JP2018153834A

JP2018153834A - アルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法

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Publication number: JP2018153834A
Application number: JP2017052227A
Authority: JP
Inventors: 悦子富井; Etsuko TOMII; 健太郎岡本; Kentaro Okamoto
Original assignee: Neekproducts Co Ltd
Current assignee: Neekproducts Co Ltd
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2018-10-04

Abstract

【課題】アルミニウム部材同士の接合やアルミニウム部材と銅部材との接合を、接合する母材を損傷することなく接合することができ、強度が従来のＳｎ−Ｐｂハンダ接合よりも大きく、かつ耐腐食性の良好な接合部を得ることができる接合方法を提供する。【解決手段】アルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とを、非腐食性フラックスとともに、Ｎｉ：１．９〜３．５質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダまたはＮｉ：０．９〜２．５質量％、Ｃｕを１．９〜９．２質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダまたはＮｉ：０．９〜２．５質量％、Ｃｕを１．９〜９．２質量％、Ｇｅ：４質量％以下の範囲で含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダを使用してトーチハンダ付けする。非腐食性フラックスとして、ＣｓＦ−ＡｌＦ３系フラックスを使用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、Ｎｉを含有し、主成分がＳｎであるハンダ合金により、アルミニウム部材同士やアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付け方法に関する。
なお、本発明においては、アルミニウムには純アルミニウムとアルミニウム合金とを、銅には純銅と銅合金とをそれぞれ含むものとする。

アルミニウム材料や銅材料は、熱伝導性に優れるため、熱交換機の蒸発器や配管に用いられている。
ガスの燃焼熱を利用して、ガストーチやバーナを使用するトーチろう付けやトーチハンダ付けは、接合部（ろう付部）を目視しながら作業できるので、局部加熱や全体加熱を自在に使い分けることができる。また、接合部の形状も自在で、自由度の高い接合法であるため、熱交換機のアルミパイプ同士の接合等に広く使用されている接合方法である。

アルミニウム同士のろう付けには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材が使用されるのが一般的であり、ろう材の温度に応じて６００℃程度に加熱してろう付けされていた（特許文献１）。
しかし、Ａｌ母材をＡｌ−Ｓｉ系のろう材でトーチろう付け接合する場合、Ａｌの融点が６６０℃前後であるため、ろう付けの際に母材のＡｌが溶融することがあった。なお、Ａｌおよび銅の融点はそれぞれ９３３Ｋ（６６０℃）、１３５６Ｋ（１０８３℃）である。

低融点ろう材として、融点が４２０℃付近であるＺｎ−Ａｌ系の合金が知られているが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に比べてろうの流動性が悪く、また、Ｚｎを含んでいるためにアルミニウム材への浸食が生じやすい。

熱交換機に使用されるアルミニウム部材の接合には融点の比較的高いろう材が使用されてきたが、使用環境が１００℃程度以下の熱交換機等に使用されるアルミニウム部材や銅部材の接合には、融点の低いハンダによる接合が可能であると考え、本発明者らは、アルミニウム部材同士やアルミニウム部材と銅部材の大気中での接合にハンダが使用できないか試みた。大気中でのトーチを使った方法では、ろう材やハンダ材は、線や箔の形態で使用されるため、ハンダは加工性がよくなければならない。また、強度も従来のＳｎ−Ｐｂハンダの強度レベルでは不十分である。そして、ハンダ付け後の接合部は耐腐食性が要求される。

特開２００５−２０５４６６号公報

上記の事情に鑑み、本発明の目的は、トーチ法により、アルミニウム部材同士の接合やアルミニウム部材と銅部材との接合を、接合する母材を損傷することなく接合することができ、強度が従来のＳｎ−Ｐｂハンダ接合よりも大きく、かつ耐腐食性の良好な接合部を得ることができる接合方法を提供することである。

そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
［１］非腐食性フラックスを使用して、アルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法であって、ハンダがＮｉを１．９〜３．５質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。
［２］非腐食性フラックスを使用して、アルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法であって、ハンダがＮｉを０．９〜２．５質量％、Ｃｕを１．９〜９．２質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。
［３］前記ハンダがさらにＧｅを４質量％以下の範囲で含有することを特徴とする［２］に記載のアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。
［４］前記非腐食性フラックスがＣｓＦ−ＡｌＦ_３系フラックスであることを特徴とする［１］乃至［３］のいずれかに記載のアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。

本発明によれば、所定量のＮｉやＣｕ、さらにＧｅを含有するＳｎ系ハンダを使用してトーチハンダ付けするから、アルミニウム部材同士の接合やアルミニウム部材と銅部材とを、接合する母材を損傷することのない低い温度で接合することができ、かつ接合強度が従来のＳｎ−Ｐｂハンダ接合よりも大きく、かつ耐腐食性の良好な接合部を得ることができる。

アルミニウム管と銅管の接合時の配置を示す〔（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図〕。

本発明者らは、従来のＳｎ−Ｐｂハンダ（Ｐｂが３７％、残部Ｓｎ）よりもハンダの強度を高めるため、強度を高める成分として、ＮｉあるいはＮｉおよびＣｕをＳｎに含有させたハンダの特性を調べた。また、ＮｉおよびＣｕを含有するハンダについては、さらにＧｅを含有させて、Ｎｉ、ＣｕおよびＧｅを含有するハンダの特性を調べた。
最初に、アルミニウム部材および銅部材に対するＳｎ系ハンダのハンダ付け性を確認するため、種々のＳｎを主成分とするハンダについて、ハンダ付け性の評価を以下の手順で行った。
（１）大きさ３０×３０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＡｌ、Ｃｕ試験片にハンダ０．３ｇとフラックス０．０５ｇを載せる。
（２）験片を６２０℃に設定したホットプレートの上に載せる。
（３）フラックス溶融後、ハンダが濡れ広がるか確認する。濡れていればハンダ付け性良好（○）、濡れていなければハンダ付け性不良（×）とした。
試験片の組成と試験結果を以下の表１に示す。

試験片Ｎｏ．１は従来のＳｎ−Ｐｂハンダである。
表１の結果から、ＮｉまたはＮｉおよびＣｕを数％含有するＳｎハンダは、従来のＳｎ−Ｐｂハンダと同様に、ＡｌやＣｕに対して良好なハンダ付け性を示すことが分かる。また、Ｎｉ、ＣｕおよびＧｅを含有するＳｎハンダ（試験片Ｎｏ．６）についても、同様の結果が得られた。

トーチハンダ付けでは、線状や箔状のハンダ材を使用して、ハンダ付けすることから、ハンダの加工性が求められる。また、ハンダ付け後の接合強度、耐腐食性も十分なものでなければならない。
これらの特性を考慮して、本発明のトーチハンダ付けに使用するＳｎハンダを以下の組成とした。なお、以下において、ハンダの組成における「％」は、断らないかぎり「質量％」を指すものとする。

・Ｎｉの含有量
ＮｉをＳｎに単独添加すると接合部の強度の向上に寄与する。しかし、１．９％未満では十分な強度が得られない。また、添加量が多くなるにしたがい、ハンダが硬くなり、加工性が悪化し、ハンダを線や箔に加工できなくなる。また、ハンダ付け時にＮｉが溶融しきれずにハンダが融けきれないため、接合部の強度も落ちてくる。このため、ＮｉをＳｎに単独添加する場合は、Ｎｉの含有量は３．５％以下とした。
以上のことから、ＮｉをＳｎに単独添加する場合、Ｎｉの含有量を１．９〜３．５％とした。好ましくは２．５〜３．２％である。
Ｃｕとともに添加する場合は、より強度が向上するが、それにともなってハンダの加工性が悪化するので、Ｎｉの含有量を０．９〜２．５％とした。好ましくは１．５〜２．３％である。

・Ｃｕの含有量
ＣｕをＳｎに単独添加したハンダはハンダ付け性がよくないが、ＣｕをＮｉと併用すると、ハンダ付け性が良好になり、強度も向上するので、本発明では、ＣｕはＮｉと併用する。
Ｃｕの含有量が１．９％未満では十分な強度が得られない。また、９．２％を超えると、ハンダの加工性を低下させ、ハンダを線や箔に加工できないのみならず、ハンダの融点が上昇し、ハンダ付け性も低下する。Ｃｕの添加はＮｉが２％前後のときに効果的である。
以上のことから、ＣｕはＮｉと併用し、Ｎｉ含有量を０．９〜２．５％として、Ｃｕ含有量は１．９〜９．２％の範囲とした。

・Ｇｅの含有量
ＮｉおよびＣｕを含有するＳｎハンダ組成にさらにゲルマニウムを含有させると、ハンダ濡れ性（はんだ付け性）がＧｅ無添加のときよりも向上し、ハンダ付け時の作業性が改善される。４％を超えると硬くなってハンダの加工性を損ねるので、４％以下とする。

フラックスとしては、通常のアルミニウム合金をろう付けする際に使用されるフッ化物系の非腐食性のフラックス、例えば、ＫＡｌＦ_４、ＫＦ、ＣｓＦ、ＡｌＦ_３等の混合物を使用することができる。これらのフラックスは塩化物を含まないため、接合部材を腐食させることはない。
とりわけ、ＣｓＦとＡｌＦ_３とで構成されるフラックスが洗浄不要かつハンダ付けが可能であるフラックスのうちで最も融点が低いため好ましい。ＣｓＦとＡｌＦ_３の混合比を変えることにより、フラックスの融点を調節できる。本発明では、この混合比〔（質量比）ＣｓＦ／ＡｌＦ_３〕を１．８〜２．５にして、フラックスの融点を４４０〜５００℃の範囲にすることが望ましい。

本発明の実施例を以下に説明する。
表２に示す組成のハンダ原材料を容器に入れ、融点以上に加熱して溶融させ、溶け残りがないことを確認した後に十分に酸化物をヘラにより除去し、溶融金属をくみ取って型に流し込み、冷却してハンダ合金を得た。

上記のハンダとフラックスを使用して、アルミニウム部材および銅部材としてそれぞれ、直径１２．７ｍｍのパイプ材を使用して、図１に示すように、アルミニウムパイプと銅パイプを、ハンダ付け部にフラックスを塗布してセットし、大気中で差しハンダしつつ、トーチハンダ付けした。
なお、接合部におけるアルミニウムパイプの端部は拡管している。
フラックスには、ＣｓＦとＡｌＦ_３とを２：１の割合で混合したＣｓＦ−ＡｌＦ_３系フラックスを使用した。

以下の特性について、評価を以下のようにして行った。
・ハンダの加工性
ハンダ合金を加熱溶融して、直径３ｍｍの型に流し込み，冷却後に取り出した線上のハンダを９０°の角度に曲げる加工を行った。９０°に曲がることができたものをハンダ加工性が良好（〇）、曲がらないで途中で折れたものをハンダ加工性が不良（×）とした。

・ハンダ付け性
上述のトーチハンダ付けを行った後に、アルミパイプと銅パイプとの接合部にハンダのフィレットが形成されていたものをハンダ付け性良好（〇）、フィレットを形成されなかったものをハンダ付け性不良（×）とした。

・腐食試験前の接合部の強度
ハンダ付け後の接合したパイプに水を注入して内圧を昇圧して耐圧試験を行い、接合部分からの水漏れが確認されたときの内圧（「耐圧値(MPa)」）を測定することにより接合部の強度を評価した。この内圧の値が、０〜１２ＭＰａのものを接合部の強度が不良（×）、１３〜１９ＭＰａのものを同強度がやや不良（△）、２０ＭＰａ以上のものを同強度が良好（〇）とした。

・腐食試験後の接合部の強度
ハンダ付け後の接合したパイプを室温８５℃、湿度８５％の環境に１０００時間放置した後に、上記の腐食試験前と同様の試験を行い、接合部分からの水漏れが確認されたときの内圧（「耐圧値(MPa)」）を測定することにより接合部の強度を評価した。評価の基準は、上記の「腐食試験前の接合部の強度」の場合と同じである。

・耐腐食性の評価
上記の腐食試験後の耐圧値から腐食試験前の耐圧値(MPa)を差し引いた値が、−２（ＭＰａ）以上のものを耐腐食性が良好（〇）、−４〜−３（ＭＰａ）のものを耐腐食性がやや不良（△）、−５以下のものを耐腐食性が不良（×）とした。
以上の試験結果を表２に示す。

比較例１は、従来のＳｎ−Ｐｂ系ハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であるものの、腐食試験前の耐圧試験の結果（耐圧値）が１２ＭＰａであり、接合部の強度が不良である。なお、比較例１については腐食試験後の耐圧試験は行わなかった。
比較例２は１％のＮｉを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合であるが、ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であるものの、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果がそれぞれ１５ＭＰａ、１３ＭＰａであり、接合部の強度がやや不良である。Ｎｉ含有量が１％では十分な強度が出ていない。

Ｎｏ．３の本発明例１は、２％のＮｉを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果がいずれも２０ＭＰａ、比較例１（従来のＳｎ−Ｐｂハンダ）の約１．７倍であり、接合部の強度も良好である。
本発明例２は、３％のＮｉを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果は、それぞれ２６ＭＰａ、２７ＭＰａ、比較例１の２倍以上であり、接合部の強度も良好である。

しかし、４％のＮｉを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である比較例３では、ハンダ付け性は良好であるが、ハンダ加工性が不良であり、また、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果も、それぞれ１８ＭＰａ、１６ＭＰａであり、接合部の強度がやや不良である。
また、比較例４は、ＣｕをＳｎに単独添加したハンダであり、５％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダである。ハンダ加工性は良好であるものの、ハンダ付け性が不良であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果がいずれも０ＭＰａである。

本発明例３は、１％のＮｉおよび５％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験のいずれの結果も、それぞれ上回る２７ＭＰａ、２８ＭＰａであり、接合部の強度も良好である。
本発明例４は、２％のＮｉおよび５％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験のいずれの結果も２８ＭＰａであり、接合部の強度も良好である。

本発明例５〜７は、いずれも２％のＮｉおよび５％のＣｕを含み、さらにそれぞれ０．３％、１％、３％のＧｅを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。Ｇｅを含有するので、ハンダの濡れ性が向上することから、ハンダ付け性が良好になり、本発明例４よりもハンダ付け時の作業性が向上した。また、ハンダ加工性も良好であり、腐食試験前の耐圧試験の結果がそれぞれ２５ＭＰａ、２８ＭＰａ，２８ＭＰａ、腐食試験後の耐圧試験の結果がそれぞれ２７ＭＰａ、２６ＭＰａ、２８ＭＰａであり、接合部の強度も良好である。

本発明例８は、２％のＮｉおよび９％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果が、それぞれ２８ＭＰａ、２７ＭＰａであり、接合部の強度も良好である。
比較例５は、２％のＮｉおよび１０％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ付け性、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果がそれぞれ、２８ＭＰａ、２７ＭＰａであり、接合部の強度も良好であるものの、ハンダ加工性が不良である。

比較例６は、１％のＮｉおよび１％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性およびハンダ付け性は良好であるものの、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果がそれぞれ、１８ＭＰａ、１７ＭＰａであり、接合部の強度がやや不良である。

本発明例９は、１％のＮｉおよび２％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性とハンダ付け性は良好であり、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果が、それぞれ２０ＭＰａ、２１ＭＰａであり、接合部の強度も良好である。
比較例７は、３％のＮｉおよび９％のＣｕを含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるハンダによる接合である。ハンダ加工性およびハンダ付け性が不良であり、ハンダ付けを実施したが、フィレットが形成されず、腐食試験前の耐圧試験を実施しなかった。

耐腐食性については、本発明例１〜９および比較例２〜７のいずれもが、腐食試験前および腐食試験後の耐圧試験の結果に大きな差がなく、耐腐食性は良好であった。
以上の結果から分かるように、本発明例１〜９のいずれもがハンダ加工性、ハンダ付け性、接合部の強度および耐腐食性が良好であった。

Claims

非腐食性フラックスを使用して、アルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法であって、ハンダがＮｉを１．９〜３．５質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。
非腐食性フラックスを使用して、アルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法であって、ハンダがＮｉを０．９〜２．５質量％、Ｃｕを１．９〜９．２質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。
前記ハンダがさらにＧｅを４質量％以下の範囲で含有することを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。
前記非腐食性フラックスがＣｓＦ−ＡｌＦ_３系フラックスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアルミニウム部材同士またはアルミニウム部材と銅部材とをトーチハンダ付けする方法。