KR20180083223A

KR20180083223A - 핵연료봉 제조용 용접장치

Info

Publication number: KR20180083223A
Application number: KR1020170005609A
Authority: KR
Inventors: 양경환; 조영춘
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-20
Also published as: KR101923394B1

Abstract

본 발명은 핵연료봉 제조용 용접장치에 관한 것으로, 특히 봉단마개와 피복관을 용접하는 과정에서 용접 비드(weld bead) 발생을 방지하여 용접 공정 이후에 용접부에 대한 연삭 공정을 배제할 수 있는 핵연료봉 제조용 용접장치에 관한 것으로, 피복관(110)이 삽입 위치하도록 관통 형성된 관통홀이 형성된 튜브전극(210)과, 상기 피복관(110) 일단과 용접 고정이 이루어지는 봉단마개(120)를 고정하는 마개전극(220)을 포함하여 피복관(110)과 봉단마개(120)를 용접하기 위한 용접장치에 있어서, 상기 튜브전극(210)은 상기 관통홀을 감싸도록 몸체(211)의 표면 일부에 절연체(212)가 마련되며, 상기 절연체(212)는 개구부에 상기 관통홀보다 큰 직경을 가지며 인입 형성된 스텝(S)을 포함하여, 튜브전극과 봉단마개 사이의 미세한 갭(gap) 설정으로 인하여 아크 또는 누설전류로 발생할 수 있는 핵연료봉의 용접 품성 저하를 방지할 수 있다.

Description

핵연료봉 제조용 용접장치{WELDING APPARATUS FOR PRODUCING A FUEL ROD}

본 발명은 핵연료봉 제조용 용접장치에 관한 것으로, 특히 봉단마개와 피복관을 용접하는 과정에서 용접 비드(weld bead) 발생을 방지하여 용접 공정 이후에 용접부에 대한 연삭 공정을 배제할 수 있는 용접장치에 관한 것이다.

핵연료봉은 원통 형상을 갖는 지르코늄 합금의 피복관 내에 펠렛 형태의 소결체를 다수 장입하고 피복관의 양단을 봉단마개로 용접하여 밀봉 제작된다.

이러한 핵연료봉은 지지격자 내에 복수 개가 일체로 지지되어 핵연료 집합체로 제작되어 원자로 내에 장입되며, 따라서 제작된 핵연료봉은 지지격자와 조립 시에 간섭이 발생하지 않도록 거친 표면에 대한 연삭 가공이 이루어진다.

도 1은 피복관과 봉단마개가 용접된 상태를 보여주는 사진으로, 피복관과 봉단마개의 용접 부위에는 고리 형태의 돌출 형성된 비드(bead)가 발생되며, 이러한 비드는 지지격자와 조립 시에 격자판과 직접적인 간섭이 발생되므로 지지격자와의 조립공정 전에 반드시 제거가 되어야 한다.

예를 들어 공개특허공보 제10-2011-0054432호(공개일자: 2011.05.25)는 피복관과 봉단마개의 용접부위의 비드를 연삭하는 과정 중에 발생하는 칩(chip)을 용이하게 제거하고 냉각 효율을 개선하여 연삭 부위의 기계적 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 핵연료봉의 봉단마개 용접부 가공장치를 제안하고 있다.

이와 같이 핵연료봉의 제작공정에서 피복관과 봉단마개의 용접 시에 발생되는 비드 제거작업은 핵연료봉의 생산성과 효율성의 개선을 위하여 중요한 문제로 고려된다.

일반적으로 피복관과 봉단마개의 용접은 저항용접이 사용되고 있으며, 한 쌍의 전극을 이용하여 피복관과 봉단마개를 서로 가압하고 한 전극으로부터 피복관과 봉단마개를 통해 다른 전극으로 전류를 통과시켜 피복관과 봉단마개를 영구 접합하게 된다.

한편 한 쌍의 전극은 관통홀이 형성되어 피복관이 관통홀 내에 위치하게 되는 튜브전극과 봉단마개를 고정하는 마개전극으로 구성되며, 튜브전극의 관통홀은 개구단에 모따기(chamfer)가 형성되어 관통홀 안쪽으로 원추 형상의 경사면이 형성되며, 이와 같이 튜브전극에 형성된 관통홀의 원추 형태의 공간은 피복관과 봉단마개의 용접 과정에서 생성되는 비드의 형태를 결정하게 된다.

이에 피복관과 봉단마개의 용접이 이루어지는 튜브전극의 개구부 형태를 개선하여 피복관과 봉단마개의 용접 후에 용접 부위에 예리하게 돌출 형성된 비드가 발생되는 것을 방지하여 용접 이후에 별도의 연삭 공정을 배제할 수 있도록 하는 제안이 있다.

예를 들어, 미국 특허번호 제5,513,230호(특허일자: 1996.04.30)는 연료봉 제작용 용접장치를 제안하고 있다.

도 2는 상기 미국 특허에서 개시하고 있는 용접장치의 단면 구성도로써 종축(5)을 기준으로 상부와 하부는 각각 용접 전후 상태를 보여주고 있다. 도 2를 참고하면, 튜브전극(2)은 관통홀(3)이 형성되어 피복관(4)이 삽입 위치하게 되며, 튜브전극(2)과 대향하여 수평 이동이 가능한 마개전극(7)이 마련되고 봉단마개(8)가 피복관(4)의 종축(5) 방향과 일치하도록 봉단마개(8)를 고정 지지한다. 마개전극(7)은 캐리어 바디(6)에 고정되어 튜브전극(2)에 대해 종축(5) 방향으로 전후 이동이 이루어진다.

이러한 종래기술에 따른 용접장치는 피복관(4)과 봉단마개(8)의 용접이 이루어지면 용접부위가 예리하게 돌출되는 것이 아니라 일정 폭의 원통 형상을 갖는 비드(12)가 형성되며, 이러한 비드(12) 형상은 별도의 연삭 가공 없이 핵연료봉에 남아서 지지격자와 간섭 없이 조립이 이루어질 수 있다.

공개특허공보 제10-2011-0054432호(공개일자: 2011.05.25)

미국 특허번호 제5,513,230호(특허일자: 1996.04.30)

본 발명은 이러한 종래의 핵연료봉 제조용 용접장치를 개선하여 봉단마개와 피복관을 용접하는 과정에서 용접 비드(weld bead) 발생을 방지하면서도 전극과 봉단마개의 미세한 갭 설정으로 인하여 발생할 수 있는 아크 또는 용접전류의 누설을 방지할 수 있는 핵연료봉 제조용 용접장치를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료봉 제조용 용접장치는, 피복관이 삽입 위치하도록 관통 형성된 관통홀이 형성된 튜브전극과, 상기 피복관 일단과 용접 고정이 이루어지는 봉단마개를 고정하는 마개전극을 포함하여 피복관과 봉단마개를 용접하기 위한 용접장치에 있어서, 상기 튜브전극은 상기 관통홀을 감싸도록 몸체의 표면 일부에 절연체가 마련되며, 상기 절연체는 개구부에 상기 관통홀보다 큰 직경을 가지며 인입 형성된 스텝을 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 절연체는 상기 마개전극과 대면하도록 상기 튜브전극의 몸체 일면에 부착되며, 보다 바람직하게는, 상기 절연체는 관통홀을 중심축으로 하는 고리 형상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 절연체는 세라믹 소재인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는, 산화지르코늄인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료봉 제조용 용접장치는, 피복관이 삽입 위치하도록 관통 형성된 관통홀이 형성된 튜브전극과, 상기 피복관 일단과 용접 고정이 이루어지는 봉단마개를 고정하는 마개전극을 포함하여 피복관과 봉단마개를 용접하기 위한 용접장치에 있어서, 튜브전극은 봉단마개와 아크 또는 용접전류의 누설을 방지할 수 있도록 절연체가 마련됨으로써 튜브전극과 봉단마개 사이의 미세한 갭(gap) 설정으로 인하여 핵연료봉의 용접 품성 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 종래기술의 용접장치에서 피복관과 봉단마개가 용접된 상태를 보여주는 사진,
도 2는 종래기술에 따른 용접장치의 단면 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 용접장치의 단면 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 용접장치에 있어서 튜브전극의 평면 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 용접장치에 있어서 피복관과 봉단마개의 조립 전 상태를 보여주는 단면 구성도,
도 6의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따른 용접장치에 있어서 튜브전극에 사용된 절연체의 재질에 따른 연료봉의 용접 부위를 보여주는 사진.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 용접장치는 피복관(110)이 삽입 위치하도록 관통 형성된 관통홀이 형성된 튜브전극(210)과, 피복관(110) 일단과 용접 고정이 이루어지는 봉단마개(120)를 고정하는 마개전극(220)을 포함한다.

튜브전극(210)과 마개전극(220)은 각각 전기 전도도가 우수한 구리 전극이 사용될 수 있으며, 특히 튜브전극(210)에는 관통홀을 감싸도록 몸체(211) 일부에 절연체(212)가 마련된다.

절연체(212)는 마개전극(220)과 대면하도록 튜브전극(210)의 몸체(211) 일면에 부착되는 것이 바람직할 것이다.

절연체(212)는 관통홀을 감싸도록 몸체의 표면 일부에 마련되며, 개구단에는 피복관(110)과 일정 간격(d) 이격되어 스텝(S)이 형성된다.

피복관(110)과 봉단마개(120)는 중심축(CL) 상에 나란하게 정렬되어 배치되어 용접이 이루어지며, 이때 피복관(110)은 튜브전극(210)의 관통홀 내에 삽입되어 위치하게 되며, 봉단마개(120)를 고정하는 마개전극(220)은 캐리어 바디(230)에 고정 지지되어 전진하여 피복관(110)과 봉단마개(120) 사이의 저항용접에 의해 용접이 실시된다.

도 4는 본 발명에 따른 용접장치에 있어서 튜브전극의 평면 구성도이다.

도 4를 참고하면, 튜브전극(210)은 관통홀(H)을 감싸도록 몸체의 표면 일부에 절연체(212a)(212b)가 마련되며, 이 절연체(212a)(212b)는 관통홀(H)과 연통되는 개구부 측에 관통홀보다 큰 직경(D1>D2)(D1:스텝의 개구부 직경)(D2:관통홀의 직경)을 갖는 스텝(S)이 인입 형성된다.

이러한 절연체(212a)(212b)는 관통홀(H)을 중심축으로 하는 고리 형상을 갖는다.

본 실시예에서 튜브전극(210)은 상하 대칭되도록 제1전극(211a)과 제2전극(211b)으로 구성되며, 제1전극(211a) 및 제2전극(211b) 각각에는 반원호 형상의 제1절연체(212a)와 제2절연체(212b)가 구비됨을 보여주고 있다.

바람직하게는 본 발명에서 절연체는 세라믹 소재가 사용되며, 보다 바람직하게는, 절연체는 산화지르코늄을 소재로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 용접장치에 있어서 피복관과 봉단마개의 조립 전 상태를 보여주는 단면 구성도이다.

도 5를 참고하면, 튜브전극(210)에 피복관(110)이 삽입되어 위치하며, 봉단마개(120)는 마개전극에 지지되어 피복관(110) 측으로 이송되며, 한편 봉단마개(120)는 피복관(110) 접촉 부위에 가이드 경사면(121)을 가지며, 가이드 경사면(121)이 피복관(110) 일측 단부와 접촉되어 봉단마개(120)는 피복관(110)과 가압이 이루어져 용접이 이루어진다.

다른 한편으로 봉단마개(120)가 피복관(110) 측으로 이송 과정에서 봉단마개(120)가 튜브전극(210)과 접촉이 있을 수 있으며, 이때 튜브전극(210)에 마련된 절연체(212)에 의해 봉단마개(120)가 튜브전극(210)의 몸체(211)와 직접 접촉되는 것을 방지하여 아크(arcing)나 용접전류 누설을 방지할 수 있다.

특히 한국표준형 개량핵연료(PLUS7)는 피복관과 봉단마개의 직경(D)이 동일하며, 따라서 튜브전극과 봉단마개의 갭(gap)이 1㎜ 이내로 매우 가까워서 아크나 용접전류의 누설이 발생될 여지가 많으며, 따라서 튜브전극에 마련된 절연체(212)는 봉단마개와의 절연을 통해 아크나 용접전류의 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 6의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따른 용접장치에 있어서 튜브전극에 사용된 절연체의 재질에 따른 연료봉의 용접 부위를 보여주는 사진으로, (a)는 엔지니어링 플라스틱(PEEK)을 사용한 것이며, (b)는 절연 박막코팅(Diamond-like Carbon: CLC)을 사용한 것이며, (c)는 세라믹(산화지르코늄)을 사용한 것이다.

튜브전극의 절연체로써 엔지니어링 플라스틱을 절연 소재로 사용한 경우(a)는 절연체와 전극 사이로 비드가 많이 돌출되어 형성됨을 알 수 있으며 또한 용접열에 의해 절연체에도 손상이 발생되어 본 발명의 튜브전극의 절연 소재로는 적합하지 않음을 확인할 수 있었다.

튜브전극의 절연체로써 절연 박막코팅을 사용한 경우(b)에는 일정 폭의 원통 형상의 비드가 발생되어 용접 후에 별도의 연삭가공을 필요로 하지 않아서 용접 품질은 우수함을 확인할 수 있었으나, 반복적인 용접 시에는 박막코팅이 벗겨지는 현상이 발생되어 절연체의 내구성에서 세라믹 소재와는 성능이 떨어지는 것을 확인하였다.

튜브전극의 절연체로써 산화지르코늄의 세라믹 소재를 사용한 경우(c)에는 용접 후에 별도의 연삭가공을 필요로 하지 않는 정도의 우수한 용접성을 확인할 수 있었으며, 절연 박막코팅과 대비하여도 절연체의 내구성이 우수함을 확인할 수 있었다.

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.

110 : 피복관 120 : 봉단마개
210 : 튜브전극 211 : 몸체
212 : 절연체 220 : 마개전극
230: 캐리어 바디 H : 홀
S : 스텝

Claims

피복관이 삽입 위치하도록 관통 형성된 관통홀이 형성된 튜브전극과, 상기 피복관 일단과 용접 고정이 이루어지는 봉단마개를 고정하는 마개전극을 포함하여 피복관과 봉단마개를 용접하기 위한 용접장치에 있어서,
상기 튜브전극은 상기 관통홀을 감싸도록 몸체의 표면 일부에 절연체가 마련되며, 상기 절연체는 개구부에 상기 관통홀보다 큰 직경을 가지며 인입 형성된 스텝을 포함하는 핵연료봉 제조용 용접장치.
제1항에 있어서, 상기 절연체는 상기 마개전극과 대면하도록 상기 튜브전극의 몸체 일면에 부착되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조용 용접장치.
제2항에 있어서, 상기 절연체는 관통홀을 중심축으로 하는 고리 형상인 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조용 용접장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체는 세라믹 소재인 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조용 용접장치.
제4항에 있어서, 상기 세라믹 소재는 산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 핵연료봉 제조용 용접장치.