KR100528759B1 - 광섬유 보호용 스틸튜브 용접방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스틸 박판을 롤포밍하여 광섬유 보호용 스틸튜브를 제조할 때 튜브의 길이방향을 따라 형성되는 갭을 접합하기 위한 것으로서, 텅스텐 전극의 단부가 상기 갭의 용접대상지점과 대향하도록 TIG 용접수단을 구비하는 단계; 상기 스틸튜브의 길이방향에 수직한 기준선에 대하여 그 광축이 소정 사잇각을 이루는, 상기 기준선 및 상기 갭의 장축과 동일 평면상에 위치하는 레이저빔을 상기 용접대상지점에 조사하도록 레이저 용접수단을 배치하는 단계; 및 상기 스틸튜브를 길이방향으로 이송시킴과 더불어 상기 TIG 용접수단 및 레이저 용접수단을 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접방법과 이를 수행하기 위한 용접장치가 개시된다.

본 발명에 의하면 레이저빔이 가해지는 유효면적을 증대시킬 수 있으며, 용접선속 및 용접효율의 향상과 함께 고품질의 용접면을 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

광섬유 보호용 스틸튜브 용접방법 및 이를 위한 장치{Method for welding a steel tube containing optical fiber and apparatus for the same}

본 발명은 광섬유 보호용 스틸튜브 용접방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유 보호용 스틸튜브의 제조시 튜브의 길이방향을 따라 형성되는 갭을 보다 신속하고도 높은 효율로 접합하기 위한 광섬유 보호용 스틸튜브 용접방법과 그 장치에 관한 것이다.

통신용 광섬유가 구비된 각종 케이블에는 외부로부터 가해지는 기계적 충격 등 여러 손상요인으로부터 광섬유 또는 광섬유 다발을 보호하도록 스틸튜브(steel tube)가 내장되는 것이 일반적이다.

이러한 스틸튜브는, 바람직하게 스테인레스 스틸(stainless steel) 박판을 소정의 롤링장치를 이용하여 원통형으로 마는 롤포밍 공정을 통해 구성되는데, 이때 튜브에는 길이방향 따라 갭(gap)이 형성되므로 이를 접합하기 위한 용접공정이 수행되어야 한다.

도 1은 용접공정을 거친 스틸튜브의 일 예를 나타내는 것으로서, 루스튜브 구조로 광섬유 다발(105)을 보호하는 스틸튜브(100)에 용접부(101)가 형성된 구성이 도시되어 있다.

이와 같이 스틸튜브(100)의 갭을 용접하기 위해 종래에는 도 2에 도시된 바와 같은 용접장치가 널리 사용되었다.

도 2를 참조하면, 스틸튜브(100)의 일측에는, 상기 스틸튜브(100)에 형성된 갭으로 레이저빔(B)을 조사하도록 레이저 용접수단(10)이 구비된다. 따라서, 상기 스틸튜브(100)를 그 길이방향을 따라 이송시키면서 레이저 용접수단(10)을 구동하면 스틸튜브(100)에 형성된 갭(102)에 대한 접합이 연속적으로 이루어진다.

이와 같은 레이저 용접법은 다른 용접법에 비해 상대적으로 정밀도가 높고 용접속도가 빠르며, 유해가스가 발생하지 않는 등의 장점이 있다. 그러나, 스틸튜브(100)에 형성되는 갭이 보통 0.1mm 정도에 불과한 점과, 용접에 영향을 끼치는 레이저빔의 직경 등을 고려할 때 레이저 용접법은 용접선의 관리가 용이하지 않은 문제가 있다.

특히, 종래에는 상기 레이저 용접수단(10)이, 스틸튜브(100)의 길이방향에 수직하게 레이저빔(B)을 조사하도록 설치가 되므로 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 영향영역(C)이 원형을 이루게 되는데, 이러한 형태는 용접선속의 증대에 불리하고, 외부 진동이나 외란 작용시 상기 레이저 영향영역(C)으로부터 용접선(103)이 쉽게 벗어나는 문제가 있다.

또한, 이와 같이 수직으로 레이저빔이 조사되는 경우에는 스틸튜브(100)의 갭(102)을 통과하여 광섬유 다발(105)에 직접적으로 레이저가 가해질 수 있으므로 레이저의 출력설정에 세심한 주의가 요구된다.

한편, 레이저 용접법의 취약점을 보완한 용접법으로는 레이저 용접과 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 결합한 하이브리드 용접법을 들 수가 있다. 여기서, TIG 용접법은 텅스텐을 전극으로 사용하고, 아르곤이나 헬륨을 보호가스로 사용하는 비소모성 용접방법으로서 용접 입열의 조정이 용이하여 박판 용접에 매우 유리한 특성을 갖는다. 이러한 TIG 용접법은 텅스텐 전극봉이 비소모성이므로 용가재의 첨가없이도 아크열에 의해 모재를 녹여서 용접하는 것이 가능하다.

그러나, 이러한 종래의 하이브리드 용접법은 레이저빔이 모재의 표면에 대하여 수직으로 조사되도록 레이저 용접수단이 설치되고, 상기 레이저빔의 광축에 대하여 소정 각도로 기울어진 상태로 텅스텐 전극이 설치되므로 TIG 용접에 따라 용접지점에서 발생되는 금속증기가 그대로 레이저 용접수단에 가해져서 장시간 작업시 레이저 용접수단이 열화되거나 파손되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 미세하고도 정밀한 용접이 수행되어야 하는 광섬유 보호용 스틸튜브의 용접은 연속작업시간이 보통 16시간 정도로 매우 오래 소요되므로 종래의 하이브리드 용접법을 적용할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 광섬유 보호용 스틸튜브의 용접선에 가해지는 레이저빔의 유효면적을 증대시킴과 더불어, 레이저 용접과 TIG 용접을 동시에 수행할 수 있는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접방법 및 이를 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스틸 박판을 롤포밍하여 광섬유 보호용 스틸튜브를 제조할 때 튜브의 길이방향을 따라 형성되는 갭을 접합하기 위한 용접방법에 있어서, 텅스텐 전극의 단부가 상기 갭의 용접대상지점과 대향하도록 TIG 용접수단을 구비하는 단계; 상기 스틸튜브의 길이방향에 수직한 기준선에 대하여 그 광축이 소정 사잇각을 이루는, 상기 기준선 및 상기 갭의 장축과 동일 평면상에 위치하는 레이저빔을 상기 용접대상지점에 조사하도록 레이저 용접수단을 배치하는 단계; 및 상기 스틸튜브를 길이방향으로 이송시킴과 더불어 상기 TIG 용접수단 및 레이저 용접수단을 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 사잇각은 10°~ 30°로 설정될 수 있다.

상기 레이저빔은, 수직 기준선을 중심으로 스틸튜브의 진행방향 반대측으로부터 상기 용접대상지점으로 조사되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 스틸 박판을 롤포밍하여 광섬유 보호용 스틸튜브를 제조할 때 튜브의 길이방향을 따라 형성되는 갭을 접합하기 위한 용접장치에 있어서, 텅스텐 전극의 단부가 상기 갭의 용접대상지점과 대향하도록 구비된 TIG 용접수단과, 상기 스틸튜브의 길이방향에 수직한 기준선에 대하여 그 광축이 소정 사잇각을 이루는, 상기 기준선 및 상기 갭의 장축과 동일 평면상에 위치하는 레이저빔을 상기 용접대상지점에 조사하도록 배치된 레이저 용접수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접장치가 제공된다.

상기 사잇각은 10°~ 30°로 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 레이저 용접수단은, 상기 수직 기준선을 중심으로 스틸튜브의 진행방향 반대측으로부터 상기 용접대상지점으로 레이저빔을 조사하도록 배치되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 보호용 스틸튜브 용접장치의 구성이 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 스틸튜브(100)의 길이방향을 따라 형성된 갭(102)에 레이저빔을 조사하기 위한 레이저 용접수단(20)과, 상기 레이저빔이 조사되는 용접대상지점과 텅스텐 전극(30)의 단부가 대향하도록 구비되는 TIG 용접수단(미도시)를 포함한다.

상기 레이저 용접수단(20)은, 스틸튜브(100)의 길이방향에 수직한 기준선(Ⅰ)에 대하여 그 광축(Ⅱ)이 소정 사잇각 θ를 이루는 한편, 상기 기준선(Ⅰ) 및 갭(102)의 장축(Ⅲ)과 동일 평면상에 위치하는 레이저빔(B)을 상기 갭(102)에 조사하도록 배치된다. 이때, 상기 레이저 용접수단(20)은, TIG 용접시 발생하는 금속증기가 레이저 용접수단(20)에 가해지는 것을 보다 효율적으로 방지하도록, 상기 기준선(Ⅰ)을 중심으로 스틸튜브(100)의 이송방향 반대측에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 레이저 용접수단(20)에 채용되는 레이저로는, 스틸튜브(100)가 보통 내식성이 우수한 스테인레스 스틸 재질로 이루어지는 것을 감안할 때 CO₂ 레이저가 채용되는 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 TIG 용접수단으로는 텅스텐 전극(30)을 구비한 통상의 TIG 용접장치가 채용될 수 있다.

상기 텅스텐 전극(30)의 단부는 스틸튜브(100)에 형성된 갭(102)의 용접대상지점과 대향하도록 설치되어 TIG 용접장치의 구동시 아크(A)를 발생하게 된다. 이때, 상기 텅스텐 전극(30)은 그 장축(Ⅳ)이 상기 기준선(Ⅰ)과 일치할 수 있음은 물론이며, 소정 각도를 이루며 기울어지도록 배치될 수도 있다.

한편, 상기 기준선(Ⅰ)과 레이저빔(B)의 광축(Ⅱ)이 이루는 사잇각 θ는 10°~ 30°로 설정되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 사잇각 θ가 10°미만일 경우에는 용접선속 증대효과가 미미할 뿐만 아니라 TIG 용접에 따른 금속증기가 레이저 용접수단(20)에 가해지는 문제가 있으며, 상기 사잇각 θ가 30°를 초과하게 되면 레이저빔의 열효율(열용량)이 저하되어 용입깊이가 작아지는 문제가 있다.

도 5에는 상기와 같이 기준선(Ⅰ)에 대해 기울어진 상태로 레이저빔이 조사됨에 따른 레이저 영향영역(C)이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 레이저빔(B)의 영향영역(C)이 갭(102)의 길이방향으로 확장되어 실질적으로 용접이 이루어지는 유효면적이 증대됨을 알 수가 있다.

도 6에는 상기 기준선(Ⅰ)과 레이저빔(B)의 광축(Ⅱ)이 이루는 사잇각 θ, 즉 기울임 각도에 따른 용접상태를 나타내는 실험예가 도시되어 있다. 여기서, 용접대상물로는 직경 3.2mm, 두께 0.2mm의 스테인레스 스틸 루스튜브가 사용되었으며, 출력 2㎾의 레이저 용접 및 TIG 용접이 수행되었다. 아울러, 실험에 따르면 이러한 용접조건에서 종래의 레이저 용접장치는 용접선속 15m/min 이상에서 용입이 이루어지지 않는다.

도 6을 참조하면, 사잇각 θ가 10°~ 30°인 범위에서 양호한 용접이 이루어지고, 바람직하게 15°부근에서 매우 안정적이고 효과적인 용접이 이루어짐을 알 수가 있다.

그러면, 이상과 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 광섬유 보호용 스틸튜브 용접장치의 동작을 설명하기로 한다.

본 발명에 의하면 스틸튜브(100)의 길이방향에 수직한 기준선(Ⅰ)에 대하여 레이저빔(B)의 광축(Ⅱ)이 사잇각 θ를 이루도록 기울어진 상태로 레이저 용접수단(20)이 구비되고, 아울러 그 텅스텐 전극(30)이 상기 기준선(Ⅰ)과 일치하거나 소정 각도를 이루는 TIG 용접수단이 구비된다.

이러한 구성을 통해, 스틸튜브(100)의 길이방향을 따라 형성된 갭(102)의 용접대상지점에는, 종래에 비해 확장된 레이저 영향영역(C)을 제공하는 레이저빔이 조사됨과 더불어 상기 텅스텐 전극(30)을 통해 아크열이 가해지게 된다.

따라서, 스틸튜브를 길이방향을 따라 이송시킴과 더불어 상기 레이저 용접수단(20) 및 TIG 용접수단을 구동하게 되면, 예컨대 15m/min의 높은 용접선속과 충분한 용입깊이로 레이저 용접과 TIG 용접이 동시에 이루어진다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 수직 기준선에 대하여 기울어진 상태로 스틸튜브에 레이저빔이 조사되므로 레이저의 영향이 가해지는 유효면적을 증대시킬 수 있고, TIG 용접에 따른 금속증기로부터 레이저 용접수단을 보호할 수 있다.

따라서, 이러한 본 발명을 광섬유 보호용 스테인레스 스틸 루스튜브의 갭을 접합하는데 적용하면, 루스튜브 내부의 광섬유에 대한 손상을 방지함과 더불어 용접선의 관리가 용이하고, 종래의 레이저 용접에 비해 향상된 용접선속과 용접효율을 얻을 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면 레이저에 의한 가열과 아크에 의한 발열이 동반상승작용을 일으키며 용접이 이루어지므로 저출력 레이저 장비를 사용하더라도 실질적으로 고출력 레이저 장비를 사용한 효과를 얻을 수 있는 경제성이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 용접공정을 거친 광섬유 보호용 스틸튜브의 구성예을 도시하는 단면도.

도 2는 종래의 기술에 따른 스틸튜브 용접장치의 구성도.

도 3은 도 2의 용접장치에 의해 스틸튜브에 가해지는 레이저 영향영역을 도시하는 사시도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스틸튜브 용접장치의 구성도.

도 5는 도 4의 용접장치에 의해 스틸튜브에 가해지는 레이저 영향영역을 도시하는 사시도.

도 6은 도 5에서 레이저빔과 기준선 간의 사잇각에 따른 용접상태를 나타내는 도표.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

20...레이저 용접수단 30...텅스텐 전극

100...스틸튜브

Claims (6)

1. 스틸 박판을 롤포밍하여 광섬유 보호용 스틸튜브를 제조할 때 튜브의 길이방향을 따라 형성되는 갭을 접합하기 위한 용접방법에 있어서,

   텅스텐 전극의 단부가 상기 갭의 용접대상지점을 향하도록 TIG 용접수단을 구비하는 단계;

   상기 스틸튜브의 길이방향에 수직한 기준선에 대하여 그 광축이 소정 사잇각을 이루는, 상기 기준선 및 상기 갭의 장축과 동일 평면상에 위치하는 레이저빔을 상기 용접대상지점에 조사하도록 레이저 용접수단을 배치하는 단계; 및

   상기 스틸튜브를 길이방향으로 이송시킴과 더불어 상기 TIG 용접수단 및 레이저 용접수단을 구동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 사잇각이 10°~ 30°인 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 레이저빔이, 수직 기준선을 중심으로 스틸튜브의 진행방향 반대측으로부터 상기 용접대상지점으로 조사되는 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접 방법.
4. 스틸 박판을 롤포밍하여 광섬유 보호용 스틸튜브를 제조할 때 튜브의 길이방향을 따라 형성되는 갭을 접합하기 위한 용접장치에 있어서,

   텅스텐 전극의 단부가 상기 갭의 용접대상지점을 향하도록 구비된 TIG 용접수단과,

   상기 스틸튜브의 길이방향에 수직한 기준선에 대하여 그 광축이 소정 사잇각을 이루는, 상기 기준선 및 상기 갭의 장축과 동일 평면상에 위치하는 레이저빔을 상기 용접대상지점에 조사하도록 배치된 레이저 용접수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 사잇각이 10°~ 30°인 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 레이저 용접수단은,

   상기 수직 기준선을 중심으로 스틸튜브의 진행방향 반대측으로부터 상기 용접대상지점으로 레이저빔을 조사하도록 배치된 것을 특징으로 하는 광섬유 보호용 스틸튜브 용접장치.