성공적인 브레이징을 위한 단계
양호한 브레이징 접합부를 확보하기 위한 단계는 무엇인가요?
양호하고 견고한 브레이징 접합부는 우연히 만들어지는 것이 아닙니다. 이는 실제 브레이징 공정이 시작되기 훨씬 전부터 올바른 절차를 철저히 준수한 결과입니다. 유도 브레이징 장비는 부적절한 설계나 공정을 보완해 줄 수 없습니다.
그렇다면 신뢰할 수 있는 브레이징 접합부를 제작하기 위한 단계는 무엇일까요?
좋은 디자인
브레이징은 모세관 현상에 의존합니다. 모세관 현상이란 용융된 브레이징 합금이 중력과 같은 외부 힘의 도움 없이, 심지어 그 힘에 반하는 상황에서도 좁은 틈새로 흘러들어가는 현상을 말합니다.
용융된 브레이징 합금이 접합부(접합면)로 흘러들어가기 위해서는 부품 간의 맞물림 상태가 양호하고 적절한 틈새 간극이 확보되어야 합니다. 일반적인 경험칙에 따르면, 플럭스를 사용하고 공기 중에서 브레이징을 할 경우 틈새 간극은 0.001”에서 0.005” 사이여야 합니다. (이는 열팽창 계수가 유사한 금속이나 모재를 브레이징할 때를 기준으로 한 것입니다.) 이렇게 해야 모세관 현상이 작용하여 브레이징 합금이 흐를 수 있습니다. 이보다 틈이 넓으면 모세관 현상이 약해져 브레이징 합금이 틈을 완전히 채우지 못할 수 있습니다. 공융 브레이징 합금이나 준공융 브레이징 합금은 빠르게 흐르므로 부품 간의 틈은 일반적으로 더 작습니다. 이에 대한 예로는 제어된 분위기에서 연료 라인과 연료 레일을 구리로 브레이징하는 이 대표적입니다. 평판이 좋은 브레이징 합금 공급업체와 협력하면 브레이징 합금, 브레이징 분위기, 접합되는 재질을 바탕으로 권장되는 틈 간격을 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.
서로 다른 금속의 경우는 어떨까요? 금속은 가열되면 팽창하는 경향이 있으며, 서로 다른 재료는 팽창 속도가 다릅니다. 권장되는 0.001인치~0.005인치의 간격은 실온이 아닌 브레이징 온도에서의 간격을 의미합니다. 예를 들어, 황동은 가열 시 강철보다 더 많이 팽창하므로,부품을 설계할 때는 열팽창을 고려해야 합니다.
청결
브레이징으로 접합할 재료의 접합면은 깨끗해야 합니다. 브레이징 합금이 표면에 잘 접착되려면 재료 표면의 그리스, 기름, 먼지, 표면 산화물(녹 포함)이 제거되어 있어야 합니다. 시중에서 판매되는 탈지제를 사용하면 부품 표면의 이러한 오염 물질을 제거할 수 있습니다. 플럭스는 기름이나 그리스를 제거하지 못하며, 기름기가 있는 표면에는 브레이징 합금이 접착되지 않습니다. 표면 산화물은 화학적 방법이나기계적 방법을 통해 제거할 수 있습니다.
적절한 플럭스와 분위기
부품을 세척한 후 가열하기 전에 부품에 플럭스를 도포합니다. 플럭스는 잔류 산화물을 제거하고, 가열 과정에서 모재와 용가재가 산화되는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 금속이 가열되면 공기 중의 산소와 반응하려는 경향이 커지며, 부품의 온도가 높아질수록 이러한 반응은 빠르게 진행됩니다. 플럭스는 유용하지만, ‘많을수록 좋다’는 말이 반드시 브레이징에도 적용되는 것은 아닙니다. 플럭스를 너무 많이 사용하면 플럭스가 접합부에 갇힐 수 있으며, 이는 브레이징 조립체 내부의 기공 발생 원인이 될 수 있습니다.
질소나 아르곤과 같은 제어된 분위기에서 브레이징을 수행할 경우, 필요한 플럭스의 양이 줄어들거나 아예 필요하지 않은 경우도 많습니다. 보호 분위기는 브레이징 부위를 산화로부터 보호합니다. 그러나 경우에 따라 표면의 산화물을 줄이기 위해 플럭스를 얇게 도포하기도 합니다.
모든 상황에 적용할 수 있는 만능 플럭스는 없습니다. 사용할 플럭스의 선택은 브레이징 또는 솔더링 대상인 모재와 예상 브레이징 온도에 따라 달라집니다. 솔더용 플럭스는 브레이징에 사용할 수 없으며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 철계 및 비철계 합금을 접합하는 수많은 은 브레이징 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 플럭스는 흔히 ‘화이트 플럭스’ 또는 ‘범용 플럭스(FB3A)’라고 불리며, 최대 1600°F의 온도까지 효과적입니다. AWS 간행물 A5.31,『브레이징 및 브레이즈 용접용 플럭스 사양』에는 플럭스의 종류, 유용한 작동 범위 및 각 플럭스가 적합한 모재에 대한 자세한 내용이 수록되어 있습니다. 최대 1800°F의 온도에서 고온 크롬 스테인리스강, 텅스텐 및 크롬 카바이드를 브레이징할 때는 일반적으로 FB3A 플럭스가 사용됩니다. 브레이징 온도가 2000°F에 달할 것으로 예상되거나, 부품이 1450°F를 초과하는 고온 상태에서 장시간 노출될 경우, 일반적으로 FB3D 플럭스가 사용됩니다. 접합할 재료와 예상 브레이징 온도에 따라 적합한 플럭스를 선정하려면 플럭스 제조업체와 상담하십시오.
적합한 브레이징 합금
신뢰할 수 있는 브레이징 접합을 성공적으로 수행하기 위해서는 적합한 브레이징 합금을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 모든 부품을 동일한 합금으로 브레이징할 수 있는 것은 아닙니다. 브레이징 합금 제조업체들은 매우 다양한 용도에 맞는 합금을 생산합니다. 일부 모재에 적합한 합금의 화학 성분이 다른 재료에도 반드시 적합한 것은 아닙니다. 예를 들어, 구리 브레이징용으로 설계된 BCuP 합금은 강철 부품을 브레이징하는 데 사용할 수 없는 반면, 소량의 Ni 및/또는 Mn이 첨가된 BAg 은 브레이징 합금은 니켈이 계면 부식을 방지하는 데 도움이 되므로 카바이드 접합 및 스테인리스강 브레이징에 유용합니다. 미국용접협회(AWS)에서 발간한 AWS A.5.8 규격에는 시중에서 구할 수 있는 다양한 브레이징 합금과 그 화학 조성, 그리고 합금의 액상선 및 고상선 온도가 나열되어 있습니다.
리퀴더스 대 솔리더스 및 공융 합금.
용융점은 금속이 완전히 액체 상태가 되는 최저 온도이며, 고융점은 금속이 고체 상태를 유지하는 최고 온도로, 이 온도 이상에서는 금속이 녹기 시작합니다. 용융점과 고융점이 일치할 때, 브레이징 합금은 공융 합금으로 간주됩니다. 일반적으로 사용되는 공융 합금으로는 순동 또는 BCu 합금이 있으며, 이는 보호 분위기에서 브레이징 용가재로 사용됩니다. 또한 72% 은(Ag)/28% 구리(Cu)로 구성된 브레이징 합금인 BAg-8도 있습니다. 이 사실을 아는 것이 왜 중요할까요? 공융 브레이징 합금은 유동성이 뛰어나 좁은 틈새도 잘 메울 수 있습니다. 반면, 고체선과 액체선 사이의 온도 차이가 큰 합금은 유동성이 느리지만 더 넓은 틈새를 메울 수 있는 능력이 있습니다.
유도 브레이징의 장점 중 하나는 제조 공정에서 반복성이 뛰어나고 편차가 적다는 점입니다. 적절한 브레이징 프리폼과 유도 장비를 함께 사용하면 브레이징 부서의 효율성을 더욱 높일 수 있습니다. 브레이징 프리폼은 브레이징 합금의 사용량을 조절하고, 여러 접합부를 동시에 브레이징할 수 있게 하며, 자동화 공정 도입을 가능하게 합니다. 브레이징 프리폼은 브레이징 와이어나 스트립을 링, 와셔, 디스크, 심 등 다양한 형태로 가공하여 제작되며, 이는 브레이징 합금 제조업체가 브레이징 대상 부품에 맞춰 설계한 것입니다.
올바른 고정 장치 설치
양질의 고정 장치의 역할은 가열 및 냉각 과정에서 부품들이 정렬된 상태를 유지하여 모세관 현상이 일어날 수 있도록 하는 것입니다. 가장 우수한 고정 장치는 질량이 작고 열전도율이 낮아, 브레이징 부위에서 빠져나가는 열의 양을 최소화할 수 있는 것입니다.
간편성과 다용도성 측면에서, 예를 들어 관형 접합부와 같이 자체 고정 가능한 부품이 선호됩니다. 브레이징 프리폼과 정렬된 자체 고정 부품은 적절하게 설계된 유도 가열 코일을 사용하여 쉽게 가열할 수 있습니다. 이를 달성하는 방법으로는, 중력을 이용하여 부품 조립체를 고정하거나, 브레이징 전에 부품을 스테이킹, 스웨징, 크림핑하는 것 등이 대표적인 예입니다.
자체 고정 방식이 불가능한 경우, 유도 브레이징 공정에 외부 고정 장치를 도입해야 합니다. 외부 고정 장치의 목적은 브레이징 공정 동안 부품이 정렬된 상태를 유지하고 제자리에 고정되도록 하는 것입니다. 외부 고정 장치를 설계하고 제작할 때 고려해야 할 주요 사항은 다음과 같습니다:
- 접합할 부품과의 접촉 면적을 최소화해야 하는데, 접촉 지점이 방열판 역할을 하기 때문이다
- 고정구 재질의 내열성 및 내열충격성
- 유도 가열 코일이 부품을 적절히 가열할 수 있도록 가열될 구역에 대한 접근성
- 재료는 가열되면 팽창하므로, 고정 장치를 설계할 때는 열팽창을 고려하여 주의를 기울여야 합니다.
- 사용자의 피로를 최소화하고 제품 채택률을 높이기 위해서는 단순성, 사용 편의성 및 인체공학적 요소를 고려해야 합니다.
대개 유도 브레이징 및 솔더링을 사용하면 필요한 부품 고정구의 수를 줄일 수 있으며, 고정구의 가열을 최소화함으로써 고정구의 수명을 연장하고,에서 접합될 부품들의 정렬 정확도를 유지할 수 있습니다.
부품 가열
브레이징할 부품들을 유도 코일 내에 고정하고 적절히 정렬한 후, 이제 브레이징을 진행할 준비가 완료됩니다. 유도 가열 장비는 는 변화하는 전자기장을 통해 에너지를 가열 대상 부품으로 전달합니다. 부품의 가열 속도와 온도는 전자기장의 강도, 주파수 및 시간의 변화에 따라 제어됩니다. 전자기장의 강도는 유도 코일(인덕터라고도 함)의 형상, 인덕터에 공급되는 전력과 전압, 그리고 인덕터에 대한 부품의 상대적 위치에 의해 제어됩니다.
적절하게 설계된 유도 코일 는 브레이징 부위를 균일하게 가열합니다. 녹은 브레이징 합금은 온도가 더 높은 부위로 흘러가므로, 부품을 균일하게 가열하기 위해서는 인덕터를 부품과 올바르게 정렬하는 데 주의를 기울여야 합니다. Radyne은 신뢰할 수 있고 재현성이 뛰어난 브레이징 처리된부품을 생산하기 위해, 올바른 부위에 적절한 양의 에너지를 공급하는 유도 가열 코일의 설계 및 제작을 지원할 수 있습니다.
브레이징 후 세척
대부분의 플럭스 성분은 부식성을 띠기 때문에, 브레이징 후에는 잔류 플럭스를 제거해야 합니다. 플럭스 잔류물을 제거하지 않으면 부식으로 인해 브레이징된 조립체의 강도가 약해지거나 파손될 수 있습니다. 플럭스 잔류물은 일반적으로 뜨거운 물로 헹궈서 제거합니다. 대부분의 경우, 뜨거운 물과 가벼운 기계적 브러싱만으로도 잔류물을 제거할 수 있습니다. 입자가 모재에 박히지 않도록 과도하게 문지르지 않도록 주의해야 합니다.
브레이징 조립체는 브레이징 합금이 응고된 직후 물에 담그는 경우가 많습니다. 이러한 열충격으로 인해 브레이징 후 잔류물이 떨어져 나갑니다. 브레이징 직후 부품을 너무 빨리 담금질하면 균열이 발생하거나 브레이징 접합부의 표면이 거칠어질 수 있습니다. 열팽창계수(CTE) 차이가 큰 재료의 경우 담금질 작업을 수행해서는 안 됩니다.
잔여물이나 얼룩을 제거하기 어려운 경우에는 화학 세정이 필요할 수 있습니다. 피클링 용액은 브레이징 후 잔여물을 제거하는 일반적인 방법입니다. 브레이징 후 플럭스 잔여물이 남아 있는 부품을 세정하는 추가적인 방법에 대해서는 브레이징 및 플럭스 합금 공급업체와 상담하시기 바랍니다.
결론
훌륭하고 완벽하게 완성된 브레이징 접합부는 올바르고 탄탄한 브레이징 공정을 준수한 결과입니다. 이러한 단계를 따르고 적절한 유도 브레이징 장비를 함께 사용함으로써, 일관되고 신뢰할 수 있으며 고품질의 브레이징 결과를 얻을 수 있습니다. 유도 가열은 운영 우수성(Operational Excellence)과 린(Lean), 식스 시그마(Six Sigma)를 추구하는 제조 환경에서 가장 유력한 대안으로 꼽힙니다.
유도 가열 업계의 선두 기업인 Radyne은 귀사가 유도 브레이징의 과제를 해결하고 그 이점을 실현할 수 있도록 도와드립니다. 유도 가열 및 관련 공정에 대한 솔루션에 대한 자세한 정보가 필요하시면당사로 문의해 주십시오.