KR20060041774A - 구형벽에 기계 가공된 환형면에 용접 재료를 침착하는방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

용접 재료(8)가 자동으로 환형면(7)에 부착된다. 용접 토치(20)가 상기 구형벽(4)에 대하여 방사상 방향으로서, 상기 구형벽(4)의 내측 표면이 상기 관통 튜브(3)의 축선과 교차하는 지점에서 상기 환형면(7)의 중심점(O)을 통과하는 방향으로 뻗는 회전 축선(9)을 중심으로 하여 회전된다. 용접 토치(20)가 회전 축선(9)을 중심으로 하여 회전됨과 동시에, 상기 용접 토치(20)는 제어되는 방식으로 상기 회전 축선(9)에 대하여 수직인 Y 방향으로 이동되고, 상기 회전 축선(9)에 평행한 방향(Z)에서의 용접 토치의 위치도 또한 상기 용접 토치(20)의 전극(20')이 타원형 경로를 그리도록 제어되고, 또한 용접 재료(8)가 상기 환형면(7) 내에 타원형 비드 형태로 침착되도록 보장한다.

용접, 재료, 침착, 관통, 튜브

Description

구형벽에 기계 가공된 환형면에 용접 재료를 침착하는 방법 및 장치{A METHOD AND A DEVICE FOR DEPOSITING A WELDING MATERIAL IN AN ANNULAR FACING MACHINED IN A SPHERICAL WALL}

도 1은 캡 위치에 있는 가압수형 원자로의 베셀 헤드의 사시도.

도 2는 어댑터가 베셀 헤드에 고정되는 하부 부분의 단면도.

도 3은 환형면의 기계 가공 후, 어댑터 탭을 고정하기 위한 구역의 보울 위치에 있는 베셀 벽의 일부를 보여주는 단면도.

도 4는 본 발명의 방법을 사용하여 환형면에 용접 재료를 사전에 침착하기 위한 용접 장치의 개략도.

도 5는 연속적인 용접 비드들을 침착하기 위하여 용접 장치의 토치가 추종하는 환형면 및 타원형 경로들의 평면도.

도 6은 환형면에 용접 비드가 침착된 후의 도 3과 유사한 단면도.

본 발명은 구형벽의 오목한 내측 표면에 기계 가공된 환형면에 용접 재료를 침착하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 가압수형 원자로의 베셀 헤드(vessel head) 내에 고정되는 어댑터(adapter)와 같은, 구형벽을 관통하는 튜브를 고정시키기 위한 결합 금속층을 초기에 마련하는 방법에 관한 것이다.

가압수에 의해서 냉각되는 원자로는 일반적으로 사용중에 축선이 수직이 되게 배치되는 원통형 베셀을 구비하는데, 그 원통형 베셀은 그 베셀의 원통 벽 하단에 고정되는 둥근 하부에 의하여 구성되는 하단부와, 대체로 반구형으로서 원자로의 운전중에 베셀에 담긴 가압수를 밀봉하도록 베셀에 고정될 수 있는 헤드용 지지 플랜지를 구성하는 상단부를 구비한다. 원자로의 일차 회로가 냉각되고 감압(減壓)된 후에는, 원자로의 노심(core)을 포함하는 베셀의 내부에 접근하기 위하여 상기 헤드를 분리할 수 있다.

일반적으로, 원자로 노심의 반응도는 원자로 노심 내부에서 상하로 이동되는 흡수재 제어봉들에 의하여 조절된다. 원자로 제어봉들은 구동 샤프트들의 하단들에 고정되는데, 이들 구동 샤프트들은 대체로 원통형 형상의 관형 어댑터들 내부에서 베셀 헤드를 관통하며, 이들 어댑터들에는 제어봉들을 상하 방향으로 이동시키는 기구들이 침착되어 있다.

원자로가 운전중인 동안에는, 마찬가지로 어댑터 내부에서 베셀 헤드들을 관통하는 열전쌍(thermocouples) 컬럼 수단에 의하여 노심 내부의 온도 측정이 이루어진다.

그러므로, 베셀 헤드는 그것을 관통하는 복수의 원통형 튜브 어댑터들을 구비하는데, 이들 원통형 튜브 어댑터는 각각 (헤드가 베셀상의 사용 위치에 있을 때) 수직 축선을 갖는 보어(bore)의 내측에 고정되며, 베셀과 헤드에 공통인 수직 축 선들을 중심으로 하는 헤드의 복수의 환형인 구역 내에 복수의 열을 이루어 분포되고, 베셀 헤드의 구형벽의 중심은 상기 수직 축선상에 배치된다. 베셀 헤드를 관통하는 위치에 따라서, 상기 어댑터들이 통과하는(이들 어댑터는 모두 베셀 헤드의 축선에 평행함) 보어들 자체는 그 보어들의 축선상의 개별적인 지점들을 통과하는 반구형 헤드의 방사상 방향에 대하여 다양한 예각의 축선들을 갖는다. 특히, 베셀 헤드를 관통하는 보어들의 환형 열(列) 중 하나의 열은 그 보어들의 축선들이 반구형 베셀 헤드의 대응하는 방사상 방향에 대하여 약 38°의 각도에 있도록 배치된다. 일반적으로, 이들 보어들은 (베셀의 수직 축선상에 배치되는 하나의 보어를 제외하고는) 반구형 헤드의 중심을 통과하지 않으며, 베셀 헤드의 내외측 벽들과 원통형의 보어 사이의 교차부들은 복잡한 형상을 나타낸다.

베셀 헤드를 관통하는 각 어댑터는 베셀 헤드 위로 돌출하는 상부 부분과 베셀 헤드 아래로 돌출하는 하부 부분을 모두 구비하고, 특히 구동 샤프트를 재결합시키기 위한 콘(cone)을 수용하는 역할을 하는데, 상부 부분들은 그 베셀 헤드, 특히 제어 로드들을 이동시키는 기구들에 고정되고, 하부 부분은 헤드의 내측 표면에 대하여 대응하는 상부 부분보다 더 짧다.

어댑터 튜브들은 일반적으로 690 합금과 같은 니켈계 합금(nicked-based alloy)으로 제조되며, 베셀 헤드는 저합금 페라이트계 강(low-alloy ferritic steel)으로 제조되고 내측 표면이 스테인레스강 층으로 피복된다. 이들 어댑터 튜브들은 원자로가 운전중인 동안(온도가 약 320℃이고 압력이 약 155 bar임) 베셀을 채우고 있는 가압수가 완벽하게 밀봉되도록 헤드를 관통하는 보어들 내에 고정되어 야 하고 베셀 내부의 압력을 견딜 수 있어야 한다.

이들 어댑터 튜브는 베셀 헤드를 관통하는 보어들 내에 밀접하게 결합되고 스테인레스강이 피복된 저합금강에 의해 구성되는 베셀 헤드의 내측 부분에 용접되어 고정된다. 헤드의 내측 부분의 어댑터 튜브용 통로가 형성되어 있는 각 구역에는 환형면이 기계 가공되어 어댑터 튜브가 통과하는 보어를 포위하고, 어댑터 재료와 야금학적으로 상용성이 있는(compatible) 용접 재료가 용접에 의하여(일반적으로는 와이어를 용융시킴에 의해서) 그 환형면 내에 침착된다. 그 후, 헤드를 드릴링하여 어댑터가 통과하는 보어를 형성하고, 그 어댑터를 그 보어 내에 밀접하게 고정시키며, 마지막으로 그 환형면의 어댑터 둘레 부분에 용접 재료를 침착하여 어댑터를 용접함으로써 어댑터를 사전에 침착된 용접 재료층에 고정시킨다.

보어를 드릴링하기 전에 환형면에 용접 재료층을 침착하는 작업은 일반적으로 "버터링(buttering)"이라고 하는 용어로 불리고 있다.

이제까지는, 보어를 드릴링하기 전에 환형면에 제1 용접 재료를 초기에 침착하는 작업과, 보어를 드릴링한 후에 제2 재료를 환형면의 나머지 부분에 침착함으로써 어댑터를 용접하는 작업은, 특히 어댑터들과 베셀 헤드의 내측 부분 사이의 연결 표면의 복잡한 형상 때문에 수작업으로 수행되어 왔다.

그러한 작업들은 시간 및 비용이 많이 들고, 용접이 결점이 없어야 하기 때문에 수많은 검사를 필요로 한다. 베셀 헤드에 고정되는 어댑터 튜브의 수는 일반적으로 커서(예컨대, 반응로의 형태에 따라 65 또는 77개의 어댑터 튜브) 이러한 작업이 시간 및 비용이 극도로 많이 들게 만든다.

그러므로, 베셀 헤드의 오목한 구형벽에 어댑터들을 고정시키기 전에 버터링을 행하기 위하여 용접 재료를 자동으로 침착하는 데 사용할 수 있는 방법이 매우 요망되고 있다.

더 일반적으로 말하자면, 대체로 원통형인 튜브들을 용접에 의하여 구형벽들에 고정시킬 때, 특히 이들 튜브가 그것들의 축선이 구형벽의 중심을 통과하지 않도록 고정되는 경우에 사용할 수 있는 용접 재료의 자동 침착 방법이 요망될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 구형벽의 관통 튜브를 수용할 구역의 둘레에서 그 구형벽의 오목한 내측 표면에 기계 가공되는 환형면에 용접 재료를 침착시키는 방법으로서, 짧은 시간 내에 행하여질 수 있고 매우 양호한 품질로서 실시될 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 위하여, 용접 재료는 다음 공정들:

· 용접 재료 용융 수단과 용접 재료 공급 수단을 포함하는 용접 토치가, 상기 구형벽에 대하여 방사하고 상기 구형벽의 내측 표면이 상기 관통 튜브의 축선과 교차하는 지점에서 상기 환형면의 중심점을 통과하는 방향으로 뻗은 회전 축선 주위를 회전하도록 하는 단계; 그리고 동시에

· 상기 용접 토치를 제어 방식으로 상기 회전 축선에 대하여 수직인 방향으로 이동시키고, 상기 환형면에 일정한 특성들을 갖는 적어도 하나의 타원형 용접 비드 형태로 상기 용접 재료를 침착시키도록 상기 회전 축선에 평행한 방향으로 상기 용접 토치의 위치를 조절하는 단계; 를 수행함으로써 자동적으로 침착된다.

특히, 다음과 같은 공정들이 단독으로 또는 조합적으로 수행된다.

·용접 재료는 상기 환형면의 전체 둘레로 뻗은 연속적인 타원형 용접 비드들을 침착하기 위하여 연속적인 패스들로 침착되며, 상기 비드들은 두 번의 연속적인 용접 패스들 사이에서 상기 회전 축선에 수직인 방향의 미리 정해진 고정된 방향을 통해서 상기 용접 헤드를 변위시킴으로써 상기 회전 축선에 수직인 방향으로 겹쳐짐과 아울러 나란히 배치된다.

·연속적인 용접 비드들을 침착하기 위한 상기 연속적인 패스들은 상기 용접 토치가 상기 구형 표면에 대하여 방사상 방향으로 뻗은 회전 축선들 주위를 회전하도록 함으로써 수행되고, 이 축선들은 상기 구형 표면에 대하여 방사상인 방향에 대하여 수직인 방향으로 서로에 대하여 오프셋된다.

·회전 축선에 대한 상기 용접 토치의 회전 각속도는 상기 환형면에 대하여 상기 용접 토치의 전극에 대한 실질적으로 일정한 선형 변위 속도를 얻기 위하여 불연속적인 방법으로 변화되고, 상기 용접 토치의 전극은 상기 환형면과 마주하면서 타원형의 경로를 추종한다.

·용접 토치의 회전 축선에 관하여 폭이 일정한 복수의 제1 각도 섹터들이 결정되고, 각 각도 섹터들에 대하여, 상기 용접 토치가 상기 타원형 경로의 일부를 따라 그 각도 섹터 내에서 변위되는 동안 받게 되는 회전 각속도가 결정된다.

· 회전 축선에 대한 상기 용접 토치의 회전과 동시에 상기 회전 축선에 수 직인 방향의 상기 용접 토치의 프로그램되는 변위들이, 상기 회전 축선에 관한 폭이 일정한 복수의 제2 각도 섹터들을 결정하고, 상기 회전 축선 주위를 회전하는 중에 상기 용접 토치가 추종하는 상기 복수의 제2 각도 섹터들 내의 각 각도 섹터들에 대하여 그 각도 섹터 내로 도입할 때의 각 초기 값과 상기 방향으로의 상기 용접 토치의 변위를 위하여 그 각도 섹터로부터 나올 때의 최종 값을 결정함으로써, 결정되며, 상기 초기 값과 최종 값 사이에서, 상기 방향의 용접 토치의 변위는 그 각도 섹터 내에서의 상기 용접 토치의 변위 중에 연속적인 방식으로 변화한다.

·각 패스 동안 용접 토치가 타원형 경로를 따라 이동하는 연속적인 패스들에 의하여 상기 환형면 내에서 상기 방향으로 겹쳐짐과 아울러 나란히 배치되는 적어도 두 개의 용접 비드들이 침착되고, 상기 용접 토치에 대해서는 상기 복수의 제2 각도 섹터들의 각 각도 섹터들 내에서의 각 타원형 경로들에 대하여 상기 방향으로 서로 다른 변위 값들이 결정된다.

또한, 본 발명은 관통 튜브를 수용하는 구형벽의 구역 둘레에서 그 구형벽의 오목한 내측 표면에 기계 가공되는 환형면에 용접 재료(welding material)를 침착하는(depositing) 용접 재료 침착 장치에 있어서,

상기 환형면의 중심부에 있는 상기 구형벽의 구역 내에서 그 구형벽의 방사상 방향으로 자신을 그 구형벽에 고정시키는 수단을 구비한 샤프트, 방사상 방향으로 뻗은 회전 축선 주위를 회전하도록 상기 샤프트에 회전 가능하게 장착되는 용접 헤드로서, 회전 구동을 위하여 모터 구동식 구동 수단, 상기 용접 헤드상에서 그 용접 헤드의 회전 축선에 수직인 방향으로 이동하도록 장착된 제1 모터 구동식 캐 리지, 상기 제1 모터 구동식 캐리지상에서 상기 회전 축선에 평행한 방향으로 이동하도록 장착된 제2 모터 구동식 캐리지, 상기 제2 모터 구동식 캐리지에 고정되고 전극, 상기 전극에 전류를 공급하는 수단, 상기 전극에 용접 재료를 공급하기 위한 모터 구동식 수단을 구비하고 상기 용접 전극 근처로 용접 재료를 공급하는 수단을 구비하는 용접 토치, 및 상기 용접 헤드 및 상기 제1 및 제2 모터 구동식 캐리지의 모터 구동식 수단을 제어하는 제어 유닛을 구비하는 것인 상기 용접 헤드, 및 상기 용접 토치의 전극에 전류 및 용접 재료를 공급하는 상기 수단을 구비하는 것을 특징한다.

특별한 실시예에 있어서, 자동 용접 장치의 샤프트는 상기 환형면 내측의 예비 금속의 중심부에서 상기 구형벽에 대하여 방사상의 방향으로 상기 구형벽을 드릴링함으로써 기계 가공되는 개구부에 고정될 수 있게 되어 있다.

본 발명이 잘 이해될 수 있도록 하기 위하여, 이하에서는, 예로서 원자로의 베셀 헤드 내에 어댑터를 고정시키는 작업과 관련하여 본 발명에 따른 자동 용접 재료 침착 방법을 첨부 도면을 참조로 하여 설명한다.

도 1은 전체적으로 도면 부호 1이 부여된 가압수형 원자로의 베셀 헤드를 보여주고 있다.

그 베셀 헤드는 베셀의 상부 부분을 구성하는 플랜지상에 끼우도록 매우 두꺼운 두께의 플랜지(1a)를 구비한다. 그 플랜지(1a)는 베셀 헤드를 베셀 플랜지에 고정시키기 위한 스터드(studs)를 통과시키는 개구부(2)가 천공(穿孔)되어 있다.

베셀 헤드의 중심부(1b)는 구형 캡(spherical cap) 형태로서, 복수의 어댑터 (3)를 고정시키기 위한 개구부들이 천공되어 있으며, 이들 어댑터는 그것들의 축선이 베셀 헤드의 대칭축에 평행하게 배치된다. 도 1에서, 베셀 헤드(1)는 "캡" 위치에 배치된 상태로 도시되어 있으며, 그 캡 헤드는 그것의 플랜지(1a)를 매개로 하여 수평면상에 안착되어 있고, 구형 캡이 베셀의 중심부(1b)를 구성하여 상방으로 향해서 볼록한 둥근 부분을 구비한다. 이러한 배치에 있어서, 베셀 헤드의 축선과 어댑터들(3)의 축선들은 모두 수직이다. 이들 어댑터들 세트(도시된 헤드는 65개의 어댑터들을 구비한다) 둘레에는 베셀 헤드에 고정되어 원통형 보호 케이싱(도시되지 않음)이 이들 어댑터 둘레에 배치될 수 있게 하는 원통형 커넥터(1c)가 배치되어 있다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 어댑터들은 베셀 헤드의 중심부를 구성하는 구형 캡(1d)의 표면에, 베셀의 축선 둘레에서 수직 열(vertical rows) 및 환형 열로서 분포되어 있다. 그 결과, 중심 어댑터 외에는, 어댑터들이 캡(1b)의 구형 표면의 중심을 통과하는 베셀의 축선과 교차하지 않는 수직 축선들을 갖는다.

도 2는 구형 캡 형태의 베셀 헤드의 부분에 있어서의 베셀 헤드의 두꺼운 벽(4) 구역을 보여주는 수직 방향 단면도이다. 벽(4)의 도시된 부분은 어댑터(3)를 고정시키기 위한 구역에 해당한다. 어댑터(3)를 고정시키는 구역에서, 구형 캡 형상의 베셀 헤드(캡 위치에 도시됨)의 벽(4)은 개구부(5)에 의하여 천공되고, 그 보어 내에 어댑터 튜브(3)가 결합 고정된다. 저합금 페라이트계 강으로 이루어진 베셀 헤드의 벽(4)은 내부가 스테인레스강 피복층(6)으로 덮여 있다.

베셀 헤드의 벽(4)이 단조(forged) 및 기계 가공된(machined) 후에, 스테인 레스강 스트립을 공급받는 기계를 이용한 서브머지드 아크 용접법(submerged arc welding)을 사용하여 베셀 헤드의 오목한 내측 표면상에 스테인레스강 층(24% 크롬 (chromium)및 12% 니켈(nickel) 또는 20% 크롬 및 10% 니켈)을 침착한다.

베셀 헤드의 벽(4)의 내측 표면 전체에 걸쳐 스테인레스강 층을 형성한 후, 그 베셀 헤드의 내측 표면에 어댑터(3)를 고정시키기 위한 각 구역에, 도 2에 도시된 바와 같이 비대칭 단면(斷面)을 갖는 환형면(7)을 형성한다. 그 후, 니켈 합금(니켈 690 합금으로 제작된 어댑터(3)를 고정시키는 경우에는 152 합금)으로 이루어지는 버터링 층(8)을 각 환형면(7) 내측에 침착한다.

도 3에는 베셀 헤드의 벽(4)의 내측 표면의 구역이 도시되어 있고, 이 구역에서 어댑터 튜브(3)가 관통하도록 이어서 만들어질 영역 주위로 환형면(7)에 기계 가공된다.

도 3에는, 베셀 헤드의 벽(4)이 보울 위치(bowl position), 즉 베셀 헤드의 오목한 부분이 상방으로 향한 위치에 도시되어 있다. 통상, 도 3에서는, 벽(4)이 그 벽의 내측 표면의 둘레 방향으로 짧은 거리에 걸쳐 연장하는 어댑터가 관통하는 구역에서 실질적으로 평면인 것으로 도시되어 있다.

또한, 도 3은 보어(5)가 천공될 축선(10)과 어댑터가 베셀 헤드(1)의 오목한 내측 표면을 통과하는 구역의 중심점(O)에서 보어(5)의 축선(10)과 교차하는 벽의 방사상 방향(9)을 보여주고 있다. 통상적인 방법으로, 그리고 도면을 보다 이해하기 쉽게 하기 위하여, 벽(4)의 방사상 방향(9)은 수직으로 배치되는 것으로 도시되어 있다.

도 3에는, 어댑터를 통과시키는 보어(5)가 그 보어(5)의 축선(10)과 방사상 방향 사이의 각도가 38°보다 약간 크도록 구형벽(4)의 소정 구역 내에 배치되는 것으로 도시되어 있다.

환형면(7)은 튜브를 수용하는 보어(5)의 축선(10)과 벽(4)의 내측 표면 사이의 교점(O)을 통과하고 반구형 엔벨롭(4)의 방사상 방향(9)으로 배치된 축선 둘레에 형성되는데, 그 환형면은 반구형벽(4)의 내측 표면을 기계 가공함으로써 형성된다. 환형면(7)은, 도3에 나타난 것처럼 만족스럽게 형성된 대칭형 프로파일을 덩도록 밀링(milling)에 의해 형성된다. 벽의 예비 금속(11)이 그 환형면(7)의 중심부에 남고, 이어서, 환형면(7)에 버터링 재료 층이 침착된 후에, 그 예비 금속을 관통하여 튜브를 통과시키는 보어(5)가 기계 가공되게 된다.

본 발명에 있어서, "버터링(buttering)"이라 알려진, 환형면(7)에 용접 재료를 침착하는 작업은 완전히 자동화된 방법으로 수행된다.

도 4는 용접 재료를 자동으로 침착하기 위하여 본 발명을 수행하는 데 사용될 수 있는 자동 용접 장치를 보여주고 있다.

도 3에서처럼, 베셀 헤드의 벽(4)은 어댑터를 고정시키기 위한 구역에서 도시되어 있는데, 그 벽(4)은 그 벽(4)의 오목한 내측 표면이 상방을 향하고 반구형벽(4)의 중심 및 그 벽의 내측 표면상의 환형면의 중심(O)을 통과하는 반구형벽(4)의 방사상 방향(9)이 수직으로 배치되도록 보울 위치(bowl position)에서 도시되어 있다.

버터링이 수작업으로 행하여지는 종래 기술의 방법에 비하여, 이러한 작업을 자동으로 수행하기 위해서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 그 환형면 전체 둘레에서 좁고 정밀하게 일정한 폭의 환형면이 기계 가공되는데, 그 폭은 자동화된 방법으로 침착되는 용접 비드의 폭의 배수이다. 이는 버터링 층을 형성하기 위하여 부분적인 용접 비드들을 침착할 필요성을 배제시킨다.

그 환형면(7)이 기계 가공된 후, 여유 금속(11)의 중심부에는 축선(9) 방향으로 구멍이 드릴링되어 보어(13)를 형성하며, 그 보어 내에 샤프트(15)가 벽(4)의 반구형 내측 표면에서 방사상 방향의 축선(9)상에 고정된다.

샤프트(4)는 그 위에 장착된 용접 장치의 회전형 헤드(16)를 구비하는데, 그 헤드는 그것을, 곡선형 화살표(16')으로 도시되어 있는 바와 같이, 방사상 방향의 축선(9)을 중심으로 하여 회전 구동시키는 구동 수단(28)을 구비한다. 그 회전형 용접 헤드(16)는, 일차적으로는 방사상으로, 즉 축선(9)에 대하여 수직인 Y 방향을 따라서 변위 가능한 제1 모터 구동식 캐리지(motor-driven carriage)(17) 및 축선 방향으로, 즉 축선(9)에 대하여 평행한 Z 방향을 따라 변위 가능한 제2 모터 구동식 캐리지(18)를 매개로 한 자동 용접 토치(20)를, 그리고 이차적으로는 토치(20)의 전극(20')과 마주한 와이어 가이드(22)를 공급하기 위한 용접 와이어 릴(21)을 수반한다. 용접 토치(20)의 전극(20')에는 용접 전류가 공급되며, 이에 따라 용접 전극(20')의 단부와 환형면(7)의 바닥 사이에서 아크가 발생한다. 모터 구동식 릴 풀기 장치(27)가 장착된 릴에 의하여 와이어 가이드(22)로 공급된 용접 와이어(23)는 상기 아크에 의하여 용융되어 환형면(7)의 바닥에 용접 비드를 침착시킨다.

용접 와이어(23)는 금속 부분이 니켈 합금, 예컨대 합금 152로 제조되는 피 복 와이어인 것이 바람직하다.

자동 용접을 행하기 위해서, 용접 헤드(16)는 그것의 모터 수단(28)의 구동력의 작용하에 화살표(16')로 나타낸 바와 같이 회전하도록 세팅된다. 환형면의 일부에 용접 비드를 형성하기 위하여, 용접 토치(20)의 위치는 초기에 제1 모터 구동식 캐리지(17)를 이용하여 헤드(16)의 회전 축선(9)에 수직인 Y 방향을 따라 조절된다.

용접 헤드(16)가 축선(9)을 중심으로 하여 회전하는 동안, 그 용접 토치(20)는 제1 모터 구동식 캐리지(17)에 의하여 Y 방향을 따라 제어 방식으로 이동되어 전체 형상이 타원형인 환형면(7) 위에 타원형 경로를 그린다.

전극(20')이 용접 재료가 침착되는 환형면(7)의 표면에 대하여 정밀하게 위치된 상태로 유지되도록 보장하기 위하여, 토치(20)의 위치는 제2 모터 구동식 캐리지(18)에 의하여 방사상 방향의 축선(9)에 평행한 Z 방향을 따라서 조절된다. 이는, 용접 토치(20)의 전극(20')의 단부와 환형면(7)의 바닥 표면 사이의 거리가 정밀하게 일정한 값으로 조절될 수 있게 한다. 그러므로, 환형면과 타원형 경로 주위로 주행하는 전극의 단부(20') 사이의 전기 아크가 정밀하게 조절됨으로써, 용접 와이어(23)가 용융되는 조건을 조절한다.

또한, 축선(9)에 대한 한 용접 헤드(16)의 회전 속도가 제어되어 환형면의 바닥에 대하여 용접 토치(20)의 전극(20')에 대한 정밀하게 일정한 선형 속도를 얻는다.

아래에서 설명되는 바와 같이, 용접 헤드(16)의 회전 속도는 용접 토치(20) 의 전극(20')이 이동하는 타원형 경로의 부분에 따라 다른 값을 가지도록 불연속적인 방식으로 조절될 수 있다.

용접 헤드(16)의 회전 속도의 조절, 캐리지(17)로부터의 구동력의 작용하의 용접 헤드의 Y 방향에서의 변위들 및 제2 캐리지(18)로부터의 구동력의 작용하의 수직의 Z 방향에서의 토치(20)의 위치의 조절은 용접 헤드(16)에 연결된 제어 유닛(30)에 의해서 제어된다. 그 제어 유닛(30)은 용접 헤드(16)가 회전하고 있는 동안 그 용접 헤드(16) 및 캐리지(17, 18)의 구동 모터들(28)을 제어하는 작용을 한다. 또한, 그 제어 유닛(30)은 용접 토치(20)로 전달되는 용융 전류 및 구동 수단(27)에 의하여 용접 와이어(23)가 공급되는 속도를 조절하여, 환형면(7)에 침착되는 용접 속도가 정밀하게 일정한, 특히 폭, 단면 및 단위 길이 당 용적이 정밀하게 일정한 특성들을 제공한다.

도 5는 반구형 표면에 대하여 방사상으로 뻗는 축선(9)에 수직인 평면에서의 환형면(7)을 보여주는데, 그 환형면(7)은 사이에 타원형의 환형면(7)이 연장하는 타원형 외형선들을 갖는 외측 연부(7a) 및 내측 연부(7b)를 제공한다. 환형면(7) 내측에 연속적인 버터링 층을 제공하기 위하여, 그 환형면의 폭을 가로질러 평행하게 배치되는 3개의 겹쳐진 용접 비드가 형성되는데, 각 용접 비드는 용접 토치가 축선(9)을 중심으로 하여 한 번의 완전한 회전을 수행하는 패스 동안에 침착되고, 용접 토치(20)의 전극(20')은 환형면의 바닥에 대하여 타원형인 경로를 추종한다.

도 5는 환형면(7)의 바닥을 덮기 위하여 3개의 용접 비드를 형성하는 세 번의 연속된 단계 동안 용접 토치(20)의 전극(20')이 추종하는 세 개의 타원형 경로 (T1, T2, T3)를 보여주고 있다.

도 6은 방사상 방향의 축선(9)을 포함하는 평면상에서 취한 단면도로서, 각각 용접 재료를 침착하는 제1 패스, 제2 패스 및 제3 패스 동안에 침착되는 3개의 용접 비드(8a, 8b, 8c)를 보여주는데, 전극은 도 5에 도시된 개별적인 경로(T1, T2, T3)를 따라 이동한다.

도 5는 또한 각각 환형면(7)의 타원형 외형선의 장축과 단축에 각각 대응하는 0°- 180° 방향 및 90°- 270° 방향을 따라 축선들을 보여주고 있다. 회전하는 동안의 용접 전극 및 토치의 환형 위치들은 이들 축선을 기초로 하여 결정된다.

용접 헤드 및 용접 토치의 회전 각속도를 변화시켜 환형면의 바닥에 대한 용접 전극의 실질적으로 일정한 선형 속도를 얻기 위하여, 타원형 경로들(T1, T2, T3)을 추종하는 경로들이 방사상 방향의 축선(9)에 중심이 맞춰진 원으로부터 계속해서 벗어나지 않는 각도 섹터들로 세분된다. 그러므로, 8개의 각도 섹터들이 결정되고, 각 섹터는 45°의 폭을 갖는다. 0°- 180° 방향의 장축에 중심이 맞춰진 두 개의 타원 섹터들은 대칭이기 때문에 동일한 형상이며, 90°- 270° 방향의 단축에 중심이 맞춰진 두 개의 섹터도 마찬가지로 동일한 형상인 한편, 타원형 외형선의 단축상에 위치한 그 두 개의 섹터와 장축상에 위치한 두 개의 섹터 사이의 다른 4개의 섹터도 마찬가지로 상호 동일하다.

용접 헤드와 용접 토치의 회전 변위 각속도(V1)는 90°- 270° 방향의 단축에 중심이 맞춰진 두 개의 섹터에 대하여 선택되고, 각속도(V3)는 0°- 180° 방향의 장축에 중심이 맞춰진 두 개의 섹터에 대해서 선택되며, 중간 각속도(V2)는 타 원들의 장축과 단축에 각각 중심이 맞춰진 섹터들 사이의 4개의 나머지 섹터들에 대하여 선택된다.

이들 각속도(V1, V2, V3)는 V1 > V2 > V3 이 되도록 선택된다. 이들 각속도(V1, V2, V3)는 각 각도 섹터에서의 경로들의 다른 평균 반경이 주어지면, 환형면의 바닥에 대한 용접 토치와 전극의 선형 속도가 이들 경로의 모든 부분들에서 실질적으로 일정하도록 결정된다.

또한, 용접 헤드(16)가 축선(9)을 중심으로 하여 회전하고 있는 동안 전극이 타원형 경로들(T1, T2, T3)을 따라 이동하도록 하기 위해서는, 용접 토치를 그것의 회전과 동시에 Y 방향으로 이동시키는 것이 필요하다. 용접 토치의 이러한 변위들은 제1 모터 구동식 캐리지(17)에 의하여 이루어진다.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 축선(9)을 중심으로 회전하는 동안(곡선형 화살표(19)에 의해 표시됨)의 Y 방향으로의 변위들(양방향 화살표(24)로 표시됨)는 연속된 각도 섹터들 내에서 정해진 범위를 점하도록 연속해서 조절된다.

회전 조립체에 대한 초기의 각도 위치로서 선택되는 위치는 타원형 경로들의 단축(90°- 270°)에 해당한다. 이 초기 위치로부터 시작하는 경우, Y 방향 변위 캐리지(17)는 그것의 초기 위치에 있다(경로(T1, T2, T3)에 대하여 Y 방향으로 0 변위). Y 방향에서의 캐리지(17)의 변위들은 타원형 경로들의 단축에 해당하는 위치와 장축(0°- 180°)에 해당하는 위치와의 사이에서 회전 축선(9)으로부터 이동하는 것으로 착수된다. 90°방향과 0°방향 사이로 한정되는 사분면은 4개의 각도 섹터로 세분되고, 각 각도 섹터는 속도 조절에 대하여 위에서 정의된 각도 섹터 의 절반에 해당한다. 90°방향에서 시작하는 제1 각도 섹터에 있어서, Y 방향의 변위는 경로(T1)에 대하여 0 값으로부터 a 값까지 점진적으로 증가되도록 프로그램된다. Y 변위는 경로(T2)에 대해서 0 값으로부터 b 값으로, 그리고 경로(T3)에 대해서는 0 값으로부터 c 값으로 계속해서 변화한다.

제2 각도 섹터에 있어서는, Y 변위가 경로(T1)에 대해서는 a 에서 a'로, 경로(T2)에 대해서는 b에서 b'로, 그리고 경로(T3)에 대해서는 c에서 c'로 계속해서 변화한다.

각도 섹터들의 한계들에 관하여 각 경로들(T1, T2, T3)에 대해 언급된 Y 방향 변위들은 각 섹터를 떠날 때 발생한다. 전술한 바와 같이, 제1 각도 섹터를 떠날 때의 변위는 각각 a, b 및 c 이고, 제2 각도 섹터를 떠날 때의 변위는 a', b' 및 c' 이며, 제3 각도 섹터를 떠날 때의 변위는 a", b" 및 c" 이고, 제4 각도 섹터를 떠날 때의 변위는 a"', b"' 및 c"' 이다. 0°위치로부터 출발하는 경우, 타원형 경로들을 추종하기 위하여, 4개의 각도 섹터에 대해서 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상기와 반대 방향으로, 즉 축선(9)을 향하여 270°위치에 도달할 때까지 Y 방향 변위들이 수행된다. 그 후, 180°위치에 도달될 때까지 각 각도 섹터마다의 변위는 축선(9)으로부터 점진적으로 멀어지게 이루어지고, 마지막으로 180°내지 90°까지, 변위들은 축선(9)을 향하여 이루어진다. 연속된 각 각도 섹터에 있어서, Y 방향 변위는 0°- 180°축선에 대하여 대칭인 위치에 배치되는 섹터들의 변위들과 대칭이다.

그 결과, 용접 토치(20) 및 전극(20')은 각 각도 섹터에 있어서의 Y 방향 변 위들을 결정하기 위한 파라미터를 사전에 계산함으로써 양호하게 제어되는 타원형 경로들을 따라 변위되게 된다.

용접 토치의 회전 각속도가 전술한 바와 같이 3개의 경로(T1, T2, T3)에 대해서, 각도 섹터마다 동일한 값으로 조절되는 경우, 환형면에 대한 전극의 선형 속도는 경로(T2)의 경우가 경로(T1)의 경우보다 약간 더 크고, 마찬가지로 경로(T3)의 경우가 경로(T2)의 경우보다 약간 더 크다. 이러한 선형 속도차들은 작아서, 용접 와이어를 용접하는 전극이 타원형 경로를 따라 변위되는 동안 그 전극에 의해서 환형면의 바닥에 침착되는 용접 비드들의 특성들의 품질 및 일정한 속성에 대하여 아무런 영향을 주지 않는다. 소정 패스 동안 용접 비드를 침착하기 위하여, 전극의 선형 속도는 실질적으로 일정하다.

그럼에도 불구하고, 각 섹터에 있어서의 각속도를 각 경로(T1, T2, T3)마다 다른 값을 갖도록 제어하는 것도 가능하다.

각 경로(T1, T2, T3)를 따른 전극의 변위 중에, 그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 각 용접 비드(8a, 8b, 8c)는 환형면의 바닥에 침착된다. 용접 전극이 경로(T1)를 따라 이동하는 침착의 제1 패스는 여유 금속(11) 둘레의 환형면의 바닥에 비드(8a)를 형성하는 작용을 하며, 제2 경로(T2)를 따른 변위는 제2 용접 비드(8b)가 비드(8a) 위에 부분적으로 겹쳐서 형성될 수 있게 하고, 경로(T3)를 추종하는 경우, 제3 용접 비드(8c)는 제2 용접 비드(8b) 위에 침착되어 벽(4)의 스테인레스강 피복(6)을 포함하는 환형면의 외측 부분을 덮는다.

환형면(7)의 비대칭 형상을 고려하기 위해서는 하나의 용접 패스에서 다음의 용접 패스까지 용접 헤드의 회전 축선을 오프셋시킬 필요가 있으며, 이처럼 축선을 오프셋 시키는 것은 샤프트(15)상에 용접 헤드(16)를 장착하는 것을 변화시키거나 또는 오프셋이 발생되도록 Y 방향 변위들을 조절함으로써 달성될 수도 있다.

제1 용접 비드를 생성하는 제1 용접 패스는 축선(9)에 대한 환형면의 바닥의 대칭 형상을 고려하여 구형벽(4)의 축선(9)으로부터 오프셋되어 있는 방사상 방향의 축선(9a) 둘레에서 수행된다. 용접 비드(8b)를 형성하는 제2의 용접 패스는 축선(9)에 더 근접한 방사상 방향의 축선(9b) 둘레에서 행하여지며, 제3 용접 패스는 반구형벽(4)의 축선(9)에 일치하는 축선(9c)을 중심으로 하여 행하여진다.

정밀하게 일정한 특성을 갖는 용접 비드를 얻기 위하여, 타원형 경로들을 따른 용접 토치의 변위중에, 용접 전류는 용접 재료(피복된 와이어 형태임)의 공급 속도와 같이 제어된다.

용접 토치의 변위 조건들을 환형면에 관하여 일정한 선형 속도로 조절하고 용접 토치를 조절하면, 환형면의 전체 둘레에 걸쳐 정밀하게 일정한 부분 속도 및 야금학적인 품질을 얻을 수 있다.

그러므로, 매우 양호한 품질을 제공하고 전체적으로 자동으로 프로그램되는 방식으로 비드들(8a, 8b, 8c)(도 6에 도시됨)와 같은 용접 비드들을 나란하게 배치되고 겹치게 함으로써 버터링 층(8)이 얻어지고, 이로써 버터링 층을 형성하는 데 필요한 시간을 크게 감소시킨다. 버터링 층(8)이 침착된 후, 그 버터링 층의 표면을 기계 가공한 후, 관통 튜브를 장착할 보어(5)를 드릴링하는데, 이 경우 상기 드릴링은 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 환형면의 중심부에 있는 여유 금속(11)과 버터링 층의 일부를 관통하여 행하여진다.

그 후, 상기 관통 튜브가 보어(5) 내에 밀접하게 장착되며(예컨대 액체 질소를 사용하여), 그 관통 튜브는 버터링 재료 및 관통 튜브와 버터링층 사이의 환형면의 나머지 부분에 형성된 챔버(chamfer) 내의 관통 튜브의 금속과 야금학적으로 상용성이 있는 용접 재료를 침착함으로써 용접된다.

본 관통 튜브는, 예컨대 본 출원과 동일자로 출원된 특허 출원에서 설명된 바와 동일한 유형의 방법에 의해서 자동으로 용접될 수 있는데, 이 경우 자동 용접 헤드는 관통 튜브 내부에서 상기 축선상에 장착되는 샤프트상에 상기 관통 튜브의 축선을 중심으로 하여 회전하게 세팅된다.

상기 튜브는, 본 발명의 방법을 행함에 의한 버터링 후에, 다른 자동 용접 방법에 의하여 용접되거나 심지어 수동 용접에 의하여 용접될 수도 있다고 하는 것은 당연하다.

모든 경우에, 자동화된 방식으로 버터링 작업을 행하면, 어댑터를 고정하고 결합을 위한 양호한 야금학적 품질을 얻는 작업을 행하는 데 필요한 시간을 크게 감소시킬 수 있다.

본 발명은 베셀 헤드를 관통하는 어댑터들을 고정시키는 것으로 한정되지 않으며, 오히려 구형벽을 관통하는 임의의 원통형 튜브 요소를 고정시키는 데 사용될 수 있다.

본 발명은 원자로를 구축하고 수선하는 것 이외에도 용도를 찾을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접 재료의 자동 침착 방법 및 장치는, 베셀 헤드의 오목한 구형벽에 어댑터들을 고정시키기 전에 버터링을 행하기 위하여 용접 재료를 자동으로 침착하는 데 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 대체로 원통형인 튜브들을 용접에 의하여 구형벽에 고정시킬 때, 특히 이들 튜브가 그것들의 축선이 구형벽의 중심을 통과하지 않도록 고정되는 경우에 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 구형벽의 관통 튜브를 수용할 구역의 둘레에서 그 구형벽의 오목한 내측 표면에 기계 가공되는 환형면에 용접 재료를 짧은 시간 내에 매우 양호한 품질로서 침착할 수 있다.

Claims (9)

1. 관통 튜브(3)를 수용하는 구형벽(4)의 구역 둘레에서 그 구형벽(4)의 오목한 내측 표면에 기계 가공되는 환형면(7)에 용접 재료(welding material)(8)를 침착하는(depositing) 용접 재료 침착 방법에 있어서,

   상기 용접 재료(8)는 다음 공정들:

   용접 재료 용융 수단(20')과 용접 재료 공급 수단(21)을 포함하는 용접 토치(20)가, 상기 구형벽(4)에 대하여 방사하고 상기 구형벽(4)의 내측 표면이 상기 관통 튜브(3)의 축선과 교차하는 지점에서 상기 환형면(7)의 중심점(O)을 통과하는 방향으로 뻗은 회전 축선(9) 주위를 회전하도록 하는 단계; 그리고 동시에

   상기 용접 토치(20)를 제어 방식으로 상기 회전 축선(9)에 대하여 수직인 방향(Y)으로 이동시키고, 상기 환형면(7)에 일정한 특성들을 갖는 적어도 하나의 타원형 용접 비드(8a, 8b, 8c) 형태로 상기 용접 재료(9)를 침착시키도록 상기 회전 축선(9)에 평행한 방향(Z)으로 상기 용접 토치의 위치를 조절하는 단계;

   를 수행함으로써 자동적으로 침착되는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용접 재료(8)는 상기 환형면(7)의 전체 둘레로 뻗은 연속적인 타원형 용접 비드들을 침착하기 위하여 연속적인 패스들로 침착되며, 상기 비드들은 두 번의 연속적인 용접 패스들 사이에서 상기 회전 축선(9)에 수직인 방향(Y)의 미리 정해진 고정된 방향을 통해서 상기 용접 헤드(20)를 변위시킴으로써 상기 회전 축선(9)에 수직인 방향(Y)으로 겹쳐짐과 아울러 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 방법.
3. 제2항에 있어서, 연속적인 용접 비드들(8a, 8b, 8c)을 침착하기 위한 상기 연속적인 패스들은 상기 용접 토치(20)가 상기 구형 표면에 대하여 방사상 방향으로 뻗은 회전 축선들 주위를 회전하도록 함으로써 수행되고, 이 축선들은 상기 구형 표면에 대하여 방사상인 방향에 대하여 수직인 방향(Y)으로 서로에 대하여 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 회전 축선(9)에 대한 상기 용접 토치의 회전 각속도는 상기 환형면(7)에 대하여 상기 용접 토치의 전극(20')에 대한 실질적으로 일정한 선형 변위 속도를 얻기 위하여 불연속적인 방법으로 변화되고, 상기 용접 토치(20)의 전극(20')은 상기 환형면(7)과 마주하면서 타원형의 경로(T1, T2, T3)를 추종하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 용접 토치(20)의 회전 축선(9)에 관하여 폭이 일정한 복수의 제1 각도 섹터들이 결정되고, 각 각도 섹터들에 대하여, 상기 용접 토치(20)가 상기 타원형 경로(T1, T2, T3)의 일부를 따라 그 각도 섹터 내에서 변위되는 동안 받게 되는 회전 각속도(V1, V2, V3)가 결정되는 것인 용접 재료 침착 방 법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 회전 축선(9)에 대한 상기 용접 토치의 회전과 동시에 상기 회전 축선(9)에 수직인 방향(Y)의 상기 용접 토치(20)의 프로그램되는 변위들이, 상기 회전 축선(9)에 관한 폭이 일정한 복수의 제2 각도 섹터들을 결정하고, 상기 회전 축선(9) 주위를 회전하는 중에 상기 용접 토치(20)가 추종하는 상기 복수의 제2 각도 섹터들 내의 각 각도 섹터들에 대하여 그 각도 섹터 내로 도입할 때의 각 초기 값과 상기 방향(Y)으로의 상기 용접 토치(20)의 변위를 위하여 그 각도 섹터로부터 나올 때의 최종 값을 결정함으로써, 결정되며, 상기 초기 값과 최종 값 사이에서, 상기 방향(Y)의 용접 토치(20)의 변위는 그 각도 섹터 내에서의 상기 용접 토치의 변위 중에 연속적인 방식으로 변화되는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 방법.
7. 제6항에 있어서, 각 패스 동안 상기 용접 토치(20)가 타원형 경로(T1, T2, T3)를 따라 이동하는 연속적인 패스들에 의하여 상기 환형면(7) 내에서 상기 방향(Y)으로 겹쳐짐과 아울러 나란히 배치되는 적어도 두 개의 용접 비드들(8a, 8b, 8c)이 침착되고, 상기 용접 토치에 대해서는 상기 복수의 제2 각도 섹터들의 각 각도 섹터들 내에서의 각 타원형 경로들(T1, T2, T3)에 대하여 상기 방향(Y)으로 서로 다른 변위 값들이 결정되는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 방법.
8. 관통 튜브(3)를 수용하는 구형벽(4)의 구역 둘레에서 그 구형벽(4)의 오목한 내측 표면에 기계 가공되는 환형면(7)에 용접 재료(welding material)를 침착하는(depositing) 용접 재료 침착 장치에 있어서,

   상기 환형면(7)의 중심부에 있는 상기 구형벽(4)의 구역 내에서 그 구형벽(4)의 방사상 방향(9)으로 자신을 그 구형벽(9)에 고정시키는 수단을 구비한 샤프트(15), 방사상 방향(9)으로 뻗은 회전 축선(9) 주위를 회전하도록 상기 샤프트(15)에 회전 가능하게 장착되는 용접 헤드(16)로서, 회전 구동을 위하여 모터 구동식 구동 수단(28), 상기 용접 헤드(16)상에서 그 용접 헤드(16)의 회전 축선(9)에 수직인 방향(Y)으로 이동하도록 장착된 제1 모터 구동식 캐리지(17), 상기 제1 모터 구동식 캐리지(17)상에서 상기 회전 축선(9)에 평행한 방향(Z)으로 이동하도록 장착된 제2 모터 구동식 캐리지(18), 상기 제2 모터 구동식 캐리지(18)에 고정되고 전극(20'), 상기 전극(20')에 전류를 공급하는 수단, 상기 전극(20')에 용접 재료를 공급하기 위한 모터 구동식 수단(27)을 구비하고 상기 용접 전극 근처로 용접 재료를 공급하는 수단(21, 22)을 구비하는 용접 토치(20), 및 상기 용접 헤드 및 상기 제1 및 제2 모터 구동식 캐리지(17, 18)의 모터 구동식 수단을 제어하는 제어 유닛(30)을 구비하는 것인 상기 용접 헤드(16), 및 상기 용접 토치(20)의 전극(20')에 전류 및 용접 재료를 공급하는 상기 수단(27)을 구비하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치.
9. 제8항에 있어서, 자동 용접 장치(14)의 샤프트(15)는 상기 환형면(7) 내측의 예비 금속(11)의 중심부에서 상기 구형벽(4)에 대하여 방사상의 방향으로 상기 구형벽(4)을 드릴링함으로써 기계 가공되는 개구부(13)에 고정될 수 있게 되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치.

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