브레이징과 절단작업에 대해서 다뤄보려 한다. 브레이징은 경납땜이라고 하는 용접작업이다.  산소용접의 불꽃을 열원으로 하여 경납을 이용하여 동, 알루미늄들의 경금속을 접합하는 기술이라 할수있다.  또한 절단작업엔 산소 절단, 플라즈마 절단, 레이저 절단 등 여러가지가 있는데.  이러한 작업에대해서 자세히 다뤄 볼까 한다. CWI 자격시험은 사실 이런 내용을 다루는데, 영어로 되어 있어서 어렵게 느껴지는 것이다. 영어를 잘하시는 분들은 공부하시는데 어려움이 없으실테지만, 그래도 용접공학및 금속공학 특히 야금학에 대한 기본지식이 있어야 ,  이시험에 준비함에 어려움이 없지 않나 생각이 든다.

*브레이징과 각종 절단(용단) 작업, 용접의 종류6*

BRAZING PROCESSES(브레이징 작업)

Brazing은 용접법과는 달리 모재를 용융하지않고 이룰수 있는 작업이다. 열은 용가제의 용융
위해서만 단지 충분하다. Soldering과 같이 다른 이음공정에서 융합을 이루기위해 용가제의 용융만
필요한 것이 비슷하다.

Brazing과 soldering

Brazing과 soldering은 용가재를 용융하는 온도 차이가 있을뿐이다. 840 ˚F(450 ˚C) 이상의 용융
되는 용가제는 동(braze)재료가 고려되며, 이런 융용온도 이하의 온도는 soldering에서 사용된다.
그러므로, 일반적인 “silver soldering” 용어는 실질적으로 잘못된 것이며 silver brazing 용가재는
840˚F이상에서 용융되기 때문이다. 모재가 용융되지 않고 그리고 용가제와 모재 사이에 용융이
없다고 할지라도 젖음현상으로 모세관현상 으로 모재 사이에 스며들어 결합력은 충분한 강도를 가진다.                   적절하게 사용되었을때, braze 이음부는 braze 재료가 모재보다 훨씬 약하다고 할지라도 모재와 동일한 강도나     훨씬 강하게 할 수 있다.

이러한 이유는 첫째로, braze 이음부는 넓은 면적을 갖도록 설계되어진다. 또한 두 작업물 사이의 이음될 청정함과
갭은 최소로 유지되어야 한다. 약 0.010 in(0.25mm) 보다 큰 간격(gap)은 결과적으로 이음부 강도를
필연적으로 약화시킨다. 몇 가지 대표적인 braze 이음형상을 그림에서 보여준다.

이미지 출처:https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.skbrazing.co.kr%2Fnews%2Fcolumn.php%3Fptype%3Dview%26idx%3D90%26page%3D1%26code%3Dcolumn&psig=AOvVaw08aCfIE0cA9xTg5NkMde0T&ust=1706714350305000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBIQjRxqFwoTCNCq68y0hYQDFQAAAAAdAAAAABAD

보는바와 같이 모든 이러한 이음부는 부재들 사이의 상대적으로 큰 면적과 좁은 틈을 가진다.
Brazing을 하기위해서 가장 중요한 단계는 전 이음부 표면을 청정하는 것이다.
부품들이 충분하게 청정되지 않았다면, 결과적으로 부적절한 이음이 된다. 부품들이 청정되고
상호간 고정되어지면 열을 적절한 방법으로 적용한다. 부재에 braze 용가제 용융점 이상 온도가
되도록 열을 가했을때, 모세관(capillary) 현상의 결과로서 부품이 접촉하여 고정되었을때 이음부에
고정될 것이다.

모세관 현상

모세관 현상은 두 표면 사이의 좁은 공간에 액체가 올라가는 원인으로 발생하는 현상이다.
두 유리판을 서로 단단하게 고정하고 얕은 판의 물속에 세운다면 이런 현상을 볼 수 있다.모세관 작용은 두 유리판 사이의 얕은 물의 위로 올라가는 액체에 원인이 있다.
모세관 작용은 표면장력과 관련이 있음으로, 그것은 표면오염 존재가 상당히 영향을 준다.
그래서 braze 표면이 적절하게 청결하지 않는다면, 발생하는 모세관 작용 능력은 braze 재료가
이음부에 충분하게 들어가지 않아 그부분에서 감소될 것이다. 이것이 발생하면, 불 충분한 결합의
결과가 될 것이다. Braze 용가제는 형상과 합금 종류의 다수(number)를 이용할 수 있다.
형상은 wire, 조각(strip), 박판(foil), 가루반죽(paste)과 성형품(preform)을 포함한다.

성형품은 부재의 조립동안 braze 이음 근처나 또는 미리 지정된 곳에 위치하도록 하기위해 특수한
적용을 위해 설계된 braze 합금을 특수하게 성형한 조각들이다. 그림 3.52는 braze 가열의 적용에
우선하여 이음부내에 미리 지정될 수 있는 이러한 braze가 어떻게 미리 성형되는지를 보여준다.
위의 그림 은 그러므로 성형되어진 곳의 빈 공간을 따라 이음부에 따라서 braze 용가제가 어떻게
흘러 들어가는지를 보여준다. 용접 소모재로서 braze 합금은 또한 AWS에서 정하고있다.
Braze 합금의 표시는 대부분 대표적인 화학적 원소를 포함하여 약자에 따라 “B”로서 전제한다.
이러한 일반적인 그룹내에 개별적인 숫자로 구분되어진 약간의 다른 특성으로 구별한다.
그런 구분에 “B” 앞에 “R”을 가진 brazing 용가제는 구리와 구리합금 가스 용접봉으로 확인될 수
있는 화학 작용을 표시한다.
열을 적용하고 있는 동안 이음부 청정을 유지하기 위해 brazing 용제를 가끔 사용한다.
그것들은 사용된 모재와 용가제의 종류를 AWS 등급에 따라서 역시 사용해야한다.
이음부를 가열되어진 방법에 중요한 차이로 많은 brazing 방법이있다.
가장 일반적인 방법은 산소화염을 사용하여 가열하는 토치 brazing이 있다.
그것은 수동, 기계적으로, 또는 자동으로 할 수 있다. 다른 공통적인 가열방법은 노, 유도, 저항,
dip, 그리고 적외선(infrared)을 포함한다.

노(Furnace) brazing(FB)

노(Furnace) brazing(FB) 은 노내에서 작업을 하며, 가끔 제어된 대기중에서 작업을 한다.
Brazing 용가제와 용제는 이음부 근처나 미리 지정되거나 그리고 이음될 부품들은 매우 통제된
방법으로 가열하는 노내에 위치한다.
FB는 한번에 조립품을 brazing 온도로 가열하여 동시에 많은 이음부를 처리하는데 사용할 수 있다.
유도 brazing(IB)은 유도 코일내에 위치할때 금속에 생성된 열이 발생한다. 유도 코일은 고주파
전류가 통과하는 단순한 코일이다. 이 전류의 흐름은 코일 내부에 위치한 금속편에 실질적인 열이
발생한다.

저항 brazing(RB)

저항 brazing(RB)은 자연적으로 가지고있는 전기적인 저항을 이용하여 모재를 가열하여
작업을 완료한다. 전류가 braze 이음부 각 면의 모재를 통과할때 저항열의 발생으로 이음부에
위치한 braze 용가제 용융이 발생한다.

Dip brazing(DP)

Dip brazing(DP)은 다른 종류와 차이는 이음되어질 부재의 필요한 열을 공급하는 용융 bath에
담그는 방법이다. 이 용탕(bath)은 화학적인 염욕과 같은 용융된 화학적인 어떤 종류나 용융된
braze 용가제를 사용할 수 있다. 적외선 brazing(IRB)은 복사(radiant) 에너지에서 공급하는 열에
의존한다. 즉 brazed된 이음부는 매우 높은 적외선 광선을 열원으로한다.

Brazing은 특히 우주항공과 열과 공기상태에 따라 많은 산업에서 사용한다. 그것은 실질적으로
모든 금속의 연결에 사용할 수있으며 금속과 비금속 이음에 또한 사용할 수 있다.

Brazing의 장점

1. 이종재료의 금속의 접합이 가능하다는 것이다. 이것은 brazing이 적절한 특성을 가지지 않는 혼합된 합금을 생성하기위해 모재를 용융하지 않도록가능하게한다. 또한 금속 이음부가 잘 고정되었다면 단순히 어떤 종류의 용접을 더할 필요가 없을것이다.

2. 장비를 상대적으로 저렴하게 사용할 수 있다.
Brazing은 용접보다 저온을 사용하기 때문에 박판금속의 melt-through나 변형(distortion)에 대한 큰
두려움없이 즉시 이음된다. 주요한 제한은 brazing 전에 이음부를 대단히 깨끗하게 청정을 해야
한다는 것이다. 또 다른 단점은 요구된 강도를 얻기위해 이음부 설계에 충분한 표면적을 갖도록
해야 한다. 어떤 형상은 그런 요건을 만족하지 않을수도 있다.

Brazing의 단점

1. 이음부내에 공간이나 미 결합을 형성한다. 이러한 이유로는 이음부의 불충분한 청정이나 부적절한
열을 사용한 결과 이런 단점이 생성 된다고 할 수 있다.

2. 모재의 부식되는 결과로 가하지는 열이 너무 한정된 경우 발생한다. 이것은 화염열의 결합과 braze 이음부 근처의 모재가 기계적인 작용으로 닳아 없어지는 토치 brazing에서 일반적으로 발생한다.
3. 대단히 화학 반응적인 용제에 의한 모재 부식이다. 즉 용제의 잔존은 모재나
이음부의 연속적인 부식을 피하기 위해서 제거해야만 한다.

절단법(CUTTING PROCESSES)

지금까지 설명은 오로지 이음되는 금속 상호간에 사용되는 방법을 포함하였다. 금속 제작상
중요성에 또한 절단 또는 금속제거(remove)를 하는데 사용하는 여러 방법이 있다.
이러한 방법은 적절한 소재형상 가공과 특수한 이음부 예비준비를 용접에 우선하여 요구된다.
용접중, 후에 이러한 동일한 방법의 몇 가지는 용접부의 결함을 제거하거나 또는 용접 형상이
부재 목적에 대하여 만족스럽지 않다면, 특수한 형상으로 제작하기 위하여 사용한다.

산소가스 절단(Oxyfuel Gas Cutting – OFC)

이러한 절단방법의 첫번째가 산소가스 절단이다. 여기서는 신속하게 산화나 연소가 될 수 있는
온도로 금속을 가열하는 산소연료 화염을 사용한다. 필요한 온도는 “발화(kindling)” 온도로
부르며, 강의 경우에는 약 1700 ˚F(925 ˚C)이다. 그 온도에 도달하면 고압의 절단 산소를
산화 반응이 생성되도록 가열된 표면에 분사한다.
이 산소 흐름은 또한 산화 반응으로 생긴 슬레그와 산화 잔존물을 제거하는 경향이 있다.
그러므로 OFC는 화학적인 절단방법으로 생각되어진다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림.산소절단 작업

위의 그림은 절단에 필요한 절단 토치의 기본적인 위치를 보여준다.
OFC에 사용되는 장비는 용접팁 대신에 절단산소용 밸브와 추가적인 레버를 포함하는 것을
제외 하고는 OAW와 필수적으로 동일하다.

*산소절단 토치*

위의 그림 은 대부분 용접과 제작 현장에서 볼 수 있는 대표적인 OFC 장비 설치를 보여준다.
절단작업은 또한 토치끝에 부착된 특수한 절단팁을 요구한다. 산소절단 토치에는 A형인 독일식과, B형인 프랑스식등 2가지의 절단 토치가 있는데 위의 사진은 프랑스식 절단토치이다.  독일식 토치는 직선 절단작업에 용이 하고,  프랑스식은 직선,곡선 다양한 절단작업이 가능하여 보편적으로 많이 쓰인다.
절단팁 끝의 외부 모서리 주위 정렬된 원안에 일련의 작은구멍으로 구성되어있다.

이것은 절단을 위하여 예열을 제공하기 위해 흐르는 산소연료 가스가 혼합되는 곳이다.
이러한 구멍의 중심부에 위치한 것은 단일 절단-산소가 통과한다.
OFC는 여러 가지의 다른 연료가스 예를 들자면, 아스틸렌, 메탄(천연가스), 프로판, 가솔린, 그리고
메틸 아세틸렌 proadine(MPS)를 사용할 수 있다는 것을 알아야한다.

각각은 여러가지 효율성과 약간 변화된 절단팁이 요구될 수 있다.
다른 요소들은 적절한 연료가스를 선택할때는 요구된 예열시간, 절단속도, 가격, 유용성, 효과적
연소하기 위한 요구된 산소양, 그리고 연료 콘테이너 수송 용이성과 안전성을 포함하여
고려되어야 한다. 절단은 산소연료 혼합된 예열 화염을 사용하는 부제에 적용된 열로써 한다.

금속이 산화온도로 가열되면, 절단산소는 뜨거운 금속을 산화시키기 위하여 켠다.
철의 산화는 엄청난 양의 열이 발생한다. 이 발열성 화학반응은 금속을 급격하게 용융시키기에
필요한 열과 동시에 이음부로 부터 생성된 산화부를 불어낸다.

생성된 절단폭을 kerf(절단면)라 부르며,  drag(드레그)는 절단 모서리를 따라서 측정된 절단 시작과 출구점 사이의 갈라짐(offset) 간격이다. OFC가 대부분의 산업계에서 광범위하게 사용될 지라도 탄소와 저 합금강 절단에 사용이 한정된다.
여러가지 합금원소 양이 증가함에 따라 두가지 일중의 하나가 발생한다. 즉 그것은 강의 절단을
더 어렵게 만들거나 경화가 증가되거나 절단 표면이나 양면에 열-검토를 해야만 한다.
대부분의 경우, 합금원소의 함량 추가는 전통적으로 제한된다.
많은 경우에 이러한 원소는 산화 저항종류 원소이다.

산소연료 절단을 효과적으로 하기위해 재료는 다음항목에 따라 일치해야한다.
1. 산소 흐름에 연소 능력을 가져야 한다,
2.연소를 위해 점화(ignition) 온도는 용융점보다 낮아야 한다.                                                                                                  3. 열 전도성이 상대적으로 낮아야 한다.
4. 생성된 금속산화는 금속 용융점 이하의 온도 에서 용융되어야만 한다.
5. 생성된 슬레그는 저 점도를 갖어야한다.

따라서, 위의 항목에 일치하는 방법으로 주철이나 스테인레스 스틸을 절단하기 위해서는 추가적인 장비를
포함하여 특수한 기술이 필요하다. 이런 기술은 토치 진동(oscillation), 폐기(waster) 철판의 사용,
wire 공급, 분말절단, 그리고 용제 절단을 포함한다.

 

OFC의 장점

OFC의 장점은 상대적으로 저렴하며, 공장과 현장 사용에 적합하게 제작된 이동장비를 포함한다.
절단은 얇거나 두꺼운 절개를 할 수 있다. 즉 일반적으로 두께가 증가할수록 절단은 쉽다.
기계가공 되었을때(그림 3.61) OFC는 적절한 정확성으로 절단할 수 있다. 기계적인 절단 방법과
비교했을때, 강의 산소연료 절단이 더 경제적이다. 이 효율성을 더 개선하기 위해 많은 토치계통과
stack(다량) 절단을 한번으로 여러 소재절단에 사용할 수 있다.

OFC 단점

OFC 단점중의 하나는 절단 완료후 용접을 위해 준비된 추가적인 청정이나 사상이 요구 될 것이다.
또 다른 중요한 단점은 높은 온도가 요구되므로, 열영향부 지역은 매우 높은 경도를 가지게 된다.
이 표면의 기계가공이 필요하다면 특별히 중요하다.
예열과 후열처리는 이런 문제 완화에 도움을 준다. 또한 절단이 적절하게 정확할지라도 그것은
기계적인 절단방법으로 부터 가능한 정확성을 아직까지는 비교할 수없다.
결과적으로 화염과 뜨거운 슬레그는 절단작업 근처에서 개인에 안전사고의 결과가 될 수 있다.

Air Carbon Arc Cutting(CAC-A)

또 다른 매우 효과적인 절단방법은 air carbon arc cutting 이다. 이 방법은 용융된 금속을 기계적
으로 제거하기 위해 가압된 고압 공기로서 가열을 아크로 생성하기 위해 탄소 전극봉을 사용한다.

탄소 아크절단의 원리

이미지출처:https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fcatcom.tistory.com%2F307&psig=AOvVaw1OWjFs8PUSQqTXFdZHUuVg&ust=1706716069010000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBIQjRxqFwoTCJDxzPu6hYQDFQAAAAAdAAAAABAD

이미지출처:https://www.toolnshop.co.kr/C_img/Goods_info/10000/10758/2

위의 그림은 사용된 공정을 보여준다.
CAC-A에 사용된 장비는 일정한 전원과 가압된 공기 공급장치가 부착된 특수한 전극봉 홀더로
구성되어있다. 위의 그림에서 보여주는 구리로된 집게(jaws)로 탄소 전극봉을 고정하며, 가압된
공기가 통과할 수있도록 구멍들중 하나가 있다. 절단작업을 하기위해 탄소 전극봉은 아크가
발생하는 작업부에 가까이 가져가야한다. 아크로 금속이 용융되면, 가압된 공기는 gauge와
절단을 생성하기 위해 융용된 금속을 불어낸다. 전극봉 고정구는 전원뿐만 아니라 가압된
공기선이 부착되어 있다.

비 가연성 가압공기를 사용해야하며, 가업공기는 가능하면 가격이 싸야한다.
두번쩨 그림  공기 탄소아크 절단을 위하여 전체 시스탬을 보여준다.
CAC-A는 어떤 종류 금속에 사용될 수 있으므로 특별히 대부분 산업계에서 사용한다. 모든 금속
절단에 사용할 수있을지라도 특수한 합금의 다른 절단방법에서 요구된 다른 고려 사항이 있다.

CAC-A 방법은  일정한 U-홈처리를 하기위해 사용할 수 있다.
CAC-A는 크고, 복잡한 부재의 거친 기계가공에 또한 사용할 수 있다. CAC-A의 기본적인 이점중
하나는 금속의 제거에 상당히 효과적인 방법이다. 또한 어떠한 금속 절단을 할 수 있다. 용접의
몇 종류를 위해 사용하는 것과 같이 동일한 전원이 사용되며, 장비 가격은 최소한이다.
모든 것은 전원과 가압된 공기 공급장치 부착으로 특수한 용접봉 홀더 구매가 필요하다.
이 방법의 일차적인 단점은 안전-관련된다. 그것은 필수적으로 매우 시끄럽고 더러운
작업법이다. 그러므로 작업자는 소음 레벨을 감소하기 위해 귀보호개를 사용을 선택해야하며,
생성된 금속입자 흡입을 감소하기 위해 호흡 필터를 착용해야한다.
화재 감시원은 gauged 금속비말(droplet)로 화재 위험이 발생하지 않도록 확인이 요구된다.
또 다른 단점은 완료된 절단면에 추가적인 용접에 앞서 약간의 청정이 요구될 것이다.

플라즈마 아크 절단(Plasma Arc Cutting)

설명될 최종 열전단 방법은 플라즈마 아크 절단이다. 이 방법은 부재의 상호이음 보다는 금속의
제거를 목적으로 한것 이외에는 가장 대표적인 PAW와 유사하다.

플라즈마 용접은 플라즈마 아크방식으로 사용하는 반면에, 플라즈마 아크절단은 플라즈마 젯트 방식을 사용한다.

플라즈마 아크를 이용하여 압축공기로 용융된 재료를 불어내는 방법으로 절단을 한다.

플라즈마 절단기에 소형 공기 압축기가 내장되어있어 전류 용량이 큰 차단기에 물려한다는 단점이 있다.

장비 요건은 용접에 사용되는 것보다 높은 전원이 요구되는 것 이외에 유사하다.
아크 이송종류 토치는 모재에 열을 증가하기 때문에 사용된다. 대표적인 수동과 자동절단 PAC의 원리는 아래의 그그림에서 보여준다.

플라즈마 절단 의 원리도

기계화된 PAC 자동절단은 간헐적인 수냉식 토치뿐만 아니라 실제 절단시 소음감소와 미립자
수준을 감소하기 위하여 하부에 냉각부를 설치하였을 것이다.
비철 금속 절단을 위해 일차적으로 사용하며, PAC는 또한 탄소강 절단에도 사용할 수 있다.

OFC에서 절단할 수없는 금속의 절단능력을 포함한 장점은 결과적인 고품질 절단과 탄소강의
절단속도를 증가시킨다.

일차적인 단점은 절단면(kerf)이 상당히 크고 절단 모서리가 각지지 않는다는 것이다.
특수한 기술 가령 물 분사는 이런 형상이 요구된다면 개선을 위해 사용될 수 있다.
또 다른 단점은 산소연료 절단과 비교하여 장비의 가격이 고가라는 점이다.

기계적인 절단
마지막으로 용접부 연결에 사용되는 기계적인 절단방법의 간단한 언급을 할 것이다.
이런 방법들은 shearing(일명 샤링이라고 하며 10T이하의 금속판 절단에 사용하는 절단 방식이라고 할수있다.) sawing은 일반적으로 환봉을 절단할때 일반적으로 사용한다.  grinding(사상), milling, turning, shaping, drilling, planing,과chipping 을 포함한다.
그것들은 이음부 준비, 용접형상, 부재준비, 표면청정, 용접부 결함제거에 사용한다.
용접 검사자는 이러한 방법들이 어떻게 사용되는지 알아야 한다.

이런것을 잘못 사용하면 최종 용접품질에 저해하는 결과를 가질 것이다.
한 예로 이런한 방법들 중 많은 작업에 도움을 주기위해 절단 공기를 사용하는 것이다.
용접에 우선하여 재료표면을 완전하게 금속이 제거되지 않았다면 문제는 가령 기공과
크렉이 발생할 것이다.

정밀부품의 절단에는 고압 워터젯 절단도 사용한다.

참고문헌: CWI 교재 일부 발췌 참고