JP6509942B2 - 内部はんだ層を有するアルミニウム複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの異なるアルミニウム合金からなる３層のろう付け可能なアルミニウム複合材料であって、３層のうち１つの内層はアルミニウムろう付け合金から作られたアルミニウムろう付け層であり、それ以外の層は被覆層として構成され、かつ少なくとも１つの別のアルミニウム合金からなり、少なくとも１つの別のアルミニウム合金は、アルミニウムろう付け合金の液相線温度より高い固相線温度を有する、アルミニウム複合材料に関する。さらに、本発明はろう付けされた構築物に関する。

あるいは、本発明はさらに、アルミニウムろう付け合金から作られた内側アルミニウムろう付け層、および少なくとも１つの別のアルミニウム合金から作られた２つの被覆層を有する３層のアルミニウム複合材料を含むアルミニウム複合材料であって、少なくとも１つの別のアルミニウム合金は、アルミニウムろう付け合金の液相線温度より高い固相線温度を有し、かつ被覆層および／または被覆層の片側もしくは両側に設けられたアルミニウムろう付け合金層に１つの耐食コーティングまたは複数の耐食コーティングをさらに配置した、３層のアルミニウム複合材料を含むアルミニウム複合材料に関する。

ろう付け可能なアルミニウム複合材料は、従来技術で長く知られている。ろう付け接続技術に使用されるアルミニウム複合材料は通常、表面上にアルミニウムろう付け層を有し、アルミニウムろう付け層は、アルミニウムろう付け層を有する要素が、ろう付けされた接続部によって接続相手に接続されるように、ろう付けプロセス中に溶融する。アルミニウム複合材料のそれ以外の層は溶融しない。類似の接続プロセスは、たとえば薄板または液体を運ぶ管を取り付ける、多くのろう付けされた接続継手を通常有する、たとえば熱交換器の製造中にも起こる。これまで、ろう付け熱交換器には外部アルミニウムろう付け層を備えた金属シートを使用していた。しかしながら、特にＩ形状突き合わせ継手に設けられるろう付けされた接続部について、余剰のアルミニウムろう付け材による問題が生じる。局部の過剰なケイ素のため、接続相手の液相線温度が局部的に著しく低下し、その結果この領域で「溶け落ち（独：Durchbrennen，英：burning through）」または要素の壁厚さの低下が起こることがある。たとえば主分配器のＩ形状突き合わせ継手によりろう付けされた接続部、および対応する水を運ぶ管には、ケイ素が過剰になるリスクが存在する。ろう付けされる管の「溶け落ち」がろう付けプロセス中に起こらなくても、壁厚さが低下した領域が生じ得る、あるいは、いわゆる「液膜移行（独：Liquid Film Migration，英：liquid film migration）」作用が起こり得る。液膜移行作用により、たとえば、複合材料におけるケイ素の拡散に起因し得る微細構造の欠陥が、表面の特定の領域に生じる。ろう付けされた要素のこうした領域は、たとえば、ろう付けされた熱交換器の寿命に関連する問題となる。使用される複合材料の通常使用される外部アルミニウム層は、ろう付けプロセス中に軟化し、その後再び凝固するアルミニウムろう付け層である。この結果、アルミニウムろう付け層の流れ挙動により、凝固した凹凸のあるアルミニウムろう付け層表面の、熱交換器の他の要素に対する切り欠き効果に関し、機械的な問題がさらに生じることもある。さらに、溶融して再凝固した外層により、その後熱交換器のコーティングも問題となる可能性がある。さらに、外部アルミニウムろう付け層は、ろう付けされる接続部の形成中に、アルミニウムろう付け材によりろう付けされた接続部の濡れ性に関する問題を引き起こすことがある酸化アルミニウム層で被覆されるという事実も不利である。その結果として、ろう付けされた接続部の質を確保するためフラックスを増やすことが必要になる。公開された特許文献１から、たとえば、内部アルミニウムコア合金層が設けられ、これが外側の２つのアルミニウムろう付け層に囲まれ、さらに、その上に薄いアルミニウム層が施されている、合計５層からなるろう付け可能なアルミニウム複合材料が知られている。薄いアルミニウム層は、アルミニウムはんだが確実に酸化しないように設計されており、したがってフラックスの使用なしで済ますことができる。しかしながら、この公知のアルミニウム複合材料の層構造は、合計で少なくとも５つのアルミニウム合金層を設けなければならないので、相対的に複雑である。さらに、外側の非常に薄い被覆層は、ろう付けプロセス中に溶融し、これは、溶融した表面に関する上述の問題が解決されていないことを意味する。特に、非常に薄い被覆層をアルミニウムろう付け層の上に設けることは、製造プロセスに高い要求を課し、したがって高い製造コストを予想しなければならない。特許文献２からは、Ｉ形状突き合わせ継手によりろう付けされた接続部によって、液体を運ぶ扁平管にろう付けされた主分配器を有する熱交換器の製造が知られている。

米国特許出願公開第２００３／００９９８５６（Ａ１）号 米国特許第４，８２５，９４１号

この従来技術を基点として、単純な構造を有し、Ｉ形状突き合わせ継手によりろう付けされた接続部を作るのに優れたろう付け特性を持ち、被ろう付け要素の「溶け落ち」のリスクを著しく低下させ、かつ十分な機械的特性を付与する、ろう付け可能なアルミニウム複合材料を提供することが本発明の目的である。これに加えて、ろう付けされた構築物を提案するものとする。

本発明の第１の教示によれば、表記の目的は、それぞれの被覆層がアルミニウムろう付け層の厚さを少なくとも１．５倍、好ましくは少なくとも５倍上回る厚さを有するという点で、アルミニウム複合材料により解決される。

内部アルミニウムろう付け層および２つの被覆層を有し、被覆層がアルミニウムろう付け層より１．５倍またはそれ以上厚い厚さを有する単純な３層のアルミニウム複合材料は、傷のないろう付け結果を可能にするのみならず、溶け落ちのリスクを大きく低下させることが明らかになった。さらに、本ろう付け可能なアルミニウム複合材料は、外面として、ろう付け後に表面の欠陥、および結果として生じる他の要素の切り欠き効果に関する問題をまったく示さない圧延アルミニウム表面を与える。倍数が５またはそれ以上であれば、アルミニウム複合材料の強度は、被覆層によりさらに強く決定される。本発明によるアルミニウム複合材料は、３層のみの構造を有すると考えられる。しかしながら、用途に応じて、アルミニウム複合材料に対する特定の要求、犠牲アノード層または別のろう付け層を設けることを確保するため、別の外層をさらに追加してもよい。アルミニウム複合材料の被覆層は、アルミニウム複合材料の内部のろう付け層の溶融により影響を受けない、アルミニウム複合材料の機械的特性に大きく寄与する。当然ながら、被覆層は、異なるアルミニウム合金からなると考えられる。

したがって純粋な３層のアルミニウム複合材料の代案として、本目的は、内側ろう付け層を有する同等の３層構造をまず有するアルミニウム複合材料によっても解決され、それぞれの被覆層はアルミニウムろう付け層の厚さを少なくとも１．５倍、好ましくは少なくとも５倍上回る厚さを有し、犠牲アノード層、耐食層または外側ろう付け層として設計された別の外層が設けられる。

好ましくは被覆層は、アルミニウム複合材料の総厚さの１０％〜４９％、好ましくは１５％〜４７．５％の厚さを有する。その結果、すでに説明したように、アルミニウム複合材料の機械的特性に対する被覆層の作用が特に高く確保され、ろう付けプロセス中に高い寸法安定性も確保することができる。

好ましくはアルミニウムろう付け層の厚さは、たとえばＩ形状突き合わせ継手において傷のないろう付けされた接続部を設けるための加工の信頼性が向上するように、少なくとも２５μｍ、好ましくは少なくとも５０μｍである。

特定の用途に応じて、それぞれの被覆層は、ＡＡ１ｘｘｘ系、ＡＡ３ｘｘｘ系、ＡＡ５ｘｘｘ系、ＡＡ６ｘｘｘ系またはＡＡ７ｘｘｘ系のアルミニウム合金からなってもよく、任意に、被覆層は、同一のアルミニウム合金から構築しても、あるいは異なるアルミニウム合金から構築してもよい。さらに、被覆層の厚さは同一である必要はなく、用途の例に応じて特定的に選択することができる。たとえば、被覆層は、ＡＡ３００３系またはＡＡ３００５系のアルミニウム合金からなると考えられる。

通常、ＡＡ４ｘｘｘ系のアルミニウム合金は、アルミニウムろう付け層用に選択され、好ましくはアルミニウムろう付け層は、６質量％〜１３質量％のＳｉ含有量を有するＡｌＳｉアルミニウム合金からなる。こうしたアルミニウムろう付け合金は、被覆層に使用されるアルミニウム合金の固相線温度を著しく下回る液相線温度を有するので、アルミニウムろう付けクラッドを得るのに使用される。

さらなる実施形態によれば、好ましくはアルミニウム複合材料の総厚さは、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍまたは１．５ｍｍ超〜５ｍｍである。その場合０．２ｍｍ〜１．５ｍｍを有するアルミニウム複合材料は、優れたろう付け性を有するものの、ろう付けされた構築物の全体的な強度に大きく貢献しない一方、１．５ｍｍ超〜５ｍｍの総厚さを有するアルミニウム複合材料は、たとえば、荷重に対処できる構築物を形成することができる。アルミニウム複合材料の好ましい厚さの範囲は、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍである。これは、小さな壁厚さを有する熱交換器の部品に好ましい厚さ範囲となる。

アルミニウム複合材料のさらなる実施形態によれば、アルミニウム複合材料は、圧延クラッドまたは同時鋳造によって製造される。圧延クラッドでは、クラッド材および被覆層を圧延インゴットに積層し、その後熱間圧延し、それぞれのアルミニウム合金層間に扁平で強固に結合した接続部が作られる。アルミニウム複合材料を製造するためのもう１つの方法は、それぞれのアルミニウム複合材料層の同時鋳造である。圧延クラッドと異なり、この場合、異なるアルミニウム合金の溶融素材を同時にストリップに鋳造する。圧延クラッドで製造されたアルミニウム複合材料は、被覆層と、たとえばアルミニウムろう付け層との間に不連続な層の遷移が存在するという点で、同時鋳造によって製造されたアルミニウム複合材料と異なる。一方、同時鋳造では、高温により、関係するそれぞれの層間で著しい濃度勾配が不可避である。

本発明によるアルミニウム複合材料のさらなる実施形態によれば、被覆層は、０．２５質量％未満、好ましくは０．１質量％未満のＭｇ含有量を有するアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金の被覆層のＭｇ含有量を低下させると、フラックスの使用によるろう付けにおいて、ろう付けプロセスが、被覆層の合金成分により破壊されないということに寄与する。よって特に、複雑度のより低いＣＡＢろう付け技術の適合性が向上する。

本発明の別の教示によれば、上記で述べた目的は、少なくとも一部が本発明によるアルミニウム複合材料からなる第１の要素を少なくとも含み、第１の要素が、ろう付けされた接続部によって少なくとも第２の要素に接続される、ろう付けされた構築物により解決される。すでに以前説明したように、本アルミニウム複合材料は、被覆層によって、アルミニウムろう付け層がろう付けプロセス中に再び酸化し得ないので、ろう付けされた接続部を設けるのに非常に好適である。これに加えて、被覆層は、第１の要素の機械的強度に寄与し、同時にろう付け中の過剰のアルミニウムろう付け材による第２の要素の「溶け落ち」も防止する。

好ましくは構築物は、Ｉ形状突き合わせ継手の形態の少なくとも１つのろう付けされた接続部を有し、このため、Ｉ形状突き合わせ継手の形態のろう付けされた接続部を有する本発明によるアルミニウム複合材料は、内部アルミニウムろう付け層により特に良好なろう付け結果を達成する。

ろう付けされた構築物のさらなる実施形態によれば、後者は、熱交換器または熱交換器の一部である。たとえば、好ましくは扁平管または冷却液を運ぶ管を収容するように設計され、この管とＩ形状突き合わせ継手によって接続された熱交換器の主分配器が存在する。さらに好ましい実施形態は、たとえばＢ形状断面に曲げられ、ろう付けされたアルミニウム合金シートからなる屈曲管である。したがって屈曲管は同じように常に、少なくとも１つのＩ形状突き合わせ継手でろう付けされた接続部を有する。

以下に、図面と組み合わせて実施形態によって、より詳細に本発明を説明するものとする。

模式的断面図により、アルミニウム複合材料の第１の実施形態を示す。 模式的断面図により、ろう付けされた構築物の第１の実施形態のろう付けされた接続部を示す。 斜視概略図により、熱交換器の形態のろう付けされた構築物のさらなる実施形態を示す。 模式的断面図により、屈曲管の形態のろう付けされた構築物のさらなる実施形態を示す。 斜視概略図により、複合材料のさらなる実施形態を示す。

初めに、図１は、少なくとも２つの異なるアルミニウム合金からなる３層を含む、本発明によるアルミニウム複合材料の第１の実施形態を示す。アルミニウム複合材料１は、上方被覆層２、内部アルミニウムろう付け層３および下方被覆層４を有し、アルミニウムろう付け層の被覆層２、４は、アルミニウムろう付け層の厚さを少なくとも２倍上回る厚さを有する。この場合では、たとえば、ろう付け層は５０μｍの厚さを有し、２つの被覆層２、４は各々４７５μｍの厚さを有するので、アルミニウム複合材料は１．０ｍｍの総厚さを有する。したがって被覆層は、アルミニウムろう付け層の厚さより９．５倍大きい厚さを有する。アルミニウム複合材料１は、たとえば追加機能を与えるため、たとえば、犠牲アノード層の提供のため、被覆層２、４およびアルミニウムろう付け層３に加えて、別の層を有すると考えられる。

本実施形態では、各被覆層が個々に総厚さの４７．５％を有する。ただし、アルミニウム複合材料の総厚さに対する被覆層の厚さの割合は、最低でも１５％である。これは、たとえば別の層、したがって、たとえば犠牲アノード層を加える場合に当てはまり得る。さらに、たとえば、ＡＡ１ｘｘｘ系のアルミニウム合金からなる他の耐食層を設けてもよい。外側に別のろう付け層を設けることも考えられる。

図２は、模式的断面図において、ろう付けされた構築物の第１の実施形態を図示し、ろう付けされた構築物はそれぞれにつき、２つの被覆層２、４および内部アルミニウムろう付け層３を含むアルミニウム複合材料を有し、アルミニウム複合材料は、Ｉ形状突き合わせ継手において、ろう付けされた接続部により別の要素５と接続されている。アルミニウム複合材料１は、たとえば、ＡＡ１ｘｘｘ系、ＡＡ３ｘｘｘ系、ＡＡ５ｘｘｘ系、ＡＡ６ｘｘｘ系またはＡＡ７ｘｘｘ系のアルミニウム合金から作られた被覆層であってもよい。熱交換器では、被覆層として好ましくはアルミニウム合金ＡＡ３００３系またはＡＡ３００５系が有利である。これらは、ろう付け後に必要な強度を有し、さらに手頃な価格であるためである。図２が印象的に示しているように、内部アルミニウムろう付け層３により、ろう付けプロセスにおいて液体になるアルミニウムろう付け材が複合材料の内部から逃げて、アルミニウム複合材料１と要素５との間にろう付けされた接続部６を作ることが可能になる。これは特に、好ましくは６質量％〜１３質量％のＳｉ含有量を有するアルミニウムろう付け層が、被覆層２、４の固相線温度より低い液相線温度を有するので、アルミニウム層３のみがろう付け温度で液化するという事実による。内部アルミニウムろう付け材が、ろう付けされた接続部を設けるのにちょうど十分な量のアルミニウムろう付け材を有するということのため、ろう付け試験では、過剰のＡｌ−Ｓｉろう付け材による、ろう付けされた要素の「溶け落ち」は観察されなかった。アルミニウム複合材料の総厚さは、好ましくは０．５ｍｍ〜４ｍｍであり、Ｉ形状突き合わせ継手にろう付けする場合、可能な限り高い加工の信頼性を確保するため、好ましくは、アルミニウムろう付け層の５０μｍの最小厚さを使用する。

本発明によるアルミニウム複合材料と別の要素との間にろう付けされた接続部を有する典型的なろう付けされた構築物を斜視概略図で図３に示す。図３は、液体を運ぶいくつかの扁平アルミニウム管８を所定の位置に維持する、いわゆる熱交換器の「ヘッダー」という主分配器７を示す。図３には、熱交換器の薄板を図示していない。

図４は、２つの被覆層２、４および内部アルミニウムろう付け層３を有する本発明によるアルミニウム複合材料からなる屈曲管９の形態の、さらなる実施形態の模式的断面図を示す。２つのＩ形状突き合わせ継手をろう付けする接続部１０、１１を明確に判別することができる。屈曲管のアルミニウム複合材料の総壁厚さは、０．２ｍｍから１．２ｍｍおよび／または１．５ｍｍの間であればよい。

以下の組成：最大０．２５質量％のＳｉ、０．２５質量％≦Ｆｅ≦０．４５質量％、０．３質量％≦Ｃｕ≦０．６質量％、０．９質量％≦Ｍｎ≦１．５質量％、最大０．０５質量％のＭｇ、最大０．１５質量％のＣｒ、最大０．１０質量％のＺｎ、最大０．２５質量％のＴｉ、残部はＡｌ、および個別に最大０．０５質量％、合計で最大０．１５質量％の不純物を有するＡＡ３０１７系のアルミニウム合金の２つの被覆層からなるアルミニウム複合材料は、様々な厚さに圧延クラッドされる。アルミニウム複合材料の総厚さの５％の割合を有するＡＡ４０４５系の内部アルミニウムろう付け層は、新たに主分配器７に形成された、および／または扁平アルミニウム管８用の凹みを備えた。凹みに存在する扁平アルミニウム管８と共に、様々な厚さに圧延した主分配器７にＣＡＢろう付け法を行い、第１の変形例では、フラックスをまったく使用せず、第２の変形例では扁平アルミニウム管８をＳｉ−Ｚｎ系フラックスで被覆し、第３の変形例ではアルミニウム管８を被覆せず、フラックスを手作業で塗布し、最後の変形例ではＳｉ−Ｚｎ系フラックスコーティングを施した扁平アルミニウム管８を使用し、さらにろう付けされる接続部をフラックスで被覆した。ろう付けの結果を表１に示す。

フラックスを使用しないと、一部のろう付けされた接続部のみが可能であったことと、層厚さ５０μｍのアルミニウムろう付け層および全体で１ｍｍの複合材料厚さでも、被覆された扁平アルミニウム管８の場合のみ、傷のないろう付けされた接続部を設けることができたこととが認められる。フラックスを使用しないと、アルミニウムろう付け層の厚さに関係なく、傷のないろう付けされた接続部が達成されなかった。しかしながら、すでに７５μｍの厚さからアルミニウムろう付け層の厚さが増加し、１．５ｍｍの複合材料厚さを有するアルミニウムろう付け層を上回ると共に、ろう付けされた接続部の領域にフラックスを手作業で塗布した光沢のある扁平アルミニウム管でも、良好なろう付け結果を示した。ＣＡＢろう付け法で得られた結果はまた、フラックスを使用しない真空ろう付け法にも移すことができると推測され、真空ろう付け法を使用すると、５０μｍおよびそれ以上のアルミニウムろう付け層の厚さについて良好なろう付け結果が予測される。

最後に、図５ａおよび図５ｂは、本発明によるアルミニウム複合材料の２つのさらなる実施形態を図示し、被覆層２、４およびろう付け層３から作られた３層のアルミニウム複合材料が、図５ａの追加層１２および１３、および／または図５ｂの追加層１４により拡大される。追加層１２、１３は、異なる機能を有してもよい。たとえば、複合材料の表側以外にもろう付けされた接続部を設けられるように、外層１２、１３が追加ろう付け層として設計される場合、有利である。さらに追加層１２、１３によって、耐食層とろう付け層との組み合わせ、および２つの耐食層の組み合わせ、および犠牲アノード層との組み合わせの１つも達成することができる。追加層１４にも同じことがいえ、ろう付け材、耐食または犠牲アノード層として構成することができる。たとえば、特定の用途に応じて追加層を設けることによって、３層のアルミニウム複合材料をさらに適合させることが可能になるように、図５ａの層１２または図５ｂの層１４は、すでに２つの層からなることも考えられる。

Claims (14)

1. 少なくとも２つの異なるアルミニウム合金からなる３層のろう付け可能なアルミニウム複合材料（１）であり、前記３層の内層は、アルミニウムろう付け合金から作られたアルミニウムろう付け層（３）であり、それ以外の層（２、４）は、被覆層として構成され、かつ少なくとも１つの別のアルミニウム合金からなり、前記少なくとも１つの別のアルミニウム合金は、前記アルミニウムろう付け合金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複合材料（１）であって、前記それぞれの被覆層（２、４）は、前記アルミニウムろう付け層（３）の厚さを少なくとも１．５倍上回る厚さを有し、且つ、前記アルミニウムろう付け層（３）の厚さは、５０μｍ〜１５０μｍとされたことを特徴とするアルミニウム複合材料（１）。
2. 前記それぞれの被覆層（２、４）は、前記アルミニウムろう付け層（３）の厚さを少なくとも２倍上回る厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム複合材料。
3. 前記それぞれの被覆層（２、４）の厚さは、同一ではないことを特徴とする、請求項１または２に記載のアルミニウム複合材料。
4. 前記アルミニウム複合材料（１）は、外面として、圧延アルミニウム表面を有することを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム複合材料。
5. 前記アルミニウム複合材料（１）の総厚さは０．２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム複合材料。
6. 前記被覆層（２、４）は０．１質量％未満のＭｇ含有量を有するアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム複合材料。
7. 少なくとも一部が請求項１〜６の何れか一項に記載のアルミニウム複合材料からなる少なくとも第１の要素（７）を含む、ろう付けされた構築物であって、
   前記第１の要素（７）は前記アルミニウム複合材料によって設けられたろう付けされた接続部（６）によって少なくとも第２の要素（８）に接続されている、ろう付けされた構築物。
8. 前記ろう付けされた構築物は前記第１の要素（７）の端面と前記第２の要素（８）の表面との間にＩ形状突き合わせ継手の形態の少なくとも１つのろう付けされた接続部（６）を有することを特徴とする、請求項７に記載のろう付けされた構築物。
9. 前記ろう付けされた構築物は熱交換器の一部であることを特徴とする、請求項７または８に記載のろう付けされた構築物。
10. 前記ろう付けされた構築物は熱交換器の主分配器または屈曲管であることを特徴とする、請求項７に記載のろう付けされた構築物。
11. 少なくとも一部が請求項１〜６の何れか一項に記載のアルミニウム複合材料（１）からなる少なくとも第１の要素（７）を少なくとも第２の要素（８）に接続させることを含むＩ形状突き合わせ継手によりろう付けされた接続部を製造する方法。
12. ＣＡＢろう付け技術または真空ろう付けが利用されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. Ｓｉ−Ｚｎ系フラックスを用いたＣＡＢろう付け技術が利用されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 圧延クラッドまたは同時鋳造を含む、請求項１に記載のアルミニウム複合材料（１）を製造する方法。

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