Połączenia jednostek montażowych Podstawy Technik Wytwarzania II dr inż. Marcin Słoma
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
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.
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.
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.
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.
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) 575 630 C. Do lutowania stopów aluminiowych - srebrne (AG) 420 1020 C (uniwersalne). Do większość metalów (bez Al i Mg) - miedziano-fosforowe (CP) 645 890 C. Do miedzi, mosiądzów i brązów - miedziane (CU) 1070 1085 C. Do lutowania wszystkich stali, niklu i stopów Cu-Zn - niklowe (NI) 880 1070 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
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
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 (125 150ºC). 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.
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.
Proces lutowania 1 ciekłe lutowie, 2 lutowie w stanie stałym, 3 ciekły topnik, 4 topnik w stanie stałym, 5 warstwa tlenków
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.
Projektowanie połączeń lutowanych
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 20 50 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.
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,
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).
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.
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
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.
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.