(57)【要約】      （修正有）【課題】銅と鋼との異材継手の溶接性に優れ、十分な大きさののど厚を有する品質良好な溶接部を得ると共に、除熱性能の向上及び製造コストの低減にも有効な金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法およびその溶接装置を提供する。【解決手段】ＴＩＧ溶接電源１５から給電する第１の溶接電流ＩａとＭＩＧ溶接電源２０から給電する第２の溶接電流Ｉｂとの比Ｉａ/Ｉｂを所定の範囲で出力させ、先行ＴＩＧの非消耗電極１３に流れるＩａと後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤに流れるＩｂとで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合うＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３を隅肉継手部の溶接開始位置に発生させると共に、反発し合う前記ＴＩＧアークとＭＩＧアークで１つの溶融プール２４を形成させ、前記ＴＩＧアークとＭＩＧアーク及び前記１つの溶融プールによる複合溶接によって、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工する。【選択図】図９
2016011845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射性物質を有する使用済燃料の集合体を収納する鋼製の内筒の外面と、該内筒の外側に同軸状に配置する鋼製の外筒内面との間に、略等間隔に傾斜配備する所定枚数の銅製の伝熱銅フィンの両端面部を各々溶接する際に、前記内筒の外面の長手方向に前記伝熱銅フィンの片方端面部を突合せて形成された前記内筒側の広角傾斜の隅肉継手部、又は前記外筒の内面の長手方向に前記伝熱銅フィンの他方端面部を突合せて形成された外筒側の広角傾斜の隅肉継手部、若しくは前記内筒及び外筒の両面に形成された隅肉継手部に、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接によって溶接施工する金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
溶接すべき前記隅肉継手部の溶接線に対して、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接が可能な一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチと、前記後続ＭＩＧ側の消耗ワイヤにシリコン入りのＣｕＳｉワイヤとを用い、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを走行移動可能な長尺アームの先端部又は多関節可動式の溶接ロボットの手首部に取付冶具を介して取付けると共に、前記先行ＴＩＧの非消耗電極の極性を負極とし、前記隅肉継手側の極性を正極とした給電をＴＩＧ溶接電源で行い、一方、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤの極性を正極とし、前記隅肉継手側の極性を負極とした給電をＭＩＧ溶接電源で行い、かつ、前記ＴＩＧ溶接電源から給電する第１の溶接電流（Ｉａ）と前記ＭＩＧ溶接電源から給電する第２の溶接電流（Ｉｂ）との比(Ｉａ/Ｉｂ)を所定の範囲で出力させ、前記先行ＴＩＧの非消耗電極に流れる前記第１の溶接電流（Ｉａ）と前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤに流れる前記第２の溶接電流（Ｉｂ）とで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合うＴＩＧアークとＭＩＧアークを前記隅肉継手部の溶接開始位置に発生させると共に、反発し合う前記ＴＩＧアークとＭＩＧアークで１つの溶融プールを形成させ、前記ＴＩＧアークとＭＩＧアーク及び前記１つの溶融プールによる複合溶接によって、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記ＴＩＧ溶接電源から給電する第１の溶接電流（Ｉａ）と前記ＭＩＧ溶接電源から給電する第２の溶接電流（Ｉｂ）との比(Ｉａ/Ｉｂ)は、０.８〜１.２の範囲であることを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記隅肉継手部の溶接線の溶接開始位置で、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ先端部の開口部からＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスからなるシールドガスを流出させながら、前記先行ＴＩＧの非消耗電極と前記隅肉継手部との間に負極の前記ＴＩＧアークを発生させ、かつ、前記第１の溶接電流（Ｉａ）を定常値まで到達させた直後又は所定時間経過後に、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤと前記隅肉継手部との間に正極の前記ＭＩＧアークを前記ＴＩＧアークの後方に発生させると共に、前記第２の溶接電流（Ｉｂ）を定常値まで到達させ、相互に反発し合う前記ＴＩＧアークとＭＩＧアークで前記１つの溶融プールを前記隅肉継手部の溶接開始位置に形成させた直後又は所定時間経過後に、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを走行移動させながら、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接を前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを走行移動可能な長尺アームの先端部に配置する場合には、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの前方位置で、かつ、前記隅肉継手部の溶接線から所定の距離だけ離れた前記伝熱銅フィンの表面部と前記内筒側の表面部又は前記外筒側の表面部との両面に接触回転動するように、回転移動可能なガイドローラを前記長尺アームの下側に配備し、前記ガイドローラの接触回転動によって前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを溶接線方向へ走行案内させながら、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接を前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記隅肉継手部の溶接線方向に配置する前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチには、前記先行ＴＩＧの非消耗電極、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤとそのワイヤ通路及びシールドガス通路が配備され、かつ、溶接線の鉛直線に対して前記先行ＴＩＧの非消耗電極は、溶接進行方向と逆方向側に０〜４５度の後退角度範囲で傾斜配置していると共に、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤは、溶接進行方向側に１５〜４５度の前進角度範囲で傾斜配置され、しかも、前記非消耗電極の先端部と前記ＣｕＳｉワイヤの先端部との距離間隔は３〜９ｍｍの範囲に配置され、溶接制御機器による長尺アームの走行指令、ＴＩＧ溶接電源及びＭＩＧ溶接電源への出力指令によって、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの走行動作及び溶接動作を実行させながら、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接を前記隅肉継手部の溶接線の溶接開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
溶接すべき前記内筒側の前記伝熱銅フィンの片方端面部と隅肉継手部又は前記外筒側の前記伝熱銅フィンの他方端面部と隅肉継手部の角度θ１、若しくは前記内筒と外筒の両面に形成された前記伝熱銅フィンの両方端面部と隅肉継手部の角度θ１は、前記内筒の外面又は前記外筒の内面若しくは前記内筒と外筒の両面に対して、θ１＝１２０±１５度(１０５≦θ１≦１３５度)の範囲であり、前記内筒側又は前記外筒側の傾斜角度θ２は、水平線に対して、３０度±１５度(１５≦θ２≦４５度)の範囲に配置され、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接又はＭＩＧ溶接によって前記隅肉継手部の溶接線の溶接開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記伝熱銅フィンの両端面部が平坦面形状の伝熱銅フィンを用いた前記隅肉継手部の溶接線に前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接を施工する際には、前記伝熱銅フィンの端面角部ｂ点から前記伝熱銅フィンの表面側に前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの位置をシフトさせる第１の距離Ｓ１は０〜４ｍｍの範囲であり、若しくは前記伝熱銅フィン表面の延長線と前記内筒の表面又は前記外筒の表面の周方向の表面線とが交わる交点位置のａ点から前記伝熱銅フィンの表面側に前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの位置をシフトさせる第２の距離Ｓ２は、前記伝熱銅フィンの板厚をＴ１、前記隅肉継手部の角度をθ１、ギャップをＧとした時に、Ｓ２＝Ｓ１＋Ｔ１/tan(１８０−θ１)＋Ｇ/sin(１８０−θ１)の範囲であり、前記第１の距離Ｓ１の範囲位置又は第２の距離Ｓ２の範囲位置の溶接線上に前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを略下向姿勢に設定して、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接を前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接の代わりに、ＭＩＧ溶接トーチとＣｕＳｉワイヤ及びＭＩＧ溶接電源を用いてＭＩＧ溶接を施工する際には、前記伝熱銅フィンの端面角部ｂ点から前記伝熱銅フィンの表面側に前記ＭＩＧ溶接トーチの位置をシフトさせる第１の距離Ｓ１は−１.９〜３.１ｍｍの範囲であり、若しくは前記伝熱銅フィンの表面の延長線と前記内筒の表面又は前記外筒の表面の周方向の表面線とが交わる交点位置のａ点から前記伝熱銅フィンの表面側に前記ＭＩＧ溶接トーチの位置をシフトさせる第２の距離Ｓ２は、前記伝熱銅フィンの板厚をＴ１、前記隅肉継手部の角度をθ１、ギャップをＧとした時に、Ｓ２＝Ｓ１＋Ｔ１/tan(１８０−θ１)＋Ｇ/sin(１８０−θ１)の範囲であり、前記第１の距離Ｓ１の範囲位置又は第２の距離Ｓ２の範囲位置の溶接線上に前記ＭＩＧ溶接トーチを設定して、前記ＭＩＧ溶接を前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項９】
請求項８に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記伝熱銅フィンの両端面部が傾斜面形状の伝熱銅フィンを用いた隅肉継手部の溶接線に前記ＭＩＧ溶接を施工する際には、前記第１の距離Ｓ１は０〜４ｍｍの範囲であり、若しくは前記第２の距離Ｓ２は、前記伝熱銅フィンの板厚をＴ１、前記伝熱銅フィンの両端面部の端面傾斜角をβ１、隅肉継手部の角度をθ１、ギャップをＧとした時に、Ｓ２＝Ｓ１＋Ｔ１/tan(１８０−θ１)−Ｔ１×tanβ１＋Ｇ/sin(１８０−θ１)の範囲であり、前記第１の距離Ｓ１の範囲位置又は第２の距離Ｓ２の範囲位置の溶接線上に前記ＭＩＧ溶接トーチを設定して、前記ＭＩＧ溶接を前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
少なくとも輻射熱及び飛散物の遮蔽可能な遮蔽板を用い、前記遮蔽板は、前記隅肉継手部の溶接線方向に溶接を行う前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又は前記ＭＩＧ溶接トーチと、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又は前記ＭＩＧ溶接トーチよりも前方位置で、かつ、前記隅肉継手部の溶接線から近距離だけ離れた前記伝熱銅フィンの表面部と前記内筒側の表面部又は前記外筒側の表面部との両面に接触回転動するように配備した回転移動可能なガイドローラとの間にあり、かつ、溶接線と略直角方向の上部位置で、長尺アームの先端部の下側に前記遮蔽板が配備され、該遮蔽板によって、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又は前記ＭＩＧ溶接トーチによる溶接中に発生する輻射熱及び飛散物を遮蔽するようにしたことを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、
前記先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接又は前記ＭＩＧ溶接によって溶接施工した前記内筒の外面又は前記外筒の内面と前記伝熱銅フィンの片方端面部との隅肉継手部に形成された溶接部、若しくは前記内筒及び外筒両面と前記伝熱銅フィンの両方端面部との隅肉継手部に形成された溶接部ののど厚Ｌが、少なくとも前記伝熱銅フィンの板厚Ｔ１以上(Ｌ≧Ｔ１)の大きさを有することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法。
【請求項１２】
放射性物質を有する使用済燃料の集合体を収納する鋼製の内筒の外面と、該内筒の外側に同軸状に配置する鋼製の外筒の内面との間に、略等間隔に傾斜配備する所定枚数の銅製の伝熱銅フィンの両端面部を各々溶接するにあたって、前記内筒の外面の長手方向に前記伝熱銅フィンの片方端面部を突合せて形成された前記内筒側の広角傾斜の隅肉継手部、又は前記外筒の内面の長手方向に前記伝熱銅フィンの他方端面部を突合せて形成された前記外筒側の広角傾斜の隅肉継手部、若しくは前記内筒及び外筒の両面に形成された隅肉継手部に、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接によって溶接施工する金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置において、
溶接すべき前記隅肉継手部の溶接線に対して、少なくとも先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接が可能な一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチと、前記後続ＭＩＧ側の消耗電極であるシリコン入りのＣｕＳｉワイヤと、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの先端部から前記隅肉継手部の溶接部分及びその近傍に向けてガスを流出させるシールガスと、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチをアーム先端部に取付冶具を介して取付可能で、かつ、溶接方向に走行移動可能な長尺アームと、前記先行ＴＩＧの非消耗電極の極性を負極とし、前記隅肉継手側の極性を正極とした給電を行うＴＩＧ溶接電源と、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤの極性を正極とし、前記隅肉継手側の極性を負極とした給電及びワイヤ送給を行うＭＩＧ溶接電源とを備え、
前記隅肉継手部の溶接線の開始位置で、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの先端部から前記シールドガスを流出させながら、前記ＴＩＧ溶接電源から給電する第１の溶接電流（Ｉａ）と前記ＭＩＧ溶接電源から給電する第２の溶接電流（Ｉｂ）との比(Ｉａ/Ｉｂ)を所定の範囲で出力させ、前記先行ＴＩＧの非消耗電極に流れる第１の溶接電流（Ｉａ）と前記後続ＭＩＧの消耗ワイヤに流れる第２の溶接電流（Ｉｂ）とで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合うＴＩＧアークとＭＩＧアークを前記隅肉継手部の溶接開始位置に発生させると共に、反発し合う前記ＴＩＧアークとＭＩＧアークで１つの溶融プールを形成させ、前記ＴＩＧアークとＭＩＧアーク及び前記１つの溶融プールによる複合溶接によって、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置において、
前記ＴＩＧ溶接電源から給電する第１の溶接電流（Ｉａ）と前記ＭＩＧ溶接電源から給電する第２の溶接電流（Ｉｂ）との比(Ｉａ/Ｉｂ)は、０.８〜１.２の範囲であることを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置において、
前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの前方位置で、かつ、前記隅肉継手部の溶接線から近距離だけ離れた前記伝熱銅フィンの表面部と前記内筒側の表面部又は前記外筒側の表面部との両面に接触回転するようにガイドローラを前記長尺アームの下側に配備し、該ガイドローラの接触回転によって前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを溶接線方向へ走行案内させながら、前記先行ＴＩＧと後続ＭＩＧのＴＩＧアークとＭＩＧアーク及び前記１つの溶融プールによる複合溶接によって、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置において、
前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチと、該ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチよりも前方位置で、かつ、前記ガイドローラとの間にあり、溶接線と略直角方向の上部位置で、前記長尺アームの先端部の下側に少なくとも輻射熱及び飛散物の遮蔽可能な遮蔽板が配置されていることを特徴とする金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法及びその溶接装置に係り、特に、原子力発電所等から発生する使用済燃料を輸送又は貯蔵若しくは輸送及び貯蔵し、かつ、鋼製の内筒及び外筒に銅製の伝熱フィンが直接溶接されるものに好適な金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法及びその溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電所の原子炉で一定期間使用された複数の燃料は、原子炉から取り出され、使用済燃料冷却プール等に一時保管される。使用済燃料冷却プールで所定期間冷却された使用済燃料は、再資源として活用するため、金属キャスクと呼ばれる放射性物質収納容器に収納され、再処理施設で再処理されるまで中間貯蔵施設に搬入して保管される。
【０００３】
使用済燃料の集合体を運搬・貯蔵する金属キャスクは、使用済燃料を収納する内筒(内筒容器や容器本体或いは胴本体ともいう)、外部からの衝撃を吸収する外筒及び内筒を密閉する複数の蓋等を有している。
【０００４】
使用済燃料は、高レベルの放射性物質を含んでいることから崩壊熱を発生しているため、内筒と外筒の間には、使用済燃料集合体から発生する崩壊熱を内筒及び外筒の外側へ逃がすために複数の伝熱フィンを配備しており、これら複数の伝熱フィンは、内筒及び外筒にそれぞれ溶接されている。
【０００５】
通常、内筒及び外筒の材料には、剛性及び遮蔽性等の性能が良い炭素鋼材やステンレス鋼材等が使用され、一方の伝熱フィンの材料には、主に熱伝導の良い銅材が使用されており、また、２種類の金属を予め接合した銅クラッド鋼材等も使用されている。
【０００６】
上述した金属キャスクの内筒外面及び外筒内面に伝熱フィンを溶接する公知技術が、例えば、特許文献１乃至５に開示されている。
【０００７】
特許文献１には金属製容器製造方法について記載され、純銅製のＭＩＧワイヤからＭＩＧアークを発生させる溶接工程と、前記ＭＩＧアークを取り囲むように同軸上に配置されたプラズマ電極からプラズマアークを発生させる溶接工程とを並列して行い、前記ＭＩＧ溶接工程及びプラズマ溶接工程では、銅製の伝熱フィンと水平面のなす角を１５〜２０度とし、前記伝熱フィンと炭素鋼製の内筒のなす角を７５度以上に配置して前記ＭＩＧアーク及びプラズマアークを下向きに発生させることが開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には溶接方法について記載され、溶接後熱処理を必要とする鋼製の母材と銅製の母材とをＭＩＧトーチ等の溶接手段によって溶接する溶接工程と、前記溶接手段と所定距離離れた後方位置に配置されたアーク溶接トーチや高周波コイル或いはレーザ等の加熱手段によって、前記溶接工程で生じた溶接ビード上を加熱(溶融も含む)して前記鋼製の母材の溶接熱影響部まで熱処理する熱処理工程を備えており、更に、前記溶接工程の前に、前記溶接手段より所定距離先行する前方位置に配置されたＴＩＧトーチやＹＡＧレーザや高周波コイル等の加熱手段によって、前記溶接工程の前に、熱伝導率の高い前記銅製の母材を予熱することが開示されている。
【０００９】
また、特許文献３には銅又は銅合金の溶接方法について記載され、非消耗電極と消耗電極を組合せ、先行の非消耗電極と後行の消耗電極に交互に溶接電流を供給し、前記非消耗電極と消耗電極との間隔を融合不良ビードが生じない距離に保ちながら溶接することが開示されている。
【００１０】
また、特許文献４には放射性物質用金属キャスクについて記載され、胴本体から径方向外方に延びて外筒に伝熱させる伝熱フィンを備え、この伝熱フィンは２種類の金属板を接合したクラッド材から構成され、かつ、該クラッド材の一方の金属は前記胴本体及び外筒を同種の金属材料、他方は熱伝導の良好な良伝熱材料で構成されており、前記胴本体(及び又は外筒)とこれと同種金属のクラッド部位とを直接溶接することが開示されている。
【００１１】
更に、特許文献５には放射性物質収納容器について記載され、銅製の伝熱フィンの両端部に平行部が各々形成されており、この平行部を容器本体外周面及び外筒内周面に沿って配置し、銅合金ワイヤを用いたＭＩＧ溶接又はＭＩＧブレイジングによって、前記容器本体外周面及び外筒内周面と前記伝熱フィンの平行先端部とが溶接されていることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１７８７２７号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１４６９号公報
【特許文献３】特開昭５８−３７９１号公報
【特許文献４】特開２００７−２０５９３１号公報
【特許文献５】特開２００８−０８２９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した特許文献１では、ＭＩＧアーク及びプラズマアークをほぼ同軸上に発生させているため、両アークに作用する電磁力は相殺し合うが、ＭＩＧワイヤ(消耗電極)及びプラズマ電極(非消耗電極)の両極性を正極(プラス)、母材側を負極(マイナス)にしていることから、プラズマ電極が消耗されて損傷し易いため、長時間稼働が必要な溶接線の長い長尺部材の溶接には適さないし、溶接途中でプラズマ電極が消耗すると、不安定なアーク挙動に変化して溶接ビード形成に悪影響を及ぼし、溶接不良に至る場合がある。また、純銅は熱伝導率の高い材料であるが、銅材と鋼材との異材溶接は相性が悪く、固溶し難い性質があるため、純銅製のＭＩＧワイヤを用いて銅・鋼継手部を溶接して鋼側の溶込みが深くなると、溶接割れ(凝固割れ)が発生し易くなる。
【００１４】
また、特許文献２では、溶接手段の他に、該溶接手段の後方位置及び/又は前方位置にアーク溶接トーチや高周波コイル或いはレーザ等の加熱手段を設ける構成であるため、装置が大型化すると共に、溶接対象物との干渉等によって溶接できない部位が発生してしまう。また、磁気を発生する高周波コイルを設ける場合は、電磁力によって溶接手段のアーク挙動が不安定になり、溶接ビード形成に悪影響を及ぼすことがある。一方、レーザを使用する場合には、銅製の母材に対して光の反射率が高いため、銅母材を十分に加熱することができない。
【００１５】
また、特許文献３では、アーク同士の干渉を避けるため、非消耗電極(ＴＩＧ)側の電流と消耗電極(ＭＩＧ)側の電流とを交互に切り換えて供給するようにしている。このため、ＴＩＧアークの発生中はＭＩＧアークが消滅した状態、反対に、ＭＩＧアークの発生中はＴＩＧアークが消弧した状態で銅又は銅合金の母材を溶接することになり、加熱及び溶融の相乗効果が抑制され、溶接能率の大幅な向上は難しいものとなる。また、溶接対象物は銅材同士又は銅合金材同士で溶接であり、銅材と鋼材との異材溶接については、対象外で全く適用されておらず、また、記載も示唆もされていない。
【００１６】
また、特許文献４では、銅クラッド鋼材の鋼部と鋼製の胴体又は外筒とを溶接するように構成していることから、鋼材同士のＭＡＧ溶接やＣＯ２溶接等が施工可能となるが、伝熱フィンに銅クラッド鋼材を使用しているため、製造コストが高く、重量が重くなるという問題がある。また、前記銅クラッド鋼材の銅側の板厚が薄いことから、除熱性能に限界があるため、より高い除熱性能が必要な伝熱フィンには適さない。
【００１７】
更に、特許文献５では、板幅の広い銅板を使用すると共に、銅板幅方向の両端部に平行部を設けるための曲げ成形等の加工が必要な構造であり、製造コストが高くなるという問題がある。また、容器本体外周面及び外筒内周面に前記平行部を密着させて重ね隅肉継手部を形成し、該重ね隅肉継手部をＭＩＧ溶接又はＭＩＧブレイジングするようにしているため、大きな溶接入熱量が必要となり、更に、銅側の溶接ビード止端部に発生し易いアンダーカット等の凹みによって、溶接部ののど厚不足や有効断面積不足に至る場合がある。
【００１８】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、銅と鋼との異材継手の溶接性に優れ、十分な大きさののど厚を有する品質良好な溶接部を得ると共に、除熱性能の向上及び製造コストの低減にも有効な金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法及びその溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法は、上記目的を達成するために、放射性物質を有する使用済燃料の集合体を収納する鋼製の内筒の外面と、該内筒の外側に同軸状に配置する鋼製の外筒内面との間に、略等間隔に傾斜配備する所定枚数の銅製の伝熱銅フィンの両端面部を各々溶接する際に、前記内筒の外面の長手方向に前記伝熱銅フィンの片方端面部を突合せて形成された前記内筒側の広角傾斜の隅肉継手部、又は前記外筒の内面の長手方向に前記伝熱銅フィンの他方端面部を突合せて形成された外筒側の広角傾斜の隅肉継手部、若しくは前記内筒及び外筒の両面に形成された隅肉継手部に、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接によって溶接施工する金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法において、溶接すべき前記隅肉継手部の溶接線に対して、前記先行ＴＩＧと前記後続ＭＩＧとの複合溶接が可能な一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチと、前記後続ＭＩＧ側の消耗ワイヤにシリコン入りのＣｕＳｉワイヤとを用い、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチを走行移動可能な長尺アームの先端部又は多関節可動式の溶接ロボットの手首部に取付冶具を介して取付けると共に、前記先行ＴＩＧの非消耗電極の極性を負極とし、前記隅肉継手側の極性を正極とした給電をＴＩＧ溶接電源で行い、一方、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤの極性を正極とし、前記隅肉継手側の極性を負極とした給電をＭＩＧ溶接電源で行い、かつ、前記ＴＩＧ溶接電源から給電する第１の溶接電流（Ｉａ）と前記ＭＩＧ溶接電源から給電する第２の溶接電流（Ｉｂ）との比(Ｉａ/Ｉｂ)を所定の範囲で出力させ、前記先行ＴＩＧの非消耗電極に流れる前記第１の溶接電流（Ｉａ）と前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤに流れる前記第２の溶接電流（Ｉｂ）とで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合うＴＩＧアークとＭＩＧアークを前記隅肉継手部の溶接開始位置に発生させると共に、反発し合う前記ＴＩＧアークとＭＩＧアークで１つの溶融プールを形成させ、前記ＴＩＧアークとＭＩＧアーク及び前記１つの溶融プールによる複合溶接によって、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置は、上記目的を達成するために、放射性物質を有する使用済燃料の集合体を収納する鋼製の内筒の外面と、該内筒の外側に同軸状に配置する鋼製の外筒の内面との間に、略等間隔に傾斜配備する所定枚数の銅製の伝熱銅フィンの両端面部を各々溶接するにあたって、前記内筒の外面の長手方向に前記伝熱銅フィンの片方端面部を突合せて形成された前記内筒側の広角傾斜の隅肉継手部、又は前記外筒の内面の長手方向に前記伝熱銅フィンの他方端面部を突合せて形成された前記外筒側の広角傾斜の隅肉継手部、若しくは前記内筒及び外筒の両面に形成された隅肉継手部に、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接によって溶接施工する金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置において、溶接すべき前記隅肉継手部の溶接線に対して、少なくとも先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接が可能な一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチと、前記後続ＭＩＧ側の消耗電極であるシリコン入りのＣｕＳｉワイヤと、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの先端部から前記隅肉継手部の溶接部分及びその近傍に向けてガスを流出させるシールガスと、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチをアーム先端部に取付冶具を介して取付可能で、かつ、溶接方向に走行移動可能な長尺アームと、前記先行ＴＩＧの非消耗電極の極性を負極とし、前記隅肉継手側の極性を正極とした給電を行うＴＩＧ溶接電源と、前記後続ＭＩＧのＣｕＳｉワイヤの極性を正極とし、前記隅肉継手側の極性を負極とした給電及びワイヤ送給を行うＭＩＧ溶接電源とを備え、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置で、前記ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの先端部から前記シールドガスを流出させながら、前記ＴＩＧ溶接電源から給電する第１の溶接電流（Ｉａ）と前記ＭＩＧ溶接電源から給電する第２の溶接電流（Ｉｂ）との比(Ｉａ/Ｉｂ)を所定の範囲で出力させ、前記先行ＴＩＧの非消耗電極に流れる第１の溶接電流（Ｉａ）と前記後続ＭＩＧの消耗ワイヤに流れる第２の溶接電流（Ｉｂ）とで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合うＴＩＧアークとＭＩＧアークを前記隅肉継手部の溶接開始位置に発生させると共に、反発し合う前記ＴＩＧアークとＭＩＧアークで１つの溶融プールを形成させ、前記ＴＩＧアークとＭＩＧアーク及び前記１つの溶融プールによる複合溶接によって、前記隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、銅と鋼との異材継手の溶接性に優れ、十分な大きさを有するのど厚及び除熱に有効な熱伝導断面積を確保でき、かつ、割れ等の欠陥がない品質良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることができると共に、除熱性能の向上及び製造コストの低減にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１に係わる伝熱銅フィン付き金属キャスクの構造を示す斜視図である。
【図２】図１中のＡ部を拡大した継手溶接構造を示す部分斜視図である。
【図３】本発明の実施例１に係わる金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法の手順の概要を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例１に係わる伝熱銅フィン付き金属キャスクにおける内筒外面と伝熱銅フィンの端面部との隅肉継手部の形状を示す部分斜視図である。
【図５】図４に示した内筒側の隅肉継手部に溶接した溶接部の形状を示す部分斜視図である。
【図６】本発明の実施例１に係わる伝熱銅フィン付き金属キャスクにおける外筒外面と伝熱銅フィンの他方の端面部との溶接すべき隅肉継手部の形状を示す部分斜視図である。
【図７】図６に示した外筒側の隅肉継手部に溶接した溶接部の形状を示す部分斜視図である。
【図８】本発明の実施例１に係わる一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの概略構成及びトーチ配置を示し、ＴＩＧアークとＭＩＧアークで溶融プールを形成する前の図である。
【図９】図８の状態からＴＩＧアークとＭＩＧアークで溶融プールを形成した状態を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係わるＭＩＧ溶接トーチの概略構成及びトーチ配置を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施例２に係わるＭＩＴ溶接における伝熱銅フィンの端面形状及びトーチ配置を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１に係わる先行ＴＩＧと後続ＭＩＧの複合溶接における伝熱銅フィンの端面形状及びトーチ配置を示す図である。
【図１３】本発明の実施例３に係わる金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接装置であり、長尺アームの先端部にＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ及びガイドローラを配備した構成を示す正面図である。
【図１４】図１３に示した構成の左側面図である。
【図１５】本発明に係わるワイヤ送り速度とワイヤ溶着断面積及びのど厚の関係を示す特性図である。
【図１６】本発明に係わる銅板の端面平坦面継手及び端面傾斜面継手のＭＩＧ溶接におけるトーチ位置のシフト量と溶接部ののど厚及びビード幅との関係を示す特性図である。
【図１７】本発明に係わるトーチ位置(ワイヤ位置)のシフト量Ｓ２(前記第２の距離Ｓ２)を変化させた時の端面平坦面継手の溶接ビード外観及び溶接部断面写真を示す図である。
【図１８】本発明に係わる炭素鋼表面にＣｕＳｉワイヤを直接溶接した時の溶込み深さと鋼側の希釈率の関係を示す特性図である。
【図１９】本発明に係わる隅肉継手部のギャップ及びトーチ位置のシフト量を変化させてＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接試験を行った時の溶接部の品質評価結果及び適正条件領域を示す特性図である。
【図２０】本発明に係わるＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接した溶接部の代表的な溶接断面写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図示した実施例に基づいて本発明の金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接方法及びその溶接装置について説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。
【実施例１】
【００２４】
図１に、本実施例に係わる伝熱銅フィン付き金属キャスクの構造を、図２に、図１中のＡ部を拡大した溶接構造をそれぞれ示す。
【００２５】
該図において、内筒１は、その内部に放射性物質を有する複数の使用済燃料(図示せず)の集合体等を収納する容器であり、強度の高い炭素鋼等の鋼製の鋼材が用いられている。この内筒１の外側には、内筒１と同種材の鋼製の外筒２が内筒１を取り囲むように同軸状に配置されている。内筒１の外面と外筒２の内面の間には、円周長手方向に略等間隔に、数十枚(所定枚数をＮ枚という)の伝熱銅フィン３が傾斜して配備されている。
【００２６】
これらＮ枚の伝熱銅フィン３は、熱伝導率の高い純銅等の銅製の銅板材が用いられており、銅製の伝熱銅フィン３を用いることで、使用済燃料集合体から発生する崩壊熱を内筒１及び外筒２の外側へ逃がすための除熱性能を高めることができると共に、軽量化及びコスト低減にも寄与することができる。また、金属キャスク全体の強度及び剛性は、強度の高い鋼製の厚板の内筒１と外筒２、及びこの内筒１と外筒２を密閉する複数の蓋(図示せず)等によって、十分に確保されている。
【００２７】
図２に示すように、Ｎ枚の伝熱銅フィン３の片方の各端面部には、内筒１側の各隅肉継手部５で溶接された内側溶接部(溶接ビード及びその溶接断面部)７が形成されており、また、他方の各端面部には、外筒２側の各隅肉継手部８で溶接された外側溶接部１０(溶接ビード及びその溶接断面部)が形成されている。この伝熱銅フィン３の内側溶接部７及び外側溶接部１０については、特に強度は要求されないが、収納・保管する物質の性質上、高い信頼性を確保する必要がある。
【００２８】
溶接すべきＮ枚の伝熱銅フィン３の各隅肉継手部５、８の内筒１と伝熱銅フィン３、外筒２と伝熱銅フィン３とのそれぞれの角度θ１は、内筒１の外面又は外筒２の内面若しくは内筒１及び外筒２の両面に対して、θ１＝１２０度±１５度(１０５≦θ１≦１３５度)の範囲の広角に傾斜して形成されている。
【００２９】
また、Ｎ枚の伝熱銅フィン３が隣接する各空間４は、樹脂材等のレジン(図示せず)を充填配備する場所である。これらのレジンは、使用済燃料の集合体から法線状に放出される放射線を遮蔽する物質であり、溶接終了後に、Ｎ枚の伝熱銅フィン３の傾斜面に沿って、レジンが各空間４の内部にそれぞれ充填されるものである。伝熱銅フィン３を広角に傾斜して配備することで、溶接時の作業性が容易になると共に、伝熱銅フィン３の傾斜面に沿って充填されるレジンの傾斜配備によって、放射線の遮蔽性能を高めることができる。
【００３０】
本実施例における伝熱銅フィン３の両端面部を、内筒１及び外筒２の両面に溶接する方法について、以下に説明する。
【００３１】
図３は、本実施例に係わる金属キャスク用伝熱銅フィンの溶接手順概要の一実施例を示すフローチャートである。
【００３２】
該図において、伝熱銅フィン３の溶接手順１００では、溶接前にワイヤ溶着断面積Ａｗを決定するワイヤ溶着断面積決定工程１０２と、所定枚数(Ｎ枚)の伝熱銅フィン３の片方端面部を内筒１側に各々突合せて隅肉継手部５をＮ箇所 (５−１、５−２・・・５−Ｎ)形成した後に、その隅肉継手部５に溶接する内筒１側の第１の溶接工程１０３、内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５、内筒１側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１０６と、内筒１側の溶接品質の検査工程１０７、１１７の終了後に、Ｎ枚の伝熱銅フィン３の他方の端面部を外筒２側に各々突合せて隅肉継手部８をＮ箇所(８−１、８−２・・・８−Ｎ)形成し、その後に、隅肉継手部８に溶接する外筒２側の第２の溶接工程１１０、外筒２側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１１２、外筒２側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１１３とを順次行うものである。
【００３３】
内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５と外筒２側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１１２では、Ｎ箇所形成した隅肉継手部５、８に１パスずつ繰り返し溶接(連続溶接)することで、隅肉継手部５、８の仮組作業及び溶接作業を効率良く行うことができる。一方、少数単位(１〜５箇所程度)に分割して溶接と検査を繰り返す内筒１側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１０６と外筒２側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１１３では、内筒１側又は外筒２側の各隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎ、８−１、８−２・・・８−Ｎを１〜５箇所程度に分割して溶接を行い、かつ、その溶接後の溶接部を検査するように、溶接と検査の両作業を繰り返すようにすることで、溶接と検査の両作業を効率良く行うことができると共に、溶接部の品質を溶接直後に検証することができる。
【００３４】
このように、二通りある作業(連続溶接又は溶接と検査の繰り返し)の何れかを選択することで、溶接優先の作業効率向上又は検査優先の溶接品質向上を図ることができる。
【００３５】
次に、内筒１側の第１の溶接工程１０３と内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５の終了後、又は内筒１側の第１の溶接工程１０３、内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５、外筒２側の第２の溶接工程１１０、外筒２側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１１２の終了後に、内筒１側の溶接品質の検査工程１０７と外筒２側の溶接品質の検査工程１１４では、各溶接部の品質を各々検査すると共に、その検査で不合格（工程１０８、１１５）となった溶接部分を補修する補修溶接工程１０９、１１６を行う。
【００３６】
また、溶接と検査の両作業を繰り返し行う場合の内筒１側の溶接品質の検査工程１１７と外筒２側の溶接品質の検査工程１２０では、該当する溶接部に溶接ビードが良好に形成されているか否か、割れやアンダーカット等の欠陥があるか否か、のど厚Ｌや溶込み深さｃ等を満足しているか否か等の溶接品質の検査・確認を行う。この内筒１側の溶接品質の検査工程１１７と外筒２側の溶接品質の検査工程１２０で不合格（工程１１８、１２１）となった場合には、不合格の溶接部分を補修溶接工程１１９、１２２で補修するようにしている。
【００３７】
最初に、溶接前に行うワイヤ溶着断面積決定工程１０２では、所定の隅肉継手部５に形成すべき内側溶接部７ののど厚Ｌが伝熱銅フィン３の板厚Ｔ１以上(Ｌ≧Ｔ１)になるように、ワイヤ送り速度Ｗｆ又はワイヤ送り速度Ｗｆとワイヤ径ｄ及び所定の溶接速度Ｖからワイヤ溶着断面積Ａｗを算出して決定する。
【００３８】
なお、内側溶接部７ののど厚Ｌとは、図３のワイヤ溶着断面積決定工程１０２中に示すように、伝熱銅フィン３側の溶融底部から溶接ビード表面までの最小距離のことである。また、ワイヤ溶着断面積決定工程１０２の箇所に図示した隅肉継手部５の内側溶接部７は、内筒１の外面に伝熱銅フィン３の一方の端面部を溶接して形成することを想定して描いているが、外筒２の内面に伝熱銅フィン３の他方の端面部を溶接して外側溶接部１０を形成することも想定内であり、図２に示した溶接構造と同様であることから省略している。
【００３９】
次に、内筒１側の第１の溶接工程１０３では、図４に示すように、鋼製の内筒１の外面に所定枚数(Ｎ枚)の伝熱銅フィン３の片方の各端面部を突き合せて広角形状の各隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎを略等間隔に各々形成する。図４中には、伝熱銅フィン３を２枚のみ図示して他の部分を省略してあるが、溶接すべき所定枚数の伝熱銅フィン３は、内筒１の外面の円周方向に略等間隔に傾斜して配備されている。
【００４０】
なお、この内筒１側の第１の溶接工程１０３では、外筒２は配備せずに、伝熱銅フィン３を内筒１の外面に傾斜配備して広角形状の隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎを形成することで、本溶接前の伝熱銅フィン３の仮組作業や各隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎの溶接作業等を容易に行うことができる。
【００４１】
また、内筒１側の第１の溶接工程１０３では、図３〜図５に示すように、所定枚数(Ｎ枚)の伝熱銅フィン３を内筒１の外面に取り付て隅肉継手部５をＮ箇所形成した後に、このＮ箇所の隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎに１パスずつ繰り返し溶接(連続溶接)する内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５と、Ｎ箇所の隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎを予め１〜５箇所程度に分割し、その分割した１〜５箇所の隅肉継手部５−１、５−２、５−３、５−４、５−５を溶接して、その溶接部を検査するように、溶接と検査の両作業を繰り返す内筒１側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１０６とに分けている。
【００４２】
内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５では、パス毎に溶接すべきＮ箇所の隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎの各溶接開始位置から終了位置までの各溶接線(伝熱銅フィン３の下位表面に記した点線６−１、６−２・・・６−Ｎ)に対して、シリコン入りのＣｕＳｉワイヤを用い、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接又はＭＩＧ溶接によって、１パスずつ順番に溶接施工する。
【００４３】
この内筒１側のＮ箇所の繰り返し溶接工程１０５では、例えば、溶接対象の継手(内筒１及び伝熱銅フィン３の両方)側を回転駆動装置等で回転移動させて、溶接すべき隅肉継手部５−１の溶接線６−１を鉛直方向に姿勢変更した後に、溶接線６−１上に一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又はＭＩＧ溶接トーチを下向姿勢で位置決めする。伝熱銅フィン３の両端面部が平坦面形状の場合の溶接線は、端面部から伝熱銅フィン３の表面側にワイヤ位置又はトーチ位置(電極位置含む)を所定距離だけシフトさせた位置であり、そのシフト量Ｓ１(第１の距離Ｓ１)は、Ｓ１＝０〜４ｍｍの範囲で設定すると良い。下向姿勢の一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又はＭＩＧ溶接トーチを、溶接開始位置から終了位置までの溶接線６−１上を走行させながら１パス溶接して溶接ビード及び溶接断面部７−１を形成すると良い。
【００４４】
このように、ワイヤ位置又はトーチ位置を伝熱銅フィン３側にシフトさせて溶接することで、伝熱銅フィン３の加熱溶融が促進されると共に鋼側の溶込み深さが抑制されるので、十分な大きさを有するのど厚Ｌ及び除熱に有効な熱伝導断面積を確実に確保でき、浅溶込みの溶接ビード及び溶接断面部を得ることができる。
【００４５】
溶接線６−１の１パス溶接が終了すれば、溶接トーチを回避移動させ、次の溶接線６−２の溶接では、継手側を再び回転移動させて、該当する溶接線６−２を鉛直方向に姿勢変更した後に、回避移動させていた溶接トーチを溶接線６−２上に沿って移動させて下向姿勢で位置決めを行う。溶接トーチを溶接線６−２上に沿って走行させながら１パス溶接すると良い。
【００４６】
このように、該当する隅肉継手部５の溶接線を姿勢変更する動作、溶接線上に溶接トーチを位置決めする動作、その溶接トーチを走行させながら溶接線上に１パス溶接を施工する動作、１パス溶接施工後に溶接トーチを回避させる動作等の一連の繰り返し動作を行うことで、所定枚数(Ｎ)の隅肉継手部５の各溶接線６−１、６−２・・・６−Ｎに、それぞれ溶接ビード及び溶接断面部７−１、７−２・・・７−Ｎを形成することができる。
【００４７】
なお、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接やＭＩＧ溶接や溶接試験結果等については、別の実施例(図８〜図２１)を用いて後述する。
【００４８】
一方、内筒１側の溶接(１〜５箇所)と、その溶接部の検査を繰り返す内筒１側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１０６でも、溶接施工は同様であり、上述したように、下向姿勢の一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ(又はＭＩＧ溶接トーチ)を溶接開始位置から終了位置までの溶接線６−１上に沿って走行させながら１パス溶接して溶接ビード及び溶接断面部７−１を形成すると良い。溶接後には内筒１側の溶接品質の検査工程１１７で溶接品質の検査を行い、また、この溶接品質の検査で不合格となった場合には、不合格の溶接部分を補修溶接工程１１９で補修するようにしている。
【００４９】
ＣｕＳｉワイヤを用いて先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接又はＭＩＧ溶接することで、銅と鋼との異材溶接であっても、銅と鋼及びＳｉとが固溶可能な状態で適度に混合し合って割れのない良好な溶接ビード及び溶接断面部(溶接部)を形成することができる。熱伝導率が高い純銅製のＣｕワイヤを使用することも可能であるが、純銅製のＣｕワイヤの場合には、シリコン入りのＣｕＳｉワイヤと比べて、銅と鋼との異材溶接に対して溶接性及び溶接品質が劣ると共に、割れ感受性も高いことから、本実施例の溶接方法には採用しなかった。
【００５０】
また、図３〜図５に示したように、溶接施工された各隅肉継手部５−１、５−２・・・５−Ｎの溶接ビード及び溶接断面部７−１、７−２・・・７−Ｎに、少なくとも溶接部ののど厚Ｌが伝熱銅フィン３の板厚Ｔ１以上(Ｌ≧Ｔ１)に形成されている。また、内筒１側の溶込み深さｃは０.０５ｍｍ以上６ｍｍ以下(０.０５≦ｃ≦６ｍｍ)に形成されている（この溶込み深さｃについては後述する）。
【００５１】
これによって、内筒１側の各伝熱銅フィン３の溶接箇所に、十分な大きさを有するのど厚Ｌ及び除熱に有効な熱伝導断面積を確実に確保でき、かつ、割れ等の欠陥がない品質良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることができる。また、除熱性能の向上及び製造コスト低減にも寄与することができる。更に、溶接部の引張強度についても、１００Ｎ/ｍｍ２以上の強度を確実に得ることができる。
【００５２】
上述したのど厚Ｌが伝熱銅フィン３の板厚Ｔ１よりも小さ過ぎると、例えば、内筒１側から内側溶接部７を経由して伝熱銅フィン３側に熱を伝導するのに必要な熱伝導断面積が減少するため、除熱性能の向上に支障をきたすことになる。そのため、溶接部ののど厚Ｌを伝熱銅フィン３の板厚Ｔ１以上(Ｌ≧Ｔ１)に形成している。また、内筒１側の溶込み深さｃが深過ぎると、溶接部の断面積に対する鋼の溶融比率(希釈率)が増加するため、溶接部分の熱伝導率が減少すると共に、割れ感受性が高くなり易い。溶込み深さｃが浅過ぎると、鋼側との接合不足によって引張強度が低下し易くなる。そのため、内筒１側の溶込み深さｃを０.０５ｍｍ以上６ｍｍ以下(０.０５≦ｃ≦６ｍｍ)に形成している。
【００５３】
内筒１側の繰り返し溶接が終了した後の内筒１側の溶接品質の検査工程１０７では、内筒１の各溶接部に溶接ビードが良好に形成されているか否か、割れやアンダーカット等の欠陥があるか否か、のど厚Ｌや溶込み深さｃ等を満足しているか否か等の溶接品質の検査・確認を行う。合格（工程１０８）であれば、次工程である外筒２側の第２の溶接工程１１０に進み、不合格の溶接箇所があれば、補修溶接工程１０９に進み、不合格の溶接箇所及び近傍を補修溶接するようにしている。なお、内筒１側の溶接品質の検査工程１０７を省略して、内筒１及び外筒２の両方の溶接施工の終了後に、内筒１側の溶接品質の検査工程１０７を実施するようにすることもできる。
【００５４】
次に、外筒２側の第２の溶接工程１１０では、内筒１側の第１の溶接工程１０３、内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５、内筒１側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１０６の終了後又は内筒１側の検査工程１０７及び１１７の終了後に、図６に示すように、内筒１側に溶接済の伝熱銅フィン３の外周側に一体の円筒状の外筒２を配置して、所定枚数(Ｎ枚)の伝熱銅フィン３の他方の各端面部を突き合せて、広角形状の各隅肉継手部８−１、８−２・・・８−Ｎを略等間隔に各々形成する。
【００５５】
図６中には、図４と同様に、伝熱銅フィン３を２枚のみ図示して他の部分を省略しているが、溶接すべき所定枚数(Ｎ枚)の伝熱銅フィン３は、内筒１及び外筒２の両面に略等間隔に傾斜して配備されており、かつ、内筒１側の溶接ビード及び溶接断面部７−１、７−２・・・７−Ｎは既に形成済であり、継手側の姿勢を反転して図示している。
【００５６】
また、外筒２側の第２の溶接工程１１０では、図３、図６及び図７に示すように、外筒２側に隅肉継手部をＮ箇所形成した後に、このＮ箇所の隅肉継手部８−１、８−２・・・８−Ｎに１パスずつ繰り返し溶接(連続溶接)する外筒２側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１１２と、１〜５箇所程度の隅肉継手部８−１、８−２・・・８−５に１パスずつ溶接すると共に、その溶接後の溶接部を検査するように溶接と検査の両作業を繰り返す外筒２側の少数単位の溶接と検査の繰り返し溶接工程１１３とに分けている。
【００５７】
外筒２側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１１２では、内筒１側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程１０５の場合と同様に、パス毎に溶接すべきＮ箇所の隅肉継手部８−１、８−２・・・８−Ｎの各溶接開始位置から終了位置までの各溶接線(伝熱銅フィン３の下位表面に記した点線９−１、９−２・・・９−Ｎ)に対して、シリコン入りのＣｕＳｉワイヤを用い、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接又はＭＩＧ溶接によって、１パスずつ順番に溶接施工する。
【００５８】
内筒１の溶接の場合と同様に、外筒２側の溶接の場合でも、溶接対象の継手(内筒１と外筒２及び伝熱銅フィン３)側を回転駆動装置等で回転移動させて、溶接すべき隅肉継手部８−１の溶接線９−１を鉛直方向に姿勢変更した後に、溶接線９−１上に、一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又はＭＩＧ溶接トーチを下向姿勢で位置決めする。
【００５９】
上述したように、伝熱銅フィン３の両端面部が平坦面形状の場合の溶接線は、端面部から伝熱銅フィン３の表面側にワイヤ位置又はトーチ位置(電極位置含む)を所定距離だけシフトさせた位置であり、そのシフト量Ｓ１は、Ｓ１＝０〜４ｍｍの範囲で設定すると良い。下向姿勢の一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又はＭＩＧ溶接トーチを、溶接開始位置から終了位置までの溶接線９−１上に沿って走行させながら１パス溶接して溶接ビード及び溶接断面部１０−１を形成すると良い。
【００６０】
このように、ワイヤ位置又はトーチ位置を伝熱銅フィン３側にシフトさせて溶接することで、伝熱銅フィン３の加熱溶融が促進されると共に鋼側の溶込み深さが抑制されるので、十分な大きさを有するのど厚Ｌ及び除熱に有効な熱伝導断面積を確実に確保でき、浅溶込みの溶接ビード及び溶接断面部を得ることができる。
【００６１】
溶接線９−１の１パス溶接が終了すれば、溶接トーチを回避移動させ、次の溶接線９−２の溶接及びそれ以降の溶接線の溶接も同様であり、上述したように、該当する隅肉継手部の溶接線を姿勢変更する動作、溶接線上に溶接トーチを位置決めする動作、溶接トーチを走行させながら溶接線上に１パス溶接を施工する動作、１パス溶接施工後に溶接トーチを回避させる動作等の一連の繰り返し動作を行うことで、所定枚数(Ｎ枚)の隅肉継手部の各溶接線９−１、９−２・・・９−Ｎに、それぞれ溶接ビード及び溶接断面部１０−１、１０−２・・・１０−Ｎを形成することができる。
【００６２】
一方、外筒２側の溶接(２〜５箇所)と、その溶接部の検査とを繰り返す外筒２側の少数単位での溶接と検査の繰り返し溶接工程１１３でも、内筒１側の場合と同様であり、上述したように、下向姿勢の一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ又はＭＩＧ溶接トーチを、溶接開始位置から終了位置までの溶接線９−１上に沿って走行させながら１パス溶接して溶接ビード及び溶接断面部１０−１を形成すると良い。溶接後に外筒２側の溶接品質の検査工程１２０を行い、また、この外筒２側の溶接品質の検査工程１２０で不合格となった場合は、不合格の溶接部分を補修溶接工程１２２で補修するようにしている。
【００６３】
また、図３、図６及び図７に示したように、溶接施工された各隅肉継手部８−１、８−２・・・８−Ｎの溶接部である溶接ビード及び溶接断面部１０−１、１０−２・・・１０−Ｎに、少なくとも溶接部ののど厚Ｌが伝熱銅フィン３の板厚Ｔ１以上(Ｌ≧Ｔ１)に形成されている。また、外筒２側の溶込み深さｃも０.０５ｍｍ以上６ｍｍ以下(０.０５≦ｃ≦６ｍｍ)に形成されている。
【００６４】
これによって、上述したように、内筒１側の場合と同様に、外筒２側の各伝熱銅フィン３の溶接箇所でも、十分な大きさを有するのど厚Ｌ及び除熱に有効な熱伝導断面積を確実に確保でき、かつ、割れ等の欠陥がない品質良好な溶接ビード及びその溶接断面部を得ることができる。また、除熱性能の向上及び製造コスト低減にも寄与することができる。更に、溶接部の引張強度についても、１００Ｎ/ｍｍ２以上の強度を確実に得ることができる。
【００６５】
外筒２側の繰り返し溶接が終了した後の外筒２側の溶接品質の検査工程１１４では、内筒１側の溶接検査と同様に、外筒２側の各溶接部に溶接ビードが良好に形成されているか否か、割れやアンダーカット等の欠陥があるか否か、のど厚Ｌや溶込み深さｃ等を満足しているか否か等の溶接品質の検査・確認を行う。合格（工程１１５）であれば、次工程１２５のステップに進み、不合格の溶接箇所があれば、補修溶接工程１１６に進み、不合格の溶接箇所及び近傍を補修溶接するようにしている。
【００６６】
図８及び図９に、本実施例に係わる一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチの概略構成及びトーチ配置の一例を示す。
【００６７】
図８に示すように、一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の内部には、タングステン等の非消耗電極１３、その非消耗電極１３の先端部及び溶接部分に向けて第１のシールドガス１４を流出させる第１のガス通路(図示せず)等を備えたＴＩＧユニット１２と、ＣｕＳｉワイヤ等の消耗ワイヤ１８、その消耗ワイヤ１８が挿通するワイヤ通路(図示せず)、消耗ワイヤ１８の先端部及び溶接部分に向けて第２のシールドガス１９を流出させる第２のガス通路等を備えたＭＩＧユニット１７とが配備されている。
【００６８】
第１及び第２のシールドガス１４及び１９は、ガスの種類や成分を変更可能であるが、ここではＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスをシールドガスに使用している。銅と鋼との溶接にＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスを使用することで、純Ａｒガスの場合と比べて、電位傾度が高く、溶接性や濡れ性等が優れており、品質良好な溶接部を得ることが容易となる。図示していないが、この他にも、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を循環水で冷却する水路が設けられている。
【００６９】
ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１は、鋼製の内筒１と銅製の伝熱銅フィン３との隅肉継手部５−１の溶接線６−１に対して、走行移動可能な長尺アーム３１の先端部に取付冶具(図示せず)を介して略下向姿勢に取付け、又は長尺アーム３１の先端部に取付冶具及び左右・上下移動可能な２軸駆動テーブル(図示せず)を介して取付け、かつ、溶接線６−１の方向に配置されている。
【００７０】
また、走行移動可能な長尺アーム３１の代わりに、多関節可動式の溶接ロボットを用い、この溶接ロボットの手首部にＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を配置(取付)して、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を走行移動させながら、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧの複合溶接を隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工するようにしても良い。
【００７１】
更に、先行ＴＩＧの非消耗電極１３側のＴＩＧユニット１２は、溶接進行方向と逆方向側に後退角−α１で傾斜配置され、また、後続ＭＩＧの消耗ワイヤ１８側のＭＩＧユニット１７は、溶接進行方向に前進角＋α２で傾斜配置されている。先行ＴＩＧ側の後退角−α１は、０〜４５度の範囲にすると良い。好ましくは１５〜３０度の範囲に配置するとさらに良い。他方の後続ＭＩＧ側の前進角＋α２は、１５〜４５度の範囲にすると良い。好ましくは１５〜３０度の範囲に配置するとさらに良い。
【００７２】
また、非消耗電極１３の先端部の延長線が継手母材の溶接線６−１と交差する位置から消耗ワイヤ１８の先端部までの両電極間の距離間隔ｆ１は、３〜９ｍｍの範囲にすると良い。好ましくは４〜７ｍｍの範囲に配置するとさらに良い。また、継手母材の溶接線６−１から非消耗電極１３の先端部までの電極高さｆ２は、３〜９ｍｍの範囲にすると良い。好ましくは４〜７ｍｍの範囲に配置するとさらに良い。
【００７３】
このように、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を配置して溶接線上を走行移動及び溶接動作させることで、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接を安定に施工することが可能となる。
【００７４】
なお、ＴＩＧユニット１２の後退角−α１及びＭＩＧユニット１７の前進角＋α２が１５度よりも小さ過ぎると、例えば、非消耗電極１３と消耗ワイヤ１８との距離間隔ｆ１を所定範囲に接近させることができなくなり、また、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３で形成する１つの溶融プール２４の形状が細長く不安定になり易い。一方、後退角−α１及び前進角＋α２が上述した角度範囲よりも大き過ぎると、ＭＩＧアーク２３によって溶融される消耗ワイヤ１８の溶滴が、スパッタとなって先行ＴＩＧ側方向に飛び散り易く、そのスパッタの一部が先行ＴＩＧ側の非消耗電極１３に付着して非消耗電極１３を損傷させることがあり、また、ガスシールド性が低下し易いので好ましくない。従って、先行ＴＩＧ側の後退角−α１は、０〜４５度の範囲にすると良いし、後続ＭＩＧ側の前進角＋α２は、１５〜４５度の範囲にすると良い。
【００７５】
また、非消耗電極１３と消耗ワイヤ１８との距離間隔ｆ１の値が３ｍｍよりも小さ過ぎると、例えば、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３が接近し過ぎ、後続ＭＩＧ側の消耗ワイヤ１８から発生したスパッタの一部が先行ＴＩＧ側の非消耗電極１３に付着して非消耗電極１３を損傷させることがあり、しかも、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３の挙動も不安定になり易い。一方、非消耗電極１３と消耗ワイヤ１８との距離間隔ｆ１が９ｍｍよりも大き過ぎると、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３で形成する１つの溶融プール２４の形状が細長く不安定になり易く、所望の溶接ビード及び溶接断面部が得られない場合がある。従って、非消耗電極１３の先端部の延長線が継手母材の溶接線６−１と交差する位置から消耗ワイヤ１８の先端部までの両電極間の距離間隔ｆ１は、３〜９ｍｍの範囲にすると良い。
【００７６】
更に、継手母材の溶接線６−１から非消耗電極１３の先端部までの電極高さｆ２が３ｍｍよりも小さ過ぎると、例えば、ＴＩＧアーク２２の短縮に伴うアーク電圧低下及び入熱減少等によって溶融不足が発生することがあり、また、非消耗電極１３の先端部が溶融プール２４の表面上に接近しているので、溶融プール２４の挙動変化や飛散したスパッタの影響を受け易くなる。一方、継手母材の溶接線６−１から非消耗電極１３の先端部までの電極高さｆ２が９ｍｍよりも大き過ぎると、ＴＩＧアーク２２の延長に伴うアーク不安定化及び入熱増加等によって、伝熱銅フィン３が過剰に溶融されてアンダーカットの発生要因になることがあり、また、ガスシールド性も低下し易いので好ましくない。従って、継手母材の溶接線６−１から非消耗電極１３の先端部までの電極高さｆ２は、３〜９ｍｍの範囲にすると良い。
【００７７】
図９に示すように、ＴＩＧ溶接電源１５は、給電ケーブル１６−１、１６−２を経由してＴＩＧユニット１２内の非消耗電極１３と継手母材の内筒１との間に接続され、かつ、非消耗電極１３側の極性を負極(マイナス)とし、内筒１側の極性を正極(プラス)として、ＴＩＧアーク２２を溶接箇所に発生させる。他方のＭＩＧ溶接電源２０(ワイヤ送給装置も含む)は、給電ケーブル２１−１、２１−２を経由してＭＩＧユニット１７内の消耗ワイヤ１８と継手母材の内筒１との間に接続され、かつ、消耗ワイヤ１８側の極性を正極(プラス)とし、内筒１側の極性を負極(マイナス)として、ＭＩＧアーク２３をＴＩＧアーク２２の後方近傍に発生させる。
【００７８】
先行ＴＩＧ側の非消耗電極１３を流れる第１の溶接電流Ｉａと、後続ＭＩＧ側の消耗ワイヤ１８(ＣｕＳｉワイヤ)を流れる第２の溶接電流Ｉｂとで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合う２つのＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３で１つの溶融プール２４を形成し、溶接進行方向２５に移動させながら溶接するようにしている。
【００７９】
非消耗電極１３を流れる第１の溶接電流Ｉａと、消耗ワイヤ１８を流れる第２の溶接電流Ｉｂとの比(Ｉａ/Ｉｂ)は、約０.８〜１.２の範囲に設定して出力させると良い。また、第１及び第２の溶接電流Ｉａ、Ｉｂは、両方共に直流電流を給電して、直流同士の２つのアークを形成すると良い。
【００８０】
非消耗電極１３を流れる第１の溶接電流Ｉａと、消耗ワイヤ１８を流れる第２の溶接電流Ｉｂとの比(Ｉａ/Ｉｂ＝０.８〜１.２)の範囲で直流同士の溶接電流Ｉａ、Ｉｂを出力させることで、相互に反発し合うＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３が略下向き方向に偏向した状態で持続されると共に、１つの溶融プール２４を安定に形成することができる。また、消耗ワイヤ１８の先端部からの溶滴が飛散することなく、溶融プール２４内へ容易に溶滴移行し易くなり、良好な溶接ビード及び溶接断面部を有する溶接ビード及び溶接断面部７−１を得ることができる。
【００８１】
非消耗電極１３を流れる第１の溶接電流Ｉａと、消耗ワイヤ１８を流れる第２の溶接電流Ｉｂとの比(Ｉａ/Ｉｂ)が小さ過ぎる場合又は大き過ぎる場合には、相互に反発し合うＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３に大きな偏差が生じるため、電流が大きい側のアーク力の影響により電流の小さい側のアーク挙動が不安定となって溶接不良になり易い。
【００８２】
一方、例えば、ＴＩＧ側の極性を負極(マイナス)から正極(プラス)に反転させた場合は、溶接中にタングステン等の非消耗電極１３が高温過熱によって激しく消耗するため、アーク挙動が不安定となって溶接不良になり易く、時間の長い溶接が困難となる。また、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３が相互に引き合う方向に偏向するため、ＭＩＧ側の消耗ワイヤ１８の溶滴が、ＴＩＧ側の非消耗電極１３に溶着して短時間で電極消耗が発生することもある。他方のＭＩＧ側の極性を正極(プラス)から負極(マイナス)に反転させた場合には、不安定なアーク挙動及びスパッタの発生を伴うため溶接不良になり易く、時間の長い溶接が困難となる。
【００８３】
図９中には、説明し易くするために中央付近の溶接線６−１上にＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３及び１つの溶融プール２４を図示しているが、実際にＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３を発生させる箇所は、溶接すべき隅肉継手部５−１の溶接線６−１上の溶接開始位置である。
【００８４】
例えば、溶接対象の継手(内筒１及び伝熱銅フィン３)側を回転駆動装置等で回転移動させて、溶接すべき隅肉継手部５−１の溶接線６−１を鉛直方向に姿勢変更した後に、溶接線６−１上に一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を下向姿勢で位置決めする。その後、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を溶接線６−１上の溶接開始位置に停止させる。ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１内のＴＩＧユニット１２の開口部と、ＭＩＧユニット１７の開口部との両方からＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスを溶接開始位置及びその近傍で流出させながら、先行ＴＩＧの非消耗電極１３の先端部から電極負極(マイナス)のＴＩＧアーク２２を発生させ、その第１の溶接電流Ｉａを定常値まで到着させた直後又は所定時間経過後に、後続ＭＩＧの消耗ワイヤ１８として送給するＣｕＳｉワイヤからワイヤ正極(プラス)のＭＩＧアーク２３を、ＴＩＧアーク２２の後方近傍に発生させると共に、その第２の溶接電流Ｉｂを定常値まで到達させ、相互に反発し合うＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３で１つの溶融プール２４を、溶接開始位置に発生させた直後又は所定時間経過後に、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を走行させて、１つの溶融プール２４を溶接線方向に移動させながら隅肉継手部５−１の溶接終了位置まで溶接するようにしている。
【００８５】
このように溶接施工することで、上述したように、隅肉継手部５−１の溶接開始位置から終了位置までの溶接線６−１上に良好な溶接ビード及び溶接断面部を有する溶接部７−１を得ることができる。
【実施例２】
【００８６】
図１０は、本発明の実施例２としてのＭＩＧ溶接トーチの概略構成及びトーチ配置の一例を示すものである。該図に示す例は、上述したＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の代わりに、ＭＩＧ溶接トーチ２６を使用する場合の例である。
【００８７】
該図に示す如く、ＭＩＧ溶接トーチ２６を使用する場合には、消耗ワイヤ１８のＣｕＳｉワイヤと継手母材の内筒１との間に給電ケーブル２９−１、２９−２を経由してＭＩＧ溶接電源２８が接続されている。また、ＭＩＧ溶接トーチ２６は、上述のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の場合と同様に、溶接すべき溶接線６−１に対して、走行移動可能な長尺アーム(図示せず)の先端部又は多関節可動式の溶接ロボット(図示せず)の手首部に取付冶具(図示せず)を介して略下向姿勢に取付けられ、かつ、溶接線６−１の方向に配置されている。また、本実施例でのＭＩＧ溶接トーチ２６は、溶接進行方向に対して、略垂直又は前進角＋α３で傾斜配置されている。
【００８８】
なお、前進角＋α３は、記載を省略しているが、図８び図９に示したＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１内のＭＩＧユニット１７の傾斜角＋α２に該当するトーチ傾斜角度であり、図１０に示すＭＩＧ溶接トーチ２６を使用する場合には、前進角＋α３を０〜３０度の範囲にすると良い。好ましくは０〜１５度の範囲に配置するとさらに良い。この前進角＋α３を３０度よりも大きくして溶接すると、ＭＩＧアークが前方に傾斜し過ぎることから、ＭＩＧアークによって溶融さる消耗ワイヤ１８の溶滴が前方方向へ飛び散り(スパッタ多発)し易く、また、ガスシールド性も低下し易いので好ましくない。
【００８９】
ＭＩＧ溶接を行う場合は、ＭＩＧ溶接トーチ２６の先端部の開口部からＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスからなるＭＩＧ用シールドガス２７を流出させながら、ワイヤ正極(プラス)のＭＩＧアーク(図示せず)を隅肉継手部５の溶接線６−１上の溶接開始位置より発生させ、１つのアークで１つの溶融プールを形成させてから、ＭＩＧ溶接トーチ２６を溶接進行方向に移動させながら下向姿勢で溶接するようにしている。
【００９０】
直流電流を給電するワイヤ正極(プラス)の直流ＭＩＧアークによる溶接も可能であるが、高いピーク電流と低い電流とを交互に繰り返すパルスＭＩＧアークを使用すると、直流ＭＩＧアークの場合よりもスパッタの発生が少ない溶接を行うことができる。
【００９１】
溶接すべき内筒１側の伝熱銅フィン３の片方端面部と隅肉継手部５又は外筒２側の伝熱銅フィン３の他方端面部と隅肉継手部５の角度θ１は、θ１＝１２０度±１５度(１０５≦θ１≦１３５度)の範囲の広角傾斜に配置(構成)されており、また、内筒１及び外筒２の両面に形成された伝熱銅フィン３の両方端面部との隅肉継手部５の角度θ１も上記値と同じ範囲内に配置すると良い。また、他方の内筒１側又は外筒２側の傾斜角度θ２は、水平線に対して、θ２＝３０度±１５度(１５≦θ２≦４５度)の範囲となるように配置されている。
【００９２】
このような角度範囲で継手部材(伝熱銅フィン３と内筒１又は伝熱フィン３と外筒２)を傾斜配置することで、ＭＩＧ溶接トーチ２６(ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の場合も同様)を略垂直の下向姿勢に配置可能となり、溶接トーチ等の操作性が良くなると共に、溶接前の準備作業及び溶接作業等を向上することができる。
【００９３】
なお、図１及び図２で説明したように、内筒１及び外筒２と複数枚(Ｎ枚)の伝熱銅フィン３との間に区分けされた各空間４には、使用済燃料の集合体から法線状に放出される放射線を遮蔽する物質(レジン)が別途実施するレジン充填工程で充填される。このため、図４〜７及び図１０に示したように、隅肉継手部５の角度θ１を１３５度よりも大きくすると、上述したレジンの充填によって放射線を効果的に遮蔽することができるが、溶接施工時に内筒１の外面及び外筒２の内面の間に溶接すべき各伝熱銅フィン３の板幅を事前に大きく製作する必要がある。
【００９４】
このため、伝熱銅フィン３の製作コスト増加になると共に、隣接し合う各伝熱銅フィン３の溶接時に、溶接トーチの一部が隣の伝熱銅フィン３に接触して溶接施工が実施できなく可能性が高い。
【００９５】
一方、隅肉継手部５の角度θ１を１０５度よりも小さくすると、伝熱銅フィン３の板幅は縮小でき、また、溶接施工もし易くなるが、使用済燃料の集合体から放出される放射線量の一部が各レジンの間(伝熱銅フィン３及び隙間)から透過することが予想され、この放射線量の透過漏れ等によって、放射線遮蔽能力が低下する可能性が高まるので好ましくない。
【００９６】
従って、隅肉継手部５の角度θ１を１０５≦θ１≦１３５度の範囲の広角傾斜に配置することで、溶接施工の実施や放射線遮蔽の能力確保を可能にすることができる。
【００９７】
また、内筒１側又は外筒２側の傾斜角度θ２は、ＭＩＧ溶接トーチ２６(ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の場合も同様)を略垂直の下向姿勢に配置するための角度であることから、隅肉継手部５の角度θ１の大きさに対応して変化させれば良く、例えば、隅肉継手部５の角度θ１を小さくする場合は、他方の内筒１側又は外筒２側の傾斜角度θ２を大きくする方向に変化させ、反対に、隅肉継手部５の角度θ１を大きくする場合には、傾斜角度θ２を小さくする方向に変化させると良い。
【００９８】
図８及び図９に示した一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１及び図１０に示したＭＩＧ溶接専用のＭＩＧ溶接トーチ２６は、図８に一例として示すように、駆動装置３１１によって走行移動可能な長尺アーム３１の先端部(又は多関節可動式の溶接ロボットの手首部)に取付冶具を介して略下向姿勢に取付け、又は長尺アーム３１の先端部に取付冶具及び左右・上下移動可能な２軸駆動テーブルを介して略下向姿勢に取付けると共に、溶接線方向に配置されている。また、伝熱銅フィン３の銅板と内筒１又は外筒２の鋼材と隅肉継手部に対して、パス毎に溶接すべき隅肉継手部の溶接線の溶接開始位置から終了位置まで、溶接制御機器２０１による長尺アーム３１の走行指令、ＴＩＧ溶接電源１５及びＭＩＧ溶接電源２０への出力指令によって、一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１又はＭＩＧ溶接トーチ２６の走行動作及び溶接動作を実行させながら、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接又はＭＩＧ溶接を隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接が施工されている。
【００９９】
このようにして、継手傾斜の隅肉継手部の溶接線６−１上に、ＭＩＧ溶接トーチ２６又はＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を下向配置して溶接施工することで、溶接線の開始位置から終了位置まで安定に溶接することができると共に、良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることが可能となる。
【０１００】
図１１及び図１２は、本実施例に係わるＭＩＴ溶接又は先行ＴＩＧと後続ＭＩＧの複合溶接における伝熱銅フィン３の両端面形状と継手配置及びトーチ配置の一例を示すものである。
【０１０１】
図１１に示す伝熱銅フィン３(長さ方向短縮)の両端面部の形状は、伝熱銅フィン３の表面に対して、３０度±１５度の範囲で傾斜(端面傾斜角:１５≦β１≦４５度)している傾斜面形状３８であり、内筒１の表面(又は外筒２の表面)と略平行な傾斜面に予め加工してある。この傾斜面形状３８を有する伝熱銅フィン３を備えた隅肉継手部の溶接線上に、ＭＩＧ溶接トーチ２６を配置した事例である。
【０１０２】
一方、図１２に示す伝熱銅フィン３の両端面部の形状は、傾斜面がない端面(β１＝０に相当)の平坦面形状３９である。この平坦面形状３９を有する伝熱銅フィン３を備えた他の隅継手部の溶接線上に、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を配置した事例である。
【０１０３】
これらの例では、先行ＴＩＧ側の非消耗電極１３を主に図示して、後続ＭＩＧ側の消耗ワイヤ１８の方は省略している。伝熱銅フィン３の両端面部が平坦面形状３９の場合は、傾斜面形状３８の場合と比べて加工コストを低減することができる。図１１中に記載したＭＩＧ溶接トーチ２６と、図１２中に記載したＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１とを入れ替えて、溶接すべき隅肉継手部の溶接線上に配置することもできる。
【０１０４】
一方、内筒１側(又は外筒２側)と伝熱銅フィン３の片方端面部との隅肉継手部５の継手角度θ１については、伝熱銅フィン３の両端面部が傾斜面形状３８の場合でも平坦面形状３９の場合でも同様である。
【０１０５】
上述したように、内筒１側(又は外筒２側)と伝熱銅フィン３の片方端面部との隅肉継手部５の継手角度θ１は、θ１＝１２０度±１５度(１０５≦θ１≦１３５度)の範囲の広角傾斜に形成されている。他方の内筒１側(外筒２の場合も同様)の傾斜角度θ２は、水平線に対して、θ２＝３０度±１５度(１５≦θ２≦４５度)の範囲に配置されている。また、隅肉継手部５の底面には、ギャップＧがあったりなかったりすることから、また、ＭＩＧ溶接トーチ２６(又はＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１)の位置を伝熱銅フィン３側にシフトさせる第１の距離Ｓ１(又は第２の距離Ｓ２)が変化することがあることから、ギャップＧと第１の距離Ｓ１及び第２の距離Ｓ２を同図中に記載している。
【０１０６】
なお、第１の距離Ｓ１は、伝熱銅フィン３の端面角部ｂ点から溶接線６に該当する位置まで、消耗ワイヤ１８の先端部(又は非消耗電極１３の延長線と伝熱銅フィン３表面との交差した交点位置)をシフトさせた長さ(距離)のことである。他方の第２の距離Ｓ２は、伝熱銅フィン３表面の延長線が内筒１表面(又は外筒２表面)と交差する位置のａ点からｂ点を通過した上部にある溶接線の位置まで、消耗ワイヤ１８(又は非消耗電極１３)をシフトさせた長さ(距離)のことである。
【０１０７】
また、第１の距離Ｓ１と第２の距離Ｓ２との間には相関関係があり、Ｓ２＝Ｓ１＋Ｔ１/tan(１８０−θ１)−Ｔ１×tanβ１＋Ｇ/sin(１８０−θ１)の式で示される。β１の値が上述した３０度±１５度の場合は、傾斜面形状３８の伝熱銅フィン３であり、かつ、β１＝θ１−９０度の時のＳ２は、Ｓ２＝Ｓ１＋Ｇ/sin(１８０−θ１)の式に簡略することができる。また、β１の値が０度の場合には、平坦面形状３９の伝熱銅フィン３であり、その時のＳ２は、Ｓ２＝Ｓ１＋Ｔ１/tan(１８０−θ１)＋Ｇ/sin(１８０−θ１)の式に簡略することができる。
【０１０８】
第１の距離Ｓ１の範囲位置又は第２の距離Ｓ２の範囲位置の溶接線上に、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１又はＭＩＧ溶接トーチ２６を略下向姿勢に設定して、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接又はＭＩＧ溶接によって、隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することで、溶接線の開始位置から終了位置まで安定に溶接することができると共に、良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることが可能となる。
【実施例３】
【０１０９】
図１３及び図１４は、本発明の実施例３としての実施例１に採用される溶接装置であり、長尺アームの先端部にＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ及びガイドローラを配備した一例を示すものである。
【０１１０】
該図に示す如く、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接を行う一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１は、取付冶具３４、３５及び左右・上下移動可能な２軸駆動テーブル３６を介して長尺アーム３１の先端部に配置(取付)されている。２軸駆動テーブル３６は、溶接線方向に対する左右方向及び上下方向の駆動が可能なものであり、この２軸駆動テーブル３６によって、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の左右・上下方向の位置を自動で動かすことができる。
【０１１１】
また、回転移動可能なガイドローラ３２は、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１よりも先行する右位置にあって、長尺アーム３１の下側に配備され、かつ、溶接線から近距離だけ離れた伝熱銅フィン３の表面部と内筒１側の表面部(又は外筒２側の表面部)との両面に接触回転動するように配備されている。このガイドローラ３２の接触回転動によって、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を隅肉継手部の溶接線方向へ容易に走行案内することができる。
【０１１２】
また、隅肉継手部の溶接線の曲がりや溶接による変形等が小さく、事前の位置決めも正確な継手の溶接であれば、スリット光切断センサ等の計測機器を使用することなく、ガイドローラ３２の接触回転動によって、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を隅肉継手部の溶接線方向に走行案内しながら、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接を隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置までの溶接施工を行うことができると共に、良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることが可能である。
【０１１３】
一方、３７は、輻射熱や飛散物を遮蔽する遮蔽板であり、溶接線方向に溶接を行うＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１(又はＭＩＧ溶接トーチ２６)と、このＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１(又はＭＩＧ溶接トーチ２６)よりも前方位置で、かつ、隅肉継手部の溶接線から近距離だけ離れた伝熱銅フィン３の表面部と内筒１側の表面部又は外筒２側の表面部との両面に接触回転動するように配備した回転移動可能なガイドローラ３２との間にあり、かつ、溶接線と略直角方向の上部位置で、長尺アーム３１の先端部の下側に配備されている。
【０１１４】
この遮蔽板３７の配備によって、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１又はＭＩＧ溶接トーチ２６による溶接中に発生する輻射熱やスパッタ、ヒューム等の飛散物を遮蔽することができる。また、同時に先行位置にあるガイドローラ３２を保護することも同時にできる。
【０１１５】
また、図８、図１１〜１４に示すように、溶接装置は、少なくとも先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接が可能な一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１と、後続ＭＩＧ側の消耗ワイヤ１８であるシリコン入りのＣｕＳｉワイヤと、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の先端部から隅肉継手部の溶接部分及びその近傍に向けてガスを流出させるＡｒとＨｅとの混合ガスからなる第１のシールガス１４及び第２のシールドガス１９と、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１をアーム先端部に取付冶具３５を介して取付可能で、かつ、溶接方向に走行移動可能な長尺アーム３１と、先行ＴＩＧの非消耗電極１３の極性を負極(マイナス)とし、隅肉継手側の極性を正極(プラス)とした給電を行うＴＩＧ溶接電源１５と、他方の後続ＭＩＧの消耗ワイヤ１８の極性を正極(プラス)とし、隅肉継手側の極性を負極(マイナス)とした給電及びワイヤ送給を行うＭＩＧ溶接電源２０とを備えている。
【０１１６】
このような溶接装置によって、隅肉継手部の溶接線６−１の開始位置及び近傍で、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の先端部からＡｒ＋Ｈｅとの混合ガスを流出させながら、ＴＩＧ溶接電源１５から給電する第１の溶接電流Ｉａと、ＭＩＧ溶接電源２０から給電する第２の溶接電流Ｉｂとの比(Ｉａ/Ｉｂ)を０.８〜１.２の範囲で出力させ、先行ＴＩＧの非消耗電極１３に流れる第１の溶接電流Ｉａと、後続ＭＩＧの消耗ワイヤ１８に流れる第２の溶接電流Ｉｂとで生じる反発作用の磁力によって、相互に反発し合う２つのアークを隅肉継手部の溶接開始位置に発生させると共に、反発し合うＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３で１つの溶融プール２４を形成させ、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３及び１つの溶融プール２４による複合溶接によって、隅肉継手部の溶接線６−１の開始位置から終了位置まで溶接施工するができる。
【０１１７】
これによって、安定に溶接することができると共に、良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることが可能となる。
【０１１８】
なお、図１３及び図１４に示した実施例では、一体構造のＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１の配置例を記載しているが、ＭＩＧ溶接トーチ２６に交換してＭＩＧ溶接を行うようにすることもできる。また、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１は、取付冶具３４、３５及び２軸駆動テーブル３６を介して長尺アーム３１の先端部に配置しているが、２軸駆動テーブル３６を搭載せずに、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を長尺アーム３１の先端部に配置することもできる。
【０１１９】
更に、本実施例では、長尺アーム３１を右側方向に走行移動させて、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を右側方向に移動させながら溶接動作を行うようにしているが、長尺アーム３１を右側方向と反対側左側方向に走行移動させる場合には、ガイドローラ３２を先頭位置、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を後続位置に配置代えすると共に、先行ＴＩＧ−後続ＭＩＧになるように１８０度回転することで、左側方向に移動させながら正常に溶接動作を行うことができる。
【０１２０】
また、上述したように、伝熱銅フィン３の表面部と内筒１側の表面部又は外筒２側の表面部との両面に接触回転動するように、ガイドローラ３２を長尺アーム３１の下側に配備し、ガイドローラ３２の接触回転動によってＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を溶接線方向へ走行案内させながら、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧ、ＴＩＧアーク２２とＭＩＧアーク２３及び１つの溶融プール２４による複合溶接によって、隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工することで、安定に溶接することができると共に、良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることが可能となる。
【０１２１】
また、図１３及び図１４に示した実施例では、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１を長尺アーム３１に配置しているが、長尺アーム３１の代わりに、多関節可動式の溶接ロボットを用い、ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ１１(又はＭＩＧ溶接トーチ２６)を溶接ロボットの手首部に配置(取付)して、トーチ走行移動させながら、先行ＴＩＧと後続ＭＩＧとの複合溶接(又はＭＩＧ溶接)を隅肉継手部の溶接線の開始位置から終了位置まで溶接施工するようにしても良い。
【０１２２】
次に、本発明者等が実際に行った溶接試験の方法及び結果について説明する。
【０１２３】
先ず、銅と鋼との異材の隅肉継手部５のギャップＧやトーチ位置又はワイヤ位置をシフトさせる第１及び第２の距離Ｓ１及びＳ２が変化する可能性が高いことから、溶接品質に及ぼす影響や溶接条件裕度を確認するため、ギャップＧ及び第１の距離Ｓ１を変化させる溶接試験を行い、溶接品質等を評価した。また、ワイヤ送り速度とワイヤ溶着断面積及びのど厚の関係についても調査した。更に、鋼側の溶込み深さと希釈率(溶融比率)及び割れの関係等を調査するため、鋼板表面にＣｕＳｉワイヤを直接溶接する試験も行った。
【０１２４】
ＭＩＧ溶接試験では、板厚５ｍｍの銅板(Ｃ１０２０Ｐ)と板厚１６ｍｍの炭素鋼板(ＳＭ４００Ａ)との隅肉継手を用い、また、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接試験では、板厚５ｍｍの銅板(Ｃ１０２０Ｐ)と板厚５０ｍｍの炭素鋼板(ＳＭ４００Ａ)との隅肉継手を用いた。溶接ワイヤは１.２ｍｍ径のＣｕＳｉワイヤ(ＭＧ９６０)、また、シールドガスはＡｒガスとＨｅガス(５０〜７０％)との混合ガスを用いた。
【０１２５】
図１５は、本発明に係わるワイヤ送り速度Ｗｆとワイヤ溶着断面積Ａｗ及びのど厚Ｌの関係を示すものであり、ワイヤ溶着部の断面積を二等辺三角形と仮定した時の論理のど厚Ｌ０(溶込みなしの計算値)、実際に溶接試験したＭＩＧ溶接部及びＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接部ののど厚Ｌ(溶込みありの実測値)、その溶接断面写真の一例をそれぞれ併記している。
【０１２６】
ＭＩＧ溶接試験では、パルス電流波形を使用すると共に、溶接速度を抑制(２０４ｍｍ/分)し、ワイヤ送り速度Ｗｆを６〜９ｍ/分(溶接電流１６５〜２６０Ａ)を変化させて溶接した。また、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接試験では、溶接速度を３５０ｍｍ/分に増加すると共に、ワイヤ送り速度Ｗｆを１０〜１２ｍ/分(ＭＩＧ電流３００〜３６０Ａ、ＴＩＧ電流３００〜３６０Ａ)を増加し変化させて溶接した。図１５は、その時の結果を示すものである。
【０１２７】
銅板と鋼板との溶接断面部は、図中の溶接断面写真のように、ビード表面が凸形状(曲線形状)で、かつ、銅板側にも溶込みを有するため、図中□及び■で示す溶接断面部ののど厚Ｌは、図中▲で示す論理のど厚Ｌ０よりも大きく、また、伝熱銅フィンに該当する銅板の板厚(Ｔ１＝５ｍｍ)よりも大きく形成されている。更に、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接の場合には、ＴＩＧアークとＭＩＧアークで加熱溶融するため、ＭＩＧ溶接の場合と比べて、入熱量Ｑが大きく、銅側の溶融が深くなるため、ワイヤ溶着断面積Ａｗ（図中○で示す）が少なくても、のど厚Ｌは銅板の板厚(Ｔ１＝５ｍｍ)よりも大きく形成することができる。
【０１２８】
このような試験結果から、ワイヤ溶着断面積Ａｗを約３０〜５５ｍｍ２の範囲(３０≦Ａｗ≦５５ｍｍ２)に設定して溶接すれば、のど厚Ｌは板厚Ｔ１と同等の５ｍｍ以上(Ｌ≧Ｔ１＝５ｍｍ)に形成することができると判断した。また、溶接電流と電圧及び溶接速度から入熱量Ｑ(ｋＪ/ｃｍ)を概算した結果、約Ｑ＝１２〜３５ｋＪ/ｃｍの範囲(１２≦Ｑ≦３５ｋＪ/ｃｍ)で良いことが分った。即ち、ワイヤ溶着断面積Ａｗが少な過ぎると（３０ｍｍ２以下）、入熱不足及び溶融不足による不良、のど厚Ｌ不足になり易い。また、ワイヤ溶着断面積Ａｗが多過ぎると（５５ｍｍ２以上）、溶融金属の垂れ下がりやアンダーカット等が発生し易い。
【０１２９】
図１６は、銅板の端面平坦面継手及び端面傾斜面継手のＭＩＧ溶接におけるトーチ位置のシフト量Ｓ２と溶接部ののど厚Ｌ及びビード幅Ｗとの関係を示すものである。なお、図中の×印は、鋼側との接合不足及び強度不足のため、溶接断面部の切断中に溶金底部(溶接金属底面部)と鋼母材表面部との境界から破断した溶接データである。
【０１３０】
また、図１７は、トーチ位置(ワイヤ位置)のシフト量Ｓ２(第２の距離Ｓ２)を変化させてＭＩＧ溶接した時の端面平坦面継手と端面傾斜面継手の代表的な溶接ビード外観及び溶接部断面写真を示すものである。
【０１３１】
図１６に示すように、ＭＩＧ溶接部のビード幅Ｗは、シフト量Ｓ２の増加に伴って減少する傾向にあるが、のど厚Ｌの方は、同程度又は若干増加しており、何れも銅板の板厚(Ｔ１＝５ｍｍ)よりも大きく形成されている。また、端面平坦面継手の場合には、継手底部に開口部(ギャップに相当する大きさ:２.９ｍｍ)があるため、溶接中に溶融金属の一部が開口部内に流入することから、端面傾斜面継手の場合と比べると、のど厚Ｌが約０.５〜１ｍｍ程小さくなり、他方のビード幅Ｗは約１〜１.４ｍｍ程大きくなっている。また、端面傾斜面継手にギャップ(Ｇ＝０〜２ｍｍ)がある場合でも、のど厚Ｌは何れも銅板の板厚(Ｔ1＝５ｍｍ)よりも大きく形成されている。
【０１３２】
鋼側の最大溶込み深さｃについては、図１６中に記載していないが、図１７の溶接部断面写真に示すように、ＭＩＧ溶接では溶込み深さｃが浅い形状の溶接断面部が得られる。例えば、端面平坦面継手の場合には、トーチ位置のシフト量Ｓ２(第２の距離Ｓ２)が０.９ｍｍの時（図１７の（１））で約０.３７ｍｍ、４.９ｍｍの時（図１７の（２））で約０.１２ｍｍであった。シフト量Ｓ２が大きい６.９ｍｍの時には切断中に破断してしまい、計測することができなかったが、溶込み深さｃはほぼ０ｍｍであると判断している。
【０１３３】
一方、端面傾斜面継手の場合の最大溶込み深さｃは、シフト量Ｓ２が０ｍｍの時（図１７の（３））で約０.１５ｍｍ、３ｍｍの時（図１７の（４））で約０.１０ｍｍであり、また、Ｓ２が大きい５ｍｍの時には切断中に破断したことから、端面平坦面継手の場合と同様に、溶込み深さｃはほぼ０ｍｍであると判断している。
【０１３４】
上記結果より、溶接部ののど厚Ｌが銅板の板厚Ｔ１以上(Ｌ≧Ｔ１＝５ｍｍ)の形成可能なシフト量Ｓ２(第２の距離Ｓ２)の適正範囲は、端面平坦面継手の場合で約Ｓ２＝０.９〜６ｍｍの範囲であり、銅端面角部からの距離Ｓ１(第１の距離)に換算すると、Ｓ１≒−１.９〜３.１ｍｍの範囲となる。端面傾斜面継手の場合は約Ｓ２＝０〜４ｍｍの範囲であり、銅端面角部からの距離Ｓ１(第１の距離)に換算すると、ギャップＧが０〜２ｍｍの時でも、Ｓ１≒０〜４ｍｍの範囲となる。これらの溶接部の溶込み深さｃは約０.０５〜０.３７ｍｍであり、接合可能な溶込み深さｃの下限値は０.０５ｍｍ以上とした。なお、切断中に破断(×印)した試験データは強度不足のために除外した。
【０１３５】
図１８は、炭素鋼表面にＣｕＳｉワイヤを直接溶接した時の溶込み深さと鋼側の希釈率の関係を示すものであり、ＭＩＧ単独溶接結果及びＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接結果の両方を併記している。
【０１３６】
該図に示す希釈率α(％)は、鋼側の溶融断面積をｂ、溶接部全体の溶融断面積をａ＋ｂとした時に、α＝ｂ/(ａ＋ｂ)×１００の式で算出した。各溶接部の溶融断面積は、約１０倍に拡大した溶接断面写真から溶接部の輪郭を描くと共に、その輪郭内部の溶融断面積ａ、ｂを面積計算ソフトによって算出した後に、希釈率αをそれぞれ算出した。
【０１３７】
その結果、ワイヤ送り速度を増加(ＭＩＧ電流も連動して増加)すると、溶込み深さｃ及び希釈率αは増加する傾向にあると共に、溶接速度が速い方が大きくなっている。また、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接の場合は、ワイヤ送り速度を１２.２ｍ/分まで増加して溶接したが、割れは発生しなかった。
【０１３８】
一方、ＭＩＧ単独溶接の場合には、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接の場合と比較して、溶込み深さｃ及び希釈率αが大きく、その溶込み深さｃが約７ｍｍ以上、希釈率αが約５０％以上の時に、溶接ビード表面に開口した割れが発生した。このため、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接でも、ワイヤ送り速度をさらに増加すると、溶込み深さｃ及び希釈率αは増加すると推定されることから、割れの発生に至ると考えられる。
【０１３９】
このような結果より、割れ発生の境界は、鋼側の希釈率αが５０％以上及び溶込み深さｃが約６ｍｍ以上であり、これらの値よりも小さい領域では割れ難いと推定される。
【０１４０】
ＭＩＧ溶接の場合には、高いピーク電流と低いベース電流とを繰り返すパルス波形のアークを真下方向に発生させて溶接していることから、アーク力及び指向力等の増加に伴って溶込み深さｃが増加することが考えられる。
【０１４１】
これに対して、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接の場合には、先行ＴＩＧの非消耗電極及び後続ＭＩＧのワイヤ電極を溶接方向に傾斜させており、かつ、ＴＩＧアークとＭＩＧアークを反発し合う方向に偏向させた状態で発生させて溶接していることから、ＭＩＧ溶接の場合と比べて、アーク力及び指向力が抑制されて、溶込み深さの増加を抑制していることが考えられる。ＣｕＳｉワイヤの代わりにＣｕワイヤを用いて、炭素鋼表面にＭＩＧ溶接した場合には、割れ感受性が高まることから、例えば、ワイヤ送り速度が約１０ｍ/分以上の領域で溶接ビード表面に開口した割れが発生することを確認している。
【０１４２】
一方、銅と鋼との異材継手溶接では、投入する熱エネルギがワイヤ溶融と銅及び鋼溶融に分散されるため、深い溶込みにはならずに、溶込み深さの浅い溶接部が形成され易いことから、割れは発生し難いものと考えられる。また、シリコン入りのＣｕＳｉワイヤを用いて溶接することで、銅と鋼との異材継手溶接であっても、銅と鋼及びＳｉとが固溶可能な状態で適度に混合し合って割れのない良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることができる。鋼側の溶込み深さｃが約６ｍｍ以下であれば、割れの問題は解消可能である。従って、溶込み深さｃの許容範囲は、０.０５≦ｃ≦６ｍｍが良い。
【０１４３】
但し、希釈率αの増加によって溶接部の熱伝導率が減少することが予想されるため、これを抑制する観点から、溶込み深さｃの上限値を４ｍｍ以下に制限することが好ましい。
【０１４４】
表１は、端面平坦面の銅板と炭素鋼との隅肉継手部のギャップ及びトーチ位置のシフト量を変化させてＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接試験を行った時の溶接条件を示すものである。
【０１４５】
本溶接試験では、溶接品質に及ぼす影響や溶接条件裕度を確認するため、隅肉継手部のギャップＧを変化(Ｇ＝０〜３ｍｍ)させると共に、トーチ位置のシフト量Ｓ２(第２の距離Ｓ２)を変化(Ｓ２＝３〜９ｍｍ)させ、下向姿勢で先行ＴＩＧと後続ＭＩＧの溶接試験を行った。板厚５ｍｍの銅板(Ｃ１０２０Ｐ)と板厚５０ｍｍの炭素鋼板(ＳＭ４００Ａ)との隅肉継手であり、溶接ワイヤは１.２ｍｍ径のＣｕＳｉワイヤ、シールドガスはＡｒガスとＨｅガスとの混合ガスをそれぞれ用いた（なお、継手配置及びトーチ配置については図８〜図１２を参照）。
【０１４６】
【表１】
2016011845.tif 000003
【０１４７】
表２は、表１に示した溶接条件で溶接試験した時のＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接部の形状寸法と引張試験及び評価結果を示すものである。
【０１４８】
表２中には、各溶接試験片の前半側及び後半側の２箇所ずつ採取した各溶接断面部ののど厚Ｌ、ビード垂直高さＨ、溶け込み深さｃの各値及びとその平均値等を記載し、また、同一の溶接試験片の中央部分から採取した各引張試験片(幅４０ｍｍの溶接継手)の引張荷重及び引張強さを記載すると共に、品質基準を満足するか否かの合否判定の結果をそれぞれ記載している。
【０１４９】
【表２】
2016011845.tif 000004
【０１５０】
例えば、のど厚Ｌが板厚５ｍｍ未満のもの(Ｎｏ.９とＮｏ.１３の２本)、溶込み深さｃが４ｍｍを超えるもの(０本)、ビード止端部のアンダーカットが１ｍｍを超えるもの(Ｎｏ.１２の１本)、引張荷重Ｗｔが２０ｋＮ(１００Ｎ/ｍｍ２)未満のもの(Ｎｏ.３は切断中に破断)を不合格としている。他の番号の試験片は、各基準値を満足しているので合格としている。また、表１及び表２中には記載していないが、シフト量Ｓ２＝１ｍｍ、ギャップＧ＝０ｍｍの継手についても溶接試験を実施している。
【０１５１】
図１９は、隅肉継手部のギャップ及びトーチ位置のシフト量を変化させて、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接試験を行った時の溶接部の品質評価結果及び適正条件領域を示すものである。図１９は、横軸に銅端面角部からの距離Ｓ１、縦軸にギャップＧを示し、その図中に溶接品質評価の合否から適正条件領域及び不適領域を記している。なお、銅端面角部からの距離Ｓ１(第１の距離Ｓ１)と、トーチ位置のシフト量Ｓ２(第２の距離Ｓ２)との関係は、上述したように、端面平坦面継手の場合、Ｓ１＝Ｓ２−{Ｔ１/tan(１８０−θ１)＋Ｇ/sin(１８０−θ１)}の簡略式で算出することができる。
【０１５２】
該図に示す如く、品質基準を満足する適正条件領域(○印)は、のど厚不足領域(左側の◆印)と、強度不足(右側の■印)及びアンダーカット過大領域(▲印)とを除いた中央部分にある。ギャップＧが３ｍｍ以上の領域では、試験データが１つしかないので不明であるが、垂れ落ちやのど厚不足等の溶接不良に至る可能性があると考えられる。
【０１５３】
また、強度不足(右側の■印)及びアンダーカット過大領域(▲印)内にも品質基準を満足する(○印)データがあるが、適正条件領域から外した。更に、左側ののど厚不足領域(◆印)内にも品質基準を満足する(○印)データ(Ｓ１＝−１.９、Ｇ＝０ｍｍ)があるが、適正条件領域から外した。
【０１５４】
従って、ギャップＧに対する裕度は、Ｇ＝０〜２ｍｍ程度か若しくはＧ＝０〜３ｍｍ程度であり、また、銅端面角部からの距離Ｓ１に対する裕度は、Ｓ１＝−０.５〜４ｍｍ程度であると判断した。若しくはＳ１＝０〜４ｍｍ程度に限定することもできる。更に、第２の距離Ｓ２に置き換えると、Ｓ２≒２.５〜７ｍｍ程度(若しくはＳ２≒３〜７ｍｍ程度)である。
【０１５５】
このような裕度内の適正領域で溶接施工することで、品質基準を満足する良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることができる。
【０１５６】
図２０は、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接した溶接部の代表的な溶接断面写真の一実施例であり、図２０の（１）はギャップＧ＝０ｍｍ、シフト量Ｓ２＝５ｍｍの場合、図２０の（２）は、ギャップＧ＝２ｍｍ、シフト量Ｓ２＝５ｍｍの場合の場合である。
【０１５７】
図２０の（１）から分かるように、ギャップＧが０ｍｍの場合は、ビード表面が凸形状(曲線形状)で、かつ、銅板の裏側近くまで溶込んだ形状の溶接断面部になり易い。これに対して、図２０の（２）から分かるように、ギャップが１ｍｍ又は２ｍｍ程度ある場合には、銅板の溶融促進及び溶融金属のギャップ内への流入によって銅裏側に貫通した形状の溶込みになると共に、鋼側の溶込み深さも増加しており、また、ビード表面が平坦形状の溶接断面部になり易い。何れの場合も、溶接断面部も品質基準を満足している。
【０１５８】
また、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接の場合には、ＭＩＧ単独溶接の場合と比べて、溶接電流(ＴＩＧ電流/ＭＩＧ電流)が高く、溶接速度も速く、かつ、銅と鋼との隅肉継手部を２つのアークで加熱・溶融するため、銅側の溶込みが深い形状の溶接断面部になり易い。なお、割れについては、いずれの溶接試験片からも認められなかった。
【０１５９】
以上述べたように、本発明によれば、銅と鋼との異材継手の溶接性に優れ、十分な大きさを有するのど厚Ｌ及び除熱に有効な熱伝導断面積を確保でき、かつ、割れ等の欠陥がない品質良好な溶接ビード及び溶接断面部を得ることができると共に、除熱性能の向上及び製造コストの低減にも寄与することができる。
【０１６０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１６１】
１…内筒、２…外筒、３…伝熱銅フィン、４…空間、５、５−１、５−２・・・５−Ｎ、８、８−１、８−２・・・８−Ｎ…隅肉継手部、６、６−１、６−２・・・６−Ｎ、９−１、９−２・・・９−ｎ…溶接線、７…内側溶接部、７−１、７−２・・・７−Ｎ、１０−１、１０−２・・・１０−Ｎ…溶接ビード及び溶接断面部、１０…外側溶接部、１１…ＴＩＧ−ＭＩＧ溶接トーチ、１２…ＴＩＧユニット、１３…非消耗電極、１４…第１のシールドガス、１５…ＴＩＧ溶接電源、１６−１、１６−２、２１−１、２１−２、２９−１、２９−２…給電ケーブル、１７…ＭＩＧユニット、１８…消耗ワイヤ、１９…第２のシールドガス、２０、２８…ＭＩＧ溶接電源、２２…ＴＩＧアーク、２３…ＭＩＧアーク、２４…溶融プール、２５…溶接進行方向、２６…ＭＩＧ溶接トーチ、２７…ＭＩＧ用シールドガス、３１…長尺アーム、３２…ガイドローラ、３３、３４、３５…取付冶具、３６…２軸駆動テーブル、３７…遮蔽板、３８…傾斜面形状、３９…平坦面形状、１００…伝熱銅フィンの溶接手順、１０２…ワイヤ溶着断面積決定工程、１０３…内筒側の第１の溶接工程、１０５…内筒側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程、１０６…内筒側の少数単位の溶接と検査の繰り返し溶接工程、１０７、１１７…内筒側の溶接品質の検査工程、１０９、１１６、１１９、１２２…補修溶接工程、１１０…外筒側の第２の溶接工程、１１２…外筒側のＮ箇所の溶接の繰り返し溶接工程、１１３…外筒側の少数単位の溶接と検査の繰り返し溶接工程、１１４、１２０…外筒側の溶接品質の検査工程、２０１…溶接制御機器、３１１…駆動装置。
【図１】
2016011845.tif 000005
【図２】
2016011845.tif 000006
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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