JP6075958B2

JP6075958B2 - ステンレス鋼管のろう付け方法

Info

Publication number: JP6075958B2
Application number: JP2012035720A
Authority: JP
Inventors: 進之助西島; 健一朗中馬; 西尾　克秀; 克秀西尾
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP2013169576A

Description

本発明は、ステンレス鋼管を例えば熱交換器用配管として用いられる際の、他の管体との良好な気密性と耐食性を発揮し得るろう付け方法に関する。

一般に給湯器や空調機、冷凍機等に熱交換器が用いられている。熱交換器は空調機のように室外機に組み込まれており屋外に設置される場合が多い。また、熱交換器は、ＣＯ_２やＨＦＣ系フロンなどの冷媒ガスの圧縮と膨張によって熱交換機能を生み出しており、その熱エネルギーを水や空気が吸収して暖められ、給湯や暖房として利用することができる。冷媒ガスや水、空気の流通路としては、素材がりん脱酸銅である銅管を配管として多く使用している。

配管に必要な特性としては、室外機として屋外に設置されることに対する耐食性とコンプレッサーから供給させる冷媒ガスの圧力に対する耐圧性、熱交換の効率化から伝熱性、配管同士の接合性が挙げられ、銅管が多く使用されている。その際の配管接合にはりん銅ろう付けが主流である。しかし、近年の銅の高騰化により、銅に代わる素材の要望が高まっており、異種金属の接合技術が課題になっている。その代替材料の一例として、アルミニウム管が挙げられる。例えば特許文献１に見られる通りである。

アルミニウム管と銅管を接続する場合は、例えば図１に見られるように、アルミニウム管と銅管のいずれか一方の端部、例えば銅管の端部を拡管してアルミニウム管を銅管の拡管部に挿入し、ろう材を挿入部に浸透させて両者をろう付け接合することが一般的である。
そして、特許文献１には、アルミニウム管とステンレス鋼管の両方の端部を拡管し、その拡管部に、接続管となるステンレス鋼管の端部を挿入した後、挿入部にろう材を浸透させて、アルミニウム管とステンレス鋼管を接合させることが紹介されている。

特開平７−１７１６７５号公報

しかしながら、アルミニウム管を用いた場合、屋外環境での耐食性に問題が出てくる。このため、銅やアルミニウムよりも屋外環境での耐食性を満足する材料として、ステンレス鋼の使用が想定される。
一般的に、熱交換器で使用される全ての銅管がステンレス鋼管に代替される場合は少ないため、ステンレス鋼管と銅管等の他の管体の接合部が多く発生することになり、耐圧性、耐食性などを確保できるろう付け技術が望まれる。

ステンレス鋼管の使用に限らず、一方の管体の端部を拡管し、その拡管部に他方の管体端部を挿入してろう付け接合する際、拡管加工を受けた管体端部はスプリングバックによって管端の内径が小さくなるため、図２に示すように、ろう材の流し込みが困難になることがある。
また、一方の管体としてステンレス鋼管を用いた場合、図３に示すようにろうのつき回りが悪く、ステンレス鋼管と他の管体の接合部に４０〜５０μｍ程度の隙間が生じると、隙間腐食が発生し、ステンレス鋼管に腐食が進行し易くなる。特に相手管体が銅管の場合には、Ｃｕイオンが発生して隙間腐食が顕著になる。

本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、一方の管体としてステンレス鋼管を用い、他の管体とろう付け接合する際に、接合部における隙間腐食の発生を防止するとともに、ろう材のつき回りを安定化させて所定の接合強度を発現し得るろう付け方法を提供することを目的とする。

本発明のステンレス鋼管のろう付け方法は、その目的を達成するため、少なくとも一方の管体がステンレス鋼管である二つの管体の、何れかの管端を他方の管端内側に挿入嵌合した後、二つの管体の端部における外側管の内周面と内側管の外周面との間にろう材を流し込んで両管体をろう付けする際、前記挿入嵌合の前に内側管となる管体の先端部に予め縮径加工を施し、先端に行く程径が細くなった裁頭円錐面を形成するとともに内側管の先端部の外周面と外側管の内周面との間隔を、５０μｍを超えるような間隔に調整しておくことを特徴とする。
挿入嵌合の前に、さらに外側管となる管体の先端に予めフレア加工を施しておくことが好ましい。

ろう付けされる二つの管体の内の他方の管体として銅管を用いることができる。この際、外側管となる管体に銅管を配することが好ましい。
また、挿入接合部の外側管と内側管との間隔を、４０〜５０μｍに調整しておくことが好ましい。
そして、外側管の先端部の内周面と内側管の外周面との間隔を、５０μｍを超えるような間隔に調整して挿入した後にろう付けする外側管の先端部の内周面と内側管の外周面との間隔を、５０μｍを超えるような間隔に調整して挿入した後にろう付けすることが好ましい。

本発明では、一方の管体としてステンレス鋼管を用い、何れかの管端を他方の管端内側に挿入嵌合した後、二つの管体の端部における外側管の内周面と内側管の外周面との間にろう材を流し込んで両管体をろう付けする際に、内側管となる管体の先端に予め縮径加工が施されているため、流体が流れる管体内側の、内側管先端部と外側管内壁面とのクリアランスが、隙間腐食を起こしやすいクリアランスよりも広くなり、その結果として、ろう付け接合部内面における隙間腐食の発生を抑制することができる。

この効果は、他方の管体が銅管の場合に顕著となる。すなわち、他方の管体が銅管の場合、銅とステンレス鋼が腐食性流体の存在下で隣接した態様となるが、両材間の流体中に銅からＣｕイオンが溶出し、ステンレス鋼を浸食し易くなる現象の発現を、腐食性流体に曝される部位の両者間クリアランスを大きくすることにより抑制することができる。
また、二つの管体の端部の接合部は、全体的にはろう付けに好適な４０〜５０μｍのクリアランスを確保しつつ、腐食性流体に曝される部位の両者間クリアランスのみを大きくしているので、ろう材の使用量を必要以上に多量になることはなく、つき回りも十分になされる。このため、一定の接合強度を発現し得るろう付けが安定的に行われる。

二本の管体をろう付け接合した際の、一般的な接合部構造を説明する図拡管加工部の先端がスプリングバックで変形した際の不具合を説明する図二本の管体をろう付け接合した際の、隙間腐食が発生し易い箇所を示す図拡管加工部のクリアランスを大きくした際の不具合発生状況を説明する図本発明による二本の管体のろう付け方法を説明する図本発明による二本の管体の、好ましいろう付け方法を説明する図本発明ろう付け方法を実施する際の好ましい実施態様を説明する図本発明例１の実施態様を説明する図本発明例２の実施態様を説明する図

本発明者らは、冷蔵庫や空調機器等の熱交換器用の配管として用いられている銅管を主体とした配管に替えてステンレス鋼管を主体とした配管にすることを検討した。
ステンレス鋼管を主体とした配管とするに当たっても、部位によっては銅管を用いざるを得なくなる。
例えば、ステンレス鋼管と銅管を合わせて用いようとすると、両管体を何らかの方法で水密的に接合する必要がある。一般的にはろう付け接合法が採用される。

例えば図１に示すように、二つの管体の、何れかの管端を他方の管端内側に挿入嵌合した後、二つの管体の端部における外側管の内周面と内側管の外周面との間にろう材を流し込んで両管体をろう付けしている。二つの管体として同径のものを用いる際には、一般的に、外側管となる管体の管端に拡径加工を施し、この拡径端部に他の管体の端部を挿入している。
このような挿入・ろう付け態様を採用すると、通常、挿入接合部の外側管と内側管の間のクリアランスが、４０〜５０μｍ程度の、ステンレス鋼が隙間腐食を起こしやすい間隔となることが多く、図３に示すように、内側管先端部における接合部にろう材が十分に充填されていないと、内側を流れる流体との関係で隙間腐食を起こしやすくなる。

また、一般的にはこのように、挿入される側の外側管となる管体の端部に、予め拡管加工を施しておく場合が多いが、拡管加工を受けた端部はスプリングバックによって内径が小さくなるため、図２に見られるように、ろう材の流し込みが困難になることがある。
そこで、内側管先端部における接合部での隙間腐食を抑制するために、或いは拡管加工を受けた端部がスプリングバックして径が細くなってもろう材を流し込み易くするために拡管径を太くすることが想定される。

しかしながら、外側管となる管体の管端部における拡管径を大きくして、内側管との接合部におけるクリアランスを大きくし過ぎると、図４に示すように、センタリング不良を起こしたり、ろう材の使用量が多くなったりして、結果的にコスト高となってしまう。さらに、クリアランスが大きすぎるためにろう材が溶け落ち、結果的にろう付け不良を起こして所定の接合強度を発現できない場合がある。

本発明は、上記問題点を解決しようとするものである。以下に、本発明の特徴を説明する。
本発明では、まず、内側管となる管体の先端に予め縮径加工を施しておくこととした。
管体の先端に予め縮径加工を施した管体を、管端に拡管加工を施した管体の先端部に挿入する。この際、図５に示すように、挿入・接合部の大部分が通常通り４０〜５０μｍ程度のクリアランスとなっていたとしても、内側管となる管体先端部では、縮径加工されているので、当該部位でのクリアランスは５０μｍを超えた寸法になっている。
なお、ろう材の流れ込みを容易にする意味では、図６に示すように、拡管加工を施した外側管用管体の先端部にフレア加工を施しておくことが好ましい。

拡管加工を施した外側管用管体に、先端に縮径加工を施した内側管用管体を挿入する際には、内側管となる管体先端に所定のクリアランスが確保されるように、各部位の寸法から算出された部位までの挿入になるように、挿入深さを厳密に制御することは言及するまでもない。
このようなクリアランスを有する両管体の隙間に通常通りろう材を流し込んでろう付けする。この際、仮に、内側管となる管体先端にろう材のつき回り不足が生じていたとしても、当該部位のクリアランスは、隙間腐食が起こり易い５０μｍを超えているので当該部位での隙間腐食の発生が抑制される。

実際のろう付け作業では、図７に示すように、所定のクリアランスを有する両管体の隙間で構成されるろう付け領域から、所要のろう材量を算出し、この算出値に合致する量に、棒状ろう材をカットする。その後、カットされた棒状ろう材を被接合管体の径に合わせて丸め、丸められたろう材を先端がフレア加工された外側管のフレア加工部上、内側管の外表面に沿って載置した後、全体を加熱する。これにより、ろう材は溶融され、接合部のクリアランス部に浸透・固化して二本の管体がろう付け接合されることになる。
このような方法を採用すれば、不良発生原因となる充填量のバラツキはなくなり、特性が安定した接合部が得られる。

続いて、本発明の第二番目の特徴である相手の管体について説明する。
ステンレス鋼管とろう付け接合する管体としては、基本的にはどのような材質の管体でも構わないが、例えば熱交換器用配管への適用を想定すると、銅管と接合することが好ましい。特に銅管との接合体に冷媒等の流体を流したとき、流体中にＣｕイオンが溶出し、ステンレス鋼を腐食しやすくなる。銅とステンレス鋼との間の隙間（クリアランス）が４０〜５０μｍになっていると、隙間腐食が顕著となる。
そこで、ろう材のつき回り不足が起き易い箇所、管体のろう付け接合体にあっては内側管の先端外表面と外側管内表面との間のクリアランスを広く、好ましくは５０μｍを超えるようにしておくことで、隙間腐食の発生を抑制することができる。

ところで、ステンレス鋼管と銅管を、例えば図６に示すような態様でろう付け接合したとき、いずれの管体を外側管とするかによって、接続体として耐久性が変わってくる。
すなわち、銅とステンレス鋼とを接触させた場合、隙間腐食はステンレス鋼側でより進行するため、図６に示すような態様のろう付け接合体にあっては、ステンレス鋼管を外側管とすると、ステンレス鋼管に穴あきが生じることがあり、中の流体が漏洩するおそれがある。このため、ステンレス鋼管と銅管の、図６に示すような態様のろう付け接合体にあっては、銅管が外側管となるように配置することが好ましい。

素材には、φ12.7×0.6tの銅管（C1220リン脱酸銅のO材、Hv50）及びφ12.7×0.6tのフェライト系ステンレス鋼（22Cr-0.2Ti-0.2Nb-1Mo、Hv170）を用いた。
また、ろう材として隙間への浸透性が良く、銀ろうとして一般的なBAG7（JIS）を用い、酸化防止用のフラックスにはF10Hを用いた。管内面酸化防止のために窒素ガスを通気させた状態でろう付け作業を実施した。

比較例１；
銅管の管端を拡管加工し、拡管部にステンレス鋼管を勘合代が5mm程度、隙間が40〜50μｍになるように挿入し、図１に示したような、一般的な勘合部構造においてろう付けを行った。

発明例１；
ステンレス鋼管をテーパ付きダイスに押し当て、図８（ａ）に示すように、先端の外径が銅管拡管部内径より小さいφ10mm程度へ縮径加工した。縮径加工を施したステンレス鋼管の管端を銅管の拡管部分に、縮径加工した管端部における隙間が５０μｍを超える間隔に調整して、勘合代が5mm程度になるように挿入し、外側管の内周面と内側管の外周面との間にろう材を流し込んで両管体のろう付けを行った（図８（ｂ）参照）。

発明例２；
ステンレス鋼管をテーパ付きダイスに押し当て、先端の外径が銅管拡管部内径より小さいφ10mm程度へ縮径加工した。先端部分に拡管加工を施した銅管の管端部分にテーパ付きパンチを押し当て、先端の内径が拡管部内径よりも大きいφ17ｍｍ程度へフレア加工した。銅管のフレア加工を施した管端部にステンレス鋼管の縮径加工を施した管端部を両者の管端部における隙間が５０μｍを超える間隔に調整して、勘合代が5mm程度になるように挿入した（図９（ａ））。その後、外側管の内周面と内側管の外周面との間にろう材を流し込んで両管体のろう付けを行った（図９（ｂ）参照）。

本実施例におけるろう付け管の使用条件は管内部に流体を流すことを目的としたものである。このろう付け管の内部に、2000ppmのCl⁻と、2ppmのCu^2＋を含んだ80℃の試験水を循環させ、1ヶ月間の耐食試験を実施した。その後、ろう付け部の耐食性を評価するために断面調査を行った。その結果、ろう付け部に腐食が発生したものを「×」、腐食の発生が無く隙間間隔からも腐食発生の可能性が極めて低いものを「〇」、今回の試験では腐食の発生は無いものの隙間間隔から腐食の発生が懸念されるものを「△」として評価を行った。以上の結果をまとめて表1に示す。

Claims

少なくとも一方の管体がステンレス鋼管である二つの管体の、何れかの管端を他方の管端内側に挿入嵌合した後、二つの管体の端部における外側管の内周面と内側管の外周面との間にろう材を流し込んで両管体をろう付けする際、前記挿入嵌合の前に内側管となる管体の先端部に予め縮径加工を施し、先端に行く程径が細くなった裁頭円錐面を形成するとともに内側管の先端部の外周面と外側管の内周面との間隔を、５０μｍを超えるような間隔に調整しておくことを特徴とするステンレス鋼管のろう付け方法。
挿入嵌合の前に、さらに外側管となる管体の先端部に予めフレア加工を施しておく請求項１に記載のステンレス鋼管のろう付け方法。
ろう付けされる二つの管体の内の他方の管体が銅管である請求項１又は２に記載のステンレス鋼管のろう付け方法。
挿入接合部の外側管と内側管との間隔を、４０〜５０μｍに調整しておく請求項１〜３のいずれか１項に記載のステンレス鋼管のろう付け方法。
外側管の先端部の内周面と内側管の外周面との間隔を、５０μｍを超えるような間隔に調整して挿入した後にろう付けする請求項２〜４のいずれか１項に記載のステンレス鋼管のろう付け方法。