CN101043972A - 铝合金材料的钎焊方法及铝合金制热交换器的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种对铝合金材料进行钎焊的方法，其是铝合金材料的非腐蚀性钎焊方法，在将钎料的开始流动温度设为Tf，将焊剂的开始流动温度设为Ts时，Ts≤Tf≤Ts+15℃。

Description

铝合金材料的钎焊方法及铝合金制热交换器的制造方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料的接合方法，更详细地是涉及含有镁的铝合金材料的非腐蚀性钎焊方法。另外，涉及包括利用上述钎焊方法进行钎焊的工序的的铝合金制热交换器的制造方法。
背景技术
机动车用热交换器等的铝制品的接合是在惰性气体气氛中通过使用氟化物类焊剂的钎焊方法进行的。该钎焊方法被称为非腐蚀性钎焊方法，其使用将Al-Si类的JIS4045合金(Al-10质量％Si)或JIS4343合金(Al-7.5质量％Si)等的钎料以5～15％的覆合率结合在由铝或铝合金构成的芯材的一面或两面的钎焊片或钎焊丝进行。并且，成形加工该钎焊片或在被接合部位配置钎焊丝来组装制品。然后，用水或其它溶液以5质量％左右悬浮以KAlF4、K2AlF5、K2AlF5·H2O、K3AlF6等为主要成分的氟化物类焊剂，并在将其涂覆在铝部件上后，用氧浓度在1000ppm以下、露点在-35℃以下的钎焊炉在氮气等惰性气体气氛中加热到规定温度。
由于铝合金含有镁，所以提高强度。其结果，实现制品的轻量化、薄化。但是，在以往的非腐蚀性钎焊方法的情况下，焊剂中的氟与铝合金中的镁进行反应，在铝表面形成氟化镁(MgF2)等的高熔点化合物。可以考虑到该反应能够降低除去焊剂所具有的氧化膜的效果，进而阻碍钎料的濡湿扩展，从而降低钎焊性。作为将含有镁的铝合金材料进行非腐蚀性钎焊的方法有如下方法，即，在钎焊片的钎料与含有镁的芯料的界面设置镁的扩散阻挡层来抑制焊剂与镁的反应的方法(例如参照(日本国)特开平6-63734号公报)、或在焊剂中含有铯来抑制氟化镁等高熔点化合物的生成的方法(例如参照(日本国)特开平3-226396号公报)等方法。设置扩散阻挡层的方法，由于需要使阻挡层比钎焊加热时的镁的扩散距离厚，所以不能使钎焊片本身变薄。而且，由于含有铯的焊剂成本非常高，所以存在批量生产性差的缺点。
发明内容
根据本发明，提供如下的方法：
(1)一种铝合金材料的钎焊方法，其是铝合金材料的非腐蚀性钎焊方法(ノコロツクブレ一ジング法，Nocolok brazing method：在惰性气体气氛中使用非腐蚀性的氟化物类焊剂进行钎焊的方法)，其特征在于，当将钎料的开始流动温度设为Tf，将焊剂的开始流动温度设为Ts时，Ts≤Tf≤Ts+15℃。
(2)如(1)所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述铝合金含有0.05质量％以上、2质量％以下的镁。
(3)如(1)或(2)所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述钎料在上述焊剂开始流动后60秒以内开始流动。
(4)如(1)～(3)中任何一项所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述钎料的固相线温度与液相线温度之差是30℃以内。
(5)如(1)～(4)中任何一项所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述焊剂的固相线温度与液相线温度之差是30℃以内。
(6)一种铝合金制热交换器的制造方法，其特征在于，利用(1)～(5)中任何一项所述的钎焊方法进行钎焊。
如上所述，本发明的含有镁的铝合金材料的钎焊方法，由于应用具有与氟化物类焊剂的开始流动温度同等以上且比焊剂的开始流动温度高15℃以下的开始流动温度的钎料，所以能够使用氟化物类焊剂对含有镁的铝合金材料进行钎焊。进而，本发明的含有镁的铝合金材料的钎焊方法能够良好且廉价地进行钎焊。
本发明的上述及其它特征和优点可以参考附图由下述的记载而看出。
附图说明
图1是表示钎焊试验中的试验材料的组装状态的立体图。
具体实施方式
以下，详细说明本发明。
本发明者刻意研究的结果，确认了焊剂中的氟与铝合金中的镁在焊剂熔融后不是马上反应，而是在比焊剂熔融然后开始流动的温度高15℃左右的温度下、另外从焊剂开始流动60秒左右之后开始急剧反应。因此，发现通过在失去焊剂中的氟与镁的反应而产生的除去氧化膜的效果之前使钎料流动，而能得到优良的钎焊性。
关于本发明的钎焊方法，对镁的含量、焊剂的开始流动温度Ts及钎料的开始流动温度Tf、从焊剂开始流动到钎料开始流动的时间、固相线温度与液相线温度之差，说明其限定理由。
在本发明的钎焊方法中，钎焊性最重要的条件是焊剂与钎料开始流动温度。这里说的焊剂及钎料的开始流动温度定义为在钎焊加热过程中焊剂及钎料熔融并开始濡湿扩展的温度。很多焊剂、钎料固相线温度与液相线温度不同，在升温途中变成固体—液体混合的状态，在液相的比率为大约70％时开始流动。因而，开始流动的温度在固相线温度与液相线温度之间，当将该温度差设为100时，定义为比固相线温度高大约70左右的温度。另外，用高温显微镜对焊剂、钎料进行现场观察，以实际濡湿扩展的温度来表示。
优选的是Tf在Ts以上。这是因为在钎料比焊剂先流动的情况下，在焊剂在铝表面扩展并除去氧化膜之前，钎料覆盖了铝表面。
此外，优选的是Tf比Ts高15℃以下的温度。这是因为从比Ts高15℃的温度附近开始焊剂与镁急剧反应而生成氟化镁等化合物，而使钎料的濡湿扩展劣化。特别优选的是Tf比Ts高10℃以下的温度(Ts≤Tf≤Ts+10℃)。
铝合金中的镁含量优选的是在0.05质量％以上、2质量％以下。这是因为当Mg含量少时，与焊剂的反应少，即使用现有的钎焊方法也能钎焊。另外，这是因为在镁含量过多时，在钎焊加热时与焊剂中的氟迅速反应，形成氟化镁等的高熔点化合物，而阻碍钎焊性。特别优选的是镁含量是0.1质量％以上、1.5质量％以下。
优选的是钎料开始流动是在焊剂开始流动后60秒以内进行。这是因为在以通常的升温条件进行钎焊的情况下，从焊剂开始流动后60秒左右焊剂与镁急剧反应而生成氟化镁等化合物，而使钎料的濡湿扩展劣化。特别优选的是钎料开始流动的时刻是焊剂开始流动后40秒以内。另一方面，虽然开始流动的时刻没有差别也可以，但优选的是钎料在焊剂开始流动后5秒之后开始流动。
优选的是钎料的固相线温度与液相线温度之差在30℃以下。这是因为从钎料熔融到开始流动需要时间，而在其间焊剂与镁会反应而生成氟化镁等化合物，而使钎料的濡湿扩展劣化。特别优选的是温度差在20℃以下。钎料除了现有的2元类的Al-Si钎料之外，也可以是在更低温度下熔融的材料。在使用这样的钎料的情况下，可以使钎焊加热时的到达温度降低。如(日本国)特开平6-55293公报中记载的方法，通过降低钎焊温度，例如在热交换器的情况下，具有提高散热片材料的导热率及高温压曲性的效果，而在钎焊片的情况下，具有由于抑制侵蚀及减少元素扩散而提高耐蚀性的效果，此外具有延长钎焊炉寿命的效果。另一方面，也可以消除钎料的固相线温度与液相线温度的差，但优选的是其在10℃以上。
优选的是焊剂的固相线温度与液相线温度之差是30℃以下。这是因为从焊剂熔融到开始流动的时间变长，在焊剂附着的部分与镁进行反应，阻碍该部分的钎焊性。特别优选的是温度差是15℃以下。另一方面，也可以消除焊剂的固相线温度与液相线温度的差，但优选的是其在5℃以上。
焊剂使用以由KAlF4、K2AlF5、K2AlF5·H2O、K3AlF6构成的成分中的至少一种作为主要成分，但也可以是CsAlF类或KZnF3类等其它焊剂。优选的是KAlF4和K2AlF5·H2O的混合物或KAlF4和K3AlF6的混合物。这里所谓的“焊剂中是主要成分”是表示在焊剂中该成分的含量是50质量％以上(优选的是70质量％以上)的意思。
开始流动温度、固相线温度及液相线温度的调整可以通过焊剂中的上述成分例如KAlF4和K2AlF5·H2O的混合物进行调节。例如，当KAlF4的混合量多时，则开始流动温度变高，固相线温度与液相线温度的差就变大。
进而，为了调整开始流动温度、固相线温度及液相线温度，也可以添加其它元素。
另外，虽然作为钎料使用Al-Si类钎料，但其它钎料也可以，为了调整开始流动温度、固相线温度及液相线温度，也可以添加锌、铜等成分。
开始流动温度、固相线温度及液相线温度可以通过钎料中的硅、锌、铜的组成适当调整。优选的组成是把钎料整体质量作为100％，硅占7～12质量％、锌占0.5～6质量％、铜占0.5～8质量％的范围。
进而，为了调整开始流动温度、固相线温度及液相线温度，也可以添加其它元素。
作为应用本发明的钎焊件的结构可以是如下任何一种结构，例如热交换器的散热片材料或连接器材料，使用钎焊片的钎料或预加钎料对含有镁的铝合金的一对材料进行钎焊的情况，或者对芯料添加了镁的钎焊片的情况等，只要是铝合金材料的钎焊，任何结构都可以。
以下根据实施例更详细地说明本发明，但本发明不限定于此。
实施例
将表1、2所示组成的钎料与芯料的合金在模具中进行铸造，芯料利用端面切削而加工成45mm厚度，钎料在端面切削后进行热压延而加工成5mm厚度。
在上述芯料的一面重叠钎料，以500℃进行热压延而做成厚度3mm的覆合材料，然后，将其冷压延成板厚1mm，进而以360℃进行2小时退火而做成钎焊片。在该钎焊片所占的钎料的覆合率是10％。
将所得到的钎焊片切成宽度25mm、长度70mm，将其与t＝1mm的JIS3003合金的一对材料进行组合，实施了倒T字接缝试验。
表1  钎料的组成                               (质量％)
    Si     Cu     Zn   Al
    1     12     1.2     1.5   剩余部分
    2     11     1.2     1.5   剩余部分
    3     10     1.2     1.5   剩余部分
    4     12     1.2     —   剩余部分
    5     11     —     5   剩余部分
    6     10     —     —   剩余部分
    7     7     1.2     1.5   剩余部分
    8     11     2.5     4   剩余部分
“—”为不添加
表2芯料的组成                                            (质量％)
    Fe     Si     Cu     Mg Al
    9     0.2     0.5     0.15     0.2 剩余部分
    10     0.2     0.5     0.15     0.5 剩余部分
    11     0.2     0.5     0.15     1.0 剩余部分
    12     0.2     0.5     0.15     1.7 剩余部分
    13     0.2     0.5     0.15     2.2 剩余部分
    14     0.2     0.5     0.15     — 剩余部分
“—”为不添加
以下说明试验方法。
如图1所示，表示钎焊试验中的试料的组装状态的立体图，将作为下板的钎焊片2和作为上板的JIS3003合金材料1，按照使钎焊片的钎料2a的面与JIS3003合金材料1相接的方式进行组合。将钎焊片的芯料2b配置在钎焊片的钎料2a之下。
涂覆用自来水5质量％地悬浮这些材料的焊剂，使其充分干燥后，用NB炉实施600℃×3分钟的钎焊加热。对于钎焊性，观察作为接合部的角焊缝3的剖面组织来进行评价。表3表示试验使用的焊剂的开始流动温度、固相线温度及液相线温度。焊剂的固相线温度和液相线温度通过改变KAlF4、K2AlF5·H2O的混合比或制造方法来调节。焊剂15、16及焊剂17中的混合比用质量比为KAlF4∶K2AlF5·H2O分别是70∶30、90∶10、95∶5。
表3  焊剂
  开始流动温度(℃)     固相线温度(℃)     液相线温度(℃)
    15   568     562     571
    16   569     550     578
    17   589     562     600
表4表示材料的组合、评价结果。在钎焊性的项目中，“○”是表示良好结果的试料，“×”是钎焊性降低的试料。
利用本发明的铝合金材料的钎焊方法进行钎焊的试料NO.A～O(实施例)表现出良好的钎焊性。
试料NO.Q(比较例)，由于钎料的开始流动温度是590℃，比焊剂的开始流动温度568℃高22℃，另外，从焊剂流动后到钎料开始流动是88秒那么长，所以在钎料开始流动前生成了氟化镁等高熔点化合物，从而产生钎焊断开。
试料NO.R(比较例)，钎料开始流动温度是595℃那么高，比焊剂的开始流动温度568℃高27℃，另外，从焊剂流动后到钎料流动的时间是108秒，因此，在钎料开始流动前生成了氟化镁等的高熔点化合物，从而产生钎焊断开。
试料NO.S(比较例)，由于钎料开始流动温度是558℃，比焊剂的开始流动温度低，从而存在在焊剂流动前钎料熔融而覆盖接合部的部分，所以局部存在钎焊断开。
试料NO.T(与上述(2)项有关的发明的比较例)，钎焊片芯料的镁含量是2.2质量％那么高，从迅速形成氟化镁而产生钎焊断开。
试料NO.U(与上述(5)项有关的发明的比较例)，焊剂的固相线温度和液相线温度之差是38℃，流动性差，由于产生焊剂不流动的部分，所以局部产生钎焊断开。
试料NO.P(参考例)，由于不含有镁，虽然焊剂与钎料的开始流动温度之差是22℃，很大，但表现出良好的钎焊性。
表4  部件的组合以及钎焊性评价结果
钎料 芯料 焊剂 钎焊性     钎料开始流动温度(℃)     钎料固相线温度(℃)     钎料液相线温度(℃)     焊剂开始流动温度(℃)     开始流动温度差(℃)     焊剂流动后到钎料流动的时间(秒)
  A     1     9     15     ○     570     558     575     568     2     8
  B     1     10     15     ○     570     558     575     568     2     8
  C     1     11     15     ○     570     558     575     568     2     8
  D     1     12     15     ○     570     558     575     568     2     8
  E     2     9     15     ○     574     559     580     568     6     24
  F     2     10     15     ○     574     559     580     568     6     24
  G     2     11     15     ○     574     559     580     568     6     24
  H     2     12     15     ○     574     559     580     568     6     24
  I     3     9     15     ○     579     559     587     568     11     44
  J     3     10     15     ○     579     559     587     568     11     44
  K     3     11     15     ○     579     559     587     568     11     44
  L     3     12     15     ○     579     559     587     568     11     44
  M     4     10     15     ○     572     562     576     568     4     16
  N     5     10     15     ○     574     567     577     568     6     24
  0     1     10     16     ○     570     558     575     569     1     4
  P     6     14     15     ○     590     577     596     568     22     88
  Q     6     10     15     ×     590     577     596     568     22     88
  R     7     11     15     ×     595     560     610     568     27     108
  S     8     11     15     ×     558     535     568     568     -10     -
  T     2     13     15     ×     574     559     580     568     6     24
  U     6     10     17     ×     590     577     596     589     1     4
产业上利用的可能性
本发明的铝合金材料的接合方法作为含有镁的铝合金材料的非腐蚀性钎焊方法是最佳的方法。
此外，本发明的铝合金制热交换器的制造方法，由于使用上述钎焊方法，作为使用含有镁的铝合金材料利用非腐蚀性钎焊方法制造热交换器的方法是最佳的。
虽然根据其实施方式说明了本发明，但在我们没有特别指定的情况下，说明本发明的任何部分都不限定本发明，而是在不脱离附加的技术方案所示的发明的宗旨和范围的情况下，应该广泛地进行解释。

Claims (6)

1、一种铝合金材料的钎焊方法，其是铝合金材料的非腐蚀性钎焊方法，其特征在于，当将钎料的开始流动温度设为Tf，将焊剂的开始流动温度设为Ts时，Ts≤Tf≤Ts+15℃。
2、如权利要求1所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述铝合金含有0.05质量％以上、2质量％以下的镁。
3、如权利要求1或2所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述钎料在上述焊剂开始流动后60秒以内开始流动。
4、如权利要求1～3中任何一项所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述钎料的固相线温度与液相线温度之差是30℃以内。
5、如权利要求1～4中任何一项所述的铝合金材料的钎焊方法，其特征在于，上述焊剂的固相线温度与液相线温度之差是30℃以内。
6、一种铝合金制热交换器的制造方法，其特征在于，利用权利要求1～5中任何一项所述的钎焊方法进行钎焊。
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