브레이징은 접합기술중 사용범위가 광범위하고 그 응용범위가 넓다고 말할 수 있는데 아직도 국내에서는 그 원리와 사용방법이 제대로 보급되지 않아 널리 사용되지 못하고 있다.
브레이징 접합형태는 설계방법에 따라 다양한 형상을 만들수 있으나 그 저변에 깔리는 원리는 크게 두가지로 나눌수 있다. 즉 맞대기(Butt)접합과 겹치기(Lap)접합으로 나눌수 있다.
접합 설계시 이러한 접합을 조합하거나 혹은 형상에 따라 따로 설계하여 원하는 접합설계를 해야 할것이다. 무엇보다도 접합설계를 하는 데 있어서 고려해야 할 사항은 아래와 같다.
브레이징 접합설계시 고려사항
접합간격(Joint Clearence)
접합간격은 브레이징합금의 종류, 접합면의 깊이, 접합모재의 종류 등에 따라 달라져야 한다. 특히 접합면이 깊은 경우 용융브레이징 합금(Molten Brazing Alloy)이 플럭스를 이동시켜야 한다. 물론 이때 이러한 이동을 위하여 더 넓은 접합간격이 필요하다. 또한 접합 모재
가 이종금속인 경우 앞에서 언급한 바와 같이 열팽창계수를 고려해야 한다. 브레이징 합금의 경우 용재의 종류에 따라 각기 다른 접합 간격이 필요하다.
은 브레이징 합금(Silver Brazing Alloys)
Aws Spec BAg-1이나 BAg-1a와 같이 유동성이 좋은 합금의 경우 최고의 강도를 얻기 위해서는 0.5∼0.20m/m의 접합간격이 필요하다. 이와 반대로 BAg-2, BAg-3, BCup-5와 같이 유동성이 나쁜합금은 최고의 강도를 얻기 위하여 0.15∼0.30m/m의 접합 간격이 필요하다.
동브레이징 용재(Copper Brazing Filler Metal)
대부분이 철과 철의 접합시 많이 사용된다. 용융동(Molten Copper)은 철에 매우 잘 흐르며, 매우 좁은 공간이라도 잘 흘러 들어간다.
이상적인 접합간격(Joint Clearence)은 0.05∼0.10m/m이다.
솔더 용재(Soft Solder Filler Metal)
솔더의 경우 용재의 침투가 용이하게 하려면 브레이징용재 보다는 커야 하며 일반적으로 0.15∼0.3m/m사이가 적당하다. 솔더 용재의 경우 브레이징 합금보다 표면장력이 떨어지는 경향이 있어 접합면 바깥으로 도망가는 경우가 많다. 따라서 이러한점들이 고려되어 접합설계가 이루어져야 한다.
상기 사항은 일반적인 사항을 말하는 것으로 항상 일치하는 것은 아니다. 상기사항은 파이프와 파이프를 끼웠을때의 수치이며 다른 형상일때 그 수치는 달라질 수 있다.
팽창 및 수축
흔히 제품을 설계할때 상온(Room Temperature)상태에서 설계하기가 쉽다.
앞에서도 언급한 바와 같이 실지 브레이징온도에서의 접합간격을 고려해야 한다. 특히 이종금속의 경우 심각한 문제를 일으킬 수도 있다. 예를 들면 50.8m/m외경의 동튜브는 상온에서 648℃까지 가열시 0.56m/m가 늘어난다. 한편 탄소강의 경우 0.41m/m가 늘어날 것이다.
따라서 동튜브에 탄소강 튜브를 끼워서 브레이징할 경우 상온상태에서 이상적인 접합간격에 0.15m/m를 더해야만 브레이징 온도에서 이상적인 접합간격을 얻을 수 있다. 제품이 크고 낮은 열팽창율을 가진 부품내에 고열팽창 부품을 브레이징시 수축응력을 견딜만한 브레이징 합금을 찾기가 힘들때가 있다.
이때는 일반적으로 BAg-3와 같이 고액상선이 비교적 길고 유동성이 나쁜 용재를 사용하는 것이 좋다.
프렌지의 브레이징시 내경(Hole)쪽을 국부가열할 경우 내경이 줄어들고 접합계면(Gap)이 줄어들어 얇은 브레이징 층을 형성할 것이다. 브레이징후 이 얇은 층이 크랙(Crack)이 갈 가능성이 많다.
이때는 가열을 천천히 하거나 예열을 하거나 기존보다 Gap을 더 크게 설계해 주어야 한다.
고열팽창 부품내에 저열팽창 제품을 브레이징시는 상온상태에서 이상적인 접합간격을 유지했다 하더라도 브레이징온도에서는 너무 큰 접합간격을 유지 할 것이다.
따라서 상온에서 공차를 더 Tight하게 해야 한다. 아뭏든 브레이징후 냉각 할 경우 약한 부품이 수축으로 인해 약간 변형되는 경우도 있다. 다음 <표 1>은 상온에서 브레이징온도(648℃)까지 가열시 25.4m/m Dia 당 열팽창 길이를 재료에 따라 나타 낸 표이다.
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재 료
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열팽창 길이
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황동, 300계열 스텐레스 강, 인청동, 알브론즈
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0.30 ∼ 0.33 m/m
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동, 베릴륨동, 큐프로니켈, 니켈
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0.25 ∼ 0.28 m/m
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탄소강, 400계열스텐레스강, 모넬
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0.20 ∼ 23 m/m
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회주철
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0.18m/m
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텅스텐카바이드
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0.10m/m
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<표 1> 브레이징온도에서 재료별 열팽창 길이(25.4m/m Dia.당)
기타 제품설계에 미치는 인자들
대부분 브레이징 제품의 가장 주 관심사는 강도이다.
그러나 접합설계나 브레이징 합금의 선택에 영향을 미치는 여러가지 인자가 있다.
전기전도도 필요에 따라 전기전도도가 중요한 경우 접합면(layer of filler metal)이 엷어야 하며, 접합되는 면적도 적어야 한다.
내기밀성이나 내압이 요구
일반적으로 맞대기(Butt)접합 설계보다 겹치기(Lap)설계를 해야 한다.
또한 Flux나 Fume을 잘 빠져나가게 설계해야 브레이징 접합면에 기포를 품지 않는다.
내부식성(Corrosion-resistance)이 요구된 경우
일반적으로 브레이징 합금과 영향이 많으며 내식성 재료는 은, 금, 파라디듐(Palladium)등을 함유한 합금이다. 또한 가능하면 접합면이 Tight 해야 하며 브레이징 용재를 작게 사용해야 한다. 이는 브레이징 접합면이 공기에 가능하면 적게 노출되어야 하기 때문이다.
접합부의 형태
접합형태는 다양하겠으나 크게 맞대기(Butt)접합과 겹치기(Lap)접합으로 나눌 수 있으며 모든 접합면(Joint area)은 이 두가지 범주에 들거나 복합된 형태의 접합이 될 것이다.
맞대기 접합(Butt Joint)
맞대기 접합에는 크게 면과 면의 접합 또는 관과 관의 접합이 있을 수 있으며, 이런 접합의 준비작업은 비교적 단순하다. 그러나 접합면의 양(The amount of bonding surface)에 따라 강도가 좌우된다. 맞대기 접합의 경우 강도에 한계가 있을 수 밖에 없다.
겹치기 접합(Lap Joint)
겹치기 접합에는 크게 면과 면의 접합 또는 관과 관의 접합이 있다.
상기와 같이 크게 맞대기 접합(Butt Joint)과 겹치기 접합(Lap Joint)으로 나눌 수 있다.
이러한 모든 것이 조합되어 다양한 접합형태(Joint area)가 창출될 수 있다.
겹치기(Lap) 접합시 적당한 겹치기 길이를 산정하는 방법
맞대기(Butt)접합의 경우 겹치는 부분을 산정한다는 것은 별의미가 없으나 겹치기(Lap)접합의 경우 겹치는 부분의 길이(Length of lap)는 대단히 중요한 의미를 가진다.
일반적으로 겹치기 (Lap) 접합의 경우 얇은 면을 기준으로 하여 최소한 3배 이상이 겹치게 설계하는 것이 상식이다. 만일 3배 이상 겹치게 한다면, 접합강도(Joint strength)의 증가 없이 브레이징 용재(Brazing alloy)만 소진하는 결과가 올 것이다. 3배 이하이면 접합후의 강도가 저하될 것이다. 일반적으로 은합금(Silver alloy)을 사용하여 최고의 접합 강도를 내고자 한다면 <표 2>를 참조하면 된다.
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약한 면의 인장 강도
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겹치기 길이 (Lap Length)
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35,000 PSI
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2 × W
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60,000 PSI
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3 × W
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100,000 PSI
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5 × W
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130,000 PSI
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6 × W
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175,000 PSI
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8 × W
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<표 2> 겹치기(Lap)길이 산정표
이 공식을 사용하기 위하여 약한 모재의 인장강도를 알아야만 한다.
다음의 공식들은 평면과 관형의 겹치기 길이를 산출하는 공식이다.
공식1) 평면의 겹치기 길이(Length of lap)
TW
X = ------
CL
X = 겹치기 길이 (Length of lap)
T = 약한 쪽의 인장강도
W = 약한 쪽의 두께
C = 일반적인 접합 Factor 0.8
L = 브레이징의 전단강도(Shear strength)
(대표적인 은합금의 전단강도는 25,000 PSI 이다.)
예) 0.050" 두께의 어닐링된 모넬(Annealed monel)판재에 이와 동등하거나 이상의
강도의 금속을 맞대기 브레이징하고자 할 때 맞대기 길이는? (물론 브레이징을
위하여 은합금을 사용한다.)
답) C = 0.8
T = 70,000 PSI (Annealed monel sheet)
W = 0.050"
L = 25,000 PSI
TW
X = ------ 이므로
CL
X = 70,000×0.050"/0.8×25,000 = 0.18" Lap length
공식2) 관형 겹치기 길이 산정공식
W(D-W)T
X = ------------
CLD
X = 겹치기 길이
W = 약한 쪽의 두께
D = 겹치기 면의 Diameter
T = 약한 쪽의 인장강도
C = 일반적인 접합 Factor 0.8
L = 브레이징의 접합면의 전단강도(Silver alloy = 25,000PSI)
예) 3/4" O.D 동관(두께 0.064")과 3/4" I.D.강 튜브 접합시 이상적인 겹치기 길이는?
답 : W = 0.064"
D = 0.75"
C = 0.8
T = 33,000PSI(Annealed copper)
L = 25,000PSI
X = 0.064"×(75-0.064)×33,000/0.8×0.75"×25,000
= 0.097" (Length of lap)
스트레스를 분산시키는 제품 설계방법
제품을 설계할때 비록 브레이징이 잘 되어 있다하더라도 스트레스가 모인 어느 한 부분이 있다면 어떤 힘이 가해질때 그 약한 부분이 끊어지거나 손상 될 것이다. 따라서 이러한 현상을 방지 시키기 위하여 여러가지 방안이 있을 것이다.
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스트레스가 집중된 설계 예 |
해결책 A
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해결책 B
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스트레스가 집중된 부분 |
약한쪽을 보강 |
두꺼운쪽을 얇게하여 스트레스 분산 |
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스트레스가 집중된 부분 |
양쪽부품을 두껍게하여 강화함 |
접합면을 넓혔음 |
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스트레스가 집중된 부분 |
약한쪽을 보강 |
약한쪽을 보강 |
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스트레스가 집중된 부분 |
스트레스를 줄이기 위해 설계변경 |
스트레스가 분산되게 설계 |
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