JP4588370B2

JP4588370B2 - 接合強度と気密性に優れた、アルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管及びステンレス−アルミ異種金属接合管

Info

Publication number: JP4588370B2
Application number: JP2004185397A
Authority: JP
Inventors: 雅敏有年; 敏幸片山; 好夫中野; 正道松井; 孝司八木
Original assignee: Nichirin Co Ltd; Hyogo Prefectural Government
Current assignee: Nichirin Co Ltd; Hyogo Prefectural Government
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: JP2006009873A

Description

本発明は、自動車用エアコンの冷媒回路などに用いられるステンレス鋼製の振動吸収管に関し、特にアルミニウム製パイプとの接続部を有する振動吸収管に関する。

近年、車体の軽量化を目的として自動車用エアコンの冷媒回路の配管にはアルミニウム合金製配管が使用されているが、コンプレッサ等で発生する振動が配管を共振させ騒音を引き起こすおそれがある。そこで、配管の共振を抑制するために、従来はゴムと樹脂とからなる複合ホースが配管の途中に組み込まれて使用されていた。

ところで、自動車用のエアコンの冷媒として、オゾン層の破壊物質であるフロンに代えてＨＦＣ１３４ａが多く用いられている。しかし、このＨＦＣ１３４ａは、オゾン破壊係数は零であるが、地球温暖化係数が高く温暖化促進の原因となりつつある。このため、ＨＦＣ１３４ａ代替物質として、温暖化係数の小さい、自然系冷媒であるＣＯ₂冷媒を使用することが推奨されつつある。

ところが、ＣＯ₂冷媒を使用する場合、冷媒回路配管の耐熱温度がＨＦＣ１３４ａ冷媒の１２０〜１４０℃に対し１４０〜１８０℃を要するとともに、吐出圧力もＨＦＣ１３４ａ冷媒の１.７〜１.８ＭＰaに対し１３〜１５ＭＰａを要する。

このため、従来のようなゴムと樹脂とからなる複合ホースではこのような高温高圧仕様には耐えられないため、代わってステンレス鋼製の蛇腹を有する振動吸収管が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このステンレス鋼製の振動吸収管は、管壁が金属製であるため従来のゴムと樹脂とからなる複合ホースに比して格段に優れた耐ガス透過性を有し、冷媒を外に漏らすことがない。したがって、このステンレス鋼製の振動吸収管はＣＯ₂冷媒のみならず、現状のＨＦＣ１３４ａ冷媒等に対しても冷媒の外気への漏洩量をゼロに近付ける目的で使用が進められている。

しかしながら、この振動吸収管を冷媒回路に組み込む際には以下の問題がある。すなわち、振動吸収管の蛇腹部分は、加工性と強度の問題から現状ではステンレス鋼しか用いることができない。一方、冷媒回路配管は、車体の軽量化とコストを考慮するとステンレス鋼に変更することは困難であり、現状のアルミニウム（アルミニウム合金を含めて以下では単にアルミニウム又はアルミということがある）製を用いることが必要とされている。したがって、ステンレス鋼製の振動吸収管とアルミニウム製の配管とを接合する必要がある。しかしながら、これらの金属製のパイプ同士を単に機械的に嵌合させたり、螺合させたりする方法によっては、信頼性のある高強度かつ高気密性を有する接合部を得ることは非常に難しい。また、アルミニウムとステンレス鋼とを溶接やロウ付けで接合すると、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために、この場合も信頼性のある高強度かつ高気密性を有する接合部を得ることは非常に困難である。

なお、鉄系材料とアルミニウムとの接合方法として、鉄系材料からなる母材の表面に荒加工を施して凹凸を形成した後、アルミニウム層を仮形成し、このアルミニウム層を表面側から押圧しながら、高周波加熱することにより、Ｆｅ−Ａｌの金属間化合物からなる拡散層を形成する方法が開示されている（特許文献２参照）。

しかしながら、この方法は金属間化合物からなる拡散層を形成することによって母材表面の耐磨耗性や平滑度を向上させることを目的とするものであり、金属間化合物を形成する限り信頼性のある高強度かつ高気密性を有する接合部は得られない。
特開２００２−１９５４７４号公報特開平７−３１０１６１号公報

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、強度および気密性に優れたしかも比較的容易に製作し得るステンレス鋼製振動吸収管などの、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプの異種金属接合管を提供することを目的とする。

本発明はこのような課題の解決のために完成されたものであって、その要旨とする特徴は以下の通りである。
（１）外周に少なくとも繊維補強層が被覆されたステンレス鋼製の蛇腹管と前記蛇腹管の両端部にロウ付け固定されたステンレス鋼製ニップルを有する振動吸収管において、この振動吸収管の前記ステンレス鋼製ニップルの端面とこれに接続すべきアルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製ニップルの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れた、アルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管。
（２）外周に少なくとも補強層が設けられたステンレス鋼製蛇腹管と前記蛇腹管の両端部にロウ付け固定されたステンレス鋼製ニップルを有する振動吸収管において、この振動吸収管の前記ステンレス鋼製ニップルとこれに接続すべきアルミニウム製パイプがステンレス鋼製アダプターパイプを介して接続されており、前記ステンレス鋼製アダプターパイプの一方の端面とアルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製アダプターパイプの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合して前記ステンレス鋼製ニップルの端面と前記アダプターパイプの他方の端面とを溶接により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れた、アルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管。
（３）ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプを接合した接合管において、前記ステンレス鋼製パイプの端面と前記アルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、該摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製パイプの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れたステンレス-アルミニウム異種金属接合管。
（４）ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプを接合した接合管において、前記両パイプがステンレス鋼製アダプターパイプを介して接続されており、前記ステンレス鋼製パイプの端面と前記アルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、該摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製パイプの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合し、さらに前記ステンレス鋼製ニップルの端面と前記アダプターパイプの他方の端面とを溶接により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れたステンレス-アルミ異種金属接合管。

本発明により、接合強度と気密性に優れたアルミニウム製パイプを接合したステンレス鋼製振動吸収管などのステンレス鋼-アルミニウム異種金属接合管を比較的容易に提供することができる。その結果、自動車用エアコンにＣＯ₂冷媒を用いることによる地球環境への負荷の低減と、車体の軽量化とを両立させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明に係る典型的な実施形態であり、自動車用エアコンに用いられるアルミニウム製のＣＯ₂冷媒回路配管の途中に、同アルミニウム製配管との接続部を有するステンレス鋼製振動吸収管造を示したものである。図１では一方の片側の接続部のみを示し、反対側の接続部は省略している。

この図１において、振動吸収管１はその中央側に軸方向に対して形成された蛇腹部５ａ並びにその両端部に位置する直管部５ｂからなるステンレス鋼製の蛇腹管５と、この蛇腹管５の外周を繊維又は金属ワイヤにより編組した補強層８と、同蛇腹管５の管端部に挿入され、前記直管５ｂにロウ付け、固定されたステンレス鋼製のニップル７と、さらに管端部の外側にあって前記補強層８を前記ニップル７間に挟み込み、これらを一体的に固着させた加締め金具９とにより構成されている。なお、必要に応じて前記蛇腹部５ａと補強層８との間にゴムあるいは樹脂からなる緩衝層（図示しない）が設けられる。

かかる振動吸収管１のニップル７には、これと内径及び外径が同一のアルミニウム製パイプ２が、やはり内径及び外径が同一であるステンレス鋼製のアルミニウム製アダプターパイプ１０を介して接続されている。即ち、振動吸収管１のニップル７とアダプターパイプ１０との接合は、両者の端面、即ちニップル７の先端の端面とアダプターパイプ１０の基端の端面とが図のように互いに嵌合する雄雌形状に加工されており、これらを嵌め合わせた状態でＴＩＧ溶接することによってなされている。６はＴＩＧ溶接部を示している。

そして、このアダプターパイプ１０は上記振動吸収管１への上記溶接による接合に先立ち、アルミニウム製パイプ２と接合される。アダプターパイプ１０とアルミニウム製パイプ２の接合は、固相接合である摩擦圧接と、圧着の二種類の接合手段によりなされている。

即ち、図１のｆは固相接合の摩擦圧接部であり、アダプターパイプ１０の先端の垂直端面とアルミニウム製パイプの先端の垂直端面が摩擦圧接により接合された部分であり、また、ｐは圧着部であり、摩擦圧接部ｆからニップル７側に向かって連続して延出したアルミニウム製パイプ２のバリ３ａの内周面と、アダプターパイプ１０の外周面が圧着により接合された部分である。

この摩擦圧接及び圧着による接合方法を図２を参照して説明する。先ず、アルミニウム製パイプ２を前後に移動可能なクランプに挿入、固定し、一方ステンレス鋼製のアダプターパイプ１０を回転可能なチャックに固定し、アルミニウム製パイプ２と対向する位置に調整する。次に、チャックの駆動モータを回転駆動させ、アダプターパイプ１０を所定の速度で回転させる。次いで、クランプをアダプターパイプ１０側に前進移動させ、同アダプターパイプ１０の端面にアルミニウム製パイプ２の端面を押し付ける。

こうすると、両パイプ２，１０の端面部分は回転、摺動に伴う摩擦熱によって高温となり軟化して、図２のようにその垂直の端面同志が固相接合により一体となって摩擦圧接される。これと共に、軟かいアルミニウム製パイプ２の端部は固いステンレス鋼製のアダプターパイプ１０の端部によって食い込まれ、アルミニウム製パイプ２の端部の一部がアダプターパイプ１０の外側（円周方向）と内側（円心方向）に分流、延出する。このとき、遠心力の作用により外側にはみ出たバリ３ａは内側にはみ出たバリ３ｂよりも長くなる現象が起きる。

上記両端面の摩擦圧接（固相接合）がなされたのを確認した後、アダプターパイプ１０のチャックを開放して、アダプターパイプ１０が摩擦圧接されたアルミニウム製パイプ２をクランプと共に後退移動させ、クランプの固定を解除し、アルミニウム製パイプ２とアダプターパイプ１０とが一体化した接合パイプを取り出す。

次に、摩擦圧接によって接合パイプの内側に発生したバリ３ｂをポンチ又はドリルによって除去、平滑にする。

さらに、接合パイプの外側に発生したバリ３ａにスエージング機械によって絞り加工を施し、このバリ３ａの内周面をアダプターパイプ１０の外周面に圧着させる。この圧着により、軟らかいアルミニウム製パイプ２の円周方向にはみ出したバリ３ａはステンレス鋼製のアダプターパイプ１０の外周面の形状に合わせて容易に塑性変形を起こしてその外周面上を被覆する状態で十分に密着される。なお、圧着の方法は絞り加工に限らず、例えば加締めによる方法など他の方法であっても良い。

こうした摩擦圧接時に生じるアルミの円周方向へのバリ３ａをステンレス鋼製アダプターパイプとアルミニウム製パイプとの接合に利用することで、接合部位が図１の垂直端面同士の摩擦圧接部ｆと円周面同士の圧着部ｐの二箇所となり、しかも接合面積が増加することになり、管の軸方向に作用する引張り荷重と管の直角方向から作用する衝撃荷重の両方に対して十分な接合強度が付与されることになる。また、摩擦圧接部ｆと圧着部ｐによって二重にシールされた構造となるから、気密性についても高度に維持することができる。

上記の摩擦圧接と圧着を行なうことでアルミニウム製パイプ２とステンレス鋼製のアダプターパイプ１０を接合した後、前記のようにステンレス鋼製のニップル７にアダプターパイプ１０をＴＩＧ溶接により固着することによって、図１に示した本発明の対象であるアルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管が完成される。

本実施形態によれば、ステンレス鋼製の振動吸収管とアルミニウム製パイプとの接合に際し、固相接合の摩擦圧接を用いると共に、さらにこれに摩擦圧接時に発生するバリを利用した圧着を組み合わせた２種類の接合構造を採用することにより、特に管の軸方向荷重及び円周側面からの衝撃に対しても破断する心配のない高い強度を保持し、しかも気密性に優れたアルミニウム製パイプ接合の振動吸収管が得られる。さらに、本実施形態により上記に加えて、接合部の耐食性に優れた振動吸収管が同時に得られる。

また、ステンレス鋼製の振動吸収管とアルミニウム製パイプとの接合に際し、ステンレス鋼製のアダプターパイプを利用し、回転ヘッドを有したＴＩＧ溶接機によりアダプターパイプと振動吸収管を容易に接合するこができるため、アルミニウム製パイプが実際の自動車用冷媒配管として用いられる種々の曲管形状に対しても問題なく対応できる。

なお、本実施形態においては、振動吸収管即ちステンレス鋼製ニップル７にステンレス鋼製アダプターパイプを介してアルミニウム製パイプ２を接続した構成のものを説明したが、ステンレス鋼製ニップル７にアルミニウム製パイプ２を同様な摩擦圧接と圧着により直接接合しても良いことは言うまでもない。

ところで、実施形態は振動吸収管を対象にして説明したが、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプとの接合であれば如何なる用途のパイプ製品においても本実施形態を利用することができる。この場合も、アダプターパイプを用いずに、ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプとを摩擦圧接と圧着により直接接合しても良いものである。

（実施例１）
本発明の効果を確認するため、上記実施形態に相当する接合構造を有する継手を製作した。ここでは、図１において、振動吸収管１の蛇腹などの部分は用いずに省略して、ステンレス鋼製ニップル７の部分のみとステンレス鋼製アダプターパイプ１０とアルミニウム製パイプ２とを摩擦圧接により接合し、そのとき、外側にはみ出したアルミニウム製パイプ２のバリ３ａををステンレス鋼製アダプターパイプ１０の外周面に圧着し、更にステンレス鋼製ニップル７とステンレス鋼製アダプターパイプ１０をＴＩＧ溶接したものを試験材とした。

ニップル７としては、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ３５ｍｍのＳＵＳ３０４を用い、また、アルミニウム製パイプ２としては、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍの接合端部を有する長さ３００ｍｍのＡ３００５を用いた。

アルミニウム製パイプ３に摩擦圧接により接合するステンレス鋼製アダプターパイプ１０は外径１０ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ３０ｍｍのＳＵＳ３０４を用いた。

先ず、前述のように、ステンレス鋼製アダプターパイプを回転側、アルミニウム製パイプを固定側とし摩擦圧接により接合した。

次に、圧接時にステンレス鋼製アダプターパイプ内側に発生したアルミニウム製パイプ２のバリ３ａを内抜きポンチにより除去し接合面を平滑にした。

次いで、ステンレス鋼製アダプターパイプ１０の外側に発生したバリ３ａをスェージング加工により外側から絞り、ステンレス鋼製アダプターパイプ１０の外周面上に圧着した。

この後、ステンレス鋼製ニップル７とステンレス鋼製アダプターパイプ１０を回転ヘッドを有したＴＩＧ溶接機で全周溶接した。

このようにして製作したステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプのパイプ接合体（継手）を試験材として、冷熱サイクル後気密試験、同冷熱サイクル後耐圧試験、加圧繰返し耐久試験、引張試験をそれぞれ行った。

(実施例２)
次に、ステンレス鋼製アダプターパイプ１０の外側に発生したアルミニウム製パイプ２のバリ３ａを切削により除去したタイプついても同じ試験を行った。

これら各試験の概要を下記に示し、また試験結果を表１に示す。
（１）冷熱サイクル後の気密試験：試験材を試験槽に入れ、１８０℃に加熱して1時間保持し、次に-４０℃に冷却して1時間の保持する冷熱サイクルを２０回繰り返す冷熱サイクル試験を行った後、試験材を水槽に沈め、１５ＭＰaの窒素ガスで加圧し、接合部からガス漏れが無いかどうか気泡の発生有無により確認する。
（２）冷熱サイクル後の耐圧試験：上記冷熱サイクル試験後、４０ＭＰaの水圧を負荷して、接合部からの漏れ、破裂、抜け等の異常が無いかどうか確認する。
（３）加圧繰返し耐久試験：試験材にインパルス試験機で油温、雰囲気共に１５０℃に設定し、圧力０と２２.５ＭＰaで繰り返し回数３０〜５０回／分のパルス供給を行い、接合部からの漏れ、破裂、抜け等の異常が無いかどうか確認する。
（４）引張試験：試験方法はＪＩＳＤ２６０１−２００２６．８に準じて行った。ただし、引張速度は２５ｍｍ／ｍｉｎで実施した。

これらの試験結果を表１にまとめて示す。

表１の結果から、本発明実施例１及び実施例２のいずれにおいても各試験において異常は全く無く、優れた接合強度と気密性を備えていることが明かである。

また、本発明実施例１の場合は、Ｄの引張試験の結果において実施例２と比べてより優れた接合強度を示すことも分かった。

なお、本発明者らは、これらの試験に加えて、塩水噴霧による試験材の耐食性についても調査したところ、何れも良好な結果を示し、腐食環境下に晒された場合においても問題なく長期に亘って使用可能であることを確認した。

本発明の実施形態に係るアルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管を示す部分縦断面図である。ステンレス鋼製アダプターパイプとアルミニウム製パイプの摩擦圧接時の状態を示す部分縦断面図である。１：ステンレス鋼製振動吸収管２：アルミニウム製パイプ７：ステンレス鋼製ニップル３ａ，３ｂ：バリ６：ＴＩＧ溶接部ｆ：摩擦圧接部ｐ：圧着部１０：ステンレス鋼製アダプターパイプ

Claims

外周に少なくとも繊維補強層が被覆されたステンレス鋼製の蛇腹管と前記蛇腹管の両端部にロウ付け固定されたステンレス鋼製ニップルを有する振動吸収管において、この振動吸収管の前記ステンレス鋼製ニップルの端面とこれに接続すべきアルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製ニップルの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れた、アルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管。
外周に少なくとも補強層が設けられたステンレス鋼製蛇腹管と前記蛇腹管の両端部にロウ付け固定されたステンレス鋼製ニップルを有する振動吸収管において、この振動吸収管の前記ステンレス鋼製ニップルとこれに接続すべきアルミニウム製パイプがステンレス鋼製アダプターパイプを介して接続されており、前記ステンレス鋼製アダプターパイプの一方の端面とアルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製アダプターパイプの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合して前記ステンレス鋼製ニップルの端面と前記アダプターパイプの他方の端面とを溶接により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れた、アルミニウム製パイプとの接続部を備えたステンレス鋼製振動吸収管。
ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプを接合した接合管において、前記ステンレス鋼製パイプの端面と前記アルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、該摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製パイプの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れたステンレス-アルミニウム異種金属接合管。
ステンレス鋼製パイプとアルミニウム製パイプを接合した接合管において、前記両パイプがステンレス鋼製アダプターパイプを介して接続されており、前記ステンレス鋼製パイプの端面と前記アルミニウム製パイプの端面とを固相接合の摩擦圧接により接合した後に、該摩擦圧接時に発生したアルミニウム製パイプの円周方向へのバリを、前記ステンレス鋼製パイプの管端部外周面上に塑性変形を起こす圧着により接合し、さらに前記ステンレス鋼製ニップルの端面と前記アダプターパイプの他方の端面とを溶接により接合してなることを特徴とする接合強度と気密性に優れたステンレス-アルミ異種金属接合管。