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제목	각종 브레이징 방법

분류	도금/열처리 > 각종열처리	작성일	2006.10.14

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각종 브레이징 방법

브레이징 방법(Brazing Process)은 가열방법에 따라 다양하게 나눌 수 있다.
토치(Torch)를 가지고 브레이징하는 토치 브레이징(Torch Brazing), 로내에서 브레이징하는 로 브레이징(Furnace Brazing), 유도 가열을 열원으로 하는 유도 브레이징(Induction Brazing), 가열된 용액에 넣어서 브레이징하는 침지 브레이징(Dip Brazing), 저항열을 사용하는 저항 브레이징(Resistance Brazing) 등이 주로 산업용으로 널리 사용되며 기타 특별한 공정들이 있으나 극히 제한적으로 사용된다.

토치브레이징 (Torch Brazing)

브레이징 방법 중 가장 널리 사용되는 공법으로 다양한 Gas를 열원으로 사용한다.
특히 수동 토치 브레이징(Manual Torch Brazing)의 경우 가장 손쉽게 브레이징을 할 수 있는 공법이다.
토치 브레이징은 크게 수동 토치 브레이징(Manual Torch Brazing)과 자동 토치 브레이징(Auto Torch Brazing)으로 나눌 수 있다. <그림 1>은 수동 브레이징 장면을 나타낸 것이며 <그림 2>는 자동 브레이징 장면을 나타낸 것이다.
Torch 브레이징에 사용되는 연료는 다음과 같다.

●토치 브레이징에 사용되는 연료

가장 범용으로 사용되는 가스는 아세틸렌(Acetylene), 천연가스(Natural Gas), 프로판(Propane), 수소(Hydrogen), 혼합가스 등이다. 따라서 이 가스들의 특징을 알아본다.

■아세틸렌(ACETYLENE)
아세틸렌 가스는 매우 불안정한 탄소와 수소의 화합물(C2H2)이므로 열을 가하거나 압축하여 압력을 올리든지 하면 곧 분해하여 폭발한다. 그러므로 그늘진 곳에 안전하게 보관하여야 한다.
이것은 아세틸렌 가스에 불순물이 있기 때문이며 동, 황동 등의 기구와 접촉하면 폭발성 화합물, 즉 아세틸라이드(Acetylide)가 생기는 원인이 되므로 주의해야 한다.

따라서 이와 같이 폭발 위험성이 크므로 O2와 CO2와 같은 가스상태로는 저장하기가 곤란하다. 아세틸렌은 일반적으로 봄베에 저장되는데, 그 이유는 아세톤(Acetone(CH3)CO)에 잘 용해(부피의 약 25배 정도)되는 성질이 있으므로 고압 용기속에 다공질의 물질을 넣어 아세톤을 흡수시키고 아세틸렌을 15kg/cm2까지 충전시킨 것을 아세틸렌(Dissolved Acetylene)이라 한다.
용해 아세틸렌은 그 취급이 용이하고 경제적이며 폭발위험이 적으므로 많이 사용하고 있다.
아세틸렌은 완전 연소하기 위하여 산소와 반응한다.
반응식은 C2H2+2.5O2=2CO2+H2O이며, 최고 불꽃온도는 약 3,127℃이다.

■프로판(PROPANE)
프로판은 일반적으로 봄베로 사용되고 있으며 현재 가장 다용되고 있는 연료 중에 하나이다. 최고 온도는 약 2,526℃ 정도되며 화학식은 C3H8+5O2=3CO2+4H2O이다.

■천연가스(NATURAL GAS)
자동화에 널리 사용되고 있으며 일반적으로 성분은 메탄으로 이루어져 있다.
화학식은 CH4+2O2=CO2+2H2O이다.

■수소(HYDROGEN)
이 가스는 연소시 거의 눈에 보이지 않으며 불꽃 최고 온도는 약 4,820℃이다.
화학식은 2H2+O2=2H2O이다.
<표 1>은 일반적으로 사용되는 GAS의 특징을 나타낸 것이다.

<표1>일반적인 연료가스의 특징

연료가스

화학식

비중

연소비

화염온도(℃)

1차 염열량

2차 염열량

총열량

아세틸렌

C2H2

0.906

2.5

3,127

507

963

1,470

프로판

C3H8

1.52

5

2,526

255

2,243

2,498

천연가스

CH4

0.62

2

2,538

11

989

1,000

수소

H2

0.07

0.5

4,820

325

●수동 Torch를 이용한 브레이징 방법

간단한 파이프와 파이프의 브레이징에 대해서 알아보고자 한다.
■토치 불꽃 맞추는 방법

<그림 3>과 같이 살짝 환원염(Reducing Flam)으로 맞추여야 한다. 즉 연료가스가 산소보다 더 많게 맞추어야 하며 브레이징하고자 하는 모재를 충분히 감쌀 수 있게끔 크고 부드러운 불꽃을 창출할 수 있는 토치를 선택하는 것이 좋다.
물론 브레이징해야 할 제품에 따라 다양한 토치 엔지니어링이 있을 수 있다.

■토치 브레이징 방법
·접합면 끝단부위 12∼24mm 정도의 거리에서 가열하는 것이 적당하며 가열시 전후 좌우 등으로 일정하게 가열해야 한다.
·모재가 브레이징 온도(대부분의 Flux가 약간 굳어져서 계란 삶은 모양의 상태에서 완전히 물처럼 투명하게 된 상태)까지 도달할 때 토치 불꽃을 약간 뒤로 빼고서 접합면에 정확히 용재를 주입해야 한다.
그때 용재는 접합면에 완전히 침투하면서 항상 더 많이 가열된 쪽으로 흐른다는 것을 명심해야 한다.

완전히 침투된 뒤에 약간 열을 더 가하여 모재와 용재가 완전히 결합하도록 해야 한다.
침투만 되고 완전히 결합해지지 않을 때 접합강도는 현저히 저하한다.
·열 가열하는 방법은 <그림 4>와 같이 제품의 형상에 따라 다르다.

●자동 기계를 이용한 Torch Brazing 방법

수동 Torch로 하였을 경우 작업성이 떨어질수밖에 없다. 물론 소량일 경우 수동 Torch가 이상적이나 대량 생산을 해야 할 경우 자동 토치 브레이징 방법을 강구해야 한다.

■주요 사용 연료
수동 Torch와 같이 다양한 Gas가 사용되며 그 가스를 점화할 때 사용되는 산소 공급방법에 따라 다음 두가지로 나눌 수 있다.

방법 1) 가스/산소 혼합방법
가스와 산소를 연소비에 따라 혼합하는 방법으로 주로 벤투리(Venturi Mixor)에 의해 혼합된다. 일반적으로 불꽃이 가늘고 국부적으로 가열이 가능하다. 불꽃이 집적된 관계로 빠른 가열이 가능하다. 토치 팁이 소형이며 압력에 따라 불꽃이 예민하다.

방법 2) 가스/공기 혼합방법
공기중의 산소를 사용하여 연소시키는 방법으로 공기를 제공하는 소스(Source)는 압축공기(Compressed Air)나 셀프 블로워(Self Blower)에 의해 공급된다. 물론 섞는 기구는 주로 Venturi Mixor가 사용된다. 일반적으로 불꽃이 굵고 길며 넓은 면의 가열이 가능하다. Gas/산소 불꽃보다 가열효과가 떨어지나 브레이징 자동화를 위해서는 널리 사용된다.

■주요 사용 원리
자동 토치 브레이징을 위해 사용되는 주요 메커니즘은 컨베이어(Conveyor), 인덱스(Index Drive Unit), 로봇(Robot) 등이 사용되며 생산수량 및 제품특성에 따라 다양한 엔지니어링이 가능하다.
참고로 <그림 5>는 자동 브레이징 기계의 예를 나타낸 것이다.

<그림5>자동토치 브레이징 기계

로 브레이징 공정(Furnace Brazing Process)

로 브레이징 공정(Furnace Brazing Process)은 브레이징 로(Brazing Furnace)를 사용하여 450℃ 온도에서 어떤 환원성 가스(수소-질소, 분해 암모니아, LPG 및 LNG 등)를 사용하거나 진공(Vacuum)상태에서 양모재를 접합하는 방법이라 할 수 있다.
브레이징 로(Brazing Furnace)는 산화열이나 전기열을 사용하여 가열하는 장치로 직접열을 사용하거나 간접열을 사용한다. 일반적으로 진공 로를 제외한 대부분의 브레이징 로는 환원성 분위기나 불활성 분위기(Inert Gas Atmosphere)를 가지고 있다.
아는 바와 같이 브레이징 로는 청정한 제품(산세 등 후처리가 필요없는 제품)을 만들기 위한 목적에서 사용되고 있다. 즉 토치 브레이징시 환원성 분위기를 만들기 위하여 플럭스를 사용하며 이 플럭스를 제거해야 하는 세척공정이 추가되어야 한다.

로 브레이징의 특징

로내에서 제품 전체가 가열된다.
정밀한 온도 제어가 비교적 쉬우며 균일한 품질을 얻을 수 있다.
대량 생산에 적합하다.
브레이징시 브레이징제품이 산화되지 않기 때문에 깨끗한 제품을 얻을 수 있다. 따라서 산세척, 그라이딩 등 부대공정이 필요없다.
밀봉제품의 경우 FLUX 제거가 곤란할 경우 로 브레이징이 좋다.
다른 브레이징보다 고강도 및 좋은 브레이징 JOINT를 얻을 수 있다.
복잡한 제품의 브레이징이 용이하다.

참고로 <표 2>는 각 산업별로 브레이징 가능 품목을 예시한 것이다.

<표2>각 산업별 로 브레이징 가능 품목

자동차부품

냉동공조부품

기타 산업

1) 연료LINE

1) 열 교환기

1) 항공기부품

2) 브레이크LINE

2) 드라이버류

2) 전기 전자부품

3) 에어컨부품류

3) 컴프레서부품류

3) HEATER류

4) 기어류

4) 기타 철, 동 관련부품의 접합

4) 초경 및 다이아몬드 공구 접합

5) FILTER류

5) 각종 액세서리 접합

6) 기타 각종 철 관련부품의 접합

6) 마이크부품

7) 각종 가정용품 브레이징

8) 기타 철, 동, 스테인리스부품

<그림 6>은 각종 로 브레이징 가능품목을 예시한 것이다.
<그림 7>은 현재 로 브레이징(Furnace Brazing)이 완료된 제품을 모아서 사진을 찍어놓은 것이다.
<표 4>는 로 브레이징시 각종 문제점들에 대한 대처사항을 기술한 것이다.

<그림6> 각종 로 브레이징 사례

<그림7>각종 로 브레이징된 제품

<표4>브레이징에 사용되는 주요 분위기

원 료	최고 DEW POINT	조성(%)				용재	모재
원 료	최고 DEW POINT					용재	모재
① 연소연료가스(저수소)	상온	5-1	87	5-1	11-12	BAg, BCup RBCuZn	동, 황동 동, 황동
② 연소연료가스(탈탄)	상온	14-15	70-71	09월 10일	05월 06일	Bcu, BAg, BCup RBCuZn	저니켈 모넬, 중탄소강
③ 연소연료가스(건조)	-40℃	15-16	73-75	10월 11일		Bcu, BAg, BCup RBCuZn	저니켈 모넬, 중탄소강중고 탄소강, 모넬니켈합금
④ 연소연료가스(탈탄 건조)	-40℃	38-40	41-45	17-19		Bcu, BAg, BCup RBCuZn	저니켈 모넬, 중탄소강중고 탄소강
⑤ 분해 암모니아	-54℃	75	25			Bcu, BAg, BCup BCuZn, BNi	①, ②, ③, ④에 추가하여 크롬 함유 합금
⑥ N2+H2	-68℃	01월 30일	70-79			〃	③번과 같음
⑦ N2+H2+C	-29℃	02월 20일	70-79			〃	④번과 같음
⑧ N2	-68℃		100			〃	③번과 같음
⑨ 탈산소 수소	-59℃	100				〃	⑤번, 코발트, 텅스텐,카바이드
⑩ 정제 Inert Gas							⑤번, 타이타늄, 지르코니윰,하프니윰 등

<표5> Furnace Brazing 문제점 해결 Guide

문 제 점	원 인	해 결 책
1. 로 장입전 모재에 공급되었던Brazing Alloy가 유실되거나 흘러내릴 경우	모재에 오일이나 오염물질	-정확한 위치에 Brazing Alloy를 첨가할 것 -중력을 고려하여 Brazing Alloy를 첨가할 것 -오일이나 오염물 및 윤활제 제거할 것
2. Brazing Alloy가 로 공정시 튀기거나 흘러내릴 경우	오일이나 오염물질	-로내의 온동 상승률을 늦출 것 -로 온도를 낮출 것 -오일, 오염물, 윤활제를 제거할 것
3. 로 공정후 접점면 아래부분에서 Brazing Alloy가 구상화되거나 뒤범벅될 경우	부적절한 Brazing Alloy 적용	-Brazing Alloy량을 줄일 것 -가능한한 중력을 고려하면서Brazing Alloy를 제공할 것
4. 로 공정후 검은 Carbon 찌꺼기가 남을 경우	-화학적 불순물이나 오염물질 -Dew Point가 높을 경우	-화학적 청정작용 확인 요망 -모재에 이상이 없을 경우 Dew Alloy를 제공할 것
5. 접합재가 Coating되거나 반짝거릴 경우	로의 너무 급속한 온도 상승	-로의 온둥 상승률을 낮출것 -로의 온도를 낮출것
6. 원하지 않는 부분이 Brazing 되거나 충전재에 의해 Coating 될 경우	Brazing Alloy 첨가 위치가 다를 때	-Brazing Alloy첨가 위치를 교정할 것 -Brazing Barrier등을 사용하여 Coating 방지부분을 덮을 것
7. Brazing Alloy가 접합부분에 흘러 들어가지 않고 구상화되거나 뒤범벅될 경우	-산화물이나 불순물 -로내의 송풍시 불순물 -로내로 통풍되는 공장내의 공기	-로내의 Gas량을 증가시킬 것 -로 분위기내의 수소함량을 높일 것 -공기오염 방지를 위해 로구를 최소화할 것 -중력을 고려하여 Brazing Alloy첨가 -윤활제 제거 -접합면을 좀더 거칠게 할 것(표면장력 때문임)
8. 접합재 사이에 Brazing Alloy가 완전히 채워지지 않을 경우	-기름,먼지,산화물 등 불순물 -접합재 사이의 Gap이나 둥근 모서리가 생길 때 -접합부분이 너무 밀착되었을 때	-로내 유지시간을 길게 할 것 -온도를 높일 것 Brazing Alloy첨가량을 늘릴 것
9. Brazing Alloy가 접합재 사이로 들어가지 않고 나왔을 때	-Brazing Alloy가 흐르지 못하게 하는 방해물이나 인위적인 구멍의 모서리가 형성되었을 경우 -로공정 중 접합재의 죄어진 부분이 벌어졌을 때	-충전재 첨가위치를 바꾸거나 접합재위치를 바꿀것 -중력, 질량, 온도 상승률 등을 종합적으로 검토할 것 -좀더 무거운 모재에 Brazing Alloy를 위치하게 할 것
10. 접합재 사이가 로 작업시 벌어졌을 경우	-접합재의 Press고정시 -상이한 재료나 부분의 접합시 불균일한 팽창 -고온에서 무너질지도 모르는 비지탱부분이 있을 경우	-Press압을 조정 -접합?고정에 신경을 쓸 것
11. 접합부분이 샐 때(누수될 때)	- 불순물, Rounded Corner, Gap등이 있을 경우 -모재나 충전재에 기공이 있을 경우	-세척작업을 청결하게 할것 -적절한 Press,Fit를 유지할 것
12. 접합강도가 약할 때	-접합간격이 너무 벌어졌을 때 -접합재 고정시 Press압력 -상이한 재료 또는 부분 접합시 서로 다른 열팽창 -기름이나 Lead Bearing 윤활제와 같은 불순물 -접합재가 Brazing된 후 고상화 될때 움직였는지의 유무 -시안화물에 열이 가해지거나 물에 Quenching될 때와 같이 Brazing후 격렬한 처리시	-접합간격을 좁힐 것 -Press압을 조정 -로 유지시간을 늘릴 것 -로 온도를 높일 것
13. Brazing부분이 퇴색되었을 때(Copper Coating된 표면은 호색을 띄지만 강의 표면이 퇴색될 때)	-수소/수증기 또는 / -불순물	-로분위기에서 표면 냉각작용을 수행할 것 -응축 Tube를 청결하게 하거나 Gas내 수분함량의 감소작업을 할 것 -H와 Co가 최대가 되도록 조절 -가능한한 통기물을 거르기 위해 가열 냉각대에 Gas유동량을 조절 -로 냉각대에서 수분흐름을 냉각대선상에서 수분의 응축이 되지 않을 만큼 천천히 할 것
14. Braazing부분이 퇴색되었을 때(Copper Coating된 표면 모두 퇴색)		-Gas량을 높일 것 -통기물의 방지를 위한 로의 끝에 Hood나 Screen을 설치할 것
15. 공기에 누출될 때나 퇴색되었을 때		-냉각대의 수량을 증가시킬 것 -로 이동시간을 줄일 것 -Flame Curtain을 설치하여 열을 축소시킬 것 -물 Jacket을 깨끗하게 할 것

아울러 로 브레이징(Furnace Brazing)시 수반되는 기술적인 사항을 언급하고자 한다.
브레이징 분위기는 앞에서도 언급한 적이 있으나 다시 한번 언급하고자 한다.
<표 3>은 브레이징시 사용되는 주요 분위기를 나타낸 것이고 <표 5>는 진공 분위기를 나타낸 것이다.
<표 5>에서 보는 바와 같이 브레이징 분위기에 따라 사용되는 용가재 및 모재가 다른 것을 볼 수 있다. 따라서 올바른 로 브레이징을 위해서는 모재에 따라 로의 종류 및 분위기가 다를 수 있으며, 또한 분위기에 따라 브레이징 용재의 선택에 유의해야 한다.

<표5>진공 분위기 (Vacuum Atmosphere)

AWS 분위기 Type	진공 압력	용 재	모 재
10	2torr 이상	BCup, BAg	동
10A	0.5∼2torr	BCu, BAg	저탄소강, 동
10B	0.001∼0.5torr	BCu, BAg	탄소 및 저합금강, 동
10C	1×10-3torr 이하	BNi, BAg, BALSi, Ti합금	내부식강, 알루미늄, 티타늄,지르코늄, 난용성 금속

특히 로 브레이징시 간과해서는 안될 중요한 사항 중 하나가 브레이징해야 할 모재나 브레이징 용재내의 원소의 기화점(Vaporization Point)을 체크해야 한다.

<표 6>과 <그림 8>은 주요 원소의 기화점을 나타낸 것이다.

<그림8>주요 원소의 압력과 기화온도의 상관관계

<표6>주요 원소의 용융점 및 기화온도(。C)

주요 원소 Major Element	용융점 Melt Point	기화온도 Vaporization Point
카드뮴(Cadmiun)	320	764
동(Copper)	1082	2759
망간(Mangnamese)	1244	2149
니켈(Nickel)	1454	2729
은(Silver)	960	2210
주석(Tin)	226	2268
아연(Zine)	419	906

<표 6>에서 보는 바와 같이 카드뮴이나 아연같은 경우는 기화온도가 대단히 낮아서 로 브레이징시 이러한 류의 원소가 장입되는 것은 억제해야 한다. 특히 <그림 8>에서 보는 바와 같이 압력이 낮아질 경우 기화온도가 급속히 감소하는 것을 볼 수 있다.
특히 진공 브레이징의 경우 이 기화현상 때문에 많은 제약이 따를 수 있다. 진공 브레이징시 모재 및 브레이징 합금의 원소 하나하나의 기화점을 체크하는 것은 대단히 중요하다.
또한 브레이징시 기화하는 온도가 낮은 금속은 브레이징시 기화하여 날아다니다가 인체에 들어가서 작업자의 건강을 해치게 하기도 한다. 특히 로 브레이징시 기화현상은 브레이징을 하는데 방해를 하며 로벽에 불순물을 만들기도 한다. 가장 쉬운 예로 황동제품을 암모니아 분해로에서 BCup용재로 브레이징시 모재가 상해서 나오는 이유 중에 하나가 아연의 기화현상 때문이다.

따라서 Vapor를 억제하면서 로 브레이징을 하고자 할 때 플럭스를 사용해야 하는 경우가 있으며, 이 Vapor현상을 억제하고자 한다면 열을 빨리 올리는 방법(예:Induction Heating, 강한 Gas 급가열 등)도 좋은 방법 중 하나이다.
이상과 같이 로 브레이징 방법에 대하여 알아보았으며 이해를 돕기 위해 미국의 Hoyt Equipment사의 로 브레이징 사례를 소개하고자 한다 <그림 9>. 이 회사는 원래 <그림 9>의 ?와 같이 토치 브레이징(Torch Brazing)을 하였으나 로 브레이징(Furnace Brazing)으로 브레이징을 하여 2000%의 생산성 향상을 이루었다고 한다.

?는 로에 장입하고 있는 장면을 나타내고 있으며 ?는 브레이징 판재(Shim)와 함께 트레이에 조립되고 있는 장면을 나타낸 것이며, ?는 트레이에 올려진 부품들이 브레이징 로에 장입되고 있는 장면이다.
?는 로에 장입된 후 15분후에 브레이징이 완료된 상태이며, ?는 두 접점 조립품이 전기 Rotor에 조립 완성품이다.
이 회사는 분위기를 사용하기 때문에 플럭스가 필요없으며 깨끗한 브레이징 제품을 얻을 수 있었다.

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