CN103153516A - 铝部件的钎焊方法及其使用的钎焊装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金的钎焊方法及其使用的钎焊装置,所述铝合金的钎焊方法的特征在于,钎焊片材包括由铝或铝合金构成的心材,以及包层在该心材的单面或两面上的由铝合金构成的钎料,在上述心材以及钎料的至少一方含有Mg,将所述钎焊片材在含有氩气气氛的炉内,不使用焊剂,进行加热钎焊。通过本发明的铝合金的钎焊方法及其使用的钎焊装置,提供具有良好且稳定的钎焊性、能适用工业的钎焊方法。

Description

铝部件的钎焊方法及其使用的钎焊装置
技术领域
本发明涉及不使用焊剂的铝部件的钎焊方法,尤其涉及适合热交换器制造的钎焊方法。
背景技术
铝材料热传导性高,且轻量,因此,在以汽车搭载用为首的热交换器中得到大量使用。内部使得水或油等循环进行热交换的热交换器由罐、管、散热片等部件构成,各部件通过钎焊金属接合。
作为构成由钎焊制造的热交换器的铝材料,使用将钎料等包层在成为心材的铝合金板的片面或两面上的钎焊片材(brazing sheet,也称为“硬钎焊片材”)。一般,使用熔融温度为600℃以上的铝合金作为钎焊片材的心材合金,使用熔融温度为600℃以下的Al-Si系合金作为包层的钎料合金。由该钎焊片材制作热交换器部件,组合上述部件,通过加热到600℃前后温度,仅仅熔融钎焊片材的钎料部,能制作与其它部件钎焊的热交换器。通过使用钎焊片材能一次性地钎焊构成热交换器的多个部件,钎焊片材作为热交换器用的材料得到广泛利用。
作为主要的实用化的钎焊方法,可以列举真空钎焊法和NOKOLOK(美国焊剂名称)钎焊法。真空钎焊法使用由Al-Si-Mg系合金构成的钎料,通过在真空中加热,钎料中的Mg从材料蒸发,那时破坏材料表面的氧化膜,使得钎焊成为可能。但是,真空钎焊法存在需要高价的真空加热装置的缺点。另一方面,NOKOLOK法使用由Al-Si系合金构成的钎料,涂布焊剂后,在惰性气体中加热,由焊剂破坏材料表面的氧化膜,使得钎焊成为可能。但是,在涂布焊剂中,若涂布不匀,则成为钎焊不良的原因,因此,需要将焊剂均一地涂布在必要处。
对此,提出了不使用高价的真空加热装置或焊剂,通过在惰性气体中加热使得钎焊成为可能的钎焊方法。在专利文献1中,记载用炭质罩覆盖含有Mg的钎焊品进行加热,不使用焊剂,进行钎焊的方法。在该方法中,因Mg降低炭质罩内的氧浓度,防止氧化,使得钎焊可能。又,在专利文献2中,记载使用钎料含有Mg的包层材料,构成热交换器,不使用焊剂,进行钎焊的方法。在该方法中,由钎料中的Mg除去表面氧化膜,使得钎焊可能。
上述不使用焊剂的钎焊方法哪一个都通过材料中的Mg破坏氧化膜,使得钎焊可能,但是与真空钎焊法或NOKOLOK法相比,由Mg引起的氧化膜的破坏作用弱,因此,难以得到稳定的钎焊性。又,通过降低炉内的氧浓度,钎焊性得到改善,但是,难以工业化地维持低氧气氛。
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2007-044713号公报
【专利文献2】日本特开2007-190574号公报
发明内容
本发明的目的在于,提供在利用由Mg引起的氧化膜的破坏作用、不使用焊剂的钎焊方法中,具有更良好且稳定的钎焊性、也能适用于工业的钎焊方法。
鉴于上述课题,本发明人进行研究结果,注意到钎焊时的气氛气体种类对钎焊性带来很大影响,发现通过使用氩气作为气氛气体实现良好的钎焊性。
本发明在权利要求1中,提出一种铝部件的钎焊方法，其特征在于:
钎焊片材包括由铝或铝合金构成的心材,以及包层在该心材的单面或两面上的由铝合金构成的钎料,在上述心材以及钎料的至少一方含有Mg,将由所述钎焊片材构成的铝部件在含有氩气气氛的炉内,不使用焊剂,进行加热钎焊。
本发明在权利要求2中,将由辉光放电发光分析而得到的氮原子的发光强度相对氧原子的发光强度之比设为发光强度比N/O,在钎焊后的钎料中,当将表示内部的一定值的发光强度比N/O设为1.0时,从钎料表面到表示上述一定值的深度的发光强度比N/O为1.2以下。
本发明在权利要求3中,将上述炉内的含有氩气气氛设为氩气气氛或氩气和氮气的混合气体气氛,炉内氧浓度为25ppm以下。
本发明在权利要求4中,提出用于权利要求1～3中任一项所述的铝部件的钎焊方法的钎焊装置。
下面,说明本发明的效果:
根据本发明的钎焊方法,利用Mg的氧化膜破坏作用,能得到不使用焊剂的良好的钎焊性。该钎焊方法给予稳定的钎焊性,因此,工业上适用性也优异。
附图说明
图1是表示钎焊的钎料中的飞溅时间和发光强度比(N/O)nor关系的图线。
图2是间隙充填试验的说明图。
图中符号意义如下:
1－垂直板
2－水平板
3－间隔件
4－角焊缝(fillet)
5－间隙充填长度
具体实施方式
下面，详细说明本发明。
A.钎焊片材
首先,说明在本发明的钎焊方法中使用的钎焊片材。
在本发明使用的钎焊片材的构成形态设有铝合金心材,以及包层在心材的单面或两面的铝合金的钎料。即,使用在心材单面包层钎料的二层结构,以及在心材两面分别包层钎料的三层结构。钎料的包层率在单面为2～30%。又,钎焊片材的厚度为二层结构0.1～3mm,三层结构0.05～3mm。
除了上述形态,也可以设为具有进一步使得表层材料包层的表层材料/钎料/心材的三层结构,表层材料/钎料/心材/钎料/表层材料的五层结构,进一步使得牺牲阳极材料包层的钎料/心材/牺牲阳极材料的三层结构等结构的形态。在上述形态中,在心材及钎料的至少某一方含有Mg。
在本发明中,通过在心材及钎料的至少某一方含有Mg,利用由Mg引起的铝氧化膜的破坏作用。(1)当在钎料中含有Mg场合,在钎焊加热升温中,包含在钎料中的Mg使得钎料表面的氧化膜还原,进行破坏。(2)另一方面,当在心材中含有Mg场合,在钎焊加热升温中,Mg从心材向钎料扩散,Mg使得钎料表面的氧化膜还原,进行破坏。(3)进而,当在心材及钎料两方都含有Mg场合,生成上述(1)和(2)两方。
当在钎料的铝合金中含有Mg场合,较好的是,将Mg含有量设为0.5～2.0质量%(以下,简记为“%”)。在不足0.5%情况下,不能得到对于能发挥有效的氧化膜破坏作用来说充分的Mg量,钎焊性降低。又,若超过2.0%,在钎焊加热中,过剩量的Mg扩散到钎料表面,不从钎料表面蒸发地残留的Mg多量存在。其结果,形成MgO氧化膜,其成为厚膜化,使得钎焊性降低。
当在心材的铝合金中含有Mg场合,较好的是,将Mg含有量设为0.15～2.5%。在不足0.15%情况下,在钎焊加热中,扩散到钎焊片材的钎料的Mg量变少,不能得到充分的Mg量,钎焊性降低。又,若超过2.5%,在钎焊加热中,过剩量的Mg从心材扩散到钎料,如上所述,因MgO氧化膜厚膜化,使得钎焊性降低。
当在钎料和心材两方的铝合金中含有Mg场合,较好的是,将钎料中的Mg含有量设为0.1～1.4%,将心材中的Mg含有量设为0.15～1.2%。钎料中的Mg含有量不足0.1%,或心材中的Mg含有量不足0.15场合,不能得到充分的Mg量,钎焊性降低。另一方面,若钎料中的Mg含有量超过1.4%,或心材中的Mg含有量超过1.2%场合,在钎焊加热中,过剩量的Mg扩散到钎料表面,如上所述,因MgO氧化膜的厚膜化,使得钎焊性降低。
如果在钎焊温度下处于不熔融范围,从材料强度或耐蚀性角度考虑,也可以在心材中添加Mg以外的元素。作为这种元素,为了提高材料强度,可以列举Si、Fe、Mn、Ni、Cu等,又,为了对钎焊片材带来牺牲防蚀效果,提高耐蚀性,可以列举Zn、Sn、In等。
又,作为Mg以外的添加元素,可以在钎料中含有在钎料中含有的公知元素。作为含有这样的元素的钎料,使用含有7.0～13.0重量%的Si的Al-Si系铝合金很合适。除了Si,为了调整钎焊片材的熔点或电位,也可以使用添加Zn、Cu等元素的钎料。
B.气氛气体对钎焊性的影响
在不使用焊剂、对含有Mg的铝材料的钎焊片材进行钎焊的方法中,因Mg破坏铝材料表面的铝的氧化膜,使得钎焊成为可能。作为气氛气体,使用惰性气体。通常,使用氮气或氩气,但一般使用更廉价的氮气。但是,若在氮气中进行钎焊加热,则Mg对氧化膜的破坏作用弱,因此,氧化膜没有被充分破坏,或氧化膜一时受到破坏而露出的铝材料表面再次被氧化,有时不能得到稳定的钎焊性。因此,为了通过充分发挥Mg的氧化膜破坏作用实现稳定的钎焊性,研究在更低的氧浓度的气氛下的钎焊性。其结果,通过在低氧气氛下加热,钎焊性稍稍变得良好,但是,不能得到大幅度改善效果。又,在工业的钎焊工序中,为了将炉内维持为低氧气氛,在装置复杂化或维持成本等方面存在限度。
于是,研究使用氩气代替氮气,作为惰性气体。将炉内的氧浓度设为与氮气场合同等,在氩气中进行铝材料的钎焊加热,钎焊性得到大幅度改善,能实现稳定的钎焊性。于是,研究氩气中钎焊性改善的主要原因。其结果,即使相同氧浓度,在氮气中加热的铝材料和在氩气中加热的铝材料,钎焊加热后钎料表面附近的性状不同。具体地说,在氮气中加热的钎料表面附近观察到氮集积,推测存在铝和氮的反应生成物。
关于这一点进一步进行研究,若在氮气中进行钎焊加热,则铝材料表面的氧化膜因Mg而被还原破坏,金属铝的面在氮气气氛中露出。可以认为露出的金属铝与作为气氛气体的氮气反应,其反应生成物形成在铝材料表面附近。推测该反应生成物为由氮和铝构成的膜状物,由此引起钎焊性降低。可以认为这样的由氮和铝构成的膜状物已经不会因Mg而破坏,因此,引起钎焊性降低。
与此相反,在氩气中加热铝材料场合,在因Mg破坏铝的氧化膜后,金属铝的面也在氩气中露出。但是,在露出的金属铝面,不发生与反应性极低的氩气反应,不会生成阻害钎焊性的反应物。其结果,可以认为实现良好的钎焊性。在使用焊剂的NOKOLOK钎焊中,因焊剂破坏氧化膜后的金属铝的面通过焊剂与气氛气体接触,因此,看不出因氮气和氩气不同而引起的对钎焊性的影响。但是,在不使用焊剂的钎焊中,通过不使用氮气而使用氩气,对于改善钎焊性具有大的效果。
本发明人对于上述露出的金属铝和氮气的膜状反应生成物进行了研究。具体地说,通过辉光放电(glow discharge)发光分析装置,从钎焊后的钎料表面测定内部的氮原子和氧原子的发光强度。从表面向着内部一边飞溅钎料,一边连续测定飞溅面的氮原子和氧原子的发光强度。
在此,计算各飞溅时间中氮原子的发光强度相对氧原子的发光强度之比,即,“氮原子的发光强度/氧原子的发光强度”(以下,记为“发光强度比(N/O)”),通过试验可知,在飞溅时间为所定时间以上,即,在钎料的比所定深度深的内部,发光强度比(N/O)成为一定值。该倾向在各种各样条件下在钎焊的全部钎料中同样可见。但是,发光强度比(N/O)成为一定的飞溅时间在钎料合金组成或钎焊条件下不同。在此所述的所谓“一定值”并不意味完全没有振幅的完全一定值,设为具有±10%左右振幅者。
为了使得飞溅时间和发光强度比(N/O)的关系更清楚,将上述飞溅时间为所定时间以上中的发光强度比(N/O)的一定值正规化的数值设为“1.0”,各飞溅时间的发光强度比(N/O)也以相同比率正规化。将这样计算的正规化的发光强度比(N/O)设为“发光强度比(N/O)nor”。图1是表示飞溅时间和发光强度比(N/O)nor关系的例子,将其图线化。在图1中,横轴表示飞溅时间,时间0(秒)与钎料表面对应,随着飞溅时间经过,从钎料表面的深度也增加。飞溅时间和从钎料表面的飞溅深度成比例。纵轴表示发光强度比(N/O)nor。
从图1可知,在氮气中,在被钎焊的钎料中,相对飞溅时间为4.6秒以上的1.0的发光强度比(N/O)nor,此前的飞溅时间的发光强度比(N/O)nor最大值为1.6。这表示在氮气中,在被钎焊的钎料中,与发光强度比(N/O)成为一定的内部相比,表面附近方的氮原子相对氧原子的存在比例最大多至60%。由此,推定上述那样的金属铝和氮气的膜状反应物生成在钎料表面附近。
在本发明中,上述“4.6秒以上”包含4.6秒(下文皆如此)。
从图1可知,在氩气中,在被钎焊的钎料中,在飞溅时间为4.6秒以上,发光强度比(N/O)成为一定与氮气相同。相对飞溅时间为4.6秒以上的正规化为1.0的发光强度比(N/O)nor,此前的飞溅时间的发光强度比(N/O)nor几乎都表示0.8～1.0,即使超过1.0,其最大值为1.05左右。这表示在氩气中,在被钎焊的钎料中,与发光强度比(N/O)成为一定的内部相比,表面附近方整体上氮原子相对氧原子的存在比例少。由此,推定在氮气中钎焊那样的金属铝和氮气的膜状反应物不生成在钎料表面附近。
本发明人关于相对内部的正规化为1.0的发光强度比(N/O)nor的此前的表面附近的发光强度比(N/O)nor在各种各样条件下进行了研究。其结果,发现在其为1.2以下场合,金属铝和氮气的膜状生成物在钎料表面附近的生成被抑制,不会阻害钎焊性。
氩气与氮气比较为高价。因此,为了工业化地适用本发明涉及的钎焊法,在以往的NOKOLOK钎焊用炉的使用中,必须减少氩气的使用量。较好的是,减少向炉内的氩气导入量,减少到不使得氧浓度上升的程度。通过使用密闭性更高的钎焊炉,能减少氩气的导入量。为了进一步减少氩气使用量,使用氮和氩的混合气体减少氩气比例也很有用。例如,通过使用氮气和氩气的体积比例为1:1的混合气体,能将铝和氮的反应生成量抑制到使用氮气场合的一半程度,对改善钎焊性很有效。
C.氧气对钎焊性的影响
即使在氩气中不使用焊剂的钎焊中,若炉中氧浓度高,则铝材料表面再氧化,因此,钎焊性降低。为了得到良好的钎焊性,较好的是,将炉内的氧浓度设为25ppm以下。若炉内的氧浓度超过25ppm,则铝材料表面易氧化,因此,钎焊性降低。更好的是,炉内的氧浓度为10ppm以下。
在本发明中,上述“25ppm以下”包含25ppm(下文皆如此)。
为了实现低氧气氛,较好的是,用碳材料构成钎焊炉的与氩气接触的内部的构成部件。作为这种构成部件,可以列举炉内壁,挡板(baffle),被钎焊物搬运用的网带等,将上述全部部件或一部分设为碳材料。碳材料与氩气中微量存在的氧反应,生成CO,因此,能降低炉内氧浓度。在现有钎焊炉进行钎焊场合,也可以在炉内另外设置碳材料。
D.钎焊装置
本发明涉及的钎焊装置是在上述钎焊方法中使用的钎焊装置。作为施以钎焊加热的炉,可以适用如上所述能将炉内氧浓度调制到25ppm以下者。进一步说,如上所述,为了实现低氧气氛,较好的是,使用设有与氩气接触的内部构成部件用碳材料构成的炉的钎焊装置。
微量氧向炉内的混入大多主要因被钎焊物而取入。尤其如热交换器那样,在被钎焊物内部存在中空结构场合,内部存在的氧没有被充分置换,因此,成为妨害降低炉内气氛中的氧浓度。为此,使用设有被钎焊物的导入室、预加热室、钎焊加热室等多个炉室的钎焊装置,例如,通过在预加热室的预加热中,充分降低在被钎焊物内部存在的氧浓度,能在更低浓度的氧气氛中进行钎焊加热。
再有,将被钎焊物导入炉内后,使得炉内真空除气,此后,将氩气喷入炉内,置换炉内气氛气体,能防止炉内氧浓度上升。为此,较好的是,使用进一步设有置换炉室中气氛气体的装置的钎焊装置。由此,能在短时间内实现稳定的钎焊性,因此,工业上很有用。
E.钎焊条件
作为本发明涉及的钎焊方法的条件,可以使用一般条件。达到钎料熔融温度所需要的时间为10～30分钟。钎焊温度为钎料熔融温度以上的温度,因钎料合金组成而不同,通常590～610℃。保持时间通常为3～10分钟。
[实施例]
下面,根据实施例及比较例说明本发明。
[本发明实施例1～11及比较例1]
按照通常方法制造钎焊片材:将添加0.5%的Mg或不添加0.5%的Mg的JISA3003作为心材,在其单面包层添加Mg或不添加Mg的JISA4045的钎料。即,铸造具有表1所示合金组成的心材和钎料用的铸块,进行面切削。接着,热轧钎料后,将该热轧的钎料和心材合在一起进行热轧,进而施以冷轧,制作表1的No.1～11的心材和钎料的组合涉及的钎焊片材。各钎焊片材的板厚为0.75mm,钎料的包层率为10%。
表1
Figure BDA00003029523100081
[间隙充填试验]
如图2所示,通过间隙充填试验评价钎焊性。将上述那样制作的钎焊片材切断成70mm×20mm,将钎料面作为上面,设为水平板2。在水平板2上垂直立起垂直板1,垂直板1使用将板厚1.0mm的JISA3003的基材切断成60mm×20mm者。间隙形成用间隔件3使用φ1.0mm的不锈钢线,配设在从水平板2和垂直板1的接点离开50mm的位置。
使用这样制作的间隙充填试验用的试料,在实施例1～3中,不涂布焊剂地在氩气气氛的炉内进行钎焊。在各实施例中,将钎焊片材No.3、6、10用作水平板,进行三种钎焊。即,将水平板2上面和与其对向的垂直板1的下面进行钎焊。炉内的氧浓度设为10、25、50ppm。一边测定间隙充填试验用的试料的温度,一边进行钎焊加热。首先,在试料温度成为600℃的到达时间为10分钟左右那样的升温条件下加热后,试料在600℃保持3分钟,此后冷却,取出到炉外。在比较例1中,使用氮气代替在实施例1中使用的氩气,实施钎焊。在表2中,表示气氛气体和炉内的氧浓度。
表2
Figure BDA00003029523100091
在钎焊后的试料中,从水平板2和垂直板1的接点向着间隔件3,形成角焊缝4。测定从上述接点的角焊缝4的长度,设为间隙充填长度5。表2表示各钎焊片材的间隙充填长度5。
从表2可知,在氩气中进行加热钎焊的实施例1～3中,不管哪一个间隙充填长度5都超过20mm,能得到良好的钎焊性。与此相反,在氮气中进行加热钎焊的比较例1中,间隙充填长度成为12mm以下,钎焊性差。
使用钎焊后的钎料,通过辉光放电发光分光分析装置,在高频功率30W的条件下,测定氮原子和氧原子的发光强度,根据测定结果,调查飞溅时间和发光强度比(N/O)nor的关系。上述图1的在氮气中的钎焊结果是关于比较例1的结果,在氩气中的钎焊结果是关于实施例1的结果。
如上所述可知,在氮气中进行钎焊的钎料中,与发光强度比(N/O)成为一定的内部相比,在表面附近,氮原子相对氧原子的存在比例多。由此,推定阻害钎焊性的金属铝和氮气的膜状反应物生成在钎料表面附近。与此相反,在氩气中进行钎焊的钎料中,与发光强度比(N/O)成为一定的内部相比,表面附近方在整体上,氮原子相对氧原子的存在比例少。由此,推定阻害钎焊性的金属铝和氮气的膜状反应物在钎料表面附近没有生成。
在实施例4～11中,不涂布焊剂地在氩气气氛以及氩气和氮气的混合气体气氛(体积比为氩气:氮气＝1:1)的炉内进行钎焊。炉内的氧浓度都设为10ppm。在实施例4～11中,分别使用钎焊片材No.1、2、4、5、7～9、11。钎焊片材的制作方法、其厚度、钎料的包层率、间隙充填试验用试料的制作、试验方法、以及角焊缝的长度测定与实施例1相同。各实施例中的在氩气气氛和混合气体气氛下的间隙充填长度表示在表3。
表3
Figure BDA00003029523100101
从表3可知,在实施例4～11中,在氩气气氛中以及混合气体气氛中,不管哪个加热钎焊中,间隙充填长度都超过20mm,能得到良好的钎焊性。
下面说明本发明在产业上的可利用性:
适用本发明的钎焊方法,利用Mg的氧化膜破坏作用,不使用焊剂,通过在氩气中加热,能实现优异的钎焊性。又,还能实现稳定的高可靠性的钎焊性,工业适用性也优异。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种铝部件的钎焊方法，其特征在于:
钎焊片材包括由铝或铝合金构成的心材,以及包层在该心材的单面或两面上的由铝合金构成的钎料,在上述心材以及钎料的至少一方含有Mg,将由所述钎焊片材构成的铝部件在含有氩气气氛的炉内,不使用焊剂,进行加热钎焊,
将由辉光放电发光分析而得到的氮原子的发光强度相对氧原子的发光强度之比设为发光强度比N/O,在钎焊后的钎料中,当将表示内部的一定值的发光强度比N/O设为1.0时,从钎料表面到表示上述一定值的深度的发光强度比N/O为1.2以下。
2.如权利要求1所述的铝部件的钎焊方法，其特征在于:
上述炉内的含有氩气气氛是氩气气氛或氩气和氮气的混合气体气氛,炉内氧浓度为25ppm以下。
3.一种钎焊装置，用于权利要求1所述的铝部件的钎焊方法。
4.一种钎焊装置，用于权利要求2所述的铝部件的钎焊方法。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
以下所附内容为根据PCT条约第19条修改的内容，由国际局于2011年10月26日受理。有关权利要求书的修改以新的1-4项替换原始的权利要求第1-5项。

Claims (5)

1.一种铝部件的钎焊方法，其特征在于:
钎焊片材包括由铝或铝合金构成的心材,以及包层在该心材的单面或两面上的由铝合金构成的钎料,在上述心材以及钎料的至少一方含有Mg,将由所述钎焊片材构成的铝部件在含有氩气气氛的炉内,不使用焊剂,进行加热钎焊。
2.如权利要求1所述的铝部件的钎焊方法，其特征在于:
将由辉光放电发光分析而得到的氮原子的发光强度相对氧原子的发光强度之比设为发光强度比N/O,在钎焊后的钎料中,当将表示内部的一定值的发光强度比N/O设为1.0时,从钎料表面到表示上述一定值的深度的发光强度比N/O为1.2以下。
3.如权利要求1或2所述的铝部件的钎焊方法，其特征在于:
上述炉内的含有氩气气氛是氩气气氛或氩气和氮气的混合气体气氛,炉内氧浓度为25ppm以下。
4.一种钎焊装置，用于权利要求1或2所述的铝部件的钎焊方法。
5.一种钎焊装置，用于权利要求3所述的铝部件的钎焊方法。
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