구리 질별과 최소 굽힘 반경

“동 부스바, 100 × 10, 3 m”는 구매할 수 있는 사양이 아닙니다. 금속과 단면은 지정하면서, 그 부스바가 도면의 반경까지 굽혀질지 아니면 첫 부품에서 바깥면이 갈라질지를 결정하는 성질 하나를 빠뜨리고 있습니다. 그 성질이 질별이며, 현장의 문제이기 전에 공급망의 항목입니다. 일단 부스바가 랙에 올라간 뒤에는 열처리로 없이 그것을 바꿀 수 있는 사람이 없습니다.

아래에서는 굽힘 반경 지침을 두께만이 아니라, 발주서와 재료 시험성적서에 실제로 적히는 질별 기호를 기준으로 정리했습니다. 두께도 중요하지만 두 번째 변수입니다.

EN 13601 기호가 뜻하는 것

EN 13601은 전기용 구리 봉, 바, 선을 다루며, 부스바 작업에서 관심 있는 재질은 Cu-ETP, 재료 기호 CW004A입니다. 이 규격은 소재 상태를 두 가지 방식으로 표시하고, 시험성적서에는 둘 다 나타납니다.

R 기호는 N/mm² 단위의 최소 인장강도에 연결됩니다. R220은 최소 인장강도 220을 뜻합니다. H 기호는 최소 비커스 경도에 연결됩니다. H040은 최소 40 HV를 뜻합니다. 둘은 나란히 매겨지며, 그래서 짝을 지어 표기되는 것입니다.

인장강도 범위는 규격의 값입니다. 내력, 연신율, 경도 수치는 제조사 데이터시트가 Cu-ETP의 이 기호들과 함께 공표하는 값이며, 규정값이 아니라 통상값으로 다뤄야 합니다. Copper Development Association의 부스바 지침은 완전 소둔된 부스바 단면 구리의 내력을 50–55 N/mm², 반경질을 170–200 N/mm²로 제시하는데, 연질 쪽 값이 위 스트립 수치보다 낮습니다.

이 표에서 두 가지가 따라 나오며, 둘 다 숫자 자체보다 중요합니다.

첫째, 이 사슬은 한 방향입니다. 냉간 가공은 인장강도를 올리고, 내력을 올리고, 경도를 올리며, 연신율을 깎습니다. 한 행의 모든 물성이 함께 움직이는 것은 전부 같은 전위 밀도에서 나오기 때문입니다. 연질 구리의 성형성까지 갖춘 경질 구리는 살 수 없습니다.

둘째, 연신율 열은 강도 열이 올라가는 것보다 훨씬 빠르게 무너집니다. R220에서 R290으로 가면 인장강도는 약 40퍼센트 얻고 연신율은 88퍼센트가량 잃습니다. 이 비대칭 때문에 질별 선정은 강도가 아니라 성형성 쪽 고려가 지배합니다.

아무도 말하지 않는 치수 효과

경질 질별에는 큰 단면에서 사람들이 걸려 넘어지는 단서가 하나 붙습니다. 얻을 수 있는 최대 강도가 단면에 좌우된다는 점입니다. 제조사가 부스바에 넣을 수 있는 냉간 감면량이 공정이 허용하는 단면 감소율로 제한되기 때문입니다. CDA 지침은 경질 상태 부스바를 단면적에 따라 250–340 N/mm² 범위에 두며, 큰 단면일수록 아래쪽에 놓입니다.

그래서 30 × 5 부스바의 “경질”과 200 × 12 부스바의 “경질”은 두 시험성적서가 모두 R290이라고 적고 있어도 같은 재료 상태가 아닙니다. 큰 단면은 범위의 아래쪽에 가깝고, 굽힘에 조금 더 너그러우며, 스프링백도 조금 작습니다. 검증된 보정 테이블을 작은 단면에서 큰 단면으로 옮겨 쓴다면, 틀린 값이 아니라 보수적인 값이 되리라고 보시면 됩니다.

평면 절곡의 최소 굽힘 반경

공표된 출발점은 반경질 또는 경질 질별의 고전도 구리에 대한 CDA 지침이며, 최소 절곡 금형 반경을 두께의 배수로 제시합니다.

50 mm를 넘으면 부스바는 보통 굽히지 않습니다. CDA는 성형 전에 국부 소둔을 하면 가능하다고 적고 있습니다.

이 수치들은 이미 단단한 질별을 전제하고 있으므로 R240과 R290에 대해서는 안전한 하한입니다. R220이면 더 조일 수 있지만 그럴 이유는 드뭅니다. 두께 구간만으로는 질별 축이 드러나지 않으므로, 실무에서 쓰는 표는 이런 모습에 가깝습니다.

R220 열과 R290 열은 참고값으로 보십시오. 검증된 기준은 CDA 표이며, 그 양옆으로 벌어진 값은 현장의 통상 관행을 반영한 것이므로 재질·두께·금형의 조합마다 초도품으로 확인해야 합니다.

연신율은 질별의 순위를 매길 뿐, 굽힘 변형률의 예산이 아닙니다

굽힘 바깥쪽 섬유의 공칭 변형률은 기하에서 바로 나옵니다.

ε = t / (2R + t) = 1 / (2·(R/t) + 1)

R/t = 1이면 33퍼센트입니다. R/t = 2이면 20퍼센트, R/t = 4이면 11퍼센트입니다. 이 값을 연신율 열과 비교해 보십시오. R290은 최소 4퍼센트로 규정되어 있으니, 그대로 읽으면 바깥쪽 섬유가 견디려면 R/t가 11을 넘어야 한다는 말이 됩니다.

그렇지 않으며, 그 이유를 알면 반경을 과하게 잡는 일이 줄어듭니다. 인장 시험은 넥이 자유롭게 생기고 진행할 수 있는 균일한 표점 거리에서 파단까지의 연신율을 측정합니다. 굽힘에서는 최대 변형률이 짧은 원호 구간의 바깥 표면에만 존재하고, 주위의 변형되지 않은 소재가 넥의 발달을 구속합니다. 그래서 실제로 얻을 수 있는 굽힘 변형률은 인장 연신율을 큰 폭으로 넘어서며, CDA가 연신율 4퍼센트인 소재에 대해 두께 10 mm까지의 경질 구리에 1 t를 제시할 수 있는 이유가 바로 이것입니다.

연신율 수치는 질별끼리 순위를 매기고 어느 쪽이 먼저 갈라질지 예측하는 데 쓰십시오. 굽힘 변형률의 예산으로 쓰지는 마십시오.

파손은 어떤 모습으로 나타나는가

바깥쪽 섬유의 균열은 알아볼 수 있는 단계를 밟아 진행되며, 첫 단계에서 잡으면 그 배치를 살릴 수 있습니다.

오렌지 필이 먼저 옵니다. 개별 결정립이 따로 변형하면서 바깥 표면이 눈에 보이는 결로 거칠어집니다. 그 자체로는 외관 문제지만, 바깥쪽 섬유가 한계에 가까워졌다는 신호입니다. 결정립이 굵을수록 심해지고, 굵은 결정립은 그 자체가 과소둔의 증상입니다.

다음은 횡방향 미세 균열입니다. 굽힘 축과 나란하게 바깥면을 가로질러 갑니다. 도금된 부스바에서는 도금이 끊긴 자국으로만 보일 수도 있습니다. 이 시점에서 부품은 폐기입니다. 균열이 응력 집중부이고, 그 자리가 바로 운전 중 피로 하중이 가장 큰 지점이기 때문입니다. 관통 균열은 마지막 단계이며 따로 설명할 필요가 없습니다.

안쪽 면의 파손 모드는 다릅니다. 압축 불안정이며 좌굴이나 주름으로 나타납니다. 평면 절곡에서는 보통 부스바를 충분히 지지하지 않았다는 신호입니다. 수직 절곡에서는 부수적인 현상이 아니라 한계를 정하는 구속 조건입니다.

수직 절곡에는 훨씬 큰 반경이 필요합니다

위 내용은 모두 평면 절곡, 즉 부스바가 두께 방향으로 접히고 작은 치수가 변형률을 지배하는 경우입니다. 같은 부스바를 하드 웨이로, 폭 방향으로 굽히면 기하가 완전히 달라집니다. 바깥쪽 섬유는 이제 중립축에서 두께의 절반이 아니라 부스바 폭의 절반만큼 떨어져 있고, 안쪽 섬유는 지지되지 않은 긴 구간에서 압축을 받습니다.

실질적인 증거는 기계 능력표에 있습니다. SMART-603CNC-S의 정격은 평면 절곡 260 × 20 mm, 수직 절곡 125 × 15 mm이며, 두 치수가 대략 절반으로 내려가는 이 양상은 부스바 절곡 설비 전반에서 확인됩니다. 수직 절곡의 최소 반경은 두께가 아니라 부스바 폭의 배수로 잡히고, 평면 절곡 값의 몇 배가 되는 것이 보통입니다. 부스바 수직 절곡과 평면 절곡 비교에서 역학과 설계상의 대안을 다뤘습니다.

평면 절곡의 반경 규칙을 수직 절곡으로 그대로 가져가지 마십시오. 바깥 모서리를 갈라지게 하는 가장 빠른 길입니다.

결정 방향

압연되고 인발된 구리는 가공 방향으로 정렬된 결정 집합조직을 갖고 있어 성형성이 방향성을 띱니다. 판재 성형의 일반 규칙이 그대로 적용됩니다. 굽힘 축이 압연 방향과 직각인 쪽이 유리한 방향이고, 굽힘 축이 압연 방향과 나란한 쪽이 갈라지는 방향입니다.

일반적인 부스바에서는 아무것도 하지 않아도 유리한 쪽으로 작동합니다. 부스바는 길이 방향으로 압연되거나 인발되고, 통상의 횡방향 굽힘은 굽힘 축을 부스바를 가로지르는 방향, 즉 가공 방향과 직각으로 놓습니다. 이미 좋은 방향에 있는 셈입니다.

저절로 되지 않는 경우는 넓은 판재에서 잘라 낸 부스바나 코일에서 슬리팅한 부스바입니다. 완성된 부스바의 길이 방향이 원래의 압연 방향과 일치하지 않을 수 있습니다. 공급사가 인발재 대신 슬리팅재를 대체 납품하면, 시험성적서의 강도 값이 똑같이 읽혀도 굽힘 거동이 달라질 수 있습니다. 절곡 공정 기록에 재질과 질별만이 아니라 소재 형태까지 남겨야 할 좋은 이유입니다.

재료 시험성적서 읽기

쓸모 있는 부스바 시험성적서에는 재질과 규격이 적혀 있습니다. EN 13601의 Cu-ETP CW004A입니다. 제조사가 둘 다 인용하는 경우 질별 기호가 두 형식으로 적혀 있습니다. R240 / H065입니다. 용해 번호나 로트 번호에 대응하는 인장강도, 연신율, 경도의 실측값이 적혀 있습니다. IACS 백분율로 표시한 도전율도 적혀 있으며, 소둔재는 100퍼센트 이상, 경인발재는 최소 97퍼센트여야 합니다. 냉간 가공이 도전율을 2–3퍼센트 깎기 때문입니다.

요청하지 않으면 대개 빠지는 항목이 0.2% 내력 실측값입니다. 스프링백 계산에 필요한 숫자가 바로 그것이며, R220에서 허용 편차가 가장 넓습니다. 규격은 연질재의 내력에 하한이 아니라 상한을 두므로, 규격에 적합한 R220 부스바 두 개가 스프링백 양에서 두 배까지 차이 날 수 있습니다. 양산에서 연질 구리를 쓰신다면 발주서에 Rp0.2 실측값을 넣으십시오.

또 하나 확인할 것은 그 시험성적서가 형식 시험이 아니라 납품된 로트에 대한 것인지입니다. 형식 시험 성적서는 흔하며, 같은 증거가 아닙니다.

소둔이 맞는 답인 경우

정당한 경우가 있습니다. 두께 50 mm를 넘는 부스바에서 성형 전 굽힘부 국부 소둔이 유일하게 현실적인 방법인 경우. 이미 성형된 부스바의 재작업에서 굽힘 구간이 첫 작업으로 가공 경화되어 같은 위치에 두 번째 굽힘을 주면 갈라지는 경우. 부스바가 이미 절단되어 있고 대안이 폐기뿐인 개조 공사의 아주 작은 반경.

정당한 이유가 아닌데도 흔한 경우가 하나 있습니다. 유통사에 있던 것이 그것이어서 경질 부스바를 사고, 굽힐 수 있게 만들려고 소둔하는 것입니다. 이 순서는 냉간 가공에 값을 치르고, 그것을 없애는 데 다시 값을 치르며, 경질 질별이 제공하던 기계적 물성을 버립니다. 경질 부스바는 지지되지 않은 긴 구간에서 처짐에 견디고, 단락 전자기력에 의한 영구 변형에도 견딥니다. 부스바 전체를 소둔하면 R220의 성형성도, R290의 강성도 사지 못한 것이 됩니다.

소둔을 확정하기 전에 기술적 제약이 두 가지 걸립니다. Cu-ETP는 대략 150 °C를 넘으면 점진적으로 연화되고, 완전 재결정 소둔은 보통 400 °C 부근에서 수행하며 이 온도에서 재결정은 수 분 안에 사실상 완료됩니다. 유지 시간이 길어지면 결정립이 굵어지고, 굵은 결정립은 다음 굽힘에서 오렌지 필을 만듭니다. 긴 소둔은 소재를 무르게 만들면서 표면 상태는 오히려 나쁘게 만들 수 있습니다.

두 번째 제약은 이 재질에 고유한 것입니다. Cu-ETP에는 잔류 산소가 있습니다. 수소를 함유한 분위기에서 소둔하면 수소가 확산해 들어가 산화물 개재물을 환원시키고 결정립계에 수증기를 만들며, 이것이 소재를 되돌릴 수 없게 취화시킵니다. EN 13601에 수소 취화가 없어야 한다는 요구사항이 들어 있는 이유가 바로 이것입니다. 소둔이 공정의 일부라면 노 분위기를 관리하시거나, 대신 무산소 재질을 지정하십시오.

발주서 쓰기

부스바 발주서의 최소 구성은 재질과 규격, 질별 기호, 단면, 소재 형태, 그리고 시험성적서 요구사항입니다. 여기에 내력 실측값을 추가하는 데는 제조사 쪽 비용이 들지 않으며, 절곡에서 편차를 만드는 가장 큰 단일 원인을 없앱니다. 스프링백 보정 테이블이 저장된 절곡기에 올라갈 부스바라면 그 테이블이 기준으로 삼는 항목이 바로 질별 기호이며, 질별이 지정되지 않았다는 것은 테이블에 유효한 항목이 없다는 뜻입니다.

질별은 통전 용량과는 무관합니다. 통전 용량은 단면, 배치, 열 환경이 정합니다. 그쪽이 걸리는 제약이라면 부스바 허용 전류 계산기가 부스바를 어떻게 가공했는지와 무관하게 처리해 줍니다. 두 결정은 분리할 수 있으며, 분리해 두면 성형성 논의가 단면 선정 논의로 새어 들어가지 않습니다.