JP6470603B2

JP6470603B2 - アルミニウム材のろう付方法

Info

Publication number: JP6470603B2
Application number: JP2015062072A
Authority: JP
Inventors: 三宅　秀幸; 秀幸三宅
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: JP2016179494A

Description

本発明は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いたアルミニウム材のろう付方法に関するものである。

自動車用熱交換器をはじめとしたろう付分野においては、現在、ノコロックフラックスを用いた工法が主流となっているが、薄肉高強度化に有効なＭｇ添加アルミニウム合金がフラックスの不活性化反応（ＭｇＦ_２の形成）により使用できないという問題がある。
これに対し、量産性に配慮した、大気圧下で行うフラックスレス（フラックスを使用しない）ろう付方法も提案されてきているが、特殊な表面処理や材料仕様、ろう付工法などが採用され、コスト、品質安定性に問題があり、本格的な実用化には至っていない。
これに対し、特許文献１においては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金ろう材を用いたフラックスレス工法が提案されている。

特許第４５４７０３２号公報

しかし、特許文献１においても、接合部のフィレット形成能は、従来のノコロックフラックスに対し優位性を有するには至っておらず、安定した量産品質を得るには適用製品形状を限定する必要がある。このような背景により、薄肉高強度化に有効なＭｇ添加アルミニウム合金が使用でき、かつ、従来ノコロックろう付法と同等あるいはそれ以上のフィレット形成能をもつろう付工法の開発が強く望まれている状況である。

本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いて良好なろう付を行うことができるアルミニウム材のろう付方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のアルミニウム材のろう付方法のうち、第１の形態は、質量％でＭｇを０．２〜３．０％、Ｓｉを３〜１２％含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材をアルミニウム合金芯材に貼り合せたクラッド材を用いてアルミニウム材同士をろう付する方法であって、
少なくとも、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材とアルミニウム被接合部材との接合部において、ろう付前にＣ、Ｈ、Ｏのみからなる有機物樹脂を介在させ、ろう付加熱時に前記有機物樹脂により得られる炭化物膜で接合部表面を雰囲気からバリヤーし、酸化物を除去するためのフラックスを用いないことを特徴とする。

他の形態のアルミニウム材のろう付方法の発明は、前記形態の本発明において、前記有機物樹脂を数平均分子量３００〜６００００として、０．１〜５ｇ／ｍ^２の量で前記接合部に介在させることを特徴とする。

他の形態のアルミニウム材のろう付方法の発明は、前記形態の本発明において、前記炭化物膜は、ろう付昇温過程でろう材融点に到達するまでに蒸散することを特徴とする。

他の形態のアルミニウム材のろう付方法の発明は、前記形態の本発明において、前記有機物樹脂が、エポキシ樹脂、または、エポキシ樹脂と他の樹脂の混合物、または、エポキシ基またはエポキシ環が重合された樹脂であることを特徴とする。

他の形態のアルミニウム材のろう付方法の発明は、前記形態の本発明において、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材に、質量％で０．０２〜０．３％のＢｉを含有することを特徴とする。

次に、本願発明で規定する内容について説明する。なお、成分量はいずれも質量％で示される。

＜ろう材＞
Ｓｉ：３〜１２％
Ｓｉは、Ａｌに含有することにより、その融点を低下させ、ろう付昇温時の共晶温度以上で、接合に必要な溶融ろう材を生成する。また、ろう材表面に存在するＳｉ粒子上では、アルミニウムの緻密な酸化皮膜の成長が抑制され、酸化皮膜の欠陥部が生成する。Ｓｉの含有量が３％未満では、これらの作用が十分に得られず、１２％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて圧延性が悪化し、クラッド圧延材を作製することができなくなる。このため、Ｓｉの含有量は、３〜１２％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｓｉの含有量は、下限を５．０％、上限を１１．０％とすることがより好ましい。

Ｍｇ：０．２〜３．０％
Ｍｇは、ろう付昇温過程において、材料表面に生成する緻密な酸化皮膜（Ａ１_２Ｏ_３膜）に作用して酸化皮膜を分解することで、ろうの濡れ性や流動性を向上させる。ただし、Ｍｇの含有量が０．２％未満では、酸化皮膜の分解作用が十分に得られず、３．０％を超えると、ろう材強度が高くなり過ぎて圧延性が悪化し、クラッド圧延材を作製することが難しくなる。また、ＭｇＯが厚く成長し酸化皮膜の分解作用が低下するため、溶融ろうの濡れ性が低下し、十分な接合が得られ難くなる。このため、Ｍｇの含有量は、０．２〜３．０％とすることが好ましい。なお、同様の理由により、Ｍｇの含有量は、下限を０．２５％、上限を２．０％とすることがより好ましい。

Ｂｉ：０．０２〜０．３％
Ｂｉは、Ｍｇと共存することで融点が低下し、低い温度からろうの染み出しが発生し、この部位を起点に酸化皮膜の破壊や分断が進み、溶融ろうの濡れ性が向上し、より安定した接合状態を得ることが可能となるため所望により含有させる。上記作用を得るためには０．０２％以上の含有が望ましく、０．０２％未満の含有では効果が不十分となる。一方、０．３％を超えて含有すると、ろう材の圧延性低下を招く。これらのためＢｉの含有量は上記範囲が望ましい。なお、同様の理由で下限を０．０５％、上限を０．２％とするのが一層望ましい。

＜有機物樹脂種別＞
有機物樹脂は、Ｃ、Ｈ、Ｏのみからなり、ろう付け加熱に際し炭化物膜を形成し、アルミニウム材やろう材表面の酸化皮膜成長を阻害することができる。本発明としては、有機物樹脂の種別などが限定されるものではなく、目的を達成できるものであればよい。例えば、エポキシ樹脂、または、エポキシ樹脂と他の樹脂の混合物、または、エポキシ基またはエポキシ環が重合された樹脂が例示される。エポキシ系樹脂を使用することで塗装性や経済性に優れる。
＜有機物樹脂分子量＞
有機物分子量は本発明としては限定されるものではないが、数平均分子量が３００〜６００００とするのが望ましい。
数平均分子量が３００未満では、ろう付昇温過程で早期に分解蒸発して酸化皮膜成長抑制作用が不十分となり、数平均分子量が６００００超となると、ろう材溶融後に残渣が生じるため溶融ろうの濡れ拡がり性を阻害する。
下限を１０００、上限を１００００とするのが一層望ましい。
＜有機物樹脂介在量＞
有機物樹脂介在量は、本発明としては特に限定されるものではないが、０．１ｇ／ｍ^２〜５ｇ／ｍ^２の範囲が望ましい。介在量が０．１ｇ／ｍ^２であると、ろう付昇温過程で早期に分解消失して酸化皮膜成長抑制作用が不十分となり、５ｇ／ｍ^２以上ではろう材溶融後に残渣が生じるため溶融ろうの濡れ拡がり性を阻害する。
同様の理由で下限を０．２ｇ／ｍ^２、上限を３．０ｇ／ｍ^２とするのが一層望ましい。

＜雰囲気＞
本発明は、大気中でもろう付できるが、接合状態をより安定させるには減圧をともなわない不活性ガス、或いは還元性ガス等の非酸化性雰囲気中でろう付けを行う方が望ましい。使用する置換ガスの種類としては、アルミニウム材の接合を得るにあたり特に限定されるものではないが、コストの観点より、不活性ガスとしては窒素、アルゴン、還元性ガスとしては水素、アンモニア、一酸化炭素を用いることが好適である。雰囲気中の酸素濃度管理範囲としては、５０ｐｐｍ以下が望ましい。５０ｐｐｍ超ではろう付対象部材の再酸化が進みやすくなる。

＜ろう付対象部材の材質＞
ろう材以外のろう付対象部材としては、一般的に用いられているアルミニウム材料であれば何れも問題なく使用可能である。

本発明によれば、有機物樹脂が介在することで高温域まで材料表面をバリヤーして酸化皮膜の成長を抑制し、溶融ろうの流動を阻害することなく良好なろう付性が得られる効果がある。

本発明の一実施形態におけるろう付前の状態を示す概略図である。本発明の実施例におけるろう付評価モデルを示す図である

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
ろう材用アルミニウム合金として、質量％で、Ｍｇ：０．２〜３．０％、Ｓｉ：３〜１２％を含有し、所望により、Ｂｉ：０．０２〜０．３％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成に調製する。また、芯材用アルミニウム合金として、例えば、質量％で、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｉ：０．１〜１．２％の内１種または２種以上を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成に調製する。

熱間圧延、冷間圧延を行って芯材の一方または両方の面にろう材が重ね合わされて接合されたクラッド材を得る。
上記工程を経ることにより、アルミニウム合金芯材２の一方の面にアルミニウム合金ろう材３がクラッドされた熱交換器用のアルミニウム合金ブレージングシート１が得られる。
アルミニウム合金ブレージングシート１は、熱交換器のチューブ、ヘッダ、タンクなどとして用いることができる。

一方、ろう付け対象部材４として、例えば、質量％で、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜１．２％を含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなるアルミニウム合金を調製し、適宜形状に加工される。

上記アルミニウム合金ブレージングシート１は、上記アルミニウム合金ろう材３が最表面に位置しており、表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下で、前記表面酸化皮膜中におけるＭｇＯ皮膜の平均膜厚が２ｎｍ以下に調整されている。
また、ろう付け対象部材５は、少なくとも接合面において表面酸化皮膜の平均膜厚が１５ｎｍ以下かつ皮膜中のＭｇＯ皮膜厚さが２ｎｍ以下に調整されている。
上記表面酸化皮膜は、鋳造後の均質化、熱間圧延前の均熱、冷間圧延後の焼鈍等、各種
熱処理時の温度と時間によって調整することができる。

上記アルミニウム合金ブレージングシート１とろう付け対象部材４とは、アルミニウム合金芯材２とろう付け対象部材４との間にアルミニウム合金ろう材３が介在するように配置し、さらに、アルミニウム合金ろう材３上に有機物樹脂による有機物樹脂層５を形成する。これらを組み付けてろう付け用アルミニウム合金組み付け体とする。これにより少なくとも接合部において有機物樹脂層５が介在している。有機物樹脂層５は、例えば塗布により形成することができる。塗布は、アルミニウム合金ろう材３表面に行ってもよく、ろう付け対象部材４表面に行ってもよく、両方に塗布を行うようにしてもよい。塗布方法としては、塗布方法は特に限定されるものではなく、スプレー法、シャワー法、フローコーター法、ロールコーター法、刷毛塗り法、浸漬法などを適宜採用することができる。

上記組み付け体は、大気中、または、減圧を伴わない非酸化性雰囲気とされた加熱炉内に配置される。該非酸化性雰囲気は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスまたは水素、アンモニア、一酸化炭素などの還元性ガス、あるいはこれらの混合ガスを用いて構成することができる。非酸化性雰囲気は、ろう付け加熱時には減圧を伴わず、通常は大気圧とされる。なお、非酸化性雰囲気を得る前に、置換などの目的で減圧工程を含むものであってもよい。加熱炉は密閉した空間を有することを必要とせず、ろう付け材の搬入口、搬出口を有するものであってもよい。このような加熱炉でも、不活性ガスを炉内に吹き出し続けることで非酸化性が維持される。該非酸化性雰囲気としては、酸素濃度として体積比で５０ｐｐｍ以下が望ましい。

上記雰囲気下で、例えば、昇温速度１０〜２００℃／ｍｉｎで加熱して、５６０〜６２０℃で加熱をしてろう付けを行う。
ろう付条件において、有機物塗膜の熱分解完了温度が４００℃〜５６０℃となるため、高温域まで材料表面をバリヤーして酸化皮膜の成長を抑制するが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材が溶融する時点では殆ど炭化物残渣が存在しないため、溶融ろうの流動を阻害することなく良好なろう付を行うことができる。
なお、上記実施形態では、アルミニウム合金芯材とアルミニウム合金ろう材とをクラッ
ドしてろう付け対象部材と接合するものとして説明したが、ろう付け対象部材間にアルミニウム合金ろう材を配置してろう付け接合することも可能である。

以下に、本発明の実施例を説明する。
表１、２に示す組成（残部はＡｌと不可避不純物）のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材と、ＪＩＳＡ３００３アルミニウム合金とをクラッドしたアルミニウム材を用意した。
アルミニウムクラッド材は、各種組成ろう材をクラッド率１０％とし、Ｈ１４相当調質の０．２５ｍｍに仕上げた。また、ろう付け対象部材としてＪＩＳＡ３００５合金、Ｈ１４のアルミニウムベア材（０．１ｍｍ厚）のフィン材を用意した。
前記アルミニウムクラッド材を用いて幅２０ｍｍのチューブ１２を製作し、該チューブと前記コルゲートフィン１１とを組み合わせ、ろう付評価モデルとして図２に示すようなチューブ１５段、長さ３００ｍｍのコア１０とした。その際、少なくともチューブ１２とフィン１１との接合部に、表２に示す組成物を表３に示す塗布量で塗布した。組成物を塗布した前記コアを、窒素雰囲気中（酸素含有量５０ｐｐｍ）のろう付炉にて、５６０〜６００℃にまで加熱し、そのろう付状態を評価した。

○ろう付性
・接合率
以下式にて接合率を求め、各試料間の優劣を評価した。
フィン接合率＝（フィンとチューブの総ろう付け長さ／フィンとチューブの総接触長さ）×１００（％）
判定は以下の基準によって行い、その結果を表３に示した。
ろう付け後のフィン接合率 ◎：９５％以上、○：９０％以上、△：８０％以上、×：８０％未満

・ろう付後の残渣
ろう付後の残渣を目視により以下の判断基準で評価した。
○：残渣がみられなかったもの
△：機微な残渣がみられたもの（数か所に点在）
×：明瞭に残渣が認められたもの（塗布部のほぼ全面に存在）
実施例の何れも良好なろう付性を示したのに対し、比較例では十分な接合が得られなかった。

１アルミニウムクラッド材
２芯材
３Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ろう材
４ろう付対象部材
５有機樹脂層
１０コア
１１コルゲートフィン
１２チューブ

Claims

質量％でＭｇを０．２〜３．０％、Ｓｉを３〜１２％含有するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材をアルミニウム合金芯材に貼り合せたクラッド材を用いてアルミニウム材同士をろう付する方法であって、
少なくとも、前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材とアルミニウム被接合部材との接合部において、ろう付前にＣ、Ｈ、Ｏのみからなる有機物樹脂を介在させ、ろう付加熱時に前記有機物樹脂により得られる炭化物膜で接合部表面を雰囲気からバリヤーし、酸化物を除去するためのフラックスを用いないことを特徴とするアルミニウム材のろう付方法。
前記有機物樹脂を数平均分子量３００〜６００００として、０．１〜５ｇ／ｍ^２の量で前記接合部に介在させることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム材のろう付方法。
前記炭化物膜は、ろう付昇温過程でろう材融点に到達するまでに蒸散することを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム材のろう付方法。
前記有機物樹脂が、エポキシ樹脂、または、エポキシ樹脂と他の樹脂の混合物、または、エポキシ基またはエポキシ環が重合された樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム材のろう付方法。
前記Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材に、質量％で０．０２〜０．３％のＢｉを含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム材のろう付方法。