JP5553864B2 - ろう付けされた多重チャネル構造物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、均一なプレート／プレートおよびプレート／フィンの多重チャネル構造物を、ろう材として無定形ろう付け箔を使用してろう付けする製造方法に関する。

１．従来技術の説明
ろう付けは、金属部品、多くは成分の異なる構成物を互いに接合する方法である。一般的には、接合すべき母材部品の融点より低い融点を有するろう材をその部品の間に挿入して組立て品を作る。次いで、その組立て品を十分な温度に加熱してろう材を融解させる。冷却することにより、強くて、好ましくは耐食性の接合部が形成される。

ろう付け方法によって製造される製品の１つの種類は、その熱交換器、堅い物理的接触に保たれた交互の金属の平坦なプレートおよびフィンまたは波形プレートからなる三次元構造物である。ろう付けした接合部が、プレート／フィンの熱交換器の場合におけるような平坦なプレートとフィンの間の、またはプレート／プレートの場合の打ち抜かれた波形の間の接触区域を機械的に接続し、密封する。その波形プロファイルは山形、いろいろな円形の形状の、またはいくつかの他プロファイルの押し出された窪みを持っているかもしれない。そのろう付けした状態では、これらの窪みは、平坦なプレートと接合され、あるいはチャネルのまたは連結している空洞の精巧なシステムを互いに形成していることで接合されている。運転中には、熱いおよび冷たい液体および／またはガスが、熱を交換しながら、これらのチャネルを別々に流れる。多くの場合、これらの構造物は耐熱耐食鋼で作られており、ユーティリティ・システムにおける冷却器のように、航空宇宙構造物における熱交換器のように、および化学、食品および他のプロセス産業における回収熱交換器のように高温で作動する。

多重チャネルのろう付けされた構造物の大多数は、実際のろう付け工程の前に母材部品の間に配置された溶加材を使って製造される。粉末状の溶加材を、母材部品の表面に噴霧する、または粉末／ポリマーの複合ペーストの形で塗布することができる。どちらの場合でも、粉末状の溶加材は多孔性であり、かなりの不純物を酸化物の形で含んでいる。この方法で粉末溶加材を使うと、不均一な、多孔性の、品質の劣る接合部が生じる。代わりに、箔状の溶加材を、接合すべき母材部品間に直接配置することができる。箔は、比較すると、１００％の濃さで、不純物をほとんど伴わず、接合区域により正確に計量されることができる。制約された組立て品に箔を使うには、粉末よりもより効果的であるけれど、その箔の厚さの変動が小さいことが必要である。これらの組み立てられた交互の母材プレートおよび箔のプリフォームがろう付け中に相互の動きから制約を受ける場合には、このことが特に重要である。

ろう付けした構造物の性能を最適化するためには、母材プレートの厚さおよび幾何学的形状に関して粉末または箔の適切な量を決めるために面倒な、予備実験を行う必要がある。さらに、制約された組立て品には、すべての部品が非常に精密な寸法を持ち、既存の技術を使って満足させるのは困難で費用の掛かる非常に正確な部品配置を有することが必要である。例示するために、チャネル高さが５ｍｍで、幅２５０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ０．１ｍｍであるプレート／プレート熱交換器の波形シートについて考えてみる。最適化したろう付け接合部には０．０２５〜０．０５０ｍｍのギャップがあるだろう。チャネル高さに１％の変動があると、そのギャップが０．０５ｍｍだけ変化するだろう。シートの平面度に１％の偏差があると、ギャップが１ｍｍだけ変化するだろう。これらの局部的な大きなギャップをふさぐ唯一の方法は、そのギャップをろう材で埋めることである。ギャップが大きいとき、利用できる溶加材の量は少なく、またはその溶加材は流れが悪く、次いで、過剰のギャップを埋めることは、プレートおよびプリフォームの機械的に制約された組立て品では十分ではないかもしれない。その結果、ろう付けされていない大きな区域がある可能性がある。

適切に設計された熱交換器は、その適当なチャネルに液体および／またはガスを含まなければならず、かつ／または流動媒体によって加えられる圧力に安全に耐えなければならない。これらの設計基準は構造物中の各ろう付けした接合部に適応される。接合強度は、その接合部の寸法および微構造によって決まるパラメータである。それは時間−温度のろう付け条件によって影響を受ける。熱交換器に多数の接合部が与えられると、接合強度および完全性は予測するのがやや困難であり、規制するのはなおさら難しい。高強度接合部の理想的な場合では、臨界の内圧の下でろう付け構造物の発生する可能性のある破壊は、ろう付けした接合部においてよりも、むしろ母材から作られている構造部分において起こるだろう。

鋼の熱交換器は、一般的に、銅、ニッケル、またはコバルトに基づいた溶加材でろう付けされる。銅の溶加材は箔の形で利用できる。しかしながら、銅の使用は、中程度の温度を受け、ほんの少しだけ腐食性の媒体を含んでいる熱交換器に限られている。ニッケルおよびコバルトに基づく溶加材は、高温度および中程度の腐食性の媒体に耐えられるろう付け接合部を製造する。これらの構造物を接合するのに使用できるニッケルおよびコバルトに基づく進歩した溶加材の大部分は、相当量のホウ素、ケイ素および／またはリンのような非金属元素を含んでいる。したがって、そのような合金は通常の結晶形では非常に脆く、粉末、粉末−結合剤のペーストおよびテープ、かさばった鋳造プリフォームとしてのみ利用できる。粉末および粉末に基づくプリフォームは複雑な形状についてのろう付けを容易には実施できない。しかしながら、これらのニッケルおよびコバルトに基づく合金を、超急冷凝固法技術を利用して製造され、固体状態で無定形構造を有する延性のある柔軟な箔に変化させることができる。ろう付け用途のためのそのような無定形合金は、多くの特許、例えば、米国特許第４，１４８，９７３号および第４，７４５，０３７号に開示されている。今までに達成された超急冷凝固法技術の実質的な長所にもかかわらず、このようにして製造される箔には、断面のおよび縦方向の厚さ変動、時には±４０％を超す変動がある。

したがって、（ａ）ろう付け箔の厚さおよびその変動、および（ｂ）フィンおよびプロファイルの形状および寸法の精度、に過度に頼ることなく制御された断面寸法を有する強い接合部を提供できる複雑な三次元のプレート／プレートおよびプレート／フィン構造物をろう付けするという進歩した方法の必要性は常にある。

ろう付け操作を受ける試験片の接合部に垂直に加えられる荷重の有益な効果を示す実験データがある。これらの各試験片では、無定形の金属箔がろう材として使われた。ろう付けされた接合部の厚さは、加えられた荷重により変化する。このデータは、雑なギャップ表面の液体溶加材による湿潤および無孔ろう付け個所の形成についての改善に荷重が重要であるということを示している。さらに、液体溶加材の表面張力と加えられた荷重との間の自動調整の相互作用もまた、厚さ、微構造、最も重要なのは、ろう付け部の強度を最適化する。この基本的な荷重の効果は、ろう付けされた多重チャネル構造物を改善するための本発明の提案方法に科学的根拠を与える。

本発明は、接合すべきプレートとフィンの間に無定形箔の形の中間層を挿入するステップと、制約されていないスタックに該部品を組み立てるステップと、そのスタックの頂部に制御された荷重を加えるステップと、その組立て品を適当な条件の下で、その中間層が融解して母材と反応する温度まで加熱するステップと、その組立て品を冷却して、最適な寸法、形状および強度を有する均一な接合部を有する構造物を製造するステップを含むろう付け方法に統合されている。

本発明は、上記に記述した方法によって製造されるろう付けされた構造物をも包含している。
本発明およびそのある種の好ましい実施形態の詳細は、図面を参照することによりより良く理解される。

（ａ）は、ろう付けされた熱交換器に形成された円形接合部の上面図であり、（ｂ）は、ろう付けされた熱交換器に形成された細長い接合部の上面図であり、（ｃ）は、ろう付けされた熱交換器に形成された（ａ）および（ｂ）に示されている接合部の横断面図である。 （ａ）は、ろう付け前後のプレート／フィン組立て品の概略図であり、（ｂ）は、ろう付け前後のプレート／プレート組立て品の概略図である。 （ａ）は、６５０℃で機械的試験をする前に本発明の実施形態を実証するために使用されたサンプルの写真であり、（ｂ）は、６５０℃で機械的試験をした後に本発明の実施形態を実証するために使用されたサンプルの写真である。 （ａ）は、２５μｍの厚さの無定形箔を使用してろう付けされたステンレス鋼接合部の微構造の写真であり、（ｂ）は、５０μｍの厚さの無定形箔を使用してろう付けされたステンレス鋼接合部の微構造の写真である。 （ａ）は、ろう付けした接合部の破壊位置を示している６５０℃での引張りモードの機械的試験による破壊後のサンプルの側面図を示している写真であり、（ｂ）は、母材の破壊位置を示している６５０℃での引張りモードの機械的試験による破壊後のサンプルの側面図を示している写真である。 フィンの小さな窪みがあるために大きなろう付けされない区域を示している、箔の形状をした薄い（２５μｍ）予め配置された無定形ろう材で製造されたサンプルの二等分の画面を示している写真である。

漏れのない製品を保証するために、ろう付けされた多重チャネル構造物は、各接触表面に完全なろう付け部を持っていなければならない。加えて、実用寿命を確実に延ばすために、これらのろう付け部は均一で、しかも強くなければならない。

その装置の機械的性能は、３つの主要なパラメータ、すなわち、１）そのろう付けされた構造物によって耐えることができる最大破裂圧力、２）持続した圧力に対する構造物の長期にわたる寸法安定性、および３）変化しやすい圧力および温度に対する長期にわたる機械的安定性によって特徴付けられる。その装置は、ろう付けされた接合部または母材の構造部材内のいずれかで壊れる可能性がある。もしもその装置がろう付けされた接合部で壊れたなら、その強度は接合部の総接触表面とろう付け部の強度によって決まる。もしもそれが母材の構造部材で壊れたなら、その強度はその構造部材の断面積と固有の強度によって決まる。その装置のこれらの範囲を図１に示す。

本発明に従って、無定形の箔を溶加材として使用することができる、均一な、漏れのない、強い、多重チャネルのプレート／フィンおよびプレート／プレートのろう付けされた構造物を製造する方法を提供する。その方法は、次のステップ、すなわち、
（ａ）無定形の構造を有する、母材のプレートおよびフィンの部分の融解温度よりも低い融解温度を有する箔の形状の溶加材を選択するステップと、
（ｂ）プレート１、フィン２およびろう材のプリフォーム３を、ろう付け作業中に垂直方向に自由に移動できるが横方向に移動することは防止されるようにして、図２に示す順序に従って支持装置５の内部に組み立てるステップと、
（ｃ）図２に示すようにスタックの頂部に定量の重量を置くことによってその組立て品に圧縮荷重をかけるステップであって、その圧縮荷重はろう付け温度でそのスタックを崩壊させてはならないステップと、
（ｄ）その組立て品を炉にいれて、少なくとも溶加材の融解温度まで加熱するステップと、
（ｅ）その組立て品を冷却するステップで構成されている。

これらの条件の下で、ろう材は融解して、図２の「ろう付け後」に示すように、ろう付けされている部品間の最初のギャップを埋める。同時に、最も明確に、加えられた荷重は、形成されている各個々のろう付け部を、荷重しだいで、約１５μｍ〜３０μｍに形成する。これは、母材部品を、互いにより接近するように移動させるか、または加えられた荷重とそのギャップの中にある融解金属の表面張力の力との間の平衡によって移動が停止するまでさらに離れているように移動させるかのいずれかによって発生する。融解しすぎた金属は、大きな断面を有するすみ肉を形成して、強い強度の接合部を生じているろう付けされたギャップの外に部分的に放出される。ろう付けされた構造物の全体的な寸法は、使用した箔の厚さの変動およびプレート／フィンの均一性に関係なく制御される。さらに、その構造物の形成されたチャネルは全て等しい断面を作り出す。

上述のプロセスに有用な箔は、一般的には、平均して約３７〜約６０μｍの厚さであり、その厚さは接合すべき部品間の望ましい間隔でもある。そのような間隔がろう付けされた接合部の強度を最大にする。箔がもっと薄くなると、液体溶加材の量が発生する可能性のある過剰のギャップを全て埋めるのに不十分になるかもしれない。より厚い箔は非経済的であり、必要でないかもしれない。なぜなら、本発明に記述されている構造物の破壊が、ろう付けされた接合部ではなくて、むしろ母材部分で起こるであろうからである。したがって、ろう付けされた構造物の理想的な性能は、その破壊が母材の強度によって決まるときに達成される。

（実施例）
上記のことを例示するために、本発明の次の一般的な概念に従って製造されたサンプルを供給した。

平坦なプレートを打ち抜き、正弦曲線を描く形状のフィンを、それぞれ１００μｍおよび５０μｍの厚さを有するＵＮＳ４３６０ステンレス鋼のシートから形成した。ＢＮｉ−２用の米国溶接規格ＡＮＳＩ／Ａ５．８の範囲内にあるニッケルを基にした無定形合金からの箔形状の平坦な溶加材のプリフォームを切断するのに研磨剤水ジェット切断法を使用した。

２５μｍ、３７μｍ、および５０μｍの厚さの無定形箔を使ったが、細い先端をつけたプローブを有する側面計により測定したそれらのウエブ前後のプロファイルは１５〜２０μｍもある深さの局部的な溝を持っていた。３つのサンプルを１６組の同一部品のスタックとして組み立てた。各セットは、プレート／プリフォーム／フィン／プリフォーム／プレートの部品から構成されていた。ろう付けすることにより、その１６組のそれぞれが、実際の熱交換器のチャネルをシミュレートしている複数の密閉チャネルになった。各サンプルは、全てのサンプルのための同一の母材プレートおよびフィン部材から成っていたが、上記の厚さの１つを有する箔のプリフォームを含んでいた。各サンプルを、完全なろう付けサイクルの間に全てのスタック部品を垂直方向に自由に移動させることができる特別な保持器の厚いプレートに取り付けられた垂直誘導装置の間に組み立てた。図２に示すように金属または黒鉛のブロックの形で、各サンプルの頂部に荷重を置いた。構造物５の荷重をかけたサンプルを、真空炉に垂直の位置に置き、ほぼ１０９０℃の温度で１５分間ろう付けした。ろう付けした後、サンプルを機械的試験用に調整した。サンプルを切断し、次いで放電法により、図３（ａ）に描いてあるように、試験片の「頚状部」に２５ｍｍ×２５ｍｍの断面を有するＩビーム形状をした試験片に機械加工した。その切抜き片を金属組織のサンプルを作るのに使用した。プリフォームの機能としてのその接合部および微構造を、光学顕微鏡を使って、１００倍という適度な倍率で測定した。

金属組織観察の結果、全てのろう付け個所の中間部分にある接合部の厚さは、図４ａおよび図４ｂが実証しているように２５μｍおよび５０μｍの箔を使って製造されたサンプルを比較しているときでさえも、最初の無定形箔の厚さに関係なく同じであることが明らかになった。この効果は、ろう付けするギャップは制約されていないからであると確認された。実際に、過剰の液体ＭＢＦ−２０合金は、融解すると、全てのギャップ表面の表面張力の力が、部品重量および外部ブロックの重量である、試験片にかけられた総荷重に等しくなるまで、毛細管のギャップから部分的に放出された。その総荷重は部品の重量と外部ブロックの重量である。この過剰の融解したＭＢＦ−２０金属は、特に５０μｍの箔では、大きなすみ肉を形成している最初のギャップから流出して、部分的にフィンの垂直壁を上昇した。もっと厚い溶加材は、図４ａに見られる狭い空洞状の結晶化収縮パターンのない有利な形状を有する、従って、図４ｂに描かれているようなより大きな接合部の断面を有するより大きな接合部のすみ肉という結果になった。

全てのろう付けされた試験片に形成された個々の通路の高さを、標準的な光学比較測定器を使って測定し、次に結果を得た。

１６のろう付けする箔をそのサンプルのそれぞれの中に予め配置したので、２５μｍおよび５０μｍの厚さの箔で組み立てたパック間の最初の差は０．４ｍｍであった。この差はろう付けされた構造物ではほぼゼロに減少した。ろう付けされた状態でのこれら２つのサンプルにおける高さの差の合計は０．０４２ｍｍにすぎない。

Ｉビームの形状をしたろう付けされたサンプルを、標準引張り試験機を使って、６５０℃で引張り試験をした。そのサンプルは破壊時に次の最大荷重を実証した。この荷重は箔の厚さと共に直線的に変化した。

その破壊したサンプルを２０倍という適度な倍率で光学観察した結果、図５ａおよび５ｂに描かれているように、２５μｍおよび３７μｍの平均厚さの箔を使ってろう付けしたサンプルでは、図５ａに描かれているように、ろう付け部で破壊が起こっていることが明らかになった。同様に、２５μｍの箔を使ってろう付けしたサンプルの中には、図６が実証しているように、フィン形状中の偶然のくぼみまたは他のくぼみを埋めるのに必要なろう付けした溶加材の量が不十分であったために、大きなろう付けされていない個所が観察されたものもある。５０μｍ箔のサンプルの場合には、図５ｂに描かれているように、破壊はフィンの中央で発生した。したがって、この場合、ろう付けされた構造物の強度は、理想的に母材の強度によって決まっていた。

これまで本発明をかなり十分詳細に記述してきたので、そのような詳細な記述の必要性に厳密には固執しないが、様々な変更および変形が当分野の技術者の心に浮かぶ可能性があり、その全てが追加した請求の範囲によって定義されているように本発明の範囲内に入るということが理解されるだろう。

Claims (7)

1. 部品をろう付けする方法であって、
   接合すべき部品を備えるスタックを組み立てる工程であって、前記部品は前記スタックの層として積み重ねられ、無定形金属の箔が、前記スタックの連続する層の間に挿入され、前記部品は、プレートおよびフィンからなるグループから選択され、前記スタックは、ろう付けの間、横方向の動きを制約され且つ垂直方向の動きを制約されずに、ろう付けの間の前記スタックが、連続する層間のギャップにおいて、前記ギャップを埋める融解した無定形金属の表面張力により垂直方向に収縮および拡張することができるようにされる、工程と、
   前記スタックの連続する層間の接合部の垂直方向の厚さを調整するように前記スタックに制御された荷重を加える工程と、
   前記スタックを、無定形金属の箔が融解して母材と反応する温度まで加熱する工程と、
   前記スタックを冷却して、ろう付けされた接合部を有する構造物を製造する工程とを含み、前記スタックにおける各ろう付け個所の中間部分にある各接合部の垂直方向の厚さが同じである、方法。
2. ろう付けの間、前記スタックが、接合すべき前記部品とは異なる垂直誘導装置の間に配置され、前記垂直誘導装置は、前記スタックの横方向の動きを制約し、前記スタックの垂直方向の動きを制約しない、請求項１に記載の方法。
3. 前記垂直誘導装置は、前記スタックの複数の層の横方向端部に当接することによって、前記スタックの横方向の動きを制約するように配置される、請求項２に記載の方法。
4. 無定形の金属箔は２５μｍから６０μｍの間の厚さを有する請求項１または２に記載の方法。
5. 前記制御された荷重は、前記接合部の垂直方向の厚さを１５μｍから３０μｍに調整するように選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. ろう付けされた前記接合部は、全てのろう付けするギャップを細孔を残すことなく密封するように形成された実質なすみ肉を有し、これにより漏れの無い構造を形成している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
   
7. 請求項１〜６のいずれか一項の記載の方法に従って製造される製品。
   

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