거의 모든 조립 공정은 여러 가지 방법으로 수행될 수 있습니다. 제조업체나 시스템 통합업체가 최상의 결과를 얻기 위해 선택하는 방법은 대개 검증된 기술을 특정 용도에 적용하는 것입니다.
브레이징은 그러한 공정 중 하나입니다. 브레이징은 두 개 이상의 금속 부품을 접합하기 위해 용가재를 녹여 접합부에 흘려보내는 금속 접합 공정입니다. 용가재는 인접한 금속 부품보다 녹는점이 낮습니다.
브레이징에 필요한 열은 토치, 용광로 또는 유도 코일을 통해 공급할 수 있습니다. 유도 브레이징에서는 유도 코일이 자기장을 생성하여 기판을 가열하고 충전재를 녹입니다. 유도 브레이징은 점점 더 많은 조립 응용 분야에서 최적의 선택으로 입증되고 있습니다.
오하이오주 윌로비에 위치한 88년 역사의 시스템 통합 업체인 퓨전(Fusion Inc.)의 현장 및 테스트 과학 담당 매니저인 스티브 앤더슨은 “유도 브레이징은 토치 브레이징보다 훨씬 안전하고, 용광로 브레이징보다 빠르며, 두 방식 모두보다 재현성이 뛰어납니다.”라고 말했습니다. 그는 브레이징을 포함한 다양한 조립 방식을 전문으로 한다고 밝혔습니다. “게다가 유도 브레이징은 더 간편합니다. 다른 두 방식과 비교했을 때, 실제로 필요한 것은 일반 전기뿐입니다.”
몇 년 전, Fusion은 금속 가공 및 공구 제작용 초경 버 10종을 조립하는 완전 자동 6스테이션 기계를 개발했습니다. 이 버는 원통형 및 원뿔형 텅스텐 카바이드 블랭크를 강철 생크에 부착하여 제작됩니다. 시간당 생산량은 250개이며, 별도의 부품 트레이에는 블랭크와 공구 홀더를 144개까지 수용할 수 있습니다.
앤더슨은 “4축 SCARA 로봇이 트레이에서 손잡이를 꺼내 솔더 페이스트 분배기에 대고 그리퍼 네스트에 장착합니다.”라고 설명합니다. “그런 다음 로봇은 트레이에서 블랭크 조각을 꺼내 생크 끝부분에 놓고 접착합니다. 유도 브레이징은 두 부품을 수직으로 감싸는 전기 코일을 사용하여 수행되며, 은 필러 금속을 1,305°F(약 550°C)의 액상 온도까지 가열합니다. 버(burr) 부품이 정렬되고 냉각되면 배출 슈트를 통해 배출되어 추가 공정을 위해 수집됩니다.”
유도 브레이징은 두 금속 부품 사이에 강력한 접합을 형성하고 이종 재료를 효과적으로 접합할 수 있기 때문에 조립에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 환경 문제, 기술 발전, 그리고 비전통적인 응용 분야 또한 제조 엔지니어들이 유도 브레이징에 더욱 주목하게 만드는 요인입니다.
유도 브레이징은 1950년대부터 사용되어 왔지만, 전자기력을 이용한 유도 가열 개념 자체는 그보다 100년도 더 전에 영국의 과학자 마이클 패러데이에 의해 발견되었습니다. 브레이징의 초기 열원은 휴대용 토치였으며, 1920년대에는 용광로가 그 뒤를 이었습니다. 제2차 세계 대전 중에는 최소한의 노동력과 비용으로 대량의 금속 부품을 생산하기 위해 용광로를 이용한 방식이 자주 사용되었습니다.
1960년대와 1970년대 에어컨에 대한 소비자 수요 증가는 유도 브레이징에 새로운 응용 분야를 창출했습니다. 실제로 1970년대 후반 알루미늄의 대량 브레이징은 오늘날 자동차 에어컨 시스템에 사용되는 많은 부품의 탄생으로 이어졌습니다.
"토치 브레이징과 달리 유도 브레이징은 비접촉 방식이므로 과열 위험을 최소화합니다."라고 Ambrell Corp.의 영업 관리자인 Rick Bausch는 TEST.temperature에서 언급했습니다.
엘덱(eldec LLC)의 영업 및 운영 관리자인 그렉 홀랜드에 따르면, 표준 유도 브레이징 시스템은 전원 공급 장치, 유도 코일이 있는 작업 헤드, 그리고 냉각기 또는 냉각 시스템의 세 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.
전원 공급 장치는 작업 헤드에 연결되고 코일은 접합부에 맞게 맞춤 설계됩니다. 인덕터는 단단한 막대, 유연한 케이블, 가공된 빌릿 또는 분말 구리 합금을 3D 프린팅하여 만들 수 있습니다. 하지만 일반적으로는 속이 빈 구리 튜브로 만들어지며, 여러 가지 이유로 그 안으로 물이 흐릅니다. 첫째, 브레이징 과정에서 부품에서 반사되는 열을 상쇄하여 코일을 냉각시키는 역할을 합니다. 또한 흐르는 물은 교류 전류의 빈번한 존재로 인해 발생하는 비효율적인 열 전달로 인한 코일의 열 축적을 방지합니다.
"때때로 코일 접합부의 하나 이상의 지점에서 자기장을 강화하기 위해 자속 집중기를 코일에 설치합니다."라고 홀랜드는 설명합니다. "이러한 집중기는 얇은 전기 강판을 촘촘하게 쌓아 만든 적층형이거나, 분말 형태의 강자성 물질과 유전체 결합재를 고압으로 압축한 강자성 튜브일 수 있습니다. 어느 쪽이든 사용할 수 있습니다. 집중기의 이점은 접합부의 특정 영역에 더 많은 에너지를 더 빠르게 전달하여 사이클 시간을 단축하는 동시에 다른 영역은 더 차갑게 유지하는 것입니다."
유도 브레이징을 위해 금속 부품을 배치하기 전에 작업자는 시스템의 주파수와 전력 레벨을 적절하게 설정해야 합니다. 주파수는 5kHz에서 500kHz까지 가능하며, 주파수가 높을수록 표면이 더 빨리 가열됩니다.
전원 공급 장치는 종종 수백 킬로와트의 전력을 생산할 수 있습니다. 하지만 손바닥 크기의 부품을 10~15초 만에 납땜하는 데는 1~5킬로와트만 필요합니다. 이에 비해 큰 부품을 납땜하려면 50~100킬로와트의 전력이 필요하고 최대 5분이 소요될 수 있습니다.
바우쉬는 "일반적으로 작은 부품은 전력 소모가 적지만 100~300kHz와 같은 높은 주파수를 필요로 한다"며, "반대로 큰 부품은 더 많은 전력을 필요로 하고 일반적으로 100kHz 미만의 낮은 주파수를 필요로 한다"고 말했다.
크기에 관계없이 금속 부품은 체결하기 전에 정확한 위치에 놓아야 합니다. 용접봉이 원활하게 모세관 현상을 이용하여 용융될 수 있도록 모재 사이에 충분한 간격을 유지해야 합니다. 맞대기 이음, 겹침 이음, 맞대기 겹침 이음은 이러한 간격을 확보하는 가장 좋은 방법입니다.
기존 방식 또는 자가 고정 방식 모두 허용됩니다. 표준 고정 장치는 스테인리스강이나 세라믹과 같이 전도성이 낮은 재질로 제작되어야 하며, 부품과의 접촉을 최소화해야 합니다.
맞물리는 이음매, 스웨이징, 오목부 또는 널링으로 부품을 설계함으로써 기계적 지지대 없이도 자체 고정이 가능합니다.
그다음에는 사포나 용제를 사용하여 접합부를 세척하여 오일, 그리스, 녹, 스케일 및 먼지와 같은 오염 물질을 제거합니다. 이 단계는 용융된 용접봉이 접합부의 인접 표면을 통해 모세관 현상을 이용하여 더욱 잘 스며들도록 도와줍니다.
부품들이 제대로 장착되고 세척되면 작업자는 접합부에 접합 컴파운드(일반적으로 페이스트 형태)를 바릅니다. 이 컴파운드는 용가재, 플럭스(산화 방지용) 및 금속과 플럭스를 녹이기 전에 결합시키는 바인더의 혼합물입니다.
브레이징에 사용되는 충전재와 플럭스는 납땜에 사용되는 온도보다 높은 온도를 견딜 수 있도록 제조됩니다. 브레이징용 충전재는 최소 842°F(섭씨 약 500도)에서 녹으며 냉각될 때 강도가 증가합니다. 이러한 충전재에는 알루미늄-실리콘, 구리, 구리-은, 황동, 청동, 금-은, 은 및 니켈 합금이 포함됩니다.
그런 다음 작업자는 다양한 모양으로 제공되는 유도 코일을 배치합니다. 나선형 코일은 원형 또는 타원형으로 부품을 완전히 감싸는 반면, 포크형(또는 집게형) 코일은 접합부의 양쪽에 위치하고 채널형 코일은 부품에 걸립니다. 기타 코일에는 내경(ID), 내경/외경(OD), 팬케이크형, 개방형 및 다중 위치형이 있습니다.
균일한 열 분포는 고품질 브레이징 접합에 필수적입니다. 이를 위해 작업자는 각 유도 코일 루프 사이의 수직 거리가 작고, 코일 외경과 내경 사이의 간격(결합 거리)이 균일하게 유지되도록 해야 합니다.
다음으로 작업자는 전원을 켜서 관절을 가열하는 과정을 시작합니다. 이 과정은 전원에서 인덕터로 중간 또는 고주파 교류 전류를 빠르게 전달하여 인덕터 주변에 교류 자기장을 생성하는 것을 포함합니다.
자기장은 접합면 표면에 전류를 유도하여 열을 발생시키고, 이 열로 인해 용접봉이 녹아 흘러 들어가 금속 부품 표면을 적시면서 강력한 접합을 형성합니다. 다중 위치 코일을 사용하면 이 공정을 여러 부품에 동시에 적용할 수 있습니다.
브레이징된 각 부품은 최종 세척 및 검사를 거치는 것이 좋습니다. 최소 120°F(49°C) 이상으로 가열된 물로 부품을 세척하면 브레이징 과정에서 생성된 플럭스 잔류물과 스케일을 제거할 수 있습니다. 부품은 용접봉이 굳었지만 조립체가 아직 뜨거울 때 물에 담가야 합니다.
부품에 따라 최소 검사 후 비파괴 검사 및 파괴 검사를 시행할 수 있습니다. 비파괴 검사에는 육안 검사, 방사선 검사, 누출 및 내압 시험 등이 있습니다. 일반적인 파괴 검사 방법으로는 금속 조직 검사, 박리 검사, 인장 시험, 전단 시험, 피로 시험, 전이 시험, 비틀림 시험 등이 있습니다.
"유도 브레이징은 토치 방식보다 초기 자본 투자가 더 많이 필요하지만, 효율성과 제어력이 뛰어나기 때문에 그만한 가치가 있습니다."라고 홀랜드는 말했습니다. "유도 브레이징은 열이 필요할 때만 누르고, 필요하지 않을 때는 누르지 않으면 됩니다."
엘덱은 ECO LINE MF 중주파수 라인과 같이 다양한 구성으로 제공되는 유도 브레이징용 전원 공급 장치를 폭넓게 생산합니다. 이 전원 공급 장치는 5kW에서 150kW까지의 정격 출력과 8Hz에서 40Hz까지의 주파수 범위로 제공됩니다. 모든 모델에는 3분 이내에 100% 연속 작동 정격 출력을 50% 추가로 높일 수 있는 출력 증폭 기능을 장착할 수 있습니다. 그 외 주요 기능으로는 고온계 온도 제어, 온도 기록계 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 전력 스위치가 있습니다. 이러한 소모품은 유지 보수가 거의 필요 없고, 조용하게 작동하며, 설치 공간이 작고, 작업 셀 컨트롤러와 쉽게 통합할 수 있습니다.
여러 산업 분야의 제조업체들이 부품 조립에 유도 브레이징을 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 바우쉬는 자동차, 항공우주, 의료기기 및 광산 장비 제조업체들이 앰브렐 유도 브레이징 장비의 가장 큰 사용자라고 지적합니다.
바우쉬는 "자동차 산업에서 경량화 노력으로 인해 유도 브레이징 알루미늄 부품의 수가 계속 증가하고 있다"고 지적하며, "항공우주 분야에서는 니켈을 비롯한 다양한 마모 방지 패드가 제트 엔진 블레이드에 브레이징되는 경우가 많다. 두 산업 모두 다양한 강관 부속품에도 유도 브레이징을 사용한다"고 덧붙였다.
Ambrell의 EasyHeat 시스템 6종 모두 150~400kHz의 주파수 범위를 가지며 다양한 형상의 소형 부품 유도 브레이징에 이상적입니다. 컴팩트 모델(0112 및 0224)은 25와트 단위로 전력 제어가 가능하며, LI 시리즈 모델(3542, 5060, 7590, 8310)은 50와트 단위로 전력 제어가 가능합니다.
두 시리즈 모두 전원으로부터 최대 3미터(10피트) 떨어진 곳에 탈착식 작업 헤드가 있습니다. 시스템 전면 패널의 제어 장치는 프로그래밍이 가능하여 사용자가 최대 4개의 서로 다른 가열 프로파일을 정의할 수 있으며, 각 프로파일은 최대 5단계의 시간 및 전력 설정을 지원합니다. 원격 전원 제어는 접점 또는 아날로그 입력, 또는 옵션 직렬 데이터 포트를 통해 사용할 수 있습니다.
"저희의 유도 브레이징 주요 고객은 탄소를 함유한 부품이나 철 함량이 높은 대형 부품 제조업체입니다."라고 퓨전 사업 개발 매니저인 리치 쿠켈리는 설명합니다. "이러한 기업 중 일부는 자동차 및 항공우주 산업에 서비스를 제공하고, 다른 기업들은 총기, 절삭 공구 조립품, 배관 밸브 및 배수구, 또는 배전 블록 및 퓨즈를 제조합니다."
퓨전은 시간당 100개에서 1,000개의 부품을 유도 브레이징할 수 있는 맞춤형 회전 시스템을 판매합니다. 쿠켈리에 따르면, 단일 부품 유형이나 특정 부품 시리즈의 경우 더 높은 생산량도 가능합니다. 이 부품들의 크기는 2제곱인치에서 14제곱인치까지 다양합니다.
"각 시스템에는 8개, 10개 또는 12개의 워크스테이션을 갖춘 Stelron Components Inc.의 인덱서가 포함되어 있습니다."라고 쿠켈리는 설명합니다. "일부 워크스테이션은 브레이징에 사용되고, 다른 워크스테이션은 비전 카메라나 레이저 측정 장비를 사용한 검사 또는 고품질 브레이징 접합부를 보장하기 위한 인장 시험에 사용됩니다."
제조업체들은 로터와 샤프트의 수축 끼워맞춤이나 모터 하우징 접합과 같은 다양한 유도 브레이징 작업에 엘데크의 표준 ECO LINE 전원 공급 장치를 사용한다고 홀랜드는 말했습니다. 최근에는 이 발전기의 100kW 모델이 수력 발전 댐 발전기의 구리 회로 링을 구리 탭 연결부에 브레이징하는 대규모 부품 작업에 사용되었습니다.
엘덱은 10~25kHz의 주파수 범위를 지원하는 휴대용 MiniMICO 전원 공급 장치도 생산하며, 이 제품은 공장 내에서 쉽게 이동하며 사용할 수 있습니다. 2년 전, 자동차 열교환기 튜브 제조업체는 MiniMICO를 사용하여 각 튜브에 리턴 엘보를 유도 브레이징했습니다. 한 사람이 모든 브레이징 작업을 수행했으며, 각 튜브를 조립하는 데 30초도 채 걸리지 않았습니다.
짐은 30년 이상의 편집 경력을 가진 ASSEMBLY의 선임 편집자입니다. ASSEMBLY에 합류하기 전에는 PM 엔지니어였으며, 장비 엔지니어링 협회 저널(Association for Equipment Engineering Journal)과 밀링 저널(Milling Journal)의 편집자로 활동했습니다. 짐은 드폴 대학교에서 영문학 학위를 받았습니다.
원하는 업체에 제안 요청서(RFP)를 제출하고, 필요한 사항을 자세히 입력하려면 버튼을 클릭하세요.
당사의 구매자 가이드를 통해 모든 유형의 조립 기술, 기계 및 시스템 공급업체, 서비스 제공업체 및 관련 업계 단체를 찾아보세요.
린 식스 시그마는 수십 년 동안 지속적인 개선 노력을 이끌어 왔지만, 그 한계가 드러나고 있습니다. 데이터 수집은 노동 집약적이며 소규모 샘플만 수집할 수 있습니다. 하지만 이제는 기존의 수동 방식보다 훨씬 저렴한 비용으로 장기간에 걸쳐 여러 장소에서 데이터를 수집할 수 있습니다.
로봇은 그 어느 때보다 저렴하고 사용하기 쉬워졌습니다. 이제 중소 제조업체들도 이 기술을 손쉽게 활용할 수 있습니다. 미국 최고의 로봇 공급업체 4곳(ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America, Universal Robots)의 임원들이 참여하는 특별 패널 토론을 들어보세요.