Połączenia jednostek montażowych. Podstawy Technik Wytwarzania II dr inż. Marcin Słoma

Transkrypt

1 Połączenia jednostek montażowych Podstawy Technik Wytwarzania II dr inż. Marcin Słoma

2 Połączenia Rozłączne Nierozłączne Bezpośrednie gwintowe, rurowe, wielokątne, plastycznie odkształcane, wielowypustowe, wieloząbkowe czołowe spawane, zgrzewane, bagnetowe, wciskowe lutowane, klejone Pośrednie śrubowe, klinowe, kołkowe, sworzniowe, nitowe wpustowe

3 Lutowie (lut, spoiwo lutownicze) - materiał metaliczny, który łączy w oparciu o zjawiska adhezji i dyfuzji. Lutowanie tworzenie trwałych wiązań między elementami po wprowadzeniu pomiędzy nie substancji pośredniczącej, przy występowaniu podwyższonej temperatury. Lutowanie zachodzi w wyniku podobnych procesów adhezyjnych jak klejenie (mechaniczne, chemiczne, fizyczne, dyfuzyjne) Lutowanie to jeden z najstarszych procesów technologicznych. Od ponad 5000 lat (Babilonia) stosowany do łączenia naczyń i biżuterii (stop złota z węglem). W późniejszym czasie stosowany do łączenia rur wodociągowych i witraży. Lutowanie (obok klejenia) umożliwia łączenie metali i stopów o odmiennych właściwościach, a nawet metali ze szkłem i ceramiką.

4 Lutowanie proces, w którym łączone są przedmioty metalowe za pomocą dodatkowego, roztopionego metalu. Temperatura topnienia lutowia jest znacznie niższa od temperatury topnienia łączonych elementów. Podczas lutowania nie zachodzi nadtapianie elementów, a połączenie uzyskuje się głównie dzięki wzajemnej dyfuzji ciekłego lutowia i metali łączonych. Lutowie i elementy lutowane muszą osiągnąć temperaturę wyższą od temperatury topnienia lutowia. W przeciwnym przypadku mogą powstać wadliwe połączenia (zimny lut). Etapy procesu lutowania: - ukształtowanie i oczyszczenie powierzchni łączonych części, - nagrzanie ich do temperatury bliskiej temperatury topnienia lutowia (zwilżanie, skurcz), - nałożenie topnika, - roztopienie lutowia i wprowadzenia go między łączone powierzchnie, - ochłodzenie i skrzepnięcie spoiny.

5 Ogólne wymagania stawiane spoiwom lutowniczym - temperatura topnienia lutowia niższa od temperatury topnienia lutowanych metali, - dobra zwilżalność powierzchni lutowanych części, - powinowactwo chemiczne (tworzenie roztworów stałych i faz międzymetalicznych), - dobra lejność stanie roztopionym, - mały zakres krystalizacji lutowia, - dostateczna wytrzymałość i plastyczność, - zbliżony współczynnik rozszerzalności cieplnej lutowia i elementów łączonych, - podobna odporność na korozję, - odporność na utlenianie w stanie roztopionym, - niski koszt stosowanych materiałów (pierwiastki łatwo dostępne). Dodatkowe właściwości lutowia wynikające z przeznaczenia przedmiotów lutowanych - wysoka przewodność elektryczna, - podatność na obróbkę skrawaniem, - nietoksyczność lutowia i tworzących się związków chemicznych.

6 Wzajemne oddziaływanie lutowanego metalu i lutowia - ciekłe lutowie nie oddziałuje z metalem rodzimym (połączenie tylko adhezyjne), - ciekłe lutowie rozpuszcza w sobie metal rodzimy lub jego składniki, - ciekłe lutowie lub jego składniki dyfundują w metal rodzimy, - ciekłe lutowie i metal rodzimy tworzą na powierzchni granicznej fazy międzymetaliczne. Przypadki 2, 3 i 4 mogą występować jednocześnie.

7 Rodzaje spoiw lutowniczych 1. Twarde (trudnotopliwe) Spoiwo lutownicze o temperaturze topnienia powyżej 450 C (do 2000 C). Stosowane do łączenia stali węglowych, molibdenowych, wolframowych, niklowych, chromowych, płytek z węglików spiekanych, a także złota, srebra, miedzi, mosiądzu i brązu. Często spoiwa twarde występują w otulinie topnikowej i wyglądem przypomina elektrody do spawania. Do lutowania twardego używa się palnika acetylenowo-tlenowego, lampy lutowniczej, możliwe jest lutowanie indukcyjne. - aluminiowe (klasa AL) C. Do lutowania stopów aluminiowych - srebrne (AG) C (uniwersalne). Do większość metalów (bez Al i Mg) - miedziano-fosforowe (CP) C. Do miedzi, mosiądzów i brązów - miedziane (CU) C. Do lutowania wszystkich stali, niklu i stopów Cu-Zn - niklowe (NI) C. Do lutowania stali nierdzewnej, stopów z Co, W, Mo - złote (AU) z miedzią lub niklem, odporne na utlenienie w wysokiej temperaturze - palladowe (PD) ze srebrem lub miedzią, próżnioszczelność połączeń

8 Rodzaje spoiw lutowniczych 2. Miękkie Spoiwo lutownicze o temperaturze topnienia poniżej 450 C (ok 200 C). Stosowane do spajania części o małych naprężeniach w złączu i niewysokiej temperaturze pracy (układy elektroniczne, przewody elektryczne, blachy, uszczelnianie). Najczęściej łączonymi metalami z użyciem lutowania miękkiego są stal, miedź, cynk, mosiądz i ich stopy. - cyna - cyna-ołów - cyna-bizmut - cyna-ind - cyna-srebro-miedź

9 Topnik Substancja ułatwiająca rozpuszczenie i usuwanie związków niemetalicznych z łączonych powierzchni i z ciekłego lutowia, oraz zabezpieczająca złącze przed chemicznym działaniem otaczających gazów. Większość topników powoduje zmniejszenie napięcia powierzchniowego ciekłego lutowia, a tym samym polepszenie zwilżalności. Do lutowania miękkiego chlorek cynku, chlorek amonu, chlorek potasu, kwas solny i kwas ortofosforowy (przeważnie jako roztwory wodne lub alkoholowe); kalafonia. Kalafonia żywica sosnowa o niskiej temperaturze topnienia ( ºC). Nie wykazuje powinowactwa chemicznego do metali i stopów (może pozostać na przedmiotach nie powodując korozji). Do lutowania twardego tlenki pierwiastków lutowanych metali i lutowia (zasadowe lub kwasowe). Najbardziej rozpowszechnionym topnikiem typu kwasowego jest boraks (Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] x 8H 2 O). Temperatura topnienia 741ºC.

10 Topnik - wymagania 1. Temperatura topnienia niższa od temperatury topnienia lutowia, a parowania wyższa 2. W temperaturze lutowania ciekły, łatwo zwilżający powierzchnie 3. Chemicznie obojętny w stosunku do lutowanych metali i lutowia 4. Rozpuszczanie związków niemetalicznych 5. Ochrona złącza przed atmosferą 6. Pozostałości topnika i związków niemetalicznych mają wypływać na powierzchnię lutowia 7. Resztki topnika i żużel powinny być łatwe do usunięcia (mycie detergentami) 8. Stabilność składu chemicznego w czasie 9. Topnik nie powinien zawierać składników drogich i trudno dostępnych 10. W czasie lutowania topnik nie powinien wydzielać gazów szkodliwych dla zdrowia.

11 Proces lutowania 1 ciekłe lutowie, 2 lutowie w stanie stałym, 3 ciekły topnik, 4 topnik w stanie stałym, 5 warstwa tlenków

12 Klasyfikacja połączeń lutowanych Ze względu na właściwości połączenia zapewniające: a) odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, b) dobrą przewodność elektryczną, c) szczelność. Ze względu na kształt łączonych części: a) połączenia elementów płaskich (blachy, płaskowniki, taśmy itp. oraz pręty i druty), b) połączenia elementów rurowych, c) połączenia mieszane elementów płaskich i prętów z rurami, d) połączenia różne.

13 Projektowanie połączeń lutowanych

14 Przygotowanie części do lutowania 1. Oczyszczanie mechaniczne (głównie stal, miedź i jej stopy, nikiel): - szlifowanie, - młotowanie, - silne nagrzanie (rozszerzalność cieplna metalu i zgorzeliny powoduje jej odpadanie), - piaskowanie (śrutowanie) - pogorszenie zwilżalności przez wbite ziarna piasku - kulowanie (na mokro, stosując jako ciecz kilkuprocentowy roztwór mydła). 2. Odtłuszczanie - w rozpuszczalnikach organicznych (aceton, benzen, toluen, alkohol etylowy i metylowy), - alkaliczne (wodorotlenek/węglan/cyjanek/fosforan sodu/potasu, szkło wodne), - elektrolityczne (roztwór alkaliczny, prąd stały ma/cm 2, 5 10 V), - ultradźwiękowe. 3. Trawienie (rozpuszczanie tlenków metali w kwasach i zasadach). Stosuje się wodne roztwory H 2 SO 4, HCl, HNO 3, HF, H 2 CrO 4, NaOH, KOH, itp. Zalety: wysoka czystość, tworzenie mikronierówności, niski koszt. Wady: możliwość przetrawienia na wylot, uciążliwy proces.

15 Wykonanie połączenia Parametry istotne dla procesu lutowania: - czas nagrzanie powierzchni (zimny lut), zwilżenie, studzenie spoiny, - temperatura zbyt niska nie topi lutowia, zbyt wysoka utlenia lutowie,

16 Klasyfikacja metod lutowania w zależności od rodzaju źródła ciepła - lutowanie lutownicą oporową, - lutowanie gazowe (przy użyciu palników gazowych, lamp lutowniczych lub dmuchaw), - lutowanie piecowe (konwekcyjne, podczerwienne), - lutowanie zanurzeniowe (w roztopionych lutowiach, w kąpielach solnych, topnikowych), - lutowanie oporowe, - lutowanie łukowe, - lutowanie indukcyjne, - lutospawanie (bez nadtapiania wypełnianie grawitacyjne).

17 Klasyfikacja metod lutowania w zależności od rodzaju źródła ciepła - Lutowanie lutownicą oporową (najczęściej do lutowi miękkich) punktowe roztopienie lutowia i naniesienie na lutowane powierzchnie, z jednoczesnym punktowym nagrzaniem lutowanych części w miejscach połączenia. Źródłem ciepła jest grot lutownicy oporowej. - Lutowanie gazowe (najczęściej do lutowi twardych) źródłem ciepła jest płomień gazowy.

18 Klasyfikacja metod lutowania w zależności od rodzaju źródła ciepła - Lutowanie w piecach w produkcji wielkoseryjnej i masowej. - równomierne nagrzewanie, - możliwość jednoczesnego wykonywania kilku połączeń, - dokładne regulowanie temperatury - duży koszt urządzeń

19 Klasyfikacja metod lutowania w zależności od rodzaju źródła ciepła - Lutowanie zanurzeniowe - nagrzewanie jest skutkiem wymiany ciepła między lutowanymi elementami a ciekłym ośrodkiem lub lutowiem, podgrzanym do temperatury lutowania. Lutowanie w kąpielach solnych stosowane jest do łączenia stali węglowych i stopowych, miedzi i stopów miedzi, niklu i stopów niklu oraz aluminium i jego stopów. - chlorek boru 958ºC, do lutowania części stalowych i ze stopów żarowytrzymałych - mieszanina chlorku baru i chlorku sodu 650ºC, części stalowe i miedziane - chlorek sodu 800ºC, do lutowania części miedzianych i ze stopów miedzi Lutowanie roztopionym lutowiem (na fali) polega na przetopieniu lutowia w tyglu, wymuszenie obiegu tak aby powstałą fala, nad którą przesuwają się płytki elektroniczne z elementami.

20 Klasyfikacja metod lutowania w zależności od rodzaju źródła ciepła - Lutowanie indukcyjne - umieszczenie przedmiotu metalowego w zmiennym polu magnetycznym, którego źródłem jest cewka zasilana prądem przemiennym spowoduje, że powstaną w nim prądy indukowane (wirowe). Zamiana energii elektrycznej na cieplną w takim rdzeniu (przedmiocie lutowanym) odbywa się w wyniku oporu z elektrycznego materiału (zgodnie z prawem Joule a). Nagrzewanie średniej wielkości przedmiotu następuje w czasie kilku sekund.