JP2005118826A - ろう付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属母材の表面の酸化膜を確実に除去して、良好なろう材の廻り込み（流れ性）が得られるろう付け方法を提供する。
【解決手段】 銅あるいは銅合金から成る第１部材１１２および第２部材１１４の一方１１４に、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐから成るペースト状のろう材１０を予め塗布して、両部材１１２、１１４を所定の位置関係に配置して、還元性雰囲気炉内で６００〜８００℃に加熱して、ろう材１０によって両部材１１２、１１４同士をろう付けするろう付け方法であって、ろう材１０を塗布する際に、ろう付けされる両部材１１２、１１４の当接部においては、その母材が露出するようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、銅製または銅合金製の熱交換器に適用して好適なろう付け方法に関するものである。

従来の銅および銅合金のろう付けに用いられるろう材として、例えば、特許文献１に示されるように、Ｐ（燐）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｎ（錫）およびＣｕ（銅）から成る合金粉末に高分子重合体および有機溶剤が混合されたペーストろう材が知られている。

このペーストろう材を用いた具体的なろう付け方法としては、接合させるべき金属母材（銅合金板）の全面に上記ペーストろう材を予め塗布し、真空あるいは還元性雰囲気炉を用いて７００℃以下の温度で５〜１０分の加熱を行っている。

これにより、フラックスを不用とし、安価で低融点のろう材を提供できるようにしている。
特開２０００−１９７９９０号公報

しかしながら、上記特許文献１中においては、ろう付け性の確認にあたって、単純な平板のテストピース材を用いたものに留まっており、例えば熱交換器等の実機に適用した場合に、部材同士が複雑な形状を伴って当接する部位では、ろう材中のＰ（燐）や還元ガスでは金属母材の表面の酸化膜が充分に除去できずに、良好なろう材の廻り込み（流れ性）が得られないと言う問題があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、金属母材の表面の酸化膜を確実に除去して、良好なろう材の廻り込み（流れ性）が得られるろう付け方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、銅あるいは銅合金から成る第１部材（１１２）および第２部材（１１４）の少なくともどちらか一方（１１４）に、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐから成るペースト状のろう材（１０）を予め塗布して、両部材（１１２、１１４）を所定の位置関係に配置して、還元性雰囲気炉内で６００〜８００℃に加熱して、ろう材（１０）によって両部材（１１２、１１４）同士をろう付けするろう付け方法であって、ろう材（１０）を塗布する際に、ろう付けされる両部材（１１２、１１４）の当接部においては、その母材が露出するようにしたことを特徴としている。

これにより、当接部の母材が露出される部位は、ろう材（１０）中のＰ（燐）や還元性雰囲気によって確実に酸化皮膜が除去されることになる。そして、当接部の廻りから溶融したろう材（１０）が当接部に毛管現象により流れ込み、良好なろう付け状態を得ることができる。

また、従来はろう材（１０）を部材（１１４）の全面に塗布していたものに対して、母材が露出される部位を形成することで部分的な塗布となるので、ろう材（１０）の使用量を低減することができる。

尚、母材が露出する領域は、請求項２に記載の発明のように、当接部のすべての領域としたり、請求項３に記載の発明のように、当接部の一部の領域とするのが良い。

請求項４に記載の発明では、両部材（１１２、１１４）は、内部流体が流通する熱交換器（１００）用の部材であることを特徴としている。

これにより、ろう付けによる内部流体の気密性を要する熱交換器（１００）においては、有用なろう付け方法となる。

請求項５に記載の発明では、ろう付け構造物において、銅あるいは銅合金から成る第１部材（１１２）と、銅あるいは銅合金から成る第２部材（１１４）とが、両部材（１１２、１１４）の当接部において母材が露出するように、第１部材（１１２）および第２部材（１１４）の少なくともどちらか一方（１１４）に塗布されたＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐから成るペースト状のろう材（１０）によってろう付けされたことを特徴としている。

このように、当接部において母材が露出するように配されたろう材（１０）によって両部材（１１２、１１４）はろう付けされるので、還元性雰囲気下においてろう付けされることによってろう材（１０）中のＰ（燐）や還元性雰囲気によって確実に酸化皮膜が除去されることになる。そして、当接部の廻りから溶融したろう材（１０）が当接部に毛管現象により流れ込んでろう付けされるので、良好なろう付け状態を有するろう付け構造物とすることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明における第１実施形態を図１〜図５に示す。第１実施形態は、本発明のろう付け方法を建設機械用のエンジン（図示せず）を冷却するラジエータ（熱交換器）１００のコア部１１０に適用したものとしている。

ラジエータ１００は、図１に示すように、複数のラジエータユニット１０１、トップタンク１０２、ボトムタンク１０３から成り、入口パイプ１０２ａおよび出口パイプ１０３ａがそれぞれ図示しないゴム製のホースによってエンジンと接続されている。尚、このラジエータ１００を構成する各部材（以下で詳細説明）のうち、フィン１１１は銅材より成り、その他の部材は黄銅材より成り、銅系ろう材（詳細後述）を用いるろう付け、あるいは溶接により互いに接合されるものとしている。

ラジエータユニット１０１は、ラジエータ１００における基本パーツを成すものであり、コア部１１０、アッパタンク１２０、ロウアタンク１３０から成る。ここではこのラジエータユニット１０１の数を変えることによって、種々のエンジンバリエーションに対応できるようにしている。

コア部１１０は、エンジンから流出する冷却水（本発明の内部流体に対応）を冷却する熱交換部であり、フィン１１１、チューブ１１２、サイドプレート１１３およびコアプレート１１４から成る。

フィン１１１は、冷却水の熱を効率的に冷却空気側に放熱する放熱部材であり、薄肉の帯板材からチューブ１１２の長手方向（図１の上下方向）に波状に成形されている。

チューブ１１２は、内部を冷却水が流通する部材であり、薄肉の帯板材から断面が扁平な長円に成るように折り曲げられ、端部同士が溶接されて形成されている。フィン１１１およびチューブ１１２は交互に積層され（図１中では左右方向に並べられて）、積層されたフィン１１１のうち、積層方向の最外方に位置するフィン１１１の更に外方には、補強部材としてのサイドプレート１１３が配設されている。尚、チューブ１１２は、ここでは図１中の冷却空気流れ方向にも複数配列されるものとしている。

また、コアプレート１１４は、後述するアッパタンク１２０、ロウアタンク１３０の開口側が嵌合する縁立て部を有する浅い箱状部材としており、平板材の絞り加工あるいは折り曲げ加工によって形成されている。コアプレート１１４のチューブ１１２の長手方向端部（以下、チューブ端部１１２ａと呼ぶ）に対応する位置には、タンク内部側に張出すようにチューブ孔１１４ａ（図３、図４）が複数設けられており、チューブ端部１１２ａが嵌入、口拡され、上記したフィン１１１、チューブ１１２、サイドプレート１１３、コアプレート１１４は互いに当接する部位でろう付けされている。

また、アッパタンク１２０およびロウアタンク１３０は、コアプレート１１４側が開口する箱状の容器であり、この開口側がコアプレート１１４に嵌合されて溶接によって接合されている。尚、両タンク１２０、１３０の反チューブ側の面（タンク天井面）にはそれぞれこの両タンク１２０、１３０内部と連通する流入パイプ１２１、流出パイプ１３１が設けられ、ろう付けされている。

このように形成されるラジエータユニット１０１は、フィン１１１およびチューブ１１２が積層される方向に複数並べられている。

トップタンク１０２およびボトムタンク１０３は、ラジエータユニット１０１が並べられる方向に延びる直方体の容器であり、側面にはそれぞれそれぞれ両タンク１０２、１０３内部と連通する入口パイプ１０２ａ、出口パイプ１０３ａが設けられ、ろう付けされている。

トップタンク１０２およびボトムタンク１０３のラジエータユニット１０１側の面には、それぞれ嵌入孔１０２ｂ、１０３ｂが複数設けられており、各ラジエータユニット１０１の流入パイプ１２１、流出パイプ１３１が嵌入されている。そして、トップタンク１０２およびボトムタンク１０３は、それぞれアッパタンク１２０、ロウアタンク１３０とろう付けされ、ラジエータ１００が形成される。

エンジンから流出される冷却水は、ラジエータ１００の入口パイプ１０２ａからトップタンク１０２内に流入し、流入パイプ１２１を通して更に複数のラジエータユニット１０１に流入する。そして、複数のチューブ１１２内を流通する間に冷却空気との熱交換により冷却される。この時フィン１１１によってこの熱交換が促進される。そして、冷却水は流出パイプ１３１を通してボトムタンク１０３に集められ、出口パイプ１０３ａから流出し、エンジンに戻る。

次に、本発明のろう付け方法について説明する。ここでは、冒頭で説明したように、ラジエータ１００のコア部１１０に、このろう付け方法を適用したものとしている。

まず、ろう材１０は、銅（Ｃｕ）−錫（Ｓｎ）−ニッケル（Ｎｉ）−燐（Ｐ）から成る合金粉末と高分子有機バインダとが混合されたペースト状のろう材としている。因みに、金属粉末の各重量割合は、例えば銅７５％、錫１５％、ニッケル５％、燐５％としており、ろう材１０の融点は約６００℃となっている。

そして、フィン１１１を除く各部材１１２〜１１４の表面に上記ろう材１０を予め塗布する。本発明においては、このろう材１０の塗布方法に特徴部を持たせている。即ち、予めろう材１０を塗布する際に、各部材１１２〜１１４同士が当接する当接部のすべての領域、あるいは一部の領域の母材が露出するようにしている。

更に具体的には、チューブ（本発明の第２部材に対応）１１２においては、フィン（本発明の第１部材に対応）１１１との接合用のために、図２に示すように、フィン１１１が当接する側の面にチューブ１１２の長手方向に線状に延びるように複数本（ここでは２本）のろう材１０を塗布している。このろう材１０の塗布によって、フィン１１１がチューブ１１２に当接する当接部（図２中のチューブ１１２における２点鎖線の領域）においては、線状のろう材１０を除く一部の領域でチューブ１１２の母材が露出した形となるようにしている。尚、チューブ端部１１２ａ近傍においては、コアプレート１１４のチューブ孔１１４ａとの嵌入性を低下させないために、ろう材１０を塗布しないようにしている。

また、コアプレート（本発明の第２部材に対応）１１４においては、チューブ端部（本発明の第１部材に対応）１１２ａとの接合用のために、図３に示すように、コアプレート１１４のチューブ１１２側の面において、チューブ孔１１４ａの一方の長手方向端部近傍をチューブ１１２の積層方向（図３の左右方向）に線状に延びるようにろう材１０を塗布している。このろう材１０の塗布によって、チューブ１１２が嵌入されて当接するチューブ孔１１４ａの内周面（当接部）のすべての領域にはコアプレート１１４の母材が露出した形となるようにしている。

尚、サイドプレート１１３については、上記チューブ１１２と同様に、フィン１１１が当接する側の面にサイドプレート１１３の長手方向に線状に延びるように複数本のろう材１０を塗布している（図省略）。

そして、各部材１１１〜１１４同士の嵌合や治具固定等によってコア部１１０としての組立て体を形成する。

そして、このコア部１１０の組立て体をチューブ１１２の長手方向が水平となるように、且つ、コアプレート１１４に塗布したろう材１０が各チューブ孔１１４ａに対して上側となるようにして、ろう付け炉に投入して、各部材１１１〜１１４を一体的にろう付けする。ここで、ろう付け炉中には還元ガスとして水素（Ｈ_２）を導入し、６００〜８００℃の温度条件で、約１９分の加熱を行うようにしている。

これにより、各部材１１１〜１１４間の当接部において、母材が露出される部位は、ろう材中のＰ（燐）や還元ガスによって確実に酸化皮膜が除去されることになる。そして、当接部の廻りから溶融したろう材が当接部に毛管現象により流れ込み、良好なろう付け状態を得ることができる。特に、チューブ１１２とコアプレート１１４間のろう付けによる冷却水の気密性を要するラジエータ１００（ラジエータユニット１０１）においては、有用なろう付け方法となる。

本出願人の実機テスト確認において、フィン１１１とチューブ１１２との接合面積が、従来の全面にろう材を塗布していたものに比較して、略５０％向上したことを確認している。

また、チューブ１１２とコアプレート１１４とのろう付け性については、従来技術においては１台当たりのラジエータユニット１０１のトータルの根付け部（チューブ端部１１２ａとチューブ孔１１４ａとの接合部）数の略４０％にろう材廻り不良（冷却水洩れとなる不良）が生じていた（主にチューブ１１２のＲ部分に発生）ものに対して、本発明においては、このろう材廻り不良を１〜２％に低減することができた。

更に、上記ろう材廻り不良の生じた部位を除く根付け部におけるろう材のフィレット長さＬ（図４）について、チューブ１１２の扁平断面の長径方向の略中央部断面、および短径方向の略中央部断面で、それぞれ５０ヶ所、合計１００ヶ所について本発明と従来技術とで比較してみると、図５に示すように、本発明はコアプレート１１４の板厚２ｍｍに対して最小でも２ｍｍ以上が確保され、全体のバラツキが低減され、且つ平均値で約１０％の向上が得られたことを確認している。

尚、従来技術ではろう材１０を各部材（チューブ１１２やコアプレート１１４）の全面に塗布していたものに対して、本発明では母材が露出される部位を形成することで部分的な塗布となるので、ろう材１０の使用量を低減することができる。例えば、チューブ１１２において、従来２００ｇ／ｍ^２のろう材１０を必要としていたものが、本発明では１５０ｇ／ｍ^２（２５％低減）で対応可能となった。

（その他の実施形態）
ろう材１０の塗布方法については、上記第１実施形態に限定されるものでは無く、チューブ１１２については、図６に示すように、扁平断面の長径方向に線状に塗布して、更に、チューブ１１２の長手方向に所定間隔（フィン１１１の山から山までの距離と異なる間隔）で設けるようにしても良い。

また、コアプレート１１４については、図７に示すように、チューブ孔１１４ａの周りに塗布するようにしたり、あるいは、図８に示すように、チューブ１１２においてチューブ端部１１２ａがチューブ孔１１４ａに嵌入される部位を除いた近傍に塗布するようにしても良い。

また、ろう付け時に使用する還元ガスは、上記第１実施形態で説明した水素に限らず、一酸化炭素（ＣＯ）等としても良い。

また、対象とする熱交換器は、建設機械用のラジエータ１００に限らず他の４輪車用のラジエータ等に適用しても良い。更に、ラジエータ１００に代えて、他の熱交換器としてインタークーラ、コンデンサ、ヒータコア等に適用するようにしても良い。

本発明の第１実施形態におけるラジエータの外観を示す分解斜視図である。 チューブへのろう材の塗布要領を示す斜視図である。 コアプレートへのろう材の塗布要領を示す斜視図である。 チューブとコアプレートとの接合部（根付け部）におけるろう材のフィレット長さを示す断面図である。 本発明と従来技術とにおけるフィレット長さを示すグラフである。 その他の実施形態におけるチューブへのろう材の塗布要領を示す斜視図である。 その他の実施形態におけるコアプレートへのろう材の塗布要領を示す斜視図である。 その他の実施形態におけるチューブへのろう材の塗布要領を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ろう材
１００ ラジエータ（熱交換器）
１０１ ラジエータユニット（熱交換器）
１１２ チューブ（第１部材）
１１４ コアプレート（第２部材）

Claims (5)

1. 銅あるいは銅合金から成る第１部材（１１２）および第２部材（１１４）の少なくともどちらか一方（１１４）に、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐから成るペースト状のろう材（１０）を予め塗布して、
   前記両部材（１１２、１１４）を所定の位置関係に配置して、
   還元性雰囲気炉内で６００〜８００℃に加熱して、
   前記ろう材（１０）によって前記両部材（１１２、１１４）同士をろう付けするろう付け方法であって、
   前記ろう材（１０）を塗布する際に、ろう付けされる前記両部材（１１２、１１４）の当接部においては、その母材が露出するようにしたことを特徴とするろう付け方法。
2. 前記母材が露出する領域は、前記当接部のすべての領域であることを特徴とする請求項１に記載のろう付け方法。
3. 前記母材が露出する領域は、前記当接部の一部の領域であることを特徴とする請求項１に記載のろう付け方法。
4. 前記両部材（１１２、１１４）は、内部流体が流通する熱交換器（１００）用の部材であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のろう付け方法。
5. 銅あるいは銅合金から成る第１部材（１１２）と、
   銅あるいは銅合金から成る第２部材（１１４）とが、
   前記両部材（１１２、１１４）の当接部において母材が露出するように、前記第１部材（１１２）および前記第２部材（１１４）の少なくともどちらか一方（１１４）に塗布されたＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐから成るペースト状のろう材（１０）によってろう付けされたことを特徴とするろう付け構造物。

Images