KR100202158B1 - 알루미늄 부재의 접합법 - Google Patents

Abstract

Al 부재의 접합법으로서, 브레이징노내에 상승하는 온도로 Al 부재내에 점진적으로 형성되는 계면 합금을 용융시키는 것을 기초로 하여 아연/아연 합금의 얇은 코팅층을 제공하는 것이다.

Description

알루미늄 부재의 접합법

제1도는 이원 합금계의 평형 상태도이며,

제2도는 가해지는 온도의 가열 속도와 지속 시간에 따른 상호 확산 브레이징 공정을 나타낸 그래프이고,

제3도 및 제4도는 제2도에 도시된 상이한 열처리 사이클에 따라 얻어진 비피복 알루미늄 핀과 아연 피복 알루미늄 튜브간의 접합물을 도시한 것이다.

본 발명의 출발점은, 브레이징 로에서 행해지는 알루미늄 혹은 알루미늄 합금 부재(이하에서는 알루미늄 부재라고 함)의 접합과 연관되어 발생하는 신규의 확산 공정의 이용에 있다.

기재의 부식 방지를 위해 통상 1 내지 2㎛ 두께의 아연 코팅물을 알루미늄 튜브 상에 피복하였는데, 이러한 피복만으로는 코팅층을 단순히 용융시켜 적당한 접합물(필릿: fillet)을 만들기에 충분한 땜납 재료(충전재)를 제공할 수 없었다. 통상적인 저온 접합(땜납) 공정에 있어서, 충분한 양의 충전재를 확보하기 위해 최소한 20㎛, 양호하게는 30 내지 50㎛ 두께의 아연 코팅층을 필요로 하였다. 그러나, 2㎛ 이내의 얇은 아연/아연 합금층으로 피복되고 본 발명에 따른 특수한 열처리를 실시한 알루미늄 부재는, 주어진 접합 온도에서 아연이 확산됨으로써 알루미늄 부재의 원래의 위치에서 용융 충전재가 형성되어, 접합된 알루미늄 부재간에 양질의 접합물(필릿)의 형성을 보장하는 충분한 양 및 조성을 갖는 계면 ZnAl 합금으로 전개된다는 놀라운 사실이 밝혀졌다.

본 발명은 AlZn 합금계의 평형 상태도를 도시한 제1도에 관련되는 실시예에 의해 설명될 것이며, 제1도의 세로축은 온도(℃)를, 그리고 가로축은 아연의 중량% 및 원자%를 나타낸 것이다.

급속한 가열시 발생하는 비평형 상태 동안, 아연 코팅물은 이것의 정상적인 융점(예를 들면, Zn5%Al 공정 합금 경우의 융점은 382℃) 이상의 온도에서는 용융 혹은 액상의 표면층을 형성한다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 알루미늄 기재와 아연 합금 코팅물간의 계면에서 알루미늄의 용해와 아연의 확산이 동시에 발생할 것이다.

이러한 액체층은 온도가 상승함에 따라 아연 확산으로 인해 액체/고체 계면에 점진적으로 형성되는 계면 ZnAl 합금을 점차 용해시킬 것이기 때문에, 필릿을 생성할 수 있도록 충분한 양의 용융 충전재 푸울(pool)을 생성하여 필릿을 형성하게 된다. 예정된 특정 온도와 평형 상태, 즉 600℃의 브레이징 온도에서, 약 15중량% 이상의 아연을 함유하는 모든 물질은 고상선 위에 놓이기 때문에 액체 또는 부분적으로 액체가 되어 필릿을 형성할 수 있게 된다.

두께 약 15㎛의 용융 영역(충전재 층)은, 약 3mm의 간격을 두고 핀이 구비되어 있는 열교환기 코어의 튜브와 핀 사이에 양질의 필릿을 형성할 만큼 충분하다는 것이 계산상으로 입증되었다. 바람직한 두께의 용융 영역을 형성하기 위해 필요한 초기 코팅층의 최저 두께는 온도와 시간에 의해 결정된다. 따라서, AlZn 상태도와 Zn5%Al 합금에 기초하여, 전술한 용융층을 만들기 위해 충분한 아연의 양을 제공하는 데 이론적으로 필요한 두께는, 2㎛(온도 620℃) 내지 15㎛(온도 382℃)이다.

접합 온도가 낮아질수록, 필릿을 형성하기에 충분한 액체 재료 푸울을 제공하기 위해 아연 코팅물의 초기 두께는 더 두꺼워져야 한다. 실제로, 양호한 필릿 형성을 보장하기 위해, 이러한 이론적인 초기 두께를 1.5-2.0 배 정도 더 크게 하는 것이 바람직하다.

통상의 납땜 온도(450% 이하)에서 브레이징 온도까지의 전 온도 범위에 걸쳐 본 발명에 따른 접합 공정이 적용될 수 있으며, 이 경우 높은 접합 온도(예컨대, 500℃ 이상)에서 공정이 이루어진다면 재료의 소모량 및 중량을 상당한 절감시킬 수 있다. 실제의 접합 온도(하한치)는 피복된 플럭스가 활성화되고, 형성된 브레이징 합금이 용융 상태로 되는 온도에 의해 결정된다.

본 발명은 알루미늄 부재의 접합법(method of joining)에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하자면, 열교환기 구성요소의 브레이징(brazing:경납땜)과, 그리고 이러한 접합법을 적용하여 제작한 열교환기에 관한 것이다. 상기 접합법은 자동차용 열교환기, 라디에이터, 콘덴서, 증발기 등과 같은 장치를 제조하는 데 적합하게 적용된다.

현재 알루미늄 제품의 브레이징으로는, 진공 로(爐) 내에서 피접합 제품들 사이에 플럭스 및 브레이징 재료(brazing material: 판상의 AlSi)를 피복하는 플럭스 브레이징법이 널리 알려져 있다.

알루미늄으로 제작된 열교환기가 안고 있는 문제점은 피트 부식(pitting corrosion)에 열약하다는 데 있다. 따라서, 열교환기의 내부식성을 증대시키기 위해 확산 열처리 이전에 알루미늄 기재(基材) 상에 통상 5㎛(35g/㎡) 이내의 얇은 표면층으로 이루어진 아연 코팅물을 피복하였다. 또한, AlSi 혹은 AlZnSi 와 같은 다른 브레이징 재료가, 브레이징 작업 이전에 코팅층의 형태로 알루미늄 부재 상에 도포하여 충전재 역할을 하도록 사용되었다.

이러한 브레이징법이 안고 있는 공통된 문제점은, 조립체의 중량과 비용을 크게 증가시키는 원인이 되는 많은 양의 브레이징 재료를 사용한다는 것인데, 예를 들면 AlSi 피복 알루미늄 핀스톡(finstock)을 사용한 열교환기의 경우 그 AlSi 층의 두께는 통상 전체 시트 두께의 10% 정도가 된다. 브레이징 공정 중, Si는 열교환기의 코어 속으로 확산하여 Si 층을 고갈시킴에 따라 액상의 온도를 상승시킬 것이다. 이러한 온도 상승은 브레이징 공정을 복잡하게 만들며, 또 정밀한 온도 제어를 필요로 하게 된다.

더욱이, 전술한 방법은 별도의 여러 단계를 필요로 하는 매우 복잡한 방법이며, 또 접합 단계 이전에 아연 처리되지 않는 기재의 부식 방지가 불량해질 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 접합물(joint)을 형성하기 위해 특별히 중량(重量)의 코팅층의 충전재를 필요로 하지 않는 동시에, 접합된 부재에 우수한 부식 방지 효과를 부여하게 되는 신규의 간결한 알루미늄 부재의 접합법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기존의 브레이징 로 및 장치를 그대로 사용할 수 있는 접합법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 접합 공정 중, 정밀한 온도 제어가 요구되지 않고 적은 제작비로 경량의 열교환기를 제공하는 데 있다.

전술한 본 발명의 목적 및 다른 목적들은 아래에 기재된 새로운 접합법에 의해 달성되며, 그리고 본 발명은 첨부된 청구범위에 더욱 상세히 한정 및 기재되어있다.

본 발명의 접합 방법에 따르면, 최소한 하나 이상의 알루미늄 부재에 금속재의 접착 표면층(코팅층)을 마련하여 알루미늄 부재를 접합시키게 된다. 예비 조립된 알루미늄 부재의 표면에 플럭스제(용제)를 도포한다. 상기 예비 조립된 부재를 예정된 접합 온도(또는, 브레이징 온도)로 급속히 가열하여 상승된 온도를 예정된 시간 동안 유지시킨 다음, 최종적으로 냉각시켜 고형화된 접합물을 얻게된다. 상기 금속재로는 아연 또는 아연합금이 사용된다. 상기 아연의 최소한 일부를 상기 접착 표면층으로부터 상기 알루미늄 부재로 확산시키고, 온도의 상승에 따라 계면 아연 알루미늄 합금을 용융시킴으로써, 알루미늄 부재의 원래 위치 사이에 충전재를 형성하였다. 초기의 코팅층의 두께는 2 내지 20㎛ 이며, 가장 바람직한 두께는 4 내지 6㎛이다. 상기 예정된 접합 온도는 382℃ 내지 630℃, 양호하게는 500℃ 내지 620℃ 이다.

본 발명은 실시예와 첨부된 도면에 의해 상세히 설명될 것이다.

초음파를 이용하여 알루미늄 튜브를 아연 합금의 용탕에 침지시켜, 두께가 2 내지 4㎛ 이고 Al 5%를 함유하는 아연 합금 코팅물을 알루미늄 튜브에 피복하였다. 그 다음 플레인(피복되지 않은) Al 핀과 피복된 Al 튜브를 예비 조립하고, 핀 및 튜브 부재의 접합면 상에 칼륨 알루미늄 불화물 플럭스를 도포한 후 질소 분위기의 브레이징 로 내에 배치하였다. 분당 약 30 내지 150℃의 승온 온도로, 브레이징 온도를 조립된 Al 핀 및 튜브 부재에 가하였다. 제2도에 도시된 바와 같이, 브레이징 온도의 지속 시간을 변화시킨 후 실온까지 가속 냉각을 행하였다.

제2도는, 본 발명에 따라 실시된 브레이징 공정을 온도/시간 곡선으로 도시한 것이다. 곡선 A는 분당 약 36℃의 승온 속도와, 583℃에서 약 5분간의 지속 시간에 대한 예비 조립된 Al 부재들의 로 내에서의 온도 분포 곡선이다. 이와 유사하게 곡선 B는 분당 약 117℃의 승온 속도와 585℃에서 약 3분간의 지속 시간에 대응하는 온도 분포 곡선이다.

상기 곡선 A 및 곡선 B에 따른 브레이징 조건으로 생성된 필릿은 제3도 및 제4도(160X 확대)에 각각 도시되어 있는데, 이 도면을 관찰해 보변, 상기 공정에 따라 생성된 필릿 모두의 질이 우수하다는 것이 입증되었다.

[실시예 2]

본 실시예는, 로 내의 질소 분위기를 공기 분위기로 대체시킨 것만 제외하고, 실시예 1과 동일한 브레이징 조건을 이용한 것을 예시한 것이다. 비록 불활성 분위기를 사용하지 않았지만, 상호 확산 공정에 의한 충전재 금속의 제공에 따라 접합 영역에 양질의 필릿이 생성되었다.

[실시예 3]

실시예 1에 따른 ZnAl 합금 코팅물이, 두께를 20μm로 하여 피복되어 있는 알루미늄 튜브를, 플레인 알루미늄 핀스톡과 함게 조립하였다. 조립이 완료된 후, 염화 암모늄, 염화 아연, 및 불화나트륨의 혼합물을 함유하는 플럭스를 접합면 상에 도포하였다. 상기 튜브 및 핀 부재를, 질소 분위기의 로 내에서 400℃의 온도로 급속히 가열하고, 그 온도를 2분 이내로 유지한 후, 공기 중에 냉각하였다. 튜브상에서 아연 알루미늄 합금 코팅물의 용융에 의해 양호한 접합물이 형성되었다.

[실시예 4 ]

실시예 1에 따른 ZnAl 합금 코팅물이, 두께를 20μm로 하여 피복되어 있는 알루미늄 튜브를, 플레인 알루미늄 핀스톡과 함께 조립하였다. 실시예 3에 기재된 플럭스를 상기 조립체의 접합면에 도포한 후, 질소 분위기의 로 내에서 500℃의 온도로 급속히 가열하고, 그 온도를 약 2분간 유지한 후, 공기 중에 냉각하였다. 튜브와 핀 사이에 양호한 접합물이 형성되었는 데, 이 접합물의 일부는, 알루미늄으로 아연이 확산되고 이에 후속하여 계면 AlZn 합금이 용융됨으로써 형성되었다.

[실시예 5]

두께가 2 내지 4μm 이고 Al 5%를 함유하는 아연 합금 코팅물을 금속 스프레이법에 의해 알루미늄 튜브에 피복하였다. 그 다음, 상기 튜브에 플레인(피복되지 않은) Al 핀과 실시예 1에 따른 플럭스 코팅물을 제공하고, 질소 분위기에서 605℃ 까지 가열한 후, 1분간 침지시킨 다음 공기로 냉각시켰다. 그 결과, 양호한 필릿이 형성되었다.

[실시예 6]

두께가 약 4μm 인 아연 합금 코팅물을 금속 스프레이법에 의해 알루미늄 튜브에 피복하였다. 상기 튜브를 플레인 알루미늄 핀과 조립하여, 실시예 1에 다른 플럭스를 상기 튜브에 도포하였다. 상기 조립체를 질소 분위기에서 2분간 580℃까지 가열시킨 후, 1분간 침지시킨 다음 공기로 냉각시켰다. 그 결과, 양호한 필릿이 형성되었다.

전술한 접합 공정 및 그 결과물과 관련한 여러 장점들은 다음과 같다. 기존에 사용되고 있는 Al 핀스톡 상의 AlSi 코팅물을 튜브 상의 아연/아연 합금으로 교체시킴으로써, 접합된 열교환기 코어의 중량을 20% 까지 감소시킬 수 있다는 것이다. 또, 핀스톡 형성에 사용되는 공구의 마모가 감소되어 제작시 더욱 양호한 제작비 절감 효과를 가져올 수 있다는 것이다. 또한, 알루미늄 튜브로 아연이 확산되어 알루미늄의 희생충(sacrificial layer)을 생성하는 공정만으로 우수한 내부식성 효과를 동시에 얻게 된다는 것이다.

더욱이, 본 발명에 따른 방법은 기존의 시판되는 브레이징 로 및 그 공정을 계속 사용할 수 있게 해주며, 또 브레이징 온도, 코팅 두게 등의 최적의 브레이징 조건과 대처할 수 있는 신축성도 우수하다. 접합된 부재의 표면상의 산화층을 확실히 파괴시키기에 적당하고 시판되는 모든 종류의 플럭스를 사용할 수 있다. 환경 문제와 부식을 고려할 때, 할로겐 조성물, 보다 구체적으로는 알칼리 금속 및 알루미늄 불화물을 함유하는 플럭스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 플럭스는 로내의 실질적인 보호성 분위기의 일부를 구성할 수도 있다. 본 발명에 따른 접합법은, 고가의 불활성 가스를 사용하지 않는 다른 로 분위기에서도 적용할 수 있다.

전술한 본 발명은 상기의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 다른 아연 합금, Al 기재 보다 더 낮은 융점을 갖는 다른 금속(즉, Zn 대신 Sn)도, 본 발명의 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 적용될 수 있다.

Claims (6)

1. 알루미늄 부재를 접합하는 방법에 있어서, 상기 알루미늄 부재의 하나 이상에 아연 혹은 아연 합금의 접착 표면층을 제공하는 단계와, 접합될 상기 알루미늄 부재의 표면에 플럭스제를 도포하는 단계와, 상기 알루미늄 부재를 예비 조립하는 단계와, 그리고 온도의 상승에 따라 상기 접착 표면층의 아연 또는 아연 합금의 적어도 일부가 상기 알루미늄 부재의 재료로 확산되어 점진적으로 아연 알루미늄 합금을 형성함으로써 상기 알루미늄 부재들 사이에 계면 아연 알루미늄 합금 형태의 융융 충전재 층이 형성되게 하는 예정된 고온의 접합 온도로 상기 예비 조립된 부재를 로 내에서 가열한 후 그 온도를 일정 시간 동안 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 부재의 접합법.
2. 제1항에 있어서, 상기 접착 표면층의 두께는 2 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄 부재의 접합법.
3. 제1항에 있어서, 상기 로 내에 불활성 분위기를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 부재의 접합법.
4. 제1항에 있어서, 상기 로 내에 공기 분위기를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 부재의 접합법.
5. 제1항에 있어서, 상기 접합 온도는 450℃ 내지 620℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄 부재의 접합법.
6. 선행항들 중 어느 한 항에 따른 접합법으로 형성되는, 자동차 열교환기를 포함하는 열교환기에 있어서, 알루미늄 부재 사이의 브레이징 접합물은, 별도의 브레이징 재료를 추가하지 않고 알루미늄 부재의 원래의 위치에서 계면 아연 알루미늄 합금의 충전재 금속의 층을 형성함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.