KR101406076B1 - 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치 - Google Patents

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welding chamber
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황창환
장흥순
공상필
나태형
윤영석
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Abstract

본 발명은 핵연료봉을 구성하는 피복관과 봉단마개를 자동으로 용접하기 위한 장치에 관한 것으로, 본 발명의 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치는 피복관과 봉단마개를 용접챔버 내에서 저항용접하기 위한 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서, 봉단마개(12)와 피복관(11)을 저항 용접하게 되는 용접챔버(110)와; 피복관(11)을 파지하여 고정하는 피복관 클램프(123)와, 이 피복관 클램프(123)를 수평방향으로 구동시키기 위한 제1서보모터(124)를 포함하여 피복관을 상기 용접챔버(110)로 수평 이송하게 되는 피복관 이송부(120)와; 봉단마개 공급장치로부터 공급되는 봉단마개(12)를 파지하게 되는 봉단마개 용접전극(130)과; 상기 봉단마개 용접전극(130)에 파지된 봉단마개(12)를 상기 용접챔버(110)로 수평 이송하기 위한 봉단마개 이송구동부(140)와; 상기 제1서보모터(124)와 상기 봉단마개 이송구동부(140)의 구동을 제어하기 위한 위치제어모듈(150)로 구성되어, 봉단마개와 피복관을 신속하고 정밀 제어하여 용접이 이루어짐으로써 작업 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치{Automatic welding apparatus for an end plug of a nuclear fuel rod}
본 발명은 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치에 관한 것으로, 특히 서보모터를 이용하여 핵연료봉을 구성하는 피복관과 봉단마개를 정확하고 신속하게 자동으로 용접하기 위한 장치에 관한 것이다.
원자로는 핵분열 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 핵분열에서 발생되는 열에너지를 동력으로 사용하기 위한 장치이다.
원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 펠렛(Pellet)(이하, "소결체"라 함)으로 성형된 후에 다수의 소결체들이 연료봉 내에 장입되어 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들이 핵연료집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소가 이루어진다.
도 1을 참고하면 핵연료봉(10)은 피복관(11), 봉단마개(12), 소결체(13) 및 스프링으로 구성되며, 피복관(11) 내에 소결체(13)와 스프링이 삽입된 후에 개방된 단부에는 봉단마개(12)가 결합되어 용접이 이루어지며, 용접이 완료된 후에는 피복관(11)과 봉단마개(12)의 용접부(10a)는 가공장치에 의해 돌출된 용접 비이드(weld bead)를 제거한다.
이와 같이 제작된 다수의 연료봉은 핵연료 집합체로 구성되어 원자로 내에 장전된다. 따라서 핵연료 집합체를 제작하기 위해서는 많은 연료봉을 필요로 하며, 이에 따른 피복관과 봉단마개의 용접 작업도 증가한다.
예를 들어, 본 발명의 출원인은 특허등록 제1044336호(등록일자: 2011.06.20)에서 용접위치로 봉단마개를 자동으로 공급하기 위한 핵연료봉의 봉단마개 공급장치를 개시하고 있으며, 공개특허 제10-2011-0054432호(공개일자: 2011.05.25)에서는 피복관과 봉단마개를 용접한 후에 용접 비이드를 가공하기 위한 핵연료봉의 봉단마개 용접부 가공장치를 개시하고 있다.
따라서 많은 핵연료봉을 필요로 하는 핵연료 집합체의 제작과정에서 피복관과 봉단마개의 용접작업을 정확하고 신속하게 수행하여 작업의 효율성과 생산성을 향상시키는 것은 핵연료 집합체의 제작에 있어 상당히 중요한 사항이다.
본 발명은 이러한 관점에 따라서 핵연료봉을 구성하는 피복관과 봉단마개를 자동화에 의해 용접 작업함에 있어서 서보모터를 이용하여 정밀한 위치제어를 통해 신속하게 용접이 이루어질 수 있도록 하는 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치는 피복관과 봉단마개를 용접챔버 내에서 저항용접하기 위한 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서, 봉단마개와 피복관을 저항 용접하게 되는 용접챔버와; 피복관을 파지하여 고정하는 피복관 클램프와, 이 피복관 클램프를 수평방향으로 구동시키기 위한 제1서보모터를 포함하여 피복관을 상기 용접챔버로 수평 이송하게 되는 피복관 이송부와; 봉단마개 공급장치로부터 공급되는 봉단마개를 파지하게 되는 봉단마개 용접전극과; 상기 용접챔버 측으로 상기 봉단마개 용접전극을 전후 구동하기 위한 봉단마개 이송구동부와; 상기 제1서보모터와 상기 봉단마개 이송구동부의 구동을 제어하기 위한 위치제어모듈에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 봉단마개 이송구동부는 상기 봉단마개 용접전극을 전후 구동하여 용접챔버 내에 위치하게 되는 피복관에 봉단마개를 가압 고정하기 위한 가압용 실린더와, 이 가압용 실린더를 전후 구동하기 위한 제2서보모터로 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 용접챔버의 전단부에는 용접챔버 내측으로 이송되는 피복관의 이송구간에서 피복관의 원점을 설정하기 위한 피복관 원점설정부가 추가로 구비되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 피복관 원점설정부는 상기 피복관의 전단부와 접촉에 의해 위치신호를 감지하는 터치센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 위치제어모듈은 상기 제1서보모터와 상기 봉단마개 이송구동부를 제어하여 상기 봉단마개 용접전극에 파지된 봉단마개와 상기 피복관 클램프에 파지된 피복관이 상기 용접챔버 내부로 동시에 진입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치는 핵연료봉을 구성하는 피복관과 봉단마개를 용접챔버 내에서 저항용접하기 위한 핵연봉의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서, 서보모터에 의해 용접챔버 측으로 피복관을 이송하게 되는 피복관 클램프와, 봉단마개 자동 공급장치로부터 공급되는 봉단마개를 서보모터와 가압용 실린더를 이용하여 용접챔버 측으로 이송하게 되는 봉단마개 용접전극과, 서보모터를 구동을 정확하게 용접위치로 제어하게 되는 위치제어모듈을 포함하여, 봉단마개와 피복관을 신속하며 정확하게 정밀 제어하여 용접이 이루어짐으로써 작업 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 핵연료봉의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치의 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치의 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서, 용접챔버와 봉단마개 이송구동부를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서, 피복관 이송구동부를 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치는 피복관과 봉단마개를 용접챔버 내에서 저항용접하기 위한 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서, 봉단마개(12)와 피복관(11)을 저항 용접하게 되는 용접챔버(110)와; 피복관(11)을 파지하여 고정하는 피복관 클램프(123)와, 이 피복관 클램프(123)를 수평방향으로 구동시키기 위한 제1서보모터(124)를 포함하여 피복관을 상기 용접챔버(110)로 수평 이송하게 되는 피복관 이송부(120)와; 봉단마개 공급장치로부터 공급되는 봉단마개(12)를 파지하게 되는 봉단마개 용접전극(130)과; 상기 용접챔버(110) 측으로 상기 봉단마개 용접전극(130)을 전후 구동하기 위한 봉단마개 이송구동부(140)와; 상기 제1서보모터(124)와 상기 봉단마개 이송구동부(140)의 구동을 제어하기 위한 위치제어모듈(150)을 포함한다.
용접챔버(110)는 봉단마개(12)와 피복관(11)이 안착 위치하여 가압저항용접(RPW: Resistance Pressure Welding)이 이루어지는 것으로, 용접챔버(110) 내에 위치한 봉단마개(12)와 피복관(11)의 선단부가 가압된 상태에서 봉단마개(12)와 피복관(11)의 접합부를 따라서 용접이 이루어진다.
피복관 이송부(120)는 피복관을 용접챔버(110) 측으로 이송하기 위한 것으로, 수평하게 마련된 피복관 이송서보 고정판(121)에는 피복관(11)을 수평 안내하기 위한 다수의 롤러(122)가 마련되며, 피복관(11)을 파지하여 고정하는 피복관 클램프(123)와, 이 피복관 클램프(123)를 수평방향으로 구동시키기 위한 제1서보모터(124)를 포함한다.
도 5를 참고하면, 피복관 이송부에는 제1서보모터(124)에 의해 전후 구동이 이루어지는 피복관 클램프(123)가 마련되며, 이 피복관 클램프(123)는 피복관(11)을 파지하여 고정한 상태에서 피복관(11)을 용접챔버(110) 측으로 이송한다. 제1서보모터(124)의 구동은 제어시스템(150)에 의해 이루어진다.
피복관(11)을 수평 이송하게 되는 제1서보모터(124)는 정밀 위치 제어가 가능하므로 다음에서 설명할 피복관의 기준원점으로 기능하는 터치센서와 함께 피복관의 정밀한 용접 위치제어가 가능하다.
바람직하게는 본 발명에 있어서 용접챔버(110)로 이송되는 피복관(11)의 전단부 위치를 감지하기 위한 피복관 원점설정부(160)가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 피복관 원점설정부(160)는 피복관(11)의 전단부와 접촉에 의해 위치신호를 감지하는 터치센서 유니트(161)를 포함한다.
도 2를 참고하면, 피복관이 이송되는 용접챔버(110)의 전단부에는 터치센서 유니트(161)가 마련되며, 터치센서 유니트(161)는 엘엠가이드에 의해 전후 이동이 가능하여 피복관이 터치센서 유니트(161)를 접촉하여 피복관(11)의 위치를 인식하게 된다. 바람직하게는 정확한 위치 인식을 위하여 두 번의 접촉이 이루어지며 처음에는 1000rpm속도로 전진하며, 두 번째 접촉을 위한 전진은 50rpm의 속도로 전진하여 정밀하게 원점을 인식할 수 있다.
피복관의 선단부의 원점에 대한 위치데이터는 제어시스템(150)로 전달되며, 제어시스템(150)의 피복관의 선단부의 원점을 기준으로 피복관(11)이 봉단마개(12)와 접촉할 위치까지 피복관(11)을 전진하여 멈추게 되며, 피복관(11)은 피복관 전극(111)에 의해 고정된다.
봉단마개 용접전극(130)은 봉단마개 공급장치로부터 공급되는 봉단마개(12)를 파지하여 용접챔버(110)까지 봉단마개(12)를 이송하는 기능을 하며, 봉단마개(12)를 고정하기 위하여 봉단마개 용접전극(130)의 전단부에는 진공노즐이 마련되어 봉단마개(12)를 진공으로 흡입하여 고정이 가능하다.
봉단마개 공급장치는 자동화에 의해 연속공정이 가능하도록 봉단마개 매거진에서 봉단마개가 하나씩 배출되며, 배출된 봉단마개는 봉단마개 클램프(131)에 의해 하나씩 봉단마개 용접전극(130)으로 전달된다.
봉단마개 클램프(131)는 실린더의 구동에 의해 봉단마개(12)를 파지한 상태에서 봉단마개 용접전극(130)의 가동 위치까지 전진하다. 다음으로 봉단마개 클램프(131)에 파지된 봉단마개(12)는 봉단마개 클램프(131)와 수직하게 배치되어 대기하고 있던 봉단마개 용접전극(130)에 고정된다. 이때 봉단마개 용접전극(130)은 내부에 진공흡입하여 봉단마개(12)를 고정하게 된다.
이와 같이 봉단마개(12)를 파지한 봉단마개 용접전극(130)은 봉단마개 이송구동부(140)의 전진 구동에 의해 용접챔버(110)로 이송된다.
용접챔버(110)로 이송되는 봉단마개(12)는 정밀한 용접을 위하여 봉단마개의 신속한 공급과 적정 가압력을 가져야 한다. 따라서 본 발명에서는 봉단마개(12)를 용접챔버(110)로 이송하기 위한 구동원으로써 가압용 실린더와 서보모터가 사용된다.
구체적으로 도 4를 참고하면 본 발명에 있어서, 봉단마개 이송구동부(140)는 봉단마개 용접전극(130)을 전후 구동하여 용접챔버(110) 내에 위치하게 되는 피복관(11)에 봉단마개(12)를 가압 고정하기 위한 가압용 실린더(141)와, 이 가압용 실린더(141)를 전후 구동하기 위한 제2서보모터(142)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
가압용 실린더(141)는 전후 이동이 가능한 이송플레이트(143)에 고정되며, 이 이송플레이트(143)는 제2서보모터(142)에 의해 전후 구동이 이루어진다.
이와 같은 봉단마개 이송구동부(140)는 제2서보모터(142)가 구동하여 봉단마개 용접전극(130)의 삽입구에서 발생되는 진공 흡입에 의해 봉단마개(12)를 파지한 봉단마개 클램프(131)로부터 봉단마개(12)를 전달받으며, 다음으로 봉단마개 클램프(131)는 대기위치까지 후진한다. 봉단마개 클램프(131)의 후진이 이루어지면, 봉단마개 용접전극(130)은 제2서보모터(142)에 의해 1차 전진이 이루어지며, 1차 전진이 완료된 후에는 가압용 실린더(141)가 구동되어 용접챔버(110) 내에 피복관(11)이 고정된 피복관 용접전극 측으로 2차 전진이 이루어지면서 봉단마개(12)와 피복관(11)의 선단부가 상호 가압되어 접촉하면 용접 전류를 통전하여 봉단마개(12)와 피복관(11)의 용접이 이루어진다.
본 발명에서 각 구동요소들은 제어시스템(150)에 의해 구동 제어가 이루어지며, 특히 제어시스템(150)은 제1서보모터(124)와 함께 봉단마개를 이송하게 되는 가압용 실린더(141) 및 제2서보모터(142)를 제어하기 위하여 위치제어모듈을 포함하며, 또한 위치제어모듈은 피복관의 정확한 위치 정보를 얻기 위하여 피복관 위치감지부(160)로부터 전달되는 신호를 입력정보로 한다.
바람직하게는, 본 발명의 제어시스템은 봉단마개(12)와 피복관(11)을 용접챔버(110)로 이송하는 동작에 있어서 동시 동작으로 진행되도록 제어하며, 따라서 동작 속도를 줄일 수 있으며 공정을 단순화하고 생산량을 증가시킬 수 있다.
봉단마개(12)와 피복관(11)의 용접이 완료된 후에 연료봉은 피복관 클램프(123)에 의해 후진이 이루어지며, 동일한 과정의 반복에 의해 다음의 피복관과 봉단마개의 용접이 이루어진다.
용접챔버(110)가 위치하는 메인베이스(171) 상에는 용접 비이드(10a)를 체크하기 위한 비드 체크부(170)가 마련될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 연료봉 10a : 용접 비이드
11 : 피복관 12 : 봉단마개
13 : 소결체
110 : 용접챔버 120 : 피복관 이송부
121 : 피복관 이송서보 고정판 122 : 롤러
123 : 피복관 클램프 124 : 제1서보모터
130 : 봉단마개 용접전극 140 : 봉단마개 이송구동부
141 : 가압용 실린더 142 : 제2서보모터
150 : 제어시스템 160 : 피복관 원점설정부

Claims (5)

  1. 피복관과 봉단마개를 용접챔버 내에서 저항용접하기 위한 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치에 있어서,
    봉단마개(12)와 피복관(11)을 저항 용접하게 되는 용접챔버(110)와;
    피복관(11)을 파지하여 고정하는 피복관 클램프(123)와, 이 피복관 클램프(123)를 수평방향으로 구동시키기 위한 제1서보모터(124)를 포함하여 피복관(11)을 상기 용접챔버(110)로 수평 이송하게 되는 피복관 이송부(120)와;
    봉단마개 공급장치로부터 공급되는 봉단마개(12)를 파지하게 되는 봉단마개 용접전극(130)과;
    상기 봉단마개 용접전극(130)을 전후 구동하여 용접챔버(110) 내에 위치하게 되는 피복관(11)에 봉단마개(12)를 가압 고정하기 위한 가압용 실린더(141)와, 이 가압용 실린더(141)를 전후 구동하기 위한 제2서보모터(142)로 구성되어 상기 용접챔버(110) 측으로 상기 봉단마개 용접전극(130)을 전후 구동하기 위한 봉단마개 이송구동부(140)와;
    상기 제1서보모터(124)와 상기 봉단마개 이송구동부(140)의 구동을 제어하며, 상기 봉단마개 용접전극(130)에 파지된 봉단마개(12)와 상기 피복관 클램프(123)에 파지된 피복관(11)이 상기 용접챔버(110) 내부로 동시에 진입이 이루어지도록 하는 위치제어모듈(150)과;
    상기 용접챔버(110)의 전단부에 마련되어 용접챔버(110) 내측으로 이송되는 피복관(11)의 이송구간에서 피복관(11)의 원점을 설정하기 위한 피복관 원점설정부(160);를 포함하는 핵연료봉의 봉단마개 자동 용접장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 피복관 원점설정부(160)는 상기 피복관(11)의 전단부와 접촉에 의해 위치신호를 감지하는 터치센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 봉단마개 자동 용접장치.
  5. 삭제
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