آلیاژهای پایه شامل مقادیر قابل توجه از عناصر فعال مثل آلومینیوم و تیتانیوم تمایل به تشکیل اکسید در دماهای بالا دارند که از جاری شدن فلز پُرکننده لحیم کاری سخت جلوگیری می کنند. بسیاری از سوپرآلیاژهای پایه نیکل در این گروه قرار می گیرند و این مشکل بر اساس ترکیب شیمیایی آلیاژ متغیر است. این مواد باید در خلأ با میزان torr 4-10×2 یا بالاتر لحیم کاری شوند. روش های قابل اطمینان زیادی برای بهبود قابلیت لحیم کاری سخت به منظور حذف لایه های نازک اکسید آلومینیوم و تیتانیوم بر سطح اتصال وجود دارد که شامل روش های اچ شیمیایی برای حذف لایه های اکسیدی و فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت مهاجم خاص با خصوصیات خودفلاکس (Self-Flux) است. اکسیدهای فلزات با فعالیت کم مثل آهن و کبالت تحت فشار کم و دمای زیاد شکسته می شود. بنابراین، آلیاژهایی مثل فولاد زنگ نزن گروه 300 و 400، فولادهای کربنی و بسیاری دیگر از فولادهای ابزار به طور موفقیت آمیز در خلأ در فشارهای نسبتا زیاد لحیم کاری سخت می شوند.

 

شکل 1: کانکتورهای الکتریکی آماده لحیم کاری سخت تحت خلأ است.

 

آلیاژهای پایه تیتانیوم و زیرکونیوم را می توان با فلزات پُرکننده خاص لحیم کاری کرد. به دلیل تمایل زیاد آن ها به آلودگی (حتی با مقادیر کم از اکسیژن یا رطوبت) باید در خلأ بالا درکوره تمیز لحیم کاری شوند. آلومینیوم و بسیاری از آلیاژهای آن را می توان در خلأ لحیم-کاری کرد. به هر حال، آلیاژهای آلومینیوم معمولا در کوره هایی که برای حداکثر دمای یکنواخت کمتر از °C 650 طراحی شده اند لحیم کاری می شوند. خروج گاز منیزیوم حین لحیم کاری سخت از بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم به سرعت تجهیزات کوره را آلوده می-کند و متعاقبا در دماهای بالا بیشتر می شود. به همین دلایل، پیشنهاد می شود که لحیم کاری سخت تحت خلأ آلومینیوم در یک کوره خاص انجام شود.

در لحیم کاری سخت فلزات غیرمشابه به دلیل اختلاف در ضریب انبساط حرارتی نکات خاص باید در نظر گرفته شود. اگر یک قطعه فلز پایه با ضریب انبساط حرارتی زیاد اطراف یک ماده با ضریب انبساط حرارتی کمتر باشد، درز اتصال شرایط جریان موئینگی در دمای اتاق را برآورده می کند، ولیکن در دمای لحیم کاری سخت مشکلاتی را به وجود می آورد. برعکس، در جایی که تنگ شدن اتصال در دمای لحیم کاری سخت مانع از جاری شدن مذاب فلز پُرکننده شود، درز اتصال باید به دقت محاسبه شود. ضریب انبساط حرارتی پایه برای اتصالات از نوع حلقه در درپوش شامل فلزات غیرمشابه از اهمیت بیشتری دارد. در هندسه های پیچیده باید درز اتصال مناسب قبل از فرایند تولید طراحی شود. در لحیم کاری سخت دو یا چند فلز پایه از طریق ذوب لایه نازک از فلز پُرکننده در فضای بین آن ها تصال داده می شود. اتصال دهی با تماس نزدیک در اثر انحلال مقادیر کم از فلز پایه در فلز پُرکننده اتفاق می افتد. لحیم کاری سخت متفاوت از جوشکاری است که در آن اتصال از طریق ذوب فلز پایه انجام می شود. لحیم کاری سخت مشابه با لحیم کاری نرم است. بر اساس تعریف، لحیم کاری سخت در دمای بالاتر انجام می شود. در لحیم کاری سخت، فلز پُرکننده در محل اتصال به صورت فویل یا بر روی محل اتصال به صورت خمیر یا سیم قرار داده می شود. درز اتصال باید با دقت زیاد کنترل شود و معمولا نباید بیشتر از mm 12/0 باشد. عمل موئینگی مذاب فلز پُرکننده را به اتصال می کشاند و در آن جا نگه می دارد. قطعات فلز پایه باید به گونه ای طراحی شوند تا عمل موئینگی را افزایش دهد. لحیم کاری سخت فرایندی است که با کوره خلأ سازگاری بهتری دارد و به نحو احسن انجام می شود. عوامل زیادی باید هنگام انتخاب فلز پُرکننده یا آلیاژ لحیم کاری سخت برای یک کاربرد خاص در نظر گرفته شود. نقطه ذوب فلز پایه و آلیاژ لحیم کاری سخت شاید اهمیت زیادتری داشته باشد. فلزات خالص در یک دمای خاص از حالت جامد به مذاب تبدیل می شوند. به هر حال، بسیاری از مواد فلزی با اضافه کردن سایر عناصر آلیاژی خصوصیات مطلوبی پیدا می کنند. اغلب آلیاژها در یک گستره دمایی ذوب می شوند. دمایی که در آن ذوب آغاز می شود به دمای سالیدوس و دمایی که در آن ذوب کامل می شود به دمای لیکوئیدوس معروف است. در دماهایی که محدوده ذوب بین سالیدوس و لیکوئیدوس است، فازهای جامد و مذاب در کنار یکدیگر هستند. هنگام انتخاب آلیاژ لحیم کاری سخت باید از عدم هم پوشانی دمای ذوب آلیاژ لحیم کاری سخت و آلیاژ پایه اطمینان حاصل شود. بر اساس قانون، بهتر است دمای سیالیدوس فلز پایه حداقل °C 55 بالاتر از دمای لیکوئیدوس آلیاژ لحیم کاری سخت باشد. برای لحیم کاری سخت فولادهای زنگ نزن و موادی که در دماهای بالا استفاده می شوند، تنوع وسیعی از آلیاژهای لحیم کاری سخت تجاری در دسترس است که این معیارها را برآورده می کند. برخی از فلزات پُرکننده محدوده ذوب باریکی دارند، لذا طراحی درز اتصال اهمیت بیشتری دارد. برخی محدوده ذوب وسیعی دارند و برای پُر کردن درزهای اتصال وسیع مناسب هستند.

 

شکل 2: انواع شکل های فلزات پُرکننده لحیم کاری سخت تحت خلأ

 

سازگاری آلیاژ لحیم کاری سخت با آلیاژ پایه نیز باید در نظر گرفته شود. تقریبا همیشه بین آلیاژ لحیم سخت و فلز پایه واکنش هایی اتفاق می افتد، میزان این واکنش به ترکیب شیمیایی و چرخه حرارتی وابسته است. تحت شرایط خاص، آلیاژ لحیم کاری سخت مذاب می تواند فلزات پایه را حل کند و شرایط نامطلوبی ایجاد کند که به رُفتگی (انحلال بیش از حد) شناخته می شود.

اجزاء آلیاژ لحیم سخت می تواند به فلز پایه نفوذ کند و باعث تغییر خواص فلز پایه مثل تُردی شود. در مواردی که ممکن است انحلال فلز پایه زیاد باشد، لازم است تا فرایند لحیم کاری سخت در زمان کوتاه یا در دماهای پایین انجام شود. آلیاژ لحیم سخت کافی باید در درز اتصال وجود داشته باشد تا بتواند درز اتصال را به طور کامل پُر کند و از مقادیر زیاد آن باید جلوگیری شود.

شکل 3: طرحی از نحوه جریان یافتن فلز پُرکننده لحیم کاری سخت در درز اتصال

 

چنانچه آلیاژهای لحیم کاری سخت شامل مقادیر قابل توجهی عناصر فرّار باشد، آن ها تحت فشار جزئی گاز خنثی مثل هیدروژن یا آرگون قابل استفاده هستند، آلیاژهای لحیم کاری سخت پایه مس و آن هایی که شامل روی، کادمیوم و منگنز به عنوان کاهنده نقطه ذوب هستند نمونه هایی از آن است. برخی آلیاژهای لحیم کاری سخت پایه نقره و حتی نیکل باید در فشارهای جزئی استفاده شوند تا از تبخیر شدن عناصر آلیاژی اصلی جلوگیری شود.

هنگام انتخاب آلیاژ لحیم کاری سخت بهتر است از روشی استفاده شود که آلیاژ در اتصال قرار بگیرد و شکل آن از نظر تجاری در دسترس باشد. فلزات نرم مثل آلیاژهای لحیم کاری سخت مس، نقره و طلا به شکل سیم و ورق، صفحه و پودر در دسترس هستند. ورق و صفحه را می توان مستقیما حین مونتاژ در محل اتصال قرار داد. آلیاژهای لحیم کاری سخت پایه نیکل ترد هستند و معمولا به شکل پودر تولید می شوند. آن ها با پیوند دهنده مخلوط شده و خمیر می شوند که به راحتی بر اتصال اعمال می گردد. طراحی اتصال بر نحوه قرار داده ماده لحیم سخت موثر است. برای اتصالات درز وسیع، پیش قرارگیری آلیاژ لحیم سخت ضروری است تا از کامل شدن اتصال اطمینان حاصل شود. همچنین، آلیاژهای لحیم کاری سخت مختلف اغلب به درز اتصال های مختلف برای رسیدن به سیالیت موئینگی موثر نیاز دارند.

شکل 4: طراحی درز اتصال مناسب (سمت راست) و طراحی درز اتصال نامناسب در اثر اختلاف در ضریب انبساط حرارتی.

 

سطوح تمیز و عاری از اکسید برای رسیدن به اتصالات لحیم کاری شده سالم ضروری است.

عمل موئینگی یکنواخت هنگامی اتفاق می افتد که همه روغن، گریس، آلودگی و اکسیدها از آلیاژ پایه و ماده پُرکننده قبل از لحیم کاری سخت برداشته شود. مدت زمانی که ماده تمیز شده می تواند در شرایط محیطی باقی بماند به شرایط اتمسفری، روش های نگهداری و میزان جابجایی بستگی دارد. توصیه می شود که بعد از تمیزکاری به سرعت قطعه لحیم کاری شود. اغلب روش های تمیزکاری به ماهیت آلودگی، فلزات پایه و طرح اتصال بستگی دارد. روش های تمیزکاری برای عملیات حرارتی تحت خلا (یعنی تمیزکاری دستی، چربی-زدایی با بخار و ...) برای لحیم کاری سخت تحت خلأ نیز قابل کاربرد است.

بعد از آن که مواد به طور کامل تمیز شدند، آلیاژ لحیم سخت قرار داده می شود. آلیاژ لحیم سخت باید در کمترین و کافی ترین مقدار باشد، از اعمال بیش از اندازه آلیاژ لحیم سخت باید جلوگیری شود، مخصوصا هنگامی که لحیم کاری سخت مقاطع نازک با فلزات پُرکننده فعال تر انجام می شود. حجم آلیاژ لحیم سخت اعمال شده باید به دقت کنترل شود، مخصوصا هنگامی که آلیاژ لحیم سخت به صورت خمیر اعمال می شود. خمیرها ممکن است بیش از %50 پیوند دهنده داشته باشند، از این رو، میزان اعمال شده در مقایسه با مقدار واقعی فریب دهنده است. با وجود این که آلیاژ لحیم سخت به سمت بالا جاری می شود (به دلیل موئینگی)، خمیر می تواند بر بالای اتصال اعمال شود تا از مزیت نیروهای جاذبه نیز بهره گرفته شود. هر اتصال باید امکان مکش توسط پمپ خلأ را داشته باشد. از رنگ های متوقف کننده (Stop-off) برای محدود کردن سیلان آلیاژ لحیم سخت به مناطق نامطلوب استفاده می شود. به هر حال، برای برخی کاربردها، برای حذف اکسیدها نیاز به تمیزکاری اضافی است. روش های تمیزکاری مکانیکی (مثل سنگ زنی، بورس های سیمی، ماشین کاری یا پاشش ماسه) برای حذف اکسیدها یا سایر موارد مشابه شرایط سطحی لازم است. از این روش ها برای زبر کردن سطوح اتصال استفاده می شود تا ماده لحیم سخت بتواند جاری شود. برای اطمینان از این که هیچ باقی مانده ای از محیط تمیزکاری بر سطوح اتصال به جا نمانده است، باید مراقبت های لازم انجام شود.

 

مبانی عملی در مورد لحیم کاری سخت موفقیت آمیز
-قطعه باید عاری از روغن، اکسید و آلودگی های سطحی باشد.
-درز اتصال لحیم کاری سخت باید برای ویسکوزیته فلز پُرکننده در دمای اتصال دهی مناسب باشد.
-اتمسفر باید برای تَرشوندگی به اندازه کافی تمیز باشد.
-دمای لحیم کاری سخت باید بر اساس حداکثر یا حداقل سیلان آلیاژ لحیم کاری سخت انتخاب شود.

 

قطعاتی که از طریق لحیم کاری سخت اتصال داده می شوند باید در موقعیت ثابت نسبت به یکدیگر قرار بگیرند و موقعیت آن ها در کل چرخه لحیم کاری سخت حفظ شود. در صورت امکان قطعات باید به گونه ای طراحی شوند که قابلیت قیدوبند درجا داشته باشند. اگر این امکان وجود نداشته باشد، خال جوش گزینه بعدی است. به هر حال، در برخی مونتاژها به نگهدارنده کمکی نیاز است. مواد نگهدارنده باید ضریب انبساط حرارتی مشابه با فلز پایه داشته باشند. نگهدارنده های اضافی باید ساده و وزن کمی داشته باشند.

پیچ یا پیج و مهره نباید استفاده شود. اتصالات رزوه شده در دماهای بالا به یکدیگر تف جوشی می شوند و باز کردن آن ها مشکل است. اگر فنر یا گیره نیاز باشد، این ها باید توانایی پایداری در برابر دمای لحیم کاری سخت را داشته باشند. هنگامی که از نگهدارنده های فلزی استفاده می شود، همه نقاط تماس با مجموعه مونتاژ با رنگ متوقف کننده پوشیده شود. در نهایت، نگهدارنده ها باید تمیز باشند و قبل از استفاده همه منابع آلودگی آن ها حذف شود.

 

عوامل زیادی بر چرخه لحیم کاری سخت تاثیر می گذارد. این ها شامل فلز پایه و ترکیب شیمیایی آلیاژ لحیم-کاری سخت و وزن مجموعه مونتاژ و طراحی است.

به هر حال، هر چرخه شامل تعدادی قسمت است. شکل 5 پروفیل متداول یک چرخه لحیم کاری سخت تحت خلا (Vacuum Brazing) را نشان می دهد. حین پمپ کردن اولیه، بخار آب جذب شده توسط قطعات و کوره بیرون کشیده می شود. برای اغلب کاربردهای لحیم کاری سخت بهتر است قبل از حرارت دادن تا خلا حدود torr 4-10×8 عملیات پمپ کردن انجام شود. بعد از پمپ کردن، نرخ حرارت دهی نباید بیشتر از °C/min 15 باشد. نرخ های سریع تر باعث می شود تا آلیاژ لحیم سخت خمیری بریزد یا مجموعه مونتاژ تاب بردارد. حرارت دادن تا دمای توقف حدود °C 25 زیر دمای سالیدوس آلیاژ لحیم کاری سخت ادامه می یابد. سپس، شارژ در این دما برای اطمینان از یکنواختی نگه داشته می شود و اجازه داده می شود تا به خلأ مورد نظر برسد. زمان توقف 30 دقیقه معمولا کافی است.

 

شکل 5: چرخه عملیات لحیم کاری سخت تحت خلا

 

پس از توقف، از نرخ 15 تا °C/min 25 برای حرارت دادن تا دمای لحیم کاری سخت استفاده می شود. نرخ باید به اندازه کافی سریع باشد تا از مذاب شدن اجزاء کاهنده نقطه ذوب به طور جداگانه جلوگیری شود. دمای لحیم کاری سخت باید تا حد امکان در پایین ترین محدوده پیشنهاد شده باشد. برای بسیاری از آلیاژهای لحیم کاری سخت، حداقل دمای لحیم کاری باید حداقل °C 25 بالای دمای لیکوئیدوس باشد. زمانی که از آلیاژهای لحیم کاری سخت جریان آزاد یا لحیم کاری سخت درزهای وسیع یا مواد نازک استفاده می شود باید حداقل دمای لحیم کاری سخت انتخاب شود. در دماهای کمتر، آلیاژهای لحیم کاری سخت مذاب به آرامی پیشروی می کنند و با فلز پایه کمتر واکنش می کنند. زمان در دمای لحیم کاری سخت باید به اندازه کافی طولانی باشد تا همه مقاطع قطعه و همه قطعات در شارژ به دمای مطلوب برسند. این زمان معمولا 5 تا 10 دقیقه است، اما ممکن است برای شارژهای سینگین بیشتر باشد. هنگامی که زمان توقف کامل می شود، چرخه سرد شدن آغاز می شود. در شرایطی که به عملیات حرارتی خاصی نیاز باشد، شارژ تا دمایی حداقل °C 25 زیر دمای سالیدوس آلیاژ لحیم سخت درست قبل از این که با جریان گاز خنک شود، سرد می شود. این باعث می شود تا از انجماد مجدد آلیاژ لحیم سخت اطمینان حاصل شود و از بیرون ریختن مذاب حین سریع سرد کردن جلوگیری می کند.

 

شکل 6: اعمال خمیر برای لحیم کاری سخت مجدد

 

برخلاف همه نکات ضروری، عیوب اتصال اتفاق می افتد. خوشبختانه، عیوب را می توان با لحیم کاری سخت مجدد تعمیر کرد. به دلیل نفوذ و مخلوط شدن عناصر آلیاژی بین آلیاژ پایه و آلیاژ لحیم سخت، بعد از لحیم کاری سخت اولیه، دمای ذوب مجدد آلیاژ لحیم سخت افزایش می یابد. بهتر است، مقادیر کمی از آلیاژ لحیم سخت در مناطق معیوب قرار داده شود. برای جلوگیری از ذوب اتصال موجود، از دمای لحیم کاری سخت مجدد پایین تر از آن چه بار اول استفاده شده است، انتخاب گردد، مخصوصا اگر اتصال وسیع باشد. منطقه معیوب باید قبل از اعمال آلیاژ لحیم سخت اضافه تمیز شود. سپس، چرخه لحیم کاری سخت اصلاح شده و تکرار شود.