JP2014163587A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接合部での割れを防止した熱交換器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態の熱交換器は,少なくとも一方がステンレス鋼からなる,第1,第2の母材と,前記第1,第2の母材を接合し,92質量%以上のNiを含み,MIG溶接で形成された接合部と,を具備する。
【選択図】図1A
【解決手段】実施形態の熱交換器は,少なくとも一方がステンレス鋼からなる,第1,第2の母材と,前記第1,第2の母材を接合し,92質量%以上のNiを含み,MIG溶接で形成された接合部と,を具備する。
【選択図】図1A
Description
本発明の実施形態は,熱交換器およびその製造方法に関する。
熱交換器では,構造材料として,耐熱,耐圧,耐食性の要求からステンレス鋼が使用され,伝熱材料として,熱伝導率の高い銅やアルミを含有する金属が使用されることが多い。これらの各種金属(母材)間が,共材および異材にて,冶金的に接合(溶接)される。
伝熱を考慮すると,接合部に高い熱伝導率を持たせることが好ましい。このため,Cuを含有する溶接材料を用いて,母材を溶接することが考えられる。
しかしながら,Cuを含有する溶接材料を用いて,ステンレス鋼等の母材を溶接した場合,割れが発生する場合がある。例えば,ステンレス鋼と軟鋼製フィンを銅ろうで溶接したとき,ステンレス鋼に割れが発生した事例,および精密鋼管を黄銅ろうで溶接したとき,精密鋼管に割れが発生した事例がある。
母材がステンレス鋼で,溶接材料がCuを含有する場合,接合部において,ステンレス鋼の粒界にCuが侵入することで,割れが発生する可能性がある。また,溶接材料が母材により希釈された場合,CuとFeの相互の固溶限が低いために,溶融したCu(もしくはFe)が析出することで,割れが発生する可能性もある。
割れを防止するために,溶接前に,NiやNi−Cu系材料の層(中間層)を母材に付加することが考えられる。また,MIG(metal inert gas)ブレージングを用いることで,溶接材料の希釈化を低減できる。しかしながら,これらの手法を用いても,接合部の応力が大きい場合,割れが発生する可能性がある。
溶接学会誌 第42巻(1973)第12号 pp.86−98
本発明が解決しようとする課題は,接合部での割れを防止した熱交換器およびその製造方法を提供することである。
実施形態の熱交換器は,少なくとも一方がステンレス鋼からなる,第1,第2の母材と,前記第1,第2の母材を接合し,92質量%以上のNiを含み,MIG溶接で形成された接合部と,を具備する。
本発明によれば,接合部での割れを防止できる。
図1A,図1Bは,実施形態に係る熱交換器での接合構造の一例を表す模式図である。これらの接合構造は,母材11,母材12,接合部13を備える。
母材11,母材12は,板材(平板形状の部材),または管材(管形状の部材)である。母材11,母材12の組み合わせとして,板材−板材,板材−管材,管材−管材を挙げることができる。例えば,図1Aでは,母材11,母材12は,T字状に組み合わされた2つの板材である(板材−板材)。図1Bでは,母材11,母材12は,板材と管材の組み合わせである(板材−管材)。
板材は,例えば,熱交換器の構造材料であり,強度等を考慮し,例えば,ステンレス鋼からなる。管材は,例えば,熱交換器の冷却管であり,熱伝導を考慮し,例えば,銅または銅を主成分とする合金からなる。
ここでは,母材11,母材12の少なくとも一方がステンレス鋼(より具体的には,SUS304,304L,316,316Lに代表されるオーステナイト系ステンレス鋼)からなる。ステンレス鋼は,溶接時に割れる可能性があり,後述の溶接材料と組み合わせることで,溶接時での割れの低減等が可能となる。
熱交換器においては,母材11,母材12は,例えば,冷却媒体を流す配管,冷却フィン等,熱伝達用の部材を構成する場合がある。この場合,母材11,母材12の一方または双方に肉厚が薄い(薄肉)材料が用いられる。後述のように,この場合,低入熱での溶接が望まれる。なお,薄肉とは,3mm以下の肉厚を言うものとする。
接合部13は,母材11,母材12を接合するものであり,溶接時に溶融された溶接材料が固化したものである。後述のように,溶接材料は,92質量%以上のNiを含む。
ここで,熱交換器では,冷却効率を向上させるため,接合部13の溶着面積(接合部13と母材11,12との境界の断面積)が大きいことが好ましい。
図1A,図1Bに示すように,熱交換器の接合構造では,接合部13の断面形状が略三角形の隅肉継手(隅肉溶接)が用いられることが多い。図1Aでは,T字状に組み合わされる板材の間に角を有する接合部13が配置される。図1Bでは,板材と管材の間に角を有する接合部13が配置される。
隅肉溶接では,溶接時において,接合部13の角に引張応力が集中し易く,割れが発生し易い。
熱交換器の接合構造は,隅肉継手以外に,溝継手(溝溶接)がある。図2A,図2Bは,溝継手の接合構造の一例を表す。この接合構造は,母材21,母材22,接合部23を備える。母材21の溝24内に,母材22が配置される。また,母材22と溝24の内面との間を接合部23が接合する。溝溶接でも,溶接時において,接合部23の角に引張応力が集中し易く,割れが発生し易い。
以上のように,熱交換器での溶接には,例えば,次の(1)〜(5)のような要請がある。
(1)母材11,12として,ステンレス材料が用いられることが多い。
(2)接合部13は,隅肉溶接等,応力の集中により,割れが発生し易い。
(3)接合部13は,伝熱の関係で,熱伝導が良好である必要がある。
(4)母材11,12は,伝熱の関係で,薄肉であることが多い。
(5)接合部13の溶着面積は,伝熱の関係で,大きいことが好ましい。
(1)母材11,12として,ステンレス材料が用いられることが多い。
(2)接合部13は,隅肉溶接等,応力の集中により,割れが発生し易い。
(3)接合部13は,伝熱の関係で,熱伝導が良好である必要がある。
(4)母材11,12は,伝熱の関係で,薄肉であることが多い。
(5)接合部13の溶着面積は,伝熱の関係で,大きいことが好ましい。
これらの要請の一部または全部を同時に満たすことは必ずしも容易ではない。例えば,接合部13をCu系材料,Cu−Ni系材料とすると,熱伝導を良好とすることができる。しかし,Cu系材料,Cu−Ni系材料を用いて,ステンレス鋼の母材を隅肉溶接した場合,割れが発生する可能性が大きい。例えば,溶接材料中のCuがステンレス鋼の粒界に侵入することで,液体金属脆化割れが発生する可能性がある。また,母材による溶接材料の希釈が多い場合,CuとFe相互間の固溶限が低いことにより,溶融したCu(もしくはFe)が析出して,割れが発生する可能性がある。
本実施形態では,溶接材料として,Cuを実質的に含有せず,92質量%を超えるNiを含有する金属材料を用いる。この結果,粒界侵入の発生しない隅肉溶接等が可能となる。
より好ましい溶接材料は,92質量%以上のNi,1.5質量%以下のAl,3.5質量%以下のTiを含み,C,Si,Mn,P,S,Fe,Cuがそれぞれ1質量%以下である。図3に,溶接材料の成分の一例を示す。この溶接材料は,約95質量%以上のNi,0.1質量%以下のAl,3.5質量%以下のTi,0.1質量%以下のFe,0.5質量%以下のSi,Mnを含み,C,P,S,Cuがそれぞれ0.02質量%以下である。
これらの溶接材料はいずれも,Cuを実質的に含有しないことから,母材がステンレスの場合でも,Cuの粒界侵入による割れが発生しない。また,この溶接材料は,Cuを実質的に含有しないことから,母材への希釈が多い場合でも,固溶限に起因する割れも発生しない。
Niの含有率が92質量%以上の溶接材料は,熱伝導率が29.7W/m・K以上となり,Cu系材料相当以上の熱伝導率を有する。熱交換器の冷却効率を上げるため,接合部13が,30W/m・K以上の熱伝導率を有することが好ましい。
図4の熱伝導率の比較表に示すように,Niの熱伝導率(31.7W/m・K)は,母材11,12となるステンレス鋼(ここでは,SUS316L)の熱伝導率(14.2W/m・K)より大きく,溶接材料として一般的なCuSi系溶材の熱伝導率(29.7W/m・K)相当である。即ち,接合部13が母材11,12相当またはそれ以上の熱伝導率を有する。
溶接方法として,低入熱のMIG(Metal Inert Gas)溶接を用いることができる。MIG溶接は,シールドガスに不活性ガスのみを使う溶接方法である。即ち,不活性ガスによって,母材および溶接材料が大気と遮断された状態で,溶接が行われる。
一般に,薄肉材料の溶接には,TIG(Tungsten Inert Gas)溶接が用いられることが多い。しかし,溶着面積が大きくなるように,薄肉材料をTIG溶接すると,薄肉材料が変形する畏れがある。即ち,図5に示すように,TIG溶接では,MIG溶接,あるいはCMT溶接(MIG溶接の一種)に比べて,1パス当りのワイヤ溶融量が少ない。このため,多パスでの溶接が必要となり,総入熱量が大きくなり,薄肉材料が変形する畏れがある。
低入熱とは,ビード長当たり,10kJ/cm以下(例えば,2〜10kJ/cm)の入熱量であることを意味する。このとき,30g/min以上(例えば,30〜60g/min)の溶着量であることが好ましい。低入熱で,高速な溶接が可能となり,薄肉の母材11,12に対して,溶着面積の大きな接合部13を形成できる。
低入熱のMIG溶接として,CMT(Cold Metal Transfer)溶接を利用できる。CMT溶接法では,溶接ワイヤの引き出し,引き戻しを繰り返す。この結果,短絡電流が低く抑えられ,低入熱での溶接が可能となる。即ち,母材に向かって,溶接ワイヤが引き出され,溶接ワイヤが母材に接触すると(即ち,短絡が検知されると),溶接ワイヤが引き戻され,溶滴の切断が促進される。この引き出し,引き戻しを自動的に繰り返すことで,短絡電流が低く抑えられ,低入熱での溶接が可能となる。
図5に示すように,CMT溶接は,1パス当りのワイヤ溶融量が多く,かつ入熱量が小さい。即ち,母材11,12が薄肉の場合でも,CMT溶接法では,溶け落ちが無く,変形が少ない。また,CMT溶接法を用いることで,パス数が削減され,施工時間の短縮が可能となる。
ここで,シールドガスは,50容量%以上のHeを含み,残部がArおよび不可避的不純物からなるガス(例えば,75容量%のHe,25容量%のArの混合ガス)を用いる。純Arのシールドガスでは,溶接ワイヤの先端に発生するアークが安定せず,溶接方向に対して,ビードが蛇行した形状となる。さらには,ビードのぬれ性が悪く凸形状となり,ビードの端部に応力集中による割れが発生し易い。Heを50%以上混合したシールドガスを用いることで,アークが安定化し,ビードのぬれ性を向上できる。その結果,ビードの端部形状が滑らかになり,応力集中が低減され,割れが発生し難くなる。この結果,接合部13の溶着面積を拡大して,熱交換効率を向上することも容易となる。
(実施例)
実施例を説明する。本実施例では,ステンレス鋼の構造物とステンレス鋼の配管を隅肉溶接にて接合する。
実施例を説明する。本実施例では,ステンレス鋼の構造物とステンレス鋼の配管を隅肉溶接にて接合する。
溶接材料は,図3に示す組成の材料を用いた。溶接材料が実質的にCuを含有しないため,割れを発生させることなく,ステンレス鋼を溶接できる。
既述のように,この溶接材料は,母材相当またはそれ以上,CuSi系溶材相当の熱伝導率を有する。
[溶接条件]
母材の溶接条件を次に示す。
・溶接電源 : CMT溶接電源(フローニアス製)
・試験材(母材11) : SUS316L(板厚32mm)
・試験材(母材12) : SUS316L(配管呼び径 6A,Sch40)
・ワイヤ送給速度 : 8m/min
・ワイヤ径 : φ1.0mm
・溶接速度 : 22cm/min
・シールドガス : 25%Ar+75%He
母材の溶接条件を次に示す。
・溶接電源 : CMT溶接電源(フローニアス製)
・試験材(母材11) : SUS316L(板厚32mm)
・試験材(母材12) : SUS316L(配管呼び径 6A,Sch40)
・ワイヤ送給速度 : 8m/min
・ワイヤ径 : φ1.0mm
・溶接速度 : 22cm/min
・シールドガス : 25%Ar+75%He
この溶接材料を用い,TIG溶接,CMT溶接を行った試験結果を図6に示す。試験結果は,アーク安定性,ビード外観,断面マクロ(粒界侵入による割れの有無)を評価した。
図6に示すように,CMT溶接の結果が良好であった。CMT溶接では,ビード外観形状が安定していることから,アークの安定性が良好であったことがわかる。また,断面マクロ観察結果により,配管に溶け落ち,割れが無いことが確認された。TIG溶接では,割れは発生しないものの,ビード外観形状が安定せず,また入熱量が多い。さらに,CMT溶接に比べて,TIG溶接では,パス数および作業時間を要することが判る。
この結果から,母材,特に,薄肉の母材の溶接には,TIG溶接より,CMT溶接の方が,溶接結果および作業性の双方に優れることが判る。
この結果から,母材,特に,薄肉の母材の溶接には,TIG溶接より,CMT溶接の方が,溶接結果および作業性の双方に優れることが判る。
(比較例)
既述のように,母材がステンレス鋼で,溶接材料がCuを含有する場合,母材の粒界にCuが侵入し易い。その結果,粒界の脆化を引き起こし,接合部に引張応力が働くことで,割れを起こす。図7に代表的な割れの様相写真を示す。
既述のように,母材がステンレス鋼で,溶接材料がCuを含有する場合,母材の粒界にCuが侵入し易い。その結果,粒界の脆化を引き起こし,接合部に引張応力が働くことで,割れを起こす。図7に代表的な割れの様相写真を示す。
割れを防止するために,溶接前に,NiやNi−Cu系材料の層(中間層)を母材に付加することで,粒界浸入割れを防止することが考えられる。
しかしながら,隅肉溶接あるいは溝溶接のような応力の大きい継手において,Cuの粒界侵入による割れを低減するのは困難である。
図8は,溶接材料CuSi−Aを用いて,Niの中間層(Niめっき)を付加したステンレス鋼の配管(母材)を溶接したときの試験結果を表す。Niめっきの膜厚を10〜100μmと変化させたが,Cuのステンレス鋼の粒界への浸入による割れが発生した。
図9は,溶接材料のCu含有量を93〜29質量%と変化させて,ステンレス鋼の配管(母材)を溶接したときの試験結果を表す。いずれの場合も,Cuのステンレス鋼の粒界への浸入による割れが発生した。
これに対して,実施例に示すように,92質量%を超えるNiを含有する溶接材料を用いた低入熱MIG溶接により,割れなくステンレス鋼の母材を溶接できる。この場合,NiおよびNi−Cu系材料の中間層は不要である。
以上説明した実施形態によれば、接合部での割れを防止することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが,これらの実施形態は,例として提示したものであり,発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は,その他の様々な形態で実施されることが可能であり,発明の要旨を逸脱しない範囲で,種々の省略,置き換え,変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は,発明の範囲や要旨に含まれるとともに,特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
11,12 母材
13 接合部
21,22 母材
23 接合部
24 溝
13 接合部
21,22 母材
23 接合部
24 溝
Claims (10)
- 少なくとも一方がステンレス鋼からなる,第1,第2の母材と,
前記第1,第2の母材を接合し,92質量%以上のNiを含み,MIG溶接で形成された接合部と,
を具備する熱交換器。 - 前記接合部が,92質量%以上のNi,1.5質量%以下のAl,3.5質量%以下のTiを含み,C,Si,Mn,P,S,Fe,Cuがそれぞれ1質量%以下である
請求項1記載の熱交換器。 - 前記接合部が,30W/m・K以上の熱伝導率を有する
請求項1または2に記載の熱交換器。 - 前記接合部が,隅肉形状または溝継手形状を有する,
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 前記第1,第2の母材が,平板形状または管形状を有する,
請求項4記載の熱交換器。 - 前記第1,第2の母材が,NiまたはNi−Cu系材料の中間層を有しない
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 前記MIG溶接が,CMT溶接である
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 前記CMT溶接が,2〜10kJ/cmの入熱,30〜60g/minの溶着量で,実行される
請求項7記載の熱交換器。 - 前記MIG溶接が,50容量%以上のHeを含み,残部がArおよび不可避的不純物からなるシールドガスを用いて,行われる
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の熱交換器。 - 少なくとも一方がステンレス鋼からなる,第1,第2の母材を配置する工程と,
92質量%以上のNiを含む溶接材料を用いた,MIG溶接で,前記第1,第2の母材を溶接する工程と,
を具備する熱交換器の製造方法。
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