KR100315579B1

KR100315579B1 - 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법

Info

Publication number: KR100315579B1
Application number: KR1019990020040A
Authority: KR
Inventors: 신기철
Original assignee: 서남식; 정진화학공업 주식회사
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2001-11-30
Also published as: KR19990068537A

Abstract

본 발명은 열교환기나 양식기 등의 알루미늄 제품을 제조함에 있어서 사용되

는 플럭스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 클래드처리가 필요없는 논클래드방식

을 채택할 수 있는 플럭스를 제공함으로써 공수와 비용의 절감 및 제품의 신뢰도를

확보할 수 있는 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 플럭스 제조방법은, 알루미늄과 규소를 소정 비율로 혼합 하여 전

기로에서 충분히 용해한 후 소정시간 안정화시키고, 다시 그 용탕을 전기로에 장

입하여 용탕온도가 융점보다 높은 온도에 도달하게 되면 뚜껑을 열어 용탕의 흐름

을 안정화시킨 후, 질소가스를 분사하여 파우더화한 알루미늄파우더와; 불산과 수

산화알루미늄과 탄산칼륨으로 제조되는 기존의 불화알미늄칼륨(KALF₄);을 소정의

비율로 혼합하여 논클래드용 플럭스로 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법 {PRODUCTION METHOD OF FLUX FOR ALUMINUM WELDING}

본 발명은 열교환기나 양식기 등의 알루미늄 제품을 제조함에 있어서 사용되는 플럭스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 클래드처리가 필요없는 논클래드방식을 채택할 수 있는 플럭스를 제공함으로써 공수와 비용의 절감 및 제품의 신뢰도를 확보할 수 있는 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 부품인 라지에이터, 에바포레이터, 콘덴서, 히터 등의 제품이나 양식기 등은 그 특성상 알루미늄재를 사용하게 되는 까닭에 불활성 분위기에서 용접하게 되고 용접공정에서는 표면에 형성된 산화피막을 제거하기 위한 목적으로 염화물계 및 불화물계 플럭스가 사용된다.

종래의 알루미늄 용접용 불화물계 플럭스로는 불산(HF)과 수산화알루미늄(AL₍OH₎₃)와 탄산칼륨(K₂CO₃)의 몰비를 약 4:1:1로 하여 제조된 불화알미늄칼륨(KALF₄)를 사용하였다.

상기 불화알미늄칼륨(KALF₄)은 불산의 농도를 15~20%로 조정하여 수산화알루미늄을 가하고 그 혼합액의 온도를 68~73℃정도 유지하면서 40~45%의 탄산칼륨용액을 가하며, 반응이 끝나면 탈수 건조 분쇄과정을 거쳐 제조된다.

한편, 상기 플럭스가 사용되는 30계열 알루미늄 모재는 표면에 40계열 알루미늄이 코팅된 알루미늄클래드제 모재가 요구된다.

상기 플럭스와 클래드제알루미늄을 사용하여 용접하게 되면, 도 1에 도시된바와 같은 용접구조로 용접된다.

즉, 클래드층(2)이 표면에 형성된 모재1(1)과 클래드층(2')이 형성된 모재2(1') 사이에 플럭스(4)를 침입시켜 가열하게 되면, 상기 클래층(2)(2')의 표면에 생성되어 있는 산화피막층(3)(3')은 플럭스(4)의 용융작용으로 제거되거나 가열된 모재1,2(1)(1')의 팽창에 의해 균열되고, 계속적인 가열에 의해 먼저 40계열 알루미늄인 클래드층(2)(2')이 용융되어 그 용융액은 상기 클래드층(2)(2')의 균열된 틈새를 통해 침투되는 작용에 의해 서로 접합됨과 아울러 다음으로 용융되는 30계열 알루미늄인 모재1,2(1)(1')의 용융물과 함께 서로 접합되므로써 모재1(1)와 모재2(1')의 용접이 가능하게 된다.

참고로 플럭스(4)의 융점은 약 565~575℃이고, 클래드층(2)(2')은 577~585℃이며, 모재(1)(1')는 630~660℃이다.

그런데 이러한 종래의 알루미늄 용접방식은 다음과 같은 여러 문제점을 안고 있었다.

먼저, 30계열 알루미늄 모재는 표면에 40계열 알루미늄이 코팅된 알루미늄클래드층(2)(2')이 반드시 형성되어야 하는 전제가 요구되나 상기 모재의 표면에 박막의 클래드층을 형성하는 기술이 일반화되어 있지 않는 관계로 전량 수입되어야 하는 추세이고, 추가된 클래드층의 형성공정이 늘게 되는 까닭에 모재의 단가가 크게 상승되며, 클래드층의 형성에도 불구하고 상기 클래드층의 표면에 형성되는 산화피막층의 제거를 위한 플럭스의 사용이 불가피하게 되는 등의 문제점을 안게 된다.

또한, 용접후에는 염화물계 플럭스의 잔사피막에 따른 부식이 발생되어 용접부위의 내구성을 저하시키게 되고, 이를 방지하기 위해서는 용접후 플럭스 잔사피막을 제거하기 위한 별도의 세정공정이 요구되며, 잔사피막을 제거하기 위한 세정을 행할 경우에는 환경오염방지를 위한 배수처리공정이 요구되며, 용접중에 발생되는 플럭스 성분의 배기가스 역시 환경오염의 요인이 되어 환경규제를 받게 되는 등의 문제점을 안게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 클래드처리가 필요없는 논클래드방식의 알루미늄 모재를 채택할 수 있는 플럭스를 제공함으로써 작업공수와 비용의 절감 및 제품의 신뢰도를 확보할 수 있고, 플럭스에 따른 부식성이나 환경오염의 염려를 해결할 수 있는 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법은, 알루미늄과 규소를 소정 비율로 혼합 하여 전기로에서 충분히 용해한 후 소정시간 안정화시키고, 다시 그 용탕을 전기로에 장입하여 용탕온도가 융점보다 약 150~200℃정도 높은 온도에 도달하게 되면 뚜껑을 열어 용탕의 흐름을 안정화시킨 후, 질소가스를 분사하여 파우더화한 알루미늄파우더와; 불산과 수산화알루미늄과 탄산칼륨으로 제조되는 기존의 불화알미늄칼륨(KALF₄);을 소정의 비율로 혼합하여 논클래드용 플럭스를 얻도록 함을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 알루미늄 용접구조를 설명하기 위한 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 용접구조를 설명하기 위한 단면도,

도 3은 본 발명의 알루미늄 용접방법을 설명하기 위한 공정도,

도 4는 본 발명의 브레이징성에 미치는 듀포인트의 영향을 표시한 그래프,

도 5는 본 발명의 브레이징을 하는데 있어서 분위기내의 산소집중에 따른 브레이징성을 표시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1,1': (알루미늄)모재 2,2': 클래드층

3,3': 산화피막층 4: 플럭스

10: 탈지 및 세정공정 11: 도포공정

12: 드라이공정 13: 용접공정

20,20': 알루미늄 21,21': 산화피막층

30: (논클래드용)플럭스

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 용접구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 용접방법을 설명하기 위한 공정도이다.

먼저, 본 발명의 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법을 설명한다.

본 발명에 따른 알루미늄 용접용 플럭스는 모재에 클래드처리를 요하지 않는 논클래드 알루미늄재의 채택을 가능하게 한다.

그러한 논클래드용 플럭스는 기존의 플럭스인 불화알미늄칼륨(KALF₄)에 알루미늄파우더를 가하여 제조되고, 나아가서는 다양한 도포방식을 채택할 수 있도록 상기와 같이 제조된 논클래드용 플럭스에 고정제의 혼합을 포함한다.

상기 기존의 알루미늄 용접용 플럭스는 전술한 바와 같이 불화물계 플럭스로서 불산(HF)과 수산화알루미늄(AL₍OH₎₃)와 탄산칼륨(K₂CO₃)의 몰비를 약 4:1:1로 하여 제조된 불화알미늄칼륨(KALF₄)이다.

한편, 상기 기존의 불화알미늄칼륨 플럭스와 결합하는 본 발명에 따른 알루미늄파우더는, 알루미늄계 합금인 알루미늄과 규소를 소정 비율(AL:87~89%, SI:11~13%)로 혼합 하여 전기로에서 충분히 용해한 후 소정시간(약 30분간) 안정화시간을 유지하고, 그 용탕을 뚜껑을 구비한 전기로에 장입하여 용탕온도가 융점보다 약 150~200℃정도 높은 온도에 도달하게 되면 뚜껑을 열어 용탕의 흐름을 안정화시킨 후, 질소가스(N₂)를 분사하여 알루미늄파우더로 제조된다.

상기 알루미늄은 40계열 알루미늄이 사용된다.

다음으로 상기와 같이 얻어진 불화알미늄칼륨과 알루미늄파우더 및 고정제를 소정의 비율로 혼합한다.

바람직한 혼합비율은 불화알미늄칼륨 8~15%, 알루미늄파우더 30~55%, 고정제 40~60%이다.

상기 고정제는 합성수지(RESIN) 5~20%, 솔벤트(SOLVENT) 80~95%로 제조되는 것이 바람직하다.

이 때 상기 고정제는 필수구성이 아니고 도포방식을 감안하여 선택되어진다.

즉, 상기와 같이 제조된 논클래드용 플럭스를 분말형태로 사용할 경우 고정제의 혼합 요구되지 않으며, 논클래드용 플럭스를 디핑, 스프레이, 브러시 방식으로 사용할 경우 고정제의 혼합이 요구된다.

이렇게 제조된 논클래드용 플럭스는 부식성을 일으키지 않는 염의 기본계로서 불화알루미늄칼륨염(POTASIUM ALUMINUM FLUORIDE)의 플럭스이다.

또한, 흡수성이 없으며 수분 및 알루미늄과 반응하지 않으며, 물에 대한 용해성이 상당히 적으며 수용액중에서 슬러리 상태로 존재하게 되며, 고체화 온도는 약 550℃, 액체화 온도는 약 555~580℃이며, 용융한 플럭스는 알루미늄의 산화피막을 용해,파괴하는 작용을 하며, 용융한 플럭스의 확장성 및 침투성은 염화물계 플럭스에 비해 상당히 우수하며, 용접후 알루미늄 표면은 물에 용해되지 않는 잔사피막을 형성하게 되는 등의 특성을 발휘한다.

한편, 상기 논클래드용 플럭스를 사용한 알루미늄 용접방법을 설명한다.

일반적인 용접조건은 다음과 같다.

FLUX양: ~5g/㎡

BRAZING분위기: NITROGEN GAS분위기(1ATM)

DEW POINT: -40℃이하

OXYGEN CONCENTRATION: 100PPM 이하

BRAZING TEMPERATURE: 595±15℃

본 발명의 용접성은 상기 브레이징분위기와 플럭스양에 따라 결정되며, 특히 분위기중의 듀포인트의 영향이 크다.

도 4는 브레이징성에 미치는 듀포인트의 영향을 표시하였다.

이에 따르면 브레이징성에 적당한 듀포인트를 유지하기 위한 플럭스의 도포량은 5g/㎡, 경우에 따라서는 약 2g/㎡와 같은 매우 적은량(염화물계 플럭스의 약 10/1이하)으로도 우수한 브레이징성이 있다는 것을 알 수 있다.

한편, 도 5에는 브레이징을 하는데 있어서 분위기내의 산소농도에 따른 브레이징성을 표시하였다.

이에 따르면 브레이징을 알루미늄합금에 실시함에 있어서 브레이징용 알루미늄합금으로는 마그네슘을 많이 함유한 진공브레이징용 재료 이외의 모든 재료는 사용가능하지만, 불화물계 플럭스의 특성상 합금중의 마그네슘과 플럭스중의 불화물과의 반응성이 강하기 때문에 마그네슘을 함유한 재료를 브레이징할 경우 플럭스의 활성도를 저하시켜 브레이징성을 약화시키기 때문에 상태가 양호한 브레이징접합부를 얻기 위해서는 알루미늄합금중에 마그네슘의 함량이 0.5% 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 용접조건을 감안한 본 발명의 용접방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 용접구조 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 용접공정도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 논클래드용 플럭스를 사용한 알루미늄 용접방법은, 표면에 부착된 유분 등의 오염물질을 제거하는 탈지 및 세정공정(10)과; 표면에 상기 논클래드용 플럭스를 도포하는 플럭스 도포공정(11)과; 도포된 플럭스 슬러리 중의 수분을 제거하는 드라이공정(12); 및 용접설비에 의한 용접공정(13);을 포함한다.

상기 탈지 및 세정공정(10)은 모재인 알루미늄(20)(20') 표면에 부착된 유분 및 오염물질을 제거하는 공정으로서 보통 제거하는 방법은 화학적 세정 및 유기용매에 의한 방법이 있는데 모두 적용이 가능하다.

그러나 플럭스를 사용하는 브레이징에 있어서는 상당히 브레이징성이 뛰어난 플럭스가 있기 때문에 알루미늄(20)(20') 표면에 형성된 산화피막층(21)(21')의 제거는 필요없고 표면에 부착된 유분 및 오염물질을 제거시켜 그 후에 플럭스(30) 도포성을 향상시키기 위해서 좋은 세정방법이 있으면 어떠한 방법으로도 실용가능하다.

다음으로 플럭스의 도포공정(11)이 개시된다.

종래의 플럭스인 불화알미늄칼륨은 물에 대한 용해성이 상당히 적기 때문에 수중에서는 슬러리상태로 존재한다. 더욱이 염화물계 플럭스 브레이징법과 달리 브레이징하는데 있어 플럭스의 필요성이 염화물계에 비해 1/10밖에 되지 않으므로 소량의 플럭스를 어떻게 소재에 균일하게 도포시키느냐 하는 것이 중요하다.

그래서 보통 실시되는 플럭스 도포방법으로는 디핑법, 스프레이법, 브러시법 등이 있는데, 슬러리 농도 등과의 관계, 작업성, 관리의 용이성을 고려하여 검토한 결과 콘덴서, 라디에이터, 히터 등에는 스프레이 도포법이 우수함을 알 수 있었다.

드라이공정(12)은 플럭스 도포공정(11)에서 표면에 도포시킨 플럭스 슬러리 중의 수분을 제거하여 브레이징로 내로 수분이 유입하지 못하도록 방지시켜 브레이징로내의 분위기를 저 듀포인트(DEW POINT)에 유지되도록 하기 위한 중요한 공정이다.

이 드라이공정은 에어분위기 중에서 가열건조로서 브레이징 처리품 및 지그류에 부착되고 있는 수분을 제거할 수 있는 온도 범위이면 되고, 적당한 건조온도범위는 약 150~300℃가 바람직하다.

다음으로 최종적인 공정인 용접설비에 의한 용접공정(13)이 개시된다.

전술한 바 있지만 논클래드용 플럭스는 염화물계 플럭스보다 우수한 특성을 가지고 있기 때문에 그 특성을 양산설비에 적용시켜 여러모로 검토한 결과 머풀(MUFFLE)이 있는 메쉬 벨트형 터널에 의한 브레이징설비가 적당했다.

이러한 용접설비를 이용한 용접방법을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄(20)(20')은 표면에 클래드처리가 되지 않은 논클래드구조의 모재이다.

상기 알루미늄(20)(20')에 논클래드용 플럭스(30)를 디핑법, 스프레이법, 브러시법 등으로 도포한 후, 불활성 가스(NITROGEN GAS) 분위기에서 가열하게 되면 상기 알루미늄(20)(20')의 표면에 생성되어 있는 산화피막층(21)(21')은 논클래드용 플럭스(30)의 용융작용으로 제거되거나 가열된 알루미늄(20)(20')의 팽창에 의해 균열을 일으키게 된다.

그러면 상기 논클래드용 플럭스(30)를 구성하고 있는 성분인 40계열 알루미늄이 용융되어 그 용융액은 상기 산화피막층(21)(21')의 균열된 틈새를 통해 침투되는 작용에 의해 서로 접합됨과 아울러 다음으로 용융되는 30계열 알루미늄인 모재 알루미늄(20)(20')의 용융물과 함께 서로 접합되므로써 용접 접합이 가능하게된다.

이 때 논클래드용 플럭스(30)의 융점은 약 565~575℃이고, 플럭스(30)에 함유된 40계열 알루미늄은 577~585℃이며, 모재인 알루미늄(20)(20')은 630~660℃이다.

상기 브레이징 과정에서 용융 응고한 플럭스(30)는 제품 표면에 미세한 요철이 있는 수 미크론의 플럭스 잔사피막을 형성하며, 또한 비부식성이기 때문에 브레이징후에 세정 제거할 필요가 없게 된다.

즉, 본 발명에 따른 플럭스(30)는 흡수성이 없으며, 수용액 중에서 가수분해가 일어나지 않으며, 친수성 및 친유성을 띠게 되고, 그 잔사피막은 수 미크론의 요철을 가지고 있고, 가열 냉각 및 건조 습윤이 반복되어도 내구성이 뛰어나게 되며, 부식성이 없으며, 일부 부식억제 효과를 발휘하는 등의 특성이 있다.

또한, 브레이징 후 수세공정이 필요없게 되어 배수처리공정이 불필요하게 되고, 브레이징 과정에서 플럭스 성분중의 일부가 증발하게 되지만 그 양은 양적으로 상당히 적은 양이기 때문에 보통 배기덕트에 의한 2차공기와 함께 배기되면 환경규제에 거의 문제가 없게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 알루미늄 용접용 플럭스는, 알루미늄과 규소를 소정 비율로 혼합하여 제조된 알루미늄파우더와 기존의 불화알미늄칼륨(KALF₄)을 소정의 비율로 혼합하여 논클래드용 플럭스로 제조되는 것에 의해, 클래드처리가 필요없는 논클래드방식의 알루미늄 모재를 채택할 수 있고,그에 따른 작업공수와 비용의 절감 및 제품의 신뢰도를 확보할 수 있으며, 플럭스에 따른 부식성이나 환경오염의 염려를 해결할 수 있게 되는 등의 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims

알루미늄계 합금인 알루미늄과 규소를 40계열 알루미늄87~89%와 규소5~13%로 혼합 하여 전기로에서 충분히 용해한 후, 30분간 안정화시간을 유지하고, 그 용탕을 뚜껑을 구비한 전기로에 장입하여 용탕온도가 융점보다 150~200℃ 높은 온도에 도달하게 되면 뚜껑을 열어 용탕의 흐름을 안정화시킨 후, 질소가스(N2)를 분사하여 제조된 알루미늄파우더 30~55%와;

불산과 수산화알루미늄과 탄산칼륨으로 제조된 불화알미늄칼륨(KALF4) 8~15%와; 및

고정제 40~60%;의 혼합으로 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 고정제는 합성수지(RESIN) 5~20%, 솔벤트(SOLVENT) 80~95%로 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접용 플럭스의 제조방법.