การบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียม

1. ความสามารถในการบัดกรีแข็ง

คุณสมบัติการบัดกรีของอะลูมิเนียมและอะลูมิเนียมอัลลอยด์นั้นไม่ดีนัก ส่วนใหญ่เป็นเพราะฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวนั้นกำจัดออกได้ยาก อะลูมิเนียมมีพันธะกับออกซิเจนสูง จึงสามารถสร้างฟิล์มออกไซด์ Al2O3 ที่มีความหนาแน่น เสถียร และมีจุดหลอมเหลวสูงบนพื้นผิวได้ง่าย ในขณะเดียวกัน อะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีแมกนีเซียมก็จะสร้างฟิล์มออกไซด์ MgO ที่เสถียรมากเช่นกัน ซึ่งจะขัดขวางการเปียกและการแพร่กระจายของตะกั่วบัดกรีอย่างรุนแรง และกำจัดออกได้ยาก ในระหว่างการบัดกรี กระบวนการบัดกรีสามารถทำได้โดยใช้ฟลักซ์ที่เหมาะสมเท่านั้น

ประการที่สอง การบัดกรีอลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียมนั้นทำได้ยาก จุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียมไม่แตกต่างจากจุดหลอมเหลวของโลหะเติมที่ใช้บัดกรีมากนัก ช่วงอุณหภูมิที่เลือกใช้สำหรับการบัดกรีค่อนข้างแคบ การควบคุมอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมเพียงเล็กน้อยอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือแม้กระทั่งโลหะหลอมละลาย ทำให้กระบวนการบัดกรีทำได้ยาก โลหะผสมอลูมิเนียมบางชนิดที่เสริมความแข็งแรงด้วยการอบชุบด้วยความร้อนอาจทำให้เกิดอาการอ่อนตัว เช่น เกิดการเสื่อมสภาพหรือการอบอ่อนตัวอันเนื่องมาจากความร้อนจากการบัดกรี ซึ่งจะลดคุณสมบัติของรอยเชื่อมที่บัดกรีแล้วลง ในระหว่างการบัดกรีด้วยเปลวไฟ การประเมินอุณหภูมิทำได้ยากเนื่องจากสีของโลหะผสมอลูมิเนียมจะไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการให้ความร้อน ซึ่งยังเพิ่มข้อกำหนดสำหรับระดับการปฏิบัติงานของผู้ปฏิบัติงานอีกด้วย

ยิ่งไปกว่านั้น ความต้านทานการกัดกร่อนของรอยเชื่อมอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมยังได้รับผลกระทบจากโลหะเติมและฟลักซ์ได้ง่าย ศักย์ไฟฟ้าของอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมค่อนข้างแตกต่างจากการบัดกรี ซึ่งลดความต้านทานการกัดกร่อนของรอยเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรอยเชื่อมแบบอ่อน นอกจากนี้ ฟลักซ์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมยังมีคุณสมบัติการกัดกร่อนสูง แม้ว่าจะทำความสะอาดหลังการบัดกรีแล้ว อิทธิพลของฟลักซ์ที่มีต่อความต้านทานการกัดกร่อนของรอยเชื่อมก็ยังไม่หมดไป

2. วัสดุบัดกรี

(1) การบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นวิธีที่ไม่ค่อยได้ใช้ เนื่องจากองค์ประกอบและศักย์ไฟฟ้าของโลหะเติมและโลหะพื้นฐานที่ใช้ในการบัดกรีมีความแตกต่างกันมาก ทำให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าที่บริเวณรอยต่อได้ง่าย การบัดกรีแบบอ่อนส่วนใหญ่ใช้ตะกั่วบัดกรีสังกะสีและตะกั่วบัดกรีดีบุก ซึ่งแบ่งตามช่วงอุณหภูมิได้เป็นตะกั่วบัดกรีอุณหภูมิต่ำ (150-260 องศาเซลเซียส) ตะกั่วบัดกรีอุณหภูมิปานกลาง (260-370 องศาเซลเซียส) และตะกั่วบัดกรีอุณหภูมิสูง (370-430 องศาเซลเซียส) เมื่อใช้ตะกั่วบัดกรีดีบุกและชุบทองแดงหรือนิกเกิลบนพื้นผิวอะลูมิเนียมก่อนการบัดกรี จะสามารถป้องกันการกัดกร่อนที่รอยต่อได้ ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของรอยต่อ

การบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น ท่อนำกรอง เครื่องระเหย หม้อน้ำ และส่วนประกอบอื่นๆ การเชื่อมประสานอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมสามารถใช้โลหะเติมที่มีส่วนประกอบของอะลูมิเนียมเท่านั้น ซึ่งโลหะเติมอะลูมิเนียมซิลิคอนเป็นโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ขอบเขตการใช้งานเฉพาะและความแข็งแรงเฉือนของรอยเชื่อมประสานแสดงไว้ในตารางที่ 8 และตารางที่ 9 ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม จุดหลอมเหลวของโลหะบัดกรีนี้ใกล้เคียงกับโลหะพื้นฐาน ดังนั้นควรควบคุมอุณหภูมิความร้อนอย่างเข้มงวดและแม่นยำในระหว่างการบัดกรีประสาน เพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปหรือแม้กระทั่งการหลอมละลายของโลหะพื้นฐาน

ตารางที่ 8 ขอบเขตการใช้งานของโลหะเชื่อมประสานสำหรับอลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียม

ตารางที่ 9 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่ออลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียมที่เชื่อมด้วยโลหะเติมอลูมิเนียมซิลิกอน

โดยทั่วไปแล้วตะกั่วบัดกรีอะลูมิเนียมซิลิคอนจะจำหน่ายในรูปแบบผง กาว ลวด หรือแผ่น ในบางกรณี จะใช้แผ่นคอมโพสิตบัดกรีที่มีอะลูมิเนียมเป็นแกนกลางและอะลูมิเนียมซิลิคอนเป็นวัสดุหุ้ม แผ่นคอมโพสิตบัดกรีชนิดนี้ผลิตขึ้นด้วยวิธีไฮดรอลิก และมักใช้เป็นส่วนหนึ่งของส่วนประกอบบัดกรี ในระหว่างการบัดกรี โลหะเติมบนแผ่นคอมโพสิตจะหลอมละลายและไหลภายใต้แรงกระทำของแคปิลลารีและแรงโน้มถ่วงเพื่อเติมเต็มช่องว่างของรอยต่อ

(2) ฟลักซ์และก๊าซป้องกันสำหรับการบัดกรีอลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียม มักใช้ฟลักซ์ชนิดพิเศษเพื่อขจัดฟิล์ม ฟลักซ์อินทรีย์ที่มีส่วนผสมของไตรเอทาโนลามีน เช่น FS204 ใช้กับโลหะบัดกรีอ่อนที่อุณหภูมิต่ำ ข้อดีของฟลักซ์นี้คือมีฤทธิ์กัดกร่อนน้อยต่อโลหะพื้นฐาน แต่จะปล่อยก๊าซออกมาจำนวนมาก ซึ่งจะส่งผลต่อการเปียกและการอุดรอยรั่วของโลหะบัดกรี ฟลักซ์ปฏิกิริยาที่มีส่วนผสมของซิงค์คลอไรด์ เช่น FS203 และ FS220A ใช้กับโลหะบัดกรีอ่อนที่อุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิสูง ฟลักซ์ปฏิกิริยานี้มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง และต้องกำจัดสารตกค้างออกหลังการบัดกรี

ปัจจุบัน การบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมยังคงใช้ฟลักซ์กำจัดฟิล์มเป็นหลัก ฟลักซ์บัดกรีที่ใช้ประกอบด้วยฟลักซ์คลอไรด์และฟลักซ์ฟลูออไรด์ ฟลักซ์คลอไรด์มีความสามารถในการกำจัดฟิล์มออกไซด์และการไหลตัวที่ดี แต่มีฤทธิ์กัดกร่อนโลหะพื้นฐานอย่างมาก จำเป็นต้องกำจัดคราบตกค้างออกให้หมดหลังการบัดกรี ฟลักซ์ฟลูออไรด์เป็นฟลักซ์ชนิดใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการขจัดฟิล์มออกไซด์ได้ดีและไม่กัดกร่อนโลหะพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม ฟลักซ์ฟลูออไรด์มีจุดหลอมเหลวสูงและเสถียรภาพทางความร้อนต่ำ จึงสามารถใช้ได้กับตะกั่วบัดกรีอะลูมิเนียมและซิลิคอนเท่านั้น

ในการบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียม มักใช้บรรยากาศสุญญากาศ บรรยากาศเป็นกลาง หรือบรรยากาศเฉื่อย โดยทั่วไปแล้ว เมื่อบัดกรีด้วยสุญญากาศ อุณหภูมิสุญญากาศจะอยู่ที่ประมาณ 10-3 pa เมื่อใช้ก๊าซไนโตรเจนหรืออาร์กอนเพื่อป้องกัน ความบริสุทธิ์ของก๊าซจะต้องสูงมาก และจุดน้ำค้างต้องต่ำกว่า -40 ℃

3. เทคโนโลยีการบัดกรี

การบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมมีข้อกำหนดสูงสำหรับการทำความสะอาดพื้นผิวชิ้นงาน เพื่อให้ได้คุณภาพที่ดี ต้องขจัดคราบน้ำมันและฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวออกก่อนการบัดกรี ขจัดคราบน้ำมันบนพื้นผิวด้วยสารละลายน้ำ Na2CO3 ที่อุณหภูมิ 60-70 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 5-10 นาที แล้วล้างออกด้วยน้ำสะอาด สามารถขจัดคราบออกไซด์บนพื้นผิวออกได้โดยการกัดด้วยสารละลายน้ำ NaOH ที่อุณหภูมิ 20-40 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2-4 นาที แล้วล้างออกด้วยน้ำร้อน หลังจากขจัดคราบน้ำมันและฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวออกแล้ว ควรชุบด้วยสารละลายน้ำ HNO3 เพื่อความเงางามเป็นเวลา 2-5 นาที จากนั้นทำความสะอาดด้วยน้ำไหลผ่านและเช็ดให้แห้งสนิท ชิ้นงานที่ผ่านการชุบด้วยวิธีเหล่านี้ต้องไม่สัมผัสหรือปนเปื้อนสิ่งสกปรกอื่นๆ และควรบัดกรีให้เสร็จภายใน 6-8 ชั่วโมง ควรบัดกรีให้เสร็จทันทีหากเป็นไปได้

วิธีการบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมส่วนใหญ่ประกอบด้วยการบัดกรีด้วยเปลวไฟ การบัดกรีด้วยหัวแร้ง และการบัดกรีด้วยเตาหลอม วิธีการเหล่านี้มักใช้ฟลักซ์ในการบัดกรี และมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอุณหภูมิความร้อนและระยะเวลาในการคงสภาพ ในระหว่างการบัดกรีด้วยเปลวไฟและการบัดกรีด้วยหัวแร้ง ควรหลีกเลี่ยงการให้ความร้อนฟลักซ์โดยตรงจากแหล่งความร้อน เพื่อป้องกันไม่ให้ฟลักซ์ร้อนเกินไปและเสียหาย เนื่องจากอะลูมิเนียมสามารถละลายในตะกั่วอ่อนที่มีปริมาณสังกะสีสูงได้ จึงควรหยุดการให้ความร้อนทันทีที่รอยต่อเกิดขึ้นเพื่อป้องกันการกัดกร่อนของโลหะพื้นฐาน ในบางกรณี การบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมบางครั้งอาจไม่ได้ใช้ฟลักซ์ แต่ใช้วิธีอัลตราโซนิกหรือการขูดเพื่อลอกฟิล์มออก เมื่อใช้การขูดเพื่อลอกฟิล์มออกสำหรับการบัดกรี ให้ให้ความร้อนชิ้นงานจนถึงอุณหภูมิการบัดกรีก่อน จากนั้นจึงขูดส่วนบัดกรีของชิ้นงานด้วยปลายของแท่งบัดกรี (หรือเครื่องมือขูด) ในขณะที่ทำลายฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิว ปลายของตะกั่วบัดกรีจะละลายและทำให้โลหะพื้นฐานเปียก

วิธีการบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมส่วนใหญ่ประกอบด้วยการบัดกรีด้วยเปลวไฟ การบัดกรีด้วยเตา การบัดกรีแบบจุ่ม การบัดกรีด้วยสุญญากาศ และการบัดกรีด้วยแก๊สป้องกัน การบัดกรีด้วยเปลวไฟส่วนใหญ่มักใช้กับชิ้นงานขนาดเล็กและการผลิตแบบชิ้นเดียว เพื่อป้องกันความเสียหายของฟลักซ์ที่เกิดจากการสัมผัสระหว่างสิ่งเจือปนในอะเซทิลีนและฟลักซ์เมื่อใช้เปลวไฟออกซีอะเซทิลีน ควรใช้เปลวไฟอัดอากาศที่มีความสามารถในการลดทอนเล็กน้อยเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของโลหะฐาน ในระหว่างการบัดกรีเฉพาะจุด สามารถวางฟลักซ์และโลหะเติมไว้ล่วงหน้า ณ ตำแหน่งที่บัดกรี และให้ความร้อนพร้อมกับชิ้นงานได้ สามารถให้ความร้อนชิ้นงานจนถึงอุณหภูมิการบัดกรีก่อน จากนั้นจึงนำตะกั่วบัดกรีที่จุ่มฟลักซ์ไปยังตำแหน่งบัดกรีได้ หลังจากฟลักซ์และโลหะเติมละลายแล้ว ควรค่อยๆ ปล่อยเปลวไฟทำความร้อนออกหลังจากที่โลหะเติมถูกเติมจนเต็มอย่างสม่ำเสมอ

เมื่อทำการบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมในเตาหลอมลม จะต้องตั้งค่าโลหะเติมสำหรับบัดกรีไว้ล่วงหน้า และละลายฟลักซ์บัดกรีในน้ำกลั่นเพื่อเตรียมสารละลายข้นที่มีความเข้มข้น 50% ~ 75% จากนั้นเคลือบหรือพ่นฟลักซ์บัดกรีลงบนผิวบัดกรี สามารถเคลือบฟลักซ์บัดกรีผงในปริมาณที่เหมาะสมบนโลหะเติมและผิวบัดกรี จากนั้นจึงนำชิ้นงานเชื่อมที่ประกอบแล้วไปอบในเตาหลอมเพื่อให้ความร้อนแก่โลหะฐาน เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะฐานร้อนเกินไปหรือหลอมละลาย จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิในการทำความร้อนอย่างเคร่งครัด

โดยทั่วไปแล้ว ตะกั่วบัดกรีแบบเพสต์หรือฟอยล์จะใช้สำหรับการบัดกรีแบบจุ่ม (Dip) ของอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียม ชิ้นงานที่ประกอบแล้วจะต้องได้รับการอุ่นก่อนการบัดกรีเพื่อให้อุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิการบัดกรี จากนั้นจึงนำไปจุ่มในฟลักซ์สำหรับการบัดกรี ในระหว่างการบัดกรี อุณหภูมิและเวลาการบัดกรีจะต้องถูกควบคุมอย่างเข้มงวด หากอุณหภูมิสูงเกินไป โลหะพื้นฐานจะละลายได้ง่ายและตะกั่วบัดกรีจะสูญเสียได้ง่าย หากอุณหภูมิต่ำเกินไป ตะกั่วบัดกรีจะละลายไม่เพียงพอและอัตราการบัดกรีจะลดลง อุณหภูมิการบัดกรีควรพิจารณาตามชนิดและขนาดของโลหะพื้นฐาน องค์ประกอบ และจุดหลอมเหลวของโลหะเติม โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างอุณหภูมิของเหลวของโลหะเติมและอุณหภูมิของแข็งของโลหะพื้นฐาน เวลาในการจุ่มชิ้นงานในอ่างฟลักซ์ต้องมั่นใจว่าตะกั่วบัดกรีสามารถละลายและไหลได้อย่างเต็มที่ และระยะเวลาการรองรับไม่ควรนานเกินไป มิฉะนั้น ธาตุซิลิคอนในตะกั่วบัดกรีอาจแพร่กระจายเข้าไปในโลหะพื้นฐาน ทำให้โลหะพื้นฐานใกล้รอยต่อเปราะ

ในการบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมด้วยสุญญากาศ มักใช้สารกระตุ้นการทำงานของโลหะเพื่อปรับเปลี่ยนฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของอะลูมิเนียม และเพื่อให้แน่ใจว่าตะกั่วบัดกรีจะเปียกและกระจายตัว แมกนีเซียมสามารถนำไปใช้กับชิ้นงานได้โดยตรงในรูปแบบของอนุภาค หรือนำเข้าสู่บริเวณบัดกรีในรูปแบบของไอน้ำ หรือสามารถเติมแมกนีเซียมลงในตะกั่วบัดกรีอะลูมิเนียมซิลิคอนเป็นส่วนผสมของโลหะผสมก็ได้ สำหรับชิ้นงานที่มีโครงสร้างซับซ้อน เพื่อให้มั่นใจว่าไอแมกนีเซียมจะออกฤทธิ์เต็มที่ต่อโลหะฐานและปรับปรุงคุณภาพการบัดกรี มักใช้มาตรการป้องกันเฉพาะจุด นั่นคือ การนำชิ้นงานใส่ในกล่องสแตนเลส (หรือที่เรียกกันทั่วไปว่ากล่องกระบวนการ) ก่อน จากนั้นจึงนำไปอบในเตาสุญญากาศเพื่อให้ความร้อนแก่การบัดกรี ข้อต่ออะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมที่บัดกรีด้วยสุญญากาศมีพื้นผิวเรียบและรอยเชื่อมที่หนาแน่น จึงไม่จำเป็นต้องทำความสะอาดหลังการบัดกรี อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์บัดกรีด้วยสุญญากาศมีราคาแพง และไอแมกนีเซียมก่อให้เกิดมลภาวะต่อเตาอย่างมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำความสะอาดและบำรุงรักษาบ่อยครั้ง

เมื่อบัดกรีอะลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมในบรรยากาศเป็นกลางหรือบรรยากาศเฉื่อย สามารถใช้สารกระตุ้นแมกนีเซียมหรือฟลักซ์เพื่อขจัดฟิล์มออกได้ เมื่อใช้สารกระตุ้นแมกนีเซียมเพื่อขจัดฟิล์ม ปริมาณแมกนีเซียมที่ต้องการจะต่ำกว่าการบัดกรีด้วยสุญญากาศมาก โดยทั่วไป w (mg) จะอยู่ที่ประมาณ 0.2% ~ 0.5% เมื่อปริมาณแมกนีเซียมสูง คุณภาพของรอยเชื่อมจะลดลง วิธีการบัดกรีแบบ NOCOLOK ที่ใช้ฟลักซ์ฟลูออไรด์และการป้องกันไนโตรเจนเป็นวิธีการใหม่ที่พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากฟลักซ์ฟลูออไรด์ตกค้างไม่ดูดซับความชื้นและไม่กัดกร่อนอะลูมิเนียม จึงสามารถละเว้นกระบวนการกำจัดฟลักซ์ตกค้างหลังการบัดกรีได้ ภายใต้การป้องกันไนโตรเจน ฟลักซ์ฟลูออไรด์จำเป็นต้องเคลือบเพียงเล็กน้อย โลหะเติมสามารถทำให้โลหะฐานเปียกได้ดี และง่ายต่อการได้รอยเชื่อมคุณภาพสูง ปัจจุบัน วิธีการบัดกรีแบบ NOCOLOK นี้ถูกนำมาใช้ในการผลิตหม้อน้ำอะลูมิเนียมและส่วนประกอบอื่นๆ จำนวนมาก

สำหรับอลูมิเนียมและโลหะผสมอลูมิเนียมที่เชื่อมประสานด้วยฟลักซ์ชนิดอื่นที่ไม่ใช่ฟลักซ์ฟลูออไรด์ คราบฟลักซ์ตกค้างต้องถูกกำจัดออกให้หมดหลังการบัดกรี คราบฟลักซ์อินทรีย์สำหรับเชื่อมประสานอลูมิเนียมสามารถล้างด้วยสารละลายอินทรีย์ เช่น เมทานอลและไตรคลอโรเอทิลีน ละลายด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ในน้ำ แล้วทำความสะอาดด้วยน้ำร้อนและน้ำเย็น คลอไรด์คือคราบตกค้างของฟลักซ์เชื่อมประสานอลูมิเนียม ซึ่งสามารถกำจัดออกได้ตามวิธีการดังต่อไปนี้ ขั้นแรก แช่ในน้ำร้อนที่อุณหภูมิ 60-80 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 10 นาที ทำความสะอาดคราบตกค้างบนรอยเชื่อมอย่างระมัดระวังด้วยแปรง แล้วทำความสะอาดด้วยน้ำเย็น จากนั้นแช่ในสารละลายกรดไนตริก 15% ในน้ำเป็นเวลา 30 นาที แล้วล้างออกด้วยน้ำเย็น