پارامترهای فرآیند اتصال فاز مایع گذرا Process Parameters of TLP

AWS D ANSI-AWS D14.5-97 -Specification for Welding of Presses and Press Component (PDF) خرید از کتاب فروشان

پارامترهای فرآیند

پارامترهای فرآیند اتصال فاز مایع گذرا (TLP)

برای ایجاد یک اتصال بهینه در لحیم کاری نفوذی، پارامترهای متعدد این فرآیند باید به نحو مطلوبی تنظیم گردند. در این بخش، به مهمترین این پارامترها که شامل زمان و دمای اتصال، همگن سازی، سرعت گرم کردن، فشار و نوع اتمسفر است، اشاره می شود.

زمان اتصال (انجماد همدما)

چنانچه زمان برای تکمیل انجماد همدما کافی نباشد، خواص مکانیکی و خوردگی قطعه افت کرده و دمای کاری قطعه هم پایین می آید.

اصولا زمان اتصال باید به اندازه کافی باشد تا کل مذاب تشکیل شده در منطقه اتصال به طور همدما منجمد گردد. باقیماندن مقداری مذاب در این منطقه در هنگام سرد کردن از دمای اتصال، باعث می شود که منطقه ای با ساختار یوتکتیکی در خط مرکزی اتصال به وجود آید که این منطقه علاوه بر پایین آوردن دمای کاری قطعه، (چون این منطقه نقطه ذوب پایینی دارد) باعث افت خواص مکانیکی و خوردگی اتصال هم می شود. به علاوه، در صورتی که بعدا بخواهیم این منطقه را از بین ببریم، مجیوریم این کار را در دمایی پایین تر از دمای اتصال انجام دهیم که به دلیل کاهش سرعت نفوذ در دماهای پایین تر، زمان فرآیند بسیار طولانی می شود و هزینه فرآیند بسیار بالا می رود.

شکل 1 نمونه ای از تشکیل ساختار یوتکتیکی در اتصال یک آلیاژ پایه نیکل با لایه واسط حاوی بور را نشان می دهد. این 

ساختار مسیر کم مقاومتی را برای جوانه زنی و اشاعه ترک فراهم می کند و بنابراین باید از آن اجتناب شود.

نمونه ای از تشکیل فازهای ترد در خط مرکزی اتصال به دلیل کافی نبودن زمان برای تکمیل انجماد همدما. یه وجود ترک در این منطقه دقت کنید. (تصویر SEM اتصال سوپر آلیاژ پایه نیکل Inconel 738LC با لایه واسط Amdry DF 3 در دمای 1120 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه)
نمونه ای از تشکیل فازهای ترد در خط مرکزی اتصال به دلیل کافی نبودن زمان برای تکمیل انجماد همدما. یه وجود ترک در این منطقه دقت کنید. (تصویر SEM اتصال سوپر آلیاژ پایه نیکل Inconel 738LC با لایه واسط Amdry DF 3 در دمای 1120 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه)

دمای اتصال (انجماد همدما)

ظهور نرکیبات بین فلزی در دمای اتصال، سرعت تکمیل فرآیند را به شدت کاهش می دهند.

یکی از مواردی که در انتخاب دمای اتصال باید در نظر داشت، اجتناب از تشکیل ترکیبات بین فلزی است. (2) اگر چه عناصر کاهنده نقطه ذوب همچون بور یا فسفر که در لایه واسط وجود دارند دارای ضریب دیفوزیون بالایی در دماهای بالا هستند اما این عناصر معمولا با عناصر موجود در فلز پایه تشکیل ذرات بین فلزی را می دهند که که این ترکیبات سرعت نفوذ را به شدت کاهش می دهند و بنابراین تا جای ممکن باید از تشکیل آنها اجتناب شود. شکل 2 دیاگرام تعادلی پالادیوم سرب را نشان می دهد. در این شکل دیده می شود که در دمای T1 در فصل مشترک فاز مایع تشکیل خواهد شد اما برای آنکه سرب بتواند به داخل فاز زیرلایه (پالادیوم) نفوذ کند باید از سد پنج ترکیب بین فلزی عبور کند در حالی که با انتخاب دماهای T2 و T3 به ترتیب به دو و یک ترکیب بین فلزی برخورد خواهیم کرد. در دمای T4 علاوه بر اینکه حلالیت نسبتا بالای سرب در پالادیوم جامد را داریم، هیچ ترکیب بین فلزی ای هم در دمای اتصال تشکیل نمی شود و در نتیجه، سرعت فرآیند انجماد همدما به طرز قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت.

نمودار تعادلی سرب-پالادیوم. انتخاب دمای اتصال بالاتر، باعث تشکیل تعداد کمتری ترکیب بین فلزی می شود
نمودار تعادلی سرب-پالادیوم. انتخاب دمای اتصال بالاتر، باعث تشکیل تعداد کمتری ترکیب بین فلزی می شود
زمان تکمیل انجماد همدما بر حسب دمای اتصال بر اساس مدل اصلاح شده فصل مشترک مایع/جامد مهاجرت کننده و داده های تجربی آن برای اتصال SS321/BNi 2 با فاصله درز 70 میکرون
زمان تکمیل انجماد همدما بر حسب دمای اتصال بر اساس مدل اصلاح شده فصل مشترک مایع/جامد مهاجرت کننده و داده های تجربی آن برای اتصال SS321/BNi 2 با فاصله درز 70 میکرون

اما مسئله همیشه به این سادگی نیست. نتایج تجربی در مواردی خلاف این پیش بینی به ظاهر مسلم را نشان می دهند. در یک مورد (10)، در اتصال یک سوپر آلیاژ پایه نیکل، بالا رفتن دمای اتصال از 1175C به 1190C باعث شده است که انجماد همدما که در دمای پایین تر در 420 دقیقه کامل شده است، در دمای بالاتر در همین مدت تکمیل نگردد.(شکل 13) در موردی دیگر، (12) افزایش دما باعث کند شدن نرخ افزایش سرعت فرآیند شده است. در موردی دیگر، دمایی که انجماد همدما در کوتاه ترین زمان ممکن رخ می دهد، پیدا شده است. (13)در این گونه موارد، تفاوت در طبیعت و ترکیب فازهای تشکیل شده در دماهای مختلف، میتواند دلیلی بر کاهش سرعت فرآیند با بالارفتن دما باشد.

تصویر SEM اتصال سوپر آلیاژ پایه نیکل Inconel 738LC با لایه واسط Amdry DF-3 به مدت 420 دقیقه. در شکل سمت چپ، دمای اتصال 1175C و در شکل سمت راست، 1190C بوده است. در شکل سمت چپ با وجود پایین تر بودن دما، فازهای بوتکتیک دیده نمی شود در حالی که با بالا رفتن دما در شکل راست، مقداری فاز یوتکتیک در خط مرکزی اتصال دیده می شود که نشان دهنده کامل نشدن فرآیند انجماد همدما در آن است
تصویر SEM اتصال سوپر آلیاژ پایه نیکل Inconel 738LC با لایه واسط Amdry DF-3 به مدت 420 دقیقه. در شکل سمت چپ، دمای اتصال 1175C و در شکل سمت راست، 1190C بوده است. در شکل سمت چپ با وجود پایین تر بودن دما، فازهای بوتکتیک دیده نمی شود در حالی که با بالا رفتن دما در شکل راست، مقداری فاز یوتکتیک در خط مرکزی اتصال دیده می شود که نشان دهنده کامل نشدن فرآیند انجماد همدما در آن است

در مواردی (14) هم ممکن است برای تسریع در تبلور مجدد در فصل مشترک اتصال (در عملیات بعدی همگن سازی)، دمای اتصال پایین تر (به دلیل بیشتر بودن انرژی کرنشی لازم برای تبلور مجدد) ترجیح داده شود.

همگن سازی

اگرچه به دلایل اقتصادی، همگن سازی ممکن است به طور کامل اجرا نشود و گاهی هم در حین سرویس کامل شود، انجام آن تاثیر مطلوبی بر خواص قطعه دارد.

همگن سازی با از میان بردن (یا کم کردن) گرادیان ترکیب شیمیایی در منطقه اتصال و نزدیک کردن ترکیب شیمیایی این منطقه به ترکیب شیمیایی فلز پایه، باعث بالا رفتن دمای کاری، خواص مکانیکی، و مقاومت به خوردگی مجموعه اتصال یافته می گردد. به عنوان نمونه، (15) در یک مورد در اتصال یک سوپرآلیاژ پایه کبالت، همگن سازی باعث شده است که انرژی شکست اتصال به میزان حدود 50 درصد نسبت به حالت همگن نشده افزایش یابد. (شکل 5)

مقایسه استحکام برشی و انرژی شکست برشی فلز پایه (a) و اتصال همگن نشده (b) و اتصال همگن شده (c) در اتصال سوپرآلیاژ پایه کبالت FSX 414 به کمک لایه واسط MBF 30
مقایسه استحکام برشی و انرژی شکست برشی فلز پایه (a) و اتصال همگن نشده (b) و اتصال همگن شده (c) در اتصال سوپرآلیاژ پایه کبالت FSX 414 به کمک لایه واسط MBF 30

در مواردی دیده شده است که افزایش بیش از حد دما یا زمان پس از تکمیل انجماد همدما، به دلیل اثرات ثانویه ای همچون افزایش اندازه دانه، موجب کاهش جزئی استحکام اتصال شده است. یک نمونه از چنین مواردی در شکل 6 دیده می شود.

تغییرات استحکام برشی اتصال آلیاژ منیزیوم AZ31 با لایه واسط آلومینیومی نسبت به دما و زمان اتصال. سمت راست تغییرات نسبت به دمای اتصال در زمان 60 دقیقه، سمت چپ، تغییرات نسبت به زمان اتصال در دمای 480C. انجماد همدما در دمای 480C و زمان 60 دقیقه کامل بوده است.
تغییرات استحکام برشی اتصال آلیاژ منیزیوم AZ31 با لایه واسط آلومینیومی نسبت به دما و زمان اتصال. سمت راست تغییرات نسبت به دمای اتصال در زمان 60 دقیقه، سمت چپ، تغییرات نسبت به زمان اتصال در دمای 480C. انجماد همدما در دمای 480C و زمان 60 دقیقه کامل بوده است.

سرعت گرم کردن

سرعت بالای گرم کردن، زمان فرایند را کاهش می دهد

هرچه گرم کردن قطعه تا دمای اتصال سریع تر صورت گیرد، زمان اندکی برای نفوذ بین لایه واسط و زیر لایه وجود دارد و در نتیجه ضخامت بحرانی کاهش می یابد. امکان استفاده از یک لایه واسط نازک تر که با سرعت های بالای گرم کردن حاصل می شود، زمان لازم برای تکمیل فرآیند انجماد همدما را کاهش می دهد. این مسئله برای سیستم مس-قلع در شکل 7 تشریح شده است.

کاهش زمان تکمیل انجماد همدما (به خاطر کم شدن ضخامت لایه بحرانی) در سیستم مس-قلع
کاهش زمان تکمیل انجماد همدما (به خاطر کم شدن ضخامت لایه بحرانی) در سیستم مس-قلع

فشار گیره ها

معمولا فرآیند لحیم کاری نفوذی بدون اعمال فشار اجرا می شود.

دیده شده است که افزایش فشار تا حد معینی، باعث کم شدن عرض اتصال به دلیل رانده شدن فاز مایع از فضای بین دو سطح اتصال می شود و پس از آن حد معین، فشار تاثیری بر عرض اتصال نخواهد داشت. (17) نمونه ای از نتایج حاصل از افزایش فشار گیره ها بر عرض اتصال در شکل 8 دیده می شود.

تغییرات عرض اتصال با تغییر فشار گیره ها در اتصال سوپرآلیاژ پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی (ODS -Inconel MA 758) با لایه واسط MBF-80
تغییرات عرض اتصال با تغییر فشار گیره ها در اتصال سوپرآلیاژ پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی (ODS -Inconel MA 758) با لایه واسط MBF-80

در موردی (17) علاوه بر کاهش عرض گیره ها، افزایش فشار باعت کاهش ناخالصی ها در فصل مشترک اتصال شده است. (شکل 9) همچنین نقل شده است که اعمال فشاری برابر 9.8 مگاپاسکال بر اتصال مس با لایه واسط مس-فسفر، باعث افزایش انرژی ضربه شارپی شده است.

کاهش ناخالصی ها با افزایش فشار گیره ها. تصاویر SEM اتصلات شکل گرفته در فشار a) 0.2MPa ، b) 1MPa ، c) 2MPa و d) 3MPa اتصال سوپرآلیاژ پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی (ODS -Inconel MA 758) با لایه واسط MBF-80
کاهش ناخالصی ها با افزایش فشار گیره ها. تصاویر SEM اتصلات شکل گرفته در فشار a) 0.2MPa ، b) 1MPa ، c) 2MPa و d) 3MPa اتصال سوپرآلیاژ پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی (ODS -Inconel MA 758) با لایه واسط MBF-80

نوع اتمسفر

معمولا فرآیند اتصال دهی فاز مایع گذرا نسبت به اتمسفر اعمالی حساس است و همین موضوع یکی از عوامل گران بودن فرآیند است.

اگر چه بیشتر فرآیندهای بریزینگ نفوذی در اتمسفر خلا انجام می شوند اما در مواردی از اتمسفرهای دیگر هم استفاده شده است. در یک مورد (18) دیده شده است که استفاده از گاز آرگون به جای خلا، باعث ظهور حفرات در محل اتصال کاهش شدید استحکام برشی اتصال گردیده است که دلیل آن را به وجود ناخالصی در گاز آرگون استفاده شده، نسبت داده اند.(شکل 10)

- کاهش شدید استحکام برشی اتصال در گاز آرگون نسبت به خلا. این پدیده به وجود ناخالصی در گاز آرگون استفاده شده نسبت داده شده است. اتصال بر روی سوپرآلیاژ پایه نیکلی Rene 80 با لایه واسط پایه نیکل حاوی بور و سیایسوم در دمای 1100 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه وسپس همگن سازی در دمای 1206 درجه سانتی گراد و به مدت 2 ساعت انجام گرفته است.
- کاهش شدید استحکام برشی اتصال در گاز آرگون نسبت به خلا. این پدیده به وجود ناخالصی در گاز آرگون استفاده شده نسبت داده شده است. اتصال بر روی سوپرآلیاژ پایه نیکلی Rene 80 با لایه واسط پایه نیکل حاوی بور و سیایسوم در دمای 1100 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه وسپس همگن سازی در دمای 1206 درجه سانتی گراد و به مدت 2 ساعت انجام گرفته است.
Welding Robots Welding Robots by Pires (pdf) خرید از کتاب فروشان

پیام

دیدگاه و پیام شما

از اینکه دیدگاه خود را به اشتراک می‌گذارید، سپاسگزاریم.

پیام محسن

با سلام
با سپاس از سایت پویا و اطلاعات کامل و مفیدتون.
جسارتا بنده قصد استفاده از مطالب سایت رو دارم که احتمال میدم ترجمه مقالات و یا کتب باشه.برای استفاده بایستی حتما ذکر منبع اطلی داشته باشم.سپاسگزار میشم اگر بنده رو راهنمایی بفرمائید.
در پاسخ به محسن

پیام حسن علیقلی زفره

مقالات برگفته از چندین مقاله مختلف هستند.

پیام مهدی

از اطلاعات مفیدتون متشکرم

یک سوال دارم در مورد نوع کوره مورد استفاده در این روش اتصال، وقی گفته میشه کوره خلا یعنی مجموعه اتصال را با هم درون فیکسچر قرار داده و درون کوره ای تیوپی قرار داده و دما را تا دمای اتصال افزایش می دهیم؟ در این صورت ساختار فلز پایه در اثر اعمال حرارت آسیبی نمی بیند؟
در پاسخ به مهدی

پیام علیقلی

سپاسگزارم
بله همین گونه است. بله بسته به جنس فلز پایه ممکن است تغییرات ناخواسته و مخربی در ساختار به وجود بیاید به خصوص اینکه علاوه بر بالارفتن دما در همه جای قطعه، مقداری ذوب برگشتی هم در ناحیه اتصال داریم و برای موادی که ساختارشان به صورت خاصی طراحی شده است، این روش قابل کاربرد نیست و قاعدتا باید به سراغ روشهای دیگر مثل جوشکاری سرد رفت.

برعکس در مواردی، این گرم شدن خود، باعث بهبود خواص قطعه می شود (در اثر همگن شدن ساختار پایه)

پیام حسن علیقلی زفره

بسته به جنس قطعه دارد. در مواردی که دمای بالا ساختار قطعه را بر هم می‌زند نمی‌توان از این روش استفاده کرد. البته در بسیاری موارد، این اعمال حرارت می‌تواند برای ساختار قطعه حتی مفید هم باشد.

پیام محمد

SEPAS FARAVAN
در پاسخ به محمد

پیام علیقلی

ممنون