JP2005297063A

JP2005297063A - ろう付けプロセスおよびろう付け用アッセンブリ

Info

Publication number: JP2005297063A
Application number: JP2005106982A
Authority: JP
Inventors: Stephen L Mayers; エル．マイヤーズステファン
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2005-10-27
Also published as: CN1680063A; EP1584398A1; US7293689B2; EP1584398B1; US20050218196A1

Abstract

【課題】銅又は銅合金管をマニホールドなどの金属管に接合する際の銅材の金属組織に悪影響を及ぼすことなく強固な結合の得られるろう付け方法をとろう付けアッセンブリを提供する。
【解決手段】ろう付けプロセスは最初に、銅または銅合金管１０の一端の上に高い溶融温度の貴金属１２の層を形成する。層を形成された一端は次いで、銅合金−フェルールアッセンブリ２０を形成するように金属フェルール１４にろう付けされる。アッセンブリ２０は次いで、金属継手３０に炉内ろう付けされる。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に銅または銅合金管をマニホールドなどの金属管に接合することに関し、より詳細には、このような管およびマニホールドを接合する二工程ろう付け方法に関する。

真空ろう付け炉内で銅管を直接金属製マニホールドに炉内ろう付けする従来の方法では、合金化および腐食に関する問題が長い間生じてきた。真空ろう付け炉は、加熱中にろう付け接合箇所を大して観察できず、またさらに、大量の器具および装置をろう付け温度から冷却する必要があるので、ろう付けサイクルは、ろう材が溶融して接合箇所を満たしてすぐに終了させることができない。従って、部品温度を測定するのに使用される熱電対の測定の不確実性、ろう付け接合箇所を満たすのに必要な時間および過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）の量の変動などといった変数を補償するために、合金化の程度は、集束加熱源法に伴う合金化の程度より高くなることが常に期待されることになる。

これらの条件は非常にしばしば、銅の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の変化になるろう付け溶加材（ｆｉｌｌｅｒ）と銅合金管の相互作用に繋がり、一般にその強度、延性、および熱伝導率を低下させる。

ろう付け溶加材金属が溶解しかつ基材金属（ｂａｓｅｍｅｔａｌ）を移動させ得る速度を記述する式は、よく知られたアレニウス型の式：
溶解速度＝Ｋ₁・ｅｘｐ［−Ｑ／ｋ₂Ｔ］、
によって決定される。

上記の式は、基材金属溶解および関連する現象（合金化および腐食）に影響を及ぼす三つの変数を特定する。活性化エネルギー（Ｑで示される）は、存在する材料の組み合わせ（ろう付け溶加材金属および基材金属の組み合わせ）の関数である。Ｋ₁およびｋ₂は、存在する材料によって決定される定数である。

ろう付け溶加材金属による銅合金管の溶解速度に影響を及ぼす第二の変数は、温度または過熱（Ｔで示される）である。過熱は、接合プロセス加熱源によって制御される。式によって示されるように、ろう付け溶加材による基材金属の溶解速度は、加熱とともに指数関数的に増加する。従って、銅管を金属製マニホールドに接合するための理想的なろう付けプロセスは、ろう付け溶加材金属を毛管作用によりろう付け接合箇所内へ引き入れるのに必要な過熱を最小限に抑えるプロセスである。

誘導または放射加熱法の場合は、ろう付け溶加材は、ろう付け溶加材が溶融しかつ接合箇所内へ流れ込む間に直接観察できる。これによって、ろう付けサイクル（および、付随する過熱増加での連続した加熱）は、完全なろう付け接合箇所が達成されるとすぐに終了させることができる。これとは対照的に、上述したような炉内ろう付けでは、管は真空ろう付け炉内でマニホールドに直接ろう付けする必要があり、真空ろう付け炉では、加熱中にろう付け接合箇所の視覚的監視ができず、従って、ろう付けサイクル（および、そのような連続した加熱）は、ろう付け金属および溶加材が接合箇所を満たしてすぐには終了させることができない。従ってこれらの条件は結果として一般に、集束加熱源法に伴う過熱量より大きな過熱量になる。

式に含意されているが述べられていない第三の変数は、時間である。与えられた溶解速度では、溶解の程度は、速度と時間の積により影響を受ける。従って、本発明が考慮している適用のための理想的なろう付けプロセスは、ろう付け溶加材が溶融する時間を最小限に抑えるプロセスである。集束加熱源では、ろう付け温度からのろう付け接合箇所のこのような迅速な急冷（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）は、熱源を停止させることで満足される。誘導ろう付けサイクルは一般に、約２分間未満継続する。これとは対照的に、代替の（ａｌｔｅｒｎａｔｅ）炉内ろう付けサイクルは、約２５０分間継続する。ろう付けサイクル全体におけるこの二桁を超える大きさの違いによって、銅合金管が溶融ろう付け溶加材に曝される時間の長さが低減され、過熱曝露の量が劇的に低減される。

従って、本発明の目的は、上述した従来方法の問題を克服するろう付け方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、銅管をマニホールドに接合する改善された方法を提供することである。

本発明の別の目的は、銅管を金属マニホールドに効率的に接合させる二工程ろう付けプロセスを提供することである。

本発明の別の目的は、銅管をマニホールドなどの金属管に接合するのを容易にする銅管フェルールアッセンブリを提供することである。

本発明のなお別の目的は、銅管−フェルールアッセンブリを金属マニホールドにろう付けする改善された方法を提供することである。

本発明は、燃焼室の用途のために銅または銅合金管を金属製マニホールドに冶金学的に接合する方法に向けられている。この目的は、三工程プロセスによって達成される。

銅または銅合金管は、貴金属で被覆またはめっきされる。めっきされた銅合金管は次いで、銅合金管−フェルールアッセンブリを形成するように金属フェルールにろう付けされる。銅合金フェルールアッセンブリは次いで、マニホールドなどの継手（ｆｉｔｔｉｎｇ）または金属管内にろう付けされる。ろう付け溶加材金属フェルールおよびマニホールドの材料の化学、ろう付け雰囲気の性質、およびろう付け温度によって、密着面のめっきが、選択されたろう付け溶加材によるフェルールまたはマニホールド材料の濡れを容易にするのに必要となることもあれば、必要でないこともある。

銅合金管を金属製マニホールドに接合するのに、第一の段が集束加熱源を含むろう付けプロセスである二段ろう付け順序を用いる概念は、合金化および腐食の有害な影響を受け易い上述した従来技術に対する改善となる。

これらと本発明の目的をさらに理解するために、添付の図面と関連させて読む必要のある本発明の以下の詳細な説明が参照されるであろう。

本発明のプロセスは、図面の図５および図６に記載された従来技術に対して大幅な改善を提供する。従来の方法は、銅または銅合金管１０を用意し、管の全長を貴金属１２でめっきまたは被覆することを含む。被覆されまたはめっきされた銅管は次いで、図６に例示されるように直接マニホールド４０にろう付けされる。この技術に伴う典型的な問題は、銅管の全面に亘るめっきが均一でないところに生じる。これが生じる場合、めっき表面または被覆表面の欠陥によってろう付け材料が銅管と合金化し、銅管の機械的および物理的性質に有害な影響がもたらされること起因して、破損の危険が高くなる。本発明を用いることによって、銅管−フェルールアッセンブリのフェルール部品は、マニホールドの適合可能な合金または金属に効果的にろう付けでき、従って、銅管の全長を貴金属で被覆することに伴う問題を回避することができる。

図１〜図４は、本発明のプロセスの可能な一実施態様を例示する。図１では、銅または銅合金管１０が、高い溶融温度の金属１２で被覆またはめっきされており、この高い溶融温度の金属１２は、ろう付けに必要とされる温度において不活性雰囲気内でその酸化物の還元または解離を可能にするように十分に貴である。適切な材料としては、ニッケル、パラジウム、白金、イリジウム、コバルト、およびオスミウムが挙げられる。管１０は、実質的に純粋な銅または銅合金とすることができる。使用することができる適切な銅合金は一般に、重量で約０．２％の濃度でアルミニウムを含有する。好ましい実施態様では、外側の被覆は、銅または銅合金管の壁厚の約１０％のニッケル電気めっき層を含むことができる。

図２に例示されるような金属フェルールまたはキャップ１４が設けられ、一実施態様においては、その上面の一部の上に被覆されまたはめっきされた貴金属１２の層を有する。金属フェルールは、金属マニホールドへのろう付けおよび取り付けに適している必要があり、管およマニホールドと適合する熱膨張を有する、オーステナイト系ステンレス鋼、モネル、またはコバルト合金から作成できる。フェルール１４は、銅管−フェルールアッセンブリ２０を形成するよう図３に例示されるように銅管のめっきされた一端の上への嵌合接触および配置に適している。プロセスの第一の段では、ろう付けプリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）１８が、図３のブラケット（ｂｒａｃｋｅｔ）により例示されるようなろう付け接触領域においてフェルールと銅管の間にろう付け接合箇所を形成するよう図３に示すように配置される。本発明において使用することができる適切なろう付け溶加材系としては、銀基、銅基、金基、およびニッケル基系が挙げられる。

使用することができる特定の系としては、以下の、Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｃｕ、が挙げられる。

第一の段のろう付けのための適切な系は、重量で８０％Ａｕ−２０％Ｃｕを含む。

以下のろう付けパラメータすなわち、第一の段のろう付けプロセス：２００ｋＨｚおよび単一回転水冷誘導コイルを用いる１６７０から１９００°Ｆにおける５から９０秒間の誘導ろう付け、−３５°Ｆまたはそれより良好な露点を有するアルゴンの正圧（ｐｏｓｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅ）において実施されるろう付け、が本発明における使用に適しているのが見出された。

フェルール合金は、管に使用されている銅または銅合金の熱膨張と適合する熱膨張を有するように選択する必要がある。本発明においては、第一の段のろう付けに使用する加熱方法は、工作される部品内の熱勾配が、再現性のあるろう付け溶加材の溶融と、ろう付け接合箇所または領域内への流れ込みとを提供するように選択する必要がある。この目的を達成するには局所的な加熱源が好ましいことが見出された。適切な局所加熱源としては、誘導コイル、および電磁放射源が挙げられる。図３に示すような銅管およびフェルールは、銅合金−フェルールアッセンブリ２０を形成するように熱源を用いてろう付けされる。プロセスの第二の段においては、複数のアッセンブリが次いで、ろう付けされるプリフォーム３２を用いて、好ましくは真空炉などの等温ろう付け環境において、図４に例示するように金属製マニホールド３０内にろう付けされる。第二の段のろう付けでは、重量で６０％Ａｇ、３０％Ｃｕ、１０％Ｐｄの系が、１５８５から１６１５°Ｆにおける１５から４５分間の炉内ろう付け、不活性ガス（ヘリウムまたはアルゴン）下において実施されるろう付けでは、適切であることが見出された。フェルールおよびマニホールドの材料の化学、ろう付け雰囲気の性質、およびろう付け温度によって、密着面のめっきが、選択されたろう付け溶加材によるフェルールおよびマニホールド材料の濡れを容易にするのに必要となることもあれば、必要でないこともある。

本発明の銅合金−フェルールアッセンブリによって効果的かつ効率的に銅管を高温合金マニホールドに接合しながら、本発明のプロセスによって、銅の熱伝導率の利点を確保するように銅および銅合金管のマニホールドへの効果的な接合が可能となる。このような管−フェルール−マニホールドアッセンブリの可能な使用の一つは、ロケットエンジンの燃焼室におけるものである。

本発明は、図面に例示するような好ましい態様に関して特に示しかつ説明したが、請求項に規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱せずに好ましい態様に詳細なさまざまな変更をもたらすことができることは、当業者には理解されるであろう。

一端に貴金属の層を有する銅または銅合金管の側断面図である。一端に貴金属の層を有するフェルールの側断面図である。ろう付けして銅管−フェルールアッセンブリを形成するように、図１の銅管の一端と係合する図２のフェルールの側断面図である。ろう付けによる金属マニホールドへの取り付け位置にある図３のろう付けされたアッセンブリの側断面図である。外面に貴金属の層を有する銅または銅合金管の側断面図である。金属マニホールドにろう付けされた図５の管の側断面図である。

符号の説明

１０…銅または銅合金管
１２…貴金属
１４…金属フェルール
１８…ろう付けプリフォーム
２０…銅管−フェルールアッセンブリ
３０…金属製マニホールド
３２…ろう付けされるプリフォーム
４０…マニホールド

Claims

（ａ）銅または銅合金管の少なくとも一端の上に貴金属の層を形成し、
（ｂ）銅合金−フェルールアッセンブリを形成するように前記一端を金属フェルールにろう付けし、
（ｃ）前記アッセンブリを金属継手に炉内ろう付けする、
ことを含むことを特徴とする、管を継手に接合するための二段ろう付けプロセス。
（ｂ）のろう付け工程は、集束熱源を使用することを特徴とする請求項１記載のプロセス。
金属フェルールは、その外面の少なくとも一部の上に高い溶融温度の貴金属の層を含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
貴金属の層は、ニッケル、パラジウム、白金、イリジウム、コバルト、およびオスミウムから成る群より選択されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
フェルールは、オーステナイト系ステンレス鋼、モネル、およびコバルト合金から成る群より選択される金属合金で作成されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
集束熱源は、誘導コイルであることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
集束熱源は、電磁放射を使用することを特徴とする請求項１記載のプロセス。
ろう付け溶加材系は、銀、銅、金、ニッケル、およびこれらの混合物、およびこれらの合金から成る群のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
炉内ろう付けは、真空炉内で実施されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
炉内ろう付けは、レトルト炉内で実施されることを特徴とする請求項１記載のプロセス。
（ａ）銅合金管の少なくとも一端の上に高い溶融温度の貴金属の層をめっきし、
（ｂ）銅合金−フェルールアッセンブリを形成するように集束熱源を用いて前記めっきされた一端を金属フェルールにろう付けし、
（ｃ）前記アッセンブリを金属マニホールド内に炉内ろう付けする、
ことを含むことを特徴とする、銅合金管をマニホールドに接合するための二段ろう付けプロセス。
金属フェルールは、その外面の少なくとも一部の上に高い温度の貴金属の層を含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
めっきされた層は、ニッケルを含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
（ａ）銅または銅合金管の少なくとも一端の上にニッケルの層を形成し、
（ｂ）銅合金−フェルールアッセンブリを形成するように集束熱源を用いて前記めっきされた一端を金属フェルールにろう付けし、
（ｃ）前記アッセンブリを金属マニホールド内に炉内ろう付けする、
ことを含み、フェルールは、オーステナイト系ステンレス鋼、モネル、およびコバルト合金から成る群より選択される金属で作成されることを特徴とする、銅および銅合金管をマニホールドに接合するための二段ろう付けプロセス。
ニッケルの層は、電気めっきによって管上に形成されることを特徴とする請求項１４記載のプロセス。
ろう付けにより金属マニホールドに接合される使用に適した銅合金−フェルールアッセンブリであって、このアッセンブリは、銅または銅合金管の少なくとも一端の上に高い溶融温度の貴金属のめっきを有する銅または銅合金管と、この管のめっきされた一端にろう付けされた金属フェルールとを備えており、このフェルールの外面の少なくとも一部は、その上に高い溶融温度の貴金属のめっきを有することを特徴とする銅合金−フェルールアッセンブリ。
めっきされた金属は、ニッケルであることを特徴とする請求項１６記載のアッセンブリ。
フェルールは、ステンレス鋼、モネル、およびコバルトから成る金属合金で作成されることを特徴とする請求項１６記載のアッセンブリ。