2014-10-30
3836
К неразъемным технологиям относятся: заклепочные соединения, сварка, пайка, склеивание и их комбинации.
заклепочные соединения – клепка – рабочий процесс, при котором происходит соединение двух или нескольких деталей посредством деформирования (расклепывания стержней) заклепок, вставленных в просверленные в деталях отверстия.
Заклепочные соединения широко применяются в производстве летательных аппаратов (от 25 до 40 % массы всех соединений), автомобилей и других машиностроительных изделий.
Недостатки заклепочных соединений: низкая производительность; высокая трудоемкость и материалоемкость; отсутствие постоянства показателей прочности; неравномерность распределения нагрузки по отдельным заклепкам в направлении действия усилия; трудность контроля.
Достоинства: высокая прочность при вибрационных нагрузках.
Заклепки изготовляются из алюминиевых сплавов, низкоуглеродистых сталей, латуни, меди, титановых сплавов.
Процесс соединения деталей заклепками состоит из следующих основных операций: сверление или пробивание отверстия под заклепку; зенкования или штамповки гнезда под закладную головку заклепки при потайной клепке; установки заклепки в отверстие; собственно клепка; контроль качества соединения.
По степени механизации клепочных работ различают клепку: ручную, механизированную (пневматическими молотками или переносными прессами); машинную (клепка на стационарном прессовом оборудовании); автоматическую, выполняемую на специальных клепочных автоматах.
сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частицами при их нагревании и (или) пластическим деформированием.
Для возникновения межатомных связей необходимо свариваемые поверхности сблизить на расстояние, соизмеримое с атомным радиусом (расстояние между центрами атомов составляет 0,2…0,5 нм), чтобы начали действовать силы межатомного сцепления. В реальных условиях такому сближению поверхностей препятствуют микронеровности, окисные и органические пленки, адсорбированные газы, а также отсутствие необходимой ориентации кристаллических решеток зерен, выходящих на эти поверхности.
Для получения качественного соединения необходимо устранить причины, препятствующие сближению контактируемых поверхностей, и сообщить поверхностным атомам энергию активации для перевода их в активное состояние.
Энергию активации передают в виде теплоты (термическая активация) или в виде упругопластической деформации (механическая активация). В соответствии с этим образование связей между атомами свариваемых поверхностей происходит в жидкой или твердой фазах, а все способы сварки можно разделить на две основные группы: сварка плавлением и сварка пластическим деформированием.
Сварка плавлением происходит в две стадии. На первой стадии происходит разогрев кромок до их оплавления. При этом разрушается кристаллическая решетка и образуется жидкая металлическая ванна, общая для двух свариваемых заготовок, называемая сварочной ванной. Поверхностные пленки разрушаются или всплывают на поверхность сварочной ванны. Жидкий металл смачивает оплавленные поверхности, что обеспечивает возникновение межатомных связей между соприкасающимися атомами жидкой и твердой фаз. На второй стадии при охлаждении происходит кристаллизация с образованием межатомных связей.
При сварке давлением сближение поверхностных атомов достигается за счет совместной пластической деформации в зоне соединения. Необходимо кратковременное механическое воздействие на заготовки для их сжатия и сближения атомов до возникновения межатомных сил связи. Очистка поверхности от пленок, а также сближение атомов достигается путем совместной пластической деформации в зоне соединения. Неровности снимаются, поверхностные пленки раздробляются. Заготовки контактируют по чистым поверхностям. Сварка давлением возможна лишь при том условии, что материал способен воспринимать значительные местные пластические деформации без разрушения. Часто для повышения пластичности материала места соединения нагревают.
Как при сварке плавлением, так и при сварке давлением в зоне соединения возникает тот тип связи между атомами, которой имеет место внутри свариваемых материалов. В обоих случаях в зону, где происходит образование соединения, вводится энергия.
В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, различают три класса сварочных процессов: термический, термомеханический и механический.
К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии, а именно: дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная и литейная.
К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления, а именно: контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитно-прессовая и печная.
К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления, а именно: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и другие.
По техническим признакам виды сварки подразделяются по: способу защиты металла в зоне сварки (на воздухе, в вакууме, под флюсом, в защитных газах), непрерывности процесса (непрерывные и прерывистые), по степени механизации (ручная, механизированная, автоматизированная и автоматическая).
Сейчас известно более 70 технологических процессов сварки. Одни процессы применяются широко, другие – ограниченно, но сварка в целом является наиболее важным способом получения неразъемных соединений. Она применяется почти во всех областях техники. Сваривают не только металлы, но также стекло, некоторые виды керамики и пластмасс и разнородные материалы. Сварка осуществляется на земле, под водой и в космосе. Современные авиация, строительство, электроника уже просто немыслимы без сварки. В судостроении, например, использование сварки вместо клепки позволило сократить цикл строительства судов в 5…10 раз и на 20…25 % снизить их металлоемкость. В строительстве предварительная подготовка крупных сварных блоков и их последующая сборка и сварка на монтаже в 2…3 раза и более ускоряет сооружение мостов, крупных резервуаров, цементных печей, нефтеперерабатывающих установок, доменных печей. Сейчас практически все строительные металлоконструкции – сварные. Применение сварки позволяет более эффективно использовать прокат, поковки и отливки в конструкциях. Поэтому на изготовление сварных конструкций расходуется около половины выплавляемой стали, в обозримом будущем роль сварки не уменьшится.
Несмотря на успехи в разработке новых способов сварки, доминирующее положение в производстве уже около полувека занимает дуговая сварка. На нее приходится более 60 % всего объема сварочных работ. Пока еще нет другого способа, который по своей универсальности и простоте мог бы конкурировать с дуговой сваркой.
Ручная дуговая сварка металлическими электродами с покрытием является одним из самых распространенных способов сварки. Ее широко применяют для соединения заготовок малых и средних толщин (до 30 мм) короткими швами.
Ручную сварку начинают зажиганием дуги путем прикосновения конца электрода к свариваемому изделию и быстрого отвода на расстояние в несколько миллиметров. На дуге возникает напряжение 20...25 В, зависящее от длины дуги и марки электрода.
При ручной дуговой сварке электрическая дуга горит между металлическим стержнем электрода 1 и свариваемой заготовкой 7. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл в виде отдельных капель 8 переносится в сварочную ванну 4, образовавшуюся в результате плавления кромок заготовок. Вместе со стержнем плавится электродное покрытие 2, образуя газовую защитную атмосферу 3 вокруг дуги (температура, которой 4000…6000 С) и жидкий шлак, покрывающий поверхность металлической сварочной ванны и капли жидкого металла. По мере движения дуги происходит затвердевание сварочной ванны и образование сварного шва 6. Затвердевший шлак образует на поверхности шва твердую шлаковую корку 5.
пайка - процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания сопрягаемых поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Проникновение жидкого припоя в зазор между соединяемыми поверхностями происходит за счет капиллярных явлений, для протекания которых необходимы определенные условия. Для обеспечения растекания припоя по поверхности заготовок и хорошего смачивания заготовки нагревают, а также обрабатывают флюсами, которые растворяют и удаляют с поверхности оксиды, уменьшают поверхностное натяжение.
Пайка стала очень быстро развиваться в последнее время в связи с развитием авиа- и ракетостроения, атомной техники, двигателестроения и электроники. По прочности паяное соединение уступает сварному. Однако во многих случаях пайка имеет преимущества перед сваркой. Она экономичнее сварки, не вызывает существенных изменений химического состава и механических свойств деталей. Разработка новых припоев и методов пайки позволила создавать паяные соединения иногда даже более прочные и надежные, чем сварные. Остаточные деформации при пайке меньше, чем при сварке, что обеспечивает большую точность конструкции. С помощью пайки можно соединить разнородные металлы, а также металлы со стеклом, керамикой, графитом и другими неметаллическими материалами, что трудно или невозможно сделать сваркой. Кроме того, при пайке можно за один прием получить много соединений, что очень удобно при изготовлении сложных узлов и при массовом производстве. Все это делает пайку весьма перспективным процессом, область применения которого в последние годы быстро расширяется со все возрастающей скоростью.
Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. За счет изменения химического состава можно получать припои с разной температурой плавления. Все припои по температуре плавления подразделяются на особо легкоплавкие (Тпл. < 145 С), легкоплавкие (Тпл = 145…450 С), среднеплавкие (Тпл = 450…1100 С) и тугоплавкие (Тпл > 1050 С).
Особо легкоплавкие и легкоплавкие припои изготовляют на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. Их применяют для образования соединений, не требующих высокой прочности. Широко известны оловянно-свинцовые припои ПОС - 61, ПОС - 40 с содержанием олова 61 и 40 % соответственно.
Среднеплавкие и высокоплавкие припои содержат медь, цинк, никель, а также благородные металлы – серебро, золото, платину.
Припои изготовляют в виде прутков и проволок, а также отдельными порциями определенной массы и формы, которые укладывают в место соединения.
Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы, чугуны. При этом необходимо правильно выбрать соответствующий припой и флюс. Флюс не должен химически взаимодействовать с припоем, температура его плавления должна быть ниже температуры плавления припоя, он должен растворять и удалять окисные пленки, уменьшать поверхностное натяжение, улучшать смачиваемость и растекаемость расплавленного припоя. Применяют твердые, пастообразные и жидкие флюсы. Наибольшее применение в качестве флюсов находят бура
Nа В О, борная кислота Н ВО, хлористый цинк ZпСI, фтористый калий КF.
Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. При пайке в печах заранее собирают соединяемый узел, закладывают в него припой и наносят флюс, а затем помещают в печь. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготовками.
Пайку погружением выполняют в ваннах с расплавленными солями или припоями. На паяемую поверхность наносят флюс, припой размещают между поверхностями заготовок, заготовки скрепляют и погружают в ванну. Соленая ванна предохраняет место пайки от окисления.
Нагрев заготовок можно осуществлять токами высокой частоты, газовым пламенем, плазменной горелкой, кварцевой лампой, паяльником. Припой можно размещать заранее у места пайки или вводить его в процессе пайки вручную.
склеивание – технологический процесс соединения деталей с помощью клея или растворителя, образующих прочную клеевую пленку, выдерживающую внешние нагрузки на деталь.
Прочность клеевого соединения характеризуется силами адгезии и когезии. Адгезия характеризуется силами сцепления между клеем и склеиваемым материалом. Когезия – свойство частиц клея соединяться между собой молекулярными или межатомными силами.
В последние годы разработаны различные клеевые композиции, обеспечивающие высокую прочность, надежность и долговечность клеевых соединений. Современные клеи склеивают практически все однородные и разнородные материалы: металлы, пластмассы, резину, древесину, керамику, композиционные материалы.
Клеями называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способных при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам (обладающие адгезией).
По природе происхождения клеи различают:
а) растительные – крахмал, декстрин, натуральный каучук, канифоль;
б) животные – казеиновый, столярный;
в) синтетические;
г) клеи на основе эфиров целлюлозы;
д) клеи на основе конденсационных смол;
е) клеи на основе полимеризационных смол.
По способу поставки клеи разделяют на жидкие, порошкообразные, растворяющиеся перед употреблением, пленочные.
По теплостойкости клеи характеризуются: 60…80 С, 100…130 С, 200…350 С, 700…1200 С.
В состав клея входят пленкообразующие вещества (синтетические смолы и каучуки), растворители (спирт, ацетон, бензин и др.), пластификаторы (каучук), наполнители (окись алюминия, кварцевая мука, графит).
Универсальные клеи БФ-2, БФ-4, БФ-6 – применяются для склеивания металлов, пластмасс, керамики и стекла.
Эпоксидные клеи состоят из эпоксидной смолы, пластификатора и отвердителя. Склеивают металлы с металлами и с пластическими массами.
Клеи бывают холодного и горячего отверждения.
Технологический процесс склеивания включает следующие основные операции: подготовка деталей (сборка); подготовка поверхности; нанесение клея; открытая выдержка; сборка (соединение) деталей; отверждение клея по заданному режиму, включающему подбор давления, температуры и времени отвердения; контроль качества склеивания (простукиванием, вихревыми токами, ультразвуковыми приборами и т. д.)
Подготовка поверхности имеет очень важное значение, от качества ее подготовки зависит прочность соединения. Подготовка поверхности включает следующие процессы: очистку от окислов и загрязнений, обезжирование, создание шероховатости для повышения сил адгезии. В некоторых случаях создают специальные покрытия с наличием шероховатости или пористости: анодирование, цинкование и т. д.
Клей наносится тонким слоем (чем тоньше слой, тем выше прочность соединения), не более 0,1…0,2 мм. Способы нанесения клея: кистью, штапелем, пульверизатором и т.д. Склеенные детали закрепляются в струбцинах или используются зажимы с применением давления 5…300 МПа.
К недостаткам технологии склеивания следует отнести: необходимость подогрева конструкции; недостаточную разработку технологии и зависимость прочности соединения от подготовки поверхности; ненадежность методов контроля качества клеевых соединений, недостаточная стабильность прочности клеевых соединений.
