JP4264775B2 - 異種金属の接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合金時共晶凝固現象を示す金属の組み合わせ、例えば銅とアルミニュームの接合などに関するものであり、更に詳しくは、冷凍回路や温水配管など金属配管回路内に異種金属製配管構造物を取り入れる際の接合管の製造方法や、配管構造物端面に異種金属を接合する異種金属の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍回路や温水配管などには一般に加工性のよく、ロウ接などによる接合が容易な銅製の管が使用される事が多い。このような配管回路の中で、例えば冷凍回路では、プレート型熱交換器などは、穿孔し積層させたアルミニューム製のフィンにヘアピン型の銅パイプを内挿して製造されるなど、異種金属を複雑に組み合わせて使用されている。
【０００３】
一方、近年、電化製品などに使用される材料などは易リサイクル性が求められており、特に解体時の易分離性を向上するため、上記熱交換器などでは同一材料で構成された製品が求められている。熱交換器の様な配管構造物を同一の材料で製造する場合、軽量で、リサイクル時に低エネルギーでリサイクルできるアルミニュームが好適であり、廃棄時、配管回路から切り離すだけで他の金属と分離できる事から、リサイクルが容易になる。
【０００４】
アルミニュームなどの易リサイクル材料で構成された配管構造物を銅管主体の配管回路内で使用するためには、銅とアルミニュームの接合部分が必要となる。アルミニュームと銅を接合する場合、ともに熱伝導率が高いため均一に加熱することが難しく、また銅の融点である約１０８０℃に対してアルミニュームの融点が約６６０℃とかけ離れている事や、アルミニューム表面に緻密で化学的に安定な酸化皮膜が存在し金属活性面が現れていない事、アルミニュームと銅の合金には非常に硬くて脆い金属間化合物が存在し、この金属間化合物が接合界面に厚く存在すると接合強度が著しく低下する事などの理由により、その接合には多くの困難が伴い、非常に特殊な接合方法しか実用化されていなかった。
【０００５】
具体的には、フラッシュバット溶着や共晶溶着、摩擦溶着などである。特にこれら接合方法は高圧電源や大きな回転動力などが必要な事から接合管を別部品として製造し、後に同種金属同士で、溶接またはロウ付けなどで接合していた。また、接合形態は上記の突き合わせ接合のほか、特に冷媒配管など流体の密封性確保を目的に重ね合せでの上記接合方法が汎用化してきていた。
【０００６】
フラッシュバット溶着では銅管とアルミニューム管の夫々に電極を取り付け、フラッシュさせる事により銅とアルミニューム双方の接合部位を溶融軟化させ、最終的に１ｋｇ程度の加圧力で密着加圧させて接合する。溶融軟化状態で密着させるため、極表面の薄膜状固体として残っているアルミニューム表面の酸化皮膜は機械的に排除され、溶融している双方の金属が合金化して接合される。
【０００７】
共晶溶着は銅とアルミニュームの合金化したときの特性を利用した接合法である。Θ相とアルミニュームα固溶体の共晶温度が約５５０℃であり、アルミニュームが固相の状態から共晶合金液相を作り出す事ができる。すなわち銅管とアルミニュームをどちらも溶融しない５５０〜６６０℃近傍で金属同士を接触させる事により固相拡散から共晶融液を生成するというメカニズムで接合界面を合金化溶融させ接合する事が可能となる。
【０００８】
実際の手順としては、例えば特開平９−８５４６７号公報にて提示された手段は、端面をテーパー加工した銅管を加熱しアルミニューム管を外嵌めしてアルミニューム管を拡径しながら共晶層を形成する事で、アルミニューム表面の酸化物相を排除し、アルミニュームと銅を密着させ接合する方法などが提案されている。比較的簡単な装置で接合が可能であり、接合面も広く取れ、共晶層も極薄く形成されるため密封性や接合強度の信頼性の高い接合管が安価に製造できるメリットがある。
【０００９】
また、摩擦溶着は銅管とアルミニューム管を接触加圧させた状態で一方を回転させ、接触面の摩擦によりアルミニューム表面の酸化皮膜を機械的に削除し、さらに摩擦熱により接合部位を溶融軟化させた状態で回転を急速に停止させる事で接合を完了する。摩擦熱により銅、アルミニュームとも溶融軟化または固相拡散から共晶融液を生成させて、両金属が合金化し接合されるうえに、確実に接合障壁となる酸化皮膜を排除できる事など確実な接合が可能である。
【００１０】
具体的な手順として、剥離性の良い芯金を入れた状態での突き合わせ摩擦溶着（特開昭５２−４８５４２号公報）する方法や、端面をテーパー加工した銅管アルミニューム管に内挿し、アルミニューム管に拡管、しごき加工を加えながらの摩擦溶着（特開昭５４−１３１５５０号公報）する方法などが提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
冷媒配管などに使用される銅やアルミニューム配管継ぎ手部は配管内を流れる流体の密封性が強く要求され、また内圧が掛かる配管ではその継ぎ手強度が非常に重要となる。特に冷蔵庫内の冷凍回路を構成する配管では、オゾン層破壊の問題や地球温暖化への影響が配慮され、冷媒であるフレオンの脱塩素化とともに、海外では可燃性の炭化水素系の冷媒が採用されるなど、冷媒の漏れ抑制に対する要求が高まって来ている。
【００１２】
さらに、上記と同様の理由で、接合部位数の削減が要求されており、従来の様に銅管とアルミニューム管の接合部品を別に製造し、後に同種金属を接合するのでは無く、配管構造物そのものに直接異種金属チップ管を接合できる方法が求められている。
【００１３】
ここで特に汎用のアルミニューム管は硬質材であっても弾性限度が低く、製造工程の中で管の真円度などが崩れる場合が多い。従って、アルミニューム配管構造物に銅チップ管などを接合する場合など、接合欠陥を防止するうえで、ある程度の変形を許容できる接合方法が必要となる。
【００１４】
以上の用途に基づいて接合部が必要とする仕様および特性に対し、フラッシュバット溶着や摩擦溶着などは密封性や継ぎ手強度など高い信頼性が確保できるものの、高圧電源や大きな回転動力など大掛かりな接合設備が必要であり、配管構造物への直接接合には不向きであった。
また、フラッシュバット溶着では双方の金属を接触近傍まで近づけフラッシュさせるために、また摩擦溶着では双方を大きく回転相対運動させるために管接合端面の寸法精度が高度に維持されなければならない。従って前工程でのアルミニューム管の変形などは許容することができないばかりでなく、接合管製造においても高度の寸法精度確保のために、多大な費用を費やしている。
【００１５】
重ね合せのフラッシュバット溶着や共晶溶着、摩擦溶着においては、ある程度の寸法許容度はあるものの、アルミニューム表面の酸化皮膜を排除し両金属を密着させるために、加圧圧入時、圧入する銅管によりアルミニューム管に拡管、しごき加工をする目的で銅管端面をテーパー加工するなどの前加工が必要である。さらに接合後テーパー部端面が内径側に大きくはみ出す場合があり、このはみ出し部分は配管内を流れる流体の抵抗として作用するために、これを排除する目的でドリル穿孔などによる後加工が必要となる事がある。直接接合を実現するためには後加工は不可能であり、またテーパー等の前加工も接合費用を押し上げる要因となってしまう。
【００１６】
直接接合をするためには、大掛かりな接合設備が不要で、かつ接合する各配管端面の寸法許容差が大きく、合わせてより簡易な端面処理で、密封性や継ぎ手強度などの信頼性の高い接合方法が求められていた。
また単純な接合管を製造する場合においても、製品歩留まりの向上などが可能な簡単な設備で、かつ接合部の端面処理が容易で、端面寸法の許容差が大きくても接合可能な信頼性の高い方法を実現することが求められていた。
【００１７】
本発明は上記問題を解決する為になされたものであり、接合に関わる電気容量や加圧力が大きく複雑な駆動部などを必要とする大掛かりな設備が不要で、接合する各部材の寸法許容差が大きく端面処理が容易で、かつ後加工が不要で、合わせて強度など信頼性の高い接合を安価に実現できる方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る異種金属の接合方法の第１の発明は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方を加圧して軸方向に相対移動させながら周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたことにより、接合障壁となる金属表面の酸化皮膜を破壊し容易に排除できる。また、回転により接合面の形状を相手材に習わせる事ができる。
【００２０】
また、第２の発明は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方をを加圧して軸方向に相対移動させて接触した状態から周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたことにより、接合障壁となる金属表面の酸化皮膜を破壊し容易に排除できる。また、回転により接合面の形状を相手材に習わせる事ができる。
【００２１】
また、第３の発明は、異種金属が銅とアルミニュームの組み合わせであっても、アルミニューム表面の安定な酸化皮膜の存在など多くの接合障壁を克服できる。
【００２２】
また、第４の発明は、異種金属の外嵌め管の端部にフレア加工を施したものを用い、内挿側の端部に面取り処理または切断したままのものを用いることにあり、夫々の接合端部を異形に成形する必要がない。
【００２３】
また、第５の発明は、異種金属の外嵌め側をアルミニューム管とし、内挿側を銅管としたことにあり、異常変形の発生を防止できる。
【００２５】
また、第６の発明は、異種金属の外嵌め側を銅管とし、内挿側をアルミニューム管として、アルミニューム管の内部に芯金を配置することにあり、座屈等の変形を防止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１を示す側面断面図、図２は同じく接合工程図である。この実施の形態１においては、銅管１がアルミニューム管２の内側に内挿されて接合される。銅管１は管端にバリ等が存在する場合または清浄にするために、面取り程度の加工が必要に応じて施されているが、特に端面処理加工を施していないものである。前記銅管１と同軸に対峙するアルミニューム管２は管端にフレア加工などの簡単な端面拡径処理を施されている。銅管１の外径とアルミニューム管２の内径との差（差／２＝挿入代）＞０の関係を有し、かつアルミニューム管２のフレア加工を施した最大内径≧銅管１の端部外径の関係を有する。銅管１の端部外径はアルミニューム管２のフレア加工を施した最大内径以下とし、この差が最大挿入代×２であり、アルミニューム管２の内径の１．３倍以下とする。
【００２７】
前記銅管１とアルミニューム管２は同軸に対峙させ、銅管１を高周波誘導加熱する高周波コイル３により５７０℃〜９００℃程度に加熱する。このとき、アルミニューム管２の融点は約６６０℃だが、接合工程中の銅管１の冷却を考慮して銅管の融点（１０８５℃）以下の範囲で２５０℃程度の過加熱を設けることができる。所望温度に加熱終了後の銅管１を回転させ周方向にこすり合せつつ挿入を実施し、次いで窒素などの不活性ガスなどで冷却し共晶融液を凝固させる事によって接合を達成するものである。銅管１の加熱に際して、アルミニューム管２は銅管と接近させ、または突き合わせ接触させておくことにより予熱することができる。
【００２８】
この挿入時の回転量は３６０°以下が好ましく、３０°〜１８０°が特に好ましい。
【００２９】
また、１０ｍｍ当たり３６０°以上の回転を与えると、当接する相互の管が円形状を確保するために過度のせん断応力負荷がかかって磨耗や変形を来す結果を招き、特にアルミニューム管のネジリ変形が著しくなるなどの不具合が生じる。この結果、接合部近傍のアルミニューム管の強度が低下する事になり、内圧のかかる配管などその接合部の信頼性が低下する。
【００３０】
また、銅管１とアルミニューム管２の擦り合せ部で、摩擦による発熱が大きくなり共晶層が異常に厚く成長するため、接合部の靭性が低下する。
【００３１】
従って、管の挿入条件は、接合部に変形を来すことなく、酸化皮膜の効率的な排除が達成できる、管の挿入量が１０ｍｍに対して３６０°以下の回転範囲に限定する。
銅管１の軸方向送り速度（挿入速度）は１〜２０ｍｍ／ｓｅｃとする。
【００３２】
図３はこの実施の形態１で使用した接合装置を示す模式図である。銅管１とアルミニューム管２は、クランプ４によって同軸に対峙するように保持される。その後、銅管１を高周波誘導加熱する高周波コイル３に給電する。所望温度に加熱した銅管１は、回転量調整治具で５で回されながらシリンダー６でアルミニューム管２に向かって前進し、外面がアルミニューム管２の内面と擦り合わされながら挿入される。銅管１がアルミニューム管２に所定の位置まで挿入されると同時に窒素（その他の非酸化性ガスでもよい）を吹き付け接合体を冷却し、共晶液を固化させるものである。
【００３３】
上記実施の形態１においては、銅管１を高周波コイル３により加熱した後、擦り合わせながら挿入することにより接合しているが、挿入した後加熱するようにしてもよく、その温度範囲は５５０〜６６０℃とするものである。
また、アルミニューム管２は管端部にフレア加工を施さなくてもよいものである。
また、銅管１が移動、回転するようにしているが、アルミニューム管２を移動およびまたは回転させるようにしてもよいものである。
また、管状体を挿入する場合について説明したが、棒状体等を接合する場合にも適用可能である。
また、高周波誘導加熱は、バーナ加熱等の他の加熱手段に替えてもよいものである。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態１では銅管をアルミニューム管に挿入するようにしたが、この実施の形態２においては、アルミニューム管を銅管に挿入することにより接合するようにしている。図４に示すように銅管１は管端にフレア加工などの簡単な端面拡径処理を施されている。前記銅管１と同軸に対峙するアルミニューム管２は管端にバリ等が存在する場合または清浄にするために、面取り程度の加工が必要に応じて施されているが、特に端面処理加工を施していないものである。接合条件は実施の形態１に同等で、挿入代（アルミニューム管２の縮径にほぼ等しい）の範囲も同様である。
【００３５】
なお、芯金７は特にアルミニュームの様な軟質薄肉配管を挿入する際には、挿入する時の押し付け力や回転時のネジリのために、配管にザクツ等の変形が生じる事を防止するため、剥離性の良いものを必要に応じて挿入するもので、材質はステンレス鋼とし、剥離剤としてシリコン系、カーボン系のもの等を接合部に流れ込まない範囲で使用する。クランプ４はアルミニューム管２の接合部およびその周辺を外部から挾持するように拘束し、ザクツ等の変形を抑制するため必要に応じて使用すればよいものである。
図５はアルミニューム管を銅管に挿入することによる接合部を有する全アルミニューム製の配管構造物であるアルミニューム製熱交換器を示す模式図である。
【００３６】
【実施例】
表１は上述した実施の形態に基づく実施例、および異なる接合方法に基づく比較例を示し、引張試験結果、水中漏れ試験による密封性の確認結果を併記している。実施例１及び実施例２においては、図３に示す接合装置により試験材を作成した。
【００３７】
実施例１．
接合するアルミニューム管材質はＪＩＳ−Ａ１０５０−Ｈ１１２とし、銅管はＪＩＳ−Ｃ１２２０−１／２Ｈとした。図１に示す銅管をアルミニューム管に挿入する方式で、銅管を加熱し約７００℃とした後、挿入速度１０ｍｍ／ｓｅｃで、約９０°／１０ｍｍの回転を与え、重ね代約１０ｍｍで圧入を終了すると同時に窒素を吹き付け接合体を冷却、共晶融液を固化させた。
【００３８】
接合後の接合部位断面の顕微鏡写真を図７に示す。共晶層は３０μｍ程度となり、脆弱な金属間化合物単層領域は認められず単一な共晶層のみが薄い層で観察され、健全な接合体が得られている事が確認された。
【００３９】
実施例２．
実施例１と同じ素材で銅管側を外嵌めする方式で加熱回転挿入した。この時のアルミニューム管側は単純な短管ではなく、図５に示す全アルミニューム製の配管構造物であるアルミニューム製熱交換器とした。この時軟質のアルミニューム製熱交換器８およびアルミニューム製ヘッダー９側が内径になる事から、内径の確保のためステンレス鋼の芯金を使用した。なお、接合後の引張試験は接合部分のみを切り取り実施した。
【００４０】
比較例１．
上記実施例と同径の銅管とアルミニューム管を使用し、両方の突き合わせ端面を面取り後、フラッシュバット溶着により接合した。この時、フラッシュ電流の電流密度は５０Ａ／ｍｍ2 程度とし、押し付け力は１ｋｇ／ｍｍ2 程度とした。接合後、内径側への張り出し部分をドリル穿孔により排除した。
【００４１】
比較例２．
図６に示すように銅管１側をテーパー加工し、銅管１外径よりもやや内径の小さいアルミニューム管２に加熱圧入し、共晶融液による接合を行った。この時、銅管１の加熱には高周波誘導加熱を用い約７００℃になったところで、挿入速度約１０ｍｍ／ｓｅｃで圧入し、重ね代約１０ｍｍで挿入終了、窒素ガスにより冷却した。
【００４２】
【表１】
【００４３】
比較例１で示した突き合わせのフラッシュバット溶着による接合では、引張試験において１００本中３本に接合部での剥離が生じ、水中漏れ試験においては１００本中１５本でリーク不良が確認された。本方式は接合時のフラッシュ電流やアプセット力など接合操作の安定性が確保されており、比較的確実な接合が可能なものの、接合面積が小さく、漏れ不良に繋がる連続的な微少欠陥など完全には排除しきれない。
【００４４】
比較例２で示した重ね圧入による接合では、接合面積が大きく微少欠陥等が生じても漏れ不良に至る事が少ないため、密封信頼性は非常に高いと言える。しかし本比較例２の様に、挿入代が小さくアルミニューム管の拡管しごき加工が大きくない条件では、アルミニューム表面の酸化皮膜排除が十分行われず、接合部強度が十分発揮されない場合がある。
【００４５】
これらに対して実施例ではアルミニューム管に銅管を回転挿入する実施例１の場合、および銅管を回転外嵌め挿入する実施例２の場合にも十分信頼性の高い接合がなされ、引張試験においてはアルミニューム管部分の破断のみとなり、接合部剥離は皆無であった。また、水中漏れ試験においても十分な接合面積が確保されている事などにより、漏れ不良は認められなかった。
【００４６】
本発明により異種金属である銅とアルミニュームの接合が容易、かつ高い信頼性で実現できた。特に実施例２で示すように、リサイクル性の高い全アルミニューム性の熱交換器などの配管構造物を容易に組み込む事が可能となった。
【００４７】
なお、本発明は、以上述べた発明の実施の形態において説明し、かつ図面に示した銅管とアルミニューム管の接合方法に限定されるものではなく、例えば、トーチによる加熱など、その要旨を脱し得ない範囲で種種変形して実施することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の第１の発明に係る異種金属の接合方法は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方を加圧して軸方向に相対移動させながら周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたので、接合障壁となる金属表面の酸化皮膜を破壊し容易に排除できる。また、前工程で若干の変形が生じる場合などでも、回転により接合面の形状を相手材に習わせる事ができ、接合部寸法の許容範囲が広がり歩留まりの向上など、高い生産性を実現できる。
【００５０】
また、第２の発明に係る異種金属の接合方法は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方をを加圧して軸方向に相対移動させて接触した状態から周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたことにより、同上の優れた効果が得られる。
【００５１】
また、第３の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属が銅とアルミニュームとを組み合わせたものであっても、回転による摺動を加えて挿入するので、アルミニューム表面の安定な酸化皮膜の存在など、多くの接合障壁を克服でき、容易に接合が可能となる。
【００５２】
また、第４の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属の外嵌め管の端部にフレア加工を施したものを用い、内挿側の端部に面取り処理または切断したままのものを用いることにあり、夫々の金属の接合端部を異形に成形する必要がないので、フレア程度の極簡単な端面処理で接合が可能となる。
【００５３】
また、第５の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属の外嵌め側をアルミニューム管とし、内挿側を銅管としたことにあり、硬質な金属材料をテーパー加工することなく内径側にすることができ、芯金などの治具を使用しなくても、配管内径を狭めない接合部位を製造する事ができる。
【００５５】
また、第６の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属の外嵌め側を銅管とし、内挿側をアルミニューム管として、アルミニューム管の内部に芯金を配置することにあり、寸法精度の高い内径寸法に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１を示す側面断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１を示す接合工程図である。
【図３】 本発明の実施の形態１で使用した接合装置を示す模式図である。
【図４】 本発明の実施の形態２を示す側面断面図である。
【図５】 アルミニューム製熱交換器を示す模式図である。
【図６】 実施例２の供試管形状をを示す断面図である。
【図７】 接合部断面を示す顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１ 銅管、２ アルミニューム管、３ 高周波コイル、４ クランプ、５ 回転量調整治具、６ シリンダー、７ 芯金、８ アルミニューム製熱交換器、９アルミニューム製ヘッダー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、合金時共晶凝固現象を示す金属の組み合わせ、例えば銅とアルミニュームの接合などに関するものであり、更に詳しくは、冷凍回路や温水配管など金属配管回路内に異種金属製配管構造物を取り入れる際の接合管の製造方法や、配管構造物端面に異種金属を接合する異種金属の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍回路や温水配管などには一般に加工性のよく、ロウ接などによる接合が容易な銅製の管が使用される事が多い。このような配管回路の中で、例えば冷凍回路では、プレート型熱交換器などは、穿孔し積層させたアルミニューム製のフィンにヘアピン型の銅パイプを内挿して製造されるなど、異種金属を複雑に組み合わせて使用されている。
【０００３】
一方、近年、電化製品などに使用される材料などは易リサイクル性が求められており、特に解体時の易分離性を向上するため、上記熱交換器などでは同一材料で構成された製品が求められている。熱交換器の様な配管構造物を同一の材料で製造する場合、軽量で、リサイクル時に低エネルギーでリサイクルできるアルミニュームが好適であり、廃棄時、配管回路から切り離すだけで他の金属と分離できる事から、リサイクルが容易になる。
【０００４】
アルミニュームなどの易リサイクル材料で構成された配管構造物を銅管主体の配管回路内で使用するためには、銅とアルミニュームの接合部分が必要となる。アルミニュームと銅を接合する場合、ともに熱伝導率が高いため均一に加熱することが難しく、また銅の融点である約１０８０℃に対してアルミニュームの融点が約６６０℃とかけ離れている事や、アルミニューム表面に緻密で化学的に安定な酸化皮膜が存在し金属活性面が現れていない事、アルミニュームと銅の合金には非常に硬くて脆い金属間化合物が存在し、この金属間化合物が接合界面に厚く存在すると接合強度が著しく低下する事などの理由により、その接合には多くの困難が伴い、非常に特殊な接合方法しか実用化されていなかった。
【０００５】
具体的には、フラッシュバット溶着や共晶溶着、摩擦溶着などである。特にこれら接合方法は高圧電源や大きな回転動力などが必要な事から接合管を別部品として製造し、後に同種金属同士で、溶接またはロウ付けなどで接合していた。また、接合形態は上記の突き合わせ接合のほか、特に冷媒配管など流体の密封性確保を目的に重ね合せでの上記接合方法が汎用化してきていた。
【０００６】
フラッシュバット溶着では銅管とアルミニューム管の夫々に電極を取り付け、フラッシュさせる事により銅とアルミニューム双方の接合部位を溶融軟化させ、最終的に１ｋｇ程度の加圧力で密着加圧させて接合する。溶融軟化状態で密着させるため、極表面の薄膜状固体として残っているアルミニューム表面の酸化皮膜は機械的に排除され、溶融している双方の金属が合金化して接合される。
【０００７】
共晶溶着は銅とアルミニュームの合金化したときの特性を利用した接合法である。Θ相とアルミニュームα固溶体の共晶温度が約５５０℃であり、アルミニュームが固相の状態から共晶合金液相を作り出す事ができる。すなわち銅管とアルミニュームをどちらも溶融しない５５０〜６６０℃近傍で金属同士を接触させる事により固相拡散から共晶融液を生成するというメカニズムで接合界面を合金化溶融させ接合する事が可能となる。
【０００８】
実際の手順としては、例えば特開平９−８５４６７号公報にて提示された手段は、端面をテーパー加工した銅管を加熱しアルミニューム管を外嵌めしてアルミニューム管を拡径しながら共晶層を形成する事で、アルミニューム表面の酸化物相を排除し、アルミニュームと銅を密着させ接合する方法などが提案されている。比較的簡単な装置で接合が可能であり、接合面も広く取れ、共晶層も極薄く形成されるため密封性や接合強度の信頼性の高い接合管が安価に製造できるメリットがある。
【０００９】
また、摩擦溶着は銅管とアルミニューム管を接触加圧させた状態で一方を回転させ、接触面の摩擦によりアルミニューム表面の酸化皮膜を機械的に削除し、さらに摩擦熱により接合部位を溶融軟化させた状態で回転を急速に停止させる事で接合を完了する。摩擦熱により銅、アルミニュームとも溶融軟化または固相拡散から共晶融液を生成させて、両金属が合金化し接合されるうえに、確実に接合障壁となる酸化皮膜を排除できる事など確実な接合が可能である。
【００１０】
具体的な手順として、剥離性の良い芯金を入れた状態での突き合わせ摩擦溶着（特開昭５２−４８５４２号公報）する方法や、端面をテーパー加工した銅管アルミニューム管に内挿し、アルミニューム管に拡管、しごき加工を加えながらの摩擦溶着（特開昭５４−１３１５５０号公報）する方法などが提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
冷媒配管などに使用される銅やアルミニューム配管継ぎ手部は配管内を流れる流体の密封性が強く要求され、また内圧が掛かる配管ではその継ぎ手強度が非常に重要となる。特に冷蔵庫内の冷凍回路を構成する配管では、オゾン層破壊の問題や地球温暖化への影響が配慮され、冷媒であるフレオンの脱塩素化とともに、海外では可燃性の炭化水素系の冷媒が採用されるなど、冷媒の漏れ抑制に対する要求が高まって来ている。
【００１２】
さらに、上記と同様の理由で、接合部位数の削減が要求されており、従来の様に銅管とアルミニューム管の接合部品を別に製造し、後に同種金属を接合するのでは無く、配管構造物そのものに直接異種金属チップ管を接合できる方法が求められている。
【００１３】
ここで特に汎用のアルミニューム管は硬質材であっても弾性限度が低く、製造工程の中で管の真円度などが崩れる場合が多い。従って、アルミニューム配管構造物に銅チップ管などを接合する場合など、接合欠陥を防止するうえで、ある程度の変形を許容できる接合方法が必要となる。
【００１４】
以上の用途に基づいて接合部が必要とする仕様および特性に対し、フラッシュバット溶着や摩擦溶着などは密封性や継ぎ手強度など高い信頼性が確保できるものの、高圧電源や大きな回転動力など大掛かりな接合設備が必要であり、配管構造物への直接接合には不向きであった。
また、フラッシュバット溶着では双方の金属を接触近傍まで近づけフラッシュさせるために、また摩擦溶着では双方を大きく回転相対運動させるために管接合端面の寸法精度が高度に維持されなければならない。従って前工程でのアルミニューム管の変形などは許容することができないばかりでなく、接合管製造においても高度の寸法精度確保のために、多大な費用を費やしている。
【００１５】
重ね合せのフラッシュバット溶着や共晶溶着、摩擦溶着においては、ある程度の寸法許容度はあるものの、アルミニューム表面の酸化皮膜を排除し両金属を密着させるために、加圧圧入時、圧入する銅管によりアルミニューム管に拡管、しごき加工をする目的で銅管端面をテーパー加工するなどの前加工が必要である。さらに接合後テーパー部端面が内径側に大きくはみ出す場合があり、このはみ出し部分は配管内を流れる流体の抵抗として作用するために、これを排除する目的でドリル穿孔などによる後加工が必要となる事がある。直接接合を実現するためには後加工は不可能であり、またテーパー等の前加工も接合費用を押し上げる要因となってしまう。
【００１６】
直接接合をするためには、大掛かりな接合設備が不要で、かつ接合する各配管端面の寸法許容差が大きく、合わせてより簡易な端面処理で、密封性や継ぎ手強度などの信頼性の高い接合方法が求められていた。
また単純な接合管を製造する場合においても、製品歩留まりの向上などが可能な簡単な設備で、かつ接合部の端面処理が容易で、端面寸法の許容差が大きくても接合可能な信頼性の高い方法を実現することが求められていた。
【００１７】
本発明は上記問題を解決する為になされたものであり、接合に関わる電気容量や加圧力が大きく複雑な駆動部などを必要とする大掛かりな設備が不要で、接合する各部材の寸法許容差が大きく端面処理が容易で、かつ後加工が不要で、合わせて強度など信頼性の高い接合を安価に実現できる方法を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る異種金属の接合方法の第１の発明は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方を加圧して軸方向に相対移動させながら周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたことにより、接合障壁となる金属表面の酸化皮膜を破壊し容易に排除できる。また、回転により接合面の形状を相手材に習わせる事ができる。
【００２０】
また、第２の発明は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方をを加圧して軸方向に相対移動させて接触した状態から周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたことにより、接合障壁となる金属表面の酸化皮膜を破壊し容易に排除できる。また、回転により接合面の形状を相手材に習わせる事ができる。
【００２１】
また、第３の発明は、異種金属が銅とアルミニュームの組み合わせであっても、アルミニューム表面の安定な酸化皮膜の存在など多くの接合障壁を克服できる。
【００２２】
また、第４の発明は、異種金属の外嵌め管の端部にフレア加工を施したものを用い、内挿側の端部に面取り処理または切断したままのものを用いることにあり、夫々の接合端部を異形に成形する必要がない。
【００２３】
また、第５の発明は、異種金属の外嵌め側をアルミニューム管とし、内挿側を銅管としたことにあり、異常変形の発生を防止できる。
【００２５】
また、第６の発明は、異種金属の外嵌め側を銅管とし、内挿側をアルミニューム管として、アルミニューム管の内部に芯金を配置することにあり、座屈等の変形を防止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１を示す側面断面図、図２は同じく接合工程図である。この実施の形態１においては、銅管１がアルミニューム管２の内側に内挿されて接合される。銅管１は管端にバリ等が存在する場合または清浄にするために、面取り程度の加工が必要に応じて施されているが、特に端面処理加工を施していないものである。前記銅管１と同軸に対峙するアルミニューム管２は管端にフレア加工などの簡単な端面拡径処理を施されている。銅管１の外径とアルミニューム管２の内径との差（差／２＝挿入代）＞０の関係を有し、かつアルミニューム管２のフレア加工を施した最大内径≧銅管１の端部外径の関係を有する。銅管１の端部外径はアルミニューム管２のフレア加工を施した最大内径以下とし、この差が最大挿入代×２であり、アルミニューム管２の内径の１．３倍以下とする。
【００２７】
前記銅管１とアルミニューム管２は同軸に対峙させ、銅管１を高周波誘導加熱する高周波コイル３により５７０℃〜９００℃程度に加熱する。このとき、アルミニューム管２の融点は約６６０℃だが、接合工程中の銅管１の冷却を考慮して銅管の融点（１０８５℃）以下の範囲で２５０℃程度の過加熱を設けることができる。所望温度に加熱終了後の銅管１を回転させ周方向にこすり合せつつ挿入を実施し、次いで窒素などの不活性ガスなどで冷却し共晶融液を凝固させる事によって接合を達成するものである。銅管１の加熱に際して、アルミニューム管２は銅管と接近させ、または突き合わせ接触させておくことにより予熱することができる。
【００２８】
この挿入時の回転量は３６０°以下が好ましく、３０°〜１８０°が特に好ましい。
【００２９】
また、１０ｍｍ当たり３６０°以上の回転を与えると、当接する相互の管が円形状を確保するために過度のせん断応力負荷がかかって磨耗や変形を来す結果を招き、特にアルミニューム管のネジリ変形が著しくなるなどの不具合が生じる。この結果、接合部近傍のアルミニューム管の強度が低下する事になり、内圧のかかる配管などその接合部の信頼性が低下する。
【００３０】
また、銅管１とアルミニューム管２の擦り合せ部で、摩擦による発熱が大きくなり共晶層が異常に厚く成長するため、接合部の靭性が低下する。
【００３１】
従って、管の挿入条件は、接合部に変形を来すことなく、酸化皮膜の効率的な排除が達成できる、管の挿入量が１０ｍｍに対して３６０°以下の回転範囲に限定する。
銅管１の軸方向送り速度（挿入速度）は１〜２０ｍｍ／ｓｅｃとする。
【００３２】
図３はこの実施の形態１で使用した接合装置を示す模式図である。銅管１とアルミニューム管２は、クランプ４によって同軸に対峙するように保持される。その後、銅管１を高周波誘導加熱する高周波コイル３に給電する。所望温度に加熱した銅管１は、回転量調整治具で５で回されながらシリンダー６でアルミニューム管２に向かって前進し、外面がアルミニューム管２の内面と擦り合わされながら挿入される。銅管１がアルミニューム管２に所定の位置まで挿入されると同時に窒素（その他の非酸化性ガスでもよい）を吹き付け接合体を冷却し、共晶液を固化させるものである。
【００３３】
上記実施の形態１においては、銅管１を高周波コイル３により加熱した後、擦り合わせながら挿入することにより接合しているが、挿入した後加熱するようにしてもよく、その温度範囲は５５０〜６６０℃とするものである。
また、アルミニューム管２は管端部にフレア加工を施さなくてもよいものである。
また、銅管１が移動、回転するようにしているが、アルミニューム管２を移動およびまたは回転させるようにしてもよいものである。
また、管状体を挿入する場合について説明したが、棒状体等を接合する場合にも適用可能である。
また、高周波誘導加熱は、バーナ加熱等の他の加熱手段に替えてもよいものである。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態１では銅管をアルミニューム管に挿入するようにしたが、この実施の形態２においては、アルミニューム管を銅管に挿入することにより接合するようにしている。図４に示すように銅管１は管端にフレア加工などの簡単な端面拡径処理を施されている。前記銅管１と同軸に対峙するアルミニューム管２は管端にバリ等が存在する場合または清浄にするために、面取り程度の加工が必要に応じて施されているが、特に端面処理加工を施していないものである。接合条件は実施の形態１に同等で、挿入代（アルミニューム管２の縮径にほぼ等しい）の範囲も同様である。
【００３５】
なお、芯金７は特にアルミニュームの様な軟質薄肉配管を挿入する際には、挿入する時の押し付け力や回転時のネジリのために、配管にザクツ等の変形が生じる事を防止するため、剥離性の良いものを必要に応じて挿入するもので、材質はステンレス鋼とし、剥離剤としてシリコン系、カーボン系のもの等を接合部に流れ込まない範囲で使用する。クランプ４はアルミニューム管２の接合部およびその周辺を外部から挾持するように拘束し、ザクツ等の変形を抑制するため必要に応じて使用すればよいものである。
図５はアルミニューム管を銅管に挿入することによる接合部を有する全アルミニューム製の配管構造物であるアルミニューム製熱交換器を示す模式図である。
【００３６】
【実施例】
表１は上述した実施の形態に基づく実施例、および異なる接合方法に基づく比較例を示し、引張試験結果、水中漏れ試験による密封性の確認結果を併記している。実施例１及び実施例２においては、図３に示す接合装置により試験材を作成した。
【００３７】
実施例１．
接合するアルミニューム管材質はＪＩＳ−Ａ１０５０−Ｈ１１２とし、銅管はＪＩＳ−Ｃ１２２０−１／２Ｈとした。図１に示す銅管をアルミニューム管に挿入する方式で、銅管を加熱し約７００℃とした後、挿入速度１０ｍｍ／ｓｅｃで、約９０°／１０ｍｍの回転を与え、重ね代約１０ｍｍで圧入を終了すると同時に窒素を吹き付け接合体を冷却、共晶融液を固化させた。
【００３８】
接合後の接合部位断面の顕微鏡写真を図７に示す。共晶層は３０μｍ程度となり、脆弱な金属間化合物単層領域は認められず単一な共晶層のみが薄い層で観察され、健全な接合体が得られている事が確認された。
【００３９】
実施例２．
実施例１と同じ素材で銅管側を外嵌めする方式で加熱回転挿入した。この時のアルミニューム管側は単純な短管ではなく、図５に示す全アルミニューム製の配管構造物であるアルミニューム製熱交換器とした。この時軟質のアルミニューム製熱交換器８およびアルミニューム製ヘッダー９側が内径になる事から、内径の確保のためステンレス鋼の芯金を使用した。なお、接合後の引張試験は接合部分のみを切り取り実施した。
【００４０】
比較例１．
上記実施例と同径の銅管とアルミニューム管を使用し、両方の突き合わせ端面を面取り後、フラッシュバット溶着により接合した。この時、フラッシュ電流の電流密度は５０Ａ／ｍｍ2 程度とし、押し付け力は１ｋｇ／ｍｍ2 程度とした。接合後、内径側への張り出し部分をドリル穿孔により排除した。
【００４１】
比較例２．
図６に示すように銅管１側をテーパー加工し、銅管１外径よりもやや内径の小さいアルミニューム管２に加熱圧入し、共晶融液による接合を行った。この時、銅管１の加熱には高周波誘導加熱を用い約７００℃になったところで、挿入速度約１０ｍｍ／ｓｅｃで圧入し、重ね代約１０ｍｍで挿入終了、窒素ガスにより冷却した。
【００４２】
【表１】
比較例１で示した突き合わせのフラッシュバット溶着による接合では、引張試験において１００本中３本に接合部での剥離が生じ、水中漏れ試験においては１００本中１５本でリーク不良が確認された。本方式は接合時のフラッシュ電流やアプセット力など接合操作の安定性が確保されており、比較的確実な接合が可能なものの、接合面積が小さく、漏れ不良に繋がる連続的な微少欠陥など完全には排除しきれない。
【００４４】
比較例２で示した重ね圧入による接合では、接合面積が大きく微少欠陥等が生じても漏れ不良に至る事が少ないため、密封信頼性は非常に高いと言える。しかし本比較例２の様に、挿入代が小さくアルミニューム管の拡管しごき加工が大きくない条件では、アルミニューム表面の酸化皮膜排除が十分行われず、接合部強度が十分発揮されない場合がある。
【００４５】
これらに対して実施例ではアルミニューム管に銅管を回転挿入する実施例１の場合、および銅管を回転外嵌め挿入する実施例２の場合にも十分信頼性の高い接合がなされ、引張試験においてはアルミニューム管部分の破断のみとなり、接合部剥離は皆無であった。また、水中漏れ試験においても十分な接合面積が確保されている事などにより、漏れ不良は認められなかった。
【００４６】
本発明により異種金属である銅とアルミニュームの接合が容易、かつ高い信頼性で実現できた。特に実施例２で示すように、リサイクル性の高い全アルミニューム性の熱交換器などの配管構造物を容易に組み込む事が可能となった。
【００４７】
なお、本発明は、以上述べた発明の実施の形態において説明し、かつ図面に示した銅管とアルミニューム管の接合方法に限定されるものではなく、例えば、トーチによる加熱など、その要旨を脱し得ない範囲で種種変形して実施することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の第１の発明に係る異種金属の接合方法は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方を加圧して軸方向に相対移動させながら周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたので、接合障壁となる金属表面の酸化皮膜を破壊し容易に排除できる。また、前工程で若干の変形が生じる場合などでも、回転により接合面の形状を相手材に習わせる事ができ、接合部寸法の許容範囲が広がり歩留まりの向上など、高い生産性を実現できる。
【００５０】
また、第２の発明に係る異種金属の接合方法は、合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、少なくとも一方をを加圧して軸方向に相対移動させて接触した状態から周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下としたことにより、同上の優れた効果が得られる。
【００５１】
また、第３の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属が銅とアルミニュームとを組み合わせたものであっても、回転による摺動を加えて挿入するので、アルミニューム表面の安定な酸化皮膜の存在など、多くの接合障壁を克服でき、容易に接合が可能となる。
【００５２】
また、第４の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属の外嵌め管の端部にフレア加工を施したものを用い、内挿側の端部に面取り処理または切断したままのものを用いることにあり、夫々の金属の接合端部を異形に成形する必要がないので、フレア程度の極簡単な端面処理で接合が可能となる。
【００５３】
また、第５の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属の外嵌め側をアルミニューム管とし、内挿側を銅管としたことにあり、硬質な金属材料をテーパー加工することなく内径側にすることができ、芯金などの治具を使用しなくても、配管内径を狭めない接合部位を製造する事ができる。
【００５５】
また、第６の発明に係る異種金属の接合方法は、異種金属の外嵌め側を銅管とし、内挿側をアルミニューム管として、アルミニューム管の内部に芯金を配置することにあり、寸法精度の高い内径寸法に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１を示す側面断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１を示す接合工程図である。
【図３】 本発明の実施の形態１で使用した接合装置を示す模式図である。
【図４】 本発明の実施の形態２を示す側面断面図である。
【図５】 アルミニューム製熱交換器を示す模式図である。
【図６】 実施例２の供試管形状をを示す断面図である。
【図７】 接合部断面を示す顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１ 銅管、２ アルミニューム管、３ 高周波コイル、４ クランプ、５ 回転量調整治具、６ シリンダー、７ 芯金、８ アルミニューム製熱交換器、９アルミニューム製ヘッダー。
Claims (6)
- 合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、
少なくとも一方を加圧して軸方向に相対移動させながら周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、
前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、
冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、
周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下とすることを特徴とする異種金属の接合方法。 - 合金時共晶凝固現象を示す異種金属の管同士または管と棒とを接続する際に、
少なくとも一方をを加圧して軸方向に相対移動させて接触した状態から周方向に回転させることによって周面を擦り合わせて密着部を形成させる工程と、
前記密着部に共晶融液を生じさせるように、前記異種金属の共晶温度と何れかの金属が備える高い融点温度との間の温度となるように予め加熱または後加熱する工程と、
冷却によって前記共晶融液を固化させる工程とを備え、
周方向の回転量は、軸方向に１０ｍｍの移動距離に対して３６０°以下とすることを特徴とする異種金属の接合方法。 - 異種金属が銅とアルミニュームの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の異種金属の接合方法。
- 異種金属の外嵌め管の端部にフレア加工を施したものを用い、内挿側の端部に面取り処理または切断したままのものを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の異種金属の接合方法。
- 異種金属の外嵌め側をアルミニューム管とし、内挿側を銅管としたことを特徴とする請求項１、２または３の何れかに記載の異種金属の接合方法。
- 異種金属の外嵌め側を銅管とし、内挿側をアルミニューム管として、アルミニューム管の内部に芯金を配置することを特徴とする請求項１、２、３、４または５の何れかに記載の異種金属の接合方法。
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