알루미늄 유도 브레이징의 장점
알루미늄 부품의 유도 브레이징 방식이 갖는 장점에 대해 논의하기 전에, HVAC/R 업계에서 알루미늄과 구리의 비교에 관한 약간의 역사적 배경을 살펴보겠습니다.
알루미늄은 수십 년 동안 자동차 산업에서 열교환기의 주된 소재로 자리매김해 왔습니다. 에어컨 및 엔진·파워트레인 냉각에 사용되는 라디에이터, 히터 코어, 증발기, 응축기 등의 알루미늄 열교환기는 수십 년 전 구리나 황동을 대체하며 이미 보편화되었습니다.
알루미늄은 HVAC/R 업계에서도 비슷한 진출을 이루었습니다. 왜 알루미늄이 구리를 대체할 수 있는 선택지로 점점 더 주목받고 있을까요? 알루미늄은 구리보다 저렴하고, 구리보다 가벼우며, 재활용이 가능합니다. 알루미늄 튜브와 알루미늄 핀으로 구성된 완전 알루미늄 열교환기 코일은 알루미늄 핀이 부착된 구리 튜브보다 가볍습니다. 알루미늄의 열전도율은 구리의 약 60% 수준이지만, 1파운드의 알루미늄으로 구리 1파운드보다 거의 3배 많은 부품을 생산할 수 있어 알루미늄이 더 우수한 표면적 대 중량 비율을 자랑합니다.
| 자료 | 열전도도 [BTU/(hr·ft·°F)] |
| 알루미늄 | 136 |
| 구리 | 231 |
| 출처: Engineer’s Edge |
알루미늄과 구리의 내식성 비교
알루미늄 핀이 부착된 구리 코일은 갈바닉 부식과 포미카리 부식이라는 두 가지 유형의 부식의 영향을 받습니다. 갈바닉 부식은 “전해질이 존재하는 상태에서 한 금속이 다른 금속과 전기적으로 접촉할 때, 한쪽 금속이 우선적으로 부식되는 전기화학적 과정”으로 정의됩니다(위키백과). 일반적으로 갈바닉 부식은 실내나 건조한 환경에서는 발생하지 않습니다. 그러나 알루미늄이 구리와 같은 더 귀금속과 접촉할 때, 특히 해안가처럼 염화물 농도가 높은 지역에서는 부식이 발생합니다. 그림 1을 참조하십시오.
| 자료 | 밀도 – p`(lb/ft³) |
| 알루미늄 | 169 |
| 구리 | 558 |
| 출처: The Engineering Toolbox: The Engineering Toolbox |
알루미늄 HVAC/R 코일은 구리 코일에 비해 또 다른 장점이 있는데, 바로 알루미늄 튜브가 포미카리 부식에 강하다는 점입니다. 포미카리 부식은 코일 내부의 산소, 물, 유기산이 화학 반응을 일으켜 발생합니다. 미국 공조설비업자협회(ACCA)는“폼리카리 부식의 원인과 방지 방법”이라는 교육용 기사를 발표하여, 폼리카리 부식이 무엇이며 그 일반적인원인이 무엇인지에 대해 더 자세히 다루고 있습니다. 이 현상은 구리 기반 코일 내에서만 발생하며, HVAC/R 분야에서 구리 배관을 사용할 때 오랫동안 지속되어 온 문제였습니다. 그러나 알루미늄은 폼리카리 부식에 영향을 받지 않습니다.
알루미늄 부품을 브레이징할 때 왜 인덕션 브레이징을 토치 브레이징보다 선택해야 할까요?
먼저, 오늘날 널리 사용되는 일반적인 알루미늄 합금과 이합금 부위에 사용되는 일반적인 알루미늄 브레이징재 및 솔더에 대해 간략히 살펴보겠습니다. 알루미늄 부품을 브레이징하는 것은 구리 부품을 브레이징하는 것보다 훨씬 더 어렵습니다. 구리는 1980°F(1083°C)에서 녹으며 가열됨에 따라 색이 변합니다. 반면, HVAC 시스템에 자주 사용되는 알루미늄 합금은 약 1190°F(643°C)에서 녹기 시작하지만, 가열될 때 색 변화와 같은 시각적인 신호를 전혀 보여주지 않습니다.
알루미늄의 용융 온도와 브레이징 온도는 알루미늄 모재, 브레이징 용가재, 그리고 브레이징 대상 부품의 질량에 따라 달라지므로 매우 정밀한 온도 제어가 필요합니다. 예를 들어, 두 가지 일반적인 알루미늄 합금인 3003계 알루미늄과 6061계 알루미늄의 고체점 온도와 자주 사용되는 BAlSi-4 브레이징 합금의 액체점 온도 사이의 차이는 20°F에 불과하여, 공정 온도 범위가 매우 좁으므로 정밀한 제어가 필수적입니다. 브레이징되는 알루미늄 시스템에서는 모재 합금의 선택이 매우 중요합니다. 모범 사례는 브레이징되는 부품을 구성하는 합금의 고체점 온도보다 낮은 온도에서 브레이징을 수행하는 것입니다.
| AWS A5.8 분류 | 명목상 화학 조성 | 솔리더스 °F (°C) | 액체 상태 °F(°C) | 브레이징 온도 |
| BAISi-3 | 86% Al, 10% Si, 4% Cu | 970 (521) | 1085 (855) | 1085~1120 °F |
| BAISI-4 | 88% aL, 12% Si | 1070 (577) | 1080 (582) | 1080~1120 °F |
| 78 Zn 22%Al | 826 (441) | 905(471) | 905~950 °F | |
| 98% 아연, 2% 알루미늄 | 715(379) | 725(385) | 725~765 °F |
아연이 풍부한 부위와 알루미늄 사이에서는 갈바닉 부식이 발생할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 그림 1의 갈바닉 부식 표에서 볼 수 있듯이, 아연은 알루미늄에 비해 비귀금속성이 강하여 양극으로 작용하는 경향이 있습니다. 전위차가 작을수록 부식 속도는 느려집니다. 아연과 알루미늄 사이의 전위차는 알루미늄과 구리 사이의 전위차에 비해 매우 미미합니다.
알루미늄을 아연 합금과 브레이징할 때 나타나는 또 다른 현상은 피팅 부식입니다. 국부 전지 부식이나 피팅 부식은 어떤 금속에서나 발생할 수 있습니다. 알루미늄은 일반적으로 산소에 노출되면 표면에 형성되는 단단하고 얇은 막(알루미늄 산화물)에 의해 보호받지만, 플럭스가 이 보호 산화막을 제거하면 알루미늄이 용해될 수 있습니다. 용가재가 녹아 있는 상태가 길어질수록 용해 정도는 더욱 심해집니다.
알루미늄은 브레이징 과정에서 견고한 산화막을 형성하기 때문에 플럭스의 사용이 필수적입니다. 알루미늄 부품에 플럭스를 도포하는 작업은 브레이징 전에 별도로 수행하거나, 플럭스가 포함된 알루미늄 브레이징 합금을 브레이징 공정에 활용할 수 있습니다. 사용되는 플럭스의 종류(부식성 대 비부식성)에 따라, 브레이징 후 플럭스 잔여물을 제거해야 하는 경우 추가 공정이 필요할 수 있습니다. 접합할 재료와 예상 브레이징 온도에 따라 적합한 브레이징 합금 및 플럭스에 대한 권장 사항을 얻으려면 브레이징 및 플럭스 제조업체와 상담하십시오.
알루미늄의 유도 브레이징이 토치 또는 화염 브레이징에 비해 갖는 장점
알루미늄 모재의 낮은 용융 온도와 사용되는 브레이징 합금의 좁은 공정 온도 범위가 결합되어 토치 브레이징 시 어려움을 초래합니다. 알루미늄을 가열할 때 색상 변화가 없기 때문에, 브레이징 작업자는 알루미늄이 적절한 브레이징 온도에 도달했는지 시각적으로 확인할 수 없습니다. 브레이징 작업자는 토치 브레이징 시 여러 가지 변수를 도입하게 됩니다. 여기에는 토치 설정 및 화염 유형, 토치와 브레이징 대상 부품 간의 거리, 접합할 부품에 대한 화염의 위치 등이 포함됩니다.
알루미늄 브레이징 시유도 가열을고려해야 하는 이유는 다음과 같습니다:
- 빠르고 신속한 가열
- 정밀하고 세밀한 온도 조절
- 국소적인 열
- 생산 라인의 적응성 및 통합
- 고정구의 수명 연장 및 단순화
- 반복성이 뛰어나고 신뢰할 수 있는 브레이징 접합부
- 안전성 향상
알루미늄 부품의 유도 브레이징 성공 여부는, 전자기 열 에너지를 브레이징 대상 부위에 집중시키고 해당 부위를 균일하게 가열하여 브레이징 합금이 적절하게 용융되고 유동되도록유도 코일을설계하는 데 크게 좌우됩니다. 유도 코일이 부적절하게 설계될 경우, 일부 부위는 과열되고 다른 부위는 충분한 열 에너지를 받지 못해 브레이징 접합이 불완전해질 수 있습니다.
일반적인 알루미늄 튜브 브레이징 접합부의 경우, 작업자는 알루미늄 튜브에 (대개 플럭스가 포함된) 알루미늄 브레이징 링을 장착한 뒤, 이를 다른 확장 튜브나 블록 피팅에 삽입합니다. 그런 다음 이 부품들을 유도 코일 안에 넣고 가열합니다. 일반적인 공정에서는 브레이징 용접재가 녹아 모세관 현상에 의해 접합부 경계면으로 흘러들어갑니다.
Radyne은 고객의 브레이징 공정을 최적화할 수 있도록 지원합니다. 알루미늄은 브레이징이 다소 복잡한 소재인 만큼, Radyne은 자사의IPEC 연구소를통해 브레이징 공정을 모델링하고 브레이징 실험을 수행함으로써 브레이징 효율을 높이고 공정을 최적화할 수 있습니다.
결론
모든 브레이징 공정이 유도 가열에 적합한 것은 아닙니다. 소량 생산, 다양한 제품 혼합 생산, 또는 불규칙한 형상으로 인해 고정 장치나 코일 설계가 극도로 복잡해지는 상황에서는, 숙련된 작업자가 수행하는 용광로 브레이징이나 토치 브레이징이 더 경제적인 선택이 될 수 있습니다. 그러나 유도 브레이징은 린 제조 방식을 도입한 기업들에게 빠르고, 제어 가능하며, 정밀하고, 에너지 효율적이며, 재현성이 뛰어난 브레이징 접합부를 제공합니다.
유도 가열 업계의 선두 기업인 Radyne은 귀사가 직면한 과제를 해결하고 유도 브레이징의 이점을 실현할 수 있도록 도와드립니다. 유도 가열 및 관련 공정에 대한 솔루션에 대한 자세한 정보를 원하시면 당사에 문의해 주십시오.