WO2016190199A1 - アルミニウム構造体の製造方法 - Google Patents

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伊藤　泰永
柳川　裕
知樹 山吉
淳司 二宮
翼 柳本
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株式会社Uacj
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    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an aluminum structure having a hollow structure and a tubular member inserted into the hollow structure.
  • Aluminum material has various advantages such as high thermal conductivity and light weight. Therefore, in recent years, studies have been actively made to make aluminum a parallel flow heat exchanger incorporated in an air conditioner, an automobile, or the like (for example, Patent Document 1).
  • a brazing method for an aluminum structure a brazing material made of an Al—Si (aluminum-silicon) alloy is used, and after applying a fluoride-based flux on the brazing material, the workpiece is heated in a nitrogen atmosphere.
  • the so-called flux brazing method is often used.
  • the brazing material is provided on the inner surface and the outer surface of the hollow structure, and may be provided on the outer surface of the tubular member in some cases.
  • the oxide film present on the surface of the aluminum material to be brazed may not be sufficiently destroyed. As a result, the brazing property is lowered, and in some cases, there is a possibility that a brazing defect may occur.
  • a heat exchanger there is a step of performing a surface treatment on the outer surface of the aluminum structure.
  • the cost burden of washing off the flux residue using acid or the like is regarded as a problem.
  • the refrigerant flow path inside the heat exchanger is becoming finer. For this reason, after brazing, there is a problem that the refrigerant flow path is clogged with flux residues.
  • the fluoride flux used in the flux brazing method is consumed by reacting with Mg (magnesium) contained in the aluminum material, leading to deterioration of brazing properties. Therefore, it is difficult for the flux brazing method to braze a high-strength material containing Mg. In addition, since a high-strength material cannot be used, there is a limit to reducing the thickness of the aluminum material and thus reducing the weight of the aluminum structure.
  • Patent Document 2 proposes a method of performing brazing without flux in a non-oxidizing gas atmosphere using an Al—Si—Mg alloy brazing material.
  • JP 2012-67994 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-285817
  • the fluxless brazing method has a problem that the quality of the brazing joint is liable to deteriorate depending on the shape and structure of the workpiece and the position where the brazing joint is formed, as compared with the flux brazing method.
  • the problem is that the braze generated by heating is drawn into the hollow structure and fillets are not easily formed on the outer surface of the hollow structure.
  • production of the fillet breakage etc. in the outer surface of a hollow structure may become a problem on an external appearance, and is unpreferable.
  • brazing proceeds when an element such as Mg added to the brazing material or the core material breaks the oxide film present on the surface of the brazing material and the mating material. After the heating is started and until the brazing material starts to melt, Mg or the like diffuses in the solid brazing material and moves to the surface. Therefore, until the brazing material starts to melt, the destruction of the oxide film of the brazing material proceeds slowly, and the oxide film of the counterpart material is hardly destroyed.
  • the hollow structure oxygen in the atmosphere is reduced by oxidizing the inner surface of the hollow structure and the like. Moreover, it is difficult for the atmosphere to flow into the hollow structure from the external space. As a result, the oxygen concentration in the atmosphere inside the hollow structure is lower than in the external space. Therefore, the oxide film present inside the hollow structure is destroyed more quickly than the oxide film present outside the hollow structure. As a result, the brazing material existing inside the hollow structure can flow earlier than the brazing material existing outside, and the inside of the hollow structure, that is, for example, the tubular member and the hollow structure A fillet is preferentially formed on the inner surface of the bonded portion.
  • the fluxless brazing method can apply a high-strength material that can avoid clogging due to flux and adverse effects of flux residues, and can avoid the occurrence of poor brazing due to uneven application of flux. It is possible to solve problems that are difficult to achieve by the flux brazing method, such as being able to be thinned and the aluminum material being thinned. Therefore, it is strongly desired to put the fluxless brazing method into practical use.
  • the present invention has been made in view of such a background, and in an aluminum structure having a hollow structure and a cylindrical member, a manufacturing method capable of easily forming a healthy fillet on the outer surface of the hollow structure. Is to provide.
  • One embodiment of the present invention has a multilayer structure of two layers or three or more layers including a core material layer made of an aluminum material and a brazing material layer made of an Al—Si based alloy disposed on one side of the core material layer. And preparing a clad plate containing an element that breaks the oxide film in at least one layer of the multilayer structure, Prepare a cylindrical member made of aluminum material, The outer surface side is made of the brazing material layer and a hollow structure having a through hole for inserting the cylindrical member is prepared from the clad plate, Assembling the aluminum structure in which the cylindrical member is inserted into the through hole and the end of the cylindrical member is disposed inside the hollow structure, Heating the aluminum structure in an inert gas atmosphere, and performing a brazing process for joining the hollow structure and the tubular member with the brazing material layer of the clad plate It is in the manufacturing method.
  • the hollow structure is produced so that the brazing filler metal layer is disposed on the outer surface side.
  • the said cylindrical member is comprised from the aluminum material, and the brazing material does not exist in the outer surface. Therefore, when the brazing treatment of the aluminum structure is started, the brazing material layer melts on the outer surface of the hollow structure, and brazing occurs.
  • the amount of wax produced on the outer surface increases as the temperature rises, and eventually becomes flowable.
  • brazing is preferentially supplied to the joined portion between the tubular member and the outer surface of the hollow structure, and a fillet is formed.
  • the manufacturing method can easily form a healthy fillet at the joint portion between the outer surface of the hollow structure and the cylindrical member.
  • the manufacturing method can form a healthy fillet on the outer surface of the hollow structure by making the aluminum structure before brazing treatment have the specific configuration. Therefore, the cost load is small and the effect of forming a healthy fillet on the outer surface is high compared to the method of managing the atmosphere during brazing and managing the clearance between the tubular member and the hollow structure.
  • the above manufacturing method can be applied to any application as long as it is an aluminum structure having a hollow structure and a cylindrical member, and is a parallel flow heat exchanger mounted in an air conditioner, an automobile, or the like.
  • the present invention can be particularly preferably applied.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing a joined portion between a tubular member and a hollow structure in the sectional view taken along the line III-III in FIG. It is an enlarged view which shows the to-be-joined part of a header part and a tank part in FIG.
  • the “aluminum material” constituting the core material layer and the cylindrical member may be pure aluminum or an aluminum alloy.
  • the cylindrical member may be an extruded shape such as an extruded tube or an extruded multi-hole tube, or may be a molded plate formed by forming an aluminum plate into a cylindrical shape.
  • the molded plate material can be produced from a single-sided brazing sheet obtained by laminating a core material and a brazing material. However, when a single-sided brazing sheet is used, the brazing material must be disposed on the inner surface. The reason why the brazing material is not provided on the outer surface of the cylindrical member is as follows.
  • the brazing material When the brazing material is present on the outer surface of the cylindrical member, when the brazing material is melted, the inside and the outside of the hollow structure are connected via the brazing. Therefore, the wax existing on the outer surface of the hollow structure is drawn into the inside, and as a result, the fillet may be cut off on the outer surface of the hollow structure.
  • outer fins are disposed between adjacent cylindrical members.
  • the joined portion between the outer fin and the tubular member usually has a smaller clearance than the joined portion between the tubular member and the hollow structure. Therefore, in this case, the wax generated on the outer surface of the tubular member is preferentially supplied to the joined portion between the outer fin and the tubular member. As a result, there is a shortage of brazing supplied to the joined portion between the hollow structure and the cylindrical member, and the fillet breakage may occur more easily.
  • an aluminum material that does not have a function as a brazing material needs to be disposed on the outer surface of the cylindrical member.
  • the clad plate constituting the hollow structure has a multilayer structure including the core material layer and the brazing material layer. That is, the clad plate may be a two-layer clad plate in which a brazing material layer is disposed on one side of the core material layer, and an intermediate material layer having a chemical component different from these between the core material layer and the brazing material layer. It may be a multi-layer clad plate having three or more layers.
  • the clad plate contains an element that breaks the oxide film in at least one layer in the multilayer structure.
  • elements that destroy the oxide film include Mg (magnesium), Li (lithium), Be (beryllium), Ba (barium), and Ca (calcium). These elements do not need to be included in all layers included in the multilayer structure. For example, when Mg or the like is contained in the core material layer, Mg or the like does not have to be contained in the brazing material layer or the intermediate material layer.
  • the core layer may be made of an aluminum alloy containing Mg: 0.2 to 1.3% (mass%, the same applies hereinafter), and the balance having chemical components composed of Al and inevitable impurities.
  • Mg contained in the core layer is eluted in the brazing during the brazing process. Therefore, the oxide film existing on the surface of the hollow structure or the cylindrical member can be destroyed by Mg eluted from the core material layer. As a result, a healthy fillet can be formed more easily.
  • the Mg content is less than 0.2%, the effect of destroying the oxide film may be insufficient.
  • the Mg content exceeds 1.3%, a phenomenon called “erosion” in which brazing penetrates into the core material layer occurs during the brazing treatment, and the brazing property may be lowered.
  • the amount of Mg eluted in the wax increases, so that the surface tension of the wax is lowered, and the ability to form fillets may be lowered.
  • the brazing filler metal layer essentially contains Si: 6 to 13%, and Mg: 0.2 to 1.2%, Li: 0.004 to 0.1%, Be: 0.004 to 0.1 % And Ca: one or more selected from the group consisting of 0.005 to 0.03%, and the balance may be made of an aluminum alloy consisting of Al and inevitable impurities.
  • the content of Si in the brazing material layer is less than 6%, there may be a problem that the amount of brazing generated in the brazing process is insufficient or the flowability of the brazing is lowered. As a result, there is a risk of reducing brazing properties.
  • the Si content exceeds 13%, the wax may flow excessively. Further, in this case, cracking is likely to occur during the rolling of the brazing material layer.
  • the aluminum alloy constituting the brazing filler metal layer may further contain Bi (bismuth): 0.004 to 0.2%.
  • Bi exists in the brazing to reduce the surface tension, and as a result, the brazing property can be improved.
  • the Bi content is less than 0.004%, the effect of reducing the surface tension becomes insufficient.
  • the Bi content exceeds 0.2%, cracking is likely to occur during rolling of the brazing material. Furthermore, in this case, the surface tension of the brazing is excessively lowered, and on the contrary, the ability to form a fillet may be lowered.
  • the intermediate material layer is Li: 0.05% or more, Be: 0.05% or more, Ba: 0.05 % Or more and Ca: one or two or more selected from the group consisting of 0.05% or more may be contained, and the balance may be made of an aluminum alloy having a chemical component consisting of Al and inevitable impurities.
  • the above-mentioned elements contained in the intermediate material layer can be eluted in the brazing during the brazing treatment and break the oxide film. As a result, a healthy fillet can be easily formed.
  • the effect of destroying the oxide film can be sufficiently obtained by setting the content of the element to 0.05% or more. Can do.
  • the intermediate material layer includes two or more of the above four elements, the effect of destroying the oxide film is sufficiently obtained by setting the content of at least one element to 0.05% or more. Obtainable.
  • the upper limit of the content of the above four elements varies depending on the thickness ratio between the brazing material layer and the intermediate material layer. Specifically, when it is assumed that all the four elements are eluted in the wax, the total amount of the elements in the wax is preferably 0.15% or less, and is 0.1% or less. It is more preferable. For example, when the intermediate material layer has a thickness of 1/5 of the brazing material layer and Li and Be are contained in the intermediate material layer, the total amount of Li and Be in the intermediate material layer is set to 0. It is preferably 75% or less, and more preferably 0.5% or less.
  • the aluminum alloy constituting the intermediate material layer may further contain Si: 4 to 13%.
  • Si 4 to 13%.
  • the content of Si in the intermediate material layer is less than 4%, the above-mentioned effect may be insufficient because the melting of the intermediate material layer is delayed.
  • the Si content exceeds 13%, the amount of dissolution of the core layer is excessively increased, and there is a concern that the brazing property is lowered. Further, in this case, cracking is likely to occur during the rolling of the intermediate material.
  • the aluminum alloy constituting the intermediate material layer may further contain at least one of Zn: 0.2 to 6% and Cu: 0.1 to 3%.
  • Zn Zn: 0.2 to 6%
  • Cu Cu: 0.1 to 3%.
  • the aluminum alloy constituting the intermediate material layer may further contain Mg: 0.2 to 6%.
  • Mg has the effect of destroying the oxide film, like Li described above. Therefore, when the intermediate material layer contains Mg in the specific range, an effect of destroying the oxide film by Mg in addition to Li or the like can be obtained, and the destruction of the oxide film can be further promoted.
  • the intermediate material layer of the clad plate may be made of an aluminum alloy that essentially contains Mg, instead of the aluminum alloy that essentially contains Li or the like. That is, the intermediate material layer may be made of an aluminum alloy containing Mg: 0.2 to 6%, with the balance having chemical components composed of Al and inevitable impurities. Also in this case, since the oxide film is destroyed by Mg eluted in the wax, a healthy fillet can be more easily formed. When the content of Mg in the intermediate material layer is less than 0.2%, the above effect by Mg may be insufficient. On the other hand, when the Mg content exceeds 6%, cracking is likely to occur during the rolling of the intermediate material.
  • the aluminum alloy constituting the intermediate material layer may further contain Si: 4 to 13%.
  • the effect of Si and the reason for limiting the content are the same as in the case of the intermediate material layer containing Li and the like described above.
  • the aluminum alloy constituting the intermediate material layer is further Bi: 0. It may contain 02 to 1.2%.
  • Bi in the intermediate material layer can be eluted into the brazing and can reduce the surface tension of the brazing to improve the brazing property.
  • the Bi content is less than 0.02%, the effect of reducing the surface tension becomes insufficient.
  • the Bi content exceeds 1.2%, cracking is likely to occur during rolling of the intermediate material.
  • the surface tension of the brazing is excessively lowered, and on the contrary, the ability to form a fillet may be lowered.
  • the hollow structure is produced from the clad plate. Thereafter, a cylindrical member is inserted into the through hole of the hollow structure to assemble the aluminum structure, and a brazing process is performed to join the hollow structure and the cylindrical member by a fluxless brazing method.
  • the hollow structure is preferably etched with an acid or an alkali before the brazing treatment.
  • the oxide film formed on the surface until it becomes a hollow structure is removed.
  • this oxide film is more fragile than the oxide film removed by etching. Therefore, it can be easily broken in the brazing process, and as a result, the brazing property can be further improved.
  • an industrially available inert gas such as nitrogen, argon, or a mixed gas of nitrogen and argon can be used.
  • the oxygen concentration of the inert gas is preferably as low as possible.
  • an inert gas having an oxygen concentration of 50 ppm or less can be suitably used.
  • the heating temperature during the brazing treatment is preferably 585 to 620 ° C., more preferably 590 to 610 ° C.
  • the heating temperature is less than 585 ° C.
  • the brazing fluidity becomes insufficient, and the brazing property may be lowered.
  • the heating temperature exceeds 620 ° C.
  • erosion may occur in the core material layer.
  • the Example of the manufacturing method of the said aluminum structure is described using figures.
  • the aluminum structure 1 of this example has a structure simulating a parallel flow heat exchanger. As shown in FIGS. 1 and 2, a hollow structure 2 and a plurality of pieces inserted into the hollow structure 2 are provided. The cylindrical member 3 and the outer fin 4 disposed between the adjacent cylindrical members 3 are provided. The hollow structure 2, the cylindrical member 3, and the outer fin 4 are joined together by a fluxless brazing method.
  • the hollow structure 2 has a cylindrical shape, and is arranged to face the header portion 21 having a through hole 211 into which the cylindrical member 3 is inserted, and the header portion 21. And a tank portion 22.
  • the header part 21 and the tank part 22 are made of a clad plate having a multilayer structure including a core material layer made of an aluminum material and a brazing material layer made of an Al—Si alloy and disposed on one side of the core material layer. Yes.
  • the header portion 21 and the tank portion 22 are manufactured so that the brazing filler metal layer of the clad plate is disposed on the outer surface of the hollow structure 2. At least one layer in the multilayer structure of the clad plate contains an element that destroys the oxide film.
  • the cylindrical member 3 is made of an aluminum material.
  • FIG. 1 shows an example of an extruded multi-hole tube formed by extrusion molding of an aluminum material
  • a molded plate material obtained by processing a plate material into a cylindrical shape can be used instead of the extruded multi-hole tube. is there.
  • outer fins 4 made of an aluminum material are disposed between adjacent cylindrical members 3.
  • the outer fin 4 is composed of a double-sided brazing sheet in which a brazing material is disposed on both sides of the core material.
  • the outer fin 4 of this example is a corrugated fin formed by corrugating a double-sided brazing sheet.
  • the cylindrical member 3 After assembling the hollow structure 2 from the header part 21 and the tank part 22 prepared as described above, the cylindrical member 3 is inserted into the through hole 211 of the hollow structure 2. And the outer fin 4 is arrange
  • the aluminum structure 1 is heated in an inert gas atmosphere, and a brazing process is performed in which the header portion 21, the tank portion 22, and the cylindrical member 3 are simultaneously joined by the brazing material layer of the clad plate.
  • the brazing filler metal layers of the header portion 21 and the tank portion 22 are disposed on the outer surface of the hollow structure 2. Further, no brazing material is disposed on the outer surface of the cylindrical member 3. Therefore, after the brazing process is completed, a fillet F1 derived from the brazing material layer of the clad plate is formed on the outer surface of the joined portion 24 between the tubular member 3 and the header portion 21 as shown in FIG. Is done. Further, a fillet F2 derived from the brazing filler metal layer of the clad plate is also formed on the outer surface of the joined portion 25 of the header portion 21 and the tank portion 22 as shown in FIG. In addition, description of the fillet F1 and the fillet F2 in FIG.1 and FIG.2 was abbreviate
  • the outer fin 4 is joined to the tubular member 3 by the brazing process described above.
  • the aluminum structure 1 to which each component was joined by brazing can be obtained.
  • both ends in the longitudinal direction of the hollow structure 2 are opening the aluminum structure 1 of this example, both ends of the hollow structure 2 are usually prepared separately in an actual parallel flow type heat exchanger. It is blocked by a cap part (not shown).
  • the material of the cap part is not particularly limited, and for example, a single-sided brazing sheet or a double-sided brazing sheet can be used.
  • the brazing material When using a brazing sheet for the cap part, the brazing material may be disposed toward the outer surface or may be disposed toward the inner surface. As described above, since no brazing material layer is present on the inner surfaces of the header portion 21 and the tank portion 22, the brazing of the cap portion between the tubular member 3 and the header portion 21 is performed during the brazing process. There is no connection through the inner surface of the joint portion 24 or the joined portion 25 between the header portion 21 and the tank portion 22. Therefore, even if the brazing material is arranged on the inner surface of the cap portion, the formation of the fillet F1 and the fillet F2 is not adversely affected.
  • the clad plate is subjected to press working so that the header portion 21 and the tank portion 22 shown in FIGS. Produced.
  • the materials A1 to A15 have a two-layer structure including a core material layer and a brazing material layer laminated on one side of the core material layer.
  • the materials B1 to B50 have a three-layer structure in which a core material layer, an intermediate material layer, and a brazing material layer are sequentially laminated.
  • the materials C1 to C2, D1 to D6, and E1 have a multilayer structure of three or more layers in which brazing material layers are provided on both sides of the core material layer. That is, the hollow structure 2 assembled using the materials C1 to C2, D1 to D6, and E1 has the brazing material layer on both the outer surface and the inner surface.
  • each clad plate is 1.2 mm.
  • the cladding ratio of the brazing material layer that is, the ratio of the thickness of the brazing material layer to the total thickness of the clad plate was 5%.
  • the cladding ratio of the intermediate material layer was either 1% or 2.5% as shown in Tables 2 to 7.
  • Cylindrical member 3 As the cylindrical member 3, as shown in Tables 8 to 10, either an extruded multi-hole tube or a molded plate material made of a single-sided brazing sheet was used.
  • the extruded multi-hole tube was made of a 1000 series alloy containing Cu (copper): 0.4% and Mn (manganese): 0.1%, with the balance having chemical components composed of Al and inevitable impurities.
  • the thickness of the wall of the extruded multi-hole tube was 0.25 mm.
  • the molded plate material was made of a single-sided brazing sheet comprising a core material and a brazing material laminated on one side of the core material and having a plate thickness of 0.25 mm.
  • the molded plate material has a cylindrical shape, and a brazing material is disposed on the outer surface.
  • the core material of the single-sided brazing sheet contains Si: 0.15%, Cu: 0.1%, Mn: 1.2%, and Mg: 0.3%, and the balance has chemical components composed of Al and inevitable impurities. It is a 3000 series alloy.
  • the brazing material of the single-sided brazing sheet is an Al—Si based alloy containing Si: 10%, Mg: 0.1% and Bi: 0.05%, and the balance having chemical components composed of Al and inevitable impurities. is there.
  • the clad rate of the brazing material was 10%.
  • the outer fin 4 is made of a double-sided brazing sheet having a thickness of 0.1 mm, which is made of a core material and a brazing material laminated on both surfaces of the core material.
  • the core material of the double-sided brazing sheet is an aluminum alloy containing Mn: 1.2%, Mg: 0.4% and Zn: 0.1%, with the balance being chemical components composed of Al and inevitable impurities.
  • the brazing material of the double-sided brazing sheet is an Al—Si alloy containing Si: 10% and Bi: 0.05%, the balance having chemical components composed of Al and inevitable impurities.
  • the clad rate of the brazing material was 10% on both sides.
  • the brazing process was performed using a nitrogen gas furnace having a preheating chamber and a brazing chamber connected to the preheating chamber and capable of replacing the inside of the furnace with nitrogen gas.
  • the brazing process was performed according to the following procedure. After attaching a thermocouple in the vicinity of the joined portion 24 between the tubular member 3 and the header portion 21 in each test body, the test body was placed in the preheating chamber. After raising the temperature of the test body to 450 ° C. in the preheating chamber, the test body was moved to the brazing chamber, and the temperature of the test body was raised to 600 ° C. Immediately after the temperature of the test body reached 600 ° C., the test body was moved to the preheating chamber. And after cooling in a preheating chamber until temperature became 540 degreeC, the test body was taken out out of the furnace. The brazing process was performed as described above to complete the brazing of the specimen.
  • the atmosphere in the preheating chamber and the brazing chamber in the above brazing treatment was a nitrogen atmosphere having an oxygen concentration of 12 to 17 ppm. Moreover, it took about 20 minutes for the specimen placed in the preheating chamber to reach 450 ° C. As shown in Tables 8 to 10, the temperature raising time until the specimen moved to the brazing chamber reached 600 ° C. was either 12 minutes or 3 minutes.
  • the symbols shown in the “fillet formation state” column in Tables 8 to 10 are symbols corresponding to the following states, respectively.
  • the states of D and E were determined to be unacceptable because they may lead to leakage failure.
  • D Fillet breakage occurred locally and the fillet became discontinuous
  • E More fillet breakage than D occurred or no fillet formed
  • test bodies 1 to 57 As is known from Tables 8 and 9, in the test bodies 1 to 57, the brazing material layer is not disposed inside the hollow structure 2 before the brazing process. Therefore, the test bodies 1 to 57 are good on the outer surface in any of the bonded portion 24 between the header portion 21 and the tubular member 3 and the bonded portion 25 between the header portion 21 and the tank portion 22. Fillets F1 and F2 could be formed.
  • test samples 1 to 57 easily increased the fillet size and formed a uniform fillet. We were able to.
  • test body 58 shown in Table 10 uses a clad plate that does not contain an element that breaks the oxide film such as Mg for both the core material layer and the brazing material layer. Fillet breakage occurred in the joined portion 24 and the joined portion 25 between the header portion 21 and the tank portion 22.
  • a molded plate material having a brazing material on the outer surface side was used as the cylindrical member, so that the brazing treatment was carried out in a state where the brazing material was disposed inside the hollow structure 2 and brazing. It was drawn into the hollow structure 2. As a result, fillet breakage occurred in the joined portion 24 between the header portion 21 and the tubular member 3.
  • test body 60 used a molded plate material for the cylindrical member, the brazing was drawn into the hollow structure 2 in the brazing process. As a result, fillet breakage occurred in the joined portion 24 between the header portion 21 and the tubular member 3 and the joined portion 25 between the header portion 21 and the tank portion 22. Moreover, since the test body 60 contained excessive Mg in the core material layer, erosion occurred in the brazing process.
  • the brazing treatment was performed in a state where the brazing material layer was disposed inside the hollow structure 2. Therefore, the wax was drawn into the hollow structure 2, and fillet breakage occurred in the joined portion 24 between the header portion 21 and the tubular member 3 and the joined portion 25 between the header portion 21 and the tank portion 22.
  • test body 61 was not brazed sufficiently because the temperature rising time in the brazing process was short, and the joined portion 24 between the header portion 21 and the tubular member 3 and the joined portion between the header portion 21 and the tank portion 22 were not. Cutout of fillet occurred in part 25. In the test body 22 (see Table 8) in which the temperature of the hollow structure 2 having the same configuration was increased more slowly, no fillet breakage occurred.
  • test bodies 62 to 67 and the test body 75 had excessive elements such as Si contained in the intermediate material layer or the brazing material layer. Therefore, cracks occurred in the process of manufacturing the clad plate, and the header portion 21 and the like could not be manufactured.

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Abstract

中空構造体と筒状部材とを有するアルミニウム構造体において、中空構造体の外表面に健全なフィレットを容易に形成することができる製造方法を提供する。アルミニウム材よりなる心材層と、心材層の片面側に配置されたろう材層とを含む２層または３層以上の複層構造を有すると共に、複層構造における少なくとも１層に酸化皮膜を破壊する元素が含まれたクラッド板を準備する。アルミニウム材からなる筒状部材（３）を準備する。外表面側がろう材層よりなると共に筒状部材（３）を挿入する貫通穴（２１１）を有する中空構造体（２０）をクラッド板から作製する。筒状部材（３）を貫通穴（２１１）に挿入して筒状部材（３）の端部が中空構造体（２０）の内部に配置されたアルミニウム構造体（１）を組み立てる。アルミニウム構造体（１）を不活性ガス雰囲気中で加熱して、クラッド板のろう材層によって中空構造体（２０）と筒状部材（３）とのろう付を行う。

Description

アルミニウム構造体の製造方法
　本発明は、中空構造体と、該中空構造体に差し込まれた管状部材とを有するアルミニウム構造体の製造方法に関する。
　アルミニウム材は、熱伝導率が高い、軽量である等の種々の利点を有する。そのため、近年、空調機や自動車等に組み込まれるパラレルフロー型熱交換器をアルミニウム製にするための検討が活発になされている（例えば、特許文献１）。
　パラレルフロー型熱交換器に例示される、貫通穴を有する中空構造体と上記貫通穴に差し込まれた管状部材とを有するアルミニウム構造体は、通常、中空構造体と管状部材とをろう付することにより製造される。アルミニウム構造体のろう付方法としては、Ａｌ－Ｓｉ（アルミニウム－シリコン）系合金からなるろう材を用い、ろう材上にフッ化物系のフラックスを塗布した後に窒素雰囲気下で被処理物を加熱してろう付する、いわゆるフラックスろう付法が多用されている。ろう材は、中空構造体の内表面及び外表面に設けられており、場合によっては管状部材の外表面にも設けられることがある。
　しかし、フラックスろう付法においては、フラックスの塗布量が不足すると、ろう付すべきアルミニウム材の表面に存在する酸化皮膜の破壊が不十分となるおそれがある。その結果、ろう付性の低下を招き、場合によってはろう付不良が発生するおそれがある。
　また、例えば熱交換器においては、アルミニウム構造体の外表面に表面処理を施す工程があり、この工程において酸等を用いてフラックス残渣を洗い落とす作業のコスト負担が問題視されている。更に、近年では、特に自動車用の熱交換器において、熱交換器の一層の小型化、軽量化が強く望まれており、これに伴って熱交換器内部の冷媒流路が微細化している。そのため、ろう付を行った後に、冷媒流路がフラックス残渣で目詰まりを起こすという問題が生じている。
　また、フラックスろう付法に用いるフッ化物系フラックスは、アルミニウム材に含まれるＭｇ（マグネシウム）と反応して消費され、ろう付性の悪化を招くという問題がある。そのため、フラックスろう付法は、Ｍｇを含む高強度材料のろう付を行うことが困難である。また、高強度材料を使用できないことから、アルミニウム材の薄肉化、ひいてはアルミニウム構造体の軽量化には限界がある。
　そこで、酸化皮膜を破壊する作用を有するＭｇ等をろう材に添加し、フラックスを用いることなく不活性ガス雰囲気下でろう付を行う、いわゆるフラックスレスろう付法が提案されている。例えば特許文献２には、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系合金ろう材を用い、非酸化性ガス雰囲気でフラックス無しでろう付を行う方法が提案されている。
特開２０１２－６７９９４号公報 特開平１１－２８５８１７号公報
　しかし、フラックスレスろう付法は、フラックスろう付法に比べて、被処理物の形状や構造、及びろう付接合を形成する位置によってはろう付接合の品質が悪化しやすいという問題がある。例えば、フラックスレスろう付法により中空構造体と管状部材とのろう付を行う場合、加熱によって生じたろうが中空構造体の内部へ引き込まれ、中空構造体の外表面にフィレットが形成されにくいという問題がある。中空構造体の外表面におけるフィレット切れ等の発生は、外観上問題となるおそれがあるため、好ましくない。
　フラックスレスろう付法によるろう付性を改善するために、不活性ガスの純度を高めて酸素濃度や露点を低下させる、あるいは不活性ガスとして高純度のアルゴンガスを用いるなどの方法も考えられる。しかし、これらの方法は、中空構造体の外表面にフィレットを形成させる効果が十分ではないことに加え、生産性やコスト面で問題があり、量産設備に適用することは困難である。
　また、中空構造体と管状部材との接合においては、管状部材を差し込む貫通穴の寸法を管状部材よりもわずかに大きくする必要がある。そのため、管状部材の外表面と中空構造体との間にある程度のクリアランスが形成される。このクリアランスを厳密に制御することによりろう付性を改善する方法も検討されているが、上記と同様に、ろう付性の改善効果、生産性及びコスト面での問題により、工業的な規模で上記の方法を適用することは困難である。
　ろうが中空構造体の内部へ引き込まれる現象は、例えば以下のメカニズムにより起こると考えられる。フラックスレスろう付法においては、ろう材や心材に添加したＭｇ等の元素がろう材及び相手材の表面に存在する酸化皮膜を破壊することによりろう付が進行する。加熱を開始した後ろう材が溶融し始めるまでの間は、Ｍｇ等が固体のろう材中を拡散して表面まで移動する。そのため、ろう材が溶融し始めるまでの間は、ろう材の酸化皮膜の破壊はゆっくり進行し、相手材の酸化皮膜はほとんど破壊されない。
　ろう材の溶融が始まった直後は、ろう材及び相手材のいずれの酸化皮膜も十分に破壊されていない。そのため、フィレットの形成がゆっくり進行する。
　このとき、中空構造体の内部においては、中空構造体の内表面等が酸化されることにより、雰囲気中の酸素が減少している。また、中空構造体の内部には外部空間から雰囲気が流入しにくい。これらの結果、中空構造体内部の雰囲気の酸素濃度が外部空間に比べて低くなっている。そのため、中空構造体の内部に存在する酸化皮膜は中空構造体の外部に存在する酸化皮膜に比べて速やかに破壊される。その結果、中空構造体内部に存在するろう材は、外部に存在するろう材よりも早期に流動することができるようになり、中空構造体の内部、即ち、例えば筒状部材と中空構造体との被接合部の内表面に優先的にフィレットが形成される。
　ろう材の溶融が更に進行し、中空構造体の外表面のろうが流動可能になると、中空構造体の内部と外部とがろうを介して繋がった状態となる。それ故、外表面のろうが中空構造体の内部に引き込まれ、中空構造体の外表面にフィレットが形成されにくくなる。
　フラックスレスろう付法によるアルミニウム構造体のろう付は、上述したように良好なろう付接合を安定して形成することが困難であることに加え、使用し得る材料やろう付設備の制約が大きい。そのため、フラックスレスろう付法によるアルミニウム構造体のろう付を工業的な規模で長期間に亘って継続した例は、現在に至るまで存在していない。しかし、フラックスレスろう付法は、フラックスによる目詰まりやフラックス残渣の悪影響を回避することができる、フラックスの塗布ムラによるろう付不良の発生を回避することができる、高強度材料を適用することができる、及び、アルミニウム材を薄肉化することができる等、フラックスろう付法では実現が困難な問題を解決することができる。そのため、フラックスレスろう付法を実用化することが強く望まれている。
　本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、中空構造体と筒状部材とを有するアルミニウム構造体において、中空構造体の外表面に健全なフィレットを容易に形成することができる製造方法を提供しようとするものである。
　本発明の一態様は、アルミニウム材よりなる心材層と、該心材層の片面側に配置されたＡｌ－Ｓｉ系合金よりなるろう材層とを含む２層または３層以上の複層構造を有すると共に、該複層構造における少なくとも１層に酸化皮膜を破壊する元素が含まれたクラッド板を準備し、
　アルミニウム材からなる筒状部材を準備し、
　外表面側が上記ろう材層よりなると共に上記筒状部材を挿入する貫通穴を有する中空構造体を上記クラッド板から作製し、
　上記筒状部材を上記貫通穴に挿入して上記筒状部材の端部が上記中空構造体の内部に配置されたアルミニウム構造体を組み立て、
　該アルミニウム構造体を不活性ガス雰囲気中で加熱して、上記クラッド板の上記ろう材層によって上記中空構造体と上記筒状部材とを接合するろう付処理を行うことを特徴とするアルミニウム構造体の製造方法にある。
　上記アルミニウム構造体の製造方法において、上記中空構造体は、外表面側に上記ろう材層が配置されるように作製されている。また、上記筒状部材はアルミニウム材から構成されており、その外表面にろう材が存在していない。そのため、上記アルミニウム構造体の上記ろう付処理を開始すると、上記中空構造体の外表面において上記ろう材層が溶融し、ろうが生じる。
　上記外表面に生じたろうは、温度の上昇に伴ってその量が増加し、やがて流動可能となる。その結果、上記筒状部材と上記中空構造体の外表面との被接合部に優先的にろうが供給されてフィレットを形成し始める。
　このとき、上記筒状部材と上記中空構造体との間にはクリアランスが存在しているため、上記ろうの一部は上記貫通穴を通じて上記中空構造体の内部にも供給され得る。しかし、上記中空構造体の内部にはろう材層が存在していないため、従来のフラックスレスろう付法のようなＭｇ等による酸化皮膜の破壊が起きていない。それ故、上記中空構造体の外表面のろうは、内部へ向かって酸化皮膜を破壊しながら比較的ゆっくりと濡れ広がる。そのため、外表面のフィレットにおけるろうの過度な減少を容易に回避することができる。
　以上の結果、上記製造方法は、上記中空構造体の外表面と上記筒状部材との被接合部に健全なフィレットを容易に形成することができる。
　また、上記製造方法は、上述したように、ろう付処理前の上記アルミニウム構造体を上記特定の構成にすることにより、上記中空構造体の外表面に健全なフィレットを形成することができる。そのため、ろう付時の雰囲気の管理や筒状部材と中空構造体とのクリアランスの管理を行う方法に比べてコスト負荷が小さく、更には外表面に健全なフィレットを形成する効果が高い。
　上記製造方法は、中空構造体と筒状部材とを有するアルミニウム構造体であればどのような用途のものにも適用することができ、空調器や自動車等に搭載されるパラレルフロー型熱交換器に特に好適に適用することができる。
実施例における、パラレルフロー型熱交換器を模擬した試験体の要部を示す斜視図である。 実施例における、試験体の要部の断面図である。 図２のIII－III線矢視断面図における、管状部材と中空構造体との被接合部を示す拡大図である。 図２における、ヘッダ部とタンク部との被接合部を示す拡大図である。
　上記アルミニウム構造体の製造方法において、上記心材層及び上記筒状部材を構成する「アルミニウム材」は、純アルミニウムであってもよく、アルミニウム合金であってもよい。
　また、上記筒状部材は、例えば押出管や押出多穴管などの押出形材であってもよく、アルミニウム板を筒状に成形してなる成形板材であってもよい。上記成形板材は心材とろう材とを積層してなる片面ブレージングシートから作製することもできるが、片面ブレージングシートを用いる場合には、ろう材が内表面に配置されていなければならない。筒状部材の外表面にろう材を設けない理由は、以下の通りである。
　筒状部材の外表面にろう材が存在している場合には、このろう材が溶融すると、中空構造体の内部と外部とがろうを介して繋がった状態となる。そのため、中空構造体の外表面に存在するろうが内部に引き込まれ、結果として中空構造体の外表面におけるフィレット切れを招くおそれがある。
　また、上記アルミニウム構造体がパラレルフロー型熱交換器である場合には、隣り合う筒状部材の間にアウターフィンが配置される。アウターフィンと筒状部材との被接合部は、通常、筒状部材と中空構造体との被接合部よりもクリアランスが小さい。そのため、この場合には、筒状部材の外表面に生じたろうがアウターフィンと筒状部材との被接合部に優先的に供給される。その結果、中空構造体と筒状部材との被接合部に供給されるろうが不足し、フィレット切れがより起こり易くなるおそれがある。
　これらの問題を回避するため、上記筒状部材における外表面には、ろう材としての機能を有さないアルミニウム材が配置されている必要がある。
　上記中空構造体を構成するクラッド板は、上記心材層と、上記ろう材層とを含む複層構造を有している。即ち、上記クラッド板は、心材層の片面にろう材層が配置された２層クラッド板であってもよく、心材層とろう材層との間にこれらとは異なる化学成分を有する中間材層が配置された３層以上の複層クラッド板であってもよい。
　また、上記クラッド板は、上記複層構造における少なくとも１層に酸化皮膜を破壊する元素を含んでいる。これにより、フラックスレスろう付を実現することができる。酸化皮膜を破壊する元素としては、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｂａ（バリウム）及びＣａ（カルシウム）等がある。これらの元素は、複層構造に含まれる全ての層に含まれている必要はない。例えば、Ｍｇ等が心材層に含まれている場合には、ろう材層や中間材層等にＭｇ等が含まれていなくてもよい。
　上記心材層は、Ｍｇ：０．２～１．３％（質量％、以下同じ）を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されていてもよい。心材層に含まれるＭｇは、ろう付処理においてろう中に溶出する。それ故、心材層から溶出したＭｇにより中空構造体や筒状部材等の表面に存在する酸化皮膜を破壊することができる。その結果、健全なフィレットをより容易に形成することができる。
　Ｍｇの含有量が０．２％未満の場合には、酸化皮膜を破壊する効果が不十分となるおそれがある。一方、Ｍｇの含有量が１．３％を超える場合には、ろう付処理の際に、心材層へろうが浸透する「エロージョン」と呼ばれる現象が発生し、ろう付性が低下するおそれがある。また、この場合には、ろうに溶出するＭｇの量が多くなることにより、ろうの表面張力が低下し、フィレットを形成する能力の低下を招くおそれがある。
　上記ろう材層は、Ｓｉ：６～１３％を必須に含有し、更にＭｇ：０．２～１．２％、Ｌｉ：０．００４～０．１％、Ｂｅ：０．００４～０．１％及びＣａ：０．００５～０．０３％からなる群より選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金より構成されていてもよい。Ｓｉの含有量を上記特定の範囲とすることにより、中空構造体の外表面に存在する被接合部に十分な量のろうを供給し、ろう付性を向上させることができる。
　また、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｂｅ及びＣａの含有量を上記特定の範囲とすることにより、ろう付処理においてこれらの元素をろう中に溶出させ、被接合部に存在する酸化皮膜を破壊することができる。その結果、健全なフィレットを容易に形成することができる。
　ろう材層中のＳｉの含有量が６％未満の場合には、ろう付処理において生じるろうの量が不足する、あるいはろうの流動性が低下する等の問題が生じるおそれがある。その結果、ろう付性の低下を招くおそれがある。一方、Ｓｉの含有量が１３％を超える場合には、ろうが過剰に流動するおそれがある。また、この場合には、ろう材層の圧延の際に割れが生じ易くなる。
　Ｍｇ、Ｌｉ、Ｂｅ及びＣａの含有量が上記特定の範囲未満の場合には、酸化皮膜を破壊する効果が不十分となるおそれがある。一方、これらの元素の含有量が上記特定の範囲を超える場合には、上記ろう材層にＭｇ等に由来する強固な酸化皮膜が形成され、ろう付性の低下を招くおそれがある。
　上記ろう材層を構成するアルミニウム合金は、更にＢｉ（ビスマス）：０．００４～０．２％を含有していてもよい。Ｂｉは、ろう中に存在することにより表面張力を低下させ、結果としてろう付性を向上させることができる。Ｂｉの含有量が０．００４％未満の場合には、表面張力を低下させる効果が不十分となる。また、Ｂｉの含有量が０．２％を超える場合には、ろう材の圧延の際に割れが生じ易くなる。更に、この場合には、ろうの表面張力が過度に低下し、かえってフィレットを形成する能力が低下するおそれがある。
　上記心材層と上記ろう材層との間に中間材層が配置されている場合には、中間材層は、Ｌｉ：０．０５％以上、Ｂｅ：０．０５％以上、Ｂａ：０．０５％以上及びＣａ：０．０５％以上からなる群より選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されていてもよい。中間材層に含まれる上記の元素は、ろう付処理においてろう中に溶出し、酸化皮膜を破壊することができる。その結果、健全なフィレットを容易に形成することができる。
　中間材層に上記４種の元素のうちいずれか１種のみが含まれる場合には、当該元素の含有量を０．０５％以上とすることにより、酸化皮膜を破壊する効果を十分に得ることができる。また、中間材層に上記４種の元素のうち２種以上が含まれる場合には、少なくとも１種の元素の含有量を０．０５％以上とすることにより酸化皮膜を破壊する効果を十分に得ることができる。
　上記４種の元素の含有量の上限は、ろう材層と中間材層との厚みの比率によって変化する。具体的には、上記４種の元素が全てろう中に溶出したと仮定した場合に、ろう中の上記元素の合計量が０．１５％以下となることが好ましく、０．１％以下となることがより好ましい。例えば、中間材層がろう材層の１／５の厚みを有し、中間材層にＬｉ及びＢｅが含まれている場合には、中間材層中のＬｉとＢｅとの合計量を０．７５％以下にすることが好ましく、０．５％以下にすることがより好ましい。
　ろう中の上記元素の合計量が０．１５％を超える場合には、ろう付処理中に当該元素の酸化物が形成され、ろう付性の低下を招くおそれがある。また、中間材層中の上記元素の合計量が１．５％を超える場合には、中間材の鋳造や圧延の際に割れが生じ易くなる。
　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＳｉ：４～１３％を含有していてもよい。この場合には、ろう付処理中にろう材層と中間材層とが同時に溶融し始めるため、中間材層中のＬｉ等が速やかにろう中に溶出する。その結果、酸化皮膜の破壊をより早期から行うことができ、特に昇温速度が速い場合にろう付性をより向上させることができる。
　中間材層中のＳｉの含有量が４％未満の場合には、中間材層の溶融開始が遅くなるため、上記の効果が不十分となるおそれがある。一方、Ｓｉの含有量が１３％を超える場合には、心材層の溶解量が過度に多くなり、ろう付性の低下を招くおそれがある。また、この場合には、中間材の圧延の際に割れが生じ易くなる。
　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＺｎ：０．２～６％及びＣｕ：０．１～３％のうち少なくとも一種を含有していてもよい。この場合には、中間材層の固相線温度が低下するため、ろう材層の溶融直前において、ろう材層へのＬｉ等の拡散速度を増大させることができる。その結果、酸化皮膜を破壊する効果をより向上させることができる。
　Ｚｎ及びＣｕの含有量がいずれも上記の範囲未満である場合には、中間材層の固相線温度が十分に低下しないため、上記の効果が不十分となるおそれがある。一方、ＺｎまたはＣｕの少なくとも一方の含有量が上記の範囲を超える場合には、中間材の圧延の際に割れが生じ易くなる。
　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＭｇ：０．２～６％を含有していてもよい。Ｍｇは、上述したＬｉ等と同様に酸化皮膜を破壊する作用を有する。そのため、上記中間材層に上記特定の範囲のＭｇが含まれることにより、Ｌｉ等に加えてＭｇによる酸化皮膜を破壊する効果を得ることができ、酸化皮膜の破壊をより促進することができる。
　中間材層中のＭｇの含有量が０．２％未満の場合には、Ｍｇによる上記の効果が不十分となるおそれがある。一方、Ｍｇの含有量が６％を超える場合には、中間材の圧延の際に割れが生じ易くなる。
　上記クラッド板の中間材層は、上述したＬｉ等を必須に含むアルミニウム合金に代えて、Ｍｇを必須に含むアルミニウム合金より構成されていてもよい。即ち、上記中間材層は、Ｍｇ：０．２～６％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されていてもよい。この場合にも、ろう中に溶出したＭｇにより酸化皮膜が破壊されるため、健全なフィレットをより容易に形成することができる。中間材層中のＭｇの含有量が０．２％未満の場合には、Ｍｇによる上記の効果が不十分となるおそれがある。一方、Ｍｇの含有量が６％を超える場合には、中間材の圧延の際に割れが生じ易くなる。
　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＳｉ：４～１３％を含有していてもよい。Ｓｉの作用効果及び含有量の限定理由は、上述したＬｉ等を含む中間材層の場合と同様である。
　また、ろう材層を構成するアルミニウム合金にＬｉ等が必須に含まれる場合及びＭｇが必須に含まれる場合のいずれの場合にも、上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＢｉ：０．０２～１．２％を含有していてもよい。中間材層中のＢｉは、ろう中に溶出し、ろうの表面張力を低下させてろう付性を向上させることができる。Ｂｉの含有量が０．０２％未満の場合には、表面張力を低下させる効果が不十分となる。また、Ｂｉの含有量が１．２％を超える場合には、中間材の圧延の際に割れが生じ易くなる。更に、この場合には、ろうの表面張力が過度に低下し、かえってフィレットを形成する能力が低下するおそれがある。
　上記製造方法においては、上述した構成を有するクラッド板及び筒状部材を準備した後、クラッド板から上記中空構造体を作製する。その後、中空構造体の貫通穴に筒状部材を差し込んでアルミニウム構造体を組み立て、フラックスレスろう付法により上記中空構造体と上記筒状部材とを接合するろう付処理を行う。
　ここで、上記中空構造体は、上記ろう付処理の前に酸またはアルカリによりエッチングされていることが好ましい。これにより、中空構造体となるまでの間に表面に形成された酸化皮膜が除去される。エッチングを行った後ろう付処理までの間に酸化皮膜が自然に形成されるが、この酸化皮膜はエッチングにより除去した酸化皮膜に比べて脆弱である。それ故、ろう付処理において容易に破壊することができ、結果としてろう付性をより向上させることができる。
　ろう付処理時の雰囲気としては、窒素、アルゴン及び窒素とアルゴンとの混合ガスなどの、工業的に利用可能な不活性ガスを用いることができる。ろう付性を向上させる観点からは、不活性ガスの酸素濃度が低いほど好ましい。具体的には、例えば、酸素濃度が５０ｐｐｍ以下の不活性ガスを好適に用いることができる。
　ろう付処理時の加熱温度は、５８５～６２０℃であることが好ましく、５９０～６１０℃であることがより好ましい。加熱温度が５８５℃未満の場合には、ろうの流動性が不十分となり、ろう付性の低下を招くおそれがある。一方、加熱温度が６２０℃を超える場合には、上記心材層にエロージョンが発生するおそれがある。また、ろう付処理時の昇温速度は、昇温中のアルミニウム構造体の不要な酸化を抑制する観点から、できるだけ速くすることが好ましい。
（実施例）
　上記アルミニウム構造体の製造方法の実施例について、図を用いて説明する。本例のアルミニウム構造体１は、パラレルフロー型熱交換器を模擬した構造を有しており、図１及び図２に示すように、中空構造体２と、中空構造体２に挿入された複数の筒状部材３と、隣り合う筒状部材３の間に配置されたアウターフィン４とを有している。中空構造体２、筒状部材３及びアウターフィン４はフラックスレスろう付法により互いに接合されている。
　図１及び図２に示すように、中空構造体２は筒状を呈しており、筒状部材３を挿入する貫通穴２１１を備えたヘッダ部２１と、ヘッダ部２１に対面して配置されたタンク部２２とを有している。ヘッダ部２１及びタンク部２２は、アルミニウム材よりなる心材層と、Ａｌ－Ｓｉ系合金よりなり、心材層の片面側に配置されたろう材層とを含む複層構造を有するクラッド板から作製されている。また、ヘッダ部２１及びタンク部２２は、クラッド板のろう材層が中空構造体２の外表面に配置されるように作製されている。クラッド板の複層構造における少なくとも１層には、酸化皮膜を破壊する元素が含まれている。
　筒状部材３はアルミニウム材から構成されている。なお、図１にはアルミニウム材を押出成形してなる押出多穴管の例を示したが、押出多穴管に代えて、板材を筒状に加工してなる成形板材を用いることも可能である。成形板材を用いる場合には、その外表面にろう材として機能しないアルミニウム材を配置する必要がある。
　図１に示すように、本例においては、隣り合う筒状部材３の間にアルミニウム材よりなるアウターフィン４が配置されている。アウターフィン４は、心材の両面にろう材が配置された両面ブレージングシートより構成されている。本例のアウターフィン４は、両面ブレージングシートを波型に成形したコルゲートフィンである。
　上述のように準備したヘッダ部２１及びタンク部２２から中空構造体２を組み立てた後、中空構造体２の貫通穴２１１に筒状部材３を挿入する。そして、隣り合う筒状部材３の間にアウターフィン４を配置して図１に示すアルミニウム構造体１を組み立てる。
　その後、アルミニウム構造体１を不活性ガス雰囲気中で加熱して、クラッド板のろう材層によってヘッダ部２１、タンク部２２及び筒状部材３を同時に接合するろう付処理を行う。
　上述したように、ヘッダ部２１及びタンク部２２のろう材層は、中空構造体２の外表面に配置されている。また、筒状部材３の外表面にはろう材が配置されていない。それ故、ろう付処理が完了した後、筒状部材３とヘッダ部２１との被接合部２４における外表面に、図３に示すように、クラッド板のろう材層に由来するフィレットＦ１が形成される。また、ヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５における外表面にも、図４に示すようにクラッド板のろう材層に由来するフィレットＦ２が形成される。なお、図１及び図２におけるフィレットＦ１及びフィレットＦ２の記載は便宜上省略した。
　また、図には示さないが、本例においては、上記のろう付処理により、アウターフィン４が筒状部材３に接合される。以上により、各構成部品がろう付により接合されたアルミニウム構造体１を得ることができる。
　なお、本例のアルミニウム構造体１は中空構造体２の長手方向における両端が開口しているが、実際のパラレルフロー型熱交換器においては、通常、中空構造体２の両端が別途準備されたキャップ部（図示略）により封鎖されている。キャップ部の材質は特に限定されることは無く、例えば片面ブレージングシートや両面ブレージングシートを用いることができる。
　キャップ部にブレージングシートを用いる場合には、ろう材を外表面に向けて配置してもよく、内表面に向けて配置してもよい。上述したように、ヘッダ部２１及びタンク部２２の内表面にはろう材層が存在していないため、ろう付処理の際に、キャップ部のろうが筒状部材３とヘッダ部２１との被接合部２４やヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５と内表面を介して繋がることはない。それ故、キャップ部の内表面にろう材が配置されていても、フィレットＦ１やフィレットＦ２の形成に悪影響を及ぼすことは無い。
（実験例）
　本例は、上記の実施例において、クラッド板や筒状部材３の材料を種々変更してろう付性を評価した例である。以下に、本例において用いた試験体の作製方法及び評価方法を詳説する。
＜構成部品の準備＞
・ヘッダ部２１及びタンク部２２
　表１～表７に示すように、複層構造の層構成を種々変更したクラッド板を準備した後、クラッド板にプレス加工を施して図１及び図２に示すヘッダ部２１及びタンク部２２を作製した。材料Ａ１～Ａ１５（表１参照）は、心材層と、心材層の片面に積層されたろう材層とからなる２層構造を有している。材料Ｂ１～Ｂ５０（表２～表６参照）は、心材層と、中間材層と、ろう材層とが順次積層された３層構造を有している。材料Ｃ１～Ｃ２、Ｄ１～Ｄ６及びＥ１（表７参照）は、心材層の両面にろう材層が設けられた３層以上の複層構造を有している。即ち、材料Ｃ１～Ｃ２、Ｄ１～Ｄ６及びＥ１を用いて組み立てられた中空構造体２は、外表面及び内表面の両方にろう材層を有している。
　クラッド板の板厚は、いずれも１．２ｍｍである。ろう材層のクラッド率、即ちクラッド板の全板厚に対するろう材層の厚みの比は、いずれも５％とした。また、中間材層のクラッド率は、表２～表７に示すように、１％または２．５％のいずれかとした。
・筒状部材３
　筒状部材３としては、表８～表１０に示すように、押出多穴管または片面ブレージングシートからなる成形板材のいずれかを用いた。
　押出多穴管は、Ｃｕ（銅）：０．４％及びＭｎ（マンガン）：０．１％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有する１０００系合金より作製した。また、押出多穴管の壁部の厚みは０．２５ｍｍとした。
　成形板材は、心材と、心材の片面に積層されたろう材とからなり、０．２５ｍｍの板厚を有する片面ブレージングシートより作製した。成形板材は筒状を呈しており、外表面にろう材が配置されている。
　片面ブレージングシートの心材は、Ｓｉ：０．１５％、Ｃｕ：０．１％、Ｍｎ：１．２％及びＭｇ：０．３％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有する３０００系合金である。また、片面ブレージングシートのろう材は、Ｓｉ：１０％、Ｍｇ：０．１％及びＢｉ：０．０５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するＡｌ－Ｓｉ系合金である。ろう材のクラッド率は１０％とした。
・アウターフィン４
　アウターフィン４は、心材と、心材の両面に積層されたろう材とからなり、０．１ｍｍの板厚を有する両面ブレージングシートより作製した。
　両面ブレージングシートの心材は、Ｍｎ：１．２％、Ｍｇ：０．４％及びＺｎ：０．１％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金である。また、両面ブレージングシートのろう材は、いずれも、Ｓｉ：１０％及びＢｉ：０．０５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するＡｌ－Ｓｉ系合金である。ろう材のクラッド率は、いずれの面も１０％とした。
＜試験体の組み立て＞
　上記の各構成部品をアセトンに浸漬して脱脂処理を行った。次いで、表１～表７に示すように、一部のクラッド板よりなる部品について、酸またはアルカリによりエッチングして酸化皮膜を除去した。酸によりエッチングを行う場合、濃度２％のフッ酸水溶液に部品を６０秒浸漬し、次いで、部品を水洗した後乾燥させた。また、アルカリによりエッチングを行う場合、濃度５％、温度５０℃の水酸化ナトリウム水溶液に部品を３０秒浸漬し、次いで、部品を水洗した後乾燥させた。
　その後、各部品を表８～表１０に示すように組み合わせた後、治具により固定して図１に示すアルミニウム構造体１（試験体１～７８）を組み立てた。
＜ろう付処理＞
　予熱室と、予熱室に連なるろう付室とを有し、炉内を窒素ガスにより置換することのできる窒素ガス炉を用いてろう付処理を行った。ろう付処理は以下の手順により行った。各試験体における筒状部材３とヘッダ部２１との被接合部２４の近傍に熱電対を取り付けた後、試験体を予熱室に配置した。予熱室内において試験体の温度を４５０℃まで昇温させた後、試験体をろう付室へ移動し、試験体の温度を６００℃まで昇温させた。試験体の温度が６００℃に到達した後、直ちに試験体を予熱室へ移動させた。そして、温度が５４０℃になるまで予熱室内において冷却した後、試験体を炉外へ取り出した。以上によりろう付処理を行い、試験体のろう付を完了させた。
　上記のろう付処理における予熱室及びろう付室内の雰囲気は、酸素濃度が１２～１７ｐｐｍである窒素雰囲気とした。また、予熱室に配置した試験体が４５０℃に到達するまでの時間を２０分程度にした。ろう付室に移動させた試験体が６００℃に到達するまでの昇温時間は、表８～表１０に示すように、１２分または３分のいずれかとした。
＜評価＞
　ろう付後の試験体を目視観察してフィレットの形成状態を評価した。本例においては、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４における外表面に形成されたフィレットＦ１（図３参照）と、ヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５における外表面に形成されたフィレットＦ２（図４参照）との２箇所を目視観察した。その結果を表８～表１０に示した。
　なお、表８～表１０における「フィレットの形成状態」欄に示した記号は、それぞれ、以下の状態に対応する記号である。記号Ａ～Ｅのうち、Ｄ及びＥの状態は、漏れ不良に繋がるおそれがあるため不合格と判定した。
　Ａ：大きなサイズのフィレットが均一に形成された
　Ｂ：Ａよりも小さなサイズのフィレットが均一に形成された
　Ｃ：Ｂよりも小さなサイズのフィレット、または、サイズが不均一なフィレットが形成されたが、フィレット切れは生じていない
　Ｄ：局所的にフィレット切れが生じ、フィレットが不連続となった
　Ｅ：Ｄよりも多くのフィレット切れが生じた、または、フィレットが形成されなかった
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　表８及び表９より知られるように、試験体１～試験体５７は、ろう付処理を行う前の中空構造体２の内部にろう材層が配置されていない。それ故、試験体１～試験体５７は、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４及びヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５のいずれにおいても、外表面に良好なフィレットＦ１、Ｆ２を形成することができた。
　また、試験体１～試験体５７は、クラッド板における心材層、ろう材層または中間材層の化学成分が上記特定の範囲内であったため、フィレットサイズを容易に大きくすると共に均一なフィレットを形成することができた。
　一方、表１０に示す試験体５８は、心材層及びろう材層のいずれにもＭｇ等の酸化皮膜を破壊する元素を有しないクラッド板を用いたため、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４及びヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５にフィレット切れが発生した。
　試験体５９、６８及び６９は、外面側にろう材を有する成形板材を筒状部材に用いたため、中空構造体２の内部にろう材が配置された状態でろう付処理が実施され、ろうが中空構造体２の内部に引き込まれた。その結果、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４にフィレット切れが発生した。
　試験体６０は、筒状部材に成形板材を用いたため、ろう付処理においてろうが中空構造体２の内部に引き込まれた。その結果、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４及びヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５にフィレット切れが発生した。また、試験体６０は、心材層に含まれるＭｇが過多であったため、ろう付処理においてエロージョンが発生した。
　試験体７０～７４及び試験体７６～７８は、内側ろう材層を有するクラッド板を用いたため、中空構造体２の内部にろう材層が配置された状態でろう付処理が実施された。それ故、ろうが中空構造体２の内部に引き込まれ、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４及びヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５にフィレット切れが発生した。
　試験体６１は、ろう付処理における昇温時間が短かったため、十分なろう付がなされず、ヘッダ部２１と筒状部材３との被接合部２４及びヘッダ部２１とタンク部２２との被接合部２５にフィレット切れが発生した。なお、同一の構成を有する中空構造体２をよりゆっくり昇温させた試験体２２（表８参照）においては、フィレット切れは発生しなかった。
　試験体６２～６７及び試験体７５は、中間材層またはろう材層に含まれるＳｉ等の元素が過多であった。そのため、クラッド板を製造する過程で割れが発生し、ヘッダ部２１等を作製することができなかった。

Claims (12)

  1. 　アルミニウム材よりなる心材層と、該心材層の片面側に配置されたＡｌ－Ｓｉ系合金よりなるろう材層とを含む２層または３層以上の複層構造を有すると共に、該複層構造における少なくとも１層に酸化皮膜を破壊する元素が含まれたクラッド板を準備し、
    　アルミニウム材からなる筒状部材を準備し、
    　外表面側が上記ろう材層よりなると共に上記筒状部材を挿入する貫通穴を有する中空構造体を上記クラッド板から作製し、
    　上記筒状部材を上記貫通穴に挿入して上記筒状部材の端部が上記中空構造体の内部に配置されたアルミニウム構造体を組み立て、
    　該アルミニウム構造体を不活性ガス雰囲気中で加熱して、上記クラッド板の上記ろう材層によって上記中空構造体と上記筒状部材とを接合するろう付処理を行うことを特徴とするアルミニウム構造体の製造方法。
  2. 　上記心材層は、Ｍｇ：０．２～１．３％（質量％、以下同じ）を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  3. 　上記クラッド板は、上記心材層と上記ろう材層との間に配置された中間材層を更に有しており、該中間材層は、Ｌｉ：０．０５％以上、Ｂｅ：０．０５％以上、Ｂａ：０．０５％以上及びＣａ：０．０５％以上からなる群より選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されてい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構造体の製造方法。
  4. 　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＳｉ：４～１３％を含有していることを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  5. 　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＺｎ：０．２～６％及びＣｕ：０．１～３％のうち少なくとも一種を含有していることを特徴とする請求項３または４に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  6. 　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＭｇ：０．２～６％を含有していることを特徴とする請求項３～５のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  7. 　上記クラッド板は、上記心材層と上記ろう材層との間に配置された中間材層を更に有しており、該中間材層は、Ｍｇ：０．２～６％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されてい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構造体の製造方法。
  8. 　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＳｉ：４～１３％を含有していることを特徴とする請求項７に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  9. 　上記中間材層を構成するアルミニウム合金は、更にＢｉ：０．０２～１．２％を含有していることを特徴とする請求項３～８のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  10. 　上記ろう材層は、Ｓｉ：６～１３％を必須に含有し、更にＭｇ：０．２～１．２％、Ｌｉ：０．００４～０．１％、Ｂｅ：０．００４～０．１％及びＣａ：０．００５～０．０３％からなる群より選ばれる１種または２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる化学成分を有するアルミニウム合金より構成されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  11. 　上記ろう材層を構成するアルミニウム合金は、更にＢｉ：０．００４～０．２％を含有していることを特徴とする請求項１０に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
  12. 　上記ろう付処理の前に上記中空構造体を酸またはアルカリによりエッチングすることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
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