JP2013091066A

JP2013091066A - アルミニウムのろう付け方法

Info

Publication number: JP2013091066A
Application number: JP2011232583A
Authority: JP
Inventors: Akari Ikeda; 明夏里池田; Yuji Nomura; 祐司野村; Hidetoshi Ota; 英俊太田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: JP6339310B2

Abstract

【課題】フラックスを使用せず、高価な真空炉も必要とせずに、効率よく確実にアルミニウムのろう付けを行うことができるアルミニウムのろう付け方法を提供する。
【解決手段】０．０５〜５．０重量％、好ましくは１．０〜５．０重量％のマグネシウムを含有したろう材を用いて、窒素濃度が１％以下のアルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気中で加熱する。加熱する際の昇温速度は、毎分３０〜２００℃の範囲、好ましくは毎分４０〜１８０℃の範囲に設定する。加熱時の圧力を大気圧付近に設定することにより、真空炉が不要となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウムのろう付け方法に関し、詳しくは、ろう材によってアルミニウムを接合するアルミニウムのろう付け方法に関する。

熱交換器などをアルミニウム（以下、アルミニウム合金を含む）で製作する場合、アルミニウム製の各部材間にＡｌ−Ｓｉ系合金からなるろう材を配置し、このろう材の溶融温度よりも高温の約６００℃に加熱してろう材を溶融させることにより、各部材を接合するろう付け方法が一般的に採用されている。

アルミニウムをろう付けする際には、アルミニウムの表面に形成される酸化皮膜がろう付けの障害となるため、酸化皮膜を除去するフラックスを使用してろう付けを行ったり、酸素の影響を受けない高真空中でろう付けを行ったりしている。しかし、フラックスを使用する方法では、加熱前にフラックスを塗布する作業が必要であり、ろう付け後のフラックスの残渣が悪影響を及ぼすことがある。また、真空中でろう付けする方法では、加熱中の真空度を厳密に管理する必要があることから、高価な真空炉が必要になり、また、バッチ式であるために生産性が悪いという問題がある。

このようなことから、ろう付けを行うアルミニウム部材（被ろう付け物）に覆いをし、覆い内部の雰囲気気体の流れを抑え、かつ、覆い内部にＭｇ供給源を配置することにより、フラックスを使用したときの問題点や真空中でろう付けする際の問題点を回避したろう付け方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−８５４３３号公報

しかし、特許文献１に記載された方法では、加熱炉の内部に覆いを設けるため、覆いの内部の温度制御が困難となり、ろう付け不良が発生しやすいという問題があった。また、同様の提案が種々成されているが、いずれのものも、生産性やコストの面で実用的なものとはいえなかった。

そこで本発明は、フラックスを使用せず、高価な真空炉も必要とせずに、効率よく確実にアルミニウムのろう付けを行うことができる方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のアルミニウムのろう付け方法は、アルミニウムをろう付けする方法において、０．０５〜５．０重量％、好ましくは１．０〜５．０重量％のマグネシウムを含有したろう材を用いてアルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気中で加熱することを特徴としている。

さらに、本発明のアルミニウムのろう付け方法では、前記アルゴン雰囲気又は前記ヘリウム雰囲気における窒素濃度は、１％以下であることが好ましく、また、前記アルゴン雰囲気又は前記ヘリウム雰囲気中で加熱する際の昇温速度は、毎分３０〜２００℃の範囲であることが好ましい。

本発明のアルミニウムのろう付け方法によれば、０．０５〜５．０重量％の、好ましくは１．０〜５．０重量％のマグネシウムを含有したろう材を用いることによってマグネシウムの酸化還元作用で酸化皮膜を破壊することができるとともに、アルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気中で加熱することにより、低真空、微加圧雰囲気でろう付けが可能となり、高性能の真空ポンプを備えた高価な真空炉を必要とせずにアルミニウムのろう付けを行うことができる。また、アルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気とすることにより、溶融したろう材の濡れ性が向上し、アルミニウム製の各部材間に生じた隙間にろう材が隙間なく流れるので、良好なろう付け性を得ることができる。

さらに、雰囲気中の窒素濃度を１％以下にすることにより、アルミニウムやマグネシウムが窒化することを防止してろう材の濡れ性を更に向上させることができる。昇温速度を毎分３０〜２００℃、好ましくは毎分４０〜１８０℃といった比較的早い昇温速度とすることにより、雰囲気中に存在する酸素の影響を抑えることができる。

隙間充填試験の実施状態を示す説明図である。隙間充填試験を行った実験装置の説明図である。

本発明におけるアルミニウムのろう付け方法は、まず、ろう材として０．０５〜５．０重量％の、好ましくは１．０〜５．０重量％のマグネシウムを含有したろう材を用いる。ろう材のマグネシウムの含有量が０．０５重量％未満では、マグネシウムの酸化還元作用が十分ではなく、アルミニウム表面の酸化皮膜を完全に除去することができず、マグネシウムの含有量が１．０重量％以上であれば、アルミニウム表面の酸化皮膜の除去をより確実に行うことができる。一方、ろう材のマグネシウムの含有量が５．０重量％を超えると、マグネシウムがろう材中に残存して溶融したろう材の流れが悪くなり、濡れ性が低下してロウ付け部に隙間が発生してしまうことがある。

また、ろう材を加熱炉内で加熱して溶融させる際の加熱炉内は、アルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気とする。雰囲気中の他のガス成分は、できるだけ少ないことが望ましく、酸素のような反応性を有するガス成分はできるだけ除去しておくべきである。不活性ガスとして扱われる窒素の場合も、例えば、雰囲気中の窒素濃度が１％を超えると、マグネシウムが窒化してマグネシウムによる酸化皮膜の除去を十分に行えなくなることがあり、溶融したろう材の流れも悪くなる。また、アルミニウムが窒化すると、溶融したろう材の流れが悪くなって良好なろう付けを行えなくなることがある。

加熱炉内で加熱する際の昇温速度は、毎分３０〜２００℃の範囲、好ましくは毎分４０〜１８０℃の範囲に設定する。昇温速度が低いと、溶融したろう材が酸化される温度帯に晒される時間が長くなり、雰囲気中に存在する酸素によってろう材が酸化されてしまうことがあり、ろう材の流れが悪くなって良好なろう付けを行えなくなることがある。一方、昇温速度を速くすることによって酸化される温度帯に晒される時間を短くでき、ろう材の酸化を抑えて良好なろう付けを行うことはできるが、毎分３０〜２００℃の範囲、特に、毎分４０〜１８０℃の範囲の昇温速度であれば、溶融したろう材の酸化を十分に抑えることができ、これ以上の昇温速度に設定すると、大容量の熱源を必要とするために設備コストやエネルギーコストの上昇を招くことになる。

加熱中の圧力は、特に限定されることはなく、大気圧付近での処理が可能であるから、雰囲気をアルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気に制御可能な構造を有する連続炉でろう付けを行うことが可能である。この場合、外部から加熱炉内への大気の侵入を防止するため、加熱炉内にヘリウムやアルゴンを供給して僅かな陽圧状態にして処理することができる。

一方、バッチ式の加熱炉を使用する場合、真空状態にすることによって高価なヘリウムやアルゴンの使用量を抑えることができるとともに、酸素の影響をより確実に排除することが可能であることから、市販の廉価な真空ポンプ、例えば、ダイアフラム真空ポンプを使用して加熱炉内を低真空状態として処理することができる。

実験例
軽金属溶接構造協会規格ＬＷＳＴ８８０１に準じて隙間充填試験を行った。図１に示すように、水平板（Ａ１０５０）１１の上に、逆Ｔ字状になるように垂直板（芯材がＡ３００３、皮材（厚さ０．１ｍｍ）がＡ４００４のブレージングシート（２０×４０×０．８９ｍｍ））１２を配置し、垂直板１２の一端から５ｍｍの位置に直径１ｍｍのステンレス製スペーサー１３を挟んで試験片１４を作成した。加熱には、図２に示す管状（内径５０ｍｍ×長さ８５０ｍｍ）のバッチ式加熱炉２１を使用した。

このバッチ式加熱炉２１には、一端に雰囲気ガス導入管２２が、他端に排気管２３が接続され、雰囲気ガス導入管２２には圧力計２４を設け、排気管２３には酸素濃度計２５及び露点計２６を設けるとともに、逆止弁２７を介して排気するように形成した。また、バッチ式加熱炉２１の内部にＫ型熱電対２８を挿入して試験片１４の温度を測定し、温度記録計２９にて温度変化を記録した。ろう付け温度は６００℃に設定した。雰囲気ガス導入管２２からバッチ式加熱炉２１へのガス導入量は毎分５リットルに設定した。水平板１１及び垂直板１２は、あらかじめ脱脂処理、エッチング処理、中和処理を行って表面を清浄化してから使用した。

評価については、溶融したろう材１５が水平板１１と垂直板１２との間の隙間に充填可能な最大長さが３５ｍｍであることから、溶融したろう材１５の充填長さＬが最大長さ３５ｍｍに対し９５％以上（生じた隙間の大きさが１．５ｍｍ以上）をＡ、最大長さ３５ｍｍに対して８５％以上（生じた隙間の大きさが１．０ｍｍ以上）をＢ、最大長さ３５ｍｍに対して８０％以上（生じた隙間の大きさが０．５ｍｍ以上）をＣ、最大長さ３５ｍｍに対して８０％未満（生じた隙間の大きさが０．５ｍｍ以下）をＤとした。

実験例１
雰囲気ガスの組成を種々設定して前記隙間充填試験を行った。雰囲気ガス、ろう材、昇温速度、ガス流量、隙間充填長さ、充填性評価を纏めて表１に示す。この結果から、雰囲気ガスが窒素のみ、あるいは、窒素を多く含んでいると、マグネシウムの窒化により、ろう材の流れが悪くなって０．５ｍｍの隙間がある部材同士のろう付けができないことがわかる。

実験例２
昇温速度を種々設定して前記隙間充填試験を行った。雰囲気ガス、ろう材、昇温速度、ガス流量、隙間充填長さ、充填性評価を纏めて表２に示す。この結果から、昇温速度が遅いと、ろう材の流れが悪いことがわかる。

実験例３
炉内圧力を種々設定して前記隙間充填試験を行った。雰囲気ガス、ろう材、昇温速度、炉内圧力、隙間充填長さ、充填性評価を纏めて表３に示す。この結果から、圧力を高くするとマグネシウムの蒸発が不十分で、アルミニウム表面の酸化皮膜を十分に除去できなくなるため、ろう材の流れが悪くなることがわかる。

実験例４
Ａ４００４を基本としたろう材中のマグネシウム含有量を種々設定して前記隙間充填試験を行った。雰囲気ガス、ろう材、昇温速度、ガス流量、隙間充填長さ、充填性評価を纏めて表３に示す。この結果から、マグネシウムの含有量が少なすぎると、酸化皮膜の除去が不十分となるため、また、マグネシウムの含有量が多すぎるとマグネシウムがろう材中に残存するため、いずれの場合もろう材の流れが悪くなることがわかる。

１４…試験片、２１…バッチ式加熱炉

Claims

アルミニウムをろう付けする方法において、０．０５〜５．０重量％のマグネシウムを含有したろう材を用いてアルゴン雰囲気又はヘリウム雰囲気中で加熱するアルミニウムのろう付け方法。
前記ろう材のマグネシウム含有量が１．０〜５．０重量％である請求項１記載のアルミニウムのろう付け方法。
前記アルゴン雰囲気又は前記ヘリウム雰囲気における窒素濃度が１％以下である請求項１又は２記載のアルミニウムのろう付け方法。
前記アルゴン雰囲気又は前記ヘリウム雰囲気中で加熱する際の昇温速度が毎分３０〜２００℃の範囲である請求項１乃至３のいずれか１項記載のアルミニウムのろう付け方法。