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ワイヤーカットとは

ワイヤーカット (英: wire cut electric discharge machining) とは、ワイヤーと加工物との間の放電現象による高熱で加工物を溶かして切断する加工方法です。

正式にはワイヤー放電加工と呼びます。ワイヤーカットは、導電性のあるほとんどの金属が加工可能です。板厚が薄いアルミ板から、超硬素材の厚さ50mmまでの加工ができます。

加工精度が高く、複雑な形状の加工することも可能であり、精密部品の加工に適しています。

ワイヤーカットの使用用途

ワイヤーカットは、素材の硬さに関係なく、導電性のあるものであれば、種類を問わず高精度で加工ができます。

切削では困難な鋼板、ステンレス板、銅板、アルミ板などの薄い金属板の加工から、焼入鋼・超硬・ステンレス・真鍮・アルミ・インコネル・ダイス・多結晶ダイヤなどの超硬素材まで、ワイヤーカットが可能です。

ワイヤーカットの原理

ワイヤーカットによる加工は、まず加工槽に加工液である純水や油などを満たし、加工物を液中に固定します。そして、電極に真鍮やタングステン等の細いワイヤーを使用し、ワイヤーを走らせながら、ワイヤーと加工物の間の放電爆発を繰り返し発生させます。パルス電流の放電による高熱で加工物金属を溶解させ、加工物と非接触で切断します。

ワイヤーカットに使用されるワイヤーは、直径0.1～0.3mmほどの真鍮製のものがよく使われます。真鍮は導電性に優れた素材であるためです。

加工時に発生する温度は、6,000～7,000℃に達します。また、加工槽の冷却装置が作動して水温を一定に保ち、素材の熱膨張・変形を防ぎます。

加工物の加工屑の排出と冷却を行うため、パルス電流を用います。加工物とワイヤー電極との隙間は、数10μm程度の近接状態に維持されます。

ワイヤーカットの種類

ワイヤーカットは、ワイヤー電極と加工物を冷却する方法で、さまざまな方式があります。

1. 噴流式ワイヤーカット

噴流式は、加工物及び電極に付着したスラグを、加工液を噴射して冷却及び除去する方式です。

2. 水中浸漬ワイヤーカット

加工物及び電極を純水内に置き、加工中に発生したスラグを加工液で冷却及び除去する方式です。 純水を使用する為、火災の心配もなく、現在主要な方式となっています。

3. 油槽浸漬ワイヤーカット

加工物及び電極を油内に置き、加工中に発生したスラグを加工液で冷却及び除去する方式です。

ワイヤーカットのその他情報

1. ワイヤーカットのメリット

高精度微細加工
ワイヤーカットは、µ精度での加工が可能です。研削盤と遜色ないほどの精度が出ます。加工物のスライス加工 、リングの半割加工 、ギアの半割加工などの切代が0.4mm以内の加工が容易です。

また、直線切断の他、円弧状の切断や複雑な形状にも対応できます。また、上下のワイヤーを別々に動かすことで、テーパー形状も可能です。

難削材加工
超硬金属 (鉄、コバルト等) や耐熱合金 (モリブテン等) などの切削加工が難しいものでも、素材の厚み・大きさ・硬さに関係なく、導電性があれば加工が可能です。

綺麗な仕上がり
ワイヤーカットは、バリが発生せず、きれいな仕上がりが得られます。バリ除去の工程が不要のため、工程を短縮できます。

非接触加工
試験片などの用途で、切削加工すると残留応力が残るが、ワイヤーカットは非接触加工であるため、加工物に対する負荷が発生しません。また、水中で加工するため熱変異もわずかです。

切削工具が不要
ワイヤーカットは、切削加工に使用する工具類が不要です。切削工具に比べ安価なワイヤーを使うので、工具交換の手間が無く、消耗品のコストも低減できます。

2. ワイヤーカットのデメリット

加工速度が遅い
ワイヤーカットは、加工物を少しずつ溶かして切断するので、加工速度が切削加工と比較して遅い短所があります。1分当たり数mm程度です。

有底加工物が不可
ワイヤーカットのワイヤーが加工物を貫通して加工するので、底のあるものは加工不可です。切断と切り抜きに特化した加工機と言えます。放電加工で底のある加工物を加工する場合は、型彫放電加工機を使用します。

導電性が必須
導電性がない加工物は、ワイヤーカットでは、加工不可です。

水平方向は加工不可
ワイヤーは垂直方向に走行するので、水平方向の加工はできません。

メッキ加工とは

メッキ加工とは、工作物 (ワーク) を指定の溶液槽に浸漬しワーク表面上に金属の薄い被膜を作る加工方法です。

「メッキ」という言葉とは、古代の仏像の金メッキに使用した、金と水銀の合金 (アマルガム) を「滅金」と呼んだことに由来します。日本での近代的な電解メッキ工場は1887年 (明治20年) に誕生した宮川電鍍工場 (大阪) から始まり、日本全国へ広がっていきました。

また、メッキ金属の種類はニッケルめっきから始まり、現在では多くの金属 (亜鉛、金、銀、銅等) メッキが存在します。メッキ工業が大きな発展を遂げたのは、第2次大戦後アメリカで無電解ニッケルメッキが発明されたのがきっかけです。

その後、プラスチック材料として有名なABS樹脂にメッキが可能となった結果、家電製品、自動車部品など、現在ではさまざまな分野で使用されています。

メッキの種類

1. ニッケルメッキ

ニッケルメッキは他の金属との密着性が高いため、ステンレスメッキや金などの下地メッキとして使用されます。耐食性や、耐熱性を高めることが可能です。一般的には、電解メッキや無電解メッキによってメッキ加工されます。

ニッケルメッキについて詳しくみる

2. クロムメッキ

クロムメッキはメッキの厚みにより、装飾クロムメッキと硬質クロムメッキに分けられます。硬質クロムメッキの方が厚いです。硬質クロムメッキは、被膜の厚さからワーク表面の耐摩耗性が高い製品 (部品) に使用されます。また、装飾クロムメッキはワーク表面に光沢と耐腐食性が得られるため、高級感が求められる自動車部品や家電製品に多く使用されています。

クロムメッキについて詳しくみる

3. ロジウムメッキ

ロジウムめっきは化学的に極めて安定で、硬度が非常に高く傷がつきにくく、耐摩耗性も良好で500℃以下では酸化しないなど良好な特性をしめすため、光学機器や電子機器などさまざまな工業分野で使用されています。

ロジウムメッキについて詳しくみる

4. 金メッキ

金メッキは、高い電気伝導性と耐腐食性が大きなメリットとなり種々の部品に採用されています。具体的には高い電気伝導性から電子基板やコネクターの接続端子に、耐腐食性からアクセサリーなどに利用されています。電解メッキによるメッキ加工が一般的です。

金メッキについて詳しくみる

5. 亜鉛メッキ

亜鉛メッキは鉄製品の錆を防ぐため多く用いられます。鉄製品の表面に傷がついた場合はキズ部分に亜鉛が溶出して不動態と呼ばれる膜を作り、高い防錆効果を発揮します。装飾として用いる場合は電解メッキ、耐腐食として用いる場合は無電解メッキによりメッキ加工されます。

メッキ加工の原理

メッキ加工は、使用する溶液に電気を通すか否かで加工方法が分かれます。

1. 無電解メッキ

無電解メッキは外部から電源供給を行わずにメッキ液にワークを浸して化学反応を行い、金属薄膜を析出する方法です。電気が流れないセラミックやプラスチックに対してもメッキが可能で、均一な金属薄膜を形成することができます。さらに、複雑な形状のワークに対しても均一にメッキができるメリットがあります。

2. 電解メッキ

電解メッキは電気化学反応によりワーク表面に金属を析出する方法です。金属イオンを含んだ水溶液 (電解液) にワークに入れ、電解液を陽極、浸漬したワークを陰極として直流電流を流します。すると電解液中の金属イオンが陽極から陰極に移動し、ワーク表面にメッキができます。

電解メッキはメッキを早く施すことが可能で、コストも低く抑えられる一方で、均一な金属皮膜ができないことがデメリットです。さらに、セラミックやプラスチックなど、電気の通せないものには使えないため、利用できる製品に限りがあります。

3. 置換メッキ

置換メッキとは金属のイオン化傾向を利用したメッキ加工です。メッキ加工の方法としてはまず、金属イオンを含んだ水溶液中にワークを入れます。すると金属間のイオン化傾向の差から、溶液中金属とワーク金属が置換されて、ワーク表面に溶液金属が析出します。

電気エネルギーや還元剤などを利用せず、メッキ加工が可能です。ただ、し置換メッキは金属のイオン化傾向を利用することから、イオン化傾向の小さい製品や金属以外の製品には利用できません。

メッキ加工の方式

無電解メッキ、電解メッキ、置換メッキはいずれも、電解質水溶液に漬けながらメッキを施す湿式法といわれる方法でメッキ加工を施します。湿式法は、さらに上記で解説した無電解メッキと電解メッキに分類されます。

プラズマ切断とは

プラズマ切断 (英: plasma cutting) とは、工作物の金属とタングステン電極の間にプラズマ放電を発生させ、高熱のプラズマ気流により金属を溶解切断する方法です。

プラズマ放電、即ちプラズマジェットを吹き付けた工作物の表面温度は、2万度に達するため、どのような金属も切断できます。また、プラズマジェットの周辺も高温になるので、冷却水等でノズルを冷やすのが一般的です。

プラズマ切断の使用用途

プラズマ切断は、主にガス溶断が困難なステンレス鋼やアルミニウム合金などの溶断に使われ、軟鋼の高速切断にも用いられます。原理上、ほぼ全ての金属と一部の非金属材料を切断できます。しかし、実際に広く使われるのは、薄板から30mm程度の軟鋼板です。

中でも特に使われるのは、建築業界、トラックやフォークリフト、油圧ショベルなどの特殊車両の製造、発電所や港湾クレーンなどのプラント施設、鉄道・橋梁・船舶などの鋼材切断です。

プラズマ切断の原理

物質は高温になるほど、固体から液体、液体から気体へ状態変化します。気体の温度がさらに上昇すると、気体の原子は自由電子とイオンとに分かれ、電離気体になります。そして、電子が原子の軌道から自由になり、物質の第4状態と呼ばれるプラズマに変化します。

プラズマ放電の発生は、工作物とタングステンカーバイドの電極との間でプラズマアーク放電させる方法です。アーク放電により工作物を高温溶融させます。

プラズマアークの密度をさらに上げるために、アークの周りを水冷ノズルなどで拘束し、冷却します。すると、プラズマアークは緊縮し、エネルギーが周囲に広がることがなくなり、1点に集中させることが可能です。

プラズマ切断は、電極から発するプラズマ放電を包み込むガスの種類により、さまざまな方式があります。

1. エアープラズマ切断法

空気をプラズマジェットに使用する切断方法です。 最新のプラズマ切断方法であり小型装置が多く開発されています。個人ユースのDIYで使用される小型プラズマ切断機が販売されています。

2. 酸素－プラズマ切断法

酸素をプラズマジェットに使用する切断方法です。 プラズマ放電と酸素の燃焼熱を使用するため、非常に強いエネルギーでの切断が可能です。高速自動切断装置による鋼の切断に使用され、特に橋梁での鋼材切断や造船時の鋼材切断に使われます。

3. 水素、アルゴン―プラズマ切断法

水素、アルゴンガスと窒素ガスを混合して切断を行う方法です。 水素による還元効果が得られるため、切断した金属表面は美しい金属光沢となります。主に非鉄金属を切断する方法です。

4. 窒素－プラズマ切断法

窒素をプラズマジェットに使用する最も古い切断方法です。 使用ガス が起因で窒素酸化物が発生するため、近年はあまり使用されずに、酸素－プラズマに置き換えられています。

プラズマ切断のその他情報

1. プラズマ切断のメリット

多種の素材の加工が可能
プラズマ切断は、通電できるほとんどの素材が可能です。薄板から30mm程度の軟鋼板の切断に多く使われます。

曲線の切断が可能
プラズマ切断は、直線だけでなく曲線の切断も可能で、複雑かつ多様な製品形状に対応できます。

ステンレス鋼・アルミニウム合金の切断が可能
ガス切断は、金属を酸化させて切断する方式であり、ステンレス鋼やアルミニウム合金などは酸化しにくいので、切断に難点があります。プラズマを使用すれば、容易に切断が可能です。

切断速度が高速
高温のプラズマを熱源とするため、ガスやレーザーによる切断と比べて、切断スピードが速いと言えます。また、切断面の変形が少なくなり、融解による影響が小さくなります。

ランニングコストが小さい
ガス切断のような可燃性ガスが不要で、200Vの電源やエアーコンプレッサーがあれば使用が可能です。放電に使用するタングステンカーバイドは、非消耗品です。

2. プラズマ切断のデメリット

200Vの電源が必要
屋外で200V電源が近くに無い場合や、100Vのみ配電されている所には、向いていません。

スラグの処理が必要
プラズマ切断では、溶解部分から出るスラグを処理する必要があります。スラグが装置内に残存すると、次の作業で誤差が発生し、製品品質に大きく影響します。

ACF熱圧着とは

ACF熱圧着とは、ACF (Anisotropic conductive filｍ:異方性導電膜) を使用した電気回路の接続加工方法です。

ACFの大きさは、膜厚10～45μｍ、幅は0.5～20ｍｍとなる特殊膜です。この特殊膜は、上下の基板を張り付けるための熱硬化性樹脂と多数の微小な導電粒子から構成されています。

ACF中の導電粒子は、直径3～6μｍ程度のプラスチック製粒子の表面にニッケル、金、絶縁膜が薄くコーティングされた構造です。ACFを用いてガラス基板と外部基板を熱圧着すると、電極上の導電粒子が押されて変形し上下の電極間に電気が流れます。なお、上下に対抗する電極がない部分では電気は流れません。

この上下方向で電気を通し水平方向で絶縁する特性は導電異方性と呼ばれ、ACFの大きな特長です。

ACF熱圧着の使用用途

ACF熱圧着は、半導体業界などで広く使用される加工方法です。基本的には、基板やフィルム同士を接合する際に使用します。具体的なACF熱圧着の使用用途は、以下の通りです。

• 液晶ディスプレイや有機ELディスプレイのガラス基板と外部電気回路接続用
• プリント基板(PCB)などの制御基板修理用
• 半導体製品の開発用または研究用

主に接続される基板はフレキシブルプリント配線板 (FPC) やリジッド基板です。基板同士の接続に使用される場合や、基板とフィルムの接続に使用される場合があります。

基板と接続されるフィルムには、PETフィルムやポリエチレンナフタレートフィルムがあります。ACF熱圧着は電気回路接続用の加工方法であるため、フィルム同士の圧着には使用されません。フィルムと基板の接続に使用されます。

また、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイのガラス端子上にドライバーICを実装する際に、IC (金バンプ） とガラス基板の接合に使用される場合もあります。

ACF熱圧着の原理

ACF熱圧着を行う前に、まずは基板の洗浄を実施します。洗浄が不十分であった場合、接合面に接触抵抗が発生したり導通箇所同士の絶縁が不十分となる危険性があるため注意が必要です。洗浄には主にUV洗浄やプラズマ洗浄が使用されます。

次に、ACFをガラス基板やリジット基板上にヒーターヘッドで仮圧着します。ACFには剥離フィルムと呼ばれるフィルムが付いて販売されており、仮圧着では剥離フィルムを付けたまま圧着します。仮圧着用加熱装置と本圧着用加熱装置が分かれている場合もあります。

剥離フィルムを剥がした後に本圧着です。圧着したい基板やICをACF上に置いて位置決めし、ヒーターヘッドを下ろして熱と圧力を加えます。本圧着時にヒーターが過熱したり熱が不足したりすると、未圧着個所が発生してしまうため熱管理が重要となります。

ACF熱圧着の種類

ACF熱圧着は過熱方式の違いによって、常時加熱方式とパルスヒート方式の2種類に分類されます。

1. 常時加熱方式 (コンスタントヒート方式)

ヒーターヘッドを所定の温度で常に加熱し続ける方法です。仕組みは単純で構造が簡単ですが、温度制御が難しくなるのが特徴です。

2. パルスヒート方式

ACFを熱圧着する瞬間だけ加熱する方法です。 ヒータヘッド温度を常に監視しワーク接合時の温度低下を検出して、瞬時に所定の温度設定に戻します。パルスヒート用の制御機器が必要になりますが、温度管理を自動で行ってくれるため過熱や不完全圧着を防止できます。

ACF熱圧着のその他情報

ACF熱圧着の注意点

ACF熱圧着を実施する際に、以下の注意点を押さえる必要があります。

• 接合面 (特にガラス基板上) はプラズマ洗浄やUV洗浄で清浄度を保ちます。
• 熱圧着に使用するヒーターヘッドの温度管理を徹底します。
• ヒーターヘッドとガラス基板は常に平行になるように管理を行います。
• 接合品質を確保するため、接合後の導電粒子形状を常に管理します。

はんだ付けとは

はんだ付けとは、はんだと呼ばれる合金を溶着させて金属材料などを接合する技術です。

事前に油などの不純物を取り除き、フラックスを塗ってはんだのノリを良くします。その後、接合界面を約300℃の高温とし、はんだを溶かして接着します。

はんだ付けの使用用途

はんだ付けは主に電気製品の回路上で使用されます。具体的な使用用途は、以下の通りです。

• プリント基板の試作
• 電気回路や電子回路の製作
• 金属配管や銅管の接合
• ステンドグラス作製
• アクセサリーや模型の作製

主に産業の用途に使用される接合方法ですが、アクセサリーなどの製作に使用される場合もあります。ステンドグラスの作製にも古くから使用されています。

はんだ付けの原理

はんだ付けは、はんだを熱で溶かして材料を接着します。手作業の手はんだ付けには、はんだ、はんだごて、フラックスなどが使用されます。

1. はんだ

はんだは、スズなどの金属を使用する合金です。他の金属材料に比べて融点が低いことが特徴で、熱を加えると容易に融解します。

2. はんだごて

はんだごては、先端にヒーターを付属した専用工具です。ヒーターがはんだごて先端を温め、はんだを溶融させる温度とします。ヒーターの熱源には電気式製品とガス式製品があります。はんだごての先端は、長期間使用するとはんだが張り付いて焦げ付くため、定期交換ややすり掛けを要します。

3. フラックス

フラックスは、はんだ付け専用の促進剤です。材料表面の汚れを除去しつつ、はんだの広がり具合を良くするために使用されます。塩酸系の酸性材料が使われる場合もありますが、基本的には松脂や合成樹脂が材料です。材料表面の酸化を防止する役割もあります。

はんだ付けの種類

はんだ付けは、手はんだ付け以外にもさまざまな方法があります。用途が部品試作などの少量生産か、工業製品としての大量生産かによって、はんだ付け方法を選択します。

1. 手はんだ付け

原理の項で説明した通り、手作業ではんだ付けを行う方法です。主に基板の試作や実験に用いられています。温度管理の他にも作業注意点が多くあり、はんだ付け検定や電子機器組立て技能士などの資格が存在します。

2. ディップはんだ付け

電子部品やコネクターをプリント基板に装着後、ディップ槽と呼ばれる溶融はんだ槽内ではんだを基板下面から吹き上げる方法です。大量生産を行う場合に用いられています。

3. リフローはんだ付け

電子部品をプリント基板に装着後、クリームはんだを使用して熱ではんだ付けを行う方法です。クリームはんだとは細かいフラックスを混ぜ込んだはんだで、粘度が高いクリーム状です。あらかじめクリームはんだを基板へ塗布することが出来るため、接着精度が高いことが特徴です。

ディップはんだと同様に、電子回路などを大量生産する場合に用います。SMTと呼ばれる表面実装工程は、クリームはんだ塗布～チップ部品実装～リフロー炉通過までの一連の作業を連続で行うこと可能です。

はんだ付けのその他情報

1.  鉛フリーはんだ

はんだ材料には、低融点で接着金属となじみが良いことが求められます。古くから鉛とスズの合金が使用されてきましたが、鉛の有毒性が問題視されるようになりました。したがって、近年では自然環境保護の観点から鉛フリーはんだの開発が進められています。

特に、多く使用されているはんだ材料は、スズ-銀-銅系、またはスズ-ビスマス系などです。スズ-金系のはんだも存在します。ただし、鉛よりも希少な金属を使用するため高価となるのが欠点です。また、鉛を含有したはんだと比較して融点が高い材料が多く、より多くのエネルギーを必要とするのも欠点の一つです。

2. はんだ付けによる配管接続

はんだ付けは、銅管や水道管の接続に使用される場合があります。また、ろう付けも金属を溶融して配管を接着する技術です。2つの違いは接着温度です。

はんだ付けは450℃以下ではんだを接着しますが、ろう付けは450℃以上の温度で接着します。したがって、ろう付けには銅や銀などの金属を使用します。

温度が低いために、はんだ付けではトーチなどで加熱しますが、ろう付けではガスバーナなどで加熱します。

電解加工とは

電解加工 (英: electrochemical machining) とは、電解液中で加工物に電流を流し、化学反応により加工する方法です。

ECMとも呼ばれます。電極を負極 (-極) 、加工物を正極 (+極) としてその間を電流を流すと、正極側の加工物金属が金属イオンになり、電解液中に溶け出します。

また、溶出した金属イオンは電解液中で別の生成物 (スラッジ等) を作り出します。負極では水素ガスが発生します。この一連の電気化学反応を利用し、工具の電極を加工物の表面に非常に近づけながら加工すると、電極形状を加工物側に転写することが可能です。

機械加工が困難な航空エンジンのタービン羽根などや、自動車エンジン部品のようなバリを嫌う部品などの加工に使われます。

電解加工の使用用途

1. 通常の電解加工 (ECM) 

• 航空機エンジンの部品 (タービン羽根等の複雑な形状部品)
• 各種自動車用エンジン部品
• 圧力がかかる流体軸受け部品

2. パルス電源を使用した精密電解加工 (PECM) 

• 航空機用部品 (ステンレス、ニッケル主体の超合金、チタン合金) 
• 医療用部品
• 造幣局向け金型加工
• 自動車エンジン用部品 (高炭素クロム鋼）
• ディーゼルポンプ用部品
• 半導体、MEMUSの製造

電解加工の原理

電解加工は、その加工精度により2種類の方法があります。

1. 通常の電解加工 (ECM) 

電解液中にワーク金属を正極、工具である電極を負極とし、その電極間隔を非常に近い距離 (通常0.02～0.7mm) に保って電解液中で加工する方法です。 その加工速度はきわめて早く、数10秒で完了します。

加工可能な金属は、従来では加工が難しい高硬度材も可能です。 また、今まで切削加工が難しい複雑な形状や穴加工を、高精度で加工できます。

2. パルス電源を使用した精密電解加工 (PECM) 

工具電極のフラッシング動作とパルス電源を組み合わせた精密電解加工 (PECM) は、更なる高精度加工が実用化されています。

この方法は、電極をワークに近づける時に電極またはワークを高速で上下振動させ、スラッジ等の生成物を高速で排出して、常に新しい電解液を供給する方式です。この際、パルス電源によりワークｰ電極間の距離は数10μ前後で精密コントロールされます。

電解加工の特徴

1. 複雑形状の加工が可能

電解加工は、他の機械加工では困難な複雑輪郭や空洞の加工ができます。

2. 加工速度が速い

難切削材では他の機械加工に比べ、非常に早く加工できます。

3. 非接触加工

非接触で加工するので、加工物に機械応力や熱応力がかからないメリットがあります。

4. 鏡面仕上げ

電解加工は、化学反応による加工なので、表面仕上げを鏡面にすることが可能です。

5. 硬脆材料の加工が可能

機械加工では加工の困難な硬脆材料の加工ができます。硬脆材料は超硬合金・セラミックス・石英ガラス、単結晶シリコン、ジルコニアなど硬く脆い材料です。

電解加工のその他情報

1. 電解加工のデメリット

電解加工に使用する電解液は、均一性を保つのが困難なので、加工精度が不安定なのがデメリットです。また、加工物と電極との距離の検出が難しく、さらに機器に耐食性の処置が必要になります。また、生成物に毒性がある場合もあります。

2. 電解加工の電解液

電解液は、電気を流す役目がある他、加工物の冷却を行います。また、液量が少ないと、仕上がりにばらつきが出る可能性があり、逆に多すぎると、変色の原因になります。適切な液量を保って加工を行う必要があります。

電解液には、「中性塩溶液」「酸溶液」「アルカリ溶液」の3種類が使われます。

中性塩溶液
最も多く使われる電解液です。アルカリ溶液に比べて電導度は低いが、腐食度が低く、大部分の金属材料に使用されます。一般的に使用されるのは、塩化ナトリウム電解液です。この電解液は液中濃度を均一にしにくいため、加工精度が良くないことが発生します。

塩素酸ナトリウムや硝酸ナトリウムを電解液に使用する場合もあります。しかし、加工精度は向上しますが、電流効率が低下するため、消費電力が増加します。

酸溶液
酸溶液は、取り扱いに注意が必要であり、特殊な場合に使用される電解液です。電導度は比較的高いですが、腐食性が強く、長時間使用すると電導度が減少します。

アルカリ溶液
アルカリ溶液は、超硬合金の加工用の電解液です。タングステンやモリブデンなどの加工に使用されます。超硬合金に対しては、中性塩溶液に比べて質の良い仕上がりとなります。

一般的な金属には、加工時に不溶解の生成物が発生して、加工物の溶出を妨げるため、使用されません。

ティグ溶接とは

ティグ (TIG) 溶接とは、アークによる熱を利用してワークを溶接する、アーク溶接の一種です。

TIGとは、「Tungsten Inert Gas」の頭文字を取った略語です。溶接電極にはタングステン電極、シールドガスにはArやHeなどの不活性ガスを用います。

シールドガスに活性ガスを用いるMAG溶接では、アルミニウムなど活性ガスと反応してしまう金属は溶接ができません。しかし、TIG溶接であれば、そのような金属も溶接することができます。

TIG溶接によって起こるアーク放電の高熱は火花中心温度で11,000℃に達し、どのような金属も加工が可能です。 シールドガスには、アルゴンや、ヘリウムガスを使用し溶接加工中の飛散物防止や引火防止を行います。

ティグ溶接は、通常の放電加工に比べると、火花が出ず作業音も静かなため、初心者でも手を出しやすい溶接法です。 また、溶接の仕上がりが非常に美しく、盛り上がった模様 (溶接ビード) が現れます。

ティグ溶接の使用用途

1. 直流溶接の使用用途

• 溶接部の美観が重視される製品を接合する時
• 個人でステンレスのパイプや薄板等を溶接する時
• 自動車修理工場やバイクショップ等で、車輪関係部品やマフラー部品等の溶接加工する時

2. 交流溶接の使用用途

交流のティグ溶接は、アルミニウム、マグネシウムなど、表面酸化膜が形成される金属板を加工する時に使用されます。

ティグ溶接の原理

ティグ溶接は、一般的なアーク溶接と同様に、電極と母材間に高電圧を印加することで、電極-母材間を絶縁破壊し、アーク電流を流します。ティグ溶接においては、タングステン電極からの熱電子放出を利用しているため、基本的に電極を陰極、母材を陽極として用いる場合が多いです。

熱電子放出とは、金属を非常に高温にした時に、金属中の自由電子の運動が活発になり、一部が束縛を振り切って表面から脱出する作用を指します。MAG溶接では、電極が溶融しながら溶接が進行しますが、ティグ溶接の電極は基本的に電子の供給のみ用いられます。そのため、必要に応じてフィラーワイヤ (溶加材) をアーク中に入れながら、溶接を実行します。

ティグ溶接の種類

ティグ溶接は、使用する電流とその電極極性の組み合わせにより2種類があります。

1. 直流溶接

直流正極性
ティグ溶接の原理で述べたように、直流正極性で溶接する場合、電極側 (陰極) から放出された電子はワーク側 (正極側) に到達してワーク表面は非常に高い温度になります。直流溶接とは、その高熱により金属を溶接する方法です。

直流逆極性
直流正極性では加工できないアルミニウムやマグネシウムなど、表面に酸化膜が存在する金属の溶接を可能とした溶接方法です。 上記の両金属では、金属表面に高融点の酸化皮膜 (2000℃以上) が存在します。 そのため、酸化膜の対策をせずにティグ溶接を実行しても、金属表面と金属内部の温度差が大きくなり過ぎてワークの溶接ができません。

その欠点を解決するため、電極の極性を反転し電極側を正極 (⊕極) 、ワーク側を負極 (⊖極) とする方法が直流逆極性です。 直流逆極性で溶接することで、母材表面の酸化膜を除去することができます (クリーニング作用) 。

ところが、極性を逆にすると電極に大量の電子が衝突するため、電極の消耗が激しくなります。 また、陰極点が動き回ることから、母材への入熱も分散し、溶け込み量も小さくなるため、直流逆極性で高品質の溶接を行うことはできません。

2. 交流溶接

電極の極性を周期的に変換し、直流正極性と直流逆極性を交互に行う溶接法が交流溶接法です。直流正極性による高品質の溶接と、直流逆極性によるクリーニング作用を併用することができます。直流逆極性による電極の消耗を抑制することが可能です。

ティグ溶接のその他情報

ティグ溶接のメリット・デメリット

ここまでの解説から、ティグ溶接のメリット・デメリットをまとめます。

メリット

• ほぼすべての金属を溶接することができる
• 溶接時の火花が出ない
• 作業音が小さい
• 溶接ビード (溶接の仕上がり) が美しい
• どのような姿勢でも溶接できる

デメリット

• 溶接能率が悪い
• 不活性ガスが高価
• シールドガスを用いるため、風よけなどの対策が必要
• 作業者の熟練度に溶接品質が大きく左右される

超音波加工とは

超音波加工とは、刃物や砥石等の加工工具に超音波振動 (毎秒15,000回から40,000回) を与えて、工作物を加工する方法です。

超音波加工は、大幅にバリ、カケ、クラックなどの発生が少なく、変質層や加工歪などのダメージを低減でき、加工精度が向上します。また、大幅に加工時間を短縮でき、加工抵抗が減って、砥石や刃物の長寿命化も可能です。

さらに、ほかの方式では不可能な深穴、細穴、硬脆性材料の加工なども可能です。

超音波加工の原理

切削は、超音波を加工工具に加えて少しづつワークを削り取る高精度な加工方法です。そのため硬い材料 (宝石、超硬合金) や脆い材料 (セラミックス) の切断、研磨、穴あけに用いられます。

溶融・溶着では、超音波振動による金属原子の振動と、熱や圧力により原子同士が拡散接合を起こします。また樹脂の場合には、分子振動により熱が発生し、溶融接合を起こします。

超音波加工の種類

超音波加工は、用途や機能に応じて様々な方式があります。

1. 超音波砥粒加工

超音波振動と砥粒加工を組み合わせた加工方法です。砥粒と呼ばれる硬い粒子 (アルミナ、炭化ケイ素等) を用いて、砥粒粒子がワークを少しずつ削り取ります。青板ガラス、石英ガラス等のガラス、ルビー、サファイヤ等の宝石類の砥粒穴あけ、研磨加工が可能です。

2. 超音波切削加工

超音波振動と接削加工を組み合わせた加工方法です。加工工具に加えられた超音波振動の周期に連動して、工具がワークに接触を繰り返し、ワーク表面を削り取ります。

食品関係では、型崩れが心配なケーキ等の菓子類のカットに、超音波フードカッターとして使用可能です。超音波振動による微細な刃の動きにより、きれいな切断面が得られます。工業用途では、サファイア基板の穴加工やダイヤモンドダイスの鏡面研磨に使用されます。

3. 超音波接合

超音波振動によって金属原子を溶融させずに接合する技術です。2つのワーク接合面を強く密着し、熱・圧力を加えながら、超音波振動で接合界面を摩擦させます。その圧着により金属界面の酸化物質が壊れて、内部の金属原子同士を結合可能です。

超音波結合では、電気部品の端子部接合やLSI素子内部にあるワイヤーボンディング接合を行います。

4. 超音波溶着

超音波により接合するプラスチック同士の内部を通る際に熱を発生させ、プラスチックの接合面が発熱します。その熱で接触領域の界面部分が溶解し、プラスチック材料が溶着します。

フィルム系の溶着では、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンを使用可能です。 金属系の溶着では、ICチップと電極を結ぶワイヤーボンディングや半導体チップのバンプに使われます。

超音波加工の使用用途

超音波加工機は硬い金属やセラミックの加工だけでなく、型崩れしやすいケーキのカットが可能です。切りにくいカーボン繊維を切断して、金型を滑らかに磨き、プリント基板の極細パターンもカットします。

とくに超音波切削加工や超音波砥粒加工は、超音波の高周波振動を用いて、丁寧かつ高い精度で加工できます。したがってセラミックス、ガラス、宝石などの、硬くて脆い材料の加工に適しています。熱が生じず、きれいな断面が得られるため、樹脂の切削加工にも利用可能です。

その一方で超音波接合は、基板、電池、パワーデバイスのような、微細な電気的接点部の金属接合に使用可能です。それに加えて超音波接合は、リチウムイオン電池への活用が期待されています。

超音波加工の選び方

多種多様な超音波加工機があるため、用途に合わせて選択する必要があります。例えばフードカッターは、型崩れなく柔らかいパンやケーキをカットでき、丸刃によって連続で切断可能です。手で持って使う小型でハンディータイプの超音波磨き装置やカッターもあります。そのほか、常に同じ切れ味にするために、振幅を一定にする超音波発振器が搭載されたタイプもあります。

レーザー加工とは

レーザー加工 (英: laser processing) とは、その名の通りレーザーを使った加工のことです。

レーザーは、光の位相、振幅が同じ光 、即ちコヒーレント光 です。レーザー加工は、光増幅した強力なレーザー光で、加工物の切断や溶接、彫刻、マーキング、穴あけなどの加工を行います。加工物の種類は、金属をはじめ、セラミック、プラスチック、木材、布、ガラスなどです。

レーザー加工は、切削工具などを用いずに加工できる非接触加工法であり、応力や圧力による素材の変形、歪みが生じにくい加工が可能です。また、使用する消耗品が少なく、メンテナンスが容易などの特徴があります。

使用するレーザーの種類は、主に炭酸ガスレーザー、YAGレーザー、ファイバーレーザー、エキシマレーザーなどです。

レーザー加工の使用用途

1. 炭酸ガスレーザー加工

高出力が可能であり、産業用では、板金の切断、微細な穴あけ、及び溶接などに使われます。 また、医療用として、外科手術用のレーザーメスにも活用されます。

2. YAGレーザー加工

主に部品のスポット溶接として自動車用エンジン部品、ルーフ及びボディーの溶接に使用されます。

3. ファイバーレーザー加工

金属の切断や溶接、樹脂材料同士の溶着、及びマーキングに使用されます。

4. エキシマレーザー加工

半導体製造プロセスの露光用光源や液晶ディスプレイの低温ポリシリコン製造プロセスに使われます。

レーザー加工の原理

一般に物質を構成する原子や分子に、外部エネルギー (光、熱等) を加えると、原子はエネルギーの高い状態 (励起状態) に移ります。その後、エネルギーの低い状態 (基底状態) に戻ろうとして、光を自然放出します。

特に、周囲に高いエネルギーの原子が多く存在する場合、この自然放出の光が他の高いエネルギーの原子を刺激して光を放出し、基底状態に状態に戻ります。その光は誘導放出光と呼ばれ、エネルギ―は入射光の2倍に増幅されます。

また、この誘導放出光をミラーで繰り返し反射すると、他の原子内の電子に衝突し、光エネルギーを放出して増幅した強い光が発生します。これが、レーザー発振の原理です。

なお、このレーザー光で工作物を加工する場合、シールドガスと呼ばれるガスを吹き付けながら、ワーク表面で発生する飛散物の防御やワーク表面酸化、引火を防止します。

レーザー加工の種類

レーザー加工は、レーザー光を増幅し発振させる物質毎に分類されます。

1. 炭酸ガスレーザー加工

光の波長が1.060μmの赤外線領域のレーザー光を使用します。 レーザー媒質に、二酸化炭素を主成分としたガスを使います。

2. YAGレーザー加工

光の波長が1.064μmの赤外線領域のレーザー光を使用します。 レーザー媒質は、イットリウム、アルミニウム、及びガーネットを成分とする人工結晶です。

3. ファイバーレーザー加工

光の波長は、1.1μmの赤外線領域のレーザー光を使用します。 レーザー媒質に光ファイバーを使う固体レーザーです。 励起用半導体から発振されたレーザー光を光ファイバーで増幅して、強力なレーザー光を生み出し加工に使用します。

4. エキシマレーザー加工

紫外線光源のため、光エネルギーが大変強い特徴があります。 光の波長が0.193μm、0.248μm等の深紫外線領域のレーザー光を使用します。 レーザー媒質に不活性ガス (アルゴン、クリプトン、キセノン等) とハロゲンガス (塩化水素、フッ素) の混合ガスを使用します。

レーザー加工のその他情報

レーザー光の特長

• 指向性
  レーザー光は自然光に比べほとんどまっすぐ直進します。
• 単色性
  光の波長は同じなので1つの色です。
• 可干渉性
  光の位相と振幅が同じなので、光を合成しやすく強め合うことができます。

電子ビーム加工とは

電子ビーム加工とは、真空状態で電子ビームを工作物に当て高熱 (約6,000℃) で加工する方法です。

通常数万ボルト以上に加速された電子ビームを電子レンズで収束し物質に照射すると、電子の運動エネルギ―は熱エネルギーに変換されて高熱を生み出します。その高熱を利用して種々の高融点金属、宝石類や半導体等の微細配線を加工できる技術です。 また、真空中で加工のため空気中での加工に比べて加工面の不純物汚染や酸化の心配が有りませんが作業性は悪くなります。

尚、最新の加工技術では、真空中ではなくワークを真空外で行う方法も開発されています。

電子ビーム加工の種類

電子ビーム加工は、主に、電子ビーム溶接・電子ビーム加工・電子ビーム蒸着・電子線描画などがあります。

1. 電子ビーム溶接

電子銃から発生した電子線を、磁界を利用した偏向コイルで集束し物質に当てる方法です。 その後、電子ビームが当てられた物質の表面が高熱で溶解してワーク加工を行います。

従来、高真空でワーク加工が行われていましたが、生産性を向上した低真空法も開発されています。真空中での溶接が必要な水晶振動子の封止、各種航空機用の部品及び電子部品等の加工に使用されます。

電子ビーム溶接について詳しくみる

2. 電子ビーム加工

集束した電子ビームをワーク表面の局所的な場所に当て表面物質を瞬間蒸散させ、微細な穴あけ加工や溝切り加工を行う方法です。 この穴あけでは直径数十マイクロメートルの穴加工が可能です。ステンレス鋼やモリブテン材等の難加工金属、及びや水晶、セラミックスの穴あけ、溝切り加工に使用されます。

3. 電子ビーム蒸着

真空装置内に蒸着させる金属を置き、その金属に向けて電子ビームを照射し溶解・蒸発させます。 次いでその金属と対向する側に蒸着金属が付着するワークを置き、蒸着した金属蒸気でワーク表面に金属薄膜を生成させる方法です。半導体やITOガラスの薄膜製造、電子顕微鏡で用いる分析試料作成に使用されます。

4. 電子線描画

半導体回路のような微細な配線パターンが必要となる電子回路形成に使用される方法です。 半導体集積回路の配線パターンは年々微細化が進み、シリコンウエハー上に多くの部品回路形成や精密配線加工が求められています。 従来の半導体回路加工は、フォトマスクを使用したフォトリソグラフィー方式(フォトエッチング技術）を使用した方法でした。

このフォトリソグラフィーで形成される回路パターン解像度は0.1マイクロメートルが限界であり、それより細かい配線パターンが求められる場合には、電子線による直接描画を行います。最先端の微細パターン加工が必要な半導体回路製造に用いられます。