アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け：解説

1.ブラザビリティ

アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け性が悪いのは、主に表面の酸化皮膜が除去しにくいためである。アルミニウムは酸素との親和力が強く、表面に緻密で安定した高融点の酸化皮膜Al2O2を形成しやすい。

マグネシウム含有アルミニウム合金もまた、非常に安定した酸化皮膜Mgoを形成する。これらははんだの濡れ広がり性を著しく阻害し、除去が困難です。適切なフラックスを使用することによってのみ ろう付け プロセスが実行される。

加えて、アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けの作業難易度は高い。アルミニウムおよび アルミニウム合金 は、使用する硬質はんだの融点と大差なく、ろう付けに使用できる温度範囲は非常に狭い。

不適切な温度管理は、母材の過熱や溶融を容易に引き起こし、ろう付け工程を困難にする。熱処理されたアルミニウム合金の中には、過時効または アニール ろう付け加熱により軟化し、ろう付け接合部の性能が低下する。

炎ろう付けの場合、加熱中のアルミニウム合金の色が変化しないため、温度を判断するのが容易ではなく、作業者の熟練度も要求される。

さらに、アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け接合部の耐食性は、使用するはんだやフラックスに影響されやすい。アルミニウムおよびアルミニウム合金の電極電位は、はんだの電極電位と大きく異なるため、特に軟ろう付け接合部の耐食性を低下させる。

また、アルミニウムやアルミニウム合金のろう付けに使用されるフラックスの多くは腐食性が高く、ろう付け後に洗浄しても接合部の耐食性への影響を完全に除去することはできない。

2.ろう付け材料

(1) はんだ：

アルミニウムやアルミニウム合金のソフトはんだ付けは、はんだと母材との組成や電極電位の違いによって接合部に電気化学的腐食が発生しやすいため、一般的には使用されていない。

亜鉛系はんだと錫鉛系はんだは主に軟らかいはんだ付けに使われ、使用温度範囲によって低温軟はんだ（150～260℃）、中温軟はんだ（260～370℃）、高温軟はんだ（370～430℃）に分けられる。

ろう付けに錫-鉛はんだを使用し、銅またはニッケルをあらかじめメッキした場合。 アルミ表面その結果、界面での腐食を防止し、接合部の耐食性を向上させることができる。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の硬ロウ付けは、フィルターガイド、エバポレーター、ヒートシンク、その他の部品など、広く使用されている。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の硬いはんだ付けに使用できるのは、アルミニウムを主成分とするはんだのみであり、中でもアルミニウム・シリコン系はんだが最も広く使用されている。具体的な適用範囲とはんだ接合部のせん断強度をそれぞれ表8と表9に示す。

しかし、これらのはんだの融点は母材の融点に近いため、過熱や母材の溶融を避けるために、ろう付け時の加熱温度を厳密にかつ正確に制御する必要がある。

表8：アルミニウムおよびアルミニウム合金用硬質はんだの適用範囲

表9：アルミニウムとアルミニウム合金をアルミニウム-シリコンはんだでろう付けした接合部のせん断強さ

アルミニウム-シリコンろう材は通常、粉末、ペースト、ワイヤー、箔の形態で供給される。場合によっては、アルミニウムコアとクラッド層としてのアルミニウム-シリコンろう材から成るろう付け複合板が使用される。この複合板は液圧法で製造され、ろう付けアセンブリの部品として一般的に使用される。

ろう付けの際、複合板上のろう材は毛細管現象と重力に助けられながら溶けて流れ、接合部の隙間を埋める。

(2) フラックスと シールドガス は、アルミニウムおよびアルミニウム合金の軟ろう付けによく使用される。

アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けでは、酸化膜を除去するために特殊なフラックスを使用する必要がある場合が多い。FS204のようなトリエタノールアミンをベースとする有機フラックスは、低温ろう付け合金に使用される。

これらのフラックスは、母材への腐食が少ないという利点があるが、フラックス塗布時に多量のガスが発生し、ろう材の濡れや充填に影響を及ぼす可能性がある。

FS203やFS220Aのような塩化亜鉛を主成分とする反応性フラックスは、中温および高温のろう付け合金に使用される。反応性フラックスは腐食性が強いため、ろう付け後は残留物を十分に洗浄する必要がある。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の硬ろう付けは、依然としてフラックス除去に依存している。使用されるろう付け用フラックスには、塩化物系フラックスとフッ化物系フラックスがある。塩化物系フラックスは、脱酸力が強く、流動性が良いが、母材への腐食作用が大きいため、ろう付け後に残渣を完全に除去する必要がある。

フッ化物系フラックスは、脱酸効果が高く、母材への腐食作用がない新しいタイプのフラックスである。しかし、融点が高く熱安定性に乏しいため、アルミニウム-シリコン系ろう材との組み合わせでしか使用できない。

ハードな場合 アルミニウムろう付け やアルミニウム合金のろう付けでは、真空、中性、不活性雰囲気が一般的である。真空ろう付けの場合、真空度は10-3Pa程度が一般的で、窒素やアルゴンのシールドを使用する場合は、-40℃以下の高純度、低露点が要求される。

3.ろう付け技術

アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けには、ワーク表面の高い清浄度が要求される。良好な品質を得るためには、ろう付け前に表面の油分と酸化皮膜を除去しなければならない。表面油分は、炭酸ナトリウム（Na₂CO₃)水溶液を60～70℃の温度で5～10分間、続いて清水ですすぐ。

表面の酸化皮膜は、水酸化ナトリウム（NaOH）水溶液に20～40℃の温度で2～4分間浸漬した後、温水でリンスすることで除去できる。

表面の油分と酸化膜を除去した後、ワークピースを硝酸（HNO₃)水溶液に2～5分間浸漬した後、流水ですすぎ、風乾する。これらの処理後、被加工物に手で触れたり、他の汚れが付着したりしないようにし、ろう付けは6～8時間以内、できれば直ちに行う。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の軟ろう付け法には、主に炎ろう付け、はんだごてろう付け、炉ろう付けがある。これらの方法は一般的にフラックスを使用し、加熱温度と保持時間に対する厳しい要求がある。

火炎ろう付けおよびはんだごてろう付けでは、フラックスの過熱と故障を防ぐため、フラックスの直接加熱は避けるべきである。アルミニウムは亜鉛を多く含むはんだに溶解する可能性があるため、接合部が形成されたら加熱を止め、母材の溶解を防ぐ必要がある。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の軟ろう付けは、フラックスを使用せず、酸化皮膜除去のために超音波法または摩擦法を用いて行われる場合がある。ろう付けに摩擦除去を用いる場合、まずワークをろう付け温度まで加熱し、ろう棒（または摩擦工具）の先端でワークのろう付け部を削る。これにより表面の酸化皮膜が破壊され、ろう材が溶けて母材を濡らす。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の硬ろう付け方法には、火炎ろう付け、炉ろう付け、浸漬ろう付け、真空ろう付け、ガスシールドろう付けなどがある。炎ろう付けは、小サイズのワークや単品生産によく使用される。

アセチレンガス中の不純物がフラックスに接触し、フラックス不良の原因となるのを避けるため、ガソリン圧縮空気炎を使用し、母材の酸化を防ぐために炎をわずかに還元させることが望ましい。

特定のろう付けプロセスでは、フラックスとろう材を接合部にあらかじめ配置し、被加工物とともに加熱するか、被加工物を先にろう付け温度まで加熱してから、フラックス入りろう材をろう付け部に塗布する。

フラックスとろう材が溶融し、ろう付け継手が均一に充填されたら、加熱炎を徐々に取り除くことができる。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の空気炉ろう付けでは、ろう材をあらかじめ装填し、フラックスを蒸留水で溶かして濃度50%～75%の濃厚溶液を形成する必要がある。

この溶液をろう付け面に塗布またはスプレーするか、または適量の粉末フラックスをろう材と表面に塗布する。その後、組み立てたワークを炉に入れて加熱し、ろう付けを行う。母材の過熱や溶融を防ぐため、加熱温度は厳密に管理されなければならない。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の浸漬ろう付けでは、通常ペーストまたは箔ろう材が使用される。組み立てられたワークは、ろう付けのためにフラックスに浸漬する前に、ろう付け温度に近い温度まで予熱される。

ろう付けでは、温度と時間を厳密に管理しなければならない。温度が高すぎると母材が溶解しやすくなり、ろう材が脱落しやすくなる。

温度が低すぎると、ろう材が十分に溶融せず、ろう付け率が低下する。

ろう付け温度は、母材の種類や大きさ、ろう材の組成や融点、その他の具体的な要因に基づいて決定されるべきであり、一般的にはろう材の液相線温度と母材の固相線温度との間の範囲である。

フラックス浴へのワークの浸漬時間は、ろう材が完全に溶けて流れるようにしなければならない。ろう材中のシリコン成分が母材中に拡散し、接合部近傍で脆化を引き起こす可能性があるため、浸漬時間は長すぎないことが望ましい。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の真空ろう付けでは、アルミニウムの表面酸化皮膜を変質させ、ろう材の濡れ広がり性を確保するために、金属活性剤を使用することが多い。

マグネシウムは、粒状で直接被加工物に載せるか、蒸気としてろう付けゾーンに導入するか、アルミニウム-シリコンろう材に合金元素として添加することができる。

複雑な構造の場合、母材に対するマグネシウム蒸気の効果を十分に確保し、ろう付けの品質を向上させるため、局所的な遮蔽対策が取られることが多い。

これは、ステンレス製の箱（一般にプロセスボックスと呼ばれる）にワークを入れ、真空炉で加熱してろう付けを行うものである。

アルミニウムおよびアルミニウム合金の接合部の真空ろう付けでは、滑らかな表面、緻密なろう付け継ぎ目、ろう付け後の洗浄が不要です。

しかし、真空ろう付け装置は高価であり、マグネシウム蒸気は炉を著しく汚染するため、頻繁な洗浄とメンテナンスが必要となる。

アルミニウムおよびアルミニウム合金を中性または不活性雰囲気中でろう付けする場合、酸化皮膜除去のためにマグネシウム活性剤またはフラックスを使用することができる。マグネシウム活性剤を使用する場合、必要なマグネシウム量は真空ろう付けに比べてはるかに少なく、一般に0.2%～0.5%（重量比）程度である。

マグネシウム含有量が多いと、かえって接合部の品質を低下させる。近年、フッ素系フラックスと窒素ガスで保護するノコロックろう付け法が急速に発展している。フッ素系フラックスの残渣は吸湿せず、アルミニウムに対して非腐食性である。

そのため、ろう付け後にフラックス残渣を除去する工程を省略することができる。また、窒素ガスで保護されているため、少量のフッ素系フラックスを塗布するだけで、ろう材が母材をよく濡らすことができ、高品質なろう付け接合部を得ることができる。このノコロックブレージング工法は、アルミラジエーターなどの一括生産に広く採用されている。

フッ素系以外のフラックスでろう付けしたアルミニウムおよびアルミニウム合金は、ろう付け後にフラックスの残渣を十分に除去する必要がある。アルミニウム用有機フラックスの残渣は、メタノール、トリクロロエチレンなどの有機溶剤で洗浄した後、水酸化ナトリウム水溶液で中和し、最後に温水および冷水で洗浄することができる。

アルミニウムの硬ろう付けによる塩化物系フラックスの残渣は、60～80℃の熱水に10分間浸漬し、ろう付け部の残渣をブラシで丁寧にこすり、冷水ですすぐことにより除去できる。その後、15%硝酸水溶液に30分間浸し、冷水ですすぐ。