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