Materiálové spoje – svářené, pájené, lepené Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice

Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Svařování Podstatou svařování kovů je vytvoření metalurgického spojení, t. j. spojení založeného na působení meziatomových sil, které udržují velmi účinně přesnou vzájemnou polohu a odstupy atomů tvořících uvnitř částic atomovou mřížku. Zároveň udržuje stálý tvar kovových předmětů. Svařování má v současnosti velké uplatnění v automobilovém průmyslu. Používá se hlavně při výrobě karoserií osobních automobilů. Samozřejmě, že svařování se využívá i při výrobě velkých celků jako železniční vagóny, tlakové nádoby, kotle, lodě, ale i při výrobě menších strojních dílů.

Základní pojmy u tavného svařování dle ČSN 05 0000 Základní materiál (7) – materiál, který je svářený, Přídavný materiál – materiál, který je přidávaný v průběhu svařování Svarová lázeň (6)– materiál, který je roztavený při svarování, po ztuhnutí jej nazývame svarovým kovem Svarové plochy – plochy základního materiálu, které po svařování zváraní sú nastavené na hranicu zvaru Svarový spoj (15) – vlastný svar + teplem ovlyvnená oblast Svarová mezera (1), svarová plocha (2), α–úhel rozevření (3), β – úhel skosení (4), hs – hloubka sváru (5), teplem ovlivnená oblast (8), vrstva sváru (9), svarová housenka (10), h– převýšení svaru (11), líc svaru (12), rub svaru (13), kořen svaru (14),

Druhy a tvary svařových spojů S ohledem na konstrukční provedení rozeznávame tyto druhy svařových spojů: tupý koutový, křížový, rohový přeplátovaný

Druhy svařových spojů

Svařování elektrickým obloukem Elektrický oblouk je světelný výboj ionizované směsi plynů a pár kruhového průřezu s vysokou teplotou. Délka svářecího oblouku se pohybuje od 2 do 7 mm. Proud může být od 10 do 2000 A,  napětí od 10 do 50 V. Elektrický oblouk mé několik charakteristických oblastí: na povrchu elektrody, která má mínus pól (katóda), se tvoří katódová skvrna, přes kterou prochází proud. V blízkosti katódy se tvoří v plynném sloupci katódová oblast, na povrchu elektrody s kladným pólem (anóda) vzniká anodová skvrna a na ni navazuje anodová oblast, střední část sloupce je pozitivní sloupec, který tvoří skoro celou délku elektrického oblouku. Všechny tři sloupce obaluje obálka, která se označuje jako plazma.

Metody sváření elektrickým obloukem Elektroda Ochranné prostředí Zkratka a název metody Obalená (kovové jádro a obal) látky z obalu MMA – ručně, obalenou elektrodou Holý drát nebo plněná trubička zrnité tavidlo SAW – automatické pod tavidlem ochranný plyn inertní (Ar) MIG – (metal-inert-gas) ochranný plyn aktivní (Ar+O2) MAG – (metal-activ-gas) ochranný plyn CO2 CO2 – svařování v CO2 Netavící sa wolfrámová elektróda inertní plyn WIG-(wolfram-inert-gas) anglické označení: TIG-(tungsten-inert-gas)

Svařování elektrickým obloukem Mezi elektrodou a základním materiálem hoří elektrický oblouk. Během hoření oblouku se elektroda odtavuje, kov se ukládá do svarové lázně a tím dochází k vytvoření svarového spoje. Schéma ručního svařování elektrickým obloukem

Svařování elektrickým obloukem v ochranních atmosférách Při svařování v ochranných atmosférách rozlišujeme svařování netavící se wolframovou elektrodou WIG a svařování s odtavujíci se kovovou elektrodou (MAG, MIG). Předností je jednoduchá automatizace svařovacího procesu a vhodnost využití pro robotizovaná pracoviště.

Svařování elektrickým obloukem v ochranních atmosférách Zajištění kvalitního svařového spoje při obloukovém svařování vyžaduje vytvoření ochranné zóny oblouku a roztaveného kovu od škodlivého účinku vzduchu. Na vytvoření ochranné zóny se používají inertní plyny (argon, helium a jejich směsi, které nereagují s roztaveným kovem) a aktivní plyny (oxid uhličitý, vodík a jejich směsi, které s roztaveným kovem reagují).

Koutové svary Koutové svary se umisťují podél klínové hrany spojovaných dílců a jejich základním profilem je rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník. Používají se obvykle jako nosné, silové svary pro spoje tvaru T, křížové spoje, rohové spoje a pro spojení přeplátované. Svařované součásti není potřeba tvarově upravovat. U staticky zatížených spojů se obvykle používá svar plochý, u dynamicky zatížených spojů je výhodnější svar vydutý, který má menší vrubové účinky.

Pájení Pájením se metalurgickou cestou působením vhodného zdroje tepla, spojují stejné nebo různé kovové materiály pomocí přídavného materiálu (pájky), která má odlišné chemické složení a nižší bod tavení než základní (pájený) materiál. Pájený spoj je nerozebíratelný. Při pájení nedochází v místě spoje k natavení spojovaných materiálů. Ohřívá se buď jen pájené místo, nebo celá součást. Spojení nastává nejčastěji v důsledku vzájemné difuze a rozpustnosti pájky a základních materiálů. Spoj vzniká spojením tří materiálů: základního, pájky a tavidla. Pro pájení se používá pájedlo (nástroj, který umožňuje natavit přídavný materiál) a pájka (přídavný materiál). Technologie pájení se využívá zejména v elektrotechnickém, energetickém, chladírenském průmyslu. Využívá se v případech, kde je požadovaná těsnost, elektrická vodivost, povrchový vzhled spoje.

Druhy pájení Výhody pájení jsou především v možnosti spojování všech kovů a slitin (které jinak není možné spojit), přičemž je možné kombinovat železné i neželezné materiály. Dalšími výhodami jsou rozměrová přesnost, vysoká produktivita, menší spotřeba energie i jednodušší zařízení. Výhodou je i menší pnutí i menší strukturní změny v základním materiálu, také možnost svařování tenkostěnných i tlustostěnných součástí. Nevýhodou pájení je menší pevnost spojů. Pájení není vhodné pro dlouhé spoje, také příprava spojů je náročnější. Přítomnost dalšího materiálu ve spoji může zhoršit odolnost proti korozi.

Základní rozdělení pájení Základní dělení pájení je podle teploty pájení. Poznáme měkké pájení (teplota solidu pájky je do 450 ºC) a tvrdé pájení (teplota solidu pájky je nad 450 ºC).

Základní rozdělení pájení Měkké pájení se používa na spoje s menší pevností, pevnost spoje v tahu je do 80 MPa, ve střihu do 50MPa. Typická pracovní teplota je 190-350°C. Měkkým pájením je možné pájet oceli měď, stříbro, olovo, hliník, nikl, zinek, cín a jejich slitiny, šedou litinu i keramiku. Pájky pro měkké pájení jsou nejčastěji cínové (na bázi cínu a olova) nebo speciální (napr. pro spojování kovů se sklem s 4-90% Sn).   Tvrdé pájení se používá na spoje s vyšší pevností, pevnost spoje v tahu je do 400 MPa, ve střihu v rozmezí 100 – 1300 MPa. Typická pracovní teplota nad 700 °C. Tvrdým pájením je možné pájet oceli, litinu, hliník, nikl, žárupevné materiály, keramicko-kovové materiály a grafit. Pájky pro měkké pájení jsou nejčastěji na bázi mědi (a její slitin s obsahem fosforu), mosazi, zlata, stříbra a hliníku.

Základní rozdělení pájení Z hlediska technologie pájení poznáme tyto druhy pájení:   indukční pájení pájení ponorem pájení v peci plamenové pájení

Pájka Pájky jsou nejčastěji ve formě drátu nebo pásku, mohou však být ive formě prášku, trubiček, tyčinek, nebo past. Pájka musí splňovat tyto požadavky: musí mít nižší bod tavění jak základní matriál a interval tavení má být úzký musí mít nízký obsah nečistot nesmí se základním materiálem vytvářet křehké intermediální fáze kvůli korozi musí obsahovat prvky s malým rozdílem elektrochemického potenciálu styku se základním materiálem musí mýt dobré pájecí vlastnosti (smáčivost, roztékavost, kapilaritu) mechanické vlastnosti musí odpovídat podmínkám provozu

Tavidla Tavidla jsou chemické látky, které zlepšují technologii pájení. Tavidla chrání pájku i základní materiál před účinky okolního prostředí (oxidací), musí dokonale smáčet základní materiál i pájku. Forma tavidla je různá – může to být prášek, kapalina, nebo pasta. Za tavidlo lze považovat v určitých případech i vakuum. Volba tavidla závisí od více faktorů, zejména však od použitého základního nebo přídavného materiálu – pájky a jeho teploty tavení. Pro měkké pájení se používají tavidla s reakční teplotou do 400 ºC , pro tvrdé pájení snad 500 ºC. Tavidla mají mít stále povrchové napětí, hustota tavidla musí být menší než hustota pájky, taktéž musí být tavidlo chemicky stálé a zdravotně nezávadné.

Lepení V současnosti se technologie lepení stala jednou ze základních technologií spojování kovů, plastů i kombinovaných systémů materiálů ve všech průmyslových odvětvích. Oproti ostatním technologiím není při technologii lepení téměř nikdy (mimo chemické účinky) ovlivněn základní materiál lepeného spoje (oproti svarům, vrubům, obrábění ...). Důležité parametry technologie lepení jsou efektivnost a ekonomičnost. I proto se lepení prosazuje v průmyslu v mnoha aplikacích.

Pevnost lepeného spoje. Adheze a koheze Podmínkami pro vytvroření kvalitního lepeného spoje se všemi jeho kladnými vlastnostmi jsou především vhodná konstrukce spoje, vhodná kombinace lepený materiál-použité lepidlo a dodržení technologického postupu výroby lepeného spoje. Pevnost slepeného spoje závisí na čtyřech parametrech: na přilnavosti lepidla k lepenému povrchu (adheze) na soudržnosti hmoty lepidla, neboli vnitřní pevnosti lepidla (koheze) na smáčivosti lepeného povrchu kapalným lepidlem na pevnosti (soudržnosti) lepeného materiálu

Pevnost lepeného spoje. Adheze a koheze Adheze je základní předpoklad úspěšného lepení. Jestliže lepidlo není schopno dostatečně pevně přilnout k materiálu, spoj nedrží a dochází k rozlepení na rozhraní lepidlo – lepený materiál. V tomto případě je vnitřní soudržnost lepidla (koheze) i vlastní pevnost materiálu vyšší než přilnavost (adheze). Na to proč vznikají adhezní síly existují dva teoretické modely vazby mezi lepidlem a lepeným povrchem: mechanická vazba chemická (nebo také specifická) vazba

Pevnost lepeného spoje. Adheze a koheze Koheze představuje vlastní pevnost vrstvy lepidla. Jestliže se lepený spoj roztrhne ve vrstvě lepidla, znamená to, že adheze i pevnost lepeného materiálu je vyšší než koheze. Kohezní pevnost závisí na charakteru lepidla (dvousložkové epoxidy mají vysokou kohezi; měkké akryláty pro výrobu trvale lepivých samolepících etiket mají nízkou kohezi) a na tepelném namáhání lepeného spoje (většina jednosložkových lepidel jsou termoplasty – měknou při zvyšování teploty).

Technologie lepení Technologický postup výroby lepeného spoje má čtyři základní fáze, jimiž jsou.: příprava spojovaného materiálu (adherentu) na lepení příprava lepidla nanášení lepidla montáž a fixace spoje

Technologie lepení Technologii lepení můžeme rozdělit dle několik hledisek: dle způsobu nanášení lepidla: ruční: pistolí (rozpouštědlová nebo disperzní), štětec nebo stěrka (rozpouštědlová nebo disperzní nebo reaktivní), speciální dávkovače bez přístupu vzduchu (kyanoakryláty, polyuretany, silikony) strojní: stříkání (všechny druhy i tavná lepidla), válečky a kotouče (všechny druhy, málo často reaktivní lepidla), speciální dávkovače a dávkovací pistole (reaktivní lepidla)

Technologie lepení dle teploty lepení: lepení za studena (disperze, rozpouštědlová lepidla) lepení za tepla (některá reaktivní lepidla, např. močovinová, fenolická, PUR, tavná lepidla) - lepení po tepelné aktivaci (polyuretany, akrylátové disperze, EVA disperze) dle rychlosti lepení/lepidla: relativně pomalá lepidla (obuvnická kontaktní, podlahářská, čalounická pro velké plochy – všude tam, kde dlouho trvá nanášení na větší plochy) relativně rychlá lepidla (sekundové kyanoakryláty, čalounická lepidla, papírenská lepidla) dle otevřené doby lepidla: neomezená otevřená doba: tlakově citlivá lepidla (anglická zkratka PSA) - samolepky dlouhá otevřená doba: speciální kontaktní lepidla (obuvnictví, podlahoviny), některá reaktivní lepidla (močovinová, epoxidová, některé dvousložkové polyuretany) krátká otevřená doba: PVAc disperze na dřevo a papír, kyanoakryláty, čalounická rozpouštědlová lepidla