2026-03-30
초록:
본 논문은 알루미늄 합금 판형 열교환기의 진공 브레이징 공정을 소개한다. 재료 클래딩층 두께, 표면 거칠기, 열교환기 조립, 진공 브레이징 온도 및 유지 시간, 진공도, 환경 요인이 열교환기의 브레이징 품질에 미치는 영향을 분석한다. 이에 따른 공정 개선 방안을 제시하고 실제 적용을 통해 긍정적인 결과를 얻었다.
키워드:
판형 열교환기; 진공 브레이징; 공정
진공 브레이징은 플럭스를 사용하지 않고 진공 분위기에서 수행되는 브레이징 방법이다. 진공 브레이징의 기본 원리 중 하나는 모세관 현상을 이용하여 접합될 부품 간의 접촉면에 필러 금속을 끌어들여 브레이징되는 금속 간의 결합을 형성하는 것이다. 다른 용접 방법에 비해 브레이징은 변형이 적고, 여러 부품을 동시에 접합할 수 있으며, 이종 금속을 접합할 수 있다는 장점이 있다. 알루미늄 합금 판형 열교환기는 압력 용기로 분류되며 적용 시 해당 압력 베어링 요구 사항을 충족해야 한다. 구조적 특성상 접합 공정은 브레이징을 통해서만 달성될 수 있다.
알루미늄 판형 열교환기의 핵심 구조는 긴 실링 바, 짧은 실링 바, 분리 시트, 외부 핀, 내부 핀 및 측면 플레이트로만 구성된다.
1. 재료 절단: 분리 시트, 핀, 실링 바, 측면 플레이트의 모양 및 크기 조정.
2. 표면 처리: 초음파 세척.
3. 조립: 분리 시트, 핀, 실링 바, 측면 플레이트 등의 기계적 조립 및 성형.
4. 진공로 브레이징: 진공 브레이징은 일반적으로 3단계 가열 및 침지 공정을 사용한다:
예비 진공 배기.
1단계 예열: 380~470°C에서 유지.
2단계 에너지 저장: 560~575°C에서 유지.
3단계 브레이징: 598~603°C에서 15~25분간 유지.
가열 중지; 지정된 온도까지 냉각 후 작업물을 로에서 제거.
5. 코어 교정: 진공 브레이징 후 열교환기 코어의 변형에 대한 기계적 교정.
6. 엔드 커버 용접: TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접을 사용하여 열교환기 코어의 양쪽 끝에 엔드 커버를 용접.
7. 압력 테스트: 열교환기의 누출을 확인하고 누출 지점을 식별하기 위해 1.6 MPa의 압축 공기를 주입. 기밀 테스트 통과 후, 압력 저항 테스트를 위해 3.0 MPa의 압축 공기를 주입; 제품은 상당한 변형을 보이지 않아야 함.
8. 수리: 누출된 열교환기는 절단, 용접으로 수리한 후 다시 압력 테스트를 거침.
9. 코팅: 표면 외관 개선을 위해 열교환기를 정리하고 코팅 및 건조.
10. 포장 및 배송
분리 시트의 브레이징 성능은 유동성, 젖음성, 갭 충진 능력, 침식 특성 및 접합 강도로 나타난다. 클래딩층의 실리콘(Si) 함량은 합금의 융점을 결정할 뿐만 아니라 기지 합금에 대한 유동성, 젖음성 및 침식 거동에도 영향을 미친다. Si 함량이 높을수록 유동성과 갭 충진 능력이 향상된다. 그러나 Si가 기지 금속 계면으로 확산되어 고상 조성이 브레이징 조성에 도달하면 고상의 용융을 유발하여 침식을 일으킬 수 있다. 클래딩 합금의 마그네슘(Mg)은 진공 브레이징 품질을 보장하는 데 필수적인 금속 활성제 및 게터이다. 브레이징 금속의 마그네슘은 550°C 이상에서 상당한 증발을 시작하여 브레이징 챔버 내에 마그네슘 분위기를 형성한다. 이 마그네슘 증기는 브레이징 분위기 내의 잔류 산소 또는 수증기에서 나오는 산소와 결합하여 가열된 부품 표면을 재산화로부터 보호하며, 부품 표면에서 완전히 제거되지 않은 잔류 산화막을 침투하고 소비할 수도 있다. 분리 시트 클래딩층의 불균일한 두께는 브레이징 부족, 연소, 불연속 브레이징 및 누출과 같은 결함을 유발할 수 있다. 따라서 필러 금속의 마그네슘 함량은 일반적으로 1.0%에서 2.0% 사이로 제어된다. 또한, 완전한 브레이징 필렛을 형성하고 제품의 압력 베어링 용량을 향상시키기 위해 필러 금속의 유효 두께를 확보하는 것이 필요하다. 일반적으로 분리 시트의 각 면에 대한 클래딩층 두께는 0.1~0.15mm이며, 이는 실제 적용에서 매우 효과적인 것으로 입증되었다.
열교환기 조립 전에 핀, 분리 시트 및 실링 바는 먼지, 기름 및 표면 산화층을 제거하기 위해 세척해야 한다. 진공 브레이징 중에 기름 잔류물이 분해되어 로 내부의 진공도를 낮추고 핀, 분리 시트 및 실링 바의 산화를 유발한다. 알루미늄 합금의 산화층은 매우 밀도가 높고 기지 금속보다 융점이 높으며, 브레이징 중에 쉽게 녹지 않아 브레이징 품질에 영향을 미친다. 브레이징된 부품의 품질을 보장하기 위해 작업물 및 필러 금속의 사전 브레이징 표면 처리와 브레이징 전 조립 시간 최소화에 대한 엄격한 제어가 필요하다.
구조 부품의 표면 거칠기는 모세관력에 영향을 미친다. 일반적으로 너무 매끄러운 표면은 필러 금속이 전체 접촉면에 고르게 분포되기 어렵게 만들고, 결과적인 기공은 브레이징 강도를 감소시킬 수 있다. 이는 특히 실링 바의 표면 거칠기에 해당한다. 필러 금속이 접합부 전체에 균일하게 분포되도록 하려면 실링 바의 브레이징 표면을 적절하게 거칠게 해야 한다.
부품 조립의 품질은 제품의 최종 브레이징 품질과 밀접하게 관련되어 있으며 상당한 주의를 기울여야 한다. 첫째, 부품 높이 공차를 제어해야 한다. 국가 표준에 따르면 핀의 높이 공차는 -0.02mm ~ +0.05mm이고, 실링 바의 높이 공차는 -0.03mm ~ +0.03mm이다. 실제 적용에서는 음수 공차 핀과 양수 공차 실링 바의 조립은 피해야 하며, 핀과 실링 바 공차 간의 제로 갭(zero-gap) 맞춤이 일반적으로 최적이라고 간주된다. 열교환기는 조립 후 고정구로 고정된다. 알루미늄과 스테인리스 스틸 고정구 간의 열팽창 계수 차이로 인해 과도한 고정력이 가해지면 브레이징 후 핀이 쉽게 구부러지거나 찌그러질 수 있으며, 불충분한 고정력은 브레이징 부족 또는 핀 느슨해짐을 유발할 수 있다.
분리 시트는 필러 금속으로 클래딩되며, 이는 녹기 위해 특정 온도가 필요하다. 브레이징 온도는 필러 금속의 젖음성뿐만 아니라 브레이징 접합부의 강도에도 영향을 미친다. 온도가 너무 낮으면 필요한 브레이징 온도에 도달하지 못하고, 여러 영역 간의 온도가 불균일하다. 이는 필러 금속의 유동성이 좋지 않아 브레이징 부족, 불연속 브레이징, 내부 기공 및 슬래그 포함을 유발하여 접합 강도를 감소시키고 누출 위험을 증가시키며, 심지어 심각한 기포 또는 찢어짐을 유발할 수 있다. 이 현상은 생산에서 간혹 관찰되며, 종종 내부 핀 또는 통로와 실링 바 간의 갭 맞춤과 관련이 있다. 실제 적용 결과, 100mm 길이의 내부 핀 또는 통로가 브레이징되지 않으면 2.0 MPa 미만의 압력에서 찢어질 수 있다. 온도가 너무 높으면 필러 금속이 완전히 녹아 기공이 쉽게 발생할 수 있다. 또한, 심각한 필러 금속 산화가 발생하여 필러 금속 흘러넘침, 침식 및 구부러짐과 같은 결함을 유발할 수 있다. 가열 중에는 부품 표면과 코어 사이에 온도 구배가 존재한다. 판형 코어의 내부 및 외부 온도를 진공 브레이징 중에 일관되게 유지할 수 있다면 브레이징 품질을 잘 보장할 수 있다. 온도 구배가 너무 작으면 필요한 가열 및 침지 시간이 길어지고, 과도한 침지는 침식을 쉽게 유발한다. 반대로 온도 구배가 너무 크면 조립물의 내부와 외부 간의 브레이징 접합부의 불균일성(즉, 일부 영역은 제대로 브레이징되고 다른 영역은 그렇지 않은 경우)을 피할 수 없다. 내부 침식 사례가 발생했다. 사후 분석 결과, 침식 부위는 주로 제품의 가장 바깥쪽 두 층(상단 및 하단)에 점 또는 줄무늬 형태로 나타났으며, 대부분 핀 사이의 이음매에서 발생했다. 예방 조치에는 브레이징 로 온도를 제어하는 것이 포함되며, 특히 제품의 최대 외부 온도가 너무 높지 않도록 보장해야 한다. 필러 금속이 상변태를 거친 후 외부 온도를 적절하게 높일 수 있다. 주요 목표는 과도한 외부 온도 또는 장시간 고온 노출로 인한 침식을 방지하는 것이다. 브레이징 중 구역 제어를 사용하여, 해당 구역의 제품이 브레이징 온도에 도달하면 가열 구역을 순차적으로 끄는 것(온도에 도달하는 구역을 멈추는 것)도 침식을 방지하는 효과적인 방법이다.
진공 브레이징에서 필러 금속과 특정 증기 성분 간의 상호 작용은 브레이징 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 브레이징 로의 진공도가 낮으면 산소 및 수증기와 같은 산화성 가스가 알루미늄과 화학적으로 반응하여 단단한 산화알루미늄 막을 형성한다. 이러한 막은 일반적인 브레이징 온도에서 분해되기 어려워 필러 금속과 기지 금속 간의 결합을 방해한다. 브레이징 온도가 400°C 미만일 때, 산화막의 보호 특성으로 인해 로 내부 환경 요인에 덜 민감하다. 따라서 예열 단계에서 약간의 공기 존재는 허용되며, 이 온도 범위 내의 공정은 진공 펌핑이 진행되는 동안 수행된다. 온도가 400°C를 초과하면 특정 원소가 상당한 증발을 시작한다. 이때 오염 물질이 표면과 빠르게 반응하여 산화막을 형성하고 동시에 브레이징 특성을 저하시킨다. 결과적으로 더 높은 진공도가 필요하며, 산소 및 물의 부분 압력을 효과적으로 제한해야 한다. 일반적으로 진공 펌핑 및 가열 공정은 상호 연관되어 있으며, 각 공정의 지속 시간은 작업물의 크기와 무게에 따라 달라진다. 일반적으로 450°C 미만의 온도에서는 진공도를 0.05 Pa 미만으로 제어해야 한다. 브레이징 단계에서는 0.005 Pa 미만이어야 한다. 좋은 진공도는 브레이징 접합부의 품질에 상당한 영향을 미친다.
진공 브레이징 중 주변 대기 온도 및 습도는 판형 열교환기의 브레이징 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 높은 습도 조건에서의 조립은 핀, 분리 시트 및 실링 바에 더 많은 수분이 부착되도록 한다. 진공로에 브레이징을 위해 넣으면 이 수분이 더 많은 가스를 방출하여 브레이징 진공도를 낮춘다. 또한, 수증기의 증발은 상당한 양의 열을 필요로 하며, 이는 열교환기 코어의 온도에 영향을 미칠 수 있다. 주변 온도는 얇은 알루미늄 합금 판의 표면 산화 정도에 직접적인 영향을 미쳐 진공 브레이징 품질에 영향을 미친다.
위의 분석을 바탕으로 진공 브레이징 후 열교환기의 누출률을 줄이거나 낮추기 위해 다음과 같은 조치를 취해야 한다:
1. 원자재 주문 시, 재료 품질과 성능을 보장하기 위해 평판이 좋고 전문적인 제조업체로부터 구매해야 한다.
2. 음수 공차 핀과 양수 공차 실링 바의 조립은 피해야 하며, 핀과 실링 바 간의 제로 갭 맞춤이 일반적으로 최적이다.
3. 재료 준비, 세척 및 조립에 대한 공정 절차를 엄격하게 준수해야 한다.
4. 실제 적용에서는 진공 브레이징 온도, 유지 시간 및 진공도와 같은 공정 매개변수를 최적화하고 엄격하게 제어해야 하며, 내부 및 외부 조건의 변화에 따라 브레이징 공정을 조정해야 한다.
5. 주변 습도를 제어해야 한다.
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