WO2014129199A1

WO2014129199A1 - 熱交換器およびその製造方法

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Publication number: WO2014129199A1
Application number: PCT/JP2014/000895
Authority: WO
Inventors: 浅井　知; 弘之竹林; 善宏藤田
Original assignee: 株式会社東芝
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-08-28
Also published as: US20150176926A1; JP2014163587A

Abstract

　実施形態の熱交換器は、少なくとも一方がステンレス鋼からなる、第１、第２の母材と、前記第１、第２の母材を接合し、９２質量％以上のＮｉを含み、ＭＩＧ溶接で形成された接合部と、を具備する。

Description

熱交換器およびその製造方法

　本発明の実施形態は、熱交換器およびその製造方法に関する。

　熱交換器では、構造材料として、耐熱、耐圧、耐食性の要求からステンレス鋼が使用され、伝熱材料として、熱伝導率の高い銅やアルミを含有する金属が使用されることが多い。これらの各種金属（母材）間が、共材および異材にて、冶金的に接合（溶接）される。

　伝熱を考慮すると、接合部に高い熱伝導率を持たせることが好ましい。このため、Ｃｕを含有する溶接材料を用いて、母材を溶接することが考えられる。

　しかしながら、Ｃｕを含有する溶接材料を用いて、ステンレス鋼等の母材を溶接した場合、割れが発生する場合がある。例えば、ステンレス鋼と軟鋼製フィンを銅ろうで溶接したとき、ステンレス鋼に割れが発生した事例、および精密鋼管を黄銅ろうで溶接したとき、精密鋼管に割れが発生した事例がある。

　母材がステンレス鋼で、溶接材料がＣｕを含有する場合、接合部において、ステンレス鋼の粒界にＣｕが侵入することで、割れが発生する可能性がある。また、溶接材料が母材により希釈された場合、ＣｕとＦｅの相互の固溶限が低いために、溶融したＣｕ（もしくはＦｅ）が析出することで、割れが発生する可能性もある。

　割れを防止するために、溶接前に、ＮｉやＮｉ－Ｃｕ系材料の層（中間層）を母材に付加することが考えられる。また、ＭＩＧ（metal inert gas）ブレージングを用いることで、溶接材料の希釈化を低減できる。しかしながら、これらの手法を用いても、接合部の応力が大きい場合、割れが発生する可能性がある。

溶接学会誌　第４２巻（１９７３）第１２号　ｐｐ．８６－９８

　本発明が解決しようとする課題は、接合部での割れを防止した熱交換器およびその製造方法を提供することである。

　本発明によれば、接合部での割れを防止できる。

一実施形態に係る熱交換器での接合構造の一例を表す模式図である。一実施形態に係る熱交換器での接合構造の一例を表す模式図である。一実施形態に係る熱交換器での接合構造の一例を表す模式図である。一実施形態に係る熱交換器での接合構造の一例を表す模式図である。一実施形態に係る溶接材料の成分の一例を示す表である。溶接材料の熱伝導率等を比較して示す表である。溶接電流と溶融量の関係を示すグラフである。実施例での溶接結果を表す表である。比較例で発生したＣｕの粒界侵入による割れを示す写真である。比較例での、Ｎｉめっきの膜厚と粒界侵入の関係を示す表である。比較例での、Ｃｕ含有量と粒界侵入の関係を示す表である。

　図１Ａ、図１Ｂは、実施形態に係る熱交換器での接合構造の一例を表す模式図である。これらの接合構造は、母材１１、母材１２、接合部１３を備える。

　母材１１、母材１２は、板材（平板形状の部材）、または管材（管形状の部材）である。母材１１、母材１２の組み合わせとして、板材－板材、板材－管材、管材－管材を挙げることができる。例えば、図１Ａでは、母材１１、母材１２は、Ｔ字状に組み合わされた２つの板材である（板材－板材）。図１Ｂでは、母材１１、母材１２は、板材と管材の組み合わせである（板材－管材）。

　板材は、例えば、熱交換器の構造材料であり、強度等を考慮し、例えば、ステンレス鋼からなる。管材は、例えば、熱交換器の冷却管であり、熱伝導を考慮し、例えば、銅または銅を主成分とする合金からなる。

　ここでは、母材１１、母材１２の少なくとも一方がステンレス鋼（より具体的には、ＳＵＳ３０４、３０４Ｌ、３１６、３１６Ｌに代表されるオーステナイト系ステンレス鋼）からなる。ステンレス鋼は、溶接時に割れる可能性があり、後述の溶接材料と組み合わせることで、溶接時での割れの低減等が可能となる。

　熱交換器においては、母材１１、母材１２は、例えば、冷却媒体を流す配管、冷却フィン等、熱伝達用の部材を構成する場合がある。この場合、母材１１、母材１２の一方または双方に肉厚が薄い（薄肉）材料が用いられる。後述のように、この場合、低入熱での溶接が望まれる。なお、薄肉とは、３ｍｍ以下の肉厚を言うものとする。

　接合部１３は、母材１１、母材１２を接合するものであり、溶接時に溶融された溶接材料が固化したものである。後述のように、溶接材料は、９２質量％以上のＮｉを含む。

　ここで、熱交換器では、冷却効率を向上させるため、接合部１３の溶着面積（接合部１３と母材１１、１２との境界の断面積）が大きいことが好ましい。

　図１Ａ、図１Ｂに示すように、熱交換器の接合構造では、接合部１３の断面形状が略三角形の隅肉継手（隅肉溶接）が用いられることが多い。図１Ａでは、Ｔ字状に組み合わされる板材の間に角を有する接合部１３が配置される。図１Ｂでは、板材と管材の間に角を有する接合部１３が配置される。

　隅肉溶接では、溶接時において、接合部１３の角に引張応力が集中し易く、割れが発生し易い。

　熱交換器の接合構造は、隅肉継手以外に、溝継手（溝溶接）がある。図２Ａ、図２Ｂは、溝継手の接合構造の一例を表す。この接合構造は、母材２１、母材２２、接合部２３を備える。母材２１の溝２４内に、母材２２が配置される。また、母材２２と溝２４の内面との間を接合部２３が接合する。溝溶接でも、溶接時において、接合部２３の角に引張応力が集中し易く、割れが発生し易い。

　以上のように、熱交換器での溶接には、例えば、次の（１）～（５）のような要請がある。
　（１）母材１１、１２として、ステンレス材料が用いられることが多い。
　（２）接合部１３は、隅肉溶接等、応力の集中により、割れが発生し易い。
　（３）接合部１３は、伝熱の関係で、熱伝導が良好である必要がある。
　（４）母材１１、１２は、伝熱の関係で、薄肉であることが多い。
　（５）接合部１３の溶着面積は、伝熱の関係で、大きいことが好ましい。

　これらの要請の一部または全部を同時に満たすことは必ずしも容易ではない。例えば、接合部１３をＣｕ系材料、Ｃｕ－Ｎｉ系材料とすると、熱伝導を良好とすることができる。しかし、Ｃｕ系材料、Ｃｕ－Ｎｉ系材料を用いて、ステンレス鋼の母材を隅肉溶接した場合、割れが発生する可能性が大きい。例えば、溶接材料中のＣｕがステンレス鋼の粒界に侵入することで、液体金属脆化割れが発生する可能性がある。また、母材による溶接材料の希釈が多い場合、ＣｕとＦｅ相互間の固溶限が低いことにより、溶融したＣｕ（もしくはＦｅ）が析出して、割れが発生する可能性がある。

　本実施形態では、溶接材料として、Ｃｕを実質的に含有せず、９２質量％を超えるＮｉを含有する金属材料を用いる。この結果、粒界侵入の発生しない隅肉溶接等が可能となる。

　より好ましい溶接材料は、９２質量％以上のＮｉ、１．５質量％以下のＡｌ、３．５質量％以下のＴｉを含み、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｆｅ、Ｃｕがそれぞれ１質量％以下である。図３に、溶接材料の成分の一例を示す（単位：質量％）。この溶接材料は、約９５質量％以上のＮｉ、０．１質量％以下のＡｌ、３．５質量％以下のＴｉ、０．１質量％以下のＦｅ、０．５質量％以下のＳｉ、Ｍｎを含み、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕがそれぞれ０．０２質量％以下である。

　これらの溶接材料はいずれも、Ｃｕを実質的に含有しないことから、母材がステンレスの場合でも、Ｃｕの粒界侵入による割れが発生しない。また、この溶接材料は、Ｃｕを実質的に含有しないことから、母材への希釈が多い場合でも、固溶限に起因する割れも発生しない。

　Ｎｉの含有率が９２質量％以上の溶接材料は、熱伝導率が２９．７Ｗ／ｍ・Ｋ以上となり、Ｃｕ系材料相当以上の熱伝導率を有する。熱交換器の冷却効率を上げるため、接合部１３が、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することが好ましい。

　図４の熱伝導率の比較表に示すように、Ｎｉの熱伝導率（３１．７Ｗ／ｍ・Ｋ）は、母材１１、１２となるステンレス鋼（ここでは、ＳＵＳ３１６Ｌ）の熱伝導率（１４．２Ｗ／ｍ・Ｋ）より大きく、溶接材料として一般的なＣｕＳｉ系溶材の熱伝導率（２９．７Ｗ／ｍ・Ｋ）相当である。即ち、接合部１３が母材１１、１２相当またはそれ以上の熱伝導率を有する。

　溶接方法として、低入熱のＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接を用いることができる。ＭＩＧ溶接は、シールドガスに不活性ガスのみを使う溶接方法である。即ち、不活性ガスによって、母材および溶接材料が大気と遮断された状態で、溶接が行われる。

　一般に、薄肉材料の溶接には、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接が用いられることが多い。しかし、溶着面積が大きくなるように、薄肉材料をＴＩＧ溶接すると、薄肉材料が変形する畏れがある。即ち、図５に示すように、ＴＩＧ溶接では、ＭＩＧ溶接、あるいはＣＭＴ溶接（ＭＩＧ溶接の一種）に比べて、１パス当りのワイヤ溶融量が少ない。このため、多パスでの溶接が必要となり、総入熱量が大きくなり、薄肉材料が変形する畏れがある。

　低入熱とは、ビード長当たり、１０ｋＪ／ｃｍ以下（例えば、２～１０ｋＪ／ｃｍ）の入熱量であることを意味する。このとき、３０ｇ／ｍｉｎ以上（例えば、３０～６０ｇ／ｍｉｎ）の溶着量であることが好ましい。低入熱で、高速な溶接が可能となり、薄肉の母材１１、１２に対して、溶着面積の大きな接合部１３を形成できる。

　低入熱のＭＩＧ溶接として、ＣＭＴ（Cold Metal Transfer）溶接を利用できる。ＣＭＴ溶接法では、溶接ワイヤの引き出し、引き戻しを繰り返す。この結果、短絡電流が低く抑えられ、低入熱での溶接が可能となる。即ち、母材に向かって、溶接ワイヤが引き出され、溶接ワイヤが母材に接触すると（即ち、短絡が検知されると）、溶接ワイヤが引き戻され、溶滴の切断が促進される。この引き出し、引き戻しを自動的に繰り返すことで、短絡電流が低く抑えられ、低入熱での溶接が可能となる。

　図５に示すように、ＣＭＴ溶接は、１パス当りのワイヤ溶融量が多く、かつ入熱量が小さい。即ち、母材１１、１２が薄肉の場合でも、ＣＭＴ溶接法では、溶け落ちが無く、変形が少ない。また、ＣＭＴ溶接法を用いることで、パス数が削減され、施工時間の短縮が可能となる。

　ここで、シールドガスは、５０容量％以上のＨｅを含み、残部がＡｒおよび不可避的不純物からなるガス（例えば、７５容量％のＨｅ、２５容量％のＡｒの混合ガス）を用いる。純Ａｒのシールドガスでは、溶接ワイヤの先端に発生するアークが安定せず、溶接方向に対して、ビードが蛇行した形状となる。さらには、ビードのぬれ性が悪く凸形状となり、ビードの端部に応力集中による割れが発生し易い。Ｈｅを５０％以上混合したシールドガスを用いることで、アークが安定化し、ビードのぬれ性を向上できる。その結果、ビードの端部形状が滑らかになり、応力集中が低減され、割れが発生し難くなる。この結果、接合部１３の溶着面積を拡大して、熱交換効率を向上することも容易となる。

　実施例を説明する。本実施例では、ステンレス鋼の構造物とステンレス鋼の配管を隅肉溶接にて接合する。

　溶接材料は、図３に示す組成の材料を用いた。溶接材料が実質的にＣｕを含有しないため、割れを発生させることなく、ステンレス鋼を溶接できる。

　既述のように、この溶接材料は、母材相当またはそれ以上、ＣｕＳｉ系溶材相当の熱伝導率を有する。

[溶接条件]
　母材の溶接条件を次に示す。
　・溶接電源　：　ＣＭＴ溶接電源（フローニアス製）
　・試験材（母材１１）　　：　ＳＵＳ３１６Ｌ（板厚３２ｍｍ）
　・試験材（母材１２）　　：　ＳＵＳ３１６Ｌ（配管呼び径　６Ａ、Ｓｃｈ４０）
　・ワイヤ送給速度　：　８ｍ／ｍｉｎ
　・ワイヤ径　：　φ１．０ｍｍ
　・溶接速度　：　２２ｃｍ／ｍｉｎ
　・シールドガス　：　２５％Ａｒ＋７５％Ｈｅ

　この溶接材料を用い、ＴＩＧ溶接、ＣＭＴ溶接を行った試験結果を図６に示す。試験結果は、アーク安定性、ビード外観、断面マクロ（粒界侵入による割れの有無）を評価した。

　図６に示すように、ＣＭＴ溶接の結果が良好であった。ＣＭＴ溶接では、ビード外観形状が安定していることから、アークの安定性が良好であったことがわかる。また、断面マクロ観察結果により、配管に溶け落ち、割れが無いことが確認された。ＴＩＧ溶接では、割れは発生しないものの、ビード外観形状が安定せず、また入熱量が多い。さらに、ＣＭＴ溶接に比べて、ＴＩＧ溶接では、パス数および作業時間を要することが判る。
　この結果から、母材、特に、薄肉の母材の溶接には、ＴＩＧ溶接より、ＣＭＴ溶接の方が、溶接結果および作業性の双方に優れることが判る。

（比較例）
　既述のように、母材がステンレス鋼で、溶接材料がＣｕを含有する場合、母材の粒界にＣｕが侵入し易い。その結果、粒界の脆化を引き起こし、接合部に引張応力が働くことで、割れを起こす。図７に代表的な割れの様相写真を示す。

　割れを防止するために、溶接前に、ＮｉやＮｉ－Ｃｕ系材料の層（中間層）を母材に付加することで、粒界浸入割れを防止することが考えられる。

　しかしながら、隅肉溶接あるいは溝溶接のような応力の大きい継手において、Ｃｕの粒界侵入による割れを低減するのは困難である。

　図８は、溶接材料ＣｕＳｉ－Ａを用いて、Ｎｉの中間層（Ｎｉめっき）を付加したステンレス鋼の配管（母材）を溶接したときの試験結果を表す。Ｎｉめっきの膜厚を１０～１００μｍと変化させたが、Ｃｕのステンレス鋼の粒界への浸入による割れが発生した。

　図９は、溶接材料のＣｕ含有量を９３～２９質量％と変化させて、ステンレス鋼の配管（母材）を溶接したときの試験結果を表す。いずれの場合も、Ｃｕのステンレス鋼の粒界への浸入による割れが発生した。

　これに対して、実施例に示すように、９２質量％を超えるＮｉを含有する溶接材料を用いた低入熱ＭＩＧ溶接により、割れなくステンレス鋼の母材を溶接できる。この場合、ＮｉおよびＮｉ－Ｃｕ系材料の中間層は不要である。

　以上説明した実施形態によれば、接合部での割れを防止することができる。

　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１、１　母材；１３　接合部；２１、２２　母材；２３　接合部；２４　溝。

Claims

　少なくとも一方がステンレス鋼からなる、第１、第２の母材と、
　前記第１、第２の母材を接合し、９２質量％以上のＮｉを含み、ＭＩＧ溶接で形成された接合部と、
を具備する熱交換器。
　前記接合部が、９２質量％以上のＮｉ、１．５質量％以下のＡｌ、３．５質量％以下のＴｉを含み、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｆｅ、Ｃｕがそれぞれ１質量％以下である
請求項１記載の熱交換器。
　前記接合部が、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する
請求項１記載の熱交換器。
　前記接合部が、隅肉形状または溝継手形状を有する、
請求項１記載の熱交換器。
　前記第１、第２の母材が、平板形状または管形状を有する、
請求項４記載の熱交換器。
　前記第１、第２の母材が、ＮｉまたはＮｉ－Ｃｕ系材料の中間層を有しない
請求項１記載の熱交換器。
　前記ＭＩＧ溶接が、ＣＭＴ溶接である
請求項１記載の熱交換器。
　前記ＣＭＴ溶接が、２～１０ｋＪ／ｃｍの入熱、３０～６０ｇ／ｍｉｎの溶着量で、実行される
請求項７記載の熱交換器。
　前記ＭＩＧ溶接が、５０容量％以上のＨｅを含み、残部がＡｒおよび不可避的不純物からなるシールドガスを用いて、行われる
請求項１記載の熱交換器。
　少なくとも一方がステンレス鋼からなる、第１、第２の母材を配置する工程と、
　９２質量％以上のＮｉを含む溶接材料を用いて、前記第１、第２の母材をＭＩＧ溶接し、接合部を形成する工程と、
を具備する熱交換器の製造方法。
　前記溶接する工程で形成された接合部が、９２質量％以上のＮｉ、１．５質量％以下のＡｌ、３．５質量％以下のＴｉを含み、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｆｅ、Ｃｕがそれぞれ１質量％以下である
請求項１０記載の熱交換器の製造方法。
　前記溶接する工程で形成された接合部が、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する
請求項１０記載の熱交換器の製造方法。
　前記溶接する工程で形成された接合部が、隅肉形状または溝継手形状を有する、
請求項１０記載の熱交換器の製造方法。
　前記第１、第２の母材が、平板形状または管形状を有する、
請求項１３記載の熱交換器の製造方法。
　前記第１、第２の母材が、ＮｉまたはＮｉ－Ｃｕ系材料の中間層を有しない
請求項１０記載の熱交換器の製造方法。
　前記溶接する工程において、前記第１、第２の母材をＣＭＴ溶接する
請求項１０記載の熱交換器の製造方法。
　前記溶接する工程において、２～１０ｋＪ／ｃｍの入熱、３０～６０ｇ／ｍｉｎの溶着量で、ＣＭＴ溶接する
請求項１６記載の熱交換器の製造方法。
　前記溶接する工程において、５０容量％以上のＨｅを含み、残部がＡｒおよび不可避的不純物からなるシールドガスが用いられる
請求項１０記載の熱交換器の製造方法。