لحام الألومنيوم وسبائك الألومنيوم

1. قابلية اللحام

تُعدّ خاصية اللحام بالنحاس للألمنيوم وسبائكه ضعيفة، ويعود ذلك أساسًا إلى صعوبة إزالة طبقة الأكسيد المتكونة على سطحه. يتميز الألمنيوم بميله الشديد للأكسجين، مما يُسهّل تكوين طبقة أكسيد كثيفة ومستقرة وذات درجة انصهار عالية (Al₂O₃) على سطحه. في المقابل، تُكوّن سبائك الألمنيوم المحتوية على المغنيسيوم طبقة أكسيد مستقرة جدًا (MgO)، مما يُعيق ترطيب وانتشار اللحام بشكل كبير، ويصعب إزالتها. لذا، لا يُمكن إتمام عملية اللحام بالنحاس إلا باستخدام مادة مساعدة مناسبة.

ثانيًا، تُعدّ عملية لحام الألومنيوم وسبائكه صعبة. فدرجة انصهار الألومنيوم وسبائكه لا تختلف كثيرًا عن درجة انصهار معدن الحشو المستخدم في اللحام. كما أن نطاق درجة الحرارة الأمثل للحام ضيق جدًا. فأي خلل بسيط في التحكم بدرجة الحرارة قد يؤدي بسهولة إلى ارتفاع درجة حرارة المعدن الأساسي أو حتى انصهاره، مما يُصعّب عملية اللحام. كذلك، فإن بعض سبائك الألومنيوم المُقوّاة بالمعالجة الحرارية قد تُعاني من ظواهر تليين مثل التقادم الزائد أو التلدين نتيجة التسخين أثناء اللحام، مما يُقلّل من خصائص الوصلات الملحومة. وأثناء اللحام باللهب، يصعب تحديد درجة الحرارة بدقة لأن لون سبيكة الألومنيوم لا يتغير أثناء التسخين، مما يزيد من متطلبات مهارة المشغل.

علاوة على ذلك، تتأثر مقاومة التآكل في وصلات اللحام المصنوعة من الألومنيوم وسبائكه بسهولة بالمعادن المستخدمة في الحشو والمواد المساعدة على اللحام. يختلف جهد قطب الألومنيوم وسبائكه اختلافًا كبيرًا عن جهد اللحام، مما يقلل من مقاومة التآكل في الوصلة، وخاصةً في وصلات اللحام اللينة. إضافةً إلى ذلك، تتميز معظم المواد المساعدة على اللحام المستخدمة في لحام الألومنيوم وسبائكه بقدرة عالية على التآكل. حتى بعد تنظيفها بعد اللحام، لا يُزال تأثيرها على مقاومة التآكل في الوصلات بشكل كامل.

2. مواد اللحام

(1) يُعدّ لحام الألومنيوم وسبائكه طريقةً نادرة الاستخدام، نظرًا للاختلاف الكبير في تركيب وجهد قطب معدن الحشو ومعدن القاعدة، مما يُسهّل حدوث التآكل الكهروكيميائي للوصلة. يعتمد اللحام اللين بشكل أساسي على لحام الزنك ولحام القصدير والرصاص، والذي يُمكن تقسيمه إلى لحام منخفض الحرارة (150-260 درجة مئوية)، ولحام متوسط ​​الحرارة (260-370 درجة مئوية)، ولحام عالي الحرارة (370-430 درجة مئوية) وفقًا لنطاق درجة الحرارة. عند استخدام لحام القصدير والرصاص، مع طلاء سطح الألومنيوم مسبقًا بالنحاس أو النيكل قبل اللحام، يُمكن منع التآكل عند سطح الوصلة، وبالتالي تحسين مقاومتها للتآكل.

تُستخدم عملية اللحام بالنحاس للألمنيوم وسبائكه على نطاق واسع، كما في مكونات مثل موجهات المرشحات والمبخرات والمبردات وغيرها. ولا يُسمح باستخدام سوى معادن الحشو المصنوعة من الألمنيوم في هذه العملية، وتُعدّ معادن حشو الألمنيوم والسيليكون الأكثر شيوعًا. يوضح الجدولان 8 و9 نطاق التطبيق المحدد وقوة القص للوصلات الملحومة على التوالي. مع ذلك، فإن درجة انصهار هذا النوع من اللحام قريبة من درجة انصهار المعدن الأساسي، لذا يجب التحكم بدقة في درجة حرارة التسخين أثناء عملية اللحام لتجنب ارتفاع درجة حرارة المعدن الأساسي أو حتى انصهاره.

الجدول 8: نطاق استخدام معادن الحشو المستخدمة في لحام الألومنيوم وسبائك الألومنيوم

الجدول 9: قوة القص لوصلات الألومنيوم وسبائك الألومنيوم الملحومة بمعادن حشو من الألومنيوم والسيليكون

يُورَّد لحام الألومنيوم والسيليكون عادةً على شكل مسحوق أو معجون أو سلك أو صفائح. وفي بعض الحالات، تُستخدم صفائح لحام مركبة تتكون من الألومنيوم كقلب ولحام الألومنيوم والسيليكون كغلاف. يُصنع هذا النوع من صفائح اللحام المركبة بطريقة هيدروليكية، ويُستخدم غالبًا كجزء من مكونات اللحام بالنحاس. أثناء عملية اللحام، ينصهر معدن الحشو على الصفيحة المركبة ويتدفق بفعل الخاصية الشعرية والجاذبية لملء فجوة الوصلة.

(2) في لحام الألومنيوم وسبائكه، يُستخدم عادةً سائل لحام خاص لإزالة طبقة اللحام. يُستخدم سائل اللحام العضوي القائم على ثلاثي إيثانول أمين، مثل fs204، مع اللحام اللين منخفض الحرارة. يتميز هذا السائل بتأثيره المحدود على تآكل المعدن الأساسي، ولكنه يُنتج كمية كبيرة من الغاز، مما يؤثر على ترطيب اللحام وتماسكه. أما سائل اللحام التفاعلي القائم على كلوريد الزنك، مثل fs203 وfs220a، فيُستخدم مع اللحام اللين متوسط ​​وعالي الحرارة. يتميز سائل اللحام التفاعلي بتآكله الشديد، ويجب إزالة بقاياه بعد اللحام.

في الوقت الحالي، لا تزال عملية لحام الألومنيوم وسبائكه تعتمد بشكل أساسي على إزالة طبقة التدفق. تشمل أنواع التدفق المستخدمة في اللحام التدفقات القائمة على الكلوريد والتدفقات القائمة على الفلوريد. يتميز التدفق القائم على الكلوريد بقدرة عالية على إزالة طبقة الأكسيد وسيولة جيدة، ولكنه يُسبب تآكلًا كبيرًا للمعدن الأساسي، لذا يجب إزالة بقاياه بالكامل بعد اللحام. أما التدفق القائم على الفلوريد فهو نوع جديد من التدفقات، يتميز بقدرة جيدة على إزالة طبقة الأكسيد وعدم تسببه في تآكل المعدن الأساسي. مع ذلك، يتميز بارتفاع درجة انصهاره وضعف استقراره الحراري، ولا يُستخدم إلا مع لحام الألومنيوم والسيليكون.

عند لحام الألومنيوم وسبائكه، يُستخدم غالبًا الفراغ أو الجو المحايد أو الخامل. عند استخدام اللحام في الفراغ، يجب أن تصل درجة الفراغ عادةً إلى حوالي 10⁻³ باسكال. عند استخدام غاز النيتروجين أو الأرجون للحماية، يجب أن تكون نقاوته عالية جدًا، وأن تكون نقطة الندى أقل من -40 درجة مئوية.

3. تقنية اللحام بالنحاس

تتطلب عملية لحام الألومنيوم وسبائكه عناية فائقة بسطح قطعة العمل. وللحصول على جودة عالية، يجب إزالة بقع الزيت وطبقة الأكسيد قبل اللحام. تُزال بقع الزيت باستخدام محلول مائي من كربونات الصوديوم (Na2CO3) عند درجة حرارة 60-70 درجة مئوية لمدة 5-10 دقائق، ثم تُشطف بالماء النظيف. أما طبقة الأكسيد، فتُزال بالحفر باستخدام محلول مائي من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) عند درجة حرارة 20-40 درجة مئوية لمدة 2-4 دقائق، ثم تُغسل بالماء الساخن. بعد إزالة بقع الزيت وطبقة الأكسيد، تُعالج قطعة العمل بمحلول مائي من حمض النيتريك (HNO3) لإضفاء اللمعان لمدة 2-5 دقائق، ثم تُغسل بالماء الجاري وتُجفف. يجب عدم لمس قطعة العمل المعالجة بهذه الطرق أو تلوثها بأي أوساخ أخرى، ويجب لحامها خلال 6-8 ساعات. يُفضل اللحام فورًا إن أمكن.

تشمل طرق لحام الألومنيوم وسبائكه بشكل رئيسي اللحام باللهب، واللحام بمكواة اللحام، واللحام في الفرن. تستخدم هذه الطرق عادةً مادة مساعدة للصهر، وتتطلب شروطًا صارمة فيما يتعلق بدرجة حرارة التسخين ومدة التثبيت. أثناء اللحام باللهب واللحام بمكواة اللحام، يجب تجنب تسخين المادة المساعدة للصهر مباشرةً بواسطة مصدر الحرارة لمنع ارتفاع درجة حرارتها وتلفها. نظرًا لإمكانية ذوبان الألومنيوم في اللحام اللين ذي المحتوى العالي من الزنك، يجب إيقاف التسخين بمجرد تكوين الوصلة لتجنب تآكل المعدن الأساسي. في بعض الحالات، لا يُستخدم اللحام باللهب وسبائكه مادة مساعدة للصهر، بل تُستخدم الموجات فوق الصوتية أو الكشط لإزالة طبقة الأكسيد. عند استخدام الكشط لإزالة طبقة الأكسيد، تُسخّن قطعة العمل أولًا إلى درجة حرارة اللحام، ثم يُكشط الجزء المراد لحامه من قطعة العمل بطرف قضيب اللحام (أو أداة الكشط). ​​أثناء إزالة طبقة الأكسيد السطحية، ينصهر طرف اللحام ويُبلل المعدن الأساسي.

تشمل طرق لحام الألومنيوم وسبائكه بشكل رئيسي اللحام باللهب، واللحام في الفرن، واللحام بالغمس، واللحام بالتفريغ، واللحام المحمي بالغاز. يُستخدم اللحام باللهب غالبًا للقطع الصغيرة ولإنتاج القطع المفردة. ولتجنب تلف مادة اللحام نتيجةً لتلامس الشوائب الموجودة في الأسيتيلين مع مادة اللحام عند استخدام لهب الأوكسي أسيتيلين، يُفضل استخدام لهب هواء مضغوط يعمل بالبنزين ذي قابلية اختزال منخفضة لمنع أكسدة المعدن الأساسي. أثناء عملية اللحام، يمكن وضع مادة اللحام ومعدن الحشو في مكان اللحام مسبقًا وتسخينهما في نفس الوقت مع قطعة العمل؛ كما يمكن تسخين قطعة العمل أولًا إلى درجة حرارة اللحام، ثم غمس قطعة اللحام في مادة اللحام ووضعها في مكان اللحام؛ بعد انصهار مادة اللحام ومعدن الحشو، يُزال اللهب ببطء بعد ملء معدن الحشو بالتساوي.

عند لحام الألومنيوم وسبائكه في فرن هوائي، يجب تحضير معدن الحشو مسبقًا، ثم يُذاب مُساعد اللحام في الماء المقطر لتحضير محلول كثيف بتركيز يتراوح بين 50% و75%، ويُطلى أو يُرش على سطح اللحام. كما يُمكن تغطية معدن الحشو وسطح اللحام بكمية مناسبة من مسحوق مُساعد اللحام، ثم توضع القطعة الملحومة في الفرن لتسخينها. ولتجنب ارتفاع درجة حرارة المعدن الأساسي أو انصهاره، يجب التحكم بدقة في درجة حرارة التسخين.

يُستخدم عادةً لحام المعجون أو رقائق اللحام في لحام الألومنيوم وسبائكه بالغمر. يجب تسخين قطعة العمل المُجمّعة مسبقًا قبل اللحام لجعل درجة حرارتها قريبة من درجة حرارة اللحام، ثم تُغمر في سائل اللحام. أثناء اللحام، يجب التحكم بدقة في درجة حرارة اللحام ومدة اللحام. فإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، يسهل ذوبان المعدن الأساسي ويسهل فقدان اللحام؛ وإذا كانت منخفضة جدًا، لا ينصهر اللحام بشكل كافٍ، مما يُقلل من معدل اللحام. تُحدد درجة حرارة اللحام بناءً على نوع وحجم المعدن الأساسي، وتركيب ونقطة انصهار معدن الحشو، وتكون عادةً بين درجة حرارة السيولة لمعدن الحشو ودرجة حرارة التصلب للمعدن الأساسي. يجب أن تضمن مدة غمر قطعة العمل في حمام سائل اللحام انصهار اللحام وتدفقه بالكامل، ويجب ألا تطول مدة الغمر. وإلا، فقد ينتشر عنصر السيليكون الموجود في اللحام إلى المعدن الأساسي، مما يجعله هشًا بالقرب من خط اللحام.

في عملية اللحام الفراغي للألمنيوم وسبائكه، تُستخدم عادةً مُنشِّطات تشغيل المعادن لتعديل طبقة الأكسيد السطحية للألمنيوم وضمان ترطيب وانتشار اللحام. يمكن استخدام المغنيسيوم مباشرةً على قطعة العمل على شكل جزيئات، أو إدخاله إلى منطقة اللحام على شكل بخار، أو إضافته إلى لحام الألمنيوم والسيليكون كعنصر مُسبِّك. بالنسبة لقطع العمل ذات التركيب المُعقَّد، ولضمان التأثير الكامل لبخار المغنيسيوم على المعدن الأساسي وتحسين جودة اللحام، تُتخذ عادةً إجراءات حماية موضعية، حيث تُوضع قطعة العمل أولاً في صندوق من الفولاذ المقاوم للصدأ (يُعرف باسم صندوق المعالجة)، ثم تُوضع في فرن فراغي لتسخين اللحام. تتميز وصلات الألمنيوم وسبائكه الملحومة فراغياً بسطح أملس وكثافة عالية، ولا تحتاج إلى تنظيف بعد اللحام. مع ذلك، فإن معدات اللحام الفراغي باهظة الثمن، ويُلوِّث بخار المغنيسيوم الفرن بشدة، لذا فهي تحتاج إلى تنظيف وصيانة دورية.

عند لحام الألومنيوم وسبائكه في جو محايد أو خامل، يمكن استخدام مُنشِّط أو مُساعد لحام المغنيسيوم لإزالة طبقة اللحام. عند استخدام مُنشِّط المغنيسيوم، تكون كمية المغنيسيوم المطلوبة أقل بكثير من تلك المستخدمة في اللحام الفراغي. عمومًا، تتراوح نسبة المغنيسيوم (w) بين 0.2% و0.5%. كلما زادت نسبة المغنيسيوم، انخفضت جودة الوصلة. تُعدّ طريقة اللحام NOCOLOK، التي تستخدم مُساعد لحام الفلورايد وحماية النيتروجين، طريقةً حديثةً تطورت بسرعة في السنوات الأخيرة. نظرًا لأن بقايا مُساعد لحام الفلورايد لا تمتص الرطوبة ولا تُسبب تآكل الألومنيوم، يُمكن الاستغناء عن عملية إزالة بقايا مُساعد اللحام بعد اللحام. تحت حماية النيتروجين، لا يلزم سوى طلاء كمية صغيرة من مُساعد لحام الفلورايد، مما يسمح لمعدن الحشو بترطيب المعدن الأساسي جيدًا، ويُسهّل الحصول على وصلات لحام عالية الجودة. حاليًا، تُستخدم طريقة اللحام NOCOLOK هذه في الإنتاج الضخم لمبردات الألومنيوم ومكونات أخرى.

بالنسبة للألمنيوم وسبائك الألمنيوم الملحومة باستخدام مواد لحام غير الفلورايد، يجب إزالة بقايا مادة اللحام تمامًا بعد اللحام. يمكن غسل بقايا مادة اللحام العضوية للألمنيوم بمحاليل عضوية مثل الميثانول وثلاثي كلورو الإيثيلين، ثم معادلتها بمحلول هيدروكسيد الصوديوم المائي، وأخيرًا تنظيفها بالماء الساخن والبارد. يُعد الكلوريد من بقايا مادة اللحام للألمنيوم، ويمكن إزالته باتباع الطرق التالية: أولًا، نقع القطعة في ماء ساخن بدرجة حرارة 60-80 درجة مئوية لمدة 10 دقائق، ثم تنظيف البقايا الموجودة على وصلة اللحام بعناية باستخدام فرشاة، ثم تنظيفها بالماء البارد. ثانيًا، نقع القطعة في محلول مائي من حمض النيتريك بنسبة 15% لمدة 30 دقيقة، ثم شطفها بالماء البارد.