거의 모든 조립 과정은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 제조업체나 통합자가 최상의 결과를 얻기 위해 선택하는 옵션은 일반적으로 특정 응용 분야에 검증된 기술을 적용하는 것입니다.
브레이징은 그러한 공정 중 하나입니다. 브레이징은 두 개 이상의 금속 부품을 용융 금속을 녹여 접합부에 흘려보내 접합하는 금속 접합 공정입니다. 용융 금속은 인접한 금속 부품보다 녹는점이 낮습니다.
브레이징에 필요한 열은 토치, 용광로 또는 유도 코일을 통해 공급할 수 있습니다. 유도 브레이징 중 유도 코일은 기판을 가열하여 필러 금속을 녹이는 자기장을 생성합니다. 유도 브레이징은 점점 더 많은 조립 응용 분야에 가장 적합한 선택임이 입증되고 있습니다.
"유도 브레이징은 토치 브레이징보다 훨씬 안전하고, 퍼니스 브레이징보다 빠르며, 두 가지 모두보다 반복성이 뛰어납니다."라고 오하이오주 윌러비에 있는 88세의 통합업체 Fusion Inc.의 현장 및 시험 과학 관리자인 스티브 앤더슨은 말했습니다. 그는 브레이징을 포함한 다양한 조립 방식을 전문으로 합니다. "게다가 유도 브레이징은 더 쉽습니다. 다른 두 가지 방식에 비해 일반 전기만 있으면 됩니다."
몇 년 전, Fusion은 금속 가공 및 공구 제작을 위해 10개의 카바이드 버를 조립하는 완전 자동 6스테이션 기계를 개발했습니다. 버는 원통형 및 원뿔형 텅스텐 카바이드 블랭크를 강철 섕크에 부착하여 만듭니다. 생산 속도는 시간당 250개이고, 별도의 부품 트레이에는 144개의 블랭크와 공구 홀더가 들어갈 수 있습니다.
"4축 SCARA 로봇이 트레이에서 손잡이를 꺼내 솔더 페이스트 디스펜서에 건네주고 그리퍼 네스트에 넣습니다."라고 앤더슨은 설명합니다. "그런 다음 로봇은 트레이에서 블랭크 조각을 꺼내 접착될 섕크 끝부분에 놓습니다. 유도 브레이징은 두 부품을 수직으로 감싸는 전기 코일을 사용하여 수행되며, 은 필러 금속을 1,305°F(약 640°C)의 액상선 온도로 가열합니다. 버(burr) 부품이 정렬되고 냉각된 후, 배출 슈트를 통해 배출되어 추가 가공을 위해 수집됩니다."
조립을 위한 유도 브레이징의 사용이 증가하고 있는데, 그 이유는 주로 두 금속 부품 사이에 강력한 연결을 만들어내고 서로 다른 재료를 접합하는 데 매우 효과적이기 때문입니다. 또한 환경 문제, 기술의 발전, 비전통적 응용 분야 등으로 인해 제조 엔지니어는 유도 브레이징을 더욱 면밀히 검토하게 되었습니다.
유도 브레이징은 1950년대부터 있었지만, 전자기력을 이용한 유도 가열이라는 개념은 1세기 이상 전인 영국의 과학자 마이클 패러데이에 의해 발견되었습니다. 최초의 브레이징 열원은 손 토치였고, 그 뒤를 이어 1920년대에 용광로가 사용되었습니다. 제2차 세계 대전 중에는 최소한의 노동력과 비용으로 대량의 금속 부품을 제조하기 위해 용광로 기반 방법이 자주 사용되었습니다.
1960년대와 1970년대에 에어컨에 대한 소비자 수요가 커지면서 유도 브레이징의 새로운 응용 분야가 생겨났습니다. 실제로 1970년대 후반에 알루미늄을 대량으로 브레이징한 덕분에 오늘날 자동차 에어컨 시스템에 사용되는 많은 부품이 탄생했습니다.
Ambrell Corp.의 영업 관리자인 Rick Bausch는 "토치 브레이징과 달리 유도 브레이징은 비접촉식이며 과열 위험을 최소화합니다."라고 말합니다.
eldec LLC의 영업 및 운영 관리자인 그렉 홀랜드에 따르면, 표준 유도 브레이징 시스템은 세 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다. 즉, 전원 공급 장치, 유도 코일이 있는 작업 헤드, 냉각기 또는 냉각 시스템입니다.
전원 공급 장치는 작업 헤드에 연결되고 코일은 조인트 주위에 맞게 맞춤 설계됩니다. 인덕터는 단단한 막대, 유연한 케이블, 기계로 가공한 빌릿 또는 분말 구리 합금으로 3D 인쇄하여 만들 수 있습니다. 그러나 일반적으로 여러 가지 이유로 물이 흐르는 중공 구리 튜브로 만들어집니다. 그 중 하나는 납땜 과정에서 부품에서 반사되는 열을 상쇄하여 코일을 시원하게 유지하는 것입니다. 흐르는 물은 또한 교류가 자주 발생하고 그로 인해 열이 효율적으로 전달되지 않아 코일에 열이 쌓이는 것을 방지합니다.
홀랜드는 "접합부 내 한 지점 이상에서 자기장을 강화하기 위해 코일에 자속 집중기를 설치하는 경우가 있습니다."라고 설명합니다. "이러한 집중기는 얇은 전기강판을 촘촘히 쌓아 만든 적층형이거나, 분말 형태의 강자성체와 유전체 결합을 고압으로 압축한 강자성 튜브일 수 있습니다. 두 가지 방법 중 하나를 사용할 수 있습니다. 집중기의 장점은 접합부의 특정 영역에 더 많은 에너지를 더 빠르게 전달하여 사이클 시간을 단축하는 동시에 다른 영역은 시원하게 유지할 수 있다는 것입니다."
유도 납땜을 위해 금속 부품을 배치하기 전에 작업자는 시스템의 주파수와 전력 레벨을 적절히 설정해야 합니다. 주파수는 5kHz에서 500kHz까지이며, 주파수가 높을수록 표면이 더 빨리 가열됩니다.
전원 공급 장치는 종종 수백 킬로와트의 전기를 생산할 수 있습니다. 그러나 손바닥 크기의 부품을 10~15초 안에 납땜하는 데 필요한 전력은 1~5킬로와트에 불과합니다. 이에 비해 대형 부품은 50~100킬로와트의 전력이 필요하고 납땜하는 데 최대 5분이 걸립니다.
"일반적으로 작은 부품은 전력 소모량이 적지만 100~300kHz와 같이 더 높은 주파수가 필요합니다."라고 Bausch는 말했습니다. "반대로 큰 부품은 더 많은 전력과 더 낮은 주파수, 일반적으로 100kHz 미만이 필요합니다."
크기에 관계없이 금속 부품은 고정하기 전에 올바른 위치에 배치해야 합니다. 흐르는 필러 메탈에 의한 적절한 모세관 작용을 허용하기 위해 기본 금속 사이에 좁은 간격을 유지하는 데 주의해야 합니다. 이러한 간격을 확보하는 가장 좋은 방법은 맞대기, 겹치기 및 맞대기 겹치기 접합입니다.
전통적인 방식이나 자체 고정 방식 모두 허용됩니다. 표준 고정 장치는 스테인리스 스틸이나 세라믹과 같이 전도성이 낮은 재료로 만들어야 하며, 구성 요소에 최소한으로만 닿아야 합니다.
부품을 맞물리는 이음새, 압입, 움푹 들어간 부분 또는 널링으로 설계하면 기계적 지지가 필요 없이 자체 고정이 가능합니다.
그런 다음 조인트를 사포나 용제로 청소하여 오일, 그리스, 녹, 스케일, 먼지 등의 오염 물질을 제거합니다. 이 단계는 용융된 충전 금속이 조인트의 인접한 표면을 통해 스스로를 끌어당기는 모세관 현상을 더욱 향상시킵니다.
부품이 제대로 자리 잡고 세척된 후, 작업자는 접합부(보통 페이스트)에 접합 화합물을 바릅니다. 이 화합물은 필러 금속, 플럭스(산화 방지용) 및 녹기 전에 금속과 플럭스를 함께 고정하는 바인더의 혼합물입니다.
브레이징에 사용되는 필러 메탈과 플럭스는 납땜에 사용되는 것보다 더 높은 온도를 견딜 수 있도록 제조됩니다. 브레이징에 사용되는 필러 메탈은 최소 842F의 온도에서 녹으며 냉각되면 더 강해집니다. 여기에는 알루미늄-실리콘, 구리, 구리-은, 황동, 청동, 금-은, 은 및 니켈 합금이 포함됩니다.
그런 다음 작업자는 다양한 디자인으로 제공되는 유도 코일을 배치합니다. 나선형 코일은 원형 또는 타원형 모양이며 부품을 완전히 둘러싸는 반면, 포크(또는 펜서) 코일은 조인트의 각 측면에 위치하고 채널 코일은 부품에 걸립니다. 다른 코일에는 내경(ID), ID/외경(OD), 팬케이크, 개방형 및 다중 위치가 있습니다.
균일한 열은 고품질 브레이징 연결에 필수적입니다. 이를 위해 작업자는 각 유도 코일 루프 사이의 수직 거리가 작고 결합 거리(코일 OD에서 ID까지의 간격 너비)가 균일하게 유지되도록 해야 합니다.
다음으로 작업자는 전원을 켜서 조인트를 가열하는 과정을 시작합니다. 여기에는 전원에서 인덕터로 중간 또는 고주파 교류 전류를 빠르게 전달하여 그 주위에 교류 자기장을 생성하는 과정이 포함됩니다.
자기장은 접합부 표면에 전류를 유도하고, 이 전류는 필러 금속을 녹이는 열을 발생시켜 금속 부품 표면을 흐르게 하고 적시게 하여 강한 접합을 형성합니다. 다중 위치 코일을 사용하면 이 과정을 여러 부품에서 동시에 수행할 수 있습니다.
각 납땜 구성품에 대한 최종 세척 및 검사가 권장됩니다. 최소 120F로 가열된 물로 부품을 세척하면 납땜 중에 형성된 플럭스 잔여물과 스케일이 제거됩니다. 필러 메탈이 굳었지만 조립품은 아직 뜨거운 상태에서 부품을 물에 담가야 합니다.
부품에 따라 최소한의 검사에 이어 비파괴 검사와 파괴 검사를 실시할 수 있습니다.NDT 방법에는 시각적 검사와 방사선 검사는 물론 누출 및 방수 테스트가 포함됩니다. 일반적인 파괴 검사 방법에는 금속 조직 검사, 박리 검사, 인장 검사, 전단 검사, 피로 검사, 전달 검사 및 비틀림 검사가 있습니다.
"유도 브레이징은 토치 방식보다 초기 자본 투자가 더 많이 필요하지만, 효율성과 제어력이 더 뛰어나기 때문에 그만한 가치가 있습니다."라고 홀랜드는 말했습니다. "유도 브레이징은 열이 필요할 때는 그냥 누르기만 하면 되고, 열이 필요하지 않을 때는 누르기만 하면 됩니다."
Eldec은 다양한 구성으로 각 응용 분야에 가장 적합한 ECO LINE MF 중간 주파수 라인을 비롯한 유도 브레이징용 전원을 광범위하게 제조합니다. 이러한 전원 공급 장치는 5~150kW의 전력 정격과 8~40Hz의 주파수로 제공됩니다. 모든 모델에는 작업자가 3분 이내에 100% 연속 사용 정격을 추가로 50% 높일 수 있는 전력 부스트 기능이 장착될 수 있습니다. 기타 주요 기능으로는 고온계 온도 제어, 온도 기록기 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 전원 스위치가 있습니다. 이러한 소모품은 유지 관리가 거의 필요 없고, 조용하게 작동하며, 설치 공간이 작고, 워크셀 컨트롤러와 쉽게 통합됩니다.
여러 산업 분야의 제조업체가 부품 조립에 유도 납땜을 사용하는 경우가 점점 늘어나고 있습니다. Bausch는 자동차, 항공우주, 의료 장비 및 광산 장비 제조업체를 Ambrell 유도 납땜 장비의 가장 큰 사용자로 꼽습니다.
바우쉬는 "자동차 산업에서 알루미늄 유도 브레이징 부품의 수는 중량 감소 노력으로 인해 계속 증가하고 있습니다."라고 지적합니다. "항공우주 분야에서는 니켈 및 기타 유형의 마모 패드가 제트 블레이드에 브레이징되는 경우가 많습니다. 두 산업 모두 다양한 강관 피팅에도 유도 브레이징을 적용합니다."
Ambrell의 EasyHeat 시스템 6종은 모두 150~400kHz의 주파수 범위를 가지고 있으며, 다양한 기하학적 구조의 소형 부품에 대한 유도 브레이징에 이상적입니다. 컴팩트형(0112 및 0224)은 25와트 분해능 내에서 전력 제어를 제공하고, LI 시리즈 모델(3542, 5060, 7590, 8310)은 50와트 분해능 내에서 전력 제어를 제공합니다.
두 시리즈 모두 전원으로부터 최대 10피트 떨어진 곳에 분리형 작업 헤드를 갖추고 있습니다. 시스템의 전면 패널 제어 장치는 프로그래밍이 가능하여 최종 사용자는 최대 4개의 다른 가열 프로필을 정의할 수 있으며, 각 프로필에는 최대 5개의 시간 및 전력 단계가 있습니다. 원격 전원 제어는 접점 또는 아날로그 입력이나 옵션인 직렬 데이터 포트를 통해 사용할 수 있습니다.
"유도 브레이징의 주요 고객은 탄소를 함유한 부품이나 철 함량이 높은 대형 부품을 생산하는 제조업체입니다."라고 Fusion 사업 개발 관리자인 Rich Cukelj가 설명합니다. "이러한 회사 중 일부는 자동차 및 항공우주 산업에 서비스를 제공하고, 다른 회사는 총, 절삭 공구 조립품, 배관 수도꼭지 및 배수구, 또는 배전 블록 및 퓨즈를 제조합니다."
Fusion은 시간당 100~1,000개의 부품을 유도 납땜할 수 있는 맞춤형 회전 시스템을 판매합니다. Cukelj에 따르면, 단일 유형의 부품이나 특정 부품 시리즈의 경우 더 높은 수율이 가능합니다. 이러한 부품의 크기는 2~14제곱인치입니다.
Cukelj는 "각 시스템에는 8, 10 또는 12개의 작업대를 갖춘 Stelron Components Inc.의 인덱서가 포함되어 있습니다."라고 설명합니다. "일부 작업대는 브레이징에 사용되고 다른 작업대는 비전 카메라나 레이저 측정 장비를 사용하여 검사하거나, 고품질 브레이징 접합부를 보장하기 위해 인장 시험을 수행하는 데 사용됩니다."
홀랜드에 따르면, 제조업체는 로터와 샤프트의 수축 맞춤이나 모터 하우징 결합과 같은 다양한 유도 납땜 응용 분야에 eldec의 표준 ECO LINE 전원 공급 장치를 사용합니다.최근에 이 발전기의 100kW 모델은 수력 발전 댐 발전기의 구리 탭 연결부에 구리 회로 링을 납땜하는 대형 부품 응용 분야에 사용되었습니다.
Eldec은 또한 10~25kHz의 주파수 범위를 갖는, 공장 내에서 쉽게 이동할 수 있는 휴대용 MiniMICO 전원 공급 장치를 제조합니다. 2년 전, 자동차 열교환기 튜브 제조업체는 MiniMICO를 사용하여 각 튜브에 리턴 엘보를 유도 브레이징했습니다. 한 사람이 모든 브레이징을 했고, 각 튜브를 조립하는 데 30초도 걸리지 않았습니다.
짐은 ASSEMBLY의 수석 편집자로 30년 이상의 편집 경력을 가지고 있습니다. ASSEMBLY에 합류하기 전, 카밀로는 PM 엔지니어였으며 Association for Equipment Engineering Journal과 Milling Journal의 편집자였습니다. 짐은 DePaul University에서 영문학 학위를 취득했습니다.
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