JP2004351503A

JP2004351503A - アルミニウム材のろう付方法及びろう付装置

Info

Publication number: JP2004351503A
Application number: JP2003154720A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Murata; 敬一村田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】高周波誘導加熱方式を使用してアルミニウム材を所定の昇温速度で加熱することにより限られたスペースで短時間にアルミニウム材を接合することが可能な安価なアルミニウム材のろう付方法及びろう付装置を提供すること。
【解決手段】高周波電源２と、高周波電源２より給電される誘導コイル６と、誘導コイル６に近接して配置される加熱治具８とによりろう付装置Ａを構成した。また、接合されるアルミニウム材を加熱治具８により囲繞し、高周波電源２より誘導コイル６に給電することにより加熱治具２に複数の方向から渦電流を発生させて加熱し、ろう材を溶解してアルミニウム材をろう付するようにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば空調装置に取り付けられる熱交換器等のアルミニウム材のろう付方法及びろう付装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アルミニウム材の接合は、炉中ろう付、真空ろう付、ノコロックろう付、不活性ガスろう付等の様々なろう付法により行われている。その中でも、作業性、コスト、品質等で最もバランスが取れているノコロック法が一般的に採用されている。近年、自動車用熱交換器、空調用熱交換器等のほとんどがアルミニウム製となり、これらはノコロック法により製造されるのが一般的である。
【０００３】
最近では、アルミニウム材を高周波誘導加熱方式により所定の温度に温度制御しながら行うろう付法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、高周波誘導加熱方式についても、これまで様々な提案がなされており、酸化防止を目的とする外気遮断により誘導加熱溶着するようにしたもの（例えば、特許文献２参照。）、樹脂の溶着部を金属発熱体で覆い、誘導加熱溶着を行うようにしたもの（例えば、特許文献３参照。）、誘導加熱溶着により非鉄金属を母材に溶着するようにしたものがある（例えば、特許文献４参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２６１５２６号公報（第３頁、図６）
【特許文献２】
特開昭６２−１６６０５３号公報（第２頁、図１）
【特許文献３】
特開平８−３９６７５号公報（第５頁、図１）
【特許文献４】
特開平１１−４３７８０号公報（第２−３頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば熱交換器のヘッダーと扁平管等のアルミニウム材には常温でもアルミニウム材の表面に酸化被膜が形成されており、ろう材を溶解するためにアルミニウム材を加熱すると酸化被膜が成長し、４００℃を超えると酸化被膜がさらに著しく成長する。ろう付の阻害要因である酸化被膜は固く、大気中で行うアルミニウム材のろう付は難しいのが現状であった。また、従来のアルミニウム材のろう付装置は比較的大きく、かなりのスペースを必要とすることから、小型のろう付装置に対する要望もあった。
【０００７】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高周波誘導加熱方式を使用してアルミニウム材を所定の昇温速度で加熱することにより限られたスペースで短時間にアルミニウム材を接合することが可能な安価なアルミニウム材のろう付方法及びろう付装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、アルミニウム材の接合部を加熱治具の内部に配置し、該加熱治具に複数の方向から渦電流を発生させて加熱することによりろう材を溶解してアルミニウム材をろう付することを特徴とするアルミニウム材のろう付方法である。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、前記加熱治具の近傍に誘導コイルを配置し、該誘導コイルに給電して前記加熱治具を横切る高周波磁束を発生させることにより前記渦電流を発生することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、前記アルミニウム材が空調装置に取り付けられるアルミニウム製熱交換器のヘッダーと扁平管であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、アルミニウム材の昇温速度を約１℃／秒以上に設定したことを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項５に記載の発明は、高周波電源と、該高周波電源より給電される誘導コイルと、該誘導コイルに近接して配置される加熱治具とを備え、接合されるアルミニウム材を前記加熱治具により囲繞し、前記高周波電源より前記誘導コイルに給電することにより前記加熱治具に複数の方向から渦電流を発生させて加熱し、ろう材を溶解してアルミニウム材をろう付することを特徴とするアルミニウム材のろう付装置である。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、前記加熱治具の内面形状を、少なくともアルミニウム材の接合部と略同形としたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、前記高周波電源より変流器を介して前記誘導コイルに給電することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、前記加熱治具に温度検出手段を取り付け、該温度検出手段により検出された加熱治具温度に基いて、前記高周波電源の出力を制御するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に記載の発明は、前記アルミニウム材が空調装置に取り付けられるアルミニウム製熱交換器のヘッダーと扁平管であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に記載の発明は、前記加熱治具が、互いに連通する円筒状キャビティと矩形キャビティとを有し、前記円筒状キャビティ内面と前記ヘッダー外面との間に所定のクリアランスを設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１１に記載の発明は、ろう付に際し、前記ヘッダーと前記扁平管とのろう付部を前記矩形キャビティ内に配置したことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１２に記載の発明は、前記誘導コイルに冷却水を導入して冷却するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、高周波電磁誘導加熱を用いた本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置Ａを示しており、高周波電源２と、高周波電源２に接続された変流器４と、変流器４を介して高周波電源２より給電される誘導コイル６と、誘導コイル６に近接して配置される加熱治具８とを備えている。誘導コイル６としては、例えば銅管等が使用され、その内部に冷却水を流すことにより誘導コイル６は冷却される。
【００２１】
加熱治具８には、放射温度計、熱電対等の温度検出手段１０が取り付けられており、温度検出手段１０により加熱治具８の表面温度が検出される。また、温度検出手段１０から出力された温度信号は制御器１２に入力され、当該温度信号に応答して制御器１２から高周波電源２に制御信号が出力されて高周波電源２の出力が制御されることで、加熱治具８の温度調節は行われる。
【００２２】
図２は、本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置Ａを空調装置に設けられたアルミニウム製熱交換器（ワークＷ）におけるヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２との溶接に用いた場合を示しており、図３はアルミニウム材ろう付装置Ａの加熱原理を模式的に示したものである。ここで、ワークＷは、その表面に、予めろう材が施された、所謂クラッド材より形成されている。
【００２３】
すなわち、本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置Ａにおいては、ワークＷの被溶接部分（ヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２との接合部）を加熱治具８で囲繞するとともに加熱治具８に誘導コイル６を近接させた状態で、高周波電源２からの高周波電流を変流器４を介して誘導コイル６に供給すると、加熱治具８を横切る高周波磁束Ｍが複数の方向から発生する。その結果、加熱治具８内に発生した渦電流によりワークＷの被溶接部分のろう材が溶解し、所定のろう付が行われる。
【００２４】
なお、ろう付が完了すると、誘導コイル６に冷却水を導入することで加熱された誘導コイル６をすばやく冷却することができ、次のろう付に備えることができる。このろう付が行われている間は、誘導コイル６内への通水は連続しており、誘導コイル６の異常加熱を防止している。
【００２５】
また、本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置Ａを使用したろう付は、大気中で行うことを前提にしており、ろう付を妨げる酸化被膜の成長を抑制するための工夫がなされている。その技術について以下説明する。
【００２６】
図４は、ワークＷの昇温速度と酸化被膜の厚さとの関係を示しており、ワークＷの表面には通常３０Å程度の酸化被膜が形成され、ワークＷのろう付に際し、ワークＷの昇温速度が速いほど酸化被膜の成長が抑えられることがわかる。また、ろう付を窒素で置換した雰囲気中で行う場合に比べ、大気中で行うろう付は酸化被膜の成長が著しいが、前者の場合、昇温速度を速くするにつれて酸化被膜は徐々に減少するのに対し、後者の場合、昇温速度を速くするにつれて酸化被膜は急激に減少する。
【００２７】
図５は、昇温速度を速くするために採用された加熱治具８の軸心に垂直な方向の断面形状を示しており、空調装置に取り付けられるアルミニウム製熱交換器を効率的に加熱するためのものである。
【００２８】
図２に示されるように、空調装置の熱交換器は、互いに平行に延びる二つのヘッダーＷ１（図２では一つのみ示されている）と、これら二つのヘッダーＷ１に両端が接合され所定の間隔で並設される複数の扁平管Ｗ２からなる。
【００２９】
したがって、加熱治具８はヘッダーＷ１を両側から挟みこめるように二つ割（図５では上下二つ割）の形状を有し、その中心部にヘッダーＷ１の外径より僅かに大きい直径の円筒状キャビティ８ａが形成されており、円筒状キャビティ８ａの片側に円筒状キャビティ８ａと連通する矩形キャビティ８ｂが形成されている。また、加熱治具８の軸心方向には扁平管Ｗ２を収容するための矩形貫通孔８ｃが所定の間隔で形成されており、加熱治具８の長さＬはヘッダーＷ１の長さｌより長く設定されている。このように、加熱治具８の内面は、被加工体（熱交換器）の複数箇所の接合部と略同形に形成され、熱伝達効率を向上させている。
【００３０】
なお、ヘッダーＷ１外面と円筒状キャビティ８ａ内面とのクリアランスはヘッダーＷ１の材料であるアルミニウムと加熱治具８の材料の熱膨張率と、ろう材の溶解温度を考慮して決定されており、加熱治具８の材料としてＳＵＳ３１０Ｓを使用した場合、クリアランスはヘッダーＷ１の外径寸法の１％〜５％の範囲に設定される。ヘッダーＷ１と円筒状キャビティ８ａとのクリアランスを所定の値に設定することにより、常温からろう材の溶解温度まで加熱すると、熱膨張によってヘッダーＷ１が円筒状キャビティ８ａの内面にほぼ密着する状態となる。このように、加熱治具８は、加熱治具８からの熱伝達加熱と、円筒状キャビティ８ａと矩形キャビティ８ｂとの連通部における輻射加熱によりろう付を行うとともに、ろう付後の離型性を考慮した構成である。
【００３１】
また、円筒状キャビティ８ａと矩形キャビティ８ｂとの境界部ａは、加熱治具８からの熱伝達性の安定化を考慮して、ヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２とのろう付性を妨げない範囲で出来るだけヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２との接合部に近接するように設定されている。さらに、渦電流が密集して加熱が促進される角部ｂをヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２との接合部近傍に設け、温度をあまり上げる必要のない加熱治具８の外面角部ｃは円弧状に形成し、渦電流のスムーズな流れにより加熱されにくい形状となっている。加えて、矩形キャビティ８ｂと加熱治具８の外面との間隔ｔを狭く設定することで渦電流が密集し、矩形キャビティ８ｂの内面からの輻射加熱を促進し、ろう付部の安定化を実現している。すなわち、熱伝達加熱と輻射過熱とのバランスにより燃焼加熱では実現できない高速加熱と高温加熱が可能となり、複数箇所の効率的なろう付が同時に行われる。
【００３２】
【実施例】
図１に示される本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置Ａと、図５に示される加熱治具８を使用し、電磁コイル出力範囲を以下のように設定して空調用熱交換器のヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２とのろう付を行ったところ、図６のグラフに示される範囲で良好なろう付が行われたことを確認できた。
・電圧：５０〜２００Ｖ
・電流：５０〜１５０Ａ
【００３３】
なお、ヘッダーＷ１と扁平管Ｗ２の材料であるアルミニウムの溶解温度は６１０〜６３０℃で、ろう材の溶解温度は６００〜６２０℃であることに鑑み、本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置Ａは、加熱治具８の最高温度を６４０℃に設定して、６４０℃以下にて加熱制御を停止している。
【００３４】
また、加熱治具８の材料としては、低抵抗で均熱化を図ることのできる磁性体が好ましく、中でも、上述したＳＵＳ３１０Ｓは、高温加熱での硬度変化に強く、酸化しにくく、金属溶着しにくいという利点があり、本実施例においてもこの材料を加熱治具８に使用した。
【００３５】
図６のグラフからわかるように、ワークＷの昇温速度が約１℃／秒以下の場合、ヘッダーＷ１及び扁平管Ｗ２の表面上の酸化被膜の成長速度が速く、満足できるろう付を行うことはできなかった。換言すれば、図６のグラフは、ワークＷの昇温速度を約１℃／秒以上に設定してワークＷの急速加熱を行う（酸化雰囲気中にワークＷを長く放置しない）ことにより大気中でのろう付が可能であることを示している。
【００３６】
また、図６のグラフにおいて、約５℃／秒の昇温速度（ワークＷ）は昇温速度の上限を示すものではなく、上述した電磁コイル出力範囲における最大昇温速度を示しており、昇温速度をさらに速くすることも勿論可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明にかかるアルミニウム材のろう付方法によれば、アルミニウム材の接合部を加熱治具の内部に配置し、加熱治具に複数の方向から渦電流を発生させて加熱することによりろう材を溶解してアルミニウム材をろう付するようにしたので、限られたスペースで短時間にアルミニウム材を接合することができるとともに、従来に比べろう付に要するコストを削減することができる。
【００３８】
また、本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置は、高周波電源と、高周波電源より給電される誘導コイルと、誘導コイルに近接して配置される加熱治具とを備え、接合されるアルミニウム材を加熱治具により囲繞し、高周波電源より誘導コイルに給電することにより加熱治具に複数の方向から渦電流を発生させて加熱し、ろう材を溶解してアルミニウム材をろう付するようにしたので、安価でコンパクトに装置を製造することができ、短時間にアルミニウム材の所望のろう付を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高周波電磁誘導加熱を用いた本発明にかかるアルミニウム材のろう付装置の概略図である。
【図２】図１のアルミニウム材のろう付装置によりアルミニウム製熱交換器におけるヘッダーと扁平管とを接合する場合の分解斜視図である。
【図３】図１のアルミニウム材のろう付装置の加熱原理を示した模式図である。
【図４】ワークの昇温速度と酸化被膜の厚さとの関係を示すグラフである。
【図５】図１のアルミニウム材のろう付装置に設けられた加熱治具の軸心に垂直な断面図である。
【図６】図１のアルミニウム材のろう付装置を使用して行ったろう付時の加熱治具とワークの温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
２高周波電源
４変流器
６誘導コイル
８加熱治具
８ａ円筒状キャビティ
８ｂ矩形キャビティ
８ｃ矩形貫通孔
１０温度検出手段
１２制御器
Ａアルミニウム材のろう付装置
Ｗワーク
Ｗ１熱交換器のヘッダー
Ｗ２熱交換器の扁平管
ａ円筒状キャビティと矩形キャビティの境界部
ｂ矩形キャビティの角部

Claims

アルミニウム材の接合部を加熱治具の内部に配置し、該加熱治具に複数の方向から渦電流を発生させて加熱することによりろう材を溶解してアルミニウム材をろう付することを特徴とするアルミニウム材のろう付方法。
前記加熱治具の近傍に誘導コイルを配置し、該誘導コイルに給電して前記加熱治具を横切る高周波磁束を発生させることにより前記渦電流を発生することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム材のろう付方法。
前記アルミニウム材が空調装置に取り付けられるアルミニウム製熱交換器のヘッダーと扁平管であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のアルミニウム材のろう付方法。
アルミニウム材の昇温速度を約１℃／秒以上に設定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルミニウム材のろう付方法。
高周波電源と、該高周波電源より給電される誘導コイルと、該誘導コイルに近接して配置される加熱治具とを備え、接合されるアルミニウム材を前記加熱治具により囲繞し、前記高周波電源より前記誘導コイルに給電することにより前記加熱治具に複数の方向から渦電流を発生させて加熱し、ろう材を溶解してアルミニウム材をろう付することを特徴とするアルミニウム材のろう付装置。
前記加熱治具の内面形状を、少なくともアルミニウム材の接合部と略同形としたことを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム材のろう付装置。
前記高周波電源より変流器を介して前記誘導コイルに給電することを特徴とする請求項５あるいは６に記載のアルミニウム材のろう付装置。
前記加熱治具に温度検出手段を取り付け、該温度検出手段により検出された加熱治具温度に基いて、前記高周波電源の出力を制御するようにしたことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のアルミニウム材のろう付装置。
前記アルミニウム材が空調装置に取り付けられるアルミニウム製熱交換器のヘッダーと扁平管であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載のアルミニウム材のろう付装置。
前記加熱治具が、互いに連通する円筒状キャビティと矩形キャビティとを有し、前記円筒状キャビティ内面と前記ヘッダー外面との間に所定のクリアランスを設けたことを特徴とする請求項９に記載のアルミニウム材のろう付装置。
ろう付に際し、前記ヘッダーと前記扁平管とのろう付部を前記矩形キャビティ内に配置したことを特徴とする請求項９あるいは１０に記載のアルミニウム材のろう付装置。
前記誘導コイルに冷却水を導入して冷却するようにしたことを特徴とする請求項５乃至１１のいずれか１項に記載のアルミニウム材のろう付装置。