브레이징부의 결함과 대책

1. 삽입금속 흐름 불량

 

 이 불량은 가장 많이 발생하는 결함으로 주로 대형의 보이드 형태로 나타난다. 외관으로 판별할 수 있는 경우도 있지만, 대체로 X선 혹은 초음파 검사나 단면조직 검사 등으로 판별할 수가 있다.

이러한 불량 발생 원인은 다양하므로, 단순하게 해결 할 수는 없지만, 다음과 같은 요인과 대책이 있다.

 

 1) 접합부의  설계 불량

 

접합부 간격이 좁은 경우, 특히 0.025mm 이하가 되면 삽입금속이 흘러서 채우지 못하고, 대형의 보이드를 형상하는 경우가 많다. 파이프의 접합에서는 조립이나 체결이 불량하여 부분적으로 간격이 불균일하게 되면, 모세관 압력의 차이가 발생하여 넓은 쪽에서 용융 삽입금속의 흐름을 저해한다. 따라서 모재/삽입금속의 조합에 따라서 적정 간격을 유지하고, 경사지게 조립하지 않도록 관리하여야 한다.

 

2) 전처리 불량

 

모재와 삽입금속을 구입할 당시에는 비교적 청정하지만, 오랜 시간 동안 보존하면 보존 조건에 따라서 표면이 산화하거나 이 물질 기름 등이 부착한다. 이 원인으로 용융 삽입금속의 흐름성을 저해시킨다. 이 경우 브레이징 작업 전에 아세톤이나 신나 또는 약 5~10%의 황산 희석액으로 처리하여 표면을 청정하게 할 필요가 있다.

 

3) Flux 및 분위기 선택의 오류

 

플럭스 및 분위기를 삽입금속 및 모재에 따라 적합한 것을 사용해야 하는 데 잘못 선택하면 젖음성(Wettability)이 좋지 않아 용융 삽입금속의 흐름성을 불량하게 한다. 예를 들면, 스테인리스강을 BAg 삽입금속으로 브레이징하는 경우, 붕사나 붕산의 플럭스를 사용하면 보이드가 발생한다. 이와 같은 경우에는 불화물을 적당량 함유한 것을 사용하여 야만 모재면을 청정하게 할 수 있다. 또한 분위기 브레이징하는 경우 분위기 Gas배합과 노점 관리를 잘못하면 발생하기 쉽다.

 

4) 가열온도

 

가열방법의 선정이 부적당하거나 필요 이상으로 과열한 경우, 반대로 가열온도가 부족하거나 불균일한 가열은 온도 편차를 생기게 하여 용융 삽입 금속이 균일하게 흐르지 못하여 불량이 발생한다. 이에 대한 대책으로는 로 브레이징에서는 로내 온도를 균일하게 해주어야 하며, 고주파 가열 시는 코일과 모재의 간격, 특히 두께가 다르거나, 투자율이 다른 재료의 경우는 코일 설계에 세심한 배려가 필요하다. 또 토치 브레이징의 경우는 토치 위치, 경사각도, 화염의 조정에 유의하여아 한다. 저항 Brazing에서는 전극의 형상, 재질 등을 고려하여 온도 분포를 균일하게 해야 한다.

 

2. 삽입금속의 부족

 

삽입금속이 부족하면 접합부 간격에 충분히 채우지 못하여 대형 보이드를 형성하게 되고, 간격이 넓은 경우에는 접합부 밖으로 떨어지는 경우도 있다. 특히 모서리 접합부에 많이 발생한다. 따라서 접합부에 채워질 면적을 정확히 계산하여 적정 삽입금속 량을 산정할 필요가 있다. 또한 과열이나 브레이징 시간이 길어지면 용융 삽입 금속이 흘러넘쳐서 부족 현상이 발생하므로 주의해야 한다.

 

3. 핀홀 (Pin hole)

 

접합부에 구형의 작은 보이드로서, 압력시험 등을 행할 때에 극미량의 누설의 원인이 된다. 이것은 주로 전처리가 불충분하여 모재에 부착되어 있는 오염물, 기름등이 탄화되어 발생하거나, 모재에 흡착된 가스 성분이 배출되는 경우에 발생한다. 따라서 모재 및 삽입금속의 전처리를 완벽하게 하고, 가스에 발생할 우려가 있는 재료는 브레이징 온도 근방에서 탈가스처리를 할 필요가 있다.

 

4. 삽입금속의 산화

 

산화하기 쉬운 Zn, Cd, Sn 등이 함유된 삽입금속은 가열에 의해 산화하고 산화가 더욱 진행되면 균열, 핀홀 등이 발생하는 수가 있다. 특히 과열하는 경우에 더욱 발생하기 쉽다. 따라서 적정 브레이징 온도에서 접합하고, 브레이징 시간을 너무 길지 않게 하여야 한다. 특히 재료의 두께가 두꺼워 접합 시간이 긴 경우에는 플럭스 수명이 긴 것을 사용하고, 도포량을 많게 할 필요가 있다.

 

5. 접합부 외부로 삽입금속의 유출

 

삽입금속이 접합부 간격 이외의 부분에 유출되어 품질 전체의 미관을 손상하는 경우의 결함으로 주로 접합부 간격이 넓은 경우 또는 과열이나 장시간 가열하는 경우에 발생한다. 따라서 적정 간격 및 가열 조건을 선택하여야 하고 필요에 따라서 흐름 방지제(Stop off)를 사용하는 것이 좋다. 또한 삽입금속을 필요량 이상으로 사용하지 않아야 하며, 플럭스 도포량도 많지 않도록 주의하여야 한다.

 

6. 플럭스 혼립

 

Flux 사용량이 삽입금속의 량에 비해서 지나치게 많은 경우에는 접합부 간격이 불균일하게 되어 모세관 인력이 변하게 되고 용융삽입금속의 흐름에 난류가 일어나므로 플럭스가 용융삽입금속 안으로 흘러들어 가서 잔존한다. 삽입금속의 흐름 불량과 같은 현상이 발생한다. 따라서 적정한 플럭스 량을 사용하여야 하며 가열을 균일하게 하여야 한다.

 

7. 삽입금속의 균열

 

브레이징 작업 시에 급냉하는 경우 모재의 수축과 삽입금속의 수축이 상이하여 균열이 종종 발생하고, 체결용 도구나 치구의 불량에 의해서도 발생한다. 또한 용융 온도 범위가 넓어 편석 현상이 일어나기 쉬운 삽입금속을 사용하는 경우 가열속도를 느리게 하면 용융온도가 낮은 부분이 먼저 용융되어 남은 부분과 융합되지 않으므로 균열처럼 보인다. 이런 경우에는 접합 부위를 브레이징 온도로 가열한 후 삽입금속을 공급하는 것이 바람직하다.

 

8. 모재의 균열

 

특히 가공 응력을 많이 받은 탄소강, 스테인리스강 등을 급가열하는 경우 잔류 응력에 의해 균열이 발생하기 쉽다. 또한 전기동을 불완전한 분위기에서 가열하면 수소취성에 의해 거북등 보양으로 균열이 발생하는 경우가 종종 발생한다. 따라서 급가열을 피하고 모재의 취성에 대해서 작업 전에 충분한 검토가 필요하다.

 

9. 접합강도 부족

 

설계단계에서 예측한 강도보다 낮은 경우가 종종 발생한다. 이 원인은 전술한 불량으로 인한 것과 접합부의 설계 불량, 삽입금속 및 플럭스 선정의 오류, 브레이징 조건 선정 오류 등에 의해서 발생한다. 이외에도 모재의 연화 현상 및 조대화에 의해 모재의 열화가 일어날 수가 있다. 따라서 작업조건에 대한 기본적인 것을 재검토 확인하여 충분한 강도가 얻어질 수 있도록 세심한 주의가 필요하다.

 

* 출처 - 대한용접-접합학회지 학술논문 / 브레이징 불량 (Brazing Defect) / 저자 강정윤