JP2006167768A

JP2006167768A - ろう付け方法

Info

Publication number: JP2006167768A
Application number: JP2004365240A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Morotomi; 大介諸冨
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】異種金属である鋼管と銅管等を接合不可になることなく接合することができるろう付け方法を提供する。
【解決手段】第１金属部材１と、これに外嵌される異種金属の第２金属部材２とを接合するろう付け方法である。第１金属部材１と第２金属部材２との熱膨張率の差により、第１金属部材１と第２金属部材２との間に隙間Ｓを形成する。第２金属部材２を焼きばめにて第１金属部材１に装着した後、熱膨張率の差にて形成した隙間Ｓに溶融したろう材Ｗを流れ込ませる。第１金属部材１は鋼管であり、第２金属部材２は銅管である。
【選択図】図１

Description

この発明は、ろう付け方法に関し、特に異種金属を接合するろう付け方法に関するものである。

従来から、母材と、この母材とは異種の金属材料からなる合わせ材とを重ね合わせて接合（ろう付け）する接合方法がある。また、異種金属である筒体同士を接合する場合があり（例えば、特許文献１参照）、このような場合に、内筒と外筒との間にろう材が流れ込む隙間を設けることになる。ところで、内筒として鋼管を使用し、外筒として銅管を使用すれば、熱膨張率が鋼管よりも銅管が大きいので、この熱膨張率の差によってろう付けの際に銅管が鋼管よりも大きく膨張する。このため、従来では、外筒である銅管の膨張を抑えるために、銅管の外側に拘束部材を配置していた。
特開平１１−２１６５７６号公報

しかしながら、銅管の外側に拘束部材を配置すれば、この拘束部材に熱が逃げてエネルギロスが生じていた。また、拘束部材を使用せず、しかも外側から加熱すれば、熱膨張率が大きい銅管が大きく膨張して、鋼管と銅管との間に大きな隙間が生じ、接合不可になり易かった。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、異種金属である鋼管と銅管等を接合不可になることなく接合することができるろう付け方法を提供することにある。

そこで請求項１のろう付け方法は、第１金属部材と、これに外嵌されて第１金属部材の周囲を囲む異種金属製の第２金属部材とを接合するろう付け方法であって、第１金属部材と第２金属部材との熱膨張率の差により、第１金属部材と第２金属部材との間に所定の隙間を形成し、この隙間に溶融したろう材を流れ込ませることを特徴としている。

請求項２のろう付け方法は、上記第２金属部材を焼きばめにて上記第１金属部材に装着した後、熱膨張率の差にて形成した所定の隙間に溶融したろう材を流れ込ませることを特徴としている。

請求項３のろう付け方法は、上記第１金属部材の内側から加熱することを特徴としている。

請求項４のろう付け方法は、上記第１金属部材が鋼管であると共に、上記第２金属部材が銅管であることを特徴としている。

請求項１のろう付け方法によれば、第１金属部材と第２金属部材とを加熱することにより、溶融したろう材が流れ込む隙間が形成されるので、ろう付け前にろう材が流れ込む隙間を形成しておく必要がない。そして、ろう付け時に所定の隙間が形成され、この隙間にろう材が流れ込むことになるので、第１金属部材と第２金属部材とを確実にしかも強固に接合することができる。また、拘束部材等を使用して第２金属部材の熱膨張を抑える必要がないので、ろう付け装置の簡略化を図ることができると共に、拘束部材への熱の逃げが無くなってエネルギロスの減少を図ることができる。

請求項２のろう付け方法によれば、第２金属部材を焼きばめにて第１金属部材に装着するので、ろう付け時に形成される第１金属部材と第２金属部材との間の隙間を適正接合寸法とすることができる。すなわち、ろう付けの際、第１金属部材と第２金属部材とが加熱されることにより、熱膨張が発生するが、これらは異種金属であるため膨張差が生じる。そのため、第１金属部材と第２金属部材との間に隙間が生じることになる。しかしながら、第２金属部材を焼きばめにて第１金属部材に装着しているので、第１金属部材と第２金属部材との間の隙間が大きくなり過ぎないような適正接合寸法に維持することができる。このため、溶融したろう材が、隙間を埋めるように流れ込んで良好な接合状態を維持することができる。

請求項３のろう付け方法によれば、第１金属部材の内側から加熱するので、外側の第２金属部材への入熱量を少なくして、この第２金属部材の熱膨張を抑え、第１金属部材と第２金属部材との間に形成される隙間の拡大を防止することがきる。これによって、接合不可となるのを防止できる。

請求項４のろう付け方法によれば、上記第１金属部材が鋼管であると共に、上記第２金属部材が銅管であるので、異種金属である鋼管と銅管とを強固の接合することができる。

次に、この発明のろう付け方法の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１はこのろう付け方法を示すろう付け工程図を示している。このろう付け方法は、第１金属部材１と、これに外嵌されて第１金属部材１の周囲を囲む異種金属製の第２金属部材とを接合するものである。この場合、第１金属部材１を鋼管とし、第２金属部材２を銅管としている。

第１金属部材１は、図２に示すように、その外周面３に切欠部４が形成された筒体からなり、一端側（基端側）の厚肉部５と、他端側（先端側）の薄肉部６と、この厚肉部５と薄肉部６との間の中肉部７とを有し、厚肉部５と中肉部７との間に、段付き部８とテーパ部９とが形成され、中肉部７と薄肉部６との間にテーパ部１０が形成されている。また、各テーパ部９、１０は基端側に向って順次拡大している。このため、この第１金属部材１の外面は、後述するろう材Ｗが矢印Ａのように、先端側から基端側へ流れやすくなっている。

第２金属部材２は、図３に示すように、その内周面の一端側（基端側）にテーパ部１１が設けられると共に、その内周面の他端側（先端側）に切欠部１２が設けられた短筒体からなる。切欠部１２は、先端側大径部１２ａと、基端側テーパ部１２ｂとからなる。この場合、テーパ部１１は基端側に向って順次拡大し、切欠部１２の基端側テーパ部１２ｂは基端側に向って順次縮径している。このため、第２金属部材２の内面は、ろう材Ｗが矢印Ｂのように、先端側から基端側へ流れやすくなっている。また、第２金属部材２の一端縁（基端縁１４）には図４に示すように、略半円状の切欠部１３が設けられている。この場合、切欠部１３は周方向に沿って約９０度ピッチで４個配置されている。

ところで、第１金属部材１と第２金属部材２とをろう付けする際には、この第１金属部材１と第２金属部材２とを加熱する必要があるが、この場合、図１に示すように、第１金属部材１の内側（内径側）からの高周波加熱にて行う。すなわち、高周波加熱装置の加熱コイル１５を第１金属部材１に挿入し、この加熱コイル１５に高周波電流を流す。高周波電流を流せば、交番磁束が生じ、これが第１金属部材１及び第２金属部材２を貫通して渦電流を誘導する。その際、第１金属部材１と第２金属部材１にジュール熱が発生して、後述する接合面１６、１７を加熱することができる。

次に、第１金属部材１と第２金属部材２とのろう付けによる接合方法を説明する。この場合、第１金属部材１はＳＣＭ４３５Ｈであり、その内径Ｄ１を例えば１３０ｍｍとし、肉厚Ｔ１（厚肉部５の肉厚）を１８ｍｍとしている。また、第２金属部材２は、その外径Ｄ２を１６５ｍｍとし、その肉厚Ｔ２を６．５ｍｍとしている。また、この第２金属部材２は上記したように銅管であるが、銅（Ｃｕ）に亜鉛（Ｚｎ）が含有されたものであって、例えば、銅が「９」に対して亜鉛が「１」であるものを使用している。

そして、ろう付けにあたって、まず、第１金属部材１と第２金属部材２とを洗浄すると共に、フラックスを接合面１６、１７に塗布する。ここで、第１金属部材１の接合面１６とは、中肉部７の外面と、テーパ部９のテーパ面と、段付き部８の段付面とで構成され、第２金属部材２の接合面１７とは、第２金属部材２の内面のうち切欠部１２を省いた部位にて構成される。ここで、フラックスとは、接合面１６、１７へのろう材Ｗの濡れ性を促進させる作用を持ったものであり、接合面１６、１７の酸化物の除去やろう付け加熱中における接合面１６、１７の酸化を防ぐ役割を果たす。このろう付けは、高周波加熱による加熱のため、作用反応速度が速く、かつ耐熱性が良い液体のフラックスを使用する。また、接合面１６、１７にほこり、酸化物、油分等が付着していると接合に支障を及ぼすため、洗浄液にて接合面１６、１７を脱脂後、その面にフラックスを均一に塗布する。

そして、第１金属部材１に第２金属部材２を装着することになるが、この場合、焼きばめにて第２金属部材２を装着することになる。すなわち、加熱する前の状態において、第２金属部材２の接合面１７の内径を第１金属部材１の接合面１６の外径よりも僅かに小さく設定し、第２金属部材２を１００℃程度に加熱して、この第２金属部材２を第１金属部材１に外嵌する。この際、第１金属部材１の接合面１６に第２金属部材２の接合面１７に重ね合わせることになる。

このように、第１金属部材１に第２金属部材２を装着した際には、図１（ａ）に示すように、各接合面１６、１７間に隙間がなく、ろう材Ｗをセットするための上方開口状の周方向溝（置きろう部）１８が形成される。このろう材Ｗは黄銅（銅と亜鉛との合金であって、例えば、銅を「６」とし、亜鉛を「４」としている）からなり、断面円形のリング体を複数に分割したものである。このように、リング体を分割したものを使用するのは、１個あたりの体積を減らすことにより、溶解時間を短縮するためであり、また、この場合のろう付けは、大気中にて高温加熱されるため、常に表面の酸化が問題になるので、フラックスのガス雰囲気に併せ、ろう材Ｗを早く流し込むことが重要となるからである。

次に、図１（ａ）に示すように、第１金属部材１に第２金属部材２を装着したもの（装着体１９）に対して、高周波加熱装置の加熱コイル１５を第１金属部材１の内側に配置する。そして、この加熱コイル１５に高周波電流を流し、接合面１６、１７を加熱する。この際、装着体１９を、その軸心Ｏ廻りに図示省略の回転駆動機構を介して回転させる。

ところで、第１金属部材１と第２金属部材２とは熱膨張率に差がある。すなわち、第１金属部材１は鋼管からなり、第２金属部材２は銅管からなるので、第１金属部材１よりも第２金属部材２の熱膨張率が大きい。このため、第１金属部材１と第２金属部材２とを加熱することによって、膨張差が生じ、図１（ｂ）に示すように、第２金属部材２が第１金属部材１よりも大きく膨張し、第１金属部材１と第２金属部材２との間、つまり接合面１６、１７間に所定の隙間Ｓが生じる。この場合、第２金属部材２は第１金属部材１に対して矢印Ｃのように、外径方向に拡大（拡径）することになり、この拡径の際には、第２金属部材２の基端縁１４が第１金属部材１の段付き部８の段付き面に摺動する。このため、隙間Ｓは、基端側（反周方向溝側）は閉塞されることになるが、第２金属部材２の基端縁１４には図４に示すように切欠部１３・・が形成されているので、この切欠部１３・・にて空気抜き孔を構成することができる。

このように、接合面１６、１７間に所定の隙間Ｓが形成されれば、第１金属部材１と第２金属部材２との加熱によってろう材Ｗが溶解し、この溶解したろう材Ｗが図１（ｃ）のように隙間Ｓに流れ込む。この際、ろう材Ｗの隙間Ｓへの流れ込みと同時に空気抜き孔から隙間Ｓの空気が逃げることになって、ろう材Ｗの隙間Ｓへ流れ込みやすくなっている。また、第１金属部材１の外面にて形成される接合面１６と、第２金属部材２の内面にて形成される接合面１７とはそれぞれ溶融したろう材Ｗが流れやすい形状となっており、この接合面１６、１７間の隙間Ｓへはろう材Ｗが滑らかに流れ込む。この場合、第２金属部材２である銅管の外径（φ）を約１６５ｍｍとし、内径（φ）を約１５２ｍｍとし、第１金属部材１である鋼管の外径（φ）を約１５２ｍｍとし、内径（φ）を約１２８ｍｍとしたとき、約９００℃で加熱すると、例えば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの隙間Ｓが形成されるように設定するのが好ましい。このため、上記所定の隙間Ｓとして０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの隙間となり、この０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度を適正接合隙間とする。ここで、適正接合隙間とは、置きろう部１８のろう材Ｗが溶融して、この溶融したろう材Ｗがこの隙間に流れ込んだ際に、隙間全体に行き渡り、しかも、十分な接合力を発揮するろう材Ｗの量を確保できる寸法の隙間である。なお、加熱時にろう材Ｗそのものの酸化を防ぐべく、置きろう部１８及びろう材Ｗにもフラックスを塗布するのが好ましい。

ところで、加熱中に第１金属部材１と第２金属部材２の加熱温度がばらつくと、溶融したろう材Ｗが高い温度の方へしか流れていかないことになるので、第１金属部材１への入熱が円周均一に伝わるように、加熱コイル１５の外面と第１金属部材１の内面との間の寸法を、図１に示す位置決め部材２０にて一定にして、上記したように、装着体１９をその軸心Ｏ廻りに回転させる。そして、加熱パターンには、加熱工程と第１均熱工程と第２均熱工程とがある。加熱工程とは、ろう材Ｗを溶融させる温度まで一気に加熱する工程であり、第１均熱工程とは、接合面１６、１７へのろう材Ｗの流れを実行させる工程であり、第２均熱工程とは、ろう材Ｗが均一に接合面１６、１７に行き渡るようにする工程である。このため、ろう材Ｗは上記加熱工程終了頃に溶融を開始し、置きろう部１８から接合面１６、１７間に流れていくことになる。なお、加熱温度としては、９２０℃〜９３０℃程度（第２金属部材２の表面温度）とする。また、加熱時間としては５分程度とする。

そして、溶融したろう材Ｗが接合面１６、１７間、つまり隙間Ｓに流れ込ませた後、第１金属部材１と第２金属部材２を強制空冷にて常温まで冷却する。これによって、第１金属部材１と第２金属部材２とを接合するろう付けが終了する。なお、このろう付け後においては超音波探傷試験を行うことができる。このように、超音波探傷試験を行えば、接合面１６、１７の状況を確認でき、品質保証が容易となって、破壊試験や破壊要因管理等を省略できる。

また、接合不良である場合には、再ろう付けを行うことになる。この場合、置きろう部１８のフラックスを除去した後、この置きろう部１８にろう材Ｗを置き、加熱コイル１５に高周波電流を流すことによって再加熱して、ろう材Ｗを溶融し、この溶融したろう材Ｗを接合面１６、１７間に流し込むようにすればよい。

上記ろう付け方法によれば、第１金属部材１と第２金属部材２とを加熱することにより、溶融したろう材Ｗが流れ込む隙間Ｓが形成されるので、ろう付け前にろう材Ｗが流れ込む隙間Ｓを形成しておく必要がない。そして、ろう付け時に隙間Ｓが形成され、この隙間Ｓにろう材Ｗが流れ込むことになるので、第１金属部材１と第２金属部材２とを確実にしかも強固に接合することができる。また、拘束部材等を使用して第２金属部材２の熱膨張を抑える必要がないので、ろう付け装置の簡略化を図ることができると共に、拘束部材への熱の逃げが無くなってエネルギロスの減少を図ることができる。

また、第２金属部材２を焼きばめにて第１金属部材１に装着するので、ろう付け時に形成される第１金属部材１と第２金属部材２との間の隙間Ｓを、適正接合寸法とすることができる。すなわち、ろう付けの際、第１金属部材１と第２金属部材２とが加熱されることにより、熱膨張が発生するが、これらは異種金属であるため膨張差が生じる。そのため、第１金属部材１と第２金属部材２との間に隙間Ｓが生じることになるが、この場合、第２金属部材２を焼きばめにて第１金属部材１に装着しているので、第１金属部材１と第２金属部材２との間の隙間Ｓが大きくなり過ぎないような適正接合寸法に維持することができる。このため、溶融したろう材Ｗが、この隙間Ｓを埋めるように流れ込んで良好な接合状態を維持することができる。これは、熱膨張差＝接合隙間とすることによって、接合隙間の管理を加熱温度に基づいて容易に行うことができるからである。

さらに、第１金属部材１の内側から加熱するので、外側の第２金属部材２への入熱量を少なくして、この第２金属部材２の熱膨張を抑え、第１金属部材１と第２金属部材２との間に形成される隙間Ｓの拡大を防止することがきる。これによって、接合不可となるのを防止できる。そして、第１金属部材１が鋼管であると共に、第２金属部材２が銅管であるので、異種金属である鋼管と銅管とを強固の接合することができる。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、第１金属部材１を上記実施形態ではパイプ材（鋼管）として、この内側から加熱するようにしたが、第１金属部材１としては中実棒であってもよい。また、第１金属部材１と第２金属部材２の各材質としても、ろう付けが可能であって、第２金属部材２の熱膨張率が第１金属部材１の熱膨張率よりも大きく、しかも、加熱によって、第１金属部材１と第２金属部材２との間（接合面１６、１７間）に、溶融したろう材Ｗが流れ込む隙間Ｓ（上記適正隙間寸法となる隙間）が形成されるものであればよい。また、第１金属部材１の接合面１６の形状及び第２金属部材２の接合面１７の形状としても、ろう付け時の加熱にて、溶融したろう材Ｗが流れ込む隙間Ｓができるものであればよい。さらに、第２金属部材２に設けられる切欠部１３（空気抜きとしての切欠部）としても、その数、大きさ、及び形状等は隙間Ｓに溶融したろう材Ｗが流れ込む際に、切欠部１３を介して隙間Ｓの空気が抜けるものであれば任意に変更することができる。この際、切欠部１３にて形成される空気孔からろう材Ｗが外部へ流出しないようにするのが好ましい。また、上記実施形態では、ろう付け時に装着体１９をその軸心Ｏ廻りに回転させていたが、逆に高周波加熱装置の加熱コイル１５側をその軸心廻りの回転させてもよく、さらには、加熱コイル１５と装着体１９とを回転させてもよい。なお、第１金属部材１への入熱が周方向に沿って多少均一に伝わらないかもしれないが、回転させないものであってもよい。また、加熱手段として、ろう付けが可能な温度に接合面１６、１７を加熱することができるものであれば、高周波加熱装置以外の種々の加熱装置を使用することができる。さらに、上記実施形態では、第２金属部材２を焼きばめにて第１金属部材１に装着したが、焼きばめせずに、第２金属部材２を第１金属部材１に圧入することによって装着するようにしてもよい。そして、この発明に係るろう付け方法にて接合されてなる製品（ろう付け品）は高精度に接合されており、各種の機械部品等に使用することができる。

この発明のろう付け方法の実施形態を示すろう付け工程図である。上記ろう付け方法に使用される第１金属部材の断面図である。上記ろう付け方法に使用される第２金属部材の断面図である。上記第２金属部材の正面図である。

符号の説明

１・・第１金属部材、２・・第２金属部材、Ｓ・・隙間、Ｗ・・ろう材

Claims

第１金属部材と、これに外嵌されて第１金属部材の周囲を囲む異種金属製の第２金属部材とを接合するろう付け方法であって、第１金属部材と第２金属部材との熱膨張率の差により、第１金属部材と第２金属部材との間に所定の隙間を形成し、この隙間に溶融したろう材を流れ込ませることを特徴とするろう付け方法。
上記第２金属部材を焼きばめにて上記第１金属部材に装着した後、熱膨張率の差にて形成した所定の隙間に溶融したろう材を流れ込ませることを特徴とする請求項１のろう付け方法。
上記第１金属部材の内側から加熱することを特徴とする請求項１又は請求項２のろう付け方法。
上記第１金属部材が鋼管であると共に、上記第２金属部材が銅管であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのろう付け方法。