1. ろう付け性
アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け性は、主に表面の酸化膜の除去が困難であることが原因です。アルミニウムは酸素との親和性が非常に高く、表面に緻密で安定した高融点の酸化膜Al2O3を形成しやすいです。同時に、マグネシウムを含むアルミニウム合金は、非常に安定した酸化膜MgOを形成します。この酸化膜は、はんだの濡れ広がりを著しく阻害し、除去も困難です。ろう付け工程では、適切なフラックスを使用することでのみろう付けを行うことができます。
第二に、アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け作業は難しいです。アルミニウムおよびアルミニウム合金の融点は、使用されるろう材の融点とほとんど変わりません。ろう付けのオプション温度範囲は非常に狭く、少しでも不適切な温度制御は、母材の過熱や溶融を引き起こしやすく、ろう付け作業を困難にします。熱処理によって強化された一部のアルミニウム合金は、ろう付け加熱により過時効や焼鈍などの軟化現象を引き起こし、ろう付け継手の特性を低下させます。炎ろう付けでは、加熱中にアルミニウム合金の色が変化しないため、温度の判断が難しく、作業者の操作レベルに対する要求も高くなります。
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、溶加材やフラックスの影響を受けやすい。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位とは大きく異なるため、特に軟ろう付け接合部では、接合部の耐食性が低下する。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に使用されるフラックスの多くは、強い腐食性を有する。ろう付け後に洗浄したとしても、フラックスが接合部の耐食性に与える影響は完全には除去されない。
2. ろう材
（1）アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けは、ろう材と母材の組成および電極電位が大きく異なるため、接合部の電気化学的腐食が発生しやすいため、あまり使用されない方法です。軟ろう付けでは主に亜鉛系はんだとスズ鉛はんだが採用されており、温度範囲に応じて低温はんだ（150〜260℃）、中温はんだ（260〜370℃）、高温はんだ（370〜430℃）に分けられます。スズ鉛はんだを使用し、アルミニウム表面に銅またはニッケルを予めめっきしてろう付けすると、接合界面の腐食を防ぎ、接合部の耐食性を向上させることができます。
アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けは、フィルターガイド、蒸発器、ラジエーターなどの部品に広く使用されています。アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けには、アルミニウムベースのろう材のみが使用可能であり、その中でもアルミニウムシリコンろう材が最も広く使用されています。具体的な適用範囲とろう付け継手のせん断強度は、それぞれ表8と表9に示されています。ただし、このはんだの融点は母材の融点に近いため、ろう付け中の加熱温度を厳格かつ正確に制御し、母材の過熱や溶融を防ぐ必要があります。
表8 アルミニウムおよびアルミニウム合金用ろう材の適用範囲
表9 アルミニウムシリコンろう付けしたアルミニウムおよびアルミニウム合金接合部のせん断強度
アルミニウムシリコンはんだは通常、粉末、ペースト、線材、またはシートの形で供給されます。場合によっては、アルミニウムをコアとし、アルミニウムシリコンはんだをクラッド材とした複合はんだ板が用いられます。この種の複合はんだ板は油圧法で製造され、ろう付け部品の一部としてよく使用されます。ろう付け工程では、複合板上のろう材が溶融し、毛細管現象と重力の作用によって流動し、接合部隙間を埋めます。
（2）アルミニウムおよびアルミニウム合金ろう付け用フラックスおよびシールドガス。皮膜除去には特殊なフラックスがよく使用されます。低温軟質はんだには、トリエタノールアミンをベースとした有機フラックス（FS204など）が使用されます。このフラックスの利点は、母材への腐食影響が少ないことですが、大量のガスを発生し、はんだの濡れ性やかしめ性に影響を与えます。中温および高温軟質はんだには、塩化亜鉛をベースとした反応性フラックス（FS203、FS220Aなど）が使用されます。反応性フラックスは腐食性が強く、ろう付け後に残留物を除去する必要があります。
現在、アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けは、依然としてフラックスによる皮膜除去が主流となっています。ろう付けに使用されるフラックスには、塩化物系フラックスとフッ化物系フラックスがあります。塩化物系フラックスは酸化膜除去能力が高く、流動性も良好ですが、母材への腐食性も大きく、ろう付け後は残留物を完全に除去する必要があります。フッ化物系フラックスは、優れた皮膜除去効果と母材腐食のない新しいタイプのフラックスです。しかし、融点が高く熱安定性が低いため、アルミニウムシリコンはんだにしか使用できません。
アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けでは、真空、中性、または不活性雰囲気が用いられることが多い。真空ろう付けでは、真空度は通常10-3Pa程度に達する必要がある。保護のために窒素ガスまたはアルゴンガスを使用する場合は、その純度を非常に高くする必要があり、露点は-40℃未満でなければならない。
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では、ワーク表面の洗浄に対する要求が高い。良好な品質を得るためには、ろう付け前に表面の油汚れや酸化膜を除去する必要がある。表面の油汚れは、Na2CO3水溶液で60〜70℃の温度で5〜10分間処理し、その後きれいな水ですすいでください。表面の酸化膜は、NaOH水溶液で20〜40℃の温度で2〜4分間エッチングし、その後温水で洗浄することで除去できます。表面の油汚れと酸化膜を除去した後、ワークをHNO3水溶液で2〜5分間処理して光沢を出した後、流水で洗浄し、最後に乾燥させます。これらの方法で処理したワークは、他の汚れに触れたり汚染されたりしてはならず、6〜8時間以内にろう付けする必要があります。可能であれば、すぐにろう付けすることをお勧めします。
アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け方法は、主に炎ろう付け、はんだごてろう付け、炉ろう付けに分類されます。これらのろう付け方法は、一般的にフラックスを用いて行われ、加熱温度と保持時間に対する厳しい要件があります。炎ろう付けおよびはんだごてろう付けでは、フラックスが過熱して破損するのを防ぐため、熱源でフラックスを直接加熱することは避けてください。亜鉛含有量の高い軟質はんだはアルミニウムを溶解する可能性があるため、母材の腐食を防ぐため、接合部が形成された後は加熱を停止する必要があります。アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けでは、フラックスを使用せず、超音波やスクレーパを用いて皮膜を除去する場合もあります。スクレーパを用いて皮膜を除去する場合は、まずワークをろう付け温度まで加熱し、はんだ棒の先端（またはスクレーパ工具）でワークのろう付け部分をスクレーパで削ります。表面の酸化膜を破壊しながら、はんだの先端が溶融し、母材を濡らします。
アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け方法は、主に火炎ろう付け、炉ろう付け、ディップろう付け、真空ろう付け、ガスシールドろう付けなどがあります。火炎ろう付けは、主に小型ワークピースや単品生産に使用されます。酸素アセチレン炎を使用する場合、アセチレン中の不純物とフラックスの接触によるフラックスの不具合を回避するために、母材の酸化を防ぐためにわずかに還元性のあるガソリン圧縮空気炎を使用することが適切です。具体的なろう付けの際には、ろう付けフラックスとフィラーメタルを事前にろう付け場所に置き、ワークピースと同時に加熱することができます。また、最初にワークピースをろう付け温度まで加熱し、次にフラックスに浸したはんだをろう付け位置に送ることもできます。フラックスとフィラーメタルが溶融した後、フィラーメタルが均一に充填されたら、加熱炎をゆっくりと取り除きます。
アルミニウムおよびアルミニウム合金を空気炉でろう付けする場合は、ろう材を予めセットし、ろう付けフラックスを蒸留水で溶かして濃度50％～75％の濃厚溶液を調製し、ろう付け面に塗布またはスプレーします。適量の粉末ろう付けフラックスをろう材とろう付け面に塗布し、組み立てた溶接物を炉内に設置して加熱ろう付けします。母材の過熱や溶融を防ぐため、加熱温度を厳密に管理する必要があります。
アルミニウムおよびアルミニウム合金のディップろう付けには、ペーストろうまたは箔ろうが一般的に用いられます。ろう付け前に、組み立てられたワークピースをろう付け温度に近づけて予熱した後、ろう付けフラックスに浸漬してろう付けを行います。ろう付け中は、ろう付け温度とろう付け時間を厳密に管理する必要があります。温度が高すぎると母材が溶解しやすく、はんだが失われやすくなります。温度が低すぎると、はんだが十分に溶融せず、ろう付け速度が低下します。ろう付け温度は、母材の種類とサイズ、ろう材の組成と融点に応じて決定され、一般的にはろう材の液相線温度と母材の固相線温度の間です。ワークピースをフラックス槽に浸漬する時間は、はんだが完全に溶融して流動する時間を確保する必要があります。また、保持時間が長すぎると、はんだ中のシリコン元素が母材に拡散し、継手付近の母材が脆くなる可能性があります。
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膜を改質し、はんだの濡れ広がりを確保するために、金属作動活性剤がしばしば用いられます。マグネシウムは、粒子の形でワークピースに直接塗布するか、蒸気の形でろう付け部に導入するか、アルミニウムシリコンはんだに合金元素として添加することができます。複雑な構造を持つワークピースの場合、マグネシウム蒸気が母材に十分な効果をもたらし、ろう付け品質を向上させるために、局所的な遮蔽工程がしばしば採用されます。具体的には、ワークピースをまずステンレス製の箱（通称プロセスボックス）に入れ、次に真空炉に入れて加熱ろう付けします。真空ろう付けされたアルミニウムおよびアルミニウム合金の接合部は、表面が滑らかで、ろう付け接合部が緻密であるため、ろう付け後の洗浄は不要です。しかし、真空ろう付け設備は高価であり、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です。
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でろう付けする場合、マグネシウム活性剤またはフラックスを使用して皮膜を除去することができます。マグネシウム活性剤を使用して皮膜を除去する場合、必要なマグネシウムの量は真空ろう付けよりもはるかに少なくなります。通常、w（mg）は約0.2％〜0.5％です。マグネシウムの含有量が多いと、接合部の品質が低下します。フッ化物フラックスと窒素保護を使用したNOCOLOKろう付け法は、近年急速に開発された新しい方法です。フッ化物フラックスの残留物は水分を吸収せず、アルミニウムに対して腐食性もないため、ろう付け後のフラックス残留物を除去するプロセスを省略できます。窒素保護下では、少量のフッ化物フラックスを塗布するだけでよく、フィラーメタルが母材をよく濡らすことができ、高品質のろう付け継手を容易に得ることができます。現在、このNOCOLOKろう付け法は、アルミニウムラジエーターなどの部品の量産に使用されています。
フッ化物系フラックス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残留物を完全に除去する必要があります。アルミニウム用有機ろう付けフラックスの残留物は、メタノールやトリクロロエチレンなどの有機溶液で洗浄し、水酸化ナトリウム水溶液で中和し、最後に温水と冷水で洗浄することができます。塩化物はアルミニウム用ろう付けフラックスの残留物であり、以下の方法で除去できます。まず、60〜80℃の温水に10分間浸し、ろう付け接合部の残留物をブラシで丁寧に洗い、冷水で洗浄します。次に、15％硝酸水溶液に30分間浸し、最後に冷水ですすぎます。
投稿日時: 2022年6月13日