لحیم کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم

۱. قابلیت لحیم‌کاری

خاصیت لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم ضعیف است، عمدتاً به این دلیل که لایه اکسید روی سطح آن به سختی جدا می‌شود. آلومینیوم میل ترکیبی زیادی با اکسیژن دارد. تشکیل یک لایه اکسید متراکم، پایدار و با نقطه ذوب بالا Al2O3 روی سطح آن آسان است. در عین حال، آلیاژهای آلومینیوم حاوی منیزیم نیز یک لایه اکسید بسیار پایدار MgO تشکیل می‌دهند. آنها به طور جدی مانع خیس شدن و پخش شدن لحیم می‌شوند و جدا کردن آنها دشوار است. در حین لحیم‌کاری، فرآیند لحیم‌کاری فقط با روان‌ساز مناسب قابل انجام است.

ثانیاً، عملیات لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم دشوار است. نقطه ذوب آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم تفاوت چندانی با فلز پرکننده لحیم‌کاری مورد استفاده ندارد. محدوده دمایی اختیاری برای لحیم‌کاری بسیار محدود است. کمی کنترل نامناسب دما می‌تواند به راحتی باعث گرم شدن بیش از حد یا حتی ذوب شدن فلز پایه شود و فرآیند لحیم‌کاری را دشوار کند. برخی از آلیاژهای آلومینیوم که با عملیات حرارتی تقویت می‌شوند، به دلیل گرمایش لحیم‌کاری، باعث پدیده‌های نرم شدن مانند پیری بیش از حد یا آنیل شدن نیز می‌شوند که این امر باعث کاهش خواص اتصالات لحیم‌کاری شده می‌شود. در لحیم‌کاری شعله‌ای، قضاوت در مورد دما دشوار است زیرا رنگ آلیاژ آلومینیوم در حین گرمایش تغییر نمی‌کند و این امر الزامات سطح عملکرد اپراتور را نیز افزایش می‌دهد.

علاوه بر این، مقاومت در برابر خوردگی اتصالات لحیم‌کاری شده آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم به راحتی تحت تأثیر فلزات پرکننده و روان‌سازها قرار می‌گیرد. پتانسیل الکترود آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم کاملاً با لحیم متفاوت است که مقاومت در برابر خوردگی اتصال را، به ویژه برای اتصال لحیم‌کاری نرم، کاهش می‌دهد. علاوه بر این، اکثر روان‌سازهای مورد استفاده در لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم خاصیت خورندگی بالایی دارند. حتی اگر پس از لحیم‌کاری تمیز شوند، تأثیر روان‌سازها بر مقاومت در برابر خوردگی اتصالات به طور کامل از بین نمی‌رود.

2. مواد لحیم کاری

(1) لحیم کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم روشی است که به ندرت استفاده می‌شود، زیرا ترکیب و پتانسیل الکترود فلز پرکننده لحیم کاری و فلز پایه بسیار متفاوت است که به راحتی باعث خوردگی الکتروشیمیایی اتصال می‌شود. لحیم کاری نرم عمدتاً از لحیم بر پایه روی و لحیم سرب قلع استفاده می‌کند که می‌توان آنها را بر اساس محدوده دما به لحیم کاری دمای پایین (150 تا 260 درجه سانتیگراد)، لحیم کاری دمای متوسط ​​(260 تا 370 درجه سانتیگراد) و لحیم کاری دمای بالا (370 تا 430 درجه سانتیگراد) تقسیم کرد. هنگامی که از لحیم سرب قلع استفاده می‌شود و مس یا نیکل روی سطح آلومینیوم برای لحیم کاری از قبل آبکاری می‌شود، می‌توان از خوردگی در سطح اتصال جلوگیری کرد تا مقاومت در برابر خوردگی اتصال بهبود یابد.

لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، مانند قطعاتی مانند فیلتر گاید، اواپراتور، رادیاتور و سایر قطعات. فقط فلزات پرکننده پایه آلومینیوم می‌توانند برای لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم استفاده شوند که در میان آنها فلزات پرکننده آلومینیوم-سیلیکون بیشترین کاربرد را دارند. دامنه کاربرد خاص و مقاومت برشی اتصالات لحیم‌کاری شده به ترتیب در جدول 8 و جدول 9 نشان داده شده است. با این حال، نقطه ذوب این لحیم نزدیک به فلز پایه است، بنابراین دمای گرمایش باید در حین لحیم‌کاری به طور دقیق و سختگیرانه کنترل شود تا از گرم شدن بیش از حد یا حتی ذوب شدن فلز پایه جلوگیری شود.

جدول 8 دامنه کاربرد فلزات پرکننده لحیم کاری برای آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم

جدول 9 مقاومت برشی اتصالات آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم لحیم‌کاری شده با فلزات پرکننده آلومینیوم-سیلیکون

لحیم آلومینیوم سیلیکون معمولاً به صورت پودر، خمیر، سیم یا ورق عرضه می‌شود. در برخی موارد، از صفحات کامپوزیت لحیم با هسته آلومینیوم و روکش آلومینیوم سیلیکون استفاده می‌شود. این نوع صفحه کامپوزیت لحیم با روش هیدرولیکی ساخته می‌شود و اغلب به عنوان بخشی از اجزای لحیم‌کاری سخت استفاده می‌شود. در حین لحیم‌کاری سخت، فلز پرکننده لحیم‌کاری سخت روی صفحه کامپوزیت تحت عمل مویینگی و گرانش ذوب شده و جریان می‌یابد تا شکاف اتصال را پر کند.

(2) فلاکس و گاز محافظ برای لحیم کاری آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم، اغلب از فلاکس مخصوص برای حذف لایه محافظ استفاده می‌شود. فلاکس آلی بر پایه تری اتانول آمین، مانند fs2O4، با لحیم نرم دمای پایین استفاده می‌شود. مزیت این فلاکس این است که اثر خوردگی کمی بر روی فلز پایه دارد، اما مقدار زیادی گاز تولید می‌کند که بر خیس شدن و آب بندی لحیم تأثیر می‌گذارد. فلاکس واکنشی بر پایه کلرید روی، مانند fs2O3 و fs220a، با لحیم نرم دمای متوسط ​​و بالا استفاده می‌شود. فلاکس واکنشی بسیار خورنده است و پس از لحیم کاری باید باقیمانده آن حذف شود.

در حال حاضر، لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم هنوز تحت سلطه حذف لایه روان‌ساز است. روان‌ساز لحیم‌کاری مورد استفاده شامل روان‌ساز بر پایه کلرید و روان‌ساز بر پایه فلوراید است. روان‌ساز بر پایه کلرید توانایی قوی در حذف لایه اکسید و سیالیت خوب دارد، اما اثر خورندگی زیادی بر روی فلز پایه دارد. پس از لحیم‌کاری، باقیمانده آن باید کاملاً حذف شود. روان‌ساز بر پایه فلوراید نوع جدیدی از روان‌ساز است که اثر حذف لایه خوبی دارد و هیچ خوردگی برای فلز پایه ایجاد نمی‌کند. با این حال، نقطه ذوب بالایی دارد و پایداری حرارتی آن ضعیف است و فقط با لحیم آلومینیوم سیلیکون قابل استفاده است.

هنگام لحیم کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم، اغلب از خلاء، اتمسفر خنثی یا بی‌اثر استفاده می‌شود. هنگام استفاده از لحیم کاری خلاء، درجه خلاء معمولاً باید به حدود 10-3 پاسکال برسد. هنگامی که از گاز نیتروژن یا آرگون برای محافظت استفاده می‌شود، خلوص آن باید بسیار بالا باشد و نقطه شبنم باید کمتر از -40 ℃ باشد.

۳. فناوری لحیم‌کاری سخت

لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم الزامات بالایی برای تمیز کردن سطح قطعه کار دارد. برای دستیابی به کیفیت خوب، لکه روغن و لایه اکسید روی سطح باید قبل از لحیم‌کاری برداشته شود. لکه روغن روی سطح را با محلول آبی Na2CO3 در دمای 60 تا 70 درجه سانتیگراد به مدت 5 تا 10 دقیقه پاک کنید و سپس با آب تمیز بشویید. لایه اکسید سطحی را می‌توان با اچ کردن با محلول آبی NaOH در دمای 20 تا 40 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 4 دقیقه پاک کرد و سپس با آب داغ شست. پس از پاک کردن لکه روغن و لایه اکسید روی سطح، قطعه کار باید به مدت 2 تا 5 دقیقه با محلول آبی HNO3 برای براق شدن، تمیز شود، سپس با آب جاری تمیز و در نهایت خشک شود. قطعه کاری که با این روش‌ها تمیز می‌شود نباید با سایر آلودگی‌ها لمس یا آلوده شود و باید ظرف 6 تا 8 ساعت لحیم‌کاری شود. در صورت امکان، بهتر است بلافاصله لحیم‌کاری انجام شود.

روش‌های لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً شامل لحیم‌کاری شعله‌ای، لحیم‌کاری آهن لحیم‌کاری و لحیم‌کاری کوره‌ای است. این روش‌ها عموماً از روان‌ساز در لحیم‌کاری استفاده می‌کنند و الزامات دقیقی در مورد دمای گرمایش و زمان نگهداری دارند. در طول لحیم‌کاری شعله‌ای و لحیم‌کاری آهن لحیم‌کاری، از گرم کردن مستقیم روان‌ساز توسط منبع گرما خودداری کنید تا از گرم شدن بیش از حد و خرابی روان‌ساز جلوگیری شود. از آنجایی که آلومینیوم می‌تواند در لحیم نرم با محتوای روی بالا حل شود، پس از تشکیل اتصال، گرمایش باید متوقف شود تا از خوردگی فلز پایه جلوگیری شود. در برخی موارد، لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم گاهی اوقات از روان‌ساز استفاده نمی‌کند، بلکه از روش‌های اولتراسونیک یا خراشیدن برای حذف لایه محافظ استفاده می‌کند. هنگام استفاده از خراشیدن برای حذف لایه محافظ برای لحیم‌کاری، ابتدا قطعه کار را تا دمای لحیم‌کاری گرم کنید و سپس قسمت لحیم‌کاری قطعه کار را با انتهای میله لحیم‌کاری (یا ابزار خراشیدن) خراش دهید. هنگام شکستن لایه محافظ اکسید سطحی، انتهای لحیم ذوب شده و فلز پایه را خیس می‌کند.

روش‌های لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً شامل لحیم‌کاری شعله‌ای، لحیم‌کاری کوره‌ای، لحیم‌کاری غوطه‌وری، لحیم‌کاری خلاء و لحیم‌کاری با محافظ گاز است. لحیم‌کاری شعله‌ای بیشتر برای قطعات کوچک و تولید تک‌قطعه استفاده می‌شود. برای جلوگیری از خرابی روان‌ساز به دلیل تماس بین ناخالصی‌های استیلن و روان‌ساز هنگام استفاده از شعله اکسی استیلن، استفاده از شعله هوای فشرده بنزین با قابلیت کاهش جزئی برای جلوگیری از اکسیداسیون فلز پایه مناسب است. در لحیم‌کاری خاص، روان‌ساز لحیم‌کاری و فلز پرکننده را می‌توان از قبل در محل لحیم‌کاری قرار داد و همزمان با قطعه کار گرم کرد. همچنین می‌توان ابتدا قطعه کار را تا دمای لحیم‌کاری گرم کرد و سپس لحیم آغشته به روان‌ساز را به محل لحیم‌کاری فرستاد. پس از ذوب شدن روان‌ساز و فلز پرکننده، شعله گرم‌کننده باید به آرامی و پس از پر شدن یکنواخت فلز پرکننده برداشته شود.

هنگام لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم در کوره هوا، فلز پرکننده لحیم‌کاری باید از قبل تنظیم شده باشد و پودر لحیم‌کاری باید در آب مقطر ذوب شود تا محلول غلیظی با غلظت ۵۰٪ تا ۷۵٪ تهیه شود و سپس روی سطح لحیم‌کاری پوشش داده یا اسپری شود. مقدار مناسبی از پودر لحیم‌کاری نیز می‌تواند روی فلز پرکننده لحیم‌کاری و سطح لحیم‌کاری پوشانده شود و سپس قطعه جوش مونتاژ شده برای گرم کردن لحیم‌کاری در کوره قرار داده شود. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد یا حتی ذوب شدن فلز پایه، دمای گرمایش باید به شدت کنترل شود.

لحیم خمیری یا فویلی معمولاً برای لحیم‌کاری غوطه‌وری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم استفاده می‌شود. قطعه کار مونتاژ شده باید قبل از لحیم‌کاری پیش گرم شود تا دمای آن به دمای لحیم‌کاری نزدیک شود و سپس برای لحیم‌کاری در روان‌ساز لحیم‌کاری غوطه‌ور شود. در حین لحیم‌کاری، دمای لحیم‌کاری و زمان لحیم‌کاری باید به شدت کنترل شود. اگر دما خیلی بالا باشد، فلز پایه به راحتی حل می‌شود و لحیم به راحتی از بین می‌رود. اگر دما خیلی پایین باشد، لحیم به اندازه کافی ذوب نمی‌شود و سرعت لحیم‌کاری کاهش می‌یابد. دمای لحیم‌کاری باید با توجه به نوع و اندازه فلز پایه، ترکیب و نقطه ذوب فلز پرکننده تعیین شود و عموماً بین دمای مایع فلز پرکننده و دمای جامد فلز پایه است. زمان غوطه‌وری قطعه کار در حمام روان‌ساز باید تضمین کند که لحیم می‌تواند به طور کامل ذوب و جاری شود و زمان نگهداری نباید خیلی طولانی باشد. در غیر این صورت، عنصر سیلیکون موجود در لحیم ممکن است به فلز پایه نفوذ کند و فلز پایه نزدیک درز را شکننده کند.

در لحیم‌کاری خلاء آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم، اغلب از فعال‌کننده‌های فلزی برای اصلاح لایه اکسید سطحی آلومینیوم و اطمینان از خیس شدن و پخش شدن لحیم استفاده می‌شود. منیزیم را می‌توان مستقیماً به صورت ذرات روی قطعه کار استفاده کرد، یا به صورت بخار وارد منطقه لحیم‌کاری کرد، یا منیزیم را می‌توان به عنوان یک عنصر آلیاژی به لحیم سیلیکون آلومینیوم اضافه کرد. برای قطعه کار با ساختار پیچیده، به منظور اطمینان از تأثیر کامل بخار منیزیم بر روی فلز پایه و بهبود کیفیت لحیم‌کاری، اغلب اقدامات فرآیند محافظت موضعی انجام می‌شود، یعنی ابتدا قطعه کار در یک جعبه استیل ضد زنگ (که معمولاً به عنوان جعبه فرآیند شناخته می‌شود) قرار می‌گیرد و سپس برای گرم کردن لحیم‌کاری در یک کوره خلاء قرار می‌گیرد. اتصالات آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم لحیم‌کاری خلاء دارای سطح صاف و اتصالات لحیم‌کاری متراکم هستند و نیازی به تمیز کردن پس از لحیم‌کاری ندارند. با این حال، تجهیزات لحیم‌کاری خلاء گران هستند و بخار منیزیم کوره را به طور جدی آلوده می‌کند، بنابراین نیاز به تمیز کردن و نگهداری مکرر دارد.

هنگام لحیم‌کاری آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم در اتمسفر خنثی یا بی‌اثر، می‌توان از فعال‌کننده منیزیم یا فلاکس برای حذف لایه محافظ استفاده کرد. هنگامی که از فعال‌کننده منیزیم برای حذف لایه محافظ استفاده می‌شود، مقدار منیزیم مورد نیاز بسیار کمتر از لحیم‌کاری در خلاء است. به‌طورکلی، w (میلی‌گرم) حدود 0.2٪ تا 0.5٪ است. وقتی محتوای منیزیم بالا باشد، کیفیت اتصال کاهش می‌یابد. روش لحیم‌کاری NOCOLOK با استفاده از فلاکس فلوراید و محافظت از نیتروژن، روشی جدید است که در سال‌های اخیر به سرعت توسعه یافته است. از آنجایی که باقیمانده فلاکس فلوراید رطوبت را جذب نمی‌کند و برای آلومینیوم خورنده نیست، می‌توان فرآیند حذف باقیمانده فلاکس پس از لحیم‌کاری را حذف کرد. تحت محافظت نیتروژن، تنها مقدار کمی از فلاکس فلوراید نیاز به پوشش دارد، فلز پرکننده می‌تواند فلز پایه را به خوبی خیس کند و به راحتی می‌توان اتصالات لحیم‌کاری شده با کیفیت بالا را به دست آورد. در حال حاضر، این روش لحیم‌کاری NOCOLOK در تولید انبوه رادیاتور آلومینیومی و سایر قطعات استفاده شده است.

برای آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم که با روان‌ساز غیر از روان‌ساز فلوراید لحیم‌کاری شده‌اند، پس از لحیم‌کاری، باقیمانده روان‌ساز باید کاملاً پاک شود. باقیمانده روان‌ساز لحیم‌کاری آلی برای آلومینیوم را می‌توان با محلول‌های آلی مانند متانول و تری‌کلرواتیلن شستشو داد، با محلول آبی هیدروکسید سدیم خنثی کرد و در نهایت با آب گرم و سرد تمیز کرد. کلرید باقیمانده روان‌ساز لحیم‌کاری آلومینیوم است که می‌توان آن را طبق روش‌های زیر پاک کرد؛ ابتدا به مدت 10 دقیقه در آب گرم با دمای 60 تا 80 درجه سانتیگراد خیس کنید، باقیمانده روی اتصال لحیم‌کاری شده را با برس به دقت تمیز کنید و سپس با آب سرد بشویید. سپس آن را به مدت 30 دقیقه در محلول آبی 15٪ اسید نیتریک خیس کنید و در نهایت با آب سرد آبکشی کنید.