KR100922162B1 - 핵연료집합체 지지격자의 레이저용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료집합체 주요 구성품중의 하나인 지지격자 용접에 관한 것으로서, 구체적으로는 지지격자를 구성하는 지지격자판을 용접하는 용접장치의 수동 작동 부분을 근골격계 질환 예방 및 지지격자 취급 중 손상 방지를 위해 자동화 되도록 하는 장치에 관한 것임과 동시에, 다축 레이저용접헤드 등을 사용하여 지지격자를 용접하는 레이저장치의 움직임이 보다 유연하고 다양하게 작동되도록 하여 지지격자의 용접 시에 보다 정밀하고 정확한 작업이 이루어지도록 하는 장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 용접장치 내부에 위치하는 용접회전판에 장입되어진 지지격자를 자동으로 고정시킬 수 있도록 클램핑실린더와 지지격자를 용접하는 용접장치를 자동으로 열고 닫을 수 있도록 하는 자동개폐장치가 구비된 것을 특징으로 하고, 일정각도 내에서 전후 방향 움직임을 갖는 장치를 장착한 다축 레이저용접헤드를 구비하고, 지지격자판이 조립된 용접 치구가 콘베이어에 의해 이송되어지고 특수 고안된 회전실린더 및 장입장치 기구에 의해 용접 챔버 내부로 장입하는 장치와 용접 완료된 지지격자를 자동으로 추출하는 장치가 구비되어 용접 정밀성 및 품질의 향상은 물론 생산성 향상을 특징으로 한다.

지지격자용접, 용접장치, 자동용접장치, 지지격자판용접, 집광헤드

Description

핵연료집합체 지지격자의 신개념 레이저용접장치{Advanced Laser Welding Device for Space Grid of Nuclear Fuel Assembly}

본 발명은 핵연료집합체내에 위치하는 계측관과 안내관 그리고 핵연료봉을 지지하는데 이용되는 지지격자의 제조에 있어서, 지지격자를 구성하는 얇은 판 모양의 지지격자판들을 용접하는 장치를 자동화 하는 것에 관한 것과 동시에 지지격자를 용접하는 레이저장치의 움직임이 보다 유연하고 다양하게 작동되어 지지격자의 용접 시에 보다 정밀하고 정확한 작업이 이루어지도록 하는 장치에 관한 것이다.

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 펠렛들을 지르칼로이 피복관에 장입하고 여기에 스프링과 헬륨기체를 넣은 후 봉단마개를 용접하여 연료봉을 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 지지격자는 핵연료봉과 계측관과 안내관과 함께 골격체를 구성하는 것으로서, 수십 개의 지지격자판들에 의해 만들어 진다. 각각의 지지격자판은 슬롯과 같은 수개의 절개부가 형성되어 있다. 이러한 지지격자판은 종횡 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 교차지점들 및 외부, 모서리 등의 고정된 결합이 이루어지지 않은 부분을 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 외부 옆면 중간부분에는 지지격자의 모양과 넓이가 같은 4각형의 리텐션 스트랩(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 리텐션 스트랩(10)이 끼워진 지지격자의 상·하부에는 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 종횡 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 90도의 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 용접치구라고 한다.)

일반적으로 지지격자 용접장치 구성요소 중 용접챔버(100)를 [도 3]및 [도 4]에 도시하였다.

먼저 [도 3]을 참조하여 설명하면, 용접챔버(100)는 챔버(110), 용접챔버개폐장치(120) 및 용접회전판([도 4]참조)으로 구성되어 있다.

챔버(110)는 내부공간이 비어있는 직육면체 또는 정육면체의 형태이며, 상기 내부공간은 지지격자의 용접이 이루어지는 용접공간(112)이다.

상기 챔버(110)의 옆면 중 일면이 일정한 크기로 개방되어 있어서 이 부분이 용접하여야 할 지지격자의 출입로 역할을 한다. 또한 용접챔버(100)의 상부면 역시 일정면적을 갖고 외부로 개방되어져 있어 이곳으로 레이저가 관통하고, 이로 인해 챔버(110) 내부에 위치한 지지격자가 레이저에 의해 용접된다.

그리고 상기 개방된 부분과 마주보는 면 또한 후술할 용접회전판의 회전을 위해 모터 등으로 부터 동력을 전달 받을 수 있도록 외부와 연결되는 홀(114)이 형성되어 있다.

용접챔버개폐장치(120)는 상기 챔버(110)의 옆면 중에서 지지격자의 출입로 역할을 하는 부분을 덮을 수 있을 정도의 판으로 형성되어 있고, 이 판이 챔버(110)와 힌지 결합되어 있어, 여닫이문과 같은 형상의 개폐문(121)이 존재한다.

그리고 힌지결합이 이루어진 부분의 맞은편에는 걸림부재(122)가 부착되어 있고, 이 개폐문(121)이 닫혔을 경우, 걸림부재(122)와 대응되는 챔버(110)의 특정 부분에는 걸림봉(124)이 부착되어 있고, 걸림봉(124)과 챔버(110)는 힌지결합 되어 있다.

즉, 용접챔버개폐장치(120)를 수동으로 열고 닫을 때에 챔버에 힌지결합되어 회전운동하는 장착된 걸림봉(124)과 개폐문(121)의 표면에 장착되어 있는 걸림부재(122)가 서로 걸림과 풀림을 통하여 용접챔버개폐정치(120)의 닫힘과 열림이 이루어진다.

상기 용접챔버(100)의 용접공간(112)에 위치하는 용접회전판은 [도 4]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 4]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 회전중심 축 축을 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 회전처럼 제1용접회전판(140)과 수평이 되어 회전이 이루어진다.

또한 제2용접회전판(150)에는 전술한 지지격자가 놓일 때, 지지격자를 제2용접회전판(150)에 고정시키기 위해 지지격자에 끼워진 하부받침판(30)에 형성된 고정홀(34)과 대응되는 위치에 나사구멍(미도시)이 형성되어 있다.(이를 c-w축이라 하고, [도 4]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.

지지격자를 용접하기 위해 용접회전판에 고정시킬 때, 매번 수동으로 나사를 조이거나 풀러야 하는 번거로움과 챔버의 개폐문(121)을 매번 수동으로 열고 닫아야 하는 번거로움이 있다는 것이다.

또한 발전소내에서 지지격자의 격자공간으로 냉각수가 흐르게 되는데 이 냉각수는 스크류를 일으키며 흘러야 보다 뛰어난 열전달 효과를 얻을 수 있기 때문에 각각의 격자공간 위쪽에는 곡선형의 베인(vane)(미도시)을 형성시켜 냉각수의 스크류를 유도하도록 형성되어 있다. 하지만 앞에서 설명한 한 바와 같이, 지지격자 또는 레이저용접부의 일부가 대부분의 방향으로 이동 및 회전이 가능하게 되지만 [도 4]에 도시된 것처럼 T축 회전은 불가능하기 때문에 보다 신속하고 정확한 용접이 이루어지지 못한다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 지지격자가 장착된 용접치구를 자동으로 챔버 내에 위치한 용접회전판에 장착시키는 장치와 용접치구가 챔버 내로 장입 및 인출될 수 있도록 자동으로 레이저용접장치의 개폐문을 열고 닫는 수단을 제공하고,

핵연료집합체의 지지격자를 구성하는 지지격자판의 교차점을 용접할 때 레이저용접부가 또 다른 축을 중심으로 회전이 가능하게 하여, 베인밑의 숨겨진 교차점 용접을 신속하고 정확하게 용접할 수 있고 또한 경사진 베인면에 대한 연속 용접이 가능한 장치를 제공함과 동시에,

레이저공급장치를 레이저용접부와 분리시켜 레이저용접부의 움직임을 수월하게 하는 반면에 레이저의 공급은 확실하게 이루어지도록 하는 연결수단을 제공하는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

지지격자용접장치에 있어서,

판의 형상으로 중앙부분에 절개부가 형성되고, 상기 절개부에 용접치구가 끼워진 지지격자의 상부면과 하부면 중 어느 한 면이 끼워지는 홀더와

제1용접회전판에는 상기 홀더가 상기 제2용접회전판 상부면에 장착될 때, 제2용접회전판을 고정시키는 클램핑실린더와

지지격자 용접장치를 구성하는 용접개폐장치는

챔버의 개방된 일측면에 장착되고, 절개부가 형성되어진 개폐판과 상기 절개부의 세로방향 양 측에는 판과 수직하여 부착되고, 세로방향으로 절개부가 형성된 개폐레일과 판의 형태로 상기 개폐판에 형성된 절개부 면적 이상의 면적을 갖는 덮개와 일측은 상기 덮개와 연결되고, 타측은 상기 개폐레일의 절개부와 연결되는 결합부재와 일측은 상기 덮개에 장착되고, 타측은 개폐판에 장착되며, 종방향으로 위치하여, 피스톤 운동을 통해 상기 덮개의 상하 움직임을 유발하는 개폐봉을 더 포함한 것이며,

레이저 방출장치의 일부분에는 지면과 수직한 선을 기준으로 전후 방향으로 회전을 하는 집광헤드가 더 부착된 것을 과제해결 수단으로 제공한다.

상기와 같은 과제해결수단을 통하여 발생하는 효과는 다음과 같다.

지지격자를 용접공간에 위치시켜 고정시키거나 작업이 끝난 지지격자를 용접공간에서 빼내야 할 때, 번거롭게 나사결합을 수작업을 통하는 것이 아니라 자동으로 지지격자가 용접회전판 위에서 고정되거나 풀릴 수 있다는 효과가 있고, 지지격자를 용접공간 안으로 넣거나 뺄 때, 번거롭게 수작업으로 개폐장치를 열고 닫는 것이 아니라 자동으로 개폐장치가 열고 닫히게 되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의한 레이저용접장치는 핵연료집합체의 지지격자를 구성하는 지지격자판의 교차점을 용접할 때 레이저용접부가 또 다른 축을 중심으로 회전이 가능하게 하여 베인과 같이 용접에 방해가 되는 부분을 피하여 쉽게 용접할 수 있고 또한 경사진 베인면에 연속적으로 용접 할 수 있는 효과가 있으며, 레이저공급장치를 레이저용접부와 분리시켜 레이저용접부의 움직임을 수월하게 하는 반면에 레이저의 공급은 확실하게 이루어지도록 하는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 설명한다.

이하 설명에서는 배경기술에서 언급한 일반적인 레이저용접장치의 구성과 같은 구성이며 동시에 같은 역할을 하는 본 발명의 구성요소에 관한 설명은 전술하였으므로 중복되는 부분에 관해서는 설명을 간략하게 하거나 또는 생략하도록 한다.

본 발명은 용접치구(210), 홀더(220), 본체(310), 챔버(320), 회전지지장치(330), 회전전달장치(340), 제1용접회전판(350), 제2용접회전판(360), 클램핑실린더(370)와 용접챔버개폐장치(380) 그리고 레이저용접부(400)로 구성되어있다.

(용접치구(210)는 앞에서 설명한 상부누름판, 리텐션스트랩, 하부받침판을 총칭하는 것으로 이하 설명을 간단하게 하기위한 용어정리에 불과하다.)

먼저 [도 5]를 참조하여 홀더(220)를 설명한다.

홀더(220)는 원형 판의 형태로 중앙 특정부분이 일정 형태로 절개된 절개부(222)가 형성되어 있다. 홀더의 측면에는 수개의 나사구멍(224)이 형성되어 있고, 나사구멍은 절개부(222)의 측면까지 관통되어 있다.

상기 절개부(222)에는 용접치구(210)와 결합된 지지격자가 위치하는데 보다 구체적으로는 용접치구(210) 중 상부누름판 또는 하부받침판이 절개부에 위치한다.

그리고 옆면에 옆면을 홀더(220)의 나사구멍(224)을 관통한 수개의 나사가 홀더의 절개부(222)에 위치한 상부누름판 또는 하부받침판에 접하여 중심쪽으로 밀기 때문에 고정이 이루어진다.

즉, 상부누름판 또는 하부받침판에 별도의 나사구멍이 형성되어 있는 것이 아니고, 나사가 사방에서 밀어 용접치구(210)와 결합된 지지격자를 고정시키기 때문에 홀더(220)의 절개부(222)는 어떠한 모양이든 지지격자를 홀더(220)에 고정시키는데 문제 되지 않으며, 이렇기 때문에 상부누름판 또는 하부받침판이 어떠한 모양을 갖더라도 홀더(220)와 결합이 가능하게 된다.

본체(310; [도 11]참조)는 지지격자용접장치를 전반적으로 컨트롤 하는 역할을 하며 일반적인 지지격자용접장치 본체와 같이 용접챔버(320; [도 11]참조)와 레이저용접부(400; [도 11]참조)가 본체(310)에 장착되어진다.

그리고 챔버(320), 회전지지장치(330), 회전전달장치(340), 제1용접회전판(350), 제2용접회전판(360)은 기존의 것과 같기 때문에 본 발명의 설명에서는 생략하도록 한다.

다음은 클램핑실린더(370)에 대하여 [도 6]을 참조하여 설명한다.

[도 6]은 용접치구(210)와 홀더(220)가 결합된 지지격자가 제2용접회전판(360)위에 놓인 것을 도시한 것이다.

클램핑실린더(370)는 챔버 내부에 위치한 제1용접회전판(350)의 특정 부분에 종(縱)방향으로 끼워져 위치하고, 이 위치와 마주보는 제1용접회전판(350) 부분에 또 하나의 클램핑실린더(370)가 위치한다.

이러한 클램핑실린더(370) 상부는 'ㄱ'자 형태로 하부가 제1용접회전판(350)에 끼워져 유압방식으로 상·하 피스톤 운동을 하며, 또한 종방향 중심을 기준으로 상부 바(bar)(371)가 회전운동을 한다.

클램핑실린더(370)의 상부가 'ㄱ'자로 굽어진 형상에 의해 형성된 상부 바(371)를 아래 방향으로 힘을 가하여 누르기 때문에 지지격자, 용접치구(210) 및 홀더(220)가 결합한 후, 지지격자가 용접을 위해 제2용접회전판(360)에 안착되었을 때, 클램핑실린더(370) 상부 바(bar; 371)의 아래면이 홀더(220)의 위치까지 닿도록 되어 있어 홀더(220)를 잡아주는 역할을 한다.

그리고 자동화된 용접개폐장치(380)에 대하여 [도 7]을 참조하여 설명한다.

4각형 직육면체 또는 정육면체 형상을 띠는 용접장치 챔버(320)([도 10]참고)의 옆면 중 일면이 개방되어 있는데(이하 이 면을 '옆개방면'이라 한다.), 이 면에는 직사각형 판 형태인 개폐판(381)이 부착되어 있다.

상기 개폐판(381) 상부에는 두개의 절개부(382)가 형성되어 있고, 이 절개부(382)는 챔버(320) 옆개방면과 같은 모양과 면적을 갖고 있다.

그리고 개폐판(381)에 형성되어있는 각각의 절개부(382) 양 측에는 세로방향으로 위치한 두 개의 개폐레일(383)이 장착되어 있다. 개폐레일(383)에는 세로방향으로 절개부(384)가 형성되어 있다.

하나의 개폐레일(383)을 기준으로 설명하면 개폐레일(383)에 세로방향으로 형성되어진 절개부(382) 상부에는 종방향의 일정간격을 두고, 개폐판(381)쪽으로 두 개의 굴곡부(385)가 형성 되어 있다.

상기 일정간격이라 함은 후술할 덮개(386)가 개폐레일(383)에 끼워지기 위해 덮개(386)에 부착되는 결합부재(387)간의 세로방향 간격과 같다.

그리고 챔버(310)에 형성되어 있는 옆개방면을 닫거나 열기 위한 덮개(386)가 있다. 상기 덮개(386)는 개폐판(381)에 형성되어 있는 절개부(382)의 가로길이와 같거나 크게 형성되어 있으며(단, 챔버에 형성되어 있는 하나의 절개부를 기준 으로 양측에 형성되어 있는 개폐레일의 간격보다는 길게 형성 될 수는 없다.), 세로길이는 절개부(382)의 세로길이보다 짧게 형성되어 있다.

덮개의 상하부, 좌우측에는 4개의 결합부재(387)가 장착되는데, 마치'L'자와 같이 굽어진 형태로 일측은 나사 또는 못 등으로 덮개(386)와 결합되고, 타측은 개폐레일(383)에 세로 방향으로 형성된 절개부(384)에 끼워질 수 있도록 결합돌기(미도시)가 형성되어 있다.

이와 같은 형상으로 인해 덮개(386)의 상하 움직임이 가능하게 되며, 이러한 상하 움직임은 유압식의 개폐봉(389)에 의해 이루어진다.

유압식의 개폐봉(389)은 제1개폐봉(389a)과 제2개폐봉(389b)으로 이루어져 있다. 제1개폐봉(389a)의 상단은 덮개(386)의 중앙부분과 힌지결합하고, 하단은 제2개폐봉(389b)으로 삽입되어 상하로 피스톤 운동을 한다.

제2개폐봉(389b)의 하부와 중간 부분이 개폐판(386)과 결합되어 개폐봉(389)을 단단하게 고정시킨다.

[도 8]을 참조하여 레이저용접부(400)에 관하여 설명하도록 한다.

레이저용접부(400)는 x축직선운동장치(410), y축직선운동장치(420), z축직선운동장치(430) 및 레이저용접헤드(440)로 이루어져 있다.

x축직선운동장치(410)는 본체({도 11]참조)의 상부에 위치하고, 직육면체의 형상이다.

그리고 직육면체에의 상부 면은 개방되어 있고, 개방되어진 부분에는 길이방 향으로 걸림턱(412)이 형성되어 있다.

이 걸림턱(412)에는 x축이동판(414)이 끼워지며, x축이동판(414)은 걸림턱(412)을 따라 좌우 이동이 이루어지게 된다.

또한 x축이동판(414) 상부면에는 상기 걸림턱(412)과 직교하는 방향으로 두 개의 y축레일(416)이 일정간격으로 떨어져 형성되어 있다.

y축직선운동장치(420)는 직육면체의 형상으로, 상기 x축직선운동장치(410)와 직교하여 위치하고, 하부 면이 상기 y축레일(416)에 끼워져 전후 이동이 이루어진다. 길이방향의 일단에는 세로방향으로 세워진 지지판(422)이 형성되어 있으며, 상기 지지판(422)에는 세로방향으로 형성된 두 개의 z축레일(424)이 형성되어 있다.

그리고 x, y축직선운동장치(410)(420) 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(430)는 직육면체의 형상으로, 길이방향이 y축직선운동장치(420)와 수직하게 위치하여 일면이 상기 z축레일(424)에 끼워져 상하 이동이 이루어진다.

보다 자세하게는 z축직선운동장치(430) 뒤쪽으로 z축서보모터(432)를 두어 z축직선운동장치와 타이밍벨트(434)로 연결하여 상하운동이 이루어지는 것이다.

또한 z축직선운동장치(430)가 자중에 의해 아래로 미끄러지지 않도록 z축서보모터(432) 내에 브레이크를 내장 하는 것이 바람직하다.

다음은 레이저용접헤드(440)에 대하여 설명한다.

레이저용접헤드(440)는 z축직선운동장치(430)의 하부에 위치하여 레이저를 지지격자(미도시)에 방출시키는 장치이며 보다 자세하게 [도 9]에 도시되어 있다. 이를 참조하면,

이러한 레이저용접헤드(440)는 집광헤드(441), 베어링하우징(442), 집광헤드서보모터(443), 베벨감속기어(444)로 구성되어 있다.

먼저 집광헤드(441)에 관하여 설명한다.

집광헤드(441)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 10]을 참조하여 설명하면, 굴절률이 높은 매질이 중심을 이루고 그 외부에 굴절률이 낮은 매질로 덮여져 있어, 작은 각도로 입사한 빛은 코어(core)(610)와 클래딩(cladding)(620) 간에 전반사가 연속적으로 일어나 끝까지 연속적으로 레이저가 전달된다. 최외곽에는 시스선(sheath)(630)으로 코팅을 하여 내부를 보호한다.

더하여 이러한 광 화이버가 집광헤드(441)에 일측에 부착되어 있고, 집광헤드(441) 하부에 위치한 용접챔버(미도시) 내의 지지격자를 용접하는 것이기 때문에 집광헤드(441)는 원운동이라 하기 보다는 지면과 수직인선을 중심으로 전후로의 회전운동을 갖는다. 즉, T축 회전운동이 이루어진다.

상기 집광헤드(441)와 집광헤드 경사축(미도시)은 베어링에 의해 연결되고, 이 베어링은 다시 베어링하우징(442)에 의해 감싸진다.

집광헤드 경사축(미도시)은 베벨감속기어(444)에 의해 집광헤드서보모터(443)와 연결되어 진다. 그리고 상기 베어링하우징(442)과 베벨감속기어(443)사이에는 브라켓(445)과 각 브라켓을 연결함과 동시에 축을 연결하는 역할을 하는 커플링(446)또한 연결되어 있다. 그리고 상기와 같은 장치들을 고정시키기고 z축직선운동장치(430)와 연결하기 위한 고정헤드(447)가 있다.

고정헤드(447)는 z축직선운동장치(430)의 하부에 연결되어 있고([도 8]참조), 고정헤드(447) 하부에 브라켓(445), 베벨감속기어(443), 베어링 하우징(442) 등이 장착되어 있다.

더하여 용접장치의 자동화를 위해 용접해야 할 지지격자 또는 용접이 끝난 지지격자를 운반 할 수 있도록 컨베이어장치(510)가 개폐판(381)에 인접하여 위치하고, 용접해야 할 지지격자 또는 용접이 끝난 지지격자를 챔버(320) 내부로 밀어 넣거나 빼내기 위한 출입장치(520)가 개폐판(381)과 마주보도록 위치하여 형성되어 있다.([도 11]참조)

상기와 같은 구성을 통하여 본 발명의 전체적인 작동과정을 설명한다.

레이저용접부(400)가 부착된 본체(310)의 앞부분에는 전술한 2개의 챔버(320)가 위치하고, 상기 챔버(320)는 좌우로 이동이 가능하다.

상부 누름판, 하부 받침판, 리텐션스트랩이 끼워진 지지격자에 홀더(220)를 연결하여 컨베이어장치(510)에 올려놓으면, 컨베이어장치(510)에 의해 챔버(320) 앞으로 용접할 지지격자가 운반이 되고, 상하 피스톤 운동을 하는 개폐봉(389)에 의해 덮개(386)가 열린다.

열린 챔버(320) 안으로 출입장치(520)에 의해 용접할 지지격자가 이동되어지며, 챔버(320) 내의 제2용접회전판(360) 상부 면에 안착되게 된다.

제1용접회전판(350)에 장착된 클램핑실린더(370)와 바(bar; 371)가 상하운동과 회전을 하면서 홀더(220)를 위에서 눌러 잡아줌으로써 고정시킨다.

그리고 개폐판(381)과 덮개에 부착되어진 개폐봉(389)에 의하여 개폐레일(383)에 끼워진 덮개(386)가 슬라이드 형식의 움직임으로 상부로 올라가 챔버(320)가 닫히게 되는데, 이때, 개폐레일(383)에 형성되어 있는 굴곡부(385)에 의해 개폐판(381)은 조금 더 챔버(320)와 밀착이 이루어지게 된다.

덮개(386)가 닫히고 나면 제1용접회전판(350)과 제2용접회전판(360)이 각각 필요한 상황에 맞게 b-v축, c-w축 회전을 하고, 또한 레이저용접부(400)에 의해 x,y,z축 직선운동을 하며, 레이저용접부에 위치한 레이저용접헤드(440)에 의해 T축 회전을 하여 지지격자를 이루고 있는 각 지지격자판들의 교차점 등에서 용접을 하게 된다.

그리고 지지격자 용접을 하기 위해서는 챔버(320) 내부의 용접환경을 준비하여야 한다.

용접환경이란 지르코늄 합금으로 만들어진 지지격자가 질화와 산화성이 강하기 때문에 챔버의 공기를 충분히 제거한 후 아르곤가스를 충진시켜 산소 7PPM, 수분 100PPM이하의 용접조건을 만들어야 하는 것 등을 말한다.

그렇기 때문에 앞에서 설명되었듯이 본체(310)에 챔버(320)를 두 개 장착시키고, 좌우 이동이 가능하도록 하여 한 쪽 챔버(320)에서는 용접을 위한 준비를 수행하고, 다른 쪽 챔버(320)에서는 용접을 수행하도록 한 것이다.

용접이 끝나면 다시 두 개의 챔버(320)가 앞에서와는 반대로 이동하여, 용접을 준비했던 챔버(320)는 용접을 하게 되고, 용접이 끝난 챔버(320)는 용접이 이루어진 지지격자를 빼내기 위해 클램핑실린더(370)를 위로 올려 회전시킨 후 다시 아래쪽으로 내림으로서 홀더 고정을 풀고, 출입장치(520)는 용접된 지지격자를 챔버(320) 밖으로 운반하여 다시 컨베이어장치(510)에 안착시키고, 전술한 것처럼 다시 용접해야할 지지격자를 넣어 용접을 준비하는 것이다.

이와 같은 구성을 포함한 발명은 손으로 일일이 용접장치의 개폐장치를 열고 닫는 것이 아니라 슬라이드 형식의 자동화 개폐장치를 이용하고, 또한 지지격자와 용접회전판의 나사결합 연결을 일일이 수작업이 아닌 클램핑실린더를 이용함으로써 지지격자의 용접 작업과정이 간편해 지며, 또 하나의 용접 회전축을 추가함으로써 보다 편하고 견고한 용접이 이루어지도록 하는 효과가 있다.

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 자동용접장치로 구현될 수 있다.

도 1 - 일반적인 핵연료 집합체를 나타내는 개략도

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

도 3 - 일반적인 지지격자 용접챔버를 나타낸 개략도

도 4a - 일반적인 지지격자 용접회전판을 나타낸 사시도

도 4b - 일반적인 레이저용접부를 나타낸 계략도

도 5 - 본 발명의 실시예에 따른 지지격자와 홀더의 결합을 나타낸 사시도

도 6 - 본 발명의 실시예에 따른 용접회전판의 사시도

도 7 - 본 발명의 실시예에 따른 용접개폐장치의 사시도

도 8 - 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접부를 나타낸 사시도

도 9 - 본 발명의 실시예에 따른 레이저용접헤드를 나타낸 사시도

도 10 - 본 발명에 적용하는 광 화이버빔 전송방식 개념도

도 11 - 본 발명의 실시예에 따른 자동용접장치의 개략도

<도면의 주요부분의 부호에 대한 설명>

220 : 홀더 222 : 절개부

224 : 나사구멍 370 : 클램핑실린더

371 : 상부 바(bar) 381 : 개폐판

382 : 절개부 383 : 개폐레일

385 : 굴곡부 386 : 덮개

387 : 결합부재 388 : 결합돌기

389 : 개폐봉 441 : 집광헤드

442 : 베어링 443 : 집광헤드서보모터

444: 베벨감속기어 445 : 브라켓

446 : 커플링 447 : 고정헤드

510 : 컨베이어장치 520 : 출입장치

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 중공의 내부에 용접치구가 장착되는 지지격자를 수용하는 챔버;

   상기 챔버가 부착되고 용접장치 본체의 상부에 위치하여 x,y,z축을 따라 직선운동을 하는 x축직선운동장치, y축직선운동장치, z축직선운동장치;

   상기 챔버의 개방된 일측면에 장착되고, 절개부가 형성되어진 개폐판;

   상기 절개부의 세로방향 양 측에는 판과 수직하여 부착되고, 세로방향으로 절개부가 형성된 개폐레일;

   판의 형태로 상기 개폐판에 형성된 절개부 면적 이상의 면적을 갖는 덮개;

   일측은 상기 덮개와 연결되고, 타측은 상기 개폐레일의 절개부와 연결되는 결합부재;

   일측은 상기 덮개에 장착되고, 타측은 개폐판에 장착되며, 종방향으로 위치하여, 피스톤 운동을 통해 상기 덮개의 상하 움직임을 유발하는 개폐봉;

   상기 z축직선운동장치와 연결되어 x축, y축 또는 z축 중 어느 한 축을 기준으로 회전이 가능한 집광헤드;를 포함한 것을 특징으로 하는 핵연료집합체 지지격자의 레이저용접장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 개폐레일의 상부에는 상기 개폐판 쪽으로 절개 홈이 형성되어있는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체 지지격자의 레이저용접장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 개폐봉은 개폐판과의 연결부분이 힌지 결합하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체 지지격자의 레이저용접장치.

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