釬焊鋁或鋁合金材料的方法及鋁合金纖焊板的制作方法

專利名稱：釬焊鋁或鋁合金材料的方法及鋁合金纖焊板的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種釬焊鋁或鋁合金材料的方法及一種鋁合金釬焊板，所述的方法和鋁合金釬焊板對于形成用于汽車和各種工業應用的鋁合金熱交換器的制冷劑通道更為可取。特別是，本發明涉及一種不用焊劑涂覆管內側的釬焊方法。此外，本發明還涉及一種鋁合金釬焊板，在惰性氣體氣氛(例如，氮氣，氬氣等)中不用焊劑該板就能進行中空結構內部的釬焊連接。
背景技術：
通常，制造鋁合金熱交換器時，將利用Al-Si基合金的釬焊(brazing)方法作為連接鋁部件的方法。尤其在利用鋁合金板作為原料的釬焊方法中，使用所謂的鋁合金釬焊板，該鋁合金釬焊板是一種鋁合金復合材料，通過將由Ai-Si類合金制得的填料合金置于由鋁合金制得的芯材(core material)的表面上，而將其制成一片板材。例如，由兩側面上都包覆有Ai-Si類填料合金的鋁合金芯材所制得的釬焊板、用于構成汽車蒸發器芯部的制冷劑通道。
圖1是具有內散熱片的、蒸發器芯部的管散熱片(tube fin)部分的裝配好的狀態的基本結構的實施例的透視圖。圖1示出了一部分中芯部的內側。如附圖中所顯示的，其中設置并形成制冷劑通道16的管材料11、和波紋狀的內散熱片材料13被安置在制冷劑通道16中，且外散熱片材料12被一個接在一個的頂部交替地裝配起來，所述外散熱片材料12是由鋁合金板材被制成波紋狀且被安裝在芯部外所形成的。圖中的附圖標記14是管材料11的內接合部分，15顯示了連接部分，在接合部分中，被安裝在制冷劑通道16中的波紋狀內散熱片材料13與管材料11相連接。
圖1中，內散熱片材料13與管材料11接合處的內接合部分15所屬的側面、或者管材料的管接合部分14所屬的側面，稱作中空結構的內側，外散熱片材料12與管材料11連接處的側面稱作開放部分。同樣，圖7顯示的拉制帽(drawn cap)的結構中，拉制帽的內接合部分74的側面稱作中空結構的內側，拉制帽的外接合部分75稱作開放部分。
為了對釬焊板進行釬焊，有必要破壞釬焊加熱過程中在填料合金的表面上產生的硬氧化物膜。釬焊方法可大致上分為兩種在高真空中進行的真空釬焊方法和利用焊劑的NB(nocolok brazing)方法。
在這兩種方法中，在高真空中進行的真空釬焊方法是不使用焊劑的釬焊方法。在這種方法中，釬焊板的填料合金中含有約1.5質量％的鎂是必需的。當由于釬焊加熱Mg從釬焊板中蒸發時，Mg破壞填料合金的硬氧化物膜。而且蒸發的Mg在除去爐子中殘留的氧和濕氣時起了消氣劑的作用作用。結果，利用在高真空中進行的真空釬焊法使得釬焊成為可能。
即使對于非常復雜的結構，這種真空釬焊方法也能夠進行釬焊，但問題是必須用昂貴的大型設備來控制大氣壓。另一個問題是不能得到由于Zn而產生的犧牲性防腐蝕效果，因為添加到材料中的Zn在真空釬焊法中蒸發了。
同時，目前為主流方法的釬焊方法，即在惰性氣體氣氛中利用無腐蝕性焊劑的釬焊方法(下文中稱作NB方法)，使得釬焊成為可能，因為焊劑破壞填料合金的氧化物膜。在這種方法中，在惰性氣體氣氛中進行釬焊加熱，且填料合金表面上的焊劑涂層是必不可少的。
而且，由于這種方法使用無腐蝕性焊劑以便在惰性氣體氣氛中進行爐內釬焊，因而容易通過利用惰性氣體來控制爐氣的氧濃度。因此，可容易地進行工業規模的釬焊。另外，由于使用了非腐蝕性焊劑，在釬焊加熱后就沒有必要除去焊劑。因此，特別在制造汽車的熱交換器時，這種方法是最廣泛應用的。
在利用NB方法進行的的鋁合金釬焊中，焊劑是必不可少的，以除去形成在鋁合金表面上的氧化物膜，且焊劑必須在熔融填料合金之前接觸接合部分。然而，在具有如圖1所示結構的熱交換器中，如果在裝配該管材料和該內散熱片材料之后涂布焊劑，釬焊會是有缺陷的，因為焊劑沒有完全散布在管中。因此，必須在材料或模壓零件裝配到芯部之前的階段涂布焊劑。該方法中，處理用焊劑涂覆的管材料是麻煩的，且由于焊劑不能均勻地散布到必要的部分，也容易產生有缺陷的釬焊，對于工業目的來說，該方法的每一步驟都是不理想的。
另外，由于焊劑的殘留物保留在以這種方式釬焊的熱交換器芯部的管中，有時管就被焊劑的殘留物堵塞，這會引起熱交換器的性能降低。
為了解決上述的問題，業已建議不涂布焊劑來釬焊管內側的方法。在這種方法中，利用在通常用于NB法的Al-Si系填料合金中進一步含有0.2質量％至1.5質量％Mg的填料合金，在大氣壓力的惰性氣體氣氛下不用焊劑來進行釬焊(美國專利5839646的說明書)。由此，不涂覆焊劑而釬焊中空結構，例如管，的內側是有可能。然而在這種方法中，爐氣中存在的微量氧與填料合金中含有的Mg在釬焊加熱的過程中發生反應、并在填料合金的表面上形成Mg氧化物膜，因而降低爐氣中的氧濃度是必要的。在常規的NB方法中，通過使爐氣的氧濃度為200ppm或更低，使得釬焊成為可能。相反，在填料合金含有Mg的方法中，釬焊爐氣的氧濃度必須為大約10ppm或更少，因而這種方法沒有工業實用性。而且，由于必須在將釬焊氣體嚴格調節到氧濃度為大約10ppm或更少的情況下進行釬焊，因而在難以完全替換氣氛的部分如管的深內側產生不穩定的釬焊性能。此外特別是暴露于爐氣流的部分例如管的開口周圍的部分，容易被氧化氣體所影響，在那里MgO的沉積是值得注意的。可替換地，來自外部的焊劑氣氛與填料合金中的Mg互相反應。在容易被爐氣影響的例如管的開口周圍的部分，產生了不可能釬焊的問題。
另一種釬焊方法中，將待釬焊的整個部件置于外殼(housing)中，在其中，例如，放置有Mg使得可以在惰性氣體氣氛中進行無焊劑的釬焊。(日本專利未公開JP-A-9-85433)。這種方法中，用添加有Mg的材料覆蓋待釬焊的部件或者將純凈的Mg置于外殼內部，在這些條件下進行釬焊。在另一種方法中，將置于一外殼中的熱交換器部件進行釬焊，其中將Mg加入到待釬焊部件的填料合金中或者待釬焊元件的結構材料中。
在利用外殼中的Mg或者利用置于外殼內部的Mg的方法中，由于在大氣壓下進行釬焊幾乎不發生Mg的蒸發，牢固的釬焊是困難的，因為到達待釬焊部分的Mg的量是特別小的。另一方面，在釬焊置于外殼中的熱交換器部件的方法中，此時，使用一種材料，在其中，將Mg加入到待釬焊物品(item)的填料合金中或者待釬焊物品(item)的結構材料中，每次釬焊時待釬焊的部件都必須被置于外殼的內部，對工業生產來說這是效率低的方法。
此外，除了以上的釬焊方法，有另一種稱作VAW法的惰性氣體氣氛釬焊方法，其中不用焊劑。這種方法中，通過向填料合金中加入微量的Bi、Sb、Ba、Sr、Be等，并在釬焊加熱之前利用堿蝕刻或酸蝕刻破壞和除去填料合金表面上的氧化物膜，能夠在惰性氣體氣氛中進行釬焊。然而，這種方法中，必須將氣氛嚴格控制到-65℃或更低的露點，5ppm或更低的氧濃度。而且，材料的預處理是必需的，嚴格控制氣氛也是必需的，因而就實際應用來說這種方法是不合適的。
近來，由于材料發展的微細化(slimming)，填料合金的厚度也減小了。因為準備使用的填料合金的量的減少使釬焊質量趨于降低，所以即使在使用薄的填料合金時也要保證好的釬焊質量就成為必需的。
因而，在用于工業制造熱交換器的釬焊中仍存在一些問題。
本發明的一個目的是提供一種工業上效率高的釬焊鋁或鋁合金材料的方法以及一種適用于該方法的釬焊板，由此解決了上述存在的問題，且在NB法中難以涂布焊劑的管中不用涂布焊劑就可以容易地進行釬焊。
本發明的另一目的是提供一種釬焊板，該釬焊板即使在薄的包層(clad)填料合金的情況下，在下述方法中，在釬焊部分仍具有低的斷裂(break)(由于填料合金供應不足的缺陷)發生率，所述的方法通過在組成部件中使用含Mg的釬焊板使得能夠進行中空結構內側的無焊劑釬焊。
從下面參考附圖的描述中，本發明的其它和進一步的目的、特征和優點會更充分地表現出來。


圖1是說明與構成制冷劑通道的管材料和內散熱片以及該外散熱片組裝在一起的熱交換器芯的實施例的透視圖。
圖2是顯示本發明的鋁合金釬焊板的實施例的橫斷面圖。
圖3是顯示本發明鋁合金釬焊板的另一實施例的橫斷面圖。
圖4是顯示本發明鋁合金釬焊板的另一實施例的橫斷面圖。
圖5是顯示本發明鋁合金釬焊板的另一實施例的橫斷面圖。
圖6是顯示本發明鋁合金釬焊板的另一實施例橫斷面圖。
圖7是顯示由本發明制造的有用拉制帽型熱交換器部件的組件基本結構的實施例的局部斷面圖。
圖8是顯示圖1的微芯管材料的接合部分的被剖開部分的放大的端視圖。
圖9是顯示圖1的微芯管材料與外散熱片材料的接合部分的被剖開部分的放大的端視圖。
圖10是顯示圖7的拉制帽的內接合部分的被剖開部分的放大的端視圖。
圖11是顯示拉制帽型熱交換器部件的局部橫斷面。
圖12是圖表，示出了實施例中(芯材的Mg含量+填料合金的Mg含量)的總和與填料合金厚度的關系。

發明內容
作為深入研究的結果，本發明人發現通過下面的方式可解決上述的問題這就是，本發明提供(1)一種釬焊鋁或鋁合金材料的方法，該方法包括使鋁合金釬焊板的填料合金的包覆層表面的一面位于釬焊組件的內部；形成釬焊板以構造中空結構；和在惰性氣體氣氛中不用涂布焊劑在所形成中空結構的內部進行釬焊，其中所述板具有在其一面或兩面上包覆有由Al-Si類合金形成的填料合金層的鋁或鋁合金芯部，且所述板至少在除了填料合金層之外的組成釬焊板的層中含有Mg；(2)根據以上條款(1)的釬焊鋁或鋁合金材料的方法，該方法還包括在惰性氣體氣氛中通過使用焊劑，在除了中空結構內部的開放部分中來進行釬焊；(3)一種鋁合金釬焊板，它適用于根據以上條款(1)或(2)的釬焊方法，其中鋁或鋁合金芯材的一面或兩面包覆有Al-Si類合金填料合金，施加到中空結構內側的填料合金的包層(cladding)的厚度a(μm)、芯材的Mg含量X(質量％)和填料合金的Mg含量Y(質量％)滿足(X+Y)≤a/60+0.5且X＞Y的關系；(4)根據以上條款(3)的鋁合金釬焊板，其中施加到中空結構內側的填料合金的Mg含量低于0.2質量％，且芯材的Mg含量為0.05至1.0質量％；
(5)根據以上條款(3)或(4)的鋁合金釬焊板，其中施加到中空結構內側的填料合金的包層厚度a(μm)、芯材的Mg含量X(質量％)和填料合金的Mg含量Y(質量％)滿足(X+Y)≤-a/60+0.5的關系；(6)一種鋁合金釬焊板，它適用于根據以上條款(1)或(2)的釬焊方法，其中所述板具有按順序包覆有填料合金、阻止擴散層、芯材和填料合金的至少4層的結構，且所述芯材具有一種組合物，該組合物含有0.2至1.2質量％的Si、0.05至2.0質量％的Fe、0.1至1.2質量％的Cu、0.05至2.0質量％的Mn和0.2至1.5質量％的Mg，余量是Al和不可避免的雜質；(7)根據以上條款(6)的鋁合金釬焊板，其中接近阻止擴散層的面上的填料合金(下文中稱作外填料合金)是Al-Si系填料合金，接近芯材的面上的填料合金(下文中稱作內填料合金)含有7至12質量％的Si、0.5至8.0質量％的Cu、0.5至6質量％的Zn，余量是Al和不可避免的雜質；(8)根據以上條款(3)至(7)中任一條款的鋁合金釬焊板，其中所述板是用于熱交換器的釬焊板；和(9)一種制造鋁合金熱交換器的方法，包括利用根據以上條款(1)或(2)的釬焊鋁或鋁合金材料的方法。
這里，“Mg至少加入到除了填料合金層之外的構成釬焊板的層中”意思是既包括如果Mg加入到除了填料合金層之外的構成釬焊板的層中、則填料合金層自身不含有Mg的情況，又包括填料合金層自身也含有Mg的情況。
具體實施例方式
下面將詳細描述本發明。
本發明中，無焊劑釬焊的機理如下如上所述，在高真空中實施傳統技術的真空釬焊方法時，當通過釬焊加熱釬焊板的填料合金中的Mg從釬焊板中蒸發時填料合金的硬氧化物膜被破壞。此外，被蒸發的Mg層起著除去爐中氧和濕氣的消氣劑的作用。這使得熱交換器部件的釬焊成為可能。
與此形成對比，在本發明中，如果在大氣壓下進行釬焊Mg就很難蒸發，例如，由于Mg的蒸發，很難產生爐中氧化氣氛還原作用。因此，只有非常接近填料合金與加入Mg的構成釬焊板的層相鄰的表面的部分處于其中可能進行釬焊的非氧化氣氛中。為了在大氣壓下進行釬焊，必須維持這種條件，以阻止釬焊過程中填料合金的再氧化。例如，必須形成象管的內部一樣的中空結構，以便不受外部氣氛的影響。
因而，Mg的作用是制造阻止釬焊過程中填料合金的再氧化所必須的可允許的最小的非氧化氣氛。有另一種重要的作用，即，Mg的還原作用以還原填料合金表面上的氧化鋁。也就是說，通過下式所示的還原反應填料合金表面上的氧化鋁的氧化物膜被破壞，使得釬焊成為可能的。在本發明中，利用上述的還原反應能夠在中空結構的內部進行無焊劑的釬焊。
在傳統技術中，由Al-Si-Mg系填料合金構成的釬焊板用于中空結構內部的無焊劑釬焊，從釬焊加熱開始填料合金中的Mg就暴露于氧化氣氛中。因此，通過易于受爐氣影響的開放部分周圍的非氧化氣氛的還原作用，MgO在釬焊加熱過程中沉積在填料合金的表面上，所以釬焊被阻止了。
與此相反，本發明的釬焊方法是這樣的一種方法，在該方法中，Mg至少加入到構成釬焊板的層(例如，芯材)中，而不是填料合金層中，且在釬焊加熱過程中Mg擴散進入填料合金層以進行無焊劑的釬焊。該方法中，氧化鋁被Mg還原，因而Mg直到形成焊腳(fillet)時才到達材料(待釬焊的)的表面。結果，可以防止Mg直接被材料外面的氧化氣氛氧化并作為MgO沉積。此外，即使釬焊氣氛不好，特別是在易于被爐氣影響的部分，如管開口部分，內，仍可令人滿意地進行釬焊。在本發明的釬焊方法中，優選利用內部的填料合金在惰性氣體氣氛中(例如氮氣或氬氣)進行釬焊。
接下來參考附圖來描述可用于本發明中的釬焊板。
可以用于本發明的釬焊板是鋁合金釬焊板，其中Mg至少加入到構成釬焊板的層(例如，芯材)，而不是填料合金層，中。
圖2是橫斷面圖，示出了本發明的鋁合金釬焊板的優選實施方案的一個實施例。圖中的附圖標記21是含有Mg的芯材，22是填料合金(下文中稱作內部填料合金)，該填料合金在成形階段會達到中空結構的內側面(即不用涂覆焊劑而進行釬焊的那面)。
圖3是橫斷面圖，示出了本發明的鋁合金釬焊板的優選實施方案的另一個實施例。圖中，附圖標記31是填料合金(下文中稱作外部填料合金)，該填料合金在成形階段會達到接觸與中空結構內側互補的開放部分的側面(即利用焊劑進行釬焊的那面)。附圖標記32是含有Mg的芯材，33是內部填料合金。
圖3中，外部填料合金31和內部填料合金33的合金組合物可以是彼此相同或不同的。
圖4是橫斷面圖，示出了本發明鋁合金釬焊板的優選實施方案的另一個實施例。圖中，附圖標記41是第一內部填料合金，42是含有Mg的芯材，43是第二內部填料合金。例如圖4中所示的釬焊板也可用作熱交換器的管(制冷劑通道)內側上的一內散熱片材料。
圖4中，第一和第二內部填料合金41和43的合金組合物分別地可以是彼此相同或不同的。
圖5是橫斷面圖，示出了本發明鋁合金釬焊板的優選實施方案的另一個實施例。圖中，附圖標記51是外部填料合金，52是阻止擴散層，53是可含有適量Mg的芯材。54是內部填料合金。
圖6是橫斷面圖，示出了本發明鋁合金釬焊板的優選實施方案的另一個實施例。圖中，61是外部填料合金，62是阻止擴散層，63是可含有適量Mg的芯材。附圖標記64是擴散控制層。參考數字65是內部填料合金。
圖5和6中，外部填料合金(51和61)和內部填料合金(54和65)合金組合物可以是彼此相同或不同的。
如上所述，圖2和6顯示了可用于本發明的釬焊板的一些實施例。至于圖2的實施例，考慮到抗腐蝕性，在內部填料合金的相對側面上可用犧牲性防腐蝕層適當地包覆芯材。此外，在圖2的實施例中，考慮到抗腐蝕性和外側面的釬焊質量，在內部填料合金的相對側面上可用擴散阻止層和犧牲層按順序地適當地包覆芯材。
此外，如圖6的實施例中所示，在內部填料合金的下面可用擴散阻止層適當地包覆芯材。
此外，本發明中，釬焊板可具有，例如，4層結構，按順序為一內部填料合金、一擴散控制層、一芯材和一犧牲性防腐蝕層，或者從如圖6所示實施例中的省去擴散阻止層的4層結構。
然而，可用于本發明中的釬焊板不限于以上的構造。
考慮到填料合金的厚度，本發明的一個實施方案是具有芯材和填料合金的鋁合金釬焊板，它們分別含有Mg與適當含量Mg的組合物。即使填料合金的厚度較薄，釬焊板也仍具有優異的內側面無焊劑釬焊質量。如這些實施例，圖解說明了圖2至5中所示以上的釬焊板。
下面將描述限定本發明每個釬焊板部件中Mg含量的原因。
近來，隨著熱交換器微細化的趨勢，填料合金的厚度變得更薄了。當填料合金的厚度變得那么薄時，由于在釬焊加熱過程中從芯材擴散出來，過量的Mg被提供給填料合金的表面。由于過量被提供的Mg的自動氧化，釬焊質量降低了。因而，為了阻止釬焊熔融之前Mg的自動氧化，有必要控制釬焊加熱過程中到達填料合金最外表面的Mg。在本發明中，通過滿足中空結構內側上的填料合金(內填料合金)的包層(clad)的厚度a(μm)、芯材的Mg含量X(質量％)和填料合金的Mg含量Y(質量％)之間的關系(X+Y)≤a/60+0.5，可以使填料合金的包層厚度更薄而不會降低無焊劑釬焊的釬焊質量。
此外，芯材和填料合金中含有的Mg具有以下關系Y(填料合金中的Mg含量)＜X(芯材中的Mg含量)，這使得釬焊加熱過程中芯材中的Mg擴散到進行無焊劑釬焊的側面上的填料合金中，通過Mg的這種作用，填料合金表面上的鋁的氧化物膜被破壞。這時，由于Mg從芯材中擴散出來，被釬焊氣氛氧化并非是沒必要的。由此，好的釬焊質量得到保證。如果所述含量保持為Y(填料合金中的Mg含量)＞X(芯材中的Mg含量)的關系，Mg就從填料合金擴散到芯材。然后，就不能供應當填料合金熔融時所必需的Mg，釬焊質量就降低了。
為了利用內填料合金進行無焊劑的釬焊，芯材的Mg含量優選為0.05質量％或更多，更優選0.1質量％或更多。Mg含量的上限優選1.0質量％或更少。此外，芯材的Mg含量優選為0.1至0.8質量％。如果芯材的Mg含量太高，Mg就過度地擴散，有時這對釬焊質量產生副作用。另一方面，如果含量太低，可以看到在填料合金表面上對氧化物膜的破壞作用沒有足夠的效力。
本發明中，芯材的Mg含量不限于上述范圍。例如，正如下面會描述的，可在與上述范圍不同的范圍內確定所述含量，這取決于鋁合金釬焊板的實施方式。
此外，在進行外部釬焊的情況下，應該考慮到加入芯材中的Mg與焊劑的反應。
在圖2至6所示的釬焊板的情況下，加入芯材中的Mg的量優選為0.4質量％或更少，更優選0.3質量％或更少。而且，優選0.1質量％或更多。
在圖2所示的釬焊板中，根據擴散阻止層或犧牲性防腐蝕層的厚度，當用這些層中的任一層包覆芯材時，可增加待加入芯材中的Mg的量。
在圖5和6所示的釬焊板的情況下，根據擴散阻止層的厚度，可適當調整待加入芯材中的Mg的量。也可將Mg加入到擴散阻止層中，但其量優選0.4質量％或更少。更優選0.3質量％或更少。
此外，在圖6所示的釬焊板的情況下，根據擴散控制層的厚度，可更適當地調整待加入芯材中的Mg的量。擴散控制層可含有或不含Mg，但如果它含有Mg，優選的含量不低于芯材的含量。擴散控制層的Mg含量優選0.3質量％或更少。當設立擴散控制層時，無焊劑釬焊是可能的，因為芯材中含有的Mg擴散到擴散控制層和進一步擴散到內填料合金中。
下面將描述在本發明圖5中所示的釬焊板的優選實施方案中限定每種成分加入量的原因。
芯材53中的Si對改善機械強度有貢獻。Si含量優選0.2至1.2質量％。如果Si含量太少，強度改善效果會不夠；如果太多，熔點就降低，導致釬焊加熱過程中會熔融。
通過將巨大的(giant)的金屬間化合物分配到合金中并使晶粒細微化，芯材中的Fe在成形過程中具有抗裂作用。Fe含量優選0.05至0.2質量％。如果Fe含量太少，這種作用會不夠；如果太多，可成形性就降低，因而在成形過程中釬焊板就斷裂。
芯材中的Cu在釬焊后作為固溶體存在于合金中并改善機械強度。Cu含量優選0.1至1.2質量％。如果Cu含量太少，不能得到足夠的強度改善效果；如果太多，熔點就降低，導致在釬焊加熱過程中會熔融。
芯材中的Mn是有效的，因為它通過將細微的金屬間化合物分配到合金中從而改善了機械強度。Mn含量優選0.05至2.0質量％。如果Mn含量太少，強度改善就不明顯；如果太多，可成形性就降低，在成形過程中產生斷裂的釬焊板。
如上所述，在釬焊加熱過程中芯材中的Mg擴散入內部填料合金中，且不用焊劑涂覆內部而進行釬焊成為可能。Mg含量優選0.2至1.5質量％。如果Mg含量太少，擴散入內部填料合金的量就太少，從而不用焊劑涂覆內部就不可能進行釬焊。如果所述用量太多，在滾軋該合金時可成形性降低，導致制造釬焊板的困難。在本發明中象4層材料的情況下，擴散入除了內部填料合金之外的層中的Mg量是多的，因而加入芯材中的Mg的數量優選0.2質量％或更多。此外在利用低熔點填料合金作為填料合金進行釬焊加熱的情況下，在低于常溫度約20℃(580℃)的溫度下可以進行釬焊，因此即使加入多于1.0質量％的Mg，仍可以抑制腐蝕的出現。
并不特別限制由本發明構成鋁合金釬焊板的4層構成的鋁合金釬焊板的每層的厚度，但這要由可加工性等來自動確定。例如，就厚度而言，擴散阻止層是0.10至0.50mm，芯材是0.01至0.10mm，內部填料合金層為0.01至0.05mm，外部填料合金層為0.01為0.05mm，但并不限于這些。除此之外，并不特別限制擴散控制層或者犧牲性抗腐蝕層的厚度。
本發明中，并不特別限制釬焊板的芯材。例如，可使用含有所述優選Mg含量的材料、3000系合金、1000系合金等。
也不特別限制擴散阻止層和擴散控制層，只要它們是鋁或者鋁合金。例如可利用3000系或1000系合金。
如果用量非常少，那么釬焊板的Mg可包含于中空結構內側的填料合金中；但Mg含量優選少于0.2質量％。如果填料合金中的Mg含量太多，那么填料合金表面上的Mg在易于受爐氣氛影響的開口附近部分的周圍被顯著地氧化，或者在非氧化氣氛的情況下變得更糟。此外，即使使填料合金的厚度像本發明中的那樣薄，也優選降低填料合金中的Mg含量以得到好的釬焊。特別地，如果填料合金的厚度為25μm或更小，優選將Mg含量調節到0.05質量％或更少。如果含量太多，由于Mg的自氧化，例如熱交換器的開口附近的釬焊質量變差。或者，當填料合金的厚度很薄時，所形成焊腳就變小。
如果需要大量的填料合金且填料合金的厚度變厚，就產生被稱作腐蝕的現象，其中芯材被填料合金所腐蝕。當填料合金的厚度很厚且釬焊板中的Mg含量很高時，這種現象是特別明顯的。本發明中，通過使中空結構內側上的填料合金的包層厚度a(μm)、芯材的Mg含量X(質量％)和填料合金的Mg含量Y(質量％)滿足關系(X+Y)≤-a/60+1.5，可控制釬焊加熱后的腐蝕。
通過利用Al-Si基合金作為填料合金可得到好的釬焊質量，可優選使用低熔點的填料合金如Al-Si-Zn基合金、Al-Si-Cu基合金和Al-Si-Cu-Zn基合金。如果使用低熔點填料合金，則填料合金在Mg的自氧化發生之前熔融。因此，當即使向該填料合金中加入多于0.05質量％的Mg，填料合金的厚度仍變薄時，也可以制造具有優異釬焊質量的釬焊板。除此之外，為了降低熔點，可將元素如Ge、Bi、Ag和Ni等加入填料合金中。
下面將描述本發明利用Al-Si-Cu-Zn基填料合金時限定被加入的每種組分用量的原因。
Si降低該填料合金的熔點。Si含量優選7至12質量％。如果含量太少，熔點就降低得不夠；相反，如果含量太多，熔點升高，因而釬焊質量就降低。此外，就填料的流動性而言，待加入的Si的量更優選8.0至11.0質量％。
Cu降低填料合金的熔點。Cu含量優選0.5至8質量％。如果含量太少，熔點就降低得不夠；如果含量太多，在滾軋該合金時可成形性就降低，使得難于制造釬焊板。因而，就填料的流動性而言，1.0至3.5質量％的Cu加入量是更優選的。
Zn降低填料合金的熔點。Zn含量優選為0.5至6質量％。如果含量太少，熔點就降低得不夠，如果太多，在滾軋該合金時可成形性就降低，使得難以制造釬焊板。而且，就填料的流動性而言，更優選2.0至5.0質量％的Zn加入量。
可用于本發明的填料合金的合金元素為如上所述的，但作為不可避免的雜質，也可在不惡化釬焊質量的范圍內含有Fe等。
在本發明中，鋁或鋁合金芯材在該芯材料一面或兩面上包覆有預定厚度的填料合金以形成釬焊板。填料合金對一面上的芯材的包覆比例優選5至30％，更優選7至20％。
如圖2至6中例子所示的，并不特別限制本實施方案的鋁合金釬焊板的每層的厚度，但填料合金的厚度一般為5μm或更大。填料合金的厚度優選80μm或更小。芯材的厚度優選0.05至2.0mm。
尤其在具有薄厚度的釬焊板中，當填料合金的厚度為25μm或更小時，通過使用本發明的釬焊板，釬焊是令人滿意且有效的。
對外部的填料合金而言，可使用通常的Al-Si基合金填料合金；例如，可使用Si含量為7至12質量％的鋁合金。然而，如果使用加入Cu和/或Zn的低熔點填料合金做為內部填料合金，那么優選使用加入Cu和/或Zn的低熔點填料合金做為外部填料合金以降低釬焊溫度。
并不特別限定根據本發明的方法的釬焊溫度，但如果填料合金層中的Mg含量為0.1質量％到少于0.2質量％，則優選570至610℃，因為填料合金的熔點由于Mg的加入而降低了，且更優選590至600℃。此外，如果將Cu或Zn加入到填料合金層中，560至585℃是優選的，因為填料合金的熔點又降低了。而且，如果將填料合金層中的Mg含量調節到0.05質量％或更少，則優選590至610℃。
同時，在除了中空結構內側之外的開放部分中，例如，為了使該管材料和該外部散熱片接合，從鋁或鋁合金材料的工業上和效率高的釬焊的角度來看，優選在惰性氣體氣氛(例如氮氣或氬氣)中利用焊劑來釬焊它們。
可用于在開放部分中使用焊劑進行釬焊的焊劑可以是通常所用的焊劑，例如氟化物系列焊劑。
本發明的釬焊鋁或鋁合金材料的方法可用于各種目的。例如，通過使用組裝鋁或鋁合金材料的本發明，可制造層流型(parallel flow)(例如，圖1中所示的微芯組件)或者拉制帽型(根據圖7中所示基本結構的組件)鋁合金熱交換器等。
根據本發明的釬焊鋁或鋁合金材料的方法，不僅可以在中空結構的內側如管的內側不用焊劑而進行內部釬焊，而且在管內側的氣氛不能被充分置換的情況下，特別是在易于被爐氣影響的管的開口附近部分內，也可以在不太的高氧濃度的氣氛中令人滿意地進行無焊劑的釬焊。而且，每次釬焊時在外殼內設立釬焊部件是不必要的，且可能大大簡化釬焊過程。因此，有可能進行效率高的、工業規模的釬焊，其中控制氣氛是容易的，且除此之外大大簡化了釬焊過程。
就優選用于釬焊工藝的、本發明的用于熱交換器的釬焊板而言，沒必要將釬焊爐的氧濃度限制到特別低的水平，且有可能大大簡化熱交換器的釬焊工藝，因此可得到好的穩定的釬焊質量。此外，特別是，即使填料合金的厚度很薄，仍可進行良好的釬焊。因此，我們可得到工業上顯著的效果。本發明的鋁合金釬焊板對于自動熱交換器部件，例如蒸發器、冷凝器和油冷器等的管材料和這些部件的內散熱片材料，是優選的。
通過使用本發明的釬焊鋁或鋁合金材料的方法并使用本發明的鋁合金釬焊板，我們可效率高地且工業上地制造鋁合金熱交換器。
實施例基于下面給出的實施例會更詳細地描述本發明，但本發明并不受這些實施例1利用其組分如表1中所示的合金材料制造具有表2至6中所示構造的釬焊板。然后，用壓型油涂布每個釬焊板，在將釬焊板壓制成各種類型后，用有機溶劑對其進行油脂請洗和清潔，并在室溫下干燥。利用具有表2、表4或表6所示構造的釬焊板制造圖1所示微芯形狀的管部。在一JIS A 3003芯材的兩面上以10％的包覆比包覆有JIS A 4045的80μm厚的散熱片材料用作外部散熱片材料。用焊劑涂覆外散熱片材料并干燥。70μm厚的JIS A3003散熱片材料用作內散熱片材料，以進行如下面所述的釬焊。
此外通過相同的方法，利用具有表3或表5所示構造的釬焊板來制造圖7中所示的3階拉制帽。一個蓋位于另一個的開孔頂的上面，2個蓋的厚度為8mm，蓋的直徑為4cm。圖7是拉制帽71的橫斷面，具有內側切掉的零件。如圖中所示，除了最上端之外、在拉制帽的上側和下側的中心處有10mm直徑的孔，將孔對準一個挨一個地組裝起來。圖中，附圖標記74是拉制帽71的內連接，75是拉制帽之間的連接部分。將焊劑涂布到拉制帽每個樣品的外部填料合金表面并干燥以進行制造。
關于微芯部，本發明人通過在釬焊氣氛下于600℃溫度加熱3分鐘來評估釬焊質量，在該焊劑氣氛中，如表7所示那樣來調節氮氣氣氛釬焊爐的氧濃度和露點。圖8顯示了圖1的微芯部管材料的接合部分的橫剖部分放大端視圖。至于釬焊質量的評估，對于管材料81的內部接合部分的內側上形成的焊腳87的焊縫厚度88，本發明人測量了分別距離內散熱片材料(圖未顯示)與管的接合部分的管開口為1.0、10.0和100.0mm處的焊縫厚度(88)，。圖9示出了圖1的微芯部管材料與外部散熱片材料的連接部分的橫剖部分放大端視圖。至于外側面的釬焊質量的評估，本發明人測量了外部散熱片材料92和管材料91之間形成的焊腳93的尺寸。通過將焊腳部分置入樹脂中并拋光之后用光學顯微鏡拍照片，本發明人測量了焊腳的尺寸。測定結果如表7中所示。
至于拉制帽，本發明人通過在釬焊氣氛中于600℃加熱3分鐘來評估釬焊質量，在焊劑氣氛中如表8所示那樣調節氮氣氣氛釬焊爐的氧濃度和露點。為評估釬焊質量，本發明人測量了每一階的拉制帽材料的內部連接部分102的內側上形成的焊腳103的焊縫厚度L(參見圖10)。圖11示出了所制造的拉制帽型熱交換器部件的局部橫斷面。關于外部的釬焊，本發明人測量了組裝的拉制帽111之間的連接部分115處形成的焊腳117的焊縫厚度。測定結果如表8中所示。
正如從表7和8中清楚地看到的，即使當內部焊腳的焊縫厚度很厚，且特別是當氧濃度很高時，即使在與管開口的距離很短、且易于被爐氣影響的部分內，在根據本發明的實施例中，釬焊質量仍是穩定且令人滿意的。
實施例2用表9所示的結構材料制造具有表10和11中所示構造的各種釬焊板。制造釬焊板時，于600℃均勻加熱處理芯材之后，在使用之前切削(scalp)芯材的兩面達到預定的厚度。進一步地于500℃均勻加熱處理填料合金之后，在使用之前進行填料合金的熱軋過程以達到預定的厚度。在將芯材和填料合金滾軋在一起，以在500℃組合它們之后，進行冷軋到預定的厚度在380℃對所制得的釬焊板進行最終的退火以使它們形成O材料。然后，用潤滑油涂布這些釬焊板并卷成各種形狀，用有機溶劑對其進行脫脂和清潔后，在常溫下干燥，并組裝成熱交換器管部件的組裝狀態(微芯)，所述熱交換器管部件具有50cm的總長度，如圖1中所示的。70μm厚的JISA 3003合金用于內部散熱片材料13。關于具有表10的構造的101至155號釬焊板，在氮氣氣氛(氧濃度為100ppm，露點為-40℃)中于600℃加熱3分鐘之后，本發明人評估了釬焊質量。對于具有表11所示構造的釬焊板(156至176號)，于600℃在氧濃度為400ppm、露點為-20℃(在氮氣氣氛中)的嚴格的條件下進行3分鐘的釬焊加熱試驗。為評估釬焊質量，本發明人測量了焊腳87的焊縫厚度88(參見圖8)，焊腳87形成在與圖1中管材料11的開口距離5cm處的內部接合部分14的內側上。圖8示出了該狀況的放大的橫斷面圖，其中焊腳87形成于圖1中所示的微芯部的管材料11(81)的結合部分14(84)中。這里，圖8中顯示為88的長度是內部焊縫厚度。結果如表12和13中所示。關于內部焊縫厚度的評估，當焊縫厚度為0.5mm或更多時，判斷為形成了足夠的焊腳；當為0.7mm或更多時，判斷為形成良好的焊腳。這些情況被評估為有作為本發明的產品的足夠的釬焊質量。當焊縫厚度小于0.5mm時，判斷為有缺陷的。此外關于腐蝕的存在和釬焊部分中裂縫的存在，表12中有同樣的顯示。通過觀察釬焊后管連接部分15的橫斷面的結構，本發明人依據芯材中腐蝕的出現檢查腐蝕。此外關于釬焊中的斷裂，本發明人用肉眼檢查釬焊后管連接部分15處的釬焊狀態，并測量了釬焊中的斷裂與釬焊中發生斷裂的管連接部分處的總長度的比例。
圖12示出了101至155號釬焊板的一些結果。圖中標明了釬焊板的號。“○”是指形成好的焊腳而釬焊中沒有發生斷裂，“△”是指形成焊腳但釬焊中發生的斷裂是總長度的20％或更小，“×”是指釬焊中發生的斷裂是總長度的20％或更大或者釬焊是不可能的。此外“■”是指在其中，基于釬焊加熱之前芯材和填料合金之間的邊界，在距邊界20μm或更長的距離上，芯材被熔融的填料腐蝕的那些情況，這被判斷為腐蝕發生。
正如從圖12清楚看到的，在不滿足(X+Y)≤a/60+0.5的釬焊板的內部釬焊中，釬焊是不可能的，或者釬焊質量明顯降低。此外在127號、128號、133號、134號、135號、140號和141號的釬焊板中，形成質量好得足以形成釬焊的、滿足(X+Y)≤a/60+0.5的焊腳，滿足了(X+Y)≤a/60+0.5，但在(X+Y)≤-a/60+1.5的范圍之外，且在一些釬焊板中，觀察到腐蝕的發生。
正如從表13的結論中清楚看到的，在其中填料合金的厚度為25μm或更小的156-168號釬焊板中，在填料合金的Mg含量為0.05質量％或更少的釬焊板中形成好的焊腳。在填料合金的Mg含量超過0.05質量％但填料合金的厚度超過25μm的釬焊板中，證實形成了好的焊腳。
就常規的釬焊加熱氣氛(氧濃度為100ppm，露點為-40℃)而言，當填料合金的Mg含量超過0.05質量％或者即使填料合金的厚度為25μm或更小，從表12是顯而易見的，可以形成好的焊腳。
實施例3用如表14所示的材料的組合物，按照如圖5所示的包括外部填料合金、擴散阻止層、芯材和內部填料合金的4層結構，制備釬焊板。表14的每層的組合物是以質量％的單位顯示的。擴散阻止層是0.26mm厚，釬焊板的板厚度是0.4mm。外部填料合金的該包覆比例是10％，內部填料合金的包覆比例是10％。芯材的厚度是0.06mm。制造方法包括鑄造擴散阻止層的每種合金、在580℃的溫度下均勻地處理和分別將其兩面剝去10mm。關于芯材，鑄造合金，并在580℃的溫度下進行均勻地處理。對于外部填料合金和內部填料合金，鑄造合金，并在500℃的溫度下進行均勻地處理，并將它們剝去一層和熱軋到預定的厚度。然后，按照外部填料合金、擴散阻止層、芯材和內部填料合金的順序一個挨一個地放置合金層，進行熱軋以在500℃的溫度下將它們組合在一起，從而制得3mm厚的釬焊板。此外，在冷軋后，在380℃的溫度下進行最終的退火，以制得板厚度為0.4mm的O材料的釬焊板。
在進行具有變薄的內部填料合金的這樣得到的釬焊板的彎曲過程之后，形成如圖1中所示的100mm長的管材料11。此外，進行板厚度為0.1mm的JIS A 3003合金的起波紋工藝，分別制得外部散熱片材料12和內部散熱片材料13。此外，通過組裝兩種管材料11和兩種內散熱片材料13和一種外散熱片材料12，制造模仿熱交換器的芯部樣品。
在以上的芯部樣品中，用NB法焊劑涂覆芯部的外側。同時，本發明人非常謹慎，不使焊劑進入管的內側。在用焊劑涂覆后，加熱和在600℃和在具有氮氣氣氛的釬焊爐中放置3分鐘的條件下進行釬焊。此時使得釬焊爐中氧濃度為80ppm。本發明人用肉眼對管的接合部分14和管的接合部分15以及內散熱片進行觀察，檢查釬焊后芯部。，以評估釬焊狀態。
此外，作為傳統的實施例，以與上述相同的方式，通過利用不含有Mg的芯材、具有由相同外部填料合金、以上芯材、相同的內部填料合金組成的3層、表14中所示的組成，來制造釬焊板。而且，以與上述相同的方式，利用這樣得到的釬焊板，進行釬焊并在釬焊狀態下進行試驗，來制造芯部樣品。同時，這種情況下，芯材的厚度為0.32mm。表15中示出了評估釬焊質量的結論。
從表15中清楚看出，測試例201-219具有好的釬焊質量，在管接合部分14、管與內散熱片的接合部分15的任何地方中都不發生釬焊中的斷裂。與此相反，在測試例220至224中，因為芯材的Mg含量太少或者填料合金的Mg含量太多，在管連接的部分中產生釬焊中的斷裂，因而不能得到令人滿意的釬焊質量。此外，在測試例224中，芯材的Mg含量過多，在熱軋過程中材料中產生裂縫，因而本發明人不能用它作釬焊質量試驗。還有在225至227號中，其中使用不合有Mg的芯材，在管接合部分中產生釬焊中的斷裂，因而不能得到令人滿意的釬焊質量。本發明的釬焊鋁或鋁合金材料的方法優選作為一種效率高和適用于工業上應用的制造鋁合金熱交換器的方法。
本發明的鋁合金釬焊板還優選作為用于一種效率高和適用于工業上應用的制造鋁合金熱交換器的釬焊板。
而且，本發明的鋁合金釬焊板優選用于自動熱交換器部件或零件，例如，蒸發器、冷凝器、油冷卻器等的管材料和它們的內散熱片材料。
以上，業已結合實施例對本發明進行了說明，但是，本發明不限于說明書中的任何細節，除非另有說明，不然應當認為在如所附權利要求中所闡述的本發明的精神和范圍內。
表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表7(繼續)

表8

表8(繼續)

表8(繼續)

表9

表10

表10(繼續)

表11

表12

表12(繼續)

(注意)*“-”沒有測試表13

表14

表14(繼續)

表15

(注意)通過肉眼的評估標準“×”沒有連接的釬焊部分中有斷裂。
“△”沒有不連接的部分但焊腳是小的。
“○”沒有不連接的部分但焊腳是大的。
權利要求
1.一種釬焊鋁或鋁合金材料的方法，所述的方法包括使一鋁合金釬焊板的一填料合金的一包層表面的一面處于一釬焊組件的內部；將所述的釬焊板構成一中空結構；和在一惰性氣體氣氛中不涂布焊劑而在形成的所述中空結構的內側進行釬焊，其中所述的板具有在其一面或兩面上都包覆有填料合金層的一鋁或鋁合金芯部，所述填料合金層由Al-Si類合金組成，且所述板至少在除了填料合金層之外的、構成釬焊板的一層中含有Mg。
2.根據權利要求1所述的的釬焊鋁或鋁合金材料的方法，其中還包括通過在除所述的中空結構內部以外的一開放部分中使用焊劑，在惰性氣體氣氛中來進行釬焊。
3.一種鋁合金釬焊板，所述的鋁合金釬焊板適用于根據權利要求1或權利要求2所述的的釬焊方法，其中所述的鋁或鋁合金芯材的一面或兩面包覆有Al-Si類合金，施加在所述的中空結構內側的填料合金的包層厚度a(μm)、芯材的Mg含量X(質量％)和填料合金的Mg含量Y(質量％)滿足(X+Y)≤a/60+0.5和X＞Y的關系。
4.根據權利要求3所述的的鋁合金釬焊板，其中施加在所述的中空結構內側上的所述的填料合金的Mg含量少于0.2質量％，芯材的Mg含量為0.05至1.0質量％。
5.根據權利要求3或權利要求4所述的的鋁合金釬焊板，其中施加在所述的中空結構內側上的所述的填料合金的所述的包層厚度a(μm)、所述的芯材的Mg含量X(質量％)和所述的填料合金的Mg含量Y(質量％)滿足(X+Y)≤-a/60+1.5的關系。
6.一種鋁合金釬焊板，所述的鋁合金釬焊板適用于根據權利要求1或權利要求2所述的的釬焊方法，其中所述的板具有按順序包覆有一填料合金、一擴散阻止層、芯材和一填料合金的至少4層的結構，所述的芯材具有一種組成，該組成含有0.2至1.2質量％的Si、0.05至2.0質量％的Fe、0.1至1.2質量％的Cu、0.05至2.0質量％的Mn和0.2至1.5質量％的Mg，余量為Al和不可避免的雜質。
7.根據權利要求6所述的的鋁合金釬焊板，其中在鄰接所述的擴散阻止層的面上的所述的填料合金是Al-Si系填料合金，在接近所述的芯材的面上的所述的填料合金含有7至12質量％的Si、0.5至8.0質量％的Cu和0.5至6質量％的Zn，余量為Al和不可避免的雜質。
8.根據權利要求3至7中任意一項權利要求所述的鋁合金釬焊板，其中所述板是用于熱交換器中的釬焊板。
9.一種制造鋁合金熱交換器的方法，包括利用根據權利要求1或權利要求2所述的釬焊鋁或鋁合金材料的方法。
全文摘要
一種釬焊鋁或鋁合金材料的方法，該方法包括使一鋁合金釬焊板的一填料合金的一包層表面的一面處于一釬焊組件的內部；將所述釬焊板構成一中空結構；和在一惰性氣體氣氛中不涂布焊劑而在形成的中空結構的內側進行釬焊，所述板具有在其一面或兩面上都包覆有填料合金層的一鋁或鋁合金芯部，填料合金層由Al－Si類合金組成，所述板至少在除了填料合金層之外的、構成釬焊板的一層中含有Mg。一種鋁合金釬焊板中鋁或鋁合金芯材的一面或兩面包覆有Al－Si基填料合金，施加到中空結構內側的填料合金的包層的厚度a(μm)、芯材的Mg含量X(質量％)和填料合金的Mg含量Y(質量％)滿足(X+Y)≤a/60+0.5且X＞Y。
文檔編號B23K35/20GK1561278SQ02819158
公開日2005年1月5日 申請日期2002年9月30日 優先權日2001年9月28日
發明者西村真哉, 柳川裕, 土公武宜, 長谷川義治, 官地漢彥, 平尾幸司 申請人:古河Sky株式會社