پودر فلاکس آلومینیوم و پودر بریزینگ

 

Aluminum flux powder and brazing powder

 

امروزه با وجود فناوری‌های پیشرفته و ساخت سازه‌های ترکیبی و پیچیده، اتصال ، جوش و لحیم فلزات به یکدیگر یکی از مهمترین و کلیدی ترین فرآیندها محسوب می‌شود. در این میان، فرآیند بریزینگ (Brazing) به عنوان یک روش اتصال قوی، پایدار و اقتصادی، جایگاه ویژه‌ای دارد.

موفقیت این فرآیند به شدت به مواد مصرفی آن، به ویژه پودر فلاکس آلومینیوم و پودر بریزینگ ، وابسته است.

نقش فلاکس در پاکسازی سطوح و جلوگیری از اکسیداسیون، و عملکرد پودر بریزینگ (فیلر متال) در ایجاد اتصال مستحکم را مورد تحلیل و بررسی قرار خواهیم داد.

 

اتصال فلزات فقط به معنای چسباندن دو قطعه به هم نیست؛ بلکه ایجاد یک پیوند متالورژیکی است که از استحکام، هدایت الکتریکی و حرارتی، و مقاومت به خوردگی مطلوب برخوردار باشد. در بین روش‌های متعدد اتصال، بریزینگ به دلیل توانایی در اتصال فلزات غیرمشابه (مانند مس به فولاد)، اتصال در دماهای نسبتاً پایین‌تر از ذوب پایه، و ایجاد درزهای تمیز و یکنواخت، بسیار پرکاربرد است.

اما نقش کلیدی این فرآیند، دو ماده مهم هستند:

 پودر بریزینگ که نقش ماده پرکننده را دارد و پودر فلاکس که محیطی مناسب برای ایجاد اتصال فراهم می‌کند.

 

کاربرد پودر فلاکس آلومینیوم چیست؟

 

فلاکس Flux ماده ای است که در فرآیندهای اتصال فلزات مانند بریزینگ و لحیم‌کاری به کار می‌رود تا اکسیدهای سطحی فلزات پایه را حل کرده و از تشکیل اکسیدهای جدید در حین گرمایش جلوگیری کند.

فلزات به ویژه آلومینیوم، به سرعت در مجاورت هوا یک لایه اکسید بسیار پایدار (مانند Al₂O₃) تشکیل می‌دهند. این لایه اکسید، مانند یک مقاوم عمل کرده و از مرطوب شدن سطح فلز توسط فلز مذاب (پودر بریزینگ) و در نتیجه ایجاد پیوند متالورژیکی جلوگیری می‌کند.

مکانیسم عمل فلاکس آلومینیوم

پودر فلاکس آلومینیوم معمولاً از ترکیبات نمکی (کلریدها و فلوئوریدهای فلزات قلیایی و قلیایی‌خاکی) تشکیل شده است. عملکرد آن به صورت مرحله‌ای است:

1. ذوب شدن: فلاکس در دمایی پایین‌تر از نقطه ذوب پودر بریزینگ ذوب می‌شود و تبدیل به یک مایع فعال می‌گردد.
2. پوشش‌دهی: این مایع مذاب روی سطح قطعه کار پخش شده و آن را کاملاً می‌پوشاند و از تماس فلز با اتمسفر محافظت می‌کند.
3. حل کردن اکسیدها: فلاکس با لایه اکسید آلومینیوم واکنش شیمیایی داده و آن را به صورت مکانیکی حل می‌کند یا به ترکیبات با مضرات کمتری تبدیل می‌نماید. حضور فلوئوریدها در این مرحله برای شکستن پیوند محکم اکسید آلومینیوم مهم است.
4. کاهش کشش سطحی: فلاکس مذاب کشش سطحی فلز مذاب بریزینگ را کاهش داده و باعث می‌شود تا به راحتی روی سطح فلز پایه پخش شده و به داخل درز جریان یابد (پدیده مویینگی).

 

انواع پودر فلاکس آلومینیوم

فلاکس‌های آلومینیوم بر اساس دامنه کاری و ترکیب شیمیایی دسته‌بندی می‌شوند:

   فلاکس با دامنه کاری پایین (Low-Temperature Flux):

این نوع معمولاً برای آلیاژهای آلومینیوم با نقطه ذوب پایین‌تر (مانند سری 1xxx و 3xxx) و در دمای ۵۵۰ تا ۶۲۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود. پایه اصلی آن کلریدهای سدیم و پتاسیم است.

   فلاکس با دامنه کاری بالا (High-Temperature Flux):

برای آلیاژهای با نقطه ذوب بالاتر (مانند سری 6xxx و 7xxx) و در دمای ۵۸۰ تا ۶۲۰ درجه سانتی‌گراد طراحی شده است. این فلاکس‌ها حاوی مقادیر بیشتری فلوئورید (مانند لیتیوم فلوئورید) برای مقابله با اکسیدهای مقاوم هستند.

   فلاکس‌های بدون یون کلرید:

این نوع برای کاربردهایی که فلاکس (Residue) می‌تواند باعث خوردگی شدید شود (مانند صنایع الکترونیک یا غذایی) توسعه یافته‌اند. این باقیمانده‌ها معمولاً غیرخوردنده و قابل شستشو با آب هستند.

 

کاربردهای پودر فلاکس آلومینیوم

   صنعت خودروسازی:  در ساخت رادیاتورها، کندانسورها، اینترکولرها و اتصالات سیستم‌های تهویه مطبوع.

   صنایع تهویه مطبوع و تبرید: ساخت کویل‌های اواپراتور و کندانسور.

   صنایع هوافضا: اتصال قطعات سبک‌وزن و با استحکام بالا از جنس آلیاژهای آلومینیوم.

   ساخت مبدل‌های حرارتی: در صنایع پتروشیمی و نیروگاهی.

 

پودر بریزینگ (فیلر متال) چیست؟

پودر بریزینگ (Brazing Powder) یا آلیاژ پرکننده، ماده ای است که نقطه ذوب آن پایین‌تر از فلزات پایه بوده و در حین فرآیند بریزینگ ذوب می‌شود و با جریان یافتن در فضای بین دو قطعه (به کمک نیروی مویینگی)، پس از انجماد، اتصال محکمی را ایجاد می‌کند. این پودرها معمولاً به صورت خشک، مخلوط با فلاکس (خمیر بریزینگ)  استفاده می‌شوند.

 

ویژگی‌های یک پودر بریزینگ

   نقطه ذوب مناسب: باید حداقل ۵۰ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از نقطه ذوب فلزات پایه باشد.

دارای ویسکوزیته پایین و کشش سطحی بهینه برای نفوذ موثر در درزهای مویین باشد.

استحکام مکانیکی بالا: اتصال ایجاد شده باید بتواند بارهای وارده را تحمل کند.

سازگاری متالورژیکی: باید از تشکیل فازهای بین فلزی (Intermetallic Compounds) ترد در نقطه مشترک اتصال جلوگیری نماید.

مقاومت به خوردگی: در بسیاری از کاربردها، مقاومت به خوردگی آلیاژ بریزینگ بسیار حائز اهمیت است.

 

انواع متداول پودرهای بریزینگ برای آلومینیوم

آلیاژهای بریزینگ آلومینیوم عموماً بر پایه سیستم آلیاژی Al-Si ساخته می‌شوند. معروف‌ترین آن‌ها عبارتند از:

   آلیاژ ۴۰۴۷ (Al-Si12): این آلیاژ با حدود ۱۲% سیلیسیوم، پرکاربردترین آلیاژ بریزینگ آلومینیوم است. محدوده ذوب آن ۵۷۷ تا ۵۸۵ درجه سانتی‌گراد است و برای اکثر آلیاژهای آلومینیوم سری 3xxx, 5xxx, 6xxx و 7xxx مناسب است.

   آلیاژ ۴۰۴۵ (Al-Si10): با حدود ۱۰% سیلیسیوم، نقطه ذوب کمی بالاتر دارد و برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بیشتر در دماهای بالا دارند، استفاده می‌شود.

   آلیاژهای حاوی منیزیم: گاهی اوقات مقادیر کمی منیزیم به آلیاژهای بریزینگ افزوده می‌شود تا به عملکرد فلاکس کمک کند و خواص مکانیکی را بهبود بخشد.

 

انواع مختلف پودر بریزینگ

   پودر خشک: برای استفاده در محیط‌های صنعتی با سیستم‌های اعمال اتوماتیک.

خمیر بریزینگ: مخلوط آماده پودر بریزینگ و فلاکس که به راحتی با قلم مو یا سرنگ قابل اعمال است و برای کارهای دستی و نیمه‌اتوماتیک ایده‌آل است.

مفتول بریزینگ: پودر بریزینگ که در مرکز یک مفتول آلومینیومی قرار گرفته و با پوشش فلاکس احاطه شده است. این فرم برای اتصالات طولانی و دستی بسیار مناسب است.

 

پیوند فلاکس و پودر بریزینگ در فرآیند بریزینگ

فرآیند بریزینگ آلومینیوم یک پروسه هماهنگ بین فلاکس و پودر بریزینگ است.

مراحل استاندارد به شرح زیر است:

 

1. آماده‌سازی سطح: سطوح اتصال باید عاری از چربی، روغن و آلودگی‌های دیگر باشند.
2. اعمال فلاکس: پودر فلاکس آلومینیوم (معمولاً به صورت سوسپانسیون در آب) یا خمیر بریزینگ بر روی سطوح اتصال زده می‌شود.
3. اسمبل و کلاف بندی: قطعات در موقعیت مناسب قرار گرفته و ثابت می‌شوند.
4. گرمایش: مجموعه تا دمای بریزینگ (که بین دمای ذوب فلاکس و ذوب پودر بریزینگ است) گرم می‌شود. گرمایش می‌تواند توسط مشعل، کوره، القاء یا حمام نمک مذاب انجام شود.
5. فعالیت فلاکس: در حین گرمایش، فلاکس ذوب شده، اکسیدها را حل کرده و از سطح محافظت می‌کند.
6. ذوب و جریان پودر بریزینگ: با رسیدن به دمای ذوب، پودر بریزینگ ذوب شده و به دلیل کاهش کشش سطحی توسط فلاکس، به راحتی در درز اتصال جریان می‌یابد.
7. سرد کردن: مجموعه به آرامی سرد می‌شود تا اتصال جامد شود. سرعت سرد کردن می‌تواند بر ریزساختار و استحکام اتصال تأثیر بگذارد.
8. فاینال: باقیمانده فلاکس (که اغلب شیشه‌ای و سخت است) باید بلافاصله پس از سرد شدن با شستشو با آب گرم یا محلول‌های شوینده مخصوص کاملاً حذف شود، زیرا این باقیمانده‌ها Hygroscopic (رطوبت‌گیر) هستند و در طول زمان باعث خوردگی موضعی شدید می‌شوند.

 

تفاوت‌های پودر فلاکس و پودر بریزینگ

ویژگی	پودر فلاکس آلومینیوم	پودر بریزینگ
وظیفه اصلی	پاک‌کنندگی سطح و جلوگیری از اکسیداسیون	ایجاد اتصال فیزیکی و متالورژیکی
ترکیب شیمیایی	نمک‌های غیرفلزی (کلریدها، فلوئوریدها)	آلیاژهای فلزی (عمدتاً بر پایه Al-Si)
نقطه ذوب	پایین‌تر از پودر بریزینگ	بالاتر از فلاکس ولی پایین‌تر از فلز پایه
حالت نهایی	باقیمانده شیشه‌ای که باید شسته شود	بخشی از اتصال دائمی می‌شود

 

چالش‌های استفاده از پودر فلاکس و بریزینگ

   حذف کامل باقیمانده فلاکس: اگر باقیمانده فلاکس به خوبی شسته نشود، منجر به خوردگی مخفی و کاهش عمر مفید قطعه می‌شود.

   کنترل دقیق دما: گرمایش ناکافی باعث عدم جریان پودر بریزینگ و گرمایش بیش از حد باعث سوختن فلاکس، اکسیداسیون شدید و حتی ذوب فلز پایه می‌شود.

   سمی بودن بخارات: در حین فرآیند، بخارات سمی می‌تواند از تجزیه فلاکس متصاعد شود. استفاده از سیستم‌های تهویه مناسب الزامی است.

نکات ایمنی پودر فلاکس آلومینیوم و پودر بریزینگ

کار با پودر فلاکس آلومینیوم و پودر بریزینگ نیازمند رعایت اصول ایمنی است:

حفاظت تنفسی: از ماسک‌های فیلتردار مناسب برای جلوگیری از استنشاق پودرها استفاده شود.

حفاظت چشمی: از عینک ایملی برای محافظت در برابر پاشش مواد استفاده گردد.

تهویه: محیط کار باید دارای تهویه قوی و (Local Exhaust Ventilation) باشد.

دستکش و لباس کار: از تماس مستقیم مواد با پوست جلوگیری شود.

 

آینده و فناوری‌های نوین در تولید پودر فلاکس آلومینیوم و پودر بریزینگ

 

تکنیک بریزینگ بدون فلاکس (Fluxless Brazing) در اتمسفرهای کنترل شده (مانند خلأ بالا یا اتمسفر نیتروژن بسیار خالص) انجام می‌شود.

در این روش، نیاز به استفاده از پودر فلاکس آلومینیوم منتفی شده و مشکل باقیمانده و خوردگی از بین می‌رود.

این فناوری هزینه‌بر بوده اما برای صنایع حساس مانند هوافضا و الکترونیک ضروری است.

در توسعه آلیاژهای بریزینگ با نقطه ذوب پایین‌تر با پژوهش‌ها بر روی توسعه آلیاژهای جدید (مانند سیستم Al-Si-Ge) برای کاهش تنش‌های حرارتی وارده به قطعه کار متمرکز است.

نانو-فلاکس‌ها با متدی جدید در تحقیقات اولیه بر روی استفاده از نانوذرات برای بهبود عملکرد فلاکس و کاهش میزان مصرف آن در جریان است.