(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の燃料集合体にデブリが入ることを防止するＤｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組立体を形成するために、金属部品を互いに溶接する方法であって、
前記下部タイプレート組立体のために、溶接される第１の所定厚さの少なくとも１つの下部タイプレートを供給するステップと、
前記下部タイプレート組立体のために、カバープレートを前記下部タイプレートに溶接するための第２の所定厚さの少なくとも１つのフランジを備える少なくとも１つの前記カバープレートを供給するステップと、
前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジが前記下部タイプレートに隣接するように、フィルタが前記下部タイプレートに挿入される前記下部タイプレートの開口部に対して前記カバープレートを配置し、これによって、前記少なくとも１つのフランジの後ろで前記少なくとも１つのフランジと前記下部タイプレートとの間に逃げが形成される、ステップと、
レーザ溶接機を供給して、前記レーザ溶接機のビームを、前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジと、前記少なくとも１つのフランジに隣接して配置された前記下部タイプレートの辺との間に配置するステップと、
前記レーザビーム出力水準と、焦点距離と、速度とを調節するステップであって、前記レーザ溶接機の運転中に熱入力を最小化するレーザビーム出力密度および溶接速度を達成すると同時に、溶接物を前記下部タイプレート組立体と前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジとの間に形成して、前記下部タイプレート組立体と前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジとの間に形成した溶接接合部の中に前記溶接接合部の少なくとも７０％以上の溶接溶け込みを備え、その結果前記溶接物中の裂け目を除去し、これによって前記溶接物の応力腐食割れを除去するステップと、
を含み、
前記レーザビームが、前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジと前記下部タイプレートの前記辺との間の中心線の周りに対称的に照射され、前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジと前記下部タイプレートの前記辺との間の中心線への光エネルギの集中が熱を発生させて、前記カバープレートと前記下部タイプレートとの間に形成された接合部の中に伝導し、前記カバープレートと前記下部タイプレートとが形成される金属を固体状態から溶融金属の液体状態へと変化させて、これによって、前記カバープレート上の前記少なくとも１つのフランジと前記下部タイプレートの前記辺との間の中心線を結合させ、２つの金属プレートの中心線が固体状態に変化して戻った後に前記カバープレートと前記下部タイプレートとが互いに溶接される、
方法。
【請求項２】
前記レーザビームの出力水準と、焦点距離と、速度とが調節され、前記下部タイプレートと前記カバープレートとの歪みを所定の歪み水準またはそれより低く維持し、これによって、前記下部タイプレートと前記カバープレートの溶接後の機械加工を必要としない、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カバープレートが、前記カバープレートを前記下部タイプレートに溶接するための複数の溶接フランジを含み、前記複数の溶接フランジのそれぞれが溶接のために前記下部タイプレートの前記開口部に隣接する前記下部タイプレートの離れた辺に隣接するように、前記カバープレートは前記下部タイプレートの前記開口部に隣接して配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記焦点距離、従って、前記レーザビームの前記出力密度が、溶接物の裂け目を除去し、それによって、前記溶接物の応力腐食割れを除去する溶接接合部溶け込みを達成することと、前記下部タイプレートと前記カバープレートの前記歪みを前記所定の歪み水準以下に維持することとの間の均衡を保つように設定される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
溶接物の裂け目を除去し、それによって、前記溶接物の応力腐食割れを除去する溶接接合部溶け込みを達成することと、前記下部タイプレートと前記カバープレートの前記歪みを前記所定の歪み水準以下に維持することとの間の均衡を保つように最適化された速度で、前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジと前記下部タイプレートの前記開口部に隣接した前記下部タイプレートの前記辺との間に沿って前記レーザビームが移動される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記カバープレートに顕著な歪みを生成することなしに、前記下部タイプレートと前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジとの間に所定の最大ギャップを達成するように、前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジが前記下部タイプレートに隣接して配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記下部タイプレートと前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジとの間の前記所定の最大ギャップが０．０２５センチメートルである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記下部タイプレートが、前記カバープレートの前記少なくとも１つのフランジの後ろに位置する前記下部タイプレートの前記開口部に隣接する少なくとも１つの退行した表面を有し、前記少なくとも１つのフランジと前記少なくとも１つの退行した表面との間に前記逃げが形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記カバープレートが前記下部タイプレートの中の開口部を覆って嵌合し、前記カバープレートの前記複数のフランジが前記下部タイプレートにレーザ溶接される前に、前記カバープレートを前記下部タイプレートに溶接するための前記複数のフランジが前記下部タイプレートに少なくとも２つの位置で仮付け溶接される、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接に関し、さらに具体的には、溶接工程の結果の鋳造部品の歪みを最小化するために、レーザ溶接、特殊固定具、機械加工された形状、および採用されるさまざまな方法の組み合わせに関する。本発明は鋳造部品の歪みを最小化し、溶接部品の機械加工、溶接、再機械加工、清浄化から、機械加工、清浄化、仕上げまでの標準組み立てシーケンスの変更を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたり、原子力産業には燃料設計において劇的な改良が見られる。現在、燃料は障害なく運転できることが非常に期待されている。最も一般的な核燃料障害の機構には、（１）デブリフレッチング（ｄｅｂｒｉｓ  ｆｒｅｔｔｉｎｇ）、（２）クラッディング腐食（ｃｌａｄｄｉｎｇ  ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）、（３）ペレットクラッディング相互作用（ｐｅｌｌｅｔ  ｃｌａｄｄｉｎｇ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）、（４）製造欠陥による障害を含む。デブリフレッチングを防止するために使用される装置の１つが、第３世代Ｄｅｆｅｎｄｅｒ（商標）デブリフィルタであり、これは、過去に原子炉中で燃料障害を引き起こした問題である、原子炉の核燃料集合体にデブリが入ることを防止する。Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタは、ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）艦船、および米国、メキシコ、日本、インド、および欧州諸国で運転中の一連の沸騰水型原子炉で使用される。
【０００３】
タングステン不活性ガス（「ＴＩＧ」）溶接としても知られるガスタングステンアーク溶接は、溶接を行うために非消耗性のタングステン電極を使用するアーク溶接工程である。溶接範囲は、不活性ガスのアルゴンなどの遮蔽ガスによって大気の汚染から保護される。いくつかの溶接では必要とされないが、充填金属が一般に使用される。定電流溶接電源５５がエネルギを発生させ、このエネルギは、高度にイオン化されたガス柱およびプラズマと呼ばれる金属蒸気を通してアークを渡り伝導される。
【０００４】
ＴＩＧ溶接は一般にステンレス鋼の薄い部分、およびアルミニウム、マグネシウム、および銅合金などの軽金属を溶接するのに使用される。ＴＩＧ溶接では、強力で高品質の溶接が可能だが、工程は複雑で他の溶接技術よりも著しく遅い。ＴＩＧ溶接は、ステンレス鋼の鋳造表面などの鋳造板の溶接にも使用される。しかし、この工程では、溶接工程で発生する熱によって、このような鋳造板中に過大な歪みが生成することがある。
【０００５】
ＴＩＧ溶接はＢＷＲ燃料組み立て体の下部タイプレートの製造に使用されてきた。下部タイプレートのような鋳造部品のＴＩＧ溶接に使用する場合の難点の１つは、組み立て工程で鋳造物半体または機械加工された部品を互いに溶接して結合させる際に遭遇する歪みであった。この遭遇する歪みは、一般に非常に大きく、歪みのために部品の最終機械加工が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、溶接の結果としての鋳造ステンレス鋼の部品の歪みを最小化するためのレーザ溶接の使用を対象とする。さらに具体的には、本発明は、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタなどの沸騰水型原子炉の燃料デブリフィルタの組み立てにおいてレーザ溶接を使用する工程を対象とする。本レーザ溶接工程は、カバープレートの下部タイプレートへの溶接中に最小限の熱を加えることによって、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート上の予め機械加工された鋳造表面の歪みを最小化する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
レーザ溶接工程の中で、レーザビームが、カバープレートの溶接フランジと下部タイプレートとの間の中心線の周りに対称的に照射される。カバープレートの溶接フランジと下部タイプレートとの間の中心線への光エネルギの集中は熱を発生させて、カバープレートと下部タイプレートとの間に形成された接合部の中に伝導し、これらのプレートが形成される金属を固体状態から溶融金属の液体状態へと変化させて、これによって、カバープレート上の溶接フランジと下部タイプレートとの間の中心線を結合させる。２つの金属プレートの中心線が固体状態に変化して戻った後、２つのプレートは、このように、互いに溶接されて、カバープレートと下部タイプレートとの間で突き合わせ溶接された接合部を形成する。
【０００８】
本発明の溶接工程は固定具を使用し、これは、溶接中に焦点を合わせて固定したレーザ光源の下で４自由度の動作を通じてデブリフィルタの下部タイプレートを保持するように設計されている。下部タイプレートの組み立てにレーザ溶接を適用すると、予め機械加工された鋳造下部タイプレートの中にデブリフィルタを設置する工程の中での歪みを最小化させる。部品の最終機械加工に続きレーザ溶接を適用すると、典型的な高熱（エネルギ）入力技術（ＴＩＧ）と異なる仕上げの製品が得られる。この技術は、１）溶接によって歪んだ範囲の追加機械加工が不要、２）異物の排除を確実にするデブリのない清浄化、３）結果の溶接物は応力腐食割れの懸念を最小化するよう設計された形状となる点で異なる。
【０００９】
本発明は、レーザ溶接工程中に起こり得る、部分溶け込み溶接中の裂け目から結果として起こる応力腐食割れの減少も対象としている。カバープレートの溶接フランジ形状の後ろの逃げに沿った所定の最小溶接溶け込みでは、カバープレートと下部タイプレートとの間の界面の溶接工程の中で裂け目が発生するどのような可能性も除去することを意図する。溶接溶け込みの深さが溶接接合部の７０％以上であれば、Ｄｅｆｅｎｄｅｒの溶接物の応力腐食割れに対する耐性は保持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０を構成するさまざまな部品の斜視図である。Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０は、機械加工された鋳造導入口１３を備える機械加工された下部タイプレート１４と、下部タイプレート１４の中の長方形の空洞２５中に挿入されるフィルタプレート組み立て体１２と、下部タイプレート１４に溶接されるカバープレート１６とからなる。カバープレート１６はフィンガースプリングポケット１７を含む。下部タイプレート１４は、複数の流体流れ孔１５と核燃料ピン孔９とを含み、１つの側に、フィルタプレート組み立て体１２が下部タイプレート１４中の長方形のポケット２５に挿入される開口部１１を備える。フィルタプレート組み立て体１２は、互いに溶接された複数の波状ステンレス鋼プレート１８を含む長方形の組み立て体である。下部タイプレート１４中に設置する際には、原子炉の運転中に流動誘起振動を防止するため、フィルタプレート組み立て体１２をわずかに圧縮しなければならない。カバープレート１６を下部タイプレート１４に対して密閉する溶接工程の後、カバープレート１６は下部タイプレート１４中のフィルタプレート組み立て体１２を保持し、冷却剤が原子炉燃料集合体からそれて漏れることを防止する。図２に示すように、カバープレート１６は、カバープレート１６の周囲の周りに延在する２つの垂直溶接接合部２０および２つの水平溶接接合部２１に沿って、下部タイプレート１４に溶接される。
【００１１】
フィルタプレート組み立て体１２がタイプレート１４内に挿入された後、カバープレート１６は、長方形の空洞２５につながる開口部１１を覆って嵌合され、好ましくは、図３に示す２つの位置２２および２４で仮付け溶接されるが、所望すれば２つより多い仮付け溶接を使用可能であることを理解すべきである。仮付け溶接２２および２４は、後に続くレーザ溶接のために、フィルタプレート組み立て体１２を下部タイプレート１４内に圧縮しつつ、しかし、カバープレート１６を下部タイプレート１４に対して所定の場所に保持するのに十分な強度で保持する一方、展開したパラメータによって、できるだけ小さくなされる。仮付け溶接２２および２４は後に続くレーザ溶接工程中に完全に費消される。仮付け溶接はＴＩＧ工程を使用して行われることに留意すべきである。仮付け溶接は、この用途で必要とされる、強力、低熱入力、かつ一層小形状の仮付け溶接を行うため、その安定なアーク開始力で知られる精密電源５５を使用してなされる。
【００１２】
図４は、カバープレート１６を下部タイプレート１４に仮付け溶接するためのタイプレート仮付け溶接ステーション５０を示す。タイプレート仮付け溶接ステーション５０は、異物が下部タイプレート内部の空洞２５の中に浸入することを最小化するよう設計された、異物排除の制限領域である。仮付け溶接ステーション５０は、デジタルＴＩＧ仮付け溶接電源５５と、手動の着脱クランプ／ピストン５３とを含み、着脱クランプ／ピストン５３は、仮付け溶接ステーション５０にクランプした際に下部タイプレート１４の導入口端２３を保持するポリマ絶縁体５４を有する。着脱クランプ５３とポリマ絶縁体５４との間には、固定装置４５によって装着される押し棒４７を備える支持プレート５１が装着される。銅製の冷却ブロック４９がタイプレート固定具５２に装着され、これがＹ軸方向に調節可能な手動小軸プレス６０と、Ｚ軸方向に調節可能なロードセル／センサ６２とに装着され、位置合わせ工具６４と共に使用される。
【００１３】
溶接の前に、全ての作業面を含み、カバープレート１６と下部タイプレート１４との間の溶接接合部をアセトンまたはアルコールで拭き、部品全てが清浄で汚染のないことを確保する。フィルタプレート組み立て体１２は下部タイプレートの空洞２５の中に配向させて、仮付け溶接ステーション５０の中に設置される。下部タイプレート１４基部に面する銅製の冷却ブロック４９は、下部タイプレート１４の表面基部３１上に位置する核燃料ピン孔９および／または燃料流れ孔１５いずれかの中にぴったりと嵌合する精密位置決めピンいくつかを含む。銅製の冷却ブロック４９は、デジタルＴＩＧ仮付け溶接電源５５に装着された負の接地ケーブルを有する。下部タイプレート１４は、手動の着脱クランプ／ピストン５３によって、銅製の冷却ブロック４９の中にクランプされる。フィルタプレート組み立て体１２は下部タイプレートの空洞２５の中に、反対の壁に底が当たるまで挿入される。下部タイプレートの空洞２５の中でフィルタ組み立て体１２を好適に配向させるために、フィルタ組み立て体１２の圧縮性を利用する。押し棒４７は、内部の空洞２５内でフィルタ１２を位置決めして着座させる。押し棒は、フィルタ１２がずれることを防止してカバープレートウェッジ３７と適切に係合するように、固定装置４５を使用して所定の位置に固定される。この後で、固定具ガイドプレート５６は、下部タイプレート固定具５２の上側に装着された２つの手持ちつまみ４８によって所定の位置に設置および保持される。固定ガイドプレート５６が、タイプレートの長方形の空洞２５／開口部１１の縁に位置合わせされると、次に、位置合わせ工具６４を使用してカバープレートクランプ５８がガイド面縁から所定の距離に設置される。好ましくは、この距離は０．０１０インチ（０．０２５センチメートル）である。位置合わせ工具６４は、カバープレート１６のギャップ間隔の最終位置合わせのために２つの手持ちつまみ４８が十分に緩んだ状態で、固定具ガイドプレート５６の内部前表面に対する縁上に設置される。位置合わせ工具６４の表面「Ａ」６３は、空洞／開口部１１内の水平溶接表面１９上に留まり、一方、位置合わせ工具６４の表面「Ｂ」６１は、固定具ガイドプレート５６の上表面の留まる。位置合わせ工具６４は、固定具ガイドプレート５６の内部表面に対して引っ張られ、２つの手持ちつまみ４８によって最終位置に締め付けられる。次に、カバープレート１６が設置され、小軸プレス取っ手５７を介して手動小軸プレス６０で圧縮される。カバープレート１６を着座させる前に、ロードセル６２によって最小３０ポンド（１３．６キログラム）の力が示される必要がある。カバープレート１６は、付加的な小軸プレス力で十分に着座させられ、カバープレート１６とタイプレート１４との間のギャップを最小化しカバープレート１６を完全に着座させる。Ｚ軸上に位置したロードセンサ６２の読み取り値が３０ポンド（１３．６キログラム）を超え、１０００ポンドより少なければ、フィルタ組み立て体１２を圧縮するために使用される力の量は、許容範囲である。カバープレート１６が着座すると、ガイドプレート５６は取り外され、カバープレート１６が適切に着座したことを確認するために目視検査される。必要であれば、小さなゴム製のハンマーを使用して軽く叩き、カバープレート１６が下部タイプレート１４の長方形の空洞／開口部１１の中で中心になるように再配置する。好ましくは、カバープレート１６と下部タイプレート１４との間の最大ギャップは０．０１０インチ（０．０２５センチメートル）であり、２つの垂直接合部２０上の最大ギャップが０．００３インチ（０．００７６センチメートル）である。カバープレート１６およびフィルタ１２に小軸プレス６０で負荷を維持しながら、フィルタ１２の最終位置が、カバープレートウェッジ３７の下に適切に配置されているか検査される。この判定がなされると、図３に示すように２つの軽い仮付け溶接２２および２４がなされる。仮付け溶接の後、下部タイプレート組み立て体１０は、エンベロープゲージを使用してレーザ溶接される前に全体の最終寸法の検査がなされる。
【００１４】
カバープレート１６が下部タイプレート１４にレーザ溶接される図５Ｂの溶接ステーションは、異物排除の制限領域である。レーザ溶接システムは、レーザ装置システム７５に加え、通常は、電源７０、主制御パネル７２、主レーザ電源スイッチ（図示せず）、熱制御器（図示せず）および冷却制御器（図示せず）を含むだろう。レーザ装置システム７５の運転を制御するコンピュータスイッチ（図示せず）もあるだろう。典型的な溶接工程では、レーザ用の主電源スイッチが入れられ、次に、レーザ装置のレーザキュースイッチも入れられる。レーザ制御パネル７２はＣＮＣモードにされる。ＣＮＣはコンピュータ数値制御のことで、出力とレーザの経路を制御するために使用される。下部タイプレート溶接機の主電源スイッチおよびコンピュータ電源が入れられると、冷却および加熱制御スイッチが入れられる。その後、エアー、ヘリウム、バキューム（図示せず）、および水循環器（図示せず）の電源が入れられ、レーザ溶接システム７５のレーザレンズ３３（図１４）が焦点領域の中心にあるか確認される。次に、レーザ溶接システム７５の運転用プログラムが読み込まれる。下部タイプレート１４およびカバープレート１６はレーザ溶接システム７５の内部に配置されると、レーザ装置システム７５の扉７７が閉じられ、スイッチが作動されて、タイプレート１４およびカバープレート１６が予め溶接する位置に移動する。図６に示すように、ＺＹ方向の治具の十字線８０および８２は、下部タイプレート１４とカバープレート１６との間の開始位置８４に配置し、レーザ溶接シーケンスを開始する前に確認がなされる。経路確認の後、溶接シーケンスが開始し、この間、下部タイプレート１４を保持する図７に示す固定具７４はカバープレート１６をタイプレート１４に溶接することを容易にするように移動する。バックパージガスライン７９が銅製の冷却ブロック７８に装着され、この冷却ブロックは、下部タイプレート１４の表面基部３１上に位置する核燃料ピン孔９および／または燃料流れ孔１５のいずれかの中に滑り嵌合するように製作された精密位置決めピンがいくつか装着されている。パージガスは、レーザ溶接作業中に完全溶け込みがなされた際に、下部タイプレート１４の内部の溶接された表面が汚染されないことを確実にする。固定具７４は、カバープレート１６を下部タイプレート１４に溶接中にレーザ装置システム７５内でコリメートされたレーザビーム３５（図１４）の下に４自由度の動作を通して下部タイプレート１４を保持するように設計される。
【００１５】
本発明の用途で、溶接された突き合わせ接合部の位置と構成を図２、８Ａ、および８Ｂに示す。図２は、デブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０の前面の立面図であり、下部タイプレート１４に装着されたカバープレート１６、および、カバープレート１６をタイプレート１４に装着させるために使用されたレーザ溶接部２０および２１の位置を示す。図２に示すように、カバープレート１６は、カバープレート１６の周囲の周りに延在する２つの垂直溶接接合部２０および２つの水平溶接接合部２１に沿って、下部タイプレート１４に溶接される。
【００１６】
図８Ａは、溶接フランジ２６（図９Ａおよび９Ｂ）の後ろの逃げ２８に沿った、カバープレート１６の上部および底部における水平溶接接合部２１の模式的な端面図である。図８Ｂは、同様に、溶接フランジ２６の後ろの逃げ２８およびフランジ２６とタイプレート１４とに係合する溶接接合部２０に沿った、カバープレート１６の端部における垂直溶接接合部２０の１つの模式的な他の図面である。他の溶接フランジ２６および垂直溶接接合部２０は、同様に、溶接フランジ２６と溶接接合部２０の後ろの逃げ２８に沿ってカバープレート１６のもう１つの端部に位置することに留意すべきである。
【００１７】
図９Ａは、カバープレート１６の上部の後部の斜視図であり、溶接フランジ２６、溶接表面２９および裏側の逃げ２８を示す。図９Ｂは、カバープレートの底部の後部の斜視図であり、溶接フランジ２６、溶接表面２９および裏側の逃げ２８を示す。図１０は、図１と同様、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０の斜視図であるが、長方形の空洞／開口部１１中の溶接表面１９を示し、ここを通りフィルタプレート組み立て体１２が下部タイプレート１４中に挿入される。長方形の空洞／開口部１１中の溶接表面１９は退行した表面であり、カバープレート１６が空洞開口部１１内に挿入され、カバープレート１６が下部タイプレート１４に溶接される際に、カバープレート１６の溶接フランジ２６によって係合される。
【００１８】
完全な接合部溶接溶け込みに沿った、カバープレートの溶接フランジ２６の後ろの逃げ２８は、カバープレート１６と下部タイプレート１４との間の界面における裂け目の可能性を除去することを意図しており、これによって、除去しない場合にレーザ溶接工程の中で起こり得る、部分的な溶け込み溶接中の裂け目から結果として起こる応力腐食割れを減少させる。
【００１９】
本発明のレーザ溶接工程中、レーザビームは、カバープレート１６上の溶接フランジ２６と下部タイプレート１４との間の中心線の周りで、カバープレート１６上の溶接表面２９および下部タイプレート１４上の溶接表面１９上に対称に照射される。カバープレートの溶接フランジ２６と下部タイプレート１４との間に焦点を合わせたコヒーレントなレーザエネルギは熱を発生させ、この熱がカバープレート１６と下部タイプレート１４との間に形成された溶接接合部２０／２１の中に伝導し、これらのプレートが形成される金属を固体から液体へと変化させ、２つの分離した液体のプレート金属を１つに結合させる。２つの金属が固体状態に変化して戻った後、２つのプレート１４と１６は互いに溶接されて、２つのプレート１４と１６との間に突き合わせ溶接接合部２０／２１を形成する。
【００２０】
本発明は、溶接工程中に起こり得る部分溶け込み溶接中の裂け目から結果として起こる応力腐食割れの減少も対象としている。上で述べたように、カバープレート溶接フランジの後ろの逃げ２８に沿った完全な接合部溶接溶け込みは、カバープレート１６と下部タイプレート１４との間の界面の溶接工程の中で裂け目が発生するどのような可能性も除去することを意図する。
【００２１】
それぞれ図１１Ａおよび１１Ｂに示す、溶接部４０および４２等の部分溶け込み溶接の結果、応力腐食割れの危険性を増加させる裂け目４１および４３が生成する。カバー１６とタイプレート１４を接合するための本発明の溶接工程は、結果として完全溶け込みを生成するように設計されているが、このような溶け込みは、カバープレート１６を下部タイプレート１４に装着させる溶接部２０および２１上の機械的荷重によって影響され得る。カバープレートの溶接部上に作用する直接の力は、カバープレート１６をタイプレート１４に装着させる間のフィルタプレート組み立て体１２の圧縮、および、デブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０の運転中の冷却剤圧力差分に由来する。負荷の主要な成分は、鋳造カバープレート１６およびタイプレート１４の剛性と組み合わされた、溶接部の凝固および冷却中の溶接金属の収縮からの残留応力である。完全溶け込み接合部溶接は、溶接の基底部４４および４６における裂け目を防止し、これによって、裂け目領域中の応力腐食割れの可能性を最小化する。
【００２２】
デブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０の好適な実施形態では、フィルタプレート組み立て体１２はオーステナイト系のステンレス鋼から構成する。好ましくは、下部タイプレート１４は溶液焼き鈍しのＣＦ３鋳造ステンレス鋼である。好ましくは、カバープレート１６およびフィルタプレート組み立て体１２を形成する波状ステンレス鋼プレート１８のそれぞれは、溶液焼き鈍しの３１６Ｌステンレス鋼から作製される。好ましくは、下部タイプレート１４およびカバープレート１６は、焼き鈍し後、続いて熱処理を行うことなしに、機械加工される。好ましくは、フィルタ要素１２は、波状ステンレス鋼プレート１８の組み立ておよび溶接の後、フィルタプレート組み立て体１２を下部タイプレート１４の中に挿入する前に、再焼き鈍しされる。
【００２３】
応力腐食割れは、下部タイプレート１４の構成に使用する材料の故に、すなわち、鋳造された低炭素ステンレス鋼であるために、下部タイプレート１４に対する問題ではない。同様に、裂け目誘起の応力腐食割れは、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０を通る高速の冷却材によるため、フィルタ要素１２の問題ではない。裂け目誘起の応力腐食割れは、溶接が完全な溶け込み溶接でなく裂け目を含む場合に、カバープレート１６を下部タイプレート１４に装着させるために使用したレーザ溶接部２０および２１の領域内のカバープレート１６中の問題である。
【００２４】
式（１）で与えられる応力則指標（ｓｔｒｅｓｓ  ｒｕｌｅ  ｉｎｄｅｘ）は、応力腐食割れの可能性に関し溶接裂け目の潜在的な効果を評価するための手段を与える。
（１）                  Ｐｍ＋Ｐｂ  ＋Ｑ＋Ｆ＋Ｒ≦Ａ
Ｓｙ        Ｓｙ  ＋０．００２Ｅ
ここで、鋳造オーステナイト系ステンレス鋼（例えば溶接金属）に対してはＡ＝１．０であり、裂け目の条件下の鍛造３１６Ｌステンレス鋼に対しては０．７であり、
Ｐｍ＝１次膜応力
Ｐｂ＝１次曲げ応力
Ｓｙ＝当該温度での降伏強度
Ｑ＝二次応力
Ｒ＝残留応力
Ｅ＝当該温度での弾性係数
である。
【００２５】
図１１Ａおよび１１Ｂに示す基底部４４および４６における溶解が欠如すると、隣接する材料中に応力を増加させる構造的な不連続が起こる。深刻な場合を図１１Ａに示すが、カバープレート１６および下部タイプレート１４は、識別可能なギャップを伴わず、かつ非溶解領域の先端に識別可能な半径を伴わずに接続している。このような部分的に溶解した突き合わせ溶接に対する応力集中係数は、式（２）で与えられる経験に基づく関係によって与えられる。
（２）                  ｓｍａｘ＝ｍａｘ［ｃ０，ｃ１＋ｃ２（ｂ／ａ）］
ｓ
ここで、
ａ＝非溶解（割れ）長さ
ｂ＝全体断面幅
ｃ０＝４．５（短い割れに対する最小集中係数）
ｃ１＝１．０
ｃ２＝１４．７
ｓ＝集中部から離れた場所での平均応力
ｓｍａｘ＝集中部における最大応力
式（２）からの応力集中係数は、１００％よりわずかに低い溶接溶け込みから、５０％までの溶接溶け込みまでに対して、それぞれ、４．５から８．３までである。参考として、図１１Ｂの接合部に対する弾性理論からの応力集中係数は３．６である。式（２）によって与えられる大きめの値は、応力計算から割れ幅および先端半径の不確定要素を除いた保守的な近似である。この応力集中係数は、溶接接合部の通常および剪断負荷の両方に適用される。
【００２６】
機械的な負荷の性質は、プレート１６とプレート１４との間の端部溶接２０（垂直部分）と上部および底部の溶接２１（水平部分）との間で異なる。すなわち、平衡を満たすに必要な力は、主に、水平溶接部２０では剪断応力を、垂直溶接部２１では引っ張り応力を生成する。両方の型の溶接において、溶接後の冷却中の収縮は、溶接材料中に主に引っ張り応力を生成する。
【００２７】
溶接されたカバープレート１６に対する、フィルタプレート組み立て体１２の残留応力は、部品の寸法で変化する。これはカバープレート１６の設置中に測定され、３０ポンド（１３．６キログラム）から最大１０００ポンド（４５４キログラム）までである。この範囲の上限は、下部タイプレートの内部空洞２５の中のフィルタ要素１２の塑性変形を引き起こす。燃料集合体導入口とバイパス領域との間の冷却材の圧力差は約１０ｐｓｉ（０．７０Ｋｇ／ｃｍ２）である。残留溶接応力は、溶接接合部の凝固の間の溶接金属および接合部形状の収縮のため、カバープレート１６およびタイプレート１４の降伏強度に近づく。フィルタ要素１２の圧縮による力および残留溶接応力は、熱および放射に基づく過程のため、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０の運転中に緩和される。冷却材の圧力差分による力は燃料集合体の運転中の流れ条件で変化するが、フィルタプレート組み立て体１２の運転寿命を通じて、すなわち、６〜９年の範囲で、残留する。
【００２８】
溶接接合部３０および３２中の負荷および応力を図１２に模式的に示す。これらの単純化は式１で与えられる応力則、すなわち、応力を１次および２次要素に分割することと矛盾しない。１次要素は力平衡を満たすために必要な合力で、接合部の形状および結果として起こる応力集中によって影響される。２次要素は自己解放性の応力である。２次要素の多くは、カバープレート１６およびタイプレート１４の溶接収縮と剛性に起因するものである。２次応力は、焼き鈍し温度範囲のおおよその中間点から室温までの溶接金属の冷却、すなわち１０７０℃から２０℃までの冷却、の間の収縮によって起こる。溶接金属中に結果として起こる平均の熱変形は、２％よりもわずかに大きく、塑性変形が開始する変形の約１０倍である。組み立て作業が完了した時の溶接部中の残留応力は、室温でのステンレス鋼３１６Ｌの平均降伏強度、すなわち３３．８ｋｓｉ（２．３８×１０３Ｋｇ／ｃｍ２）である。
【００２９】
下部タイプレート１４中のフィルタプレート組み立て体１２の圧縮による１次応力および、残留溶接応力は、熱および放射効果によって緩和する。溶接部２０および２１の領域中の熱緩和および高速中性子束による緩和によって、応力は一層減少する。
【００３０】
図１３に、溶け込みに対する計算された応力指数、および限界値を示す。初期運転中の応力緩和に基づき、溶接溶け込みは溶接部に隣接するカバープレート１６に対して７０％以上になるはずである。溶接金属は図１１Ａに示す接合部形状に直接基づいて負荷がかかるが、溶接部の縁の領域は溶接中に大きな塑性変形を受け、応力腐食割れに影響されやすいことが分かっている。従って、好ましくは、カバープレート１６と下部タイプレート１４とをデブリフィルタ下部タイプレート１０中で接続する突き合わせ溶接部２０および２１の部分溶解は、溶接溶け込みが溶接接合部の７０％以上であれば、溶接物の応力腐食割れに対する耐性に影響を与えない。
【００３１】
図１４は、カバープレート１６を下部タイプレート１４に溶接するために使用される、本発明の方法によるレーザ溶接を示す。図１４に示すように、レーザビーム３５はレーザレンズ３３によって焦点３４に焦点が合い、焦点がずれた点３６がその後にくる。レーザビームは、溶接接合部の７０％以上の溶接溶け込みを達成する出力水準で使用される。焦点が合ったビーム３８は水平溶接接合部２１に対して使用され、焦点がずれたビーム３９は垂直溶接接合部２０に対して使用される。レーザビーム３５は、垂直部分上で焦点がずれる３９ことが好ましい。
【００３２】
本発明の方法は、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０の一部である下部タイプレート１４およびカバープレート１６以外の溶接金属部品に対して使用可能である。互いに溶接される、特定の金属部品の厚さは、レーザ溶接の運転のために選択されるパラメータに影響する。所与の厚さの溶接接合部に対して、出力水準、レーザビームの焦点距離および速度は、裂け目、すなわち誘起応力腐食割れを排除するために十分な溶接接合部溶け込みを達成するに必要なレーザビーム出力密度および溶接速度となり、一方で、最終受け入れ仕様内になるように互いに溶接される金属片の歪みを最小化して、これによって、最終製品と考えられる金属部品の溶接後の機械加工が必要ないように、設定されることが好ましい。不活性ガスの流れが、冷却を最大化し溶接部の酸化を最小化するように設定される。完了後に溶接部のワイヤブラシがけを必要とせず異物排除方法に準拠することが好ましい。
【００３３】
溶接の完了後、デブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０を保持する固定具７４は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）を介して、取り外し位置まで移動し、レーザ装置システム７５から取り外される前に、すすがデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０から吸引される。デブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０が取り外され、過剰なすすは清浄な拭き取り具とフィルタにかけられた圧縮空気によって拭き取り除去される。ワイヤブラシまたは他の機械的な研磨手段を使用して、溶接部２０および２１を清浄化することは決してない。次に、タイプレート１４の両端を通してフィルタにかけられた圧縮空気が少なくとも１５秒間吹き付けられ、アルコールおよび清浄な拭き取り具で拭き取られて清浄にされる。
【００３４】
本発明の溶接工程では、Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体１０および溶接範囲が清浄化され、異物排除領域内で包装される。
【００３５】
本発明を、最も実用的で好適な実施形態と現在考えられる形態に集中し説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきものではなく、しかし、逆に、添付の特許請求項の趣旨と範囲内に含まれる、さまざまな変更および同等な配列を包含することを意図していると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】互いに結合される主要な部品とＤｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体の全体配置の斜視図である。
【図２】デブリフィルタの下部タイプレートの前面の立面図であり、下部タイプレートに装着されるカバープレート、およびカバープレートを下部タイプレートに装着するために使用されるレーザ溶接の位置を示す。
【図３】前面図であり、カバープレートを下部タイプレートにレーザ溶接する前にカバープレートを下部タイプレートに保持するために使用される仮付け溶接の位置を示す。
【図４】仮付け溶接ステーションの図面であり、カバープレートを下部タイプレートに溶接する仮付け溶接の目的のために下部タイプレート上にカバープレートを保持しつつ、フィルタを圧縮するための固定具を含む。
【図５Ａ】レーザ電源、およびレーザ出力をタイプレート溶接ステーションに供給する制御器の図面である。
【図５Ｂ】カバープレートを下部タイプレートに溶接するために使用されるレーザ溶接ステーションの図面である。
【図６】タイプレートの予め溶接する位置の写真であり、カバープレートを下部タイプレートにレーザ溶接するための開始位置に配置したＺＹ方向の治具の十字線を備える。
【図７】焦点に集められたレーザ光源の前に４自由度の軸動作を通して下部タイプレートを保持するための固定具を表す図面である。
【図８Ａ】カバープレートおよび下部タイプレート溶接接合部の模式的な断面の端面図であり、上部および底部の接合部を示す。
【図８Ｂ】下部タイプレートおよびカバープレートの１つの端部における溶接接合部の模式的な他の断面図である。
【図９Ａ】上部を下にした、カバープレート後部の斜視図であり、溶接表面および溶接逃げを示す。
【図９Ｂ】底部を下にした、カバープレート後部の斜視図であり、溶接表面および溶接逃げを示す。
【図１０】開口部中の溶接表面を示す下部タイプレートの斜視図であり、この開口部を通してＤｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタ組み立て体が挿入される。
【図１１Ａ】上部の水平溶接接合部からの金属組織学的な断面図である。
【図１１Ｂ】底部の平面溶接接合部からの金属組織学的な断面図である。
【図１２】金属組織学的な断面図であり、下部タイプレートの空洞内で圧縮された場合にデブリフィルタによる機械的負荷を示す。
【図１３】溶接の溶け込みに対するカバープレート溶接部中の応力強度を示すグラフである。
【図１４】カバープレートを下部タイプレートに溶接するための水平および垂直な溶接接合部の構成を示す図面である。
【符号の説明】
【００３７】
９  核燃料ピン孔
１０  Ｄｅｆｅｎｄｅｒデブリフィルタの下部タイプレート組み立て体
１１  開口部／下部タイプレート窓
１２  フィルタプレート組み立て体
１３  機械加工された鋳造導入口
１４  機械加工された下部タイプレート
１５  流体流れ孔
１６  カバープレート
１７  フィンガースプリングポケット
１８  波状ステンレス鋼プレート
１９  水平溶接表面
２０  垂直溶接接合部
２１  水平溶接接合部
２２  仮付け溶接
２３  下部タイプレート導入口端
２４  仮付け溶接
２５  長方形の空洞
２６  溶接フランジ
２８  裏側の逃げ
２９  溶接表面
３０  溶接接合部
３１  下部タイプレートの表面基部
３２  溶接接合部
３４  焦点
３５  コリメートされたレーザビーム
３６  焦点がずれた点
３７  カバープレートウェッジ
３８  焦点が合ったビーム
３９  焦点をずらしたビーム
４０  部分溶け込み溶接部
４１  裂け目
４２  部分溶け込み溶接部
４３  裂け目
４４  溶接基底部
４５  固定装置
４６  溶接基底部
４７  押し棒
４８  手持ちつまみ
４９  銅製の冷却ブロック
５０  タイプレート仮付け溶接ステーション
５１  支持プレート
５２  タイプレート固定具
５３  着脱クランプ／ピストン
５４  ポリマ絶縁体
５５  ＴＩＧ電源
５６  固定具ガイドプレート
５７  小軸プレス取っ手
５８  カバープレートクランプ
６０  手動小軸プレス
６１  位置合わせ工具の表面「Ｂ」
６２  ロードセル／センサ
６３  位置合わせ工具の表面「Ａ」
６４  位置合わせ工具
７０  電源
７２  主制御パネル
７４  デブリフィルタの下部タイプレート組み立て体固定具
７５  レーザ装置システム
７７  レーザ装置システム扉
７８  銅製冷却ブロック
７９  バックパージガスライン
８０、８２  ＺＹ方向の治具の十字線
８４  開始位置
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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