JP2004358519A

JP2004358519A - アルミニウム材のろう付け方法

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Publication number: JP2004358519A
Application number: JP2003160045A
Authority: JP
Inventors: Takeyoshi Doko; 武宜土公; Yutaka Yanagawa; 裕柳川
Original assignee: Furukawa Sky KK
Current assignee: Furukawa Sky KK
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: KR20060015749A; US20060081682A1; EP1637267A4; EP1637267A1; JP4537019B2; WO2004108337A1

Abstract

【課題】フラックスを用いずにろう付けを行う方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金ブレージングシートを用いたろう付けを行うにあたり、芯材に０．２質量％以上１質量％以下のＭｇを含有したアルミニウム合金を用い、ろう材合金のＭｇ量を０．０５質量％以下としたブレージングシートを使用し、２００℃を越えてから５７０℃までの昇温時間を１２分以内とする加熱条件の不活性ガス雰囲気でろう付けを少なくとも２室以上からなるろう付け炉を用いて行うアルミニウム材のろう付け方法。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金材料のろう付け方法に関するものであり、詳しくは、フラックスを使用しないでろう付けする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム材料は、その熱伝導性に優れ、軽いことから、自動車用熱交換器等の熱交換器に使用されている。熱交換器の多くは、アルミニウム合金芯材の片面または両面にろう材合金をクラッドしたブレージングシートを用いたろう付け工法により製造されている。
【０００３】
代表的なろう付け方法としては、フラックスブレージング、真空ブレージング等があるが、非腐食性のフラックスを用いて不活性ガス中でろう付けを行うＣＡＢ法が近年主流となっている。この方法は、フラックスがろう材の酸化皮膜を破壊、除去することにより、ろう付けを可能とするものである。
【０００４】
非腐食性のフラックスを用いたＣＡＢ法は、ろう付け後にフラックスを除去する処理が不要であり、アルミニウム合金をろう付けする際に問題となる表面の酸化皮膜を破壊する力が大きいため、ろう付け不具合が発生しにくい。
しかし、この方法では、微細部分へのフラックス塗布が難しく、ろう付け後にフラックスによる目詰まりが生じたり、逆にフラックス塗布が不十分でろう付けができない部分が発生したりするという問題がある。また、高価な塗布の設備が必要であり、さらに、エバポレータのようにろう付け後に表面処理を行いたい製品の場合、表面のフラックス除去に手間がかかるという問題もある。
【０００５】
このような背景から、フラックスを使用しないろう付け方法が望まれている。
フラックスを使用しないろう付け法としては、例えば、特許文献１記載の方法などが提案されているが、工業的に確立された方法はない。これは、フラックスを使用しない場合におけるろう付けの信頼性に問題があるためである。
したがって、従来はフラックスを用いなければろう付けができず、フィレットを形成することができないという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１２６９８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、フラックスを用いずにろう付けを行う方法、並びにそれに用いるろう付け炉およびブレージングシートを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、芯材及びろう材にＭｇを所定量添加したアルミニウムブレージングシートを用いて所定の昇温時間で加熱することで、加熱中に芯材中のＭｇがろう材へ拡散することにより、フラックスを用いずにろう付けを行うことが可能となることを見出した。本発明はこのような知見に基づきなされるに至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、
（１）アルミニウム合金ブレージングシートを用いたろう付けを行うにあたり、芯材に０．２質量％以上１質量％以下のＭｇを含有したアルミニウム合金を用い、ろう材合金のＭｇ量を０．０５質量％以下としたブレージングシートを使用し、２００℃を越えてから５７０℃までの昇温時間を１２分以内とする加熱条件の不活性ガス雰囲気でろう付けを少なくとも２室以上からなるろう付け炉を用いて行うことを特徴とするアルミニウム材のろう付け方法、
（２）ろう材溶融温度以下の加熱を行う部屋の酸素濃度を２０ｐｐｍ以下とすることを特徴とする（１）項に記載のろう付け方法、
（３）ろう材溶融温度以下の加熱を行う部屋に炭素を置くことを特徴とする（１）又は（２）項に記載のろう付け方法、
（４）ろう材溶融温度以下の加熱を行う部屋の構造を炭素とすることを特徴とする、（３）項に記載のろう付け方法に用いるろう付け炉、
（５）芯材に０．２質量％以上１質量％以下のＭｇを含有したアルミニウム合金を用い、ろう材合金のＭｇ量を０．０５質量％以下としたろう材合金を用いる（１）〜（３）のいずれか１項に記載のろう付け方法に用いられることを特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート、および
（６）（５）項に記載のブレージングシートを用い、（１）〜（３）のいずれか１項に記載の方法で製造したことを特徴とする熱交換器
を提供するものである。
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のろう付け方法では、芯材が０．２質量％以上１質量％以下のＭｇを含有したアルミニウム合金であり、ろう材合金のＭｇ量を０．０５質量％以下としたアルミニウムブレージングシートを用いる。
【００１１】
芯材に添加したＭｇはろう付け加熱の昇温時に、ろう材が溶融する前にろう材中に拡散する。そのため、ろう材が溶融した際に溶融したろう材組成はＡｌ−ＳｉにＭｇを含有するものになる。溶融したろう材中のＭｇはろう材表面に形成されているアルミニウムの酸化皮膜と反応するため、アルミニウムの酸化皮膜がＭｇの酸化皮膜となる際に酸化皮膜が分断され、ろう付けすることができる。
【００１２】
芯材中のＭｇ含有量は、上記の作用効果を奏するように０．２質量％以上１質量％以下である。Ｍｇが多すぎると、ろう付け加熱中にＭｇがろう材表面に多く拡散してＭｇの酸化皮膜を形成してしまう。
【００１３】
なお、芯材中のＭｇ含有量の最適値は、ろう材の厚さによって異なる。ろう材が薄い場合にはわずかな芯材Ｍｇ量でもろう材のＭｇ濃度を十分に高めるだけのＭｇ量となるが、ろう材が厚い場合、ろう付け中に拡散する芯材からのＭｇはろう材で薄められるため、あらかじめ芯材に十分に添加しておく必要がある。
ろう材の厚さが５μｍ以上２０μｍ未満の場合、芯材のＭｇ量は０．２質量％以上０．６質量％以下が特に好ましい。また、ろう材の厚さが２０μｍ以上１５０μｍ未満の場合、芯材のＭｇ量は０．３質量％以上１質量％未満が特に好ましい。
【００１４】
以上が本発明のろう付け方法に用いられるブレージングシートの芯材合金のＭｇ添加量であるが、それ以外の添加元素は、ろう付け温度で溶融しないこと、製品の強度、製品の耐食性等から定めればよい。例えば、ろう付け温度で溶融しないようにＳｉの添加量を１．５質量％以下としたり、材料に強度が欲しい場合にはＳｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ等の元素を添加したり、犠牲効果が材料に欲しい場合にはＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎを添加したり、従来のブレージングシートについての技術として知られている元素の添加を行うことができる。
【００１５】
本発明に用いられるブレージングシートの芯材合金の特に好ましい組成は、Ｓｉを０．１質量％以上１．４質量％以下、Ｆｅを０．１質量％以上２質量％以下、Ｃｕを１．４質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上１．８質量％以下のうち１種または２種以上を添加したアルミニウム合金である。
【００１６】
一方、ろう材中のＭｇ添加量が多すぎると、Ｍｇは不活性ガス中の不純物として含有されている酸素とろう付け加熱中に反応し、昇温中にろう材表面に酸化皮膜を生じてしまう。形成される皮膜はＭｇ系の酸化皮膜のため、上記のようにろう材中のＭｇと反応することはなく、酸化皮膜は分断されにくくなりろう付け不具合が発生する。
【００１７】
したがって、ろう材中のＭｇ量は０．０５質量％以下である。Ｍｇ量は少ない程好ましく、ろう材中にＭｇを含有しない場合が最も好ましい。
ろう材中のＭｇ以外の添加元素は、ブレージングシート用のろう材として公知のものを用いればよい。例えば、ろう材はＳｉを含有したアルミニウムろう材とするのが好ましい。また、Ｓｉの含有量は７質量％以上１３質量％以下の合金で、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等の添加をしてある合金とすることも可能である。
【００１８】
本発明のブレージングシートは、ろう材／芯材／ろう材の３層構造のブレージングシートに限らない。ろう材／芯材の２層構造、ろう材／芯材／皮材（皮材は耐食性向上や芯材からの元素の拡散防止等の理由で被覆される）や、ろう材／芯材１／芯材２の３層構造、ろう材／芯材１／芯材２／ろう材、ろう材／芯材１／芯材２／皮材の４層構造等も可能である。これらの選択およびそれぞれの合金は、ろう付けで製造する製品の要求特性から定めればよい。ろう材以外が２層以上存在する場合、ろう材と接する芯材が本発明の成分であればよいが、上記の例で芯材１が７０μｍ以下の場合、芯材１にＭｇを添加しなくとも、芯材２を本発明の組成とすればよい。
【００１９】
本発明のろう付け方法は、ろう材中のＭｇ量と芯材中のＭｇ量を上記のように規定したブレージングシートを用い、後述する条件でろう付けを行うことによりろう付けを可能とする。すなわち、ろう付け時における上記のブレージングシートの皮膜を破壊する力は弱く、後述のろう付け条件に限ることで初めてろう付けが可能となる。
【００２０】
まず、本発明のろう付け方法における加熱条件について説明する。
本発明のろう付け方法は、２００℃を越えてから５７０℃までの昇温時間を１２分以内とする加熱条件でろう付け加熱を行う。熱交換器等の構造物をろう付けする場合、従来のろう付け方法では２０分以上の時間をかけて昇温するが、本発明では、１２分以内でなければならない。これは、ろう材表面へのＭｇの拡散量を制限して酸化皮膜の形成を防止するためであり、また、形成された酸化皮膜の成長を抑えるためである。
【００２１】
本発明のろう付け方法がフラックス無しでろう付けできるメカニズムは、先述した通り芯材中のＭｇがろう付け加熱中にろう材へ拡散することを利用している。ここで、昇温速度が遅いと、ろう付け加熱の昇温の低い温度域で芯材のＭｇの大部分がろう材に達し、その後の加熱時に表面にＭｇ系の酸化皮膜が形成される。この場合、先に記したように皮膜を破壊する力はフラックスと比較して格段に小さいため、Ｍｇ系の酸化皮膜を破壊することは困難である。したがって、本発明では２００℃を越えてから５７０℃までの昇温時間を１２分以内とすることで、ろう材表面へのＭｇの拡散量を制限し、また、酸化皮膜の成長時間を短くして成長をできるだけ抑えるのである。昇温時間は短いほど好ましい。実際には、１０分以内が特に好ましい。
【００２２】
次に、本発明のろう付け方法における雰囲気について説明する。
本発明のろう付け方法は不活性ガス中で行う。これは、酸素濃度が高いとろう付け加熱中に酸化皮膜が成長するため、本発明の方法では皮膜を破壊することが難しくなり、ろう付けできなくなるからである。酸素濃度が低いほど酸化皮膜の成長が少ないため、この範囲の酸素濃度は低いほど好ましい。不活性ガスとしてはＡｒガス等でも可能であるが、工業的には、窒素ガスがコストの点で好ましい。また、従来の非腐食性のフラックスを用いてろう付けするＣＡＢ法に用いられるのと同等の純度の不活性ガスを用いることもできる。
【００２３】
特に上記の２００℃から５７０℃までの加熱を行う際の酸素濃度は２０ｐｐｍ以下が好ましく、１０ｐｐｍ以下がより好ましく、３ｐｐｍ以下がさらに好ましい。
また、本発明のろう付け方法におけるろう付け温度付近での酸素濃度は、従来の非腐食性のフラックスを用いてろう付けするＣＡＢ法におけるものと同等であればよい。
【００２４】
次に、本発明のろう付け方法におけるろう付け炉について説明する。
本発明は上記ブレージングシートを用いてろう付けを行うが、ろう付けは少なくとも２室以上からなるろう付け炉を用いる。本発明のろう付け方法を行うには先に述べたようにろう付け加熱時の加熱速度が必要であるが、それを達成するためには、少なくとも２室以上のろう付け炉で行う必要がある。例えば、ろう付け炉は、第１室で不活性ガスと置換し予熱する。第２室で不活性ガス雰囲気でろう付け温度（ろう材の溶融温度）に到達する加熱によってろう付けを行う。
【００２５】
好ましいろう付け炉の構造は、第１室が加熱を行わないガス置換室、第２室が５００℃以上の温度までの加熱室（予熱室）、第３室が６００℃付近のろう付け温度に加熱するろう付け加熱室であり、その後に冷却室を設けてもよい。ここでガス置換室を別途設けたのは、予熱室で十分にガス置換をするためである。
また、製品内の加熱温度均一化等の理由で、上記の第２室をさらに２室以上に分けたり、第３室をさらに２室以上に分けたりしてもよい。
【００２６】
本発明では、このような炉の中に炭素材を設置することが好ましい。炭素材を設置することで、炭素が不活性ガス中の酸素と反応してＣＯとなり、雰囲気中の酸素濃度を下げ、酸化皮膜の成長を抑える。したがって、炭素材は、ろう付け温度（ろう材の溶融温度）に到達しない部屋に設置することが好ましい。このような炭素材としてはカーボンファイバーを成型したものなどを用いることができる。
また、炉中に炭素材を別途設置する代わりに、炉の内部構造をグラファイト製とすることがより好ましい。
【００２７】
本発明のろう付け方法は、熱交換器のろう付けに特に好適である。熱交換器はフィン、チューブ、プレート等多くの部品から構成されているため、フラックスの塗布が難しい部分があるためである。
【００２８】
また、本発明のろう付け方法は、Ｍｇを芯材に含有させているため、従来の非腐食性のフラックスが存在した状態でもろう付けすることが可能である。すなわち、熱交換器のチューブとタンクとの接合部のようにろう付けのより高い信頼性が必要な部分にはフラックスを塗布して、本発明を用いることも可能である。
なお、この場合、本発明のフラックスを使わない方法でろう付けされる部分を、製品全体のろう付け接合部分の８０％以上とするのがコストの面で好ましい。８０％未満では本発明と従来のＣＡＢ法とのコスト面での差が少なくなるためである。
【００２９】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
まず、表１に記載された組成のブレージングシート、ベア材合金薄板を通常の方法で製造した。表１中、構成の組成比は合計が１００％となるが、一部省略して記載した。得られた材料を、コルゲート加工、電縫加工、穴あけ加工等の加工を行い、表２のように組み合わせ、図１に示した形状のミニコアを作製した。図１は実施例で作製したミニコアの側面図であり、フィン材１の山数は５０山で幅２２ｍｍ×高さ１０ｍｍ、チューブ材２は幅２２ｍｍ×高さ２ｍｍ×長さ１００ｍｍのもの２本を、穴あけ加工した幅３２ｍｍのプレート材３に差し込み、上下面には幅２２ｍｍのプレート材４を配した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
得られたミニコアを図２に示したろう付け炉にて、表３記載の条件にてろう付け加熱を行った。図２は実施例で用いたろう付け炉の側面断面模式図である。図２中、ろう付け炉はガス置換室５、予熱室６、ろう付け室７、冷却室８の４室に分かれており、搬送ライン９によりミニコアが各室に移動される。また、各室の入口と出口には扉１０〜１４が設けられている。
【００３３】
表３に示していない共通の条件は以下の通りである。
予熱室とガス置換室との間の扉を閉めた後にコアを投入し、３分間〜５分間窒素ガスを吹き入れ、ガス置換室の酸素濃度を５０００ｐｐｍ以下とした。その後、ろう付け室と予熱室との間の扉、およびガス置換室と炉外部との扉を閉めた状態で、ガス置換室と予熱室との間の扉を開き、コアを予熱室に移動した。
【００３４】
予熱室に移動後直ちに、予熱室とガス置換室との間の扉を閉め、加熱を開始した。加熱の際に窒素ガスの流量等により、ガス中の酸素濃度を調整した。ここでの条件を表３に示す。予熱を完了した後、予熱室とろう付け室との間の扉を開け、コアをあらかじめ６１０℃の雰囲気温度に保持してあるろう付け室に移動した。ろう付け室の雰囲気は窒素ガスで酸素濃度は１５ｐｐｍであった。
【００３５】
コアを移動後、予熱室とろう付け室との間の扉は閉じ、ろう付けを行った。ろう付けは、コアの温度が５９５℃に到達後３分間保持し、その後、コアは冷却室に移動した。なお、ろう付け室に入った後の条件は各試料においていずれも同じである。
【００３６】
【表３】

【００３７】
ろう付け条件とろう付けを行ったコアとの組み合わせを表４に示す。なお、試料１７、１８、及び２２は、プレートとチューブとの部分は従来と同様にフラックスを塗布してろう付けを行った。
ろう付けを完了したミニコアは、プレートとフィン部の接合部およびチューブとフィンとの接合部について、フィン材の接合率（フィン材の接合長さをフィン材の山部の長さの総和で割ったもの）を測定した。また、チューブとプレートとの接合部については目視にて接合状況の観察を行った。結果を表４に示す。なお、表中の※印は、プレート中のＭｇとフラックスとが反応してしまい、ろう付けでのフィレットがきれいに形成されていないものを示す。
【００３８】
【表４】

【００３９】
表４から明らかなように、比較例では、芯材又はろう材中のＭｇが多かったり、昇温時間が長かったりしたため、加熱時に酸化皮膜を形成しきれいに接合できなかった。
これに対し、本発明のろう付け方法では、フラックスを用いないにも関わらずろう付けすることができた（試料１９、２５、２６、２７、３０、３３、３４、３５、及び３８）。なお、試料２７及び３５は、プレート材が芯材にＭｇを含有していないにも関わらず、チューブとプレートとがきれいに接合されていた。これは、チューブ材の方にＭｇが含有されており、チューブ材側のろうにより、プレート材の表面皮膜が破壊されたためである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のろう付け方法によれば、アルミニウム合金ブレージングシートを用いたろう付けにおいて、フラックスを用いずにろう付け製品を製造することが可能であり、工業上顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例で作製したミニコアの側面図である。
【図２】図２は、本発明の実施例で用いたろう付け炉の側面断面模式図である。
【符号の説明】
１フィン材
２チューブ材
３プレート材
４プレート材
５ガス置換室
６予熱室
７ろう付け室
８冷却室
９搬送ライン
１０、１１、１２、１３、１４扉

Claims

アルミニウム合金ブレージングシートを用いたろう付けを行うにあたり、芯材に０．２質量％以上１質量％以下のＭｇを含有したアルミニウム合金を用い、ろう材合金のＭｇ量を０．０５質量％以下としたブレージングシートを使用し、２００℃を越えてから５７０℃までの昇温時間を１２分以内とする加熱条件の不活性ガス雰囲気でろう付けを少なくとも２室以上からなるろう付け炉を用いて行うことを特徴とするアルミニウム材のろう付け方法。
ろう材溶融温度以下の加熱を行う部屋の酸素濃度を２０ｐｐｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載のろう付け方法。
ろう材溶融温度以下の加熱を行う部屋に炭素を置くことを特徴とする請求項１又は２に記載のろう付け方法。
ろう材溶融温度以下の加熱を行う部屋の構造を炭素とすることを特徴とする、請求項３記載のろう付け方法に用いるろう付け炉。
芯材に０．２質量％以上１質量％以下のＭｇを含有したアルミニウム合金を用い、ろう材合金のＭｇ量を０．０５質量％以下としたろう材合金を用いる請求項１〜３のいずれか１項に記載のろう付け方法に用いられることを特徴とするアルミニウム合金ブレージングシート。
請求項５記載のブレージングシートを用い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法で製造したことを特徴とする熱交換器。