دانلود مقاله لحیم کاری سخت آلومینیوم

بخشی از مقاله

مقدمه :
در 20 سال اخیر تغییرات اساسی در کاربرد لحیم کاری سخت به عنوان یک صنعت اتصال بوجود آمده است و در هیچ موردی این تغییرات به اندازه تغییرات در اتصال آلومینیوم نیست . در اینجا به بحث درباره اتفاقاتی که در طول این مدت برای توسعه لحیم کاری سخت آلومینیوم افتاده است ٬ می پردازیم .

تا حدود سال 1980 اکثر محصولات لحیم کاری سخت آلومینیوم به ندرت مورد پذیرش قرار می گرفت دلیل آن این بود که لحیم کردن یک ماده بالای C درد سر ساز بود این بدان معنی است که کنترل دقیق دمای فرایند لحیم کاری سخت ٬ یک ضرورت اساسی است و در سال 1980 تنها روشی که کنترل درجه مورد نیاز را عرضه می کردند ٬ لحیم کاری حمام نمک و لحیم کاری کوره ای بوده و فقط لحیم کاری حمام نمک به هر وسعتی برای لحیم کاری آلومینیوم مورد استفاده قرار می گرفت اما بدلایل مرتبط با سلامتی و ایمنی ٬ استفاده کننده های فرایند از آن به عنوان یک روش حرارت دهی راضی نبودند از لحاظ محیطی و مشکلات مرتبط با حذف نمک بعد از لحیم کاری سخت ٬ دردسر ساز بود .

لحیم کاری سخت کوره ای با یک فلاکس کنترل درجه حرارت را فراهم می کند اما گازهای فلاکس بویژه مخلوط بخارهای محلول رقیق اسید هیدروکلریدریک با کمی اسید فلوئوریک بصورت متفاوت سبب مشکلات خوردگی در درون کوره می گردند لحیم کاری سخت در خلا هر چند برای تعداد معدودی ار کاربردهای فضایی مورد استفاده قرار گرفت آن خیلی گران قیمت بود و در نتیجه لحیم کاری سخت آلومینیم به نظر می رسد که خاص بوده و روش آن با روشهای بکار برده شده برای لحیم سایر فلزات متفاوت است .

در حدود سال 1980 امکان استفاده از آلومینیم به عنوان بک ماده ساختمانی برای کاربردهای مبدل حرارتی وسایل نقلیه زیاد مد نظر قرار گرفت و پروژه های تحقیقی با دیدگاه لحیم کاری سخت سازه های ساخته شده با آلومینیوم به عنوان موضوع تجاری و جذاب شروع به کار کردند

بعد از گذشت ربع قرن لحیم کاری سخت در خلا و کوره ای با محافظ اتمسفر یک گسترش میانگین سالانه مابین ۲ و،% ۳ داشته اند شاید سه تا ازبهترین مثال آن عبارت هستند از :

• تغییر جهانی از برنج و مسی به آلومینیم به عنوان ماده اول انتخابی برای مبدل های حرارتی خودرو و خنک کننده ها
• کاربرد وسیع کوره های نقاله ای با محافظت اتمسفر در صنعت خودرو
• تقاضاها ازصنعت هوافضایی برای اتصالها لحیم شده قابل اعتماد از سوپر آلیاژها

ملاحظات فلز اصلي
گسترش استفاده پيوسته از آلومينيوم بدليل خواص جالب آن مي‌باشد، به همين دليل متالوژيست‌ها رنج وسيعي از آلياژ ها را با آلومينيوم تهيه مي كنند. جدول 1 نمايشي انتخابي از خواص تعدادي از آلياژهاي پايه آلومينيوم را نشان مي‌دهد.آلياژهاي آلومينيوم بر اساس عناصر آلياژي شان طبقه بندي مي‌گردند. جدول 2 آلياژهاي آلومينيوم را بر اساس طبقه بندی انجمن آلومينيوم (AA) نشان مي‌دهد.

جدول 1) استحكام و سختي تعدادي از آلياژ‌هاي پايه آلومينيوم

جدول 2) طبقه بندي بين المللي آلياژهاي كار شده آلومينيوم
خواص آلومينيوم
بدليل چگالي پايين آلومينيوم، (7/2 گرم \ سانتي‌متر‌مكعب)، اين عنصر در جايي كه به فلز سبك نياز باشد مورد استفاده قرار مي‌گيرد. جدول 3 تعدادي از خواص آلومينيوم را با دو فلز سنگين (مس و آهن) مقايسه مي‌كند. جدول 1 نشان مي دهد كه استحكام كششي آلومينيوم خالص پايين است (70 مگاپاسكال در مقايسه با 360 مگاپاسكال براي فولاد ساده كربني). همچنين اختلاف قابل ملاحظه‌اي بين سختي آلومينيوم و فولاد آنيل شده وجود دارد (در فولاد عدد سختي حدود 11 برابر آلومينيوم مي‌باشد)

جدول 3) تعدادي از خواص فيزيكي آلومينيوم در مقايسه با آهن و مس
به هر حال آلومينيوم نرم و داكتيل است و يك لايه محكم و چسبنده و دير گداز اكسيدي (اكسيد آلومينيوم) روي آن قرار مي‌گيرد اين لايه در مقابل حملات شيميايي بسيار مقاوم است و اين خاصيت باعث مقاومت به خوردگي ويژه آلومينيوم در مقابل هوا مي‌گردد به عبارتي ديگر، بخاطر اين لايه اكسيدي چسبنده تقاضا براي تكنولوژيهايي جهت اتصال آلومينيوم و آلياژهايش وجود دارد. با ملاحظه موضوع خوردگي، اين مهم را بياد مي‌آوريم كه در سري الكتروشيميايي، آلومينيوم پتانسيل منفي تري نسبت به فلزات سنگين دارد. حتي روي كه به عنوان آند فداشونده براي مخافظت فولاد به كار مي‌رود پتانسيل الكترود مثبت تري نسبت به آلومينيوم دارد. اين بدان معني است كه آلياژ‌هاي آلومينيوم كه شامل يكي از فلزات سنگين مي‌باشند بيشتر مستعد خوردگي نسبت به خود فلزات سنگين مي‌باشند.
آلومينويم معمولاً به عنوان فلز پايه براي لحيم كاري سخت به كار مي‌رود. قطعات آلومينيومي به راحتي با ماشين كاري، شكل دادن و پرس كردن تهيه مي‌گردند. آلومينيوم به دو طريق با ساير فلزات تفاوت دارد:
1- تشكيل سريع لايه اكسيدي مستحكم در هر جايي كه اكسيژن حضور داشته باشد مثلا در حضور آّب يا هوا
2- آلومينيوم هميشه در دمايي نزديك دماي ذوب خودش لحيم كاري سخت مي گردد

نكات طراحي اتصال
لحيم كاري سخت به عنوان فرايندي مطرح است كه در آن مواد مذاب با حد مناسبي از سياليت بوسيله خاصيت جذب موئینگي به داخل شكاف كشيده مي شوند و بين سطوح تقريبا بهم چسبيده و موازي همديگر را پر مي كنند. در شرايط ايده ال اتصالات تمام شده بايد طوري منظم باشد كه بتوانند بارهاي اعمالي مانند برش را بهتر از كشش و فشار تحمل كنند.
شكل 1) طرح تعدادي از اتصالات انجام شده بوسيله جوشكاري (شكل 1 (a)) و با لحيم و با فيلرهاي نقره (شكل 1 (b)) را نشان مي دهد. براي لحيم كاري سخت آلومينيوم، طرح اتصال بايد سازگاري خوبي بين جوشكاري و لحيم كاري را ايجاد كند.

شكل 1) چند طرح انتخابي از فرايندهاي مختلف اتصال
اصول طرح اتصال مختصر شده در بالا با جزئيات بيشتري در شكل 2 بيان شده و اين شكل طرحهاي اتصال پيشنهادي كه براي لحيم آلومينيوم در انواع سازه‌ها رضايت بخش خواهد بود را نشان مي‌دهد.

شكل 2) تعدادي از طرحهاي اتصال معرفي شده براي لحيم كاري سخت آلومينيوم
قطعات مونتاژ شده كه قرار است لحيم كاري سخت گردند را مي‌توان به طريقه هاي مختلف براي اتصال آماده نمود. وقتي طرح اتصال طوري است كه اجازه استفاده از فلاكس را به ما مي دهد قيود بايد طوري باشد كه بكار بردن فلاكس و اعمال گاز براي روان كردن فيلر داخل محل اتصال اطمينان بخش باشد.

اتصالات سر به سر را مي‌توان براي دستيابي به اتصال محكم كه استحكام آن برابر با استحكام فلز پايه باشد، به كار برد.
اتصالات سر به سر كه نياز به جريان طولاني مسير براي فيلر متال دارند بايد تنها براي جاري شدن در يك جهت طراحي گردند (براي ممانعت از به تله افتادن فلاكس خورنده)

اتصالات لب به لب و لب به لب مورب داراي استحكام يكساني با فلز پايه نمي باشند اما مي توان آنها را رضايت بخش خواند. (اين نكته بايد بيان شود كه اتصالات لب به لب و لب به لب مورب ضعيف تر از اتصالات سر به سر مي‌باشند زيرا سطح اتصال آنها كمتر از سطح اتصال در اتصالات سر به سر مي باشد) براي لحيم كاري، سخت بدون فلاكس، خط تماس مطلوب است و حالت بدون فاصله بين سطوح ترجيح داده مي‌شود. آلياژهاي لحيم سخت (براي مثال سري BNi) مي‌توانند استحكام معادل فلز مادر را ايجاد كنند. به شرطي كه به مدت طولاني براي ايجاد خواص ريز ساختاري و اندازه دانه مشابه با فلز مادر، همگن گردند.

در لحيم كاري با فلاكس، فاصله بين سطوح بايد كافي باشد (براي ممانعت از انجماد نابهنگام فيلر متال در فضاهاي مويينگي كوچك كه ناشي از قابليت حلاليت متقابل فلز پايه و فيلر متال مي باشد) اين فضاها (مويينگي) مي تواند فلاكس را به دام انداخته و سبب تخلخل گردند.

فاصله بين سطوح كه رنج آن از 05/0 تا 1/0 ميلي متر است براي لبه هاي نازك كافي است. لبه هاي بزرگتر ممكن است نياز به فاصله سطوح بالاتر از 25/0 ميلي متر داشته باشند.

لحیم کاری سخت آلومینیوم مواد فیلر

تعدادزیادی از فلزات خالص وآلیاژ ها به عنوان مواد پرکننده لحیم کاری سخت استفاده شده اند بهرحال ،حضورفلزات سنگین درمواد لحیم کاری سخت آلومینیم تاثیری منفی روی پایداری دربرابرخوردگی آن دارد تقریبا در تمام موارد،دمای کاری اکثر مواد پرکننده از ۶۶۰ ( نقطه ذوب آلومینیم ) فراترمی رود این حقیقت تنهادلیل درحذف کردن % ۹۹ مواد پرکننده لحیم کاری سخت برای اتصال آلومینیم وآلیاژهایش می باشد

انتخاب مواد پركننده براي لحيم كاري سخت آلومينيوم به هفت آلياژ بر اساس استاندارد BSEN1044 محدود شده است كه آنها را در جدول زير مي‌بينيد.

احتمالا يكي از فاكتورهاي غير معمول در ارتباط با لحيم كاري سخت آلومينيوم اين است كه ماده لحيم اغلب براي اتصال به طور مجزا به كار برده نمي شود بلكه آن به عنوان بخش كاملي از ماده ساختماني به كار مي‌رود. ماده پركننده در لحيم سخت آلومينيوم كه قرار است با آلومينيوم اتصال ايجاد كند مانند لايه اي است كه در شكل 3 نشان داده شده است.

شكل 3) اساس و شكل يك لايه ورق با مواد پركننده لحيم سخت كه براي ساخت رادياتورهاي آلومينيومي به كار مي رود.
آلياژهاي مورد استفاده در لحيم كاري سخت و با فلاكس معمولا شامل 7 تا 12% سيليكون و مابقي الومينيوم مي باشند و آلياژهاي بكار برده شده در لحيم كاري سخت و بدون فلاكس از درصدهاي بالاتر سيليكون (بالاي 9%) همراه با افزودني‌هاي متفاوتي از منيزيم براي افزايش بهسازي اكسيد به منظور افزايش قابليت خيس كنندگي تشكيل شده اند. براي فرايند خلا

(بدون فلاكس) آلياژ BAlSi با 6 تا 11% ‌Si معروف است همچنين آلياژ BAlSi با 3 تا 5% Si براي فرايند بدون فلاكس همراه با افزودني منيزيم براي بهسازي به كار مي رود شكل زير دماي فيلرهاي مورد استفاده در لحيم كاري سخت آلومينيوم و دماي آلياژهاي آلومينيوم را نشان مي دهد.

مونتاژ كردن اجزا

در روش لحيم كاري سخت با فلاكس، خود فيكس كردن (self-fixturing) يك روش عالي مونتاژ كردن است. اين روش ممكن است همراه با استفاده از زائده‌ها، ميخ ها، پرچ ها، پيچ ها و ... باشد.روش خود فيكس كردن ارزان، سريع است و خود به انواع مختلف مونتاژ كردن تقسيم مي گردد. بايد هنگام انتخاب آلياژ گيره دقت كرد كه دماي ساليدوس آن بيشتر از دماي فرايند لحيم كاري سخت باشد.
فيكچسرهاي با بار فنري مي توانند خصوصا براي توليد بالا و مونتاژهاي پيچيده مفيد باشند اين فيكسچرها براي مونتاژهاي انبوه عالي اند (مثلا براي مبدلهاي حرارتي) زماني كه تطابق و تنظيم بطور درست انجام گيرد فيكچسرهاي با بار فنري مي توانند از له شدن قطعات مونتاژ كه اغلب بدليل انبساط بالاي آلومينيوم حين گرم كردن مي باشد، ممانعت نمايد. هم از فنرهاي چرخان و هم از فنرهاي تسمه اي مي توان استفاده كرد.
فيكسچرهاي وزني اغلب براي موارد توليد پايين و در حالتهايي كه اختلافات بين شكل و اندازه قطعات استفاده از فيكسچرهاي گران قيمت را محدود مي كند ، استفاده مي گردند.

ورق لحيم كاري سخت
ورق لحيم كاري سخت معمولا بوسيله رول باندينگ فيلر متال به فلز پايه تهيه مي گردد و مي تواند يك لايه ساده (فقط روي پهلوها) يا دو لايه باشد و يك روش خيلي مفيد براي بكار بردن فيلر متال باشد ورق لحيم كاري سخت بطور مفيدي در مونتاژ موارد، تعداد مونتاژ بالا مثلا در مبدلهاي حرارتي يا ساير مونتاژ كاري هاي پيچيده استفاده مي گردد و ورق لحيم كاري سخت يك كمك کننده عالي در مونتاژهايي است كه قرار است چند تا اتصال بطور همزمان انجام گيرد.

فرایندهای متداول در لحیم کاری سخت آلومینیوم
هر منبع حرارتی که برای افزایش دمای کامپوننت ها به دمای لحیم کاری سخت بکارگرفته می شود را می توان موقعیکه آلومینیم لحیم می گردد بکارگرفت عموما انتخاب ما بین لحیم کار ی شعله ای و لحیم کاری کوره ای می باشد
1- لحيم كاري سخت شعله اي

هنگام استفاده از لحيم كاري سخت شعله اي براي آلومينيوم بايد اين مهم را يادآور شويم كه فلز آلومينيوم به راحتي ساير فلزات قابليت لحيم كاري ندارد. لحيم كاري الومينيوم متفاوت است و نياز به توجه جزئيات بيشتري دارد.
لحيم كاري سخت شعله اي بصورت اتوماتيك، براي آلومينيوم به طور وسيعي به كار گرفته شده است يك مثال جالب از يك ماشين نسبتا ساده براي لحيم كاري سخت كامپونيت هاي آلومينيومي در صنايع خودرو در شكل 4 نشان داده شده است.

شكل 4) يك دستگاه دو ايستگاهه كه بطور ايده الي مناسب لحيم كاري سخت شعله اي كامپوننت هاي آلومينيومي در صنايع خودرو طراحي شده است. (نكته وجود يك پيرمتر اپتيكي در بالا و سمت چپ براي تنظيم دما در طول فرايند لحيم كاري سخت، مي باشد).

لحيم كاري شعله‌اي هم بصورت دستي و هم بصورت اتوماتيك در عمليات تعميري استفاده مي‌گردد. محدودهاي لحيم كاري سخت شعله اي از اتصالات ساده لوله به لوله تا نسبتا پيچيده و مونتاژهاي ماشيني شده را پوشش مي دهد. لحيم كاري سخت شعله اي شبيه جوشكاري با گاز (در جايي كه گرما بر روي محل اتصال به صورت موضعي اعمال مي شود) است.

بدليل اينكه آلومينيوم حين گرم كردن تغيير رنگ نشان نمي دهد. اين خيلي مشكل است كه بدانيم كي (چه زماني) قطعات به دماي لحيم كاري سخت رسيده اند. فلاكس هايي كه در دمايي كمتر از دماي فيلر متال ذوب مي شوند را مي توان به عنوان مشخصه دما به كار گرفت. سطوح اتصال با يك فلاكس لحيم كاري سخت مي شوند. يك شعله نرم و كوتاه بالاي كل سطوح حركت داده مي شود و فيلر متال را مي توان از قبل به كار گرفت و يا بصورت مداوم تغذيه نمود. بعد از لحيم كاري سخت، فلاكس كلريدي باقيمانده را بايد از سطوح حذف كرد.

جدول 4 تعدادي از داده هاي با ارزش درباره قابليت لحيم پذيري آلياژ هاي آلومينيوم سري AA را بيان مي كند و جدول 5 آلياژهاي پايه آلومينيومي با قابليت لحيم كاري سخت شعله اي را نشان مي دهد. در اين جداول به ستون ساليدوس توجه كنيد. بايد توجه كنيد كه تعدادي از آلياژهاي شامل منيزيم بالا در جدول 5 معرفي شده اند همانطوري كه در قسمت هاي بعدي بحث خواهيم كرد چنين موادي معمولا غير ممكن است بتوان آنها را با فرايند لحيم كاري كوره اي NOCLOK لحيم كاري نمود. در روشهاي لحيم كاري سخت شعله اي، سرعت گرم كردن بالاتر از لحيم كاري سخت كوره اي است و اثر زيان آور ميزان منيزيم آلياژ كمتر مطرح مي شود.

جدول 4) تعدادي از داده هاي با ارزش درباره قابليت لحيم پذيري آلياژ هاي آلومينيوم سري AA

جدول 5 ) آلياژهاي پايه آلومينيومي با قابليت لحيم كاري سخت شعله اي

الف) انواع فلاكس هاي لحيم سخت شعله اي آلومينيوم