HARIMATECHNOLOGY REPORT

アルミニウムろう付けにおける固形フラックスの開発概論
Introduction to the development of solid state flux in Aluminum brazing

田鶴 葵

森家智嗣

田 鶴 葵 研究開発カンパニー研究開発センター電子材料開発室
AOI TAZURU

Electronics Materials Development, R&D Center, R&D Company

森家智嗣 電子材料事業カンパニー ハリマテックチェコ
SATOSHI MORIYA

Harimatec Czech, Electronics Materials Company

AI-Si合金層

1
はじめにフィン（ろう材クラッド）

KAIF4

近年の世界的な環境問題への関心の高まりから、自動車分野では排ガス規制や燃費規制等の取り組みが進められており、カーエアコン等の車載用熱交換器においても小型・溶融KAIF4 膜

フィレット（AI-Si合金）

酸化被膜

［室温］
チューブ表面に塗膜形成
フィンと組み付け［577℃］
ろうが溶けフィンとチューブとを接合［565℃］
KAIF4 溶融酸化被膜を除去

図2 NB法による接合時の概念図

軽量・効率化が求められている。そのため、車載用熱交換器を構成する部材はすべて軽量なアルミニウム製であり、ニウムの金属表面に酸化被膜が存在し、ろう材による接合アルミニウム部材同士を接合することによって製造されてを阻害するためである。NB法では、この酸化被膜の除去いる（図1）。のためにフラックス（フッ化アルミン酸カリウム）が用いられる。部材にフラックスを塗布し加熱することで、565℃でフラックスが溶融し酸化被膜を除去する。その後577

熱交換器℃付近でろう材がアルミ基材との接触部分にて溶融し濡れ広がることでフィレットが形成される。このように、NB法ではアルミニウムを接合するためにフラックスをアルミ合金表面に供給する必要があるが、フラックス自体は常温で不活性な粉末であり、単体でアルミ合金表面にフラックスを担持させておくのが難しい。このため、アッセンブリ工程等でアルミ合金表面にフラックスを担持させておくためにはバインダが必要である。

接合（ろう付け）

総アルミ製
図1 車載用の熱交換器

アルミニウムの接合方法には、溶接・圧接・ろう付け・機械的接合法等さまざまあるが、車載用熱交換器の分野では、熱交換器の小型・軽量・効率化を図るため、①母材を溶かさないことで寸法精度が高い、②複雑な形状、多点接合

従来フラックスのバインダとしては合成樹脂が使用されており、フラックスと樹脂バインダと水（溶剤）を混合したフラックス塗料を、ロールコートや線幅の広いスプレーコートによってアルミ合金表面へ供給してきた。
図3に示すように車載用熱交換器は、冷媒の通路となる
ヘッダータンク

フィン

チューブ

サイドプレート

でも一度に接合することができ接合不良が起きにくい、③金属結合が形成されるため強度・熱伝導性・気密性が高い、④製造管理コストが低い、といった特徴があるノコロック
フラックスろう付け法（NB法）が主流となっている（図2）。

高温冷媒

NB法には母材であるアルミニウムより融点の低いAl-Si合金がろう材として用いられる。ろう材がアルミニウムの融点以下で溶融し接合したいアルミニウム同士の接触部分で濡れ広がることでアルミニウム同士を金属結合によって接合する。一方で、ろう材を単純に加熱しただけでは、アルミニウム同士を接合することはできない。それはアルミ
12Harima Quarterly No.153 2023 WINTER

チューブ断面

冷媒流路

図3 車載用の熱交換器の製造プロセス

低温冷媒

チューブ、熱交換させるためのフィン、これらを保持するため、狙った場所のみへ固形材を塗布するという新たな発ためのタンク、サイドプレートを基本構成としており、カ

想で、固形材が接触した部分のみ塗膜が成膜されることで、ーエアコンでは、チューブ内部を通過する冷媒から熱を奪精度が高く、環境負荷の小さい塗布プロセスの実現を試み

い、フィンを介して大気に放熱することが基本的な機能でた。

ある。近年、熱交換器の小型・軽量・高効率化が求められ固形材の塗布を実現するためには塗布時の現象を改めてる中で、アルミニウム部材の薄肉化が進められており、チ考える必要がある。固形材が別の基材に付着する際には固ューブは従来の押出多穴管（押出チューブ）から折り曲げ形材がアルミ基材に固着、外力により変形し、最後に破断た板材の間にフィンを挿入したインナーフィンチューブにすることで固形材の一部が脱離し、破断した材料が基材側切り替わりつつある（図４）。このようなアルミパーツのに定着することが必要である（図６）。

製造プロセスの切り替えから、小型・軽量・高効率化が試みられている。一方で、ろう付け箇所の微細化や増加によ固形材りろう付けの難易度は上がっており、従来のフラックス塗料では、十分な品質のろう付けを行えないことがある。例

アルミ基材

えば図５のようにフィン部分にフラックス塗料を塗布しても液だれによって接合箇所からフラックスが流れてしまうことで、フラックスが足りない部分では接合不良となり熱交換効率の低下が生じたり、フラックスが過剰な部分ではフラックス残渣による品質の劣化が起こってしまう。また余剰なフラックス塗料中の有機物により環境へ排出するアンカー効果・分子間相互作用による固着CO2が多くなってしまう。このため、複雑で精細な構造の相対移動による変形凝集破壊による破断と応力の緩和

図6 理想的な固形材塗布モード

車載用熱交換器部材へのフラックスの新しい供給方法を開発し、製品品質の向上や環境負荷の低減をすることが求め

このため、塗布する固形材には、基材に固着し外力によられる。そこで今回、塗材が接触した場所へのみ塗布が可って変形する粘弾性体の性質と、変形量が閾値を超えると能な固形形態のフラックス供給の塗布システムを考案し開破断（凝集破壊）する２つの性質が求められる。もし変形発を行った。本稿ではこの固形フラックスの実用化に向けが起こらないと、基材表面に固着することができない。また材料技術開発の概論について報告する。

た弾性体としての性質が強いと固着粒子の変形による内部応力が緩和できず、粒子が脱離してしまう。一方、凝集破

溶融アルミ

押し出しチューブ

インナーフィンチューブ

壊を起こしにくい材料は、最終的に基材に定着できず脱離してしまう。
弾性変形は規則正しく分子が配列した状態から分子の配列がずれるような変化であり、凝集破壊は分子の配列が断基材に厚みが必要

基材を薄くできる

図4 押出チューブとインナーフィンチューブの差異
フラックス不足による接合不良裂してしまう変化である。このため、いずれの現象においても分子間の相互作用が小さいほど、変形しやすく、凝集破壊を起こしやすくなる。結晶を構成する相互作用には、［チューブ断面］相互作用が大きい順に金属結合＞化学結合＞水素結合＞ファンデルワールス力がある。分子間の相互作用をできるだ
け小さくするために水素結合やファンデルワールス力で結過剰残渣による腐食促進

低冷却効率

図5 フラックス塗料によるインナーフィンチューブ接合不良モード

晶化している結晶性の有機物が固形材の塗布には適している。結晶性有機物としてワックスを例に挙げる（図７）。
ワックスでは分子間相互作用はファンデルワールス力のみである。このため変形や凝集破壊を起こしやすく固形材の2開発コンセプト
今回の開発にあたり、精細塗布時にフラックス塗料で起塗布に適した性質を持っている。
こうしてバインダである結晶性有機物（以降、固形フラックスと略称）に塗布機能を持たせることを材料設計コンセプトとした。

きる現象を解決すべく、次のようなコンセプトで開発を進めた。①局所的に少量を塗布することが可能で塗布部を限定できる。②液だれが生じない。しかし、前述のとおり液体状態のフラックス塗材ではこれらの狙いの実現は難しい

図7 パラフィンワックス（C=18)

13

HARIMATECHNOLOGY REPORT

値を超える試料を塗布しようとした際には、基材と塗布材

3
固形塗布についてとの摩擦によりブレーキがかかってしまい塗布ができなくなる結果となっている。今回の検証では、弾性率が高い試固体を塗布するにあたり、まず理想的な塗布モデルを次料はフラックス濃度が高い試料である。フラックスの濃度のように設定した。①塗布量は変形量に比例する。②変形が高いほど、固形フラックスの有効成分は高くろう付けに量は材料に与える力に比例する。③変形に使われる力は、は有利に働く。そのため弾性率の高い試料での塗布の可能接触部での材料と基材との相対移動および材料が基材に押性を探ることとした。そこで高弾性率試料が塗布できなかし付けられる力によって決まる。ただしこれら３つはすべった原因の考察を行いながら解決を図った。て同じ温度の場合に限定され、単位長さ当たりの塗布量が次の式１に当てはまる状態を理想的な塗布とした。
式１

変形量（塗布量＋脱落量）＝

材料に材料に与える力Ⅱ塗布与える力Ⅰ
係数 × （荷重） × 搬送により（材料に加わる力4
最適な試料形状の模索
接触× 面積）

高弾性率試料で搬送停止が起こってしまったのは、固形フラックスからの応力が基材を搬送するモーターの出力お材料の変形しにくさ（弾性率）よびアルミニウムの破断強度を上回ってしまったためであ

接触部が相対移動に伴うせん断破壊によって破断し、破断した分が基材への吸着および脱落量の総量になるというモデルである。ここで、材料固有の値である凝集破壊に要する力や接触面積（真実接触面積）といった項は塗布係数に置き換えられている。このモデルに基づいて固形材の種類を限定し、フラックスの濃度を変えることで硬さを調整ると考えられる。アルミ基材が受ける固形フラックスからの応力を考えると次のようになる。
式２
応力 ＝

材料固有の相対× 弾性率の× 移動速度× 荷重 × 接触係数関数
面積した直方体状の試料を圧力をかけてこすり付けることで塗材料を変更することなく応力を小さくするためには、式布を行いその塗布量の確認を行った。塗布装置の概略図を２で接触面積をできるだけ小さくする必要がある。直方体

図８に、塗布結果を図９に示す。の固形フラックスを塗布する際は、固形フラックスの板厚

図９のとおり、塗布量は荷重・接触面積に比例し弾性率に反比例することがわかった。

が薄くなるほど、接触面積は小さくなるため、より高弾性な試料の塗布が可能になる。しかし板厚が薄いとアルミ基

これにより基材と試料の相対移動と荷重により試料に力材から受ける応力によって今度は固形フラックス自体が折を加えることによって塗布量がコントロールできる理想的なれてしまう。これは、アルミ基材が相対移動する際に、材塗布が可能な材料系であり塗布方法であることを確認した。

料の内部に圧縮応力と引っ張り応力という２種類の内力がしかし一方で、図９の（ｂ）にあるように弾性率が一定の生じ、曲げモーメントにより固形フラックスが折れ曲がってしまうためである。板状の固形フラックスがアルミの移［巻出部］

搬送速度

［塗布部］

［搬送部］

［巻取部］

動によって力を受けた際には、最も曲げモーメントの大きくなる板の固定端で折れてしまう（図10-1）。
アルミ基材

アルミ箔コイル

固形フラックス
圧縮応力

曲げモーメントがかかる面積

圧力
図8 塗布評価装置の概略図
引っ張り応力

86塗布量

108塗布量108塗布量1064（g/m ）24（g/m ）20000002

102010基材との接触面積

基材との接触面積

メントに耐えることができると考えられる。そこで、円柱
50100

荷重
（kg）

弾性率（MPa）

接触面積(cm2)(a)押付荷重と塗布量(ｂ)弾性率と塗布量(c)接触面積と塗布量

図9 直方体形状の固形フラックスの塗布挙動

Harima Quarterly No.153 2023 WINTER

固定端

このことから、固定端の面積を大きくすれば、曲げモー25固定端

図10-1 固定端の曲げモーメントによる固形フラックスの破損

64（g/m ）2214アルミ基材

固定端面積状の固形フラックスを円の中心部で固定して円柱の接触部［直方体状］［円柱状］分を回転でつねに変えることで、最小の接触面積を維持し固定端面積つつ、固定端の面積を最大とすることとした（図10-2）。
これにより、弾性率8程度のものまでしか塗布できなかアルミ基材

アルミ基材

った直方体形状に対して、直径が10㎝程度の円柱固形フ潜熱材
固体

圧縮応力
ラックスでも弾性率の制限を受けることなく塗布すること曲げモーメントが溶解かかる面積が可能となった。この方法であれば、変形するものであれ固定端あり、接触面積の減少に起因する塗布量の減少も、固形フ
引っ張り応力ラックスの回転数で塗布量を調整することにより解決が可塗布安定領域能となった。

固形フラックス
融点
潜熱材融点

（g/㎡）
25151050

搬送（塗布）距離

基材との接触面積［直方体状］

固定端面積

搬送距離と塗布量

20
塗布量

固定端塗布不安定領域
サンプル温度ば理論上どのような硬さの固形フラックスも塗布が可能で潜熱材
液体050100150
搬送距離200 (m)

基材との接触面積

図12 固形フラックス内部の潜熱材の効果

固定端面積

ためには、固形フラックスの塗布時の温度を制御する必要［円柱状］

長距離・長時間塗布時も塗布量を安定して制御し続けるがある。加熱された材料の温度を制御するためには、変形

図10-2 直方体状固形フラックスと円柱状固形フラックスの接触面積と固定端面積により発生した熱を冷やすことが有効であるが、冷却機構を導入することは製造コストの増大を招き、環境負荷低減を目標とする今回の検討の目的にはそぐわない。そこで、固形フラックスの主剤より融点の低い潜熱材を配合するこ5
新たな問題とを試みた。潜熱材が融点近くで固形フラックスの温度を安定化させることで塗布量の安定化が望める。その結果をこのようにして短時間塗布が可能になった固形フラック

図12に示す。塗布時の温度は潜熱材の融点で安定させる

ス塗布プロセスであるが、長時間塗布時には新たな問題がことができ、長時間塗布時の塗布量安定化を達成すること生じた。固形フラックスの塗布は固形フラックスが弾性変ができている。

形し、変形量が閾値を超えたものが破断し、塗膜としてアルミ部材に定着している。すなわち、変形量が閾値を超えないものは破断せず試料表面に残っている。これにより、試料表面に残った「弾性変形した固形フラックス」は変形6
おわりににより熱を生じ、弾性変形熱が試料に蓄積されてしまう。

今回フラックスの新しい供給方法として固体状のフラッこの蓄積された熱によって固形フラックスの表面温度は上

クスの塗布の技術概論を述べてきた。この製造プロセスにがり続け、弾性率は減少し、塗布量が増加してしまう。さより、クリーンな局所塗布が可能となり、製品品質の向上らに長時間塗布すると固形フラックスの表面温度はいずれや環境負荷低減に貢献できると考えられる製造プロセスの結晶性有機物の融点に達し、溶融状態と非溶融状態化する。

礎を築くことができた。このようにして作成した塗膜を用

この状態では発生する熱量が安定せず、溶融量が安定しないることで問題なくインナーフィンの接合も可能となったい（材料と基材とのクリアランスが安定しない）。その結果、（図13）。

塗布量はさらに不安定化してしまう（図11）。

当社では固形フラックス以外でもアルミニウムのろう付けに必要な材料を種々取りそろえており、お客様の設計や搬送距離と塗布量

固形フラックス
融点

塗布量

サンプル温度（g/㎡）
2520151050

ブレ小0XRDスペクトル

搬送距離100150 (m)

固形フラックスの配列ピーク
（変形）

3600
1600

5000

400010はじめとするアルミニウムろう付け技術の発展に貢献していく所存である。

塗布不安定領域

ブレ大50Count

Count

5000

工程に最適なろう付け材料を提供することで、熱交換器を搬送（塗布）距離

固形フラックスの配列ピーク（固化時の再配列）

3600
1600
400

回折角2θ

22010

回折角2θ

塗り始め→変形モード
塗り中盤→変形モード＋溶融モード

図11 長時間距離塗布時の塗布量ブレ22

フィン高さ:1mm（ハリマ試作品）
図13 ろう付け後外観とフィン接合時のフィレット形成の様子

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