ロウ付け基礎知識(銀ロウ付け・アルミロウ付け・セラミックロウ付け・真空ロウ付け)

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銀ロウ付け・アルミロウ付け・セラミックロウ付け・真空ロウ付け

ロウ付けとは(ロウの原理)

ロウ付けは、主に銅や真鍮などの銅合金を接合する目的で利用される、金属接合技術の一つです。正確には溶接の部類には含まれず「ロウ接」と呼ばれる技術になります。

最も古くからある金属接合技術が「ロウ付け」です。佐藤製作所では、大気中で アセチレンガス を使用したバーナーでの銀ロウ付けを行っています。ロウ付けの方法は他にもあり、高周波加熱装置を使用したり、真空雰囲気炉で行う手法もあります。製品の用途や対象金属の種類によって、方法を選択します。

原理としては、母材そのものを融解させて固定させる溶接とは異なり、ロウ付けは母材を融解させません。代わりに、接合対象の2部品の間に「ロウ材」と言われる接着剤を溶かし込み、空気冷却して強固に固定します。銀ろう、と呼ばれているものは、ロウ材が銀のロウ材を使用しているからです。なので、アルミのロウ材であれば、アルミのロウ付け、黄銅のロウ材であれば、黄銅ロウ付け、銅のロウ材であれば銅ロウ付け、と呼び名が変わります。

以下、一般的なロウ付けの解説

↓

ロウ付けは英語で「Brazing」、はんだ付けは英語で「Soldering」と表記される。

AWS(American Welding Society:アメリカ溶接協会)の定義によれば、

液相線温度が450℃以上で母材の固相線温度よりも低い充填用金属(以下、ロウ材という)を用いて、金属を接合させる一群の溶接方法であり、上記のロウ材は近接した接合面間に毛管作用によって行き渡る。

となっている。

難しいので弊社独自の簡単な解説をすると、ロウ付けは木工用ボンドのようなものであり、接合したい２つ以上の部品を「ロウ材」というボンドで固めて接着するようなイメージである。つまり、部品自体は溶かさず（厳密に言えば境界面で合金が出来ているが）隙間にロウ材を染み込ませ、隙間を完全に埋めて固めるという接合方法である。ロウ付けは次の3つの条件を満たすことが必要である。

  1. 母材を溶かさないで接合されること
  2. ロウ材の液相線温度が450℃を超えていること
  3. ロウ材は、母材表面を濡らし、接合面間へ毛管作用によって浸透すること

この定義において「450℃以上」とあるところを「450℃以下」と変更すれば、はんだ付けの定義として通用することになる。すなわちロウ付けもはんだ付けも基本的には同じもので唯一使用するロウ材の液相線温度が異なるだけである。

ロウ付けとフラックスの化学的理論

溶融したロウ材が、 フラックス の助けにより母材金属の酸化物を還元し、相互の金属原子同士が近づくと、母材金属は溶融していないのにも関わらず、ロウ材は母材の結晶格子の中へ拡散して行き、両金属間に結合が行われる。

溶接における「濡れ」とは

ロウ付けは溶けたロウ材で母材表面がぬれることが必要条件である。「濡れ」とは、金属(必ずしも金属とは限らない)の表面に液体が薄く広がっている現象または状態をいう。良好なロウ付けが実現されるためには母材表面をロウ材で如何によくぬらすかというとが鍵となる。

上手な銀ロウ付け（アルミロウ付け）方法とは

適切な量と絶妙なタイミングでロウ材を落とすことは大前提とし、母材と使用条件に適したロウ材を選定すると共に(様々な形状、材質のロウ材がある)、母材表面の酸化物を上手く除去し、ぬれを助けるフラックスの選定及び前処理が重要な要因となる。弊社の強みはここにあり、様々な材質・形状・用途に沿って最適なロウ付け接合が出来るノウハウを各自が所持していることである。

最近ではこれまで培ってきた金属のロウ付け技術を応用して、セラミックのロウ付けや、セラミックと金属のロウ付け、パーマロイなどの高機能材を用いたロウ付け製品の加工に挑戦している。上記にあるように、ロウ付けにはこれといって決まった最適な方法が無いことが特徴で、特に多品種小ロットを手掛ける弊社においてはその都度製品に合った最適な手法を考えてロウ付けする為、多くの経験と知識が必要不可欠となる。

またこれが高付加価値ロウ付け製品には欠かせないノウハウとなっている。その為、弊社では一朝一夕で加工できるレベルのマニュアルなどは無く、時間をかけて若手を教育していくことが一番の近道であると考えている。

ロウ付け製品の検査・測定・品質管理について

ロウ付け製品の検査の種類としては「引張強度検査、気密性検査、外観検査、非破壊検査」などがあるが、比較的高額な費用が発生してしまうものが多いという特徴がある。最も低コストでかつ一般的に行われている検査が「外観目視検査」で、主に検査員の主観による ピンホール やクラックの目視確認となっている。しかし、強度や気密性を数値で測定することは出来ない。

次の段階で行う検査が、「水没によるエア漏れ検査」（気密試験・リーク試験・耐圧試験などの呼び名がある）である。こちらは製品ごとに穴を塞ぐ為の治工具が必要となるので別途費用が発生する。しかしロウ付けによる致命的なピンホールや貫通穴を検査することが出来るので費用対効果の高い検査となっており、不良出荷が激減する為、弊社はここまでご依頼頂く事が多い。製品の用途によっては、大気でのリーク試験でなく分子径の微小なヘリウムガスによるリーク試験検査もあるが、こちらは専門の試験装置＋治具が必要になる為かなり高額になる。

最後の段階が非常に高額なコストとリードタイムが発生してしまう「引張強度検査」「非破壊内部検査（CTスキャン）」の２つ。これらについては、研究開発案件や、失敗が許されない非常に品質要求レベルの高い製品の試作段階で行う事が多い。実際に弊社でもこれらの検査結果を頂いた実績が多くあるが、全てお客様内若しくは検査機関に依頼して行って頂いている。しかし検査結果としては最高レベルのデータとなっており、問題の発見や改善点などの早期発見には非常に有益なものとなっている。具体的に言えば、引張強度試験では強度が数値で解析され、形状や材質によって強度の良し悪しが明確になる。非破壊内部検査では、目視では確認することが出来ないロウ付け内部の ピンホール やクラックをX線でスキャンすることが出来、こちらも形状や材質による内部品質の良し悪しが明確になる。

ロウ付けの気密性・耐圧性について

弊社の加工実績では、MAX２５気圧（2.5MPa）までの耐圧試験をクリアしている。こちらのデータは航空宇宙製品の測定を行う試験場で行った耐圧試験実績データとなっている。因みに弊社内でもリーク試験を行う事が可能で、その場合は２気圧（0.2MPa）までの水没試験になる。

現状継続して納品させて頂いている医療機器などは弊社にて全数リーク試験を行い、出荷検査している。直近では宇宙で使用するアルミ製のヒートシンクを製作したが、その際の耐圧基準が２５気圧で、アルミのロウ付けでその基準をクリアした。ロウ付けは、空気・水・電波などの漏れには非常に強い接合である。

ロウ付けの種類（バーナーや真空炉、高周波加熱など）

  1. バーナーの火を利用した、大気中で手作業で行うロウ付け
  2. 真空炉を使用した、炉中真空ロウ付け
  3. 大気炉を使用した、炉中ロウ付け

それぞれにメリットとデメリットがあり、佐藤製作所が得意なのはどのロウ付けかを踏まえて説明する。

バーナーの火を利用した、大気中で手作業で行うロウ付け（弊社で対応可能）

⇒こちらが現在弊社で最も強みとしているロウ付け手法である。完全に手作業で行うロウ付けの為、多品種小ロット向きで、１個からの短納期品に特に強みを持つ。

また目で見て作業する為、複雑な形状や、１製品の中で複数個所のロウ付けをする際に強く、良し悪しが即時判断出来るためその場ですぐ修正が効く点もメリットである。弊社の得意とする、極小・極細・極薄などの金属部品のロウ付けも手作業で行うことで具現化が可能となる。

デメリットとしては手作業の為、繰り返し量産製品には不向きで、かつ量産による大幅なコストダウンも難しい。また、個人の技量に品質が依存する為、製品の出来が人によってばらつくこともデメリットであり、見た目の良し悪しが明確に分かれてしまう。しかし佐藤製作所ではこのデメリットの部分に付加価値を設定している為、個人の技量を高める事・若手の採用育成・品質の一定化を同時進行で力を入れて行っている。（三代目日記を参照）

真空炉を使用した、炉中真空ロウ付け（条件次第で弊社で対応可能）

⇒こちらは大気中ではロウ付けが出来ない種類の金属やセラミックをロウ付けする為に使用する手法で、名前の通り炉中を真空にすることで酸化を防ぎロウ付けを行う。一般的には、セラミックのロウ付けやチタンなどをロウ付けすることが出来る設備で、さらに大気中でもロウ付けは出来るが酸化することがNGな製品等は真空炉でロウ付けを行う事もある。メリットが多いように思えるが、デメリットとしてはロウ付けの難易度が高く品質を安定化させる事が難しい、真空炉にマッチする最適なロウ材が市場にあまり出回っていない、ロウ付けコストが高い、小ロット短納期対応が難しい、などが考えられる。

また真空炉にも様々な種類があり、真空炉があればどんなものでもロウ付け出来るという訳では全くない。ロウ付け対象物の大きさ制限や、小ロット向き量産向き、真空度のレベル、などの条件があり、ロウ付けを行う製品によって最適な真空炉を選定するところから始まる。

弊社は現時点では多品種小ロットの高精度ロウ付けを強みとしている為、小型の小ロット向き真空炉を有しているが、真空度がやや低めな為アルゴンガスを充填させてロウ付けを行うなど日々研究を重ねている。ジルコニアと鋼材のロウ付けや、アルミナのロウ付け、ステンレスの真空ロウ付けなどの実績を少しずつ出している。

大気炉を使用した、炉中ロウ付け（弊社では対応不可）

⇒こちらは主に継続する量産品（月産数万～数十万）向けに行う手法で、大型の設備を所持している工場でないと対応することが出来ない。決まっている製品を、決まっている治具にロウ材と共にセットし、炉に入れ、後は蓋をして自動で加熱しながらベルトコンベアで流して行う手法だ。量産ということで自動車関連のロウ付け部品などで利用されることが多い。

メリットは量産対応が可能なこと、数量増に伴い大幅なコストダウンが見込めるということである。デメリットとしては、小ロット対応が不可なこと、数量が少ないと単価が跳ね上がること、一度セットして炉に入れると出てくるまで製品の良し悪しが見えない事、やり方が決まってしまうと価格競争になること、複雑な形状や精密なロウ付けが出来ない、などであろう。弊社では大気炉を利用したロウ付け案件は対応が出来ないのでお断りさせて頂いている。

ロウ材の種類

ロウ材には様々な種類があり、展示会などで良く質問を頂く為、一般的なものを紹介する。そもそもロウ付けというのは、接着剤となる「ロウ材」（棒状の合金）を熱で溶かして、接合する金属同士の隙間に溶かし込んで冷却して固定するという接合方法である。良く使われる「銀ロウ」という言葉は、あくまで接着剤である「ロウ材」の中の１種類の事を指しており、沢山あるロウ材の中で最も汎用性が高く、多く利用されている。その為、「銀ロウ付け」という言葉が＝ロウ付けと認識されているケースが多い。因みに銀ロウ材の種類だけでも、３０種類～存在している。

弊社でもロウ付け仕事の８割以上は「銀ロウ付け」で、残りは「アルミのロウ付け」「銅ロウ付け」となっている。他にも「黄銅ロウ」「金ロウ」などの種類がある。また「ロウ材」は数種類の金属の合金である為、その含有率の違いによって「銀ロウ」の中にも様々な種類のものがある。用途や目的によって最適なロウ材を選定出来る事も、弊社の強みの一つである。

銀ロウで接合出来る金属

上記でロウ材には様々な種類がある事を説明したが、最も汎用性が高く弊社でも一番依頼を頂いている「銀ロウ付け」で接合出来る金属の種類を明示する。銅、真鍮、ステンレス、鉄、タングステン、銀、超硬、ニッケルなどが主であり、異種金属同士の接合も出来る事が強みの一つである。しかし、異種金属の場合は熱膨張係数や熱伝導性、結晶構造の変化などを考慮してロウ付けを行う為難易度が上がり高度な技術が必要になる。

因みにアルミの場合はアルミ同士のロウ付けになり、ロウ材も「アルミロウ」というものを使用して行う。弊社ではアルミと異種金属の接合も行っているが、こちらはより難易度が上がり熟練の経験と知識が必要になる。研究開発案件や航空宇宙関連、先端技術、スパコン関連などの分野で依頼を頂いている。

銀ロウ材の化学成分比率

弊社がメインで使用している「銀ロウ」材は、JIS規格で「BAg-7」という品番で、銀・銅・亜鉛・錫の合金である。その化学成分比率はAg56%、Cu22%、Zn17%、Sn5%となっており、この成分比率を変化させることで融点やコストや濡れ性が異なる銀ロウ材が多数存在する。お客様からJIS規格の品番を指定して頂ければ、弊社ではあらゆるロウ材でのロウ付けに対応することが出来る。

弊社はロウ材の成分比率が細かく記載されたリストを所持している為、お問い合わせ頂ければそちらを開示し製品用途に最適なロウ材をコスト面を踏まえて提案することが出来る。因みに基本的に全てRoHS対応の材料を使用している為、カドミウム(Cd)が含まれたロウ材は弊社では使用していない。

ロウ付け・銀ロウの温度・融点・耐熱性

約700℃前後と考えて頂ければ大きく外れることはないと思われる。しかし上記１０にあるように、ロウ付けの融点・耐熱性も使用するロウ材によって異なる為、都度使用するロウ材の情報を確認する必要がある。弊社がメインで使用する「BAg-7」は650℃～760℃となっており、ロウ付けする際に母材はそれ以上に加熱されることとなる。航空宇宙部品や精度要求の高い先端技術部品などは、母材の加熱による変形や組成変化等も踏まえてロウ材の選定から実際の作業段取りまでを緻密に計算する必要があり、弊社はその部分を得意としている。

また、バーナーでの加熱は実作業中の温度を数値管理することは出来ないが、弊社も所持している真空炉であれば数値による温度制御が可能な為、必要以上に母材を加熱する事が無くなる。弊社では母材の加熱に敏感な製品の場合、真空炉で温度制御するロウ付けをお勧めしている。

アルミのロウ付け

アルミのロウ付けは、銅や真鍮を銀ロウ付けする作業と比較して、難易度が格段に上がる。そもそも誤解されやすいが、アルミは「銀ロウ付け」することができない。上記９、１０に記載があるように母材がアルミの場合は、「アルミロウ」というロウ材を使用する。アルミロウで、ロウ付けを行う事が「アルミのロウ付け」ということになる。この辺りは誤解を招きやすいので、しっかりとした認識が必要となる。

そしてアルミのロウ付けが高難度である理由は、「ロウ材の融点と、母材の融点が近いから」である。アルミのロウ材であるアルミロウの融点が580℃～605℃という狭い範囲となっており、かつ母材の融点が約660℃となっている。少しでも母材を過加熱すれば溶解してしまい、加熱が甘いとアルミロウの浸透が悪くなり不良品となる。この非常に狭い範囲の温度管理を行い、様々な形状に対応していかないといけない為、アルミの手作業でのロウ付けは非常に難易度が高く、ロウ付けを仕事としている職人でもうまくいかず失敗するケースが多い。

しかし弊社は、アルミの手作業によるロウ付け技術を強みの一つとしており、多様なアルミロウ付け製品を手掛けており、同業のロウ付け会社からアルミのロウ付けだけ依頼を請け負う事もある。勿論、特定の人に依存してしまわないように技術継承も同時進行で行っている。また最適な材料の選定や、ロウ付けヵ所の加工形状提案なども行い、ロウ付け後は水没による耐圧試験（リーク検査）まで行い、検査証明書の提出までを一貫対応している。

下記はんだ付けの欄にも記載するが、アルミのはんだ付けも難易度が高い。しかし弊社ではアルミのはんだ付け品についても対応しており、アルミと銅のはんだ付けなどの異種金属はんだ付けも行っている。主にヒートシンクやコールドプレート、放熱器、水冷器といった電子機器の放熱に利用される事が多い。最近ではアルミの数倍の放熱性を持つ銅製ヒートシンクの製造依頼が増えている。

ロウ付けの用途例

上記１などにあるように、ロウ付けは「母材を溶かさない」「隙間を埋める」「異種金属接合に強い」という特徴のある金属接合方法である（これ以外にもある）。この特徴を活かし様々な用途に利用されている。弊社実績を踏まえ、いくつか紹介させて頂く。

  1. 小さい部品（溶接だと溶けるから）
  2. 細いパイプ
  3. 薄い板
  4. 穴を塞ぐ
  5. 水や空気が漏れるとまずい品
  6. 球の接合
  7. 修理
  8. 上から蓋をする
  9. ２種類以上の金属部品接合
  10. 複数に重ねた板を固定する

・・・これらはほんの一例で、まだまだ沢山の用途がある。

セラミックのロウ付け

セラミックのロウ付けは、一般的な金属ロウ付けと比較して難易度が高いとされているが、実現は可能。難易度が高い理由は、ロウ材がセラミックの表面に付着しないことが理由である。他にも、チタンや鋳物、ダイキャストなどといった類は同様の理由でロウ付けし辛いとされている。付着しない原因は各々異なっており、酸化被膜が邪魔をしていたり、母材の鋳巣（気泡などの隙間）、不純物、などがある。

佐藤製作所では、記述したような難易度の高いロウ付け加工に特に力を入れて日々研究改善を重ねている。実績としては窒化アルミニウム、アルミナ、マコール、ジルコニア、などといったセラミックと、一般的な金属である銅、アルミニウム、真鍮、ステンレス、タングステン、超硬といった異種金属接合がある。ロウ付けの手法も全てにおいて統一している訳ではなく、その都度最適な手法を選定して行っている。難易度が高い案件で技術力とノウハウが必要となる。

ロウ付けと溶接の違い

大きな違いは「母材を溶かさない」ということだろう。上記にも書かれているが、溶接に対するロウ付けのメリットを何点か説明する。

  1. 小さい・細い・薄い部品に強い
  2. 面で接合する品に強い（内部にロウ材が浸透していく為）
  3. 気密性が高い
  4. 異種金属接合に強い
  5. 穴や溝を埋められる　・・・

こちらも一例である。逆にデメリットとして考えられる事は

  1. 溶接に比べて強度がやや劣る
  2. 作業コストが高い
  3. 量産に不向き
  4. 大物に不向き　・・・

などで、大きなデメリットはやはりコストと量産性ではないかと思われる。簡単に言えば、精密部品の一品一様が得意なロウ付けに対し、量産品を低コストで対応出来るのが溶接であるというイメージだろう。勿論、溶接品も一品一様があるし、ロウ付けにも量産品が存在する為、あくまで一般的に見てのざっくりしたイメージである。また、銅や真鍮の接合は基本的に溶接でなく、銀ロウ付けで行っている為、ロウ付けの強みの一つは銅や真鍮を含む製品を接合出来ることが挙げられる。

ロウ付けに適している製品や形状

ロウ付けの特徴は「母材を溶かさない」「隙間を埋める」「異種金属接合に強い」などである。この特徴を活かして製造される製品としては、

  1. ヒートシンク
  2. プローブ
  3. 導波管
  4. 磁気シールドケース
  5. 冷却パイプ
  6. 放熱フィン
  7. 電極
  8. ヒートパイプ
  9. 燗銅壺

などが一例である。形状としては、ブロックに細いパイプを接合する品や、板を張り合わせて箱状にする品、棒やパイプの先端に球などを接合する品、などはロウ付けに適している一例だろう。

はんだ付けとの使い分け（はんだ付けの方がメリットがある場面）

簡単に言えば
強度品質が兎に角必要だ　→　「銀ロウ付け」　　強度はそれなりで、付いていれば良い。コストを抑えたい。→　「はんだ付け」
といえるだろう。

佐藤製作所ではご依頼された案件に対して、たとえ図面指示で「銀ロウ付け