JP2002018570A

JP2002018570A - アルミニウム合金の大気中無フラックス重ねろう付け法

Info

Publication number: JP2002018570A
Application number: JP2000200409A
Authority: JP
Inventors: Shinji Takeno; 親二竹野
Original assignee: Sky Aluminium Co Ltd
Current assignee: Sky Aluminium Co Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-01-22
Anticipated expiration: 2020-07-03
Also published as: JP3701847B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで作業簡便性に優れた大気中・無フ
ラックスのアルミニウム重ね継手のろう付け法を提供す
る。【解決手段】複数のアルミニウム母材の重ね合わせ界
面に予めアルミニウム薄合わせ板材を挿入して行うアル
ミニウムの重ねろう付けにおいて、アルミニウム薄合わ
せ板材が３層または５層の薄合わせ板材からなり、その
皮材の下の層は融点が６００℃以下のろう材からなり、
いずれか一つ以上の構成部材にＭｇを０．１〜６％ある
いは更にＢｉを０．０１〜１％添加しており、重ね合わ
せた部材全体を加圧密着した状態で、ろう材の液相線温
度以上でかつろう材以外の各部材の固相線温度の内の最
低値を超えない範囲に加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は大気中でも無フラ
ックスでの接合が可能なアルミニウム板母材の重ねろう
付け方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムのろう付け法は大面積継手
とか多点継手を一挙に作成できる効率的な方法として熱
交換器やパネルの製造に用いられている。またこの多点
継手では継手へのろう材の配置効率の点よりろう材とし
て一般的にはブレージングシートを用いている。

【０００３】このろう付け法としては主に 1.真空中で
の無フラックス法 2.非酸化雰囲気での非腐食性フラ
ックス法 3.大気中での腐食性フラックス法の３つ
が用いられている。しかしこれらろう付け法のうち 1.
では高価な真空炉が必要であり、 2.では真空式より低
廉だがそれでもフラックス塗布工程や高価な気密性の高
い雰囲気炉や消耗する高価な不活性ガスが必要であり、
3.では装置や消耗代で優れるがろう付け前後の腐食性
フラックスの処理に多大の労力、コストが必要である等
の各々課題を抱えている。

【０００４】これらの問題に対して、例えば大気中でか
つ無フラックスのろう付けが可能な２枚のブレージング
シート同士をろう付け温度に加熱して、加熱温度到達後
に相互に擦りあわせる摩擦ろう付け法が知られている。
（アルミニウムろう付けハンドブック、THE ALUMINUM
ASSOCIATION編Ｐ６１）しかしこの手法は炉の構造は通常の大気炉のもので良い
が、擦りあわせ制御が難しく作業性に劣るという欠点が
あった。

【０００５】本発明者はこの問題に対して以前に大気中
で無フラックスろう付け法としてブレージングシートの
重ね界面に極薄板厚の金属板を挿入し加圧密着後、ろう
溶融時に極薄金属板を引き抜く方法を提案した。（特開
平８−１７４２０７）この方法は確かに大気中で無フラックスろう付けを可能
にし、自動化が可能ではあるが、極薄板厚の金属板を引
き抜く作業が必要であったり、接合形状の融通性が劣る
等の問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記の従来
技術の問題点を解消して、真空炉・気密性の雰囲気炉等
の高価設備の設置も不要で、フラックス・不活性ガスの
消耗もない低コストで、かつろう付け組立て時に挟み込
むだけの作業簡便性に優れた大気中で無フラックスのア
ルミニウム重ね継手ろう付け法を提供する事を目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】即ち本発明のひとつは、
請求項１の、複数のアルミニウム母材の重ね合わせ界面
に予めアルミニウム薄合わせ板材を挿入して行うアルミ
ニウムの重ねろう付けにおいて、アルミニウム薄合わせ
板材が３層構造の薄合わせ板材からなり、その芯材は融
点が６００℃以下のろう材からなり、その両皮材は芯材
より融点の高いアルミニウム合金からなり、かつ少なく
とも皮材と芯材のいずれか一つ以上にＭｇを０．１〜６
％（ｍａｓｓ％、以下同じ）あるいは更にＢｉを０．０
１〜１％添加しており、重ね合わせた部材全体を加圧密
着した状態で、ろう材の液相線温度以上でかつろう材以
外の各部材の固相線温度の内の最低値を超えない範囲に
加熱する事を特徴とするアルミニウム合金の大気中無フ
ラックス重ねろう付け法である。

【０００８】また、請求項２の発明は、複数のアルミニ
ウム母材の重ね合わせ界面に予めアルミニウム薄合わせ
板材を挿入して行うアルミニウムの重ねろう付けにおい
て、アルミニウム薄合わせ板材が５層構造の薄合わせ板
材からなり、その両皮材と芯材との中間材は融点が６０
０℃以下のろう材からなり、その両皮材と芯材は中間材
より融点の高いアルミニウム合金からなり、かつ少なく
とも皮材と芯材と中間材のいずれか一つ以上にＭｇを
０．１〜６％あるいは更にＢｉを０．０１〜１％添加し
ており、重ね合わせた部材全体を加圧密着した状態で、
ろう材の液相線温度以上でかつろう材以外の各部材の固
相線温度の内の最低値を超えない範囲に加熱する事を特
徴とするアルミニウム合金の大気中無フラックス重ねろ
う付け法である。

【０００９】そして、請求項３の発明は、２つのアルミ
ニウム母材同士を重ねろう付けするに際し、少なくとも
一方のアルミニウム母材に芯材の片面側に皮材と中間材
を設けた３層合わせ板母材を用い、合わせ板母材の中間
材には融点が６００℃以下のろう材を用い、皮材および
芯材は中間材より融点が高いアルミニウム合金からな
り、かつ少なくとも芯材と皮材と中間材のいずれか一つ
以上にＭｇを０．１〜６％あるいは更にＢｉを０．０１
〜１％添加しており、合わせ板母材の皮材面を重ね合わ
せ界面側に配置して、アルミニウム板母材同士を加圧密
着した状態で、ろう材の液相線温度以上でかつろう材以
外の各部材の固相線温度の内の最低値を超えない範囲に
加熱する事を特徴とするアルミニウム合金の大気中無フ
ラックス重ねろう付け法である。なお本明細書でろう付
けとははんだ付け及びろう付を指す総称である。

【００１０】

【発明の実施の形態】ここで、アルミニウム母材の合金
としては組み合わせるろう材の融点より高い融点の合金
でさえあれば良く、通常ＪＩＳＡ１０７０、１０
５０、１１００、１２００、３００３、３２０３、３０
０４、４００３、４００４、４１０４、４Ｎ０４、５０
０５、５Ｎ０１、６０６１、６０６３、６Ｎ０１、等の
板および鋳物材のＡＣ１Ａ、ＡＣ１Ｂ，ＡＣ２Ａ、ＡＣ
２Ｂ，ＡＣ３Ａ、ＡＣ４Ａ、ＡＣ４Ｂ，ＡＣ４Ｃ，ＡＣ
５Ａ、ＡＣ８Ａ、ＡＣ８Ｂ，ＡＣ８Ｃ等が好ましく使用
できる。

【００１１】合金組み合わせおよび枚数は使用目的に応
じたものであれば良く、特に制限はない。挿入する３層
および５層のアルミニウム薄合わせ板材の全板厚として
は通常０．１〜１．０ｍｍであれば良い。ろう材のクラ
ッド率は全板厚の１０〜８０％が良い。これら全板厚と
クラッド率の下限未満では製造が難しくなったり、ろう
材が不足でろう付け性が低下する。又全板厚とクラッド
率の上限を超えると、不必要な厚さで経済的でなかった
り、異種の低融点金属を挿入させるので異合金化の悪影
響が大きくなるので好ましくない。

【００１２】３層薄合わせ板材での両皮材、５層薄合わ
せ板材での両皮材及び芯材、３層合わせ板母材の皮材及
び芯材には、３層薄合わせ板材の芯材と５層薄合わせ板
材と３層合わせ板母材の中間材より融点の高いアルミニ
ウム合金を用いる以外には特に限定はなく、通常ＪＩＳ
Ａ１０７０、１０５０、１１００、１２００、３０
０３、３２０３、３００４、４００３、４００４、４１
０４、４Ｎ０４５００５、５Ｎ０１、５０５２、５４５
４、５０８６、５０８３、６０６１、６０６３、６Ｎ０
１等が好ましく使用できる。

【００１３】３層薄合わせ板材での芯材、５層薄合わせ
板材での中間材、３層合わせ板母材の中間材には融点が
６００℃以下のろう材を用いる。この条件を満たすろう
材としてはＺｎ、Ｓｎ、Ｂｉの金属やＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ
−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ、Ｚｎ−Ａｌ、Ａｌ−Ｇｅ合
金が好ましく使用できる。そして各構成部材の少なくと
も一つ以上にＭｇを０．１〜６％添加する。Ｍｇはろう
材の溶融時の濡れ性向上に有効であり、この添加量が
０．１％未満ではその効果が不十分であり、６％を超え
ると添加効果が飽和して無意味になるとか、加工性が低
下する問題が有り好ましくない。ろう付け加熱時の加圧
密着の程度が強固な場合には、Ｍｇの添加は各構成部材
のいずれか一つで良いが、加圧密着の程度を特に強固に
しない場合にはぬれ性が劣化し易いため、この場合には
各構成部材の複数への添加が好ましい。

【００１４】３層薄合わせ板材の芯材、５層薄合わせ板
材での中間材、あるいは３層合わせ板母材の中間材等ろ
う材への添加の場合には、ろう材が溶融時に当然Ｍｇが
合金化している。３層薄合わせ板材および５層薄合わせ
板材の皮材、５層薄合わせ板材での芯材、あるいは３層
合わせ板母材の皮材及び芯材への添加の場合には、ろう
材が溶融時に皮材または芯材に侵入溶融化のエロージョ
ンにより侵食して溶融ろう材中にＭｇが合金化する。い
ずれの構成部材にＭｇを添加するかの使い分けは、例え
ば、ろう材へ添加した時にろう材の圧延加工性が著しく
低下する場合に他の構成部材に添加して行えば良い。

【００１５】さらに、いずれかの構成部材にＢｉを添加
するのが好ましい。特に接合するアルミニウム母材がＭ
ｇを含有した合金の場合（上記の例では３００４、４０
０３、４００４、４１０４、４Ｎ０４、５０５２等）に
は通常溶融ろう材の濡れ性が劣化するが、Ｂｉはこの劣
化を防止する働きをするのでＢｉを０．０１〜１．０％
添加するのが好ましいのである。その添加量が０．０１
％ではその効果が十分でなく１．０％を超えるとその効
果が飽和し、それ以上の添加は無意味なので０．０１〜
１．０％が望ましい。

【００１６】また挿入式の合わせ板方式に代えて母材の
少なくとも一方に合わせ板材を用いる場合にはその全板
厚は特に限定しない。この場合は継手を構成する主要メ
ンバ−の母材の板厚は使用目的に応じて随時設定すれば
良い。またアルミニウム合わせ板材を両方に用いても良
い。但しこの時の皮材厚さ及び中間材（ろう材）厚さは
０．１から１．０ｍｍが望ましい。

【００１７】重ね合わせ部材全体を加圧密着する程度は
通常０．００１ＭＰａ以上の圧力が必要である。なお、
この際荷重が０．１ＭＰａ以上過大だとろうの染み出し
は切り込み部だけでなく板端部からも生じるようにな
る。これを防止するためには薄合わせ板の板端部の酸化
膜を厚くさせるのが一方法であるが、そのための手段と
しては合わせ板の切断にレーザー、プラズマ。アーク等
の溶融切断を行うのが望ましい。

【００１８】またその他の染み出し防止策として、重ね
面周辺に薄箔を置いて周辺のみを強加圧になるようにし
て周辺より内部の溶融ろうが外部に染み出さないに様に
するとか、合わせ板の端部をレーザー、アーク等により
板厚方向全体を溶融し混合合金化してこの部分の融点を
ろう材単独の融点より高くする等が考えられる。ろう接
合の加熱をろう材の液相線温度以上にすのは、ろう接で
あるからはんだ材又はろう材を溶融させる必要があるか
らで、またその上限加熱温度をろう材以外の各部材の固
相線温度の内の最低値を超えない範囲にするのは、ろう
材以外の部材の変形・劣化を防止するためである。

【００１９】上記ろう材の液相線温度は通常３８０〜５
９０℃になる。このろう接合した部材の凝固は温度を下
げて行うとか、そのろう接温度で長時間そのまま保持を
して液相拡散凝固させて行っても良い。この際、保持時
間は特に制約はないが通常１〜１０時間程度が好まし
い。１時間未満だと拡散が十分でなく１０時間以上では
拡散が十分でありそれ以上の加熱は無意味である。

【００２０】本発明のろう接合が大気中でかつ無フラッ
クスの条件下で可能な理由については以下の通りと推定
される。即ち一般にアルミニウムのろう付けを可能にす
るためには溶融ろうの濡れを生じさせる事が必須条件に
なるが、この条件を満たすためにはろう付け加熱中での
ろう材及び接合母材の酸化防止作用と酸化皮膜破壊作用
が必要と考えられている。なおこの際、この両作用の感
受性は特に溶融ろう材において高く、ろう材への制御は
母材に対するより厳しくする必要があると考えられてい
る。このため現状のろう付け法では前述の如くこの酸化
防止と酸化皮膜破壊とに対して真空中での加熱と同時に
ろう材へ添加したＭｇの蒸発現象を活用するとか（真空
ろう付け）、非酸化性雰囲気でのフラックスを活用する
（非酸化雰囲気での非腐食性フラックスろう付け法）と
かが行われている。これに対し本発明の大気中でかつ無
フラックスの条件下での酸化防止は、図１、２に示す様
に、感受性の高いろう材を３層のアルミニウム薄合わせ
板材での芯材又は５層のアルミニウム薄合わせ板材での
中間材又は３層合わせ板母材の中間材に用いて、大気に
よる直接酸化を防止している事、および母材と皮材に対
しては密着重ね継手のため大気による酸化が最小限に押
さえられる事により達成されていると考えられる。本発
明ではろう材が表面に露出していないにもかかわらずろ
う付が可能なのは内面のろうが溶融時に皮材を侵食して
表面に染み出し液状化する事によると考えられる。この
際侵食による表面液状化ろうの酸化防止は表面へ露出直
後では酸化膜の成長が十分でない事および密着継手によ
る酸化抑制が働くためと考えられる。

【００２１】一方、酸化膜破壊については不明な点があ
るが一応以下の通りと考えている。ろう材中のＭｇが微
少な重ね空間で真空ろう付けと同様にアルミニウム酸化
皮膜を蒸発還元する作用が働いている事によると考えら
れる。この際Ｍｇの供給は３層のアルミニウム薄合わせ
板材では皮材と芯材（ろう材）のいずれか一つ以上にＭ
ｇを添加しており、皮材のみの添加の場合には低融点ろ
う材が溶融時に皮材に侵入溶融化するエロージョンによ
り侵食して溶融ろう材中にＭｇが合金化されることによ
り行われる。また５層のアルミニウム薄合わせ板材、あ
るいは３層合わせ板母材では、皮材、芯材、中間材（ろ
う材）のいずれか一つ以上にＭｇを添加しており、中間
材（ろう材）にＭｇが添加されていなくてもろう材の溶
融時に３層の説明と同様、皮材及び芯材に侵入溶融化の
エロージョンにより侵食して溶融ろう材中にＭｇを合金
化することにより、ろう材へのＭｇ供給が行われる。

【００２２】またＢｉがＭｇ含有母材に対する溶融ろう
材の濡れ性劣化を防止する機構に附いては不明な点が多
いが、一応以下の通りと考えられる。即ちＭｇ含有母材
ではその表面酸化皮膜がＭｇ系酸化皮膜からなるが、こ
の場合には溶融ろう材中のＭｇによる上記酸化皮膜を還
元する作用が働かなくなる。Ｂｉはこうした状況下でＭ
ｇ系酸化皮膜の巻き上げ剥離作用を有する（Materials
Science and Technology、１９９９年４月号Ｐ４１９）
ためと考えられる。

【００２３】

【実施例】実施例１図５に示す様に短冊状アルミニウム合金板母材（３００
３：固相線温度６４３℃、板厚３ｍｍ、３０ｍｍ×１０
０ｍｍ）２枚の重ね部（寸法３０ｍｍ×３０ｍｍ）の界
面に表１に示す３種類の３層構造のアルミニウム薄板材
（皮材クラッド率両面各８％、板厚０．１ｍｍ、１００
ｍｍ×２００ｍｍ）を各々挿入して図１(ａ)の様に組み
合わせて短冊形重ね継手構造とした。この重ね部を０．
０５ＭＰａになるように加圧して表１に示す温度の大気
加熱炉中に投入した。その後５時間保持した後取り出し
て冷却させた。尚、比較として重ね部界面に挿入する部
材として、一般的なブレージングシート（皮材４００
４、芯材３００３、その他緒元は上に同じ）を使用した
以外は上記と同様にした短冊形重ね継手も作成した。こ
の短冊形重ね継手に対して引張剪断試験をしてその破断
位置を調べた。その結果を表１に示す。その結果、比較
例は重ね部で剥離したのに対し、発明例は全て母材部で
破断しており、本発明のろう付け法は良好な接合性を示
す事が確認された。

【００２４】

【表１】

【００２５】実施例２重ね部界面に挿入する部材として、表２に示す５層構造
のアルミニウム合わせ薄板（クラッド率皮材両面各５
％、中間材１５％、０．１ｍｍ厚）を各々挿入して図１
(ｂ)の様に組み合わせた以外は実施例１と同じにして短
冊形重ね継手を作成し、引張剪断試験した。その結果を
同表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】その結果、発明例は全て母材部で破断して
おり、本発明のろう付け法は良好な接合性を示す事が確
認された。

【００２８】実施例３３層合わせ板母材（皮材１１００：固相線温度６４６
℃、中間材４００４：液相線温度５７７℃、芯材３００
３：固相線温度６４２℃、クラッド率：皮材５％、中間
材１０％、板厚３ｍｍ、３０ｍｍ×１００ｍｍ）と非積
層のアルミニウム合金板母材（３００３、板厚３ｍｍ、
３０ｍｍ×１００ｍｍ）とを図１(ｃ)の様に組み合わ
せ、アルミニウム薄板材を挿入する代わりに重ね面（３
０ｍｍ×３０ｍｍ）側に３層合わせ板母材の皮材側が位
置する様にした以外は実施例１と同様にして短冊形重ね
継手を作成し、引張剪断試験した。その結果、破断は非
積層のアルミニウム合金板母材側で生じて継手の損傷は
認められなかった。このように、本発明のろう付け法は
良好な接合性を示す事が確認された。

【００２９】

【発明の効果】この発明によれば真空炉とか気密性の雰
囲気炉の高価設備が不要であり、またフラックスとか不
活性ガスの消耗もなく低コストであり、かつろう付け組
立て時に挟み込むだけの作業簡便性に優れたろう付けが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のろう付け法における各構成部材の組み
合わせを示す。アルミニウム母材間に３層のアルミニウ
ム薄合わせ板材を挿入する場合の構成配置を図１(ａ)
に、アルミニウム母材間に５層のアルミニウム薄合わせ
板材を挿入する場合の構成配置を図１(ｂ)に、一方のア
ルミニウム母材として３層の合わせ板母材を用いる場合
の構成配置を図１(ｃ)に、両方のアルミニウム母材とし
て３層の合わせ板母材を用いる場合の構成配置を図１
(ｄ)に、各々示す。

【図２】アルミニウム薄板材の積層構造を示す模式図で
ある。３層のアルミニウム薄合わせ板材の積層構造を図
２(ａ)に、５層のアルミニウム薄合わせ板材の積層構造
を図２(ｂ)に、３層の合わせ板母材の積層構造を図２
(ｃ)に、各々示す。

【図３】ろう材の染み出しと溶融ろうの濡れ拡がりの模
式図である。

【図４】実施例に用いた短冊形重ね継手の外観図であ
る。

【符号の説明】

１母材２アルミニウム薄合わせ板材３芯材４皮材５中間材６３層合わせ板母材７酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のアルミニウム母材の重ね合わせ界
面に予めアルミニウム薄合わせ板材を挿入して行うアル
ミニウムの重ねろう付けにおいて、アルミニウム薄合わ
せ板材が３層構造の薄合わせ板材からなり、その芯材は
融点が６００℃以下のろう材からなり、その両皮材は芯
材より融点の高いアルミニウム合金からなり、かつ少な
くとも皮材と芯材のいずれか一つ以上にＭｇを０．１〜
６％（ｍａｓｓ％、以下同じ）あるいは更にＢｉを０．
０１〜１％添加しており、重ね合わせた部材全体を加圧
密着した状態で、ろう材の液相線温度以上でかつろう材
以外の各部材の固相線温度の内の最低値を超えない範囲
に加熱する事を特徴とするアルミニウム合金の大気中無
フラックス重ねろう付け法。
【請求項２】複数のアルミニウム母材の重ね合わせ界
面に予めアルミニウム薄合わせ板材を挿入して行うアル
ミニウムの重ねろう付けにおいて、アルミニウム薄合わ
せ板材が５層構造の薄合わせ板材からなり、その両皮材
と芯材との中間材は融点が６００℃以下のろう材からな
り、その両皮材と芯材は中間材より融点の高いアルミニ
ウム合金からなり、かつ少なくとも皮材と芯材と中間材
のいずれか一つ以上にＭｇを０．１〜６％あるいは更に
Ｂｉを０．０１〜１％添加しており、重ね合わせた部材
全体を加圧密着した状態で、ろう材の液相線温度以上で
かつろう材以外の各部材の固相線温度の内の最低値を超
えない範囲に加熱する事を特徴とするアルミニウム合金
の大気中無フラックス重ねろう付け法。
【請求項３】２つのアルミニウム母材同士を重ねろう
付けするに際し、少なくとも一方のアルミニウム母材に
芯材の片面側に皮材と中間材を設けた３層合わせ板母材
を用い、合わせ板母材の中間材には融点が６００℃以下
のろう材を用い、皮材および芯材は中間材より融点が高
いアルミニウム合金からなり、かつ少なくとも芯材と皮
材と中間材のいずれか一つ以上にＭｇを０．１〜６％あ
るいは更にＢｉを０．０１〜１％添加しており、合わせ
板母材の皮材面を重ね合わせ界面側に配置して、アルミ
ニウム板母材同士を加圧密着した状態で、ろう材の液相
線温度以上でかつろう材以外の各部材の固相線温度の内
の最低値を超えない範囲に加熱する事を特徴とするアル
ミニウム合金の大気中無フラックス重ねろう付け法。