ほぼすべての組み立て工程は、複数の方法で実行できます。メーカーやインテグレーターが最良の結果を得るために選択するオプションは、通常、実績のある技術を特定の用途に適合させるものです。
ろう付けはそのようなプロセスの一つです。ろう付けとは、2つ以上の金属部品を、溶加材を溶かして接合部に流し込むことで接合する金属接合プロセスです。溶加材は、隣接する金属部品よりも融点が低くなっています。
ろう付けに必要な熱は、トーチ、炉、または誘導コイルによって供給できます。誘導ろう付けでは、誘導コイルが磁場を発生させ、基材を加熱してろう材を溶融させます。誘導ろう付けは、ますます多くの組立用途において最適な選択肢であることが証明されています。
「誘導ろう付けは、トーチろう付けよりもはるかに安全で、炉ろう付けよりも速く、どちらよりも再現性が高い」と、オハイオ州ウィロビーに拠点を置く創業88年のシステムインテグレーター、Fusion Inc.のフィールドおよびテストサイエンス担当マネージャー、スティーブ・アンダーソン氏は語る。同社はろう付けを含む様々な組立方法を専門としている。「さらに、誘導ろう付けは簡単です。他の2つの方法と比べて、必要なのは標準的な電気だけです。」
数年前、Fusion社は金属加工および工具製造用の超硬バー10個を組み立てるための全自動6ステーションマシンを開発しました。このバーは、円筒形および円錐形のタングステンカーバイドブランクを鋼製のシャンクに取り付けて作られます。生産速度は1時間あたり250個で、別個の部品トレイには144個のブランクとツールホルダーを収納できます。
「4軸SCARAロボットがトレイからハンドルを取り出し、はんだペーストディスペンサーに送り、グリッパーのネストにセットします」とアンダーソン氏は説明します。「次に、ロボットはトレイからブランク材を取り出し、接着するシャンクの端に置きます。誘導ろう付けは、2つの部品に垂直に巻き付けられた電気コイルを使用して行われ、銀フィラーメタルを1,305°F（約700℃）の液相線温度まで加熱します。バリ取りされた部品の位置合わせと冷却後、排出シュートを通して排出され、後工程のために回収されます。」
誘導ろう付けは、2つの金属部品を強力に接合できること、そして異種材料の接合に非常に効果的であることから、組立用途での利用が増加しています。また、環境問題への意識の高まり、技術の進歩、そして従来とは異なる用途の登場も、製造技術者が誘導ろう付けに注目するきっかけとなっています。
誘導ろう付けは1950年代から存在していますが、誘導加熱（電磁気を利用する）の概念は、それより1世紀以上前にイギリスの科学者マイケル・ファラデーによって発見されていました。ろう付けの最初の熱源は手持ちトーチで、1920年代には炉がそれに続きました。第二次世界大戦中は、炉を用いた方法が、最小限の労力と費用で大量の金属部品を製造するために頻繁に使用されました。
1960年代から1970年代にかけてのエアコンに対する消費者の需要の高まりは、誘導ろう付けの新たな用途を生み出した。実際、1970年代後半にアルミニウムの大量ろう付けが実現したことで、今日の自動車用エアコンシステムに見られる多くの部品が誕生した。
「トーチろう付けとは異なり、誘導ろう付けは非接触式で、過熱のリスクを最小限に抑えます」と、アンブレル社の営業部長リック・バウシュ氏はTEST.temperature誌に述べています。
eldec LLCの営業・業務マネージャーであるグレッグ・ホランド氏によると、標準的な誘導ろう付けシステムは3つの構成要素から成り立っている。それは、電源、誘導コイルを備えた作業ヘッド、そして冷却装置または冷却システムである。
電源は作業ヘッドに接続され、コイルは接合部に合わせてカスタム設計されます。インダクタは、ソリッドロッド、フレキシブルケーブル、機械加工されたビレット、または粉末銅合金から3Dプリントして作ることができます。ただし、通常は中空の銅管で作られ、いくつかの理由で水が流れます。1つは、ろう付けプロセス中に部品から反射される熱を打ち消すことでコイルを冷却することです。流れる水はまた、交流電流が頻繁に存在し、その結果として非効率的な熱伝達が生じるため、コイル内の熱蓄積を防ぎます。
「コイル上に磁束集中器を配置して、接合部の1つまたは複数の箇所で磁場を強化することがあります」とホランド氏は説明します。「このような集中器は、薄い電磁鋼板を密に積み重ねた積層型、または粉末状の強磁性材料と誘電体結合材を高圧で圧縮した強磁性管のいずれかです。どちらのタイプを使用しても、集中器の利点は、接合部の特定の領域にエネルギーをより速く供給することでサイクル時間を短縮し、他の領域の温度上昇を抑えることができる点です。」
誘導ろう付けのために金属部品を配置する前に、作業者はシステムの周波数と電力レベルを適切に設定する必要があります。周波数は5～500kHzの範囲で設定でき、周波数が高いほど表面の加熱速度が速くなります。
電源装置は数百キロワットの電力を供給できるものが多い。しかし、手のひらサイズの部品を10～15秒でろう付けするには、わずか1～5キロワットしか必要としない。これに対し、大型部品のろう付けには50～100キロワットの電力が必要となり、最大5分かかる場合もある。
「一般的に、小型部品は消費電力が少ないものの、100～300キロヘルツといった高い周波数を必要とします」とバウシュ氏は述べた。「一方、大型部品はより多くの電力を必要とし、周波数は低く、通常は100キロヘルツ以下です。」
金属部品は、サイズに関わらず、固定する前に正しく配置する必要があります。溶加材が適切に毛細管現象を起こすように、母材金属間に隙間をしっかりと確保するように注意が必要です。この隙間を確保するには、突き合わせ継手、重ね継手、突き合わせ重ね継手が最適です。
従来型または自己固定型のどちらでも構いません。標準的な固定具は、ステンレス鋼やセラミックなどの導電性の低い材料で作られ、部品との接触はできるだけ少なくする必要があります。
互いに噛み合う継ぎ目、圧着加工、凹み、またはローレット加工を施した部品を設計することで、機械的な支持を必要とせずに自己固定を実現できる。
次に、接合部を研磨パッドまたは溶剤で洗浄し、油、グリース、錆、スケール、汚れなどの汚染物質を除去します。この工程により、溶融した充填金属が接合部の隣接面を伝って浸透する毛細管現象がさらに促進されます。
部品が適切に取り付けられ、洗浄された後、作業者は接合部に接合剤（通常はペースト状）を塗布します。この接合剤は、溶加材、フラックス（酸化防止剤）、および溶融前に金属とフラックスを結合させるバインダーの混合物です。
ろう付けに使用される充填金属とフラックスは、はんだ付けに使用されるものよりも高い温度に耐えられるように配合されています。ろう付けに使用される充填金属は、少なくとも842°F（約400℃）の温度で溶融し、冷却すると強度が増します。これらには、アルミニウム-シリコン合金、銅、銅-銀合金、真鍮、青銅、金-銀合金、銀、ニッケル合金などがあります。
次に、オペレーターはさまざまな形状の誘導コイルを配置します。らせん状コイルは円形または楕円形で部品を完全に囲み、フォーク（またはピンサー）コイルはジョイントの両側に配置され、チャンネルコイルは部品に引っ掛けます。その他のコイルには、内径（ID）、内径/外径（OD）、パンケーキ、オープン、マルチポジションなどがあります。
高品質なろう付け接続には、均一な加熱が不可欠です。そのためには、作業者は各誘導コイルループ間の垂直距離が小さく、結合距離（コイルの外径から内径までのギャップ幅）が均一であることを確認する必要があります。
次に、作業者は電源を入れて接合部の加熱プロセスを開始します。このプロセスでは、中周波または高周波の交流電流を電源からインダクタに高速で送り込み、周囲に交流磁場を生成します。
磁場によって接合面に電流が誘起され、その電流によって熱が発生して溶加材が溶融し、金属部品の表面を流れて濡らすことで、強固な接合が形成される。多位置コイルを使用することで、このプロセスを複数の部品に対して同時に実行できる。
ろう付けされた各部品の最終的な洗浄と検査をお勧めします。部品を少なくとも120°F（約49℃）に加熱した水で洗浄すると、フラックスの残留物やろう付け中に形成されたスケールが除去されます。部品は、ろう材が固化した後、まだ熱いうちに水に浸してください。
部品によっては、最小限の検査に続いて非破壊検査と破壊検査が行われる場合があります。非破壊検査の方法には、目視検査や放射線検査、漏れ検査や耐圧検査などがあります。一般的な破壊検査の方法には、金属組織検査、剥離検査、引張試験、せん断試験、疲労試験、伝達試験、ねじり試験などがあります。
「誘導ろう付けはトーチ方式よりも初期投資額は大きくなりますが、効率性と制御性が向上するため、それだけの価値があります」とホランド氏は述べた。「誘導ろう付けでは、熱が必要なときは押すだけで済み、必要でないときは押すだけで済みます。」
Eldec社は、誘導ろう付け用の幅広い電源を製造しており、例えば、各用途に最適な構成で提供されるECO LINE MF中間周波数シリーズなどがあります。これらの電源は、5～150kWの電力定格と8～40Hzの周波数で提供されています。すべてのモデルには、オペレーターが3分以内に100%連続デューティ定格をさらに50%増加させることができるパワーブースト機能を搭載できます。その他の主な機能には、高温計による温度制御、温度記録計、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ電源スイッチなどがあります。これらの消耗品は、メンテナンスがほとんど不要で、静かに動作し、設置面積が小さく、ワークセルコントローラと簡単に統合できます。
いくつかの業界のメーカーは、部品の組み立てに誘導ろう付けをますます利用するようになっている。バウシュ氏は、自動車、航空宇宙、医療機器、鉱山機械のメーカーが、アンブレル社の誘導ろう付け装置の最大ユーザーであると指摘している。
「自動車業界における誘導ろう付けアルミニウム部品の数は、軽量化への取り組みにより増加し続けている」とバウシュ氏は指摘する。「航空宇宙分野では、ニッケルなどの摩耗パッドがジェットブレードにろう付けされることが多い。両業界とも、様々な鋼管継手の誘導ろう付けも行っている。」
Ambrell社のEasyHeatシステム6機種はすべて、150～400kHzの周波数範囲を持ち、様々な形状の小型部品の誘導ろう付けに最適です。コンパクトモデル（0112および0224）は25ワット単位の電力制御が可能で、LIシリーズのモデル（3542、5060、7590、8310）は50ワット単位の電力制御が可能です。
両シリーズとも、電源から最大10フィート離れた場所に設置可能な着脱式ワークヘッドを備えています。システムの前面パネルコントロールはプログラム可能で、エンドユーザーは最大4つの異なる加熱プロファイルを定義でき、それぞれに最大5段階の時間と電力のステップを設定できます。リモート電源制御は、接点入力またはアナログ入力、あるいはオプションのシリアルデータポートで利用可能です。
「当社の誘導ろう付けの主な顧客は、炭素を含む部品、または鉄を多く含む大型部品を製造するメーカーです」と、フュージョン社の事業開発マネージャーであるリッチ・クケルジ氏は説明します。「これらの企業の中には、自動車産業や航空宇宙産業向けの製品を提供しているところもあれば、銃、切削工具アセンブリ、配管の蛇口や排水管、配電ブロックやヒューズなどを製造しているところもあります。」
Fusion社は、1時間に100個から1,000個の部品を誘導ろう付けできるカスタム回転システムを販売している。Cukelj氏によると、単一タイプの部品、または特定の部品シリーズであれば、より高い歩留まりが可能だという。これらの部品のサイズは2平方インチから14平方インチまでである。
「各システムには、Stelron Components Inc.製のインデクサーと8、10、または12のワークステーションが搭載されています」とCukelj氏は説明する。「一部のワークステーションはろう付けに使用され、他のワークステーションは、ビジョンカメラやレーザー測定装置を使用した検査、または高品質なろう付け接合部を確保するための引張試験に使用されます。」
ホランド氏によると、メーカーはエルデックの標準的なECO LINE電源を、ローターやシャフトの焼き嵌め、モーターハウジングの接合など、さまざまな誘導ろう付け用途に使用しているという。最近では、この発電機の100kWモデルが、水力発電ダム発電機の銅製回路リングを銅製タップ接続部にろう付けする大型部品の用途に使用された。
Eldec社は、周波数範囲10～25kHzで工場内を簡単に移動できるポータブル電源MiniMICOも製造しています。2年前、自動車用熱交換器チューブのメーカーがMiniMICOを使用して、各チューブにリターンエルボを誘導ろう付けしました。ろう付け作業はすべて1人で行い、各チューブの組み立てには30秒もかかりませんでした。
ジムはASSEMBLYのシニアエディターで、30年以上の編集経験を持っています。ASSEMBLYに入社する前は、PMエンジニア、Association for Equipment Engineering JournalおよびMilling Journalの編集者を務めていました。ジムはデポール大学で英文学の学位を取得しています。
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