ろう接｜はんだつけで知られる接合方法

2023.01.29

ろう接

ろう接とは、溶接しようとする母材よりも、溶融点の低いろう材（非鉄金属や合金）を溶加材として用い、母材との接合面をほとんど溶融させずに、ろう材だけを溶融させて接合する接合方法である。固体状態の母材自体を溶かさない点が最大の特徴であり、熱影響を最小限に抑えることが可能となる。母材を溶融させずに接合できることで、複雑な構造の部品や異なる金属同士を確実に結合できる技術として広く活用されている。温度や母材との相性など、多角的な要素を検討して適切なろう材を選び、加熱方法を工夫することで均一で強固な接合が実現できる。

Table Of Contents

概要

ろう接法とは、母材の接合したい部分に、母材よりも低い温度で溶けるろう材を溶かして流し込み、母材は溶けたか、もしくはほとんど溶けないで、ろう材の母材におけるぬれ現象（ろう材が母材表面の隙間にきて一般的に広がる現象）と、ろう材と母材との接触面に起こる拡散現象をいう。樹脂の場合、ろう材の原子が母材の原子の一部と相互に拡散しあう現象を利用して、接合を行う。

用途

・通常の溶接法（融接法や圧接法）が利用できない薄物・異種板や管板の接合。
・継手の密封
・加熱による変形を少なくする母材の接合。
・母材そのものの材質や形態を最小限に制限した接合

ろう接法の分類

ろう接法の分類には大きく二つの方法がある。使用する熱源や加熱方法（装置）による分類では、火炎ろう付け、炉中ろう付け、誘導ろう付け、高周波ろう付け、抵抗ろう付け、ディップろう付け、こてを用いるろう付けがある。また、使用するろう材や、接合する母材の種類による分類分類では、銅ろう付け、鋼ろう付け、金ろう付け、銀ろう付け、ニッケルろう付け、アルミニウムろう付けがある。

ろう付け

ろう付けとは、ろう材には溶融点が450°C以上の硬ろう（黄銅ろう、銀ろう）や約400°C以下の軟ろう（鉛とすずの合金であるはんだ）を溶かして接合する方法である。硬ろうには、黄銅ろうや銀ろうが使われるが、黄銅ろうは銅と亜鉛の合金で亜鉛約60%までのものが使われ、主に鉄鋼に用いられる。高速度鋼工具や超硬合金を炭素鋼のバイトシャンクにろう付けして使われている。銀ろうは銀、銅、亜鉛の合金で、銅、黄銅、銀などのろう付けに向いている。また、融点を下げるためにカドミウムを加えた銀ろうは、作業が容易で、接合部は強力で美しい表面が得られ、金銀の細工物をはじめ黄銅、洋白、鉄鋼のろう付けに用いられる.

はんだ付け

はんだ付けとは、鉛とすずが50%ずつのはんだが最も多く使われ、融点が214°Cで電気回路に使用される。一般的に知られている接合方法であるが、強度はほとんどないため、構造物には使われない。近年、では鉛が環境問題となるため、鉛を含まない、すずと銅、すずと銀と銅、すずと亜鉛などの組成のはんだが広まっている。

ろう材

ろう材とは、接合したい部材よりも融点が低く、かつ機械的強度や腐食耐性などの要求特性を満たすために用いる合金である。ろう材の種類は多数存在し、代表的なものとして銅系ろう材、銀系ろう材、アルミニウム系ろう材、ニッケル系ろう材などが挙げられる。はんだ付けの代表として、錫・鉛はんだ付けがあげられる。

ろう材の特徴

  • 銅系ろう材：安価で強度や導電性を両立できる。配管や熱交換器などで利用される。
  • 銀系ろう材：融点が低く、電子部品や医療機器の微細加工が必要な場面で多く用いられる。

温度の考え方

ろう材の融点は、接合作業の温度管理に直結するため極めて重要である。加熱温度がろう材の融点より低すぎると溶融が起こらず、接合が不十分となる。一方で、融点をはるかに超える温度まで加熱すると、母材が熱影響を受けやすくなり、強度低下や変形の原因となる。よって、ろう材の融点をしっかり把握し、母材の熱伝導特性や作業環境なども考慮して、最適な加熱条件を定める必要がある。

母材との相性

ろう材と母材の相性は、接合強度のみならず接着界面の気密性や耐食性にも影響を及ぼす。たとえば、鉄鋼系の母材には銅系ろう材がよく用いられるが、クロムなどの元素を多く含むステンレス鋼では、接合後の腐食を防ぐためにニッケルや銀を主成分とするろう材を選択する場合がある。また、アルミニウム合金のように表面が酸化されやすい素材では、ろう材にフラックス成分を含ませるなどの特別な対策が必要となる。適切なろう材を用いることで、ろう接特有の優れた気密性や接合性が最大限に引き出される。

加熱方法

ろう接の加熱には複数の手段が存在し、主に作業規模や使用するろう材の特性、母材の熱伝導度などに応じて使い分けられる。連続生産ラインでは炉を利用したろう付けが一般的であり、小規模な修理や補修作業ではトーチを用いることが多い。いずれの場合でも、ろう材が十分に溶融し母材表面に均一に広がる温度分布を作り出す工夫が求められる。

ろう付け炉

工場などで大量生産を行う際は、ろう付け炉を用いるケースが多い。炉内は制御された温度環境に設定され、雰囲気ガスを調整することで酸化や不純物の侵入を防ぎながらろう材を溶融させることができる。特に真空炉や不活性ガス炉などを用いれば、ろう材と母材の界面が酸化されにくく、均一で高品質な接合が期待できる。自動化ラインと組み合わせることで、安定した量産が実現可能である。

トーチろう付け

小規模な修理や現場施工ではトーチろう付けが広く普及している。ガスバーナーや酸素・アセチレンバーナーを用い、手作業で母材を加熱しながらろう材を溶かして接合する方法である。作業者の熟練度が品質を左右するが、比較的簡易な設備で取り組める利点も大きい。狭い場所や複雑な形状の部材でも、局所的に熱を加えやすいため、現場対応力の高い手法といえる。

h3>ろう接の利点と注意点

ろう接は母材を溶かさずに接合できるため、溶接と比べて変形や歪みが少ないのが特徴である。また、異種金属の接合にも適しており、電子機器や配管設備、航空宇宙分野など幅広い領域で活躍している。一方で、高温を扱うため作業者の安全管理や設備の温度制御が重要となる。適切なろう材と加熱条件を選択しなければ、接合強度や気密性が不十分になり、想定以上の応力や腐食に弱い部位が生じる可能性がある。

利点

  • 母材を溶融させないため、熱影響部が小さく、歪みが少ない
  • 異種金属の接合が可能であり、材料設計の自由度が高い
  • ろう材の融点が比較的低いことから、省エネかつ低コストの工法として成立しやすい

注意点

ろう接では、母材の表面に「ろう材」がよくなじむ「ぬれ」が必要である。母材表面が酸化物や油分などに汚染されていると、ろう材が広がらず密着性が損なわれる。したがって、接合前の表面処理や洗浄が不可欠となる。また、ろう材の選定を誤ると、温度差や長期使用による腐食・熱劣化により接合部が脆化するリスクが高まる。フラックスの取り扱いやガス環境の調整などを適切に行うことで、ろう接特有の問題点を回避できるケースが多いが、実際の作業においては常に試作やテストを重ね、安全かつ強固な接合条件を確立することが望ましい。

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