KR20220122311A

KR20220122311A - 원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부 덧씌움 용접장치

Info

Publication number: KR20220122311A
Application number: KR1020210026786A
Authority: KR
Inventors: 공현상; 양유; 전덕진; 이태봉; 유석준
Original assignee: 두산에너빌리티 주식회사
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-02
Also published as: KR102557988B1

Abstract

본 발명의 덧씌움 용접장치는, 원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접장치에 있어서, 상기 노즐 하단에 고정되는 노즐 척킹축; 상기 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접 토치; 상기 용접 토치의 단부 가까이로 이송되고 Alloy 690으로 이루어진 용접봉; 상기 용접 토치를 용접부 경사면에 대해 수직에 가깝게 구동하기 위해 6자유도를 가진 매니퓰레이터; 및 상기 매니퓰레이터의 작동을 원격으로 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부 덧씌움 용접장치{Onlay welding apparatus for junction between atomic reactor head and nozzle of control element drive mechanism}

본 발명은 원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부 덧씌움 용접장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로 헤드부에 부착되어 있는 관통관의 J 그루브 용접면에 Alloy 690 용접 와이어를 사용하여 원격으로 자동 용접을 수행할 수 있는 덧씌움 용접장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원자로의 제어봉 구동장치(CEDM, Control Element Drive Mechanism)는 전자기력을 이용하여 제어봉을 인출, 삽입시킴으로써 원자로의 핵반응을 제어하여 원자력 발전소의 전기적 출력을 조절하는 역할을 수행한다.

이러한 제어봉 구동장치는 원자로 헤드 상부에 설치되는데, 제어봉 구동장치의 하단부에는 CEDM 노즐이 구비되어 있어 CEDM 노즐을 통해 실질적인 제어봉의 인출 및 삽입이 이루어진다. 한편, CEDM 노즐과 원자로 헤드의 접합 부위는 소정 형상을 띠고 있는데 이를 J-그루브(groove) 부위라 칭한다. J-그루브 부위는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접에 의해 CEDM 노즐과 원자로 헤드를 접합하고 있다.

J-그루브 용접부는 Alloy 600 소재로 구성되어 있다. 그런데, 원자력 발전소의 장기간 운전시 J-그루브 부위의 Alloy 600 소재는 높은 응력과 1차수 환경에서 장기간 노출에 의해 균열이 발생하는 현상이 발견되었다. 이를 일차수 응력 부식 균열(PWSCC: Primary Water Stress Corrosion Cracking)이라 한다. 이에 따라, J-그루브 부위에 대한 보수 용접이 요구되지만, 원자로 헤드 내부는 방사능 오염 구역이기 때문에 보수 용접이 용이하게 진행되지 못하고 있다.

등록특허공보 제10-0598353호

본 발명은 원자로 헤드부에 부착되어 있는 관통관의 J 그루브 용접면에 Alloy 690 용접 와이어를 사용하여 원격으로 자동 용접을 수행할 수 있는 덧씌움 용접장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 덧씌움 용접장치는, 원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접장치에 있어서, 상기 노즐 하단에 고정되는 노즐 척킹축; 상기 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접 토치; 상기 용접 토치의 단부 가까이로 이송되고 Alloy 690으로 이루어진 용접봉; 상기 용접 토치를 용접부 경사면에 대해 수직에 가깝게 구동하기 위해 6자유도를 가진 매니퓰레이터; 및 상기 매니퓰레이터의 작동을 원격으로 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 복수의 제어봉 구동장치 노즐의 식별번호를 입력하면 미리 입력된 접합부 형상에 따라 덧씌움 용접을 수행하도록 용접장치를 제어할 수 있다.

본 발명의 덧씌움 용접장치는, 상기 용접 토치의 높이를 조절하는 토치 높이조절축; 상기 용접 토치에 대한 상기 용접봉의 회전 위치를 조절하는 노즐 인입위치 결정축; 및 용접시 상기 용접봉을 인입시키는 용접봉 인입축을 더 포함할 수 있다.

상기 노즐 척킹축은 ±40도의 범위에서 자전하면서, ±9mm의 범위에서 승강할 수 있다.

상기 토치 높이조절축은 ±20mm의 범위에서 구동될 수 있다.

상기 노즐 인입위치 결정축은 ±40도의 범위에서 회전될 수 있다.

상기 용접봉 인입축은 4000mm/분의 최대 이송 속도로 용접봉을 이송할 수 있다.

상기 매니퓰레이터는 상기 용접 토치를 회동시키는 제1틸팅축과, 상기 제1틸팅축을 회동시키는 제2틸팅축과, 상기 제2틸팅축을 회동시키는 아크 날림방지축과, 상기 노즐의 중심에서 상기 용접 토치를 소정 거리 이격시키는 반경생성축과, 상기 매니퓰레이터를 회전시키는 회전생성축과, 용접시 경사면을 상진하도록 상기 매니퓰레이터를 승강시키는 경사면 상진축을 포함할 수 있다.

상기 제1틸팅축은 상기 용접 토치를 ±90도의 범위에서 회동시킬 수 있다.

상기 제2틸팅축은 상기 제1틸팅축을 0~30도의 범위에서 회동시킬 수 있다.

상기 아크 날림방지축은 상기 제2틸팅축을 0~30도의 범위에서 회동시킬 수 있다.

상기 반경생성축은 상기 용접 토치를 0~150mm 범위에서 이동시킬 수 있다.

상기 회전생성축은 상기 매니퓰레이터를 ±365도의 범위에서 회전시킬 수 있다.

상기 경사면 상진축은 상기 매니퓰레이터를 0~400mm 범위에서 승강시킬 수 있다.

상기한 본 발명의 덧씌움 용접장치에 의하면, 원자로 헤드부에 부착되어 있는 관통관의 J 그루브 용접면에 Alloy 690 용접 와이어를 사용하여 원격으로 자동 용접을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 용접장치는 6자유도를 가진 매니퓰레이터의 작동을 원격으로 정밀하게 제어함으로써 용접 토치를 용접부 경사면에 대해 수직에 가깝게 구동하면서 덧씌움 용접을 수행할 수 있다.

그리고, 본 발명의 용접장치의 제어부는 복수의 제어봉 구동장치 노즐의 식별번호를 입력하면 미리 입력된 접합부 형상에 따라 덧씌움 용접을 자동으로 수행하도록 용접장치를 제어할 수 있다.

도 1은 원자로 헤드부의 제어봉 구동장치 노즐의 J 그루브 용접면에 본 발명의 일 실시예에 따른 용접장치를 사용하여 덧씌움 용접하는 상황을 나타내는 일부 절개 정면 사시도이다.
도 2는 도 1의 상방 사시도이다.
도 3은 도 1의 상면도이다.
도 4는 도 1의 하방 사시도이다.
도 5는 제어봉 구동장치 노즐과 J 그루브 용접부 주위를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에서 본 발명의 용접장치를 사용하여 덧씌움 용접한 것을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접장치를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 용접장치의 상부를 확대하여 나타내는 사시도이다.
도 9는 제어봉 구동장치 노즐에 결합된 가이드콘을 절단한 것을 나타내는 단면도이다.
도 10은 가이드콘 절단 후 J 그루브 용접면에 덧씌움 용접한 것을 나타내는 단면도이다.
도 11은 덧씌움 용접 후 가이드콘 용접장치로 새 가이드콘을 용접하여 설치하는 것을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 원자로 헤드부의 제어봉 구동장치 노즐의 J 그루브 용접면에 본 발명의 일 실시예에 따른 용접장치를 사용하여 덧씌움 용접하는 상황을 나타내는 일부 절개 정면 사시도이고, 도 2는 도 1의 상방 사시도이며, 도 3은 도 1의 상면도이고, 도 4는 도 1의 하방 사시도이며, 도 5는 제어봉 구동장치 노즐과 J 그루브 용접부 주위를 나타내는 단면도이고, 도 6은 도 5에서 본 발명의 용접장치를 사용하여 덧씌움 용접한 것을 나타내는 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 덧씌움 용접장치(100)는 원자로 헤드부(10)와 제어봉 구동장치 노즐(20)의 접합부에 덧씌움 용접을 수행한다. 원자로 헤드부(10)는 돔 형태의 구조물로서 내주면에 강판이 부착될 수 있다. 도 1 내지 도 4에서 원자로 헤드부(10)는 편의상 약 100도 정도로 절개하여 도시하였다.

제어봉 구동장치(CEDM, Control Element Drive Mechanism) 노즐(20)은 복수개가 돔 형태의 원자로 헤드부(10)를 관통하도록 배치되고, 헤드부(10) 하단면에서 용접되어 결합될 수 있다. 제어봉 구동장치(CEDM)는 CEDM 제어장치로부터 받은 작동신호에 따라 제어봉 집합체(Control Element Assembly)를 구동시켜 원자로 노심의 핵반응도를 조절하는 장치이다. 예를 들어, 원자로 헤드 상부에는 84개의 관통관(관통관 노즐)이 있으며, CEDM용 81개(예비용 8개 포함), 노내 냉각재의 수위 측정을 위한 온도계(Heat Junction Thermo Couple)용 2개, 배기용 1개로 구성될 수 있다. 각 제어봉 구동장치 노즐(20) 하단부는 헤드부(10) 하면에서 소정 길이 돌출되어 있으며, 각 헤드부(10) 하단에는 가이드콘(50)이 결합되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제어봉 구동장치 노즐(20)은 원자로 헤드부(10)의 강판(11)을 관통하도록 용접될 수 있다. 제어봉 구동장치 노즐(20)은 Alloy 600 계열의 소재로 이루어질 수 있다.

강판(11) 표면에는 클래드(clad)(31)가 부식 방지를 위해 피복될 수 있다. 탄소강 또는 저합금강 재료로 제작된 기기의 표면을 1차 냉각수와의 접촉을 차단할 목적으로 수행하는 용접층을 클래드라 하며, 원자로 헤드부(10) 강판(11)에 클래드(31) 용접재료로 예를 들어, 스테인리스강(ER309L 또는 ER308L)이 사용될 수 있다.

제어봉 구동장치 노즐(20) 주위에는 J-그루브가 형성되고, 이 강판(11)의 J-그루브 표면에는 버터링(buttering) 용접부(32)가 소정 두께로 형성될 수 있다. 버터링 용접은 맞대기 용접을 할 때 모재에 미치는 열의 영향을 줄이기 위해 홈 표면에 다른 종류의 용접금속을 입히는 덧살 용접을 말한다.

J-그루브 내부에는 노즐(20)과 버터링 용접부(32) 사이에 J-그루브 용접부(33)가 형성될 수 있다. J-그루브 용접부(33)는 버터링 용접부(32)와 마찬가지로 Alloy 600 계열의 Alloy 82/182 소재로 용접될 수 있다. 클래드(31)와 버터링 용접부(32)와 J-그루브 용접부(33)는 제어봉 구동장치 노즐(20) 주위의 용접부(30)를 구성한다고 볼 수 있다.

제어봉 구동장치 노즐(20)의 하단에는 가이드콘(50)이 결합되어 있다. 가이드콘(50)은 원자로헤드와 제어봉구동장치의 연장봉 집합체를 조립할 때 좁은 내경의 제어봉 구동장치 노즐을 통과할 수 있도록 안내한다.

그런데, 원자로를 장기간 운전할 때 특히 J-그루브 용접부(33)가 부식되어 결함부위(35)가 발생하는 문제가 발견되었다. Alloy 600 계열의 소재는 Ni-Cr-Fe 합금으로 가압 경수로(PWR: Pressurized Pater Reactor)에서 증기발생기 전열관, 제어봉 안내관, 이종 금속 용접 재료 등으로 사용된다. 이 합금은 내식성이 우수하지만 Alloy 600과 그 용접 재료 weld 182는 1차수 응력 부식 균열(PWSCC: Primary Water Stress Corrosion Cracking)로 손상된다. PWSCC는 가동년수 증가에 따라 금속재료, 잔류응력, 고온수질환경(RCS) 등이 복합적으로 작용해서 발생하는 응력 부식 균열이다. PWSCC라는 용어가 사용되는 이유는 PWR의 1차 계통수는 용존 산소 농도가 10 ppb 이하로 낮고, 원자로의 핵분열 반응도를 조절하기 위해 투입된 붕산은 분자 상태로 용해되어 부식성이 매우 낮음에도 불구하고 입계 파괴가 일어나기 때문이다. Alloy 600의 입계 파괴는 원자로 가동 온도인 330℃의 1차수 환경에서 10^-7/s 이하의 저변형률로 인장 시험되었을 때만 재현되는데, 이것은 PWSCC가 원자의 확산에 의해서 지배된다는 의미이다. Alloy 600은 탄소 함량이 약 0.15%로 높기 때문에 용접 재료로 사용시 응력 부식 균열이 발생하는 것으로 알려져 있다.

이에 반해, Alloy 690은 Alloy 600에 비해 Ni 함량은 줄이고 Cr 함량을 약 2배(30%)로 늘리며 C(탄소) 함량을 0.04% 이하로 줄인 것이다. 이에 따라, 본 발명의 용접장치는 응력 부식 균열의 발생 가능성이 거의 없는 Alloy 690 소재를 J-그루브 용접부에 덧씌움(Onlay) 용접을 수행한다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 제어봉 구동장치 노즐(20) 외주면과 J-그루브 용접부(33)에 Alloy 690 소재를 사용하여 덧씌움 용접부(40)를 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접장치를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 용접장치의 상부를 확대하여 나타내는 사시도이다.

본 발명의 덧씌움 용접장치(100)는 노즐 하단에 고정되는 노즐 척킹축(110), 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접 토치(121), 용접 토치의 단부 가까이로 이송되고 Alloy 690으로 이루어진 용접봉(131), 용접 토치를 용접부 경사면에 대해 수직에 가깝게 구동하기 위해 6자유도를 가진 매니퓰레이터, 및 매니퓰레이터의 작동을 원격으로 제어하는 제어부를 포함한다.

노즐 척킹축(110)은 상단이 제어봉 구동장치 노즐(20)에 삽입되고 원자로 바닥에 대해 상승됨으로써, 덧씌움 용접장치(100)를 특정한 노즐(20)에 고정할 수 있다. 노즐 척킹축(110)은 덧씌움 용접장치(100)의 중심축에 대해 ±40도의 범위에서 자전하면서, ±9mm의 범위에서 승강하도록 구성될 수 있다.

용접 토치(121)는 원자로 헤드부(10)에 관통되는 제어봉 구동장치 노즐(20) 외주면의 강판(11)과의 접합부에 덧씌움(Onlay) 용접을 수행한다. 용접 토치(121)는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW: Gas Tungsten Arc Welding)에 의해 덧씌움 용접부(40)를 형성할 수 있다. 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 비소모식 텅스텐 전극을 사용하는 아크 용접 공정이다. 용접 영역은 불활성 차폐가스(아르곤, 헬륨 등)가 대기의 산소, 수증기, 오염물질로부터 접합 부위를 보호할 수 있다.

용접봉(131)은 용접 토치의 단부 가까이로 연속적으로 이송되고, Alloy 690으로 이루어진 용가재가 사용될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 용접봉(131)은 용접 수행시 그 단부가 용접 토치(121) 단부와 일정 간격을 유지하면서 소정 속도로 연속적으로 공급될 수 있다. 이때, 용접 토치(121)는 접합부의 주위 표면을 따라 움직이도록 작동될 수 있다.

매니퓰레이터는 후술하는 복수의 이송축에 의해 6자유도를 가지고 있고, 용접 토치(121)를 용접부(30) 경사면에 대해 수직에 가깝게 구동할 수 있다. 일반적으로 6자유도는 3-D 입체 공간 상에서 x축 방향으로 이동, y축 방향으로 이동, z축 방향으로 이동, x축을 중심으로 회전, y축을 중심으로 회전, z축을 중심으로 회전하는 것을 의미할 수 있다.

제어부(미도시)는 매니퓰레이터를 포함하는 용접장치의 작동을 원격으로 제어할 수 있다. 원자로 내부는 방사능이 존재하는 장소이기 때문에, 제어부는 용접장치(100)를 원격으로 제어함으로써 특정 노즐(20)의 접합부에 자동으로 덧씌움 용접을 수행할 수 있다.

제어부는 복수의 제어봉 구동장치 노즐(20)의 식별번호를 입력하면 미리 입력된 접합부 형상에 따라 덧씌움 용접을 수행하도록 용접장치(100)를 제어할 수 있다. 복수의 제어봉 구동장치 노즐(20)은 원자로 헤드부(10)에 관통하도록 장착되는 위치에 따라 그 주변의 J-그루브 접합부의 입체적인 형상이 달라지게 된다. 따라서, 제어부는 노즐(20)의 식별번호에 따라 서로 다른 형상의 덧씌움 용접부(40)를 형성하도록 덧씌움 용접장치(100)의 작동을 원격으로 제어할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 덧씌움 용접부(40)는 J-그루브와 클래드(31) 일부와 노즐(20) 외주면 일부까지 덮도록 입체적인 형태로 형성될 수 있다. 덧씌움 용접부(40)는 Alloy 600 소재로 이루어진 노즐(20) 외주면 하단부까지 덮도록 형성되는 것이 더 좋다.

제어부는 용접 토치(121)가 노즐(20) 접합부 타원 궤도를 따라 복수회 회전되면서 용접하도록 용접장치(100)를 제어할 수 있다. 즉, 제어부는 용접 토치(121)가 노즐(20) 주위의 강판(11) 표면과 노즐(20) 외주면을 따라 그 용접면에 수직에 가깝게 배치되면서 타원 궤도를 따라 복수회 회전되도록 용접장치(100)를 제어할 수 있다. 덧씌움 용접부(40) 중 강판(11)에 평행하게 형성되는 부위는 덧씌움 용접이 3층 또는 4층으로 적층되도록 형성될 수 있다.

덧씌움 용접장치(100)는 용접 토치(121)의 높이를 조절하는 토치 높이조절축(120), 용접 토치(121)에 대한 용접봉(131)의 회전 위치를 조절하는 노즐 인입위치 결정축(130), 및 용접시 용접봉(131)을 인입시키는 용접봉 인입축(200)을 더 포함할 수 있다.

토치 높이조절축(120)은 모터에 의해 구동됨으로써 용접 토치(121)의 높이를 조절할 수 있다. 토치 높이조절축(120)은 ±20mm의 범위에서 구동됨으로써 용접 토치(121)를 승강시킬 수 있다. 토치 높이조절축(120)이 용접 토치(121)의 높이를 조절함으로써, 용접 토치(121)가 용접면으로부터 소정 간격으로 이격되도록 할 수 있다.

노즐 인입위치 결정축(130)은 모터에 의해 용접 토치(121)에 대한 용접봉(131)의 회전 위치를 조절할 수 있다. 용접봉(131)은 용접 토치(121)에 대해 소정 각도로 경사지게 배치되는데, 노즐 인입위치 결정축(130)은 용접 토치(121)를 중심축으로 하여 용접봉(131)의 회전 각도 위치를 조절할 수 있다. 노즐 인입위치 결정축(130)은 ±40도의 범위에서 회전될 수 있다.

용접봉 인입축(200)은 Alloy 690 계열 소재로 된 와이어 형태의 용접봉(131)을 롤에 권취하고 있다가 용접시에 소정 속도로 권출하여 용접봉(131)을 연속적으로 이송할 수 있다. 용접봉 인입축(200)은 4000mm/분의 최대 이송 속도로 용접봉을 이송할 수 있다.

매니퓰레이터는 용접 토치(121)를 회동시키는 제1틸팅축(140)과, 제1틸팅축을 회동시키는 제2틸팅축(150)과, 제2틸팅축을 회동시키는 아크 날림방지축(160)과, 노즐의 중심에서 용접 토치(121)를 소정 거리 이격시키는 반경생성축(170)과, 매니퓰레이터를 회전시키는 회전생성축(180)과, 용접시 경사면을 상진하도록 매니퓰레이터를 승강시키는 경사면 상진축(190)을 포함할 수 있다.

제1틸팅축(140)은 용접 토치(121)에 대해 소정 각도 경사지게 배치되어 있고, 용접 토치(121)를 ±90도의 범위에서 회동시킬 수 있다.

제2틸팅축(150)은 호형 가이드지지부에 대해 제1틸팅축(140)을 0~30도의 범위에서 회동시킬 수 있다. 제1틸팅축(140)과 제2틸팅축(150)은 함께 조합하여 용접 토치(121)의 용접면에 대한 틸팅 각도를 만들어서, 아크를 용접면에 대해 법선화할 수 있다.

아크 날림방지축(160)은 제2틸팅축(150)이 0~30도의 범위에서 회동가능하게 장착된 호형 가이드지지부를 회동시킬 수 있다. 아크 날림방지축(160)은 제2틸팅축(150)을 0~30도의 범위에서 회동시킴으로써, 아크를 용접면에 대해 법선화할 수 있다. 그래서, 용접 토치(121)에서 발생하는 아크의 날림을 방지할 수 있다.

반경생성축(170)은 용접장치(100)의 중심축에 대해 용접 토치(121)를 소정 거리 이격시키기 위해, 아크 날림방지축(160)을 0~150mm 범위에서 이동시킬 수 있다. 즉, 반경생성축(170)은 가이드레일 상에 장착된 아크 날림방지축(160)을 반경방향으로 수평의 직선상으로 이동시킬 수 있다.

회전생성축(180)은 용접장치(100)의 중심축에 회전가능하게 장착된 가이드레일을 ±365도의 범위에서 회전시킬 수 있다. 이 가이드레일 상에 반경생성축(170), 아크 날림방지축(160), 제2틸팅축(150), 제1틸팅축(140)이 순차적으로 장착되어 있기 때문에, 회전생성축(180)이 회전되면 매니퓰레이터가 용접장치(100)의 중심축에 대해 ±365도의 범위에서 회전될 수 있다.

경사면 상진축(190)은 회전생성축(180), 즉 회전되는 가이드레일의 아래에 결합되어 가이드레일을 승강시킬 수 있다. 그럼으로써, 경사면 상진축(190)은 매니퓰레이터를 0~400mm 범위에서 승강시킬 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 경사면 상진축(190)은 지지프레임에 장착될 수 있다. 지지프레임의 아래에는 중심에 수직으로 배치되는 지지축(210)이 결합되고, 지지축(210)의 하단부에는 복수의 지지다리(220)가 결합될 수 있다. 각 지지다리(220)는 바퀴를 구비하여 용접장치(100)가 원자로 바닥에서 쉽게 이동될 수 있다. 도시하지 않았으나, 용접장치(100)는 바퀴를 구동하는 모터를 더 구비하여 복수의 노즐(20) 중 특정 식별번호의 노즐로 스스로 이동하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 용접장치(100)는 식별번호에 따라 각 노즐(20) 위치로 순차적으로 이동하여 각 접합부의 형상에 따라 자동으로 덧씌움 용접을 수행하도록 제어될 수 있다.

도 9는 제어봉 구동장치 노즐에 결합된 가이드콘을 절단한 것을 나타내는 단면도이고, 도 10은 가이드콘 절단 후 J 그루브 용접면에 덧씌움 용접한 것을 나타내는 단면도이며, 도 11은 덧씌움 용접 후 가이드콘 용접장치로 새 가이드콘을 용접하여 설치하는 것을 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 덧씌움 용접장치를 사용하여 원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부에 덧씌움 용접을 하는 과정을 설명한다.

우선, 도 5에 도시된 바와 같이, 덧씌움 용접을 수행할 제어봉 구동장치 노즐(20) 하단 내주면에는 가이드콘(50)이 결합되어 있다.

이 가이드콘(50)은 용접시 용접 토치(121) 등과 간섭될 수 있으므로, 별도의 절단장치(미도시)를 사용하여 도 9에 도시된 바와 같이 가이드콘(50)을 절단할 수 있다. 복수의 노즐(20)에 대해 덧씌움 용접 작업을 할 경우, 복수의 노즐(20) 모두에 결합되어 있는 가이드콘(50)을 먼저 절단한 다음, 복수의 노즐(20)에 대해 덧씌움 용접 작업을 순차적으로 수행하는 것이 바람직하다.

다음에, 도 10에 도시된 바와 같이, 각 제어봉 구동장치 노즐(20)에 대해 본 발명의 덧씌움 용접장치(100)를 사용하여 순차적으로 덧씌움 용접을 수행한다. 이때, Alloy 690 계열의 소재로 된 용접봉(131)을 사용하여 J-그루브에 3층 또는 4층으로 적층되도록 용접부(40)를 형성할 수 있다.

마지막으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 가이드콘 용접장치(250)를 사용하여 새로운 가이드콘(50')을 기존 가이드콘(50)의 절단부위에 용접하여 결합할 수 있다. 새로운 가이드콘 용접 작업도 복수의 노즐(20) 전부에 대해 덧씌움 용접을 순차적으로 완료한 다음, 복수의 노즐(20)에 새로운 가이드콘(50')을 순차적으로 용접하여 결합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 덧씌움 용접장치에 의하면, 원자로 헤드부에 부착되어 있는 관통관의 J 그루브 용접면에 Alloy 690 용접 와이어를 사용하여 원격으로 자동 용접을 수행할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10: 원자로 헤드부
11: 강판
20: 제어봉 구동장치 노즐
30: 용접부
31: 클래드
32: 버터링 용접부
33: J-그루브 용접부
35: 결함부위
40: 덧씌움 용접부
50: 가이드콘
100: 덧씌움 용접장치
110: 노즐 척킹축
120: 토치 높이조절축
121: 용접 토치
130: 노즐 인입위치 결정축
131: 용접봉
140: 제1틸팅축
150: 제2틸팅축
160: 아크 날림방지축
170: 반경생성축
180: 회전생성축
190: 경사면 상진축
200: 용접봉 인입축
210: 지지축
220: 지지다리
250: 가이드콘 용접장치

Claims

원자로 헤드부와 제어봉 구동장치 노즐의 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접장치에 있어서,
상기 노즐 하단에 고정되는 노즐 척킹축;
상기 접합부에 덧씌움 용접을 수행하는 용접 토치;
상기 용접 토치의 단부 가까이로 이송되고 Alloy 690으로 이루어진 용접봉;
상기 용접 토치를 용접부 경사면에 대해 수직에 가깝게 구동하기 위해 6자유도를 가진 매니퓰레이터; 및
상기 매니퓰레이터의 작동을 원격으로 제어하는 제어부를 포함하는 덧씌움 용접장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 복수의 제어봉 구동장치 노즐의 식별번호를 입력하면 미리 입력된 접합부 형상에 따라 덧씌움 용접을 수행하도록 용접장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제2항에 있어서,
상기 용접 토치의 높이를 조절하는 토치 높이조절축;
상기 용접 토치에 대한 상기 용접봉의 회전 위치를 조절하는 노즐 인입위치 결정축; 및
용접시 상기 용접봉을 인입시키는 용접봉 인입축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐 척킹축은 ±40도의 범위에서 자전하면서, ±9mm의 범위에서 승강하는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제3항에 있어서,
상기 토치 높이조절축은 ±20mm의 범위에서 구동되는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제3항에 있어서,
상기 노즐 인입위치 결정축은 ±40도의 범위에서 회전되는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제3항에 있어서,
상기 용접봉 인입축은 4000mm/분의 최대 이송 속도로 용접봉을 이송하는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제3항에 있어서,
상기 매니퓰레이터는
상기 용접 토치를 회동시키는 제1틸팅축과,
상기 제1틸팅축을 회동시키는 제2틸팅축과,
상기 제2틸팅축을 회동시키는 아크 날림방지축과,
상기 노즐의 중심에서 상기 용접 토치를 소정 거리 이격시키는 반경생성축과,
상기 매니퓰레이터를 회전시키는 회전생성축과,
용접시 경사면을 상진하도록 상기 매니퓰레이터를 승강시키는 경사면 상진축을 포함하는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제8항에 있어서,
상기 제1틸팅축은 상기 용접 토치를 ±90도의 범위에서 회동시키는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제8항에 있어서,
상기 제2틸팅축은 상기 제1틸팅축을 0~30도의 범위에서 회동시키는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제8항에 있어서,
상기 아크 날림방지축은 상기 제2틸팅축을 0~30도의 범위에서 회동시키는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제8항에 있어서,
상기 반경생성축은 상기 용접 토치를 0~150mm 범위에서 이동시키는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제8항에 있어서,
상기 회전생성축은 상기 매니퓰레이터를 ±365도의 범위에서 회전시키는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.
제8항에 있어서,
상기 경사면 상진축은 상기 매니퓰레이터를 0~400mm 범위에서 승강시키는 것을 특징으로 하는 덧씌움 용접장치.