端部１４がタイロッド７の段差部１３に正常に組込まれている状態のみ、すなわちギャップ幅Ｃから予め定められた範囲の値を溶接可能と判断し、その範囲の値以外は溶接不可と判断する。
【００２５】
本第２の実施形態によれば、溶接前にタイロッド７に対するシース５の重なり位置を検出し被溶接部の溶接可否を判断することにより、溶接不良の発生を防止することができるので、加工精度の高い沸騰水型原子炉に使用される原子炉制御棒の製造方法を提供することができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態を、図５を用いて説明する。本発明の第３の実施形態は第２の実施形態と同様にシース５とタイロッド７との溶接に関する。
【００２７】
第２の実施形態で説明したように、画像処理によってタイロッド７に対するシース５の重なり位置を検出し図４（ｃ）の状態、すなわちシース５の先端部１４がタイロッド７の段差部１３に組み込まれている状態のみ溶接可能と判断した。
【００２８】
図５はシース５とタイロッド７の溶接部位１２の断面図である。図５に示すようにシース５の先端部１４とタイロッド７の段差部１３の間に生じるギャップの幅１６は全て同一幅ではなく、組立て毎に異なるため、ギャップの幅１６に応じて溶接ビード量等の溶接条件を変化させなければならない。
【００２９】
そこで、溶接前に溶接ヘッド９に取り付けられたＣＣＤカメラ１０を用いて、タイロッド７とシース５の溶接部位１２を撮像し画像処理によって、シース５の先端部１４と段差部１３の側面との間のギャップの幅１６を検出する。
【００３０】
次に、タイロッド７の段差高さ１７をＡ（mm  機械加工後寸法）、シース５の板厚１８をＢ（mm  機械加工後寸法）、ギャップの幅１６をＣ（mm  画像処理にて検出）とした時、下記の式（１）にて被溶接部の断面積Ｄ（mm2）を求める。この断面積Ｄに基づいて予め定められた断面積の範囲の場合のみ溶接可と判断する。そして、この求めた断面積に応じて溶接時に供給するワイヤー量の調整、溶接範囲の調整等、最適な溶接条件に自動的に変更する。
Ｄ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ÷２            （１）
【００３１】
本第３の実施形態によれば、溶接前にシース５の先端部１４とタイロッド７の段差部１３間のギャップ幅１６を検出し溶接範囲及び溶接ワイヤーの供給量、供給速度、溶接入熱量、レーザ出力等の溶接条件を自動的に選択し被溶接部を適正溶接条件で施工することにより溶接不良の発生を防止でき、かつ最適な溶接ビード量および余盛り高さで溶接することができるので、生産性および溶接品質を向上させることができるとともに加工精度の高い沸騰水型原子炉に使用される原子炉制御棒を製造することができる。
【００３２】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態を、図６を用いて説明する。本発明の第４の実施形態は第２及び第３の実施形態と同様にシース５とタイロッド７との溶接に関するが、特に、溶接パス数の最適化に関する。
【００３３】
第３の実施形態で説明したように、溶接前に溶接ヘッド９に取り付けられたＣＣＤカメラ１０を用いて、タイロッド７とシース５の溶接部位１２を撮像し画像処理によってギャップの幅１６を検出する。ギャップの幅１６の検出後、シース５とタイロッド７の溶接を行うが、溶接方法として図６に示すように適正な溶融形状を得るためにシース５の角部から予め設定した範囲で１パス溶接２４を行う。１パス溶接２４の後、ＣＣＤカメラ１０を用いて溶接ビードを撮像し、画像処理装置によって１パス目の溶接ビード幅１９を検出する。
【００３４】
タイロッド７とシース５のギャップの幅１６をＥ（mm  画像処理にて検出）、１パス目の溶接ビード幅１９をＦ（mm  画像処理にて検出）、２パス目以降における溶接ビードのラップ率を２０％とした時、下記の式（２）にて施工溶接パス数Ｈを求める。
Ｈ＞Ｅ÷（（１−０．２）×Ｆ）              （２）
（施工溶接パス数については小数点以下四捨五入）
その後、適正な溶接ワイヤー供給量となる溶接条件を選択した後、求めたパス数分の溶接を行う。
【００３５】
本第４の実施形態によれば、溶接前にシース５の先端部とタイロッド７の段差部１３間のギャップ幅１６を求め、１パス溶接２４の後、溶接ビード幅を検出することによって施工溶接パス数を決定し、適正パス数での溶接をすることにより、溶接不良の発生を防止でき、かつ最適な溶接ビード量および余盛り高さで溶接することができるため、生産性および溶接品質を向上させることができるとともに加工精度の高い沸騰水型原子炉に使用する原子炉制御棒を製造することができる。
【００３６】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態を、図７を用いて説明する。本発明の第５の実施形態は第２乃至第４の実施形態と同様にシース５とタイロッド７との溶接に関する。
【００３７】
第３の実施形態で説明したように、溶接前に溶接ヘッド９に取り付けられたＣＣＤカメラ１０を用いて、タイロッド７とシース５の溶接部位１２を撮像し画像処理によってギャップの幅１６を検出する。
【００３８】
しかしながら、図７に示すようにタイロッド７の段差部１３にシース５の先端部１４をはめ込んだ際、シース５の内周面とタイロッド７の段差部１３底面との間には高さ方向のギャップ２１が発生する可能性がある。
【００３９】
そこで、溶接前に溶接装置ヘッド９に取り付けられたハイトセンサー２０により、溶接装置ヘッド９とシース５の外面及びタイロッド７の肩１５、底面との間の拒離をそれぞれ測定する。この測定結果に基づいて求められたタイロッド７の段差高さ１７をＡ（mm  機械加工後寸法）、シース５の板厚１８をＢ（mm  機械加工後寸法）、シース５からタイロッド７の肩１５までの距離２２をＧ（mm  ハイトセンサーにて検出）とした時、下記の式（３）にて高さ方向のギャップ２１（Ｉ）を下記の式（３）で求める。
Ｉ=Ｇ+Ａ−Ｂ            （３）
このギャップ２１が設定範囲内の場合は溶接可と判断し、設定範囲から外れている場合は溶接不可と判断する。
【００４０】
本第５の実施形態によれば、溶接前にタイロッド７とシース５の高さ方向のギャップ２１（Ｉ）を検出し、被溶接部の溶接可否を判断することにより溶接不良の発生をさらに防止することができるため、生産性および溶接品質を向上させることができるとともに加工精度の高い沸騰水型原子炉に使用する原子炉制御棒を製造することができる。
【００４１】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態を、図８を用いて説明する。  
図８はシース５とタイロッド７との溶接部位１２（図３）の断面図である。シース5の板厚は製品によって異なり、また、ブレードおよびタイロッドのたわみ、冶具の組立精度、動作機構の位置決め精度、溶接変形などにより、溶接ヘッド９先端から溶接箇所までの距離、すなわち溶接距離も異なる。
【００４２】
そこで溶接装置ヘッド９に取り付けたハイトセンサー２０により、溶接前に溶接ヘッド９先端からタイロッド７とシース５の溶接部位までの溶接距離２３を検出する。溶接距離２３を検出した後、溶接ヘッド９を上下に移動させることにより、溶接距離２３を最適値に調整したうえで溶接を行う。
【００４３】
本第６の実施形態によれば、溶接前に溶接ヘッ９先端から溶接部位までの溶接距離を検出し溶接距離を最適値に調整した溶接施工を行うことにより溶接不良の発生を防止することができるため、生産性および溶接品質を向上させることができるとともに加工精度の高い沸騰水型原子炉に使用する原子炉制御棒を製造することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…ブレード、２…ハンドル、３…下部ブレード、４…中性子吸収材、５…シース、６…コマ、７…タイロッド、８…コマ用孔、９…溶接ヘッド、１０…ＣＣＤカメラ、１１…センター孔、１２…溶接部位、１３…段差部、１４…シースの先端部、１５…肩、１６…ギャップ、１７…段差高さ、１８…板厚、１９…溶接ビード幅、２０…ハイトセンサー、２１…ギャップ、２２…距離、２３…溶接距離、２４…第１溶接パス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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