JP5996321B2

JP5996321B2 - フラックスろう付方法

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Publication number: JP5996321B2
Application number: JP2012171379A
Authority: JP
Inventors: 岩井　一郎; 一郎岩井; 長野　喜隆; 喜隆長野
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: JP2014030832A

Description

本発明は、高速熱風加熱によるフラックスろう付方法に関する。

アルミニウム等の金属部材をろう付するに際し、加熱方法としてチャンバー内に高温熱風を供給して強制対流を起こし、対流熱と輻射熱とでろう付を行う方法がある。この高温熱風加熱によれば、短時間で被ろう付品が昇温するので短時間でろう付できる。

また、フラックスろう付においては、金属部材へのフラックスの付与方法として、フラックスを水に溶いた水溶きフラックスをスプレー塗布する方法、粉末フラックスを静電気で付着させる静電塗装方法（特許文献１参照）、フラックス、樹脂バインダおよび溶剤を混合したフラックス組成物を塗布する方法（特許文献２参照）等がある。

特許第３６０３７１０号公報特許第３８１５５７６号公報

しかしながら、上述した従来の方法でフラックスを付着させた金属部材を高温熱風加熱でろう付しようとすると以下のような不都合が生じていた。

水溶きフラックスの塗布や静電塗装はフラックスの付着力が弱く、高速熱風を受けるとフラックスが溶融する前に脱落してしまい、フラックス不足によるろう付不良となることがあった。

また、樹脂バインダを含むフラックス組成物として付着させた場合は、高速熱風加熱の短時間昇温ではバインダの分解および揮発が間に合わず、未分解のバインダによってろう付不良となることがあった。

さらに、水溶きフラックスやフラックス組成物を用いた湿式塗布の場合はろう付加熱前に水や溶剤を除去する乾燥工程が必要となるため、短時間でろう付できるという高速熱風加熱のメリットを十分に生かすことができない。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、短時間でろう付できるという高速熱風加熱のメリットを生かして良好にろう付できるフラックスろう付方法の提供を目的とする。

即ち、本発明は下記［１］〜［４］に記載の構成を有する。

［１］金属部材の表面にフラックス粒子をコールドスプレーして付着させるフラックス付着工程と、
前記フラックス粒子を付着させた金属部材を高速熱風によって加熱してろう付する加熱工程とを有することを特徴とするフラックスろう付方法。

［２］前記金属はアルミニウムである前項１に記載のフラックスろう付方法。

［３］前記熱風の風速は１４．５ｍ／ｓｅｃ以上である前項１または２に記載のフラックスろう付方法。

［４］前記熱風は不活性ガスの熱風である前項１〜３のいずれかに記載のフラックスろう付方法。

上記［１］に記載のフラックスろう付方法によれば、フラックスがコールドスプレーによって金属部材に強く付着しているので、高速熱風を受けてもフラックスが脱落することなく溶融し、所期するフラックス効果を奏して短時間で良好なろう付が達成される。また、コールドスプレーは乾式作業であるから、湿式塗布後の乾燥等の後作業を要さず、フラックス付着工程後はすぐに構成部材の組み立てや加熱工程を行うことができるので、高速熱風加熱による短時間ろう付の効果を生かすことができる。また、付着させるのはフラックスのみであるから、バインダや溶剤に起因してろう付不良が発生する余地がない。

上記［２］に記載のフラックスろう付方法によれば、アルミニウムろう付品の作製において上記の効果を奏することができる。

上記［３］に記載のフラックスろう付方法によれば、特に短時間でろう付が達成される。

上記［４］に記載のフラックスろう付方法によれば、特に良好なろう付を達成することができる。

本発明におけるフラックス付着工程を模式的に示す図である。本発明における加熱工程を模式的に示す図である。実施例の逆Ｔ字型継ぎ手を示す正面図である。実施例の逆Ｔ字型継ぎ手を示す平面図である。比較例の逆Ｔ字型継ぎ手を示す正面図である。比較例の逆Ｔ字型継ぎ手を示す平面図である。

本発明のフラックスろう付方法は、コールドスプレーによってフラックスを付着させた金属部材を高温熱風加熱によってろう付する。

本発明においてにおいて、金属部材はフラックスろう付が可能なものでありかつフラックスをコールドスプレーによって金属部材に付着させることが可能である限り、その金属の種類や組成は限定されず任意のものを用いることができる。本発明は、例えば、アルミニウム、銅、鉄およびこれらの合金のフラックスろう付に適用できる。

ろう材の組成も限定されず金属部材の組成に応じたものを適宜用いることができる。また、ろう材の供給方法も限定されず、ワイヤや箔として供給しても良いし、金属部材にクラッドしたブレージングシートとして用いても良い。

［フラックス付着工程］
コールドスプレーは粒子を固相状態のままで高速で噴射し対象物に衝突させて付着させる手法であり、水やバインダを用いることなく対象物表面にフラックス粒子を付着させることができる。具体的には、例えば図１に参照されるように、噴射装置のノズル（10）からフラックス粒子（11）をキャリアガスによって高速で噴射して金属部材（12）に付着させる。

コールドスプレーによって金属部材に付着させたフラックス粒子は水溶きフラックスの塗布や静電塗装で付着させるよりも付着力が強く、加熱工程で高速熱風を受けても脱落しなし。また、スプレーであるから平面に限らず凹凸表面、曲面、屈曲部等にもフラックスを付着させることができ、金属部材（12）上の任意の領域にフラックスを付着させることができる。また、前記ノズル（10）と金属部材（12）とを相対的に移動させながらスプレーすることにより、長尺の金属部材や大面積の金属部材にもフラックスを付着させることができる。

フラックスの種類は金属部材、ろう材、ろう付温度等に応じて任意のものを使用できる。アルミニウム部材のろう付においては、特に非腐食性のものを使用することが好ましい。非腐食性フラックスを使用することにより、ろう付品の耐食性を高めることができる。アルミニウム用の非腐食性フラックスとしては、ＫＡｌＦ_４、ＣｓＦ、ＫＺｎＦ_３、ＫＦ、ＡｌＦ_３、Ｋ_２ＡｌＦ_５、Ｋ_３ＡｌＦ_６、ＺｎＦ_２、ＬｉＦ、ＢｉＦ_３等のフッ化物系フラックスを例示できる。これらのフラックスはろう付温度に応じて１種または２種以上の混合フラックスを用いることができる。また、これらのうちでも、５８０〜６２０℃のろう付に適したフラックスとして、ＫＡｌＦ_４、ＫＺｎＦ_３およびＣｓＡｌＦ_４を推奨できる。

前記フラックス粒子（11）は平均粒径が２５μｍ以下のものを用いることが好ましい。粒径が大きすぎると金属部材（12）に付着しにくくなって付着効率が低下するおそれがある。フラックス粒子（11）の平均粒径の下限値は限定されないが、小さくなり過ぎると粒子の慣性力が小さくなり、金属部材（12）近くで流速が遅くなって付着効率が低下するおそれがあるため、３μｍ以上が好ましい。フラックス粒子（11）の好ましい平均直径は３〜２０μｍである。

また、コールドスプレーの噴射温度は、フラックス粒子（11）の変形および付着効率に影響を及ぼす因子である。噴射温度が高すぎるとフラックスが変成してフラックスとしての機能が低下するおそれがあるため、フラックスの融点より３０℃以上低い温度で噴射することが好ましく、５０℃以上低い温度であればなお好ましい。噴射温度の下限値は限定されないが、常温（２５℃）程度であれば付着させることができる。但し、温度が低すぎるとフラックス粒子が十分に軟化せず、付着効率が低下するのでフラックスの融点との温度差が１５０℃以内であることが好ましい。即ち、好ましい噴射温度はフラックスの融点よりも３０〜１５０℃低い温度であり、特に好ましい噴射温度はフラックスの融点よりも５０〜１５０℃低い温度である。なお、本発明において噴射温度とは噴射時の粒子温度であり、フラックス粒子の加熱または加熱したキャリアガスを用いることによって実現できる。

また、フラックス粒子（11）が金属部材（12）の表面に衝突する速度は粒子の付着性に影響する因子であり、金属部材（12）の表面への平均衝突速度が１００ｍ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。平均衝突速度が１００ｍ／ｓｅｃ未満では、付着せずに脱落する粒子が多くなって付着効率が悪く不経済である。一方、平均衝突速度が速くなりすぎると、平均衝突速度が速すぎて衝突時の衝撃で基材が変形するおそれがあるので５００ｍ／ｓｅｃ以下が好ましい。特に好ましい平均衝突速度は１５０〜４５０ｍ／ｓｅｃである。

前記フラックス粒子（11）を高速噴射するためのキャリアガスの種類は限定されず、空気、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等を例示できる。フラックス粒子（11）を酸化させないために、特に窒素ガスやアルゴンガス等の非酸化性雰囲気下で噴射することが好ましい。

前記フラックスはコールドスプレーによって付着させるので、金属部材（12）上に任意量のフラックス粒子（11）を付着させることができ、付着量の調節も容易である。フラックス付着量は２〜１０ｇ／ｍ^２の範囲が好ましい。良好なろう付を達成するにはフラックス付着量が２ｇ／ｍ^２以上であることが好ましい。一方、１０ｇ／ｍ^２を付着させれば十分に良好にろう付できるので１０ｇ／ｍ^２を超える多量のフラックスを付着させるには及ばない。フラックスの特に好ましい付着量は３〜６ｇ／ｍ^２である。

上述したフラックス付着量はフラックスを付着させた領域における量であり、アルミニウム部材の全表面における付着量ではない。

前記フラックスの付着は被ろう付品を組み立てる前の金属部材に対して行っても良いし、複数の金属部材を組み立てた被ろう付品に対して行っても良い。また、被ろう付品を構成する金属部材のうちの少なくとも１つがコールドスプレーによってフラックスを付着させたものであれば本発明に含まれる。

［加熱工程］
上記の工程でフラックスを付着させた金属部材を組み立てた被ろう付品、あるいは金属部材を組み立て後にフラックスを付着させた被ろう付品を高速熱風加熱によりろう付する。

高速熱風加熱とは、加熱した気体を高速で流動させることによりろう付雰囲気に強制対流を起こし、強制対流熱と輻射熱とによって加熱する方法である。発明において高速熱風とは風速１４．５ｍ／ｓｅｃ以上の熱風である。例えば、図２の高速熱風加熱装置に示したように、加圧した気体（20）をヒーター（21）で加熱し、熱風をチャンバー（22）内に送り込むことによってチャンバー（22）内の雰囲気を強制的に対流させる。このような高速熱風加熱によれば、被ろう付品（30）に接触している気体が速やかに入れ替わるので被ろう付品（30）の実体温度は短時間で昇温し、フラックスおよびろう材が短時間で溶融してろう付が達成される。高速熱風加熱は、気体を加圧せずに自然対流と輻射熱とで加熱する加熱方法に比べると昇温が速く短時間でろう付を行うことができる。

本発明において、フラックスはコールドスプレーによって被ろう付品（30）に強く付着しているので、高速熱風を受けても脱落することなく溶融し、所期するフラックス効果を奏して短時間で良好なろう付が達成される。また、コールドスプレーは乾式作業であるから乾燥等の後作業を要さず、フラックス付着工程後はすぐに組み立てや加熱工程を行うことができるので、高速熱風加熱による短時間ろう付の効果が生かされる。また、付着させるのはフラックスのみであるから、バインダや溶剤に起因してろう付不良が発生する余地がない。

本発明において、加熱雰囲気の気体（熱風）は限定されないが、良好なろう付を達成するために窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを使用することが好ましい。

本発明における高速熱風の風速は上述したとおり１４．５ｍ／ｓｅｃ以上である限り限定されないが、短時間で効率良くろう付を行うためには２９ｍ／ｓｅｃ以上の風速で強制対流させることが好ましい。特に好ましい風速は２９〜１４５ｍ／ｓｅｃである。

なお、図２の加圧気体をヒーター（21）で加熱してチャンバー（22）に送り込む高速熱風加熱装置においては、チャンバー（22）内に送り込まれる高速熱風の風速を加熱前の気体の温度および流速に基づいて管理することができる。加熱された気体は熱膨張によって加速されるので、高速熱風の風速Ａ１（ｍ／ｓｅｃ）は、加熱温度Ｔ１（℃）、加熱前の気体の温度Ｔ２（℃）、加熱前の気体の風速Ａ２（ｍ／ｓｅｃ）から下記式（ｆ）から計算によって計算される。

Ａ１＝Ａ２×｛（Ｔ１＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）｝ … （ｆ）
たとえば、常温２５℃（Ｔ２）の気体からＴ１＝６００℃で１４．５ｍ／ｓｅｃ以上の風速（Ａ１）の高速熱風を得るには、上記の式（ｆ）から逆算して加熱前の気体の風速（Ａ２）を４．９ｍ／ｓｅｃ以上に設定すれば良い。

ろう付試験として図２に示す逆Ｔ字型継ぎ手（30）を作製した。

前記継ぎ手（30）において、水平材（31）はＡ３００３からなる心材（32）の片面にＡ４０４５からなるろう材（33）をクラッドしたブレージングシートであり、寸法は幅２５ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚み１ｍｍ、クラッド率が１０％である。垂直材（34）はＡ３００３のベア材からなり、寸法は幅２５ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み１ｍｍである。また、使用したフラックスおよびフラックス付与面は実施例および比較例ともに共通であり、平均粒径２０μｍのＫＡｌＦ_４を水平材（31）のろう材（33）側の面および垂直材（34）の両面に下記の方法で付着させた。
（実施例１、２）
４００℃の窒素ガスをキャリアガスとし、ガス圧２ＭＰａでフラックス粒子を水平材（31）および垂直材（34）にコールドスプレーし、フラックスを付着させた。フラックス付着量は表１に示すとおりである。
（比較例１）
フラックス１０質量％、水８９．９５質量％、界面活性剤０．０５質量％の割合で混合した水溶きフラックスを水平材（31）および垂直材（34）にスプレー塗布し、乾燥炉で乾燥させて水分を除去した。フラックス付着量は表１に示すとおりである。
（比較例２）
フラックス３３質量％、バインダとしての水溶性樹脂１質量％、水６６質量％の割合で混合したフラックス組成物を水平材（31）および垂直材（34）にスプレー塗布し、乾燥炉で乾燥させて水分を除去した。フラックス付着量は表１に示すとおりである。

［ろう付試験］
フラックスを付着させた水平材（31）と垂直材（34）とを逆Ｔ字型継ぎ手（30）に組み立て、図２に示したろう付用チャンバー（22）内で窒素ガスを用いて高速熱風加熱を行った。ろう付温度は実体温度で６００℃とし、窒素ガス（高速熱風）の風速（Ａ１）を２９ｍ／ｓｅｃまたは８７ｍ／ｓｅｃとして、３分間加熱した。

前記高速熱風の風速（Ａ１）は、加熱温度Ｔ１＝６００℃（ろう付温度）、加熱前の窒素ガスの温度Ｔ２＝２５℃（測定値）、加熱前の窒素ガスの風速Ａ２＝１０ｍ／ｓｅｃ（測定値）または３０ｍ／ｓｅｃ（測定値）から下記の式（ｆ）によって求めた計算値である。

Ａ１＝Ａ２×｛（Ｔ１＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）｝ … （ｆ）
上記の加熱において、被ろう付品の実体温度が６００℃に昇温するまでに要した時間を表１に示す。

また、ろう付した逆Ｔ字型継ぎ手（30）を観察し、図３Ａおよび図３Ｂに示すように垂直材（34）の周囲にフィレットが均一に形成されたものをろう付性良好「○」と評価し、図４Ａおよび図４Ｂに示すようにフィレットの形成が不均一であったものをろう付不良「×」と評価した。これらの評価結果を表１に示す。

表１より、コールドスプレーでフラックスを付着させた実施例１、２は高速熱風加熱を行ってもフラックスが脱落することなく短時間で良好にろう付できた。一方、水溶きフラックスを塗布した比較例１は熱風を受けてフラックスが脱落したためにろう付不良であった。比較例２は６００℃に昇温するまでの時間内にバインダが分解・揮発せずに残留していたためろう付が阻害されてろう付不良となった。

本発明はアルミニウム等の金属ろう付品の製造に適用できる。

11…フラックス粒子
12…金属部材
20…熱風
22…高速熱風加熱用チャンバー
30…被ろう付品（継ぎ手）

Claims

金属部材の表面にフラックス粒子をコールドスプレーして付着させるフラックス付着工程と、
前記フラックス粒子を付着させた金属部材を、風速２９〜１４５ｍ／ｓｅｃの高速熱風によって加熱してろう付する加熱工程とを有することを特徴とするフラックスろう付方法。
前記金属はアルミニウムである請求項１に記載のフラックスろう付方法。
前記熱風は不活性ガスの熱風である請求項１または２に記載のフラックスろう付方法。