ろう付け入門：初心者のために知っておくべきことすべて

ろう付けとは？

ろう付けは高温接合プロセスであり、フィラーメタルを通常450℃を超える温度まで加熱する。この温度は、ろうの液相点以上、接合される母材の固相線温度未満になるよう慎重に選択される。

ろう付けプロセスでは、適切なフラックスの塗布または制御された雰囲気により、溶融した金属フィラーが母材表面を濡らします。その後、毛細管現象が液体フィラーを狭い接合隙間に引き込みます。アッセンブリが冷却すると、ろう材が凝固し、母材間に強固な金属結合が形成される。

この汎用性の高い技術により、同種または異種の金属を接合することができ、優れた熱伝導性と電気伝導性を備えた高強度の接合部が得られます。ろう付けは、漏れのない接合部を形成し、複雑なアセンブリを最小限の歪みで接合する能力により、航空宇宙、自動車、HVACなどの産業で広く使用されています。

ろう付け特性

(1) ろうの融点は、母材の融点よりも大幅に低く、通常は少なくとも50℃低い。この温度差により、ろう付けプロセス中、母材は固体状態を維持し、その構造的完全性と機械的特性を保つことができる。

(2) 充填材の組成は、母材とは明らかに異なる。この組成の違いは、濡れ性の改善、流動特性の向上、最適な接合強度のための母材との適合性など、特定の冶金的特性を達成するために設計されている。

(3) 溶融金属フィラーは、濡れ作用と毛細管力の 組み合わせにより、母材部品間の接合隙間 に引き込まれ、その中に保持される。毛細管現象または毛細管流として知られるこの現象は、表面張力、粘度、および最適な結果を得るために通常0.025～0.125mm（0.001～0.005インチ）の範囲である隙間クリアランスを含む要因によって支配される。

(4) 金属結合は、液体金属フィラーと固体母材との界面における原子の相互拡散によって確立される。この拡散プロセスによって金属間 層が形成され、強固で連続的な金属結合の形成にと って極めて重要である。この拡散領域の範囲と性質は、接合部の機械的特性と耐食性に大きく影響する。

ろう付けプロセスの分解

ろう付けの利点と欠点

ろう付けの利点：

1. 低温プロセス：ろう付けは母材の融点以下の温度で行われるため、母材の構造および特性の変化を最小限に抑えることができる。
2. 最小限の歪み：応力や変形を無視できるほど小さくできるため、高精度の部品や複雑な構造の接合に最適です。
3. 高効率：ろう付けにより、複数の接合部を同時に形成できるため、生産率が大幅に向上する。
4. 汎用性：金属、非金属、異種材料の組み合わせなど、幅広い材料に対応し、幅広い応用が可能。
5. 優れた接合品質：ろう付け接合は、通常、滑らかで美観に優れ、優れたフィレット特性を持つ表面を示します。
6. 材料特性の維持：低入熱は、特殊な用途に不可欠な母材の機械的・物理的特性の維持に役立つ。
7. 密閉シール：ろう付け接合は、航空宇宙や電子機器などの産業で不可欠な漏れのないシールを提供することができます。

ろう付けの欠点

1. 接合強度の限界：ろう付け接合は一般に、溶接接合に比べて、特に高温での強度が低い。
2. 設計上の制約：ラップジョイントは汎用性が高い反面、材料使用量の増加、重量の増加、構造体への応力集中の可能性があります。
3. 厳しい表面処理：このプロセスでは、適切な毛細管現象とフィラーメタルフローを確保するため、綿密な表面クリーニングと正確な接合クリアランスコントロールが要求されます。
4. 設備とコストの検討：高度なろう付け技術の中には、特殊な機器や設備に多額の設備投資を必要とするものがあり、運用コストが増加する可能性がある。
5. 温度感受性：ろう付け合金は融点が低いため、接合部品の使用温度が制限されることがある。
6. ガルバニック腐食の可能性異種金属を接合する場合、充填材がガルバニック・カップルを発生させる可能性があるため、慎重な材料選択と設計上の配慮が必要となる。
7. 技能依存性：高品質のろう付け接合を実現するには、特に複雑な形状や重要な用途の場合、熟練したオペレーターが必要になることが多い。

ろう付けの種類

1）はんだ融点による分類

• はんだ付け450°C（842°F）以下
• ろう付け450°C以上

2) ろう付け温度による分類

• 高温ろう付け：800°C以上
• 中温ろう付け：550°C～800°C（1022°F～1472°F）
• 低温ろう付け：550°C以下

3) 熱源による分類

• 火炎ろう付け：ガス炎を使用（オキシアセチレン、プロパンなど）
• 炉内ろう付け：制御雰囲気炉を使用
• 誘導ろう付け：電磁誘導加熱を使用
• 抵抗ろう付け：局所加熱のために電気抵抗を加える
• 浸漬ろう付け：部品を溶融塩浴または金属浴に浸す
• 赤外線ろう付け：正確な加熱に赤外線を利用

4) 大気による分類

• 大気ろう付け：屋外で実施
• 制御雰囲気ろう付け：不活性ガスまたは還元性ガスを使用（窒素、アルゴンなど）
• 真空ろう付け：高純度接合のために真空環境で行われる

5）フィラーメタルの用途による分類

• プリプレースろう付け：フィラーメタルを加熱前に配置する
• 連続供給ろう付け：ろう付けプロセス中にフィラーメタルを添加する。

6) ジョイントデザインによる分類

• ラップジョイントろう付け
• 突き合わせろう付け
• Tジョイントのろう付け
• コーナー・ジョイント・ブレージング

ろう付けに関する用語と定義

液相：ろうが完全に液体になる最低温度。

ソリダス：ろうが完全に固化する最高温度。

濡れる：

濡れとは、液体が固体表面との接触を維持する能力のことで、両者を接触させた際の分子間相互作用によって生じる。ろう付けにおいて重要な現象であり、以下のものを含む：

1. 液浸湿潤：固体を液体に浸すこと。
2. 付着湿潤：液体と固体表面の最初の接触。
3. 広がる濡れ：固体の表面全体に液体が広がること。

自由状態では、液体は表面張力によって球状になる傾向がある。液体が固体と接触すると

• 液体の凝集力が固体への接着力を上回ると、液体は表面を濡らさない。
• 液体の固体に対する接着力がその凝集力を上回れば、濡れが生じる。

濡れ性は、液相と固相の界面で形成される接触角 (θ)によって定量化される。効果的なろう付けのためには、金属フィラーの濡れ角は通常20°未満であるべきである。

毛細管現象：

互いに平行な2枚の金属板を無限の液体はんだの中に垂直に挿入すると、金属板は無限であり、はんだの量は無限であると仮定する。

金属板上のはんだの濡れ性によって、毛細管現象は図(a)のような状況になるか、図(b)のような状況になる。はんだが金属板を濡らすことができれば、図(a)の結果が生じ、そうでなければ、図(b)の結果が生じる。

ろう付けとはんだ付け

Sn系およびPb系ソフトはんだ：
これらのはんだは、銅をはじめとするさまざまな金属に対して優れた濡れ広がり性を発揮するため、エレクトロニクス業界では主流となっています。特にSn系はんだは、環境問題や規制要件から注目されています。

Cdベースのはんだ：
主にカドミウムと銀の合金で構成されるこれらのはんだは、優れた耐熱性と耐食性を備えている。しかし、カドミウムの毒性により使用が制限されつつあり、より安全な代替材料の開発が進められている。

Zn系はんだ：
亜鉛系はんだは、良好な機械的特性と耐食性を備えたコスト効率の高い選択肢を提供します。従来のSn-Pb系はんだよりも高い融点が要求される用途で特に有用です。

金系ソフトはんだ：
金ベースのはんだは卓越した耐食性を持ち、高信頼性の電子機器や航空宇宙用途でよく使用される。コストが高いため、広く使用されるのは特殊な分野に限られています。

その他の低融点ソフトソルダー：

1. In（インジウム）ベースのはんだ：
   インジウム系はんだは、優れた延性と耐熱疲労性を備えています。特に極低温用途や熱に敏感な部品の接合に有用です。
2. Bi（ビスマス）ベースのはんだ：
   ビスマス系はんだは、鉛フリーの代替材料として人気を集めている。融点が低く、接合強度が高いため、温度に敏感な部品に適しています。
3. Ga（ガリウム）ベースのはんだ：
   ガリウム系はんだは、非常に低い融点や非金属表面を濡らす能力などのユニークな特性を備えています。オプトエレクトロニクスや熱管理などの特殊な分野で応用されています。

鉛フリーはんだ：
環境と健康への配慮から、鉛フリーはんだが開発され、現在ではエレクトロニクス業界で広く採用されています。一般的な鉛フリーはんだの配合にはSAC（錫-銀-銅）合金があり、性能、信頼性、費用対効果のバランスが取れています。これらのはんだは一般的に、従来のPb-Snはんだと比較して若干高い処理温度を必要とし、異なる濡れ特性を示す場合があります。

ろう材 - ろう付け

ろう材は、部品を高い強度と信頼性で接合する上で重要な役割を果たします。その選択は、様々な産業用途において最適な接合性能を達成するために非常に重要です。

ろう材の主なカテゴリーには以下が含まれる：

アルミニウムベースのフィラーメタル：
アルミニウムおよびその合金のろう付け用に特別に設計されています。濡れ性と流動性に優れ、母材の耐食性を維持しながら強固な接合を実現します。航空宇宙、自動車、HVAC産業で一般的に使用されている。

銀系ろう：
幅広い金属において、その卓越した汎用性と性能で知られています。これらの合金は、低融点、優れた流動特性、高い接合強度を提供します。優れた導電性と耐食性により、電気、医療、航空宇宙用途に広く使用されています。

銅ベースのフィラーメタル：

1. 純銅ろう: 炭素鋼および低合金鋼のろう付けに最適。接合部の強度が高く、熱伝導率が高いため、熱交換器用途に適しています。
2. 銅-亜鉛合金（黄銅）：異種金属を接合する様々なろう付け方法に使用される汎用性の高いろう材。濡れ性が良く、多くの工業用途で費用対効果が高い。
3. 銅-リン合金：主に銅および銅合金のろう付けに使用される。これらの自溶性合金は、毛細管現象に優れ、漏れのない接合ができるため、HVAC、配管、電気産業で広く採用されている。

ニッケルベースのフィラーメタル：
原文では触れられていないが、これらは高温用途にとって重要である。高温での強度と耐食性に優れ、航空宇宙、原子力、化学処理産業などに適している。

貴金属ベースのフィラーメタル（金、パラジウムを含む）：
これらの特殊金属フィラーは、高耐食性、生体適合性、過酷な環境下での性能など、独自の特性を備えています。医療、航空宇宙、エレクトロニクス産業の重要な用途に使用されています。

こちらも参照のこと：

• 銅のろう付け：知っておくべき基礎知識
• アルミニウムのろう付け：知っておくべき基礎知識

ろう材 - フラックス

ブレージングフラックスの機能と性能要件：

1) 金属表面の酸化膜を除去し、金属フィラーの濡れ広がりにとって最適な条件を作り出す。

2) ろう付けプロセス中、母材とフィラーの両表面に保護液バリアを形成する。

3) 濡れ性を高め、フィラーメタルの拡散を促進する界面活性剤として作用する。

ろう付け時の酸化膜除去の必要性

金属表面に酸化皮膜が存在すると、ろうの濡れ広がり挙動が著しく阻害されるため、接合部の形成を成功させるためには酸化皮膜を除去する必要がある。酸化皮膜の除去に関連する課題は、以下に正比例する：

• 膜厚：酸化膜が厚いと金属基板との結合が強くなる。
• 熱安定性：酸化物の耐熱性が高いため、除去が難しくなる。
• 化学的安定性：化学的不活性が高い酸化物は、より積極的な除去方法を必要とする。

効果的な酸化皮膜の除去は、さまざまな技術によって達成することができる：

1. ろう付けフラックスの用途
2. 制御された雰囲気または真空環境の利用
3. 機械的洗浄方法（研磨ブラスト、ワイヤーブラシなど）
4. 物理的除去技術（イオンボンバード、プラズマ洗浄など）

ブレージングフラックスは、酸化物の除去だけでなく、複数の重要な機能を果たす：

• 加熱中に洗浄された金属表面の再酸化を防ぐ
• 残留酸化物を溶解・吸収
• 液体金属フィラーと卑金属の界面における表面張力を低下させます。
• 溶融金属フィラーの毛細管現象を促進する。
• 強固で連続的なろう付け接合部の形成を促進します。

表1 乾燥空気中の酸化皮膜形成率

ろう付けガス媒体とその機能

ろう付け作業では、主にアルゴンが使用されるが、特定の用途では窒素が代替ガスとして使用される。

不活性希ガスであるアルゴンは、主にワークピースの保護雰囲気として機能する。アルゴンは大気中の汚染物質からろう付け部を効果的に保護するが、金属表面の酸化膜を直接除去する能力はない。

ろう付け中の特定の酸化膜の除去は、いくつかのメカニズムの組み合わせによって起こる：

1. 金属表面への液体はんだの吸着
2. ろう付け合金中の活性元素による酸化物の還元
3. 弱化した酸化膜の分散
4. 溶融ろうへの酸化物の溶解

冶金データ表に示されているように、ほとんどの金属酸化物の分解温度は、それぞれの母材の融点と沸点の両方を大幅に超えている。この熱的関係から、酸化物の分解はろう付け作業特有の加熱プロセスだけでは達成できないという結論に達する。

ろう付け中の酸化皮膜を効果的に管理するために、追加の戦略がしばしば採用される：

• 酸化物を化学的に還元するフラックスの使用
• 酸化物と反応し溶解する活性元素（チタン、ジルコニウムなど）のろう材への配合
• 初期酸化物の存在を最小限に抑えるための前洗浄と表面処理
• 酸化物の形成を制限し、酸化物除去メカニズムを強化する真空ろう付け

ろう付け方法およびプロセス

ろう付け法

1.コテはんだ

特徴：低温

適用範囲

1.はんだ付け温度300℃以下のはんだ付け（錫鉛または鉛ベースのフィラーメタルを使用）に適用されます；

2.薄くて小さな部品のろう付けには、はんだフラックスが必要である。

2.トーチろう付け、トーチはんだ付け

特徴：シンプル、フレキシブル、広く使用されている

適用範囲：一般に、中性炎または微炭化炎/一般ガストーチまたは特殊ろう付けトーチ（トーチはソフトはんだ付けにも使用できる）を使用して、最初にワークを加熱する：

1.溶接物の形状、大きさ、設備に制限があり、他の方法ではろう付けできない溶接物のろう付けに適用できる。

2.自動炎ろう付けが可能

3. 溶接可能スチールステンレス鋼、硬質合金、鋳鉄、銅、銀、アルミニウム等およびそれらの合金

4.一般的なフィラーメタルには、銅亜鉛、銅リン、銀ベース、アルミニウムベース、亜鉛アルミニウムフィラーメタルなどがある。

3.浸漬ろう付け、浸漬はんだ付け

(塩浴・金属浴、大量生産に最適）

4.フローはんだ、ウェーブはんだ、スプレーはんだ

(金属浴ろう付けの一種で、主にプリント基板のろう付けに用いられる）

5.抵抗ろう付け

極めて速い加熱と高い生産性。

6.誘導ろう付け

 加熱が速く、酸化が少なく、ろう付けが小さい。

ろう付け技術

ろう付け製造工程は、ろう付け前のワーク表面の準備、組み立て、ろう材の配置、ろう付け、ろう付け後の処理、およびその他の関連工程を含むいくつかの工程を含む。

1.ろう付け接合設計

ろう付け接合部を設計する場合、第一に考慮すべきはその強度であり、次いで、組み立ての寸法精度の確保、部品の適切な組み立てと位置決め、はんだの配置、ろう付け接合部のクリアランスといった工程上の考慮事項が続く。

ラップ・ジョイントは、ろう付け接合によく使われる。

実用的な生産では、高強度銀系、銅系、ニッケル系のろう材を使用したろう付け継手の場合、ラップ長は通常、薄い方の厚さの2～3倍となる。

錫鉛のような軟らかいはんだを使ったはんだ接合では、重ね長さは薄い方のはんだの厚さの4～5倍でよいが、15mmを超えないようにする。

ろう付け継手の種類

a) 板ろう付けの接合形式

• 1、2、3 - 接続フォーム
• 4 - カバープレートフォーム
• 5, 6 – ラッピング フォーム
• 7- ダブルカバー・プレート
• 8 - 重なり合い、覆い被さる形
• 9、10 - フォームを曲げてロックする

b) T字形と開先ろう付けの接合形状

• 11、22、13、14 - T型ジョイント
• 15、16、17、18、19、20、21 - ベベル・フォーム

c) チューブまたはバーとプレートのジョイント形状

• 26, 30 - 使用頻度が少ない
• 27、28、29 - 共通
• 31、32、33 - 多目的
• 34、35、36 - 板厚ジョイント

d) ワイヤ接触ろう付けの接合形式

• 37 - 代表的なジョイント
• 38 - チューブラ・ラジエター・コネクター
• 39 - サンドイッチ構造ジョイント
• 40 - ハニカム構造ジョイント

e) パイプのろう付けの継手形式

• 22 - 同じ内径
• 23 - 同じ外径
• 24 - 外径の許容差
• 25 - 外径差なし

ろう付け接合部の位置決め方法

a) 重力による位置決め b) タイトフィット c) ローレット加工 d) フランジング

e) フレアリング f) スピニング g) 金型鍛造        h) ネッキング

i) アンダーカット j) 溝加工と曲げ加工 k) クランプ l) 位置決めピン

m) ネジ n) リベッティング o) スポット溶接

2.溶接部の表面処理

ろう付け工程の前に、被加工物の表面に付着している酸化物、油脂、汚れ、塗料を徹底的に除去することが重要である。

場合によっては、ろう付けの前に特定の金属層で部品をプレコートする必要がある。

(1) 油汚れを落とす

油汚れは有機溶剤を使って落とすことができる。

一般的な有機溶剤には、アルコール、四塩化炭素、ガソリン、トリクロロエチレン、ジクロロエタン、トリクロロエタンなどがある。

(2) 酸化物の除去

ろう付けの前に、部品表面の酸化膜を機械的方法、化学エッチング法、電気化学エッチング法で処理することができる。

3.組み立てと固定

はんだ金属は、炎ろう付けとはんだごてろう付けを除くさまざまなろう付け法で使用されるが、そのほとんどは接合部にあらかじめ配置されている。隙間の重力と毛細管現象を可能な限り利用し、はんだ金属が配置されたときに隙間を埋めるよう促す必要がある。

ペースト状の金属フィラーはろう付け接合部に直接塗布する必要があり、粉末はんだは接合部に塗布する前に接着剤と混合することができる。

4.フィラーメタルの配置方法

a) 環状はんだの配置

• 1、2 - 1つのリング状素材を合理的に配置
• 3, 4 - フランジ面に沿ったロスを防ぐための配置
• 5, 6 - 充填材を接合部に近づける。
• 7, 8 - 接合部にはんだ付け溝を作る。

b) ホイルはんだの配置

P - 加圧