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ろう付けとはんだ付け:適切な接合方法を選ぶためのエンジニア向けガイド

赤いシャツを着た男性、クライヴ・チェンは、顎を手に乗せてカメラを見つめている。

著者

クライヴ・チェン

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著者について

共同創設者のプロフィール

ケンブリッジ大学およびロンドンメトロポリタン大学で学士号を取得。

中国の製造業における15年以上の国際販売の専門的リーダーシップ

グローバルサプライチェーンとアジアの精密製造能力を結び付ける実績のある専門知識。

私たちの基盤:

20,000平方メートルの垂直統合型先進生産施設

50台以上の国際ブランドのCNC加工センター(マザック、GF、ミ​​クロン)

業界をリードする±0.001mmの公差基準

 AS9100/IATF 16949認証品質システム

製造業において、2つの金属片を接合することは基本的な作業です。溶接は、その劇的なアークと火花で注目を集めることが多いですが、家庭の配管から航空宇宙の重要な部品まで、あらゆるものを接合するのには、より繊細な2つの方法が用いられています。 ろう付け and はんだ付け.

素人目には、ほとんど同じに見えます。どちらも加熱を必要とします。 金属部品と溶融充填材を流し込む ジョイントに挿入します。しかし、これらは根本的に異なるプロセスであり、その能力は大きく異なります。間違った選択をすると、壊滅的な故障につながる可能性があります。

では、ろう付けとはんだ付けの実際の違いは何でしょうか?

端的に言えば、温度です。ろう付けは高温(450℃以上)で行われるプロセスで、より強力な溶加金属を使用することで、母材自体よりも強力な接合を形成することがよくあります。はんだ付けは低温(840℃以下)で行われるプロセスで、繊細な電子部品には最適ですが、機械的接合ははるかに弱くなります。

この ガイドはそれ以上に進みます そのシンプルな答え。それぞれの手法の背後にある科学を探り、長所と短所を比較し、プロジェクトに最適な選択を行うために必要な専門家のフレームワークを提供します。

定義ライン:450°C(840°F)

材料科学においては、明確で曖昧さのない定義が全てです。アメリカ溶接協会(AWS)は、これら2つのプロセスを明確に区別する境界線を引いています。 450°C(840°F).

  • 使用しているフィラー金属が溶けた場合 以下 この気温では、あなたは はんだ付け.
  • 使用しているフィラー金属が溶けた場合 上記の. この気温では、あなたは ろう付け.

これは恣意的な数値ではありません。この温度閾値は、使用されるフィラー金属の種類と接合部の強度に大きな変化をもたらします。接合プロセスを決定する際に、最初に、そして最も重要な質問です。

Rapmaf社によるろう付けとはんだ付けの溶融温度範囲を示す図表。はんだ付けは450℃以下、ろう付けは450℃以上となっている。この図表の横には、高温ろう付け作業中の写真が表示されている。

はんだ付けとは?低温のスペシャリスト

はんだ付けは、電子工作や基本的な配管作業などで、ほとんどの人がよく知っている作業です。

コアプロセス:

  1. クリーニング: 2 つのベース金属 (銅線と回路基板パッドなど) の表面を細心の注意を払って洗浄します。
  2. フラックスの用途: 接合部にはフラックスと呼ばれる化学洗浄剤が塗布されます。加熱されると、フラックスは酸化物を除去し、新たな酸化物の形成を防ぎ、はんだ付けをしっかりと行います。
  3. 暖房: 卑金属は一定の温度まで加熱され 上記の. はんだの融点だが 以下 自分で行う必要があります。はんだごては、このための一般的なツールです。
  4. フィラーの流し込み: はんだ(錫をベースとした合金)が加熱された部分(鉄ではない)に触れると、瞬時に溶けて接合部に引き込まれ、  .
  5. 冷却: 熱が除去され、はんだが固まり、機械的な接続と、電子機器にとって重要な電気経路の両方が形成されます。

はんだ付けの主な特徴:

  • 低温: トランジスタやマイクロチップなどの熱に弱いコンポーネントを保護します。
  • 弱い絆: はんだ接合部の機械的強度は低いため、高応力構造用途には適していません。
  • 優れた導電性: それが電子機器の標準となっている主な理由。
  • 可逆: はんだ接合部は簡単に溶かしてやり直すことができるため、修理に最適です。

ろう付けとは?高強度の挑戦者

ろう付けは毛細管現象と同じ原理で動作しますが、パフォーマンスははるかに高くなります。

コアプロセス:

  1. 清掃とフィットアップ: はんだ付けと同様に、部品は完全に清潔でなければなりません。しかし、部品間の隙間(「接合クリアランス」)は非常に重要であり、厳密に管理する必要があります。通常、0.025~0.13 mm(0.001~0.005インチ)の範囲です。
  2. フラックスの用途: 特殊な高温フラックスを塗布します。一部の工業プロセスでは、真空炉または雰囲気制御炉で塗布するため、フラックスは不要です。
  3. 暖房: アセンブリ全体が均一に加熱され、 上記の. ろう付け金属の融点。これは通常、トーチ、誘導コイル、または炉内で行われます。
  4. フィラーの流し込み: ろう付けフィラー金属(通常は銅、銀、ニッケル合金)が接合部に導入され、そこで溶融して毛細管ギャップに引き込まれます。
  5. 冷却とクリーニング: アセンブリは冷却され、フィラー金属が固まります。ろう付け後には、腐食性を持つ可能性のあるフラックス残留物を除去するために、洗浄が必要となることがよくあります。

ラベルの付いたコンポーネントとともに 3 つの工業用ろう付け方法 (フィラー ロッドを使用したトーチろう付け、溶融浴槽でのディップろう付け、コンベア システムでの自動炉ろう付け) を示す概略図。

ろう付けの主な特徴:

  • 高温: 卑金属は溶かされませんが、このプロセスにはかなりの熱が必要です。
  • 非常に強い絆: 適切に設計されたろう付け接合部は驚くほど強力です。ろう付け金属が母材にわずかに浸透することで、接合する材料よりも強力な冶金結合が形成されます。
  • 異種金属に加わる: ろう付けは、銅と鋼、または炭化物と鋼(鋸刃に見られるように)など、完全に異なる材料を接合する最良の方法の 1 つです。
  • 永続: ろう付け接合は永続的な構造接続です。

2つのプロセスを定義し、それらを区別する臨界温度線を確立しました。しかし、これは実際のパフォーマンスにどのように反映されるのでしょうか?次のパートでは、強度からコストまであらゆる点を比較し、これらを直接対決させ、実際のパフォーマンスをご紹介します。 ケーススタディ from RM 高性能アプリケーションにはろう付けが唯一のソリューションでした。

直接対決:ろう付け vs. はんだ付け

温度が決定的な線ではあるが、 結果 その温度差はジョイントの性能のあらゆる側面に波及します。

強度と耐久性:決定的な違い

これが最も重要な違いです。ジョイントの強度は、機械的なストレス、振動、衝撃に耐える能力を決定します。

  • ろう付け: 極めて強力で永続的な冶金接合を形成します。ろう付け工程において、ろう材は単に表面に付着するだけでなく、拡散過程を通じて母材と積極的に相互作用します。これにより、ろう材と母材が一体化した「フィレット」と呼ばれる混合領域が形成されます。適切に設計されたろう付け接合部は、 抗張力 40,000PSIから100,000PSIを超える圧力までの範囲です。多くの場合、ろう付けされたアセンブリを破壊試験すると、 ろう付け接合部が破損する前に母材が破損する.
  • はんだ付け: 比較的弱い機械的接合を形成します。はんだは母材の表面に付着しますが、母材内部に大きく浸透することはありません。表面レベルの接合であるため、電気的導通には優れていますが、構造的完全性には劣ります。一般的なはんだ接合部の引張強度ははるかに低く、通常は4,000~10,000 PSIの範囲です。荷重負荷のかかる用途には適しておらず、振動や衝撃による破損の影響を受けやすいです。

勝者: 圧倒的に、ろう付けです。

温度および熱サイクル耐性

ジョイントは、動作環境に耐えられる場合にのみ役立ちます。

  • ろう付け: ろう付け接合部は高温で形成されるため、当然ながらはるかに高い使用温度で動作します。ろう付け接合部は、使用するフィラー合金の種類にもよりますが、200℃(400°F)から1000℃(1800°F)を超える連続使用温度に耐える場合が多くあります。そのため、熱交換器、排気システム、高出力産業機器などの用途に最適です。また、熱サイクル(加熱と冷却の繰り返し)にも非常に優れた耐性を示します。
  • はんだ付け: はんだ接合部の使用温度範囲は非常に限られています。はんだ自体は低温で溶融するため、ろう付け接合部よりもずっと早く強度が低下し、破損してしまいます。一般的なはんだの多くは、100~125℃(212~257°F)を超える環境では使用しないでください。また、熱サイクルによる疲労や破損が発生しやすくなります。

勝者: ろう付け。

基材の適合性

プロセスは さまざまな種類の金属を扱う?

  • ろう付け: これはろう付けの大きな強みの一つです。母材が溶けることがないため、大きく異なる材料でも容易に接合できます。鋼と銅、アルミニウムと銅の接合に好まれる方法です。 ステンレス鋼 真鍮、さらには金属からセラミックなどの非金属(特殊なフィラーメタルを使用)まで、様々な材料への接合が可能です。この汎用性は、複雑な組立において大きな利点となります。
  • はんだ付け: 銅、真鍮、錫、銀といった一般的な導電性の高い金属では、はんだ付けは良好に機能します。しかし、以下のような強固で安定した酸化物を形成する金属へのはんだ付けは非常に困難です。 ステンレス鋼非常に腐食性の高いフラックスを使用せずに、アルミニウム、チタンなどの金属を接合できます。異種金属の接合も可能ですが、ろう付けに比べると制限がはるかに多くなります。

勝者: ろう付け。

プロセスの複雑さとスキル

  • ろう付け: より高度なスキルとプロセス制御が必要です。 高温への対処 トーチや炉を使い、母材を過熱したり溶かしたりすることなく均一に加熱するには、熟練の技術が必要です。さらに、適切な毛細管現象を実現するために、接合部のクリアランス(部品間の隙間)を正確に制御する必要があります。
  • はんだ付け: 初心者にとってはるかに扱いやすいです。シンプルなはんだごては安価で、比較的扱いやすいです。特にクリティカルでない用途では、技術や接合部のフィットアップのばらつきが比較的許容されます。

勝者: はんだ付け(使いやすさのため)。

比較のまとめ:ろう付けとはんだ付け

機能 ろう付け はんだ付け
温度の定義 > 450°C (840°F) < 450°C (840°F)
関節の強さ 非常に高い(多くの場合、ベースメタルよりも強度が高い) 低(主に電気/低応力シール用)
サービス温度 高温(200℃~1000℃以上) 非常に低い(< 125°C)
はい(主なメカニズム) はい(主なメカニズム)
卑金属の溶解 いいえ いいえ
異種金属 優れている(大きな利点) 限定的(特殊なフラックスが必要)
一般的なフィラー 銀、銅、ニッケル、アルミニウム合金 錫鉛、錫銀、錫銅合金
典型的な熱源 トーチ、炉、誘導 はんだごて、熱風、リフロー炉
主なユースケース 構造ジョイント、流体システム、ツール 電子機器、低圧配管
必要なスキル ハイ 低から中程度

ケーススタディ:RMと高圧医療用熱交換器

この表は違いを強調していますが、私たちのショップの実際の例 RM(ラピッドマニュファクチャリング) この知識がなぜミッションクリティカルであるかを示します。

クライアント: 一流 医療機器 新しい血液分析機器を開発している会社。

問題: この装置には、流体サンプルの温度を正確に制御するための小型熱交換器が必要でした。設計では、薄肉ステンレス鋼管(清浄性と耐腐食性)と機械加工された真鍮製マニホールド(優れた熱伝導性)を接合しました。このアセンブリは、一定の熱サイクルと最大500 PSIの圧力にさらされます。

最初の(失敗した)アプローチ: クライアントの最初の試作品サプライヤーは、高品質の鉛フリーはんだを使用して部品を接合しようとしました。初期テストでは、デバイスは初期のリークチェックには合格しましたが、わずか数百回の熱サイクルで壊滅的な故障に見舞われました。はんだ接合部に亀裂が生じ、高圧リークが発生しました。

RMソリューション: クライアントが私たちにプロジェクトを持ち込んだとき、私たちは エンジニアリングチームはすぐに 問題は、はんだ付けが根本的に間違った選択だったことです。その理由は次の3つです。

  1. 力: 500 PSI の内部圧力により接合部にフープ応力が生じ、はんだの安全荷重限界をはるかに超えました。
  2. 熱疲労: 加熱と冷却中にステンレス鋼と真鍮が繰り返し膨張と収縮を起こし、弱いはんだ接合部が疲労していました。
  3. 材料の非互換性: ステンレス鋼に信頼性の高いはんだ接合を確立するのは非常に困難です。

で、私たちのチーム RM 接合プロセスを再構築 トーチろう付け.

  • 当社では、ステンレスと真鍮の両方に対する優れた流動性と、熱応力の吸収に役立つ高い延性を備えた銀ベースのろう付け合金 (BAg-7) を選択しました。
  • 毛細管現象と接合強度を最大限に高めるために、0.05 mm という正確な接合クリアランスを指定しました。
  • 高温の黒色フラックスと正確なトーチ制御を使用して、当社の技術者は完璧なろう付け接合部を作成しました。

結果: ろう付けされた新しい熱交換器は完璧な仕上がりでした。50,000万回以上の熱サイクルと2000 PSI(動作圧力の4倍)の耐圧試験にも、故障の兆候は全く見られませんでした。お客様は信頼性の高い製品を開発することができ、再設計と再試験に何ヶ月も費やす必要がなくなりました。これは、はんだ付けではなくろう付けを選択することが、単なる些細な問題ではなく、成功と失敗を分ける決定的な要因であることを示す好例です。当社の高度な製造ソリューションの詳細については、こちらをご覧ください。 rapmaf.com.

これで2つのプロセスは決定的に比較できました。しかし、議論にもう1つ加えるべき重要な要素があります。 溶接母材を決して溶かすことのないろう付けは、究極の融合プロセスとどのように比較されるのでしょうか?最終回では、ろう付けと溶接を比較し、3つの主要な接合方法すべてについて、最終的な意思決定の枠組みを提供します。

溶接とは何か?融合の原理

ろう付けが超強力な接着剤だとすれば、溶接は分子融合です。

溶接は、通常は金属や熱可塑性プラスチックなどの材料を高熱で接合する製造プロセスです。 ベースパーツを溶かして冷やす、融合を引き起こします。

これは絶対的で、譲れない違いです。溶接では、母材の端面自体が融点に達します。多くの場合、溶接棒や溶接ワイヤーなどの充填材も溶融池に溶かされ、体積と強度を高めます。この混合された溶融金属のプールが冷却され固化すると、2つの別々の部品は1つの連続した材料になります。

これを行うには膨大な熱が必要であり、ろう付けの熱をはるかに超えています。この熱は、電気アーク (アーク溶接)、ガス炎 (酸素アセチレン)、レーザー、電子ビームなど、さまざまな方法で生成できます。

母材を溶融させる接合方法である溶接プロセスの種類を示す5つの技術図集。図には、アーク溶接、ガス溶接、圧力溶接の技術が示されています。

最終決戦:ろう付け vs. 溶接

この根本的な違い(フィラーで接合するかベース金属を融合するか)により、すべてのエンジニアが習得しなければならない新たな一連のトレードオフが生まれます。

強度と関節の完全性

これが、溶接が重工業で主流となっている理由です。適切に行われた溶接は、ろう付けのように「接合部」とはみなされず、母材の連続体として扱われます。

  • 溶接: 最も強力な接合部を形成します。完成した接合部は、冷却後、元の母材と同等、あるいはそれ以上の引張強度を有します。そのため、高層ビル、船体、圧力容器、高応力を受ける車両フレームなどの建設には、溶接が唯一の選択肢となります。接合部は一体構造となります。
  • ろう付け: 非常に強力な接合部を形成しますが、それでも層状のシステムです。強度はろう付け合金と接合部の完全性によって決まります。 の間に 合金と母材の強度差。一部のせん断試験ではろう付け部が母材よりも強度が高い場合もありますが、通常、同種材料における完全に溶融した溶接部の極限引張強度には匹敵しません。

勝者: 溶接(絶対最大強度を実現)。

レーザーろう付けとMIG溶接を比較した概略図。ろう付け図では母材の上に明確なフィラー材が配置されているのに対し、溶接図ではフィラー材と母材が融合して一つの溶接プールを形成している様子を示しています。

熱入力と熱影響部(HAZ)

溶接の膨大な熱には代償が伴います。金属を溶かすと、その周囲は必然的に加熱されます。これにより、いわゆる「 熱影響部 (HAZ).

  • 溶接: 大きくて顕著なHAZを形成します。集中した強力な熱により、鋼の結晶構造が変化する可能性があります。 溶接部に隣接する金属機械的特性を変化させます。例えば、硬化鋼を脆くしたり、ステンレス鋼の耐食性を低下させたりします。また、この高熱は大きな熱応力を引き起こし、薄い材料にひび割れを引き起こす可能性があります。 歪む 大幅に歪みが生じます。この歪みを管理することは、溶接工学における大きな課題です。
  • ろう付け: これが溶接に対するろう付けの最大の利点です。熱が低く、接合部全体に均一に分散されるため、HAZ(熱影響部)は最小限に抑えられ、変形のリスクは大幅に低減します。そのため、ろう付けは、精密で繊細な組立や、反りが致命的となる薄肉チューブの接合に最適です。

勝者: ろう付け(保存のため) 材料特性 歪みを防止します。

異なる材料

  • 溶接: 異種金属の接合は冶金学上の悪夢です。融点、熱膨張率、化学組成が異なる2種類の金属を溶融・融合しようとすると、脆く、ひび割れが生じ、使い物にならない接合部になってしまうことがよくあります。爆発圧接や摩擦撹拌接合といった高度な技術を用いれば、特定のケースでは可能ですが、一般的な方法では一般的に実現不可能です。
  • ろう付け: この点において優れています。母材金属が溶融しないため、冶金学的差異はそれほど重要ではありません。ろう付け合金が両方の表面と化学的に適合していれば、強力な接合を実現できます。ろう付けは、鋼と銅、アルミニウムと真鍮、さらには金属と先端セラミックスの接合に最もよく用いられる方法です。

勝者: ろう付け(地滑りによる)。

後処理と美学

  • 溶接: 特にスティック溶接やフラックス入りアーク溶接による溶接継手は、粗く、凹凸があり、スラグやスパッタで覆われていることがよくあります。滑らかできれいな仕上がりを得るには、ほとんどの場合、研磨、サンディング、機械加工などの後処理が必要になります。
  • ろう付け: ろう付け特有の毛細管現象により、非常にきれいで滑らかなフィレットが形成されます。適切に仕上げられたろう付け接合部は見た目にも美しく、通常、仕上げ作業はほとんど、あるいは全く必要ないため、時間と労力を大幅に節約できます。

勝者: ろう付け。

最終判定:3つの意思決定フレームワーク

ここまで、3つの主要な接合プロセスについて説明してきました。これらは「良い、より良い、最良」という階層構造ではなく、専門的なソリューションのツールキットです。どのプロセスを選択するかは、アプリケーションの要件に完全に依存します。

ここにある ガイドとなる決定的な枠組み あなたの決定:

次の場合は SOLDERING を選択します。

  • 主なニーズ: 電気伝導性が主な目的です。
  • 強度要件: 非常に低いため、ジョイントは耐荷重性がありません。
  • 動作温度: 低い(室温に近い)。
  • 材料: 銅や錫メッキ表面などの一般的な導電性金属。
  • 例: プリント回路基板 (PCB) 上にコンポーネントを組み立てます。

以下の場合には BRAZING を選択してください:

  • 主なニーズ: 高強度 異種材料.
  • 強度要件: 高いが、絶対的な最大限の融合は必要ありません。
  • キー制約: 我が国 熱による歪みを最小限に抑える必要がある 卑金属の特性を維持します。
  • アセンブリ: 複雑な形状、薄壁チューブ、または後処理なしできれいな仕上げが必要な部品。
  • 例: 超硬切削チップを鋼製工具シャンクに接合する、または医療用熱交換器のケーススタディ。

次の場合は溶接を選択してください:

  • 主なニーズ: 絶対的な最大強度とモノリシック構造.
  • 強度要件: 接合部は、親材料と同等かそれ以上の強度が必要です。
  • 材料: 部品は 同じまたは非常に類似した金属.
  • ジオメトリ: 部品は、許容できない歪みを生じることなく、高い熱入力に耐えられるほど十分に厚くなっています。
  • 例: 建物用の鋼製 I 型梁を製造したり、高圧鋼パイプラインを組み立てたりします。

結論:適切な仕事には適切なツールを

低温のはんだ付けの世界から、ろう付けの高強度・多用途性、そして究極の融合である溶接へと至る旅は、製造業の核心を辿る旅です。唯一「最良」な方法など存在せず、 最適な 1。

温度、強度、そして 材料の相互作用こそが、アマチュアの工芸とプロの工学を分けるものである知識こそが、壊滅的な故障を防ぎ、革新的な設計を可能にし、最終的に信頼性の高い高品質の製品を生み出すのです。 RM、この深い 材料とプロセスの専門知識がすべての中心にあります 当社は、お客様のプロジェクトがはんだ接合の繊細なタッチを必要とする場合でも、完全溶け込み溶接の強力な力を必要とする場合でも、常に正しい選択が行われることを保証します。

次のプロジェクトに適した接合方法について話し合いませんか? 今すぐRMの専門家にお問い合わせください.

よくある質問(FAQ)

1. ろう付け、はんだ付け、溶接のうちどれが強いですか?

明確な強さの階層があります: 溶接は最強次いでろう付けとなり、はんだ付けが最も弱いです。

  • 溶接 複数のベース材料を 1 つの部品に融合することで、元のベース材料と同等かそれ以上の強度を持つ接合部を作成します。
  • ろう付け 多くの場合、ベース金属のいずれかよりも強度の高いフィラー金属を使用して非常に強力な結合を作成しますが、接合部の強度はフィラーとベース部品間の結合によって制限されます。
  • はんだ付け 低温で柔らかいフィラー金属を使用するため、接合部の機械的強度が大幅に低下しますが、主に電気伝導性を目的としています。

2. 溶接の方が強度が高いのに、なぜろう付けを選択するのでしょうか?

これはエンジニアリングにおける重要なトレードオフです。絶対的な最大強度を達成することよりも他の要素が重要である場合、溶接ではなくろう付けが選択されます。主な理由は次のとおりです。

  • 異種金属の接合: ろう付けは、従来の溶接では非常に困難または不可能な、銅と鋼などの異なる材料を接合するための優れた方法です。
  • 熱による歪みを最小限に抑える: 溶接の高熱は、薄い部品や繊細な部品を歪ませたり損傷させたりする可能性があります。ろう付けでは、はるかに低い熱で均一に分散されるため、部品の寸法と完全性を維持できます。
  • 材料特性の保持: 溶接時の高熱により熱影響部(HAZ)が形成され、母材の特性が変化する(例えば脆くなる)可能性があります。ろう付けはこれを防ぎ、母材を元の状態に保ちます。
  • よりクリーンな仕上げ: ろう付け接合部は自然に滑らかになり、ほとんどの溶接接合部よりも清掃や研磨の必要性がはるかに少なくなります。

3. 銅管をはんだ付けではなくろう付けする必要があるのはどのような場合ですか?

選択はアプリケーションの圧力と温度によって異なります。

  • はんだ 標準的な低圧の住宅用水道配管に使用されます。
  • ろう付け HVAC冷媒ライン、医療ガスシステム、そして動作温度ではんだが溶けてしまうような高圧用途では、ろう付け接合部が必須です。ろう付け接合部は、応力や振動に対して非常に強度が高く、信頼性も高くなります。

4. ろう付けの主な欠点は何ですか?

ろう付けは多用途ですが、限界もあります。

  • 溶接よりも強度が低い: 適切に融合された溶接のモノリシックな強度に匹敵することはできません。
  • 高い清潔さが求められる: 毛細管現象が正しく機能するには、部品が完全に清潔でなければなりません。グリースや酸化層が付着していると、接合部が損傷します。
  • フィラーメタルコスト: 一部の高性能ろう付け合金、特に銀含有量の多い合金は、溶接消耗品よりも高価になる場合があります。

5. アルミニウムをろう付けできますか?

はい、しかし、これは特殊で困難なプロセスです。アルミニウムの融点は、ろう付けに使用するフィラー合金の融点に非常に近いため、アルミニウムろう付けには非常に正確な温度制御が必要です。また、表面に瞬時に形成される強固で持続性のある酸化アルミニウム層に対処するために、特殊なフラックスも必要です。

参考情報

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