مجله علمی-پژوهشی علوم و فناوری جوشکاری ایران

روند کوچک‌سازی و فشرده‌سازی تجهیزات الکترونیکی و حذف عنصر سرب از آلیاژهای لحیم‌کاری به دلیل ملاحظات زیست‌محیطی، چالش بزرگی را در زمینه طراحی و توسعه لحیم‌های جدید ایجاد کرده است. لذا اخیراً کامپوزیت‌سازی با بهره‌گیری از ذرات تقویت‌کننده به‌منظور بهبود کارآیی لحیم‌های بدون سرب مدنظر پژوهشگران قرارگرفته است. در این پژوهش آلیاژ لحیم SAC0307  (99 درصد وزنی قلع، 3/0 درصد وزنی نقره و 7/0 درصد وزنی مس) با درصد‌های مختلف میکرو ذرات کبالت، به روش اتصال نورد انباشتی ساخته شد؛ سپس به بررسی تأثیر کامپورزیت‌سازی بر مشخصه‌های ترشوندگی، ریزساختاری و مکانیکی آلیاژ لحیم پرداخته شد. کمترین زاویه تماس در نمونه 2/0 درصد کبالت به مقدار 23 درجه به دست آمد. با اضافه کردن کبالت، اندازه ترکیبات بین فلزی Cu6Sn5 و Ag3Sn کاهش پیداکرد و درصد فازهای یوتکتیکی افزایش ‌یافت. همچنین شکل ترکیبات بین‌فلزی فصل‌مشترکی با اضافه کردن کبالت از حالت حلزونی به لایه‌ای تغییر کرده و متوسط ضخامت آن‌ها حدود 13 تا 71 درصد افزایش ‌یافته است. استحکام‌برشی لحیم‌ها با افزایش میکرو ذرات کبالت تا %38  در آلیاژ حاوی 4/0 درصد کبالت افزایش یافت؛ درحالی‌ که در لحیم کامپوزیتی حاوی 1 درصد کبالت، کاهش استحکام برشی به دلیل آگلومره شدن میکروذرات کبالت، مشاهده شد. سطوح شکست برشی نشان داد، ماهیت شکست با افزایش درصد میکرو ذرات کبالت در لحیم کامپوزیتی از شکست نرم به‌صورت حفرات کشیده شده به شکست ترد به‌صورت تورقی تبدیل‌شده است. نتایج نشان داد آلیاژ کامپوزیتی حاوی 2/0 تا 4/0 درصد کبالت بهترین خواص ترشوندگی و استحکام کشش برشی را دارند.

امروزه با پیشرفت روز افزون تکنولوژی، تقاضا برای کوچک‌سازی وسایل الکترونیکی بیشتر از پیش مورد نیاز است. قرارگیری اتصالات الکترونیکی جدید در شرایط دمایی خزشی به دلیل نقطه ذوب پایین لحیم‌ها و همین‌طور دانسیته جریان بالا چالش‌هایی مانند مهاجرت الکترونی و حرارتی به وجود آورده است. لذا اخیراً آلیاژسازی و کامپوزیت‌سازی جهت بهبود مقاومت به مهاجرت الکترونی اتصالات الکترونیکی به کار گرفته شده است. در این پژوهش سعی بر آن شد با کامپوزیت سازی آلیاژ لحیم بدون سرب SAC0307 با استفاده از میکروذرات کبالت، مقاومت به مهاجرت الکترونی بهبود یابد. حضور کبالت در ترکیب بین فلزی فصل مشترکی باعث پایداری بیشتر ترکیب بین فلزی فصل مشترکی و جلوگیری از کاهش ضخامت ترکیب بین فلزی فصل مشترکی در طی زمان آزمون مهاجرت الکترونی می‌شود؛ درنتیجه پایداری و برقراری اتصال الکترونیکی نمونه لحیم‌کاری شده با آلیاژ لحیم کامپوزیتی بیشتر از آلیاژ لحیم غیرکامپوزیتی است. از طرفی دیگر، به دلیل ساختار ریزدانه و افزایش چگالی مرزدانه‌ها در آلیاژ لحیم کامپوزیتی، مکانیزم نفوذ شبکه ای در آلیاژ لحیم غیرکامپوزیتی به مکانیزم نفوذ مرزدانه تغییر یافته است؛ در نتیجه به دلیل مصرف اتم‌های مس شارش یافته از سمت کاتد به آند توسط ترکیبات بین فلزی موجود در مرزدانه‌ها، در آلیاژ لحیم کامپوزیتی طی زمان آزمون مهاجرت الکترونی غیریکنواختی ریزساختاری مشاهده شد.

لحیم‌کاری نرم از پرمصرف‌ترین فرایندهای اتصال‌دهی در صنعت الکترونیک است. بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی و همچنین کنترل تشکیل و رشد ترکیبات بین‌فلزی، زمینه‌ساز گسترش تحقیقات در زمینه کامپوزیت‌سازی شده است. توزیع یکنواخت از ذرات سخت در زمینه لحیم، ‌طوری‌که خواص فیزیکی و مکانیکی را بهبود بخشد می‌تواند معیاری موفقیت‌آمیز برای رسیدن به آلیاژهای لحیم کامپوزیتی باشد. در این پژوهش با بهره‌گیری از روش اتصال‌دهی نورد انباشتی (ARB)، کامپوزیت‌سازی آلیاژ لحیم نرم بدون سرب SAC0307 با استفاده از میکروذرات کبالت انجام شد. در ادامه جهت بررسی کارایی روش کامپوزیتی به کارگرفته شده، ورق‌های لحیم تولید شده به این روش از نظر ریزساختاری، مکانیکی و فیزیکی مورد بررسی قرار گرفت. بررسی‌های ریزساختاری نشان‌دهنده توزیع مناسب ذرات تقویت کننده کبالت درزمینه لحیم بعد از3 پاس ARB بود. همچنین، با افزایش درصد کبالت اندازه ترکیبات بین فلزی Cu6Sn5 در آلیاژ لحیم غیرکامپوزیتی ازµmم9 به µmم5 در آلیاژ لحیم کامپوزیتی با 1 درصد وزنی کبالت کاهش یافت. در ادامه با بررسی تغییرات شکل و اندازه دانه های β-Sn، وقوع و تسریع فرایند‌های ترمیمی (بازیابی و تبلور مجدد) با حضور ذرات تقویت کننده کبالت در زمینه لحیم نشان داده شد. بررسی‌های خواص مکانیکی ورق‌های تولید شده، افت 20 درصدی استحکام مکانیکی اتصال بین لایه‌های ورق لحیم کامپوزتی را نشان داد. همچنین، نتایج آزمون کشش نشان‌دهنده افزایش 28 درصدی استحکام کششی و کاهش 31 درصدی ازدیاد طول آلیاژ لحیم کامپوزیتی با 1 درصد وزنی کبالت است. از طرفی نتایج آزمونDSC، تغییر ناچیز دمای ذوب ورق‌های آلیاژ لحیم کامپوزیتی را نشان داد.

در این تحقیق، اثر شدت جریان جوشکاری مقاومتی نقطه‌ای بر تشکیل ترک‌تردی فلز مذاب (LME)  در فولاد پیشرفته QP1180 گالوانیزه بررسی شد. ورق‌های فولادی گالوانیزه شده با ضخامت 1 میلی‌متر با جریان‌های6.5، 7، 7.5 و 8 کیلوآمپر جوشکاری شدند. نتایج نشان داد با افزایش شدت جریان، اندازه ناحیه جوش (ناگت)، حجم ذوب، فرورفتگی الکترود و در نتیجه احتمال شکل‌گیری ترک‌های LME به طور قابل توجهی افزایش یافت. بررسی ریزساختار، توزیع عناصر و ترک‌ها با استفاده از میکروسکوپ نوری و الکترونی انجام شد. نتایج نشان داد که ریزساختار ناحیه جوش عمدتاً مارتنزیتی بوده و توزیع غیریکنواخت عنصر روی در مرز دانه‌ها، آغاز و گسترش ترک‌های LME را تسهیل کرده است. ترک‌ها عمدتاً در لبه فرورفتگی حوضچه جوش و همچنین در ناحیه تماس الکترود با ورق مشاهده شدند. تشکیل این ترک‌ها در جریان‌های بیش از 7 کیلوآمپر باعث افت خواص مکانیکی شد. بطوری‌که با افزایش جریان از 5/6 به 7 کیلوآمپر بیشینۀ نیرو از 21/3 به 18/6 کیلونیوتن کاهش یافت. همچنین، جابجایی از 4/19 به 3/68 میلی‌متر رسید. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که کنترل شدت جریان جوشکاری عامل کلیدی در کاهش پدیده LME و بهبود خواص مکانیکی اتصال در فولادهای QP1180 گالوانیزه می‌باشد. بهینه‌سازی پارامترهای جوشکاری، به ویژه محدودسازی شدت جریان، می‌تواند به جلوگیری از بروز ترک‌های ناشی از مذاب و افزایش دوام و ایمنی سازه‌های خودرویی منجر گردد. پروفیل سختی نشان داد که بیش‌ترین مقدار سختی در ناحیه‌ جوش حاصل شد و پس از آن با فاصله گرفتن به سمت ناحیه تحت تأثیر حرارت سختی کاهش یافت.

در این تحقیق، اثر میزان فشار فورج و درصد کربن بر خواص مکانیکی و ریزساختار جوش اصطکاکی دورانی ناهمسان فولاد زنگ‌نزن 304 به انواع فولاد ساده کربنی بررسی شد. شفت‌های فولادی Ck15، Ck30 و Ck45 با فشار فورج 20، 40 و 80 بار به فولاد SS304 جوشکاری شدند. نتایج نشان داد که پارامتر فشار فورج مقدار بهینۀ 40 بار دارد و با کاهش این فشار، سیلان مواد در فصل مشترک کاهش یافته و کیفیت اتصال افت می‌کند. همچنین، با افزایش فشار فورج بیش از حد بهینه، بیشتر مادۀ ویسکو پلاستیک بیرون زده و اتصال در دمای پایین شکل می‌گیرد.  بررسی‌های ریزساختاری به کمک میکروسکوپ نوری و الکترونی انجام گرفت. نتایج نشان داد که ریزساختار مقطع جوش متشکل از دانه‌های بسیار ریز ناشی از تبلور مجدد دینامیکی است. همچنین در مقطع جوش، یک ناحیۀ فریت پرویوتکتویید تشکیل شده است که با افزایش حرارت ورودی بر ضخامت آن افزوده می‌شود. همچنین نتایج آزمایش کشش نشان داد که بهینه‌ترین نمونه با بازدهی 116 درصد و استحکام کششی 715 مگاپاسکال، با جوشکاری اصطکاکی دورانی فولاد Ck30 و SS304 به دست آمده است که پارامترهای آن فشار فورج 40 بار، فشار اصطکاک 40 بار، زمان اصطکاک 5 ثانیه و سرعت دورانی 1500 دور بر دقیقه هستند.

در این پژوهش به بررسی متالورژیکی و مکانیکی فصل مشترک حاصل از جوشکاری انفجاری فسفر برنز 8-92 به فولاد ساده کربنی 37St پرداخته شد. اثر متغیرهای جوشکاری انفجاری نظیر مقدار بار انفجاری و فاصله توقف بر شکل و ریزساختار فصل مشترک، خواص مکانیکی و رفتار خوردگی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش فاصله توقف و مقدار بار انفجاری، سرعت و زاویه برخورد افزایش یافت و این پدیده منجر به تبدیل فصل مشترک از حالت صاف به موجی شده و مناطق ذوب و جدا شده حاصل گشت. نتایج به دست آمده از تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که با افزایش فاصله توقف و مقدار بار انفجاری و به تبع آن افزایش سرعت برخورد، طول و ارتفاع امواج ایجاد شده در فصل مشترک افزایش یافت. آنالیز طیف‌سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) نشان داد که هیچ ترکیب بین فلزی در فصل مشترک اتصال حاصل نشد. همچنین نتایج حاصل از آزمون ریزسختی سنجی بیان کرد که به دلیل تغییر شکل پلاستیک و کارسختی ایجاد شده حاصل از برخورد شدید صفحات پایه و پرنده، سختی در اطراف فصل مشترک اتصال تا 25 درصد افزایش یافت. با انجام آزمون استحکام برشی مشخص شد که در تمام نمونه‌ها، شکست در لایه فسفر برنزی اتفاق افتاده و هیچ شکستی به دلیل جدایش نمونه‌ها از فصل مشترک رخ نداد. با انجام آزمون کشش مشخص شد که استحکام نهایی کششی با افزایش فاصله توقف و بار انفجاری از 430 به 488 مگاپاسکال رسید. آزمون‌های خوردگی پولاریزاسیون و طیف‌نگاری امپدانس (EIS) نشان داد که با افزایش انرژی برخورد، پتانسیل خوردگی کاهش و چگالی جریان خوردگی به طور چشمگیری از 5.5 به 13.2 میکرو آمپر بر سانتی‌متر مربع افزایش یافت.