8. ZGRZEWANIE I LUTOWANIE

W technice stosowanych jest wiele metod zgrzewania. Charakterystycz­ną cechą procesów zgrzewania jest występowanie dużych nacisków w strefie wytwarzania połączeń i towarzyszących im odkształceń plastycznych. Strefy połączeń mogą być nagrzewane do temperatury powodującej stopienie materiału lub niższej. Zgrzewanie można prowadzić w powietrzu, w gazach ochronnych lub w próżni.

Parametrami technologicznymi procesów zgrzewania są: nacisk, tempe­ratura, czas, środowisko oraz prędkość wzajemnego przemieszczania się łączonych części.

Do bardziej znanych metod zgrzewania można zaliczyć:

• zgrzewanie oporowe,

• zgrzewanie dyfuzyjne,

• zgrzewanie ultradźwiękowe,

• zgrzewanie tarciowe,

• zgrzewanie wybuchowe,

• zgrzewanie kuźnicze.

8.1. Technologia zgrzewania oporowego

W produkcji lotniczej szerokie zastosowanie znajduje zgrzewanie opo­rowe, zwłaszcza punktowe i liniowe. Istotą zgrzewania oporowego jest to, że prąd elektryczny, doprowadza­ny jest z transformatora zgrzewarki za pośrednictwem elektrod dociskających łączone elementy i nagrzewa je do temperatury, w której zachodzi ich połą­czenie w wyniku tworzenia się wiązań międzyatomowych. Nagrzewanie następuje na skutek wydzielania się ciepła towarzyszącego przepływowi prądu zgodnie z prawem Joule'a-Lenza:

Q =I² R t

gdzie: Q - ilość ciepła,

I - natężenie prądu,

R - opór całkowity,

t - czas przepływu prądu.

Na wartość oporu R składają się: oporności przejść między elektrodami i zgrzewanymi częściami, oporności części oraz oporności przejść między nimi (oporność styku). W związku z tym wartość oporu całkowitego zależy, między innymi, również od siły nacisku elektrod. Podatność materiałów do zgrzewania (ich zgrzewalność) zależy od ich właściwości fizycznych: przewodności cieplnej i elektrycznej oraz od łatwości ich utleniania się i właści­wości tlenków. Np. bardzo dobrze zgrzewają się stale niskowęglowe i stale austenityczne, a znacznie trudniej stopy magnezu i aluminium.

Zgrzewanie punktowe polega na łączeniu za pomocą szeregu punktów (zgrzein) dwóch cienkościennych elementów ułożonych jeden na drugim, np. blach na zakładkę. Zgrzewanie liniowe polega na łączeniu elementów szwem ciągłym (wzdłuż linii wyznaczonej przez rolki zgrzewarki), w wyniku czego powstaje szczelny szew.

Elektrody do zgrzewania wykonuje się ze stopów miedzi, które charak­teryzuje: duża przewodność elektryczna, duża przewodność cieplna, duża twardość, odporność na utleniające działanie powietrza oraz mała skłonność do tworzenia stopów ze zgrzewanymi materiałami. Pod względem sposobu przenoszenia obciążeń połączenia zgrzewane można porównać do nitowych i w związku z tym w wielu przypadkach moż­na stosować je zamiennie.

Dzięki ciągłemu doskonaleniu urządzeń zgrzewalniczych i technologii zgrzewania, za pomocą zgrzewania punktowego i liniowego można spajać na skalę przemysłową zarówno blachy stalowe, jak i ze stopów aluminium (w tym durale) w zakresie grubości od 0,3 do 4 mm. Należy zaznaczyć, że durale są materiałami praktycznie niespawalnymi. Pod względem właściwo­ści użytkowych połączenia zgrzewane są lepsze od nitowych z powodu mniejszej masy, krótszego cyklu produkcyjnego i lepszych parametrów wy­trzymałościowych (zwłaszcza wytrzymałości zmęczeniowej). Procesy zgrze­wania dają się łatwo zautomatyzować. Nawet przy niezautomatyzowaniu procesów zgrzewania, punktowe połączenia zgrzewane są trzykrotnie ekonomiczniejsze w stosunku do nitowych.

Złącza zgrzewane należy tak projektować, aby zgrzeina pracowała na ścinanie. Najlepiej jest, gdy łączone elementy mają jednakową grubość i są wykonane z takich samych materiałów. W połączeniach punktowych i linio­wych stosunek grubości łączonych elementów powyżej 2:1 dla stopów alumi­nium i 3:1 dla stali nie gwarantuje dobrej jakości połączeń. Przy zgrzewaniu części o różnych grubościach, parametry zgrzewania ustala się dla cieńszej części.

8.2. Technologia zgrzewania ultradźwiękowego

Zgrzewanie ultradźwiękowe stosowane jest w budowie samolotów i śmigłowców ze względu na swoje istotne zalety. Połączenie materiałów przy zgrzewaniu ultradźwiękowym następuje pod wpływem nacisku i drgań ultradźwiękowych. Schemat urządzenia do takiego zgrzewania przedstawiono na rys. 7.11. Prąd z generatora wysokiej częstotliwości podawany jest na uzwojenie przetwornika magnetostrykcyjnego, który wytwarza drgania mechaniczne o wysokiej (ultradźwiękowej) czę­stotliwości. Zjawisko magnetostrykcji polega na tym, że pewne metale, np. nikiel, i stopy, np. kobaltu z żelazem, umieszczone w zmiennym polu elek­tromagnetycznym zmieniają swoje wymiary geometryczne z częstotliwością równą częstotliwości zmian pola elektromagnetycznego.

Rys. 7.11. Schemat zgrzewania ultradźwiękowego: l - generator prądu wysokiej często­tliwości, 2 - przetwornik magnetostrykcyjny, 3 - uzwojenie przetwornika, 4 - falowód, 5 - koncentrator, 6 - występ zgrzewający (narzędzie),

7 - zgrzewane elementy, 8 - opora, 9 - przegub, 10 - zmiana amplitudy drgań wzdłuż falowodu i koncentratora

Drgania przekazywane są na koncentrator, którego zadaniem jest zwiększenie ich amplitudy odwrotnie proporcjonalnie do stosunku średnic początku i końca koncentratora. Przymocowany do koncentratora występ zgrzewający dociskany jest do łączonych materiałów z siłą P. W ten sposób na łączone elementy oddziałuje nacisk od siły P i drgania działające stycznie do powierzchni łączonych elementów, powodujące tarcie w miejscu ich sty­ku. Na skutek drgań następuje zniszczenie warstwy tlenków w miejscu kon­taktu materiałów, ich docieranie (wyrównywanie powierzchni) i zbliżanie się łączonych powierzchni. W następnym etapie w miejscach styku powstają odkształcenia plastyczne materiałów. Miejscowo następuje wzrost temperatu­ry (do około 200...300 °C przy zgrzewaniu stopów aluminium i około 500...600 °C przy zgrzewaniu stopów tytanu), co zwiększa miejscowo pla­styczność łączonych materiałów. Z czasem zwiększa się obszar odkształceń plastycznych materiałów (ich powierzchnia i głębokość) i następuje połącze­nie międzyatomowe materiałów.

Metodą ultradźwiękową można zgrzewać punktowo i liniowo. Podsta­wowym typem połączeń dla tej metody są połączenia zakładkowe.

Główną zaletą zgrzewania ultradźwiękowego jest możliwość łączenia ze sobą różnych metali i ich stopów, jak również metali z niemetalami, czyli materiałów, których nie można ze sobą zgrzewać innymi metodami. Ze względu na stosunkowo niską temperaturę, w procesach zgrzewania ultradź­więkowego występują niewielkie zmiany właściwości metali i uzyskuje się połączenia o wysokiej przewodności elektrycznej i cieplnej, dużej odporności na korozję oraz wysokich właściwościach mechanicznych (nie niższych niż 90% bardziej wytrzymałego materiału w połączeniu). Wytrzymałość na ści­nanie punktowych zgrzein ultradźwiękowych stopów aluminium jest dwu­krotnie wyższa od zgrzein uzyskanych metoda oporową.

Zgrzewanie ultradźwiękowe nie wymaga dokładnego oczyszczania łą­czonych powierzchni. Można zgrzewać materiały pokryte warstewką tlen­ków, a nawet platerowane. Wyjątek stanowią stopy aluminium-magnez i nieplaterowane durale, z których przed zgrzewaniem należy usunąć tlenki metodą trawienia.

Zgrzewanie ultradźwiękowe szczególnie nadaje się do łączenia cienkich elementów. Metodą tą dobrze łączy się również cienkie elementy z grubymi, np. cienkie pokrycia płatowców z dowolnej grubości elementami szkieletu. Ze względu na małe nagrzewanie, można zgrzewać ultradźwiękowo mate­riały po obróbce cieplnej bez niebezpieczeństwa zbytniego obniżenia ich wytrzymałości oraz materiały aktywne (skłonne do utleniania).

8.3. Technologia zgrzewania dyfuzyjnego

Zgrzewanie dyfuzyjne w próżni (rys. 7.12) pozwala trwale łączyć materiały będące w stanie stałym. Jest to skuteczna, a niekiedy jedyna meto­da łączenia nowych materiałów żaroodpornych i stopów specjalnych ze względu na brak skłonności do pękania i kruchości połączeń. W tej metodzie zgrzewania wiązania na poziomie atomowym powstają w wyniku maksymal­nego zbliżenia fizycznie czystych powierzchni w podwyższonej temperatu­rze, na skutek wzajemnej dyfuzji atomów w przypowierzchniowych war­stwach łączonych materiałów. Zbliżenie łączonych powierzchni na odległości rzędu parametru sieci krystalograficznej, umożliwiające dyfuzję atomów, jest spowodowane dokładnym dopasowaniem łączonych powierzchni i zastoso­waniem dużych nacisków powodujących plastyczne odkształcenie występu­jących na nich mikronierówności. Podwyższona temperatura rzędu 0,4...0,8 temperatury topnienia łączonych materiałów (lub materiału o niższej tempe­raturze topnienia) znacznie przyspiesza prędkość dyfuzji, a więc skraca czas procesu trwałego łączenia części.

Rys. 7.12. Schemat zgrzewania dyfuzyjnego: l - komora próżniowa, 2 - nagrzewacz indukcyjny, 3 - króciec do pompy próżniowej, 4 - zgrzewany element, P - siła docisku

Zaletami zgrzewania dyfuzyjnego są:

• możliwość trwałego łączenia materiałów, których nie można spawać,

• nieznaczne zmiany struktury materiału w okolicy złącza,

• minimalne naprężenia wewnętrzne i deformacje po zgrzewaniu,

• znacznie większa wytrzymałość połączeń w porównanie ze spawanymi,

• małe prawdopodobieństwo powstania pęknięć.

Zgrzewanie dyfuzyjne stosuje się przy wytwarzaniu bardzo odpowie­dzialnych części. Metodą tą można wytwarzać półfabrykaty, z których po­przez skrawanie uzyskuje się takie części, jak tytanowe piasty wirników śmigłowców. Dyfuzyjne zgrzewanie elementów takiej piasty trwa 40 h i kończy się czterodobowym, wolnym chłodzeniem. Zgrzewanie mniejszych części może trwać kilka minut. Przy zgrzewaniu cienkościennych konstrukcji przekładkowych z tytanowym wypełniaczem komórkowym (rys. 7.13) nacisk wywierany jest przez walec o średnicy 200 mm, a czas docisku wynika z prędkości posuwu stołu (0,03...0,2 mm/min).

Rys. 7.13. Schemat zgrzewania dyfuzyjnego konstrukcji przekładkowej ze stopów tytanu:

l - wytworniki ciepła, 2 - przesuwny stół, 3 - zgrzewana konstrukcja, 4 - komora próż­niowa, 5 - rolka dociskowa.

8.4. Technologie lutowania

Lutowanie jest metodą łączenia elementów metalowych lub metalo­wych z niemetalowymi (ceramicznymi, kompozytowymi) za pomocą roztopionego metalu zwanego lutem. Lut jest niskotopliwym stopem o tem­peraturze topnienia niższej od temperatury topnienia łączonych elementów. W procesie lutowania następuje zwilżenie łączonych powierzchni stopionym lutem, wzajemna dyfuzja atomów lutu i łączonych elementów, a po obniże­niu temperatury - krystalizacja lutu. Aby mogły zajść procesy zwilżania i dyfuzji, łączone powierzchnie powinny być czyste, w tym również pozba­wione tlenków.

Lutowanie umożliwia łączenie większości metali w dowolnych kombi­nacjach. Stosunkowo niska temperatura występująca przy lutowaniu nie powoduje odkształcenia łączonych elementów, nie wywołuje w nich naprę­żeń i dlatego lutowanie jest szczególnie polecane do łączenia elementów cienkościennych (rys. 7.14).

Rys. 7.14. Przykład zastosowania lutowania do składania elementów filtra

Połączenia lutowe charakteryzuje jednak niższa wytrzymałość w po­równaniu z innymi połączeniami spajanymi. Połączenia lutowane są najczę­ściej połączeniami zakładkowymi i z tego względu w połączeniach wytrzy­małościowych istotna jest ich wytrzymałość na ścinanie, która w dobrze przygotowanym i wykonanym połączeniu jest wyższa od wytrzymałości na ścinanie zastosowanego lutu. To zjawisko tłumaczy się wzmocnieniem spo­iny dyfundującymi atomami łączonych elementów;

W zależności od temperatury topnienia lutu, lutowanie dzieli się na:

• miękkie:

• temperatura topnienia lutu mniejsza od 550 °C,

• stopy cyny i ołowiu, czasami z do­datkiem bizmutu,

• wytrzymałość na ścinanie R_t = 30...70 MPa,

• stosuje się do łą­czenia elementów, które nie będą narażone na duże obciążenia i wysoką temperaturę, a jego głównym zadaniem jest najczęściej uszczelnienie połą­czeń wykonanych inną metodą lub zapewnienie dobrej przewodności elek­trycznej między łączonymi częściami

• twarde:

• temperatura topnienia lutu większa od 550 °C,

• luty miedziane, mosiężne, srebrne,

• wytrzymałość na ścinanie R_t = 150...500 MPa,

• stosuje się gdy połączenie oprócz szczelności i małego oporu elektrycznego ma przenosić znaczne obciążenia.

W zależności od stosowanego źródła ciepła lutowanie dzieli się na:

• za pomocą lutownic,

• gazowe,

• piecowe (w atmosferze gazów obojętnych, próżni lub pod topnikiem),

• kąpielowe (w roztopionym lucie),

• oporowe,

• indukcyjne,

• ultradźwiękowe.

Technologia procesu lutowania składa się z następujących operacji:

• przygotowanie powierzchni do lutowania (dopasowanie, oczyszczenie powierzchni),

• naniesienie topnika i lutu,

• złożenie części,

• nagrzanie miejsca łączenia,

• mycie i oczyszczenie spoiny,

• kontrola połączenia.

1

---