STROJNI DIJELOVI LEMLJENI SPOJEVI 3. LEMLJENI SPOJEVI LÖTVERBINDUNGEN SOLDERING AND BRAZING Lemjenje je postupak spajanja pretežno metanih dijeova sa dodatkom rastajene sitine kao veziva. Za raziku od zavarivanja koje je isto tako termički postupak, ovdje se radi o temeperaturama koje su znatno niže od taišta materijaa koji se spajaju. U odnosu na zavarivanje prednost postupka emjenja je u tome da se mogu spajati i metai razičite vrste, a nakon spajanja nema zaostaih naprezanja kao kod zavarivanja, ii ne u toikoj mjeri. Izuzetak su emjeni spojevi dva materijaa s veikom razikom koeficijenta topinskog rastezanja. U mane postupka ubrajamo reativno nisku nosivost koja se kod većine emova i vremenski smanjuje, zatim niske dopuštene pogonske temperature (kod mekih emova), te skupju tehnoogiju (priprema dijeova prije emjenja, reativno skupi materija ema). Iako su u principu svi metani pa i neki nemetani materijai zaemjivi kod nekih metanih materijaa postoje teškoće u emjenju (auminij, visokoegirani čeici). Lemjenje je kao postupak spajanja dijeova zastupjeno u obrtu, automobiskoj, eektronskoj industriji te općem strojarstvu. 3.1. Vrste i postupci emjenja Prema taištu ema (materijaa koji se dodaje kao vezivo) emjenje dijeimo na tri veike skupine : -meko emjenje koje se odvija na temperaturama do oko 450 C -tvrdo emjenje koje se provodi na temperaturama pribižno od 450 do 900 C. -visokotemperaturno emjenje, na temperaturama od preko 900 C Meko emjenje je postupak spajanja metaa pri reativno niskom taištu ema. Suži najčešće za spajanje čeika, bakra i bakrenih sitina. Kao materijai ema koriste se sitine oova, kositra, antimona, cinka i kadmija. Za auminijske matarijae upotrebjava se em od sitina cinka, kositra i kadmija. Tvrdo emjenje se upotrbjava za odgovornije spojeve od mekog jer je nosivist spoja puno veća. Metae koji se eme treba prethodno zagrijati, pamenom ii eektričnom strujom (većinom eektrootporno). Radi eiminacije metanih oksida potrebno je površine koje će se emiti prethodno tretirati sredstvima za dezoksidaciju. Najčešće se korista sredstva na bazi bora (boraks-na 2 B 4 O 7 10H 2 O) sa dodatkom forida, fosfata i siikata (DIN 8511).Ova vrsta emjenja se provodi i u zaštićenoj atmosferi. Visokotemperaturno se emjenje obavja u vakuumu ii u zaštitnoj atmosferi, a suži za emjenje obično skupjih ii pemenitijih materijaa ii kombinacija materijaa koji su nezavarivi ii bi se zavarivanjem bitno promjenia neka njihova svojstva. Kao emovi se koriste egure na bazi nika, kobata, zata ii drugih pemenitih metaa kao i posebnih egura čije su osnove beriij, cirkonij, titan, vanadij, niobij, tanta itd.
LEMLJENI SPOJEVI STROJNI DIJELOVI Na ovaj je način moguće spajati i keramičke materijae na tvrde metae te opet njih na obične čeike kao što su naprimjer nosači reznih oštrica aata za skidanje strugotine. Ova je tehnoogija vro osjetjiva na greške u provedbi postupka. Po obiku spoja dijeimo emjenje na šavno, kapiarno i poemjivanje površina. Šavno emjenje se po obiku ne razikuje od zavarivanja tajenjem. Redovito se izvodi kao tvrdo emjenje, a obik šava je takozvani V-obik, koji se popunjava rastopjenim emom.ova se vrsta emjenja primjenjuje reativno rijetko. Moguće su i druge podjee (naprimjer prema izvoru topine-pameno, eektrootporno, potapanjem i s.) Kapiarno emjenje se provodi tako da se koristi kapiarni efekt taine ema. U tom su sučaju adhezione sie između ema i osnovnog materijaa veće nego kohezione sie u samom rastajenom emu pa em biva kapiarno uvučen u uske raspore između dijeova koji se eme (vidi sike 3.1 i 3.2). Poemjivanje je postupak presvačenja pretežno metanih površina materijaom ema u svrhu pobojšavanja svojstava površine općenito, pa ne predstavja postupak spajanja. Obzirom na način dovođenja topine prema DIN 8505 razikujemo: -pameno emjenje, gdje se topina dovodi na mjesto emjenja sagorjevanjem nekog pina, -emjenje potapanjem, koje se vrši tako da se dijeovi koji se spajaju urone u rastajeni materija ema koji onda popunjava spojna mjesta. Obično se prethodno raznim premezima zaštite mjesta koja se ne eme, -emjenje sa emiicama se primjenjuje samo za meko emjenje. Zagrijavanje emiice može biti eektričnom strujom kao i sa pinom, -emjenje u pećima se vrši tako da se u pripremjena spojna mjesta stavja materija ema a onda se spoj zagrijava na temperaturu tajenja ema u nekoj peći. Sve ovo se može odvijati u kontroiranoj atmosferi, što se redovito provodi kod visokotemperaturnog emjenja. -eektrootporno emjenje se provodi tako da se između dijeova koji se eme stavi materija ema i otapao. Zatim se dijeovi međusobno pritisnu nekom siom vanjskim eektrodama uz istovremeno dovođenje eektrične struje. Zbog Joueove topine doazi do tajenja materijaa ema. Naravno obadva dijea koji se eme moraju biti eektrički vodjiva. -induktivno emjenje se vrši obično u zaštićenoj atmosferi, za sve vrste emjenja. Zagrijavanja se vrši u indukcionim pećima pomoću čega se inducira struja u materijau ema a time i topina tajenja ema. -emjenje svjetosnim snopom se provodi tako da se svjetosni snop fokusira a absorpcijom energije se tai materija ema. Spada u specijane postupke emjenja a vrši se u vakuumu ii u zaštićenoj atmosferi i to za tvrdo emjenje. -asersko emjenje se provodi aserskim snopom a suži za tvrdo emjenje ii za visokotemperaturno emjenje. Provodi se u vakuumu ii u zaštitnoj atmosferi. 3.2. Princip emjenja Spajanje emjenjem se temeji na adhezionim vezama ema i osnovnog materijaa. Adhezione sie nastaju na nivou atoma. Pritom rastajeni em i osnovni materija izmjenjuju međusobno atome čime doazi do difuzije odnosno do egiranja (vidi sike 3.1. i 3.2.).
STROJNI DIJELOVI LEMLJENI SPOJEVI Veičina difuzijskog soja je od nekoiko mikrometara do oko jednog miimetra pa je zato važno da površina osnovnog materijaa bude što gatkija (ne previše, vidi posije) i što čišća pogotovu od oksida. Mehaničko čišćenje površina je nedostatno jer se priikom zagrijavanja tako očišćene površine odmah stvaraju nove oksidne prevake koje sprečavaju tečenje i difuziju ema u osnovni materija. Zbog toga se u tehnoogiji emjenja redovito koriste sredstva za pripremu površina prije emjenja koja čiste i dezoksidiraju površine, a zovu se još i otapaa. Osnovni je zahtjev na ova sredstva da djeuju za vrijeme cijeog postupka emjenja. Ta su sredstva pretežno na bazi kora, bora i fora, a kod jačih onečišćenja prethodno se površine ipak moraju mehanički očistiti. Difuzijski soj direktno utječe na nosivost emjenog spoja. Čisti em Difuzioni i egirani soj Osnovni materija Sika3.1. Tvorba difuzijskog soja (shema) Sika 3.2 Metaografski prikaz zaemjenog spoja a) b) s s Sika 3.3 Šavno (a) i kapiarno emjenje (b) 3.3. Proračun nosivosti emjenih spojeva Lemjenjem se ostvaruju nosivi spojevi ii se radi samo o postupku spajanja (pričvršćenja) materijaa. Kada se radi o nosivim spojevima, čvrstoća emjenog spoja ovisna je o više faktora. Prije svega to je pravian izbor materijaa ema u odnosu na materijae koji se spajaju odnosno ostvarivanje dobre difuzije ema sa osnovnim materijaom. Pogonska temperatura kao i način opterećenja su od veikog utjecaja. Isto tako su bitni i debjina ema nakon spajanja ( ne bi trebaa biti veća od 0,02 mm, izuzetno do 0,5mm), kao i hrapavost površina te smjer rasprostiranja tragova površinske obrade. Nosivost emjenih spojeva je ovisna i vremenski. Na sici 3.5. su dati ovi utjecaji za jednu vrstu ema, a u tabici 3.1. neke mehaničke osobine važnijih materijaa emova. Proračun se temeji na površini spajanja A L (površini emjenog spoja) i opterećenju. Za sučeone emjene spojeve i debjine imova veće od 2 mm računa se:
LEMLJENI SPOJEVI STROJNI DIJELOVI - normano naprezanje K =, N/mm 2 ; A σ L σ dop AL σ σ dop = (3.1) S Kod većine emjenih spojeva se radi o prekopnim spojevima. U tom sučaju računamo sa srednjim tangencijanim naprezanjima: -srednje tangencijano naprezanje je K =, N/mm 2 ; A L dop AL dop =, (3.2) S U tabici 3.1 su date vrijednosti mehaničkih značajki materijaa ema i osnovnog materijaa (materijaa koji se spaja) za kapiarno emjenje. aktor sigurnosti S se zbog veikih rasipanja vrijednosti mehaničkih svojstava materijaa odabire dosta visok i kreće se u granicama od S = 2 do 4 (S min =2). U tabici su sadržane i vrijednosti dinamičkih izdržjivosti materijaa nekih tipičnih emova. U gornjim su jednadžbama: σ L normano naprezanje u materijau ema, N/mm 2 K A faktor primjene (udara) A L površina zaemjenog spoja, mm 2 σ vačna čvrstoća materijaa ema, N/mm 2 (tab.3.1) L srednje tangencijano naprezanje u spoju, N/mm 2 odrezna čvrstoća ema, N/mm 2 S faktor sigurnosti s b Sika 3.4. Parametri za proračun emjenog spoja Kod prekopnih spojeva imova, jednakih debjina materijaa koji se spajaju (s), i koji se kako je rečeno često koriste, dužina prekopa () se određuje na temeju jednadžbe 3.3.: K R K σ A m A dopm = s = s (3.3) dopl
STROJNI DIJELOVI LEMLJENI SPOJEVI Ovdje je: ( p ) potrebna dužina prekopa, mm s debjina osnovnog materijaa, mm R m vačna čvrstoća osnovnog materijaa, N/mm 2 σ dopm dopušteno naprezanje osnovnog materijaa, N/mm 2 dopl dopušteno naprezanje materijaa ema, N/mm 2 Pretpostavka je da se zadržava nosivost osnovnog materijaa (b =sbr m ). Obično se izvodi dužina prekopa sa /s = 4 do 6. Kod većih prekopa je teško postići jednoik raspored ema po cijeoj površini spoja. U sučaju većih debjina imova koji se spajaju doazi do izražaja i opterećenje ema na savijanje pa bi trebao računati sa kombiniranim opterećenjem (savijanje i smik). U sučaju kad je spoj opterećen torzionim momentom računamo sa naprezanjem( sika 3.5a): 2T / d 2T = =, N/mm 2 ; (3.4) dπb d πb L 2 L< Ldop= /S T b d Ovdje su: L smično naprezanje u spoju, N/mm 2 T okretni moment koji treba prenijeti emjeni spoj, Nmm b, d širina odnosno promjer spoja, mm R m Vačna čvrstoća osnovnog materijaa Za sučaj čepa u provrtu, opterećenog aksijanom siom (sika3.5.b) vrijedi: dπ p =d 2 πr m /4 (3.5) a) Iz gornje jednadžbe sijedi potrebna dužina prekopa P : p d P K ARm d = (3.6) 4 b) Ako se u prethodnom sučaju upotrijebi umjesto punog materijaa čepa cijev na osnovu istih postavki bit će potrebni prekop: p P K R D 2 2 A m d = (3.7) 4d d D Sika 3.5. Sučajevi opterećenja emjenih spojeva c)
LEMLJENI SPOJEVI STROJNI DIJELOVI U gornjim su jednadžbama sve dužinske mjere u mm. 12 2 vremenska čvrsto ća N/mm 10 8 6 4 2 60 C 90 C 120 C 150 C 30 C 0 0 10 10 2 10 3 10 4 opterećenje minuta Sika 3.6. Pad vremenske čvrstoće emjenog spoja sa temperaturom i trajanjem opterećenja za meko emjeni čeik za materijaom ema Pb50Sn50 Tabica 3.1 : Čvrstoće nekih materijaa za tvrde emove prema DIN 8525 Vrsta ema (DIN8525) Radna temperatura Vačna čvrstoća ema za spajanje osnovnog materijaa σ Čvrstoća na odrez C S235 E295 E335 X10CrNi18 CuZn37 S235 E335 L-Ag40Cd 610 410 540 640 520 230 170 250 L-Ag30Cd 680 380 470 480 510 250 200 240 L-Ag44 730 390 480 520 530 280 205 280 L-Ag20Cd 750 370 420 440 500 260 170 260 L-Ag12 830 370 460 460 440 210 170 200 Vrijednosti su za srednju veičinu raspora h=0,1 mm Za odnos vačne čvrstoće i čvrstoće na odrez može se uzeti grubi odnos: σ L =(1.5...2,5) L 3.4. Osnove obikovanja emjenih spojeva Prije svega treba nastojati da zaemjena mjesta budu opterećena na smik, a ne na vak ii savijanje. Također treba paziti na diskontinuitete presjeka, tako da je boje kad je to moguće, rubove u spoju skositi kao što prikazuje sika 3.7. Treba nastojati da priikom procesa emjenja dijeovi koji se eme zadrže isti poožaj do skrućivanja ema. Ako postoji mogućnost otkazivanja emjenog spoja prije svega zbog dinamičkog opterećenja, treba zaemjena mjesta osigurati razičitim nasonima, zaticima i sično. Radi akše tvorbe difuzionog spoja površine je dobro agano nahrapaviti (R a = 1,6 3,2 μm), odnosno izbjegavati jako ugačane ii poirane površine.
STROJNI DIJELOVI LEMLJENI SPOJEVI Tabica3.2.Podaci o emovima i emjenju Tvrdi Meki Naziv - bakreni - mjedeni - srebreni - od akog metaa - oovnokositreni - kositrenooovni Lem DIN oznaka L Cu L Scu L Ms60 L Ms42 L Ms54 L Ms Ag L Ag 8...45 L Ag 45...83 L A Si 12 L A Si Sn L PbSn 8 Sb L PbSn20 Sb L PbSn40 (Sb) L Sn50Pb (Sb) L Sn60Pb (Sb) DIN-standard 8513 1733 1734 1735 8512 1707 Radna temperatura C 1100 900 845 890 810 860..620 620...830 590 560 305 270 235 215 190 Materija koji se emi (osnovni mat.) Čeik, neegiran Čeik, Cu novo srebro Čeik, Ni, Ni - egure Čeik e, Čeik, Cu, Cu-egure s najmanje 56% Cu Pemeniti metai A, A - Leg. Čeik, Cu Cu - egure Primjer upotrebe Aparati, uređaji Cijevni vodovi, vozia Hvatajke, nosači Aparati Čeični dijeovi do 1mm debjine Koroziono postojani dijeovi Kontakti nehrđajući G A Si 12 A odjevci Hadnjaci općenito, pocinčani i cinkovi imovi Kositrenje, fino emjenje, eektroindustrija Topinski izvor, pinski pamenik, peć sa zaštitnom atmosferom, eektrootporno, indukciono, u kupci Lemio, kovačka vatra, emio pinsko, sona kupka, eektrootporno nepovojno povojno Sika 3.7 Obik prijeaza spoja i način djeovanja opterećenja.
LEMLJENI SPOJEVI STROJNI DIJELOVI Radi kapiarnog djeovanja rastajenog materijaa ema treba u zavisnosti od osnovnog materijaa te vrste ema pravino odabrati veičinu raspora odnosno zračnosti emjenog spoja. U tabei 3.3 su date preporučjive vrijednosti veičine raspora u funkciji ema i materijaa koji se emi. h a b h Sika 3.8. Raspor kod emjenja (h). Sa a je označen prsten od egure ema prije zagrijavanja spojnog mjesta a sa b nakon tajenja i kapiarnog djeovanja Tabica 3.3: Smjernice za izbor veičine raspora (zračnosti) emjenih spojeva Vrsta ema Veičina raspora h [mm] 0,20 0,10 0,10...0,20 Osnovni materija ake kovine Meki emovi čeik teške kovine Bakreni emovi L-Cu 0,05...0,10 čeik/čeik 0,25...0,40 čeik/teške kovine Mjedeni emovi L-CuZn 0,10...0,25 čeik 0,10...0,40 teške kovine Lemovi akih kovina L-A 0,10...0,15 ake kovine Srebreni emovi L-Ag 0,15...0,65 0,05...0,20 0,05...0,25 ake kovine čeik teške kovine Osim što pravian izbor zračnosti utječe na nosivost spoja treba napomenuti da su zračnosti kao i površina tehnooški bitni. Pritom u nekim sučajevima treba voditi računa i o razičitom koeficijentu rastezanja metaa. Zračnost mora u cijeom spoju biti jednaka jer će se samo tako ostvariti ispravno kapiarno djeovanje. Brazde od strojne obrade koje su okomite na kapiarni tok rastajenog materijaa ema otežavaju njegov protok. Obrnuto, ako su u smjeru tečenja materijaa ema, oni ga pospješuju. Ponekad se namjerno usmjeravaju tragovi obrade da bi se postupak emjenja pobojšao (sika 3.10). U tom sučaju neke vrste bakrenih emova mogu kapiarno ući i u stezne spojeve (spojeve sa prekopom!). Na sici 3.9. prikazane su razičite vrste i obici emjenih spojeva. Ravni čeoni spojevi (sika 3.9. a, 3.9c nisu u načeu pogodni za kapiarno emjenje, već više za šavno. Kosi spojevi (sika 3.9.b) pobojšavaju uvjete emjenja ai ne bitno, a nekakvog učinka ima samo za imove debjine veće od 2 mm. Obzirom da redovito osnovni materija i em imaju razičite modue eastičnosti čeoni su spojevi veoma osjetjivi na savijanje, zato jer na uskom spoju doazi do nage promjene krutosti što izaziva veiku koncentraciju naprezanja. Izuzetak su spojevi gdje osnovni materija i em imaju sične karakteristike kao na primjer emjenje bakra sa mjedenim emom ii auminijskih egura sa auminijskim emom. Prednost uvijek treba
STROJNI DIJELOVI LEMLJENI SPOJEVI davati prekopnim spojevima (sika 3.9.d) pogotovu sa stičnicama (sika3.9e i 3.9.f), koji su opterećeni smično. Obik završetka spoja je također bitan. Na krajevima spoja doazi usijed povećanja krutosti i zareznog djeovanja (nagi skok presjeka) do koncentracije naprezanja što može dovesti do inicijane pukotine. a) d) b) e) c) f) Sika 3.9. Prikaz obika emjenog spoja: a) i c) čisto stični, nepovojan, treba ga izbjegavati; b) kosi stični (veća površina) boji ai ga isto treba izbjegavati; d) prekopni, povojan; e) i f) stični sa stičnicom, povojan. prsten ema h odušak prsten ema h odušak em h narovašeno Sika 3.10. Tvorba kapiarnih raspora kod emjenih spojeva Kada se radi o sijepim rupama kao mjestima emjenja potrebno je osigurati istek zraka iz raspora (odušak) radi nesmetanog kapiarnog djeovanja.
LEMLJENI SPOJEVI STROJNI DIJELOVI Proračunski primjer: Zatik prikazan na sici tvrdo je zaemjen za postoje i opterećen je aksijanom siom. Zatik i postoje su izrađeni od čeika S235JR (EN). Potrebno je izračunati: a) dužinu emjenog spoja p pod uvjetom da se zadrži nosivost zatika, odnosno da zaemjeni spoj i zatik imaju jednaku čvrstoću, b) maksimanu siu koju može prenijeti spoj uz faktor sigurnosti S=3, za sučaj mirnog opterećenja (K A =1) Rješenje: a) prema jednadžbi (3.6) dužina prekopa je: ø12 = 91/DIN8513-L-Ag44 P K ARm d 1x340 12 = = = 5mm 4 205 4 0 (za čeik S235JR je minimana čvrstoća R m =340 N/mm 2 (tab...); čvrstoća na odrez materijaa ema (L-Ag44) =205 N/mm 2 (tab. 3.1). Ostao sa crteža. b) Maksimana sia kojom možemo opteretiti spoj dobije se na temeju jednadžbe: A dπ 205x12xπx5 = 1x3 L p max = = = K AS K AS 12,87 kn Isti rezutat bi dobii i preko maksimane nosivosti zatika, obzirom da je dužina prekopa dobivena preko te vrijednosti. Literatura: Niemann