JP5729969B2 - アルミニウム合金置きろうおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金ろう材ワイヤーと当該アルミニウム合金ろう材ワイヤーの製造方法およびそれを置きろうとして熱交換器を製造する方法を提供するものであり、特に不活性ガス雰囲気中でフラックスを使用することなく、ろう付け加熱することにより熱交換器を製造する技術に関するものである。

ラジエーター等の熱交換器は例えば図１に示すように、熱間または温間で管状に押出し成形した扁平チューブ１を蛇行状に折り曲げ、管材の間にブレージングシートで形成したフィン２（コルゲートフィン）を取り付けたものである。フィン材にはＪＩＳ３００３やそれに犠牲効果を与える目的でＺｎ等を含有させた合金を芯材とし、ＪＩＳ４０４５（Ａｌ−１０ｍｓｓｓ％Ｓｉ）やＪＩＳ４３４３（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ）等のろう材を両面にクラッドしている。

熱交換器は、上記扁平チューブにフィンを取り付けたものをろう付け加熱することで、フィン材表面のろう材が溶融して部材の隙間を充填することにより一体化し、組み立てられる。ろう付け加熱の方法には、フラックスを用いるフラックスろう付け法、非腐食性のフラックスを用いたノコロックろう付け法等がある。

ところで、ろう付け加熱中に生じる不具合として、フィンの潰れ、チューブ等へのろう材のエロージョンや接合部にろうが十分に供給されないろう切れがある。これらに対処するために、ろう付け加熱は昇温速度を細かく調整しながら実施される。また、アルミニウムの融点は約６６０℃であるため、ろう付け温度が少しでも高くなると、ろう材が母材に拡散するエロージョンが生じるため、ろう付け温度の上限は厳しく管理されており、通常、ろう付け加熱は６００℃付近の温度で行われる。

しかし、実際には、炉内の温度分布や部材の熱容量の違いにより、熱交換器全体にわたり均一に加熱することは容易ではない。熱交換器の部位のうち最も温度が高くなる場所でエロージョンが生じないようにろう付け温度を設定すると、熱交換器の部位によってはろう付け温度まで温度が上がらずろう切れが発生する。ろう切れは熱交換器としての伝熱特性を極端に低下させてしまうため、重要な製造不具合である。

特に、熱交換器と配管部の間のコネクター部は、板厚の薄い部材や板厚の厚い部材が接触する部位であるため部材間で温度差を生じやすく、ろう付け不良が発生しやすい。このような部位を熱交換器と同時にろう付けするために、ろう材を接合部形状に合わせて線状、リング状、ばね状、ワッシャー状に加工し、置きろうとして使用されている。
特願２００６−１５０４４２号公報 特願平９−０４７８９２号公報

しかし、コネクター形状、配管部のクリアランス、およびフラックスの使用，非使用、ろう付け方式等により、ろう材の種類や使用方法が制約されており、作業効率が悪いという問題がある。また、フラックスを使用してろう付け加熱を行った場合、上記コネクター部のような複雑形状部に残留したフラックスの残渣を取り除く工程も必要であり、生産性を低下させるという問題があった。

本発明者らは、上記問題を解決するために鋭意検討を行い、低融点のろう合金を置きろうとし、フラックスを使用せずにろう付けすることで、生産性を著しく改善できることを見いだした。

すなわち、請求項１に係る第１の発明は、Ｓｉ５〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．１〜５ｍａｓｓ％を含み、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金ろう材の外側に、該ろう材の液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム材料からなる皮材を配したことを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤーである。

請求項２に係る第２の発明は、請求項１記載の皮材が、純ＡｌまたはＡｌ−Ｍｎ系合金であることを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤーである。

請求項３に係る第３の発明は、Ｓｉ５〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．１〜５ｍａｓｓ％を含み、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金ビレットの外周部に、該ビレットの液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム材料からなるパイプを嵌合した後、線引き加工することを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤーの製造方法である。

請求項４に係る第４の発明は、請求項３記載のパイプが、純ＡｌまたはＡｌ−Ｍｎ系合金であることを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤーの製造方法である。

請求項５に係る第５の発明は、アルミニウム合金製熱交換器を製造するにあたり、前記アルミニウム合金ろう材ワイヤーを線のままで、あるいはバネ状やリング状に加工して、ろう付けしたい部位に配置し、不活性ガス雰囲気中でフラックスを使用することなく、ろう付け加熱することを特徴とするアルミニウム合金製熱交換器の製造方法である。

以上のように本発明のアルミニウム合金ろう材ワイヤーを用いれば真空炉や高気密性の雰囲気炉等の高価設備が不要であり、またフラックスは不要となり、フラックス塗布、ろう付け後の残渣除去の工程も不要となるため生産性が向上し、低コストとなる。かつろう付け組み立て時にワイヤーを加工したリングを挟み込むだけの作業簡便性に優れたろう付けが可能となる。

サーペンタインタイプのエバポレーターを示す斜視図である。

まず、ろう材成分の限定理由を説明する。

Ｓｉはアルミニウム合金ろう材として必須の合金元素であって、ろう材の融点を低下させ、溶融ろうの流動性を良好にする作用を有する。しかし、その量が５ｍａｓｓ％未満あるいは１５ｍａｓｓ％より多いとでは、十分に融点が低下せず、溶融ろうの流動性が悪く、低温部でろう切れが発生する。また、１５ｍａｓｓ％を超えるとＳｉ晶出物が生成され、フィレット部へのろうの供給が少なくなると共に、芯材のエロージョンが大きくなる。従って、Ｓｉ量は５〜１５ｍａｓｓ％とする。さらに好ましいＳｉ量は９〜１２ｍａｓｓ％である。

Ｍｇはろう付け加熱中に材料内部から材料表面に拡散し、表面に生成した酸化皮膜を破壊、除去することにより、ろうの濡れ広がり性を促進する。特に不活性ガス雰囲気中の酸素濃度が高い場合、ろう付け加熱中に酸化皮膜が生成しやすく、ろう付け性を阻害するため、Ｍｇ添加は有効である。添加量としては０．１ｍａｓｓ％未満ではろうの濡れ広がり性の促進効果が無く、５ｍａｓｓ％を超えると促進効果が飽和し、経済的ではない。従って、Ｍｇ量は０．１〜５ｍａｓｓ％とする。さらに好ましいＭｇ量は０．５〜２ｍａｓｓ％となる。

Ｂｉは、Ｍｇと共存して、または単独で不活性ガス雰囲気中でのろうの濡れ広がり性を促進する効果があり、０．０１〜０．５ｍａｓｓ％の範囲で添加しても良い。

更にＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎは、ろう材に犠牲防食作用を持たせ、芯材の耐食性を向上させる。従って、Ｚｎについては０．０１〜５ｍａｓｓ％、Ｉｎについては０．０１〜０．１ｍａｓｓ％，Ｓｎについては０．０１〜０．１ｍａｓｓ％の範囲で添加しても良い。

なお、Ｆｅは、０．５ｍａｓｓ％以下程度まで含まれてもろう材の特性に悪影響を及ぼさないので許容される。その他不可避的不純物は各々０．０５ｍａｓｓ％以下、合計で０．１５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。

次に、皮材について説明する。本発明の皮材に用いるアルミニウム合金には、前記ろう材の液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム合金を用いる。この条件さえ満たせば用いるアルミニウム合金はどんな組成でも良く、必要な製品強度、耐食性等を考慮すると、ＪＩＳ Ａ １０７０、１０５０、１１００、１２００、３００３、３２０３、３００４、５００５、５Ｎ０１、６９５１、６０６１、６０６３、６Ｎ０１等の規格合金、あるいはこれらにさらに種々の合金元素を添加した合金から選ぶことができる。但し、皮材にＭｇを含有すると、ろう付け加熱の昇温過程で皮材表面の酸化皮膜が成長し易いので、皮材にはＭｇを含有せず、延性に優れた純ＡｌあるいはＡｌ−Ｍｎ系合金が好ましい。

本発明のアルミニウム合金ろう材ワイヤーの製造方法について説明する。

従来のアルミニウム合金ろう材ワイヤーは、ＤＣ鋳造した合金ビレットを直接または間接押出しにより１０ｍｍ程度の線材とし、これをさらに引き抜きにより所定の太さの線材にしていた。しかし、アルミニウム合金ろう材はＳｉ系の金属間化合物を多量に含有しているため、これら金属間化合物を起点として引き抜き時に割れを生じて破断にいたることが多い。

本発明のアルミニウム合金ろう材ワイヤーは、ＤＣ鋳造したろう材合金ビレットの外周形を面削する。一方、延性の高い純Ａｌ系合金またはＡｌ−Ｍｎ系合金で、前記ろう材合金ビレットの外径と同じ内径を有する中空パイプを製造する。そして、前記中空パイプの内部に前記ろう材合金ビレットを嵌合し、一体にする。その後、前記一体とした材料を３００〜５００℃に加熱した後、線引き加工することにより、ろう材と純Ａｌ系合金またはＡｌ−Ｍｎ系合金からなる中空パイプ（最終的には皮材となる。）を完全に密着させることができる。線引き加工は、押出し加工、引き抜き加工あるいはそれらを併用したいずれの工法でもよく、脆いろう材が延性に優れた皮材に被覆されているため、内部のろう材に割れを生じることなく、相似形状で細いワイヤー形状に加工することができる。

本発明のアルミニウム合金ろう材ワイヤーの直径は０．５〜３．０ｍｍとする。直径が３．０ｍｍを超える場合、リング状等に曲げ加工がしにくくなる。使用上の便利さという点では特に直径２．０ｍｍ以下が望ましい。一方、直径が０．５ｍｍより細くなると接合部を充填するのに十分なろう材が供給できなくなる。また実用的な製造上の観点からも、直径０．５ｍｍ程度が下限値として適当である。

本発明のアルミニウム合金ろう材ワイヤーは、ワィヤー表面に厚み１〜４５０μｍの皮材を配することで、通常の不活性ガス下でのろう付けにおいて、フラックスなしでろう付けすることができる。ここで、薄皮の厚みを均等に１μｍ未満とすることは製造上困難である。一方、薄皮の厚みを４５０μｍより厚くした場合、ろう材に含まれるＭｇがろう付け時に皮材表面まで拡散しにくくなり、不活性ガス雰囲気中でのろうの濡れ広がり性が悪くなる。従って、皮材の厚さは１〜４５０μｍとすることが好ましい。

次に本発明のアルミニウム合金ろう材ワイヤーを用いてアルミニウム合金製熱交換器等を製造する方法について説明する。

熱交換器等の構造体の製造に当たり、本発明であるアルミニウム合金ろう材ワイヤーを、線のまま、あるいはリング状、バネ状、ワッシャー状等所定の形状やサイズに加工した上で、ろう付けしたい部位に配置する置きろうとして使用する。アルミニウム合金製熱交換器とは、ラジエーター、コンデンサー、ヒーター、エバポレーター等が挙げられるが、これに限定するものではない。

以下に実施例により本発明を具体的に説明する。

表１の合金組成のろう材ビレットをＤＣ鋳造により作製し、外径を面削した。これらのビレットに純Ａｌ系合金（ＪＩＳ Ａ １０５０）のパイプを嵌合した供試材を得た。これら供試材を４００℃に加熱し、押出し法により直径５０ｍｍの棒材を製造した。次いでこれらの棒材を引き抜き加工し、直径０．４〜５ｍｍのワイヤーを製造した。

この結果、本発明例であるろう合金および、従来例であるろう合金（ＪＩＳ Ａ ４０４５）については、所定の径のワイヤーを製造することができたが、Ｓｉの量が本発明の範囲を外れる比較例の合金Ｎo.１２、１３は、ろう付け性に劣り、特にＮｏ．１３は線引きの際に度々断線が生じ安定してワイヤーを製造することができなかった。

上記で製造したワイヤーを図１の熱交換器のチューブとコネクターとのろう付け部に置きろうとして使用した。すなわち、ろう付け前の組み立ての際に、チューブにコネクターを差しこんである周囲にワイヤーをリング状にして置いた。

この際に、本発明例であるろう合金および、従来例であるろう合金（ＪＩＳ Ａ ４０４５）については、表面に割れ等の表面欠陥のないリングを成形加工することができたが、Ｓｉの量が本発明の範囲を外れる比較例の合金Ｎo.１２、１３、特にＮｏ．１３は、成形加工したリング表面に割れを多発し、置きろうとしての機能が発輝できないことがわかった。

組み立て品については、フラックスを使用せず、不活性ガス雰囲気内で６００℃のろう付け炉中に３分保持して行った。各ろう材合金について１０台の熱交換器を製造し、それぞれの熱交換器にＨｅガスを充填して、上記チューブとコネクターとのろう付け部位での漏れ不良の発生を調べた。その結果も表１に示す。

本発明例の合金（Ｎｏ．１〜１１）については、漏れ不良を生じた熱交換器は１台もなかった。これに対して、本発明例の合金組成範囲、直径を外れている比較例の合金（Ｎｏ．１２〜１８）および従来合金（Ｎｏ．１９）については漏れ不良の発生している熱交換器があった。

１．扁平チューブ
２．フィン
３．コネクター

Claims (4)

1. Ｓｉ５〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．１〜５ｍａｓｓ％を含み、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金ろう材の外側に、該ろう材の液相線温度より高い固相線温度を有し厚さ１〜４５０μｍであるアルミニウム材料からなる皮材を配したアルミニウム合金ろう材ワイヤーであって、該アルミニウム合金ろう材ワイヤーの直径が０．５〜３．０ｍｍであることを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤー。
2. 請求項１記載の皮材が、純ＡｌまたはＡｌ−Ｍｎ系合金であることを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤー。
3. Ｓｉ５〜１３ｍａｓｓ％、Ｍｇ０．１〜５ｍａｓｓ％を含み、残部Ａｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金ビレットの外周部に、該ビレットの液相線温度より高い固相線温度を有するアルミニウム材料からなるパイプを嵌合した後、線引き加工することを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤーの製造方法。
4. 請求項３記載のパイプが、純ＡｌまたはＡｌ−Ｍｎ系合金であることを特徴とするアルミニウム合金ろう材ワイヤーの製造方法。
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