KR100879267B1

KR100879267B1 - 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 그용접방법

Info

Publication number: KR100879267B1
Application number: KR1020070003782A
Authority: KR
Inventors: 송기남; 김수성; 송근우; 한형준
Original assignee: 한국원자력연구원; 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2009-01-19
Also published as: KR20080066387A

Abstract

본 발명은 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 그 용접방법에 관한 것으로, 레이저 용접장치의 레이저 용접툴이 포커싱 유닛이나 로봇 팔(Robot arm)을 사용하여 틸팅(Tilting)가능하게 이루어질 뿐만 아니라, 회전 및 상, 하로 이동가능하게 이루어짐으로써 지지격자체(Spacer Grids)의 내부격자간(Inner Strap Connection) 연결부에 연속적(Continuous) 또는 단속적(Intermittent)인 시임 용접(Seam Welding)이 가능하여 지지격자체의 충격 강도를 증강시키고, 이로 인해 지지격자체의 내부격자간에 섬세한 용접이 가능하여 내부격자간 연결부의 용접 비드(Welding Bead) 직경을 크게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접 부위의 결함을 감소시킬 수 있어 지지격자체의 구조적인 강도를 증강시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 그 용접방법를 제공하기 위한 것으로서, 핵연료봉 다발을 지지하기 위한 지지격자체의 내부격자판과 내부/외부격자판의 내부격자간을 용접하기 위한 지지격자체 내부격자간 용접장치에 있어서, 레이저를 전송하기 위하여 인입되는 광 섬유와, 상기 광 섬유를 통해 전송받은 레이저를 집약하는 포커싱 유닛과, 상기 포커싱 유닛의 하부면에 구비되는 레이저 발사 유닛으로 구성되는 용접 툴; 상기 용접 툴의 일측에 구비되고, 수직방향 중심부에 슬라이딩홀봉을 갖는 슬라이딩홀이 관통형성되되, 상기 슬라이딩봉을 중심으로 수직이동가능하게 이루어지며, 로봇 암 및 기타 장치에 연결가능하게 이루어지는 스테이지; 및 상기 용접 툴과 스테이지 사이에 연결개재되되, 상기 포커싱 유닛에 회전가능하게 연결 되는 회전 유닛과, 상기 회전 유닛에 연결되는 연결 유닛과, 상기 연결 유닛에 연결되되, 상기 스테이지의 전면부에 구비되는 고정 유닛으로 구성되는 틸팅부; 를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

지지격자체(Spacer Grids), 내부격자간(Inner Strap Connection), 광 섬유(Optical Fiber), 용접 툴(Welding Tool), 연속적(Continuous), 단속적(Intermittent)

Description

광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 그 용접방법{Apparatus and method of inner-strap welding of spacer grids using optical fiber}

도 1은 종래 기술에 따른 핵연료 다발의 지지격자 격자간 용접장치를 이용하여 핵연료 다발의 지지격자 내부격자간 교차점 용접 상태를 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치를 개략적으로 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치를 개략적으로 나타내는 분해단면도,

도 4는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도,

도 5, 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치를 이용하여 지지격자체의 내부격자간 용접과정을 개략적으로 나타내는 도면,

도 10은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법을 나타내는 흐름도,

도 11은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 의하여 지지격자체의 내부격자간에 연속적(Continuous)으로 시임 용접(Seam Welding)된 모습을 개략적으로 나타내는 도면,

도 12는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 의하여 지지격자체의 내부격자간에 단속적(Intermittent)으로 시임 용접(Seam Welding)된 모습을 개략적으로 나타내는 도면,

도 13은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치가 로봇암에 적용된 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면,

도 14는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 도면.

** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **

1 : 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치,

3 : 지지격자체, 5a, 5b : 내부격자간,

9 : 로봇 암, 10 : 용접 툴,

11 : 광 섬유, 13 : 포커싱 유닛,

14 : 집속 유닛, 15 : 레이저 발사 유닛,

16 : 프리즘 유닛, 17 : 고정 유닛,

18 : 정렬 유닛, 30 : 스테이지,

31 : 슬라이딩홀, 33 : 슬라이딩봉,

50 : 틸팅부, 51 : 회전 유닛,

53 : 연결 유닛, 55 : 고정 유닛.

본 발명은 핵연료봉 다발을 지지 및 고정시키기 위한 지지격자체의 내부격자간 연결부를 용접하기 위한 용접장치 및 그 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 용접장치의 레이저 용접툴이 포커싱 유닛이나 로봇 팔(Robot arm)을 사용하여 틸팅(Tilting)가능하게 이루어질 뿐만 아니라, 회전 및 상, 하로 이동가능하게 이루어짐으로써 지지격자체(Spacer Grids)의 내부격자간(Inner Strap Connection) 연결부에 연속적(Continuous) 또는 단속적(Intermittent)인 시임 용접(Seam Welding)이 가능하여 지지격자체의 충격 강도를 증강시키고, 이로 인해 지지격자체의 내부격자간에 섬세한 용접이 가능하여 내부격자간 연결부의 용접 비드(Welding Bead) 직경을 크게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접 부위의 결함을 감소시킬 수 있어 지지격자체의 구조적인 강도를 증강시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 그 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로, 지지격자체는 핵연료봉 다발을 지지 및 고정시키기 위한 것으로서, 그 적소에 스프링 및 딤플이 각인되되, 단품화된 다수개의 격자판을 가로, 세로로 배열 및 엮어서 각 교차 부위를 용접함으로써 상호 연결시켜 제작한다.

현재, 상용 공급되고 있는 지지격자체는 가로, 세로로 배열 및 엮어진 격자판의 교차점을 스폿 용접(Spot Welding)에 의하여 접합시켜 사용하고 있으며, 이렇게 상호 배열 및 엮어진 격자판의 연결부 및 교차점에서의 용접 및 그에 따른 용접 품질이 지지격자체의 구조적 성능에 큰 영향을 미친다.

상술한 바와 같이, 핵연료봉 다발을 지지 및 고정시키기 위한 지지격자체에서 교차점의 용접품질 및 용접방법을 개선하여 그 구조적인 성능을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 핵연료의 특성을 크게 향상시킬 수 있다.

여기서, 핵연료봉 다발을 지지 및 고정시키는 지지격자체는 기본적으로 상호 연결되는 격자판의 내부격자판 교차부와 내부/외부격자판 교차부 및 외부격자판 교차부 및 외부격자판의 모서리 이음부(Corner Joint)에 용접 구조를 갖으며, 현재 국내의 연료 생산업체에서는 레이저를 이용한 스폿 용접(Spot Welding)에 의하여 지지격자체를 생산하고 있다.

한편, 지지격자체를 구성하는 격자판의 스폿 용접 공정은 6내지 7 스폿을 이용한 레이저 용접으로 이루어지기 때문에 스폿 용접 후 지지격자체 주변에 용접으로 인해 용접 재료가 튀는 현상(Spattering)이 발생되고, 스폿 용접 공정 시 레이저에서 발생되는 고열로 인해 지지격자체의 치수 변형 및 열 변형이 발생될 수 있으며, 이로 인해 추가적인 보수 작업이 수행되어야 한다는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같이, 핵연료봉을 지지 및 고정하도록 제작되는 종래 기술에 따른 지지격자체의 내부격자판 교차점 용접방법은 도 1에서 도시하고 있는 바와 같 이, 지지격자체(100) 내부격자판(140a, 140b) 내부격자간(150) 사이에 교차점 용접을 이용하여 수행되나, 이러한 종래 기술에 따른 용접방법은 섬세한 용접이 불가능하여 용접 후 용접 비드(Welding Bead)의 직경이 크고, 이로 인해 노심 내를 유동하는 냉각수의 압력 강하(Pressure Drop)를 심화시킨다는 문제점이 있었다.

이렇게 종래 기술에 따른 지지격자체의 용접방법은 스폿 용접을 이용하여 용접함으로써 용접 후 용접 재료가 튀는 현상(Spattering) 및 열 변형이 발생됨으로써 섬세한 용접이 불가능하고, 이로 인해 지지격자체에서 교차점 용접 비드의 크기가 커서 냉각수 유동 저항을 크게 하여 궁극적으로 냉각수의 압력 강하(Pressure Drop)를 심화시킴으로써 냉각수 유동 펌프에 부하를 증가시키는 요인이 되고 있으며, 원자로 구조물의 설계 여유도를 감소시키는 실정이므로 지지격자체의 구조적인 강도 증강과 충격 강도의 증강 및 압력 강하의 심화를 개선하고, 기계/구조적인 안정성의 증강을 위하여 새로운 지지격자체의 용접공법을 개발할 필요성이 대두되고 있다.

특히, 지지격자의 상단 및 하단에서 시행하고 있는 교차점 스폿 용접 방법은 용접 비드가 커서 압력 강하가 심하고, 유동 면적의 감소를 초래하여 냉각수 가동 펌프의 부하를 크게 증가시키며, 원자로 구조물의 설계 여유도를 감소시키는 실정이므로 핵연료 다발 지지격자의 기계/구조적 안정성 증강 및 압력 강하 감소를 위해 새로운 첨단 용접 기술의 도입이 필요하다.

이를 위하여 핵심적인 기술 개발은 지지격자체의 열 변형을 감소시키고, 냉각수의 압력 강하를 감소시키면서도 지지격자체의 구조적인 강도 및 충격 강도를 크게 향상시키기 위하여 용접 부위의 직경을 감소시키기 위한 섬세한 용접이 가능하게 하는 것이다.

따라서, 향후 개발될 용접공법은 원자력 발전소용 핵연료 개발에 필수적인 기술로 조만간에 선진 여러 나라에서 기술 개발이 활발하게 이루어질 전망이며, 특히 지지격자체의 용접공법에 우위를 점하기 위한 각 국의 노력이 치열해질 것으로 전망된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 레이저 용접장치의 레이저 용접툴이 틸팅(Tilting)가능하게 이루어질 뿐만 아니라, 회전 및 상, 하로 이동가능하게 이루어짐으로써 지지격자체(Spacer Grids)의 내부격자간(Inner Strap Connection) 연결부에 연속적(Continuous)인 시임 용접(Seam Welding)이 가능하여 지지격자체의 충격 강도를 증강시키고, 이로 인해 지지격자체의 내부격자간에 섬세한 용접이 가능하여 내부격자간 연결부의 용접 비드(Welding Bead) 직경을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접 부위의 결함을 감소시킬 수 있어 지지격자체의 구조적인 강도를 증강시킬 수 있는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 그 용접방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 핵연료봉 다발을 지지하기 위한 지지격자체의 내부격자판과 내부/외부격자판의 내부격자간을 용접하기 위한 지지격자체 내부격자간 용접장치에 있어서, 레이저를 전송하기 위하여 인입되는 광 섬유(Optical Fiber)와, 상기 광 섬유를 통해 전송받은 레이저를 집약하는 포커싱 유닛(Focusing Unit)과, 상기 포커싱 유닛의 하부면에 구비되는 레이저 발사 유닛으로 구성되는 용접 툴(Welding Tool); 상기 용접 툴의 일측에 구비되고, 수직방향 중심부에 슬라이딩봉을 갖는 슬라이딩홀이 관통형성되되, 상기 슬라이딩봉을 중심으로 수직이동가능하게 이루어지며, 로봇 암(Robot Arm) 및 기타 장치에 연결가능하게 이루어지는 스테이지(Stage); 및 상기 용접 툴과 스테이지 사이에 연결개재되되, 상기 포커싱 유닛에 회전가능하게 연결되는 회전 유닛(Rotary Unit)과, 상기 회전 유닛에 연결되는 연결 유닛(Connect Unit)과, 상기 연결 유닛에 연결되되, 상기 스테이지의 전면부에 구비되는 고정 유닛으로 구성되는 틸팅부(Tilting); 를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 포커싱 유닛의 일측면에 인입되는 광 섬유를 지지 및 고정하기 위한 고정 유닛이 구비된다.

더불어, 상기 고정 유닛의 내부 일측에 광 섬유를 통하여 제공되는 레이저를 정렬시키기 위한 정렬 유닛이 구비된다.

바람직하게는, 상기 포커싱 유닛의 내부 일측 벽면에 광 섬유를 통하여 제공되는 레이저를 소정각도로 굴절 및 전송시키기 위한 프리즘 유닛이 구비되고, 상기 프리즘 유닛의 하부 적소에 굴절 및 전송되는 레이저를 집속하기 위한 집속 유닛이 구비된다.

한편, 광 섬유(Optical Fiber)와, 고정 유닛과, 포커싱 유닛(Focusing Unit)과, 레이저 발사 유닛으로 구성되는 용접 툴(Welding Tool); 로봇 암(Robot Arm) 및 기타 장치에 연결가능하게 이루어지고, 수직방향 중심부에 슬라이딩봉을 갖는 슬라이딩홀이 관통형성되는 스테이지(Stage); 및 상기 용접 툴과 스테이지 사이에 연결개재되되, 회전 유닛(Rotary Unit)과, 연결 유닛(Connect Unit)과, 고정 유닛으로 구성되는 틸팅부(Tilting); 를 포함하는 구성으로 이루어지는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 의한 지지격자체 내부격자간을 용접하는 용접방법에 있어서, 상기 지지격자체의 상부 적소에 용접장치를 위치시키는 단계; 상기 용접장치의 용접 툴을 x, y방향으로 구동시켜 소정 각도로 틸팅시키는 단계; 상기 광 섬유를 통하여 제공되는 레이저가 레이저 발사 유닛을 통하여 발사되는 단계; 상기 용접 툴을 z방향으로 구동시켜 수직방향으로 이동시키는 단계; 및 상기 레이저 발사 유닛을 통하여 발사되는 레이저에 의하여 지지격자체의 내부격자간에 레이저 용접이 수행되는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 용접 툴의 회전 유닛이 연결 유닛을 중심으로 소정각도 회전되는 단계; 및 상기 회전 유닛의 회전에 따라 회전된 용접 툴이 용접을 위한 최적의 틸팅각으로 고정되는 단계; 를 더 포함하여 이루어진다.

더불어, 상기 틸팅부가 슬라이딩홀에 슬라이딩가능하게 삽입되는 슬라이딩봉을 따라 수직방향으로 이동되는 단계; 를 더 포함하여 이루어진다.

바람직하게는, 상기 용접 툴이 상기 지지격자체의 내부격자간을 연속 적(Continuous)으로 시임 용접(Seam Welding)하는 단계; 를 더 포함하여 이루어진다.

대안적으로는, 상기 용접 툴이 상기 지지격자체의 내부격자간을 단속적(Intermittent)으로 시임 용접(Seam Welding)하는 단계; 를 더 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치를 개략적으로 나타내는 분해단면도이고, 도 4는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치 및 지지격자체를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8 및 도 9은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치를 이용하여 지지격자체의 내부격자간 용접과정을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법을 나타내는 흐름도이고, 도 11은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 의하여 지지격자체의 내부격자간에 연속적(Continuous)으로 시임 용접(Seam Welding)된 모습을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 의하여 지지격자체의 내부격자간에 단속적(Intermittent)으로 시임 용 접(Seam Welding)된 모습을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치가 로봇암에 적용된 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)는 핵연료봉 다발을 지지하기 위한 지지격자체(3)의 내부격자판과 내부/외부격자판의 내부격자간(5a, 5b)을 용접하기 위한 것으로서, 용접 툴(Welding Tool, 10)과 스테이지(Stage, 30) 및 틸팅부(Tilting, 50)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

상기 용접 툴(10)은 플렉시블(Flexible)한 재질로 이루어지되, 레이저를 전송하기 위한 광 섬유(Optical Fiber, 11)와 상기 광 섬유(11)를 통하여 전송받은 레이저를 집약하기 위한 포커싱 유닛(Focusing Unit, 13)과 상기 포커싱 유닛(13)의 하부면에 구비되는 레이저 발사 유닛(15)으로 구성된다.

여기서, 상기 광 섬유(11)는 상기 포커싱 유닛(13)의 일측면에 인입설치되어 외부의 레이저 공급장치(미도시)에서 제공되는 레이저를 포커싱 유닛(13)으로 제공한다.

그리고, 상기 포커싱 유닛(13)은 그 내부 일측 벽면에 상기 광 섬유(11)를 통하여 제공되는 레이저를 소정각도로 굴절 및 전송시키기 위한 프리즘 유닛(16)이 경사지게 구비되고, 상기 프리즘 유닛(16)에서 소정간격 이격된 하부에 상기 프리즘 유닛(16)을 통하여 굴절 및 전송된 레이저를 집속시키기 위한 집속 유닛(14)이 구비된다.

한편, 상기 포커싱 유닛(13)은 일측면으로 인입되는 광 섬유(11)를 지지 및 고정하기 위한 고정 유닛(17)을 더 포함하되, 상기 고정 유닛(17)의 내부 일측에 광 섬유(11)를 통하여 제공되는 레이저를 정렬시키기 위한 정렬 유닛(18)이 구비된다.

여기서, 상기 포커싱 유닛(13)의 내부에 구비되는 집속 유닛(14) 및 상기 고정 유닛(17)의 일측에 구비되는 정렬 유닛(18)은 렌즈로 이루어지고, 상기 포커싱 유닛(13)의 내부 일측에 경사지게 구비되는 프리즘 유닛(16)은 볼록 미러로 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 집속 유닛(14)과 정렬 유닛(18)이 렌즈로 이루어지고, 상기 프리즘 유닛(16)이 볼록 렌즈로 이루어져 있으나, 상기 집속 유닛(14)과 정렬 유닛(18) 및 프리즘 유닛(16)이 제공되는 레이저를 집속, 정렬, 굴절시키기 용이하다면 기타 다양한 렌즈로 이루어지는 것도 가능하다. 또한, 상기 프리즘 유닛(16)이 구리 미러(Concave Copper Mirror, 미도시)로 대체되어 적용되는 것도 가능하다.

상기한 바와 같은 구조 및 형태에 의하여 상기 광 섬유를 통하여 제공되는 레이저가 고정 유닛의 정렬 유닛(18)을 통하여 정렬되고, 상기 정렬 유닛(18)에 의해 정렬된 레이저는 포커싱 유닛(13)의 프리즘 유닛(16)에 의하여 90°굴절되며, 상기 프리즘 유닛(16)에 의해 굴절된 레이저는 그 하부에 위치하는 집속 유닛(14)을 통하여 집속된 후 레이저 발사부를 통하여 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 용접 부위에 발사된다.

상기 스테이지(30)는 상기 용접 툴(10)의 일측에 구비되되, 용접 등의 작업 에 적용되는 일반적인 로봇 암(Robot Arm, 미도시) 및 기타 용접장치에 연결가능하게 이루어진다.

여기서, 상기 스테이지(30)의 수직방향 중심부에 슬라이딩홀(31)이 관통형성되고, 상기 슬라이딩홀(31)에 슬라이딩봉(33)이 삽입결합된다. 상기한 바와 같은 구조 및 형태에 의하여 상기 스테이지(30)는 상기 슬라이딩봉(33)에 안내되어 상, 하방향으로 수직이동된다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 스테이지(30)가 슬라이딩봉(33)에 안내되어 상, 하 방향으로 수직이동되는 구조로 이루어져 있으나, 스테이지(30)가 상, 하 방향으로 수직이동되어 상기 스테이지(30)에 연결되는 용접 툴(10)을 수직이동시키기 용이하다면 기타 다양한 수직이동구조로 이루어지는 것도 가능하다.

상기 틸팅부(50)는 용접 툴(10)과 스테이지(30) 사이에 개재되어 상기 용접 툴(1)을 상기 스테이지(50)에 회전가능하게 연결시키되, 용접 툴(1)의 포커싱 유닛(13) 내측면에 연결되어 용접 툴(10)을 회전시키는 회전 유닛(Rotary Unit, 51)과 상기 회전 유닛(51)에 연결되는 연결 유닛(Connect Unit, 53)과 상기 연결 유닛(53)을 스테이지(30)에 고정시키는 고정 유닛(55)으로 구성된다.

여기서, 상기 회전 유닛(51)이 단계적으로 회전되도록 이루어짐으로써 회전 유닛(51)에 연결되어 회전되는 용접 툴(10)이 단계적인 회전각을 갖도록 이루어지는 것도 가능하다.

한편, 상기 틸팅부(50)는 상기 스테이지(30)에 회전가능하게 연결되는 구조를 이루되, 나사회전구조, 자동회전구조 등 다양한 회전구조로 연결되는 것이 바람 직하며, 회전각도를 연속적 또는 소정각도 범위 내에서 조절이 가능한 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법을 도 5내지 도 10을 참조하여 설명한다.

먼저, 레이저 용접을 하고자 하는 지지격자체(3)의 상부 적소에 용접 툴(10)과 스테이지(30) 및 틸팅부(50)로 구성되는 용접장치(1)를 위치시킨다(S11).

이때, 상기 용접장치(1)의 스테이지(30)가 로봇 암 등에 연결되어 구동가능하게 이루어지는 것도 가능하며, 로봇 암의 구동에 의하여 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)가 지지격자체(3)의 상부 적소에 위치하는 것도 가능하다.

상기한 바와 같이, 상기 지지격자체(3)의 상부 적소에 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)를 위치시킨 후 상기 용접 툴(10)을 x, y방향, 즉 수평방향으로 구동시켜 소정 각도로 틸팅시킨다(S12).

여기서, 상기 용접 툴(10)의 틸팅 과정은, 상기 용접 툴(10)의 회전 유닛(51)이 상기 연결 유닛(53)을 중심으로 소정각도로 회전되고(S12-1), 상기 회전 유닛(51)의 회전에 따라 회전된 용접 툴(10)이 용접을 위한 최적의 틸팅각으로 고정된다(S12-2).

이렇게 상기 용접 툴(10)을 구동시켜 소정각도로 틸팅시킨 후 상기 광 섬유(11)를 통하여 제공되는 레이저가 발사 유닛(15)을 통하여 지지격자체(3)의 내부 격자간(5a, 5b) 용접부위 하부로 발사된다(S13).

상기한 바와 같이, 상기 용접 툴(10)의 레이저 발사 유닛(15)을 통하여 레이저가 발사되고, 이를 통하여 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 용접이 수행될 경우, 상기 용접 툴(10)이 z방향, 즉 수직방향으로 구동되어 수직방향으로 이동된다(S14). 즉, 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 용접부위의 용접을 수행할 경우, 상기 용접 툴(10)이 하부에서 상부로 이동된다.

여기서, 상기 틸팅부(50)가 슬라이딩홀(31)에 슬라이딩가능하게 삽입되는 슬라이딩봉(33)을 따라 수직방향으로 이동되며(S14-1), 이로 인해 상기 용접 툴(10)이 지지격자체(3) 내부격자간(5a, 5b) 용접부위를 원할하게 이동한다.

이렇게 소정각도로 틸팅된 후 수직방향으로 이동되는 용접 툴(10)의 레이저 발사 유닛(15)을 통하여 발사되는 레이저에 의하여 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)에 레이저 용접이 수행된다(S15).

본 발명의 실시예에서는 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)을 레이저 용접할 경우, 상기 용접 툴(10)이 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 하부에서 상부로 수직이동되면서 내부격자간을 레이저 용접하도록 이루어져 있으나, 상기 용접 툴(10)이 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 상부에서 하부로 수직이동되면서 내부격자간을 레이저 용접하도록 이루어지는 것도 가능하다.

상기한 바와 같이, 틸팅 및 수직방향으로 이동되는 용접 툴(10)에서 발사되는 레이저에 의하여 도 11에서 도시하고 있는 바와 같이, 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)이 연속적(Continuous)으로 시임 용접(Seam Welding)되는 것도 가능하고(S15-1), 도 12에서 도시하고 있는 바와 같이, 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)이 단속적(Intermittent)으로 시임 용접(Seam Welding)되는 것도 가능하다(S15-2).

도 13은 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치가 로봇암에 적용된 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 용접장치가 로봇 암에 연결된 모습을 도시한 것이다.

도 2내지 도 5를 참조하여 설명하면, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 용접장치(1)가 일반적으로 용접 작업 현장에 적용되되, 다관절로 이루어지는 로봇 암(Robot arm, 9)에 용접장치(1)가 결합되어 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)을 용접한다.

상기한 바와 같이, 상기 용접장치(1)가 로봇 암(9)에 연결될 경우, 상기 로봇 암(9)을 제어하여 로봇 암(9)에 연결되는 용접장치(1)를 지지격자체(3)의 상부에 위치시킨 다음, 상기 용접장치(1)의 회전 및 상, 하 이동시켜 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 용접 부위를 용접한다.

본 실시예에서는 상기 용접 툴(10)에 틸팅부(50)로 틸팅가능하게 연결되는 스테이지(30)로 구성되는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)가 용접 등의 작업에 적용되는 로봇 암 또는 기타 용접장치에 연결되어 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)에 용접을 수행하도록 이루어져 있으나, 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)가 단독으로 지지격자체(3)의 내부격자 간(5a, 5b)에 용접을 수행하도록 이루어지는 것도 가능하고, 기타 다양한 로봇 및 용접장치에 적용되어 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)에 용접을 수행하도록 이루어지는 것도 가능하다.

도 14는 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 지지격자체의 내부격자간을 레이저 용접하기 용접 툴의 구조를 일부 달리한 것이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)의 갯수를 달리함으로써 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 양 측면을 동시에 레이저 용접한다.

즉, 용접 툴(10)과 상기 용접 툴(10)에 틸팅부(50)로 연결되는 스테이지(30)를 포함하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)의 갯수를 2개로 구성하되, 본 발명에 의한 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)의 용접 툴(10)의 방향을 상호 대향되게 위치시킴으로써 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 양 측을 동시에 레이저 용접한다.

상기한 바와 같이, 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)를 2개로 구성하되, 각 용접 툴(10)을 상호 대향되게 위치시킴으로써 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b) 용접을 동시에 실시할 수 있어 보다 신속하고 용이한 용접이 가능하다.

여기서, 2개로 구성되는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)는 상호 연결되어 일체로 구동되는 것이 바람직하며, 이때에도 각각의 레이저 용접장치(1)는 로봇 암에 연결되어 구동되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)가 2개로 구성되되, 각 용접 툴(10)을 상호 대향되게 위치시키는 구성으로 이루어져 있으나, 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)가 4개로 구성되거나, 16개로 구성되는 것도 가능하며, 그 이상의 갯수로 구성되는 것도 가능하다. 이때에도 각각의 레이저 용접장치(1)는 상호 연결되어 일체로 구동되는 것이 바람직하며, 각각의 레이저 용접장치(1)는 상기한 바와 같이, 로봇 암에 연결되어 구동되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)의 스테이지(30)와 틸팅부(50)로 연결되는 용접 툴(10)이 1개 구비되어 있으나, 상기 스테이지(30)에 용접 툴(10)이 상호 대향되는 방향으로 2개 구비되되, 상기 각 용접툴이 각각의 틸팅부(50)로 스테이지(30)에 연결되는 구조로 이루어져 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)을 동시에 레이저 용접하도록 이루어지는 것도 가능하며, 그 이상의 갯수를 갖는 용접 툴(10)이 각각의 틸팅부(50)에 의하여 하나의 스테이지(30)에 구비되어 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)을 동시에 용접하도록 이루어지는 것도 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 레이저 용접장치의 레이저 용접툴이 틸팅(Tilting)가능하게 이루어질 뿐만 아니라, 회전 및 상, 하로 이동가능하게 이루어짐으로써 지지격자체(Spacer Grids)의 내부격자간(Inner Strap Connection) 연결부에 연속적(Continuous)인 시임 용접(Seam Welding)이 가능하여 지지격자체의 충격 강도를 증강시키고, 이로 인해 지지격자체의 내부격자간에 섬세한 용접이 가능하여 내부격자간 연결부의 용접 비드(Welding Bead) 직경을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접 부위의 결함을 감소시킬 수 있어 지지격자체의 구조적인 강도를 증강시킬 수 있으며, 레이저 용접장치의 레이저 용접툴에 레이저를 전송하기 위한 광 섬유가 인입 및 삽입됨으로써 그 구조를 간소화하여 제조가 용이하고, 경제성과 안정성을 향상시킬 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims

핵연료봉 다발을 지지하기 위한 지지격자체(3)의 내부격자판들 사이 또는 내부격자판과 외부격자판 사이의 내부격자간(5a, 5b)을 용접하기 위한 지지격자체 내부격자간 용접장치에 있어서,

레이저를 전송하기 위하여 인입되는 광 섬유(Optical Fiber, 11)와, 상기 광 섬유(11)를 통해 전송받은 레이저를 집약하는 포커싱 유닛(Focusing Unit, 13)과, 상기 포커싱 유닛(13)의 하부면에 구비되는 레이저 발사 유닛(15)으로 구성되는 용접 툴(Welding Tool, 10);

상기 용접 툴(10)의 일측에 구비되고, 수직방향 중심부에 슬라이딩봉(33)을 갖는 슬라이딩홀(31)이 관통형성되되, 상기 슬라이딩봉(33)을 중심으로 수직이동가능하게 이루어지며, 로봇 암(Robot Arm)에 연결가능하게 이루어지는 스테이지(Stage, 30); 및

상기 용접 툴(10)과 스테이지(30) 사이에 연결개재되되, 상기 포커싱 유닛(13)에 회전가능하게 연결되는 회전 유닛(Rotary Unit, 51)과, 상기 회전 유닛(51)에 연결되는 연결 유닛(Connect Unit, 53)과, 상기 연결 유닛(53)에 연결되되, 상기 스테이지의 전면부에 구비되는 고정 유닛(55)으로 구성되는 틸팅부(Tilting, 50);

를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치.
제1항에 있어서,

상기 포커싱 유닛(13)의 일측면에 인입되는 광 섬유(11)를 지지 및 고정하기 위한 고정 유닛(17)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치.
제2항에 있어서,

상기 고정 유닛(17)의 내부 일측에 광 섬유를 통하여 제공되는 레이저를 정렬시키기 위한 정렬 유닛(18)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치.
제3항에 있어서,

상기 포커싱 유닛(13)의 내부 일측 벽면에 광 섬유를 통하여 제공되는 레이저를 하방으로 굴절 및 전송시키기 위한 프리즘 유닛(16)이 구비되고, 상기 프리즘 유닛(16)의 하부에는 상기 프리즘 유닛(16)으로부터 굴절 및 전송된 레이저를 집속하기 위한 집속 유닛(14)이 구비되는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치.
광 섬유(Optical Fiber, 11)와, 고정 유닛(17)과, 포커싱 유닛(Focusing Unit, 13)과, 레이저 발사 유닛(15)으로 구성되는 용접 툴(Welding Tool, 10); 로봇 암(Robot Arm)에 연결가능하게 이루어지고, 수직방향 중심부에 슬라이딩봉(33)을 갖는 슬라이딩홀(31)이 관통형성되는 스테이지(Stage, 30); 및 상기 용접 툴(10)과 스테이지(30) 사이에 연결개재되되, 회전 유닛(Rotary Unit, 51)과, 연결 유닛(Connect Unit, 53)과, 고정 유닛(55)으로 구성되는 틸팅부(Tilting, 50); 를 포함하는 구성으로 이루어지는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치(1)에 의한 지지격자체(3) 내부격자간(5a, 5b)을 용접하는 용접방법에 있어서,

상기 지지격자체(3)의 상부 적소에 용접장치(1)를 위치시키는 단계(S11);

상기 용접장치(1)의 용접 툴(10)을 x, y방향으로 구동시켜 틸팅시키는 단계(S12);

상기 광 섬유(11)를 통하여 제공되는 레이저가 레이저 발사 유닛(15)을 통하여 발사되는 단계(S13);

상기 용접 툴(10)을 z방향으로 구동시켜 수직방향으로 이동시키는 단계(S14); 및

상기 레이저 발사 유닛(15)을 통하여 발사되는 레이저에 의하여 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)에 레이저 용접이 수행되는 단계(S15);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법.
제5항에 있어서, 상기 상기 용접장치(1)의 용접 툴(10)을 x, y방향으로 구동시켜 틸팅시키는 단계(S12)는,

상기 용접 툴(10)의 회전 유닛(51)이 연결 유닛(53)을 중심으로 회전되는 단계(S12-1); 및

상기 회전 유닛(51)의 회전에 따라 회전된 용접 툴(10)이 용접부위를 향하는 각도로 고정되는 단계(S12-2);

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법.
제5항에 있어서, 상기 용접 툴(10)을 z방향으로 구동시켜 수직방향으로 이동시키는 단계(S14)는,

상기 틸팅부(50)가 슬라이딩홀(31)에 슬라이딩가능하게 삽입되는 슬라이딩봉(33)을 따라 수직방향으로 이동되는 단계(S14-1);

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법.
제5항에 있어서, 상기 레이저 발사 유닛(15)을 통하여 발사되는 레이저에 의하여 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)에 레이저 용접이 수행되는 단계(S15)는,

상기 용접 툴(10)이 상기 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)을 연속적(Continuous)으로 시임 용접(Seam Welding)하는 단계(S15-1);

인 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법.
제5항에 있어서, 상기 레이저 발사 유닛(15)을 통하여 발사되는 레이저에 의하여 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)에 레이저 용접이 수행되는 단계(S15)는,

상기 용접 툴(10)이 상기 지지격자체(3)의 내부격자간(5a, 5b)을 단속적(Intermittent)으로 시임 용접(Seam Welding)하는 단계(S15-2);

인 것을 특징으로 하는 광 섬유를 이용한 지지격자체 레이저 용접장치에 따른 용접방법.