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劣悪である。主な理由は、表面に形成される酸化皮膜の除去が困難であるためである。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皮膜（Al2O3）を形成しやすい。同時に、マグネシウムを含むアルミニウム合金も非常に安定した酸化皮膜（MgO）を形成する。これらの皮膜は、はんだの濡れ性や広がりを著しく阻害し、除去も困難である。ろう付けを行う際には、適切なフラックスを使用しなければろう付け工程は実施できない。
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困難です。アルミニウムおよびアルミニウム合金の融点は、使用するろう付け用充填材の融点とほとんど変わりません。ろう付けに適した温度範囲は非常に狭く、少しでも温度制御が不適切だと、母材の過熱や溶融を引き起こしやすく、ろう付け作業が困難になります。熱処理によって強化されたアルミニウム合金の中には、ろう付け加熱によって過時効や焼きなましなどの軟化現象を起こし、ろう付け接合部の特性を低下させるものもあります。また、炎ろう付けでは、アルミニウム合金は加熱中に色が変化しないため、温度を判断するのが難しく、作業者の作業レベルに対する要求も高まります。
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、ろう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極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。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に使用されるフラックスのほとんどは強い腐食性を持つ。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及ぼす影響は完全には除去されない。
2.ろう付け材料
（１）アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けは、ろう付け用充填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起こりやすく、あまり用いられない方法である。軟ろう付けは主に亜鉛系はんだと錫鉛はんだを使用し、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℃）に分類される。錫鉛はんだを使用し、ろう付けのためにアルミニウム表面に銅またはニッケルを事前にめっきすると、接合界面での腐食を防ぎ、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用いられています。アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けには、アルミニウム系ろう材のみが使用可能であり、中でもアルミニウムシリコン系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接合部のせん断強度は、それぞれ表8と表9に示されています。ただし、このろう材の融点は母材の融点に近いため、母材の過熱や溶融を防ぐため、ろう付け中の加熱温度は厳密かつ正確に制御する必要があります。
表8 アルミニウムおよびアルミニウム合金用ろう付け用フィラー金属の適用範囲
表9 アルミニウムおよびアルミニウム合金接合部をアルミニウムシリコンろう材でろう付けした場合のせん断強度
アルミニウムシリコンはんだは通常、粉末、ペースト、ワイヤー、またはシートの形で供給されます。場合によっては、アルミニウムを芯材とし、アルミニウムシリコンはんだを被覆材とするはんだ複合板が使用されます。この種のはんだ複合板は水圧法で製造され、ろう付け部品の一部としてよく使用されます。ろう付けの際、複合板上のろう付け用充填材は、毛細管現象と重力によって溶融し、接合部の隙間を埋めるように流れます。
（２）アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付け用フラックスおよびシールドガス。皮膜を除去するために特殊なフラックスがよく使用される。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）は、低温軟ろう付けに使用される。このフラックスの利点は、母材への腐食作用が少ないことであるが、多量のガスが発生するため、ろう付けの濡れ性や密着性に影響を与える。塩化亜鉛をベースとした反応性フラックス（FS203、FS220Aなど）は、中温および高温軟ろう付けに使用される。反応性フラックスは腐食性が非常に高いため、ろう付け後に残留物を除去する必要がある。
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膜の除去が主流となっている。使用されるろう付けフラックスには、塩化物系フラックスとフッ素系フラックスがある。塩化物系フラックスは、酸化皮膜の除去能力が高く流動性も良好であるが、母材金属に対する腐食作用が大きい。そのため、ろう付け後には残留物を完全に除去する必要がある。フッ素系フラックスは、皮膜除去効果が高く母材金属を腐食し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ない。
アルミニウムおよびアルミニウム合金のろう付けには、真空、中性雰囲気、または不活性雰囲気がよく用いられます。真空ろう付けの場合、真空度は一般的に10⁻³Pa程度まで達する必要があります。窒素またはアルゴンガスを保護ガスとして使用する場合は、その純度が非常に高く、露点が-40℃以下でなければなりません。
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、ワークピース表面の洗浄に高い精度が求められます。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皮膜を除去する必要があります。表面の油汚れは、60～70℃のNa2CO3水溶液で5～10分間処理した後、きれいな水で洗い流してください。表面の酸化皮膜は、20～40℃のNaOH水溶液で2～4分間エッチングした後、温水で洗い流すことで除去できます。表面の油汚れと酸化皮膜を除去した後、ワークピースをHNO3水溶液で2～5分間処理して光沢を出し、流水で洗浄し、最後に乾燥させてください。これらの方法で処理したワークピースは、他の汚れに触れたり、汚染したりしてはならず、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のが望ましいです。
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、主にフレームろう付け、はんだ付け鉄ろう付け、炉ろう付けがあります。これらの方法は一般的にろう付けにフラックスを使用し、加熱温度と保持時間に厳しい要件があります。フレームろう付けとはんだ付け鉄ろう付けでは、フラックスの過熱と破損を防ぐため、熱源でフラックスを直接加熱することを避けます。アルミニウムは亜鉛含有量の高い軟ろうに溶解するため、接合部が形成されたら加熱を停止して母材の腐食を防ぐ必要があります。場合によっては、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、超音波またはスクレーピング法を使用して皮膜を除去することがあります。スクレーピングを使用してろう付けの皮膜を除去する場合は、まずワークピースをろう付け温度まで加熱し、次にハンダ棒の先端（またはスクレーピングツール）でワークピースのろう付け部分をこすります。表面の酸化皮膜を破壊すると、ハンダの先端が溶けて母材を濡らします。
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、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ります。火炎ろう付けは、主に小型のワークピースや単体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劣化を避けるため、還元性の低いガソリン圧縮空気炎を使用して母材の酸化を防ぐのが適切です。具体的なろう付けでは、ろう付けフラックスと溶加材を事前にろう付け場所に置いてワークピースと同時に加熱することができます。また、ワークピースを先にろう付け温度まで加熱してから、フラックスを浸したはんだをろう付け位置に送ることもできます。フラックスと溶加材が溶融したら、溶加材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。
空気炉でアルミニウムおよびアルミニウム合金をろう付けする場合、ろう付け用フィラーメタルをあらかじめ用意し、ろう付けフラックスを蒸留水で溶かして濃度50%～75%の濃溶液を作り、ろう付け面に塗布または噴霧する。また、適切な量の粉末ろう付けフラックスをろう付け用フィラーメタルとろう付け面に塗布し、組み立てた溶接部を炉に入れて加熱ろう付けすることもできる。母材の過熱や溶融を防ぐため、加熱温度は厳密に制御する必要がある。
アルミニウムおよびアルミニウム合金の浸漬ろう付けには、一般的にペースト状または箔状のろうが使用されます。組み立てられたワークピースは、ろう付け前に予熱してろう付け温度に近づけ、その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、母材が溶けやすく、ろうが失われやすくなります。温度が低すぎると、ろうが十分に溶けず、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になります。ワークピースをフラックス浴に浸漬する時間は、ろうが十分に溶けて流れるようにする必要があり、浸漬時間が長すぎてもいけません。そうしないと、ろう中のシリコン元素が母材に拡散し、接合部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、はんだの濡れ性と広がりを確保するために、金属作動活性剤がよく使用されます。マグネシウムは、粒子の形でワークピースに直接使用することも、蒸気の形でろう付けゾーンに導入することも、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もできます。複雑な構造の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発揮し、ろう付け品質を向上させるために、局所的な遮蔽処理措置がよく取られます。つまり、ワークピースをまずステンレス鋼の箱（一般にプロセスボックスと呼ばれる）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密であり、ろう付け後に洗浄する必要はありません。ただし、真空ろう付け装置は高価であり、マグネシウム蒸気が炉をひどく汚染するため、頻繁に洗浄およびメンテナンスする必要があります。
中性または不活性雰囲気でアルミニウムおよびアルミニウム合金をろう付けする場合、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の場合よりもはるかに少なくなります。一般的に、w (mg) は約 0.2% ～ 0.5% です。マグネシウム含有量が多いと、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する NOCOLOK ろう付け法は、近年急速に発展した新しい方法です。フッ化物フラックスの残留物は水分を吸収せず、アルミニウムを腐食しないため、ろう付け後のフラックス残留物の除去工程を省略できます。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済み、フィラーメタルが母材を十分に濡らすことができ、高品質のろう付け接合部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の場合、ろう付け後にフラックス残渣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渣は、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します。塩化物はアルミニウム用ろう付けフラックスの残渣であり、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、ブラシでろう付け接合部の残渣を丁寧に洗浄し、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