JP2010247194A - 金属管の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属管同士の接合工程において、両管の接合面間の適切な位置にインサート材を挿入することなく接合を行うとともに、接合部の耐食性の低下を抑制する、安価で効果的な接合方法を提供する。
【解決手段】本発明の接合方法に用いられる少なくとも一方の管の外周面には、金属管母材と共晶反応を示す金属または合金からなるコーティング層が形成されている。コーティング層を外周面に有する一方の管の端部に先細状のテーパ部を形成し、テーパ部の一部を他方の管の端部に挿入し、ついで両管の接合部を加熱しながら両管を互いに押し付け、一方の管のテーパ部の少なくとも一部の外周面に他方の管の端部を重ね合わせた状態で両管を冶金的に接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属管同士を同軸に固定する接合技術に関する。

異種金属からなる２本の管の端面同士を接合して管継手を形成する際に、共晶反応を利用する接合技術が従来から知られている。この共晶圧接法では、具体的には、２本の管の端面同士が接触した部分において、接合を阻害する両管表面の酸化皮膜を破壊し、両管を構成する２種の金属の共晶反応を生じさせて２本の管を接合させる。例えば、アルミニウム管と銅管とを高周波誘導加熱して、一方の管端部を他方の管端部に接触させることにより、両管表面の酸化皮膜を破壊し、接触面に共晶反応による共晶融液を生じさせ、共晶融液の形成後に接触面に向かって圧力を加えて融液相を接合面から排出し、そして、接合部を急速冷却して、アルミニウム管と銅管とを接合する方法が開発されている（特開昭５４−１３３４５０号公報）。この共晶圧接法で利用する共晶反応は、それぞれの母材金属の融点よりも低い温度で生じる。例えば、銅管とアルミニウム管との組合せの場合には、銅とアルミニウムとの共晶反応は５４８℃で起き、この温度は、銅の融点（１０８３℃）およびアルミニウムの融点（６６０℃）よりも低い。従って、溶接のように母材金属自体を溶融させる方法とは異なり、母材金属が溶融しないので、加工プロセスが安定し、製品の歩留まりも優れている。

上記の共晶反応を利用して同種金属管（例えばアルミニウム管同士）の継手を製造する方法も、上記の異種金属管の継手の製造法とほとんど同時期に開発されている（例えば、特開昭５５−５７３８８号公報）。例えば、アルミニウム管同士の継手を製造する場合には、２本のアルミニウム管の間にインサート材（特にアルミニウムとシリコンとの合金箔）を介在させる。接触部を加熱し、一方の管端部を他方の管端部に接触させることにより、両管表面の酸化皮膜を破壊すると、アルミニウム母材の表面層が溶け出してアルミニウムとシリコンとの共晶融液が生成され、加圧によって融液を排除するとアルミニウム同士が直接接合される。この接合方法によれば、特別な前処理、保護雰囲気、およびフラックスを使用せずに、しかも大気圧下での処理により酸化皮膜を除去して強固な接合構造を生成することができる。

インサート材には、母材金属と共晶反応を起こす金属又は合金であって、その融点が母材金属との共晶温度よりも可能な限り高く、母材金属の融点よりも可能な限り低い温度であることが好ましい。アルミニウム管同士の接合においては、例えば、亜鉛−銅系のろう材（特開平７−１８５７９４号公報）または亜鉛（特開２０００−３０１３５５号公報）が用いられる。

特開昭５４−１３３４５０号公報 特開昭５５−５７３８８号公報 特開平７−１８５７９４号公報 特開２０００−３０１３５５号公報

しかしながら、上記の従来技術による異種金属管の共晶圧接方法では、接合すべき管素材の組み合わせが共晶反応を示す金属の組み合わせに限定され、共晶反応を示さない金属の組み合わせとなる異種金属管を接合することは困難であった。

また、上記の従来技術による同種金属管同士の共晶圧接方法では、接合前に両管の接合面間の適切な位置にインサート材を挿入する必要があり、製品の生産効率を低下させる要因となっていた。

また、上記同種金属管同士の接合では、インサート材として金属箔または合金箔が用いられるため、接合すべき２本の金属管端部の表面およびインサート材の金属箔または合金箔の両表面に形成されている酸化皮膜を一度の加圧プロセスですべて破壊する必要があり、一箇所でも酸化皮膜が破壊されなかった場合には接合不良の原因となっていた。

また、上記同種金属管同士の接合では、管母材とインサート材の共晶反応を利用して共晶融液を生じさせた後、加圧によって融液を接合面から排除するが、接合面に融液が残存した場合には、残存融液が凝固した領域またはその周囲において、管母材と異なる金属が接触した状態となり、局所的な腐食の原因となっていた。

本発明の接合方法に用いられる少なくとも一方の管の外周面には、コーティング層が形成されている。コーティング層を外周面に有する一方の管の端部に先細状のテーパ部を形成し、テーパ部の一部を他方の管の端部に挿入し、一方の管のテーパ部の外周面と他方の管の端部内周面を互いに接触させ、ついで両管の接触部を加熱しながら両管を互いに押し付け、一方の管のテーパ部の少なくとも一部の外周面に他方の管の端部を重ね合わせた状態で両管を冶金的に接合することで上記課題を解決することができる。

コーティング層を外周面に有する一方の管には、管端部に先細状のテーパ部を形成する前に加熱処理を施し、コーティング層を形成する金属を一方の管の材料内部に拡散させることが望ましい。

本発明の接合方法に用いられる少なくとも一方の管の外周面に形成されるコーティング層は、他方の管の金属母材と共晶反応を示す金属からなることが好ましい。

一方の管のコーティング層は、他方の管の金属母材と共晶反応を示す金属との共晶合金または過共晶合金であってもよい。

一方の管の端部に先細状のテーパ部を形成した後に、コーティング層を形成し、接合に供してもよい。この際、コーティング層を形成した後、接合を行う前にコーティング層が溶融しない温度域で加熱処理を施し、コーティング層を形成する金属を一方の管の材料内部に拡散させることが好ましい。

コーティング層は、他方の管の金属母材と共晶反応を示す金属、または他方の管の金属母材と共晶反応を示す金属との共晶合金または過共晶合金を一方の管の外周面に溶射により形成することが望ましいが、溶射に限定されるものではなく、めっき処理などの他の方法で形成してもよい。

接合すべき両管の素材は、少なくとも一方がアルミニウムであってもよい。「アルミニウム」には、工業用純アルミニウムおよびアルミニウム合金が含まれる。

接合すべき両管の素材は、少なくとも一方が銅であってもよい。「銅」には、純銅および銅合金が含まれる。

接合すべき両管の素材は、少なくとも一方が鉄であってもよい。「鉄」には、純鉄および鉄合金が含まれる。

両管の接触部の加熱は、両管への通電により行うことが望ましい。通電により、接合面の接触点を優先的に加熱することが可能となり、母材管の過剰な溶け出しを防止することができる。

上記加熱の際には、両管を固定冶具によりクランプすることが望ましい。両管をクランプすることにより、接合時の加圧による管の過剰な変形を防止することが可能となる。

一方の管の外周面に、他方の管の素材と共晶反応を示す金属からなるコーティング層を形成することにより、一方の管と他方の管の組み合わせが共晶反応を示さない金属の組み合わせとなる場合であっても、コーティング層が他方の管の素材と共晶反応を示すため、共晶圧接による接合を行うことができる。

接合前に一方の管の外周面にコーティング層が形成されており、このコーティング層が接合に寄与するため、接合の際に別途インサート材を挿入する必要がなく、製品の生産効率を向上させることができる。

また、一方の管の外周面にコーティング層が形成されているため、上記接合プロセスにおいて、コーティング層の表面および他方の管の内周面表面の酸化皮膜を破壊することで接合が達成されるため、インサート材を用いた場合よりも破壊すべき表面酸化皮膜の数を半減させることができ、接合不良を大幅に低減することができる。

さらに、少なくとも一方の管の外周面にコーティング層が形成されていることにより、接合部周囲のコーティング層が犠牲陽極の働きをするため、接合面に共晶融液が残存して凝固した場合においても、残存融液が凝固した領域またはその周囲における局所的な腐食の進行を抑制することができる。

通電によって両管を加熱することにより、接合面における接触点がその抵抗加熱によって優先的に加熱されるため、母材が過剰に加熱されることを抑制し、母材の過剰な溶け出しを防止することが可能となる。

両管を互いに押し付ける際に、両管を固定冶具によりクランプすることにより、接合時の加圧による管の過剰な変形を防止することが可能となる。

亜鉛溶射を施したアルミニウム合金管の断面模式図である。 固定装置によりクランプされ、接合されたアルミニウム合金管継手の断面模式図である。 固定装置を示す写真である。 接合後の継手の断面を示す写真である。

本発明は、金属管の接合に一般的に利用することができるが、低融点金属部材、特にアルミニウム製部材の接合に適している。アルミニウム製部材としては、例えば、１０００系の工業用純アルミニウムおよび３０００系のアルミニウム合金を挙げることができる。

接合すべき金属部材の形状も、一方の部材の接合用端面が先細状のテーパ部を有している限り、特に限定されるものではなく、従来の共晶圧接法でも接合されていた長尺状チューブのみではなく、長尺状チューブとヘアピン状チューブの組合せのほか、一対の中空若しくは非中空の円柱体部材、一対の中空若しくは非中空の半円球部材、又は一対の中空若しくは非中空の半楕円球部材であることができる。

接合すべき金属管の断面を図１に示す。一方の管１００の外周面に形成すべきコーティング層１０２は、他方の管２００と共晶反応を示す金属が好ましい。例えば、他方の管２００がアルミニウムの場合には、亜鉛を好適に用いることができる。接合すべき一方の管１００の外周面全面に亜鉛のコーティング層を形成させることにより、亜鉛が犠牲陽極として働き、接合後の金属管の耐食性を向上させることができる。

また、一方の管１００のコーティング層１０２には、他方の管２００の素材と共晶反応を示す金属との共晶合金または過共晶合金を用いることもできる。例えば、他方の管２００がアルミニウムの場合には、亜鉛−アルミニウム合金を好適に用いることができる。亜鉛−アルミニウム合金をコーティング層１０２に用いた場合にも、亜鉛−アルミニウム合金が犠牲陽極として働き、接合後の金属管の耐食性を向上させることができる。

他方の管２００が銅の場合には、一方の管１００のコーティング層１０２には、例えば、亜鉛を好適に用いることができるが、銅−亜鉛合金、アルミニウム、銅−アルミニウム合金であってもよい。

他方の管２００が鉄の場合には、一方の管１００のコーティング層１０２には、例えば、亜鉛を好適に用いることができるが、鉄−亜鉛合金であってもよい。

他方の管２００の外周面には、一方の管１００のコーティング層１０２と同じ素材をコーティングし、コーティング層２０２を形成することができる。コーティング層２０２を形成することにより、コーティング層２０２が犠牲陽極として働き、接合後の金属管の耐食性を向上させることができる。

コーティング層は、溶射により形成することが望ましいが、溶射に限定されるものではなく、例えば、めっき処理などの他のコーティング方法で形成してもよい。

一方の管１００の外周面にコーティング層１０２を形成させた後、コーティング層が溶融しない温度域で加熱処理を施し、コーティング層１０２を形成する金属を一方の管１００の材料内部に拡散させることが好ましい。例えば、一方の管１００がアルミニウムで、コーティング層１０２が亜鉛の場合には、カンタル炉にて大気中３００℃で２時間の加熱処理を施すことにより、コーティング層１０２と一方の管１００の外周面の密着性を向上させることができる。

また、一方の管１００が銅で、コーティング層１０２がアルミニウムの場合には、カンタル炉にて大気中４００℃で２時間の加熱処理を施すことにより、コーティング層１０２と一方の管１００の外周面の密着性を向上させることができる。

また、一方の管１００が鉄で、コーティング層１０２が亜鉛の場合には、カンタル炉にて大気中３００℃で２時間の加熱処理を施すことにより、コーティング層１０２と一方の管１００の外周面の密着性を向上させることができる。

一方の管１００の端部の外周面を先細状に形成することが必要である。テーパ角は特に限定されないが、４度から８度が好ましい。さらに、他方の管２００の端部の内周面を先細状の外周面に嵌合するように末広状に形成してもよい。一方の管１００の外周面および他方の管２００の内周面は、機械加工により、又は拡管および縮管による塑性加工によって形成される。

一方の管１００の外周面にコーティング層１０２を形成させた後に、管端部の外周面を先細状に加工することが好ましいが、管端部の外周面を先細状に加工した後に、コーティング層１０２を形成させることもできる。

両管の固定装置を図２、図３に示す。一方の管および他方の管が同軸となるように固定装置３００、３０２を用いて固定し、一方の管のテーパ部の外周面と他方の管の端部内周面を互いに接触させ、押し付ける。押し付けは、例えば、両管が外径７ｍｍのアルミニウム管の場合、エアシリンダーを用いて押し付け荷重を０．５１Ｎ（５ｋｇｆ）として行うことができる。

両管の接触部の加熱は、一方の管の固定装置３００と他方の管の固定装置３０２との間を通電することにより、行うことができる。加熱手段は通電加熱に限定されるものではなく、例えば、高周波誘導加熱、バーナー炎加熱などを使用することもできる。接触部を局所的に加熱することが容易であるので、通電加熱を利用するのが好ましい。

両管の接合の際には固定装置３００、３０２により、両管の接合部近傍をクランプすることが好ましい。接合時に接合部近傍をクランプしておくことにより、一方の管を他方の管に挿入した際に、他方の管が過剰に変形するのを防ぐことが可能となる。

固定装置３００、３０２の内部に冷却水路を設けておき、冷却水を流すことにより、両管の接合直後において、接合部を急速に冷却することが可能となり、生産効率の向上を図ることができる。さらに接合部周囲の軟化を抑制した良好な継手を得ることが可能となる。

以下に本発明の実施例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
本発明の接合方法に適した装置を使用し、アルミニウム管同士の接合を行った。実験には、外径７ｍｍのＡ３００３アルミニウム合金管を用い、接合前に外周面に亜鉛溶射を施した。その後、一方のアルミニウム合金管の先端を先細状に加工し、接合に供した。接合には、図３に示す固定装置を用いた。この固定装置を介して通電を行い、アルミニウム合金管の接合部を加熱することができる。また、この固定装置内部には冷却水が流れているため、接合後の継手を急速に冷却することができる。アルミニウムと亜鉛の共晶反応温度（３８１℃）よりも高い温度であり、亜鉛の融点（４１９℃）よりも低い温度である４００℃に接合部を加熱した後、アルミニウム合金管同士を互いに押し付ける方向に０．５１Ｎ（５ｋｇｆ）で加圧した。

接合温度４００℃で得られた継手について走査型電子顕微鏡による断面観察結果を図４に示す。両アルミニウム合金管の接合面の間には、アルミニウムと亜鉛からなる共晶反応相が観察され、接合面に空隙は観察されず、良好な継手を得ることができている。

得られた継手について室温にて引張試験を行った。試験は、クロスヘッドの移動速度１ｍｍ／ｍｉｎの条件で行った。引張試験の結果、アルミニウム合金管母材で破断したことから、本接合方法により良好な継手が得られていることが示唆される。

実施例２
また、比較のために、上記亜鉛溶射を施したアルミニウム合金管の接合を、アルミニウムと亜鉛の共晶温度以下である３６０℃で行った。他の接合条件は、実施例１と同様とした。得られた継手について、実施例１と同様の引張試験を行った結果、接合界面で破断し、接合温度３６０℃では、良好な継手を得ることは困難であった。実施例１、２の結果より、金属管の素材とコーティング層の素材との共晶温度以上で接合した場合に、良好な継手を得られることが分かる。

本発明は、金属管同士を同軸に固定する接合技術に関し、特に冷蔵もしくは冷凍装置などの熱交換器、その他の配管に好適に用いられるアルミニウム管相互の接合構造および接合方法等に利用できる。

１００，２００…金属製管
１０２，２０２…コーティング層
３００，３０２…固定装置

Claims (6)

1. 外周面にコーティング層を有する一方の管の端部に先細状のテーパ部を形成し、
   前記テーパ部の一部を他方の管の端部に挿入し、
   前記一方の管の前記テーパ部の前記外周面と前記他方の管の端部内周面を互いに接触させ、
   ついで両管の接触部を加熱しながら前記両管を互いに押し付け、
   前記一方の管の前記テーパ部の少なくとも一部の前記外周面に前記他方の管の前記端部内周面を重ね合わせた状態で前記両管を冶金的に接合する金属管同士の接合方法。
2. 前記外周面にコーティング層を有する一方の管に加熱処理を施し、
   前記コーティング層を形成する金属を前記一方の管の材料内部に拡散させた後に接合することを特徴とする請求項１に記載の金属管同士の接合方法。
3. 前記コーティング層が前記他方の管の素材と共晶反応を示す金属からなることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の金属管同士の接合方法。
4. 前記コーティング層が前記他方の管の素材と共晶反応を示す金属と前記他方の管の素材との合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属管同士の接合方法。
5. 前記両管のうち、少なくとも一方がアルミニウム管であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属管同士の接合方法。
6. 前記両管を固定装置によりクランプし、
   前記両管への通電により加熱を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属管同士の接合方法。