7부] 앞 삼각 2 - 자전거 프레임의 외형과 성능에 영향을 주는 앞 삼각 세척하고 붙이기

앞 삼각 용접하기
6부에서는 앞 삼각에 형성에 필요한 구조 이해와 재단과 손질에 과정에 대해 알아보았습니다. 이번 편에서는 용접 전 튜브, 러그 세척과 지그 설정 그리고 용접을 해보겠습니다. 6부에서 튜브를 설계도에 따라 맞추고 재단 손질하는 일이 상당히 고됐습니다. 하지만 이번 7부에 다룰 내용은 재미있는 용접이라 신나게 작업했던 기억이 납니다.

이번 편은 포크와 체인스테이 제작기에서 보았던 내용이 중복돼 나올 것입니다. 작업하는 부분만 달라졌지 방법은 비슷하기 때문이죠. 또 튜브를 고정한 뒤에 각도를 이리저리 조절할 수 있는 고급 지그를 이용했습니다. 그래서 설계도 위 블록에 튜브를 고정해 용접하는 경우보다 쉽고 그 과정이 간편합니다.

세척
용접하기 전에는 솔벤트 또는 산(acid)으로 세척 과정을 거처야 합니다. 그리고 오일류가 표면에 묻어 있다면 접착성이 감소하고 많은 연기가 발생합니다. 검은 코팅이 되어 있는 튜브는 사포나 샌드 블라스터로 표면 처리를 해야 합니다. TIG 혹은 실버 브레이징(은 용접)만 가능한 스테인리스 스틸의 경우 표면에 니켈 옥사이드가 있을 수 있습니다. 이를 반드시 제거해야 합니다.

러그 및 튜브 위치 확인
세척 과정이 끝나 재료를 한 대 모아 설계도 위 평면상 다시 한 번 조립을 했습니다. 각종 수치 확인 및 수정 작업은 이미 거쳤으므로 설계도 위 튜브와 러그가 딱 맞아 떨어지게 배치되겠지요. 러그 형태를 따라 튜브와 러그 경계면에 유성펜으로 선을 그어줬습니다. 지그에 튜브와 러그를 재체결 할 때 정확한 위치를 더 쉽게 확인하기 위해서였습니다.

은 용접을 위한 플럭스 선택과 도포
물에 녹는 플럭스를 사용하면 은 용접 후 남아있는 플럭스를 쉽게 제거할 수 있습니다. 동 용접에 사용되는 플럭스는 녹는점이 높습니다. 이 때문에 은 용접을 하기 위한 불 세기로는 플럭스가 녹지 않으므로 주의합니다. 또한, 지그에 용접할 재료를 옮기기 전에 접합면 양측(튜브와 러그 내측)에 플럭스를 과하다 싶을 정도로 넓게 그리고 용접 중 플럭스가 부족하지 않게 충분히 바르는 걸 잊지 말아야 합니다. 이때, 시트 포스트 볼트나 BB 셸 하단의 케이블 스톱과 같은 부가 장치가 있는 경우 이를 분해해야 합니다.

지그 설정
튜브와 러그 설계한 수치와 형태대로 지그(Jig) 위에 몰려줍니다. 바이크캐드(BikeCAD)가 있는 경우 Dimension 메뉴의 지그 설정(Jig Setup) 탭을 눌러주면 각 튜브와 러그 사이의 거리가 표시됩니다. 이 수치를 참고하면 좀 더 수월한 지그 설정이 가능합니다. 예를 들어 체인스테이의 길이가 410mm이라면 지그 설정값은 403mm인 것이죠. 하지만 굳이 바이크캐드를 사용하지 않더라도 각 튜브가 유격 없이 정확히 설정해 고정하면 됩니다. 참고로 바이크캐드의 다운 튜브 각도는 수평 액슬 축을 기준으로 삼은 것입니다.

튜브와 러그를 지그 위에 고정했다면, 수평계를 이용해 톱 튜브가 설곗값에 맞게 고정되었는지 확인합니다. 일반적으로 클래식 크로몰리 프레임은 수평 톱 튜브 형태를 지니므로 0도로 맞춰야 합니다. 그러나 글쓴이의 프레임은 마이터링(재단)을 지나치게 많이 한 나머지 수평이 되지 못했습니다. 이어서 나머지 시트 튜브와 헤드 튜브 등의 수치가 정확한지 확인 후 조정합니다. 이 밖에 러그와 튜브 간의 간격이 지나치게 멀다면 공구를 이용해 이를 조절해줍니다.

은 용접은 1,800도 이하
은 용접(실버 블레이징)은 매우 낮은 온도(1,800도 이하)에서 작업해야 합니다. 금속이 빨갛게 달궈지면 안 되죠. 1,800도가 넘은 상태에서 천천히 금속을 식히게 되면 구부러지거나 내구성이 떨어져 부서지기 쉬운 성질을 가지게 되기 때문입니다. 또 온도가 높으면 플럭스의 이물질 세척력이 떨어져 금속이 산화되면서 점도가 높아집니다. 결국, 용접봉이 충분히 스며들지 못해 용접부위가 약해지는 것입니다. 플럭스가 오염이 되면 분해 후 다시 처음부터 작업해야 하므로 항상 주의를 필요로 합니다.

은 용접봉 선택과 종류
은 용접봉을 선택할 때에는 56% 카드뮴 함유된 것을 권장합니다. 45%의 은과 카드뮴이 섞인 합금 역시 일반적이나 과도하게 연기를 흡입할 경우 폐에 부종이 생길 수 있습니다. 이 밖에, 45% 카드뮴과 은이 제거된 합금은 간격을 메울 때 적합하나 녹을 때 울퉁불퉁해지는 단점을 지녀 드롭아웃을 체결할 때 주로 사용됩니다. 사용될 용접봉은 용접 전 수세미와 같은 도구를 이용해 깨끗이 닦아 줍니다.

앞 삼각 용접 순서
앞 삼각 프레임의 용접 순서는 첫째로 톱 튜브와 헤드 튜브, 둘째로 다운 튜브와 헤드 튜브, 셋째로 BB와 다운 튜브, 넷째로 BB와 시트 튜브, 끝으로 시트 튜브와 톱 튜브를 순입니다. 용접 시에는 항상 큰 각부터 시작합니다. 참고로 용접할 때 튜브가 열로 인해 팽창과 수축 작용을 해 최대 0.5mm 정도 수치가 변경될 수가 있는데요, 이를 막기 위해서는 용접을 최대한 빨리 진행하거나, 용접작업 전 작은 구멍을 뚫어 못과 같은 것으로 접합 부위를 고정하는 방법이 있습니다.

중력과 열을 이용
불을 피우고 열을 가하는 동안 플럭스는 반죽 모양에서 껍질처럼 굳어갑니다. 열을 더 가하게 되면 거품이 생기게 되고 곧 거품이 작아집니다. 거품이 거의 없어지는 단계가 용접을 시작할 시기이죠. 흘러내리는 플럭스는 은(실버) 주걱을 이용해서 체결 부위에 다시 부어줍니다. 절대 식은 것이나 새로운 플럭스는 금지입니다.

은 용접봉과 튜브의 간격은 최소 1㎝ 정도를 유지하면서 불꽃을 문지르듯 움직이면서 작업합니다. 큰 튜브를 먼저 달궈준 다음 작은 튜브를 달궈 양쪽이 같은 온도(붉기)가 됐을 때 용접봉을 가져다 대면 쉽게 녹습니다. 이 성질을 이용해 은을 고르게 이리저리 움직이면서 공간을 메꿔줍니다.

은 용접 때 튜브는 수평 상태로
헤드 튜브에 사용된 러그처럼 상 하단의 형태가 뾰족하고 양옆이 넓은 곳에 은 용접을 할 때는 지그를 움직여 용접할 튜브를 수평으로 맞춰줍니다. 그리고 러그 양 끝 뾰족한 두 곳을 간단하게 접합해서 고정합니다. 이어서 가운데의 넓은 면으로 은 용접봉을 녹인 다음, 불을 이용해 양쪽으로 올려 러그와 튜브 사이의 빈 곳을 메꿔줍니다. 은(실버) 용접봉은 열을 따라 흘러가는 성질을 지녔기 때문에 불을 사용해 당겨 올려주는 것입니다.

이처럼 용접할 때 용접물이 흘러내리는 방향을 수직이 되도록 각도를 형성해야 각 공간이 고르게 채워집니다. 이 때문에 러그의 형태를 살펴보고 불을 이용해 용접물을 당겨 올려줄지 내려줄지 판단하는 것입니다. 은이 튜브와 러그 사이의 공간에 흘러들어 가지 않는다면, 러그가 충분히 달궈지지 않은 것입니다. 러그를 집중적으로 달궈주면 어느 순간 은이 녹아 스며듭니다.

BB 셸 용접 때 주의사항
BB 셸과 시트 튜브를 용접할 때에는 러그 소켓을 전체적으로 가열하면서 시트 튜브를 접합합니다. 이때 용접 부위가 과열되지 않도록 주의해야 합니다. BB 셸에는 체인스테이를 연결하는 부분도 있어 추후 추가적인 가열 작업이 필요하기 때문입니다. 작업 종류 후 접합 부위에 찌꺼기 등의 이물질이 보인다면 금속 브러쉬나 공기 압축기(에어 컴프레서)를 이용해 제거합니다.

플럭스 제거와 앞 삼각 교정
모든 작업이 완료되면 지그에서 바로 분리하지 말고 몇 분 정도 여유를 가지며 식혀줍니다. 프레임이 실내온도와 같아질 정도로 식었다면, 지그에서 앞 삼각을 분리해 물통에 집어넣고 남아있는 플럭스를 제거합니다. 그리고 평평한 수평 정반위에 앞 삼각을 고정해 얼라이먼트를 검사합니다. 만약 헤드 튜브와 시트 튜브 등의 높낮이가 다르다면 기다란 막대를 튜브 안에 삽입해 힘으로 올려주거나 당겨주면 교정됩니다.

체인스테이 통기구멍 확보
앞 삼각이 완성됐으니 5부에서 완성된 체인 스테이 튜브를 BB 셸에 결합해야죠. 용접 과정 중 발생되는 가스를 배출하기 위한 통기구멍을 리어 드롭아웃 가까이에 생성합니다. 스크라이브(Scribe)로 위치를 표시한 다음 드릴로 통기구멍을 냈습니다.

체인스테이 접합하기
완성된 앞 삼각 프레임을 지그에 다시 물려줍니다. 이어서 체인스테이에 연결된 드롭아웃을 설계한 수치대로 지그에 물린 다음, 연결될 BB 셸 내 외부와 체인스테이 내외부 양 끝에 은 용접을 위한 플럭스를 듬뿍 바릅니다. 열이 가해질 시트 튜브도 물론이죠. 그리고 체인스테이를 BB 쉘 러그 소켓에 삽입하죠. 지그에 존재하는 BB 고정 볼트를 체결하기 전, BB 셸 내부를 확인해 체인스테이가 수치에 맞게 삽입되었는지 확인합니다.

체인스테이를 BB 셸에 용접할 때 주의사항
체인스테이와 BB 셸을 용접 할 때는 될 수 있으면, 이미 용접이 완료된 시트 튜브나 다운 튜브 쪽에는 열이 가해지지 않도록 합니다. 굳어 버린 은이 다시 녹아 틈이 생길 수 있기 때문입니다. 체인스테이 방향의 BB 러그 소켓을 충분히 가열한 다음 튜브를 가열합니다. 용접물이 흘러내리는 방향을 수직이 되도록 각도를 형성해가며 불을 이용해 용접물을 올리고 내리면서 빈 공간을 고르게 채워줍니다.

작업 종료 후 접합 부위에 찌꺼기 등의 이물질이 보인다면 금속 브러쉬나 공기 압축기를 이용해 제거합니다. 끝으로 다시 한 번 모든 작업이 완료되면 지그에서 바로 분리하지 말고 몇 분 정도 여유를 가지며 식혀줍니다. 튜브가 실내온도와 같아질 정도로 식었다면 물통에 집어넣어 남아있는 플럭스를 제거합니다.

다시 한 번 깎고 다듬어 붙이다
이제 대략적인 프레임의 형태가 완성됐습니다. 만약 플럭스를 씻어낸 후 각 접합 부위에 빈틈이 보이면 프레임을 지그에 다시 고정해 용접 과정을 거쳐 틈을 보강해야 합니다. 특히 BB나 헤드 튜브는 라이딩을 할 때 힘이 많이 가해지는 부분이기 때문에 내구성이 더욱 중요하죠. 다음편에서는 지금까지 만들어진 프레임을 교정(얼라이먼트) 한 다음, 시트스테이를 재단하고 모양을 만들어 접합하는 과정을 풀어보겠습니다.

http://bikeacademy.co.kr/ (프레임 빌딩교육의 표준, 바이크아카데미)

유기농 자전거 프로젝트
5. 체인스테이 - 겉과 다르게 자전거에서 중요한 역할의 Chainstay 손질하고 용접하기
6. 앞 삼각 - 프레임의 성능과 외형에 가장 큰 영향을 미치는 앞 삼각 자르고 손질하기
8. 후 삼각 - 자전거 프레임 교정(얼라이먼트)과 시트스테이 직접 손질해서 용접하기
9. 브레이즈 온 - 뒤 브레이크를 위한 브리지, 케이블 스톱, 물통 케이지 손질 용접하기

관련 문화평
로드 바이크의 과학 : 사이클의 원리를 알면 자전거가 더 재미있다 (2009, 후지노 노리아키)
바이시클 테크놀로지 (2013, 롭 반 데르 플라스, 스튜어트 베어드)

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