3.3.4. Forrasztott kötések Forrasztott kötéseket fémből készült alkatrészek kötésére használjuk. Előnyei: A hegesztéssel szemben különböző fémek is összeköthetők akár nagy vastagságkülönbség esetén, mert nem áll fenn a beégés veszélye. Nem szükséges a lemezeket átfúrni, mint szegecskötés esetén, ezáltal nem gyengítjük a lemezeket. Nagyon jó elektromos és hővezető képességű. Nagy felületek egyesíthetők. A forrasztás helyének nem kell hozzáférhetőnek lenni. Tömeggyártásra igen alkalmas. Helyszíni szereléskor nincs hosszú várakozási idő, mint például ragasztásnál a térhálósodási idő. Hátrányok: Viszonylag kis szilárdság, emiatt nagy kötési felület szükséges. Kis hőmérséklet tűrő képesség. (A megengedett hőmérséklet a forraszanyag olvadáspontja alatt 40 Cº-al.). A felület előkészítés sokkal fontosabb, mint a hegesztett kötésnél. Fennáll az elektrolitikus korrózió veszélye különösen alumínium esetén, mert a forraszanyag és az alumínium elektropotenciálja távol van egymástól. A forrasztást úgy végzik, hogy a két munkadarab közötti un. forrasztási résbe egy harmadik fémet, a forraszt beolvasztják. A kötés akkor lesz megfelelő, ha a forrasz az összekötött fémekhez erősen tapad, és a munkadarabok közötti rést teljes egészében kitölti. A forrasz tapadását a forrasz és a kötendő fém határán kialakuló ötvözőkből álló réteg biztosítja. Ez a néhány mikron vastagságú réteg rideg, ezért nem engedhető meg, hogy a ez a rideg réteg a két határfelülettől kiinduló hízása során a forrasz teljes vastagságát kitöltse. Maradni kell még egy rétegnek az eredeti forraszanyagból is. Ennek feltétele a rövid forrasztási idő, és az elegendő forrasztási rés a két alkatrész között. A gyakorlati tapasztalat azt mutatja, hogy a legnagyobb kötési szilárdságot 0,05 – 0,1 mm rés esetén érjük el. A forrasz anyagától és olvadási hőmérsékletétől függően két fő csoportot különböztetünk meg: 1. Keményforrasz: t > 450 Cº , forrasz anyaga réz alapú ötvözet, folyasztószer legtöbbször borax alapú. 2. Lágyforrasz: t < 450 Cº, forrasz anyaga ón tartalmú ötvözet, folyasztószer gyanta alapú. A folyasztószerre két okból van szükség. Minden fém, kivéve az arany és a platina, rendelkezik egy felületi réteggel, amely oxidokból, szulfidokból és egyéb szennyeződésből áll. A kötést biztosító ötvöző réteg kialakulásához ezt a réteget el kell távolítani. Ennek megoldása a folyasztószer egyik feladata. A másik feladata a hőátadás javítása. A forrasztáshoz ugyanis a munkadarabokat és a forraszt a forrasztási hőmérsékletre fel kell melegíteni, amely mintegy 40 Cº -al magasabb, mint a forrasz olvadási hőmérséklete. Mivel a folyasztószer olvadáspontja alacsonyabb, mint a forraszé, ezért először az folyik szét a felületeken. A szétfolyt folyasztószer kitölti a felületi érdességek miatti völgyeket, megnöveli a hőátadó kontakt felületet. A korszerű forrasztóanyagok a forrasz ötvözetet és folyasztószert egy huzalban egyesítve tárolják, a folyasztószer a forraszhuzal hossza menti csatornákba van betöltve. Ezért a felület előkészítés és a forraszanyag résbe juttatása nagyon rövid időkésleltetéssel szinte egyidőben valósul meg. A folyasztószer mennyisége nem teszi lehetővé, hogy vastag oxid réteget, és erős szennyeződéseket, mint például zsír, eltávolítson. Ezeket reszelővel, vagy drótkefével kell eltávolítani, illetve a zsíros szennyeződést lakkbenzinnel, vagy más szerves oldószerrel kell leoldani. Csiszolópapír lágy fémek tisztítására nem jó, mert a levált finom szemcséket a
31
felületről nem tudjuk eltávolítani. A folyasztószer mennyisége igen kényes dolog. Elegendőnek kell lenni a funkciói ellátásához, de túl sok sem lehet, mert károsíthatja az alkatrészeket és korróziót is okozhat. Ezért a felesleges folyasztószert forrasztás után el kell távolítani. Merülő forrasztás esetén a munkadarabot folyasztószerbe, majd folyékony forrasszal töltött medencébe merítik. Tipikusan így készülnek a forrasztott csőkötések előónozott idomai, amelyeknél a helyszínen már nem is szükséges forraszanyag, hanem az összedugott elemek felhevítése majd lehülése után a kötés elkészül. A forraszanyag felületek közötti résbe jutását, a jó kitöltést a kapilláris hatás segíti, amely csak akkor működik, ha a forrasz jól nedvesíti a felületet. Az 3.3.40. ábrán rossz- és jó kivitelű forrasztott kötést látunk. A rossz kivitelű kötésnél vagy piszkos volt a felület, vagy pedig a folyasztószer nem volt megfelelő.
domború szög
nem megfelelõ
szög
jó
3.3.40. ábra Forrasztott kötés minősége A forrasztott kötések szilárdsága nem vetekedhet a hegesztett kötések szilárdságával, általában statikus és kis igénybevételre alkalmasak. Éppen ezért a kötés konstrukciójával kell gondoskodnunk elegendő nagy terhelt, legtöbbször nyíró igénybevételnek kitett felületről. Méretezést forrasztott kötésekre ritkán végzünk, amennyiben értékek vehetők fel: - Kisebb igénybevételre lágyforrasz - Nagyobb igénybevételre keményforrasz - Legnagyobb igénybevételre réz keményforrasz
mégis, irányértékként az alábbi Rm = 20..80 MPa, Rm = 140 .. 200 MPa, Rm = 180 .. 270 MPa.
A megengedhető statikus nyírófeszültség a fenti Rm értékek 50%-a. R τ meg = m . 2
(3.3.77)
Váltakozó igénybevétel esetén csak keményforrasz használható: A megengedhető feszültség: τ meg = 30 MPa nyírásnál,
τ meg = 60 MPa csavarásnál, σ meg = 50 MPa hajlításnál. A forrasztott kötés jósága a helyes forrasztási technológia betartásán túl az összeforrasztott alkatrészek helyes kialakításától is függ.
32
Az forrasztott kötés néhány jellegzetes kialakítását a 3.3.41. –3.3.51. ábrán szemléltetjük.
3.3.41. ábra TÖLTŐVARRATOK (gépkocsi karosszériák, általános lemezmunkák)
3.3.42. ábra Edényfenék.
3.3.44. ábra Rudak rudakhoz
3.3.43. ábra Tengelyek kötése
3.3.45. ábra Rúd a rúdhoz. Erősebb csomópont a hajlított alak miatt.
33
3.3.46. ábra Forrasztott szem
3.3.47. ábra Cső lemezhez
3.3.48. ábra Cső csőhöz. A kiperemezés leveszi a belső nyomás terhét a forrasztásról.
34
3.3.50. ábra Lemez lemezhez
3.3.51. ábra Lemez lemezhez merőlegesen
3.3.49. ábra Rúd lemezhez
Forrasztott kötések méretezése Forrasztott kötéseknél, különösen a lágyforraszoknál, törekedni kell arra, hogy a terhelést a forraszréteg nyíró igénybevétellel vigye át.
τ=
F , Aτ
v1
v2
A 3.3.52. ábra szerinti kötésnél az l hosszúságú forraszrétegben ébredő átlagos nyírófeszültség: (3.3.78)
l
ahol A τ = bl
(3.3.79) F
F b
a nyírt keresztmetszet. Ha ismerjük a megengedhető csúsztató feszültséget, akkor kiszámíthatjuk a kötés teherbírását: Fmax = A τ τ meg . (3.3.80)
3.3.52. ábra Átlapolt forrasztott kötés
35
A (3.3.80) összefüggés valójában a forrasztott réteg teherbírása, amelyet csak akkor tudunk kihasználni, ha az összeforrasztott lemezek is kibírják ezt a terhelést: Fσ = A σ σ meg ahol
(3.3.81)
A σ = bv
a lemez keresztmetszete,
σ meg
a lemezben megengedhető húzófeszültség.
(3.3.82)
Mivel két lemez van, ezért az (3.3.81) képlettel mindkét lemezre ki kell számítani az Fσ határerőt, és ezek közül a kisebbnek is el kell érni a (3.3.80)-ből kiszámított erőt. Optimális esetben a lemezek teherbírása és a forrasztott réteg teherbírása egymással megegyezik: Fmax = Fσ
(3.3.83)
Behelyettesítve: A τ τ meg = A σ σ meg , továbbá bl τ meg = bvσ meg , amelyből
l opt =
σ meg τ meg
v
adódik az optimális forrasztási hosszra.
(3.3.84)
Ezt az optimális hosszt lágyforrasztásnál általában nem érjük el, mert a szokásos kötéshossz
l sz = 3..4 v
(3.3.85)
és a lágyforrasz szilársága sokkal kisebb, mint az összeforrasztott fémeké, vagyis várhatóan: σ meg
>
τ meg
4
lágyforraszok v
esetén. Keményforraszoknál használható a 3.3.53. ábra szerinti tompa kötés.
A kötésben ébredő húzófeszültség: (3.3.86)
A k = bv
(3.3.87)
F
F b
F , Ak
σ=
ahol a forrasztott felület. A teherbírás:
Fmax = A k σ meg .
(3.3.88)
3.3.53. ábra Tompa kötés, csak keményforraszokra használható
36
1. Egy 10 mm átmérőjű háztartási csővezetékben hideg vizet szállítunk. A tervezési nyomás 1,6 MPa. Számítsa ki az ábrán látható kötés teherbírását, ha a forrasz teherbírása Rm = 60 MPa!
O10
Számpéldák
10
Kidolgozás:
A forrasztott felület nagysága:
A τ = dπl = 10 ⋅ π ⋅ 10 = 314 mm 2 . A teherbírás:
Fmeg = A τ τ meg = 314 ⋅ 30 = 9420 N , ahol az (1) alapján: τ meg =
R m 60 = = 30 MPa. 2 2
3.3.54. ábra Forrasztott csőkötés
A terhelés a belső nyomásból származó axiális erő:
Fax =
d2π 10 2 π p= 1,6 = 125,7 N. 4 4
Következtetés: A forrasztott kötés teherbírása 9420 N, amely a belső nyomásból származó terhelés többszöröse. A kötésnek nincs hőterhelése, mert hideg vizet szállít, ezért a kötés ebből a szempontból is megfelelő.
2. Egy 0,1 kW villanymotor tengelyére tárcsát szerelünk a 3.3.55. ábra szerinti forrasztott kötéssel. A motor üzemi fordulatszáma 3000 [1/min]. Mekkora minimális kötéshossz szükséges, ha az üzemtényező kd = 1,6 , és a megengedett váltakozó nyírófeszültség τ meg = 3 MPa?
O5
Megjegyzés: Az alkatrészeket illeszteni kell, állandó rés = 0,1 .. 0,2 mm. A forraszanyag elterülését a kapilláris hatás biztosítja. Kidolgozás:
A terhelő nyomaték: Tmax = k d
P 100 = 1,6 = 0,509 Nm , ω 314
ahol 2πn 2π 3000 = = 314 1/s a szögsebesség. 60 60
l
ω=
3.3.55. ábra Kisméretű nyomatékkötés
A kerületi erő:
Fk =
Tmax 509 = = 204 N. d 5 2 2
37
A szükséges felület: A τ =
Fk 204 2 = = 68 mm . 3 τ meg
A megkívánt kötéshossz: l min =
A τ 68 = = 4,32 mm. dπ 5 π
Következtetés: A nyomaték átviteléhez elegendő csak mintegy tengelyátmérőnyi szakasz. Az agyhossz maradék része a központosítás céljára használható fel. A 3.3.56. ábra szerint célszerű a kötést átalakítani.
O5
3.3.56. ábra Az átalakított kötés
5
- Forrasztás vége -
38
