การวิจัยกระบวนการบัดกรีใหม่ของโลหะต่างชนิดในโลหะผสมอะลูมิเนียม 6063/สีแดงข้อต่อทองแดง
บทคัดย่อ: ได้มีการพัฒนาขั้นตอนการบัดกรีแบบใหม่ด้วยโลหะต่างชนิดสำหรับข้อต่ออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063/ทองแดงแดง วิธีนี้ใช้ลวดเชื่อมแกนฟลักซ์สังกะสี-อลูมิเนียมเป็นวัสดุเชื่อม โดยผสมผสานลักษณะของการเชื่อม TIG และการบัดกรีเข้าด้วยกัน และมีข้อดีคือใช้งานง่ายและมีประสิทธิภาพสูง ได้มีการวิเคราะห์ความสามารถในการเปียก ความแข็งแรงในการเฉือน และโครงสร้างจุลภาคของข้อต่อโดยเปรียบเทียบกับการบัดกรีแบบดั้งเดิมในเตาเผา ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าขั้นตอนการบัดกรีแบบใหม่สามารถเชื่อมข้อต่ออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063/ทองแดงแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และให้ความแข็งแรงในการเฉือนของข้อต่อที่สูงขึ้นถึง 70.2 N/mm2
คำสำคัญ: ข้อต่อทองแดงอลูมิเนียม; การบัดกรี; ลวดบัดกรีแบบแกนฟลักซ์; โลหะเติมอลูมิเนียมซีน
อะลูมิเนียมและทองแดงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาต่างๆ เช่น การส่งไฟฟ้า การแลกเปลี่ยนความร้อน และสิ่งจำเป็นในชีวิตประจำวัน เนื่องจากอะลูมิเนียมและทองแดงมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี เมื่อเปรียบเทียบกับทั้งสองประเภทแล้ว อะลูมิเนียมมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและความร้อนได้ไม่ดีเท่าทองแดง
ราคาตลาดของอลูมิเนียมคือ 1/3 ของทองแดง และอลูมิเนียมมีความหนาแน่นเพียง 1/3 ของทองแดงเท่านั้น
หากไม่คำนึงถึงคุณสมบัติเชิงกลและคุณสมบัติทางไฟฟ้าความร้อน ค่าใช้จ่ายของวัสดุอลูมิเนียมสำหรับส่วนประกอบเดียวกันคือ 1/9 ของวัสดุทองแดง ดังนั้น ผู้คนจึงใช้เทคโนโลยี "ทดแทนอลูมิเนียมด้วยทองแดง" ในหลายอุตสาหกรรมเพื่อลดต้นทุนการผลิต เช่น การเตรียมอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์พลังงาน แบตเตอรี่รถยนต์ไฮบริด และแบตเตอรี่พลังงาน มีหลายวิธีในการเชื่อมต่ออลูมิเนียมกับทองแดง ตั้งแต่กระบวนการไปจนถึงการเริ่มต้นจากแง่มุมต่างๆ เช่น วัสดุ การเชื่อมแบบหลอมรวมและการบัดกรีโลหะสามารถใช้ได้ ในจำนวนนั้น การเชื่อมแบบหลอมรวมของข้อต่ออลูมิเนียม/ทองแดงมีประสิทธิภาพการผลิตสูงและมีรูปร่างสวยงาม แต่ข้อต่อนั้นเปราะบาง มีความแข็งแรงต่ำ และมีแนวโน้มที่จะแตกร้าว วิธีการบัดกรีโลหะได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด ภายใต้สมมติฐานของการปรับปรุงองค์ประกอบการบัดกรีและกระบวนการบัดกรีโลหะ จึงสามารถได้ข้อต่อทองแดง/อลูมิเนียมที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม ดังนั้น การบัดกรีโลหะจึงเป็นเทคโนโลยีการเชื่อมต่อทองแดง-อลูมิเนียมที่มีแนวโน้มดี อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการผลิตที่ต่ำของวิธีการบัดกรีโลหะแบบดั้งเดิมเป็นอุปสรรคต่อการส่งเสริม ปัญหาใหญ่
การทดลองนี้ใช้กระบวนการบัดกรีแบบใหม่ ซึ่งใช้ลวดบัดกรีแบบแกนฟลักซ์เป็นวัสดุเชื่อม ใช้เปลวไฟเป็นแหล่งความร้อน และวิธีการทำงานเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนอาร์กอน เพื่อให้การเชื่อมต่อข้อต่ออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063/ทองแดงแดงมีประสิทธิภาพมากขึ้น
วัสดุและวิธีการทดสอบ:
วัสดุแผ่นทดสอบที่ใช้ในการทดสอบนี้คืออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063 และทองแดงแดง วัสดุบัดกรีคือ Zn75Al25 และ Zn92AI8 ลวดบัดกรีแกนแข็งสังกะสี-อลูมิเนียมสองเส้น และบัดกรีแกนแข็งสังกะสี-อลูมิเนียมพร้อมส่วนประกอบที่เกี่ยวข้อง ฟลักซ์ทั้งหมดคือ CsF-AlF ซึ่งเป็นฟลักซ์ไม่กัดกร่อนที่อุณหภูมิปานกลาง
จากการวิเคราะห์ผลการทดสอบ พบว่าความสามารถในการเปียกของลวดบัดกรีแบบแกนฟลักซ์บนโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 และทองแดงนั้นไม่ต่างจากความสามารถในการเปียกของตะกั่วที่เคลือบฟลักซ์มากนัก เนื่องมาจากจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าของโลหะผสมสังกะสี-อลูมิเนียม หลังจากหลอมเหลวอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูง ฟลักซ์จะเหลวตามเวลาและขจัดออกไซด์บนพื้นผิวของโลหะฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ว่าตะกั่วบัดกรีจะเปียกบนโลหะฐานได้ เมื่อเปรียบเทียบกับ Zn92Al8 แล้ว Zn75Al25 นั้นมีความสามารถในการเปียกที่ดีกว่า ไม่ว่าจะบนแผ่นโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 หรือแผ่นทองแดง ทั้งสองชนิดสามารถกระจายตัวได้ดีบนโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการเปียกบนทองแดงแดงนั้นอยู่ในระดับปานกลาง พื้นที่กระจายตัวของ Zn75Al25 อยู่ที่ประมาณ 50 มม. ซึ่งถือว่ายอมรับได้ ในขณะที่ Zn92Al8 อยู่ที่ประมาณ 30 มม. เท่านั้น ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ง่ายในระหว่างการบัดกรี จะเห็นได้ว่าเมื่อปริมาณสังกะสีเพิ่มขึ้น ความสามารถในการเปียกของตะกั่วบัดกรีบนทองแดงก็จะแย่ลงด้วย เนื่องจากนอกเหนือจากแรงตึงผิวแล้ว ปัจจัยที่ส่งผลต่อความสามารถในการเปียกระหว่างตะกั่วบัดกรีเหลวและโลหะพื้นฐานนั้นมีความสำคัญยิ่งกว่า นั่นคือความสัมพันธ์ระหว่างตะกั่วบัดกรีและโลหะพื้นฐาน ธาตุอะลูมิเนียมและสังกะสีในตะกั่วบัดกรีจะทำปฏิกิริยากัน โลหะพื้นฐานทองแดงจะทำปฏิกิริยากันเพื่อสร้างสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก ความสามารถในการแพร่กระจายของตะกั่วบัดกรีสังกะสี-อะลูมิเนียมบนทองแดงนั้นสัมพันธ์กับรูปแบบและปริมาณของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่ผลิตขึ้น เมื่อปริมาณอะลูมิเนียมต่ำ จะเกิดสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกทองแดง-สังกะสี ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูง เมื่อเกิดขึ้นแล้ว สารประกอบเหล่านี้จะเติบโตในเดนไดรต์และยอด ซึ่งจะขัดขวางการแพร่กระจายของตะกั่วบัดกรีเหลว
จากผลการทดสอบจะเห็นได้ว่าเมื่อบัดกรีข้อต่ออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063/ทองแดงแดงด้วยตะกั่วบัดกรีชนิดต่างๆ ความแข็งแรงในการเฉือนของข้อต่อที่ได้จากกระบวนการบัดกรีแบบใหม่จะมากกว่าที่ได้จากวิธีการบัดกรีด้วยเปลวไฟแบบดั้งเดิม ความแข็งแรงในการเฉือนของข้อต่อที่ได้จากการใช้ลวดบัดกรีแบบฟลักซ์คอร์ Zn75Al25 มีค่าสูงสุด ซึ่งอยู่ที่ 70.20 N/mm2
จากการวิเคราะห์กระบวนการ เมื่อใช้กระบวนการบัดกรีแบบดั้งเดิมในการบัดกรีด้วยเตาหลอม โลหะเติมบัดกรีและฟลักซ์จะถูกวางบนแผ่นทดสอบล่วงหน้า หลังจากโลหะเติมบัดกรีหลอมละลายที่อุณหภูมิสูง โลหะเติมบัดกรีจะต้องอาศัยความสามารถในการเปียกของโลหะฐานเพื่อไหลเข้าไปในรอยเชื่อมบัดกรีเพื่อให้การเชื่อมต่อบัดกรีเสร็จสมบูรณ์ ในระหว่างกระบวนการนี้ ปัจจัยต่างๆ เช่น คุณภาพพื้นผิวของโลหะฐาน ระดับการวางของแผ่นทดสอบ และช่องว่างรอยเชื่อมบัดกรี ล้วนส่งผลกระทบต่อคุณภาพการเชื่อม เนื่องจาก Zn92Al8 มีคุณสมบัติเปียกได้ไม่ดีบนทองแดง ความแข็งแรงในการเฉือนของรอยเชื่อมจึงอยู่ที่ 26.96 N/mm เท่านั้น และมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่อง เช่น รอยเชื่อมไม่หลอมละลายบางส่วน กระบวนการบัดกรีแบบใหม่ใช้การเติมลวดด้วยมือ ซึ่งใช้งานง่ายและคล้ายกับการทำงานของการเชื่อมด้วยอาร์กอาร์กอนในวิธีการเชื่อมแบบหลอมละลาย ดังนั้นจึงสามารถหลีกเลี่ยงผลกระทบของช่องว่างรอยเชื่อมบัดกรีและผลกระทบอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสร้างรอยเชื่อมที่อวบอิ่มและสวยงาม เนื่องจากทำการเติมลวดและเติมฟลักซ์พร้อมกัน อัตราส่วนของการบัดกรีและฟลักซ์จึงคงที่ตามหลักวิทยาศาสตร์ ซึ่งช่วยลดข้อบกพร่องในการเชื่อมที่เกิดจากการทำงานที่ไม่เหมาะสม ดังนั้น ในแง่ของวิธีกระบวนการ กระบวนการบัดกรีแบบใหม่จึงมีความยืดหยุ่น ความเสถียร และความน่าเชื่อถือที่ดีกว่าการบัดกรีด้วยเตาเผาแบบดั้งเดิม
จากการวิเคราะห์วัสดุบัดกรี พบว่าความแข็งแรงในการเฉือนของข้อต่อที่ใช้ตะกั่วบัดกรี Zn75Al25 สูงกว่าตะกั่วบัดกรี Zn92Al8 ในแง่หนึ่ง เป็นเพราะประสิทธิภาพการชุบของ Zn75A125 บนโลหะผสมอลูมิเนียม 6063 และทองแดงดีกว่า Zn92Al8 ในระหว่างการเชื่อม ตะกั่วบัดกรีจะไหลและชุบได้ง่ายกว่าในตะเข็บบัดกรี ในอีกแง่หนึ่ง ความแข็งแรงในการเฉือนของข้อต่อคือการแสดงออกในระดับมหภาคของโครงสร้างจุลภาคของตะเข็บบัดกรี และจำเป็นต้องมีการสังเกตและวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของข้อต่อเพิ่มเติม
บทสรุป:
สำหรับวัสดุบัดกรีที่มีองค์ประกอบเดียวกัน ข้อต่อโลหะผสมอลูมิเนียม/ทองแดง 6063 ที่ได้จากกระบวนการบัดกรีแบบใหม่จะมีโครงสร้างที่ละเอียดและหนาแน่นกว่า และมีความแข็งแรงในการเฉือนที่สูงกว่าข้อต่อที่บัดกรีในเตาแบบดั้งเดิม วัสดุบัดกรี Zn78A122 บนทองแดงและอลูมิเนียม ความสามารถในการเปียกและความแข็งแรงในการเฉือนของข้อต่อจะสูงกว่าข้อต่อบัดกรี Zn92AI8
โครงสร้างของข้อต่ออลูมิเนียมอัลลอยด์/ทองแดง 6063 ที่ใช้กระบวนการบัดกรี Zn75Al25 ใหม่บนด้านอลูมิเนียมของตะเข็บบัดกรีเป็นการกระจายแบบเครือข่ายสีขาวของสารยูเทคติกสีดำ (ax+ zm) ที่ตกตะกอนห่อไว้ โครงสร้างด้านทองแดงเป็นสารประกอบอินเทอร์เฟซของสารละลายอลูมิเนียมโซลิดทองแดง-สังกะสี โครงสร้าง z มวลสีขาวและโครงสร้างแบบเดนไดรต์ และส่วนที่เหลือเป็นสารยูเทคติกสีดำ (ax1+ zm) จำนวนมาก
กระบวนการบัดกรีแบบใหม่สามารถทำการเชื่อมข้อต่ออลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063/ทองแดงแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้งานง่าย มีประสิทธิภาพในการเชื่อมสูง และมีความแข็งแรงในการเฉือนข้อต่อสูง สูงสุดถึง 70.2 N/mm2
