KR101431696B1 - 클래드 와이어 제조방법 - Google Patents

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Abstract

와이어(wire)의 외피에 이종 금속 재질을 클래드(Clad)하여 두 가지 금속의 성질을 물리적으로 결합하고, 그 특성을 이용할 수 있는 클래드 금속 와이어 제조방법을 제공한다. 클래드 금속 와이어 제조방법은 스트립(Strip) 상태로 공급되는 클래드 성형부재를 제1 성형롤러로 이송하여 일부가 개구된 U자 형태로 성형하는 단계, U자 성형된 클래드 성형부재 내측에 피딩장치로 와이어를 삽입하는 단계, U자 성형되어 와이어가 삽입된 클래드 성형부재를 제2 성형롤러로 이송하여 클래드 성형부재의 개구된 일부를 닫아 O자 형태로 성형하는 단계, O자 형태의 클래드 성형부재의 이음매 부분을 용접장치로 용접하는 단계, 및 용접된 클래드 성형부재를 인발장치로 이송하여 클래드 와이어 형태로 인발하는 단계를 포함하며, 인발되는 클래드 와이어는 내부에 삽입된 와이어가 압착된 상태에서 기 설정된 직경으로 형성된다.
Figure R1020070109588
클래드(Clad), 와이어(Wire), 레이저, 고속 용접, 이종 금속, 용접 재료

Description

클래드 와이어 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING CLAD WIRE}
본 발명은 와이어 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 클래드 와이어 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 일정한 폭을 갖는 스트립을 금속 튜브 형태의 와이어로 제조하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 스트립을 U자형으로 성형한다. 이어서, 성형된 U자형의 튜브를 용접하고, 원하는 직경까지 인발 또는 압연하여 와이어로 제조한다.
이러한 경우 금속 튜브의 용접시 완전 튜브화를 이루기 위하여 적절한 용접 조건이 필요하다. 또한, 인발의 정도에 의해 와이어의 직경이 정해지기 때문에 주의가 요구된다. 특히, 금속 튜브의 내부에 내용물이 충진되는 경우 용접 시에 용접 열원에 의해서 내부에 충진된 내용물에 영향을 미치지 않도록 하여야 한다.
한편, 종래에는 아크 용접 등의 방법으로 이종 금속을 클래드(clad)하였다.
그런데, 이러한 방법은 생산성 및 품질에 있어서 문제가 있다. 먼저, 접합 속도가 분당 1m이하로 낮아 생산성에 의한 가격 상승으로 시장 경쟁력이 떨어진다. 또한, 아크 열원의 과다 입열로 용접부의 변형이 발생하고 품질 저하의 원인이 된 다.
와이어(wire)의 외피에 이종 금속 재질을 클래드(Clad)하여 두 가지 금속의 성질을 물리적으로 결합하고, 그 특성을 이용할 수 있는 클래드 금속 와이어 제조방법을 제공한다.
클래드 금속 와이어 제조방법은 스트립(Strip) 상태로 공급되는 클래드 성형부재를 제1 성형롤러로 이송하여 일부가 개구된 U자 형태로 성형하는 단계, U자 성형된 클래드 성형부재 내측에 피딩장치로 와이어를 삽입하는 단계, U자 성형되어 와이어가 삽입된 클래드 성형부재를 제2 성형롤러로 이송하여 클래드 성형부재의 개구된 일부를 닫아 O자 형태로 성형하는 단계, O자 형태의 클래드 성형부재의 이음매 부분을 용접장치로 용접하는 단계, 및 용접된 클래드 성형부재를 인발장치로 이송하여 클래드 와이어 형태로 인발하는 단계를 포함하며, 인발되는 클래드 와이어는 내부에 삽입된 와이어가 압착된 상태에서 기 설정된 직경으로 형성된다.
용접장치는 레이저 용접장치로 이루어지며, 레이저 용접에 의한 심 용접으로 클래드 성형부재의 이음매 부분을 용접할 수 있다.
클래드 성형부재는 금속 재질로 이루어지며, 구리로 이루어질 수 있다.
와이어는 솔리드 와이어로 이루어질 수 있다.
클래드 금속 와이어 제조방법은 이종 금속으로 클래드 와이어 제조가 가능하 고, 특수 합금의 용접 재료로 사용되어 질 수 있다.
또한, 레이저 빔에 의한 와이어의 이음매 용접으로 생산성의 극대화 및 고품질 제조가 가능하다.
또한, 사용 목적에 부합한 금속 재료를 선택함으로써 다양한 용도의 특수 와이어 제조가 가능하다.
또한, 와이어 제조시 인발 공정을 통하여 이종 금속간의 물리적 압착 효율을 증대시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 클래드 와이어(100, clad wire)를 고속, 고품질 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다. 여기서, 클래드 와이어(100)라 함은 기본이 되는 와이어(12, wire)의 표면에 성질이 다른 클래드 성형부재(10, Clad metal)를 입히는 것을 말한다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 와이어(100)는 내부의 와이어(12), 외부의 클래드 성형부재(10)가 와이어(12)를 둘러싼 형태의 이종 금속 와이어로 되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와이어(12)가 삽입되는 클래드 와이어(100) 제조공정을 도시한 흐름도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 클래드 와이어(100) 제조 방법은 먼저, 스트립(Strip) 상태로 공급되는 클래드 성형부재(10)를 제1 성형롤러(20)로 이송하여 일부가 개구된 U자 형태로 성형한다. 클래드 성형부재(10)의 재료는 필요에 따라 철/비철 모두 이용될 수 있다. 마찬가지로 내부 금속이 되는 와이어(12) 역시 사용 용도에 맞추어 대부분의 금속이 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 와이어(12)는 솔리드 와이어(solid wire)로 이루어진다. 최종적으로 이종 금속 와이어의 사양 요구에 맞추어 클래드 성형부재(10)의 두께 및 폭과 와이어(12)의 직경이 정해진다.
그리고 성형된 클래드 성형부재(10) 내측에 피딩장치(22)로 와이어(12)를 삽입한다. 와이어(12)는 도 1에 도시한 바와 같이 피딩장치(22)를 통하여 일정한 속도로 제2 성형롤러(30)로 공급된다. 여기서, 와이어(12)가 U자 형태의 클래드 성형부재(10) 내부로 공급이 이루어지는 최적의 공급 속도는 용접장치(40)의 레이저 용접 속도에 따라 달라질 수 있다. 즉, 클래드 성형부재(10)의 이음매 부분의 레이저 용접 속도가 빠르면 빠를수록 와이어(12)의 공급 속도 역시 높일 수 있기 때문이다.
도 2는 도 1의 제조 공정에 따른 클래드 성형부재(10)의 성형 형태와 그 내부에 삽입되는 와이어(12)의 관계를 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 스트립 상태의 클래드 성형부재(10)는 제1 성형롤러(20)를 통과하면서 U자 형태를 이루고 그 시점에서 공급되는 와이어(12)가 일정한 속도로 U자 성형 내부에 삽입이 된다. 이어서, U자 성형되어 와이어(12)가 삽입된 클래드 성형부재(10)를 제2 성형롤러(30)로 이송하여 클래드 성형부재(10)의 개구된 일부를 닫아 O자 형태로 소성가공한다.
이어서 O자 형태의 클래드 성형부재(10)의 이음매 부분을 측면, 또는 상부에서 레이저 빔을 조사하여 이종 금속의 클래드 와이어(100)를 제조한다. O자 형태의 성형롤러를 통과하면서 제2 성형롤러(30)의 형태에 따라 클래드 성형부재(10)의 이음매 부분이 버트(Butt)형태, 오버 랩(Over lap) 또는 특수한 형태의 이음매로 소성가공된다. 이때 이음매 부분으로 도 3에 도시한 바와 같이 용접장치(40)를 통해 레이저 빔이 조사되어 고속 심 용접이 이루어진다. 본 발명의 실시예에 따른 용접장치(40)는 레이저 용접장치로 이루어진다.
O자 성형 가공이 끝나면 이음매 부분의 심(Seam) 용접이 필수적이다. 이러한 심 용접에서는 레이저 용접이 가장 적당하다. 심 용접에 의한 클래드 성형부재(10)의 완전 튜브화(Sealing)를 이루기 위하여 적절한 용접 조건이 필요하다. 또한, 용접 시에 레이저 빔 열원에 의한 내부 와이어(12)에는 영향을 미치지 않도록 주의하여야 한다. 즉, 클래드 성형부재(10)가 빔에 의해 관통이 되지 않도록 적정한 레이저 빔 파워 및 용접 속도가 요구된다.
용접 생산성 향상을 위해서는 레이저 빔의 고파워 밀도가 요구된다. 통상 레이저 키 홀 용접이 가능한 파워 밀도는 106W/㎠ 이상이 되어야 한다. 최근에 개발된 파이버 레이저는 싱글 모드로서 집광력이 뛰어나 107~8 W/㎠의 상당히 높은 파워 밀도를 얻을 수 있다. 레이저 빔에 의한 키 홀 용접은 열전도 용접과는 달리 빔 조사 영역에서 용융풀(Welding pool)이 키 홀 형태로 전환이 되면서 빔의 흡수율이 높아지는 용접 프로세스를 말한다. 재료 내부에 생기는 키 홀의 깊이는 용융 깊이와 직접적인 상관 관계가 있으므로 레이저 파워, 집광빔의 사이즈, 용접 속도 등의 변수에 의해 정해진다. 이는 보다 고속의 키 홀 용접이 가능하다는 것을 말한다. 실험에 의하면 용접속도 100m/min 의 양호한 키 홀 용접에 성공하였다. 따라서, 생산성과 고품질을 고려하면 파이버 레이저를 이용하는 것이 적합하다. 용접장치(40)로부터 발생되는 레이저 빔은 집광렌즈(42)를 통해 클래드 성형부재(10)의 이음매 부분에 집속하게 되는데 집광빔의 사이즈는 대략 50-100마이크론 직경이면 가능하다. 집광빔의 사이즈가 커질수록 파워 밀도가 떨어지고 용입 깊이가 낮아지는 경향이 있으며 용접부 주변에 열영향을 미치게 되어 정밀도가 저하된다. 인발공정에서 인발장치(50)로 인발하게되면 두 금속간의 인장 강도 특성이 다르기 때문에 두 금속의 특성에 맞는 최적의 조건이 필요하다.
본 발명은 레이저 빔에 의해 국소 영역을 용융시켜 접합하는 프로세스로 저입열에 의한 열적 변형을 최소화하고 고속 용접이 가능하여 품질 및 생산성을 개선할 수 있다. 클래딩을 위한 고속 용접은 클래딩 성형부재의 재질에 따라 차이가 나지만 분당 30m~100m 속도로 기존의 아크 용접보다 빠르다. 그리고 사용할 수 있는 레이저는 파장에 따라 몇 가지로 나눌 수 있는데, 미세 집광이 가능하고 파워 밀도가 높은 파이버 레이저(파장 : 1,070nm)가 이용에 가장 적합하다.
한편, 이용될 수 있는 레이저의 종류로는 클래드 성형부재(10)의 특성에 따라 선택되어 질 수 있는데 일반적인 스틸(Steel) 계통의 금속이라면 근적외선 파장 을 가진 파이버 레이저(Fiber laser), 엔디야그 레이저(Nd-YAG laser), 다이오드 레이저(Diode laser), 이산화탄소 레이저(CO2 laser) 등이 가능하다. 고속 용접에 의한 생산성을 고려하면 전술한 바와 같이 파이버 레이저 또는 디스크 레이저가 적당하다. 만약, 클래드되는 재료가 비금속이라면 가시영역의 파장을 가진 아르곤 레이저(Argon laser), 제2 고조파 야그 레이저(YAG laser), 다이오드 레이저를 선택하는 것이 재료에 대한 레이저 빔의 흡수율을 높이고 양호한 접합부를 실현할 수 있다. 레이저 용접 시에 주의 할 점은 클래드 성형부재(10)의 두께를 관통하지 않는 레이저 파워의 제어가 중요하다. 만약, 레이저 빔이 클래드 성형부재(10)의 두께를 관통한다면 내부 와이어(12)가 용융되거나 열적 영향을 미치게 된다. 반대로 용입 깊이가 낮다면 이음매 부분의 접합 강도가 저하되어 인발공정에서 결함이 나타날 수 있다.
클래드 성형부재(10)의 두께가 약1mm이하인 경우 파이버 레이저로써 용접 가능한 평균 출력은 약 300W에서 1.5KW범위라면 충분히 가능하다. 디스크 레이저(파장 : 1,064nm) 역시 미세 집광이 가능하고 고파워 밀도의 레이저 빔 집속으로 고속, 고품질의 용접이 가능하다. 다만, 디스크 레이저는 장치의 관리 유지에 번거로움이 있다.
엔디야그 레이저(Nd-YAG laser)(파장 : 1,064nm) 역시 가능하지만 용접 속도에 있어서 파이버 레이저를 능가하지 못한다. 이산화탄소 레이저(파장 : 10.6mm)는 금속에 대한 반사율이 높아서 불리한 점이 있다. 전술한 바와 같이 레이저 빔에 의 한 클래드 성형부재(10)의 이음매 국소, 연속 용접으로 이종 금속의 클래드 와이어(100) 제조가 가능하다.
상기한 바와 같이 레이저 고속 용접에 의해 클래드 성형부재(10)가 이음매 없는 원통형으로 제조가 된다. 이때의 공정상 두 금속간에는 엄밀히 밀착이 되지 않은 상태로 공백이 존재하게 된다. 즉, 와이어(12)의 삽입 및 O자 성형과 이음매 부분의 레이저 고속 용접이 끝난 클래드 와이어(100)는 두 금속간의 미세한 갭(Gap)이 발생할 수 있다. 이러한 클래드 와이어(100)는 인발공정(Drawing)을 통해서 두 금속간에 발생된 갭을 제거한다. 인발공정에서는 원통형이 된 클래드 성형부재(10)를 인발장치(50)로 인발하게 되면 인장력에 의해 클래드 성형부재(10)의 직경이 작아지면서 솔리드 금속과 맞닿게 된다. 최종적으로는 두 금속이 압착이 되고 인장력을 더욱 높이면 그 힘에 의해 두 금속 모두 직경이 작아지게 된다. 상기한 인발공정을 통해 두 금속의 표면이 압착되면서 적절한 직경을 가진 고품질의 클래드 와이어(100)가 완성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와이어(12)가 삽입된 클래드 와이어(100)를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 클래드 와이어(100)는 재질에 따라 다양한 용도로 사용할 수 있다. 특히, 이종 금속의 용접 재료로 적합하다. 예를 들어 니켈(Ni) 와이어의 클래드 성형부재(10)로 구리(Cu)를 클래딩한다면 인코넬 합금이나 모넬 합금의 용접에 이용될 수 있다. 그 외에 이종 금속의 특성을 살려서 여러 가지 합금재료의 용접에서도 고품질의 접합이 가능하다. 또한, 이용 목적에 부합하는 금속 종류를 선택한다면, 용접 재료 이외에도 각종 산업 분야에서 필요로 하는 특수 와이어로써 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와이어가 삽입되는 클래드 와이어 제조공정을 도시한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 제조 공정에 따른 클래드 성형부재의 성형 형태와 그 내부에 삽입되는 와이어의 관계를 도시한 흐름도이다.
도 3은 클래드 성형부재의 성형 후 이음매 부분의 용접과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 와이어가 삽입된 클래드 와이어를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ; 클래드 성형부재 12 ; 와이어
20 ; 제1 성형롤러 22 ; 피딩장치
30 ; 제2 성형롤러 40 ; 용접장치
50 ; 인발장치 100 ; 클래드 와이어

Claims (5)

  1. 스트립(Strip) 상태로 공급되는 클래드 성형부재를 제1 성형롤러로 이송하여 일부가 개구된 U자 형태로 성형하는 단계;
    U자 성형된 상기 클래드 성형부재 내측에 피딩장치로 와이어를 삽입하는 단계;
    U자 성형되어 상기 와이어가 삽입된 상기 클래드 성형부재를 제2 성형롤러로 이송하여 상기 클래드 성형부재의 개구된 일부를 닫아 O자 형태로 성형하는 단계;
    O자 형태의 클래드 성형부재의 이음매 부분을 용접장치로 용접하여 실링(sealing)하는 단계, 및
    상기 용접된 클래드 성형부재를 인발장치로 이송하여 클래드 와이어 형태로 인발하는 단계
    를 포함하며,
    상기 인발되는 클래드 와이어는 내부에 삽입된 와이어가 압착된 상태에서 기 설정된 직경으로 형성되고,
    상기 용접장치는 레이저 용접장치로 이루어지며,
    레이저 용접에 의한 심(seam) 용접으로 클래드 성형부재의 이음매 부분을 용접하고,
    상기 레이저 용접에 의한 심 용접은
    집광렌즈를 통해 집광된 레이저 빔을 클래드 성형부재의 이음매 부분에 집광하고, 클래드 성형부재의 두께에 따라 설정된 레이저 빔 파워와 용접 속도를 제어하여 클래드 성형부재가 관통됨을 방지하는 클래드 와이어 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 클래드 성형부재는 금속 재질로 이루어지는 클래드 와이어 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클래드 성형부재는 구리로 이루어지는 클래드 와이어 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 와이어는 솔리드 와이어로 이루어지는 클래드 와이어 제조방법.
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