Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow Технологические процессы в машиностроении

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

18.5. Технологические процессы пайки

Пайка – технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате расплавления легкоплавкого припоя, смачивания и растекания его по поверхности металла и заполнения зазора между соединяемыми заготовками с последующим затвердеванием.

Паянные соединения используются в самых разных отраслях машиностроения. На практике встречается пайка деталей или заготовок из самых разнообразных сталей, в том числе и жаростойких, титана, алюминия, меди и их сплавов, тугоплавких металлов.

Процесс образования непрерывной и прочной межатомной связи между соединяемыми деталями происходит без расплавления их кромок.

Типовые конструкции паяных соединений

Наиболее распространено соединение внахлестку, обеспечивающее наибольшую прочность за счет варьирования длины нахлестки. Соединения в скос или гребенчатые увеличивают прочность за счет увеличения длины (периметра) нахлестки. Другие виды, например стыковые и тавровые соединения, почти не используются, как менее прочные.

По условиям заполнения зазора между соединяемыми деталями различают два способа пайки: капиллярный и некапиллярный. В первом случае зазор заполняется припоем под действием капиллярных сил, во втором – под действием силы тяжести или внешнего давления.

К некапиллярным способам относятся:

  • • пайкосварка, при которой припой заполоняет разделку кромок, как при сварке плавлением;
  • • сваркопайка – способ соединения разнородных материалов, при котором расплавляется более легкоплавкий металл, являющийся припоем.

Капиллярная ι гайка по механизму образования паяного шва подразделяется на пайку:

  • • готовым припоем;
  • • контактно-реактивную, при которой роль припоя играет жидкая фаза, образующаяся в результате контактного плавления соединяемых материалов, покрытий, нанесенных на материалы, или промежуточных прокладок припоя, введенных в соединение;
  • • реактивно-флюсовую, при которой припой образуется в результате высаживания из флюса;
  • • металлокерамическую композиционными припоями, при которой в зазор вносится порошковый наполнитель, образующий сеть разветвленных капилляров, и собственно припой, заполняющий их при пайке;
  • • диффузионную за счет взаимной диффузии между припоем и металлами.

Пайки также различают по способу удаления оксидной пленки с флюсами или ультразвуком.

Припои

По температуре расплавления припои подразделяются на:

  • • особо легкоплавкие (< 205°С);
  • • легкоплавкие (205–450°С);
  • • среднеплавкие (450–1100°С);
  • • высокоплавкие (1100–1850°С);
  • • тугоплавкие (>1850°С).

Припой получает название по основным компонентам или драгоценным или редким металлам, входящим в его состав. В настоящее время используют припои:

  • • оловянно-свинцовые с Тпл = 183÷270°С;
  • • висмутовые и индиевые с Тпл = 94÷342°С;
  • • серебряные с Тпл = 660÷940°С;
  • • медно-цинковые с Тпл = 800÷880°С;
  • • медно-фосфорные с Тпл = 630÷720°С;
  • • Cu-Zn-Ni-Mn-St с Тпл = 900÷1000°C;
  • • Cu-Ni-Mn-Fe-Si с Тпл = 980÷1120°С;
  • • никелевые и никель-марганцевые с Тпл = 1005÷100°С;
  • • платиновые и палладиевые, золотые с Тпл = 940÷1810°С;
  • • магниевые с Тпл = 560÷625°С.

18.6. Технологические процессы склейки

Процесс склеивания во многих случаях является более рациональным и экономичным, чем традиционные методы неразъемного соединения деталей. При рассмотрении клеев с точки зрения их применения необходимо обращать внимание на следующие аспекты.

Склеивание может оказаться единственным возможным способом образования соединения. Применение механических методов (например, клепки, пайки, сварки, крепления винтами) часто приводит к короблению, изменению цвета, коррозии или ухудшению качества материалов вследствие проявления других отрицательных факторов или дефектов. Склеивание может быть предпочтительным перед другими способами с точки зрения сокращения затрат и улучшения качества изделия за счет снижения объема механической обработки. В некоторых случаях при изготовлении клееных конструкций может потребоваться дополнительное подкрепление с помощью других методов сборки.

Области применения, в которых применение клеев рационально, следующие:

  • • соединение разнородных материалов (сочетание металлов, резин, пластиков, вспененных материалов, древесины, стекла и т.д.);
  • • соединение разнородных металлов, образующих коррозионно-опасные пары (например, железо с медью);
  • • склеивание многослойных конструкций, в частности трехслойных с заполнителем (сотовым или пенным), изготовление листовых слоистых материалов (пластиков, сочетания древесины с металлом);
  • • приклеивание усиливающих элементов конструкции – элементов жесткости;
  • • конструкционное склеивание – создание элементов, испытывающих напряжения на сдвиг и сжатие, полностью исключая механические способы крепления;
  • • герметизация соединений – стыков, швов, технических отверстий, образующихся при клепании, винтовых и болтовых соединений;
  • • крепление малопрочных хрупких элементов (тонких пленок, фольги и т.д.);
  • • склеивание элементов конструкций специальной формы, если площадь склеивания велика или соединение осуществляется во многих точках одновременно, либо требуется точная подгонка между сопрягаемыми элементами конструкции.

Преимущества склеивания:

  • • способность соединять самые разнообразные материалы, которые могут существенно отличаться по свойствам, модулю упругости и толщине. Склеиванием можно соединять тонколистовые детали, тогда как другие способы соединения обычно неприемлемы;
  • • более равномерное распределение напряжений в склеиваемых элементах (не вызывающих их коробления), чем при сварке, клепке, резьбовых соединениях. Это обусловлено значительной концентрацией напряжений, возникающих при сварке, а также отсутствием отверстий под заклепки и болты;
  • • возможность экономичной и быстрой сборки, замены нескольких видов сборки единым способом склеивания, одновременной сборки многих элементов конструкции. Многообразие адгезивных материалов по форме и способам нанесения позволяет приспособить их ко многим производственным процессам;
  • • прочность клееной конструкции часто выше, а стоимость ниже, чем той же конструкции, выполненной альтернативными методами сборки. Применение клееных соединений вместо заклепочных и болтовых может привести к значительному снижению массы конструкции;
  • • деформационная способность многих адгезивных материалов обеспечивает возможность поглощать, перераспределять или более равномерно передавать напряжения от одного элемента конструкции к другому;
  • • возможность соединять чувствительные к нагреву материалы, деформирующиеся или разрушающиеся от сварки или пайки;
  • • клеи могут служить герметизирующим материалом, предотвращающим воздействие влаги и химических реагентов. Во многих случаях клеевой шов является тепло-, звуко- и электроизолятором, а также может существенно уменьшить электролитическую коррозию между разнородными материалами.

Клеевые соединения хорошо работают на сдвиг, равномерный отрыв, переносят динамические и переменные нагрузки.

Недостатки склеивания:

  • • необходимо весьма тщательно проектировать соединение, устранять воздействие на него отслаивающих и растягивающих нагрузок, а также напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах термического расширения склеиваемых элементов и клеевого шва;
  • • недостаточная теплостойкость клеевого шва ограничивает применение клеевых конструкций до определенных температур, в то время как клепаные, сварные и паянные соединения удовлетворительно работают при более высоких температурах. Некоторые клеи недостаточно стойки к тепловому и механическому удару;
  • • трудно обеспечить требуемый уровень контроля качества;
  • • ухудшение прочностных характеристик соединения под действием температуры, биосреды, химических реагентов, пластификаторов, радиационного облучения и других эксплуатационных факторов;
  • • тенденция к ползучести под постоянной нагрузкой, характерная для термопластичных клеев; низкая прочность при отслаивании, присущая многим термореактивным клеям; часто неизвестная величина долговечности соединений в условиях воздействия жестких эксплуатационных факторов.

Несмотря на указанные недостатки, клеевые соединения получили большое распространение в авиационной и космической технике и отраслях, где используют композиционные материалы.

Клеи представляют собой вещества или смеси веществ органической, элементоорганической и неорганической природы, которые обладают хорошей адгезией, когезионной прочностью, достаточной эластичностью, минимальной усадкой и способны отверждаться с образованием прочных соединений. Клей состоит из наполнителя, отвердителя, растворителя, связующего компонента, пластификатора. В зависимости от отвердителя различают клеи холодного и горячего отверждения.

Среди большого числа используемых клеев выделим особо те, которые нашли применение в машиностроении:

  • • на основе эпоксидных смол;
  • • на основе фенольных смол;
  • • полиуретановые;
  • • силикатные;
  • • специальные.

Клеи на основе эпоксидных смол применяют для соединения металлов, керамики, пластмасс, древесины и других материалов. Предел прочности склеивания стали со сталью при сдвиге 35–40 МПа.

Клеи на основе фенольных смол (типа БФ) также используют для склеивания различных видов материалов. Однако их теплостойкость не выше 70°С, прочность на сдвиг – 25–30 МПа. Полиуретановые клеи имеют теплостойкость до 120°С и такую же прочность, как клеи БФ. Силикатные обеспечивают прочность шва при температурах до 250°С. Специальные клеи, типа циакрина, обладают повышенной прочностью и теплостойкостью.

Процесс склеивания включает в себя следующие операции:

  • • приготовление клея необходимой вязкости;
  • • подготовку склеиваемых поверхностей (они должны быть хорошо подогнаны одна к другой, очищены от загрязнений, масляных пятен и обезжирены);
  • • нанесение одного или нескольких слоев клея (кистью, шпателем, роликами, на клеевальцах, погружением, а также пульверизатором);
  • • подсушивание слоя клея для удаления растворителя;
  • • соединение деталей (возможно использование избыточного давления);
  • • сушку на воздухе или в термостате (полимеризация или запекание клея);
  • • обработку швов.

Предъявляемые к клеям требования зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако во всех случаях швы должны быть менее жесткими, чем склеиваемые материалы, и иметь близкие термические коэффициенты расширения.

Типичные конструктивные формы клеевых соединений представлены па рис. 18.36.

Конструктивные формы клеевых соединений

Рис. 18.36. Конструктивные формы клеевых соединений:

а – встык; б – усовое; в – внахлестку; г – нахлестка со скошенными краями; д – с накладкой; е – с утопленной двойной накладкой; ж – со скошенными накладками; з – двойная нахлестка; и – полушиповое

По характеру распределения напряжений клеевые соединения классифицируют следующим образом:

  • • работающие на сдвиг, в которых возникают преимущественно касательные напряжения;
  • • встык, работающие на отрыв, в которых имеют место главным образом напряжения растяжения;
  • • соединения, в которых появляются соизмеримые по величине касательные и нормальные напряжения.

Наиболее распространены соединения внахлестку (см. рис. 18.36, в–з). В них возникают преимущественно напряжения сдвига.

Особое значение имеют требования к технологическому процессу склеивания. Клеи должны хорошо заполнять зазоры между склеиваемыми поверхностями, образуя прочные, необходимой толщины швы без непроклеев.

Слоистые клееные конструкции представляют собой металлополимерные системы, обладающие рядом исключительных свойств и получившие широкое распространение в некоторых отраслях машиностроения и промышленности. Их применение позволяет значительно повысить усталостную прочность и долговечность, обеспечивает минимальную концентрацию напряжений. Возникновение усталостных трещин в слоистом материале и скорость их распространения значительно меньше, чем в монолитном металле такой же толщины.

18.7. Технологические процессы клепки

Клепка – это операция, с помощью которой получают неразъемные соединения листовых материалов. Процесс клепки состоит из просверливания отверстий в деталях, установки в них заклепок и расклепывания их выступающих концов с образованием второй головки. Заклепки изготовляют из материалов, обладающих вязкостью и пластичностью в холодном состоянии. Они состоят из стержня с одной головкой, которая называется закладной, вторая – замыкающая головка, образуется при расклепывании. Типичные схемы клепочных соединений приведены на рис. 18.37.

Схема клепочных соединений, применяемых при сборке изделий

Рис. 18.37. Схема клепочных соединений, применяемых при сборке изделий:

1 – заклепка; 2 – соединяемые детали

Клепку используют в тех случаях, когда нагрев соединяемых деталей нежелателен, а также при сборке деталей из разнородных материалов, сварка и пайка которых затруднена, а склеивание не обеспечивает нужной прочности. Клепка образует прочное и герметичное соединение деталей. Она получила широкое распространение в авиации, судостроении, при монтаже крупных инженерных сооружений (мостов, створов шлюзов и др.).

Клепку выполняют в горячем и холодном состоянии. В первом случае заклепки нагревают до -1000°С; процесс закапчивается при температуре более 450°С, ниже которой металл теряет пластичность и приобретает синеломкость. Клепку осуществляют ударами пневматических клепальных молотков или под прессом. Для заклепок диаметром 3–12 мм используют пневматические прессы в виде стационарных установок или подвесных скоб (рис. 18.38), при диаметре менее 3 мм – вибрационные, винтовые и педально-рычажные прессы.

Переносный гидравлический клепальный пресс-скоба

Рис. 18.38. Переносный гидравлический клепальный пресс-скоба

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>