JP4680502B2 - ろう付けされた銅製熱交換機、および溶接によるその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ろう付けされた銅製熱交換機の溶接方法、溶接による熱交換機の製造方法、かかる方法で得られる熱交換機、およびガス、特に空気の分離のためのそれらの使用に関する。

銅製の熱交換機は一般的にはまず、プレートとフィンを積み重ね、これらをろう付けして母材を形成し、次に装置で処理される流体を収集及び分配する用をなす一つまたはそれ以上の流体収集容器を付加することにより製造される。

ヘッダーとも呼ばれる流体収集容器は、よく知られている方法で、熱交換機のろう付けされた母材に溶接することにより取り付けられ固定される。

溶接による銅／銅接合の一般的な場合では、純銅よりも使用することが容易であるため、銅合金（銅／ニッケル合金または銅／アルミニウム合金等）をろう材として用いることが普通である。

しかし、熱交換機の製造中に、一つまたはそれ以上のヘッダーをろう付けした母材に接続するという特定の場合には、流体ヘッダーを母材に接続する溶接部が、該交換機のこの部分のプレートとフィンを互いに接続するろう充填間隙を必然的にクロスする。

現在、銅をろう付けするために二種のろう付け合金が用いられている。すなわち、とても高価な銅／銀合金と、それほど高価ではないが、一般に約５重量％から約８重量％の燐を含有する銅／燐合金の溶接銅である。銀または燐の添加により実際は、純銅に比べて合金の凝固温度は有意に、典型的には摂氏数百度下がり、これはろう付け処理を行うことが可能となるために不可欠なことである。

しかし、燐が添加された銅合金を用いたろうを使用して、ろう付けされたプレートとフィンからなる前記母材を製造される時、いくつかの問題が生じる。

これは、ろう付けされた銅母材を例えば銅製収集容器に溶接するとき、溶接しようとする接合平面内に位置する母材のろう付け領域が、このろう付けされた母材とそこに溶接しようとする容器の壁との間の溶接を形成するために使用される溶接合金と混合するからである。

これは次に、溶接に通常用いられる合金中の燐の溶解度が非常に低いため、燐の蒸発をもたらし、溶接だまりの温度がろう付け温度よりもかなり高いので多孔の危険性と、とりわけ、従来のろう材を用いて作られる溶接部の脆化を誘発する。この結果、接続部の凝固の間に、実質的な燐の偏析が起き、そして結果的に非常に燐に富むもろい領域が形成される。

これはその後、溶接部にクラック現象を生じさせ、製造された熱交換器に対し漏れやその他の密封の問題を引き起こす。

したがって、本発明の目的は、上述の問題を緩和することができる、ろう付けされた銅製熱交換機の製造に適用できる改善された溶接方法、およびこの方法で得ることのできる、漏れの問題や密封不足の問題のない改善された熱交換機を提供することである。

言い換えると、課された問題は、燐リッチでもろい領域を形成することなく熱交換機の銅の部材を効果的に溶接することを可能にすることであり、したがって従来の方法によりその下地部材が溶接された交換機よりも、より大きな強度の熱交換機を製造する熱交換機の溶接方法を提供することである。

従って本発明は、少なくとも一つの金属被加工物を、少なくとも一つののろう付け領域を有する母材にアーク溶接する方法で、前記ろう付け部は銅と燐を含み、次の連続工程；
（ａ）純銅、または凝固温度における燐の固溶限がおよそ０．１から３．５％である銅合金からなる少なくとも一つの層を前記ろう付け領域の少なくとも一部に堆積させる工程、
（ｂ）前記金属被加工物を、工程（ａ）において堆積された銅からなる前記少なくとも一つの層に溶接させる工程
に従って実施される方法に関する。

発明の文脈では、百分率（％）は重量百分率である。

場合によって、本発明の方法には一つあるいは複数の以下の技術的特徴を含む；
-工程（ａ）において、前記銅合金は凝固温度においておよそ０．５から３．５％まで、より好ましくは１から３．５％までの燐の固溶限を有する；
-工程（ａ）において、銅に基づく複数の層（５、６、７）を堆積し、これらは少なくとも部分的に互いに重なり合う；
-前記ろう付けされた母材は、Ｓｎ、Ａｇ、およびＺｎから選ばれた少なくとも一種のろう元素をさらに含む；
-工程（ａ）で堆積させた前記層または複数層（５、６、７）を構成する前記銅または前記銅合金が、スズ、ケイ素、マンガン、鉄およびニッケルから選ばれた少なくとも一種の追加の元素を含む；
-工程（ａ）で堆積させた前記層または複数層（５、６、７）を構成する前記銅または前記銅合金が、スズ、ケイ素、マンガン、鉄およびニッケルから選ばれた少なくとも一種の追加の元素を含む；
-前記ろうが、３から１０％までの燐、０から１５％までの銀、および０から１％までのニッケルを含み、および／または工程（ａ）で堆積させた前記層もしくは複数層が、１％未満のスズ、０．５未満のマンガン、０．５％未満のケイ素、及び０．０５％未満の鉄を含む；
-工程（ａ）での銅からなる少なくとも一つの層の堆積を、
（ｉ）銅で被覆しようとする前記領域を局所的に予熱し
（ｉｉ）工程（ｉ）で予熱した領域に、銅を供給し、電気アークにより溶融させた銅を堆積させること
により行う；
-工程（ｉ）において銅で被覆しようとする前記領域の予熱を、一つあるいは複数の電気アーク、好ましくはＴＩＧまたはプラズマ溶接トーチにより発生する少なくとも一つのアークを用いて行う；
-工程（ｉｉ）において前記銅を銅線の形態で供給し、前記銅線を溶融させるための前記電気アークを少なくとも一つのＭＩＧ溶接トーチによって発生させる；
-工程（ｂ）において、前記被加工物（１）を、ＭＩＧ、ＴＩＧもしくはプラズマ法、またはこれら方法の組み合わせ、好ましくはパルスＭＩＧ法により溶接する；
-前記ろう付けされた母材は、複数のプレートであって該プレートの間にスペーサを形成するフィンによって分離されたもののスタックにより支持され、前記プレートは、前記ろう付けされた母材を形成するように互いにろう付けされている；
-前記被加工物が、熱交換機の一部を構成する流体収集および／または分配容器の構成部材であり、前記被加工物は、好ましくは、銅もしくはステンレス鋼で作られている；
-前記母材に堆積させた前記層が、溶接部を、前記溶接部中に前記母材のろう付け領域由来の追加の元素を混入させることなく前記被加工物と前記層の間に作ることを可能とするに充分な幅を有する。

発明はまた、ろう付けされた銅製熱交換器の製造方法に関し、前記製造方法において、本発明の溶接方法が、前記熱交換機の、好ましくは銅製の、少なくとも一つの流体収集・分配容器を、プレートであって該プレートの間にスペーサを形成するフィンにより分離されたもののスタックにして少なくとも一つのろう付けされた母材を支持するスタックに溶接するために使用する方法に関する。

発明はまた、銅製熱交換機に関し、複数のプレートであって該プレートの間にスペーサを形成するフィンによって分離されたもののスタックにより支持されたろう付け母材に溶接された、少なくとも一つの流体収集または分配容器を有し、該容器が、純銅、または凝固温度における燐の固溶限がおよそ０．１から３．５％である銅合金からなる少なくとも一つの層に溶接され、銅からなる前記少なくとも一つの層が前記ろう付けされた母材に堆積されている銅製熱交換機に関する。前記溶接される流体収集・分配容器は銅製またはステンレス鋼製であることが好ましい。

別の側面で本発明は、本発明の熱交換機を少なくとも一つ具備する、流体、特にガス混合物を分離するための設備に関し、前記設備は低温空気分離装置であることが好ましい。

また別の側面では本発明は、本発明の熱交換機を少なくとも一つ使用する、流体、特にガス混合物を分離するための方法に関し、前記流体は空気であることが好ましい。

より一般的に、本発明は少なくとも一つのろう付け領域を具備する母材を被覆する方法にであって、前記付け領域のろうは銅と燐を含み、以下の工程；
（１）被覆しようとする領域を、前記領域を少なくとも第一の電気アークにさらすことによって予熱する工程；
（２）溶融可能なワイヤーの形態にある銅を供給し、該銅ワイヤーを少なくとも一つの第二の電気アークにより、工程（１）において前記第一の電気アークにより予熱した領域に前記第二の電気アークによって溶融させた銅を堆積させながら、漸次溶融させる工程であって、該銅ワイヤーは純銅、または凝固温度における燐の固溶限がおよそ０．１から３．５％である銅合金からなる工程；
（３）溶融させた銅を少なくとも一つの銅層として固化させる工程
に従って実施される方法に関する。

本発明をここに添付する図により説明する。

図１は、被加工物１、例えば熱交換機用の流体の収集及び分配容器を、図２に詳細に示してあるように、スペーサを形成するフィン１２によって分離されたプレート１１のスタックをろう付けすることにより造られた熱交換機のろう付け母材２のようなろう３付け母材２に溶接することに適用できる本発明の原理を示す。

前述の、溶接４のクラックの問題を避けるために、一般的に１０％未満の燐と任意のその他の化合物を含む銅合金から形成されたろう付け領域３を有する母材２に被加工物１を従来技術で普通に行われているように直接溶接することはしない。

これは、従来技術のような処理では、熱交換機のろう付けされた母材にヘッダーを溶接させる間に、ろう付けされた交換機（母材）のわずかな厚みが、溶融した溶接材料により溶融した後、ろうが金属堆積物（溶接部分）と混合するが、堆積物全体にわたって均一には混合しないことが見出されたからである。

ろうの近傍の溶融した金属中では、ろうに含まれる元素の局所的な富化がそれから起こる。これらの元素の中で、本発明の発明者らは、もし局所的な燐濃度が、堆積された金属、すなわち交換機の銅とろうの不均一な混合に由来する「局所的合金」における固溶限を超えるのであれば、燐がまさに従来技術でのクラック問題の原因であることを立証した。

本発明によると、この燐により誘導されるクラック生成の問題を避けるために、純銅あるいは銅合金からなる一つまたはそれ以上の重合層５、６、７を、後に被加工物１が溶接されるベースを構成するために、まずろう付け領域３を有する母材２の表面に堆積する。これらの、ろう付け表面３を覆う重合銅層５、６、７は「バタリング」層と呼ばれる。

このように、母材２のろう付けされた間隙３の末端の表面に堆積された銅からなる「バタリング」層５、６、７は、後に被加工物１をバタリング層５〜７に溶接する間にろう３から由来する有害な元素の回帰による溶接部分４の汚染の可能性を抑える隔離バリヤーを構成する。

実際、こうして作られた銅層５〜７は、希釈として、相当な量の不純物を、例えば燐の場合では約３．５重量％までの量を、それにより実質的に劣化することなく、受け入れることができる。３．５％という最大値は、こうして得られた合金の凝固温度における純銅中の燐の固溶限に相当する。ある元素（燐）の他の元素（銅）中の固溶限は、金属学において、第二の相が出現することなく第二の元素と合金化しえる第一の元素の最大含有量として定義される；Dr. M. Hansen, Constitution of binary alloys, McGraw-Hill book Company, Incを参照のこと。

本発明によると、被加工物１は、従来技術で通常行われているようにろう付け領域３に直接溶接せずに、溶接部４に沿って、ろう付けされた母材３にあらかじめ堆積された銅からなる一のバタリング層もしくは複数のバタリング層５〜７に溶接される。

しかし、銅は、ほとんどの合金のようにある温度範囲内においてではなく一定温度で溶融し凝固するため、銅のろう材を用いて銅を溶接するときに困難さが生じる。その結果、溶接だまりは溶接工にとって非常に扱いにくく、得られたビードは一般的に「濡れ」に乏しく、つまりビードの側部は不十分にベースの金属と接続し、それらはしばしば結合型の欠陥（bond-type defects）も示し、すなわち、ろう金属は、ベースの金属を溶融させずに、ベースの金属上に「置かれる」。

交換機を予熱することによりこれらの問題を克服しようとが試みることもできるが、この操作は、銅の高い熱伝導性により、溶接領域に供給された熱が非常に迅速に交換機全体に拡散し、このことは熱交換機全体が予熱温度、例えば３００℃に加熱されなくてはならないことを意味するので、制御が難しい。それ故、この方法を進めることは時間がかかり、費用が嵩み、かつ溶接ビードを堆積させることが所望される表面の酸化を引き起こすのでバタリング中に欠陥をもたらし得るということを認めることができる。

これらの全ての欠点を回避するために、本発明を実施する試みは、ＭＩＧトーチが、溶接方向に対して横断方向あるいは軸方向に配置された電気アーク、例えば非閉じ込めプラズマ（deconfined plasma）またはＴＩＧアーク、または複数のアークによって、数センチメートル先に先行されているならば、溶接される領域の予熱を不要とすることが可能であることを示した。プラズマもしくはＴＩＧアークを用いた予熱経路と、ろう材金属を堆積するＭＩＧトーチの経路との間の通過時間が短いために、このように予熱用のアークから得られた熱は、交換機実質中に有意に拡散する時間を持たないので、これは非常に局所的ではあるが効果的な予熱を与える。

他の満足できる解決策は、ろう材ワイヤーとＭＩＧアークを囲むプラズマアークによって特徴付けられる混成プラズマ／ＭＩＧトーチを用いることにある。

汚染を最小限にすることを望む場合には、純銅からなる複数の重合バタリング層５〜７が得られるので、複数回の溶接パスを行うことが有利である。

もちろん、ろうに由来しバタリング層５に導入された燐がクラック形成を避けるのに充分に希釈され、構造の一体性を損なうことなく追加の溶接４が生成し得るように、バタリング層５〜７は、充分な幅を持ち、純銅または、適切であれば、燐の固溶限が凝固温度において充分高く、例えば０．５から１％である銅合金から作られる。

この方法は、ガスを分離するために、特に低温蒸留塔内で低温で分離するために用いることができるろう付けされた熱交換機の製造に特によく適している。

熱交換機の詳細な構成は、工業的にもよく知られており、特にインターネットサイトwww.alpema.orgで見ることができ、また”The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers Associacion”, ALPEMA, Second Edition, 2000にも記載されているため、以下には記述しない。

このタイプの銅製熱交換機１０のろう付け領域の詳細な構造は、断面図として、図２および図３に概略的に示されており、これらの図は、それが、金属プレートまたはシート１１であって、プレート１１の間にスペーサを形成するフィン１２により互いに分離されているプレート１１からなるスタックを備えることを示している。交換機１０中の流体を収集し、分配する作用をなす構造もしくは容器１が溶接されるろう３付けされた母材２（図1をも参照）を形成するように、フィン１２はプレート１１の末端にろう３付けされている。

本発明によれば、「バタリング」層５〜７は、流体収集および分配容器もしくは構造を合金元素または不可避不純物を含んでいてもよい純銅からなる一またはそれ以上のバタリング層５〜７に溶接する前に、図１に関連して上に説明したように、交換機１０の母材２のこのろう付けされた領域３の外側表面上に生成される。

上で説明したように、一またはそれ以上の「バタリング」パスを実施するために、被覆しようとする領域をまず局所的な予熱に供し、溶融した銅をこの予熱された領域に堆積させる。前記銅は、電気アーク、特にＭＩＧトーチによる電気アークにより溶融される溶融可能な銅基ワイヤーの形態で供給する。ＭＩＧ法は、この溶接方法が溶融金属の液体だまりにおいてＴＩＧ法より大きな動きを生み、それによって燐のような有害な元素の、特にろうをクロスする「バタリング」ビード５の領域における局所的濃縮を防ぐので、好ましい。

さらに、被加工物（ヘッダー容器）を銅被覆したろう付け領域に溶接するために、ＭＩＧ（金属不活性ガス）トーチ、ＴＩＧ（タングステン不活性ガス）トーチ、プラズマトーチ、またはプラズマ-ＭＩＧトーチまたはＭＩＧ-ＴＩＧトーチのようなこれらのトーチの組み合わせ等のアーク溶接トーチを用いる。

これをするために、補充として、銅／ニッケルまたは銅／アルミニウムタイプのろう材製品を供給することが可能であり、あるいは銅被覆領域と、流体ヘッダーのようなステンレス鋼製被加工物の間に結合を作ることを望む場合には、ニッケルやニッケル合金タイプのなど他のろう材製品を使用すること可能である。実際、熱交換機の製造の場合、
−ステンレス鋼製流体ヘッダーを直接銅層５、６、７に溶接すること、
−または、ステンレス鋼製ヘッダー２１を、図３で示すように銅層５、６、７にそれ自体が溶接されている銅製中間被加工物１に溶接（溶接部２０を介して）すること
のいずれかを選ぶことができる。

本発明の溶接方法は、特に空気ガスを分離するために、特に低温蒸留塔内で低温で分離するために使用することができるろう付けされた熱交換機の製造に特によく適している。これらの交換機は、従来の交換機よりもクラッキングの問題により耐性があるからである。

記載なし 記載なし 記載なし

Claims (20)

1. 少なくとも一つの金属被加工物（１）を、ろう付けされた母材（２）にアーク溶接する方法であって、前記母材（２）は少なくとも一つのろう付け領域（３）を有し、前記ろう付け領域のろうは銅と燐を含み、次の連続工程；
   （ａ）純銅または凝固温度における燐の固溶限が０．１から３．５％である銅合金からなる少なくとも一つの層（５、６、７）を前記ろう付け領域（３）の少なくとも一部に堆積させる工程、
   （ｂ）前記金属被加工物（１）を、前記少なくとも一つの層（５、６、７）を介して前記母材（２）に溶接させ、前記少なくとも一つの層（５、６、７）を堆積させた前記ろう付け領域（３）から前記少なくとも一つの層（５、６、７）へと前記燐を導入させて前記燐を希釈する工程
   に従って実施される方法。
2. 工程（ａ）において、前記銅合金は凝固温度において０．５から３．５％までの燐の固溶限を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 工程（ａ）において、銅に基づく複数の層（５、６、７）を堆積し、これらは少なくとも部分的に互いに重なり合うことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ろう付けされた母材は、Ｓｎ、Ａｇ、およびＺｎから選ばれた少なくとも一種のろう元素をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 工程（ａ）で堆積させた前記層または複数層（５、６、７）を構成する前記銅または前記銅合金が、スズ、ケイ素、マンガン、鉄およびニッケルから選ばれた少なくとも一種の追加の元素を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ろうが、３から１０％までの燐、０から１５％までの銀、および０から１％までのニッケルを含み、および／または工程（ａ）で堆積させた前記層もしくは複数層が、１％未満のスズ、０．５未満のマンガン、０．５％未満のケイ素、及び０．０５％未満の鉄を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 工程（ａ）での銅からなる少なくとも一つの層（５、６、７）の堆積を、
   （ｉ）銅で被覆しようとする前記領域を局所的に予熱し
   （ｉｉ）工程（ｉ）で予熱した領域に、銅を供給し、電気アークにより溶融させた銅を堆積させること
   により行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 工程（ｉ）において銅で被覆しようとする前記領域の予熱を、一つあるいは複数の電気アークを用いて行うことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 工程（ｉｉ）において前記銅を銅線の形態で供給し、前記銅線を溶融させるための前記電気アークを少なくとも一つのＭＩＧ溶接トーチによって発生させることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 工程（ｂ）において、前記被加工物（１）を、ＭＩＧ、ＴＩＧもしくはプラズマ法、またはこれら方法の組み合わせにより溶接することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ろう（３）付けされた母材（２）は、スペーサを形成するフィン（１２）によって分離された複数のプレート（１１）からなるスタックを備え、前記フィン（１２）および前記プレート（１１）は、前記ろう（３）付けされた母材（２）を形成するように互いにろう付けされていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記被加工物（１）が、熱交換機の一部を構成する流体収集および／または分配容器の構成部材であり、前記被加工物（１）は、銅もしくはステンレス鋼で作られていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記母材（２）に堆積させた前記層（５）が、溶接部（４）を、前記溶接部（４）中に前記母材（２）のろう付け領域（３）由来の追加の元素を混入させることなく前記被加工物（１）と前記層（５）の間に作ることを可能とするに充分な幅を有することを特徴とする請求項１から１２のうちいずれか一項に記載の方法。
14. ろう付けされた銅製熱交換機の製造方法であって、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の溶接方法を用いて、熱交換機（１０）の少なくとも１つの流体収集及び分配容器（１）を、スペーサを形成するフィン（１２）によって分離されたプレート（１１）からなるスタックを備えた少なくとも一つのろう（３）付けされた母材（２）に溶接する製造方法。
15. ろう付けされた母材（２）に溶接（４の位置で）された少なくとも一つの流体収集および分配容器（１）を具備する銅製熱交換機（１０）であって、前記ろう付けされた母材（２）は、スペーサを形成するフィン（１２）によって分離された複数のプレート（１１）からなるスタックをろう付けすることにより形成され、前記容器（１）が、前記母材（２）に、請求項１に記載の方法によって溶接されており、前記容器（１）が前記金属被加工物（１）として使用されることを特徴とする銅製熱交換機（１０）。
16. （４の位置で）溶接された前記流体収集及び分配容器（１）が、銅またはステンレス鋼で作られていることを特徴とする請求項１５に記載の交換機。
17. 流体を分離するための設備であって、請求項１５または１６に記載の交換機（１０）を少なくとも一つ具備した低温空気分離装置である設備。
18. 流体を分離するための方法であって、請求項１５または１６に記載の交換機を少なくとも一つ使用し、前記流体が空気である方法。
19. 少なくとも一つのろう付け領域（３）を有するろう付けされた母材（２）を被覆する方法であって、前記ろう付け領域のろうは銅と燐を含み、以下の工程；
    （１）前記ろう付け領域の一部である被覆しようとする領域を、少なくとも第一の電気アークにさらすことによって予熱する工程；
    （２）溶融可能な銅ワイヤーを供給し、前記銅ワイヤーを少なくとも一つの第二の電気アークにより、工程（１）において前記第一の電気アークにより予熱した領域に前記第二の電気アークによって溶融させた銅を堆積させながら、漸次溶融させる工程であって、該銅ワイヤーは純銅または凝固温度における燐の固溶限が０．１から３．５％である銅合金からなる工程；
    （３）溶融させた銅を少なくとも一つの層として固化させる工程であって、前記少なくとも一つの層は、金属被加工物（１）が前記ろう付けされた母材（２）に前記少なくとも一つの層を介して溶接される際に、前記被覆しようとする領域における燐を受け入れて、燐を希釈する工程
    に従って実施される方法。
20. 前記ワイヤーを構成する銅は、スズ、ケイ素、マンガン、燐、鉄およびニッケルの中から選ばれた少なくとも一種の追加の元素を２重量％以下含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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