بخشی از مقاله
بررسي پارامترهاي موثر بر لحيم کاري سخت آلياژهاي آلومينيوم ( ٣١٠٥، ٨٠١١ و ٥٠١٠ )
چکيده
لحيم کاري يکي از روشهاي قديمي اتصال فلزات به يکديگر مي باشد. به علت مزايا و برتري هايي که لحيم کاري نسبت به جوشکاري دارد در بسياري موارد از اين روش براي اتصال فلزات مختلف استفاده مي شود.
در اين تحقيق سه نوع ورق با ضخامت ١.١ ميلي متر و جنس آلومينيم (٣١٠٥، ٨٠١١ و ٥٠١٠) جهت لحيم کاري انتخاب شد. با استفاده از ماده پرکننده (آلياژ ٤٠٤٣) و روانساز کلريدي لحيم کاري انجام و آزمايش کشش براي تعيين استحکام برشي ، سختي سنجي و آزمايش خستگي خمشي بر روي نمونه انجام شد. با افزايش ميزان لب رو لب (طول همپوشاني ) استحکام(خستگي ، کشش ) افزايش مي يابد. سطح آلياژ ٣١٠٥ نسبت به آلياژهاي ٨٠١١ و ٥٠١٠ قابليت لحيم پذيري بهتري است .
کلمات کليدي : لحيم کاري ، ماده پرکننده، فلاکس ، طول همپوشاني ، بر استحکام کششي و خستگي دانشياردانشکده مواد و متالورژي دانشکده هاي فني دانشگاه تهران
١- مقدمه
لحيم کاري يکي از روشهاي قديمي اتصال فلزات به يکديگر مي باشد. تاريخچه اين صنعت به لحيم کاري گلدان ها و ورقهاي طلايي با قدمت ٣٢٠٠سال پيش از ميلاد مسيح (ع)بر مي گردد[١و٢]. استفاده از لحيم کاري سخت براي اتصال بيشتر فلزات و آلياژ هاي آنها يک روش بسيار مناسب با کارآيي بالا مي باشد ولي انجام اتصال بر روي بعضي از اين فلزات شرايط ويژه اي راطلب مي کند. از جمله فلزاتي که براي انجام لحيم کاري آن شرايط خاصي لازم است آلومينيوم و آلياژهاي آن مي باشند. در اين آلياژها بعلت ايجاد يک لايه اکسيدي چسبنده در سطح ، لحيم نمي تواند در سطح فلز پايه پخش شده و يا با فلز در فصل مشترک آلياژ سازي کند و براي انجام لحيم کاري ابتدا بايد لايه اکسيدي برطرف شود [٣].
تنها نياز اتمها براي تشکيل پيوند با يکديگر اين است که اتمهاي دو ماده آنقدر به يکديگر نزديک شوند تا نيروي جاذبه بين آنها موثر واقع شود و به بيشترين مقدار خود برسد، در اين زمان بين اتمها پيوند تشکيل مي شود. تشکيل پيوند در تمامي اتصالات لحيم کاري بر اين اصل استوار است . در اين بين لايه هاي نازک از اکسيد ها، روغنها، گازها ي جذب شده از تماس دوماده با يکديگر جلوگيري کرده و نيروي پيوند بين اتمها راکاهش مي دهد. تشکيل پيوند در لحيم کاري مستلزم آن است که فاز مايع جامد را به خوبي تر کند [ ٤].
عواملي اصلي در استحکام اتصال عبارتند از استحکام فلز پايه ، لقي بين فلزات پايه ، دما و زمان لحيم کاري [ ٥ و٦].عوامل ثانويه عبارتند از: مقدار سطح تماس، ميزان صافي سطح ، تميز بودن سطح تماس، اتمسفر لحيم کاري، عمليات حرارتي بعد از لحيم کاري, قطر يا ضخامت اجزا لحيم شده و يا در يک راستا قرار نگرفتن آنها که متناسب با شرايط و پارامترهاي ديگر لحيم کاري ميزان تاثير آنها متفاوت مي باشد [٧ و ٨]. هدف از اين تحقيق بررسي لحيم پذيري آلياژهاي مختلف آلومينيوم (سريهاي ٣٠٠٠، ٥٠٠٠ و ٨٠٠٠) مي باشد.
٢- روش انجام آزمايش
سه نوع ورق با ضخامت ١.١ ميلي متر و ترکيب جدول١به عنوان فلز پايه انتخاب شد.
ماده پرکننده مورد استفاده، آلياژ ٤٠٤٣ با قطر ٢ ميلي متر ( مارک mm ALSIS٢) مي باشد. ترکيب فلز پرکننده در جدول ٢ آورده شده است
.
با توجه به موجود بودن فلاکس هاي کلريدي با کيفيت مناسب در بازار، از روانساز کلريدي جهت لحيم کاري استفاده شد که ترکيب شيميايي در جدول ٣ آورده شده است .
از محلول ٤٪ NaOH براي چربي زدايي سطوح آماده شده براي اتصال استفاده شد. پس از چربي زدايي ، اسيدشويي در محلول١٠% اسيد نيتريک و ٠.٥% اسيد فلوريدريک، سطوح جهت حذف اکسيدهاي سطحي و ناخالصي هاي موجود در سطح انجام گرفت . براي لحيم کاري نمونه هاي آماده شده از روش لحيم کاري شعله اي استفاده شد. فشار اکسيژن و استيلن در محدوده bar ٥، دبي خروجي گاز اکسيژن ٨٠ تا ٨٤ ليتر در ساعت و دبي خروجي گاز استيلن ٤٠ تا ٤٢ ليتر در ساعت تنظيم و. لحيم کاري در دماي C◦٦٠٠ انجام شد.
آزمايش کشش براي تعيين استحکام برشي طبق استاندارد ASTM E٨ [٩] و دستگاه Instron و سرعت حرکت فک ها mm.min ٥ انجام گرديد. سختي سنجي طبق استاندارد ASTM E٣٨٤ [١٠] و دستگاه سختي ويکرز مدل FRITZ-WERNER و نيرو اعمالي ١٠٠ گرم و فرورونده الماسي انجام شد.
آزمايش خستگي خمشي مطابق با استاندارد ٧٨٧ DIN [١١] و دستگاه SCHENK مدل PWO-G با فرکانس ١٥ سيکل بر ثانيه انجام گرديد. براي بررسي ريزساختار لحيم از متالوگرافي نوري استفاده شد.
حکاکي نمونه هاي متالوگرافي با استفاده از محلول کلر انجام گرديد. همچنين بررسي شکست نگاري سطوح نمونه هاي کشش و خستگي توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي TOPCON مدلSR٥٠ انجام شد.
٣-نتايج و بحث
٣-١-تاثير افزايش ميزان لب رو لب ( طول همپوشاني )
شکل ١ تاثير ميزان لب رو لب (طول همپوشاني ) بر استحکام کششي و خستگي آلياژهاي آلومينيوم سري ٣٠٠٠، ٨٠٠٠ و٥٠٠٠ را نشان مي دهد. همانطور که مشاهده مي شود با افزايش ميزان لب رو لب (طول همپوشاني )، استحکام ماکزيمم کششي و استحکام خستگي (تعداد سيکل هاي منجر به شکست ) افزايش يافته است . در مواقعي که ميزان طول همپوشاني کم و در نتيجه سطح مقطع اتصال کم است تنش افزايش يافته و شکست در لحيم رخ مي دهد. با افزايش ميزان طول همپوشاني ، سطح مقطع اتصال افزايش يافته و شکست در فلز پايه رخ داده است .
٣-٢- تاثير فاصله دو لبه (فاصله درز اتصال)
شکل ٢ تاثير فاصله دو لبه (فاصله درز اتصال) بر استحکام کششي و خستگي آلياژهاي آلومينيوم سري ٣٠٠٠،
٨٠٠٠ و ٥٠٠٠ را نشان مي دهد. همانطور که مشاهده مي شود با افزايش فاصله دو لبه ، استحکام کششي و خستگي ابتدا افزايش يافته و سپس کاهش مي يابد و اين استحکام در فاصبه دو لبه ٠.١ ميلي متر به حداکثر مي رسد.کاهش استحکام در فاصله دو لبه هاي پايين ، بخاطر عدم موئينگي مناسب درز اتصال و عدم چسبندگي بين لحيم و فلز پايه مي باشد. همچنين جايگزين شدن لحيم بجاي روانساز نيز در فاصله دو لبه هاي پايين ، بسيار مشکل بوده و احتمال بدام افتادن روانساز نيز وجود دارد. در فاصله دو لبه هاي بالا هم عدم موئينگي مناسب درز اتصال و عدم چسبندگي بين لحيم فلز پايه وجود دارد. در فاصله دو لبه هاي خيلي بالا اصلاً موئينگي و در نتيجه تر شدن ايجاد نمي شود.
با توجه به اينکه شکست در نمونه هاي لحيم کاري شده اکثرًا در منطقه اتصال رخ مي دهد، مي توان نتيجه گرفت که جوانه زني ، رشد ترک و شکست نهايي در منطقه لحيم يعني جايي که از ماده پرکننده استفاده شده است . مکان هاي جوانه زني خستگي در اتصال معمولا محل هاي عيوب متالورژيکي هستند که در حين لحيم کاري بوجود مي آيند. انواع عيوبي که مکان هاي مناسبي براي جوانه زني ترک هستند شامل عدم نفوذ مذاب، عدم ترکنندگي سطح ، ترکهاي انقباضي ، تشکيل فاز مياني و وجود ناخالصي هاي موجود در لحيم مي باشند. در اين نقاط تحت تنش خستگي ، ترک در تنش هاي پايين نيز ايجاد مي شود.
٣-٣- تاثير دماي پيش گرم
شکل ٣ وجدول ٤ تاثير دماي پيش گرم بر استحکام کششي و خستگي آلياژهاي آلومينيوم سري ٣٠٠٠، ٨٠٠٠ و ٥٠٠٠ را نشان مي دهد. همانطور که مشاهده مي شود با افزايش دماي پيش گرم استحکام کششي (ماکزيمم ) کاهش يافته است که اين بيشتر بخاطر آنيل شدن بيشتر قطعه و در نتيجه نرم شدن آن مي باشد. در آزمايش خستگي نتيجه بر عکس آزمايش کشش بدست آمده و با افزايش دماي پيش گرم استحکام خستگي (تعداد سيکل هاي منجر به شکست ) افزايش يافته است . پيشگرم کردن قطعه به منظور ذوب شدن روانساز و آماده سازي سطح براي انجام لحيم کاري و ايجاد تر کنندگي مناسب سطح انجام مي شود. از طرفي اگر پيش گرم کردن به مقدار کافي انجام نشود روانساز داراي کارايي مناسب نبوده و کيفيت اتصال کاهش مي يابد. بنابراين درجه حرارت پيش گرم در يک حالت بهينه مثلا ٣٥٠ تا ٤٠٠ درجه سانتيگراد کنترل مي شود[١٢] .
طبق نتايج بدست آمده از جدول ٤ و شکل ٣، استحکام (خستگي ، کششي ) آلياژ ٣١٠٥ آلومينيوم، بطور کلي تحت شرايط مساوي نسبت به آلياژهاي ٨٠١١ و٥٠١٠ آلومينيوم ، بالاتر مي باشد. بنابراين مي توان از اين آزمايش ها نتيجه گرفت که لحيم پذيري آلياژ ٣١٠٥ آلومينيوم، بهتر از آلياژهاي ٨٠١١ و ٥٠١٠ است .
٣-٤- نتايج آزمايش سختي در اطراف اتصال
نتايج آزمايش سختي براي هر سه آلياژ در جدول ٥ بر حسب فاصله از محل اتصال نشان داده شده است .
مشاهده مي شود که تغييرات سختي در اطراف از اتصال کم بوده و با افزايش فاصله از محل اتصال، سختي افزايش يافته است . علت اين امر بخاطر آنيل شدن بيشتر قطعات در دماي لحيم کاري بوده است .
