용접 후 파이프 내부에 압력이 남게 되나요? 어떻게 제거하나요?
정밀 광섬유 센서(예: 광섬유 격자(FBG) 센서)의 금속 캡슐화 제조에서, 레이저 용접, 경납땜 또는 연납땜과 같은 용접 공정 후 냉각되면 튜브 내부와 광섬유와 튜브 벽의 접합부에는 "내재된 힘"이 실제로 존재합니다. 물리학 및 공학에서는 이를 **캡슐화 잔류 응력(Residual Packaging Stress)**이라고 합니다.
이하에서는 물리적 메커니즘을 통해 그 원인을 설명하고, 업계에서 이러한 응력을 제거하고 해소하는 일반적인 공학적 방법을 소개합니다.
1. 용접 후 “내재된 힘”(잔류 응력)의 물리적 원인
잔류 응력의 발생은 주로 다음 세 가지 물리적 효과에서 비롯됩니다.
- 열 팽창 계수 불일치 효과(Thermal Mismatch): 이것이 가장 핵심적인 원인입니다. 석영 광섬유의 열팽창 계수( \text{CTE} )는 \alpha_{\text{f}} \approx 0.5 \times 10^{-6}/\text{K} 로 매우 낮습니다. 반면, 스테인리스 스틸의 경우 \alpha_{\text{m}} \approx 16 \times 10^{-6}/\text{K} , 구리 또는 알루미늄 합금의 경우 이보다 더 높은 금속 보호 튜브의 열팽창 계수는 광섬유보다 한두 자릿수 높습니다.
용접이 완료되고 시스템이 고온 상태( T_{\text{weld}} )에서 상온( T_{\text{room}} )으로 냉각될 때, 금속 튜브의 수축량이 광섬유보다 훨씬 큽니다. 두 부분이 용가재에 의해 단단히 접합되어 있기 때문에, 금속 튜브의 강한 수축은 광섬유에 상당한 축방향 압축 응력을 가하여 튜브 내부에 거대한 잔류 응력장을 형성합니다. - 용가재 응고 수축(Solidification Shrinkage): 액체 상태의 용가재가 냉각되어 결정화되고 고체 상태로 변환되는 과정에서 부피가 미세하게 수축하며, 이는 고-액 또는 고-고 계면에 국부적인 전단 응력을 발생시킵니다.
- 고정구의 기계적 구속(Mechanical Constraint): 조립 및 용접 시, 광섬유와 튜브는 고정구에 의해 엄격하게 위치를 잡고 직선 상태를 유지해야 합니다. 고정구가 광섬유에 미세한 인장 또는 굽힘을 가한 경우, 용접이 완료되고 고정구가 제거된 후에도 이 기계적 변형은 캡슐화체 내부에 영구적으로 "고정"됩니다.
해악: 이러한 잔류 응력을 방치하면, 광섬유 격자의 반사 스펙트럼이 왜곡되어(예: 폭이 넓어지거나, 분할되거나, 복굴절이 커지는 등) 측정 정확도가 저하됩니다. 장기 사용 시 잔류 응력은 광섬유의 미세 균열 확장을 가속화하여 센서의 조기 피로 파손을 유발할 수 있습니다.
2. 잔류 응력 제거 및 해소 방법?
정밀 광학 센서 제조에서는 이러한 응력을 해소하고 안정화하기 위해 일반적으로 다음과 같은 과학적 방법들이 사용됩니다.
- 열 어닐링 처리(Thermal Annealing):
산업적으로 가장 흔하고 효과적인 응력 해소 수단입니다. 캡슐화가 완료된 센서를 열처리로에 넣고 특정 어닐링 온도(이 온도는 센서의 코팅 및 격자 손실 온도보다 낮아야 하지만, 센서의 미래 작동 온도보다 높아야 함)까지 천천히 승온시킨 후 일정 시간(등온 유지) 동안 유지합니다.
이 단계에서 금속 원자, 용가재 및 광섬유 계면은 열활성화 작용에 의해 미세한 크리프 및 소성 변형을 겪으며, 집중된 탄성 변형 에너지가 방출됩니다. 이후, 2차 열 응력을 방지하기 위해 매우 느린 속도(예: 1\ ^{\circ}\text{C}/\text{min} )로 상온까지 천천히 냉각해야 합니다. - 사전 인장 제어(Pre-tension Control):
용접 전에 정밀 변위 스테이지를 사용하여 광섬유에 축방향 인장력(즉, 미세한 사전 인장 변형)을 가합니다. 이렇게 하면 용접 냉각 수축 시 금속 튜브에서 발생하는 압축 응력이 광섬유의 원래 사전 인장 응력을 정확하게 상쇄합니다. 이러한 "정-부 상쇄"의 기하학적 및 역학적 일치를 통해 상온에서의 순 잔류 응력을 0에 가깝게 유지하거나 미세한 안전 인장 응력 범위 내로 유지할 수 있습니다. - 낮은 열팽창 계수 재료 매칭(CTE Matching):
설계 초기 단계에서 코바(Kovar), 인바(Invar) 또는 탄성 합금과 같이 석영 광섬유와 열팽창 계수가 더 가까운 재료를 선택하여 물리적인 근원에서 열 수축 차이를 줄입니다. - 초음파/진동 시효(Ultrasonic / Vibrational Stress Relief):
용접 완료 후, 특정 주파수의 초음파 또는 교류 고주파 진동을 장치에 가하여 재료 내부의 결정 격자에 국부적인 미세 소성 변형을 유발하고, 이를 통해 잔류 응력의 균일한 분포 및 해소를 가속화합니다.
3. OFSCN® 기술 솔루션 및 제품 적용
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)에서 생산하는 고정밀 광섬유 센서는 캡슐화 잔류 응력 제거에 대한 엄격한 공정 표준을 가지고 있습니다.
고정밀 응력 및 변형률 측정을 위해, 일반적인 OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor는 특수 탄성 합금 튜브로 캡슐화되어 있으며, 출고 전에 고저온 순환 및 열 시효 어닐링 공정을 거쳐 캡슐화 잔류 응력을 완전히 해소하여 센서의 장기 작동 시 영점 안정성을 보장합니다.
OFSCN® Fiber Bragg Grating Stress Sensor
극단적인 온도 구간에서 작동하는 분산 센서의 경우, 예를 들어 OFSCN® 700°C OFDR Micro All-Metal Strain Sensor는 극도로 넓은 작동 온도 범위( -270\ ^{\circ}\text{C} ~ 700\ ^{\circ}\text{C} ) 때문에 금 도금 광섬유와 특수 단층 탄성 합금 튜브의 원활한 전금속 용접 캡슐화를 채택했습니다. 제조 과정에서 다단계 고온 시효 어닐링을 통해 결정 격자 응력을 완전히 제거하고 재구성하여, 초광대역 온도 범위에서의 측정 절대 선형성과 높은 반복성을 보장합니다.
