[논문]STS304 콤팩트 열교환기 고상확산접합부의 접합부 변형과 인장성질에 미치는 접합온도 및 접합압력의 영향

전애정; 윤태진; 김상호; 김현준; 강정윤

doi:10.5781/jwj.2014.32.4.46

STS304 콤팩트 열교환기 고상확산접합부의 접합부 변형과 인장성질에 미치는 접합온도 및 접합압력의 영향
Effect of Bonding Temperature and Bonding Pressure on Deformation and Tensile Properties of Diffusion Bonded Joint of STS304 Compact Heat Exchanger 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.32 no.4, 2014년, pp.46 - 54

전애정 (부산대학교 하이브리드소재솔루션 국가핵심연구센터) , 윤태진 (부산대학교 하이브리드소재솔루션 국가핵심연구센터) , 김상호 (부산대학교 재료공학부) , 김현준 ((주)동화엔텍 에너지 환경기술연구소) , 강정윤 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effect of bonding temperature and bonding pressure on deformation and tensile properties of diffusion bonded joint of STS304 compact heat exchanger was investigated. The diffusion bonds were prepared at 700, 800 and $900^{\circ}C$ for 30, 60 and 90 min in pressure of 3, 5, and 7 MPa under high vacuum condition. The height deformation of joint decreased and the width deformation of joint increased with increasing bonding pressure at $900^{\circ}C$. The ratio of non-bonded layer and void observed in the joint decreased with increasing bonding temperature and bonding pressure. Three types of the fracture surface were observed after tensile test. The non-bonded layer was observed in diffusion bonded joint preformed at $700^{\circ}C$, the non-bonded layer and void were observed at $800^{\circ}C$. On the other hand, the ductile fracture occurred in diffusion bonded joint preformed at $900^{\circ}C$. Tensile load of joint bonded at $800^{\circ}C$ was proportional to length of bonded layer and tensile load of joint bonded at $900^{\circ}C$ was proportional to minimum width of pattern. The tensile strength of joint was same as base metal.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 STS304의 판재와 판재 접합이 아닌 에칭된 판재의 적층 고상확산접합법에 대한 연구가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 화학에칭법을 이용하여 유로를 제작한 STS304소재에 대한 접합압력, 접합온도, 유지시간 변화에 따른 고상확산접합부의 접합부 형상과 접합부 인장성질과의 상관관계를 검토하고자 한다.

가설 설정

또한 Fig. 8(b)로부터 유지시간이 증가할수록 접합부 인장하중이 증가하지만 그 영향은 아주 적다.
(b)로부터 접합온도가 800°C인 조건에서는 접합압력 변화에 따른 판재의 높이변화(ΔH1), 유로의 높이변화(ΔH2), 판재의 폭변화(ΔW1), 유로의 폭변화(ΔW2)는 관찰되지 않는다.

제안 방법

따라서 B형 파단형태의 인장하중은 접합된 길이에 따라, C형 파단형태의 인장하중은 패턴 최소 폭의 길이에 따라 어떻게 변화하는지 상관관계를 검토하였다. 그 결과를 Fig.
미세조직은 연마 후 HNO₃:HCl = 1:3 비율의 부식액에서 부식하였고, 광학현미경(OM) 및 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 인장시험은 크로스 헤드 속도(Cross-head speed)를 1mm/min로 인장시험을 수행하였다.
열교환기는 판재를 적층하고 확산접합으로 제조되므로, 통상의 인장시험편으로 인장시험을 할 수 없기 때문에, Fig. 2와 같이 접합하여 인장성질을 평가하였다. Fig.
:HCl = 1:3 비율의 부식액에서 부식하였고, 광학현미경(OM) 및 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 인장시험은 크로스 헤드 속도(Cross-head speed)를 1mm/min로 인장시험을 수행하였다.
또한, 전체 판재의 폭(W₁)은 거의 변화가 없지만 유로의 폭(W₂)은 서서히 감소하고 패턴최소폭(MPW)은 증가하는 것으로 보아, 접합압력이 증가함에 따라 패턴폭이 증가하고 유로 단면적이 줄어드는 것으로 판단된다. 접합부 변형이 일어나는 과정을 검토하기 위해서 피접 합면을 인위적으로 거칠게 하여 접합계면에 형성되는 보이드의 이동으로 패턴 변형을 관찰하였다.
접합온도는 700°C, 800°C, 900°C와 유지시간은 30, 60, 90분, 접합압력은 3MPa, 5MPa, 7MPa으로 변화시켰으며, 접합 분위기는 5 × 10-5 Torr의 고진공 분위기에 수행하였다.
접합조건에 따른 인장성질 변화는 파단형태와 밀접한 관계가 있기 때문에, 각 파단형태의 파면을 검토하여 파단경로와 강도와의 관계를 검토하였다. Fig.
패턴형상 변화는 접합온도와 접합압력에 따라 변화정도가 다를 것으로 예상되어 접합조건에 따른 형상변화를 판재와 유로의 높이변화 및 폭변화, 패턴 단면의 폭변화를 기준으로 하여 정량적으로 검토하였다. Fig.
한편, 접합조건 변화에 따라서 패턴 형상이 달라지면 접합계면의 접합률에 영향을 미칠 것으로 생각되어 접합조건에 따른 접합계면의 결함률 및 접합률을 검토하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 사용된 모재는 내식성이 우수한 STS304를 사용하였고, STS304소재의 유로제작은 포토에칭공정을 통하여 제작하였다. STS304소재의 화학조성 및 인장성질은 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

Fig. 8(a)로부터, 접합부의 인장하중은 접합온도와 접합압력이 증가할수록 증가하며, 접합온도가 접합압력보다 영향이 더 큰 것을 알 수 있다. 또한 Fig.
(b)의 미접합율과 보이드율의 경우 접합온도가 800°C 조건에서는 미접합율과 보이드율은 접합압력이 증가함에 따라 급격히 감소한다.
1) STS304의 고상확산접합 시 접합온도가 800°C에서는 접합압력과 상관없이 모든 조건에서 시험편의 패턴형상에 변화가 발생하지 않았다.
2) 접합계면의 경우 가장자리에는 미접합부가 내부에는 보이드가 존재하였고, 접합온도와 접합압력이 증가할수록 미접합부의 길이와 보이드율이 감소하였다. 또한 접합온도가 900°C조건에서는 접합압력과 상관없이 모든 조건에서 미접합부와 보이드가 관찰되지 않았으며, 접합된 길이가 접합전 계면의 길이보다 증가하였다.
3) 인장시험결과 파단형상은 접합온도가 낮은 700°C 조건에서는 미접합부가 많아 전형적인 계면파단형상이 나타나며, 접합온도가 800°C 조건에서는 접합부가 연신되어 판재가 돌출되고 미접합부를 기점으로 보이드를 통과하며 접합계면을 따라 파단된다.
4) 접합온도에 따른 접합부 인장하중은 800°C 조건에서는 접합된 길이에 비례하고 900°C 조건에서는 패턴 최소 폭의 길이에 비례하였다.
5는 접합계면을 #200 SiC paper로 표면을 거칠게 연마 후 접합온도와 접합압력이 각각 800℃, 7MPa, 90분 조건(a)과 900℃, 7MPa, 90분 조건(d)에서 고상확산접합 후 접합부 단면의 광학현미경(Bright field) 이미지를 나타낸 것이며, (b)와 (e)는 (a)와 (d)에 P1과 P2로 표시된 영역을 확대하여 각각 나타낸 것이다. 800℃, 7MPa, 90분 조건에서는 직선의 계면이 존재하였으나, 900℃, 7MPa, 90분 조건에서는 곡선의 계면이 관찰되었고, 본 조건에서는 변형이 일어날 때 패턴이 판재를 밀고 올라간 것으로 판단된다.
또한 800°C 조건에서 접합압력과 유지시간이 증가함에 따라서 미접합율과 보이드율이 감소하고 접합하중이 커졌으며, 900°C 조건에서는 접합압력이 증가함에 따라서 패턴 최소 폭이 증가하여 모재 인장하중이 커졌으나, 강도로 계산해보면 모재의 인장강도(673 MPa)와 근사한 값(약 645 MPa)을 갖는다.
또한 접합온도가 900°C조건에서는 접합압력과 상관없이 모든 조건에서 미접합부와 보이드가 관찰되지 않았으며, 접합된 길이가 접합전 계면의 길이보다 증가하였다.
)가 줄어든 것으로 보아, 접합압력이 증가함에 따라 판재의 아래 부분은 변화가 없고 패턴의 높이가 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한, 전체 판재의 폭(W₁)은 거의 변화가 없지만 유로의 폭(W₂)은 서서히 감소하고 패턴최소폭(MPW)은 증가하는 것으로 보아, 접합압력이 증가함에 따라 패턴폭이 증가하고 유로 단면적이 줄어드는 것으로 판단된다. 접합부 변형이 일어나는 과정을 검토하기 위해서 피접 합면을 인위적으로 거칠게 하여 접합계면에 형성되는 보이드의 이동으로 패턴 변형을 관찰하였다.
반면 접합온도 900°C 조건에서 접합된 길이는 접합 전 계면 전체의 길이(Interface of BM)보다 긴 것을 확인할 수 있으며, 접합률은 접합압력과 상관없이 모두 100%이다.
14에 나타내었다. 이 결과로부터 B형의 접합부 인장하중은 접합된 길이에 비례하고, C형의 인 장하중은 패턴 최소 폭의 길이에 비례하는 것을 알 수 있다. Table 2는 접합된 길이와 패턴 최소 폭의 비를 나타낸 것이다.
5(f)는 접합계면을 관찰한 결과를 토대로 제작된 모식도이다. 접합계면이 판재 쪽으로 밀고 올라간 이유는 동일한 접합조건에서 동일한 접합하중이 가해질 때 비교적 면적이 넓은 판재보다 패턴에 더 높은 압력이 작용하게 되고, 또한 고온항복강도가 더 낮은 900℃ 조건에서 소재의 높이 및 폭 변형이 더 잘 일어나는 것으로 판단된다.
접합온도가 증가함에 따라 시편 가장자리의 미접합부의 길이와 보이드가 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 접합온도가 900°C조건에서는 미접합부와 보이드가 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.

후속연구

금속분자의 확산으로만 접합이 이루어지는 고상확산 접합(diffusion bonding) 기술로 접합하여 열교환기를 제작하는 경우에는 극고온·극저온 및 극고압에도 적용이 가능한 고신뢰성 열교환기의 제작이 가능하므로 이에 대한 접합기술개발 연구가 필요하다.
금속분자의 확산으로만 접합이 이루어지는 고상확산 접합(diffusion bonding) 기술로 접합하여 열교환기를 제작하는 경우에는 극고온·극저온 및 극고압에도 적용이 가능한 고신뢰성 열교환기의 제작이 가능하므로 이에 대한 접합기술개발 연구가 필요하다. 또한 STS304의 판재와 판재 접합이 아닌 에칭된 판재의 적층 고상확산접합법에 대한 연구가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 화학에칭법을 이용하여 유로를 제작한 STS304소재에 대한 접합압력, 접합온도, 유지시간 변화에 따른 고상확산접합부의 접합부 형상과 접합부 인장성질과의 상관관계를 검토하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고상확산접합의 장점은?	브레이징 접합은 삽입금속이 확산됨에 따라 확산층을 생성하거나 접합경계면에 금속간화합물이 형성될 수 있어 모재보다 낮은 열적, 기계적 성질을 가져 접합부 파단이 발생하는 단점이 있다. 반면 고상확산접합의 경우 두 모재간의 직접적인 접합으로 인해 접합부에 확산층 및 경계층이 생성되지 않으며, 모재와 접합부가 거의 동일한 조직과 성질을 가지게 되므로 극저온 또는 고온 환경에 대한 이종 금속간의 변형률 차이로 인한 문제가 발생하지 않는 장점이 있다9-12).
	브레이징 접합은 어떤 단점이 있는가?	브레이징 접합은 삽입금속이 확산됨에 따라 확산층을 생성하거나 접합경계면에 금속간화합물이 형성될 수 있어 모재보다 낮은 열적, 기계적 성질을 가져 접합부 파단이 발생하는 단점이 있다. 반면 고상확산접합의 경우 두 모재간의 직접적인 접합으로 인해 접합부에 확산층 및 경계층이 생성되지 않으며, 모재와 접합부가 거의 동일한 조직과 성질을 가지게 되므로 극저온 또는 고온 환경에 대한 이종 금속간의 변형률 차이로 인한 문제가 발생하지 않는 장점이 있다9-12).
	포토에칭법으로 제작된 STS304소재에 대한 접합조건 중 접합온도와 접합압력이 증가할 경우 어떤 인자가 변화하는가?	2) 접합계면의 경우 가장자리에는 미접합부가 내부에는 보이드가 존재하였고, 접합온도와 접합압력이 증가할수록 미접합부의 길이와 보이드율이 감소하였다. 또한 접합온도가 900°C조건에서는 접합압력과 상관없이 모든 조건에서 미접합부와 보이드가 관찰되지 않았으며, 접합된 길이가 접합전 계면의 길이보다 증가하였다.

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