LEMLJENI SPOJEVI Lemljenje

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
F
m
= S ⋅ R = A⋅τ
m
mL
S (mm 2 ) = površina poprečnog presjeka vlačno opterećenog spojenog
dijela
R m (N/mm 2 ) = vlačna čvrstoća materijala spojenog dijela
A (mm 2 ) = površine lemljenja izložena posmičnom opterećenju
τ mL (N/mm 2 ) = posmična čvrstoća zalemljenog spoja

Općenito, posmično naprezanje mora biti manje od dopuštenog:
F
τ L = ≤τ
A
Ldop
U slučaju da je lemljeni spoj opterećen vlačno, naprezanje također
mora biti manje od dopuštenog:
F
σ L = ≤ σ
A
Ldop
Dopuštena naprezanja dana su u tablici:

Čvrstoće zalemljenih spojeva u N/mm 2 :
Materijal lema
Posmična
čvrstoća
τ mL
Vlačna
čvrstoća
σ mL
Dopušteno posmično naprezanje
τ Ldop
Statičko
Opterećenje
Ishodišno
dinamičko
Izmjenično
dinamičko
Meki lemovi: L-Pb, L-Sn 15...20 20...30 2...3 - -
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
150...220
250...300
150...280
250...320
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
(0,6...0,8)∙R m 0,35∙ τ mL 0,18∙ τ mL 0,1∙ τ mL
R m = vlačna čvrstoća spojenih dijelova
Dopuštena naprezanja lema pri vlaku σ Ldop = (1,5...2)∙ τ Ldop
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.
Materijal 2
Kohezija
Adhezija
Kapljica
Nečistoća
Materijal 1
Materijal 1
Materijal 2

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
[Glienicke, TU Braunschweig]
Jednak osnovnom
materijalu (ili bez njega)
Lemljenje Jednaki ili različiti metali Različit od osnovnog
materijala
Lijepljenje Bilo kakvi čvrsti materijali Različit od osnovnog
materijala
Temperatura taljenja
spajanih dijelova
Temperatura taljenja
lema
Prema vrsti ljepila
20…200 °C

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/mm 2 ). 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) Loša izvedba
b) 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)
F
τ = ≤τ
dop
A
τ m =
ν
ili eventualno vlačnom naprezanju
F
σ = ≤ σ dop
A
σ m =
ν
Faktor sigurnosti υ ≈ 2…5

Orijentacijski podaci o čvrstoći lijepljenih spojeva:
Prekidna
čvrstoća
Pri
smicanju
τ m
Pri vlaku
σ m
Opterećenje
Statičko opterećenje
Izmjenično dinamičko
opterećenje
Statičko opterećenje
a
b
c
a
b
c
a
d
Hladno
ljepilo
3...20
4
8
0,5...4
1
2
30...50
40
Toplo
ljepilo
8...50
15
25
2...8
3
6
50...90
70
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!