專利名稱：鋁部件的釬焊方法及其使用的釬焊裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及不使用焊劑的鋁部件的釬焊方法，尤其涉及適合熱交換器制造的釬焊方法。
背景技術：
鋁材料熱傳導性高，且輕量，因此，在以汽車搭載用為首的熱交換器中得到大量使用。內部使得水或油等循環(huán)進行熱交換的熱交換器由罐、管、散熱片等部件構成，各部件通過釬焊金屬接合。
作為構成由釬焊制造的熱交換器的鋁材料，使用將釬料等包層在成為心材的鋁合金板的片面或兩面上的釬焊片材(brazing sheet,也稱為“硬釬焊片材”)。一般，使用熔融溫度為600°C以上的鋁合金作為釬焊片材的心材合金，使用熔融溫度為600°C以下的Al-Si系合金作為包層的釬料合金。由該釬焊片材制作熱交換器部件，組合上述部件，通過加熱到600°C前后溫度，僅僅熔融釬焊片材的釬料部，能制作與其它部件釬焊的熱交換器。通過使用釬焊片材能一次性地釬焊構成熱交換器的多個部件，釬焊片材作為熱交換器用的材料得到廣泛利用。
作為主要的實用化的釬焊方法，可以列舉真空釬焊法和N0K0L0K(美國焊劑名稱)釬焊法。真空釬焊法使用由Al-S1-Mg系合金構成的釬料，通過在真空中加熱，釬料中的Mg從材料蒸發(fā)，那時破壞材料表面的氧化膜，使得釬焊成為可能。但是，真空釬焊法存在需要高價的真空加熱裝置的缺點。另一方面，N0K0L0K法使用由Al-Si系合金構成的釬料，涂布焊劑后，在惰性氣體中加熱，由焊劑破壞材料表面的氧化膜，使得釬焊成為可能。但是，在涂布焊劑中，若涂布不勻，則成為釬焊不良的原因，因此，需要將焊劑均一地涂布在必要處。
對此，提出了不使用高價的真空加熱裝置或焊劑，通過在惰性氣體中加熱使得釬焊成為可能的釬焊方法。在專利文獻I中，記載用炭質罩覆蓋含有Mg的釬焊品進行加熱，不使用焊劑，進行釬焊的方法。在該方法中，因Mg降低炭質罩內的氧濃度，防止氧化，使得釬焊可能。又，在專利文獻2中，記載使用釬料含有Mg的包層材料，構成熱交換器，不使用焊劑，進行釬焊的方法。在該方法中，由釬料中的Mg除去表面氧化膜，使得釬焊可能。
上述不使用焊劑的釬焊方法哪一個都通過材料中的Mg破壞氧化膜，使得釬焊可能，但是與真空釬焊法 或N0K0L0K法相比，由Mg引起的氧化膜的破壞作用弱，因此，難以得到穩(wěn)定的釬焊性。又，通過降低爐內的氧濃度，釬焊性得到改善，但是，難以工業(yè)化地維持低氧氣氛。
專利文獻
專利文獻I日本特開2007-044713號公報
專利文獻2日本特開2007-190574號公報

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供在利用由Mg引起的氧化膜的破壞作用、不使用焊劑的釬焊方法中，具有更良好且穩(wěn)定的釬焊性、也能適用于工業(yè)的釬焊方法。鑒于上述課題，本發(fā)明人進行研究結果，注意到釬焊時的氣氛氣體種類對釬焊性帶來很大影響，發(fā)現(xiàn)通過使用氬氣作為氣氛氣體實現(xiàn)良好的釬焊性。本發(fā)明在權利要求1中，提出一種鋁部件的釬焊方法，其特征在于:釬焊片材包括由鋁或鋁合金構成的心材，以及包層在該心材的單面或兩面上的由鋁合金構成的釬料，在上述心材以及釬料的至少一方含有Mg，將由所述釬焊片材構成的鋁部件在含有氬氣氣氛的爐內，不使用焊劑，進行加熱釬焊。本發(fā)明在權利要求2中，將由輝光放電發(fā)光分析而得到的氮原子的發(fā)光強度相對氧原子的發(fā)光強度之比設為發(fā)光強度比N/0，在釬焊后的釬料中，當將表示內部的一定值的發(fā)光強度比N/0設為1.0時，從釬料表面到表示上述一定值的深度的發(fā)光強度比N/0為1.2以下。本發(fā)明在權利要求3中，將上述爐內的含有IS氣氣氛設為IS氣氣氛或IS氣和氮氣的混合氣體氣氛，爐內氧濃度為25ppm以下。本發(fā)明在權利要求4中，提出用于權利要求1 3中任一項所述的鋁部件的釬焊方法的釬焊裝置。下面，說明本發(fā)明的效果:根據(jù)本發(fā)明的釬焊方法，利用Mg的氧化膜破壞作用，能得到不使用焊劑的良好的釬焊性。該釬焊方法給予穩(wěn)定的釬焊性，因此，工業(yè)上適用性也優(yōu)異。


圖1是表示釬焊的釬料中的飛濺時間和發(fā)光強度比(N/0)nor關系的圖線。圖2是間隙充填試驗的說明圖。圖中符號意義如下:I —垂直板2 —水平板3 —間隔件4 —角焊縫(fillet)5 一間隙充填長度
具體實施例方式下面，詳細說明本發(fā)明。A.釬焊片材首先，說明在本發(fā)明的釬焊方法中使用的釬焊片材。在本發(fā)明使用的釬焊片材的構成形態(tài)設有鋁合金心材，以及包層在心材的單面或兩面的鋁合金的釬料。即，使用在心材單面包層釬料的二層結構，以及在心材兩面分別包層釬料的三層結構。釬料的包層率在單面為2 30%。又，釬焊片材的厚度為二層結構0.1 3mm,三層結構0.05 3mm。
除了上述形態(tài)，也可以設為具有進一步使得表層材料包層的表層材料/釬料/心材的三層結構，表層材料/釬料/心材/釬料/表層材料的五層結構，進一步使得犧牲陽極材料包層的釬料/心材/犧牲陽極材料的三層結構等結構的形態(tài)。在上述形態(tài)中，在心材及釬料的至少某一方含有Mg。
在本發(fā)明中，通過在心材及釬料的至少某一方含有Mg，利用由Mg引起的鋁氧化膜的破壞作用。(I)當在釬料中含有Mg場合，在釬焊加熱升溫中，包含在釬料中的Mg使得釬料表面的氧化膜還原，進行破壞。(2)另一方面，當在心材中含有Mg場合，在釬焊加熱升溫中，Mg從心材向釬料擴散，Mg使得釬料表面的氧化膜還原，進行破壞。(3)進而，當在心材及釬料兩方都含有Mg場合，生成上述(I)和(2)兩方。
當在釬料的鋁合金中含有Mg場合，較好的是，將Mg含有量設為0.5 2.0質量％(以下，簡記為“ ％”)。在不足0.5%情況下，不能得到對于能發(fā)揮有效的氧化膜破壞作用來說充分的Mg量，釬焊性降低。又，若超過2.0%，在釬焊加熱中，過剩量的Mg擴散到釬料表面，不從釬料表面蒸發(fā)地殘留的Mg多量存在。其結果，形成MgO氧化膜，其成為厚膜化，使得釬焊性降低。
當在心材的鋁合金中含有Mg場合，較好的是，將Mg含有量設為0.15 2.5%。在不足0.15%情況下，在釬焊加熱中，擴散到釬焊片材的釬料的Mg量變少，不能得到充分的Mg量，釬焊性降低。又，若超過2.5%，在釬焊加熱中，過剩量的Mg從心材擴散到釬料，如上所述，因MgO氧化膜厚膜化，使得釬焊性降低。
當在釬料和心材兩方的鋁合金中含有Mg場合，較好的是，將釬料中的Mg含有量設為0.1 1.4%,將心材中的Mg含有量設為0.15 1.2%。釬料中的Mg含有量不足0.1%,或心材中的Mg含有量不足0.15場合，不能得到充分的Mg量，釬焊性降低。另一方面，若釬料中的Mg含有量超過1.4%,或心材中的Mg含有量超過1.2%場合，在釬焊加熱中，過剩量的Mg擴散到釬料表面，如上所述，因MgO氧化膜的厚膜化，使得釬焊性降低。
如果在釬焊溫度下處于不熔融范圍，從材料強度或耐蝕性角度考慮，也可以在心材中添加Mg以外的元素。作為這種元素，為了提高材料強度，可以列舉S1、Fe、Mn、N1、Cu等，又，為了對釬焊片材帶來犧牲防蝕效果，提高耐蝕性，可以列舉Zn、Sn、In等。
又，作為Mg以外的添加元素，可以在釬料中含有在釬料中含有的公知元素。作為含有這樣的元素的釬料，使用含有7.0 13.0重量％的Si的Al-Si系鋁合金很合適。除了 Si，為了調整釬焊片材的熔點或電位，也可以使用添加Zn、Cu等元素的釬料。
B.氣氛氣體對釬焊性的影響
在不使用焊劑、對含有Mg的鋁材料的釬焊片材進行釬焊的方法中，因Mg破壞鋁材料表面的鋁的氧化膜，使得釬焊成為可能。作為氣氛氣體，使用惰性氣體。通常，使用氮氣或氬氣，但一般使用更廉價的氮氣。但是，若在氮氣中進行釬焊加熱，則Mg對氧化膜的破壞作用弱，因此，氧化膜沒有被充分破壞，或氧化膜一時受到破壞而露出的鋁材料表面再次被氧化，有時不能得到穩(wěn)定的釬焊性。因此，為了通過充分發(fā)揮Mg的氧化膜破壞作用實現(xiàn)穩(wěn)定的釬焊性，研究在更低的氧濃度的氣氛下的釬焊性。其結果，通過在低氧氣氛下加熱，釬焊性稍稍變得良好，但是，不能得到大幅度改善效果。又，在工業(yè)的釬焊工序中，為了將爐內維持為低氧氣氛，在裝置復雜化或維持成本等方面存在限度。
于是，研究使用氬氣代替氮氣，作為惰性氣體。將爐內的氧濃度設為與氮氣場合同等，在氬氣中進行鋁材料的釬焊加熱，釬焊性得到大幅度改善，能實現(xiàn)穩(wěn)定的釬焊性。于是，研究氬氣中釬焊性改善的主要原因。其結果，即使相同氧濃度，在氮氣中加熱的鋁材料和在氬氣中加熱的鋁材料，釬焊加熱后釬料表面附近的性狀不同。具體地說，在氮氣中加熱的釬料表面附近觀察到氮集積，推測存在鋁和氮的反應生成物。關于這一點進一步進行研究，若在氮氣中進行釬焊加熱，則鋁材料表面的氧化膜因Mg而被還原破壞，金屬招的面在氮氣氣氛中露出。可以認為露出的金屬招與作為氣氛氣體的氮氣反應，其反應生成物形成在鋁材料表面附近。推測該反應生成物為由氮和鋁構成的膜狀物，由此引起釬焊性降低?？梢哉J為這樣的由氮和鋁構成的膜狀物已經(jīng)不會因Mg而破壞，因此，引起釬焊性降低。與此相反，在氬氣中加熱鋁材料場合，在因Mg破壞鋁的氧化膜后，金屬鋁的面也在氬氣中露出。但是，在露出的金屬鋁面，不發(fā)生與反應性極低的氬氣反應，不會生成阻害釬焊性的反應物。其結果，可以認為實現(xiàn)良好的釬焊性。在使用焊劑的N0K0L0K釬焊中，因焊劑破壞氧化膜后的金屬鋁的面通過焊劑與氣氛氣體接觸，因此，看不出因氮氣和氬氣不同而引起的對釬焊性的影響。但是，在不使用焊劑的釬焊中，通過不使用氮氣而使用氬氣，對于改善釬焊性具有大的效果。本發(fā)明人對于上述露出的金屬鋁和氮氣的膜狀反應生成物進行了研究。具體地說，通過輝光放電(glow discharge)發(fā)光分析裝置，從釬焊后的釬料表面測定內部的氮原子和氧原子的發(fā)光強度。從表面向著內部一邊飛濺釬料，一邊連續(xù)測定飛濺面的氮原子和氧原子的發(fā)光強度。在此，計算各飛濺時間中氮原子的發(fā)光強度相對氧原子的發(fā)光強度之比，即，“氮原子的發(fā)光強度/氧原子的發(fā)光強度”(以下，記為“發(fā)光強度比(N/0)”)，通過試驗可知，在飛濺時間為所定時間以上，即，在釬料的比所定深度深的內部，發(fā)光強度比(N/0)成為一定值。該傾向在各種各樣條件下在釬焊的全部釬料中同樣可見。但是，發(fā)光強度比(N/0)成為一定的飛濺時間在釬料合金組成或釬焊條件下不同。在此所述的所謂“一定值”并不意味完全沒有振幅的完全一定值，設為具有±10%左右振幅者。為了使得飛濺時間和發(fā)光強度比(N/0)的關系更清楚，將上述飛濺時間為所定時間以上中的發(fā)光強度比(N/0)的一定值正規(guī)化的數(shù)值設為“1.0”，各飛濺時間的發(fā)光強度比(N/0)也以相同比率正規(guī)化。將這樣計算的正規(guī)化的發(fā)光強度比(N/0)設為“發(fā)光強度比(N/0)nor”。圖1是表示飛濺時間和發(fā)光強度比(N/0)nor關系的例子，將其圖線化。在圖1中，橫軸表示飛濺時間，時間0 (秒)與釬料表面對應，隨著飛濺時間經(jīng)過，從釬料表面的深度也增加。飛濺時間和從釬料表面的飛濺深度成比例?？v軸表示發(fā)光強度比(N/0)nor。從圖1可知，在氮氣中，在被釬焊的釬料中，相對飛濺時間為4.6秒以上的1.0的發(fā)光強度比(N/0)nor，此前的飛濺時間的發(fā)光強度比(N/0)nor最大值為1.6。這表示在氮氣中，在被釬焊的釬料中，與發(fā)光強度比(N/0)成為一定的內部相比，表面附近方的氮原子相對氧原子的存在比例最大多至60%。由此，推定上述那樣的金屬鋁和氮氣的膜狀反應物生成在釬料表面附近。在本發(fā)明中，上述“4.6秒以上”包含4.6秒(下文皆如此)。從圖1可知，在氬氣中，在被釬焊的釬料中，在飛濺時間為4.6秒以上，發(fā)光強度比(N/0)成為一定與氮氣相同。相對飛濺時間為4.6秒以上的正規(guī)化為1.0的發(fā)光強度比(N/O)nor，此前的飛濺時間的發(fā)光強度比(N/0)nor幾乎都表示0.8 1.0，即使超過1.0，其最大值為1.05左右。這表示在氬氣中，在被釬焊的釬料中，與發(fā)光強度比(N/0)成為一定的內部相比，表面附近方整體上氮原子相對氧原子的存在比例少。由此，推定在氮氣中釬焊那樣的金屬鋁和氮氣的膜狀反應物不生成在釬料表面附近。
本發(fā)明人關于相對內部的正規(guī)化為1.0的發(fā)光強度比(N/0)nor的此前的表面附近的發(fā)光強度比(N/0)nor在各種各樣條件下進行了研究。其結果，發(fā)現(xiàn)在其為1.2以下場合，金屬鋁和氮氣的膜狀生成物在釬料表面附近的生成被抑制，不會阻害釬焊性。
氬氣與氮氣比較為高價。因此，為了工業(yè)化地適用本發(fā)明涉及的釬焊法，在以往的N0K0L0K釬焊用爐的使用中，必須減少氬氣的使用量。較好的是，減少向爐內的氬氣導入量，減少到不使得氧濃度上升的程度。通過使用密閉性更高的釬焊爐，能減少氬氣的導入量。為了進一步減少氬氣使用量，使用氮和氬的混合氣體減少氬氣比例也很有用。例如，通過使用氮氣和氬氣的體積比例為1:1的混合氣體，能將鋁和氮的反應生成量抑制到使用氮氣場合的一半程度，對改善釬焊性很有效。
C.氧氣對釬焊性的影響
即使在氬氣中不使用焊劑的釬焊中，若爐中氧濃度高，則鋁材料表面再氧化，因此，釬焊性降低。為了得到良好的釬焊性，較好的是，將爐內的氧濃度設為25ppm以下。若爐內的氧濃度超過25ppm，則鋁材料表面易氧化，因此，釬焊性降低。更好的是，爐內的氧濃度為IOppm以下。
在本發(fā)明中，上述“25ppm以下”包含25ppm(下文皆如此)。
為了實現(xiàn)低氧氣氛，較好的是，用碳材料構成釬焊爐的與氬氣接觸的內部的構成部件。作為這種構成部件，可以列舉爐內壁，擋板(baffle)，被釬焊物搬運用的網(wǎng)帶等，將上述全部部件或一部分設為碳材料。碳材料與氬氣中微量存在的氧反應，生成CO，因此，能降低爐內氧濃度。在現(xiàn)有釬焊爐進行釬焊場合，也可以在爐內另外設置碳材料。
D.釬焊裝置
本發(fā)明涉及的釬焊裝置是在上述釬焊方法中使用的釬焊裝置。作為施以釬焊加熱的爐，可以適用如上所述能將爐內氧濃度調制到25ppm以下者。進一步說，如上所述，為了實現(xiàn)低氧氣氛，較好的是，使用設有與氬氣接觸的內部構成部件用碳材料構成的爐的釬焊裝置。
微量氧向爐內的混入大多主要因被釬焊物而取入。尤其如熱交換器那樣，在被釬焊物內部存在中空結構場合，內部存在的氧沒有被充分置換，因此，成為妨害降低爐內氣氛中的氧濃度。為此，使用設有被釬焊物的導入室、預加熱室、釬焊加熱室等多個爐室的釬焊裝置，例如，通過在預加熱室的預加熱中，充分降低在被釬焊物內部存在的氧濃度，能在更低濃度的氧氣氛中進行釬焊加熱。
再有，將被釬焊物導入爐內后，使得爐內真空除氣，此后，將氬氣噴入爐內，置換爐內氣氛氣體，能防止爐內氧濃度上升。為此，較好的是，使用進一步設有置換爐室中氣氛氣體的裝置的釬焊裝置。由此，能在短時間內實現(xiàn)穩(wěn)定的釬焊性，因此，工業(yè)上很有用。
E.釬焊條件
作為本發(fā)明涉及的釬焊方法的條件，可以使用一般條件。達到釬料熔融溫度所需要的時間為10 30分鐘。釬焊溫度為釬料熔融溫度以上的溫度，因釬料合金組成而不同，通常590 610°C。保持時間通常為3 10分鐘。[實施例]下面，根據(jù)實施例及比較例說明本發(fā)明。[本發(fā)明實施例1 11及比較例I]按照通常方法制造釬焊片材:將添加0.5%的Mg或不添加0.5%的Mg的JISA3003作為心材，在其單面包層添加Mg或不添加Mg的JISA4045的釬料。即，鑄造具有表I所示合金組成的心材和釬料用的鑄塊，進行面切削。接著，熱軋釬料后，將該熱軋的釬料和心材合在一起進行熱軋，進而施以冷軋，制作表I的N0.1 11的心材和釬料的組合涉及的釬焊片材。各釬焊片材的板厚為0.75mm，釬料的包層率為10%。表I
權利要求
1.一種鋁部件的釬焊方法，其特征在于: 釬焊片材包括由鋁或鋁合金構成的心材，以及包層在該心材的單面或兩面上的由鋁合金構成的釬料，在上述心材以及釬料的至少一方含有Mg，將由所述釬焊片材構成的鋁部件在含有氬氣氣氛的爐內，不使用焊劑，進行加熱釬焊。
2.如權利要求1所述的鋁部件的釬焊方法，其特征在于: 將由輝光放電發(fā)光分析而得到的氮原子的發(fā)光強度相對氧原子的發(fā)光強度之比設為發(fā)光強度比N/0，在釬焊后的釬料中，當將表示內部的一定值的發(fā)光強度比N/0設為1.0時，從釬料表面到表示上述一定值的深度的發(fā)光強度比N/0為1.2以下。
3.如權利要求1或2所述的鋁部件的釬焊方法，其特征在于: 上述爐內的含有氬氣氣氛是氬氣氣氛或氬氣和氮氣的混合氣體氣氛，爐內氧濃度為25ppm以下。
4.一種釬焊裝置，用于權利要求1或2所述的鋁部件的釬焊方法。
5.一種釬焊裝置，用于權利要求3所述的鋁部件的釬焊方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁合金的釬焊方法及其使用的釬焊裝置,所述鋁合金的釬焊方法的特征在于,釬焊片材包括由鋁或鋁合金構成的心材,以及包層在該心材的單面或兩面上的由鋁合金構成的釬料,在上述心材以及釬料的至少一方含有Mg,將所述釬焊片材在含有氬氣氣氛的爐內,不使用焊劑,進行加熱釬焊。通過本發(fā)明的鋁合金的釬焊方法及其使用的釬焊裝置,提供具有良好且穩(wěn)定的釬焊性、能適用工業(yè)的釬焊方法。
文檔編號B23K101/14GK103153516SQ20118004894
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權日2010年10月28日
發(fā)明者神田輝一, 渡邉憲一, 柳川裕 申請人:關東冶金工業(yè)株式會社, 古河Sky株式會社