(57)【要約】【課題】被覆管と端栓とをレーザ溶接するに際し、その溶接部へのポロシティの発生を抑制することができ、十分な耐圧強度を確保することができる中性子吸収棒及び端栓溶接方法並びに溶接装置を提供する。【解決手段】中空の被覆管６と、この被覆管６に充填された中性子吸収材７と、被覆管６の開口した両端部に嵌合された端栓８と、この端栓８と被覆管６との嵌合周部３７の全周に亘って形成され、そのビード幅Ｗが被覆管６の肉厚ｔの１．５倍〜２．２倍、溶け込み深さＨが肉厚ｔの１．１倍〜１．５倍の溶け込み形状を有する溶接部９とを備えた中性子吸収棒を提供する。【選択図】  図５
2004340874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の被覆管と、
この被覆管に充填された中性子吸収材と、
前記被覆管の開口した両端部に嵌合された端栓と、
この端栓と前記被覆管との嵌合周部の全周に亘って形成され、そのビード幅が前記被覆管の肉厚の１．５倍〜２．２倍、溶け込み深さが前記肉厚の１．１倍〜１．５倍の溶け込み形状を有する溶接部と
を備えたことを特徴とする中性子吸収棒。
【請求項２】
中空の被覆管の開口端部に端栓を嵌合する手順と、
溶接線を為す前記被覆管と前記端栓との嵌合周部の全周を、窒素ガスを噴き付けつつ、レーザ溶接する手順と
を有することを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項３】
中空の被覆管の開口端部に端栓を嵌合する手順と、
前記端栓を嵌合した前記被覆管を、レーザ溶接装置に設けた治具に固定する手順と、
前記レーザ溶接装置によるレーザ出力を、前記被覆管の外径に応じて予め較正した範囲内の値に設定する手順と、
溶接線を為す前記被覆管と前記端栓との嵌合周部の全周を、窒素ガスを噴き付けつつ、前記設定したレーザ出力でレーザ溶接する手順と
を有することを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項４】
外径約５．６ｍｍ又は外径約４．８ｍｍの中空の被覆管の開口端部に、対応する端栓を嵌合する手順と、
前記端栓を嵌合した前記被覆管を、レーザ溶接装置に設けた治具に固定する手順と、
前記レーザ溶接装置によるレーザ出力を、前記被覆管が外径約５．６ｍｍの場合１２００〜１３００Ｗに、外径約４．８ｍｍの場合１１００〜１２００Ｗに設定する手順と、
溶接線を為す前記被覆管と前記端栓との嵌合周部の全周を、窒素ガスを噴き付けつつ、前記設定したレーザ出力でレーザ溶接する手順と
を有することを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項５】
外径約５．６ｍｍ又は外径約４．８ｍｍの中空の被覆管の開口端部に、対応する端栓を嵌合する手順と、
前記端栓を嵌合した前記被覆管を、レーザ溶接装置に設けた治具に固定する手順と、
前記レーザ溶接装置により照射されるレーザ光の焦点位置を、前記被覆管と前記端栓との嵌合周部表面付近に合わせる手順と、
前記レーザ光のレーザ出力を、前記被覆管が外径約５．６ｍｍの場合１２００〜１３００Ｗに、外径約４．８ｍｍの場合１１００〜１２００Ｗに設定する手順と、
溶接線を為す前記嵌合周部の全周を、窒素ガスを噴き付けつつ、前記設定したレーザ出力でレーザ溶接する手順と
を有することを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項６】
請求項２記載の端栓溶接方法において、前記レーザ溶接する手順では、一周目は一定値を保ち、それ以降は、その一定値からスロープダウンするよう設定したレーザ出力で、前記嵌合周部を連続的に複数周回レーザ溶接することを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項７】
請求項２記載の端栓溶接方法において、前記レーザ溶接する手順では、レーザ光を照射する加工ヘッドを静止させ、その加工ヘッドに相対し前記嵌合周部を自転させることを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項８】
請求項２記載の端栓溶接方法において、前記レーザ溶接する手順では、前記嵌合周部表面に対し、レーザ光をほぼ垂直方向から照射することを特徴とする端栓溶接方法。
【請求項９】
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
このレーザ発振器からのレーザ光を伝送するレーザ伝送手段と、
このレーザ伝送手段により伝送したレーザ光を、被覆管及びこれに嵌合した端栓の嵌合周部に照射する加工ヘッドと、
この加工ヘッドから照射される前記レーザ光とこのレーザ光によって前記嵌合周部に形成された溶融池とを覆うことにより、溶接雰囲気中への空気の侵入を防止する窒素ガスを噴き付けるノズルと
を備えたことを特徴とする溶接装置。
【請求項１０】
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
このレーザ発振器からのレーザ光を伝送するレーザ伝送手段と、
このレーザ伝送手段により伝送されたレーザ光を、被覆管及びこれに嵌合した端栓の嵌合周部に対しほぼ垂直に照射する加工ヘッドと、
この加工ヘッドから照射される前記レーザ光とこのレーザ光によって前記嵌合周部に形成された溶融池とを覆うことにより、溶接雰囲気中への空気の侵入を防止する窒素ガスを噴き付けるノズルと、
排気開口を有するとともに、少なくとも前記溶接雰囲気を覆うカバー体と
を備えたことを特徴とする溶接装置。
【請求項１１】
請求項９記載の溶接装置において、前記レーザ光の焦点位置をその光軸方向に調整する焦点位置調整手段を備えたことを特徴とする溶接装置。
【請求項１２】
請求項９記載の溶接装置において、前記被覆管を把持し、この把持した被覆管を自転させる治具を備えたことを特徴とする溶接装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の溶接装置において、前記治具は、把持した前記被覆管を、その軸線方向に移動させる機能を有することを特徴とする溶接装置。
【請求項１４】
請求項９記載の溶接装置において、前記加工ヘッドの位置を、前記嵌合周部の中心線方向又は接線方向の少なくとも一方に調整可能なヘッド位置調整手段を備えたことを特徴とする溶接装置。
【請求項１５】
請求項２乃至１４のいずれかに記載の端栓溶接方法又は溶接装置を用い、前記嵌合周部の全周に亘り、ビード幅が前記被覆管の肉厚の１．５倍〜２．２倍、溶け込み深さが前記肉厚の１．１倍〜１．５倍の溶け込み形状を有する溶接部が形成されていることを特徴とする中性子吸収棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に用いる中性子吸収棒及びその端栓溶接方法並びに溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉心に配備される制御棒は、一般に、十字型のタイロッドに４枚取付けた各シースの内部に、それぞれ複数の中性子吸収棒を装荷して構成されている。この制御棒に装荷する中性子吸収棒は、通常、中空で両端が開口した被覆管に中性子吸収材（例えば、炭化ホウ素：Ｂ４Ｃ）やヘリウムガス等を充填したもので、その製造工程において、最終的に被覆管の両端部は端栓を溶接することにより密封される。
【０００３】
従来から、こうした中性子吸収棒の端栓溶接には、ＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接等が用いられているが、温度や湿度等の環境による影響を受け易く、またアーク長を一定に保つことも難しいことから溶接品質が安定せず、また十分な溶け込み深さを得ようとすると入熱量が過大になり、端栓の端面の溶け落ち等といった不具合が発生することがあった。それに対し、中性子吸収棒の端栓を溶接するものではないが、これに類似した技術として、入熱量が少ないＹＡＧレーザ溶接を用いた燃料棒の端栓溶接方法がある（例えば、特許文献１等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３９３８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
他の溶接手法でもほぼ同様であるが、ＹＡＧレーザ溶接を含めたいわゆるレーザ溶接においても、溶接中、溶接部の酸化防止等を目的として溶接箇所にシールドガスを噴き付けるのが通常であり、例えば、上記特許文献１の記載技術においては、シールドガスとして不活性ガスを用いている（ＹＡＧレーザ溶接においては、一般にアルゴンガスやヘリウムアシストガスをシールドガスに用いる）。そのため、高圧で噴き付けられるシールドガスが急冷する溶融池内に深く入り込み、気泡が残存したまま溶融金属が硬化してしまうことから、溶接部にはいわゆるポロシティ等といった不具合が発生し易い。中性子吸収棒においては、その温度環境等によって充填したヘリウムガスの内圧が変動するので、十分な耐圧強度を確保し信頼性の高いものとするためには、端栓溶接部におけるポロシティの発生を極力防止しなければばらない。
【０００６】
本発明は、被覆管と端栓とをレーザ溶接するに際し、その溶接部へのポロシティの発生を抑制することができ、十分な耐圧強度を確保することができる中性子吸収棒及び端栓溶接方法並びに溶接装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、被覆管及び端栓の嵌合周部の全周を、窒素ガスを噴き付けながらレーザ溶接することにより、ビード幅が被覆管の肉厚の１．５倍〜２．２倍、溶け込み深さが被覆管の肉厚の１．１倍〜１．５倍の溶接部を嵌合周部の全周に亘って形成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の中性子吸収棒を用いた沸騰水型原子炉用制御棒の構造を表す一部破断斜視図、図２は図１中Ａ−Ａ断面による水平横断面図である。
図１及び図２において、制御棒１は、沸騰水型原子炉炉心の各セルにおいて、図示しない複数（例えば４つ）の燃料集合体の間隙部分に配置され、燃料集合体間の間隙を上下動するものであり、中性子吸収材（例えばＢ４Ｃ）を充填した複数の中性子吸収棒２を一列に配置し、これらをシース３内に収容している。シース３は、制御棒１の中央部を貫通する十字型のタイロッド４に溶接されており、また、制御棒１の先端部には、制御棒１を炉外に取り出すためのハンドル５が取り付けてある。
【０００９】
図３は中性子吸収棒２の側断面図、図４は中性子吸収棒２の端部を拡大して表す図３中のＸ矢視による矢視図、図５は図４中のＢ−Ｂ断面による断面図である。
これら図３乃至図５において、中性子吸収棒２は、例えばステンレス鋼管製の細長い中空の被覆管６と、この被覆管６に充填された中性子吸収材７と、被覆管６の開口した両端部に嵌合された端栓８と、これら端栓８と被覆管６との嵌合周部の全周に亘って形成され、そのビード幅Ｗが被覆管６の肉厚ｔの１．５倍〜２．２倍、溶け込み深さＨが被覆管６の肉厚ｔの１．１倍〜１．５倍の溶け込み形状を有する溶接部９とを備えている。
【００１０】
中性子吸収材７は、本実施形態ではＢ４Ｃの粉末としたが、例えばカドミウム等に代えても良く、特にＢ４Ｃに限られず、中性子を吸収し易い中性子吸収物質であれば足りる。また、被覆管６中において、この中性子吸収材７の間隙には、Ｈｅガス（ヘリウムガス）が充填してある。被覆管６の内部は、例えばステンレス鋼製の複数（本例では９個）の鋼球１０によって上下方向（図３では左右方向）に複数（本例では１０）の領域に区画されており、場合によっては、これら鋼球１０により仕切られた各領域毎に異なる種類の中性子吸収材７を充填することも可能である。
【００１１】
上記被覆管６は、その両端部に、絞り加工（スエジング）を施して小径部６ａを形成しており、この小径部６ａ近傍には、スチールウール１１が挿入してある。そして、この小径部６ａには、上記の如き溶け込み形状の溶接部９が形成されるよう、嵌合させた上記端栓８が溶接してある。これにより、中性子吸収材７、鋼球１０、及び中性子吸収材７の間隙に充填されたＨｅガスが、被覆管６内に封詰されている。また、中性子吸収棒２は実際には原子炉内に縦向きに配備されるが、稼働中に中性子吸収材７が被覆管６の片側へ沈降することを防止するため、被覆管６には、鋼球１０の挿入位置の両側部分表面に、凹状のディンプリング６ｂを点加工してある。なお、被覆管６の外径寸法は、規格により、外径約５．６ｍｍのものと、外径約４．８ｍｍのものとが存在する。
【００１２】
図６は、中性子吸収棒２の製造工程を概略的に表すフローチャートであり、続いてこの図６を用いて中性子吸収棒２の製造工程について説明すると、まず、工程Ｓ１で被覆管６の長手方向ほぼ中央位置にディンプリング６ｂ（センターディンプリング）を形成する。続いて工程Ｓ２に移り、被覆管６をほぼ垂直に立てた状態で上部側から被覆管６に鋼球１０を挿入し、センターディンプリング６ｂによって支持された鋼球１０を被覆管６ごと振動させつつ、更に被覆管６の上部側から中性子吸収材７を適量充填する。この工程Ｓ２では、以上の鋼球１０の挿入及び中性子吸収材７の充填をさらに４回繰り返し行い、被覆管６の片側（立てた状態で上側）半分に、中性子吸収材７が鋼球１０によって５つの領域に区切られた状態で充填される。
【００１３】
次に、工程Ｓ３では、中性子吸収材７が充填された側の被覆管６の端部に、スチールウール１１を挿入し、工程Ｓ４に移って、スチールウール１１が挿入された側の被覆管６端部にスエジング加工を施して小径部６ａを形成する。そして、工程Ｓ５において、スチールウール１１を挿入した開口端部（小径部６ａ）に、被覆管６の外径（約４．８ｍｍ又は約５．６ｍｍ）に応じたサイズの端栓８を嵌合し、被覆管６と端栓８との嵌合周部の全周をレーザ溶接する（詳細は後述）。
【００１４】
工程Ｓ６では、中性子吸収材７を充填し終わった方を下にして被覆管６をほぼ垂直に立て、再び振動させつつ適量の中性子吸収材７を充填する。その後の工程Ｓ７では、先の工程Ｓ２と同じ要領で、鋼球１０の挿入、中性子吸収材７の充填を４回繰り返し行い、被覆管６の内部に、９つの鋼球１０によって合計１０領域に区切られた状態で中性子吸収材７を充填する。工程Ｓ８に移り、スチールウール１１を挿入した上で、工程Ｓ９にて被覆管６端部にスエジング加工を施して小径部６ａを形成し、工程Ｓ１０で充填した中性子吸収材７の隙間にＨｅガスを充填する。その後、工程Ｓ１１に移り、先の工程Ｓ５と同じ要領で小径部６ａに端栓８を嵌合しレーザ溶接する（詳細は後述）。最後に、工程Ｓ１２において、被覆管６表面における各鋼球１０の両側位置にディンプリング６ｂを形成し、中性子吸収棒２を完成させる。
【００１５】
本願発明者等は、上記工程Ｓ５，Ｓ１１における端栓溶接において、まず溶接部の溶け込み形状と中性子吸収棒の信頼性との相関関係について種々試験し、上記溶接部９の溶け込み深さＨの適正範囲について検討した結果、図７（ａ）に示すように、溶け込み深さＨが被覆管６の肉厚の１．１倍（１．１ｔ）以下であると溶け込み量が不足して十分な強度が得られず、図７（ｂ）のように、１．５倍（１．５ｔ）以上であると溶接部９へのポロシティの発生率が増大し、これらの場合に十分な耐圧強度が得られないことを見出した。
【００１６】
一方、原子炉用の中性子吸収棒における端栓の全周溶接部、すなわち上記溶接部９のビード幅Ｗについては、被覆管６の肉厚ｔの１．５倍（１．５ｔ）以下であると（図７（ａ）参照）、溶け込み不良が生じ耐圧強度が不十分となる。また、中性子吸収棒を挿入するシース２（図１参照）と被覆管６の長さの制約から、端栓８の長手寸法は制限され、図７（ｂ）のように溶接部９のビード幅Ｗが被覆管６の肉厚ｔの２．２倍（２．２ｔ）以上になると、端栓８の端面に溶け落ち９ａが発生したり材質変化が生じたりする。
【００１７】
以上の検討を基に、本願発明者等は、前述の如く被覆管６と端栓８との嵌合周部を溶着する溶接部９の溶け込み形状を、被覆管６の肉厚をｔとしたとき、ビード幅Ｗが１．５ｔ〜２．２ｔ、溶け込み深さＨが１．１ｔ〜１．５ｔとすることで、被覆管６と端栓８との嵌合周部に、溶け込み不良がなく、しかもポロシティの発生率を低減させることができ、耐圧強度の向上した高品質な中性子吸収棒を提供し得ることを知見した。
【００１８】
しかしながら、上記溶け込み形状の溶接部９を、従来から用いられてきたＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接やプラズマアーク溶接といった入熱量の大きな手法で実現することは難しい。例えば、ＴＩＧ溶接を例に挙げると、タングステン電極と母材との間に生じるアークのエネルギー密度が低いため、材料（被覆管６及び端栓８）を瞬時に溶融させることができず、溶け込みが浅くなる。適正な溶け込み深さ（１．１ｔ〜１．５ｔ）を確保するために長時間熱を加えると、余剰の熱が横方向に広がり、得られるビード幅が１．５ｔを超えてしまう。また、従来のＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接等の技術的課題として、温度や湿度の周囲環境からの影響を受け易く、外乱による電圧変化等によりアーク長を一定に保てない場合もままあり、溶接手法そのものを見直す必要も生じてきている。
【００１９】
それに対し、レーザ溶接は、エネルギー密度の高いレーザ光を小さなスポットに集中照射することにより、熱が拡散し難く、少ない入熱量で溶け込みの深い溶接が可能である。また、レーザ出力やレーザの集光状態を一定とすれば、電圧や電流の変化による溶接品質への影響もなく、入熱量も安定する。そこで、本願発明者等は、レーザ溶接を用いて被覆管６及び端栓８を接合し、ビード幅が１．５ｔ〜２．２ｔ、溶け込み深さが１．１ｔ〜１．５ｔの溶接部９を得るための溶接条件を見出すべく、ＹＡＧレーザ溶接において種々条件下で被覆管６及び端栓８の溶接試験を実施した。この溶接試験の概要を以下に説明する。
【００２０】
図８は、本溶接試験に用いたＹＡＧ溶接装置の概略構造を表す斜視図である。
この図８に示した溶接装置（ＹＡＧ溶接装置）２０は、本発明の溶接装置の一実施の形態を構成するもので、レーザ光（ＹＡＧレーザ光）２１を発振するレーザ発振器（ＹＡＧレーザ発振器）２２と、このレーザ発振器２２からのレーザ光２１を伝送するレーザ伝送手段としての光ファイバ２３と、この光ファイバ２３により伝送されたレーザ光２１を、被覆管６及び端栓８の嵌合周部に対しほぼ垂直に照射する加工ヘッド２４と、レーザ光２１とこのレーザ光２１によって被覆管６及び端栓８の嵌合周部に形成された溶融池とを覆い、溶接雰囲気中への空気の侵入を防止する窒素ガス（シールドガス）２５を噴き付けるノズル２６と、排気開口２７を有し、少なくとも溶接雰囲気を覆うカバー体２８とを備えている。なお、窒素ガス２５の噴射ノズルは、レーザ光２１の側方から窒素ガス２５を噴き付けるノズル２６だけでなく、加工ヘッド２４の先端部にも設けられており、この加工ヘッド２４の先端に設けたノズルからレーザ光２１を覆うように窒素ガスが噴射される。
【００２１】
上記カバー体２８は、ベース２９上に治具３０とともに固定されている。この溶接装置２０に設けた治具３０は、被覆管６をエアチャック等で把持し、把持した被覆管６を図示しない駆動モータ等によって軸心周りに回転（自転）させるとともに、また、それ自体は被覆管６の軸線方向に進退可能な構成であって、把持した被覆管６をその軸線方向に移動させる機能も有する。治具３０とカバー体２８とは、ベローズ３１を介して接続しており、治具３０に把持された被覆管６は、このベローズ３１を介し、端栓８との嵌合周部が加工ヘッド２４の直下に位置するよう、カバー体２８内に挿入される。
【００２２】
加工ヘッド２４は、水平スライダ３２に固定された支持部材３３に摺動可能に支持され、支持部材３３にガイドされる形で、図示しない駆動装置によって被覆管６の幅方向（言い換えれば嵌合周部の接線方向、すなわち矢印アの方向）に移動可能である。また水平スライダ３２自体も、垂直スライダ３４に固定されたレール３５に摺動可能に支持され、内蔵した駆動装置（図示せず）によってレール３５に沿って被覆管６の軸方向（言い換えれば嵌合周部の中心線方向、すなわち矢印ウの方向）に移動可能な構成となっている。こうした構成により、加工ヘッド２４の位置を、嵌合周部の接線方向及び中心線方向に調整可能としている。
【００２３】
また、上記垂直スライダ３４は、ベース２９に立設した支持棒３６に摺動可能に支持され、内蔵の駆動装置（図示せず）により支持棒３６に沿って上下方向（矢印イの方向）に移動可能な構成となっており、レーザ光の焦点位置をレーザ光光軸方向に調整する焦点位置調整手段としても機能する。加工ヘッド２４は、これら支持構造によって図８中の矢印ア〜ウの３方向に位置調整が可能となっており、その先端部が、カバー体２８上面に設けた上記排気開口２７を介し、カバー体２８内へ挿入されている。
【００２４】
また、この図８では特に図示していないが、ＹＡＧレーザ溶接装置２０には、制御装置を介し操作盤が接続しており、制御装置によって、操作盤からの操作信号に応じた指令信号が対応機器に出力されるようになっている。これにより、操作者は、操作盤において所定の操作を行うことにより対応の駆動装置を駆動させ、加工ヘッドを図８中の矢印ア方向、矢印イ方向、矢印ウ方向に移動させたり、レーザ発振器２２によるレーザ出力を調整したり、また、治具３０による被覆管６の位置や回転数を調整したりできるようになっている。
【００２５】
以上の構成の溶接装置２０を用い、操作者は、以下の手順で先の図６の工程Ｓ５，Ｓ１１における端栓８の溶接を行う。
図９は、当該端栓溶接工程における設定レーザ出力の時間変化を表わす図であり、まず操作者は、操作盤を適宜操作し、被覆管６の外径に応じて予め較正した範囲内の値に、ＹＡＧレーザ出力及び治具３０の回転数を設定する。ＹＡＧレーザ出力は、図９に示すように、出力開始から０．３秒の間は一定出力値で、その後の１秒間は一定出力値から出力ゼロまで直線的にスロープダウンするよう設定する。一定出力値は、被覆管６の外径が約５．６ｍｍの場合は１２００Ｗ〜１３００Ｗの間の値、被覆管６の外径が約４．８ｍｍの場合は１１００Ｗ〜１２００Ｗの間の値とする。また、治具３０による被覆管６の回転数は、ＹＡＧレーザ出力が一定の０．３秒間に被覆管６を一回転させるように設定する。本例では、治具３０に内蔵したモータの回転数を、被覆管６の外径が約５．６ｍｍの場合は２００ｒｐｍ、被覆管６の外径約４．８ｍｍの場合は２５０ｒｐｍとした。
【００２６】
図１０は上記ＹＡＧレーザ溶接装置２０による被覆管６と端栓８との溶接部付近を拡大して表した斜視図である。
上記のようにレーザ出力と回転数を設定したら、この図１０において、操作盤を適宜操作して治具３０を被覆管６の軸方向に移動させることにより、図８中のカバー体２８内に挿入された、溶接線を為す被覆管６と端栓８との嵌合周部３７を被覆管６の軸方向（図１０中矢印エの方向）に移動させ、レーザ光２１の光軸２１ａの被覆管６に対する軸方向位置（狙い位置）を調節する。このときの狙い位置は、光軸２１ａの嵌合周部３７から端栓８側（図１０中左側）へのずれ量を（−）側に、被覆管６側（図１０中右側）へのずれ量を（＋）側にとったとき、被覆管６の外径が約５．６ｍｍの場合は、−０．３ｍｍ〜０．３ｍｍ、被覆管６の外径が約４．８ｍｍの場合は、−０．１ｍｍ〜０．２ｍｍとなるように調節する。また、この際、操作盤を適宜操作し、光軸２１ａと被覆管６の中心軸（回転中心）とが重なるよう、加工ヘッド２４の位置を図８中矢印アの方向に移動させ調節する。
以上の被覆管６及び加工ヘッド２４の位置調節が終了したら、治具３０（図８参照）によって被覆管６を回転させ、嵌合周部３７の回転ぶれがないことを確認する。
【００２７】
次に、操作者は、操作盤を適宜操作し、上記垂直スライダ３４を駆動させ、加工ヘッド２４をＹＡＧレーザ光２１の光軸２１ａの方向（矢印イの方向）に移動させることにより、レーザ光２１の焦点２１ｂの位置（焦点深さ）を、嵌合周部３７の表面近傍位置に調節する。このときの焦点深さは、嵌合周部３７の表面から被覆管６の外側方向（図１０中上方向）への焦点２１ｂのずれ量を（−）側、内側方向（図１０中下方向）へのずれ量を（＋）側にとる場合、被覆管６の外径が約４．８ｍｍ、約５．６ｍｍの場合のいずれも、−０．５ｍｍ〜０．５ｍｍとなるように調節する。
【００２８】
焦点位置の調節が完了したら、レーザ光２１を照射する加工ヘッド２４を静止させ、その加工ヘッド２４に相対して被覆管６を自転させてレーザ溶接を開始する。この際、まず操作者は、操作盤を適宜操作し、治具３０（図８参照）に内蔵したモータを駆動させ嵌合周部３７を自転させた状態で、ガスノズル２６及び加工ヘッド２４の先端部からシールドガス（Ｎ２ガス）を流量３０Ｌ／ｍｉｎ以上で噴き付けつつ、ＹＡＧレーザ光２１を出力させる。治具３０による嵌合周部３７の回転数を上記の如く設定したことにより、レーザ溶接開始後の０．３秒の間に一定のレーザ出力で嵌合周部３７が一回り全周溶接され初層溶接が完了する。そして、続く１秒の間に嵌合周部３７は更に約３周し、この間、出力ゼロまで一定に減少するレーザ出力で溶接層が重畳される。このように嵌合周部３７を複数周回溶接することにより、嵌合周部３７の各部において、溶接部９の溶け込み深さＨやビード幅Ｗ、及び入熱分布が均一化され、被覆管６の肉厚ｔに対し、溶接ビード幅Ｗが１．５ｔ〜２．２ｔ、溶接溶け込み深さＨが１．１ｔ〜１．５ｔとした溶け込み形状の溶接部９が嵌合周部３７の全周に亘って形成される。
【００２９】
以上の手順において、溶接ビード幅Ｗが１．５ｔ〜２．２ｔ、溶接溶け込み深さＨが１．１ｔ〜１．５ｔの溶接部９を形成するために、本願発明者等が見出した上述の溶接施行条件を、図１１に整理してまとめた。
この図１１にまとめた溶接条件について説明すると、まず、本願発明者等は、ＹＡＧレーザ出力値に関し、図９における一定値部分（０ｓ〜０．３ｓ）のレーザ出力値が、被覆管６の外径が約５．６ｍｍの場合は１２００Ｗ〜１３００Ｗ、被覆管６の外径が約４．８ｍｍの場合は１１００Ｗ〜１２００Ｗとしたときに、先に図５に示したように、溶け込み深さＨが１．１ｔ〜１．５ｔの範囲に収まり、かつビード幅Ｗが１．５ｔ〜２．２ｔの範囲で端栓８端部の溶け落ちの無い溶接が可能となることを、種々条件を模索して試験を行った結果、確認した。
【００３０】
試験では、ＹＡＧレーザ出力値が上記範囲より小さい場合、先の図７（ａ）に示したように、溶け込み深さＨは被覆管６の肉厚ｔより浅くなるか、ビード幅Ｗが１．５ｔより小さくなり、溶接部９を嵌合周部３７の全周に亘って完全に溶け込んだ状態にできないことが確認された。逆に、ＹＡＧレーザ出力値が上記範囲より大きい場合は、図７（ｂ）に示したように、溶け込み深さＨが１．５ｔより大きくなったり、ビード幅が２．２ｔより大きくなり、端栓８の端部に溶け落ち９ａが生じることが確認された。
【００３１】
また、嵌合周部３７が１周する間だけＹＡＧレーザ出力を上記設定値で一定に保つことにより、嵌合周部３７の初層溶接の溶け込み深さが一定に保たれる。ＹＡＧレーザ出力を上記設定値で一定に保つ間（０．３ｓ間）に、嵌合周部３７が１周しきらないと、当然ながら一定時間経過時点の溶接点から溶接開始点までの間において、レーザ出力が弱まるために溶け込み深さが被覆管６の肉厚ｔよりも浅くなり、溶接部９の溶け込み深さが不均一となってしまう。逆に、一定時間内に嵌合周部３７が１周以上回転してしまうと、溶接開始点から一定時間経過時点の溶接点までの間において、入熱量過大となるから端栓８の端部が溶け落ちる。したがって、本実施形態においては、一定のレーザ出力を保つ初層溶接におけるレーザ照射時間として、０．３秒間を適当な値として設定し、この間に嵌合周部３７が丁度１周するよう、治具３０に内蔵した被覆管６を回転駆動させるモータの回転数を、被覆管６の外径が約５．６ｍｍの場合は２５０ｒｐｍ、約４．８ｍｍの場合は２００ｒｐｍと設定した。
【００３２】
図９におけるＹＡＧレーザ出力値のスロープダウン部について説明すると、溶接開始点と接合する一定出力の最後の部分（溶接部の初層がつながる部分）で溶け込みが不安定となるため、このスロープダウン部を設けない場合、溶け込み深さが被覆管６の肉厚ｔより浅くなったり、端栓８の溶け落ちが生じる場合があり、またビード幅も不安定になる傾向がある。したがって、一定出力で丁度１周嵌合周部３７を全周溶接した後、レーザ出力をスロープダウンさせつつ連続的に溶接を継続することにより、溶接部９の溶け込み形状や入熱量を均一化するようにした。本実施例では、レーザ出力がゼロになるまでの間に、上記の設定回転数で嵌合周部３７が約３周するよう、スロープダウン部の時間を１秒間とした。
【００３３】
シールドガスについて説明すると、本願発明者等は、通常レーザ溶接において用いられることのない窒素ガスを、敢えてシールドガスとして用い、これにより、溶接部９のポロシティの発生率が減少することを知見した。これは次の原理によるものと考えられる。通常、ＹＡＧレーザ溶接においては、アルゴン（Ａｒ）ガス等が使用されることが多いが、このＡｒガスを始めとする不活性ガスを用いた場合、高圧で噴射されたシールドガスが、レーザ溶接特有の深い溶融池に多量に入り込み、内部に残存したまま溶融池が硬化してしまうことにより、ポロシティが発生し易かった。それに対し、窒素ガスを用いた場合、溶接中、窒素ガスは不活性ガスに比べて溶融金属に溶け込み易く、溶融池内に残存しても溶融金属内にある程度拡散するので、溶接部９内に発生する気泡が減少し、ポロシティの発生率が減少する。
【００３４】
また、シールドガスの噴射量については、試験により、シールドガス流量が３０Ｌ／ｍｉｎ以下である場合、溶接部９の表面に酸化が認められた。また、シールドガス流量が３０Ｌ／ｍｉｎ以上であっても、図８に示したカバー体２８を用いない場合には、溶接部９の表面の酸化が認められた。したがって、シールドガス流量は、３０Ｌ／ｍｉｎ以上に設定し、なおかつ噴射したシールドガスが溶接部９の酸化防止に有効に作用するよう、カバー体２８を用いて溶接部の機密性をある程度確保することとした。
【００３５】
被覆管６と端栓８との嵌合周部３７からＹＡＧレーザ光光軸２１ａまでの距離については、端栓８へ向かう方向を負、被覆管６へ向かう方向を正としたとき、被覆管６の外径が約５．６ｍｍであれば−０．３ｍｍ〜０．３ｍｍのとき、被覆管６の外径が約４．８ｍｍであれば−０．１ｍｍ〜０．２ｍｍのときに、被覆管６と端栓８との嵌合周部３７の全周に亘って完全溶け込みが得られることが確認された。この範囲よりも、光軸２１ａを負の方へずらした場合、端栓８の端部の溶け落ちが起こり、正の方へずらした場合、嵌合周部３７の一部において溶け込み深さが被覆管６の肉厚ｔより浅くなるか、図７（ｃ）に示したように、被覆管６と端栓８とに対する入熱状態が不均一となり、溶け分かれ９ｂが生じてしまい、嵌合周部３７の全周に亘る完全溶け込みが得られなかった。
【００３６】
溶接部表面からのＹＡＧレーザ光焦点２１ｂの深さについては、被覆管６の径方向外側へ向かう方向を負、内側へ向かう方向を正としたとき、被覆管６の外径が約５．６ｍｍの場合、被覆管６の外径が約４．８ｍｍの場合、いずれの場合も、−０．５ｍｍ〜０．５ｍｍのときに、被覆管６の肉厚ｔに対して１．１ｔ〜１．５ｔの範囲となる十分な溶け込み深さが得られた。レーザ光焦点２１ｂの深さが上述の範囲を外れた場合、被覆管６と端栓８との嵌合周部３７へのＹＡＧレーザ光２１のエネルギー集約が十分でなくなり、図７（ａ）のように溶け込み深さが被覆管６の肉厚ｔよりも浅くなったり、図７（ｃ）のように溶け別れ９ｂが生じたりする。
【００３７】
ここで、以上で説明した端栓溶接方法を適用し、実際に製作した中性子吸収棒の断面写真を図１２に示した。図１２（ａ）は端栓溶接部全体の断面写真、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢ部の拡大写真、図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＣ部拡大写真、図１２（ｄ）は図１２（ｂ）のＤ部拡大写真、図１２（ｅ）は図１２（ｃ）のＥ部拡大写真である。
【００３８】
これら図１２（ａ）〜図１２（ｅ）の写真に示した中性子吸収棒は、被覆管の外径が約５．６ｍｍのもので、図８の溶接装置を用い、図１１の表に従って、
ＹＡＧレーザ出力：１２５０［Ｗ］
溶接時間：１．３［ｓ］（一定出力：０．３秒、スロープダウン１．０秒）
シールドガス：Ｎ２ガス
シールドガス流量：３０［Ｌ／ｍｉｎ］
嵌合周部からＹＡＧレーザ光光軸までの距離：０［ｍｍ］
嵌合周部表面からのＹＡＧレーザ光焦点深さ：０［ｍｍ］
嵌合周部回転数：２５０［ｒｐｍ］
という条件で端栓溶接を施行した。
【００３９】
図１２（ａ）を見て分かるように、上記条件で端栓溶接を施した結果、ビード幅が被覆管の肉厚の１．５倍〜２．２倍、溶け込み深さが被覆管の肉厚の１．１倍〜１．５倍の溶け込み形状の溶接部が得られている。また、端栓の溶け落ちも認められず、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）を見て分かるように、被覆管と端栓との付き合わせ面は完全に溶着しており、溶け込み状態が極めて良好であることが確認できる。
【００４０】
図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）を見ると、レーザ溶接特有の高エネルギーのレーザによって深さ方向に溶け込みが伝わり、１２５０Ｗの一定出力下での初層溶接において、被覆管及び端栓の突き合せ面が完全に溶融していることが分かる。また、続くスロープダウン出力で全周溶接を継続したことにより、ほぼ一定の間隔で溶接層が重畳していることが確認できる。出力を下げながら複数周回に亘ってＹＡＧレーザを照射させたことにより、入熱状態を安定させつつ、徐々に浅くなる溶接層が重畳されている。表面に近付くに従って入熱量が増して溶融幅が広まっており、最終的に肉厚の１．１倍〜１．５倍のビード幅が得られている。また、図１２（ｄ）及び図１２（ｅ）を見て分かるように、この試料における溶接部には、ポロシティはほとんど確認されなかった。
【００４１】
ここで、本発明を適用した中性子吸収棒における端栓溶接部のポロシティ及び溶け込み不良の発生率を従来例と比較したグラフを図１３に示す。この図１３においては、被覆管の外径が約５．６ｍｍの中性子吸収棒を製作した場合を比較しており、従来例としては、この種の溶接に一般に用いられるプラズマアーク溶接により端栓溶接した例を挙げた。なお、ここでのポロシティの発生率とは、（ポロシティの発生した溶接試験回数）／（全溶接試験回数）を意味する。
【００４２】
プラズマアーク溶接やＴＩＧ溶接においても、前述したように入熱量が大きいため、溶接部にポロシティや溶け込み不良等といった不良の発生率が高いことが問題であった。それに対し、図１３から分かるように、従来例により製作した中性子吸収棒と比較して、本発明を適用した中性子吸収棒においては、ポロシティ発生率が大きく低減しており、しかも溶け込み不良に至ってはほとんど認められなかった。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態の中性子吸収棒によれば、被覆管６と端栓８との嵌合周部３７の全周に亘って、被覆管６の肉厚をｔとしたとき、ビード幅Ｗが１．５ｔ〜２．２ｔ、溶け込み深さＨが１．１ｔ〜１．５ｔの溶け込み形状を有する溶接部９を形成することにより、溶け込み不良がなく、端栓溶接部９に対するポロシティの発生率を低減させることができる。また、端栓８の材質変化を抑制することができ、端栓８の端部の溶け落ちの発生をも防止することができる。したがって、中性子吸収棒として、十分な耐圧強度を有する信頼性の高いものとすることができる。
【００４４】
また、その端栓溶接方法として、シールドガスに窒素ガスを用いることにより、従来に比してポロシティの発生率を低減させることができる。また、レーザ出力や嵌合周部３７の回転数を、被覆管６の外径に応じて上記の如く較正した設定とすることにより、ビード幅Ｗが１．５ｔ〜２．２ｔ、溶け込み深さＨが１．１ｔ〜１．５ｔの溶け込み形状を有する溶接部９を形成することができる。また、上記の如く、嵌合周部３７と加工ヘッド２４との相対的な位置関係を調整したことも、適正なビード幅及び溶け込み深さを有する溶接部９を嵌合周部３７の全周に亘って得ることに有効である。このように、本実施の形態に開示した端栓溶接方法によって、ポロシティの発生率を低減させた、十分な耐圧強度を有する信頼性の高い中性子吸収棒を提供することができる。
【００４５】
また、レーザ溶接の適用によって、従来のＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接に比べ、溶接時間や段取り時間を飛躍的に短縮することができるので、中性子吸収棒の製造工数を削減することができる。更に、ＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接に比べ、レーザ溶接においては、小さいスポットにレーザが集中照射されるため、溶接部において熱が拡散し難く、溶け込みが縦方向（深さ方向）に伝わるため、歪や焼け焦げが減少する。そして、これにより溶接部の盛り上がりも小さくなることから、その溶接部の盛り上がりを除去する研磨工程の負担も軽減することができる。これらのことから、上記端栓溶接方法を適用することにより、高品質にして安価な中性子吸収棒を提供できる。
【００４６】
また、図８に示した本実施の形態の溶接装置を用いるにより、上記した各効果が得られることは勿論であるが、特に、カバー体２８を設けることにより、このカバー体２８が溶接チャンバーの役割を果たすので、溶接部９の酸化防止に寄与する。また、カバー体２８に排気開口２７を設けたことにより、排気専用の装置を特別に設けずとも、溶接中に生じる煙を極簡単な構成で排気することができる。特に、この排気開口２７は、加工ヘッド２４を挿入している関係上、溶接部の上方に位置し、効果的に溶接中に生じる煙をカバー体２８外に排出することができる。仮にカバー体２８中に煙が充満してしまうと、レーザ光２１が煙により減衰してしまい、設定したレーザ出力のエネルギーが溶接部分に十分に伝わらず、上記した溶接形状の溶接部９を形成できなくなってしまう可能性があるが、こうして煙を円滑に排出できるので、高品質な中性子吸収棒を製作することができる。
【００４７】
なお、以上において、レーザ溶接としてＹＡＧレーザを用いたＹＡＧレーザ溶接を適用した場合を例に挙げて説明してきたが、これに限られず、例えばＣＯ２レーザ等といった他のレーザを用いたレーザ溶接や、レーザ溶接の一種である電子ビーム溶接も適用可能である。但し、電子ビーム溶接の場合、図８に示した溶接装置２０に、溶接部付近に真空空間を作り出すための真空ポンプ等の装置を追設する必要がある。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４８】
また、以上においては、シールドガスに窒素ガスを用いたが、シールドガスとしての役割を果たし、なおかつ溶融金属内に拡散する性質をもつガスであれば、窒素ガスに代えて適用することも可能である。また、嵌合周部３７を全周溶接するに際し、静止した加工ヘッド２４に対し被覆管６を自転させる構成としたが、逆に、被覆管６を静止させ、加工ヘッドを嵌合周部３７周りに回転（公転）させる構成としても良い。また、嵌合周部３７の回転数に合わせ、レーザ出力一定の初層溶接（第１周目溶接）を０．３秒間としたが、これは嵌合周部３７を回転させる治具３０内の駆動モータの回転数との兼ね合いもあり、必ずしもこの設定に限定されるものではない。これらの場合も同様の効果を得る。
【００４９】
また、嵌合周部３７の加工ヘッド２４に対する軸方向位置を調整するために、被覆管６を把持した治具３０自体が被覆管６の軸方向に進退する構成としたが、これに限られず、治具３０に被覆管６を軸方向に送り戻しする装置を設ける構成としても良い。また、水平スライダ３２による加工ヘッド２４の軸方向位置の調整機能で足りる場合には、必ずしも治具３０に被覆管６を軸方向に移動させる機能を持たせる必要はない。また、水平スライダ３２及び支持部材３３によって、加工ヘッド２４が嵌合周部３７の接線方向（図８中矢印ア方向）及び中心線方向（図８中矢印ウ方向）に移動可能な構成としたが、治具３０による被覆管６の芯出し精度や軸方向位置の調整精度（図８中矢印エ方向の微動精度）が十分であれば、接線方向又は中心線方向のいずれかに移動する構成、或いは上下方向（図８中矢印イ方向）にしか移動しない構成としても良い。これらの場合も同様の効果を得る。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、被覆管と端栓と嵌合周部において、ポロシティや溶け込み不良等といった不具合の発生率を低減することができ、よって、十分な耐圧強度を有し信頼性の高い中性子吸収棒及びその端栓溶接方法並びに溶接装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中性子吸収棒を用いた沸騰水型原子炉用制御棒の構造を表す一部破断斜視図である。
【図２】図１中Ａ−Ａ断面による水平横断面図である。
【図３】本発明の中性子吸収棒の一実施形態の側断面図である。
【図４】図３中のＸ矢視による矢視図である。
【図５】図４中のＢ−Ｂ断面による断面図である。
【図６】本発明の中性子吸収棒の製造工程を概略的に表すフローチャートである。
【図７】端栓溶接部の溶け込み不良の各例を表す図である。
【図８】本発明の溶接装置の一実施形態の概略構造を表す斜視図である。
【図９】端栓溶接工程における設定レーザ出力の時間変化を表わす図である。
【図１０】本発明の溶接装置の一実施形態による被覆管と端栓との溶接部付近を拡大して表した斜視図である。
【図１１】本発明の端栓溶接方法の一実施形態における溶接施行条件を示す表である。
【図１２】本発明を適用して製作した中性子吸収棒の断面写真である。
【図１３】本発明を適用した中性子吸収棒における端栓溶接部のポロシティ及び溶け込み不良の発生率を従来例と比較したグラフである。
【符号の説明】
２      中性子吸収棒
６      被覆管
７      中性子吸収材
８      端栓
９      溶接部
２０    レーザ溶接装置
２１    レーザ光
２１ａ  光軸
２１ｂ  焦点位置
２２    レーザ発振器
２３    光ファイバ（レーザ伝送手段）
２４    加工ヘッド
２６    ノズルと
２７    排気開口
２８    カバー体
３０    治具
３２    水平スライダ（ヘッド位置調整手段）
３３    支持部材（ヘッド位置調整手段）
３４    垂直スライダ（焦点位置調整手段）
３７    嵌合周部
ｔ      肉厚
Ｈ      溶け込み深さ
Ｗ      ビード幅
【図１】
2004340874.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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