WO2020054425A1 - 銅管とアルミニウム管の接合体およびその接合方法 - Google Patents

銅管とアルミニウム管の接合体およびその接合方法 Download PDF

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aluminum tube
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栄一 芝
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奥村金属株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L13/00—Non-disconnectible pipe-joints, e.g. soldered, adhesive or caulked joints
    • F16L13/007—Non-disconnectible pipe-joints, e.g. soldered, adhesive or caulked joints specially adapted for joining pipes of dissimilar materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L13/00—Non-disconnectible pipe-joints, e.g. soldered, adhesive or caulked joints
    • F16L13/02—Welded joints

Definitions

  • the present invention relates to a joined body in which a copper tube and an aluminum tube are joined and a joining method thereof.
  • Eutectic bonding is a type of diffusion bonding, but is characterized in that the bonding surface is temporarily liquefied. This is a method in which a copper tube whose tip is subjected to contraction processing is fitted into an aluminum tube, and the copper tube is heated and joined while being strongly pushed.
  • Patent Document 1 discloses in detail a eutectic joining method in which a copper tube having a tapered tip is heated and pressed into an aluminum tube at a specific speed.
  • a copper tube whose outer diameter is slightly larger than the inner diameter of an aluminum tube is used.
  • the tip of the copper tube is machined at a taper angle of 1 to 8 degrees, and this copper tube is heated using a high-frequency heating coil to a temperature higher than the eutectic point of copper-aluminum (548 ° C.) and lower than the melting point of the aluminum tube. Heat to temperature.
  • the copper tube is pressed into the aluminum tube at a speed of 10 mm / sec or more, and then cooled by flowing compressed air to join the two.
  • a deoxidized copper tube having an outer diameter of 8 mm and a thickness of 0.6 mm and an aluminum tube having an outer diameter of 8 mm and a thickness of 0.6 mm (99 .3% Al) is used.
  • the copper tube was heated for 10 seconds to bring the copper tube temperature to 750 ° C., and then the heating rate was lowered to bring the copper tube temperature to 560 ° C., and then the copper tube was pressed into the aluminum tube at 50 mm / sec and then compressed air. The two are joined by cooling.
  • 10 seconds are required for the initial heating, and this method cannot be directly applied to mass production in terms of productivity.
  • Patent Literature 2 proposes a method of rapidly heating by applying a current to a copper material and an aluminum material via electrodes, such as resistance welding, as a method usable for mass production. Further, it has been proposed to apply a secondary pressure in order to improve the quality of eutectic bonding. If a eutectic reaction occurs at the interface where the copper material and the aluminum material are pressed against each other, a liquid phase is generated at the interface, and displacement on the pressed surface is possible. This is detected and secondary pressurization is performed at that timing. Is what you do.
  • the connecting portion of the aluminum tube swells at the time of joining, and the outer diameter increases.
  • one of the important factors for obtaining high quality eutectic bonding is that the contact pressure between the copper tube and the aluminum tube is high.
  • the connection portion of the aluminum tube expands due to the insertion of the copper tube, the pressure generated at the contact surface between the copper tube and the aluminum tube is reduced, so that the quality of the bonding layer may be reduced and the bonding strength may be reduced.
  • problems such as a decrease in the strength of the joint and an abnormal appearance may occur due to an abnormal shape such as eccentricity of the pipe at the joint.
  • a seemingly swollen joint of an aluminum tube is undesirable.
  • Patent Documents 1 and 2 show detailed numerical values about the shape of the copper tube and the conditions at the time of joining.
  • a proposal is made. It does not take into account the circumstances that must be encountered in actual production, such as whether eutectic bonding is possible with the methods and conditions used.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a joined body of a copper tube and an aluminum tube, which is excellent in manufacturability and high in reliability, and a joining method thereof.
  • a first invention is a joined body composed of a copper tube and an aluminum tube, wherein an inner surface of the aluminum tube and an outer surface of the copper tube are elongated in a longitudinal sectional view of the joined body. Oblique to the direction, the outer surface of the aluminum tube is substantially parallel to the longitudinal direction, and a eutectic layer is formed on the inner surface of the aluminum tube and the outer surface of the copper tube. It is a joined body of a copper tube and an aluminum tube.
  • a tapered portion that decreases in diameter toward the tip is provided, and the inner surface of the aluminum tube is in contact with the outer surface of the tapered portion of the copper tube. It is desirable.
  • a cross-sectional area of the raw tube portion of the copper tube is smaller than a cross-sectional area of the raw tube portion of the aluminum tube.
  • a ratio of a cross-sectional area of the copper tube to a cross-sectional area of the aluminum tube is 0.53 to 0.85.
  • the contact portion between the outer surface of the copper tube and the inner surface of the aluminum tube is joined obliquely to the longitudinal direction, but since the outer surface of the aluminum tube is substantially straight, The outer diameter of the aluminum tube does not increase. For this reason, the pressure generated at the contact surface between the copper tube and the aluminum tube can be increased, and a shape abnormality such as eccentricity of the pipe at the joint portion is unlikely to occur, so that a high-quality joint portion can be obtained.
  • the copper tube can be easily inserted into the aluminum tube, and joining is easy.
  • the cross-sectional area ratio of the copper tube portion to the cross-sectional area of the aluminum tube portion is 0.53 to 0.85, bonding can be performed more reliably and with high quality.
  • the temperature of the copper tube is less likely to rise than the temperature of the aluminum tube.
  • the temperature of the aluminum tube rises too much, and there is a problem such as partial melting.
  • the temperatures of the two can be substantially equalized, and the joining can be performed with high quality.
  • a second invention is a method for joining a copper tube and an aluminum tube, wherein the copper tube has a tapered portion at one end that decreases in diameter toward a tip, and the copper tube has a tapered portion. It is inserted into the end of the aluminum tube and heated by directly energizing the copper tube and the aluminum tube to form a eutectic layer at the junction between the outer surface of the copper tube and the inner surface of the aluminum tube and join them.
  • This is a method of joining a copper tube and an aluminum tube, which is a feature.
  • a ratio of a cross-sectional area of the copper tube to a cross-sectional area of the aluminum tube is 0.53 to 0.85.
  • both can be heated and joined in a short time.
  • the copper tube and the aluminum tube can be formed with high quality. Joining can be performed.
  • the present invention it is possible to provide a joined body of a copper tube and an aluminum tube, which has excellent manufacturability and high reliability, and a joining method thereof.
  • the figure which shows the joined body 1. The enlarged view of the A section of FIG. 1A.
  • FIG. 1A is a longitudinal sectional view of the joined body 1
  • FIG. 1B is an enlarged view of a portion A of FIG. 1A.
  • the joined body 1 is a joined body of the copper tube 5 and the aluminum tube 3.
  • the copper tube 5 is a tube made of copper or a copper alloy
  • the aluminum tube 3 is a tube made of aluminum or an aluminum alloy.
  • a tapered portion 7 is provided at the end of the copper tube 5 joined to the aluminum tube 3, the diameter of which is reduced toward the tip.
  • the tapered portion 7 of the copper tube 5 is inserted into the aluminum tube 3, and the inner surface of the aluminum tube 3 contacts the outer surface of the tapered portion 7 of the copper tube 5.
  • the inner surface of the aluminum tube 3 and the outer surface of the copper tube 5 are obliquely in contact with the longitudinal direction of the joined body 1 (line B in FIG. 1A).
  • the outer surface of the aluminum tube 3 is formed substantially parallel to the longitudinal direction of the joined body 1 (line B in FIG. 1A). Note that the phrase “the outer surface of the aluminum tube 3 is substantially parallel to the longitudinal direction” means that an increase in the outer diameter of the joint portion with respect to the outer diameter of the aluminum tube 3 is 5% or less.
  • a eutectic layer 9 is formed on the inner surface of the aluminum tube 3 and the outer surface of the copper tube 5 over the entire circumference. That is, the aluminum tube 3 and the copper tube 5 are joined via the eutectic layer 9.
  • the aluminum tube 3 and the copper tube 5 are opposed to each other.
  • the aluminum tube 3 is disposed on an electrode not shown. For example, by sandwiching the aluminum tube 3 between a pair of electrodes having grooves corresponding to the outer diameter of the aluminum tube 3, the aluminum tube 3 can be restrained from the outer surface.
  • the copper tube 5 has a tapered portion 7 at one end facing the aluminum tube 3, the diameter of which is reduced toward the tip.
  • the taper angle ( ⁇ in the figure) of the tapered portion 7 is 3 to 9 degrees.
  • the tapered portion 7 of the copper tube 5 is inserted into the end of the aluminum tube 3 held by the electrodes, and the power source 11 is connected to the copper tube 5 and the aluminum tube 3 to directly connect them. Heating by energizing.
  • the power supply 11 can rapidly raise the temperature of the copper tube 5 and the aluminum tube 3 to near the eutectic point, for example, by flowing a large current of several thousand A for about one second.
  • the eutectic layer 9 can be formed and joined to the joint between the outer surface of the copper tube 5 and the inner surface of the aluminum tube 3.
  • the diameter of the aluminum tube 3 is not expanded because it is restrained from the outer surface.
  • the cross-sectional area of the raw tube portion of the copper tube 5 be smaller than the cross-sectional area of the raw tube portion of the aluminum tube 3.
  • the cross-sectional area of the tube portion is not the tapered portion, but is the cross-sectional area of the tube at a portion not affected by the change of the cross-sectional area at the time of joining. ) Is substantially the same as the cross-sectional area.
  • the reason why the cross-sectional areas of the copper tube 5 and the aluminum tube 3 are different from each other is as follows.
  • a reaction occurs when the temperature of the contact portion between the copper tube 5 and the aluminum tube 3 becomes higher than the eutectic point.
  • the inventor has noted that in the eutectic joining of the copper tube 5 and the aluminum tube 3, both material temperatures are very important, and it is more necessary to appropriately set the material temperature during eutectic joining. It has been found to be important in obtaining quality joints.
  • the temperature of the copper tube 5 and the aluminum tube 3 changes depending on the heat capacity of both. That is, if the heat capacity is large, the temperature does not easily rise, and if the heat capacity is small, the temperature tends to rise.
  • the main heat source is Joule heat generated in the pipe.
  • the magnitude of Joule heat per unit length is determined by the resistivity of the material. Further, how much the temperature changes due to this heat is determined by the specific heat of the material.
  • Such physical property values are specific to the material, but if the cross-sectional area changes, the heat capacity per unit length and the calorific value change. Therefore, the temperature difference caused by the physical property value between the two pipes by adjusting the cross-sectional area is determined. Can compensate. That is, the inventor can adjust the cross-sectional area of the copper tube 5 and the aluminum tube 3 because the cross-sectional area of the aluminum tube 3 can be adjusted. I found what I could do.
  • the cross-sectional area increases by 1%
  • the heat capacity per unit length of the tube increases by 1%
  • the resistance per unit length of the tube decreases by 1%
  • the calorific value decreases by 1%.
  • the temperature rise per unit length of the tube is reduced by about 2%.
  • the physical properties of the copper tube 5 and the aluminum tube 3 are reduced by making the cross-sectional area of the copper tube 5 smaller by a predetermined amount than the cross-sectional area of the aluminum tube 3. It has been found that temperature differences due to values can be compensated.
  • the temperature rise rate of both is almost reduced in a temperature range from zero degree to over the eutectic point (about 550 ° C.) to about 600 ° C. Since they can be made the same, when the copper tube 5 and the aluminum tube 3 are simultaneously heated from the same temperature, both temperatures reach the same temperature at the same time. As described above, when the copper tube 5 and the aluminum tube 3 are joined, by appropriately setting the cross-sectional area ratio of the two, the temperatures of the two can be simultaneously heated to the eutectic point. The joining quality can be improved.
  • the inventor further examined an appropriate cross-sectional area ratio, and it is particularly preferable that the cross-section of the copper pipe 5 relative to the cross-sectional area of the aluminum pipe 3 be cut off in a cross section perpendicular to the longitudinal direction. It was found that the area ratio was 0.53 to 0.85.
  • the outer diameter and the wall thickness of the raw pipe portion which is not subjected to the terminal processing and is not affected by the terminal processing are measured in two directions perpendicular to the longitudinal direction, and the diameter is measured.
  • the cross-sectional area is calculated from the average value of the measured values of the thickness and the wall thickness.
  • the cross-sectional area of each pipe body may have changed before joining due to heating or the like at the time of joining. If so, there is almost no change in the cross-sectional area before and after joining. Therefore, as shown in FIG. 2A, when the length of the tapered portion 7 is L, the copper tube 5 at a position 3L from the end of the copper tube 5 is defined as the cross-sectional area of the raw tube portion of the copper tube 5. The cross-sectional area of Similarly, the cross-sectional area of the raw tube portion of the aluminum tube 3 is the cross-sectional area of the aluminum tube 3 at a position 3L from the end of the aluminum tube 3.
  • the cross-sectional area of the copper tube 5 is the cross-sectional area of the tapered portion 7.
  • the cross-sectional area differs depending on the portion, accurate calculation of the cross-sectional area of the copper tube 5 is complicated.
  • the taper angle is about 3 to 9 degrees, there is no significant difference even if the cross-sectional area measured at the base tube is used. For this reason, in the present embodiment, for the sake of simplicity, it is assumed that a desirable range of the cross-sectional area ratio is specified by the cross-sectional area measured in the raw tube portion.
  • a high-quality eutectic layer 9 can be formed over the entire circumference of the inner surface of the aluminum tube 3 and the outer surface of the copper tube 5 more reliably.
  • the eutectic layer 9 may not be formed completely annularly in one section perpendicular to the axial direction of the joined body 1.
  • the eutectic layer 9 may be formed while bending in the tube axis direction. That is, the eutectic layer 9 may be a three-dimensional closed curve undulating in the circumferential direction and the axial direction on the tapered surface.
  • the pressure applied to the inside of the pipe during the operation of the air conditioner is usually about 4.2 MPa at maximum. If the eutectic layer 9 is effectively present at the joint, the pressure resistance against such a pressure can be sufficiently ensured. On the other hand, if there is a defective portion in the joint such as the eutectic layer 9 not being formed sufficiently, the above-mentioned pressure resistance cannot be obtained.
  • the presence of the eutectic layer 9 at the leak location can also be examined by performing image analysis using a SEM or the like, or performing line analysis of the composition change in the joining surface thickness direction.
  • the copper content is in the range of 30% to 60% (the copper concentration on the copper side is high, and the copper concentration tends to gradually increase from the copper side to the aluminum side). Decreases).
  • the concentration of copper or the concentration of aluminum changes rapidly, so that the presence or absence of the eutectic layer 9 can be determined.
  • both can be efficiently heated and eutectic bonding can be performed.
  • No. 1 to No. 5 are the cases where the thickness of the aluminum tube was 1 mm and the thickness of the copper tube was changed from 0.4 mm to 1 mm.
  • No. 5 and No. 6 are cases where the thickness of the copper tube was 1 mm and the thickness of the aluminum tube was changed to 1.0 mm and 1.2 mm.
  • Table 2 shows the results of eutectic bonding performed on the combinations shown in Table 1.
  • the eutectic bonding quality was evaluated by a water pressure airtight test, a peel test, and appearance.
  • the water pressure tightness test was conducted in consideration of the pressure resistance performance of the air conditioner piping described above.
  • the joined body 1 is vertically fixed to a fixing jig 13.
  • one end of the joined body 1 is sealed with the sealing portion 15, a pump 17 is connected to the other end, and a water pressure of 4.2 MPa is applied to the joined body 1 from the water tank 19 by the pump 17.
  • the applied voltage was checked for leakage. If there was no leakage, the joined body 1 was returned to the fixing jig 13, the bending angle was set to 10 degrees, and a bending load of three reciprocations was applied.
  • Table 2 the case where no leakage was observed was designated as "good", and the case where leakage was observed was designated "bad".
  • the peel test was performed by peeling the aluminum pipe of the joined body from the copper pipe using a tool and measuring the axial length of the peel mark of the aluminum pipe remaining on the copper pipe joint surface.
  • the aluminum tube was peeled off at once from the interface with the copper tube, and no aluminum residue was observed.
  • the bonding is strong, the aluminum tube cannot be peeled off from the copper tube. If the aluminum tube is forcibly peeled off, the aluminum tube is cut and remains. In such a case, the length of the remaining aluminum tube was included in the length of the peeling mark.
  • the peel strength of the aluminum tube was measured for the copper tube in the peel test to evaluate the bonding strength.
  • the length of the peeling trace slightly varies in the circumferential direction of the copper tube, the length of the shortest peeling trace over the entire circumference was defined as the joint length of the joined body.
  • a test of n 3 was performed under the same conditions, and each condition was evaluated based on the average of the lengths of the peeling marks. When the average value of the bonding length was 0, it was regarded as “bad”, and when a peeling mark was observed, the average of the bonding length was less than 5 mm was “average”, and the average of the bonding length was 5 mm or more was “good”. And

Abstract

接合体１は、銅管５とアルミニウム管３との接合体である。アルミニウム管３と接合される銅管５の端部には、先端に行くにつれて縮径するテーパー部７が設けられる。銅管５のテーパー部７は、アルミニウム管３に挿入され、アルミニウム管３の内面と銅管５のテーパー部７の外面とが接触する。接合体１の長手方向の断面視において、アルミニウム管３の内面と銅管５の外面は、接合体１の長手方向に対して斜めに接する。また、アルミニウム管３の外面は、接合体１の長手方向に対して略平行に形成される。また、アルミニウム管３の内面と銅管５の外面には全周に亘り共晶層９が形成されている。すなわち、アルミニウム管３と銅管５とは、共晶層９を介して接合されている。

Description

銅管とアルミニウム管の接合体およびその接合方法
　本発明は、銅管とアルミニウム管とを接合した接合体およびその接合方法に関するものである。
　従来、空調機器の配管材料として銅管が使用されてきたが、近年、材料コストの低減、或いは軽量化の観点から、銅管の代わりにアルミニウム管の使用が増えてきた。特に熱交換器のアルミニウム化は広く行われている。このように、銅管とアルミニウム管とが混在する状況では、銅管とアルミニウム管とを接続する必要がある。
　銅管とアルミニウム管の接続方法には幾つかの方法があるが、現在量産で広く使われている方法の一つとして共晶接合がある（例えば、非特許文献１）。共晶接合は拡散接合の一種であるが、一時的に接合面が液化する点に特徴がある。アルミニウム管の中に先端を縮管加工した銅管を嵌め込み、銅管を強く押し込みながら加熱して接合する方法である。
　銅とアルミニウムの二元状態図では共晶点（５４８℃）が存在するので、銅管とアルミニウム管を接触させて加熱すると、拡散により接触面において相互の原子の混合が生じ、温度が共晶点に達すると接触面付近が溶融する。共晶接合はこれを利用して銅管とアルミニウム管を短時間で接合する方法である（非特許文献２）。
浅野　祐一郎　「異種金属管の接合」軽金属溶接　Ｖｏｌ.４２（２００４）,Ｎｏ.９,ｐｐ４２９-４３４ 里　達雄、北岡　山治、神尾　彰彦「Ａｌ－Ｃｕ系合金」軽金属　Ｖｏｌ.３８（１９８８）,Ｎｏ.９,ｐｐ５５８-５７８
特開平１１－３３７４７号公報 特開２０１１－１４００４９号公報
　しかし、従来の共晶接合技術としては、主に、銅管の先端のテーパー形状やアルミニウム合金管への銅管の挿入条件、加熱条件などを最適化することで、より高い接合品質を得ることが検討されてきた。
　例えば、特許文献１には、先端をテーパー状に加工した銅管を加熱してアルミニウム管に特定のスピードで圧入する共晶接合方法について詳しく開示されている。特許文献１では、アルミニウム管の内径よりも、外径が僅かに大きな銅管が用いられる。銅管の先端はテーパー角度１度～８度で加工され、この銅管を、高周波加熱コイルを用いて、銅－アルミニウムの共晶点（５４８℃）以上であって、アルミニウム管の融点以下の温度に加熱する。この状態で、１０ｍｍ／秒以上の速度で銅管をアルミニウム管に圧入し、その後に圧縮空気を流して冷却することで、両者が接合される。
　例えば、特許文献１の実施例では、実際の具体的な接合例として、外径８φ、肉厚０．６ｍｍの脱酸銅管と、同じく外径８φ、肉厚０．６ｍｍのアルミニウム管（９９．３%Ａｌ）が用いられる。銅管を１０秒間加熱して銅管温度を７５０℃とし、その後加熱速度を下げて銅管温度を５６０℃にしてから、銅管をアルミニウム管に５０ｍｍ／秒で圧入し、その後に圧縮空気で冷却することで、両者が接合される。しかし、このような方法では、初期加熱だけで１０秒を要し、生産性の点でこの方法をそのまま量産に適用することはできない。
　これに対し、特許文献２では、量産に使える方法として、抵抗溶接の様に電極を経由して銅素材とアルミニウム素材に電流を流すことで急速に加熱を行う方法が提案されている。又、共晶接合の品質を上げるために、２次加圧を印加することが提案されている。銅素材とアルミニウム素材が押し付け合っている界面で共晶反応が生じると、界面に液相が生ずる結果、押し付け面での変位が可能となるので、これを検出してそのタイミングで２次加圧を行うものである。
　しかし、特許文献１、２の方法は、いずれも、接合時にアルミニウム管の接続部が膨らみ、外径が大きくなる。ここで、高品質の共晶接合を得る為に重要な因子の一つは、銅管とアルミニウム管の接触圧力が高い事である。銅管の挿入によりアルミニウム管の接続部が膨らむと、銅管とアルミニウム管の接触面に生ずる圧力が低下するので、接合層の品質が低下し接合強度の低下等が生ずる恐れがある。また、アルミニウム管が膨らむ場合には、接合部に於けるパイプの偏芯等の形状異常により、接合部の強度の低下や外観異常等の問題が生ずる恐れがある。よってアルミニウム管が一見して膨らんでいる接合部は望ましくない。
　また、特許文献１、２はいずれも、銅管形状や接合時の条件についての細かな数値は示されているが、例えば設計変更や材料寸法変動等でパイプ肉厚が変わった場合に、提案された方法および条件で共晶接合が可能かどうかという様な、実際の生産を行う時には必ず直面する状況に関する内容は考慮されていない。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、製造性が優れ、信頼性の高い、銅管とアルミニウム管の接合体およびその接合方法を提供することを目的とする。
　前述した目的を達するために第１の発明は、銅管とアルミニウム管からなる接合体であって、接合体の長手方向の断面視において、前記アルミニウム管の内面と前記銅管の外面は、長手方向に対して斜めに接し、前記アルミニウム管の外面は、長手方向に対して略平行であり、前記アルミニウム管の内面と前記銅管の外面には共晶層が形成されていることを特徴とする銅管とアルミニウム管の接合体である。
　前記アルミニウム管と接合される前記銅管の端部には、先端に行くにつれて縮径するテーパー部が設けられ、前記アルミニウム管の内面と前記銅管の前記テーパー部の外面とが接触していることが望ましい。
　接合体の長手方向に垂直な断面において、前記銅管の素管部分の断面積が、前記アルミニウム管の素管部分の断面積よりも小さいことが望ましい。
　接合体の長手方向に垂直な断面において、前記アルミニウム管の素管部分の断面積に対する前記銅管の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であることが望ましい。
　第１の発明によれば、銅管の外面とアルミニウム管の内面との接触部が、長手方向に対して斜めに接合されるが、アルミニウム管の外面が略直線状となるため、銅管とアルミニウム管の外径が大きくならない。このため、銅管とアルミニウム管の接触面に生ずる圧力を高くすることが出来、また接合部のパイプの偏芯等の形状異常が生じにくいので、高品質の接合部を得ることができる。
　また、アルミニウム管と接合される銅管の端部に、先端に行くにつれて縮径するテーパー部を設けることで、容易にアルミニウム管に挿入することができ、接合が容易である。
　また、接合体の長手方向に垂直な断面において、銅管の素管部分の断面積をアルミニウム管の素管部分の断面積よりも小さくすることで、同じ条件で同時に加熱を行った際に、接合部における銅管とアルミニウム管の温度差を小さくして、より高い品質で接合を行うことができる。
　特に、アルミニウム管の素管部分の断面積に対する銅管の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であれば、より確実に、高い品質で接合を行うことができる。例えば、断面積を考慮せずに加熱を行うと、銅管の温度がアルミニウム管の温度よりも上がりにくいため、十分に共晶温度まで加熱されずに接合不良となるおそれがある。また、銅管を十分に加熱すると、アルミニウム管の温度が上がり過ぎて、部分溶融等の問題がある。これに対し、断面積を適切に設定することで、両者の温度を略同等にすることができ、高い品質で接合を行うことができる。
　第２の発明は、銅管とアルミニウム管の接合方法であって、前記銅管は、一方の端部に、先端に行くにつれて縮径するテーパー部を有し、前記銅管のテーパー部を前記アルミニウム管の端部に挿入して前記銅管と前記アルミニウム管に直接通電して加熱し、前記銅管の外面と前記アルミニウム管の内面の接合部に共晶層を形成して接合することを特徴とする銅管とアルミニウム管の接合方法である。
　長手方向に垂直な断面において、前記アルミニウム管の素管部分の断面積に対する前記銅管の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であることが望ましい。
　第２の発明によれば、銅管とアルミニウム管に直接通電することで、短時間に両者を加熱して接合することができる。
　この際、アルミニウム管の素管部分の断面積に対する銅管の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であれば、前述したように、高い品質で銅管とアルミニウム管との接合を行うことができる。
　本発明によれば、製造性が優れ、信頼性の高い、銅管とアルミニウム管の接合体およびその接合方法を提供することができる。
接合体１を示す図。 図１ＡのＡ部拡大図。 接合体１の製造工程を示す図。 接合体１の製造工程を示す図。 接合体１の曲げ試験方法を示す図。 接合体１の曲げ試験方法を示す図。 接合体１の水圧気密試験方法を示す図。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１Ａは、接合体１の長手方向の断面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ部拡大図である。接合体１は、銅管５とアルミニウム管３との接合体である。なお、銅管５は、銅製または銅合金製の管体であり、アルミニウム管３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製の管体である。
　アルミニウム管３と接合される銅管５の端部には、先端に行くにつれて縮径するテーパー部７が設けられる。銅管５のテーパー部７は、アルミニウム管３に挿入され、アルミニウム管３の内面と銅管５のテーパー部７の外面とが接触する。
　接合体１の長手方向の断面視において、アルミニウム管３の内面と銅管５の外面は、接合体１の長手方向（図１Ａの線Ｂ）に対して斜めに接する。また、アルミニウム管３の外面は、接合体１の長手方向（図１Ａの線Ｂ）に対して略平行に形成される。なお、アルミニウム管３の外面が長手方向に対して略平行とは、アルミニウム管３の外径に対して接合部の外径増が５％以下とする。
　また、図１Ｂに示すように、アルミニウム管３の内面と銅管５の外面には全周に亘り共晶層９が形成されている。すなわち、アルミニウム管３と銅管５とは、共晶層９を介して接合されている。
　次に、銅管５とアルミニウム管３の接合方法について説明する。まず、図２Ａに示すように、アルミニウム管３と銅管５とを対向させる。なお、アルミニウム管３は、図示を省略した電極上に配置される。例えば、アルミニウム管３の外径に対応した溝を有する一対の電極でアルミニウム管３を挟み込むことで、アルミニウム管３を外面から拘束することができる。
　なお、前述したように、銅管５は、アルミニウム管３と対向する一方の端部に、先端に行くにつれて縮径するテーパー部７を有する。ここで、テーパー部７のテーパー角度（図中θ）は、３度～９度であることが望ましい。
　次に、図２Ｂに示すように、銅管５のテーパー部７を、電極で保持されたアルミニウム管３の端部に挿入して、銅管５とアルミニウム管３に電源１１を接続して直接通電することで加熱する。電源１１は、例えば、数千Ａの大電流を約１秒程度流す事で、銅管５とアルミニウム管３の温度を共晶点付近まで急激に上げることができる。この結果、銅管５の外面とアルミニウム管３の内面の接合部に共晶層９を形成して接合することができる。この際、アルミニウム管３は、外面から拘束されているため、拡径されない。
　ここで、本実施形態では、接合体１の長手方向に垂直な断面において、銅管５の素管部分の断面積が、アルミニウム管３の素管部分の断面積よりも小さいことが望ましい。ここで、素管部分の断面積とは、テーパー部ではなく、かつ接合時の断面積の変化の影響を受けていない部位の管体の断面積であり、接合前の各管体（素管）の断面積と略同一である。
　このように、銅管５とアルミニウム管３の断面積を異なるようにするのは、以下の理由による。共晶接合では、銅管５とアルミニウム管３の接触部の温度が共晶点以上になって反応を起こす。発明者は、銅管５とアルミニウム管３の共晶接合においては、双方の材料温度は非常に重要であることに注目し、共晶接合時の材料温度を適切に設定することが、より高い品質の接合部を得る上で重要であることを見出した。
　ここで、銅管５とアルミニウム管３を同時に同じ条件で加熱すると、銅管５とアルミニウム管３の温度は、両者の熱容量により変わってくる。すなわち、熱容量が大きければ温度は上がり難いし、熱容量が小さければ温度は上がり易い。
　また、銅管５とアルミニウム管３の先端を接触させて直列回路とし、電流を流した際において、主な発熱源はパイプに生ずるジュール熱である。単位長当たりのジュール熱の大きさは、材料の抵抗率により決まる。また、この熱によりどの程度温度が変化するかは材料の比熱により決まる。この様な物性値は材料に固有なものであるが、断面積が変わると単位長当たりの熱容量や発熱量は変わるので、２つのパイプの間で断面積の調整により物性値により生じる温度差を補償することができる。すなわち、発明者は、銅管５とアルミニウム管３の断面積は調節可能であるため、銅管５とアルミニウム管３の断面積を適切に設定することで、両者を適切な温度とすることができることを見出した。
　例えば、断面積が１％増加すると、管体の単位長当たりの熱容量は１％増加するが、管体の単位長当たりの抵抗値が１％減少する結果、発熱量が１％減少するので、管体の単位長当たりの温度上昇は約２％減少する。このようにして熱的なモデルを仮定して温度を計算した結果、銅管５の断面積を、アルミニウム管３の断面積よりも所定量小さくすることで、銅管５とアルミニウム管３の物性値による温度差を補償することができることが知見された。
　すなわち、銅管５とアルミニウム管３の断面積比を適切に設定することで、零度～共晶点（約５５０℃）を超えて約６００℃までの温度範囲で、両者の温度上昇率をほぼ同じにできるので、銅管５とアルミニウム管３を同じ温度から同時に加熱した際に、両者の温度は同じ時刻に同じ温度に到達する。このように、銅管５とアルミニウム管３の接合を行う際には、両者の断面積比を適切に設定することで両者の温度を同時に共晶点まで加熱する事ができ、これにより共晶接合品質を改善することができる。
　発明者は、さらに適切な断面積比について検証を行ったところ、特に望ましいのは、長手方向に垂直な断面において、アルミニウム管３の素管部分の断面積に対する銅管５の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であることを見出した。
　なお、断面積の測定方法としては、端末加工されておらず端末加工の影響を受けていない素管部分の外径と肉厚を、長手方向に対して直交する２方向で測定して、直径と肉厚の測定値の平均値から断面積を計算する。
　接合体１の接合部近傍においては、接合時の加熱等によって、各管体の断面積は接合前から変化している可能性があるが、接合体１の接合部から十分に離れた位置であれば、接合前後での断面積の変化はほとんどない。このため、銅管５の素管部分の断面積とは、図２Ａに示すように、テーパー部７の長さをＬとした際に、銅管５の端部から３Ｌの位置における銅管５の断面積とする。同様に、アルミニウム管３の素管部分の断面積とは、アルミニウム管３の端部から３Ｌの位置におけるアルミニウム管３の断面積とする。
　なお、実際には、共晶接合において考慮されるべき各管体の断面積は、両者の接合部であるため、銅管５の断面積は、テーパー部７の断面積となる。テーパー部７においては、断面積が部位により異なるため、銅管５の断面積の正確な計算は複雑である。しかし、テーパー角度が３度～９度程度であれば、素管部で測定した断面積を用いても、大きな差は出ない。このため、本実施形態では、簡単のため、素管部において測定された断面積によって、望ましい断面積比の範囲を特定することとする。
　このようにすることで、より確実に、アルミニウム管３の内面と銅管５の外面の全周に亘って品質の良い共晶層９を形成することができる。ここで、接合体１の軸方向に垂直な一断面で完全に環状に共晶層９が形成されていなくてもよい。例えば、共晶層９は、管軸方向に曲がりながら形成されてもよい。すなわち、共晶層９は、テーパー面上の周方向と軸方向にうねる３次元的な閉曲線となってもよい。
　なお、接合体１が例えばエアコンの配管として使用される場合には、エアコンの運転時に配管内部に加わる圧力は通常は最大４．２ＭＰａ程度である。接合部に共晶層９が有効に存在すれば、このような圧力に対する耐圧性能は十分に確保することができる。一方、共晶層９が十分に形成されていないなど、接合部に不良部が存在すると、上記の耐圧性能を得ることができない。
　また、ＳＥＭ等を用いて画像の分析や、接合面厚さ方向の組成変化の線分析等を行う事で、漏れ箇所での共晶層９の存在を調べることもできる。なお、経験では、共晶層９の領域内において、成分分析の結果、銅が３０％～６０％の範囲（銅側の銅濃度が高く、傾向として銅側からアルミ側に銅濃度が徐々に減少する）となる。共晶層９の領域を外れると、銅濃度またはアルミニウム濃度が急激に変化するため、共晶層９の有無を判定することもできる。
　以上のように、本実施形態では、銅管５とアルミニウム管３の断面積比を適切に設定することで、両者を効率よく加熱し、共晶接合を行うことができる。
　また、銅管５とアルミニウム管３の一方が過熱されることを抑制することができるため、接合時における銅管５の変形やアルミニウム管３の溶断などを抑制することができ、高い接合強度を得ることができる。
　空調配管として一般的な外径９．５２φの銅管とアルミニウム管を用いて共晶接合を行い、断面積比の違いに対する接合品質の違いを評価した。銅管の肉厚は０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍとし、アルミニウム管の肉厚は１．０ｍｍ、１．２ｍｍとした。銅管とアルミニウム管の組合せを表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、Ｎｏ.１～Ｎｏ.５はアルミニウム管の肉厚を同じ１ｍｍとして、銅管の肉厚を０．４ｍｍ～１ｍｍまで変化させた場合である。Ｎｏ.５、Ｎｏ.６は銅管の肉厚を１ｍｍとしてアルミニウム管の肉厚を１．０ｍｍ、１．２ｍｍと変化させた場合である。表１の組み合わせに対して共晶接合を行った結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　共晶接合品質は、水圧気密試験、剥離試験、および外観で評価した。水圧気密試験は、前述したエアコンの配管の耐圧性能を考慮して実施したものである。まず、図３Ａに示すように、接合体１を固定治具１３に鉛直に固定する。次に、図３Ｂに示すように、鉛直方向から左右にθ１＝５度ずつ曲げて鉛直に戻して１往復とし、これを３往復反復した。
　その後、図４に示すように、接合体１の一端を封止部１５で封止し、他端にポンプ１７を接続して、ポンプ１７によって水槽１９から４．２ＭＰａの水圧を接合体１に印加して、漏れを調査した。漏れが無ければ接合体１を固定治具１３に戻して、曲げ角度を１０度にして、同じく３往復の曲げ負荷を加えた後に、同様の水圧での気密試験を行った。表２においては、漏れが見られなかったものを「ｇｏｏｄ」として、漏れが見られたものを「ｂａｄ」とした。
　剥離試験は接合体のアルミニウム管を、工具を用いて銅管より剥離して銅管接合面に残留したアルミニウム管の剥離痕の軸方向長さを測定して評価した。接合が弱い場合には、アルミニウム管が銅管との界面から全体として一度に剥がれてしまい、アルミニウムの残留が見られなかった。一方、接合が強固な場合は、アルミニウム管が銅管から剥がす事ができず、無理に剥がそうとすると、アルミニウム管が切れて残留する。このような場合は残留したアルミニウム管の長さを剥離痕の長さに含めた。以上の様にして剥離試験で銅管に対してアルミニウム管の剥離痕の長さを測定して、接合強度を評価した。
　なお、剥離痕の長さは銅管周方向で多少変動するので、全周を見て最も短い剥離痕の長さをその接合体の接合長と定義した。同じ条件でｎ＝３の試験を行い、剥離痕の長さの平均により各条件の評価を行った。接合長の平均値が０のものを「ｂａｄ」とし、剥離痕が見られたが接合長の平均が５ｍｍ未満のものを「ａｖｅｒａｇｅ」とし、接合長の平均が５ｍｍ以上のものを「ｇｏｏｄ」とした。
　また、外観は、共晶接合直後に接合部付近について、アルミニウム管の溶融や傷、穴、破断、銅管の膨張、変形等を目視で調査した。表２においては、特に異常のみられなかったものを「ｇｏｏｄ」とし、接合強度や気密試験に影響を与えるような異常が見られたものを「ｂａｄ」とし、多少の変形等が見られるが、品質に大きな影響がないと判断したものを「ａｖｅｒａｇｅ」とした。
　また、表２において、総合の評価として、全ての項目で「ｇｏｏｄ」の評価のものを「ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ」とし、一部に「ａｖｅｒａｇｅ」の評価があるものを「ｇｏｏｄ」とし、一つでも「ｂａｄ」評価があるものを「ｂａｄ」とした。
　結果より、断面積比が０．５３～０．８５（Ｎｏ．２～Ｎｏ．４、Ｎｏ．５）は、どの場合も気密試験が「ｇｏｏｄ」評価であり、接合強度も、「ａｖｅｒａｇｅ」～「ｇｏｏｄ」評価となった。断面積比が０．５３、０．６３、０．８２（Ｎｏ．２～Ｎｏ．４）と増加するに伴い接合長は増加したが、断面積比０．８５（Ｎｏ．６）では断面積比０．８２（Ｎｏ．４）よりも接合長は少し減少した。
　一方、断面積比が０．４３（Ｎｏ．１）の場合は、気密試験が「ｂａｄ」評価となり、共晶接合部を調べると共晶層が形成されていなかった。また、断面積比が０．４３（Ｎｏ．１）の場合は、銅管の断面積が小さすぎるため、銅管の過熱と剛性不足により、銅管の変形が見られ、外観が「ｂａｄ」評価であった。
　また、断面積比が１．０（Ｎｏ．５）の場合は、断面積比が０．８２（Ｎｏ．４）に比べて接合長が減少した。また、断面積比が０．８２（Ｎｏ．４）、或いは断面積比０．８５（Ｎｏ．６）に比べて、温度が低下した時の接合長の減少が大きく、安定性が求められる量産には向いていない傾向であった。
　また、断面積比が１．０（Ｎｏ．５）の場合は、一部にアルミニウムの溶融が見られた。Ｎｏ．６の銅管の肉厚は、Ｎｏ．５と同じ１．０ｍｍであるが、アルミニウム管の肉厚を１．２ｍｍと厚くしたことで断面積比が減少しており、銅管の肉厚が同じＮｏ．５よりも接合長が向上して、Ｎｏ．４に近づいた。またアルミニウム管の溶融は見られなかった。
　以上から、断面積比が０．４３～１．０の銅管とアルミニウム管の組み合わせについて共晶接合を行った結果、断面積比が０．５３～０．８５の範囲において、特に高い品質の共晶接合を行うことができた。
　以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１………接合体
３………アルミニウム管
５………銅管
７………テーパー部
９………共晶層
１１………電源
１３………固定治具
１５………封止部
１７………ポンプ
１９………水槽

Claims (6)

  1. 　銅管とアルミニウム管からなる接合体であって、
    　接合体の長手方向の断面視において、前記アルミニウム管の内面と前記銅管の外面は、長手方向に対して斜めに接し、前記アルミニウム管の外面は、長手方向に対して略平行であり、
    　前記アルミニウム管の内面と前記銅管の外面には共晶層が形成されていることを特徴とする銅管とアルミニウム管の接合体。
  2. 　前記アルミニウム管と接合される前記銅管の端部には、先端に行くにつれて縮径するテーパー部が設けられ、
    　前記アルミニウム管の内面と前記銅管の前記テーパー部の外面とが接触していることを特徴とする請求項１記載の銅管とアルミニウム管の接合体。
  3. 　接合体の長手方向に垂直な断面において、前記銅管の素管部分の断面積が、前記アルミニウム管の素管部分の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅管とアルミニウム管の接合体。
  4. 　接合体の長手方向に垂直な断面において、前記アルミニウム管の素管部分の断面積に対する前記銅管の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であることを特徴とする請求項３記載の銅管とアルミニウム管の接合体。
  5. 　銅管とアルミニウム管の接合方法であって、
    　前記銅管は、一方の端部に、先端に行くにつれて縮径するテーパー部を有し、
    　前記銅管のテーパー部を前記アルミニウム管の端部に挿入して前記銅管と前記アルミニウム管に直接通電して加熱し、
    　前記銅管の外面と前記アルミニウム管の内面の接合部に共晶層を形成して接合することを特徴とする銅管とアルミニウム管の接合方法。
  6. 　長手方向に垂直な断面において、前記アルミニウム管の素管部分の断面積に対する前記銅管の素管部分の断面積比が０．５３～０．８５であることを特徴とする請求項５記載の銅管とアルミニウム管の接合方法。
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