KR20210090988A - 표면 산화 방지를 위한 브레이징 결합체 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체는 브레이징을 이용하여 브레이징 대상물이 서로 결합된 브레이징 결합체로서, 브레이징 대상물은 제1 대상물 및 제2 대상물을 포함하고, 브레이징을 위한 용가재와 플럭스를 포함하고, 용가재의 용융점은 제2 대상물보다 용융점이 낮고, 플럭스의 용융점은 용가재보다 낮다.

Description

표면 산화 방지를 위한 브레이징 결합체 및 방법{BRAZING ASSEMBLY AND METHOD FOR PREVENTING SURFACE OXIDATION}
본 개시는 브레이징 결합체 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면 산화 방지를 위한 브레이징 결합체 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속 내지 비금속의 접합 기술은 용접(Welding), 브레이징(Brazing), 솔더링(Soldering) 등으로 분류된다.
용접은 동일하거나 다른 재질의 금속 또는 비금속을 열이나 압력으로 용융하여 서로 접합시키는 기술이다. 용접은 용접 대상물의 온도를 용융점까지 올린 후에 용융 접합하지만 잔류응력으로 인한 뒤틀림이나 벌징(Bulging) 같은 열변형을 야기할 수 있다. 특히, 제품치수나 표면정도가 중요한 정밀부품의 경우 열변형은 부품 품질을 저하시킬 수 있다.
용접은 용접 대상물 용융이 어렵고, 품질관리가 어렵다. 재료 접합 과정에서 크롬탄화물(Cr23C6)을 형성하여, 접합이 완료된 후에는 재료 내부에 잔류응력이 잔존하게 되어 재료의 파괴가 일어날 수도 있다. 잔류응력을 줄이기 위해 추가 성분을 첨가해야 하거나, 열처리를 하거나, 또는 표면 산화된 부분을 후처리를 통해 제거해야 한다. 또한 용접 장비는 이동 및 설치가 어려워 사용상의 제약이 많다.
반면, 브레이징은 브레이징 대상물보다 낮은 용융점을 갖는 용가재(Filler Metal)를 사용하며, 브레이징 대상물이 용융되지 않고 용가재만 용융된다. 용융된 용가재는 브레이징 대상물 간의 간극을 채우게 되는데, 이 때 용가재의 퍼짐성(spreadability), 젖음성(wettability) 내지 모세관 현상을 이용한다. 브레이징을 이용하면 적당한 강도를 유지하면서 제품의 변형 및 손상을 방지할 수 있다. 브레이징은 로(furnace) 브레이징과 진공(vacuum) 브레이징, 토치(Torch) 브레이징, DIP브레이징, 고주파 브레이징, 저항 브레이징 등이 있다. 고주파 브레이징은 열원을 고주파 전류를 이용하는 방법이며 대량생산에 주로 사용한다.
하지만, 브레이징을 위한 가열 과정 중에 표면 산화가 브레이징 대상물에 발생하기도 하며, 브레이징 대상물 간의 접합 강도가 낮은 문제가 발생하기도 한다. 특히, 용가재의 은(Ag) 함량이 낮은 경우에는, 브레이징 접합 강도가 낮을 뿐만 아니라, 용가재의 녹는점이 높기 때문에 가열시간이 증가하여 브레이징 대상물(예컨대, STS(Stainless Steel) 배관 또는 용기, Steel 배관 또는 용기)의 표면이 산화되는 비율(산화율)이 높은 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 용가재의 은(Ag) 함량을 증가시킬 경우 제조 단가가 증가하는 또 다른 문제가 발생한다.
본 개시는 은(Ag)이 포함된 용가재를 사용하지 않고도, 브레이징 대상물(예컨대, STS 배관 또는 용기, Steel 배관 또는 용기)을 브레이징 시에, 브레이징 대상물 및 브레이징 결합체의 표면 산화를 방지하고 저비용으로 접합 강도가 높은 브레이징 결합체 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체는 브레이징을 이용하여 브레이징 대상물이 서로 결합된 브레이징 결합체로서, 브레이징 대상물은 제1 대상물 및 제2 대상물을 포함하고, 브레이징을 위한 용가재와 플럭스를 포함하고, 용가재의 용융점은 제2 대상물보다 낮고, 플럭스의 용융점은 용가재보다 낮은 것을 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체는 제1 대상물이 Cu 성분을 포함하고, 제2 대상물은 STS 성분을 포함하고, 용가재는 황동 용가재를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체는 플럭스가 플루오린화 칼륨(Potassium Fluoride, KF) 10 ~ 30 중량%, 이불화 칼륨(Potassium Bifluoride, HF2K) 10 ~ 30 중량%, 붕산(Boric Acid, H3BO3) 40 ~ 60 중량%를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 용가재와 플럭스 간의 용융온도 차이(△T)는 200℃ 이상이다.
본 개시의 일 실시예에 따르면 제2 대상물은 브레이징 후 표면 산화율이 약 6% 이하이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 방법은 제1 대상물 및 제2 대상물을 포함하는 브레이징 대상물의 브레이징 방법으로서, 제1 대상물과 제2 대상물 간의 간극에 용가재 및 플럭스를 공급하는 단계, 제1 대상물과 제2 대상물을 가열부 측으로 이동하는 단계, 전원부가 교류를 가열부로 공급하는 단계, 용가재를 용융하는 단계, 용가재 및 플럭스가 고상이 되어 제1 대상물과 제2 대상물이 서로 결합되는 단계를 포함하고, 용가재의 용융점은 제2 대상물보다 낮고, 플럭스의 용융점은 용가재보다 낮다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 가열부에 약 40 ~ 75 A의 교류를 공급한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 유도가열 장치는 브레이징 대상물을 유도가열하기 위한 유도가열 장치로서, 브레이징 대상물을 가열하기 위한 열을 유도하고, 20 ㎜ 이상의 직경을 가지도록 형성된 가열부, 가열부에 약 40 ~ 75 A의 교류를 공급하는 전원부를 포함한다.
본 개시의 다양한 실시예를 이용하여, 브레이징 접합강도가 높고 브레이징 대상물(예컨대, STS 배관 또는 용기, Steel 배관 또는 용기)의 표면 산화를 방지하는 브레이징을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 이용하여, 황동 용가재를 이용하더라도 브레이징 대상물의 표면 산화를 방지하는 브레이징을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 이용하여, 은(Ag)이 포함되지 않거나 적게 포함된 용가재를 이용하더라도 브레이징 대상물의 표면 산화를 방지하는 브레이징을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 이용하여, 저온용 플럭스를 이용하여 브레이징 대상물의 표면 산화를 방지하는 브레이징을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 이용하여, 배관압력이 250 bar 이상에서 접합부 파괴가 없는 브레이징 접합을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 이용하여, 최대인장하중 13.0 KN, 인장강도 280 MPa이상인 브레이징 접합을 제공할 수 있다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예들은, 이하 설명하는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 요소들을 나타내지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 유도가열 장치 구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 유도가열 장치와 브레이징 대상물 간의 배치구조를 도시하는 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유도가열 장치의 X 선에 따른 확대도로서, 가열부와 브레이징 대상물 간의 간격을 보여주는 도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 유도가열 장치 구조를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 유도가열 장치와 브레이징 대상물 간의 배치구조를 도시하는 평면도이다.
도 6는 본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체를 도시하는 사진이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 개시의 실시예들을 상술하기에 앞서, 도면의 위쪽은 그 도면에 도시된 구성의 "상부" 또는 "상측", 그 아래쪽은 "하부" 또는 "하측"이라고 지칭할 수 있다. 또한, 도면에 있어서 도시된 구성의 상부와 하부의 사이 또는 상부와 하부를 제외한 나머지 부분은 "측부" 또는 "측면"이라고 지칭할 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 허용오차가 존재할 때 허용오차를 포괄하는 의미로 사용된 것이다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠쉬 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들) "의 용어는 마쿠쉬 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는 "A, 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응되는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다. 이러한 "상부", "상측" 등과 같은 상대적인 용어는, 도면에 도시된 구성들 간의 관계를 설명하기 위하여 사용될 수 있으며, 본 개시는 그러한 용어에 의해 한정되지 않는다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 유도가열 장치(100)의 구조를 보여주는 사시도이다.
유도가열 장치(100)는 가열부(110) 및 전원부(120)를 포함할 수 있다. 유도가열 장치(100)는 브레이징 대상물(200)의 용융점(Melting Point) 이하에서 용가재(Filler Metal)를 가열하여 용융하고, 용융된 용가재를 브레이징 대상물(200) 간의 간극에 채워 넣어 브레이징 대상물(200)을 서로 접합하는 원리를 이용한다. 유도가열 장치(100)는 고주파 유도가열 장치에 해당할 수 있다.
브레이징 시 용가재가 브레이징 대상물 사이로 녹아 스며 들어간 후 굳어야 한다. 이때 브레이징 대상물과 용가재의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(Wetting)으로 표현할 수 있으며, 브레이징 대상물 접합 간격(Joint Gap) 사이로 흘러 들어가게 하는 현상을 모세관 현상(Capillary Action)이라 한다. 브레이징 대상물과 친화력이 좋은 용가재로 브레이징 대상물 간의 간극을 채우는 것이 바람직하다. 모세관 현상은 용가재의 흐름에 영향을 미치고 젖음성은 용가재의 친화력과 연관이 있다.
가열부(110)는, 가열부(110)에 흐르는 교류를 이용하여 가열부(110)에서 이격된 피가열물, 즉 브레이징 대상물(200)의 온도를 증가시킬 수 있다. 가열부(110)에 고주파 교류가 흐르게 되면, 가열부(110) 내측에 위치하는 브레이징 대상물(200)은 와전류 손실 및/또는 히스테리시스(Hysteresis) 손실에 의해 자체적으로 열이 발생하여 브레이징 대상물(200)의 온도가 올라갈 수 있다. 가열부(110)에 교류를 흐르면 가열부 주변에 교류에 의한 교번 자속이 발생하게 되고, 자계 속에 놓인 브레이징 대상물(도체)에는 유도전류가 발생하게 된다. 이러한 유도전류를 와전류라 하는데, 와전류에 의한 줄(Joule) 열이 발생하여 발열원이 된다. 브레이징 대상물이 비도체인 경우, 히스테리시스 손실을 이용한 열이 발열원이 될 수 있다. 추가적으로, 가열부 자체의 고유 저항으로 인한 열도 발열원이 될 수 있다.
가열부(110)는 피가열물, 즉 브레이징 대상물(200)과 이격되어 있는 상태에서 브레이징 대상물(200)에 적절한 유도전류를 발생시켜야 하므로, 가열부(110)와 브레이징 대상물(200) 간의 배치간격과 가열부(110)에 흐르는 교류를 조절하는 것이 중요하다. 가열부(110)와 브레이징 대상물(200) 간의 배치구조에 대해서는 도 2 및 3과 관련해서 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 도 1에 도시된 가열부는 코일 형태를 가지는 것으로 도시되어 있으나 이에 제한되지 않으며, 다른 형태(예컨대 U 자 형태)를 가질 수 있다. 이에 대해서는 도 4 내지 5과 관련하여 설명하기로 한다.
전원부(120)는 가열부(110)에 유도가열에 적합한 주파수의 전류를 공급할 수 있다. 고주파 유도가열시 사용되는 전원의 주파수는 약 60 Hz ~ 1 MHz에 해당할 수 있다. 전원부(120)는 교류를 1차적으로 직류로 변환하고, 변환된 직류를 인버터가 스위칭하여 고주파 교류를 발생시킬 수 있다. 전원부(120)는 브레이징 대상물의 등가 저항에 매칭한 고주파 교류를 공급할 수 있다.
전원부(120)는 약 40 ~ 75 A의 교류를 가열부(110)에 공급할 수 있다. 가열부(110)에 약 40 ~ 75 A의 교류가 흐르면, 가열부(110)에서 이격된 브레이징 대상물(200)에 적절한 양의 유도전류가 발생하여, 브레이징 대상물(200)의 표면 산화를 방지하고 브레이징 대상물(200)을 서로 접합시킬 수 있는 현상이 발견되었다.
이러한 현상을 이용하여 가열부(110)에 약 40 ~ 75 A의 교류를 흐르게 하면, 은(Ag)이 포함되어 있지 않거나 적게 포함된 용가재를 사용하면서도 브레이징 대상물(200)의 표면 산화를 방지할 수 있고, 고강도의 브레이징 접합을 제공할 수 있다. 은(Ag)이 포함되어 있지 않거나 적게 포함된 용가재를 사용할 때, 해당 용가재보다 용융점이 낮은 플럭스를 추가할 수 있다.
브레이징 대상물(200)은 제1 대상물(210) 및 제2 대상물(220)을 포함할 수 있다. 제1 대상물(210)은 동파이프 또는 구리(Cu) 배관에 해당할 수 있다. 구리 배관은 구리 또는 구리 합금을 소재로 만들어진 파이프 형태를 가질 수 있다. 동파이프는 두께에 따라 분류되는 K, L, M형 동파이프를 포함할 수 있으며, 동파이프의 형태는 사용 목적에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
제2 대상물(220)은 강파이프(Steel pipe) 또는 STS(Stainless Steel) 배관에 해당할 수 있다. STS 배관은 내식성 향상을 목적으로 크롬(Cr) 또는 크롬과 니켈(Ni)을 함유시킨 합금강을 이용하여 제조된 배관을 의미할 수 있으며, 크롬 함유율은 12% 이상에 해당할 수 있다. STS 배관의 브레이징 과정에서 크롬탄화물(Cr23C6)을 형성하고, 그로 인해 브레이징이 완료된 후에는 재료 내부에 잔류응력을 잔존하게 되어 재료의 파괴가 일어날 수도 있다. 따라서, 잔류응력을 줄이기 위해 추가 성분을 첨가해야 하거나, 열처리를 하거나, 또는 표면 산화된 부분을 제거해야 한다. 본 개시는 브레이징 시 Steel 또는 STS 표면의 산화를 방지함으로써 상술한 문제를 해결할 수 있으며, 보다 상세한 해결 원리는 이하의 내용을 참고한다.
제1 대상물(210)과 제2 대상물(220)은 접합부에 의해 접합될 수 있다. 접합부는 브레이징 대상물 간의 접합 부위 및 그 근처 부위를 포함한다. 접합부는 용가재 및/또는 플럭스를 포함한다. 접합부는 플럭스가 녹으면서 산화물로 눌어붙은 층에 해당할 수 있다. 제1 대상물(210)과 제2 대상물(220)은, 맞대기 접합(Butt Joint), 겹치기 접합(Lap Joint), 혼합형태 접합 등을 이용하여 접합될 수 있다.
제1 대상물(210)과 제2 대상물(220)은 배관 형태를 가지며, 대상물 중 하나는 다른 하나에 비해 구경이 클 수 있다. 구경이 큰 배관(확관) 안으로 구경이 작은 배관(협관)이 삽입되고, 대상물 간의 간극에 용가재가 스며들어 굳거나 고상화됨으로써 접합부를 형성할 수 있다. 대상물 중 하나는 STS 배관에 해당할 수 있고, 다른 하나는 구리(Cu) 배관에 해당할 수 있다.
접합부의 형태는 맞대기와 겹치기 형태가 있을 수 있으며, 두 가지 형태 모두 혼합되어 사용될 수 있다. 접합부의 형태는 브레이징 대상물의 특성, 원하는 접합강도 등 여러 조건에 따라 변형될 수 있다.
용가재(Filler Metal)는 접합부에 포함되는 재질로서, 브레이징 대상물의 용융점보다 낮다. 가열 공정을 통해 용가재는 브레이징 대상물보다 먼저 용융되어, 제1 대상물(210)과 제2 대상물(220) 간의 간극을 채운 후 응고되어 접합부를 형성한다. 용가재는, 은합금, 황동, 인동, 양은, 알루미늄, 내열 합금 등 중 어느 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 용가재는 은합금 용가재, 황동 용가재, 인동 용가재, 양은 용가재, 알루미늄 용가재, 내열 합금 용가재 중 하나 또는 그 조합에 해당할 수 있다.
은합금 용가재의 주성분은 Ag, Cu, Zn이며, 용도에 따라서 Cd, Ni, Sn, Mn, In 등이 첨가될 수 있다. 은합금 용가재는 비교적 용융점(약 700℃ 내외)이 낮아 작업이 쉽고, 유동성이 좋아 강도 및 연신율이 우수하다. 알루미늄 및 마그네슘을 제외한 비철 합금과 철강과 동, 동합금 등의 브레이징에 사용된다.
황동 용가재는 구리(Cu)와 아연(Zn) 60% 이하를 포함하는 동합금이며, 동, 동합금과 일부 철강 등의 브레이징에 사용된다. 용융점은 약 850 ~ 1050℃ 정도이다. 황동 용가재는 전기 전도도가 낮고, 진동에 대한 저항이 낮다.
인동 용가재는 구리(Cu)에 인(P) 또는 구리(Cu)에 인(P)과 은(Ag)을 합금한 동합금이며, 동이나 동합금의 브레이징에 사용된다.
양은 용가재는 구리-아연-니켈(Cu-Zn-Ni)합금이며, 니켈(Ni) 함유량이 많을수록 용융점이 높고, 보통 성분은 구리 47%, 아연 11%, 니켈 42% 이며, 동, 황동, 니켈 합금, 철강 등의 브레이징에 사용된다.
알루미늄 용가재는 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고 규소(Si), 구리(Cu) 등을 합금한 알루미늄 합금이며, 용융점은 600℃ 정도이다. 알루미늄 용가재는 보통 아연계 합금 등에 사용된다.
내열 합금 용가재는 니켈-크롬(Ni-Cr)계, 은-망간(Ag-Mn)계, 구리-금(Cu-Au)계 등이 있다. 내열 합금 용가재는, 내열, 내식재료인 제트 엔진, 가스 터빈, STS 등의 브레이징에 사용된다.
플럭스(flux)는 접합부에 포함되는 재질로서, 브레이징의 가열 공정 중에 생성되는 금속 산화물을 녹여 액상화하여 브레이징 대상물 표면의 산화를 방지하고, 용가재를 접합 부분에 침투시키는 역할을 한다.
플럭스는 브레이징 대상물의 표면에 산화가 발생하는 것을 방지하여 균일한 브레이징 접합면을 얻기 위한 것이다. 일반적으로 금속이 공기에 노출될 때 화학반응이 진행되며 온도가 올라갈수록 그 정도가 심하다. 따라서 금속과 금속을 접합해야 한다면 온도를 올려야 되고 공기와 접촉도 되기 때문에 금속 표면에서 산화 반응이 이루어진다. 이러한 현상에 대처하기 위하여 플럭스가 필요하다. 플럭스는 산화물이나 그 밖의 불필요한 물질을 직접 분해 또는 제거하거나, 불필요한 물질의 생성 자체를 방지할 수 있다. 플럭스는 접합 부위에 플럭스를 도포하거나, 용가재에 플럭스를 첨가해 놓을 수 있다.
플럭스는 용융점이 용가재보다 낮을 수 있다. 나아가, 플럭스는 용가재가 용융 상태(또는 액상 상태)에 있을 때 기화될 수 있다. 그로 인해 플럭스는 가열 중에 발생하는 브레이징 대상물의 표면 산화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
예컨대, 은합금 용가재는 브레이징 작업 온도가 약 700℃ 내외이다. 은(Ag)을 함유하여 용융점이 상대적으로 낮지만, Ag 함량으로 인해 비용이 높고, 브레이징 이후에 브레이징 대상물 표면에 산화물이 발생한다. 황동 용가재는 브레이징 작업 온도가 약 900℃ 내외이다. 용융점이 약 820 ~ 930℃ 정도이기 때문에 과열되면 아연이 증발하여 접합과정에서 다공성이 증가하는 현상이 발생하고, 역시 브레이징 대상물 표면에 산화물이 발생한다. 브레이징 대상물 표면이 산화되는 현상은 용가재에 플럭스를 추가하지 않거나, 플럭스를 추가하더라도 플럭스가 용가재보다 늦게 용융하게 될 경우 더욱 심하게 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해, 본 개시의 일 실시예에 따라 용가재보다 용융점이 낮은 플럭스를 이용할 경우, 가열 공정 중 용가재가 용융되기 전에 플럭스가 먼저 용융되어 액상 상태에 진입함으로써 브레이징 대상물 표면의 산화를 방지할 수 있다. 이와 같은 브레이징 대상물의 표면 산화 방지 현상은 용가재가 용융 상태(또는 액상 상태)에 있을 때 플럭스가 기화되면 보다 현저해질 수 있다. 이러한 현상을 이용하기 위해, 용가재의 용융점보다 낮은 용융점을 가지는 플럭스를 이용하거나, 용가재가 용융 상태에 있을 때 기화 상태에 있을 수 있는 플럭스를 이용함으로써, 브레이징 대상물의 표면 산화를 방지할 수 있다.
약 500 ℃ ~ 850 ℃에서 액상(또는 용융)이 되는 플럭스는, 플루오린화 칼륨(Potassium Fluoride, KF) 10 ~ 30 중량%, 이불화 칼륨(Potassium Bifluoride, HF2K) 10 ~ 30 중량%, 및 붕산(Boric Acid, H3BO3) 40 ~ 60 중량%을 포함할 수 있다.
약 600 ℃ ~ 950 ℃에서 액상(또는 용융)이 되는 플럭스는, 플루오르화 붕소산칼륨(Potassium Fluoborate, KBF4) 25 ~ 55 중량%, 이불화 칼륨(Potassium Bifluoride, HF2K) 5 ~ 40 중량%, 오붕산 칼륨(Potassium Pentaborate, KB5O8) 1 ~ 10 중량%, 및 붕소(Boron, B) 10 ~ 40 중량%를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 고온용 용가재-저온용 플럭스의 조합을 이용할 수 있다. 고온 또는 저온은 용융점이 기준으로서, 고온용 용가재-저온용 플럭스의 조합의 경우 용가재의 용융점이 플럭스보다 높다는 것을 의미한다. 따라서, 용가재의 용융점이 플럭스보다 높으면 본 개시에 따른 원리를 이용할 수 있으며, 고온용 용가재의 함유 성분에는 제한이 없다. 예컨대, 용가재에 은(Ag) 또는 은합금이 함유되어 있더라도, 해당 용가재의 용융점이 플럭스보다 높으면 본 개시의 실시예에 해당할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 고온용 용가재-저온용 플럭스의 조합을 이용한다. 은(Ag)이 포함되어 있지 않거나 적게 포함된 고온용 용가재를 이용하여 비용을 절감하고, 용가재보다 용융점이 낮으면서 저온 범위에서 액상이 되는 저온용 플럭스를 사용함으로써, 브레이징 가열 시작 단계부터 표면 산화물을 제거해서 표면 산화를 방지한다.
고온용 용가재와 저온용 플럭스 간의 용융온도 차이(△T)는 200℃ 이상에 해당할 수 있다. 이 경우, 저온용 플럭스가 고온용 용가재보다 먼저 용융되어 브레이징 작업의 공정시간을 줄이는 동시에 브레이징 대상물 표면 산화가 일어나는 시간을 감소시켜 산화를 방지할 수 있다. 브레이징 대상물(예컨대, STS 배관)이 가열되는 시간동안 저온용 플럭스가 가장 먼저 용융되어 브레이징 대상물 표면의 산화물을 제거할 수 있다.
이를 위해, 가열부(110)로 적절한 교류를 공급하는 동시에, 브레이징 대상물(200)은 가열부(110)로부터 적절한 위치로 이격되어 있을 필요가 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 20 mm 이상의 직경을 가지도록 형성된 가열부(110)에 약 40 ~ 75 A의 교류를 공급하여 생성되는 유도가열을 이용함으로써, 브레이징 대상물을 은(Ag)이 포함되지 않거나 적게 포함된 용가재를 이용하더라도 브레이징 대상물(200)의 표면 산화를 방지하면서 접합할 수 있다. 이 때, 가열부(110)와 브레이징 대상물(200) 간의 간격(l, 도 3 또는 5 참고)은 10mm 이상에 해당할 수 있다. 나아가, 용가재에 본 개시의 일 실시예에 따른 플럭스를 이용할 경우, 표면 산화 방지 효과는 보다 현저해질 수 있다. 종래에는 가열부(110)와 브레이징 대상물(200) 간의 간격(l)이 10 mm 미만으로 알려져 있었으며, 종래 최적 간격은 4mm 이내로 알려져 있었다.
[표 1] 및 [표 2]는 본 개시의 일 실시예에 따라 브레이징 작업을 수행하기 위해 가열부에 공급되는 전류 데이터를 정리한 표이다.
[표 1]은 브레이징 대상물 2개 배관 모두 STS 배관에 해당할 때의 전류 데이터이고, [표 2]는 브레이징 대상물이 각각 STS 배관 및 구리(Cu) 배관에 해당할 때의 전류 데이터이다. 표 1 및 2에 기재된 데이터는 배관 재질 및 외경에 따라 변경될 수 있으나, 가열부(110)에 공급되는 전류는 40A ~ 75A 범위에서 유지되었고, 브레이징 대상물과 가열부(110) 간의 간격(l)은 10 mm 이상으로 유지되었다. 또한, 작업 시간은 배관 재질 및 외경에 따라 변경될 수 있으나, 8 ~ 15초 범위를 유지하였다.
전류(단위: A) 작업 시간(단위: 초)
60 5.0
55 3.0
53 2.0
50 2.0
40 1.0
전류(단위: A) 작업 시간(단위: 초)
75 3.0
75 2.5
73 2.0
68 2.0
65 1.2
본 개시의 일 실시예 따른 브레이징 방법은, 브레이징 대상물(200) 간의 간극에 용가재 및 플럭스를 공급하는 단계로 시작한다. 용가재 및 플럭스는 동시에 공급될 수 있고 또는 순차적으로 공급될 수 있다. 용가재 및 플럭스는 고체 상태로 공급될 수 있고, 또는 그 중 일부가 용융된 상태에서 제공될 수 있다.
그 후, 브레이징 대상물(200)을 가열하기 위해 브레이징 대상물(200)을 가열부(110) 측으로 이동한다. 이 때, 브레이징 대상물(200)은 가열부(110)로부터 10mm 이상 이격된 곳에 위치한다. 다음으로, 전원부(120)가 교류를 가열부(110)로 공급한다. 교류는 약 40 ~ 75 A의 교류에 해당한다. 다음으로, 용가재 및 플럭스가 용융된다.
이 때, 플럭스의 용융점이 용가재보다 낮기 때문에 플럭스가 용가재보다 먼저 용융되어 브레이징 대상물의 표면 산화가 방지될 수 있다. 다시 말해, 고온용 용가재 및 저온용 플럭스를 사용함으로써, 브레이징 결합체의 표면 산화물을 제거할 수 있다. 저온용 플럭스가 낮은 온도에서 빠르게 용융되어 용가재 및 브레이징 대상물의 가열이 시작되는 단계부터 표면 산화물을 제거하기 때문에 브레이징 결합체의 표면 산화가 방지되는 효과를 얻고, 추가적으로 STS 배관의 내식성을 보호하고, 은(Ag)이 포함되지 않거나 적게 포함된 고온용 용가재를 사용함으로써 브레이징 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.
이 후, 용가재 및 플럭스가 고상이 되어 접합부가 형성되고, 그로 인해 브레이징 대상물이 결합된다.
상술한 단계는 순차적으로 진행되는 것으로 설명되어 있으나, 본 개시는 이에 제한되는 것은 아니며 일부 단계는 동시에 진행될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 유도가열 장치와 브레이징 대상물 간의 배치구조를 도시하는 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 유도가열 장치의 X 선에 따른 확대도로서, 가열부와 브레이징 대상물 간의 간격을 도시한다.
가열부(110)의 내측에 브레이징 대상물(200)이 배치될 수 있다. 가열부(110)는 코일 형태를 가지고, 브레이징 대상물(200)은 배관 형태를 가질 수 있다. 가열부(110)와 피가열물, 즉 가열부(110)와 브레이징 대상물(200) 간의 간격은 다음 수식에 따라 조절될 수 있다.
l≥ 10 mm
단, 2l = D - d
본 개시의 일 실시예에 따르면, 가열부(110)의 직경(D)과 브레이징 대상물(200)의 직경(d) 간의 차이는 20 mm 이상에 해당한다. 이를 만족시키기 위해 가열부(110)의 직경(D)은 20 mm 이상을 가지도록 형성될 수 있다. l 값은 d/D에 따라 상이하게 될 수 있다.
도 3에서 브레이징 대상물(200) 대신 제2 대상물(220)이 도시되었으나, 본 개시는 이에 제한되는 것은 아니고, 브레이징 대상물(200)은 제1 대상물(210)에 해당할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 유도가열 장치 구조를 보여주는 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 유도가열 장치와 브레이징 대상물 간의 배치구조를 도시하는 평면도이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 유도가열 장치(100)는 가열부(110)의 형태가 U자 형태를 가진다. 가열부(110)와 피가열물, 즉 가열부(110)와 브레이징 대상물(200) 간의 간격도 앞서 도 2와 관련해서 설명한 수식에 따라 조절될 수 있다.
도 6는 본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체를 도시하는 사진이다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제1 대상물(210)은 구리(Cu) 배관에 해당하고, 및 제2 대상물(220)은 STS 배관에 해당한다, 접합부(230)는 용가재 및 플럭스를 포함한다. 용가재는 황동 용가재를 사용하였으며, 플럭스는 플루오린화 칼륨(Potassium Fluoride, KF) 10 ~ 30 중량%, 이불화 칼륨(Potassium Bifluoride, HF2K) 10 ~ 30 중량%, 및 붕산(Boric Acid, H3BO3) 40 ~ 60 중량%을 포함하는 것을 사용하였다.
도 6에 도시된 브레이징 결합체의 Y 선에 따른 단면을 SEM/EDS(전자현미경 성분 분석) 통해 분석하였다.
본 개시의 일 실시예에 따른 브레이징 결합체를 절단한 단면은, 하측에서부터 순차대로 STS 모재, STS 표면 및 접합부를 포함한다.
브레이징 결합체를 이온밀링을 이용해 절단하였으며, 이 때 폴리싱(Polishing)은 하지 않았다. 절단된 단면을 SEM/EDS(전자현미경 성분 분석)을 진행하였고, 각 부위별로 나온 결과를 정리하면 [표 3]과 같다. 표 3에 정리된 데이터를 통해 브레이징 대상물의 표면 산화 및 부동태 피막 내식성 변화 정도를 확인할 수 있었다.
접합부
(A)		 STS 표면(B) STS
모재(C)
O2 농도 약 12% 약 6% 약 0%
Cr 농도 약 15% 약 17% 약 18%
Fe 농도 약 37% 약 52% 약 68%
Cr/Fe비 약 0.41 약 0.33 약 0.26
[표 3]에서 접합부(A)는 용가재와 플럭스를 포함하는 부분을 의미한다. STS 표면(B)은 STS 배관의 표면을 의미하며, STS 모재(C)는 STS 배관의 내부(즉, 배관 단면 상의 소정의 위치)를 의미한다.
STS 표면(B)의 산소 농도를 통해 STS 배관의 표면이 산화된 정도를 확인할 수 있다. STS 표면(B)의 산소 농도는 약 6%로 측정되었다. 해당 수치는 플럭스 및 용가재가 포함된 접합부(A)의 산화층의 산소 농도가 일부 포함된 수치이기 때문에, STS 표면(B)의 실질적인 산소(O2) 농도는 약 6% 이하로 해석된다. 추가적으로 STS 배관의 표면에 대해 폴리싱(polishing) 공정을 수행할 경우, 해당 수치는 약 1.5 ~ 2% 정도까지 떨어질 수 있다.
또한, STS 표면(B)의 Cr 농도 또는 Cr/Fe비를 통해 STS 배관 표면의 내식성을 확인할 수 있다. STS 배관은 내식성 향상을 목적으로 크롬(Cr)을 함유한다. 브레이징 과정에서 STS 배관 표면에 크롬탄화물(Cr23C6)이 형성되기 때문에 Cr 농도 또는 Cr/Fe비를 확인해 보면, STS 배관 표면의 부동태 피막 내식성 정도를 확인할 수 있다. 표면의 Cr 농도가 떨어지거나, Cr/Fe비가 상승하게 되면 내식성이 떨어지는 것으로 해석할 수 있다.
산화가 발생하지 않은 STS 모재(C) 부위와 비교할 때, STS 표면(B) 부위의 Cr 농도는 1%도 떨어지지 않은 것으로 확인되며, 이로부터 STS 배관의 표면은 브레이징 이후에도 내식성을 유지하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한, STS 표면(B) 부위의 Cr/Fe비도 거의 상승하지 않은 것을 확인할 수 있다.
나아가, 본 개시의 일 실시예에 따라 브레이징 접합을 형성한 경우, 배관압력 250 bar 이상에서 접합부의 파괴가 없고, 최대인장하중이 13.0 KN 이상이며, 인장강도가 280 MPa 이상에 해당하였다.
본 개시의 앞선 설명은 당업자들이 본 개시를 행하거나 이용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 본 개시의 다양한 수정예들이 당업자들에게 쉽게 자명할 것이고, 본원에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 취지 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형예들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 개시는 본원에 설명된 예들에 제한되도록 의도된 것이 아니고, 본원에 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위가 부여되도록 의도된다.
본 명세서에서는 본 개시가 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

100: 유도가열 장치
110: 가열부
120: 전원부
200: 브레이징 대상물
210: 제1 대상물
220: 제2 대상물
230: 접합부

Claims (10)

  1. 브레이징을 이용하여 브레이징 대상물이 서로 결합된 브레이징 결합체로서,
    제1 대상물;
    제2 대상물;
    브레이징을 위한 용가재(Filler Metal); 및
    브레이징을 위한 플럭스(Flux)
    를 포함하고,
    상기 용가재의 용융점은 상기 제2 대상물보다 용융점이 낮고,
    상기 플럭스의 용융점은 상기 용가재보다 낮은, 브레이징 결합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대상물은 Cu 성분을 포함하고, 상기 용가재는 황동 용가재를 포함하고, 상기 제2 대상물은 STS 성분을 포함하는, 브레이징 결합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플럭스는,
    플루오린화 칼륨(Potassium Fluoride, KF) 10 ~ 30 중량%;
    이불화 칼륨(Potassium Bifluoride, HF2K) 10 ~ 30 중량%; 및
    붕산(Boric Acid, H3BO3) 40 ~ 60 중량%
    를 포함하는, 브레이징 결합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용가재와 상기 플럭스 간의 용융온도 차이(△T)는 200℃ 이상에 해당하는, 브레이징 결합체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 대상물의 브레이징 후, 상기 제2 대상물의 표면 산화율이 약 6% 이하에 해당하는, 브레이징 결합체.
  6. 제1 대상물 및 제2 대상물을 포함하는 브레이징 대상물의 브레이징 방법으로서,
    제1 대상물과 제2 대상물 간의 간극에 용가재 및 플럭스를 공급하는 단계;
    상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물을 가열부측으로 이동하는 단계;
    전원부가 교류를 상기 가열부로 공급하는 단계;
    상기 용가재를 용융하는 단계; 및
    상기 용가재 및 플럭스가 고상이 되어 상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물이 서로 결합되는 단계
    를 포함하고,
    상기 용가재의 용융점은 상기 제2 대상물보다 용융점이 낮고,
    상기 플럭스의 용융점은 상기 용가재보다 낮은, 브레이징 방법.
  7. 제1 대상물 및 제2 대상물을 포함하는 브레이징 대상물의 브레이징 방법으로서,
    제1 대상물과 제2 대상물 간의 간극에 용가재 및 플럭스를 공급하는 단계;
    상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물을 가열부측으로 이동하는 단계;
    전원부가 교류를 상기 가열부로 공급하는 단계;
    상기 용가재를 용융하는 단계; 및
    상기 용가재 및 플럭스가 고상이 되어 상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물이 서로 결합되는 단계
    를 포함하고,
    상기 교류를 상기 가열부로 공급하는 단계는,
    상기 가열부에 약 40 ~ 75 A의 교류를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물을 상기 가열부측으로 이동하는 단계는,
    상기 제1 대상물과 상기 제2 대상물을 가열부로부터 10mm 이상 이격하는 단계를 포함하는,
    브레이징 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 용가재와 상기 플럭스 간의 용융온도 차이(△T)는 200℃ 이상에 해당하는, 브레이징 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 대상물의 브레이징 후, 상기 제2 대상물의 표면 산화율이 약 6% 이하에 해당하는, 브레이징 방법.
  10. 브레이징 대상물을 유도가열하기 위한 유도가열 장치로서,
    브레이징 대상물을 가열하기 위한 열을 유도하고, 20 mm 이상의 직경을 가지도록 형성된 가열부; 및
    상기 가열부에 약 40 ~ 75 A의 교류를 공급하는 전원부
    를 포함하는,
    유도가열 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100422059B1 (ko) * 2001-06-29 2004-03-12 위니아만도 주식회사 열교환기의 헤더파이프 접합방법과 그 접합재

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