Alüminyum Vakum Brazing

Manisa Savunma Sanayi Teknoloji Geliştirme Kümesi

Sert lehimleme (brazing) iki ya da daha fazla metal parçayı birbirine birleştirmek için endüstride yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Kaynak uygulamalarında parçalar ergime noktasına yakın bir sıcaklığa kadar ısıtılıp birleştirilmesi sağlanırken, sert lehimleme uygulamasında dolgu malzemesi, 450 ºC’nin üstünde ve birleştirilecek parçaların erime sıcaklıkları altına ısıtılarak, parçaların arasına kılcal etki ile dağıtılır. Böylece birleştirilecek malzemeleri kaynak işleminin gerektirdiği sıcaklıklara çıkartmaya gerek kalmadan, sadece kullanılacak dolgu malzemesi ergime sıcaklığının üzerine çıkılarak, dolgu malzemesinin birleştirilecek parçalarla bağ kurması sağlanır. Kaynak uygulamasına göre daha düşük sıcaklıklarda yapıldığı için sert lehimleme, aşırı ısınmayı ve parçaların erimesini önler, deformasyon olasılığını azaltır.

Sert lehim işleminin başlıca özellikleri aşağıda verilmiştir:

  • İşlem sırasında atomlar arası (metalik) bağ oluşumu nedeniyle, birleşme hattında çok yüksek mukavemet değerleri elde edilir. Sert lehim yapılan bölgenin mukavemeti ana metalin mukavemetine eşit veya daha yüksektir.
  • İşlem sırasında taban metal erimez.
  • Kullanılan dolgu metalin erime sıcaklığı ana metalin erime sıcaklığının altındadır.
  • Dolgu metali, birleşme hattında kılcal (kapiler) hareket ile aktığı için bu bölgedeki yüzey pürüzlülüğü en az seviyede oluşur.
  • Sert lehim ile hassas birleştirme yapılması bilinen kaynak yöntemlerine kıyasla daha kolaydır.

Sert lehim yöntemi ile sağlam bir birleşmenin gerçekleşmesine etki eden en önemli faktörler sırasıyla:

  • Dolgu metal akışkanlığı
    • Islanma
    • Viskozite
    • Kapilarite
  • Ana metal/dolgu metal difüzyonu
  • Ana metal özellikleri
  • Dolgu metal özellikleri
  • Yüzey hazırlama
  • Kaynak yeri tasarımı ve toleranslar
  • Isı kaynağı

Endüstride yaygın olarak kullanılan sert lehim yöntemleri aşağıdaki gibidir:

  • Alevli sert lehimleme (torch brazing)
  • Daldırma sert lehimleme (dip brazing)
  • Fırında sert lehimleme (furnace brazing)
    • Vakumlu sert lehimleme (Vacuum brazing)
    • Kontrollü atmosferde sert lehimleme (CAB)
  • İndüksiyonlu sert lehimleme (induction brazing)
  • Rezistanslı sert lehimleme (resistance brazing)

Sert lehimleme ile parçaların birleştirme şekilleri bir kaç ana tipte toplanabilir. Bu ana birleştirme tiplerinden bazıları aşağıda verilmiştir:

Sert lehimleme yöntemlerinden biri olan vakumlu sert lehimleme yöntemi alüminyum alaşımı malzemelerin birleştirilmesinde sıkça kullanılmaktadır. Bu yöntem, alüminyum parçaların, dolgu malzemesi kullanılarak en az 10-5 mbar mertebesinde vakum ortamı ve ± 3oC sıcaklık kontrolü sağlayabilen bir fırın kullanılarak birleştirilmesi işlemidir.  Vakumlu sert lehimleme işlemi sırasında ortam havasındaki oksijen gazı çok düşük seviyelere düşürülerek işlem sırasında olabilecek oksidasyon engellenmekte ve parçanın sıcaklığı olabildiğince dar bir aralıkta kontrol altında tutularak parçadaki muhtemel deformasyonların en az seviyeye indirilmektedir.

Alüminyum vakumlu sert lehimleme yöntemi ile sadece 1000, 3000 ve 6000 serisi alüminyum alaşımları birleştirilebilmektedir. Bu amaçla en yaygın kullanılan alüminyum alaşımları 6061, 6063 vb. alüminyum alaşımlarıdır. Sert lehimleme işlemi sırasında dolgu malzemesi olarak 4000 serisi alüminyum alaşımı malzemeler kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan dolgu malzemeleri 4004, 4047 ve 4045 vb. alüminyum alaşımlarıdır. Alüminyum vakumlu sert lehimleme işlemi, dolgu malzeme erime sıcaklığına bağlı olarak 585-600oC arasında gerçekleşmektedir.

Alüminyum vakumlu sert lehimleme işlemi sırasında ortamda magnezyum buharı oluşması ve bunun belirli bir dengede tutulması istenmektedir. Bu sayede, fırın içerisinde vakum ile giderilmesi mümkün olmayan oksijenin ve diğer gazların fırın içerisinden uzaklaştırılması sağlanmaktadır.

Alüminyum Vakumlu Sert Lehimleme Fırını

Alüminyum vakumlu sert lehimleme süreci, çeşitli parametrelerin aynı anda kontrol edilmesinin gerektiği işlemler zincirinden oluşmaktadır. Sert lehimle işleminden önce birleştirilecek parçaların öncelikle göz ile muayenesi yapılmaktadır. Daha sonra metal kompozisyon analiz cihazı ile parçanın kimyasal analizi yapılarak, sert lehimlemeye uygun alüminyum alaşımı olup olmadığı kontrol edilmektedir. İşlem sırası aşağıda verilmiştir:

1) Yüzey Temizliği: Vakumlu sert lehimleme işleminden önce parçanın yüzey temizliği mutlaka yapılmalıdır. Parçadaki yağın alınması, gerekli ise alkali banyolarda alüminyum parça yüzeyindeki oksit tabakasının giderilmesi gerekmektedir.

2) Dolgu malzesinin yerleştirilmesi ve fikstürleme işlemi: Yüzey temizliği yapılan birleştirilecek parçaların birleşme yüzeylerine uygun dolgu malzemesi yerleştirilir. Montajı tamamlanan parçalar, fırına yerleştirilmeden önce özel bağlama aparatları kullanılarak sabitlenir

3) Vakumlu sert lehimle işlemi: Fikstürleme işlemi yapılan parçalar, yükleme arabası kullanılarak vakum fırınına yerleştirilir. Parça üzerine gerekli sıcaklık ölçerler (thermocouple) takılır, fırın kapağı kapatılır. Fırın vakuma alınır. Belirlenen ısı çevrimi doğrultusunda sert lehimleme işlemi gerçekleştirilir.

4) Isıl İşlem: Vakumlu sert lehimleme yöntemiyle birleştirilen parçalara uygun ısıl işlem uygulanması gerekir. Vakumlu sert lehimleme yöntemiyle birleştirilen parçalar genellikle 6061-T6 ve 6063-T6 alüminyum malzeme kullanılarak üretilmektedir.

Alüminyum Isıl İşlem Fırını

Vakumlu sert lehimleme ile birleştirilen parçalara bazı mekanik işlemlerin uygulanması gerekmektedir. Birleştirilen parçalarda ısıl işlem kondisyonu “O” seviyesine düşmektedir. “O” ısıl işlemli malzemenin mekanik işlenmesi zordur. “T6” ısıl işlemli malzemelerin sertlik değeri yüksek olduğundan CNC freze, torna vb. tezgâhlarda mekanik işlenebilirliği daha iyidir. Bu sebeple sert lehimleme sonrasında “O” kondisyonuna düşen malzeme, ısıl işlem uygulanarak “T5” veya “T6” kondisyonuna getirilmektedir. Isıl işlem özel olarak tasarlanıp ürettirilen ısıl işlem ve yaşlandırma fırınlarında yapılmaktadır.  

5) Kalite Kontrol ve Metalografik İnceleme: Vakumlu sert lehimleme yöntemiyle birleştirilen parçaların kaynak dikişlerinin muayenesi fiberoskop cihazı ile yapılmaktadır. Sızdırmazlık istenilen durumlarda ise helyum kaçak test cihazı kullanılarak parçaların sızdırmazlığı kontrol edilmektedir.

Vakumlu sert lehimleme ile birleştirilen parçaların, işlemin belirli safhalarında gerekli görüldüğünde metalografik incelemeye tabii tutulması gerekir. Bu incelemeler, malzemenin kimyasal kompozisyonunun belirlenmesi, malzemelerin mikro yapılarının incelenmesi, sert lehimleme ara yüzeyinin incelenmesi vb. testleri içerir. Bu incelemeler, sert lehimleme işleminde meydana gelebilen olumsuzlukların (sert lehimleme işlemi sonucu birleşme yüzeylerinde yeterli birleşmenin oluşmaması, yüzeyde meydana gelen bozukluklar, ana veya dolgu malzeme kimyasal yapısının bozulması vb.) tespit edilmesine veya yeni sert lehimleme süreç geliştirme amacına yönelik olarak yapılmaktadır.