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블레이징 방법 무엇보다도 브레이징을 이해하기 위하여서는 브레이징하는 방법을 알아야 할 것이다. 브레이징하는 방법이 다양하나 여기에서는 브레이징의 이해를 돕기 위하여 수동으로 하는 토치 브레이징(Torch Brazing) 방법에 준하여 설명하고자 한다. 편의상 6단계로 나누어 설명하고자 한다. <그림 1>의 6단계를 단계별로 상세히 알아보고자 한다. 접합면의 설계 어떤 제품을 브레이징하고자 한다면 먼저 제품에 대한 설계를 하여야 할 것이다. 즉 접합면을 어떠한 형태로 접합하게 하느냐와 또한 그 접합면의 간격을 얼마를 주는 것이 적당하느냐가 중요한 열쇠일 것이다. ●제품의 접합형태 파이프와 파이프를 접합하고자 할 때 다음과 같이 세가지 형태가 있을 수 있다. ■맞대기 접합(Butt Joint) ■겹치기 접합(Lap Joint)
■혼합형태
앞에서 설명한 바와 같이 브레이징의 기본원리 중 가장 중요한 요소 중의 하나는 모세관현상(Capillary Action)이다. 이 모세관현상을 가장 효율적으로 이용하기 위해서는 적당한 접합간격을 유지하는 것일 것이다. 물론 제품의 설계가 브레이징에 이상적이게 설계되었다 할지라도 가공 제작이 제대로 되지 않았을 경우 올바른 브레이징을 할 수 없을 것이다. <그림 5>는 접합간격이 인장강도에 미치는 영향을 나타낸 것이다. <그림 5>는 미국 Handy & Harman사의 50% 은함유 합금(50%Ag, 15.5%Cu, 16.5%Zn, 18%Cd)을 사용하여 스텐을 맞대기 브레이징 하여 측정한 수치이다. <그림 5>에서 보는 바와 같이 접합간격에 따라 인장강도의 수치가 달라짐을 볼 수 있다. <그림 5>에서 보면 0.038m/m일 때 가장 최고의 강도가 나옴을 볼 수 있다. 이보다 더 적은 Gap을 가질 경우는 브레이징 용재가 침투하기가 곤란하다. 따라서 강도가 떨어짐을 볼 수 있다. 또한 이보다 넓어질 경우 브레이징 접합강도가 용재의 강도만큼 줄어든다. 아울러 모세관현상에 의한 침투력이 감소하기 때문에 접합계면에 완전히 침투하기가 어렵다. 이때 자연적으로 브레이징 강도가 저하될 것이다. 따라서 <그림 5>에서 보면 0.038m/m이내가 이상적인 접합간격이라 할 수 있다. 그러나 날마다 작업을 하면서 이 공차를 유지하기란 대단히 어려울 것이다. 따라서 <그림 5>에서 보면 0.025∼0.127m/m의 공차에서는 7kg/cm2 이상의 인장강도가 나옴을 볼 수 있다. 물론 이때는 모세관현상이 작용하고 있음을 볼 수 있으며 이 정도의 공차는 작업에서 허용될 수 있음을 보여준다. 한편 판과 판의 겹치기 접합의 경우 일반적으로 기계적인 가공후에 그대로 상태인 경우 모세관현상이 더 잘 작용함을 알 수 있다. 연마를 하여 매우 고운 표면을 만들 경우 오히려 모세관현상을 억제한 경우가 있다. 접합간격(Joint Clearence)을 설계할 때 또 한가지 간과해서는 안될 사항이 열팽창계수이다. 브레이징은 상온(Room Temperature)에서 행해지는 것이 아니라 브레이징 온도에서 한다는 것을 명심해야 한다. 특히 이종금속의 경우 열팽창계수가 서로 다르기 때문에 이종금속의 접합시 이 점에 주목해야 한다. 주요 모재별 열팽창계수는 <표 1>과 같다. 예를 들면 <그림 6>과 같이 철에 황동 Bushing을 끼워서 접합하고자 할 때 <그림 6>의 (A)와 같이 간격을 약간 넓게 설계해야만 브레이징 온도에서 철보다 황동의 열팽창계수가 높기 때문에 간격이 좁아져서 브레이징에 이상적이게 된다. 반대로 <그림 7>과 같이 황동에 철 부싱(Bushing)을 끼워서 접합시 상온상태에서 간격을 Tight하게 설계해야 한다. 이렇게 해야만 브레이징 온도에서 간격이 넓어져 브레이징에 이상적이게 된다. 따라서 접합간격을 설계할 때 항상 브레이징 온도에서의 접합간격을 설계해야 한다는 것을 명심해야 한다. 모재 세척 만일 브레이징면에 존재한다면 브레이징 재료와 접합하고자 하는 모재 사이에 접합을 방해할 것이다. 따라서 브레이징을 성공적으로 수행하기 위해서는 접합부분이 청정해야 하며 청정방법은 Solvent 사용 기름 제거법(Solvent Degreasing), Cleaner 세척법, 산 세척법(Acid Pickling), 초음파 세척법 등 다양한 방법이 있으며 그 제품에 맞는 적당한 세척법을 선택해야 한다. 참고로 <표 2>는 불순물의 종류 및 세척법을 나타낸 것이다. <표 2>는 대략적인 사항을 나타낸 것으로 제품종류나 작업여건에 따라 다양한 세척방법이 있을 수 있다. 아무튼 브레이징 작업전 모재의 청정도는 대단히 중요하며 올바른 브레이징 결과를 얻기 위하여서는 필수적이라고 할 수 있다. 플럭스(Flux) 도포 플럭스란 산화물이나 그밖의 불필요한 물질을 직접 분해 또는 제거를 촉진시키거나 생성 자체를 방지하기 위하여 사용되는 재료를 칭한다. 브레이징시 일반적으로 사용되는 플럭스의 기능은 크게 다음 세가지로 나눌 수 있다. - 브레이징 제품표면에 잔류하거나 가열시 생기는 산화물을 분해시키거나 흡수하는 역할을 한다. - 가열시 모재표면의 산화를 억제시킨다. - 브레이징시 모재표면을 깨끗하게 유지함으로써 용가재의 유동도를 증가시킨다. 이밖에도 브레이징을 해야 할 온도를 지시해 주거나 용가재(FILLER METAL)의 젖음성(WETTING ACTION)을 증가시켜 주기도 한다. 아무튼 플럭스는 산화물, 오일, 그리스, 오물 등 기타 불순물을 제거하기 위하여 만들어지지는 않았으며 세척방법에서 이야기한 바와 같이 이와 같은 잡물들을 완전히 제거하기 위해서는 브레이징전에 적당한 세척방법이 선행되어야 한다. FLUX는 일반적으로 대기중에서 브레이징시 대부분 필요하며 분위기 브레이징시도 필요한 경우가 있다. 단 리듐(LITHIUM)을 함유한 은합금이나 인동(BCUP SEIRES)계열 합금의 몇몇 용재는 접합하고자 하는 모재에 따라 그 자체로 플럭스역할을 하는 경우가 있다. 인동계열 용가재(FILLER METAL)를 동(COPPER)의 접합에 사용시 플럭스가 필요없다. 그러나 동의 모재가 크거나 장시간 가열되는 분위기에서는 용가재(FILLER METAL)만으로 플럭스역할을 못하며, 이 경우는 플럭스를 사용해야 한다. 또한 리듐(LITHIUM) 함유 은합금의 경우 스텐인리스강이나 그밖의 특수강의 브레이징시 젖음성(WETTING ACTION)을 돕기도 하나 이 경우 일반적으로 분위기(ATMOSPHERE)를 형성해 주어야 한다. ●플럭스의 종류 플럭스는 많은 화학적인 혼합물이 쓰이나 그 주요 구성요소와 각 요소별 특징은 다음과 같다. 다음 사항은 단지 참고용이며 플럭스 제조 회사에 따라 다양한 플럭스를 제조하고 있다. ·붕산염(BORATES) 붕산염(POTASSIUM TETRABORITE, K2B4O7H2O)은 고용융 플럭스를 만들기 위해 사용된다. 따라서 장시간 내산화성을 가지며 산화물을 흡수하는 데도 좋은 작용을 한다. 일반적으로 이 붕산염들은 760℃ 이상의 온도에서 녹거나 작용하며 고점도의 성질을 가지고 있다. 따라서 이러한 성질 때문에 일반적으로 이 붕산염은 다른 염들의 점도를 강하시키거나 고온용 플럭스를 만드는데 사용한다. ·보론(BORON) 미세한 보론 분말(FINE BORON POWDER)은 플럭스의 수명과 온도를 늘리기 위하여 사용한다. ·붕사(FUSED BORAX;2NA2O2.2B2O3) 고온 브레이징용을 위한 고온 용융재료이다. ·붕 불화물(FLUOBORATES) 붕불화물은 탄산염(예:POTASSIUM-CARBONATE;K2CO3)과 같은 알칼리화합물이나 붕산염(BORATE)과 같이 사용된다. 붕 불화물은 다른 불화물과 붕산염의 혼합물과 유사하게 작용하나 내산화성을 갖고 있지 않다. 반면에 용융상태에서 좋은 유동도를 가지며 좋은 산화물 분해성질을 가지고 있다. 유사한 화합물로는 불화실리카 붕산염(FLUOSILICA-BORATES)이 있으며, 이 화합물은 불화물보다 고용융점이 요구되는 곳에 사용되며 또한 표면 흡착력을 증가시킨다. ·불화물(FLUORIDES) 불화물(예:POTASSIUM FLUORIDE; KF)은 고온에서 대부분의 금속 화합물과 작용한다. 특히 알루미늄이나 크롬 산화물과 같은 용해가 어려운 산화물이 있는 곳에서 중요한 작용을 한다. 또한 이 불화물은 가끔 용해 붕산염의 유동도를 좋게 하여 브레이징 용가재의 유동도를 좋게 하는데 사용된다. ·염화물(CHLORIDES) 염화물(예:POTASSIUM CHLORIDE; KCL)의 기능은 불화물(FLUORIDES)과 유사하나 상대적으로 낮은 온도에서 작용한다. 따라서 고온에서는 산화될 우려가 있으며 불화물 플럭스에 첨가시 용융온도를 강하시킬지도 모른다. ·붕산(BORIC ACID) 붕산(HBO2)은 브레이징 플럭스에서 중요한 요소이며 가끔 수화물(HYDRATED FORM, H3BO3)상태로 사용된다. 이 화합물은 브레이징시 플럭스작용은 붕산과 유사하나 고용융점을 갖는다. 붕산은 브레이징후 유리와 같은 잔류물의 제거를 용이하게 하는 성질을 가지고 있다. 또한 용융점은 붕산염(BORATES)보다는 낮으나 불화물(FLUORIDES)보다는 높다. ·알칼리(ALKALIES) 수산화칼륨(KOH) 및 수산화나트륨(NAOH)은 매우 제한적으로 사용된다. 소량이라도 첨가되면 플럭스의 작업온도를 증가시킬것이며, 또한 습한 상태에서는 문제를 일으킬 것이다. 알칼리는 플럭스의 작업온도를 증가시킬 것이며, 이 알칼리는 몰리브데늄 함유 공구강의 브레이징시 좋은 역할을 할 것이다. ·젖음성제(WETTING AGENTS) 이 젖음성제(WETTING AGENTS)는 브레이징전 작업물에 플럭스의 도포 및 유동도를 용이하게 하기 위해 페이스트(PASTE), 슬러리(SLURRY) 및 액상(LIQUID) 플럭스에 첨가된다. 이러한 젖음성제(WETTING AGENTS)는 기존 브레이징 플럭스기능에 영향을 미치지 않은 범위내에서 사용된다. ·물(WATER) 물은 화학적 조성을 이루기 위하여 사용되거나 페이스트나 액상을 만들기 위하여 사용된다. ·기타 용재(OTHERS) 알코올 등과 같이 실사용자에 의해 상업용 플럭스에 첨가하여 사용하기도 한다. 물보다 빨리 건조하는 이점이 있을 수 있다. ●플럭스 사용방법 ■플럭스 희석방법 일반적으로 상용 플럭스는 물을 사용하여 희석을 하는데 대부분 “얼마의 물을 섞어야 하느냐”는 질문을 많이 하나 이에 대하여 얼마를 섞으라고 규정하기는 곤란하다. 일단 어떤 제품에 적용하고서 거기에 맞게끔 희석해야 되기 때문이다. 따라서 어떠한 제품에 다양한 테스트를 거쳐 그 제품에 적합한 사양을 결정하는 것이 중요하다. 또한 플럭스 도포방법도 중요한 변수가 될 것이다. 붓이나 솔을 사용한 도포 또는 침지, 자동 도포방법 등에 따라 희석비율이 달라질 수 있을 것이다. ■플럭스 선택시 고려사항 ·모재 모재에 따라 산화물의 형태와 특징이 크게 다르지만 다행스럽게도 범용 플럭스로 대부분의 금속 산화물을 다루는 것이 가능하다. 특별한 산화물을 형성한 경우는 그 산화물에 대처할 수 있는 특별한 플럭스가 만들어져야 할 것이다. 동, 황동, 은은 비교적 쉽게 제거되는 산화물을 형성하며 고열전도성 때문에 국부적인 과열 위험성이 없는 편이다. 또한 비교적 저온 합금 브레이징 재료를 사용하여 산화물 형성을 최소화할 수 있다. 따라서 플럭스는 비교적 묽게 사용하는 것이 가능하다. 알루미늄, 베릴륨, 실리콘, 타이타늄을 소량 함유한 청동(BRONZE)합금은 강하고 안정한 산화물을 함유하고 있기 때문에 강한 플럭스인 AWS사양 FB4-A가 요구된다. 특히 크롬, 바나듐, 망간을 함유한 합금강은 급작스럽게 산화가 되며 보다 안전스러운 고크롬을 함유한 스테인리스강의 경우보다 강한 플럭스, 즉 AWS사양 FB3C와 같은 플럭스가 필요할 것이다. ■가열시간과 가열온도 상온에서 약 537℃까지는 대부분의 산화물은 서서히 형성되며 가열시간이 별로 영향을 못미친다. 따라서 이 온도구간에서는 서서히 가열하는 것이 좋을 때가 있다. 이때 플럭스내의 수분이 빠져 나가며 플럭스가 부풀어 오름으로서 브레이징하고자 하는 면에 산화물이 급속히 증가한다. 유도 가열, 산소 아세틸렌과 같이 열이 급작스럽게 가열되거나 상대적으로 엷은 가열재의 경우 범용 플럭스로 브레이징이 가능하나 과열 되기 쉽다. 따라서 이때는 서서히 가열하거나 간접 가열을 하는 것이 좋다. 이 간접 가열이란 플럭스와 용재가 투여되는 면을 피하면서 가열하는 것이 좋다는 뜻이다. 유도 가열시 용가재나 모재는 금속이기 때문에 가열이 빨리 되나 플럭스의 경우 용가재나 모재보다 수백도 낮은 온도를 유지할지 모른다. 이때 플럭스가 끓어서 용가재(FILLER METAL)내에 기공을 유발할지 모른다. 이런 문제가 생길시는 전력을 낮추고 가열시간을 늘려주거나 최소 필요량의 플럭스를 사용하는 것이 중요하다. ■용가재의 종류 용가재의 종류에 따라 플럭스의 종류도 달라 질 것이다. 따라서 용가재가 원하는 브레이징 온도에 따라 적합한 플럭스가 사용되어야만 할 것이다. ■모재의 크기 모재의 질량에 따라 가열시간이 현저하게 달라질 것이며 플럭스가 실제 가열되는 온도가 달라질 것이다. 따라서 모재의 크기에 따른 현명한 플럭스의 선택이 요구될 것이다. ■플럭스의 형태 브레이징해야 할 제품에 어떤 형태의 플럭스가 적합한지가 결정되어야 할 것이다. 즉 액상이나 분말, 페이스트상 등 다양한 플럭스형태가 있을 수 있다. ■도포방법 “수동으로 할 것이냐”, “자동으로 할 것이냐”에 따라 플럭스 선택이 틀려질 것이다. 수동의 경우도 도포도구에 따라 다양한 선택이 이루어질 것이다. ■플럭스의 가격 플럭스 선택에 있어서 가격도 중요한 결정요소 중 하나이다. ■브레이징의 후처리방법 브레이징한 후 어떤 기능이나 후처리를 원하느냐에 따라 플럭스 선택이 달라질 수 있을 것이다. ●플럭스 사용시 유의사항 - 침지 브레이징(DIP BRAZING)의 경우 용융조(MOLTEN BATH)에 넣기 전에 예열 등을 통해서 수분을 제거한 후 투입해야 한다. - 저항 브레이징의 경우 전류가 통전해야 하기 때문에 수분을 함유한 페이스트상의 플럭스가 필요하다. - 분위기 브레이징시 플럭스가 필요한 경우 소량과 저농도의 플럭스가 필요하다. - 플럭스를 60~70℃ 정도로 가열시켜 주면 모재 접착력이 뛰어나며 가열시 플럭스가 튀는 현상이 현저하게 줄어들 것이다. 제품 조립 제품을 설계하여 세척을 하고 플럭스를 도포했다면 조립을 해야 할 것이다. 브레이징을 위하여 가열하고 냉각하는 동안 올바로 유지되어야 할 것이다. 또한 브레이징하는 동안 중력과 모세관현상에 의한 힘이 작용하게 조립되어야 할 것이다.
<그림 8>은 제품형상과 제품 자체 중력에 의해 지지되는 가장 간단한 조립방법을 나타낸 것이다. <그림 9>는 지지대와 중력을 사용하여 조립하는 경우를 나타낸 것이다. 복잡한 제품의 경우는 브레이징에 이상적이게 조립하기 위하여 다양한 아이디어를 이용하여 만들어야 할 것이다. 우선 고려해야 할 사항은 질량을 최소화해야 하며 접촉면도 최소가 되도록 설계한다. <그림 10>은 복잡한 제품의 조립사례를 나타낸 것이다. <그림 10>에서 보면 접촉면을 최소화하기 위해 콘(Cone)이나 앵글(Angle)로 되어 있는 것을 볼 수 있다. 아무튼 브레이징시 제품 자체로 조립되어 있는 경우가 가장 이상적인 경우이나 조립을 할 시는 다양한 아이디어를 동원하여 브레이징에 이상적이게 조립을 해야만 올바른 브레이징 결과를 얻을 수 있을 것이다. 브레이징(Brazing) 가열원은 가스(GAS), 전기 저항열, 유도 가열 등 다양하다. <그림 11>과 같이 어떤 제품이든 올바른 브레이징 시간과 온도가 있으며 어떤 제품에 따라 올바른 브레이징 시간과 온도를 찾아야 할 것이다. 일반적으로 브레이징 합금(BRAZING ALLOY)이 결정되면 브레이징 온도는 결정되나 다양한 실험을 거쳐서 가장 적합한 브레이징 시간(BRAZING TIME)을 선택해야 한다. <그림 11>과 같이 너무 갑작스럽게 가열하거나 서서히 가열하면 용가재(BRAZING FILLER METAL)와 FLUX가 적당한 역할을 못할 것이다. 따라서 어떠한 제품이든 올바른 브레이징 온도와 시간을 찾는 것은 대단히 중요한 일일 것이다. 또한 분위기가 아닌 플럭스 브레이징(FLUX)시는 열 가열방법과 용재 공급방법도 대단히 중요한 변수가 될 것이다. 아무튼 브레이징을 하면서 유의해야 할 사항은 다음과 같다. ·브레이징 공간의 환기 필요 브레이징 작업시 나는 연기나 GAS를 흡입할 수 있는 팬(fan)이 필요하며 또한 적당한 외부 공기를 유입시켜 작업공간의 청정도를 유지해야 한다. ·모재 청정도 유지 모재에 붙어 있는 불순물이 브레이징시 연기를 유발할 것이며, 또한 플럭스의 유동도를 저하시킬 것이다. 아울러 인체에 유해한 가스를 유발할 수도 있다. ·충분한 플럭스 도포 브레이징에 충분한 플럭스를 도포해 주어야 하며, 또한 플럭스는 가열하는 동안 용재(filler metal)와 모재(Base Metal)를 열로부터 방어함으로 인해서 모재나 용재의 기화(Vapor)현상을 줄일 것이다. 플럭스를 사용시는 반드시 유의사항을 주의깊게 읽고 작업해야 한다. ·광범위하고 균일한 가열 필요 모재를 광범위하고 균일하게 가열해야 한다. 국부적인 가열시 플럭스가 타거나 모재의 기화하기 쉬운 원소가 기화하면서 GAS를 발생할 수 있다. 아울러 가열시 용재(filler metal)에 직접적인 가열을 피해야 한다. 직접적인 가열은 용재를 과열시키거나 타게 만들 수 있다. ·모재를 정확히 파악 필요 모재에 카드뮴이나 납, 아연이 코팅되거나 함유 또는 도금되어 있을시 가열할 때 연기가 발생할 수 있으며, 아시다시피 이 가스는 인체에 치명적이다. 따라서 모재를 정확히 파악하고서 브레이징에 임해야 한다. ·용재를 정확히 파악 필요 모재와 마찬가지로 용재에 카드뮴 등 인체 유해원소가 많이 들어 있을 때가 있다. 이때 브레이징시 대단히 조심해야 한다. 반드시 용재의 경고라벨이나 유의사항을 읽고 작업하는 것이 좋다. 브레이징후의 세척 일반적으로 세척에 사용되는 방법은 <표 4>와 같다. 물론 플럭스를 사용하고서도 이 플럭스가 부식을 안 일으킨다면 세척을 해 주지 않는 경우도 있다. 이상과 같이 브레이징 방법에 대하여 개괄적으로 알아보았으며, 이것을 기초로 하여 다음부터는 더 상세히 설명하고자 한다. |
