JP4360309B2 - アルミニウム合金ろう付け混合スラリー及びそれを用いたサンドイッチパネル製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム合金接合用のろう付け混合スラリー及びこの混合スラリーを用いてアルミニウム合金製のサンドイッチパネルを製造する方法に関する。

従来、一般にアルミニウム或いはアルミニウム合金のろう付けには、アルミニウム合金からなるろう材が用いられている。しかし、そのろう付け温度は約６００℃であり、対象となるアルミニウム或いはアルミニウム合金部材の材質によっては、それ自体の融点に近くなる。このため、ろう付け時の僅かな温度のバラツキによって部材の軟化や、それに伴う変形や強度低下を招き易くなっている。
この現象は、特に一対の面材となる薄いアルミニウム或いはアルミニウム合金製表面板とその間に介在されたアルミニウム或いはアルミニウム合金製コア材とを備え、当該コア材を前記表面板にろう付けしてサンドイッチパネルを製造する場合に深刻である。表面板の強度が低下したり、表面板に前記コア材の断面形状が浮き出たりするといった弊害が生じることがある。

上記弊害の発生を抑制するために、アルミニウム或いはアルミニウム合金製サンドイッチパネルの製造時にパネル補強材として鉄製の枠体を用いたり（特許文献１）、表面板やコア材に高温でも強度低下のない鉄・アルミニウムクラッド材を用いたりする（特許文献２）ことが提案されている。
また、ろう付け温度そのものを低くするために、低融点のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金を急冷して作製した箔状又は粉末状のろう材を用いる技術も提案されている（特許文献３）。
特開２０００−４５４５３号公報 特開平１１−３４７７２２号公報 特開平７−２９０２７２号公報

しかしながら、上記特許文献１，２で提案された技術では、枠材，表面板或いはコア材に鉄系材料を用いることになるためにサンドイッチパネル自体の重量が嵩み、またクラッド等の余分な作業工程とそれに伴ってコストが増すという問題がある。
さらに、上記特許文献３で提案されたＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系の粉末ろう材は、ろう材自体がその製造工程で酸化物を多く含んでいるため、実際のろう付けの際に不具合が起こりやすい。このため、ろう付け時には酸化物を除去する目的で多くのフラックスを必要とし、却ってコストを増す結果となる。しかも、多量のフラックスを使用するために、ろう付け部の外観が低下するといった問題も伴う。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ろう付けの際にその対象となるアルミニウム又はアルミニウム合金部材の軟化及び変形を極力抑制することができ、かつ安価なアルミニウム合金ろう付け混合スラリー、及びこのろう付け混合スラリーを用いてろう付けすることにより優れた外観を有するアルミニウム又はアルミニウム合金製サンドイッチパネルを製造する方法を提供するものである。

本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーは、その目的を達成するため、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られた１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを含有することを特徴とする。
フッ化物系フラックス固形分の含有量は、混合スラリー固形分に対して３〜５０質量％の範囲としたものが好ましい。

そして、本発明のアルミニウム又はアルミニウム合金製サンドイッチパネル製造方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金製の二枚の面材と、当該二枚の面材の間にあって前記面材を支えるアルミニウム又はアルミニウム合金製のコア材とを含むサンドイッチパネルの製造方法であって、前記面材のろう付け面に前記記載のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを塗布した後、前記アルミニウム合金ろう付け混合スラリーを塗布した二枚の面材のろう付け面間にコア材を接触配置した状態で、前記面材及びコア材を不活性ガス中で加熱して両者をろう付けすることを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウム合金ろう付け混合スラリーは、ろう材がＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系の合金を基材としているため、溶融温度が低い。また当該ろう材は、溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧し急冷することにより得られた粉末状アルミニウム合金を基材としているため製造過程に由来する酸化物の影響を少なくすることができる。しかも、本発明のろう付け混合スラリーはフラックス成分をも予め含有させているため、全体として安価に提供することができる。そして、当該ろう付け混合スラリーの使用により、ろう付け温度を５４０〜５６０℃程度に下げることができるため、アルミニウム又はアルミニウム合金部材を、当該部材の軟化や変形を極力抑制したろう付けが可能となる。
アルミニウム又はアルミニウム合金製のサンドイッチパネルの製造にあっても、本発明ろう付け混合スラリーの使用により、外観低下を招くことなく、低コストでの製造が可能となる。

本発明を具体的に説明する。
まず、本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを構成するろう材について説明する。
ろう材は、Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を基材とする。このような成分組成の合金とすることで融点を下げ、ろう付け温度を５４０〜５６０℃に下げることができる。このため、接合部材の変形や強度低下を抑制したろう付けが可能となる。Ｃｕ及びＳｉの含有量が上記数値を外れると、ろう材の融点及びろう付け温度が上昇し、ろう付け時に接合部材の変形や強度低下を起こすことにもつながる。

なお、ろう材の融点をさらに低下させる目的ではＺｎ等の元素を含有させることも可能である。しかしながら、Ｚｎは溶融したろう材の流動性を低下させ、ろう付け部での空孔等の欠陥を発生させる原因を作り出すことがある。このため、本発明の粉末状アルミニウム合金ろう材の組成はＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉの三元合金とし、他は不純物である。不純物としては、Ｆｅ：０．２５質量％以下，Ｖ：０．２質量％以下，Ｚｎ：０．２質量％以下，Ｍｎ：０．２質量％以下，Ｍｇ：０．２質量％以下，Ｔｉ：０．２質量％以下が許容される。

また、本発明におけるアルミニウム合金ろう材は、真空又は不活性雰囲気中での噴霧・急冷法で製造された粉末状であることを必須の要件とする。上記の成分組成を有するアルミニウム合金溶湯を、真空中または不活性ガス中に噴霧し、急冷して得た平均粒径１０〜１００μｍの粉末状であることが必要である。
真空中又は不活性ガス中で噴霧する意義は、ろう材の冷却時における酸化物の発生及び混入を極力防ぐことにある。ろう材中に酸化物が多量に混入されていると、ろう付け時に用いるフラックス量が多くなってろう付け製品の外観を低下させるばかりでなく、コスト増にもつながる。
上記で言う真空とは、真空度が２００ｔｏｒｒ以下の雰囲気であり、また不活性ガスとは、ろう材を酸化させることのないガスで、例えばアルゴン等の希ガス、水素等の還元性ガス、窒素等の非酸化性ガスである。

本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーは、ろう材とフラックス及び水の混合物であるので、均一に混合させる意味でも、構成するろう材は細かな粉末状にする必要がある。しかし、あまり細かいと反応性が増し通常での保管が困難になるばかりでなく、製造コストも高騰する。逆に大きすぎると、フラックスとの混合時にスラリーの均一性が保てなくなる。したがって、粉末状アルミニウム合金ろう材の平均粒径は１０〜１００μｍの範囲とする。

ろう材の他に本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを構成するフラックスとしては、通常アルミニウム又はアルミニウム合金をろう付けする際に使用されるフッ化物系フラックスが用いられる。特に非腐食系のＫＦ−ＡｌＦ₃系の錯体からなるフッ化物系フラックスを用いることが好ましい。ただし、本発明ではろう材自身の融点を低くしているためにフラックス自体もその融点を低くする必要がある。このためにＣｓＦを含有させている。ＣｓＦ含有量がフラックス全体の１１質量％に満たないとフラックスの融点を下げる効果が少なく、フラックスの融点がろう材の融点よりも高くなってろう付け時にフラックスが溶融しない恐れがある。したがって、本発明にあっては、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスを含有していることを必須とする。

本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーにおいて、上記フッ化物系フラックス固形分は混合スラリー固形分に対して３〜５０質量％の割合で含まれていることが好ましい。
粉末状であるアルミニウム合金ろう材に含まれる酸化物は、ろう付け性の良・不良に影響する。酸化物の量が多くなるとろう付け性を低下させる。このため、高価なＣｓＦを含むフッ化物系フラックスの使用量を多くする必要がある。フラックスの使用量を増やして酸化物の悪影響を除去できたとしても、多量のフラックスの残渣や酸化物が接合部表面に残って外観を低下させることにつながる。本発明では、ろう材は酸化物が含まれないような製造工程が採用されているので、基本的にはフラックス使用量を少なくすることができる。

アルミニウム合金ろう付け混合スラリー中のフラックス固形分含有量が３質量％に満たないと、酸化物の悪影響の除去が不完全でろう付けの確実性が低下することがある。また、フラックス固形分含有量が５０質量％を超えるほどに多くなると、コストが上昇するばかりでなく、ろう付け後に多量のフラックス残渣や酸化物を接合部表面に残して、ろう付け部の外観を損なうことにもなる。このため、フラックス固形分含有量は混合スラリー固形分に対して３〜５０質量％の範囲にすることが好ましい。また、ろう付け部材の接合状態等を考慮すると、１０〜４０質量％の範囲とすることがさらに好ましい。

以上に説明したように、本発明のろう付け混合スラリーでは製造工程を規定したアルミニウム合金粉末を含有させることにより、ろう付け時にフラックスの使用量を少なくすることができ、かつフラックスとしても融点を下げるＣｓＦを含有するフッ化物系のものを用いることにより、ろう付け温度を５４０〜５６０℃にまで下げることが可能となる。
このため、ろう付け時に接合部材が変形したり強度が低下したりすることがなく、表面外観に優れたろう付け製品が得られる。

次に、本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを用いて、アルミニウム又はアルミニウム合金製のサンドイッチパネルを製造する方法について説明する。
例えば図１に示されるように、一般的なサンドイッチパネル１は、一対の表面板２と、これら表面板２間に配列されるように介在される中空のコア材３とで構成されている。そして、表面板２とコア材３、及びコア材３同士がろう付けにて接合されている。なお、図１中、３ａは中空コア材の内部と連通する空気孔である。また、図１中には明示していないが、表裏二面の表面材２間で挟まれた空間の前後左右の側端面には、通常表面板２よりも厚肉の枠材が配置されている。
本発明では、上記表面板及びコア材をアルミニウム又はアルミニウム合金製とし、両者を本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを用いてろう付けしようとするものである。

具体的には、アルミニウム又はアルミニウム合金製表面板２に、及び必要に応じてアルミニウム又はアルミニウム合金製コア材３のろう付け面に本発明のＣｓＦ含有フッ化物系フラックスと粉末状アルミニウム合金ろう材を含む混合スラリーを塗布した後、前記混合スラリーを塗布した二枚の表面板２のろう付け面間にコア材３をその側面が互いに接触するように配置した状態で、前記表面板２及びコア材３を不活性ガス中で加熱して両者をろう付けすることにより、アルミニウム又はアルミニウム合金製のサンドイッチパネル１を製造することができる。

本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーでは、表面に酸化物がほとんど形成されていないアルミニウム合金粉末をろう材として用いることを必須とすることにより、フラックスの使用量を低減することができている。ろう付けの際にろう粉末が酸化されるような雰囲気下にあっては、フラックスの低減作用は発揮することはできない。したがって、ろう付けも、ろう材が酸化されることのない不活性ガス中で行われる必要がある。粉末ろう材の酸化をより防止するためには、ろう付け雰囲気を一旦真空にした後、窒素等の不活性ガスで置換することが好ましい。

本発明の混合スラリーの使用により、ろう付け温度を従来の６００℃から５４０〜５６０℃程度まで下げることができる。このため、面材が薄く軽量でも変形やコア部形状が浮き出ることはなく、優れた外観を有するサンドイッチパネルをクラッド材や補強材を用いることなく製造することができる。
しかも、フラックスの使用量を最小限に抑えることができるため、残渣フラックスの少ないサンドイッチパネルを低コストで製造することができる。
なお、アルミニウム又はアルミニウム合金製サンドイッチパネルの製造の際にはフラックス使用によるコスト上昇とろう付け後のフラックス除去効率の両面を考慮すると、フラックス固形分は２５質量％を上限にすることが好ましい。

本発明例スラリーの作製
Ｃｕ：３０．９質量％及びＳｉ：９．３質量％を含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金溶湯を、窒素ガス中にて噴霧して急冷することにより、アルミニウム合金粉末を得た。この合金粉末は、平均粒径が４０μｍの球状を呈し、表面及び内部に欠陥や酸化物は含まれていなかった。なお、この合金の融点は５２５℃である。
この合金粉末に、フッ化セシウム（ＣｓＦ）を１６質量％含有したＫＦ−ＡｌＦ₃系の錯体からなるフッ化物系フラックスを固形分として所定の割合になるように蓋付きのポリエチレン製容器に計り取り、純水を加えて均一に混濁させて本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを作製した。

比較例スラリーの作製
また、比較のため、通常の大気雰囲気中で同組成の合金溶湯を噴霧して急冷させてアルミニウム合金粉末を得た。この合金粉末を上記と同じフラックスと混合して比較例アルミニウム合金ろう付け混合スラリーを作製した。上記合金粉末は、表面が酸化されたと思われる黒灰色を呈していた。
なお、通常の大気雰囲気中で同組成の合金溶湯を噴霧して急冷させた以外、その他のスラリー作製条件は本発明例スラリーと同じである。

ろう付け例１
これら本発明例スラリー及び比較例スラリーを用いて、アルミニウム合金板材を用いたろう付け時の隙間充填試験を行い、上記各スラリーの性能を比較した。
まず、厚さ１ｍｍのＪＩＳ３００３合金の板材を逆Ｔ字状に接触させ、下に位置する板材表面にスラリーを刷毛で塗布し、ドライヤーで乾燥した。乾燥後の固形分付着量は１５０〜２００ｇ／ｍ²である。
次に上に位置する板材をその板材方向に５°傾きを設けることで、当該板材の一方に隙間を設けた。これらの試料を窒素ガス雰囲気中にて昇温速度５０℃／分で５５０℃まで加熱し、５５０℃で３分間保持した後、１００℃／分で冷却することでろう付けを行い、傾きをもった隙間がどの程度ろう付けされるかの実験を行った。
ろう付け後、ろう付けされた隙間の長さを計測し、板材同士のろう付け性を確認した。その結果を表１に示す。

この結果、本発明例スラリーはフラックスの含有量が低下してもそのろう付け性はフラックスの割合が３％まで変化しないのに対し、比較例スラリーではフラックスの割合が１５％以下で急激にろう付け性が低下している。これにより、ろう材中の酸化物がろう付け性を低下させること、及びそれを防ぐには多量のフラックスが必要であることがわかる。一方、酸化物の少ない粉末状のろう材を含有するアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを用いてろう付けすることにより、より少量のフラックスでもろう付け性が良好になることがわかる。

ろう付け例２
次にスラリー固形分中に占めるフラックスの量が１５％である本発明例スラリーと比較例スラリーを用いて実際にサンドイッチパネルを作製する試験を行い、上記各スラリーの性能を比較した。
パネル面材はＬ＝２０００ｍｍ、Ｗ=１０００ｍｍ、ｔ＝２ｍｍの板材であり、コア材はｔ＝０．５ｍｍの板材を直径２５ｍｍの円筒形にしたものである。面材表面に上記各スラリーを塗布した後に約２００℃で乾燥した。乾燥後の固形分付着量は約１８０ｇ／ｍ²である。次いで面材、コア材及び枠材との組み付けを行い、その組付け体を雰囲気炉に入れ、雰囲気炉の内部を一旦真空にした後に窒素ガスで置換した。その後、この炉内で、パネルを５４０℃まで約４０分で加熱し、５４０〜５５０℃で約５分保持した後、冷却することでろう付けを行った。なお、今回の試験では面材，コア材，枠材とも全てＪＩＳ３００３合金を用いたが、６０００系等の他の合金を用いても良い。

ろう付け後、パネルを切断し、コア材と面材のろう付け状態を目視で観察してろう付け性を評価した。その結果を表２に示す。
なお、表中の評価は、外観観察により全てのコア材，枠材についてその全てがろう付けされているものを良好として○で、一部のコア材，枠材について一部にろう付けされていないものがあるものを一部不良として△で表示した。

この結果、本発明例スラリーはコア材及び枠材と面材が良好にろう付けされていた。一方、比較例スラリーではコア材及び枠材と面材とのろう付けが不十分になることがわかった。また本発明例スラリー，比較例スラリーで作製したパネルは、いずれも変形や面材にコア材の形状が浮き出ると言った外観上の問題は観察されなかった。

したがって、酸化の少ないろう材を含有するアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを用いてろう付けすることにより、より少ないフラックスでも面材とコア材及び枠材とのろう付け性が良好になることがわかった。さらにろう付け温度が低いため、鉄の補強材を用いたり、面材やコア材に鉄−アルミニウムクラッド材を用いたりすることがなくても、変形や面材にコア材の形状が浮き出るといった外観上の問題の生じない軽量なサンドイッチパネルが製造できることがわかった。

なお、上記に示した本発明のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーはサンドイッチパネルの製造のみならず、鋳造材同士の接合、熱交換器の製造におけるフィン材の接合等、多岐にろう付けに使用可能であることは言うまでもない。

サンドイッチパネルの一例を概略的に説明する斜視図

Claims (3)

1. Ｃｕ：２３〜３７質量％，Ｓｉ：４〜１０質量％を含み、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成を有し、溶湯を真空中又は不活性ガス中で噴霧して急冷することにより得られた１０〜１００μｍの平均粒径を有する粉末状アルミニウム合金ろう材と、固形分として１１質量％以上のＣｓＦを含むフッ化物系フラックスとを含有することを特徴とするアルミニウム合金ろう付け混合スラリー。
2. フッ化物系フラックス固形分の含有量が混合スラリー固形分に対して３〜５０質量％である請求項１に記載のアルミニウム合金ろう付け混合スラリー。
3. アルミニウム又はアルミニウム合金製の二枚の面材と、当該二枚の面材の間にあって前記面材を支えるアルミニウム又はアルミニウム合金製のコア材とを含むサンドイッチパネルの製造方法であって、前記面材のろう付け面に請求項１又は２に記載のアルミニウム合金ろう付け混合スラリーを塗布した後、前記アルミニウム合金ろう付け混合スラリーを塗布した二枚の面材のろう付け面間にコア材を接触配置した状態で、前記面材及びコア材を不活性ガス中で加熱して両者をろう付けすることを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金製のサンドイッチパネル製造方法。

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