KR20060041775A - 구형 벽을 관통하는 보어에 튜브를 고정시키는 방법 및환형면에 용접 재료를 침착하는 장치 - Google Patents

Abstract

구형벽(4)이 그것을 관통하는 튜브를 고정시키기 위한 보어(5)가 있는 구역 주변 둘레의 내측 표면에 환형면(7)이 기계 가공된다. 그 환형면(7)에는 제1 용접 재료(8)가 침착되고, 그 환형면(7)에 의하여 포위되어 있는 구형벽의 부분을 관통하여 드릴링함으로써 보어(5)가 형성된다. 그 보어(5) 내에는 튜브(3)가 밀접하게 결합되고, 환형면(7)에는 튜브(3)의 둘레에서 제2 용접 재료(12)가 침착되어 튜브(3)를 제1 용접 재료(8)에 용접시킨다. 제1 및 제2 용접 재료(8, 12)를 침착하는 작업 중 적어도 하나는 보어(5)의 축선(10)에 평행한 Z 방향으로 토치를 이동시키고, 회전이 이루어지는 동안 보어(5)의 축선(10)에 직교하는 축선(26)에 관하여 그 토치를 피벗시키면서 용접 토치(20)를 보어(5)의 축선(10) 주위를 회전시킴으로서 자동적으로 행해진다.

구형벽, 튜브, 고정, 환형면

Description

구형 벽을 관통하는 보어에 튜브를 고정시키는 방법 및 환형면에 용접 재료를 침착하는 장치{A METHOD OF SECURING A TUBE IN A BORE THROUGH A SPHERICAL WALL, AND A DEVICE FOR DEPOSITING WELDING MATERIAL IN A FACING}

도 1은 본 발명에 캡 위치에 있는 가압수형 원자로의 베셀 헤드의 사시도.

도 2는 베셀 헤드에 어댑터를 고정시키기 위한 하부 부분을 보여주는 단면도.

도 3은 제1 용접 재료가 침착된 후, 그리고 구형벽이 채워진 후에 어댑터 튜브를 고정시키기 위한 구역의 보울 위치의 베셀 벽 부분의 단면도.

도 4는 본 발명의 자동화 방법에 의하여 어댑터를 고정하기 위한 면에 제1 용접 재료를 사전에 침착하기 위한 용접 장치의 개략도.

도 5는 벽을 관통하는 보어 내에 어댑터 튜브가 배치된 후의 반구형 헤드의 벽의 일부의 단면도.

도 6은 어댑터를 용접하는 동안 본 발명의 방법을 수행하기 위한 자동 용접 장치의 개략도.

본 발명은 구형벽을 관통하는 보어 내에 실질적으로 원통형 형상의 튜브를 고정하는 방법 및 환형면에 용접 재료를 침착하기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가압수형 원자로의 베셀 헤드(vessel head) 내에 고정되는 어댑터(adapter)를 고정시키는 방법에 관한 것이다.

가압수에 의해서 냉각되는 원자로는 일반적으로 사용중에 축선이 수직이 되게 배치되는 원통형 베셀을 구비하는데, 그 원통형 베셀은 그 베셀의 원통형 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 노심을 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) 컬럼에 의하여 노심 내부의 온도 측정이 이루어진다.

그러므로, 베셀 헤드는 그것을 관통하는 복수의 원통형 튜브 어댑터들을 구 비하는데, 이들 원통형 튜브 어댑터는 각각 (헤드가 베셀상의 사용 위치에 있을 때) 수직 축선을 갖는 보어(bore)의 내측에 고정되며, 베셀과 헤드에 공통인 수직 축선에 대하여 헤드의 복수의 환형인 구역 내에 복수의 열(列)을 이루어 분포되고, 베셀 헤드의 구형벽의 중심은 상기 수직 축선상에 배치된다. 베셀을 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 축선이 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, 상기 상부 부분은 그 베셀 헤드, 특히 제어 로드를 이동시키는 기구에 고정되고, 상기 하부 부분은 헤드의 내측 표면에 대하여 대응하는 상부 부분보다 더 짧다.

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

이들 어댑터 튜브는 베셀 헤드를 관통하는 보어 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 어댑터와 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 일반 적으로 커서(예컨대, 반응로의 형태에 따라 65 또는 77개의 어댑터 튜브) 이러한 작업이 시간 및 비용이 극도로 많이 들게 만든다.

그러므로, 베셀 헤드의 오목한 구형벽에 대한 사전 버터링 및/또는 어댑터의 용접을 행하는 데 사용 가능한 자동 용접 방법 매우 요망되고 있다.

더 일반적으로 말하자면, 대체로 원통형인 튜브들을 용접에 의하여 구형벽에 고정시키기 위하여, 특히 튜브가 그것들의 축선이 구형벽의 중심을 통과하지 않도록 고정되는 경우에 사용 가능한 자동 용접 방법이 요망될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 구형벽을 관통하는 보어 내에 실질적으로 원통형의 튜브를 고정하는 방법으로서, 구형벽의 내측 표면에서, 튜브를 고정하기 위한 보어가 관통하는 구형벽의 구역 둘레에 환형면을 기계 가공하는 단계와; 그 환형면에 제1 용접 재료를 침착하는 단계와; 그 용접 재료를 기계 가공하고 그 환형면에 의해서 포위된 구형벽 부분을 관통하는 드릴링에 의하여 보어를 형성하는 단계와; 그 보어 내에 튜브를 밀접하게 결합시키는 단계와; 그 튜브를 환형면에 침착된 제1 용접 재료에 용접하기 위하여, 그 튜브 둘레의 환형면 내에 제2 용접 재료를 침착하는 단계를 포함하는 방법으로서, 단축된 수행 시간 및 양호한 품질로서 행해질 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 위하여, 상기 제1 용접 재료와 제2 용접 재료 중 적어도 하나는 다음과 같은 공정을 행함으로써 자동적으로 환형면에 침착된다.

·용접 재료를 연속적으로 공급받는 수단과 용접 재료를 용융시키는 수단을 구비하는 자동 용접 토치를 이용하고, 그 토치가 튜브를 고정하기 위한 보어의 축선 주위를 회전시키는 공정과;

·용접 재료를 일정한 특성의 용접 비드 형태로 환형면에 침착하기 위하여, 상기 용접 토치를 상기 보어의 축선에 대하여 평행한 방향으로 이동시키며, 상기 용접 토치가 회전되는 동안 보어의 축선에 직교하는 축선 주위로 상기 토치를 피벗시키는 공정.

특히, 다음과 같은 공정들이 단독으로 또는 조합적으로 수행된다.

·두 번의 연속적인 패스 사이에서 튜브를 고정시키기 위한 상기 보어의 축선에 수직인 방향으로 소정의 일정한 거리에 걸쳐 상기 용접 헤드를 이동시킴으로써, 상기 튜브를 고정시키기 위한 보어의 축선에 대하여 수직인 방향으로 나란히 배치되고 상기 환형면의 둘레 전체에 걸쳐서 뻗어있는 연속된 용접 비드를 침착시키도록 연속적인 패스에 의하여 상기 제1 용접 재료와 제2 용접 재료 중 적어도 하나를 자동적으로 침착시키며;

·기계 가공에 의하여 환형면을 형성하고 그 환형면 내측에 구형벽의 여유 금속을 남기는 단계와; 상기 튜브를 고정시키기 위한 보어의 축선을 따라 상기 환형면 내측의 여유 금속에 개구부를 드릴링하는 단계와; 상기 개구부 내에서 상기 보어의 축선상에 샤프트를 고정시키는 단계와; 상기 샤프트에 자동 용접 장치의 회전식 용접 헤드를 장착하여 그것을 보어의 축선 주위로 회전되게 세팅하는 단계와; 상기 자동 용접 장치의 용접 헤드를 상기 샤프트상에서 상기 보어의 축선 주위를 회전하게 세팅함으로써 상기 환형면에 제1 용접 재료를 자동적으로 침착시키는 단계를 행하며;

·상기 튜브가 구형벽을 관통하는 보어 내에 밀접하게 결합된 후에, 용접 헤드가 회전 가능하게 장착된 자동 용접 장치의 샤프트를 상기 튜브 내부에서 상기 튜브의 축선상에 고정시키고, 상기 용접 헤드가 상기 튜브 내에 고정되어 있는 샤프트상에서 그 축선 주위를 회전하도록 함으로서 튜브를 구형벽에 자동으로 용접하고;

·제1 용접 재료와 제2 용접 재료 중 적어도 하나를 환형면 내에 자동으로 침착하기 위하여, 용접 토치가 보어의 축선 주위를 회전하고 있는 동안, 용접 토치로 공급되는 전류와 용접 토치에 대한 용접 재료의 공급 속도를 제어한다.

또한, 본 발명은 구형벽에 원통형 튜브를 고정시키기 위하여 보어가 그 구형벽을 관통하는 구역 둘레에서 구형벽에 기계 가공되는 환형면에 용접 재료를 침착하는 용접 재료 침착 장치에 있어서, 튜브를 고정시키기 위한 보어의 축선상에서 상기 구형벽에 자신을 고정시키기 위한 수단을 구비하는샤프트와; 상기 샤프트상에 장착되어 상기 보어의 축선 주위를 회전하는 용접 헤드로서, 회전 구동 모터 수단, 용접 헤드에 수반되고 상기 튜브를 고정시키기 위한 보어의 축선에 평행한 방향으로 가동하는 제2 모터 구동식 캐리지(motor-driven carriage), 상기 튜브를 고정시키기 위한 보어의 축선에 직교하는 축선 주위를 피벗하게 장착된 용접 토치, 상기 제2 캐리지상에서 상기 피벗 축선 주위로 용접 토치를 피벗시킴으로써 그 용접 토치를 경사지게 하는 모터 구동식 경사 장치를 구비하는 것인 용접 헤드와; 상기 용 접 토치의 위치를 상기 구형벽의 환형면에 대한 거리 및 경사각에 있어서 일정하게 유지시키기 위하여, 상기 제2 캐리지 및 상기 경사 장치의 변위를 제어하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치를 제공한다.

특별한 실시예에 있어서, 하기의 것을 단독으로 또는 조합적으로 구비한다.

·상기 장치는 상기 제2 모터 구동식 캐리지가 상기 샤프트의 축선에 평행한 방향으로 이동하도록 장착되어 있는 용접 헤드상에서 샤프트의 축선에 수직인 방향으로 이동하도록 상기 용접 헤드상에 장착되어 있는 제1 모터 구동식 캐리지를 더 포함하며;

·상기 자동 용접 장치의 샤프트는, 상기 환형면에 상기 제1 용접 재료를 자동으로 침착하기 위하여, 상기 환형면 내측의 여유 금속의 중심부로부터 상기 튜브를 고정시키기 위한 보어의 축선 방향을 따라 드릴링함으로써 기계 가공된 개구부 내에 고정될 수 있도록 제조되고;

·상기 용접 재료 침착 장치는 상기 튜브를 상기 구형벽에 자동으로 용접시키기 위하여 상기 자동 용접 장치의 샤프트를 상기 튜브의 상기 보어 내부에서 그 축선상에 고정시키기 위한 수단을 포함한다.

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 개구부가 천공되어 있으며, 이들 어댑터는 그것들의 축선이 베셀 헤드의 대칭축에 평행하게 배치된다. 도 1에서, 베셀 헤드(1)는 "캡(cap)" 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 향하여 불룩한 둥근 부분을 구비한다. 이러한 배치에 있어서, 베셀 헤드의 축선과 어댑터(3)의 축선들은 모두 수직이다. 이들 어댑터 세트(도시된 헤드는 65개의 어댑터를 구비한다) 둘레에는 베셀 헤드에 고정되어 원통형 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 형 상의 베셀 헤드(캡 위치에 도시됨)의 벽(4)은 보어(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, 스테인레스강 스트립을 공급받는 용접기를 이용한 서브머지드 아크 용접법(submerged arc welding)을 사용하여 베셀 헤드의 오목한 내측 표면상에 스테인레스강 층(24% 크롬 및 12% 니켈 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 3은 후에 어댑터 튜브(3)가 통과할 보어(5)가 형성될 구역 둘레에 환형면(7)이 기계 가공된 베셀 헤드의 구형벽(4)의 구역을 보여주고 있다. 이 도 3에는, 베셀 헤드의 구형벽(4)이 보울 위치(bowl position), 즉 베셀 헤드의 오목한 부분이 상방으로 향한 위치에 도시되어 있다. 통상적인 방법으로, 도 3에서는, 벽(4)이 그 벽의 내측 표면의 둘레 방향으로 짧은 거리에 걸쳐 뻗어 있는 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 O에서 보어(5)의 축선(10)과 교차하는 벽(4)의 방사상 방향(9)을 보여주고 있다. 통상적인 방법으로, 그리고 도면을 명확히 하기 위하여, 벽(4)의 방사상 방향(9)은 수직으로 배치되는 것으로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 어댑터를 통과시키는 보어(5)는 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.

방사상 방향(9) 둘레에 기계 가공함으로써 도 3에 도시되어 있는 프로파일을 갖는 비대칭 환형면이 형성된 후에, 예컨대 인코넬 150 합금인 제1 용접 재료를 침착함으로써 버터링 층(8)이 형성되고, 그 후 그 층을 다시 밀링으로 기계 가공하여 완성된 상태의 버터링 층(8)의 내측 표면(8')을 얻는다.

그 후, 축선 방향을 따라 드릴링함으로써 벽(4)을 관통하여 보어(5)가 형성된다.

도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 어댑터(3)는 보어(5) 내에 결합되어 밀접하게 고정된다. 결국, 어댑터의 외경보다 약간 더 작은 직경을 갖는 보어(5)가 마련되고, 그 어댑터(5)는 액체 질소를 사용하여, 즉 어댑터의 하부 부분을 액체 질소의 온도까지 냉각시킨 후에 보어(5) 내측의 도시된 바와 같은 장착 위치에, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이 어댑터(3)를 결합시킴으로써 장착된다. 어댑터(3)가 벽(4)의 온도(일반적으로 약 20℃의 온도)로 복귀하면, 어댑터 튜브가 팽창하여 그것이 보어 내부의 양호하게 결정된 위치에 밀접하게 장착되도록 보장한다. 제어봉 결합 콘을 장착하기 위한 나선(3A)을 수반하는 어댑터(3)의 하부 부분(3a)은 그 후에 베셀 헤드의 하부 표면 아래로 약간 돌출한다(도 2의 캡 위치에 도시됨). 그 어댑터의 상부 부분(3c)은 벽(4)의 불룩한 상부면 위로 돌출하는데 단지 부분적으로만 도시되어 있다.

그 후, 어댑터(3)는 버터링 층(8)이 침착 및 기계 가공된 후에 남는 환형면(7)의 나머지 부분에 용접 재료(12)를 침착함으로써 베셀 헤드에 용접되어 니켈 합금으로 이루어진 어댑터(3)와 역시 니켈 합금인 버터링 층(8) 사이에 야금학적인 결합을 제공한다. 제2 용접 재료(12)는 일반적으로 버터링 층(8)과 동일한 니켈 합금으로 구성된다.

본 발명에 있어서는, 제1 용접 재료 층(8)의 침착에 의한 버터링 작업과 제2 용접 재료의 침착에 의한 어댑터(3)의 용접 작업 중 적어도 하나가 전체적으로 자동적인 방법으로 수행될 수 있다.

도 4는 용접 재료를 자동으로 침착하기 위한 본 발명의 방법을 행하는 데 사용될 수 있는 자동 용접 장치를 보여주고 있다.

도 3의 경우처럼, 베셀 헤드의 벽(4)이 보울 위치의 어댑터 고정 구역에 도시되어 있으며, 그 벽(4)의 방사상 방향은 수직으로 뻗어 있다.

베셀 헤드의 벽(4)의 내측에 스테인레스강 층이 피복된 후에, 어댑터가 통과할 구역 둘레에 환형면(7)이 기계 가공된다.

그 환형면(7)은 그 환형면(7)의 중심부에 여유 금속(11)을 유지시키는 방식으로 기계 가공된다. 버터링이 수작업으로 행하여지는 종래 기술의 방법에 비하여, 이러한 작업을 자동으로 수행하기 위해서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 환형면 전체 둘레에서 얇고 정밀하게 일정한 두께의 환형면(7)이 기계 가공되는데, 그 두 께는 자동화된 방법으로 침착되는 용접 비드의 폭의 배수이다. 이는 버터링 층을 형성하기 위하여 부분적인 용접 비드를 침착하는 것을 불필요하게 만든다.

그 후, 여유 금속(11)의 중심부는 버터링 층(8)이 형성되고 헤드의 벽(4)이 드릴링된 후에 어댑터가 고정될 보어에 대한 이론적인 기하학적 축선(10)의 방향으로 드릴링된다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같은 어댑터의 경우, 축선(10)은 벽(4)에 대하여 법선 또는 방사상 방향(9)에 대하여 38°보다 약간 더 큰 각도를 이룬다. 버터링 층(8)을 형성하는 데 사용되고 전체적으로 도면 부호 14가 부여된 자동 용접 장치는 환형면(7)의 중심부에 있는 여유 금속(11) 내로 드릴링함으로써 사전에 마련되어 있는 축선 방향(10)의 개구부(13) 내측에 결합 고정된다. 샤프트(15)상에는 회전 헤드(16)가 장착되는데, 그 회전 헤드는 곡선형 화살표(16')로 나타낸 바와 같이 그 헤드를 샤프트(15)의 축선(10) 주위를 회전 구동시키는 회전 구동 수단(28)을 구비한다. 그 회전 헤드(16)는 일차적으로는 방사상으로 변위 가능한 제1 모터 구동식 캐리지(motor-driven carriage)(17), 축선 방향으로 변위 가능한 제2의 모터 구동식 캐리지(18), 그리고 모터 구동식 토치 경사 장치(19)를 매개로 한 자동 용접 토치(20)를, 그리고 이차적으로는 용접 토치(20)의 전극(20')을 향하여 와이어 가이드(22)를 공급하기 위한 용접 와이어 릴(21)을 수반한다. 용접 토치(20)의 전극(20')에는 용접 전력이 공급되며, 이에 따라 용접 전극(20')의 단부와 환형면(7)의 바닥 사이에서 아크가 발생한다. 모터 구동식 릴 풀기 장치(27)가 장착된 코일에 의하여 와이어 가이드(22)로 공급되는 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 피복 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)에 의하여 헤드(16)의 회전 축선에 수직인 Y 방향을 따라 조절된다. 그 후, 캐리지(17)는 정지된 채 유지되고, 용접 헤드(16)가 회전하고 있는 동안, 축선 변위 캐리지(18)에 의하여 축선에 평행한 축선 방향 Z에서 제어 방식으로 용접 토치(20)를 이동시킴으로써 타원형 용접 비드가 환형면의 바닥에 침착된다.

전극(20')이 용접 재료가 침착되고 있는 환형면(7)의 표면에 대하여 정밀하게 일정한 위치에 유지되도록 보장하기 위하여, 보어의 이론적인 축선에 직교하고 Y 축선과 Z 축선을 포함하는 평면에 대하여 수직인 축선에 관한 토치(20)의 경사가 토치 경사 장치(19)에 의하여 조절된다. 이는 전극(20')의 단부와 침착 표면 사이의 거리 및 보어의 이론적인 축선의 방향에 대한 토치의 전극(20')의 경사각이 정밀하게 일정하게 유지되는 값으로 조정되도록 보장한다. 그러므로, 용융 전극(20)에 의해 발생되는 아크 속으로 조절 방식으로 공급되는 용접 와이어(23)는 일정한 특성의 용접 비드를 침착하는 작용을 한다.

용접 헤드(16)의 회전 전체에 걸쳐, Z 축선 방향의 캐리지의 변위, 토치(20)의 경사각, 그리고 또한 용접 전류와 용접 와이어(23)의 공급 속도는 자동 용접 장치(14)의 제어 유닛(30)에 의하여 프로그램된 방식으로 제어되어 정밀하게 일정한 특성의 용접 비드를 생성한다. 특히, 그 용접 전류 및 용접 와이어의 공급 속도는 규칙적인 버터링을 얻기 위하여 용접 헤드의 회전중에 적합화된다.

전술한 바와 같이, 환형면(7)에 버터링 층(8)이 침착된 후, 그 침착된 버터링 층은 마무리된 상태의 층을 얻기 위하여 밀링에 의하여 기계 가공되고, 그 후, 앞서 정해진 축선(10) 방향으로 환형홈(7) 형성 후의 위치에 남은 벽(4)의 중심부의 여유 금속(11)을 관통하여 보어(5)가 드릴링된다. 그 후, 어댑터 튜브(13)가 도 5에 도시된 바와 같이(보울 위치의 베셀 헤드) 결합되어 밀접하게 고정된다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 버터링 층(8)은 스테인레스강 층(67)과 페라이트계 강으로 이루어진 벽(4)에 기계 가공되는 환형면(7)의 바닥을 덮는다. 어댑터의 용접은 어댑터(3)를 구성하는 합금과 상용성이 있는 니켈 합금으로 어댑터(3)의 니켈 합금 벽과 버터링 층(8) 사이에 형성된 용접 준비 챔퍼(chamfer)(24)를 채움으로써 두 개의 니켈 합금 사이에서 균일한 방법으로 이루어진다. 그 챔퍼(24)에는, 예컨대 버터링 층(8)의 니켈 합금과 유사한 니켈 152 합금으로 구성되는 용접 재료가 채워질 수 있다. 본 발명에 있어서는, 전술한 방식으로 버터링이 자동적으로 수행된 후에 용접이 수작업으로 행하여질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 어댑터(3)가 도 4를 참조하여 설명된 바와 같은 자동 용접 장치(4)를 사용하여 베셀 헤드의 벽(4)에 용접되는 것이 유리하다. 어댑터(3)를 용접하는 데 사용되는 도 6에 도시된 자동 용접 장치(4)는, 전술한 구성 요소에 추가하여, 샤프트(13)를 어댑터(3)의 보어 내부에서 그 어댑터의 축선상에 중심을 맞추고 고정시키기 위한 수단(25)을 구비하며, 그 후 그 샤프트(13)는 보어 (5) 및 어댑터(3)의 축선(10)상에 유지된다.

챔퍼(24) 내에 용접 비드를 형성하기 위한 자동 용접 장치(14)의 동작은 전술한 바와 같은 버터링 층을 형성하는 용접 장치의 동작과 유사하다. 그 챔퍼(24)에는 정밀하게 일정한 특성의 나란히 배치된 용접 비드로 구성되는 용접 재료(12)로 채워진다. 두 용접 패스 사이에서 그 챔퍼(24)의 둘레 전체를 따라 두 개의 연속된 비드를 침착하기 위하여, 용접 토치가 모터 구동식 캐리지(17)에 의하여 축선(10)에 대하여 수직인 Y 방향으로 용접 비드의 폭에 대응하는 정해진 양만큼 변위된다. 이전처럼, 축선 방향 변위 캐리지(18)와 토치의 경사각 조절 장치(19)는 프로그램되어 용접이 이루어지는 시간 전체에 걸쳐 조절된다. 이는 자동 용접기의 와이어 공급 속도 및 용접 전류에도 동일하게 적용된다. 제어 유닛(30)은 모터 구동식 캐리지(17, 18) 및 경사 장치(19)에 의하여 용접 토치의 변위가 제어될 수 있도록 하고, 프로그램된 방식으로 용접 조건(용접 재료의 공급 속도 및 용접 전류)이 조절될 수 있게 한다.

이는 어댑터를 고정하기 위한 버터링 및 용접이 정밀하게 일정한 품질 및 향상된 실시 속도로서 자동화된 방식으로 수행될 수 있게 한다.

본 발명의 어댑터 고정 방법은 전술한 바와 같이 환형면의 예비 버터링 및 어댑터의 용접 모두를 자동으로 행하거나 또는 전술한 바와 같이 버터링과 용접의 두 가지 작업 중 하나만을 자동적인 방법으로 행함으로써 구현될 수 있다.

버터링은 전술한 것 이외의 방법을 이용함으로써 선택적으로 수작업이나 자동으로 행해질 수 있다. 특히, 버터링은 본 출원과 동일자로 출원된 특허 출원에 서 설명된 바와 같은 자동화 방법에 의해서 행해질 수 있는데, 이 특허 출원에서는 베셀 헤드의 구형 표면에 대하여 방사상으로 뻗어 있는 축선 주위로 용접 토치를 회전시킴으로써 용접 재료가 침착된다.

본 발명의 방법을 구현하기 위해서는, 베셀 헤드의 구형 표면의 방사상 방향에 관하여 경사져 있는 축선 주위로 용접 헤드를 회전시키고 다른 방법으로 자동 용접을 행하거나 또는 용접을 수작업으로 행함으로써, 전술한 바와 같이 버터링을 자동화된 방법으로 행하는 것도 가능하다.

모든 상황 하에서, 버터링 및 용접 작업 중 적어도 하나를 자동화된 방법으로 행하면, 어댑터를 고정시키는 작업 및 매우 양호한 야금학적 품질의 결합부를 얻는 작업을 행하는 데 필요한 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

본 발명은 어댑터를 베셀 헤드를 관통하게 고정시키는 것으로 한정되지 않으며, 구형벽을 관통하는 임의의 원통형 튜브 요소를 고정시키는 데에도 사용될 수 있다.

본 발명은 또한 원자로의 구축이나 수리 분야 이외에도 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 자동 용접 방법은 베셀 헤드의 오목한 구형벽에 대한 사전 버터링 및/또는 어댑터의 용접을 행하는 데 사용 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 자동 용접 방법은, 대체로 원통형인 튜브들을 용접에 의하여 구형벽에 고정시키기 위하여, 특히 튜브가 그것들의 축선이 구형벽의 중심을 통과하지 않도록 고정되는 경우에 사용 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 버터링 작업 및 용접 작업 중 적어도 하나를 자동화된 방법으로 행함으로써, 어댑터를 고정시키는 작업 및 매우 양호한 야금학적 품질의 결합부를 얻는 작업을 행하는 데 필요한 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 축선(10) 방향을 따라 구형벽(4)을 관통하는 보어(5) 내에 실질적으로 원통형의 튜브(3)를 고정하는 방법으로서, 상기 구형벽(4)의 내측 표면에서, 그 튜브(3)를 고정하기 위한 보어(5)가 관통하는 상기 구형벽(4)의 구역의 둘레에 환형면(7)을 기계 가공하는 단계; 그 환형면(7)에 제1 용접 재료(8)를 침착하는 단계; 그 제1 용접 재료(8)를 기계 가공하고 그 환형면(7)에 의해서 포위된 구형벽(5) 부분을 관통하는 드릴링에 의하여 보어(5)를 형성하는 단계; 그 보어(5) 내에 상기 튜브(3)를 밀접하게 결합시키는 단계; 및 그 튜브(3)를 환형면(7)에 미리 침착된 제1 용접 재료(8)에 용접하기 위하여, 그 튜브(3) 둘레의 환형면(7) 내에 제2 용접 재료(12)를 침착하는 단계;를 포함하는 것인 구형벽(4)을 관통하는 보어(5)에 원통형 튜브(3)를 고정시키는 방법에 있어서,

   상기 환형면(7) 내의 제1 및 제2 용접 재료들(8, 12)을 침착하는 작업들 중 적어도 하나는 다음과 같은 공정들:

   ·용접 재료(23)를 연속적으로 공급받는 수단(20)과 그 용접 재료를 용융시키는 수단(20')을 구비하는 자동 용접 토치(20)를 이용하고, 그 자동 용접 토치가 상기 튜브(3)를 고정하기 위한 보어(5)의 축선(10) 주위를 회전시키는 단계; 그리고 동시에,

   ·상기 용접 재료(8, 12)를 일정한 특성의 용접 비드 형태로 상기 환형면(7)에 침착하기 위하여, 상기 용접 토치(20)를 상기 보어(5)의 축선(10)에 대하여 평 행한 방향(Z)으로 이동시키며, 상기 용접 토치(20)가 회전되는 동안 상기 보어(5)의 축선(10)에 직교하는 축선 주위로 상기 용접 토치(20)를 피벗시키는 단계;

   를 수행함으로써 자동적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 구형벽을 관통하는 보어에 원통형 튜브를 고정시키는 방법.
2. 제2항에 있어서, 두 번의 연속적인 패스들 사이에서 상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 상기 보어(5)의 축선(10)에 수직인 방향(Y)으로 소정의 일정한 거리에 걸쳐 상기 용접 헤드(20)를 이동시킴으로써, 상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 보어(5)의 축선(10)에 대하여 수직인 방향(Y)으로 나란히 배치되고 상기 환형면(7)의 둘레 전체에 걸쳐서 뻗어있는 연속된 용접 비드들을 침착시키도록 연속적인 패스들에 의하여 상기 제1 및 제2 용접 재료들(8, 12) 중 적어도 하나를 자동적으로 침착시키는 것을 특징으로 하는 구형벽을 관통하는 보어에 원통형 튜브를 고정시키는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기계 가공에 의하여 상기 환형면(7)을 형성하고 그 환형면(7) 내측에 상기 구형벽의 여유 금속(11)을 남기는 단계; 상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 상기 보어(5)의 축선(10)을 따라 상기 환형면(7) 내측의 여유 금속(11)에 개구부(13)를 드릴링하는 단계; 상기 개구부(13) 내에서 상기 보어(5)의 축선(10)상에 샤프트(15)를 고정시키는 단계; 상기 보어(5)의 축선(10) 주위로 회전하도록 세팅되게, 상기 샤프트(15)에 자동 용접 장치(14)의 회전식 용접 헤드 (16)를 장착하는 단계; 및 상기 자동 용접 장치(14)의 용접 헤드(16)를 상기 샤프트(15)상에서 상기 보어(5)의 축선(10) 주위를 회전하게 세팅함으로써 상기 환형면(7)에 제1 용접 재료(8)를 자동적으로 침착시키는 단계; 를 수행하는 것을 특징으로 하는 구형벽을 관통하는 보어에 원통형 튜브를 고정시키는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 튜브(3)가 상기 구형벽(4)을 관통하는 보어(5) 내에 밀접하게 결합된 후에, 용접 헤드(16)가 회전 가능하게 장착된 자동 용접 장치(14)의 샤프트(15)를 상기 튜브(3) 내부에서 상기 튜브(3)의 축선상에 고정시키고, 상기 용접 헤드(16)가 상기 튜브(13) 내에 고정되어 있는 샤프트(15)상에서 그 축선(10) 주위를 회전하도록 함으로써 상기 튜브(3)를 구형벽(4)에 자동으로 용접하는 것을 특징으로 하는 구형벽을 관통하는 보어에 원통형 튜브를 고정시키는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 및 제2 용접 재료들(8, 12) 중 적어도 하나를 상기 환형면(7) 내에 자동으로 침착하기 위하여, 상기 용접 토치가 상기 보어의 축선 주위를 회전하고 있는 동안, 상기 용접 토치로 공급되는 전류와 상기 용접 토치에 대한 용접 재료의 공급 속도가 제어되는 것을 특징으로 하는 구형벽을 관통하는 보어에 원통형 튜브를 고정시키는 방법.
6. 구형벽(4)에 원통형 튜브(3)를 고정시키기 위하여 보어(5)가 그 구형벽(4)을 관통하는 구역 둘레에서 그 구형벽(4)에 기계 가공되는 환형면(7)에 용접 재료(8, 12)를 침착하는 용접 재료 침착 장치에 있어서,

   상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 상기 보어(5)의 축선(10)상에서 상기 구형벽(4)에 자신을 고정시키기 위한 수단(25)을 구비하는 샤프트(15)와, 상기 샤프트(15)상에 장착되어 상기 보어(5)의 축선(10) 주위를 회전하는 용접 헤드(16)로서, 회전 구동 모터 수단(28), 용접 헤드(16)에 수반되고 상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 보어(5)의 축선(10)에 평행한 방향(Z)으로 가동하는 제2 모터 구동식 캐리지(18), 상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 보어(5)의 축선(10)에 직교하는 축선 주위를 피벗하게 장착된 용접 토치(20), 및 상기 제2 캐리지(18)상에서 상기 피벗 축선(26) 주위로 용접 토치(20)를 피벗시킴으로써 그 용접 토치(20)를 경사지게 하는 모터 구동식 경사 장치(19)를 구비하는 것인, 상기 용접 헤드와, 및 상기 용접 토치(20)의 위치를 상기 구형벽(4)의 환형면(7)에 대한 거리 및 경사각에 있어서 일정하게 유지시키기 위하여, 상기 제2 캐리지(18) 및 상기 경사 장치(19)의 변위들을 제어하는 제어 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2 모터 구동식 캐리지(18)가 상기 샤프트(15)의 축선(10)에 평행한 방향(Z)으로 이동하도록 장착되어 있는 용접 헤드(16)의 상기 샤프트(15)의 축선(10)에 수직인 방향(Y)으로 이동하도록 상기 용접 헤드(16)상에 장착되어 있는 제1 모터 구동식 캐리지(17)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 자동 용접 장치(14)의 샤프트(15)는, 상기 환형면(7)에 상기 제1 용접 재료(8)를 자동으로 침착하기 위하여, 상기 환형면(7) 내측의 여유 금속(11)의 중심부로부터 상기 튜브(3)를 고정시키기 위한 보어(5)의 축선(10) 방향을 따라 드릴링함으로써 기계 가공된 개구부(13) 내에 고정될 수 있도록 제조되는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 튜브(3)를 상기 구형벽(4)에 자동으로 용접시키기 위하여 상기 자동 용접 장치(14)의 샤프트(15)를 상기 튜브(3)의 상기 보어 내부에서 그 축선상에 고정시키기 위한 수단(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 재료 침착 장치.

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