JP2013226593A - Ｔｉ／Ｃｕ異種金属溶接ジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、吸収式空調システムの吸収器と蒸発器との接続ジョイント、再生器と凝縮器との接続ジョイントとして、耐食性の優れたＴｉ及び熱伝導率の高いＣｕからなり、Ｔｉの溶融溶接温度から、マイナス１５℃までの温度に耐え、強度及び気密性に信頼性の高いＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントの提供を目的とする。
【解決手段】
Ｔｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントを製造する過程において、Ｔｉと金属間化合物を形成しないと共にＣｕと金属間化合物を形成しない中間金属（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｍｏ４種類の中での一種）を介して、ＴｉとＣｕは別々でこの中間金属と溶接することにより、信頼性の高い強度及び気密性を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を吸収剤とする吸収式空調システムにおいて、吸収器配管と蒸発器配管との接続ジョイント及び再生器配管と凝縮器配管との接続ジョイントに関する。

従来の技術及び課題

吸収式空調システムに使用される吸収剤の臭化リチウム（ＬｉＢｒ）溶液は、アルカリ性で、鉄鋼材料、銅を強く腐食するので、吸収器、再生器及びその配管は臭化リチウムに耐食性を持たせなければならない。一方、熱交換の役割を果たす蒸発器、凝縮器及びその配管は熱伝導率の高い材料が選定される。吸収器と蒸発器との接続ジョイント、再生器と凝縮器との接続ジョイントには、片側に臭化リチウムに優れた耐食性を持つＴｉ、もう一方に熱伝導率の高いＣｕを用いたＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントが使用されている。

Ｔｉは活性的な金属である。高温状態でＣｕと反応し、脆い金属間化合物のＴｉ_２Ｃｕ、ＴｉＣｕ、Ｔｉ_３Ｃｕ４、Ｔｉ_２Ｃｕ_３、ＴｉＣｕ_２、ＴｉＣｕ_４を形成するので、ＴｉとＣｕの溶融溶接は不可能である。

従来の二重管式熱交換器の端部等に使用されるＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントは、摩擦溶接或いはＴｉ／Ｃｕクラッド材で製造されている。

市販されているＴｉ／Ｃｕクラッド材は、爆着方法により製造される。Ｔｉ／Ｃｕ爆着クラッド材に対する日本工業規格（ＪＩＳ）は制定されていないが、Ｎｉ／Ｃ．Ｓ、ＳＵＳ／Ｃ．Ｓ、Ｔｉ／Ｃ．Ｓの爆着クラッド材に対して、ＪＩＳ−Ｇ３６０１、ＪＩＳ−Ｇ３６０２、ＪＩＳ−３６０３により、接合率が８０％以上と要求されている。

爆着接合、または摩擦溶接方法で製造されたＴｉとＣｕとの接合界面には、金属間化合物の形成が避けられ、金属間密着した直接接合状態になっている。ＴｉとＣｕとの直接接合界面には、原子間力及びアンカー効果が働く。
ＴｉとＣｕの線膨張率の差が大きい（室温２０℃の場合に、Ｔｉの線膨張率は８．６×１０^−６で、Ｃｕの線膨張率は１６．６×１０^−６である）。臭化リチウム（ＬｉＢｒ）吸収剤の運転温度はマイナス５℃であり、更に気温の低い寒冷地域に使用する場合もある。低温環境におけるＴｉとＣｕの間に発生した収縮応力の差はＴｉ／Ｃｕ界面に剪断応力として働く。この剪断応力がＴｉ／Ｃｕ直接接合の接合強度を超えると、漏れが発生する恐れがある。

尚、これらのＴｉとＣｕとの直接接合ジョイントのＴｉ側にＴｉ部材を溶接する時、またはＣｕ側にＣｕ部材をロウ付けする時、局部的な高温加熱によりＴｉとＣｕとの接合界面に反応を起こし、脆い金属間化合物を形成する恐れがある。

ＴｉとＣｕとの直接接合界面には、上記の欠点があるため、従来の臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を吸収剤とする吸収式空調システムに使用されているＴｉ／Ｃｕ爆着クラッド材ジョイントは、５％の漏れ率が発生し、信頼性に問題がある。

Ｔｉ／Ｃｕジョイントに関する文献

実公平６−１９９７０ 実公平８−７２７３ 実用新案登録番号 第２５９０２４９号 Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．６１４９０４９ 異種金属接合に関する文献
特開平６−２３５７０ 特開平１１−１７００６７ 特許第３３４２３２９号 特開２００４−３３７９７１

本発明は、Ｔｉの溶融溶接温度から、マイナス１５℃までの使用温度に耐え、強度及び気密性に信頼性の高いＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明はＴｉと金属間化合物を形成しないと共にＣｕと金属間化合物を形成しない金属（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｍｏ４種類の中での一種）製中間筒を介して、内側でＣｕを中間筒に溶接し、外側でＴｉを中間筒に溶接して、内側と外側の２回に分けて溶接するＴｉ／中間金属／Ｃｕ構造からなる筒状ジョイントを提供する。

前記筒状ジョイントの溶接方法としては、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接などの溶融溶接方法が適用できる。

請求項３に記載の発明は、Ｃｕ内筒の底部を中間筒の底部に重ね溶接し、Ｔｉ外筒の頂部を中間筒の頂部に重ね溶接する。中間筒はＣｕ内筒及びＴｉ外筒の間に挟まれ、中間筒の幅は５ｍｍ以上とする。

本発明により、純金属のＮｂ（融点：２４６９℃、引張強さ：２９０Ｎ／ｍｍ^２），Ｔａ（融点：３０２０℃、引張強さ：３４０Ｎ／ｍｍ^２），Ｖ（融点：１９１０℃、３７０Ｎ／ｍｍ^２），Ｍｏ（融点：２６２３℃、４８０Ｎ／ｍｍ^２）の中の一種を中間金属として介し溶接、Ｔｉ／中間金属／Ｃｕ接合構造を形成させ、ＴｉとＣｕとの直接接合界面を作らない、後続工程に高温加熱しても脆い金属間化合物の形成を避けることができる。

選定されている中間金属（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｍｏ）は、Ｔｉ、Ｃｕとの間の溶融溶接継手の合金状態は共晶型或いは包晶型になるので、継手はＴｉ、Ｃｕ母材以上の強度を持つ。高温、低温での熱膨張、冷収縮による応力が発生しても、強度の弱い母材に発生する歪みがこの応力を吸収して、界面に漏れが発生するのを防ぐことができる。

選定されている中間金属（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｍｏ）は高価な金属であるが、請求項３に記載の発明は、中間筒の幅を最小とした。ジョイントの使用圧力がσ_ａ、材料の降伏応力がσ_Ｙの場合に、安全率ａ、円筒の半径ｒ及び板厚ｔ関係は次ぎの式で算出できる。

溶接加工性も考慮して、中間筒の最小幅を選定することよって爆着クラッド材より安価で提供することができる。

本発明例として、外径φ４０．０、厚み１．０ｍｍのＮｂ中間筒を用いて、ＴＩＧ溶接で内筒のＣｕパイプ（外径φ３８、厚さ１ｔ）及び、外筒のＴｉパイプ（外径φ４４、厚さ２ｔ）と溶接して、Ｔｉ／Ｎｂ／Ｃｕ異種金属ジョイントを製造した。
比較例として、現時点で利用されているＴｉ／Ｃｕ爆着クラッドジョイント、熱間静水圧（ＨＩＰ）方法によるＴｉ／Ｃｕ直接拡散接合クラッドジョイントを用いた。
吸収式空調システム実機で使用するようにＴｉ側にＴｉ配管を溶接して、Ｃｕ側にＣｕ換熱管をロウ付けして、Ｃｕ換熱管に３ＭＰａ圧力をかけて、室温、マイナス５℃、マイナス１５℃での耐低温漏れ試験を行った。

表１には、漏れ試験の結果を記した。

実施例１において、Ｎｂ中間筒の厚みは１．０ｍｍを利用した。板厚１．０ｍｍの場合の安全率を計算すると
Ｎｂ材料の降伏応力 σ_Ｙ＝２０７ＭＰａ，
ジョイントの使用圧力 σ_ａ＝３ＭＰａ

本発明のＴｉ／Ｃｕ異種金属溶接ジョイントは、Ｔｉからなる内筒、Ｃｕからなる外筒でも、強度及び気密性において同等の信頼性がある。

本発明の実施例１の内外筒状ジョイントの縦断面図である。 本発明の実施例１の内外筒状ジョイントの組立する前の状態を示す斜視図である。 本発明の実施例１の内外筒状ジョイントの内筒を溶接する直前の状態を示す斜視図である。 本発明の実施例１の内外筒状ジョイントの外筒を溶接する直前の状態を示す斜視図である。

１ Ｃｕからなる内筒
２ Ｎｂからなる中間層
３ Ｔｉからなる外筒
Ａ 内筒と中間層との重ね溶接箇所
Ｂ 外筒と中間層との重ね溶接箇所

Claims (3)

1. 溶融溶接方法を用いて、優れた耐食性を持つＴｉ及び熱伝導率の高いＣｕにより製造した異種金属ジョイントであって、
   そのＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントは、Ｔｉ側にＴｉ部品を溶融溶接する、Ｃｕ側にＣｕ部品をロウ付けする高温での熱膨張及びマイナス１５℃の低温での冷収縮に耐える強度及び気密性を持つ特徴がある。
2. Ｔｉと金属間化合物を形成しないと共にＣｕと金属間化合物を形成しない中間金属（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｍｏ４種類の中での一種）を介して溶融溶接する請求項１に記載したＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントの製造方法。
3. Ｃｕからなる内筒と、Ｔｉからなる外筒を有する請求項１，２に記載されたＴｉ／Ｃｕ異種金属ジョイントは、Ｃｕ内筒の底部を筒状中間層の底部に重ね溶接し、Ｔｉ外筒の頂部を筒状中間層の頂部に重ね溶接する。筒状中間層はＣｕ内筒及びＴｉ外筒の間に挟まれ、中間層の幅を５ｍｍ以上とすることを特徴とする。

Images