لحیم کاری مس و فولاد یک فرآیند متداول اتصال فلز غیر مشابه است که به طور گسترده در تهویه مطبوع و تبرید، HVAC، قطعات خودرو، تجهیزات الکتریکی، مبدل های حرارتی، قطعات شیر و مجموعه های خط لوله صنعتی استفاده می شود. از آنجایی که مس و فولاد در هدایت حرارتی، نقطه ذوب، ضریب انبساط حرارتی و رفتار اکسیداسیون سطحی تفاوت‌های قابل توجهی دارند، انتخاب فلز پرکننده مناسب، شار و روش گرمایش بسیار مهم است.
اگر انتخاب مواد مناسب نباشد، مشکلاتی مانند خیس شدن ضعیف فلز پرکننده، اتصالات ضعیف، ترک خوردگی، نشت، استحکام ناکافی اتصال یا کاهش مقاومت در برابر خوردگی ممکن است رخ دهد. این مقاله نحوه انتخاب مواد مناسب برای لحیم کاری مس-به-فولاد را از جنبه‌های ویژگی‌های فلز پایه، انتخاب فلز پرکننده، انتخاب شار، کنترل فرآیند و کاربردهای معمولی توضیح می‌دهد.
1. چرا لحیم کاری مس-به-فولاد خاص است؟
مس و فولاد فلزات معمولی غیر مشابه هستند. مس رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد، بنابراین گرما در حین گرم شدن به سرعت پخش می شود. فولاد رسانایی حرارتی نسبتاً کمتری دارد، بنابراین گرما متمرکزتر است. هنگامی که این دو ماده با هم گرم می شوند، توزیع ناهموار دما می تواند به راحتی رخ دهد.
علاوه بر این، مس و فولاد دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند که ممکن است باعث ایجاد تنش حرارتی در هنگام خنک‌سازی شود. اگر طراحی اتصال نامناسب باشد، یا فلز پرکننده مناسب نباشد، ممکن است ترک خوردگی یا استحکام اتصال ناپایدار رخ دهد.
سطوح مسی و فولادی هم می توانند لایه های اکسیدی تشکیل دهند. اکسیدهای مس بر جریان فلز پرکننده تأثیر می گذارد، در حالی که لایه های اکسید روی فولاد به طور قابل توجهی عملکرد خیس شدن را کاهش می دهد. بنابراین، تمیز کردن سطح و انتخاب شار در لحیم کاری مس-به-فولاد بسیار مهم است.
2. فلزات پرکننده معمولی برای لحیم کاری مس-به-فولاد
فلزات پرکننده متداول برای لحیم کاری مس-به-فولاد عمدتاً شامل فلزات پرکننده مبتنی بر نقره، فلزات پرکننده مبتنی بر مس-، فلزات پرکننده برنج، و برخی از فلزات پرکننده با هدف خاص-است. در میان آنها، فلزات پرکننده مبتنی بر نقره- بیشترین استفاده را دارند و عملکرد کلی بهتری را ارائه می دهند.
فلزات پرکننده بر پایه نقره{{0}
فلزات پرکننده مبتنی بر نقره- یکی از رایج ترین و پایدارترین انتخاب ها برای لحیم کاری مس و فولاد هستند. آنها دارای جریان پذیری خوب، عملکرد مرطوب کنندگی و استحکام اتصال هستند که آنها را برای اتصال مس با فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ، برنج و مواد دیگر مناسب می کند.
مزایای فلزات پرکننده مبتنی بر نقره- عبارتند از:
عملکرد مرطوب کننده خوب
جریان پذیری خوب
استحکام مفصل نسبتاً بالا
مناسب برای اتصال فلزات غیر مشابه
دمای لحیم کاری نسبتا پایین
تاثیر حرارتی کوچکتر
برای اتصالات مس-به-فولاد که نیاز به عملکرد آب بندی، استحکام و قابلیت اطمینان دارند، معمولاً فلزات پرکننده مبتنی بر نقره- انتخاب ارجح هستند. آنها معمولا در خطوط لوله تبرید، اتصالات لوله تحت فشار، اتصالات شیر، اتصالات الکتریکی و مجموعه های دقیق استفاده می شوند.
با این حال، فلزات پرکننده مبتنی بر نقره- نسبتاً گران هستند. انتخاب باید ارزش محصول، الزامات کیفیت و هزینه تولید را در نظر بگیرد.
مس-فلزات پرکننده فسفر
فلزات پرکننده مس{0}}فسفر در اتصال مس-به-مس بسیار رایج هستند، اما برای لحیم کاری مستقیم-مس به-فولاد مناسب نیستند. این به این دلیل است که فسفر موجود در فلز پرکننده مس-فسفر می‌تواند با آهن موجود در فولاد واکنش داده و ترکیبات شکننده‌ای ایجاد کند که باعث شکنندگی اتصال و کاهش استحکام آن می‌شود.
بنابراین:
فلزات پرکننده مس{0}}فسفر برای لحیم کاری مس-به-مس مناسب هستند، اما برای لحیم کاری مس-به-فولاد توصیه نمی‌شوند.
اگر محصول شامل لوله مسی به قسمت فولادی، قسمت مسی به فولاد کربنی، یا قسمت مسی به اتصالات فولادی زنگ نزن باشد، فلزات پرکننده مس{0}فسفر که معمولاً در لحیم کاری لوله مسی استفاده می‌شوند، نباید مستقیماً اعمال شوند.
فلزات پرکننده برنجی
فلزات پرکننده برنج همچنین می توانند برای برخی از اتصالات مس-به-فولاد استفاده شوند. هزینه آنها معمولاً از فلزات پرکننده مبتنی بر نقره{3} کمتر است، اما دمای لحیم کاری بالاتر است و به کنترل بهتر گرمایش و اکسیداسیون نیاز دارد.
فلزات پرکننده برنج دارای ویژگی های زیر هستند:
هزینه نسبتا کمتر
استحکام مفصل خوب
دمای لحیم کاری بالاتر
نیازهای شار بالاتر
خطر اکسیداسیون بیشتر در طول زمان گرمایش طولانی
فلزات پرکننده برنجی برای برخی از قطعات ساختاری، اتصالات مکانیکی یا محصولات حساس به هزینه مناسب هستند. با این حال، اگر محصول دارای الزامات بالایی برای عملکرد آب بندی، ظاهر، ضربه حرارتی یا پایداری ابعادی باشد، معمولاً فلزات پرکننده مبتنی بر نقره{2}} مناسب تر هستند.
فلزات پرکننده مبتنی بر نیکل-
فلزات پرکننده مبتنی بر نیکل{0}}عمدتاً برای شرایط کاری با درجه حرارت بالا، مقاوم در برابر خوردگی- یا شرایط خاص استفاده می‌شوند. آنها اغلب برای اتصال فولاد ضد زنگ و آلیاژهای{4}در دمای بالا استفاده می شوند، اما در اتصالات خط لوله مس معمولی-به-فولاد کمتر رایج هستند.
اگر محصول باید برای مدت طولانی در دمای بالا، محیط‌های خورنده یا شرایط صنعتی خاص کار کند، ممکن است بر اساس کاربرد واقعی، فلزات پرکننده مبتنی بر نیکل{0}}در نظر گرفته شوند. با این حال، این نوع فلز پرکننده نیازهای فرآیندی بالاتری دارد و معمولاً به محیط‌های گرمایشی و کنترل فرآیند سخت‌تر نیاز دارد.
3. نحوه انتخاب فلز پرکننده بر پایه نقره{{1} مناسب
برای لحیم کاری مس-به-فولاد، اگر عملکرد کلی خوبی لازم است، فلز پرکننده مبتنی بر نقره-معمولاً یک انتخاب قابل اعتماد است. با این حال، فلزات پرکننده مبتنی بر نقره، محتویات و ترکیبات نقره متفاوتی دارند، بنابراین باید بر اساس نیازهای واقعی انتخاب شوند.
به طور کلی، فلزات پرکننده با محتوای نقره بالاتر معمولاً جریان پذیری و عملکرد مرطوب کنندگی بهتری دارند و همچنین دمای لحیم کاری نسبتاً پایین تری دارند. آنها برای قطعات دقیق، قطعات دیوار نازک-و محصولات حساس به تغییر شکل مناسب هستند. فلزات پرکننده با محتوای نقره کمتر قیمت کمتری دارند، اما جریان پذیری و پنجره فرآیند آنها ممکن است کمی ضعیف تر باشد.
هنگام انتخاب فلزات پرکننده مبتنی بر نقره-، عوامل زیر باید در نظر گرفته شوند:
نوع فلز پایه: فولاد کربن، فولاد ضد زنگ، مس، برنج
الزامات استحکام مفصل
الزامات عملکرد آب بندی
دمای کاری
محیط خورنده
روش گرمایش
الزامات هزینه محصول
مناسب برای تولید خودکار
برای کاربردهایی مانند خطوط لوله تهویه مطبوع و تبرید، اتصالات لوله مسی به اتصالات فولادی، و اتصالات مس به فولاد ضد زنگ، معمولاً توصیه می‌شود که فلزات پرکننده مبتنی بر نقره{0}}با روان‌پذیری خوب، عملکرد مرطوب‌کنندگی پایدار و مناسب برای اتصال فلزات غیرمشابه انتخاب شوند.
4. انتخاب شار حیاتی است
معمولاً برای لحیم کاری مس-به-فولاد، شار مورد نیاز است. عملکرد اصلی آن حذف اکسیدهای سطح فلز، جلوگیری از اکسیداسیون بیشتر در حین حرارت دادن و بهبود خیس شدن فلز پرکننده بر روی فلز پایه است.
بدون شار مناسب، فلز پرکننده ممکن است به درستی پخش نشود و منجر به اتصالات ضعیف، آخال‌های سرباره، تخلخل یا نشت شود.
هنگام انتخاب شار، در نظر بگیرید:
آیا برای لحیم کاری فلزات غیرمشابه از مس-به-فولاد مناسب است یا نه
آیا محدوده دمای کاری آن با فلز پرکننده مطابقت دارد یا خیر
آیا می تواند به طور موثر اکسیدها را از سطح فولاد حذف کند یا خیر
این که آیا باقیمانده به راحتی تمیز می شود
این که آیا برای برنامه های خودکار مناسب است
این که آیا ممکن است خطرات خوردگی برای محصول ایجاد کند
برای لحیم کاری مس-به-فولاد، شار لحیم کاری مس معمولی ممکن است همیشه مناسب نباشد. یک شار ویژه طراحی شده برای لحیم کاری فولاد، فولاد ضد زنگ یا فلز غیر مشابه باید انتخاب شود.
5. تأثیر عملیات سطحی بر انتخاب مواد
حتی اگر فلز پرکننده و شار به درستی انتخاب شوند، اگر سطح فلز پایه تمیز نباشد، کیفیت لحیم کاری پایدار به سختی به دست می آید. قبل از لحیم کاری مس به-فولاد، روغن، لایه های اکسید، زنگ زدگی، رطوبت و بقایای فرآیند باید از سطح پاک شوند.
روش های متداول تصفیه سطح عبارتند از:
چربی زدایی و پاکسازی
پرداخت یا سنگ زنی مکانیکی
ترشی یا تمیز کردن شیمیایی
از بین بردن زنگ زدگی و لایه های اکسیدی
خشک نگه داشتن مفصل قبل از لحیم کاری
اجتناب از آلودگی ثانویه ناشی از عرق یا روغن
اگر سطح فولادی دارای زنگ زدگی یا رسوب باشد، خیس شدن فلز پرکننده به طور جدی تحت تأثیر قرار می گیرد. اگر سطح مس دارای روغن یا اکسید باشد، جریان فلز پرکننده نیز تحت تأثیر قرار می گیرد. بنابراین، عملیات سطحی باید به عنوان بخشی از انتخاب مواد برای لحیم کاری مس به-فولاد در نظر گرفته شود.
6. طراحی مفصل و انتخاب فلز پرکننده
لحیم کاری مس-به-فولاد معمولاً به عمل مویرگی برای پر کردن شکاف اتصال متکی است، بنابراین طراحی اتصال تأثیر عمده ای بر کیفیت لحیم کاری دارد. انواع مفاصل متداول عبارتند از: مفاصل آستین، مفاصل لبه، مفاصل{3}} و اتصالات حلقه.
اگر فاصله مفصل خیلی کوچک باشد، فلز پرکننده ممکن است به داخل جریان پیدا نکند. اگر فاصله بیش از حد بزرگ باشد، عملکرد مویرگی ناکافی می شود و استحکام مفصل و عملکرد آب بندی را کاهش می دهد. بنابراین، انتخاب فلز پرکننده باید با فاصله اتصال مطابقت داشته باشد.
به طور کلی، فلزات پرکننده مبتنی بر نقره- با جریان پذیری خوب برای ساختارهای مفصلی دقیق‌تر مناسب هستند و می‌توانند عملکرد پرکننده بهتری را ارائه دهند. برای شکاف‌های بزرگ‌تر یا ساختارهای ضخیم‌تر، ممکن است به فلزات پرکننده با قابلیت جریان‌پذیری، استحکام و شکاف{2}} مناسب‌تر نیاز باشد.
در خطوط لوله تهویه مطبوع، تبرید و تهویه مطبوع، اتصالات مسی به-فولاد معمولاً به عملکرد آب بندی خوبی نیاز دارند، بنابراین فاصله اتصالات و جریان پذیری فلز پرکننده باید به دقت کنترل شود.
7. تأثیر روش گرمایش بر انتخاب مواد
لحیم کاری مس-به-فولاد را می توان با لحیم کاری شعله ای، لحیم کاری القایی، لحیم کاری کوره ای یا سایر روش های گرمایشی انجام داد. روش های مختلف گرمایش نیز بر انتخاب فلز پرکننده و شار تأثیر می گذارد.
لحیم کاری شعله منعطف و برای کارهای کوچک-تولید دسته ای یا تعمیر مناسب است، اما ثبات دما به راحتی تحت تأثیر تجربه اپراتور قرار می گیرد. هنگامی که لحیم کاری شعله ای استفاده می شود، فلزات پرکننده و شار با پنجره فرآیند نسبتاً گسترده و عملکرد مرطوب کنندگی خوب باید انتخاب شوند.
لحیم کاری القایی برای تولید انبوه مناسب است. سرعت گرمایش سریع، کنترل دمای پایدار، و ناحیه تحت تأثیر حرارت کوچک-را ارائه می‌دهد. برای اتصال مس به-فولاد، طراحی سیم پیچ القایی بسیار مهم است. باید اطمینان حاصل شود که هر دو قسمت مسی و فولادی به طور یکنواخت گرم می شوند و از گرم شدن بیش از حد در یک طرف یا حرارت ناکافی از طرف دیگر جلوگیری می شود.
لحیم کاری کوره برای محصولاتی که نیاز به قوام دسته ای بالایی دارند مناسب است، اما برای مواد قطعه کار، فرم فلز پرکننده و کنترل جو نیاز بیشتری دارد.
8. مشکلات رایج در لحیم کاری مس-به-فولاد
مشکلات رایج در لحیم کاری مس-به-فولاد عبارتند از:
فلز پرکننده جریان ندارد
فلز پرکننده فقط به سمت مس یا فولاد می چسبد
مفاصل ضعیف
نشتی پس از لحیم کاری
ترک خوردگی مفصل
اکسیداسیون سطحی شدید
باقی مانده خورنده پس از لحیم کاری
استحکام مفصل ناپایدار
این مشکلات معمولاً مربوط به انتخاب فلز پرکننده، انتخاب شار، تمیز کردن سطح، فاصله اتصال، دمای گرمایش و یکنواختی گرمایش است.
به عنوان مثال، استفاده از فلز پرکننده نامناسب برای فولاد ممکن است باعث خیس شدن ضعیف شود. استفاده از فلز پرکننده مس{1}}فسفر برای اتصال فولاد ممکن است باعث شکنندگی مفصل شود. اگر محدوده دمای شار با فلز پرکننده مطابقت نداشته باشد، شار ممکن است قبل از ذوب شدن فلز پرکننده از بین برود.
9. توصیه‌هایی برای انتخاب مواد لحیم کاری مس-به-فولاد
برای اتصالات عمومی از مس-به-فولاد کربن، مس-به-فولاد ضد زنگ، و لوله مسی به اتصالات فولادی، راه حل توصیه شده معمولاً این است:
فلزات پرکننده مبتنی بر نقره-را در اولویت قرار دهید
استفاده از شار ویژه مناسب برای لحیم کاری مس-به-فولاد غیر مشابه
از استفاده مستقیم از فلزات پرکننده مس{0}فسفر روی قطعات فولادی خودداری کنید
سطوح مختلف محتوای نقره را با توجه به قدرت و هزینه مورد نیاز انتخاب کنید
برای محصولاتی که به عملکرد آب بندی بالایی نیاز دارند از فلزات پرکننده با جریان پذیری بهتر استفاده کنید
قبل از لحیم کاری سطوح مسی و فولادی را کاملا تمیز کنید
فاصله مناسب مفصل و دمای گرمایش را کنترل کنید
برای تولید انبوه، لحیم کاری القایی یا لحیم کاری خودکار را در نظر بگیرید
اگر محصول در محیط‌های با دمای{0}بالا، خورنده، یا{1}}با استحکام بالا استفاده می‌شود، فلزات پرکننده مخصوص و محلول‌های فرآیندی باید با توجه به شرایط کاری خاص انتخاب شوند.
نتیجه گیری
انتخاب مواد برای لحیم کاری مس-به-فولاد مستقیماً بر استحکام اتصال، عملکرد آب بندی، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری تولید تأثیر می گذارد. از آنجایی که مس و فولاد فلزات متفاوتی با هدایت حرارتی، ضرایب انبساط و رفتار اکسیداسیون سطحی متفاوت هستند، مواد لحیم کاری مس به مس را نمی‌توان به سادگی روی اتصالات مس-به-فولاد اعمال کرد.
در بیشتر کاربردهای لحیم کاری مس-به-فولاد، فلز پرکننده مبتنی بر نقره- همراه با شار ویژه انتخابی پایدار است. اگرچه فلز پرکننده مس{4}}فسفر برای اتصال مس-به-مس مناسب است، اما برای لحیم کاری مستقیم-مس به-فولاد مناسب نیست. برای کاربردهای ساختاری
هنگام انتخاب مواد لحیم کاری برای مس و فولاد، سازندگان باید نوع فلز پایه، ساختار اتصال، الزامات استحکام، الزامات آب بندی، محیط کار، روش گرمایش و نیازهای تولید انبوه را در نظر بگیرند. تنها زمانی که فلز پرکننده، شار، طراحی اتصال و فرآیند گرمایش به درستی مطابقت داشته باشند، می‌توان به یک اتصال لحیم‌شده مس-به-فولاد پایدار و قابل اعتماد دست یافت.
