JP6745578B2 - 面接合用ろう材シート - Google Patents
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Description
本発明は、面接合用ろう材シートに係り、特に、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなるＡｌ材料のろう付け接合において、かかるＡｌ材料の二つのものの接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料を、接合欠陥なく、面接合し得るようにしたろう材シートに関するものである。
従来から、Ａｌ（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同じ）材質の熱交換器や機械部品等、細かな接合部を多数有する製品の接合方法として、ろう付け接合が、広く採用されてきている。そして、このろう付け接合を行うためのろう材は、熱交換器や機械部品の構成部材と共に用いられ、そのような構成部材を構成する心材の片面或いは両面に、所定のろう材をクラッドしてなるブレージングシートの形態において、ろう付け接合部位に供給され、その溶融したろう材が、継ぎ手にフィレットを形成したり、密着した面を接合したりすることで、ろう付け接合を完成するようになっている。
このように、熱交換器や機械部品（以下、製品と呼称する）の主要な接合部は、上述の如く、その構成部材からのろう材供給によって、ろう付け接合されることとなるのであるが、そのようなろう材の存在しない部位に対して、ろう材を有しない部品を組み付けて、上記した主要接合部と同時に、加熱炉内で面接合する場合においては、その接合面に、ろう材を設置する必要が生じる。例えば、製品内部に埋込み部品を面状に接合する場合においては、その面接合部位に、ろう材の薄板を挟んだりすることが行われているのである。なお、以下においては、そのような面接合部位に設置されるろう材を、置きろう材と称することとする。
ところで、二つのＡｌ材料の間に挟まれて、それらＡｌ材料の対応する接合面をろう付け接合する面接合用の置きろう材は、一般的に、板状の形態において使用されることとなるのであるが、その全面（板状の両側の面）がろう材自身の酸化皮膜で覆われているところから、かかる酸化皮膜を完全に破壊しないと、溶融したろう材の偏った流動が惹起され易く、それによって、健全な接合部が得られ難くなる等という問題が、内在している。このため、フラックスを使用するろう付け法においては、置きろう材或いはＡｌ材料の接合部位に所定のフラックスを塗布して、接合性を確保することが行われているのである。具体的には、図４の（ａ）に示されるように、ブロック状のＡｌ部品４０の両側に、所定厚さのＡｌ板材４２，４２を押し当てて、それらをろう付け接合するべく、所定のフラックスが両面に塗布されて、フラックス層４５，４５が形成されてなる板状の置きろう材４４が、それらＡｌ部品４０とＡｌ板材４２，４２との間にそれぞれ介在せしめられて、加熱ろう付けされることとなるのであるが、その際、Ａｌ部品４０とＡｌ板材４２，４２との間に形成される面接合部（ろう付け部）４６には、図４（ｂ）に示される如く、局部的な接合欠陥である隙間４８が生じたり、気化したフラックスが面接合部４６においてボイド４９を形成して、接合不良を惹起せしめたりする恐れがあった。
また、真空中においてフラックスを用いることなくろう付け接合を行う真空ろう付け法を採用したり、或いは不活性ガス中においてフラックスを使用しないで接合するろう付け（無フラックス若しくはフラックスレスろう付け）手法を採用した場合にあっては、置きろう材表面の酸化皮膜が充分に破壊されないために、図５に示されるように、面接合部５２において、溶融したろうが偏って流動して、大規模な接合欠陥が惹起されたりする問題を惹起する。即ち、図５の（ａ）の如く、ブロック状のＡｌ部品４０の両側に、フラックスの塗布されていない板状の置きろう材５０を配置し、そしてその両側から所定厚さのＡｌ板材４２，４２を押し当てて、真空中或いは不活性ガス中において加熱ろう付けしたときに、図５（ｂ）に示されるように、Ａｌ部品４０とＡｌ板材４２，４２との面接合部５２，５２に、局部的な接合欠陥である隙間５４や、内部接合欠陥である未接合空所５６が形成されたりするのである。このため、置きろう材５０を用いて、真空ろう付け手法やフラックスレスろう付け手法にて、Ａｌ材料４０，４２の面接合を行う場合には、接合されるＡｌ材料の加圧（挟圧）方法や温度管理等の点において充分な注意が必要とされ、これが、生産コストを押し上げる要因となっているのである。
そこで、上述の如き置きろう材４４，５０を用いたろう付け法の欠点を補うために、ろう材単体ではなく、Ａｌ心材の両面にろう材をそれぞれクラッドしてなる両面ブレージングシートを用いることが考えられているのであるが、そのようなブレージングシートにおいては、ろう材と心材の界面が予め金属的に接合されているところから、他の部材との接合性がろう材単体の場合に比べて優れているという特徴を有しているものの、置きろう材としてのブレージングシートの使用には、次のような問題が内在している。
すなわち、両面ブレージングシートの製造に際しては、鋳造スラブ或いはそれを圧延してなる厚板の形態において、ろう材及び心材を準備した後、それらを、ろう材（皮材）、心材及びろう材（皮材）の順に積層して、４５０〜５００℃の温度で加熱圧延することによって、積層材の界面が圧接されるようにするのであるが、その時、積層する皮材厚さが厚いと、圧延時に心材と皮材の界面が充分に摺動しないために、心材と皮材を接合するのが困難となるのである。このため、実際の工場生産で可能とされているクラッド率［（皮材厚さ／積層材全体の厚さ）×１００％］は、一般的に２０％未満であり、最大でも２５％未満とされているのである。換言すれば、従来のブレージングシートでは、心材厚さが全体の５０％以上を占めるような構成とされているのである。一方、面接合部に設置される置きろう材の厚さは一般的に制限されており、精密な製品では５０μｍ前後の厚さにおいて使用されることが多い。そのような状況下、上記のようなクラッド率が２０％未満のブレージングシートを面接合の置きろう材として使用すると、ろう材量が不足することとなり、そのために、面接合部に欠陥が生じ易くなるのである。
なお、特開平８−３０９８９６号公報においては、面接合用の置きろう材として、ろう材の総クラッド率が４０〜９５％のブレージングシートが提案され、そこでは、溶融したろうによって心材を分断化し、その分断化された心材が溶融ろうの中に点在することで、面接合性が向上するとされているのであるが、かかる心材が分断化されているか、否かに関わらず、ろう材が溶融して生じた溶融ろうは、相手材との接合の起点に向けて流動し、そして接合の起点を中心として、接合領域を拡大するようになるところから、面接合領域内において、接合の起点が偏って存在すると、溶融ろうは偏った方向に流動し、その結果として、広大な未接合領域が発生するリスクを生ずる問題を内在している。
以上のように、置きろう材によるＡｌ材料の面接合には、様々な問題が内在しているのであり、そのため、例えば、取付け部品との間の熱伝導性を重視する精密な熱交換器の面接合部や、外部に取り付ける部品において一定の接合強度が要求される製品等の面接合部においては、上述の如き置きろう材を用いたろう付け接合手法は、採用され難いものであったのである。
ここにおいて、本発明は、上述した従来の面接合における置きろう材の欠点を解消するために為されたものであって、その解決課題とするところは、二つのＡｌ材料の接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料をろう付け接合することにより、健全な面接合状態を有利に形成し得る面接合用ろう材シートを提供することにある。
そして、本発明にあっては、かくの如き課題を解決するために、二つのＡｌ材料の接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料をフラックスろう付け法にてろう付け接合せしめる面接合用ろう材シートにして、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面に、３．５〜６．５質量％のＳｉを含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなるろう材が、それぞれクラッドせしめられ、且つそれら両面のろう材のクラッド率が共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて構成されていることを特徴とする面接合用ろう材シートを、その要旨とするものである。
また、本発明にあっては、上記した課題を解決するために、二つのＡｌ材料の接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料を不活性ガス雰囲気中でのフラックスレスろう付け法にてろう付け接合せしめる面接合用ろう材シートにして、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面に、３．５〜６．５質量％のＳｉと共に、Ｌｉ：０．００４〜０．１質量％、Ｂｅ：０．００２〜０．０５質量％及びＭｇ：０．０５〜０．４質量％のうちの少なくとも１種を含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなるろう材が、それぞれクラッドせしめられ、且つそれら両面のろう材のクラッド率が共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて構成されていることを特徴とする面接合用ろう材シートをも、その要旨とするものである。
このような本発明に従う、フラックスレスろう付け法に適用される面接合用ろう材シートの好ましい態様の一つによれば、前記ろう材は、０．００４〜０．２質量％のＢｉを更に含有しており、また前記心材は、０．２〜１．６質量％のＭｇを含有するアルミニウム合金からなるものである。
さらに、本発明にあっては、上記した課題を解決するために、二つのＡｌ材料の接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料を真空ろう付け法にてろう付け接合せしめる面接合用ろう材シートにして、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面に、３．５〜６．５質量％のＳｉと共に、０．１〜１．６質量％のＭｇを含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなるろう材が、それぞれクラッドせしめられ、且つそれら両面のろう材のクラッド率が共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて構成されていることを特徴とする面接合用ろう材シートをも、その要旨とするものである。
このような本発明に従う、真空ろう付け法に適用される面接合用ろう材シートの望ましい態様の一つによれば、前記ろう材は、０．０１〜０．２質量％のＢｉを更に含有している。
なお、上述の如き本発明に従う面接合用ろう材シートの有利な態様の一つによれば、前記心材のクラッド率は、５〜３０％とされることとなる。
このように、本発明に従う面接合用ろう材シートにあっては、Ｓｉの含有量が３．５〜６．５質量％であり、且つろう付け手法に応じて特定量の合金成分が含有せしめられたアルミニウム合金からなるろう材が、Ａｌ製の心材の両面にクラッドされてなると共に、それら両側のろう材のクラッド率が、共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて、構成されているところから、そのような面接合用ろう材シートを用いて、それを、接合されるべき二つのＡｌ材料の接合面間に介装して、それら二つのＡｌ材料をろう付け接合せしめることによって、ろう材表面の酸化皮膜の破壊を効果的に行いつつ、埋込み部品や取付け部品等のＡｌ部材（一方のＡｌ材料）を、ろう材層の存在しないＡｌ相手材（他方のＡｌ材料）に対して、精密且つ容易に接合することが出来ることとなったのである。
しかも、本発明に従うフラックスろう付け法に適用される面接合用ろう材シートにおいては、従来の板状のろう材単体からなる置きろう材に比べて、フラックスの塗布量を減らすことが出来るために、面接合部での気化フラックスによるボイドの発生が効果的に抑制され得る利点を有利に享受し得ることとなる他、真空ろう付け法やフラックスレスろう付け法による面接合部においては、ろう材量に不足を生ずることなく、健全な面接合状態が容易に得られるのである。
そして、かかる本発明に従う面接合用ろう材シートを、置きろう材として用いることにより、二つのＡｌ材料の接合が、精密且つ容易に実現可能となったところから、自動化された生産ラインでの適用も可能となり、またろう付け製品の設計自由度も広がるようになるために、熱交換器であれば熱交換性能の向上が効果的に図られ得、また構造用部品であれば疲労強度の向上等が有利に図られ得ることとなるのである。
要するに、二つのＡｌ材料の接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料をろう付け接合せしめる面接合操作において、置きろう材として用いられる、本発明に従う面接合用ろう材シート（ブレージングシート）と、従来の板状のろう材単体との間の決定的な差異は、後者のろう材単体にあっては、その表面が全て酸化皮膜で覆われているのに対して、前者のろう材シートにおけるろう材（皮材）は、その表面の略半分（一方の面）が心材に金属接合されているところにある。
すなわち、従来の板状のろう材単体を用いたろう付けの場合においては、その表面の酸化皮膜が破れたところから、接合が始まるようになるところから、その接合の起点に向けて、溶融ろうが引っ張られて流動し、起点の周囲から優先的に接合領域が拡大していくこととなる。しかも、接合の起点は、図４や図５に示されるろう付けにおいて、上下の相手材（４２，４２）に対して上下同一な位置において生ずるとは限らないところから、ろうの流動方向は、起点の発生場所に依存して、様々となる。そして、酸化皮膜に覆われた拠り所のない溶融ろうは、複数の接合の起点に引っ張られて、偏って流動するようになるのであり、その結果として、局部的にろうが不足して、接合不良を発生するリスクを高めているのである。
なお、フラックスろう付けにおいて接合性を向上せしめるには、接合されるべきＡｌ材料に対するフラックスの塗布量を増すのが有効であるとの考え方があるが、そのように、フラックスの塗布量を多くすると、気化フラックスによって生じるボイドが、ろう付け部（接合部）において増加する問題がある。この気化フラックスによるボイドは、ろう付け接合処理に際して、Ａｌ材料に加えられる押圧力（挟圧力）を増大しても、根絶させることは、困難である。また、そのようなボイドの発生を低減させるべく、フラックス塗布量を減らした場合にあっては、特にろう材単体の場合は、溶融ろうの偏った流動による接合不良が惹起される問題を生じるようになる。
これに対して、本発明に従うブレージングシートにて構成される面接合用ろう材シートを用いた場合にあっては、相手材に対する接合の起点の発生と、その起点を中心とした接合領域の拡大は、上記したろう材単体の場合と似たようなプロセスで進行するようになるのであるが、溶融ろうは、相手材とは反対側に位置する心材に対して、既に、金属的に接合されており、ろう材の溶融後の状態で言えば、心材に対して全面的にぬれている状態となっているのである。そのため、相手材との接合の起点に向けたろうの流動は、ろう材単体の場合に比べて緩慢となるのであるが、その際、Ｓｉ含有量が共晶組成に近いろう材を使用したりすると、上述の如き起点に向けた溶融ろうの流動を抑止する効果に乏しく、その結果として、局部的に未接合領域を発生するリスクが生ずるようになる。事実、本発明者らによる様々なろう付け試験により、共晶組成のＪＩＳ呼称のＡ４０４７合金（Ｓｉ含有量：１１〜１３質量％）は勿論、ろう材として一般的に使用されているＡ４０４５合金（Ｓｉ含有量：９〜１１質量％）やＡ４３４３合金（Ｓｉ含有量：６．８〜８．２質量％）にあっても、偏ったろうの流動を完全にくい止めることが出来ないことが確認されたのである。逆に言えば、実用的な流動性を有する一般のろう材組成において、接合の起点に向けてろうが流動するのは、必然的な現象であると言うことが出来る。
そこで、本発明者らは、接合に必要なろう材料を確保しつつ、接合不良を発生させることなく、面接合を確実に完遂させるには、ろう材中のＳｉ含有量を、実用的な範囲よりも低下せしめる必要があることを知見し、そして更なる検討の結果、Ｓｉ含有量が３．５質量％〜６．５質量％であり、残部がアルミニウム及び不可避的不純物である基本組成を有するアルミニウム合金からなるろう材を用い、そのようなろう材が、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなるＡｌ心材の両面に、それぞれクラッドされてなるアルミニウムブレージングシートにて、面接合用ろう材シートを構成することが有効であることを見出したのである。なお、かかるアルミニウムブレージングシートを与えるろう材中のＳｉ含有量が３．５質量％未満となると、ろう材の溶融量が不足するようになり、ろう材機能が著しく低下する等の問題を惹起する。また、かかるＳｉ含有量が６．５質量％を超えるようになると、相手材との接合の起点に向けた溶融ろうの流動を抑制する効果が乏しくなり、広大な未接合領域が発生するリスクが高まる問題がある。
また、かかる本発明に従う面接合用ろう材シートにおいては、ろう付け手法に応じて、接合の起点の増加や接合性の向上等の目的をもって、ろう材中のＳｉ粒子径を調整したり、ろう材中にＬｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｉ等を微量添加したり、更に、ろう材の融点を調整するために、ろう材中にＣｕやＺｎを添加したり、心材にＭｇを添加する等の工夫を施したりすることが、可能である。これらの手段は、ろう材中のＳｉ含有量の調整や、後述するクラッド率の調整による本発明の本質的効果を揺るがすものではなく、接合の目的に応じて施される副次的な手段となるものである。
特に、フラックスろう付け法に適用される本発明に従う面接合用ろう材シートにおいては、ろう材として、上記した基本組成を有するアルミニウム合金をそのまま用いることが出来るが、また、不活性ガス雰囲気中でのフラックスレスろう付けに用いられる、本発明に従う面接合用ろう材シートを与えるブレージングシートにおいては、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなるＡｌ心材の両面にクラッドせしめられるろう材は、前述の如き９〜１３質量％のＳｉと共に、Ｌｉ：０．００４〜０．１質量％、Ｂｅ：０．００２〜０．０５質量％及びＭｇ：０．０５〜０．４質量％のうちの少なくとも１種を含有するアルミニウム合金が用いられ、それらの合金成分の含有によって、ろう材表面の酸化皮膜の破壊効果が効果的に高められ得て、健全なろう付け接合が、有利に実現され得ることとなる。
なお、かかるろう材中の合金成分であるＬｉ、Ｂｅ及びＭｇの含有量が、それぞれ、それらの下限よりも少なくなると、ろう材表面の酸化皮膜の破壊効果が乏しくなって、本発明の目的を充分に果たし難くなる問題を惹起し、またそれらの合金成分の含有量が、それぞれ、上記した上限よりも多くなると、それら合金成分の酸化物たるＬｉ2Ｏ やＢｅＯやＭｇＯが過剰に形成されて、接合性が悪くなる等の問題を生じるようになる。
また、かかる合金成分（Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇ）と共に、更にＢｉを含有せしめてなるＡｌ−Ｓｉ合金にてろう材を構成するようにすれば、溶融ろうの表面張力を有利に低下せしめ得て、接合性を高めることが出来る。その際、Ｂｉの含有量が０．００４質量％未満では、表面張力の低下効果が乏しくなって、接合性の向上効果を期待することが出来ず、また０．２質量％を超えるようになると、ろう材の変色が著しくなり、接合性の向上効果も認められなくなるところから、Ｂｉは、０．００４〜０．２質量％の範囲内において含有せしめることが望ましい。
さらに、かくの如きフラックスレスろう付けに用いられる面接合用ろう材シートを与えるブレージングシートを構成する心材は、Ｍｇを合金成分として含有するアルミニウム合金からなるものであることが望ましく、これによって、ろう材表面の酸化皮膜の脆弱化を促進して、その破壊を容易にすることが出来る。なお、このアルミニウム合金中のＭｇ含有量が０．２質量％未満では、ろう材表面の酸化皮膜の脆弱化の促進効果が乏しくなり、また１．６質量％を超えるようになると、ろう材表面に酸化物であるＭｇＯが過剰に形成されて、接合性が悪くなるところから、０．２〜１．６質量％の範囲内のＭｇ含有量が好適に採用されることとなる。
加えて、真空ろう付け法が適用される面接合用ろう材シートにおいては、上記したろう材を構成するアルミニウム合金の基本組成中に、更に０．１〜１．６質量％のＭｇが含有せしめられるようにすることにより、真空中において面接合部をより一層健全にろう付けすることが出来る利点を生じる。なお、このＭｇ含有量が０．１質量％未満であると、ろう材表面の酸化皮膜破壊が不充分となり、接合性が低下するようになるのであり、一方Ｍｇ含有量が１．６質量％を超えるようになると、溶融ろうの表面張力の低下によって、溶融ろうが面接合部の周囲に濡れ広がり易くなり、その結果として、面接合部に接合不良が惹起され易くなる問題がある。
なお、このようなＳｉと共に、Ｍｇの所定量を含有せしめてなる真空ろう付け用のろう材には、更に、Ｂｉを合金成分として含有せしめることが望ましく、これによって、接合性を高めることが出来る。なお、このＢｉの含有量が０．０１質量％未満では、接合性の向上効果が乏しく、また０．２質量％を超えるようになると、ろう材の変色が著しくなり、接合性の向上効果も認められなくなるところから、０．０１〜０．２質量％の範囲内において、Ｂｉを含有せしめることが望ましい。
ところで、かくの如きろう材組成のＡｌ−Ｓｉ系合金ろう材をクラッドせしめてなるアルミニウムブレージングシートにて構成されるろう材シートを用いて、水平方向の面接合を行うと、Ｓｉ含有量が、例えば５質量％程度と低いＡｌ−Ｓｉ合金ろう材であっても、ろう材の溶融はＡｌ−Ｓｉの共晶温度（５７７℃）で始まることとなるが、Ｓｉ含有量の低いろう材では、その溶融したろうは未溶融の固相に囲まれているところから、容易に流動することが出来なくなるのである。従って、相手材との接合の起点が発生しても、起点に向けて大量の溶融ろうが流動するようなことはなく、その結果として、温度の上昇に伴って、接合の起点が接合界面の随所で発生することになる。そして、接合領域の拡大は、溶融ろうの水平方向の流動よりも垂直方向への至近距離の流動、換言すれば接合の起点に向けて、ろう材の内部から溶融ろうが垂直方向に移動する流動によって、推進されることとなる。このように、溶融ろうの垂直方向への流動によって、接合領域を拡大させることが、本発明においては、接合不良を惹起することなく面接合する上において、不可欠となるのである。
そして、その際、ブレージングシートにおけるろう材（皮材）の厚さが薄くなり過ぎると、そのろう材層内部からのろうの供給量が不足（枯渇）して、接合領域が充分に拡大しない不具合を招くようになるのであるが、従来から製造されているブレージングシートにおいては、その皮材（ろう材）のクラッド率が２０％未満であることが多く、そのために、面接合の置きろう材としてよく使用される５０μｍ厚さのシートの場合において、ろう材厚さは最大でも１０μｍとなり、そこでは、Ｓｉ粒子径にもよるが、厚さ方向にＳｉ粒子が数個以下しか存在しないことになる状況となるところから、厚さ方向へのろうの流動は、殆ど期待出来なくなってしまうのである。そこで、本発明では、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面にクラッドせしめられるろう材（皮材）のクラッド率を、共に、３５％以上に増大させて、厚さ方向への溶融ろうの流動（補給）が可能となるようにしたのであって、これにより、接合領域が効果的に拡大され得て、接合不良を生ずることなく、健全な面接合部を有利に実現せしめ得たのである。
なお、ろう材量の不足を補うためには、ろう付け接合されるべき二つのＡｌ材料を加圧（挟圧）する力を増すことも考えられるのであるが、ろう材厚さが薄いブレージングシートを用いる場合においては、加圧力増大の効果には、限界があり、また加圧力の増大は、治具費用を増大させて、コスト高を招くようになるところから、敬遠されることが多く、更に加圧力を高める弊害として、フラックスろう付けでは、気化したフラックスが面接合部（ろう付け部）に閉じ込められ易くなり、気化ボイドを増加させる結果を招く問題がある。しかるに、本発明に従うブレージングシートからなる面接合用ろう材シートは、そのような加圧力を高めることなく、面接合性を確実に向上せしめ得るものであって、精密なろう付け製品の実現に大きく貢献するものである。
また、不活性ガス雰囲気中でのフラックスレスろう付けによる面接合においては、フラックスろう付けに比べて接合性が劣るところから、相手材との接合の起点が生じ難く、しかも接合の起点が接合領域内で偏って存在する確率も高くなるため、接合の起点に向けたろうの偏った流動が、フラックスろう付け以上に顕著となる傾向がある。そのため、フラックスレスろう付けの面接合においては、特に、置きろう材としては、ろう材単体よりもブレージングシートの方が好適であり、それ故に、本発明に従うブレージングシートからなるろう材シートの有用性が、フラックスろう付け操作の場合以上に高くなるのである。
そして、本発明に従う面接合用ろう材シートを構成するアルミニウムブレージングシートにおいて、上述したろう材が両面にクラッドせしめられるＡｌ心材は、従来からブレージングシートにおける心材として用いられている、公知のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる材質にて形成され得るものであって、例えば、ＪＩＳ呼称の１０００系アルミニウムや２０００系〜８０００系の各種のアルミニウム合金が、その材質として用いられることとなる。また、そのようなＡｌ心材は、アルミニウムブレージングシート中において、その両面に、上記したろう材からなる皮材が一体的にクラッドせしめられて、それら両側の皮材間で連続的に広がる１枚のシート状形態において存在せしめられるものであって、そのような心材のクラッド率は、本発明にて規定される皮材（ろう材）のクラッド率を考慮して適宜に選定されることとなるが、一般に、５〜３０％の範囲内とされることとなる。なお、このＡｌ心材のクラッド率が５％よりも低くなると、ろう材とのクラッド圧延時において、Ａｌ心材が破断する恐れがあり、そしてそのために、アルミニウムブレージングシート中において１枚の連続したシート状物として存在させることが困難となる問題があり、また３０％を超えるようになると、心材の両面に形成されるろう材（皮材）のクラッド率が３５％未満となるため、ろう付け接合に際して、溶融ろうの流動に問題を生じるようになる。
ところで、上述の如き本発明に従う面接合用ろう材シートを構成するアルミニウムブレージングシートは、心材の両面にそれぞれ形成されるろう材からなる皮材層のクラッド率が、３５％以上となるところから、従来のクラッド手法では、その製造が困難となるものである。このため、本発明にあっては、本発明者らの提案になる、以下の如きクラッド材の製造方法を用いて、目的とするアルミニウムブレージングシートが製造されることとなるのである。例えば、特開２０１３−２２０４３５号公報に明らかにせるように、心材とろう材との間に低融点の金属粉末又は板材を介在せしめて、加熱接合した後、熱間クラッド圧延することにより、アルミニウムクラッド材を得る方法が採用され得る他、特願２０１４−７１２８９号にて明らかにされている如く、心材とろう材との接合界面に、平織金網や綾織金網等の、点状厚肉部を有するＡｌ接合補助部材を介在せしめて、熱間クラッド圧延することにより、クラッド材を得る手法が採用され、更に、特願２０１４−１０１１３２号に示されるように、心材とろう材との間に、前述の如きＡｌ接合補助部材と共に、軟質のＡｌ薄板を介在せしめて、それらの積層形態において、熱間クラッド圧延を行う手法も、有利に採用され得るのである。そして、これらのクラッド手法を採用することによって、目的とするアルミニウムブレージングシートを工業的に安定して製造することが出来ることとなる。勿論、本発明に従うアルミニウムブレージングシートは、上述の如きクラッド方法に何等限定されるものではなく、ろう材のクラッド率を３５％以上となし得る如何なるクラッド手法も、採用可能である。
そして、上述の如くして得られる本発明に従う面接合用ろう材シートは、接合されるべき二つのＡｌ材料の形状や寸法等に応じて、適宜の厚さにおいて製造されることとなるのであるが、一般に、０．０５〜３ｍｍの範囲内の厚さにおいて、製造されるものである。中でも、自動車の熱交換器用として、熱交換器部材のろう付けには、０．０５〜１．６ｍｍの厚さのろう材シートが、有利に用いられることとなる。
また、本発明に従う面接合用ろう材シートを用いて、二つのＡｌ材料をろう付け接合するに際しては、公知の各種のろう付け手法が採用されるところであって、そのようなろう材シートを二つのＡｌ材料の接合面間に介装してなる積層形態において、例えば、ろう付け炉中において、フッ化物系フラックスを用いる通常のフラックスろう付け、フラックスを用いることなく、不活性ガス雰囲気中でのろう付け、或いは真空中でのろう付けが、実施されるのである。また、そのようなろう付け操作においては、本発明に従う面接合用ろう材シートの両側にろう付けされるべき二つのＡｌ材料を重ね合わせてなる積層体を適当な治具にて挟圧することにより、所定の加圧力を作用せしめた状態下において、加熱が施され、以てそれら二つのＡｌ材料のろう付け接合が、実現されることとなる。
例えば、図１の（ａ）に示される如く、ブロック状のＡｌ材料１２の両側に板状のＡｌ材料１４，１６を、フラックスろう付け手法により、それぞれ、ろう付け接合する場合において、本発明に従うろう材シート１８が、それらＡｌ材料１２と１４の間及び１２と１６の間に、それぞれ介在せしめられてなる形態のろう付け用積層体１０が形成される。なお、ろう材シート１８は、本発明に従って、心材１８ａの両側にろう材１８ｂが所定厚さでそれぞれ一体的にクラッドされてなる両面ブレージングシートにて構成されており、その全表面に、少量のフラックスが塗布されて、フラックス層１９が形成されている。そして、そのようなろう付け用積層体１０が、従来と同様な加熱ろう付け操作を施されることにより、ろう材シート１８における酸化皮膜の効果的な破壊や、そこで生じる溶融ろうの流動の効果的な制御によって、図１の（ｂ）に示される如く、二つのＡｌ材料１２，１４間や１２，１６間に、接合欠陥のない、健全な面接合部２０，２０が、効果的に形成されることとなるのである。
同様に、フラックスレスろう付け手法や真空ろう付け手法を採用する場合にあっても、図２の（ａ）に示される如く、ろう付け用積層体１０を構成する、置きろう材としてのろう材シート１８の表面には、フラックスが塗布されていない状態下において、不活性ガス中又は真空中において加熱ろう付け処理されることにより、図２の（ｂ）に示される如く、接合欠陥の存在しない、健全な面接合部２０が、それらＡｌ材料１２，１４の間及び１２，１６の間に、それぞれ、有利に形成せしめられ得るのである。
なお、それら図１や図２に示されるろう付け用積層体１０には、ろう付け処理時において、適当な加圧力が作用せしめられることとなるが、そのような加圧力は、例えば、図３に示される如き、加圧治具３０を用いて、加えられることとなる。即ち、加圧治具３０の上下の挟圧プレート３２，３４間に、ろう付け用積層体１０を挟み込んで、ボルト３６とナット３８とを用いて挟圧することにより、所定の押圧力の下でのろう付け処理が容易に実施することが出来るようになっている。
このように、本発明に従うろう材シートを用いて、二つのＡｌ材料を面接合せしめることにより、得られるろう付け製品２２の接合精度が効果的に高められ得、また生産性も有利に向上させられ得ることとなったのであり、これによって、ろう付け製品の設計の自由度も増すこととなり、従来は実現困難であった精密な面接合部や高強度の面接合部を有するろう付け製品の実現に大きく寄与し得たのである。
以上、本発明に従う面接合用ろう材シートについて、具体的に説明してきたが、本発明が、例示の具体的な態様に係る詳細な記述によって、何等限定的に解釈されるものでは決してなく、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることが理解されるべきである。
以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことも、また、理解されるべきである。
図３に示される如き加圧状態下において、ろう付け面接合を行うべく、先ず、ろう付け接合されるべき一方のＡｌ材料であるブロック状の埋込材（１２）として、ＪＩＳ Ａ１１００材質のＡｌ押出材（角材）を２０ｍｍ×８０ｍｍ×８０ｍｍの大きさに機械加工したものを準備すると共に、ろう付け接合されるべき他方のＡｌ材料である相手材（１４，１６）として、厚さ：２ｍｍのＪＩＳ Ａ１０５０材質のＡｌ冷延板を１６０ｍｍ×１６０ｍｍの大きさに切断したものを準備した。なお、それら２種類のＡｌ材料は、調質により、何れも、Ｏ材とされている。
また、それぞれのろう付け試験において用いられる各種のろう材シート（１８）を、下記表１及び表２に示される合金成分を含有する各種のアルミニウム合金を用いて、板厚：０．０５ｍｍ、長さ：８０ｍｍ、幅：８０ｍｍにおいて、それぞれ準備した。具体的には、それぞれのアルミニウム合金からなる鋳塊から削り出された厚さ：５ｍｍ〜２５ｍｍのＡｌ心材と、それぞれのアルミニウム合金からなる鋳塊を面削した後に熱間圧延して得られた、厚さが１２．５ｍｍ〜２２．５ｍｍのろう材とを、下記表１及び表２に示されるクラッド率を与えるように組み合わせて用い、それらＡｌ心材と皮材の界面に、Ａｌ−６％Ｓｉ−１５％Ｚｎ合金の粉末（粒径：７０〜１５０μｍ）を均一に分散、介在せしめてなる形態において、ろう材／Ａｌ心材／ろう材の構成からなる積層物を治具にて拘束した状態で、加熱炉において５６５℃×１時間の加熱を実施して、それらＡｌ心材とろう材との界面を溶融拡散接合した後、４８０℃で熱間圧延し、更に冷間で０．０５ｍｍの厚さまで圧延した。そして、かかる冷間圧延の後に、３６０℃×２時間の加熱を実施して、調質を行い、Ｏ材とした後、８０ｍｍ×８０ｍｍの寸法に切断することにより、目的とするろう材シート（ブレージングシート）を得た。
さらに、比較のための置きろう材として用いられるろう材単板にあっても、下記表２に示される合金組成のアルミニウム合金からなる鋳塊から、通常の熱間圧延及び冷間圧延を行い、厚さが０．０５ｍｍの板材とすると共に、調質を施して、Ｏ材とした後、８０ｍｍ×８０ｍｍの寸法に切断することによって、準備した。
そして、上記のようにして準備された、Ａｌ材料としての埋込材（１２）と相手材（１４，１６）及び置きろう材としてのろう材シート（１８）は、全て、アセトンで脱脂処理して、次のろう付け試験に供するようにした。なお、ろう付け試験は、フッ化物系フラックスろう付け、真空ろう付け、又は窒素ガス中でのフラックスレスろう付けを採用して、以下の如くして行った。
先ず、フッ化物系フラックスろう付けにおいては、置きろう材として用いられるろう材シート（１８）の表面に、下記表３及び表４に示される塗布量となるように、フッ化物（ＫＦ−ＡｌＦ3 ）系フラックスの水分散液を塗布して、乾燥せしめた後、そのフラックス塗布ろう材シートを、埋込材（１２）と相手材（１４，１６）との間に介装して、積層体（１０）と為して、図３に示される如く、加圧治具（３０）に組み付けた。なお、フラックスの塗布量は、前記乾燥後のフラックス塗布ろう材シートを電子天秤を用いて計量し、その塗布量の誤差が±１０％以内となるように、調整した。そして、ろう付け処理は、加圧治具（３０）にセットされて、所定の加圧力が作用せしめられている積層体（１０）を、窒素ガス中において６００℃まで加熱することにより、実施した。なお、室温から６００℃までの昇温時間は約２０分とし、ろう付け時の炉内雰囲気中の酸素濃度は１５〜２０ｐｐｍとした。
また、真空ろう付けにおいては、上述の如きフラックスの塗布を行うことなく、埋込材（１２）と相手材（１４，１６）とをろう材シート（１８）を介して組み付け、ろう付け用積層体（１０）とした後、図３に示される如く、加圧治具（３０）にセットして、所定の加圧力が積層体（１０）に作用せしめられてなる状態下において、真空炉内に収容し、そしてかかる真空炉中において６００℃まで加熱することにより、ろう付け処理を実施した。なお、室温から６００℃までの昇温時間は約４５分とし、ろう付け時の炉内圧力は５〜８×１０-3Ｐａとした。
さらに、窒素ガス中のフラックスレスろう付けにおいては、埋込材（１２）や相手材（１４，１６）及びろう材シート（１８）に対して、それぞれ、２％フッ酸溶液に６０秒間浸漬することからなるエッチング処理を施し、そしてエアーブローによる乾燥の後に、フラックスを塗布することなく組み付けて、ろう付け用積層体（１０）を形成した後、図３に示される如く、加圧治具（３０）にセットして、所定の加圧力を作用せしめてなる状態下において、上記したフッ化物系フラックスろう付け処理の場合と同様な条件下で、窒素ガス炉中で加熱することにより、ろう付け処理を実施した。
そして、かくして得られた各種のろう付け製品（２２）について、その接合面の超音波検査（非破壊検査）と断面観察（破壊検査）を行って、それぞれのろう付け製品（２２）の接合状態を評価し、その結果を、下記表３及び表４に示した。
かかる表３及び表４の結果から明らかな如く、フッ化物系フラックスろう付け手法に従って、埋込材（１２）と相手材（１４，１６）との間の面接合を行ったろう付け試験１〜３においては、フッ化物系フラックスの塗布量が１ｇ／ｍ2 と、少ない塗布量においても、良好な面接合状態が確認され得たのであり、また真空ろう付け手法や窒素ガス中フラックスレスろう付け手法を採用するろう付け試験４〜６及び７〜９においても、得られたろう付け製品（２２）は、何れも、良好な接合状態となっていることが確認された。なお、表３〜４では、そのような良好な接合状態は、接合性の評価結果において、○印で示されている。
これに対して、置きろう材として、アルミニウム合金ろう材のみからなるろう材単板を用いたろう付け試験１０においては、塗布したフラックス量が少なく、そのために、未接合部位が多く発生していることが、超音波検査で確認された。また、そのようなフラックス塗布量が増加されたろう付け試験１１においては、多くの接合欠陥が超音波検査により確認され、そして断面調査によって、かかる接合欠陥がフラックスによる気泡ボイドであることが確認された。更に、ろう材単板を用いた真空ろう付けに係るろう付け試験１５や窒素ガス中フラックスレスろう付けを行ったろう付け試験１８においては、何れも、超音波検査において、多くの接合欠陥が観察された。
また、ろう付け試験１２においては、ろう材シート（１８）を構成するろう材中のＳｉ含有量が少ないために、ろう材の溶融量不足により、接合欠陥が多く発生したことが認められ、更にろう材中のＳｉ含有量が多いろう材シート（１８）を用いたろう付け試験１３においては、ろう材から生じた溶融ろうの偏った流動によって、未接合部が生じ、加えてろう付け試験１４においては、ろう材のクラッド率が低く、そのためにろう材量の不足により、接合欠陥が生じていることが認められた。
さらに、真空ろう付け手法を採用した場合にあっては、ろう材中のＭｇ量が少ないろう材シート（１８）を用いたろう付け試験１６においては、接合性が充分でなく、未接合部を生じており、またろう材中のＭｇ量が多いろう材シート（１８）を用いたろう付け試験１７においては、濡れ性が過度に増大して、ろうが接合部外へ濡れ広がり、その結果として、未接合部が発生することを認めた。
１０ ろう付け用積層体 １２ ブロック状Ａｌ材料
１４，１６ 板状Ａｌ材料 １８ ろう材シート
１８ａ 心材 １８ｂ ろう材
２０ 面接合部 ２２ ろう付け製品
３０ 加圧治具 ３２，３４ 挟圧プレート
３６ ボルト ３８ ナット
１４，１６ 板状Ａｌ材料 １８ ろう材シート
１８ａ 心材 １８ｂ ろう材
２０ 面接合部 ２２ ろう付け製品
３０ 加圧治具 ３２，３４ 挟圧プレート
３６ ボルト ３８ ナット
Claims (10)
- 二つのＡｌ材料の相対向する平坦な接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料の平坦な接合面同士をフラックスろう付け法にてろう付け接合せしめる面接合用ろう材シートにして、
アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面に、３．５〜６．５質量％のＳｉを含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなるろう材が、皮材として、それぞれクラッドせしめられ、且つそれら両面のろう材のクラッド率が共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて構成されていることを特徴とする面接合用ろう材シート。 - エッチング処理された二つのＡｌ材料の相対向する平坦な接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料の平坦な接合面同士を不活性ガス雰囲気中でのフラックスレスろう付け法にてろう付け接合せしめる面接合用ろう材シートにして、
アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面に、３．５〜６．５質量％のＳｉと共に、Ｌｉ：０．００４〜０．１質量％、Ｂｅ：０．００２〜０．０５質量％及びＭｇ：０．０５〜０．４質量％のうちの少なくとも１種を含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなるろう材が、皮材として、それぞれクラッドせしめられ、且つそれら両面のろう材のクラッド率が共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて構成され、エッチング処理が施されていることを特徴とする面接合用ろう材シート。 - 前記ろう材が、０．００４〜０．２質量％のＢｉを更に含有している請求項２に記載の面接合用ろう材シート。
- 前記心材が、０．２〜１．６質量％のＭｇを含有するアルミニウム合金からなるものである請求項２又は請求項３に記載の面接合用ろう材シート。
- 二つのＡｌ材料の相対向する平坦な接合面間に介装されて、それら二つのＡｌ材料の平坦な接合面同士を真空ろう付け法にてろう付け接合せしめる面接合用ろう材シートにして、
アルミニウム若しくはアルミニウム合金からなる心材の両面に、３．５〜６．５質量％のＳｉと共に、０．１〜１．６質量％のＭｇを含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金からなるろう材が、皮材として、それぞれクラッドせしめられ、且つそれら両面のろう材のクラッド率が共に３５％以上とされてなるアルミニウムブレージングシートにて構成されていることを特徴とする面接合用ろう材シート。 - 前記ろう材が、０．０１〜０．２質量％のＢｉを更に含有している請求項５に記載の面接合用ろう材シート。
- 前記心材の厚さが、前記アルミニウムブレージングシートの厚さの５〜３０％の割合である請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の面接合用ろう材シート。
- 請求項１に記載の面接合用ろう材シートを用い、その両側の表面に、所定厚さのフラックス層をそれぞれ形成せしめた後、二つのＡｌ材料の平坦な接合面間に介装して、加熱ろう付け操作を実施することにより、該二つのＡｌ材料の対向する平坦な接合面同士をフラックスろう付けすることを特徴とするＡｌ材料の面接合方法。
- 請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の面接合用ろう材シートを用い、それを、エッチング処理された二つのＡｌ材料の平坦な接合面間に介装して、不活性ガス雰囲気中において加熱ろう付け操作を実施することにより、該二つのＡｌ材料の対向する平坦な接合面同士をフラックスレスろう付けすることを特徴とするＡｌ材料の面接合方法。
- 請求項５又は請求項６に記載の面接合用ろう材シートを用い、それを、二つのＡｌ材料の平坦な接合面間に介装して、真空中において加熱ろう付け操作を実施することにより、該二つのＡｌ材料の対向する平坦な接合面同士を真空ろう付けすることを特徴とするＡｌ材料の面接合方法。
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