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접합기술의 핵심 BRAZING
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브레이징 기술 소개

6. Brazing Joint의 설계

  • 등록일 : 2018-02-26
  • 조회수 : 677
6. Brazing Joint의 설계
 

6-1. Brazing Joint의 기본

 

Brazing Joint는 용접 및 압접 등과는 달리 납재(Brazing Filler Metal)만을 용융시켜서 이음의 좁은 틈새에 납재를 충진시켜 금속의 접합목적을 달성시키는 방법으로서 모재를 대체로 납재의 용융온도까지만 가열하면 되기 때문에 국부적으로도 모재의 용융온도 까지 가열할 필요는 없다.
따라서, 모재 열영향부의 제 성질 저하가 비교적 적다. 모재 및 납재의 종류에 의해서도 다르지만 일반적으로 쓰이는 연강을 예로 들면 은납 작업에서는 극히 낮은 온도로 작업을 하기 때문에 연강은 거의 처음의 미세결정 상태로 열에 의한 변화는 극히 적고 내부응력 등도 거의 남지 않는다.
그 때문에 부품전체의 변형은 적고 모재표면의 산화도Brazing이 적다. 그러나 Brazing부의 기계적성질 및 물리적성질, 화학적성질, 전기적성질 등에 있어서는 異種금속과의 접합도 있기 때문에 용접 등의 같은 종류의 금속접합과 확실히 다르다. Brazing 이음의 형상은 Brazing이음의 특징을 충분히 살려 검토 하는 것이 가장 중요한 일이다. 그러나 어느 이음형상을 선정해도 다음의 두 세가지점은 충분히 검토한 후에 결정할 필요가 있다.

a) 기계적 성질
b) 전기적 성질(도전성)
c) 화학적 성질
d) 氣密, 油密, 水密
e) 내식성
f) 내열성
g) 모재의 종류
h) 납재의 종류
i) 부품의 형상
j) Flux 및 분위기
k) 치수
l) 수량
m) 가열방법

겹치기의 경우 일반적으로 판두께의 3 - 5배의 겹침이 사용되고 있다.

 

6-2. 납재 유동성에 대한 검토

 

Brazing에 있어서 용융된 납재는 이음의 좁은 틈새는 잘 돌지만 틈새가 넓거나, 틈새가 너무 좁아도 잘 흐르지 않는다. 또 납재의 양에 있어서도 Flux와 납재에서 발생하는 Gas, 용융된 Flux등이 도망갈 곳이 없고, 납재의 충만 부족(Void)의 발생원인이 되는 등의 Brazing작업보다도 설계단계에서 이해하고 있어야 하기 때문에 납재의 흐름에 대한 배려를 충분히 한 설계가 필요하다.
Brazing 의 적절한 틈새는 [ 표 6 ] 과 같다.

 

[표 6] 납재와 모재에 적절한 틈새

 

납재모재
동합금탄소강
동납재--0.05 이하
황동납재0.07 - 0.380.07 - 0.380.05 - 0.25
인동납재0.05 - 0.250.07 - 0.38-
은납재0.05 - 0.380.05 - 0.380.02 - 0.15

 

예를 들면 [그림 9]에 표시한 것과 같이 속이 빈 부품의 Brazing은 ( a )와 같이 Brazing을 위한 가열에 의해서 내부의 공기 및 Flux등에서 발생된 Gas가 내부에 들어가 내압이 높아져 납재를 외측으로 밀어내는 형상이 되어 좋은 결과를 얻을 수 없다.
그 경우, ( b )와 같이 작은 공기구멍을 뚫어두면 주요부분의 Brazing을 완료한 후에 구멍을 보수 하는 것이 가장 효과적인 Brazing 작업이 된다.

 


 

[그림 10]은 Bending Plate와 Round Bar를 접합하는 경우 등에 응용 가능한 Corner부에서, ( a )의 형상으로는 충분한 Brazing이 불가능하기 때문에 ( b )와 같이 하는 것이 중요하다. 또 Corner부분이 직각으로 되어 있으면 납재의 흐름이 그치는 경우도 있기 때문에 [그림 10], [그림 11]과 같은 Corner는 가능한 ( b )와 같이 Round를 두는 것이 바람직하다. 또, [그림 12], [그림 13]과 같이 Gas를 빼는 배려로서 용융된 납재가 흐를 수 있는 것 등을 만드는 것도 설계에서 매우 중요하다.

 


 


 

6-3. 겹침량을 구하는 방법

 

Brazing Joint의 설계에 있어 겹침량, 혹은 Brazing면적을 모재 단면적의 몇 배로 하느냐를 결정하는 것은 충분한 강도를 얻기 위해서도, 경제적으로도 매우 중요한 것이다. Brazing의 이음에 있어 겹침량은 크면 클수록 강도가 클 것으로 생각하지만 Void의 발생율도 더욱더 높고, 작업능률, 경제성 면에서도 바람직하지 않은 경우도 있다.
[그림 14]는 pipe이음과 겹치기 이음의 겹침량을 구하는 방법을 표시한 것이다. Brazing Joint에서는 비교적 서로 다른 재질의 이음이 많기 때문에 이 경우, 어떻든 약한쪽 재료의 강도를 기준으로 생각하면 좋다.

 




여기서
 X : 겹침량
  t : 재료두께(약한 쪽의 재료)
  D : Pipe 직경
  Y : 안전계수
  T : 인장강도(Kg/mm^2) - 약한 쪽 재료
  S : 납재의 전단강도(Kg/mm^2)
   
  예를 들면 탄소강 두께 2mm의 겹치기 이음(Lap Joint)에 있어서 겹침량을 몇 mm로 할 것인가를 구하는 경우 예로 든다.
Ex) 안전계수 2, t : 2mm, Y : 2, T : 48 Kg/mm^2,
S : 46 Kg/mm^2.


따라서 이 경우 겹침량은 4.2mm가 좋다. 그러나 안전계수(Y)를 얼마로 정할지는, 용도에 따라, 혹은 Brazing부의 안정성에 따라 다르기 때문에 일정하게 결정할 수 는 없다
또한 일반적인 겹침의 량은 판두께의 3 - 5배를 많이 사용한다. 그러나 인장강도에 따라 다음과 같이 적용하기도 한다.

24.6 Kg/mm2이하 2 X t (약한 쪽의 소재두께)
42.2 Kg/mm2이하 5 X t
70.3 Kg/mm2이하 5 X t
91.4 Kg/mm2이하 6 X t
119.5 Kg/mm2이하 8 X t

물론 적정한 납재와 결함이 없을 경우에 적용한 예이다.

 

6-4. Brazing Cycle의 결정

 

자동화를 하고 안하고와 관계없이 Brazing온도 Cycle을 정확하게 정하는 것은 Brazing에 있어서 가장중요한 조건의 하나이다.
온도 Cycle을 분석해 보면 [그림 15]와 같이 된다. [그림 15]의 내용을
[표 7]에 나타내었는데 이 표에서 Brazing온도 Cycle이 어떻게 결정되는가를 알 수 있다.

 

[그림 15] Brazing 온도 Cycle의 결정을 위한 분석


 

[표 7] 그림 15의 설명

 

기호설명기호설명
t1 가능한 빠른 쪽이 좋다.
변형발생에 주의 요망
T1 상온
t2 유지시간은 부품이 균일한 온도로 되는 최소의 시간으로 한다.T2 꺼내는 온도, 변형발생, 산화를 고려해 Furnace or Jig에서 꺼낸다.
t3 가능한 단시간으로 한다.T3 예비 가열온도, 부품이 동시에 Brazing 온도에 도달할 때 열용량을 고려한다. 납재 온도보다 50 낮게
t4 Brazing 시간은 납재와 Brazing Clearance를 채우는 최소 시간으로 한다.T4 납재의 고상온도 (응고점)
t5 납재가 완전히 응고할 때까지는 급냉되는 것이 좋다. 단, 직접 납재에 흔들림이 가해지면 안된다.t5 납재의 액상온도 (유동점)
t6 변형발생에 주의해서 급냉한다.T6 Brazing 온도, 납재의 액상온도보다 20-30정도 높은 것이 일반적이다.
t7 급냉해도 좋다.   

 

6-5. Brazing Flow별 개요

 

No.항목개요
1접합목적 접합목적을 우선 파악한다.
예 : 기계적, 전기적 또는 사용 성능상 내열성과 기밀성을 고려하는 등.

2접합방법의 선정 접합방법은 용접을 비롯해, Bolt 체결, 접착제에 의한 방법 등이 있으므로 접합목적과 각종 접합방법의 특징 등을 토대로 준비한다.
3납접의 준비 모재의 전처리, 납접방법의 결정, 납재의 선정, JIG의 제작 등 종합적인 계획으로 과거실적, 지식 등을 토대로 준비한다.
4전처리 모재는 기름, 오물 등이 부착되거나 Scale 등이 형성되어있는 경우가 많아 이것을 제거하는 작업, 즉 납접면, 납접부위의 전처리가 필요하다. 또 Ceramics 등의 면에 Metalizing, 도금 등을 통해 납접이 잘 되도록 하거나, 또는 납접부 근처에 납재가 흘러서는 곤란한 부분에 납재 Stopper제를 도포하는 등의 전처리를 검토한다.
5Filler의 선정 납재에는 많은 종류가 있지만, 모재, 방법, 기대특성 등에 따라 적절한 선정이 요망된다.
6Flux 및
분위기 선정
 Flux는 Soldering용과 Brazing용이 많은 차이가 있다.
Brazing용으로는 불화물계화 연화물계가 있으며 모재에 따라 적용도 다르다. 또 부식성과 비부식성 등으로도 분류되는 Soldering용은 무기계와 유기계가 있다. 따라서 Flux잡재와 같이 모재, 납접방법, 특성 등을 종합적으로 검토해 결정한다.
또한 납접 분위기로는 환원Gas, 불활성Gas, 진공 등이 있다.

7Joint 설계 접합목적에 따라 적정 Joint를 결정하지만 작업하기 쉽고 결함이 발생하지 않도록 구조적으로 허용하는 범위내에서 검토가 필요하다.
8납접방법의 결정 납접방법에는 여러 가지가 있지만 각각의 장단점이 있으므로 모재의 특성유지와 Joint 형상의 적합성, 납접방법의 합리화, 자동화 등의 관점에서 검토되어 결정되는 것이 바람직하다. 또 납재의 종류에 따라서도 불가능한 방법이 있으므로 이러한 점의 유의도 필요하다.
9JIG 설계 복잡한 형상의 부품을 납접하는 경우와 일정한 Joint Clearance의 유지, 치수의 정도 관리 및 납접하기 쉽도록 JIG를 설계, 제작, 사용한다.
10가열장치, 공구 및
열원의 결정
 납접방법, 납접온도, 모재의 종류, 수량, 크기, 단위시간당 작업량 등을 고려해 가열장치와 공구 및 열원을 결정한다.
11납접시공 예열 -> 가열(Brazing) -> 냉각을 주로 하는 작업으로 가열하는 방법, 납재공급방법, 냉각시간 등을 고려해야 하는 등의 요인이 많다. 따라서 작업의 경우는 기능이 필요하게 된다.
12후처리 남은 Flux 및 필요없는 납재의 제거 또는 Burrd의 제거 등이 후처리에서 실시되며 변형의 교정 등도 필요하다.
또 Al Soldering 등에서는 Joint 부위의 방식처리(방습도료 도포 등) 등도 중요한 후처리 중의 하나이다.

13시험, 검사 파괴시험 : 인장시험, 전단시험, 내식시험, 기밀시험, 굽힘시험.
비파괴시험 : X-Ray,초음파탐상,침투시험,육안검사 등
외관시험 : Filletd의 형성, 납재의 흐름, Crack 등