POŁĄCZENIA NIEROZŁĄCZNE

Połączenia nitowe

Nitowanie jest procesem technologicznym, w wyniku którego uzyskuje się połączenia nierozłączne, pośrednie. Połączenie kilku części (np. blach) w zespół powstaje przez zastosowanie łączników, którymi są nity. W łączonych przedmiotach wierci się lub przebija otwory pod nity, zapewniając ich współosiowość, (np. przez wiercenie w zespole), a następnie wykonuje się fazki w celu usunięcia zadziorów oraz złagodzenia karbu między łbem (zakuwką) a trzonem nitu. Po włożeniu nitu do otworów podpiera się łeb nitu kształtowym wspornikiem (rys. 1), a następnie wykonuje się zakuwkę za pomocą zakuwnika, tworząc połączenie nitowe (rys. 1b). Przy zamykaniu nitów kulistych zarówno wspornik, jak i zakuwnik są tak wykonane, aby nie stykały się z łączonymi częściami i nie uszkadzały ich powierzchni.

Rys.1 Wykonanie połączenia nitowego: a) zamykanie nitu, b) połączenie nitowe1- części łączone, 2 - nit, 3 - wspornik, 4 - zakuwnik
Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

W zależności od średnicy nitów i wielkości produkcji (jednostkowa, seryjna) zamykanie nitów odbywa się uderzeniowo młotkiem ręcznym lub pneumatycznym albo też naciskowo za pomocą nitownic (pras) mechanicznych, hydraulicznych. Nity mogą być zamykane na zimno lub na gorąco. Przy nitowaniu na gorąco nit powinien być podgrzany do temperatury powyżej 700°C (nitowanie naciskowe, maszynowe) lub do 1000÷1100°C (nitowanie uderzeniowe, ręczne). Proces nitowania powinien być zakończony przy temperaturze nitu nie niższej niż 500°C. Na gorąco zamyka się nity stalowe o średnicy trzonu d≥10 mm, natomiast na zimno -
nity stalowe o d≤8 mm, służące do łączenia cienkich blach oraz nity z metali niezależnych. Przy nitowaniu na gorąco przyjmuje się średnicę otworu pod nity d0=d+1mm, a przy nitowaniu na zimno d0 = d+(0,1÷0,2) mm.
Nitowanie na gorąco powoduje powstanie dość znacznych naprężeń w trzonie nitu oraz w częściach łączonych. W przypadku nitowania na zimno naprężenia te są nieznaczne, dlatego ten rodzaj nitowania może być stosowany do łączenia części wykonanych z różnych materiałów.
Rys. 1. Wykonanie połączenia nitowego: a) zamykanie nitu, b) połączenie nitowe
1- części łączone, 2 - nit, 3 - wspornik, 4 - zakuwnik
Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

Rodzaje połączeń nitowych. W zależności od zastosowania połączenia nitowe dzieli się na:
- mocne, stosowane w konstrukcjach stalowych, obciążonych dużymi siłami,
- szczelne, stosowane w zbiornikach niskociśnieniowych,
- mocno-szczelne, stosowane w zbiornikach wysokociśnieniowych,
- nieznacznie obciążone, stosowane w drobnych konstrukcjach.6
Ze względów konstrukcyjnych połączenia nitowe dzieli się na zakładkowe
i nakładkowe (rys. 2). Połączenie nitowe wykonane za pomocą szeregu nitów nazywa się szwem nitowym. W zależności od sposobu rozstawienia nitów rozróżnia się szwy nitowe jednorzędowe (rys. 2a, c, d) oraz wielorzędowe (rys. 2b, e).

Rys. 2 Połączenia nitowe: a, c) zakładkowe - szew jednorzędowy, b) zakładkowe - szew wielorzędowy, d) nakładkowe jednostronne - szew jednorzędowy, e) nakładkowe dwustronne - szew dwurzędowy

Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

Połączenia spajane.

Połączenia spajane należą do połączeń nierozłącznych, bezpośrednich. W zależności od metody spajania łączenie elementów odbywa się przez kohezję (spójność międzycząsteczkową) lub przez dyfuzję (przenikanie cząsteczek). Podstawowy podział metod spajania i ich cechy charakterystyczne ujęto w tabeli 1

Tab. 1 Podział i cechy charakterystyczne połączeń spajanych

Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

Wykonywanie połączeń spajanych z użyciem odpowiedniej metody umożliwia łączenie wszystkich metali i ich stopów, metali z materiałami niemetalowymi, a także różnych materiałów niemetalowych.

Charakterystyka i zastosowanie połączeń spawanych
Spawanie polega na nierozłącznym łączeniu metali przez ich stopienie w miejscu połączenia, z dodaniem lub bez dodawania spoiwa. W zależności od źródła ciepła rozróżnia się spawanie:
− elektryczne łukowe (elektrodą topliwą i nietopliwą, w osłonie gazów, łukiem krytym),
− gazowe (najczęściej acetylenowo-tlenowe),
− termitowe,
− elektronowe,
− plazmowe,
− laserowe.
W celu prawidłowego przeprowadzenia spawania materiał łączony należy odpowiednio przygotować. Blachy o grubości do 2 mm wygina się. Blachy od 2 do 4 mm rozsuwa się na odległość równa połowie ich odległości, a blachy o grubości od 4 do 12 mm ukosuje się.
Złączem spawanym nazywamy połączenie ze sobą części za pomocą spawania. Złącze składa się ze spoiny i z materiału rodzimego. Rozróżnia się złącza doczołowe, pachwinowe, narożne, krzyżowe, przylgowe, nakładkowe i zakładkowe. Na rys. 3. przedstawiono rodzaje spoin spawanych: czołowe, pachwinowe, brzeżne, grzbietowe i otworowe.

Rys. 3 Rodzaje spoin: a) czołowa, b) pachwinowa, c) brzeżna, d) grzbietowa, e) otworowa

Prawidłowe wykonanie spoiny polega na tym, aby w wyniku kohezji nastąpiło zmieszanie stopionych materiałów na głębokość od 1,5 do 3 mm (rys. 4), co zapewnia uzyskanie trwałego połączenia o odpowiedniej wytrzymałości.

Rys. 4 Obszar wtopienia spoiny
Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

Szwy spawane. W zależności od układu spoin względem osi części spawanych oraz kierunku działania sił obciążających dane złącze rozróżnia się szwy spawane wzdłużne, poprzeczne i skośne. Na rysunkach 5a÷h pokazano najczęściej stosowane rodzaje szwowi połączeń spawanych, w tym m.in.:
- połączenie „na zamek" (rys. 5c), stosowane przy łączeniu grubszych blach dla zwiększenia sztywności połączenia;
- szew dookolny (rys. 5d), występujący w połączeniach nakładkowych;
- połączenia kątowe wpuszczane (rys. 5f), zapewniające współosiowość obu części i zmniejszenie długości spoin;
- połączenie ze szwami przerywanymi (rys. 5g, h) stosowanymi w celu równomiernego rozmieszczenia spoin i zmniejszenia naprężeń spawalniczych.

Rys. 5 Rodzaje szwów i połączeń spawanych: a, b, c) połączenia czołowe, d÷h)
połączenia pachwinowe; rodzaje szwów: 2-poprzeczny, 2-skośny, 3-wzdłużny, 4-przerywany, 5-przerywany przestawny
Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

Połączenia zgrzewane
Zgrzewanie polega na połączeniu metali w wyniku miejscowego nagrzania do stanu wysokiej plastyczności i wywarciu silnego nacisku. Do łączenia części maszyn najczęściej stosuje się zgrzewanie elektryczne oporowe, które może być doczołowe, punktowe, garbowe i liniowe. Źródłem ciepła jest prąd elektryczny, który w miejscu największego oporu zamienia się na ciepło. Zgrzewanie doczołowe (zwarciowe lub iskrowe) stosowane jest do łączenia prętów, drutów, rur, ogniw łańcuchów, osi. Do łączenia elementów z blach
w przemyśle samochodowym stosowane jest zgrzewanie punktowe (rys. 6) Blachy ułożone na zakładkę są ściskane przez stożkowe elektrody. Materiał zgrzewany nagrzewany jest prądem o wysokim natężeniu i niskim napięciu. Zgrzewanie garbowe wymaga wcześniejszego wytłoczenia występów-garbów w jednym z łączonych elementów. Zgrzeinę otrzymuje się w kilku punktach jednocześnie. W porównaniu ze zgrzewaniem punktowym jest to metoda wydajniejsza. Zgrzewanie liniowe polega na łączeniu części pomiędzy obracającymi się elektrodami krążkowymi, które równocześnie dociskają do siebie łączone elementy. Metoda stosowana jest przy wymaganej szczelności połączenia. Części zgrzewa się na zakładkę albo ze zgniotem krawędziowym.

Rys.6 Zasada zgrzewania punktowego: 1 – zgrzeina, 2, 3 – elektrody , 4 – zgrzewane elementy, 5, 6 – kierunek działania siły docisku

Inne metody zgrzewania to: gazowe, termitowe, ogniskowe, zgniotowe, tarciowe, ultradźwiękowe, indukcyjne i dyfuzyjne.

Lutowanie

Lutowanie polega na nierozłącznym połączeniu metali przy użyciu stopionego spoiwa nazywanego lutem, którego temperatura topnienia jest niższa niż temperatura topnienia łączonych elementów. Wykorzystuje się siły adhezji i dyfuzji między cząsteczkami lutu i łączonymi elementami. W zależności od temperatury topnienia lutu rozróżnia się:
− lutowanie miękkie,
− lutowanie twarde (temperatura topnienia lutu powyżej 500oC)
Do lutowania miękkiego stosuje się luty cynowe, cynowo-ołowiowe, cynkowe, kadmowe, bizmutowe, na osnowie indu, na osnowie galu.

Luty wykonywane są w postaci drutu, prętów, past, pałeczek i proszków.
Lutowanie miękkie stosowane jest do łączenia części, od których nie wymaga się przenoszenia dużych obciążeń, uszczelniania zbiorników, rurociągów, łączenia przewodów elektrycznych itp. W przypadku nieznacznego obciążenia połączenie powinno pracować na ścinanie. Najlepiej jest, jeżeli części lutowane są także połączone ze sobą kształtowo, co znacznie zwiększa wytrzymałość połączenia.
Rozróżnia się następujące metody lutowania miękkiego:
− za pomocą lutownicy zwykłej, benzynowej, gazowej lub elektrycznej,
− lutowanie indukcyjne,
− lutowanie kąpielowe,
− lutowanie piecowe,
− lutowanie płomieniowe.
Przebieg lutowania miękkiego:
− mechaniczne oczyszczenie powierzchni lutowanych,
− chemiczne oczyszczenie powierzchni za pomocą topników,
− nagrzanie lutownicy i potarcie jej główki o topnik,
− przeniesienie lutownicą lutu na szew i rozprowadzenie go wzdłuż szwu.

Rys. 7 Przykłady połączeń lutowanych

Do lutowania twardego stosuje się luty z miedzi technicznej, mosiądzu, brązu oraz lutów srebrnych, niklu z dodatkiem manganu. Spoiwa do lutowania twardego ujęte są w PN- EN 1044:2002. Luty twarde wykonywane są w postaci blaszek, taśm, drutu, wiórów i granulek. Wykonywane połączenia mogą przenosić znaczne obciążenia. Stosowane są do mocowania płytek z węglików spiekanych w narzędziach skrawających, do styków urządzeń elektrycznych. Do lutowania twardego ma najczęściej zastosowanie:
− lutowanie gazowe,
− lutowanie elektryczne oporowe,
− lutowanie elektryczne indukcyjne,
− lutowanie piecowe,
− lutowanie kąpielowe.
Przebieg procesu lutowania twardego:
− mechaniczne (papierem ściernym, pilnikiem) i chemiczne (odtłuszczenie lub trawienie) oczyszczenie przygotowanych powierzchni,
− nałożenie topnika oraz lutu i złożenie części lutowanych,
− nagrzanie do temperatury umożliwiającej stopienie lutu,
− oczyszczenie połączenia i sprawdzenie spoiny.

Połączenia klejone
Klejenie polega na nierozłącznym połączeniu metali w wyniku wprowadzenia między przygotowane powierzchnie cienkiej warstwy substancji klejącej, odznaczającej się dobrą adhezją utrzymującą się po sklejeniu. Metoda umożliwia łączenie materiałów o różnych własnościach np. metali z niemetalami. Proces technologiczny klejenia dzieli się na:
− przygotowanie powierzchni metalu do klejenia przez ich mechaniczne lub chemiczne oczyszczenie,
− przygotowanie masy klejącej,
− dokładne nałożenie warstwy kleju (grubość około 0,1 mm) na powierzchnię klejoną,
− utwardzenie skleiny w odpowiedniej temperaturze i przy zachowaniu właściwego nacisku,
− oczyszczanie sklein.
Klej nakłada się za pomocą pędzla, natryskowo lub przez zanurzenie. Po podsuszeniu kleju dociska się do siebie łączone elementy i w odpowiedniej dla danego kleju temperaturze utwardza masę klejową. Po utwardzeniu oczyszcza się miejsce połączenia z wycieków powstałych z nadmiaru kleju za pomocą rozpuszczalników lub mechanicznie. Rozróżnia siękleje epoksydowe, fenolowe, kauczukowe, winylowe. Przykłady połączeń klejonych przedstawiono na rys. 8. Wśród połączeń zakładkowych pokazano skleiny najkorzystniejsze wytrzymałościowo (rys. 8a, b, e, f). Połączenia klejone czołowo nie powinny być stosowane, jeżeli jednak jest to konieczne, wówczas należy dążyć, aby skleina pracowała na ściskanie (rys.8c) lub też zwiększyć przekrój skleiny np. przez zawinięcie brzegu blachy (rys. 8d).

Rys.8 Przykłady połączeń klejonych

Źródło: Rutkowski A.: Części Maszyn. WSiP, Warszawa 1996

Połączenia klejone charakteryzują się małą odpornością na odrywanie, dlatego powinny być projektowane w taki sposób, aby skleina była ścinana lub ściskana, a nie rozciągana i odrywana (rys. 8g).