KR20220144521A - 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법, 이에 의해 제조되는 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법, 이에 의해 제조되는 튜브에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 강판을 기 설정된 크기로 재단하는 재단단계; 재단된 강판을 원통형의 튜브 형태로 성형하는 성형단계; 성형된 튜브를 플라즈마 용접 및 티그 용접 하는 복합용접단계; 복합 용접된 튜브의 비드를 제거하는 비드롤링단계; 및 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계; 열처리된 튜브를 재열처리하여 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계; 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계; 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계; 및 교정된 튜브의 내면을 표면처리 하는 전해연마단계;를 포함하고, 복합용접단계는, 플라즈마 용접을 80% 진행하여 용접부에 ‘U’자 형태로 홈을 형성하고, 티그 용접을 20% 진행하여 홈을 메움으로써 용접을 마무리 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법, 이로부터 제조되는 튜브를 기술적 요지로 한다.

Description

플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법, 이에 의해 제조되는 튜브{Manufacturing method of stainless tube using Plasma and TIG composite welding, stainless tube manufactured by this}

본 발명은 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법, 이에 의해 제조되는 튜브에 관한 것으로, 자세하게는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 통해 튜브의 품질성과 생산성을 높인 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법 및 이에 의해 제조되는 튜브에 관한 것이다.

산업이 고도화될수록 고순도의 화학물질의 중요성은 커지고 있으며 이에 따라 고순도의 화학물질을 손실 없이 안전하게 다루는 기술이 더욱 필요해지고 있다. 특히 정밀화학, 반도체 및 바이오 분야에서도 유체화된 고순도 화학물질이 원료로 사용되고 있으며, 이러한 원료는 고가에 형성되는 경우가 많고, 취급상에 각별한 주의를 요하는 경우도 많다.

따라서 이러한 유체를 이송할 수 있는 배관의 중요성도 함께 커지고 있으며, 유체의 오염 및 손실을 방지할 수 있도록 고품질을 유지하면서도 설비 투자에 대한 비용을 줄일 수 있는 배관을 제조하는 기술이 필요한 실정이다.

일반적으로, 고순도 유체를 이송하는 배관으로 스테인리스 튜브가 사용되고 있으며, 일반적으로 티그 용접 방식으로 제조되고 있다. 용접 스테인리스 튜브는, 고주파 저항 용접, 레이저 용접, 티그 용접, 플라즈마 용접 등 각종 용접법에 의해 제조 가능하지만, 그 중에서도 티그 용접은 설비 비용이 저렴하고 용접 품질이 우수하여 가장 널리 이용되고 있는 용접법이다.

구체적으로, 티그 용접에 의한 용접관의 제조에서는, 텅스텐 전극의 선단과 피용접재 사이에 아크 방전을 발생시키고, 그 열에 의해 피용접재를 용접하게 된다.

티그 용접은 비소모성 텅스텐 용접봉과 모재간의 아크열에 의해 모재를 용접하는 방법으로서 용접부 주위에 불활성가스를 공급하면서 텅스텐 전극봉과 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 원리이다.

티그 용접은 용접 입열의 조정이 용이하기 때문에 박판 용접에 매우 좋다. 텅스텐 전극봉이 비소모성이므로 용가재의 첨가 없이도 아크열에 의해 모재를 녹여 용접할 수 있다. 거의 모든 금속의 용접에 이용할 수 있으나, 용융점이 낮은 금속인 납, 주석 또는 주석의 합금 등의 용접에는 이용하지 않는다. 또한 용접부의 기계적 성질이 우수하며 내부식성이 우수하고, 플럭스가 불필요하여 비철금속 용접이 용이하다. 그리고 보호가스가 투명하여 용접작업자가 용접 상황을 잘 파악할 수 있으며, 용접 스패터를 최소한으로 하여 전자세 용접이 가능하고 용접부의 변형이 적다는 장점이 있다.

하지만 티그 용접은 소모성 용접봉을 쓰는 용접 방법보다 용접 속도가 느리며, 용접 잘못으로 텅스텐 전극봉이 용접부에 녹아 들어가거나 오염될 경우 용접부가 취화되기 쉽다. 또한 부적당한 용접 기술로 용가재의 끝부분이 공기에 노출되면 용접금속이 오염된다는 단점이 있었다.

한편, 플라즈마 용접은 플라즈마를 이용하는 것으로, 기체가 방전되어 아크의 열원 안을 통과할 때, 고온에 의하여 기체의 원자가 전자와 이온으로 분리 되어지는 이 상태를 플라즈마라고 말하며, 플라즈마 용접은 방전아크를 냉각하여 소구경의 수냉노즐로 팁 끝단까지 아크를 집중시킨다. 아르곤가스가 고온 아크를 통과하면서 플라즈마로 변화되며 그 열원은 다른 용접법 보다 열 집중도가 매우 높은 플라즈마 기류를 동반하여 한 줄기의 열원이되므로 침투도가 높고(키홀효과) 용접폭이 좁아 모재에 미치는 열변형이 적어 뒤틀어짐 없는 안정적인 용접이 가능하게 된다.

또한 플라즈마 용접은 티그 용접과 유사하나 텅스텐 용접봉이 구리 전극의 노즐 속에 내장되어 아크를 발생한다. 이것을 통하여 모재(용접시료)와의 아크가 연결되어 주용접 상태가 되며 전극봉의 오염 혹은 마모가 적고, 정밀하며 고밀도 용접이 가능하다. 연강, 스테인리스강, 니켈합금, 동, 동합금, 티타늄 합금, 저합금강의 용접에 사용되며 정밀 용접, 슬래그, 스패터 없음 등 용접 부위 차폐 등의 우수한 장점을 가지고 있다.

종래의 기술 대한민국 공개특허 제10-2009-0016299호는 용접 토치 회전 구조를 갖는 튜브 티그(티그) 자동용접장치에 관한 것으로, 튜브의 둘레를 회전하는 캐리지와, 상기 캐리지에 연결된 지지 구조물에 수직 방향으로 설치되어 용접 토치가 장착되는 토치 클램프와, 상기 토치 클램프에 설치되어 용접 와이어가 제공되도록 하는 와이어 클램프를 포함하여 구성되고, 상기 토치 클램프는 튜브의 양방향 용접이 가능하도록 상기 캐리지에 연결된 지지 구조물에 대하여 좌우 회전이 가능하도록 설치됨으로써, 용접 조건에 따라 튜브의 양방향 용접이 가능하게 되어, 다양한 용접 방법을 실현할 수 있는 동시에 용접 작업성 향상에 기여할 수 있는 구성을 개시하고 있으나, 티그 용접법을 이용하여 제관하는 것으로 상술한 문제점을 극복하기에는 어려움이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2009-0016299호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 용접 스테인리스 튜브를 제조하는 데 있어서, 종래의 티그 용접의 단점을 극복하면서 고품질의 튜브를 제조할 수 있는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법 및 이에 의해 제조되는 튜브를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 강판을 기 설정된 크기로 재단하는 재단단계; 상기 재단된 강판을 원통형의 튜브 형태로 성형하는 성형단계; 상기 튜브를 플라즈마 용접 및 티그 용접 하는 복합용접단계; 상기 복합 용접된 튜브의 비드를 제거하는 비드롤링단계; 상기 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계; 상기 열처리된 튜브를 재열처리하여 상기 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계; 상기 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계; 상기 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계; 및 상기 교정된 튜브의 내면을 표면처리 하는 전해연마단계;를 포함하고, 상기 복합용접단계는, 플라즈마 용접을 80% 진행하여 용접부에 ‘U’자 형태로 홈을 형성하고, 티그 용접을 20% 진행하여 홈을 메움으로써 용접을 마무리 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법을 제공한다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 튜브를 제공한다.

본 발명에 따른 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법, 이에 의해 제조되는 튜브는, 플라즈마 용접과 티그 용접을 함께 사용하는 복합 용접 방식으로 티그 용접만을 통한 튜브 제조의 단점을 극복하면서 고품질의 튜브를 제조할 수 있는 제조방법 및 이에 의해 제조되는 튜브를 제공하는 효과가 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 튜브 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 복합용접단계에서 플라즈마 용접과 티그 용접이 진행되는 과정을 순서도로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 복합용접단계에서 플라즈마 용접과 티그 용접이 8:2의 비율로 진행되는 과정을 개념도로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 승온코일라인 상에서 튜브가 재결정되는 모습을 나타낸 예시도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 튜브 내면에 산화 박막이 형성되는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 전극봉을 나타낸 예시도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 전해연마 시 전류밀도와 표면 거칠기 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본 발명에 따른 전해연마 시 처리시간과 표면 거칠기 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는, 본 발명에 따른 전해연마 시 표면처리용액 온도와 표면 거칠기 간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 튜브의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 튜브를 제조하는 방법은, 강판을 기 설정된 크기로 재단하는 재단단계(S1)와, 상기 재단된 강판을 원통형의 튜브 형태로 성형하는 성형단계(S2)와, 상기 튜브를 플라즈마 용접 및 티그 용접 하는 복합용접단계(S3)와, 상기 복합 용접된 튜브의 비드를 제거하는 비드롤링단계(S4)와, 상기 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계(S5)와, 상기 열처리된 튜브를 재열처리하여 상기 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계(S6)와, 상기 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계(S7)와, 상기 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계(S8) 및 상기 교정된 튜브의 내면을 표면처리 하는 전해연마단계(S9)를 포함하여 이루어 진다.

상술한 제조방법에 따르면 먼저, 상기 재단단계(S1)는 코일 형태로 감겨서 마련되는 강판을 기 설정된 크기로 재단하는 단계이다.

설명에 앞서 강판은 스테인리스 스틸일 수 있으며, 스테인리스 스틸은 크롬(Cr)을 18% 이상 함유하여 내식성이 우수한 강재를 의미한다. 이러한 스테인리스 스틸은 화학 성분이나 금속학적 조직에 따라 오스테나이트계, 페라이트계, 석출강화계, 마르텐사이트계 및 듀플렉스계로 분류되고, 본 발명에서 적용되는 스테인리스 스틸은 상술한 종류 뿐만 아니라 강판으로 사용될 수 있는 소재라면 다양하게 사용 가능하다.

구체적으로, 상기 재단단계(S1)는 튜브가 될 수 있도록 원자재인 강판을 슬리팅 하는 것을 포함한단.

다음으로, 상기 성형단계(S2)는 상기 재단된 강판을 원통형의 튜브 형태로 성형하는 것으로, 복수 개의 성형롤러가 마련되며, 복수 단계를 거쳐 원통형의 튜브로 성형된다.

이때, 원통을 이루는 이음새는 후에 용접을 실시하여 용접부가 형성되는 위치로써, 빈틈이 없도록 맞물리게 성형되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 복합용접단계(S3)는 상기 튜브를 플라즈마 용접 및 티그 용접을 순차적으로 진행하여 상기 튜브의 이음새가 완전히 용접되게 한다.

도 3은 본 발명에 따른 복합용접단계(S3)에서 플라즈마 용접과 티그 용접이 8:2의 비율로 진행되는 과정을 나타낸 예시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 복합용접단계(S3)는 플라즈마 용접을 80% 진행하여 용접부에 ‘U’자 형태로 홈을 형성하고 티그 용접을 20% 진행하여 홈을 메움으로써 용접을 마무리 할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 복합용접단계(S3)에서 플라즈마 용접과 티그 용접이 진행되는 과정을 나타낸 순서도이다.

구체적인 실시예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 복합용접단계(S3)는 제1용접단계(S31), 제1검수단계(S32), 제2용접단계(S33), 제2검수단계(S34)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제1용접단계(S31)는 상기 성형단계(S2)를 거친 튜브를 플라즈마 용접하는 것을 포함한다.

또한, 상기 제1검수단계(S32)는 상기 플라즈마 용접된 튜브의 용접 진행도를 기 설정된 기준에 따라 검수하는 것을 포함한다.

더욱 상세하게는, 상기 제1검수단계(S32)는 방사선검사 또는 초음파 검사 중 선택되는 하나의 방법으로 용접 진행도를 판단할 수 있다.

즉, 비파괴검사법을 통해 용접의 완성도와 진행도를 측정할 수 있는 것이다.

또한, 상기 제2용접단계(S33)는 상기 제1검수단계(S32)를 통과한 튜브를 티그 용접하는 것을 포함한다.

또한, 상기 제2검수단계(S34)는 상기 제2용접단계(S33)를 거친 튜브의 용접 진행도를 기 설정된 기준에 따라 검수하는 것을 포함한다.

더욱 상세하게는, 상기 제2검수단계(S34)는 방사선검사 또는 초음파 검사를 비롯한 비파괴검사법을 통해 용접의 완성도와 진행도를 측정할 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 복합용접단계(S3)에서 튜브가 플라즈마 용접 및 티그 용접되는 비는 8:2로 진행되는 것이 바람직하다.

이때, 튜브의 용접부는 빈공간이 형성되지 않도록 맞붙게 유지하고, 용접부와 토치의 간격은 1mm를 유지하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 제1용접단계(S31)에서 플라즈마 용접을 80% 진행하여 튜브 내주면 용접부에 백비드를 형성하게 한다.

이때, 튜브 외주면 용접부에는 소정의 홈이 형성된다.

다음으로, 상기 제2용접단계(S33)에서 티그 용접으로 나머지 20% 용접을 실시하고 용접 작업이 종료된다. 즉, 상기 제2용접단계(S33)를 통해 상기한 소정의 홈이 메워지고 용접 작업이 완료되는 것이다.

이는, 티그 용접만 진행하였을 때 발생하는 열영향부(HAZ)를 최소화하고, 플라즈마 용접의 장점은 살리면서 티그 용접을 실시함으로써 공정의 정밀성과 생산성의 향상을 꾀하기 위해 마련되는 구성이다.

플라즈마 용접은 티그 용접과 유사하나 텅스텐 용접봉이 구리 전극의 노즐 속에 내장되어 아크를 발생시킨다는 차이점이 있다. 플라즈마 용접기는 플라즈마 아크 발생 장치, 냉각장치, 가스 혼합장치, 토치 등으로 이루어져 있다.

또한, 플라즈마 토치의 팁은 전극봉(300)과 일직선을 유지하지만 티그 용접봉은 1 ~ 1.5mm 정도 밖으로 돌출된 형태로 마련된다.

그리고 플라즈마 용접의 혼합가스는 아르곤과 수소가 10:1의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

또한 냉각장치는 토치가 가열되는 것을 방지하기 위해 토치의 내부를 냉각수를 공급하여 식혀주는 역할을 하며, 이때 냉각수의 온도는 17℃ 내지 23℃를 유지하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 비드롤링단계(S4)는 상기 복합 용접된 튜브의 비드를 제거하는 단계이다.

구체적으로, 상기 비드롤링단계(S4)는 용접 후의 용접비드를 냉간압연함으로써 튜브의 취약점인 진동에 의한 부식 내성을 강화시키고, 튜브 내면으로 돌출된 백비드를 모재인 튜브와 동일한 높이가 되도록 가압하여 이물질의 흡착을 방지하고, 내면을 흐르게 되는 유체의 흐름방해 요인을 제거할 수 있게 된다.

다음으로, 상기 광휘소둔단계(S5)는 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 단계이다.

더욱 상세하게는, 상기 광휘소둔단계(S5)는 상기 비드롤링단계(S4)를 통해 비드가 제거된 스테인리스 스틸 튜브를 수소(H₂), 질소(N₂) 중 어느 하나 이상으로 이슬점 범위가 -60℃ 내지 -40℃인 환원성 분위기 하에서 열처리함으로써, 냉간압연된 스테인리스 스틸의 열처리 과정에서 발생된 열리간 산화를 방지하여 튜브 표면의 색상 변형이 없도록 외관상 우수한 장점을 유지할 수 있도록 한다.

환원성 분위기의 경우, 수소 또는 질소 단독으로 사용하여도 상관없지만 수소만을 사용하게 되면 폭발 위험이 생길 수 있으므로, 수소와 질소가 혼합된 혼합 환원성 분위기인 것이 바람직하다. 이때 수소 함량은 70% 이상이 된다면 충분하다.

상기 광휘소둔단계(S5)에서 산소가 유입될 경우 튜브의 표면 산화를 유발하여 균일한 표면처리가 이루어지기 어렵기 때문에, 무산소 분위기에서 열처리를 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 재결정단계(S6)는 열처리된 튜브를 재열처리하여 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 단계이다.

우선 모재인 튜브와 용접부의 조직 차이가 잇는 경우 일괄적인 표면 연마가 어렵게 되는데, 이를 해결하기 위하여 본 발명에서와 같은 재결정 과정을 실시한다. 재결정 열처리를 통하여 용접부의 조직 변화를 재결정화시켜 결국 튜브와 용접부의 조직을 통일시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 승온코일라인(100) 상에서 튜브가 재결정되는 모습을 예시도로 나타낸 도 4를 참조하면, 재결정단계(S6)에서는 나선형 코일(110)과, 나선형 코일(110)의 단부에 승온코일라인(100)의 길이방향을 따라 연장 형성된 직선형 코일(120)이 교번하여 배치된 승온코일라인(100)의 내부로 튜브가 통과하면서, 용접부의 결정립 크기가 조절되어 튜브의 조직에 일체화될 수 있다. 이에 따라 용접부와 모재인 튜브의 조직을 통일시킬 수 있게 된다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 광휘소둔 열처리가 완료된 튜브를 일정 공간이 마련된 승온코일라인(100) 상으로 유입시킨다. 이때 승온코일라인(100) 내부에는 나선형 코일(110)과 직선형 코일(120)이 교대로 반복하여 연결 형성될 수 있는데, 이는 재결정 온도에 따라 형성된 것으로, 승온코일라인(100)에 너비가 큰 튜브가 이송되면 직선형 코일(120)의 구간보다 나선형 코일(110)의 구간을 상대적으로 증가시키고, 승온코일라인(100)에 너비가 작은 튜브가 이송되면 상대적으로 크기가 큰 튜브에 비해 열이 적게 필요하므로, 나선형 코일(110)의 구간보다 직선형 코일(120)의 구간을 증가시킬 수 있다. 여기서 직선형 코일(120)의 외부에는 구간 온도 감소를 위해 석영관이 설치될 수 있다.

또한 재결정 시 승온코일라인(100)에 유입된 튜브에 6초 내지 8초의 시간을 부여하는 것이 바람직하다. 승온코일라인(100) 상에서 튜브가 6초 미만으로 홀딩되면 용접부의 재결정되는 시간을 충분히 부여하지 못하게 되고, 순간적인 쇼트가 발생하여 용접부의 표면에 불필요한 불순물이 발생될 수 있다. 반면, 승온코일라인(100) 상에서 튜브가 8초를 초과하여 홀딩되면 용접부의 표면뿐만 아니라 오히려 튜브의 표면도 함께 불량으로 만들게 된다.

특히, 상기 재결정단계(S6)에서는 튜브를 1,040℃ 내지 1,100℃로 재열처리하여 용접부의 결정립 크기 범위가 15㎛ 내지 22㎛ 범위로 조절되도록 하는 것이 바람직하다.

만약 1,040℃ 미만으로 열처리를 하게 되면 용접부의 결정립 크기가 최소 15㎛까지 되기까지 많은 시간이 소모되고, 1,100℃를 초과하여 재열처리가 이루어지면 용접부에서 변형된 파편의 발생으로 오히려 물성 저하를 초래하게 된다.

상술한 바와 같은 조건으로 열처리를 통해 재결정이 이루어진 용접부에 있어서, 결정립도가 15㎛ 미만이면 튜브의 조직과의 일체화에 유리할지는 모르나, 용접부의 결정립도가 15㎛ 미만으로 되기까지 많은 일련의 공정을 거쳐야 하는 번거로움이 있어, 생산측면에서 바람직하지 못하다. 이와 달리, 용접부의 결정립도가 22㎛를 초과하면 결정립의 크기가 너무 비대해져 튜브 조직과의 일체화를 이루지 못하여 잔존하는 용접부의 흔적이 그대로 남아 있기 때문에 추후 균일한 표면 밀도를 갖는 박막 형성이 유리하지 못하다. 즉 용접부의 결정립 크기를 15㎛ 내지 22㎛로 조절하여 튜브의 조직과 일체화시켜 주어야 추후 튜브의 표면에 박막 형성을 용이하게 해준다.

다음으로, 상기 급랭단계(S7)는 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 단계이다.

상기 급랭단게는 재결정 열처리가 완료된 튜브를 30℃ 이하로 급랭하는 과정으로, 재결정 후 상온 냉각 시 발생할 수 있는 탄화와 입계부식을 방지하면서, 예민화 온도 범위를 회피하기 위함이다. 이때 예민화 온도 범위는 450℃ 내지 850℃로써, 상온 냉각을 하게 되면, 냉각되는 와중에 450℃ 내지 850℃가 될 때 탄화 또는 입계부식이 순간적으로 발생할 수 잇기 때문에 30℃ 이하의 냉각수 존재 하에서 튜브를 급랭시킨 다음 건조시키는 것이 바람직하다.

참고로 냉각수 내에서 별도의 냉각재를 튜브를 중심으로 사선방향이 되게끔 상호 반대방향으로 분사형 유로를 형성함에 따라 급랭 시간을 단축시킬 수 있게 된다. 냉각수 내에서 냉각재 분사를 통해 유체 궤적이 증가하기 때문에 냉각수, 냉각재가 튜브에 접촉되는 양이 증가됨으로써 급랭 효율을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 상기 교정단계(S8)는 튜브의 형태를 교정하는 단계이다.

상기 교정단계(S8)는 상기 재단단계(S1)부터 상기 급랭단계(S7)까지 공정에서 모든 처리가 완료된 튜브의 형태를 보정하고 교정함으로써, 제품의 완성도를 높이기 위한 과정을 의미한다.

상기 교정단계(S8)에서는 튜브의 외부를 감싸는 프레임이 구비되고, 프레임의 내부에서 유압에 의해 튜브의 외면을 가압하여 튜브의 형상을 보정하는 가압수단이 구비된 교정장치를 이용할 수 있다. 즉 프레임은 튜브의 외면을 감싸는 구조물로, 프레임 상에 변형 우려가 있는 튜브를 가압하면서 형상 보정이 가능한 가압수단이 설치될 수 있도록 한다.

마지막으로, 상기 전해연마단계(S9)는 교정된 튜브의 내면을 표면처리하는 단계이다.

교정된 튜브를 필요 또는 용도에 따라 소정의 길이로 절단하고, 면취작업을 하여 단부를 매끄럽게 할 수 있다. 절단에 이어서, 튜브의 내면을 전해연마하여 표면처리 작업을 진행한다. 경우에 따라 튜브의 외면도 표면처리할 수도 있다.

본 발명에 따른 튜브 내면에 산화 박막이 형성되는 과정을 예시도로 나타낸 도 5에서와 같이, 튜브 내면의 초기 표면은 불균일하고, 전해연마가 60% 진행되다가 튜브 내면의 표면처리가 100% 완료되면서 튜브 내면 상에 산화 박막을 형성하게 된다. 산화 박막 형성 시 발생될 수 있는 가스의 배출을 용이하게 할 수 있도록 튜브의 각도를 조절하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 전극봉(300)을 예시도로 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전극봉(300)은 표면처리용액이 수용된 처리조에 배치되되, 튜브의 내부에 일정 간격 이격된 상태로 튜브와 비접촉되도록 설치된다. 전극봉(300)은 처리조의 바닥면에 수직으로 설치될 수 있으며, 필요에 따라 처리조의 양측면에 전극봉(300)을 거치한 상태로 설치될 수도 있다.

여기서 표면처리용액은 처리조 내에 자동 채움 또는 자동 배출이 가능하고, 순환펌프에 의해 처리조 내에서 표면처리용액의 순환이 가능하도록 하여 전해연마 효율을 높일 수 있다.

전극봉(300)의 경우 부식저항이 강하고 전기전도성이 우수하여 전류 공급이 가능한 은(Ag), 구리(Cu) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 재질로 이루어질 수 있으며, 300mm 내지 500mm 길이를 가질 수 있다. 전극봉(300)의 길이가 300mm 미만이면 튜브의 내면을 전해연마하는데 많은 시간이 소모되고, 500mm를 초과하면 전해연마 효율이 증가할 수는 있으나, 전극봉(300)이 배치되는 처리조의 크기가 커져야만 해서 공간을 많이 차지하는 단점이 있다.

특히 튜브와 전극봉(300) 사이는 5mm 내지 10mm 범위의 이격 공간이 유지될 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 전극봉(300)의 외면 둘레를 따라 지그(310)가 일정 간격으로 복수 개 설치될 수 있다. 이는 튜브의 내면과 전극봉(300) 간에 직접적으로 접촉됨에 따라 발생될 수 있는 전기 쇼트를 방지하기 위함이고, 만약 전극봉(300)의 외면과 튜브의 내면 사이가 아주 근접하게 되면 방전현상 발생으로 스파크가 생겨 튜브 내면이 움푹 파이는 현상이 나타난다. 지그(310)는 부식저항이 강하면서 전기전도성이 없는 절연재인 것이 바람직하다. 절연재의 예로는 테프론(teflon), 실리콘, PVC 및 절연고무 중 어느 하나 이상이 될 수 있다.

표면처리용액은 양극인 튜브와 음극인 전극봉(300) 사이에 공급되는 전해액으로써, 튜브 내면의 용해를 일으키는 역할을 한다. 이러한 표면처리용액은 탈이온수 5중량% 내지 15중량%, 황산 25중량% 내지 35중량% 및 인산 55중량% 내지 65중량%를 혼합하여 형성될 수 있다.

황산이 25중량% 미만이거나 인산이 55중량% 미만이면 튜브 내면에 충분한 용해가 되지 않아 전해연마가 충분히 일어나지 못하고, 황산이 35중량%를 초과하거나 인산이 65중량%를 초과하면 오히려 그 이하의 양을 혼합한 경우와 대비하여 탁월한 전해연마 효율이 나타나지 않는 단점이 있다.

탈이온수의 경우 5중량% 미만으로 혼합되면 황산과 인산과 같은 산이 발열 반응을 일으키며, 또한 표면처리용액의 양이 부족해져 전해연마 과정 중 전극봉(300)이 손상되면서 가스 발생이 유발된다. 반면, 탈이온수가 15중량%를 초과하면 전해연마 효율을 낮추는 단점이 있다.

이때 표면처리용액 100중량부에 대하여 크롬이 1중량부 내지 10중량부가 더 혼합될 수 있다. 크롬은 튜브의 내면에 내부식성, 고강도 및 고광택을 부여하기 위한 것으로, 크롬 혼합 시 크롬 산화 박막이 될 수 있다. 크롬이 표면처리용액 100중량부에 대해 1중량부 미만으로 혼합되면 튜브 내면에 내부식성, 고강도 및 고광택을 부여하기에 미미한 양이고, 10중량부를 초과하여 혼합되면 전해연마 효율을 저하시키는 단점이 발생한다.

도 7은 본 발명에 따른 전해연마 시 전류밀도와 표면 거칠기 간의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 전류밀도가 높을수록 튜브 내면의 표면 거칠기가 점점 감소함을 알 수 있다.

5A/cm² 미만의 전류를 인가하게 되면 전류밀도 부족으로 튜브에 백화현상을 유발하고, 튜브 내면에 일정한 표면 거칠기를 형성할 수 없어 균일한 산화 박막이 만들어질 수 없기 때문에 부식 발생을 피할 수 없다. 이와 달리 20A/cm²를 초과하는 전류를 인가하면 순간적으로 전기 쇼트가 발생되므로 바람직하지 않다. 이에 따라 전해연마 시 5A/cm² 내지 20A/cm²의 전류를 인가하는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 따른 전해연마 시 처리시간과 표면 거칠기 간의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 전해연마 처리시간과, 이에 따른 튜브 내면의 표면 거칠기 간의 상관관계를 확인할 수 있다. 상세히 전해연마 처리시간이 길어질수록 튜브 내면의 거칠기는 감소함을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 전해연마 시 표면처리용액 온도와 표면 거칠기 간의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, 표면처리용액의 온도가 상승할수록 튜브 내면의 표면 거칠기가 감소하는 추세를 보이다가 80℃를 초과하는 표면처리용액의 온도에서는 오히려 표면 거칠기가 증가됨을 알 수 있다.

이러한 도 11에 따르면, 전해연마 시 표면처리용액은 60℃ 내지 80℃ 범위의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 표면처리용액이 60℃ 내지 80℃에서 점성이 점차 상승되고, 이에 따라 튜브의 내면에 산화 박막을 형성시켜 돌출된 부분만을 먼저 용해시킬 수 있는 선택적 용해가 진행될 수 있으므로, 튜브 내면의 평탄화 가공성을 높일 수 있게 된다. 만약 표면처리용액이 60℃ 미만의 조건이면 표면처리용액의 점도를 적절하게 조절하는데 많이 시간이 걸리며, 80℃를 초과하면 전해연마 과정에서 산에 의한 펌핑 현상이 발생할 수 있어 안전에 바람직하지 않다.

또한 전해연마가 진행되는 동안 표면처리용액의 온도가 점점 높아지면서 80℃를 초과하게 되면 가공 효율이 저하되고 연마 효율 또한 저하되므로, 처리조 내에 냉각장치를 설치하여 표면처리용액의 온도를 조절하는 것이 바람직하다.

전해연마가 완료된 후 파티클과 불순물을 제거하기 위해 초음파 세척을 함으로써 본 단계를 마무리할 수 있다. 초음파 세척은 1,200W를 기준으로 5% 내지 100%까지 초음파 발생 출력을 조절할 수 있으며, 15kHz 내지 60kHz의 주파수로 조절할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법에 관한 것으로, 강판를 재단하여 용접부가 형성된 튜브로 성형하고, 이를 환원성 분위기에서 열처리 및 재열처리한 후, 급랭과 교정을 거쳐 튜브의 내면을 전해연마 할 수 있는데 특징이 있다.

특히 황산, 인산 및 탈이온수를 포함하는 표면처리용액이 수용되고 전극봉(300)이 배치된 처리조를 준비하고, 교정이 완료된 튜브를 전극봉(300)의 외부에 일정 간격 이격되게 설치한 후 전해연마함으로써 튜브의 내면에 균일한 산화 박막을 형성할 수 있다는 점에 의미가 있다.

따라서 본 발명의 방법에 따라 제조되는 튜브는 반도체 제조장비, 식품위생기기, 의료기기, 초순수 제조기, 고순도 가스용기, 정밀 금형 및 원자력기기 등 표면의 정밀도와 청정도가 함께 요구되는 다양한 산업분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

t : 튜브
S1 : 재단단계
S2 : 성형단계
S3 : 복합용접단계
S31 : 제1용접단계
S32 : 제1검수단계
S33 : 제2용접단계
S34 : 제2검수단계
S4 : 비드롤링단계
S5 : 광휘소둔단계
S6 : 재결정단계
S7 : 급랭단계
S8 : 교정단계
S9 : 전해연마단계
100 : 승온코일라인
110 : 나선형 코일
120 : 직선형 코일
300 : 전극봉
310 : 지그

Claims (4)

1. 강판을 기 설정된 크기로 재단하는 재단단계;
   상기 재단된 강판을 원통형의 튜브 형태로 성형하는 성형단계;
   상기 튜브를 플라즈마 용접 및 티그 용접 하는 복합용접단계;
   상기 복합 용접된 튜브의 비드를 제거하는 비드롤링단계;
   상기 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계;
   상기 열처리된 튜브를 재열처리하여 상기 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계;
   상기 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계;
   상기 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계; 및
   상기 교정된 튜브의 내면을 표면처리 하는 전해연마단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복합용접단계는 플라즈마 용접으로 용접부에 ‘U’자 형태로 홈을 형성한 후에, 티그 용접으로 홈을 메움으로써 용접을 마무리 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복합용접단계는 플라즈마 용접을 80% 진행하고, 티그 용접을 20% 진행하여 용접을 마무리 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 및 티그 복합 용접을 이용한 튜브 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 선택되는 하나의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 튜브.

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