KR102529451B1 - 알루미늄-스틸 브레이징을 위한 필러와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AlSi 합금분말과 플루오르화물 플럭스 분말이 혼합된 혼합 분말 로드 및 상기 혼합 분말 로드를 감싸는 Zn 합금 박판을 포함하는 필러와이어로서, 본 발명에 의하면, 알루미늄과 스틸 간 브레이징의 접합강도 및 생산성을 확보할 수가 있다.

Description

알루미늄-스틸 브레이징을 위한 필러와이어{FILLER WIRE FOR BRAZING ALUMINIUM AND STEEL}

본 발명은 알루미늄과 스틸 간의 이종 접합을 위한 필러와이어에 관한 것이다.

알루미늄과 스틸을 용접하는 경우, 서로 간의 용해도가 매우 낮아 안정적인 합금을 형성하지 못하고, 취성이 매우 높은 금속 간 화합물을 형성하게 되어 접합강도를 확보하기가 용이하지 않다.

이러한 이유로 인해 자동차, 선박, 항공 산업 등에서는 알루미늄과 스틸 간 접합은 원가나 중량의 상승에도 불구하고 대부분 리벳과 같은 기계적 접합이 적용되고 있으며, 용접이나 브레이징이 양산에 적용되지는 못한다.

2000년 초반부터는 두 금속 간의 열 접합(thermal joining) 강도를 확보하기 위해 알루미늄 모재를 알루미늄 또는 아연 계 Solid Filler Wire와 같이 녹여 고상 상태인 스틸 모재의 표면에 브레이징시키는 Welding-Brazing(Self-Brazing) 기술이 개발되어 왔다.

그러나, 이러한 기술은 Galvanized Steel(GI)과 같은 특정 도금층을 가진 스틸에서만 유효하며, Galvannealed Steel(GA)이나 Uncoated Steel에서는 Al-Fe 금속 간 화합물 두께 제어가 용이하지 않아 인장전단 평가에서 브레이징 심과 스틸 모재 계면 박리를 회피하기 어렵다.

한편, 염화물 또는 플루오르화물 Flux는 GA 또는 Uncoated Steel에 용융된 알루미늄을 브레이징할 때 모재 표면 산화물 또는 이물질을 제거시켜 계면 생성 에너지를 낮추는 역할을 하여 Al-Fe 금속 간 화합물의 두께 제어를 용이하게 한다.

이러한 이점을 이용하여 도 1과 같이 Solid Wire(Sheath) 안에 Flux를 삽입한 Flux Cored Filler Wire(FCW)를 GA 또는 Uncoated Steel에 적용한 사례가 있다.

그러한 FCW의 경우 Flux가 Al-Si Sheath 내부에 뭉쳐져 있어 브레이징 시 효율적으로 퍼져서 모재와 반응하지 못하고 Flux 일부가 브레이징 후 표면에 잔류하여 도 2와 같은 다량의 슬러지를 발생시키거나, 도 3과 같이 안정적인 브레이징 계면을 형성하지 못하고 미접합 부위가 쉽게 발생하게 된다.

또한, 불안정하게 기화된 Flux는 도 4와 같이 브레이징 seam 내부에 다량의 기공을 발생시켜 접합강도의 저하 요인으로 작용하기도 한다.

그리고, Flux를 사용하는 경우 Flux와 모재가 안정적으로 반응하기 위한 시간이 필요하며, 이로 인해 고속에서 안정적으로 브레이징 계면을 확보하기 어렵다.

대부분의 FCW를 이용한 브레이징은 속도가 1m/min 이하로 적용되고 있으며, 실제 자동차 차체 레이저 브레이징 공정은 일반적으로 3m/min 이상의 조건에서 이루어지고 있다.

그래서, 이와 같은 FCW의 단점을 해결하기 위해 도 5와 같이 Al계 Sheath와 Flux를 분말 상태에서 혼합한 Flux Mixed Rod(FMR)가 시험된 바 있다.

FMR에서 Flux 분말은 브레이징 seam을 구성하게 되는 Al 합금 분말에 균일하게 분포되어 있어, 브레이징 시 안정적인 모재 표면 반응이 이루어지게 되고, FCW 대비 깨끗한 외관과 높은 접합강도의 확보가 가능하다.

하지만, FMR의 경우 혼합된 분말을 인발하여 만들어지기 때문에 재료 자체에 연성이 매우 낮아 약간의 변형만으로도 도 6과 같이 파단이 발생하여, 일반 브레이징용 필러와이어처럼 휠에 감아 레이저 또는 아크 브레이징에 사용하는 것이 불가능하고, 대부분 rod를 얇게 잘라서 모재 위에 위치시킨 후 로 브레이징에 사용되고 있다.

그런데, 자동차, 선박, 항공 등의 운송수단 바디 조립 공정에서의 로 브레이징의 적용은 생산성 측면에서 거의 불가능하며, 대부분 레이저 또는 아크를 이용한 브레이징이 적용되므로, Flux Mixed 타입의 Filler metal은 운송 산업에서 양상에 적용하기에는 제한이 크다.

또한, FMR 역시 저속(1m/min)에서만 안정적으로 계면이 생성되며, 고속에서는 FCW와 마찬가지로 브레이징 seam과 steel 모재 사이에 미접합 부위가 발생하면서 목표하는 접합강도를 확보하기가 어렵다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2013-0133840호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 알루미늄과 스틸 간 브레이징의 접합강도 및 생산성을 확보할 수 있는 알루미늄-스틸 브레이징을 위한 필러와이어를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 필러와이어는, AlSi 합금분말과 플루오르화물 플럭스 분말이 혼합된 혼합 분말 로드 및 상기 혼합 분말 로드를 감싸는 Zn 합금 박판을 포함한다.

그리고, 상기 Zn 합금 박판의 두께는 D/2×0.1 내지 D/2×0.5인 것을 특징으로 한다.(여기서, D는 필러와이어의 직경임.)

또한, 길이방향으로 일정한 간격의 벤딩 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 벤딩 홈의 길이방향의 길이는 D 내지 D×10인 것을 특징으로 한다.(여기서, D는 필러와이어의 직경임.)

나아가, 상기 벤딩 홈 간의 거리는 D×30 이하인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 벤딩 홈의 깊이는 D/2×0.1 내지 D/2×0.7인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 벤딩 홈의 길이방향의 길이는 D 내지 D×10이며, 상기 벤딩 홈 간의 거리는 D×30 이하이면서, 상기 벤딩 홈의 깊이는 D/2×0.1 내지 D/2×0.7인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 Zn 합금 박판은, 전체 중량에 대해 Al 3~20% 및 Si 0.1~1.0%가 혼합된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 알루미늄-스틸 브레이징을 위한 필러와이어를 적용하여 브레이징 시 고속 조건 하에서도 계면에 박리가 생기지 않아 안정적인 접합강도 확보가 가능하며, 브레이징 seam 내부에 기공이 3% 미만으로 ISO 13919-2 규격을 만족시킨다.

또한, 브레이징부 외관 슬러지 및 기타 잔여물이 존재하지 않아 브레이징 후 추가 클리닝 공정이 불필요하다.

이와 같이 본 발명의 필러와이어의 적용시 알루미늄과 스틸 간 브레이징의 접합강도 및 생산성의 확보가 가능하여 차량 경량화를 위해 알루미늄 적용이 불가피한 가운데, 기존에 적용중인 기계적 접합에 대비하여 원가 및 중량을 줄일 수 있게 한다.

도 1은 기존의 FCW를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4는 기존의 FCW에 의한 문제점을 나타낸 것이다.
도 5는 기존의 FMR을 도시한 것이다.
도 6은 기존의 FMR의 문제점을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 필러와이어의 폭 방향 단면을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 필러와이어의 길이 방향 단면을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 필러와이어가 적용된 시험편을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 계면을 나타낸 것이고, 도 11은 도 10의 일 부분에 대한 SEM 분석 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 비교예에 의한 계면을 나타낸 것이고, 도 13은 도 12의 일 부분에 대한 SEM 분석 결과이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 비교예에 의한 계면을 나타낸 것이고, 도 15는 도 14의 일 부분에 대한 SEM 분석 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명에 의한 필러와이어의 폭 방향 단면을 도시한 것이고, 도 8은 본 발명에 의한 필러와이어의 길이 방향 단면을 도시한 것이다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명에 의한 알루미늄-스틸 브레이징을 위한 필러와이어를 설명하기로 한다.

본 발명은 알루미늄과 스틸 간의 브레이징에 있어서 접합강도를 확보하기 위해 적용되는 필러와이어로서, 기존의 FCW나 FMR에 비해 알루미늄과 스틸 브레이징의 접합강도 및 생산성을 확보할 수 있게 하는 필러와이어에 관한 것이다.

이를 위해 용해도가 낮은 Fe-Al 간 안정적인 브레이징 접합강도의 확보가 필요하고, 브레이징 후 슬러지 등의 잔여물을 최소화하여 외관이 양호하여야 하며, 와이어로 제작하여 휠에 감고 브레이징 시 풀어서 레이저 또는 아크 열원까지 피딩하였을 때 와이어의 변형이나 파단이 없을 것이 요구되고, 고속 브레이징 조건(3m/min)에서도 계면 박리 없이 안정적으로 접합강도가 확보되어야 한다.

본 발명은 이와 같은 조건을 만족할 수 있는 Flexible Zn Sheath-Flux Mixed Wire(FMW)를 제안하며, 도 7 및 도 8은 각각 이의 두께방향과 길이방향의 단면이다.

본 발명의 필러와이어는 혼합 분말 로드(10)를 합금 박판(20, sheath)으로 감싼 와이어 형태로 구성된다.

앞서 설명된 FMR의 피딩 과정에서의 파단 문제를 해결하기 위해 혼합 분말 로드(10)를 Zn 합금 박판(20)으로 고압으로 밀착시켜 감싼다.

혼합 분말 로드(10)는 AlSi 합금 분말과 플루오르화물 플럭스(Flux) 분말을 혼합하여 구성된다.

그리고, Zn 합금 박판(20)은 와이어(Rod)를 벤딩시켰을 때 혼합된 분말이 깨지거나 변형되지 않고 목표한 지점까지 피딩될 수 있도록 내부 혼합 분말을 고정시켜 주는 역할을 한다.

단, Zn 합금 박판(20)의 두께(t)는 FCW와 같이 내부 분말이 브레이징 시 잘 분산되지 않는 문제를 방지하기 위해 일정한 범위로 제한되어야 한다.

그리고, 벤딩성의 향상을 위해서 필러와이어의 길이방향으로 일정한 간격으로 벤딩 홈(H)을 형성시켜 와이어 벤딩 시 반경이 작아진 부분으로 변형을 유도하여 와이어 내부의 혼합 분말의 파단을 방지한다.

벤딩 홈(H)의 간격 및 깊이 등은 Zn 합금 박판(20)의 두께(t)에 따라 고려되어야 한다.

벤딩 홈(H)의 간격이 작거나 깊이가 깊으면 홈이 노치 작용을 하여 해당 부위에 파단이 발생할 수 있으며, 반대로 너무 큰 경우에는 벤딩성 향상의 효과를 기대할 수 없게 된다.

이러한 조건은 레이저 또는 아크 브레이징 와이어 피딩 조건과 와이어 벤딩성을 고려하여 결정되어야 하고, 이를 표 1과 같이 정리할 수 있다.

와이어 직경(D)	박판 두께(t, mm)	길이방향 길이(a, mm)	홈 간 거리 (b, mm)	깊이(d, mm)
	D/2×0.1~D/2×0.5	D~D×10	Max. D×30	D/2×0.1~D/2×0.7

다음으로, Zn 합금 박판(20)은 Zn 베이스에 Al 3~20%와 Si 0.1~1.0%가 혼합된 합금으로 구성된다.

Zn은 연성이 높아 굽힘 변형에 유리하며, Zn에 Al 첨가시 용융점이 400℃ 부근까지 떨어지며, 내부 혼합 분말의 용융점인 500~600℃보다 훨씬 낮아 브레이징 시 먼저 용융되어 내부 분말이 녹아서 모재에 흘러가는 데 방해되지 않게 한다.

이 범위를 벗어나면 용융점이 증대되어 브레이징에 불리한 영향을 미치게 된다.

그리고, Zn 및 Si는 Fe와 친화력이 높아 브레이징 시 고상인 스틸 모재의 Fe가 용융된 와이어 및 알루미늄 모재로 확산이 될 때 취성이 높은 Fe-Al 금속 간 화합물 생성을 억제하거나, Fe-Al계 금속 간 화합물 대비 취성이 낮은 Fe-Al-Zn 또는 Fe-Al-Si계 금속 간 화합물을 생성하게 되어 브레이징 강도를 높이는 효과를 가진다.

특히 Si가 첨가되었을 때 고속 브레이징 시 입열량이 높아질 수밖에 없는 조건에서 안정적으로 계면을 형성하면서 금속 간 화합물 생성을 효율적으로 억제할 수가 있다.

다만, Si 함량이 높아지게 되면 Al-Si-Zn 3원계 상태도 상에서 용융점이 급격하게 상승하게 되므로 Si 함량은 1%를 넘어서는 바람직하지 못하다.

나아가, Zn의 또 한가지 역할은 Zn이 녹기 시작하는 혼합분말과 스틸 모재 사이에 얇은 막을 생성하여 용융된 혼합분말이 스틸 모재에 빠른 시간에 퍼지고, 필러와이어 내부 Flux가 모재와 더 빠른 시간에 반응하여 고속 조건에서도 안정적으로 브레이징 계면을 형성할 수 있게 도와준다.

이상과 같이 일정 범위의 두께를 가지고, 일정한 벤딩 홈이 형성되며, Zn, Al, Si가 혼합된 합금 박판일 혼합 분말 로드를 감싸서 구성되는 본 발명의 필러와이어에 의하면 브레이징 시 접합 강도와 생산성의 확보가 가능하게 하여 기존의 알루미늄-스틸 간의 기계적 접합 대비 원가와 중량을 줄일 수가 있게 한다.

도 9는 이를 검증하기 위한 시험편을 나타낸 것으로서, 시험편은 루프-스틸 사이드 아우터 접합 구조로서, 스틸 사이드 아우터와 알루미늄 루프를 본 발명의 필러와이어를 적용하여 레이저 브레이징한 것을 시험편으로 사용하였다.

결론적으로, 브레이징 시 고속 조건(3m/min) 하에서도 계면에 박리가 생기지 않아 안정적인 접합강도 확보가 가능하며, 브레이징 seam 내부에 기공이 3% 미만으로 ISO 13919-2 규격을 만족시킨다.

또한, 브레이징부 외관의 슬러지 및 기타 잔여물이 존재하지 않아 브레이징 후 추가 클리닝 공정을 불필요하게 한다.

표 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 의한 시험편에 의한 시험 결과를 정리한 것이다.

	기준	실시예1	비교예1	비교예2	비교예3
와이어 직경	-	1.2mm↑
Sheath 조성(%)	-	Al 15.0, Si 0.5, Zn Rem.	Al 15.0, Zn Rem.	Al 25.0, Si 5.0, Zn Rem.	Zn 100
브레이징 속도		3m/min
와이어 피딩시 파단 여부	파단×	파단×	파단×	파단×	-
접합강도(N/mm)	140(계면파단×)	160(계면파단×)	120(계면파단)	110(부분계면파단×)	-
외관	플럭스 슬러지 및 기타 오염물질 없을 것	양호	양호	양호	-
기공(%)	3 미만	1.5	1.5	1.5	-
비고	-	-	빠른 레이저 이송에 따라 입열량 증대→금속간화합물 생성을 추가적으로 억제 필요	Sheath 용융점 증대 원인 예상	Sheath 강도 부족으로 FMR 압착 과정에서 Sheath 파단 발생

표 2에 정리된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 필러와이어에 의한 경우, 와이어 피딩시 파단이 발생하지 않고, 충분한 접합강도를 만족하며, 외관이 양호하며 기공이 적음을 알 수 있다.

반면, 비교예 1,2의 경우에는 접합강도를 만족시키지 못하며, 부분 계면파단이 발생하였다.

그리고, 박판이 Zn만으로 구성된 비교예 3의 경우에는 Sheath 자체의 파단이 발생하였다.

도 10은 광학현미경으로 관찰한 실시예 1에 의한 계면이며, 도 11은 도 10의 box 부분에 대한 SEM 분석 결과이다.

wettability가 양호하였으며, 금속간 화합물 10㎛ 미만으로 제어되며, 계면 크랙 발생 없이 안정적인 접합강도를 확보함을 할 수 있다.

그리고, 도 12는 광학현미경으로 관찰한 비교예 1에 의한 계면이며, 도 13은 도 12의 box 부분에 대한 SEM 분석 결과이다.

도 12 상으로는 접합부가 양호한 것으로 보이나, 도 13에 나타나듯 금속간 화합물을 따라 크랙이 확인되며, 이는 접합강도 저하의 요인임을 알 수 있다.

다음으로, 도 14는 광학현미경으로 관찰한 비교예 2에 의한 계면이며, 도 15은 도 14의 box 부분에 대한 SEM 분석 결과이다.

sheath의 용융점이 높아져 wettability 저하(wetting 각도 증대)됨을 알 수 있고, 도 15에서 확인되는 바와 같이 계면 미세 크랙이 확인되고, 이는 접합강도 저하를 초래하게 된다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 혼합 분말
20 : 박판

Claims (8)

1. AlSi 합금분말과 플루오르화물 플럭스 분말이 혼합된 혼합 분말 로드; 및
   상기 혼합 분말 로드를 감싸는 Zn 합금 박판으로 이루어지며,
   상기 Zn 합금 박판은,
   전체 중량에 대해 Al 3~20%, Si 0.1~1.0% 및 잔부 Zn이 혼합된 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 Zn 합금 박판의 두께는 D/2×0.1 내지 D/2×0.5인 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
   (여기서, D는 필러와이어의 직경임.)
3. 청구항 1에 있어서,
   길이방향으로 일정한 간격의 벤딩 홈이 형성된 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 벤딩 홈의 길이방향의 길이는 D 내지 D×10인 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
   (여기서, D는 필러와이어의 직경임.)
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 벤딩 홈 간의 거리는 D×30 이하인 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 벤딩 홈의 깊이는 D/2×0.1 내지 D/2×0.7인 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 벤딩 홈의 길이방향의 길이는 D 내지 D×10이며,
   상기 벤딩 홈 간의 거리는 D×30 이하이고,
   상기 벤딩 홈의 깊이는 D/2×0.1 내지 D/2×0.7인 것을 특징으로 하는,
   필러와이어.
   (여기서, D는 필러와이어의 직경임.)
8. 삭제

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