LEMLJENI SPOJEVI Lemljenje je spajanje metalnih materijala (osnovnih materijala) pomoću dodatnog rastaljenog materijala – lema, čije je talište niže od tališta osnovnog materijala. Meko lemljenje (soldering, Weichlöten, brasatura dolce) – lem se tali pri ϑ < 450 °C - najčešće u elektronici ili za slabije opterećene spojeve (npr. konzerve). Tvrdo lemljenje (brazing, Hartlöten, brasatura forte – lem se tali pri ϑ > 450 °C - najčešće za jače opterećene spojeve u strojarstvu. Visokotemperaturno lemljenje – lem se tali pri ϑ > 900 °C – za komponente za aeronautiku, nuklerne reaktore; cijeli element se zagrijava u peći u vakuumu ili u posebnim plinovitim atmosferama.
Područje taljenja lema je područje temperature od početka taljenja do potpuno rastaljenog stanja. Radna temperatura je najniža temperatura površine izratka na mjestu lemljenja, na kojoj se temperaturi lem može vezati za osovni materijal. Radna temperatura mora biti viša od temperature početka taljenja, ali može biti niža ili viša od temperature pri kojoj se lem potpuno rastali.
Spoj između lema i osnovnog materijala nastaje zbog veza na atomskoj razini nakon hlađenja lema u kruto stanje. Na radnoj temperaturi dolazi do ubrzane izmjene atoma, tj. do difuzije na graničnim površinama lema i osnovnog materijala. Područje difuzije lema Područje difuzije osnovnog materijala
Površine lemljenja moraju biti glatke i dobro očišćene od oksida, prevlaka i nečistoća. Lemljenje se poboljšava posebnim pastama, prašcima i tekućinama, a zaštitnim plinovima se smanjuje oksidacija spajanih površina.
Prednosti: - mogu se spajati i različiti metali - utjecaj temperature na osnovni materijal je manji nego kod zavarivanja - spojeni dijelovi nisu oslabljeni rupama, kao npr. kod zakivanja - lemljeni spojevi dobro provode struju i toplinu - lemljeni spojevi dobro brtve - potrebno je manje energije nego kod zavarivanja - pogodno za spajanje dijelova različite debljine i tankih dijelova (neće doći do izgaranja, tj. stvaranja rupe) - postupak lemljenja se može automatizirati (pogodno za serijsku proizvodnju) - na jednom komadu se može lemiti istodobno na više mjesta.
Nedostaci: - manja čvrstoća nego kod zavarenih spojeva - mala otpornost na visoke temperature - lemovi djelomično sadrže skupe metale (Sn, Ag) pa lemljenje nije pogodno za velike lemljene spojeve - čvrstoća spojeva dobivenih mekim lemljenjem je ograničena - postoji opasnost od pojave galvanske korozije uzrokovane različitim električnim potencijalom lema i osnovnog materijala - u odnosu na zavarivanje je priprema površina spoja skuplja.
Postupci lemljenja (određuju se u ovisnosti od opterećenja, radne temperature, oblika mjesta spajanja): - Plameno lemljenje: mjesto lemljenja se ugrije plamenikom; prije ili poslije zagrijavanja se lem prisloni na mjesto spoja ili uloži u spoj; postupak je prikladan za meko i tvrdo lemljenje.
- Lemljenje pomoću lemila: vruće, rukom ili strojem vođeno lemilo (grijano električki ili plinom) ugrije mjesto lemljenja; prisloni se lem koji se otapa i spaja dijelove; koristi se za meko lemljenje (elektronika).
- Lemljenje uronjavanjem: pastama ili rastopinama se obrade mjesta koja moraju ostati nezalemljena; dijelovi se u položaju u kojemu moraju biti spojeni uranjaju u rastaljeni lem; lem prodire u mjesta spoja; postupak je prikladan i za meko i za tvrdo lemljenje. - Lemljenje u peći: lem se dodaje mjestu spajanja; dijelovi se ugriju u plinskoj ili električnoj peći; postupak je prikladan za meko i, češće, tvrdo i visokotemperaturno lemljenje. - Otporno lemljenje: slično kao kod elektrootpornog zavarivanja; mjesto spajanja s prethodno uloženim lemom se ugrije električnim otporom (Jouleov efekt) “stiskanjem” u kliještima ili na strojevima za elektrootporno lemljenje; postupak je prikladan za meko i tvrdo lemljenje.
- Indukcijsko lemljenje: zagrijavanje osnovnog materijala dobiva se induciranjem izmjenične struje visoke frekvencije (i do 5 MHz) u površinskom sloju; prikladno za meko, tvrdo i visokotemperaturno lemljenje.
- Lemljenje pomoću laserske zrake: toplina se generira koncentriranom absorpcijom visokoenergetskog monokromatskog zračenja u vakuumu ili atmosferi s inertnim plinom; koristi se za tvrdo i visokotemperaturno lemljenje preciznih elemenata s lemom visoke temperature taljenja (npr. slitine temeljene na Ni),
Izvedba mjesta lemljenja: - Lemljenje sa zračnošću (zazorom): površine spajanja odvojene malom jednolikom zračnošću do h ≈ 0,25 mm; lem se kapilarnim djelovanjem “usisava” u tu zračnost.
- Lemljenje sa šavom: razmak površina koje se spajaju je veći od 0,5 mm, ili se izvodi V- ili X-šav (ponekad se zato govori o “zavarivačkom lemljenju”); rijetko se izvodi jer je čvrstoća manja i potrebna je velika količina lema.
Lemovi: Za meko lemljenje teških kovina (Fe, Cu, Ni) koriste se lemovi koji su legure Sn-Pb i još nekih elemenata, a za lake kovine (Al i Al-slitine) lemovi koji su legure Sn-Zn-Cd i još nekih elemenata. Za tvrdo lemljenje teških kovina koriste se Cu-lemovi, Ag-lemovi, mjedeni lemovi i novosrebrni CuNi -lemovi, a za lake metale AlSi- i AlSiSn-lemovi. Kod visokotemperaturnog lemljenja koriste se lemovi temeljeni na Ni, Au i drugim plemenitim metalima te na Cu. Za posebne izvedbe mogu se koristiti i lemovi temeljeni na Ti, Zr, Co ili Nb.
Oblikovanje spojeva: - Proširenja zračnosti smanjuju kapilarno djelovanje, a suženja štete protoku taline. Naročito su kritična suženja koja se nadovezuju na proširenja zračnosti:
neispravno
ispravno
- Brazde od obrade okomite na tok lemljenja spriječavaju tečenje ako su dublje od (0,05…0,1)·h; brazde u smjeru tečenja djeluju kao kanali i potpomažu tečenju pa se često i posebno izrađuju:
- Lemljenje limova: čelni spojevi nisu prikladni zbog malene zalemljene površine. Najbolji su preklopni spojevi i spojevi s vezicom (podmetačem). Zakošenjem preklopljenih sastavnih dijelova ili vezice blaže se skreće tok sila, smanjuje koncentracija naprezanja i povećava čvrstoća.
a) Preklopni spoj, b) kosi preklopni spoj, c) zakošeni preklopni spoj, d) spoj s vezicom, e) spoj sa zakošenom vezicom , f) spoj s dvije vezice
Svrsishodna duljina preklopa l = (3...4)·s
- Cijevi: čelne spojeve najbolje je tvrdo lemiti; stožasta izvedba povećava površinu lemljenja. Tanke cijevi (< 2 mm) i cijevi koje treba meko lemiti spajaju se s naglavkom ili se jedna cijev proširi da se dobije preklopni spoj:
a) Stožasti čelni spoj, b) spoj s naglavkom, c) preklopni spoj
- Okrugle šipke: čelno lemljenje se ne preporuča jer naprezanje po mogućnosti treba biti posmično. Bolje je krajeve šipke uložiti u provrt koji ostavlja zračnost za ulaz lema. Oblik glavine može blago skretati tok sila: NE
Šipke lemljene s dijelovima od lima trebaju imati dva uporišta:
- Spremnici: vrijedi isto što i za limove.
Proračun čvrstoće lemljenih spojeva: Lemljeni spojevi dobro prenose samo posmična opterećenja pa se tako i oblikuju. Proračun se u pravilu vrši tako da nosivost lemljenog spoja mora imati jednaku nosivost kao i lemljenjem spojeni dijelovi. Sila pri kojoj dolazi do loma je
Fm = S ⋅ Rm = A ⋅ τ mL S (mm2) = površina poprečnog presjeka vlačno opterećenog spojenog dijela Rm (N/mm2) = vlačna čvrstoća materijala spojenog dijela A (mm2) = površine lemljenja izložena posmičnom opterećenju τmL (N/mm2) = posmična čvrstoća zalemljenog spoja
Općenito, posmično naprezanje mora biti manje od dopuštenog:
F τ L = ≤ τ Ldop A U slučaju da je lemljeni spoj opterećen vlačno, naprezanje također mora biti manje od dopuštenog:
F σ L = ≤ σ Ldop A Dopuštena naprezanja dana su u tablici:
Čvrstoće zalemljenih spojeva u N/mm2: Dopušteno posmično naprezanje τLdop Materijal lema
Meki lemovi: L-Pb, L-Sn Tvrdi lemovi: Bakreni lemovi L-Cu Mjedeni lemovi L-CuZn Srebrni lemovi L-Ag Novosrebrni lemovi L-CuNi Lemovi za aluminij L-AlSi Niklovi lemovi L-Ni
Posmična čvrstoća τmL
Vlačna čvrstoća σmL
15...20
150...220 250...300 150...280 250...320
Opterećenje Statičko
Ishodišno dinamičko
Izmjenično dinamičko
20...30
2...3
-
-
200...300 250...300 300...400 340...380
50...70 80...90 50...70 80...90
30...40 55...65 30...40 55...65
15...25
0,35∙ τmL
0,18∙ τmL
0,1∙ τmL
(0,6...0,8)∙Rm
Rm = vlačna čvrstoća spojenih dijelova Dopuštena naprezanja lema pri vlaku σLdop = (1,5...2)∙ τLdop Manje vrijednosti vrijede za debljinu lema h ≈ 0,1 mm, veće za h ≈ 0,25 mm.
LIJEPLJENI SPOJEVI Lijepljenje je spajanje dijelova iz istih ili različitih materijala (metali, keramike, sintetički materijali, drvo, papir, plastika, cement, koža, ...) prianjanjem pomoću ljepila. Fizikalni princip spajanja temelji se: - na adheziji = silama privlačenja na sučelju dva različita materijala (tj. između osnovnog materijala i ljepila) i - na koheziji = međumolekularnim silama u samom ljepilu. Kohezija Adhezija Kapljica
Materijal 1
Materijal 2 Materijal 1
Materijal 2 Nečistoća
Lijepe se npr. ojačanja na limenim stijenkama, spone krila zrakoplova i krila ventilatora, okviri mopeda, limene posude, koriste se kod vijčanih spojeva, ... a), b), c) Cijevni spojevi d) Drvo obloženo aluminijskim limom e) Ploča lake konstrukcije f) Predklrilo sportskog aviona g) Poklopac spremnika h) Kočiona papuča s nalijepljenom kočionom oblogom
Razvoj: - 4000 god. p.n.e.: upotreba asfalta u Mezopotamiji; - 3000 god. p.n.e.: Sumeri koriste ljepilo dobiveno iz životinjske kože, slično (i smole) i kod Egipćana (cca. 1500 p.n.e.) ili, u obliku voska, kod Ikara; - 17. i 18. stoljeće: industrijska proizvodnja - polovina 19. stoljeća: flasteri (lijepljenje temeljeno na prirodnom kaučuku) i ljepljive mase za upotrebu u medicini; - 1909.: prva sintetička polimerna ljepila (D); - 1920. Richard G. Drew (Minnesota Mining and Manufacturig Company – 3M; USA): prva ljepljiva traka za automobilsku industriju; - 1940-e: prva ljepila za metale (zrakoplovna industrija).
Prednosti: - mogu se lijepiti jednaki i različiti materijali - za spoj je potrebno malo prostora - nisu potrebne rupe kao kod vijaka i zakovica pa nema koncentracije naprezanja - nema visokih temperatura kao kod zavarivanja i utjecaja na svojstva materijala - naprezanja na spoju se jednoliko raspoređuju na velikim površinama - “sendvič”-konstrukcije omogućavaju visoku krutost i malu težinu (lake konstrukcije) - spojevi su nepropusni i otporni na koroziju - ne mijenjaju se svojstva materijala koji se lijepe jer nema visokih temperatura - elastičnost ljepila može kompenzirati toplinske dilatacije te ublažiti udarce i vibracije - jednostavna serijska proizvodnja.
Nedostaci: - mala čvstoća u odnosu na druge načine spajanja (zavarivanje, lemljenje, zakivanje) - najčešće je potrebna zahtjevna priprema površina za lijepljenje (mehaničko i kemijsko čišćenje) - upotrebljivost do 200 °C - nisu postojani pri dinamičkim opterećenjima - javljaju se efekti starenja i puzanja - prilikom izvođenja mogu biti potrebni uređaji za stezanje i zagrijavanje - vrijeme do postizanja pune čvrstoće spoja može biti dugo.
Usporedba nekih karakterisitka zavarivanja, lemljenja i lijepljenja: Postupak
Materijali spajanih dijelova
Dodatni materijal
Temperatura
Zavarivanje
Jednaki ili slični metali Jednaki ili slični plastomeri
Jednak osnovnom materijalu (ili bez njega)
Temperatura taljenja spajanih dijelova
Lemljenje
Jednaki ili različiti metali
Različit od osnovnog materijala
Temperatura taljenja lema
Lijepljenje
Bilo kakvi čvrsti materijali
Različit od osnovnog materijala
Prema vrsti ljepila 20…200 °C
[Glienicke, TU Braunschweig]
Ljepila: Fizikalno vezujuća ljepila Ljepilo (kaučuk, umjetne smole) je rastopljeno u otapalu. Prilikom lijepljenja, često uz snažni pritisak, otapalo ishlapi. Nosivost spoja je srednja (5…10 N/mm2). Fizikalno vezujuća ljepila nisu pogodna za spajanje dva metala jer se onemogućava hlapljenje otapala, ali su dobra ako je barem jedan metal porozan. Kemijski vezujuća ljepila (reakcijska ljepila) To su dvokomponentna ljepila: 1. komponenta: duromeri (epoksidna, fenolna, poliesterna smola) koji su tekući, kao pasta ili u obliku filma 2. komponenta: otvrđivač (katalizator). Dolazi do povezivanja makromolekula, često uz djelovanje povišene temperature i vlage, i nastaje tvar koja se ne može niti rastopiti niti rastaliti. Ova ljepila su veoma čvrsta i pogodna za metal, staklo, keramiku i polimere u raznim kombinacijama.
Topla kemijski vezujuća ljepila postižu vezna svojstva brže od hladnih (od nekoliko minuta na više pri temperaturama do 200 °C), ali su neprikladna za spajanje većih ili toplinski osjetljivih dijelova. Potrebna je aparatura – sušionici, ploče s grijačima, naprave. Toplim ljepilima se postiže veća čvrstoća spoja nego hladnim. Kod nekih hladnih kemijski vezujućih ljepila je za postizanje veznih svojstava potrebno i do nekoliko dana. Minimalno je potrebna sobna temperatura.
Za izdržljivost ljepljenog spoja jako je važno stanje površine koja se lijepi. Adhezijske sile su djelotvorne samo ako je površina prijanjanja čista, ohrapavljena i odmašćena. Hrapavljenje metalnih površina koje se obavlja finim četkama, brusnim papirom ili pjeskarenjem povećava površinu prijanjanja stvaranjem udubljenja i uzvišenja. Površine obrađivane silikonskim pastama ili sredstvima se ne mogu lijepiti. Čišćenje i odmašćivanje se obavlja trikloretilenom, acetonom, lužinama i dr. Sloj ljepila treba biti što tanji jer su adhezijske sile najčešće veće od kohezijskih, a čvrstoća spoja opada s porastom debljine sloja ljepila.
Oblikovanje spojeva: Općenito vrijede iste smjernice kao i za lemljene spojeve. Budući da su vlačna i smična čvrstoća lijepljenog sloja bitno manje od čvrstoća metala, potrebna je razmjerno velika površina lijepljenja. Najsvrsishodniji su posmično opterećeni preklopni spojevi s duljinom preklopa l = (5...20)·s
Lijepljeni spojevi su naročito osjetljivi na ljuštenje pa takva naprezanja kao i savijanje treba izbjegavati, ali se izbjegavaju i vlačna naprezanja:
a) b)
Loša izvedba Dobra izvedba
a) Loša izvedba: loše punjenje procjepa, oštar brid potiskuje ljepilo b) Dobra izvedba: dobro punjenje procjepa, zatik pri umetanju po mogućnosti okretati
Čvrstoća: Spojevi aluminijskih dijelova daju najveće čvrstoće, a zatim slijede spojevi čeličnih, Cu i mjedenih dijelova. Najveća čvrstoća postiže se slojem ljepila debljine 0,1 ... 0,3 mm, dok pri debljini od 1 mm čvstoća pada na cca. 60%. Čvrstoća se smanjuje tijekom vremena i zbog starenja ljepila i okolnih utjecaja može pasti i na 50% početne. Lijepljene spojeve treba oblikovati tako da su po mogućnosti izloženi posmičnom naprezanju (F = sila, A = površina lijepljenja)
τm F τ = ≤ τ dop = A ν ili eventualno vlačnom naprezanju
σm F σ = ≤ σ dop = A ν
Faktor sigurnosti υ ≈ 2…5
Orijentacijski podaci o čvrstoći lijepljenih spojeva: Prekidna čvrstoća
Pri smicanju τm Pri vlaku σm
Hladno ljepilo
Toplo ljepilo
Statičko opterećenje
a b c
3...20 4 8
8...50 15 25
Izmjenično dinamičko opterećenje
a b c
0,5...4 1 2
2...8 3 6
Statičko opterećenje
a d
30...50 40
50...90 70
Opterećenje
a – približno područje vrijednosti, b – gruba procjena za jednorezne spojeve, c – gruba procjena za dvorezne spojeve, d – gruba procjena
Najbolje je koristiti podatke proizvođača ljepila!
