مواد و جوشكاري استان کرمانشاه (کرماشان)

فرایند اتصال دهی با فاز مایع گذرا

فرایندهای اتصال با فاز مایع گذرا و اتصال با فاز مایع گذرای جزئی ترکیبی از فرایندهای اتصال نفوذی و لحیم کاری سخت می باشند، یعنی در این فرایندها فصل مشترک بین دو قطعه به وسیله یک مذاب ایجاد می شود، اما در نهایت اتصالی شبیه اتصال نفوذی ایجاد می گردد. شکل 1-1 چگونگی انجام این فرایند را به صورت شماتیک نشان می دهد. در این فرایند یک لایه واسطه با نقطۀ ذوب پایین تر از اجزای متصل شونده در بین قطعات قرار می گیرد که پس از حرارت دادن و ذوب شدن، به صورت همدما منجمد می شود و یک اتصال دائمی ایجاد می کند. نفوذ متقابل اتم ها در ناحیه فصل مشترک نیز باعث همگن شدن منطقه اتصال می شود. در فرایند اتصال با فاز مایع گذرای جزئی تنها سطوح خارجی لایه واسطه ذوب می شود.

بر اساس مطالعات و فعالیت های انجام شده برای اتصال دو قطعه از جنس B خالص به کمک یک لایه واسطه از جنس A خالص در یک سیستم ایده آل پنج مرحله تعریف می شود که درک این پنج مرحله با توجه به نمودار فازی دوتایی A-B امکان پذیر است. نمودار تعادل فاز دوتایی A-B در شکل 1-2 نشان داده شده است. این پنج مرحله بدین شرح است:

کنار هم قرار دادن اجزاء متصل شونده و لایه واسطه و اعمال یک نیروی فشاری کم بر قطعات که باعث تغییر شکل پلاستیک جزئی بر آمدگی های سطحی و ایجاد یک سطح تماس جامد- جامد و در نتیجه یک فصل مشترک اولیه می شود.

1-   افزایش دمای سیستم(قطعات و لایه واسطه در یک اتمسفر محافظ قرار می گیرند) تا T_E که باعث افزایش میزان تغییر شکل پلاستیک برآمدگی های سطحی و افزایش مساحت حقیقی فصل مشترک می شود (به دلیل کاهش تنش تسلیم با افزایش دما). این افزایش دما همچنین موجب می شود تا نفوذ متقابل در فصل مشترک اتفاق بیفتد و ترکیب شیمیایی لایه واسطه و قطعات با سرعت فزاینده ای تغییر کند. در هنگام حرارت دادن تا T_E مناطق سطحی لایه واسطه A با عنصرB آلیاژ می شود و فاز α تشکیل می دهد که مقدار B در این فاز α پیوسته در حال افزایش است (مسیر a-b در شکل 1-2).مناطق سطحی B نیز با A آلیاژ شده و فاز βتشکیل می دهند. مقدار A نیز در فاز β پیوسته در حال افزایش است.( مسیر d-e در شکل 1-2).

2-   افزایش دما از T_E تا T_B که به عنوان دمای اتصال دهی انتخاب می شود باعث می گردد که مقدار B در فاز α  از b به c و مقدار A در فاز β از e به f کاهش یابد و یک مذاب یوتکتیکی با ترکیبی که در منطقه ghi قرار می گیرد، تشکیل می شود. این مذاب سطوح را خیس می کند و در فصل مشترک پخش می شود و آلیاژ شدن و تشکیل مذاب را که در اثر نفوذ متقابل رخ می دهند تسریع می کند.

3-   نگه داشتن اتصال در دمای T_B باعث می شود که در ابتدا ضخامت لایه مذاب افزایش یابد. این عمل تا هنگامی که کل لایه در اثر نفوذ متقابل مصرف شود ادامه می یابد. ادامه نفوذ باعث تغییر در ترکیب شیمیایی از h تا g می شود. سپس لایه نازک شده و در اثر انجماد همدما لایه مذاب از بین می رود.

4-   ادامه نفوذ متقابل بین اجزای جامد موجود موجب می گردد که غلظت عنصر A در منطقه اتصال کاهش یابد و لایه نازک A در قطعات حل شود و در نتیجه ساختاری مشابه ساختار فلزات پایه در منطقه اتصال ایجاد شود.

در فرایندهای اتصال نفوذی و لحیم کاری سخت، اتصال پس از تشکیل فصل مشترک و یا انجماد مذاب، کامل می شود ولی در اتصال با فاز مایع گذرا انجماد باعث کامل شدن فرایند اتصال نمی شود و نیاز به همگن شدن منطقه فصل مشترک می باشد.

متغیرهای فرایند اتصال با فاز مایع گذرا

مهمترین متغیرهای این فرایند عبارت است از:

درجه حرارت

کمترین درجه حرارتی که برای اتصال دهی مناسب است دمای نقطه یوتکتیک است ولی بالاترین دمای مناسب به نوع سیستم و جنس قطعات و لایه واسطه بستگی دارد. سینتیک نفوذ متقابل اتم ها، واکنش های حل شدن و پهنای منطقه ذوب مورد نیاز از جمله عواملی هستند که دمای مناسب اتصال دهی را تعیین می کنند. تحقیقات نشان داده است که دمای مناسب برای فرایند کمی بالاتر دمای ذوب لایه واسطه یا دمای نقطه یوتکتیکی است که به واسطه نفوذ متقابل ایجاد می شود.

زمان

همانطور که در قسمت های قبلی ذکر شد قسمت عمده زمان اتصال در این فرایند مربوط به مرحله انجماد همدما و مرحله همگن شدن منطقه اتصال می باشد. زمان انجماد همدما با توجه به ضرایب نفوذ متقابل اتم ها، درجه حرارت اتصال دهی و ضخامت لایه واسطه تعیین می شود. افزایش دما باعث افزایش سرعت نفوذ متقابل می شود اما لزوماً زمان انجماد همدما را کاهش نمی دهد. چون افزایش دما معمولاً محدوده ای را که ترکیب شیمیایی نقاط واقع در آن محدوده قبل از انجماد همدما می تواند تغییر کند، افزایش می دهد. عامل دیگری که بر زمان انجماد همدما تاثیر می گذارد اندازه دانه قطعات متصل شونده می باشد.

فشار

برخلاف فرایند جوشکاری نفوذی که در آن فشار نقش عمده ای را ایفا می کند، در فرایند اتصال با فاز مایع گذرا نقش فشار خیلی جدی نیست. مقدار فشار اعمالی تنها کافی است به گونه ای باشد که قطعات را در کنار یکدیگر نگه دارد. با توجه به اینکه در این فرایند در فصل مشترک، ذوب موضعی ایجاد می شود، تأثیر فشار برخلاف فرایند جوشکاری نفوذی حیاتی نیست.

لایه واسطه

ترکیب شیمیایی و ضخامت لایه واسطه از جمله عواملی هستند که خواص اتصال را شدیداً تحت تاثیر قرار می دهند. با تغییر ضخامت لایه واسطه، بیشترین پهنای منطقه مذاب، زمان انجماد همدما و همچنین زمان همگن سازی منطقه اتصال تحت تاثیر قرار می گیرد. ترکیب شیمیایی لایه واسطه نیز ضرایب نفوذ، زمان انجماد همدما و همچنین دمای مناسب اتصال دهی را تحت تاثیر قرار می دهد.

اتمسفر محافظ

این فرایند اتصال همواره تحت شرایط اتمسفر محافظ انجام می گیرد تا از اکسیداسیون لایه واسطه و یا سطوح متصل شونده و همچنین از آلوده شدن آن ها جلوگیری شود. این اتمسفر محافظ می تواند یک گاز خنثی و یا اتمسفر خلا باشد که انتخاب نوع مناسب اتمسفر به جنس قطعات و لایه واسطه و همچنین حساسیت کار بستگی دارد.

سرعت گرم و سرد شدن اتصال

سرعت گرم شدن قبل از اتصال دهی و همچنین سرعت سرد شدن پس از اتصال نیز بر خواص اتصال تاثیر می گذارد، چون شرایط نفوذ متقابل تحت تاثیر قرار می گیرد. در اتصال نیکل با لایه واسطه های P11-Ni و P10-Cr14-Ni مشاهده شده است که هنگامی که ضخامت لایه واسطه زیاد است (mμ200) سرعت گرم شدن آهسته تر موجب افزایش میزان حل شدن لایه واسطه می شود. در ضخامت های کم نیز (μm5) این آهسته گرم شدن موجب رخ دادن پدیده انجماد در حین گرم شدن از دمای T_E تا T_B می شود.

لایه واسطه در فرایند اتصال با فاز مایع گذرا

لایه واسطه در فرایند اتصال با فاز مایع گذرا هم می تواند به شکل یک فویل باشد که در بین دو قطعه قرار می گیرد و هم می تواند به شکل یک پوشش باشد که بر روی یک یا هر دو قطعه رسوب داده می شود. ضخامت فویل ها عموماً بین mμ150-10 است که ممکن است خالص و یا آلیاژی باشند. پوشش ها عمدتاً خالص هستند و معمولاً به روش های رسوب فیزیکی یا شیمیایی بخار و یا یون پرانی ایجاد می شوند. ضخامت این پوشش ها بین mμ1/0 تا چند میکرون متغیر است.

برخلاف آلیاژهای لحیم سخت، فلزات و آلیاژهایی که به عنوان لایه واسطه در این فرایند به کار برده می شود دارای کد مشخص و استاندارد معینی نیستند و لذا تنها ممکن است یک سری راهنمایی ها و خط مشی ها با توجه به اصول و ملاحظات این فرایند اتصال دهی در مورد لایه واسطه ها به دست آید که مهمترین این ملاحظات بدین شرح است:

1-   نقطه ذوبی پایین تر از دمایی که برای تشکیل اتصال به کار می رود داشته باشند. همچنین نقطه ذوب آن ها به میزان قابل ملاحظه ای بالاتر از دمای سرویس دهی قطعات متصل شونده باشد.

2-   از تنش تسلیم پایین و انعطاف پذیری مطلوب برخوردار باشد تا بتواند با تغییر شکل به خوبی بر روی سطوح متصل شونده قرار گیرد و با وضعیت سطحی نمونه ها هماهنگ شود.

3-   ضریب انبساط حرارتی آن تا حد امکان مشابه قطعات متصل شونده باشد.

4-   خواص شیمیایی آن به گونه ای باشد که قادر به ایجاد یک فصل مشترک قوی و عاری از عیب با قطعات شود. این کار معمولاً با نفوذ متقابل اتم ها و یا با تشکیل لایه های بسیار نازک محصولات واکنش در فصل مشترک انجام می گیرد.

5-   خواص شیمیایی آن به گونه ای باشد که در اثر خورندگی محیط و یا خوردگی گالوانیک در شرایط سرویس از بین نرود.

6-   بهتر است که آلیاژی که از آن برای ساخت لایه واسطه استفاده می شود، یک آلیاژ غنی از عنصر فلز پایه باشد.

انتخاب یک ماده مناسب به عنوان لایه واسطه نه تنها به خواص ذاتی این ماده بستگی دارد بلکه تابع خواص اجزای متصل شونده و شرایط سرویس نیز می باشد.

مزیت مهم لایه واسطه هایی که به روش های پوشش دادن ایجاد می شوند، ضخامت کم آن هاست چرا که اغلب فویل ها ضخامتی بیش از mμ10 دارند و ایجاد فویل هایی با ضخامت های زیر mμ10 با مشکلات زیادی همراه است. افزایش ضخامت لایه واسطه باعث افزایش میزان انحلال و ذوب فلزات پایه در حین فرایند می گردد که این امر در برخی موارد مشکل ساز می شود. لذا در این موارد لایه واسطه های نازک در حد mμ3-2 که به روش پوشش دادن بر روس سطح قطعات نشانده می شود مورد استفاده قرار می گیرد.

لایه واسطه ها هم به صورت آمورف و هم به صورت کریستالی مورد استفاده قرار می گیرند، ولی تحقیقات نشان داده است که فرایند اتصال با فاز مایع گذرا لایه واسطه های آمورف مناسبتر می باشند. در لایه واسطه هایی که به روش پوشش دادن ایجاد می شوند گاهی اوقات با تنظیم درجه حرارت زیر کار می توان پوشش های آمورف و یا کریستالی به دست آورد.

 منبع : تکنولوژی جوشکاری جلد اول نوشته دکتر کوکبی انتشارات دانشگاه شریف ۱۳۸۴