1 기술보고 대기브레이징개선용플럭스라미네이티드합금 Flux d Alloy Improves Air Atmosphere Brazing - An Innovative New Product Proves to be a Cost-Effective Means to Eliminate the Fluxing Step and Minimize the Brazing Cycle Time Young-Sik Shin, Young-Sup Lee and Chi-Hwan Lee 1. 서론 브레이징은 45 이상의용융점을가진브레이징합금을사용하여접합하고자하는모재의용융점온도이하에서모재를녹이지않고용가재만녹여피접합체를접합하는기술이다. 오늘날급속한산업발달과정속에서브레이징은가장널리사용되는금속접합기술중하나이다. 접합체를설계하는엔지니어가선택할수있는가열방법에는토치, 로, 인덕션그리고전기저항에의한가열방법이있다. 대기중에서양호한브레이징접합부를얻기위해서는, 모재표면의산화물을제거해야만한다. 플럭스를사용하는것은이산화물을제거하는첫번째방법이고또한, 산화물이다시형성되는것을방지한다 1-3). 진공또는보호분위기의로브레이징에서플럭스는불필요하다. 그러나토치, 인덕션또는전기저항에의한가열을이용하는대기브레이징공정에서플럭스가필요하다. solid wire를가지고브레이징시, 일반적으로플럭스는분말, 페이스트, 슬러리또는액상의형태로사용되고있다 4-6). 플럭스의형태는각각의작업요구조건, 브레이징방법, 원가및편리성등을고려하여선택된다. 일반적으로 solid wire를사용시에는별도로 workpiece 에플럭스를도포한다. 이과정의플럭스주입 ( 도포 ) 공정은준비시간과비용을늘리고, 환경문제를증가시킬것이다. 이러한단계를없애기위해많은연구자들이필러합금과플럭스를하나의공정으로제공하는방법에대한연구를수행해왔다 7,8). 현재플럭스코어드, 플럭스코티드그리고브레이징페이스트등이사용되고있다. (Fig. 1) 본논문에서는이러한제품들과더불어새로운플럭스라미네이티드 브레이징합금을소개하고자한다. 플럭스라미네이티드스트립은플럭스와 wire를하나의 product로제공하는데, 비용과공정시간을단축시키면서도양질의접합부를얻을수있다.(Fig. 2) 이러한플럭스라미네이티드스트립의개발과정과더불어타브레이징합금재료와의실험결과에대해논의하고자한다. Fig. 1 Cross Section of alloy with flux Fig. 2 Schematic manufacturing process for flux laminated alloy 大韓熔接學會誌第 24 卷第 5 號, 26 年 1 月 349
2 Development of Flux d Strip 플럭스라미네이티드스트립은그림에보인것과같이 embossing, multi-bending, flux injection, resizing 단계를거쳐제조하였다. Step I. Embossing process 첫번째단계로보다넓은가열표면적을제공하기위해스트립에 embossing 을만들었다. embossing 된표면은브레이징을위한가열공정에소요되는열을감소시킬뿐만아니라이후플럭스주입시중요한역할을한다. Fig. 5 Flux injection process Step II. Multi bending process 본단계는스트립에플럭스주입시에필요한홈을제공하는단계로다단절곡된다. 다단절곡은플럭스주입시의가이드홈을제공함과더불어최종플럭스라미네이티드스트립형상을만들기위한기초형상을만든다. Step III. Flux injection 본단계에서는플럭스주입기에의해엠보싱및다단절곡된스트립에플럭스를주입하게된다. Fig. 6 Resizing process Step IV. Resizing Resizing 단계를통해사각형상의플럭스라미네이티드스트립이제조된다. Fig. 3 Embossing process Fig. 4 Multi bending process 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 지난몇년동안의연구를통해플럭스라미네이티드스트립의개발을완료하였고, 다른브레이징합금과비교하여우수한특성을갖는다는것을확인하였다. 실험에사용한브레이징합금으로는 solid wire + 플럭스, 플럭스코어드와이어, 브레이징페이스트와새로운플럭스라미네이티드스트립이다. 브레이징합금의조성은 AWS BAg-7 브레이징합금 (56%Ag/22%Cu/17%Zn/ 5%Sn) 을사용하였고, 무게는.25g 으로하였다. BAg-7 브레이징합금은 618 ~652 의용융범위를갖는합금으로브레이징산업에서가장널리사용되고있는재료중에하나이다. 그리고플럭스는 AWS spec FB3A 브레이징플럭스를사용하였다. 접합모재로는폭 5mm * 길이 5mm * 두께 1.2mm 의 34스테인레스스틸판재를사용하였다. 브레이징실험장비로는 digital torch kit를사용하였는데, 그림 7-그림 8은본연구에사용된 digital torch kit의외관과화염세기제어원리를나타내었다. 그림 9는브레이징합금의용융실험전후의외관모습을나타내었다. 35 Journal of KWS, Vol. 24, No. 5, October, 26
대기브레이징개선용플럭스라미네이티드합금 3 높일수있다. PID 방식에의한 gas/ 산소분압제어의원리를그림 8에나타내었다. 3. 실험결과및고찰 3.1 균열의발생거동 Fig. 7 View of digital torch kit Melt test according to flux contents 플럭스라미네이티드스트립의최적플럭스조성을결정하기위해서그림 1에나타낸것처럼라미네이티드스트립에 2, 4, 6, 8, 1, 12% 의플럭스를첨가하여플럭스라미네이티드스트립을제조하여용융실험을하였다. 표 1은 wetting area와 spreadability 를보여준다. wetting area와 spreadability 분석은 image analyzer를이용하였고, 다음식을이용하여계산하였다. ( S S Spreadability = S ) S: wetting area S : filler area before melting Fig. 8 Principle of auto pressure control 그림 11에서보듯이 wetting area와 spreadability 는플럭스첨가량과함께증가하는경향을나타내었다. 2% 플럭스첨가시에는 wetting area가매우작았으며음의 spreadability 를나타내었다. wetting area 와 spreadability 는플럭스증가와함께현저하게증가하였고, 6% 이상에서는일정해지는경향을나타내었다. +2%flux +4%flux +6%flux +8%flux +1%flux +12%flux Before After Fig. 9 Morphology of the specimens by torch 2.2 실험방법실험하는동안일정한화염조건을얻기위해서경브레이징의 digital torch kit을사용하였다. digital torch kit은그림 7에나타낸것처럼일정한화염을제공하고자가스 / 산소분압을제어하기위해 PID 제어방식을사용한다. 균일한화염은실험에서의신뢰성을 Fig. 1 Appearances of samples with various flux contents before & after wetting test Table 1 Spreading area & rate with increasing flux contents Filler area Flux content Speradability after melting before melting [%] S[mm 2 ] S [mm 2 ] (S-S )/S 2 12.197 24.1756 -.4999259 4 22.5679 2.3896.1683555 6 25.737 19.7311.32697158 8 25.7997 2.2798.2721867 1 24.8628 2.1454.23416991 12 24.4513 19.7311.239223887 大韓熔接學會誌第 24 卷第 5 號, 26 年 1 月 351
4 15 13 Wetting area[mm 2 ] 26 24 22 2 18 16 14 12 95 9 85 Temperature[ ]1 8 75 1 2 3 4 5 Melting time [sec] 12 11 1 9 8 7 1 2 3 4 5 (a)temperature (b) Melting time.2 2 4 6 8 1 12 (a) Wetting area Heating rate[ /sec] 12 1 8 Fume weight[g].5.4.3.2.1 Spreadability. -.2 -.4 -.6 2 4 8 1 12 (b) Spreadability Fig. 11 Wetting area and spreadability according to flux contents 다음으로플럭스첨가량에따른브레이징합금의용융온도, 용융시간, 가열속도및플럭스 residue 양을조사하였고, 그림 12에그결과를나타내었다. 용융온도와승온속도는플럭스첨가량이증가함에따라감소하는경향을나타내었고 ( 그림 12-(a), (c)), 약 6% 이상에서는일정해지는경향을나타내었다. 반면에, 용융시간은증가하는경향을나타내었다.( 그림 12-(b)) 용융실험후 fume & flux residue weight 를조사하였다. fume 과 flux residue 는공기및수질오염발생원이된다. 이들은그림 12 (d), (e) 에나타낸바와같이플럭스첨가량과함께증가한다. 위와같은실험결과로부터플럭스라미네이티드스트립의최적플럭스조성은 5 ~ 6 % 임을알수있었다. Melt test according to alloy form 그림 13은브레이징합금종류에따른플럭스조성을나타낸것이다. solid wire, 플럭스코어드와이어는각각 31.2%, 12.3% 의플럭스를함유하고있었다. 플럭스라미네이티드스트립의경우가장적은 5.4% 의플럭스를함유하고있다. 반면에브레이징페이스트의경우가장많은 33.2% 의플럭스를함유하고있었는데, 이것은페이스트내에는플럭스이외에도바인더성분도함유되어있기때문이다. 각각의브레이징합금시편들을용융하여평균용융시간을측정한결과를그림 14에나타내었다. 브레이징페이스트와 solid wire가다른합금보다용융시간이길 6 1 2 3 4 5 (c) Heating rate Flux residue weigth[g].16.14.12.1.8.6.4.2.. 1 2 3 4 5 (d) Fume weight 1 2 3 4 5 (e) Flux residue weight Fig. 12 Melt tests of flux laminated strip using various flux contents Wetting ratio[%] 1 95 3 2 1 33.2 31.2 12.3 Paste Solid wire Flux cored wire Flux laminated wire Fig. 13 Flux concentration for each alloy form Time[sec] 18 16 14 12 1. 16.8 16.9 Filler melting time [sec] Paste Solid wire Flux cored wire Flux laminated wire 14.1 Fig. 14 Filler melting time 5.4 12. 352 Journal of KWS, Vol. 24, No. 5, October, 26
대기브레이징개선용플럭스라미네이티드합금 5 게나타났다. 그림 15와그림 16은용융실험후브레이징합금단위무게당발생한 fume 과플럭스 reisidue 량을나타낸것이다. fume 발생량은용융실험전후의시편무게차이로측정하였다. 실험결과, 플럭스라미네이티드스트립이다른브레이징합금보다훨씬더적은 fume 을발생하는것을알수있었고, 브레이징페이스트는가장많은량의 fume 을발생하였다. 이것은합금내에있는바인더성분의증발에기인한것으로판단된다. 그림 17은브레이징합금의용융실험후잔류플럭스세척에소요된물의량을나타낸것이다. 이때사용한물의온도는 45 였다. solid wire의경우다른 Weight ratio[m/g/g] Weight ratio (fume[mg]/filler[g])weight ratio 18 179.8 16 49.3 4 2 14.9 7. Paste Solid wire Flux cored wire Flux laminated wire Fig. 15 Fume/Filler weight ratio 12 12.1 4 33.8 2 합금보다훨씬더많은량의물을필요로하였다. 이것은실제 solid wire가가장많은량의플럭스 residue (31.2%) 를함유하고있기때문에용융실험후가장많은량의플럭스 residue 를남기고이를제거하는데다량의물이소요된것으로판단된다. 이전의브레이징합금 (solid wire, 플럭스코어드와이어, 브레이징페이스트 ) 과플럭스라미네이티드합금의브레이징특성을조사하고자동튜브와황동 nipple 조인트, steel 튜브와구리튜브조인트의브레이징실험을행하였고그림 18, 그림 19에그결과를나타내었다. 결과에서보듯이플럭스라미네이티드스트립을이용한조인트가가장적은량의플럭스 residue 를남기고청정한접합부를나타내고있다. 그림 2은 steel 튜브와동튜브조인트의접합부미세조직을나타낸것이다. 모든접합부에서건전한접합부를형성하고있는것을보여주고있다. solid wire와브레이징페이스트의경우접합계면부에서큰 pore와많은 defect 들이관찰되고있다. 이러한 pore와 defect 들은조인트의기계적특성저하를초래한다. 반면에, 플럭스코어드와이어와플럭스라미네이티드스트립의경우접합계면부에서비교적작은 pore만이관찰되었다. 플럭스라미네이티드스트립은플럭스코어드와이어와비교해서보다빨리용융되면서도양호한접합부를형성하는것으로판단된다. Brazing alloy shape Before Solid wire with flux Flux cored Paste Flux laminated 13. 6.6 Paste Solid wire Flux cored wireflux laminated wire Fig. 16 Fume/(Filler+Flux) weight ratio After Fig. 18 Brazing test with copper tube to brass nipple Clean water wieght [ml] 3 37.5 Brazing alloy shape Solid wire with flux Flux cored Paste Flux laminated Water weight[ml] 15 1 5 158.8 158.8 91. Before After Paste Solid wire Flux cored wireflux laminated wire Fig. 17 Cleaning water weight Fig. 19 Brazing test with steel tube to copper tube 大韓熔接學會誌第 24 卷第 5 號, 26 年 1 月 353
6 4. 결론 (a) (b) 본연구에서는플럭스와합금을하나의형태로제공할수있는플럭스라미네이티드스트립을개발하였다. 실험결과로부터플럭스라미네이티드스트립이많은장점을가지고있는것을알수있었다. 플럭스라미네이티드스트립은과잉의플럭스를사용하지않으면서도양질의조인트를얻을수있다. 또한, fume 발생량과세척비용을감소시킬수있다. 결론적으로, 플럭스라미네이티드브레이징합금은일반적인대기브레이징공정에널리사용될수있다. 참고문헌 (c) (d) Fig. 2 Microstructures of the steel & copper tube joint brazed at 75, using a propane/ oxygen mixed gas flame with; (a) solid wire, (b) flux cored wire, (c) paste and (d) flux laminated strip 1. G. Humpston and D. M. Jacobson : Principles of Soldering and Brazing, ASM International, 21 2. M. Schwartz : Brazing: For the Engineering Technologist, Chapman & Hall, 1995 3. M. G. Nicholas : Joining Process, Kluwer Academic Publishers, 1998 4. AWS Committeeon Brazing and Soldering : Brazing Handbook fourth edition, AWS, 1991 5. Handy and Harman : Brazing Book, 22 6. Mel M. Schwartz : Brazing, ASM International, 199 7. F. Danhiel : Flux-Cored Filler Rods for Torch Welding, Welding Journal, Apr. (1947) 8. T. Schindler : Evaluating E71T-11 Flux Cored Electrodes for Structural Carbon Steel Applications, Welding Journal, May. (1992) 신영식 ( 申榮植 ) 196년생 서경브레이징 금속접합자동화및응용기술 e-mail : skb984@unitel.co.kr 이영섭 ( 李永聶 ) 1975년생 인하대학교금속공학과 금속 / 금속이종재료접합 e-mail : yslee815@yahoo.co.kr 이지환 ( 李智煥 ) 1952년생 인하대학교신소재공학부교수 금속 / 금속, 금속 / 세라믹이종재료접합 e-mail : inhalee@inha.ac.kr 354 Journal of KWS, Vol. 24, No. 5, October, 26