KR20190101028A

KR20190101028A - 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법

Info

Publication number: KR20190101028A
Application number: KR1020180020905A
Authority: KR
Inventors: 김종도; 김평수; 김승재
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단; 주식회사 한조
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-30

Abstract

본 발명은 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 엔진 흡배기계 및 본체에 적용되는 스테인리스강과 알루미늄의 접합을 위한 특징적인 방법에 관한 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 차량의 흡배기계에서 알루미늄합금과 스테인리스강을 접합하는 방법에 있어서, 상기 알루미늄합금과 상기 스테인리스강의 표면을 깨끗하게 하는 세척과정; 상기 스테인리스강의 접합부위에 대한 아연도금과정; 상기 알루미늄합금의 접합부위에 도포되어 알루미늄합금의 용융을 향상시키는 플럭스도포과정; 상기 플럭스에 형성된 수분을 제거하는 건조과정; 및 상기 알루미늄합금과 상기 스테인리스강을 맞대어 브레이징하는 접합과정으로 구성되는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법{Dissimilar material brazing method of aluminum alloy and stainless steel applied to vehicle}

본 발명은 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 엔진 흡배기계 및 본체에 적용되는 스테인리스강과 알루미늄의 접합을 위한 특징적인 방법에 관한 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 무게는 배기가스의 양과 연비의 향상이라는 측면에서 매우 중요한 파라미터로 고려된다. 최근에는 환경오염의 완화와 연료비의 절감이라는 측면에서 차량의 경량화가 이루어지고 있고, 특히 법적으로 배기가스의 양을 규제하는 등의 강제적 조치에 의해 자동차 산업에서 그 필요성이 크게 요구되고 있다.

차량의 경량화를 이루기 위하여, 기존의 강판보다는 경량이면서 만족스러운 강도와 강성을 가지는 알루미늄합금의 이용이 증가하고 있으며, 엔진 흡배기계의 경우에는 고온에서의 작동환경으로 인하여 내산화성, 내식성 및 내열강도가 요구되어 스테인레스강이 많이 사용되고 있다.

즉, 일부 스테인레스강이 적용되는 부분에서는 알루미늄합금과의 접합이 필연적으로 생길 수 밖에 없는데, 스테인레스강과 알루미늄합금은 그 재질이 달라 용접(Welding)이나 브레이징(Brazing)에 의해 접합이 되지 않는다.

종래에는 엔진 흡배기계의 위치에서, 이러한 이종의 재질의 접합을 위하여 알루미늄합금과 스테인레스강의 기계적 결합이 이루어지도록 하고 있었다. 상세하게는, 엔진 흡배기계의 높은 온도에도 견딜 수 있고 알루미늄합금과 스테인레스강의 기계적 결합이 가능하도록 하는 내열고무를 적용하는 방식이 사용되거나, 리벳(Rivet)이나 압입에 의한 접합방식을 사용하였다.

이러한 기계적 결합은 용접이나 브레이징에 의한 방법에 비하여 결합력이 약한 문제점이 있고, 특히 많이 사용되고 있는 내열고무의 경우에는 내구성과 결합력에 대한 신뢰성이 낮아 교체가 잦은 문제점이 있다.

이러한 기계적 결합 이외에도, 마찰용접이나 폭발용접, 마찰교반용접의 방식을 이용하여 이종재를 접합하는 방법도 있으나, 이는 형상적 제약에 의하여 광범위하게 적용될 수 없는 문제점이 있고, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 이종재가 접합된 별도의 매개모재를 이용하여 이종재를 접합하는 방식이 개발되었으나, 별도의 매개모재를 준비해야하고 이를 다시 양측에 개별 접합해야 하는 등 작업성이 매우 낮은 문제점이 있다.

KR

10-1553708

B1

KR

10-1783891

B1

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 이종재의 양측에 특별한 처리를 함으로써 간단하게 결합이 가능하고, 또한 이종재의 접합이 원활히 이루어질 수 있는 분위기를 조성하여 결합력을 높이는 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법은 차량의 흡배기계에서 알루미늄합금과 스테인리스강을 접합하는 방법에 있어서, 상기 알루미늄합금과 상기 스테인리스강의 표면을 깨끗하게 하는 세척과정; 상기 스테인리스강의 접합부위에 대한 아연도금과정; 상기 알루미늄합금의 접합부위에 도포되어 알루미늄합금의 용융을 향상시키는 플럭스도포과정; 상기 플럭스에 형성된 수분을 제거하는 건조과정; 및 상기 알루미늄합금과 상기 스테인리스강을 맞대어 브레이징하는 접합과정으로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.

이종재인 스테인레스강과 알루미늄합금의 결합을 간단하게 함으로써, 종래에 매개모재를 이용하거나, 기계적 결합에 의해 결합하는 방법보다 생산성이 향상된다.

궁극적으로는 향상된 생산성으로 인하여, 차량에 전방위적으로 적용이 가능하게 되어 차량의 경량화가 이루어져 배기가스 배출 감소와 연비의 향상이 이루어질 수 있다.

스테인레스강과 알루미늄합금의 결합시 레이저를 이용하여 브레이징전 예열함으로써 결합이 원활하게 되도록 하고, 이에 더해 알루미늄합금측의 플럭스 도포에 의하여 브레이징시 비드의 형성이 넓게 이루어질 수 있어, 견고한 결합이 가능해진다.

종래에 기계식 결합에 의한 방식인 내열고무나 리벳, 압입의 경우에는, 부식 또는 마모에 의하여 그 결합력이 저하되어 잦은 교체가 이루어져야 하므로, 교체에 따른 자원의 낭비 및 교체 소모 시간, 특히 차량의 경우에는 교체를 위한 입고로 가동률이 떨어지는 문제점이 있었으나, 스테인레스강과 알루미늄합금의 견고한 결합이 가능하여 이러한 문제점이 해결될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법의 전체 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 알루미늄합금과 스테인리스강의 브레이징 개념도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법의 접합부위 구성도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법의 전체 순서도, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 알루미늄합금과 스테인리스강의 브레이징 개념도 및 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법의 접합부위 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법은 도 2에 도시된 바와 같이 세척과정(S1), 아연도금과정(S2), 플럭스도포과정(S3), 건조과정(S4), 예열과정(S5) 및 접합과정(S6)으로 구성된다.

먼저, 상기 세척과정(S1)을 살펴본다.

세척과정(S1)은 일반적으로 용접이나 브레이징 등의 접합이 행해지는 경우에 접합성의 개선을 위하여, 이에 영향을 줄 수 있는 먼지나 때, 응축액, 윤활유 및 오일 등을 제거하기 위한 과정이다.

세척과정(S1)은 일반적인 방법에 따라 행해지되, 바람직하게는 초음파 진동을 주면서 세척을 하게 되는 초음파 산세(Supersonic pickling) 방식을 실시하되, 초음파 산세후에 중화 및 헹굼이 이루어질 수 있다.

초음파 산세시에는 세척제의 화학성분의 활성을 통하여 세척력을 향상시키기 위하여, 세척제를 70 내지 90℃로 가열하여 세척을 할 수 있다.

세척과정(S1)은 추후 브레이징시 접합면에 존재하는 불순물에 의하여 플럭스의 기능이 저하되어 결과적으로 불완전한 접합이 이루어질 수 있으므로, 접합과정(S6)의 시작 전에 행해지는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 아연도금과정(S2)을 살펴본다.

상기 세척과정(S1) 후에는, 스테인레스강의 접합부위 일부에 아연(Zn)을 도금할 수 있다. 아연은 철(Fe)이나 알루미늄(Al)과의 반응성이 좋아, 스테인레스강에 도금되고, 추후 알루미늄합금(10)과의 접합시에 스테인레스강과 알루미늄합금(10)의 접합을 매개하여 주는 역할을 할 수 있다.

아연도금은 전기아연도금이나 용융아연도금 등 작업환경에 따라 용이한 것은 어떠한 것이든 가능할 수 있다.

아연도금은 상술한 바와 같이, 스테인리스강(20)과 알루미늄합금(10)의 접합을 매개하여주는 역할을 하는 것이므로, 그 도금품질이 매우 중요하다. 특히, 도금두께가 접합품질에 영향을 미치는 파라미터로써, 도금두께를 5 내지 10㎛를 유지하도록 한다.

다음으로, 상기 플럭스도포과정(S3)을 살펴본다.

플럭스(Flux)는 용접이나 브레이징시 용해되는 금속표면에 이와 반응하지 않는 얇은 층을 만듬으로써, 용해되는 금속표면이 대기와의 접촉에 의한 산화나 수증기와의 접촉에 의한 수분의 함유를 막아주어 접합력에 영향이 없도록 하여주는 역할을 한다.

일반적으로 플럭스는 아크용접(Arc welding)의 경우에는 용접봉의 표면에 도포되어 있어, 용접의 진행시 용접봉의 용융과 함께 용융되어 용접 비드(Bead)의 표면에 산화막을 형성하도록 되어 있으나, 후술할 접합과정(S6)에서는 MIG(Metal inert Gas)나 TIG(Tungsten inert Gas)에 의해 브레이징이 이루어지므로, 플럭스의 공급을 위하여 별도의 도포과정이 필요하다.

플럭스의 양이 부족하게 되면, 비드의 형성이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 상세하게는, 알루미늄합금(10)의 용융이 원활히 되어 비드가 넓게 형성이 되어야 하는데, 대기와의 접촉 및 수증기의 침투로 인하여 점(Spot) 또는 좁은 비드가 형성될 수 있다.

이러한 불완전한 비드의 형성은 결국 접합력의 저하를 가져오게 되어 본 발명이 추구하는 목적의 달성이 어렵게 된다.

바람직하게는, 플럭스의 사용량은 3 내지 8g/㎡의 농도로 사용하여 접합부위의 표면에 균일하게 도포하되, 플럭스통에 침지하거나 스프레이 방식 등의 사용이 가능하고, 알루미늄계인 플럭스를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 건조과정(S4)을 살펴본다.

상기 플럭스도포과정(S3)에서 생길 수 있는 유분이나 수분을 제거하기 위하여 건조과정(S4)이 필요할 수 있다. 상술한 바와 같이, 플럭스의 도포가 용융되는 금속에 불순물이나 수분의 침투를 막기위한 목적인 바, 플럭스 자체가 가지고 있는 유분이나 수분의 제거가 이루어져야 기능을 발휘할 수 있다.

건조과정(S4)은 90 내지 100℃의 온도에서 20 내지 30분간 건조가 실시될 수 있다. 100℃이상의 온도에서는 수분의 끓는점을 초과하게 되고, 단시간의 건조도 급격한 상변화를 일으킬 수 있으므로 플럭스의 균일한 도포면에 기공이나 불균형을 일으킬 수 있기 때문에, 끓는점 이하의 고온에서 장시간에 걸쳐 건조가 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 예열과정(S5)을 살펴본다.

일반적으로 용접이나 브레이징의 전에 이루어지는 예열은 모재의 용융을 활성화시키거나, 상술한 접합의 매개체인 아연도금이나 플럭스의 활성을 꾀하거나, 저온의 모재에 높은 온도가 급격히 가해지면서 생길 수 있는 균열 등을 방지하기 위하여 이루어진다.

가스 토치에 의해 접합부위를 가열하거나, 고주파를 이용한 방법, 저온에서 접합을 실시하면서 고온으로 적층하여 접합하는 방법 등이 주로 사용된다.

본 발명에서는 예열을 위하여 레이저(30)(Laser)에 의한 방법이 이용될 수 있다. 레이저(30)는 일반적으로 직진성을 가지는 빛의 성질을 가지고 있어서, 목적하는 위치에 정확한 조사가 가능하다.

그러나, 본 발명에서는 접합부위에 대해 레이저(30)에 의해 집중적인 예열이 되는 경우에는, 오히려 접합의 활성을 위한 예열의 목적보다 모재에 열적 스트레스를 유발할 수 있기 때문에, 의도적으로 디포커싱(defocusing, 촛점흐림)하여 넓은 면적에 레이저(30)가 조사되도록 한다. 상세하게는, 레이저(30)가 조사되는 폭이 포커싱이 되는 경우에는 20 내지 30㎛의 폭을 가지게 되나, 본 발명에서는 레이저(30)가 조사되는 폭이 3 내지 5mm가 되도록 디포커싱할 수 있다

본 발명에서 사용되는 레이저(30)의 전원은 1 내지 2㎾의 용량이 사용되고, 펄스파가 아닌 연속파장의 고체레이저(30)가 사용될 수 있다. 본 발명에서 레이저(30)의 역할을 후술할 접합과정(S6)의 브레이징에 선행하여 접합부위를 예열하는 것으로서, 예열에 의하여 스테인리스강(20)의 아연도금과 알루미늄합금(10)의 젖음성이 개선되어 접합이 용이하게 되도록 할 수 있다.

마지막으로, 상기 접합과정(S6)을 살펴본다.

상기 접합과정(S6)을 위하여 스테인리스강(20)과 알루미늄합금(10)의 맞대기부위의 형상을 특별히 형성할 수 있다.

상세하게는, 스테인리스강(20)과 알루미늄합금(10)이 맞대기부위 중 알루미늄합금(10)의 끝단은 단차를 형성하여, 그 단차 상에 스테인리스강(20)의 끝단이 안착될 수 있도록 할 수 있다.

알루미늄합금(10)은 융점이 600 내지 650℃인데, 스테인리스강(20)은 1,400 내지 1,450℃로서, 두 금속의 접합시 용접이나 브레이징을 이용하게 되면, 융점이 낮은 알루미늄합금(10)의 용융을 통하여 생긴 용융금속(50)에 의하여 스테인리스강(20)이 접합이 되도록 하기 위하여, 알루미늄합금(10)의 끝단에 스테인리스강(20)이 안착되는 구조를 형성하여 접합이 되도록 한다.

알루미늄합금(10)의 낮은 융점에 맞는 접합방법인 브레이징 방법에 의해 접합이 이루어질 수 있게 되되, 융점이 낮고 변형이 쉬우며, 박판인 알루미늄합금(10)의 성질에 따라 브레이징시 수축변형이나 변질이 적고, 박판에도 적용이 가능한 MIG 또는 TIG 방법이 이용될 수 있다.

상세하게는, 단차진 알루미늄합금(10)의 끝단에 스테인리스강(20)의 끝단을 안착시킨 후에, 상기 레이저(30)에 의한 예열과정(S5)이 접합과정(S6)이 진행되는 방향에 선행하여 이루어질 수 있다.

예열과정(S5)이 이루어지는 방향에 후행하여 접합과정(S6)인 브레이징이 진행이 될 수 있도록 토치(40)가 위치하게 되는데, 이 때 융점이 낮은 알루미늄합금(10)의 상부단차(11)가 용융되면서 하부단차(13)상에 있는 스테인리스강(20)의 상부에 용융금속(50)이 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 스테인리스강(20)의 표면은 아연도금과정(S2)에 의해 아연도금이 이루어져 있으므로, 아연과 알루미늄의 친(親)결합성에 의해 알루미늄합금(10)과 스테인리스강(20)의 접합이 될 수 있다.

이 때, 플럭스도포과정(S3)에 의해 알루미늄합금(10)에 도포되어 있는 플럭스가 토치(40)에 의한 브레이징으로 용해되어 상기 용융금속(50)의 표면에 얇은 막을 형성함으로써, 용융금속(50)이 대기 및 수증기와 접촉하지 않도록 하여 접합품질을 향상시킬 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

S1: 세척과정
S2: 아연도금과정
S3: 플럭스도포과정
S4: 건조과정
S5: 예열과정
S6: 접합과정
10: 알루미늄합금
11: 상부단차
13: 하부단차
20: 스테인리스강
30: 레이저
40: 토치
50: 용융금속

Claims

차량의 흡배기계에서 알루미늄합금과 스테인리스강을 접합하는 방법에 있어서,
상기 알루미늄합금과 상기 스테인리스강의 표면을 깨끗하게 하는 세척과정;
상기 스테인리스강의 접합부위에 대한 아연도금과정;
상기 알루미늄합금의 접합부위에 도포되어 알루미늄합금의 용융을 향상시키는 플럭스도포과정;
상기 플럭스에 형성된 수분을 제거하는 건조과정; 및
상기 알루미늄합금과 상기 스테인리스강을 맞대어 브레이징하는 접합과정으로 구성되는 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법.
제1항에 있어서,
상기 건조과정과 상기 접합과정 사이에는 레이저를 이용한 예열과정이 더 포함된 것을 특징으로 하는 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법.
제2항에 있어서,
상기 예열과정은 레이저의 초점을 디포커싱하여 넓은 면적이 예열되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법.
제1항 있어서,
상기 건조과정은 90 내지 100℃의 온도에서 20 내지 30분간 실시하는 것을 특징으로 하는 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법.
제1항에 있어서,
상기 접합과정은 MIG 또는 TIG 브레이징하는 것을 특징으로 하는 차량에 적용되는 알루미늄합금과 스테인리스강의 이종재 브레이징 접합방법.