KR910007153B1

KR910007153B1 - 펄스식 레이저 용접장치

Info

Publication number: KR910007153B1
Application number: KR1019830004112A
Authority: KR
Inventors: 에이.밀러 리차드; 디.부커 죠지
Original assignee: 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이숀; 죠오지 메크린
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1983-09-01
Publication date: 1991-09-18
Also published as: US4560856A; EP0102834B1; EP0102834A3; ZA836159B; JPS59156591A; KR840006139A; ES8501274A1; JPH029553B2; ES525266A0; EP0102834A2; FR2532216B1; BE897647A; FR2532216A1; BR8304835A; DE3380206D1

Abstract

내용 없음.

Description

펄스식 레이저 용접장치

제1도는 본 발명에 따라 만들어진 다수의 그리드들을 합친 핵연료 묶음 집합체의 사시도.

제2a~2e도는 제1도의 연료집합체의 조합된 본 발명에 따른 핵연료봉 그리드의 사시도, 평면도, 측단면도, 분해사시도 및 분해부품 배열도.

제3a-3l도는 제2도에 도시한 바와 같은 핵연료봉 그리드의 용접순서를 도시하는 사시도.

제3m도는 레이저 비임(profile)의 파형도.

제4도는 단레이저원으로부터의 레이저 비임을 시분할 식으로 2개의 피가공물인 연료봉 그리드.

제5a 및 5b도는 CPU에 응답하는 주변장치의 관계를 도시하는 개략도.

제6a 및 6b도는 "부분 프로그램"의 서브루우틴.

제7a, b 및 c도는 M,S및 T코드에 의해 명령되는 "레이저 모드를 세트", "레이저 전력을 세트" 및 "레이저 용접 실행"의 서브루우틴.

제8a도 및 8b도는 정확히 줄맞춤된 상태와 그렇지 않게 정돈된 레이저 방사에 대해 교차용접으로부터 반사된 에너지 그래프.

제9a도 및 9b도는 레이저 방사로 인한 교차용접부에 대한 내부 그리드 측면도.

제10a도 및 10b도는 제5b도에 도시된 셔터 제로회로의 상세한 회로도.

제11a 내지 11g도는 제10a도 및 10b도에서 도시되는 셔터제어회로의 요소에서 지시되는 신호.

제12a, b 및 c도는 용접줄맞춤 검출회로의 상세한 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 핵연료 집합체 16 : 연료봉 그리드

20 : 내측 그리드 스트랩 22 : 외측 그리드 스트립

108 : 용접실 178 : 레이저 비임

186 : 여기램프 212 : BRH셔터

218 : 더모파일 560 : CPU

592 : 레이저 제어시스템 1408 : 샘플 및 홀드회로

1410 : A/D변환기 1428 : 카운터

본 발명은 심도깊게 강력한 용접을 보장하도록 레이저 비임의 펄스를 발생시켜 피가공체 위에 인가하는 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 레이저 에너지와 피가공체에 인가되는 레이저 펄스의 수를 정확히 제어하여 피가공체를 용접하는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 피가공체는 핵연료 집합체와 같은 것이고, 그 용접부위는 그리드 스페이서(spacer)의 교차점과 같은 부위이다.

본 발명의 정밀한 레이저 가공장치는 일반적으로 제1도에 도시된 바와 같은 핵연료 집합체(10)를 제조하는데 사용된다.

먼저, 핵연료 집합체(10)의 구조 및 그 제조에 관하여 설명하면 다음과 같다. 핵연료 집합체(10)는 제1도에 도시된 바와 같이 상,하측 노즐 조립체(12),(14)와, 그 사이에 위치하는 핵연료봉(18)으로 구성되고, 그 핵연료봉(18)은 다수의 연료봉 그리드(16)에 의해 행렬로 집합 배열되어 있다. 제1도에 도시되지는 않았지만, 또한 핵연료봉(18)의 배열중 선택된 위치에는 제어봉이 설치되어 있다. 노즐조립체(12),(14)와 연료봉 그리드(16)는 함께 핵연료봉(18)과 제어봉을 지지하기 위한 프레임을 구성한다. 핵연료 집합체(10)는 원자로내의 선택된 위치에 설치되는데, 그때 핵연료봉(18)간의 배치관계가 엄밀하게 제어되어야 한다.

상기 연료봉 그리드(16)가 제2a도 내지 2e도에 상세히 도시되는데, 특히 본 발명의 레이저 가공장치는 그 일 실시예로서 상기 연료봉 그리드(16)를 제조하는데 사용된다. 제2a도 내지 2e도를 보면, 상기 연료봉 그리드(16)는 대체로 정방형으로 되어 있고, 그 둘레는 4개의 외측 그리드 스트랩(22)에 의해 형성되는데, 그 외측 그리드 스트랩(22)의 각 단부는 수직으로 위치된 외측 그리드 스트랩의 단부와 용접되어 코너시임용접부(30)를 형성하게 된다. 또한 다수의 내측 그리드 스트랩(20)이 서로 수직을 이루는 행렬로 배열되어, 제어봉과 핵연료봉(18)을 수용할 수 있는 다수의 셀(cell)을 형성하고 있다. 또한 각각의 내측 그리드 스트랩(20)은 그에 대해 수직으로 위치될 내측 그리드 스트랩(20)을 수용할 수 있도록 각각의 교차점(24)에도 보조슬롯을 가지고 있다. 또한 상기 교차점(24)에는 교차용접부(32)가 형성되므로써, 견고한 계란상자형 구조를 형성시켜 준다. 또한 각각의 내측 그리드 스트랩(20)의 각 단부에는 한쌍의 랩(26)이 형성되어 있는데, 상기 랩(26)은 제2a도에 도시된 바와 같이 외측 그리드 스트랩(22)에 상,하로 열을 지어 형성된 슬롯(28)에 꼭맞게 삽입될 수 있는 크기 및 형상을 가지고 있고, 상기 각각의 슬롯(28)을 따라 슬롯 및 랩 용접부(34)가 형성되어 있다.

또한, 연료봉 그리드(16)의 슬리브 측면에는 다수의 안내 슬리브(36)가 설치되어 제어봉을 수용 및 안내하도록 되어 있으며, 상기 안내 슬리브(36)는 일련의 노치 시임 용접부(40)에 의해 내측 그리드 스트랩(20)내에 형성된 노치(38)에 고착되게 된다. 본 발명의 레이저 가공장치는 특히 용접부(30),(32),(34),(40)를 형성시키게 하는 일련의 용접작업을 제어하는데 사용되는 것으로, 레이저를 발생시키게 하는 일련의 용접작업을 제어하는데 사용되는 것으로, 레이저를 발생시키게 하는 여러 매개변수, 즉 펄스폭, 각 레이저 펄스의 펄스높이 그리고 각 용접부에 가해지는 펄스수를 제어할 뿐만 아니라 레이저 비임에 대한 연료봉 그리드(16)의 연속된 위치선정을 제어하게 된다. 하나의 용접부가 형성된 후에는, 다음에 요구되는 용접부를 형성시키기 위하여 연료봉 그리드(16)의 위치를 이동시키거나, 레이저 비임의 촛점을 변화시킨다.

제2b도 및 2c도에 도시된 바와 같이, 내측 그리드 스트랩(20)에는 그의 길이 방향으로 서로 평형하게 다수의 탄성 핑거(44)가 배치되어 있으며, 각각의 탄성 핑거(44)의 양측에는 한쌍의 이격 핑거(46)가 위치되어, 탄성 핑거와 함께 교차하는 내측 그리드 스트랩(20)에 의해 형성되는 셀내에 배치되는 핵연료봉(18)을 탄성 파지하도록 작용하게 된다. 제2c도의 우측에 도시된 바와 같이, 탄성 핑거(44a)는 이격 핑거(46a)와 마주보게 위치되어, 이격 핑거(46a)와의 사이에 핵연료봉(18)을 탄성 지지시키게 된다.

제2d도에는 내측 그리드 스트랩(20)간에 조립방식 및 외측 그리드 스트랩(22)과 내측 그리드 스트랩(20)의 조립방식이 도시되어 있다. 각각의 내측 그리드 스트랩(20)은 다수의 보조 슬롯(52)을 구비하는데, 각각의 상층 그리드 스트랩(20a)은 하측으로 열린 다수의 슬롯(52a)을 갖게되며, 반면에 각각의 하측 그리드 스트랩(20b)은 상측으로 열린 다수의 슬롯(52b)을 갖게되며, 상기 슬롯(52b)은 그에 대응하는 슬롯(52a)내에 수용될 수 있는 크기 및 형상으로 되어있다. 또한 이미 상술한 바와 같이, 내측 그리드 스트랩(20)의 각 단부에는 외측 그리드 스트랩(22)의 슬롯(28)내에 수용되는 한쌍의 랩(26)이 형성되어 있다.

후술하는 바와 같이, 내측 그리드 스트랩(20)들은 돌출랩(48)과 랩부(50a),(50b)에 형성되는 교차용접부(32)에 의해 서로 용접되게 된다. 즉, 내측 그리드 스트랩(20a),(20b)를 조립하면 돌출랩(48)이 그에 대응하는 랩부(50a),(50b)사이에 위치하게 되고, 따라서 돌출랩(48)과 랩부(50a),(50b)에 레이저 비임을 인가하여 교차용접부(38)를 오염없이 견고하게 형성함으로서 내측 그리드 스트랩(20)간의 용접이 이루어진다. 또한 외측 그리드 스트립(22)의 각 단부에는 코너랩(54)이 형성되는 바, 제2d도에 도시된 바와 같이 외측 그리드 스트랩(22b),(22c)은 각각 코너랩 (54b),(54c)을 갖게되며, 외측 그리드 스트랩의 조립시 상기 코너랩(54b),(54c)은 서로 겹쳐져 시임 용접되므로써, 제2e도와 같은 코너 시임 용접부(30)를 형성하게 된다.

제2c도 및 2e도에 도시된 바와 같이, 연료봉 그리드(16)의 베인축부로부터는 베인(42)이 돌출되어, 핵연료봉(18)을 지나 통과하는 물의 난류성을 증대시키도록 작용한다. 또한 제2c도에 도시된 바와 같이, 안내 슬리브(26)가 위치하는 셀에는 탄성 핑거(44)나 이격 핑거(46)가 제공되어 있지 않아, 제어봉은 셀 및 안내 슬리브(36)를 통해 자유롭게 이동할 수 있게 된다.

미합중국 특허 제3,966,550호 및 제3,791,466호에는 상술한 바와 유사한 형태로 된 종래의 연료봉 그리드에 관해 기재되어 있는데, 여기서는 내,외측 그리드 스트랩은 인코넬(Inconel)과 같은 적당한 금속합금으로 제조되어, 그 각 연결부는 노안에서 경납땜된다(furnace brazing) : 그러나, 지르코늄 합금인 지르칼로이(Zircaloy)는 중성자 흡수단면이 낮다는 바람직한 특성이 있어 실용적인 면에서 핵연료봉의 효율을 더욱 높일 수 있으며, 따라서 핵연료봉의 대체기간이 더욱 길어진다. 특히 연료봉 그리드는 인코넬로 만든것보다 지르칼로이로 만든 것이 연료봉에서 발생된 중성자의 보다 낮은 흡수율을 갖는다. 그러나, 지르칼로이로 연료봉 그리드를 만들기 위해서는 연료봉 그리드의 조립체가 적어도 몇가지 점에서 변경되어야 한다.

즉, 지르칼로이로 된 그리드 스트립은 해머등을 사용해 요구되는 위치에 강제로 억지끼움을 할 수 없으므로 내측 그리드 스트랩간의 교차부분에 공차가 큰 슬롯을 형성하여, 서로 교차시켜야 하고 그리드 스트랩을 "밀어끼움(push-fit)"하기 위해서는 끼워맞춤을 잘 조절해야 한다. 또한 지르칼로이를 경납땜용 합금의 용융 온도까지 가열시키게 되면 지르칼로이가 어니일링되어 기계적 강도가 손실되기 때문에, 지르칼로이로 된 그리드 스트랩은 경납땜을 할 수 없다.

특별한 용접방법을 선택하기 전에, 지르칼로이(Zircaloy)와 같은 휘발성 물질을 용접하는 몇가지 다른 방법 즉 CO₂레이저에 의한 연속용접 Nd : YAG레이저 펄스방출, 개스 텅스텐 용접, 전자비임 용접을 포함하는 방법들이 연구되었다. 펄스식 전자비임은 마이크로초와 수밀리초 범위의 펄스폭에서 10⁹W/cm²의 출력밀도로 할 수 있다. 하지만, 종래의 전자비임에 의한 용접은 설치비용이 고가인 진공상태에서 수행되어야하고 또 요구되는 진공상태를 확립하기에 긴 시간이 필요하므로 연료봉 그리드의 제조가 늦어진다. 또한 전자비임에 관하여 3차원으로 피가공체 예를 들어 연료봉 그리드를 상대적으로 이동시키는 것이 필요하게 되며, 즉 복잡한 그리드 위치 시스템을 필요로 하게된다.

전자비임을 연속사용하는 경우 비교적 낮은 출력(200W정도)을 공급하여 비교적 긴 용접시간이 필요하며 침투깊이가 매우 낮다. 개스텅스텐 아아크를 사용할 때도 역시 이런점이 고려되어 소정수, 예를들어 25의 용접부를 형성한 후에 소망의 정밀 아아크를 발생시켜 다수의 잘 형성된 용접부를 생성하고 인접한 그리드 스트랩 즉 연료봉 그리드의 베인(Vain)의 손상을 방지하도록 아아크 전극을 예리하게 할 필요가 있다는 점에서 일련의 용접을 하기위해서 받아들일 수 없다고 판명된다. 일반적으로 용접에 사용되는 레이저에는 2가지 형이 있다 : (1)본 발명에 의해 고려되고, 네오디늄으로 도핑처리된 이트륨-알루미늄-석류석(yttrium-aluminum-garnet)의 크리스탈봉을 사용한 고체상태 Nd : YAG레이저와 (2)레이저 매체로서 CO₂-N_2-He 혼합물을 사용한 CO₂레이저가 있다. Nd : YAG레이저의 본래 잇점은 그 방사가 파장 1.06마이크론이며 길이순으로 레이저를 방사하는 것이고, 유리가 그 레이저 방사에 대하여 투과성이 있다는 점이다. 이런 특성은 광학적 관찰과 레이저 접속용으로 동일한 광학 소자를 사용하는 동축 현미경의 사용을 가능하게 한다.

추가로, 펄스식 Nd : YAG레이저는 200펄스/초 이내의 펄스주파수의 400W의 평균전력으로 또 7밀리초 이내에 대하여는 8000W를 초과하는 피크전력 즉 최대전력을 할 수 있다. 이러한 피크전력은 Nd : YAG레이저로 하여금 확실한 용접을 하게하고 그로인해 핵연료봉 그리드의 용접 스트랩에 대한 구조적 안전을 보장한다. 이와 같은 레이저들은 셔터를 열어놓은 대로의 냉온시동(cold start)으로부터 동작될 수도 있고, 그에 의해 용접시간은 전력이 플래쉬 램프에 인가되는 시간에 의해 결정된다. 이런식의 용접방법은 특히 각 용접에 대한 0.8초의 레이저 봉의 예열시간 때문에 일련의 비교적 고속의 용접에 응용될 수 없다. 또한 열평형 상태가 레이저 봉내에 달성될 때까지 광로장 변화가 발생한다. 본 발명에서 고려되는 제2동작방법은 Nd : YAG레이저로 하여금 셔터를 사용해서 고정펄스수 "픽 오프(pick off)"에 해당하는 연속펄스를 방출하므로서, 레이저 봉의 상승시간을 제거하고, 여러 횟수라 할지라도 획일화된 용접이 이루어지도록 보장하는 방법이다.

종래의 자동 레이저 용접장치의 대표적인 예로는 미합중국 특허 제3,555,239호를 들 수 있는데, 여기서는 용접공정 뿐마 아니라 가공물의 위치까지 디지털 컴퓨터에 의해 제어되도록 되어있다. 또한, 상기 특허에는 가공물에 대한 X축을 따른 축방향 이동, Y축을 따른 전후방 이동, 그리고 Z축을 따른 수직방향 이동을 제어하면서 레이저 비임을 제어하는 방식에 관해 기재되어 있다. 전형적으로, 펄스 구동모터가 디지털 컴퓨터에 의해 작동하게 되면, 가공체가 선택된 축을 따라 선형으로 이동하도록 되어 있으며, 용접은 제어된 분위기에서, 특히 용접실내로 유입되는 가스의 흐름 및 압력을 디지털 컴퓨터에 의해 제어하도록 하는 상태에서 이루어지게 된다. 또한, 펄스를 계수하도록 계수기를 사용함으로써, 가공체에 인가되는 레이저 펄스의 수를 제어할 수 있게 되어 있다.

후지타등의 미합중국 특허 제4,263,495호에는 용접시에 용접부위 즉 2개의 광섬유사이의 시임으로 향하게 되는 레이저 비임의 출력을 측정하기 위하여 상기 용접부위로부터의 방사를 수용하도록된 포토다이오드를 이용하는 것이 기재되어 있다.

미합중국 특허 제4,088,890호는 레이저 방사를 제어할 수 있는 프로그램이 가능한 제어기에 관한 것이 기재되어 있는데, 그중 특히 고성능 비임셔터의 제어에 관해 설명하고 그 제어에 의해 요구되는 레이저 방사량이 가공체 위에 가해진다는 것에 관해 기재하고 있다. 이 특허는 또한 수직축을 따른 가공체의 직선이동과, 그것에 의해 이루어지게 된다.

특히 워터의 특허에는 레이저 용접헤드의 상류측 45^o수직축선과 동일한 레벨로 각각 설치된 제1조의 돌기센서에 의해 용접영역을 형성하는 것이 기재되어 있다. 특히, 돌기센서는 용접영역의 개시, 즉 인접한 2개의 돌기사이를 지시하기 위한 높은 출력을 제공한다. 돌기가 회전된 후에 돌기센서가 돌기 후연의 통과를 지시하기 위해 레이저 반사의 손실이 돌기센서에 의해 검출된다. 돌기의 전연 및 후연 회전후 돌기센서는 인접한 2개의 돌기사이의 위치에서의 레이저 방사를 통제하는 셔터를 제어한다.

추가로 제공되는 레벨측정 센서의 세트에 의해서, 수직축을 따라 운송하는 피가공체는 레이저 헤드에 응답해서 맞추어진 수직위치에 있는 인접한 돌기사이에 배치되도록 제어된다. 특히, 레벨 측정 센서는 2개이 돌기사이를 통과할 때, 반사된 방사출력의 실제적인 감소를 검출하고, 이것에 의해 수직축을 따라 이송되는 직선운동이 정지된다.

시드벡 등의 미합중국 특허3,858,025호에는 전자용접 형태인 용접기구에 응답해서 피가공체의 위치를 결정하는데 보조하는 2개의 적외선 센서의 이용에 대해 기재되어 있다. 피가공체는 2개의 얇은 시이트로 형성되는데 얇은 시이트는 2개의 얇은 시이트사이에 용접위치를 형성하기 위해 위치해 있는 용접전극과 함께 서로에 대해 T자 형상으로 배치된다. 특히 1쌍의 적외선 센서는 용접 퍼들 열 (welding puddle head)의 불평형을 검출하기 위해 수직으로 배치된 피가공체의 시이트 영역에 배치된다. 상기 불평형을 검출하고 그에 따라 용접전극을 재위치 결정하도록 적절한 회로가 적외선 센서의 출력부에 접속된다.

전술한 종래 기술의 검출장치는 주로 시임용접에 관한 것이고, 여기서 2개의 피가공체사이의 용접위치가 제어된다. 특히, 종래의 기술은 시임용접을 개시하고 종료시키는 것 뿐만 아니라 레이저 헤드에 대하여 시임을 위치결정하는 것을 대상으로 한다. 그에 비해, 본 발명은 대표적인 점용점의 형식에 있어서 레이저 광로에 대하여 가공위치를 정확하게 정열하는 것을 대상으로 한다.

전술한 바와 같이, 용접되는 피가공체는 연료봉 그리드(16)의 형태이고 가공위치는 내측 그리드 스트랩(20)들 사이의 교차점(24)을 구비하고, 거기서 용접(32)이 실행된다.

후에 설명하겠지만, 어떤 교차점(24)이라도 레이저 광로에 응답하여 제대로 정열되지 않으면, 교차되는 내측 스트랩(20)은 서로 용접되지 않아 결함있는 그리드를 제공하게 된다. 그래서 교차점(24) 1개만을 정열하는 것이 아니라 이러한 교차점(24) 다수를 정열하는 것이 요구된다. 이점에 관해서는, 즉 1쌍의 X 및 Y축 위치 조정수단이 레이저를 수신하는데 사용되고 연료봉 그리드의 위치를 이동시키며, 이것에 의해 교차점(24)이 정확히 정열된다.

따라서 본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점을 해소하게끔 용접부의 품질을 높이고, 특히 깊숙한 용접 및 피가공체의 구조적 일체감 즉 구조적 완전도를 제공하도록 피가공체를 레이저 용접하는 신규의 개량된 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 레이저 비임을 방지하기 위한 단일 시분할 레이저 원(170)과 레이저 비임을 다른 레이저 광로를 따라 저항하도록 작동하는 비임지향 수단(172) 및 각 레이저 광로에 배치된 레이저 비임집속 장치를 포함하는 레이저 용접장치에 있어서, 서로 분리되어 있고 실제로 구별되며 다른 하나에 독립되어 별도의 피가공체를 수용하도록 되어 있는 제1 및 제2가공구역(108a,108b) 및 상기 비임지향 수단이 레이저 비임을 상기 레이저 광로중의 하나를 따라서 지향하도록 하고 또 상기 하나의 레이저 광로와 연결된 가공구역내에서 피가공체상의 용접작업을 제어하도록 하는 다수의 컴퓨터 제어기(J22-41 및 42)를 포함하며, 상기 가공 구역의 각각은 다른 레이저 광로중 하나와 연관되어서 레이저 비임이 특정 레이저 광로를 따라 지향될 때 상기 특정 레이저 광로와 연관된 가공구역내에서 가공물에 집속되도록 배치되며, 상기 컴퓨터 제어기는 작동가능하게 상호접속되고 또 상기 비임지향 수단에 작동가능하게 접속되어 상기 컴퓨터 제어기중 단 하나가 한번에 상기 비임지향 수단을 이득제어하도록 하고 상기 각 켬퓨터 제어기가 그와 연결된 각 가공구역에서의 작동을 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치에 의해 달성된다.

제어된 다수의 레이저 펄스를 가공될 피가공체로 지향시키는 장치와 방법이 제공된다. 특히, 레이저 가공 장치는 여기 가능한 레이저원 일련의 레이저 펄스를 방사할 수 있도록 레이저를 계속 여기하는 여기램프를 구비한다. 피가공체로 레이저 펄스를 인가하는 것은 정확한 펄스수가 피가공체로 지향되게 개방되는 내부 공동셔터에 의해 제어된다. 주파수(REP RATE)와 레이저 펄스의 폭은 여기램프에 의해 제어되고, 차례로 정확한 깊이와 구조적 일체감에 대한 점진적 용접이 이루어지도록 설정된다.

본 발명의 실시예에 있어서, 펄스폭은 3-9ms로 설정되며 주파수는 1초당 15-25펄스 범위에서 설정된다. 레이저는 2000∼4000W의 범위의 피크전력을 갖는 펄스를 발생하도록 여기되고, 이것에 의해 심도있게 침투한 교차용접부가 점진적으로 형성된다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 본 발명의 레이저 용접장치는 2개의 교차하는 부재 즉 핵연료 집합체의 그리드 스트랩을 용접하기 위해 사용되며 상기 각 그리드 스트랩은 소모성의 돌출랩을 가지며 상기 2개의 부재의 랩들은 서로 정열되어 입사하는 레이저 비임은 상기 양 부재의 랩을 소모시켜 그 사이에 교점용접부를 형성한다.

전술한 실시예에 있어서, 상기 부재들은 18밀(mils)의 두께를 갖는 지르칼로이와 같은 물질로 만들어진다. 이러한 파라메타의 경우, 레이저 헤드는 1초당 20펄스(20pps)의 펄스율로 여기되고, 각 펄스는 6ms의 펄스폭과 2600W의 피크전력을 구비하므로, 적어도 70밀 침투깊이와 용접이 실행된다.

본 발명의 또 다른 특성을 보면, 피가공체의 가공구역에 공급되는 펄스수를 계수하는 셔터제어회로 형태의 제어수단이 구비되어 있는데 이 제어수단에 의해 기지의 제어가능한 에너지량이 각각의 가공구역으로 공급된다. 이같은 목적을 위해 레이저 펄스의 계수동작은 레이저 펄스의 완성후에 개시되며, 이러한 것에 의해 내부 공동셔터는 컴퓨터와 동기작동되지 않으며 레이저 방사와 동기작동되므로 정수개의 레이저 펄스만이 가공구역에 인가된다. 이런 방법으로 펄스수가 그에 따라 가공구역에 공급되는 에너지의 변화가 회피된다.

본 발명의 실시예에 있어서, 셔터제어회로의 계수기에 인가되는 선택된 주파수와 펄스폭을 갖는 일련의 타이밍신호를 발생하도록 레이저 제어회로가 제공된다.

타이밍 신호들은 레이저 펄스의 방사에 동기해서 발생되며, 특히 선택된 주파수와 펄스폭의 방사에 의해 레이저를 여기하는 레이저 램프의 작동용으로 이용된다. 계수기는 셔터가 열리면서 타이밍 신호를 계수하고 그리고 가공위치에서 요구되는 레이저 펄스수에 해당하는 숫자에 도달할 때까지 계수를 계속하고, 해당 숫자에 이르면 셔터는 닫힌다. 셔터제어회로에 인가된 신호에 의해 셔터가 열린다. 셔터제어회로는 다음 타이밍신호의 수신후 셔터를 여는 레이저 발사개시 신호에 응답하여 이것에 의해 단지 정수개의 레이저 펄스만이 셔터에 의해 피가공체의 가공구역으로 지향된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 레이저 발사개시 신호는 레이저 비임에 대하여 피가공체를 이동시키는 기구에 의해 발생되며, 특히 상기 이동기구가 레이저 광로에 대해 피가공체를 이동시키는 것을 정지하였을 때, 발생된다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 포토다이오드 형태의 방사감지 수단이 레이저 광로에 대해 정확하게 정열되는 피가공체의 가공구역으로부터 반사된 방사를 감지하기 위해서 레이저 광로에 대해 장착된다. 방사감지 수단이 방사감지 장치의 출력은 반사된 방사의 증가율을 결정하도록 가공구역의 가공동작중에 분석되고 그리고 증가율이 소정 수준이상이면, 레이저 광로가 가공구역에 대해 정확하게 정열되었음을 지시하는 것이다. 본 발명의 실시예에 있어서, 방사감지 장치의 출력은 샘플 및 제어가능한 간격으로 출력을 추출하여 이 출력이 레이저 광로와 정열된 가공구역을 지시하도록 가공단계중에 증가되는 최소 허용수준을 넘어서는지를 판정하여 그에따라 가공구역이 수용가능한지를 판정하는 홀드회로에 인가된다.

본 발명의 또다른 실시예를 보면, 레이저 램프 또는 램프들은 연속적으로 여기되고 펄스식 방사를 레이저에 방출하므로 그로인해 반복예열 시간이 제거된다. 피가공체로의 레이저 펄스의 공급은 내부 공동셔터에 의해 제어된다.

이 방법으로 레이저는 안정된 연속 여기 수준으로 작동하며, 이로인해 피가공체에 인가되는 레이저 펄스의 에너지 레벨이 정확하게 제어되고 그리고 레이저 봉의 예열시간을 필요로 하지 않고도 고속도로 용접을 할 수 있다.

이하, 본 발명의 양호한 실시예를 첨부된 도면을 참조로하여 상세히 설명된다.

상술한 바와 같이, 연료봉 그리드(16)는 제2a도 내지 2e도에 도시된 바와 같이 조립 및 용접되는 내,외측 그리드 스트랩(20),(22)으로 구성되어 있다. 각각의 그리드 스트랩(20),(22)은 슬릿재료의 연속된 롤을 펀칭하므로써 형성되며, 상기 펀칭 작업시에 일부 표면에 오일이 붙게 되는데, 그러한 오일막을 제거한 후에 스트랩을 풀림시키고, 그뒤에 다시 "그리드 조립체 지지구 및 스트랩 보유와 그의 방법"이란 명칭의 계류중인 출원에 기재된 바와 같은 고정체에 조립시킨다. 그뒤에, 그리드(16)와 고정체가 본 발병의 레이저 용접장치에 의해 순수불활성 분위기에서 용접되어 교차 용접부(32), 코너 시임 용접부(30), 슬롯 및 랩 용접부(34), 그리고 노치 시임 용접부(40)를 형성시킨다. 제3a도 내지 3l도에는 본 발명에 따른 불활성 개스 중에서의 용접공정이 차례로 도시되어 있다. 레이저 용접장치에 관해서는 뒤에서 상세하게 설명하겠지만, 그에 대한 이해를 용이하게 하기위해서는 피가공체 즉 연료봉 그리드(16)가 3차원적으로 조정된다는 것을 알아두어야 한다. 도면에 도시된 바와 같이, 연표봉 그리드(16)는 일평면상의 X,Y축을 따라 점진적으로 이동하면서, 선택적으로 Y축에 대해 회전하게 된다. 이러한 연료봉 그리드(16)의 운동은 고도로 순수하게 유지되는 불활성 개스의 분위기를 갖는 가공실내에서 이루어진다는 것을 주지해야만 한다.

제1용접 공정은 제 도에 도시되어 있는데, 그에 있어서 연료봉 그리드(16)는 용접실에 의해 형성되는 제어된 분위기내에 그의 베인(42)이 상측으로 연장되게끔 위치되게 된다. 용접 지지구는 "연료봉 그리드용 용접판"이란 명칭의 계류중인 출원에 기재되어 있는데, 그에 기재된 바와 같이 내,외측 그리드 스트랩(20),(22)은 용접작업중에 서로에 대해 고정되게 위치된다. 베인억제 지지구는 베인(42)을 편향시켜 용접고정구내에 위치시키게 하는데 사용되는 공구로서, "연료봉 그리드용 스트랩 및 베인 위치조정 지지구 및 그의 방법"이란 명칭의 계류중인 출원에 기재되어 있다. 요구되는 순도가 얻어질 때까지, 즉 물이 10ppm산소가 7ppm으로 될 때까지 용접실내로 아르곤 개스를 분사하여 분위기를 정화시킨다. 그리하여, 순수한 분위기가 얻어지면, 연료봉 그리드(16)를 X,Y축을 따라 점진적으로 증분이동시켜, 내측 그리드 스트랩(20)간의 각각의 교차점(24)을 레이저 비임(178)과 일렬로 정렬시킨 후에 제어된 양의 에너지를 그 교차점(24)에 공급하여 교차용접부(32)를 형성시킨다. 후술하는 바와 같이, 레이저 비임(178)은 펄스 Nd : YAG레이저에 의해 공급되는데, 상기 레이저는 그리드(16)에 특정 레벨의 에너지를 공급하도록 보정된 저수전압에 의해 작동하게 되는 펄스 여기램프에 의해 여기되게 된다. 특히, 내측 그리드 스트랩(20)의 교차점(24)에 공급되는 펄스의 수는 제어되어, 내측 그리드 스트랩(20)의 교차점(24)에 공급되는 펄스의 수는 제어되어, 6펄스의 레이저 비임이 가공체에 인가되어 교차용접부(32)를 형성하게 되며, 각각의 펄스는 6. 2ms의 펄스폭과 초당 20펄스 즉 20pps의 주파수와, 350와트의 평균전압과, 2,580와트의 최고전압 즉 피크전압을 갖는다. 교차용접부(32)는 연료봉 그리드(16)가 레이저 비임(178)에 대해 일렬로 정렬되었을 때 레이저 비임(178)을 인가함으로써 형성되게 된다.

다음 공정은 제3b도에 도시되는데, 그에 있어서 연료봉 그리드(16)는 후술하는 바와 같은 기구에 의해 Y축에 대해 90도로 회전하게 되며, 그럼으로써 제1세트의 슬롯 및 랩용접부(34)와 제1코너 시임용접부(30)가 형성되게 한다. 상기 용접부들은 시임용접부로서, 레이저 비임(178)을 연료봉 그리드(16)에 인가하면서, 그 연료봉 그리드(16)를 X축을 따라 이동시킴에 의해 형성되게 된다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 슬롯 및 랩용접부(34)는 펄스폭이 2.2ms, 펄스 주파수가 50pps, 평균전압이 350와트인 레이저 비임(178)을 분당 30인치 즉, 30IPM(76.2cm/min)의 이송율로 이동하는 용접부 그리드(16)에 인가했을 때 형성되게 된다. 제3b도에는 각각의 슬롯 및 랩용접부(34a)와 코너 시임용접부(30a)를 형성시키는데 요구되는 레이저 비임(178)의 상대위치가 도시되어 있다.

다음 공정은 제3c도에 도시되는데, 그에 있어서 연료봉 그리드(16)는 시계방향으로 회전되어, 반대쪽 외측 그리드 스트랩(22b)이 레이저 비임(178)에 대해 일렬로 정렬되게 되고, 따라서 제2세트의 슬롯 및 랩용접부(34b)와 제2코너 시임용접부(30b)가 형성되게 된다. 그뒤에는 제3a도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 반시계방향으로 90도 회전시켜 연료봉 그리드(16)와 그의 융접 지지구를 용접실로부터 제거시킨다.

제3b도 내지 3h도에 도시된 바와 같이, 유사한 방식의 용접공정이 또한 수행되게 된다. 즉, 상기의 제거 공정후에는 먼저, 연료봉 그리드(16)와 그의 용접지지구를 뒤집어 베인이 하측으로 향하게 하고 그뒤에 Z축에 대해 시계방향으로 90도 회전시켜, 용접되지 않은 외측 그리드 스트랩(22c)을 용접실의 문에 직면시킨다. 그리드(16) 및 그의 용접 지지구는 용접실 및 레이저 비임에 대한 견고한 위치에 고정시킨다. 먼저, 용접실내의 공기를 아르곤 개스에 의해 허용 순도까지 정화시키고, 그뒤에 제3e도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 일련의 단계를 거쳐 X,Y축을 따라 증분이동시켜 상술한 바와 같이 각각의 교차용접부(32)를 형성시킨다. 교차용접부(32)의 형성이 완료되면, 연료봉 그리드(19)를 Y축에 대해 반시계방향으로 90^o회전시켜 그의 외측 그리드 스트랩(22c)을 레이저 비임(178) 아래에 위치하게 하므로써, 제3세트의 슬롯 및 랩용접부(34c)와 제3코너 시임용접부(30c)를 형성시키게 한다.

그뒤에는 제3g도에 도시된 바와 같이, 연료봉 그리드(16)를 Y축에 대해 180^o회전시켜 제4외측 그리드 스트랩(22d)를 레이저 비임(178)에 대해 위치시킴으로써, 제4세트에 슬롯 및 랩용접부(34d)와, 제4코너시임 용접부(30d)를 형성시키게 한다.

다음에는 제3h도에 도시된 바와 같이, 연료봉 그리드(16)를 반시계방향으로 90^o회전시켜 원래 위치로 복귀시키고, 그뒤에 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 용접실로부터 제거시킨다.

제3i도 내지 3l도에는 연료봉 그리드(16)에 안내슬리브(36)를 용접시키는 공정에 관해 도시되어 있다. 먼저, 연료봉 그리드(16)를 제3a도 내지 3h도의 공정에 필요하였던 용접지지구로부터 분리시킨후에, 다시 슬리브 용접지지구에 설치시킨다. 상기 슬리브 용접지지구는 "노치를 가진 그리드 스트랩에 슬리브를 용접하여서 된 연료봉 그리드 "란 명칭의 계류중인 출원에 기재된 것으로서, 내측 그리드 스트랩(20)에 의해 형성된 셀중 안내슬리브(36)를 수용하도록 된 셀, 즉 제3j도에 도시된 바와 같이 주연부에 노치(38)를 가지고 있는 셀에 위치하게 되는 다수의 지지핀을 구비하고 있다. 특히, 지지핀은 안내슬리브(36)를 그 외측이 내측 그리드 스트랩(20)의 표면과 평행하게 그의 중앙에 위치할 수 있도록 정확히 위치시켜 주도록 작용한다. 이와 같이 하여, 안내슬리브(36)를 연료봉 그리드(16)에 대해 정확히 일렬로 정렬시켜 조립시킨 후에, 그리드(16)와 그의 슬리브 용접지지구를 용접실내에 위치시켜 용접실 및 레이저 비임에 대해 위치고정시킨다. 그런 연후에, 아르곤 가스로 공기를 요구되는 순도까지 배출시키고, 그뒤에 제3j도에 도시된 바와 같이 레이저 비임(178)의 경로에 대해 45^o의 위치에 고정시킨다. 그뒤에, 펄스폭이 6.2ms, 펄스주파수가 20pps, 평균전압이 255와트, 용접속도가 10IPM인 용접조건하에서 일련의 노치 시임용접부(40)를 형성시킨다. 레이저 비임(178)이 인가되는 동안 연료봉 그리드(16)는 Y축을 따라 상기의 속도로 이동하게 된다. 후술하는 바와 같이, 제3j도에 도시된 바와 같은 안내슬리브(36)의 각각의 수평열에 대해서는 레이저 비임(178)의 촛점을 다시 맞추는 것이 필요하다.

따라서, 일련의 노치 시임용접부(40)를 형성시키기 위해서는 먼저 연료봉 그리드(16)를 Y축을 따라 이동시켜 각각의 안내슬리브(36)를 레이저 비임(178)에 대해 위치시킨 후, 레이저 비임을 인가하여 노치 시임용접부(40)를 형성시키고, 그뒤에 연료봉 그리드(16)를 다시 이동시켜 다음 안내슬리브(36)를 레이저 비임(178)에 대해 위치시키도록 하여 상기의 공정을 반복하고, 그러한 계속된 반복공정에 의하여 제1수평열의 안내슬리브(36)에 대한 용접이 끝나게 되면, 연료봉 그리드(16)를 X축을 따라 이동시켜 다음열의 안내슬리브(36)를 레이저 비임(178)에 대해 일렬로 정렬시키게 되는데, 그런 후에는 레이저 비임(178)의 촛점을 노치 시임용접부(40)를 형성시킬 수 있게 다시 맞추는 것이 필요하다. 제3j도 및 제3k도에 도시된 바와 같이, 안내슬리브(36)는 4개의 노치(38)과 결합되며, 노치 시임용접부(40)는 안내슬리브(36)의 양측부에 형성된다.

안내슬리브(36)의 일측부에 대한 용접을 끝낸 후에는 그리드(16)를 제3k도에 도시된 바와 같이 반시계방향으로 90^o회전시켜 반대쪽 노치(38)를 레이저 비임(178)에 대해 노출시키게 하여야 한다. 이상과 같은 위치조정 후에 상술한 바와 같은 방식으로 일련의 노치 시임용접부를 형성시킨다. 최종적으로, 제3l도에 도시된 바와 같이 연료봉 그리드(16)를 시계방향으로 45^o회전시켜 원래 위치고 복귀시키고, 그뒤에 그리드(16)와 그의 용접지지구를 용접실로부터 제거하여 그리드(16)의 용접공정을 완료시킨다.

제4도에는 내,외측 그리드 스트랩(20),(22)을 함께 고착하여 연료봉 그리드(16)를 형성하고 그 연료봉 그리드(16)에 안내슬리브(36)를 고착하는데 필요한 일련의 용접부 특히 교차용접부(32), 슬롯 및 랩용접부(34), 코너시임 용접부(30), 그리고 노치시임 용접부(4)에 대한 용접공정을 제어하기 위한 레이저 용접장치(102)가 도시되어 있는데, 상기 레이저 용접장치(102)는 제어된 에너지 상태의 레이저 비임(178)을 방출시키고, 그리드(16)를 연속적으로 정확하게 위치조정 시키며, 아르곤과 같은 적합한 불활성 가스의 공급을 제어하여 상술한 바와 같은 용접부의 레이저 용접을 이루게 한다. 연료봉 그리드(16)인 각각의 가공물은 계류중인 "레이저 가공장치"라는 명칭의 출원 명세서에 상세히 기술된 위치조정 모듈에 의해 각각의 용접위치로 연속적으로 이동하게 된다. 특히 각각의 위치조정 모듈(106)에는 용접실(108)이 설치되므로써, 레이저 용접을 수행할 수 있는 분위기, 특히 불활성 가스의 분위기에 그리드(16)를 수용하고 이를 이동시킴에 따라 일련의 용접부를 형성시킬 수 있게 된다.

제4도에 도시된 바와 같은 레이저 장치(102)는 본 발명의 일실시예에 따라 예컨대 레이테온(Raytheon)에 의해 시판되는 모델 SS500과 같은 레이저 장치를 사용할 수 있을 것이다. 레이저 장치(102)는 일례로 Nd : YAG크리스탈 레이저의 형태로 된 레이저 로드(170)와 고성능 레이저 헤드에 위치하는 한쌍의 선형크립톤 섬광램프를 포함한다. 레이저 헤드는 레이저 로드(170)의 양단부에 각각 위치하는 전체 반사미러(182)와 부분 반사미러(184)를 가지고 있다. 레이저 로드(170)와 전체 반사미러(182)사이에는 셔터(188)가 위치되어 선택된 수의 레이징 펄스를 방사시키도록 선택적으로 제어되므로써, 레이저 용접을 이루게하는데 필요한 에너지가 후술하는 바와 같은 방식으로 엄밀하게 제어될 수 있게 된다. 레이저 헤드는 레이저 로드(170), 여자램프(186), 그리고 미러(182),(1484)를 포함하는 모든 광학요소들을 개별적으로 용이하게 교환할 수 있도록 규격화되어 있다. 여자램프(186)는 광학적인 위치정렬에 혼란을 야기시킴이 없이 신속하게 교환할 수 있도록 되어 있으며, 그의 단부접속기를 포함한 그 전길이에 걸쳐 물로 냉각된다. 또한, 공동에 동력을 제공함으로써 여자램프(186)를 평행하게 펄싱시키기 위한 램프 트리거링을 제공한다. 레이저 로드(170)는 일례로 가공물에서의 평균전압이 400와트가 되어 각각의 펄스폭이 6ms 및 2ms, 그리고 각각의 펄스주파수가 20Hz 및 50Hz인 조건에서 작동할 때 펄스형성회로에 대한 입력이 18Kw를 초과하지 않게끔 선택한다.

덤프셔터(190)는 연료봉 그리드(16)의 형태로 된 가공물이 용접실(108)내에서 변화되는 기간중에 레이저 비임(177)을 전환경로(196)를 따라 비임흡수기(194)로 향하게 하도록 제1위치에 위치할 수 있게 되어 있다. 셔터(190)를 제1비임 차단위치로부터 제2위치로 이동시키기 위한 작동기구(192)가 도시되어 있는데, 그에 있어서 비임(177)은 비임확대 렌즈조립체(198)에 의해 가동비임 스위칭미러(172)와 고정미러(174)로 구성된 비임방향 결정기구에 촛점이 맞춰지게 된다. 반사미러(174)가 레이저 비임(177)을 차단하도록 위치하게 되면, 레이저 비임(177)은 경로(178)를 따라 수직방향 미러(176)로 전환되어 수직으로 향하게 된다. 레이저 촛점 맞춤 렌즈조립체(204a)는 레이저 비임(178a)을 차단하여, 용접실(180a)내의 연료봉 그리드(16)상에 촛점을 맞추게 한다. 도시된 바와 같이 그리고 후술하는 바와 같이, 레이저 촛점 맞춤 렌즈조립체(204)는 렌즈(202)와, Z축 위치조정조립체(222)에 의해 직선적으로 위치되는 렌즈수용관(200)을 포함한다. 반사미러(172)가 레이저 비임(177)을 차단시키는 위치로부터 모터(175)에 의해 회전되게 되면, 레이저 비임(177)은 고정반사 미러(74)에 의해 전환되어, 수직방향 미러(176b)에 의해 용접실(108b)쪽으로 향하게 되는 레이저 비임(178b)을 형성하게 된다.

여자램프(186)는 일례로서 충전유도자를 통해 펄스형성회로(PFN)를 충전시키는 전압조절형 DC전원으로 구성된 전원에 의해 전력을 공급받게 된다.

제5a,b도에 도시한 바와 같이 컴퓨터 제어시스템은 DC전원저장 캐패시테이터 뱅크(reservoir capacitator bank)로부터 펄스형성회로를 충전시키고 그 펄스형성회로를 여자램프(186)로 방전시켜, 레이저 로드(170)를 여자시킴으로써 일련의 레이저 펄스를 발생시키는 스위치(실리콘 제어 정류소자)를 교대로 폐쇄함으로써 레이저 방사를 제어한다. 여자램프(186)는 소위 "심머(simmer)"방식으로 작동하게 되어, 레이저 임계치 이하의 낮은 DC전류 레벨에서 작동하게 되며, 높은전류의 펄스는 레이저 펄스를 발생시키기 위한 심머전류에 가해지게 된다. 펄스형성회로는 2ms 및 6ms의 펄스를 공급할 것이다.

레이저 비임(178)에 대한 용접실(108)의 최초위치 정렬, 특히 연료봉 그리드(16)의 최초위치 정렬에 협력하도록, 상기 그리드(16)를 관찰하기 위한, 즉 레이저 비임(178)에 대한 그리드(16)의 정확한 위치를 결정하기 위한 수단이 제공되는데, 상기 수단은 TV카메라(206)의 형태로 되어 있고, 상기 TV카메라는 레이저 비임(178a)의 경로와 일치하는 상의경로(214)를 확립하도록 정렬되어 있다. 제6도에 도시된 바와 같이, 상의 경로(214)는 렌즈(210)에 의해 촛점이 맞춰지며, 안전셔터(212)를 선택적으로 통과하여 부분 전달미러(176)를 통해 TV카메라(206)로 향하게 된다. 렌즈(202)는 레이저 비임(178)의 촛점을 연료봉 그리드(16)에 맞추게 하는 외에, 렌즈(210)의 협력을 받아 그리드(16)의 상을 TV카메라(206)에 맺히게 해준다. 후술하는 바와 같이, 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(204)는 또한 정렬의 목적을 위해 그리드(16)를 조명시키도록 선택적으로 전력을 공급받게 되는 조명램프를 가지고 있다. 안전셔터(212)는 선택적으로 개방 및 폐쇄되어 그리드(16)를 레이저 비임(178)에 대해 정렬시키게 해주며, 그외의 기간중에는 안전을 위해 폐쇄상태로 유지된다.

제4도에 도시된 바와 같이, 각각의 용접실(108)은 점선으로 도시된 바와 같은 제1용접위치로부터 제2배출위치까지 이동하게 될 것이며, 용접실(108)이 제2위치에 있을때는 레이저 비임(178)은 수직방향 미터(176)에 의해 차폐관(216)내에 지지된 더모파일(218)상으로 향하게 된다. 차폐관(216)은 용접실(108)의 후방부에 장착되며, 제한된 개구(220)를 가지고 있어, 레이저 비임(178)은 차폐관(216)내에 효과적으로 머무르게 된다. 주기적으로 용접실(108)은 제2배출위치에 위치하게되고 그에따라 레이저 비임(178)은 더모파일(218)상으로 향하게되므로써, 연료봉 그리드(16)에 실제로 충돌하는 레이저 로드(170)의 출력을 나타닐 수 있게 된다. 레이저 장치(102)의 부하가 과중하게 되면, 레이저 로드(170)와 여자램프(186)의 소모로 인해 그리고 레이저 용접중에 발생하는 매연 및 용접 부스러기로 인해 레이저의 효율이 감소하게 될 것이다. 따라서, 정밀한 용접부를 얻을 수 있게 하도록 여자램프(186)에 인가되는 전압은 더모파일 측정치에 따라 레이저 장치(102)의 작동기간에 걸쳐 증가되게 된다.

제5a 및 5b도는 컴퓨터 제어장치(124), 특히 우측컴퓨터 수치제어기(CNC)(126a)의 기능블록 다이아그램으로, 상기 도면을 창조함으로써 단일 블록으로만 도시된 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)와 상기 우측 컴퓨터 수치제어기(126a)간의 접속방식을 또한 알 수 있을 것이다. 여기서, 좌측 컴퓨터 수치제어기(126a)는 제5a 및 5b도에 도시된 바와 같은 우측 컴퓨터 수치제어기(126a)의 구성요소와 동일한 구성요소를 가진다는 것을 이해하기 바란다. 컴퓨터 수치제어기(CNC)(126a)는 메모리를 가진 중앙처리장치(CPU)(560)를 가지고 있다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 컴퓨터 수치제어기(126), 특히 그 중앙처리장치(560)는 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이션에서 시판하는 모델 2560과 같은 컴퓨터일 수 있다. 중앙처리장치(560)는 64K의 코어 메모리를 가진 것으로, 그의 구성 및 프로그램은 기계제어용으로 변경시킬 수 있게 되어 있다. 상기한 바와 같은 모델 2560의 컴퓨터 수치제어기는 본문에서 주 과업 루우프장치 또는 작동 프로그램으로 언급되는 기본 감시관리 소프트웨어를 포함하는데, 상기 소프트웨어는 감시관리 프로그램과 같이 전체장치의 작동을 감시관리하도록 작용한다. 모델 2560의 컴퓨터 수치제어기내에서 확립되는 바와 같은 데이터구조에 있어서는, 제6a 및 6b도에 도시된 부분 프로그램(700)이 소정의 코드를 프로그램하는데 M,S,T코드는 모델 2560의 컴퓨터 수치제어기를 용이하게 채택시킬 수 있는 특정의 작동 또는 보편적인 작동을 이루게하는데 사용된다. 특히, 부분 프로그램이 본문에서 응용 부루우틴으로 언급되는 부루우틴을 호출하는 M,S,T코드로 프로그램되며, 그에따라 아르곤흐름 및 특정 용접모우드의 선택을 제어하는 등의 선택된 기능이 수행되게 한다. 또한, 부분 프로그램이 X,Y,Z코드로 프로그램되는데, 상기 X,Y,Z코드는 X,Y구동모터(294),(296)에 의한 각각의 용접실(108a),(108b)의 이동 및 Z구동모터(570)에 의한 레이저 촛점맞춤 렌즈 조립체(102)의 이동을 제어한다.

특히, X, Y코드는 용접공정 전후에 있어서의 가공물의 이동량 또는 그의 도착지점을 지정해준다. 유사한 방식으로, Z코드는 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(204)의 이동량을 제어하여, 레이저 비임(178)의 촛점을 그리드(16)상에 맞춰지게 한다. 특히, Z코드는 노치시임 용접부(40)를 형성하는데 필요한 것으로, 그에 있어서 회전지지구(242)는 레이저 비임(178)에 대해 수직인 평면으로부터 회전하게 되며, 그에따라 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(204)의 재 촛점맞춤 조정이 필요하게 된다. 중앙처리장치(560)의 메모리는 부분 프로그램 기억부로서 알려져 있는 특수기억부를 가지고 있어, 작동장치 프로그램에 따라 감시관리용 부분 프로그램을 기억할 수 있게 되어 있다. 후술하는 바와 같이, 부분 프로그램은 제어되는 불활성 가스분위기에서의 용접 공정 순서를 지정해주며 특히 M,S,T코드로 프로그램되어, 용접방식 및 아르곤 유량을 효과적으로 제어할 수 있게 해준다. 부분 프로그램 기억부는 제6a 및 6b도에 관하여 후술하는 부분 프로그램과 제7a-7i도에서 설명하는 본 발명과 관련된 적용 루틴(application routine)을 기억한다. 부분 프로그램은 자기테이프 구동기(586)에 의해 자기테이프 접속장치(590)를 통해 중앙처리장치(560)의 메모리에 전달되게 된다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 자기테이프 구동기(586)는 콴테스사에서 시판하는 모델 220과 같은 구동기일 수 있을 것이다. 상술한 바와는 다르게 부분 프로그램을 종이테이프에 기억시켜 종이테이프 판독기(584) 및 마이크로프로세서 접속장치(588)를 통해 중앙처리장치(560)의 메모리에 전달되게 할 수도 있다. 상기 종이테이프 판독기(584)는 데시텍스사에서 시판하는 판독기일 수 있을 것이다. 또한, 중앙처리장치(560)의 메모리에는 영숫자 키이보드(131)의 조작에 의해 여러 매개변수가 접속장치(588)를 통해 전달되게 된다.

제5b도에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(560)는 다수의 폐쇄루프 축 구동기 및 제어보트(566),(568),(570)를 통해 각각 X,Y축 구동모터(294),(296) 및 Z축 구동모터(470)와 접속되어 있다. 각각의 구동모터는 타코미터 및 리졸버와 접속되어 있어 이동율 및 이동거리를 표시할 수 있게 되어 있기 때문에 X,Y,Z축 위치조정대의 이동을 정확히 제어할 수 있게된다. X,Y축 구동모터(294),(296)는 각각 용접실(108)을 배치하는 X,Y축 위치조정대(테이블)를 구동시켜, 연료봉 그리드(16)의 형태인 피가공물을 다음 레이저 용접단계를 위해 순차적으로 재위치 결정하게 된다. 유사한 태양으로 Z축 구동모터는 레이저 렌즈조립체(204)가 장착되는 Z축 위치조정대를 구동시켜, 이로인해 레이저 비임이 연료봉 그리드(16)상에 다시 촛점 조정된다.

X,Y,Z축 위치조정대의 구조와 이들의 구동모터들에 대한 결합은 "회전 가공물 고정구를 구비한 이동성 가공실"(웨스팅하우스 케이스번호 49,938호)이라 명명된 출원에 자세하게 기술된다. 또한 제어보트(566)로부터 발생되는 제어출력신호는 서보증폭기(567)에 인가되어 모터속도를 나타내는 신호와 비교됨으로써, Y축 구동모터(296)를 작동시키기 위한 출력신호를 방생시키게 한다. 도식적으로 도시된 바와 같이, 각각의 모터(294),(296),(470)는 X, Y축 위치 조정대 및 Z축 위치 조정대의 구동을 각각 이루게 하는 리이드스크류(295),(297),(471)에 연결되어 있으며, 상기 리이드 스크류(295)에는 세트로된 리미트 스위치(572)가 접속되어, 리이드 스크류(295)의 위치 및 그에 따른 X축 위치조정대(290)의 위치를 감지하여 입,출력 접속장치(562)를 통해 중앙처리장치(560)에 신호를 공급하게 된다.

특히 리미트 스위치(572a),(572c)는 X축 위치조정대(290)가 전방 및 후방으로 그의 최대 이동한계점에 위치하였다는 것을 표시하는 출력신호를 발생시키며 반면에 리미트 스위치(572b)는 X축 위치조정대가 그의 본래위치 즉, 레이저 비임(178)에 대한 기준위치에 위치한 것을 표시하는 신호를 발생시킨다.

유사한 세트의 리미트 스위치가 또한 Z축 위치조정대(458)를 구동시키는 리이드 스크류(471)에 접속되어 있으며, Y축 위치조정대를 구동시키는 리이드 스크류(297)에는 4개의 리미트 스위치(574)가 접속되어 있는데, 그중 제4리미트 스위치(574d)는 Y축 위치조정대가 그의 중앙위치, 즉 용접실(108)을 캐비넷(104)으로부터 제거시킨 위치에 위치했을 때를 나타내도록 작용한다.

제5a도 및 5b도에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(560)에는 다수의 주변장치가 시각적으로 격리되어 있는 접속장치(562),(564)에 의해 접속되어 그 중앙처리장치(560)에의해 제어되게 되어 있다. 특히, 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)는 컴퓨터 수치제어기 연계장치(558) 및 접속장치(562)를 통해 소위 "악수"신호를 중앙처리장치(560)과 교환하며, 그에따라 각각의 컴퓨터 수치제어기(126a),(126b)는 비임 스위칭 미러(172)의 제어를 시간적으로 분담하여 제어할 수 있게 된다. "분담된 레이저 가공을 위한 다방식 컴퓨터 제어"(웨스팅하우스 케이스번호 50,288호)라는 명칭의 계류중인 출원에 기재되어 있는 바와 같이, 각각의 컴퓨터 수치제어기(126a),(126b)는 레이저 비임(178)을 용접실(108)내로 향하게하도록 비임 스위칭 미러(172)의 제어를 분담하여 수행할 수 있게한다.

레이저 비임의 사용이 끝나면, 일측의 컴퓨터 수치제어기(126)는 레이저 제거신호를 발생시키며, 그에따라 타측의 컴퓨터 수치제어기(126)는 레이저를 자체용으로만 사용할 수 있도록 요청하여 고정시킬 수도 있을 것이다.

본 발명의 일실시예에 있어서 레이저 용접장치(102)는 레이저데온사에서 시판하는 모델 SS500과 같은 레이저 공급장치일 수 있는 것으로, 제4도에 도시된 바와 같은 레이저 전원은 물론이고, 접속장치(562)에 의해 중앙처리장치(560)에 접속되어 있는 레이저 제어장치(592)를 포함한다. 제5b도에 도시된 바와 같이, 레이저 제어장치(592)는 레이저 용접표시판(132)과 접속되어 있다. 레이저 용접표시판(132)은 레이저 용접장치(102) 및 그의 제어장치(592)의 조건을 제어 및 표시하는 일련의 램프 및 푸시버튼을 가지고 있으며, 이는 계류중인 "레이저 가공장치"라는 명칭의 출원 명세서에 상세하게 기재되어 있다.

제5a도 및 제5b도에 도시된 바와 같이 중앙처리장치(560)는 레이저 제어장치(592)를 작동시키도록 접속장치(562)를 통해 제어신호를 공급하는데, 특히 접속장치의 출력은 레이저 제어장치(592)에 공급되어, 전원(120)의 고전압출력을 공급 또는 차단하게하고 레이저 램프 트리거를 작동시키게하며, 셔터(190) 및 안전셔터(212)를 각각 개방위치에 위치하게 하고, 용접공정을 개시시키고, 코드(M51) 내지 (M54)중 선택된 코드에 다른 특정의 레이저 용접방식을 선택하고, T 코드로부터 얻어지는 펄스주파수(REPRATE)를 설정하고, S코드로부터 얻어지는 전력레벨을 설정하고, 펄스폭을 설정하고, 비임 스위칭미러(172)를 위치조정 시키게 된다. 또한, 레이저 제어장치(592)는 접속장치(562)를 통해 중앙처리장치(560)에 전달되는 레이저 상태뿐만 아니라 용접의 완료를 나타내는 신호를 발생시킨다. 비상정지신호가 발생하게 되면, 레이저 용접장치(102)의 작동 특히 레이저 제어장치(592)의 작동은 긴급하게 정지하게 될 것이다.

제5b도에서 도시한 바와 같이, 셔터 개방신호가 광학적으로 분리된 장치(562)를 거쳐 레이저 제어시스템(592)에 인가되어, 이에따라 레이저 비임(178)이 연료봉 그리드(16)로 향하게 된다. 유효숫자로 선택된 전펄스의 수가 그리드(16)에 인가되고, 이에의해 제어된 에너지량이 각각의 용접에 인가되어, 용접의 획일화 뿐만 아니라 각각의 용접의 구조적 안정을 보장하게 된다. 명백히 설명되겠지만 제8a도에서 도시한 바와 같이 일련의 레이저 펄스는 용접위치의 온도를 증가시키게 되어, 깊숙한 침투 깊이를 갖는 용접이 실행되게 된다. 단일 펄스를 계속해서 인가하는 것에 비해 일련의 펄스를 인가하는 것이 더 효울적이란 사실이 실험적으로 증명되었다. 단일 레이저 펄스에 해당하는 에너지는 용접위치를 녹이는 정도이며, 이로인해 용융된 물질은 고르게 진행되지 않는다.

제2d도에 도시한 바와 같이, 내부 그리드 스트랩(20b)은 1쌍의 소모 탭부(50a) 및 (50b)를 구비하고, 반면에 내부 그리드 스트랩(50a)운 단일 탭(48)을 갖는다. 그리드 스트랩(20a) 및 (20b)이 완전히 내부 결합 되었을 때, 예를들어 그리드 스트랩(20a)의 홈(52a)이 그리드 스트랩(20b)의 보족되는 홈(52b)에 완전히 끼워졌을 때, 소모 탭부(50a) 및 (50b)은 돌출 탭(48)의 양쪽에 배치된다.

본 발명에서 고려되는 비임(178)의 레이저펄스 제어수는 스포트용접 또는 교차용접을 생성하도록 랩(48) 및 (50a),(50b)으로 향하게 된다. 실험에 의하면 단일펄스를 탭(48), 탭부(50a),(50b)으로 향하게 되다. 실험에 의하면 단일펄스를 탭(48), 탭부(50a) 및 (50b)으로 지향시켰을때 탭부분(50a),(50b)이 빠르게 녹아서 내부 그리드 스트랩(20)의 교차부에 형성되는 단일 교차부내로 진행되는 것을 나타낸다. 이에반해, 주파수, 펄스폭, 평균전력, 피이크전력이 제어된 일련의 레이저 펄스는 각각의 레이저 펄스를 수용함에 따라 조절가능한 침투깊이로 점진적으로 증가하는 용접을 실행한다.

제8a도에 도시된 바와 같이, 수직축이 피이크 온도를 나타내고 있는 각 펄스는 펄스 사이의 냉각으로 인해 용접위치의 평균온도를 완만한 경사로 증가 시키고 있다. 용접부의 온도는 마지막 펄스가 전달될때까지 승온된후, 용접위치의 온도는 그로부터 상당히 하강한다.

레이저 펄스 주파수(또는 REP RATE)와 펄스폭의 여러조합을 시도해본 결과, 펄스폭 3-9ms과 피이크 전력 2000-4000W을 갖는 주파수 15-25(pps)가 제3m도에 도시된 것과 같이 구조적으로 안전한 스포트 용접을 생성하는데 적합한 것이 증명되었다.

본 발명의 실시예에 있어서, 내부 그리드 스트랩(20)은 지르코늄과 지르칼로이의 합금으로 18mil의 두께로 구성되고, 레이저 펄스는 20pps(1초당 펄스율)로 방사되고, 각 펄스는 70mil의 용접깊이를 제공하도록 펄스폭 6ms와 피이크전력 2580W를 갖는다. 만약 위에서 제시된 펄스율이 15pps로 감소한다고 가정하면, 용접위치에 4000W의 피이크 전력이 인가되어 용융된 물질이 비산하게 되나, 반면에 펄수율이 25pps로 증가하면, 용접위치에 2000W의 피이크 전력이 인가되어 그 결과 용접침투 깊이가 너무 얕아 구조적으로 안전한 용접을 제공할 수 없게 된다. 한계를 넘어선 레이저 비임의 펄스폭에 대한 변화도 원치않은 결과를 초래한다. 예컨대, 펄스폭이 3ms 이하로 감소되었다고 가정하면 비임은 가공위치를 용접하는 대신에 절단작업을 하게된다. 한편 펄스폭이 9ms를 초과했다고 가정하면, 탭(48)과 탭부(50a),(50b)가 신속하게 용융되어 용접위치 주위에 고르게 분배되지 않게 된다. 전술한 바와 같이, 레이저(170)는 Nd : YAG 레이저이며 예시된 매개변수로 작동되며, 본 발명의 교시에 따른 범위내에서 작동된다.

이제 제10a도 및 10b도를 참조하면, 셔터 제어회로(1300)가 되시되어 있는데, 이는 내부공동셔터(188)가 전 레이저 펄스수를 연료봉 그리드(16)로 지향되도록 보장한다. 이런 방식으로, 레이저 비임(178)에 의해 각 용접위치에 전해진 에너지량이 정확히 제어될 수도 있다. 이와는 달리 셔터(188)가 방사될 펄스의 단자 일부분만이 통과되도록 동력의 양을 정확히 제어하는 것이 불가능하게 된다. 이 때문에, 레이저 제어시스템(592)은 레이저(170)에 연합된 여자램프(186)에 인가된 전압의 주파수 및 펄스폭으로 되어지는 레이징 계수를 세트하는 모듈 제어회로를 구비하며, 이로인해 방사된 펄스는 교차용접부(32), 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 랩 용접부(34), 그리고 노치(notch)시임 용접부(40)을 효과적으로 형성하도록 제어된다. 각각의 모듈은 레이저 펄스폭 및 주파수를 세트하는 스위치를 구비하며, 이로인해 레이저 동기신호는 제11a도에 도시한 바와 같이, 선택된 주파수 및 펄스폭으로 나타나고, 입력단자(1330)를 통해 셔터 제어회로(1330)에 인가된다. 특히 레이저 동기신호는 1조의 인버어터(1332) 및 (1334)를 거쳐 인에이블 플립플롭(flip flop),(1324)에 인가되고 또한 인버어터(1332)를 통해 플립플롭(1336)에 인가된다. 레이저 동기신호는 또한 인버어터(1334)를 통해 업/다운 카운터세트(1334) 및 (1348)의 클록 입력단자에 각기 인가된다.

제10b도에 도시한 바와 같이, 각각의 카운터(1344),(1346) 및(1348)는 스위치 세트(1354),(1356) 및 (1348)는 스위치 세트(1354),(1356) 및 (1358)중의 1개 스위치와 접속되며, 따라서 작동자는 요구하는 펄스 숫자와 카운트되도록 세트할 수 있고 그리고 연료봉 그리드(16)에 인가되도록 할 수 있다.

특히, 여기에는 단자리 스위치(1354), 10단위 스위치(1356) 및 100단위 스위치(1358)가 구비되어 있다. 이들 스위치에 의해 카운트가 시작되면, 업/다운 카운터(1344),(1346) 및 (1348)의 출력이 발생되고 그 출력은 NAND 게이트(1328)에 인가된다. 카운터(1344),(1346) 및 (1348)의 카운트가 세트카운트에 이른후, "하이"신호가 NAND 게이트(1328)의 각 입력단자에 인가되어, 게이트의 출력은 "로우"로 된다. 상기 "로우"출력은 인버어터 증폭기(1326)에 의해 반전되어 AND게이트(1322)에 인가된다. 플립플롭(1324)은 인에이블신호를 AND게이트(1322)의 다른 입럭단자에 인가하기 위해 레이저 동기신호의 제1펄스의 정(正)의 에지(edge)에서 세트되고, 이로인해 리세트신호 정 에지를 트리거하는 플립플롭(1318)에 인가된다. 업/다운 카운터(1344),(1346) 및 (1348)의 클록출력(Co)은 카운터에 의해 카운트되는 펄스를 숱차적으로 제11f도에 도시한 것과 같은 "펄스 카운트"출력에 인가하기 위해서 NAND게이트(1350)의 1개 입력단자에 인가된다.

NAND게이트(1350)의 또 다른 입력은 제11d도에 도시한 것과 같은 플립플롭(1318)의 부하출력에 의해 제공된다.

카운터(1344),(1346) 및 (1348)는 용접실(108) 및 연료봉 그리드(16)가 정지할 때까지 레이저 동기신호를 카운트하기 위해 인에이블 되지 않는다.

특히, X구동모터(294) 및 Y구동모터(296)가 용접실(108)이 장치된 곳에서 X 및 Y테이블에 해당하는 이동을 완성한후에 "이동완료"라는 지시신호가 나타난다. 제11c도에 도시한 것과 같은 이동완료 신호가 인버어터(1304) 및 (1306)을 통해 멀티바이브레이터(1308)에 인가되는데, 멀티바이브레이터(1308)은 NOR게이트(1310)와 반전증폭기(1321)를 통해 NAND게이트(1314)의 1개 입력단자를 단일 출력펄스를 제공한다.

NAND게이트(1314)의 다른 입력단자에는 인버어터(1334)의 출력인 레이저 동기신호가 인가된다.

NAND게이트(1314)는 레이저 동기신호의 후속펄스발생에 대한 출력을 인버어터(1316)를 통해 정 에지를 트리거하는 플립플롭(1318)의 클록입력(Co)에 인가한다. 플립플롭(1318)은 제11D도에 도시한 것과같은 (Q)출력 즉 "로드"출력신호를 차례로 제공한다. 제10a도에 도시한 바와 같이, "로드"신호는 정 에지를 트리거하는 플립플롭(1336)의 리세트입력(R)에 인가될 뿐만아니라 업/다운 카운터(1344),(1346),(1348)의 리세트입력(R)에 인가되는데, 업/다운 카운터는 이들의 클록 입력단자(CO)에 인가된 레이저 동기신호를 카운트한다. 플립플롭(1336)의 역할은 다음과 같은면에서 중요한 의미가 있다. 즉 전 레이저 펄스의 수가 연료봉 그리드(16)에서 통제되도록 허락하는 내부공동셔터(188)의 동작을 조절하는데 중요한 의미가 있다.

제11b도와 제11d도를 참조하면, 플립플롭(1336)은 "이동완료"신호의 수신후에 발생되는 "로드"신호에 의해 리세트된다. 제11a도와 제11e도에 도시한 것과같은 출력은 레이저 동기시호의 후속펄스의 부(負)에지 발생시 플립플롭(1336)으로부터 발생된다. 플립플롭(1336)의 Q출력으로부터 발생된 릴레이 작동신호는 인버어터(1338)를 통해 트랜지스터(Q₁)이 도전성을 갖고, 이로인해 릴레이(1340)가 활성화되며, 내부공동셔터(188)를 열린상태로 하기 위해 폐쇄 스위치 S₂를 폐쇄하게 되며, 이 상태에서 레이저 비임(178)의 펄스는 피가공물로 향하게 된다.

제11e도에 도시한 바와 같이, 내부공동셔터(188)는 레이저 동기신호 펄스의 트레일링 에지가 발생한후에만 개방되는데, 예를들어 전 레이저 펄스수가 연료봉 그리드(16)에 인가된후에 개방된다. 전술한 바와 같이, 카운트는 스위치(1354),(1356) 및 (1358)에 의해 수동으로 카운트(1344),(1346),(1348)에 투입된다. 카운트 입력이 종료될 때, NAND게이트(1328)는 작동되고 이로인해 플립플롭(1318)을 리세트하고, 이로인해 "로드"신호가 플립플롭(1336)의 리세트 입력(R)으로부터 전송된다. 후속 타이밍 펄스의 트레일링 에지발생시, 제11e도에 도시한 것과 같은 출력

의 신호가 "하이"로 되고, 이로인해 제11g도에 도시한 것과같은 릴레이 활성화신호가 전송되고, 내부공동셔텨(188)는 닫히게 된다. 레이저 동기신호는 레이저(170)의 활성화를 동기하도록 제공되고, 이 신호는 또한 전 레이저 펄수가 단지 피가공물상으로 지향되도록 제공되고, 이 신호는 또한 전 레이저 펄스수가 단지 피가공물상으로 지향되도록 하는 내부공동셔터(188)의 개폐를 제어하도록 카운터(1344),(1346) 및 (1348)에 의해 카운트된다.

제10a도 및 제10b도의 셔터 제어회로는 독립적으로 시험모드로 동작할 수 있고, 특히 타이밍 신호주파수가 각각 20pps 및 70pps인 제1타이머(1362)와 제2타이머(1366)를 구비한다. 제10b도에 도시된 바와 같이 각 타이머의 타이밍은 그에 연결된 특수저항 및 콘덴서에 의해 세트된다. 타이밍신호는 각기 NAND게이트(1360) 및 (1364)를 거쳐 닫힌 스위치(S₄)를 선택해서 입력단자(1330)에 인가된다. 선택된 타이밍 신호가 레이저 동기신호 대신 사용되고, 유사한 방법으로 인버어터(1332) 및 (1334)를 거쳐 플립플롭(1324)에 인가되어 인에이블 신호를 제공하고, 각각의 카운터(1344),(1346)의 클록입력(Co)에도 인가되고, 그리고 인버어터(1332)를 통해 플립플롭(1336)에도 인가된다. 시험모드에 있어서, 오퍼레이터가 스위치(S₅)를 닫아서 동작개시 또는 완료신호를 시뮬레이트하고, 이로인해 타이머(1370)에 의해 나타난 출력 펄스신호가 NAND게이트(1368), 닫힌스위치(S₅)와 멀티바이브레이터(1308)를 통해 플립플롭(1318)의 클록입력(Co)에 인가되고 이것에 의해 카운터(1344),(1346) 및 (1348)에서 선택된 타이밍 신호의 카운트를 개시한다.

공지된 타이머를 사용해서, 제10도의 셔터 제어회로는 레이저 제어시스템(592)에 의해 출현된 신호와 무관하게 검사될 수 있다. 추가적인 시험능력에 있어서, 여기에 수동스위치(S₁)에 의해 선택적으로 작동되는 멀티바이브레이터(1320)가 제공되고, 수동스위치(S₁)는 카운트 개시뿐만아니라 수동적으로 릴레이(1340)를 활성화하고 내부공동셔터(188)를 개방하기 위해서 NOR게이트(1310), 인버어터(1312), 인에이블된 NAND게이트(1314)와 인버어터(1316)를 거쳐 플립플롭(1318)의 클록입력(Co)에 시험펄스를 인가한다. 셔터 제어회로(1300)가 레이저 제어시스템(592)에 결합되었을 때, 멀티바이브레이터(1320)의 트리거 펄스를 공급하는 이 수동성의 능력은 유용하며 그리고 내부공동 셔터(188)를 수동으로 개방하는 것이 요구된다.

또한 신호는 CPU(560)에 의해 발생되고, 용접실(108a),(108b)이 배치되는 캐비넷에 대한 통로를 커버하는 도어(114)세트를 개페하는 도어 개방기구(234)를 제어하기 위해 광학적으로 차단된 접속장치(562)에 의해 전달된다. 용접실(108)을 고정 또는 해제시키기 위해 신호가 공급되며 특히 전방 및 후방 위치설정 조립체(284),(286)에 공급된다.

전,후방 위치설정조립체(284),(296)는 위치결정핀을 슬라이드 테이블에 끼우기 위해 작동가능하게 되고, 이로인해 슬라이드 테이블은 제1,제2위치의 각각에 고정설치된다.

슬라이드 구동모터(266) 및 그것의 슬라이드 테이블은 "회전 가공물 고정구를 구비한 이동식 가공실"(웨스팅하우스 케이스번호 49,938호)이라 명명된 계류중인 출원에 상세하게 기재되어 있다.

특히, 전후방 위치설정 조립체(284)는 상기한 X 및 Y테이블을 이동시키는 슬라이드 테이블과 함께 작동되고, 그 위에 장착된 용접실을 제1용접위치, 제2용접위치로 이동시킨다. 제4도에 있어서, 용접실(108a)이 제1용접위치에 배치되는 경우, 레이저 비임(178a)은 피가공물(16)상으로 지향되고, 반면에 용접실(108b)이 외측위치에 놓이는 경우, 용접비임(178b)은 구경측정(Calibration)을 위해 더모파일(218)로 지향된다. 특히 전후방 위치설정 조립체(284) 및 (286)는 레이저 비임(178)에 응답해서 용접실(108)을 제1용접 위치에 안전하고 정확하게 배치하도록 슬라이드 테이블을 위치시킨다. 리미트 스위치세트(572),(574) 및 (576)로부터 발생된 출력신호들은 장치(562)에 인가된다. 이 신호들은 또한 레이저 수냉 시스템(20)에 인가된다. 레이저 플래쉬 또는 여자램프(186)와 거울(182) 및 (184)에 의해 결정되는 공동(Cavity)은 폐회로수냉시스템에 의해 냉각되는데, 수냉시스템은 요구되는 압력 및 유량으로 깨끗하고, 정수되고, 온도저장된 물을 제공한다.

도시하지는 않았지만, 레이저 수냉장치는 펌프, 수냉식 열교환기, 저장소, 탈이온기, 여과기 및 온도조절기를 구비하고 있다. 레이저 로드(170) 및 비임흡수기(194)에서 발생되는 열은 물에 흡수되어 장치로부터 축출되게 된다. 또한, 레이저 촛점맞춤 렌즈 조립체(204)의 램프(428)에는 연료봉 그리드(16)를 조명시키도록 제어신호가 공급되게 되며, 그에따라 X,Y구동모터(294),(296)을 포함하는 X,Y위치조정장치는 X축이나 Y축을 따라 조정되어, 연료봉 그리드(16)의 용접개시지점을 레이저 비임(178)에 대해 일렬로 정렬되게 한다.

용접실(108)에 위치하는 산소탐침(496)과 수분센서(410)는 용접실 분위기중의 산소 및 수분의 함량을 나타내는 아날로그 신호를 발생시킨다. 유사한 방식으로 차폐관(216)에 위치된 더모파일(218)은 레이저 비임(178)의 전력을 나타내는 아날로그 신호를 발생시킨다.

탐침(496), 센서(410), 그리고 더모파일(218)의 출력은 디지털 전압계(578),(580),(582)에 각각 공급되는데, 상기 전압계는 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 접속장치(564)를 통해 중앙처리장치(560)에 전달하도록 작용한다.

접속장치(564)는 각각의 디지털 전압계(578),(580),(582)에 적당한 전압계 선택신호를 공급하여, 한번에 단지 하나의 디지털 신호를 접속장치(564)를 통해 중앙처리장치(560)에 선택적으로 공급하게 한다.

레이저 용접장치(102)의 작동에 따라, 중앙처리장치(560)는 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(204), 회전지지구(242), 용접실(108)에 대한 각각의 아르곤 유량을 제어하도록 신호를 접속장치(564)를 통해 각각의 흐름 제어기(488),(484),(486)에 공급하게 된다.

제4도에 간략히 도시한 회전고정구(242)는 "회전가공물 고정구를 구비한 이동식 가동설"(웨스팅하우스 게이스번호 49,938)이라 명명된 계류중인 출원에 상세하게 기술되었으며, 회전지지구(242)는 Z축과 레이저 비임(178)에 응답해서 연료봉 그리드(16)가 회전되도록하고, 노치시임 용접부(40)뿐아니라 코너시임 용접부(30)와 슬롯 및 탭 용접부(34)에 대한 용접을 제공한다. 신호들이 B축 구동모터(388)에 인가됨을 따라 위치조정 휘일(358) 및 회전지지구(242)가 회전된다.

전술한 바와 같이, 회전지지구의 위치각은 2진 신호를 제공하기 위해 다수의 접근스위치(402 a-d)에의해 감지되며, 여기서 2진 신호는 장치(564)에 의해 CPU(560)에 인가되는 신호를 뜻한다.

내측 그리드 시트랩(20)을 함께 용접하고, 이어서 그 내측 그리드 스트랩(20)을 외측 그리드 스트랩(22)에 용접하여 그리드(16)를 형성시키고, 그 그리드(16)를 안내슬리브(36)에 용접하는 공정에 대해서는 이미 제3a도 내지 3k도를 참조하여 상세하게 설명하였는데, 상기 도면에는 각각의 교차용접부(32), 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭 용접부(34), 그리고 노치시임용접부(40)를 형성시킬 수 있도록 레이저 비임(178)에 대해 위치조정 시키기 위한 각각의 X,Y,Z축을 따른 연료봉 그리드(16)의 일련의 이동이 예시되어 있다. "용접봉 그리드용 스트랩 및 베인위치조정 지지구 및 위치조정 방법"과 "그리드지지 및 보유 스트랩과 그의 방법"으로 명칭된 계류중인 출원에 설명된 바와 같이, 내.외측 그리드 스트랩(20),(22)를 조립하여 연료봉 그리드(16)를 형성한다. 그 다음에, 연료봉 그리드(16)를 "용접봉 그리드용 용접판"으로 명칭된 계류중인 출원에 기재된 바와 같은 용접지지구에 설치하고, 이어서 그 용접지지구를 용접실(108)내에 회전 가능하게 위치한 회전지지구(242)에 공정된 위치 결정핀에 의해 분리 가능하게 부착시킨다. 연료봉 그리드(16)를 B축에 대해 회전시켜 레이저 비임(178)을 받을 수 있는 위치에 위치시키게 함으로써, 노치시임 용접부(40)를 형성시킬 수 있게 한다.

다음에 X,Y위치결정장치를 선택적으로 작동시켜 용접실(108)을 X,Y축을 따라 잇달아 증분 이동케하므로서, 연료봉 그리드(16)를 레이저 비임(178)에 대해 위치조정케하여 교차용접부(32)를 형성시키도록 하며, 회전지지구(242)에 대한 회전을 끝낸 후에는 슬롯 및 탭 용접부(34)와 코너시임 용접부(30)를 형성시키도록 한다.

이러한 공정에 대한 기계적인 제어는 컴퓨터 수치제어기(126), 특히 제6a 및 6b도를 참고해 후술하는 바와 같은 부분 프로그램(700)을 기억하는 메모리를 구비한 중앙처리장치(560)에 의해 이루어지게 된다. 그 다음에는, 상술한 바와 같은 연료봉 부분 프로그램(700)을 입력시키는 것은 단계(702)에서와 같이 조작자가 기계기능판(130)상의 "AUTO"푸시버튼(670)을 눌러 컴퓨터 수치제어기(126)를 자동 방식으로 작동케하므로써 이루어지게 된다.

다음에, 영숫자 키이보드(131)에 명령을 입력시켜, 감시관리를 위한 부분 프로그램을 요청하고, 그 다음에는 기계기능판(130)의 "CYCLE START"푸시버튼을 누른다. 그러면, 단계(780)에서와 같이 프로그램된 M81 코드가 용접실내에 그리드를 수용하고 또한 그로부터 제거하는데 적용되는 "LOAD/UNLOAD CHAMBER"적용 부루우틴을 요청하여, 미끄럼 구동모터(266)를 작동시키게 함으로써, 구동 미끄럼대(262)를 용접위치로부터 배출위치로 이동시키게하고, 그에따라 조립되었으나 아직 용접되지 않은 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 조립되었으나 아직 용접되지 않은 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 회전지지구(242)에 설치할 수 있게 된다.

그렇게하여 회전지지구(242)상에 설치된 용접봉 그리드(16) 및 용접지지구는 고정핀에 의해 레이저비임(178)에 대해 예정된 위치에 고정시킨다. "LOAD/UNLOAD CHAMBER"부루우틴에 관해서는 제7b도를 참조해 상세히 설명하겠다. 그뒤에, 단계(710)에서와 같이 작업자가 "레이저 용접장치용 가공물 그리핑 및 조정장치"로 명칭된 계류중인 출원에 기재된 바와 같은 수용 및 제거 조정기의 협력하에서 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 회전지지구(242)상에 설치한다. 단계(708)의 종기에, 단계(712)에서와 같이 작업자가 부분 프로그램의 감시 관리를 지령하도록 기계기능판(130)의 "CYCLE START"푸시버튼을 누를때까지, 부분 프로그램(700)의 감시관리를 보류하게 된다. 다음에, 단계(714)에서와 같이, 용접실(108)을 레이저 비임(178) 아래의 용접위치에 재위치시키도록 "LOAD/UNLOAD"적용 부루우틴을 요청한다.그와 같이 하여 용접실(108)이 일단재배치되면, 용접실의 분위기를 체크하도록 M코드를 사용하여 "CHAMBER ENVIRONMENT CHECK"적용 부루우틴을 호출한후, 이어서 매니폴드관(336)과 디퓨저판(330)을 통해 용접실(108)에 아르곤을 비교적 고속으로 주입하여 산소 및 물과 같은 불순물을 제거하도록 하는데, 그와 같이 주입되는 무거운 아르곤에 의해 공기는 용접실 상부플랜지(331)와 밀폐판(도시않됨)사이의 틈새를 통해 배출되게 된다.

M코드에 의해서 특정의 아르곤 유량이 설정되고, 그에따라 유량제어기(484)가 아르곤을 용접실(108)에 큰 유량으로 공급하도록 세트되게 된다. 유사한 방식으로 회전지지구(242)와 렌즈 촛점맞춤 조립체(204)에 각각 조합된 유량제어기(486),(488)도 아르곤의 유량을 크게하도록 세트되어, 용접실(108)의 정화를 촉진시켜준다. 그 다음에는, 아르곤 가스의 유량을 선택하도록 특정의 M코드는 "SELECT GAS FLOWRATE" 적용 부루우틴을 호출하고, 이어서 부분 프로그램의 단계(716)에서 회전지지구(242)의 회전을 이루게하도록, 특히 그러한 회전을 위해 B축 구동모터(238)를 작동시키도록 M91코드를 세트시킨다. 특히, 단계(716)에서 감시관리하는 M91코드는 "ROTAE FIXTURE"적용 부루우틴을 요청한다. 다음에는 단계(718)에서 "CHAMBER ENVIROMENT CHECK"적용 부루우틴을 요청하여, 산소 및 물의 함량에 대한 용접실(108)내의 분위기를 탐지하므로서, 산소 및 물의 함량이 예정된 값 이하로 내려갈 때 까지 더 이상 부분 프로그램 감시 관리하지 않게 된다.

단계(718)에서 용접실(108)내의 분위기가 충분히 순수한 것으로 결정되면, 단계(720)에서 X,Y코드에 의해 용접실은 각각 제어가능하게 위치결정되며, 그에따라 용접을 실행할 초기 용접부가 Z축을 따라 레이저 비임(178)과 일렬로 정렬되도록 위치조정된다.

초기 용접위치는 X,Y축 구동모터(294),(296)에 적당한 제어신호를 공급하도록 해석되는 세로로된 X,Y코드에 의해 확인된다. 유사한 방식으로 Z코드도 해석되어 제어신호가 Z축 구동모터(470)에 공급되고, 그에따라 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(204)가 레이저 비임(178)의 촛점을 연료봉 그리드(16)의 초기용접부상에 맞추게 하도록 위치 조정되게 된다.

이러한 단계들이 완료되면, 단계(720)에서 부분 프로그램을 정지시키게 된다. 단계(712)에서, 조작자는 기계기능판(130) 위의 "X I N"푸시버튼, "X OUT"푸시버튼, "Y LEFT"푸시버튼, "Y RIGHT" 푸시버튼을 수동조작에 적절히 작동시킴으로써 용접실(108)의 위치를 정하고, 연료봉 그리드(16)의 초기 용접부를 레이저 비임(178)에 대해 정확히 정렬시킬 수 있게 된다.

이러한 목적을 위해서는 안전셔터(212)를 폐쇄시켜, TV 카메라(206)를 통해 CRT(133)에 표시되는 그리드상을 볼 수 있게 한다. 카메라(206)의 렌즈는 전자렉티컬(rectical)을 가지고 있으며, 그에의해 조작자는 초기 초기용접부를 레이저 비임(178)에 대해 정확히 정렬시킬 수 있게 될 것이다. 유사한 방식으로, 조작자는 기계기능판(130)의 저작자는 "Z UP"푸시버튼과 "Z DOWN"푸시버튼을 조작하여, 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(240)의 이동을 제어함으로써, 레이저 비임(178)의 촛점을 연료봉 그리드(16)에 맞추도록 레이저렌즈(202)를 정확히 위치 조정하게 된다.

단계(724)에서 조작자가 "CYCLE START"푸시버튼을 누르게되면, 부분 프로그램(700)의 감시관리가 다시 시작되면, 그러면 단계(726)에서 부분 프로그램은 초기 용접부 위치의 X,Y좌표와, 정렬된 위치를 단계(722)에서 위치조정된 새로운 그리드 위치의 X,Y좌표간의 차(소위 X,Y축 오프셋)를 계산한다.

유사하게, 레이저 촛점맞춤 렌즈조립체(204)의 Z축을 따른 초기위치와 촛점맞춤 위치간의 차에 의해서는 Z축 오프셋이 제공된다. 상기 X,Y,Z축 오프셋은 메모리의 지정영역에 기억되어, 컴퓨터 수치제어기(126)에 의해 연료봉 그리드(16)의 오프셋 위치, 즉 고정된 위치를 고려하여 각각의 용접부의 정확한 위치가 계산되게 된다.

다음에는 단계(728)에서 레이저 공급장치(102)의 여러 매개변수가 설정되게 되면, 특히 가공시킬 용접부, 즉 교차용접부(32), 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭 용접부(34), 노치시임 용접부(40)의 형태 및 펄스폭, 펄스주파수, 전력레벨을 결정하는 S,T,M코드가 프로그램되게 된다. 특히 레이저 공급장치(102)의 전력레벨은 제7d도에 관하여 상세히 설명되겠지만 "SERVICE S CODE"적용 부루우틴을 요청하는 S코드에 의해 결정되며, 유사한 방식으로 펄스주파수는 제7e도에 관하여 상세히 설명하겠지만 "SERVICE T CODE"적용 부루우틴을 요청하는 T코드에 의해 결정되게 되며, 또한 펄스폭은 제7c도에 도시된 바와 같은 "SET LASER PULSEWIDTH"적용 부루우틴을 요청하는 1 내지 6ms의 폭을 갖는 M코드(M55) 내지 (M60)중 하나에 의해 결정된다. 유사한 방식으로, M코드 (M51) 내지 (M54)에 대응하여 용접부의 형태가 4종류로 되어 되는데, 상기 M코드 (M51) 내지 (M54)는 "SET LASER MODE"적용 부루우틴의 감시관리를 요청하게 된다.

다음에는 단계(730)에서 M코드 (M61) 내지 (M64)중 하나를 사용하여 용접작업에 요구되는 특정의 아르곤 유량을 설정하게 되며, 특히 "SELECT GAS FLOWRATE"적용 부루우틴을 요청하게 된다.

다음에는, 제7g도에 관하여 더욱 상세히 설명하겠지만 단계(732)에서 M코드 (M51) 내지 (M54)중 하나에 의해 "PERFORM LASER WELD"적용 부루우틴을 요청하게 되는데, 일반적으로 상기 "PERFORM LASER WELD"적용 부루우틴은 일차로 레이저의 사용을 위해 "GET LASER"적용 부루우틴을 요청하게 되며 그에따라 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)가 그이 "레이저 요청"출력 및 "레이저 고정"출력을 시험함에 의해 체크되게 되고, 만약 상기 출력들이 존재하는 경우에는 우측 컴퓨터 수치제어기(126a)는 좌측 컴퓨터 수치제어기(126b)로부터 "레이저 제거" 출력이 발생할 때까지 대기하게 되며, 상기 "레이저 제거"출력이 발싱하게되면 우측 컴퓨터 수치제어기(126a)는 레이저를 요청한 후 고정시키게 된다. 레이저 공급장치(102)의 작동시에, 컴퓨터 수치제어기(126a)는 레이저 비임(178)을 용접실(108)로 향하게 하도록 비임 스위칭미터(172)를 위치조정시키며, 그 뒤에, 용접실(108)이 설치되는 X,Y위치조정대의 위치를 체크하여, 상기 위치조정대가 요구되는 위치에, 위치하고 있는 RKFMF 결정하며, 그러한 위치조정시간을 레이저 로드(70)로부터 레이저가 발사되기 전에 끝나도록 해준다.

그 뒤에, 단계(732)에서 용접공정이 완료된 것을 나타내는 "LASING COMPLETE"신호가 발생되면 비임 스위칭미터(172)의 고정을 해제하고 X,Y축 위치조정장치(288)에 명령을 하여 다음의 용접부를 형성시키기 위한 다음 위치로 연료봉 그리드(16)를 이동시키게 한다. 다음에는, 단계(763)에서 M코드 (M51) 내지 (M54)중 하나에 의해 설정된 특정 형태의 용접이 완료되었는가의 여부를 결정하며, 만약 완료되지 않은 것으로 결정되면 부분 프로그램은 단계(732)로 되돌아가 다음 용접을 실시하게 하며, 그 뒤에는 단계(734)에서 연료봉 그리드(16)를 다음 용접위치로 이동시키게 한다. 그런후에 단계(735)에서 M코드(M88)가 "WAIT FOR OTHER CNC"적용 부루우틴을 요청하도록 프로그램되어 있는지의 여부를 결정하며, 그에따라 일련의 용접이 완료되었다는 것을 나타내는 신호가 좌측 컴퓨터수치제어기(126b)에 전달되며, 그에 의해 그 좌측 컴퓨터수치제어기(126b)가 응답할 때까지 부분 프로그램의 감시관리는 보류되게 된다.

특정 형태의 용접이 완료되면, 부분 프로그램은 단계(783)로 진행하여 정지되게되며, 다음 용접형태를 결정하도록 M코드 (M51) 내지 (M54)가 프로그램 되었는가를 결정하게 되며, 그 뒤에 단계(740)에서 용접봉 그리드(16)의 적어도 일측부에 대한 용접을 완료시키는데 필요한 모든 형태의 용접이 완료되었는가를 결정하게 되며, 용접이 완료되지 않은 것으로 결정 되면 부분 프로그램은 단계(716)으로 되돌아가, 단계(716)으로부터 단계(738)까지를 반복하게 된다. 제3a도 내지 3d도에 도시된 바와 같은 일련의 제1용접공정은 연료봉 그리드(16)의 베인측부에 대해 시행하는 것으로, 그러한 공정을 시행한 후에는 연료봉 그리드(16)를 용접실(108)로 복귀시키게 된다. 단계(742)에서, 레이저 공급장치(102)는 레이저 비임(177)을 레이저 흡수기(194)를 향하게 하도록 제4도의 실선으로 도시된 위치에서 셔터(190)를 위치시키게 하는 신호를 제공함으로써 작동을 정지하게 된다.

그뒤에, 단계(744)에서 M코드 (M82)를 세트시켜, "LOAD/UMLOAD CART"적용 부루우틴을 요청함으로서, 미끄럼 구동모터(266)를 작동시켜 미끄럼대를 배출위치로 이동시키게 하며, 그에따라 연료봉 그리드(16)는 용접실(108)로부터 제거되게될 것이다. 이때, 작업자는 수동조작에 의해 연료봉 그리드(16) 및 그의 용접지지구를 용접실(108)로부터 제거시켜, 다음에 시행할 일련의 용접공정을 준비하기위한 수동작업을 할 수 있도록 한다. 일례로, 제3a도 내지 3d도에 도시된 바와 같은 일련의 공정을 통해 연료봉 그리드(16)의 베인측부상에 교차용접부(32)를 형성시킨후에, 연료봉 그리드(16)를 제거하고 또한 회전시켜, 연료봉 그리드(16)의 반대쪽측부, 즉 안내 슬리브 측부에 제3e도 내지 3h도에 도시된 바와 같은 일련의 공정을 통해 교차용접부(32)를 형성시키도록 한다.

그와 같이 하여 연료봉 그리드(16)의 양측부에 모두 용접부를 형성시킨후에는 상기 그리드(16)를 제거하여 그리드(16)에 안내슬리브(36)를 삽입하고 이어서 제3i도 내지 3l도에 도시된 바와 같은 일련의 공정을 통해 노치시임 용접부(40)을 형성시킨다.

제7a 또는 6b도에서 도시하는 부분 프로그램의 단계(728)에서 명령을 내린 "레이저 모드세트"서브로우틴을 나타내며, 서브루우틴은 주업부 루우프 또는 오퍼레이팅 시스템 프로그램의 "비드플래그 실행 사이클"중에 실행된다. "레이저 모드세트"서브루우틴은 연료봉 그리드(16)에서 행해지는 4가지형의 용접에 일치하는 4개의 레이저 모드중 1개 용접모드가 선택되도록 결정된다. 제2a도에 도시한 바와 같이, 4개 용접에는 교차용접부(32), 노치시임 용접부(30), 슬롯 및 탭용접부(34), 그리고 노치시임용접부(40)등이 있다. 전술한 바와 같이, 레이저 시스템(102)은 레이테온에서 제조된 모델번호 SS500과 같은 형태로서, 펄스레이저 비임(178)이 연료봉 그리드(16)로 지향하는 동안 펄스의 수 또는 시간간격에 대해, 각각의 4가지 용접을 제어하기 위해서 4개의 특수모듈 또는 복잡한 배선회로를 구비한다.

이 모듈은 피가공물로 지향하는 레이저 비임(178)의 펄스수 또는 시간간격을 세트할 수 있는 덤브 휠(thumb wheel)스위치를 각기 구비한다. 각 모듈과 용접형는 코드 M51-M54중의 1개의 코드로 표현된다. 단계(902)에서 모듈의 번지지정이 코드에 따라 이루어진다.

단계(904)에서, 광학적으로 분리된 장치(562)의 "레이저 모드선택"단자에 나타난 레이저 모드 출력은 소거된다. 마지막 단계(906)에서, 특수형태의 용접에 대한 바람직한 모듈을 선택하도록 선택된 모드를 "레이저 모드선택 출력"단자를 통해 레이저 제어시스템(592)에 인가한다. 후술하는 바와 같이, 펄스폭 및 주파수는 또는 REP RATE는 프로그램된 M 및 T코오드에 따라 선택된다.

이제 제7b도를 보면 "레이저 펄스폭 설정 (SET LASER PULSE WIDTH)" 적용 부루우틴이 도시된다. 처음에 단계(910)에서 이 적용 부루우틴은, 제6b도에 도시된 부분 프로그램의 단계(728)에서 다섯개의 레이저 펄스폭 중에서 선택된 하나에 의존하여 M55 내지 M59의 M코드중 하나를 설정함으로써 입력되며, CPU(560)의 기억장치의 데이터 푸울(data pool)에서 선택된 M코드를 출입, 해석하는 "비드플래그 수행 사이클 (Bidflag Excute Cycle)단계(912)동안 계속하여 수행된다. 단계(914)는, 제7i도에 상세히 설명되겠지만 "안전출력(SAFEPWR)적용 부루우틴에 명령을 함으로서 선택된 펄스폭으로 계산된 레이저 비임(178)의 안전출력 수준을 점검한다.

단계(916)은 계산된 출력수준이 안전한지, 즉 최대상한선 보다 작은지를 결정해서 만약 그렇지않다면 단계(918)은 경보를 발생시켜서 그로인해 부분 프로그램에 즉각적인 정지가 수행된다. 만약 안전하다면, 단계(920)은 접촉영역(562)의 "펄스폭 출력선정 (SELECT PULSE WIDTH OUTPUT)"을 재설정하고 단계(922)는 "선택된 펄스록출력(SELECTED PULSE WIDTH OUTPUT)"을 설정하여 그로인해 레이저 제어 시스템(592)은 레이저 비임(178)의 요구된 펄스폭을 설정한다. 이점에서, 원 CNC 및 다른 CNC (수치제어부), (126)중 하나만이 펄스폭을 설정하고, 다른 CNC(126)는 선택된 즉 프라임(PRIME) CNC(126)에 의해 설정된다. "분배한 레이저 가공에 대한 복수 컴퓨터제어"(웨스팅하우스 케이스번호 50,288)라 명명되어 계류중인 출원 DP 대하여 보다 더 자세히 설명되겠지만, 또 CNC중의 하나는 "프라임 CNC"로서 불려지고 사실상 다른 CNC 의 레이저 제어장치(592)의 펄스폭과 주파수를 제어한다. 그러나 각 CNC (126)는 저수전압 혹은 레이저 출력원으로부터의 출력전압을 제어하며 이로인해, 각 CNC(126)와 연결된 용접실(108)에 인가되는 레이저 비임(178)의 출력 수준으로 각각의 조절이 이루어진다. 각 용접실(108)은 유사한 형태의 용접을 수행하기 때문에 "프레임"으로 명명된 단일 CNC(126)는 펄스폭과 "반복속도(REP RATE)를 선택하는 반면에, 개별적인 광학적경로, 레이저 렌즈집합체(204), 용접실(108)의 다른상태에 대해 각 용접실(108)에 직사된 각각의 레이저 비임을 조절할 수 있도록 저수전압 즉, "RESVOLT"의 개별적인 조절이 요구된다.

"레이저 용접수행(PERFORM LASER WELDS)"적용 부루우틴은 제7c도에 도시되고, 부분 프로그램의 단계(728)에서 설정된 M코드 M71 및 M72에 의해 명령되며, 다음의 "비드플래그 수행사이클"동안 수행된다. 단계(1036)에 들어가서 적용 부루우틴 "비드플래그 수행사이클"이 차후의 "비드플래그 수행사이클"에서 수행되기 위해 설정된다.

들어간 후에, 단계(1062)는 코드 M51 내지 M54중의 하나에 부합되는 레이저 모드의 하나가 선택되었는지를 결정한다. 상술한 바와 같이, 레이저 제어장치(592)는 네 개의 별개의 모듈(module)을 포함한다.

이들 각각은 교차용접부(32), 슬록 및 탭용접부(34), 코너시임 용접부(30), 노치시임용접부(40)중의 하나를 제어하기 위한 프로그램되고 고정 결선된(hard wired)것이다. 만약 선택되지 않았으면, 단계(1063)은 루우틴을 빠져나가기 전에 "에러 메시지(ERROR MESSAGE)"를 표시한다. 만약 선택되었다면 단계(1064)는 "용접실 환경점검(CHAMBER ENVIRONMENT CHECK)"적용 부루우틴에서 "고우(GO)"플래그가 사전에 맞춰졌는지 어떤지를 결정하기 위해 점검한다. 만약 설정되지 않았다면 단계(1066)은, 용접실(108)내의 분위기가 산소와 수분의 함유량이 특정한계 미만이되도록 정화되었는지는 결정하기 위해 상기 "용접실 환경점검"적용 부루우틴을 재요구한다. 만약 "예스(yes)라면 단계(1068)은 레이저 비임(178)을 CNC(126)의 용접실(108)로 향하게 하기 위해 비임스위칭 미러(172)를 작동시킨다.

그후에, 덤프셔터(190)는 열려진 위치로 배치되어 그로인해 레이저 비임(177)이 선정된 용접실(108)로 향하게 된다. 그후에, 단계(1072)는 M코드 M771이 설정되었는지를 결정한다. 상기에 지적한 바와 같이 두개의 M코드 즉 M71 및 M73 가 있으며, M코드 M71은 수행될 교차용접부(32)에, 해당하는 스폿용접을 행하는 것을 지시하는 반면에 M코드 M72는 수행될 코너시임 용접부(30), 슬롯 및 탭용접부(34), 노치시임용접부(40)에 해당하는 시임용접을 행하는 것을 지시한다. 시임용접은 레이저 로드(170)이 일련의 레이저 비임(178)의 펄스를 발사하는동안 연료봉 그리드(16)이 X-Y구동모터(294) 및 (296)에 의해 이동된다는 점에서 연료봉 그리드(16)이 레이저 비임(178)에 대해 고정 유지되어 있는 채로 수행되는 스폿용접과 상이하다. 이리하여 M71 코드가, 스폿용접이 수행될 수 있는지를 지시하는 것을 탐지한다면, 단계(1074)는 레이저봉(170)을 점화시키기전에 X-Y 위치결정 시스템(208)이 정지하는 것을 기다리기 위한 지연을 수행한다.

반면에 시임용접이 수행되는 것을 지시하는 M72 코드가 프로그램된다면, 지연이 설정되지 않아서 레이저로드(170)로 하여금 연료봉 그리드(16)의 움직임이 시작되기전에 용접을 개시할 수 있게 한다.

다음에 단계(1076)은 여자램프(186)에 인가되는 전압이 프로그램되는지를 결정하기 위해 점검한다. 그후의 단계(1078)은 레이저의 상태를 점검하고 특히 램프 냉각제의 온도 및 유량이 특정 한계내에 있는지, 램프출력의 전류와 전압이 특정 한계내에 있는지, 그리고 캐비넷 도어(14)가 열려있는지를 결정한다.

그 후에, 단계(1080)은 "레이저 동력레벨 오프세트 설정 (SET LASER POWER LEVEL OFFSET)"적용 부루우틴의 단계(1012)에 이해 램프 트리거회로가 완전하게 트리거되는지를 결정한다. 만약 설정되지 않는다면 단계(1082)는 CRT(133)에 경보메시지 "트리거 회로불능(Trigger Circuit Not Enabled)"이란 경보 메시지를 표시한다. 만약 트리거 회로가 가능하다면 단계(1084)는 레이저 제어장치(592)의 셔터 제어모듈을 가능하게 하도록 레이저를 작동시킨다. 즉 용접개시 신호를 레이저에 공급한다. 단계(1086)은 레이저 로드(170)가 이 사이에, 레이저 조작을 종료하도록 프로그램되는 지연시간을 개시한다.

단계(1088)은 8초의 주기가 끝낫는지를 결정하고 만약 끝났지 않았다면 CRT(133)에 "레이저 조작종료 타임 아우트(Lasing Completion Time out)"라는 메시지를 표시한다. 타임 아우트한 후에 단계(1092)는 스폿용접이 수행될 수 있는지, 즉, M코드 M71 설정이 되었는지를 결정하고 만약 그렇다면 부루우틴은 단계(1096)로 이동하고, CPU(560)는 레이저 로드(170)가 릴리이스되고 또한 별개의 CNC(126b)가 레이저를 요청하는 것을 지시하는 CNC링크(558)에 광학적 접속장치(562)를 경유하여 "릴리이스 레이저 시그날(Release Laser Signal)"을 발생시킨다. 만약 시임용접부가 형성되면, 단계(1094)는 단계(1096)으로 나가기전에 덤프셔터(190)와 안전 BRH 셔터를 닫는다.

제4도를 참조하면, 여기에는 정렬검출기(183)가 도시되었는데, 검출기는 연료봉 그리이드(16) 형태의 피가공물의 가공위치, 즉 각 교차점(24)이 레이저비임(178a)에 정렬되었는지를 결정한다. 정렬검출기(183)는 포토다이오드(185)로 구성된 발광감지 장치와 렌즈(187)를 구비하는데, 포토다이오드는 가시범위의 방열뿐 아니라 적외선 범위의 방열까지도 감시하며, 렌즈는 가공위치(191)로부터 반사경로(189)를 따라 포토다이오드(185)로 반사된 방열을 집속하는 렌즈(187)로 구성된다. 포토다이오드(185)의 출력은 제12a도, b도 및 c도에 도시한 바와 같이 가공위치 정렬검출회로(1400)에 결합된다. 정렬검출회로(183)는 포토다이오드(185) 및 렌즈(187)가 장치된 관형 하우징(193)을 구비한다.

레이저 비임(178a)이 내부그리드 스트랩 사이의 교차점(24), 즉 가공 위치(91)에 응답해서 정확하게 정렬이 행해졌을때, 가공위치(191)의 반사통로(198)가 포토다이오드(185)와 정렬되도록 관형 하우징(193)은 레이저렌즈조립체(204)의 관형하우징(200)상에 장착된다.

이와 같은 실시예에 있어서, 정렬검출기(183)뿐 아니라 레이저 렌즈조립체(204)는 용접실(108)이 제1위치와 제2위치사이를 이동할 수 있도록 용접실(108)로부터 이송될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 관형하우징(193)은 내부지름 0.635cm(1/4 인치), 외부지름 0.317cm(1/8인치)로 구성되는데, 그 이유는 7.62cm(3인치)-10.16cm(4인치)의 거리를 두고 분리되어 있는 포토다이오드(185) 및 레이저렌즈(187)를 수용하기 위해서 이다.

위와 같이 사용했을때, 레이저 렌즈조립체(204) 및 정렬검출기(183)는 정렬 검출기(183)의 최저위치로 이동되는데, 최저위치는 가공위치(191)로부터 약 7.62cm정도 떨어져 있다.

정렬 검출기(183)는 레이저 비임이 제9a도에 도시한 바와 같이 내부 그리드 스트랩(20a) 및 (20b)사이의 교차점위에 소재하는 통로(178)를 따라 지향되는지의 여부와, 레이저 비임통로(178)가 제9b도에 도시한 바와 같이 교차점(24)에 응답해서 정렬되었는지의 여부를 판별한다. 레이저비임이 교차점으로 지향되었을때, 내부 그리드(20a) 및 (20b)의 교차점(24)과, 레이저비임(178)의 정확한 정렬이 제9a도에 도시한 바와 같이 이루어지면 구조적으로 완전한 용접이 이루어진다. 반대로 용접위치(191)가 제9B도에 도시한 것과 같이 잘못 배치되었다면, 스트랩(20)사이에 교차용접(32)은 실행되지 않는다.

즉 내부 스트랩(20A)의 탭부(50a),(50b)는 내부그리드 스트랩(20a)의 돌출부분(48)에 용접되지 않는다. 그 결과 그리드 스트랩(20a) 및 (20b)는 서로 용접되지 않아 결함있는 용접이 실행된다.

Claims

레이저 비임내에 소정의 각으로 배치되어 상기 레이저 비임을 교호로 지향시킬 수 있도록 간헐적으로 방출될 수 있는 반사거울(172) 및 상기 레이저 비임의 방사를 지향시키도록 배열된 부분 전송거울(176)과, 상기 지향된 레이저 비임을 수용하여 상기 가공편상으로 집속하기 위한 렌즈집합체(204), 및 상기 반사거울(172)상으로 향하는 레이저 전송을 차단하는 셔터(188)로 구성되는, 레이저 비임을 발생시켜 이 레이저비임을 가공물의 용접위치 상으로 정확하게 지향시키기 위한 레이저 용접장치에 있어서, 상기 셔터(188)을 작동시켜 상기 레이저비임의 선택된 수의 펄스들을 통과시키고 펄스폭 및 레이저 방사 반복율을 조절하여 가공물을 소망하는 깊이로 점진적으로 용접할 수 있도록하는 제어회로(592), 상기 레이저 비임에 대하여 소정각으로 배치되어 있어 상기 레이저 비임에 정렬된 용접부로부터 반사된 방사비임을 수신하고, 이와 같이 수신된 방사비임에 응답하여 반사된 방사비임을 나타내는 신호를 출력하는 방사센서(185) 및 상기 방사센서의 출력신호를 수신하도록 결합되어 있고, 상기 가공물의 용접중에 상기 출력신호의 증가율을 측정하여, 반사된 반사정도를 나타내는 상기 출력신호의 증가율을 상기 출력신호의 설정된 허용가능한 최소 증가율과 비교하여, 용접위치가 상기 레이저 비임에 대해 적절히 정렬되었는가의 여부를 결정하는 정렬검출 장치(1400)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제1항에 있어서, 상기 제어회로(592)는 레이저방사에 대한 전펄스수를 통과시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제1 또는 제2항에 있어서, 상기 반복율은 15 내지 25pps의 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제3항에 있어서, 상기 반복율은 20pps 정도로 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제3항에 있어서, 상기 펄스폭은 3 내지 9ms의 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제5항에 있어서, 상기 펄스폭은 6ms 정도로 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저는 Nd : YAG 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제9항에 있어서, 피가공체 정렬 검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제10항에 있어서, 상기 피가공체는 다수의 가공위치를 갖고, 또 가공위치를 상기 레이저 통로에 정렬시킬 수 있도록 가공위치를 순차적으로 이동시켜 상기 정렬장치의 이동을 조절하는 가동제어장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제9항에 있어서, 상기 정렬 검출기는 가공위치에서의 가공시간보다 작고 규칙적인 간격으로 상기 방출센서의 출력신호를 샘플링하고 그 샘플된 출력신호를 기억하기 위한 샘플기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제12항에 있어서, 상기 정렬 검출장치는 각 샘플된 출력신호의 각 레이저 펄스를 증가시키면서 허용 가능한 최소레벨을 비교하기 위한 비교기와, 가공 위치가 레이저 통로에 정확히 정렬되었는지의 여부를 지시하기위해 각 샘플된 출력신호가 허용가능한 최소레벨을 초과했는지의 여부를 판별하는 판별회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저원으로 선택된 주파수 방출을 지향시키기 위한 방출지향기가 포함되고, 상기 샘플기는 동일한 주파수에서 상기 방출수단의 출력을 샘플하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.