1-1. 부품 설계시 고려사항

(1) 소재 선택

아래 그림 2-4)는 비철 금속재료를 나타낸 것이다. 비철 금속에는 여러 가지 종류가 있으며, 모재뿐만 아니라 브레이징 합금의 원료로도 사용된다.

부품 제조를 위한 소재의 선택은 기능, 가격, 성능 등을 고려하여야 하며. 브레이징 방법과도 연관이 있음을 유의해야 한다. 특히, 분위기나 진공 브레이징용으로 사용되는 소재는 대기 중에서 브레이징하는 소재와 차이가 날 수 있다. 이는 금속의 증기화 온도나 증기화 압력과 관련이 많다.

 (2) 접합부 형태 

브레이징 접합부의 형태는 일반적인 아크 용접법의 이음부 형태와는 다르다. 브레이징 접합부의 형태는 맞대기, 겹치기, 이들의 혼합 형태 등 3종류로 나눌 수 있다 (그림 2-5 참조).

(가) 접합부 형태의 종류

① 맞대기 이음부

맞대기 이음부 (Butt Joint)란 그림 2-6)과 같이 부품을 서로 맞대어서 접합하는 이음부 형태를 말한다.

맞대기 이음부는 접촉되는 두 면의 면적이 겹치기 이음에 비해 적기 때문에, 브레이징 후 접합부의 강도가 상대적 으로 낮다. 아래 그림 2-7)과 같이 T자형의 이음부도 접합 면적이 적다는 동일한 문제점을 가지고 있다.

아크 용접에서는 맞대기나 T자 형의 이음부를 많이 사용하지만, 브레이징에서는 저강도의 문제 때문에 이러한 이음부 형태는 가급적 사용을 피하고 있다.

② 겹치기 이음부

겹치기 이음부(중첩 이음, Overlap Joint)는 그림 2-8)과 같이 서로 겹쳐서 접합하는 이음부 형태를 말한다.

전술한 바와 같이, 겹치기 이음부는 맞대기 이음부보다 접합면을 더 넓게 할 수 있기 때문에 보다 높은 강도를 얻을  수 있다. 아래 그림 2-9)는 맞대기와 겹치기 접합면을 비교한 것으로, 겹치기의 경우 맞대기 보다 더 넓은 접합면을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 브레이징에서는 일반적으로 겹치기 이음부를 사용한다.

③ 혼합 또는 변형 이음부

겹치기 이음부는 강도는 우수하지만 제품의 접합부에 단차(段差, step)가 존재한다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 단차가 없으면서 접합 면적이 큰 이음부가 고안되었는데, 이것이 혼합(butt-lap) 또는 변형 이음부(modification Joint)이다. 그림 2-10)은 겹치기와 맞대기 이음부를 혼합한 형태를 보인 것이다. 일반적으로 혼합 또는 변형 이음부는 제작비가 비싸고 가공시간이 길어지는 단점이 있으나, 제품을 자체 고정할 수 있는 장점이 있다.

이상의 이음부 형태 중 어떤 것이 최적이라고 이야기 하기는 어려우며, 접합하고자 하는 제품에 따라 알맞은 이음부 형태를 골라 사용해야 한다.

(나) 중첩 길이 계산방법

일반적으로 맞대기 접합의 경우에는 접합면을 계산한다는 것은 무의미 하다. 왜냐하면, 접합하고자 하는 면이 접합 면적이 되기 때문이다. 그러나, 겹치기 접합의 경우에는 겹치는 길이(중첩 길이)를 계산할 필요가 있으며, 이를 어떻게 결정하느냐에 따라 접합강도가 결정된다.  많은 경우 겹치기 접합은 아래 그림 2-12)와 같이, 겹치는 길이를 강도가 약한 모재(동일한 모재의 경우 얇은 판재) 두께의 3배 정도로 설계한다.

보다 구체적으로는 은계 브레이징합금으로 접합하는 경우의 중첩 길이를 구하는 방법은 아래 <표2-3>과 같다.

상기 사항은 대략적인 값을 이야기 한 것이며, 더욱 상세한 중첩 길이를 계산하고자 한다면 다음의 식을 이용하면 된다

① 평판의 중첩 길이 산정법

그림 2-13)과 같이 판과 판을 겹쳐서 브레이징 하고자 할 때 중첩 길이 X는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.

 
아래 그림 2-14)와 같이 튜브와 튜브를 끼워서 브레이징 하고자 할 때, 중첩 길이 X는 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.

그림과 같이 용기에 잉크를 탄 물을 넣고 유리를 두 장씩 겹쳐 세워 놓은 다음, 유리판 사이에 잉크의 침투 정도를 관찰하였다.

<1> 0.04mm의 간격을 유지한 경우로, 모세관 힘에 의해 잉크는 균일하게 판재의 끝까지 침투하는 것을 볼 수 있다.

<2> 유리판의 오른쪽은 붙이고 왼쪽은 0.4mm의 간격을 유지한 경우로, 간격이 넓은 왼쪽에 잉크의 모세관 침투력이 약하여 기공이 형성되었음을 볼 수 있다.

<3> 유리판의 아래쪽은 붙이고 상단을 0.4mm의 간격을 유지한 경우로, 잉크가 침투하다가 간격이 증대 되면서 멈춰있음을 볼 수 있다.

<4> 유리판의 간격을 0.025mm로 유지하면서 지문 자국을 만들어 놓은 경우로, 지문자국 부위에 잉크가 퍼지지 못하고 기포가 존재하는 것을 알 수 있다. 또한 지나치게 좁은 간격도 잉크가 잘 침투하지 못한 것을 볼 수 있다.

② 열 팽창계수를 고려한 이음부 간격 설계

이음부 간격을 설계할 때 간과해서는 안 될 중요한 사항이 열팽창계수이다. 특히 이종금속의 경우 열팽창 계수가 서로 다르기 때문에 이종금속의 접합 시 이점에 주목해야 한다. 브레이징은 상온에서 행해지는 것이 아니라 브레이징 온도에서 한다는 것을 명심해야 한다. 주요 모재별 열팽창계수는 <표 2-4>와 같다.

예를 들면 아래 그림 2-24)와 같이 철에 황동 부싱(bushing)을 안쪽에 끼워서 접합하고자 할 때 그림 2-24)의 A)와 같이 간격을 약간 넓게 설계해야 한다. 왜냐하면, 브레이징 온도에서 철보다 황동의 열팽창계수가 크기 때문에 간격이 좁아져서 브레이징에 이상적이게 된다.

반대로 아래 그림 2-25)와 같이 황동에 철 부싱을 끼워서 접합할 때에는 상온상태에서의 간격을 브레이징온도에서 보다 작게 설계해야 한다. 이렇게 해야만 브레이징 온도에서 간격이 넓어져서 브레이징시에 이상적인 간격이 유지 된다. 이와 같이 접합간격을 설계할 때에는 브레이징 온도에서의 열팽창 계수를 고려하여 설계해야 한다.

③ 브레이징 조건을 고려한 이음부 간격 설계

브레이징 조건에 따라 접합부 간격이 다르게 요구된다. 아래 그림 2-26)은 브레이징시 이음부 간격에영향을 미치는 인자를 나타내었다.  이음부 간격은 브레이징 합금의 종류, 방법, 겹치는 길이에 따라 영향을 받는다.

아래 <표2-5>는 브레이징 방법과 브레이징 합금(용가재)에 따른 적합한 이음부 간격을 나타낸 것이다. 표에서 보듯이, 겹치는 길이가 길거나, 플럭스를 사용하는 경우가 이음부 간격이 상대적으로 커짐을 알 수 있다.

아래 그림 2-27)은 이음부 간격의 결정에 영향을 미치는 다양한 인자를 나타낸 것이다.

이음부 간격의 결정에 영향을 미치는 인자는 상기사항 이외에도 브레이징 합금의 공급형태, 합금의 고액상 온도의 차이 등이 있다. 실제 제품의 설계 제작시에는 많은 테스트와 실험을 거쳐 최적의 간격을 결정하는 것이 무엇보다도 중요하다.

그림 2-29)는 브레이징 작업에서 중요한 2가지 요구사항을 설명한 것인데, 올바른 브레이징을 위해서는 반드시 청정한 접합부와 적당한 이음부 간격이 필요함을 명심해야 한다.

(4) 부품가공 방법

브레이징 부품을 어떤 방법으로 가공하느냐에 따라 설계방향이 정해진다. 가공방법에 따라 브레이징 방법도 달라질수 있다.

(5) 제품조립 및 고정방법

제품을 조립하고 고정하는 방법도 대단히 중요한 설계 포인트이다. 설계시 우선 제품자체가 브레이징 가능하게 조립될 수 있도록 해야 하며, 아울러 브레이징시 조립된 형태를 유지하는 고정대의 설계가 필요하다. 일반적으로 제품 설계시 자체고정이 가능하게 설계하는 것이 제일 좋다.

그림 2-30)은 브레이징을 위한 조립공정을 설명한 것으로 제품 자체가 스스로 고정되는 방법과 별도의 지지대를 사용 하여 고정하는 방법이 있다. 제품 자체가 스스로 고정되더라도 브레이징할 때 중력이나 브레이징 방향에 따라 별도의 고정대가 필요한 경우도 있다. 제품 설계를 할 때 대개 브레이징을 위한 고정장치를 함께 설계 하는것이 보통이다.