브레이징 접합기술
브레이징은 접합기술 중 사용분야가 광범위하고 그 응용범위가 넓다고 말할 수 있는데 아직도 국내에서는 그 원리와 사용밥법이 제대로 보급되지 않아 널리 이용되지 못하고 있다. 이에 따라 본지에서는 브레이징 전문가로서 10여년 넘게 연구하고, 또 관련분야 기술전파에 남다른 애정을 갖고 있는 서경 브레이징 신영식 대표이사의 기술원고를 ’99년 기술시리즈로 12回에 걸쳐 소개한다.
브레이징은 450°C 이상의 온도에서 접합하고자 하는 양모재 용융점(MELTING POINT) 이하에서 용가재를 첨가하여 접합하는 방법으로 모재가 상하지 않고 동종금속이든 이종금속이든 다양한 접합이 가능함에 따라 자동차, 항공기, 원자력기기, 에어컨 및 냉장고를 비롯한 냉동공조기기, 액세서리, 초경공구, 방산부품, 수전 금구류, 전기 및 전자기기, 농기계, 건축 배관용 부품 등 산업전반에 대단히 광범위하게 사용되는 접합방법이며 앞으로도 그 사용처는 실로 무궁무진한 것이다.
특히 지난 수십년 동안 급변하는 산업발달과정속에서 보다 근본적이고 기초적인 기술을 간과하고서 국제경쟁을 하다보니 스스로 시행착오를 범하는 사례가 자주 있어 왔고 또한 전문가가 부족함에 따라 확실한 진단과 효과적인 해결책 제시가 부족했던 것이 우리 산업의 현주소일 것이다.
브 레이징기술 또한 예외가 아닐 것이다. 따라서 이러한 점에 착안하여 브레이징산업에 조금이나마 이바지하고자 본고에서 브레이징 정의, 원리 및 이점, 방법, 접합설계, 세척방법, 합금종류 및 선택방법, 플럭스와 분위기, 고정방법, 브레이징방법, 모재별 브레이징기술, 기구 및 장비, 실제 적용사례, 올바른 브레이징의 선택에 대해서 기술함으로써 브레이징기술 발전에 조금이나마 보탬이 되고자 한다.
본론
브레이징 정의, 원리 및 이점
●브레이징의 정의
브레이징이란 450°C 이상에서 접합하고자 하는 모재(BASE METAL) 용융점(MELTING POINT) 이하에서 모재는 상하지 않고 용가재와 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술이다.
더 자세히 말하자면 450°C 이상의 액상선 온도(LIQUIDUS TEMPERATURE)를 가진 용가재를 사용하며 모재의 고상선 온도(SOLIDUS TEMPERATURE) 이하의 열을 가하여 두 모재를 접합하는 방법을 브레이징이라 할 수 있다.
참고로 용가재(FILLER METAL)를 가지고 접합하는 방법은 크게 웰딩(WELDING), 브레이징(BRAZING), 솔더링(SOLDERING)으로 나눌 수 있다. 흔히 웰딩(WELDING)을 용접, 브레이징(BRAZING)을 경납땜, 솔더링(SOLDERING)을 연납땜으로 말하기도 한다.
상 기 3가지 공법의 차이는 <그림 1>에서 보는 바와 같이 솔더링은 450°C 이하의 용가재를 가지고 접합하는 방법을 칭하며 웰딩과 브레이징은 450°C 이상의 온도에서 행해지나 그 차이점은 웰딩은 접합하고자 하는 모재의 용융점(MELTING POINT) 이상에서 접합하는 방법이며 브레이징은 용융점(MELTING POINT) 이하에서 모재(BASE METAL)는 상하지 않고 용가재(FILLER METAL)를 사용하여 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술을 의미한다.
참고로 <표 1>은 브레이징, 솔더링, 웰딩의 주요 특성을 구분하였다.
●브레이징의 원리
브레이징시 일정한 온도(BRAZING TEMPERATURE)에 이르면 브레이징 용재(BRAZING FILLER METAL)가 양 용재 사이로 녹아 스며 들어가서 브레이징이 되어야만 이상적인 브레이징이라 할 수 있다.
이때 양 모재와 용가재(FILLER METAL)의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(WETTING)으로 표현할 수 있으며 양 모재 접합간격(JOINT GAP) 사이로 흘러 들어가게 하는 현상이 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)이라 표현할 수 있다.
이 때 물론 중력(GRAVITY)이 작용할 수 있다. 그러나 브레이징의 주된 기본 원리는 모재를 가열한 후 용가재를 가하여 접합을 하면 젖음성(WETTING)에 의해 용가재가 양 모재에 녹아서 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)에 의해 양 모재 사이로 흘러 들어가는 것이라 할 수 있다.
만일 용가재가 브레이징해야 할 모재와 젖음성이 나쁘면 접합이 이루어지지 않을 것이며, 접합간격이 크면 양 모재 사이에 용가재(FILLER METAL)가 가득 차지 않음에 따라 불완전한 접합이 될 것이다.
일반 적으로 브레이징시 모재가 장시간 대기중에 방치되었거나 또는 가열시 공기중의 산소 등과 결합하여 산화물 등이 생겨서 불활성상태가 되어 있는 경우에는 액상 금속이 젖기(WETTING)가 힘들어질 것이다.
또한 금속을 브레이징할 때 플럭스를 사용하거나 환원성 분위기 또는 진공분위기 중에서 가열함으로써 산화물 생성을 억제하여 용가재가 잘 젖게끔 만들어야 할 것이다.
이 일이 끝나면 올바른 모세관 현상에 의해 용가재가 양 모재 사이로 잘 흘러 들어가야 할 것이다.
<그림 2>는 현미경 사진으로 모세관 현상에 의해 모재가 잘 흘러 들어가는 상태를 나타낸 것이다.
특히 모세관 현상은 브레이징하고자 하는 가공품의 정밀도와 연관이 많이 있다. 즉 브레이징에 이상적이게 제품을 설계하지 못할 경우는 작업성이 떨어질 뿐 아니라 원가상승, 불량률 증가의 원인이 될 것이다.
<그림 3>은 모세관 현상을 설명하기 위한 간단한 실험이다. <그림 3>과 같이 통속에 잉크물을 넣고 유리를 두장씩 포개서 세워놓고 잉크의 침투정도를 실험했다.
① 0.04M/M의 간격(GAP)을 유지하였으며, 이때는 모세관 힘에 의해 균일하게 끝까지 침투하는 것을 볼 수 있다.
② 오른쪽은 붙이고 왼쪽은 0.4M/M의 간격을 유지하였을 경우 왼쪽에 기공을 형성함을 볼 수 있다.
③ 밑쪽은 붙이고 윗쪽은 0.4M/M의 간격을 유지하였을 경우는 잉크물이 올라오다가 멈춰 있음을 볼 수 있다.
④ 0.025M/M를 유지하면서 지문자국을 만들어 놓았을 경우 지문자국부위에 많은 기포가 있는 것을 알 수 있다.
상기 사항을 정리하면 <그림 4>와 같다
즉 브레이징을 할 때, 중력은 자연 발생적으로 작용하며 제품을 조립할 때 중력을 고려하여 장착해야 할 것이다. 모세관 현상과 중력은 용재의 흐름에 많은 영향을 미치고 젖음성(WETTING)은 용재의 친화력과 많은 연관이 있다. 상기 그림의 모세관 현상과 젖음성은 대단히 중요하며 이에 대하여 더 자세히 알아보기로 한다.
■젖음성(WETTING)
용가재(FILLER METAL)가 녹았을 때 젖음성의 정도에 따라 모재와 친화력이 있느냐 없느냐 또는 플럭스(FLUX)나 분위기(ATMOSPHERE)가 제 역할을 하느냐 하지 않느냐의 척도가 될 것이다. 이 젖음성을 설명하고자 고상의 납작한 평면에 액상의 방울(DROPLET)을 떨어뜨렸을 때 경우를 생각해 보자.
물론 이때 중력은 무시하며, 또한 고상, 액상, 기체상의 화학반응도 무시한다. 이런 경우 <그림 5>와 같이 표현할 수 있을 것이다.
여 기에서 고상(모재)의 표면장력을 γSL, 액상(용가재)의 표면장력을 γSU, 고액상의 계면의 표면장력을 γLV로 표시하면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있을 것이다. θ는 접촉각이다.
COSθ=(γSV-γSL)/γLV
젖음성이 일어나느냐 나지 않느냐의 경계는 90°(θ각)로 생각할 수 있을 것이다. 즉 각이 90° 이하이면 젖음성이 있는 것이며 90° 이상이면 젖음성이 일어나지 않을 것이다. 일반적으로 대부분의 브레이징시 θ각은 10°에서 40° 사이이다. 이것은 대부분 브레이징 모재의 접합간격에 의해 결정된다. 아무튼 <그림 6>은 브레이징 접합부의 단면도를 나타낸 것이다.
이 그림에서 접합간격(JOINT GAP)이 적어지면 적어질수록 접촉각(θ)이 적어지는 것을 알 수 있을 것이다. <그림 5>에서 보면 (A)의 경우는 젖음성(WETTING)이 일어나지 않는 경우이며 이때는 모재의 표면에 산화물이 있거나 분위기나 플럭스가 적절하게 작용하지 못했을 경우일 것이다.
(B)의 경우는 젖음성(WETTING)이 일어나는 경우이고, (C)의 경우는 표면에 완전하게 퍼져버린 경우이다.
●모세관 현상(CAPILLARY ACTION)
모세관 현상은 브레이징공정에서 대단히 중요한 물리적인 현상이다. 용재 유동도는 모세관 현상에 의한 힘, 점도, 용융금속의 밀도, 접합면의 중력에 대한 위치 등에 의해 좌우된다. 일반적으로 용재의 흐름을 억제시키는 점도는 용융상태에서 온도와 상관관계가 있다.
<그림 7>은 철, 니켈, 동의 점도와 온도의 상관관계를 나타낸 것이다.
여기에서 보면 온도가 올라갈수록 점도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
즉 온도가 올라갈수록 용재의 유동도는 증가한다고 볼 수 있다. 아무튼 모세관 현상은 브레이징시 앞서 이야기한 바와 같이 대단히 중요한 물리적인 힘이며, 이는 앞의 <그림 3>에서 설명한 바와 같이 접합간격(JOINT GAP)과 대단히 밀접한 관계가 있으며, 아울러 용재종류, 점도, 밀도, 접합면의 증력에 대한 위치, 가열방법 등과도 대단히 밀접한 상관관계를 가지고 있다.
●브레이징의 이점
브레이징기술은 오늘날 급격한 산업발달과정속에서 가장 광범위하게 사용되는 접합기술의 하나이다. 특히 우주항공산업, 자동차산업, 냉동 및 공조산업, 가정용품 산업, 액세서리산업, 기타 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있으며, 그 이유는 다음과 같은 이점을 지녔기 때문일 것이다.
■이종금속부품 접합 가능
<그림 8>과 같이 동종금속이든 이종금속이든 접합이 다양하게 가능함에 따라 재료원가절감이 가능함과 동시에 새로운 부품의 개발도 가능하다.
■크게 다른 부품이라도 접합 가능
<그림 8>에서 보는 바와 같이 크게 다른 제품, 특히 크기 및 두께가 다른 제품의 접합이 용이함에 따라 원가절감 및 다양한 부품의 설계가 가능하다. <그림 9>는 복잡한 엘보우(ELBOW) 접합사례를 나타낸 것이다.
<그림 9>의 “A”는 전체적으로 기계가공함에 따라 점선친 안쪽만큼 재료손실이 있을 뿐 아니라 기계가공이 난해했다.
“B”는 각 가공품을 따로 가공하여 브레이징을 함으로써 많은 원가절감이 가능한 경우이다.
■강한 접합강도
다른 접합보다 비교적 강한 접합강도를 가진다. 철과 비철을 브레이징할 경우 접합부의 인장강도(TENSILE STRENGTH)가 모재보다 강한 경우가 있으며 스테인리스강의 경우 브레이징 접합부가 130,000PSI 이상의 인장강도를 갖게끔 설계가 가능하다.
■미려하고 정교한 접합부 가능
브레이징후 깨끗한 JOINT를 얻을 수 있음에 따라 좀체로 그라인딩이나 줄질 등 기계적인 가공을 할 필요가 없다. <그림 10>은 수도꼭지 HAND LEVER를 나타낸 것으로써 2번 그림은 브레이징하기전 제품으로 황동이다. 세가지 부품을 브레이징하여 1번 그림과 같이 도금하였다.
그림에서 보는 바와 같이 미려하고 정교한 브레이징 접합부를 얻을 수 있는 것을 볼 수 있다.
■세척성, 기밀성, 내부식성 등
다양한 특성유지 가능
접 합부가 금속 야금학적인 접합이기 때문에 연성, 내충격성, 내진동성, 기밀성, 열전도성, 내식성 등 다양한 특성을 가지게 브레이징이 가능하다.
참고로 <표 2>는 주요 브레이징합금의 전기적인 특성을 나타낸 것이다.
■수동 및 자동화가 용이
손 TORCH 하나 가지고서도 간단히 브레이징이 가능하며 아울러 대량 생산하는 제품은 자동 브레이징/솔더링 기계에 의하여 자동화가 용이하다.
<그림 11>은 수동 브레이징작업을 하고 있는 장면이며, <그림 12>는 자동 브레이징을 하고 있는 장면이다.
■다양한 용재 형상제 가능
봉, 선재, 판재, 특수형상, 페이스트 등 다양한 형상의 재료 선택이 가능함에 따라 다양한 엔지니어링이 가능하다. <그림 13>은 각종 특수 형상소재이며 <그림 14>는 봉, 선재, 판재소재이며 <그림 15>는 페이스트로 브레이징하고 있는 장면과 각종 페이스트 소재이다.
■기타
누구나 비교적 쉽게 습득할 수 있는 기술이며 또한 불량률 발생시 반복 보수가 가능하며 제품에 따라 실로 다양한 엔지니어링이 가능한 기술이다. 아무튼 상기 이외에도 많은 이점이 있으며 <표 3>은 브레이징의 이점을 정리한 것이니 참조하기 바란다.
아울러 <표 4>는 주요 금속접합방법과 브레이징을 비교한 표이다. 여기에서도 볼 수 있듯이 브레이징은 다양한 특성과 이점을 갖는 것을 볼 수 있다. 끝으로 브레이징의 역사에 대해 간단히 알아보고자 한다.
BC 1475년 : 고대 이집트 금브레이징(벽화 발견) 시작
1801년 : 산소 - 수소 TORCH 발견 - 실험실에서만 사용
1886 년 : 아세틸렌 가스(ACETHYENE GAS) 발견
1895년 : 독일 DR. CARL VON LINDER 액산공장 가동
1900 년 : 프랑스 EDEMOND FOUCHE 산소/아세틸렌 TORCH 발견 - 초기 CUTTING에만 사용
1919년 : 미국 용접협회(AMERICAN WELDING SOCIETY) 창설
1940년~42(2차 대전) : SILVER BRAZING ALLOY 사용(잠수함, 선박 등)
2차 대전후 : 일반 상업용품에 적용
“브레이징은 3000년이 넘는 역사를 지니고 있으며, 비로소 범용화되기 시작한 시기는 세계 2차 대전후 지난 50여년 동안 비약적으로 발전했다고 할 수 있다.”
<표 1> 브레이징, 솔더링, 웰딩의 주요 특성
|
구분 |
브레이징(BRAZING) |
솔더링(SOLDERING) |
웰딩(WELDING) |
| 작업온도 |
450°C 이상 모재 |
450°C 이하 모재 |
450°C 이상 모재 |
|
작업후 모재형태 |
상하지 않음 |
상하지 않음 |
상한 경우 있음 |
|
작업후 변형정도 |
거의 없음 |
거의 없음 |
심함 |
|
작업후 잔류응력 |
없음 |
없음 |
있음 |
|
주요 가열원 |
가스저항, 유도가열, 로, |
인두, 초음파, 오븐, |
플라스마, 전자빔, 아크, |
|
|
적외선 등 |
|
저항, 레이저 등 |
|
강도 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
|
외관 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
|
자동화 가능성 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
|
다부품 접합 |
양호 |
양호 |
나쁨 |
|
기밀성 |
양호 |
양호 |
양호 |
<그림 8> 각종 브레이징부품들
<그림 10> 수도꼭지 핸드레버
<표 2> 주요 브레이징합금의 전기적인 특성
|
주요 브레이징합금 |
전기적인 특성 |
|
|
전도도(%IACS) |
저항(MICROHM.CM) | |
|
85Ag/15Mn |
4.6 |
37.5 |
|
92.75Cu/7.25P |
7.5 |
23.2 |
|
38Ag/32Cu/28Zn |
18 |
9.5 |
|
45Ag/15Cu/16Zn/24Cd |
27.6 |
6.06 |
|
30Ag/27Cu/23Zn/20Cd |
31 |
5.5 |
|
54Ag/40Cu/5Zn |
49.8 |
3.46 |
|
92.5Ag/7.3Cu/0.2Li |
55.2 |
3.12 |
|
72Ag/28Cu |
77 |
2.2 |
|
무산하동 |
101 |
1.71 |
|
99.9Ag |
105.2 |
1.59 |
<표 3> 브레이징의 이점
|
구 분 |
이 점 |
|
이종금속 접합 기능 |
재료원가 절감기능 |
|
|
새로운 부품 개발 가능 |
|
크게 다른 부품이라도 접합 가능 |
불필요한 부품의 원가절감이 가능 |
|
|
다양한 부품 설계 가능 |
|
고강도 |
대체적으로 브레이징면의 전에서 끊어짐 |
|
미려한 접합면 |
브레이징후의 외관상태가 매우 좋음 |
|
|
그라인딩, 기계적인 처리 등의 후처리 비용이 필요없음 |
|
세척성 |
세척에 필요한 원가절감기능 |
|
기밀성 |
뛰어난 기밀성을 가짐으로 에어컨, 냉장고, 자동차부품 등에 적용이 가능 |
|
내부식성 |
브레이징면의 내부식성이 우수하기 때문에 내부식성을 요하는 곳에 사용 가능 |
|
자동화 |
숙련되지 않은 작업자로서 대량 생산 가능 |
|
|
저렴한 가격에 쉽게 자동화 가능 |
|
적절한 전기적 특성 선택 가능 |
전도도, 저항 등의 요구사항에 따라 다양한 값을 얻을 수 있음. |
|
연성이 우수 |
내충격성 진동 등에 뛰어난 효과를 가짐 |
|
|
재료 절감 가능 |
|
브레이징 용재 형상재 가능 |
비숙련공을 사용 가능 |
|
|
품질향상 가능 |
|
브레이징 페이스트 가능 |
비숙련공을 사용 가능 |
|
|
플럭스를 따로 사용할 필요가 없음 |
<그림 11> 수동 브레이징 장면
<그림 12> 열 교환기의 자동 브레이징 장면
< 그림 13> 각종 특수현상(브레이징 재료)
<그림 14> 봉, 선재, 판재(브레이징 재료)
<표 4> 주요 접합방법과 브레이징의 비교
|
이 점 |
브레이징 |
웰딩 |
솔더링 |
기계적인 접합 |
접착제 |
저항용접 |
리뱃팅 |
|
이종 금속 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
|
이종 접합면 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
|
고강도 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
|
내고온성 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
좋음 |
|
내부식성 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
|
기밀성 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
|
외관 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
|
세척성 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
|
자동화 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
|
다부품 접합 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
|
전도도 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
|
연성 |
좋음 |
좋음 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
나쁨 |
|
전체 가격 |
좋음 |
나쁨 |
좋음 |
나쁨 |
나쁨 |
좋음 |
좋음 |
<그림 15> 페이스트로 브레이징하고 있는 장면과 각종 페이스트들(브레이징 재료)