KR100922161B1

KR100922161B1 - 지지격자용 다축 레이저용접 헤드

Info

Publication number: KR100922161B1
Application number: KR1020070098255A
Authority: KR
Inventors: 오병은; 박학범; 김용관; 오명호; 장흥순; 임상현
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-10-21
Also published as: KR20090032768A; US20100096369A1

Abstract

본 발명은 핵연료집합체 주요 구성품중의 하나인 지지격자 용접에 관한 것으로서, 구체적으로는 지지격자를 용접하는 레이저장치의 레이저용접헤드 움직임이 보다 유연하고 다양하게 동작될 수 있도록 하여 지지격자의 용접 시에 보다 정확하고 정밀한 작업이 이루어지도록 하는 장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 일정각도 내에서 전후 진자운동과 같은 움직임을 갖는 용접헤드를 구비하여, 기존의 장치 대비 1축이 증가되어 다양한 방향으로의 레이저빔 조사가 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

지지격자용접, 다축 레이저용접헤드, 집광헤드

Description

지지격자용 다축 레이저용접 헤드{Multi axis laser welding head for spacer grid}

원자로란 핵분열성 물질의 연쇄핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생 시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄의 생산, 또는 방사선장 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치를 말한다.

일반적으로 경수로 원전에서는 우라늄-235의 비율을 2∼5%로 높인 농축우라늄을 사용한다. 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무게의 원통형 펠렛(Pellet)으로 만드는 성형가공을 한다. 이 펠렛들은 지르칼로이 피복관에 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 봉단마개를 용접하여 연료 봉을 제조한다. 상기 연료봉은 골격체내에 장입되어 최종적으로 핵연료집합체를 구성하여 원자로 내에서 핵반응을 통하여 연소하게 된다.

핵연료집합체의 일반적인 형상은 [도 1]에 도시되어 있다.

[도 1]을 참조하여 설명하면 상기 핵연료집합체는 상단고정체(4), 하단고정체(5), 지지격자(2), 안내관(3), 계측관(6)으로 이루어지는 골격체와 상기 지지격자(2) 내에 장입되어 상기 지지격자(2)내에 형성된 스프링(미도시) 및 딤플(미도시)에 의하여 지지되는 연료봉(1)으로 구성된다. 집합체 조립 시 연료봉(1) 표면의 흠집을 방지하고 지지격자내 스프링의 손상을 방지하기 위해 연료봉의 표면에 락커를 도포하여 골격체에 장입한 다음 상하단 고정체를 부착하여 고정시킴으로써 핵연료집합체의 조립이 끝나고 완성된 집합체의 락커를 제거한 후 연료봉의 간격, 뒤틀림, 전장, 치수 등을 검사하는 것으로 집합체 제조공정이 마무리 된다.

핵연료집합체내 포함되는 지지격자는 핵연료봉과 계측관과 안내관과 함께 골격체를 구성하는 것으로서, 수십 개의 지지격자판들에 의해 만들어 진다. 각각의 지지격자판은 슬롯과 같은 수개의 절개부가 형성되어 있다. 이러한 지지격자판은 종ㅇ횡 방향으로 일정간격을 두고 위치하여 각각의 지지격자판들이 서로 교차하도록 되어 있으며, 이 지지격자판들이 각각의 절개부와 절개부가 맞물려 끼워짐으로써 격자공간이 형성되는 지지격자가 된다.

하지만 이처럼 지지격자판들이 절개부에 끼워져 체결이 되더라도 절개부에서 대부분이 유격이 존재하기 때문에 지지격자 자체의 흔들림이 발생한다. 그러므로 지지격자판과 지지격자판이 교차하는 각각의 교차지점들을 용접하여 지지격자의 흔들림을 제거하는 것이다. 지지격자의 용접 방식으로는 레이저용접이 가장 많이 쓰이고 있다.

[도 2]에 도시된 바와 같이, 레이저 용접을 하기 위해서는 조립되어진 지지격자의 사방의 외부옆면 중간부분에는 지지격자의 모양과 넓이가 같은 4각형의 리텐션스트랩(Retention Strap)(10)이 끼워진다. 이는 각 지지격자판의 절개부를 통해 조립된 지지격자가 용접을 하기 전에는 절개부 유격에 의해 발생하는 흔들림 때문에 조립되어진 지지격자의 모양이 변하기 때문에 이를 고정하기 위한 것이다.

그리고 리텐션스트랩(10)이 끼워진 지지격자의 상하부에는 리텐션스트랩(10)과 평행하게 4각형의 판 형태인 상부누름판(Top Plate)(20)과 하부받침판(Bottom Plate)(30)이 끼워진다. 이 상부누름판(20)과 하부받침판(30)에는 지지격자의 종·횡 방향 지지격자판들이 교차하는 지점과 대응되는 곳에 관통공(22)들이 형성되어 있다. 이 관통공(22)을 통해 레이저를 쏘아 줌으로 해서 종횡 방향 지지격자가 교차하는 지점에서 용접이 이루어진다.

또한 4각형의 상부누름판(20)은 네 변 중 한 변의 중앙부분과 이와 마주보는 변의 중앙부분에는 상부누름판고정홀(24)이 형성되어 있다. 하부받침판(30)에도 상부누름판(20)과 마찬가지로 같은 형태의 하부누름판고정홀(34)이 형성되어 있다.

그리고 상기 상부누름판고정홀(24)과 하부누름판고정홀(34)은 서로 90도 간격으로 위치한다.

상기 각 고정홀(24)(34)은 용접이 이루어지지 않은 지지격자가 용접을 위해 용접회전판에 놓일 때, 이 지지격자와 용접회전판을 고정시키기 위해 나사결합을 하기 위한 것이다.(용접회전판에 관하여는 후술한다. 또한 이하 설명에서는 보다 간단한 설명을 위해 리텐션스트랩(10), 상부누름판(20) 및 하부누름판(30)을 총칭하여 지지격자용접치구라고 한다.)

일반적인 지지격자 용접장치 구성요소 중 용접챔버 내의 용접회전판에 관하여 [도 3]에 도시하였다.

상기 용접챔버의 내부에 위치하는 용접회전판은 [도 3]에 도시되어 있는 바와 같이, 제1회전용접판(140)과 제2회전용접판(150)으로 구성되어 있다.

제1회전용접판(140)은 사각형태의 판으로 회전 중심축이 지면과 수평이 되어 판의 중심을 지나간다.(이를 b-v축이라 하고, [도 3]에 A라고 도시하였다.)

상기 회전중심축이 지나는 제1용접회전판(140)의 양 끝단 중 일단에는 제1용접회전판(140)의 회전축을 중심으로 회전을 발생시키기 위한 모터(미도시)와 연결된 회전전달장치(144)가 장착되어 있고, 타단에는 제1용접회전판이 상기 회전중심축을 중심으로 회전할 때, 안정적인 회전이 이루어지도록 하기 위해 제1용접회전판지지장치(146)가 연결되어 있다.

그리고 제1용접회전판(140)의 윗면에는 원형형태의 제2용접회전판(150)이 장착되어 있다.

상기 제2용접회전판(150)의 윗면에는 용접해야 할 지지격자가 놓이며, 회전 중심축이 지면과 수직이 되어 판의 중심을 지나가기 때문에 마치 레코드판의 회전 처럼 제1용접회전판(140)과 수평이 되어 회전이 이루어진다.(이를 c-w축이라 하고, [도 3]에 B라고 도시하였다.)

그리고 전술한 용접장치를 구성하고 있는 용접챔버 상부에는 레이저용접부(200)가 위치하고 있다. 레이저용접부는 용접을 위해 좌우 운동을 하는 x축직선운동장치(160), 전후 운동을 하는 y축직선운동장치(170)와 상하 수직운동을 하는 z축직선운동장치(180)가 포함되어 있다. ([도 4b]참조)

하지만 이러한 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

[도 3]에 도시된 것처럼 지지격자 또는 레이저용접부의 일부가 대부분의 방향으로 이동 및 회전이 가능하게 되지만 점선으로 표시된 T축 회전은 불가능하다.

또한 지지격자의 격자공간으로 냉각수가 흐르게 되는데 이 냉각수는 난류를 일으키며 흘러야 보다 뛰어난 효과를 얻을 수 있기 때문에 각각의 격자공간 위쪽에는 곡선형의 베인(vane)(162)을 형성시켜 냉각수의 난류를 유도하도록 형성되어 있다. ([도 4a]참조)

그러므로 상기 베인(162)을 피해 지지격자를 이루고 있는 종·횡방향 지지격자판들의 교차점을 용접하기 위해서 레이저가 수직방향만이 아니라 비스듬하게 입사되어야 하는데, 앞선 설명에서처럼 여러 방향으로의 이동과 여러 축을 중심으로 하는 회전은 가능하지만 앞에서 설명한 T축을 기준으로 한 회전은 불가능하기 때문에 보다 정확하고 정밀한 용접이 이루어지지 못한다는 문제점이 있다.

또 다른 문제점으로는 [도 4b]에 도시된 바와 같이 종래의 레이저용접부(200)는 거울 전송방식에 의해 레이저를 반사시켜 지지격자판 교차점에 닿도록 하기 때문에 일정거리 이내에 레이저공급장치(202)를 두어야 하고, 그렇기 때문에 대부분 레이저공급장치는 장치 내에 부착되어 x,y,z축 직선운동 시에 함께 이동되어지는데, 레이저공급장치(202)는 보통 70kg정도의 무게를 갖기 때문에 이러한 하중에 의해 장치 내에 피로도가 높아지고, 이동과 회전과 같은 움직임에 있어서 제약이 따른다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 핵연료집합체의 지지격자를 구성하는 지지격자판의 교차점을 용접할 때 레이저용접헤드가 또 다른 축을 중심으로 회전이 가능하게 하여 베인과 같이 용접에 방해가 되는 부분을 피하여 쉽게 용접 할 수 있도록 하고, 경사진 외부 베인면에 대한 연속 용접을 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

또한 레이저공급장치(발진기)를 레이저용접헤드와 분리시켜 레이저용접부의 움직임을 수월하게 하는 반면에 레이저의 공급은 확실하게 이루어지도록 하는 연결수단을 제공하는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본체와 본체의 상부에 위치하고, 직육면체의 형상이며, 상기 직육면체에의 상부 면은 개방되어져 길이방향과 평행하는 걸림턱이 형성되고, 상기 걸림턱에는 x축이동판이 끼워지고, 상기 x축이동판은 걸림턱을 따라 좌우 이동이 이루어지며, 상기 x축이동판 상부면에는 상기 걸림턱과 직교하는 방향으로 두 개의 y축레일이 일정간격으로 떨어져 형성되어진 x축직선운동장치와

직육면체의 형상으로, 상기 x축직선운동장치와 직교하여 위치하고, 하부면에 상기 y축레일에 끼워져 전후 이동이 이루어지며, 길이방향의 일단에는 세로방향으로 세워진 지지판이 형성되어 있으며, 상기 지지판에는 세로방향으로 형성된 두 개의 z축레일이 형성되어진 y축직선운동장치와

직육면체의 형상으로, 길이방향이 지면과 수직하게 위치하여 일면이 상기 z축레일에 끼워져 상하 이동이 이루어지는 z축직선운동장치와

상기 z축직선운동장치의 하단에 부착되어 있는 레이저용접헤드를 포함하되,

상기 레이저용접헤드의 일부분에는 지면과 수직한 선을 기준으로 전후 방향으로 회전을 하는 집광헤드가 더 부착된 것을 특징으로 하는 지지격자용 다축 레이저 용접헤드를 제공한다.

상술한 본 발명의 특징으로부터,

본 발명에 의한 레이저용접장치는 핵연료집합체의 지지격자를 구성하는 지지 격자판의 교차점을 용접할 때 레이저용접헤드가 또 다른 축을 중심으로 회전이 가능하게 하여 베인과 같이 용접에 방해가 되는 부분을 피하여 쉽게 용접 할 수 있는 효과가 있다.

또한 레이저공급장치를 레이저용접부와 분리시켜 레이저용접부의 움직임을 수월하게 하는 반면에 레이저의 공급은 확실하게 이루어지도록 하였다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 설명한다.

본 실시예에 의한 지지격자레이저용접장치는 본체(미도시)와 레이저용접헤드운동기구(200)로 이루어져 있다.

본체(미도시)는 지지격자레이저용접장치의 몸체가 되는 것으로 이러한 본체에는 용접챔버(미도시)와 레이저용접부(200) 등이 부착되고, 부착된 장치들은 본체에 의해 제어된다.

상기 본체(미도시)와 용접챔버(미도시)는 기존의 것과 동일하므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

[도 5]를 참조하여 레이저용접헤드운동기구(200)에 관하여 설명하도록 한다.

레이저용접헤드운동기구(200)는 x축직선운동장치(210), y축직선운동장치(220), z축직선운동장치(230) 및 레이저용접헤드(240)로 이루어져 있다.

x축직선운동장치(210)는 본체(미도시)의 상부에 위치하고, 직육면체의 형상이다.

그리고 직육면체에의 상부 면은 개방되어 있고, 개방되어진 부분에는 길이방향으로 걸림턱(212)이 형성되어 있다.

이 걸림턱(212)에는 x축이동판(214)이 끼워지며, x축이동판(214)은 걸림턱(212)을 따라 좌우 이동이 이루어지게 된다.

또한 x축이동판(214) 상부면에는 상기 걸림턱(212)과 직교하는 방향으로 두 개의 y축레일(216)이 일정간격으로 떨어져 형성되어 있다.

y축직선운동장치(220)는 직육면체의 형상으로, 상기 x축직선운동장치(210)와 직교하여 위치하고, 하부 면이 상기 y축레일(216)에 끼워져 전후 이동이 이루어진다. 길이방향의 일단에는 세로방향으로 세워진 지지판(222)이 형성되어 있으며, 상기 지지판(222)에는 세로방향으로 형성된 두 개의 z축레일(224)이 형성되어 있다.

그리고 x, y축직선운동장치(210)(220) 각각에는 각축의 최대 운동영역을 지정하는 최대 이동거리 제한 스위치 센서(End of travel)를 부착하고, 트립도그(Trip dog) 스위치를 미세 조정할 수 있게 하여 최대 이송가능 위치를 미소 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

z축직선운동장치(230)는 직육면체의 형상으로, 길이방향이 y축직선운동장치(220)와 수직하게 위치하여 일면이 상기 z축레일(224)에 끼워져 상하 이동이 이루어진다.

보다 자세하게는 z축직선운동장치(230) 뒤쪽으로 z축서보모터(232)를 두어 z 축직선운동장치와 타이밍벨트(234)로 연결하여 상하운동이 이루어지는 것이다.

또한 z축직선운동장치(230)가 자중에 의해 아래로 미끄러지지 않도록 z축서보모터(232) 내에 브레이크를 내장 하는 것이 바람직하다.

다음은 레이저용접헤드(240)에 대하여 설명한다.

레이저용접헤드(240)는 z축직선운동장치(230)의 하부에 위치하여 레이저를 지지격자(미도시)에 방출시키는 장치이며 보다 자세하게 [도 6]에 도시되어 있다. 이를 참조하면,

이러한 레이저용접헤드(240)는 집광헤드(241), 베어링하우징(242), 집광헤드서보모터(243), 베벨감속기어(244)로 구성되어 있다.

먼저 집광헤드(241)에 관하여 설명한다.

집광헤드(241)는 'ㄱ'자의 형태로 가운데 부분이 고정되고, 그 고정된 축을 중심으로 원운동이 가능하며, 일단은 레이저가 방출되는 부분이며, 타단은 레이저를 받아들이는 부분이다.

상기 레이저를 받아들이는 부분은 광 화이버(Optical fiber)로 레이저공급장치(미도시)와 연결되어 있어, 레이저공급장치로부터 레이저를 광 화이버 빔 전송방식을 통하여 전달받는다.

상기 광 화이버 빔 전송방식은 전반사의 원리를 이용한 것으로 [도 7]을 참조하여 설명하면, 굴절률이 높은 매질이 중심을 이루고 그 외부에 굴절률이 낮은 매질로 덮여져 있어, 작은 각도로 입사한 빛은 코어(core)(310)와 클래 딩(cladding)(320) 간에 전반사가 연속적으로 일어나 끝까지 연속적으로 레이저가 전달된다. 최외곽에는 시스선(sheath)(330)으로 코팅을 하여 내부를 보호한다.

더하여 이러한 광 화이버가 집광헤드(241)에 일측에 부착되어 있고, 집광헤드(241) 하부에 위치한 용접챔버(미도시) 내의 지지격자를 용접하는 것이기 때문에 집광헤드(241)는 원운동이라 하기 보다는 지면과 수직인선을 중심으로 전후로의 회전운동을 갖는다. 즉, T축 회전운동이 이루어진다.

상기 집광헤드(241)과 집광헤드 경사축(미도시)은 베어링에 의해 연결되고, 이 베어링은 다시 베어링하우징(242)에 의해 감싸진다.

집광헤드 경사축(미도시)은 베벨감속기어(244)에 의해 집광헤드서보모터(243)와 연결되어 진다. 그리고 상기 베어링하우징(242)과 베벨감속기어(244)사이에는 브라켓(245)과 각 브라켓을 연결함과 동시에 축을 연결하는 역할을 하는 커플링(246)또한 연결되어 있다. 그리고 상기와 같은 장치들을 고정시키기고 z축직선운동장치(230)와 연결하기 위한 고정헤드(247)가 있다.

고정헤드(247)는 z축직선운동장치(230)의 하부에 연결되어 있고([도 5]참조), 고정헤드(247) 하부에 브라켓(245), 베벨감속기어(244), 베어링 하우징(242) 등이 장착되어 있다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

핵연료집합체의 지지격자를 용접 할 때, 각 x, y, z축의 움직임이 가능해 지고, 집광헤드서보모터(243)과 베벨감속기어(244) 등에 의해 집광헤드의 T축 운동이 가능하게 되어 종래에는 지지격자 상부에 형성되어진 베인 등에 의해 야기된 용접의 어려움을 제거 할 수 있으며, 전반사를 이용한 광 화이버 방식의 레이저 전달에 의해 레이저공급장치(발진기)를 y축직선운동장치(220)에 올려놓지 않아도 되기 때문에, 레이저용접헤드에 피로가 적게 쌓이고, 레이저용접헤드의 이동과 회전등이 보다 수월하게 이루어질 수 있다는 것이다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 지지격자 용접장치로 구현될 수 있다.

도 1 - 일반적인 핵연료집합체를 나타내는 개략도

도 2 - 일반적인 용접 전 지지격자 용접하기 위해 지지격자에 장착되어지는 장치를 나타내는 개략도

도 3 - 일반적인 지지격자 용접회전판을 나타낸 사시도

도 4a - 일반적인 지지격자의 상부면을 나타낸 모습

도 4b - 일반적인 레이저용접부를 나타낸 개략도

도 5 - 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접부를 나타낸 사시도

도 6 - 본 발명의 실시예에 따른 레이저용접헤드를 나타낸 사시도

도 7 - 본 발명에 적용하는 광 화이버빔 전송방식 개념도

<도면의 주요부분의 부호에 대한 설명>

241 : 집광헤드 242 : 베어링하우징

243 : 집광헤드서보모터 244 : 베벨감속기어

245 : 브라켓 246 : 커플링

247 : 고정헤드

Claims

용접장치 본체의 상부에 위치하여 레이저를 공급하는 레이저공급장치,

직육면체 형상이며 상부면에는 길이방향으로 걸림턱(212)이 형성되고, 상기 걸림턱에 끼워지며 상부면에는 상기 걸림턱(212)와 직교하는 방향으로 두 개의 y축 레일(216)이 형성된 x축이동판(214)이 상기 걸림턱(212)을 따라 좌우로 이동하는 x축직선운동장치, 직육면체 형상이며 하부면이 상기 y축레일에 끼워져 전후로 이동하며, 길이방향 일단에는 세로방향으로 세워진 지지판(222)이 형성되고, 상기 지지판에는 세로방향으로 두 개의 z축레일이 형성된 y축직선운동장치, 직육면체 형상이며 상기 z축레일에 끼워지고 z축서보모터(232)와 타이밍벨트(234)로 연결되어 상하로 이동하는 z축직선운동장치,

및

상기 z축직선운동장치에 부착되어 있는 집광헤드를 포함하되,

상기 집광헤드는 x축, y축 또는 z축 중 어느 한 축을 기준으로 회전이 가능하며,

상기 집광헤드는 고정헤드(247)에 의해 z축직선운동장치와 연결되며, 상기 고정헤드에 구비된 서보모터(243)의 구동력을 베벨감속기어(244), 브라켓(245), 커플링(246), 브라켓(245), 베어링하우징(242)을 차례로 연결하여 집광헤드로 전달하여 집광헤드를 구동하며,

상기 집광헤드와 레이저공급장치는 광화이버로 연결되는 것을 특징으로 하는 지지격자용 다축 레이저 용접헤드.
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