JP4692088B2 - アルミニウム合金のろう付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法に関する。

従来、一般にアルミニウム或いはアルミニウム合金のろう付けには、アルミニウム合金からなるろう材が用いられている。そのろう付け温度は約６００℃であり、通常、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ系合金を用い、さらに接合部の酸化物を除去するためにフラックスを用いている。しかし、ろう付け温度は、対象となるアルミニウム合金部材の材質によっては、それ自体の融点に近くなる。このため、より低い温度でろう付け可能なろう材が要求されている。

上記要求を満たすために、ろう材として低融点のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金を用いる技術が提案されている（特許文献１）。またろう材の低融点化に対応させるために、フラックス中にフッ化セシウム（ＣｓＦ）を添加し、フラックスの融点を下げる技術が提案されている（特許文献２）。
また、例えばアルミウム合金製サンドイッチパネルの製造等、ろう付け面積が大きい場合には、ろう材を粉末状とし、フラックスと混合して分散媒に懸濁させ、スラリーにして当該スラリーを被ろう付け面に塗布する技術が特許文献３で提案されている。
特開平７−２９０２７２号公報 特開２００３−４８０７７号公報 特開２０００−４５４５３号公報

通常、スラリー化する際の分散媒として、純水の他、アルコール及びシンナー等の揮発性液体が、場合によってはさらにバインダが添加されて用いられている。しかし、製造コスト及び環境への影響を考慮すると、分散媒には純水を用いることが好ましい。また、サンドイッチパネル製造等、閉鎖したろう付け環境では、煤の発生等を考慮してバインダの添加は行われていない。ところが、ろう材であるアルミニウム合金粉末は反応性に富むため、分散媒として用いた純水と反応する。時間の経過に伴ってスラリー中で両者の反応が進行し、ろう材表面に形成される酸化物量が増えてくる。このため、ろう材としての特性が低下するばかりでなく、反応により可燃性の水素ガスを発生させるおそれもある。

このような理由から、スラリーを長期間保存することはなく、ろう付け後の残量は廃棄されており、コスト面からの再検討が必要である。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ろう材及びフラックスを被ろう付け面に均一に塗布し、かつろう材を効率的かつ安全に使用できるアルミニウム合金のろう付け方法を提供することを目的とする。

本発明のアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法は、その目的を達成するため、アルミニウム合金ろう材とフッ化物系フラックスを用いてアルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際に、前記ろう材を、アルミニウム合金溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られた１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状態で用いるとともに、前記フッ化物系フラックスを水に懸濁したスラリー状態で用い、当該フッ化物系フラックス懸濁スラリーを被ろう付け面に塗布した後、当該スラリーが乾燥する前に前記アルミニウム合金ろう材粉末を散布することを特徴とする。

前記ろう材粉末を被ろう付け面に散布した後、前記フッ化物系フラックス懸濁スラリーを塗布してもよい。
ろう材としては、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するものが好ましい。
また、フッ化物系フラックスとしては、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックスを用いることが好ましい。
なお、フッ化物系フラックスを懸濁させる水には界面活性剤が添加されていることが好ましい。

本発明によれば、粉末状態で用いるアルミニウム合金ろう材を、水を分散媒としたスラリー中に懸濁させずに粉末のままで、フラックススラリーとは分離して被ろう付け面上に散布している。このため、ろう材表面での酸化物形成が抑制され、また水素ガスが発生するおそれもなくなる。したがって、ろう付け後の余剰のろう材やフラックススラリーを長時間保存でき、ろう材及びフラックスを効率的に使用できる。

昨近、アルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際、ろう材として、粉末状のアルミニウム合金が多用されるようになっている。アルミニウム合金製サンドイッチパネルの製造等、広いろう付け面を有する製品を、連続的なライン上で効率的かつ安定したろう付けを行うために、予めろう付け面にろう材を均一の供給する態様として、粉末状ろう材の散布が有効であることに基づいている。
本発明も基本的には、粉末状のろう材を被ろう付け面上に散布するものである。

アルミニウム合金は比較的酸化されやすいので、粉末状のアルミニウム合金ろう材も製造時に酸化されやすい。そして、ろう材中に酸化物が多量に混入されていると、ろう付け時に用いるフラックス量が多くなってろう付け製品の外観を低下させるばかりでなく、コスト増にもつながる。
そこで本発明では、製造時の酸化を抑制するために、真空又は不活性雰囲気中での噴霧・急冷法で製造された平均粒径１０〜１００μｍのアルミニウム合金粉末を用いている。

なお、真空中又は不活性ガス中で噴霧する意義は、ろう材の冷却時における酸化物の発生及び混入を極力防ぐことにある。
上記で言う真空とは、真空度が２００ｔｏｒｒ以下の雰囲気であり、また不活性ガスとは、ろう材を酸化させることのないガスで、例えばアルゴン等の希ガス、水素等の還元性ガス、窒素等の非酸化性ガスである。
被ろう付け面上に均一に散布するためには、ろう材は細かな粉末状にすることが好ましい。しかし、あまり細かいと反応性が増し通常での保管が困難になるばかりでなく、製造コストも高騰する。逆に大きすぎると、被ろう付け面上の均一性の確保が難しくなる。したがって、粉末状アルミニウム合金ろう材の平均粒径は１０〜１００μｍの範囲とする。

また、本発明では、ろう材として、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を用いることが好ましい。このような成分組成の合金とすることで融点を下げ、ろう付け温度を５４０〜５６０℃に下げることができる。このため、接合部材の変形や強度低下を抑制したろう付けが可能となる。Ｃｕ及びＳｉの含有量が上記数値を外れると、ろう材の融点及びろう付け温度が上昇し、ろう付け時にろう付け部材の変形や強度低下を起こすことにもつながる。

なお、ろう材の融点をさらに低下させる目的ではＺｎ等の元素を含有させることも可能である。しかしながら、Ｚｎは溶融したろう材の流動性を低下させ、ろう付け部での空孔等の欠陥を発生させる原因を作り出すことがある。このため、本発明の粉末状アルミニウム合金ろう材の組成はＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉの三元合金とし、他は不純物とすることが好ましい。不純物としては、Ｆｅ：０．２５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｚｎ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される。

さらに、本発明では、フラックスとして、通常アルミニウム又は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フラックスを用いることができるが、Ｋ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックスを用いることが好ましい。しかし、本発明の好ましい態様ではろう材自身の融点を低くしているために、フラックス自体もその融点を低くすることが好ましい。このためにはＣｓＦを含有させる。ＣｓＦ含有量がフラックス全体の１１質量％に満たないとフラックスの融点を下げる効果が少なく、フラックスの融点がろう材の融点よりも高くなってろう付け時にフラックスが溶融しないおそれがある。したがって、本発明にあっては、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックスを用いることが好ましい。
なお、ＣｓＦは水に可溶なため、水を分散媒に用いることで他の分散媒よりもスラリー塗布・乾燥後のろう材密着性を向上させることができる。

次に、本発明の最も特徴とするフラックス及びろう材の塗布・散布態様について説明する。
上記したように、合金溶湯を真空中又は不活性ガス中に噴霧することで得られた粉末状のアルミニウム合金ろう材、分散媒としての水にフッ化物系フラックスを懸濁させたスラリーを準備する。この際、水には予め界面活性剤を添加しておくことが好ましい。界面活性剤が添加されていると面材表面との濡れ性が向上し、スラリーとしてフラックス成分を被ろう付け面上に供給する際、表面を粗面にすることなくフラックス成分を均一に供給することができる。この界面活性剤にも制限はない。通常のノニオン系界面活性剤が用いられる。

被ろう付け材のろう付け面上に、ろう材粉末の供給と、フッ化物系フラックス懸濁スラリーの塗布を行う。順序に制限はない。通常は、フッ化物系フラックス懸濁スラリーを塗布した後、スラリーが乾く前にろう材粉末を散布することが好ましい。この態様を採用すると、スラリーの塗布方法として噴霧法が用いられ、均一な塗布が簡便に行える。刷毛塗り法やロールコーティング法を用いてもよい。
逆に、ろう材粉末を散布した後にフッ化物系フラックス懸濁スラリーを塗布する場合には、散布した粉末の均一性が損なわれないように塗布する必要がある。浸漬法や刷毛塗り法は適用し難い。噴霧法やロールコーティング法を適用することが好ましい。

フラックス成分とろう材が塗布・散布された被ろう付け材を乾燥後、そのろう付け面上に他方の被ろう付け材を組み付け、組み付けられた被ろう付け部材を所定温度に加熱された炉内で、所定時間保持することにより、ろう付けがなされる。このろう付け方法に制限はない。通常と同じろう付け方法で十分である。ただし、本発明にあっては、好ましくは酸化物の付着量が少ない粉末状のアルミニウム合金ろう材を用いている。したがって、ろう付けも、ろう材が酸化されることのない不活性ガス中で行われることが好ましい。ろう材の酸化をより防止するためには、ろう付け雰囲気を一旦真空にした後、窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。

本発明の好ましい態様にあっては、ろう材として成分組成を限定したＣｕ−Ｓｉ含有のアルミニウム合金と、フラックスとしてＣｓＦ添加のＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックスを用いているので、ろう付け温度を従来の６００℃から５４０〜５６０℃程度まで下げることができる。このため、被ろう付け部材の変形を抑えることができ、結果的に優れた外観を有するろう付け製品を得ることができる。

以上に説明した通り、本発明によれば、水と反応して酸化しやすい粉末状のアルミニウム合金をろう材としてアルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際、粉末ろう材と水を分散媒としたスラリー中に懸濁させずに、スラリー状で供給されるフラックスとは分離して別の形態で被ろう付け面に供給している。
したがって、ろう材表面での酸化物形成が抑制され、また水素ガスが発生するおそれもなくなり、ろう付け後の余剰のろう材やフラックススラリーを長時間保存できるため、ろう材及びフラックスを効率的に使用できる。結果としてコスト低下に資することになる。

ろう材の調整
Ｃｕ：３０．９質量％及びＳｉ：９．３質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金溶湯を、窒素ガス中にて噴霧・急冷することにより、アルミニウム合金粉末を得た。この合金粉末は、平均粒径が４０μｍの球状を呈し、表面及び内部に欠陥や酸化物は含まれていなかった。なお、この合金の融点は５２５℃である。

フッ化物系フラックスの準備
フッ化セシウムを含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフラックスとして、第一稀元素化学工業株式会社製のＣＦ−２ペーストと市販のノコロック（登録商標）粉末を用意した。ＣＦ−２ペースト１００ｇ（固形分５０ｇ）と７５ｇのノコロック粉末を１３０ｍｌの純水に加えてスラリーを調製した。
また、比較のために、前記ろう材粉末３００ｇを合わせて加えたスラリーも調製した。
被ろう付け性試験材の準備
ろう付け性評価のために、ＪＩＳ Ａ３００３のＡｌ合金からなるサンドイッチパネルを組み立てるための、いずれも同じ上記Ａｌ合金からなるＬ＝２０００ｍｍ，Ｗ＝１０００ｍｍ，ｔ＝２ｍｍの面材用板材、ｔ＝０．５ｍｍの板材を直径２５ｍｍの円筒体に成形した高さ４０ｍｍのコア材、及びｔ＝２．５ｍｍで，幅３０ｍｍ，高さ４０ｍｍの断面矩形の枠材を用意した。

ろう付け
パネル面材用板材の被ろう付け面表面に、スプレー式の塗布装置を使用してフラックススラリーを塗布した。そして、スラリーが乾燥する前に、ろう材粉末を散布した。比較例にあっては、ろう材粉末をも懸濁させたスラリーを、スプレー式の塗布装置を使用して塗布した。
なお、実施例，比較例とも、スラリー調整後速やかにスプレー式の塗布装置を用いて面材に塗布した例と、スラリー調整後８時間後及び２４時間後に塗布した事例の３タイプの例を採った。

面材表面に上記各スラリーを塗布した後、本発明例にあってはさらにろう材粉末を散布した後に約２００℃で乾燥した。乾燥後の固形分付着量はろう材：約１３０ｇ／ｍ²，フラックス：約５５ｇ／ｍ²であった。
次いで面材、コア材及び枠材の組み付けを行い、その組付け体を雰囲気炉に入れ、雰囲気炉の内部を一旦真空にした後に窒素ガスで置換した。その後、この炉内で、パネルを５４０℃まで約４０分で加熱し、５４０〜５６０℃で５分保持した後、冷却することでろう付けを行った。

ろう付け性評価
ろう付け後、パネルを切断してろう付け状態を目視で観察してろう付け性を評価した。その結果を表１に示す。
なお、表中の評価は、外観観察により全てのコア材，枠材についてその全てが面材とろう付けされているものを良好として○で、一部に面材とろう付けされていないものがあるものを一部不良として△で表示した。

上記結果からも明らかなように、ろう材粉末をスラリー中に含ませず、別の形態で供給した本発明例では、スラリー調製後の保持時間が長くなってもろう付け状況に問題はなかった。
これに対して、ろう材粉末をスラリー中に混入・懸濁させた比較例では、スラリー調整直後に塗布した場合にはろう付け状況に問題はなかったが、スラリー調製の８時間後に塗布した場合、一部ろう付け不良が見られた。スラリー中のアルミニウム合金ろう材が純水と反応し、混入される酸化物が多くなったためと推測される。また、スラリー調製後２４時間経過すると、スラリーに水素ガスの発生によるとみられる気泡が観察されたので、安全性の観点から塗布そのものを中止した。

Claims (6)

1. アルミニウム合金ろう材とフッ化物系フラックスを用いてアルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際に、前記ろう材を、アルミニウム合金溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られた１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状態で用いるとともに、前記フッ化物系フラックスを水に懸濁したスラリー状態で用い、当該フッ化物系フラックス懸濁スラリーを被ろう付け面に塗布した後、当該スラリーが乾燥する前に前記アルミニウム合金ろう材粉末を散布することを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法。
2. アルミニウム合金ろう材とフッ化物系フラックスを用いてアルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際に、前記ろう材を、アルミニウム合金溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られた１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状態で用いるとともに、前記フッ化物系フラックスを水に懸濁したスラリー状態で用い、前記ろう材粉末を被ろう付け面に散布した後、前記フッ化物系フラックス懸濁スラリーを塗布することを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法。
3. ろう材が、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するものである請求項１又は２に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法。
4. フッ化物系フラックスが、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むＫ−Ｃｓ−Ａｌ−Ｆ系のフッ化物系非腐食性フラックスである請求項１〜３の何れか１項に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法。
5. フッ化物系フラックスを懸濁させる水に界面活性剤が添加されている請求項１〜４の何れか１項に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法。
6. ろう付け対象のアルミニウム又はアルミニウム合金が、サンドイッチパネルである請求項１〜５の何れか１項に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金のろう付け方法。